科学研究原理：解析科学的本质

闭上眼睛，想象“科学”这个词，你的脑海里可能会出现教科书、做实验穿的白大褂、显微镜、雨林里的生物学家、爱因斯坦在黑板上书写公式、实验室里沸腾的烧杯，等等。诚然，这些想象都是直观的科学的一小部分，但无论哪一个都不能完整地代表科学，因为科学有许多方面。

科学的动力是发现。这个理念就是：在每个全新的一天，我们都能产生新的想法，或者观察到前人未曾发现的东西。大量的知识有待我们去发现，宇宙中有太多我们尚未感知到的问题，更遑论找到答案。

那么，什么是科学？这个问题乍看简单，实则复杂。关键在于，“科学”这个术语涵盖了非常广泛的活动。

大量的原则和理念都告诉我们哪些活动属于科学的范畴，然而这些林林总总的活动并不能诠释科学的全部内涵，也无法包罗科学的方方面面。有些活动在科学研究中占据重要地位，比如收集证据，而有些活动就没那么重要。

下面这份活动清单是帮助我们理解科学的普遍特征的指南。

科学建立在一个根本假设之上：世界有独立的外在的真实状态，我们能够通过感官体验它，通过推理检验它。这包括我们周围世界的构成部分，比如原子、植物、生态系统、人、社会、星系以及作用于这些事物上的力。

科学研究的目的是认识世界。

在科学中，回答一个问题会引发更多深入、具体的问题，引导我们进行深入研究。同理，用作为成果的理念来解释之前的矛盾常常会引出新的研究课题。我们对一个理念理解得越深入，我们反而会感到越无知。

科学是科学家综合运用各种方法所形成的过程。不存在单一的“科学方法”。科学家用各种不同的方法获得对世界的理解和认知；然而，他们在什么使这些方法科学有效这一点上却有共同的认识。

科学是创造力、想象力与具体思考和理念应用的结合。科学包含始料未及的、惊人的、偶然的发现。

科学发现有时有赖于直觉、推测和好奇心。

科学家使用一种共同的语言和推理过程，包含使用模型的归纳和演绎逻辑。(www.xing528.com)

科学家对一切宇宙观持怀疑态度。这意味着对于一种观念，他们并非不相信，而是要在有足够的证据时再下最后的结论。

在科学研究中，证据是最为关键的。证据通过观察或实验获得。人类通过感官搜集证据，而技术的应用能帮助我们获取无法感知的信息。随着所获数据精确度的提升，我们不断取得新的发现。所有的科学学科都通过观察收集证据。变量控制实验也是获取证据的一种方式。

收集到的证据可以发展成理论、形成定律或用来提出假设。这些理论和假设再形成可试验和可以被检验的预测。没有科学理论是一劳永逸“被证明”的。为什么呢？理由是，科学总在寻找新的证据，这些证据可能会暴露出我们现有理解的局限性。我们今天接受的思想可能会因为明天发现的新证据而遭到摒弃或修正。

我们创造出基于理论的模型来解释可能难以观察的过程。我们通过模型提出预测，再由实验或观察结果进行验证。只有可试验的模型才属于科学范畴。易测性（testability）是指：一个模型如果有效，必须能产生我们通过演绎推理预测的一系列特定的观察结果；如果观察结果与模型矛盾，那么你就能判定模型是无效的。

我们会对比通过模型预测的数据和来自于实验和观察的数据，根据两者的关联调整或重设模型。

通过实验得到的结果、通过模型预测得到的数据和观察所得的结果，都可以为论点提供进一步的证据。

当仅仅通过现实中的实验无法解释所获得的实验数据时，模型研究可以帮助我们获得新的理解。计算机能帮助复杂的系统处理大量数据，我们也可以建立许多不同的模型以预测将来的情况，对基于不同模型得到的预测结果进行比较，从而得到最精准的模型。模型通过分析过去的数据预知现在。如果这些模型有预测价值，它们的准确性就很高。

科学凝聚了人类的努力。从事科学研究的人形形色色，左右着科学的发展方向。虽然存在这种多样性，科学是探究的团体，有着共同的原则、方法、理解和过程。

科学是个重复的过程，我们基于对世界的认知建立有预测价值的理论，同时也因为这些理论不断增进对世界的了解。这往往意味着持续的调查研究和不断深入的理解。我们可以通过物质是由什么构成的这一问题来说明。在19世纪中叶，英国的化学家约翰·道尔顿（John Dalton）对物质的本质产生好奇，指出事物是由更小的微粒——原子构成的。19世纪晚期，另一位英国化学家汤普森（J.J.Thompson）提出那些小颗粒有正负之分。随后，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）通过实验详细说明了这一点，他指出，一个原子的大部分团块集中在中央，他称之为原子核。然后，在20世纪早期，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）又在大量前人工作的基础上提出了对原子更为详细的理解，引入了原子核包含中子、带正电的质子，并有带负电的电子绕轨道运行这一概念。再后来，到了20世纪30年代，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和他的德国实习生埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）以及其他合作者，在此基础上破解了原子的量子本质。研究并没有止步于此。物理学家和化学家们还在继续加深和拓宽我们对原子的认知：它们是如何运转的，它们为何拥有这些性质。

科学研究过程中的任何一点都会为下一步带来无数可能性，进而可能带来一个出人意料的新发现。例如，探究光的本质的实验得出的可能不是与此相关的结论，而是意外地观察到了光的特殊性质。那个性质也许会激发出关于物质的问题——它或许会把研究带到一个全新的方向：量子物理。

乍一看，这个过程好像令人迷惑。一个单一的研究课题可能牵涉到以不同顺序在不同时间点工作的方方面面的专家。科学研究比传统上所理解的更行云流水、更灵活多变、更无法预知。