編者按：
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員的張雙南曾寫過(guò)《仰望星空如何改變世界？》（回復(fù) 173 查看），梳理了自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，天文學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué)的深刻聯(lián)系。在今天這篇文章中，他繼續(xù)從目的、精神、研究方法三要素出發(fā)探討“科學(xué)是什么”，以及科學(xué)與數(shù)學(xué)、哲學(xué)等其他學(xué)科的關(guān)系。
文 | 張雙南（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員）
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科學(xué)研究賦予我們的啟示
俄羅斯在和德國(guó)聯(lián)合研制一個(gè)以暗能量為主要研究目標(biāo)的空間 X 射線天文衛(wèi)星。幾年前(當(dāng)時(shí)暗能量的研究剛剛興起)，時(shí)任俄羅斯總理的普京在聽(tīng)取了關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的介紹后，問(wèn)了兩個(gè)問(wèn)題：“暗能量有用嗎？暗能量危險(xiǎn)嗎？”當(dāng)時(shí)一個(gè)科學(xué)家是這么回答的：“我不知道。不過(guò)在 100 年前，如果你問(wèn)愛(ài)因斯坦相對(duì)論是有用還是危險(xiǎn)，愛(ài)因斯坦一定回答不知道。但是今天我們知道相對(duì)論既有用，也危險(xiǎn)。”現(xiàn)在，核能、診斷和治療癌癥的加速器、GPS 等等都離不開(kāi)相對(duì)論的應(yīng)用，但核武器也同樣是相對(duì)論的應(yīng)用！
順便提一下我自己的一個(gè)故事。幾年前我應(yīng)邀在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)交叉科學(xué)中心作一個(gè)關(guān)于黑洞理論研究的報(bào)告，報(bào)告之后有一個(gè)學(xué)生問(wèn)我這個(gè)研究有什么用處。我不假思索地回答：“我不知道，但是我想搞明白這個(gè)問(wèn)題。”會(huì)場(chǎng)上立刻掌聲雷動(dòng)。此刻我也終于明白了為什么中科大是中國(guó)科學(xué)研究的圣地之一，也是最具有科學(xué)精神的校園之一。我每次到科大訪問(wèn)，漫步在科大的校園，都感覺(jué)到科學(xué)的幽靈在飄蕩，以前這種感覺(jué)只有在我參觀西南聯(lián)大遺址的時(shí)候才出現(xiàn)過(guò)。
什么是科學(xué)
我們需要從三個(gè)層面上來(lái)回答“什么是科學(xué)”這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，也就是需要明確科學(xué)的三個(gè)要素。
科學(xué)的第一個(gè)要素就是科學(xué)的目的。事實(shí)上，如果我們問(wèn)很多職業(yè)科學(xué)家科學(xué)的目的是什么，他們都會(huì)回答：科學(xué)的目的是造福于人類。這個(gè)回答并不完全正確，或者可以說(shuō)完全不正確。
科學(xué)的確可以造福于人類，事實(shí)上很多科學(xué)研究的成果都已經(jīng)被用來(lái)造福于人類，人類的生活品質(zhì)和水平也由于科學(xué)成果的應(yīng)用而不斷得到快速提升，今天很多科學(xué)研究項(xiàng)目的直接目的就是造福于人類。但是科學(xué)的目的本身并非如此，是人類出于各種目的，在很多情況下利用科學(xué)成果造福了人類?？茖W(xué)成果同樣可以給人類造成災(zāi)難，這樣的例子同樣也是不勝枚舉。
因此科學(xué)的目的既不是造福于人類，也不是危害人類?？茖W(xué)的目的就是刨根問(wèn)底，也就是發(fā)現(xiàn)各種規(guī)律，比如我們前面說(shuō)的天文學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)的自然規(guī)律奠基了包含牛頓力學(xué)的廣義相對(duì)論和量子力學(xué)兩大基礎(chǔ)物理學(xué)科，但是如何應(yīng)用這些規(guī)律則并不是科學(xué)本身的目的。因此科學(xué)家在研究科學(xué)的時(shí)候可以只關(guān)心這些規(guī)律本身，并不需要關(guān)心它是否有用、是否危險(xiǎn)，當(dāng)然這并不排斥科學(xué)家選擇開(kāi)展自己認(rèn)為是否有用、是否危險(xiǎn)的科學(xué)研究工作。
需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律并不限于自然科學(xué)研究的自然規(guī)律，也包括其他各種規(guī)律，比如社會(huì)科學(xué)所研究的各種規(guī)律。自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)所研究的對(duì)象不同，所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律當(dāng)然也不同，但是它們的目的都是掲示“規(guī)律”，而且它們也都符合科學(xué)的另外兩個(gè)要素。但是，并不是所有掲示規(guī)律的學(xué)術(shù)研究都是科學(xué)研究，因?yàn)楹芏鄬W(xué)術(shù)研究都不完全符合科學(xué)的另外兩個(gè)要素。
科學(xué)的第二個(gè)要素是科學(xué)的精神，包括三個(gè)內(nèi)容：質(zhì)疑、獨(dú)立、唯一。
“質(zhì)疑”其實(shí)是最基本的科學(xué)精神，也就是對(duì)于以前的結(jié)果、結(jié)論、甚至廣泛得到證實(shí)和接受的理論體系都需要以懷疑的眼光進(jìn)行審視。但是“質(zhì)疑”并不完全等同于“懷疑”，更不是全面否定。“質(zhì)疑”實(shí)際上是批評(píng)地學(xué)習(xí)和接受，其目的是掲示以前工作的漏洞、缺陷、不完善、沒(méi)有經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)、或者不能完全適用的地方。比如愛(ài)因斯坦對(duì)牛頓力學(xué)和牛頓引力理論質(zhì)疑的結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了牛頓力學(xué)和牛頓引力理論只有在低速（相對(duì)于光速）和弱引力場(chǎng)（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(duì)論和廣義相對(duì)論。
“獨(dú)立”有兩層含義，一方面指的是科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律“獨(dú)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學(xué)研究者必須具有獨(dú)立的思想，科學(xué)研究工作也是獨(dú)立進(jìn)行的。只有獨(dú)立做出的科學(xué)研究成果才有科學(xué)價(jià)值，當(dāng)然這并不排斥學(xué)術(shù)交流和學(xué)術(shù)合作，因?yàn)榻涣髋c合作往往是激發(fā)研究者個(gè)人創(chuàng)造力的有力途徑，創(chuàng)造力是最終產(chǎn)生髙度原創(chuàng)性獨(dú)立研究成果的根本原因。
但令人擔(dān)憂的是，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界有種現(xiàn)象，就是“主流”學(xué)者有意識(shí)或者無(wú)意識(shí)地壓制或者扼殺所謂“非主流”學(xué)術(shù)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(shí)上，有不少?gòu)氖隆爸髁鳌毖芯康膶W(xué)者常常是人云亦云和隨大流，和“獨(dú)立”的科學(xué)精神背道而馳，而從事“非主流”研究的學(xué)者則是在開(kāi)展獨(dú)立研究。
回顧科學(xué)史，我們很容易發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在“主流”的學(xué)說(shuō)或者理論以前都是“非主流”的，科學(xué)的發(fā)展歷程就是“非主流”不斷地取代“主流”的歷程，而這正是“獨(dú)立”的科學(xué)精神的具體體現(xiàn)。
“唯一”指的是科學(xué)規(guī)律的唯一性，勿用過(guò)多地解釋。在這里僅僅引用彭桓武先生 2005 年 4 月 15 日 在“世界物理學(xué)紀(jì)念大會(huì)”上的講話：
物質(zhì)世界雖然千變?nèi)f化，但卻十分真誠(chéng)，“在同樣條件下必然出現(xiàn)同樣現(xiàn)象”。
由于科學(xué)的目的就是揭示科學(xué)規(guī)律，離開(kāi)了“唯一”的科學(xué)精神，也就無(wú)所謂“刨根問(wèn)底”，科學(xué)的目的也就不再存在，當(dāng)然科學(xué)研究也就無(wú)法進(jìn)行，因?yàn)榭茖W(xué)研究方法基本上就是通過(guò)天文學(xué)的研究圍繞著科學(xué)規(guī)律的唯一性發(fā)展出來(lái)的。
科學(xué)的第三個(gè)要素是科學(xué)的研究方法，也包括三個(gè)內(nèi)容：邏輯化、定量化和實(shí)證化。
科學(xué)研究顯然起源于哲學(xué)，而哲學(xué)研究所建立的邏輯化正是科學(xué)方法的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。通過(guò)學(xué)術(shù)研究獲得的博士學(xué)位前面往往加上“哲學(xué)”而被稱為“哲學(xué)博士”，就是這個(gè)原因。
古希臘宇宙觀 “地心說(shuō)”的建立是以畢達(dá)哥拉斯和亞里士多德等哲學(xué)家對(duì)當(dāng)時(shí)天文觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整理歸納和推理演繹之后得到的。同時(shí)“地心說(shuō)”也被注入了人本主義的哲學(xué)思想，認(rèn)為地球處于宇宙的中心是最為合理的，這是“地心說(shuō)”統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界大約兩千年的主要原因，直到哥白尼突破了這個(gè)哲學(xué)思想而建立了“日心說(shuō)”。
在使用哲學(xué)的邏輯化開(kāi)展科學(xué)研究的過(guò)程中，定量化是必不可少的。沒(méi)有定量化，就無(wú)法通過(guò)歸納建立模型，也無(wú)法對(duì)模型進(jìn)行演繹來(lái)做出預(yù)言，并被進(jìn)一步的觀測(cè)或者實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。數(shù)學(xué)的研究所建立的各種計(jì)算方法和工具使得科學(xué)研究和現(xiàn)在一般意義上的哲學(xué)研究開(kāi)始分道揚(yáng)鑣。而科學(xué)研究的定量化又使得科學(xué)研究的成果能夠得到實(shí)際應(yīng)用，這是科學(xué)和哲學(xué)徹底分離的最顯著標(biāo)志。
關(guān)于現(xiàn)代科學(xué)和哲學(xué)的關(guān)系，一代物理學(xué)大師費(fèi)曼（1918 年~ 1988 年）有一句名言：“哲學(xué)和科學(xué)一般沒(méi)有關(guān)系，當(dāng)發(fā)生關(guān)系的時(shí)候一般都是哲學(xué)損害科學(xué)?！碑?dāng)然這是費(fèi)曼對(duì)科學(xué)史的解讀。
實(shí)證化則是最需要被強(qiáng)調(diào)的科學(xué)研究方法。從天文學(xué)的研究帶來(lái)的人類認(rèn)識(shí)宇宙的幾次大飛躍中都可以看到，每一次重要的進(jìn)展都是當(dāng)舊的模型預(yù)言和新的觀測(cè)結(jié)果矛盾，或者舊的模型完全沒(méi)有預(yù)言到的觀測(cè)結(jié)果無(wú)法用舊的模型進(jìn)行解釋。舊的模型可以被新的觀測(cè)或者實(shí)驗(yàn)所推翻或者修改，但是這些舊的模型也都是科學(xué)理論，是追求“唯一”正確的科學(xué)理論的歷程中所必須經(jīng)過(guò)的階段。
因此可以被證偽的理論才是科學(xué)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(xiàn)象，但是不能被證偽的理論不是科學(xué)理論，比如玄學(xué)等?？茖W(xué)巨匠愛(ài)丁頓（1882 年~ 1944 年）{也有說(shuō)是物理學(xué)家泡利（1900～1958）或者費(fèi)米（1901—1954）}對(duì)于不能被證偽的理論有一個(gè)恰如其分的定論：“連錯(cuò)誤都談不上?！币簿褪钦f(shuō)，不能被證偽的學(xué)術(shù)理論或者模型甚至連錯(cuò)誤的科學(xué)理論或者科學(xué)模型都算不上。
現(xiàn)在有不少的科學(xué)研究都忽視了實(shí)證化。做模型、建理論、寫文章的動(dòng)機(jī)和結(jié)論都局限在解釋已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而很少甚至完全不考慮模型或者理論能夠做出什么預(yù)言、這些預(yù)言如何被進(jìn)一步的觀測(cè)或者實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
我本人最近就犯了這樣的一個(gè)錯(cuò)誤。我在一篇文章中建立了脈沖星磁場(chǎng)演化的一個(gè)唯象模型，這個(gè)模型成功地解釋了過(guò)去幾十年積累的所有有關(guān)的脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是文章的初稿中沒(méi)有做出明確的能夠被未來(lái)的研究所檢驗(yàn)的預(yù)言。審稿人的一句話使我如夢(mèng)方醒：“你可以作出一個(gè)預(yù)言嗎？”我自己很得意的模型差一點(diǎn)成為連錯(cuò)誤的科學(xué)理論都算不上的模型！
我們已經(jīng)知道，科學(xué)巨人愛(ài)因斯坦在建立了廣義相對(duì)論之后，不但解釋了水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)，而且還預(yù)言了光線的引力彎曲將是區(qū)分廣義相對(duì)論和牛頓引力理論的關(guān)鍵。愛(ài)因斯坦的科學(xué)素養(yǎng)給我們樹(shù)立了一座豐碑，值得我們永遠(yuǎn)認(rèn)真地學(xué)習(xí)。
科學(xué)和其他學(xué)術(shù)研究的關(guān)系
關(guān)于科學(xué)和其他學(xué)術(shù)研究的關(guān)系，討論較多的可能就是哲學(xué)是不是科學(xué)，數(shù)學(xué)是不是科學(xué)等等。
誠(chéng)然，現(xiàn)代科學(xué)的確起源于哲學(xué)，哲學(xué)的邏輯化是科學(xué)研究方法的重要內(nèi)容，而數(shù)學(xué)則是科學(xué)定量化方法的基礎(chǔ)。但是現(xiàn)在一般意義上的哲學(xué)研究不但缺乏定量化，而且哲學(xué)理論的實(shí)證化也幾無(wú)可能。實(shí)際上，我們很難說(shuō)哲學(xué)研究的目的是掲示什么唯一的規(guī)律，所以哲學(xué)的目的和精神也和我們討論的現(xiàn)代科學(xué)有很大的差異。因此，既然哲學(xué)的目的、精神和研究方法都和現(xiàn)代科學(xué)有很大的不同，所以嚴(yán)格地說(shuō)，哲學(xué)并不是科學(xué)。
數(shù)學(xué)和科學(xué)的劃分則困難得多。其實(shí)國(guó)外在正式的場(chǎng)合常常把我們國(guó)內(nèi)稱為的“理科”寫為“科學(xué)和數(shù)學(xué)”，也就是把科學(xué)和數(shù)學(xué)并列，說(shuō)明數(shù)學(xué)不能被簡(jiǎn)單地列為科學(xué)的一個(gè)分支。很多大學(xué)的數(shù)學(xué)系被寫成“數(shù)學(xué)系”或者“數(shù)學(xué)科學(xué)系”，后者很顯然是希望強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的科學(xué)性質(zhì)。
事實(shí)上，也許數(shù)學(xué)和科學(xué)的唯一區(qū)別在于實(shí)證化問(wèn)題。數(shù)學(xué)是定量化的邏輯推理，只要推理過(guò)程沒(méi)有錯(cuò)誤，就是正確的數(shù)學(xué)理論，原則上并不需要通過(guò)觀測(cè)或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。所以實(shí)證化和我們前面強(qiáng)調(diào)的證偽問(wèn)題對(duì)于數(shù)學(xué)研究并不是最重要的，盡管科學(xué)研究的證偽幾乎總是需要進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的。因此嚴(yán)格地講，數(shù)學(xué)不是科學(xué)，但是和科學(xué)關(guān)系非常密切。至于應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支——數(shù)學(xué)建模，和科學(xué)的關(guān)系則更加密切。實(shí)際上，應(yīng)用數(shù)學(xué)的很多分支已經(jīng)成為科學(xué)研究的一些重要研究領(lǐng)域。
因此廣義地把數(shù)學(xué)列為科學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域也未嘗不可。很多大學(xué)里的“科學(xué)學(xué)院”里面設(shè)有“數(shù)學(xué)系”，以及很多國(guó)家的科學(xué)院里面都設(shè)有“數(shù)學(xué)部”，大概就是這個(gè)原因了。
盡管哲學(xué)和數(shù)學(xué)在嚴(yán)格意義上都不是科學(xué)，但是哲學(xué)和數(shù)學(xué)也都是嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)研究，而且顯然是非常重要的學(xué)術(shù)研究。我們并不能說(shuō)科學(xué)比哲學(xué)或者數(shù)學(xué)重要，它們之間沒(méi)有髙低貴賤之分。這說(shuō)明學(xué)術(shù)研究不一定都是科學(xué)研究，再比如歷史、 文學(xué)、藝術(shù)、工程技術(shù)等學(xué)科。事實(shí)上，很多學(xué)術(shù)研究在不少層面上可能都比科學(xué)研究更加重要。
但是，科學(xué)研究并不是局限在“理科”，傳統(tǒng)意義上的有些“文科”學(xué)術(shù)研究由于引進(jìn)了科學(xué)的研究方法，也已經(jīng)成為了科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，比如心理學(xué)、行為學(xué)、精神學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科。
本文節(jié)選自“天文學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué)”，首發(fā)于《中國(guó)國(guó)家天文》雜志，《知識(shí)分子》獲授權(quán)刊發(fā)，略有修訂。
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