科學實踐的反實在論#

科學實在論（Scientific Realism） 是於20世紀60年代在美國發源的一種分析哲學的科學哲學立場。對於『如何解釋科學的成功』這一問題，科學實在論認為科學反應了（或一定程度擬合了）超越於人類感知的實在。也就是說，在本體論上，可以依據科學理論來推斷不可觀測之物的存在，與 科學工具論（Scientific Instrumentalism）【科學只是一種認知世界的工具，反對科學的任何本體論承諾】對立。

為什麼科學如此成功——無奇跡論#

科學實在論的主要觀點之一便是著名的**『無奇跡論（No Miracle Argument - NMA）』**，即認為——成熟科學理論之所以能在長期內反覆、穩定且跨語境地成功預測與操控現象，是因為這些理論在其核心因果結構與關鍵本體承諾上真實地對應於一個獨立於人類心靈的世界；若否認這一點，則無法給出同等解釋力的替代說明，而只能將科學的系統性成功視為不可理解的巧合。

也許存在的元關係 - $f_0$ #

從無奇跡論開始，我們可以從中窺見到一個科學實在論預設的元理論；一定存在一個『零號公理』使得無奇跡論得以展開，也就是 $f_0$ ：『理論與世界存在非偶然的對應關係』。實在論者會認為，根據溯因推理， $f_0$ 是許多推理中最合理的解釋，所以他應當是真的。但是這構成了一個循環論證：

f_0 \xrightarrow{\text{Abduction}} \text{NMA} \rightarrow f_0 \rightarrow \cdots

要證明這樣的鏈條必須得找到一個 $f_0(x)$ 使得鏈條成立。在大部分版本中，這一 $f_0$ 經常是可撤銷的、可修正的，那就必須要從歷史裡找到這樣的、類似規律的關係。

人與物的關係#

f_?(人，現象，本質) : 人 \rightarrow (現象 \rightarrow 本質)

從古希臘到現代的科學理論，我們不難發現，一個科學理論的起始是一個主體觀測到了一種現象（狀態之間的變化），並以一個合乎理性的原因加以解釋。在古希臘時期，泰勒斯、恩培多克勒和德謨克利特分別推出了『水論』、『六元素論』和『原子論』。無一例外，這些自然哲學的觀點並不是完全地自『萬物一切都是如此』的認知推導而來的，而是根據所觀察到的現象去進行歸納總結出來的。例如泰勒斯的『水論』宣稱『萬物都是水』是因為水在自然界裡具有著可流動性，使得泰勒斯認為變化就是水的特性，而事物的變化就是水的本質作為萬物的本質在其中的顯現。

可以說，這個關係 $f_?$ 就是人類心智對應現象和本質的二階關係，而這個 $f_?$ 始終是動態不固定的，是由當下的歷史構建出來的關係。回歸到歷史中來，對比現代科學和古希臘自然哲學，雖然兩者在當時的語境都被稱之為科學，但是科學實在論者不會承認古希臘的科學反應了真實。這裡，我們也重新找到了被科學實在論刻意回避的一個問題：什麼科學才反應了實在？

實在的科學——『成熟的科學』#

讓我們回到科學實在論在第一段的論述，其中有一個十分惹眼的形容詞——『成熟』。作為分析哲學的分支，這一個修飾詞使得整個科學實在論的根基變得搖搖欲墜，因為這涉及到了什麼是『成熟的科學』的價值論判斷，而在這裡如果不稍加限定就有玩弄『成熟』之語義之嫌。所以，我們問，什麼科學能被稱得上『成熟』？

先把科學實在論放在一邊，回到古希臘的自然哲學上來。先不論對於亞里士多德或者德謨克利特來說泰勒斯的理論為什麼是錯的，從我們當代的角度來看，為什麼泰勒斯是錯的？我們可能會得到這樣的一個結論——因為水和其他東西不一樣。但是我們何以知道『水和其他東西不一樣』？

現象與本質的關係#

g_?(現象, 本質)：現象 \rightarrow 本質

在先前的討論中我們已經定義了 $f_?(x)$ 是人類心智導向現象的本質的二階關係。在這樣的關係之中，現象和本質的關係 $g_?$ 也不是一成不變的，而且也是根據歷史處境建構出來的。

希臘#

讓我們從古希臘自然哲學最初的話語開始。泰勒斯在提出『水論』之後，他的學生在後來也提出了類似或者相反的理論。泰勒斯的學生之一，阿那克西曼德提出的『阿派朗（Apeiron）』繼承了泰勒斯的『萬物皆為水』的概念，而不同之處在於阿那克西曼德將『水』替換成了『阿派朗』（意為無限）。這裡，關係 $f_?$ 裡關於物質和本質的關係發生了改變，從 $世界 \rightarrow 水$ 變成了更加抽象的指稱 $世界 \rightarrow 阿派朗$ 。這一理論的優勢就在於，阿派朗作為一個指涉到變化的詞規避了水的限定性，所以比起水來說，阿派朗具有更強大的可延展性。阿那克西曼德以本質的具體性為代價，得到了更能容納更多現象的延展性——但是這與我們的科學依舊有區別，不過我們已經可以從中窺見到科學的泛化趨勢。

而同時期的另外一位希臘哲學家，恩培多克勒則提出了一個截然不同的理論——『六元素論』。他認為，世界由水、火、土、氣、愛與恨組成： $世界 \rightarrow \{水,火,土,氣\}$ 。這一學說後來顯著影響了唯實論的代表之一，亞里士多德，後者形成了更為人知的四元素論。在恩培多克勒的理論當中，還有許多本質之間的循環變化（由愛與恨催生）等，因為排版原因便不以數學形式寫出。在這裡我們可以看到，恩培多克勒的理論發展也印證了近現代哲學的另外一個演變路徑，以複雜性為代價，得到了更具體到現實觀察到的現象的關係。

因為古希臘史料的原因，許多變化的原因並沒有被闡明，但是我們已經知道，這樣的變化是存在的。

科學革命#

因鄙人的中世紀史學藝不精，請允許我跳過羅馬和中世紀的大部分內容直接開始講述科學革命。

在我們講述科學革命的明星哥白尼之前，先對當時的語境做一個講解。從中世紀到科學革命早期，主流被接受的學說是由亞里士多德提出，希臘天文學家托勒密完善的地心說，原因有許多：

亞里士多德因當時的觀測限制等問題，發展的認知框架使得地球的運動看起來不自然。
阿奎那作為中世紀基督教的經院派哲學家，吸收並完善了來自亞里士多德的哲學體係，在中世紀教會話語權的引導下，作為亞里士多德的諸多理論之二，地心說和 (1) 也被推廣開來。
托勒密吸收了來自尤得塞斯和阿波羅尼奧斯的同心球與本輪的模型，修繕並體係化了地心說，使得其在運算和預測層面有實際作用和準確度，在相當長的一段時間內可靠。
阿奎那整理了亞里士多德的自然運動觀並為神學讓路：神在宇宙中心安置了地球作為人類的棲息地，在同時，所有天體也是地球的主人，所以跟著地球的運動。在阿奎那的影響下，教會因為其與聖經世界觀的相性高，也接受這一解釋作為科學的指導，納入了教育體系。

在文藝復興的影響下，十六紀開始的由馬丁路德引導的宗教改革運動開始挑戰教會的權威，這讓托馬斯阿奎那和亞里士多德哲學的許多觀點開始受到更廣泛的質疑。甚至，北德文藝復興和宗教改革的影響放大也是多虧古騰堡的印刷術的鋪墊，這樣的變化也影響了人作為科學發展的主體的 $f_?$ 變得不穩定。

在教會權威的崩解和科學觀測進步對於 $f_?$ 的變化使得哥白尼的日心說革命變得可能。但是在提出之初，哥白尼的日心說在數學表現上並不比托勒密的模型更好，而且也沒有一個地心說不能解釋的現象迫使哥白尼對地心說進行駁斥。哥白尼的動機實際上分為這幾點：

當時教會正在考慮改革儒略曆，正在側重於天文學研究。
哥白尼認為，托勒密和亞里士多德的自然運動觀錯誤地將行星逆行現象歸咎於行星本身的運動。
自經院派哲學，所有天體運動必須完美勻速。
自畢達哥拉斯，天體運動應當是圓周的。

使得日心說擁有一定程度的合理性，但是沒有充分必然性使得日心說勝過地心說。但是要註意的是，哥白尼的本體論依舊是有缺陷的，日心說認為所有的天體都繞著太陽運轉，而宇宙的中心在太陽附近。在回答對『在日心說中為何大氣在公轉保持靜止時』時，哥白尼稱：『空氣中存在土微粒，使得大氣必須與地球一起轉動』，這些問題直到後期才被解決。

自十三世紀開始，文藝復興運動在歐洲引發了一系列的發明與科學進展，其中推進哥白尼的日心說設想的就有伽利略等。在哥白尼提出日心說之後，伽利略也對日心說的理論做了許多舊的理論前提的破壞。1609年望遠鏡的發明使得伽利略具有了觀測能力，開始從前所未有的視角觀察地球之外的天體。其中有巨大影響力的發現，如金星的盈虧與木星的衛星等，直接挑戰了托勒密模型的計算穩定性（金星的盈虧何以解釋？木衛的本輪和均輪是什麼？），亞里士多德和阿奎那的本體論的認知（為什麼木星的衛星不屬於地球？為什麼土星環會消失，天界不是永遠不變的麼？）。自望遠鏡出現後，越來越多新發現的行星使得托勒密的計算體係變得臃腫，以至於即使有可能在計算上準確，在效率上也完全無法保證生產力。

1609年（與伽利略同年），開普勒根據丹麥天文學家第谷的觀測報告提出了基於哥白尼的日心說的設想。從這些觀測報告中，開普勒總結出了許多反托勒密模型的結論：行星的軌道是橢圓的，行星的公轉速度是不守恆的，且地球是圍繞太陽運動的。開普勒的發現簡化、而且合理化了哥白尼的日心說，不過也推翻了其中很多在哥白尼看來不言自明的形而上學。

1687年牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，闡述了什麼是萬有引力和經典力學三大定律。直到這一時刻，日心說的運動本質的整理才站得住腳。慣性解釋了為什麼大氣不會漂移、行星之間的質量差和引力方程解釋了為什麼天體運動是橢圓軌道而且不是勻速的。直到『理性時代』，哥白尼和開普勒的學說才被一個更大的學術系統承認。

成熟的科學？#

在這裡我們已經可以對上一部分的『水和別的東西不一樣』的原因進行歸因了。在歷史的時刻中，敘事和高階理論影響了人對於現象和本質的關係的關係 $f_?$ ，從而建構出更小的現象和本質的關係 $g_?$ 。因為在現在的時刻中，我們知道泰勒斯的『水論』不能用以解釋一切，所以『水論』就被淘汰了。在現在的時刻中，我們所知道的 $g_?$ 與托勒密的理論不相容，所以托勒密被淘汰了。

讓我們回到科學實在論的層面，其宣稱的『成熟的科學』到底是蘊含著什麼概念？在地心說的例子裡，如果將科學實在論應用在中世紀的歐洲，我們會發現如果『成熟』代表的是穩定性、可用性、與現存理論的契合性，那麼地心說應該在這個時刻模擬著相應程度的實在。但是如果把這樣的理論套在哥白尼革命前夕，馬上就變得難以存續了。這說明，科學實在論的去歷史的『成熟』是站不住腳的（在上述論述中我已經試圖不去談論太多歷史事實，但是還是無法避免從哥白尼追溯到千年前的亞里士多德）。

當然，科學的歷史性並不證明實在並不能到達。但是，是不是存在一種更加弔詭的層次使得科學實在論失效呢？

負解？#

1925年，薛定諤想實現一次德拜的講座上聽到的想法：既然粒子有波的性質（這一性質又從愛因斯坦的光電效應、普朗克關係式和德佈羅意的波粒二象性設想中得到），那麼應該有一個波動方程能夠解釋這種量子性質。這個方程應該能驗證出氫原子的波爾模型並且符合自由電子模型。

薛定諤開始著手於寫出這一公式——他從德佈羅意的論文中推導出了氫原子的束縛波的方程式，但是因為沒有考慮電子的自旋，而導致這一方程不符合自由電子模型。並且他在相對論框架下也遇到了困難，在最後只能發表一個非相對論版本的、需要額外引入電子自旋的方程——也就是著名的薛定諤方程。

\hat{E}\psi = \frac{\hat{p}\cdot \hat{p}}{2m}\psi \cong i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = - \frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi

薛定諤方程在非相對論框架下是準確的——但是當其遇到金（Au）這種重型原子的時候，就遇見了麻煩。因為金的質量太大，導致電子軌道的半徑更小，導致電子的角速度接近光速從而在非相對論框架下失效。薛定諤方程原來的版本是由經典牛頓力學的 $E = \frac12 mv^2 = \frac{p^2}{2m}$ 得來的，將相對論的質能方程 $E^2 = p^2c^2+m_0^2c^4$ 代入 $\hat E$ 和 $\hat p$ 就可以得到符合相對論的公式。奧斯卡·克萊因推導出來了這個方程，但是遇到了當時和薛定諤同樣的問題——克萊因-戈登方程有一個關於時間的二階導，導致在概率密度下可以為負，而且導數的不對稱顯得公式十分十分地不美觀。

\hat E^2 \psi = (\hat p^2 c^2 + m_0^2c^4) \psi \cong -\frac{\hbar^2\partial^2\psi}{\partial t^2}= (-\hbar^2c^2\nabla^2 + m_0^2c^4)\psi

負解！#

為了解決這個問題以及出於個人對函數美感的考慮，1928年在海森堡的指導下狄拉克發表了狄拉克方程——一個符合自由電子模型、薛定諤方程、玻爾模型、線性（對於時間和位置都是一階導）、甚至還不經意間證明磁矩和自旋的一個完美的方程：

i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = (-i\hbar\vec\alpha \nabla + \beta m_0 c ^2)\psi

但是它在當時有一個致命的缺陷——它有負能態解。這意味著對於一個自由電子來說，這個電子能夠承載一個正電荷。1928年這一論文發表過後許多量子學家對此表達了焦慮性的反對，一方面這個方程太好了，只有負解的缺陷，另一方面這個方程的負解又使得沒有任何已知的現象能夠證明它在實踐上完全正確。這一年，海森堡寫給泡利的信中稱『這是現代物理學最悲哀的一章』。

一些科學實在主義者會認為狄拉克公式是反應了真實，甚至是科學實在論的一個正面證明，因為這個方程正確地預言了『正電子』的存在。不過，真的是如此嗎？

結果：什麼是『負解』？#

在這裡，這種論調犯了一個隱性的錯誤——正電子最早是由德米特裡·斯科别利岑於1929年觀測到，然後在1932年8月2日正式被卡爾·安德森提出的，比狄拉克晚了整整四年。科學實在論的很多論證也是這樣輝格史觀地被回溯性證明的，比如哥白尼的日心說是後來由牛頓的經典力學證明的，而在當時並沒有一個超越的體系支撐哥白尼提出日系說。

實際上，這個方程在沒有現象驗證的4年時間裡，科學界是保持著對其真理性的懷疑的同時將其付諸計算的。在狄拉克之前，也並非沒有這樣的先例；愛因斯坦的狹義相對論的質能方程 $E^2 = p^2c^2 + m_0^2 c^4$ 也有 $E = \pm (pc + m_0v^2)$ 的負能解，但是由於當時的處境，這一負能解只是被當做數學冗餘或者非物理解而被人為丟棄了。為什麼我們沒有把功勞歸功於愛因斯坦呢？這是因為：

愛因斯坦的狹義相對論框架對負能解是可以丟棄的，但是狄拉克的量子力學框架必須讓他直面這個缺陷。
狄拉克方程具有比起愛因斯坦的質能方程更高的優先級讓正電子的功勞歸功於他。

現象：什麼是『正電子』？#

我們對『正電子』的概念也要加以區分。依舊，我們需要認識到正電子是在狄拉克方程之後才被發現。讓我們反轉回溯性建構的那個問題，如果沒有狄拉克方程會怎麼樣？卡爾安德森的發現會被稱作什麼？

懸置了狄拉克方程存在的事實，我們會發現不論是1929年斯科别利岑還是趙忠堯、還是1932年的安德森，他們觀測到的只是一個與其他電子軌跡不同的運動軌跡。但是這一軌跡一定就是『正電子』的現象嗎？在狄拉克方程之前，量子物理學並沒有預測到一個帶負能的電子出現，這一現象可能會被認為是一個倒著飛的電子、一個別的粒子、一個偶然實驗偏差。是狄拉克方程的發現，和狄拉克方程本身具備的美感使得量子物理學界迫切地需要一個『正電子』來補上這個沒有被證明的 $g_?$ 。

本質：什麼是『狄拉克方程的負解』？#

現在我們已經知道了『正電子存在』這一事實，但是為什麼會出現這一現象？在對應的理論中我們還是沒有找到一個安插給正電子的本體論解讀。但是在當時科學家預先知道一個推論：沒有一個約束可以讓負能態粒子不繼續向更負的能態滑動，所以負能態解不應為真。

在正電子被發現之前，1929年狄拉克就自己的負解理論提出了一個自己的猜想：狄拉克之海。狄拉克之海假設，所有的空間都是負能態的海，而正電子只是其中負能態海的一個缺口，呈現為帶負能態的粒子。同時他還提出了一種質子是『狄拉克之海中的島』的假設，認為正電子實際上就是質子，但是質量上的差距讓這個猜想難以落實（狄拉克認為後來的理論有能力解決這個問題）。

奧本海默在得知了他的『質子島』理論後表示強烈反對，因為那樣會使得氫原子瞬間自爆，而且允許了無限質量的可能性。所以在1931年狄拉克又發表了一篇論文認為負能態的電子是一種未被發現的反粒子，當它與電子接觸時會發生堙滅，推翻了1929年的猜想。

現在科學界更加廣泛接受的解釋版本是理查·費曼在1949年的推論，認為薛定諤的方程在本徵態 $H\psi = E\psi$ 的時候，時間部分的解一定是 $\psi(t) = \psi(0)e^{-iEt}$ ，這時：

\psi(t) = \psi(0)e^{-iEt} = \psi(0)e^{-i(-E)(-t)}

斯圖爾伯格在這裡建議正電子可以被解讀為負能量電子在時間中的逆向移動，所以在正時間上顯得其有正能量的特徵。

費曼-斯圖爾伯格的理論被廣泛接受的原因不在於這個理論反應了科學的本體論承諾，而是因為在後續的發展中，費曼圖對於量子電動力學（Quantum Electrodynamics）的解釋具有美感、符合CPT對稱性、以及計算經濟性（費曼圖的積分和後續計算比起狄拉克海的無限減法要好上太多）。

對於科學實在論來說致命的是，費曼的本體論承諾在傳統因果論中是無法被證實的，因為傳統因果不允許逆時間的觀測。而更加奇怪的是，狄拉克和費曼的解釋在數學上同義的同時，並沒有一個現象反證了狄拉克之海，為什麼科學偏偏選擇了費曼？

是因為他的猜想符合CPT對稱性嗎？不，CPT對稱性是在1954年才正式發表的，中間的這六年科學在以什麼為指導？在這沒有本體論承諾的時間裡，科學在靠什麼來運作？我希望我可以在這裡做出一個大膽的結論：科學的一個標準正在於它的優美以及與其他理論的耦合性，而不是本體論姿態。

不如去設想如果薛定諤的方程與克萊因-戈登方程一樣不對稱，也沒有在實踐中無意算出磁矩和自旋的話，即使他得出了存在正電子這一事實，我們會接納這個結論嗎？

我認為答案是否定的。

本體論：什麼是『科學』？#

當我們放下本體論的爭論回看1928年當時發生的爭論的時候，不難得出一個結論，就連我們最開始預設的『科學』也不是統一的。狄拉克方程在理論上的必然性和現象上的未證明性讓量子物理學產生了分裂——其中有狄拉克為代表的『理論實在論』和海森堡為代表的『現象實在論』。落到科學的實踐中，這兩者都沒有在『正電子』這個論題上爭出勝負，這個議題還是懸而未決的。

科學這一概念都是被建構的，又在新的時刻重新被回溯性建構。所以也許我們應該放棄將科學視為一個和諧的整體，而是去尋找裡面的張力。從這一點出發，『科學實在論』的『科學』和『實在』的神話都在歷史中煙消雲散了。

……他問，『費曼先生，您覺得一個電子是本質存在嗎？』

得，我現在尷尬了。我沒讀過那本書，我承認我不知道懷特海這『本質存在』是什麼意思；我本只是想圍觀一下的。我回答說『在回答這個之前我想先問問教授一個問題，好讓我知道「本質存在是什麼」。一個磚頭是本質存在嗎？』

我本來想看看他們認不認為理論建構是不是實在存在。電子是我們使用的一種理論；這個理論好用到讓我們幾乎能稱其其為真實的。我想借這個比喻來澄清一下什麼是『理論』。

本來在問完磚頭那個問題之後，我打算接著『那磚頭的裡面是什麼呢？』，之後再指出沒人見到過磚頭的『裡面』。每次你敲開磚頭，你只能看到表面。所以磚頭的內部只是一個供我們更好理解事物的理論。這類比的正是電子的理論。所以我問『一個磚頭是本質存在嗎？』

然後他們就開始回答這個問題。一個人站起來說『一塊磚頭是一塊獨立的、特定的磚頭。這就是懷特海所說的「本質存在」。』

另外一個說『不，一塊獨立的磚頭不使得它成為一個本質存在；是磚頭們本身擁有「磚頭性」是本質存在』

還有一個人說『不，本質存在不存在於磚頭裡。本質存在是當你在想一塊磚頭的時候，出現在你的意識裡的思想。』

他們陸陸續續地都站了起來，我告訴你我從來沒見過這麼多精妙地觀察磚頭的技巧。然後，就像是所有哲學家故事裡都會寫的那樣，場面最後變得混亂不堪了。

在這場討論之前，他們甚至都沒有反思過這個問題：比起電子，磚頭這麼簡單的物體，是不是一個『本質存在』。

——《別鬧了，費曼先生！》，理查·費曼（1985）

後記#

每次提起回溯性建構，我總會想起十月革命前夕列寧與考茨基的爭論——『在此時此刻，俄國革命是否已經成熟？』
在那個時刻，並沒有一個絕對的保障去保證列寧成功，甚至托洛茨基對於是否要在1917年11月7日這天發動革命也沒有一個底。但是對於列寧來說，唯一正確的是讓實踐現行於理論——讓理論追上現實。
現在，十月革命在許多國家的教科書裡都被建構成了一個在當時的必然。
科學何嘗不是如此呢？

密涅瓦的貓頭鷹只在黃昏時起飛。

——《法哲學原理》，格奧爾格·威廉·弗裡德裡希·黑格爾