上海科学传播训练营回顾(1)科学问题的复杂性

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活动简介

科学,所指并不仅仅是科学知识,至少还包括获取科学知识的过程:严谨的观察、 构建假设、设计实验验证假设、重复实验结果、修正假设、继续实验环节循环往复、提出新的理论,那么,无论是从事科学写作还是科学报道,你都必须对此有基本的了解,并掌握应对的方法。

嘉宾:Sheldon,科学松鼠会会员,理论物理博士;李虎军,资深科技记者

主持人:小蓟,南方人物周刊记者、科学松鼠会会员

活动日期:2013年11月3日

地点:同济大学中法中心二层

科学的复杂性和个人的局限性

本章内容整理自Sheldon的演讲《科学的复杂性和个人的局限性》

科学,被任意打扮的“小姑娘”

我们在理想当中一说起科学就是一些非常伟大的科学家,比如说达尔文,爱因斯坦,比如说居里夫人,那么现实中科学是什么样子呢?现实当中科学可能是一个任人打扮的小姑娘,也可能是一个争相依傍的大款,所以科学的理想和现实是有差距的,我们就来讨论一下我们在现实中的科学需要怎样去正确的认识它?

我的观点是,判断一个东西是好还是坏,首先要有一个科学的观点。科学的观点是来源于科学事实的,对于同样的事实,不同的人会得出相反的观点,当然在相反的观点当中肯定会有对有错的,面对复杂的科学事实,只有经过长期的科学训练、专业训练,掌握并运用科学方法的人才可能得出最可靠的观点,如果没有经过专业训练,介绍科学研究时,建议引用科学界主流观点的原文,不建议向读者介绍非主流观点,不建议自己做判断,不建议转述科学界主流观点。强调,不建议不引用原文,而是按照自己的理解用另外一种方式转述。因为科学的措词是非常严谨的,修改的话可能会产生别的意思,不建议在主流观点的基础上进行过度演绎,就是科学家说什么就是什么,不建议你推断科学家文字后面暗示着还有什么东西,因为这些东西都是需要经过专业训练的人才能做到的。

科学有多复杂?

我们来看一下什么是科学?什么是科学这个话题太抽象了,我们先来讲一个最简单的话题,什么是科学命题。比如说如果明天降水超过10毫米,那么车祸发生率将增加10%,这是一个科学命题。什么是不科学命题,青年老皇历说,明天不宜出行,这个就是不科学的命题。我们可以看到科学命题和不科学命题之间的区别,我们最常见的科学命题它的形式总是这样的,如果一个条件,那么一个结论。非科学命题首先不满足这样的条件,或者说即使它满足这样的形式的话,它得到的一个结论也是我们没有办法检验的,明日不宜出行,什么叫不宜出行,它没有说清楚,明天无论发生什么事情,你总可以找到一件事情来验证它说,你看,我说你明天不宜出行吧。所以这样的科学是非科学命题。

常见的科学命题形式就是如果A,那么B。但是如果A和B是一个公式的话,大家可能不会有异议,但是如果A和B表示的是用汉字或者用常见的语言写出来的话,那么在每个人脑袋里的反应是不一样的,比如说大家看到能量这个词就觉得这个词非常简单,大家都能理解,但是你们脑中的能量和理论物理学脑中的能量的定义是不一样的。所以同样一句话,在不同人的脑中是有不同的反应的,同样一个命题在不同的学科当中,它的命题表现形式也不一样,这就是科学复杂性的所在。

科学有多复杂?如果我们要报考大学的时候,你会看到有很多学科,比如说数学上面分一堆数学的分支,物理学又分一堆物理学的分支,这些科学为什么会有这么多分支,这些学科和学科之间又有什么关系?我们用生活大爆炸中的Sheldon的观点来看一下,这张图我是贴在微博上的,见下图。

无标题

为什么生活大爆炸中的Sheldon会看不起其他的科学家?我们来看这张图当中有很多学科,Sheldon在最上面的位置,Leonard是研究激光的,他大概在电磁学这样的位置,他们的好基友Raj,现在天体物理学就非常低的,连一个博士学位都没有的Howard,就去搞工程的,另外两个姑娘在什么位置呢?两个姑娘他们在生物学和医学之间,所以他们的位置非常低,最可怜的就是Penny了,因为她就不在这张图中,她研究的东西不科学。

这张图是什么意思?这张图是我从一个宇宙学家论文里面得到的,这个宇宙学家是研究多重宇宙的,他这个图要说明的什么问题?科学的体系就是所有的学科之间都是有联系的,并不是孤立的说。图的作者认为联系是从上一层学科的定律出发,原则上可以推导出下一层学科,比如说最上面有个问号,下面有两个箭头,一个是h→0,就变成广义相对论,一个是G→0,趋向于广义相对论,他的意思是什么?就是我们Sheldon研究的东西叫做大统一理论,就是我们有一个未知的理论,认为这一个理论是解释宇宙当中所有现象的基础。这个理论当中,不考虑量子效应的话,比如说h→0,那么就会变成一个纯的引力理论,就是广义相对论,如果你不考虑引力效应,就是G→0,那就趋向于量子场论,它的形式是可以变化这样子的,其它所有的箭头都表示这个意思,如果你从一个学科出发,把一个很复杂的现象放在里面,如果你有一个强大的计算机能够把它解出来的话,原则上你就可以把下一级的学科的定律给推导出来,这个是这个科学家的观点。越往下公式就越少,越往下文字的成分就越多,所以我们可以仔细想一下,我们平时在网上看到传播率很广的谣言都集中在右下角,因为造谣和传谣的人看不懂数学公式,他没有办法传播上面的谣言。

这些不同学科之间表现什么样的意思?这些学科都是统一的学科,它是一个体系,你不可能说我有一个体系是东方的科学体系,或者是我有一个体系是中国的科学体系,中国的医学,中国的物理学,中国的化学,这是不可能的,因为所有的科学都在一个体系中。对于这些体系不同科学家有不同的观点,第一种观点叫做还原论,还原论是什么意思?比如说我们要研究一个大的东西,就使劲往小里切,比如说我要研究一个生物现象,我就问为什么会有这样的现象?然后你的回答很有可能是一个生物化学的定律,就是生物化学当中,比如说细胞膜蛋白质它有这样一个规律,那么好,我的问题解决了。但是我又可以问,为什么生物化学中有这个规律?你就可以解释,这个蛋白质是用氨基酸组成的,这个氨基酸它的化学性质是什么样的? 最后,你就会用化学的定律来解释生物化学定律。如果我再问你为什么这个化学定律是这样的?那你就必须把量子力学搬出来,告诉我们为什么量子力学里面的核外电子排布,再加上里面核内的中子和质子的排布,最后导致化学元素会有这样的现象,最后为什么导致化学元素之间会形成了分子,会有这样的规律。当我问你为什么量子物理学是这样的,你就会用一个新的理论来解释。最后所有的理论都好像有一堆箭头出发,一直指向一直指向,指向一个中心理论,这样思维叫做还原论思维。

另外一种思维跟它是有一点冲突的,叫做层展论,它的英文是emergence,意思是说你在研究一个很微观的学科,你在研究一个很基本物理学现象的时候,你的研究层次和生物学研究层次是不一样的,有很多规律是只有在一定层次上才能体现的。打一个比方,比如说物理学定律,我们知道物理学定律当中有牛顿力学,或者有各种各样的热力学、量子力学,但是你从这些里面能够推导出进化论吗?你没有办法推导出来进化论,因为进化论是只有在形成生物以后,在生物和生物之间,在物种和物种之间这样的大环境中,在这种层次上才能体现出来这个理论,所以这就叫做层展论,它的意思是说虽然你可以把一个大的学科,就是像生物学、医学这样,相对于比较接近于生活的学科,还原成一个原始的学科,但并不是所有学科的内容都可以还原,而是说有很多东西是只有这个学科当中特有的问题。所以这是另外一种观点。

最后一种观点叫做模态实在论的观点,模态实在论的观点是什么样子?我给大家打一个比方,霍金在《大设计》这本书介绍,说:”我们每一个人都可以总结出来物理规律。”比如说我们扔一个球,这个球直线下落,我们可以总结出来一个匀加速直线运动的规律,但是如果一个金鱼在鱼缸当中,它看到这个球下落的轨迹是曲线下落的轨迹,那么它会在鱼缸当中总结出另外一套物理规律的表示形式,这个表现形式非常复杂,不是直线形的,但是你能说它说的不对吗?你不能说它说的不对,因为它看到的东西也是它真实测量到的东西,所以霍金最后总结到,我们同一个物理规律可以有不同的表现形式,这些表现形式可以完全不一样,你能够观察到什么,你就根据你观察的东西得到这个结论,你之所以把你的学科写成这样一个形式,是因为其它的形式你没办法去理解,没办法去观察,所以你得不到其它的学科,你只能得到这样的形式,这就叫作模态实在论。

它的意思是我们去认识世界的时候,都是基于模型去认识的。比如说我认识这个世界,我是一个生物的人,那么我去感觉这个世界的时候,那么需要世界外面输入各种感觉,打到我的感觉器官,我的感觉器官报给我的大脑,我的大脑特有的结构,对它进行特殊的分析,我才能得出这样的结论,然后我才能认识世界。我们想像一下,假如是变形金刚,他跟我们生物体是不完全不一样的,所以同样一个东西,在他脑中的反应是完全不一样的,他脑中建的模型和我们脑中建的模型很可能是不一样的,但是这两个模型之间,通过一定的数学变换可以联系起来。所以模态时代论认为,你对于同一个现象的同一个层面,也可以有不同的认识,只不过这些认识之间,应该是某种等向关系,而不是完全没有关系的。

还有一个例子,最近我们刚刚看到诺贝尔化学奖,诺贝尔化学奖在讲什么呢?就是有一帮化学家,他把计算机搬出来,用计算机来研究化学定律,他往里面输入的程序是量子力学的程序,横跨三个学科,他用三个学科之间的知识,从量子力学最基本的定律出发,推导出了化学反应的规律,他通过这样的方式,就能够用计算机去模拟化学反应,而不是实际去做化学反应,这就是一个例子。这个例子就是说我们能够从基础的理论推导出来现代的理论,但是在推导过程当中,我们需要做很多近似,所以这个推导过程本身是需要非常强的条件。比如说我们需要很强的计算机才能够推导出一点点化学反应,也就是说你这些推导是很难的,如果你要寻求一些化学知识,你还必须来到化学这个学科当中,用化学这个层面上的分析方法,而不是用物理学的分析方法去解决这些化学问题,所以这些学科之间的关系是非常复杂的,而且每一个学科都有它的适用范围,如果你硬把物理学的东西,那套思路用到化学里面,或者用把化学里的东西用到生物学里面,很可能会失效的,所以学科之间就是这样的一个关系。

我们在讲到科学表述时,刚才我强调说它可以有不同的表述。表面上看,我们要求总结出来的科学定律是一个客观的定律,但是实际上我们对科学进行表述的时候,是需要用语言文字或者是需要用数学公式的,每一种办法都需要个人印记,个人叙述没有办法摆脱主观。我们在科学传播当中要了解的一点,科学它有一定的主观性。

每一个人受到的教育不一样,每一个人的经历不一样,他也只能理解他能理解的东西,如果你没有学过数学,没有学过微分几何的话,刚才那个公式他给你讲一遍,你不记不住他在说什么,有谁记住刚才的公式在说什么?没有的。那是因为你没有这样框架,实际上如果那个公式用语言来表达的话,就是一句话,物质告诉时空如何弯曲。这句话是不是很好记,没有记住的请举手,我看大家都记住了。所以同样一个东西,你一定要按照对方能够理解的框架去表述它。

我来举几个例子。比如说量子力学,我们知道量子力学它的创始人是薛定谔和海森堡,薛定谔的名气非常大,有一个薛定谔的猫,他是“虐猫狂人”。刚开始量子力学出来的时候,大家都觉得非常难,为什么?因为海森堡刚开始提出量子力学定律的时候,他是一套矩阵,物理学家非常不习惯处理矩阵,数就是一个数,矩阵是一个方块,方块里面有一堆数,它要满足一定的算法。同样是量子力学,海森堡提出来就是叫矩阵力学,但是薛定谔提出来就是波动力学,就是波动方程,这是物理学家非常熟悉的,所以到现在我们的量子力学教材里面只讲波动力学,不讲矩阵力学,为什么?因为所有学生都非常容易接受波动力学,而难以接受矩阵力学,但是从数学上来讲,这两种表述方法是完全等价的。所以在传播过程当中,我们人只能接受自己最熟悉,自己能够理解的这些东西。

再举一个例子,有很多东西很美,我们会把姑娘比喻成一朵花,因为花很美,但是我们从来不会把姑娘比作爱因斯坦场方程,因为我们绝大多数人不知道爱因斯坦场方程美在那里。所以我们每一个人都要意识到自己的局限性,比如说网上有很多人在吵,觉得数学没有用,学数字在工作当中完全用不上,那是因为你不知道怎么用,所以你觉得它没有用,当你知道它怎么用的时候,你就会发现它有很多用处,这是一个悖论。

如何避免个人局限性的不利影响呢?我们要强调科学的框架,科学有一个非常让人不开心的结论,就是科学知识是垄断在少数专业人士手中的。从还原论的角度来讲,这个框架说的是认知的框架,不是具体的科学知识,科学家知道认识世界有这么多种方法,那么公众知道什么样的框架?公众只知道这么几种框架。比如说我刚才讲的广义相对论的那套微分几何框架,绝大部分公众是不知道的,所以科学家知道的框架比公众知道的框架多。什么样才是正确的框架?科学家知道的框架中只有一部分是正确框架,科学家要去经过吵架,经过长时间的斗争,才能够评议出来一个正确的框架,而这个框架和公众知道的框架之间交集是非常小的。因为我们人在进化过程当中,不需要知道科学就可以产生非常多的后代,所以我们绝大多数人是没有能力,天生下来就懂得科学的。所以我们有一个体论,当你去完一套命题的时候,科学家知道你错在哪,但是你自己不知道你自己错在哪。

我们来看一下不同框架之间的结构,这些框架之间是平等的吗?显然不是平等的。我刚刚在网上看到这样一个帖子,说有一个人胃痛,去医院看病,在他的认知框架当中,胃痛和心脏病是没有关系的,所以医生叫他去检查,在他的认知框架当中,医生要么是给他好好看病,要么就是黑心赚他钱的,所以他就把这个事情投射到心中,发现这个医生的几轮,其实是让我有一个不能理解的东西,那么这个东西一定是不存在的,既然不存在,那医生肯定是在黑我的钱,所以他最后得出的结论就是医生在黑我的钱,所以刚走出诊室的时候,他就心脏病突发死掉了。

个人的局限性

这样一个框架,我们需要了解到个的局限性,我们个人的局限性就是在于当我们否定一件事情的时候,往往不是因为这件事情不对,而是因为你没有办法理解它,所以你倾向去否定它或者去肯定它。我们刚才讲了很多科学命题和很多学科之间的关系,这些东西都是要依赖于科学框架,你只有在这个框架当中,才能正确理清他们之间的关系,如果你是要用自己特有的框架,那么你就会发现这些东西全是错的,这是很正常的。比如说槟榔致癌,凡是吃了槟榔就必然患癌症。我之前在讨论槟榔致癌的时候,就有一个人评论在骂人,说科学家在胡说八道,你怎么能说槟榔致癌呢?难道湖南人的祖祖辈辈都是癌症死掉的吗?他的逻辑显然是不对的,因为他没有办法了解在科学框架中,槟榔致癌这四个字表达什么样的科学义含义。

第二个例子是癌细胞在浓硫酸当中全部死亡,不等于癌细胞是潜在的抗癌药物。我当然举的一个是极端的例子,是用来讽刺某一些研究,某一些研究只要是癌细胞,然后找一个中药提取液泡一泡,然后就说这个癌细胞死掉了,说明这个东西有可能是治癌症的,然后第二天就开始报道,中药治疗癌症有望,就是这样的条目,实际上这个逻辑关系在科学框架中是错误的。

第三个是我们遇到一个关于转基因的报道,就是有人做研究,在人的血液当中检测到Bt蛋白,然后开始有人解读说,这说明人吃了含有Bt蛋白的转基因作物以后,这些Bt蛋白可以进入人的血液,就是说它有风险,实际上这样一个命题在科学框架中也是不对的,并没有排除误差,因为当你没有研发含有Bt蛋白转基因作物的时候,有很多人用Bt蛋白作为农药,在农作物田里面喷了很多含有Bt蛋白的农药,所以你在人体中检测到Bt蛋白,你还没有证明它是来自农药还是来自你吃的作物,你就直接下结论,这当然也是不对的。所以只有在正确的框架当中,我们才能够理解如果A那么B,这样的科学问题的含义,所以我们要强调科学框架。

科学框架最主要的一个特点,它在下结论的时候会排除噪声和误差,怎么样排除呢?我们看这样一个例子,一个微博的网友很有意思,她就讲,有一个女朋友,他的老公快结婚的时候,把前女友肚子搞大了,后来这个女的也没有崩溃,又找了一个新老公非常好。她就说后来的结论,所有的苦难都不是白费,只有经过这些才会补偿给你更好的人。这显然是一个非科学框架当中得到的一个结论。

那么科学怎么看呢?科学宅男说了,这叫做幸存者效应。有happy ending,才会回来说,那些在散心途中跳河了、卧轨了,被劫匪捅死的人,都不会出现在统计图总数N当中,所以才会一派祥和,然后这个博主就说,还是不要和这个人做朋友了。这是其中的一个例子,刚刚发生的。

实际上科学框架当中有很多非常常见人们容易意识到的错误,比如说疾病的自愈性,就是有的病你不治也会好,感冒吃药7天好,不吃药一周好,有的人说我感冒了,我喝了某某中药以后,果然到了七天就好了,说明这个药就能把感冒治好,实际上,这是你没有考虑到疾病的自愈性。另外一种就是安慰剂效应,最常见的安慰剂效应就是针灸,你拿那个针在你身上扎,你会发现扎了以后果然能够减清你的痛楚,但是实际上我们就做了好几种实验,有的实验是真的扎到穴位,有的实验是没有扎到穴位,故意扎外,有的实验是真的扎到肉里,有的实验是没有扎到肉里,只在表面上给它压进去,那么这些实验之间没有统计上的显著差异,就是说你没有办法排除里面的安慰剂效应,我不是说这个东西没有用,而是说你还没有排除安慰剂效应。

另外一个例子就是法国红酒效应,法国人喝红酒,法国人平均寿命比美国长,所以喝红酒有助于提高寿命,那有可能是反的,很有可能是因为法国人是比较注重身体锻炼,或者是饮食当中有一些别的因素导致他的平均寿命比美国人高,但是正好他喝红酒了,所以你认为红酒就是一个原因。还有一个是统计样本的偏差,统计样本的偏差,崔永元的例子就可以说明了,统计样本要选对,最有讽刺的一个例子,是我翻译的一本书当中说:”有一个人他要去研究鲑鱼的生活情况,他就去撒哈拉沙漠里面找了一圈,最后发现一条鱼都没有,就说明这个鱼在地球上是不存在的。”这显然是统计样本的偏差,你要是找是在水里面找,不应该在沙漠里面找。还有一个是统计陷阱,我们虽然没有学过统计学,但是经常会有一些很熟悉的统计学,两组研究,或者有对照图,最后得到什么样的结论,看起来非常合理,但是只有懂这一行的人才知道,这个里面是有统计陷阱的。比如说最常见的一个例子,某一个年级分男生和女生,另外一个年级也有男生和女生,年级A的女生当中某一些人的比例,和男生当中某一些人的比例,都比另外一个年级高,但是你把它加起来混合以后,那个比例就反而不如另外一个年级高,这是一个典型统计陷阱的问题,所以这些问题是非常专业的,你只有用专业的眼光才能够发现其中的问题。当你平时想去判断这个命题的时候,如果你想通过自己的能力去判断的话是很难的,包括我讲这些东西都是因为别人教给我怎么讲的,除了理论物理的东西是我自己的想法之外,所以很多东西你是需要求助于专业人士的。

最后一个是讲讲科学的流程,我们发表论文的时候,有的论文是我写出来直接贴上去,就叫论文发表,但是有的论文写出来,我要编辑交给我一个匿名同行,这个匿名同行经过评审,认为我的论文质量足以发表的时候才有可能发表,这就是叫同行评议制度,同行评议制度有很多漏洞的,每一个博士生在刚开始做科研的时候,都喜欢吐槽说:”审稿人什么都不懂,就在那样乱讲,把我的文章都打回来了。”每个人都经历过这样的阶段,虽然他是不完美的,但是他总比没有好。

我们来看这样一个例子,网上随便搜一下转基因,猪和胃炎三个字,你就会发现这样一条新闻,有人做了科研实验了,转基因吃了以后,猪果然生病了,这样一个研究,看起来是很严肃的研究,我们如何发现这个研究的漏洞呢?你去点开这个链接,然后去找这个链接的原文,你会发现这个研究的原文是一个非同行评议的研究,非同行评议就是说,任何人把这个东西写给编辑,编辑看得顺眼,就可以发,编辑看的不顺眼就可以不发,而编辑本人并不是对所有的论文,能够去界定它的科学性的,这是非同行评议的文章。这样的篇文章的质量来讲,它的评议水平肯定是不如同行评议的文章,再加上他引用的信息源,有别的科学研究的问题,这个我就暂时不说了。所以当我们去引用一个信息源的时候,我们一定要考虑清楚这个信息源的含金量是多少。

科学成就和头衔并不等于正确。我来举两个非常极端的例子,第一个是两届诺贝尔奖得主鲍林,他是非常厉害的一位化学家,大家都认为他是奠定了量子化学的基础。但是他有一个很奇怪的观点,他认为吃维生素C可以治疗感冒,而且他经常在公开场合推广这样的一种做法,但是受到了很多同行的质疑,现在我们有很多研究可以证明吃维生素C和感冒的治愈之间没有科学证据,但是他是一个诺贝尔奖得主,在我们中国人看来,诺贝尔奖得主说什么就是什么,诺贝尔得主肯定比院士水平高,院士肯定比教授水平高,教授肯定比博士水平高,博士肯定比记者水平高,但这是不对的,每一个人他无论说什么,他只有在他的专业领域内才有发言权,如果他出了专业领域,他想提出一些新颖的观点,我们必须小心他提出的观点。

另外一个极端的例子,是前一段时间的诺贝尔奖得主蒙塔尼,那个蒙塔尼他发现的是爱滋病病毒,但是他有一天突然闲着没事,他说他做一个实验,他说把DNA放在水里面,把水稀释一千倍,一万倍,稀释到里面最后什么东西都没有的时候,他发现这个东西能够发射电磁波,这个很奇怪,因为他是研究艾滋病病毒,他是一个生物学家,他根本不知道麦克斯韦方程怎么写,他怎么知道,他怎么确定他那个实验是不是噪声呢,他这里的知识也没有,任何一个实验室也没有办法复制出来他这个实验,虽然他是一个诺贝尔奖获得主,但是当他在胡说八道的时候,我们还是需要站出来制止他。

另外一个问题是主流观点的演进。因为我们做科学报道会有一个非常大的问题,就是说你今天报道这么一件事,科学家这么说,明天科学家又那样说,你会发现科学家反反复复,对一个东西几乎所有的结论,他都能够得出,那么这个东西到底应该怎么样去报道呢?我们首先要了解主流观点演进这样一个常识,就是说主流观点确实会随着科学进步而变化,但是主流观点它也有基础,有的主流观点有非常深厚的实验基础,有的主流观点就缺乏实验基础,比如就像这栋楼一样。所以比如说牛顿力学,你觉得你可以推翻它吗,你永远也不会推翻它,因为他的实验基础非常雄厚,但是如果我在物理学当中提出来,比如说霍金认为黑洞会辐射,那么这个东西有没有实验基础?这个东西没有任何实验基础,虽然它在理论上是合理的,而且大家都相信它