大草原和越野车:谈谈科学的硬壳(上)

到非洲撒哈拉沙漠以南辽阔的大草原(Safari)上旅行可能是很多人的梦想。在电视上大家可能看过这样的镜头:纯净高远的蓝天之下,水草丰美的草甸之上,大群大群的野生动物随意倘佯,与坐在越野车上的游客咫尺相邻,兴奋的游客们有的照相,有的惊呼指点,好不快活。不过,如果知道这些游客在上车前受到的警告,可能有人就不会觉得有这么快活了。我手头的这本旅游杂志是这样转述这些警告的:“不要下车,否则狮子会吃了你!不要把身体伸出车外,否则狮子会吃了你!”可以想见,当人们读到有游客因为下车到灌木从中撒尿而被狮子咬死的新闻的时候,是如何地既感到惋惜,又止不住有一种的哑然失笑的感觉的。当我听到有人哭喊着抱怨说“哲学不应该来指导科学”的时候,就想起了那些下车被狮子咬的游客。

如果我们把大草原想象成各种思想争奇斗妍的大舞台,大草原上各种野生动物就是如各色各样的非科学的思想,哲学的,宗教的,学院的,民间的,各不相同,千奇百怪,而科学,就如那驰骋在大草原上的越野车,自由自在,想到哪就到哪,所到之处,野生动物纷纷避让,科学简直就是无往而不胜的啊。科学的胜利难免让乘坐在科学的越野车上的人们产生了自己是不可战胜的幻觉,贸然走到车下,于是就有了人被狮子咬的新闻。

人们不应该忘记了,科学的战无不胜的原因,就如越野车一样,在于它本身具有的钢铁硬壳。没有硬壳的保护,车里的并不比车下的厉害和高明。失去硬壳的保护,原本在车上的败于车下的,也没啥奇怪的。负责任的导游,自然会提醒游客,要在硬壳的限制范围内活动。不幸的是,就像有不负责的旅游公司一样,有一些科学门类,连很多导游自己都被胜利冲昏了头脑,动不动就要下车闲逛,更不用说乘客们了。这些学科出来的人,往往就是那些被思想界的捕食者,也就是哲学,咬了来哭喊着抱怨说“哲学不应该来指导科学”的人。对于他们,我们也只能是既感到惋惜,又止不住有一种的哑然失笑的感觉的。

很明显,这些人对“哲学不应该来指导科学”犯了理解上的错误。他们以为这个原则是说哲学不准批驳搞科学的人的言论,就像狮子不准袭击车上下来的人一样。不幸的是,这样的理解不是正确的理解,狮子不会因为人有这个理解而不袭击人,哲学也有权利批驳出离了科学硬壳的科学家的言论。正确的理解,是说哲学不应该指导科学的方向,就如狮子不应该指导越野车应该往那里开一样,更不用说让狮子来掌握越野车的方向盘了。“哲学不应该来指导科学”的说法,一方面是让哲学不要来指手画脚,另一个方面,是要让掌握科学方向盘的人要大起胆子,不要因为看见前面有哲学挡道,就不敢把车开过去了。事实上,越野车所到之处,狮子再呲牙咧嘴,最后也是要让道的。科学所要研究的东西,也不会因为哲学说三道四而研究不成功。归根结底,科学的硬壳才是科学无往不胜的保证。

前面我们提到,就如越野车在大草原上任意驰骋一样,科学可以到的地方,也就是科学研究的对象,是没有限制,是包罗万象的,不仅仅局限于自然科学。人和人的社会本身的一切现象,也是科学研究的对象,这些科学门类就是社会科学。显然,科学的硬壳不是指科学研究的内容,对象和结果,因为这些都是可变的,而且也没有范围的限制。同样,科学的硬壳也不是指科学家这个头衔,不是指由科学家组成的团体,不是指科学家工作的场所,更不是指支持科学事业的政治团体和机构。有人可以终身以科学为职业,可以是科学家团体的终身成员,可以是被社会,被政治团体和机构终身认可的科学家,但科学的硬壳不接受终生的居住者。相反,科学的越野车颠簸前行,人们随时有掉下车去的危险,甚至掉到了车下都不自知。因为科学的硬壳不是肉眼可见的,而是存在思想中。要想确保在车内活动,就先要在思想上明白科学的硬壳是由什么构成的。

简尔言之,科学的硬壳,就是科学的方法。科学的方法一方面保证科学研究结果的坚硬,另一方面也规范和限制科学家的行为。当科学家不是在使用科学方法的的时候,他就走出了科学的硬壳。这篇文章,就想来强调一下,到底什么是科学的方法。顺便给些例子,让大家看看怎样的言行,就算出离了科学方法的硬壳了。由于出壳的方式种类千奇百怪,我这儿例举得并不全面,重点还是描述科学的方法。谈科学方法之前,先谈谈科学。

1.科学和科学理论

科学是一个人类共同的事业,是人类试图理解自然,包括人和人类社会,的一种追求。人类追求理解自然的方式有多种,比如哲学,宗教和艺术都有自己的方式,但科学发展出了最可靠和最有成效的方式,这就是科学方法。不过不幸的是,科学方法本身,并不能直接给出答案。答案,还是需要人们靠自己的理解力,创造力,想象力和推断力来给出的。这些人们对自然现象给出的答案,如果有被科学的方法所验证的可能,我们就叫它们科学理论。一个科学理论如果被科学的方法所验证,得到很多支持的证据,而又没有反面的证据,一般就会被人们接受成为科学事实。即使这样,这些所谓的事实,有时候被叫作科学真理,并不是哲学意义上的真理,也不是自然存在的本身,它们还是人们对自然的认识而已。所以,它们都是可以被修正和改变的。

正因为科学理论总是在被不停的修正改变,对追求永恒真理的,或者比较容易悲观的人来说,科学理论是短命的,让人灰心的。如果一个人一开始认为被验证了的科学理论就是真理,很可能最后会失望,有的人甚至会作恍然大悟状,跳到科学的对立面去。科学理论短命的原因,一方面是因为人总会犯错误,主要的方面,还是因为人对自然的科学探索本来就没有路线图,难免走错路。最后,科学的道路是漫长的,而路只能一步一步走。科学的优势,在于勇于承认错误。面对相反证据,坚持自己信的理论就是对的的人,很容易掉下科学的越野车。相反,要把车坐稳,就要随时验证新的正反两方面的证据。如果一个理论暂时无懈可击,暂时就要接受。同时,接受的,是理论本身,而不是由理论引出的解读。这些解读,其实应该作为提出可验证的新理论假设的契机,而不是作为教条来相信。

科学理论是短暂的, 但是,科学的事业是永恒的,被验证的科学理论可能永远会是人类意识所能达到对自然理解的最高境界。科学所到之处,带来的都是对自然的更清楚的认识。即使是"很不成熟"的科学领域的科学理论,也是那个领域的最好的理论。所谓最好,就是刚才我提到的最可靠和最有成效,这是由科学本身追求的目标决定的,这个目标就是预测能力。人对自然不是说理解了就完了,而是要能预测自然。科学理论说到底还是人对自然的描述。而好的描述就等于好的预测能力,因为好的描述都具有普遍性。如果一个描述不能预测东西,就不是好的描述。所谓描述性科学和分析性科学的区分,我认为是人为的,过时的区分,因为二者并没有本质区别。不是说用数学公式来分析的科学才是好的,不用的就是描述性,就不够高级,其实用公式的也是描述性的。就是单纯描述一个现象,也是在和其它有关东西的比较的背景下来描述的,所以这样的描述本身,就有预测能力。事实上,描述的目的就是为了预测。比如说,生物分类学为什么要这么分?是为了预测一些重要的动物习性和植物生长环境等等。一说动物A是个猫科动物,我们就可以预测其习性,它小时候要吃奶,有尖牙利爪,是捕食者,等等。在天文学上,现在为啥又把冥王星驱除出行星的行列了?因为它的行为和别的行星都不同,不符合对行星行为的预测。

2.科学方法

2.1.前提:理论的可证伪性

在验证一个理论以前,科学方法对理论本身有要求。这些要求其实也很合理,不算苛求。首先,理论要明确。对定义不清,语焉不详,不知所云的言论,科学方法是不愿意关心的。只批判别人的理论,而不明确提出自己的意见的言论,科学也是不愿理会的。比如,光是批判质疑进化论的言论,小册子出再多,科学也是不会理睬的。第二,有了自己的意见以后,这个意见还需要能用逻辑和数学来推出某些结论,并让这些结论有被现实证明为错误的可能性。这其实是判断一个理论是否是科学理论的主要标准,亦即"可证伪性"。比如说,回答"人从那里来"的问题,一个理论如果简单说:"是上帝造的",就属于不可证伪的理论。因为,从这个理论不能逻辑地推出任何可以被现实来验证,并且可能与现实不符的结论。不像进化论,可以推出有不断演化的不同年代的动物存在,而这些动物如果存在过,肯定会留下痕迹。这个理论是可以被证伪的,因为如果找不到这些动物的痕迹,进化论可能就是错的。验证结果当然我们都知道,随便去一个自然博物馆就可以看见。

判断可证伪性的逻辑当然不必像"要么可证伪,要么不可证伪"这么绝对二分法般的死板,而是有一定不确定性的。一个理论从这个方面推也许推不出什么可验证的结论,换一个方面,也许就行了,有时人们可能暂时还不知道如何从一个理论推出可验证的结论。一个理论从可证伪到不可证伪之间,就有一个连续的度的差异。鉴于现在人们把逻辑看成概率论的特例[1],而概率论能比较好地反映人的不确定性推理,我这儿就用概率论的思想来谈科学方法。一个科学理论是对自然某一个方面的描述,也就是一个模型,让我们用M来表示模型。要用科学方法来验证模型,就需要收集数据,让我们用D来表示数据。模型和数据都是在一些已知信息的背景下产生的,比如一定的实验条件(对实验科学),社会背景(对一些社会科学),和已知的科学事实,等等,让我们用I来表示这些背景信息。科学的探索过程,就可以被看作是对不同模型的搜索过程,目的是发现"最佳"模型M^,来让条件概率p(M^|DI)得到最大化,也就是在给定背景信息I和数据D的条件下,发现最有可能为真的那一个M^。。

根据概率论的贝叶斯公式,p(M|DI)=p(M|I)p(D|MI)/p(D|I),其中p(M|DI)是我们想要知道的,叫做后验概率,是在收集到了数据的情况下,这个模型M为真的概率。p(M|I)叫先验概率,就是在没收集数据的情况下,我们根据已知信息作出的对模型M为真可能性的判断。p(D|I)是在已知信息条件下,出现我们收集到的这种数据本身的可能性。p(D|MI)叫似然概率,是在已知信息条件下假定模型为真的情况下,收集到现在这个数据的可能性。给定背景信息和数据,科学家尝试各种各样的模型,直到发现一个M^能够让后验概率最大,就认为M^是对自然最好的描述了。当然,如果问题足够复杂,也许这个M^就并不就是真正的最好的模型,将来也许可以发现更好的。这很正常,其实也体现了科学理论需要被不断改进修正的事实。

注意,科学方法是给定D和I,变化M,来发现其中的一个M^,让后验概率p(M^|DI)最大化。但如果反过来,如果给定一个理论M', 无论D和I如何变,p(M'|DI)总是等于一个常数,比如说1,也就是M'永远正确,那这个理论M'就是不可证伪的,不是科学理论。因为M'的后验概率总为常数,科学方法对M'无能为力,无法知道M'是不是对的。宗教的理论,基本上就属于这一类的。有一些科学家提出的理论,比如超弦理论,人们暂时还没找到办法来收集数据验证它,也就是还没有似然概率,这样后验概率就主要决定于先验概率。而先验概率就是人者见人,智者见智了,有说0.7的,有说0.4的,争论不休。可见,如果没有数据,对科学家提出的理论,科学方法也是无能为力的。

2.2. 理论为真的先验概率

上面提到,先验概率p(M|I)的确定,其实是比较主观的,受几个因素的影响。首先,提出这个模型M的人,可能比较容易高估M的先验概率。毕竟人们一般不会提一个自己都不信的模型来。一旦提出一个模型,一般人都会尽力维护它。有时候,一个学者学术生涯的沉浮和自己的理论的被接受程度都是挂钩的。这样的话,基于利益的冲突,也宁愿相信自己的理论是对的。其他科学家判断这个模型的先验概率的时候,自然就会考虑这个因素。如果一个人或者是一个人群总是提与已有知识不符的理论,这些理论又大都被证明是错的,别人判断这些人提的理论为真的先验概率就会很低了,很多人可能都不会理会这些理论。比如说那些所谓的"民科"提出的理论,大多数科学家是会把它们直接扔进字纸篓的。当然,如果一个科学家很有创造力,总是提奇怪的理论,但有一些被发现是对的,大家还是会注意一下他提的理论的。有一个康乃尔大学的教授经常有惊人之言,比如他说石油不是古生物化石形成的,而是生活在很深很热的地层下的生物圈的产物。这个当然没有多少科学家相信,但他们也没有把这个当笑话来看,主要是这个教授还是提出过一些被验证了的理论的。

除了看是谁提的理论之外,理论本身的可信度,也决定了这个理论为真的先验概率。理论的可信度主要是看它和已知科学事实的一致性。如果非常的不一致,可信度就低。对先验概率低的理论,要达到同样水平的后验概率,就需要更高的似然概率,也就是人们常说的:"非凡的论断,需要有非凡的证据"。比如说,大陆漂移的理论假设最早在十六世纪就被提出来了,后来也多次被重新替出来,但是这个理论的不符合人们的日常所见,而且也没有可信的导致大陆移动的力量来源,由于缺乏决定性的证据,一直都不被科学界广泛接受。一直到上个世纪五十年代末,才由于大量的动植物化石证据和冰川沉积物的证据,共同表明几个大陆原来是连在一起的,同时地壳构造物理学的发展也表明大陆板块的移动是可能的,多方面的证据才逐渐让大陆漂移的理论得到大多数地理学家的承认。

看到这儿,有人也许会对早期提出大陆漂移说的人感到不平:为什么人们就这么固执,就不肯相信这个理论呢,为什么不视野开阔点呢?过了几百年,不也被承认了?早知道这样,那么多年的时间不就被浪费了么?科学发展不是被延缓了么?等等。用这样的调调来写煽情文章是某些"科学文化人"的拿手好戏。但是,这样的态度不是科学的态度。一个理论,特别是那些与已有知识不符的,即使将来可能被证明是正确的,但在没有找到决定性的证据以前,科学是不会承认的,科学对此也不后悔。毕竟,搞科学不是压注赌博。正是科学的保守性,确保了科学结论的可靠性。对科学来说,没有什么比承认一个还没有证据的理论更糟糕的事情了。因为,如果那样的话,科学就有退化成宗教的危险。

最后,当验证一个理论的时候,科学方法总是先假设这个理论中提出来的东西是不存在的,也就是先提出人们常说的零假设,或者叫虚无假设,再收集数据来试图推翻这个虚无假设。这有点象法庭断案里的无罪推断原则,先假定被告是无罪的,再来找罪证,这样比较谨慎,不容易把没罪的人投入监狱。比如说,同样是寻找外星人的研究,SETI就被认为是科学研究,而UFO就不是科学研究。一个重要的原因,就是前者在外星人不存在的假设基础上收集数据,而后者是先假定有外星人,再找各种证据。又如一些想用科学来研究气功的人们,可能就忘掉了这个原则。从贝叶斯推理的角度看,这个原则让我们在检验理论的时候,要对理论的先验概率p(M|I)赋予一个尽量宽,尽量均匀(当然,是在和背景信息I一致的前提下)的的分布。这样,就不是事先就认定某一些理论是更正确的,而是让各种理论都有机会能被数据所验证。

(未完待续)

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