本文作者：张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989－1992美国宾西法尼亚大学博士后。回复关键词【张双南】给科学人可阅读张双南老师专栏文章。
关于科学研究的一个故事
几年前，时任俄罗斯总理的普京，听取了一个俄罗斯与德国联合研究的项目报告。这项研究的目的，是研制一个以暗能量为主要研究目标的空间天文卫星。报告结束后，普京提出了两个问题：“暗能量有用吗？暗能量危险吗？”当时一个科学家是这么回答的：“我不知道。但是100年前如果你问爱因斯坦相对论是有用还是危险，爱因斯坦也一定回答不知道。但是今天我们知道相对论既有用也危险。”核能、诊断和治疗癌症的加速器、GPS等等都离不开相对论的应用，同样核武器也是相对论的应用。
暗能量的研究和相对论的研究一样，很显然都是科学研究。上面这个故事本质上是关于“什么是科学?”这个问题。这个问题看似简单，但在中国的教育体系里面基本上没有涉及过，因此很多人不能回答。回答问题需要明确科学的三个要素，也就是科学的目的、精神和方法，这就是本文的主题。
科学的三要素：目的、精神和方法
科学的三个要素：
| 要素 | 内容 |
| 1.科学的目的 | 发现各种规律 |
| 2.科学的精神 | 质疑、独立、唯一 |
| 3.科学的方法 | 逻辑化、定量化和实证化 |
要素一
科学的目的
科学的第一个要素就是科学的目的。事实上，如果我们问科学的目的是什么，很多人都会回答：科学的目的是造福于人类。这个回答并不完全正确，或者可以说完全不正确。科学的确可以造福于人类，事实上很多科学研究的成果都已经被用来造福于人类，人类的生活品质和水平也由于科学成果的应用而不断得到快速的提升，今天很多科学研究项目的直接目的就是造福于人类。但是科学的目的本身并不是造福于人类，是人类出于各种目的在很多情况下利用了科学成果造福了人类。科学成果同样可以给人类造成灾难，这样的例子同样也是不胜枚举。 科学的目的就是刨根问底，也就是发现各种规律，比如通过天文学的研究所发现的自然规律奠基了经典力学和量子力学两大基础物理学科，但是如何应用这些规律则并不是科学本身的目的。因此科学家在研究科学的时候只关心这些规律本身，并不需要关心它是否有用、是否危险，当然这并不排斥科学家选择开展自己认为是否有用、是否危险的科学研究工作。
需要进一步说明的是，科学研究所发现的规律并不限于自然科学研究的自然规律，也包括其它各种规律，比如社会科学所研究的各种规律。自然科学和社会科学所研究的对象不同，所发现的规律当然也不同，但是它们的目的都是揭示“规律”，而且它们也都符合科学的另外两个要素。但是，并不是所有揭示规律的学术研究都是科学研究，因为很多学术研究都不完全符合科学的另外两个要素。
要素二
科学的精神
科学的第二个要素是科学的精神，包括三个内容：质疑、独立、唯一。
“质疑”其实是最基本的科学精神，也就是对于以前的结果、结论、甚至广泛得到证实和接受的理论体系都需要以怀疑的眼光进行审视。但是“质疑”并不完全等同于“怀疑”，更不是全面否定。“质疑”实际上是评判地学习和批评地接受，其目的是揭示以前工作的漏洞、缺陷、不完善、没有经过检验、或者不能完全适用的地方。比如爱因斯坦对牛顿力学和牛顿引力理论的质疑的结果是发现了牛顿力学和牛顿引力理论只有在低速（相当于光速）和弱引力场（空间扭曲可以忽略）的情况下才是正确的，否则就需要使用狭义相对论和广义相对论。
“独立”有两层含义，一方面指的是科学研究所发现的规律“独立”于研究者以及研究手段和研究方法，另外一方面指的是科学研究者必须具有独立的思想，科学研究工作也是独立进行的，只有独立做出的科学研究成果才有科学价值，当然这并不排斥学术交流和学术合作，因为交流与合作往往是激发研究者个人的创造力的有力途径，创造力是最终产生高度原创性的独立研究成果的根本原因。
“唯一”指的是科学规律的唯一性，勿用过多的解释。在这里仅仅引用彭桓武先生在2005年4月15日在“世界物理学纪念大会”上的讲话：物质世界虽然千变万化，但却十分真诚，“在同样条件下必然出现同样现象”。由于科学的目的就是揭示科学规律，离开了“唯一”的科学精神，也就无所谓”刨根问底”,科学的目地也就不再存在，当然科学研究也就无法进行，因为科学研究方法基本上就是通过天文学的研究围绕着科学规律的唯一性发展出来的。
要素三
科学的方法
科学的方法也就是科学研究方法，也包括三个内容：逻辑化、定量化和实证化。
科学研究显然起源于哲学，而哲学研究所建立的逻辑化正是科学方法的一个关键内容。在使用哲学的逻辑化开展科学研究的过程中，定量化是必不可少的。没有定量化，就无法通过归纳建立模型，也无法对模型进行演绎来做出预言，并被进一步的观测或者实验检验。数学的研究所建立的各种计算方法和工具使得科学研究和现在一般意义上的哲学研究开始分道扬镳。而科学研究的定量化又使得科学研究的成果能够得到实际应用，这是科学和哲学彻底分离的最显著标志。
实证化则是最需要被强调的科学研究方法。从天文学的发展都可以看到，每一次重要的进展都是当旧的模型的预言和新的观测结果矛盾、或者旧的模型完全没有预言的观测结果无法在用旧的模型进行解释。旧的模型可以被新的观测或者实验所推翻或者修改，但是这些旧的模型都是科学理论，是追求“唯一”正确的科学理论的历程中所必须经过的阶段。例如，爱因斯坦在建立了广义相对论理论之后，他不但解释了水星近日点的反常进动，而且还预言了光线的引力偏折将是区分广义相对论和牛顿引力理论的关键。正是光线的引力偏折观测结果确立了广义相对论理论的正确性。
科学和其他学术研究
关于科学和其它学术研究的关系，讨论较多的问题可能就是哲学是不是科学、数学是不是科学，以及博物学是不是科学？
如前所述，现代科学的确起源于哲学，哲学的逻辑化是科学研究方法的重要内容，而数学则是科学的定量化的方法的基础，而博物学则对有些科学研究提供了实证的基础。但是我们现在一般意义上的哲学研究不但缺乏定量化，而且哲学理论的实证化也几无可能。实际上，我们很难说哲学研究的目的是揭示什么唯一的规律，所以哲学的目的和精神也和我们讨论的现代科学有很大的差异。因此，既然哲学的目的、精神和研究方法都和现代科学有很大的不同，严格地说，哲学并不是科学。
数学和科学的划分则是困难得多。其实国外在正式的场所把我们国内称为的“理科”写为“科学和数学”，也就是把科学和数学并列，说明数学不能被简单地为科学的一个分支。也许数学和科学的唯一区别就是实证化。数学是定量化的逻辑推理，只要推理过程没有错误，就是正确的数学理论，原则上并不需要通过观测或者实验进行检验。所以实证化和我们前面强调的证伪问题对于数学研究并不是最重要的，尽管科学研究的证伪几乎总是需要进行数学计算的。因此严格地讲，数学不是科学，但是和科学关系非常密切。
尽管哲学、数学在严格意义上都不是科学，但是哲学和数学也都是严肃的学术研究，而且显然是非常重要的学术研究，并不能说科学比哲学或者数学重要，它们之间没有高低贵贱之分。
最后简要地讨论一下博物学。著名的科学哲学家吴国盛教授最近其专著《什么是科学》里面提出，应该把博物学也纳入科学谱系。由于中国古代的博物学相当发达，从这个意义上讲，吴国盛教授认为中国古代有科学。那么博物学是不是科学？达尔文的进化论很显然来自于以达尔文为代表的西方博物学的研究，但是西方博物学研究整体上完全满足科学的三个要素并且最终导致达尔文发现了进化论这个科学规律，因此以达尔文的博物学为代表的西方博物学是科学。然而中国古代的博物学研究仅限于观察、记录、整理和分类，并没有揭示这些现象背后的规律，当然也无从进行实证，所以中国古代的博物学虽然很发达，但是也只能说是在往科学研究的方向上走了一步，最终并没有发展成为科学。这个情况颇为类似中国古代的天文学的情况，尽管做了很多观测、记录、整理和分类的工作，最终也没有发展成为科学。
因此学术研究不一定都是科学研究，也并不是所有的学术研究最终都会导致发现科学规律。只有满足科学的三个要素的研究才是科学研究。
中国传统文化和科学
中国古代并不缺乏思想家，也不缺乏对整个宇宙的思考。但是中国传统文化强调的是人和自然、人和宇宙的关系，强调天人合一，中国的传统思想家满足于形成一套可以自恰的思想体系，中国古代的学术研究并不重视探索统治自然和宇宙的基本规律。既然不寻找基本规律，实用主义就主导了中国社会的发展。
中国古代的农学、药学、天文学、数学、博物学等都曾经世界领先，但是强调的都是实用性，都是在总结经验的基础上产生一些实用的知识，而没有对这些知识做出进一步的理性和系统的整理和抽象概括，探索内在规律成为系统的科学理论。中国古代的造纸术、指南针、火药和活字印刷术非常伟大，但是它们都不是科学发现，而只是技术发明。我们的祖先没有刨根问底地去研究这些技术背后的规律，因此不但没有发展成为化学、电磁学、地球物理、自动化等科学学科，当时先进的技术也逐渐被西方超越。
因此，中国古代没有产生科学理论的一个重要原因在于中国传统文化导致的实用性。但是实用性眼光不够远大，设定的发展空间极小，一旦现实不提出直接的要求，它就没有了发展的动力。但是科学研究本质上不以实用为目的，为追求规律而追求规律，不受到发展空间的局限，形成了一次又一次的科学革命，而科学革命最终（可能是几十年甚至上百年之后）带来了一次又一次的技术革命。
中国社会的科学现实与未来
试问，中国社会上有多少人能够回答出“科学的目的、精神、方法”的哪怕一条或者一条的其中一个内容？很显然，目前的中国社会科学素养仍然极度缺乏。但是同时，我们又把所有好的或者有道理的东西都说成是“科学的”，所有不好的或者没有道理的东西都说成是“不科学的”，这其实又是实用主义的体现，导致“科学”这两个字在中国已经基本上失去了其本来的意义。
事实上，我们大多数人无论在学校还是在社会上接受的所谓“科学”教育（包括科普宣传），实际上就是教我们科学知识，也就是告诉已有的科学规律是什么、如何使用这些规律以及科学有什么用，但是几乎从来不教科学的三要素：科学的目的、精神和方法。因此我们只学到了科学知识，而不知道科学是什么。这很显然是中国社会科学素养底下的主要原因！（编辑、排版：Sol_阳阳）
参考文献：本文主要内容摘自《天文学与现代自然科学》（张双南，中国国家天文，2012年9月，14-55），有关内容略有修改删节。
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