科學與「可證偽性」

科學與〝可證偽性〞

香港科技大學物理系

吳大琪教授

(原文﹕http://resources.edb.gov.hk/physics/articleDoc/InterestingTopics/01Science%20&%20Falsifiability(Chinese).doc)

前言

剛學會利用時鐘量度時間的傑，做了一個學以致用的研究。他連續七天記錄了日出的時間﹐並把天氣和看時鐘等不確定的因素也考慮在內後, 推出了以下的理論：

“香港的日出於每天早上六時三十分開始, 誤差不多於三分鐘。”

我們來問一個問題：傑所做的可算是一項科學研究嗎? 推論又是否為一個科學理論呢?

在回答問題之前﹐我們先要弄清楚怎樣才算是科學研究和科學理論。大家或許可以先問一問身邊的朋友對此有什麼意見!

你的老師﹐同學﹐朋友對科學有什麼看法呢? 他們認為傑做的是科學研究嗎?

(這裡有一些可作參考的錄音)

收集了眾人對甚麼是科學的見解了吧! 但是科學家又怎樣看呢? 科學有確定的定義嗎? 它只是一種屬於物理﹐化學﹐生物等科目的知識嗎? 還是指某種特別的研究方法呢? 抑或兩者皆是? 你可能確認以下為科學研究的定規：

1. 研究現象應被確認及清楚說明。

2. 現象應能被觀察到，及謹慎地測量以避免明顯錯誤。

3. 一清晰確定的理論，應能清楚說明所有觀察結果。

若細心想一想，其實傑所做的事情，已滿足了上述三項定規！但這就足以成為〝科學理論〞嗎？

“可證偽性”

科學家們認為﹐科學與其他學科不同﹐是因為其獨有的要求— “可證偽性”｡要說明“可證偽性”是什麼﹐讓我們回到傑的故事上。

作為科學研究, 傑的工作簡單得也許令人有點驚奇吧! 除滿足了以上三項定規外，其實傑的推測是“可被證偽”的 – 即是說﹐我們是有可能證明他的理論是錯的。要是我們細心等待一兩個星期﹐就會發現日出的時間在漸漸地改變﹐過多一個月左右﹐傑的預測就不再準確﹐他的理論就 “被證偽”了﹐“可證偽性”是科學理論一個最重要的特點。

在科研領域中﹐“可證偽性”是個很重要而獨特的概念。一個無論對錯與否，都不能被證明是錯的理論﹐是不能承認為科學的。讓我來舉一個例子：“牛頓定律肯定有錯的地方﹐雖然我不知道它錯在哪裏。” 這個理論固然是可對可錯，不過若要證明它是錯的話﹐我們需要證明牛頓定律在宇宙的每一個時間和空間都正確﹐實驗上這不可能做到﹐我們也就沒有能力證明這個理論是錯的。“可證偽性”對科學理論的要求，超出了簡單的對與錯，一個科學理論必需要對不確定現象作出肯定的預測，在確定範圍之下它必須是可被試驗的。如果理論通不過試驗﹐它就是錯的｡

怎樣判定科學理論的對錯？

第一次接觸到“可證偽性”的人﹐難免會對它的概念感到陌生﹐原因是我們一般期望能夠以一系列適當的實驗來決定一個科學理論的對錯。說得明確一點﹐我們希望應用到日常科技的科學理論都是對的，這一概念在電視上屢見不鮮。

問題是，這是不可能的!

讓我們用以下的例子作為解說：

理論：太陽每天早上都從東方昇起｡

讓我們試一試把這個日常生活可見的理論證明吧! 要證明這個理論﹐我們就要保證不單止今天﹑明天或是一百年後﹐而是宇宙存在的每一天太陽都會從東方昇起，這是一件人類能力不可能做到的事。不過若有一天太陽不是從東方昇起的話﹐我們就不用等到宇宙的終結也可以知道上面的理論是錯了。簡單來說：

在科學裡面要證明一種東西是錯的往往較容易﹐但要證明是對的卻很多時候都不可能。

“可證偽性”概念因此被推出了! 很多時我們不可能證明一個理論是對的﹐唯一可以做的是通過大量實驗去看理論是否會被證偽。

牛頓定律的正確性都有限制？

好的科學理論不單要作出困難而準確的預測﹐其有效性還要經過無數次的試驗｡即使只是其中一次和理論預測的不相符﹐理論有效性還是會受到質疑。好的科學理論因此是很難出現的啊! 譬如說牛頓定律 - 關於宏觀物體的力和運動的理論。自從它的基本公式被確立後﹐很多重要的東西被發明出來：大廈建築﹐汽車﹐飛機以及大氣模型。試想一種東西﹐雙翼還不算是很大﹐卻能使以噸計的金屬在天空飛舞。常理可以忍受這樣的狂想嗎? 實情是現在飛機流行得像汽車一樣了。不過﹐現代的科學家也知道牛頓定律只能正確描述我們的宏觀世界﹐在原子或分子世界裏﹐牛頓定律會被另一套物理定律－量子物理學－取代。因此在取得空前的成功的同時﹐牛頓定律的正確性是有限制的。

知識與科學

哲學家們花費不少光陰討論知識(或真理)是什麼。現代一個流行的想法是知識沒有客觀意義﹐簡單來說是所有人類知識都是人為的﹐它的有效性都會受到歷史和文化因素所限制。若以數學角度來說明﹐就是說知識都是建構於一系列自洽的假設之上。科學知識也不例外﹐科學的“客觀性”不可能被驗證﹐它只是科學家的幻想。

事實上﹐科學家們都同意科學知識的建立需要一組自洽的假設﹐正如所有其他科目一樣。不過﹐有一點令到科學知識比起其他科目更為”客觀”的是科學知識是需要“可被證偽”的。換言之﹐我們會承認科學的理論只能有限度的正確﹐並且會用一系列的特定實驗去測試知識的正確性。因此﹐科學和其他科目最重要的分別在於科學需要“可證偽性”。“可證偽性”沒有出現在其他的知識系統上。

常見的“非科學理論”

看以下的例子! 我們時常在電視上看到財經評論員預測或解釋股市走勢，他們會說股市上昇就是因為這個原因﹐下降就是因為那個原因﹐如此類推。你大概會被這些看似無所不能分析的專家所吸引，或許會認為他們的結論一定是經過強力的科學分析才能得出來﹐因此深信他們的分析是“科學結論”。

不過從“可證偽性”的角度來看﹐多數的財經評論員結論是不會被承認為科學理論的﹐原因是它們都沒有提出可被證偽的預測，不能被“證偽”。只能夠解釋而不能預測的理論是不會被認為是科學理論的。

宗教與科學

另一個好的反例就是宗教(以基督教作例子)! 科學的知識是從懷疑中建立﹐而且是時刻受到測試的(“可證偽性”)。和科學不同﹐宗教的建立是先要我們相信﹐之後才可以看見和明白宗教的真善美。因此宗教和科學的哲學取向是相反的﹐它們是互補的知識體系。

〔這篇文章是撮寫自作者於香港科技大學的教學演講〕

〔作者簡介：吳大琪教授在一九八一年於香港大學獲得理學士學位，一九八七年於西北大學完成哲學博士學位，其後在一九九一年加入香港科技大學。吳教授在non-equilibrium mesoscopic kondo effect研究上的貢獻，於一九九三年，獲海外華人物理學會頒發一九九三年度亞洲成就獎的名譽。自二零零零年，他成為了美國物理學會的會士。並獲得二零零二至二零零三年度的Croucher高級科研獎金。再者，他熱心參與香港中學和小學的科學教育活動，也是香港中國科學教育專業工作小組聯會的香港代表。〕

關鍵字詞：

科學理論、偽科學、可證偽性

課程綱要內相關課題：

課程綱要延伸課題：

帶出以下觀念：科學理論、偽科學、可證偽性、預測能力

熱身討論︰

    • 科學是甚麼？

科學就是研究大自然世界。科學運用科學方法理解及解決困難。

    • "可證偽性"是指甚麼？

於科學哲學中是一項重要的概念。簡單來說，我們要斷定一個宣言的可證偽性，必須觀察或實驗證實。當我們看見一隻紅色的烏鴉，「所有烏鴉都是黑色的。」這句話便是可證偽的。

    • 科學理論包含了甚麼步驟？

觀察及發問、 建議一項理論或預言、驗證理論、觀察及記錄結果、總結、再作多研究。

討論問題：

    • 以下的句子是科學的陳述嗎? 為什麼?

    • - 月亮被觀察到的時候是存在的(不論用眼睛還是用儀器)，沒有人觀察月亮的時候，月亮就不存在。

    • - 太陽今天早上從東方昇起

    • - 太陽明天早上不會從東方昇起。

    • - 每個週日早上七時你都能夠乘搭同一號巴士。

    • 財經評論員(電視、報紙或電台)分析股市走勢是否 “科學結論”？試討論。

閱後活動：

    • 以例子說明科學的特點。找尋偽科學的例子 (例子: 從萬維網) 並解釋為何他們不被認定為科學的原因。

    • 舉辦一個小型辯論比賽去辯論以下的陳述是不是科學的陳述，選五位同學為正方、五位為反方，而老師則做評判︰

    • - 外星生物是存在的

    • - 我們看到和接觸到的每樣東西都是幻覺(試想一想電影: 20世紀殺人網絡

    • -比光速快是有可能的。。

    • 經濟、心理等社會科學學科與自然科學學科有何不同？ 試討論。

    • 以下那些句子是"可證的"？

    • - 純水的沸點是 。

    • - 光的運動是以直線進行。

    • - 神創造宇宙。

    • - 人死後會到天堂。

    • - 人類吸入二氧化碳並呼出氧氣。

    • 舉例說明科學的特點及偽科學 (例如於互聯網上搜尋)，並解釋以上例子稱不上是科學的原因。

    • 選一研究題目，列出構成科學理論的步驟。

    • 辯論︰「從科學角度考慮—相信神的存在比不相信更合理。

相關網站：

其他參考資料︰

  • 科學人：中文版，2002年5月號，p.35-36，“隱士與狂徒”，簡介一個專講述偽科學家的作家。

  • 科學人：中文版，2002年3月號，p.29，“候氣說是個騙局”，簡介中國古代測候之術「候氣說」。

  • 科學月刊：2002年8月，“偽科學與膺科學”