第二编 创造的过程

第四封信 何谓科学

科学除了帮助我们认识天地万物之外，还可以增强人类的能力，这份宏伟的事业到底是什么？科学是关于现实世界，关于我们周遭的一切及人类自身的，成体系且可检验的知识，与神话和迷信中千奇百怪的信仰截然不同。科学是身体活动和精神活动的结合，是致力于以最有效的方式获取事实知识的富有启迪意义的文化，有越来越多受过教育的人将它视为一种习惯。

在科学研究中，你会不断听到“事实”、“假设”和“理论”这些字眼。但若不与实际经验相结合，这些抽象的概念很容易流于空谈，因而被误解或误用。只有在了解其他科学家的研究过程，或者你亲自体验过之后，这些概念的完整意涵才会逐步显现。

我会拿自己的一个例子来跟你解释我的意思。我是从一个简单的观察开始的：蚂蚁会把蚁尸搬出蚁巢。有些种类的蚂蚁只是把蚁尸随便扔在蚁巢外，但另一些种类则会将蚁尸成堆摆放，简直像在打造一座“墓园”。我从这一行为中发现的问题简单却很有意思：“蚂蚁怎么知道身边有只死蚂蚁？”即使是在完全黑暗的地下巢穴中，蚂蚁也能认出尸体，显然它们不是通过视觉感知死亡的。而且，若一只蚂蚁刚死不久，即便是在明亮的地方，仰在那里一动不动，也没有同伴会注意到它。一直要到尸体腐化一两天之后，这个虫体对其他蚂蚁来说才算是一具尸体。

我猜（此时我做了一个假设），搬尸蚂蚁是靠尸体腐化时的气味辨认死尸的。我还推测（这是我的第二个假设），在尸体的渗出物中，只有少数物质会触发这种弃尸反应。第二个假设的灵感来自一项演化原则：地球上绝大多数动物的大脑都很小，它们往往只接收身边最简单的线索，以此来指引行动。腐化中的尸体会释放出几十种甚至几百种化学物质，这些物质可作为信号让蚂蚁选择行动。要是在人类世界中，我们当然可以将这些物质一一解析厘清，但是对于大脑只有我们的百万分之一的蚂蚁来说，全面分析是不可能的任务。

若我的假设成立，会是哪些物质引发弃尸行动呢？是所有物质？少数物质？还是说根本不是这些物质？我去找化学材料供货商，买来各种尸体分解时释放的物质的合成样品，包括粪便的主要成分粪臭素、死鱼气味的主要成分三甲胺、各种脂肪酸以及在一种死虫身上发现的酯类。这段时间我的实验室闻起来简直就是停尸间再加上污水厂。我把微量的试剂滴在纸制的假尸体上，然后塞到蚁群中。经过大量发臭的实验，我发现油酸和其中的一种油酸盐会引发这种反应。其他物质不是完全被忽略，就是只引起一阵骚动。

我又用另一种方式重复了这个实验（我得承认这次只是为了自娱自乐而已），把微量的油酸抹在搬运尸体的工蚁身上。它们会变成“活死蚁”吗？果不其然，它们变成蚂蚁界的“僵尸”了。尽管奋力挣扎，它们还是被巢友抬起搬到“墓园”里扔掉了。它们直到把自己清理干净，才能重返家园。

于是我又有了另一个想法：苍蝇和金龟子这些靠捡拾各类残渣维生的昆虫，应当也是靠着嗅觉去寻找动物的尸体或粪便的，而且只需要辨认物质腐败时释放出的少数几种化学物质就可以了。这种至少以部分事实和逻辑推理为基础的推论就是理论，而理论的应用是很普遍的。当然，我们还需要在其他物种身上进行更多这类实验，才能有把握地将这些发现称为“事实”。

那么，从最广义的角度来看，到底什么是科学方法呢？科学方法始于发现一种现象，比方说看到蚂蚁的古怪行为，或是找到一种无法归类的有机化合物，或是发现一种新植物，甚至是一处海沟里的神秘水流。科学家会问：“这种现象的性质是什么？是什么引起的？源自何处？会产生怎样的后果？”这些疑问便会引出科学问题。那么，科学家如何找到科学问题的答案呢？总是会有线索的，而这些线索会让人很快产生各种想法，提供解决方案。这些想法就是假设，很多时候纯粹只是符合逻辑的推测。最明智的做法是一开始就尽可能地列出各种可能的答案，然后全部进行检验。可以逐项检验，或是分组检验，在检验过程中不断排除，直到只剩下一个，这方法就是所谓的“多竞争假设”（multiple competing hypotheses）。多竞争假设并不是最普遍的方法——其实这种方法平时很少有人用。许多科学家倾向于只检验某一种假设，特别是自己提出来的假设。毕竟，科学家也是人。

在研究的起步阶段，很难准确地提出所有可能的假设。这种情况在生物学研究中尤其普遍，主要是因为生物现象牵涉到太多因素。有些因素尚未发现，而那些已知的因素通常会彼此重叠，相互影响。观测环境中的干扰因素也困难重重。在医学中，癌症是典型的例子，在生态学中则是生态系统的稳定性。

因此，科学家只能竭尽所能地去尝试，一路凭着直觉猜测，搜集更多的信息，不断坚持下去，直到合理的解释可以连在一起，使人们达成共识。这过程有时很快，但有时则相当漫长。

唯有当一个现象在明确界定的条件下，呈现出不变的性质时，才可以说先前提出的“科学解释”是“科学事实”。氢是一种不能分解成其他物质的元素，这是一个事实；摄取过量的汞会导致某种疾病这种说法，在经过充分的临床研究后，也可称为事实。很多人相信，因为一两种在人体细胞内的化学反应，汞会导致一系列类似的疾病。汞会以这种方式致病的想法，可能会通过进一步的研究得到证实，也可能不会。而在眼下，相关研究尚不完善，因此这种想法只是一个理论。就算这理论最后被证明是错误的，它也不全然是个坏的理论，因为它至少会激发新的研究，增加知识。许多后来被推翻的理论仍可称为“启发式理论”，便是因为它们有助于推动新发现。顺带一提，“尤里卡”（eureka，意为“我发现了！”）一词源自古希腊科学家阿基米德的故事。据说，有天他泡在公共浴池里，思考该如何测量形状不规则的物体的密度。他想到，只要把物体放进水里，就可由水面上升的幅度测量其体积，由下沉的速度估计其重量，而密度便是以其重量除以其体积。据说，阿基米德一想到这个主意，立即跳出浴池跑到街上，大喊：“Heurika!”希望那时他是穿着浴袍的。说得更具体一点，他当时找到了判断王冠是否为纯金的方法，因为银这种贵金属的密度比金小，所以纯金的密度会高于金银混合物。更重要的是，阿基米德发现了测量所有固体密度的方法，不论其形状或成分为何。

现在来举一个关于科学方法的更宏观的例子，这要回到1859年达尔文出版《物种起源》的时代。长久以来，许多人认为生物的演化只是一种理论，而不是事实；然而，光是达尔文时代的证据就足以说明演化是事实，至少在某些年代的某些生物身上发生过。今天，我们已经从植物、真菌、动物到微生物等各类生物的众多遗传特征中累积了许多有说服力的演化证据，这些证据来自生物学内的每一个学科，所有的解释都环环相扣，迄今还没有发现任何例外，因此我们可以很有信心地说：“演化是事实。”

在达尔文的时代，人类是早期灵长类动物后代的想法只是一个假设，但现在有大量的化石和基因证据可以支持这个假设，因此它已可称为事实。演化仍然有理论推测的部分，即这一切普遍是通过“自然选择”发生的。这种理论认为，在一个有繁殖能力的种群中，某些遗传特征的组合会比其他组合更适应环境，因此它们的生存概率和繁殖成功率不同。这个推论已经用各种方式检验过很多次，现在称它为事实一点也不为过。演化论在整个生物学界影响深远，从过去到现在都是如此。

我们观察到定义明确且具有高度一致性的现象，例如磁场中的离子流，物体在无重力真空状态中的移动，或是气体体积随温度变化而胀缩的现象之后，便可以精确地测量其变化幅度，并且以数学形式写成定律。物理和化学领域比较容易找到定律，在这些领域中，定律可以通过数学推理，轻易地演绎并深化。那么，生物学中也有定律吗？

最近几年我大胆地提出，生物学也有两条定律可循。第一条定律是：所有的实体和生命历程，都遵从物理和化学中的定律。虽然生物学家很少谈到生物同物理与化学的关系，至少不会以这种方式去谈论，但在分子和细胞的层面上进行研究的人相信存在这种定律。在我所认识的科学家中，没有一位认为有必要去寻找所谓的“生命力”，也就是生物体特有的物质力量或能量。

生物学的第二条定律比第一条更像臆测：一切演化都来自自然选择，而不只是由于高突变率和相互竞争的基因在数量上的随机波动所造成的微小随机扰动。

科学的基础力量，不仅来自物理、化学和生物学等单一学科内部的关联，也来自这些基础学科之间的关联。在科学和哲学中一直有个悬而未决的大问题：“相去甚远的知识体系之间的这种关联（即知识大融通）可以扩展至社会科学和人文学科，甚至延伸到艺术创作吗？”我认为是可以的，我甚至相信，在21世纪未来的时间里，建构这种跨领域关联的工作，将是知识领域中最重要的活动。

为什么我和另一些人会产生这样极具争议性的想法？因为科学是现代文明的泉源，而不只是等同于宗教或超验冥想的“另一种认识世界的方法”。科学并不会夺走包括艺术创作在内的各种人文学科的精髓，恰恰相反，科学可以提供一些方式来增添人文学科的内涵。科学方法一直比宗教信仰更能贴切地解释人类的起源和意义。组织架构较为严谨的宗教，会像科学一样提出创世神话来解释世界的起源、天球的构造，甚至解释时间和空间的性质。这些神话，主要来自古代先知的想象和顿悟，各宗教的说法也莫衷一是。不论有多精彩，多么能够抚慰信徒，这些故事都是相互抵触的。一旦以现实世界来检验，它们就会破绽百出，从来都是错的。

创世神话的错误更进一步证明，宇宙以及人类心灵的奥秘不能单凭直觉来解释。而且，单单凭借着科学方法，人类就能从我们动物祖先遗留的狭隘感官世界中解放出来。人类曾经相信光可让我们看到一切，现在我们知道，激活大脑视觉皮质层的光波，仅是电磁频谱上的一小段区域而已，从极高频的伽马射线到极低频的辐射，完整的频谱其实涵盖好几个数量级。分析电磁频谱，让我们得以认识自然光的真正性质，而我们对光的整体认识更是促成了无数科技的进展。

人类曾经相信地球是宇宙的中心，静静地固定在那里，太阳在外围绕行。现在我们知道，太阳只是银河系两亿多颗恒星中的一颗，这些恒星都会通过万有引力拉住各自的行星，想必当中也有许多类似地球的星体。类地行星上会有生命吗？也许吧！而且依我看来，在不久的将来，我们就会知道答案，这当然还是要归功于先进的光学和光谱分析的科学方法。

人类曾经相信自己这个种族是由超自然力量创造出来的，现在我们明白，全然不是这么回事。我们这个物种和现代的黑猩猩有共同的祖先，都是600多万年前非洲猿类的后代。

正如弗洛伊德所言，哥白尼证明地球不是宇宙的中心，达尔文则告诉我们，人类不是生命的中心，而他本人更进一步向世人宣告，我们甚至不是自己的中心，连自身的想法都无法控制。当然，这位杰出的精神分析学家能构思出这个想法，有一部分要归功于达尔文和另一些人，不过他确实讲出了重点：我们的意识只是整个思考过程的一部分而已。

总体而言，通过科学，我们已开始用一致而且更令人信服的方式来回答宗教和哲学里的两个大问题，它们看起来都很简单：人从哪里来？人类是什么？当然，宗教组织会表示，它们早在很久以前就用超自然的创世神话回答了这些问题。那么，你可能会问，接受这类神话故事的信徒还可以顺利地进行科学研究吗？当然可以，但他的世界观将被迫一分为二，一个是世俗的，一个是超自然的。做研究时就要待在世俗的领域中。在科学研究中，要找到和神学没有直接关系的课题并不难。我这么说，并不是心存嘲讽，也完全没有暗示他们缺乏科学精神的意思。

要是真的找到证据，证明所有宗教组织宣称的影响现实世界的超自然实体或力量确实存在，一切都将被改变，科学本身并不否定这样的可能性。事实上，如果可行的话，研究人员有充分的理由去探究这问题。要是真的有科学家找到这样的证据，势必会和牛顿、达尔文与爱因斯坦齐名，开启一个新时代。事实上，在科学史上已经出现无数的报告，声称找到超自然现象的证据。问题是，这一切都基于一个否命题。他们的逻辑通常是这样的：“我们找不到任何原因来解释这类现象，所以这一定是上帝所创造的。”目前仍在流传的现代版本则认为，科学还是无法给出关于宇宙起源以及物理常数存在的可信原因，因此势必有一个神圣的造物主。我听过的另一个观点认为细胞内的分子结构和反应太过复杂（至少对提出这些观点的作者来说是如此），不可能光靠自然选择就能够组合起来，一定是由更高的智能所设计的。还有一个说法：由于人的心智，特别是自由意志这个相当重要的成分，似乎超越物质世界的运作方式，所以它一定是上帝植入的。

以反面假设来支持以信仰为基础的科学有个难点，那便是如果这个假设错了，它很容易就会被推翻。只要找到一个可检验的物理因素，便能否定超自然因素的论点。经由一个接一个的现象，揭露这当中的谬误，这正是科学史中不断上演的故事。我们的世界其实是绕着太阳旋转的，太阳则不过是一个具有两亿多颗恒星的星系中的一颗恒星，而这样的星系在宇宙中可能有亿万个。而人类呢？其实是非洲猿类的后代，由于基因的随机突变与交换而逐渐演化出来，人类的心智运作也完全来自器官的物理过程。神意干预世界的观点在几乎所有的时空中都越发站不住脚，取而代之的是以自然主义的角度去理解现实世界。能找到超自然证据的机会越来越少了。

身为科学家，你对任何未知的现象都要抱持开放的态度，但是千万别忘记，你的专业是探索现实世界，不能带成见，不能有偶像，唯一可接受的是经得起检验的真理。