作为时下广为流行、世人皆知的热门词汇,科学与科研并非一成不变的概念,而是不断求真的实践。从西汉戴圣的“格物致知”(或格致,指研究事物原理而获得知识),到北宋沈括的“格术”(包括格物,即格究天然事物,对应自然科学;和格人,即格究人文事物,对应人文社会科学),再到西方18世纪广义的“科学”;从基于理论和数学分析并辅于实验的物理学,到在理论指导下的试验验证的化学,再到涉及物体存在状态、物质结构变化、相互作用关系的复杂科学(比如工程科学, 生命科学,人类行为科学等);从直接观察和简单描述到逻辑推理和实验论证,科学在定义、范畴和研究方法等方面的变迁可谓天翻地覆,沧海桑田,并因此向科学工作者提出了前所未有的挑战。很显然,透彻地领会科学与科研的时代内涵,有助于消除对科学的误解,避开科研路上的陷阱,确保科学的平衡发展。

科学(science, 源于skei,意为cut,divide切割,分离,以区分已知与未知)乃人类所积累的,经过验证的,用于解释和预测宇宙客观现象的模式化/公式化的知识体系(包括定理、定律、理论等)。从根源上看,科学是以演绎(deduction)和归纳(induction)为主线的逻辑推理的产物。演绎(包括从普遍规律到具体案例的应用,从整体到个体的延伸,或从论点到论据的拓展)运用观察到的新数据,以测试和验证假设,或改进、扩展和完善已知理论/概念/模式;这个理论验证的过程突显着量的变化。归纳(包括从个体到整体的总结,从论据到论点的概括,或从具体案例到普遍规律的升华)综合现有数据(尤其是与验证假设有关的数据),以推断/构建新的,更完美的理论/概念/模式;这个理论构建的过程标志着质的变化。在演绎(理论验证)和归纳(理论构建)的交替/依次迭代/循环中,科学得以不断完善,不断接近真相与真理。必须强调的是,演绎(理论验证)和归纳(理论构建)的交替/循环,不是同一水平的简单重覆,而是遵循着从量变(假设的验证或已知理论的完善)到质变(新理论的构建),再从新的量变到新的质变,直到无限接近真相与真理的螺旋形轨迹。事实上,迄今为止的科学理论/概念/模式代表人类对宇宙各种自然、社会、思维现象的阶段性的,不完整的诠释,而科学的终极目标是要在理论验证和理论构建的交替/循环中,尽可能地反映真相与真理。

根据其研究对象的不同,科学可划分为三大领域: (1)研究自然发生的物体或现象的自然科学(natural science,如物理学、化学、天文学、地球科学、生物学等);(2)研究个体/群体及行为的社会科学(social science,如心理学、社会学、经济学等);(3)研究抽象概念的形式科学(formal science,如数学、逻辑学、系统论,理论计算机科学,人工智能等)。鉴于自然科学和社会科学均依赖观察和实验所取得经验证据,去描述、预测和理解自然/社会现象,且表现出在相同条件下的可检验性和有效性,它们常被视为经验科学。当然,比起社会科学来,自然科学具有更高的精确性、准确性和确定性。与此对应,形式科学是基于定义和规则之上的演绎推理,并不在意抽象概念(或理论)在现实世界的观察中的有效性,也无需经验证据来证实, 故被视为先验科学。尽管差异明显,自然科学、社会科学和形式科学都离不开对某个知识领域的客观、细致、系统的研究。此外,形式科学的方法/手段还可以用于构造和测试科学模型,从而助力经验科学(如数学物理、数理化学、数理生物学、数理金融学、数理经济学等)的进展。

根据其着重点的区别,科学又可分为基础科学(basic/fundamental science)和应用科学(applied/practical science)。基础科学(也称纯科学pure science)意在探索未知,描述新现象,解释因果关系,以拓展对客观现象的基本原理和机制的认识,激发后续创意与灵感, 给应用科学铺平道路。应用科学(也称实践科学或技术导向科学)侧重利用基础科学的发现、技术、工艺和理论,以获得新流程/系统/产品,解决实际问题,改善人类生活,满足社会需求。在自然科学领域,基础科学包含物理学、化学、生物学、地球科学、太空科学、天文学等;应用科学包含工学、农学、医学、药学等。在社会科学领域,基础科学囊括经济学、政治学、社会学、心理学、历史学、人类学等;应用科学囊括工商管理、法学、教育学、会计学、金融学、管理学、市场学、新闻学等。在形式科学领域,基础科学以逻辑学、数学、统计学等为代表;应用科学以计算机科学等为代表。

值得注意的是,在科学的形成过程中,演绎/理论验证(即运用观察到的新数据去测试假设,或完善已知理论/概念/模式)导致局部的,渐进式的,战术性的量变;而归纳/理论构建(即综合现有数据去推断/构建新的理论/概念/模式)引发整体的,革命性的,战略性的质变。前者具有扎实的操作技巧和基本的思维力(包括理解、分析、判断、论证、比较、推理、综合、概括、抽象等)/想象力(对已有表象、知识和经验进行改造与重新组合,以创造出新的意象、知觉和概念)足矣,大都为渐进性/跟踪性结果,并以研究报告的形式出现;后者则更充满挑战性,需要敏锐的思维力/想象力,多为原创性突破,常以假设,综述或专著的形式出现。近40年来的急功近利的社会风尚催生了科学界的重理论验证(演绎)轻理论构建(归纳)的倾向。具体表现在以研究报告的数量和杂志的引用因子而非研究成果的质量来判断科学工作者的创造力及对科学的贡献,而将假设/综述/专著排除在科学工作者的业绩评估范围之外。还有,1977-2018年间的中学文理分科剥夺了在关键时间段培养中学生的敏锐与理性思维力/想象力的机会,既削弱了理科生的思维力/想象力,又滋长了文科生的非理性思维力/想象力。譬如,近年来上映的那些身穿奇异服,头顶朋克发,口吐网络语的历史剧,就是文科生的不着边际,荒诞离谱的非理性思维力/想象力的写照,也是整个社会不得不咽下的中学文理分科所带来的一枚苦果。此外,我还目睹过一个中学未学物理的文科生,将一个装满热水的瓶子,直接放入冰箱里冷却,而不按“先在室内降温,再置于入冰箱”的常理出牌。可见,中学文理分科会改变个人的理性行为,给社会造成不可估量的负面效应。

虽然很多科学工作者能够运用新获得的实验数据,去验证假设,或完善已知理论/概念/模式,并写成战术描绘性的研究报告,起到战术科学家的谨小慎微、修残补缺的作用;但却不能从现有数据中,推断/构建新的理论/概念/模式,写不出战略预见性的假设/综述/专著,故彰显不出战略科学家所应有的大刀阔斧、引领潮流的风范。由于思维力/想象力贫乏的科学工作者未能将其转化成新的理论/概念/模式,那些为数不多的验证假设的原创性/突破性结果,也大都散落在庞大的数据库里,淹没在尘封的故纸堆中,无济于后续的应用科学研究。更有甚者,一些习惯于理论验证(演绎)的科学工作者视理论验证(演绎)为科学的唯一形式,而将理论构建(归纳)排除于科学的范畴。在针对西医与中医的态度上,这种狭隘的科学观将其弊端表露无遗。其实,治标不治本的西医代表着一种局部的、机械的、战术性医学体系;而标本兼治的中医则是一种全面的、灵活的、战略性医学体系。

科研(乃科学研究scientific research的简称)是完善和丰富科学理论/概念/模式的必要手段,包括运用科学方法去收集、分析和解释新数据,以检验和验证假设的信度与效度,或改进、扩展和完善已知理论/概念/模式(即理论验证);综合现有数据,以推断/构建新的,更完美的理论/概念/模式(即理论构建);从而践行解释自然或社会现象,创造/发明造福人类的新产品和新技术的初衷。一般地说,科学方法具有以下特征:(1)可重复性(别人能独立复制或重复,并获得相同/相似的结果),(2)精确性(别人可以衡量并测试该概念/理论),(3)可证伪性(以可被证伪的方式来表述理论),和(4)简约性(最简单或逻辑上最经济的解释)。在实际操作上,早期的理论验证大都通过直接观察和简单描述来实现。随着许多熟知的科学定理、定律和理论的相继被发现,如今的理论验证更为依赖逻辑推理和实验论证,包括(1)根据观察到的现象,提出解释其原理的假设,然后通过实验新数据,以验证该假设的合理性;(2)找出富有争议的已知理论,随后开展实验,获取新数据,以改进、扩展和完善该理论,从而化解争议。理论构建乃基于现有数据(特别是验证假设的数据)的综合分析,以推断/构建新的,更完美的理论/概念/模式。

俗话说,一个好样板胜过千言万语。这里,我以转录调控基因(transcriptional regulator gene) 研究为例,简略地介绍理论验证和理论构建的流程,让抽象的概念变成肉眼可见,掷地有声的行动。多年前,我参与了一个用基因手段鉴别李氏杆菌致病性与非致病性菌株的研究项目。经过对李氏杆菌基因库的随机筛选,我获得了两个致病性特异基因片断,其中一个隶属转录调控基因。基于此观察,我提出了初步假设,即转录调控基因可能成为李氏杆菌基因诊断的新目标。于是,我展开了理论验证。先检查李氏杆菌基因组序列,找到约50个转录调控基因(占李氏杆菌基因总数的～5%);随后,订制相关引物,进行聚合酶链反应,证实其属,种或致病群特异性。接着,检查其它致病菌基因组序列,发现都含约50个转录调控基因(占其基因总数的～5%),用相关引物进行聚合酶链反应,再次证实其属,种或致病群特异性。理论验证的结果强力地支持这一理论构建,即转录调控基因不仅适用于李氏杆菌的基因诊断, 还可助力其它致病菌的基因诊断。此后,我检查人类,动植物和各种微生物(包括细菌,真菌和寄生虫)基因组序列,发现其转录调控基因各占基因总量的～5%。就此,我提出了进一步假设,即转录调控基因是人类和动物神经系统之外的跨生物的另一调控体系。人类和动物的生理活动可以通过神经系统和转录调控基因共同进行调控,而缺乏神经系统的植物和各种微生物的生理活动只能依靠转录调控基因来实现。系统地分析微生物,动植物和人类各转录调控基因及所管控的基因群和影响因素,将极大地改善微生物与动植物的利用(如用可调可控的微生物去生产人造蛋白和肉类),揭示各种疑难疾病(如癌症,阿尔茨海默病)的深度病理机制, 实现标本兼治的目的(如个人定制的药物与医疗方案)。此外,中医经络学是中医理论和实践的重要组成部分,不少疾病症状可以通过针灸不同穴得以缓解,乃至治愈。可以设想,转录调控基因极有可能是人们一直在寻找的经络体系,受到刺激的不同穴位可能代表相互关联的转录调控基因的不同激发点。因此,深入研究人类各转录调控基因有助于探索和奠定中医经络体系的分子生物学基础。当然,验证这些假设与设想,构建新的理论,要靠科研后来人的努力。

考虑到研究重心/任务的不同,科研可分为基础科学研究和应用科学研究。基础科学研究(basic scientific research或基础研究basic research)常由好奇心和对知识本身的追求所驱动,意在探索和描述未知/新现象,揭示客观现象的基本原理和机制,验证假设,完善现有理论/概念/模式,构建新理论。应用科学研究(applied scientific research或应用研究applied research)多为实用前景(或利益)所驱动,偏重将基础科学的发现、理论、技术和工艺转化为实用技术,包括(1)生产新的生品,(2)引入新的生产方法/工艺过程,(3)开辟新的市场,(4)开拓并利用新的原材料或半制成品的供给来源,(5)采用新的组织方法。与应用科学研究相关的词汇有科技创新(scientific and technological innovation),技术创新(technological innovation),科研创新(scientific research and innovation),和研究与开发(research and development,或研发R&D)。其中,科技创新和技术创新不涉及基础研究,只关注将现有基础科学的发现、理论、技术和工艺转化为实用技术,反映了传统的应用研究的理念。然而,应用研究的广泛进行,夹杂着科学界的重理论验证(演绎)轻理论构建(归纳)的不良影响,使可直接转化为实用技术的基础科学的发现、理论、技术和工艺变得越来越少,让不包含基础研究成分的科技创新和技术创新变成无米之炊。与此相反,集基础研究和应用研究一体的科研创新和研究与开发,在创造/发明造福于人类的新产品和新技术中,展现出越来越强大的生命力。嫦娥六号成功实现世界首次月球背面采样返回无疑是基础研究与应用研究有机结合的经典案例。

总而言之,科学是解释和预测宇宙客观现象的模式化/公式化的知识体系,而科研是完善和丰富科学理论/概念/模式的必要手段。科学的形成源于演绎和归纳的交替/依次迭代/循环;其中演绎(理论验证)使用观察所得的新数据,以验证假设的信度与效度,或改进、扩展和完善已知理论/概念/模式(量变);归纳(理论构建)则综合现有数据(尤其是与验证假设有关的数据),以推断/构建新的,更完美的理论/概念/模式(质变)。然而,演绎(理论验证)和归纳(理论构建)的交替与循环,并非同一水平的简单重覆,而是从量变(假设的验证或已知理论的完善)到质变(新理论的构建),再从新的量变到新的质变,直到无限接近真相与真理的过程。当今科学界所表现出来的重理论验证(演绎)轻理论构建(归纳)的倾向,造成了渐进性/跟踪性结果的量产,导致了原创性/突破性结果的匮乏,迟滞了新理论的构建,减少了可直接转化为实用技术的基础科学的发现、理论、技术和工艺,拖了应用科学研究的后腿,阻碍了造福人类的新产品和新技术的开发。鉴于把基础研究和应用研究完全分开的做法日益显得不合时宜,集基础研究和应用研究一体的科研创新/研究与开发势必在创造/发明造福于人类的新产品和新技术中起着越来越重要的作用。