维也纳的物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）遭受了内心的煎熬。他解决了核物理学中最棘手的难题之一，但也付出了代价。“我做了一件可怕的事情，”他在1930年冬天向一位朋友承认，“我假设了一个无法检测到的粒子。”

 

　　尽管泡利有着难言的绝望，但他在信中透露出，他并不真的认为他的新亚原子粒子始终不会检测到。他相信，实验设备最终能够以某种方式证实或证伪他的假设。尽管如此，他还是担心自己离错误仅一步之遥。泡利相信，那些真正不可观察的东西对物理学和整个科学来说是一种诅咒。

 

　　泡利的观点在当今的许多科学家中仍然存在。科学实践的一个基本原则是，一个新理论不应该引用不可检测的东西。相反，一个好的解释应该是可证伪的――这意味着原则上应该存在一些假设的数据可以证明该理论是错误的。这些互相关联的可证伪性和可观察性标准具有优良的传统：可证伪性可以追溯到20世纪中期的科学哲学家卡尔·波普尔（KarlPopper），可观察性标准可追溯到更久之前。如今这些标准被一些自命的守卫者所守护，这些守卫者津津乐道地将物理学、宇宙学和量子力学中一些奇怪的概念视为空中城堡。这些守卫者声称，如果将这些想法付诸科学，其代价将是向各种明显不科学的废话敞开大门。

 

　　但对于理论物理学家来说，设计空中城堡只是工作的一部分。关于这个世界可能会怎样的新想法――或者在某些例子中，这个世界绝对不是什么样子――对他们的工作来说至关重要。一些理论结构可能是用了很多年才小心翼翼地建立起来的，最终却被起了一些奇怪的名称，比如膨胀多元宇宙或超弦理论。有些则可能会一个下午就随便编造出来或被舍弃掉，在思想的对流层中被孤独的冒险家再次发现和丢弃。

 

　　这并不意味着位于科学前沿只有自由的空中城堡式的建筑。科学理论构建的目标是随着时间的推移提高其理解世界本质的准确性。所有这些创造力都必须在某个时刻回归现实。但是，将独创性转化为事实，这比仅仅宣布所有观点都必须符合可证伪性和可观察性的死板标准要精致得多。这些不是衡量科学理论质量的指标。它们可能是很好的指导方针或启发性方法，但在只有简单的答案的情况下，它们通常也是错误的，或者只有一半是正确的。

 

　　可证伪性不能作为科学的一个普遍性限制标准，原因很简单，那就是没有真正可证伪的科学理论。我可以提出一个理论，使得一个预测看起来是可证伪的，但是当数据告诉我这个理论是错误的时候，我可以想出一些新的想法来堵住漏洞并保存理论。

 

　　科学史充满了这种事后补救的例子。1781年，威廉·赫歇尔和卡罗琳·赫歇尔（William and Caroline Herschel）发现了天王星。当时的物理学家利用牛顿的万有引力定律，及时着手预测其轨道。但在接下来的几十年中，随着天文学家对天王星84年周期的绕日轨道运动的追踪，他们发现有些不对头。天王星没有像预测的那样运动。出于困惑，他们对自己的测量进行了精确化，采取了越来越仔细的观察，但异常并没有消失。牛顿物理学根本无法预测天王星的位置。

 

　　但是当时的天文学家并没有宣称这个意外的数据证伪了牛顿的万有引力理论。相反，他们对天王星的奇怪运动提出了另一个解释：有一个很大且无法看到的东西正在拖拽着这个星球。计算表明它必定是另一个行星，与天王星一样大，距离太阳更远。1846年，法国天体物理学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）预测了这个假设星球的位置。由于他无法让任何法国观察家对找出这颗行星感兴趣，他将他的预测细节发给了德国的同事。那天晚上，他们把望远镜指向勒维耶指定的地方，半小时后他们发现了海王星。牛顿物理学并未被证伪，反而得到了惊人的证明――它已经成功地预测了一个看不见的行星的确切位置。

 

　　多年来，水星的奥秘都没有解决，但没有任何人认为牛顿是错误的。

 

　　借着成功之势，勒维耶开始寻求解决另一个行星难题。在他发现海王星几年后，他和其他天文学家清楚地发现，水星并没有像预期的那样移动。每个水星年，其轨道上最接近太阳的点（称为近日点）都比牛顿的万有引力的预测稍微多偏移了一点，一个世纪累计增加43角秒（角度测量单位）。这是一个很小的数目――不到其完整绕日轨道的三万分之一――但与之前的天王星一样，这种异常并没有随着持续的观察而消失。它固执地维持着，藐视着牛顿的幽灵。

 

　　再一次，牛顿的万有引力并未因为被证伪而被抛弃――至少不是马上抛弃。相反，勒维耶再次尝试了同样的伎俩：把异常的原因归结到一个看不见的星球上，这是一块非常靠近太阳的小石头，以至于整个人类历史上所有其他天文学家都错过了。他称之为火神星（Vulcan），名称源于罗马的锻造之神。勒维耶等人多年来一直在寻找火神星，拖着强大的望远镜观察日食，企图在太阳被月球遮挡的短暂时间中找到这个未观测到的星球。

 

　　勒维耶从未找到火神星。1877年他去世后，天文学界便放弃了搜索，认为火神星根本就不在那里。即便如此，牛顿的万有引力也并未被抛弃。相反，当时的天文学家集体耸了耸肩，继续前进。水星近日点的奥秘在很多年中都没有得到解决，但没有任何严肃的建议认为牛顿是错的。证伪这个选项根本不在菜单上。

 

　　最终，在1915年，爱因斯坦用他全新的广义相对论表明，他可以在勒维耶失败的地方取得成功。广义相对论是对万有引力的一个新的描述，取代了牛顿物理学――它完美预测了水星近日点的变化。爱因斯坦说，当他意识到他的理论能够正确地解决这个长期的困惑时，他“欣喜若狂”。4年后，英国天文学家阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington）和他的团队利用强大的望远镜进行了日食观测，不是为了寻找火神星，而是为了证实爱因斯坦的理论所预测的太阳周边星光的弯曲。他们发现广义相对论是正确的（尽管后来的调查表明，虽然他们得出了正确的结论，但其观测却存在错误）。作为证明了牛顿错误的人，爱因斯坦立即闻名于世。

 

　　牛顿的万有引力最终被抛弃了，但不仅仅是因为存在威胁它的数据，这还不够。直到一个可行的替代理论以爱因斯坦的广义相对论的形式出现时，科学界才开始认识到牛顿可能错过了某个东西。但是，如果没有爱因斯坦或者他错了呢？天文学家能否找到解决水星运动异常的另一种方法？当然――他们可以说火神星就在那里，而且用望远镜是看不见的。

 

　　这可能听起来有些牵强，但是科学史又一次证明了这种事情确实会发生，而且有时它是有效的――正如泡利在1930年所发现的那样。当时，新的实验威胁到了物理学的核心原理之一，即能量守恒定律。数据显示，在某种放射性衰变中，电子可以以一定范围内的速度（及伴随的能量）从原子核中飞出――即使反应中的总能量应该每次都是相同的。这意味着能量有时会从这些反应中消失，并且不清楚它发生了什么。

 

　　丹麦物理学家波尔当时打算放弃能量守恒的观点。但泡利并未准备承认这个观点已经死了。相反，他提出了他的奇异粒子（outlandishparticle）。他写道：“为了挽救能量守恒定律，我已经采取了绝望的补救措施。”尽管几乎没有质量和电荷，但新的粒子可以解释能量的损失。但当时的粒子探测器无法检测到不带电荷的粒子，所以泡利提出的解决方案是不可见的。

 

　　尽管如此，物理学界并未接受波尔认为能量守恒已被证伪的观点，而是接受了泡利的假想粒子：即当意大利物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）数年后将这一理论改进后，一种被称为“中微子”（小的中性粒子）的粒子。幸运的是，中微子终于在1956年观测到，其技术在25年前完全无法预知：一种新型的与核反应堆结合使用的粒子探测器。泡利幽灵般的粒子是真实的；事实上，后来的研究工作表明，每秒都会有数以万亿计来自太阳的中微子通过我们的身体，完全未被察觉和观察到。

 

　　因此，引入看不见的东西来挽救一个理论被证伪的结局，这有时是正确的科学方法。然而泡利当然不相信他的粒子永远不会观察到。他期待最终能够观测到该粒子，而且他是对的。同样，爱因斯坦的广义相对论也是通过观察来证明的。可证伪性不是判断理论好坏的标准，或者至少不是完整的标准。那么可观察性呢？

 

　　观察在科学中发挥着至关重要的作用，这当然是事实。但这并不意味着科学理论必须专注于可观察的事物。一方面，可观察和不可观察之间的界线模糊――曾经“不可观察”的可以变成“可观察的”，就像中微子案例所显示的那样。有时候，一些假设了不可观察物的理论已被证明是正确的理论，并且在有人设计一种方法来观测这些事物之前，早已被接受为正确的理论。

 

　　以19世纪下半叶物理学中关于原子的争论为例。一些科学家相信他们存在，但其他人则深表怀疑。奥地利的路德维希·波尔兹曼（LudwigBoltzmann），英国的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）和德国的鲁道夫·克劳修斯（RudolfClausius）等物理学家都深信化学和物理证据表明了原子理论是正确的。但奥地利物理学家恩斯特·马赫（ErnstMach）等人并不以为然。

 

　　原子当时是不可观察的。因此马赫认为它们是不真实和不必要的。

 

　　对马赫来说，原子是完全不必要的假设。毕竟，任何不可观察的东西都不能认为是一个好的科学理论的一部分――事实上，这些东西甚至不能被认为是真实的。对他而言，完美科学理论的典型是热力学，即对热量的研究。这是一套与直接可观测量有关的经验法则，例如气体的温度、压力和体积。这个理论既完整又完美，没有涉及任何不可观察的东西。

 

　　但波尔兹曼、麦克斯韦和克劳修斯努力地表明了，马赫心爱的热力学远未臻完美。在19世纪余下的时间里，他们和美国科学家乔西亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等人，证明了整个热力学可以从一个简单假设中重新推导出来，这个假设就是：原子是真实的、并且在日常生活中的所有物体都是由大量原子组成的。虽然实践中不可能预测每个原子的行为，但总体而言，它们的行为遵守有规律的模式――并且因为物体中有太多的原子（在一小撮空气中就有超过1000亿个），那些模式从未被明显违反，尽管它们只是统计趋势的结果，而不是铁律。

 

　　马赫很反感把热力学定律降为单纯模式的观点；更反对引入那些小到看不见的物体。“我不相信原子存在！”他在维也纳与玻尔兹曼的对话中脱口而出。即使对于当时能够建造的最强大的显微镜来说，原子也太小了。实际上，根据麦克斯韦和奥地利科学家约瑟夫·洛希米特（Josef Loschmidt）的计算，原子是可见光波长的几百分之一――因此从任何依靠光波的显微镜中看，它们将永远隐藏起来。原子是不可观察的。因此，马赫谴责他们是不真实和不必要的，与科学实践是不相关的。

 

　　马赫的观点在他的祖国奥地利和中欧的其他地方有着巨大的影响力。他的想法导致他的同胞玻尔兹曼对于说服物理学界认同原子的真实性感到绝望；这可能导致了玻尔兹曼在1906年的自杀。然而，那些赞同马赫观点的物理学家经常发现自己在工作中陷入困境。沃尔特·考夫曼（Walter Kaufmann）是一位天才的德国实验物理学家，在1897年发现阴极射线（老式电视机和电脑显示器中使用的那种射线）具有恒定的电荷与质量比。但他并没有接受阴极射线可能由具有固定电荷和质量的小粒子组成，而是接受了马赫的警告，没有假设任何不可观察的事物，并且对这个问题保持了沉默。几个月后，英国物理学家汤姆逊（J.J.Thomson）发现了有关阴极射线的同一个有趣事实。但是，马赫的观点在英格兰并不普遍，汤姆逊对于阴极射线是由微小粒子组成的这个假设并无成见。他称之为电子，并于1906年获得诺贝尔奖（在所有物理和化学入门教科书中占有了永恒的一席之地）。

 

　　马赫的观点当然并不全是坏事；他的著作激发了年轻的爱因斯坦早期的相对论研究。马赫的影响力也延伸到他的教子泡利，他是维也纳两位知识分子的孩子。马赫的观点在泡利早期的智力发展中发挥了重要作用，当他第一次提出中微子的想法时，他的教父的话极有可能在泡利的耳畔回响。

 

　　与泡利不同，爱因斯坦并不害怕提出不可观察的事物。1905年，在他发表狭义相对论理论的同一年，他面向这个充满怀疑的世界提出了光子――即组成光的粒子的存在。（在最初的20年中他关于光子的观点并未被证实。）马赫的观点也激发了下一代哲学上的重要运动，即所谓的逻辑实证主义――广义上说，关于世界的唯一有意义的陈述是那些可以通过观察直接被证实的陈述。实证主义起源于20世纪20年代的维也纳等地，实证主义者的辉煌思想在塑造从当时至今的哲学方面发挥了重要作用。

 

　　但是，是什么使得某物是“可观察的”？只有可以用专门的工具才能看到的东西才是可观察的吗？一些实证主义者说，答案是否定的，只有我们的感官所感受到的无形数据才满足条件――因此在显微镜中看到的东西并不真实。但在那种情况下，“我们无法通过歌剧院的玻璃或通过普通的眼镜观察实在物体，人们就会好奇我们通过普通窗玻璃看到的物体的状态。”哲学家格罗弗·麦克斯韦（GroverMaxwell）在1962年写道。

 

　　此外，麦克斯韦指出，“原则上不可观察”的定义取决于我们最好的科学理论和我们对世界的充分理解，并会随着时间的推移而发生变化。例如，在望远镜发明之前，能够使远处物体看起来更近的仪器似乎是不可能的；因此，像海王星这样肉眼看不见的行星会被视为“原则上不可观察的”。然而，海王星无疑就在那里――而且我们不仅看到了它，我们还在1989年将旅行者2号派往那里。同样，我们今天原则上认为不可观察的东西，随着新的物理理论和观测技术的出现，将来可能会变得可观察。“是理论――因此也就是科学本身――告诉我们什么是可观察或者不可观察的，”麦克斯韦写道，“没有先验的或哲学的标准来区分可观察和不可观察。”

 

　　当我们进行科学研究时，我们利用所有的东西，包括可观察的和不可观察的。

 

　　即使理论提出了相同的可观察结果，这些结果中只有一些会暂时被接受，而另一些则会被断然拒绝。假设我发表了一个理论，说存在不可见的微型独角兽，有着瀑布般的毛发、螺旋状的角和偏微分方程的味道；这些独角兽负责量子世界的随机性，推动和拉动亚原子粒子以确保他们服从薛定谔方程，仅仅因为他们喜欢那个方程而不是其他任何方程。这个理论本质上与量子力学在可观察性上是完全相同的。但这是一个非常愚蠢的理论，并且（我希望）会被所有物理学家拒绝。

 

　　撇开这个滑稽的例子，我们在相同可观察性的理论之间做出的选择对科学实践产生了巨大的影响。美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）指出，两个具有同样可观察结果的不同理论，仍然可以为我们提供不同的问题视角，并引导我们进行不同的回答和不同的实验以发现下一个理论。因此，重要的不仅仅是我们科学理论的可观察内容。当我们进行科学研究时，我们利用所有的东西，包括可观察的和不可观察的。当然，我们更加关注我们对无形实体存在的信念，但我们并不否认存在不可观察的事物，或者至少它们的存在是合理的。

 

　　当科学家面对新的或无法解释的事物发展出奇怪的理论时，一些最有趣的科学研究工作就完成了。疯狂的想法必须找到一种与世界相关联的方式――但粗暴地要求可证伪性或可观察性会阻碍科学。在如此严格的限制条件下发展成功的新理论是不可能的。尽管泡利自己也有担心，但正如他在第一次提出中微子时所说的那样：“只有那些下了赌注的人才能赢。”