科学的能与不能

来源:科学手记时间:2021-11-06

如果讨论当前科学的发展状况,在科学界内部恐怕也难有共识,一些领域也许认为繁花似锦,前景大好,另有一些则会有困蹙迟滞,前景堪忧之感,这当然与其是用如何一个标准来衡度,以及如何评断其价值有关。

前不久因着北京清华大学庆祝大物理学家杨振宁的百岁寿辰,在广义的媒体上出现许多关于他的讯息。一般多知道他因为在基本粒子物理的对宇称不守恒质疑,得到了诺贝尔奖,也有许多谈论他真正堪为世纪大物理学家的规范理论重大成就,但是较少谈论杨振宁在统计物理方面同样深刻的贡献,其原因甚多,其中之一恐与统计物理所面对问题的高度不确定性有关。

十九年前我写成出版的《杨振宁传》中,在〈统计物理集大成〉一章中,讨论了一些统计物理的问题。在这章开头,我说到十九世纪末,就某个标准来看,古典物理科学的发展,可以说已经达到令人赞叹的程度,因为其理论结构和谐,内容齐备。当时建基在牛顿力学与马克士威电磁理论两个支柱上的对宇宙的描述,被一个欧洲科学家形容为已经达到西方基督宗教上帝创世的水平;马克士威电磁方程好像旧约《创世纪》中的上帝创造了「光」,天体运转则服从牛顿力学的规范,端的是一个科学的宗教谕释。

近代科学还有一块基石叫热力学,这个源起自工业革命蒸汽机的科学研究,却有一些困局,那就是一般人常朗朗上口的所谓热力学第二定律,其实并不能完美解释物理现象中不可逆概念的矛盾,因此所谓热力学第二定律的有效性,不过是一个高度机率的论断。正如马克士威给英国物理学家莱立爵士(Lord Rayleigh)一封信上所写,「热力学第二定律的真确程度,就好像说『你将一杯水倒如海中,你不可能再把同样一杯水从海中掏舀出来』的叙述是一样的。」

为了弥补力学现象以及电磁现象都是可逆、而热力学不可逆的缺陷,科学家引入机率的概念来解决这个问题,这便是统计力学。简单来说,这种研究就是针对着复杂多变系统,难以建立简单因果关系关键问题的一种出路。当然,这比起以往那些处理简单固置因果的问题,面对的挑战便要大得太多了。

近代科学之所以能由人类自然哲学思想脱颖而出,一是对于繁复自然现象的人为控制,也就是实验作为,另外一个则是能建立起准确描述的数学模型,这在牛顿所起始的力学,马克士威所统合的电磁现象,都证明了其有效性,但是面对相对繁复多因的一些宇宙物质现象,便面临了本质上的困难。因此在如马克士威、波兹曼(Ludwig Boltzmann)等一些科学家的寻思下发展出来的统计物理,便只能用机率的概念。

相对来说,用机率概念描述物质现象的统计物理,比起力学或电磁学对现象的数学描述性,精确性自是相去甚远的,因此统计物理到上世纪下半叶的发展,仍是 方兴未艾的,杨振宁也做出了譬如非对角长程序和杨-巴克斯特方程等的贡献,当然探究微观粒子现象的量子物理之发展,更强化了或然率概念在处理宇宙物质现象中,不可回避的选择。

简单来说,一如物理科学的发展,科学的走向也是日趋于尺度的极端小(或极端大),因果复杂度也就愈高,表象上看来,确有一个繁华似锦的面貌,但是在内里的实际,其实却是问题重重。杨振宁曾经说起理论物理中许多猜想文章产生的过程:先是某人发表一篇论文阐述他的理论,第二个人说他能够改进前一个人的论文,后来又有一个人出来说第二个人的理论是错的,最后却往往发现最早的那一个人的概念完全是错的,或根本没有意义。

这些看似在物理科学高端层次的价值论断,其实与整个科学的进展密切相关,因 为就某个意义来说,物理科学在思维取向和技术手段方面,都可以说是工程科学、 生命科学与社会科学的上位结构,影响深远,远的不说,上个世纪物理科学对于生命科学趋向发展的导引,最是明显可见。

当下的生命科学因其转译研究在临床医疗上带来重大效益,看似前景乐观,希望无穷,却也已经出现大量生命医学实验再次复制困难的问题,主流科学期刊《自然》讨论这种困境的文章,是以「重复性忧郁」作为标题,甚至用「形上科学」来形容这样的生命科学。造成其复制困难的关键,正出于生命现象的繁复多因,难以人为规范于线性因果来探究,《自然》也点名当前甚是热门的认知神经科学以及心理学研究,有着同样的困境。

其实讨论科学的困境早已有之,只是于今尤烈。此原因无他,科学以往面对容易化简为线性因果现象的成功,在面对多因果的复杂现象之所以要出现困境,正来自科学过往成功所倚恃的所谓「实征即证」本质。讨论近代科学困境的文章也指出来,当前诸多验证复杂因果的实验,实验设计上正向肯定因果的主观选择盲点,利用或然率模式作可靠性判准的价值偏颇,造成近年来许多生医实证结果的不能「重复再现」,大量实验论文发表后遭到撤稿,其实并不奇怪。

奇怪的是,纵然知道了近代科学在方法上的盲点,也认知到其应用施为的危机, 社会受众似乎依然对之信心逾恒,此固有科学建制的积重难返,而社会人众对科学的过甚执念,也在近时面对病毒疫疾的挑战,近代科学解决如此高度复杂因果问题的心余力绌中,一览无遗。无怪乎上世纪很有代表地位的科学哲学家费耶阿本(Paul Feyeraben)会说:「科学已变成了一种宗教。」

当然,科学并不是全然「不能」,然而不识其「不能」而祈其「无所不能」,正是当前科学认知的最大危殆。

 

作者:江才健,台湾著名资深科学文化工作者,曾为《中国时报》科学主笔,《知识通讯评论》发行人兼总编辑,现为台湾大学新闻研究所兼任副教授。
来源:《科学手记》2021年11月