科学的追求及其动机

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科学（指自然科学）的目的是寻找逻辑上最简洁的对于大自然的描述。

在科学中，一个理论和现有实验结果没有出现确凿的矛盾，理论就可以确立。

正如每个科学家的嗜好、气质以及对科学的态度是千差万别的一样，每个科学家追求科学的动机和涉及的范围也是千差万别的。所以，“科学的追求及其动机”是个很难讨论的题目。除此之外，在科学家的整个一生中，他们的动机很容易发生巨大的变化，的确很难找到一个共同的衡量标准。

除了功利目的或者迫于无奈之外，动机可以分为以下几类：

一.满足对大自然的非功利的好奇心

教育家弗菜克斯纳曾发表过一篇题为《论无用知识的有用性》文章：他发现，纵观整个科学史，大多数最终被证明对人类有益的，真正伟大的发现背后的贡献者，并不是被有用的欲望所驱使，而是受到了好奇心的驱使。尽管有些研究最终可能会有用，但弗菜克斯纳并不认为实验室里的一切最终都会转化为意想不到的实际用途。

著名科学家法拉第在进入英国皇家学院之前，曾和介绍人、当时有名的科学家戴维进行过一次这样的谈话。

“年轻人，你的执著精神让我很感动。之所以你愿意到我这儿来，可能是因为你没有到实验室中干过，科学太艰苦，需要付出艰辛的劳动，而报酬却是微薄的。”戴维说。

“但是，只要能做这件工作，本身就是一种报酬啊。”法拉第说。

满足好奇心本身就是一种回报。

同样是法拉第的例子：

法拉第发现电磁感应之初，有人质问，这有什么用处呢?( “What is the use of it ?” )

法拉第的回答:

一个新生的婴儿有什么用处呢?( “What is the use of a new-born baby?” )

科学自身的功能是“发现”一窥探自然的奥秘。 使事物按最实用的方式运行是工程技术的使命，从基本原理到经济实用需要经历漫长而艰辛的过程。对任何新兴事物都质问有什么用是全人类共有的是一种短见。 科学使人类窥探到宇宙的神秘，正如一个新生婴儿的诞生；工程技术以精细绝妙的设计使其成为具有惊人力量的巨人。

再举一例：

当年欧几里得讲几何学，有学生发问道，这学问能带来什么好处？欧几里得叫奴隶给他一块钱，还讽刺他道：这位先生要从学问里找好处啊！

按很多人的标准，即所谓“实践是认识的目的”这样的世俗功利标准，这个学生和贵妇有理，欧几里得和法拉第没有理：学以致用嘛，没有用处的学问哪能叫做学问。科学界的智者却站在老师一边，赞美欧几里得和法拉第，鄙薄学生和贵妇。

时至今日，我们已经看出，很直露地寻求好处，恐怕不是上策。这样既不能发现欧氏几何，也不能发现电磁感应，最后还要吃很大的亏。怎样在科学面前掩饰我们要好处的暧昧心情，成了一个难题。

1883年，美国科学家罗兰在美国《科学》杂志上撰文。他说：

“我时常被问及，科学与应用科学究竟何者对世界更重要，为了应用科学，科学本身必须存在，如停止科学的进步，只留意其应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因为他们只满足于应用，却从未追问过原理，这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药应用已经若干世纪，如果正确探索其原理，就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为没有寻根问底，中国人已远远落后于世界的进步。我们现在只将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。当其他国家在竞赛中领先时，我们国家(美国)能满足于袖手旁观吗？难道我们总是匍匐在尘土中去捡富人餐桌上掉下的面包屑，并因为有更多的面包屑而认为自己比他人更富裕吗？不要忘记，面包是所有面包屑的来源。”

因此就有了著名的李约瑟难题：“中国古代的文化和技术都远远比西方发达，但是为什么没有产生现代科学？”

毋庸置疑，中国古代的技术曾经领先世界，对整个人类文明做出过辉煌的贡献。中国古代的农学、药学、天文学、数学等都曾经世界领先，但是在这些方面强调的是实用性，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理论，也就没有产生以伽利略开创的实验加数学为基本范式的现代自然科学，也就是我们一般称之为“科学”的东西。

最近，看到有人认为科学家的研究成果被资本利用，可以看一下该科学家的介绍里主要的工作是在科学（自然科学）还是在技术方面。直接带来利益的是技术，而技术只是科学的副产品。宇称不守恒实际责献被谁占有？狄拉克方程又被谁占有？科学是不会被人私占的，被人私占的是技术。科学（非技术）没有国界，没有种族、文化、政治的界限，凡是声称某种科学只有某一种人才能掌握的，肯定不是真科学。

二.科学的美感

封小超、王力邦主编的《物理课程与教学论》对“科学美”的描述和定义为：

美学向自然科学领域渗透，产生了科学美的概念。客观世界中存在着各种成比例、有组织、有秩序有结构、呈对称、简单、和谐与多样统一的景象。当客观世界的上述特点被表现在理论体系科学概念数学方程的结构和系统中，表现在逻辑结构的合理匀称和丰富多彩的相互联系上，就能够激发起人们的兴趣、喜悦和精神上的满足,激发起巨大的创造热情。这种自然科学领域内若干内在的本质规律,逻辑上给人以圆满、协调、自洽的感受,形式上给人以对称、比例、和谐与多样统一的感受体现出来的美，就是科学美。物理学家们坚信，自然的和谐之美决定客观反映物理事实的物理学理论也应当是和谐的。如果某个物理理论不那么和谐,那一定是在哪一个方面还有我们尚未认识的东西，理论还有待进一步完善。大量史实告诉我们，克服物理原理中某些美学因素上的不洽，往往导致物理学的新现象新规律的发现。究其原因,就是真与美在客观世界中往往是统一的，它们是同一事物(正确理论)的两个侧面，对真理的追求，往往伴随着一种美的追求。

我们对于自然界的美都十分敏感，这种美的某些方面为自然与自然科学所分享，这不是没有道理的。但人们也许要问；在什么程度上追求美才是科学研究的目的？对于这个问题，庞加莱是一点也不含糊的。他在一篇文章中曾经写道：

科学家之所以研究自然，不是因为这样做很有用。他们研究自然是因为能从中得到了乐趣，而他们得到乐趣是因为它美。如果自然不美，它就不值得去探求，生命也不值得存在……我指的是本质上的美，它根源于自然各部分和谐的秩序，并且纯理智能够领悟它。

庞加莱还指出：

正因为简单和深远两者都是美的，所以我们特别刻意于寻求简单和深远的事实；我们醉心于探求恒星的巨大轨道，我们热衷于用显微镜寻觅极为细小的东西，我们欢欣于在遥远的地质年代中寻觅过去的痕迹，都是由于这些活动给我们带来了欢乐。

对于庞加莱的这些话，曾为牛顿和贝多芬撰写过杰出传记的沙利文（J.W.N.Sullivan）评论说：

由于科学理论的首要宗旨是发现自然中的和谐，所以我们能够一眼看出这些理论必定具有美学上的价值。一个科学理论成就的大小，事实上就在于它的美学价值。因为，给原本是混乱的东西带来多少和谐，是衡量一个科学理论成就的手段之一。

科学美学的基本构成就是这四项构成和谐、简洁、对称、新奇这四项。

<1>和谐

科学的体系它是一个和谐的体系，它的其中的每一部分都是自洽的，在逻辑上没有那种就是说不合逻辑的一种牵强附会的东西，它的每一个部分它都要符合实验，符合逻辑，符合计算实验和计算结果。所以说它是一个很和谐的体系。这个和谐的体系在美学的意义上就是它呈现的是处于一种和谐的美。

<2>简洁

我们前面谈到科学的目的是寻找逻辑上最简洁的对于大自然的描述。科学之美的来源之一就是简洁。科学有一种简洁的美感。

举几个例子：

牛顿三定律这样简单的三个命题，描述了万物在宏观低速的运行规律，从地面上所有的物体的运动到这个天体的运动，牛顿三定律认为这个所有宇宙的所有物体的运行规律都是一样的，实验和观测结果的确没有出现确凿的反例，至此牛顿统一了天上的和地上的规律。我们通过它就可以预测日食、月食、计算天体运动、甚至发现新的行星（海王星就被称为“笔尖下算出的行星”）。

麦克斯韦方程式，这也是物理学中成为最美的一个方程组。它就用四个偏微分方程。很简洁的方程组，就描述了这个电磁学的方方面面，统一了电、磁、光。

电荷激发电场，电流激发磁场，变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场，变化的电场和磁场相互激发形成电磁波，推导出电磁波的波动方程后计算波速发现恰好接近光速，后来发现可见光只是电磁波的一个频段，都在这四个简洁的偏微分方程里面进行了描述，这中间就能体会到一种美感。

这个公式大家都很熟悉，这是爱因斯坦的质能方程式。  E 是能量，M是质量，C是光速。这个方程是很简洁的，代表了宇宙中能量和质量的关系。我们可以从这个方程式中可以看到，很小的质量可以转化为巨大的能量。这个在工程技术应用就包括核武器、核电站，恒星（包括太阳）发光机理就是核聚变过程中较小质量转化为较大能量。而这些都在一个很简单的极其简洁的方程式中都表现得十分清晰，这就是简洁的美。

再说一点题外话：

爱因斯坦无论是否推出质能方程，原子弹都会被造出来，只是不明白为什么会有这么大的能量释放。可以说派到爱因斯坦身边的间谍基本上是浪费了，爱因斯坦是一个不参与技术的科学家，他的工作主要是在科学（指自然科学，不包括技术）。霍金先生在《果壳中的宇宙》中评论道：

这就导致了曼哈顿计划并最终产生了于1945年在日本的广岛和长崎爆炸的原子弹，有人将原子弹归咎于爱因斯坦发现了质能关系；但是这和把飞机失事归咎于牛顿发现了引力很类似。爱因斯坦本人没有参与曼哈顿计划，并且为投掷原子弹而感到震惊。

再强调一遍：凡是声称某种科学只有某一种人才能掌握的，肯定不是真科学。可能是技术或者工程。科学的确无国界，但技术是直接带给人利益的东西，是有国界的，E=mc²大家都懂，核技术就是另一回事了，科学家可以从事技术，这才是科学家有国界的原因。假设一个理论物理学家，从不关心技术，政治之类，人类内部的琐事与他关系不大。

<3>对称

科学中的另一个特点就是对称。对称就是我们最直观的例子，把一个图像把它折起来，能够重合。但是科学中的对称它可能更深刻一点，它有着许多的对称。像遗传与变异、合成与分解、电场与磁场、波粒二象性、负电子与正电子，这都是对称。我们知道，在这个传统的美学中间，包括特别是艺术领域中间，对称是美的一个重要的部分。那么科学极大地拓展了它的对称的范围。

数学家外尔给出了一个对称性极好的定义：若有一物体，有可能对其进行操作，使得操作完成后，它看起来同之前一样，那么我们说它是对称的。这就是我们说物理定律对称的意思，有可能对物理定律或物理定律的表达形式做某种操作，操作没有引起差别或定律的任何效果不变，我们就说物理定律是对称的。数学家诺特证明了：每一个对称性都对应一个守恒定律。例如：空间平移对称性对应动量守恒，空间旋转对称性对应角动量守恒，时间平移对称性对应能量守恒……

<4>新奇

科学美一方面就是新奇。科学它带来一种新奇感，它让我们一个从未有过的角度去看待世界，它也从那个宏观和微观上揭示了这个宇宙的那种震撼人心的那种新奇感。

从狭义相对论的方程得到Dirac方程推导过程

γ是一个4×4矩阵，说明ψ有四个分量，各对应正电子和电子的两种自旋。

狄拉克从量子场论的计算中预言了电子的负能级，狄拉克提出“空穴假说”，将空穴解释为存在正电子，进而预言了反物质的存在，1932年的时候，卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊云室实验发现并证实了正电子的存在。反物质果然正如先前预言的那样存在！继安德生发现正电子后，1955年张伯莱发现了反质子，1956年又发现了反中子。在20世纪60年代左右，又随后发现一系列反粒子。 

简述科学之美之后，我们再来说点题外话：如何评判科幻小说？刘慈欣在文章中写道：

科学是一座美的矿藏，但科学之美同传统的文学之美有着完全不同的表现形式，科学的美感被禁锢在冷酷的方程式中，普通人需要经过巨大的努力，才能窥见她的一线光芒。但科学之美一旦展现在人们面前，其对灵魂的震撼和净化的力量是巨大的，某些方面是传统文学之美难以达到的。而科幻小说，正是通向科学之美的一座桥梁，它把这种美从方程式中释放出来，展现在大众面前。

科幻小说的美感正是来源于科学之美。

在我看来，一篇科幻小说的好坏就可以用多大程度上把科学美暴露在大众面前来衡量，从所谓人文社科角度去评判一篇科幻小说意义不大。从其他角度评价更像是哪一款挖掘机在马路上跑得更快，有人甚至从哲学甚至政治角度批判某一篇科幻作品，在我看来，那更像是一场批斗会，而不是在交流意见。

三.来自于哲学追求

爱因斯坦在《研究的原则——在普朗克60岁生日庆典上的致辞》中提到：

首先，我相信叔本华所说的，将人们引向艺术和科学的最强烈的动机之一，是摆脱日常生活中令人厌烦的粗俗以及让人无望的沉闷，远离反复无常的个人欲望的枷锁。它让生性敏感的人从个人的生存中逃离出来，进入客观观察和理解的世界；这种动机，可与城市居民极其渴望逃离他所处的嘈杂混乱的环境，被宁静的高山景观所吸引相媲美。在那里，透过平静、纯净的空气自由眺望，抵达那似乎是为专为永恒而营造的宁静景色。但这种消极的动机却与一种积极的动机结合在一起。人们总是试图绘出一幅简化的和清晰的世界图景，然后在某种程度上用他们的世界图景去取代经验世界，从而去战胜它。这就是画家、诗人、思辨哲学家以及博物学家以各自不同的方式所做的事情。每个人都将他们自己的情感生活转移至这个世界图景及其结构，为了能以此找到他在个人经验的狭窄旋涡里不能找到的平静和安定。

在所有这些可能的世界图景里，理论物理学的世界图景占据着怎样的地位呢？它在描述各种关系时，要求尽可能达到最高标准的严密性和精确性，因为这样的标准只有用数学语言才能达到。另一方面，物理学家对他能够描述的现象必须严加限制，因为他不得不使自己满足于描述我们经验可及的最简单的事件；而所有更复杂的事件就不能按照物理学家要求的那种微妙的准确性和必然性由人类的智力重构。最高程度上的纯粹性、明晰性和确定性是以完整性为代价的。到底有什么吸引力，让我们为了准确地了解自然界的一小部分，胆怯而绝望地放弃所有其他更精细和更复杂的事件？这种卑微努力的结果也配得上“世界图景”这一骄傲的称号吗？我相信这个骄傲的称号是当之无愧的，因为，普遍规律作为理论物理学的思想体系得以建立的基础，应当对任何自然现象都有效。有了它们，就有可能通过纯粹的思维演绎找到一切自然过程（包括生命过程）的理论，只要演绎过程没有超出人类的智力。因此，放弃物理世界图景的完整性，并不是一个原则问题。 物理学家的最高使命就是要得出那些普遍的基本定律，由此借助纯粹的演绎建立起世界图景。通往这些定律是没有逻辑通路的，只有基于对经验的同情直觉才能得到这些定律。由于这种方法论上的不确定性，人们可以认为，有许多个同样成立的理论物理体系；这个看法在原则上无疑是正确的。但是，物理学的发展表明，任何一个时期，在能想象到的一切构造中总有一个明显 优于其他的。但凡真正对这个问题有过深入研究的人，都不会否认这一点：事实上，唯一决定理论体系的是现象世界，尽管在现象与它们的理论原理之间没有逻辑通道；这就是莱布尼茨很高 兴地称之为的“先定的和谐” 。物理学家经常指责认识论者没有对此给予足够的注意。我认为， 这也是几年前马赫和普朗克进行论战的根源所在。渴望见到这种先定的和谐，是无穷无尽的毅力与耐心的源泉。我们的普朗克正是具有这种毅力和耐心，不让自己分心于更令人愉悦和更易达到的目标上去，而是致力于科学中最普遍的问题。我时常听说，同事们试图把普朗克的这种态度归因于非凡的意志力和素养，但我认为这是完全错误的。能够取得这样的成就的感觉类似于宗教信仰者或者恋爱者的心理状态；他的日常追求 并非来自任何意图或项目，而是来自直接需要。 我们亲爱的普朗克就坐在那里，内心笑话我像个孩子一样拿着第欧根尼的灯笼在闹着玩。 我们对他的好感无须牵强的理由。但愿他对科学的热爱让他的生活道路更加美好，并引领他去解决由他自己提出来的当今物理学上最重要的问题。祝愿他能成功地将量子理论与电动力学和力学统一在一个逻辑体系中。

很多人会去追问生活的意义，为了把目光从琐碎生活中挪开，抬头望向星辰大海。

一位网友这样，描述自己对科学的兴趣：

生命的意义是什么?哲学意义上，这个问题是无解的，这在我开始思考不久后就清楚了:每个人都能给出对个体来说相当合理的答案，却没有一个适用于生命整体的答案。一般人们对于这个问题的追求到这里似乎就差不多了，毕竟日常生活所需要的就是那个人们编造出来的“意义”,那足以让我们耗费这短暂的一-生了。然而，我没能满足于这个答案，在我看来那是种自欺欺人……在得知真正的答案之前我无所适从，无法给出自己的人生应有的轨迹,那个客观的、终极的、脱离任何人为规定因素的生命的意义，那才是我真正追求的。

我们的诞生背后是否有着某种更高级意识的指示?宇宙是否给了生命某种使命?在我看来，可能回答这个问题的只有自然科学，或者更精确的，万物之理-物理学。整个宇宙的意义，都蕴含在那伟大的创世之理中。

这种追求往往带来更广阔的视野和胸怀，立足地球，心怀宇宙。

费曼先生在《费曼物理学讲义》中提到：

假如一万年后回头看，毫无疑问，在19世纪发生的最有意义的事件将被认为是麦克斯韦方程组的发现，与这一重大科学事件相比，同一个十年中发生的美国内战，将降为地区性琐事而黯然失色。 

刘慈欣也有类似的想法：

人类应该建立起稍微远大一些的共同理想。这个理想是什么，可以从不同的方面得到不同的启示，有科学的，有宗教的，但有一个最大最明显的启示：可见的宇宙有150亿光年，可以到达的地方有200亿公里，而我们现在生活的范围只有2万公里，地球是一粒生机勃勃的尘埃，而它漂浮的这个广漠的空间却一直空荡荡的，就像一座摩天大楼中只有一个地下贮藏间的柜橱里住上了人。这个巨大的启示一直悬在我们上方，这无声的招唤振聋发聩，伴随着人类的全部历史。这个启示，就像三十亿年前海洋给予那第一个可复制自己的有机分子的启示，已经把人类文明的使命宣示得清清楚楚。当然我们也清楚，这类大而空的慷慨激昂不会打动这个叫“人类”的人，已成为地球宅男的他，更在乎的是如何过的更富足更舒适，至于如何在宇宙中更有出息，不在他的考虑范围内。那我们从另一个角度来看这个使命，就会发现它具有更为重大的现实意义，不仅关系到地球宅男的舒适和惬意，也关系到他的生死存亡。

……

在苏联著名的航天题材电影《训火记》中，一名将军对一位国家领导人发出抱怨，他说那些航天科学家:“只想着探索字宙，而不是国家利益。”现在，他所说的国家，已连同它的利益起消失在历史的迷雾之中，对除了历史学家之外的所有人都无关紧要了、但他们在航天领域的功绩却没有随着国家消失而消失。如果人类延续到一万年以后，大概不会有哪个孩子傻乎乎地问:“爷爷，第一个社会主义联盟叫什么呀?”但肯定有孩子问：“爷爷，是谁第一次把人送出地球?” 

四.只是因为山就在那里

科学（指自然科学，不包括工程技术，下同）常常与登山类比，我们登山不是因为山顶有金银财宝或者有什么实用价值，我们只是想看看沿途的风景以及皑皑白雪覆盖的山顶，在山顶上俯视尘世的美景。我们走进科学殿堂也不是为了追求财富，经济价值和技术运用，仅仅是因为“山，就在那里”。如果停留在山脚下，就太俗不可耐了。

看到一些人将理科（科学，数学）和工科（工程，技术）混同。这些人一点也不明白科学的价值何在。记得这样一个科学家在向国家申请资金的时候有这样的故事：官员问他你研究这些东西能保卫国家吗？那个科学家答到：不能保卫国家，但可以使一个国家更值得保卫。

科学就是要寻求对大自然逻辑上最简洁的描述，就是找到我们所处的宇宙的数学结构。

庞加莱说：科学家研究大自然不是因为这样有用，而是因为大自然是美的，否则，生命没有必要存在。

而爱因斯坦把对科学之美的追求形容为“对宇宙的宗教情怀”。

世界上还有别的美好可以追求，但是科学是我们难以割舍的东西。

说到底，我们追求科学源于我们对科学的热爱和兴趣。我想真正热爱科学的人追求科学的动机是与科学本身的追求相吻合的，即：用逻辑上最简洁的逻辑描述大自然。

正如钱德拉塞卡在《真理与美》中说的：

对科学的追求常被比喻成攀登一座很高但又不是高不可攀的山峰。我们当中有谁能够奢望（即使是在想象中），在一个晴朗无风的日子里去攀登珠穆朗玛峰并达到它的顶点，在宁静的空中，纵览那在雪中白得耀眼的一望无涯的喜马拉雅山脉呢？任何人都不可能奢望看到自然界和宇宙的上述情景。但是，仅仅站在峡谷的底端等待着太阳越过干城章嘉峰，也未免太俗不可耐了。