事实判断的三个问题及启示——以引力波的发现为例

葛维东, 赵 煦

(1.金陵科技学院 马克思主义学院，南京 211169； 2.河海大学 马克思主义学院，南京 210098)

2016年2月11日，美国国家科学基金会(NSF)会同来自加州理工学院、麻省理工学院，以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的科学家在华盛顿宣布：人类首次直接探测到了引力波的存在(即GW150914引力波事件)。引力波的发现是相对论的又一重大具有判决力的检验，同时也引发了人们对于看不见的世界中事实判断的进一步的思考。

1 引力波存在的事实判断及其本质

1.1 引力波的发现

1915年，爱因斯坦将狭义相对论扩展为广义相对论。1916年，基于广义相对论之上，爱因斯坦发现自己的方程有一组解，和电磁波的性质类似，以光速传播。由此爱因斯坦预言存在一种未知的波——引力波。

广义相对论的场方程的解显示，引力波是如此微弱，使得包括爱因斯坦在内的许多人都认为引力波或许可能永远也无法被检测到。事实上，在此后的100年间，人们在搜寻的引力波的过程中也屡遭挫折，除了1974年约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一个间接的观测数据之外，人们一直未能找到引力波存在的直接证据。

直到加州理工学院的物理学家瑞纳·韦斯等人注意到，当引力波穿过某物体时，它“将在某一方向上拉伸空间，同时在垂直的方向上压缩空间”[1]96。运用这一原理，韦斯和福瓦德等人设计并制造了激光干涉引力波探测器(LIGO)。有关引力波的搜寻才迎来了转机。本次宣布观测到的GW150914引力波事件即为试运行阶段的LIGO于2015年9月14日获取的信号。至此，引力波的存在，作为一个科学事实，得到了学术界的普遍认可。

引力波被发现的这一科学事件表明，在看不见的世界中，事件的发明与发现的主要环节包括：从理论预测并对事件加以描述，到实验设计，接收到信号，进而取得经验数据。最后，在理论预测与实验数据进行比对的基础上，完成事实判断。

1.2 事实判断的本质

不过，值得注意的是，在GW150914引力波事件中，在引力波的发现前与发现后，人们对于引力波的认识，并无明显的区别——都是两个围绕着对方相互旋转而产生的时空曲率。只不过，在发现前，引力波是作为一个理论实体而存在于人们的头脑之中，而在发现后，人们就开始相信引力波是一种经验实体，是真实地存在于世界之中。而在人们头脑中所产生有关引力波的形象，在发现前后几乎完全没有变。就此而言，“物理事实只是这些知觉事实的一个高度人为化的样式，同样，知觉事实也只不过是这些物理事实的一个相当扭曲的样式而已”[1]143。

事实上，事实判断并非在理论预测和经验数据之间进行一个简单的比对，就直接在人的头脑中闪现出判断的结果。由GW150914引力波事件可知，存在一个事实判断的链条：信号→引力波存在→黑洞存在。事实判断起始于激光干涉引力波探测器所观测到的信号，理论预测和经验数据之间的比对，只是科学家们是否将这个信号视为“引力波存在的证据”的基本判据之一。确认了“引力波存在”这一事实之后，科学家们又进一步以此为证据，作出了“黑洞存在”的事实判断。以此类推，两个分别为36和29个太阳质量的黑洞的合并事件得以确认。

也就是说，在GW150914引力波事件中，所谓“事实判断”的完成，只是意味着，从理论预测阶段的人们假设存在“黑洞事件”和“引力波”，变成了人们相信“引力波是真实存在的”，并将引力波作为“黑洞存在”的证据，在此基础上，从引力波所携带的信息，推算出黑洞的状态。

2 三个问题及相关分析

2.1 三个问题

GW150914引力波事件是当代科学前沿，对看不见的世界进行探索的一个典型事件。从这一事件的理论预测到事实判断中，我们可以发现在看不见的世界中，作出事实判断常遇到的令人困惑的三个问题。

2.1.1 不可重复性问题

近代科学以后，可重复性就成为科学的一个重要指标。一个经验数据如果不能在其他实验室中被科学家们重复呈现，该实验数据的可靠性一定会受到同行的质疑，其结果也就很难得到人们的认可。可是，在看不见的世界中，面对诸如GW150914引力波这样的科学事件时，可重复性便成为一个难题。因为科学家们无法在实验室中，制造出两个黑洞合并事件，来重复展示引力波的存在。因此，类似GW150914引力波事件这样的天体现象，每一个事件都是一次性的，无法重复开展实验验证。

由于不可重复性问题必然导致验证难题，而这是近现代科学的一个基本特征。从归纳逻辑的视角看，对看不见的世界的此类研究结果，也将会因为同一现象观测的数据单一性而面临着可信度降低的问题。

2.1.2 事实判断的模糊性

为了说明看不见的世界的研究现状，诺贝尔奖得主莱德曼曾提出过一个足球思想实验。他假设存在一个叫做特维洛的星球，上面所居住的特维洛人与地球人基本相同，除了他们看不到黑色和白色。那么，当特维洛人在地球上观看一场足球比赛时，他们必然会对球场上的种种现象深感困惑：穿着不同服装的两队人马在球场上追逐、奔跑，有时候还会有猛烈的碰撞，偶尔还会全场沸腾。然后，其中一方加了一分。他们在干什么？经过仔细地观察和深入研究，有一个特维洛人发现了一个细节，每当全场沸腾之时，球网都会有一块呈半圆形的“凸起”。结合两队球员在场上的奔跑、争抢，这个特维洛人作出了一个大胆的假设：存在一个看不见的球。[2]事实上，莱德曼的“足球”与当下科学前沿，特别是看不见的世界的研究情形大体相同——透过某些间接的经验现象，作出事实判断。事实上，GW150914引力波事件中，科学家们正是以激光干涉引力波探测器观测到的信号为依据，作出引力波存在和黑洞合并事件这样的事实判断。从某种意义上说，引力波、黑洞与莱德曼的“足球”在本质上是一样的。

不过，如若把莱德曼的足球思想实验略作扩展，我们就立刻会发现经由间接经验而对看不见的世界作出的事实判断中，蕴含着巨大的风险。试想一下，假如那群特维洛人观看的是乒乓球比赛，那么他们最终的事实判断也是存在一个看不见的球。同样，如果他们观看的排球比赛，结果一定相同。也就是说，无论他们研究对象如何，结论都是相同的。因此，对看不见的世界所作出的事实判断具有模糊性——科学所得出的结论无法完全等同于世界本身，最多只能够对世界作出模糊的认识。

更为严重的问题是，设若特维洛人于某个清晨在中国的某个公园散步时，看到了一群人在打太极拳。那么，凭借着“足球”“乒乓球”“排球”的发现经验，特维洛人会得出一个什么样的结论——即他们在玩什么球？当然，不管他们的结论是什么，都一定是错的。从演绎逻辑的视角看，前提为真，结果必然正确。而如果前提具有模糊性，那么结果则存在不确定性。毫无疑问，此次有关引力波的观测，也无法摆脱模糊性，甚至出错的风险。

2.1.3 跳不动的青蛙——因果链的可错问题

在GW150914引力波事件中，“引力波存在”的事实已经得到确认，并已为人们所接受。但是，事实判断的因果链(即信号→引力波存在→黑洞存在)真的可信吗？

对于这一问题，德国物理学家穆斯堡尔曾用一个名为“跳不动的青蛙”的思想实验加以论证，我们可从中得到启发。在这个思想实验中，他假设用一个青蛙作为实验对象。如果实验者在青蛙身边突然制造出一个巨大的声响，青蛙会因受到惊吓而跳出很远。不过，当实验者切掉青蛙的一条后腿之后，再用声响去惊吓它，它就跳不远了；设若实验者将它的另一条后腿也切掉之后，再用声响去惊吓它，它就不再会跳动了。[3]在这一思想实验中，大家都会认同的是，一只正常的青蛙在听到一个巨大的响声后，必然会跳出很远。也就是说，青蛙“听到响声”与“跳出很远”之间存在一种因果联系。那么，人们可以对此作出这样的说明：青蛙不跳是因为它聋了，听不到响声了；而从实验可知，导致青蛙聋了的唯一可能的原因就是因为实验者切掉了青蛙的后腿。根据事实判断的过程，我们可得到一个因果链：青蛙后腿被切掉→青蛙聋了→青蛙不再跳动。

当然，根据生活的直观经验，我们都知道这一因果链一定在某个环节存在问题。不过，从实验的程序上看，该实验完全符合现代实验的要求：不但在因果链上与GW150914引力波事件的因果链相似，而且还满足实验的可重复性特征——在其他的实验室中进行同样的实验，亦可得到相同的结果。这就意味着，符合现代实验的事实判断的因果链并不一定可靠，特别是在看不见的世界中，人们的直观经验不再起作用的时候，因果链出现错误的几率可能更大。

2.2 问题分析

结合GW150914引力波事件的实际情况，在看不见的世界的探索中，进行事实判断所存在的三个主要问题在复杂性程度上各不相同，性质亦各异。

问题一最为直观。千百年来，“眼见为实”的经验判断，养成了人们对经验的依赖。因此，在古代社会，人们大多凭借直接的感官经验，开展科学研究。近代以后，世界各地建设了大量的实验室，科学对经验依赖的这一传统变成了事实存在与否的标准，牛顿甚至声称他“从来不发表不能用观测或实验证明的学说”[4]。这也导致当下人们在面对看不见的世界中进行事实判断时，无法摆脱对直接经验的依赖。

问题二实际上早已存在，只不过人们以为在我们日常生活的看得见的世界中，凭借经验感知，我们可知晓理论预测与事实判断是否相符合。事实上，回溯到看得见的经验世界，事实判断的模糊性一直存在，所谓“横看成岭侧成峰”，意即指此。任何事物，我们都只能知其一二，而无法窥其全部。

宏观世界中作出事实判断如此，在看不见的微观和宇观世界则更是如此。在微观世界中，对粒子的早期研究，科学家大多是通过气泡室或者云室捕获的间接现象，来描述粒子的主要特征。而目前实验室中通常使用大型粒子对撞机，搜寻粒子信号，获取信息更为有限。甚至对基本粒子夸克的研究则不得不进行人为的区分，比如夸克的“色”就是一种带有人为因素的性质，而非真正的颜色。事实上，夸克真正的“色”，人类永远无法得知。而宇观世界中的情况，大致相同。此次GW150914引力波事件中，科学家们对相互结合的两个黑洞的基本情况的描述，完全来自LIGO的激光干涉引力波探测器所捕获的信号，而其他信息，一概无从得知。事件的部分概况与真实世界的本身，显然不能等同。这是事实判断模糊性的根源所在。

问题三表明理论预测本身即可能存在问题，那么，以此为判据，作出的事实判断必然也不可靠，也是可错的。在宏观世界里，人们可以凭借经验直接感知作出事实判断的因果链。针对“跳不动的青蛙”这一思想实验，人们仅凭借日常生活经验，就可以立刻指出其因果链中存在问题，而且可以肯定错误来自于人对因果链的解读，在响声的惊吓下，青蛙不再跳动，原因可能有多种。青蛙的听觉器官出了问题，只是可能之一，负责跳动的“腿”被切除，也可能是青蛙“不再跳动”的原因。基于常识，我们就可以作出判断：青蛙不再跳动，不是因为其听觉受到损害，而是因为腿被切除了。不过，在科学史上，在对日常生活经验难以进入的科研中，从理论预测阶段就出现错误的判断有很多。19世纪时，在普歇和巴斯德有关生命是否是自然发生的争论中，普歇进行过一次著名干草浸液实验，他把经过水银消毒的干草浸液器皿放在水银槽中，并加热水银槽中的水银，使其沸腾。那么，穿过水银的就是纯净的空气了。而当干草浸液中的有机物遇上纯净的空气后，就迅速开始生长。普歇的这一实验为生命的自然发生说提供了有力的支撑。毫无疑问，普歇的实验是完全按科学程序进行的，并且，对生命的自然发生说持反对意见的巴斯德还重复了该实验，结果也是如此。当然，若干年后，人们得知，由于存在一些沸腾的水银无法杀死的生命，而导致这一事实判断出错。不过，那些“沸腾的水银无法杀死的生命”可能隐藏于事实判断的因果链的某一环节中，而不为人所知。类似事件在科学史上屡见不鲜。

在经验世界中尚且如此，那么，当人们面对GW150914引力波事件这样“看不见”的世界的因果链时，人们就更加难以判断其中是否存在问题了，即便是当今最杰出的科学家也大概如此。因为，我们无法确切地知晓激光干涉引力波探测器观测到的信号来源，也无法排除我们所获得的经验数据是否还会有其他的来源。因为科学界已经达成共识的是，我们目前所能够观测的世界仅仅占整个宇宙总质量不到5%。那么，其他的未知世界，包括暗物质、暗能量等，都有可能成为激光干涉引力波探测器观测到的信号来源。

在“看不见”的世界里，即使出现类似“跳不动的青蛙”中的错误，也难以发现。原因很简单，因为问题一所导致的“看不见的世界”中无法克服的经验难题，更加剧了因果链的可错问题。

3 对理论与事实关系的几点启示

3.1 经验数据的有限性

在此次引力波事件中，LIGO的激光干涉引力波探测器所取得的数据仅仅是某一时刻的空间波动信号，便成为两个黑洞合并事件的判断依据。而不可否认的是，在该事件中，除了时空扭曲所导致的引力波之外，一定还会有温度骤然上升、大量辐射产生、事件周围空间的其他异常现象等，而这些经验数据我们都无从得知，只是以引力波信号作为唯一的事实判断依据。在看不见的世界中，人们无法如近代科学中那样，令实验所取得的经验数据在科学中起到判决性的作用。

3.2 理论即模型

在看不见的世界中，事实判断主要是基于理论之上的模型建构。事实上，在GW150914引力波事件中引力波信号的获取之前，人们早就根据相对论，描绘了引力波可能产生的几个图景：两个黑洞合并、黑洞吞噬恒星等大质量天体事件、脉冲星旋转等。理论预测为事实判断奠定了基础，并指明了方向。不过，理论对事实所作的说明是有限的，“没有一种理论会同其领域内的全部已知事实都相一致”[5]。理论永远无法与事实本身完全相符，二者之间的距离只能随着科学的进步而逐步缩小，而绝不可能完全消除。

3.3 理论的目标

虽然从理论预测到事实判断之间的因果链可能出错，但这一路径依然是对看不见的世界进行探索的主要手段。只要理论预测本身是自洽的，且在事实判断方面是有效的，这一研究路径就会获得人们的认可。值得一提的是，长久以来，人类孜孜以求的真理只是理论努力的方向。“虽然我们认为真理和正确性是永恒的，但是检验的结果却是暂时的。通过了很多各种各样的检验只是增加了可接受性；但是曾经拥有最大可接受性的那些东西稍后就有可能不再被接受。”[1]143在理论预测和事实判断的互动中，理论会因不断接近事实真相而趋向真理，但却永远无法到达真理的彼岸，而一直在途中。