科學理論的結構與形而上學

原標題：科學理論的結構與形而上學

科學理論的結構與形而上學

劉華軍

作者簡介：劉華軍(1971- )，男，江蘇連雲港人，哲學博士，貴州大學馬克思主義學院副教授，研究方向為科學哲學。貴陽 550025

人大複印：《科學技術哲學》2018 年 03 期

原發期刊：《科學技術哲學研究》2017 年第 20176 期 第 1-6 頁

關鍵詞： 結構實在論/ 本體論/ 形而上學/ 內在性/ 因果關係　　structural realism/ ontology/ metaphysics/ individual internality/ causality/

摘要：科學結構實在論沒有處理好形而上學論題。第一，結構實在論作「本質」與「結構」二分，從「本質」的壞之中區分出「結構」的好，錯誤理解和使用所謂「指稱的因果論」。第二，以「結構」的客觀性否定反實在論對於客觀性的消解，可是「沒有關係者的關係」又如何才能說明結構的客觀性。沒有客觀性，結構的實在性又如何保證。第三，ESR與OSR是個體及其內在性討論的兩個進路。內在特性不可知將會導致形而上學與認識論之間出現裂隙。當追問個體內在特性，OSR須以不充分決定性命題否定個體內在性。相反，若承認結構關係與因果關係能夠互換，則要承認個體的內在性。第四，OSR把結構作為本體論，卻無法回答「空的結構如何起到解釋原因的作用?」

結構實在論論爭的焦點是「結構是以什麼樣的方式出現」。認識論的結構實在論(epistemic structural realism，以下簡寫為ESR)和本體的結構實在論(ontic structural realism，以下簡寫為OSR)提出以理論內部結構的連續性，來解決科學變化引發的問題，以結構主義視角探索維護科學實在論。

把結構作為一種認識論論綱，無論是宏觀還是微觀，隨著認識層級不斷深入，構成結構的實體將無處藏身，結構與結構方法都將失去意義。結構實在論將無法應對不可知論的解讀，而現代物理學與宇宙學需要實在論作為支撐，否則發展將失去方向。既然結構實在論承認結構的本體論地位，也不否定基本本體的存在，所以要想處理好個體、性質與關係之間的關係，就不能僅將性質賦予個體或者只是用個體之關係來解釋性質，需要在某種普遍性預設之下解讀結構的性質。因而，理解實在論與反實在論紛爭需要加入形而上學視角。

一、理論需要表徵

結構實在論認為，菲涅耳所提供的數學方程被麥克斯韋保留，菲涅耳光學理論與麥克斯韋電磁理論存在結構上的連續性。「純粹在數學層面，舊理論與新理論假定(用方程解釋術語)非常一致。」[1]如果說數學反映變數之間的結構關係，那麼從菲涅耳到麥克斯韋理論的結構關係沒有改變。連續性隱含在科學理論內容自身所具有的結構性闡述之中。理論連續在於理論術語的結構關係，而不是理論術語的內容。相反，理論實體的內容是通過理論的結構來認識。

理論內容可以用拉姆西語句(Ramsey sentence)來表達。以邏輯術語表達非邏輯術語，在帶有新的變數的語句中替換理論術語，表達理論的變化。理論將去除描述實體的本質部分，而只留下描述結構的部分。在拉姆西語句應用於不可觀測實體時，不允許有實體(substanctial)謂詞。

拉姆西語句將遇到兩個問題，其一，理論內容的某一部分在理論變化中被保留下來，這部分用結構關係來表達，結構-內容這種說法並不準確。[2]正常情況下部分相互間不一致，並且得不到所有可觀察結果。部分若無窮盡，理想相關將塌縮於經驗相關，拉姆西語句的效應將降低。[3]其二，拉姆西語句只能使用邏輯和觀察術語，不能告知任何不可觀測的世界。這也是拉姆西語句遭到紐曼(Newman)反對的基本理由。[4]顯然，把結構歸因於理論的數學結構，那麼勢必面對拉姆西語句在結構實在論中的困境。

理論被分枝化(Ramsification)之後無法超越經驗層面，實現結構的連續性。拉姆西語句指稱的是同一實體，這種純粹描述不能解決科學理論元歸納問題，元歸納問題根本原因在於缺乏連續性表徵。英語presentation譯作「表述」，representation表示在表述的基礎上「再表述」，又譯作「表徵」。科學哲學中意為「弄清楚(物理理論)數學形式體系的意義，即在該形式體系所描述的具有因果關係的實體層次中基本的實體是什麼」[5]。結構實在論需要處理理論的表徵問題。

如何才能夠接受理論與世界的關係，即解決表徵問題呢?范·弗拉森以觀察和理論二分為基礎，賦予理論以經驗的內容，不過他的結論是反實在論。ESR和OSR主張實在論，但結論完全不同。ESR主張能夠為人所知的只是結構，在結構之外還有不能夠用理論表徵的東西。對於OSR來說，世界所有的都是結構，世界中的客體除了結構之外沒有其他特性。

數學是主體建構的系統，數學的客體只是「結構系統中的命題」，數學理論就是描述這些客體和系統。有學者稱，數學家做出數學描述以一種「共享結構」(shared structure)為基礎，根據「共享結構」建構數學理論模型。因為數學客體是同構的(isomorphism)，所以在理論模型和數據模型之間有「共享結構」。然而，從數據模型到現象之間的「表徵(representation)」並非「共享結構」所能做到的。

對於「共享結構」，OSR認為最關鍵的是如何更清楚的表達「共享結構」，如果說群論是當下最好的共享結構，那麼群論應用到量子場論中只是借鑒群論中結構關係，只有一部分數學結構進入物理結構。[6]可是「共享結構」做不到，怎麼辦?OSR以「無奇蹟命題」來應對，以科學的成功彌補理論在經驗方面的缺陷。顯然，這不能令人信服，似乎應該在結構主義命題中加上一點點什麼。[7]弗倫奇(Steven French)認為應該把「加點什麼」理解為約束條件，但約束條件是什麼呢?是結構還是經驗內容?這又回到原先的命題。

結構實在論相信結構是純粹數學的，但是從表述中看來，其結構在數學和物理結構之間搖擺。用概念表徵世界與物理學所採用的模型是一致的，物理學模型大多是以數學來表示的，所以數學結構能夠成為OSR表達的結構。但是，對於結構來說，獲得內在理論關係有兩個途徑，一個是向下的，從理論模型到數學模型，一個是向上的，從物理理論到數學理論。事實上，群論只注重數學結構，忽視結構和世界自身的關係。當然，在理論建構中必須協調好理論表徵和世界之間的關係。OSR內部有人就主張，結構既具有數學特性，又具有物理特性。[8]

所有結構實在論在關於本質的論述中區分出結構。他們相信科學史是一種糾錯模式。比如，19世紀關於以太本質的論述是錯誤的，但是關於電磁場理論的結構方程是正確的。也就是說，應該相信理論的結構而不是本質。結構實在論把理論區分為結構與結構之外。做出這樣的二分，實際上是在科學理論中分出好與壞，是從「本質」的壞之中區分出「結構」的好。[9]

「本質」壞的原因在於錯誤理解和使用所謂「指稱的因果論」。指稱的因果論是說指稱並不確定，只是存在某種初始的明示。術語通過與他者交流形成因果關係，繼而指向初始的承擔者。在這種情況下，科學能夠把理論術語指向某種可觀測的現象，然後製造某種作為不可觀測實體基礎的術語。其最終必然形成數學和形而上學之間的矛盾。

二、結構的客觀性

在量子力學中，量子粒子無法以時空軌跡來界定，兩個或更多粒子糾纏在一起，具有單子和關係特性。量子粒子具有同樣的能量特徵態、同樣的位態，但沒有同樣的量子態。量子粒子有時呈現同樣的內在和外在特性。比如，兩個電子確實是兩個不同個體，它們也確實具有所有同樣的特性，但要想做到個體化，則必須要有某種超驗的東西，使它們能夠個體化。於是，出現一個悖論，要麼存在某種超驗的東西使量子粒子能夠個體化，宣布不可區別同一性原理(the principle of identity of indiscernible，簡寫為PII)失效；要麼量子粒子不是個體。量子力學引發形而上學的不充分決定性(underdetermination)。不充分決定性一直是反實在論的論據。[10]

依照PII，有兩種具有同樣內在特性(property)的客體就可以斷定這是同一客體。顯然量子物理學違背這一原則。按照標準模型，不論是玻色子還是費米子，都具有質量、自旋和電荷等性質，但無法將其個體化。個體性(individuality)和內在性之間形成宏觀世界不曾出現的衝突。因此，OSR否認個體性存在，消除客體存在，主張理論所有實在都是結構。「追求以一種能夠驅散傳統實在論問題的方法，闡明什麼是結構實在論，主要針對理論變化和不充分決定性命題。需要把結構看作是原初的本體論上的存在。」[11]沒有經驗方法也能夠解決不充分決定性命題，在量子層面挽救失效的PII已沒有必要。

站在實在論基本立場上，OSR不主張以「與形而上學再見」手法解決不充分決定性命題。而是借鑒范·弗拉森的「剩餘結構」，認為解決不充分決定性問題最好辦法是放棄個體性，以結構術語重建個體。[12]比如說，「場不是什麼東西，它是一種結果的體系，從這個體系來看，根本沒有什麼個體元素在時間長河中以『自我認定』能夠孤立出來，並永久保留。某種意義上，個體電子不再有任何物質性，自身不是自身，它只存在與場的關係中。」[13]

物理客體能否屈尊於其描繪的結構，需要堅信其為本體論身份的借口。數學客體只有轉換成結構方能理解，並且依賴於物質、場和時空點才能確定是否作為基本本體。量子粒子和時空點不是個體，但它們是最小意義上的客體。當非個體客體是一階變數的值。邏輯上作為一階變數值的客體是否只是唯一的個體客體，也就是，從更加本質意義上是否存在個體。答案是，要麼在數學上要麼在邏輯上才能實現沒有關係者的關係。只是這二者都缺乏經驗的證實。

OSR做不到從根本上處理好結構本體論與形而上學的關係。除了結構，場什麼也不是。可是怎麼才能做到「沒有關係者的關係」。以「結構」的客觀性否定反實在論對於客觀性的消解，可是，「沒有關係者的關係」又如何才能說明結構的客觀性。沒有客觀性，結構的實在性又如何保證。弗倫奇和雷迪曼(Ladyman)的做法被稱為「消除主義」，在OSR內部也受到質疑，許多哲學家認為不能如此激進地把結構剝離的一乾二淨。

義大利學者莫干迪(Morganti)主張採取折中辦法。「實體有時但並不總是確定其身份，它們總是自我認同。」[14]比如量子力學中粒子的混合本性，在某些方面是個體的，而在另一些方面則不是，個體的內在性通過湧現以整體方式呈現出來。但這不足以支持OSR的論點。如果客體衍生於結構，那麼量子領域內所呈現的特殊性就非傳統本體論能夠解釋的。美國聖母大學查克拉瓦第(Chakravartty)認為替換本體論需要排斥原有本體論框架的理由，替代框架要有解釋功能。結構由關係來定義，關係有關係者才能夠說明。

具體關係的存在與關係者的不存在相耦合，這二者是矛盾的。客體在結構中構建、說明的角色無可替代。「除非承認事物是相互聯繫的，否則從知識上根本無法贊同關係的實在性。」[15]換句話說，沒有個體的結構或者說沒有元素的集合何以可能?抽象實體的結構和物理世界結構之間的區別是什麼?客體和關係都不具有本體論的優先性。

實體實在論蘊含著對於所描述實體的懷疑。實體實在論為悲觀元歸納命題留有操作的空間，很難確認前後實體之間連續性，也無從談起成功理論誰優誰劣。對於不可觀測實體來說，不可能孤立地獲得實體知識，它與測量實體的設備(控制實體)以及實驗所依據的理論都存在關聯。

曹天予認為OSR忽略兩個重要事實。其一，數學結構、邏輯和群論結構等形式結構在沒有外在輸入情況下是不能處置世界質的方面，因果論上是無效的；相反，物理結構涉及質的問題，並且在因果論方面是有效的。其二，形式結構純粹是關係的，作為站位者的關係者它們的存在完全來自於本體論上初始結構的功能與位置，並不能成為本體論上的存在。而物理結構只能根據本體論上初始成分來定義。[16]也就是說，如果結構是獨立於個體和性質的本體論，那就無法討論結構關係。沒有個體的本體論命題，只能把結構的統一性當作本體論上的原初事物。可是，無法確定原初結構統一性，而且無法回應無奇蹟論證命題。面對個體化的解釋學意蘊，則需要證明個體化是通向結構的唯一之路。

三、個體的內在性

經典物理學依據不可穿透性(impenetrability)原則，認為沒有兩個粒子具有相同時空特性。時空特性有利於對於粒子的辨別。個體客體性質上是可以認定的(identical)。個體化動因並不是存在的個體性(haecceity)或者原初此在(primitive thisness)。量子物理學中，基本粒子的單子闡釋受到挑戰，粒子的非內在與態獨立特性驅使粒子以整體性展示出來。[17]比如量子糾纏——沒有能歸因於粒子的態，與許多內在和相關特性纏繞在一起。兩個費米子單重態是成對的結果，任意方向自旋彼此相反，原因不在於粒子本身。量子要麼並非個體的，要麼此個體超越存在的個體性。

量子粒子是否是個體，不能為經驗充分認定。雖然量子粒子不可區別，但是量子粒子又佔有原初此在的地位。訴諸原初此在就落入形而上學，就不存在經驗上不充分決定性。而訴諸經驗，量子粒子又不是個體，則不存在內在特性。但是，關係需要關係者。關係必然有某種引發它的東西，這種東西位於關係之中。當抽象結構回到物理世界中，由物理世界引發的具體關係將出現問題。

OSR因此否認個體客體，把關係者(relata)作為沒有內在性的個體處理。這種做法的合理性受到懷疑。查克拉瓦第否認沒有內在本質就沒有結構，因為關係與關係者之間依賴的關係是「因果依賴」。[18]客體一個重要作用是能夠解釋變化的意義，客體有特性是因為客體因特性而存在。物理學中以定律形式呈現的數學方程通常是用來表徵客體特性的關係。沒有客體的本體論給說明變化帶來麻煩。以關係來解釋從一個事態(state of affairs)如何得出下一個事態，將無從知曉什麼原則能夠促使一組關係進入另一組關係。結構的節點不可能只是幻覺，解釋學應該讓位於形而上學。特性就是為解釋提供便利。

但是，如何既能堅持結構的本體論地位，又為客體存在找到理由呢?查克拉瓦第和曹天予主張建構新類型自然種。傳統上實體(entity)為結構所改造，實體不再是一個確定自然種，而是一個歷史建構的、隨著時間變化可以修正的自然種。[19]實際上自然種的討論仍舊在形而上學的圈內打轉。結構約束雖然為自然種的確立選擇一個新的辦法，但是結構約束不能夠確證自然種。物理學家以結構術語構想希格斯玻色子的存在，但是，如何來證明其真實存在呢?

若以內在特性界定自然種，則無法在本體論與自然種之間刻畫出嚴格區別所在。所以又回到結構，用結構說明內在本質。比如氫和氧間共價關係構成水的本質。也就是說，如果把內在特性置換為「關係」特性，那麼因內在特性而使同一性(identity)為難的情況就不會出現。但是，內在特性是區別於其他客體的性質，內在特性往往依賴於個體存在而存在。外在特性呈現為客體關係，它不依賴個體存在。

ESR認為，科學理論揭示物理客體關係，而不是內在特性。物理客體有關係之外的內在特性，以關係代替。這一點得到OSR認同。通過在客體與人類意識或者測量工具之間建立因果關係獲得物理客體知識。但是，ESR不主張內在特性與關係之間有聯繫，也就是說，不主張關係依附於關聯客體的內在特性。關係不具有本體論地位，可是它卻代表物理客體。OSR認為ESR論述是矛盾的。因為很難在結構和內在特性之間畫出一個清晰的界線。如果理論變化，那麼結構就會變化。這樣將與結構實在論初衷相悖。

然而，可不可以沒有內在特性，卻可以有客體存著呢?OSR採取二階特性優於一階特性的觀點。客體的一階特性是指質量、因果效驗等，從中可以推導出一個承受者，即擁有這些特性的客體或者實體。二階特性是指這些一階特性之間的關係。一階特性是基礎。如果放棄一階特性，那麼整個結構將處於危險境地。而從二階特性出發，考量結構，其中有形而上學的問題。抽象的時空秩序，事先確定了關係構成的範圍。當抽取關係構成時，就不是終止於因果效驗的結構，而是終止於一種抽象。抽象的個體是客體結構，客體的抽象依然繼續，但最終將是一無因的客體，即所謂的結構，為實驗所不可及。[20]

ESR與OSR是個體及其內在性討論的兩個進路。ESR落腳點為認識論，OSR則致力於本體論。形而上學與認識論是相互關聯的，內在特性不可知將會導致形而上學與認識論之間出現裂隙。形而上學要求在世界基本層次上存有客體，客體擁有內在基本特性。可是這種認識論要求內在範圍內不能觸及這些特性。OSR主張結構的本體論地位，當然也就承認形而上學上的關係或者結構。不可能把所有關係還原到內在特性。即使世界包含具有內在基本特性的客體，也必須有某種關係：至少時空結構不取決於內在特性。客體和特性屬於形而上學，結構實在論應該看作形而上學命題。確認客體存在的目的，是為了判斷客體與現象之間一一對應關係是否存在。

四、兩種關係的衝突

在《論原因的概念》一文中，羅素不贊成因果律(the law of causality)的提法，他甚至說「因果律」是舊時代的遺迹，「原因」一詞完全可以從哲學辭彙中剔除。他主張因果關係用結構關係所替代，並讓這種做法與休謨的因果論契合。

「很簡單，為什麼舊的『因果律』很長時間能夠盛行於哲學家之中呢?因為他們不熟悉函數的觀念，所以他們找到一種不太恰當的表述。無疑重複著同樣的因產生同樣的果的做法；科學定律的恆久性，並不包含於因果的同一性之中，而是在關係的同一性之中。……宇宙任何時刻的狀態與宇宙任一部分在那個時點上變化率之間有恆定的關係，這種關係以多對一，即當宇宙狀態既定時，變化率已經決定。如果『因果律』是科學實踐中可觀測的東西，那麼上面論述對於定義『因果律』來說，比哲學家的教科書上的定義要正確的多。」[21]

在結構主義背景下理解因果關係，由事件形成的因果鏈在結構中相似，必須考慮「結構持續性」或者說結構的保留。但是沒有考慮性質上的持續性。因此需要更加具體的來確定持續性是什麼。對於任一進程說，其特徵的持續性說明這個進程的原因。而關於特徵的說明應該考慮客體和客體的特性。OSR認為羅素的觀點與科學的因果關係不相干，且與傳統的因果過程理論相衝突。如果羅素觀點是錯的，原因在於羅素堅持的還原論和原子論致使他覺得物理學有權利也有能力深入到本體論之中。而現實中，非還原論在科學中盛行，以非還原論模式重新界定形而上學勢在必然。

前者雖然強調非結構特性是因果關係的必要條件，但是仍然主張結構持續性不足以說明結構關係。這說明其並沒打算以結構關係替代因果關係，因為結構關係不是因果關係的全部。但令人疑惑的是，OSR堅持結構實在論主張，把結構作為本體論看待，又為什麼否定結構關係代替因果關係?其實，這是OSR的軟肋所在。如果給出一個肯定答覆，將無法回應「空的結構如何起到解釋原因的作用」這樣的質疑。然而，更加麻煩的是，如何在不考慮結構的情況下對因果關係較好的說明。

赫爾姆霍茲(Helmholtz)曾說過一句話，「我們明白，當我們有不同知覺，就可以推導出，真實的潛在條件不同」。被維利(Wely H.)在《數學哲學和自然科學》中引用。希羅斯(Psillos S.)把它稱之為赫爾姆霍茲-維利(Helmholtz-Wely)原理：如果兩種刺激同一，那麼感知結果將同一。赫爾姆霍茲-維利原理構成認識事物(事物本身的世界)可能性的基礎。依照羅素的觀點，這個世界能為人所知的是其結構。唯有世界的外在結構，也就是形式的、數理邏輯的特性可知，而所有一階特性不可知。可想而知，不被感知(不可觀測)世界有一個確定可知的結構。從被感知現象(知覺的世界)結構中，數理邏輯結構當然可以推導出來。如果把赫爾姆霍茲-維利原理和時空連續性原理聯繫起來(即原因在時空上與結果連續)，「在刺激與知覺之間有一一對應關係，當認識感知時，能夠演繹出刺激的某種數學特性，相反，當認識這些刺激的數學特性，能夠推導出這種感知」。「大量關於刺激結構的知識。」[22]其中，隱含著一個形而上學假定，即知覺差異由其原因(刺激)不同而產生。

儘管羅素堅持認為「物理學中沒有東西依靠實際性質」，能夠認識的只有世界的結構，但是並不表示羅素對於結構中客體的否定。從經驗論視角看，這種推理是合理的，這樣的結論將為人所接受。「客觀對應物形成一個與現象界同樣的結構，所有關於真理的命題都是以抽象術語表示，都適用於現象。」[23]當然，一味強調只有現象(知覺的世界)可知，即使它們存在，它們的客觀對應物也不可知，這並不應該是羅素的本意，這是OSR所持觀點。同胚映射要求同樣的知覺與同樣的刺激，而這種情況若能成立將是個奇蹟。事實上，同樣刺激產生不同感知。感知世界和刺激世界間的同胚映射不足以揭示它，刺激的「內在特徵」(即原因的本質)仍將不可知。

維利主張，「世界客觀影像不承認任何多樣性不能以知覺多樣性來闡述」[24]。希羅斯把它叫作赫爾姆霍茲-維利原理的逆命題，換句話說，就是不同的刺激，不同的感知。「不可辨別感知不需要確切相似的刺激。」(羅素，1927)知覺與刺激之間可能是一對多，而不是一對一關係。因為一對多關係造成感知的結構不能確定刺激的範圍，也不能確定結構本身。如果兩個或多個不同刺激引起同樣的感知，那麼感知的結構就不能面對刺激的結構。赫爾姆霍茲-維利原理的逆命題為建構現象結構與(不可觀測)世界的同胚映射奠定基礎，使不可觀測世界演繹知識成為可能。

一對多的關係給客體表述提供兩種可能。一種可能是轉向唯理論(idealism)，除了結構其他毫無所知。「內在本質」只能以結構來表示，結構特徵的不同，刺激帶來不同感知意味著感知結構無法從刺激結構差異體現出來。「一對多」給認識不可觀測世界造成困難，只能用結構作為尋找不可觀測世界不同於現象世界的原因手段。所以認識結構就認識了全部。一種可能是堅持物質主義立場，「一對多」並不說明客體不在，只是意味著舊的方法論在不可觀測世界失效。

不可觀測世界面臨的新情況把形而上學引入一個嶄新場景。世界結構和現象結構間離散關係不應是事先錯誤的。結構關係和因果關係隨著歷史變遷交織在一起。一方面，因果關係不能再與決定論與目的論相聯。不可觀測世界有一個「額外結構」至少原則上是可能的，即結構不必非以現象結構來闡述。「客觀實在性不是事先給定，而是被建構的。」這些新論點不能成為不可知論的理由。另一方面，結構關係完全替代形而上學因果性缺乏有力論證。不僅表現在現象與(不可觀測)世界之間的同胚映射並不能成為因果關係，而且關係、客體與特性之關係因結構與經驗之間矛盾而陷入本體論無限循環論證，結構約束不是使問題簡單，而是更複雜。

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