自然哲学与实证科学
陈嘉映
自然哲学
亚里士多德的《物理学》是自然哲学的典范著作，与柏拉图的《蒂迈欧篇》等对话一道，构成了自然哲学的源头。近代科学在某种意义上是自然哲学的继承者，在这个意义上，人们自有道理把亚里士多德称作科学之父，物理学之父。然而，对于希腊哲学-科学，近代科学既是继承人，又是颠覆者。因此，我们必须强调，亚里士多德的《物理学》是自然哲学，不是近代意义上的物理学。
自然哲学是哲学，是哲学的一个分支，它具有哲学的种种特征而非科学的特征。我们读亚里士多德的《物理学》，或希腊其他论自然的著作，从感觉上就发现它们和近代科学著作相差甚远，它们和当时的其它理论著作如政治学、形而上学比较接近，和后世黑格尔之类的自然哲学著作比较接近。自然哲学并列有不同的体系，每一个体系更多地展现某个哲学家首创的总体解释，而不在于为这一学科的知识积累做出贡献。亚里士多德的自然哲学里没有什么实验设计和实验结果，没有什么数据和数学公式。你要读懂亚里士多德的物理学，就像你要读懂他的政治学或海德格尔的《存在与时间》一样，也许很费思量，但无需任何特殊学科的技术准备和专门的数学训练。今天的物理学学生会想：没有数学还算什么物理学？
前面的“经验与实验”一章里指出，自然哲学较多依赖一般经验与观察，而近代科学更多依赖借助仪器进行的观察和通过实验产生的事实。亚里士多德关于植物、动物和物体运动等等的理论著作中，有对相关现象的独特观察，但在其基本理论部分，所据的通常无非是我们人人都有的经验、人人都知道的事例。亚里士多德在这些著作中对这些众所周知的事情提供解释；科学，或本书所称的哲学-科学，在亚里士多德看来，就是要解释各个领域中的基本事物-现象的所以然。
我们还记得，希腊人用很多办法证明地是圆的，例如，船只远去的时候，桅杆并不是一点点变小，而是在不远的地方就沉入大海；月食的时候，月亏的形状是弧线而非直线；各地看到的恒星不同；在同一个日子里，不同纬度上插一根同样高度的木棍，影长不同；土和水的自然位置在下方，向下运动是它们的自然倾向，其结果是这些运动最后停止之处距地心等距。在这些论证中，前面诸项我们今天看来仍然是成立的，是“科学的”，最后一项却是错误的。然而，在希腊自然哲学中，最后一项是最重要的，因为它不依赖于某个特殊的观察，而是诉诸我们的一般经验，合乎一般的原理。其他诸项则是实证的、局部的论证，或者如亚里士多德所说，是些“感觉方面的证据”。
哲学-科学理论把包含在常识中的默会理解加以形式化，形成理论，形成一个命题层面上的一致体系。这类理论来自对常识的反思。借助这种反思，常识获得了更好的、更系统的自我理解。这样的理论由于提供了更好的、更系统的理解而具有解释力。水往低处流，这原不需要解释。但地体为什么是圆的，却在一定程度上需要解释，因为地体是圆的而不是方的，似乎并没有什么明显的道理。我们似乎不难生出天圆地方的观念。现在，当我们在理论层面上、在原理层面上理解了水往低处流，当我们理解了元素的自然运动，我们就理解了地球为圆的道理。
虹吸现象也是需要解释的，我们不仅看不出这种现象有什么道理，而且它违背水往低处流的常识，因此不合道理。虹吸现象是通过自然厌恶真空得到解释的。这里的关键之点在于，自然厌恶真空并不是一条特设原理。Ad hoc或曰就事论事的特设原理是没有解释力的。自然厌恶真空不是针对虹吸现象而设的原理，它是亚里士多德自然哲学理论的一个有机部分，这个理论通过其他方式已经论证了真空不可能存在，这些论证包括，实在的虚空是个矛盾用语，在逻辑上不能成立；物体的运动速度因媒介的阻力而减缓，真空中的物体将以无限的速度运动，在出发的同时就到达终点，这是无法想象的；等等。
哲学-科学借助对常识的反思形成理论，在理论层面上，地球为圆、虹吸现象等等得到解释，它们其实并不违背常识，它们是其所是是有道理的，和其他的事物-现象贯穿的是同一些道理。
哲学-科学理论诉诸我们的既有经验，它所提供的命题是直接可理解的，因为它们是已经默会地得到了理解的东西。哲学-科学理论，在我看，都宜于称作经验理论。
通过反思洞察贯穿于各个领域中的基本事物-现象的道理，其核心工作在于澄清我们谈论各种事物-现象时所使用的概念。亚里士多德在谈论运动的时候，谈的都是我们每天都见到的各种运动形式，他的工作方法主要是审慎考察我们用来谈论运动的种种概念，例如时间、空间、运动、变化、增加、减少等等，清除概念中与特定研究不相干的因素，消除概念反思中的混乱和不一致。在探讨世界是不是生成的、是不是会消亡时，亚里士多德着手区分非生成的、生成的、可消亡的、不可消亡的这些语词的多重含义。从“是不是可消亡的”，进一步引到对“可能”和“不可能”的意义进行考察。从“不可能”又推进到对“虚假”和“真实”的考察。1总体上，亚里士多德在他的自然哲学中考察我们实际上怎样使用运动等等词汇，而牛顿在他的《原理》中则一上来先下定义。
希腊人是把物理研究和对自然概念的考察合在一起来考虑的。自然哲学的论证方式与哲学其他分支或第一哲学的论证方式没有什么两样。自然哲学依赖于自然概念，依赖于自然理解。自然哲学之为哲学，最关键的在于它使用的概念必须得到自然理解的辩护。自然概念里充满了感性内容，亚里士多德的物理学中大量保存了这些感性内容，例如火和气合乎自然地向上运动而水和土则向下运动。这里有两点值得注意。一，亚里士多德不是用某种隐藏在背后的机制来解释火向上运动这一感性图景，相反，这一感性图景具有基本的解释力。它不是某种原因所导致的，而是某种原理的体现。二，在保持感性图景的解释力的同时，感应因素则被消除。例如，在亚里士多德宇宙中，天球的运动不是由感应来解释的，各天球之间是由摩擦驱动的，摩擦致动是一种自然的运动。
“科学概念”章提到，在牛顿或其同时代人的著作中仍然常见对相关日常语汇的语义考虑，例如关于推力、引力、拖曳力、重力、活力等等的讨论和争论。那一章也表明，这类考虑越来越多地被严格的数学物理定义所取代，在物理学获得完全自治之后，对自然概念的考虑就变得不相干了，同日常语义相矛盾不再是一种忌讳，没有人因为不可见光、无意识动机等等的日常语义矛盾否证一个理论。科学概念由科学自己去定义。
牛顿到数学中去寻找自然哲学的原理，亚里士多德的物理学则自有其原理。如果竟需要寻求对这些原理的任何更为深刻的理解，那它也不会在数学中被发现，而是在形而上学即亚里士多德所称的“第一哲学”中被发现。如上一章所言，从亚里士多德主义来看，数学不可能提供原理，因为数学不包含自然意义上的理解。
亚里士多德的《物理学》不是近代物理学类型的著作，这对研究者来说原是常识。林德伯格在谈到中世纪“物理学”时警告说，不可由于古人和现代人共用“物理学”这个名称，就把两者混为一谈，以为“中世纪的物理学家在努力成为现代物理学家，只是成功的很少”。2亚里士多德《物理学》的第一位中文译者张竹明说：
这是一本哲学著作。不过《物理学》不是一门纯哲学，亚里士多德的纯哲学著作是《形而上学》。《物理学》是一门以自然界为特定对象的哲学……〔它〕是自然哲学……应译为《自然哲学》或《自然论》。3
库恩在《科学革命的结构》一书中提出了科学研究范式，无人不晓。据库恩自述，他是在读亚里士多德的《物理学》时萌发这一思想的。对《科学革命的结构》一书，批评不断，4库恩本人对其主要论题也不断做出修正。这里不多讨论，只想指出一点：从亚里士多德的《物理学》到牛顿物理学的转变和从牛顿到爱因斯坦的转变不是同类的转变，前者是一个远为根本的转变，是从自然哲学到物理学的转变，后者则是物理学这门实证科学内部的范式转变。5 从亚里士多德到牛顿是概念方式的转变，而从牛顿到爱因斯坦的转变则发生在实证科学内部，“对文化或哲学而言，牛顿引力理论和爱因斯坦引力理论之间或古典力学和量子力学之间的差异并非是本质性的。”6让我引用斯图尔特的判词来说明本书的一贯主张：在实证科学内部，“当理论替代理论，范式推翻范式的时候，有一样东西是经久长存的：数学关系。大自然的规律是数学规律。上帝是几何学家。”7
自然哲学是哲学的一个分支，像其他分支一样，其总根在于形而上学或第一哲学。形而上学原理是关于存在和存在者的一般原理，是对所有存在者都有效的。自然哲学是哲学的一部分，是我们对世界的整体理解的一部分，它独特具有的原理必须能够与形而上学原理编结在一起才有意义。如果一个学科私设了一些原理，这些原理和形而上学的一般原理无关乃至与之冲突，那么这些原理就是神秘的，甚至是明显错误的。
近代科学开端时期，常听到各个学派关于对方虚设“隐秘原理”的指责，其中最著名的是Roberval针对万有引力这种超距作用提出的指责。实证证据当然是重要的，但理论必须基于合理的思考，因而可以理解。波义耳改进了抽气泵，用实验表明存在着真空，霍布斯却指责波义耳说，他的实验依赖于精心构造的工具和皇家学会会员的见证，而不是依赖于合理的思考。“霍布斯认为，实验方式的生活形式不能产生有效的共识：它不是哲学。”8罗杰 牛顿在叙述了这一段史实后总结说，我们现在所用的科学方法，就人类意识来说并没有逻辑上的必然性。9这里所谓必然性，不是数理必然性，而是合理而自然的思考。新物理学虽然对其局部结论提供了实证的论据，但其原理却是神秘的，即是说，是无法理解的。在物理学后来的发展中，对必然性的这一形而上学理解逐渐淡出，代之以实验结果的确定性和数学推理的必然性。
在17世纪，哲学-科学家们开始广泛意识到新兴的“实验哲学”和传统自然哲学之间的区别。他们经常为这一区别的重大意义感到不安，因为，当时居领导地位的是哲学而不是科学，当时，多数思想家承认，自然哲学的原理都应当来自形而上学。科学家要为新的工作方法进行辩护，他花费大量精力来考虑其理论是否具有哲学根据，破费篇幅来论证他的工作是合乎哲学的、是哲学的一部分，或者，承认其原理是一些假设，其形而上学的意义尚不明了。有时候则须说明他所做的只是形而下的科学工作罢了，因此，其原理只是一些方便说明自然现象的假设，它们没有什么形而上学意义。这种谦辞经常有意无意为躲避宗教攻击而发，但它们不都是一些字面的说辞，它们或多或少是真诚的。从这类辩护我们一方面看到具有形而上学意义仍然是重要的要求，但另一方面，这种态度实际上也在为科学的自治开创先例。从前，一项研究的意义从根本上来说是为体系服务的，而今天，一项研究可以独立具有意义。科恩说到牛顿论光和色的论文创造了好几项第一，其中一项是，“它描述了牛顿的实验以及他由此得出的理论结果，而没有为某个宇宙论体系或神学教条进行辩护；它是纯科学，这也就是从此以后直至今天我们所理解的这个词的含义。”10 简言之，关于自然的理论，如果与形而上学原理相联系，就是自然哲学，如果没有这种联系，就是物理学。
今人的态度正好相反：现在的哲学家经常要表明自己的工作合乎科学的最新发现，或道歉说那只不过是哲学思辨罢了。我们今天把科学公理、科学理论视作天然正当的，如果某一理论引用了形而上学的理论或原理，我们会说那是神秘的。好像物理学的内容都被证明了，形而上学则祈援于神秘玄思。这种转变远不只是三十年河东三十年河西的风潮转变，而是体现着知这个概念的深层转变。自然理解本来是知的本质维度，现在，知转变为科学知识，能够获得实验数据支持取代了能够自然而然地得到理解。
实验哲学或实证科学摆脱了形而上学的体系约束，它提出的假说或定律不一定直接与整体相联系，而是依靠观测资料得到证明。但这并不是说，实证科学满足于零敲碎打。在古代，实证科学是哲学-科学理论边上的一个支流，但近代实证科学却绝不是一些支离破碎的实证工作。近代科学尽管允许独立于整体的研究，但它并不满足于对局部现象的实证研究，并不只在意确定规律。我在后面还会谈到，它更不满足于单纯的操作性说明。科学同样也寻求原理。科学定律不是一些各自无关的东西，一个定律通常通过另一个原理得到解释，互相勾连而成一个理论整体。近代科学从一开始就瞄着统一理论，取哲学整体理论而代之的另一类型的整体理论。牛顿光学也许是一项独立的研究，但他的力学和宇宙学却绝对不是，它们构成了一个严整的体系。牛顿完成了第一次“伟大的综合”。这一伟大综合的原理是数学原理。只不过，在17世纪，人们说到原理，自然而然是在说形而上学原理。数学的统一性不被视作原理，物理学基础概念的可理解性始终是原理的主要要求，因此爆发了对万有引力等等的剧烈争论。然而，科学将沿着牛顿的方向前进，建设自己的原理。它不仅回答怎样的问题，它也回答为什么，把局部定律归化到总体的、深层的理论，怀抱着建立“终极理论”之梦。
19世纪末，物理学家碰到了理论上在有限空间中电磁波会产生无限大能量的难题。普朗克的能量包假说在一定程度上解答了这个难题。尤其是根据普朗克常数所做出的计算与实验测量的结果密切吻合，使人们更加容易相信普朗克提出的假说。然而，能量包概念本身没有什么根据。后来，爱因斯坦对光电效应的研究为能量包概念提供了根据。这个故事发生在哥白尼三百多年以后，牛顿两百多年以后。情势已有巨大的差异。普朗克的能量包概念一开始没有什么根据，几乎是个操作性的概念。但这里所谓没有根据，不再是没有形而上学或自然理解的根据，而是在当时已存在的物理学理论中找不到根据。爱因斯坦为能量包概念提供的根据，也不是形而上学或自然理解的根据，而是把能量包概念整合到进一步发展的物理学整体理论之中。
上文提到，在17世纪，形而上学家常会指责实验哲学家引进隐秘原理，各派实验哲学家有时也会这样互相指责。然而，实际上人们已经无法再回归形而上学原理了，自从天地两界的区分被打破，曾被认为自明的形而上学原理，已一一瓦解。科学却在不断整合，到今天，似乎正在临近大一统的终极理论，可以对世界提供最终解释。
从这个角度看，笛卡尔具有独特的重要性，就像他在其他很多方面具有独特的重要性。笛卡尔坚持新物理学的哲学性质，坚持物理学原理的可理解性，坚持物理定律和哲学原理的连续性，这种连续性当然不是因为哲学原理事后努力和物理定律保持一致，相反，这种连续性完全依赖于这样的程序：物理定律是可以从哲学原理中推导出来的。我们今天从笛卡尔对演绎的倚重把笛卡尔叫作理性主义，以与经验主义相对待，仿佛一方注重推理而另一方注重经验或实验，这种综述在很大程度上错失了要点。笛卡尔的演绎主义是其哲学构想的必然结果，而不仅仅是某种特别的态度。从怀疑一切到我思故我在到心物两分到物理事物之定义为广延到物理学原理到各式物理定律是一个连续体，只有这样才能保证新物理学仍然是哲学的一部分，保证物理学的自然哲学身份。
然而从两个方面来说，笛卡尔都扭转了古典自然哲学。一，亚里士多德的自然哲学和形而上学并不保持严格的演绎关系，而是由此及彼可获得自然理解的融洽关系，是一种疏松得多的联系。而笛卡尔所理解的演绎是以数学为典范的。二，哲学本身被重新定义了，哲学不再依赖于自然概念，而被允许自行定义其概念，突出的一例是笛卡尔对运动的重新定义，而笛卡尔对运动的新定义是近代力学的基石。11
不过，就对哲学走向施加影响而言，牛顿的影响并不亚于笛卡尔。牛顿不是哲学家，但他从外部迫使哲学从根本上改变了性质。从牛顿开始，出现了一种可与哲学争夺终极理论书写权的思考方式。三、四个世纪之后，局势已经十分明朗：终极理论之梦是属于物理学的，哲学必须放弃这个梦想，重新变得清醒。
不消说，从自然哲学到近代实证科学的转变是逐步发生的。在伽利略、笛卡尔、伽桑迪、牛顿、莱布尼茨那一时期的著作里，我们可以清楚看到自然哲学和近代实证科学的交织和转变：当时的“科学著作包含很多我们今天所称的哲学，科学家还常常作出形形色色的纯粹哲学假设”12。牛顿以后，也仍然时不时有人提出新的自然哲学体系，但它们生在蓬勃发展的物理学之侧，似乎只是要用自己的苍白来衬托物理学的旺盛生命。慢慢的，人们认识到，哲学是另一个层面上的思考，而不是和物理学并列或竞争的理论体系。
自然与必然
今人谈到自然，经常是指自然界。今人反思自然概念，首先想到的是正常，正常则越来越多地在概率意义上得到理解。这些都是衍生的理解，我们须得回到对自然的原始理解才易于看到这些衍生理解之间的联系。
就像自然这个汉语词所体现的，自然的本义是“出自本身”。自然本来主要是表示一种存在方式。自然与人工相对，但古人并不把非人工的东西合在一起叫作“自然界”，把人工的东西合在一起叫作“人类社会”。人类社会中的事物同样有的出自自身，有的出自人为，例如在关于人性善恶的争论中，荀子认为恶是出自本性的，善是人为的。希腊文里表示“出自本身”是ta auto。physis和中国古人所说的自然也有很多相似之处，但physis较早就有了接近于今天所称的“自然界”的含义。13
出自本性的事情是自然的、正常的。自然和偶然相对。“自然是事物自身本来具有的，而不是因偶性而有的运动和静止的原理或根源。”14人活到八十岁，半夜睡着时死了，这是自然的，是自然死亡，被陨石砸死了，这是偶然的。理性当然只关注自然的东西，关注本性使然的东西；本性使然的东西才有道理，才是道理。偶然之事不需要解释也无法解释——“那只是个偶然事件”不是对那件事的解释，而是一个关于无需也无法深究理由的评断。
形而上学探索事物之所以如此的道理。合乎道理的存在是必然的存在。在这里，是与应当并没有巨大的裂隙。合乎道理的存在是如此，也应当如此。界限在于自然的存在和偶然的存在，偶然的存在是如此这般，但没有什么道理它应当如此这般而非另一个样子。
科学用定律来说明现象。定律告诉我们事物是如此这般，并且在一个转变了的意义上，必然如此这般。但在形而上学家看来，科学的“必然规律”其实是偶然的，因为事情如此这般并没有什么道理。于是我们就能够理解，为什么在黑格尔那里，理性的最高原则是自由。理性的本质在于理解，而我们真正能理解的，是自然的东西，自由的东西。最高的可理解性是自由。黑格尔指出，自然律的必然性本身应被视作偶然的东西，原则上就是与理解相隔阂的东西。15
我们当然会注意到，在汉语里，自然和自由的字面意思几乎完全一样，发自本性的活动是自然的，也是自由的，被外力胁迫，是不自由的，也是不自然的。我们把在真空中坠落的物体称作自由落体。从字面说，只在古典意义上它是自由的，即，与精神追求卓越的自然倾向相反，重物从高处落向低处是自然的――人往高处走，水往低处流，各依其本性。在亚里士多德那里，即使简单的位移也有自然（基于本性的）和偶然之分：迫使物体离开其固有位置的是强制运动，是外加的、偶然的，而返回其固有位置则是物体的本性，弹簧出于本性返回其固有位置，这是自然运动。
一颗子弹飞动着穿过空气，因为它尾部的火药爆炸了，我们不会说是“因其本性”而飞动的，因为爆炸不在子弹里，爆炸传给子弹的动量是从外面传进去的，因而子弹的飞行不是子弹的本性行为而是强迫之下的行为；但是，如果在它的飞行中，子弹穿透了一块木板，它之所以能穿过而不是停留在里头则是因为它重，……它的穿透力，就它是其重量的功能来讲，是它的“本性”的功能。16
而在牛顿力学中，物体受了外力的作用才坠落，那么自由落体就是不自由的、不自然的。实际上，在牛顿力学中，没有任何一种变动是自然的或自由的。17由于消除了本然运动与被迫运动的区别，牛顿才能够问：苹果为什么会落下来。牛顿当然比我们聪明，但在这件事上，并不是牛顿格外聪明所以问出了我们平常问不出的问题，而是牛顿在另一个方向上思考问题。
自然存在有其本性，鸟生羽，兽生毛，然而黄瓜茄子赤条条。人也是自然存在，有其天性，例如，人按照天性求理解。Telos，目的或终点，必须从这个角度去理解。自然存在朝向它的telos 发展，以达乎它的本性所要求。人造物则异于是，把树锯开、做成板材、制成书桌，这不是树自己的天性使然，书桌也没有自己的telos，它的制成和使用都是从外部来的，在这个例子里，是从人来的。亚里士多德依此对自然事物和人造事物做出区分。18
本性总是以某物为中心得到归属的，必须有一个自身，才谈得上本性、自然。上引亚里士多德“自然是事物自身本来具有的……”云云说到这一层意思。自身性或本身性是自然哲学中的核心概念。科学史家经常说到近代科学的去中心化，我们在这里看到，去中心化应视作去本性化的一个显例。在新物理学中，各种事物不再各自拥有自己的本性（自然），所有的运动和活动都由外力加以说明，于是我们不再面对各式各样的本性，而是面对一个笼而统之的“自然”或自然界，整体上与人类社会相对待。今人有时强调自然界和人类的统一性，强调人是自然的一部分，但在自然科学的强势概念框架里，这有时竟不是要重新把自身和本性赋予自然事物，而是要把人类活动也视作不具本性的活动。
今天的物理学不再用本性之类来说明弹簧回归原状的运动了。去除本性是近代科学的基本战略之一，并因这一战略获得了巨大的成功。但这并不意味我们的日常思考不再用本性和受迫这类概念来理解弹簧的变化。实际上，我们平时甚至并不把弹簧拉长、按紧、归于原状叫作“运动”，弹簧的这些变化和一个台球被击到台面这边那边是不一样的。可以说，台球停在台面这边或那边对台球是无所谓的，但弹簧被扭曲对弹簧却不是无所谓的。
更不用说涉及人类行为的思考了。无论人的行为获得了哪些实证说明，受迫抑或出于本性仍然是且仍将是我们理解人类行为的主导范畴之一，其他方式的说明只可能起到很有限的辅助作用。
自然哲学本来探索事物怎样依其本性活动，自然科学则专门研究没有本性的事物，这些事物的总和被称作“自然”。自然科学专题研究没有本性的、“不自然”的对象，近代科学搜集到我们很难自然而然看到和经验到的现象，通过各种实验装置迫使事物进入不自然的状态，深入到人们难以自然地理解的领域。在上述种种意义上，自然科学中的“自然”都和我们平常所理解的自然相反。19我们今天说到“自然科学”，通常并不产生误解，因为我们已经习惯于自然的两个意义，几乎截然相反的两个意义。不过，与之相关的误解还是时有可能，例如所谓“认识论的自然化”，指的是用自然科学的方法来处理认识论问题，如此营造的认识论颇不自然。
在自然哲学中，自然运动是发自本性的，偶然的运动则是被外力迫使的。近代力学消除了各种事物的本性，一切运动和活动都是由外力造成的。如果说，在自然哲学中源于本性的活动是必然的，那么现在反过来了，被迫的运动和活动反倒被视作是必然的。
不过，古典意义上的必然/偶然这组对偶在近代力学里消失以后，“必然”已经没有它的对偶了。一切运动都是必然的。除非在如下意义上：一切都是必然的，偶然只是假象。但这不过是说，偶然只是出于认识的无能，真实世界中是没有偶然的。
我们看到，绝对必然性学说和去本性化有紧密的逻辑联系。文化考察也许会表明，这一过程从一神教已经开始，在这样的宗教里，唯有上帝有本性，其他万物都是被决定的。在基督教神学中，上帝之为惟一的具有本性的存在使得人的自由意志和道德责任成为最棘手的难题，这和现在科学主义面临的情形可说一模一样，差别也许只在于基督教神学实不甘放弃自由意志和道德责任，而科学主义者似乎做出了放弃的准备。
实证与操作
我们把近代科学称作实证科学。不过，实证态度在古代已经出现了。希腊化时期是实证研究的第一个繁荣时期。阿基米德力学、希帕恰斯和托勒密的天文学都属于实证研究，可以视作近代科学的先声。
古代天文学常常被视作实证研究的典型。迪昂说希腊人就明确区分“什么是自然哲学家〔physisist〕或今人所说的形而上学家的任务，什么是天文学家的任务。自然哲学家的任务是依据宇宙论所提供的理由来决定星球的实在运动是什么。另一方面，天文学家绝不可涉及他们描述的运动是实在的还是虚构的，他们惟一的目标是精密地描述天体的相对运动。”20自然哲学论证给出自然之所以如此的理由，而天文学旨在表明某种类型的原理〔包括假说〕和现象一致。我们不知道为什么宇宙会有本轮和均轮的设置，不知道地心体系中七大行星周转的中心为什么不是地球，而是地球之外的某一个虚空点。传下来的一段Posidonius的著名言论结尾说：“事关原理，天文学家就不得不求助于自然哲学家。”21
在这段阐述之后，迪昂引用了圣托玛斯的相似论述。圣托玛斯说，物理学家和天文学家可能得出相同的结论，他们的区别在于他们的证明方法。要证明地体是圆的，物理学家即今天所称的自然哲学家使用的证明是地球的诸部分在每个方向上同等地倾向于地心。天文学家使用的证明则是月食时月亮的形状，或世界上不同的地方看到的恒星不同。
迪昂倾向于从操作主义来理解物理学。他认为物理学并不对付现象背后的世界，物理学不意在把握实在，而是意在用少数假设代替大量定律。
当我们谈到光振动时，我们想到的不再是实在物体的实在往复运动；我们想象的仅仅是抽象的量，即纯粹的、几何学的表达。……对我们的心智来说，这种振动是表征，而不是说明。22
与此相似，生物学家把鱼鳔视作与脊椎动物的肺同类，这种同源性也是“纯粹理想性的联系”。23
托勒密似乎把他的宇宙体系视作一个操作性的理论，据迪昂分析，在托勒密体系里，偏心圆、本轮等常被当作纯粹的数学工具而非物理实在。至少他本人没有声称均轮本轮等各种圆是实在的。西方天文学传到中国，多数中国学者似乎把它视作操作性理论。钱大昕把开普勒学说称作“假象”。阮元说：“自欧逻向化远来，译其步天之术，于是有本轮、均轮、次轮之算。此盖假设形象，以明均数之加减而已，而无识之徒，以其能言盈缩、迟疾、顺留伏逆之所以然，遂误认苍苍者天，果有如是诸轮者，斯真大惑矣。”他接着说到西人的“椭圆面积之术”，“以为地球动而太阳静……夫第假象以明算理，则谓为椭圆面积可，谓为地球动而太阳静，亦何所不可？然其为说至于上下易位，动静倒置，则离经畔道，不可为训。”24
为了躲避宗教迫害，科学革命早期的科学家往往把自己的学说称作操作性的假说，以区别于探讨实在世界的哲学或曰形而上学。在有些情况下，科学史家无法最终判定哪些是作者的真实看法哪些只是表述策略。主持出版哥白尼《天球运行论》的奥西安德在为这本书匿名写下的序言里声称这是个假说，它只是一个数学家为了工作方便的操作假设，而不是对宇宙的真实描述，因此它并不是对基督教世界观的冒犯。伽利略也接受天文学和自然哲学的区别，前者的惟一约束是和实验一致，而后者是要把握实在。不过，伽利略的这一说法也许只是为其日心说的真实信仰作掩护。伽利略为《关于两大世界体系的对话》补写的序言把日心说称作“一种纯粹数学的假说”，25则明显是策略性的。
操作态度不问真和不真，甚至明确承认它所设定的东西不真。我们两个去爬山，你决定走左边的路，我决定走右边的路，我们约定，那好，我们在山上会，这山长得像一只老虎，我们就在老虎脖子那里见。我一点都没意思说这座山是一只老虎，我们把它比作一只老虎，以便我们可以来确定我们在哪里见。我们按照我们约定的这个东西去行动、去操作，就能达到一个预期的效果，但它并不是真实的。
这种态度冠以主义，就是操作主义。26在不问形而上学原理这一点上，操作主义和实证主义是一样的。实证主义和操作主义看来的确没有什么区别。实证主义这个概念的创造者孔德说：“实证哲学的基本性质，就是把一切现象看成服从一些不变的自然规律；精确地发现这些规律，并把它们的数目压缩到最低限度，乃是我们一切努力的目标，因为我们认为，探索那些所谓的始因或目的因，对于我们来说，乃是绝对办不到的，也是毫无意义的。”27柯瓦雷在对牛顿的重力、引力等概念进行了细致的讨论之后，结论说：“牛顿的立场似乎是相当清楚的：他所讨论的那些力是‘数学的力’，……我们的目标不是去思索它们真正的本性〔或者产生它们的原因〕，而是去研究它们的作用方式是什么。或者，用稍微时髦的话来说，是去寻找how而非why，是去建立定律而非寻找原因。”28实证主义不问形而上学原理，只求定律，只求定律得到证明。
不过，尽管操作主义和实证主义看起来很像，但涉及实在性或曰真实性这一至关重要之点，实证主义和操作主义有根本的区别：操作主义不在乎其结论真或不真，实证主义却是在乎的。实证主义要求实在，只不过它所要求的实在和旧日形而上学所要求的实在不同罢了。对自然哲学来说，不知其终极意义上的所以然就不能保证理论的真理性或实在性，而终极意义上的所以然是由形而上学保证的。的确，实证主义不问形而上学意义上的终极原理或原因，但这只说明它抛弃了只有形而上学才为真实提供保证的信条，而不是抛弃了对真实的追求。实证主义恰恰要改变形而上学对真实的界定。实证主义并非不问why只问how，它也并非不问终极意义上的为什么，它只是不问目的论意义上的为什么，而只问机制意义上的为什么。它追问机制，一直追问到终极机制。我们最多是在这个意义上说实证主义不问“终极意义”上的为什么：在实证主义那里，终极是没有意义的。实证主义坚持其探究对象的实在性，只不过，现在它在相当程度上转变了实在的观念。
操作理论不在乎它是否真实地涉及对象，只问其定律是否有效。不真而有效，所以其有效只能限定在明确划出的现象范围之内。而实证理论并不是这样的。实证主义也注重有效性，但它同时认为它自己是因真实而有效的，因此，其有效范围并不限于某一特定的现象范围，实际上，超出它所从出的资料去预测某些新颖的现象，是实证理论的一个主要成功标志。
操作主义不声称真实，因此，它并不构成对自然哲学的威胁。操作主义可以在自然哲学旁边生长，实证主义则不同，正因为实证主义所追求的也是实在，它和自然哲学不相容，它必定要求自己取自然哲学而代之。
固然，有一些实证主义者――他们多半是哲学家，但也包括发表哲学议论的科学家――明确主张操作主义的科学观。但我们很难设想哪个科学家在实际工作中会长时期满足于操作论的世界图景。迪昂强调中世纪天文学的操作主义倾向，强调天文学和宇宙论的区别，林德伯格不能同意，认为迪昂“严重夸大了古代天文学思想中的工具论倾向”。29对大多数天文学家来说，两球理论不仅提供了一个对现象的方便的概括，而且它代表了实在，对现象提供了深层解释，使我们理解了为什么这些现象是其所是。正如柯瓦雷指出的，在科学工作中，操作态度只是暂时的，“科学思想总是试图透过定律到达其背后去找出现象的产生机制”。30开普勒并不像阮元所理解的那样停留在操作性上，他关心的是提供实在世界的图景，他不仅在观念上由于其柏拉图主义而坚持其学说的真理性，并且在实证的意义上获致成功。实际上，他是捍卫哥白尼学说的真实性的第一个也是最重要的一个人物。
在这个意义上，托勒密到中世纪到开普勒都更多是实证主义的，而不是操作主义的，只不过古代的实证工作位于自然哲学之侧，不成主流，因此显得像是纯操作的。无论如何，近代科学总体上不是操作理论。很少有哪位科学家持纯粹的操作主义立场，在实际工作中不关心他是否涉及世界的真实。31我马上要谈到，广泛地采用假说和模型，丝毫不意味着近代科学不再关心实在性。
其实，尽管迪昂倾向于从操作主义来理解物理学，他还是承认，在大量探索后，在各种现象都落入了理论秩序以后，“我们无法不相信，这种秩序和这种组织不是实在的秩序和组织映射出来的图象”。物理学家既无能为这种实在论的信念提供理据，但也无力摆脱实在论信念。他引用帕斯卡的话来总结自己的看法：“我们无能为此提供证明，任何教条主义都无法克服这种无能；另一方面，我们拥有一种真理观念，任何皮浪怀疑论也同样无法克服它。”32
预测与假说
人们常常会从两个方面来考虑理论的意义，一是解释已知的事件，二是预测未来的事件。与此相应，我们检验一个理论是否正确，是否有效，就要看它是否符合我们既有的经验，或/和它是否能做出准确预测。
这个标准对科学理论似乎是合适的。科学理论既能提供解释又能提供预测。1871年，门捷列夫提出元素周期表，这个周期表为已知的62种元素提供了说明，同时预言了三种新元素，镓、钪、锗，15年内，人们相继发现了这三种元素。爱因斯坦的广义相对论对物体运动提出与牛顿体系至少同样有效的解释，同时又预言了牛顿体系做不出的预言，例如，光线在通过大质量物体的时候会发生弯曲，1919年，爱丁顿在日全蚀时通过观察证实了这一预言。33彭齐亚斯和威尔逊〔Arno Penzias and Robert Wilson〕1965年发现宇宙背景辐射，后来更敏感的仪器测量到宇宙微波辐射的温度为2.7K，正符合大爆炸理论的预言。这对大爆炸理论提供了强有力的支持。总的说来，科学理论越来越倾向于以假说形式提出，从这一假说可以推导出某种预测，而理论是否正确，相应地越来越依重于预测是否得到证实。
在关于科学实在论的争论中，科学预测能够得到证实这一点也成为科学实在论者最重要的论据。
预测得到证实还为科学理论带来极大的公信力。广义相对论预言得到证实曾在世界范围内引起巨大轰动，把不为公众所知的爱因斯坦形象送上了各大报纸的头版。虽然爱因斯坦本人相信广义相对论是概念演绎的必然结论，几乎不在意它是否得到观测或实验的验证。
预测能力为什么对理论具有这么重要的意义？情况似乎是这样：对于已经发生的事情我们可以提供多种多样的解释，往往找不到什么确定的标准来判断哪种解释为真，或较优。我们看到日月周章，你可以用托勒密体系也可以用哥白尼体系也可以用盖天说来解释，甚至可以用阿波罗驾着马车载着太阳在天上周游来解释。但是引进预测就不同了。设想同一些资料得到两种不同的解释，不分轩轾；既然它们是不同的解释，就总会有点儿不同，如果它们对解释既有资料同样有效，那么我们就
