科學的三個環節及科學的分類

從本文起，我們將在總結以往所有科學學，各種回答“什么是科學”等研究成果，以及我所撰寫的《實驗、測量與科學》，加上最新研究成果基礎上，以三個環節形成的內在結構為基礎，對科學給出之前從未有過的最系統、最全面和最精確的描述。在此基礎上，后續文章再來回答什么是第三代科學。提示一下，本文有多個圖表，要順利理解本文，必須要對照圖表來看。所以，如果是用語音來聽的用戶，需要在提示參見圖表等地方對照圖表來聽。另外，本文是對整個科學內在結構進行框架性的介紹，很多地方沒有深入展開，如果一時沒看明白沒關系，只要知道個大致概念框架就可以了，后續會一個一個深入展開。

盡管科學一詞已經高度地深入人心，但即使在科學界，對于什么是科學的問題依然是莫衷一是，很難有獲得公認的科學定義和有關什么是科學的完備理論。之所以如此，是因為科學的內涵有多個方面，并且科學本身也是發展變化的。所以，如果只抓取科學內在三個環節中的局部甚至更細節結構的不同方面，或者其發展歷史上的不同特征，就可能給出不一樣的答案。但這樣的描述顯然都是不完備和不精確的。所以，只有從科學的三個環節及更精細結構的所有方面，從科學發展歷史各個階段的演化等全面的維度，給予全面的考察和分類，才能對科學給出系統、全面和深入的理解。

一、科學的三個環節

從最本質的意義上說，科學就是認識與改造世界的最佳方法，它是世界上唯一并不屬于任何國家和民族的，由全人類共同推動發展的文明。這個認識世界的最佳方法并不是一開始就成熟，而是不斷發展的。無論怎么發展，都是圍繞三個環節展開：

• 一是如何獲得認識對象的信息和數據，這個就是測量包括實驗要解決的問題。

• 二是對實驗與測量獲得的認識對象信息進行數據處理、總結出規律，也就是理論認識的問題。

• 三是以科學認識來改造世界，這個是工程技術、控制、社會制度等應用方面的問題。

參見圖1：

圖1理解科學的內在邏輯結構圖

認識對象與改造對象

1. 認識對象與改造對象可能是同一個，也可能是有相同內在規律的不同對象。這個怎么理解？例如，汽車的材料可以作為認識對象在實驗室里進行研究，而作為改造對象是在汽車材料生產過程中使用的具有相同性質材料。它們物理上并不是同一個對象，但其規律具有同一性，因此所認識的規律可以獲得應用。另外一種情況是認識對象就是改造對象。例如，要對已經生產好的成品汽車進行測試，根據測試結果對其進行調校，此時認識對象與改造對象就是同一的。

2. 認識主體，包括測量、經驗與理論、應用三個環節，都可以成為認識對象和改造對象。例如測量儀器、人類自身、科學認識的理論體系等，都可以成為認識對象和改造對象。我們可以用統一測量學的方法去測量“人的認識機制，測量儀器”等本身。這個基本關系在西方哲學歷史上是引起最多爭論，也最容易被繞糊涂的。包括物質與意識的關系、此岸與彼岸、科學哲學家波普爾提出的三個世界（物質的世界、精神的世界、符號的世界）等。當我們把科學的基本結構用科學的方法研究清楚后，就會發現以上這些哲學的劃分和爭論就沒有存在的意義和價值了。

3. 不要把認識對象和改造對象直接理解成整個世界，想一上來就搞清楚整個世界或宇宙是什么。一般來說，認識對象和改造對象都是世界或宇宙的一小部分，甚至極其微小的一部分，雖然這極小的一部分也可能受整個世界或宇宙的影響。在測量中，這種影響一般是以背景（環境）誤差的形式而存在。例如，當我們測量一個小球時，地球會對其有萬有引力。根據萬有引力定律，月球、整個太陽系乃至整個宇宙會對它有萬有引力和電磁、穿過的宇宙射線等無限多因素的影響。只是這些影響在量上很小，以環境干擾或環境誤差的形式存在。通過環境誤差，我們就可以把極其有限的認識對象從整個世界或宇宙中提取出來作為可能的科學認識對象。

4. 在以往的哲學討論中，測量與理論環節被認為是認識論，應用環節被認為是方法論。但認識方法有時也被說成方法論。我們對科學的三個環節來也用科學的方法進行研究，就不會陷入哲學的認識論和方法論的云里霧里了。

二、認識主體、反映、測量

認識主體可以是人，也可以是測量儀器，甚至是具有感覺器官的動物或大自然的任何對象。世界或宇宙本身就具有反映能力。從反映到感覺、實驗、測量、計量等相互之間的關系參見圖2。

圖2反映、測量、實驗、計量等相互關系圖

這個圖有些復雜，因為不同概念相互間的交叉重疊關系比較多。不過，如果讀者在這里停下來，認真看這張圖5分鐘，也可以很容易理解他們相互的關系是什么。測量并不難理解，它不僅廣泛地深入到科學研究的各個領域，而且已經非常廣泛地深入到我們日常生活之中。你去超市購買任何散裝的食物，如蔬菜、大米、雞蛋、豬肉等，營業員都得給你稱一下有多重，稱重就是重量測量。你要去買衣服，營業員也得給你量一下三圍、身高等，這是長度測量。你感覺可能有點發燒，用體溫計量一下體溫，這是溫度測量。到醫院做B超，CT，驗血等等，這些都是測量。

狹義的測量是有計量基準的，從而可以獲得測量數據。如果只是憑人的感官去接受外界的視覺、聽覺的信息，沒有建立計量基準，因此所得到的只是感覺，而沒有測量數據。

宇宙的一切物質都具備最原始的反映能力，只是通過進化一步步到人類實現了相對較高級的感覺器官和大腦，再發展出以測量為基礎的科學認識能力。

主體誤差

洛克的“白板論”與萊布尼茲“有紋理的白板”，其差別不過是認識主體本身也是會引入誤差——主體誤差。

主體誤差的案例有：雷達的本底噪聲，人的眼花等。量子力學的測不準原理，本質上也是一種主體誤差。

另一方面，“認識主體會決定認識結果的表現形式”，這該如何理解呢？例如，對相同的自然景物，化學相機形成的是光學圖像在膠片上的化學反應，數字相機獲得的是數字信號，雖然它們最后也都可以恢復成視覺圖像。了解了以上這些，就會對貝克萊的“存在就是被感知”，馬赫的“存在就是感覺要素的復合”等云天霧地的哲學觀念有科學清晰的認識了。

反映各種類型及相互關系的確有些復雜，本文先不去展開討論，而是先搞清楚以下測量、實驗與計量的關系。

圖3測量、實驗與計量關系圖

測量是可以覆蓋一切認識領域，無論是從學科角度還是從問題角度都是如此。因此，測量作為科學的基礎是具有完備性的，也就是可以為一切學科領域的一切問題提供科學支撐。而實驗不能覆蓋所有認識問題，甚至不能覆蓋所有物理學領域，例如很多物理學理論是通過天文測量來獲得和驗證，尤其廣義相對論最初的驗證都是通過天文測量獲得的。所以，將實驗作為科學的基礎是不完備的。這也是第二代科學將實驗作為科學基礎造成很多領域難以確立科學基礎的原因所在。

計量是測量的量值基準，以及量值傳遞系統，因為它的存在，測量才能獲得數據，否則只是類似感覺的相對模糊，很難進行相互比較的信息。此處我們也不展開討論，后續文章中會詳細介紹。

三、測量與實驗的詳細分類

僅靠圖3的關系圖可能還是不能準確理解它們的關系。我們可以通過測量的環境與自變量的受控性來對其進行分類研究。

表1測量的4種類型及其與實驗的關系

測量的類型

環境

自變量

案例

1

1

1

物理及化學實驗等

2

1

0

高能射線天文臺

3

0

1

新種子大田實驗，新戰機試飛

4

0

0

考古、尋找化石

人們一般會把自變量受控或“被認識的現象”受控的測量稱為“實驗”，即第1類和第3類測量。

環境受控影響的是測量精度，也就是可以最大限度地減少環境干擾誤差。

自變量受控影響的是測量效率和測量數據的完備性，也就是自變量或稱現象可以人為地制造和產生出來，從而可以高效地獲得測量數據。另外還可以完備地獲得所想要的各種不同數據。例如，假設我們通過第2類或第4類測量去研究閃電，那一方面是只能設置好測量儀器等待自然界出現閃電，然后才能獲得測量數據。這有可能一年半載都測不到一次，純屬“靠天吃飯”。但如果通過在實驗室制造閃電的方式來進行研究，可以天天獲得大量閃電的測量數據。另一方面，在自然界的大氣中出現閃電的話，其強度也是純天然的。如果我們想測量不同強度或能量的閃電，靠第2類和第4類測量就純屬運氣了，甚至有可能接近永遠都遇不到。但在實驗室里，可以人為制造出各種不同強度的閃電進行測量。甚至可以制造出自然界或地球上不太會出現的閃電類型，從而可以獲得完備的測量數據。

因此，通過以上分析我們可以理解到，不同測量類型或非實驗的測量與實驗之間主要區別只是測量精度、誤差、測量效率、測量數據完備性等量上的差異，但從獲得認識對象信息的本質角度，它們是沒有差別的，都可以作為科學的基礎。因此，以測量作為科學的基礎，雖然會存在某些非實驗的測量技術上的差別，但在其覆蓋范圍上，可以使一切領域都獲得科學的基礎。以往學者們討論實驗時，往往腦子里潛在的概念是第1類測量。這樣一來，主要以第2和第4類測量為研究工具的領域，就對自己的科學基礎是什么感到很迷茫了。但我們將測量作為科學的基礎，一切領域就全都可以是科學了，尤其是社會領域，以及自然科學的地質、氣象等領域。

認識主體同時也可以是改造主體，也就是通過應用去改造“改造對象”的主體。

四、以科學的三個環節為基礎的科學分類

1.科學應包含三個環節的原因

測量、數學、應用三個環節加在一起時常被稱為科技，也就是科學加技術。一般人們頭腦中世俗概念的科學是測量加上數學。我在之前的論述中一般也是這么闡述的，這只是為暫時照顧到人們日常不嚴格的對科學的概念印象。但為什么我們認為科學應當包含測量、數學與應用三個環節？因為這三個環節是會相互促進，很難完全區分開的。

• 科學測量儀器。測量儀器技術水平的進步，從而實現更高精度、更高靈敏度、更高分辨率、更大量程的測量，高度依賴應用技術的發展和推動。尤其現代的大科學裝置，高度依賴相關的高科技儀器及上游產業鏈研發生產企業的支持。

• 科學研究經費。一切科學研究活動是需要經費投入的：科學研究人員的工資生活費、實驗室建設、圖書館建設運營、科學測量活動、會議論文出版等科學研究活動、學校研究機構等基礎設施建設運營等，都是要花錢的。而科學應用是在社會生產、生活中獲得回報和產生經濟收入的重要來源。如果認為應用不屬于科學，科學研究要花的錢難道能從天上掉下來嗎？

• 科學研究動力。人類好奇心的確是推動科學發展的內在動力之一，但不要幻想僅靠好奇心就能完全滿足科學發展的動力需求。社會應用，包括常規的社會生產與生活，非常規的戰爭等，都是刺激科學發展的重要動力，甚至關鍵性的動力。動力不足，科學發展的速度就會很慢，甚至停下來。動力越強，科學發展的速度就越快。需要注意的是，很多學者往往是只抓住自己喜歡或關注較多的方面，認為只有它才是科學發展的動力。例如有些學者認為只有好奇心才是科學研究的動力，有些學者認為只有社會生產生活的市場需求才是動力，有些學者認為戰爭是引發科學革命的動力。我們需要理解到的是：這些觀點都不能算錯，但對于整個科學發展來說，并不是什么是動力、什么不是動力，而是動力越多越有動力。問題只是如何讓各種發展的動力更有效地驅動科學的進步。

• 科學研究對象。對科學的應用本身也是科學研究最重要的對象，提供了科學研究最廣泛的課題需求。例如，中國現在每個五年計劃中的科研指南，主要是圍繞涉及國計民生的重大課題而展開的。雖然指南中也會包含一些目前階段來看算是“無用之學”，但它們肯定不會成為科研投入的主要方向，更不是某些學者認為的只有無用之學、只有追求超脫于社會的純學術才算是科學。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“基礎研究經費投入占研發經費投入比重提高到8%以上”，2021年這一比例僅為6.09%。基礎研究就是短期內看不到直接應用價值，但對長遠科技進步具有根本性支撐作用的研究，也就是所謂的“無用之學”。例如：

• 暗物質、暗能量研究。

• 中微子探測。

• 宇宙線起源。

• 恒星演化與致密天體。

隨著我國經濟總量的不斷提升，國家會逐步增加“無用之學”研究的占比，但相對來說，90%以上還是會投入在有實際應用的項目，尤其是涉及國計民生的重大課題上。這個會是長久的比例關系。

2.以科學三個環節不同情況對科學進行的分類

在不同的研究領域，科學的三個環節體現可能會有所不同。根據三個環節體現的有無，可以把知識從純理論上分成8種類型，參見表2。

第1到第7類都可以是科學，但從中可看出科學是有級別的（請不要誤解，表2中的類別并不是直接對應級別）。最高的級別顯然是第1類。每一門學科或相應的知識屬于哪一類并不是絕對的，而是可變的。所有類別的知識都應當盡力向第1類的最高級科學類別演進。

因此，不能籠統地說什么是科學，我們必須深入到學科與知識內部去精細地進行分類研究，才有可能對科學有精準和全面的理解。

表2以科學三個環節不同情況對科學進行分類

類別

測量

數學

應用

案例

1

1

1

1

機械、電子等

2

1

1

0

高能粒子物理

3

1

0

1

化工、農業

4

1

0

0

部分天文

5

0

1

1

編組、分類、優選

6

0

1

0

數學、西方經濟學

7

0

0

1

手藝

8

0

0

0

空想、哲學、某些社會學科

表2中標識為“1”的是完善地具備，標識為“0”的是不具備，或不完全具備。以上的1、0并非絕對，尤其是從發展的眼光看，過去曾經沒有的，以后可能會有。另外，現代的天文學，已經不能說沒有數學支持，天體運行的規律已經可以有相當嚴格數學化的理論描述。

從以上8種知識類型的分類可看出，的確有幾種是屬于“無用之學”，包括第2、第4、第6類知識，但他們也屬于科學。如高能粒子物理，某些天文學知識，某些純數學等。尤其太陽系外的天體，除極少數像脈沖星的信號可以作為時鐘信號外，絕大部分很難看得出有什么實際應用價值。所以，盡管無用，我們還是需要從科學完備性的角度去發展他們。這是科學本身的需要。另外，無用也是相對的，現在無用的，將來可能會有用。如果是描述現實社會且應當有用的知識，則必須具備有用性。

以上第8類一般不屬于科學。即使屬于前面7類也并不是所有知識都可稱為科學，例如其中淺藍色內容可能不能被稱為科學。西方經濟學為什么不能算科學，原因在于他只是追求數學化，但卻沒有將一切概念和理論全部建立在測量學之上。測量是科學的基礎，其含義是一切理論的概念定義必須是可測量意義上的定義，或一切概念都必須是可測量的，并且必須要通過測量數據去不斷地進行檢驗。這個測量基礎是絕對的天條，不允許有任何一部分理論脫離測量基礎的作用。但西方經濟學居然允許經濟理論可以不受實踐中測量數據嚴格、全面、系統、持續的檢驗。因此，從基本觀念上說它就不科學，它與中世紀經院哲學類似，盡管其經過了數學工具的精美包裝，而根本問題并不在于它的理論存在某些具體的缺陷。如果沒有測量基礎的前提，理論中的具體缺陷也無從談起。所以，西方經濟學的問題是它的基本前提和核心基礎不科學甚至是反科學的。

測量是檢驗一切經濟學理論的唯一終極標準，如果不接受這個基本的前提和絕對的天條，它就不可能是科學。如果在其基本觀念中公然地違反這一天條，它就是反科學，無論它使用的數學工具多么精美、論證多么嚴密和動人、發多少諾貝爾經濟科學獎都是如此。經濟學領域是這樣，其他一切認識領域也全都是這樣。

三個環節中只要具備其一的，都可以發展成為科學。因此，傳統手藝也可以是科學。三個環節具備得越完善，當然其科學性就越強，最好是三個都具備的第1類。所以，即使某個領域可以算科學，也不意味著他就可以停下來不發展了，尤其是需要在三個環節都盡可能地完備和完善。如果傳統手藝能系統地采用現代科學測量工具，建立嚴格的數學模型，向第1類科學演進，它就會更加科學。