理论是人类在其获得的知识与经验的基础上，所构建的关于自然界的同构系统。而实验则是人类为了获得更多的知识与经验，在其漫长的认识过程中逐渐派生出的一种新的认识活动。由于人类的认识具有主观能动性，所以人类在其认识的过程中，并不满足于被动地观察现成的自然现象，他们会根据自己的需要，人为地制造一些在理想的状态下可以不断地重复发生的事件，这就是通常所说的实验。
由于实验是由人设计和观测的，所以相对于人的尺度（厘米和秒），我们可以将实验细分为四个不同的层次，即微观实验、宇观实验、高速实验和宏观实验。由于这些实验在尺度上的巨大差异，根据自然哲学第一定律——自然界存在着变化的不连续性，上述四类实验虽然具有一定的内在联系，但更多的却是表现出它们彼此之间截然不同的特性。
微观实验是指关于原子及基本粒子的实验，该类实验的尺度一般都远小于10-8cm。在如此小的范围内，粒子表现出了明显的波粒二象性。如果我们想消除粒子的某一特性，必然会使其另一特性产生极大值，以至于消除粒子任何一个特性的举动都是徒劳的。这就好比一个人挑扁担，只要扁担的两头都系着重物，则无论这两个重物在重量上有多大差异，在原则上，挑夫总能够通过调节肩膀支点，使扁担保持平衡；但是，如果我们摘掉其中某一个重物，则平衡就再也无法维持了。如果维持“平衡”是自然界的存在法则，那么该法则就会禁止我们摘掉系在扁担上的任何一个重物。维持自然界存在的这一“平衡”法则就是世界的有机性，即同时存在着离散的空间和封闭的物质，而且它们是相互依存、相互渗透、相互作用和相互转化的。此外，在微观的世界中，还存在着低能粒子以较小的概率逃离势阱的隧道效应和封闭体系（如电子）吸收与释放能量的不连续性，即存在着量子化现象。
宇观实验是关于天文方面的观测，该类实验的尺度远大于108cm。比如光线弯曲实验，就是测量光线经过太阳时，是否会产生弯曲运动。在如此遥远的距离，所观测到的现象往往会有很大的不确定性。这种不确定性，一方面是因为我们对巨大天体内部的物理机制了解得还不够充分，另一方面则是由于我们所要观测的效应和其他未知因素处在同一个数量级上，无法将实验对象与实验背景进行绝对的分离。
此外，在通常情况下，宇观实验的观测值并不是一个单一的数值，往往是一组间接的数据。所以，宇观实验值并不能和理论值进行直接比较，两者在形式上存在着很大的差异，需要借助一定的统计方法或辅助理论，进行二次加工。而应用不同的统计方法或不同的辅助理论，对于同一个实验或同一组数据，会得出不同的结果。
例如，在测量小行星进动时，需要引入24个待定参数，理论的正确因子γ只是其中的一个。此外，在对小行星运行的实际观测数据进行处理时，还需要设定误差范围，误差范围越大则得到的解（各种实验结果）就越多。比如，当设定的误差为8%时，通过计算机运算总共得到了100多组解。即使剔除各种无物理意义的解之后，仍有13组解是有效的。其中既有理论因子γ近似为0的解，也有理论因子γ近似等于1的解。由于广义相对论在当时（20世纪70年代）已经被确立为背景理论，所以实验者更偏爱或更容易接受广义相对论。对于背景理论的验证，与其说是实验证实理论，毋宁说是理论说明了实验。因此，实验者只是将理论因子γ为0.95的一组解挑选出来，作为该实验的验证结果，宣布广义相对论获得了该实验的证实，其正确率达95%，实验的误差为8%。
这就是为什么越是复杂的实验，就越能得到实验高度“认同”的原因。因为，实验者总可以借助于调节误差范围，使其获得的各种不同组解中含有γ近似等于1的一组解，并以此来作为实验的结果。而事实是，该实验结果只是那13种可能结果中的一个。所以，我们应该把实验者原来的“广义相对论的正确因子γ等于0.95”的表述，准确地改写为：“在误差为8%的条件下，广义相对论的正确因子γ等于0.95的存在概率为1/13。” 对于这一实验，我们只能从概率的角度得出一个不确定的结果。这并不是说该实验作为一个自然事件是不确定的，实验结果的不确定性，是因为我们从该实验中所获得的信息不够充分，不足以让我们得出一个确定的结论。
当速度接近于光速时，由于空间效应变得明显了，所以高速实验具有与我们日常经验截然不同的特点。高速运动的物体服从洛伦兹变换，其能量的变化只是相对于空间势能的变化。比如，在双星实验中，我们观察到的光速与发光星体的运动状态无关。比如，不同频率（能量）的光速是一样的。
由于宏观实验最为接近人的尺度，比较便于将观察对象与观察背景相分离，而且此时的空间效应最小，所以，宏观实验表现得最为客观和确定，很容易使人对实验产生其具有绝对性的错觉。在当时，人们普遍认为，实验可以凌驾于理论之上，实验对理论具有绝对的判决性。然而，根据自然哲学第二定律——凡具体的都是有限的，任何具体实验的验证作用都是有限的，只具有相对的意义。因为，实验的验证不仅取决于实验本身，而且还取决于对实验的认识。比如，斜塔落体实验（物体垂直自由落体现象），既可以根据直观的感觉成为地球静止的证据，又可以根据惯性定律说明地球是运动的。
综上所述，实验的验证只具有相对性，实验的客观性受到了认识主体——人的限制。比如，根据人的特性，不能无选择地将所有影响事件的因素，都作为研究和实验的对象。或许计算机式的高级生物能够这样做，但人类不行，人类只能按照自己的方式来认识自然界。人类不能放弃自我，而单纯地为认识自然界而认识自然界；人类只有保持自我，并通过自我与自然界的相互作用，来间接地认识自然界。
然而，实验对于现代人来说早已是家常便饭了，人们有时甚至过于迷信实验，认为实验对理论的判决具有绝对的意义。由此，人们往往把一个理论的好与坏，即关于理论认识效率的问题，误解为是关于该理论正确与错误的问题。这种一维认识观会导致了一个令人困惑的悖论：
如果理论是错误的，那么人类的认识就是由一系列错误的理论构成的；反之，如果理论是正确的，那么人类的认识就会因此而停滞不前。
上述两种情况都会使理论失去认识的意义。任何一个具体的理论，相对于整个人类认识的发展历程来说，都只是一段小小的插曲，都最终会被新的理论所取代，因而凡具体的理论都是“错误”的。反之，如果理论是正确的，那么该理论就不会被其他的理论所取代，最多只是被修正和改良。于是，人类的认识就会停滞不前，人类的认识就只是逼近某个极限的收敛过程。一维认识观的这种“理论存在着正确与否”的划分，是与人类认识的实际发展情况相背离的。如果我们采用二维认识观，就不存在理论正确与否的问题，而只有理论认识效率高低之分。于是，根据二维认识观，人类认识的进步，表现为由认识效率高的理论取代认识效率低的理论。这样既保证了每一个时期的理论都有其现实的认识意义，但又并不限制和排斥理论的发展与更替，从而化解了一维认识观所产生的悖论。
在人类认识的历程中，人类对实验的看法经历了由无意识到过分强调其作用的变化过程，这一过程既是漫长和渐变的，又具有一定的历史偶然性。在这一变化的历程中，带有明显的个人色彩和主观意志。
将实验明确地引入认识环节的人，是被后人称为实验之父的伽利略。伽利略认为，物体在受力时会产生运动。根据数学的简洁性，伽利略推测物体的运动关系式有两种可能，要么距离与时间成正比，要么速度与时间成正比。那么，哪一种可能是正确的呢？为此，伽利略对小球在斜板上滚落下来的情况进行了多次测量，虽然其结果并不稳定，但大体上比较倾向于后者。于是，伽利略认定后一种是正确的，即物体受力时其运动速度与时间成正比。
通过上述事例我们看到，一方面实验具有一定的客观性，可以帮助我们得到比较正确的认识；但是，在另一方面，实验又不完全是客观的，它并不能直接向我们提供准确的物体运动公式，而只能在两个以上的理论之间，帮助我们判断哪一个比较好。这种判断是动态的，会随着被比较理论的不同发生相应的变化。如果只有一个理论，那么实验没有任何判决意义；只有在多个理论并存的情况下，实验才有可能发挥其选择理论的作用。因此，无论是实验的精度要求还是实验的验证结果，都并不完全取决于实验本身，而是在一定的程度上取决于被验证的理论与其他理论的比较。
例如，水星剩余进动实验。根据数百年的天文观测，水星每一百年约有5600s的进动，即其焦点与原点的连线每个世纪约向前移动5600s，其中99%以上的进动都可以用经典力学予以说明，只有约43s的进动是经典力学无法解释的，因此这43s进动被称为水星剩余进动。如果只有经典力学，或将经典力学与亚里士多德的理论相比较，那么水星进动实验就是对经典力学的证实。但是，若与广义相对论进行比较，则水星进动实验又被看作是对经典力学的否定。再后来，美国物理学家迪克提出了一个新的理论，该理论能够解释约40s的水星剩余进动。于是，水星进动实验又再一次变得不确定了。因为，若要该实验在广义相对论和迪克理论之间进行判别的话，对实验的精确度就有了更高的要求，必须再提高一个数量级，即由43s精确到3s，而可能影响这3s的未知因素多达数十种，比如太阳的扁率大于零、空间背景的转动或存在暗物质等。于是，在将可能影响3s进动的未知因素全部一一排除之前，水星进动实验就失去了对上述两个理论的判决作用。
综上所述，就实验本身而言，无论是在定性上还是在定量上，都只具有相对的意义。从定性上看，实验的结果只有在面对两个以上的理论时，才具有一定的倾向性，并且会随着理论的变化而改变其结论；从定量的角度看，该实验的客观数据与所有的理论都不吻合，因为现实的实验和理想的理论所涉及的因素是不同的，前者总大于后者。所以，两者会存在一定的差异，总可以在一个更高的精度上，使原本实验值和理论值相吻合的情况走向反面。所以，从绝对数值上讲，任何一个实验最终都会对其曾经验证过的理论进行否定。
先被实验肯定，而后在面对新理论竞争时又被同样的实验否定，这种例子在人类的认识过程中比比皆是，经典力学的沉浮就是一个最为突出的例证。
由于经典力学比以往任何时期都更成功地解释了太阳系内所有天体的运行，并准确地预测了海王星和冥王星的存在，因而获得了极高的声誉。经典力学在天文领域，唯一的不和谐音就是水星剩余进动，其与天文观测值约有0.8%的差异，此时实验是充分肯定经典力学的。当时的科学家们普遍认为，由于经典力学已经获得了巨大的成功，科学留给后人的工作，只是修补理论或在小数点后面增添几个小数而已。
然而，同样是经典力学，当它面对广义相对论时，却因为这不足1%的误差败下阵来，导致经典力学整个大厦的倒塌。严格地说，没有任何一个理论可以逃脱被实验否证的命运，经典力学逃脱不掉，广义相对论也同样无法摆脱被实验否证的命运。
从表面上看，人类认识的进步与发展，是由一系列被实验否证的理论构成的。然而，实际上实验本身并不能对理论做出肯定或否定的结论，实验的验证结果，与其说是由认识的客体——实验决定的，还不如说是由认识的主体——人所选择的，而选择的标准是使人类的认识效率最大化。这意味着，不是实验否证了理论，而是相对于实验，人类因为构建了一个认识效率更高的理论，从而主动放弃了原有的理论。因此，实验既是理论的开始，又是理论的继续。由于人的认识是二维的，是人与自然界的相互作用，所以实验作为认识的有机组成部分，也是二维的。实验的二维性主要表现在受到以下两个方面的制约。
客体制约：实验的设计不能单凭主观的臆想或人为的杜撰。
主体制约：不同的分析方法以及不同的理论可以使同样的实验得出截然不同的结果。
实验和理论分别是人类认识的两个不同侧面，它们共同构成了人类对自然界进行思考和相互作用的认识有机体。实验和理论是平等的，不存在谁凌驾于谁之上的问题。没有实验的理论是空洞的，而没有理论的实验则是苍白的。实验和理论就好比是人类认识的双脚，它们只有交替着向前迈步，才能够不断地推动人类的认识向前发展。严格地说，实验并不是单纯地再现自然，实验是人为地创造自然，是人与自然界相互作用的手段和工具。
地心说虽然在数学上与日心说是完全等价的，但现代人宁愿以“杜撰” 惯性定律为代价，而相信日心说的宇宙观，也无法想象和理解地心说的宇宙观。
地心说的宇宙观是从现象归纳出来的，虽然在开始的时候比较直观和容易接受，但随着归纳现象的增多，地心说引入了越来越多的本轮和均轮，由此获得的图像变得愈加混乱和模糊。即便是在现代，类似的做法也还是存在的。比如，在理论中引入的维数越来越多，没有人能够想象出11维的物理图像是什么样子。日心说的宇宙观则是借助于假说演绎出来的，虽然要想构建出一个好的理论并不是一件容易的事，需要发挥人类非凡的想象力和创造力，但其所演绎出来的图像却是简洁和有效的，为经典力学的发展奠定了基础。
从根本上讲，人类认识自然界的方法是演绎的方法，即通过提出假说，用演绎的方式来说明和解释世界。人类认识世界的过程，实质上就是一个不断地提出假说和完善假说的过程。每一个对人类认识有影响的假说，都大致会经历以下三个时期。
构建期：构建一个适合于人类理解并能最大限度地涵盖各种经验与自然现象的假说。
发展期：针对不能与该假说相容的现象进行理论修正，进而使该假说获得不断的完善与发展。
停滞期：当修补假说变得越来越困难、而且不断地修补假说，使该假说的图像变得越来越模糊时，人类的认识效率就会因此而降低，于是该假说的发展逐渐陷入一种停顿的状态。
当旧的假说进入停滞期时，就会有人不再耐烦沿用旧的世界观，即用旧的假说来认识和理解世界，而是另辟蹊径，构建一个图像更清晰、结构更简洁以及所能涵盖和解释的自然现象更多的假说。通过新假说取代旧假说，使人类的认识效率重新得到了恢复与提高，从而进入一个新的认识循环周期。所以，人类的认识就是不断地构建假说、演绎假说和完善假说。假说变换的意义，并不是其真伪，而是在于可以不断地提高人类的认识效率。
之所以说假说是构建的，是因为新假说在逻辑上与旧假说截然不同，不可能在旧假说的基础上推导出新假说，否则的话，该假说就不是新假说，而只是获得发展和改良了的旧假说。此外，假说的构建性还表现在，假说是不可能从现象中必然地归纳出来的。因为，同一个现象可以由无数个假说来分别给予不同的解释。
拉卡托斯提出了科学研究纲领的进化与退化概念。在这里，科学研究纲领就是人类的认识体，是由理论（系统的假说）、实验（特定的自然现象）和认识方法（将前两者有机结合的纽带）组成的。拉卡托斯认为，人类的认识体即由特定的理论和实验为主体构成的某一知识体系，在其初期可以随理论与实验的互动而获得发展，此时认识体的认识效率比较高，属于认识体的进化阶段；反之，在其末期，理论与实验的互动反而使该认识体的认识效率降低了，属于认识体的退化阶段。所谓理论和实验的互动，是指理论可以不断地提出新的实验，而新的实验又要求不断地修改理论以适应新的实验结果。在此，拉卡托斯强调，认识效率是一个认识体对于人类的认识是否具有存在意义的关键所在。
实际上，每一对理论和实验都是一个关于人与自然界相互作用的格式塔，其无限的发展和修补总能使该认识体变得更为正确，总能不断地扩展人与自然界的相互作用，从而在更大程度上实现一定的科学意义。但是，根据自然哲学第二定律——凡具体的都是有限的，任何一种认识体都不能始终保持较高的认识效率，都存在着进步与退步的问题。人类的认识体总是会不断地向认识效率更高的认识体进行转换，尽管这种转换有时是被动和延迟的。不过，这对于人类的认识来说并不是一件坏事，因为认识体转换的延迟，可以保持人类认识的相对稳定，并使人类的认识具有一定的深度。由于理论是认识体的核心，所以理论的每一次更替，都是人类认识的格式塔转换，都是由更适于人类认识的新格式塔取代旧格式塔，而不是由正确的新理论取代错误的旧理论。
所谓旧理论错了或不能解释新现象，实质上是人类不愿意再用旧理论去理解新现象，不愿意相信旧理论能够对新现象进行解释。“错”只是在不同的格式塔之间才有意义，因为不同的格式塔彼此是不相容的。如果人类的认识总是停留在一个格式塔内，那么人们很难对该格式塔进行批判，认识的发展也将因认识效率的降低而变得非常缓慢或停滞不前。所以，一个新理论的提出，最初的认识意义主要是在于提供了一个新的视角即用新的格式塔来对旧理论进行批判，至于新理论究竟能否提供新知识则退居次要的地位。因为，新理论能否取代旧理论，在本质上并不是由于新理论带来了更多的新知识，而是新理论具有更高的认识效率，具有使人类比较容易获得更多新知识的潜在能力。
由此，我们再一次深刻地认识到，由于科学不是简单地发现自然，而是人与自然界的相互作用，所以科学是由理论和实验所共同构成的认识有机体，是自然界进化的更高层次，即理论世界。
联系客服
