【正见网2005年02月17日】
科学是一门预测学吗？让我们先谈谈什么是科学，也同时来谈谈科学的预测性。
前一节我们谈到撞球运动，撞球是不是一种科学现象？相信绝大部分读者都会同意撞球是一种科学现象。为什么呢？因为撞球是由重量数十克的球体，在地球这个重力场下进行的碰撞运动，它符合古典力学原理，可以依据动量守恒来计算球体碰撞球台周界与球体间碰撞前后的运动变化，这就是自然科学上对撞球运动的描述。
在这里，我们先提一个基本问题：在十七世纪古典力学开始发展以前，有没有撞球游戏呢？
答案是：有！根据历史记载，在十四世纪时的欧洲，撞球运动已经成为宫廷贵族的流行活动，当时没有任何理论根据，可是人们凭着人体的直觉已经在玩撞球游戏。这个问题提醒我们：“现代科学是先有现象的发现，再有科学理论的发展”
所以，客观地说，应该是古典力学成功合理地解释了撞球现象，而不是没有古典力学就没有撞球运动，这是基本发展关系的思考逻辑。这可以用来说明，不经思考便认为某种现象是迷信、是伪科学，这类的思考模式本身就不是科学的逻辑思考。事实上，只有“伪现象”而没有“伪科学”，也就是说，某些现象的出现确实是人为假造的，它们也做出了误导的结论，但这并不能称之为“伪科学”，因为科学是一种对真实现象的认识，伪假并不在其探讨的范围内。另外，“科学”更不是绝对真理的代名词，重点是现象的真实程度，只要是真实的现象，只有解释错误或者停留于无法解释，不能称其为“伪科学”、迷信，迷信不算是科学活动的用词，以迷信、“伪科学”等绝对否定式的思考模式，本身是不科学的。
因此，我们有必要从现代科学发展的精神，也就是自然科学思考的角度来回顾一下“科学演进的历程”，所谓“现代科学”是西方自文艺复兴时期，对于自然界、宇宙的各种未知现象，透过观察后，归纳演绎，推理假设（假说），然后实验证明（定理、定律）这些现象在某种时空条件下的规律性。科学在不同范围下所认识到的各种规律，自然都会受到该范围的局限，因此简单地说，越不随着时间与空间变化，代表着愈广愈真实的规律性。在自然科学发展的过程中，人类从目视可见的事物范围开始探索研究，包括星系、天体、乃至宇宙，进而再到十九世纪末开始探索微观原子的世界。就以颗粒大小为例，从一个苹果的大小开始，巨观到地球、太阳、银河系，甚至更多庞大星系组成的可观测宇宙，其直径有150亿光年，就像古人所形容的“其大无外”，大到我们无法知道到底有没有宇宙的边缘；另一微观方面，从细胞、分子、原子到质子、电子、夸克，到甚至可以轻松穿过星球、电磁场的中微子（宇宙中每一个质子，就对应有1,000,000,000个中微子），对所谓基本粒子的探索，现代科学也发现似乎是无穷无尽，越小的粒子反而得建造越巨大的仪器设备来探测，同样是“其小无内”。而这些结果，似乎与古印度、古代中国人的认识不谋而合。
就从眼睛看得见的苹果谈起，当年苹果掉落打到牛顿的头上时，苹果会往下掉的现象是个真实的现象。当牛顿想了解为什么苹果会往下掉、研究到底是什么力量拽拉苹果往下掉时，不论他做什么假设──神的力量、树枝的斥力、根的吸力……一个懂科学思考的人不会说他是在搞迷信，也不会以“这有什么好研究的，只是自然现象而已”的这种否定态度来对待。科学的思维会开始探索：苹果真的会往下掉？在英国苹果会往下掉，那在美国呢？北极呢？赤道呢？其他东西也往下掉吗？铁锤与羽毛也往下掉吗？铁锤落得会快一些吗？如果苹果在月球上呢？在太空中呢？现在这样，过去呢？未来呢？这样的一连串观察、思考就让我们人类发现了古典力学的规则性。所以以长度区分，从一个苹果直径0.1公尺到地球直径12,756,000公尺，这样的球体运动似乎都能适用于古典力学。
根据古典力学，我们能设计人造卫星绕行地球的轨道、周期，能计算该卫星所需要的重量，能设计飞机、太空梭克服地球引力升空，当然也能设计盖建摩天大楼、云霄飞车。从这里我们不难看出来，在牛顿力学的认识范围内，古典力学也等于有了预测能力，许多工程技术其实都是预测结果的展现，所谓的设计，其本质上的意义不就是预测吗！从法国的艾菲尔铁塔（西元1889年）到美国胡佛水坝（西元1936年）；从汽车公路到电车铁道；从海上轮船到空中飞机──在地球这个重力场中，这一次次的预测，建造了一项项人类的现代文明。
从巨观的角度来看，在牛顿时代，我们在地球上已经能算出光的速度每秒约走3108公尺，所以面对像宇宙这样更宏大的天体时，人们发现，得用更大的尺度──得用光的运动尺度“光年”来描述距离。“光年”为光走一年的距离，相当于3108365246060＝9.461015公尺，比如距离太阳系最近的半人马星座为4.2光年，银河系的直径为12万光年，距离地球最远天体星系是120亿光年，这涉及更大质量的重力场与时空变化，已经超出古典力学的观察，很多现象都解释不了了。所幸上世纪初，出现了另一个充满想像力的年轻人，有一天他骑在脚踏车上时，想像自己像光一样穿梭于空间中，这个世界会是什么模样？他这一想，便想出了相对论，这个根据古典力学的预测，把现代人类对空间与时间、质量与能量的认识，大大地往前推进了一大步，可以说改变了整个现代的人类世界。美国《时代》杂志选出的“二十世纪风云人物”，并不是什么政要富商，正是这位改变历史的科学家──爱因斯坦。当代的科学家透过太空望远镜观测到了宇宙黑洞，观察到庞大宇宙有85％以上不可见的暗物质、暗能量存在，庞大的天体很可能是多维空间，也就是四度、五度、十几度，甚至几十度的多重空间，只有三维认识的人类看宇宙，其实很可能只认识到一层“影子”。于是，站在相对论的基础上，科学家又提出像大爆炸理论、超弦理论、膜理论等多维时空理论来重新认识我们所观测的一些宇宙现象。而这都是古典力学认识不到，解释不了的现象。
另一个极端尺度，就是微观的原子、原子核、电子、质子、中子，甚至更小的像夸克、中微子等的微观世界。这个范畴用的尺度就是埃（*,Angstrom， 10-10公尺）或现在最流行的奈米（nanometer， 10-9公尺），甚至用到(picometer，10-12公尺)为单位。一般的原子大小约为3??*0.3奈米，中子、质子就更小了，约10-6奈米。这真是个既狭小又广阔的世界，为什么这样形容呢？假如把原子放大到像一个足球场，我们会看到原子核就像是足球场中心放了个高尔夫球般，这个世界对人来说狭小到肉眼、最精密的仪器都无法直接观测，但却又是辽阔而空旷的空间。二十世纪初期，当科学家开始透过间接方式观察这个微小的世界时，发现古典牛顿力学根本使不上力，于是“量子力学”应运而生，“测不准原理”（Uncertainty Principle）则是这个微观世界的基本游戏规则，这又是个变幻的多维空间，挑战人类的思想。那么，什么是量子力学？什么叫“测不准原理”呢？
量子力学，简单说就是“统计力学”，再简单一点就是玩骰子、算机率；“测不准”就是我们无法同时测出微粒子的精确位置与速度。以原子内的电子为例，为什么以变幻来形容，严格来说，我们根本不知道电子在那里？是怎么运动？所以描述电子用的是“轨域”的概念，意思就是电子在不同固定区域出现的机率，不同区域代表电子不同能量状态，如果我们能用肉眼看电子，会看到电子像孙悟空能分身般，同时出现在很多地方，可能一下子出现在这儿，一下子出现在那儿，这就是为什么测不准，为什么叫统计力学，因为电子的波动特性，量子力学用的波函数就是统计机率。
这现象俨然又像个缩小版的多维空间，确实会让三维空间概念的人产生迷惑，所以量子力学发现了微小粒子都有波粒二重性，也就是说微小粒子有波动的特性，像光波，有能量，有频率；也像小球粒，有质量，有碰撞现象。打个比喻也许读者们可以比较容易懂：如果把电子当一个人，它像一个练就一身忍术的忍者，当我们偏重粒子性时，比如真去抓个电子来看一看时，就会发现抓到的像是具尸体，虽然可以知道电子（忍者）的位置，但是死的忍者在原子里练功夫时是在笑或是哭，它是个侠义剑客还是冷血杀手，精神层次无法得知，就是电子的能量状态测不到了。一旦我们想了解电子的能量（速度），就像是想看清忍者的表情，想了解他的个性，这时会发现它忽东忽西或是像有分身术般，同时出现好几个忍者，分不清楚他在哪里或是哪一个才是他。这就是量子波动力学，波的强弱决定粒子出现机率，一切以机率计算。波动方程式的创始人薛丁格（Erwin Schrodinger）有个著名的例子，叫“薛丁格的猫”，光讨论猫是活猫、死猫，恐怕一般读者会思想混乱，传统的观念是非死即活，就两种情形，但薛丁格的猫既是死的、也是活的，量子世界死活并存，简单的说，就是不同尺度的世界对存在的概念也不相同。
相对论与量子论发现后，根据这些理论预测所发展出来的科技，真是颠覆现代人类的生活。原子弹、核能科技让现代人类拥有巨大能量，甚至有足以瞬间毁灭人类的能力。量子化的现象更让科技应用有突破性的发展，像雷射、半导体、超导体、电脑技术等数位化科技，带动发展生化科技、太空科技、电讯电子科技、奈米科技等等，都是科学家脑中假想、预测的实践。
现代科学是如何预测的呢？我们可以举个明显有趣的例子，根据相对论物体的运动速度对时间会产生变化，所以科学家就发现地表与人造卫星会有些微的时间差，因为卫星相对运动速度大于地球表面，由于速度变化相对于光速而言，这些变化太小，差异就不明显，科学能预测差异做出适当的修正。一旦物体以接近光速进行时，这时候时间就不再是个绝对值，我们的思想重新调整了，所以美国好莱坞拍了很多像回到未来、回到过去的电影，这不再仅是幻想，而是有科学理论依据的预测。如果人体能以光速飞行，大概不会再大叹光阴无情，于是逝者不再如斯，“大江东去，浪淘尽，千古风流人物”也将成为“黄河西返，古今风流人物同登时间舞台！”时空概念会出现截然不同的变化，过去、现在、未来的时间轴会变成像一条高速公路一样，人们沿途浏览风光不再是只能以一个方向、一定速度往前开，而变成是可以开快、可以开慢，甚至回转掉头往回开。一个光速的生命能把人类的历史，从舞台剧变成像3D电影般，一切人物都是栩栩如生，置身其中也是逼真动人，但不一样的是这个观众会像光一般，所以会出现演员看不见观众，不知道观众正在观赏他的演技，不再像舞台剧般是演员观众台上台下的画面。
另一个很大的差异是3D电影可以不按时间顺序去看，它可以从中间看，也可以忽快忽慢观赏精采片段，而舞台剧只能随着时间人去楼空。读者如要体验光速世界，恐怕得让头脑先做做暖身操，因为时空景象会出现巨大变化，不只是像坐云霄飞车，心脏有巨大承受力便可以，体验光速世界，头脑概念恐怕会先承受巨大冲击，我们现在的生活经验与观念也可能会出现完全不适用的情况。所以读者也许会发现连观念本身也发生变化了，过去我们认为怎么可能回到未来，现在我们首先该思考的已经不是能不能回到未来的问题，而是人体能不能以光速进行，才是问题所在。
再举个例子，我们都以为光是直线进行，遇到不透明物体会被遮蔽、会反射，所以有明暗阴影的现象发生，也因而构成了我们生活环境中多采多姿美丽的景象。但在地球上是这样，到了宇宙太空，这情景就发生变化了，爱因斯坦的相对论有次成功的预测，透过实验被证实了：当光遇到像太阳这么大的质量所形成的重力场时，会受周围扭曲的时空场影响，这时候光会出现弯曲行进的情形。1919年5月29日非洲有日蚀现象出现，英国的科学家到了非洲实地用望远镜观察日蚀时，发现位于太阳背后的恒星并没有因此被遮蔽，而是曲射产生偏移的现象，光真的转了个弯（如下图所示）！爱因斯坦的预测被证明是正确的，如果在牛顿时代，有人提出光线遇到不透明体会弯曲行进，恐怕会被踢出科学的殿堂之外，即使在爱因斯坦当年提出预测时，许多人也是持怀疑的态度。
爱因斯坦根据他的认识提出预测，科学理论本身就是预测学。其他领域的科学也是有同样的特性，像化学的酸硷理论，当酸（氢离子）遇上硷（氢氧根离子），我们很自然会预测有盐类与水分子生成。这个现象到了人体内，酸的作用就变化多端，除了酸硷中和外，还有催化分解作用、分子聚合作用、缓冲平衡效应，预测就必须考虑反应条件等其他因素，单纯的酸硷理论便不适用了。另外，像数学里的加法就是一门标准的预测学，懂1＋1＝2就能预测359＋286＝645，能预测任何数字相加，于是不知不觉中我们往往把1＋1＝2当成真理了。可是换个时空条件，1＋1不一定等于2了，例如在太阳表面，1＋1＝1，一个氢原子加一个氢原子成为一个氦原子，这是太阳表面每分每秒不停在进行的加法。从这个角度看：科学理论本身就是预测学，因为掌握某种层次的理，某种的时空范围的规则性，才能准确预测未发生的事。
