1.2: 科学的本质

科学界的最终判断永远是大自然本身根据观测、实验、模型和测试所揭示的内容。 科学不仅是一个知识体系，而且是我们尝试理解自然及其行为的一种方法。 此方法从一段时间内的多次观测开始。 根据观察发现的趋势，科学家可以对我们想要了解的特定现象进行建模。 此类模型始终是自然界的近似值，有待进一步测试。

作为一个具体的天文学例子，古代天文学家构建了一个模型（部分基于观测结果，部分来自哲学信念），即地球是宇宙的中心，所有事物都在环形轨道上围绕着它移动。 起初，我们对太阳、月亮和行星的现有观测结果确实符合该模型；但是，经过进一步观测，必须更新模型，添加一个又一个的圆圈来表示行星在中心绕地球的运动。 随着几个世纪的流逝，人们开发了用于跟踪天空中物体的改进仪器，旧模型（即使有大量的圆圈）再也无法解释所有观测到的事实。 正如我们将在 “观测天空：天文学的诞生” 一章中看到的那样，以太阳为中心的新模型更符合实验证据。 经过一段时间的哲学斗争，它被接受为我们对宇宙的看法。

当它们首次提出时，新的模型或想法有时被称为假设。 你可能会认为，在像天文学这样的科学中，不可能有新的假设——所有重要的东西都已经学会了。 没有什么比事实更遥远了。 在这本教科书中，你会发现关于天文学中最近的、偶尔还有争议的假设的讨论。 例如，撞击地球的大块岩石和冰对地球本身生命的重要性仍然存在争议。 尽管有充分的证据表明，大量看不见的 “暗能量” 构成了宇宙的大部分，但科学家们对暗能量到底是什么却没有令人信服的解释。 解决这些问题需要在我们的技术前沿进行艰难的观测，在我们将它们完全纳入我们的标准天文模型之前，所有这些假设都需要进一步检验。

最后一点至关重要：假设必须是可以检验的拟议解释。 在科学领域，进行此类测试的最直接方法是进行实验。 如果实验进行得当，其结果要么与假设的预测一致，要么与假设相矛盾。 如果实验结果确实与假设不一致，则科学家必须放弃该假设并尝试开发替代方案。 如果实验结果与预测一致，这并不一定证明该假设是绝对正确的；也许后来的实验会与假设的关键部分相矛盾。 但是，与假设一致的实验越多，我们就越有可能接受该假设作为对自然的有用描述。

思考这个问题的一种方法是考虑一位出生并生活在一个只有败类的岛屿上的科学家。 科学家日复一日地只遇到败类，因此他或她假设所有绵羊都是黑羊。 尽管每只观察到的绵羊都增加了假设的可信度，但科学家只需要访问大陆并观察一只白羊就可以证明这个假设是错误的。

当你读到实验时，你可能有一张科学家在实验室里进行测试或仔细测量的心理画面。 对于生物学家或化学家来说，情况确实如此，但是当我们的实验室是宇宙时，天文学家能做什么？ 将一组恒星放入试管或从科学供应公司订购另一颗彗星是不可能的。

因此，天文学有时被称为观测科学；我们通常通过观察我们想要研究的物体的许多样本并仔细注意不同样本的变化来进行测试。 新的仪器和技术可以让我们从新的角度更详细地看待天体物体。 然后根据这些新信息来判断我们的假设，它们的通过或失败的方式与评估实验室实验结果的方式相同。

天文学的大部分也是一门历史科学，这意味着我们观察到的东西已经发生在宇宙中，我们无法采取任何措施来改变它。 同样，地质学家无法改变我们星球上发生的事情，古生物学家也无法使古代动物复活。 虽然这可能使天文学具有挑战性，但它也为我们提供了探索宇宙历史秘密的绝佳机会。

你可以将天文学家比作试图解决侦探到达现场之前发生的犯罪的侦探。 有很多证据，但是侦探和科学家都必须筛选和整理证据，以检验关于实际发生的事情的各种假设。 还有另一种方式可以让科学家像侦探一样：他们俩都必须证明自己的情况。 侦探必须说服地方检察官、法官，也许最终说服陪审团相信他的假设是正确的。 同样，科学家必须说服同事、期刊编辑以及最终广大其他科学家相信她的假设暂时是正确的。 在这两种情况下，只能 “毫无疑问” 地要求提供证据。 有时候，新的证据会迫使侦探和科学家修改他们的最后假设。

科学的这种自我纠正的方面使它脱离了大多数人类活动。 科学家们花了大量时间相互质疑和质疑，这就是为什么项目资助申请以及学术期刊上发表的报告要经过广泛的同行评审过程的原因，这是同一领域其他科学家的仔细审查。 在科学领域（经过正规教育和培训），鼓励所有人改进实验并挑战任何和所有假设。 新科学家知道，发展职业生涯的最好方法之一是找出我们目前对某事的理解中的弱点，然后用新的或修改的假设来纠正它。

这是科学取得如此巨大进步的原因之一。 如今，本科理科专业的学生比有史以来最著名的科学家之一艾萨克·牛顿爵士更了解科学和数学。 即使在这门入门天文学课程中，你也将了解到几代人以前从未梦想过的物体和过程。