給年輕科學家的信：何謂科學

☉［美］愛德華·威爾遜 著 王惟芬 譯

作者愛德華·威爾遜是美國生物學家，社會生物學的主要開創者。他于1969 年當選為美國國家科學院院士。

科學除了幫助我們認識天地萬物之外，還可以增強人類的能力，這份宏偉的事業到底是什么？科學是關于現實世界，關于我們周遭的一切及人類自身的、成體系且可檢驗的知識，與神話和迷信中千奇百怪的信仰截然不同。科學是身體活動和精神活動的結合，是致力于以最有效的方式獲取事實知識的富有啟迪意義的文化，有越來越多受過教育的人將它視為一種習慣。

在科學研究中，你會不斷聽到“事實”、“假設”和“理論”這些字眼。但若不與實際經驗相結合，這些抽象的概念很容易流于空談，因而被誤解或誤用。只有在了解其他科學家的研究過程，或者你親自體驗過之后，這些概念的完整意涵才會逐步顯現。

我會拿自己的一個例子來跟你解釋我的意思。我是從一個簡單的觀察開始的：螞蟻會把蟻尸搬出蟻巢。有些種類的螞蟻只是把蟻尸隨便扔在蟻巢外，但另一些種類則會將蟻尸成堆擺放，簡直像在打造一座“墓園”。我從這一行為中發現的問題簡單卻很有意思：“螞蟻怎么知道身邊有只死螞蟻？”即使是在完全黑暗的地下巢穴中，螞蟻也能認出尸體，顯然它們不是通過視覺感知死亡的。而且，若一只螞蟻剛死不久，即便是在明亮的地方，仰在那里一動不動，也沒有同伴會注意到它。一直要到尸體腐化一兩天之后，這個蟲體對其他螞蟻來說才算是一具尸體。

我猜（此時我做了一個假設），搬尸螞蟻是靠尸體腐化時的氣味辨認死尸的。我還推測（這是我的第二個假設），在尸體的滲出物中，只有少數物質會觸發這種棄尸反應。第二個假設的靈感來自一項演化原則：地球上絕大多數動物的大腦都很小，它們往往只接收身邊最簡單的線索，以此來指引行動。腐化中的尸體會釋放出幾十種甚至幾百種化學物質，這些物質可作為信號讓螞蟻選擇行動。要是在人類世界中，我們當然可以將這些物質一一解析厘清，但是對于大腦只有我們的百萬分之一的螞蟻來說，全面分析是不可能的任務。

若我的假設成立，會是哪些物質引發棄尸行動呢？是所有物質？少數物質？還是說根本不是這些物質？我去找化學材料供貨商，買來各種尸體分解時釋放的物質的合成樣品，包括糞便的主要成分糞臭素、死魚氣味的主要成分三甲胺、各種脂肪酸以及在一種死蟲身上發現的酯類。這段時間我的實驗室聞起來簡直就是停尸間再加上污水廠。我把微量的試劑滴在紙制的假尸體上，然后塞到蟻群中。經過大量發臭的實驗，我發現油酸和其中的一種油酸鹽會引發這種反應。其他物質不是完全被忽略，就是只引起一陣騷動。

我又用另一種方式重復了這個實驗（我得承認這次只是為了自娛自樂而已），把微量的油酸抹在搬運尸體的工蟻身上。它們會變成“活死蟻”嗎？果不其然，它們變成螞蟻界的“僵尸”了。盡管奮力掙扎，它們還是被巢友抬起搬到“墓園”里扔掉了。它們直到把自己清理干凈，才能重返家園。

于是我又有了另一個想法：蒼蠅和金龜子這些靠撿拾各類殘渣維生的昆蟲，應當也是靠著嗅覺去尋找動物的尸體或糞便的，而且只需要辨認物質腐敗時釋放出的少數幾種化學物質就可以了。這種至少以部分事實和邏輯推理為基礎的推論就是理論，而理論的應用是很普遍的。當然，我們還需要在其他物種身上進行更多這類實驗，才能有把握地將這些發現稱為“事實”。

那么，從最廣義的角度來看，到底什么是科學方法呢？科學方法始于發現一種現象，比方說看到螞蟻的古怪行為或是找到一種無法歸類的有機化合物，或是發現一種新植物，甚至是一處海溝里的神秘水流。科學家會問：“這種現象的性質是什么？是什么引起的？源自何處？會產生怎樣的后果？”這些疑問便會引出科學問題。那么，科學家如何找到科學問題的答案呢？總是會有線索的，而這些線索會讓人很快產生各種想法，提供解決方案。這些想法就是假設，很多時候純粹只是符合邏輯的推測。最明智的做法是一開始就盡可能地列出各種可能的答案，然后全部進行檢驗。可以逐項檢驗，或是分組檢驗，在檢驗過程中不斷排除，直到只剩下一個，這方法就是所謂的“多競爭假設”。多競爭假設并不是最普遍的方法——其實這種方法平時很少有人用。許多科學家傾向于只檢驗某一種假設，特別是自己提出來的假設。畢竟，科學家也是人。

在研究的起步階段，很難準確地提出所有可能的假設。這種情況在生物學研究中尤其普遍，主要是因為生物現象牽涉到太多因素。有些因素尚未發現，而那些已知的因素通常會彼此重疊，相互影響。觀測環境中的干擾因素也困難重重。在醫學中，癌癥是典型的例子，在生態學中則是生態系統的穩定性。

因此，科學家只能竭盡所能地去嘗試，一路憑著直覺猜測，搜集更多的信息，不斷堅持下去，直到合理的解釋可以連在一起，使人們達成共識。這過程有時很快，但有時則相當漫長。

唯有當一個現象在明確界定的條件下，呈現出不變的性質時，才可以說先前提出的“科學解釋”是“科學事實”。氫是一種不能分解成其他物質的元素，這是一個事實；攝取過量的汞會導致某種疾病這種說法，在經過充分的臨床研究后，也可稱為事實。很多人相信，因為一兩種在人體細胞內的化學反應，汞會導致一系列類似的疾病。汞會以這種方式致病的想法，可能會通過進一步的研究得到證實，也可能不會。而在眼下，相關研究尚不完善，因此這種想法只是一個理論。就算這理論最后被證明是錯誤的，它也不全然是個壞的理論，因為它至少會激發新的研究，增加知識。許多后來被推翻的理論仍可稱為“啟發式理論”，便是因為它們有助于推動新發現。

我們觀察到定義明確且具有高度一致性的現象，例如磁場中的離子流，便可以精確地測量其變化幅度，并且以數學形式寫成定律。物理和化學領域比較容易找到定律，那么，生物學中也有定律嗎？

最近幾年我大膽地提出，生物學也有兩條定律可循。第一條定律是：所有的實體和生命歷程，都遵從物理和化學中的定律。雖然生物學家很少談到生物同物理與化學的關系，至少不會以這種方式去談論，但在分子和細胞的層面上進行研究的人相信存在這種定律。在我所認識的科學家中，沒有一位認為有必要去尋找所謂的“生命力”，也就是生物體特有的物質力量或能量。

生物學的第二條定律比第一條更像臆測：一切演化都來自自然選擇，而不只是由于高突變率和相互競爭的基因在數量上的隨機波動所造成的微小隨機擾動。

科學的基礎力量，不僅來自物理、化學和生物學等單一學科內部的關聯，也來自這些基礎學科之間的關聯。在科學和哲學中一直有個懸而未決的大問題：“相去甚遠的知識體系之間的這種關聯（即知識大融通）可以擴展至社會科學和人文學科，甚至延伸到藝術創作嗎？”我認為是可以的，我甚至相信，在21 世紀未來的時間里，建構這種跨領域關聯的工作，將是知識領域中最重要的活動。

為什么我和另一些人會產生這樣極具爭議性的想法？因為科學是現代文明的泉源，而不只是等同于宗教或超驗冥想的“另一種認識世界的方法”。科學并不會奪走包括藝術創作在內的各種人文學科的精髓，恰恰相反，科學可以提供一些方式來增添人文學科的內涵。科學方法一直比宗教信仰更能貼切地解釋人類的起源和意義。組織架構較為嚴謹的宗教，會像科學一樣提出創世神話來解釋世界的起源、天球的構造，甚至解釋時間和空間的性質。這些神話，主要來自古代先知的想象和頓悟。不論有多精彩多么能夠撫慰信徒，一旦以現實世界來檢驗，它們就會破綻百出，從來都是錯的。

創世神話的錯誤更進一步證明，宇宙以及人類心靈的奧秘不能單憑直覺來解釋。人類曾經相信光可讓我們看到一切，現在我們知道，激活大腦視覺皮質層的光波，僅是電磁頻譜上的一小段區域而已，從極高頻的伽馬射線到極低頻的輻射，完整的頻譜其實涵蓋好幾個數量級。分析電磁頻譜，讓我們得以認識自然光的真正性質，而我們對光的整體認識更是促成了無數科技的進展。

正如弗洛伊德所言，哥白尼證明地球不是宇宙的中心，達爾文則告訴我們，人類不是生命的中心，而他本人更進一步向世人宣告，我們甚至不是自己的中心，連自身的想法都無法控制。當然，這位杰出的精神分析學家能構思出這個想法，有一部分要歸功于達爾文和另一些人，不過他確實講出了重點：我們的意識只是整個思考過程的一部分而已。

總體而言，通過科學，我們已開始用一致而且更令人信服的方式來回答宗教和哲學里的兩個大問題，它們看起來都很簡單：人從哪里來？人類是什么？當然，宗教組織會表示，它們早在很久以前就用超自然的創世神話回答了這些問題。

要是真的找到證據，證明所有宗教組織宣稱的影響現實世界的超自然實體或力量確實存在，一切都將被改變，科學本身并不否定這樣的可能性。事實上，如果可行的話，研究人員有充分的理由去探究這問題。要是真的有科學家找到這樣的證據，勢必會和牛頓、達爾文與愛因斯坦齊名，開啟一個新時代。事實上，在科學史上已經出現無數的報告，聲稱找到超自然現象的證據。問題是，這一切都基于一個否命題。他們的邏輯通常是這樣的：“我們找不到任何原因來解釋這類現象，所以這一定是上帝所創造的。”目前仍在流傳的現代版本則認為，科學還是無法給出關于宇宙起源以及物理常數存在的可信原因，因此勢必有一個神圣的造物主。我聽過的另一個觀點認為，細胞內的分子結構和反應太過復雜（至少對提出這些觀點的作者來說是如此），不可能光靠自然選擇就能夠組合起來，一定是由更高的智能所設計的。還有一個說法：由于人的心智，特別是自由意志這個相當重要的成分，似乎超越物質世界的運作方式，所以它一定是上帝植入的。

以反面假設來支持以信仰為基礎的科學有個難點，那便是如果這個假設錯了，它很容易就會被推翻。只要找到一個可檢驗的物理因素，便能否定超自然因素的論點。經由一個接一個的現象，揭露這當中的謬誤，這正是科學史中不斷上演的故事。我們的世界其實是繞著太陽旋轉的，太陽則不過是一個具有兩億多顆恒星的星系中的一顆恒星，而這樣的星系在宇宙中可能有億萬個。而人類呢？其實是非洲猿類的后代，由于基因的隨機突變與交換而逐漸演化出來，人類的心智運作也完全來自器官的物理過程。神意干預世界的觀點在幾乎所有的時空中都越發站不住腳，取而代之的是以自然主義的角度去理解現實世界。能找到超自然證據的機會越來越少了。

身為科學家，你對任何未知的現象都要抱持開放的態度，但是千萬別忘記，你的專業是探索現實世界，不能帶成見，不能有偶像，唯一可接受的是經得起檢驗的真理。