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36氪领读 | 再论科学发现的逻辑，回答科学是什么

晰数塔互联网快讯
2022-05-15 13:07

本文摘自《消失的真实：现代社会的思想困境》，作者：金观涛著，36氪经授权发布。

现代科学的建立，是最基本的普遍可重复受控实验的发现，并在此基础上建立公理系统。在此过程中，存在着公理的完善以及原有公理系统的修正，与此相伴的必定是整个理论系统的改建，这就是人们常说的科学革命。然而，只要这一过程完成，我们就会看到科学革命的终结。事实上，在光速不变、等效原理、量子力学的测量公理加入经牛顿扩大的欧几里得几何学公理系统后，现代科学已经建立在一些最基本的普遍可重复受控实验之上。相对论和量子力学成为科学真实的最终基础。

一旦理解了科学真实的本质，我们就可以断言：科学发现的逻辑既不是波普尔那种对“可能被证伪之猜测”的提出和反驳，也不是库恩所说的“在某种范式指导下的解谜工作”或“创造新范式”，而是对普遍可重复受控实验的发现和扩张。因为数学是对普遍可重复受控实验结构的符号表达，它通过在人们心灵中一次次预演受控实验，从而推动现实中受控实验的迭代和扩张。换言之，数学研究是和科学研究同构的过程，当相应符号还没有指涉经验对象时，数学家是在进行受控实验结构的“非经验探索”，但这种研究总有一天可以和受控实验联系起来。

这样，随着现代科学基础的奠定，科学发现的逻辑主要表现在两个方面。一是科学理论研究使用的数学越来越深奥，甚至一时间看不出和经验有什么关系。一旦建立联系，就是新的普遍可重复受控实验的发现。二是受控实验的自我迭代和组织日益复杂，新的受控实验除了离不开理论计算外，还需要庞大的组织和装备才能进行。

在证伪的背后

然而，在现代科学基础完备后，在科学发展的历程中难道不会发生普遍定律被证伪吗？如果有，这不恰好说明证伪主义对科学发现的定义仍然有效吗？如果一个全称陈述被证伪，它一定建立在普遍可重复受控观察之上，而立足于普遍可重复受控实验之上的全称陈述不会被证伪。这表明，如果发生某些原以为普遍成立的定律被证伪，只是意味着在受控实验的不断拓展过程中，因为原来不为人知的控制变量会被创造出来，一些原先基于观察得到的普遍可重复受控实验之间的关系，在新的前提下不再成立。

对此，我要强调的是两点：第一，被证伪的定律只是建立在受控观察之上，它本来就是一个等待证伪的猜测；第二，对科学真实而言，这只意味着发现了某些普遍可重复受控实验之间确定关系的有效边界。

我以宇称不守恒的发现来说明这两点。所谓宇称守恒是指自然定律的镜对称。20世纪上半叶，物理学家认为所有自然界基本定律都是镜对称的。所谓自然定律“镜对称”，是指两个普遍可重复的受控实验之关系。如果把一个受控实验的可控变量换作它的镜对称的可控变量，其相应的结果（可观察变量）也是前一个实验的镜对称的可观察变量，那么这两个受控实验是镜对称的。我们总是可以设计一个和既有实验呈“镜对称”的实验，比较这两个实验，看其是否一样。宇称守恒断言所有受控实验都是镜对称的。显而易见，和宇称守恒这一全称陈述相联系的只是受控观察而非受控实验，即并不存在一个有效的原则，保证镜对称的受控实验通过自我迭代和组织的新受控实验也是镜对称的。换言之，该全称陈述只是一个猜测。这样，在受控实验自我迭代和组织的过程中，随着受控变量的拓展，有可能发现并非镜对称的受控实验。

宇称不守恒的发现是由θ和τ这两种粒子衰变不一样引起的。θ和τ的质量与寿命完全一样，所以应该是同一个粒子，但θ粒子在衰变时的行为模式和τ粒子不同。到底该如何解释这一现象呢？1956年，李政道和杨振宁通过深入复杂的计算指出，θ和τ两种粒子实际上是同一种粒子（后来被称为K介子），其衰变结果之所以不同，只是因为这两种衰变过程并不互为镜像。换言之，相应受控实验的表达不是镜对称的。李政道和杨振宁大胆地断言：弱相互作用的法则不再满足镜对称。

李政道和杨振宁做出预言后不久，实验物理学家吴健雄设计了一个巧妙的受控实验证明弱相互作用下“宇称不守恒”。吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变（这是一个典型的弱相互作用），她在极低温（0.01开尔文）下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不互相对称。实验结果证实了弱相互作用下的宇称不守恒。从此，弱相互作用下“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的科学原理。

从科学理论变化来看，以上例子说明原有的物理理论“宇称守恒”被新的事实证伪了。这表明那些建立在受控观察之上的物理定律，无论看起来有多么“基本”，仍然只是猜测。该猜测被证明为错对科学真实的意义在于，某些普遍可重复受控实验之间确定关系的有效边界会被发现，而不是科学基础的颠覆。该发现正是现代科学基础建立后，受控实验的组织迭代和与其相连的符号深层结构展开互动的结果。如果没有李政道和杨振宁通过数学计算（受控实验的符号表达）指出“宇称守恒”不成立这种特殊的条件（某些支配实验的新受控变量），谁又能想到在强磁场、极低温（0.01开尔文）条件下做钴60原子蜕变是否镜对称的实验（将新的受控变量加入控制变量集，并形成新的受控实验）呢？只有用符号表达原有受控实验，并用数学推导各种受控实验（包括θ和τ这两种粒子衰变）是否自洽时，才能发现这个独特的条件（新的控制变量）。这时我们才能知道：原来认为所有表达物理定律的受控实验均为镜对称这一观点的成立是有前提的。换言之，在某一个定律被证伪的背后，是发现了原先认为普遍可重复受控实验之间关系成立的边界。

科学的增长：分形的形成和展开

无论逻辑经验论把科学进步视为事实一点一滴地增加，还是证伪主义将科学理论当作等待证伪的猜测，以及范式说主张的一次又一次的科学革命，近2000多年来科技进步的速度一直都是衡量科学真实拓展的最重要指标。迄今为止，不论科学社会学和科学史学家相信哪一种科学哲学，他们都用其来预测科学未来的走向。

自20世纪下半叶起，不少人根据统计资料认为以往的科技加速发展似乎不再可能。一份2015年的媒体报道指出：“科技创新活跃期的最近一个波段从约1500年开始，在1920年左右达到顶峰，然后下降。特别是近十年来，这种下降尤为明显。经济学家泰勒·考恩在他的《大停滞》一书中对此有较多描述。他认为，到20世纪70年代，美国已经基本摘取了‘低枝果实’，其中包括：大量土地的开发利用红利；大幅提升受教育人口比例的红利；最重要的是，目前支撑经济的主要科技发明都是在1940年之前发明的，在这之后，最重要的发明只有计算器，其他乏善可陈，技术领域由此形成‘高原平台’的停滞景观。美国学者乔纳森·许布纳也通过定量实证研究，发现人均年均科技创新的顶峰是1873年，而美国人均专利数的最高点出现在1915年。”

事实上，无论是近年来互联网掀起的技术变革，还是生命科学的突飞猛进，都说明上述观点站不住脚。为什么它一定是错的呢？因为上述观点立足于20世纪不正确的科学观，把现代科学基本结构建立前后的科学技术发展混为一谈。科学经验真实建立在受控实验普遍可重复及无限扩张之上。当现代科学基本结构没有形成或仍处在形成之中时，科学经验真实之拓展和数学研究各自独立展开，科技进步是偶然而缓慢的。一旦普遍可重复的受控实验找到最基本的内核及其数学表达，科学真实的拓展就依赖于受控实验的自我迭代、数学研究的进步和两者的互动。如前所述，直到20世纪，相对论和量子力学才成为现代科学的基础，即基本不变的科学结构形成。这样，用20世纪以前科技增长的历史来分析和预见今后科技的发展是完全没有意义的。

根据我前面提出的科学观，科技的进步又遵循什么样的模式呢？我把现代科学结构比喻成分形，其最重要的性质是自相似性，即它的各个部分、各种尺度的图案由同一原则生成。现在我们已经知晓分形产生的原则即普遍可重复受控实验的自我迭代及其符号表达之展开，这样就可以清晰界定科技增长在三个阶段的不同方式。

第一个阶段是分形还没有出现。这时，受控观察和受控实验只是偶尔进行，自然数运算中的深层结构只有少数哲人了解。科技增长完全取决于其所扎根的传统社会的结构。无论是科学理论还是技术，它们与其所扎根社会的思想和结构的关系，远远大于科学内部经验和符号的关系。正因如此，中国传统社会的科学理论和技术增长模式完全不同于罗马帝国或阿拔斯王朝。也就是说，科学技术史只从属于轴心文明的历史。某一文明科技增长的方式和速度取决于其传统社会结构。

第二阶段是分形的形成。我在第二编中指出，现代科学起源于欧几里得几何学，其他各门科学的建立过程中，明显可见《几何原本》的示范作用。所谓示范作用正是描述分形的形成，其前提是天主教文明中源于古希腊与古罗马文明的认知理性和对上帝的信仰分离并存，而这恰好是现代性通过宗教改革在天主教文明中起源的过程。这样一来，现代科学分形之出现和壮大必定是传统社会向现代转型的一部分。在分形形成时期，科技增长的中心往往和现代民族国家同步出现。当英国成为人类历史上第一个现代民族国家时，它亦是科学革命的中心。18世纪法国成为民族国家，19世纪德国成为现代民族国家时，我们同样看到相应国家科技的高增长。随着现代民族国家在竞争中发展，甚至可以看到世界科学中心的转移。分形形成时期，科技增长和传统社会向现代转型之间的关系，在其他各轴心文明中也成立。

一旦分形最后形成，即进入第三阶段，科技增长本质上是全球性的，它的展开可以视为分形的任何一个部分的自我复制。因此，自20世纪至今的科技增长属于现代科学基本结构（分形）成熟后的展开。由于分形的任何一部分和整体自相似，增长可能出现在分形的任何一点、一部分，有时涉及整体。这样一来，科技增长的总体速度呈现出极为复杂的面貌。新科技的出现犹如分形展开过程中总长度和测度的变化，根据分形成长的混沌性质，其整体应该是不可预测的。

书名：《消失的真实：现代社会的思想困境》作者：金观涛，出版社：中信出版集团

作者简介

金观涛

生于1947年，现任中国美术学院南山讲座教授、香港中文大学中国文化研究所高级名誉研究员。

主要著作有《系统的哲学》《历史的巨镜》《轴心文明与现代社会：探索大历史的结构》。与刘青峰长期合作研究，合著代表作有《兴盛与危机：论中国社会超稳定结构》《开放中的变迁：再论中国社会超稳定结构》《中国现代思想的起源：超稳定结构与中国政治文化的演变（第一卷）》《观念史研究：中国现代重要政治术语的形成》《中国思想史十讲（上卷）》。