什麼是科學：科學的目的及方法_風聞

撰文 | 盧昌海

我們並無任何已被確認的、能理解全部自然現象的科學理論。

The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.

- Albert Einstein

科學的目的

很佩服做哲學研究的人，無論什麼話題都能夠洋洋灑灑地寫出幾十萬言。有時候覺得他們有點象詩人，小中見大，平中見奇，能夠把一個簡單的概念寫複雜了。一部沉甸甸的著作常常會引起人們本能的敬畏，一句聽起來似懂非懂的話常常讓人覺得“嗯，有點哲學味”。這種敬畏，這種“哲學味”，在一定程度上使大眾疏遠了科學。曲高則和寡，自古如此。

科學的數學結構是抽象的，但科學的理念卻是樸素的[1]。當愛因斯坦為指南針神秘的方向性感到驚訝時，他只有4歲，還沒有來得及讀亞里士多德，也還看不懂康德。後來人們認為愛因斯坦是個天才，但那時候的他還只是一個晚熟的孩子。他感到了驚訝，因為他不知道事情為什麼會這樣；他後來成為了物理學家，因為他想知道事情為什麼會這樣。只有真正樸素的理念才能和一個4歲孩童的朦朧理性產生耦合，而我深信一個真正樸素的理念是不需要用幾十萬字才能説清楚的。

這個宇宙的演化是有邏輯規律的，這個宇宙間豐繁多姿的現象背後是有原因的，這是科學存在的前提，也是任何智慧存在的前提。至於這個宇宙為什麼是有邏輯規律的，這並不屬於科學的範疇。我們存在於這樣一個宇宙之中，這是一個基本的經驗事實[2]。這個經驗事實也意味着邏輯推理的有效性是一個近乎於先驗的基本事實。

就象宇宙間所有的其他存在一樣，科學的存在也是有因果的，科學存在的具體形式是和它所要達到的目的緊密相聯的。環顧我們周圍的世界，從草木竹石到飛禽走獸，從戈壁草原到冰川湖泊，小至螻蟻塵埃，大至日月星辰，世間的現象是如此的千變萬化，無窮無盡，就象滿地的珍珠，如若沒有絲線相串，何以盡拾？科學也是這個道理，萬物無窮而人力有限，理解事物的唯一有效的方法就是簡化。把許多現象歸結為一個道理，窺一隅而知全貌，就是一種最有效的簡化。尋求對自然現象的這種簡化是人類試圖理解、預言和利用自然現象的最重要途徑，也是科學樸素而優美的目標。

當然，我們也應當看到，“簡化”是一個比較含糊的字眼，不問內涵地追求簡化會使人誤入歧途。最大而又最荒唐的簡化莫過於把一切歸因於上帝，就象《聖經》所宣稱的，那比牛頓定律、麥克斯韋方程式，或相對論的基本原理簡單多了。但那不是科學，因為《聖經》只不過是把它所要“解釋”的東西羅列了一遍，上帝第一天創造什麼，第二天創造什麼……如此而已。哪怕略去其中無數的錯誤不論，這種所謂的“解釋”除生添一個上帝外，也並不構成任何實質意義上的簡化。更重要的是，這種“簡化”缺乏人們對科學的一個很基本的期盼，那就是要能夠預言未知或未來的現象。僅限於對已知及已經發生過的現象進行羅列、歸納或整理，哪怕做得很到位，也更接近於歷史而不是科學。

那麼，對自然現象什麼樣的理解能夠構成實質意義上的簡化，並且具有科學所必須具有的預言能力呢？是以邏輯推理為依據的理解。把科學的理論框架建立在邏輯推理之上是其力量的重要源泉，也是科學有別於宗教的一個極其本質的特徵。在一個科學理論中，從基本原理到對現象的解釋，是以邏輯推理的方式來銜接的。由於——如前所述——邏輯推理的有效性是一個近乎於先驗的基本事實，我相信人類遠在意識到“邏輯”這個概念之前，就已經在本能地運用着初等的邏輯推理了。邏輯推理具有極大的延展性和客觀性。從一個科學理論的基本假設出發，運用邏輯推理可以衍生出近乎於無限的推論，而且這些推論是以非常確鑿並且獨立於個人意志的方式存在着的。一個科學理論一旦提出，就以一種嚴謹而謙虛的方式存在於學術界。任何人都有權對它的基本假定和邏輯推論進行檢驗。任何一個那樣的檢驗如果得出明確的否定結果，就意味着理論被推翻，或者其侷限性被發現。科學理論的這一特徵被科學哲學家波普爾（Karl Popper，1902-1994）提升到了一個很核心的地位。波普爾寫過許多大部頭的書，其中一個基本的觀點，就是認為一個理論成為科學理論的必要條件是這個理論具有可證偽性（falsifiability）。也就是説一個理論要成為科學理論，必須明確地提出在何種情形下自己可以被推翻。這一點初看起來很出人意表，因為通常人們在思考科學理論時，往往是從證明而不是證偽的角度去考慮的。但細想一下其實卻不難理解，因為一個科學理論的推論是無窮盡的，再多的實驗也只能加強它的可信性而無法證明它的正確性。相反，由於科學理論有着明晰的邏輯結構，要推翻它卻只要有一個確鑿的反例就可以了。

人性有弱點，科學家是人，因而也不例外。疏忽、偏見，甚至蓄意的偽造都有可能帶來謬誤。科學之所以能夠在探索自然的漫長征途中去蕪存菁，獲得卓越的發展，正是得益於科學理論嚴密的邏輯性和科學界這種公正、謙虛和理性的態度，這是人類智慧的驕傲[3]。

綜上所述，科學的目的可以大致地敍述為：科學尋求的是對自然現象邏輯上最簡單的描述。

註釋

1. 本文所説的科學是指自然科學。

2. 喜歡“人擇原理”的話，可以認為假如這個宇宙不是這樣的，那就不會有任何“人”來問“宇宙為什麼會是這樣的”。這不僅是因為在一個沒有邏輯規律的宇宙中不可能產生所謂的智慧生命(想一想什麼是智慧)，而且也是因為問問題本身就是一種邏輯的思維方式。在一個沒有邏輯規律的宇宙中，這樣的思維方式是沒有意義的。因此我們在這裏問這個問題本身就已經假定了宇宙是有邏輯規律的。

3. 相形之下，政治舞台和宗教神壇上不容挑戰的唯一真理之類的自我標榜是何等的虛偽。

小議數學與物理

先來議論幾句數學與物理的關係，拋磚引玉吧（大家快把玉準備好！）。Einstein曾經表達過這樣的意思（這些都是十好幾年前看過的東西，現在書留在了杭州老家，只能憑記憶説了）：數學當它不與物理實在相聯繫的時候，它是嚴格的，而當它與物理實在相聯繫的時候，它就不再嚴格了。

以幾何為例，最初它來源於經驗，但經過長時間的演化，到了Hilbert時代已經演化成了一個非常純粹的形式體系。Hilbert有句名言，大意是説把幾何公理中的點、線、面換成啤酒、酒瓶和酒杯（或是別的三樣東西，或是不同的順序，記不清了）也可以。這就是説幾何體系中的那些基本概念，它們究竟是什麼並不重要，重要的是它們滿足幾何公理。事實上那些概念本身正是用公理來定義的，它們並不需要對應於現實或經驗世界中的任何具體的東西。也正因為如此，對於這樣的形式體系，我們可以談論它的自洽性、完備性，可以談論體系中任何具體命題的正確性，但對整個體系本身卻不談它的正確與錯誤（如果談的話，正確指的往往就是自洽）。一個數學體系是否被數學界所認可，是否是一個數學意義上的有效體系，關鍵在於其是否自洽（原本還可以加上完備性，但由於Gödel同志把水大大地攪渾了，就先從略，以後再論）。

物理體系則不同，除了自洽之外，還有一個是否正確的問題，即是否構成對自然的一種可接受的描述的問題。一個理論體系，即便沒有任何矛盾，但如果它與觀測不符，就無法成為一個物理理論，在物理中立足。這是物理與數學的一個很大的差異。

但是在一種情況下數學也具有了是否正確的問題，那就是當我們把數學體系中的概念與物理現實中的概念對應起來的時候。比方説如果我們把幾何中的線對應於物理上真空中的短程線（當然也可以象Hilbert那樣把線對應於酒瓶，但對於普通酒瓶來説幾何公理顯然是不成立的），那Euclid幾何立即就變成了對物理世界的一種描述，幾何也就變成了一種物理。在榮升為物理理論的同時，幾何失去了數學意義上的真理性，它必須接受觀測的檢驗，並且完全有可能被證偽——即Einstein所説的“不再嚴格”。

關於原則上不可觀測的東西

原則上不可觀測的東西通常不是物理學研究的對象。不過這並不意味着物理學就不可以涉及這類東西。如果一個物理理論與實驗符合得很好，可以解釋許多物理現象，並且具有預言能力……一句話，具有一個優秀物理理論的各種性質，但同時卻涉及了一些原則上不可觀測的東西。這樣的理論是不會僅僅因為它涉及了原則上不可觀測的東西就被摒棄的。舉個例子來説，暴脹宇宙模型通常涉及大量與我們觀測宇宙在因果上隔絕——從而在原則上不可觀測——的其它宇宙，但這並沒有成為物理學家研究這一理論的障礙。物理學家們不僅積極地研究這樣的理論，而且並不認為有必要修改理論，使之恰好只包含可觀測的東西（為其它目的而修改則是另外一回事）。這就好比我們不會介意用一個定義域包含整個實軸的函數(比如線性函數)來描述一組原則上取值只能為正的實驗結果。

不過物理學家們雖然不會僅僅因為一個理論涉及了原則上不可觀測的東西就摒棄它，但另一方面，他們也不會因為一個理論在可觀測區域與實驗相符，就輕易賦予其對原則上不可觀測區域的描述以實在性。科學理論中的預言是針對原則上可觀測的現象而言的（需要説明的是，對原則上可觀測還是不可觀測作區分判定，本身就有賴於我們對物理世界的理解，從而往往不是永恆不變的。因此本文所着眼的並非是指出具體哪些東西是原則上不可觀測的，而只是説明一個物理理論不會僅僅因為涉及到(起碼在當時被認為是)原則上不可觀測的東西就被摒棄）。

容易被物理學家拋棄的是那些只涉及原則上不可觀測的東西，或者以那些東西為主體，卻對可觀測現象缺乏良好描述能力的理論。要注意的是，在這裏被接受與被拋棄之間的界限是十分模糊的。把這一界限搞清楚通常是科學哲學家喜歡的課題。不過我覺得科學哲學之所以有那麼多流派，很重要的一個原因就是科學哲學家們往往試圖把一些沒有可能、或沒有必要精確化的東西加以精確化。對一個本質上模糊的東西精確化顯然會有許多不同的做法，在模糊地帶各人可以有不同的劃界方法，每種劃界方法都有其道理，同時卻不免都有反例（否則就不模糊了）。出現反例大家就修改界限，結果改來改去，把界限改得跟分形似的，卻依然説不清道不明，形成永遠爭論不完的話題。:-)

小議物理學與哲學

哲學與物理學的差異之一是哲學側重於通過思辯的方式來研究問題，而物理學（現代物理）側重於通過數學的方式。在一些很基礎的物理問題上物理學家也許並不比哲學家高明太多，就象在一次馬拉松賽跑的開始十米中我們可以與冠軍選手跑得一樣快，但這並不意味着兩者之間差異就真的很小。在science community中，沒有了哲學家與沒有了物理學家，其後果是完全不同的。現代物理的任何進展幾乎都不可能由純哲學思辯來獲得，即使是當一些進展出現後人們可以回溯到某位哲學家的思想時也一樣，因為那些思想本身並不足以成為現代科學，而且往往永遠也不足以單獨成為現代科學。我懷疑如果人們足夠仔細，也許會在某位哲學家的文字中找到暗示弦而非粒子是世界本原的見解，沒有人會認為這樣的哲學家和Edward Witten差不多高明，或對物理世界的理解差不多深刻。

一些物理學家的確從純哲學著作中得到過方法論上的啓示，但不是所有物理學家都如此。在很多時候，物理學家從自己的研究中得到的方法論上的心得雖不如哲學家的思維那樣精緻，但在引導科學研究時卻未必不如從哲學家那裏學來的有效。

這麼説不是要抹殺哲學的意義（我自己對哲學也不無興趣），不過我認為不能因為在某些方面物理學和哲學一樣無能為力，就認為兩者對現代科學所起的作用可以比擬。其實別説哲學，在某些大家一樣無知的領域，物理學甚至不比神學、巫術，乃至街頭混混的癔語高明多少（所有的“零”都是差不多的），但最終將是物理學而非其它成為探索自然本原最鋭利的武器。

「小議數學與物理」、「關於原則上不可觀測的東西」、「小議物理學與哲學及科學的內容與科學的方法」是作者在其個人主頁上與網友討論時發表的有關“什麼是科學”的短文。

科學的內容與科學的方法

除科學的目的外，在本文中我們還將用到一個有關科學的基本事實，那就是：

有關科學的基本事實：我們並無任何已被確認的、能理解全部自然現象的科學理論。

上述事實應該是足夠顯而易見的，而且顯然是被科學界所普遍認可的。當然，我們都知道，世界要比科學界大得多，在科學界之外也有很多人宣稱自己在做“研究”，並且口氣往往很大。如果他們當中有人認為自己已經有了可被確認的、能理解全部自然現象（從而可以推翻上述基本事實）的理論，那麼我願意從無數個自然現象之中舉出一個特定的現象——μ 子反常磁矩——供他們做初步自檢。

明確了科學的目的及上述有關科學的基本事實，我們就可以以之為出發點，來回答一個對本文來説具有核心意義的問題，即什麼樣的方法是我們追求科學的目的時應該採用的正確方法？這個問題的答案並不複雜。我們首先注意到：既然我們並無任何已被確認的、能理解全部自然現象的理論，那麼為追求科學的目的所提出的任何東西就都存在出錯的可能性。而既然存在出錯的可能性，那麼糾錯就是必不可少的。因此，追求科學目的的正確方法所須滿足的第一個基本特徵就是允許糾錯，並且具有糾錯能力：

追求科學目的的正確方法所須滿足的基本特徵之一：允許糾錯，並且具有糾錯能力。

既然需要糾錯，那麼接下來的一個很自然的問題就是：以什麼為依據來糾錯？這個問題的答案也很簡單：既然科學尋求的是對自然現象邏輯上最簡單的描述，那麼糾錯的依據顯然就是自然現象及邏輯推理。由於我們瞭解自然現象的基本途徑是觀測與實驗[1]，因此追求科學目的的正確方法就必須尊重觀測與實驗，尊重邏輯推理。這是糾錯的依據，也是追求科學目的的正確方法所須滿足的第二個基本特徵：

追求科學目的的正確方法所須滿足的基本特徵之二：尊重觀測與實驗，尊重邏輯推理。

這兩個基本特徵正是科學方法的基本特徵，反過來説，任何方法只要切實滿足上述基本特徵，就是科學方法，這可以説是科學方法的定義（或定義的一部分）。雖然科學哲學的推理大都是模糊的，有時甚至是似是而非的，但上述推理在我看來是例外，只要認同前面所列的科學的目的及基本事實，上述特徵就是必然推論，在這點上並無多少模糊性。從這個意義上講，科學方法不僅優於其它認知方法，而且還是追求科學目的的唯一正確的方法。

當然，這裏有必要説明一點，那就是不用科學方法，或者説用不正確的方法，未必一定不能產生出對科學有用的東西，它只是不能系統性地產生那樣的東西，而且隨着科學的不斷發展，不用科學方法而產生出對科學有用的東西的可能性會越來越小。為民科辯護的人常常會説：民科的東西未必一定是錯誤的。説得很對，其實別説是民科的東西，哪怕是胡亂敲擊鍵盤的猴子敲出的東西，也會有一個不為零的概率能包含一些正確的東西（是否有人願意為了那樣的概率來閲讀那樣的東西，就另當別論了）[2]。但是，不管用什麼方法得到的東西，如果要成為科學理論，就必須接受科學方法的檢驗[3]。

在本文的最後，我們稍稍扯遠一點。參與或旁觀過有關科學與宗教的討論的讀者也許大都見過這樣的場景，那就是每當有人提出科學優於宗教時，往往就會有人反駁説科學也有不能解釋的東西[4]。在這裏我們要順便強調一點，那就是：我們支持科學，首先支持的是科學的方法，其次才是科學的內容。科學與人類對未知世界的其它一些認知方式之間最本質的差異，在於他們對待未知及對待自身的態度迥然不同。科學的自我糾錯、自我完善的能力是許多其它認知方式所不具有的。許多人以科學也有不能解釋的東西來為宗教等辯護，看似思路開闊，不拘泥於已有的知識體系，實際上卻忽略了一個最重要的地方：那就是正因為已有的知識體系存在侷限性，才更需要一種像科學那樣能夠客觀理性地對待自身侷限性，隨時願意接受證偽的認知方式，這是我們認為科學遠遠優於其它認知方式的最深層的原因。正是因為科學具有這種素質，我們通過科學方法所獲得的知識才遠比通過其它認知方式所得到的東西更客觀，更接近正確，也更有希望達到正確。但這種通過科學方法所獲得的知識——即科學的內容——儘管已是人類知識中最值得珍視的部分，它的價值與科學方法相比仍是其次的。只要科學方法存在，哪怕所有具體的知識都失去了，使科學的直接解釋能力暫時降到與宗教一樣薄弱的地步，假以時日，科學依然能夠重新發展起來，並遠遠超越其它認知方式。

註釋

1. 我通常用“觀測”表示對來自於自然現象的信息的直接接收(比如觀測行星的運動)，而用“實驗”表示對人為安排過的現象所做的觀測。不過實際上，哪怕“觀測”也並不是完全直接的，而是與理論有關(比如任何通過視覺的觀測都依賴於光學理論)。觀測和實驗與理論之間的關係實際上是一種相當複雜的依賴關係。不過它們之間必不可少的自洽要求還是能讓我們區分好的與壞的理論體系。比方説，如果一個理論體系認為真空中的光線是七扭八歪的，那麼我們觀測到的橢圓軌道經過這種光學理論一反推，就會對應於相當複雜的行星軌道。相應的，引力理論就不可能如牛頓引力那樣簡單。那樣的理論體系——如果能夠建立起來的話——就會明顯不如我們現有的理論體系來得優越。

2. 需要説明的是，在這裏提到胡亂敲擊鍵盤的猴子並非是要用一個概率更小的例子來貶低民科。事實上，從文字上碰對一些東西的概率，固然是民科遠遠高於胡亂敲擊鍵盤的猴子；但另一方面，一涉及到具有一定複雜度的技術性內容，情況就恰好相反：胡亂敲擊鍵盤的猴子會有一個不為零的概率碰對，而民科由於翻來覆去只會在自己那口井裏撲騰，碰對的概率反倒是零。因此這兩者是互有長短，而非一者貶低另一者的關係。

3. 當然，如前所述，方法往往取決於目的，科學的方法是為了追求科學的目的而採用的方法，在所有可能的方法中，它只是一個小小的部分。在這個世界上，不同的人有不同的追求，如果所追求的不是科學的目的，那麼相應地，所採用的也就不一定是——甚至一定不能是——科學的方法。比方説，如果所追求的是某種不容挑戰的教條——比如《聖經》或某某主義，那麼所採用的就會是一些截然不同的方法，比如自欺、欺騙、附會、偷換概念、混淆邏輯、答非所問、選擇性目盲、選擇性遺忘、請不聽話的人“喝茶”、請很不聽話的人上“火刑柱”，等等，這些都不是科學的方法。

4. 有關這一點的進一步討論，可參閲拙作科學哲學討論中的 “大規模殺傷武器”。

補註

1. 由於科學具有的眾所周知的力量，“科學”二字得到了廣泛的應用，使很多東西變成了“科學”。這其中一個重要的例子是“社會科學”。什麼是社會科學？我心目中的定義是：使用科學方法研究社會現象的學科。這個名稱要想名副其實，社會科學就同樣需要遵循科學方法的基本特徵(特徵二所提到的“尊重觀測與實驗”可改成“尊重社會調研結果”等)。用這個標準來衡量，當年那種不允許對某某主義糾錯的學科就不能稱為社會科學(因為不符合科學方法的特徵一)。

2. 在本文發表之後，快刀浪子網友提出了一個問題，那就是奧卡姆剃刀(Ocam’sRazor)算不算是科學方法的基本特徵？我的看法是：奧卡姆剃刀在科學經常受到偽科學或宗教滲透的年代是很有用的，因為它可以把上帝之類沒有邏輯價值的假設“剃”掉。不過，雖然偽科學與宗教至今仍在社會上盛行，但它們對科學界的滲透已大不如前。當代科學家在從事研究時，糾錯、觀測、實驗、邏輯推理等仍是日常行為，但已極少有機會用到奧卡姆剃刀(因為已極少有科學家在研究中提出沒有邏輯價值的多餘假設)。因此我沒把奧卡姆剃刀列為科學方法的基本特徵，雖然它也可以視為是科學目的中“邏輯上最簡單”這一用語的推論之一。

本文經作者授權發表，略有刪節。欲讀作者更多文章，可查看盧昌海個人主頁www.changhai.org，或點擊頁面左下角“閲讀原文”直達該網站。

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