现代自然科学的发展，正在出现一种不断抽象化的趋势。科学的概念和语言越来越远离人们直观的感性经验，科学的理论形态需要借助抽象的形式符号和数学工具；通过严密的逻辑演绎来精确表达，很难无歧义地翻译成简明的日常语言。就是在科学实验领域，实验的设计安排，离不开理论的指导，实验的仪器设备，有着复杂的理论结构，实验事实的解释，也在越来越大的程度上依赖于高深的数学知识和严密的逻辑工具。这种科学理论抽象化的趋向，是现代自然科学发展的一个基本特征，是科学认识不断深化的必然结果。它给科学研究的方法也带来了一系列新的特点。正如恩格斯在100多年前预言过的，自然科学“走进了理论的领域，而在这里经验的方法就不中用了，在这里只有理论思维才能有所帮助”。这也就是当代自然科学之所以面临大量的哲学问题，出现自然科学与哲学相互渗透、逐渐结合趋势的时代根源和认识根源。
20世纪自然科学的伟大革新家爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），就是这样一位具有哲学批判眼光的科学家，他对物理科学所作的重大贡献，成为现代自然科学飞速发展的新起点。他通过自己切身的科学实践和对科学发展历史的系统考察，从哲学的高度总结了现代自然科学的发展规律，揭示了科学理论的基本概念和基本关系进化的层次结构，创造了适应于现代科学理论发展特点、独具风格的科学方法。
一、基本概念和基本关系是构成科学理论的基础
什么是科学理论？爱因斯坦通过理论探索的实践和对科学历史的考察，提出了自己的见解。他说：“由经验材料作为引导，研究者宁愿提出一种思想体系，它一般的是在逻辑上从少数几个所谓公理的基本假定建立起来的。我们把这样的思想体系叫做理论。”
按照他的意见，这样的思想体系是由科学概念和对这些概念有效的定律，以及用逻辑推理得到结论这三者构成的；从逻辑结构来看，又可分为理论的基础（即基本概念和基本关系）和理论的演绎推理这样两个层次。基础只占很小的部分，而演绎推理占了绝大部分。当然，这样的思想体系并不是理论的唯一形态，但是当科学自身的发展，从初级的经验科学的形式脱胎出来，进入高级的理论科学的阶段时，必然要采取严密的逻辑演绎形式。只有这时自然科学研究对象中普通的本质的联系，才能被这种逻辑演绎的思想体系所把握，对它的各个方面才能加以精确的描述。这已是今天科学界所公认的。
“如果理论自然科学想要追溯自己今天的一般原理发生和发展的历史，它也不得不回到希腊人那里去”。研究科学认识逻辑结构的，最早是古希腊的哲学家亚里士多德，他在《工具篇》 中分析了人的思维的一般结构，系统地论述了演绎证明的三段论形式，认为一切真命题，可以通过能直接理解的基本概念和不证自明的基本命题，运用逻辑证明的方法推演出来。这在当时的科学水平上确实是一个了不起的思想。古希腊的数学家欧几里得，首先把这一思想运用于几何学，系统地总结了自泰利士以来几何学发展的成果，通过几何学的基本概念和公理，建立了几何学的逻辑演绎体系。他写的《几何原本》 是一部不朽的著作，2000多年来一直是数学科学理论著作的范本，他所开创的公理化方法，也影响着现代自然科学的理论形态。在近代物理学发展中，第一个系统地引进逻辑演绎方法的是牛顿。他总结了哥白尼、伽利略、开普勒以来物理学的成果，运用力学的基本概念和运动的基本定律，建立了牛顿力学的知识体系。他的著作《自然哲学的数学原理》，以严密的数学和逻辑的工具；描述了从宏观到宇观的各种力学现象。当人们运用牛顿的理论对于哈雷彗星、海王星所作的预言得到实验观测证明时，这一理论体系的巨大威力就更加充分地显示出来。牛顿力学的方法论意义，对于以后自然科学理论的影响是深远的。
爱因斯坦的伟大功绩，就在于他在现代科学发展的条件下，批判地继承了前人科学理论的成果和方法，在作出科学重大发现的过程中，创造了适应现代科学理论特点的科学方法，从而把现代科学理论的逻辑结构提高到新的水平。我们认为他的贡献主要在以下三个方面：
首先，他对基本概念和基本关系与经验事实之间的关系，作了唯物主义的解释。长期以来，人们都习惯于把几何的公理看成是不证自明的，在人的思维中先验存在的东西，是绝对不能动摇的；也有人试图从数学本身说明这些公理和概念的根源。爱因斯坦则认为科学理论的基本概念和基本关系只能从经验事实中得到说明，而欧几里得几何学的“致命的错误在于：认为先于一切经验的逻辑必然性是欧几里得几何的基础，而空间概念是从属于它的。这个致命错误是由这样的事实所引起的：欧几里得几何的公理构造所依据的经验基础已被遗忘的 了”。这就是说，人们总是先有了几何形状的感觉经验，然后对这些感觉经验加以提炼，形成了严格的几何学的概念和公理。这些概念和公理并不是自明的，“几何的经验内容只有在整个物理学的框子里才能被陈述和验证”，而不能从几何学的自身中得到说明。认识了几何概念和公理对于感觉经验的依赖关系，就容易理解随着人们实践经验的变化，几何学的概念和公理有时为什么也可能发生变化。
第二，爱因斯坦提出了基本概念和基本关系的逻辑完备性原则。在欧几里得几何学和牛顿力学的逻辑体系中，作为理论基础的基本概念和基本关系，没有经过严格的筛选，数量较多，因而缺乏严格的逻辑完备性，这在一定的程度上降低理论体系的真理性。例如欧几里得写的《几何原本》 中所选用的基本概念就有点、线、线的端点、面、面的边缘、平面、圆、圆的直径等20多个。牛顿在他的《自然哲学的数学原理》 中列出了质量、动量、时间、空间、力等8个基本概念而在这部著作的手稿中使用的基本概念则更多。爱因斯坦认为，一个逻辑上完备的理论体系中，需要把“逻辑上不能再简化的基本概念和公理的数目减少到最低程度”，以便“在世界图景中尽可能地寻求逻辑的统一，即逻辑元素最少”。
这种理论体系中的基本概念和基本关系，是在经验事实的引导下通过直觉引入的，不能用其他概念加以定义，不能用其他的关系推导出来，即它们在逻辑上不能再进行分析和简化。这些基本概念和基本关系可以用来把握对象的本质，但又找不到它们的逻辑根源，因此，爱因斯坦把它们的内容称之为“尚未理解的东西的残余”。尽管爱因斯坦对这种逻辑完备性的表述缺乏严密的数学语言，但这一思想无疑包含着丰富的内容。我们认为它至少应当包括：（1） 每一个基本概念或基本关系分别在逻辑上必须互相独立，在这种概念和公理的体系中，不存在多余的，即可以被其他基本概念或基本关系所规定的逻辑元素，这样，体系的基本的逻辑元素将达到最少；（2） 逻辑完备性要求基本概念和基本关系的数量尽量地少，但是要有一个最低限度，如果低于这个最低限度，则这种理论必定对于研究对象不能作出完全的描述；（3） 这些基本概念和基本关系，应当逻辑上贯彻一致，不应当从其中一部分逻辑元素推论出与另一些逻辑元素相矛盾的推论来。
第三，爱因斯坦阐明了基本概念和基本关系在科学理论体系中的地位和作用。这些基本的逻辑元素，虽然在理论的逻辑结构中仅占很小的一部分，但是，它是构成理论的基础，对于理论的性质具有决定性的作用。他说：“这里的基础这个词，并不意味着同建筑的基础在所有方面都有什么雷同之处。从逻辑上看，各条物理定律当然都是建立在这种基础上面的。建筑物会被大风暴或者洪水严重毁坏，然而它的基础却安然无恙；但是在科学中，逻辑的基础所受到的来自新经验或者新知识的危险，总是要比那些同实验有较密切接触的分科来得化大。”
例如，欧几里得几何学的公理就不是绝对不可动摇的。当人们多次试图证明它的平行公理而遭到失败之后，就想到用其他公理来代替这条独立的平行公理，以便建立几何学的新体系。于是，就出现了与欧几里得几何学并列的洛巴切夫斯基几何学和黎曼几何学的菲欧几何学体系。按照现代物理学的观点来看，这种体系在反映现实空间的几何属性方面，具有更大的普遍性。不同的理论基础决定了理论具有不同性质和形态。爱因斯坦据此把科学理论分为两大类：一种是由一些简单的基本假设建立起来的构造性理论，气体分子运动论把分子假定为没有大小的钢性小球，通过力学定律，对气体的压强、温度、比热、扩散等现象作出解释。这种理论适应性强，容易理解，但基础不稳固。
另一种是原理理论，它是从可靠的经验事实中得到的普遍原理为基础建立的理论，如从试制永动机的失败中得到的热力学定律为基础所建立的热力学的理论体系。这种理论基础比较稳固，逻辑上完整。
爱因斯坦对各个历史时期的科学理论的基础，作了大量的细致的分析和研究，探讨了建立这种可靠基础的一般原则和方法。这对于他创立相对论，特别是创立广义相对论，进行统一场论研究，提供了有力的思想武器。基本概念和基本关系，是科学理论体系中最核心和最抽象的部分，反映着科学对象中最深刻最本质的联系，其中蕴涵着丰富的内容。正如列宁所说的：“物质的抽象、自然规律的抽象、价值的抽象及其他等等，一句话，那一切科学的（正确的、郑重的、不是荒唐的） 抽象，都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。”
基本概念和基本关系，只能由经验事实来提示，而不能从逻辑上再加以分析，这说明它的更深刻的根源人们还是不清楚的，这就反映了人们科学认识深度的一种界限。但是，随着科学的进步和认识的深化。基本概念和基本关系的更深刻的根源就会被揭示出来。它们将不再是“基本” 的了，从发展的观点看，它们只具有相对的意义。
二、基本概念和基本关系是创造性思维的成果
既然基本概念和基本关系是科学理论的基础和核心，那么运用什么方法才能提出正确的基本概念和基本关系，对于发展科学理论就是一个具有决定意义的问题了。
自然科学理论的内容和形式是一种时代的产物，研究理论的方法也必然要打上时代的烙印。在古代人们探索物质世界的本源，除了靠自己的手、脑之外，是没有什么有效的工具和手段可以使用的，因此，不论是古希腊人的“原子” 概念，还是中国古代思想家的“元气” 概念，都只不过是一种“天才的自然哲学的直觉”，带有朴素直观的猜测性质。
近代的自然科学开始于实验，那时一般定理的提出，多是运用归纳法，对大量的经验材料进行整理，使之上升为一般的经验定律。牛顿曾经说过：“在实验物理学上，一切定理由现象推得，用归纳法推广之。”
也许由于这个原因，他主张科学中不应当考虑假设。这种实验归纳的方法就成为近代自然科学的传统方法，它在科学发展史上曾经起过积极的作用。
但是，爱因斯坦认为，今天随着科学认识的不断深化，当科学理论的基本概念和基本关系变得愈来愈远离经验事实、愈来愈抽象的时候，那种适用于科学初始时期的、以归纳为主的方法，已不适应现代科学理论发展的要求，它正在让位于探索性的演绎法。他说：
“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，并没有逻辑的道路；只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”
他强调这些概念和关系“从逻辑上来看，都是思维的自由创造，它们不能从感觉经验中归纳地得到”。基于这种方法论的思考，他把科学理论的建立分为两步：首先是创造概念，发现原理；然后是逻辑推理，建立体系。他对现代科学认识的途径，提出了一个普遍的命题：“从特殊到一般的道路是直觉性的，而从一般到特殊的道路是逻辑性的”，现代科学认识的过程和过去相比已有方法论上的重要区别。爱因斯坦把科学认识中的创造性的思维和逻辑演绎统一起来，这是他的科学方法的一大特色，其中蕴涵着一定的辩证法思想。
爱因斯坦以敏锐的批判眼光，指出了归纳方法的时代局限性，这是正确的。因为传统的归纳方法本身缺乏严密的逻辑结构，从一部分事实推论出的普遍结论，往往是不完全的，而对于事物内部的本质联系，就更是无能为力的了。爱因斯坦认识到这种方法的缺陷，为了适应科学向更深层次发展的要求，就需要进一步发挥思维的能动作用，用直觉、想象、思维的“自由创造” 等创造性的思维形式，去克服传统归纳法的缺陷，并代替这种方法。这在认识论上是有意义的。恩格斯说过，归纳法事实上“是很不中用的，甚至它的似乎是最可靠的结果，每天都被新的发现所推翻”。当然，我们在批评归纳法的局限性时，不能像爱因斯坦那样对归纳法全盘予以否定。对于一些现在尚未成熟的科学（经验科学阶段） 来说，归纳法还是有用的。归纳法本身还有一个改造问题。在现代科学的认识中，归纳法作为一种辅助的方法，与演绎法也是互相联系着的，“应当把每一个都用到该用的地方”。
爱因斯坦在阐述他的创造性思维过程时，多次使用了“直觉” 这个概念。但是，他并没有对直觉给出一个明确的具体的科学含义。而现在人们对思维的直觉过程还缺乏充分的研究，因而对直觉的解释也就众说纷纭。从历史上看，近代西方唯理论学派的笛卡儿、斯宾诺莎等人，都把直觉看作是人类认识自然本质的一种超逻辑的理性活动，是经过一段不自觉的思考之后的突然顿悟。我们认为爱因斯坦在这里正是借用了这一直觉的概念，在现代科学认识的条件下，赋予它唯物论的内容，用以表达他的创造性思维的形式。
首先，爱因斯坦所主张的“直觉” 的前提，是要对经验事实作缜密的考察，其直觉的成果又要受经验事实的检验，即基本概念和基本关系的体系“要尽可能做到同感觉经验的总和有可靠的（直觉的） 和完备的对应”。在他看来，基本概念和基本关系由经验事实来提示，通过数学的方法加以概括，是最理想的。他说：“科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可以用精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。”
