今天是费曼生日,谨以此文致敬!《科学的不确定性》

来源: | 发布时间:2021-02-03 05:29

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今天是费曼生日,谨以此文致敬!《科学的不确定性》

哲学园 哲学园 2020-05-10

费曼
物理学界神一般的存在
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《费曼讲物理:相对论》

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被物理老师奉为“圣经”


《费曼讲演录:一个平民科学家的思想》

三篇传世演讲

连比尔·盖茨也推崇不已


《物理定律的本性》

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科学的不确定性

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然后再说说电。正电与负电之间的吸引力是如此强大,以至于在所有正常物质中,全部正电与全部负电达到精确的平衡,每种电荷都紧拉着另一种电荷。在很长一段时间里,甚至没有人注意到电现象,只是在摩擦琥珀后发现它能吸起纸片。然而今天,我们在摆弄这些东西时发现,这里头还真有大量机理存在着。可惜这些科学机理还不能彻底被欣赏。
举个例子,我读过法拉第的《蜡烛的化学史》,一本根据他前后6次为青少年做的圣诞节讲座编成的书。法拉第演讲的要点是,不管你观察什么,只要你观察得足够仔细,你就会涉及整个宇宙。由此,他通过观察蜡烛的每一个特点,搞懂了燃烧、化学等。但这本书的序言在描述法拉第的一生和他的一些发现时却解释说,法拉第发现,化学物质电解时所必需的电量与被电解的原我:子数和电离价之积成正比。这篇序言还进一步解释说,他所发现的原理今天已应用于镀铬和铝阳极氧化着色,以及其他数十项工业应用中。我不喜欢这种陈述。我们还是来听听法拉第自己是怎么论述他的发现的:“物质的原子以某种方式被赋予电性或与电能相关联,并因此显露出它们最显著的特性,其中就包括它们相互间的化学亲和力。”法拉第发现了使原子如何结合在一起的东西,这个东西也决定着铁和氧的结合并由此形成氧化铁,其中一些带正电,另一些带负电,它们按一定的比例彼此吸引。他还发现,原子中的电荷是按单位出现的。这两者都是重要的发现,但最令人兴奋的是,这两个发现成了科学史上最富戏剧性的罕见时刻之一:两大领域走到一起,得到统一。法拉第突然发现,表面上两个明显不同的两件事情实则为同一件事情的不同方面。有人研究电学,有人研究化学。突然人们发现它们是同一件事情——电性力导致化学变化——的两个方面。今天人们仍然是这么理解的。因此,单说这些原理仅被用在镀铬上是不可原谅的。
正如你们知道的那样,生理学上一有新发现,报纸就会以标准的字句刊出:“发现者说,这项发现有可能用于治疗癌症。”但报纸却不能说明这项发现本身的价值。
试图理解大自然的运作方式是对人类的推理能力的最大考验。它涉及许多奇技妙想。你必须走过逻辑的美丽索道来避免在对将要发生的事情进行预测时出错。量子力学和相对论的一些概念就是这方面的例子。
这一讲的第三个方面是谈科学作为发现的方法。这个方法是基于这样一条原则:观察是判断某种东西是否存在的判官。如果我们认识到观察是一个概念的真理性的最终判据,那么科学上的所有其他方面和特征就都可以直接得到理解。但是,这里所用的“证明”其真正含义是“检验”,就如同100度的酒,这里100度是对标准酒精含量的一种检验。对当今的人来说,这个概念应该被解释为“通过例外情形来检验法则。”或者换一种说法,叫“用例外情形来证明该法则是错的。”这是一条科学原理。就是说,如果某项法则出现了一个例外,而这个例外又能够通过观察得到证实,那么该法则就是错的。
任何法则的例外情形本身是最有趣的,因为它向我们表明旧的法则是错的。于是最令人兴奋的事情就是去寻找什么是正确的法则,如果这种正确法则存在的话。人们通常在能够产生类似结果的其他条件下来研究例外情形。科学家总是试图找出更多的例外情形,并确定这些例外的特性,这是一个随着研究进展能给人带来持续不断的兴奋的过程。科学家不会设法掩饰既定法则的错误,实际情形正好相反,找出例外才会带来进展和兴奋。科学家总是试图尽快证明自己错了。
以观察为判决者这一原则为哪些是能够回答的问题施加了一道严格的限定。这些问题只限于如下情形,你可以这样问:“如果我这样做,会有什么结果?”可以有好些方法用来尝试。而像“我该这么做吗?”或者“这么做值吗?”这样的问题就都不属于这种情形。
但如果一件事情不是科学性质的,如果它不能通过观察得到检验,这并不意味着它是死路一条,是错的,或是愚蠢的。我们不是要证明科学的就是好的,其他的都不好。科学家研究所有通过观察可以分析的事情,因此能称为科学的事情都能够被发现。但是那些无法通过观察来分析的事情则排除在外。这并不是说这样的事情不重要。事实上,它们在许多方面非常重要。例如在决定采取行动前,你必须下定决心,因此总会涉及“应当”的问题,这个问题就不能单独用“如果我这样做,会有什么结果?”的方式得到答案。你会说,“当然可以,你看到会发生什么,然后决定是否让它发生。”但是这一步正是科学家无能为力的。您可以搞定会发生什么,但你必须决定你是否希望这样的结果。
遵循以观察作为判定依据这一原则进行的科学研究会带来一系列技术上的结果。例如,观察不能太粗糙。你必须非常小心。仪器里可能有一些沾上灰尘的地方,从而使观察对象的颜色发生变化;而这是你不曾预想到的。你必须非常仔细地检查观察条件,完了之后还须复查,以确保你掌握所有条件,并且不会发生误解。
有意思的是,这种彻底性,尽管是一种美德,往往还是会被误解。当有人说某件事已经得到了科学处理时,他的意思往往是这件事得到了彻底处理。我听到有人说德国对犹太人的灭绝进行得很“科学”,其实这与科学一点都不沾边,只不过是强调进行得很彻底。因为这其中不涉及先进行观察然后检查结果从而确定事情的问题。如果按照这种理解,那么早在科学远不像今天这么发达,观察也不像今天这么受重视的古罗马时代和其他时期,就已经有这种“科学”的大屠杀存在了。因此在这种情况下,人们应该用“彻底”或“彻彻底底”而不是用“科学”来修饰。
如何进行观察有许多专门技术,常说的所谓科学哲学就是讨论这些技术问题的。对观察结果进行解释就是其中的一个例子。例如有个很著名的笑话是说一个男人向他的朋友抱怨说,他发现了一个神秘的现象:他农场里的白马要比黑马吃得多。为此他很担心,而且对此感到不解。后来他的朋友提醒他,可能他养的白马要比黑马多。
这听上去有些可笑,但想想我们在进行各种判断时有多少次犯下了类似的错误。你说“我姐姐得了感冒,并在两周内……”,其实你想一想,这是不是也是这样一种情形。科学推理需要一定的训练,我们应该开设这种训练,因为在今天即使是最低级的这类错误也是不必要的。
科学的另一个重要特点是它的客观性。客观地审视观察结果是非常必要的,因为作为实验者你可能会偏爱某些结果。您做了几轮实验,但由于存在各种不确定性,譬如落有灰尘,因此每次结果都会不一样。你不可能控制一切条件。但你希望出现某种特定的结果,因此当这种结果出现时,你就会说,“看见吧,就是这结果。”你再做一遍实验,结果不同。那是因为你前面的实验也许受到污染,但你忽略了它。
这些事情似乎显而易见,但人们在确定科学问题或跟科学沾点边的问题时却对此没有给予足够的重视。例如,在你分析股票涨跌是不是因为总统说过或没说什么的问题时,就可能是这种情形。
另一个非常重要的技术性要点是,法则越具体就越有趣。理论陈述得越明确,就越有兴趣得到检验。如果有人提出说,行星之所以围绕太阳转,是因为所有的行星物质都有一种运动倾向,一种变动不居的特性,我们把它叫做“活力劲儿(oomph)”。这个理论也可以解释其他一些现象,因此是一个好的理论,是不是?不,与行星绕日运行是因为受到向心力的作用,这种向心力的大小反比于到中心距离的平方这样的命题相比,前者可以说是一无是处。第二个理论之所以较好,是因为它很具体,很明显这绝非偶然。它说的如此明确,以至于只要运动出现一丁点误差就可以判明其对错,除此之外这些行星可以随意摆动。但根据第一种理论,对这种摆动则解释成,“嗯,‘活力劲儿’的行为是有点古怪。”
因此,法则越具体,其威力就越强大,同时也就越容易出现例外情形,因而也就越有趣,越值得检验。
语词可以变得毫无内容。如果一堆语词像“活力劲儿”例子那样堆砌起来,我们从中得不到任何明确的结论,那么,这些语词构成的命题就几乎毫无意义可言,因为你根据该事物具有好动的秉性这一断言就可以解释几乎任何事情。哲学家对此有过很多论述,他们说每个词必须有非常准确的定义。其实我不太同意这个观点。我认为极端精确的定义通常是不值得的,有时是不可能的——实际上大多数情况下都是不可能的,但在这里我不想就这个问题继续讨论下去。


有趣的还有,推理在猜测法则的过程中很有用,各种法则,至少在物理学里是这样,会因此变得减少。我在前面给了将化学里的一条法则和电学里的一条法则合而为一的例子,这是减少法则的一个很好的例证。但还有更多的例子。
描述自然的法则似乎都具有数学形式。这不是以观察结果作为判据的结果,也不是科学所必需的一种特性。而只是表明,至少在物理学领域是这样,你可以将定律写成数学形式,这样会具有强大的预测能力。至于大自然为什么是数学的,同样也是一个未解之谜。
现在我要谈一个重要问题,那就是旧有的定律可能是错的。观察怎么会不正确呢?如果它已得到仔细检查,结论又怎么会不对呢?为什么物理学家总在变更定律呢?答案是,第一,定律不是观察结果;第二,实验总是不精确的。定律都是猜中的规律和推断,而不是观察所坚持的东西。它们只是好的猜想,到目前为止一直都能通过观察检验这副筛子。但后来知道,眼下的这副筛子的网眼要比以前使用的更小,于是这条定律就过不去了。因此说,定律都是猜测出来的,是对未知事物的一种推断。你不知道会发生什么事情,所以你需要猜测。
例如,我们一度曾认为——人们发现——运动不会影响到物体的重量,就是说,如果你旋转一个陀螺并称量它,然后在它停止后再称量它,结果称出来的重量相同。这是一个观察的结果。但是你不可能将物体重量精确到小数点后无限多位,譬如十亿分之一。但现在我们知道,旋转的陀螺要比静止的陀螺重不到十亿分之一。如果陀螺旋转得足够快,使得边缘速度接近每秒186000英里(即光速——译注),那么重量增加的就很可观了——但现在我们还做不到这一点。第一次对比实验是陀螺的速度远低于每秒186000英里的条件下进行的。转动的和静止的陀螺质量读出来都一样,于是人们猜想,质量不随运动状态而变化。
多么愚蠢!真是一个傻瓜!这只是一种猜测,一种外推。他怎么会做出如此不科学的事情来?其实这里无所谓不科学,只是不确定。不做猜测那才真叫不科学呢。人们一定会这么做,因为在这里推断是唯一真正有价值的事情。只有面对尚未有人尝试过的局面来预言将会发生什么事情,才值得去做。如果你能告诉我的只是昨天发生的事情,这种知识没有什么真正的价值。有用的知识必须是,如果你做了一些事情,就能告诉我明天会发生什么——这不仅必要,而且也很好玩。只是你必须愿意承担出错的风险。
每一条科学定律,每一条科学原理,每一项观察结果的陈述都是某种形式的删繁就简的概述,因为任何事情都不可能得到准确的描述。上述那位猜测者只是忘了——他本该这样来陈述定律:“只要物体的速度不是太大,物体的质量就不会有明显变化。”这种游戏就是先制定明确的法则,然后再看它是否能通过观察之筛。因此,这里具体的猜测是,质量从不改变。多么令人兴奋的可能性!不管实际情形是不是如此,它都没有害处,只是不确定。而不确定性并不造成损害。提出一种猜测尽管不确定但总比什么都不说要好。
有必要指出,实际情形也确实是这样,我们在科学研究中所说的一切,所得出的所有结论,都具有不确定性,因为它们只是结论。它们是关于会发生什么事情的猜测。你不可能知道会发生什么,因为你不可能进行最完备的实验。
奇怪的是,旋转陀螺的质量效应是如此之小,你可能会说,“哦,这没什么区别呀。”但是为了得到一项正确的法则,或者至少是为了能够通过不断出现的筛子,就需要进行更多的观察,需要非凡的智慧和想象力,还需要对我们的哲学、我们对空间和时间的理解进行彻底的更新。我指的是相对论。事情往往就是这样,一旦出现些微的效应,就需要对现有概念进行极具革命性的修正。
因此,科学家已习惯于对付存疑和不确定性。所有的科学知识都是不确定的。这种与怀疑和不确定性打交道的经验很重要。我相信它具有非常大的价值,并且能够应用于科学以外的领域。我相信,要解决任何过去一直悬而未决的难题,你必须让通向未知领域的大门敞开。你必须允许出现可能不完全正确的情形。否则,如果你已经心有成见,就很可能解决不了这个问题。
当科学家告诉你他不知道答案,说明他对这个问题还不清楚。当他告诉你他预感到应当如何去着手工作时,表明他对问题的解决还不是很确定。当他可以肯定事情是怎样进行的,并告诉你,“我敢打赌,这么做肯定行”的时候,表明他仍然有一些疑问。而且最重要的是,为了取得进展,我们必须容许这种无知和疑虑。正因为我们心存疑虑,我们才会在新的方向上探求新的设想。科学发展的速度不取决于你取得观察结果的速度,更重要的是看你创建用于检验的新东西的速度。
如果我们不能够或不希望从新的方向看问题,如果我们没有疑问或承认无知,我们就不会产生任何新的想法。那样的话也就没有什么值得检验了,因为我们知道什么是对的。因此,我们今天称之为科学的东西是一套对确定性程度各不相同的知识的陈述。其中有些知识最不确定,有些几乎可以肯定,但没有一个是绝对肯定的。科学家对此已经习以为常。我们知道,人都能生活在这个世上并且对很多事情并不知情,二者间并无矛盾。有人会说:“你啥都不知道怎么可能活着?”我不知道他们的意思。我永远是活在很多东西都不知道的状态中。这很容易。你怎么知道我想知道啥。
在科学上允许有这种怀疑的自由是非常重要的,而且我相信在其他领域也是如此。它是斗争的产物。这是为获准怀疑、为容许存在不确定而进行的斗争。我不希望我们忘记这种斗争的重要性,默认事情就这么发展下去而无所作为。作为一个懂得一种可以接受的无知哲学的巨大价值,知道这种哲学有可能带来进步,一种作为思想自由产物的进步的科学家,我感到有一种责任。我有责任宣扬这种自由的价值,并告诫人们:怀疑不可怕,而应予欢迎,把它当做人类一种新的潜在的可能性来欢迎。如果你知道你还不能确定,你就有机会来改善这种局面。我要为后代争取这种自由。
在科学上,怀疑精神具有明显的价值。在其他领域是不是这样我不敢说,这是个不确定的问题。我期望在下两讲里重点讨论这个问题,我将试图证明,怀疑精神很重要,怀疑不是件可怕的事情,而是具有十分重要的价值。
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