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[转载]对科学研究中实验可重复性的反思(闫坤如,李 光)

已有 843 次阅读 2021-1-27 10:46 |个人分类:科学书场|系统分类:观点评述|文章来源:转载

    来源:https://www.csust.edu.cn/mksxy/info/1077/5061.htm  

                                 对科学研究中实验可重复性的反思

                                                                  2018-11-29 


对科学研究中实验可重复性的反思

闫坤如,李 光

(华南理工大学 马克思主义学院,广州 广东 510640)

[摘要]在传统科学哲学观点中,科学实验的可重复性是知识可靠性、真实性的必要保证。现代科学从其理论前提、实验条件复杂性、默会知识、科研不端行为等方面对实验可重复性提出质疑,使可重复性面临危机。要想保证实验的可重复性,要完善各项管理制度,规约研究中科研人员、实验人员、科研机构、监管机构等各主体的责任及实验过程的标准化等方面齐抓共管,才能确保实验活动的正常顺利开展。

[关键词]科学实验;实验可重复性;可重复性危机;默会知识

2016年5月,河北科技大学韩春雨在国际知名刊物《自然》杂志的子刊《自然·生物技术》发表论文DNA-guided genome editing using the Natronobacteriumgregoryi Argonaute(《利用格氏嗜盐碱杆菌核酸内切酶实现DNA引导的基因组编辑》),韩春雨在论文中提到发明一种名为NgAgo的基因编辑技术,声称该技术可以对目标基因进行“编辑”,实现特定 DNA 片段的敲除、加入等操作。文章的发表引起了国内外学界的巨大反响,认为这是个重大科学发现,具有划时代的意义,韩春雨因此屡获殊荣。澳大利亚国立大学遗传学家盖坦·布尔焦(Gaetan Burgio)公开韩春雨论文的实验可重复性失败的细节,有关实验室及科学家要求韩春雨公布原始实验数据或“自证清白”,韩春雨本人则予以拒绝。2017年8月,该论文因未获得可重复的实验支持而撤稿,国内研究机构也启动相关学术评议。

韩春雨撤稿引起学界与公众热议,实验的可重复性问题也引发广泛关注。在传统科学视角中,实验的可重复性为知识的确定性及真实性提供可靠性保证,是实验的基本原则之一。仔细考察后可以发现,可重复性虽然是科学实验的基本原则,却不能将其视作必要条件。具有可重复性的结论不一定为真,不具备可重复性的知识未必为假。现实中,可重复性仍面临着一系列困难,其对实验的作用及意义仍值得讨论。

科学实验及其特征分析

为保证科学研究的可靠性,科学研究须具有可重复性,这样才能保证知识确定性。科学研究在不同主体、不同实验环境以及不同时空中都要满足可验证性要求,对于科学实验而言要遵循可重复性原则。科学研究中的实验指的是实验主体(实验者)在条件可控的状态下作用于实验客体的活动。柯林斯(H.M.Collins)认为实验是“人们通过复杂的仪器来观察科学现象” [1](P19),科学实验往往在“条件可控”下进行,这里“条件可控”是一种相对状态,指的是实验所处的条件在符合实验要求状态中。如,生物学培养微生物实验中,如果温度超过实验要求,就处在失控的状态,不能满足微生物科学实验要在可控条件下才能保证实验结果的需求。

科学实验作为一种认识自然的方法,它与知识产生方式紧密相关。知识生产方式一般分为哲学思辨式知识与工匠实践累积式知识。哲学思辨式的知识产生方式比较重理论而轻实践,通常由先验的理论进行演绎推理得到知识。如亚里士多德认为事物是由水、火、土、气四种物质组成,并由此得出冷、热、干、湿四种可组合转化的性质及月上世界与月下世界等解释世界的认识。哲学思辨式的知识并非来自于观察,而是经过思辨得来的。哲学思辨方式虽具有较强的理论性、系统性和解释性,但同样具有零散性、过于思辨和形而上的不足;工匠实践积累式知识与哲学思辨式知识不同,它不注重理论的推演,更注重在工程实践中的实践智慧的积累。工匠实践积累式知识是在改造世界的实践中形成的对自然界的认识,如长期存在于西方历史中的炼金术、占星术等知识不是诉诸于思辨式的理论,而是诉诸于经验的积累与归纳。工匠实践积累式知识具有功利性与实用性,一般都是因为现实生活和社会需求导致知识的增长。这种知识因为没有追溯事物内部的规律,具有随机性和偶然性的特征。如炼金术在炼制“黄金”时,也偶然发现众多物质的属性,是近代化学的积累知识。但这种归纳只能建立在对自然事物“简单”、感性的观察之上。从匮乏的材料、缺乏理性分析中得来的知识在数量上难以增长,在可靠性上也难以保证。

实验是基于两种传统知识产生方式的结合下的新的知识产生方式,标志着古代的经验性知识增长向近代实验性知识产生的转变。在《新工具》中,F·培根(Francis Bacon)主张采用实验调查的方法,相信实验与理论之间能有更密切和更纯粹地结合,并提出使用归纳的方法将实验与理论结合起来。在古代希腊时期也存在简单的实验方法,实验以重复自然过程的形式来验证形而上的理论。近代实验与古希腊实验显著的区别不仅仅限于感官的观察,而涉及到客体的介入,正如H·赖欣巴哈(Hans Reichenbach)所说,“采用有计划实验的人工事件之后,自然中的复合事件就可以被分解为各个构成部分。这就是为什么实验成为现代科学的工具的道理”[2]

实验性知识生产方式促进了知识的增长。如在化学领域的波义耳,反对片面崇尚理论的风气,提倡实验的方法,重视实验操作。“他(波义耳)之所以被视作近代化学奠基者,其中重要的原因是他把严密的实验方法引入化学中。”[3]波义耳通过实验方法得到很多重大科学发现。例如,波义耳通过空气压力实验提出气体的体积与压力成反比的气体定律,波义耳通过燃烧实验提出火焰不能没有空气等观点。在物理学领域,牛顿通过“光的色散”否证了传统物理学家认为的“光是白色”的观点,牛顿通过实验表明白光是由不可分解的有色光线组成的,并且“光的色散”实验有力的支持了光的微粒说,否证了光是由光波构成的观点。实验是科学知识的重要来源。科学知识产生的途径可以分为观察、实验两种方式。即使是观察也要依靠复杂的实验仪器。实验在科学研究中发挥着重要作用。

实验在科学研究中具有重组、模拟、纯化、强化自然的作用。实验重组是对实验要素的重新分化组合,以探究其内的因果关系或产生新的物质,例如现在广泛使用的复合材料就是对自然元素进行重组后产生出来的。实验模拟指的是人为模拟自然环境,使得实验环境具有非人为干预下难以出现的属性,在这种环境下进行探寻科学规律的研究,例如在核聚变实验中,模拟的对象为恒星核聚变的环境,并且核聚变反应要在极高温、高压的环境中才能实现,这种实验条件在自然环境中无法再现,只有在实验条件下模拟自然环境才能研究核聚变。实验强化是指在时间、强度等方面极化某种实验要素,以观察实验对象的性能及规律,例如物理中某种复合材料的承重实验,需要测试该材料在不同压力下的状态,直至材料断裂或难以承受,最终确定该材料合理的承重值及极限值。纯化作用是指突出某一因素,排除其他因素以便于观察的作用,典型的纯化如细胞研究中筛选目标研究细胞的过程,将影响或干扰目标细胞的其他物质成分祛除,为研究的进行创造良好的观察环境。

虽然实验在科学研究中有重要作用,但因为实验仪器的限制、理论对观察的渗透、实验条件的不易控制等原因,实验结果的客观性和确定性很难保证。为了保证实验结果的确定性就要求实验具有可重复性的要求,通过实验的重复操作确认实验现象具有可靠性,排除其中的偶然因素。

对实验可重复性分析

实验的可重复性指的是对于一个实验在相同的实验条件下,不同的时间、地点、实验人员能够得出相同的实验结果,以确证实验得出的结论,为知识提供可靠的实验基础。实验可重复性要求在不同的实验室,不同操作人员的条件下得到相同结果。虽然实验地点、人员不同,但要在相同的实验条件下。相同的条件即指同一标准下的仪器、同样的实验材料以及经过同样的实验程序,在同样的实验条件下得到相似或相同的实验结果。

实验的可重复性基于自然界的规律性。自然界的呈现形式是纷繁复杂的,但是背后是有规律的,科学就在于揭示和把握自然界的规律。无论是古希腊时期毕达哥拉斯的数论,或是中世纪以上帝存在为前提而发现自然规律的自然哲学家们,都是在这种观念的指引下寻找自然规律。规律是隐藏在自然界背后的确定性,实验可重复保证了自然界的规律性。自然界的规律和实验可重复性之间密切联系,例如波普尔(Karl Popper)认为,“只有当某些事件根据规则或规律重现时,如可重复实验的情况,我们的观察结果才可以原则上由任何人进行检验,只有通过这样的重复,我们才可以确信面对的不是一个孤立的‘巧合’,由于其具有规律性和可重复性属性,其事件原则上可进行主观验证”[4]。哈贝马斯(Jürgen Habermas)提出实验在寻找自然界规律中的作用,“任何单个的实验,保证我们能获得一种普遍的关系”,“特殊的事情同时也是一种普遍现象,因为这种普遍现象能够保证一切未来所进行的操作活动,一定能够得到‘同样的’效果;这些操作活动在十分相同的条件下重复着最初的实验”[5]。在普遍规律下,实验可重复或具有可重复性,被视为一种自明的原则。规律并不是先验存在的,它也是通过人类的归纳总结出来的,规律的确定性往往以科学假说的形式存在。对具体到实验的可重复性而言,即在相同实验条件下,能够得到相同实验结果。

实验可重复性为科学知识的可靠性提供条件。可重复性是归纳逻辑在实验中的应用。在单一的实验中,条件A得到结果B。但是,这不能排除偶然性因素发生作用的可能性。如果大量实验条件A得出结果B,条件A也不必然得到结果B。归纳逻辑面临偶然性困境 “归纳推理不具有必然性,只具有或然性(概然性)” [6]。这意味着,实验的可重复性无法保证实验事实的真,它能够提供的是该实验所包含的关系有条件A得到结果B的关系很大概率上是真的,它为实验向科学知识的转化提供“可靠性”保证。这种偶然性的“可靠性”是可错的,不必然为真。不是每一项实验都需要可重复性的保证,也不是得到可重复性保证的实验一定为真。根据归纳逻辑,一项实验重复多次以至无限,仍不能保证下一次实验结果相同。从这一点来看,可重复性不是必须的。但是随着实验次数的增多,实验的可重复增加了实验为真、知识为真的可能性。

实验的可重复性具有科学知识祛地方化作用。实验的可重复性是地方性知识向普遍性知识转变的必要过程。普遍主义科学观认为科学知识经历了祛情景化的过程,然后才走向普遍知识的。但是地方性的科学观认为知识所经历的祛情景化并不是真正的祛情景化,这里的祛情景化实际上是地方性知识标准化的过程。科学知识的标准化过程是“祛地方性”的。它是把地方性扩展到其他地方,是一种地方性知识征服另一种地方性知识的结果。“科学知识的地方性并不就是与普适性相对立,科学知识的普适性也并非等同于统一性。” [7]实验的可重复性即是祛除地方性,实现知识的普遍性的重要工具。实验只在特定环境,由特定的实验人员才能完成,不具备可重复性。通过这样的实验得到的科学知识必然具有较强的地方性。追求普遍性是知识的内在倾向,实验的可重复性则是达到普遍性知识的重要手段。

虽然实验的可重复性能够为知识提供可靠性保证,也能实现知识的祛地方化,随着科学研究的专门化程度的提高以及科学规律隐蔽性的增强,实验的可重复性原则面临着困难。

实验可重复性危机

实验的可重复性面临着困难。实验的可重复性表现为实验在条件A下出现实验结果B。可重复性面临的困难集中在实验条件A上,导致条件A变异为A1、A2、A3……等。前提条件的复杂性导致实验结果的偶然性和不确定性,从而出现B1、B2、B3……等。在直观上,这将展现为实验不具有可重复性。实验的可重复性危机主要是因为主体因素的影响以及实验过程中实验仪器干扰、实验环境复杂程度提高等客观原因,使得科学实验面临可重复性危机。

(一)实验主体因素导致的实验不可重复性

首先,理论对观察的渗透。不同的实验人员具有不同的理论背景,对相同的实验现象可能做出不同的观察判断,在重复实验中,不同的理论判断将会导致完全不同的实验结果。

其次,默会知识对可重复实验的影响。默会知识指的是实验人员,尤其是高级实验者经过大量实践后所获得的,难以被语言文字所表述的经验与技巧。默会知识也被称作默会技能。这种知识产生的前提是实验者大量的实践或与个人有关的理论学习或实践经历。实验中,默会知识对实验的成功具有重要影响。例如在实验中的仪器操作,实验人员经过多次操作之后能够掌握一定的经验与技巧以帮助实验成功,这种经验与技巧对实验的成功至关重要。但默会知识难以复制,其他实验人员难以短时内具备成功重复实验所需的经验技巧。如上例中操作仪器的技巧,需要进行重复实验的人员尝试多次后获得相应的默会知识,才会有助于重复实验的成功。此外,在默会知识的基础之上,柯林斯提出了“实验者回归”的观点,指出这也会影响实验的重复[1](P67-94)。该观点是指用引力波探测的例证说明实验仪器与实验结果之间的循环论证问题,并指出可重复验证的过程中需要解决七种困难,这七种困难不能通过客观方法进行解决,最终需要求助于共同体的约定,以共同体的约定作为判断标准。

再次,科研不端行为对实验可重复性的影响。实验人员受经济利益或者其他功利性因素的影响,为了实验得到预期的实验结果,实验人员采取编造、捏造、篡改、筛选实验数据等不端行为。通过这种不端行为得到的实验结果自身就具有虚假性,根据虚假的实验成果进行重复也必定不会成功。例如,在日本小保方晴子科研不端事件中,正是小保方晴子篡改实验数据,导致其得到了虚假的实验成功的结果。在后期调查过程中,该实验并未能够成功重复做出。这种情况下,实验的可重复性无法得到保障。

(二)实验的客观条件导致实验不可重复性

实验条件复杂性导致实验不可重复性。科学研究不断向复杂化、系统化方向演进,科学实验中涉及的实验材料、仪器设备、实验程序、实验室环境等因素难以为科研人员全面把握。在科学实验中,任何细微的不同,都会导致结果的巨大差异,甚至是完全相反的实验结果。实验条件的复杂性是重复实验必须面对的问题。这种条件的差异在生物学领域内更为明显。此次韩春雨事件中,韩春雨指出其他实验室不能重复其实验的可能原因在试剂、操作步骤、实验设备等各种客观条件,其他实验室一时难以检验,这也说明实验条件的复杂性是影响实验可重复性的重要方面。

实验的可重复性难以得到其他实验室支持。从操作实验的成本角度看,科学实验需要投入大量人力、物力、财力,重复出他人成果对研究者个人或所属实验室并无意义。可以看到,重复他人实验多发生在具有学术争议、重要学术进展或验证科研不端行为等情况中。例如,此次对韩春雨实验的重复性检验,该实验宣称有重大技术进展,关注该领域的国内外实验室第一时间尝试重复该实验。在现实状况中,仅有小部分实验结果吸引学界的关注,并进行重复性检验,剩余的大部分实验被有意无意地忽略。这导致了两种可能后果,其一为科研人员对科研不端行为的侥幸心理,污染了学术环境。其二导致了对科学知识可靠性的质疑,对大量实验结果没有被可重复性验证的科学知识,它们的可靠性至少存在着为假的可能性。

对实验可重复性危机的化解

可重复性面临的危机,对科学知识的可靠性造成冲击。应该多渠道、多主体齐抓共管,从理论、伦理、实践层面采取措施使来源于实验的科学知识获得确定的可靠性。

(一)完善各项科研管理制度

科研管理机构要注意对所属科研人员的科研伦理教育,加强预防。加强实验室、实验过程的规章制度、程序规范等规制建设,使科研行为和科学实验在规范和制度规约内顺利开展。科研管理以及查处科研不端的制度包括举报制度、评估质询制度、调查制度、申诉制度、监管制度、行政裁决制度以及惩处制度等。举报制度指的是个人或机构向监管部门或社会公众检举揭发科研不端行为的制度。评估质询制度指的是接到举报后交由独立机构确定是否有不端行为并根据质询结果决定是否进行调查的制度,在评估质询过程中确保调查的准确性、公平性及保密性,保护举报人及被举报人利益。调查制度指的是监管机构根据调查程序,由调查人员对具有不端嫌疑的个人或团体进行事实性调查的制度。申诉制度指的是被调查研究者不认可调查结论,向调查机构或其他专门申诉机构申诉维护自身权益的制度,从而减少调查结论错误可能性,维护被调查者权益。最后根据不端情节的严重程度由行政机关对争议调查结论进行裁决。科研管理机构通过制定各种科研管理制度,规范实验过程,加强对实验人员的管理,及时公布实验操作程序及数据,降低实验过程中的科学不端行为发生的可能性。

(二)明确科研活动中各主体的伦理责任

在科研过程中,有研究主体、实验主体、合作单位主体、科研机构、调查机构主体以及监管主体等。要明确各主体的责任,约束各主体的行为。对于研究主体,在研究过程中应该做到不捏造、篡改、筛选数据;不剽窃、抄袭他人研究成果;未经他人许可,不使用他人署名或将成果转让他人;遵守论文写作规范;保证原始数据透明公开等。科研人员在实验中要更多的了解、应用科研规范相关规定与知识,在科研过程中树立规范意识,有意识地预防不端行为的发生;科研机构主要对科研人员科研行为加强监管,加强对科研人员的伦理教育,发现科研人员不端行为后及时制止并上报查处;保护举报者权益不受侵害,配合调查机构对不端行为的调查;对确证的不端行为及时惩处;调查机构主体确保调查的独立性、专业性及公正性,遵循程序正义,严格依照规定的调查程序,全面、准确认定事实等;监督主体应该健全预防科研不端发生机制,对科研不端行为及时、公正采取措施,接受社会舆论监督,保护举报人或机构权益等责任。只有明确科研过程中各主体的责任才能确保科研活动的正常顺利开展。

(三)促进实验过程的标准化建设

实验过程的标准化不仅包含对客观过程的标准化,如复杂仪器、实验材料、实验程序,也包括对个体实验人员所具有的默会知识的标准化。从客观方面看,在实验的过程中,使用具有普遍标准的、普及程度较高的仪器进行实验。仪器的操作标准也参照具有普遍性的操作程序。实验材料的状态直接关乎实验的进程与结果,对实验材料要按照标准程序,按照标准的程序进行科学实验,禁止操作过程中进行简化、颠倒等操作。在主观方面,需要承认默会知识的存在,但是过分强调默会知识的相对经验主义观点不利于知识的增长与进步。实验中,可以通过交流、学习等方式将默会知识转化为标准化的知识,尽可能减少默会知识在重复实验过程中的影响。

实验的可重复性是由实验所得知识的可靠性保证。它虽然面临着主观上、客观上的困难,但为了保证实验结果的客观性,在科学研究中应该满足实验可重复性的要求,通过对实验人员和实验过程的规约以及提高科研人员的职业道德和责任意识,通过科研人员的他律和自律规范科学实验的发展,发挥科学实验在科学研究中的作用。

[参考文献]

[1][英]哈里·柯林斯.改变秩序——科学实践中的复制与归纳[M].成素梅,张帆,译. 上海:上海科技教育出版社, 2007.

[2][德]赖欣巴哈.科学哲学的兴起[M].伯尼,译.北京:商务印书馆,2004:80.

[3][英]柏廷顿.化学简史[M].胡作玄,译.北京:中国人民大学出版社,2010:55

[4]Popper K R. The Logic of Scientific Discovery[M]. New York : Routledge, 2002: 23.

[5][德]哈贝马斯.认识与兴趣[M].郭官义,李黎,译.上海:学林出版社,1999:122-123.

[6]陈晓平.评波普尔对归纳问题的取消[J].自然辩证法研究,2003(2):24-27,53.

[7]杨文定,蒙本曼.明证下隐喻的科学知识地方性——以《自然科学的哲学》为例[J].长沙理工大学学报(社会科学版),2014(4):28-34.

Reflection on the Repeatability of Experiment in Scientific Research

YAN Kun-ruLI Guang

(School of MarxismSouth China University of TechnologyGuangzhouGuangdong 510640, China)

Abstract: In the traditional view of philosophy of science, the repeatability of scientific experiments is the necessary guarantee of the reliability and authenticity of knowledge. Modern science has questioned the repeatability of experiment from its theoretical premise, the complexity of experimental conditions, tacit knowledge and misconduct in scientific research, so that repeatability can be faced with crisis. In order to ensure the repeatability of experiments, and the smooth development of experimental activities, the management system should be improved, the responsibilities of all main parts, like scientific research personnel, laboratory personnel, scientific research institutions and regulatory bodies and so on, should be identified, and experimental process should be standardized.

Key words: scientific experiment; experiment repeatability; repeatability crisis; tacit knowledge

[中图分类号]N03

[文献标志码]A

[文章编号]1672-934X(2018)06-0001-06

DOI:10.16573/j.cnki.1672-934x.2018.06.001

收稿日期2018-09-14

基金项目国家课题“现代技术风险的认识论问题研究”(18BZX047);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(ZDPY10)

作者简介闫坤如(1977-),女,河北保定人,教授,哲学博士,博士生导师,主要从事科学技术哲学研究;李 光(1989-),男,山东菏泽人,硕士研究生,研究方向为科学技术哲学。

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