包刚升:寻求世界背后的确定性

选择字号:   本文共阅读 1381 次 更新时间:2022-11-16 00:15:37

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包刚升  

  

   人体现象背后的科学问题

   我记得读高三那年,购买和服用滋补品突然间在同班同学中就成了一种时尚。许多号称可以增强记忆力和提升智力的滋补品变得很流行,原因不难理解,高三阶段学习任务重、压力大,高考又给人一种“人生成败在此一举”的感觉。我依稀记得自己似乎也加入了这一服用高考滋补品大军的行列。

   但我当时就对这些号称具有神奇功效的滋补品很是怀疑。这里其实涉及三个问题:一是人的智力与记忆力系统是如何运作的?二是这些滋补品究竟包括了哪些物质与化学成分?三是这些物质与化学成分又是如何作用于人的智力或记忆力系统的?这些问题拷问的是滋补品的科学依据。当然,大部分滋补品的生产厂商都无法回答这些问题。

   一个怀孕数月的孕妇由于身体的某种剧烈疼痛而入院治疗。医生发现,剧烈疼痛还导致了孕妇的宫缩。如果宫缩加剧,就会增加早产的风险。在这种危急关头,除了其他治疗,医生一般会给孕妇注射低浓度的硫酸镁溶液。为什么要打这种点滴呢?其原理是,随着人体血液中镁浓度的上升,肌肉的敏感性就会下降。这样,当身体其他部位剧烈疼痛时,由于肌肉敏感性下降,就更不容易导致剧烈的宫缩,从而可以降低早产的风险。实际上,面对怀孕数月而又遭受身体剧烈疼痛之苦的孕妇,全世界医生和医院提供的治疗方案都是类似的。这是为什么呢?因为他们依据的是同一个医学原理,即人体血液中的镁浓度跟肌肉敏感性之间的相关性。换言之,这种医学救治方案依据的乃是一种普适的科学原理。

   然而,人类以这样“科学”的方式来对待人体和医学问题,不过是最近两三个世纪的事情。现代医学高度依赖于三件事情:一是对人体由内而外的深刻理解,这有赖于解剖学、病理学等学科的进展;二是对于化学物质及其对人体作用原理的透彻理解;三是在技术上使得安全有效的化学药物、医疗器械、治疗及手术流程成为可能。这些医学成就,所凭借的乃是人类最近两三个世纪在生命科学、化学、工业技术等科学领域的重大进展。

   在科学意义上的医学兴起之前,人类对身体与疾病的理解往往是神秘主义的,其治疗方案也是神秘主义的。一个典型例子是,公元前7世纪的古巴比伦医学文献就记录了癫痫的症状,其原因则被解释为魔鬼附体,治疗方案大体是靠术士或巫师念诵咒语和举行宗教仪式。

   在历史上的大部分时间里,不仅在医学领域,而且在其他领域,人类对世界的许多认知离科学常常都有较大距离。在古代,这方面的主要例外是古希腊人。古典时期的希腊人堪称古代最具科学精神的群体。比如,在医学领域,后来有“医学之父”之称的希波克拉底不再认为疾病是某种来自神明的惩罚或魔鬼的入侵,而是人体的一种自然现象。再比如,德谟克里特就主张,物质不是无限可分的,世界是由原子组成的。原子(Atomos)所对应的古希腊语就是不可分的意思。这已经很接近科学革命时代人们对世界的认知。又比如,以亚里士多德为代表,古希腊哲学家们已经系统发展了本体论、认识论和逻辑学。本体论关心事物的定义、性质及其存在性,认识论关心如何确定知识为真,逻辑学关心推理或论证的有效性。它们提供的其实并非具体的知识,而是一种如何有效发现知识的知识。一千多年以后,欧洲近代早期的文艺复兴运动复兴或接续的,就是古希腊的知识传统。

   基于经验累积的技术进步及其限度

   在古希腊人之外的前现代世界,科学并非毫无进展,但大部分的“科学”成就大体上是技术意义上的。跟科学相比,技术的优长不在于对原理的发掘,而在于应用理性和实践技艺。这种应用理性和实践技艺,可以不依赖于原理性的科学发现,而只需凭借不断累积和改善的人类经验。比如,人们无须搞懂地球磁场的原理,而仅凭经验累积,就能发明可指示方向的罗盘或指南针。再比如,人们亦无须搞懂爆炸或火药的科学原理,而凭借意外事件与反复实验,就能发明与制造火药。

   由此看来,即便没有重大的科学发现,技术上的进步也是能够实现的。但是,没有重大的科学发现,没有科学原理做支撑,技术上的进步总归是有限的。按照科技史学家李约瑟的说法,中国15世纪之前在技术上还领先于欧洲,为欧洲和世界贡献了印刷术、火药、磁罗盘、机械钟、铸铁法、马镫、运河水闸、定量制图法等上百种重要的技术发明。但古代中国由于没有发生科学革命,仅凭借经验累积和试错改进的路径,技术进步后来就遭遇一个无形的天花板。

   这种更注重实践、主要依靠经验累积的技术路径,有两个明显的缺陷:一是可能的“知其然而不知其所以然”的问题,即知道怎么做,但不知道为什么需要这样做,这种路径也较为忽视科学原理的重要性;二是技术进步以实践经验可及的范围为限,这意味着另一条以科学发现为先导的技术进步路径是缺失的。现代科学技术的重要特征是,它往往不以实践应用的经验累积为基础的,而是以科学发现的技术转化为基础的。比如,电与电磁波这样的物质,本来就是看不见、摸不着的,无法经由经验累积的方式来发现和应用,只能先有科学发现的理论突破,然后有各种各样的实践与应用。

   万事万物背后皆有确定的法则

   而以科学发现为先导的技术进步路径,直到近代科学革命的发生,才有了根本性的突破。所谓科学革命,大体是指自16世纪开始的、首先发生在欧洲的在许多科学领域所涌现出来的一系列突破性的发现与成果。这场科学革命不仅从根本上改变了人类对世界的认知,而且极大地提高了人类改造世界的能力。

   1543年,常常被视为近代科学革命的元年,因为这一年出版了两部重量级的科学著作:一部是尼古拉·哥白尼的《天体运行论》,主张日心说,引发了“哥白尼革命”;另一部是安德烈·维萨里的《人体构造》,引发了解剖学的革命。此后,包括弗朗西斯·培根、伽利略·伽利莱、威廉·哈维、勒内·笛卡尔等人在理论构建、科学发现和工具发明上做出了一系列贡献。

   1687年,一部划时代的物理学著作——艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》出版了,万有引力定律和牛顿运动定律成了新的科学认知。此后,在化学元素、电、磁、光、热、地球、宇宙等领域,许多重要的科学发现还在不断涌现。到了19世纪中叶,查尔斯·达尔文在《物种起源》中提出了进化论,将近现代的科学革命推上了新的高峰。这样,从16世纪到19世纪,人类已经极大地扩展了对自身、对自然界、对宇宙的认知。

   我将这场科学革命的基本特征总结为“三个一”。首先是“一种信念”,即相信世界背后的确定性。这种信念认为,世界背后存在着某种确定的规律与法则,正是这种规律与法则支配着整个宇宙的运转。这一信念还相信,人类可以凭借自身的努力去理解与发现宇宙背后的规律与法则。在这种信念体系中,从极致意义上讲,宇宙甚至可以被理解为一部按照严密法则运转的复杂机器。这个说法未必妥当,但这却是对科学革命背后的“一种信念”的很好诠释。

   其次是“一种思维”,即相信理性与逻辑。这种思想强调,人类凭借理性,依靠严密的逻辑分析,可以逐步趋近于对事物真相与宇宙法则的认知。这种思维完全否认神秘主义,不同意宗教对于自然现象与宇宙法则的想象,也不再满足于哲学对于许多事物大而化之的解释。科学思维试图依靠理性与逻辑去发掘万事万物的性质及其背后的因果关系。比如,空气是什么?水是什么?光又是什么?这些非常基本的问题,在前科学革命时代都缺少恰当解释的。科学思维相信,依靠理性与逻辑就可以去把握这些事物的普遍本质。

   再次是“一种方法”,即观察与实验法。到了科学革命时代,观察与实验成了人类认识世界的可靠方法。在科学革命之前,人类的许多支配性观念都是基于某种先入为主的观点,而非对真实世界的考察。比如,中国长期以来都有所谓“天圆地方”的说法,欧洲则长期信奉地心说。关于人体,如果不借助解剖学的方法,我们就无法理解人体的基本构造。而科学研究的基本特征是从事实出发,而不是从观念出发。唯有观察与实验,人们能更好地观察事实与检验事实。许多工具的发明,像望远镜与显微镜,也大大提升了人类对事实的观察能力。

   我们的生活感知是,不同物体从同一高度跌落,仿佛是更重的物体先落地,但伽利略的比萨斜塔实验则推翻了这个符合直觉的著名论断。科学革命启动之后,实验方法成了物理学、化学与生物学的主流方法。比如,安德烈-马里·安培、迈克尔·法拉第等人的电磁实验,使得人类的电学研究实现了重大突破。正是这样,凭借着一个个重要实验,人类最杰出的头脑在科学领域不断地攻城略地。至于今天的大型电子对撞机等实验设备,更是把人类的实验能力提升到了过去无法想象的高度。

   综合来看,科学革命的“三个一”是指:世界万事万物的背后皆有确定的法则(一种信念),人们凭借理性与逻辑可以认识这些法则(一种思维),观察与实验则是认识万事万物的有效方法(一种方法)。科学革命给人类赋予了新的使命,就是寻求世界背后的确定性。

   发展的边界取决于人类的知识边疆

   进一步说,任何科学是嵌入在一个个特定社会之中的。从事科学研究与发现的主体是一个个科学家、理论家、发明家与工程师。他们都是一个具体的活生生的人,他们的全部行为——包括科学研究与发现方面的行为——都会受到一个社会的政治经济系统与制度安排的影响。特别是,到了20世纪以后,重大的科学发现与发明越来越少依赖于单个科学家与发明家的灵光一现或单打独斗,而是更依赖于支持科学家与发明家团队进行研究、发现和发明的社会网络。正是借助一个有效支持科学研究的高效社会网络,人类的科学发现与发明才达到了一种前所未有的高度和速度。

   简而言之,如今支持科学研究的高效社会网络有赖于三个主要支柱。第一个支柱是研究型大学。研究型大学将科学领域的基础性研究作为自己的日常。过去,许多重要的科学发现并非来自职业的科学家群体,而是来自许多重要的“业余选手”。比如,本杰明·富兰克林通过风筝实验推进了关于电的认知,而他并非是一个职业科学家。再比如,阿尔伯特·爱因斯坦完成其最重要的相对论论文之时,他的身份是瑞士某专利局的一个科员。但自从威廉·冯·洪堡19世纪早期在普鲁士首创研究型大学以来,研究型大学及其职业科学家群体就越来越成为科学发现与发明的主力。

   我们可以假设,每时每刻人类在科学上都有一个相对确定的知识边疆,而职业学家群体的工作就是试图打破与拓展自己所在领域的知识边疆。这样,研究型大学的日常研究,其实就是以一种可持续的、系统化的、组织化的方式来拓展人类的知识边疆。考虑到目前主要国家研究型大学人员的遴选机制,实际上是一批最聪明的头脑在从事着开拓人类知识边疆的工作。既然任何重要的科学发现与发明都是对前人知识边界的突破,那么任何为研究型大学预设边界的做法都会妨碍可能的科学创造。所以,对研究型大学的竞争力来说,首要准则就是为职业科学家群体提供自由宽松的研究环境。

   第二个支柱是科技型大型公司与创业企业。它们常常把科学领域的应用性研究作为自己的日常工作。1869年,德国西门子公司首创了工业研究实验室。从此以后,公司设立专门研究与开发(R&D)部门或实验室的做法就成了新的潮流。这样,一流大型公司和高科技创业企业日益成为人类科技领域——特别是应用性的工业技术与产品创新——的主要引领者。比如,英特尔公司长期以来都是计算机芯片研发的全球领导者。这家巨型公司通过持续不断的技术与产品研发,推动的不仅是公司产品的升级迭代,更是人类在芯片领域知识边疆的不断拓展。但如果回到半个世纪之前,英特尔只不过是一家创业不久的小型高科技企业。

不光在芯片领域,(点击此处阅读下一页)

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