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作者简介:汪涛,北京邮电大学硕士,曾任中兴通讯国际市场副总裁,现任北京数码视讯科技股份有限公司全球投资总裁。曾出版《通播网宣言》,《生态社会人口论》,人民出版社2015年6月。
纯科学与全科型知识结构
汪涛
本文是纯科学理论第一次的专门阐述,重点讨论了判断是否科学的“测量标准”问题。不久以后,这篇文章将被全球科学界公认为是人类第三次科学革命真正开始的标志性文献。
前言
从屠呦呦获诺奖说起
写这篇文章本来是起因于国庆节前,因看过贾雷德·戴蒙德《枪炮、病菌与钢铁》一书,借读书心得阐述我的纯科学理论。但屠呦呦获诺奖之后中国人的反应,极为充分地体现了科学素养严重的普遍缺乏。人们普遍关注的是如下对科学并无助益的表面问题:
为什么是屠呦呦一个人获奖?
青蒿素与中医的关系?
为什么屠呦呦没当成院士?
毛泽东是否应该得诺贝尔医学奖?
......
因此,本文借此机会用来普及真正的科学观念正当其时。静下心来,认真提升一下科学素养,这才是中国人当前最需要做的事情。望读者能意识到,因本文涉及的科学专业领域和知识面较宽,尤其需要一定的测量学知识,看完并理解全文对很多读者来说可能会有些困难。但希望读者能坚持看完,因为不久以后,您正在看到的这篇文章将被全球科学界公认为是人类第三次科学革命真正开始的标志性文献。
在屠呦呦突破性地获得科学类诺奖时,中国人应当清醒地意识到:中国好声音赛场上的获胜者是值得祝贺的,但人们更应关注并尊重坐在评奖席上拥有判断能力的导师,尽管这个比喻从地位高低上说可能不一定完全恰当。中国人之所以对来自国外的评价如此过度倚重,只是因为自身太缺乏对科学的深刻判断力。中国科技真正立于世界领先地位的标志并不仅仅是获得了多少个诺奖,而是能大批出现像特斯拉那样可以拒绝诺贝尔物理学奖的真正牛人。因为这样的人拥有对科学真正的判断力,并且能够看清诺奖只是诺贝尔创立的一个科学游戏,尽管是非常令人尊敬的游戏。
不要去讨论屠呦呦获诺奖是否公平的问题,因为诺贝尔奖本身的游戏规则根本就不是完全以公平为原则而设立的。这样说丝毫不影响屠呦呦个人获奖从科学上“三个第一”的完全合理性和科学公正性。现在的诺奖规则已经是极大改变了诺贝尔的初衷才稍显公平一点。按照诺贝尔本人的意思,不仅获奖者只能是个人,而且只能有一个人。不仅根本就没有奥运会“银牌、铜牌”的概念,连奥斯卡奖“提名”的概念也没有,要么只能是1,要么只能是0。人们只是谈论诺贝尔是一位伟大的发明家,但更应清楚他立下诺奖遗嘱的时候主要是一位伟大的商人。他设这个奖的规则体现出的原则显然只是关注效率。尽管他家财极丰,但以他一人之力不可能去照顾全球科学发展的公平性问题。至于“设立这个奖的目的是什么?”“体现的是什么样的效率?”等问题不是本文主题,作者将在后续文章中详细讨论。
有幸得到我中学同学,北京大学罗新教授隆重推荐贾雷德·戴蒙德《枪炮、病菌与钢铁》(下文简称“本书”),自2015年9月18日18:43开始读,中间除开工作生活时间,至2015年9月22日0:40不漏一个章节地看完全书,不仅深受启发,而且发现可以作为我纯科学理论阐述的良好切入口,他在该书末尾留下的问题,尤其是关于历史学科的科学化问题,我发现自己采用纯科学理论已经可以充分地解决,因此做该读书心得。整个心得分为两部分,第一部分是以此书以及历史学科为引子初步阐述我自己的纯科学理论,第二部分是对该书所有章节有针对性的详细读书心得。
一、判断科学的标准——受控实验与测量
贾雷德·戴蒙德在本书的第14页提到汤因比的十二卷本《历史研究》以及他的研究方法——在世界范围内对人类社会进行比较,我把这称为“历史理论”研究方法。之所以叫这个名称,原因如下:
从任何科学领域的一般构成来看,所有科学的学科都包含两大部分内容:一是对研究对象观察和测量,即获取研究对象测量数据,归纳相应的因果联系;二是以科学的逻辑和数学工具建立研究对象的科学理论以及逻辑推论。
一切数学和逻辑学都是完全相通的,一切测量学也都是完全相通的。因此,我们可以获得一种高度统一的方法,来理解整个科学的大量不同分支学科。
对任何的学科,如X学,都可分成两个部分:
X学测量体系,它遵从测量学原则和方法
X学理论体系,它遵从数学和逻辑学原则和方法
例如:
物理学:
物理学测量体系
物理学理论体系
化学:
化学测量体系
化学理论体系
经济学:
经济学测量体系
经济学理论体系
发展经济学:
发展经济学测量体系
发展经济学理论体系
天文学:
天文学测量体系
天文学理论体系
演化生物学:
演化生物学测量体系
演化生物学理论体系
医学:
医学测量体系
医学理论体系
生理学:
生理学测量体系
生理学理论体系
历史学:
历史学测量体系
历史学理论体系
......
过去科学界存在一个很大的对“受控实验”地位的误解。伽利略在物理学领域引入了受控实验方法,并获得巨大成功,他因此被公认为近代科学之父,受控实验方法也因此在科学界拥有极高的地位,并且整个科学界都将自己的学科建立在实验方法基础上作为是否有资格被称为科学的标准。但这种科学的“实验标准”不仅太过严苛,会把大量有效的科学活动排除在外,而且即使在物理学领域内部也是有相当大偏差的。很显然,牛顿力学以及相对论等的发展过程中,天文测量起到了巨大的作用。第谷所作的大量天文测量是开普勒三定律,以及后来牛顿力学建立的重要基础。无论侠义相对论还是广义相对论,其验证都大量采用了天文测量方法。但所有这些天文测量严格说并不是完全意义上的受控实验。雷蒙德在本书最后谈到历史学的科学化问题时,讨论了历史学科采用实验方法的困难,并且将天文学与历史等学科都归为这类领域。这些分析是非常正确的,只是远远不够深入和全面。要把这个问题彻底讲清楚,必须把测量、实验和科学的关系彻底讲透。本文限于篇幅暂不能完全展开,只能部分论及。
首先我要提出一个全新的论点,这个论点无疑是我在全球科学界的首创:
是否将自己的学科完全建立在数学和测量方法上,是判断其能否被称为科学的标准。
数学对科学的地位早就是一致公认的,有待讨论的只是测量的地位。因此我把这个论点称为科学的“测量标准”。这个标准无论是对理解过去和现在的科学,还是未来科学如何更好地发展都是最为关键的问题。它比实验标准更宽,可容纳一切研究领域,同时又可将一切非科学有效排除在外。这个全新的判断科学的测量标准,是我所建立的纯科学理论核心内容之一。
二、为什么受控实验不是科学最普遍的标准?
受控实验的确是科学活动中最为严格的测量活动。它具有很多优点:
有助于提高测量精确度。
极大提升测量效率。
降低测量成本。
有助发现和精确解释因果关系。
......
但是,受控实验远远不是科学测量活动的全部,甚至不是测量数据科学性最高的测量活动,这一点可能是出乎很多人,包括很多职业科学家意外的。例如,水坝、地震、地质的模型仿真是受控实验,它拥有受控实验的所有优点,但其测量结果的科学地位却不如对以上研究对象的直接测量结果。受控实验甚至还不一定是精确度最高的测量活动,这一点同样是出乎很多人意外的。一般情况下,精确度最高的测量数据的确是受控实验提供的,但很多自然测量的数据精确度却长期高于受控实验,甚至一些对自然过程的测量曾作为整个科学界的最高计量基准。
例如,长度米和时间单位秒都曾以对地球参数的测量为基础。1791年,最早的长度单位“米”在法国被定义为通过巴黎天文台的地球子午线长度的四千万分之一,以此为基础用金属铂制成的截面为4mm×25.3mm的第一根米原器属于受控实验的测量标准,但它却是从属于前面非受控实验的测量标准。后来发现两者之间有0.2毫米的偏差,才决定改用这个保存在巴黎档案内的米原器(因此它也被称为“档案米”)为米的标准,此时该受控实验的标准变为计量标准。后以此米原器为基准制作了膨胀系数更小的铂铱合金米尺,并选取其中第6号作为新的国际米原器标准。这一标准在1889年被国际计量委员会批准。
1927年,第一次采用非实物的镉红线辐射定义长度米,1米=1553164.13Cd红线波长。
1960年,在第十一届国际计量大会上,把米的定义又改为:米的长度等于氪(86Kr)原子的2P10到5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。
1983年10月,第十七届国际计量大会通过了使用至今米的新定义:米是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度。除第一个米的定义外,后面对米的定义都是受控实验方式获得。使用至今的以光速和时间为基础的长度米定义,其精确度在根本上是取决于时间计量基准和对光速测量的精确度。
最早时间秒的定义为平太阳秒,它等于一个平太阳日的1/86400,这个也是以测量为基础的计量基准。太阳连续两次经过中午的时间间隔,称为“真太阳日”,一年中真太阳日的平均就称为“平太阳日”。即使到今天,实际作为时间计量基准,属于受控实验的铯133原子时钟精度,在长期稳定度上依然赶不上自然界脉冲星的自转频率稳定度。因此计量学界也一直在进行用脉冲星作为辅助时钟以校准原子钟计量基准的工作,而这个却是以测量为基础的计量标淮,而不是受控实验。2013年,美国国家标准和技术研究所(NIST)实验室里,科学家采用稀土元素镱在接近绝对温度零度条件下,以光晶格方法制作的时钟精度已经达到10的负18次方,运行138亿年误差不超过1秒,精度也远超过以往最稳定的原子钟。不过目前这个最新成果还存在很多有待解决的技术问题,并未完全实用化。
由于时间计量基准是所有物理量中精确度最高的。这也就是说,目前人类科学所实际使用的计量基准,尽管采用了大量受控实验,但最高精确度依然是以对自然界脉冲星自转频率测量为基础获得的,尽管并不排除未来有可能转向以受控实验,如以镱时钟等为基础的时间计量标准。由以上科学发展实际过程可见,简单以为只有达到受控实验的地步才算科学的观念是完全错误的。
一个完整的测量系统可分为自变量(原因)要素,环境要素和因变量(结果)要素三个部分。所谓受控实验,事实上是人工控制自变量要素和环境要素。按照可控性的不同,可将一般测量系统分为以下四种类型:
1. 环境受控,自变量受控
例:一般物理和化学严格的实验室里所进行的实验。
2. 环境受控,自变量不受控
例:在特殊实验室中寻找和接收天外高能射线的测量;天文台的观测等。其实这类测量中环境也不是完全受控的。例如会影响测量过程的天气因素就不是一个可控因素。这里的“受控”只是观测站本身实验环境的受控。
3. 环境不受控,自变量受控
一般新产品测试都属于这一类。例如,新式飞机的试飞测试等。相比之下,风洞的测量就属于完全受控的实验。还有很多自然环境下的测量也属于这类。如新型水稻种子的大田实验。在这些测量过程中,自变量是完全人工控制的,但天气等环境因素就很难人工控制。
4. 环境不受控,自变量不受控
例:寻找化石,对龙卷风、闪电、地震等自然现象研究的测量等。
前三种测量,都可以称为受控实验,但只有第1种测量是最完全和最严格意义上的受控实验。第2、3两种测量过程的受控性越来越低。可控制的因素不同,它们体现出来的实验方法优点的情况就会有所不同。
例如,自变量不受控的实验,如在实验室捕捉外太空的高能射线,就可能不再具有测量效率的优势。能否捕捉得到和捕捉到什么,虽然可以有相应理论的指导以提升捕捉到的几率,但一定程度上还是得看运气。
如果环境不受控,实验精度也会受影响。如在大田实验新型农作物种子,实验当年的天气状况不同,对实验结果就会产生不同影响,从而会影响到测量数据的精确度。
上面第4种只能称为测量,不能称为受控实验。但它却是最广泛的科学研究活动。为什么非受控实验的测量可以作为科学基础的严格证明这里不作展开。但科学研究,并且是最为科学界所普遍接受的活动里大量和广泛地采用非受控实验的测量,已经在事实上充分和无可质疑地证明了这一点。
三、以测量为标准的普遍性
受控实验的确在一般情况下提供了科学测量最高的水准,并且是必不可少的科学测量活动,但它并不是科学的普遍标准。
科学实验活动只是科学测量活动的子集。
根据以上分析,以科学的“测量标准”取代“实验标准”具有最为普遍的意义。一旦如此,就可以很容易地将一切不同学科按照完全统一的模版来看待。船舶领域的拖模实验,航空领域的风洞实验,水利工程的模型仿真,高能物理的粒子加速器,天文观测,历史考古,地理测绘,人口统计,医学测量,化学质谱分析,微波功率计量……所有这些看似天壤之别的差异,其实都不过是相同模版里填充的不同材料而已。它们应用到的原理、方法甚至科学术语都应当是一样的:真值,数学期望,平均值,随机分布(也叫高斯分布),均方差,随机误差,系统误差,置信度,回归分析,相关分析,归纳法……
过去曾认为归纳法是一种逻辑方法,事实上归纳是建立测量的对象与理论的数学之间联系的一种方法,因此它本质上与回归分析、相关分析等更为接近,更适合作为一种测量方法而存在。如果完全将归纳法看作一种逻辑方法,会带来很多困难,这正是休谟问题等归纳法难题以及“判决性实验”难题的根源所在。
四、分科与全科型知识结构
今天人们普遍认为:科学发展已经越来越深入,分科越来越细,甚至于认为“科学”的“科”字就是分科的意思,如果没有深入的分科就不是科学。因此要想做出有价值的成就,只能深入到某一个极为专业的分支学科中去成为“专家”。各个专业之间似乎是相关性很小的,每个分支学科成了一个个相当程度上互相隔绝的领域。这样一来,像文艺复兴时代通晓当时整个人类文明成就的博物学家、大师级人物已经不可能出现了。这种看法不无道理,但如果因此而绝对化将会带来很多问题。科学的分科研究要想有效进行并不是绝对的,而是有一个前提条件:这就是相应学科内理论和测量这两个体系的相关研究对象必须具有一一对应和完全同一的关系。这在抽象的因果联系因素都属于同一的领域时,效果是很好的,如物理、化学等领域。但随着科学研究领域越来越进入多因多果的复杂领域,测量体系的对象范围很可能远远小于理论体系的研究范围。也就是这个领域的主要理论问题的解决,很可能都必须要有其他学科领域的知识支撑才能获得,甚至绝大多数的知识需要来自于其他学科领域。这样一来,分科方法就会出现很大的问题,甚至会使大量必要的理论研究不可能进行下去。不仅整个社会科学领域都不同程度地存在这种问题,即使很多自然科学领域也是如此。
历史学科正是这样的典型。历史测量体系是获得各个时空的历史数据,这包括考古、发掘、考证等工作。历史理论体系是对获得的这些考古发掘和考证的历史数据进行因果联系的分析,总结出规律性的结论。“比较历史学”也是这种研究中的一类。不同的历史学家会偏好或其专业方向偏向不同的工作内容,或者两者兼而有之。绝大多数历史学家更多偏向于前一个工作,这类研究者只需要具备比较狭窄的专业型知识结构即可。以后面的历史理论工作为主要方向的历史学家则不多,因为这个工作的难度非常高。事实上,影响人类社会历史的因素涉及到整个人类文明的成就,包括所有科学知识、各种生产技术、环境变化、艺术、政治、社会组织、宗教、军事、经济等等全都会对人类发展历史产生不同角度和不同程度的影响。要想有效从事历史理论的研究者,其知识结构必须达到通晓相应历史阶段整个人类文明成就的“全科型”的程度。因此我们可看到,采用这种研究方法有所成就的历史学家,都是不同程度地具备这种能力的大师。


雷达卡





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