从普京发问谈起,到底什么是科学?
2017-10-24 09:22:26
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文 | 张双南(中国科学院高能物理研究所研究员)

  科学研究赋予我们的启示【张双南:从普京发问谈起,到底什么是科学?】

  俄罗斯在和德国联合研制一个以暗能量为主要研究目标的空间 X 射线天文卫星。几年前(当时暗能量的研究刚刚兴起),时任俄罗斯总理的普京在听取了关于这个项目的介绍后,问了两个问题:“暗能量有用吗?暗能量危险吗?”当时一个科学家是这么回答的:“我不知道。不过在 100 年前,如果你问爱因斯坦相对论是有用还是危险,爱因斯坦一定回答不知道。但是今天我们知道相对论既有用,也危险。”现在,核能、诊断和治疗癌症的加速器、GPS 等等都离不开相对论的应用,但核武器也同样是相对论的应用!

  顺便提一下我自己的一个故事。几年前我应邀在中国科学技术大学交叉科学中心作一个关于黑洞理论研究的报告,报告之后有一个学生问我这个研究有什么用处。我不假思索地回答:“我不知道,但是我想搞明白这个问题。”会场上立刻掌声雷动。此刻我也终于明白了为什么中科大是中国科学研究的圣地之一,也是最具有科学精神的校园之一。我每次到科大访问,漫步在科大的校园,都感觉到科学的幽灵在飘荡,以前这种感觉只有在我参观西南联大遗址的时候才出现过。

  什么是科学

  我们需要从三个层面上来回答“什么是科学”这个看似简单的问题,也就是需要明确科学的三个要素。

  科学的第一个要素就是科学的目的。事实上,如果我们问很多职业科学家科学的目的是什么,他们都会回答:科学的目的是造福于人类。这个回答并不完全正确,或者可以说完全不正确。

  科学的确可以造福于人类,事实上很多科学研究的成果都已经被用来造福于人类,人类的生活品质和水平也由于科学成果的应用而不断得到快速提升,今天很多科学研究项目的直接目的就是造福于人类。但是科学的目的本身并非如此,是人类出于各种目的,在很多情况下利用科学成果造福了人类。科学成果同样可以给人类造成灾难,这样的例子同样也是不胜枚举。

  生物、化学研究的初衷并非是研制武器,但现在生化武器已屡见不鲜。图为储存生化武器的容器。

  因此科学的目的既不是造福于人类,也不是危害人类。科学的目的就是刨根问底,也就是发现各种规律,比如我们前面说的天文学研究所发现的自然规律奠基了包含牛顿力学的广义相对论和量子力学两大基础物理学科,但是如何应用这些规律则并不是科学本身的目的。因此科学家在研究科学的时候可以只关心这些规律本身,并不需要关心它是否有用、是否危险,当然这并不排斥科学家选择开展自己认为是否有用、是否危险的科学研究工作。

  需要进一步说明的是,科学研究所发现的规律并不限于自然科学研究的自然规律,也包括其他各种规律,比如社会科学所研究的各种规律。自然科学和社会科学所研究的对象不同,所发现的规律当然也不同,但是它们的目的都是掲示“规律”,而且它们也都符合科学的另外两个要素。但是,并不是所有掲示规律的学术研究都是科学研究,因为很多学术研究都不完全符合科学的另外两个要素。

  科学的第二个要素是科学的精神,包括三个内容:质疑、独立、唯一。

  “质疑”其实是最基本的科学精神,也就是对于以前的结果、结论、甚至广泛得到证实和接受的理论体系都需要以怀疑的眼光进行审视。但是“质疑”并不完全等同于“怀疑”,更不是全面否定。“质疑”实际上是批评地学习和接受,其目的是掲示以前工作的漏洞、缺陷、不完善、没有经过检验、或者不能完全适用的地方。比如爱因斯坦对牛顿力学和牛顿引力理论质疑的结果是发现了牛顿力学和牛顿引力理论只有在低速(相对于光速)和弱引力场(空间扭曲可以忽略)的情况下才是正确的,否则就需要使用狭义相对论和广义相对论。

  “独立”有两层含义,一方面指的是科学研究所发现的规律“独立”于研究者以及研究手段和研究方法。另外一方面指的是科学研究者必须具有独立的思想,科学研究工作也是独立进行的。只有独立做出的科学研究成果才有科学价值,当然这并不排斥学术交流和学术合作,因为交流与合作往往是激发研究者个人创造力的有力途径,创造力是最终产生髙度原创性独立研究成果的根本原因。

  日暮中的甚大天线阵(Very Large Array,VLA)。这台望远镜是由 27 台 25 米口径的天线组成的射电望远镜阵列,位于美国新墨西哥州,是世界上最大的综合孔径射电望远镜。

  但令人担忧的是,现在学术界有种现象,就是“主流”学者有意识或者无意识地压制或者扼杀所谓“非主流”学术研究,似乎“主流”研究是重要和髙水平的,而“非主流”研究是不重要和低水平的。事实上,有不少从事“主流”研究的学者常常是人云亦云和随大流,和“独立”的科学精神背道而驰,而从事“非主流”研究的学者则是在开展独立研究。

  回顾科学史,我们很容易发现,现在“主流”的学说或者理论以前都是“非主流”的,科学的发展历程就是“非主流”不断地取代“主流”的历程,而这正是“独立”的科学精神的具体体现。

  “唯一”指的是科学规律的唯一性,勿用过多地解释。在这里仅仅引用彭桓武先生 2005 年 4 月 15 日 在“世界物理学纪念大会”上的讲话:

  物质世界虽然千变万化,但却十分真诚,“在同样条件下必然出现同样现象”。

  由于科学的目的就是揭示科学规律,离开了“唯一”的科学精神,也就无所谓“刨根问底”,科学的目的也就不再存在,当然科学研究也就无法进行,因为科学研究方法基本上就是通过天文学的研究围绕着科学规律的唯一性发展出来的。

  科学的第三个要素是科学的研究方法,也包括三个内容:逻辑化、定量化和实证化。

  科学研究显然起源于哲学,而哲学研究所建立的逻辑化正是科学方法的一个关键内容。通过学术研究获得的博士学位前面往往加上“哲学”而被称为“哲学博士”,就是这个原因。

  古希腊宇宙观 “地心说”的建立是以毕达哥拉斯和亚里士多德等哲学家对当时天文观测的经验进行整理归纳和推理演绎之后得到的。同时“地心说”也被注入了人本主义的哲学思想,认为地球处于宇宙的中心是最为合理的,这是“地心说”统治了学术界大约两千年的主要原因,直到哥白尼突破了这个哲学思想而建立了“日心说”。

  在使用哲学的逻辑化开展科学研究的过程中,定量化是必不可少的。没有定量化,就无法通过归纳建立模型,也无法对模型进行演绎来做出预言,并被进一步的观测或者实验检验。数学的研究所建立的各种计算方法和工具使得科学研究和现在一般意义上的哲学研究开始分道扬镳。而科学研究的定量化又使得科学研究的成果能够得到实际应用,这是科学和哲学彻底分离的最显著标志。

  关于现代科学和哲学的关系,一代物理学大师费曼(1918 年~ 1988 年)有一句名言:“哲学和科学一般没有关系,当发生关系的时候一般都是哲学损害科学。”当然这是费曼对科学史的解读。

  实证化则是最需要被强调的科学研究方法。从天文学的研究带来的人类认识宇宙的几次大飞跃中都可以看到,每一次重要的进展都是当旧的模型预言和新的观测结果矛盾,或者旧的模型完全没有预言到的观测结果无法用旧的模型进行解释。旧的模型可以被新的观测或者实验所推翻或者修改,但是这些旧的模型也都是科学理论,是追求“唯一”正确的科学理论的历程中所必须经过的阶段。

  因此可以被证伪的理论才是科学理论,但是不一定是正确的,或者不一定是在所有的情况下都是正确的。能够解释已知现象,但是不能被证伪的理论不是科学理论,比如玄学等。科学巨匠爱丁顿(1882 年~ 1944 年){也有说是物理学家泡利(1900~1958)或者费米(1901—1954)}对于不能被证伪的理论有一个恰如其分的定论:“连错误都谈不上。”也就是说,不能被证伪的学术理论或者模型甚至连错误的科学理论或者科学模型都算不上。

  现在有不少的科学研究都忽视了实证化。做模型、建理论、写文章的动机和结论都局限在解释已有的观测数据或者实验结果,而很少甚至完全不考虑模型或者理论能够做出什么预言、这些预言如何被进一步的观测或者实验检验。

  我本人最近就犯了这样的一个错误。我在一篇文章中建立了脉冲星磁场演化的一个唯象模型,这个模型成功地解释了过去几十年积累的所有有关的脉冲星观测数据,但是文章的初稿中没有做出明确的能够被未来的研究所检验的预言。审稿人的一句话使我如梦方醒:“你可以作出一个预言吗?”我自己很得意的模型差一点成为连错误的科学理论都算不上的模型!

  我们已经知道,科学巨人爱因斯坦在建立了广义相对论之后,不但解释了水星近日点的反常进动,而且还预言了光线的引力弯曲将是区分广义相对论和牛顿引力理论的关键。爱因斯坦的科学素养给我们树立了一座丰碑,值得我们永远认真地学习。

  科学和其他学术研究的关系

  关于科学和其他学术研究的关系,讨论较多的可能就是哲学是不是科学,数学是不是科学等等。

  诚然,现代科学的确起源于哲学,哲学的逻辑化是科学研究方法的重要内容,而数学则是科学定量化方法的基础。但是现在一般意义上的哲学研究不但缺乏定量化,而且哲学理论的实证化也几无可能。实际上,我们很难说哲学研究的目的是掲示什么唯一的规律,所以哲学的目的和精神也和我们讨论的现代科学有很大的差异。因此,既然哲学的目的、精神和研究方法都和现代科学有很大的不同,所以严格地说,哲学并不是科学。

  数学和科学的划分则困难得多。其实国外在正式的场合常常把我们国内称为的“理科”写为“科学和数学”,也就是把科学和数学并列,说明数学不能被简单地列为科学的一个分支。很多大学的数学系被写成“数学系”或者“数学科学系”,后者很显然是希望强调数学的科学性质。

  事实上,也许数学和科学的唯一区别在于实证化问题。数学是定量化的逻辑推理,只要推理过程没有错误,就是正确的数学理论,原则上并不需要通过观测或者实验进行检验。所以实证化和我们前面强调的证伪问题对于数学研究并不是最重要的,尽管科学研究的证伪几乎总是需要进行数学计算的。因此严格地讲,数学不是科学,但是和科学关系非常密切。至于应用数学的一个分支——数学建模,和科学的关系则更加密切。实际上,应用数学的很多分支已经成为科学研究的一些重要研究领域。

  因此广义地把数学列为科学的一个领域也未尝不可。很多大学里的“科学学院”里面设有“数学系”,以及很多国家的科学院里面都设有“数学部”,大概就是这个原因了。

  尽管哲学和数学在严格意义上都不是科学,但是哲学和数学也都是严肃的学术研究,而且显然是非常重要的学术研究。我们并不能说科学比哲学或者数学重要,它们之间没有髙低贵贱之分。这说明学术研究不一定都是科学研究,再比如历史、 文学、艺术、工程技术等学科。事实上,很多学术研究在不少层面上可能都比科学研究更加重要。

  但是,科学研究并不是局限在“理科”,传统意义上的有些“文科”学术研究由于引进了科学的研究方法,也已经成为了科学研究的重要领域,比如心理学、行为学、精神学、社会学、经济学等学科。

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