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【王巍】生物学中的科学定律

我们通常认为,科学的主要目的是寻找自然规律(law of nature)——科学哲学中通常称其为“定律”。科学家们最引以自豪的也是以自己的名字来命名定律,例如开普勒定律、焦耳定律、孟德尔定律等。与此同时,我们也大多认为科学定律应该具有四大特征:(1)逻辑或然性,即有经验内容;(2)普遍性,适用于所有时空;(3)真理,没有例外;(4)自然必然性,即并非偶适概括。[1]246例如万有引力定律可以同时满足这四大特征:它并非逻辑恒真句;可以在宇宙中普遍适用;任何有质量的东西都不例外;它在物理学中是必然的。

当代著名生物学哲学家罗森伯格(Alex Rosenberg)列举了生物学中的一些典型概括。[2]35-36但是如果按照上述标准,生物学中的所谓“定律”似乎很难满足(2)(3)(4)这三条标准。我们还未找到外星球的生命;孟德尔定律①似乎只适用于地球;它可以有例外(染色体可能会发生缺失、重复、倒位、易位);它可能是自然界进化的偶然结果,不一定是必然的。

对此,生物学哲学界主要有三种反应:(1)生物学没有定律,如贝蒂(John Beatty)、布兰顿(Robert Brandon)与伍德沃德(James Woodward)等人;(2)生物学有定律,但我们需要改变对定律的理解,如米切尔(Sandra Mitchell)等人;(3)生物学有定律,主要是其他情况均同(ceteris paribus)定律或抽象(数学)定律,如索伯(Eliot Sober)等人。本文将分别讨论这三派观点,并给出笔者的观点。

一、贝蒂:生物学没有定律

贝蒂是资深生物学哲学家,现在加拿大的英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)哲学系任教。他提出了“进化偶然性”(Evolutionary Contingency)命题:“所有生物学特有的概括都描述了大自然进化的偶然状态。”[3]46他主要列举了四个论证,来表明生物学中没有定律。

首先,他区分了生命世界的两种概括:(1)数学、物理或化学概括(或是它们加上先行条件的演绎结果),例如生命体也服从概率定律与牛顿力学定律;(2)生物学特有的概括,例如孟德尔定律。对于前者,贝蒂认为我们不会称它们为“生物学原理”;对于后者,它们描述的是进化的偶然结果,贝蒂认为不是定律。[3]50-52

其次,他强调了进化偶然性。他区分两种进化偶然性:(1)弱进化偶然性,进化所依赖的因果结构等条件可能随时间而变化。例如,如果人类起源的初始条件稍有变化,人类进化的路径可能会有很大不同。(2)强进化偶然性,同样的条件(环境与选择压力)可能产生不同(但功能等价)的结果。因此,生物体往往既有制造规则能力(rule-making capacity),也有打破规则能力(rule-breaking capacity)。贝蒂主张,“说生物学概括是进化偶然的,就是说它们并非自然定律——它们并不表现出任何自然必然性;它们可能为真,但是没有什么能在本性上保证其必然为真”[3]52

贝蒂还反对数学模型的定律性。在生物学中,很多定律是以数学模型的形式出现的。例如哈迪-温伯格定律(Hardy-Weinberg law):一个有性生殖的自然种群如果满足五个条件(1)种群大;(2)个体间交配是随机的;(3)没有突变发生;(4)没有新基因加入;(5)没有自然选择,那么基因频率在一代代的遗传中是稳定不变的。贝蒂认为,自然定律应该是经验事实为真的问题,不仅仅是逻辑与数学的问题。因此,这些数学模型都不是定律。[3]56

最后,贝蒂还主张生物学的理论多元主义(theoretical pluralism):生物学领域本质上是多相的(heterogeneous),需要多元的理论或机制来解释它……没有单一的理论或机制——哪怕是综合的、多因的——来说明生物学领域的一切东西。[3]65例如,在生物学中至少可以分为“分子-细胞-有机体-生态系统”等四个层次,贝蒂反对可以找到牛顿式的大一统理论(万有理论)来统摄所有的生物学现象。

针对贝蒂的四项论证,笔者也试图提出四点反驳。首先,贝蒂区分生命世界的两种概括,但实际上这些学科是连续的,这就为定律的连续性带来了可能。实际上,我们现在也有生物物理、生物化学等交叉学科,用物理或化学的方法来研究生物学。如果物理学、化学中有定律,与之密切相连的生物学就很可能也有定律。

其次,贝蒂强调生物学概括是进化偶然的,没有自然必然性,因此并非自然定律。然而,沙夫纳(K.Schaffner)[4]121与考夫曼(S.Kauffman)[5]等人提出,偶然性有程度之分。很多物理学概括同样是宇宙进化的结果,不能在本性上保持必然为真。例如,开普勒定律很大程度上也是太阳系演化的偶然结果。当然,生物学概括的偶然性往往大于物理学概括,但仍可以有一定的必然性。但是我们既然把物理学概括当作科学定律,那么生物学概括也可以成为定律。

至于贝蒂反驳生物学中数学模型的定律性,对此,我们可以转引蒯因(W.V.O.Quine)对“分析-综合”二分的反驳。蒯因认为,经验论的教条之一“分析-综合”的二分并不成立,无论是经验知识还是数学逻辑,科学就像一个力场,它的边界条件是经验。[6]20-46实际上,物理学中也有数学定律,例如热力学第二定律。②

最后,贝蒂的理论多元主义反驳的是还原论[7]8-13(将生态系统还原为有机体,再还原为细胞,最终还原为分子),强调了生物学各个层次的自主性。然而,这仍然保留了“多元定律”的可能性:分子、细胞、有机体、生态系统等各个层次都有定律,只是这些层次的定律可能无法还原为低层次的定律。

二、米切尔:科学定律的维度

著名生物学哲学家米切尔曾任匹兹堡大学科学史与科学哲学系主任,也是科学哲学协会(PSA)的候任主席(2017-2018)。她提出,科学定律可以有三大进路:(1)规范进路(normative approach):给出定律的规范或定义,然后看生物学概括是否满足这些条件。[8]30-43(2)范例进路(paradigmatic approach):选择一系列定律的范例(通常从物理学中选取),然后与生物学概括做比较。(3)实效进路(pragmatic approach):关注定律在科学中的功能,并且探究生物学概括是否以及在多大程度上起到这样的功能。[9]S469

米切尔主张从功能的角度来认识定律。通常而言,科学定律具有以下功能:(1)定律是科学想要发现的;(2)定律说明什么会发生,为什么会发生;(3)定律能帮助我们预测;(4)定律提供我们干预世界的工具。生物学中也能实现这些功能,因此生物学概括也是定律。[1]242-265例如,孟德尔遗传定律是生物学想要发现的;它说明了某些遗传现象;它甚至能够预测一些遗传现象;我们可以利用孟德尔定律来改造世界,如育种、优生等。

米切尔反对科学定律与偶适概括(accidental generalization)的二分,主张从理想定律到偶适概括是有连续性的。例如以下概括都可以称为科学定律:[1]253

质能守恒定律

质量守恒定律

热力学第二定律

元素周期律

235的直径不超过100

伽利略自由落体定律

金块的直径不超过100

孟德尔定律

口袋中的硬币都是铜做的

米切尔提出了“科学定律的维度”:有本体论维度(如:稳定性/力度),表征维度,抽象程度(如:简单性/认知)等。如果用较为直观的三维图像(见下图)来表示,她总结了科学定律的三维度:稳定性、力度、抽象程度。[1]260-263

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笔者非常赞同米切尔的“科学定律的多维概念空间”,科学哲学应该放宽对定律的理解。然而,笔者不赞同米切尔把定律放宽至所有全称命题,以致最终取消了真正定律与偶适概括的区别。例如在她的三维图中,“古德曼口袋里的硬币都是铜做的”居然也可以成为科学定律,只是抽象性、稳定性与说明力。

笔者认为,一方面必然性有程度之分,例如“质能守恒定律”比“热力学第二定律”的必然性更大;另一方面也有质的区别,例如我们通常认为“我钱包里的钱都是纸做的”只是偶适概括,并不具有律则必然性。米切尔想完全取消科学定律与偶适概括的区别,恐怕很难成功。有很多科学哲学家如斯克姆(Bryan Skyrm),仍想保持定律与非定律的二分。[10]60

另外,有些定律在多维空间中的位置很难界定。例如在米切尔的列表中,“所有金块的直径不超过100米”比“孟德尔定律”更像定律。但绝大多数人认为孟德尔定律更像是科学定律,而金块不超过100米更加接近于偶适概括。③

三、索伯:细节与定律

索伯是美国威斯康星大学哲学系的讲座教授,美国艺术与科学院院士,曾任科学哲学协会(PSA)主席(2003-2005),刚刚卸任国际逻辑学、方法论与科学哲学协会(DLMPS)主席(2011-2015)

索伯区分“历史细节”(historical particular)与“普遍定律”(general law)。有些学科更加热衷于寻找普遍定律,例如粒子物理学想要寻找基本粒子相互作用的规律,对此可以称作“律则科学”(nomothetic science)。但也有些学科更加关注历史细节,例如天文学家会研究太阳系的起源、外星系的年龄或大小等,对此可以称作“历史科学”(historical science)。④在索伯看来,生物学显然是更接近历史科学。

索伯认为生物学有定律,主要是其他情况均同定律[11]1-6或抽象(数学)定律。例如,生物学中更多使用模型(model)而非定律,如哈迪-温伯格模型⑤等。这些模型更多是数学模型,但数学模型在生物学中也起到定律的作用。最终索伯断言:“只有结合定律与历史,我们才能理解进化。”[12]14-18

笔者基本同意索伯关于生物学定律的观点。可能与之稍有不同的是对于定律与细节的二分,笔者甚至认为这二分又可以有弱版本与强版本之争。弱版本认为定律与细节截然二分,科学说明往往需要定律加细节才能以完成。例如,以下是利用亨普尔(C.G.Hempel)的演绎律则(DN)模型来说明冰浮在水面上的原因。其中水的密度是1,冰的密度是0.9是先行条件(即细节)

普遍定律:浮力定律

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普遍定律与历史细节二分的强版本是,有些时候这一区分可能是模糊的,我们有时无法明确判断某陈述是定律还是细节。试看以下另一科学说明,其中“冰的密度是0.9”似乎也可以是定律。

普遍定律:冰的密度是0.9

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生物学中也有很多类似的描述,一方面是概括性的陈述,另一方面也表达了很多科学细节,很难归类为定律还是细节。例如以下对知更鸟的描述:

知更鸟的标准名称是欧亚鸲(Erithacus rubecula),又叫红襟鸟,知更雀;是一种细小的雀形目鸟类,现归类为鹟科……

知更鸟身长14厘米,翼展20-22厘米,体重16-22克,寿命15年……它自脸部到胸部都是红橙色,与下腹部的白色形成明显的对比。翅膀和尾巴的上半部是棕绿橄榄色。锥形的鸟喙,喙基暗棕色。黑眼睛,细巧的腿和爪浅棕色。

繁殖季节雌鸟单独筑巢,一般藏匿在植被茂密处。巢的结构是圆顶形,用树叶,苔藓,羽毛,并与小根和头发内衬。每窝产57枚白色的卵,有红斑点。孵化持续1114天,孵化后再由成鸟喂养1215天后小鸟离巢。

欧洲很常见,由西伯利亚至阿尔及利亚,远至大西洋的亚述尔群岛和马德拉,以及东南面的高加索山脉,也有其踪迹。⑥

在此,笔者也呼吁在生物学中在一定程度上恢复博物学(natural history)传统。在伦敦,自然历史博物馆(Museum of Natural History)与科学博物馆(Museum of Science)比邻而居。前者陈列了恐龙等很多动植物的标本,更多追求历史细节,帮助大家更好地认识世界;后者主要展示科技成就,偏重普遍定律,希望更好地改造世界。自然历史博物馆的参观人群每天都熙熙攘攘;科学博物馆要乏味很多。

现代科学更多秉承了古希腊的自然哲学传统(natural philosophy),追寻宇宙的普遍规律,例如牛顿的名著为《自然哲学的数学原理》。然而在现代科学尤其生物学中,对于历史细节的探究也同样重要。我们在一定程度上恢复博物学传统,应该有助于加深我们对自然界与生命世界的理解。

四、小结

生物学中有没有科学定律?以贝蒂、米切尔与索伯为代表,笔者试着分析了生物学哲学中的三派观点。如果上述论证成立,那么本文倾向于认为:(1)生物学中存在科学定律;(2)我们对“定律”的传统理解可以进一步修正;(3)生物学哲学的研究反过来有助于增进我们对科学的理解。

【注释】

①孟德尔定律由奥地利生物学家孟德尔(G.Mendel)1865年提出,主要分为两大规律:(1)分离律:决定相对性状的一对等位基因同时存在于杂种一代(F1)的个体中,但仍维持它们各自的个体性,在配子形成时互相分开,分别进入一个配子细胞中去。(2)自由组合律:一对等位基因与另一对等位基因的分离与组合互不干扰,各自独立地分配到配子中。

②即“熵增定律”:对于封闭的孤立系统,总混乱度(即“熵”)不会减小。其实质是:概率大的事件终将发生。

③米切尔可能是觉得“金块小于100米”在整个宇宙都适用,而孟德尔定律可能只适用于地球,因此前者更像是科学定律。2008年在我与她的私人谈话中讨论过这一问题,她承认这二者放错了位置。

④参观米切尔于20088月在清华大学讲授首届“清华-匹大科学哲学暑期学院”的“生物学哲学”课程的第5次课件。

⑤也称“哈迪-温伯格定律”,由英国数学家哈迪(Godfrey Harold Hardy)与德国温伯格(Wilhelm Weinberg)分别于1908年、1909年提出。其主要内容是:一个群体在理想情况(不受特定的干扰因素影响,如非随机交配、选择、迁移、突变或群体大小有限)下,经过多个世代,基因频率与基因型频率会保持恒定并处于稳定的平衡状态。

⑥参见《动物世界》(I Love This Animal World).http//www.iltaw.com/animal/54

【参考文献】

·      [1]S.Mitchell.Dimensions of Scientific Law[J].Philosophy of Science,2000,67(2).

·      [2]A.Rosenberg,D.McShea.Philosophy of BiologyA Contemporary Introduction[M].New York and:Abingdon:Routledge,2008.

·      [3]John Beatty.The Evolutionary Contingency Thesis[C]//Gereon Wolters and James G.Lennox(eds.).Concepts,Theories,and Rationality in the Biological Sciences.University of Pittsburgh Press,1995.

·      [4]K.Schaffner.Discovery and Explanation in the Biomedical Sciences[M].University of Chicago Press,1993.

·      [5]S.Kauffman.The Origins of Order:Self-Organization and Selection in Evolution[M].Oxford University Press,1993

·      [6]W.V.Quine.From a Logical Point of View[M].Cambridge,MA:Harvard University Press,2nd ed.Revised.1980:20-46.

·      [7]王巍.还原概念的哲学分析[J].自然辩证法研究,2011(2).

·      [8]王巍.说明、定律与因果[M].北京:清华大学出版社,201130-43.

·      [9]S.Mitchell.Pragmatic Law[J].Philosophy of Science,1997,64.

·      [10]Bryan Skyrm.Causal Necessity:A Pragmatic Investigation of the Necessity of Laws[M].Yale University Press,1980.

·      [11]王巍.有没有“其它情况均同”定律[J].自然辩证法通讯,2011(1)1-6.

(原载《自然辩证法研究》2016 6期)