如何判断自然科学研究中的严谨或不严谨？

马海飞

（http://blog.sina.com.cn/gfis  2017/3/24）

自然科学研究一定要在严谨的前提下进行。这是毫无争议的。但是，如何判断自然科学研究中的严谨或不严谨却是一个很少有人知道和讨论的问题。

从目前的情况来看，人们普遍认为在科学研究中大量使用数学和实验数据就代表着严谨。相比之下，语言叙述并不重要。真是这样吗？让我们主要以物理学为例把这个问题展开来分析一下看看就知道答案了。

物理学一直被认为是自然科学诸多学科中最严谨的学科。主要原因就是它特别注重数学运算和物理实验或观测数据。但是，经过近十年对物理学问题的研究之后我发现，其实物理学是所有自然科学学科中最不严谨的学科。理由如下：

一、没有统一的基本概念

孩子一生下来都要先给她／他起个名字。起名字的目的就是让所有的人在不见到她的时候也知道那个名字所代表的人是谁。其实物理学的基本概念与人名的意义差不多。目的是让所有的人对同一个存在给出一个通用的名称（概念）。一旦提到那个概念，就会在所有人的脑海里反映出相同的定义。

但是，今天的物理学却存在着一个不同寻常的现象。这就是：同一个名称的物理概念代表着完全不同的意思。也就是说，同一个物理学基本概念具有不同的定义。例如，“力”是物理学中最基本的概念之一。经典物理学对它作出的基本定义是：力是改变物体运动状态的原因。它具有大小、方向和作用点这三个基本要素。所谓“基本定义”就是指“对所有不同特殊形式的力（概念）都通用的定义”。比如说“推力”、“拉力”和“阻力”等等都是不同形式的力。但都符合力的基本定义。都是改变物体运动状态的原因，都具有大小、方向和作用点。

然而，在物理学里却实际上存在着非常多并不符合力的基本定义的力。比如说：场力、引力、斥力和静电力、磁力以及惯性力、离心力等等。这些力都没有作用点。显然不符合力的基本定义，因此不应该把它们叫做“力”。而事实上物理学却一直都把它们看作是力。从科学的立场上来说，这明显是不严谨的做法。反过来说，物理学家们把不是力的物理现象叫做“力”的这个做法就反映出物理学不严谨的一面。

基本概念不统一对科学理论研究来说是一个致命的缺陷。而在物理学中，基本概念不统一的现象却是一个物理学家们早已习惯了的常态。因为习惯了也就视而不见了。

在物理学中，力并不是唯一一个没有统一定义的物理学基本概念。其实几乎所有的物理学基本概念都没有统一的定义。例如：时间、空间、场、物质、质量、静止、运动、基本粒子、能量等等这些最最基本的概念都没有它们自己统一的定义。物理学家在不同的场合下以不同的定义来使用这些物理学概念。例如，在解释爱因斯坦理论的时候，使用的是可以弯曲和膨胀的时间。但在计算天体之间的线性距离时需要把光年换算成直线距离。这时使用的就是既不弯曲也不膨胀的时间了。这种实用主义的做法是完全违背科学严谨这个基本原则的。而这种现象在物理学中司空见惯。

相比之下，任何其他学科都不会出现这种情况。例如在生物学、化学、医学、农学、考古学等所有学科中，科学家们使用的概念其定义都是统一的。例如“时间”、“细胞”、“蛋白质”、“化学元素”以及“生物”和“矿物”这些概念的定义都是统一的。不会出现张三说的时间与李四说的时间定义不同的问题。

只有使用统一和明确的基本概念才不会出现混乱。而造成混乱的根源之一就是不严谨。今天物理学理论之所以如此混乱，在基本概念问题上的不严谨就是主要原因之一。由于物理学在基本概念问题上不严谨，因此物理学不可能是一个严谨的学科。

二、没有遵守“纯化科学基本原则”的意识。

凡是受过高中以上教育的人都做过化学实验。在做化学反应或测量化学物质的物理特性时都必须要使用“纯化学试剂”。这是因为含有杂质的化学试剂会让实验或测量结果产生误差。使用纯化后的实验材料进行实验、观测的做法已经是一个普遍使用的“科学基本原则”。我称之为“纯化科学基本原则”。不但化学实验要用纯试剂，就连生物实验也要使用纯种的生物。“纯化”与“精确”是一致的。而“精确”与“严谨”是一致的。因此，在没有纯化前提下进行的研究都是不严谨的。

然而，纵观物理学的研究历史可以发现，似乎在物理学界并没形成这样一种纯化科学基本原则。从亚里士多德开始，他观察的自由落体运动是在空气中的现象。这是一个没有进行过纯化的现象，因此而得出了“物体越重下落速度越快”的错误落体理论。虽然后来伽利略证明了自由落体的下落速度与物体的重量无关，而且现在也被实验证明在真空（纯化）环境中铅球和羽毛的下落速度是相同的，但是“纯化”这个科学基本原则却并没有在物理学界受到应有的重视。更没有把它当作一个科学基本原则对待。于是，物理学家在从事物理实验和观察的时候依旧像亚里士多德那样从自然现象中建立物理学理论。殊不知，自然现象就像自然物体一样，并不是由“纯”的元素或因素构成或导致的。其中充满了“杂质”。这些杂质导致了误差的出现。但是，物理学家因为无视“纯化”这个科学基本原则，因此也就无视杂质对实验和观察结果的影响。在这样的情况下得到的结果肯定是不准确的。使用这样的实验和观察结果进行物理学理论研究的做法100%是不严谨的。

例如，“水星近日点进动”是一个受到多种因素影响而形成的综合现象。这并不是一个单“纯”的万有引力现象。而是一个“掺了杂质”的与万有引力现象有关的天体运行现象。因此，这个现象并不适合用来解释万有引力问题。另一方面，虽然牛顿本人没说过，但牛顿的万有引力定律所描述的实际上是理想情况下的单纯的万有引力现象中的情形。单纯的万有引力问题是不涉及到物体运动的静止状态下的问题。而在水星近日点进动现象中，水星一直处于高速运动之中，而且，它的运动既不是匀速直线运动也不是正圆形轨道上的运动。水星运动速度的变化和轨道的椭圆形状都会成为影响万有引力现象的“杂质”。可是，物理学家竟然用这个观测结果来证明爱因斯坦的万有引力理论是正确的。说牛顿引力定律的计算结果是近似的。这样的做法与在空气中用铅球和棉花球做落体实验来证明亚里士多德的落体理论是正确的，证明伽利略是近似的做法完全一样。这充分反映出物理学家们的心里根本就没有纯化科学基本原则。如果有这个基本原则的话，面对水星近日点进动这个问题就会首先把这个现象进行分解纯化，就像在空气中做落体实验，然后把万有引力现象与空气阻力现象等其他影响因素进行分解那样。把干扰因素排除掉之后，在一个纯的前提下进行研究。其实，物理学家并不是不知道应该先分解，后研究。但是，因为没有把它作为一个科学基本原则对待，因此就在想到的时候用一下，（例如在落体理论中抽真空），在想不到的时候就不管它了，（例如在水星近日点进动问题上）。

用水星近日点进动的现象来判断万有引力理论是否正确的做法反映出物理学界的不严谨性。这仅仅是众多例子中的一个。如果仔细分析的话就可以看到，这类不严谨（含杂质）的做法充满了物理学理论中。

其实，所有的科学理论都应该是针对不含杂质的“纯现象”提出的。也就是说，只有针对纯现象提出的理论才是有科学意义的理论，才是真正的科学理论，而针对不纯的现象提出的理论并不是真正的科学理论。那些都仅仅是对表面现象的描述而已。例如亚里士多德的“落体理论”以及“力是维持物体运动的原因”的理论等等都是对表面现象的描述。其实爱因斯坦的那个“引力理论”也是如此。并不是真正科学的引力理论。由于物理学家并没有把“纯化”作为一个科学基本原则对待，因此在建立科学理论的时候根本就不考虑纯化的问题。这就可以理解实际上在物理学理论中充满了杂质的影响。这说明现有的物理学理论都是非常不严谨的理论。

三、不承认客观存在的绝对性

当今的物理学理论建立在“相对性原理”之上。其实，从科学理论的角度上来说，“相对性原理”是一个反科学的原理。在科学研究中，相对性原理充其量只不过是一个认识自然过程中的工具。它只有技术上的意义，并没有理论上的意义。科学理论追求的是科学真理。而真理存在的前提就是绝对性。不承认客观存在的绝对性就不可能有科学真理存在。以相对性原理为基础建立的理论就是不承认客观存在的绝对性。

绝对性就是对同一个客观存在在任何人看来都是一样的。而相对性则是对同一个客观存在在不同的人看来可能是不一样的。由此可见，相对性原理用通俗的说法来讲就是“公说公有理，婆说婆有理”的原理。以这样的原理为基础进行的研究在科学上是不可能严谨的。严谨的研究结果肯定是很少有争议的。而有争议且解释不清的理论肯定是在科学上不严谨的。现代物理学理论就是这样的理论。

相对性原理不可能产生出严谨科学理论的主要原因是它的局部性问题。相对性的出发点都是局部的。相对性原理的思路都是从局部出发。以相对性原理理解自然现象也都是片面的。这样看到的东西都不是真相，而是表面现象（包括假象）。以局部看到的和片面的认识以及假象构建起来的理论是不可能严谨的。

与相对性原理相反，承认客观存在的绝对性就是承认客观存在的整体性。只有对客观存在的整体全面了解之后才会真正了解真相。只有在真相的基础上建立起来的理论才是具有科学意义的理论。

相对性原理是物理学特有的。其他任何自然科学学科都不会用相对性原理来进行科学研究。试想，如果两个生物学家面对一个动物，其中一个人说它是死老虎，另一个人说它是活猫。二人争执不下。前者说：这个动物相对于“我”来说它就是死老虎。而另一个人说相对于“他”来说就是活猫。这时来了一位第三者，认为二者说的都没错。这样的情形能算得上是科学吗？从生物学家的角度来看一定不是科学。但从物理学家的角度来看就可以说它是科学。

公说公有理和婆说婆有理的现象在哲学中司空见惯。物理学中出现这样的现象说明很多物理学家都把哲学引入了物理学中。本来，哲学是以精神世界为研究对象而形成的学科。而自然科学是以物质世界为研究对象形成的学科。一旦把哲学引入物理学，物理学家就开始用物理学语言来研究人的精神世界，这样的研究从科学角度来看是不可能严谨的，甚至是反科学的。

这在爱因斯坦的理论中尤为明显。所有认真读过介绍爱因斯坦理论文章的人 都会发现，爱因斯坦的理论总也离不开“观察者”。一旦没了观察者，爱因斯坦的理论就无法成立了。这说明爱因斯坦的理论是以人的精神世界为基础建立起来的。而不是针对客观的物质世界建立的理论。因此，这个理论必须是相对的。因为人的精神世界都是相对的。只有客观存在的自然世界才是绝对的。

这说明了什么？说明了物理学是一个不严谨的学科。它可以因人而异地根据自己的立场来解释“自然”现象。不承认自然存在的绝对性。科学的严谨是建立在绝对性上的。没有绝对是不可能有科学上的严谨的。

四、不讲物理机制         

物理学的另一个奇怪现象是不讲物理机制。从来没见到有哪位物理学家解释过光速不变的物理机制是什么。万有引力作用过程中的物理机制、动质量产生的物理机制、惯性的物理机制、大爆炸理论中奇点形成的物理机制、自然变化过程中如何跨越不连续时间和不连续空间的物理机制等等，在物理学理论中都没有。对所有这些现象的解释都是靠自欺欺人的“想象”。例如，在万有引力的相互作用中，想象着两个物体的结构粒子穿越空间相互作用。但不解释这些结构粒子是靠什么物理机制相互作用的。如果是靠引力线的话，引力线的形成机制是什么？它作用在分子水平的粒子上还是原子水平的粒子上？所有的解释最后都是靠想象。

现代物理学认为能量可以以粒子的形式（即量子）独立存在于物质实体之外的空间里。量子可以像子弹那样独立地在宇宙空间中穿梭。而且，宇宙最初是从一个能量无限大而体积无限小的奇点所发生的大爆炸中诞生出来的。可是，那个奇点是靠什么样的物理机制形成的？物理学根本不提。

什么是物理机制？物理机制就是一系列导致物理现象产生的前因后果。知道了物理机制，就会知道物理现象是如何产生出来的。知道了物理机制才有可能建立正确的物理学理论。可是，物理学家并不在意物理机制，而是靠想象来建立物理学理论。很多理论都脱离物理机制。

例如关于引力传递速度的问题。科学家使用“如果太阳突然消失的话，地球会出现什么样的反应”为题来进行研究。殊不知，在客观的物质世界里，太阳的质量是根本就不可能消失的。自然世界里不存在这样的物理机制。从提出这个问题上就可以看出，物理学家对物理机制毫不在意。他们在理论研究的时候根本就不想物理机制的事情。

与物理学不同，其他所有的学科都对机制都非常重视。化学有化学机制、生物有生物机制。每个自然现象的出现都有前因后果。科学理论研究的目的之一就是把这些前因后果找出来。例如，为什么种瓜得瓜种豆得豆？为什么孩子长得像父母？对此生物学家发现了遗传机制。这才是严谨的科学。

机制与现象是对应的。现象是人能看得见的，但机制是看不到的。正是因为机制看不到，因此才需要用科学的方法进行研究把它找出来。

此外，有些现象的产生机制不是单一的。如果不从机制上进行研究就可能会被假象所欺骗。这在历史上早就有过沉痛的教训。

“日出日落”是一个所有的人都能看到的自然现象。但是，这个现象的产生机制有两个。一个是太阳围绕地球转。另一个是地球自转。

前面说过，客观存在具有绝对性。地球自转以及地球围绕太阳转都是绝对的客观存在。但是，由于人站在地球上感觉不到地球在动，因此就很容易把日出日落现象的产生原因想象成是太阳围绕地球转。也就是说，日出日落这个现象中反映出来的一个是真相，一个是假象。真相就是地球自转、假象就是太阳围绕地球转。由于哥白尼之前的人没有从物理机制上研究日出日落的问题，因此没有对地球自转机制产生重视。导致了错误的地心说延续了千年之久。

这个沉痛的教训告诉我们，要想知道现象产生的原因，单靠想象是不行和不严谨的。一定要从物理机制上搞清楚。目前，在物理学理论研究中就涉及到很多这样的现象。物理学家却没有对它们的物理机制进行研究。

例如，在万有引力现象中，自由落体加速度（即通常说的“引力加速度”）与力之间的物理机制关系是什么？到底是先有加速度还是先有力？这个问题与“到底是太阳围绕地球转还是地球围绕太阳转”的问题一样重要。而且同样需要从物理机制上进行研究才能得出正确的结论。遗憾的是，物理学家对物理机制不感兴趣。于是就想当然地认为先有引力后有加速度。这种做法显然是不严谨的表现。

此外，针对宇宙加速膨胀、暗物质和暗能量以及动质量等现象，物理学家都是在做表面文章，从来都没想着从物理机制上对它们进行研究。如果从物理机制上进行研究的话，也许就会发现，动质量与暗物质是一回事。而且也会发现，水星近日点进动与动质量也有关系。

总之，只在表面现象上做文章，不深入到背后的物理机制上进行研究的做法是不严谨的。而物理学正是如此，因此物理学是一个不严谨的学科。

结语

物理学是自然科学中的一个分支。既然是自然科学（不是哲学），物理学就必须遵守自然科学的基本原则。而且要在“客观存在的绝对性”框架内进行研究。不能独树一帜，制造出违背科学原则的物理学理论。物理学中使用的基本概念不但在物理学内部统一，而且也必须要与其他学科一致。例如，时间、空间、物质、质量和能量等等。此外，必须要在“纯化科学基本原则”的基础上进行理论研究。消除杂质的影响。而且要从物理机制上进行研究。只有这样才能形成严谨的物理学研究体系。

根据以上对物理学领域存在的问题作出的分析，“如何判断自然科学研究中的严谨或不严谨”这个问题的答案已经自在其中了。