科学与范式

            ----赵明大

逻辑学告诉我们，要弄请“什么是科学？”，首先要弄清科学这个概念的外延和内涵，也就是要知道哪些学科曾被“科学共同体”(即专门从事科学工作的人和团体)看作科学的样板，即判断一个理论是否是科学的标准，在科学哲学中把这些公认的科学样板称为“科学范式”，科学范式是变化和发展的，遀科学研究对象的变化而变化，科学范式构成科学概念的外延，科学范式的特点即构成科学概念的内涵。

第一个成为科学范式的是牛顿力学，牛顿《自然哲学的数学原理》(1687年首次出版)。之所以成为科学范式是因为它具有如下特点：第一，它有明确的真实存在的研究对象(即物走简称为研究对象的“真实性”。第二，科学理论以实验为基础。实验要满足规定的条件，要用仪器(尺子和钟表)定量地测定对象特性的大小(位置和时间)，要用数学表示实验的结果。此结果可以重复，简称为“实验性”。第三，力学量和力学规律(力学量间的相互关系)。不仅定性而且要定量。简称为“定量化”。第四，所有的概念、规律和推理都必须符合形式逻辑的规则，应用数学和逻辑推理，能从数量很少的几个公理演绎出全部的定义、定理和推论，《自然哲学的数学原理》就是用牛顿命名的三个定律作为公理演绎出其他定义、定理和推论，解释所有的机械运动的运动和变化过程。简称为“公理化”。第五，所有物体都可以分解为最基本的最简单的元素：“质点”。物体可以用“质点组”的合成来代替，所有复杂的相互作用都可以用最基本最简单的元素：“作用力”表示，这种理论方法简称为“还原法”，能用还原法建立的理论称为具有“可还原性”。第六，物体在受力情况不变的条件下，由初态(速度和位置)可以决定和预知今后任意时刻的状态(速度和位置)，用现在可以预见未来的理论称为具有“可预见性”。第七，牛顿力学的实验和理论结果具有可重复性，与时间地点，与任何人的观点、看法无关，即“不以任何人的意志为转移，放之四海而皆准”。这样的理论称为具有“客观性”。第八，牛顿力学的理论的正确与错误，可以通过实例(“实例”就是可观测可操作的具体例子，如用气垫导轨上的滑块运动验证牛顿惯性定律，气垫导轨上的滑块运动就是一个证实惯性定律的实例)。来“证实”或“证伪”，只要有一个实例与理论不符就可以证伪一个理论，但要证实一个理论则需要所有的实例都与理论相符。我们称这样的理论具有“可实证性”。请大家注意，“实证”必须定量化，理论的计算结果与实例的测量结果，在误差范围内数量相同即为证实，否则就是证伪。北京时间2015年9月14日17点50分45秒，相距3000多千米，位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个激光干涉仪引力波天文台的探测器，先后接收到一个引力波信号，通过超级计算机比对两者采集到的数据，前后相差7毫秒——该时间差与引力波在两个探测器之间传播的时间一致，此实例证实了引力波的存在。理论是一般规律适用于所有实例，但人类永远不可能对所有实例进行证实，所以“证实”是一个永不终止的过程。但要“证伪”只要有一个实例即可，一个实例不符就说明该理论不是一般规律。

上面所述的“真实性”、“实验性”、“定量化”、“公理化”、“可还原性”、“可预见性”、“客观性”、“可实证性”。这八个特性就是牛顿范式的内涵。大科学家爱因斯坦非常推崇牛顿范式，相对论否定了牛顿的时空观，但遵守了牛顿范式的全部要求。此外，爱因斯坦还提出了科学范式应具有“简洁性”的特点，并获得了科学界的广泛赞同。在上面总计九条内涵中，最重要的是第八条：“可实证性”。即是其他各条不能全部满足，但只要满足了这一条仍可视为科学理论，因此:满足牛顿范式的科学理论又称为“实证科学”。在许多文章中讲到“科学”时，如果没加说明实际上就是指实证科学。

有一种观点认为只有实证科学才能称为科学，这种观点是一种“狭义科学观”，牛顿范式仅仅适用于无机(无生命)的自然界。

科学的第二种范式可称为“达尔文范式”，体现在达尔文著作《物种起源》(1859年11月24日在伦敦出版)之中。达尔文根据20多年积累的对古生物学、生物地理学、形态学、胚胎学和分类学等许多领域的大量研究资料，进行观察和描述，符合“真实性”的要求，提出了“适者生存”、“用进废退”、“遗传变异”的理论，定性解释了物种起源和生命自然界的多样性与统一性。但没有进行实验，更没有定量化和公理化，达尔文范式有三个特点：第一，他适用于生物界的行为和现象，这是牛顿理论做不到的。第二，他仅仅用三条原理12个字就解释了成千上万的植物与动物(世界上现存估计大约有13,500,000个物种。)，无一反例。特别是解释了人类的起源，这个重大的科学难题，这是牛顿范式无能为力的。第三，他解释了物种从低级到高级，从简单到复杂的发展进程，这是达尔文范式最伟大的成就，更是牛顿范式办不到的。但是，“用进废退”、“适者生存”没有任何一个实例可以证实或证伪这两条原理，仅仅“遗传变异”的理论在现代基因实验中得到了证实。“用进废退”、“适者生存”这两条原理不能定量化，不能按实证科学进行证实或证伪，但他可以对物种进化做出定性解释，从《物种起源》到今天，150多年了，对现存13,500,000个物种，都能做出合理解释，不仅无一个反例，而且十分“简洁”。我们把达尔文范式称为非实证的科学范式，即非实证科学。本文将用科学(实证)与科学(非实证)准确表达科学概念。

第三种科学范式叫“复杂性科学”，它由一系列的学科组成，包括：《系统论》、《信息论》、《突变论》、《控制论》、《人工智能》、《耗散结构论》、《协同学》、《超循环理论》、《混沌理论》、《分形理论》、《自组织理论》等。复杂性科学兴起于20世纪80年代，是当代科学发展的前沿领域之一。复杂性科学的发展，不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到哲学、人文社会科学领域，包括自然、工程、生物、经济、管理、政治与社会等各个方面。英国著名物理学家霍金称“21世纪将是复杂性科学的世纪”。复杂性科学为什么会赢得如此盛誉？我们要弄清三个问题：

第一，什么叫复杂性？复杂是简单的反义词，一般说来，凡是能用牛顿范式中的观点、方法和理论解决的问题即用实验方法、数学方法、还原方法和牛顿三定律等解决的现象、特性和规律都被认为是“简单”问题，反之都是复杂性问题，简称“复杂性”。复杂性包括：层次性、突变性、混沌性、非线性、不确定性、不可预测性、不可还原性、隨机性、模糊性、进化性、自组织性、涌现性、智能性和自适应性等等。下面我们简介其中的有代表性的几种复杂性。

1、智能性、自适应和自组织性：系统内的元素遵循一定的规则，根据“环境”的变化和接收到的信息，调整自身的状态和行为，叫智能性和自适应性。无需外界控制和干扰、通过系统自身智能性和自适应性，从无序向有序，从低级向高级的演化称为自组织性。例如：细菌、细胞、蚂蚁、蜜蜂、自由市场经济、公民社会、人体以及人体的血液系统、内分泌系统等都具有智能性、自适应性和自组织性。

2、涌现性、突变性和不可还原性：涌现就是指系统中的个体遵循简单的规则，通过局部的相互作用构成一个整体的时候，一些新的属性或者规律就会突然在系统的层面诞生。涌现并不破坏单个个体的规则，但是用个体的规则却无法加以解释。例如：大量的蚂蚁聚合在一起，形成了一个分工合作的蚂蚁王国。大量的无生命的分子聚合在一起，形成了有生命的细胞。大量的细胞聚会在一起，形成了人体器官。大量的脑细胞聚会在一起形成了“思维”。涌现，可以理解为“系统整体大于部分之和”。由于新的性质是突然涌现的，因而具有突变性。由于简单系统组成复杂系统时涌现出了新的特性，复杂系统不可能还原为简单系统(元素)之和，复杂系统具有不可还原性。在牛顿范式中广泛应用的“还原法”不能应用。

3、不确定性、不可预测性和不可逆性：在逻辑上按照因果律，原因必定产生结果，如力作用于一定质量的物体必然按牛顿第二定律产生加速度，在数学上自变量和因变量之间存在“一一对应关系”，称为“确定性”，他是牛顿范式的重要特征。不确定性包括随机性和模糊性，这表示在复杂性中不能建立因果关系与函数关系。由于初态与末态之间存在不确定性，因此不能根据初态预见末态，即不能根据现在预见将来称为不可预测性。反之不能根据末态反演初态，即不能根据现在推测过去叫不可逆性。天气变化具有不确定性，因此不能做出确定的天气预报。人文社会的主体是人，人的思维不仅具有随机性和模糊性，人还具有涌现性、智能性、自适应和自组织性。因此社会变化与发展，人类历史均具有不确定性、不可预测性和不可逆性。

4、非线性。一个系统，如果其输出与输入不成正比，则它是非线性的。例如一个晶体，当其输出光强不与输入光强成正比时，就成为非线性晶体。弹簧，当其位移变得很大时，胡克定律失效，弹簧变为非线性振子。单摆，仅当其角位移很小时，行为才是线性的。实际上，自然科学或社会科学中的几乎所有已知系统，当输入足够大时，都是非线性的。因此，非线性系统远比线性系统多得多，线性只是一定范围内非线性的一种近似。任何系统在线性区和非线性区的行为之间存在显著的差别。例如单摆的振荡周期在线性区不依赖于振幅，但在非线性区，单摆的振荡周期是随振幅而变的。非线性系统的特征是迭加原理不再成立。对于一个非线性系统，哪怕一个小扰动，初始条件的一个微小改变，都可能造成系统在往后时刻行为的巨大差异。气象学中的蝴蝶效应：“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔煽动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”。迭加原理的失效也将导致傅里叶变换方法不适用于非线性系统的分析。因此，系统的非线性带来系统的复杂性。

5、层次性与结构性。复杂系统虽然不具有还原性，但可以分解为几个子系统，分成上层、下层子系统，比如国务院可以分成若干个部委，国家可以分为省、市、县等不同层次的子系统，称为层次性。子系统及其相互关系称为系统的“结构”。

6、开放性。牛顿范式主要研究封闭系统，系统与外界没有相互作用，遵守能量守恒和熵增加原理。系统与外界具有相互作用，既有输入也有输出，称为开放性。如细胞和人体的新陈代谢，就是开放性的表现。

第二，什么是复杂系统？具有复杂性不能用牛顿范式处理的系统都可叫复杂系统。复杂系统的形成需要一定的条件：

1、组成系统的成员必须有足够多的数量。保证系统具有“涌现性”。成员过少(如单个质点)、成员过多(如分子运动论)系统均不会自行创生、自行演化，不能够自主地从无序走向有序，从低级走向高级。

2、系统成员间具有较复杂的关系和相互作用，如非线性。人类社会是典型的非线性复杂系统。人类社会由大量的人组成，人具有智能性、自组织性与自适应性，具有不确定性、不可预测性和不可还原性。

第三、复杂性科学的研究方法。复杂性科学给科学研究带来的巨大变化，主要是研究方法论上的突破和创新，带来的了一场方法论或者思维方式的变革。复杂性科学是超越还原论的新科学,归纳起来,复杂性科学的研究方法主要是采用了隐喻类比、模型建构、数值计算、虚拟仿真、综合集成等非还原方法,因而复杂性科学被称为非还原论科学。

1、大数据技术与云计算。大数据是指大量、高速、多样、非结构化的、真实的数据。这些数据不用随机分析法（抽样调查），采用所有数据进行分析处理，处理时无法用单台计算机和数据库软件处理，需要数十、数百或甚至数千的电脑并行处理(又称云计算)。

2、模型建构与计算机模拟。“模型”包括研究对象的数学模型或描述模型，“建构”是把研究对象分为几个子系统(即要素)，要素的特性与要素间的关系统称为对象的构造或结构。把数学模型或描述模型转换成计算机上可执行的程序，给出系统参数、初始状态和环境条件等输入数据后，可在计算机上进行运算得出结果，并提供各种直观形式的输出，若与实际情况不符，还可改变有关参数或系统模型的部分结构，重新进行运算，直到满意为止。上述运算称为计算机模拟。

3、隐喻类比。隐喻又称暗喻，是一种不直接点明的比喻，常用一个词或短语，将常见的一种物体或概念代替另一种物体或概念，暗示它们之间的相似之处。他原来是修辞学中的修辞手法，在牛顿力学中就有广泛应用。在复杂性科学中更是大量应用。比如质点这个词就隐喻物体是一个有质量的“点”，力学中的刚体、流体、弹性体隐喻物体具有形体不变性、流动性和弹性。宇宙膨胀论的“膨胀”隐喻天体分布在一个膨胀的球面上，大爆炸理论中的“大爆炸”隐喻宇宙有一个短时间内体积快速增大的时期，爱因斯坦的“黑洞”隐喻宇宙中存在像“洞”一样的引力场，光线也会吸入洞中。霍金的“果壳模型”隐喻宇宙像果壳一样，由果核、果质、果壳三个层次构成。隐喻类比是利用隐喻对象与研究对象的某些相同或相似的性质，推断它们在其他性质上也有可能相同或相似的一种推理形式。隐喻类比是一种主观的不充分的似真推理，因此，要确认其推理的正确性，还须经过严格的逻辑论证和实证。通过隐喻类比可将复杂问题变得简单和直观，符合爱因斯坦“简洁性”原则。

   4、虚拟技术。简称VR，是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境——虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”地感觉，并可亲自操作，进行交互。VR技术主要有三方面的含义：第一，借助于计算机生成的环境是虚幻的；第二，人对这种环境的感觉(视、听、触、嗅等)是逼真的；第三，人可以通过自然的方法（手动、眼动、口说、其他肢体动作等）与这个环境进行交互，虚拟环境还能够实时地做出相应的反应。通过虚拟技术可以直观地认识复杂系统的特性，还可以研究控制复杂系统的方法。

5、客观资料和主观“直觉”判断相结合。在复杂性研究中，什么叫“复杂”？什么叫 “简单”？在建模和建构中，建立什么样的模型与构造？模型与构造由哪些要素组成？多少数据才叫“大数据”？所有这些问题都取决于研究者的主观判断。当然研究者在做出判断前要搜集大量的客观资料，由于问题的复杂性，研究者不可能从客观资料中用逻辑或数学的方法解决问题，而是用“直觉”做出判断。在中国，第一个开始复杂性研究的钱学森，十分重视专家系统直觉判断的集成。专家系统使用“双盲”评估和“双盲”决策。什么叫“双盲”？《三国演义》中有一个故事：赤壁大战之前，孔明、周瑜、鲁肃三位“专家”去见孙权商议破敌之策，孙权让三人各写一字，三人在彼此不商议的前提下，都在手心上写了一个“火”字。“不谋而合”，这就是“双盲”决策.

复杂性科学在研究方法上并不是推翻牛顿范式，他只是在复杂性领域“否定”了牛顿范式，在“简单”性领域仍然应用牛顿范式。复杂性范式被认为是对牛顿范式的“超越”。正如爱因斯坦相对性原理是对伽里略相对性原理的“超越”一样，在宏观低速领域伽里略相对性原理依然正确。

上面介绍了“科学共同体”公认的三种科学范式，这三种范式尽管存在明显差别，但他们有两个共同点：第一，三种范式都有“真实性”的要求，研究对象是真实存在的，概念是真实的，规律是真实的，数据是真实的。真实性和实证性实际上是一个概念，真实的就是可以实证的，可以实证的东西一定是真实的。那么，人类是如何判断真实性呢？1，凡是能引起人的感觉(视觉、听觉、嗅觉、味觉、皮肤觉（触觉、温觉、冷觉、痛觉）)的对象都是真实的，因为只有研究对象直接作用于人体的感觉器官才能产生感觉，如研究对象发射或反射的光线引起视觉，研究对象发射或反射的声波引起听觉；所以能引起人的感觉的研究对象一定是真实存在的。心理学上的所谓“错觉”不是感觉错误，而是对感觉结果的分析和判断错了。2，凡是用科学仪器，如望远镜、显微镜等观测到的研究对象都是真实的。3，凡是可以量化的研究对象都是真实的。反之，不能感知、不能用仪器测到、不能量化的研究对象一定不是真实的存在(即实体)。上面说的真实性可以称为“物理真实性”。因为物理学只对具有“物理真实性”的对象(实物和场)进行研究。我们强调“物理真实性”，并不否定心理活动(认知活动、情绪活动与意志活动)的真实性，“心理活动真实性”是通过人的“行为”表现出来的，而人的行为是可以感知，可以测量，可以量化的，可以证实或证伪的。

第二，任何科学范式都是从“实例”开始，通过观察和测量取得该实例的具体的个别的规律，然后通过抽象和概括建立一般规律，再通过“实例”应用和检验一般规律。即“实例—一般—实例”的认识发展过程，即哲学上“个别—一般—个别” 的认识发展过程。这里说的“检验”有两种方式，一种是定量检验(如牛顿范式)，另一种是定性检验(如达尔文范式)。复杂性科学的检验是“大数据”定量检验。这三种检验都不能用实例肯定一般规律，但可以用一个实例否定规律的一般性。一般规律被某个实例证伪后，科学工作者会对一般规律进行创新，用创新的理论取代被证伪的理论。有人认为，科学就是从实例抽象概括出的未经证伪的理论。科学的发展就是不断证伪不断创新的过程。