4.7 从证实的科学到证伪的科学 | 科学方法的第三次飞跃

我们接着上一个话题，为什么2017年和2020年的两次物理学诺奖，一次是发现了黑洞撞在一起的引力波，另一次是发现了银河系中心的黑洞，但是诺奖委员会就是不提黑洞，原因就是，我们进入了现代科学时代之后，科学方法的发生了第三次飞跃，就是从证实的科学到证伪的科学，这主要是卡尔·波普的影响。他是一个伟大的科学哲学家，其实真正受科学界推崇并且真正影响了科学研究方法的科学哲学家就只有他这一个，其他的科学哲学家很少受到科学界的重视。但是他在正统的科学哲学界却并不受待见，备受争议。

他主张放弃传统的归纳，强调经验证伪的科学方法原则，其中最主要的一个理念就是科学理论永远不能被证明是正确的。而在他提出这个理念之前，大家做科学研究的目的就是通过归纳总结，提出一个科学模型或者科学理论，然后就是证明该模型或者理论的正确性。

比如根据牛顿的理论，预言了海王星的存在，而果然发现了海王星，大家就认为牛顿理论是正确的，就放心地使用牛顿理论做各种事情了，比如设计大楼、桥梁、火箭等等，果然都很好用，而且每一次成功地应用了牛顿的理论做了什么事情，都更加证明了牛顿理论的正确性，大家对牛顿理论的正确性的信心就更强了。

然而，波普指出，不管你多少次在多少情况下验证了牛顿理论的预言，你都永远不能证明这个理论是永远正确的，因为你不可能穷尽所有的可能性去验证，而我们也不可能像做数学的定理证明那样，从逻辑上证明这个理论在所有的情况下都是永远正确的。

为什么不能呢？这就是数学和物理学，或者数学和科学的区别了。数学的定理证明，指的是在给定的公理化假设之下去证明这个定理，而公理是不需要证明其正确性的。然而，科学理论，虽然也需要假设，但是我们并不能先验地就认为假设就是对的，我们只能从科学理论的演绎计算的结果和实际观测的比较，来理解这个理论的假设的合理性。正是这样原因，导致我们永远也不可能证明某个科学理论的绝对正确。

那么怎么办呢？波普就指出，应该去做证伪，证伪的意思是去证明这个理论是不对的，去改进、修改、甚至推翻这个理论。

可能朋友们就觉得奇怪了，科学研究竟然是要去证明科学理论和科学模型是错误的，这太违反常识了。虽然违反常识，但是如果认真的思考，就发现其实这是非常有必要的。如果我们回想一下为什么广义相对论是比牛顿的万有引力定律更好的引力理论？

爱因斯坦当年就认识到了，虽然牛顿的理论正确地预言了海王星的存在，让大家都觉得牛顿的理论是正确的，但是牛顿的理论就不能很好地解释有些天文观测现象，比如水星近日点的反常进动。水星近日点指的是水星最靠近太阳的位置，而这个位置随着时间是变化的，被称为水星的轨道的进动，牛顿的理论是可以解释轨道的进动，但是计算出来的结果和实际的观测结果有微小的差别。当时很多人就认为，这个差别太小了，可能有一些我们不知道是原因，比如水星附近有一颗我们还没有发现的天体，但是始终也没有找到这个天体。

爱因斯坦就认为，肯定是牛顿的理论在这种情况下失效了，换句话说，也就是牛顿的理论被观测证伪了，而这就带来了进一步发展引力理论的机会。如果只考虑和牛顿的理论一致的结果，也就是证实牛顿理论的结果，就永远也不可能知道牛顿的理论有失效的情况，就不可能改进引力理论。这就是爱因斯坦当年提出广义相对论理论的主要动机之一。

爱因斯坦建立了广义相对论理论之后做的第一个检验，就是计算水星近日点的进动，得到的结果和观测结果完全一致。那这是不是就证明了爱因斯坦的广义相对论是正确的呢？并不能！因为在这之前，水星近日点的进动已经知道了，爱因斯坦的检验只能说明在这件事上，他的理论比牛顿的理论表现的更好，但是仍然不能证明广义相对论在所有情况下都是正确的。

因此他得做一个预言，预言一件大家还不知道的事情，如果观测的结果和他的预言不一致，换句话说，如果他的理论被证伪了，那就说明他的理论仍然有问题。既然他的理论能够做出能够被检验的预言，我们就说广义相对论理论具有可证伪性，也就是原则上是有可能被证明是错误的。他就预言了光线的偏折，结果观测到的结果和他的预言精确一致，所以他的理论尽管具有可证伪性，但是这次没有被证伪，大家就相信了广义相对论的确是比牛顿的理论更先进。

科学哲学家波普后来说，爱因斯坦做的这件事，深深地影响了他，于是提出了科学理论的可证伪性原则，也就是说，如果一个理论是科学理论，那就必须具有可证伪性，也就是说，能够做出明确的而且可以被检验的预言，如果检验的结果和预言不一致，那就说明该科学理论需要改进、修改、甚至彻底颠覆。

根据波普的可证伪性原则，如果一个理论不具有可证伪性，那就不是一个科学理论。这是目前科学界比较普遍接受的观点，所以我说，现代科学是从证实的科学到证伪的科学，证伪比证实更重要，因为只有证伪，才有可能改进理论，甚至发展出新的理论，

我们知道，人类的学问有很多种，学术研究也有很多种，学术理论当然也有很多，科学理论只是其中的一种。不是科学理论，并不表明不重要，也不表明不厉害。我们前面说了，数学就不具备可证伪性，一个猜想，你证明了，那就是正确的，就成为了定理，就到此为止了，当然你也可以证明这个猜想并不是在所有情况下都是正确的，那这个猜想就不成立，就不是定理。

因此，根据波普的可证伪性原则，数学就不是科学。那这有损于数学吗？并没有！当然，我们通常说数学家是科学家，也没有什么问题，毕竟波普的科学哲学只是一种学说，也有很多人并不认可。同样，哲学也没法通过演绎计算做出可以检验的预言，其实哲学既无法证实也无法证伪，从古至今那么多哲学理论，也没有哪个被证明是错误的，被淘汰了，很多古代的哲学思想，我们今天也还在学习。

因此，是不是科学并不是判断一个理论、一个学说、一个思想是否厉害、是否先进的标准。关于科学和哲学之间的关系，我们在最后一个板块还会展开聊。说实话，我自己最崇拜的学者基本上都是数学家、哲学家和艺术家，也许是缺啥补啥，我在这几个方面都不怎么行。

我们回到2017年和2020年的物理学诺奖。根据广义相对论理论，2015年发现的引力波应该是两个黑洞撞在一起产生的，那些科学家发现的银河系中心的那个家伙也应该是一个黑洞。但是，根据波普的观点，即使这些观测结果和广义相对论预言的黑洞没有矛盾，这些结果也不能证明这些天体就是黑洞，而且永远也不能证明这些天体就是黑洞。因此，诺贝尔物理学奖委员会是坚定的波普主义者，所以才非常严谨地在颁奖词中不提他们发现的是黑洞。

实际上，我们有什么理由认为，就没有别的可能性了呢？毕竟我们不能先验地就认为广义相对论理论是绝对正确的，我们的观测和测量的精度也是有限的，我们也不可能穷尽所有的可能性。如果未来，我们更加精确的观测发现了这些天体的性质和广义相对论预言的黑洞不一致，那就非常重要了，比发现黑洞更重要，因为这说明我们终于找到了广义相对论理论失效的地方，终于可以改进这个理论，甚至发展出更好的理论了。

我自己的科学研究就是试图证伪狭义相对论和广义相对论，但是我们至今还没有发现违反狭义相对论和广义相对论的预言的观测或实验证据，可以说几乎所有的预言都没有违反，就连最具挑战性的引力波预言，也已经被观测证实了。但是狭义相对论和广义相对论还可以做出很多其他的尚未被证实的预言，所以还可以继续找证据去证伪相对论。当然并不是说找到了就可以把相对论推翻，其实相对论已经不可能被推翻了，因为已经有这么多预言都被证实了。我们的目的是通过证伪，找到相对论理论的适用范围，然后发展出适用范围更广的新理论。事实上，现代科学已经很少发生完全粗暴地推翻现有理论的情况了，主要就是要找到已有理论的边界，也就是它的适用范围，然后再发展出适用范围更广的新理论。

今天我们面临的有一个重大的科学问题，很可能和广义相对论有关系，就是暗物质和暗能量问题，今天我们仍然不理解，到底是违反了粒子物理学理论，还是违反了广义相对论理论？根据广义相对论理论来拟合天文的观 测，发现应该有暗物质和暗能量，但是粒子物理学理论说没有或者至少事先没有预言暗物质和暗能量，所以这是一个很大的问题，未来的研究也许会找到粒子物理或者广义相对论理论的边 界，在理解暗物质和暗能量问题的同时，进一步发展我们的物理学理论。