方舟子:科学研究是这么做的
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03 十一月 2016
作者  方舟子

现在有一个很奇怪的现象,一些从未做过科学研究的人却喜欢以比谁都懂科学的口气大谈什么是科学。比如,有人发明了这么一种说法:“科学顾名思义就是分科之学”,这和说“革命顾名思义就是革掉人命”一样有趣。科学是个外来语,当然不能从字面理解其意思。这两个汉字最初是日本人用来翻译英文“science”一词的。science来源于拉丁语 scientia,本义是“知识”。但是这个本义也不能准确地反映科学的含义。

人类通过各种方法累积了大量的知识,其中有的是科学知识,有的则不是。“《阿Q正传》是鲁迅的作品”是文学知识,“美国独立宣言在1776年7月4日获得通过”是历史知识,“上帝在七日创造世界”是神学知识,“雷电是阴阳之气激荡而成”是玄学知识,“存在决定意识”是哲学知识——它们有对有错或真假难辨,但是都不是科学知识。

科学与其他领域(文学、历史、哲学、神学……)的学术研究的主要差别不在于积累了多少知识,而在于它是怎么获得知识的:不是靠冥想、思辨、经验、灵感、权威教诲、“神启”,而是经过了一个特殊的过程,一个在观察的基础上提出假说并加以严格的检验的过程。因此最能体现科学的特征的,是它的研究方法。

虽然一项具体科学研究往往是从过去的研究成果引发的,但是追根溯源,科学研究的起点是观察,用我们的感官或者仪器记录到某个自然现象反复发生了。观察必须是有意识、有记录、仔细的观察。观测某颗行星的运行情况是观察,欣赏星空的美丽是娱乐,偶然看到有一个“不明飞行物”飞过则最多算是奇遇,后两者都不是观察。观察获得的数据能够被进一步的观察所验证或否证。如果某种现象只发生过一次,又不能人为地再现,无法进行验证,那么是没有科学价值的。

观察获得数据之后,下一步要开始问问题:这种现象是怎么发生的?原因是什么?什么时候、什么地点有可能会再次发生?有没有可能用实验进行验证?这些问题有大有小,有的可以设法检验有的一时没法检验。科学研究很关键的一环,就是问对了问题。

但是你提出的问题有可能是别人早就给出了合理的答案的。所以下一步,还应该先对这些问题做一番调查、评估,询问有关的专家、查阅相关的文献,看这些问题是否已经有人研究过了,研究的结果是否合理、可靠,有没有进一步研究的必要。即使这些问题以前没有人研究过,有关的专家和相关的文献也能够为你解决新问题有所启发。

在确定了要研究的问题后,下一步要思考答案可能是什么,构建一个假说(或者模型)。这个假说必须是符合逻辑的,能够解释已有的所有数据,能够做出预测并加以检验。对相同的数据有时能够构建多种假说,那么就要首先检验最简单的那种。科学的假说是合理的假设,而不是“大胆的假设”。虽然大胆的假设有时会是正确的,那也只是碰巧,不是科学研究的正道。

但是假说再合理,也有可能是错误的,它是否成立必须经过验证:做新的观察,或者设计实验。实验是对自然现象的模拟,但是自然现象往往是复杂的,涉及到许多变量。对付这个难题的办法是做受控实验:设法只改变其中的一个变量,看会有什么结果。通常的办法是设立两个组,它们的其他情况都相同,只有一个变量不同,如果二者出现不同的结果,那么就是该变量引起的。如何设立对照是科学实验的精华所在。一个设计巧妙的实验既可以使问题简单化又能得出可靠的结论。

一次实验的结果很难被人接受,因为可能是某种偶然因素导致的。因此对同一个实验需要重复几次,看能否获得一致的结果。实验获得的数据通常还要进行统计、分析,看是否可靠,或是否有意义。

实验的结果可能符合假说的预测,从而验证了假说。但也可能不符合预测,这时就要对假说进行修改,或构建全新的假说,并设计新的实验。实验没有获得预期的结果并非就是失败的实验,它们有可能是新的发现的起点。

如果一个假说被观察或实验所证实了,就成为了一项新的发现,一项科学研究就告一段落了。在通常情况下,新的发现只是对现有的科学理论的补充。但是有时候新发现与现有的理论出现了冲突,表明现有的理论需要做出修改,甚至预示着需要提出新的科学理论。

不管怎样,科学家一旦完成了一项科学研究,就应该把它写成论文发表,接受同行的评议。同行们可能会对实验的设计、结果、解释提出批评,并试图重复实验。别人重复不出来的实验结果是没有价值的。越是重大的成果,受到的关注、质疑和批评会越多,就越需要有可靠的证据。科学成果必须能够经得起同行们的质疑、检验和重复。这就要求科学家在做科学研究时必须严谨、诚实,否则很容易暴露而名誉扫地。与其他领域的争论不同的是,科学的争论往往能够通过进一步的研究获得解决,最终达成共识。

科学家不是圣人,是科学方法让科学变成了一个神圣的事业,让科学知识成为人类所有知识中最可靠、最少争议的一种。

(本文选自《方舟子自选集》,购买作者签名本,请长按或扫描下方二维码进入“猫头鹰商城”)

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