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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

PanSci_96
・2015/10/27 ・4218字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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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?

來稿請寄:pansci.tw@gmail.com
來稿字數1000-3000,並請註明希望發表的名稱與身分;請於10/31前提供,泛科學編輯部將保留來稿最終修改審核權;如審核通過將刊登於泛科學並謹備稿費,感謝您的參與。

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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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相輔相成的數學與科學,誰才真的是「科學的起點」?或許,它們都不是最好的答案——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/12 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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數學絕對是科學上非常重要的工具,當科學面對重大疑難雜症時,往往確實是由數學來解決問題。歷史上有很多例子,可以用來說明科學家遇到科學問題時,發明數學工具來解決問題。

例如我們知道,一個物體如果維持每秒鐘 30 公尺的速度前進,那麼 100 秒之後,它會前進 3,000 公尺。但如果這個物體的速度是會穩定減少,平均每一秒鐘還會穩定的減少每秒 10 公尺,也就是一秒後它的速度就變成 20m/s、兩秒之後變成 10m/s,以此類推。

這樣的話,我們知道它 3 秒之後會停下來,但你能知道它前進的距離總共有多少嗎?

為了解決這個問題,牛頓發明「微積分」這個數學工具。

現代微積分是由牛頓與萊布尼茲所發展而成的重要工具。圖/Pixabay

先有雞還是先有蛋?先有科學還是先有數學?

物理學家為了要處理像是「位移」、「力」、「速度」這類問題,也發明「向量」這樣的數學工具來幫助物理學家解決問題。

這樣看起來,好像應該說「科學是數學之母」才對?

也有的時候,科學家為了精準簡潔的描述自然界規則,運用數學語言來作為描述的方式。

例如我們知道,兩物體之間永遠存在一個互相吸引的萬有引力,萬有引力的大小和兩物體的質量大小乘積成正比,和兩物體的距離平方成反比。這麼一大段落落長的描述,如果用數學符號來表達,就會變成:

\(F = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}\)

這樣的表達既簡潔又精準,當然是很不錯的描述方式,很受科學人的喜愛。數學是科學中重要的工具,可以幫助科學解決很多問題。在學習科學或發展科學的某些階段,數學更是不可或缺的工具,沒有數學便跨越不了某些門檻。

即便如此,數學好像也說不上是「科學之母」。

科學始於好奇心,每個孩子都是天生的科學家

我總覺得「科學之母」的意思,應該是科學的產生者。那什麼才是科學的產生者?我認為是「觀察」。

觀察與好奇心促成科學的動機觀察的意思不是觀看,不是說用眼睛看到些什麼東西就是觀察。觀察是會產生疑問的,會勾起你的好奇心。看到一些「怪怪的」、好像跟平常不一樣的事物時,你可能會留心的多看個兩眼,腦袋裡想著:「昨天跟今天看到的太陽升起位置,是不是有什麼不一樣?」、「上次釀的酒跟這一次喝起來好像不一樣?」

察覺這些差異之後,你的好奇心可能就會接手,開始思考如何解釋這樣的差異。

如果你認真一點的話,可能會對現象進行系統化的描述記錄,將那些雜亂的事物根據相同處、相異處進行比較並分類,有時候或許能從中發現一些現象的規律性或者因果性。

例如我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性,發現每天海水高度變化跟月亮的位置有關:滿月的那天,當潮水最高的時候就是在正中午。

我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性。圖/Pexels

進而發現不同的月相和漲退潮的時間,有某種特定的關係。等蒐集到夠多的事實之後,很可能就可以發現規律性。

察覺這些規律性、相同處、相異處之後,有些人會興起強烈的好奇心,想要一探這些現象背後的完整詳細規則,或是探詢造成這些規則背後的原因,這時,科學的動機就出現了。

自文明誕生以來,有很長一段時間,人們只是用神話的方式來解釋自然,直到近幾百年才發展出有系統的科學方法,以極端嚴謹的態度來檢視心中的答案。雖然科學是近代產物,但產生科學的動機卻是每個人都天生具備的,那就是「觀察」和「好奇心」。

每個孩子天生就很愛問問題,這也是為什麼許多科學家會說:「每個孩子都是天生的科學家」,不過這句話的下一句是:「直到 XX 歲為止」。

為什麼等到我們長大以後,就不會提問了呢?

身為老師的我們都曾發現,學生到了國中之後,似乎就變得很不愛問問題。

我相信造成這個結果的原因有很多,例如我們的科學教材教法往往是去情境化、去脈絡化的;我們的考題有許多是脫離現實的;我們的課程也經常不是以學生親身觀察而產生的探究問題作為出發點。

此外,大量意義不明的數學練習,恐怕也是重要的原因之一。

天生的科學家們為什麼長大後就不發問了呢?造成這個結果的原因有很多。圖/Pexels

既然數學題目難以避免,我們該怎麼讓這些練習對學生而言,變得更有意義、更具有科學教育的價值呢?

數學在科學課堂上扮演的角色在科學的學習中,數學作為一種工具,其存在是必要且適當的。但我們應該注意的是:工具的使用必有其特定的使用動機和情境。

如何讓學生知道自己在幹嘛?以燃素說、氧化說為例

例如拉瓦節(Antoine Lavoisier)並不是一開始就在實驗室裡面計算數學,因而發現燃燒的本質是物質的氧化。他是因為用定性分析方式無法成功反駁當時主流的「燃素說」,才進一步使用量化實驗、測量精準的數據,得到足以駁倒「燃素說」的證據。

讓學生具備動機和情境後,在適當的難度下,引進必要的數學就會覺得理所當然。如果學生知道自己正在處理什麼問題,也知道為什麼需要運用這個工具的情況下,那麼在自然科裡面學習數學是沒有問題的。

需要透過有設計的教學,才可以激發學生思考、知道自己在處理什麼問題。圖/Pixabay

於是我在燃燒的單元中,設計了讓學生閱讀並比較史塔爾(Georg Ernst Stahl)提出的「燃素說」和拉瓦節的「氧化說」。兩個學說都是在描述學生熟悉的燃燒現象,但卻有著截然不同的解釋方式。

史塔爾的「燃素說」認為:

因為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來與空氣結合,從而發光發熱,這就是火。並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。

但有些物質,像是金屬,它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會被空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。

而且物質在加熱時,燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且愈好的空氣吸收燃素的效果愈好。

拉瓦節的「氧化說」則主張:

物質燃燒時,不是物質內部的燃素釋放出來,而是物質和空氣中的氧氣結合。結合的過程中會發光發熱。

結合之後的物質,稱為氧化物。氧化物如果是氣體或者變成飛灰離開了物體本身,質量就會變小,就像紙張燃燒一樣。

如果物質氧化物和物質是依附在一起的,那就會看到質量變重,就像金屬的燃燒一樣。

你會發現兩者的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,如果只是觀察各種燃燒的現象,並不足以判別誰說的才對。這時,用量化方式精準測量燃燒過程中各階段物質的質量變化,就變成判別是非的關鍵所在。

量化實驗當然是比定性實驗更加困難,但當我們對於某個事件產生興趣時,這些困難就會瞬間變成讓人興致高昂、願意去挑戰和克服的關卡。

「燃素說」和「氧化說」的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,這時便需要科學的力量。圖/Pexels

數學的工具也是如此,所以我在運動學的課程設計中,利用交通安全宣導影片中常出現的「未維持安全距離」下產生的交通事故,讓學生感受到危險,並且產生「安全距離是怎麼計算出來的」的疑惑,激發學生解決問題的動機。

動機產生之後,我們就可以把待解問題轉化為比較嚴謹的文字敘述:「車子以 108km/hr 的速度行駛在高速公路上,因前方發生事故而緊急煞車。若車子能在 X 秒鐘之內停下來,我們的煞車距離有多少?」這就變成大家熟悉的考題了。

此時不管是使用公式也好,圖形法也好,學習起來就會比較自然而然、順理成章。在課堂上營造動機與脈絡,讓解決這些數學問題變成必要的過程,就是我們在課程設計上可以努力的方向。

——本文摘自《教出科學探究力》,2021 年 8 月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。

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文/陳志今

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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?」

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爲什麽你該認識馬丁.魯維克——《地球深歷史》導讀
左岸文化_96
・2021/04/22 ・6867字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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  • 導讀 / 洪廣冀(國立臺灣大學地理環境資源學系)
  • 書籍作者 / 馬丁・魯維克 (Martin J.S. Rudwick);譯者 / 馮奕達

導論一、“You should”

我已經記不得確實的時間了,但那應該是二○○七年左右。當時的我為哈佛大學科學史系的博士班研究生,一心一意想處理與臺灣或東亞科學史相關的題目。某天下午,系上舉辦演講,講者便是各位手中這本書的作者:馬丁.魯維克。在介紹講者時,主持人強調,魯維克教授曾是著名的地質學者,後來轉行當地質學史家,同樣做得有有聲有色;此跨領域且悠遊在自然科學與人文學的經驗,值得各位參考與倣傚云云。演講後,系上老師與同學聚在一起討論;我的指導老師、生物學史家珍妮特.布朗(Janet Browne)叫住我,問我是否熟悉魯維克教授的研究。我說我不太清楚;老師的臉色有些凝重,說道:“You should.”

從著名地質學者轉行當地質學史家的馬丁.魯維克教授。圖/sciencebookaday.com

這句 “You should” 一直迴盪在我心裡。作為學生,我從善如流,盡可能熟悉這位魯維克教授的著作,其中便包括《地球深歷史》。從科學史的角度,魯維克教授的貢獻至少有三:首先,由於其在地質學上的造詣,當科學史界開始宣稱要打開科學的黑箱、釐清社會條件與科學知識生產的因果關係時,魯維克教授是少數能觸及此理想狀態的研究者。再者,在論及近代生物學史時,研究者自然而然地將達爾文帶出的演化論風潮視為分水嶺;然而,就魯維克教授而言,至少在地質學史中,主要突破卻發生在一八○○年左右;在那個時期,人們終於體會到,就如同地球不是宇宙中不變的中心一般,歷史不再為人類所獨佔;人類史不過是地球歷史中極短暫的一段,甚至是微不足道的一段。第三,當科學史家不再把一八○○年代的地質學視為達爾文革命的先聲,也不再把當時的思想與爭論當成恭迎達爾文出場的墊腳石,魯維克教授認為,科學史家就可多少擺脫不時為祟在科學史寫作中「勝者為王」的「輝格史觀」。

然而,即便現在的我可以琅琅上口魯維克教授在科學史上的貢獻,我必須說,除了「指導老師交代」外,當時的我看不出什麼「你應該閱讀魯維克」的理由。我不是地質學出身,也不打算研究地質學史;事實上,我必須承認,在唸高中時,地球科學一直是讓我感到棘手的科目。相較於我感興趣的生物學,地球科學涉及的時空尺度過於龐大,超乎我可以想像的地步。再者,如黃相輔博士在另篇導論中指出的,魯維克教授為虔誠的基督徒,而他一系列地質學史著作的基調便是要化解宗教與科學的對立。但問題是,我非基督徒,且在我的成長經驗中,我從未體會到該對立,自然也無透過魯維克的著作來化解該衝突的必要。所以,除了幫助我一窺科學史的堂奧、進而取得該學科的入場券外,為何我需要知道魯維克教授的著作?

我的問題應該也是各位讀者的問題。在這個注意力只能維持三十秒的年代,為何你需要閱讀一本時間尺度達四十五億年的書?這需要一些理由。作為一名科學史研究者,我可以做的,就是盡可能地帶領讀者,回到魯維克這個人,以及他所處的時代。

與魯維克喝咖啡

時間來到二○一四年的劍橋大學。當時的我是該校李約瑟研究所(Needham Research Institute)的博士後研究員,不時會晃到位於自由學院巷(Free School Lane)的科學史與哲學系(Department of History and Philosophy of Science)聽演講。十月二十四日當天,我報名參加了該系主辦的「與科學家喝咖啡」活動,講者又是魯維克。身為該系元老的他,顯然非常重視這回演講。在演講前,他寄給與會者一篇題為 “Fossils and History: Recollections across Two Cultures” 的自傳;在文章開頭,他加了個段落,表示該文是為英國國家學術院(British Academy;魯維克於二○○八年獲選為該院院士)歸檔用,不是為了出版(Not for Publication)。演講當天,當時八十二歲的魯維克教授,開誠佈公、毫不藏私地回答了他反覆被問到的問題:「你是如何、何時以及為何把自己從自然科學家轉為人文學者?」

科學與人文的「兩種文化」常被化約,視爲相互對立的關係。圖/Pexels

時間倒推到一九五九年五月七日。魯維克與其他劍橋大學的學生,簇擁在劍橋的評議會大樓(Senate House),聆聽物理學家、小說家與科技官僚查爾斯.史諾(C. P. Snow, 1905-1980)的里德講座(Rede Lecture)。史諾的講題是〈兩種文化與科學革命〉(The Two Cultures and the Scientific Revolution)。在該演講中,史諾認為,在當時的英國,科學與人文的鴻溝已加深擴大,至雙方難以溝通、相互鄙視的程度。就史諾而言,根本原因是,科學與人文係屬「兩種文化」;這是現行英國教育制度的結果,但對於英國未來的發展,並無好處。年輕的魯維克並未對史諾的演講留下深刻印象。日後,當史諾將其演講出版為專書、引發大論戰時,他難以理解,為何如此化約、視科學與人文除了敵對關係外別無其他的見解,竟會有那麼多人買單。為何年輕的魯維克會冷眼看待史諾的語重心長?又為何在將近半世紀後,他會撿起史諾演講的標題,當成是學術生涯的註腳?

魯維克從他的家庭教育談起。生於一九三二年的魯維克,父親為西敏公學(Westminster School)的物理老師,而教父則為中世紀壁畫的權威克萊夫.勞斯(Clive Rouse)。在魯維克小時候,他父親期許他能走上物理研究這條路;然而,一日,魯維克在花園中找到海膽的化石,大感興趣;更讓他感到驚喜的,他鑽研中世紀壁畫的教父勞斯,竟然送給他一盒菊石化石,鼓勵他走上地質學研究的道路。一九四五年,當十三歲的魯維克進入哈羅公學(Harrow School)就讀。他發現,不同於家中多元且開放的學習氛圍,校方竟要求他得在古典(Classical)與現代(Modern)中抉擇。所謂「古典」是以歷史學為主的人文學,而「現代」則為自然科學。魯維克選擇了「現代」,這讓校方頗為失望。因為,按當時英國中學教育的標準,如魯維克這樣傑出的學生,應以「古典」為職志,「現代」是留給那些「次等的心靈」(second-class mind)。即便如此,在求學階段,魯維克遇到一位擁有博士學位的生物學老師道格拉斯.里德(Douglas Reid)。里德除了帶著魯維克閱讀生物學的經典外,還指導他進行端足類(Amphipods)的分類。魯維克花了相當時間,對著圖鑑,兩眼盯著顯微鏡,探究自英國周遭海域採回來的活體標本。魯維克頗為滿意此自主學習的成果,將之寫成論文,發表在《自然史雜誌》(Magazine of Natural History)上—該文也成為魯維克多產之學術生涯中的首篇論文。在高中生涯接近尾聲時,他參加了劍橋大學的入學甄試。他報考了生物、化學與地質學,於地質學的表現最為傑出。一九五○年起,他開始於劍橋大學地質學系就讀。

魯維克不畏跨領域挑戰的進取,或與劍橋大學三一學院的氛圍有關。圖/wikimedia

在劍橋大學,魯維克受益於該校的 Tripos 制度,即在選定專業科目前,可廣泛涉獵相關學科。一趟前往懷特島(Isle of Wight)檢視第三紀之地層構造(the Tertiary strata)的田野經驗讓魯維克對古生態學(palaeo-ecology)感興趣。依他所見,這在當時仍屬新穎的學科,既可結合他對分類學的興趣,也可讓其興趣不至於被傳統分類學限制住,而可進一步探索古生物及其環境的關係。一九五三年,魯維克以第一名畢業,且獲得地質系、三一學院等機構的獎學金,以及政府的研究獎勵,讓他可以三年為期,於劍橋繼續鑽研古生態學。一九五五年,年僅二十三歲的魯維克被聘為劍橋大學地質學系的 “demonstrator”(相當於美國的助理教授),翌年更被選為三一學院的學生院士(junior research fellow)。

接二連三的榮譽與肯定並未讓魯維克就此停留在他已相對熟悉的古生態學領域。他亟思挑戰困難的博論題目,讓他可在地質學中站穩腳跟。魯維克的進取或與三一學院的氛圍有關。身為該院的學生院士,他可自在地向「古典」與「現代」領域中卓然有成的資深院士請益。這時的魯維克還未接觸到史諾的「兩種文化」;難怪,當他接觸到後,他無法接受當中「做人文者」與「做科學者」往往無法溝通,因為這並不是他在三一學院接受到的刺激。

接著,魯維克開始對「功能形態學」(functional morphology)感興趣,且把對象設定在雖有大量化石證據、然只有少量物種留存至今日、導致活體實驗與野外觀察幾近不可能的腕族類動物(brachiopods)。當他在標本館中檢視該動物的化石標本,欣賞其結構的對稱、揣摩其可能的功能時,他想起在哈羅公學時曾涉獵的生物學經典:愛德華・羅素(E. S. Russell)的《形式與功能》(Form and Function, 1916),特別是當中論及法國博物學者居維葉(Georges Cuvier, 1769–1832)的段落。

居維葉認為,透過緊密地將結構與功能整合在一起,每類生物得適應(adapt)其特定的生活模式(mode of life)。以此概念為出發點,居維葉大膽地重建他認為已然滅絕的長毛象(mammoth)與乳齒象(mastodon)的化石標本。魯維克認為,居維葉重組這些已滅絕之動物的概念與手法,有助於他對腕足動物之功能形態學的研究。於是,他到圖書館,閱讀居維葉的原典與相關手稿。

魯維克教授前期專注在以化石與現存腕族動物的功能形態學研究上。圖/Pixabay

他精準掌握了居維葉至當代的功能形態學系譜,再加上三一學院對其研究的支援,魯維克於一九五八年以〈化石腕族類的功能形態學研究〉(Studies in the Functional Morphology of Fossil Brachiopods)一文取得博士學位。翌年,他在深具影響力的《地質學雜誌》(Geological Magazine)上一口氣發表兩篇論文,宣告一名年輕地質學者的誕生,以及一個少為地質學者所知之取向的成熟。在後續七年間,魯維克持續探索化石與現存腕族動物的功能形態學,於一九六五年獲聘為劍橋地質系的講師(University Lecturer)。按當時劍橋的規定,這意味著魯維克已通過終身聘任制(tenure)的考驗,可在其喜愛的領域鑽研,直到退休。

如果說已被地質學者視為「歷史」的居維葉為魯維克的地質學帶來突破,那麼,他則以其地質學研究經驗為地質學史帶來新意。原來,在細讀居維葉的原典後,魯維克感到好奇,為何如此傑出的博物學者竟會拒絕接受當時已略具雛形的「物種會變化」的演化思想,並設法撲滅之?他開始閱讀生物學史的著作,且把握各種與科學史家交流的機會。讓他失望的,其在地質學的同儕就罷了,多數他遇見的科學史研究者,多不把居維葉當一回事,甚至認為居維葉的存在阻撓了演化論於法國的生成與傳播。

魯維克不免好奇,為何科學史研究者總以後見之明來評價居維葉,而不是回到居維葉所處的時代,設身處地理解居維葉的科學及其貢獻?為何科學史家會對居維葉深具突破性的功能形態學視而不見?同時,他也感到訝異,為何不管在研究材料的選擇上,科學史研究者會如此執著於文本,彷彿其研究對象不會以圖像溝通似的?魯維克認為,如此「重文本而輕圖像」的作法,恐怕會讓科學史研究者錯估科學知識生成與溝通的方式;因為,至少在地質學界,相較於文字,研究者更傾向以圖像來思考與溝通。

魯維克認爲科學史界「重文本而輕圖像」的作法,恐怕會讓科學史研究者錯估科學知識生成與溝通的方式。圖/Pixabay

最後,他也發現,相較於地質學者,科學史研究者似乎不做「田野」,也不把其研究對象的田野工作當一回事。同樣從地質學觀點,魯維克認為,不把田野及田野工作視為科學知識之生產地與實作,科學史家恐難以真正窺見科學研究者的心靈,遑論探究新理論生成的時空脈絡。於是,在一九六○年代,也就是魯維克逐步確立其在地質學的地位時,他也開始在科學史相關的期刊上發表論文,拋出前述疑問,並從地質學的觀點提出解答。對此,一位「柯廷翰女士」(Mrs Cottingham)居功厥偉。

原來,柯廷翰繼承了倫敦地質學會(Geological Society)之創建者與首位會長喬治.格林努格(George Greenough)的手稿。該手稿未經整理,也未有研究者使用過;柯廷翰希望魯維克能幫她整理,並據此撰寫格林努格的傳記。魯維克欣然答應。在整理並閱讀格林努格的手稿與通信的過程中,魯維克發現一落信件,以紅帶繫著,上頭有格林努格的筆跡,寫著「泥盆紀大爭議」(Great Devonian controversy)。在謄寫這批信件的過程中,魯維克得以重訪此當代地質學者已少有人知的爭議,理解科學爭議係如何生成、延燒與閉合。日後(一九八五),運用這批材料,魯維克完成其成名作;書名就叫做《泥盆紀大爭議:紳士專業者中科學知識的形塑》(The Great Devonian Controversy: The Shaping of Scientific Knowledge among Gentlemanly Specialists)。

一九六七年,當周遭的人都認為,這位三十五歲的年輕地質學者,會在自己的專業領域中持續耕耘,同時以歷史為副業或「娛樂」,直至退休,魯維克做了讓人驚駭的決定:他離開了地質系,轉至甫成立的科學史與哲學系任教。按魯維克日後的說法,當時的他,遭逢了中年危機;只是,有中年危機的不是他,而是他在地質學系的同儕。魯維克認為,相較於正在蓬勃發展的美國地質學,劍橋的地質學者似乎都在自己的舒適圈中做研究;當美國地質學界已培育出如古爾德(Stephen Jay Gould, 1941—2002)這樣優秀的新生代時,劍橋地質系顯得格外死氣沉沉。當這個他自一九五○年起便生活其中的系所不能再給予他智識上的刺激,魯維克決定出走。此舉激怒了他在系上的同儕,認為這是難以原諒的的背叛。魯維克不以為意,因為他已在自由學院巷的科學史與哲學系,找到他的新天地。

一九七四年,魯維克再度出走,至荷蘭自由大學(Free University)擔任「自然科學之歷史與社會面向」的教授。他的夢想是在該校建立科技與社會的研究群。他注意到,在愛丁堡大學,有群年輕的歷史學者、社會學者與哲學者,組成科學研究部(Science Studies Unit),以全新的視野,至少不是他曾大為感冒的輝格史觀,探索科學知識與其社會條件間的因果關係。他希望能在自由大學有個類似的部門,與日後被稱為「愛丁堡學派」的學者們,共同打造「科學研究」或說「科技與社會」此新興領域。

薩頓獎章是爲了紀念科學史學科的奠基人——比利時科學史學者喬治·薩頓而設立。圖/wikimedia

一九八○年,自由大學遭逢政治危機;魯維克的同儕、摯友與學術夥伴遭左翼學生攻擊,而校方並未捍衛校園中根本的學術自由,這讓魯維克憤而辭職。過來五年,魯維克帶著家人,過著顛沛流離的生活,以訪問學者的身分,在倫敦、劍橋、普林斯頓與耶路撒冷間遊走。一九八五年,普林斯頓大學聘魯維克為歷史系教授;魯維克希望能在該校打造科學研究的分支,未獲高層支持。一九八八年,魯維克轉至加州大學聖地牙哥分校任教;這回,他終於得到支持,於人文部門中建立以科學為對象的研究分支。在這段顛沛流離的日子裡,魯維克共出版了四本書;於一九九八年退休至今,他又出版了五本書,最新的一本即為各位手中的《地球深歷史》。二○○七年,幾乎就在哈羅公學校方要年輕的魯維克在古典與現代中做選擇的一甲子後,他獲頒美國科學史學會的最高榮譽薩頓獎章(George Sarton Medal),翌年被選做英國科學院院士。

兩種文化?

回到二○一四年十月二十四日當天,年邁但仍精力充沛的魯維克是如何看待史諾的「兩種文化」?首先,他不認為該說是錯誤的;因為,在其漫長的職業生涯中,他不時面臨要「選邊站」的壓力。再者,他也不認為兩種文化是通盤正確;因為,在同時浸淫在地質學與地質學史後,他認為,兩者的相似性遠大於對立,共同體現了人們對於知識的追求。第三,即便自然科學與人文學有其相似性,他也不認為,研究者就該追求某種大一統的知識體系,反而是在同中求異。顯然的,如果他沒有在尋找博論題材時,潛心閱讀居維葉的功能型態學,他恐怕不會在高度競爭的地質學中一支獨秀;同樣的,若沒有他在地質學中習得的基本功,他恐怕難以帶入圖像及田野工作的分析視野,在科學史界自成一家之言。

離指導老師對我的提醒,已經十四年了;即便我的學術成就遠遠夠不上魯維克教授及我的老師,身處在既有文組生又有理組生的臺大地理系,我還是不時板起臉來,提醒學生應該做這做那。每回做此建議,我還是不時會落入我當時的疑問,為何臺灣學生得閱讀一些從不同的社會與智識氛圍中長出來的作品,除了這些作品「很有名」以外?當然,我希望學生能自己尋找 “you should” 的答案,就如同本文呈現的「魯維克是誰、我為何要在意他」的探問旅程。

欣見《地球深歷史》中文版的出版,以及編輯林巧玲的邀請,讓我可以有機會把這趟追尋之旅化為一篇導讀。這不是一本科普書,更不是一本教科書;這是一個生長在獨特時空脈絡的人們、不論其在今日學術分工中的地位為何、不停追問自己是誰、又該往那裡去的故事,同時也是個不安於室、為尋求最多的知識刺激、不惜顛沛流離之學者的生命故事。作為臺灣人,我們非常熟悉「自己是誰、該往那裡去」與「文理組之爭」等情節;就我而言,這便構成 “you should” 的理由。

希望你能同意。

——本文摘自泛科學 2021 年 4 月選書《地球深歷史:一段被忽略的地質學革命,一部地球萬物的歷史》,2021 年 3 月,左岸文化

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