摘要

本文討論科學理論結構的哲學分析。「科學理論是什麼？有什麼樣的結構」這兩個相關問題是二十世紀科學哲學研究的核心主題之一，雖然在二十一世紀以來，它的重要性有些淡化。縱觀整個二十世紀對科學理論結構的哲學分析，大致可以分成三大取向或觀點：邏輯取向 (the logical approach) 把科學理論理解成一組具邏輯關係的命題，故引入邏輯工具來分析科學理論的邏輯結構。概念取向 (the conceptual approach) 把科學理論理解成「概念架構」(conceptual scheme)，故著重分析理論內的概念與概念之間的相互關係。認知取向 (the cognitive approach) 把科學理論理解成「心智表徵」(mental representations) 或「心智模型」(mental models)，故分析科學理論內的心智表徵的組織結構。

　　本文將根據這三大取向來討論科學理論的結構。但是在進行之前，我們有必要先討論 1930 年代之前的早期科學哲學，因為十九世紀末、二十世紀初的科學哲學家已開始討論理論與模型以及兩者的關係。這些早期的討論甚至引導了日後整個二十世紀探討科學理論結構的各種路向。所以，本文第二節先討論二十世紀早期的觀點，第三、四、五節依序討論邏輯取向、概念取向和認知取向，最後一節展望二十一世紀的後繼課題。

附記：對本文內容有深遠影響的美國科學哲學家 Ronald Giere, 1938-2020 於 2020 年 5 月間去世，謹以此文表彰並紀念他。
This Chinese article, “The structure of scientific theories,” is written under the influence of American philosopher of science Ronald Giere’s works about the topic. During the period of writing this article, Professor Giere unfortunately passed away in May, 2020. The author decides to dedicate this article for remembering his achievement.

 

上線日期：2021 年 05 月 14 日

引用資訊：陳瑞麟 (2021)。〈科學理論的結構〉，《華文哲學百科》（2021 版本），王一奇（編）。URL=http://mephilosophy.ccu.edu.tw/entry.php?entry_name=科學理論的結構。

 

 

1. 導論

2. 二十世紀早期的觀點

3. 邏輯取向：從句法觀點到語意觀點

3.1 邏輯經驗論的語法觀點
3.2 語意觀點
3.3 邏輯取向的麻煩

4. 概念取向：科學理論的概念結構

4.1 從典範理論到詞彙結構
4.2 概念架構的連結
4.3 概念架構的區分：分疇的觀點

5. 認知取向：理論包含相似的一群模型

5.1 類比模型和理論
5.2 吉爾瑞的認知模型

6. 二十一世紀的新發展

 

 

1. 導論

「科學理論是什麼？有什麼樣的結構？」這兩個相關問題是二十世紀科學哲學研究的核心主題之一，雖然在二十一世紀以來，它的重要性有些淡化。

　　科學哲學發展於十九世紀末到二十世紀前半葉，其時也是物理學最蓬勃的時期，古典電磁學、古典熱力學、相對論、量子力學等等奠定今日物理世界觀的大物理理論在五十年之內相繼誕生，帶給科學哲學家一個深刻的印象：科學理論是科學掌握這個世界的關鍵。雖然科學方法是另一個關鍵，不過，科學方法是手段，使用這個有力手段的目的是為了產生科學理論！然而，理論並非科學專有的，其它非科學的領域也可以產生理論。在這種情況下，「科學理論為什麼可以是科學的？」就變成核心的問題。也就是說，科學理論有什麼獨特特徵，使它們得以和其它非科學的理論區別開來？

　　Theory（理論）這個英文字源自希臘文，其拉丁字母的拼法是 theoria，本意是「思辨」，今天英文用 speculation 表達。這是說，希臘文的「思辨」和「理論」是同一個字，它並沒有後來一些人對「speculation 只是毫無根據的玄想」這樣的看法。對於亞里斯多德來説，理論思辨的目的在於掌握自然事物的本性 (essence)，由三段論來表達，例如「人是理性的動物，蘇格拉底是人；蘇格拉底有理性」，亦即從大前提和小前提推導出的結論，這個推導使用思辨理性——也就是遵守三段論的邏輯規則：如果大小前提都真，則結論必然真。但是，如何保證大、小前提都為真？小前提來自經驗，表達一個事實；大前提表達人的本性，來自人類的智性直觀（nous，即 intellectual intuition），從大前提和小前提推出結論的整個過程也就是思辨。[1]

　　「理論」在希臘文字源中的這個「思辨」的原初涵意，使它對立於實踐或實作 (practice)，希臘文對應字的拉丁字母拼法是 phronesis。理論的就不是實作的——中文的一般用法也有這樣的對立，因此產生了批判「一個人只知空講理論，卻不會實作或無知於實務」這種通俗說法。不過，這種把「理論」理解成「空想」的通俗性用法與科學理論關係不大。

　　十九世紀實證主義崛起之後，哲學家把思辨從理論中分離出來，思辨被視為是形上學的方法，缺乏經驗證據的支持；理論則是可以有經驗證據來判斷的系統性命題。但是，一旦科學理論被理解成語言性的命題系統時，其它非語言性的科學活動成分，例如觀察、測量、實驗等等，都是非理論的，結果形成了科學理論與科學實作 (scientific practices) 的區分——這個區分與理論和實作的關係在二十一世紀的科學哲學中益形重要——它應該被放在「科學實作的哲學」這個詞條下來討論。

　　科學哲學另有一個重要的方法學概念是「假設」(hypothesis)，它與「理論」關係密切。[2] Hypothesis 有兩個中文譯詞，一個是「假設」，另一個是「假說」。「假設」可以用來譯另一個英文 assumption（又譯成「假定」），它約莫相當於一個假設性的陳述 (hypothetical statement)，假設某一個簡單的事件或情況的發生，亦即假定某一條件，例如，「假設（如果）我努力用功，則我會通過考試。」「假說」則用來表達「假設性的理論」(hypothetical theory) 或「理論性的假設」(theoretical hypothesis)，亦即被暫時設定用來說明一群現象的理論，但它們仍然需要經驗的印證。

　　「理論」與「假說」的關係，有兩種不同的看法與用法。第一種用法是很多科學家的主張。他們認為被經驗證據證實的假說才能稱作「理論」；如果它仍然有待經驗證據的檢驗，只能稱作「假說」。有些歷史上已經被放棄的暫行理論，例如托勒密的地心說、中世紀的衝力說、笛卡兒的渦漩說、燃燒的燃素說等等，由於被經驗反證或否證，都只具假說的資格。這種主張認為假說與理論是兩個不同的階段。第二種是廣義的用法，主張所有理論——不管有多少經驗證據——都只是假說，因為沒有完全被證實這回事，不管是從邏輯上或從歷史上觀之，再強固的理論——例如牛頓力學理論——都有可能被經驗證據否證。因此，理論就是一種假說。歷史上的各種假說，都具有理論的特性與結構，也都可稱作「理論」。本文採取這個廣義的「理論」與「假說」的用法。現在問題是：歷史上所謂的科學理論和假說，是具有什麼樣的特性與結構，才得以被視為科學理論？

　　從知識論的角度來看，科學理論是科學知識的主要載體，直觀上，它們是關於世界的系統性知識 (systematic knowledge)。「系統性」是指科學理論裡的每一局部都必須在理論整體之間有其特定位置，並與該理論的其他部分互相關連，甚至一致融貫、不得有所衝突。系統性也蘊涵了結構，有系統的東西就會有其結構。所以，把科學理論的結構揭示出來，就可以理解科學理論，分辨它們與其它非理論知識的不同之處，並掌握科學理論之所以有力的關鍵。

　　從科學哲學的發展歷史來看，不同的科學哲學學派，一般對於科學理論的本質與結構會有不同的觀點。不過，也有不同的科哲學派共享相同的理論觀點，例如邏輯實證論和否證論對於科學理論的本質和結構的觀點並沒有基本差異。縱觀整個二十世紀對科學理論的結構的哲學分析，大致可以分成三大取向或觀點。

　　第一種是邏輯取向 (the logical approach)，把科學理論理解成具邏輯關係的一組命題或一組抽象結構，因此引入邏輯工具來分析科學理論的邏輯結構。此取向又可分成語法觀點 (the syntactic view) 和語意觀點 (the semantic view) 兩大派，大約從 1930 年代開始發展，約莫到 1980 年代止。

　　第二種是概念取向 (the conceptual approach)，把科學理論理解成概念架構 (conceptual scheme)，因此，著重分析科學理論內的概念與概念之間的結構性關係。概念取向從 1960 年代開始發展，直到今天持續發展之中。

　　第三種是認知取向 (the cognitive approach)，把科學理論理解成心智表徵 (mental representations) 或心智模型 (mental model)，不只是可用語言描述，有時甚至可以用圖案表達，因此，此取向著重在分析科學理論內的心智表徵的組織結構。認知取向從 1980 年代開始發展，直到今天持續發展之中。

　　下文將根據這三大取向來討論科學理論的結構。但是在進行之前，我們有必要先討論 1930 年代之前的早期科學哲學，因為十九世紀末、二十世紀初的科學哲學家已開始討論理論與模型，以及兩者的關係，他們討論物理學家是怎麼發展或建構科學理論？物理理論應該有什麼樣的結構？這些早期的討論甚至引導了日後整個二十世紀探討科學理論結構的各種取向。所以，以下第二節先討論二十世紀早期的觀點，第三、四、五節依序討論邏輯取向、概念取向和認知取向。最後一節展望二十一世紀的新發展。

 

 

2. 二十世紀早期的觀點

法國科學家科學哲學家杜恩 (Pierre Duhem) 是科學哲學這個領域的奠基者之一，他在 1906 年出版《物理理論的目標與結構》(The Aim and Structure of Physical Theory)，[3] 是一本早期的科學哲學經典，分成兩大部分，第一部分討論物理理論的目標，第二部分討論物理理論的結構。整本書的目標是系統性地發展一個以理論為中心的科學哲學理論。

　　杜恩把理論定徵 (characterize) 為「一個數學命題系統，從少數原理演繹出來，目標是盡可能簡單地、完備地、正確地表徵一組實驗定律。」(Duhem 1991: 19) 這裡作了理論與實驗定律的區分，而且判斷物理理論好壞的「唯一檢驗是比較理論的推斷與它必須表徵和分類的實驗定律。」(p. 180) 杜恩進一步指出科學家形成一個物理理論的四項相繼的運作：(1) 物理量的定義和測量；(2) 假說的擇定，所謂「假說」就是那少數原理，是數學演繹所依賴的基本原則（後來的科哲家也稱作公理 (axioms) 或公設 (postulates)）；(3) 理論的數學分析；(4) 理論和實驗的比較 (Duhem, 1991, ch2, pp.19-30)。

　　杜恩認為「物理理論不是說明或解釋 (explanation)。」在杜恩看來，想說明或解釋要使用類比 (analogy) 或模型，例如科學家說明月球繞地球轉是因為兩者之間的重力作用，就好像小孩子用一根繩子綁住石頭並抓住繩子一端，使石頭迴旋，看不見的重力作用就好像一根無形的繩子。但是，對杜恩來說，這種類比／模型的說明不是物理理論，真正的物理理論是牛頓的萬有引力定律：「兩物之間的重力量度與兩物的質量乘積成正比，與兩物之間的距離平方成反比。」以數學公式來表達是 U=GMm/R² 。因此，杜恩認為「類比／模型」是物理理論形成之前的階段，但本身不是物理理論的一部分。

　　英國科學家兼科哲家坎貝爾 (Norman R. Campbell) 也是科學哲學的奠基人之一，被視為邏輯實證論的先驅者。他在 1920 年出版了《物理學：基本要素》(Physics: The Elements) 一書，[4] 為理論的說明或解釋功能辯護。坎貝爾認為理論的目的在於說明或解釋實驗定律，理論由兩群述句 (statements) 組成的：一群連結一組觀念的述句，代表理論的特徵，該組觀念集體地稱為「假說」；另一群則是連結假設的觀念和描述實驗結果的觀念，總稱為「詞典」(dictionary)，這個詞典總是由假說和某些已知定律間的類比而建立起來。坎貝爾認為說明或解釋乃是以熟悉來代替不熟悉的、簡易代替複雜的觀念，又「詞典」正是透過一個熟悉且簡易的類比來說明或解釋比較不熟悉的假說。因此，雖然坎貝爾沒有使用「模型」這個術語，他所謂的「詞典」卻相當於類比模型。坎貝爾進一步區分「數學理論」和「機械理論」(mechanical theory)：前者是一個數學命題系統，典型的例子是傅利葉熱傳導理論 (Fourier' s theory of heat conduction)；後者是一組說明性的命題，典型例子是說明波以爾定律的氣體分子動力論 (the dynamical theory of gases)，其本身就是一種類比模型。

　　美國物理學家布里基曼 (Percy W. Bridgman) 在 1927 年出版的《現代物理的邏輯》(The Logic of Modern Physics) 一書中，提出著名的「操作定義」(operational definition) 的觀念，主張「一個物理概念不過是一組操作 (a set of operations)；此概念同義於那組相應的操作。」(Bridgman 1927: 5) 例如「長度」(length) 這個概念就是測量長度的物理操作。操作定義扮演類似坎貝爾的詞典一樣的角色，把理論性的假說連結到具體的測量或實驗上。它是物理理論必要的一部分，為物理語詞提供了意義，並連結到物理真實性 (physical reality) 上。除了操作定義之外，布里奇曼也討論「心智建構」(mental constructs) 的觀念，類似前文所提的模型／類比。布里奇曼承認模型和建構是有用的思想工具，但它們的使用也有危險性，因為如果科學家不能為心智模型和心智建構建立起操作定義，那個心智建構就不足以被承認為物理實在 (Bridgman 1927: 52-60)。

　　杜恩、坎貝爾和布里奇曼三人對理論結構觀點有下列同異之處：三人都區分了理論和經驗（含觀察、測量、實驗等），也都主張理論由一組陳述或命題構成的。差別在於杜恩認為理論命題描述（但不說明）實驗定律，說明被實驗定律表徵的經驗現象為什麼會出現的類比／模型不屬於理論的一部分；坎貝爾則主張理論說明實驗定律，說明需要使用詞典（即類比模型）來連結經驗／實驗與理論假說，因此類比模型是科學理論必要的部分。布里基曼主張連結經驗和理論假說或概念的是操作定義，類比和模型雖然可以被轉形成理論，但必須建立操作定義。

　　這三位二十世紀早期大科哲家對科學理論結構的分析，大致被 1930 年代崛起的邏輯實證論／經驗論繼承，唯一的差別是邏輯實證／經驗論者使用現代量化邏輯為分析工具，企圖以量化邏輯的基本觀念和符號系統來形構科學理論的結構。

 

 

3. 邏輯取向：從句法觀點到語意觀點

邏輯取向分析科學理論的邏輯結構，又可分成兩種路線，與數理邏輯 (mathematical logic) 本身的發展有關。一開始在 1930 年代起由邏輯經驗論推動的語法取向，把科學理論定義成公理系統，並以一階量詞邏輯來表述和分析，因此，理論的結構就是理論內部各種述句之間的演繹關係，也就是語法（或句法）關係，理論結構就是一種語法結構。因此，本文稱為「語法觀點」，在文獻中又有「正統觀點」、「標準觀點」、「公認觀點」等等名稱。[5] 隨著數理邏輯在 1950 年代開始發展模型論 (Model Theory)，探討形式語言的語意解釋，並使用符號來形構，模型論的「模型」概念也在 1960 年代間被引入經驗科學理論結構的分析中，如果科學理論是一個形式化的公理系統，它的語意解釋可使用模型來表達，那麼，科學理論結構就是其語意結構，就是模型。這種取向又稱為「語意觀點」。由於在科學哲學日後的發展中，其它非邏輯取向的理論結構之分析，也大量使用「模型」這個觀念，但是脫離了邏輯模型論的分析和表達方式，所以本文把語意觀點的模型特稱為「邏輯模型」，以便與其它非邏輯取向的「模型」觀念作出區隔。

 

3.1 邏輯經驗論的語法觀點

邏輯實證論／經驗論是 1930-1970 年代間主導科學哲學的主流理論，[6] 它對於科學的很多哲學觀點，都已在二十世紀末被修正，但是，當年邏輯經驗論投注很大心力分析科學理論的邏輯結構，他們的成果和觀點即使在二十一世紀，仍佔據十分重要的地位，他們的主張，仍然被不少科學哲學家繼承、支持、或微調修正。

　　在科學理論的結構這個議題上，邏輯經驗論的文獻非常多，但最重要的幾篇大致如下：卡納普 (Rudolf Carnap) 在 1937-1938 年發表的〈可檢驗性與意義〉(Testability and Meaning)、韓培爾 (Carl G. Hempel) 在 1952 年發表的〈經驗科學概念形成的基礎要素〉(Fundamentals of Concept Formation in Empirical Science) 和 1958 年發表的〈理論家的困境：理論建構的邏輯研究〉(The Theoretician' s Dilemma: A Study of the Logic of Theory Confirmation)、納格爾 (Ernest Nagel) 在 1961 年發表的〈實驗定律與理論〉(Experimental Laws and Theories)[7]、菲格爾 (Herbert Feigl) 在 1970 年發表的〈理論的正統觀點〉(The 'Orthodox' View of Theories: Remarks in Defense and Critiques)。此外還有兩本具代表性的論文集：1953 年的《科學哲學讀本》(Readings in the Philosophy of Science)[8] 和 1970 年的《明尼蘇達科學哲學研究第四冊：物理學與心理學的理論和方法的分析》(Analysis of Theories and Methods of Physics and Psychology)。[9]

綜合上述諸核心文獻，邏輯經驗論主張科學理論的結構可由下列四點來勾勒出一個梗概：

　　(1) 科學理論是一組語言性的述句 (linguistic statements)，其中一定要有一些理論語句，也可能有一些觀察語句。理論語句至少包含一個理論詞 (theoretical terms)；觀察語句則全部由觀察詞 (observational terms) 組成。

　　(2) 觀察詞／理論詞的二分法：邏輯經驗論者堅持科學知識最終必須奠定在經驗，也就是可觀察的對象 (the observables) 上。這些可觀察的對象驗證或否證理論。指稱這些可觀察對象的語詞就稱作「觀察詞」。然而，科學家使用很多指稱的對象無法直接觀察的語詞，例如「重力」、「電子」、「場」等等。這些語詞就稱作「理論詞」。理論詞所指稱的對象，就被稱作「理論物項」(theoretical entities)，有可能真實存在，但也有可能不被接受其存在。「理論詞」既然指稱不可觀察的對象，其實就等於「非觀察詞」(non-observational terms)，它們不見得一定要來自某個科學理論，它們可以來自任何其它假說。

　　(3) 要確保科學理論在經驗上可以驗證，就必須使用觀察詞來定義理論詞，或者說，使用特別的定義把理論詞建立在觀察詞的基礎上。這種特別的定義又被稱作「詞典」、「操作定義」、「橋律」(bridge laws)，後來通稱為「對應規則」(correspondence rules)。

　　(4) 科學理論可以而且應該被表述成一個公理（或公設）系統 (axiomatic system)，包括公理或公設和對應規則。[10] 公設是科學定律或定理，主要由理論詞來表達，對應規則將理論詞關聯到觀察詞之上。一個科學理論中的幾條公設構成一個理論詞的網絡，其中有一些理論詞是由其它理論詞來定義，而一些理論詞則透過對應規則連結到觀察語言上，理論的驗證與否，則由描述實際觀察的記錄句 (protocols) 來檢驗。但是全部由觀察語言組成的記錄句不是理論的一部分，它們是實驗或觀察報告。

　  韓培爾的一段話生動地描繪了科學理論的結構：

一個科學理論因此或許可以排列成一個複雜的空間網絡：此理論的各種語詞可以用網絡中的一個個節結 (knots) 來表示，而連結各個節結的網絡則對應於此理論中的各定義、基本假說或推導而得的理論。這整個網絡漂浮在觀察的平原上，並經由解釋規則而下錨固定。這些解釋規則可以被看作不屬於整個網絡，卻以某種方式將整個網絡的某些部分與觀察平原上的某些地方連結起來。透過這種解釋性的連結，整個網絡便以一個科學理論的方式運作：從某些觀察資料，我們可透過一個解釋連結，攀升到理論網絡的某一點上，再透過定義及其他假說，通往網絡中的其它可容許由解釋連結下降到觀察平原上的其它點。(Hempel 1952: 688)

把這個理論結構的描述轉化成圖像就是菲格爾著名的圖 1 (Feigl, 1970: 6) ：

圖 1：科學理論的結構之圖像

其中，小圓點代表「原初概念」(primitive concepts)，也就是上文所提的「理論詞」；實線代表「公設」，它們連結各個原初概念，有一些「原初概念」被加以定義，那些「被定義的概念」以小三角形來代表，並連結到以小正方形來代表的「經驗概念」上，即上述的「觀察詞」。那些經驗概念就植根於觀察的土壤上。其中，連結原始概念和被定義概念與經驗概念的虛線，就是對應規則。

　　可以看到，邏輯經驗論對理論結構的觀點，大致是承襲、綜合並修改自杜恩、坎貝爾、布里基曼等人的觀點。最大的修改之處在於引入十九世紀末、二十世紀初發展的符號邏輯 (symbolic logic) 來重建或形構科學理論。這種邏輯重建以及引起的相關問題，主導了 1930-1970 年代間科學哲學的發展議程。其中的核心議題是「理論語詞（和概念）」與「觀察語詞（和概念）」的關係，有三種處理方向：消除論、等值論和化約論。[11]

　　消除論來自一種對理論概念必要性的懷疑論，主張我們可以採用某種邏輯方式來消除理論語詞，而不會損失理論提供的知識內容。一般有兩種邏輯方法被提出來：第一種是 1931 年的英國哲學家瑞姆濟 (Frank P. Ramsey) 提出的瑞姆濟理論性概念消除法，主張我們可以使用存在變項來取代一個理論中的每一個理論語詞，使用存在變項的新語句集合與原來使用理論語詞的語句集合等值。第二種是美國邏輯家克雷格 (William Craig) 證明了「對任何一公設系統 A 而言，我們必定可以構作另一個公設系統 A'，可以導出 A 能導出的所有命題」，這稱作克雷格定理 (Craig theorem)。因此，克雷格定理暗示了我們可以構作一個全部以觀察語詞組成的公設系統，可以導出含有理論語詞的公設系統能導出的所有命題。這兩種方法的證成或拒絕都涉及複雜的邏輯符號和概念，本文不擬詳細討論。[12]

　　第二組議題是：既然理論包括理論公設和把理論詞連結到經驗的對應規則這兩部分，又理論公設是假設，不是來自經驗，那麼，邏輯經驗論要處理的核心問題就是：如何為理論公設賦予經驗意義？亦即如何以對應規則來定義理論詞、進而解釋 (interpret) 理論公設的意義？其中的關鍵在於對應規則是怎麼樣的一種邏輯語句？它們有什麼樣的邏輯結構？這些議題催生了等值論和化約論兩種處理路線。

　　早期某些邏輯經驗論者主張理論詞可以使用觀察語句來定義或建立一個觀察或測量的操作定義，例如：x 的「長度」定義成「使用一尺規零點刻度對準 x 的一端，觀察 x 的另一端對齊該尺規的某刻度。該刻度讀數即為 x 的長度。」其中「定義成」應該被理解成邏輯上的等值，因此一個操作定義是一個邏輯等值句，即「x 的長度 y」等值於「使用尺規測量 x ，得到 x 的尺規讀數 y 。」表達成邏輯式是：Lxº(MxÌRx)，其中，Lx= x 的長度，Mx= 使用尺規測量 x ，Rx= 尺規讀數 y。然而，把對應規則分析成邏輯等值句，在定義「傾向詞」(disposition terms) 遇到邏輯上的困難。

　　傾向詞表達傾向性質 (disposition properties)，例如「（在水中的）可溶解性」(solubility in water)。這是指將物體放入水中，物體會瓦解 (dissolve)。如果把「可溶解性」表達成等值的操作定義，就是「x 是可溶解的，若且唯若，無論何時，將 x 放入水中，則 x 會瓦解」。表達成邏輯式是：Sx º (WxÌDx)，其中，Sx＝x 是可溶解的，Wx=把 x 放入水中，Dx＝x 瓦解。然而，這在邏輯上會造成如果不把 x 放入水中，則 x 不會瓦解時，但 「x 仍有可溶解性」也為真，因為在實質條件句 (substantive conditional) 的真值表上，前件假（沒有把 x 放入水中）後件假（x 沒有瓦解），整個條件句為真，但這是荒謬的。要解決這種荒謬性，卡納普提出化約句的分析，主張對應規則是一種化約句 (reduction sentences)，它的邏輯句式表達成「如果把 x 放入水中，則 x 有可溶解性，若且唯若，x 會瓦解。」表達成邏輯式是：WxÌ(SxºDx)。也就是說，這個定義在邏輯上是一個條件句，而不是等值句，操作是前條件，後條件才是一個等值句。[13]

　　一個語詞的等值定義給予它完全的意義，這是「邏輯等值」運算元的基本性質。卡納普的化約句並不是一個等值定義，所以，一個語詞的化約句只能賦予它局部性的意義，而不是一個完全的意義。因此卡納普認為化約句對理論詞提供了「局部解釋」(partial interpretation)。所以，科哲家一般也有使用一些不同的說法，像是把理論詞翻譯成或化約到觀察語句上。

　　邏輯經驗論 1960 年代受到來自各方面的批評，[14] 首先面對的挑戰是引入科學史到科學哲學內的歷史取向。邏輯經驗論採納的句法觀點，面對的基本挑戰是「理論語言－觀察語言」的二分架構，一些歷史取向的科哲家 (Hanson, 1965, Kuhn 1970) 論證理論語言和觀察語言的二分法不只在科學史上很難成立，也無法被科學認知的心理學的經驗研究支持。完形認知心理學主張「觀察背負理論」(theory-ladenness of observation) 學說，也就是說，科學家的觀察往往會預設他們事先的期待、甚至理論，如此一來，在科學研究中並不存在中立的觀察語言可以用來仲裁兩個互相競爭的科學理論（參看華文百科中的〈科學知識的證成及其挑戰〉）。其它針對科學理論的結構之不同觀點也紛紛在此時開始發展。

 

3.2 語意觀點

1960 年代開始發展的各種觀點中，其中一個取向仍然承襲邏輯分析的路線，採用 1950 年代發展的邏輯模型論來分析科學理論的結構。邏輯模型論處理形式語言和它的解釋之間的關係，形式語言的解釋就是模型。科學理論結構的語意觀點就是把邏輯模型論的邏輯理論應用到經驗科學上。

　　十九世紀末的符號邏輯已發展成一個形式語言的大體系。在一個形式語言體系中，述句和命題都可以由抽象符號來表達或形構，而形構規則（如基本邏輯的演繹規則）使我們可以從一種句式推出另一種句式，這部分即是語法關係。然而，形式命題中的個別符號代表什麼？整個命題如何有意義？一組系統性的命題（例如一個公理系統）又如何有意義？誠如上節所論，邏輯經驗論以對應規則來為形式公理系統提供意義，語意觀點則主張邏輯模型為形式公理系統提供意義。

　　一個邏輯模型是一組命題或公理系統的解釋，解釋是為那些命題指派真假值。例如「所有具親子關係的人都有血緣關係」這個命題之所以有意義是因為它指涉所有人當中的一些個體，這些被指涉的個體之間都要有親子關係，這個命題斷言這群個體因此也都有血緣關係。如果有這樣的一群個體，就能滿足這個命題，使它為真。首先，邏輯模型把這樣的一群個體符號化，如 a, b, c…，每一個代表一個個體，這群個體構成一個對象集合 (set of objects)，以符號表示為 Ɖ，它是該命題論及的所有對象，又稱「論域」(domain)。其次，這群個體的每一組對象都要有「親子關係」，用符號 R₁ 表達，這是一個二元關係，那麼，這一組對象也會有「血緣關係」，用符號 R₂ 表達，這是一個多元關係。進而，親子關係和血緣關係構成只有一個關係集合 (a set of relations)，以符號表示為 Ʀ。這群具親子關係和血緣關係的個體就是一個模型。一般約定以下列符號化的有序對 (ordered pair) 來表達：[15]

< Ɖ, Ʀ>

其中，Ɖ＝{a, b, c,…}；Ʀ＝{R₁, R₂}，又 R₁＝{<a, d>, <a, c>, <c, e>,…}、R₂＝{<a, c, d, e>, <b, f, g>,…}，其中<a, c, d, e> 是一個四元關係；<b, f, g> 是一個三元關係。

所謂「邏輯模型」是一切模型的抽象化。任何成員間彼此互有關係的對象集合，都可以用 <Ɖ, Ʀ>  這個有序對來表示，它是模型的一個最簡單的一般形式，這個形式還可以擴張成包含函項／功能 (functions)。從這裡也可以看到邏輯模型論一定要依賴於「集合」(set)的概念。

　　邏輯模型論的主題是對象的關係結構，也就是模型，但它關注的是所有模型的共同結構，亦即不考慮任何特定的、具體的對象，而是一切語句集的論域（其成員是語句集所論及的對象）以及對象和對象之間的關係。在面對任何擁有關係的對象集合時，我們可以使用某種語言來表達它們，這些表達構成一個語句集合。如果該語句集合的所有語句的所有語言成分均已解釋（被指派一個值），而且相對於此結構均為真，我們便稱它為一個「理論」。換言之，在邏輯模型論的觀點下，一個理論基本上仍包含一個語句集合，但是語句集合本身只是一些語言符號的組合，需要我們給它一個模型 Ｍ 來解釋它，才能知道它表達了什麼對象以及對象間的關係和函項／功能，這個模型 Ｍ 就被稱作「一個理論的模型」(a model for a theory)。

　　模型論的邏輯模型是由一些形式符號來表達，單一模型也可能滿足許多不同的語句集合，這時我們可以說這些語句集合擁有一個共同的模型，也就是共同的結構。這種情況是一個模型可以滿足許多不同的語句集合。反過來說，我們也可以對一個形式語句集合作出許多不同的解釋，賦予其不同的模型。[16] 原則上，模型與語句集合間有「一對多」和「多對一」兩種情況，都可以應用到經驗科學上。現在問題是：哲學家如何應用模型論或邏輯模型到科學理論的結構上呢？

　　在科學史上，模型論者發現科學家認定為相同理論者，往往有不同的句式系統 (formulation system)，例如牛頓第二運動定律可表達成 F=ma，也可以表達成 M=mv（動量＝質量乘以速度），兩者是不同的句式，卻表達相同的東西和內涵——亦即都是表達物體間的位置、力量和質量三種函項關係。[17] 這產生了一個問題：它們是相同的或不同的科學定律？如果我們把它們視為都是第二運動定律，那麼，我們必須回答：什麼東西使它們是相同的？如果把「理論」定義成語句集合，無法回答這個問題，因為兩者是不同的語句集合。但，這些不同的語句集合表達共同的結構，因此，如果把「理論」定義成共同結構、即模型，這個共同的結構便能顯示出不同的句式系統仍然表達著同一個理論。從這樣的作法出發，就不能把「科學理論」定義成語句集合，因為這樣等於說「不同的理論（句式系統）表達了同一個理論」，這是一個矛盾句。

　　在抽象化、形式化的邏輯模型論中，我們可以根據需要將理論規定為已解釋的語句集合，還必須再考慮組成這些語句集合的語言集合，即哪些語言集合內的元素組構了該語句集合。語言集合、語句集合、模型互相配合的每一種情況都可以用很精確的符號來表示，追究不同的語句集合是否表達相同理論並不是模型論的議題。但在具體的、實際的科學理論發展史中，解決不同的語句集合是否描述相同的理論是理論結構分析必須面對的問題，邏輯經驗論的句法觀點無法妥當地解決這個問題。但是，如果我們把科學理論定義成不同語句集合表達的共同結構（也就是模型）時，我們便有了科學理論的語意觀點。

　　科學理論結構的語意觀點涉及很多專業的邏輯知識，還有艱深的科學理論分析，要作一個完整的介紹，需要另一篇獨立的論文。以下僅提出語意觀點的重要哲學家的文獻和貢獻，以供讀者參考：

　　公認經驗科學語意觀點的第一位先驅者是美國科哲家沙普斯 (Patrick Suppes)，他在多篇著作把邏輯模型引入經驗科學之中 (Suppes, 1957, 1967, 1993)。在《邏輯導論》(Introduction to Logic) 一書中，他討論不同的學科學學者如邏輯學家、計量經濟學家、經驗科學家等對於「模型」的不同用法；在 1961 年的論文中，他嘗試爭論各種科學文獻中對「模型」的用法，都可以用邏輯模型來理解。沙普斯也首度提出「資料模型」(data models) 的概念 (Suppes 1962, 1977)，主張科學中的經驗資料其實也是一個結構性的東西，即模型。「資料模型」概念把理論和經驗的關係，從「理論詞」的定義問題轉換成「理論模型」和「資料模型」的關聯問題，設定了後來的模型哲學發展的基本格局。

　　美國物理學家兼科哲家史尼德 (Joseph Sneed) 在 1971 年出版《數學物理的邏輯結構》(The Logical Structure of Mathematical Physics)，採用「語意觀點」，實際把古典力學理論重新形構，表述成一個公理系統。不過，他並不是採用邏輯經驗論使用的一階量詞邏輯的形式語言，而是使用「集合論－模型論」的形式語言，稱為「集合論述詞的公理化方法」。[18] 德國科哲家史泰格穆勒 (Stegmüller, Wolfgang) 在 1976 年出版的《理論的結構與動理》(The Structure and Dynamics of Theories) 一書，引入史尼德的理論結構的概念，用來重建孔恩的科學變遷理論，把它形式化，從而發展一個理論的動力學。

　　范弗拉森 (Bas van Fraassen) 通常以他反實在論立場的「建構經驗論」(constructive empiricism) 而著稱，但他其實也是語意觀點的先驅者，早在 70 年代即有相關論文發表 (Van Fraassen 1970)，並在 1980 年的《科學形象》(The Scientific Image) 一書中，發展理論結構的語意觀點。他進一步論證使用資料模型來判斷理論模型的標準是經驗適當性 (empirical adequacy)，而不是真和假，這就把理論結構的議題嵌入實在論與反實在論的辯論中。

　　美國科哲家薩普 (Frederick Suppe) 在 1974 年編輯一本《科學理論的結構》(The Structure of Scientific Theories) 論文集，收集許多大科學哲學家在此議題上的討論與對話，並且對話記錄下來。每篇論文都是關於理論結構議題的必讀文獻，可說是在科學理論議題上的一本二十世紀的經典文集。薩普也為本書寫了一篇「評論論文」〈尋求科學理論的哲學理解〉(The Search for Philosophic Understanding of Scientific Theories)，達 241 頁，是一篇可以獨立成書的極長論文。這篇論文深入討論二十世紀的幾種針對「理論結構」的觀點，從邏輯經驗論的「公認觀點」談起，再談對公認觀點的批評，然後討論公認觀點之外的其它另類觀點：世界觀分析 (Weltanschauungen analyses) 和語意取向 (semantic approaches)。薩普在 1989 年出版《理論的語意概念和科學實在論》(The Semantic Concept of Theories and Scientific Realism) 發展他自己的理論結構的語意觀點，並為實在論的立場辯護。[19]

 

3.3 邏輯取向的麻煩

理論結構的句法觀點使用一階量詞邏輯來重構科學理論，需要依賴「科學定律」的概念，因為基本科學定律在科學理論中扮演公理或公設的角色。這種取向面對一個問題：如何處理那些沒有定律的科學理論？例如達爾文的演化論 (Darwinian theory of evolution)。達爾文的演化論有沒有定律？這是一個爭論。[20] 也有科學家嘗試以公理化的模式來重構演化論 (Williams 1970)，然而，這樣的重構必須引入全新的術語和概念如「族群」(clan)，[21] 這一來不是達爾文演化論的原始表述，[22] 二來也不是使用一階量詞邏輯。1980 年代有不少科哲家採用語意觀點來理解或重構達爾文的演化論 (Beatty 1980, Lloyd 1984, Thompson 1989)，「模型」觀念被認為更適合用來理解各種不同科學的理論。然而，值得注意的是，「模型」觀念在 1980 年代間也產生變動，開始脫離邏輯模型的約束（參看下文討論）。

　　不管是語法觀點或語意觀點，科學理論結構的邏輯取向有下列幾個共同的麻煩：

　　第一，它們所理解的結構都是邏輯結構，需要由邏輯理論如一階量詞邏輯或集合論／模型論邏輯系統等來揭示。邏輯理論其實是另一種科學（邏輯科學）的理論，因此採用它們來理解其它經驗科學理論是一種外在的取向，亦即，由外在於「被分析的理論」之理論來分析前者的結構，這種分析的成果是不是「被分析的理論」之內在結構呢？恐怕有所疑問。如果我們想獲知的是經驗科學理論的內在結構，那麼使用外在取向是否可以達成目標就很可疑了。[23]

　　第二，語法觀點預設一階量詞邏輯的知識，語意觀點除了一階量詞邏輯外，還預設集合論和模型論的知識。使用這兩種取向需要大量的先備邏輯知識，有些十分困難。對想理解科學理論結構的人而言，這兩種取向製造了入門的門檻，以致它們都在 1980 年代後的發展較為淡化。[24]

　　第三，這種邏輯重構的科學理論，既不是科學史上科學家實際發明或使用、也不是今天科學現場實際在討論或講述的科學理論，所以，透過邏輯取向來理解科學理論的結構，對於我們理解歷史文獻或實際使用中的科學理論並沒有很大的幫助。[25]

　　第四，是否所有科學領域的科學理論都有共同的結構，因此可以被單一個語法或語意觀點來顯示？這一點是可疑的。所謂理論的結構也許是理論呈現 (presentation) 的結構，如果有不同的理論呈現方式（例如，把理論呈現為一個概念架構或概念網絡），就可能有不同的理論結構。[26]

　　第五，從實用的角度來看，採用句法觀點和語意觀點需要重構科學理論，但是這些重構除了使用形式邏輯語言和符號把科學理論加以表達，並展示其邏輯結構之外，還有其它什麼好處並不清楚。科學家和哲學家其實不必依賴這種重構也可以完全掌握科學理論，而且不會因引入新的邏輯概念而產生混淆，也不會製造新的困難與障礙。[27]

 

 

4. 概念取向：科學理論的概念結構

概念取向分析科學理論的概念結構，因為科學理論就是由一群概念以特定方式關聯組合而成的，因此，概念取向以概念為核心來理解科學理論，然後分析概念與概念之間的關聯模式。有些哲學家使用「概念架構」(conceptual scheme; or, conceptual framework) 一詞來稱呼「理論內相互關聯的一群概念」，這也相當於說「科學理論作為概念架構」。

　　前文談到《科學理論的結構》一書指認1970年代前的三種觀點：公認觀點、世界觀分析和語意觀點。其中，「世界觀分析」部分包括 1960 年代崛起的幾位科學哲學家如韓森 (N. R. Hanson, 1965) 和孔恩 (Thomas Kuhn, 1970)，即歷史取向的科學哲學。孔恩以「典範」(paradigm) 概念為核心來分析科學的演變，已為眾人所知（參看華文百科〈科學革命與典範轉移〉一文）。後來的歷史取向的科學哲學家如拉卡托斯 (Imre Lakatos, 1978) 和勞丹 (Larry Laudan, 1977) 也各自提出「研究方案」(research programme) 和「研究傳統」(research tradition) 等相當於「典範」的觀念來發展自己的科學變遷理論。

　　一般而言，典範、研究方案和研究傳統都是比科學理論更大的單位，因為除了科學理論之外，它們至少還包含方法論（啟迪或價值標準）和形上信念（輔助假設、基本存在預設等等），因此不能與科學理論劃等號。歷史取向的科學哲學家也把這些概念指涉的東西當成分析科學變遷的基本單位，重點在於一個典範、研究方案、研究傳統如何變遷到另一個典範、研究方案和研究傳統，而不在於它們的內在結構。可是，由於「典範」的觀念較含糊，而且涉及了「不可共量性」(incommensurability) 的爭議，一些分析哲學家如戴維森 (Donald Davidson) 在批評不可共量性時，把典範理解成「概念架構」。[28]

 

4.1 從典範理論到詞彙結構

眾所周知，在《科學革命的結構》中，「典範」一詞有很多意義。其中最重要的一個是典範理論 (paradigmatic theory)，亦即，亞里斯多德物性學、托勒密天文學的地心論、哥白尼的日心說、牛頓力學理論、愛因斯坦相對論等等大科學理論，都扮演典範的角色，指導常態科學時期科學家的研究。孔恩進一步論證科學革命前後的舊典範與新典範之間是不可共量的，亦即，它們雖然使用相同的概念語詞（例如 motion, gravity 等），但是意義卻截然不同，因為那些語詞的意義必須被鑲嵌在理論整體之下來理解，如果同一個語詞關聯了不同的概念群，它在不同的概念群中就會產生不同的意義，這是一種意義整體論 (semantic holism) 的意義理論。進而這個語詞與不同的概念的聯結形成了不同的概念架構，在這個意義上，科學理論應該被理解成科學概念架構。[29]

　　《科學革命的結構》之後，孔恩的哲學與思想工作幾乎全聚焦在釐清與精煉「典範」與「不可共量性」的觀念，並為之辯護 (Kuhn 1977,  1983, 1987, 1989, 2001)，在這個過程中，孔恩發展了科學理論的概念架構之分類分析，被韓培爾稱為「分類轉向」(taxonomic turn, Hempel 1993: 8)、哈金稱為「分類解決」(taxonomic solution, Hacking 1993)。孔恩這條思路是在回應其他哲學家對於「不可共量性」的批評。在八十年代之後，孔恩把「不可共量性」定義為「不可翻譯性」(untranslatability)，並且提出了「分類結構」或「詞彙結構」(lexical structure) 的觀念來說明理論與理論之間何以是不可共量的。換言之，革命前後的科學系統之所以是不可共量的，乃因它們各自擁有的詞彙由於分類結構的差異，導致彼此間不可互相翻譯。

　　孔恩 (Kuhn 1989: 14-23) 以幾個具體的科學理論如牛頓力學為例論證詞彙結構如何導致不可翻譯性，[30] 從一個科學理論的學習歷程出發，試圖說明內建在詞彙結構內意義網絡之整體性。牛頓力學有三個核心語詞「力」、「質量」和「重量」，它們的意義與亞里斯多德式的觀念相當不同。當一個科學學生要瞭解牛頓力學時，他必須精確掌握這三個語詞的意義。對小孩子或亞里斯多德學派的信奉者而言，受力運動 (forced motion) 必定發生在物體被一個施力體所觸及或拋射出去的時候，如拋物運動。空中自由落下的石頭則是一個不受力的 (force-free) 運動。但是，對牛頓學派而言，兩者都是受力運動。牛頓力學中唯一不受力運動的例子是由第一運動定律所描述的情況：「不受外力作用，物體以等速直線運動。」「運動」這個概念本身，亞里斯多德理論和牛頓力學也有很大的不同，牛頓力學的運動只是位置的改變；而亞里斯多德的「運動」約相當於「改變」，位置改變只是「運動」的次範疇。

　　除此之外，在牛頓力學中，這三個語詞都是在量的意義上被使用。[31] 孔恩認為，牛頓這種量化的形式，「既改變了它們個別上的使用，也改變了它們之間的內在關係。」(Kuhn 1989: 17) 要掌握這三個詞彙的量化用法和量化關係，首先必須掌握「力（量）」。力量可以使用彈簧秤來測量，測量的原理則依據兩條定律：第三運動定律和虎克定律 (Hooke's law)。第三運動定律斷言「反作用力等於作用力」；虎克定律斷言「施力在彈簧上的力量，和彈簧的形變量（伸長量或壓縮量）成正比」。掌握了力量之後，質量則可以由第二運動定律「施加在物體上的力量等於物體質量乘上物體加速度，即 F=ma」引入，亦即質量可以透過這個等式的計算而得到（既然力量已可測量，而加速度也是一個可從位置和時間的測量中導出的量）。這個等式所得到的質量在今天被稱作「慣性質量」(inertial mass)：在固定加速度下，物體質量和受力成正比。現在，「力量」、「質量」由牛頓三大運動定律和虎克定律所定義了。重力定律則定義「重量」的意義，並作為經驗律則 (empirical regularity) 而被引入。「重量」被視為一種關係性質，必須要有兩個到三個物體的出現才能決定，換言之，一物體的重量實在是另一個物體對它的重引力 (gravitational attraction)。就此而言，物體的重量隨著它和不同的物體所形成的位置關係而變動。

　　以上所述是學習牛頓力學詞彙結構的一條路線，但也可以從另一條路線切入。即從今天所謂的「重力質量」(gravitational mass) 出發。孔恩說：

從同樣的起點開始，在彈簧秤的協助下量化了力的觀念。下一步，『質量』則從今天標誌為『重力質量』的概念引入。在這種方法下，學生學到重力做為一對物質體之間萬有引力的觀念，每個物體所受的引力量和每個物體質量成正比。由於補足了質量的失去層面，重量可以被說明為關係性質，而力量則由重力引力所造成。(Kuhn 1989: 19)

在這條路線下，牛頓第二運動定律成為經驗定律。相反地，重力定律則變成非經驗定律。然而，不管是哪一條路線，我們都會發現，科學語詞的意義彼此交織成一個整體網絡，改變其中一個，勢必牽動全體。孔恩因而質問：我們能夠改變任一個詞彙的意義而不改變這整個結構嗎？或者我們能夠調整牛頓三大運動定律、虎克定律之任一任二或任三而不同時改動其它定律嗎？顯然不可能。在這種情況下，除了重力定律外，其它定律都不是扮演經驗法則的角色。也就是說，除了重力定律可以接受經驗驗證外，其它定律都不可能因為和經驗事實牴觸而被修正。就算我們只做小小的局部調整，若不是在無形中改變了整個意義網絡，就是這個調整將不融貫於原來的意義結構。在這種情況下，不可共量性或不可翻譯性就是科學革命的必然結果了。

　　哈金 (Ian Hacking 1993) 以樹狀分類 (taxonomy) 來詮釋孔恩的詞彙結構。在哈金看來，詞彙結構是科學種類之間邏輯，適用於科學種類的邏輯是樹狀分類邏輯，它在結構上呈現出一種樹枝分叉的形態。這種樹狀分類結構可以圖示如下：[32]

圖 2：樹狀分類示意圖

其中，T, T₁, T₂, T₃,..., T₁₁, T₁₂, T₁₃,..., T₂₁, T₂₂,.... 等等都是種類（或稱範疇），但是它們排列成不同的階層。T₁, T₂, T₃,.... 和 T 之間、以及 T₁₁, T₁₂, T₁₃,... 和 T₁ 之間等等都是「種關係（K-關係）」(a kind of...)，K-關係的判準就是「T₁ 是一種 T」(T₁ is a kind of T)。而且，和 T 有 K-關係的　T₁, T₂, T₃,.... 等等必須完全被包納 (properly contained) 在 T 之內。用集合論的術語來說，T₁, T₂, T₃,.... 等等都是 T 的真子集 (proper subset)。至於 T₁, T₂, T₃,... 等處在同層次上的種類，彼此之間是不重疊的 (non-overlapping)，也就是說，相同層次的不同種類不可以共有相同的成員。用范恩圖示法 (Venn Diagram) 來表達就成了下圖（略去了更低階層的 T₁₁, T₁₂.... 等等）：

圖 3：樹狀分類的范恩圖

這樣一個樹狀分類系統的最底層種類，也就是不可再對它進行分類的種類，叫做「基層種」(infima species)。哈金這套樹狀分類邏輯系統來詮釋孔恩的科學詞彙結構，包含了下列三項論題：

　　(1) 科學種類是樹狀分類的：孔恩所談的詞彙結構當中的理論詞彙都是指稱科學種類，在垂直向上，詞彙與詞彙間乃是「種關係（K-關係）」；在水平向上，詞彙與詞彙間則是「非重疊」。

　　(2) 科學種類的樹狀分類系統有基層種：任一個科學分支所使用的語詞和描述都是有限的，樹狀分類必然會到盡頭，最底層的就是基層種。

　　(3) 科學種類是可投射的 (projectible)：所謂可投射的，意謂指稱科學種類的科學語詞，可以在通則 (generalization) 當中使用或者被科學社群表達為定律似的 (lawlike) 敘述，形成對未來的預測。

　　詞彙結構和樹狀分類證成了不可共量性的論題，因為在科學發展當中，老科學和新科學對相同的研究領域往往有截然不同的樹狀分類，以致兩者無法互相銜接；就算它們都應用了一部分相同的種類名稱，也因為種類在樹狀分類中的位置並不相同或者整個樹狀分類的拓樸結構並不等值，造成了兩個分類之間的無法嚙合 (meshing)，產生了理論與理論間的不可共量性。

 

4.2 概念架構的連結

孔恩與哈金在分析科學理論的詞彙結構（即概念架構）時，只論及「樹狀分類」結構，亦即，在一科學種類與另一種類之間，要不是不相隸屬；就是一種隸屬於另一種，也就是「種」 (kind of) 連結。具科學教育和認知心理學背景的科學哲學家納瑟西恩 (Nancy Nersessian 1989) 與薩卡德 (Paul Thagard 1992) 則辨認出理論的概念與概念之間，總共有五種連結方式：種連結 (kind links)、局部－整體連結 (part-whole links)、性質連結 (property links)、規則連結 (rule links)、個例連結 (instance links)。因此，牛頓力學理論的概念結構，就可以重建成如下列圖 4：

圖 4：薩卡德重建的天體力學理論概念架構，引自陳瑞麟 (2004：52)

　　在牛頓理論的概念架構中，六大行星和「行星」之間，就是個例連結（以 I 表示），因為六大行星都是個體，而不是種類。牛頓的重力定律則是重力和行星之間的規則連結。

　　2000 年之後，有幾位科學哲學家引用更新發展的認知心理學的框架理論 (frame theory) 來分析科學理論的概念結構 (Chen, X. and Baker 2000; Baker, Chen, X. and Anderson, 2003)，[33] 這是繼承納瑟西恩與薩卡德路線的進一步發展，但使用相當不同的認知心理學理論，關注的焦點也不同。

　　框架理論是認知心理學家巴沙羅 (Lawrence W. Barsalou) 在 1990 年代間提出的一套理解概念結構的理論，目的在於揭示人類如何組織和使用概念來認知世界。他主張我們是使用概念框架 (conceptual frames) 來建立一個概念網絡，以便表徵概念與認知世界。要介紹框架理論之前，我們有必要先簡介傳統的概念理論。

　　傳統上，亞里斯多德主張我們是使用本質定義 (essence definition) 來定義一個概念，例如「人是理性的動物」，即使用「理性的動物」來定義「人」這個概念。「理性的動物」是「人」指涉的種類之本質或本性。後來的邏輯學家主張一個概念可以被充分必要條件定義，該充分必要條件描述了該概念指涉種類的一組充分且必要的特徵，例如「人是細胞具有 23 對染色體的靈長目人科哺乳動物」，其中的「23 對染色體」、「靈長目」、「人類」、「哺乳動物」等都是描述人種的特徵。這可以說是「概念」的邏輯觀點，主張一概念表徵一物種，而且該物種的每個成員都具有定義所描述的充分必要特徵。可是，二十世紀哲學家維根斯坦 (Ludwig Wittgenstein) 懷疑一個概念指涉的成員是否都具有共同特徵，他提出著名的「家族相似」(family resemblance) 觀念，主張一個概念指涉的成員之間並不具備任何一組共同特徵。

　　1970 年代的認知心理學家羅施 (Eleanor H. Rosch, 1973, 1978) 和她的同事發展了概念的原型理論 (prototype theory)，開始分析概念的內在結構，也引入「家族相似」的觀念。原型理論主張概念有其內在的認知結構，一概念指涉的部分成員易於被認知為較典型的成員，其它成員會被歸為周邊的成員，所以並非所有成員共享一組共同的特徵，成員與成員之間只能用家族相似來描述；同時，我們也不可能使用邏輯定義在概念與概念之間劃出一條清楚的邊界，概念與概念之間總是有邊界成員的存在。例如，人們通常會把「椅子」、「桌子」看成典型地屬於「傢俱」，而「酒櫃」、「吧台」等則屬於較偏遠的傢俱（認同它們為傢俱典型的人較少或者反應較遲疑）；因此概念的內部並不是傳統觀點定義下的均勻齊一，也不是其它成員均勻地相似於原型成員，而是呈現中心－周邊的等級性。再者，不少人對是否「收音機」屬於「傢俱」會感到更猶豫，這顯示了模糊邊界的特性（收音機屬於「傢俱」和「非傢俱」的邊界案例）。又「桌子」和「椅子」一般共享較多的傢俱屬性，「收音機」和「椅子」則分享較少的傢俱特徵，而「收音機」和「花瓶」之間甚至可能完全沒有共同的傢俱特徵；「椅子」、「沙發」、「桌子」、「鋼琴」等等均屬於「傢俱」的成員，卻無法找到所有成員均共享的特徵，我們只能以「家族相似」來形容它們在同一概念之下，彼此間的相互關係。

　　然而，概念的原型理論留下一個問題：一個概念的原型成員又要如何定義或指認？一種答案是一組充分必要的特徵；換言之，把邏輯觀念的「充分必要條件的定義」限縮到定義原型成員之上，但這會讓原型變成基於社群共識而建立，失去對象特徵對於分類的客觀性，也具有某種任意性。為了解決這個問題，認知心理學家巴沙羅主張一個概念指涉對象的屬性框架 (attribute frame) 決定了它的原型成員。

　　任何個別對象都有其特徵，又稱「屬性」，例如一個人的「身高」，但是不同的人有高有矮，「高、矮」就是「屬性值」，即指派給「身高」這個屬性的值。一個個體會有很多屬性，有些屬性會相伴出現，例如下列屬性「細胞有 23 對染色體」、「具智能」、「兩足直立行走」、「雙手使用工具」、「少毛髮」、「群居」等會一起出現在屬於「人」的多數個體上（但不是必然會出現），這稱作「屬性系統性」，屬性系統性同時蘊涵了某種結構的不變性——那些屬性之間的關係保持不變。此外，有的屬性和屬性之間會有「相伴變動」的關係，例如身高較高的人一般而言體重較重。

　　巴克等哲學家把巴沙羅的框架理論應用到科學上，企圖論證科學變遷是連續的，不像孔恩所講的那樣具革命與斷裂性。例如，他們重建十六世紀天文學對於「物體」(body) 的概念框架如下圖 5 ，又重建十八世紀的「天文對象」的概念框架如下圖 6 。這兩個都是分類架構，圖 5 使用屬性框架把「物體」這個上級概念分成「天界物體」與「地界物體」這兩個次級概念，而「天界物體」又被分類成「恆星」和「行星」這兩個下級概念。區分「天界物體」與「地界物體」的依據是矩形框框內的「屬性框架」，其中「成分」、「位置」、「穩定性」、「路徑」是屬性；「乙太」、「元素」等是屬性值。可以看到，「天界物體」是那些成分由乙太構成的、位置在月亮之上、永恆穩定、循圓周路徑運動。圖 6 雖只顯示「天文對象」的區分，亦可類推。巴克等人主張雖然圖 5 和圖 6 的整體概念框架看似不同，但是不同學派的支持者可以在屬性框架的基礎來比較理論與經驗，顯示哪個理論更能配合經驗事實的發現，這一點顯示出「穿越革命的連續性」。

圖 5：十六世紀「物體」的概念框架

圖 6：十八世紀「天文對象」的框架圖。

　　本文不擬深入討論巴克等人對於概念變遷的連續性之論證，只想簡介巴克等科學哲學家如何以概念框架理論來分析科學理論的部分概念的分類架構。不過，必須注意的是，巴克等人的分析著重在科學理論討論的「物體」或「對象」的分類結構上，而不是科學理論本身的概念結構，所以，他們的分析對於理解科學理論的概念結構而言，並不完全。

 

4.3 概念架構的區分：分疇的觀點

仔細考察納瑟西恩和薩卡德分析的概念架構如圖 4，我們可能會有疑問：大部分的概念都有其連結，但「物體」、「歷程」、「狀態」三個概念之間沒有連結，如此，它們為何會被放在一塊兒，而且構成理論的概念系統之基石？陳瑞麟 (Chen 2000, 2004) 發展「分疇」(categorization) 的觀念來回答這個問題。亦即，這三個概念是整個理論的基本範疇，是基本分疇的產物，這表示科學理論在處理對象時，必對它的論域有一個最基本的區分。

　　陳瑞麟所謂「分疇」是指區分基本範疇，不同於「分類」指向區分種類。分類的典型結構是「樹狀分類」，如前文所論。如果幾個不同的概念都有自己的樹狀分類，這些分類被組織成一個概念系統時，並沒有更高的「種類」來涵蓋那些最廣泛層次的概念時，那些概念就是基本範疇，在此使用「範疇」在希臘思想中的原始涵意。

　　category 這個字源自希臘文 kategoria，原意是「述詞形式」(form of predicate)，所以「分疇」意謂著區分各種述詞形式。亞里斯多德曾把世界的所有可想到的東西（存有物）區分為十種範疇，用十個述詞來表達：「實體」(substance)、「量」(quantity)、「質」(quality)、「關係」(relation)、「地點」(place)、「時間」(time)、「位置」(position)、「狀態」(state)、「主動動作」(action)、「被動動作」(reaction)，它們代表十種最基本的形式，包括實體和九種屬性。這樣的範疇系統是對世界一切存有物 (beings) 的區分：世界可被理解為許多個個體實體擁有量、性質，和其它實體有所關係，並存在於某一地點、某一時間、處於某種位置上、發生著某種狀態、並進行某種行動或被行動。

　　陳瑞麟論證科學理論的基本特徵是亞氏的範疇區分涵意下的分疇，亦即科學理論總是最先對它指向的對象整體進行範疇的區分：例如把「對象」區分成個別物體、某些性質、個體和個體間的關係、個體存在的空間、時間、以及個體產生的行為等等的劃分，繼而尋求規則或定律來界定各範疇彼此間的相互關係，也就是傳統上所說的「定義」——「區分」和「定義」是分疇的兩個基本面向。例如，古典力學的運動定律將世界區分成物體、質量、力、位置、速度、運動等等範疇，並且規定了這些範疇的相互關係，形成一個相互關係網絡 (interrelated network)——這是科學理論中對世界最基本的區分。基本區分的範疇彼此間的界線截然分明，也就是說，不可能有某個存有物既屬於物體，又同時屬於質量。而且，範疇與範疇之間，有清楚鮮明的異質性 (heterogeneity)，也就是，彼此之間沒任何可以說是相同的地方，因此在某一特定領域內也不能用更高的範疇來含蓋兩個異質的範疇。

　　在分疇之後，科學理論再對每個範疇進行範疇內部的區分。例如古典力學中的「物體」可以被區分成「質點」(particles)、「剛體」(rigid body)、「流體」(fluid) 等等；「力量」可以區分成「向心力」(central force)、「拘束力」(constraint force)、「碰撞力」(collision force) 等等；速度可以被區分成「平均速度」(mean velocity)、「瞬間速度」(instantaneous velocity) 等等；「運動」可以被區分成各種類型如「質點平衡」(equilibrium of a particle)、「直線運動」(motion on a straight)、「平面運動」(motion in a plane)、「旋轉」(rotation)、「周期運動」(periodic motion) 等等 。這種區分都是在某一相同範疇下進行，範疇的成員是同質的 (homogeneous)，擁有一些共同性質 (qualities)，也有一些不同特徵 (characteristics)，使它們得以被再區分。這樣的區分很容易形成階層性，像樹枝一樣從根幹處分叉出去，就是先前所談的「樹狀分類」。在樹狀分類中，被區分的「子範疇」(sub-category) 就是種類，從「種類」可以繼續樹狀地區分出「次種類」。上層母群和下層成員之間是「種關係」。

　　陳瑞麟 (2004) 主張「分疇」和「樹狀分類」是兩種更基本的劃分樣型。在納瑟西恩－薩卡德的系統中，「規則連結」和「性質連結」可歸屬於「分疇」，因為在很多情況下，兩者很難區分。例如，「自然向下運動」是土元素物體的運動規則，但它也是土元素物體的性質，「性質」本質上是一個基本範疇。因此，陳瑞麟的「理論架構」觀點主張不需要區分「規則連結」與「性質連結」，可以把兩者併入「分疇」的概念內。至於「種類連結」、「局部－整體連結」和「個例連結」都屬於「樹狀分類」的樣型。一方面，在表達成圖式時，三種連結都會呈現樹枝分叉狀。事實上，個例連結可以進一步併入種類連結中，雖然個體並不是種類，但是它是樹狀分類的最基層，例如我們可以說「Ｙ個體是一種Ｘ」，如「水星是一種行星」。分疇和分類就是將一些科學概念組織成科學理論的兩種基本模式。最後，陳瑞麟 (2004) 使用「分疇」和「樹狀分類」（含「種連結」與「整體－局部」連結）這二種區分與連結模式來定徵科學理論的概念架構。

　　陳瑞麟 (2004) 再把「範疇」區分出基本範疇與次要範疇兩種，前者在一個理論所設定的最基本的概念，後者指一般需要由其它概念來定義的範疇，如此把古典力學的概念架構重建成下圖7：

圖 7：古典力學的概念結構

上圖顯示古典力學的概念結構。在基本範疇和次要範疇之間，箭頭的方向表示定義的方向。例如牛頓第二運動定律是「力等於質量乘以加速度」，則可以說「加速度」和「質量」共同定義了「力」，所以從「加速度」和「質量」發出箭號，其箭頭指向「力」。同理，「體積」和「密度」定義了「質量」；「空間」定義了「體積」；「質量」和「速度」定義了「動量」；而「速度」又由「位移」或「空間」和「時間」來加以定義。至於，什麼概念屬於「基本範疇」與什麼概念屬於「次要範疇」的區分是選擇性的，在一定程度上是任意的，基於科學家個人的主觀判斷，不同的基本範疇之設定會產生不同的「理論版本」(Theory Version, Chen 2000)。

 

 

5. 認知取向：理論包含相似的一群模型

認知取向把科學理論理解成心智表徵或心智模型，表徵抽象的物件系統的結構，不只可使用語言加以描述或表述，有時甚至可以用圖案表達。因此，科學理論的結構是科學理論表徵的組織結構。此取向的主要代表人物是吉爾瑞 (Ronald Giere 1988, 1994, 1999)。

　　吉爾瑞也使用「模型」的觀念來理解科學理論，一開始他並沒有明白地區分他自己的觀點與前文所論的「語意觀點」(Giere 1988)，後來他開始有意地區分兩者，並使用「模型基礎觀點」(the model-based view) 來標籤自己的觀點，並與採用邏輯模型論的觀點作出區隔，而且引入認知心理學家的觀點來分析科學理論的結構，(Giere 1994，也看 Giere 1999: 251, fn. 1)，所以我把他列為認知取向的代表人物。在吉爾瑞的分析中，「相似性」(similarity) 是很重要的概念，所以吉爾瑞的觀點也回響了早期的「類比模型」(analogous model) 在理論中扮演重要角色的觀點，因此，本節從 1960 年代對於類比模型的分析開場。

 

5.1 類比模型和理論

十九世紀末到二十世紀初，物質由分子 (molecules) 和原子 (atoms) 構成的假說，被使用來解釋很多現象，例如化學物質化合時，成分元素的重量呈現一定比例，化學元素的周期表排列，用氣體分子動力論 (the dynamical theory of gases) 來説明氣體體積與壓力的正比關係等等。然而，分子與原子看不見、摸不著，科學家把分子、原子類比成彈子球，對上述現象和理論提供可理解的模型。現在問題是：模型是不是理論的一部分？

　　在 1960 年代間，有一些哲學家主張模型是理論要素。納格爾 (Ernest Nagel) 雖然是邏輯經驗論的代表性人物，也被歸為理論的語法觀點的支持者，但是他主張理論有三種成分：(1) 抽象演算 (abstract calculus)，即公理系統，是說明系統的邏輯骨架；(2) 對應規則把抽象演算關聯到觀察和實驗資料上，以指派給它們經驗內容；(3) 抽象演算的解釋或模型，以較熟悉的概念或視覺材料，把血肉賦予作為骨架的抽象演算 (Nagel 1961: 91-97)。納格爾所謂的「模型」隱涵兩種含意：既是對理論設準 (postulates) 的語意解釋，又總是可以形成局部的視覺形像，前者看似接近語意模型的觀點，但納格爾認為這種模型必定也可用某種圖像的形式表現出來。納格爾的立論約莫在坎貝爾和卡納普之間。

　　英國科學哲學家赫絲 (Mary Hesse) 被視為二十世紀模型與類比 (analogy) 哲學分析的先驅者，她在 1966 年發表的著作《科學裡的模型與類比》(Models and Analogies in Science) 也是一本相關主題的經典著作。當時的科學哲學一般把「模型」理解為類比的，可稱為「類比模型」。赫絲的貢獻就是首度分析了類比模型的內在結構，並提出了一個類比模型的一般形式架構如：

在這個架構中，Ａ₁(x), Ａ₂(x),…,Ｂ₁(x), B₂(x)... 代表出現在系統 x（模型 x）中的特徵；Ｂ₁(y), B₂(y),…,1(y), C₂(y),... 代表出現在系統 y 的特徵。Ｂ₁(x), Ｂ1(y) 代表系統 x 和系統 y 的共同特徵。垂直關係是指每一列如Ａ₁(x), Ａ₂(x)..或Ｂ₁(y), Ｂ₂(y).. 之間是因果關係，而水平關係主要指Ａ₁(x)Ｂ₁(x), Ｂ₁(y)Ｃ₁(y) 之間的相似關係，可以被化約為同一 (Ｂ₁(x)和Ｂ₁(y),...) 和差異 (Ａ₁(x)和Ｃ₁(y),...)。例如，在聲波和光波之間的類比可以表示為：

其中，回音與光反射（顯現為鏡像）、音量與光明亮度等等，雖然有差異，但它們都有「波反射」、「波振幅強度」這樣共同的性質。換言之，它們分別是解釋聲波理論、光波理論的模型，兩者間有類比關係。

　　關於類比模型和理論的關係，赫絲繼承坎貝爾的立場，提出類似納格爾的觀點，明白地反對觀察語言獨立於理論語言的論點，她主張對理論（形式演算）的解釋同樣也會涉及理論的概念(theoretical concepts)，也就是說，我們要使用類比模型（借用另個理論，透過類比推論來說明新的現象）來解釋形式公式裡的概念，如先前所提的光的波動理論，而且類比模型也是一種理論性的建構。這使她比坎貝爾和納格爾更遠離邏輯經驗論。對納格爾來說，模型解釋並不能代替對應規則，因為它不足以演繹出實驗定律。對赫絲來說，理論並不需要對應規則，它只包括形式敘述和解釋的類比模型。雖然赫絲的模型並不是模型取向下的抽象關係模型，而且也沒有脫離理論是語言敘述的觀點，但她的理論已經預示了吉爾瑞的模型觀點。

 

 

5.2 吉爾瑞的認知模型

吉爾瑞在 1988 年出版的《說明科學：一個認知取向》(Explaining Science: A Cognitive Approach) 發展一個認知取向的科學哲學，也發展了一個「理論結構」的認知分析的新觀點，他把科學理論理解成包含一群具有階層性、彼此間相似的模型。他以教科書中對於古典力學的介紹，提出一個扣緊科學實作的深入的分析。　　

    根據吉爾瑞的分析，典型的古典力學教科書大抵說明一些線性加速運動系統，包括自由落體、拋射體等；線性振盪系統（the linear oscillator)，包括單擺 (simple pendulum)、簡諧震盪器 (simple harmonic oscillator)、阻泥震盪器 (damped oscillator) 等等）；向心力（圓周）運動系統 (central-force motion system) 等等；它們是被一些數學等式所描述，但這些等式都是導自牛頓第二運動定律的基本樣型 F=ma=md²x/dt² ，因為系統組織不同，而且受力型態也不同，故會有等式上的變形。例如一般簡諧公式是：f(t) = A cos(wt) + B sin(wt)；其中 sin, cos 意指三角函數。單擺的公式則變形為 m (d²x/dt²) = －(mg/l)x，mg 是擺錘重量，l 是擺長。受摩擦力的單擺是阻泥振盪的一種形式，其公式則為 m (d²x/dt²) = －(mg/l)x + bv ，bv 是摩擦力。

　　這些被數學等式定義的物理系統都不是真實世界的系統，而是一種抽象、理想化的系統，換言之，它們就是真實世界的系統之「模型」，吉爾瑞稱之為「理論模型」。這種模型也不是上述討論的類比模型，而是接近語意概念所定徵的抽象模型，但所謂「抽象」並不是集合論式的抽象，而是科學家的心智對真實世界的抽取和理想化的思考。它通常可以用圖形來表現，也是科學家用來表徵世界的工具，它存在於科學家的心智中，作為一種心智表徵，也就是，在存有論狀態上，它應被定性為心智存有物 (mental entities)。科學家和科學教科書通常用科學定律來代表理論模型，並且進一步把科學定律視為定義。例如，以力量定律 F=－kx 來代表簡諧振盪模型，它也是簡諧振盪模型的定義。所以，科學定律可以被視為一種語言定義，它定義了理論模型 (Giere 1988: 76-78)。

　　除了理論模型之外，吉爾還提出了「理論假說」(theoretical hypotheses) 的概念，明白地指出它是一種語言存有物 (linguistic entities)，亦即「斷說模型和被指稱的真實系統(或真實系統類)之間的某種關係之敘述。因此理論假說將根據被斷說的關係成立與否而為真或為假。可是，這個模型和真實系統都不是語言存有物，所以兩者之間的關係不能是真假其中之一。」(1988: 80) 那是什麼樣的關係？吉爾瑞提出了相似性 (similarity)，包括特點 (respect) 上的相似和程度 (degree) 上的相似。舉例來說：「地球－月球系統中的地球和月球之位置和速度非常接近於帶有和距離平方成反比的向心力之二質點的牛頓模型。」(1988: 81) 這個敘述即是「理論假說」。「位置」和「速度」是「特點」；「程度」則被宣稱為「非常接近」。如此，所謂「理論假說為真」不過意謂著模型和真實系統間存在著特點上和程度上的相似性。

　　吉爾瑞認為科學理論就是「理論模型」和「理論假說」的組合。這個組合在教科書上通常表達為一組述句，包括定義模型的科學定律和斷說模型和真實世界之相似性的理論假說。吉爾瑞想要強調模型在理論中的關鍵角色，因此他以如下圖表來表示述句集、模型和真實世界的關係 (1988: 83)：

如果我們進一步分開述句集合內的科學定律和理論假說，可以把吉爾的圖表再重新安排為：

但是必須注意的是，理論所包含的並不是單一模型，也不僅是一個模型家族，而是模型家族的家族。舉例來說，線性加速系統是一個模型家族，而線性振盪系統、圓周運動系統分別都是模型家族，所有這些模型家族合起來才是古典力學所涵蓋的理論模型，因此是一「家族的家族」。吉爾瑞最終把理論界定為兩項元素的組合：(1) 一個模型的群體 (a population of models)；(2) 連結那些模型和真實世界系統的種種假說。

　　所謂模型家族，也意謂其成員彼此間是家族相似關係；進而各家族之間也是家族相似關係，所以吉爾認為理論不是一個完善定義的存有物(well-defined entities)，也就是說，沒有任何充分必要條件能定義出一個理論。如果說理論模型包含的是模型家族的家族，則顯然將會呈現一個等級結構 (graded structure)，它其實是科學家的認知結構所造成的產物。吉爾瑞在1994年的論文〈科學理論的認知結構〉(The Cognitive Structure of Scientific Theories) 中開始引用分類的原型理論來描繪理論內的諸模型之間這個等級結構。

　　什麼是模型家族的等級結構呢？也就是說，一個理論所包含的種種模型，並不是同等地處在科學家的心智中，而是呈現出「中心－周邊」的等級結構——有些模型會處在中心的位置，有些則出現於周邊。這是由於「原型性」和「家族相似」的效應，一種類將有部分成員居於類別間的中心地位——即認知主體將它們歸屬於該種類的頻率較高；而部分成員則居於周邊地位——認知主體將它們歸屬該種類的頻率較低。這是人類類別認知的基本結構，科學家對研究對象的認知亦然。

考慮下列不同的單擺系統，如圖 8 的各種構形。在直觀上，我們將會贊同 (a) 和 (b) 是中心成員；而 (e) 和 (f) 則是周邊成員。

圖 8：出自 Giere 1994: 285。

「中心－周邊」是一個空間性的隱喻，這表示中心成員和周邊成員在心智空間中的位置會構成某種幾何型態，這個幾何型態是什麼？是呈現出一個直線性的排列序列嗎？還是另有其它特殊的位置型態？例如，呈現出一個幅射性 (radial) 的分散結構？人們又如何判斷 (a) 和 (b) 是中心成員，而 (e) 和 (f) 則是周邊成員？吉爾瑞認為認知心理學家萊卡夫 (George Lakoff 1987) 的人類認知的輻射結構模型可以提供答案。[34] 單擺模型家族呈現一個幅射結構，模型本身的複雜度提供判斷的指引。例如，帶有水平恢復力 (horizontal restoring force)（即擺錘重量引發在水平方向的分力）的單擺模型是這個幅射結構的焦點模型，如圖 9：

圖 9：出自 Giere 1994, p. 287

阻泥單擺 (damped pendulum) 和驅動單擺 (driven pendulum) 則需增加不同方向的力量；複合單擺 (coupled pendulum)（即圖 8 中的 (f)）是驅動單擺的一種，但其驅動力則來自另一單擺；物理單擺 (physical pendulum) 則能被分析為矩形單擺 (regular pendulum)（圖 8中的 (d)），我們必須先計算其軸點的慣性動量，再決定一個等值單擺的長度。這些都是在原來的單擺系統上增加新的影響因素，讓其複雜度增加，從而使模型本身居於周邊地位。

　　等級結構是認知心理學家羅施所謂的水平向度之研究；而原型理論的另一重要成果是垂直向度的類別階層和基本層次類別之揭露。同樣地，力學模型也呈現了認知上的類別階層如下圖 10：

圖 10：Giere 1994, p. 288

在圖 10 中的第四階層乃是力學模型的基本層次模型，第五層是對應的視覺模型。在這層次上的類別一般是先被學習的對象。要變成古典力學專家的部分條件是學會基本層次以上的抽象層次類別 (Giere1994, pp. 290-292)。

　　跨入二十一世紀之後，吉爾瑞在 2006 年出版《科學觀點論》(Scientific Perspectivism) 中仍有一篇〈科學理論建構〉(scientific theorizing) 從科學行動（即理論建構）的角度討論科學理論，他提出理論的模型基礎交代 (a model-based account of theories)，顯示原理、模型、假設、通則、資料模型、世界之間的關係（也是結構），形成一個新的架構如下 (Giere 2006, pp. 60-72)：

         圖 11：理論的結構與世界的關係

這個架構與他早期架構的差異在於補充了「原理」和「資料模型」的概念，並重新安排它們之間的關係與位置，並基於模型與資料和世界的相似性而提出「觀點實在論」(perspectival realism) 的主張：模型與世界之間的配合沒有真或假可言，我們只能談它們之間的相似性；但是，表徵模型導出的特定假設則和通則有真或假，因為特定假設是語言述句。既然特定假設的真假要依賴於模型與世界的相似性，但是相似性總是內在於特定的觀點，因此假設的真與假也是內在於觀點，因此我們只能得到一種「觀點實在論」(Giere 2006, p. 81-82)，吉爾瑞這些說法其實與之前的主張沒有基本差異。

 

 

6. 二十一世紀的新發展

對科學理論結構的討論在二十一世紀逐漸淡化，科學哲學家把注意力轉到其它相關主題上，例如「模型」、「機制」、「因果」、「實驗」、「測量」、「資料」等等課題。為什麼會如此？主要因素大概是二十一世紀科學哲學家面對的科學環境與二十世紀初期和中葉時的科學環境大不相同。

　　約在 1960 年代左右，科學家已經把觸角伸向各種主題和各種領域，開發了許許多多新興科學，並在二十一世紀有爆炸性的增長。例如分子生物學、發育學、微生物學、生醫科學、生態學、氣候科學、複雜性科學、認知科學、神經科學、控制論與資訊科學、大資料（數據）科學等等，這些科學產生許多新型態的科學知識，使用許多新方法如模釋 (modeling)、模擬 (simulation)、資料分析 (data analysis) 等等，甚至科學家對於實驗 (experimentation) 的實際使用，也和早期科學哲學家的看法相當不同。在這樣的背景下，為了要真正能瞭解科學，當代科學哲學勢必得跟上科學的進展。

　　大致而言，與二十世紀的理論結構的討論有關係的是「模型」、「機制」(mechanism)、「說明」(explanation)、「因果」(causation) 和「科學實在論與反實在論」(scientific realism versus anti-realism) 這幾個主題。如我們所見，雖然「模型」此一概念在二十世紀科哲已有很多討論，然而，二十一世紀的科學哲學家對「模型」的理解不再聯結到或受限於理論，反而普遍主張模型有自己的自主性 (Morgan and Marrison 1999)，討論不僅限於理論模型，也擴及非理論的模型如資料模型、實驗模型等等，以及模型的動態化模擬 (simulation)（參看華文百科〈經濟理論與模型〉、〈科學模型〉兩文）。「機制」起於科學哲學家對於分子生物學和神經科學的深入研究，發現很多科學領域的科學家並不是像物理學家一樣在「大物理理論」下從事科學研究，相反地，他們很少訴諸於「理論」一詞，實際上也少有理論作為研究的依循。科學家的研究目標也不在於建立理論，而在於發現使某現象發生的底層機制（參看華文百科〈生物學中的機制〉）。在科學中，「理論」與「說明」和「因果」是相互關聯的概念，因為理論一般有說明和預測兩種功能，而說明是為了回答「為什麼問題」(why-question)，例如，「為什麼某現象 P 會發生？」回答這種問題涉及「因果」的觀念，亦即找出 P 發生的原因即是回答「為什麼現象 P 會發生？」。「說明」與「因果」從古至今一直是哲學的重要觀念，也是二十世紀科學哲學的核心議題，延續到二十一世紀。但是，本世紀的科學哲學家提出了非常不同的觀念，華文百科亦將安排「科學說明」和「科學因果」這類主題。

　　還有一個相關於科學理論的是熱門議題是「科學實在論與反實在論」的爭辦。這場爭辯幾乎與科學理論結構的討論同步並進，甚至可以回溯到二十世紀初的杜恩——他的觀點被視為反實在論的典範。因為實在論與反實在論爭辯的核心在於「科學理論究竟能不能揭示世界的實在性？」或者「科學理論究竟能不能為真或至少逼近真？」二十世紀前半葉的邏輯實證論和經驗論反形上學，主張我們不應該涉入科學理論能不能揭示實在的問題，結果這樣的立場後來也被視為反實在論。二十世紀的科學實在論約莫在 1970 年代復興，主張我們有好理由相信科學理論可以告訴我們世界的實在，得到很多科學哲學家的響應。但是反實在論者如前文討論的范弗拉森和勞丹則提出強有力的反論。范弗拉森從科學理論結構的論證切入，勞丹從科學史的實際理論演變的論證切入，都涉及「科學理論是否為真」的議題，並一直延續到今天（參看華文百科〈二十一世紀的科學實在論爭辯〉）。

 

 

陳瑞麟
國立中正大學哲學系
pyrlc@ccu.edu.tw

 

上線日期：2021 年 05 月 14 日

引用資訊：陳瑞麟 (2021)。〈科學理論的結構〉，《華文哲學百科》（2021 版本），王一奇（編）。URL=http://mephilosophy.ccu.edu.tw/entry.php?entry_name=科學理論的結構。

 

 

方萬全(1989)，〈翻譯、詮釋與不可共量性〉，《新亞學術集刊》第九集。再印於傅大為、朱元鴻編，《孔恩：評論集》，頁19-48。台北：巨流。

林正弘(1985)，〈瑞姆濟的理論性概念消除法〉、〈克雷格定理及其在科學哲學上的應用〉，《知識．邏輯．科學哲學》（台北：東大圖書公司）

陳瑞麟(2001)，〈《科學革命的結構》之後〉，傅大為、朱元鴻編，《孔恩：評論集》，頁。台北：巨流

陳瑞麟(2004)，《科學理論版本的結構與發展》。台北：台大出版。

陳瑞麟(2010)，《科學哲學：理論與歷史》。台北：群學。

陳瑞麟(2014)，《科學哲學：假設的推理》。台北：五南。

陳瑞麟(2019)，〈科學編史方法學〉，王一奇編，《華文線上哲學百科》。

陳瑞麟、薛甯中(2009)，〈概念變遷：斷裂或連續？〉，陳瑞麟編，《分析的技藝》。台北：學富。

傅大為(1995)，〈H2O的一個不可共量史－－重論「不可共量性」及其與意義理論之爭〉，《第四屆美國文學與思想研討論論文集》。中研院歐美所。

Achinstein, Peter (1968) Concepts of Science: The Philosophical Analysis. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins Press.

Aristotle (1984) Categories, tr. by J. L. Ackrill, The Complete Works of Aristotle. Ed. by Jonathan Barnes. Princeton: Princeton University Press, pp. 3-24.

Baker, Peer, Chen, Xiang and Hanne Andersen (2003). Kuhn on Concepts and Categorization. In Thomas Nikles (ed.). Thomas Kuhn, pp. 212-245. Cambridge: University of Cambridge Press.

Beatty, John (1980). “Optimal-Design Models and the Strategy of Model Building in Evolutionary Biology,” Philosophy of Science, Vol. 47: 532-561.

Bridgman, Percy W. (1951) The Logic of Modern Physics. New York: The MacMillan Company. First published, 1927.

Campbell, Norman R. (1957) Foundations of Science: The philosophy of Theory and Experiments. (Formerly Titled: Physics: The Elements.) New York: Dover Publications, Inc., 1957. First published 1920.

Carnap, Rudolf (1936/37) “Testability and Meaning,” Philosophy of Science, Vol.3:420-471; Vol 4：2-40.

Carnap, Rudolf (1966) Philosophy Foundation of Physics. New York: Basic Books, Inc.

Chang, C. C. and Keisler (1990). Model Theory, 3rd ed. Amsterdom: North-Holland.

Chen, Ruey-Lin (2000). “Theory Versions Instead of Articulations of a Paradigm,” Studies in History and Philosophy of Science, 31A, No3: 449-471.

Chen, Ruey-Lin (2004). “Testing through Realizable Models,” NTU Philosophical Review, No. 27: 67-117.

Chen, Xiang and Peter Baker (2000). “Continuity through Revolutions: A Frame-Based Account of Conceptual Change.” Philosophy of Science 67 (Supplement): 208-223.

Davidson, Donald (1974). “On the Very Idea of a Conceptual Scheme.” Proceedings and Addresses of the American Philosophical Association, 47: 5-20.

Duhem, Pierre (1991) The Aim and Structure of Physical Theory, tr. by Philip P. Wiener in 1954. Princeton: Princeton University press, 1991. First Published 1906 in French.

Feigl, Herbert and May Brodbeck (1953). Readings in the Philosophy of Science. New York: Appleton-Century-Crofts, Inc.

Feigl, Herbert (1970). “The ‘Orthodox’ View of Theories: Remarks in Defense and Critiques.” In Feigl, Herbert, Michael Scriven and Grover Maxwell (eds.). Minnesota Studies in the Philosophy of Science, Vol 4 (Analysis of Theories and Methods of Physics and Psychology): 3-16.

Giere, Ronald N. (1988). Explaining Science: A Cognitive Approach. Chicago: The University of Chicago Press.

Giere, Ronald N. (1994). “The Cognitive Structure of Scientific Theories.” Philosophy of Science 61: 276-296.

Giere, Ronald N. (1999). Science without Laws. Chicago: The University of Chicago Press.

Giere, Ronald N. (2006). Scientific Perspectivism. Chicago: The University of Chicago Press.

Goodman Nelson (1983). Fact, Fiction, and Forecast. 4^th ed. published in Cambridge, Mass.: Harvard University Press. First published 1955.

Hacking, Ian (1993). “Working in a New World: The Taxonomic Solution.” In Paul Horwich (1993)(ed.) World Changes, pp. 275-310. Massachusetts: The MIT Press.

Hanson, N. R. (1965). Patterns of Discovery. Cambridge: Cambridge at the University Press, 1965. First Published 1958.

Hempel, Carl G. (1952). Fundamentals of Concept Formation in Empirical Science. In Foundation of the Unity of Science, Vol. 2. Chicago: The University of Chicago, 1970.

Hempel, Carl G. (1958). “Theoretician's Dilemma: A Study of the Logic of Theory Confirmation.” Minnesota Studies in the Philosophy of Science, Vol. 2: 37-98. Reprinted in Hempel (1965) Aspects of Scientific Explanation and Other Essay in the Philosophy of Science. New York: Free Press, pp.173-226.

Hempel, Carl G. (1970). “On the ‘Standard Conception’ of Scientific Theories.” In Feigl, Herbert, Michael Scriven, and Grover Maxwell (eds.). Minnesota Studies in the Philosophy of Science, Vol. 4: 142-163.

Hesse, Mary (1966). Models and Analogies in Science. Notre Dame: University of Notre Dame Press.

Kitcher, Philip (1978) “Theories, Theorists, and Theoretical Change,” The Philosophical Review 87(4): 519-547.

Kuhn, Thomas (1970). The Structure of Scientific Revolution. Chicago: University of Chicago Press. First ed. 1962.

Kuhn, Thomas (1977). “Second thoughts on Paradigm,” In Suppe (ed.). The Structure of Scientific Theories, 2nd ed. Urbana: University of Illinois Press. First published 1974.

Kuhn, Thomas (1983). “Commensurability, Comparability, Communicability,” in PSA 1982 Proceedings of the 1982 Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association, ed. by P. D. Asquith and T. Nickles. East Lansing: Philosophy of Science Association, pp.669-688.

Kuhn, Thomas (1987). “What is Scientific Revolution?” In Lorenz Krüger, Loraine J. Daston, and Michael Heidelberger(1987)(eds.) The Probabilistic Revolution, Vol: Ideas in History. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press.

Kuhn, Thomas (1989). “Possible Worlds in History of Science,” In S. Allen (ed.). Possible Worlds in Humanities, Arts, and Sciences, pp.9-32. Berlin: de Gruyter Press.

Kuhn, Thomas (2001). The Road since Structure. Chicago: The University of Chicago Press.

Lakoff, George (1987). Women, Fire, and Dangerous Things. Chicago: The University of Chicago Press.

Lakatos, Imre (1978). The Methodology of Scientific Research Programmes. Cambridge: Cambridge University Press.

Laudan, Larry (1977). Process and Its Problems: Toward a Theory of Scientific Growth. Berkeley: University of Carlifornia Press.

Lloyd, Elisabeth A. (1984). “A Semantic Approach to the Structure of Population Genetics,” Philosophy of Science, Vol. 51: 242-264．

Nagel, Ernst (1961). The Structure of Science. New York: Harcourt, Brace.

Nersessian, Nancy J. (1989). Conceptual Change in Science and in Science Education. Synthese, 80: 163-183.

Popper, Karl (1970). “Normal Science and its Dangers,” in Lakatos & Masgrave (1970)(eds.) Criticism and the Growth of Knowledge. Cambridge: Cambridge University Press, pp. 51-58.

Putnam, Hilary (1962). “What Theories Are Not.” In Nagel, Ernest, Patrick Suppes and Alfred Tarski (1962)(eds.). Logic, Methodology and Philosophy of Science, pp. 240-251. Stanford: Stanford University Press.

Rosch, Eleanor H. (1973). “Natural Categories.” Cognitive Psychology 4: 328-350.

Rosch, Eleanor H. (1978) “Principle of Categorization.” In Rosch, E. & Lloyd, B.(eds.) Cognition and Categorization, pp. 27-48. Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Publishers.

Rosenberg, Alex (1985). The Structure of Biological Science. Cambridge: Cambridge University Press.

Sneed, Joseph D. (1979). The Logic Structure of Mathematical Physics, 2nd ed. Dordrecht: D. Reidel Publishing Company. First Published 1971.

Stegmüller, Wolfgang (1976). The Structure and Dynamics of Theories. Heidelberg: Springer-Verlag.

Suppe, Frederick (1977). “The Search for Philosophic Understanding of Scientific Theories.” In Suppe (ed.). The Structure of Scientific Theories, 2nd ed, pp. 3-241. Urbana: University of Illinois Press. First published 1974.

Suppe, Frederick (1989). The Semantic Concept of Theories and Scientific Realism. Urbana: University of Illinois Press.

Suppes, Patrick (1957). Introduction to Logic. Princeton: D. Van Nostrand Company, Inc.

Suppes, Patrick (1962). “Models of Data.” In Nagel, Ernest, Patrick Suppes and Alfred Tarski (1962)(eds.). Logic, Methodology and Philosophy of Science, pp. 240-251. Stanford: Stanford University Press.

Suppes, Patrick (1967). “What Is a Scientific Theory?”  In Morgenbesser, Sidney (1967)(ed.) Philosophy of Science, pp. 55-67. New York: Basic Books.

Suppes, Patrick (1977). “The Structure of Theories and the Analysis of Data.” In Suppe (1977) (ed.) The Structure of Scientific Theories, 2^nd ed, pp. 266-283. Urbana: University of Illinois Press. First published 1974.

Suppes, Patrick (1993). Models and Methods in the Philosophy of Science: Selected Essays. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Thagard, Paul (1992) Conceptual Revolutions. Princeton: Princeton University Press.

Thompson, Paul (1989). The Structure of Biological Theories. Albany, New York: State University of New York.

Van Fraassen, Bas C. (1970) “On the Extension of Beth's Semantics of Physical Theories,” Philosophy of Science, September, 1970: 325-339.

Van Fraassen, Bas C. (1980) The Scientific Image. Oxford: Clarendon Press.

Williams, M. B. (1970). “Deducing the Consequences of Evolution.” Journal of Theoretical Biology, 29: 343-385.