令人不安的人類知識極限

編譯 魏劉偉

科學描述的是經驗還是真理？

《科學是什么以及科學究竟是如何進行的》劍橋大學出版社，2019年7月

科學似乎受到了攻擊。攻擊來自多個方向，從政治領域到偽裝成科學實體的團體和個人。甚至有一種真正的風險，即科學事實最終將被減弱為僅僅是另一種觀點，即使這些事實描述了自然現象——也就是發展科學的目的。加速這種侵蝕的是一種夸張的宣稱：科學常常制造“真理”。而研究人員本身也可能是這樣認為的，不管是否有意。

我是個研究者，我明白這種想法。似乎很難解釋科學理論在描述自然方面的持續不斷的成功——更不用說技術的不斷進步——而不給這些理論賦予至少一些特殊的認知地位。我在這本書中探討了這一挑戰。如果說科學史教會了我們什么，那就是一種理論預測未被觀察到的現象并導致驚人的新技術的能力，并不能證明上述理論是“真的”。

例如，除了能夠解釋已知的太陽系的動力學之外，艾薩克·牛頓的力學還對其他天文現象做出了驚人的準確預測，例如哈雷彗星由于木星的引力效應而在1759年的遲到。更令人印象深刻的是，在19世紀初，當天文學家確定天王星的軌道偏離牛頓的預測時，他們得出一個結論：牛頓的理論沒有錯；相反，他們假定一顆先前未被觀測到的行星的存在，并在后來發現了它的確切位置（并命名為海王星）。

科學革命的成功令人印象深刻，以至于哲學家們發展了全新的知識理論，試圖去解釋科學家是如何利用觀察和理性來發現基本真理的。在這個過程中，科學家和認識論家都試圖否定邏輯學家自古以來就知道的東西：無論多少正確的預測都不能夠證明一個假設的正確性。這樣做就犯了“以果證因”的錯誤——換句話說，科學理論總是被現有的數據所低估。

但這難道不只是象牙塔語義嗎？邏輯學家們可以揚起他們的眉毛，搖晃他們的手指，但科學家們正忙于在現實世界中取得進步。牛頓力學的成功難道不正是證明了牛頓假設的定律一定是真的嗎？否則，這個理論怎么能在浩瀚的宇宙中指定一個地方，并在那里找到海王星呢？結果的正確，就是前因的正確！

然而，事情并不總是如此順利的。1859年天文學家們確定，隨著時間的推移，水星的軌道并不像牛頓力學所預測的那樣運行。因此，另一顆新行星（命名為祝融星）被假定存在并被計算出了其可能的位置。與對海王星存在的預測不同，這一假設并沒有成功；相反，牛頓力學在這一背景下是一個不正確的理論。它關于時間、空間和同時性的概念是完全錯誤的。這就需要另一個不同的科學理論——愛因斯坦的相對論——來解釋水星異常的近日點進動。

這些被推翻的假說的例子在科學史中屢見不鮮：自發產生的生命、糟糕的空氣和四種基本體液的不平衡會引起疾病、巴斯德關于疫苗如何工作的理論、梅斯默的調節人類健康的不可稱量的液體等等。

那么，我們可以相信什么呢？堅持認為電子、原子、黑洞和暗物質是真實的，因為我們可以通過假設它們的存在來解釋和預測很多觀測和預測？或者簡單地承認科學不能支持對抽象的、未被觀察到的科學物體和規律屬于絕對真理的主張？

有人可能會說，我們生活在一個簡單的不能容忍微妙思考的時代。如果科學家不敲“真理”的鑼，那么它可能只會加速科學作為“僅僅是另一種觀點”的消亡。然而，我認為，這一立場沒有給預定的受眾以足夠的信任，而且聲稱絕對真理的存在最終弊大于利，不僅是為了科學與公眾的互動，也是為了科學的實踐。如果數據對科學來說是神圣不可侵犯的，那么就讓我們接受科學本身的歷史數據吧！

本書節選

早在1667年以及整個17世紀，人們花了大量的時間研究自然界的一種基本物質，叫作“燃素”（phlogiston）。人們觀察到，當物體燃燒時，它們的重量就會變輕，同時也會釋放出熱和光。重量的減少似乎清楚地表明，燃燒的物質在釋放熱量的同時會損失質量。這種被釋放出來并散發熱量的東西被命名為燃素。另一個已知的觀察是，如果在一個封閉的容器中點燃蠟燭，蠟燭會燃燒一段時間，然后熄滅。由于在大部分蠟燭完好無損的情況下火焰熄滅了，所以燃素說似乎無法解釋火焰熄滅的原因。相反，人們假設空氣的質量在某種程度上發生了變化。事實上，這一假設得到了觀察的支持，即如果蠟燭暴露在新鮮空氣中，它就會再次燃燒。從所有這些觀察中得出的結論是，要使一個物體燃燒，空氣就需要能夠吸收它釋放出的燃素；燃燒在一段時間后的停止，是因為沒有更多的燃素可以被空氣吸收。

人們還認識到，空氣維持生命的能力與其允許物體燃燒的能力具有相似的性質。換句話說，如果一個人把一個小哺乳動物放在一個封閉的罐子里，它會在一段時間后死亡，剩下的空氣無法支持燃燒；相反，如果一個人在容器里燃燒蠟燭，直到它不再燃燒，空氣就不能再維持老鼠的生命。令人驚訝的是，如果一個人把植物放進不能支持燃燒或活老鼠生命的空氣中時，植物的表現非常好，而且過一段時間空氣就可以再次支持燃燒或老鼠的生命。顯然，燃燒和動物的生命都導致了燃素的釋放，這就是我們呼吸的原因（為了將燃素從我們的身體中排出）。空氣只能吸收一定量的燃素，因此只能支持一段時間的燃燒或老鼠的生命。然而，植物從空氣中去除了燃素，恢復了其吸收燃素和維持小鼠生命或燃燒的能力。燃素說很好地保持了理論的一致性；所有已知的現象都可以在燃素存在以及空氣只能吸收有限的量燃素的前提下進行預測。

隨著科學家們開始理解“空氣”實際上是不同實體的混合體，對空氣進行分餾的研究成為一個豐富的探索領域。當氮氣被發現時，人們發現火焰既不能在里面燃燒，老鼠也不能在里面生活。這被解釋為燃素化的空氣；換句話說，氮氣沒有吸收燃素的能力。幾年后，約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）觀察到一個奇怪的現象，對氧化汞進行加熱會使空氣退燃素化；換句話說，通過加熱氧化汞而得到的空氣能夠吸收更多的燃素，因此，它增強了火焰的燃燒，而且老鼠在這種空氣中的壽命比在正?？諝庵幸L。對燃素的研究似乎是一場勝利，因為每一個關于它的新發現都很好地適用于了一個連貫的理論。

隨后的自然科學研究表明，一些物質，特別是金屬物質，在燃燒時實際上會變得更重。這對燃素理論來說是一個嚴重的問題，因為很難解釋為什么一個正在失去燃素（和散發熱量）的東西會變得更重而不是更輕。人們提出了一些論點試圖來解釋這一點，但最終表明，當物質燃燒時，它們實際上與空氣中所包含的某種東西結合在一起。事實上，根據我們目前的理解，燃素并不存在；相反，燃素的對立面卻是存在的（我們現在稱之為氧）。蠟燭不是因為空氣不能再吸收蠟燭發出的燃素而停止在一個封閉的容器中燃燒；相反，空氣中含有一種對燃燒（氧氣）至關重要的元素，事物停止燃燒是因為所有的氧氣都被消耗掉了。加熱氧化汞并不會使空氣退燃素化；相反，它會釋放出氧氣，這是燃燒和生命所需的氣體。這標志著概念的倒置，一個范式的轉換，其意義不亞于認為地球圍繞太陽旋轉而非太陽繞地球旋轉的觀點的提出。

這個故事的重點是一個抽象的實體，即燃素。就像許多科學研究的對象一樣，燃素本身從來沒有被直接觀察到；相反，燃素的影響被觀察到了，并被作為它存在的實質證據。正如前面所解釋的，燃素的概念可以追溯到對某個東西的存在的猜測，它可以為觀察到的現象提供一個解釋。隨著越來越多的觀察證據的出現，它被解釋為燃素存在的證據。正如前面討論過的，追溯過程容易受到“以果證因”的謬誤的影響，即：即使燃素存在的假設能夠預測所有的觀察，但并不意味著燃素必須存在（從邏輯的角度）。然而，燃素的概念確實存在，并且（在一段時間內）非常有效地解釋了自然世界。無數的科學家過去一直覺得他們是在“觀察燃素”?？茖W家們研究了燃素的性質，他們可以通過燃燒中燃素的流失來測量其質量，他們可以用燃燒的氧化汞來吸收空氣中的燃素，他們可以通過點燃蠟燭來把燃素釋放回空氣中。

科學家們怎么能夠研究一種物質的物理性質，而它卻根本不存在于人類的抽象想象之外呢？我們確實需要尊重更廣泛的哲學概念，即我們的想象沒有什么神奇的，不管我們的理論假說似乎能解釋多少；提出一個未被觀察到的實體來解釋所有觀察到的現象，這并不能證明它的存在。從來沒有科學家直接觀察過電子、原子或希格斯玻色子，但我們確信它們存在，因為我們可以研究它們存在的預測效應。事實上，我們用氧氣這個同樣抽象的概念取代了燃素的抽象概念，雖然氧氣存在的假設比燃素更能解釋我們的觀察，但它也同樣抽象。我們對研究這樣的東西充滿信心，但最終所有這些東西在哲學上都和燃素沒有什么不同?？茖W家們研究現象，但他們用科學客體來詮釋。重要的是要記住，許多科學聲稱要研究的科學實體將永遠遭受潛在的不存在的脆弱性。這也是為什么當一個人假設最初的前提，然后建立起有著強大預測能力的理論時（例如，歐幾里得和牛頓），他不能利用其理論的成功作為證據來證明其前提是正確的。它們可能是正確的，但不可能被證明是正確的；一次又一次，“已知的”科學實體和公認的科學前提和原則后來被認為根本不存在，而只是一些概念而已。