在1927年第五次索尔维会议（布鲁塞尔）上，一批世界著名物理学家的合影。中国科学院高能物理研究所研究员的张双南曾写过《仰望星空如何改变世界？》，梳理了自1609年伽利略发明天文望远镜以来，天文学与现代自然科学的深刻联系。在今天这篇文章中，他继续从目的、精神、研究方法三要素出发探讨“科学是什么”，以及科学与数学、哲学等其他学科的关系。
俄罗斯在和德国联合研制一个以暗能量为主要研究目标的空间X射线天文卫星。几年前(当时暗能量的研究刚刚兴起)，时任俄罗斯总理的普京在听取了关于这个项目的介绍后，问了两个问题：“暗能量有用吗？暗能量危险吗？”当时一个科学家是这么回答的：“我不知道。不过在100年前，如果你问爱因斯坦相对论是有用还是危险，爱因斯坦一定回答不知道。但是今天我们知道相对论既有用，也危险。
”现在，核能、诊断和治疗癌症的加速器、GPS等等都离不开相对论的应用，但核武器也同样是相对论的应用！
欧洲核子研究中心。顺便提一下我自己的一个故事。几年前我应邀在中国科学技术大学交叉科学中心作一个关于黑洞理论研究的报告，报告之后有一个学生问我这个研究有什么用处。我不假思索地回答：“我不知道，但是我想搞明白这个问题。”会场上立刻掌声雷动。此刻我也终于明白了为什么中科大是中国科学研究的圣地之一，也是最具有科学精神的校园之一。
什么是科学？
我们需要从三个层面上来回答“什么是科学”这个看似简单的问题，也就是需要明确科学的三个要素。科学的第一个要素就是科学的目的。事实上，如果我们问很多职业科学家科学的目的是什么，他们都会回答：科学的目的是造福于人类。这个回答并不完全正确，或者可以说完全不正确。
科学的确可以造福于人类，事实上很多科学研究的成果都已经被用来造福于人类，人类的生活品质和水平也由于科学成果的应用而不断得到快速提升，今天很多科学研究项目的直接目的就是造福于人类。但是科学的目的本身并非如此，是人类出于各种目的，在很多情况下利用科学成果造福了人类。科学成果同样可以给人类造成灾难，这样的例子同样也是不胜枚举。生物、化学研究的初衷并非是研制武器，但现在生化武器已屡见不鲜。
因此科学的目的既不是造福于人类，也不是危害人类。科学的目的就是刨根问底，也就是发现各种规律，比如我们前面说的天文学研究所发现的自然规律奠基了包含牛顿力学的广义相对论和量子力学两大基础物理学科，但是如何应用这些规律则并不是科学本身的目的。因此科学家在研究科学的时候可以只关心这些规律本身，并不需要关心它是否有用、是否危险，当然这并不排斥科学家选择开展自己认为是否有用、是否危险的科学研究工作。
科学的第二个要素是科学的精神，包括三个内容：质疑、独立、唯一。“质疑”其实是最基本的科学精神，也就是对于以前的结果、结论、甚至广泛得到证实和接受的理论体系都需要以怀疑的眼光进行审视。但是“质疑”并不完全等同于“怀疑”，更不是全面否定。“质疑”实际上是批评地学习和接受，其目的是揭示以前工作的漏洞、缺陷、不完善、没有经过检验、或者不能完全适用的地方。
比如爱因斯坦对牛顿力学和牛顿引力理论质疑的结果是发现了牛顿力学和牛顿引力理论只有在低速（相对于光速）和弱引力场（空间扭曲可以忽略）的情况下才是正确的，否则就需要使用狭义相对论和广义相对论。
“独立”有两层含义，一方面指的是科学研究所发现的规律“独立”于研究者以及研究手段和研究方法。另外一方面指的是科学研究者必须具有独立的思想，科学研究工作也是独立进行的。只有独立做出的科学研究成果才有科学价值，当然这并不排斥学术交流和学术合作，因为交流与合作往往是激发研究者个人创造力的有力途径，创造力是最终产生高度原创性独立研究成果的根本原因。
“唯一”指的是科学规律的唯一性，勿用过多地解释。在这里仅仅引用彭桓武先生2005年4月15日在“世界物理学纪念大会”上的讲话：物质世界虽然千变万化，但却十分真诚，“在同样条件下必然出现同样现象”。
科学的第三个要素是科学的研究方法，也包括三个内容：逻辑化、定量化和实证化。科学研究显然起源于哲学，而哲学研究所建立的逻辑化正是科学方法的一个关键内容。通过学术研究获得的博士学位前面往往加上“哲学”而被称为“哲学博士”，就是这个原因。
在使用哲学的逻辑化开展科学研究的过程中，定量化是必不可少的。没有定量化，就无法通过归纳建立模型，也无法对模型进行演绎来做出预言，并被进一步的观测或者实验检验。数学的研究所建立的各种计算方法和工具使得科学研究和现在一般意义上的哲学研究开始分道扬镳。而科学研究的定量化又使得科学研究的成果能够得到实际应用，这是科学和哲学彻底分离的最显著标志。
实证化则是最需要被强调的科学研究方法。
从天文学的研究带来的人类认识宇宙的几次大飞跃中都可以看到，每一次重要的进展都是当旧的模型预言和新的观测结果矛盾，或者旧的模型完全没有预言到的观测结果无法用旧的模型进行解释。旧的模型可以被新的观测或者实验所推翻或者修改，但是这些旧的模型也都是科学理论，是追求“唯一”正确的科学理论的历程中所必须经过的阶段。因此可以被证伪的理论才是科学理论，但是不一定是正确的，或者不一定是在所有的情况下都是正确的。
能够解释已知现象，但是不能被证伪的理论不是科学理论，比如玄学等。
关于科学和其他学术研究的关系，讨论较多的可能就是哲学是不是科学，数学是不是科学等等。诚然，现代科学的确起源于哲学，哲学的逻辑化是科学研究方法的重要内容，而数学则是科学定量化方法的基础。但是现在一般意义上的哲学研究不但缺乏定量化，而且哲学理论的实证化也几无可能。
实际上，我们很难说哲学研究的目的是揭示什么唯一的规律，所以哲学的目的和精神也和我们讨论的现代科学有很大的差异。因此，既然哲学的目的、精神和研究方法都和现代科学有很大的不同，所以严格地说，哲学并不是科学。
数学和科学的划分则困难得多。其实国外在正式的场合常常把我们国内称为的“理科”写为“科学和数学”，也就是把科学和数学并列，说明数学不能被简单地列为科学的一个分支。
很多大学的数学系被写成“数学系”或者“数学科学系”，后者很显然是希望强调数学的科学性质。事实上，也许数学和科学的唯一区别在于实证化问题。数学是定量化的逻辑推理，只要推理过程没有错误，就是正确的数学理论，原则上并不需要通过观测或者实验进行检验。所以实证化和我们前面强调的证伪问题对于数学研究并不是最重要的，尽管科学研究的证伪几乎总是需要进行数学计算的。
因此严格地讲，数学不是科学，但是和科学关系非常密切。至于应用数学的一个分支——数学建模，和科学的关系则更加密切。实际上，应用数学的很多分支已经成为科学研究的一些重要研究领域。因此广义地把数学列为科学的一个领域也未尝不可。很多大学里的“科学学院”里面设有“数学系”，以及很多国家的科学院里面都设有“数学部”，大概就是这个原因了。
尽管哲学和数学在严格意义上都不是科学，但是哲学和数学也都是严肃的学术研究，而且显然是非常重要的学术研究。我们并不能说科学比哲学或者数学重要，它们之间没有高低贵贱之分。这说明学术研究不一定都是科学研究，再比如历史、文学、艺术、工程技术等学科。事实上，很多学术研究在不少层面上可能都比科学研究更加重要。
但是，科学研究并不是局限在“理科”，传统意义上的有些“文科”学术研究由于引进了科学的研究方法，也已经成为了科学研究的重要领域，比如心理学、行为学、精神学、社会学、经济学等学科。
本文节选自“天文学与现代自然科学”，首发于《中国国家天文》杂志，《知识分子》获授权刊发，略有修订。
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