摘要：理解基础科学研究中的实验如何“证实”理论，对于坚持科学精神和推动科技创新至关重要。周光召早年对此有重要的论述。文章从科学哲学的角度进一步分析这一问题：从贝叶斯主义的视角推导出证伪主义，为科学理论与实验之间关系的正确处理提供了一种哲学上的理解。联系物理学中理论与
本文刊载于《中国科学院院刊》2024年第12期“ 学部咨询与院士建议”
孙昌璞
中国工程物理研究院研究生院
理解基础科学研究中的实验如何“证实”理论，对于坚持科学精神和推动科技创新至关重要。周光召早年对此有重要的论述。文章从科学哲学的角度进一步分析这一问题：从贝叶斯主义的视角推导出证伪主义，为科学理论与实验之间关系的正确处理提供了一种哲学上的理解。联系物理学中理论与实验的关系，文章提出了渐进可证伪性的观点，强调通过贝叶斯主义方法，实验能够更新理论的后验概率，以“定量”的方式逐步接近科学真理。此外，探讨了物理学中理论如何影响实验设计和数据采集，分析了量子模拟结果为何难以证伪，以及双盲实验在物理学中实践可证伪性所面临的逻辑挑战。最后，强调，只有坚持科学精神和学术诚信，才能避免由此产生的学术灰色地带。
1 从科学哲学看实验何以“证实”理论
科学的发展离不开理论与实验的“相互作用”。理论为实验提供了指导原则和预测框架；而实验则为理论提供了作为事实依据的实际数据，通过验证或证伪理论的方式推动理论的发展和完善。在物理学和天文学等自然科学领域，理论和实验的互动作用尤为显著。历史上，许多重要的科学突破都是通过实验对理论的验证或挑战而实现的。例如，爱因斯坦的广义相对论通过引力导致光线弯曲效应的定量实验观测得到验证，从而得以确立。相反，迈克尔逊-莫雷实验则通过速度拖曳的定量测量证伪以太假说，推动了相对论的提出。理论和实验的互动促进了科学知识累积和科学真理的探索，极大地拓展了准确表达自然界基本规律的思想疆界。通过理论与实验的这种互动，科学不断修正和完善自身，从而更加深刻、更加普适、更加逼近客观世界的真实。
科学家设计实验时，不仅要考虑如何验证理论，而且要考虑通过实验的结果反驳和质疑旧理论、启发新理论。例如，在物理学中，大型对撞机实验不仅用于寻找希格斯玻色子以验证标准模型，还用于探寻可能超越标准模型的新物理。正是通过这种思维方式，科学不断发展和进步。胡思得回忆周光召在领导研制原子弹时与他的谈话：“这次你要去基地搞实验了。搞科学工作的，重要的是不要放过理论或实验中存在的任何疑点。理论和实验如果能够一致，当然很高兴，但如果理论和实验有不一致的地方，一定要抓住，把问题搞清楚，因为从这种地方会发现理论或实验的不足，有可能产生新的突破，这样就推动了科学的前进，而且自己也可以成为有作为的科学家。”周光召的谈话强调了开放性的学术思想和批判性的科学态度：科学研究不要轻易忽视任何疑点，而是要深入探究每一个潜在的矛盾。
周光召这一方法论的讨论高度契合了科学哲学的可证伪性原则：通过反驳和质疑来检验和推动科学理论发展，不断突破现有知识的疆界。周光召的谈话无形中抓住了关于理论-实验关系的“可证伪性”思想的核心。卡尔·波普尔（Karl Popper）是20世纪最具影响力的科学哲学家和思想家之一，他提出的可证伪性原则对科学哲学乃至整个近代思想界产生了深远而广泛的影响。波普尔认为，科学理论的核心特征在于其可证伪性，即理论必须能够被经验事实所检验，并有可能被驳斥。一个理论如果不能被任何可能的观察或实验所证伪，它就不属于科学的范畴，而是形而上学或伪科学。波普尔的可证伪性原则改变了人们对科学方法的传统理解。科学方法通常被视为通过积累证据来证实理论的过程。然而，波普尔指出，这种方法存在逻辑上的缺陷，即证据的积累并不能最终确证理论的真理性，因为未来的任何观察都有可能推翻当前的理论。因此，他提出了证伪主义（falsificationism），强调通过试图反驳而非证实理论来推进科学知识的进步。科学研究的目的，不在于简单地验证已有理论，而在于通过不断地实验检验、挑战理论，通过发现和解决理论与实验之间的矛盾，推动新的科学突破。
既然证伪主义不仅很好地阐释了科学进步的本质、有形无形地影响了科学实践，那么证伪主义的底层逻辑基础是什么？本文给出的答案是以贝叶斯定理为核心的贝叶斯主义。本文将详细论证，贝叶斯主义和证伪主义分别以不同的方式探讨科学理论的验证问题，且二者都是科学哲学中重要的理论，以及为什么贝叶斯主义更基本、更具实践的特质？简而言之，贝叶斯主义主张通过先验知识（先验概率）和新证据的结合，不断更新对理论的信任度（后验概率），通过实验前后理论的先验概率和后验概率的更新来处理理论预言实验结果的不确定性。相对于证伪主义非黑即白扬弃理论的方法而言，贝叶斯主义是依据概率调整进行理论更新，直至理论被证伪淘汰。这就是渐进可证伪性（progressive falsifiability）：根据贝叶斯定理，当新的实验理论的结果与现有理论不一致时，理论的后验概率会降低，这相当于对该理论的证伪。反之，当实验结果支持现有理论时，理论的后验概率增加，提升了该理论的可信度。这种概率调整过程，本质上反映了科学研究的实质——理论的证伪与验证的动态平衡，证伪主义只是它论证逻辑链末端的结果。也就是说，波普尔证伪主义是一种极端的贝叶斯过程，而在科学实践中科学家通常奉行“渐进可证伪性”。从这个意义讲，基于概率论的贝叶斯主义，不仅是证伪主义的底层逻辑基础，而且使得证伪主义的科学哲学具有坚实的数理基础。当然，贝叶斯定理的概念诠释可能不具唯一性，这是这种科学哲学的不足之处。但是无论怎样，通过贝叶斯主义来推理出证伪主义，无疑是科学哲学在理论逻辑上迈出了重要的一步。从这个意义上讲，本文的分析表明了科学实践并不正好反映证伪的宽泛性，“原教旨”的证伪主义在科学实践中的实际应用可能过于狭隘，因为科学理论往往不是被单一实验简单地否定，而是通过证据数据积累来修正或最后否证理论。
2 从贝叶斯主义的视角看可证伪性原则
波普尔的可证伪性原则强调，科学理论必须具备能够被经验事实所反驳的特征。这一原则为科学理论设定了严格的检验标准。一个理论只有在能够提出可能的反证情况下，才被视为是科学的。通过这种方法，科学家们能够区分科学与伪科学，从而确保科学研究的严谨性和可靠性。这个原则要求，科学家们在提出理论时，最好要指出可以检验理论的实验方法，并预设可能的反驳证据。例如，广义相对论提出后，爱丁顿通过观测日食期间恒星光线的弯曲，验证了该理论的预言。如果观测结果与理论预测不符，广义相对论就会面临证伪性的挑战。
与可证伪主义相比，英国哲学家拉姆齐提出的贝叶斯主义，其根据实验证据更新先验和后验概率来进行理论更新换代。它是得到了概率论和当代认知科学的诸多成果所支持的科学哲学理论。在贝叶斯框架下，后验概率是根据取得的实验结果推断理论成立的条件概率，而理论预测能力则是指理论成立条件下推断实验结果的条件概率。显而易见，波普尔的证伪主义与贝叶斯主义在科学方法论中有明显的表观共性：两者都关注理论的可检验性与反驳性。证伪主义强调理论必须能被潜在的反例所否定，这看上去是一种科学革命的活动；而贝叶斯主义的理论实验不断迭代更新，更像一种“摸着石头过河”的渐进变革，实现了理论的渐进可证伪性。贝叶斯主义把后验概率作为理论修正和验证的核心，本质上是通过概率论来处理科学理论的验证和证伪问题，为理解证伪主义提供了新的视角，体现了科学理论在面对新数据时的灵活性与动态性。
在贝叶斯理论框架中，后验概率是通过贝叶斯定理计算的，即根据实验结果更新对理论的信心。得到实验结果E后，理论T成立的后验概率P(T|E)与第一次实验前假设其成立的概率——先验概率P(T)成正比，即P(T|E)=ξP(T)；该比例系数称为贝叶斯因子（ξ），其大小代表了理论预测能力，也代表了进行实验的力度。贝叶斯主义认为，理论不是绝对真理，这种概率更新机制使科学理论能够动态地适应新的证据。如果假设前一次实验后理论的后验概率可以作为后一次实验的先验概率，则N次实验后，理论成立的后验概率仍然有相同的形式，只是贝叶斯因子ξ=ζ(N)，依赖实验的次数N。可以证明，如果多次实验以后，ζ(N)变大了，意味着实验支持理论；反之，实验不支持理论。通常对给定的足够大的N，总会有ζ(N)→0，就可以说理论渐进可证伪。
然而，理论虽然最终被实验证伪，但通过收缩适用范围，理论仍然具有一定合理性，如牛顿力学。在N次实验中，一旦有一次理论预言实验失败，贝叶斯因子变为0，理论就被证伪了。只要实验次数足够多，就会有一次失败，从而理论是不能够证实的。这里有一个形象的比喻：假设有一个理论认为“所有的天鹅都是白色的”。为了验证这个理论，可以去观察大量的天鹅，发现它们确实都是白色的。然而，尽管观察到的许多天鹅是白的，这些观察只能增加人们对这一理论的信任，但不能最终证明其绝对正确。逻辑上讲，总有可能在未来的某个时间或地点发现一只非白色的天鹅，理论就被证伪了。当然，对理论的先验置信也非常重要，P(T)不能为0，否则理论成立的后验概率永远为0，这就说明所有的实验都必须基于理论。
在粒子物理中，必须预先有一个特定的理论，如粒子物理强弱电统一的标准模型。在高能碰撞实验中，如果多次观测到符合标准模型预言的结果，贝叶斯更新过程会显著提高我们对标准模型的信心。这是因为即使以前的实验结果导致新的先验概率已经很高，但随着实验次数的增加，标准模型的后验概率会越来越接近1，这种渐进的验证过程使得标准模型被渐进证实，最终变成了实实在在的科学真理。这种通过后验概率不断验证理论的过程，实际上反映了科学研究中的一种渐进主义。科学家通过反复实验，不断累积证据，以逐步提高对理论的信任程度。如果某次实验结果与理论预言相悖，那么理论的后验概率会骤然降低，甚至趋近于0。一次实验结果对理论的冲击可能远超过多次验证实验的累积影响。例如，迈克尔逊-莫雷实验旨在检测以太风，以验证经典以太理论。实验结果显示无论地球的运动方向如何，光速均无变化，这与以太理论预言完全相悖，导致该理论的后验概率降至几乎为0。这一发现推动了相对论的提出。通常，基于贝叶斯思维，科学家选择理论预言反直觉的情况来进行实验，因为其先验概率较低。例如，在量子力学的贝尔不等式验证了量子理论对非定域性的独特预言，从而大幅度提升了对理论的信任（虽然量子力学已经被多次间接验证，人们认为量子力学的直接推理贝尔不等式不需要直接验证）。从贝尔不等式的理论实验互动的例子看出，贝叶斯主义在指导选择和设计的科学实验时，提供了超越简单的“证伪”“证实”非黑即白的独特视角。
贝叶斯主义通过理论更新机制对科学理论进行淘汰，让科学理论在实验的铁律下自然进化。科学家通过新实验不断获取数据，计算后验概率来调整对各理论的信心水平。那些与实验结果比较相符的理论，其后验概率不断增加，逐渐得到认可；那些不符实验的理论，其后验概率则不断降低，最终被抛弃或修正，实现了渐进可证伪性。由于经典力学在宏观和经典世界中成功，但在微观世界和高速运动中解释力不足甚至无能为力，量子力学和相对论就应运而生。它们分别解释了实物粒子双缝干涉和预言了引力波，不断提高了这些理论成功的后验概率。相比之下，传统的证伪主义核心在于寻找反例来检验理论，而贝叶斯主义视角的理论则依赖连续演进的概率更新，更具科学进化论的特质。事实上，贝叶斯主义是通过量化实验结果对理论信心的影响来体现的，同时还考虑到了理论的证伪性。这种科学方法论尤其在处理复杂问题时更为有效。例如，在复杂系统研究中（如利用耗散涨落定理研究气候、气象和温室气体之间的关系，寻找影响气候关键要素的“指纹”），某些实验结果可能部分支持或部分反驳理论，贝叶斯主义通过调整后验概率来反映这种复杂性，而不是简单地将理论归为“被证实”或“被证伪”。贝叶斯主义通过概率更新机制，量化和动态处理科学证据，使理论的验证和证伪更加细腻和渐进。贝叶斯主义与证伪主义的结合，展示了科学方法的灵活性和严谨性。
需要强调的是，从证伪主义角度看，科学理论的目的不是“证实”理论，而是通过实验和观察给出理论成立的边界，而贝叶斯理论通过理论的后验概率定量地刻画了理论边界的形状及其由模糊变清晰的进化过程。从贝叶斯主义的视角看，科学理论的发展不仅仅在于其被证实的次数，更在于扩大其适用范围和边界的动态过程。每个理论都有其适用条件和局限，科学的进步在于不断修正和拓展这些边界，而不是简单地累积证据来证实某个理论。科学理论在其适用范围内能够准确描述和预测现象。例如，牛顿力学研究宏观低速运动，但在接近光速或微观尺度上失效。相对论的提出，扩展了物理学的理论框架，明确了牛顿力学的适用范围和局限。每次实验都在揭示理论的适用边界。例如，量子力学实验结果揭示了经典力学在微观世界中的失效。通过不断地实验检验和修正，科学理论得以不断完善和拓展其应用范围。当然，量子理论并不是对牛顿力学的简单替代，而是对其在更大的范围内的拓展。通过明确牛顿力学的适用性和局限性，科学家们得以从低速到高速、从宏观到微观更全面地理解物理现象的本质。这种对理论边界的理解、推广理论扩展边界，正是物理学不断进步的壮丽的动态景观。
3 物理学实践双盲原则的困境与科学精神的必要性
在科学研究中，双盲实验是一种严格的实验设计方法，旨在最大限度地减少主观偏见和期望效应对实验结果的影响。双盲原则主要来自以人为对象的研究，如医学和心理学等研究领域。它要求实验的两个关键角色——实验对象和实验执行者——对实验的具体条件和假设保持不知情状态。这样，实验对象的反应和实验执行者的数据处理都不会受到心理因素或期望的影响，从而保证结果的客观性和可信度。例如，在药物临床试验中，双盲实验可以确保实验组和对照组的参与者及研究人员都不知道谁接受的是新药，谁接受的是安慰剂。通过这种方法，任何因期望或偏见产生的影响都被最大程度地消除了，从而确保试验结果的有效性和可靠性。
在物理学中，双盲实验的应用相对较少，因为很多物理实验依赖高度精确和复杂的仪器设备，所有研究人员需要对实验的各个环节进行实时监控和调整。例如，在高能物理实验中，研究人员必须实时处理和分析大量的数据，双盲设计在这种情况下几乎不可能实施。特别是波普尔的可证伪性原则强调理论必须能够被经验事实所检验和反驳。这一原则在实践中要求科学家设计实验时，必须考虑到理论可能被反驳的情景。然而，在物理学的许多领域，严格实施双盲实验去证伪和检验理论设计往往面临巨大挑战。利用贝叶斯主义的观念，可以进一步阐明这一挑战。贝叶斯主义强调通过不断更新后验概率来处理新的证据。物理实验通常涉及复杂的数据处理和分析过程，研究人员在进行多次实验时，不可避免地会参考之前的实验结果。这种参考和比较不仅是为了验证数据的稳定性和可靠性，也是为了剔除明显的异常值。然而，这种做法可能会导致一种倾向性，即实验结果逐渐趋于某个预期的值，偏离真实情况。
在李政道和杨振宁发现宇称不守恒并建立中微子二分量理论之前，缪子到正负电子衰变的实验分支比在一定范围内是随机的。李政道和杨振宁1956—1957年间发展的理论预言分支比应为3/4。此后10年，同一个研究组和不同研究组在不同时间进行了多次实验，最终分支比的测量值稳定逼近3/4。值得注意的是，每一次实验的误差条都落在前一个实验的误差条范围内（图1）。这一事例表明，在物理学中，理论和实验之间的关系不能“背靠背”地进行。单次实验观察无法完全独立于理论而无偏地验证理论预言，只有通过多次实验才能逼近理论描述的“客观实在”。在物理学中，证伪主义强调通过实验来否定理论，从而验证科学理论的有效性。然而，李政道和杨振宁理论有关的例子对简单的证伪主义提出了挑战。实验双盲原则旨在消除实验者的偏见，使实验结果更为客观。但在这个例子中，实验结果似乎不可避免地受到理论预期的结果和前一次实验结果的影响。这种影响使每次实验的结果逐渐逼近理论预言的值，而不是随机分布的，这表明实验观察并非完全独立于理论和前一次的实验观察，因为前面实验的中值如果不超出前面实验结果的范围太多，就会被公布、被参考，影响后面的实验。
图1 缪子衰变分支比测量值的演化
从贝叶斯主义的角度来看，这种现象可以得到合理解释。贝叶斯主义认为科学研究是一个不断更新信念的过程，实验数据和理论预期之间是互动的。每次实验结果都会更新研究者对理论的信念，逐渐收敛到理论预言的值上。在这种观点下，实验不再是单纯的独立验证工具，而是与理论相互作用，不断修正和完善对自然规律的理解。虽然理论的置信度会受到实验误差的影响，但科学上证据的趋同性保证了这种贝叶斯过程的收敛性。
这个例子还说明，理论预言可以影响实验结果的解释和后续实验的设计。尽管双盲实验可以减少偏见，但在科学研究中，尤其是物理学中，完全消除理论对实验的影响是极其困难的。贝叶斯主义的观点强调，通过多次实验和逐步更新信念，科学研究才能接近客观真理。多次实验、不断修正和验证的过程，才是接近客观实在的重要手段。这种现象揭示了科学研究中的复杂性；即使是严格控制的实验，也难以完全避免理论的影响；只有秉承严谨的科学精神和学术操守，通过长期的、多次实验才能更接近对自然规律的真实理解。
在贝叶斯主义框架下，后验概率的计算有时可能会倾向于忽视或过度解释那些与理论不符的“异常”数据。这种现象可以通过贝叶斯视角来理解：在多次实验中，研究人员基于先验知识和之前的实验结果，不断调整他们的信念和对数据的解读倾向，并在后验概率中体现出来。如果某次实验结果偏离预期，研究人员可能会将其视为异常值或实验误差，从而不显著改变他们对理论的信念。当观察到与理论预期不一致或与之前实验结果偏差较大的数据时，他们可能会选择排除这些数据。由于观测结果的总概率可以根据理论预测值进行分解，实验人员在更新后验概率时，删除明显偏离的结果会使更新后的后验概率相较于原来的后验概率更高于先验概率。这种倾向性导致后验概率的更新并非完全客观，而是受到先验概率、主观判断和经验预期的影响。
这种主观性和倾向性虽然可以提高数据的一致性，但在某种程度上削弱了实验结果的独立性和客观性，使实验结果不符合波普尔的可证伪性原则。一方面，在物理学中，实验设计和数据分析通常基于现有的理论框架。这意味着实验并不是在完全客观和中立的状态下进行的，而是带有理论预期和假设的。例如，在寻找希格斯玻色子的过程中，研究人员依据标准模型的预言，设计了大量的实验，并通过复杂的数据分析方法来寻找预期的信号。这些实验和分析方法本质上是基于理论框架的，并不能完全独立于理论预期，实验数据的使用和解释都带有一定的主观性，而这种主观性可能影响实验的独立性和客观性。另一方面，在重复验证的实验中，数据的选择和处理也可能带有倾向性，尽可能接近上一次实验的中值。研究人员通常需要处理海量的数据，会根据上一次实验筛选和过滤其中的有效数据。这一过程不可避免地受到主观的判断和选择的影响。例如，在高能物理实验中，研究人员可能会根据上一次实验预设信号模式来筛选数据，而这种筛选过程本身就带有一定的主观性和选择性。这种主观性在一定程度上削弱了实验结果的独立性和客观性，使实验不完全符合波普尔的可证伪性原则。
综上所述，由于双盲实验在现代物理学中难以完美实现，理论预测和前一次实验的结果不可避免地会对实验设计和数据选择产生影响，由此可能产生主观选择数据等行为导致的学术灰色地带。虽然这种灰色地带的出现有其必然的科学哲学根源，但通过科学精神和学术操守可以尽最大可能地避免它。在涉及大量的数据筛选和处理步骤的物理实验中，研究人员根据既有理论预测选择性地分析数据，可能会无意中忽略或排除那些不符合理论预期的结果。这样的做法虽然能使实验结果看起来更为理想，但也容易导致对理论的盲目信任。如果选择的数据只符合错误的理论，就“证实”了错误的理论，这会阻碍科学的真实进步。为了克服这个困境：一方面，绝对不能采取传统的“实验证实理论”的非科学说法，只能说“尚未”证伪；另一方面，不管结论如何，科学家必须严格遵循科学精神和学术操守，确保数据处理过程的透明和客观。所有实验步骤和数据选择标准都应详细记录，并在同行评议过程中进行公开审查。
本文特别要强调的是，对待原理上双盲原则有困难的物理学研究，科学精神要求研究者保持开放的心态，对每一个实验结果都保持怀疑态度，特别是关注那些与既有理论不一致的结果。这种怀疑精神是科学进步的重要动力，它促使科学家不断检验和修正现有理论。学术操守则要求研究者在发表结果时，诚实地报告所有实验数据，包括那些看似“异常”的数据，以便其他研究者能够独立验证和重复实验结果。因此，只有通过严格遵守科学精神和学术操守，才能避免此类学术灰色地带的产生。只有这样，科学研究才能在客观、公正的基础上不断推进，为人类认识自然规律提供更为可靠的依据。
4 量子模拟中“理论”的可证伪性分析
近年来，量子模拟（quantum simulation）在物理学研究中占据了越来越重要的地位。随着量子计算和量子信息科学的快速发展，科学家逐渐认识到量子模拟不仅是一种新的研究工具，更是一种独特的实验性科学推理方法。理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出量子模拟的概念；他认为经典计算机难以模拟量子系统的行为，因此需要用受控的量子系统去模拟其他复杂的量子系统，再通过实验测量来了解该系统的行为。如今，量子模拟被概括为两类：第一类量子模拟基本符合费曼的定义，即用可测可控的量子系统“甲”去仿真待研究的复杂量子系统“乙”，当现有理论无法基于当前计算手段计算出“乙”的行为时，“甲”的模拟实验相当于对“乙”进行理论计算；第二类量子模拟则是用系统“甲”模拟实际实验无法实现的物理系统“乙”，目标是预言新的物理效应和新物性、检验理论。例如，用冷原子系统模拟Bose-Hubbard模型的实验，尽管被称为“模拟”，但实际上是一种新实验发现。这些实验提供了对复杂量子系统行为的直接观测，而不仅仅是对现有理论的简单验证。
传统的理论研究往往依赖物理系统的数学模型及其解析解方法，而实验研究则通过实际观测和测量来验证理论。数值计算和计算物理则借助计算机模拟复杂的物理过程。然而，量子模拟不完全属于观察、测量和计算这三者中的任何一种。它利用受控的量子系统（如冷原子、离子阱、超导量子比特等）来直接模拟其他复杂的量子系统，这一过程既包含实验测量的直接性，又具备数值计算的灵活性，同时还能兼顾到理论的预言。量子模拟的独特之处在于其能够处理传统方法难以解决的复杂问题。例如，经典计算机在模拟具有大量粒子的量子系统时遇到的“指数爆炸”问题，即随着系统规模的增大，计算所需的资源呈指数增长。而量子模拟可以通过操纵较小的、可控的量子系统来模拟大规模系统的量子现象，从而避开“指数爆炸”这一瓶颈。这种能力使量子模拟有望在材料科学、高能物理、量子化学等领域展现出巨大潜力。近年来，利用冷原子系统模拟高温超导体、用光学系统模拟拓扑绝缘体等研究不断涌现，在一定程度上推动了人们对这些复杂系统的理解和进一步想象。
然而，尽管量子模拟具有许多优点，但它与传统的理论和实验方法相比，有内在的不足之处，存在原则上无法遵从双盲原则进行证伪的科学方法论问题。量子模拟在某种程度上可以看作是一种计算，但它并不是通过经典计算机的数值算法进行计算的，而是通过量子系统本身的演化过程来“计算”复杂的量子现象。在贝叶斯主义框架下，量子模拟的结果能否被证伪取决于这些结果如何影响我们对相关理论的后验概率。如果量子模拟能够提供新的、未被理论预测的实验数据，则可能有助于验证或证伪相关理论。然而，量子模拟在其方法和目标上存在某种挑战，这使从贝叶斯主义的角度评估其证伪性变得复杂。量子模拟作为一种科学工具，其结果的证伪性在科学逻辑上存在明显局限。由于量子模拟是针对不同的系统，往往无法提供决定性的证据来证伪被模拟系统的理论。因此，对量子模拟实验结果的解读和应用，必须保持谨慎和批判的态度。2023年，Science和Nature等国际期刊撤回了一系列关于“天使粒子”——马约拉纳费米子实验证据的论文。这种曾被视为“诺奖级别的发现”，就是用纳米线（拓扑绝缘体）-超导杂化体系对科塔耶夫系统进行“量子模拟”。其中，不少实验物理学家迎合理论家低能近似给出的“重要预言”，忽略实际中弱化“重要预言”结论的数据。这种行为有的并非出于造假，但存在科学精神缺失、有意或无意迎合“理论权威”等问题。
与上面提及的问题类似，在量子模拟中，常常用K空间窄域能带系统模拟基本粒子，这类“基本粒子”在实空间近乎一个平面波，无法准确模拟真实基本粒子的行为；用冷原子系统模拟石墨烯中的物理现象，实际上仅是对已知现象的演示，难以带来新的理论突破，特别是通过难以构建的冷原子光晶格系统模拟易于制备的石墨烯材料，显得本末倒置。用经典光学系统模拟拓扑费米系统，其实质问题在于光子和费米子的统计行为完全不同。光子系统没有费米面，因此模拟费米面决定的物性常常只是运动方程的相似性演示。关于利用平面光子晶体模拟二维材料拓扑态的研究，基本上不符合科学哲学中的“奥卡姆剃刀”原则。因为这类现象可以有更直观的物理解释：无限大的平面光子晶体有带隙存在，它禁止了频带相同的光在其中传播，而实际有限大的二维光子晶体只有中间部分有明显带隙，边缘上没有，因此与带隙相同频带的光只能在边缘处传播，形成所谓的“拓扑态”。这样的解释比基于有效演生磁场的解释更直接、更简单、更物理。
总而言之，量子模拟无法完全替代科学实验和传统的科学计算。从科学哲学角度看量子模拟也遇到一些根本性的挑战，即模拟结果能否通过双盲检验来提高理论的后验概率。许多泛化的量子模拟只是对已知理论的演示，缺乏真正的新发现，其结果通常是已知的，这使得双盲检验变得困难。库恩（Kuhn）的科学范式理论指出，科学进步往往通过范式的转变实现，而非渐进的积累。目前看来，在现有范式内进行操作的量子模拟很难提供科学研究范式转变所需的突破性证据。其实，基于已被证明的理论精确计算出的现象也无需模拟。某些不太复杂系统的行为可以通过理论计算精确预测，在这种情况下，模拟实验对理论进行验证的意义有限。反而，滥用量子模拟可能带来研究误导性结果，影响科学研究的正确方向。
5 总结
本文把贝叶斯主义作为证伪主义底层逻辑支撑，从渐进可证伪性的角度深入探析实验何以证伪科学理论的哲学内涵。作为贝叶斯主义的特例和推论，波普尔的证伪主义强调科学理论必须能够被经验事实所否定，为科学理论设立了严格的检验标准。一般的贝叶斯主义方法论，更强调更新理论的后验概率，反映了理论与实验之间的互动过程，提供了一种更为渐进和动态发展的科学研究方法。可以说，贝叶斯主义为证伪主义提供了数理逻辑基础，使科学研究得以在证伪与验证的平衡中不断前进。贝叶斯主义不仅补充了证伪主义的不足，还强化了其科学哲学的逻辑框架，为理解科学方法论提供了新的视角。通过概率更新机制，贝叶斯主义能够更细腻地处理理论验证和证伪中的不确定性，提供了一种动态而渐进的科学研究方法。本文涉及物理学中许多具体实例的分析，展示理论与实验如何在实际科研过程中相互作用，推动科学的不断前行，并从科学哲学的高度警示大家理论实验互动中可能出现的问题。强调科学精神和学术操守，才能避免这些问题导致的学术灰色地带。
双盲实验通常被认为具有很强的客观性，但在物理学中却有源自科学哲学的深层次的实现困难。实验设计和数据采纳常常受到理论预期的影响，难以完全消除这种影响。例如，李政道和杨振宁提出的中微子二分量理论对缪子衰变分支比测量的影响，显示了理论预言和前置实验结果如何影响后来的实验数据处理。这种理论对实验的影响，使物理学中双盲实验的实施变得异常复杂，甚至不可行。量子模拟难以证伪的原因也在于其独特的科学哲学的特质，它既不是简单的实验，也不是传统意义下的数值计算，而是一种介于两者之间的方法，旨在通过受控的量子系统模拟复杂的量子现象。然而，这种模拟常常面对理论和实验的双重挑战。由于模拟结果往往已知、依赖既有的部分理论结果，如何确保模拟结果的独立性和真实性成为一大难题。量子模拟的特殊地位和复杂性，使其在科学研究中的证伪性问题尤为突出。
虽然无法完全双盲的实验物理和量子模拟有内禀的不可证伪问题，科学精神却可以在应对这些挑战中发挥至关重要的作用。科学研究不仅需要严格的理论和实验方法，还需要坚守科学精神和学术操守去避免科研滑向灰色地带：在处理实验数据时尽可能采取客观的态度，确保在无法完全双盲的实验中，不能为了实验理论符合人为地“极化”数据——依据理论结果定向选取数据和进行数据massage。科学精神不仅体现在对真理的追求和对数据的尊重上，还包括对理论和实验结果的独立性和透明度的坚持。只有这样，才能有效应对双盲实验和量子模拟的困境。
总的来说，贝叶斯主义和证伪主义的结合，不仅拓展了科学哲学的研究范畴，也为科学实践提供了新的指导原则。在处理理论与实验关系时，科学精神的坚守尤为重要，它是避免科研陷入灰色地带的关键。科学研究的进步，离不开理论和实验的不断互动，更离不开科学精神的引领。通过这种多层次的分析，本文为科学研究方法论的探讨提供了新的思路和视角。
致谢：感谢翟若迅在相关专业方面的学术讨论，也谢谢王川西在文字方面的协助。
孙昌璞 中国科学院院士，发展中国家科学院院士。中国工程物理研究院研究生院创院院长。中国物理学会副理事长，国家自然科学基金委员会监督委员会副主任，中国科学院哲学研究所学术委员会主任。长期从事量子物理、数学物理、量子信息基础理论的研究，其原创性的研究工作有重要国际影响。
来源：科学参考