科学发展遵循一个什么样的逻辑

近日参加了中国科学未来大奖的颁奖典礼，颇有所感，作文抒发之。

   

科学发展遵循一个什么样的逻辑

    要想回答这个问题就要从科学本身入手，看科学理论框架是如何一步步建立起来的。                         

    科学中新的理论框架需要被建立的必要性是建立在旧有的框架不成立的基础上。这不是科学家闲着没事要推翻原来的框架。而是在实践中发现了一些靠原来的理论不能解释的现象，而且这些问题涉及到了理论的基础层面。

比如黑体辐射问题，这个问题之所以被研究，是出于当时工业生产的实际需求。当时德国炼钢业非常发达，他们的生产标准要求很高。而工程师要炼出合格的钢来，就要精确控制炼钢温度。在炼钢过程中，工程师发现通过钢水的颜色来判断温度，但是这个规律不够定量化，于是就有一批物理学家来研究定量的规律。其中有几个人研究的比较好。比如维恩利用统计力学的原理给出一个公式，还给出了维恩位移定律。但是很遗憾和实验曲线拟合不太好，在长波区拟合不太好，而瑞利和金斯也给出了一个公式，基于热力学和统计力学的基本假设，给出了一个简洁的公式，但是很遗憾，在短波区出现了问题，也就是著名的紫外灾难。如果按照这个理论，我们人类在烤火的时候就死了。后来普朗克利用插值法整合这两个公式，凑出了一个公式，发现挺好用。

马上就有人问，你能不能解释一下为什么是这样。后来普朗克利用插值法整合这两个公式，凑出了一个公式，发现挺好用。马上就有人问，你能不能解释一下为什么是这样。普朗克绞尽脑汁去想，最后他基于一个非常不可思议的假设，即谐振子的能量是离散的。莱布尼茨说上帝讨厌不连续。普朗克也很不能理解为什么能量不连续。但是这个方法却奏效了。

普朗克是很保守的，他从来没想过去推翻什么物理学的大厦，但是他不经意地将物理学的大船来到了量子领域。他年轻的时候开始学数学，后来学物理，当时有个教授说物理学没啥意思了，该做的都做完了，你不要学物理了。普朗克说我只要能够理解先贤们的思想就行，不期望能够做出什么大的贡献。

后来爱因斯坦更进一步假设，干脆辐射场本身就是量子化的，从而完美地解释了单光子外光电效应，当时是1905。普朗克看到了这篇文章，很赞赏。但是还是有很大一批物理学家反对的，但是现在一般不讲他们为什么反对。不是因为他们蠢，而是他们基于原有的框架其实也可以解释的。只是教科书从来不这么讲。不过他们如果解释的话，可能引入了一些不必要的解释，理论可能显得不那么优美。再就是后来的实验又证明这种理论错了。比如原子的稳定性问题，教科书上正统的说法都是说玻尔利用定态假设基本成功解释了这个问题。那是在1913年，可是在1910年，艾伦菲斯特基于经典电动力学就提出了一个模型，解释了原子的稳定性。

一个理论的框架，不能纯粹靠逻辑来推翻

    一个理论的框架，不能纯粹靠逻辑来推翻，必须依赖于实验，依赖于观测，而实验手段又依赖于科技。受限于经济，技术，甚至政治。这已经超过一个人，他个人的智力所能控制的范畴。当现有理论足够用的时候，是没有必要去推翻现有理论的，或者说现在的实验手段没法证伪旧的理论的时候，这个理论就是成立的。

    有人说新的理论被广泛接受，是因为老一辈的人都死了，这个观点其实很庸俗。新的理论被接受，也和时代背景有很大的关系，技术的进步在其中有很大的推动作用，还有哲学观点的影响。以前的物理学家认为量子力学太神秘，难以理解。但是今天量子力学并非就是神秘的，不可理解的。现在在大学的实验室可以观测到很多基于量子力学才能解释的现象，比如塞曼效应，钠原子光谱线的分裂实验等。而以前是不太容易做这些实验的。现在的实验技术，还没有发现违背量子力学和相对论的现象，虽然有人提出新的理论框架，比如弦论。但是现有的实验手段根本无法证明或者证伪这个理论。而且这些理论本身还没有到达给出预言的程度。

    从理论框架的发展可以看出，科学本身并非就是正确的，有时候科学也是有错误的。我以上举得例子之中有很多的理论在当时是正确的，但在后来都证明是错误的。比如瑞利公式，它是基于能量均分定理，在传统热力学的背景下，它是正确的。而后由于量子统计力学的出现，取代了原来的热力学，在这个背景下，自然发现瑞利公式是错误的。那是不是这些错误的结论就没什么用了吗？那些提出错误结论的人是不是就是没有贡献的科学家了吗？不，绝对不是。他们虽然没有提出什么有用的理论，但是他们启发了后来的科学家，使得人们思考为什么原来正确的结论就出错了呢。科学正是在这种不断纠正前人错误的基础上发展的。科学是不怕错误的，不断地试错，不断地纠正，科学才发展到今天。

失败的理论具有一定的启发意义

    失败的理论具有一定的启发意义，而从有些失败的实验，也有可能发现一些正确的结论。比如迈克耳孙莫雷实验，从实验初衷来看，它是失败的。原本是想验证以太的存在，结果实验没有发现任何明显的现象。但是却对相对论的建立有很大贡献，事实上它恰恰验证了狭义相对论的基本公设，光速不变科学发展不是一个人的功劳，也不全是某些天才的功劳。而是很多人不断努力的结果。天才是什么？天才是那个总其成的人。正是靠着前人的这些积累，天才才有了可以成为天才的条件。

    科学史的写作特点一般是只把最光辉灿烂的一面显现出来，科学似乎就是一路高歌猛进，英雄们不断奋勇前进。但是事实上科学也经历了很多曲折，科学并不是按照既定的方式朝着现在的成果一步步这样走来的。科学的发展是曲线似的，在某个领域刚刚发展时，是有很多的学说交锋的。比如关于热的本质，有热素说和热动说。现在看当然是热动说是符合事实的，热量是由物质运动产生的。我们有时候看教材总认为正确的观点是显而易见的，但是其实错误的观点才是显而易见的，才是最好想的。热素说之所以出现，正是它能够解释一些现象，比如热量的转移和传递。

    回顾历史，我们不仅要看到所谓的科学发展的主线，也要看到那些被淘汰的观点，思考它们为什么会被淘汰。因为科学的发展并不是我们可以预料的，并不是朝着一个既定的目标前进。在最前沿的领域，是有多种科学观点交锋的。只有理解了之前的历史，才能更好地理解现在。科学就是在不断地争论中，在反复的实验验证，实验观测中前进的，并不是纯粹靠着天才的脑子中进行逻辑推演而发展的。

    科学是需要有些人做土壤，做绿叶，有了这些人做背景，就像黑色的夜空，才使其中的明星才显得分外闪耀。没有那些提出燃素说的先驱，也就不会有后来焦耳的实验证明热动说的正确。尽管他们被证明错了，但是却为之后科学的发展奠定了基础。

    科学发展总不会一帆风顺，也没有一个所谓的主线。唯一的逻辑就是不断地描述自然，建立理论体系，而后再与实验对比，验证原有的描述是否合理，而后继续改进！