未來的科學：模型 and/or 理論？

未來的科學：模型 and/or 理論？

來源：果殼網

編輯：Gemini

2011年的諾貝爾物理學獎頒發給了索爾·佩爾穆特（Saul Perlmutter） 、布賴恩·施密特（Brian P. Schmidt）和亞當·里斯（Adam G. Riess），以表彰他們發現宇宙在加速膨脹。這項發現帶來了一個驚人的猜想：我們宇宙 75% 的成分可能是迄今為止未知的一種東西——暗能量。這是一個重要的發現，背後有許多聰明的頭腦和精彩的歷史。它延續了一個宏大敘事的傳統，從亨麗愛塔·勒維特（他建立了計算天體間距離的標準參考物）到愛因斯坦（被他鄙棄的宇宙常數因為這些發現而復活了） 到埃德溫·哈勃，繼之以喬治·勒梅特和喬治·伽莫夫（的大爆炸理論），最終匯聚於我們當今對膨脹宇宙的繁複領悟。

但是和這些知識同樣有趣的，是獲獎的發現所揭示出來的我們的無知程度。這項獎頒給了一項證明宇宙在加速膨脹的觀測，而不是對這個現象的解釋。沒人真正知道宇宙為什麼在加速膨脹。當下對加速的解釋包含一系列的不同模型，其中用到了像 「暗能量」 這樣的東西，但是這些東西是否存在都沒有得到確定的證明，不能良好地解釋我們觀測到的事實。這讓我很好奇，會不會這樣一連串的模型就會在沒有相應堅實理論的情況下成為未來科學的主體。

20 世紀見證了許多物理學理論的進展，這些理論和實驗相符到了驚人的準確度。這一進步的頂峰是在量子電動力學，其精確程度用費曼的話說等同於測量紐約和洛杉磯之間的距離，誤差不超過一根頭髮。自那時起，我們令理論和實驗在數值上相符這件事又取得了一些成功，最著名的是驗證大爆炸理論和粒子物理標準模型的工作。但是暗能量這東西——要論和實驗的符合程度，迄今為止關於它的理論里還沒有一個能趕得上量子電動力學的精確程度，事實上是差十萬八千里。

當然，就這麼批評暗能量是不公正的，畢竟我們只是剛開始探索它的奧秘而已。也許有一天我們能找到一個綜合全面的理論，但考慮到這件事情的複雜程度（我們這可是等於要解釋宇宙中一切物質和能量的本質啊），有可能我們將不得不與模型為伍，永遠得不到真正的理論。而且這可能不只限於宇宙學，對其他學科也一樣。事實是，近來科學試圖處理的那些現象全都是多因素的、複雜的、湧現的。那種機械的、還原論的研究方法，雖然曾經在原子物理和分子生物學領域大顯身手，但可能要想把這些複雜現象拆開就力不從心了。就以生物學為例，你真的認為我們可以得到人類大腦的完整 「理論」，能夠定量計算出任何一個大腦狀態，進而導出我們的意識和我們對外部世界的回應嗎？ 那麼試著建立一個信號傳導的 「理論」，允許我們不但能預測、還能（在整體論的意義上）真正理解生物體內藥物和生物分子的所有相互作用，又如何呢？然後還有其它的複雜現象，比如經濟學、天氣和社交網路呢。看起來，我們不太能指望在短期內為這些現象搭建真正高屋建瓴的理論。

另一方面，大部分這類領域都充斥著準確度和有效性各異的解釋性模型，這在我看來也許預兆了未來的方向。最重要的是，數學建模和模擬會逐漸被承認為是科學的 「第三條腿」——另兩條是理論和實驗。很多人已經逐漸意識到，當前科學面臨的諸多巨大挑戰可能不適合建成嚴謹的理論，我們可能不得不將描述現象的模型也看作是獨立的、權威的、解釋性的實體，擁有單獨存在的權利。其實在化學、生物、氣候科學和社會科學領域，我們已經見證了這一現象的發生，我也聽說現在就連宇宙學家也嚴重依賴於宇宙的計算模型。我自己研究的製藥領域就是模型成敗的絕好案例。這個領域裡，模型不但用於計算模擬藥物和疾病相關蛋白之間在分子層面的相互作用，還用來整合藥理學數據和X射線衍射數據，構建基因和蛋白質網路，甚至執行和分析臨床試驗。藥物發現和開發的每一步都要以模型為先驅，很難想像我們什麼時候能獲得一個整體的 「理論」 來包容藥物研製全過程的每一個階段。

誠然，這些模型和所有其他模型都落後理論和實驗很遠，畢竟後兩者已經有上千年的歷史了。但是毋庸置疑，這些模型隨著計算能力的增長、數據的愈發完整，只會變得越來越準確。具體的準確程度我們還不知道，但是值得注意的是已經有著作認為，建模和模擬應當擁有其獨立的、值得研究的哲學。比如說，最近南佛羅里達大學的哲學家埃里克·溫斯堡（Eric Winsberg）出版的一本著作就表揚了一部分科學哲學家，他們不把模型看成是純粹為了方便的應用或者理論的外在表象（按照傳統觀點，理論是基本的、是唯一值得研究的），而是認為模型本身就是終極的獨立的解釋，值得從哲學上單獨考量。

這是否會是科學的未來——至少是一部分未來？在這個未來里，強勁有力的實驗觀測最後不是被嚴謹而完備、具有美感的理論——就像量子電動力學或者廣義相對論——所囊括，而只是化入許多個不同的模型，用邏輯一致、實驗數據、經驗係數還有老一套的 「直覺」 給縫縫補補到一起。這將會是一種新式的科學，從應用上講和舊式科學一樣，但是紮根在模型而不是完整的理論之中。考慮到理論科學的歷史，這個未來看起來大概會很黯淡、很讓人沮喪。因為，正如統計學家喬治·博克斯（George Box）的名言，雖然有些模型是有用的，但所有的模型某種意義上都是錯的。博克斯的意思是，模型經常要為系統的細節設下不符合實際的假定，但是卻允許我們重現出現實中最為關鍵的一些特徵。這些模型完全受制於各種 「經驗擬合常數」 和模型創立者的個人靈感，因此它們永遠無法提供和 「現實」 的那種連接，而理論卻可以。當不同的模型對一個問題給出同樣的解答時，這個問題尤其嚴重。如果沒有其他辦法進行區分，那麼哪一個模型是 「正確」 的呢？ 傳統的標準答案是 「以上皆非」，因為它們都有相同的解釋事實的能力。而在這個新科學觀里，模型可以僅僅以它們的有效性來裁斷，在這裡模型才是 「現實」 的終極裁判官，統一的理論框架不復存在；但是這個科學觀讓人感到深深的不安。在這個宇宙里，「真正」 的理論將永遠隱藏在模型的高牆背後，正如真實永遠隱藏在黑洞事件視界背後一樣。對於那些畢生編織關於生命、宇宙和一切的宏大敘事者來說，這樣的宇宙恐怕無法溫暖他們的心房。然而，這也許是我們為了追求更完整的理解而不得不付出的代價。未來，諾貝爾獎可能更多被授予重要的發現，而這些發現背後並無真正的理論，唯有模型。暗物質和暗能量的發現，還有我們當下試圖理解大腦和細胞信號傳導的努力，很可能就是這種新科學的預表。

面對這個充斥了模型卻找不到理論的世界，我們應該擔心嗎？ 也未必。如果說我們對於科學是怎麼回事還算知道一點的話，那就是它在不斷演化。宏大的解釋性理論曾經被認為是科學事業的一個關鍵——甚至是唯一的關鍵。但這主要是出於歷史先例、還有人們追求優雅和統一的心理渴望。何況就算是歷史上，科學也在沒有完整理論的情況下有過重大進步，就像化學在原子和結構理論出現之前的那幾百年里一樣。 「學科欲真正發展，必先有宏大理論」 ，這個信念過去曾被反反覆復地證實，但是它的有用性如今可能也到頭了。我不是在宣揚什麼 「科學的終結」，遠遠不是；但是近來弦理論的發展史、事實上是整個理論物理的發展都表明，就連數學上最優雅、心理上最招人喜歡的理論，可能也和現實幾乎沒有聯繫。鑒於我們現在正試圖解釋的東西的規模是如此之大、如此之複雜，我們繼續運用傳統的、以還原論為主的科學思考方式可能已經撞上了南牆，哪怕它在過去 500 年效果是那樣好。

說到底，真正至關重要的是我們建構的東西——理論、模型、經驗規則或者啟發式模式識別——能否完成它們的使命：為複雜現象建構出一致的解釋。科學的任務就是解釋，而到底是用統一的敘事還是支離破碎的解釋則是次要的。雖然前者聽起來讓人心理上更加滿意，但是科學其實不在乎如何滿足我們的自我。事物存在，我們盡一切必要和充分的努力，去解讀它們。就這麼簡單。

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