科學思辨二十四則（簡體書）

葉高翔教授，博士、博士生導師。1982年7月畢業于杭州大學物理系，獲學士學位后留系任教；1988年7月，在杭州大學物理系獲碩士學位；1994年11月在浙江大學物理系獲理學博士學位；1998年浙江“四校合并”后，在浙江大學理學院物理系任教至今。2005年至2008年，任浙江大學黨委副書記；2008年至2013年，任杭州師范大學校長；2013年至今，任浙江科技學院校長。研究領域涉及薄膜物理、納米科學、科學哲學等，先后在Physical Review Letters，Physical ReviewB，Surface Science等國際性雜志上發表SCI論文60余篇。曾在美國印第安納大學、意大利國際理論物理中心、德國于利希研究中心和德國亞琛工大物理系等學習及合作研究。

“工欲善其事，必先利其器。”思想，是引導科研工作的關鍵。如何看待科學真理？如何保證科研開展的邏輯嚴密？如何自我否定和創新……作者帶領我們就這些在科學研究過程中會碰到的問題，進行了梳理和觀念上的提升。從而為科學實踐的開展樹立可以借鑒的范式，為科研工作進行思想上的指導。

引言

第一章從經驗科學到精確科學

第一則 定性描述 經驗言傳

第二則 精確定量數學推演

第二章科學探索的嚴密邏輯

第三則 孤立、片面、靜止看問題

第四則 “守株待兔”與歸納推理

第五則 演繹推理：演繹未經證明的假說

第六則 客觀、精確定量、任意可重復

第七則 科學理論為何與真理齊名？

第三章科學否定與創新

第八則 檢驗客觀真理的唯一標準

第九則 科學否定與創新同步

第十則 宇宙奧秘是不可窮盡的？

第十一則 科學創新難度的變遷

第十二則 思想是第一位的！

第十三則 今天學習 明天創新

第四章科學與科學哲學

第十四則 宇宙客觀真理的化身

第十五則 科學假說：智慧靈感閃爍之光

第十六則 有限與無限的相對性

第十七則 從定性到定量的飛躍

第十八則 兩種機理 --- 決定論與概率論

第十九則線性與非線性思維

第二十則 時空對稱與守恒律

第五章客觀真理與主觀心理

第二十一則 心誠則靈

第二十二則 主觀認知客觀的相對性

第六章科學與藝術

第二十三則 最高境界：多學科相互貫通

第二十四則 真理與美的關聯

結束語人類文明奔向何方？

附錄

討論題

參考文獻

第一章從經驗科學到精確科學

人類的科學事業大致可以分成兩個階段：第一個階段是公元前3000年到公元十五世紀，我們把它稱為經驗科學階段。第二個階段是從十五世紀到現在，科學發展進入了一個突飛猛進的階段，稱之為精確科學階段。

第一則 定性描述 經驗言傳

在經驗科學階段，人類的科學事業處于初級發展時期，科學發展主要依靠人的“經驗”。經驗從實踐中來，一般以定性為特征，即很少采用精確數字描述，基本不用數學，至多也只用初等數學。對于實踐經驗，意會容易，精確數學表述較難，即定量推演一般不易采納。在古代，經驗傳授主要通過人與人之間（如長輩與晚輩，先生與弟子，師傅與徒弟等）的共同勞動來實現，具有歸納推理特征。

經驗科學范式: 因為前人通過A過程得到B結果，所以后人也可操作A過程得到B結果。且A過程和B結果均為定性或半定量描述，帶有主觀痕跡。

在經驗科學階段，人們采用初等算術和直觀幾何學，在陶瓷、冶煉、火藥、造紙，古代醫術，幾何光學，靜磁學，靜電學、天文學、聲學、原子分子學等方面取得了較大突破。

人類材料科學的發展是從陶瓷的燒制開始的。約八千至九千年前，中國人就已知道用高溫燒制某些泥土可獲得具有一定機械強度的固體器皿，即陶器，其原理即為現代科學中的所謂“固相反應”。約兩千年前，中國人開始燒制真正意義上的瓷器。漢代以后中國的景德鎮地區，已有各種各樣的瓷器生產。在十七和十八世紀，中國成為世界瓷都，通過海路和陸路，中國瓷器暢銷全世界，成為世界性的商品，對人類文明發展起到了積極的推動作用。制備陶瓷的工藝不斷進步，代代相傳。盡管如此，那時的中國人并不知道陶瓷中各種礦物質的精確含量，也不清楚精確改變礦物質相對含量對產品的顏色、機械強度、耐高溫、熱脹冷縮等物理特性的影響。所以，陶器和瓷器的發明和發展是經驗科學的典型成果。

在古代中國，中醫學的發展也帶有鮮明的經驗科學特征。幾千年來，一代又一代中醫學家用各類草藥和各種方法為中國及周邊國家人民醫治了大量疾病，積累了豐富經驗。像戰國時期成編的《黃帝內經》，明朝時期成書的《本草綱目》等均為典型的經驗科學論著。中醫的明顯療效使人們確信此類經驗方法的有效性，并在過去幾千年的歷史長河中不斷發展和傳承。

某一藥方告知患者在煎藥時需要“溫度適中”、“文火煎藥”、“加水一升”（其實在古代中國，不同地方，對“升”的量化定義可相差一倍以上！）；到藥行抓藥時，只見藥劑師憑借手感，將幾兩或幾錢的某種草藥分成數堆；中醫學家可用草藥治病，但不必知道草藥中的具體化學成分，也不知道同種名稱但產地不同的草藥中化學成分的變化；當老中醫將手中的狗皮膏藥放在明火上烘烤后貼在病人患處時，老中醫并不精確知道此時那張狗皮膏藥的實際溫度，因此他也不知道藥分子從皮膚向內擴散的速度和濃度衰減曲線等。諸如此類的治病方法均帶有鮮明的經驗特征。

又如明代李時珍發明瘧疾寒熱治療方法：“用青蒿一把，加水二升，搗汁服”。此處的“一把”究竟是多少重量呢？其誤差顯而易見。現在，青蒿素已走向全世界，其獨特明顯療效已被現代科學反復證明。在《三國志》中記載的“刮骨療毒”以及在《三國演義》中記載的華佗要為曹操開顱醫治頭痛頑疾的故事，是作為經驗科學范疇的中醫學對人類外科醫學的最早貢獻。

應該指出：作為經驗科學典范之一的早期中醫學不但是成功的，而且有些先進的理念是現代醫學均需要學習和借鑒的。中醫學的最大特點是強調整體，強調聯系，強調平衡；采用“醫者意也”、“整體調理”、“陰陽平衡”、“以柔克剛”、“以毒攻毒”等有效治療方法。例如中醫學非常注重人體的整體調理，提高整體免疫力；中醫學強調以整體治療效果為主，只要能改善病人的生活質量、延長壽命，哪怕“人瘤共存”也是成效。類似高超的諸多中醫治療理念現在已被整個世界所證實和接受，與現代醫學中的影像拍攝、精確物理和化學檢測、化學和生物制藥、化療、放療、手術等治療方法形成了良好的互補。

古代中醫學強調人的患病與周圍環境等相關聯，具有時間延續性或周期性，如“天人合一”、“冬病夏治”、“治未病”等觀點便是典型例子。早在《黃帝內經》中就提出了“不治已病治未病”的防病養生謀略，春秋戰國時期名醫扁鵲、唐代大醫學家孫思邈等均對此有精辟概述。

事實上，絕大多數慢性病均有一個逐步發展過程，古代中醫學“治未病”的理念如圖1-1所示：正常人出生以后沒有慢性病，到達一定年齡T1歲時，某些慢性病的病情參數開始上升和波動，并逐漸量變與積累，但此時屬于臨界期，生活、工作等尚能依舊與自理；到達年齡T2歲時，質變開始，代表慢性病嚴重程度的病情參數急劇上升，此時已重病纏身，需要即刻治療。“治未病”理念告誡人們：我們的上策應該是治未病，即在T1歲前積極預防患病，在T1歲與T2歲之間應密切關注病兆變化，小病慎防早治，延緩和控制病情量變；T2歲以后治病不僅痛苦且為時已晚，當然還是要積極醫治的；要培養良好的生活和工作習慣（包括飲食習慣、營養平衡、勞逸結合、修身養心、心理調節等），適當進行預防性治療，從而增加T1和T2的值，延長人的健康周期，改善生活質量。現代醫學證明：良好的生活態度及方式，輔加先進預防措施，完全可使絕大多數人的T1和T2值顯著增加！

在中國古代有一種腌制食品的傳統工藝，如咸鴨蛋的腌制方法：將新鮮鴨蛋放在摻有干凈泥土的鹽水里，鹽分子便會通過蛋殼擴散到蛋內。我們的先輩代代相傳咸鴨蛋的腌制方法，知道夏天腌制咸鴨蛋較快，而冬天則較慢，但他們不必知道夏天和冬天的精確溫度差是多少，也不必知道水中食鹽濃度的精確值，更不會去研究溫度、食鹽濃度與腌制時間的函數關系，因為這樣的經驗工藝對腌制咸鴨蛋來說已經夠用了。現在人們知道，中國古代的食品腌制工藝、狗皮膏藥對關節炎的治療原理等均是后來半導體物理中“原子分子擴散原理”的最早應用，而擴散原理偏微分方程的建立和精確求解則是在牛頓和萊布尼茨發明微積分理論之后完成的。

其它方面，如古代的造紙術、航海、青銅冶煉、蠶絲養殖等均帶有鮮明的經驗科學色彩。

經驗科學一般只注重結果，而不太關注深層原因，即只注重“怎么樣”而不關注“為何如此”。因此，經驗科學有其很大的局限性。此外，由于經驗科學以定性的“經驗”為基礎，對整個研究過程的推理、判斷、相互交流、成果記錄及傳承等主要依靠文字或粗略的數字，直接導致以下三個問題：

（1）由于“經驗”往往帶有一定的主觀性，故以經驗為基礎的推理或判斷失誤概率較大，容易導致錯誤的結果。

例如在陶瓷的燒制過程中，如果僅僅憑肉眼觀察爐火顏色判斷爐溫，整個燒制過程的升溫、保溫和降溫過程的控制僅僅憑經驗進行，那么，由于溫度變化曲線無法重復，所獲產品的成品率不會很高，其質量重復性和一致性也一定很低。

再如，夏日炎炎，當我們經太陽暴曬后，來到樹蔭底下，感到涼快；但當我們從空調房間出來，來到同樣的樹蔭底下，我們會感到很熱。因為人對溫度的感覺不僅僅取決于其絕對值的大小，還要受溫度正負變化量的影響。

（2）定性描述導致精確重復實驗難度增大，傳承成為難題，導致大量優秀經驗和技術失傳。如果要完美復制馬王堆出土的兩千多年前的編鐘，使我們人耳聽不出原件和復制品的發音區別，那是十分困難的。類似像越王勾踐的青銅劍、精美的宋瓷、北京故宮太和殿中的金磚等同樣很難被完美復制。

（3）在經驗科學階段，定性的歸納推理成為主要推理范式。由于沒有采用精確的高等數學工具，若要通過精確數學演繹獲得本質性推論幾乎沒有可能。