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在历史进程中,人类发展了有关物质、生物、心理和社会的许
多相互关联并且被验证的思想。这些思想代代相传,使人们对人
类自身和环境的认识日益全面和可靠。发展这些概念要使用一些
特殊方法,如观察、思考、实践和求证。这些方法体现了科学性质
的基本方面,也反映出科学与其他认知模式的不同。
科学、数学和技术的结合形成了科学的推动力,并获得了极大
的成功。尽管各项人类事业都有其各自的特点和发展历史,但是,
它们相互依赖、相互强化。因此,本书的前三章将对科学、数学和
技术进行概括的描述,着重论述它们在科学王国中所起的作用,并
且揭示它们之间的相似与关联。
本章针对哪些科学方法是科学素养所必需的这一问题提出建
议,并集中讨论三个主题:科学世界观、科学的探索方法和科学事
业的本质。
科学世界观
科学家们对自己所从事的工作,以及如何看待自己的工作都
有一些共同的基本信念和态度。这同自然界的性质和如何掌握这
些性质有关。
世界是可被认知的 科学假定宇宙间的众多事物都以恒定的
规律发生和发展,通过认真的、系统的研究都是可以认知的。科学
家们相信,运用智慧和借助扩展感官功能的仪器可以发现宇宙间
各种特性的规律。
科学还假设,宇宙正如其名,是一个巨大的单一系统。在这个
系统的任何地方,基本规律都一样适用。人们从研究一个方面学
到的知识可以应用到其他地方。例如,用来解释地球表面自由落
体的运动和地心吸力的规律,也适用于月球和其他行星。通过多
年所做的一些修正,这个物体运动规律还被用来说明其他致使物
体运动的作用力,从最小的核粒子到最大的恒星,从帆船到宇宙飞
船,从枪弹到光线。
科学理念是会变化的 研究科学的过程也是一个发掘和获得
知识的过程。这个过程要依靠仔细地观察现象,并从观察中创立
各种理论。知识变化是不可避免的,因为,新的观察发现可以对流
行的理论提出挑战。无论一种理论对一组现象的解释多么完美,
但可能还有其他理论同样适用,甚至更好,或适用范围更广泛。在
科学界,不管理论新旧,总是不断地对其进行验证、修改、有时还会
抛弃。科学家认为,即使无法获得尽善尽美和绝对正确的真理,要
说明这个世界及其怎样运转,得到日益精确的近似真理还是可以
做到的。
科学知识的持久性 虽然科学家反对能获得绝对真理的概
念,并认为其中不确定性是事物本性的一部分,但绝大部分知识都
具有持久性。当一个有影响的概念力求保存下来,变得更加精确
而为更多人所接受时,修正概念,而不是彻底地否定概念是科学的
准则。例如,艾伯特·爱因斯坦创立相对论时,不是摈弃牛顿的物
体运动定律,而是指出在一个更广泛的概念中,牛顿定律是一条只
能有限度运用的近似的定律(例如美国国家航天航空管理局就用
牛顿力学定律计算卫星轨道)。然而,科学家们准确地预见到自然
现象日益增长的能力,足以证明我们对这个世界的认识正在不断
深化。连续性和稳定性如同变化一样都是科学的特征,试验性和
置信性同在。
科学不能为所有问题提供完整答案 世间有许多事物不能用
科学方法检验。例如,信仰就其本性是不能证明或否定的(例如,
超自然力和事物的存在,以及生活的真正目的)。在另外一些场
合,一种有效的科学方法还可能被具有某种信仰的人(例如,相信
奇迹、算命、占星术和迷信的人)认为不恰当而遭致反对。此外,科
学家没有能解决好与坏问题的手段,尽管在确认某些特别行动的
可能后果时,他们有助于权衡好坏并对最终的决定做出贡献。
科学探索
从根本上来说,科学的各学科在依靠证据、利用假设和理论、
运用逻辑推理等很多方面是相同的。然而科学家在调查现象,开
展工作,对历史数据或试验结果的依赖,使用定性或定量分析的方
法等方面是很不相同的;在使用基本原理和借助其他科学原理方
面也是不相同的。不过,科学家之间在技术、信息和概念方面的交
流不断进行着,他们对什么构成科学上有效的调查研究有着共同
的认识。
离开了具体的调查研究背景,科学探索就难以叙述清楚。没
有一个简单的一成不变的步骤可供科学家们遵循,没有一条道路
可以担保正确地引导科学家获取科学知识。然而,科学的某些特
性给予科学的探求模式以显著的特征。尽管这些特性是职业科学
家的工作所特有的,但是,每个人在科学地思考日常生活中的有趣
事物时,都可以运用它们。
科学需要证据 科学主张的正确性迟早要通过对现象的观
察来判定。因而,科学家把注意力集中在搜集准确的数据上。
这种证据只有通过观察和测绘才能获得。观察的场所可以从自
然环境(如森林)到完全人造的环境(如实验室)。为了进行观
察,科学家们不仅利用自己的辨别力,还使用增强辨别力的仪器
(如显微镜),以此能发现人的辨别力所完全不能发现的特性(如
磁场)。科学家被动观察现象(如地震、候鸟迁徙)和搜集样本
(如岩石、贝壳),积极地探索这个世界(如往地壳岩层钻孔,或者
服用试验新药)。
在某些场合,科学家们可以自由地控制条件,准确地获得证
据。例如,他们可以控制温度,改变化学试剂的浓度,或者选择一
种生物与另一种生物杂交。他们每次改变一个条件,希望能确定
变化带来的特有影响,然后采取同样方法改变其他的条件。但是,
有些控制条件无法实现(如研究行星),或者不合伦理(如研究人),
或者可能与自然现象相悖(如研究俘获的野生动物)。在这种情况
下,必须在足够广阔的范围和与自然界相似的环境下进行观察,才
能推断出各种因素产生的影响。由于科学需要证据,所以开发更
好的观察仪器和观察技术便具有重大的价值。此外,任何研究人
员或研究小组的发现通常都要接受其他人的检查。
科学是逻辑和想象的融合,尽管各种想象和思想都要同假设
和理论一起使用,但是,科学论点迟早要符合逻辑推理原则。也就
是说,通过采用某些推理标准,通过示范和常识来验证这些论点的
正确性。科学家们常常对某些取得证据的价值持有不同意见或对
假设的恰当与否表示疑问,进而,不同意判定的结论。但是,他们
同意把证据和假设同结论联结起来的逻辑推理原则。
科学家们并不只是借助数据和成熟的理论开展工作。他们还
常常利用尝试性假设探讨事物的本来面目。在科学研究中,这种
假设被广泛用来选择需要重视的数据和选择额外数据,以及指导
对数据的解释。事实上,形成假设和验证假设的过程是科学的核
心活动之一。假设的用途在于能暗示人们哪些证据能证实它,哪
些证据将否定它。从原则上讲,一个不能用证据验证的假设可能
很有趣,但是在科学上却不一定是有用的。
对科学发展来说,运用逻辑推理和严密地核查证据是必需的。
但是,这样做对推进科学发展往往还不够。科学概念不会仅从数
据中,从一定量的分析中自动地形成。提出假设,发明理论来想象
这个世界是怎样运转的,然后再解决假设和理论如何能够接受现
实的检验的问题,就如同写诗、谱曲和设计摩天大厦一样具有创造
性。有些科学发现完全是意外中偶然获得的。但是,通常要具有
知识和创造性的洞察力才能认识到这种意外事物的意义。被一个
科学家忽略的数据,可能会导致另一个科学家的新发现。
科学解释和预见 科学家们利用或协调现在人们已经接受的
科学原理,提出种种解释,力求弄懂观察到的现象。这种解释——
理论——既可能是概括的,也可能受到限制。但是,他们必须合乎
逻辑,必须与一定量的、科学上有效的观察结合起来。科学理论的
可信性常常在于它能显示以前似乎不相关现象间的内在联系。例
如,大陆漂移理论可信性的增加是在于它可以说明各种地质现象
间的联系,如地震、火山、不同大陆上化石类别的匹配、大陆的形
状、海床的轮廓。
科学的本质是通过观察验证。但是,科学理论只适用已经观
察到的现象是不够的,理论还应能适用于那些创立理论时尚未观
察到的现象,也就是说,科学理论应具有预见性。证明某种理论的
预见性并非必然要求预测未来的事件,预测也可以是以往仍未被
发现或研究过的证据。例如,人类起源的理论已由新发现的猿人
化石证实。显然,在重新推断地球及其生命形态的历史时,需要采
用这种方法。在研究变化很慢的事物进程时,如山脉的形成和恒
星的年龄,也要采用这种方法。例如,恒星的进化过程比我们能观
察到的现象要慢得多。然而,运用恒星进化理论可以预测出不同
性质的星光存在不容置疑的联系,这种星光的特性可以在已经搜
集到的恒星数据中找到。
科学家要努力鉴别,避免偏见 当科学家们面对一个声称正
确的事物时,就会反问:“如何证实?”由于对数据的解释不同,记录
或报告方式不同,以及选取什么样的数据,科学验证可能会被歪
曲。科学家的国籍、性别、民族、年龄、政治信仰等等都可能影响他
们偏向寻求或强调这种或那种数据或解释。例如,多年以来,男性
科学家所做的灵长目动物研究,重点一直放在雄性动物的竞争性
社会行为上。直到女性科学家进入了这个研究领域,雌性灵长目
动物在组成群体中的重要作用才被认识。
在研究、取样、选定方法和选用仪器时,不能完全避免偏见。
但是,科学家们要知道造成偏见的原因,以及偏见对验证的影响。
科学家要求和希望警惕工作中的偏见,同时希望其他科学家也如
此。但是,这种主观愿望并不是总能实现。在一个研究领域,对付
难于察觉的偏见的防范措施是让许多不同的研究人员或研究小组
从事这项工作。
科学不仰仗权威 科学研究和其他工作一样,要借助于能带
来知识的信息和观点,这一般要通过具有相关学科专长的人来实
现。但是,在科学史中,著名的权威也曾多次出现过错误。从长远
的观点来看,没有一个科学家有权决定其他科学家是否正确,不论
他多么著名,多么声望显赫。因为,没有一个科学家可以代表绝对
真理。而且,世间不存在未经科学家亲自调查而得出的现成结论。
从近期角度来看,与主导思想大相径庭的新概念可能遭到强
烈的批评,从事这项研究的科学家也很难得到支持。确实,在创立
正确的学说时,向新概念挑战是正常的。即使最有声望的科学家
有时也会拒绝接受新的理论,尽管足够的证据已使其他科学家信
服。然而,从长远的观点来看,理论是由结果来判断的。当一些人
提出一个新的,或者经过改进的理论后,如果新理论比旧理论能解
释更多的现象,或者回答更重要的问题时,新理论就会渐渐地取代
旧理论。
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