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前：台大農藝系種子研究室網站 |
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科學方法與科學進展 郭華仁 1980 台大農藝 (3): 36-40.
科學無不源由已知
觀念大抵導自感覺
喜好科學的人莫不想瞭解科學的方法。對科學方法之本質的探討，是科學哲學的範圍。培根 (F. Bacon) 首先揚棄亞理斯多德的演繹法，提倡歸納法為科學研究的不二法門。其後經驗論者更闡揚此說，乃至流行的看法以為科學研究是科學家一本客觀之態度，搜集大量資料數據，然後將之歸納成一般化的假設，再以試驗觀察證實之或否決之，終能提出定律。歸納法的科學方法觀不論在科學進展的事實上，或是智識論的哲學基礎上，都犯嚴重的錯誤。五十年以來，某些科學哲學家對此已有深刻的批判，但通俗的說法似乎未曾稍改。 雖然科學的進展先於科學哲學之建立，而且獨立於錯誤的方法觀。然而追求真理原是科學目的之所在。筆者不揣鄙，所以敢效輩赫胥里之自稱達爾文的看門狗於百年之後，除了以為我國要發展科學，不能忘卻對科學哲學的研究外，實有感於一般的個例研究，大多以物理學、化學或生物學的科學革命為對象，有關植物學發展史例則較少顧及。因此本文除了介紹Harris等人對經驗學派的批判，以及其科學觀外，並引用我系有關學科加以佐證。 經驗論者誤以為演繹法屬於循環論證，不能由之獲得新知。例如「凡人必死，墨子是人，因此墨子必死」的三段論證，在經驗學派的看法，由於若要知道人必死的大前提成立，則已然含蘊墨子會死之瞭解，因此再由大前提推論墨子會死是重複而非新知。此看法最近哲學家都已否決。結論固然暗含於大前提，然而並不意味吾人已知大前提之所有內涵。吾人的觀察有限，不可能經由完全無遺的觀察來得到凡人必死的普遍命題。近代經驗論者也承認此說，因之他們提出Hypothetical deduction，即是在成立假設之後，再由該假設演繹其結果，由試驗察來證實或否決之。這個程序當然在科學研究上非常普遍，但仍未能說明假設的來源。他們仍以為假設是歸納出來，或靈感得來的。 其次經驗論將感覺獨立於觀念外，這原是其精髓之所在，而亦是經驗主義致命之所在。根據格式(gestalt)心理學之研究，觀察並不能完全排除觀察者的既有理念；完全客觀的要求，幾乎是不可能。英哲懷海德 (A.N. Whitehead) 曾表示事實與重要乃並存的。吾人並不能全盤地感覺萬緒雜陳的事實，必需有所抉擇，而重要之事實的選取並非每人雷同，此即主觀的作用，科學家亦不能免除。H. Poincare說：我們不能免除先入之見來從事實驗。基督徒若能經歷顯靈，則必耶穌保羅，而佛教徒不外菩薩觀音。本系有位不曾過植物解剖的同學，面臨維管束組織切片不知如何下筆。後來老師告訴他一些概念，結果描繪的相當成功。這真事暗示我們只有在某些概念架構（即使很簡單）之下，觀察才可能進行。 李約瑟在「中國的科技與文明」中提到，中國遠在紀元前一千多年以來，不斷有新星，超新星及變星的記載。然而西洋要等到哥白尼（1473∼1543）提出天文學的革命性思想後，才開始發現。有關太陽黑子的的記錄，中國也較歐洲提早一千年。這是因為西方一向受到亞理斯多德天體圓滿無缺的理論之影響。因此在無數夜晚的觀察，仍對天空的異象視而不見。概念架構的不斷演進是科學的常態。陰陽五行的理論，支持了中國醫學達千年之久，終因無法演進而使中醫停滯不前。 將觀察獨立於理念之外，在歸納法本身亦講不通。依經驗論的說法，每個感覺各自獨立，因而無所謂因果關係。果真如此，那麼吾人由有限的數據，歸納出一般化規則之後，並不能利用該法則來預測下一件事。假如骰子連續出現十次四點之後，第十一次出現四點機率仍是1/6，而非賭徒所以為的1或0。流行的說法以為一般化規則歸納出來以後，即可進試驗否決或證實之。事實上亦非如此單純。因為若干次皆證實該假設，吾人亦不能預測下一次的試驗是否仍得到相同的結果。而且科學史上，正確的假設偶而因某些未明的情況，導致某些試驗結果與其預測適得其反。這時科學家可能會對這幾組試驗避而不談。J.B. Conant說：科學家在爭論中常為了顧全自己的學說，故意避開無法解釋的事實；這種作法有時是愚蠢的，有時卻是明智之舉。筆者不願就此點加以渲染，但其要點是科學活動雖常包含歸納法，以及假設之驗證，然而這些卻不是科學方法的要點。其要點筆者擬以Kuhn-Harris的科學觀來介紹。 科學是概念的架構系統，統一人類的某些經驗。在此系統之下定律，或定律之下的事實，只有在該系統與其他定理或事實相對照時才有意義。我們再度回憶Poincare的話：「我們需要的是秩序井然的科學，或說是有機體的科學」。科學的進展，並非由特殊事件到普通規則，也非由單純到複雜，而是由模糊分散到精確聯接的。開始接受外界少數印象時，吾人思想的活動己開始將之互相銜接，然後由粗糙的概念觀察更多現象，逐漸修正其理念，使漸趨精確，更能聯繫越多的事實。亦即理論和觀察是並進的，而非累積許多觀察後才產生理論。一言以蔽之，科學的活動是事實的建構而非其堆積。 當一個完整科學體系出現之後，由於其解釋各種現象的能力較強，因此為一般科學所接受，於是形成了Kuhn所謂的典範(paradigme)。一切的解釋，實驗的方法，教科書的編寫都在此典範之下進行。然後隨著科學探討的不斷進行，既有的定律逐漸不能解釋某些現象。當與該典範不相容的事實累積到某種程度之後，終於有人可以由既有的事實及智識中，改變其架構而重建出新的秩序，提出對既有事實新的觀點與解釋的方法。此新系統能解釋更多事實，因此科學逐漸揚棄說而採納之，形成新的典範，此即科學革命。因此科學的進步是以正反合辨證的方式不斷地演進的。沒有先入的概念，即無新理論的發現。此即牛頓所說的，我所以看的比別人遠，是因為站在前人的肩膀。 科學活動可略分成兩種，其一種在典範的系統之下，增益其涵蘊能力的「正規科學」，另一種則是對典範理論下不能圓滿解釋的現象之探討，或稱「非常科學」。正規科學可以增加既有學說的光彩，非常科學則能創新局面。然而沒有正規科學的研究，從而發現學說的缺陷，則非常科學即不可能產生。 至於科學方法的一般程序則是這樣的：(1)實驗觀察過程中，某些事實不能用舊學說解釋，甚或與之衝突，(2)問題產生，(3)提出假設來解答該問題，(4)設計試驗證實或否決該假設，(5)若干個性質角度不同的試驗，皆能，而且必須以新假設來解釋時，即可成立新學說。新學說在經公開研究，確實較原來說法完美時，則可以取代之。對重要問題的捕捉，是踏出解答的第一步，其餘便是技術上的考慮。不知從何發問，空懷絕技亦無補於事。 問題的發生導自原有的理論，因此假設的提出也是由既有系統加以重新組合，依照類比的方法提出來。此時偶亦可用歸納法。即使如此，所用的歸納法也不是由大量相似的資料一般化成假設，而是由某些類似的事實肯定某種現象，然後再由該歸納出的現象演繹出假設。所謂現象演繹(deduce from phenomenon)才是假設之源。因此，在科學方法上，是演繹歸納同時引用的。假設的驗證則是由各角度加以測驗，然而各角度又是互補而成一系統。好的假設，必須在這系統之內能圓滿地符合各方面的證據。因此驗證的步驟也不是歸納的，而是建構的。科學的建構性和音樂美術相類似；好的科學家，莫不是優良的建築師。 前面提到完全客觀之不可能，並非表示科學單憑主觀之好惡。許多大科學家，都是以前人的研究始，而終能跳出前人的巢臼，提出新的秩序。科學是人類活動中最是公平的，只有在「公平與容忍」(M. Polanyi語)的環境之下，非正規的理論才能順利提出，而且接受所有科學家公開的驗證，因此科學才可能進步。接著請看一些個例，其中除了達爾文革命(Harris個例之一)外，皆是我系同學所熟悉的有關植物學的研究。 達爾文面對著整個人類思想的阻礙，終能戰勝創造論。其進化論並非由許多事實歸納出來的，雖然他的確觀察了許多現象。其物種原始大要如下：首先他觀察許多遺傳性狀的變異，並推測其致因乃自發的。觀察人為選種所造成的影響，發現種內間，以及屬內種間之人不易分辨。然後他由生物成幾何級數增加現象演繹出其後代不可能全部生存，因而生存競爭乃勢所難免。在此達爾文描述許多生存競爭個例。由之他結論最適者生存，進一步演繹`出天擇的運作方式。在這裡他是由人為選擇類比出天擇的假說。其後他展開長篇大論檢討自發變異及天擇理論所不能解釋，甚至衝突的許多現象，並猜測原因。 在這推論當中，他整理了大量地質學紀錄及物種地理分布的證據。最後由形態學、胚胎學、分類學來討論共同祖先的論據。達爾文革命的特徵，可由上面的簡述看出來：(一)其主要的推論是演繹而非歸納的，(二)許多他的推論皆不能由經驗證實，即是不能驗證的。然而演化論的強力說明能力乃是由於該學說較創造論能解釋更多現象。達爾文之前即有許多學者的研究結果指向進化論，然而舊有的創造論太過於深入研究者的腦海，因此還是順著舊學說來解釋這些現象，直等到達爾文才能擷取前人的研究，將之建構成人類思想史上最具震撼力的學說。 相對於達爾文的博引雜採，孟德爾的「植物雜種研究」純粹是根據碗豆七個性狀來進行試驗，雖然無疑的他也是博學之土。同其他科學家一樣，在孟德爾從事此項工作之前，已許多前驅學者完成了一些雜交工作，知道有些性狀在雜交後代可以出現，有些則否。雜交後代自交後亦可以偶而回復親本的性狀。然要經過孟德爾系統化的研究後，才把生物的遺傳法則揭露出來。在他的前階段實驗，前人都已做過，只是他將之數量化了。 首先他觀察到雜交F2顯隱性比例在七性狀中均是3:1。F2再自交後，隱性F2全部得到隱性後代；顯性F2則有1/3得到顯性後代，其他2/3則與F1雜交代一樣，又得到3:1的分離後代。以後的若干代中又重複得到這些結果，兩對因子試驗亦然。在這裡孟德爾歸納出一個現象，即是豌豆七性狀中，雜交後代不論是何代，均含有回復到兩親本的特性之「基因」。歸納出來的現象卻還不是建立遺傳律的重點，重點是如何將這個現象演繹出來。於是他根據上述(1：2)：1的分離比，以及花粉及雌性生殖器官結合才能長出種子的現象推論雜交種子之花粉細胞和卵細胞必需各含有兩親本的遺傳形質，而在受精時依相等的機率做各種可能的結合。用公式表示即是 (A.A.a.a.) x (A.A.a.a.) → AA：2Aa：1aa。 他演繹出此假設之後，立即拿雜種與親代行正反交來驗證之，其結果恰與所預測者相等。這個假設就是有名的孟德爾分離律。當初若孟氏一意搜集大量的資料，試驗各種植物，以及其他性狀，以便歸納出遺傳法則，或許會被其他許多複雜的分配比例難倒也在所未知。 光週律的提出，同樣的也並非由許多植物所觀察試驗而歸納出的。Garnard and Allard主要的材料只是菸草、大豆、大麻等短日植物。其主要的試驗過程是一系列現象-演繹-驗證的系統化工作。首先他們由菸草秋植於小缽迅即開花的現象，推測土壤養分供給(小缽)可能是促進其開花的因素。這個推論馬上被實驗否決。其次他們推測季節(秋植)可能影響開花，這也得自其他兩個觀察。其一是春夏之際連續種植的大豆均在同一天開花，其二是菸草之已產生花芽者，隨春天的來臨卻迅即轉為營養生長。 季節之影響開花的現象為他們察覺之後，問題立刻產生，春夏秋冬中到底是那個因素才是真正的致因？是因為秋天天氣較冷嗎？不是的，因為試驗是在溫室中進行。是光照的關係嗎？在這裡他們想到了光強或是光質，這兩個光的性質是較為當時植物學家所熟悉的，不幸經試的結果，這二因素卻仍非導致開花的原因。剩下的勢必只有日照長度了。在不太有希望的心情之下他們進行最具決定性的試驗，將菸草給予七小時短日處理，終於能誘發開花。接著大豆也是同樣的結果。於是他們提出日照相對長度為影響開花的學說，日後命名為光週律。他們並以光週律解釋植物的分布，作物產量，甚至藻類之行為及鳥類的棲移等行為。 據云Garnard提出這篇古典名著時，審查委員曾一度認為創意不夠新穎而險遭退稿。面對這偉大的學說而竟體會不出，我們寧可相信不是委員們愚笨，而要以為是因為當時植物生理學界根本不知道日長除了光量上的影響外，還會有日長質的影響。 光敏素 (Phytochrome) 的提出純粹是演繹的，而非歸納的。早在1935年學者即發現紅光促進萵苣種子的發芽，而遠紅光抑制之。1952年Borthwick等人重複其試驗，並更精確地釐定作用光譜。接著他們發現光照前浸種時間越長，則促進發芽所需紅光之光能增加，抑制發芽所需的遠紅光光能減少，減少的幅度略等於前者之所增加。這個結果暗示吸收紅光之色素與吸收遠紅光之色素似乎有些關係。接著他反複用紅光及遠紅光來照射種子，結果發現不論重複照射幾次，種子發芽之促進或抑制端賴最後一次照射為紅光或遠紅光而定。由這個結果他們馬上演繹出接受紅光反遠紅光的色素為同一物質互變之兩種形式的假式。其後的數年，他們將此假設推廣到花芽形成、節間伸長、花青素形成等光可逆的反應上，(而非先由這些反應歸納出單一可逆色素的假設)，最後終於在1959年分離出光敏素出來，距離假設之提出才不過七年之久。 近年筆者所閱讀有關種子生理學文獻中，最心儀兩位學者所提出的學說，其中E. H. Roberts的種子休眠之磷酸五碳醣路線假設以涵蓋廣大現象稱著，而T. A. Villiers則以幾個簡單的發芽試驗及根尖染色體的檢查提出種子活力的損壞-修補說。一般對種子何以在乾貯一段期間，活度即開始下降現的象之解釋，不外是毒物的累積，巨分子的破壞，或貯藏養分的喪失等。然而這些理論並不能解釋一個現象。通常種子在一般溫度之下貯藏時，環境越乾燥，則其壽命越長；然而埋在土中而不克發芽的種子，雖其種子完全吸水，然而卻能維持相當長久的壽命。 Villiers在其實驗室中觀察到，浸於水中之休眠萵苣種子亦可維持甚長之活力，於是他終於提出上述一直為科學家所忽略的與舊理論相衝突的問題。問題一經提出之後，他馬上引用前人的研究結果，即是許多生物體之中有DNA的修補系統的說法，以及濕潤的休眠種子的蛋白質、細胞器官的合成仍甚旺盛的現象，推論種子亦存在有修補系統。在乾貯環境之下，修補系統無法作用，因此種子越乾燥，巨分子的破壞越慢，壽命越長。然而浸潤之休眠種子，修補作用順利進行，巨分子一經破壞，馬上又得匡復，因此可以維持種子活力甚久。接著他檢查發芽種子根尖的細胞染色體異常的頻率，果然不出所料，乾貯種子時，濕度越高，異常比率越大，然而完全浸潤而不發芽的情況下，染色體的異常微乎其微。如今在不發芽情況下浸種的方法很可能應用為實際的種子措施，足可證明Villiers幾個簡單的試驗，其品質較諸許多運用高級儀器的研究報告並不稍遜。 以上幾個特例，已足以說明Kuhn-Harris的科學方法觀。要之，科學並非憑空而來，而是有其一貫的傳承。科學的進展，當然技術的發明佔很重要的地位，然而我們也不可忽略推論能力的訓練。推論能力的訓練，最直接的方式是在老師指導之下，實際探討問題；最有效的方法筆者則以為是原始文獻的研讀。研讀文獻不能滿足於結果之獲得，而貴能超越作者的文字敘述，直取其心路。題目宜取在科學發展上有一定貢獻者，不論新舊，但求能對作者之研究過程充分瞭解。個例的研讀不厭其多。遍閱名家棋譜，下子便自身手不凡，熟讀唐詩三百，無有不會吟詠之理。立志科學研究的同學，不論在國內外，這份死工夫值得一下。懷海德論述西方近代科學的興起，是以對事實本身的興趣，以及對自然秩序之信仰為其要素。而西方對自然秩序的認識，他以為是受到希臘悲劇、羅馬律法以及中古神學的影響。一般以為中古時代是西洋的黑暗時期，懷氏慧眼獨具，能指出中古的思辨訓練養成歐洲人的思維習慣，才能配合其他條件而成就今日的科學，實不愧為本世紀最偉大的思想家。懷氏行文高妙，為筆者所難能閱讀，然私慕其人，因此特寄數語於篇末。知我者，大概不會笑我冀附末光吧。
參考書目：
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