何谓科学思维

杜国平

(中国社会科学院大学 哲学院， 北京 102488)

理论创新和实践探索离不开科学思维。究竟什么是科学思维，如何进行科学思维？本文拟从其与逻辑思维的关系这一视角来对此进行分析、探讨。

一、科学思维之所指

科学思维在日常语言中是一个被广泛使用的词语。它至少存在如下两个方面的意思：

(1)科学研究中所使用的思维方法。这是在特定领域、从事某项专业性活动思维所运用的发现的方法、探究的方法和创新的方法。

(2)按照合理的规则、规范进行思考的方法。包括思维的逻辑起点是清晰明确的、思维的过程是合乎规则的、思维的结果是合理得出的等等。它有时甚至指的就是正确的思维方法。

为了方便表述，我们将上述两个存在诸多相关性又略有区别的不同概念称为科学思维1和科学思维2。科学思维1通常体现为一种职业性思维习惯，如凡事都首先考虑观点或者理论是否可证伪、过程是否可重复、结果是否可验证等，就如从事买卖的凡事考虑是否有赚头，从事研究的凡事考虑是否值得探究、探究是否有可行性等。而科学思维2则更多从理论性、系统性的角度来考虑如何保证思维的合理性。科学思维1侧重的是现实性，科学思维2侧重的是规范性。如同对于一个城市，我们可以从方位上将其分为朱雀区、玄武区、青龙区、白虎区，我们也可以从功能上将其分为餐饮区、文娱区、金融区、高教区，等等。科学思维1侧重的是从思维形式上的分区，科学思维2侧重的是从思维功能上的分区。某种意义上，科学思维1可以说是科学家的思维，而科学思维2是科学性的思维。科学思维1更多地是突出实然工具层面的思维，科学思维2更多地是突出应然规范层面的思维。虽然科学思维1通常也是科学思维2，但是科学思维1并非都是科学思维2。另外，科学思维2中的思维不仅包括科学研究中的正确思维，它还包括诸如数学等人类纯粹抽象思维中的正确思维以及其他理性活动中的正确思维。

本文所讨论的科学思维指的是科学思维2。下面，我们主要基于科学思维2从几个不同的视角来阐明科学思维的具体内涵。

(一)从思维的能力结构看

1981年度诺贝尔医学生理学奖获得者美国著名心理生物学家斯佩里教授(Roger Wolcott Sperry)通过割裂脑实验，证实了大脑不对称性的“左右脑分工理论”。根据他的理论，右脑主要功能是形象思维，左脑的主要功能是抽象思维。具体地说，左脑的功能包括时间、逻辑记忆、语言、数学计算、排列、分类、逻辑分析等，右脑的功能包括空间、形象记忆、知觉、视觉、音乐等功能。不难看出，左脑的功能主要可以归纳为语言表达、数学计算和逻辑推理功能。

一个人的思维能力主要指的是他的抽象思维能力，因此根据斯佩里的研究结果，可以认为，思维能力的基本要素主要包括：语言的理解和表达能力、数学运算能力和逻辑推理能力。

一个没有语言能力(例如聋哑人)或者没有数学运算能力的人，他的逻辑思维可能是非常清晰的；但是一个没有逻辑思维的人一定不可能有良好的语言能力和数学运算能力。因此，这三种基本能力实际上可以分为两个层次：第一级是处于最底层的，是逻辑推理能力；第二级是以逻辑思维能力为基础的语言的理解和表达能力、数学运算能力。

图1 左右脑分工理论示意图

从思维的能力结构可以看出，科学思维首先是在第一级能力层次上即逻辑思维能力层次上的科学思维，因此，作为有效思维的科学思维首先要遵守的是逻辑思维规则。在此意义上可以说，符合逻辑的思维(以下简称逻辑思维)是科学思维的基础。

从思维的生物学构成看，视觉、空间、音乐等是形象思维的基本单元，时间、逻辑、计算、语言等是抽象思维的基本单元。因此，基于生物学基础，我们可以说有视觉思维、空间思维、逻辑思维、计算思维，而没有科学思维。科学思维不是一种基本的思维元素，它是若干基本思维元素的综合运用，科学思维是一个基于规则的多种思维的组合，它是一种复合性思维、整体性思维。另一方面，科学思维与对思维的反思、内省的审辨式思维也不同，科学思维在不指向思维自身的通常情况下仍然是一阶思维，而审辨式思维至少是二阶思维。可以简而言之，科学思维是对其他对象的思维，而审辨式思维是对思维的思维。

(二)从科学的产生因素看

科学思维2可以说自人类具有思考能力的时代以来就已经产生，经历了一个长期发展的历程，并从思想上促进了近代科学的产生。在此基础上，形成了科学家团体，进而产生了科学家研究范式，形成了科学思维1。基于这一点，下文我们一般在科学思维2的意义上来展开相关探讨。

科学思维2尽管并非指的是科学研究中的思维，所强调的是思维符合规则，是合理的思维、正确的思维、有效的思维。但毫无疑问的是，科学思维2也是科学研究所必须的。作为人类理性的杰出成就和人类现代文明的主要标志的近现代科学无疑是科学思维2的重要成果。因此，近现代科学的理论思维中无疑处处闪现着科学思维2的光辉。那么我们考察近现代科学由以产生的根源，特别是其中与思维有关的要素，应该可以提供探索科学思维2本质特征的若干启发性线索。

对于近现代科学产生的原因，这当然是一个值得深入研究的问题。但是，爱因斯坦的有关论述无疑是极富启发价值的。爱因斯坦曾经说过，西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础的：古希腊哲学家发明的形式逻辑体系以及有可能找出因果关系的实验方法[1]。这里，“古希腊哲学家发明的形式逻辑体系”主要指的是以亚里士多德三段论为代表的演绎逻辑体系，跟思维相关的就是演绎逻辑思维；“有可能找出因果关系的实验方法”主要指的是归纳方法和类比方法等，跟思维相关的就是归纳思维和类比思维。两者都属于逻辑思维。因此，根据爱因斯坦的论述，近现代科学由以产生的思维方面的要素就是逻辑思维。由科学史的线索看，逻辑思维是科学思维2的关键要素。据此也可以说，科学思维1肇始于逻辑思维的长期作用，逻辑思维是科学思维2的核心。

(三)从探索、创新看

科学思维的一个重要功能是进行科学探索和创新，探索、创新不是空中建楼阁，不能做无米之炊，它必须有理论基础，必须有思维工具、实验工具和探索对象、实验材料，等等。作为最一般的理论基础和思维工具是什么呢？是逻辑、哲学、宗教，等等。其中，逻辑是最为基础的。这是由逻辑的基本属性决定的。从研究对象看，逻辑以思维的最一般的形式结构作为自己的研究对象；从研究的基本内容看，逻辑所揭示的是思维最一般、最普遍的规律。亚里士多德的逻辑著作叫《工具论》，培根的逻辑著作叫《新工具》。胸怀救亡图存、富国利民的严复先生明确指出，逻辑“为一切法之法，一切学之学”[2]，“为学之道，第一步则须为玄学；玄者悬也，谓其不落边际，理该众事者也。玄学一名二数(1)笔者注：此处“玄学”大意指的是纯粹理性之学，而非玄幻之学。“玄学一名二数”大意是“玄学”主要包括“名学”和“数学”，而“名学”主要指的是逻辑学。，自九章至微积分方维皆丽焉。人不事玄学，则无由审必然之理，而拟于无所可拟”[3]。著名学者邓拓说：“如果一个人连一般的逻辑都不懂得，当然就很难进行正确的思维，很难对自己接触的客观事物进行科学的概括，更不可能进行科学的判断和推理了。事实证明，有的人正是因为缺乏逻辑的基本训练，常常说了许多不合逻辑的十分荒谬的话，自己还不觉得它的荒谬，甚至于还自鸣得意。也有的人因为不懂得逻辑，对于别人不合逻辑的荒谬言论，竟然也不能觉察它的荒谬，甚至于随声附和，人云亦云。”[4]逻辑思维不仅是探索、创新的理论起点、思想工具，也是辨识谬误、少走弯路的警示牌。以非欧几何的产生为例，欧几里得几何中的一条特征定理是三角形内角和等于180°，数学家们发现可以分别建立包含三角形内角和大于180°或者三角形内角和小于180°为定理的另外两种非欧几何理论。尽管这在科学史上经历了曲折的探索历程，但是从逻辑上看，基于逻辑进行纯粹的可能性分析，不难发现，既然有三角形内角和等于180°的几何理论，当然可以有三角形内角和不等于180°的几何理论。由此可见，基于逻辑思维的创新比之基于面向经验世界的创新更有效率，也更为彻底。再如，尽管当今主流的理论认为光速是运动的极限速度，但是从逻辑可能性上分析，一定还存在极限速度大于光速或者小于光速的物理理论，并且这些理论在某些未知的世界中存在其现实的模型。

二、科学思维之底线

什么是科学思维的底线？科学思维的底线就是思维必须遵守的最为基本的规则，如果违反了这些基本规则，那么其思维的结果就一定不是必然可靠的。

遵守逻辑基本规律是科学思维的底线。为什么这么说呢？简言之，是因为违反逻辑基本规律的思维其结果一定不是必然可靠的。

逻辑基本规律通常包括同一律、不矛盾律和排中律。

遵守同一律指的是在同一思维过程中，要保持概念、判断的自身同一性。对于同一概念不能既是A，又不是A，要求在同一时间、同一地点对某一对象的属性要有明确的反映，即在同一思维过程中一个概念的内涵和外延必须具有确定性；对于同一判断，不能既是p，又不是p，要求在同一思维过程中，一个判断断定了什么就是什么，不能更改。遵守同一律是为了保持思想的确定性[5]。违反了同一律，其思维结果一定不是必然可靠的，甚至会导致极端荒谬的结果。例如，根据同一律的要求，2只能等于2，1只能等于1。即1是1，2是2。如果我们违反同一律的要求，断定2=1，通过简单的推演，将导致出人意料的结果。例如，可以得出：“科学理论就是非科学理论”。其证明如下：

(1) 2=1 假设

(2) 科学理论和非科学理论是两种理论 共识

(3) 两种理论 = 一种理论 根据(1)

(4) 科学理论和非科学理论是一种理论 根据(2)、(3)

(5) 科学理论就是非科学理论 根据(4)

因此，遵守同一律是科学思维的底线之一。

遵守不矛盾律指的是在同一思维过程中，两个互相否定的思想不能同真，必有一假。遵守不矛盾律是为了保持思想的一致性。就概念方面而言，遵守不矛盾律要求在同一时间、同一地点对同一对象是否具有某一属性要有一致的断定，不能在同一个概念中，一个对象既具有某一属性，又不具有某一属性。例如，有人曾经设想发明出能够溶解任何物质的“万能溶液”。一方面，“万能溶液”要能溶解所有物质；另一方面，必须有盛放“万能溶液”的器皿，这就要求“万能溶液”不能溶解盛放它的器皿。所以，“万能溶液”就是一个违反不矛盾律的自毁概念，以此作为思想的逻辑起点必然得出的是一个包含内在不一致的理论体系，这样的理论体系不可能是科学的理论体系。就判断方面而言，遵守不矛盾律要求在同一思维过程中，不能既断定某对象是什么，又断定它不是什么。例如，亚里士多德认为，不同重量的两个铁球同时从高处落下，重的比轻的先落地。伽利略据此对大铁球B1和小铁球B2绑在一起的情况B1+B2进行了如下推理：一方面，因为B1+B2的重量大于B1，根据亚里士多德的观点，B1+B2应该比B1下降得快；另一方面，因为B1比B2快，将两个铁球绑在一起，B1必定受到落得慢的B2的拉扯，这样B1+B2应该比单独的B1下降得慢。这样，对于B1+B2就得出了两个互相矛盾的判断，这就违反了不矛盾律。这样就可以证明亚里士多德的这一观点是错误的。

遵守排中律指的是两个相互矛盾的思想不能都假，而是恰好有一个是真的。遵守排中律要求对于互斥且穷尽所有可能的若干可能的思想必须断定其中一个是真的。因此，如果对于若干可能的情况有所遗漏，或者对所有可能情况均不加肯定则是违背了排中律。例如，人们对于光的本质的研究有一段时间曾经陷入困惑。即人们对于光究竟是粒子还是波一时判断不清。其实，陷入这一困境的一个思想根源就是在思维上违反了排中律。因为根据排中律，对于光的性质，逻辑上判断其要么是粒子要么是波，这是违反排中律的。因为，对于光的性质，根据逻辑排中律，存在4种可能：是粒子而不是波；是波而不是粒子；既是波也是粒子；既不是波也不是粒子。依据排中律，应该断定上述4种情况恰好有一个成立。仅仅断定其中的2种情况恰好有一个成立，而遗漏了其他两种情况，这就违反了排中律。

有一种观点认为逻辑的基本规律还包括充足理由律。这种观点在此可以被否证，因为思维即使违反充足理由律，也并一定导致思维的结果就一定不是必然可靠的。例如不完全归纳推理是科学研究中普遍使用的一种推理方式，若干前提的真并不能保证结论的真，其推理是不满足充足理由律的，但是使用这一思维方法的结果却未必就是不可靠的，诸多科学定理尽管理论上是可证伪的，但是其作为科学定理的价值就在于它不断被越来越多的事实所进一步验证。违反充足理由律不一定导致其思维结果一定不是必然可靠的，充足理由律不是科学思维的底线，因此它不是逻辑的基本规律。

由此可见，逻辑思维不仅是科学思维的底线、红线，而且是一条高压线。

三、科学思维之方法

科学思维不是毫无章法的狂想，它有一些基本的方法。逻辑方法就是其中最为基本的方法。这些方法包括可以得出必然结论的演绎方法以及虽然不能得出必然结论但是可以得出相对可靠结论的合理性探索方法。概言之，主要有演绎的方法、归纳的方法和类比的方法，等等。

(一)演绎的方法

演绎的方法就是根据确定的前提，依据逻辑公理和推理规则严格按照程序进行推理，从而得出结论的方法。常用的演绎法包括反证法、归谬法、二难推理、反三段论、假言易位推理等。在科学探索到一定阶段之后，就必须将若干零散的、缺乏联系的发现和知识整理成为一个系统的理论体系，并验证这些发现之间是否具有一致性，等等，这时就需要使用演绎的方法。还存在一种理想的探索、发现方法(这可能是未来科学探索的主要方法)，就是构建一个理论体系或者科学体系首先只是从若干假定出发，而不是从诸多的观察或者实验结果出发，由此使用演绎的方法对这些理论假设进行推演，从而构建出完整、系统的理论体系或若干经验命题，然后再通过观察或者实验来检验这些经验命题是否成立。如果这些经验命题得到了证实，那么该理论就得到了一定的支持；如果这些经验命题没有得到验证或者只是部分得到了证实甚至是被证伪，那么就修改或者补充该理论的前提，以进一步发展该理论。

逻辑学为这些演绎的方法提供了若干理论系统，并且告诉我们这些演绎系统的推演能力是如何的，告诉我们哪些演绎系统可以得出范围内的所有真命题，哪些演绎系统不一定能得出范围内的所有真命题。因此，适当的逻辑学习和训练可以提供我们的逻辑思维水平，进而提高我们的科学思维水平[6-7]。

(二)归纳的方法

归纳法也是逻辑思维的基本方法，这是科学探索发现规律的主要方法之一。其基本思路是由一些对象或现象具有某性质或者某特征进而概括推测该类对象或现象都具有该性质或者特征的推理方法。其基本要求是：第一，归纳的前提不能出现反例；第二，考察的对象或者现象要尽可能多；第三，考察对象的范围要尽可能广泛，具有代表性；第四，前提中对象的性质或者特征不应与已经发现的对象的个体特性相关，而应该仅仅与其类属性质相关；第五，要尽可能探究该类对象或者现象与所发现的共同性质或者特征之间内在的因果联系。

逻辑归纳法还为科学思维提供了一系列探索事物之间因果联系的具体方法。如培根三表法、穆勒五法等。这些方法提供了科学思维可操作的具体程序，包括基本思路、操作形式和具体规则等。例如，穆勒五法中的差异法指的是在被研究现象出现和不出现的两个不同场合中，如果其他情况均相同，只有一个情况不同，它在被研究现象出现的场合中存在，而在被研究现象不出现的场合中不存在，那么这个唯一不同的情况就可能与被研究现象之间存在因果联系。其基本形式是：

场合相关情况被研究现象(1)ABCa(2)—BC—

所以，情况A与现象a之间可能存在因果联系。

求异法的基本规则是：第一，要仔细研究在两种不同的场合中有无其他差异情况。如，在其他条件相同的情况下，通过有无阳光照射的对照实验，我们可以知道阳光充足是植物生长良好的原因。第二，要注意在两种不同场合中存在的唯一不同的情况是被研究现象的整个原因，还是被研究现象的部分原因。如，通过求异法，我们可以知道阳光充足是植物生长良好的原因，但是进一步的研究可以发现，阳光充足只是植物生长良好的部分原因。

(三)类比的方法

类比法也是科学发现的常见方法。就是根据两个(或两类)对象在某些属性上相同或相似，推出它们在另一些属性上也相同或相似的方法。逻辑对类比法推理提出了一系列规则：第一，类比对象之间相同的属性要尽可能多，相同属性越多则结论的可靠程度就越高。如，人们研制新药，一般首先要在动物种群中进行试验，这时所选择的动物如果在药物所针对的生物学特性方面与人更相似，则新药对于人也可能更有效。第二，类比对象之间已知的相同属性与未知的类推属性其联系愈密切，则结论的可靠程度就愈高。例如在星际生命的探索中，如果我们由某行星都是球形、都绕太阳飞行，从而推知该行星与地球一样可能存在生物，则该推理结论的可靠性就很弱，因为生命存在的条件与星体的形状、是否绕太阳飞行没有必然联系；但是如果我们发现某行星存在液态水，有适宜的温度，有和空气类似的大气环境以及适当的光照，从而推知该行星与地球一样可能存在生物，则该推理结论的可靠性就较强，因为生命存在的条件与水、空气、阳光存在密切的联系。

类比推理也有其形式结构：

A对象具有属性a、b、c、d，

B对象具有属性a、b、c，

所以，B对象也具有属性d。

运用类比推理，可以帮助我们由已知推断未知。《吕氏春秋》中就说过：“有道之士，贵以近知远，以今知古，以所见知所不见。故审堂下之阴，而知日月之行，阴阳之变；见瓶水之冰，而知天下之寒，鱼鳖之藏也。”其次，运用类比推理可以启发人的思路，有助于提出创造性假说。例如，德布罗意就由光和粒子的相似属性，提出了实物粒子的波粒二象性猜想[8]。

在上述科学方法中，归纳、类比主要是探索发现的方法，演绎主要是整理论证的方法。

四、科学思维之本质

科学思维是综合运用包括逻辑思维、数学思维、直觉思维等多种思维在内的，以逻辑思维为核心的，面向未知世界的探索程序，其基本流程和图式可以表述如图2。

图2 科学思维的基本流程和图式

从该流程中不难看出科学思维包含两个核心内容：逻辑思维和对世界的观测、实验、分析等，难怪爱因斯坦会有本文在前面所提到的论述。对照科学探索的思维流程和爱因斯坦的相关论述，可以再一次看出科学思维的两个核心要素都是逻辑思维。因为：仅仅从思维方法的角度看，科学思维的核心就是演绎、归纳和类比，而这就是逻辑思维！

由此可见，科学思维本质上是逻辑思维在科学探索活动中的应用，科学思维是应用的逻辑思维！