從普京發問談起，到底什麼是科學？

在 1927 年第五次索爾維會議（布魯塞爾）上，一批世界著名物理學家的合影

編者按：

　　中國科學院高能物理研究所研究員的張雙南曾寫過《仰望星空如何改變世界？》（回復 173 查看），梳理了自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來，天文學與現代自然科學的深刻聯繫。在今天這篇文章中，他繼續從目的、精神、研究方法三要素出發探討「科學是什麼」，以及科學與數學、哲學等其他學科的關係。

文 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

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科學研究賦予我們的啟示

俄羅斯在和德國聯合研製一個以暗能量為主要研究目標的空間 X 射線天文衛星。幾年前(當時暗能量的研究剛剛興起)，時任俄羅斯總理的普京在聽取了關於這個項目的介紹後，問了兩個問題：「暗能量有用嗎？暗能量危險嗎？」當時一個科學家是這麼回答的：「我不知道。不過在 100 年前，如果你問愛因斯坦相對論是有用還是危險，愛因斯坦一定回答不知道。但是今天我們知道相對論既有用，也危險。」現在，核能、診斷和治療癌症的加速器、GPS 等等都離不開相對論的應用，但核武器也同樣是相對論的應用！

歐洲核子研究中心

順便提一下我自己的一個故事。幾年前我應邀在中國科學技術大學交叉科學中心作一個關於黑洞理論研究的報告，報告之後有一個學生問我這個研究有什麼用處。我不假思索地回答：「我不知道，但是我想搞明白這個問題。」會場上立刻掌聲雷動。此刻我也終於明白了為什麼中科大是中國科學研究的聖地之一，也是最具有科學精神的校園之一。我每次到科大訪問，漫步在科大的校園，都感覺到科學的幽靈在飄蕩，以前這種感覺只有在我參觀西南聯大遺址的時候才出現過。

中科大的校園一角

什麼是科學

我們需要從三個層面上來回答「什麼是科學」這個看似簡單的問題，也就是需要明確科學的三個要素。

科學的第一個要素就是科學的目的。事實上，如果我們問很多職業科學家科學的目的是什麼，他們都會回答：科學的目的是造福於人類。這個回答並不完全正確，或者可以說完全不正確。

科學的確可以造福於人類，事實上很多科學研究的成果都已經被用來造福於人類，人類的生活品質和水平也由於科學成果的應用而不斷得到快速提升，今天很多科學研究項目的直接目的就是造福於人類。但是科學的目的本身並非如此，是人類出於各種目的，在很多情況下利用科學成果造福了人類。科學成果同樣可以給人類造成災難，這樣的例子同樣也是不勝枚舉。

生物、化學研究的初衷並非是研製武器，但現在生化武器已屢見不鮮。圖為儲存生化武器的容器。

因此科學的目的既不是造福於人類，也不是危害人類。科學的目的就是刨根問底，也就是發現各種規律，比如我們前面說的天文學研究所發現的自然規律奠基了包含牛頓力學的廣義相對論和量子力學兩大基礎物理學科，但是如何應用這些規律則並不是科學本身的目的。因此科學家在研究科學的時候可以只關心這些規律本身，並不需要關心它是否有用、是否危險，當然這並不排斥科學家選擇開展自己認為是否有用、是否危險的科學研究工作。

需要進一步說明的是，科學研究所發現的規律並不限於自然科學研究的自然規律，也包括其他各種規律，比如社會科學所研究的各種規律。自然科學和社會科學所研究的對象不同，所發現的規律當然也不同，但是它們的目的都是掲示「規律」，而且它們也都符合科學的另外兩個要素。但是，並不是所有掲示規律的學術研究都是科學研究，因為很多學術研究都不完全符合科學的另外兩個要素。

原子彈爆炸形成的巨大蘑菇雲

科學的第二個要素是科學的精神，包括三個內容：質疑、獨立、唯一。

「質疑」其實是最基本的科學精神，也就是對於以前的結果、結論、甚至廣泛得到證實和接受的理論體系都需要以懷疑的眼光進行審視。但是「質疑」並不完全等同於「懷疑」，更不是全面否定。「質疑」實際上是批評地學習和接受，其目的是掲示以前工作的漏洞、缺陷、不完善、沒有經過檢驗、或者不能完全適用的地方。比如愛因斯坦對牛頓力學和牛頓引力理論質疑的結果是發現了牛頓力學和牛頓引力理論只有在低速（相對於光速）和弱引力場（空間扭曲可以忽略）的情況下才是正確的，否則就需要使用狹義相對論和廣義相對論。

「獨立」有兩層含義，一方面指的是科學研究所發現的規律「獨立」於研究者以及研究手段和研究方法。另外一方面指的是科學研究者必須具有獨立的思想，科學研究工作也是獨立進行的。只有獨立做出的科學研究成果才有科學價值，當然這並不排斥學術交流和學術合作，因為交流與合作往往是激發研究者個人創造力的有力途徑，創造力是最終產生髙度原創性獨立研究成果的根本原因。

日暮中的甚大天線陣（Very Large Array，VLA）。這台望遠鏡是由 27 台 25 米口徑的天線組成的射電望遠鏡陣列，位於美國新墨西哥州，是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡。

但令人擔憂的是，現在學術界有種現象，就是「主流」學者有意識或者無意識地壓制或者扼殺所謂「非主流」學術研究，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。事實上，有不少從事「主流」研究的學者常常是人云亦云和隨大流，和「獨立」的科學精神背道而馳，而從事「非主流」研究的學者則是在開展獨立研究。

回顧科學史，我們很容易發現，現在「主流」的學說或者理論以前都是「非主流」的，科學的發展歷程就是「非主流」不斷地取代「主流」的歷程，而這正是「獨立」的科學精神的具體體現。

「唯一」指的是科學規律的唯一性，勿用過多地解釋。在這裡僅僅引用彭桓武先生 2005 年 4 月 15 日 在「世界物理學紀念大會」上的講話：

物質世界雖然千變萬化，但卻十分真誠，「在同樣條件下必然出現同樣現象」。

由於科學的目的就是揭示科學規律，離開了「唯一」的科學精神，也就無所謂「刨根問底」，科學的目的也就不再存在，當然科學研究也就無法進行，因為科學研究方法基本上就是通過天文學的研究圍繞著科學規律的唯一性發展出來的。

在 1927 年第五次索爾維會議（布魯塞爾）上，一批世界著名物理學家的合影

科學的第三個要素是科學的研究方法，也包括三個內容：邏輯化、定量化和實證化。

科學研究顯然起源於哲學，而哲學研究所建立的邏輯化正是科學方法的一個關鍵內容。通過學術研究獲得的博士學位前面往往加上「哲學」而被稱為「哲學博士」，就是這個原因。

古希臘宇宙觀 「地心說」的建立是以畢達哥拉斯和亞里士多德等哲學家對當時天文觀測的經驗進行整理歸納和推理演繹之後得到的。同時「地心說」也被注入了人本主義的哲學思想，認為地球處於宇宙的中心是最為合理的，這是「地心說」統治了學術界大約兩千年的主要原因，直到哥白尼突破了這個哲學思想而建立了「日心說」。

在使用哲學的邏輯化開展科學研究的過程中，定量化是必不可少的。沒有定量化，就無法通過歸納建立模型，也無法對模型進行演繹來做出預言，並被進一步的觀測或者實驗檢驗。數學的研究所建立的各種計算方法和工具使得科學研究和現在一般意義上的哲學研究開始分道揚鑣。而科學研究的定量化又使得科學研究的成果能夠得到實際應用，這是科學和哲學徹底分離的最顯著標志。

關於現代科學和哲學的關係，一代物理學大師費曼（1918 年~ 1988 年）有一句名言：「哲學和科學一般沒有關係，當發生關係的時候一般都是哲學損害科學。」當然這是費曼對科學史的解讀。

實證化則是最需要被強調的科學研究方法。從天文學的研究帶來的人類認識宇宙的幾次大飛躍中都可以看到，每一次重要的進展都是當舊的模型預言和新的觀測結果矛盾，或者舊的模型完全沒有預言到的觀測結果無法用舊的模型進行解釋。舊的模型可以被新的觀測或者實驗所推翻或者修改，但是這些舊的模型也都是科學理論，是追求「唯一」正確的科學理論的歷程中所必須經過的階段。

因此可以被證偽的理論才是科學理論，但是不一定是正確的，或者不一定是在所有的情況下都是正確的。能夠解釋已知現象，但是不能被證偽的理論不是科學理論，比如玄學等。科學巨匠愛丁頓（1882 年~ 1944 年）{也有說是物理學家泡利（1900～1958）或者費米（1901—1954）}對於不能被證偽的理論有一個恰如其分的定論：「連錯誤都談不上。」也就是說，不能被證偽的學術理論或者模型甚至連錯誤的科學理論或者科學模型都算不上。

現在有不少的科學研究都忽視了實證化。做模型、建理論、寫文章的動機和結論都局限在解釋已有的觀測數據或者實驗結果，而很少甚至完全不考慮模型或者理論能夠做出什麼預言、這些預言如何被進一步的觀測或者實驗檢驗。

我本人最近就犯了這樣的一個錯誤。我在一篇文章中建立了脈衝星磁場演化的一個唯象模型，這個模型成功地解釋了過去幾十年積累的所有有關的脈衝星觀測數據，但是文章的初稿中沒有做出明確的能夠被未來的研究所檢驗的預言。審稿人的一句話使我如夢方醒：「你可以作出一個預言嗎？」我自己很得意的模型差一點成為連錯誤的科學理論都算不上的模型！

我們已經知道，科學巨人愛因斯坦在建立了廣義相對論之後，不但解釋了水星近日點的反常進動，而且還預言了光線的引力彎曲將是區分廣義相對論和牛頓引力理論的關鍵。愛因斯坦的科學素養給我們樹立了一座豐碑，值得我們永遠認真地學習。

科學和其他學術研究的關係

關於科學和其他學術研究的關係，討論較多的可能就是哲學是不是科學，數學是不是科學等等。

誠然，現代科學的確起源於哲學，哲學的邏輯化是科學研究方法的重要內容，而數學則是科學定量化方法的基礎。但是現在一般意義上的哲學研究不但缺乏定量化，而且哲學理論的實證化也幾無可能。實際上，我們很難說哲學研究的目的是掲示什麼唯一的規律，所以哲學的目的和精神也和我們討論的現代科學有很大的差異。因此，既然哲學的目的、精神和研究方法都和現代科學有很大的不同，所以嚴格地說，哲學並不是科學。

數學和科學的劃分則困難得多。其實國外在正式的場合常常把我們國內稱為的「理科」寫為「科學和數學」，也就是把科學和數學並列，說明數學不能被簡單地列為科學的一個分支。很多大學的數學系被寫成「數學系」或者「數學科學系」，後者很顯然是希望強調數學的科學性質。

事實上，也許數學和科學的唯一區別在於實證化問題。數學是定量化的邏輯推理，只要推理過程沒有錯誤，就是正確的數學理論，原則上並不需要通過觀測或者實驗進行檢驗。所以實證化和我們前面強調的證偽問題對於數學研究並不是最重要的，儘管科學研究的證偽幾乎總是需要進行數學計算的。因此嚴格地講，數學不是科學，但是和科學關係非常密切。至於應用數學的一個分支——數學建模，和科學的關係則更加密切。實際上，應用數學的很多分支已經成為科學研究的一些重要研究領域。

因此廣義地把數學列為科學的一個領域也未嘗不可。很多大學裡的「科學學院」裡面設有「數學系」，以及很多國家的科學院裡面都設有「數學部」，大概就是這個原因了。

儘管哲學和數學在嚴格意義上都不是科學，但是哲學和數學也都是嚴肅的學術研究，而且顯然是非常重要的學術研究。我們並不能說科學比哲學或者數學重要，它們之間沒有髙低貴賤之分。這說明學術研究不一定都是科學研究，再比如歷史、 文學、藝術、工程技術等學科。事實上，很多學術研究在不少層面上可能都比科學研究更加重要。

但是，科學研究並不是局限在「理科」，傳統意義上的有些「文科」學術研究由於引進了科學的研究方法，也已經成為了科學研究的重要領域，比如心理學、行為學、精神學、社會學、經濟學等學科。

本文節選自「天文學與現代自然科學」，首發於《中國國家天文》雜誌，《知識分子》獲授權刊發，略有修訂。

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