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- 第2章 什么是科学？
科学家的角色
我们周遭的科学
请你环顾四周，然后想一想：假如一个充满活力的女人从史前时代穿越到现在，她能认出或理解你身边的哪些东西呢？桌子、地板、插座、显示器、灯泡、窗户……这些东西在自然界中都不存在，但它们都精妙复杂、十分神奇。那么，最能让你那个史前朋友兴趣盎然的东西是什么呢？每一件物品背后都充满了丰富多彩的故事，交织着人们对文化、历史、科学和技术的不同解读。
请再想一想，如果将那个原始人换成你，你周遭的世界会如何激起你的好奇心呢？你目光所及之物，又会带给你什么问题呢？那个闪闪发光、被电线固定在墙上的亮片如何将彩色的光线洒满整个屋子？或许，你会着迷于手机发出的微波如何无声无息地在人体和地板上反射，又纤细如丝般穿透墙壁。为什么热咖啡中的金属勺子摸起来十分烫手，而盛放热咖啡的陶瓷杯子却不热？这一页上堆砌的文字如何在你的大脑中留下不可磨灭的化学记号，并在你停下来回想时重新浮现出来，供你再次斟酌？
科学并不总是如此具体和明显。或许，你更担忧那些飘浮在周遭的无形威胁。我们呼吸的空气中究竟隐藏着什么秘密，竟使得天边笼罩着黄白色的硫化雾霾？震耳欲聋的飞机旅行是否会加剧你对人类滥用地球资源的内疚感？你阅读的某篇文章是否真的带来了治愈癌症的希望？
这种看待世界的方式，以及不断追问“为何如此”和“为什么会发生”，正是科学的本质。我们的大部分问题都来自熟悉的日常生活。为什么胳肢会让人痒？为什么只有一些人会痒？胳肢的感觉为什么会存在？犬类为什么能在长途跋涉中掌控方向？许多这样的问题到今天依然没有令人满意的答案。然而，科学问题漫游的脚步走得更远一些。自然界现存的事物依然保持着它们原初的样子，但人们发明的新装置却能与人们习以为常的东西紧密连接起来，些许怪诞诡奇却又令人如痴如醉。指甲大小的设备能装下我们所有的音乐。闪闪发光的黑色太阳能板能满足我们对能量的需求。技术创造出许多奇迹，令人眼花缭乱，简单了解与它们相关的科学道理只能让你粗浅地领会其工作原理。
这种看待我们周遭世界的方式如何与“科学”联系起来呢？我们何时才算真正开始做科学研究？做科学研究到底是什么意思？在各种报纸和网站上偶尔可以看到一些文章，尝试对科学下定义以及对科学活动进行分类。当我写这句话时，我的网络订阅列表正在“科学”分类下给我推送关于欧洲核子研究组织（CERN）的粒子加速器的新闻，在“气候变化”分类下给我推送关于北极熊捕猎范围的消息，在“技术”分类下给我推送关于蓄电池储能的讨论。这些也算科学吗？科学家可以从事技术或者环境相关的工作吗？为了解释这些模棱两可的问题，我将首先回顾一下科学从何而来。
我们的刻板印象从何而来？
我们对科学的理解总在不断变化。从16世纪开始，“自然哲学”就给这些古怪的人贴上了这样的标签：他们对物理世界及其日益丰富的实验方法冥思苦想。“科学”这个单词来源于希腊语，意为“知识的总体”，但很快被用来专指自然和物理领域的知识。到19世纪中期，“科学家”一词专指那些仅在自然领域内探索知识的人。100年前，我们的刻板印象已经出现了：人们认为，科学家指的是那些致力于理解自然奥秘的科学独行侠、在丰富的自然生态环境中标记神秘物种的贪婪收集狂，以及打造出颇有市场的产品的创新技术人员。但是一个世纪以来，一切都发生了变化。尽管人们依然饶有兴致地观察科学家们到底在做些什么，并且这种兴致变得越发浓厚，但是，对于投资者和公众来说，我们过去对科学家的分类实在是很糟糕。
科学家和技术人员总是互相影响。讲希腊语的学者在逃离土耳其人的过程中影响和促进了一场意大利人文主义运动，该运动热衷于重新发现古典文学，复兴科学知识（现在被尊崇为“文艺复兴”）。14世纪，当黑死病让劳动力变得昂贵时，技术变得越来越重要，人们从这些初生的科学中汲取价值，生产出有利可图的材料和设备。15世纪，谷登堡的印刷技术得到了发展，将这些知识广泛地传播开来。与此同时，先进的航海技术让人们能够在遥远而广阔的天地中收集新发现。随着时间的推移，这些知识越来越成体系，琳琅满目，各就各位，只待科学来逐一解释。工业化则加速了科学和技术的循环周期。到20世纪，科技极大改善了人们过去繁重枯燥、攻苦茹酸的生活。
今天，我们的科学家们继承了这些积极性。一般而言，科学家可以分为“纯科学家”和“应用科学家”两种；前者是指研究自然世界的科学家，而后者是指试图从前者发现的那些知识中创造出有用之物的科学家。首先，我们不难发现，这两个标签是带有感情色彩的，因为“纯”字强调一种更加高贵的美德，纯净无瑕，出淤泥而不染。在社会中，“纯”字让人联想到另一些概念，比如“种族纯洁”或“性纯洁”，这些词则暗藏着一些令人鄙夷的阴暗面。因此，要理解科学家的积极性从何而来，我更愿意采用另一种更为中立的二分法。这种方法强调他们开展科学研究之时所扮演的角色，可能会更加有用。这种方法将科学家分为两类，我将其分别称为“化简者”和“构造者”。接下来我将向你展示这两种科学家如何创造基础科学知识。
介绍化简者
现在，请你想一想那些研究亚原子的粒子性质及其构成的物理学家。在这些物理学家中，一些人研究的问题是“为什么粒子拥有这么大的质量”或者“为什么它们像这样碰撞的时候会产生一簇新粒子”。他们剥去复杂的表象，试图揭示更基本的组件的性质，试图用简单的概念来解释观察到的现象。我将这样的科学家称为“化简者”。但你也可给他们冠以一些其他的类似绰号，比如“探索者”、“钻研者”或“解构者”。在面对这个世界时，他们喜欢打开“魔法盒子”，试图理解世界是如何运转的。他们是科学的还原论者。
化简者的方法是否在所有科学探索的开端总是奏效？并不尽然。只有在世界的基本物理规律能使多种基本量守恒的情况下，化简主义才行之有效。我们知道，能量是守恒的，动量是守恒的，原子的数量是守恒的。但在许多不同的情况下，这些规律都可以被打破：比如说，我们可以将能量转化为质量，再将其转化回能量；我们可以通过磨损或者化学过程将固体转化为气体，让物体失去原子；我们可以通过核反应将一种原子转化为另一种原子。最有用的是，这些规律的基本逻辑让我们将现在出现的问题与过去探索过的问题紧密联系起来，形成了人们的科学直觉。太阳底下没有新鲜事，每个问题都与我们过去曾思索过的某些问题相联系。如果没有这种先后顺序，我们就很难形成直觉，我们的大脑将被乱糟糟的细节和信息碎片淹没。化简者在科学的每一个领域都发挥着作用。
化简者是否扼杀了科学之美？
化简者让人联想到几种对科学的情绪反应。长期以来，化简者都被视为世界之美的敌人，因为他们揭示宇宙的运行规律，将其视为毫无人情味的机器，扼杀了世界表面的美感。一些人认为，解释复杂现象背后的简单原理（譬如彩虹为何拥有绚丽的色彩）就好像剥去了这些美丽现象的力量、生命力与能量一样。在其他领域，我们也可以看到类似的“指控”。比如有人认为，对诗歌、文学和艺术进行分析会摧毁它们的美感。
然而，化简者也被视为伟大的探索者。他们勇往直前，探索宇宙中未知的新知识。这种开创式的行为为人类带来了许多规模宏大的“大科学”项目，比如粒子加速器。在这些项目中，人们强调打破知识边界的传奇精神，从而加深对人类在宇宙中的位置的理解。他们勇于推翻传统理论，就像击溃巨龙的骑士一般。其实，化简者的这种长期斗争正好推翻了一些人对他们的指控——他们就像制作蝴蝶标本一样，将世界的美好钉在木板上，供人瞻仰。每一个仰望星空的人心中都充满敬畏。星星其实只是一些“充满气体的庞大球体，在进行核聚变的同时向我们喷射出巨型灼热光带”（如图2-1所示），了解这一事实只会让我们更加惊叹于宇宙之美。诚然，还原的确是科学的简化任务之一，但它并不是要对科学的内容进行还原，而是要转变我们对科学的理解，从简单的事实堆砌中抽丝剥茧、聚沙成塔，了解交错纵横的科学原理及其对人们的影响。这才是“理解科学”的真正含义。
图2-1 启发灵感的两种方式。在图2-1（a）中，我们可以看到红宝石般的三叶星云，它的直径有数光年。它的核心充满了氢气，被几百颗年轻的恒星烧得火热，使其发出红光（就像霓虹灯中炽热的氖气发出红橙色的光芒一样）。在图2-1（b）中，我们可以根据恒星的冷却和光度变暗的过程来记录它们的演化（从左侧的蓝热，到右侧的红热）。图片来源：图2-1（a）R.Jay GaBany, Cosmotography.com；图2-1（b）©2017 ESO
压缩信息
化简者的一个任务是对其所在的科学领域进行“信息压缩”。他们的目标是用“更少的事实”和“连接性更好的描述”来直接解释世界（通常，他们会采用公式来定义事物之间的关系）。但他们有时又不得不承认，信息压缩在某些地方会失灵，比如预测天气——我们通常只能预测几天之后的天气。而在其他领域（比如预测股票市场的大幅度波动），我们希望能进行准确的预测。有趣的是，化简者如今拥有最大权威的领域，正是那些最难用实验来检验、组成结构错综复杂的领域，包括宇宙学（比如恒星、星系、类星体和黑洞的分布）、生物学（生命是什么？细胞如何工作？大脑如何运转？我们如何体验意识？）和粒子物理学（宇宙中的反物质为何如此之少？基本粒子的质量和电荷从何而来？质量和电荷究竟是什么东西？）。如果实验条件很难得到完全控制，观察到的实验现象模棱两可，那么，每个学科都将面临巨大的挑战。化简式的科学最为简单易行；并且，如果把科学看作一个带有很多控制旋钮的盒子，每个旋钮都可供我们旋转，化简式科学的效果是最好的。如果我们损坏了盒子，还可以尝试另一个新盒子。在这种情况下，化简者势如破竹，无往不胜。
但是，如果可测试性和可重复性受到挑战，科学就会陷入困境。如果科学家拥有关于世界如何运转的理论，他们就必须用它来做出预测。然而，如果进行这些预测需要花费几千年，并且需要超出我们的控制范围（比如恒星之间的碰撞）才能实现，那么，科学家就无法设计实验，无法等待和观察实验结果是否符合他们的期望，也无法通过重复实验来检验它的结果是否每次都一致，更无法通过轻微改变初始条件来重复实验，从而测试预测是否稳定。同样，目前还不可能通过在某人的大脑中设置一系列想法或者植入新的记忆，来观察数十亿的神经元是否会重复它们的放电过程。可测试性和可重复性的问题往往出现在那些目前尚无进展的领域，因为我们的实验无法与理论的步伐保持一致。相反，科学家只能依赖于观察某些特定的现象（比如用望远镜在宇宙各处搜寻一些星球间的碰撞），或者等待某些他们意欲测试的东西不经意地出现（比如观察癫痫发作时的大脑）。这种策略依赖于观察对象（比如恒星和神经元）的丰富程度和分布密度。因此，这种策略对观察那些鲜有发生或分布稀疏的现象来说十分困难，比如气候突变、股市崩盘、超新星爆炸或行星生命演化。
其结果就是，出现了一类十分特别的科学难题——在那些领域，虽然化简者的数量众多，却很难通过实验来检验。这些难题必须与那些对化简方法的运用已十分成功的众多科学领域（比如电子学和分子键研究）相区分，后者的科研成果已经形成了一个高度压缩的信息网，而这个信息网又孕育了许多新科学的种子。这些领域中的大多数都经得起多种实验类型的检验，保证我们能理解其背后的科学原理，也保障了其可信度。它们增强了我们对世界进行预测的信心，而这种信心对我们接下来要讨论的另一种科学研究方法至关重要。正是由于化简者在“信息压缩”的任务上十分成功，才带来了我接下来要讨论的第二种科学家角色。
介绍构造者
一旦化简者能胸有成竹地预测世界的某一部分是如何运转的，就会出现新问题，将我们引向一个截然不同的方向。“我们如何运用这些科学突破来构建一些东西，而不仅仅是进行简化呢？”一些科学描述不是在描述事实，而是控制事物之间的交互，是一些工具箱和守恒定律；这些描述的固有性质使其孕育出一类完全不同的创造性，将它们推广至新的领域。比如：“如果我对此物这么做，会发生什么呢？”或者“如果我将其加热，它会如何运转？”请注意，这类科学并不是直接探寻大自然的运行规律，而是在构建自然界中前所未有的一些结构。在这个过程中，“它是如何运转的”这类问题通常与“如何才能让它以不同的方式运转”这类问题成对出现。因此，我把这类科学家称为“构造者”，你也可以称其为“建造者”、“设计者”、“创造者”、“制造者”或者“装配者”等。他们可能没有把这些知识应用在某些具体的目的上（因此，“应用科学”这个名字并不能抓住其精髓）。他们可能是理论家或实验家。
构造式的科学是以化简者们的初始发现为基础的。假如化简者的初始发现在某些方面并不稳定，构造式的科学是不可能实现的。你可以将科学想象成一座高楼林立的城市。化简者们生产建筑工具，比如电缆、混凝土、梁柱和金属支架。构造者们则发挥想象力，将这些部件组合在一起，将刚性和压力的原理以及拱门、穹顶和扶壁的潜力发挥到极限，同时雕刻出优雅的形态。如果人们对这些部件及其组合方式的理解存在缺陷，将很快被发现，因为用它们搭建的楼房会很快倒塌。我们之所以并未目睹科学之城的分崩离析，正是因为我们所拥有的大部分知识都十分可靠，它们组合在一起，坚如磐石，固若金汤。有些人可能会认为，科学之城的坚固代表了科学家对新形式的拒绝、保守主义或者懒惰。然而，科学的这种宁静祥和恰恰说明科学整体上是成功的。这就好像要保证计算机正常运行，我们必须依赖对物理学的理解，让复杂的物理过程达到我们想要的状态，并让它们在每秒数万亿次的运算过程中持续保持这种正确状态。
科学知识的历史积累过程正是修筑科学之城的过程。这个过程形成了一张知识巨网，是我们赠予未来社会的礼物。这张巨网由很多东西组成，比如发表在期刊上的科学论文、科学家收集的技术和设备、所有在世科学家的知识总和以及他们的人际关系。这张网是由化简者和构造者共同构建而成的；二者互相交流，促进新科学的出现；同时，他们一起寻找知识之网中需要修补的破损之处。由于某些科学领域的知识之网结构致密，我们很难进行大的改动，其中也鲜有未被发现的空间。但从另一个方面看，即便我们对知识之网的各种细节了如指掌，也并不意味着科学就此沦为一种按部就班、依靠死记硬背持续下去的活动。相反，构造式科学中总是源源不断地产生令人惊奇之物——这或许正是科学的第二个奇迹。
化简者和构造者这两种角色对科学生态系统的创造力来说都不可或缺（如图2-2所示）。但是，为什么对部分的（化简者式的）理解并不意味着理解科学的全部呢？这是因为，在某一个抽象层级对科学的完美理解，并不足以告诉我们假如将这个层级的各个部分组成一个更加复杂的整体，会发生什么事情。坚硬的砖块并不能保证它们组成的拱桥坚不可摧。这涉及一个名为“涌现”（emergence）的概念，它的含义正如物理学家菲利普·安德森（Philip Anderson）所说，“多，意味着不同”。有人曾认为，关于夸克的亚原子结构的知识可以带给我们关于生命的生物化学知识，“涌现”的概念则彻底摧毁了这种想法。不同的科学学科之所以分成不同的层次，正是基于这一原则。比如说，人类早就猜测有些分子能进行自我复制，但这些知识并不是从化学知识中推导出来的，而是来自偶然的发现。科学家中的构造者，正是这种涌现式科学背后的推动者。
图2-2 化简者和构造者的区别
从古至今，构造者在科学界都非常普遍。古列尔莫·马可尼是首个用无线电波将信息从英国传送到美国的人。他的工作建立在一整代化简者的研究之上，比如詹姆斯·麦克斯韦，他发现了电磁波（包括光线、X射线、微波和无线电波）基本方程组。有时，同一位科学家可以同时扮演化简者和构造者的双重角色，但通常情况下，这两种角色往往不会出现在同一个人身上。
肥沃的迷你世界
在现实世界中，科学由化简者向构造者的过渡十分微妙，不易被察觉。为了检验某个化简式的科学思想是否正确，人们通常会提出非常严格的模型。这往往意味着我们需要将这个思想拆解为一组更小的零部件，并开展一系列新实验，对这些零部件一一进行检验。为了理解一种有毒物质，科学家可能会将特定的化学成分注入某个细胞或某个特定的器官，然后对其进行仔细观察。为了理解地球的内部磁场，我们会在钻石砧室中对铁元素施加强压和高温。这种实验非常重要，因为它们能用简单的方式揭示现象背后的原理，在原本杂乱无章的世界中循序渐进、化繁为简，尽一切可能提炼出抽象的概念，并将复杂的干扰因素降到最低。这就是化简者所使用的武器的本质之所在。他们将现象从初始环境中提炼出来，并将这些抽象的现象放在一个“防护网”中，让其行为尽可能地贴近它的模型。这种方法本身就能创造出新的可能性，孕育出新科学。
对这种模型系统的一个传统应用是“思想实验”，这是汉斯·奥斯特提出的一种理论方法。一个世纪前，埃尔温·薛定谔等先驱科学家在研究量子理论时也大量使用了这种方法。由于量子力学主要研究微观层面的粒子运动，人们一开始常用它来解释为什么原子被激发时会呈现出不同色彩。这些理论不仅成功地解释了一些彩光现象（比如钠路灯），还表明对微观粒子进行观察实际上就会改变它的运动方式。20世纪20年代，想要实施这样的实验是不可能的。因此，人们更关心如何分析和构建“思想实验”，以此来思考其影响和含义。这些完全理想化的“实验”得出了稀奇古怪、不可思议的结论，从而激发了大量新理论的形成。最终，技术进步终于使人们得以在现实世界中进行这些实验，结果与之前思想实验的结论几乎完全吻合。如今，那些思想实验逐渐在现实世界中实现，促使年轻的科学家们（以及我们所有人）越来越相信量子力学理论的基本原理。我们目睹了来自大块蛋白质分子的波进入探测器后，仿若分身一般，同时挤进了两个间距极小的针孔。即便是这样宏观的大体积物体，也不吝向世界展现出它具备类似波一样的特性。
化简者用越发精巧的实验在单个观测粒子上证实了量子力学理论，构建出了理想化的理论结构。这促使构造者发挥想象力，设想利用量子系统的方法。于是，一个全新的子领域——量子信息学出现了。它运用量子力学来编码信息，动摇了使用0和1的主流二进制方式（如图2-3所示）。量子信息是由0和1的组合来记录信息，但多种不同的组合方式可以同时存在，就好像未来的电子电路可以同时切换到“开”和“关”两种状态，并对两种状态同时进行计算（因此更快）。相关的研究有很多，比如说，对单个电子进行测量，或者建立超级安全的量子密码学，保证没人能解读和复制你发送的重要信息（比如你的银行密码），又或者，对图片甚至物体进行远距离传送。目前，人们已经发明了极其敏感的量子设备，可测量地下储藏的石油的引力，还可以探测到人类大脑中的神经元如火花般闪烁时产生的局部电流。这些都是化简式模型在构造式工具中的体现。
图2-3 思想实验、现代实验室中真正实现这些实验，以及在科学期刊上发表它们的结果，这三者之间的关系可以用本图中的示意图来表示
构造者都做些什么呢？
这应该为“构造者如何工作”提供了一点线索。比起解开大自然的奥秘，他们对建立新的模型系统、观察新行为的出现更感兴趣。有时，他们灵机一动，但在梳理想法的过程中，却发现了一些意料之外的东西。这正是他们比化简者更难解释他们所做之事的原因，因为他们不是在“治疗癌症”，也不是在应对类似规模的重大挑战。事实上，他们的突破常能成为解决大挑战的关键所在。他们无法预知结果如何，只有解决问题的希望与可能性。比如说，材料科学领域的从业者广泛分布在企业与高校中。他们的工作并没有聚焦在同一个宏大而艰深的奥秘之上，相反，大多数人为之奋斗的目标都十分分散。但是，他们取得的进展却能解决其他领域艰深的奥秘，比如说，建造出功能强大的照相机来眺望最遥远的星系或窥探最微小的细胞结构。
正是由于构造者目标的分散性，才使得他们比化简者更不起眼，但分布却更广泛。在物理学中，我们或许会将“寻找希格斯玻色子”视为典型的化简式科学（如图2-4所示）。而在构造式科学中，一个与“寻找希格斯玻色子”相同规模的例子是人们在20世纪为“理解麦克斯韦电磁方程的含义”所做的努力。而这番探索涉及人数之多，时间之漫长，是前者无法比拟的。即便如此，最近流行的时髦理论（就像科学中的“花车”）表明，我们对隐藏在这些光的波动方程中的内在潜力知之甚少，尽管我们对它们的表达式一清二楚。比方说，我们不知道怎样才能构建由复杂精细的亚微观金属丝网络组成的“超材料”，从而证明亚伯拉罕·弗莱克斯纳在1939年提出的“无用知识的有用性”。目前，全球可能有成千上万的科学家正在研究这个挑战的不同部分，以理解光波。但他们从未将各自的目标统一起来，因为他们总是各自为政，互相竞争，每个人只关注某些细枝末节。知识的碎片化，乃是当今构造式科学的主旋律。
图2-4 化简者通常会围绕大挑战进行讨论。而构造者的研究则更加分散在互相竞争的研究团队中，并围绕热门话题迅速聚集
公众直到近些年来才对构造者稍有认知。并且，构造者没有像化简者那样激起公众的明显情绪反应。稍后我们将讨论它们与工程学和技术之间的关系。他们研究的问题通常深奥复杂，让人感到十分陌生，因而与普通人似乎距离遥远。想要为构造者确定一个清晰的远景目标并不是一件容易的事。这就好似大厦总能扩建、都市皆可蔓延一样，琐碎而细小的特征日积月累、聚少成多。然而，在构造式科学的整个发展过程之中，却出现了风靡社会的新思想和新技术。他们的创造力并不归功于某些个人或者某个研究团队，而是孕育于合作而又互相竞争的庞大科研团队网络之中。个中故事非常复杂，一言难尽。当技术进步的果实传递到我们普通人的手中时，我们通常十分感激，但却不清楚，也不知如何搞清楚它们是何时被创造出来的，也不知道它们背后的科学原理是什么。同时，我们对这些科学的某些用途存在着矛盾的情绪。比如说，有些技术既可以用于制造武器，也可以用于开采自然资源。要厘清这些用途，可不像化简者们解答科学问题那么简单。我们赋予了科学家为其“后继者”负责的责任，但问题是，我们所说的“后继者”，究竟是指最初的化简者，还是接踵而至的构造者？
化简者和构造者这两种科学家角色贯穿本书。在思考某些问题时，这种二分法十分有用，比如“为何媒体和政治如此关注化简者”这类问题。不管怎样，在科学家中，构造者的数量大于化简者。想要更好地理解这个差别，我们可以从“科学生态系统”的角度来看。但在讨论这些问题之前，我们需要知道这个世界上到底有多少科学家。
