咱们一起来看看与人类发展息息相关的科学，是如何在历史中演化、变革进而获得进步的？
我们先来看一个故事。有一位天资聪颖的17岁美国青年到了哈佛大学，刻苦学习物理学，立志成为一名理论物理学家。25岁那年，为了给一个面向社会科学家介绍物理学发展的课程准备教学案例，他暂时停下了自己博士论文的工作，开始读亚里士多德的《物理学》。
一开始他发现，亚里士多德根本不懂物理学，犯了很多低级错误，但他没有放弃，而是坚持读下去。终于在某一天，他头脑中有关亚里士多德《物理学》的片断突然整合起来，归属到同一个观点下，然后再读亚里士多德，就突然理解到，那些看似低级错误的话竟然是非常卓越的洞见！这一奇特的经历完全改变了这位青年的学术志向。从此，世间少了一位理论物理学家，却多了一颗科学史与科学哲学领域的巨星。
这个故事，就是《科学革命的结构》这本书的作者，托马斯·库恩的亲身经历。在库恩以前，人们普遍认为科学的发展是单纯的知识积累。譬如物理学，今天人们所知道的东西，就是从亚里士多德开始，经过后来物理学家的贡献，不断积累而形成的。但库恩却告诉我们，科学的历史演化不仅有积累，更是有很多间断和革命。类比地说，亚里士多德的物理学，与牛顿的物理学，有着完全不同的“模子”，物理学家以完全不同的方式做研究。
从一个模子转换到另一个模子，就是科学革命，而每一时代的科学所具有的模子，库恩称为“范式”，“范式”既可以是抽象的理论原则，也可以是具体的范例，但总之都是能够被科学家模仿的东西，规范他们做研究的方式。同领域的科学家之间常常交流一些外行人听不懂的“行话”，这就是因为他们采用了共同的范式。基于某个范式开展研究并不难，但要在已有的范式上破旧立新，难度就非常大了。这意味着要改变某些习以为常的观念和坚信不疑的原则。而这，就是科学革命。科学就是通过不断地转换范式，打破旧有框架束缚，才取得了进步。
自从1962年这本书问世以来，库恩的名字就与范式的概念关联到了一起，影响力很快扩散到整个人文社科领域。尽管范式原本是描述自然科学的术语，但它准确地抓住了人类知识状态的共同特征。我们对事实的认识，并不总是单纯的积累，而且看待事实的视角、研究事实的方式，也有可能发生根本的变化。人们广泛地使用“范式转换”来称呼这种变化，其源头就来自于库恩和他的《科学革命的结构》这本书。
好了，介绍完这本书的基本情况和作者概况，下面我为你来详细讲述书中内容。这本书在问世之初也曾引起不小的争议，主要是因为它让人们发现，自然科学并没有表面上那么客观：“革命”这个词总是带有非理性的色彩，而范式的转换的确包含着人类认识中的非理性因素。所以，库恩也就常被指责为背叛了科学进步的理想。但这个评判合理吗？库恩真的拖了科学进步的后腿吗？在回答这个问题之前，我们先来看看另外三个关于科学和科学革命的重要问题。这些问题的答案也正是书中内容的重点。
第一个问题，一门科学发展成熟的标志是什么？
第二个问题，科学革命为什么必然会发生？它又将如何发生？
第三个问题，我们怎么来评价科学革命的合理性和进步性？
第一部分
好，我们先来看第一个问题，一门科学发展成熟的标志是什么？
任何学习过科学的人恐怕都有一种朴素的直觉，那就是不同学科的发展程度有着很大差异。一般说来，理学的基础学科，比如数学、物理、化学、生物等，是基本成熟的；而与人本身相关的学科，譬如心理学和社会科学，就相对不那么成熟。随着技术的变革与社会分工的细化，新专业、新学科也在不断涌现。例如“人工智能”就是一门方兴未艾的年轻学科，但也尚不是成熟的科学。
那么，一门科学成熟与否的标志是什么呢？所谓成熟的科学，一般都具备系统全面的知识体系，有成熟的教科书供学习使用，能够清楚区分出哪些是大家已经接受的知识，哪些是有待于探索的问题。这样学生只要按部就班地学习，就可以经由知识的积累而走到研究的前沿。不够成熟的科学则往往做不到这些，这些学科要么是尚未形成系统的知识体系，要么就是不能有效区分已经接受的知识与有待于探索的问题。在尚不完全成熟的学科中，共识是很少见的，几乎一切重要的、基本的概念都还处于争论之中。
比如说，学习社会科学的学生会发现，他们的教科书里介绍了许多互相竞争的理论学派。对于同一个现象，不同学派给出的解释可能会不同，有时还可能是相互矛盾的，而且也缺乏中立的标准来判别孰是孰非，因而整个学科就停留在这样一种莫衷一是的状态。人工智能科学也是如此：对于“什么是智能”、“如何在机器上实现智能”这样的根本问题，人工智能专家也无法给出有共识的答案，有时甚至是还存在着基本概念的、哲学层面的争论。在不成熟的科学中，一切都可以争论，学科的基础问题同时也就是研究的前沿问题。
而库恩指出，即便是那些现在公认为成熟的科学，也都有过从不成熟到走向成熟的历史。数学和天文学可能是最早成熟的科学，在西方世界，从古希腊时代的欧几里得几何学和托勒密天文学开始，这两门学科就已经形成了公认的知识体系。中国古代的科学成就也大多集中于数学和天文学领域，但许多自然科学的成熟要晚得多。譬如，牛顿以前的光学远不是一门成熟的学科，对光的本质及其概念存在大量悬而未决的哲学争论；人们也很早就发现了摩擦生电等电现象，但对于“电的本质是什么”的问题，直到18世纪前半叶仍然存在莫衷一是的意见，而没有任何定论；至于地质学、生物学等领域成为成熟科学的时间就更晚了。
一门学科从不成熟到基本成熟，转变的标志就是大量争论烟消云散，基本共识得以确立。牛顿写了一本《光学》，告诉人们光是物质微粒，这被科学家广泛接受，于是人们不再纠结于“光是什么”的话题，转而研究光现象的具体问题，光学就成熟了。富兰克林写出了《电学》，他和后继者的工作提供了如何解释电现象的成功范例，这也被当时的电学家所公认，于是人们也不再争论“电的本质”，转而模仿富兰克林及其后继者开展研究工作，电学因此也成熟了。
库恩用了两个特征来概括科学成熟的标志：一是有某种理论、著作或研究成就，空前地吸引了一大批坚定的拥护者，他们不再相信对于同一类现象的研究还可以用其他的方式进行。二是，这些理论、著作或研究成就能够提出丰富的问题，把追随者的目光引向解决这些问题的研究工作，而不是像原来那样，总是纠结于对基本概念的泛泛争论。
这两个特征有一个更简洁的说法，就是“范式的确立”。库恩所说的范式，就是那些能够化解基本争论、形成共识的理论、著作与研究成就。一门科学从不成熟到成熟的标志，就是形成了一个范式，摆脱了先前那种无所适从、莫衷一是的局面。由于范式确立的早晚不同，科学的成熟程度因而也有差异。数学与天文学早在古希腊时期就确立了第一个范式，所以成熟较早。而光学与电学的成熟则分别要到牛顿和富兰克林的时代。
前面说到，人工智能到现在为止依然还不是成熟的科学，其中仍然存在基本概念的争论，也就是说还没有确立统一的范式，吸引足够多的支持者，排斥其他的竞争理论。以 AlphaGo 为代表，人工智能取得了突飞猛进的发展，而作为 AlphaGo 基础的深度学习理论，也受到越来越多科学家的追捧，但它能最终实现人工智能理想吗？批评声音始终没有消散。人工智能是否能以此确立范式，并成为成熟的科学，目前仍有待于观察。
第二部分
好了，上面讲的就是第一个问题，一门科学成熟与否的标志是什么，总结一下就是：范式的确立是成熟科学的标志，意味着化解基本争论，形成共识。接下来我们再来看第二个问题：科学革命为什么必然会发生？它又将如何发生？
范式确立以后，科学家不再就一些基本概念的理解问题争论不休，而把关注点更放在解决一些具体问题。在稳定范式的指引下，科学研究就很类似于解谜题的活动。比如小朋友做数学题，他首先要清楚题干的意思，然后回顾自己学到的数学知识，尝试提出一个解题思路，再按照这个思路列式子做运算，最后得到解题结果。如果范式不变，科学家的研究活动也很类似于做数学题。区别在于，小朋友做的数学题是已有正确答案的，而科学研究的结论却尚属未知，不过从原则上讲，它也应该有一个答案，只要科学家充分运用既有知识，做实验、计算和推理，最终能够揭示谜题的“谜底”。
然而，如果所有科研活动都只是解谜，如果科学家都像是做数学题的小学生，那未免也太小瞧科学家的工作了。科学研究的魅力就在于，有些问题尽管看起来是有答案的谜题，但真正研究下去却发现并不简单：或者是在既有的知识体系下根本找不到答案，或是说真正满意的解决要求重新质疑基本概念，也就是把争论重新引向基本的共识，突破原来确立的范式。
“氧气的发现”是库恩在书中经常引述的例子。氧气最早是由英国化学家普利斯特列在实验中获得，但科学史上却把发现权归于法国化学家拉瓦锡。这里面一个很重要的理由，就是普利斯特列没有认识到氧气是空气的一种成分。在他那个时代，化学是被燃素说的范式统治的。
所谓燃素说，就是假设可燃物中普遍存在一种叫燃素的成分，燃烧就是燃素的消耗，燃素消耗殆尽的物质就不再可燃。可以看到，在燃素说范式中，完全没有氧气的位置，因为根本就没有把燃烧理解为“依赖空气的某种成分”。而正是拉瓦锡第一次提出了这个概念，并指出这种成分就是普利斯特列得到的氧气。由此，拉瓦锡提出了氧化还原学说的新范式，替代了燃素说的旧范式，奠定了直到今天的现代化学的基础。
“氧气是什么？”这就是燃素说范式无法解答的谜题。尽管普利斯特列在旧范式中也做了很多尝试，但依然无法找到答案。拉瓦锡的成功并不在于他多么勤奋地解答谜题，而在于反过来质疑这一范式，要求对燃烧现象做重新理解，进而“氧气是什么”的问题就顺理成章地得到了解决。普利斯特列与拉瓦锡的这段公案并不是特例，按照库恩的看法，类似的戏码在科学史中其实在不断上演。
其根本原因在于，在已确立范式的成熟科学中，总会有某些无法解决的谜题出现，库恩称之为“反常”。反常不断积累，就会使已有范式的权威与信誉大打折扣，于是由范式确立的共识不再能维持，科学家又开始了关于基本概念的争论，这又很类似于科学的不成熟阶段的情况。最终的结果是产生一个新范式替代原来的旧范式，确立新的共识来终结这些基本争论。原来在旧范式下无法化解的反常，在新范式中却很自然地得到解答。
范式的转换就是科学革命。范式的确立虽然化解了基本争论，确立了共识，但也埋下了科学革命的伏笔。因为任何范式都只不过是一种受多数人追捧的观点，尽管它让科学摆脱了无休止的概念争论，但它同时也排斥了其他可能合理的意见，因而就会有解决不了的谜题。从这个意义上说，反常是一定会出现的，这是既有范式的局限性。而范式的转换与科学革命也一定会发生，新的范式取代旧的范式，新的共识取代旧的共识，原来的局限性才能被克服，科学也才能进步。
范式的转换具有非常根本的意义，意味着科学家看待世界的方式、做研究的方式，都发生了根本的改变。打个比方，很多人或许都有过看“两可图”的经验。所谓两可图，也叫双关图，指的是对象和背景可以不时进行转换的图形。所以面对同一张两可图，不同的人会看到不同的东西，或者同一个人，会从不同的角度看到不同的东西。
比较典型的一种“两可图”就是鸭兔图了。第一眼看过去，你可能会看到一个“鸭头”，但如果换一个视角，还是同样的线条组成的图形，你却会突然意识到，原来它也可以被看作是一只“兔头”！扁扁的“鸭嘴”现在成了一对长长的兔子耳朵，而鸭眼也成了兔子的眼睛，只不过是望向相反的方向的。在库恩看来，确立新范式的科学革命，就类似于这种从看到鸭子到看到兔子的转换：尽管现象还是同一个，问题也还是原来的问题，但看待现象的角度、解决问题的方式，却发生了翻天覆地的变化。
用鸭兔图来类比科学革命还有另一层意思，就是说这种转换是突然的、剧烈的，并没有经过理性的评价、推理。最鲜明的例证就是20世纪初的物理学革命。在19世纪末回顾整个物理学的发展时，英国科学家开尔文勋爵不无自豪地说，今天整个物理学的大厦已经基本完成，剩下的工作主要是小修小补，此外只有两朵乌云还没有定论：一是黑体辐射问题，一是以太的存在问题。
后来的物理学发展表明，这两朵乌云正是挑战经典物理学范式的反常，对它们的回答一个产生了量子力学，另一个诞生了狭义相对论。这两个理论在基本概念上都迥异于经典物理学，因而在诞生之初就引起很大的争议，许多老一辈科学家如玻尔兹曼、洛伦兹等人终生不肯接受新的物理学范式，而年轻一代的科学家如爱因斯坦、玻尔、海森堡等人则成为这场物理学革命的英雄。
德国科学家普朗克在回顾这场革命时说：“科学的重大革新很少通过说服反对者并使他们转变立场来实现……事实上倒是，反对者逐渐死去，新生的一代一开始就熟悉新思想。”库恩也赞同这个观察：范式的转换并不是理性的过程，无法通过理性的推理、比较新旧范式的优劣，来说服科学家支持新范式。
事实上，这更类似于一个“信仰改宗”的过程。科学家对旧范式的接受也并非纯然理性的选择，而是在教育和训练中形成了牢固的信仰。科学革命就是要改变这种信仰，自然也不可能通过理性说服来实现。正像观察鸭兔图的转换：原来只能看到鸭子的人突然学会了如何把它看作兔子，而不是通过理性推理出兔子的形象。
第三部分
上面为你讲述的就是本书的第二个重点：科学革命为什么必然会发生？它又将如何发生？总的说来，科学革命一定会发生，因为旧范式解答不了的反常一定会出现。范式的转换是根本的、剧烈的“信仰改宗”，包含非理性因素。下面来为你说说最后一个重点内容：我们根据什么来判断科学革命是合理的、进步的？
不用多说，你可以看到，库恩在书中描述的科学研究，与普通人对科学与科学家的形象大相径庭。通常人们以为，科学是完全理性的事业，科学家是以理性冷峻的目光审视世界的一帮人，甚至因为过于理性客观而有些不通人情世故，少了些许烟火气息。然而库恩的这本书却告诉人们，科学研究从来不是完全理性的事业。科学家在工作中也会固执地坚持自己所偏爱的范式，即便有更好的选择摆在他面前，他也依然不会被理性说服。
更麻烦的是，我们也许根本就不知道范式之间如何比较，哪个更好。因为它们根本就无从比较！任何比较都要有共同接受的标准。譬如我说一支铅笔比另一支长，那么我可以拿尺子量一下就比较出来了，但在不同范式之间却不存在这样一把公共的“尺子”。因为转换范式就是彻底改变了看待世界的方式。世界既可以用旧范式来把握，也可以用新范式来理解。正像鸭兔图既可以被看作兔子，也可以被看作鸭子。我们只能说这是两种看待世界的不同方式，而无法说哪种方式更好更正确，就像我们不能说把鸭兔图看作鸭子或兔子更好更正确一样。正是因为缺乏这么一把尺子，范式转换才并非纯粹理性的过程。
这样一来，如何评价科学革命的合理性和进步意义，就成了很大的问题。譬如， 20世纪初的物理学革命突破了牛顿力学，确立了爱因斯坦的狭义相对论作为新的物理学范式。这是科学的进步吗？当然是！但若按库恩的说法，牛顿的范式与爱因斯坦的范式本身不可比较，它们只不过是看待世界的两种不同方式，无所谓谁更好或更接近真理。因此，许多科学家都认为，库恩极大地低估了科学的客观性与进步意义。从牛顿力学到狭义相对论的转换当然是科学的重大进步，如果范式理论不承认这一点，就会走向相对主义，认为科学中没有真正的进步。
为了回应这些指责，澄清对自己的误解，库恩在这本书再版时专门补充了一个“后记”，特别强调自己并不支持相对主义的立场，而是一个科学进步的真正信仰者。
通常人们所说的科学进步是逼近客观的真理。譬如说狭义相对论比牛顿力学进步，就是指爱因斯坦描述的图景更符合世界的真实情况。但这样的科学进步观念存在巨大的缺陷：我们永远无从判断科学的进展是否在逼近真理。毕竟，真理不会自己开口讲话。即便客观真理的确是一把公共的“尺子”，我们也无法像衡量两支铅笔那样，拿来比较两个范式的优劣。人们的确相信，现在的科学比以前的更好，就是因为现在的理论更接近真理；同时未来的科学也一定会胜过今天，也就是又比现在的科学更接近真理。但这些信条又没有什么具体的理由。科学进步的观念在这个意义上似乎更是一种信仰。
库恩所说的科学进步却不是这样。他在这本书中提出的范式理论，从根本上拒绝以“客观真理”为“尺子”来衡量不同范式。譬如牛顿的范式与爱因斯坦的范式，在谁更接近真理的问题上，是根本不能比较的，但这并不意味着它们在其他方面也不可比较。
事实上，科学家们从来不一般地评价理论是否更符合真理，而是更看重某些看得见摸得着的评价指标，譬如看哪个理论更容易作出准确的预测，更系统地解释了现象，拥有更宽的适用范围，等等。在所有这些指标上，狭义相对论的范式都胜出一筹，因此我们才说，爱因斯坦的范式替代牛顿范式是一项科学进步。这并非只是对逼近客观真理的信仰，而是有理有据的论断。
总之，评价科学革命的合理性和进步性，并不是相信科学总是逼近客观真理，而是从科学的真实演化历史出发，进而作出判断。范式就是用来描述科学演化的：从不成熟的缺乏共识的阶段，到范式的确立；从旧范式下的解谜题活动到反常的出现，进而发生范式的转换与科学革命，再进入新范式下的解谜题活动……如此循环往复。科学通过范式的转换，不断破除既有的思想束缚，聚焦新的谜题，朝向未知领域不断扩展。科学的演化也许并未设定任何目标，但认识的进步永无止境。
《科学革命的结构》这本书的主要内容，我们再来回顾一下。
首先，我们谈了一门科学是否成熟的标志，这就是范式的确立，意味着化解基本争论，形成共识。
然后我们说到了发生科学革命的必然性和具体方式。总的说来，科学革命一定会发生，因为旧范式解答不了的反常问题一定会出现。范式的转换是根本的、剧烈的“信仰改宗”，包含非理性因素。
最后，我们说到了科学革命的合理性与科学进步的意义。库恩认为科学的确是在不断进步的，但这种进步并不依赖于科学理论逼近客观真理，而是要从真实历史进程中评价范式的优劣。任何科学的演化都是确立范式与科学革命交替进行，科学就在这种交替中演化发展自身，这才是真正意义上的科学进步。
这样，我们最开始的那个问题也就有了答案：库恩曾经被指责为背叛了科学进步的理想。但他真的拖了科学进步的后腿吗？显然不是这样。库恩的这本书与其说是对科学进步性的背叛，倒不如说是对它的重新理解。以往所理解的科学进步是一种不断逼近真理的神话，好像科学家有某些神奇的技能，总能够走在揭示世界真相的道路上，库恩则彻底破除了这种神话，他告诉人们，科学的进步并不神秘，科学家的成功经验也可以供普通人学习借鉴。
譬如，确立范式就是在思维上要收敛，不能总是天马行空地设想各种可能性，而要“攻其一点，不及其余”，要在基本概念上确立共识，把目光集中于可解决的谜题，才能取得进展；科学革命则要求思维再次发散，碰到无解的问题，就不能过度保守只考虑既有框架中的可能性，而要突破既有框架，寻找新的解决途径，这时就需要来点天马行空，大开脑洞，才可能有根本的突破。
科学之所以能够成功，很大程度上就是依赖思维的收敛与发散之间协调配合，保持必要的张力。科学的进步也因此得到了合理的解释。所以，科学是否在进步这一点，似乎用不着太多的质疑，根本的问题在于如何理解科学的进步。这是库恩这本书给人类知识的最大贡献。