请回答，科学哲学（II）：“哥白尼革命”革了谁的命？

在《请回答，科学哲学》这个系列视频的第一期，我们聊到了归纳主义的常识科学观。归纳主义者们认为，科学知识之所以特殊，就在于它们是从事实中推导出来的，而且事实越多，推导出来的知识越可靠。我们已经批判了归纳主义者语义不明的“事实”和“推导”，并对证明归纳原理的不可能作出了分析——这是个完全不能令人满意的循环论证。

本期视频我们要一起讨论归纳主义者最大的敌手——证伪主义，以及把归纳主义和证伪主义都掀翻在地的科学史史实——哥白尼革命。

证伪主义科学观

逻辑实证主义学派的代表人物卡尔·波普尔（Karl Popper）极力倡导一种归纳主义科学观的替代品——证伪主义。据波普尔所说，他之所以对归纳主义科学观再也不抱幻想，是因为他看到了弗洛伊德主义者和马克思主义者是如何根据他们的理论对大量人类和历史事例进行解释，并声称他们的理论得到了历史事实的证明。

波普尔对此非常不满意，在他看来，弗洛伊德和马克思的这种理论具有足够大的弹性，以至于你可以用这些理论去解释所有人类行为和历史变迁的事件，这种理论永远不可能错。由于这些理论不能排除任何可能性，所以这些理论什么也解释不了。波普尔于是得到了一个教训——真正的科学理论必须要做出确定的预见，也就是具有可预测性，而不是像弗洛伊德主义和马克思主义理论那样。因此，卡尔·波普尔的关键思想诞生了——科学理论是可证伪的（falsifiable）。

证伪主义者承认一个前提：没有不受知识指导，独立于理论的观察，观察都是受理论指导并且以理论为前提条件的。理论不是根据观察证据被【证实】为正确或可能正确的，而是【推测性的猜想】。理论的功能在于尝试克服之前的理论所遇到的问题，以便为宇宙或世界的某些方面提供恰当的说明。科学家们可以尽情地创造这样的推测性猜想和假说，只是这些假说一旦被提出，就必须接受观察和实验严格而无情的检验。经受不住观察检验和实验检验的理论必须被排除，然后被更进一步的推测性猜想取代。因此，科学是通过试错、猜想和反驳向前发展的，只有适应性最强的理论才能够生存下来。纵然一个理论永远不可能完全正确，但我们可以说，它毕竟是我们现在能够得到的最好的理论了，它比之前的任何理论都好。波普尔通过证伪主义的科学观避开了归纳问题，所以他认为他解决了归纳问题，因为对于证伪主义来说，科学不涉及归纳。

证伪主义科学观认为可证伪性是科学理论的标准。如果一个假说要构成科学的一部分，它必须是可证伪的。如果在逻辑上有可能存在一个观察命题或一组观察命题和一个假说不一致，那么该假说就是可证伪的。也就是说，如果观察命题被证实，该假说则被证伪。

我们来看几个断言，试着判断它们是否具备可证伪性。

1、所有的猫都不需要人陪。2、周五都是晴天。3、这个人或者聪明或者笨。4、所有单身汉都没有对象。 1 显然可证伪。只要我找出一只猫需要人陪，那么这个断言就被证伪了。2 也是可证伪的。只要我观察到某个周五是阴天，下雨或下雪，总之，只要它不是晴天，就可以否定2。然而，没有任何逻辑上可能的观察能够反驳3。因为无论这个人是聪明还是笨 3 都是真的。 4 也是不可证伪的。“没有对象”就是单身汉的定义，所以 4 必然为真。因此，我们可以发现，断言1、断言2它是可证伪的，而断言3和断言4是不可证伪的。

证伪主义者要求科学假说必须是可证伪的。坚持这一原则是因为只有通过排除一组逻辑上可能的观察命题，一个定律或理论才能增进知识。如果一个命题不可证伪，那么这个世界无论具有什么属性，无论以什么方式运动，都与这个命题没有冲突，那这种命题就没有给我们提供任何关于世界的信息。

一个科学定律或理论应该为我们提供一些有关世界实际上如何运转的信息，从而排除那些在逻辑上可能的，但实际上并非如此的运转方式。“所有行星均沿椭圆轨道绕太阳运动”，这个定律是科学的，是因为它断言行星在椭圆轨道上运动，而不是方形或正圆形轨道。这个定律对行星轨道作出了明确的断言，它就是可证伪的，且增进了知识内容。而对于相当多社会科学理论、心理学理论、宗教理论，证伪主义者持拒斥态度，因为就它们怎么都能给出解释而言，它们什么也解释不了。

证伪主义认为，一个理论如果能够具有“增进知识的内容”这样的特性，它就必须承担被证伪的风险。而如果一个“高度具有可证伪性”的理论事实上并没有被证伪，那这个理论就比“低度可被证伪的理论”更可靠。

证伪主义的两大困境：逻辑与史实

如果我们提出“天鹅都是白的”这个命题，只要发现一只黑天鹅，那么这个命题就被证伪了。这是个简单的描述证伪主义逻辑的例子，但是这种简化掩盖了证伪主义在现实科学实践中遭遇的一系列困难。首先，一个现实的科学理论是由【一组全称命题】构成，而不是由【一个单一命题】构成的。如果一个理论要接受实验检验，涉及的不仅是构成这个理论的命题，对理论的论证还需要辅助假说，例如关于仪器使用的定律和理论。此外，还要增加一些初始条件，比如对实验设置的描述等等。这样一来，即使我们知道出错了，该理论没有通过检验，我们也猜不透究竟是哪里出了错。或许是这个接受检验的理论本身是错误的，或许是某个辅助性假说出了错，也或许是对初始条件的描述出了错，可能导致错误的地方太多，我们很难确定究竟哪个部分应该对错误的预见负责。

证伪主义者遭遇的更大困难是科学史带来的。考察科学史会发现，如果科学家严格遵循证伪主义方法论，那么那些可以被视为科学理论典范的理论永不可能得到发展，而是在初期就会被拒绝。任何一个关于经典科学理论的案例都遭遇过这种情况，有一些可观察断言在当时被人们普遍认可了，并被认为是和这个理论不一致的，但是！但是！但是！这些理论事实上并没有被拒绝。最经典的科学史案例就是我们熟知的哥白尼革命。这个案例强调了，在考虑重要理论变革的复杂性时，证伪主义者遭遇到了极大困难。

漫长的哥白尼革命：现代科学的接力

科学史将毫不留情地告诉我们，“哥白尼革命”可不是在比萨斜塔上扔一两顶帽子的那一刻就完成了。事实上，它经历了长达一个半世纪的时间。这段历史的细节将击溃归纳主义或者证伪主义幼稚的科学方法论，因为二者对科学的说明都与这段历史不符。哥白尼革命的史实要求新的、结构更复杂的对科学的理解。在 16 世纪初，哥白尼的天文学直接挑战的是亚里士多德体系和托勒密体系。托勒密在公元 2 世纪创建了一个详细的天文学体系，明确说明了月球、太阳以及所有行星的轨道。在公元 4 世纪，亚里士多德的宇宙观为地心说提供了基础框架与心而上学。所以在中世纪的欧洲，活在亚里士多德宇宙观里的人们普遍认为地球位于一个有限的、封闭的宇宙的中心，太阳、行星和恒星围绕地球运动。事实上，当哥白尼在 1543 年首次公布他的日心说天文学细节的时候，有相当多的论据可以被用来反对这种新天文学，而哥白尼无法令人满意的反驳这些论据。让我们来看看当时的情况如何。

首先大致描述一下 16 世纪的主流宇宙观，也就是亚里士多德体系。亚里士多德的宇宙是个天球-地球的两球模型，地球在宇宙的中心，恒星天球在宇宙的外部边界上。该模型以月球圈为界分为两个不同的区域：月上区和月下区。月下区位于内部，是从地球到月球轨道的内侧，其余部分是月上区，从月球轨道一直延伸到恒星天球。在天球之外不存在任何物质或空间。月上区的天体由“以太”构成。月上区是有序的、有规则的、不可腐蚀的。相反，月下区的特性是变化、生长、衰落、繁殖和可腐蚀的。

月下区所有物质都是水、火、气、土四种元素的混合物。地球上每一个物体都会在月下区有一个自然位置，该位置取决于物体所含有的四种元素的相关比例。所有物体都有一种沿着直线朝上或朝下向其自然位置运动的倾向，因此石头会自然向着地心运动，而火焰会径直朝上做离开地心的自然运动。除了自然运动之外，其他所有运动都需要某种原因，比如箭射出去需要弓，车跑起来需要马来拉。托勒密在这样的宇宙观基础上做了修改和扩展，把一堆本轮引入了这个体系，以使得这个体系可以解释和预测更多行星的位置。

哥白尼理论在当时的主要竞争力在于它更简洁地解释行星运动的多种特性，而托勒密体系实在太复杂了。例如，对于行星逆行的现象，哥白尼体系很自然很简单地就给出了解释。托勒密体系必须添加本轮才能说明行星逆行现象。然而以太阳为中心的圆形轨道也无法和观测完全一致，所以哥白尼体系也得像托勒密体系一样增加一些本轮。为了展现和已知观测结果相吻合的轨道，这两个体系所需要的本轮数量在当时其实是大体相当的。因此，哥白尼体系相较于托勒密体系在简洁力上并没有那么大优势。

此外，在亚里士多德的宇宙学之下，有一些论据对哥白尼构成了严重威胁。构成最大威胁的论据是“塔的论据”。如果地球是哥白尼所说的围绕地轴自转，那地球表面上任何一点都会在 1 秒之内运动一段距离。在这个运动着的地球上，如果从一个高塔顶部扔一块石头，它将朝着地心下落，完成自然运动。而由于地球在自转，塔和地球一定是一起运动的，那么当这块石头落到地面时，塔会因为随着地球的转动而离开石头开始坠落时所处的位置。因此，这块石头理应落在和塔底有一定距离的地面上，而不是正好落在塔底。但实际上我们知道不会出现这种情况。石头是恰好落在塔底处的，所以当时的科学家推知地球不可能自转，哥白尼理论一定是错的。

1543 年的哥白尼及其支持者对这些论据没什么可说的，因为一切能够使哥白尼体系确立下来的其他理论和技术成就都尚未出现。哥白尼也生活在亚里士多德的宇宙观之中。在 1543 年，哥白尼体系几乎没有竞争力，许多具有数学才华的自然哲学家倒是被哥白尼体系吸引，开始捍卫哥白尼体系。

对捍卫哥白尼体系做出最突出贡献的是伽利略，第一个贡献是观测技术上的进步。伽利略用望远镜观察天空的结果时，他看到火星和金星的表观尺寸像哥白尼体系所预测的那样发生了变化。随后伽利略又确证了金星像月球一样显示出位相。这个事实与哥白尼体系完全兼容，但和托勒密体系不兼容。金星盈亏的发现对哥白尼主义者们来说是一个巨大的胜利，改变了需要哥白尼理论解释的观测数据。

第二个贡献是伽利略的新力学取代了亚里士多德的力学，借助新力学就可以使那些基于亚里士多德体系而反对哥白尼体系的力学论据完全失效。这是伽利略对科学作出的最伟大的贡献。伽利略明确地区分了速度和加速度，并断言自由落体是以某种恒定的加速度运动的，与重量无关。下落距离和下落时间的平方成正比。他把抛体运动分解为两部分，一部分是匀速进行了水平运动，另一部分是匀加速进行了垂直下落运动。这样一来，塔的论据又被哥白尼理论解释了。一个在高塔塔顶的物体会和该高塔一起围绕地心做圆周运动，而当它从高塔落下的时候，它仍会和高塔一起继续做这样的运动，所以它一定会落在塔底地面上。

开普勒则解决了“以太阳为中心的圆形轨道无法与观察完全一致，哥白尼体系也得添加本轮”的问题。开普勒发现每个行星的轨道都可以用一个单一的、以太阳为其中一个焦点的椭圆来描述，这就不需要添加任何本轮了。开普勒在分析了第古·布拉赫的观察资料之后，得出了他的行星运动三定律。行星沿椭圆形轨道围绕太阳运动。行星和太阳的连线在相同时间内扫过的面积相等。行星公转周期的平方与它和太阳之间的平均距离的立方成正比。一切技术的、数据的、知识的准备就绪之后，新的物理学体系将使哥白尼体系牢固地建立在一种综合的物理学的基础之上，而这一棒将由牛顿接过。牛顿利用伽利略、开普勒以及其他研究成果创建了牛顿体系，发表于 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》（principia）之中，牛顿阐述了一个明确的观念，导致加速度的原因是力，而不是运动。而在牛顿体系中，天体和地上物体的领域将被统一在一起，而不是像亚里士多德体系那样分为月上区和月下区。每一组物体都按照牛顿运动定律在力的作用下进行运动。牛顿的后继者们将花费之后的两个世纪来完成把牛顿物理学详尽地应用于天文学的工作之中。

“哥白尼革命“革了谁的命

以上的科学史足以让我们看出全新的物理学概念“力”、“惯性”，既不是归纳主义者所说的那样，是观察事实的结果，也不是证伪主义者所认为的那样，是对大胆猜想的证伪的结果。哥白尼体系从一开始就遭遇了一些明显的证伪论据，但这些阐述还是被坚持了下来并得到了发展。如果贯彻了证伪主义科学观，哥白尼体系从一开始就应该被抛弃了，那就更不会有后来的牛顿力学体系。新的理论不是提出来的时候就被【证明】或【证伪】了，而是只有在一种新的物理学体系发明之后，才能成功地与观测结果和实验结果相吻合。而新的物理学体系的建立，是众多科学家花费了多个世纪不断努力的结果。这是一场接力赛，而非一次短跑。任何对科学的说明，如果不能考虑这些因素，这种科学观就不适当。

哥白尼革命不仅革了亚里士多德宇宙观的命，也革了那些抽空了科学史的幼稚科学观的命。关于地心说与日心说之辩，伽利略在罗马教廷前对哥白尼体系做出辩护的科学史，可以参考视频最后的推荐阅读。这段科学史非常有趣，它集中体现了 17 世纪神学、哲学、科学三者之间的权力关系。感兴趣的朋友可以找来看看，祝大家阅读愉快。