数学并不是科学

作者&投稿:安芳 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
~ 严格意义上说,数学并不是科学,科学仅指经验科学,包括自然科学和社会科学。在美国的大部分大学里,数学和科学是两类课程。数学是科学可以使用的工具,但本身并不是科学。从不严格意义上讲,数学可以被称为分析科学,还包括逻辑、统计学等。

我们先看看维基百科的定义:什么是科学?什么是数学?

从上述定义我们可以得到:两者的共性是,都是知识。不同是,科学的知识是和具体的宇宙万物有关,是可实验的解释和预测;而数学的知识是关于抽象事物的,是在公理和定义的基础上通过演绎推演获得的。

关于数学研究的是否是纯粹的抽象事物,在哲学上也是存疑的,比如没有任何经验的情况下,我们能不能得出5+7=12(这个算式,是康德在他的《纯粹理性批判》里提到的)?罗素和怀特海曾经尝试仅用逻辑就推导出整个算术体系,出了10卷书,1800多页,最后还是差一点。

但就目的论而言,数学的确可以和具体应用脱开,而纯粹在抽象领域展开,不需要实验,仅仅靠思维,也就是逻辑推理来进行。历史上,很多数学成果,比如无理数、虚数,甚至非欧几何,都曾经长期闲置,大家不知道怎么用。

而科学则不同,科学自诞生之日起,就和应用相关,就依赖于实验或者具体的验证。虽然科学也会使用一些抽象的概念,比如万有引力、超引力、甚至夸克这种没人见过的概念,但它们总归最后要做出现实的预测,然后用经验来检验。

物理、化学、生物学、心理学、经济学,无不和具体事物挂钩。

数学用的是演绎法,科学研究更多的依靠归纳法,也会用到演绎法。

演绎法就是三段论,大前提和小前提正确,则结果永真。

数学的研究方法,就是先做好公理假设(不需证明),然后一步步按照演绎法推导,即可得出确定性的知识。

如果一个事情,可以用演绎法层层推导的话,那我们也可以层层回溯,那最初的一个假设,谁能保证其是对的呢?这就是亚里士多德提出的第一因的问题。

在数学上,这个问题通过公理来解决,所谓公理,就是不需要证明,不言自明的东西,比如两点之间直线最短。 也就是说,公理本身并不是逻辑推理的产物,它是逻辑推理的起点,我们只是假设它正确而已 ,事实上它不一定正确,比如我们就现在知道了,在大尺度的宇宙范围内 ,两点间直线并不是最短的,因为空间会扭曲 。

那么归纳法呢?最简单的例子就是天鹅,一只天鹅是白的,两只是,我们看到的成千上万只都是白的,那么我们就得出一个结论,所有天鹅都是白的。结果我们都知道了,后来人们在澳大利亚发现了黑天鹅。所以,归纳法是不靠谱的。

演绎法可以保证结论正确,但是它并不产生新的知识,它的正确仅仅建立在前提假设正确的基础上,而演绎法无法保证最初的那个假设是否正确。归纳法虽然不保证结果一定正确,但是它可以获得新的知识,因为你总是可以从观察中得到一个假设,比如天鹅是白的,而这件事,是无法通过演绎法推导出来的。

科学当然也会用到演绎法,不过是在次级推理的层面,回到最原始的知识,也就是第一因这个层面的话,数学和科学的分歧是巨大的,数学靠的是公理,科学靠的是归纳。

科学的研究方法,究其本质,是根据观察,提出一个假说,然后用实验、事实等来验证这个假说。假说的可信度是变化的,当支持这个假说的证据增多,我们就说其可信度增加,一旦出现反例,被证伪了,那我们就进行修正,或者提出新的假说。历史上,以太、燃素等概念的诞生和消亡,都是这么个过程。

当然,在最新的宇宙和微观物理学中,也有很多假设是超出了人类的经验的,比如宇宙开始于大爆炸。这种时候,怎么确保理论正确呢?要看该理论给出的预测,然后在现实中进行检验。大爆炸理论预测了宇宙红移,现实中也观测到了,所以验证成功,理论正确。

那么,有没有可能只用演绎法进行科学研究,那样不就是可以得到确定的知识了吗?

这个问题等同于,如果在自然界,在这些具体的事物和现象中,我们能找到确定正确的不需要证明的“公理”,那我们就可以利用演绎法进行推导,从而获得确定的知识了。

的确如此,人类历史上,很多研究就是这么做的。准确的来说,人们曾经认为 ,存在先验的知识,这些知识是先天的固化在人的大脑中的,而且是所有人都共有的,因而是确定的,从这个基础出来,就可以得到确定性的知识。

哲学的形而上学体系,几乎都是基于先验知识进行的推导,但现在已经没有人用了,只是作为历史来研究。

目前学术界普遍的看法是,我们有先验的能力,比如思考能力、学习语言的能力、对外部世界的感知能力,但是没有先验的知识。如果一个人从来没有看到过红色,那么他就不会知道什么是红色。如果一个人从来没有接触过人类的语言,那么他就不会学会说话和写作。

人类所有的知识,究其源泉,都来自后天的观察和感知,因而科学的第一因,只能来自归纳。

这在物理、化学上,都很容易理解,但是在有些社会科学,比如经济学上,还是有些含糊的。由于经济学研究的是具体的人类社会,因而非常难以做实验来验证,所以很多经济学研究的方法,其实是更接近演绎法的。奥地利学派更是把这种方法推到了极致,他们认为正由于无法验证,所以也只能依靠演绎法,逻辑起点必须是先验的知识,也就是“人的行动都是有目的的”,基于此,就可以层层推导出确定性的知识,也即整个经济学大厦。

先验知识目前在主流科学界并不被认可,在非科学领域可以继续研究。

其实,就算有了先验知识,我们仍然无法像数学一样研究科学,我们的逻辑推导能力有边界,至少还有三个障碍:1)无法穷尽所有前提条件;2)涌现;3)计算不可约性。

1、前提条件

数学的前提条件是有限的,比如欧几里德几何学只有五个公理,因为数学研究的是抽象的东西,因而随便多少假设都行,无所谓,只要其过程正确即可。

但是科学不行,科学研究的是具体事物。比如,你研究一下地球和太阳之间的运动关系 ,明天会不会下雨,减税后经济会不会反弹,这些事情的决定因素是很多的,理论上讲是无穷多的。我们不可能穷尽所有的前提条件来研究任何事物,甚至条件太多都不行,这不具备可操作性,于是我们发明了理论,尤其是科学理论,用一种简化的方法描述了一个规律。

那么问题来了,既然你做了简化,只是使用了有限的前提条件,就算在这个有限的前提条件下,该知识是正确的,一旦应用到具体的事物中,碰到了前提条件不符,或者有更多的没有被理论涵盖的前提条件时,如何保证结论必然正确呢?不能。

这种情况在天气预报以及整个社会科学领域,都普遍存在,不管再怎么研究理论,提出再多的数学化的模型,最后的预测结果仍然精度不高。

经济学搞了几百年,却无法准确预测经济危机,连解释都无法达成一致,就是因为人类社会太复杂了,影响因素太多,任何理论都是在简化的前提下做研究,因而都有不够精确。

2、涌现

简单的说,就是整体并非等于个体的加总。

当我们按照个体的规律,用逻辑推演层层推演,却不必然能得到整体的结果,这里存在不可预测的“逻辑飞跃”。

这个现象在整个自然界都普遍存在,从微观到宏观,从物质到人类。

比如,我们无法通过原子的运动规律,简单加总得到分子的运动规律。量子力学里的不确定性,没法推导出宏观世界的确定性。我们就算对人体的每个分子结构都了如指掌,也没法推导出我们具体的思考和行动。每个人都是理性的,但是群体却会体现出非理性的疯狂。

也正因为如此,我们才会在有了物理学的基础上,又需要化学,有了化学,还需要生物学,有了脑科学,还需要心理学和社会学 ,有了微观经济学还需要宏观经济学。用霍金的话说,我们总是需要一些“有效模型”,而不可能把万事万物仅仅从物理学推导出来。

这些逻辑飞跃,或者有效模型,无法靠数学或者逻辑得到,只能依据观察和归纳提出假说来解决。

3、计算不可约化

上图是一个叫“元胞自动机”的电脑游戏生成的,其规则有八条,见图的下方。我们如果问该程序的第十万行上是什么图形?能根据那八个规则作出快速回答吗?不能,在这个游戏和这种组合的规则下,你只能把程序从头到尾走一遍,走到第十万行才能知道。

这就是所谓的计算不可约性,Computational Irreducible,由史蒂芬·沃尔夫勒姆(Stephen Wolfram)提出。它的核心思想是,真正复杂的系统是没法简化的,即便你能找到其基本的数学架构,要预测未来某个运算步骤时的结果,你没法简化,只能老老实实的算一遍。

换言之,复杂系统是没法预测的。

早在100多年前,数学家彭加莱就论述过著名的“三体问题”,三个相互作用的物体,即便知道其初始条件,且相互之间只有万有引力的作用,对于其未来的运动轨迹,是没法求得精确解(解析解)的。

数学来源于演绎法,可以得到确定性的知识,但是是在大家都承认其公理的前提下。科学的知识来源于归纳总结,是一种假说,并非百分之百确定,其可信度受证实或者证伪证据的影响。

由于涌现、前提条件无法穷尽、计算不可约等原因,我们并不可能通过演绎法,层层推理获得所有的新知识,自然界总是存在逻辑上的飞跃,从而让新知识超出了人类的逻辑推理能力。

数学是不是一门科学?
答:而不能说实数是复数的近似,因为复数是完全包含了实数。2.无理数只需要逻辑反正即可确定成立,不会采用计算出无穷小数来验证,而验证是科学最重要的特征;3.科学建立在对客观认识的基础上,数学是建立在假设基础,按照逻辑推演得到结果,二者从方法、目的以及体系都有截然不同的区别。

为什么数学不是科学
答:目标和方法论。科学的主要目标是通过实证观察和实验来解释和理解自然现象,发现规律并提出理论,侧重于观察、实验和验证,而数学的主要目标是研究和探索抽象概念、逻辑推理和形式系统,关注的是纯粹的思考和推导,数学强调逻辑推理和证明,通过定义、公理和定理来建立数学结构和关系。

数学是一种科学么
答:其中一种比较普遍的回答是数学不是科学 这个结论是完全从定义给出的,当年卡尔.波普尔对科学给出了一个大家比较认可的特性,即科学的表述在于其是可证伪的。什么叫做可证伪的呢,如果一个命题或者结论或者主张是可证伪的,那么就至少在理论上存在一种观测的方法(实际有没有不重要哈),来表明这个命题...

数学是不是科学
答:解析几何恰恰充分说明了形学与数学是两个不同性质的学科,说明了数学同语言逻辑理论学一样是公共的思维认知工具学科。东方数学实际上只有神华(神州华夏简称及大中华的美称)数学,基本上就是数理学。神华人对形的研究很少,只有商高、赵爽、刘徽、祖冲之父子等。因此,广义数学中的数理学即狭义数学不是科...

数学和哲学分别属于自然科学还是社会科学?
答:数学,是一种语言,是为了消除【歧义】而人工创造的语言,类似于语言、汉语等。因此,数学并不是提问中所说的自然科学或社会科学,即不是科学类的 如果硬要说科学类的话,也是社会科学的。〖定义〗:所谓的哲学,用数学语言来说,就是“点 point”,即观点、论点、出发点、立足点、“立场等站在哪一...

数学为什么不是科学
答:数学不是一门科学,他是一门学科,科学是研究自然方面的东西,比如物理生物化学。

数学是科学吗
答:数学属于形式科学,而不是自然科学。数学是人类对事物的抽象结构与模式进行严格描述的一种通用手段,可以应用于现实世界的任何问题,所有的数学对象本质上都是人为定义的。不同的数学家和哲学家对数学的确切范围和定义有一系列的看法。在人类历史发展和社会生活中,数学发挥着不可替代的作用,同时也是学习和...

数学是不是科学
答:数学与实证科学的关系 数学与实证科学(如物理学、化学等)有着密切的联系和相互依赖关系。实证科学需要借助数学的工具和方法进行理论建模、数据分析和实验设计,而数学则依托于实证科学提供的实际问题和应用场景。数学的发展 数学作为一门科学已有几千年的历史,并且在不同时代和文化中得到了不断的发展和...

数学是一种科学么?
答:回忆起德丽娜尔老师的课堂,充满了诙谐与智慧。她以独特的视角解读数学,例如:“数学的奇妙在于,它揭示了世界的可能性,尽管数字本身并不具备实体。”“学习好与不好的区别,不只是成绩,而是看待世界的不同角度,比如,学习好的能拥有女朋友,而学习不好的,女朋友则像是一道解不开的数学题。”“...

数学是科学吗?
答:数学是人类对事物的抽象结构与模式进行严格描述的一种通用手段,可以应用于现实世界的任何问题,所有的数学对象本质上都是人为定义的。从这个意义上,数学属于形式科学,而不是自然科学。不同的数学家和哲学家对数学的确切范围和定义有一系列的看法。在人类历史发展和社会生活中,数学发挥着不可替代的作用,...