因果关系中的范式与科学革命

摘要：因果关系主要是指近代牛顿经典力学下的因果关系和量子力學发展实验中尤其是在双缝干涉实验中的因果关系。在牛顿物理学范式下，因果关系表现为拉普拉斯式的决定论的形式，将必然性绝对化，完全忽视了偶然性作用的因果关系成为机械决定论。量子力学中的因果关系冲击和颠覆了传统的因果律。科学革命的本质是范式的转换，由宏观世界进入微观世界，量子力学解释高速的微观世界，在不同于宏观世界的微观世界中，量子力学中不断完善的双缝干涉实验，出现了可以先有结果、后有原因的情况，使得人们开始重新思考原因和结果的关系。

关键词：库恩;范式;因果关系;科学革命

中图分类号：N02文献标识码：A文章编号：2095-6916（2021）23-0136-03

古希腊时期，哲学家赫拉克利特认为世界上的一切事物都遵循着逻各斯，万物发展都有其规律。著名思想家亚里士多德将原因分为形式因、质料因、目的因和动力因四种。在经典力学时期，牛顿将真正的原因等同于物理学中的力，并认为只要严格地确定此种力的运作，必然能推出彼力的结果。到量子力学时期，在微观领域中粒子的性质“测不准”，在双缝干涉实验中出现了由结果推出原因的现象。美国科学史家、科学哲学家库恩提出的范式理论是指在常规科学条件下，科学家们共同拥有的信念、价值、技术的总和，并按照这一信念对难题进行解答。当回答不了的问题逐渐增多时，科学的发展是通过科学革命、新范式取代旧范式来完成。

一、库恩的范式理论

逻辑实证主义中无论个别事物如何归纳，都不能说明全部事物。证伪主义的代表波普尔以不断证伪、不断改变、发展的的模式作为科学发展的方法，但库恩认为此种方法并不能成为所有事物的发展准则。哲学家维特根斯坦前期将语言作为一种“显示”的符号，但符号间的逻辑难以将命题与意义之间的沟壑填平。受到后期维特根斯坦语言学的影响，共同体的言谈确定性，决定了语义的确定性。现代心理学对库恩产生了一定的影响，其中格式塔心理学是库恩范式理论的最佳佐证。最为典型的是鸭兔图，一个人在从来没接受过兔子形状的教育情况下，只会看出图中鸭子的形状。基于此背景，库恩产生了动态的、历史的、不同于以往的科学方法体系。库恩首次将科学史与科学哲学相结合，被称为历史主义的创始人。对范式概念的全新赋予，是库恩对科学哲学作出的最突出贡献。

（一）范式

“范式”一词最早的意思为“共同显示”，来源于古希腊时期，其现代含义是由库恩赋予的。关于“范式”理论，来自于库恩的《科学革命的结构》（以下称《结构》）一书。玛斯特曼认为在《结构》中，库恩所说的“范式”至少具有21种不同的含义。库恩在后来再版的《结构》中补充说明了范式的两种意义：一是某一特定共同体的成员共有的信念、价值、技术等的整体，二是这一整体的其中一种元素或对具体问题的解答。所以作为库恩科学哲学思想中核心概念的范式，既可以看作是一种理论体系，又可以看作是一种信念，作为某一科学团体解决问题的模型。

与范式理论联系最为密切的是科学共同体，范式是科学共同体成员们所共同具有的东西。科学共同体“指的是在科学发展的某一历史时期该学科领域中持有共同的基本观点、基本理论和基本方法的科学家集团”[1]。库恩认为：“一种范式是，而且也仅仅是一个科学共同体成员所共有的东西。反过来说，也正是由于他们掌握了共有的范式才组成了这个科学共同体。”[2]157一个科学共同体中的成员，有着相似的文化背景，从事着相同的工种，接受过相同的教育，有着共同的语言。在共同体内部，成员之间互相交流较为充分，从而可以得出较为一致的结论。科学共同体内的成员应该像信仰宗教一样，去信仰他们的范式，并且将他们信仰的范式作为解决难题的范例，将自然界的一切事物囊括其中。

（二）科学的发展模式

库恩批判继承了哲学家波普尔的科学动态发展模式，认为科学的发展不只是知识的简单堆积，而是通过革命的方式实现。他将科学史与科学发展结合起来，提出科学的动态发展模式是：前科学—常规科学—反常与危机—科学革命—新常规科学……库恩认为科学革命的本质是范式的转换。

前科学时期，各个学派没有统一的对问题的解答方式，众说纷纭，相互争论，相互指责。要使这种局面停止，必须出现一种理论，该理论可以解决别的理论所不能解决的难题。这种理论的提出表现为范式的建立，即进入了常规科学时期。在常规科学时期，范式成为科学家解答难题的基础。科学家竭尽所能地将所遇到的问题纳入自己的范式之中，但遇到越来越多解决不了的难题时，范式的危机出现了，科学家群体迫切地需要一个新的范式来解决当下的难题。新范式需要满足：一是可以解决旧范式普遍的难以解决的问题;二是新范式要保留一些旧范式中科学家们已经获得的解题能力。库恩认为，科学就是这样不断出现问题—建立范式—再出现问题—再建立范式的过程，从而不断发展。

任何一种理论都不可能永远正确。当范式遇到危机无法解决时，正是新的概念、理论体系和框架得以建立的时机，新的范式由此产生。科学便是如此通过革命的方式不断发展向前。

（三）范式的不可通约性

古希腊时期，不可通约性是一个数学概念，意指无共同量度。在近代，库恩将不可通约性一词引入到科学哲学领域，意为新旧范式之间无法进行沟通和交流，它们在本质上存在着显著的不同。不可通约性是库恩被别的科学哲学家指责和诟病得最为严重的地方。

库恩吸收了现代心理学，尤其是格式塔心理学的一些理念因素，认为语词的意义是由发生在理论的背景之上的理论所决定的。不可通约性是指不同范式之间的不相容，大致分为解决问题的标准不同、理论基础的概念不同以及世界观的不同三个层次。库恩在《结构》中认为：“这些派别之间的差别，不在于方法的这个或那个失效——这些学派都是‘科学的’——差别在于我们将称之为看待世界和在其中实践科学的不可通约的方式。”[2]3同样是春天各种树开花的场景，当一位画家看到的话，会想到花与叶子的颜色搭配，叶子和树的枝干的结构、构图、色彩等，但当一位生物学家看到这个场景的话，会想到树的种、属，树木之间的嫁接，不同的花基因。这就是由于画家和生物学家所接受的范式不同，牛顿物理学与爱因斯坦物理学范式不同，托勒密天文学与哥白尼天文学范式不同，对待事物的世界观与方法不同，也就不会有出发点的一致。

二、因果关系的范式视角

“物理学中的因果关系（causality in physics）是指物质世界中各现象之间存在着客观联系。一个现象由另外一个或一些现象引起，导致一个或一些新现象出现。引起一定现象的现象是原因，产生的现象是结果。因果关系客观地存在于物质世界的运动和变化之中。”[3]本文所说的因果关系主要是指近代牛顿经典力学条件下的因果关系和量子力学发展实验中尤其是在双缝干涉实验中的因果关系，我们主要对这两种因果关系的范式的改变进行分析讨论。

（一）牛顿经典力学中的因果关系

英国科学家艾萨克·牛顿（ISAAC NEWTON）在他的《自然定律》论文中，描述了万有引力和三大运动定律，建立了一套严密的物体运动的力学体系，奠定了此后三个世纪里物理学的科学体系，这个时期为牛顿范式时期。在经典力学体系中我们可以得出一个“严格的、用数量表示的力学因果性的表述，使人们在原则上有可能用严格的力学规律对物体的运动做出完善的解释和预言”[4]。伽利略认为，当其出现必然会导致一种结果出现，其消失此结果也随之消失的东西，在合适的意义上可以称之为原因。

在严格精确的体系中，只要确定一个点的位置，确定背后的力的大小，就可以分毫不差地推测出这个点之前的位置和之后的位置。牛顿以其理性主义制定了因果关系的框架，根据物体的相互作用和机械运动的规律，寻找第一推动的“力”，也就是原因。知道了原因，便可以严格地推出结果。牛顿力学认为，在宏观世界普遍有效的情况下，因为因果关系的确定性，不管情况怎样复杂，确定了已知条件之后，之前的点便可以推出现在的点的位置，现在的点的位置也可以推出之后的点的位置。同时期的德国哲学家莱布尼茨认为世界是预定的和谐，世界如何发展早已被上帝安排好了。在牛顿物理学范式下，因果关系表现为拉普拉斯式的决定论的形式，将必然性绝对化，完全忽视了偶然性作用的因果关系成为机械决定论。

（二）量子力学中的因果关系

在上个世纪三十年代，科学研究从宏观领域延伸到微观领域，突破了机械决定论传统的思维模式，更具体、深入地揭示了因果关系的新的表现形式，使传统的因果关系在人们的思想中发生了翻天覆地的变化。为了验证光是粒子还是波，托马斯·杨（THOMAS YOUNG）在1807年开展了著名的双缝干涉实验。简单来说，实验装置需要一个灯泡，一个刻有两条缝的纸板，一个接受投影的屏幕。如果光是粒子的话，光穿过双缝会出现两条明亮的线;如果光是波的话，屏幕上会出现明暗相间的干涉条纹。实验结果显示屏幕出现了条纹，说明光是一种波。后来爱因斯坦证明光确实也是一种粒子。在1924年，德布罗意提出波粒二象性理论，认为微观粒子包括光子、电子、质子等都同时具备粒子和波的特性。1909年，英国物理学家杰弗里·泰勒对托马斯·杨的实验进行了第一次改变，改变了发射光源的强度，确保每次只有一个光子通过双缝，但是屏幕上还是出现了干涉条纹。二十世纪七十年代后期，条件成熟之后，有人做出了物理学家理查德·费曼在1965年提出的延迟选择思想實验：在光子通过双缝之前装一个探测器，打开探测仪，屏幕上出现两条条纹;不打开探测仪，屏幕上出现干涉条纹。之后1979年物理学家惠勒提出思想实验，用双缝干涉实验类比的话，相当于在屏幕和双缝中间放一个探测仪器，在光子发出之后，随机选择探测仪器是否打开。结果，只要探测器打开，屏幕上一定是两个条纹;只要探测器关闭，屏幕上就一定是干涉条纹。

这次实验开始挑战人们对因果律的理解，按照人们的认识，出现这种现象只能有两种解释：一是粒子能够预知未来，它能猜到科学家下一步的打算，从而知道自己应该表现得像波还是像粒子;二是粒子能改变过去，开关仪器的瞬间，它能修正之前的行为，粒子变波，波变粒子。在之后的量子擦除实验中，在光子通过双缝之后，把光子的自旋方向改成一样的，那么屏幕上出现的一定是干涉条纹。在1999年，科学家们又做了一个延迟选择的量子擦除实验。在一个光子通过双缝之后，将光子一分为二，变成两个相互纠缠的降频光子。光子a射向屏幕，光子b射向探测器，只观测光子b的状态，就可以推出光子a的状态。之后科学家们又把光子b拆分成光子b1和光子b2，并给它们建造了一个迷宫，使得光子b1和b2出迷宫的时间晚于光子a到达屏幕的时间。只要科学家们能推测出粒子的轨迹信息，那么屏幕上出现的一定不是干涉条纹;只要没办法100%出测出粒子的轨迹，那么屏幕上出现的一定是干涉条纹。奇怪的现象又出现了，好像光子b知道哪里有探测，知道科学家们是否可以推出光子a的状态，然后告诉光子a显示波性质还是粒子性质。这冲击了人们的认知，颠覆了传统的因果律。在微观世界，粒子的波粒二象性使科学家们不可能测出粒子的瞬间状态，原因和结果的时间先后可能是不存在的，可以存在先有果、后有因的现象。

（三）因果关系的范式转换

从牛顿的经典力学到爱因斯坦的相对论，是库恩认为科学史上三次伟大的范式革命之一。机械决定论是基于牛顿力学框架下发展形成的，有其原因必然产生结果，并且结果是可以推算出来的。在十九世纪后半期，统计规律进入了物理学，人们认为因果关系中存在或然性，但或然性依旧没有走出经典力学的范围，不足以撼动机械决定论的地位。牛顿力学适用于低速的宏观世界，相对论解释高速的宏观世界。由宏观世界进入微观世界，量子力学解释高速的微观世界，在不同于宏观世界的微观世界中，量子力学中不断完善的双缝干涉实验，出现了可以先有结果、后有原因的情况，使得人们重新思考原因和结果的关系。

三、对于因果关系变化的思考

在物理学家和科学哲学家中，对于微观世界的因果性和决定论所持的观点大致可以分为两种：一种观点认为，世界在根本上是非决定论的，微观世界在原则上是具有统计性的，统计的规律性是自然界最为基本的客观特性，即几率因果性;另一种观点认为，因果性是世界上所有的客观事物都具有的根本特性，在变化万千的客观现象中，在统计性规律的背后，有一条最基本的因果规律，世界从来就没有丧失过这种规律性，严格的决定论才是世界上亘古不变的道理。辩证唯物主义者认为，因果性是客观世界的一对事物之间相互联系、相互作用的范畴，有其客观性和普遍性，不仅表现为一因一果，也表现为一因多果或者多因一果。“我们仍然可以坚持因果关系普遍有效的信念。但这并不等同于支持一个决定论的世界。”[5]维之通过对现代科学（量子力学、统计学科和系统科学等）进行分析，认为现代科学并没有真正地否定了严格的因果关系。但是严格的因果关系需要一个孤立的、封闭的环境，由于科学的进步，不断探测出未知的领域，环境无法完全孤立。由此，严格的决定论的世界失去了前提。

四、结语

当前的大数据时代，越来越多的有用或无用的信息不断涌出，充斥了人们的生活，传统的因果关系思考已经发生了变化。从部分到全部，从一推出结果到多推出结果，相关关系开始渗入人们的思想。大数据中存在各种各样庞大杂乱的信息，对事物进行分析是通过相关关系而不是因果关系。相关关系比因果关系更加宽泛，事物之间相关但不一定具有因果性，但是具有因果性则一定相关。有人认为相关关系不仅没有代替因果关系，反而为因果关系提供了一个基础，提供了更加广泛的发展空间。人们不在一个结果中寻求简单的一个原因，而是从多个角度、多个层次出发来还原结果产生的原因，从而对事物的认识更加立体化、多元化。

参考文献：

[1]夏基松，沈斐凤.西方科学哲学[M].南京：南京大学出版社，1987：192.

[2]托马斯·库恩.科学革命的结构[M].金吾伦，胡新和，译.北京：北京大学出版社，2005.

[3]聂玉昕.词条：物理学中的因果关系[M]//中国大百科全书：74卷·物理学.2版.北京：中国大百科全书出版社，2009：467.

[4]侯新杰，许海波，肖振军.物理学中因果性概念的演变[J].河南师范大学学报（自然科学版），1999（1）.

[5]维之.现代科学真的否定了严格的因果关系吗？[J].自然辩证法研究，1997（3）.

作者简介：霍静（1996—），女，汉族，山西永和人，单位为太原科技大学，研究方向为科学技术与社会。

（责任编辑：冯小卫）