科學研究中失敗與錯誤的價值

■李亞寧 張增一

德國偉大的詩人歌德曾說過，“人們若要有所追求，就不能不犯錯誤”。這句話對于追求和探索科學真理的科學家來說尤其合適。由于科學家往往是在與疑難和不確定性打交道，是向人類的未知領域發起挑戰，是要解決前人未解決的問題。他們仿佛是在黑暗中摸索，沒有任何人能夠確切地告訴他們要尋找的答案是什么，也沒有任何現成的方法指導他們怎樣才能獲得成功，因此，科學家在研究過程中犯錯誤或有失誤是不可避免的。事實上，在某種意義上來說，正是這些錯誤與失誤為科學家指明了通向真理和獲得成功的方向。為了引起和加深人們對錯誤的認識，我們先來了解一下科學家對錯誤的論述。

科學家談失敗與錯誤

標準的科學教科書和大多數科學史的著作留給人們的印象往往是科學沿著既定的目標直線式發展的，但是，實際的情況是，科學家所提出的理論和觀點絕大多數是錯誤的，只有一小部分經受住了檢驗，被作為正確的理論保留下來。因此，科學家對真理與錯誤、成功與失敗的親身體驗是人們正確認識和理解科學研究的寶貴材料。

愛因斯坦曾說：“科學理論家是不值得羨慕的，因為大自然——或者更準確地說，實踐——總是毫不留情并且很不友善地評判科學理論家的工作。它從來不對一項理論說‘對’，即使是最獲青睬的理論也只不過得一個‘也許’的評價，而絕大部分理論都被它評一個‘否’字。如果實踐同理論相符，那么這項理論就得到一個‘也許’，如果不相符合，那就是個‘否’字了。也許每一項理論或早或遲都要吃個‘否’字——大部分理論形成不久就被‘否’掉了。”

日本物理學家、諾貝爾獎得主湯川秀樹也有同樣體會，他說：“當回顧理論物理學的歷史時，我們說過，這個歷史幾乎可稱之為錯誤史。在許多科學家所想出的所有理論中，大多數是錯誤的，因而沒有生存下來。只有少數正確的理論才繼續生存。僅僅考慮這些現存的理論，會給人們形成一種不斷進步的印象。但是，沒有少數成功背后的許多失敗，知識幾乎不可能有任何進步。”

英國物理學家開爾文爵士在回顧他的科學生涯時說：“我堅持奮戰五十五年，致力于科學的發展。用一個字可以道出我最艱辛的工作特點，這個字就是失敗。”數學家羅巴切夫斯基曾說：“人類的認識歷史，也就是一部認識錯誤的歷史。”我國數學家華羅庚也說過：“許多科學家和作家，都是經過很多次失敗，走過很多彎路才成功的。成功的論文和作品只不過是作者們整個創造和研究中的極小部分，甚至這些作品還不及失敗的作品的十分之一。”科學家的這些話，不但道出了科學研究的艱辛，而且也表明犯錯誤在科學研究中是不可避免的。

因此，許多科學家認識到科學中的錯誤是科學事業的重要組成部分，是科學前進的基礎，他們呼吁人們要重視和認識錯誤而不是回避和鄙視它們。美籍華裔物理學家李政道就說過：“在科學上，要得到正確的東西，總要先犯很多銷誤；如果你能把所有的錯誤都犯過之后，那最后得到的就是正確的結果了。”科學家錢學森曾說：“正確的結果，是從大量錯誤中得出來的，沒有大量錯誤作臺階，也就登不上最后正確結果的高座。”英國化學家戴維也說過：“感謝上帝沒有把我造成一個靈巧的工匠。我的最重要發現是由失敗給我的啟發。”俄國心理學家巴甫洛夫也說：“實驗上的失敗，可能會成為發現的開端。”貝弗里奇在總結科學家的成功與失敗的經驗時說：“犯錯誤是無可非議的，只要能及時覺察并糾正就好。謹小慎微的科學家既犯不了錯誤，也不會有所發現。懷特黑海（現多譯懷特海）這點說得好‘畏懼錯誤就是毀滅進步’。”

失敗與錯誤的價值

失敗主要是指沒有達到預期目標的狀態或事實；錯誤主要是指背離或妨礙達到預期目標的行為。但是，從科學家的上述言論中我們不難看出，“失敗”一詞包括三個方面的含義：首先它是與真理概念相對立的，是指科學家的認識成果不符合客觀事實和規律；其次，它指由于科學家在認識上的錯誤（經驗事實方面的、理論推理方面的和方法論與自然觀方面的）而導致失去或錯過獲得正確認識的機會，即認識上的失誤（而不是指行為意義上的）；第三，它與成功相對立，即科學家在認識活動中沒有達到預期目的的結果。

愛因斯坦曾說：“科學是在錯誤的基礎上向前發展的，只要這些錯誤不是在瑣碎的細節上。”概括起來，科學中的錯誤或失誤的價值可以表現在以下幾個方面：

1.過去的錯誤為后人樹立了批判的靶子，只要擊中目標就可以獲得成功；或者它可以作為預警性的航標，提醒后來者此路不通。

例如，近代科學的發展表明，亞里士多德物理學中的幾乎所有具體結論都是錯誤的。亞里士多德從日常經驗出發認為，物體下落的速度與它重量成正比，一個物體的運動需要力，力是產生運動的原因，在解釋天體運動時他引入了“第五種物質”。然而，伽利略證明了物體下落的速度與其重量無關，牛頓定律揭示了維持一個物體的勻速運動并不需要力，力是改變物體運動狀態的原因，邁克爾遜—莫雷實驗否認了以太的存在，并且為相對論的建立鋪平了道路。因此，從某種意義上來說，亞里士多德物理學就像是樹立在近代物理學家面前的一面靶子，只要擊中目標就可以獲得成功。但是，亞里士多德物理學暗示著科學問題來自于日常生活，研究科學的方法就是要從日常經驗出發提出問題，然后通過合乎情理的推理方式去尋找令人信服的普遍解釋，這些思想并沒有被近代科學家拋棄。事實上，它們已內化為近代科學思想的一個重要組成部分。難怪有科學史家指出，亞里士多德的錯誤是“時代的錯誤”或“光榮的錯誤”，稱他仍是一位偉大的物理學家或科學家。

關于錯誤的警示作用和啟發作用，科學史上有很多例子，有關永動機的設計就是其中一個。鑒于數百年來永動機研制的失敗以及世人對永動機設計的熱情，1775年法國科學院被迫宣布“本科學院以后不再審查有關永動機的一切設計”。一方面，它仿佛一個巨大的警示牌提醒后來者，告訴人們“此路不通”；另一方面，它從反面給人類以啟迪，使科學家提出這樣的問題：永動機不可能制成，是不是說明自然界存在著一條法則——能量既不能創生也不會消失。實際上，德國著名物理學家和生理學家亥姆霍茲(H.Helmholtz)就是從永動機不可能實現的這個事實入手研究發現能量轉化和守恒原理的。他在論文中寫道：“鑒于前人試驗的失敗，人們……不再詢問‘我如何能利用各種自然力之間已知和未知的關系來創造一種永恒的運動’，而是問道：‘如果永恒的運動是不可能的，在各種自然力之間應該存在著什么樣的關系？’”

2.錯誤的觀點或理論包含著正確的思路和方法。

讓我們來看一看有關海王星發現的例子。天王星被發現后，隨著人們對其軌道的進一步觀察，發現它的實際軌道與理論軌道不相符。法國人布瓦德推測很可能是某種未知力量作用于天王星造成的。沿著“未知力量的作用”這一思路，天文學家提出了種種可能性。例如，天王星曾受到一個未知天體的碰撞，或天王星周圍有一顆“未知的衛星”。但是，如果真的有這么一顆衛星的話，它的質量和體積應該足以被人們通過望遠鏡觀察到。于是，后來又有人提出存在著一顆“未知行星”的想法。沿著這個思路，兩位年輕的天文學家英國的亞當斯（J.Adams）和法國的勒威耶通過艱難的計算，各自獨立地計算出了新行星的質量和軌道。遺憾的是，亞當斯率先得出的計算結果，沒有引起英國天文學家的注意，直到稍后計算出類似結果后，柏林天文臺通過觀察宣布發現了一顆新星，并將其命名為海王星。因此，海王星的發現過程，既是“試錯法”的范例之一，也是科學家不斷地在錯誤中吸取經驗教訓，從失敗走向成功的一個典型案例。

3.對立的觀點相互啟發，共同促進科學的發展。

在量子力學發展過程中，愛因斯坦與玻爾的爭論產生了深遠影響。愛因斯坦在1905年提出了光量子學說，但是，由于他后來反對哥本哈根學派解釋，與玻爾進行了長期的爭論。

這場爭論可以追溯到1920年。當時，玻爾不接受愛因斯坦的光量子假說，認為光的波動性與光的量子性在經典力學的框架內是不可調和的。愛因斯坦則強調，光的這兩種屬性是統一的。1924年康普頓效應的發現，支持了愛因斯坦的觀點。可是，玻爾另辟蹊徑以能量與動量的統計守恒為基礎的純幾率觀點取代了愛因斯坦的光量子假設。愛因斯坦雖對玻爾的新觀點極感興趣，但他仍堅持認為玻爾所提出的論據還不足以使他放棄嚴格的因果性觀念。1927年，玻爾提出互補原理，認為互補觀念中所包含的實證主義因素，可能促使愛因斯坦放棄因果性與連續性觀念。可是，事與愿違，在玻爾的觀點被眾多物理學家接受的情況下，愛因斯坦仍然堅定地站在同玻爾完全對立的立場上。于是，他們圍繞著微觀解釋的不確定性與宏觀測量結果的確定性之間的矛盾展開了激烈論戰。

在1930年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦設想了光箱子實驗，反駁測不準關系和互補原理，玻爾則利用愛因斯坦的相對論擺脫困境，量子描述的自治性終于得到愛因斯坦的確認。然而，愛因斯坦堅持認為像量子力學這樣非決定論的、統計性的有效理論，決不能作為整個物理理論大廈的基礎，更不能作為探索未來物理學理論的合理出發點。1935年，愛因斯坦與波多爾斯基和羅遜合作發表了一篇論文，提出了著名的EPR（三位作者姓氏的縮寫）佯謬。不久，玻爾作出了回應，但是并沒有駁倒EPR的論點。于是，爭論陷入了僵局。

愛因斯坦與玻爾之間的爭論實質上反映了他們在科學信念上的根本對立。在愛因斯坦看來，物理學的任務是探求自然的本來面目，物理規律應該符合嚴格的因果關系；而玻爾則認為物理學所關心的是關于自然我們能說些什么。

在這場爭論中，愛因斯坦以其犀利、敏銳和刁鉆的詰難常常使玻爾陷入困境，而玻爾等人的每一次反擊都使量子力學趨于嚴謹和完善。玻爾在愛因斯坦逝世后的一次演講中說：“今天，愛因斯坦已經離我們而去。但是，我要指出的是，在物理學（量子力學）發展的每一個關節點上，他都敏銳地提出了關鍵性的問題，指導和推動著物理學（量子力學）的發展。如果沒有這些批評，量子力學幾乎不可能發展如此迅速。”因此，對立的觀點之間的爭論，可以相互啟發，使雙方出于完善自己的理論或反駁對方論點的需要而不斷地進行創造性思維，使雙方的缺點和錯誤明確地暴露出來，促進和推動著科學的迅速發展。

科學是一個向錯誤學習的過程

在科學史上，許多科學成就都是在經歷了多次錯誤和失敗之后取得的。然而，無論是標準的科學教科書還是相當數量的科學史著作都把科學描述成是線性或準線性發展的，把科學描述為英雄的歷史。這歪曲了科學發展的真實歷史，仿佛科學永遠是正確的，科學等同于真理，科學家不會犯錯誤，誤導了公眾對科學的理解。

造成這種情況的原因主要有兩個。一是科學史上大多數有關科學家錯誤和失敗的材料和案例沒有很好地保留下來，或人們難以發現它們；二是科學歷史的“輝格解釋”，科學研究中的錯誤和失敗在這種科學史傳統中沒有任何位置。它既歪曲了科學發展的歷史，又影響了人們對待科學中的失敗或錯誤的態度，甚至妨礙了人們對科學的理解。

總之，盡管人們可以贊同莫蘭的反實在論傾向，但是他下面的話對于我們重視科學研究中失敗或錯誤的價值仍有著一定的啟發作用。他說：“科學的真理并不存在于它的理論中，而是存在于使它的不同理論可能相互對抗的游戲中，存在于真理和錯誤的角逐游戲中。科學不擁有真理，而只是玩著真理和錯誤的角逐游戲。……因此，對于我來說，神圣的東西不是我的真理，而是保衛真理和錯誤之間的角逐游戲。”也就是在這種意義上他認為，“低估錯誤的意義是最大的錯誤”。