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什么是科学
- 卢昌海 -
本文汇集了本人所写的几篇科学哲学方面的短文。 其中 科学的目的
原先标题为 “什么是科学 (一)” (该文的续篇后来单独发表为 科学的方法)。
小议数学与物理、
关于原则上不可观测的东西、
小议物理学与哲学 及
科学的内容与科学的方法
则是在繁星客栈上与网友讨论时发表的短文。
科学的目的
The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.
- Albert Einstein
很佩服做哲学研究的人， 无论什么话题都能够洋洋洒洒地写出几十万言。 有时候觉得他们有点像诗人，
小中见大， 平中见奇， 能够把一个简单的概念写复杂了。 一部沉甸甸的著作常常会引起人们本能的敬畏，
一句听起来似懂非懂的话常常让人觉得 “嗯， 有点哲学味”。 这种敬畏， 这种 “哲学味”，
在一定程度上使大众疏远了科学。 曲高则和寡， 自古如此。
科学的数学结构是抽象的， 但科学的理念却是朴素的[注一]。
当爱因斯坦为指南针神秘的方向性感到惊讶时， 他只有 4 岁， 还没有来得及读亚里士多德，
也还看不懂康德。 后来人们认为爱因斯坦是个天才， 但那时候的他还只是一个晚熟的孩子。
他感到了惊讶， 因为他不知道事情为什么会这样； 他后来成为了物理学家， 因为他想知道事情为什么会这样。
只有真正朴素的理念才能和一个 4 岁孩童的朦胧理性产生耦合，
而我深信一个真正朴素的理念是不需要用几十万字才能说清楚的。
这个宇宙的演化是有逻辑规律的， 这个宇宙间丰繁多姿的现象背后是有原因的， 这是科学存在的前提，
也是任何智慧存在的前提。 至于这个宇宙为什么是有逻辑规律的，
这并不属于科学的范畴。 我们存在于这样一个宇宙之中，
这是一个基本的经验事实[注二]。
这个经验事实也意味着逻辑推理的有效性是一个近乎于先验的基本事实。
就像宇宙间所有的其他存在一样， 科学的存在也是有因果的，
科学存在的具体形式是和它所要达到的目的紧密相联的。 环顾我们周围的世界， 从草木竹石到飞禽走兽，
从戈壁草原到冰川湖泊， 小至蝼蚁尘埃， 大至日月星辰， 世间的现象是如此的千变万化， 无穷无尽，
就像满地的珍珠， 如若没有丝线相串， 何以尽拾？ 科学也是这个道理， 万物无穷而人力有限，
理解事物的唯一有效的方法就是简化。 把许多现象归结为一个道理， 窥一隅而知全貌， 就是一种最有效的简化。
寻求对自然现象的这种简化是人类试图理解、 预言和利用自然现象的最重要途径，
也是科学朴素而优美的目标。
当然， 我们也应当看到， “简化” 是一个比较含糊的字眼， 不问内涵地追求简化会使人误入歧途。
最大而又最荒唐的简化莫过于把一切归因于上帝， 就像《圣经》所宣称的， 那比牛顿定律、
麦克斯韦方程式， 或相对论的基本原理简单多了。 但那不是科学， 因为《圣经》只不过是把它所要 “解释”
的东西罗列了一遍， 上帝第一天创造什么， 第二天创造什么…… 如此而已。
哪怕略去其中无数的错误不论， 这种所谓的 “解释” 除生添一个上帝外， 也并不构成任何实质意义上的简化。
更重要的是， 这种 “简化” 缺乏人们对科学的一个很基本的期盼， 那就是要能够预言未知或未来的现象。
仅限于对已知及已经发生过的现象进行罗列、 归纳或整理， 哪怕做得很到位， 也更接近于历史而不是科学。
那么， 对自然现象什么样的理解能够构成实质意义上的简化， 并且具有科学所必须具有的预言能力呢？
是以逻辑推理为依据的理解。 把科学的理论框架建立在逻辑推理之上是其力量的重要源泉，
也是科学有别于宗教的一个极其本质的特征。 在一个科学理论中，
从基本原理到对现象的解释， 是以逻辑推理的方式来衔接的。
由于——如前所述——逻辑推理的有效性是一个近乎于先验的基本事实， 我相信人类远在意识到 “逻辑” 这个概念之前，
就已经在本能地运用着初等的逻辑推理了。 逻辑推理具有极大的延展性和客观性。 从一个科学理论的基本假设出发，
运用逻辑推理可以衍生出近乎于无限的推论， 而且这些推论是以非常确凿并且独立于个人意志的方式存在着的。
一个科学理论一旦提出， 就以一种严谨而谦虚的方式存在于学术界。
任何人都有权对它的基本假定和逻辑推论进行检验。 任何一个那样的检验如果得出明确的否定结果，
就意味着理论被推翻， 或者其局限性被发现。 科学理论的这一特征被科学哲学家波普尔 (Karl Popper, 1902-1994)
提升到了一个很核心的地位。 波普尔写过许多大部头的书， 其中一个基本的观点，
就是认为一个理论成为科学理论的必要条件是这个理论具有可证伪性 (falsifiability)。
也就是说一个理论要成为科学理论， 必须明确地提出在何种情形下自己可以被推翻。 这一点初看起来很出人意表，
因为通常人们在思考科学理论时， 往往是从证明而不是证伪的角度去考虑的。 但细想一下其实却不难理解，
因为一个科学理论的推论是无穷尽的， 再多的实验也只能加强它的可信性而无法证明它的正确性。 相反，
由于科学理论有着明晰的逻辑结构， 要推翻它却只要有一个确凿的反例就可以了。
人性有弱点， 科学家是人， 因而也不例外。 疏忽、 偏见， 甚至蓄意的伪造都有可能带来谬误。
科学之所以能够在探索自然的漫长征途中去芜存菁， 获得卓越的发展，
正是得益于科学理论严密的逻辑性和科学界这种公正、 谦虚和理性的态度，
这是人类智慧的骄傲[注三]。
综上所述， 科学的目的可以大致地叙述为： 科学寻求的是对自然现象逻辑上最简单的描述。
>> 请阅读续篇 “科学的方法”
二零零二年五月二十三日写于纽约
二零零五年九月十四日发表于本站
二零一三年十一月五日最新修订
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小议数学与物理
先来议论几句数学与物理的关系， 抛砖引玉吧 (大家快把玉准备好！)。
Einstein 曾经表达过这样的意思 (这些都是十好几年前看过的东西， 现在书留在了杭州老家， 只能凭记忆说了)：
数学当它不与物理实在相联系的时候， 它是严格的， 而当它与物理实在相联系的时候， 它就不再严格了。
以几何为例， 最初它来源于经验， 但经过长时间的演化， 到了 Hilbert
时代， 已演化成了一个非常纯粹的形式体系。 Hilbert 有句名言，
大意是说把几何公理中的点、 线、 面换成啤酒、 酒瓶和酒杯 (或是别的三样东西， 或是不同的顺序，
记不清了) 也可以。 这就是说， 几何体系中的那些基本概念， 它们究竟是什么并不重要，
重要的是它们满足几何公理。 事实上那些概念本身正是用公理来定义的，
它们并不需要对应于现实或经验世界中的任何具体的东西。 也正因为如此， 对于这样的形式体系，
我们可以谈论它的自洽性、 完备性， 可以谈论体系中任何具体命题的正确性，
但对整个体系本身却不谈它的正确与错误 (如果谈的话， 正确指的往往就是自洽)。
一个数学体系是否被数学界所认可， 是否是一个数学意义上的有效体系， 关键在于其是否自洽
(原本还可以加上完备性， 但由于 Gödel 同学把水大大地搅浑了， 就先从略， 以后再论)。
物理体系则不同， 除自洽之外， 还有一个是否正确的问题， 即是否构成对自然的一种可接受的描述的问题。
一个理论体系， 即便没有任何矛盾， 但如果它与观测不符， 就无法成为一个物理理论，
无法在物理中立足。 这是物理与数学的一个很大的差异。
但是在一种情况下， 数学也具有了是否正确的问题，
那就是当我们把数学体系中的概念与物理现实中的概念对应起来的时候。
比方说如果我们把几何中的线对应于物理上真空中的短程线 (当然也可以像 Hilbert 那样把线对应于酒瓶，
但对于普通酒瓶来说几何公理显然是不成立的)， 那 Euclid 几何立即就变成了对物理世界的一种描述，
几何也就变成了一种物理。 在荣升为物理理论的同时， 几何失去了数学意义上的真理性，
它必须接受观测的检验， 并且完全有可能被证伪——即 Einstein 所说的 “不再严格”。
二零零四年三月十九日写于纽约
二零零五年九月十四日发表于本站
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关于原则上不可观测的东西
原则上不可观测的东西通常不是物理学研究的对象。 不过这并不意味着物理学就不可以涉及这类东西。
如果一个物理理论与实验符合得很好， 可以解释许多物理现象， 并且具有预言能力…… 一句话，
具有一个优秀物理理论的各种性质， 但同时却涉及了一些原则上不可观测的东西。
那样的理论是不会仅仅因为它涉及了原则上不可观测的东西就被摒弃的。 举个例子来说，
暴胀宇宙模型通常涉及大量与我们观测宇宙在因果上隔绝——从而在原则上不可观测——的其它宇宙，
但这并没有成为物理学家们研究这一理论的障碍。 物理学家们不仅积极地研究这样的理论，
而且并不认为有必要修改理论， 使之恰好只包含可观测的东西 (为了其它目的而修改则是另外一回事)。
这就好比我们不会介意用一个定义域包含整个实轴的函数 (比如线性函数) 来描述一组原则上取值只能为正的实验结果。
不过物理学家们虽不会仅仅因为一个理论涉及了原则上不可观测的东西就摒弃它， 但另一方面，
他们也不会因为一个理论在可观测区域与实验相符，
就轻易赋予其对原则上不可观测区域的描述以实在性。
科学理论中的预言是针对原则上可观测的现象而言的。[注一]
容易被物理学家们抛弃的是那些只涉及原则上不可观测的东西，
或者以那些东西为主体， 却对可观测现象缺乏良好描述能力的理论。
要注意的是， 在这里被接受与被抛弃之间的界限是十分模糊的。 把这一界限搞清楚通常是科学哲学家喜欢的课题。
不过我觉得科学哲学之所以有那么多流派， 很重要的一个原因就是科学哲学家们往往试图将一些没有可能、
或没有必要精确化的东西精确化。 对一个本质上模糊的东西精确化显然会有许多不同的做法，
在模糊地带各人可以有不同的划界方法， 每种划界方法都有其道理， 同时也不免都有反例 (否则就不模糊了)。
出现反例大家就修改界限， 结果改来改去， 把界限改得跟分形似的， 却依然说不清道不明，
形成永远争论不完的话题。:-)
二零零四年七月二日写于纽约
二零零五年九月十四日发表于本站
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小议物理学与哲学
哲学与物理学的差异之一是哲学侧重于通过思辩的方式来研究问题， 而物理学 (现代物理)
侧重于通过数学的方式。 在某些目前尚处于迷雾中的基础问题上， 物理学家也许并不比哲学家高明太多，
就像在一次马拉松赛跑的开始十米中， 普通人可以跟冠军选手跑得一样快， 但这并不意味着两者之间差异很小。
在 scientific community 中， 没有了哲学家与没有了物理学家， 其后果是完全不同的。
现代物理的任何进展几乎都不可能由纯粹的哲学思辩来获得——哪怕是在某些进展出现之后，
人们可以回溯到某位哲学家的思想时也一样， 因为那些思想本身并不是现代科学，
而且只要不脱离纯粹思辨的范畴， 往往永远也成不了现代科学。
我怀疑如果人们足够仔细， 也许会在某位哲学家的文字中找到暗示弦而非粒子是世界本原的见解，
没有人会认为那样的哲学家和 Edward Witten 差不多高明， 或对物理世界的理解差不多深刻。
某些物理学家的确从纯粹的哲学著作中得到过某些方法论上的启示 (往往是在青少年时期)，
但并非所有物理学家都如此。 更多的时候， 物理学家们用的是从自己的研究中得来的方法论上的心得，
它们虽不如哲学家的心得那样有着精致包装， 在引导科学研究时却往往更加有效。
这么说不是要抹杀哲学的意义 (我自己对哲学也不无兴趣)，
不过我认为不能因为在某些方面物理学和哲学一样无能为力， 就认为两者对现代科学所起的作用可以比拟。
其实别说哲学， 在某些大家一样无知的领域里， 物理学甚至不比神学、 巫术， 乃至街头混混的癔语高明多少
(所有的 “零” 都是差不多的)， 但最终将是物理学而非其他， 成为探索自然本原最锐利的武器。
二零零四年七月六日写于纽约
二零零五年九月十四日发表于本站
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科学的内容与科学的方法
客栈里有关科学与宗教的讨论已进行了很长时间。 在这些讨论中， 反复出现过这样的场景：
那就是当有人提出科学优于宗教时， 就会有人反驳说，
科学也有不能解释的东西[补注一]。
我想这里需要提出的一点是： 我们支持科学，
首先支持的是她的精神与方法， 其次才是她的内容。
科学与人类对未知世界的许多其它认知方式之间最本质的差异， 在于他们对待未知及对待自身的方式迥然不同。
科学的自我纠错、 自我完善的能力是许多其它认知方式所不具有的。 许多人以科学也有不能解释的东西来为宗教等辩护，
看似思路开阔， 不拘泥于已有的知识体系， 实际上却忽略了一个最重要的地方： 那就是正因为我们的各种知识体系都是有局限的，
才更需要一种能够客观理性地对待自身局限性的认知方式。 宗教显然不具有这种客观对待自身， 随时愿意接受证伪的素质。
而科学则具有这种素质， 这是我们认为科学远远优于其它认知方式的最深层的原因。 正因为科学具有这种素质，
我们通过科学方法所获得的知识才远比通过其它认知方式所得到的东西更客观， 更接近正确，
也更有希望达到正确——如果 “正确” 是可以达到的话。 但这种通过科学方法所获得的知识，
尽管已是人类成就中最值得珍视的部分， 它本身的价值对于我们讨论科学来说还只是其次的。
只要科学的精神与方法存在， 就算所有具体的科学知识都失去了，
使科学的直接解释能力暂时降到与宗教一样薄弱的地步， 假以时日， 她依然能重新发展起来， 并远远超越其它认知方式。
二零零五年九月十三日写于纽约
二零零五年九月十四日发表于本站
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