一個科學家的觀點——響應《社會科學是科學嗎？》

|作者：林志忠

(臺灣陽明交通大學電子物理系)

本文選自《物理》2025年第10期

01前 言

日前，臺灣《科學月刊》總編輯曾耀寰邀請我對該刊2025年7月號的文章《社會科學是科學嗎？》撰寫一篇讀者響應。我反復閱讀文章后，卻彷佛陷入困境，覺得迷惘而不知從何回答。作者的專業背景是應用經濟學，而我的專業背景是物理學，或更準確地說，是低溫物理學實驗。諒必是因為專業學科訓練的不同(“人文社會(科)學” vs. “自然科學”)，造成我對文章的難以消化，感覺非常陌生，即便文章中反復使用“模型”、“科學方法”與“科學”等關鍵詞眼。一言以蔽之，長文中想要辯證和強調的主要結論是：社會學是一門科學。套用作者自己的文句，則是“社會科學是科學殆無疑義”，因為“社會科學是用科學的方法，研究人類社會的種種現象。”

本文標題的起頭是“一個科學家的觀點”，當公眾聽到“科學家”一詞時，大多數人即刻想到的對象應是“自然科學家”，如物理學家、化學家、數學家、生物學家、醫學家等，而不是社會學家、經濟學家或政治學家等。雖然現在的人文社會學科常主動或被動稱作，如“社會科學(social science)”、“政治科學(political science)”或“圖書館科學(library science)”等，也無法改變以上印象。這一認知，無疑正是造成我難以消化領會這篇文章及其論點的主因。反過來說，本文的標題即使未冗長寫作“一個自然科學家的觀點”，也諒必不致引起讀者的任何誤解。

基于這一公眾認知或“常識”，讓我們回歸本文的主題：社會(科)學到底是不是一門科學？此外，若是公眾聽到“科學”一詞時，他們的直接反應只會想到“自然科學”，則為何社會(科)學及其他一些人文社會學科，需要畫蛇添足套上“科學”結語詞(外衣)？

2025年正逢“國際量子科學與技術年”，因此以下我們概略回顧量子力學誕生過程中的幾件要事，看看這門重大自然科學是如何發展起來的。藉此，也可以了解何謂(自然)科學？它如何形成，及具備哪些要素？

圖1 在這本精巧的杰作

The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist

里，費曼探索游走在科學與哲學、科學與宗教及科學與社會等邊緣的問題，書中對“科學的不確定性”、“價值的不確定性”和“不確定的年代”有極精辟的見解

另外，建議有興趣的讀者閱讀費曼演講集

The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist

(圖1)。在這本科普演講集中，費曼對何謂科學(知識)、科學的應用和科學方法有很深刻的見解與說明。費曼女兒米雪·費曼編輯的

The Quotable Feynman

(圖2)中，則收錄了許多費曼關于科學的本質的觀點、警句與雋語。

圖2　在費曼女兒米雪·費曼編輯的

The Quotable Feynman

中，收錄了許多費曼對科學的本質所做深刻思索后的觀點、警句以及雋語

02量子力學起源的三個例子

2.1　普朗克引入量子化常數

量子物理”的概念，即一個物理量是離散的而非連續的，公認的起源是1900年，普朗克為了解釋高溫固體所輻射出的電磁波(熱和光)的頻率

(f)

分布，而引進的一個“數學猜測”。即普朗克為了推導出能與當時測量到的“實驗數據”吻合的一組“數學曲線”，而把電磁波的能量(

E

)“硬著頭皮”寫成

E=nhf

n

為0或正整數，

h

為現今稱作普朗克常數的一個嶄新物理常數)。在普朗克之前，甚至直到1923年“康普頓效應”實驗完成之前，大多數物理 學家完全接受麥克斯韋電磁波理論，深信電磁波的能量只與電磁場的振幅平方(強度)成正比，而與頻率無關，并且深信能量是一種連續的物理量，可以為任意(正)值。

在這一個例子中，當普朗克心不甘、情不愿畫出他的一組“數學曲線”時，我們很難想象此刻在他的心里，有何預想的具體量子“模型”存在？換句話說，普朗克并不是為了描述和解釋他事先建構出的某一個模型的特性，只是遵循邏輯一路推理，進而創立了一套革命性的科學理論。請讀者注意，在以上這兩段文字里，我刻意使用普朗克的“數學曲線”一詞，而不說“理論曲線”，正是因為想要強調電磁波能量量子化的概念，并不是建立在先有“模型”，然后依據某一套“科學方法”，一步一步推導出來的。事實上，即使在具有理想吸、放熱性質的“黑體”解釋里，到底是什么微小粒子(諧振子)在以f的頻率振動？它們如何振動？一直是一個很模糊，說不清的“模型”。反之，在《社會科學是科學嗎？》文章里，作者似乎主張社會(科)學問題的探索方式是，首先建立一個清晰的“模型”，接著依循“科學方法”的步驟展開研究，因此是一門科學。

2.2　愛因斯坦的固體比熱理論

普朗克在引入電磁波能量量子化并寫出相應的“數學曲線”之后，雖然成功解釋了實驗數據(自然界的真實物質特性)，卻并不被當時的物理學家重視，甚至普朗克自己心里也不以為然，深感不安。那時，在諸多將于未來二三十年內陸續贏得諾貝爾獎的大科學家中，唯獨年輕的愛因斯坦是個例外。愛因斯坦不但很快地接受了電磁波能量量子化的概念，并運用它解釋了現在大家耳熟能詳的“光電效應”；更讓人贊佩的是，他隨即又進一大步將能量量子化的概念，擴充用于解釋固體(絕緣體)比熱隨溫度變化的行為。經典統計力學告訴我們，由于“能量均分定理”，固體的摩爾比熱值(

C

V

)必定等于三倍理想氣體常數(

R

C

V

=3

R

。雖然很多實驗數據確實與這一項“杜隆—珀蒂定律”預測吻合，但當時(19世紀末，一個冷卻技術尚未誕生的年代)已有少許實驗數據顯示，當溫度稍低于室溫時，某些堅硬固體的比熱會往下偏離“杜隆—珀蒂定律”的預測，使得

C

V

<3

R

天縱英才的年輕愛因斯坦大膽想象，更深刻地意識到，不但電磁波的能量是量子化的，物質的“特性”必然也是量子化的！因此，他破天荒假設固體中的“原子”都在進行簡諧運動，其振動能量值(

)是離散的，即以

頻率振動的“原子”，其能量值必定為

nhν

，而不能是任意連續值。愛因斯坦的這一項看似天馬行空的預測，不僅順利解釋了固體比熱偏離“杜隆—珀蒂定律”值的原因，更成功預測了當溫度趨近絕對零度時，

C

V

將急劇下降，迅速趨近于零。

在1907年愛因斯坦做出以上固體比熱特性的預測時，我們很難想象，愛因斯坦心里能有一個具體的固體“模型”，從而計算它被逐漸加熱(冷卻)后，溫度如何逐漸上升(下降)？事實上，在當時“原子”是否是一個物理實體都仍有爭議，也尚無X射線繞射實驗證實晶體是由“原子”的周期性排列組成的(勞厄的X射線晶體繞射實驗完成于1912年)。所以，愛因斯坦心中應不會事先規劃出一個具體的固體“模型”，進而抓緊一套“科學方法”的步驟，依序去探索而得出這一項科學結論。

2.3　量子力學的誕生

1913年，玻爾提出原子中的電子能級量子化概念，即一個電子只能處在一些特定半徑的軌道上繞著原子核進行圓周運動(相當于電子角動量量子化)；因此，電子的能量也是量子化的，只能有某些離散值。這是繼電磁輻射能量量子化后的量子物理學的又一重大進展，但是除了氫原子(和氦離子He+)的光譜線外，玻爾原子“模型”即使幾經修補，仍然無法解釋其他原子和分子的行為，更無助于導引后來量子力學(矩陣力學與波動力學)理論的建立。反而，海森伯正是在徹底揚棄不可觀測的“電子軌道”與“玻爾半徑”(虛構)概念的基礎上，建立了矩陣力學。海森伯神來之筆的出發點是，著重考量原子吸收或放射出的電磁波的能量和強度，因為這才是實驗能夠測量得到的真實物理量。很難說1925年的海森伯心中，能夠有何事先建構的、明確的原子結構“模型”：原子核之外的電子在哪里？它(們)如何運動？顯然，即便缺乏一個具體的原子結構“模型”，也并不妨礙矩陣力學的建立。

緊隨海森伯(與玻恩及約當三人一起)建立矩陣力學的幾個月之后，薛定諤也獨立地提出一套波動力學理論，并很快地證明了波動力學和矩陣力學在數學上的等價性。物理學家熟悉微分方程式，因而對波動力學感到親切并相對樂意接受，但是波函數(

)的真正物理意義，即

* 為

的共軛復數)代表電子在某一瞬間出現于空間某一處的幾率，卻又構成隨后另一段曲折蜿蜒科學故事的主軸——這一項對波函數的物理意義的追問、詮釋，與科學上乃至哲學上的深曲思辨，可能是導致玻恩遲至1954年才獲頒諾貝爾獎的主因。因此，與其說薛定諤在寫下波動力學微分方程式之時，心中存有一個清晰的原子結構“模型”，不如說他心中明白玻爾的原子模型無法描述物理真實，因此他必須另辟蹊徑，同時借助在當時還難免隱晦的德布羅意的電子具有波長的概念，寫下一組“電子波/物質波”的運動方程式。(注：尚未滿24歲的美國物理學家Carl Eckart，在剛獲得博士學位不久的1926年春(可能稍早于薛定諤)，即獨立證明了波動力學和矩陣力學的等價性。另外，有科學史學家指出，在泡利的波動力學一出現，也隨即證明了它與矩陣力學的數學等價性。)

03我們的實驗研究是如何進行的？

再以當代實驗研究為例，說明自然科學研究是如何選擇課題和開展的。一般而言，我們對于自身專業領域的全球當前進展并不陌生，知道同行實驗室正在研究哪些題目，為何要探索那些課題。雖然大家心中未必有一個明確或清晰的“模型”要驗證，但都約略了解這些課題牽涉到哪些理論概念，屬于哪一分支領域范圍的物理問題。例如，大多數科學家接受高溫超導體(如釔鋇銅氧YBa2Cu3O7)必定是由電子與電子之間的集體強相互作用引起的說法，而且從1986年發現高溫超導體迄今將近40年，兩三代的研究者也一直朝著這一方向投注大量心力。然而，卻很難說他們心中真的有一個能解答某種材料為何會產生高溫超導特性的確切“模型”。

另一個例子是，面對納米科學與技術，我們會很迫切去制作金屬、半導體或超導體納米線，把它們放到極低溫下(液氦溫度或更接近絕對零度時)去測量，看看會發生什么，這時我們心中未必有一個特定的納米材料的“模型”要驗證，但我們心中有一個堅定的信念：當溫度降低而接近量子力學“基態”時，在微小尺度的樣品里面，很可能會發生有趣的非經典或非歐姆定律行為，如相位相干性電子波函數疊加(干涉)造成的“介觀”量子傳輸現象，及某種龐大數目微觀粒子涌現的集體凝聚行為。發現預想之外的物質世界新現象，拓展知識新疆界，正是“自然科學”研究的重要使命與本色。

04結 語

我個人認為，絕大多數的自然科學家，并不會事先去熟讀著名科學史學家和科學哲學家庫恩的《科學革命的結構》之后，才開始選擇他的研究課題，接著規劃訂定理論計算或實驗測量該如何進行。正如李白、杜甫、蘇東坡和曹雪芹，肯定不會事先鉆研詩詞寫作方法或作文寫作指南之后，才提筆寫下傳世名作，是一樣的道理。

本文并未直接回答“社會(科)學是否是一門科學？”的問題。我的個人粗淺看法無寧是，一門學問如果體大思精，底蘊具足，則名稱應是約定俗成(乃至次要)的。反過來說，我們都生活在技術掛帥的時代，因此自然科學時常受到工程學和技術的擠壓(如物理學受到材料、半導體和AI擠壓)，而人文社會又受到理工擠壓，這的確是無可回避。當局者需要自強自立，為了個人志(職)業及人生，是努力尋求出路的一項重大考驗，同時這也是文明永續的一件大事。又，社會上常把“理工”并列，但在學科本質上，“理”與“工”的氣質迥異，甚至可以說“理”可能更接近于人文社會學科，只是人文社會學家也常不自覺地將(自然)科學家拒之鴻溝之外。

致 謝感謝輔仁大學物理系吳至原副教授仔細閱讀初稿及提供修正建議。

《物理》50年精選文章