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什么是科學 - 盧昌海 - 本文匯集了本人所寫的幾篇科學哲學方面的短文。 其中 科學的目的 原先標題為 “什么是科學 (一)” (該文的續篇后來單獨發表為 科學的方法)。 小議數學與物理、 關于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 則是在繁星客棧上與網友討論時發表的短文。 The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible. - Albert Einstein 很佩服做哲學研究的人， 無論什么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復雜了。 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[注一]。 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。 后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么會這樣； 他后來成為了物理學家， 因為他想知道事情為什么會這樣。 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說清楚的。 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后是有原因的， 這是科學存在的前提， 也是任何智慧存在的前提。 至于這個宇宙為什么是有邏輯規律的， 這并不屬于科學的范疇。 我們存在于這樣一個宇宙之中， 這是一個基本的經驗事實[注二]。 這個經驗事實也意味著邏輯推理的有效性是一個近乎于先驗的基本事實。 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于把一切歸因于上帝， 就象《圣經》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《圣經》只不過是把它所要 “解釋” 的東西羅列了一遍， 上帝第一天創造什么， 第二天創造什么…… 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， 也并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。 僅限于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， 也更接近于歷史而不是科學。 那么， 對自然現象什么樣的理解能夠構成實質意義上的簡化， 并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， 也是科學有別于宗教的一個極其本質的特征。 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。 由于——如前所述——邏輯推理的有效性是一個近乎于先驗的基本事實， 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著初等的邏輯推理了。 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于無限的推論， 而且這些推論是以非常確鑿并且獨立于個人意志的方式存在著的。 一個科學理論一旦提出， 就以一種嚴謹而謙虛的方式存在于學術界。 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， 就意味著理論被推翻， 或者其局限性被發現。 科學理論的這一特征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)。 也就是說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， 由于科學理論有著明晰的邏輯結構， 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， 正是得益于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[注三]。 綜上所述， 科學的目的可以大致地敘述為： 科學尋求的是對自然現象邏輯上最簡單的描述。 >> 請閱讀續篇 科學的方法
二零零二年五月二十三日寫于紐約 先來議論幾句數學與物理的關系， 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， 只能憑記憶說了)： 數學當它不與物理實在相聯系的時候， 它是嚴格的， 而當它與物理實在相聯系的時候， 它就不再嚴格了。 以幾何為例， 最初它來源于經驗， 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， 大意是說把幾何公理中的點、 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。 這就是說幾何體系中的那些基本概念， 它們究竟是什么并不重要， 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， 它們并不需要對應于現實或經驗世界中的任何具體的東西。 也正因為如此， 對于這樣的形式體系， 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， 關鍵在于其是否自洽 (原本還可以加上完備性， 但由于 G?del 同志把水大大地攪渾了， 就先從略， 以后再論)。 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。 比方說如果我們把幾何中的線對應于物理上真空中的短程線 (當然也可以象 Hilbert 那樣把線對應于酒瓶， 但對于普通酒瓶來說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， 并且完全有可能被證偽 - 即 Einstein 所說的 “不再嚴格”。 二零零四年三月十九日寫于紐約 原則上不可觀測的東西通常不是物理學研究的對象。 不過這并不意味著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， 并且具有預言能力…… 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。 舉個例子來說， 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， 但這并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， 而且并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。[注一] 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， 在這里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么多流派， 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， 卻依然說不清道不明， 形成永遠爭論不完的話題。:-) 注釋
二零零四年七月二日寫于紐約 哲學與物理學的差異之一是哲學側重于通過思辯的方式來研究問題， 而物理學 (現代物理) 側重于通過數學的方式。 在一些很基礎的物理問題上物理學家也許并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， 但這并不意味著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， 其后果是完全不同的。 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后人們可以回溯到某位哲學家的思想時也一樣， 因為那些思想本身并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啟示， 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致， 但在引導科學研究時卻未必不如從哲學家那里學來的有效。 這么說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。 其實別說哲學， 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銳利的武器。 二零零四年七月六日寫于紐約 客棧里有關科學與宗教的討論已經進行了很長的時間。 在這些討論中， 反復出現過這樣的場景： 那就是當有人提出科學優于宗教時， 就會有人反駁說科學也有不能解釋的東西[補注一]。 我想這里需要提出的一點是： 我們支持科學， 首先支持的是她的精神與方法， 其次才是她的內容。 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， 在于他們對待未知及對待自身的方式迥然不同。 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， 不拘泥于已有的知識體系， 實際上卻忽略了一個最重要的地方： 那就是正因為我們的各種知識體系都是有局限的， 才更需要一種能夠客觀理性地對待自身局限性的認知方式。 宗教顯然不具有這種客觀對待自身， 隨時愿意接受證偽的素質。 而科學則具有這種素質， 這是我們認為科學遠遠優于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——如果 “正確” 是可以達到的話。 但這種通過科學方法所獲得的知識體系——盡管已經是人類知識中最值得珍視的部分——它本身的價值對于我們討論科學來說還只是其次的。 只要科學的精神與方法存在， 就算所有具體的科學知識都失去了， 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， 她依然能夠重新發展起來， 并遠遠超越其它認知方式。 二零零五年九月十三日寫于紐約 補注
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