现有科学研究方法的三大支柱存在什么重大问题？

马海飞

（http://blog.sina.com.cn/gfis 2020年11月27日）

我认为目前的科学研究在方法上主要是靠三大支柱支撑着的。它们是：1）科学实验与观察；2）数学和3）以逻辑学为主的哲学。离开了这三大支柱的任何所谓科学研究都是空中楼阁。而且缺一不可。

这就是说，任何科学研究得出的结论都必须要来自对物质现象及其过程的实际观察和测定。并且必须在数学和逻辑学上自洽。所有缺少科学实验观察或违背数学和逻辑学的科学研究结果都是不可信的。这在物理学研究中的表现尤为典型。

不过有一点必须要事先强调一下，虽然所有符合科学原则的科学研究都必须依靠这三个方法，但并不是所有只要依靠这三个方法建立起来的科学理论和得到的结论都是正确的。这就是本文要对本文题目中提出的问题进行讨论的原因。对这三个方法使用不当反倒会适得其反。

举例来说，著名的牛顿万有引力理论就是依靠这三个方法形成的。首先，牛顿从自然世界中观察到了苹果总是落向地面，月球永远围绕地球转，既不飞走也不落下来。炮弹的抛物线运动形式等等。这些都属于科学实验观察的范畴。然后，他用逻辑推理的方法根据大炮位于地球的高度不同和炮弹射出的速度不同得出了这样一个结论：如果大炮位于地球表面以上足够高的地方并且射出的炮弹速度足够快，那么炮弹就一定会有可能一直围绕地球转不再落到地面上。根据这样的思路，牛顿提出了存在万有引力的观点。用并依靠这个万有引力从逻辑上把苹果落地和月球围绕地球转这些表面上毫不相干的自然现象完美地联系了在一起。这些都属于逻辑学中的逻辑推理的范围。到此为止，牛顿还并没有完成他的科学研究。他下一步的研究使用的方法就是数学。根据数学计算，牛顿得出了“万有引力的大小与这两个物体质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比”这个数学关系上的结论。这个数学关系最终形成了我们今天看到的那个牛顿万有引力计算公式——F=GMm/r²。显而易见，在牛顿的这个研究过程中，“科学实验观察”和“逻辑学”以及“数学”这三种方法缺一不可。这是牛顿获得成功不可缺少的条件。实际上，在当今所有的科学研究中都缺少不了这三种方法。或者说都不应该缺少这三种方法中的任何一种。

这三种方法对科学研究的正面意义不言而喻。可是，这三种方法存不存在什么重大问题呢？这些问题又是如何损害到科学研究的发展呢？如果不知道这些答案的话，就会因为对这三种方法使用上的错误而导致重大的科学研究结论上的错误。

首先，我们应该知道，科学实验和观察并不是简单地随便用实验仪器和实验材料做个实验，或对大自然现象进行观察和收集数据就可以了。而必须要让科学实验和观测符合科学原则。也就是说，科学实验观察不是一个简单的表面形式，而是要符合科学要求。例如，在做自由落体运动实验的时候必须要在真空环境下做。如果是在地球表面的自然环境中做自由落体运动实验，得到的观察结果和数据都是毫无科学意义的。因为在空气中做的自由落体运动实验不符合科学要求。在做化学实验的时候，所有的化学试剂甚至包括水都必须是尽可能纯的。用含有杂质的化学试剂做出来的化学实验结果一定是不科学的。任何一门科学都是如此。关于这一点，我在《不懂“纯化原理”的物理学不能算是科学》（Jan 25, 2019）一文中有详细论述。所以说，不符合科学原理的实验观察会给科学研究带来重大灾难。这是因为单纯的科学实验观察形式本身具有很强的隐蔽性。它会给人一种“基于客观事实”的错觉。因此会被很多人拿来当作科学的幌子。而实际上，不符合科学原理的实验观察结果虽然也都是“客观事实”，但它们中很多都是表面现象，而表面现象中的大多数都是假象。这就是说，很多科学实验观察中获得的数据或观测结果都有可能是假象。根据这些假象得出的结论是不科学的甚至是错误的。遗憾的是这种使用不符合科学要求的实验观察方法得到的数据进行科学研究的现象非常普遍。这是科学实验和观察存在的一个重大问题，绝对不可忽视。

其次，虽然在科学研究中的逻辑分析通常看上去都是非常严密的，毫无自相矛盾的地方，但是，在逻辑分析中最容易出现的一个致命问题是“在大前提上出现了错误”。这是科学研究中非常常见的现象。逻辑学的基本方法就是三段论推理。也就是用大前提，小前提和结论的形式进行逻辑推理。我发现很少有人注意到，这个方法中最容易出错的地方不是这个逻辑推理的三段论形式本身，而是对大前提的设定。例如，在哥白尼时代之前的人认为宇宙是上帝专门为了人类而创造的。因此上帝把人类所生存的地球放在了宇宙的中心，让所有其他天体都围绕宇宙中心的地球转。地球是宇宙中心这个世界观就变成了当时科学研究的大前提。于是就有了：因为地球是宇宙的中心，地球以外的所有一切天体都围绕宇宙的中心运转（大前提），太阳是地球以外的一个天体（小前提），因此，太阳也围绕地球转（结论）。在类似这样的推理过程中，逻辑推理的形式本身完全没错，而且小前提或许也并没错，但因为大前提错了，最后从推理中得出来的结论就必定是错的。这种大前提设定错误导致结论错误的现象在历代科学研究中都非常常见。而且至今还是如此。遗憾的是很少有人注意到这一点。

人类非常习惯于把常识和共识或公理等约定成俗的观点当作逻辑推理的大前提。甚至从事科学研究的专家学者也不例外。这种做法实际上是非常错误的。在所有重大科学问题上，大前提的设定往往都是由世界观决定的。例如上帝是否存在的世界观。天上和地上的自然规律是否相同的世界观。太阳围绕地球转还是地球围绕太阳转的世界观，以及世界是相对的还是绝对的世界观，还有决定论和非决定论的世界观等等。虽然今天从事科学研究的各路专家学者都认为他们从事的都是纯科学领域的研究，而实际上他们根本就摆脱不了世界观的影响。他们的世界观在他们的科学研究中始终处于逻辑推理大前提的位置上。一旦世界观是错误的，无论接下来的推理如何严密，得到的结论也一定都是错误的。所以说，逻辑推理是否能得到正确结论的关键不是逻辑推理这个形式上的问题，而是大前提设定是否正确的问题。错误的大前提给科学研究带来的灾难是非常深重的。

第三，数学方法的严谨性让它成为科学研究中不可缺少的一个方法。然而，数学的严谨仅仅是在数量的关系上，而不在物理的过程上。这也是数学与自然科学的区别所在。也就是说，单纯的数学并无法描述出一个正确的物理过程。举例来说，张三开车以60km/h的速度向李四停在马路上的车驶去，与李四开车以同样的速度向张三停在路上的车驶去，在数学上计算出来的两个结果是一样的。也就是说，单从数学计算结果上看不出谁的车处于行驶之中，谁的车是静止不动的。也计算不出因果关系。这也是物理学的相对性原理。可以说，物理学的相对性原理是为数学的量化关系而建立的。并不是为描述物理过程而建立的。也就是说，数学运算无法区分相对性中的主客关系或因果关系。作用力与反作用力相等。如果没有文字上对物理过程的描述，单从力的大小上是无法区分作用力和反作用力的。这样的数学计算结果就很容易造成主客易位或因果颠倒的问题。这种问题在科学研究中会导致非常严重的结果。从主客易位和因果颠倒的关系中推理出来的科学理论上的结论一定是错的。而这种错误在物理学中屡见不鲜。

下面就以上科学方法的三大支柱中的问题举例说明。

例1. 在爱因斯坦的理论中，他所提出的几乎所有的前提都是无法用实验和观察所验证的。例如在爱因斯坦提出的那个至关重要的光速不变原理中认为在绝对真空的环境中光速是总也不会变的。可是，真空中的光速会不会变是无法用实验来证明的。人类无法使用任何方法像测车速或飞机速度那样来测出光的传播速度。而且，在自然世界里也不存在绝对真空的环境。现在已经知道，即使在宇宙外太空空间里也充满了物质的场。外空间也不是一个绝对真空的环境。所以说，爱因斯坦的理论实际上是一个缺乏实验观察可能性的空想理论。这种理论缺乏科学研究方法中的实验观察方法这个重要支柱。因此，爱因斯坦的理论属于空中楼阁理论。

也许有人会说，爱因斯坦的理论是得到了实验观察数据支持的理论。关于这一点就涉及到那些支持爱因斯坦理论的实验观察数据符不符合科学原理要求的问题了。其中一个最具典型性的例子就是对水星近日点进动的观测与计算结果的比较。众所周知，用爱因斯坦的万有引力理论计算出来的水星近日点进动结果与实际观测结果非常接近。因此，物理学家就以此为依据来证明爱因斯坦的万有引力理论是正确的。但是，包括那些物理学家在内，很少有人注意到，水星近日点进动这个现象并不是一个单纯的物理现象。也就是说，它不是一个由单一原因产生出来的单纯物理现象。相反，它是一个由复合因素构成的复杂自然现象。这种现象就像在空气中的自由落体运动现象属于同类。这种自然现象所反映出来的结果不是本质性的，而是表面的。这种现象不符合科学实验观察的基本原则和要求。也就是说，水星近日点进动并不是一个单一的万有引力现象，而是一个由万有引力现象和其他影响因素共同产生出来的表面现象。从这种现象中获得的观测数据掺有“杂质”，缺乏科学性。根本就不能直接用在科学研究中。况且，单纯的（或称之为理想状态的）万有引力现象是一种静态现象。也就是说，用牛顿引力公式所计算出来的那个万有引力实际上是两个静止不动的物体之间的力学关系。一旦物体处于运动状态，这种力学关系就会受到物体运动的影响，就如同处于空气中的落体受到空气的影响一样。物理学家使用水星近日点进动这个不符合科学纯化原理的观测结果来证明爱因斯坦的理论是正确的，这种做法与使用空气中自由落体运动的观测结果来证明亚里士多德物体越重下落速度越快的理论是正确的做法如出一辙。这就是本文在前面指出的对实验观察这个方法使用不当所产生出的重大问题。物理学家以及很多其他学科的专家学者在这方面都存在着非常普遍的现象。他们打着科学实验观察的幌子，使用不符合科学原理的实验观察数据来达到他们自己的目的。从科学研究的形式上来看，在他们的研究中，实验观察和逻辑推理以及数学运算这三个重要支柱一个都不少。但是，他们在背后却钻了这三个重要支柱的空子。把不符合科学原理的实验观察数据用在了他们的研究和分析中。这就是为什么我要指出这三个重要支柱所存在的重大问题的原因。

例2. 前面已经说过，在逻辑推理方面存在的重大问题则在于大前提的设定上。爱因斯坦把一个毫无实验观察依据的光速不变设定为大前提。这种做法本身就是错的。但是，物理学界却并没有对此引起警觉。相反，现代物理学家全都把光速不变设定为他们逻辑推理的大前提。例如，在哈佛大学学者做的引力红移实验中发现，电磁波从引力场强的地面射向引力场弱的天空方向时波长会变长，从上方射向地面的电磁波的波长会变短。这种现象被称为“引力红移”。这个物理实验与水星近日点进动观测不同，它是一个完全符合科学原理的物理实验。也就是说在实验观察方面不存在任何问题。可是，从事这些研究的物理学家最后却得出了“引力时间膨胀”的错误结论。而且这个错误结论直到现在还没得到纠正。为什么会出现这个错误结论呢？问题就出在逻辑推理的过程中。当然，在哈佛大学学者的研究中，在逻辑推理这个形式上毫无问题。小前提也没问题。实验观测本身当然也没问题。问题就出在大前提的设置上。他们把错误的光速不变设定为大前提。于是就得到了这样的推理：因为光速在任何情况下都不变（大前提），光的本质就是电磁波（小前提），因此，他们观察到的电磁波在红移过程中的速度也一定是不变的（结论）。既然光速在红移过程中也不会变，那么就只好让时间改变了。否则就无法使用数学方法进行计算了。就这样，爱因斯坦提出的引力时间膨胀这个怪物就被哈佛大学的专家学者“用物理实验给证实了”。

上述例子充分证明了在科学研究中逻辑推理所存在的重大问题。逻辑推理本身不是问题，小前提也不是问题。实验观察数据也没问题。唯一的问题出在对大前提的设定上。用一个不靠谱或者未被确凿证实的观点作为大前提。其他方面都做得天衣无缝。这种做法非常具有欺骗性。在引力红移现象中所产生的真实物理现象明明是电磁波的波长变长，而在频率不变的情况下，波长变长的结果明明是光速变快。这才是从这个实验观察中得出的正确结论。引力红移这个实验结果明明是一个否定爱因斯坦光速不变理论的铁证，却被物理学家偷梁换柱变成了支持爱因斯坦理论的物理实验证据。

如果有人还是不相信光速可变的话，可以把迈克尔逊-莫雷的实验装置从水平方向改变成垂直方向重新做这个实验，得到的结果一定是水平方向的光速与垂直方向的光速不同。在这种情况下，如果还使用引力时间膨胀的说法解释实验结果的话那就是耍赖了。在同一个实验装置中的水平时间和垂直时间不一样？岂有此理！

这个例子证明，在科学研究的逻辑推理中，大前提的设定非常关键。遗憾的是，这种错误设定大前提的现象在物理学中比比皆是。例如，在哥白尼之前，人们把地球是宇宙的中心设定为大前提。以此来针对观察到的自然现象进行逻辑推理。为了符合逻辑推理的要求，于是就制造出本轮之类的东西。就像爱因斯坦制造出引力时间膨胀的概念一样。在牛顿时代，宇宙中存在万有引力变成了科学研究的一个大前提。而万有引力的存在到今天也没人证实过。显然，万有引力存在这个大前提是错的。进入到现代物理学时代类似的错误就更多了，光速不变、相对时空、弯曲时空、不确定性和时空的不连续性等等都成了科学研究的大前提。而这些大前提没有一个是被严格的科学实验和研究证实是正确的。这些大前提基本上都是科学界的共识。属于约定成俗的东西。以谎言重复千遍就变成真理的方式让这些东西间接变成了所谓的科学常识。然后就被拿来当作大前提使用。这种做法是非常不科学的。

由于在科学研究的逻辑推理过程中经常会有这种大前提错误的现象出现，因此，我们从中得到的教训就是：当你看到一个科学研究的结论非常诡异的时候，不妨从大前提上找问题。如果能从大前提上找出错误，问题的解决就简单了。万万不要被专家学者们严格的逻辑推理和实验观察以及数学运算这些外观形式所蒙蔽。

其实，使用设定错误的大前提之后再进行逻辑推理来瞒天过海的做法并非是科学研究领域的专利。这种做法在社会问题和国际问题以及人类活动的所有方面都存在。感兴趣的读者可以随便找出一些感觉难以接受的结论分析分析看看，基本上这些结论都来自于错误的大前提。

例3. 数学是科学研究方法中的三大重要支柱之一。但是，数学方法跟实验观察和逻辑推理一样，使用不当也会出现重大问题。例如，牛顿的万有引力公式F=GMm/r²就存在非常严重的科学问题。前面说过，数学的最大问题是它无法反映出确切的物理过程。因此，我们从F=GMm/r²这个公式上无法直接看出任何与之对应的物理过程。它仅仅反映出了物理量之间的数学关系，而无法反映出物理关系，包括主客关系和因果关系等等。甚至公式中的某些物理意义都无法反映出来。例如引力常数G的物理意义，距离平方反比的物理意义，两个物体质量乘积关系的物理意义等等。可是，因为它的计算结果却总是正确的。这就形成了一丑遮百丑的效果。它用计算结果的正确性掩盖了牛顿万有引力理论中的所有其他错误。这是数学方法给科学研究带来损害的典型事例。导致物理学家在万有引力问题上的基础研究停滞在三百多年前的水平无法突破。

牛顿引力公式中的数学运算本身没有任何错误。但是，这个公式无法正确区分物理世界中的因果关系。最后所造成的恶果是颠倒了物理过程。这个物理过程就是牛顿引力公式中的力并不是产生万有引力现象的原因，而是万有引力现象的结果。也就是说，对牛顿引力公式而言，无论是其中的那个力产生出了万有引力现象，还是万有引力现象产生出了那个力，它的数学计算结果总是正确的。由于这个数学公式无法区分因果关系，再加上牛顿先入为主地主观臆想出来一个叫做万有引力的力与这个数学关系相呼应。于是，万有引力就变成了导致万有引力现象产生的原因了。一直延续到今天人们还这样认为。

其实，牛顿说的那个相互吸引的万有引力在自然世界中根本就不存在。导致万有引力现象产生的原因也不是万有引力。用牛顿引力公式计算出来的那个力也不是相互吸引的力。关于这一点，只要把牛顿引力公式分解成两个不同的公式就可以看出来。F=GMm/r²可以分解成F=mg和g=GM/r²。这样一来，力F与加速度g之间的因果关系就很容易看出来了。很明显，力F是加速度g的结果。因为，没有加速度g就不可能有力F的出现和存在。而力F不可能是产生加速度g的原因。因为在产生加速度g的过程中（g=GM/r²）并不需要力F的存在。这就说明，牛顿引力公式F=GMm/r²实际上描述的是两个物理过程合成后的结果。其中一个是产生加速度g的过程，另一个是产生出力F的过程。而在这两个过程中，可以反映出万有引力现象本质的过程实际上是加速度g的产生过程。产生力F的过程只不过是一个普通的力学过程。并不是产生万有引力现象的过程。针对这两个过程可以这样理解：加速度g是从GM/r²这个静态的环境中产生出来的。并不是从任何力学过程中产生出来的。或者可以说，加速度g原本就存在于GM/r²这个静态的环境中。它对下落物体而言属于一个外环境因素，而不是下落物体本身自己的因素。与实际下落的物体本身无关。这就是为什么无论什么样的物体在相同的环境中的加速度g全都相同的原因。这也是万有引力现象具有万有性的原因。由此可见，加速度g才是万有引力现象中的关键。而不是力F。至于力F的起源则来自于另一个物体对下落物体加速度g的抵消。那个刚好抵消g的外力就是F=mg中的那个力F。可见，用牛顿引力公式计算出来的力F并不具有相互吸引的能力。它只不过是一个阻止物体做自由落体运动的阻力而已。这个阻力才是牛顿引力公式中的那个力的本质。可是，由于数学运算无法区分物理过程中的因果关系，无论是把它看作是相互吸引力或是阻力，计算出来的数学结果都是一样的。因果关系颠倒之后就可以把牛顿引力公式中的力说成是相互吸引的万有引力。按照这个思路计算出来的结果在数学上依然还是正确的。于是就骗倒了所有的人。这些人就对万有引力的存在坚信不疑了。可是，在物理学上，一旦因果关系搞颠倒了，相应的科学理论就会陷入解释不通的窘境。牛顿的引力理论正是如此。三百多年来人们一直使用相互吸引的力来解释万有引力现象却总也解释不通。甚至连万有引力从何而来都找不到原因。而使用正确的因果关系进行解释的话则会让人茅塞顿开。

可见，数学虽然在量化关系上非常严谨，但在物理机制上却非常不严谨。量化上的严谨和物理机制上的不严谨对实用技术来说毫无问题。无论牛顿引力公式中的那个力是引力还是阻力都不影响卫星发射和天文学计算。但在科学理论上它却是一个巨大的问题。错误的物理机制会导致错误的理论出现。牛顿的引力理论错误就是一个最好的证明。

三大重要支柱所存在问题的解决方法。

首先，实验观察必须要符合科学原理。不是所有的实验观测数据都是科学的。这一点必须要引起重视。在自然世界里不存在真正的异常现象。所有异常现象都是由还不知道的影响因素导致的。一旦有异常现象出现，首先要想到的是其中是否存在某种还不知道的影响因素，而不是针对异常现象制造出新理论。

其次，逻辑推理的大前提必须正确。很多看似科学常识的知识实际上都是错的。如果以这种错的知识作为逻辑推理的大前提使用，得出的结论一定是错的。此外，约定俗成的东西和人为主观想像出来而未经过科学验证的观点都不可以当作大前提使用。一旦当作大前提使用，如果得出的结论非常诡异，这时候首先要做的事情就是对大前提的正确性提出质疑。通过那些不可能的结论也可以反过来纠正错误的世界观。例如，从爱因斯坦理论中得出的宇宙大爆炸、时光倒流、平行宇宙和时间膨胀等等神话般的结论都是不可能的。但可以用它们反过来证明爱因斯坦理论中的大前提是错的。然后以此为出发点再继续研究就有可能找到突破点。

再有，对于数学方法存在的因果不分的问题，解决方法就是找出与之对应的物理过程。自然科学与纯数学不同，任何一个描述物理世界的数学计算过程都必定对应着相应的物理过程。只不过，有时候数学表达方式会掩饰掉这些过程。例如，加速度a的数学表达形式是d/t²。从这个数学形式上看不出它对应的物理存在是什么。但是，如果把它变成(d/t)/t=v/t的形式就很容易看出，加速度的物理意义就是单位时间t内速度v的变化。牛顿的引力公式也是如此。所有物理学中的数学表达都是如此。如果无法从数学描述中找出对应的物理过程和物理存在，那个数学描述一定就是错的。

俗话说，工欲善其事，必先利其器。我把它改成“研欲善其果，必先通其器”。意思是说，从事科学研究的人要想获得正确的结果和结论，必须要先清楚地知道应该如何精通正确使用科学研究的方法和工具。