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【教育專輯】「科學家總嘗試想盡快證明自己是錯的」──談何謂科學

文/陳志今

現代「科學」一詞涵蓋許多各種不同的知識領域,從我們病痛時的醫療照護、每日食衣住行所需、彈指之間與世界各個角落的便捷聯絡網等,若非幾百年來許多科學工藝的演化和應用,現代文明不可能存在。但究竟什麼是科學?絕大多數的人可能不假思索的舉出生物、化學、物理等學科,卻無法回答為何這些學科被定義成科學?科學的價值究竟是什麼?

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理查.費曼(Richard Phillips Feynman, 1918-1988)圖片來源:wikipedia

關於這點,美國物理學家理查.費曼,1965 年的物理諾貝爾獎得主,曾對科學下了一段定義︰「科學家總嘗試想盡快證明自己是錯的(We are trying to prove ourselves wrong as quickly as possible.)」。中學時的我讀起這段話時感到非常不解,為什麼費曼會這麼說呢?研究「科學」的科學家們不是在追求自然界運行的法則嗎?數年後,當我成為科學研究員時,才開始領悟到科學巨人費曼他話中的真諦。而這句話,也其實是所有科學的根本。

科學和偽科學

簡單的說,科學,是人類在演化史上發展出的一種知識理論。也因此,它並不完美,會隨著時間演進。因為有人相信「科學」能夠解釋一系列的現象,它才得以在歷史上存活。在古時的歐洲,鍊金術是最初的科學,其中心思想是元素間能互相變換,因此廢金屬也能變成黃金;無獨有偶,在中華文明上,風水學也曾是一門科學,其中心思想是大地、人、乃至物品的氣場,能夠左右人生命的好壞和命運,也因此背山靠海的土地往往成為許多人嚮往的居住地。

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圖片來源:pixabay

但在現代,煉金術和風水論都被歸類成「偽科學」。原因是因為廢金屬怎樣都無法變成黃金、而居住在背山靠海的人也可能遭逢天災人禍。這些偽科學的理論無法被檢測無法完美詮釋所有的現象、我們也無法用這些理論來進行準確的預測

相對的,為什麼生物、化學、物理就被歸類成「科學」呢?因為這些知識理論是有一套嚴謹的方法:觀察,實驗,和論證。觀察,用可見或者可以測量的證據,讓所有的人都能看到(或者感覺到);在觀察後,人們提出不同的假設來詮釋觀察到的現象,並依據這些假設來進行實驗,而實驗也是讓這些學科成為科學的最重要因素。實驗的基本概念是當一個實驗組和對照組之間只有一個不同,若實驗組的結果和對照組不同時,我們便可以說那個不同的設定是造成結果不同的原因。

實驗不僅可以提供數據,更重要的是當數次實驗都得到同樣的結果時,這個假設便能獲得客觀上的支持。最後的論證則可以對實驗結果提供一套模型(或理論),當未來的觀察結果與論證模型一致時,這個論證就可能被接受為「科學知識」。在這樣的定義下,我們便可以理解為什麼有些事情是不能被標籤為「科學知識」的。比方說,鬼魂或者神的存在。你可以口口聲聲說你看過鬼,也可以信誓旦旦的說神曾在你禱告時向你回話,但這些現象無法用實驗證明,也因此它們並不科學(也因此許多科學家是無神論者)。總而言之,只要主張的內容無法用科學的方法(也就是實驗)證明,那它就不是科學。

科學隨時間進步,她不是真理

費曼的話其實有兩個涵義,第一個含義是大多數的科學家急切的想要證明自己的模型是否是錯的,因為科學知識會因時間而改變。科學家的實驗方法絕大多數取決於當時的科技水平,而隨著科技進步,過去無法觀察的現象就能夠被觀察,甚至修改過去人們對科學的理解。好比說,起初人們只有肉眼能觀察動植物和星空,但隨著放大鏡的發明,顯微鏡和望遠鏡跟著出現,並改變人們對大自然的理解。這些例子多不勝數,但最著名的,莫過於文藝復興期人們對地球和宇宙的概念。在此讓我細說這段歷史。

起初,人們觀察天象,發現星星繞著天際轉、太陽月亮東昇西降。也因此古希臘人相信地球必定是恆定的宇宙中心。如果不是如此,人們豈不是會被移動的地球摔到宇宙嗎?既然沒有人被摔到宇宙,地球一定是不會移動的宇宙中心。還有,地球應該是平的,如果地球是有菱角、或者是圓的,那在斜坡上的人們不就同樣會飛進宇宙中嗎?既然沒有人飛到宇宙,地球必定是平的。

這兩個著名的〈天動論〉和〈地平說〉是由著名的希臘天文學家托勒密(西元85-165 年)所提出。他這兩個當時的「科學」知識,被人們相信了幾百年,因為沒有人有其他證據證明它們是錯的。直到十五世紀時,波蘭的哥白尼(西元1473-1543 年)觀察行星運行的軌道,發現行星運行並不是繞著地球轉,而是繞著太陽。而哥白尼的論點在伽利略(1564-1642 年)用新發明的望遠鏡證實太陽才是太陽系的中心,而地球繞著太陽系旋轉。

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圖片來源:pixabay

伽利略更進一步的用哥白尼的太陽中心論大膽預言,因為金星是繞著太陽轉,她對地球的距離時遠時近,所以她從地球看到的大小必定會因不同的季節而改變。托勒密的天動論則會預測金星的距離和地球是固定的,因此她的大小必定保持恆定。天文望遠鏡的觀測證明金星確實會因季節不同而改變大小,也證明哥白尼論點的正確性。

哥白尼也同時提出地球是圓的,不是平的。最顯著的證明就是當遠方的船隻接近陸地時,陸地上的人們會先看到船頂,之後才是船身(也就是海洋和陸地都有弧度存在)。但是,如果地球是一個行星,而且是圓的,為什麼人們不會被地球甩到宇宙裡呢?牛頓(1642-1727)在十七世紀時提出了萬有引力學說,提出地球的引力將地上所有的物品,包括人類,緊緊吸住在地表上。至此,箝制人類數百年來錯誤的天動論和地平說正式成為歷史。也證明了,科學的演進是侷限於當時的證據,若有新證據證明就的理論是錯誤時,新的科學知識隨之誕生。科學隨時間進步,她不是永遠的真理。

「新」科學常無法被人接受

科學是人們所創立的學說,也因此,即使有人提出了證據,人們也不一定會相信。這就是費曼話語中第二個含義:因為人們不是神,所以科學其實是一種人的信仰,一個用科學方法(觀察、實驗、論證)所創造的知識。也就因此,科學家希望證明自己是錯的,如果過了數十年數百年都沒有人證明自己是錯的,那這科學家的理論就相當接近於常識。

在科學歷史中,許多人都忽略了科學常識並不可能永遠是對的(因為新的證據可能推翻舊的思維),也因此許多新的理論往往過了非常久的時間才被人們認可是對的。其中一例是美國物理學家特斯拉(Nicholas Tesla, 1856-1943)。大家都耳熟能詳的愛迪生在美國發明燈泡、轟動全美一時,特斯拉是第一位挑戰愛迪生地位的人。特斯拉提出交流電來提供家庭用電是比愛迪生提倡的直流電更好的選擇。

直流電不善於遠距離傳輸,但愛迪生的電力公司主要提供直流電給客戶,特斯拉的說法將會導致愛迪生公司蒙受鉅額損失。這可激怒了愛迪生,發動了所謂的電流戰爭。雖然最後證明特斯拉的說法才是對的,而交流電也成為現代電纜傳輸的最根本方法,但特斯拉在一連串的法律攻擊下失去了大多數的專利。在最後他窮愁潦倒的去世。直到二十世紀尾聲後,特斯拉的建樹才漸漸被大眾所認可。

圖片來源:Sam Fentress or GFDL, via Wikimedia Commons

另一位科學家的成就也花了十分漫長的歲月才被科學界認可。不過她比特斯拉幸運:她夠長壽。芭芭拉•麥克林托克(Babara McClintock, 1902-1992),一位基因學家,在四十歲出頭時用玉米實驗提出「跳躍基因」(Jumping Genome)學說:這個學說說DNA內有著「轉座子」(Transposon),能夠跳躍到另一段不同的基因上,並改變玉米的外表。她的理論在當時不僅沒有被人接受,甚至遭受無情的攻擊。也因此從她五十歲以後她便停止在學術期刊上發表任何理論。直到她年過七十古稀之年時,新的實驗才又再一次證明麥克林托克是正確的。她比當時的科學家進步了四十年。最終在她八十歲時她成為諾貝爾醫學獎得主,也是現在唯一單獨獲得此殊榮的女性。「新」科學常常無法被人接受。

結論:科學之路

總結的說,費曼的一席話「科學家總嘗試想盡快證明自己是錯的」,所代表的涵意是,科學是一門經由觀察、實驗、和論證的人類學問。經過這方法所成立的知識就是科學,無論是基礎的生物化學物理,或者是人文的心理學。但世界上沒有完美的實驗,新的實驗可能會提出新證據並推翻舊的實驗結果。也因此真正的科學家希望趕快證明自己理論上的錯誤。他 / 她的理論在數十年或數百年可能都不會被推翻,直到新證據出現為止。但遺憾的是,人類並不一定會相信新的理論,即使證據就擺在你的眼前。

那我們該如何看待科學呢?從正面看,她的演進讓我們生活有所改善,有著更好的醫療,交通工具,或通訊設備。悲觀的看,科學是人們所創造的學科,所以她永遠都在改變,也永遠不會是真理。

當然,筆者我並非要在此向各位宣揚科學之死的新宗教。但重要的是:科學並不完美,但她是讓我們能理解世界的最完美工具。這一點是我所相信的科學精神,而能相信這一點的人也才能成為真正的科學人。

【作者介紹】
陳志今 Kevin Chen
英國南開普頓大學 醫學院研究員(病毒免疫學)

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【‎教育專輯‬】 泛科學十月份特別專題:「科學教育,科學嗎?」

歡迎你來稿和我們談談你所知的科學教育的過去,現在,以及未來。
我們希望討論的方向包括(但不限於):
● 什麼是科學?科學是一種能力?態度?知識?
● 教自然科就是教科學嗎?教自然科才能教科學嗎?
● 那些自然科以外的學科,和科學有關係嗎?

如果你是在學學生,請與我們分享:
● 過往的教育經驗讓你了解科學、愛好科學嗎?請和我們分享你的經驗!
● 你希望自然科(地科/生物/物理/化學)、數學、各種學校科目該怎麼教,讓你更接近科學?

如果你是老師,請告訴我們:
● 在你的理想中,科學應該怎麼教?
● 你正在嘗試什麼樣的科學教育?成果如何?
● 在今日的教育現場教科學,什麼是優勢和助力,有哪些難關和阻力?

兩者皆非,也歡迎你來談談你的想法:
● 學「科學」有什麼價值?
● 什麼樣的結果意味著成功的科學教育?
● 要達成科學教育,有什麼樣的好方法?

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泛科學本次「科學教育,科學嗎?」教育專輯,將配合11/8泛科知識節活動,當天將舉行現場對談,歡迎你的加入!

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