作者简介：托马斯·库恩（Thomas Samuel Kuhn），1922年7月18日—1996年6月17日，美国科学史家，科学哲学家，代表作有《哥白尼革命》和《科学革命的结构》。
反常和科学发现的涌现
作者 |[美]托马斯·库恩
译者 |李宝恒  纪树立

编辑 |通识经典导读
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那么，一个集体因为接受了某一种规范所能容许的更专门、更深奥的科学研究，其本质究竟怎样呢？如果规范代表已经一劳永逸完成了的研究工作，规范还会为这个联合的集体留下什么有待于进一步解决的问题呢？如果注意到迄今我们所用术语都可能正在把我们引入歧途，问题就更迫切了。按既定的用法，规范就是一个公认的模型或模式，这一方面的意义我找不到更合适的用语，只能借用“规范”这个词。但是立即可以看出，借用这个词所能表示的“模型”和“模式”的意义，并不完全是通常用来定义“规范”的意思。例如在文法中，“amo，amas，amat”①是一种规范，因为它显示了用来组成大量其他拉丁文动词的模式，象构成“laudo，laudas，laudat”。②在这种典型的应用中，规范只有容许那些原则上可以取而代之的事例重复出现才有作用。但另一方面，在科学中规范又是很少重复的东西。正象共同法中公认的公正判决一样，在新的或者更严格的条件下，规范是一种需要进一步分析并具体化的东西。（注：①拉丁文动词“爱”的第一、第二、第三人称。②拉丁文动词“称赞”的第一、第二、第三人称。）
如果了解了怎么可能是这样，我们就会认识到一种规范第一次出现时所能达到的范围和精确性是多么有限。规范所以能够获得这样的地位，因为它去解决一批实际工作者公认的重大问题时比竞争对手更为成功。但它更为成功的之处，却既不是完全成功地解决某一个问题，也不是显著成功地解决多么多的问题。一个规范的成功——不管是亚里士多德对运动的分析、托勒密对行星位置的计算、拉瓦锡对天平的应用还是麦克斯韦对电磁场的数学化——从一开始就主要是一种在选定的、但仍然未完成的事例中获得成功的指望。常现科学就在于实现这种指望，办法是：扩大对于那些规范特别能够加以说明的事实的知识，加强这些事实同规范预测之间的配合，进一步详细表达规范的本身。
若不是一门成熟科学的真正实际工作者，很难理解一种规范会留下多少有待完成的扫尾工作，而进行这一类工作又是多么使人入迷。这几点必须加以了解。扫尾工作使绝大多数科学家献出了他们的全部生涯。他们创立了我这里称之为常规科学的东西。进一步看，不管是在历史上的还是现代的实验室中，这件事就象是硬要把自然界塞进规范早已制成的相当僵化的框框里。常现科学的目的绝不是引起新类型的现象；凡不适合这个框框的现象，实际上往往根本就看不到。科学家的目标按常规并不是发明新理论，他们也往往不能容忍别人的这种发明。相反，常规科学研究总是为了深入分析规范所已经提供的现象和理论。
这也许是缺点。当然，常规科学探讨的范围微不足道；我们现在所讨论的常规研究，其视野也受到严格的限制。但正是这些因信仰规范而产生的限制，对科学的发展却成为不可缺少的。由于集中注意狭小范围中比较深奥的问题，规范会迫使科学家仔细而深入地研究自然界的某一部分，否则就不能想象。常规科学具有一种固定机构，不管造成这种限制的规范什么时候不再发挥有效作用，它都可以保证把这种束缚研究的限制加以放松。从这一点开始科学家们的行动不同了，他们研究课题的性质也变了。但是，在规范获得成功的间歇期中，这一专业团体将会解决一些问题，其成员如果不信规范，不但想不到，也永远提不出。至少有一部分成就永远都是这样。
为了更清楚地表明常规研究也即根据规范进行的研究究竟是什么意思，让我对常规科学所包括的主要问题加以分类和说明。为了说明的方便，姑且不谈理论研究，先看看事实的搜集，也即科技刊物中所描述的实验和观察，科学家们正是通过这些刊物的同行们报告他们不断研究的成果。科学家通常报告自然界的哪些方面呢？他们的选择取决于什么呢？而大多数科学观察都要花费大量时间、设备和金钱，推动科学家求得这一选择所导致结果的动力又是什么呢？
我以为，关于事实的科学研究通常只有三个中心，它们之间的区别既不经常，也不永恒。
首先是那一类事实，规范表明它们特别能揭示事物的本质。规范用这些事实解题，使事实对更加多样的情况具有更加精确的判决作用。某一个时期的这种关于事实的重大判决有：天文学中——行星的位置和大小、双星星蚀周期和行星周期；物理学中——物质所特有的引力和可压缩性，波长和光谱强度，导电性和接触电位；化学中——化合物和化合量，溶液的沸点和酸性，结构式和旋光性。为了提高认识这些事实的精确性、扩大认识范围所作的努力，占去了实验观察科学的大部分文献。为此目的，一次又一次地设计了复杂的专门仪器，而发明、制造和布署这些仪器都要求第一流的人才，还往往要求相当的财政后盾。同步加速器和射电望远镜不过提供了最新的例子来说明：只要规范可以肯定科学工作者所寻求事实的重要性，他们就能做到这样的程度。从第谷·布洛赫（TychoBrahe）到E．O．劳伦斯（Lowrence），某些科学家之所以获得巨大声誉，并不是由于他们的发现有什么新颖，而是由于他们为重新判定某种以前已知事实所用方法的精确性、可靠性和广泛性。
第二类的事实判定很普通，但也更少。这类判定针对那样一些事实，它们本身没有什么重要性，但可以直接用来同规范所预测的作比较。当我从常规科学的实验问题转到理论问题时，我们很快就会看到，一门科学理论，特别是主要以数学形式出现的理论，可以直接同自然界相对照的地方是不多的。这样的地方，即使是爱因斯坦的广义相对论所能达到的，也不超过三个。而且，即使在这种可以实际应用的地方，也往往要求理论上和实验上更加接近，以免严重限制所期待的一致。
为了更加一致，或者为了发现一些新的可以一举证实这种一致的领域，正在不断对实验者和观测者的技巧和想象力提出挑战。特种望远镜证实了哥白尼对周年视差的预测；阿乌德（Atwood）机是在牛顿《原理》以后几乎一个世纪才第一次发明的，却第一次毫不含糊地证实了牛顿第二定律；傅科（Foucault）的仪器表明光速在空气中比在水中大；设计巨型闪烁计数器是为了证明中微子的存在——象这样一些以及其他许多类似的特殊仪器，说明必需有这些巨大的努力和创造性才能使自然界同理论愈来愈一致起来。试图证明这种一致性，是第二种类型的正常实验工作，它甚至比第一种更明显地依赖于一种规范。规范的存在使问题开始得到解决；规范理论往往直接包含在有可能解决这个问题的仪器设计之中。例如，如果没有《原理》，用阿乌德机所作测量就毫无意义。
第三类实验和观察，我认为穷尽了常规科学的搜集事实活动。它包括详细分析规范理论的经验性工作，以消除某些残留的含混不清，从而使以前只是引起注意的问题可以得到解决。这一类是最重要的一类，要加以描述还得细分。在更加数学化的科学中，旨在进行详细分析的实验是针对物理常数的判定的。例如，牛顿的研究表明，对于宇宙间任何位置上的任何一种物质，两个单位质量在单位距离之间的力都一样。但即使不考虑这种吸引即万有引力常数的大小，这个问题同样可以解决而在《原理》出现以后一百年中，没有其他任何人设计出能够确定这个常数的仪器。卡文迪什在十八世纪九十年代的著名判定也不是最后一个。由于引力常数在物理科学中的重要地位，改进其数值就成了此后一大批著名实验室反复努力的目标。这一类长期研究的其他事例是：确定天文单位、阿怫伽德罗（Avoadro）数、焦耳（Joule）系数、电荷等等。如果没有一种规范理论规定了问题并保证有一个稳定的解，就很难设想会有这么多精心的努力，更不会产生任何成果。
当然，努力把规范表述清楚，并不限于制定普遍常数。努力的目标也可能是定量定律，象波义耳关于气体压力与体积关系的定律，库仑关于电吸引的定律，焦耳关于电阻和电流生热的方程，都属于这一类。规范是发现这一类定律的前提条件，尽管表面上也许看不出来。我们常常听说，这些定律是由于为自己捡验测量数据以及没有理论成规而发现的。但是历史并不支持这样一种太过分的培根式的方法。空气以前被认为是一种所有静力学精密概念都用得上的弹性液体，当时波义耳实验一直不为人们所理解（如果理解了，就会接受另一种解释，或者根本不作解释）。库仑的成功是因为他制造了一种专门仪器来测量两个点电荷之间的力（以前用普通的盘式天平等测量电力，根本没有发现有任何联系或简单规则性。）。但这一设计又依赖于以前的认识：每一个电流体粒子都超距作用于其他每一个粒子。这就是库仑正在寻求的两个这种粒子之间的力——唯一可以有把握假定为单纯距离作用的力。焦耳的实验也可用来说明，定量定律是怎样通过说明规范而涌现的。事实上，定性的规范和定量的定律之间的关系如此广泛而密切，以至于从伽里略时代起，在设计出用于实验判定的仪器以前许多年，人们就常常借助于规范而确切地猜测出这些定律来。
最后，还有第三种旨在说明一种规范的实验。这种实验比其他的更象一种探测；在那样一些时期和科学中，即需要更多解决自然界规则性的定性问题而不是定量问题时，这种实验特别盛行。通常从一组现象中提出来的规范，用到其他密切有关的现象时就含糊不清了。于是，怎样才能把规范应用到人们所关心的新领域，实验就必须有所选择。例如，把热质说当作规范用，就是以混合和改变状态来加热或冷却。但热还是可以通过别的方式释放或吸收——例如化学化合、摩擦、气体的压缩或吸收——而且热质说也可以通过几种不同的方式应用到这里的任何其他现象。如果真空也有加热的能力，那么，压缩加热就可以解释为气体同虚空相互混合的结果。要么就是由于特种气体热因压力改变而发生变化。此外还有几种别的解释。许多实验，就是为了试探并辨别这许许多多不同的可能性；而所有这些实验都来自作为规范的热质说，都是利用规范来设计实验并解释实验结果的。一旦压缩加热现象被证实了，这方面一切进一步的实验就都以同样方式依赖于规范了。给定了现象，阐明现象的实验还能有什么别的选择呢？
再谈谈常规科学的理论问题，它也几乎要归到实验科学和观测科学同一类中。常规理论工作的一部分，尽管只是很小的一部分，就完全是一种现有理论的应用，即用来预测理论固有意义中所包含的关于事实的信息。编制天文历书，计算棱镜特征，绘制无线电广播曲线，都是这一类问题的实例。科学家们却一般都把这一些看成是舞文弄墨而扔给了工程师或技师。许多这类工作因而没有机会出现于科学刊物。但是，这些刊物所包含的大量问题讨论，对于非科学家来说，看起来却必然差不多都是一样的。人们所以要利用理论，并不是因为从中得出的预测本身有什么价值，而是因为可以直接对付实验。利用的目的在于表现这一规范的新应用，或者提高一种现有应用的精确性。
艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)
扩大理论同自然界之间的接触点经常会遇到巨大困难，正是从这些困难中产生了对上述这一种研究工作的需要。查阅一下牛顿以后的科学史，就可以扼要地说明这种困难。直到十八世纪早期，从《原理》中发现规范的科学家们认为，这本书的结论理所当然地具有普遍意义，他们也有充分的理由这样做。一本著作竟然可以这样大幅度地同时扩大研究范围、提高研究的精确性，这在科学史上已知的著作中还是没有先例的。牛顿为天体推导出了开普勒行星运动定律，也解释了月亮在观察中并不遵守这些定律的几方面的问题。他为地球推导出了关于单摆、斜面和潮汐的一些零星观察结果。借助于外加的但又正是为此目的而作的假设，他本来也有可能推导出波义且定律和空气中声速的重要方程。就当时的科学状况说，这些证明的成就是极其令人难忘的。但从牛顿定律所假定的普遍性看，实际应用的数量就不怎么大，牛顿也几乎没有什么另外的发展。而且，同今天任何一个物理学毕业生用这些定律所能达到的成就相比，牛顿的这一点应用甚至也不精确。
对精确性问题我们这里姑不多谈。我们已说过这个问题的经验方面。为了提供具体应用牛顿规范所要求的数据，需要有特殊的装置——象卡文迪什仪器、阿乌德机或改进的望远镜。要取得一致，在理论方面也存在同样的困难。例如，牛顿在应用摆的定律时为了给摆长下一个唯一的定义，就不得不把摆锤作为一个质点来处理。他的大部分理论，除了少数假说性的和预备性的以外，也都把空气阻力效应忽略不计。这是合理的物理学近似。但这些理论作为一种近似，又限制了牛顿的预测和实际实验之间所期望的一致。把牛顿理论应用到天体上，这个困难表现的更加明显。单纯定量的望远镜观测表明，行星并不完全遵循开普勒定律，而牛顿理论则表明，本来就不应该遵循。为了推导出这些定律，除了单个行星同太阳之间的引力，牛顿不得不忽略此外的全部吸引作用。而各行星之间却是互相吸引的，因而在所用理论同望远镜观测之间，人们也只能期望一种近似的符合。
在摆的事例中，所达到的符合超过了得到这种符合的人满意的程度。任何别的理论都不能更符合了。没有一个怀疑牛顿研究工作有效的人能做到这一步，因为它只限于同实验、观察相符合。但这种局限性却为牛顿的后继者留下了很多令人入迷的理论问题。例如，必须有理论技巧才能确定一个重摆的“等效长度”。处理两个以上互相吸引物体的同时运动，也要技巧。这一些以及其他一些类似的问题，在整个十八世纪和十九世纪初叶，耗用了许多欧洲最好的数学家的精力。伯努里（Bernoullis）、欧拉（Euler）、拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯（Laplace）和高斯（Gauss），都为牛顿规范进一步同自然界相称而作出了某些各自最光辉的贡献。许多这样的人物都同时致力于发展牛顿从未想过的实际应用所需要的数学，例如，为解决液体力学和弦振动问题而出现了大量文献和某些非常有效的数学方法。这些实际应用问题占用了十九世纪中可能是最光辉也最耗费精力的那些科学工作。在热力学、光的波动说、电磁理论或者基本定律完全是定量的任何其他科学分支中，查阅一下它们的后规范时期的发展，还可以从中发现其他一些事例，至少在更加数学化的科学中，最理论性的工作还是属于这一种。
但也不是都属于这一种，即使在数学科学中也有说明规范的理论问题。在科学发展主要还属于定性的时期中，这些问题已占主《归纳科学史》（修订版；伦敦，1847年）；第II卷，第213～271页。要地位。在更加定量也更加定性的科学中，有些问题完全是为了通过重新表述而进行分类。例如，《原理》并不是一直证明应用是一件容易事，这部分是因为它保留了初次冒险中某些不可避免的拙劣，部分又因为只有在应用中才能显示出它的许多涵义。因此，从十八世纪的伯努里、达朗贝尔和拉格朗日到十九世纪的汉密尔顿（Hamnton）、雅可比（Jacobi）和赫芝（Hertz），许多欧洲最卓越的数学物理学家都努力以等效的、但逻辑上和美学上更令人满意的形式把牛顿理论加以重新表述。也就是说，他们想以逻辑上更紧凑的形式展示出《原理》中外在的和内含的训诫，把这种形式应用到新提出的力学问题上以减少一些模糊不清。
所有科学中都一再发生过一种同规范类似的重新表述，但大多比《原理》的重新表述引起了规范更重要的变化。这变化来源于上述说明规范的经验活动。把那一类研究作为经验工作，这样的分类的确有些任意性。同其他任何一种常规研究相比，对规范的说明不但更有理论性，同时也更有实验基础；以前所举的例子这里也同样适用。库仑在制成他那个装置并用以进行测量以前，他必须先用电学理论确定怎样制造他的装置。他测量的结果就是那种理论的精心安排。再说，有些人设计了一些实验来区别不同的压缩生热的理论，他们一般也正是那些提出各种观点以进行比较的人。他们进行研究，不仅运用事实，也运用理论；他们的研究，不单单产生新的知识，还产生一种由于消除了他们据以工作的初始规范所残留的模糊不清而取得的更加精确的规范。在许多科学中，大多数常规研究都属于这一种。
这三类问题——判定重大事实、理论同事实相配、说明理论——我认为充斥了常规科学的文献，不管是经验科学还是理论科学。当然，它们并没有充斥整个科学文献。也还有一些非常问题，可能正是为了解决这些问题，才使整个科学事业特别值得如此花费精力。但这些非常问题并不是为了提问而必需的。它们只是在常规研究进展所准备好的特殊时机中才涌现出来的。因此，即使是那些最好的科学家所提出的绝大部分问题，通常也总是不出上面所勾画的三大类之一。在规范的指导下研究工作只能这样进行，抛弃了规范就等于不再研究规范所规定的这一门科学。我们很快地就会发现人们的确抛弃过规范。这是科学革命所围绕的枢纽。但在开始研究这个革命之前，我们还需要对开辟道路的常现科学探索有一个更全面的看法。
本文来源：《科学革命的结构》作者:T.S.库恩 出版社:上海科学技术出版社 译者:李宝恒/纪树立 出版年:1980 页数:144， 统一书号:13119-843。部分内容由编者整理，注释从略。
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