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浅谈科学思维的演进与发展

已有 2882 次阅读 2022-3-26 19:37 |系统分类:科研笔记

在人类发展史中,科技的发展在其中起到的独一无二的推动作用,科技包含科学和技术,科学是以探索自然发现自然规律为目的,而技术则是产生制造工具用以改造自然的过程。科学的发展史,我们可以追溯到古罗马时期,而技术的发展史则短短近几百年,然而,无论是追溯科学发展史还是在科技史中,我们发现科学方法的提出与发展在其中扮演重要的角色。如,笛卡尔就是一位善于总结规律方法的人,他从前人的大量工作中总结出了科学研究的方法论,对后来自然科学的发展产生了影响深远,直到今天对科研仍具有指导意义。

知识不仅要有传播的载体,更需要传承和创造。古代早期的文明中,古希腊人的贡献最为突出,他们善于思辨和逻辑推理,通过归纳和演绎,把经验上升为系统化的理论和科学。比较有创造性的人物之一就是泰勒斯,他首先提出了一个什么是万物的本源这个哲学的问题,他试图通过观察和理性思维来解释世界。泰勒斯了不起的地方还在于他引入了科学命题的思想,并且提出用数学逻辑来证明命题的正确性。正因如此,泰勒斯被后人称为科学哲学之父。

对科学的诞生贡献最大的是毕达哥拉斯,他把世界上的规律分成可感知的和可理喻的。所谓感知的就是通过实验科学得到的结果,而可理喻的则是通过数学中逻辑推理得到的结论。他坚持通过演绎法推导出结论,也就是通过逻辑推理,而不是通过实验得到结论,通过穷举找到规律。毕达哥拉斯的这种思想不仅奠定了后世数学研究的方法论,还创建了一种为科学而科学的研究态度。在这样的思想指导下,古希腊科学的体系得以形成,对科学的发展产生深远影响。将公理化体系发展到极致的则是欧几里得,他在总结了东西方几个世纪所积累的几何学成果的基础上,创建了基于公理化体系的几何学,并写成了《几何原本》一书。欧几里的这本《几何原本》得对数学及科学的发展影响深远,牛顿的《自然哲学的数学原理》的撰写思路就是由该书的逻辑演绎而成。特别是后期数学发展的各个分支都是建立在定义和公理基础之上的自洽的体系,如微积分、概率论等数学分支。

如果说毕达哥拉斯奠定了数学的基础,亚里士多德则奠定了基于观察和实验的自然科学的基础,可以说是物理学的开山鼻祖。他的最大贡献还在于将科学进行了分类:第一类是理论的科学,包括数学和物理学;第二类是实用的科学,包括经济学、政治学、战略学和修辞写作;第三类是创造的科学,即诗歌、艺术。希腊文明优于之前的文明,原因便在于它开创了早期的科学。另外,在当时技术也有了一定程度的发展,如阿基米德系统地研究机械的原理,简单机械在工程和生活中得到普遍的应用,但大部分的技术进步都是基于经验基础上的缓慢积累,周期较长,直到笛卡尔和牛顿之后,才出现的彻底的改观。

笛卡尔的科学方法论讲述的是科学研究从感知到新知所应该遵循的过程。他认为,认识世界的起点是感知,通过感知产生抽象的认识,并进一步提炼和总结出抽象的概念,这些是科学的基础。感知的作用就像是今天通过传感器收集来的大数据,来帮助我们改进产品和服务。笛卡尔著名的《方法论》一书中揭示了科学研究和发明创造的普世方法,并把它概括四个步骤:第一、不盲从,批判的怀疑;第二、复杂问题分解成多个小问题来研究,化繁为简,化整为零;第三、解决小问题顺序,应先易后难;第四、解决每个小问题后再综合起来,看看是否解决原来的问题。在整个研究过程中,笛卡尔十分注重逻辑的重要性,即使每个人对同一事物的感知不同,但对于同一前提,运用逻辑得出的结论必须是相同的。因此从实验得到结果,以及将结果产生的结论进行推广和普遍化都离不开逻辑,实验加逻辑,被称为是实验科学的基础。笛卡尔将科学发展的规律总结为:(1)提出问题;(2)进行实验;(3)从实验中得到结果并解释;(4)将结论推广并且普遍化;(5)在实践中找到新的问题。如此循环往复。

笛卡尔总结出了完整的科学方法,即科学研究是通过正确的论据和前提条件,进行正确的推理,得到正确结论的过程。后来科学家遵循这个方法,大大地提高科研效率。因此,笛卡尔是开创科学时代的祖师爷。在此之后,人类历史上迎来了科学发展最重要的时期,大部分近代的学科都是在那个时代诞生的。我们在中学学到的大部分科学知识,包括数学、物理学中的力学和光学、化学、生理学和天文学等,都是那个时期科学家们的发现以及对经验的总结。

在任何一个科学发展的时代,都需要在思维方式和方法论上比先前的年代有巨大的飞跃。那些新的思维方式,会用那个时代最明显的特征命名,如从牛顿开始的200多年间,最先进、最重要的思维方式就是机械方法论了。牛顿构建了近代三大科学体系,以微积分为核心的近代数学,以牛顿三定律为基础的经典物理学,及以万有引力定律为基础的天文学。牛顿将这三大科学体系写成了《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)一书,成为历史上最有影响力的科技巨著。牛顿对科学最大的贡献在于他将数学、物理学和天文学三个原本孤立的知识体系,通过物质的机械运动统一了起来,这就形成了哲学上所说的机械方法论。

机械思维的最直接结果就是知识的高度浓缩和传递的高效性,几个简单的公式就能讲清楚宇宙运行的规律,这种知识的表达和传播的效率超过了之前的任何文明。牛顿将几乎所有到他为止人类所掌握的自然科学知识,仅用他的两本书《原理》和《光学》就概括了。在牛顿之前的时代,科学转化为技术的周期还很长,有时需要半个世纪甚至更长,如牛顿之后近一个世纪,瓦特才通过理论知识改进并发明了新的蒸汽机,被称为万用蒸汽机,极大地提高了各行各业的生产效率,因此带来了社会的变革,推动了工业革命的诞生。随着科学技术的迭代式发展创新,在牛顿时期的科学转化为技术的周期,由半个世纪之久缩短到今天的20年左右。

综上所述,科学发展中的科学思维一直是影响科技发展进程的关键性方向性的力量,从欧几里得《几何原理》,到笛卡尔总结的《科学方法论》,再到牛顿的《原理》,到瓦特时代的《机械思维》,最后形成现代的系统论、信息论和控制论。这是科学思维的发展脉络,是科学技术的发展核心,是改变世界的思维源泉。




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