作為時下廣為流行、世人皆知的熱門辭彙,科學與科研並非一成不變的概念,而是不斷求真的實踐。從西漢戴聖的“格物致知”(或格致,指研究事物原理而獲得知識),到北宋沈括的“格術”(包括格物,即格究天然事物,對應自然科學;和格人,即格究人文事物,對應人文社會科學),再到西方18世紀廣義的“科學”;從基於理論和數學分析並輔於實驗的物理學,到在理論指導下的試驗驗證的化學,再到涉及物體存在狀態、物質結構變化、相互作用關係的複雜科學(比如工程科學, 生命科學,人類行為科學等);從直接觀察和簡單描述到邏輯推理和實驗論證,科學在定義、範疇和研究方法等方面的變遷可謂天翻地覆,滄海桑田,並因此向科學工作者提出了前所未有的挑戰。很顯然,透徹地領會科學與科研的時代內涵,有助於消除對科學的誤解,避開科研路上的陷阱,確保科學的平衡發展。
科學(science, 源於skei,意為cut,divide切割,分離,以區分已知與未知)乃人類所積累的,經過驗證的,用於解釋和預測宇宙客觀現象的模式化/公式化的知識體系(包括定理、定律、理論等)。從根源上看,科學是以演繹(deduction)和歸納(induction)為主線的邏輯推理的產物。演繹(包括從普遍規律到具體案例的應用,從整體到個體的延伸,或從論點到論據的拓展)運用觀察到的新數據,以測試和驗證假設,或改進、擴展和完善已知理論/概念/模式;這個理論驗證的過程突顯著量的變化。歸納(包括從個體到整體的總結,從論據到論點的概括,或從具體案例到普遍規律的昇華)綜合現有數據(尤其是與驗證假設有關的數據),以推斷/構建新的,更完美的理論/概念/模式;這個理論構建的過程標誌著質的變化。在演繹(理論驗證)和歸納(理論構建)的交替/依次迭代/迴圈中,科學得以不斷完善,不斷接近真相與真理。必須強調的是,演繹(理論驗證)和歸納(理論構建)的交替/迴圈,不是同一水準的簡單重覆,而是遵循著從量變(假設的驗證或已知理論的完善)到質變(新理論的構建),再從新的量變到新的質變,直到無限接近真相與真理的螺旋形軌跡。事實上,迄今為止的科學理論/概念/模式代表人類對宇宙各種自然、社會、思維現象的階段性的,不完整的詮釋,而科學的終極目標是要在理論驗證和理論構建的交替/迴圈中,盡可能地反映真相與真理。
根據其研究對象的不同,科學可劃分為三大領域: (1)研究自然發生的物體或現象的自然科學(natural science,如物理學、化學、天文學、地球科學、生物學等);(2)研究個體/群體及行為的社會科學(social science,如心理學、社會學、經濟學等);(3)研究抽象概念的形式科學(formal science,如數學、邏輯學、系統論,理論電腦科學,人工智慧等)。鑒於自然科學和社會科學均依賴觀察和實驗所取得經驗證據,去描述、預測和理解自然/社會現象,且表現出在相同條件下的可檢驗性和有效性,它們常被視為經驗科學。當然,比起社會科學來,自然科學具有更高的精確性、準確性和確定性。與此對應,形式科學是基於定義和規則之上的演繹推理,並不在意抽象概念(或理論)在現實世界的觀察中的有效性,也無需經驗證據來證實, 故被視為先驗科學。儘管差異明顯,自然科學、社會科學和形式科學都離不開對某個知識領域的客觀、細緻、系統的研究。此外,形式科學的方法/手段還可以用於構造和測試科學模型,從而助力經驗科學(如數學物理、數理化學、數理生物學、數理金融學、數理經濟學等)的進展。
根據其著重點的區別,科學又可分為基礎科學(basic/fundamental science)和應用科學(applied/practical science)。基礎科學(也稱純科學pure science)意在探索未知,描述新現象,解釋因果關係,以拓展對客觀現象的基本原理和機制的認識,激發後續創意與靈感, 給應用科學鋪平道路。應用科學(也稱實踐科學或技術導向科學)側重利用基礎科學的發現、技術、工藝和理論,以獲得新流程/系統/產品,解決實際問題,改善人類生活,滿足社會需求。在自然科學領域,基礎科學包含物理學、化學、生物學、地球科學、太空科學、天文學等;應用科學包含工學、農學、醫學、藥學等。在社會科學領域,基礎科學囊括經濟學、政治學、社會學、心理學、歷史學、人類學等;應用科學囊括工商管理、法學、教育學、會計學、金融學、管理學、市場學、新聞學等。在形式科學領域,基礎科學以邏輯學、數學、統計學等為代表;應用科學以電腦科學等為代表。
值得注意的是,在科學的形成過程中,演繹/理論驗證(即運用觀察到的新數據去測試假設,或完善已知理論/概念/模式)導致局部的,漸進式的,戰術性的量變;而歸納/理論構建(即綜合現有數據去推斷/構建新的理論/概念/模式)引發整體的,革命性的,戰略性的質變。前者具有扎實的操作技巧和基本的思維力(包括理解、分析、判斷、論證、比較、推理、綜合、概括、抽象等)/想像力(對已有表像、知識和經驗進行改造與重新組合,以創造出新的意象、知覺和概念)足矣,大都為漸進性/跟蹤性結果,並以研究報告的形式出現;後者則更充滿挑戰性,需要敏銳的思維力/想像力,多為原創性突破,常以假設,綜述或專著的形式出現。近40年來的急功近利的社會風尚催生了科學界的重理論驗證(演繹)輕理論構建(歸納)的傾向。具體表現在以研究報告的數量和雜誌的引用因數而非研究成果的品質來判斷科學工作者的創造力及對科學的貢獻,而將假設/綜述/專著排除在科學工作者的業績評估範圍之外。還有,1977-2018年間的中學文理分科剝奪了在關鍵時間段培養中學生的敏銳與理性思維力/想像力的機會,既削弱了理科生的思維力/想像力,又滋長了文科生的非理性思維力/想像力。譬如,近年來上映的那些身穿奇異服,頭頂朋克發,口吐網路語的歷史劇,就是文科生的不著邊際,荒誕離譜的非理性思維力/想像力的寫照,也是整個社會不得不咽下的中學文理分科所帶來的一枚苦果。此外,我還目睹過一個中學未學物理的文科生,將一個裝滿熱水的瓶子,直接放入冰箱裏冷卻,而不按“先在室內降溫,再置於入冰箱”的常理出牌。可見,中學文理分科會改變個人的理性行為,給社會造成不可估量的負面效應。
雖然很多科學工作者能夠運用新獲得的實驗數據,去驗證假設,或完善已知理論/概念/模式,並寫成戰術描繪性的研究報告,起到戰術科學家的謹小慎微、修殘補缺的作用;但卻不能從現有數據中,推斷/構建新的理論/概念/模式,寫不出戰略預見性的假設/綜述/專著,故彰顯不出戰略科學家所應有的大刀闊斧、引領潮流的風範。由於思維力/想像力貧乏的科學工作者未能將其轉化成新的理論/概念/模式,那些為數不多的驗證假設的原創性/突破性結果,也大都散落在龐大的資料庫裏,淹沒在塵封的故紙堆中,無濟於後續的應用科學研究。更有甚者,一些習慣於理論驗證(演繹)的科學工作者視理論驗證(演繹)為科學的唯一形式,而將理論構建(歸納)排除於科學的範疇。在針對西醫與中醫的態度上,這種狹隘的科學觀將其弊端表露無遺。其實,治標不治本的西醫代表著一種局部的、機械的、戰術性醫學體系;而標本兼治的中醫則是一種全面的、靈活的、戰略性醫學體系。
科研(乃科學研究scientific research的簡稱)是完善和豐富科學理論/概念/模式的必要手段,包括運用科學方法去收集、分析和解釋新數據,以檢驗和驗證假設的信度與效度,或改進、擴展和完善已知理論/概念/模式(即理論驗證);綜合現有數據,以推斷/構建新的,更完美的理論/概念/模式(即理論構建);從而踐行解釋自然或社會現象,創造/發明造福人類的新產品和新技術的初衷。一般地說,科學方法具有以下特徵:(1)可重複性(別人能獨立複製或重複,並獲得相同/相似的結果),(2)精確性(別人可以衡量並測試該概念/理論),(3)可證偽性(以可被證偽的方式來表述理論),和(4)簡約性(最簡單或邏輯上最經濟的解釋)。在實際操作上,早期的理論驗證大都通過直接觀察和簡單描述來實現。隨著許多熟知的科學定理、定律和理論的相繼被發現,如今的理論驗證更為依賴邏輯推理和實驗論證,包括(1)根據觀察到的現象,提出解釋其原理的假設,然後通過實驗新數據,以驗證該假設的合理性;(2)找出富有爭議的已知理論,隨後開展實驗,獲取新數據,以改進、擴展和完善該理論,從而化解爭議。理論構建乃基於現有數據(特別是驗證假設的數據)的綜合分析,以推斷/構建新的,更完美的理論/概念/模式。
俗話說,一個好樣板勝過千言萬語。這裏,我以轉錄調控基因(transcriptional regulator gene) 研究為例,簡略地介紹理論驗證和理論構建的流程,讓抽象的概念變成肉眼可見,擲地有聲的行動。多年前,我參與了一個用基因手段鑒別李氏桿菌致病性與非致病性菌株的研究專案。經過對李氏桿菌基因庫的隨機篩選,我獲得了兩個致病性特異基因片斷,其中一個隸屬轉錄調控基因。基於此觀察,我提出了初步假設,即轉錄調控基因可能成為李氏桿菌基因診斷的新目標。於是,我展開了理論驗證。先檢查李氏桿菌基因組序列,找到約50個轉錄調控基因(占李氏桿菌基因總數的～5%);隨後,訂制相關引物,進行聚合酶鏈反應,證實其屬,種或致病群特異性。接著,檢查其他致病菌基因組序列,發現都含約50個轉錄調控基因(占其基因總數的～5%),用相關引物進行聚合酶鏈反應,再次證實其屬,種或致病群特異性。理論驗證的結果強力地支持這一理論構建,即轉錄調控基因不僅適用於李氏桿菌的基因診斷, 還可助力其他致病菌的基因診斷。此後,我檢查人類,動植物和各種微生物(包括細菌,真菌和寄生蟲)基因組序列,發現其轉錄調控基因各占基因總量的～5%。就此,我提出了進一步假設,即轉錄調控基因是人類和動物神經系統之外的跨生物的另一調控體系。人類和動物的生理活動可以通過神經系統和轉錄調控基因共同進行調控,而缺乏神經系統的植物和各種微生物的生理活動只能依靠轉錄調控基因來實現。系統地分析微生物,動植物和人類各轉錄調控基因及所管控的基因群和影響因素,將極大地改善微生物與動植物的利用(如用可調可控的微生物去生產人造蛋白和肉類),揭示各種疑難疾病(如癌症,阿爾茨海默病)的深度病理機制, 實現標本兼治的目的(如個人定制的藥物與醫療方案)。此外,中醫經絡學是中醫理論和實踐的重要組成部分,不少疾病症狀可以通過針灸不同穴得以緩解,乃至治癒。可以設想,轉錄調控基因極有可能是人們一直在尋找的經絡體系,受到刺激的不同穴位可能代表相互關聯的轉錄調控基因的不同激發點。因此,深入研究人類各轉錄調控基因有助於探索和奠定中醫經絡體系的分子生物學基礎。當然,驗證這些假設與設想,構建新的理論,要靠科研後來人的努力。
考慮到研究重心/任務的不同,科研可分為基礎科學研究和應用科學研究。基礎科學研究(basic scientific research或基礎研究basic research)常由好奇心和對知識本身的追求所驅動,意在探索和描述未知/新現象,揭示客觀現象的基本原理和機制,驗證假設,完善現有理論/概念/模式,構建新理論。應用科學研究(applied scientific research或應用研究applied research)多為實用前景(或利益)所驅動,偏重將基礎科學的發現、理論、技術和工藝轉化為實用技術,包括(1)生產新的生品,(2)引入新的生產方法/工藝過程,(3)開闢新的市場,(4)開拓並利用新的原材料或半製成品的供給來源,(5)採用新的組織方法。與應用科學研究相關的辭彙有科技創新(scientific and technological innovation),技術創新(technological innovation),科研創新(scientific research and innovation),和研究與開發(research and development,或研發R&D)。其中,科技創新和技術創新不涉及基礎研究,只關注將現有基礎科學的發現、理論、技術和工藝轉化為實用技術,反映了傳統的應用研究的理念。然而,應用研究的廣泛進行,夾雜著科學界的重理論驗證(演繹)輕理論構建(歸納)的不良影響,使可直接轉化為實用技術的基礎科學的發現、理論、技術和工藝變得越來越少,讓不包含基礎研究成分的科技創新和技術創新變成無米之炊。與此相反,集基礎研究和應用研究一體的科研創新和研究與開發,在創造/發明造福於人類的新產品和新技術中,展現出越來越強大的生命力。嫦娥六號成功實現世界首次月球背面採樣返回無疑是基礎研究與應用研究有機結合的經典案例。
總而言之,科學是解釋和預測宇宙客觀現象的模式化/公式化的知識體系,而科研是完善和豐富科學理論/概念/模式的必要手段。科學的形成源於演繹和歸納的交替/依次迭代/迴圈;其中演繹(理論驗證)使用觀察所得的新數據,以驗證假設的信度與效度,或改進、擴展和完善已知理論/概念/模式(量變);歸納(理論構建)則綜合現有數據(尤其是與驗證假設有關的數據),以推斷/構建新的,更完美的理論/概念/模式(質變)。然而,演繹(理論驗證)和歸納(理論構建)的交替與迴圈,並非同一水準的簡單重覆,而是從量變(假設的驗證或已知理論的完善)到質變(新理論的構建),再從新的量變到新的質變,直到無限接近真相與真理的過程。當今科學界所表現出來的重理論驗證(演繹)輕理論構建(歸納)的傾向,造成了漸進性/跟蹤性結果的量產,導致了原創性/突破性結果的匱乏,遲滯了新理論的構建,減少了可直接轉化為實用技術的基礎科學的發現、理論、技術和工藝,拖了應用科學研究的後腿,阻礙了造福人類的新產品和新技術的開發。鑒於把基礎研究和應用研究完全分開的做法日益顯得不合時宜,集基礎研究和應用研究一體的科研創新/研究與開發勢必在創造/發明造福於人類的新產品和新技術中起著越來越重要的作用。