涂传诒，1940年7月出生于北京，空间物理学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，北京大学地球与空间科学学院教授。1964年从北京大学地球物理系毕业，1972年开始在北京大学地球物理系任教，1980年至1981年在美国天主教大学从事合作研究，1988年至1990年在德国马克斯普朗克学会高空研究所从事合作研究，2001年当选为中国科学院院士，2002年获得何梁何利基金科学与技术进步奖，2006年当选为第三世界科学院院士。主要研究日球层物理学。
科学精神启迪未来——中科院文献情报中心学风传承项目理学 涂传诒 院士访谈 科学研究 科学方法 科学思维 科学革命 科学学风
访谈人员机构：中国科学院文献情报中心知行文情工作室
访谈时间：2023年 11 月 05日14：30至 17：00
访谈地点：涂传诒院士家中
内容提要：
一、科学思维（逻辑思维）
二、科学方法
三、科学革命
四、科学研究
五、科学学风
内容简介：访谈包括五个部分， 1. 科学思维（逻辑思维）；2. 科学方法 ；3. 科学革命；4. 科学研究 ：5. 科学学风 。这5部分前后连贯，形成一个关于科学发展的科普报告。其中，包括：回答李约瑟之问；回答“量子思维”拥护者对牛顿提出的科学方法的质疑；说明光学采样实验与量子计算机计算的区别；说明牛顿经典力学革命与火炮战争没有关系等多项热点问题的讨论。访谈内容还包括：对我国纯基础科学研究的对策建议；用科研经费支付研究型大学中科研团队人员工资的建议。这些建议对于坚持教育强国、科技强国、人才强国建设都有参考价值。录像时长 2小时，文稿2万2千多字。如果先看录像，再看文稿会达到最佳效果。
接上文
二、 科学方法
采访人2：在我们的科研过程中其实更讲究这种科研逻辑。您在书里也写到了牛顿的科学范式，其实是包括分析和综合方法，以及物理和数学的方法，您认为这种范式是如何塑造我们现代科学的研究方法，可以的话最好通过案例来分析一下，说明这些范式在实际科学研究中的应用。
涂传诒：好的，谢谢。我们下面就来讨论牛顿的科学范式这个问题。牛顿科学范式是300年以前（被提出）的，也有很多相关的书籍。大家都认为牛顿的范式导致了现代科学革命。但是，什么是现代科学革命？牛顿当时的历史背景就是近代了。从牛顿开始到现在，他的范式在我看来没有变化。现在还是用的这个范式。近代科学革命以后，再没有这么大的科学革命了，大家都是新的科学，都按照牛顿的范式来做，所以有的时候也叫做现代科学革命，（因为）它一直延续到现在，大概就是这样。我也搞不清楚这个事情，因为我不是这方面的专家，反正我这个文章里头，后来我都改了，都叫现代科学革命，实际上我是指从牛顿开始的近代科学革命。
那么牛顿的科学革命是怎么发生的？我们主要是讨论这个问题。现在有人提出，是火炮战争导致了科学革命，比如《科学革命的密码》这本书[1]。但其实不是火炮战争导致的，还是牛顿的范式，牛顿有一本关于科学革命的书，《自然哲学之数学原理》（下称《原理》），科学革命是在他这本书的影响下发生的。所以我下面就想对这个问题进行一些解说，主要分三个方面。第一个方面就是科学研究方法的提出。我们搞科学研究都得有个研究方法，人类开天辟地也是把石头砸了当工具是吧？系统地提出科学研究的方法的就是牛顿。所以科学研究方法的提出是第一重要的方面。没有科学研究的方法，大家你做一点、我做一点，大家做的方法又不一样，就凑不成一个科学的总体变化。
第二个方面就是必要社会条件的出现并导致科学活动的广泛兴起。有了科学方法，还得有人来做科学研究。谁来做科学研究？这个就需要有一个条件，有了这个条件以后，就有科学活动的广泛兴起。不是一个人两个人，而是很多人去做科学研究，这个是科学革命的基础。并不是有一两个人聪明，他们就做了科学革命。当科学研究的结果突破旧有的自然观念，这个时候科学革命就发生了。
在讲下一个方面之前，我们先来讨论一下《科学革命的密码》这本书[2]。这本书的看法跟我的看法不一样。这本书认为是火炮战争导致了科学革命。书中原文提到：基于火药的军备竞赛，也直接导致了牛顿经典力学革命和拉瓦锡化学革命的爆发。
这本书将科学革命归因于火药的军备，这句话本身的语言表达是很清楚的，但是道理没说清楚。为什么（基于火药的军备竞赛）直接导致（牛顿经典力学革命和拉瓦锡化学革命的爆发）？他这本书这么厚，都没有给出这个原因。在书中他把牛顿那个时代前后欧洲的各个战争都给罗列出来了，包括怎么打的、跟谁打的，但是这些战争跟牛顿有什么关系？说不定牛顿在他自己的家里头，很可能都不知道提到的这些战争，二者之间不一定有什么关系。同一个时间发生了两件事，不一定有因果关系，也不一定前头是因后头是果。我经常跟别人聊天，举这样一个例子：大家都比较关注地震预报。我说我头一天吃了一顿饺子，第二天就地震了。是不是涂传诒吃饺子触发了地震呢？吃饺子触发地震，这两件事情中间得有内在的联系才行。没有内在的联系，你不好说吃饺子触发地震。所以这本书就是有这样一个问题。
还有第353页，这里提到，17世纪的经典力学革命是如此，它是枪炮的普遍应用和对炮弹飞行轨迹进行精确计算的战争需求下的产物。该书把战争和牛顿的研究这两件事罗列在一块，但是没有说明战争如何对牛顿的研究产生作用。该书的意思就是说战争有需求。类比一下就是，我吃饺子然后发生地震，通过分析得到的结果是我吃饺子需要一个地震，那么这就有地震了，需求产生供给。该书作者是研究经济的，需求产生供给是经济规律，不是科学发展的规律。该书认为因为有这个需求，所以就有了科学的供给，就是牛顿经典力学。该书认为他把这个说清楚了，一个是需求一个是供给，二者有因果关系，需求是因，供给是果，但是这个逻辑实际上是不对的。
上面讨论了我为什么要研究这些问题，还没回答你的问题，这是帽子。下面就回答你的问题，牛顿的范式是如何塑造我们现代科学的研究方法。
牛顿提出研究自然现象的科学方法导致了现代科学的诞生。参考《随笔》零二《“量子思维”不科学，无创新》。在这里面有一节我讲的就是这个。下面要讲关于“牛顿的范式是如何塑造我们现代科学的研究方法”这个问题。问题的回答要分四个方面。第一就是牛顿提出来的科学研究的四大规则；第二是牛顿提出来的两个方法；第三，是对科学研究的方法和规则的基本认识，这个基本认识是什么？你要相信这个基本认识，这才有科学研究；第四是牛顿科学方法的意义。
首先来说四大规则。牛顿在《原理》中的“哲学中的推理规则”一节中提出科学研究四大规则。我们现在一个一个讲。
首先讲规则一，寻求自然事物的原因，不得超出真实和足以解释其现象者。《原理》的注释称，这个规则可以叫做简单性规则。因为自然喜欢简单性。举个牛顿的例子，天体运动，简单真实的原因是万有引力和力学三定律。不是以太涡旋说。以太涡旋说就很复杂了，就好比屋子里到处都是以太还有涡旋，有东西掉到地上，是涡旋吸下去的。“以太涡旋说”要说清楚是非常复杂的。但是万有引力和力学三定律就比较清楚和简单，所以“以太涡旋说”是不真实的。这也是我们平时做科研的指导原则。我们平时做科研、做实验，会发现新的现象，进而提出原因。有时候同时提出好几个原因，或者你提出了一个原因，有其他人提出别的原因。但是哪个原因是真的？简单的原因很可能就是真实的。
规则二，对于相同的自然现象，必须尽可能寻求相同的原因。这个《原理》的注释是这样说的，推广所做的实验和观察到其他相同的事物，找出相同的原因。这个指的是，你在这儿做了一个实验，需要在其他地方重复这个实验。针对这个规则，《原理》也给出了一个示例，即欧洲与美洲的石头的下落，其原因是相同的，就是这个意思。也就是说你在欧洲做了石头下落的实验，得到美洲再做一次，要推广这个实验。这个规则可以称为推广规则。规则一和规则二是归纳法的基础。规则二是说把单一的发现推广到许多相同的事例，并找出相同的原因。我们在一个实验室做的实验，需要在其他不同的实验室重复。你如果重复不出来，那这个就归纳不了了。要归纳的话，你必须得在好几个地方做这个实验。在不同的地方，对相同的现象，找出相同的原因。
规则三，物体的特性若其程度既不能增加也不能减少，且在实验范围内为所有物体共有，则应视为一切物体的普遍属性。这一规则可以称作为实验属性的外延规则。这个概念里有一个“所有物体”，还有一个“一切物体”。“所有物体”是指在实验室里面我们看到的所有物体，“一切物体”也包括我们看不到的物体，比如自然界里面的事物，比如惯性。原理的注释是这样的：例如，所有物体都能运动，并赋予他们在运动时或静止时具有某种保持其运动状态的能力，我们称之为惯性。只不过是由我们见到过的物体中所发现的类似的特性而推断出来的，所以这个规则就叫做实验属性的外延规则。为什么说“只不过是”呢？因为惯性不是完全由观测确定的，不仅存在于我们见到过的物体上，我们没看见（的物体）也有惯性。我们有的时候可能就忽略了其中的外延的规则，例如物体的惯性是无法在实验室内完全证实的，因为人们不可能观测完全的直线运动，直线是无限长的，实验室内容不下无限长的直线，惯性定律是外延出来的。而“把依据有限范围内的实验归纳出来的物体所具有的属性视为所有物体的普遍属性”就已经包括了感觉所达不到的理性的推广。规则三实际上概括了经验与理性相结合的方法，哪怕没有看见，但是适合理性的推广。
以前有个人跟我辩论，他说：“你们搞的科学，实际上跟宗教信仰也差不多。”
我说：“我们没有，我们不是宗教，而是科学，我们都讲究实验。”
他说：“实验一次的结果你信，第二次的结果你也信，第三次实验不做，你能相信吗？”
我说：“那就再做一次，最后一次还是那样就行了。”
他说：“那第四次、第五次……第一百次呢？如果做不了那么多次实验那你还信吗？”
我说：“我信。”
他质疑我：“你这不是宗教吗？”
规则三就能够回答这个问题。比如说我做了十次实验，在中国做了一次，又在美国做了一次，在欧洲几个不同的实验室都做了实验。全世界研究相同问题的实验室也没有多少个，在典型的几个实验室都做成功了，所研究的科学的发现或者理论就算是成立了，就可以被相信了。你不需要做一千遍、一万遍，甚至是十万遍、一百万遍，我们的科学研究不是这样做的。我们做了有限的次数之后，我们就外延了，我们就相信这个是一个科学规律、是一个科学发现。
规则四，在实验哲学中，我们必须将由现象归纳出的命题视为完全正确或基本正确的，而不管想象所能得到的与之相反的种种假说，直到出现了其他的或可排除这些命题或可使之变得更加精确的现象知识。这个规则有点绕，注释部分帮我们解释了一下，即我们必须遵守这一规则，使假说不脱离从现象归纳出的结论。也就是说，我们相信假说还是相信现象归纳出的结论？规则四就是告诉我们要相信现象归纳出的结论，不能去相信假说。规则四和笛卡尔的一些思想和理论就是对立的，笛卡尔提出的诸如“以太”，这些都不是现象，更不是现象归纳出来的结论。所以这一规则可以称为现象归纳规则，反对想象的假说。下面我们举个例子，如果某个通过归纳得出的命题并不十分精确，有人说，如果这个命题不精确，我们在不精确的地方加上一些假说，来把它变成精确观测现象。这样肯定是不行的。绝对不能通过假说使命题更精确，只能通过更加准确和充分的观察所得到的现象来完善，用假说来反对归纳论证是绝对不可取的。规则四确立以观测现象归纳为基础的规则，反对想象假说。例如牛顿经典力学依据的现象是开普勒行星运动三大定律，由此得到万有引力定律。不考虑想象的、反对归纳的假说，例如以太涡旋假说。牛顿这一规则认为在出现了其他现象或更精确的观测时才可以修正命题，比如说牛顿之后出现的爱因斯坦“狭义相对论”，就可以被认为修正了经典力学。因为出现了新的现象，就可以有新的归纳。实际上我们在做科研的时候，有时候你观测到了一个现象，比如说观测太阳辐射出来的两个球碰撞，两个球先后出来然后又碰上了。但是卫星只观测到了一个半，有个球只观测到了一个边。那这篇文章要怎么写？有人说，这好办，不是还有个边吗？人为把它填满了就可以了。我曾跟这人辩论了很长时间。牛顿的理论也解释了，不能拿想象的假设来补充你的观测。
下面讲两个重要的方法，一个叫归纳演绎法，一个叫物理数学方法。刚才我们讲的四个规则基本上都是用归纳法所必须遵守的，根据现象归纳出一个理论，或者说一个规律、一个论断。演绎法就是从归纳得出来的结论中演绎出来一些现象，是演绎出来的现象，并非真实的现象，然后我们要去证实。《原理》的序言里是这样说的：由运动现象去研究自然力，再由这些力去推演其他现象，力是从现象中总结出来的。牛顿从观测和实验出发，用归纳法从中得出普遍的结论，即先得到概念和规律，然后用演绎法去推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测。
牛顿还提出了物理数学方法。数学来源于古希腊的几何学，但是数学跟物理要怎么结合？这就是牛顿要解释的。牛顿的科学指导规则中还有一条是关于物理数学方法的，牛顿将物理学中的概念和定律都尽量用数学表示出来。爱因斯坦的评价是，牛顿第一个成功地找到了一个用公式清楚表达的基础。从这个基础出发，他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象，并且同经验相符合。因此牛顿是成功用数学来描述物理现象的第一人。现在我们很多的物理的现象都可以用数学来描述了，比如描述量子力学的数学，深奥得很，一般人都看不懂。
第一版《原理》序言的第一句话就是这样说的：由于古代人在研究自然事物方面，把力学看得最为重要，而现代人则抛弃实体形式与隐蔽的质，力图以数学定律说明自然现象，所以我们在本书中发展与哲学相关的数学。
我们现在把刚才念的四个假设和两个方法再统一讲一下。
规则二说明了单一观测是不够的。在归纳法里，单一观测是很重要的，你测了一个想象，别人没测算过，那肯定能发一篇文章。但是只有在别人也能测到的情况下，这个现象才能成为一个科学的现象，才能归纳出来一个规律。如果只有单一观测，比如只有你一个实验室测到了这个东西，别的实验室做不到，那就不是一个科学的现象，更无法归纳出一个规律。2014年日本有一个研究人员叫小保方晴子，在日本早稻田大学就职于理化研究所，她做了一个实验，文章已经在Nature 刊物发出去了，但是其他人都做不出来，实验结果无法重现。后来她自己也重复不出来了，就申请退稿，然后她就离开工作单位了，她的导师甚至自杀了。
还有一个问题是外延与假设的区别。假设是你没看见的，外延也是你没看见的。但是这二者当中，外延一定要有观测的依据，有实验的依据，比如惯性，我们能看到的事物都有惯性，这个时候就可以外延，可以得出“没看见的物体也有惯性”的结论。还有刚刚提到的，在全世界十几个实验室都做实验了，那就应该相信现象归纳的规律。单一结果不可信，归纳出来的结果是可信的。但是自己瞎想的假说是没有根据的，也无法被看见。外延与假说是有区别的，（科学研究）相信现象归纳，反对想象假说。刚才也提到，不能用想象的假说来修正观测，比如你对观测结果不满意就再加两个假设进去。
科学研究的方法和规则的基本假设是，自然界是有规律的，人类不能控制改变自然规律，但是人类可以认识自然界。我们得到的科学规律是对自然界规律的一种认识，这个是基本认识。有了基本认识以后，大家才能够知道怎么进行科学研究。
至于科学研究方法的意义，我引用了一段科恩的话。科恩是研究科学史的，他指出牛顿的这一著作树立了一个衡量其他所有科学的标准，牛顿提出的研究自然现象的科学方法导致了现代科学的诞生，它成为一个目标，古生物学、统计学，生物化学等不同领域的科学家们都曾向这个目标努力奋斗，以使他们的科学达到所期望的高水平。这段话是关于《原理》的评论，我们从这个评论中可以看出什么是现代科学。我觉得现代科学可以这样来定义：用牛顿提出的规则和方法建立的知识体系就是现代科学。大家不一定都同意这个定义，但是我觉得根据上面的说法，牛顿提出的范式导致了现代科学的产生，所以现代科学就是用牛顿的规则和方法建立的知识体系，也就是说，现代科学是一个知识体系。牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为是理论物理学中每一工作者的纲领。这是一个指引着一代又一代科学工作者前进的纲领。所以牛顿的范式确实非常重要。可以从牛顿取得的伟大成就来看牛顿的科学方法的意义。牛顿用科学方法取得了伟大成就，他在三百年以前做的工作现在还在被后人使用，特别是万有引力定律。牛顿的科学成就导致了现代科学革命，为工业革命奠定了基础，而且仍然对于当代前沿科学研究有直接的指导意义。例如当前万有引力定律可以用来解释超过几千万光年的距离的星团的相互吸引，还可以用来解释尘埃彼此吸引形成的聚集星体的现象。万有引力是牛顿在三百年以前提出来的，但是直到现在还有指导认识新观测现象的意义。
稍微提一下，主张量子思维的人，批判牛顿的研究方法，认为牛顿的思想是机械分割和不顾整体。我认为他们的批判是没有根据的（参考《随笔》零二《“量子思维”不科学创新》）。因为刚才讲到的四个规则和两个方法，直到现在我们做科学研究还在用这些，都没有过时。还有人说，爱因斯坦的狭义相对论推翻了牛顿的理论。那是因为时代在发展。牛顿只对当时他所观测到的现象进行研究，后来观测到了新的现象，但是还是用牛顿的方法来研究。实际上这个方法没出问题，但是现象变了，时空观念就变了。时空观念不是不变的，根据我们观测的现象，时空观念会有改变。但是总体来说，这四个规则和两个方法都没变。