卡爾·波普爾 (Karl Popper) 的否證論 真正的科學就是能夠被否證 (falsifiable) ?



今個月見到 CUHK Secrets 出了兩個 post [1],都是質疑社會科學為何能稱得上「科學」。想不到竟然有人會在 Secret 提到這個哲學大詰問,還要提到哲學家卡爾.波普爾 (Karl Popper) 的否證論,實在令我這個哲學人無比興奮,必須搭兩嘴。

怎樣算/不算是科學?社會科學是否科學?這可是科學哲學的大詰問,牽涉極多複雜的問題,開幾十個 course 都講不完,所以我不可能用一篇文就講清楚。今次我只想針對大家時常提到「否證論 (Falsificationism) 」來簡要闡明和批判一下,因為不論科學家或一般人都常常援引否證論,但對於它的理解、以及對它的批判,都認識不深,甚至有誤解。

否證論:科學理論是可被否證的
否證論出自哲學家卡爾.波普爾,其核心主張是:「一個理論是科學,原則上可以被否證(falsifiable)。反之,如果一個理論原則上可以被否證,就是科學。

但什麼是否證?例如「所有人天生都是黑髮」這個主張,我們原則上可以用經驗證據加以否證(找到一個人天生不是黑髮),因此,這個主張是可被否證。相反,「這個世界存在我們不可能觀察到的飛行意粉怪獸」這個主張就不可被否證。

有一點注意,「可否證」不等於「已被否證」。例如「地球上沒有人」明顯為假,已被否證,但原則上它可被經驗證據推翻,所以仍然是可被否證。又譬如,「地球上有生物存在」雖然明顯是事實,但原則上它可以是一個可被經驗證據推翻的假設(例如可能有外星人在思考這個問題)。

支持否證論的一個邏輯觀點
為什麼否證論具有吸引力?其中一個理由是它可以避開歸納難題:邏輯上不可能從個別的經驗證據推論出全稱命題。考慮一下「所有人天生都是是黑髮」這個全稱命題。如果我們要用證據證實 (prove) 這個主張,其實原則上是不可能的。因為即使我們從過去到現在找到的、觀察到的人都會死,都不足以證明***所有***(包括未來的)人都是天生黑髮。

波普爾認為,由於科學定律或理論大多包含全稱(普遍)命題,所以科學理論是不可以被證據所證實為真。但反過來,科學理論可以被經驗證據否證為假:我們只需要找到「一個人不會死」,就可以否證「所有人都會死」;我們只要做實驗觀察到「 10 公斤和 1 公斤重的物體在自由落體時的速度大致相同」,就可以推翻「物體降落的速度和其重量成正比」這個假說。否證論充分捕捉了邏輯上「一個反例足以推翻全稱命題」的特性。

科學的進步:猜想與反駁
但是,如果一個科學理論不可能被證據證實為真,我們怎樣說明科學的進步?否證論者會答,所謂科學理論,可以被視一種暫時性的猜想或假說。人們可以就現象提出各種猜想或假說去解釋,但這些假說必須接受實驗和觀察的無情檢驗。經受不住檢驗的假說就必然被排除,未被否證的假說就可以生存下來。

以「恐龍為什麼滅絕」為例,否證論眼中的科學進程是這樣的:科學家分別提出了 10 個理論(猜想) A - J 嘗試作出解釋(例如隕石撞擊論、氣候變遷論、種族競爭論)。然後科學家的任務是找出各種證據去否定或反駁這些理論,最後剩下來還未被否證的理論 J (例如隕石撞擊論)就是暫時最優越的理論。但這個理論 J 稱不上「被證實為真」,它只是暫時的。科學家應該繼續尋找可能可以否定到 J 的證據,以及思索其他可能的解釋 (K、L、M……) 再加以檢驗。

總括而言,否證論認為科學就是通過這種「猜想 A →反駁→猜想 B →反駁→猜想 C →…」去篩選理論,盡量排除各種可能性,從而逼近真理 (with greater verisimilitude) [2] 。這種科學進程亦是波普爾的名作《猜想與反駁》的由來[3]。

為什麼一個理論不可被否證,就不是科學的
上面說明了否證論的優點,但仍然未說明為什麼一個理論無法被否證,就是不科學。現在說明。

科學研究的對象是這個經驗世界,因此它所增進的是我們對這經驗世界的知識,即告訴我們這個世界具有什麼特定的特徵、以什麼特定的方式運動(自然定律)。但是,一個主張不可否證,這就意味著無論這個世界具有什特徵、以什麼方式運行,都無法否定這個主張,那麼反過來說,這個主張根本沒有告訴我們這個世界的任何信息。

上面聽起來好抽象,用例子來說明。例如黃興桂大膽預測「依球波一係入,一係唔入」,這不但是廢話,而且無法被否證,因為無論這球是入還是不入,它都說對,根本沒有為球賽提供任何實質預言和信息。又譬如天文台報告「明天本地或會下雨,或不會下雨」,這個說法不可能被否證,因為它窮盡了相關的可能性,根本沒有告訴我們關於明天天氣實質怎樣。相反,如果天文台明確告訴你「明天本地會下大雨」,這個說法排除了「明天不會下雨」、「明天會下細雨」這兩個可能性,因此,它若然經得起驗證,便可以增加我們對這個世界的認識。

在波普爾眼中,弗洛伊德理論不算是真正的科學理論,正是基於同樣原因。譬如弗洛伊德會說人們無論做或不做什麼,都是基於戀母情意結所驅動的。這種理論企圖解釋所有人類現象,但到頭來什麼都沒有解釋,因為它根本沒有告訴我們人類究竟是怎樣行動。

一個理論愈清晰、精確、原則上愈容易被否證,那理論就是愈好
按照否論證的觀點,一個理論原則上愈容易被否證,就愈好。為什麼?假設現在有某個現象,總共有一萬種可能的解釋。如果一個理論包括了其中 9999 個解釋,然後這個理論被否證,那麼剩下來的一個解釋就是最佳解釋。再考慮「明天會下雨」和「明天會下很大的雨」,後者的內容更具體精確,相對前者更愈容易被否證(前者只需要一不下雨就可推翻,但後者還需要觀察是否只下細雨加以否證),假如它經得起檢驗無被否證,就能提供更多知識給我們。

因此,一個理論(猜想)愈容易被否證,或者用波普爾的說法,一個理論愈多「潛在的否證者 (potential falsifier) 」,它就愈可能提供更多知識(假如它無被否證),愈有利於知識進步。反之,如果一個理論愈含混,原則上愈難(故意逃避)被否證,就愈不好。

既然就快新年,不妨用新年常見的命理預測作例子。新年的相士常常剎有介事說來年你會遇上感情問題,甚至可能有血光之災。但「感情問題」是怎樣的問題,普通吵架算不算?冷戰算不算?對方 Instagram 沒有貼放閃照算不算?又,「血光之災」是指割傷手指流少少血,還是見到美女流鼻血?這類命理預測時總是含糊其詞,讓「師父」總有辦法馬後炮解釋:假如你真的遇上大問題,他們會說「對吧,我早說會有事發生了。」;假如你遇不上大問題時,他會說某件事已屬大問題,或者說你本來遇上大問題,全靠他教你的方法才能化解。

命理預測、占星術之所以是偽科學,就是因為它們的主張往往極之含糊,並允許不斷加入各種「特設假設 (ad-hoc hypothesis) 」避開否證,保住自身理論,因此稱不上是科學理論(假說)。在波普爾眼中,馬克思主義便是具有這個問題(當然,這裡在學術上極具爭議):它具有足夠的彈性,當遇到不利的反面證據,便修改自己的理論,令得自己的理論不會被那些反面證據所推翻,並使任何人類行為或歷史變遷的事例都與其理論相一致。波普爾因此說,這種理論看起來很有力、所有證據都在支持自己,實情什麼都支持不了,在自圓其說。

否證論的難題一:特稱命題的科學假說無法被否證
以上就是否證論的基本要點。一般哲學家會將稱之為「樸素否證論」,因為否證論有更「精緻」、有力的版本。但無論是樸素還是精緻版本,都會遇上以下的難題。

首先,如果說否證論的優勢就是充分滿足邏輯上「從單一反例就能推翻全稱命題」的特性,那麼它的缺點就是反過來的:「原則上我們無法否定特稱命題的科學假說」。考慮一下「這世上外星生物」這個假說,要否證它,就必須觀察到「所有時間上地球以外的地方都沒有外星生物」,而這是在企圖證實一個全稱命題,原則上我們根本無法做到。

同理,像「某種新型變種、專門攻擊上呼吸道的細菌存在」這類明顯是醫學命題也會無法否證;但如果一個明顯看起來屬科學的假說僅因為它是特稱命題而無法否證,因而就不算是科學,這結論明顯悖理。因此,否證論也面臨自身特殊的邏輯困難。

否證論的難題二:究竟是理論假設還是輔助假設被否證?
否證論的另一難題源自以下的現象,科學理論在檢驗時都必須加入各種輔助假設才能合理檢驗。例如天文學家要透過天文望遠鏡觀察天文現象是否與理論相符,至少要假設眼前的天文望遠鏡沒有任何故障問題。但問題在於,當我們發現天文現象與理論所預測的現象不相符,那就代表理論被觀察證據所否證了嗎?為什麼不可以是天文望遠鏡出現問題?

如果用邏輯方式表達這問題,即:(理論假說 H & 輔助假設 T )→ 預測(觀察命題)E;即使觀察現象不符合 E (即非 E ),那最多只能推論出 H 或者 T 其中一個為假,不能直接得出理論 H 為假。

當然,你可以說我們檢查一下天文望遠鏡不就行了嗎?但是,一個科學理論在檢驗時所加入的輔助假設是非常之多,再以觀察天文現象這個看似簡單無比的事為例,我們要觀察行星位置,需要包含一系列輔助假設,包括當時地球大氣層會否影響光的折射、該行星附近沒有宇宙塵埃、該行星附近區域沒有某種磁場干擾了觀測儀器等等……。我們原則上又不太可能檢測所有輔助假設是否成立(其中一個原因是,輔助假設本身可能也是一種理論,要檢驗它們又會碰上另外的輔助假設,因此會遇上相同難題,無限後退)。因此,當我們遇上再明顯的否定證據,邏輯上總是無法排除被否證的其實是輔助假設,而不是理論本身。這個難題,就是哲學上著名的「杜恆-蒯因論題 (Duhem–Quine thesis) 」[4]。

否證論的難題三:若然嚴格遵守否證論,科學無法發展
否證論的另一個難題來自於歷史事實:如果科學家嚴格遵循否證論的方法論,現今看起來最好的理論將不會發展至今,因為它們會在提出初期就遭否證而被拒絕。

事實上,任何經典科學理論,不論在最初提出還是之後的日子之中,人們總能發現有些觀察或證據是與該理論不一致。但這些理論非但沒有被科學家拒絕,甚至我們應該說:幸好科學家堅持保住理論,不理會那些否定證據。

牛頓的萬有引力理論在問世開初,面對著有關月球距離和軌道的觀察否證 [5]。這種否定證據要在近半個世紀後,才被視為是出自其他問題(輔助假設)上。除此之外,萬有引力論也與水星軌道的相關觀察不相符(這就是著名難題:Perihelion precession of Mercury),但科學家從來沒有因而放棄萬有引力理論,甚至曾經為了保住理論而加入各種特設假設。又例如波爾(Niels Bohr) 提出的原子理論加上經典電磁學理論會推導出「電子應該會在某個時間內放出電磁波」這個預測,但這與當時的觀察結果並不一致,因而當時有不少科學家認為該理論不可取。然而波爾並未因而立即放棄其理論,之後更引入量子概念,為古典物理學轉向量子物理學發展鋪平了道路。

從上述的歷史事例可以見到,新的科學理論縱使遇上明顯的否證,科學家需要堅持下去,才可能在後來獲得發展,而且這些發展往往是需要數十年甚至百年長時間才能解決原初的否證。如果科學家真的堅持否證論的嚴格標準,幾乎所有科學理論都會在萌芽時就被撲滅。

事實上,波普爾也承認這個難題,並提到科學家有時確實需要無視否定證據,甚至加入特設假設保住自己理論以留待發展:「我總是強調需要某種教條主義:遵循教條主義的科學定能揮著某種重要作用。如果我們過於輕易向反駁屈服,我們將永遠看不出我們的理論的真正力量。[6]」

但問題是,如果否證論者放寬其準則,容許特設假設的存在,那麼就可能會產生「占星術也是科學」的理論後果。這便構成了兩難:放寬準則就會把許多科學家不願意視為科學的東西納入為科學範疇;嚴格遵守準則便會有違科學家的真實實踐。

結論:學習謙虛,謙虛學習
從上述的困難來看,否證論的難題根源,出自於它只集中於處理個別理論與經驗證據之間的關係上,卻沒有把握好科學理論發展的複雜進程。科學的發展往往都是由最初早期不完善的觀念開始,即使有明顯的否定證據,也需要堅持下去加以修改,直至捱不下去或相反建立出新的理論體系為止 — 這個簡要的描述,正是出自另一位很出名的科學哲學家湯瑪斯.孔恩 ( Thomas Kuhn) 提到的範式理論,這亦正是社會學者時常引用的概念(順帶一提, Thomas Kuhn 認為歷史上的占星術是可被否證的,詳見《占星術是偽科學嗎? 從科學、歷史與哲學談起》)。

有趣的是,近年物理學界因「弦理論是否真正的科學理論」引發的討論,有科學家也開始主張「可否證性/可證偽性」應該從科學上退場,加州理工學院的物理學家 Sean Carroll 便認為可否證性「只是一個非哲學訓練的科學家所秉承的簡單座右銘」,並不符合科學家的真實工作。

所以說,有時我們自以為清楚知道的概念和理論,真的並不如我們想像中簡單(,以及哲學真的很好玩)。因此,在質疑整個社會科學學系之前,最好還是先謙虛學習,瞭解清楚吧。

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註腳
[1] https://goo.gl/Yo6CD3https://goo.gl/ZwnzZh
[2] 嚴格來說,波普爾認為科學理論與「真理 (truth)」並不相關,最多只具有某種「真實性 (verisimilitude)」。 波普爾主要是基於對「真理」、「事實」和「證成」的特定理解而區分兩者。
[3] 如果想看原著裡關於否證論的討論,可看:Karl Popper, Objective Knowledge (1979) 第一章、Conjectures and Refutations (2002) 入面的第一章和第十章。
[4] Duhem–Quine thesis 有很多種版本,這是其中一種。
[5] AE Chalmers (2013). What Is This Thing Called Science? (new and revised 4th edition) 。另參見此文
[6] Karl Popper (1974). Normal Science and Its Dangers’ in Lakatos and Musgrave (p.55)

參考資料
AE Chalmers (2013). What Is This Thing Called Science? (new and revised 4th edition)
Karl Popper (1979). Objective Knowledge
Karl Popper (2002). Conjectures and Refutations
David Papineau (1998). Methodology: The Elements of the Philosophy of Science


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