數(shù)據(jù)與科學理論的語義模型,自然辯證法論文

數(shù)據(jù)與科學理論的語義模型,自然辯證法論文題目：第一章：第二章：數(shù)據(jù)與科學理論的語義模型第三章：第四章：第五章：后記/以下為參考文獻：2、數(shù)據(jù)與科學理論的語義模型。理論的公認觀點,也稱為理論的句法觀。在傳統(tǒng)科學哲學中對科學理論的解釋中占主流地位。簡單來講，就是將理論解釋為一種公理化的系統(tǒng)TC,華而不實公理T是用理論語句TC所描繪敘述的理論定律；C是連接T和觀察語句Vo之間的對應規(guī)則。這一形式的成立，需要預設兩個前提：一個是觀察與理論的二分原則，另一個是在觀察和理論語句之間存在著對應規(guī)則〔或橋接原則〕。本章主要討論以蘇佩斯為代表的語義觀。由于蘇佩斯在拋棄對應規(guī)則，轉(zhuǎn)而討論模型的概念時引入了數(shù)據(jù)這一重要因素。由此而確立了以他為代表的數(shù)據(jù)語義觀。2.1科學理論表征的模型等級系統(tǒng)。理論語義觀主張科學理論的核心工作是提供一套模型或模型簇，用來表征經(jīng)歷體驗現(xiàn)象。一般地，語義觀特別強調(diào)模型的等級層次，以為它們介于自然系統(tǒng)與理論構(gòu)造之間。為了代替公認觀點的對應規(guī)則，語義觀捉住了模型最為根本的功能和作用，即表征功能。模型的表征具體表現(xiàn)出為兩個方面：一方面模型表征了已選定的部分世界〔對象系統(tǒng)〕，這類模型立足于對象的性質(zhì)，即現(xiàn)象模型和數(shù)據(jù)模型；另一方面，一個模型能夠通過講明和解釋定理和公理來表征一個理論。一旦，模型同時具備這兩種意義上的表征功能，它就能完好聯(lián)絡理論和現(xiàn)象世界。一般以為，現(xiàn)象涵蓋了對象世界的所有相關(guān)性質(zhì)和普遍特征的概念，而科學模型就是對現(xiàn)象的表征。當然，我們也要對不同種類的模型加以區(qū)分。模型分為質(zhì)料模型和形式模型，形式模型表示出了物理實體和經(jīng)過的構(gòu)造或形式，沒有牽涉特定物理或?qū)傩缘娜魏握Z義內(nèi)容。質(zhì)料模型是一個物理實體，或者描繪敘述一個物理實體，如用小球表示電子，所以，質(zhì)料模型是語義構(gòu)造，由于它引入了對真實或虛擬實體的指稱。我們經(jīng)常聽到的DNA雙螺旋模型、氣體的彈球模型，玻爾的原子模型等等就是質(zhì)料模型。理論語義觀之父蘇佩斯最早提出模型的等級系統(tǒng)。在1962年(數(shù)據(jù)模型〕一文中，它挖掘了理論構(gòu)造怎樣在實驗環(huán)境下與現(xiàn)象相聯(lián)絡?；跀?shù)學學習理論實驗的例子，他講理論和實驗之間的聯(lián)絡通過非演繹的模型等級層次互相協(xié)調(diào)，這些層次包括實驗的模型、數(shù)據(jù)模型、實驗設計和其他情況均同條件。而科學理論化的經(jīng)過就是經(jīng)歷了從復雜的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型、理論模型，最后到理論的不斷提升。蘇佩斯主張，在理論到現(xiàn)象之間存在一個不同層級的等級系統(tǒng)，這個等級系統(tǒng)是由不同類型的模型來連接的。他講：在對經(jīng)歷體驗理論和有關(guān)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進行嚴格分析時需要有不同邏輯類型的種種模型的等級系統(tǒng)。而整個模型的等級系統(tǒng)處在基本理論模型和全部實驗經(jīng)歷體驗之間。而且，對于等級系統(tǒng)的每一層次，存在一個獨立的理論。通過與低一層次的理論形式聯(lián)絡，就賦予了某一層次的理論以經(jīng)歷體驗意義。也就是講，數(shù)據(jù)與理論之間存在一個模型的等級系統(tǒng)，系統(tǒng)的每一層級的模型都能夠表征一個理論，模型通過下一層級的經(jīng)歷體驗檢驗，使得本層級的理論獲得經(jīng)歷體驗的意義。由此，也避免了因理論的不斷升級而最終脫離語義內(nèi)容的句法理論觀的窘境。通過這樣一個等級系統(tǒng)，我們能夠構(gòu)造出從高等級理論到低等級現(xiàn)象之間的通路。2.1.1以理論類似性劃分的模型系統(tǒng)。第一步，從現(xiàn)象到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源于現(xiàn)象，是對現(xiàn)象的特定狀態(tài)的表征。第二步，就是從數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)模型，對于數(shù)據(jù)模型的定義，蘇佩斯同塔爾斯基的模型是一致的，都是將模型作為二階語言。數(shù)據(jù)模型的出現(xiàn)不再僅僅僅是描繪敘述現(xiàn)象，它能夠指稱現(xiàn)象實體，具有語義內(nèi)容。數(shù)據(jù)模型一定要在的理論的指引下對數(shù)據(jù)進行改造.所以，數(shù)據(jù)固然源于現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)模型卻并非對現(xiàn)象的全等描寫。第三步，從數(shù)據(jù)模型到理論模型。在科學研究中，數(shù)據(jù)模型作為研究對象來介入理論的構(gòu)造。語義模型觀以為，數(shù)據(jù)模型與理論模型的同構(gòu)關(guān)系決定了二者的適應性，理論模型所要說明的對象間關(guān)系同數(shù)據(jù)模型展示的內(nèi)容具有一樣種類的構(gòu)造。第四步，從理論模型到理論。以數(shù)據(jù)模型作為經(jīng)歷體驗對象，通過對數(shù)據(jù)模型的歸納、類比抽象而獲得更高層次一層級的理論模型。對于語義觀來講，理論就是一些具有一樣構(gòu)造的模型的集合，而理論所討論的種種對象就是這些模型中的表征。理論與數(shù)據(jù)模型之間的聯(lián)絡是極為復雜的，一個理論能夠?qū)獛追N理論模型，只要模型與模型之間是同構(gòu)的，就能夠為理論服務而構(gòu)成一個模型系統(tǒng)。理論與理論模型之間的關(guān)系往往是一對多的關(guān)系，不同理論模型之間為同構(gòu)關(guān)系，能夠統(tǒng)一為同一理論，這些同構(gòu)模型一起構(gòu)成了模型系統(tǒng)，它們之間的互相關(guān)系是對理論內(nèi)容的解釋。擁有一樣構(gòu)造的種種模型構(gòu)成了從現(xiàn)象到理論的等級系統(tǒng)。圖中數(shù)據(jù)模型、理論模型和理論之間由箭頭聯(lián)絡起來，三種因素或模型之間之所以能夠互相聯(lián)絡，是由于不同層次之間具有類似性。這種類似性是模型之間的類似，能夠講是理論背景的類似。以數(shù)據(jù)模型為分界限，從數(shù)據(jù)往上就是理論構(gòu)造的部分。由直線聯(lián)絡起來的因素之間往往沒有很強的相關(guān)理論束縛，比方從實驗儀器對現(xiàn)象表征得到的數(shù)據(jù)，一般是通過普遍性定律得到，包括光學定律、度量標準和基礎物理定律等；從數(shù)據(jù)建模得到的數(shù)據(jù)模型往往依靠統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘工具。所以，三者之間的理論聯(lián)絡與待測理論之間并沒有太強的關(guān)聯(lián)性。2.1.2以理論模型、實驗模型和數(shù)據(jù)模型劃分的模型等級。對于上述等級系統(tǒng)也存在不同角度的解讀。同樣是將數(shù)據(jù)和理論通過一系列模型等級層次聯(lián)絡起來，我們能夠把模型等級劃分為三個層次，即理論模型、實驗模型和數(shù)據(jù)模型。理論模型和實驗模型是與理論相關(guān)的，數(shù)據(jù)模型描繪敘述了在一個特定實驗中集中獲得的數(shù)據(jù)。比方，理論模型能夠基于科學理論，比方理想氣體定律。實驗模型能夠基于實驗理論。描繪敘述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型從特定實驗中獲得。需要注意的是，理論模型和實驗模型同時都與理論相聯(lián)絡。在實驗語境下，通過理論模型而表示出的科學假設，正是通過實驗模型與由實驗而產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)相聯(lián)絡。簡單地講，實驗模型構(gòu)成數(shù)據(jù)模型與理論模型之間的連接。這一模型是關(guān)于怎樣實驗性地測試，在理論模型中被陳述的假設。在這一背景下，實驗模型仍然忽略了很多在實驗中的出現(xiàn)的實際問題。比方，模型可能是過于理想化的，像假設無摩擦的平面。實驗主義以為模型是關(guān)于實驗的概念，而非關(guān)于實驗可能產(chǎn)生的實際經(jīng)歷體驗結(jié)果。所以，在測試鉛的熔點例子中，實驗模型可能是關(guān)于測量鉛的溫度而產(chǎn)生的有用、可靠結(jié)果的方式方法。不同于待測理論和與理論相關(guān)的模型，實驗理論和與其相關(guān)的模型包含對于實驗的參考。比方，一個理論模型可能包含在理想氣體模型中的特定變量，像溫度、氣壓和理想氣體體積。在一個可能的實驗中，氣體體積保持恒定，實驗理論可能會將在氣壓和非理想氣體體積之間的關(guān)系具體化。實驗模型可能會包含實驗中關(guān)于溫度和氣壓的可能值。數(shù)據(jù)模型可能會包含在特定實驗經(jīng)過中的溫度和體積讀數(shù)。在給定實驗中，并不是所有的數(shù)據(jù)集都算作是數(shù)據(jù)模型。為了使得數(shù)據(jù)集成為數(shù)據(jù)模型，在實驗理論中的特定狀態(tài)必須保持在可接受的特定范圍之內(nèi)。我們在決定給定的數(shù)據(jù)集能否構(gòu)成數(shù)據(jù)模型時，還會用統(tǒng)計測試的方式來考量數(shù)據(jù)集。2.2理論語義觀中的數(shù)據(jù)模型。2.2.1從數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)建模。當科學家獲得原始數(shù)據(jù)的時候，其在科學實踐中是不可用的。大量數(shù)據(jù)的堆疊往往呈現(xiàn)無規(guī)律的混亂狀態(tài)，由于原始數(shù)據(jù)存在大量噪音，并且在通往理論的道路上我們更需要抽象的、一般性的表示出，而非詳細的、特定狀態(tài)的表征。出于這個原因，數(shù)據(jù)在被分析之前必需要經(jīng)歷處理。數(shù)據(jù)處理的第一步就是去除數(shù)據(jù)集合中的噪音。比方，假如我們要畫出太陽系的行星劃過夜空的位置，就必須找出每一次測量中存在的錯誤，可能是由于望遠鏡的瑕疵、人為因素、大氣層狀況或者其他環(huán)境因素。我們在獲得行星軌跡的大量測量數(shù)據(jù)集時，必需要先完成兩件事情：〔1〕試圖找出錯誤的數(shù)據(jù)并去除，〔2〕穿過剩下的點畫出一條平滑的曲線，以此在離散的數(shù)據(jù)集之間模擬出行星的運動軌跡，畢竟物體運動總不可能是跳躍的。所以，我們在處理數(shù)據(jù)時，是從一系列離散點的集合中描繪出一條行星運動的連續(xù)平滑的曲線。只要經(jīng)歷必要的處理程序的原始數(shù)據(jù)才能成為可用的形式，而最后我們畫出來的行星軌跡就被稱為數(shù)據(jù)模型。我們發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理經(jīng)過中，數(shù)據(jù)的很多性質(zhì)已然被改變，或是數(shù)據(jù)點被排除，或是離散的數(shù)值被平滑、連續(xù)的曲線所取代。第一步就稱為數(shù)據(jù)復原，第二步稱為曲線擬合。在物理學實驗或化學實驗中，這兩個步驟在構(gòu)建圖表時極為常見，比方在固體物理試驗中溫度和電阻率的比照圖，或在理想氣體實驗中溫度和壓強的比照圖。擬合曲線與原始數(shù)據(jù)集一般很類似，但卻是連續(xù)的，而且也不與原始數(shù)據(jù)點完全一致。這種近似曲線就是數(shù)據(jù)模型，它類似于原始數(shù)據(jù)，是科學家根據(jù)數(shù)據(jù)的相關(guān)層面構(gòu)造出來的。使用數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)解釋是為理論目的服務的，并且數(shù)據(jù)解釋往往存在多種方式，這取決與我們在處理數(shù)據(jù)之前采取何種假設。這種數(shù)據(jù)模型表示出的多重可實現(xiàn)性，以不同的方式來針對于它們旨在表征的實在世界的實體之間擁有的類似性與非類似性。比方，在統(tǒng)計研究人均變化與人均收入數(shù)據(jù)時，通過線性圖的方式能夠分別直觀的展現(xiàn)兩類經(jīng)濟統(tǒng)計量的變化趨勢，但是忽略了兩類數(shù)據(jù)之間的比照。通過直方圖將兩者根據(jù)時間排列在一起，能夠產(chǎn)生直接比照，顯示出人均收入與的比重。所以，中選擇用線性圖而非直方圖來描繪敘述數(shù)據(jù)集時，我們知道在數(shù)據(jù)中特定的規(guī)律需要被強調(diào)，同時其他信息可能會被忽略。在了解在數(shù)據(jù)模型和被表征的實在世界對象之間的類似性和非類似性，科學家能夠在構(gòu)造和處理數(shù)據(jù)模型時作出相應改變。2.2.2數(shù)據(jù)模型作為中介。與其講科學家假設了數(shù)據(jù)中的形式與規(guī)律，不如講數(shù)據(jù)模型的構(gòu)造牽涉到科學解釋。在很多例子中，傳統(tǒng)意義上原始數(shù)據(jù)的獲得已經(jīng)嵌入了理論原則，或者至少在性質(zhì)上數(shù)據(jù)的納入就包含很強的操作目的，也是經(jīng)過研究者決策的產(chǎn)物。這就講明，數(shù)據(jù)模型從一開場就牽涉解釋，并且鑒于其所牽涉問題的理論目的，模型的可靠性也被多種標準所評估。當然，不是所有的理論模型都是從理論意義上導出的，也不是每一個現(xiàn)象模型完全不能獨立與理論概念和參數(shù)設定。而在特定情況下，在構(gòu)造數(shù)據(jù)模型的時，科學家會利用理論元從來指導數(shù)據(jù)模型的產(chǎn)生。借助數(shù)據(jù)模型的描繪敘述，能夠提高我們對于理論原理和基于理論約束的模型之間的互相作用的理解。當科學家面對牽涉多個工具的復雜實驗，每一個都產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，假如從方式方法論意義上對每一個原始數(shù)據(jù)進行解釋將是不可能的。我們壓根不會解釋科學怎樣辨別數(shù)據(jù)中的形式，而是假定在給定數(shù)據(jù)集中存在一系列形式的事實。假如我們作出這一預設，數(shù)據(jù)研究將難以推進。所以，需要意識到實驗本身就包含了很多數(shù)據(jù)模型，我們的任務就是辨別產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)模型的理論假設和目的。甚至對于反實在論的語義論者來講，模型經(jīng)常超越了理論，而更好表征了物理系統(tǒng)。卡特萊特〔N.Cartwright〕就表示在物理學中，理論的基本原理并沒有表征真實所發(fā)生的，相反，理論給出了在抽象概念之間的純粹的抽象關(guān)系，它告訴我們系統(tǒng)的能力和傾向取決于這些原理。這樣的話，假如我們想表征真實發(fā)生的，就需要超越理論而建造模型。固然，筆者本人并不贊同這種科學理論立場，但是，卡特萊特很好的表示出出數(shù)據(jù)模型相對于理論的獨立性與自治性。我們考慮起初蘇佩斯提出數(shù)據(jù)模型概念的原因，其在解決理論與現(xiàn)象的關(guān)系時碰到了與邏輯經(jīng)歷體驗主義一樣的難題。不同于后者關(guān)于橋接原則的立場，蘇佩斯選擇了模型論的進路。同時，將數(shù)據(jù)納入模型的討論框架中，他提出理論所面對的不是原始數(shù)據(jù)而是數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)是復雜的、創(chuàng)造性的經(jīng)過。他寫道：對經(jīng)歷體驗理論和相關(guān)數(shù)據(jù)之間關(guān)系的嚴格分析，需要有不同邏輯類型的各種模型的等級系統(tǒng)。數(shù)據(jù)模型的作用類似于一個中介，其作用就是不停的調(diào)節(jié)理論與現(xiàn)象之間的關(guān)系。也正是如此，所以蘇佩斯就需要大量工作以解釋理論、數(shù)據(jù)、和現(xiàn)象之間的差異和聯(lián)絡。作為語義理論者，他關(guān)注于模型的不同類型，通過復雜模型之間的關(guān)系，輔以群論關(guān)系的形式加以分析。但是，他仍然很難解釋數(shù)據(jù)與現(xiàn)象之間的差異不同，這里數(shù)據(jù)被用來確證和建立現(xiàn)象。由于數(shù)據(jù)本身并不能構(gòu)成現(xiàn)象，所以，即便模型論的同構(gòu)關(guān)系特別巧妙，在通往現(xiàn)象的道路上，語義論者仍然束手無策。2.3數(shù)據(jù)語義模型的經(jīng)歷體驗主義特征。在蘇佩斯看來，數(shù)據(jù)模型就是塔爾斯基意義上的模型，即數(shù)據(jù)理論的模型。數(shù)據(jù)模型遠非所觀察到的描繪敘述,即所謂的現(xiàn)象.對于任何給定的實驗，數(shù)據(jù)模型的準確定義是在實驗經(jīng)過方面，以及所研究現(xiàn)象的的經(jīng)歷體驗理論方面，需要數(shù)據(jù)理論的存在。通過兩個事情連接了高層理論和現(xiàn)象：數(shù)據(jù)的實驗理論和現(xiàn)象的實驗理論。他通過數(shù)據(jù)模型的集合來形式化地描繪數(shù)據(jù)的實驗理論，并且該形式化分析必須是起始于數(shù)據(jù)模型。要聯(lián)絡數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，我們必需要確定模型之間擁有一樣的構(gòu)造。但是，由于缺乏現(xiàn)象的經(jīng)歷體驗理論，我們只能預設現(xiàn)象擁有或存在某種構(gòu)造,但是，我們卻不能根據(jù)他的模型的分享構(gòu)造來描繪敘述現(xiàn)象的構(gòu)造特性。假如，我們以對數(shù)據(jù)模型的描繪敘述方式覆蓋現(xiàn)象的構(gòu)造，將徹底落入經(jīng)歷體驗主義的境地。因而，實在論者很難從現(xiàn)象模型的分享構(gòu)造的意義上去講明該現(xiàn)象本身的構(gòu)造。固然蘇佩斯早在1960年就指出，科學所要關(guān)心的問題并不是未經(jīng)加工的觀察，而是數(shù)據(jù)模型。但是，語義觀仍然擺脫不了一個很大的弱點，它默認接受了傳統(tǒng)假設-演繹方式方法中作出的關(guān)于理論術(shù)語和觀察術(shù)語的區(qū)分。語義觀把科學知識設想為模型等級，華而不實，有些模型更特殊并更接近于數(shù)據(jù)，有些模型是理論的且更遠離世界。在很多被數(shù)學化的科學中，我們用可測量的量來表示理想化的真實世界的性質(zhì)，而非原始經(jīng)歷體驗的觀察特性。力學理論就是關(guān)于這樣的經(jīng)歷體驗：借助于質(zhì)點、時間和空間、質(zhì)量以及力的作用的變量集合的理解，我們將力學理論和經(jīng)歷體驗聯(lián)絡起來。這些元素表征了理想化的力學實體，及其可測量的特性。這是，我們不得不考慮不可觀察