科学家制定了课题，就要寻求假说。假说就是猜想某件事情如何如何。假说一般是以一个陈述或一组陈述来表达的，从中可得出结论：如果这一假说成立，情况将会如何。假说经常采取这一形式：“如A为真，B则会（应，将）怎样。”
一个好的假说有些什么特点呢？首先，应能说明已知事实。（不过有时可能会忽视这一限制，因为科学家在提出一种革命性的新理论时，他可能不得不忽略一些公认的事实而另外寻找他自己所要求的新事实。）第二，它必须精确，足以得出可检验的预测。就这点而言，即使假说不正确也有价值，因为它如受到断然的反驳，也就排除了这样一种可能的解答。第三，假说应预言迄今未知的某一个或几个事实。例如，爱因斯坦从广义相对论导出三个预言：光在太阳引力场中的偏转，水星近日点运动，以及远星体的光线红移。前二者经过一定时期已得到证实，第三个也与现有资料一致。但是许多科学家并不认为第三个预言有何新鲜，因为将近一个世纪以来世人已知道有些现象与牛顿定律不一致。而近年来人们还在争辩：一件新的事实如果还没有发明出一种理论来解释它，是否足以成为一件事实。根据这一准则，水星的近日点和迈克尔逊 - 莫雷实验对于广义和狭义相对论才分别是新鲜事实。
从课题到假说
有时科学家几乎一看到问题就立即跳到一种假说上。1895年威廉 · 伦琴在实验室里注意到从阴极射线发出一种略呈绿色的光辉。他认为这可能是紫外线引起的，就在阴极管旁放了一个荧光屏。荧光屏亮了。他又把管子放在硬纸盒里，屏幕又亮了。这说明发光的不可能是紫外线，紫外线透不过硬纸板。伦琴想：这些光线透过玻璃管、硬纸盒和空气而照亮荧光屏；因此一定是一种未知形式的不可见光，果然如此，一定会投下影子。由于一时的激动，伦琴把手放到荧光屏前。出乎意料之外，他没看到手的影子，却看到了手的骨骼，皮肉则形成一种模糊而略带灰色的条纹。他立即意识到他面对的是一种全新的辐射。经过进一步做实验，他发表一篇文章描述了这种他称之为X射线的属性。“X射线”这个名称就这样保留下来了。可怜的伦琴呵！——他只把他的名字给予测量单位，却没有用它给这种射线命名。
但在某些情况下一个复杂的革命性假说也可能需要相当时间才形成。博物学家达尔文在英国皇家海军兵舰毕格尔号上花了五年时间（1831 ~ 1836年），亲自随船积累了有关南美洲植物和地层的大量证据。但他主要的兴趣还在地质。参观加拉帕戈斯群岛时，他发现岛与岛之间的鸟和乌龟种有细微的差异，从而动摇了他原来物种不变的信念。1835年他提出了一种关于珊瑚礁的理论，类似于他后来的进化论。但直到回英国大约两年以后，他才成为一个进化论者。当时他提出了两种不同的进化假说，只是为了以后加以否定。然后他开始寻找进化的特殊原因。一年多以后他阅读马尔萨斯的著作时突然想到选择就是进化的原因。达尔文在《自传》中这样描述了这一次豁然开朗的情景：
那是在1838年10月，我开始系统探索的第十五个月，我偶尔翻阅马尔萨斯《人口论》以为消遣。由于对动植物习惯的长期不懈的观察，我早就意识到到处都在进行生存斗争。因此这本书一下子触发了我：在这种环境中有利的变异将得到保存，不利的变异则将遭毁灭。其结果即为新种的形成。于是，我终于找到了赖以进行工作的理论。
以后四年中达尔文没有动手写出他的假说的草稿，最后只写了一份35页的摘要。两年后他把这份摘要扩展到230页。接下来的14年中，他与人通信讨论这个理论，但一直没有公开发表。后来收到一篇阿尔夫莱德 · 罗索尔 · 华莱士寄来一篇文章，对进化论作了简要的叙述，这是华莱士独立想出的。1858年7月1日达尔文和华莱士在伦敦林耐学会中宣读了他们合写的文章，接着就出版了。达尔文的著作《物种起源》于1859年11月24日问世，书商立即全部买下了这一版发行的1500册。
达尔文为什么等了这么久才发表他的理论呢？部分原因是他想完善他的理论，但是更主要的是害怕因提倡一种可能被套上反对圣经创世纪的罪名而受到迫害。达尔文知道，伽利略在70岁还被宗教法庭强迫宣布放弃哥白尼学说，而哥白尼理论的早期支持者乔丹诺 · 布鲁诺则是受火刑而死的。达尔文并不以为他的命运也会如此悲惨，但他还是迟疑不决，不敢向舆论挑战。
科学家提出了一种可靠的假说，再怎样办呢'通常是进行观察和实验来检验假说。这种检验往往不是结论性的。这样，借助于检验所提供的资料，科学家可以通过一系列试探（即重新表述和检验）精炼其假说，每次试探都为他提供了可以使假说更为精确的资料。要么他也可以检验一系列不同的假说，而不是仅仅精炼出单独一个假说来。开普勒试图计算火星的轨道，一开始就假设圆形轨道。他发现他的假说受到事实的驳斥，他又试探了一次，结果发现受到更断然地驳斥。于是他使圆形的一边鼓胀起来，成为一个蛋形。这个假说原来是自相矛盾，因而他又修改蛋形，以致开始像椭圆形了。最后他提出，行星轨道的形状是一个完整的椭圆形。
另一个方法是一开始就提出几个假说，然后逐个加以否定，直到最后只剩下一个为止。要么科学家也可以使这些假说一个一个地适合于总方案。达尔文就是这样：从家庭饲养中得出第一个假说，从生存斗争和野生变种的自然选择中得出第二个假说，从地质记录所显示的来自共同祖先的物种分枝中得出第三个假说，再从物种的地理分布中得出第四个假说。他综合这些假说而形成了他的物种起源理论。
在研究项目的进行过程中，科学家不仅发明假说，还搜集资料。经过大量检验以后，他利用资料修改或取代他的假说。例如，让我们看看瑞利勋爵是怎样通过一系列假设和检验而发现氩气。1892年瑞利发现大气中的氮比配成化合物的氮要重1.5%。这是什么原因呢？他的第一个假说是：氮在形成化合物时混有氢之类的轻气体。为了检验，他把氢引到氮中，但发现密度未受影响。这个假说完结另一个假说是：大气中有一种未知的重气体。检验办法是从大气中排除实际的氮，看看还剩下什么。于是他把氮和氧加以混合，放进放电装置。（氮和氧结合，结果产生一种可以置换的化合物。）这个实验拖延了几乎两个星期。电火花装置经常中断，瑞利到深夜还坐在隔壁房间的扶手椅上打瞌睡，身旁放个电话可以把仪器的声响传给他听。声响一停他就醒了，就去调节仪器。最后只剩下少量残留物。这是氢还是氮、他做了几次实验否定第一种可能。第一次他使大气层中的氮通过赤热的镁，很少的残留物剩下，比氮重，因而也比氢重。以后他对空气体进行微孔分析——使混合气体从一只多孔罐中渗漏一也发现有少量残留物，又比氮重。于是，他提出大气中存在一种迄今未知的气体，即氩。他又作了一系列检查以排除这种残留气体是氢的可能性，从而进一步确认了他的假说。人们发现氩具有不同于氮的波谱，可溶于水的程度高两倍半。最后一点发现提示雨水中所含氩应多于氮，这也为多次检验所证实。
推理和假说的形成
科学家形成假说时怎样推理呢？很多假说似乎出现于直觉的闪光。有一个典型的事例。W34年恩里柯 · 弗米做了一次导致原子分裂的判决性观察。他发现，中子如通过石蜡之类减速剂首先慢下来，那么中子束可以更有效地使靶上的原子核不稳定。弗米后来对天体物理学家萨布拉曼扬 · 钱德拉斯哈尔描绘过这一时刻：
我们一直在努力研究由中子引起放射性的问题，却一直得不到有意义的结果。有一天，我到实验宏时、突然想到应该看一下在入射中子前面放一块铅将产生什么结果。一反通常的习惯，我煞费苦心地把这块铅进行了精确加工。但我始终感到有点不大满意：我试用各种借口一直未把这块铅放在它的位置上。最后，有点勉强地放上去，我对自己说：“不，我不想放这块铅，我想放的是石蜡。”情况就是这样：没有事先的警告，预先没有自觉的推理。我立刻拿了一些零散的石蜡放到本来要放铅的地方。
像这样的意外事件惊动了很多人，卡尔 · 波普尔和逻辑经验主义者说这一假说形成过程基本上是非理性的。如波普尔提出：“问题是一个人怎么会一下子产生一种新观念——不论是一音乐的旋律、戏剧冲突，或科学理论——经验心理学可能对此大有兴趣，但是同科学知识的逻辑分析是毫不相干。”所谓科学家并不是从理性到假说，而只是用假说进行推理。检验和评价一种假说是一个逻辑程序，是科学家的基本任务。
但是，这一观点几乎肯定是错误的。第一，这是没有证据支持经验要求。第二，科学家即使在发明假说的过程中，有时候必须依靠直觉，而另外的时候，则以可提供一定规则的理性思维为指导。第三，科学家在形成和追求假说的过程中，找不到严密的发现“逻辑”，但科学家总有理性原则或“战略规则”可循。这些规则可经过整理定为明确的发现原理。第四，也是最重要的，所谓直觉可能是一条或多条理性思维路线凝聚为片刻的洞察。在这一瞬间，头脑中充满了前提，并且从这里达到结论，这是头脑所能记忆的一部分过程。例如W28年亚历山大 · 弗莱明的头脑大概是这样活动的：（1）一颗霉菌偶尔地落到我们培养盘里；（2）附近的葡萄球菌不再生长了；（3）—定是霉菌的分泌物杀死葡萄球菌；（4）我记得以前有一次也有过这种事；（5）如果我能把霉菌的分泌物分离出来，就能用它来消灭引起传染病的葡萄球菌。
另外，我们还必须把沿逻辑或理性结构的运动同结构本身区别开来。谁也不会声称，因为演绎论证是在洞察的瞬间一下子抓住的，就说这种论证没有逻辑结构。从前提到结论的过程，不论是否经过自觉的步骤，也不论是否省略了一些步骤，有关从前提到结论的逻辑结构并不受影响。科学也同样如此，很多假说的形成也许就有我们所忽视的逻辑结构，因为我们只注意洞察瞬间本身，而不大注意导致这种洞察的材料。这些材料无疑是潜意识中长期推理的对象，洞察本身只不过是推理的顶点。我们必须从这些材料本身中找出一种理性结构来，利用这种理性结构再加上科学家自己的评注，我们就能再建有时是在潜意识中导致假说形成的推理过程。科学家在发明假说时，他几乎也是在潜意识中从前提推导结论。不承认这一点，也许只是因为对日常通俗的理性思维逻辑我们所知甚少，而科学思维也不过是这种思维的精炼。因此，哲学家Peter Caws宣称：
在创造的过程中像论证过程一样，科学没有特殊的逻辑。只有一般的人类思维结构，在创造活动中思维的进展像在论证中一样，要完全按照逻辑原理……。科学发现的逻辑表述得还不严格……但同样表明是普通发明逻辑的提炼和专门化。意识到的重要的是要了解严格说来发明过程就像大家熟识的论证过程一样，没有什么神秘之处。我们一旦弄清楚这一点，科学创造就可以从神怪那里解放出来。
某些推理形式
现在我想考虑一下导致假说形成的几种推理方式，科学哲学家对此早有论述。这就是回溯法、假设演绎法、归纳法和类比推理。
就回溯法（R-D）来说，科学家遇到一个反常现象，就去寻求一个可以推理出为什么会有这种反常的假说。然后，他再从反常现象反推到可加以解释的假说。这一推理形成是这样：观察到一个反常的事实A；如假说H真，则A可得以解释。因此有理由认为H是真的。例如开普勒回溯他的火星轨道假说。他先是提出火星运行于完美的圆形之中。但他发现从这一假说演绎出来的预测同丹麦天文学家第谷 · 布拉埃的资料相冲突的。也就是资料同圆形运动的假说不一致。他假定资料是对的，从而提出上面已说过的假说来解释资料。
科学家有时不是从资料推导假说，而是先从假说开始，再从假说演绎出结论般陈述或特殊预测。这就是假说演绎法（H-D）。爱因斯坦用假说演绎推理创立了他的狭义相对论。他信奉两条基本原则：相对性（没有绝对参考框架；对观察者来说，一切运动都是相对的）和操作定义（科学概念应按照可观察现象下定义）。他从第一条原则导出光速恒定的悖论，并发现这一结论已为迈克尔逊 · 莫雷实验所证实。他从第二条原则又导出另一个悖理：对同时性和距离的测量是相对的，他又发现这一结论同洛伦兹变换相符合（荷兰物理学家亨德里克 · 洛伦兹提出的基本方程式）。
当科学家从特殊事例的陈述推出一般规则，他是在做归纳推理。19世纪初，法国科学家约瑟夫 · 盖吕萨克归纳地推论出气体以简单比率相结合的定律。他用各种气体做了实验，如氢、氧、硼酸氟化气体和氨。氢和氧结合按简单比率结合，各种酸性气体同氨也是按简单比率结合（按照某些理论性假设和观念，气体由于它们的分子结构都应服从于简单定律），正是从这些事实中盖 · 吕萨克得出结论说，所有气体均以简单比率相结合。
当科学家在显然无关的现象之间看到类似情况而得出一种假说时，就用了类比推理。达尔文从人类的人口压力（马尔萨斯）同自然界的物种生存之间的类同之处，推理出他的部分自然选择思想。当凯库勒发现蛇把尾巴晈在嘴里同苯分子的碳原子排列有类同之处，他就推出了苯分子的环状结理论。
用实验检验假说
科学家构成假说以后，则演绎出其预测形式的含义，再把预测同观察实验结果相比较，以检验他的假说。
对假说进行实验检验以后所做的推理如下。科学家在设法建立两组事件之间的联系时，他总是试图表明一组事件是另一组的起因。这就是说他力图证明，某一种事件A常常为另一种事件B所伴随，A事例不发生，B事例则永远不会发生。因此，如果B发生时，必须有A出现，而A不出现时，B永远不会发生，则A产生B。
要证明一个事件是另一个事件的原因，绝非轻而易举。任一B事件的发生，实际上总是同许多其他事件混在一起，很难说出其中哪一件是B的原因，哪一件又是偶然同B—起出现的。有一种寻找的方法是：创造一种我们可以自己控制其伴随事件（或条件）的环境。然后，我们可以一件一件地查明哪一件产生了B，哪一件没有。为此我们就要保持其他所有条件不变，而改变那种我们认为是B的原因的条件。这时，我们如果观察到事件有了变化，我们就可以看作是我们自己所造成的变化。这是我们第一个实验。然后我们进行第二个实验：改变某一我们认为对B没有意义的影响条件，而保持那种我们认为产生了B的条件不变。我们如果观察不到B发生什么有意义的变化，我们就可以推断：B只受原来条件变化的影响，而不受其他条件变化的影响。
科学家在进行实验检验时，先要演绎出他的假说对于某一实验情境意味着什么，然后操纵这一情境看自己是否正确。试想所有这些实验检验中的最有名事例之一，即路易 · 巴斯德在法国普伊拉堡所进行的种痘实验。巴斯德想检验一下这个假说：在动物身上接种稀释的炭疽杆菌。将使动物对炭疽杆菌本身具有免疫力。他把当地农业协会提供的60头羊分成三组：（1）10头羊作为控制组，不作任何处理；（2）25头羊实验组，接种牛痘后，再注射非常容易传染的炭疽杆菌培养液；（3）另外一组25头羊，不接种牛痘，而注射同一剂量的易传染细菌。实验组每隔10 ~ 15天接种两次日益稀释的炭疽杆菌，并在12 ~ 15天以后注射易传染的细菌。巴斯德预言这25头种过牛痘的羊将全部成活、25头没有种过的将死去。活下来的同那10头控制羊比较，表明接种牛痘对羊没有任何危害。
5月5日在大庭广众面前、施种了第一次痘苗，接着又第二次施种了痘苗和细菌。6月2日巴斯德看了结果。他的预言完全得到证实，如一个目击者所描写的：
巴斯德于下午2时到达……由他年轻助手陪同，先是轻轻地赞叹，后来很快地变成一片不约而同的热烈欢呼声。来自默伦农业协会、医学协会、兽医协会、塞纳和马恩卫生中央委员会的代表们，新闻记者们，受到报刊文章表扬或谴责过的小农们，都聚集在这里。22头没有种过痘的羊的尸体一个挨着一个躺着；另外两头正在气息奄奄；最后一头幸存者则显示出［炭在杆菌］的特有症状。所有接种过的羊都十分健康。……那头唯一残留的未接种的羊，当天晚上也死去了。
实验也可以在没有假说的情况下为寻求事实而进行。有一组这样的实验十分意外地导致了卢瑟福的原子核理论。1909年的一天，卢瑟福的学生在恩斯特、马斯登试图大角度散射α粒子，因为卢瑟福认为这不可能。卢瑟福在他最后一些演讲中曾描述过这次实验的结果：
我记得二、三天后，盖革［一个同事］极为兴奋地对我说：“我们已经能使一些α粒子反回来了。……”这是我有生以来所遇到过的最不可思议的事了，犹如你朝着一张薄纸发射15英吋口径炮弹，炮弹却弹回来并击中了你。
但实验并不是科学检验所必需的条件。要科学家控制他所解释现象的条件或者不加歪曲地进行解释，在物理学上往往是不可能的。一个实验也有的时候不仅物理上不可能，逻辑上也不妥当。科学家可以要求解释某些过去的事件，如通过地层化石所表现的某些事件。这种事件不会再一次发生，因而也不可能在实验中加以重复。
也有些假说不能通过观察进行决定性检验。拿达尔文的进化论来说。尽管物种进化有许多证据，但进化本身却几乎不能观察到，因为经历许多代才能形成变异，而我们不能活着看到这整个过程。但这个理论仍然得到充分地证实，这倒并不因为它可以得到决定性的检验，而是因为这个理论把过去所难以理解的大量资料统一起来，并且容易理解了。
单独一次成功的预言只能作为假说的初步证实，假说并不能就此成为可靠的。一般情况下只有经过各种科学家在各种不同条件下检验和证实，假说才能真正可靠。例如，尼古丁或是致癌因子的假说通常是在许多实验室中用许多种动物检验过，以确定它究竟只适用于一种或几种动物，还是所有的动物。这个假说如被各种实验所证实，那么它就被认为是可靠的；然后科学家就开始寻找可以说明所观察到的相关性的机制。
（Science-The Human Endeavor，New York，1978年）
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* 题目为译者所加。