夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第11章
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我才完全重视这两种过程的相似之处。现在大多数物理学家要么是理论家，要么是实验家。有时是理论家走在前面，他们提出一个相当成功的理论体系，该体系能够作出可反复为观察所证实的预言；另外一些时候则是实验家先行一步，他们发现一个意外的结果，这时理论家们必须对它进行分析讨论。但是这样两种不同类型的研究者的存在并非理所当然。物理学领域并不总是这样，而且在其他很多领域——包括文化人类学，考古学和大部分的生物学——中，只有少数专职理论科学家，而且他们未必很受尊敬。在如今享有很高声誉的分子生物学学科中，大部分理论难题都被实验家们相当容易地解决了。结果，许多杰出的分子生物学家都没有强烈地感觉到生物学中需要理论家。
与之形成对比的是，群体生物学有着悠久而光荣的数学理论的传统，这在罗纳德· 费希尔爵士（ Sir Ronald Fisher ）、J。B。S。 霍尔丹（J．B．S．Haldane）和塞瓦·赖特（Sewall Wright）这样一些著名人物中得到了充分的体现。通过他们和其他许多理论家们的工作，无数详细的预言被作出，并且被群体遗传学中的观察结果所证实，甚至数学著作也因之得到了充实。
随着一门科学的成熟及理论方法之深度与威力的增加，理论逐渐成为一种职业。但是，不管是否存在两种活动的不同从业者，理论与观察的作用应该是有区别的。让我们看看两者的相互作用怎样构成复杂适应系统的运作。
理论通常是从大量的观察结果中得出的。在观察过程中，科学家们有意识地从麦壳中挑拣出麦粒，从特殊或偶然的事件中找出规律来。我们通常用一个很短的信息将理论表述成为一个或一组简单的原理。如斯特芬·沃尔夫兰（Stephen Wolfram）所强调的那样，理论是一个可用于很多情况的压缩信息束。一般说来，存在很多种竞争着的理论，其中每个都具有这样的特点。为了对某一特定情形作出预言，每个理论都必须被重新展开，说得更确切些，我们必须给构成理论的那个压缩的一般性陈述，补充一些关于该特殊情形的详细信息。从而可以通过实验进行进一步的观察来检验理论。在对那些观察结果进行预言时，相互竞争的各个理论表现的好坏，将有助于决定它是否能幸存下来。与经过精心构思的实验（特别是那些被重复多次并具有相同结果的实验）的结果很不一致的理论，多半都要被更好的理论所代替，而那些成功地预言与解释观察结果的理论容易被接受，并被当作创立后续理论的基础，只要它们经得起后续观察结果的考验。可证伪性和悬而未决
哲学家们，特别是卡尔·波普尔（Karl Popper），常常强调，科学的基本特征在于它的理论是可证伪的。科学家根据理论作出预言，然后进一步的观察将证实那些预言。当一个理论与一些反复多次直到值得接受的观察相抵触时，该理论肯定会被认为是错的。一个观点失败的可能性总是存在的；这就给所有科学活动蒙上了一层悬而未决的色彩。
有时证明或证伪一个理论需要经过很长的时间，以至于理论的提出者在死时还不知道他或她所提出的观点的命运如何。最近几十年内研究基础物理学的科学家们，在有生之年幸运地看到了我们的理论观点得到检验。当一个人在得知其预言实际上被证实，而作为其基础的新的理论方案基本正确时，那种激动之情是难以言传的，可以说，是盖帽了。
人们常常说，理论即使与新的证据相抵触，也只会在它们的支持者都死去后才会消逝。虽然这一评论是针对物理学的，但我觉得，如果说它具有普适性的话，那么对于困难而复杂的生命科学与行为科学来说更加如此。我的第一个妻子玛格丽特是研究经典考古学的，50 年代她发现上述观点也适用于她的领域。但她惊讶地发现，当许多物理学家所喜爱的观点面临相抵触的证据时，他们实际上改变了他们的主意。
当一个特殊领域看来似乎缺少悬念时，可能会爆发一场关于它是否真是科学的争议。人们经常批评精神分析的不可证伪性。这一点我比较同意。这里我将精神分析指定为这样一个理论，它描述人类行为怎样受到无意识心理过程的影响，以及那些心理过程自身怎样由经历（特别是早期的经历）而引起的。（我不打算讨论治疗方法这一与本文完全不相关的问题。疗法之所以管用，可能是因为在分析者与接受分析者之间建立了积极的关系，因而并不能证实任何精神分析的观点。同样，即使那些观点中有许多是正确的，治疗也仍然可能无效。）
我相信通过精神分析而形成的知识体系中存在许多真理，但它现在不能构成一门科学，因为它不具有可证伪性。由一个病人所作出的陈述或所表露的行为中，与精神分析的基本观点有某些不一致的吗？如果有，那么那些观点就不能真正成为一个科学理论。
我的思绪不禁飞回到60 年代，当时我打算从理论物理学转到观察心理学或精神病学方面去。我想将一小组可证伪因而能够成为理论的精神分析观点分离出来，然后寻找可以检验这样一个理论的方法。（这组观点可能与某个特定的精神分析学派的观点不完全一致，但它们至少很接近于一般的精神分析观点。这些观点不但涉及到无意识心理过程对神经病患者所表现出来的反复的、明显不适应的行为模式中所起的作用，而且还论及这种心理过程在正常人日常生活中起的作用。）
在几个月的时间里我拜访了许多杰出的精神分析学家与理论心理学家（那时他们依然受着行为主义的强烈影响——认知心理学还处在初期）。但他们都使我感到很沮丧，虽然两方面的原因相反。许多心理学家倾向于认为，无意识的心理过程不重要，或难于研究，或兼而有之，而且他们认为精神分析非常可笑，不值得去认真地考虑；精神分析家们则觉得，他们的学科已经为大家接受，勿需费心将其中的一些观点纳入科学的框架之中，精炼其操作方法所需的任何探索，都应该由精神分析家们各自在同病人打交道的过程中进行。最后我打消了改行的念头，继续研究物理学。但多年以后，我得以有机会重新尝试这一努力，即试图将某些关于意识与无意识心理过程及其对行为模式的影响的观点纳入到科学的框架当中。科学活动的选择压力
实际上，科学活动并不严格按照任何明确的模型进行。理论上，科学家们做实验要么是试探性地，要么是为了验证重要的理论方案。他们应该依据对实验数据的描述之正确性、普遍性与自洽性的程度来评断一个理论。他们不应该表现出诸如自私、不诚实与偏见之类的行为。
但是，从事科学工作的人们毕竟是人。他不可避免地要受到自负、经济私利、个人方式、信念与惰性等的影响。一个科学家可能试图剽窃，或为了私利而有意发起一项毫无价值的计划，或姑且承认一个传统的观点而不去寻找一个更好的解释。还会时常发生这样一些事情，科学家们甚至修改他们的实验数据，犯下了他们职业领域内最严重的禁忌之一。不过尽管如此，科学哲学家、科学史家或科学社会学家们，仍不时抓住科学活动中存在的这些美中不足之处来责难整个科学活动，说整个科学活动错误百出，极不可靠，这也仍然是不中肯的。他们没能懂得科学的主旨。科学活动的本性就使它具有自动修正性，并且能够克服种种弊端，向正确方向前进。像聚水（polywater）或冷聚变（cold fusion）这些过分的、没有事实根据的声言，很快就被推翻了；像皮尔丹人（Piltdown man）① 1912 年在英国萨克斯郡的Pilt down 发现所谓洪积世最古人类头盖骨，结果到1953 年被证明是伪造赝品——译者注 那样的恶作剧最终总会被人识破。偏见，比如反对相对论的那些偏见，终会被克服。
一个研究复杂适应系统的学者可能会说，在科学工作中，不但存在着作为科学特征的选择压力，还存在着通常出现于一般人类事务中的常见的选择压力。但是特有的科学选择压力在促进人类对自然的理解方面起着决定性的作用。反复进行的观察与计算（及两者之间的比较），最终会去除由于其他压力所引起的瑕疵（即从科学的观点看来不完善的特征。）
任何一个科学发现的历史细节通常都有点混乱，但最后结果却可以既辉煌又明了。比如对一个统一理论的阐述与验证就是这样。统一与综合的理论
有时一个理论实现了一次重大的综合，它将原来被分开地、不充分地描述的一整组现象中发现的规律压缩成一个简单而优美的论断。基本物理学中一个绝妙的例子是麦克斯韦（J．C．Maxwell）在19 世纪的50 和60年代所做的关于电磁理论的工作。
很早以前，人们就对某些简单的静电现象很熟悉，比如，他们知道刚与猫皮摩擦过的琥珀（希腊文中为elektron）能够吸引羽毛残片。同样，他们了解磁的某些性质，比如他们知道，磁铁矿〔以盛产磁铁矿的小亚细亚的玛格尼西亚（Magnesia）命名的三氧化二铁〕能够吸引小铁块，而且可以将小铁块也磁化，使它们也能吸引别的小铁块。近代科学家吉尔伯特（W．Gilbert）在他1600 年撰写的关于磁的著名论文中引入了一些重要的电学观察结果。但当时电和磁依然被认为是两种不同类型的现象；直到19世纪，人们才明白，它们之间有着密切的联系。
1800 年左右，伏打（A．Volta）发明了第一个电池（伏打堆），这使得电流的实验成为可能，从而为发现电与磁之间的相互作用打开了大门。大约在1820 年，奥斯特（H．C。Oersted）发现金属丝中的电流产生环绕金属丝的磁场以后，电磁学这门学科正式诞生了。1831 年，迈克尔·法拉第（M．Faraday）发现，变化的磁场能在金属回路中产生感应电流；这一效应后来被解释为随时间变化的磁场产生电场。
到19 世纪50 年代，当麦克斯韦开始着手对电磁效应进行综合的数学描述时，电磁学领域中的单个问题大部分已被阐述成科学定律。麦克斯韦所做的就是写出一组重现那些定律的方程，如下图所示的那样。在当前的大学教科书中，它们通常被表述成4 个方程。第一个方程重新陈述了用来描述电荷怎样产生电场的库仑定律；第二个方程则体现了安培的一个猜测，即不存在真正的利用与当今大学教科书中相类似的符号表示为：？？？？？？？？？？？用类似于麦克斯韦开始研究时所使用的不那么压缩的符号表示为：？？？？？？？？？？？？用更加压缩的相对论符号表示为：？？？？？？？？？和磁荷（因而所有磁性都可归因于电流）；第三个方程重述了法拉第定律，描述变化的磁场怎样产生电场；第四个方程，如麦克斯韦最初所写的那样，只不过是重现安培定律，描述电流怎样产生磁场。当麦克斯韦思考他的4 个方程时，他察觉到其中有错误的东西，他认为第四个方程有错，并对它作了修正。当时他所用的推理过程在我们今天看来很不明确，不过经过修改的形式引起了现代人们的兴趣，它清楚地显示出需要什么样的变革。
总电荷守恒（不随时间而变）是一个优美而简单的定律，已通过实验的检验而被人们普遍接受，在麦克斯韦的时代它已经是一个重要原理。但是，麦克斯韦原来的方程与这一原理之间存在着冲突。作怎样的改动才能使它们服从这一守恒原理呢？第三个方程中有一项是描述变化磁场产生电场的。为什么不能在第四个方程中引入相应的一项，用以描述变化电场产生磁场呢？的确，如果新项中的系数取某个特定的值，这个方程就与电荷守恒原理一致了。而且，该系数的值很小，麦克斯韦可以放心地将它加到新项中而不会使之与任何已有实验的结果相抵触。加入新的“位移电流”项后，麦克斯韦方程就变得完备了。电学与磁学通过这一对电磁现象的优美而自洽的描述方式，完全统一起来了。
我们现在可以来探究这个新描述所产生的结果了。物理学家很快发现，引入新项后的方程组具有“波动解”——通过加速电荷的方法而产生各种频率的电磁波，而且频率的值可以计算出来。在真空中，所有的波都将以同样的速度进行传播。通过计算，麦克斯韦发现那个速度在有效的误差范围内与著名的光速，约186000 英里/秒，完全相同。光是由某一频率范围的电磁波组成的吗？以前法拉第也曾以一种模糊的形式作过这一推测，但在麦克斯韦的工作中，它具有了更大的明晰性与似真性。这个观点是完全正确的，虽然过了很多年它才被实验所证明。麦克斯韦方程还预言了频率高于可见光范围的波（我们现在所称作的紫外线、X 射线等等）和频率低于可见光范围的波（我们现在所称作的红外线、微波、无线电波等等）的存在。后来，所有那些电磁辐射形式都被实验发现了，这不仅证明了该统一理论，而且还导致技术上一系列惊人的成就，这些成就是我们大家有目共睹的。大统一理论的简单性麦克斯韦方程以简单的几行描述了整个宇宙中的电磁现象。（到底是几行则如图7—1 所示，要视所使用符号的紧凑性而定。）给出电荷、电流与边界条件，就能计算电场和磁场。这个方程组概括了电磁学的普遍性质——只需补充一些特殊的细节。方程组准确地识别出电磁规律，并将它们压缩成为一个极小但威力无穷的数学包。还有什么图式比这更优美呢？
因为这一图式的长度几乎是零，因此按我们的定义，有效复杂性也趋于零。换句话说，电磁学定律相当简单。
批评家可能会抱怨说，麦克斯韦方程的确很短，但是要理解表示这些方程的符号却需要一定的知识。麦克斯韦最初发表这些方程时，他的表达方式就不如当今大学课本上所用的简洁，他给出的那组方程略长了些。相应地，我们现在可通过使用一套相对论符号来使它们更加简化（较长与较短的两种叙述方式都已在图上表示出来）。批评家可能会要求我们，在每种情形下，我们的图式不但要包含这些方程，而且还要将表示符的说明包括进去。
这并不是不合情理的要求。我们在讨论原始复杂性时已经说过，为了减小描述长度而使用特殊的语言会使人产生错觉。事实上，麦克斯韦方程的数学基础解释起来也并不很难，但即便情况不是这样，我们所需要的也只是有限数量的说明。而当我们考虑到这些方程适用于宇宙中所有的电场和磁场时，这种瑕疵也就微不足道了。所实现的压缩依然是巨大的。万有引力——牛顿和爱因斯坦
另一个值得注意的普适定律是引力定律。伊萨克·牛顿（ Is…sacNewton）首先提出了第一种形式，两个半世纪之后，阿耳伯特·爱因斯坦将它发展成为更加准确的广义相对论性引力理论。
当牛顿还是个23 岁的年轻人时，他就显示出洞察引力普适性的能力。1665 年，由于瘟疫的流行，剑桥大学被迫停课，当时刚获学士学位的牛顿回到他的家乡林肯郡沃尔斯索普。从1665 年至1666 年，他在那里开始发展引力定律、三大运动定律及微积分学。此外，他还做了著名的棱镜实验，证明白光与虹的颜色成分相同。这些工作中的每一项都是一个较大的革�
