科學認知需要適應性表徵—新聞—科學網

 

■魏屹東

如果認知的核心是解決問題（目標），那麼認知系統就是目標取向的，目標就是認知投射的靶子。形象點說，認知作為探討過程，就像射擊訓練過程一樣，是瞄準靶向的，射擊者使用的工具（槍、弓等），如同研究者使用的儀器和表述語言。這個目標取向的認知，可稱之為「射擊隱喻」，旨在強調認知行為不僅是目標取向的，也包含了達到目標的方式。兩種類型的不同在於，認知過程創造概念範疇，而且所創造的範疇依賴於背景理論，如已有的各種成熟理論。

縱觀科學史不難發現，成熟的科學理論，如牛頓力學、進化論、相對論、量子力學等，無一不是對目標系統即世界某方面的適應性表徵的結果。所謂適應性表徵，就是主體人使用中介客體如概念、命題、模型、數學方程等人造工具對目標系統的似真的、可靠的、一致的描述或刻畫，並隨著目標系統的變化而實時地做出調整，即對表徵做出修正。科學表徵的最終結果是形成知識體系，即科學理論。因此，適應性表徵是科學認知的核心問題，是關乎科學發現和科學創造的大事。

適應性表徵的優先性

在科學認知實踐中，對於一個特定目標系統，客體或現象，表徵它的方式不止一種，諸如圖像、模型、數學方程、邏輯刻畫、語言描述等。那麼，這其中有沒有最適合或最佳表徵？如果有，哪一種是最佳的？如果沒有，如何才能更有效地表徵？假設存在最佳表徵，就意味著我們要做選擇。這是一個難以抉擇的問題，也是個見仁見智的問題。例如，對於一棵樹的表徵，畫像和照片哪個更好？對於天氣現象，語言描述與模型呈現哪個更好？定性描述與定量表達哪個更好？這的確不好選擇。選擇哪種表徵方式，要根據表徵主體要實現的目的和表徵對象的特點來確定。對於畫家，可能選擇繪畫；對於攝影師，可能選擇照片；對於普通人，可能選擇語言描述；對於氣象學家，可能選擇模型表達；對於文學家，可能選擇自然語言定性描述；對於科學家，可能選擇數學定量刻畫。最常見的情形是多種表徵方式的混用，比如量子力學的數學刻畫、圖解表示和自然語言說明的結合，其中有一種是主要表徵方式，如數學表達。這就是表徵要依據認知目標的特點和達到的目的的適應性問題，是表徵主體要優先考慮的。

顯然，表徵作為一個認知過程，就是用一類事物代替或描述另一類事物。在科學探索中是用人工物（模型、方程等）描述自然現象。我們發現，一切知識都是認知表徵的產物，知識要成為可靠、準確的科學陳述，就必須是真實的而非虛假的認知表徵；所有表徵形式，若要可靠地、逼真地描述其客體對象，就必須與它所描述的對象實質地、經驗地相適應，這就是適應性表徵。準確來說，適應性表徵是指表徵工具（語言、模型、圖像）與表徵對象（系統、客體、現象）之間的適當性與一致性描述。不同學科進行表徵的側重點不同——認知心理學側重心理表徵，人工智慧側重知識表徵，自然科學側重科學表徵，人文學科側重自然語言表徵。不論側重哪一方面、使用哪類表徵工具、形成哪一類表徵，本質上都是認知過程。根據認知對象的存在與否、可觀察與否，表徵可分為一般表徵和科學表徵。一般表徵也就是非科學表徵，它通常使用自然語言和圖像表徵，如文學、繪畫，其表徵對象可以是真實存在的，也可以是虛構的，如神話故事及其繪畫。科學表徵使用的工具通常是數學、模型等，表徵對象要求是真實存在的客體，包括還未發現的概念客體，如黑洞、夸克。相比而言，科學表徵無論是在表徵形式上還是表徵目標上，都具有嚴格規範性和客觀實在性，有別於一般表徵的非規範性和虛構性，在表徵上表現出特殊性。

總之，科學認知的實質就是如何可靠地、真實地表徵目標對象的問題，這顯然不同於文學藝術的認知方式，因此表徵是一切理論創造的核心。沒有表徵就難以創造和發現，更遑論科學創新。適應性表徵的功能就在於探討並弄清科學認知的表徵結構、機制和形式，為科學創新和科學發現提供可靠的表徵理論依據。

適應性表徵的思想基礎

表徵是一個歷史悠久的概念，在哲學和科學中廣泛使用。古希臘哲學家將其分為感覺的、內在的和概念的，相應形成了純的、強的和弱的表徵主義。中世紀哲學家認為表徵和被表徵的事物有相同的形式；表徵與被表徵的事物類似；表徵由被表徵的事物引起；表徵意指被表徵的事物，相應地形成了表徵的同構觀、相似觀、因果觀和指稱觀，構成了後來的科學表徵的思想基礎。

科學表徵的理論主要有圖像論、自然主義、結構主義、指代—替代推理主義和語義—語用論。圖像論是19世紀物理學家麥克斯韋、玻爾茲曼和赫茲建立的科學模型觀，認為模型是物理學的支柱，是世界圖像的本質，科學理論就是心理圖像，與物理實在具有相似性。這是最基本、最普遍的相似和同構表徵觀的混合，也是最受詬病的觀點，因為它依據心理圖像將目標客體確定為建構外在世界的圖像，外在世界完全內在地存在。這導致了後來的科學實在論與結構實在論的爭論。圖像論不能說明根本不是圖像的數學方程的表徵問題，且圖像具有對稱性、反身性和傳遞性，而表徵關係不是。正是圖像論的這種缺陷，導致了自然主義目的語義學的產生。

目的語義學主張表徵關係能夠由生物學功能概念加以說明，旨在闡明一個完全物理的行動者的內在狀態如何能夠真實地表徵其周圍世界。這意味著表徵完全不需要心靈概念，表徵就是感受器接受外在信息的過程。自然主義的目的是用自然科學（生物學）的方法取代心靈哲學的方法，用功能取代心靈，使表徵可操作。然而，表徵是有心理活動的行動者參與其中的過程，排除心靈概念不等於排除心理活動，缺乏心靈的表徵只是自然呈現，這促使科學哲學家從數學結構主義視角探討表徵的機制問題。

結構主義表現為同構論、部分同構論和經驗結構主義。同構是指數學的映射，它將研究對象描述為結構化系統，科學的「客體」被描述為「結構化系統中的位置」，科學理論是通過共有結構描述這樣的客體或系統的。這種將現象結構看作世界本身的觀點受到了強烈批評，因為同構是數學上的，實際的表徵工具與目標之間根本不是同構關係。為此，弗雷赫將同構弱化為部分同構，使其作為理論模型與數據模型之間的基本關係起作用。鑑於物理表徵通常是描述或表達而不是同構或部分同構，範·弗拉森提出經驗結構主義，主張測量及其理論化就是表徵，測量結果不表示被測量實體是什麼，而是在測量結構中「看起來像」什麼。

休斯發現科學表徵具有「指代」「證明」和「詮釋」作用。指代是模型的元素指稱現象，證明是使用者運用模型得到一個結果，詮釋是這個結果得到物理上的說明。蘇雷茲認為這種模式對於表徵是不充分的，表徵還應該包含認知和推理，本質上是一種類似於「力」的推理力，有程度的差異——準確表徵、真實表徵和完全表徵，從而形成了指代—推理主義。按照這種觀點，X表徵Y僅當X的表徵力指向Y，X允許有能力、有知識的行動者得出關於Y的推論。若X是模型，則必須滿足兩個條件：一是指代，即模型被用來表徵系統；二是替代推理，即模型允許它的使用者執行從模型到系統的具體推理。然而，指代—替代推理的實質是結構映射式的功能替代，更強調指稱關係和推理過程，忽略了表徵的語義內容。

語義—語用論是語義論的語用化。語義論始於薩普斯的集合—理論形式主義，主張理論是通過模型與世界發生聯繫的，而模型與經驗以複雜的方式相聯繫，理論的標準框架以「一個抽象的邏輯運算」表徵理論，並提供運算的「對等定義」。這意味著科學理論由（數學）模型家族構成，包括經驗模型以及闡述經驗模型與經驗系統之間聯繫的假設集。這種基於集合的語義論不過是數學結構主義的翻版，依賴的還是相似與同構，不能完全說明理論與模型關聯世界的方式。

語用論者吉爾認為，表徵是主體S出於目的P使用工具X表徵世界W的認知過程。這種語用論強調主體S基於目的對表徵工具模型的使用。康特薩認為一個表徵應該是一個有效認知推理，當使用者能夠使用表徵工具進行關於目標的有效替代推理時，表徵工具才是目標的一個認知表徵。這等於將語義—語用論與替代—推理主義相結合。問題是，這種混合的語用論僅規定替代推理有效，沒有規定結論是真是假，結論的真假與推理是否有效無關。由於語義—語用論在表徵結果真假上的模稜兩可性，使得它在真理問題上受到了批判。

在筆者看來，這些科學表徵理論之所以會有這樣或那樣的缺陷，根本原因是忽視了表徵的適應性。適應性表徵才是科學認知的本質。

適應性表徵的自然和文化根源

根據生物進化論，由於生物是適應環境而生存的，這種基於身體的自然認知系統（大腦）也應是適應環境的，其認知表徵必然是適應性的。人類基因組計劃已經破解了基因遺傳的分子組成成分。這等於在生物學水平上重建了我們是誰，弄清了人類進化的生物物質的細節，進一步驗證了達爾文和孟德爾的理論。整個人類基因結構的破譯是生物學上一次革命性事件，正如愛因斯坦對牛頓物理世界的重構一樣。然而，這一具有革命性的成就並不能解釋人的有意識認知現象。

假如將基因或基因組合看作一個行為體或行為組合體，其行動能否說明更高層次的心智和認知現象？現在，我們知道我們是生物體由基因組成，我們也知道我們有意識和期望，也知道他人像自己一樣有意識和期望，但基因層次的原理能夠說明意識和認知行為嗎？這些層次之間是如何相互作用的？生物組織的腦如何就產生了意識和心智？迄今的生物科學、認知科學、神經科學還不能給出令人信服的答案。這就給有意識認知和心智現象蒙上了一層神秘的面紗。

然而，一個不可否認的事實是，有意識認知和心智現象是寓於身體的，沒有身體就不會有意識和心智。這是傳統哲學中一直堅持的觀點，因為是人在認知、在思考，不是大腦，大腦只是思維的器官，正如是我在看，不是眼睛在看，眼睛只是視覺器官。人在認知（思維）時，除大腦外的器官如心臟等也會對認知（思維）有或多或少的貢獻。比如心臟供血不足，我們就會感到頭暈，這勢必影響思維效果。當代認知科學中的「具身認知」綱領之所以強調認知的具身性（embodiment），主要是針對人工智慧中的離身認知的觀點，即智能機是不需要身體的，也不遵循生物學規律。在筆者看來，認知（思維）本來就是人作為整體呈現的功能，而不是人體哪一組成部分特有的功能。雖然眼睛有看的功能、大腦有思考的功能、胃有消化的功能，但不能因此而忽視每個器官與其他器官的整體協作功能。在治療的意義上，人體是可以分離的，如換心臟、換腎，但在認知的意義上，人體（主要器官）是一個不可分割的整體，即使將來有一天，醫學技術發達到大腦也可移植了，也不意味著意識和心智也可移植。儘管如此，我們理解和創造生物體的取向，以及理解他人的具身狀態的神經支撐物的取向，離不開現代認知科學和生物學的成就。生物學使我們能夠區分有生命和無生命的東西，認知科學使我們認識他人的信念和期望以及個人認知的歷史。這兩方面蘊含了一個相關的但明顯不同層次的適應性——生物的適應性和認知的適應性。

如果認知的核心是解決問題（目標），那麼認知系統就是目標取向的，目標就是認知投射的靶子。形象點說，認知作為探討過程，就像射擊訓練過程一樣，是瞄準靶向的，射擊者使用的工具（槍、弓等），如同研究者使用的儀器和表述語言。這個目標取向的認知，可稱之為「射擊隱喻」，旨在強調認知行為不僅是目標取向的，也包含了達到目標的方式。兩種類型的不同在於，認知過程創造概念範疇，而且所創造的範疇依賴於背景理論，如已有的各種成熟理論。

而目標取向的系統一定是認知適應性系統。原因並不複雜。在認知過程中，一旦我們選取了目標（問題），就會圍繞目標想方設法達到目標，即解決問題，其間會遇到各種意想不到的不確定性、偶然性等，這就需要認知者及時調整研究策略，以適應變化的環境。還以射擊為例。在射擊運動中，運動員要根據靶向的位置、距離，觀眾的氛圍甚至自己的呼吸速率及時調整，才可能射得準。特別是在戶外移動靶向的射擊中，對射擊者適應能力的要求更為突出，射擊者不僅要隨著移動的靶子及時調整，還要考慮風速和風向，這一過程特別凸顯了身體的敏感性和協調性。這種射擊過程就是運動員不斷調整、適應的過程，其中身體敏感性起到核心作用。目標取向的認知過程與此類似。在認知過程中，對目標的感知是根植於認知者身體的，特別是大腦。在科學研究中，設計實驗就是為了在一定範圍和程度上控制目標對象，這就是受控實驗。控制的目的是要達到穩定性，減小不確定性，找到某些規律性的東西。而且在探討未知的過程中，經驗不是被動而是主動參與其中，通過觀察、假設、檢驗、修正來展現認知的適應性和探究性。這就是認知的具身性和目的性的統一。

顯而易見，人類進化中的一個適應性特徵就是向外延伸，用哲學術語講就是意向性，即指向外在目標客體的屬性。指稱他物就是向他物學習，在學習某物後，我們就創造了環境中的一個支柱來激活執行系統，如認識一個事件、一個人如何做某事。在這個意義上，我們的記憶不總是嚴格存在於我們的頭腦中，外記憶記錄在日常生活中或許更為明顯，並持續與內生的認知系統相互作用。這就是認知科學中的「延展認知」。

認知世界有豐富的外記憶記錄，它們承擔指導行為的責任，並與內認知機制相互作用。正是這一過程塑造了我們的認知敏感性，包括時間感和歷史感，而敏感性產生之時，正是文化開始之日。在這個意義上，敏感性不僅僅在於記憶能力，因為動物也有，還在於文化的薰陶。人與動物的本質區別就在於動物沒有形成文化。因此，最初的記憶只是敏感性的生物基礎，文化才是造就敏感性的真正原因。教科書特別是歷史教會了我們認識自然世界和人類本身的過去，並從歷史中學到許多知識，如科學知識、地理知識、自然知識等。人類的歷史或許是超越達爾文進化論的，因為它承載了太多的文化成分，這是超越生物適應性的文化適應性。如果說生物的進化是基於基因的，那麼認知的進化很大程度上是基於文化的。

適應性表徵的實現路徑

不可否認，認知是一種探索過程，其結果就是對思想觀念的表徵。在這個意義上，科學表徵就是認知過程，一種科學家藉助某種工具反映自然或世界某方面的過程。也就是說，表徵必須藉助特殊工具——自然語言、符號、圖形、模型等。

第一，通過命題建構意義。從語言的角度看，科學理論是命題的集合。命題是由自然語言組成的、有所斷定的陳述句，如「地球圍繞太陽轉」「光直線傳播」。因此，自然語言無疑是我們表達思想的首要工具，也是科學知識傳播所必需的，因為自然語言是大眾語言，是交流的工具。要讓科學知識得到普及和理解，就必須將抽象的理論通俗化，讓大眾接受。

第二，通過形式語言刻畫關係。形式語言包括邏輯和數學，是一種符號體系。科學某種程度上是使用數學語言書寫的，特別是現代物理學，數學是其表徵的最主要工具。近代科學自伽利略以來，就走向了數學化的道路，比如電磁理論中的麥克斯韋方程，量子力學中的薛丁格方程。可以說，沒有數學，就不會有現代科學的精確描述，比如沒有歐式幾何就難以形成「地心說」和「日心說」的形象描述，沒有黎曼幾何，就不會有相對論思想的充分表達。在人工智慧中，邏輯和數學構成算法語言的主要部分。

第三，通過可視圖像表徵展示形象。圖像包括幾何圖形、圖表、坐標等，是一種可視的圖標。這種表徵方式在科學文獻中很常見。如宇宙學中的各種天文圖像、數據曲線圖、行星運行軌跡的幾何圖等。這些可視圖是自然語言描述的必要補充，比如黑洞的圖像。

第四，通過物理模型表徵顯示結構。物理模型在科學中也是常見的一種表徵方式，如DNA模型、各種分子結構模型，其特點是直觀明了，就像汽車、飛機的模型一樣。模型表徵是伴隨我們一生的形象思維方式，是心理表徵如思想實驗的物理實現。思想實驗作為一種想像的實驗，它不僅僅是科學發現和論辯的工具，更是一種理想的、在頭腦中設計形成的認知模型。

第五，通過複合表徵呈現理論。複合表徵是上述幾種表徵工具的混合。成熟的科學理論往往不只是使用單一的表徵形式，其中既有自然語言的說明和形式的刻畫，也有圖像的顯示和模型的描述。所有科學雜誌如《科學》《自然》刊登的論文幾乎都運用混合表徵。

總之，適應性表徵就是建構意義（概念、命題）的過程、顯現關係（數學方程）的過程、呈現結構（組成、類型）的過程、展示圖景（如天文學圖像）的過程、最終形成科學知識體系的過程。概念、命題使得理論具有自然語言的含義，形式表徵使得目標客體的關係得以簡潔清晰，圖像使得理論更形象，模型使得理論有了內核和框架，這些表徵形式共同構築了理論的完整體系。科學理論就是通過這些特殊工具及其複合表徵得以實現的，科學知識就是這些特殊工具的集合，科學認知正是通過各種表徵方式彰顯了意義。

（本文為國家社會科學基金重點項目《科學認知的適應性表徵研究》〈16AZX006〉成果，作者系教育部人文社會科學重點研究基地山西大學科學技術哲學研究中心學科帶頭人、哲學社會學學院教授、博士生導師）

《中國科學報》 (2019-07-17 第3版 學術)