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未来的科学：模型 and/or 理论？。。。。。转自果壳

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发表于 2012-10-15 23:48 |只看该作者 |倒序浏览

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今年的诺贝尔物理学奖和去年一样，授予了重要的观测发现，而不是解释这一现象的理论。这是否意味着运用传统的、以还原论为主的科学思考方式已经走到尽头，而模型会取代理论、成为未来科学的主体呢？

这将会是一种新式的科学，从应用上讲和旧式科学一样，但是扎根在模型而不是完整的理论之中
（文／Ashutosh Jogalekar）去年的诺贝尔物理学奖颁发给了索尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）、布赖恩·施密特（Brian P. Schmidt）和亚当·里斯（Adam G. Riess），以表彰他们发现宇宙在加速膨胀。这项发现带来了一个惊人的猜想：我们宇宙 75% 的成分可能是迄今为止未知的一种东西——暗能量。这是一个重要的发现，背后有许多聪明的头脑和精彩的历史。它延续了一个宏大叙事的传统，从亨丽爱塔·勒维特（他建立了计算天体间距离的标准参考物）到爱因斯坦（被他鄙弃的宇宙常数因为这些发现而复活了）到埃德温·哈勃，继之以乔治·勒梅特和乔治·伽莫夫（的大爆炸理论），最终汇聚于我们当今对膨胀宇宙的繁复领悟。
但是和这些知识同样有趣的，是获奖的发现所揭示出来的我们的无知程度。这项奖颁给了一项证明宇宙在加速膨胀的观测，而不是对这个现象的解释。没人真正知道宇宙为什么在加速膨胀。当下对加速的解释包含一系列的不同模型，其中用到了像 “暗能量” 这样的东西，但是这些东西是否存在都没有得到确定的证明，不能良好地解释我们观测到的事实。这让我很好奇，会不会这样一连串的模型就会在没有相应坚实理论的情况下成为未来科学的主体。
20 世纪见证了许多物理学理论的进展，这些理论和实验相符到了惊人的准确度。这一进步的顶峰是在量子电动力学，其精确程度用费曼的话说等同于测量纽约和洛杉矶之间的距离，误差不超过一根头发。自那时起，我们令理论和实验在数值上相符这件事又取得了一些成功，最著名的是验证大爆炸理论和粒子物理标准模型的工作。但是暗能量这东西——要论和实验的符合程度，迄今为止关于它的理论里还没有一个能赶得上量子电动力学的精确程度，事实上是差十万八千里。
当然，就这么批评暗能量是不公正的，毕竟我们只是刚开始探索它的奥秘而已。也许有一天我们能找到一个综合全面的理论，但考虑到这件事情的复杂程度（我们这可是等于要解释宇宙中一切物质和能量的本质啊），有可能我们将不得不与模型为伍，永远得不到真正的理论。而且这可能不只限于宇宙学，对其他学科也一样。事实是，近来科学试图处理的那些现象全都是多因素的、复杂的、涌现的。那种机械的、还原论的研究方法，虽然曾经在原子物理和分子生物学领域大显身手，但可能要想把这些复杂现象拆开就力不从心了。就以生物学为例，你真的认为我们可以得到人类大脑的完整 “理论”，能够定量计算出任何一个大脑状态，进而导出我们的意识和我们对外部世界的回应吗？那么试着建立一个信号传导的 “理论”，允许我们不但能预测、还能（在整体论的意义上）真正理解生物体内药物和生物分子的所有相互作用，又如何呢？然后还有其它的复杂现象，比如经济学、天气和社交网络呢。看起来，我们不太能指望在短期内为这些现象搭建真正高屋建瓴的理论。
另一方面，大部分这类领域都充斥着准确度和有效性各异的解释性模型，这在我看来也许预兆了未来的方向。最重要的是，数学建模和模拟会逐渐被承认为是科学的 “第三条腿”——另两条是理论和实验。很多人已经逐渐意识到，当前科学面临的诸多巨大挑战可能不适合建成严谨的理论，我们可能不得不将描述现象的模型也看作是独立的、权威的、解释性的实体，拥有单独存在的权利。其实在化学、生物、气候科学和社会科学领域，我们已经见证了这一现象的发生，我也听说现在就连宇宙学家也严重依赖于宇宙的计算模型。我自己研究的制药领域就是模型成败的绝好案例。这个领域里，模型不但用于计算模拟药物和疾病相关蛋白之间在分子层面的相互作用，还用来整合药理学数据和X射线衍射数据，构建基因和蛋白质网络，甚至执行和分析临床试验。药物发现和开发的每一步都要以模型为先驱，很难想象我们什么时候能获得一个整体的 “理论” 来包容药物研制全过程的每一个阶段。
诚然，这些模型和所有其他模型都落后理论和实验很远，毕竟后两者已经有上千年的历史了。但是毋庸置疑，这些模型随着计算能力的增长、数据的愈发完整，只会变得越来越准确。具体的准确程度我们还不知道，但是值得注意的是已经有著作认为，建模和模拟应当拥有其独立的、值得研究的哲学。比如说，最近南佛罗里达大学的哲学家埃里克·温斯堡（Eric Winsberg）出版的一本著作就表扬了一部分科学哲学家，他们不把模型看成是纯粹为了方便的应用或者理论的外在表象（按照传统观点，理论是基本的、是唯一值得研究的），而是认为模型本身就是终极的独立的解释，值得从哲学上单独考量。
这是否会是科学的未来——至少是一部分未来？在这个未来里，强劲有力的实验观测最后不是被严谨而完备、具有美感的理论——就像量子电动力学或者广义相对论——所囊括，而只是化入许多个不同的模型，用逻辑一致、实验数据、经验系数还有老一套的 “直觉” 给缝缝补补到一起。这将会是一种新式的科学，从应用上讲和旧式科学一样，但是扎根在模型而不是完整的理论之中。考虑到理论科学的历史，这个未来看起来大概会很黯淡、很让人沮丧。因为，正如统计学家乔治·博克斯（George Box）的名言，虽然有些模型是有用的，但所有的模型某种意义上都是错的。博克斯的意思是，模型经常要为系统的细节设下不符合实际的假定，但是却允许我们重现出现实中最为关键的一些特征。这些模型完全受制于各种 “经验拟合常数” 和模型创立者的个人灵感，因此它们永远无法提供和 “现实” 的那种连接，而理论却可以。当不同的模型对一个问题给出同样的解答时，这个问题尤其严重。如果没有其他办法进行区分，那么哪一个模型是 “正确” 的呢？传统的标准答案是 “以上皆非”，因为它们都有相同的解释事实的能力。而在这个新科学观里，模型可以仅仅以它们的有效性来裁断，在这里模型才是 “现实” 的终极裁判官，统一的理论框架不复存在；但是这个科学观让人感到深深的不安。在这个宇宙里，“真正” 的理论将永远隐藏在模型的高墙背后，正如真实永远隐藏在黑洞事件视界背后一样。对于那些毕生编织关于生命、宇宙和一切的宏大叙事者来说，这样的宇宙恐怕无法温暖他们的心房。然而，这也许是我们为了追求更完整的理解而不得不付出的代价。未来，诺贝尔奖可能更多被授予重要的发现，而这些发现背后并无真正的理论，唯有模型。暗物质和暗能量的发现，还有我们当下试图理解大脑和细胞信号传导的努力，很可能就是这种新科学的预表。
面对这个充斥了模型却找不到理论的世界，我们应该担心吗？也未必。如果说我们对于科学是怎么回事还算知道一点的话，那就是它在不断演化。宏大的解释性理论曾经被认为是科学事业的一个关键——甚至是唯一的关键。但这主要是出于历史先例、还有人们追求优雅和统一的心理渴望。何况就算是历史上，科学也在没有完整理论的情况下有过重大进步，就像化学在原子和结构理论出现之前的那几百年里一样。 “学科欲真正发展，必先有宏大理论” ，这个信念过去曾被反反复复地证实，但是它的有用性如今可能也到头了。我不是在宣扬什么 “科学的终结”，远远不是；但是近来弦理论的发展史、事实上是整个理论物理的发展都表明，就连数学上最优雅、心理上最招人喜欢的理论，可能也和现实几乎没有联系。鉴于我们现在正试图解释的东西的规模是如此之大、如此之复杂，我们继续运用传统的、以还原论为主的科学思考方式可能已经撞上了南墙，哪怕它在过去 500 年效果是那样好。
说到底，真正至关重要的是我们建构的东西——理论、模型、经验规则或者启发式模式识别——能否完成它们的使命：为复杂现象建构出一致的解释。科学的任务就是解释，而到底是用统一的叙事还是支离破碎的解释则是次要的。虽然前者听起来让人心理上更加满意，但是科学其实不在乎如何满足我们的自我。事物存在，我们尽一切必要和充分的努力，去解读它们。就这么简单。

编译自: Theories, models and the future of science
作者简介: Ashutosh Jogalekar 是《科学美国人》的博客作者，他目前在美国马萨诸塞州剑桥市一家生化技术公司的计算化学部门从事生物化学和药物发现方面的工作。
刊发信息: 《科学美国人》，2012年9月5日
文章图片: TANG YAU HOONG

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