科學(xué)的三個環(huán)節(jié)及科學(xué)的分類

從本文起，我們將在總結(jié)以往所有科學(xué)學(xué)，各種回答“什么是科學(xué)”等研究成果，以及我所撰寫的《實驗、測量與科學(xué)》，加上最新研究成果基礎(chǔ)上，以三個環(huán)節(jié)形成的內(nèi)在結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對科學(xué)給出之前從未有過的最系統(tǒng)、最全面和最精確的描述。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)文章再來回答什么是第三代科學(xué)。提示一下，本文有多個圖表，要順利理解本文，必須要對照圖表來看。所以，如果是用語音來聽的用戶，需要在提示參見圖表等地方對照圖表來聽。另外，本文是對整個科學(xué)內(nèi)在結(jié)構(gòu)進行框架性的介紹，很多地方?jīng)]有深入展開，如果一時沒看明白沒關(guān)系，只要知道個大致概念框架就可以了，后續(xù)會一個一個深入展開。

盡管科學(xué)一詞已經(jīng)高度地深入人心，但即使在科學(xué)界，對于什么是科學(xué)的問題依然是莫衷一是，很難有獲得公認(rèn)的科學(xué)定義和有關(guān)什么是科學(xué)的完備理論。之所以如此，是因為科學(xué)的內(nèi)涵有多個方面，并且科學(xué)本身也是發(fā)展變化的。所以，如果只抓取科學(xué)內(nèi)在三個環(huán)節(jié)中的局部甚至更細節(jié)結(jié)構(gòu)的不同方面，或者其發(fā)展歷史上的不同特征，就可能給出不一樣的答案。但這樣的描述顯然都是不完備和不精確的。所以，只有從科學(xué)的三個環(huán)節(jié)及更精細結(jié)構(gòu)的所有方面，從科學(xué)發(fā)展歷史各個階段的演化等全面的維度，給予全面的考察和分類，才能對科學(xué)給出系統(tǒng)、全面和深入的理解。

一、科學(xué)的三個環(huán)節(jié)

從最本質(zhì)的意義上說，科學(xué)就是認(rèn)識與改造世界的最佳方法，它是世界上唯一并不屬于任何國家和民族的，由全人類共同推動發(fā)展的文明。這個認(rèn)識世界的最佳方法并不是一開始就成熟，而是不斷發(fā)展的。無論怎么發(fā)展，都是圍繞三個環(huán)節(jié)展開：

• 一是如何獲得認(rèn)識對象的信息和數(shù)據(jù)，這個就是測量包括實驗要解決的問題。

• 二是對實驗與測量獲得的認(rèn)識對象信息進行數(shù)據(jù)處理、總結(jié)出規(guī)律，也就是理論認(rèn)識的問題。

• 三是以科學(xué)認(rèn)識來改造世界，這個是工程技術(shù)、控制、社會制度等應(yīng)用方面的問題。

參見圖1：

圖1理解科學(xué)的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)圖

認(rèn)識對象與改造對象

1. 認(rèn)識對象與改造對象可能是同一個，也可能是有相同內(nèi)在規(guī)律的不同對象。這個怎么理解？例如，汽車的材料可以作為認(rèn)識對象在實驗室里進行研究，而作為改造對象是在汽車材料生產(chǎn)過程中使用的具有相同性質(zhì)材料。它們物理上并不是同一個對象，但其規(guī)律具有同一性，因此所認(rèn)識的規(guī)律可以獲得應(yīng)用。另外一種情況是認(rèn)識對象就是改造對象。例如，要對已經(jīng)生產(chǎn)好的成品汽車進行測試，根據(jù)測試結(jié)果對其進行調(diào)校，此時認(rèn)識對象與改造對象就是同一的。

2. 認(rèn)識主體，包括測量、經(jīng)驗與理論、應(yīng)用三個環(huán)節(jié)，都可以成為認(rèn)識對象和改造對象。例如測量儀器、人類自身、科學(xué)認(rèn)識的理論體系等，都可以成為認(rèn)識對象和改造對象。我們可以用統(tǒng)一測量學(xué)的方法去測量“人的認(rèn)識機制，測量儀器”等本身。這個基本關(guān)系在西方哲學(xué)歷史上是引起最多爭論，也最容易被繞糊涂的。包括物質(zhì)與意識的關(guān)系、此岸與彼岸、科學(xué)哲學(xué)家波普爾提出的三個世界（物質(zhì)的世界、精神的世界、符號的世界）等。當(dāng)我們把科學(xué)的基本結(jié)構(gòu)用科學(xué)的方法研究清楚后，就會發(fā)現(xiàn)以上這些哲學(xué)的劃分和爭論就沒有存在的意義和價值了。

3. 不要把認(rèn)識對象和改造對象直接理解成整個世界，想一上來就搞清楚整個世界或宇宙是什么。一般來說，認(rèn)識對象和改造對象都是世界或宇宙的一小部分，甚至極其微小的一部分，雖然這極小的一部分也可能受整個世界或宇宙的影響。在測量中，這種影響一般是以背景（環(huán)境）誤差的形式而存在。例如，當(dāng)我們測量一個小球時，地球會對其有萬有引力。根據(jù)萬有引力定律，月球、整個太陽系乃至整個宇宙會對它有萬有引力和電磁、穿過的宇宙射線等無限多因素的影響。只是這些影響在量上很小，以環(huán)境干擾或環(huán)境誤差的形式存在。通過環(huán)境誤差，我們就可以把極其有限的認(rèn)識對象從整個世界或宇宙中提取出來作為可能的科學(xué)認(rèn)識對象。

4. 在以往的哲學(xué)討論中，測量與理論環(huán)節(jié)被認(rèn)為是認(rèn)識論，應(yīng)用環(huán)節(jié)被認(rèn)為是方法論。但認(rèn)識方法有時也被說成方法論。我們對科學(xué)的三個環(huán)節(jié)來也用科學(xué)的方法進行研究，就不會陷入哲學(xué)的認(rèn)識論和方法論的云里霧里了。

二、認(rèn)識主體、反映、測量

認(rèn)識主體可以是人，也可以是測量儀器，甚至是具有感覺器官的動物或大自然的任何對象。世界或宇宙本身就具有反映能力。從反映到感覺、實驗、測量、計量等相互之間的關(guān)系參見圖2。

圖2反映、測量、實驗、計量等相互關(guān)系圖

這個圖有些復(fù)雜，因為不同概念相互間的交叉重疊關(guān)系比較多。不過，如果讀者在這里停下來，認(rèn)真看這張圖5分鐘，也可以很容易理解他們相互的關(guān)系是什么。測量并不難理解，它不僅廣泛地深入到科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，而且已經(jīng)非常廣泛地深入到我們?nèi)粘Ｉ钪小Ｄ闳コ匈徺I任何散裝的食物，如蔬菜、大米、雞蛋、豬肉等，營業(yè)員都得給你稱一下有多重，稱重就是重量測量。你要去買衣服，營業(yè)員也得給你量一下三圍、身高等，這是長度測量。你感覺可能有點發(fā)燒，用體溫計量一下體溫，這是溫度測量。到醫(yī)院做B超，CT，驗血等等，這些都是測量。

狹義的測量是有計量基準(zhǔn)的，從而可以獲得測量數(shù)據(jù)。如果只是憑人的感官去接受外界的視覺、聽覺的信息，沒有建立計量基準(zhǔn)，因此所得到的只是感覺，而沒有測量數(shù)據(jù)。

宇宙的一切物質(zhì)都具備最原始的反映能力，只是通過進化一步步到人類實現(xiàn)了相對較高級的感覺器官和大腦，再發(fā)展出以測量為基礎(chǔ)的科學(xué)認(rèn)識能力。

主體誤差

洛克的“白板論”與萊布尼茲“有紋理的白板”，其差別不過是認(rèn)識主體本身也是會引入誤差——主體誤差。

主體誤差的案例有：雷達的本底噪聲，人的眼花等。量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，本質(zhì)上也是一種主體誤差。

另一方面，“認(rèn)識主體會決定認(rèn)識結(jié)果的表現(xiàn)形式”，這該如何理解呢？例如，對相同的自然景物，化學(xué)相機形成的是光學(xué)圖像在膠片上的化學(xué)反應(yīng)，數(shù)字相機獲得的是數(shù)字信號，雖然它們最后也都可以恢復(fù)成視覺圖像。了解了以上這些，就會對貝克萊的“存在就是被感知”，馬赫的“存在就是感覺要素的復(fù)合”等云天霧地的哲學(xué)觀念有科學(xué)清晰的認(rèn)識了。

反映各種類型及相互關(guān)系的確有些復(fù)雜，本文先不去展開討論，而是先搞清楚以下測量、實驗與計量的關(guān)系。

圖3測量、實驗與計量關(guān)系圖

測量是可以覆蓋一切認(rèn)識領(lǐng)域，無論是從學(xué)科角度還是從問題角度都是如此。因此，測量作為科學(xué)的基礎(chǔ)是具有完備性的，也就是可以為一切學(xué)科領(lǐng)域的一切問題提供科學(xué)支撐。而實驗不能覆蓋所有認(rèn)識問題，甚至不能覆蓋所有物理學(xué)領(lǐng)域，例如很多物理學(xué)理論是通過天文測量來獲得和驗證，尤其廣義相對論最初的驗證都是通過天文測量獲得的。所以，將實驗作為科學(xué)的基礎(chǔ)是不完備的。這也是第二代科學(xué)將實驗作為科學(xué)基礎(chǔ)造成很多領(lǐng)域難以確立科學(xué)基礎(chǔ)的原因所在。

計量是測量的量值基準(zhǔn)，以及量值傳遞系統(tǒng)，因為它的存在，測量才能獲得數(shù)據(jù)，否則只是類似感覺的相對模糊，很難進行相互比較的信息。此處我們也不展開討論，后續(xù)文章中會詳細介紹。

三、測量與實驗的詳細分類

僅靠圖3的關(guān)系圖可能還是不能準(zhǔn)確理解它們的關(guān)系。我們可以通過測量的環(huán)境與自變量的受控性來對其進行分類研究。

表1測量的4種類型及其與實驗的關(guān)系

測量的類型

環(huán)境

自變量

案例

1

1

1

物理及化學(xué)實驗等

2

1

0

高能射線天文臺

3

0

1

新種子大田實驗，新戰(zhàn)機試飛

4

0

0

考古、尋找化石

人們一般會把自變量受控或“被認(rèn)識的現(xiàn)象”受控的測量稱為“實驗”，即第1類和第3類測量。

環(huán)境受控影響的是測量精度，也就是可以最大限度地減少環(huán)境干擾誤差。

自變量受控影響的是測量效率和測量數(shù)據(jù)的完備性，也就是自變量或稱現(xiàn)象可以人為地制造和產(chǎn)生出來，從而可以高效地獲得測量數(shù)據(jù)。另外還可以完備地獲得所想要的各種不同數(shù)據(jù)。例如，假設(shè)我們通過第2類或第4類測量去研究閃電，那一方面是只能設(shè)置好測量儀器等待自然界出現(xiàn)閃電，然后才能獲得測量數(shù)據(jù)。這有可能一年半載都測不到一次，純屬“靠天吃飯”。但如果通過在實驗室制造閃電的方式來進行研究，可以天天獲得大量閃電的測量數(shù)據(jù)。另一方面，在自然界的大氣中出現(xiàn)閃電的話，其強度也是純天然的。如果我們想測量不同強度或能量的閃電，靠第2類和第4類測量就純屬運氣了，甚至有可能接近永遠都遇不到。但在實驗室里，可以人為制造出各種不同強度的閃電進行測量。甚至可以制造出自然界或地球上不太會出現(xiàn)的閃電類型，從而可以獲得完備的測量數(shù)據(jù)。

因此，通過以上分析我們可以理解到，不同測量類型或非實驗的測量與實驗之間主要區(qū)別只是測量精度、誤差、測量效率、測量數(shù)據(jù)完備性等量上的差異，但從獲得認(rèn)識對象信息的本質(zhì)角度，它們是沒有差別的，都可以作為科學(xué)的基礎(chǔ)。因此，以測量作為科學(xué)的基礎(chǔ)，雖然會存在某些非實驗的測量技術(shù)上的差別，但在其覆蓋范圍上，可以使一切領(lǐng)域都獲得科學(xué)的基礎(chǔ)。以往學(xué)者們討論實驗時，往往腦子里潛在的概念是第1類測量。這樣一來，主要以第2和第4類測量為研究工具的領(lǐng)域，就對自己的科學(xué)基礎(chǔ)是什么感到很迷茫了。但我們將測量作為科學(xué)的基礎(chǔ)，一切領(lǐng)域就全都可以是科學(xué)了，尤其是社會領(lǐng)域，以及自然科學(xué)的地質(zhì)、氣象等領(lǐng)域。

認(rèn)識主體同時也可以是改造主體，也就是通過應(yīng)用去改造“改造對象”的主體。

四、以科學(xué)的三個環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)的科學(xué)分類

1.科學(xué)應(yīng)包含三個環(huán)節(jié)的原因

測量、數(shù)學(xué)、應(yīng)用三個環(huán)節(jié)加在一起時常被稱為科技，也就是科學(xué)加技術(shù)。一般人們頭腦中世俗概念的科學(xué)是測量加上數(shù)學(xué)。我在之前的論述中一般也是這么闡述的，這只是為暫時照顧到人們?nèi)粘２粐?yán)格的對科學(xué)的概念印象。但為什么我們認(rèn)為科學(xué)應(yīng)當(dāng)包含測量、數(shù)學(xué)與應(yīng)用三個環(huán)節(jié)？因為這三個環(huán)節(jié)是會相互促進，很難完全區(qū)分開的。

• 科學(xué)測量儀器。測量儀器技術(shù)水平的進步，從而實現(xiàn)更高精度、更高靈敏度、更高分辨率、更大量程的測量，高度依賴應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和推動。尤其現(xiàn)代的大科學(xué)裝置，高度依賴相關(guān)的高科技儀器及上游產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的支持。

• 科學(xué)研究經(jīng)費。一切科學(xué)研究活動是需要經(jīng)費投入的：科學(xué)研究人員的工資生活費、實驗室建設(shè)、圖書館建設(shè)運營、科學(xué)測量活動、會議論文出版等科學(xué)研究活動、學(xué)校研究機構(gòu)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運營等，都是要花錢的。而科學(xué)應(yīng)用是在社會生產(chǎn)、生活中獲得回報和產(chǎn)生經(jīng)濟收入的重要來源。如果認(rèn)為應(yīng)用不屬于科學(xué)，科學(xué)研究要花的錢難道能從天上掉下來嗎？

• 科學(xué)研究動力。人類好奇心的確是推動科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在動力之一，但不要幻想僅靠好奇心就能完全滿足科學(xué)發(fā)展的動力需求。社會應(yīng)用，包括常規(guī)的社會生產(chǎn)與生活，非常規(guī)的戰(zhàn)爭等，都是刺激科學(xué)發(fā)展的重要動力，甚至關(guān)鍵性的動力。動力不足，科學(xué)發(fā)展的速度就會很慢，甚至停下來。動力越強，科學(xué)發(fā)展的速度就越快。需要注意的是，很多學(xué)者往往是只抓住自己喜歡或關(guān)注較多的方面，認(rèn)為只有它才是科學(xué)發(fā)展的動力。例如有些學(xué)者認(rèn)為只有好奇心才是科學(xué)研究的動力，有些學(xué)者認(rèn)為只有社會生產(chǎn)生活的市場需求才是動力，有些學(xué)者認(rèn)為戰(zhàn)爭是引發(fā)科學(xué)革命的動力。我們需要理解到的是：這些觀點都不能算錯，但對于整個科學(xué)發(fā)展來說，并不是什么是動力、什么不是動力，而是動力越多越有動力。問題只是如何讓各種發(fā)展的動力更有效地驅(qū)動科學(xué)的進步。

• 科學(xué)研究對象。對科學(xué)的應(yīng)用本身也是科學(xué)研究最重要的對象，提供了科學(xué)研究最廣泛的課題需求。例如，中國現(xiàn)在每個五年計劃中的科研指南，主要是圍繞涉及國計民生的重大課題而展開的。雖然指南中也會包含一些目前階段來看算是“無用之學(xué)”，但它們肯定不會成為科研投入的主要方向，更不是某些學(xué)者認(rèn)為的只有無用之學(xué)、只有追求超脫于社會的純學(xué)術(shù)才算是科學(xué)。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》提出“基礎(chǔ)研究經(jīng)費投入占研發(fā)經(jīng)費投入比重提高到8%以上”，2021年這一比例僅為6.09%。基礎(chǔ)研究就是短期內(nèi)看不到直接應(yīng)用價值，但對長遠科技進步具有根本性支撐作用的研究，也就是所謂的“無用之學(xué)”。例如：

• 暗物質(zhì)、暗能量研究。

• 中微子探測。

• 宇宙線起源。

• 恒星演化與致密天體。

隨著我國經(jīng)濟總量的不斷提升，國家會逐步增加“無用之學(xué)”研究的占比，但相對來說，90%以上還是會投入在有實際應(yīng)用的項目，尤其是涉及國計民生的重大課題上。這個會是長久的比例關(guān)系。

2.以科學(xué)三個環(huán)節(jié)不同情況對科學(xué)進行的分類

在不同的研究領(lǐng)域，科學(xué)的三個環(huán)節(jié)體現(xiàn)可能會有所不同。根據(jù)三個環(huán)節(jié)體現(xiàn)的有無，可以把知識從純理論上分成8種類型，參見表2。

第1到第7類都可以是科學(xué)，但從中可看出科學(xué)是有級別的（請不要誤解，表2中的類別并不是直接對應(yīng)級別）。最高的級別顯然是第1類。每一門學(xué)科或相應(yīng)的知識屬于哪一類并不是絕對的，而是可變的。所有類別的知識都應(yīng)當(dāng)盡力向第1類的最高級科學(xué)類別演進。

因此，不能籠統(tǒng)地說什么是科學(xué)，我們必須深入到學(xué)科與知識內(nèi)部去精細地進行分類研究，才有可能對科學(xué)有精準(zhǔn)和全面的理解。

表2以科學(xué)三個環(huán)節(jié)不同情況對科學(xué)進行分類

類別

測量

數(shù)學(xué)

應(yīng)用

案例

1

1

1

1

機械、電子等

2

1

1

0

高能粒子物理

3

1

0

1

化工、農(nóng)業(yè)

4

1

0

0

部分天文

5

0

1

1

編組、分類、優(yōu)選

6

0

1

0

數(shù)學(xué)、西方經(jīng)濟學(xué)

7

0

0

1

手藝

8

0

0

0

空想、哲學(xué)、某些社會學(xué)科

表2中標(biāo)識為“1”的是完善地具備，標(biāo)識為“0”的是不具備，或不完全具備。以上的1、0并非絕對，尤其是從發(fā)展的眼光看，過去曾經(jīng)沒有的，以后可能會有。另外，現(xiàn)代的天文學(xué)，已經(jīng)不能說沒有數(shù)學(xué)支持，天體運行的規(guī)律已經(jīng)可以有相當(dāng)嚴(yán)格數(shù)學(xué)化的理論描述。

從以上8種知識類型的分類可看出，的確有幾種是屬于“無用之學(xué)”，包括第2、第4、第6類知識，但他們也屬于科學(xué)。如高能粒子物理，某些天文學(xué)知識，某些純數(shù)學(xué)等。尤其太陽系外的天體，除極少數(shù)像脈沖星的信號可以作為時鐘信號外，絕大部分很難看得出有什么實際應(yīng)用價值。所以，盡管無用，我們還是需要從科學(xué)完備性的角度去發(fā)展他們。這是科學(xué)本身的需要。另外，無用也是相對的，現(xiàn)在無用的，將來可能會有用。如果是描述現(xiàn)實社會且應(yīng)當(dāng)有用的知識，則必須具備有用性。

以上第8類一般不屬于科學(xué)。即使屬于前面7類也并不是所有知識都可稱為科學(xué)，例如其中淺藍色內(nèi)容可能不能被稱為科學(xué)。西方經(jīng)濟學(xué)為什么不能算科學(xué)，原因在于他只是追求數(shù)學(xué)化，但卻沒有將一切概念和理論全部建立在測量學(xué)之上。測量是科學(xué)的基礎(chǔ)，其含義是一切理論的概念定義必須是可測量意義上的定義，或一切概念都必須是可測量的，并且必須要通過測量數(shù)據(jù)去不斷地進行檢驗。這個測量基礎(chǔ)是絕對的天條，不允許有任何一部分理論脫離測量基礎(chǔ)的作用。但西方經(jīng)濟學(xué)居然允許經(jīng)濟理論可以不受實踐中測量數(shù)據(jù)嚴(yán)格、全面、系統(tǒng)、持續(xù)的檢驗。因此，從基本觀念上說它就不科學(xué)，它與中世紀(jì)經(jīng)院哲學(xué)類似，盡管其經(jīng)過了數(shù)學(xué)工具的精美包裝，而根本問題并不在于它的理論存在某些具體的缺陷。如果沒有測量基礎(chǔ)的前提，理論中的具體缺陷也無從談起。所以，西方經(jīng)濟學(xué)的問題是它的基本前提和核心基礎(chǔ)不科學(xué)甚至是反科學(xué)的。

測量是檢驗一切經(jīng)濟學(xué)理論的唯一終極標(biāo)準(zhǔn)，如果不接受這個基本的前提和絕對的天條，它就不可能是科學(xué)。如果在其基本觀念中公然地違反這一天條，它就是反科學(xué)，無論它使用的數(shù)學(xué)工具多么精美、論證多么嚴(yán)密和動人、發(fā)多少諾貝爾經(jīng)濟科學(xué)獎都是如此。經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域是這樣，其他一切認(rèn)識領(lǐng)域也全都是這樣。

三個環(huán)節(jié)中只要具備其一的，都可以發(fā)展成為科學(xué)。因此，傳統(tǒng)手藝也可以是科學(xué)。三個環(huán)節(jié)具備得越完善，當(dāng)然其科學(xué)性就越強，最好是三個都具備的第1類。所以，即使某個領(lǐng)域可以算科學(xué)，也不意味著他就可以停下來不發(fā)展了，尤其是需要在三個環(huán)節(jié)都盡可能地完備和完善。如果傳統(tǒng)手藝能系統(tǒng)地采用現(xiàn)代科學(xué)測量工具，建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，向第1類科學(xué)演進，它就會更加科學(xué)。