如果你願意一層一層一層的剝開科學

以前,我曾以為科學是用來證明什麼是對、什麼是錯的學問。

與此相反,科學的重要性在於所有科學理論都是可被證為錯的。這就是所謂的「可證偽性」。實驗儀器可以越來越精密,但我們永不能造出絕對準確的儀器;任何測量都必定有誤差。那麼,我們可能會問:如果科學理論只可能被證為錯,哪麼我們如何知道正確的科學事實?世界上的科學家豈非都在吹水?

科學理論的而且確不能被證實。但這並不等於說,我們不能知道一個理論有沒有錯。其實,正正因為科學可以被證為錯,我們就可以知道這個科學理論到底有沒有錯。

科學實驗的目的,其實是在找一個理論到底在什麼時候、怎樣的條件下才會與實驗結果不同。實驗測量都必定有誤差,隨科技進步,人類能夠製造出越來越細小誤差的儀器。一個理論如果在極其精確的實驗儀器測量下,仍然沒有超出其細小的誤差範圍,這個理論就是正確的。

每個理論都可以被未來更精確的實驗測量所推翻,就好像牛頓定律被愛因斯坦的相對論取代了一樣。然而,我們知道相對論效應非常微小,這就是為什麼汽車、飛機,甚至火箭升空,都不需要用到相對論,因為其誤差比牛頓的公式與相對論的公式之間的差距更大,用簡單的牛頓定律就足夠了。

回到主題上,究竟科學是什麼?想像一個洋蔥。這個洋蔥就是某個科學理論。我們把理論預測和實驗結果對比,修改理論中與實驗結果不相符的地方、保留相符的細節,好像把洋蔥的一層皮剝開。

隨著科技進步,我們造出越來越精密的實驗儀器,用來做越來越精細的對比。這個循環不斷重覆,這就好比一層一層一層的剝開這個洋蔥。我們永不知道下一次被剝開的是哪個部分,但我們可以說,真相就藏在剩下的某個部分之中。

不是去證明什麼是正確的,而是去找出什麼不是正確的。這就是科學。

如果你願意一層一層一層的剝開科學
你不會鼻酸  也不會流淚
你會看到大自然最深處的秘密

不相闗點唱:

科學精神與學術誠信

為何科學家說的話可信?

其實不必然。我每次講講座和教書的時候,我第一句都是「我的話不要照單全收。經過自己思考和查證的才是屬於自己的知識。」

我並非故意說謊,只不過科學家也是人,也有可能犯錯。我相信絕大部分科學家講的內容有錯時,都不是故意的。

但明顯,科學家說的話有一定程度可信性。這聽起來好像是犯了「權威謬誤」(appeal to authority),其實不然。科學家之所以有一定程度的可信性,是因為科學家的論文必須經過同儕審查 (peer review),才能出版。以一般學術論文的投稿過程為例,如果論文不單止一位作者,則在投稿時必須表明所有作者都已經檢查過並同意所有內容,方能投稿。

投稿到期刊之後,期刊會隨機由一位編輯負責跟進 (有時候也可以指定編輯,但很少發生)。編輯會就論文的題目尋找適合的審查專家,稱為 reviewer。Reviewer 通常是由該領域的專家擔任,「專家」指的是該人在該領域之中有明顯的研究成果。一般情況下,reviewer 都不會由學生擔任。當 reviewer 同意審查論文之後,他/她通常會用三到五個星期的時間仔細審查論文,然後寫一個審查報告,告訴編輯與作者他/她認為該論文應否被刊登出版,而且會列明詳細原因、改善意見、批評等等。

重要的是,reviewer 的身分是保密的。當然,有時候有經驗的作者也能夠從審查報告看出 reviewer 的身分。如果作者對 reviewer 的理據有反對,也可以向編輯提出。整個過程的重點是提升和確保論文的科學內容與質素。

當然,大家都知道科學家也是人,有時候也會有不誠實、不公正的情況出現。如果作者認為 reviewer 的理據不合理,可以向編輯提出更換 reviewer。現在有些期刊漸漸開始採用所謂的雙盲 (double blind),即是 reviewer 和作者雙方都不知道對方身分。不過,由於論文內容很容易透露作者身分,例如其所使用的研究方法、資料來源等等,暫時大部分的期刊都未實行雙盲。

Reviewer 的數量視乎情況而定,大多數論文都只有一個 reviewer。我們可能會很自然的想,多一個 reviewer 總比較好吧 (怎麼這句話好像在 689 口中也聽過?) 然而,期刊跟據經驗發現,多一位 reviewer 除了會令審查時間延長之外,對提升論文質素沒有多大效果,因為同一個領域的專家的意見大都很接近 (reviewer 是義務性質的,所以編輯也不能強迫 reviewer 交報告)。

確保論文質素的責任,其實一直都在作者身上。作者有責任確保論文內容正確無誤。注意,這裡說的「正確無誤」是指立論在論文提供的證據之上,作者沒有誤導、誇大或造假。科學精神就是不斷修改知識裡的錯誤,才令人類文明進步。例如我們不會說因為牛頓的牛頓運動定律是錯的,就認為牛頓造假。牛頓的「錯」反而是他誠實的表現,因為牛頓只能跟據當年的數據進行分析。愛因斯坦證明牛頓定律錯,極件事情是極為正面的,是科學精神的表現。科學家可說是世上最能接受並改善錯誤的一群人,因為科學家面對的不是法官、不是證人,而是大自然。理查.費曼曾在挑戰者號太空穿梭機失事調查委員會提交美國總統的報告之中,寫下一句對所有學者的警惕格言:

For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for Nature cannot be fooled.

一項成功的技術中,真相必須凌駕於公共關係之上,因為大自然是不能被欺騙的。

相反地,科學界、學術界之中絕不容忍的天條,就是造假和剽竊 (plagiarism)。學者之間的知識交流和進步,是建立在相互誠實的基礎之上。因此學術造假、剽竊,是絕對不能容忍的。修改數據、剽竊他人研究成果、抄襲等等,在學術界是極嚴重的行為,因為涉及的不單止個人操守和誠信,更影響整個領域的研究。

什麼是造假,相信不用我多說。然而,有一點很多人未必知道的是,重複使用自己舊論文中的內容或圖片也是屬於自我剽竊 (self plagiarism),亦是絕不容許的。通常情況下,如果要引用自己的舊論文,在內文中寫「see XXX et al. (20xx)」已足夠。引用其他人的論文也是一樣,除非像天文科學有時候需要用其他人的圖片加上自己的模型數據去做比對。複製於自己論文中的內容如果沒有得到其論文作者與期刊同意,即為剽竊。

科學家每次寫論文的時候,都是在向大自然發誓。大自然是不能被欺騙的,最後能夠欺騙的只是其他認真相信你的研究員和你自己。學術造假、剽竊,最後一定會被揭破。賠上的不單止是一生的學術誠信,更是全個研究領域的進展,阻礙的是人類文明進步。例如南韓教授黃禹錫幹細胞研究造假,曾被南韓全國捧為英雄,現已成為大學學術誠信課程必備反面教材,遺臭萬年。近日美國期刊徹回香港大學肝臟移植論文,因其內容涉及剽竊,也是對香港學術界和世界醫學界的損害。

科學精神,就是誠實。對大自然、對其他人、對自己誠實,方能名垂千古。

延伸閱讀:

無知的價值》- 余海峯

論人、論學問》- 余海峯

陰謀論科學

最近一份研究論文[1] 發現 Facebook 上的陰謀論向 (conspiracy polarized) 用家比一般科學向 (scientific polarized) 用家更加集中 Comment 和 Like 小圈子的 Shared posts。

研究員從 73 個 Facebook Pages 總共 271,296 個 posts 之中,以「能否辨別斷言真偽」為標準,判別出 34 個「科學向」Pages 與 39 個「陰謀論向」Pages。論文附有詳細定義、電腦演算法與數學方法。

journal.pone.0118093.t001

研究員首先發現,在陰謀論向 Pages 的 posts 有比較多的 Likes 和 Shares,而且 Like 和 Share 之間的 Pearson 關係係數高達 0.816。相反,科學向 Pages 的 Like、Comment、Share 之間的係數全部都比較低。這反映了陰謀論向用家偏向會 Share 他們 Like 了的 posts。

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根據研究員對陰謀論向和科學向的定義,他們發現兩邊的用家都是高度集中的。99.08% 的陰謀論向用家偏向與陰謀論向用家交流 (通過 Comment 和 Like 陰謀論向的 posts);科學向用家則低一點,有 90.29%。這反映大部分用家,無論屬於哪個組別,都是習慣只與持各自偏好意見的用家交流。

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最後,研究員嘗試測試究竟當用家長期處於接收未經證實的陰謀論 posts 之下,會否影響他們在明顯錯誤的資訊 posts 之中交流。研究員收集了一系列的「垃圾 posts」(troll posts),例如無限能源已被發現、用鈽和鈾造的燈能夠解決能源危機等等,真的是非常明顯地垃圾 (汗……)。研究員分析陰謀論向和科學向用家的 Comment 和 Like 的活動分布。他們發現,在這些垃圾 posts 之中,77.92% 的 Comments 和 80.86% 的 Likes 都是來自陰謀論向用家。

這研究反映了為何一些未經證實的陰謀論也能夠在社交網絡長時間生存。就如同卡爾.薩根和理查.費曼所說過,這是一個不科學的年代。

科學普及,究竟應如何走下去?

[1] Bessi A, Coletto M, Davidescu GA, Scala A, Caldarelli G, Quattrociocchi W (2015) Science vs Conspiracy: Collective Narratives in the Age of Misinformation. PLoS ONE 10(2): e0118093. doi:10.1371/journal.pone.0118093

封面圖片:PHD Comics

被取代的科學理論

在科學中,我們時不時會聽到「某某理論已經被新理論取代」的新聞。拋開內容農場之類的假新聞不說,究竟在科學之中,說一個理論「被取代」或者「錯」的意思是什麼?

Well,如果你有留意,牛頓的萬有引力理論在 100 年前已經被愛因斯坦的廣義相對論取代了。

(賣個廣告:2016 年是廣義相對論發表 100 週年,敬請留意我將為立場寫的專題)

在廣義相對論之中,萬有引力不再被描述為一種力,而是時空的扭曲結果。

萬有引力理論預言光線不受重力影響,但廣義相對論說會;萬有引力理論說時間與空間互相獨立,但廣義相對論說時空本為一體;萬有引力理論預測的水星近日點進動與廣義相對論預測的數值不同。還有其他許多不同之處,而實驗與觀測證據皆顯示廣義相對論才是「正確」的。

換句話說,萬有引力理論是「錯」的。但很明顯,直到今天仍然很不幸地有許多跳樓輕生或失足墜樓的新聞。

為什麼?不是說萬有引力已被新理論取代了嗎?

精確的說,科學理論其實不是自然現象的解釋。大自然從來不需要解釋;科學理論是人類對自然現象的描述。

舊的科學理論之所以被說是「錯」的,純因它們對自然現象的描述沒有新理論那麼精確。在萬有引力理論對廣義相對論的例子中,其精確程度其實在很多情況下都可以忽略。例如水星近日點進動,現代儀器測量得到的數值是每世紀 0.1594 度,比萬有引力理論預測的多了每世紀 0.0119 度。這好比一個人在田徑場繞圈跑,跑了一個世紀才跑偏了 30 厘米。而廣義相對論的預測則與觀測吻合。

非常好。可是,很多人只著眼於新理論如何在精確程度要求高的情況下比舊的優勝,卻忽略了同樣重要的一點:在精確程度要求低的情況下,新理論必須還原至 (reduce to) 舊有理論。當我們用比較差的實驗儀器和望遠鏡時,廣義相對論與萬有引力理論的預測必須互相吻合。舉個極端的例子,當我們以身做試驗 (大家千萬不要學),從崖邊跳出去時,我們必須向下墜落。因為這是我們對於「重力」這個東西最最最根本的觀察:物質往下墜落。

換句話說,假使愛因斯坦的廣義相對論預測物質並非往下墜落而是往上上升,那麼即使他的理論在先進的實驗觀測結果下如何精確也沒有用,因為它未能還原至舊理論。

另一個我想討論的科學理論,是達爾文的演化論。拋開那些不知所謂的偽科學不說,很多人仍然以為新的理論將能夠取代「物種會演化」這個概念。

很遺憾,物種會演化的證據,就如同物質會墜落的證據一樣,多如天上繁星。物種演化不是比卡超進化,是經過很多代的遺傳加上環境壓力才能顯著地顯示出來。因為物種演化的時間尺度比物質墜落的長很多,所以人類的腦袋比較難直觀感受。順帶一提,其實在星系的尺度,物質墜落的時間也能夠長至億萬年之久。

換句話說,物種會演化,就如同物質會墜落一樣,是基本的觀察事實。最簡單的例子就是細菌會變種,人人皆知。這不是細菌有智能可以知道如何抵抗藥物,而是細菌的繁殖速率高 (以天甚至小時計),所以自然汰擇能夠在人類感知得到的時間內使細菌帶有抗藥性。在細菌變種的例子中,人類發展的藥物就是環境壓力。

總而言之,假使有朝一日,新的理論出現,提供了對於物種變遷更精確的描述,它也不可能完全推翻演化論的根本:物種會演化和物質會墜落的證據,皆鐵證如山。任何新的物種理論都必須還原至演化論。就如同任何新的時空理論都必須還原至廣義相對論、萬有引力理論。阿門。

封面圖片:http://www.richard-feynman.net/gallery.htm

延伸閱讀:

區分科學與偽科學的價值在哪? — 以一個真實的法律案件為例》- 楊梓燁

演化之鑰:人類獨特基因 或致腦部更發達》- ac

恐龍如何變成雀鳥》- 小肥波

行星.生命.演化》- 余海峯

請尊重事實:有些文章,可看,但請別 share》- 余海峯

如何令科學家相信 UFO

這篇文章的方法不單止適用於 UFO (不明飛行物體),還適用於所有偽科學,例如:智慧設計/創造論 (intelligent design/creationism)、靈異事件、另類療法 (alternative medicine)、和所有 New Age 理論之類等等。

很簡單,真的很簡單。當我們要別人相信我們,當然要拿出證據。只要拿出有力證據,我敢說,世界上所有科學家會即時相信。

首先,很多這類聲稱的理據都是「我不知道這個現象是什麼!這是我們從未見過的,所以一定是 UFO!」真是天才,剛說完「我不知道這個現象是什麼」卻又可以得出結論「所以一定是 UFO」。知道「我不知道這個現象是什麼」的結論是什麼嗎?是沒有結論!是我們應該謹慎查證這個現象的成因,而不是立即說「我不知道,所以一定是某東西」!

第二,我們要注意,說「我真的親眼看見了!」並不算證據。為什麼?我雖然講不出什麼大道理,但我用小例子去解釋:如果我對你說我今天野生捕獲了發哥,但只是說「我真的親眼看見了!」你會信嗎?也許你會信,但大家也知道「傾計冇相冇計傾」。捕獲一個人人皆知真實存在的發哥也如此,現在你說你看見了不知道是否存在的 UFO,一張相也沒有,你話你去咗坐銀河鐵路 999 見埋千年女王食埋個 tea 再坐時光機返嚟仲趕得切睇尋晚場歐聯都得㗎啦!

支持這類聲稱的人,也會說網絡上已經很多照片,只是科學家不去理會!(被害妄想症?) 為什麼科學家不關注這些所謂「證據」?這是因為他們拍的東西都是科學家已經觀察了很很很很很久的東西!例如金星、木星、雲朵、或是大廈、山頂上供飛機導航的燈塔等等,難道我日日夜夜都看著這些東西工作,又要跟你說嗎?兄台,你知道你拍的這顆在天空中會發光、會移動的不是 UFO,是金星嗎?(不要笑,印度軍隊兩年前真的以為金星和木星是中國的間諜飛機) 朋友,你又知道你這張拍的是一朵被夕陽照亮了的雲嗎?因為在雲層的高度,太陽比在地面上看較遲下山。也曾有很多人把科學家使用的天文或氣象氣球誤認為 UFO

Extraordinary claim demands extraordinary evidence. 就算是交通意外這種天天發生的小事,也不是憑一張模糊不清、要召喚梁議員「張相唔好再大啲」就可以了事吧!

然後他們或者會說「你如何證明這相拍的不是 UFO?」OMG, 這跟我說我是上帝,再說「你如何證明我不是上帝?」邏輯有何分別?舉證責任一定是在提出聲稱的那方。

那麼,究竟科學家要看到怎樣的證據才算數?不要把科學家的要求想像得好像離開日常生活很遠似的,其實科學家用的科學方法,都只是正常不過的要求:

一,不止少數幾人看見:如果 UFO 降落在鬧市中心,我第一個舉腳相信。如果我是外星人,飛了幾萬光年、幾經辛苦來到地球,並有能力避開地球上空所有國家的監視衛星,但卻想給人類一個信息之類什麼的,我為什麼要偷偷摸摸、很不小心的只是給這些連業餘天文知識也沒有的人看見?我一定降落在市中心,或者發一個電郵給 Stephen Hawking,然後叫不信有 UFO 的地球人幫我的太空船洗廁所!

二,可以重複的觀察:如果 UFO 因為某些原因,不想降落 (別說 UFO 需要什麼特別跑道才能降落,人類都能夠把無人探險車降落到火星上了,回去你的星球找個降落技術好一點的人再回來地球!),那至少也請 UFO 的發現者提供坐標、時間等資料給科學家去驗證吧。如果世界各地的科學家都真的可以憑這些資料剔除所有已知天體的可能性、再證明這是近地物體、然後再知道這並非政府的秘密軍事飛機,我保證這 UFO 的發現者一定名垂千古。什麼?這麼多程序很煩?歡迎來到現實世界。

就是這樣簡單。我已說過,不單止 UFO 這個議題,包括上面提到的所有偽科學,如果能夠通過「不止少數幾人看見」和「可以重複的觀察」,我 100% 賭丁保證,從此沒有科學家會說這是偽科學。

很多偽科學研究都會 cherry picking:一些在大量統計、眾多研究樣本中只是隨機的 false positive,他們就會只挑這個個案大造文章。如果科學家們根本沒有時間、也許已經廢事回應,他們就會說科學界接受了;可是當科學家真的出來證明他們是錯的,他們就會說到自己的「研究」不受接納,好像被「保守的」「傳統」科學界迫害似的。

其實我這文章已經寫得很溫和,平時我是這樣的:

其實科學家是最容易改變的人,只要一個有力證據就足以令他們 180 度改變看法。很多時候,是那些在腦海中已有既定立場,想證明自己是對的人,才是根本不願改變、不肯接受事實的人。

科學是一門「找錯誤」的專業。科學知識,是靠著不斷發現錯誤、承認錯誤、再去改進錯誤,才成就了我們今天看見的人類文明。

科學,是根據不斷的觀察,不斷地去調整對世界的認知的學問。科學家堅持科學方法並不是「保守」,而是謹慎。相反,某些不斷聲稱科學家思想不開放、覺得科學家不肯相信他們的片面聲稱、科學家不肯接受「其他解釋」的那些人,才是真正的保守。因為他們寧願主觀地相信證據不足的事情,也不願接納透過科學方法得出的客觀結果。

這種「輸打贏要」的態度,在現今香港社會中,大家已經屢見不鮮。我再不厭其煩地在這文章中重複又重複,因為這種態度,就是令科學、甚至整個社會沉淪的原因之一。

延伸閱讀:

2015星座命理拆解》- 思前想後 thinkpsyc.

無知的價值》 – 余海峯

請尊重事實:有些文章,可看,但請別 share》- 余海峯