从眼见为实浅谈科学之随笔

作者:何纯宇    所在单位:中国科学技术大学

“始吾于人也,听其言而信其行;今吾于人也,听其言而观其行”。诚然,孔夫子考察人品的方式从间接经验到直接经验,无疑是经历了一次从自在到自为的飞跃,但“听其言而观其行”中潜藏着这样的逻辑,即言不必信,视为真知。所以所见即所得。那么,自诩为怀有科学精神的今人,就自然要对这句名言和名言背后的观察理论提出质疑。

从生物进化的角度讲,我们与孔子的生理结构略无异处,这点从考古发掘中可得考证。那么,当孔子看到宰予昼寝时,其物理原因是太阳光在宰予身上反射进入孔夫子的眼中在视网膜上成像,像作为符号(指做出解释的感知)经过孔子的分析给出解释为“宰予睡觉的姿态”,并成为竹简上的斫痕“宰予昼寝”流传后世。让我们分解这个过程,为“观察”这条流水线按下暂停键,从而检验是否有某环节出现事实错误。以下论述均以唯物主义为理论框架。

首先,光从宰予身上反射,这在某些条件下就不成立,我们想象记录者A在无任何光源的堆满杂物的漆黑房间中,可谓之“伸手不见五指”,那么既然无光,就不存在它的反射,这位短视的记录者自信地写道,此处无物,这就是违反客观事实——屋中是充满杂物的,物体是客观存在的,不依赖人的意志为转移。

其次,看和观察的本质区别在于能否对所接收到的信息做出解释,假设梵高和某位无知的观察者B一同站在《向日葵》前,梵高踌躇满志,他侃侃而谈这幅画的色彩调配,意象构成,而可怜的B在不具有相关知识储备的条件下不仅认不出向日葵的意象,甚至不能给出画中色彩的名称(我想克莱茵蓝,勃艮第红这样的颜色在B口中只能不幸被张冠李戴为深蓝,大红),对这幅名画也只能给予“一幅由许多颜色杂乱绘制而成的画”的下誉。

再次,如果C(可能是宰予的同学)认出了躺在床上的宰予,但了解宰予近期勤奋学习而身体有疾,透过门缝看到和孔夫子相同的景象,则自然会在心中建立起宰予“物劳不勉志,体衰更劝学”的榜样形象。这与孔夫子的“朽木不可雕也”可谓云泥之别。

通过A,B,C的思想实验,我们发现观察至少具有以下特点:

(1)观察者要能够获得从被观察者传递出的信息(如光,声,气味等)。

(2)观察者要具有被观察者相关的前置信息(五谷不分即所谓也)。

(3)观察者在给出解释的时候存在自己的理论框架并借助其生成解释(如果当今某人坚信闪电是神罚,万物有灵论,腐草生萤等玄之又玄,其解释自然就与当今科学体系全然相悖)。

如不满足上述结论,我们称观察本身有误,这种错误会传导到人们提出的事实命题上,即科学藉其栖息的巢。科学知识并不直接产生于客观实在,例如金属受热膨胀本身是遵循物理规律的,但是如果人不对其做出解释,不提出金属受热会膨胀这个命题作为事实来为科学建立庇护所,为世人所知,那么科学这个襁褓之婴连与人见面的机会都不存在,又何谈得到照料养育呢?苹果从空中落下这个客观事实被牛顿拓印下来,琢磨中去除苹果这个表面的一,变为任意客观实在均适用之三大定律之无穷,才有了科学的怒放的生命,而“东风夜放花千树,更吹落,星如雨”在没有三大定律时,也没有理论的武器来反驳为什么树叶不扶摇直上九万里,而是化作春泥更护花。科学正是走在经过检验的事实命题上,才避免“下临无地”的凄凉。在本段中,我大胆提出了“金属会受热膨胀”这个打击面极广的理论,从黄帝的轩辕剑到大禹的定海针概不能免。但这存在检验相关的问题,世界上是否存在火海旁的精卫,永世不断地践行“天地为炉兮,造化为工;阴阳为灰兮,万物为铜“的呓语呢?恐怕即使是愚公在世,面对无穷尽的实验对象,也只有”此恨绵绵无绝期“的幽叹,做的越多,研究过程本身也成为新的可研究对象,这促使我们思考,难道科学是建立在不完全的实验上的金玉其外败絮其中的金桔吗?

于是,如同神秀和慧能的偈语之争,华山的剑宗气宗之争,理学心学之争,任何追求形而上的人群都在巴别塔下分道扬镳,这可能也是反者道之动,矛盾运动才是事物发展的原因。以科学作为目的,信奉神秀“时时勤拂拭”的归纳主义者怀着这样一种方法论:日积跬步,滴水石穿,只要尽可能多的对世界做出仔细观测,就增加了作为归纳出理论的事实命题的数目,有足够多的事实积水成渊,何愁无有蛟龙生焉?我们通过不完全的事实收集(例如无法对全世界的金属在任一条件下进行加热膨胀测试)就能够通过人的智慧构建出包罗万象的科学体系,借用《会饮篇》中苏格拉底对爱的观点套用到科学上:科学本身不拥有美和好,因此不是神,不是完美的,也不断在追求美和好的路上,完美的事物只会以自身为最终目的而没有外向行动。追求科学的目的是孕育科学、传播科学、发展科学以达不朽。我们恭恭敬敬地听着这首只由七个音节而述尽参赞化育的天籁,突然,这首科学的颂歌在最后一个高音时万籁俱寂,科学大厦收到那两朵乌云的请柬。归纳主义者说是大音希声,而否证主义者哂笑为功败垂成。

否证主义者是这样的一群人,他们视科学为手段而非最终目的,对从零搭建出科学的地上天国视为痴人说梦,对那些怀着“尾生抱柱”的信念,相信科学能够通过过去和现在完全解释未来的归纳主义者不屑一顾,认为对世界谈整洁有序是荒谬的,对从“一二三”推知万物普适的方法论敬而远之。他们是天才的狂想家,他们的头羊波普尔提出“可否证论”,即一个命题能够被称之为科学的,或说对科学是有贡献的,那么它必须是可被否证的,这如同市场投资,一个理论被否证的风险越大,那么它被事实命题检验为真对科学带来的收益也越多。无论科学世界还是为科学提供舞台的市场,都对先知先觉者的奖励最为丰厚。我举一个例子,“我今早吃了发霉的面包,现在腹痛”,这句话是一个对事实的陈述,并不是理论,且不可否证也没有否证的意义,因而对科学无贡献,如果改成“我今早吃了发霉面包,这可能是导致现在腹痛的原因,也可能不是”。这句话是一个永真式,包含了所有情况(是也不是),因而没有留出否定余地,如同以下的重言式“美用美自身来定义美”,“科学的伟大在于它是科学”,都是对自身的反复调用,于文辞尚可用武,于语义则玄谈乖谬。如果改成“我今早吃了发霉面包,我认为这是导致现在腹痛的原因”,总结为食用发霉面包会导致人类腹痛,这就构成了一个理论猜想,具有可否定性,因为我们只要找到一位幸运儿,经检测不腹泻,那么这个理论就成功的被否定,我们为科学袪魅,证明了“食用发霉面包导致人类腹痛是一个伪命题”。至于可能有人会提出的关于受试者的年龄,性别,是否有遗传病等等因素,均未在理论之中体现,如果加上限定,相当于在和科学对赌的轮盘上加注筹码。一个理论如果要具有增进知识的内容,他就必须冒着被否定的风险。

但如果我在失败后为挽尊,提出“世界上除了我之外所有人使用发霉面包都不会导致腹痛”这个理论,只对某一个个体进行修正,科学界对其称之为“特设性修正”,这样的修正是无法用与修改前相同的方法检验,最为神秘的要属“不可知论”者,这些怀着宗教般热情的人说“世界存在不可见,不可识物质,是为上帝遗物”,既然不可见就无法检验他,既然不可识就无法否定他,这样的理论,是不足以成为科学的,只能在宗教的领域中乞食分羹。

否证主义者为我们绘制这样的蓝图,从原始的篝火到袅袅炊烟,构成科学的历史进化的一系列理论是由可否证的理论构成的,这个系列之中的每一个理论都比它的前任更否证。西方从古希腊时期的“月上永恒静止,月下熙熙攘攘”的有限宇宙论,体液平衡论,到文艺复兴时期及之后的解析几何理论,牛顿力学理论,至如今的爱因斯坦理论体系,否证主义者自矜于他们的方法论是对大胆的假设颁发殊荣,为谨慎的理论敲响丧钟,科学就在这红白喜事中得到不断发展。科学如果是林间跳跃的鹿,否证主义者就要用大胆的猜想伐尽此林而得之。每一个这样大胆的猜想都要求其对未来作出假设,“大胆”体现于常规理论所不敢想之物,如普朗克在提出量子论后的那句玩笑:“我要么是个疯子,要么就是有史以来最伟大的物理学家”就是在“冒天下之大不韪”的情况下将能量不连续这个概念从人们旧有的习以为常中解放出来,在科学不发达的时候这还不能成为问题,人们的认识没有高到能在物质运动的深层原因中将某一点独立出来,只有在一定的科学前置条件充足时才能够被某些天才摆在台面上。原始社会不能够认识到森林中松茸,山参的价值,而在伐木开垦通过农业的进步,有了意识到其巨大潜力的条件时,二者早已是世间罕有了。旧有的理论框架支撑着科学向天空翱翔,却也限制了翱翔只能通过扑翼的思路。科学的代替性在于只要有一个暂未被推翻的理论,那么它就令那些能够解释相同现象但是依赖原理大相径庭的其他理论由于缺乏物质投入和支持人群而胎死腹中。科学的继替性在于只要科学集团(指科学家和支持他们的社会分子)认可了普朗克的理论,那么这个理论就变得不再“大胆”,而随之而来的第二个类似理论就无人问津了。

当然,对否证主义者的批评也纷至沓来,批评者对否证主义者“宁肯杀错不放过”的乱开枪战术义愤填膺,认为这不仅无助于识海淘金,而且通过“轻罪重刑”的理念,一旦某个理论体系在世界实验中出现小小分歧时,否证主义者中最极端的,最基要的那一些人将株连这个理论的九族,对其全盘否定,忽略可能是因实验中无可避免的误差而差之毫厘。单一天文望远镜可能从光的折射角度,望远镜自身焦距配置等原因产生测量轨道误差,光学显微镜因为衍射效应其寻幽探微的能力到200nm也将“张飞绣花”无从下手。理论是通过物质实践来实现自身的意志,在此时归咎于“脆弱的”理论本身,不是绕过直接因素去否定间接因素,欲加之罪何患无辞吗?

武学中有一句“破而后立”,破在前立在后,否证主义者重前,归纳主义者慕后。如果我们将二者辩证的结合在一起,就产生“范式”的概念。范式指的是科学活动发生于其中的理论框架,为解决上述二者对科学观察过于零碎且偏重一端的乱象,范式的支持者则主张在范式内部“求同存异”,只有统一科学研究集团(指研究同一方向的科学家的集合)的理论框架,避免“万国牌”,才能够节省大量因对基础公式喋喋不休而浪费的科研时间。不同范式因理论体系,产生的可研究素材也不同。例如按亚里士多德的范式,运动是万物寻找它在宇宙中的自然位置,那么物体下坠就不成为一个问题,而是按照自然意志向地心移动,这与牛顿的通过三大定律来解释物体运动的可研究对象就完全不同。范式中也包含着对仪器的信赖程度,伽利略的反对者就蔑视其为“光学把戏”,不相信仪器的观测结果,只相信眼见为实,这也是一脉相承自亚里士多德的“人类是上帝创造出探索世界的最高级的物种,上帝至善,因此不会为人类眼中遮上云翳”。

现在,范式按照《社会契约论》中人们结成的社会契约,让渡了否证范式自身的权利,获得了在这套范式中研究常规问题的能力。例如通过牛顿定律的武器我们可以计算地球绕太阳运动的轨迹,刚体碰撞后的运动状态等。在常规问题研究中如果出现差错,一律归结为研究者自身之问题,从而避免无休止的对理论的否定,使得成熟的常规科学有别于不成熟的前科学相对来说较为混乱的活动。使得有多少研究者就有多少体系的情况不复出现。常规科学研究者也为自身挖好了坟墓,当通过常规科学观察的结果使得观察命题极大丰富,与理论框架若合一契的如胶似漆却不复得见,即牛顿定律无法解释黑体辐射等,此时如前文总结的,这种同床异梦就为爱因斯坦提供取而代之的机会,直至整个科学界倾向于爱因斯坦的理论,这样就完成科学王朝的更替,新一轮循环开始。

虽然,举出范式的明确疆域是有困难的,例如我们要定义“游戏”的界限,那么踢毽子,捉迷藏,电子游戏等等皆入彀中,足球,对联等也摩拳擦掌。这说明科学不是靠定义苟活的,因为定义一定是对其他定义的递归组合,因而不存在第一定义,它没有定义原料,只能是“万物生于有,有生于无”,第一定义从人们普遍的对某一共同意象的共同感知生发出来。我们观察教儿童说话识物的过程,当他对苹果感到好奇的时候,他难道能在无知的条件下认为这红色的圆球是沙果,石榴等的近亲吗?只有当它定义红色的圆球为苹果时才能借此作为第一定义使用。科学不是定义出来的。

以上是通过眼见为实对科学的浅谈、杂谈,全文由我这个蹩脚的织人写就,留下蓑衣中的层层空洞,如“如何事先比较两个范式”,“范式中的理论是否一律平等”,“归纳主义难道是一无是处吗”……这些问题实际上已经被孜孜不倦的科学哲学家给出纷繁复杂的回答,不过这篇文章中剩下的地方太小,写不下,只能期待未来有缘与读者探讨了。