赤石
哲学视角下的地质学研究（一）
2011年，美剧《生活大爆炸》上映时，剧中被誉为天才物理学家的Shield在玩游戏的时候曾喊出了一句令人印象深刻口号 “Geology is not a real science”（图1）。这句话并不是空穴来风，可能间接反映了上世纪许多西方国家在科学地位上给予地质学不公平的对待，相较于数学、物理、化学而言，地质学在大学之前通常不被教授（Dodick and Orion, 2003）。而且有很多学者对地质学的科学性进行过批判，例如Nature杂志编辑Henry Gee就曾发表过这样的言论“they can never be tested by experiment, and so they are unscientific. . . No science can ever be historical（他们从来不能被实验所验证，因此是非科学的。所有关于历史的研究都不是科学）”。那么究竟什么是科学？回答这个问题之前，我们先看上世纪在美国政治界、宗教界和教育界出现的一场争论。
图1. 理论物理学家Sheldon Cooper认为地质学并不是真正的科学（图片来自于生活大爆炸第五季第一集）
1 科学的可证伪性
20世纪末，美国一些州在立法过程中提出了一项法案，要求将科学课教学过程中把创世“科学”和进化论放到同等的地位（参见《被误解的科学》，[英]保罗·迪肯著，李果译，重庆大学出版社2020年11月版）。这一项法案引起极大的争议，当时科学家、哲学家、律师、法官、公民都对这个法案进行探讨。类似的讨论在我国也有发生。2016年4月科技部和中宣部印发了《中国公民科学素质基准》后，其中有一条基准“知道阴阳五行、天人合一、格物致知等中国传统哲学思想观念，是中国古代朴素的唯物论和整体系统的方法论，并具有现实意义”引起了较大的反响。社会层面就“阴阳五行是否应该写入《中国公民科学素质基准》” 这一问题开展了广泛讨论。这两个案例争议的核心都是一个问题：什么是科学。 威廉·奥弗顿法官在1982年的裁决中援引卡尔·波普尔的证伪主义，认为可证伪性是区分科学和非科学的重要标准注1。可证伪性强调一个理论如果是科学的，它理应能给出可供他人检验的具体预测，而非科学理论则会给出一个极其模糊且无法检验的预测。以宗教信仰为例，神职人员宣称信仰神明会得到神明的垂怜从而治愈疾病。然而这一逻辑体系中神明的垂怜根本无法检测，因此波普尔认为这显然是非科学。从这一角度而言，地质学毫无疑问属于科学，绝大多数地质学假说或模型能够给出相当具体的预测，因此可以被证伪，并在证伪的过程中得到改进和修正。以沉积学中瓦尔特相律为例，地层上沉积相在纵向上的依次变化与横向上的依次变化是一致的，这种预测在现代沉积体系中得到反复验证。
既然地质学与物理、化学等学科一样具有可证伪性，为什么还有地质学不是科学的质疑呢？究其原因与地质学的学科性质密切相关。
2 地质学的学科属性—历史性
普遍而言，自然科学大体可分为两类，一类以物理、化学以及生物学为代表的实验科学，也被称为硬科学。而另一类则以地质学和天文学为代表的历史性科学（Historical Science）。区分二者的一个显著特征是学科理论的普适性。以物理学为例，无论是牛顿力学还是爱因斯相对论，这些理论放在整个宇宙均能使用。地球上的苹果掉落可以用万有引力解释，整个太阳系的行星轨道也同样可以用万有引力定律去解释。而以地质学为代表的历史性科学则不具有这样强的普适性。以地质学中最著名的板块构造理论而言，现今太阳系中板块构造运动仅在地球中存在。即使在地球上，板块构造可能并不是普遍的，例如板块构造何时、为何、如何启动仍然是地球科学的前沿科学问题（参见2020-6-13 沉积之声稿件板块构造何时、为何、如何启动？ (qq.com)）。
为什么地质学的理论的普适性要低于实验科学？这是因为二者的研究对象存在根本性差异。对于实验科学而言，其研究的目的是揭示研究对象中的共性，例如金属在受热是膨胀这一定律在所有的时空均会出现。但地质学则不同，它是一门具有历史性质学科。地质学是研究45.6亿年以来地球的演化历史，因此它的研究天然具有时间属性。地质学的任何研究对象，都是在一个固定的时空背景下进行的。同样是碳酸盐岩，现今巴哈马的台地碳酸盐沉积与前寒武纪的碳酸盐岩在颗粒组成、组构以及成因上存在千差万别，原因在于二者形成于不同的时期，地球具有完全不同的生物组成、大气成分以及古海洋条件。物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）就这一点曾经评述过“ 在物理学的姐妹科学中存在着另一种物理学中不存在的问题，因为没有更好的措辞，我们可以称它为历史问题。情况何以会如此？…… 目前在物理学中还没有这种历史问题要研究。我们不会问：“这里是物理学的定律,它们是怎样变化而来的？” 我们此刻不去想象物理定律以某种方式随时间而变化，不认为它们在过去与现在是有差别的。”
那么理论的普适性能否作为判断地质学的科学性弱于实验科学的依据。我想答案是否定的。与可证伪性不同，普适性对于地质学和实验科学而言只是程度上的差别，而非种类上差别。就物理学而言，这些理论的普适性也在变化。例如牛顿力学曾被认为是描述物理世界的铁律，而后却被爱因斯坦的相对论所迭代。这样看来，所有自然科学理论的普适性总是有范围的，所以绝不能以此为判断依据。
3 地质学批判的来源—地质学的因果性解释
通常对地质学领域常见的另外一个批判就是，地质学只是一门集邮科学，它仅仅是对一些地质事实的罗列。然而这一观点早在上世纪就被美国学者Rachel Laudan（劳丹）系统反驳，认为在“地质学”这个领域中，有着两种截然不同的目的，存在着两种兴趣不同的科学家。一方面确实有维尔纳、史密斯这样的地质学家，他们把地质学看作自然史的一部分，它的目的主要涉及对地球史的重建；另一方面还应该注意像赫顿、莱伊尔这样的地质学家，他们偏重于把地质学看作是自然哲学的一部分，它的目的主要涉及对地球上变革过程的理解，即对地质现象进行因果性解释（诸大建，1990）。
正是由于地质学研究的因果性，招致许多实验科学家严厉的批判。在他们看来因果性的论证必须要通过控制变量的实验来得到论证。例如我们可以轻易的改变金属所处环境的温度，测量对应膨胀率，进而证明温度与金属膨胀之间的因果性。而地质学在他们看来，所有的因果关系都不是依赖实验获得的，而是通过叙述的方式将一系列现象串联在一起从而获得因果性。地质学研究的因果性不能通过实验获得的原因注2，在于地质学研究对象的特殊性（图2）： 1）从时间来看，地质学家研究的地质过程时间尺度跨越极大，从天、周、月、季、年，一直到百年-千年-万年-十万年-百万年-千万年-亿年。而百万年是地质学家最常用的时间计量单位，这远远超过人类生命的长度；2）从空间来看，地质学家面对的是整个地球，哪怕研究的是某一个具体地区，仍然要从全球空间尺度来挖掘其空间特殊性。不仅要考虑全球地理的尺度，地质学家要面对地幔、地壳、岩石圈、生物圈、大气圈、水圈等多个圈层及其之间相互耦合。这意味着即使是研究区域的地质过程，也需要对整个地球进行控制变量实验，显然这远超人类的能力范围。当然也有少数例外，现今全球变暖某种程度上可以作为人类为复现深时极热事件做的实验。
图2. 地质现象的时间-空间尺度示意图（引自Kleinhans et al., 2010）
此外，在从地质现象推断因果关系的时候，地质学家往往面临着证据不足的窘境。在重建过程中，45.6亿年漫长的地质记录，保存证据的不完整性，同时又具有不确定性，而偏偏这种不完整性、不确定性又都是普遍存在的，这就从客观上造成了地质学重建地球和行星演化历史的艰巨性。如同历史都是胜利者写的一样，地质证据留下来的仅仅是沧海一粟，偶然中的偶然。从支零破碎、纷繁复杂的有限保留下来的记录中还原地球和行星的演化历史，具有巨大的挑战。这进一步加深了实验科学家对地质学研究因果关系具有不确定性的批判。
尽管无法进行实验对比，这并不意味着地质学的假说无法得到证伪。以板块构造理论为例，该理论之所以能成为广泛接受的假说，原因在于该理论的预测得到验证。板块构造理论预测海底洋壳的年龄应当具有离洋中脊越远越老的趋势，并得到大洋钻探计划的反复证实。从这个角度来看，地质学理论的接受过程与物理学并没有差异，毕竟相对论得到认可也是来自于对“太阳光线经过大质量天体时产生偏折”这一预测的证实。
4 总结与启示
综上，实验科学和历史科学在方法上最大的区别在于假说的证明方式。通过观察形成科学假说之后，物理学、化学以及生物学通过控制实验变量来进一步验证或者否定该理论。但地质学由于研究对象的历史性，无法采纳同样的方法对假说进行检验，而是通过进一步的观察来证伪先前的假说（Hay, 2021）。
因此，在地质学研究中要重视地球历史证据的调查，尤其是要重视地球历史的第一现场的反复调查和“取证”。扎实的野外工作、系统的地质薄片的观察和描述是必不可少而又极其重要的，这些才是地学理论得以进步的基础，是所有溯因推理和因果解释的前提，具有优先性。
同时需要注意，我们永远无法获得地球过去的“真实”面貌，就像无法还原我们人类和文明的历史一样。但是我们可以根据有限的证据去逼近，证据永远不会“够”。我们不能变成数据和野外样品的“奴隶”，要根据有限的数据进行成果的总结，尝试性地进行因果解释。
需要强调说明的是，地质因果性的解释永远只是暂时的，有限的证据基础上的因果解释具有很大的风险，地质因果解释不是数学和物理上的一一证明，仅仅代表的是基于现阶段现有的认识水平而做出的尝试性的解释或模型。
本文是对推荐阅读中论文所做的一点粗陋的学习笔记。不对之处，敬请批评指正。
注释：
1. 当代科学哲学普遍认为没有一种标准可以简单的划分科学以及非科学，也没有一种方法适用于所有的学科。波普尔的可证伪性作为科学与非科学之间的划分标准受到了广泛批判。但是这些批判主要质疑证伪能否让科学理论变得更加强大，并没有质疑科学具有可证伪性。库恩曾举出一个强有力的反驳可证伪性作为区分科学和非科学的界限，他举出占星术同样能做出详细的预测，具有可证伪性，但显然占星术不能归为科学。需要注意的是，库恩也强调占星术不会因为失败的预测而进行修改，这正是科学与非科学的另一个显著区分—非科学理论坚持依靠人类的信仰而不是事实。绝大多数地质学理论都会随着新的地质证据进行修改或抛弃，这也是地质学应当属于科学的原因。然而，部分地质学假说不具有上述特征，这也是Dickinson强调地质学神话的原因（详情参考“神话在地球科学中的地位和力量”神话在地球科学中的地位和力量 (qq.com)）
2. 地质学领域并非没有实验，但是地质学领域实验和物理、化学、生物领域实验有本质不同。其一多数地球化学实验的本质是探讨一种指标的可靠性，例如碳酸盐岩硼同位素作为指示海水pH指标的探索，并不直接与地学理论的因果性相连。另外一方面，地质学领域的实验都在很短的时间或有限的空间尺度进行，例如水槽实验，这些实验结果用于证明长时间地质过程的因果性依旧存在质疑（Hay, 2021）。
推荐阅读
[1] Cleland, C.E., 2001. Historical science, experimental science, and the scientific method. Geology 29, 987-990.
[2] Dodick, J. and Orion, N., 2003. Geology as an historical science: Its perception within science and the education system. Science & Education, 12, 197-211.
[3] Frodeman, R., 1995. Geological reasoning: Geology as an interpretive and historical science. Geological Society of America Bulletin 107, 960-968.
[4] Kleinhans, M.G., Buskes, C.J., de Regt, H.W., 2010. Philosophy of earth science. In: Allhoff, F. (ed.), Philosophies of the sciences: a guide. Blackwell Science, Oxford, pp. 213-236.
[5] Hay, W.M., 2021. Chapter 1.4 What is Science? & 1.5 The observational Sciences. In book: Experimenting on a small planet: A history of scientific discoveries, a future of climate change and global warming. Third edition, Springer.
[6] 诸大建，1990. 重建地质学的思想基础——关于劳丹地质学目的、方法理论述评. 哲学研究, 第5期.
[7] 萨米尔 奥卡沙著，韩广忠译，科学哲学，牛津通识读本，译林出版社，2023.
