什么是科学的认识？

我写这本书的目的是希望能让读者更深刻地认识世界，包括我们自己。我尽量让自己的解释可信，让读者满意。结论可以通过观察和理论的逻辑推导得到，但只有通过实验检验才会被接受。毫不奇怪，这正是科学研究的方式。读者需要自己评估论证和检验结论是否可信。

从根本上说，科学之所以可能是因为宇宙有可预测的模式。科学的中心任务就是发现这些模式。不是所有事物都有规律，许多都没有，但规律肯定在某处存在。牛顿的万有引力定律（具有质量的物体有相互吸引力，力的大小反比于距离的平方）就是这样的规律注。在牛顿之前，虽然所有人都知道物体下落，但没有人认识到其本质。

注 牛顿引力定律的数学形式如下：F=G·m1·m2/r2。F是质量为m1和m2，距离为r的两个物体之间的引力，G为常数。后面我会强调这个以及类似的公式只是简单关系。如果你对此感到怀疑，比较一下引力定律和蛋奶酥的配方或数千行代码组成的程序。

但科学的认识并不仅仅是观察到的一系列规律。要认识某种结构或活动，我们不仅要知道相关的定律，还要能预测它们在特定情形下如何随时间变化。例如，工程师要能利用引力定律、能量守恒和动量的概念预测炮弹的轨迹或坐过山车时感受的压力。一旦预测得到验证，我们就能对所采用的原理有信心。科学之所以如此受推崇正是因为每天都有许多基于科学的预测得到证实。

装置能阐明原理和验证认识。如果借助科学认识创造出了能产生可预测结构和行为的装置，认识就能被证实和丰富。以声波理论为例，理论认为声音由波组成，通过媒介（通常是空气）分子的密度变化传播。扬声器和麦克风正是基于这个原理。扬声器的弹性表面可以被设备（通常是电磁铁）前后驱动。表面的快速运动会压缩和舒张附近的空气，从而形成运动的压力波。但我们怎么确定这种波的确存在呢？麦克风可以用来检测压力波，压力波会改变麦克风弹性面的形状，弹性面的运动转换成电信号，通过放大就能驱动另一个扬声器，或是在示波器上显示，也可以记录下来等将来使用。如果声波理论不正确，扬声器和麦克风的设计和实现就是不可能的。人类制造的这些装置阐明和证实了科学理论。

科学提供了两个相容但又大致独立的对事物的解释——物理和生物进化。物理主要是解释非生命现象，但也能用来认识生命功能。生物进化解释生命的起源以及它们如何适应环境。

传统进化论对于理解星系或原子不起作用。不过近50年来进化的解释范围逐渐拓展，开始涵盖生命以外的事物，包括人造物和特定类型的计算机程序。一些物理学家甚至提出宇宙的演化可能也与生物进化类似。

300年前，牛顿用几条简单的原理和微积分这门新的数学工具，用一种全新的方式解释了太阳系的复杂性。在此之后，科学的巨大进步带来了新原理的发现，并据此重新解释了我们的物理世界。今天的生物化学家、分子生物学家和生理学家就是利用化学和物理定律解释生命。

150年前，达尔文用全新的方式解释了生命的复杂性。许多科普读物都指出了进化是理论，而物理则是基于定律。在科学中，理论是对现象的解释。理论可以是猜测性的，也可以是严格确证的，取决于验证的强度。定律一词在科学中的定义并不完善，但定律也可以是猜测性的或是严格确证的。定律主要是描述关系或原理。定律通常可以表述为一个简短的命题或简单的方程。牛顿万有引力定律就是两个质量块之间的关系的代数表示。热力学第一定律（能量既无法创生也无法湮灭）则表示为原理。

进化既不是关系也不是简单的原理。进化是一个过程，基于之前的成果创造更先进的成果。因此，进化很少表示为定律，虽然它是强大的并被广泛认可的科学解释。同物理过程类似，进化论也是基于测量、数学定理和物理定律。进化并不是唯一解释过程产物的理论。星体的形成、大陆漂移和工程师解释的内燃机工作原理也是过程理论。成功的解释性理论要基于物理定律和细致的测量，但它们的内涵通常无法用简单的方程表示。

与一些反进化论者的论调相反，科学并不仅仅限于只能在实验室里直接验证的问题。经常有一些现象，虽然人类还无法复现，但还是被认为已得到充分认识。例如山脉、星体和恐龙蛋。对物理现象的解释只要遵循了已被认可的理论、原理和定律，并且可以构想、模拟或示范出合理的机制，就会被认可。很久以前起源的生物和生物特征的进化论解释就是这样被认可的——还有许多太大或者形成过程太慢以至于无法在实验室复现的事物的科学解释也是一样。

有批评意见认为进化论没有为重要的进化产物如何通过逐步的小变化产生提供明确的证明，例如能调焦的眼睛、细菌鞭毛或细胞代谢的复杂性。但是许多论证后来被发现是基于误解或是对科学文献的理解不完整。近20年来，在理解调节基因如何塑造动物的器官和附器方面的进展迅速。新的发现逐渐澄清了进化过程是如何通过合理的小进步逐渐创造出全新的器官和生物。新出现的学科进化发育生物学就是从分子机制的角度研究如何通过随机突变和自然选择的累积变化创造出各种生物结构。这个过程的关键在于已有的结构同时也可以有新的用途。有一个早就知道的明显例子：鱼鳍逐渐演化成用于行走的腿，前腿演化成（蝙蝠和鸟的）翅膀，颌骨演化成内耳骨，叶子演化成（沙漠植物）保护性的刺。最近，DNA序列分析发现，今天对复杂器官的形成很关键的高分子在远古时期曾对一些似乎无关联的结构的形态改良起作用。

虽然还没有人能用非生命物质人工创造出活细胞，或用进化的方法创造出眼睛或耳朵之类的复杂结构，但现在几乎所有生物学家都承认进化论是对生物复杂性的正确的普适性解释。无数实验证实了选择具有改变从病毒到奶牛等各种生物种群的力量。没有进化论，就无从解释生物对环境的适应，以及各物种DNA之间的关联。成功的现代农业和养殖业养活了全世界，也验证了进化论的正确性。可以想见如果对动植物的人工选育持续百万年会带来怎样的成就。

科学的认识带来的不仅仅是对现象的解释，同时还有难以想象的技术进步。其中许多已经改变了人类的生活和我们居住的星球。如果你不相信，想一想400年前的人口还不到现在的1/20。当时的人口受制于疾病和饥饿，大部分人的预期寿命不到30岁。大多数人从事农业，夜晚靠月光和油灯照明。出行靠步行、马或帆船。远距离通信是少数人的特权。今昔对比，差别主要在于科学技术。当然社会组织和社会结构的进步也改善了许多人的生活，但大部分改变都是因为新的技术才有可能，没有人能否认过去400年科学技术的进步彻底改变了世界。

人类远在有文字记录以前就在创造技术，但大部分时间进步都很缓慢。是什么加快了创新的步伐？答案很简单：一旦认识了相关的自然规律和原理，就能利用这些原理发明新的装置。没有对万有引力和推进火箭的化学反应的认识，就不会有探索火星的宇宙飞船。自然界不存在像航天器这样能依照我们的想法行事的结构复杂的装置。科学解释存在的现象，技术则利用这种认识创造新的装置。因此，技术成就证实了背后的科学认识的正确性。如果麦克斯韦电磁理论不正确，设计的发电机就发不出电，墙上的开关也打不开灯。我们每次开灯都是在证实对电的科学认识。如果科学认识是错的，工程师就无法依靠它建造能工作的设备。这就是为什么占星术、炼丹术、巫术和宗教教条对于建桥和治病这类实际事务没用，以及为什么它们不具有科学的可信度。再强调一次，没有科学也可能有技术，但是会很有限；而一旦受科学引导的技术有效，它就证实了其背后的科学。

那么对于什么是科学的认识这个问题有没有简单的答案呢？有，科学的认识是所有透彻研究和学习了某个问题的人们当前的共识。这样的共识总是可以通过设计新的实验来探索和检验，以确定这种认识的逻辑推论是否与新的结果相符。如果不相符，就是哪里出了错，要么是实验的逻辑需要被重新审视，要么是基本的认识需要被修正。反过来说，如果有人想挑战目前的科学认识，他们所需做的就是用逻辑分析或可重现的实验证明得到的结果与目前的认识不相容。然后学术界就会去重现这个实验或是确证其逻辑，如果新的实验可靠，原来的认识就会被修正。通过这种方法，科学认识就会不断改进——或者说进化？