什么是好的科學(xué)？

編譯 魏劉偉

毫無(wú)差別地要求理論可證偽或可觀察，這會(huì)阻礙科學(xué)的發(fā)展。我們需要瘋狂的想法。

1986年1月旅行者2號(hào)所拍攝的天王星

維也納的物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）遭受了內(nèi)心的煎熬。他解決了核物理學(xué)中最棘手的難題之一，但也付出了代價(jià)。“我做了一件可怕的事情，”他在1930年冬天向一位朋友承認(rèn)，“我假設(shè)了一個(gè)無(wú)法檢測(cè)到的粒子?！?/p>

盡管泡利有著難言的絕望，但他在信中透露出，他并不真的認(rèn)為他的新亞原子粒子始終不會(huì)檢測(cè)到。他相信，實(shí)驗(yàn)設(shè)備最終能夠以某種方式證實(shí)或證偽他的假設(shè)。盡管如此，他還是擔(dān)心自己離錯(cuò)誤僅一步之遙。泡利相信，那些真正不可觀察的東西對(duì)物理學(xué)和整個(gè)科學(xué)來(lái)說(shuō)是一種詛咒。

泡利的觀點(diǎn)在當(dāng)今的許多科學(xué)家中仍然存在。科學(xué)實(shí)踐的一個(gè)基本原則是，一個(gè)新理論不應(yīng)該引用不可檢測(cè)的東西。相反，一個(gè)好的解釋應(yīng)該是可證偽的——這意味著原則上應(yīng)該存在一些假設(shè)的數(shù)據(jù)可以證明該理論是錯(cuò)誤的。這些互相關(guān)聯(lián)的可證偽性和可觀察性標(biāo)準(zhǔn)具有優(yōu)良的傳統(tǒng)：可證偽性可以追溯到20世紀(jì)中期的科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普爾（Karl Popper），可觀察性標(biāo)準(zhǔn)可追溯到更久之前。如今這些標(biāo)準(zhǔn)被一些自命的守衛(wèi)者所守護(hù)，這些守衛(wèi)者津津樂道地將物理學(xué)、宇宙學(xué)和量子力學(xué)中一些奇怪的概念視為空中城堡。這些守衛(wèi)者聲稱，如果將這些想法付諸科學(xué)，其代價(jià)將是向各種明顯不科學(xué)的廢話敞開大門。

但對(duì)于理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)空中城堡只是工作的一部分。關(guān)于這個(gè)世界可能會(huì)怎樣的新想法——或者在某些例子中，這個(gè)世界絕對(duì)不是什么樣子——對(duì)他們的工作來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。一些理論結(jié)構(gòu)可能是用了很多年才小心翼翼地建立起來(lái)的，最終卻被起了一些奇怪的名稱，比如膨脹多元宇宙或超弦理論。有些則可能會(huì)一個(gè)下午就隨便編造出來(lái)或被舍棄掉，在思想的對(duì)流層中被孤獨(dú)的冒險(xiǎn)家再次發(fā)現(xiàn)和丟棄。

這并不意味著位于科學(xué)前沿只有自由的空中城堡式的建筑?？茖W(xué)理論構(gòu)建的目標(biāo)是隨著時(shí)間的推移提高其理解世界本質(zhì)的準(zhǔn)確性。所有這些創(chuàng)造力都必須在某個(gè)時(shí)刻回歸現(xiàn)實(shí)。但是，將獨(dú)創(chuàng)性轉(zhuǎn)化為事實(shí)，這比僅僅宣布所有觀點(diǎn)都必須符合可證偽性和可觀察性的死板標(biāo)準(zhǔn)要精致得多。這些不是衡量科學(xué)理論質(zhì)量的指標(biāo)。它們可能是很好的指導(dǎo)方針或啟發(fā)性方法，但在只有簡(jiǎn)單的答案的情況下，它們通常也是錯(cuò)誤的，或者只有一半是正確的。

可證偽性不能作為科學(xué)的一個(gè)普遍性限制標(biāo)準(zhǔn)，原因很簡(jiǎn)單，那就是沒有真正可證偽的科學(xué)理論。我可以提出一個(gè)理論，使得一個(gè)預(yù)測(cè)看起來(lái)是可證偽的，但是當(dāng)數(shù)據(jù)告訴我這個(gè)理論是錯(cuò)誤的時(shí)候，我可以想出一些新的想法來(lái)堵住漏洞并保存理論。

但是當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家并沒有宣稱這個(gè)意外的數(shù)據(jù)證偽了牛頓的萬(wàn)有引力理論。相反，他們對(duì)天王星的奇怪運(yùn)動(dòng)提出了另一個(gè)解釋：有一個(gè)很大且無(wú)法看到的東西正在拖拽著這個(gè)星球。計(jì)算表明它必定是另一個(gè)行星，與天王星一樣大，距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)。1846年，法國(guó)天體物理學(xué)家奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）預(yù)測(cè)了這個(gè)假設(shè)星球的位置。由于他無(wú)法讓任何法國(guó)觀察家對(duì)找出這顆行星感興趣，他將他的預(yù)測(cè)細(xì)節(jié)發(fā)給了德國(guó)的同事。那天晚上，他們把望遠(yuǎn)鏡指向勒維耶指定的地方，半小時(shí)后他們發(fā)現(xiàn)了海王星。牛頓物理學(xué)并未被證偽，反而得到了驚人的證明——它已經(jīng)成功地預(yù)測(cè)了一個(gè)看不見的行星的確切位置。

多年來(lái)，水星的奧秘都沒有解決，但沒有任何人認(rèn)為牛頓是錯(cuò)誤的。

借著成功之勢(shì)，勒維耶開始尋求解決另一個(gè)行星難題。在他發(fā)現(xiàn)海王星幾年后，他和其他天文學(xué)家清楚地發(fā)現(xiàn)，水星并沒有像預(yù)期的那樣移動(dòng)。每個(gè)水星年，其軌道上最接近太陽(yáng)的點(diǎn)（稱為近日點(diǎn)）都比牛頓的萬(wàn)有引力的預(yù)測(cè)稍微多偏移了一點(diǎn)，一個(gè)世紀(jì)累計(jì)增加43角秒（角度測(cè)量單位）。這是一個(gè)很小的數(shù)目——不到其完整繞日軌道的三萬(wàn)分之一——但與之前的天王星一樣，這種異常并沒有隨著持續(xù)的觀察而消失。它固執(zhí)地維持著，藐視著牛頓的幽靈。

再一次，牛頓的萬(wàn)有引力并未因?yàn)楸蛔C偽而被拋棄——至少不是馬上拋棄。相反，勒維耶再次嘗試了同樣的伎倆：把異常的原因歸結(jié)到一個(gè)看不見的星球上，這是一塊非常靠近太陽(yáng)的小石頭，以至于整個(gè)人類歷史上所有其他天文學(xué)家都錯(cuò)過了。他稱之為火神星（Vulcan），名稱源于羅馬的鍛造之神。勒維耶等人多年來(lái)一直在尋找火神星，拖著強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀察日食，企圖在太陽(yáng)被月球遮擋的短暫時(shí)間中找到這個(gè)未觀測(cè)到的星球。

勒維耶從未找到火神星。1877年他去世后，天文學(xué)界便放棄了搜索，認(rèn)為火神星根本就不在那里。即便如此，牛頓的萬(wàn)有引力也并未被拋棄。相反，當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家集體聳了聳肩，繼續(xù)前進(jìn)。水星近日點(diǎn)的奧秘在很多年中都沒有得到解決，但沒有任何嚴(yán)肅的建議認(rèn)為牛頓是錯(cuò)的。證偽這個(gè)選項(xiàng)根本不在菜單上。

最終，在1915年，愛因斯坦用他全新的廣義相對(duì)論表明，他可以在勒維耶失敗的地方取得成功。廣義相對(duì)論是對(duì)萬(wàn)有引力的一個(gè)新的描述，取代了牛頓物理學(xué)——它完美預(yù)測(cè)了水星近日點(diǎn)的變化。愛因斯坦說(shuō)，當(dāng)他意識(shí)到他的理論能夠正確地解決這個(gè)長(zhǎng)期的困惑時(shí)，他“欣喜若狂”。4年后，英國(guó)天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）和他的團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了日食觀測(cè)，不是為了尋找火神星，而是為了證實(shí)愛因斯坦的理論所預(yù)測(cè)的太陽(yáng)周邊星光的彎曲。他們發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論是正確的（盡管后來(lái)的調(diào)查表明，雖然他們得出了正確的結(jié)論，但其觀測(cè)卻存在錯(cuò)誤）。作為證明了牛頓錯(cuò)誤的人，愛因斯坦立即聞名于世。

牛頓的萬(wàn)有引力最終被拋棄了，但不僅僅是因?yàn)榇嬖谕{它的數(shù)據(jù)，這還不夠。直到一個(gè)可行的替代理論以愛因斯坦的廣義相對(duì)論的形式出現(xiàn)時(shí)，科學(xué)界才開始認(rèn)識(shí)到牛頓可能錯(cuò)過了某個(gè)東西。但是，如果沒有愛因斯坦或者他錯(cuò)了呢？天文學(xué)家能否找到解決水星運(yùn)動(dòng)異常的另一種方法？當(dāng)然——他們可以說(shuō)火神星就在那里，而且用望遠(yuǎn)鏡是看不見的。

壓縮力是枝丫材打捆機(jī)重要參數(shù)之一，其數(shù)值大小對(duì)枝捆的壓縮率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力匹配等有直接影響。國(guó)內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者開展了枝丫材壓縮特性試驗(yàn)與分析研究[6-7]，建立了枝丫材在被壓縮過程中所受的壓強(qiáng)與壓縮位移、壓強(qiáng)與壓縮密度及壓縮密度與體積模量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。雖然本樣機(jī)與上述試驗(yàn)中的初始條件和壓縮方式有所不同，但研究結(jié)論對(duì)本樣機(jī)壓縮力的確定有重要的參考價(jià)值。

這可能聽起來(lái)有些牽強(qiáng)，但是科學(xué)史又一次證明了這種事情確實(shí)會(huì)發(fā)生，而且有時(shí)它是有效的——正如泡利在1930年所發(fā)現(xiàn)的那樣。當(dāng)時(shí)，新的實(shí)驗(yàn)威脅到了物理學(xué)的核心原理之一，即能量守恒定律。數(shù)據(jù)顯示，在某種放射性衰變中，電子可以以一定范圍內(nèi)的速度（及伴隨的能量）從原子核中飛出——即使反應(yīng)中的總能量應(yīng)該每次都是相同的。這意味著能量有時(shí)會(huì)從這些反應(yīng)中消失，并且不清楚它發(fā)生了什么。

丹麥物理學(xué)家波爾當(dāng)時(shí)打算放棄能量守恒的觀點(diǎn)。但泡利并未準(zhǔn)備承認(rèn)這個(gè)觀點(diǎn)已經(jīng)死了。相反，他提出了他的奇異粒子（outlandish particle）。他寫道：“為了挽救能量守恒定律，我已經(jīng)采取了絕望的補(bǔ)救措施?！北M管幾乎沒有質(zhì)量和電荷，但新的粒子可以解釋能量的損失。但當(dāng)時(shí)的粒子探測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到不帶電荷的粒子，所以泡利提出的解決方案是不可見的。

盡管如此，物理學(xué)界并未接受波爾認(rèn)為能量守恒已被證偽的觀點(diǎn)，而是接受了泡利的假想粒子：即當(dāng)意大利物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）數(shù)年后將這一理論改進(jìn)后，一種被稱為“中微子”（小的中性粒子）的粒子。幸運(yùn)的是，中微子終于在1956年觀測(cè)到，其技術(shù)在25年前完全無(wú)法預(yù)知：一種新型的與核反應(yīng)堆結(jié)合使用的粒子探測(cè)器。泡利幽靈般的粒子是真實(shí)的；事實(shí)上，后來(lái)的研究工作表明，每秒都會(huì)有數(shù)以萬(wàn)億計(jì)來(lái)自太陽(yáng)的中微子通過我們的身體，完全未被察覺和觀察到。

因此，引入看不見的東西來(lái)挽救一個(gè)理論被證偽的結(jié)局，這有時(shí)是正確的科學(xué)方法。然而泡利當(dāng)然不相信他的粒子永遠(yuǎn)不會(huì)觀察到。他期待最終能夠觀測(cè)到該粒子，而且他是對(duì)的。同樣，愛因斯坦的廣義相對(duì)論也是通過觀察來(lái)證明的?？勺C偽性不是判斷理論好壞的標(biāo)準(zhǔn)，或者至少不是完整的標(biāo)準(zhǔn)。那么可觀察性呢？

觀察在科學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這當(dāng)然是事實(shí)。但這并不意味著科學(xué)理論必須專注于可觀察的事物。一方面，可觀察和不可觀察之間的界線模糊——曾經(jīng)“不可觀察”的可以變成“可觀察的”，就像中微子案例所顯示的那樣。有時(shí)候，一些假設(shè)了不可觀察物的理論已被證明是正確的理論，并且在有人設(shè)計(jì)一種方法來(lái)觀測(cè)這些事物之前，早已被接受為正確的理論。

以19世紀(jì)下半葉物理學(xué)中關(guān)于原子的爭(zhēng)論為例。一些科學(xué)家相信他們存在，但其他人則深表懷疑。奧地利的路德維?！げ柶澛↙udwig Boltzmann），英國(guó)的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）和德國(guó)的魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）等物理學(xué)家都深信化學(xué)和物理證據(jù)表明了原子理論是正確的。但奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）等人并不以為然。

原子當(dāng)時(shí)是不可觀察的。因此馬赫認(rèn)為它們是不真實(shí)和不必要的。

對(duì)馬赫來(lái)說(shuō)，原子是完全不必要的假設(shè)。畢竟，任何不可觀察的東西都不能認(rèn)為是一個(gè)好的科學(xué)理論的一部分——事實(shí)上，這些東西甚至不能被認(rèn)為是真實(shí)的。對(duì)他而言，完美科學(xué)理論的典型是熱力學(xué)，即對(duì)熱量的研究。這是一套與直接可觀測(cè)量有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)法則，例如氣體的溫度、壓力和體積。這個(gè)理論既完整又完美，沒有涉及任何不可觀察的東西。

但波爾茲曼、麥克斯韋和克勞修斯努力地表明了，馬赫心愛的熱力學(xué)遠(yuǎn)未臻完美。在19世紀(jì)余下的時(shí)間里，他們和美國(guó)科學(xué)家喬西亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等人，證明了整個(gè)熱力學(xué)可以從一個(gè)簡(jiǎn)單假設(shè)中重新推導(dǎo)出來(lái)，這個(gè)假設(shè)就是：原子是真實(shí)的、并且在日常生活中的所有物體都是由大量原子組成的。雖然實(shí)踐中不可能預(yù)測(cè)每個(gè)原子的行為，但總體而言，它們的行為遵守有規(guī)律的模式——并且因?yàn)槲矬w中有太多的原子（在一小撮空氣中就有超過1 000億個(gè)），那些模式從未被明顯違反，盡管它們只是統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)的結(jié)果，而不是鐵律。

馬赫很反感把熱力學(xué)定律降為單純模式的觀點(diǎn)；更反對(duì)引入那些小到看不見的物體?！拔也幌嘈旁哟嬖?！”他在維也納與玻爾茲曼的對(duì)話中脫口而出。即使對(duì)于當(dāng)時(shí)能夠建造的最強(qiáng)大的顯微鏡來(lái)說(shuō)，原子也太小了。實(shí)際上，根據(jù)麥克斯韋和奧地利科學(xué)家約瑟夫·洛希米特（Josef Loschmidt）的計(jì)算，原子是可見光波長(zhǎng)的幾百分之一——因此從任何依靠光波的顯微鏡中看，它們將永遠(yuǎn)隱藏起來(lái)。原子是不可觀察的。因此，馬赫譴責(zé)他們是不真實(shí)和不必要的，與科學(xué)實(shí)踐是不相關(guān)的。

馬赫的觀點(diǎn)在他的祖國(guó)奧地利和中歐的其他地方有著巨大的影響力。他的想法導(dǎo)致他的同胞玻爾茲曼對(duì)于說(shuō)服物理學(xué)界認(rèn)同原子的真實(shí)性感到絕望；這可能導(dǎo)致了玻爾茲曼在1906年的自殺。然而，那些贊同馬赫觀點(diǎn)的物理學(xué)家經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在工作中陷入困境。沃爾特·考夫曼（Walter Kaufmann）是一位天才的德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在1897年發(fā)現(xiàn)陰極射線（老式電視機(jī)和電腦顯示器中使用的那種射線）具有恒定的電荷與質(zhì)量比。但他并沒有接受陰極射線可能由具有固定電荷和質(zhì)量的小粒子組成，而是接受了馬赫的警告，沒有假設(shè)任何不可觀察的事物，并且對(duì)這個(gè)問題保持了沉默。幾個(gè)月后，英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜（J. J. Thomson）發(fā)現(xiàn)了有關(guān)陰極射線的同一個(gè)有趣事實(shí)。但是，馬赫的觀點(diǎn)在英格蘭并不普遍，湯姆遜對(duì)于陰極射線是由微小粒子組成的這個(gè)假設(shè)并無(wú)成見。他稱之為電子，并于1906年獲得諾貝爾獎(jiǎng)（在所有物理和化學(xué)入門教科書中占有了永恒的一席之地）。

馬赫的觀點(diǎn)當(dāng)然并不全是壞事；他的著作激發(fā)了年輕的愛因斯坦早期的相對(duì)論研究。馬赫的影響力也延伸到他的教子泡利，他是維也納兩位知識(shí)分子的孩子。馬赫的觀點(diǎn)在泡利早期的智力發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，當(dāng)他第一次提出中微子的想法時(shí)，他的教父的話極有可能在泡利的耳畔回響。

與泡利不同，愛因斯坦并不害怕提出不可觀察的事物。1905年，在他發(fā)表狹義相對(duì)論理論的同一年，他面向這個(gè)充滿懷疑的世界提出了光子——即組成光的粒子的存在。（在最初的20年中他關(guān)于光子的觀點(diǎn)并未被證實(shí)。）馬赫的觀點(diǎn)也激發(fā)了下一代哲學(xué)上的重要運(yùn)動(dòng)，即所謂的邏輯實(shí)證主義——廣義上說(shuō)，關(guān)于世界的唯一有意義的陳述是那些可以通過觀察直接被證實(shí)的陳述。實(shí)證主義起源于20世紀(jì)20年代的維也納等地，實(shí)證主義者的輝煌思想在塑造從當(dāng)時(shí)至今的哲學(xué)方面發(fā)揮了重要作用。

但是，是什么使得某物是“可觀察的”？只有可以用專門的工具才能看到的東西才是可觀察的嗎？一些實(shí)證主義者說(shuō)，答案是否定的，只有我們的感官所感受到的無(wú)形數(shù)據(jù)才滿足條件——因此在顯微鏡中看到的東西并不真實(shí)。但在那種情況下，“我們無(wú)法通過歌劇院的玻璃或通過普通的眼鏡觀察實(shí)在物體，人們就會(huì)好奇我們通過普通窗玻璃看到的物體的狀態(tài)?！闭軐W(xué)家格羅弗·麥克斯韋（Grover Maxwell）在1962年寫道。

此外，麥克斯韋指出，“原則上不可觀察”的定義取決于我們最好的科學(xué)理論和我們對(duì)世界的充分理解，并會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。例如，在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前，能夠使遠(yuǎn)處物體看起來(lái)更近的儀器似乎是不可能的；因此，像海王星這樣肉眼看不見的行星會(huì)被視為“原則上不可觀察的”。然而，海王星無(wú)疑就在那里——而且我們不僅看到了它，我們還在1989年將旅行者2號(hào)派往那里。同樣，我們今天原則上認(rèn)為不可觀察的東西，隨著新的物理理論和觀測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，將來(lái)可能會(huì)變得可觀察。“是理論——因此也就是科學(xué)本身——告訴我們什么是可觀察或者不可觀察的，”麥克斯韋寫道，“沒有先驗(yàn)的或哲學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分可觀察和不可觀察。”

當(dāng)我們進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，我們利用所有的東西，包括可觀察的和不可觀察的。

即使理論提出了相同的可觀察結(jié)果，這些結(jié)果中只有一些會(huì)暫時(shí)被接受，而另一些則會(huì)被斷然拒絕。假設(shè)我發(fā)表了一個(gè)理論，說(shuō)存在不可見的微型獨(dú)角獸，有著瀑布般的毛發(fā)、螺旋狀的角和偏微分方程的味道；這些獨(dú)角獸負(fù)責(zé)量子世界的隨機(jī)性，推動(dòng)和拉動(dòng)亞原子粒子以確保他們服從薛定諤方程，僅僅因?yàn)樗麄兿矚g那個(gè)方程而不是其他任何方程。這個(gè)理論本質(zhì)上與量子力學(xué)在可觀察性上是完全相同的。但這是一個(gè)非常愚蠢的理論，并且（我希望）會(huì)被所有物理學(xué)家拒絕。

撇開這個(gè)滑稽的例子，我們?cè)谙嗤捎^察性的理論之間做出的選擇對(duì)科學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生了巨大的影響。美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）指出，兩個(gè)具有同樣可觀察結(jié)果的不同理論，仍然可以為我們提供不同的問題視角，并引導(dǎo)我們進(jìn)行不同的回答和不同的實(shí)驗(yàn)以發(fā)現(xiàn)下一個(gè)理論。因此，重要的不僅僅是我們科學(xué)理論的可觀察內(nèi)容。當(dāng)我們進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，我們利用所有的東西，包括可觀察的和不可觀察的。當(dāng)然，我們更加關(guān)注我們對(duì)無(wú)形實(shí)體存在的信念，但我們并不否認(rèn)存在不可觀察的事物，或者至少它們的存在是合理的。

當(dāng)科學(xué)家面對(duì)新的或無(wú)法解釋的事物發(fā)展出奇怪的理論時(shí)，一些最有趣的科學(xué)研究工作就完成了。瘋狂的想法必須找到一種與世界相關(guān)聯(lián)的方式——但粗暴地要求可證偽性或可觀察性會(huì)阻礙科學(xué)。在如此嚴(yán)格的限制條件下發(fā)展成功的新理論是不可能的。盡管泡利自己也有擔(dān)心，但正如他在第一次提出中微子時(shí)所說(shuō)的那樣：“只有那些下了賭注的人才能贏。”