科学表征中的隐喻建模，本文主要内容关键词为：表征论文,建模论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[中图分类号]B15 20世纪60年代以来隐喻在科学建模中的作用越来越受到科学家们的广泛关注，有些科学哲学家开始转向对自然科学领域中的隐喻表征进行反思，并试图对基于隐喻推理而建构的模型系统进行研究。因为隐喻方法在科学表征的理论化实践和建模实践中发挥着重要作用，而科学模型作为一种扩展的隐喻，“具有指导所研究系统的思维的潜能，为科学研究指明了新的方向”。(Brown，p.26)换言之，将隐喻及其模型应用于科学表征的实践中具有明显的认知优势，以科学隐喻为基础建构的科学模型能够更好地表征物质世界的结构，为科学家提出的关于世界的假设提供了最佳说明。此外，在隐喻推理的基础上进行科学建模的表征实践必然牵涉到语境要素。而语境作为一种具有本体论性的实在，贯穿于科学表征的整个实践过程中，对科学表征具有至关重要的作用。因此，基于语境实在的立场研究隐喻建模在科学表征中的本质特征和推理作用，是科学表征发展的一种必然要求，也是当代科学哲学研究的一种独特视角。 一、科学中的隐喻建模机制 科学隐喻作为科学表征的一种范式，“在建立科学语言与世界的联系中发挥着基础性的作用”。(Kuhn，p.53)而基于隐喻建构的科学模型，能够对特定表征语境中现有理论体系的概念要素进行重新整合，同时，在此过程中伴随着语境的转换，正是语境间的不断互动转换促进了科学模型的不断重构，从而推动了科学理论的发展。事实上，自然科学的发展史表明，科学家常常通过对两个不同语境中的对象、现象、事件或目标系统进行类比，建立基于相似性基础的理论表征系统，而“科学隐喻被认为是引发类比或建构相似性的媒介”。(Jones，p.114)科学隐喻的直觉性为科学类比的逻辑性和科学模型的整体系统性预设了表征语境，科学模型正是根据基于隐喻语境所建立的具有意向性和逻辑性的科学类比而建构起来的，我们可以称这种表征为“隐喻建模”。例如，著名的“黑箱理论”把人的大脑类比为一个不透明的“黑箱”。我们可以通过对隐喻建模机制的考察，说明它们存在于时空中的因果关系。 首先，对隐喻建模的哲学分析可以参照罗纳德·基尔(Ronald Giere)对科学的分析，其主要观点可以通过图1来说明。(cf.Giere，p.83)基尔将这种分析归纳为是对所有理论科学的分析，即科学家应用语句、数学或其他表征手段来说明一个模型系统，然后对模型系统进行分析、描述和论证；同时，一旦我们理解了模型系统，我们也就可以将它比作真实世界的目标系统。本质上，这种对比是建立在两者的相似性关系基础上的，尽管这种诉诸于相似性的表征手段颇受争议，然而这幅图却为我们提供了关于理论科学的基本描述，它是一种以自然事件的间接表征为特征的表征形式。
图1 基尔的科学分析模型 其次，隐喻建模本质上是对模型与目标对象之间的相似性的类比，从这点来看，科学的隐喻建模大致体现在以下三方面：(1)两个物理系统之间的类比。通过寻求它们自身物理属性之间的共通性，我们可以应用一种真实的物理模型来理解另外一个真实的系统。例如，流体动力学中的“风洞实验”就是根据运动的相似性原理，通过研究模型与空气运动之间的相互作用，从而获得模型所模拟的实体的空气动力学特征；(2)理论系统与物理系统的类比。典型的方式是通过“思想实验”的逻辑推理和数学演算过程，对现实中无法直接把握的物理现象进行理论化表征。例如，科学家们根据弦理论的“波动模型”进行一系列的逻辑推演和系统类比，从而建立了循环宇宙模型；(3)两个理论系统之间的类比。隐喻建模所表征的对象有时可能仅仅是一种理论实体，它是一种建立在合理想象和推理基础上的理想化模型。例如，电学谐振子模型与力学中谐振子的简谐运动模型这两个理想化模型的相似性基础是：假设振动物体是体积为零的微粒(质点或点电荷)。 再次，既然隐喻建模是由目标对象所展现的属性之间的相互映射所引导的，多数情况下，我们可以经由抽象和同构将抽象程序映射到数学程序上，这就涉及到数学描述的理想化表征问题。实际上，理想化在隐喻建模中的作用可以用一种“轴辐射”(hub-and-spoke)类比来说明：隐喻建模的表征对象作为一个“中心”(hub)，其外围辐射了真实世界的所有实例。例如，量子力学的微扰理论，在这个理想模型中，经由作为“中心”的费米气体模型的准确知识，加上一系列更为经验化的概念和方法，我们可以实现对现实中复杂系统的近似化表征。当知识高度发展以后，这种理论组织中的理想化模型并不会消逝，它们作为普遍化的一种结果保留着一种解释性作用。(cf.Weisberg，pp.1071-1081) 总之，基于隐喻的模型系统与其目标对象之间存在着类比关系，如果隐喻模型所表征的理论实体是真实的，那么模型本身也是对具体的物理实在的配位，具有内在的因果关系。同时，对这种因果关系的描述是建立在对现象的理想化表征基础上的。因此，将模型系统作为理论建构的具体实在，是基于隐喻的科学建模的一个显著特征。 二、隐喻建模的语境相关特征 隐喻建模必然牵涉语境因素，在本质上是与语境相关的。因此，隐喻建模过程的实质是：对该隐喻推理所涉及的各种相关语境要素之间的关系进行整合，然后在此基础上通过模型建构将这种整合关系呈现出来。在此过程中，语境本身由于其语境要素与表征对象的关联度不同而体现为不同的层级，同时，语境要素之间的互动是连续且不断变化的。因此，基于隐喻推理而建构的模型系统具有动态层级性。另外，对虚拟世界进行的理论建构，其实质也是一种基于隐喻理解的模型表征，促进了科学表征从已知领域向尚未可知的领域的不断探索。 第一，隐喻建模的语境关联性。事实上，隐喻建模在发挥其科学解释和科学说明的表征功能的过程中，都预设了其表征语境。例如，风洞实验的表征语境是流体动力学系统，其目的是为了研究物体的空气动力学特性；而风洞实验在昆虫化学生态学的语境下时，其目的是为了观察活体虫子对气味物质的行为反应。一方面，隐喻建模基于一种发现的语境，内在地具有发散性和创造性。尤其是在探索未知世界的过程中，当原有语境的规则束缚了科学表征时，科学隐喻的任务就是突破现有理论的束缚，从而创造性地建构新的科学模型。例如，原子结构模型的发展历程：道尔顿模型——汤姆逊的葡萄干布丁模型——卢瑟福的行星模型——玻尔模型——现代模型(薛定谔的电子云模型)；另一方面，隐喻建模基于一种证明的语境，因而具有解释性和辩护性。例如，“薛定谔猫”是为了探讨EPR悖论所体现的量子纠缠的怪异性质而提出的，它通过假设实验说明了宏观世界并不遵从适用于微观世界的量子叠加原理。 事实上，在现实的科学表征中，科学家在通过隐喻建模对某个科学问题进行正式分析之前，就对语境元素之间的关联关系产生某种直觉(尽管并不一定精确)。这种直觉作为表征元素与整个语境之间的关联性的初步估计，促进了隐喻建模的表征过程，同时，元素之间的关联度越高，这种关联关系对表征过程的影响程度就越深。可以说，隐喻建模就是在语境元素的关联互动中，通过隐喻把科学理论建构成为具有经验应用的抽象模型，从而实现对现实世界的表征。例如，洛伦兹以“蝴蝶效应”来说明，初始条件的极微小变化都可能导致气象预报结果的巨大差别。因此，如果我们将语境看作是一个域，或者借用人工智能中“盒子隐喻”(box metaphor)的观点：“每个盒子都具有其自身的规则，并且在‘内部域’与‘外部域’之间具有一定的界限”。(Giunchiglia & Bouquet，p.139)那么，隐喻建模过程中的推理过程就表现为这些语境盒之间和语境盒内部的互动作用，当然，这种互动作用需要遵循一定的规则，从而使得隐喻建模从一个语境盒转换到另一个语境盒成为可能。 第二，隐喻建模的动态层级性。事实上，隐喻理解过程涉及到发现共性与映射推理两个过程，因此，隐喻建模过程就可以表述为：通过“扫描”相关语境中的元素来寻求基底和目标之间的共性，然后将这些共性定向映射到目标对象之上，并进一步基于这种相似性建立模型表征。事实上，这是一种将“结构映射机制”(cf.Forbus，etc.，pp.141-205)应用于隐喻理解的方法。它采用了一个三阶的“局部到整体”的层叠性推理过程：第一个阶段是一个平行的局部匹配阶段，所有相同的谓词及其对应参数的对组都被放置在其相应的位置上；在第二个阶段是一个结构一致性的探索阶段，局部的匹配被合并为小的、结构上一致的映射群集(所谓的“核心程序”)；在第三个阶段中，核心程序被合并为大的整体解释，这个合并过程所使用的演算法则以极大核开始，添加了在结构上与第一个极大核相一致的第二大核，并继续进行演算，直到在不影响结构一致性的前提下，没有更多的内核可以添加。可见，这个过程体现了隐喻理解的层级性，基于这种理解过程建立的表征模型也应该体现这种层级性。例如，“木星大红斑是一个巨大的气旋”，科学家在肥皂泡上复制了这种现象。初始的对称校准过程产生了“动力学对流模式”这个共同系统。于是，定向性推理过程就进一步将关于基础概念“肥皂泡气旋”的知识映射到目标概念“木星大红斑”之上，从而得出观点：“木星大红斑也是一个肥皂泡气旋”。这意味着，我们或许可以通过研究肥皂泡表面的旋涡来预测木星上气旋生成的规律。 实际上，隐喻建模的结构映射过程中所体现的动态性，主要是由于语境要素的互动作用形成的。我们可以将这些相关联的语境要素分为：(1)来源于旧的表征的“记忆语境”，从先前语境中所获得的元素对当前语境中的认知系统的行为的影响随着时间的推移而逐渐减少，换言之，记忆语境对隐喻建模的影响有一个逐渐“衰退”的过程；(2)来源于对环境的直觉感知的“感知语境”，当主体感知到表征对象的环境变化时，直觉表征的图景就会随之作出调整；(3)来源于推理机制本身的“推理语境”，推理语境的变化会产生新的目标主体，并将它们与初始的目标主体联系起来，从而影响隐喻的映射推理过程。总之，基于隐喻建模的科学表征过程是通过以上三个语境过程的互动而实现的，正是由于这些语境因素的变化而导致了隐喻建模的动态性。 第三，隐喻建模的理论建构性。科学家们必然时常超越现存理论的范围来建立模型系统，以便对目标系统进行理想化表征或探索性表征。事实上，由此产生的许多模型是不精确或不现实的，例如黑洞模型。尽管如此，我们仍然认为这些模型具有重要的表征意义，因为“我们并不要求一个表征理论能够指出或解释精确表征与非精确表征之间或可靠表征与不可靠表征之间的差异性，而只要求指出或解释表征与非表征之间的差异性”。(Suárez，2003，p.226) 由于认知能力的有限性和物质世界的复杂性之间的矛盾，科学家常常需要通过基于隐喻思维的理想化建模来弱化这个矛盾，因此，隐喻建模是一种理想化的理论建构过程。例如，科学家应用胡克定律来说明弹簧振子的运动方程，其中的弹簧振子被建模为一个简谐振子，而这个方程并非是对弹簧运动的直接描述。另外，科学中还存在着许多模型并不表征具体的实际对象或事件，例如，电影《星际穿越》在物理学家基普·索恩的指导下模拟了黑洞模型，探讨被物理学家称为“宇宙的翘曲一侧”的问题，如弯曲的时空、现实世界的缺口、还有引力如何弯曲光线等。但是，关键问题在于：这些无实际表征对象的模型在何种意义上是表征的呢？实际上，“在理论建构的对象表征与真实的对象表征之间并不存在不同之处，除了目标的存在或其他方面”，一个表征源A表征某个对象B，“当且仅当(1)A具有指向B的表征力且(2)A允许有能力的主体得出关于B的具体推理”。(Suárez，2004，p.773) 隐喻建模常常预先提供某种可能的物理机制，模型被用于发展一个“基本”理论的过程中，即所谓的“发展模型”，这意味着迈向一个“就绪的”理论的动态发展过程。例如，高能物理学中量子色动力学的模型发展。物理学家是通过从强子园(Hadron Zoo)连续的发展模型层级来重构量子色动力学(QCD)理论的。事实上，在强相互作用的物理学的初始阶段，实验物理学家们收集了大量从低能核反应中产生的“基本粒子”；在随后研究衰退粒子的过程中，引入新的内在概念：自旋、同位旋和奇异性，并且应用了量子场理论；自从20世纪50年代早期以来，量子电动力学就是量子场理论的范式；在建立了量子电动力学之后，物理学家们立即扩展了这种形式体系并开始将其他场域量子化。在这些理论的指导下，首先发展了电弱相互作用的理论，很多年后又发展了量子色动力学理论，而这是迄今为止强相互作用的物理学发展的一个终点，各种正在进展中的研究都将量子色动力学包含在了一个更为综合的理论框架中。 总之，隐喻建模是科学理论建构的一个重要方面，它常常被用于结构化数据、应用理论或建构新理论的过程中，从而有助于促进科学研究从已知领域向尚未可知领域的不断发展。 三、基于语境实在的隐喻建模 正是对隐喻建模的语境相关特征的考察，奠定了隐喻建模的语境论基础。由于语境是一种具有本体论性的实在，不同的语境就意味着不同的本体论立场。(参见郭贵春，1997年，第48页)因此，基于语境实在的视角考察隐喻建模这种科学表征的独特方式，必然要从隐喻建模所内涵的三个基本问题为切入点，即：(1)建模主体的认知问题；(2)模型与目标系统之间的表征关系；(3)建模对象的实在性问题。结合语境方法对科学表征中的隐喻建模实例进行分析考察，从而说明隐喻建模的主体意向性、表征精确性和对象实在性。 1.隐喻建模主体的意向性在隐喻建模的过程中，对同一科学问题的不同隐喻视角可能生成不同的模型，这种差异根源于建模主体的意向性的不同，本质上体现了主体对同一对象的多维度的语境关照。实际上，影响隐喻建模的语境效应是由语境依赖和语境敏感两个关键因素构成的，它们通过主体的意向性来影响隐喻建模的认知过程。 一方面，科学表征是问题导向的，基于隐喻建模的科学表征必定依赖于具体的问题语境，而这种语境依赖性就体现在隐喻理解和建模结构在特定的语境边界上的有机统一中。于是，隐喻建模首先是一个不断进化发展的意向性的认知过程，体现了一定的自主性和动态性。同时，隐喻理解的结构映射与模型建构的表征过程是统一的，而其统一的基础恰恰是依赖于语境的，因为“一个表征的语言学结构的表达，就是把语形与它的语词的初始意义的语义解释结合起来并且具体化”(Fodor & Leporc，p.90)。例如，宇宙暴涨模型的理论预设是引力波的存在，其语境边界就限定在天体物理学之中。正是在这个特定的语境条件下，爱因斯坦预言了这种以光速传播的时空“涟漪”，而美国科学家于2014年3月18日宣布探测到了原初引力波，这个发现就为宇宙暴涨理论的建模语境提供了有力的证据，从而为科学家在该语境边界内建构关于“平行宇宙”的理论模型提供了可能。 另一方面，科学家作为隐喻建模的主体，由于受到其自身认知过程中所形成的不同记忆语境、感知语境和推理语境的影响，他们对同一个目标对象就可能形成不同的理论预设和意向选择，由此也就形成了不同的语境建模系统。事实上，科学共同体是依据相关语境要素的语境敏感性程度来确定因果要素或推理要素的表征力的，也就是说，因果要素或推理要素的重要性依赖于语境中的主体意向性选择。换言之，隐喻建模的推理结构不仅受到已有的实验数据和公理系统的影响，而且还受到科学共同体的经验知识和信念倾向的影响。同时，由于科学共同体在进行科学表征的过程中，不断扩展了原初问题语境的范围，并将不断扩展的问题语境融合在自身的意向性建模结构中，因此，隐喻建模的各个步骤都是随着语境的不断扩展和整合而获得持续更新的，这也意味着一个动态发展的认知过程。 总之，特定的科学表征语境下的隐喻建模，本质上是一个具有自主性的语境实现过程，它具有很强的语境依赖性和语境敏感性，不仅体现了建模主体的价值趋向，又体现了建模语境的边界范围。同时，隐喻建模中的隐喻理解和建模过程统一于该语境的目标系统中，在一定意义上体现了建模语境的内在一致性，也体现了“科学语境的相对确定性与普遍连续性的统一”(郭贵春，2009年，第98页)。 2.隐喻建模表征的精确性传统科学哲学关于科学表征的核心观点是，科学表征必须建立在“符合现实”的基础上，以确保所表征内容的客观性和真实性。于是，传统的隐喻建模是一种基于相似关系的结构映射的认知过程，其表征精确性是根据模型与世界之间的某种相似性而判定的，而模型的“主观性和客观性均为基于感知图式的隐喻”(Mulaik，p.283)。然而，随着计算机科学技术的发展，科学家逐渐开始利用计算机模拟的方法来对难以直接把握的领域或未知世界中的目标对象进行建模分析，从而为目标对象提供一个更精确的最佳解释，这也体现了基于隐喻建模的科学表征的基本要旨。 然而，隐喻建模的表征实践所涉及的关系上的精确性是相对的、有条件的。隐喻模型仅仅是在某些方面最大化地相似于表征对象的某个方面，与其目标对象之间的精确表征并不完整对应。例如，如果弹簧模型预设了振子随着时间段
而振动，当且仅当振子实际上确实随着时间段(
)而振动时，这个模型在其预设下就是精确的。因此，模型的精确性取决于我们所设想的关于其表征系统的命题的真值(或近似真值)，而真值的确定是有条件限制的，这个观点既适用于物理模型，也适用于理论模型。 另外，隐喻建模其实是一种理想化的表征关系，因为隐喻模型与系统之间并不存在严格的演绎关系，而是一种近似符合的关系。尤其是对于没有实际对象的隐喻建模而言，模型与目标系统之间的理想化表征关系就更为显著。不过，尽管这种表征关系不具有对称性，但二者由于具有共同的语境基础，因此，理想化的隐喻建模能够通过这种间接表征关系而使我们获得关于目标系统的相关知识。换言之，理想化建模意味着一种理论预测，例如，基尔就将理论模型看作是一种抽象对象(或理论实体)，它们是由科学家们为系统建模时写下的预设描述和运动方程所确定的。 总之，依赖于语境关联关系的隐喻建模的表征精确性是相对的、局部的，这在一定程度上体现了科学建模所共有的不完备性特征，这既是由于目标系统本身的复杂性，又是由于目标对象与语境互动的动态性，因此，隐喻建模实际上是一种理想化的表征形式。 3.隐喻建模对象的实在性迄今为止的科学实践已向我们证明，隐喻建模与其所表征对象之间具有同构关系或相似关系，至少部分上是同构的，同时，这种同构关系或相似关系及其语境条件都是结构性的实在，那么，其所表征的对象也具有实在性。 首先，尽管对同一对象的科学表征可能形成不同的隐喻模型，却不影响两个不同表征模型指向同一客观实在，只不过两个模型对同一实在对象的考察视角有所不同。确切而言，两个不同模型的语境不同决定了同一实在对象具有不同的表征模型。最典型的例证就是量子物理学中的波粒二象性，由于实验测定的方法不同，光的运动在不同的测量语境下既表现出粒子性，又表现出波动性。尽管“对于人类而言，微观粒子只是一种‘抽象’实在”(成素梅，第4页)，但这并不意味着否定其本体性，只是因为人类在现有条件下无法直接观察这种实在性，而只能在数学方法和物理理论的语境下对微观世界的实在进行间接把握。 其次，相同的模型基础在不同表征语境应用中具有完全不同的表征内容，例如，二阶常系统微分方程应用在弹簧的阻尼振动模型和电路的电磁震荡模型之建构中时，二者因表征语境不同而表现出完全不同的内容：前者表征的是弹簧振子在阻尼力的作用下作伸长与压缩的往复机械运动，其表征的语境基础是经典机械力学；后者表征的则是一个电路中的电场和磁场在电阻妨碍下的周期性变化，其表征的语境基础是电磁学。可见，相同的隐喻模型在不同语境中基于不同物理机制所表征的对象或过程具有的实在性并不互相排斥。 再次，科学表征实践中还有许多模型未必与现实对象同构或相似，甚至有些科学模型在现实世界中并不存在其对应物，但是，这些模型由于具有各种应用上的优势而表现出一定的科学性和实在性。一方面，有些隐喻建模是在忽略了某些复杂的现实语境条件而在某个理想化的前提下建构起来的，由于其直观性和易把握性而被认可和应用，例如，量子物理学中的“口袋模型”，正是由于在量子色动力学语境下的推导计算太复杂，物理学家才建构起一个易于理解强子“夸克禁闭”特点的简单模型；另一方面，有些模型则直接引入了在现实世界中并不存在的实体，例如，纳米力学中的硅断裂模型，建模者引入了“硅氢”原子，将量子力学、经典的分子动力学和连续介质力学这三个不兼容的理论糅合在同一语境中，以便精确描述断裂带在固态硅中的传播扩散过程。尽管现实中并不存在“硅氢子”，然而其模型所表征的过程却具有实在性。 总之，从科学语境的视角考察隐喻建模，将语境实在与隐喻建模统一在科学表征的方法论实践中，为我们反思当代科学哲学中有关科学表征的一系列问题提供了新的思路，从而也丰富了科学实在论的辩护语境。 基于隐喻推理而建构的科学模型在科学表征实践中具有无可替代的显著优势，立足于语境实在的视角考察科学表征中隐喻建模的本质特征，推动了科学实在论的发展，促进了实在论与反实在论之争呈现出一种新的生命。其一，隐喻建模充分地体现了人类思维的发散性和创造力，是对传统科学表征方式的丰富与完善。同时，将隐喻推理和模型建构这两种表征方式有机结合起来，统一于语境实在论的理论框架中进行考察，具有重要的方法论意义；其二，科学表征“应该消解传统实在论中基本概念的静态指称”(郭贵春，2001年，第8页)，而致力于一种动态的整体性形式。基于语境实在的隐喻建模为科学表征的动态模式提供了可能性，它将整个世界视作一个流动的连续统，其表征模式由于语境的灵活性而呈现动态性和开放性；其三，隐喻建模这种科学表征方法在自然科学研究中具有多种形式，从而为我们提供了一种无数方式相竞争的表征图景，有助于实现科学客观性的目标，并真正地促进了科学知识的增长。因此，隐喻建模是更加完善的科学表征方法，为科学表征的发展提供了一种新的思路，也为科学实在论的辩护提供了新的内容。 总之，基于语境实在论为自然科学建构隐喻模型的表征系统，将作为科学表征领域内的一场方法论变革，推动了科学哲学朝着更加立体的和综合的方向发展，并逐渐成为当代科学哲学研究的一种新范式。同时，随着隐喻建模的研究逐渐展开、成熟，科学表征的理论基础都将获得进一步的深化和拓展，从而也将促进隐喻建模、语境分析和科学实在论在科学哲学研究中获得更加完善的综合。
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