科学研究的本质

科学研究的本质

1.“这是问题的本质吗？”

我是在日本京都大学读的本科和硕士，从大四开始接触研究，导师是长尾真（Makoto Nagao）教授，方向是自然语言处理。长尾先生在自然语言处理领域做了一系列开创性的工作，在学术界很有影响。他后来成为京都大学校长，现在是日本国会图书馆馆长。长尾先生是我的启蒙导师，我从他身上学到许多东西，让我印象深的是他经常强调做本质研究的重要性。在研究例会上，我们向他介绍研究的进展，他经常会问这样一个问题：“你觉得这是问题的本质吗？”当时，我对这一点理解并不很深。后来在自己的研究工作中，越来越体会到它的重要，其实这是做科学研究的精髓!

2．什么是本质的研究

真正的科学研究是探明问题本质的研究，其成果应该有以下几个特点。（1）经得起实践检验，（2）有坚实理论基础，（3）简单明了，（4）是实用的（仅限于工学）。因为如此，本质的研究是有生命力的。

波普尔（Karl Popper）是二十世纪最著名的哲学家、思想家之一，他的“可证伪性（falsifiability）”理论在西方产生了巨大影响。波普尔认为任何学说要成为科学理论，其必要条件是它必须是可证伪的，也就是说我们可以通过反例来验证其真伪。“天鹅是白的”这个命题是可证伪的。如果找到一只黑色的天鹅，这个命题就会被证明是错的。“如果我从小开始学钢琴，现在一定能够成为一个钢琴家”，这个命题是不可证伪的，现在的“我”无法重新走一遍人生，也就无法验证其真伪。只有经过无数次验证，不能被推翻的理论才能成为科学。即使是成为科学的理论，某种意义上仍然是假说。万有引力定律也好，相对论也好，只是没有被推翻的、现在暂时被大家承认的“假说”。亚里士多德的学说被人们当作真理达一千多年，后来发现它是错的。谁能保证我们现在坚信的学说将来不被证伪？科学家的正确态度应该是，不断试图推翻自己建立的学说，寻求对自己学说的批评，探究更正确的学说。只有这样，我们才能不断接近真理。波普尔的哲学因此被称为批判的理性主义。

我们现在谈到科学，往往意味着真理。好像科学就是真理，真理就是科学。其实，十八世纪产生于欧洲的科学，即所谓的science，是狭义的科学，仅指物理、化学、生物等学科。科学是数学化的自然学，工学是数学化的技术学。科学的目的在于探求自然的奥秘，工学的目的在于改变人类的生活。但是，两者都需要抽象,都需要建立数学模型。中国历史上有很多了不起的工匠，完成了长城、大运河、故宫等伟大工程，但是缺的是把技术总结上升成理论的想法。工匠们死了，他们的手艺也就失传了。

科学与工学需要抽象，就是说把最核心的概念提取出来，忽略其它要素。在考虑物体运动时，我们把物体看作“质点”，因为这时物体的其它特性都是不重要的。抽象也意味着一定的近似。做万有引力实验的时候，是不可能造出一个只有两个物体相互吸引，而没有其它物体干扰的实验环境的。如果我们要精确地验证万有引力定律，往往发现实验结果与理论并不完全相符。因为世界错综复杂，研究中的近似总是必要的。同时，科学与工学需要数学模型化，只有建立在数学理论基础上的科学、工学才具有普遍意义，因为数学是系统的、严格的。

本质的东西往往是简单的。所谓奥卡姆剃须刀原理主张，在所有可能解释现象的理论或模型中简单的理论或模型是最好的。爱因斯坦说：“尽量把所有事情变得简单，以致不能更简单”(Make everything as simple as possible, but not simpler)。他的 E = m c^2 公式是个典型的例子。为什么会有奥卡姆剃须刀这样的普遍原理存在，不得而知。从统计机器学习的角度来看，是可以解释的。复杂模型往往会对已有数据有很好的预测，但对未知数据的预则就会有很大误差，相反，简单模型对已有数据的预则并不那么好，但往往拥有更好的推广能力，对未知数据的预测会更准。

数学、物理、化学、生物等研究不需要考虑实用，但是工学研究是要考虑实用的。有一个笑话。一个醉鬼天黑时在路灯下找东西，别人问他：“你在找什么？”他说：“我在找钥匙。”问：“你在哪里丢的钥匙？”答：“那边。”问：“那为什么在这边找？”答：“因为这边比较亮。”实用研究切忌“在已有的灯光下找东西”，它必须是解决问题驱动的。

抓住本质的研究是有生命力的。波尔兹曼提出了熵的概念，阐明了热力学第二定律的统计特性，是热力学的奠基人。但是，最初他提出这个理论的时候，得到的却是同行们的猛烈抨击；大家并不认同他的学说。波尔兹曼晚年忧郁沮丧，用手枪结束了自己的生命。波尔兹曼长眠于维也纳，墓志铭非常简单，仅写着熵的定义式：S = k log W；但这是对他一生最好的总结。波尔兹曼的生命是短暂的，但他的理论却是永恒的。

电影莫扎特传（Amadus）介绍了音乐家莫扎特的一生，以其辉煌的艺术成就获得了1985年的奥斯卡金像奖。影片在刻画莫扎特的同时，又描写了另外一位音乐家Sarieli，试图通过Sarieli的平庸来衬托莫扎特的伟大。历史上确有Sarieli 其人，影片中关于他的故事可能多为虚构，但也有一些是事实。Sareili是当时维也纳宫廷的音乐指挥，曾创作多部音乐，是当时红极一时的音乐家，但是现在他的音乐已经没有人演奏了。历史上，一时得到人们的推崇，后来被人们遗忘的音乐应该不计其数。相反，莫扎特的音乐能拨动你的心弦，让你产生“此曲只应天上有”的感慨，是具有永恒价值的音乐。艺术如此，科学亦是如此。

3．如何做本质的研究

怎样才能做本质的研究呢？前辈们曾分享过他们的观点。

胡适提出：大胆的假设，小心的求证。很好地概括了研究的两个基本步骤。首先要能标新立异，不断提出新的问题、新的想法。之后，要能对提出的假说做严格的论证或实验，去伪存真。曾在博文《科学家的小故事》中谈到科学家的基本素质，其中包括想象丰富，思想深刻。这两点是科研工作者必备的，也是科研工作有别于其他工作的地方，因为只有想象丰富，思想深刻才能去大胆假设，小心求证。卡耐基·梅隆大学金出武雄（Takeo Kanade）教授著书《像外行一样思考，像专家一样实践》，提出同样的想法，并给出很多具体实施方案。

笛卡尔提出：怀疑一切。在他的《方法论》中，笛卡尔说: “我相信的第一个法则是，如果不是确信如此，不承认任何事情为真”（The first law I believed was never to accept anything for true which I did not clearly know to be such. ）不能因为是权威人士说的，大家公认的就一定正确，并不加思索地接受。怀疑一切的态度在研究中是不可缺少的。

有一位日本教授总结了做研究的三阶段：守、破、离，对科研工作者，特别是研究生有很好的启迪作用。研究在于创新，但是上来就否定已有的理论、方法，多半会走弯路，因为你对已有的科研成果理解不够。应该采取的策略是：1，守，先假设已有的理论、方法是正确的，谦虚地学习并掌握它们；2，破，发现已有理论、方法的问题缺点；3 离，建立自己的新理论、新方法，甚至是全新的理论、方法。

另外，功底扎实也是做好研究的必要条件。职业马拉松比赛时，我们会看到，第一名往往只比第二、三名提前一、两分钟到达终点，对历时两小时以上的竞技来说，这是很短的时间。尽管如此，最优秀的选手还是经常能拿到第一。职业选手之间，成绩上的微小差距意味着能力上的巨大差距！业余选手之间的差距是容易