高善文：光线是可以弯曲的 1

文/高善文

一、非洲蚂蚁如何找到自己的家？

在许多年以前，生物学家很热衷于使用进化理论来研究生物的行为。在这种研究的过程中，他们发现非洲沙漠里有一种蚂蚁，这种蚂蚁找回自己巢穴的行为非常奇怪。

当时人们已经知道，在正常的条件下，蚂蚁要找回自己的巢穴，主要的办法是在它们离开巢穴的时候，沿途留下很多气味。这样，等到蚂蚁要回家的时候就会循着气味返回，因为蚂蚁是没有视觉的。知道这样一个原因的方法是很简单的：在蚂蚁经过的沿途放几个樟脑球。一般的话，蚂蚁就会迷路。

但是，科学家发现非洲沙漠里的这种蚂蚁，实际上不是依靠气味来识别路途的。所以，在很长的时间里，大家对这种蚂蚁如何找回自己的巢穴非常感兴趣。

当时，为了解释这种蚂蚁是如何找回家的，出现了很多竞争性的理论。其中一种理论认为，在这种蚂蚁体内有一种计步器。当蚂蚁离开自己巢穴的时候，它的计步器就开始工作，统计蚂蚁的步数。当蚂蚁找回家的时候，计步器可以反向工作。当计步器清零，蚂蚁就知道已经到家了。

从研究的角度，我们把这个案例总结为两点：

我们看到研究的第一步是观察现象、提出问题。我们观察到的现象就是蚂蚁回家，提出的问题就是这种蚂蚁回家很奇怪，那么它是如何回家的呢？

第二步就是提出理论、做出猜想。为了解释所面对的现象，我们要提出一个假说，提出一个理论。这个理论在逻辑上要能够自圆其说，要能够解释所面对的现象，这是研究的第二步。

但是在那以后的几十年间，人们不知道这个假说是不是对的（在本例中就是蚂蚁体内有计步器的假说）。

我曾经问过很多面试的学生和实习生，如果现在把这样一个假说抛给你，要试图知道这个假说是不是对的，怎么办呢？

不少学生的第一直觉是把蚂蚁解剖一下，然后用显微镜，用生物学的方法来寻找计步器在哪里。其实稍微简单地想想就可以知道，这种办法在操作上是非常困难的，是几乎不太可能成功的。

因为计步器作为一种假说，很难跟具体的生物器官对应起来。即便能够对应起来，这种器官的运作在解剖学的意义上也是很难理解的。所以，在很长的时间里，人们始终不知道这种假说是不是对的，它毫无疑问是一种引人注意的、很有趣的假说。

前几年，学术杂志发表了一篇生物学论文，这篇论文就试图回答这样一个问题，就是这种计步器的假说是否正确。

它是如何回答这个问题的呢？以现在的眼光看，办法很简单，但是在很长的一段时间里人们都不知道这些办法。

它的办法是把这些蚂蚁捉来，分成两组。把第一组蚂蚁的腿截断一半，把第二组蚂蚁的腿延长一倍（像踩高跷一样）。这些是在蚂蚁离开家以后非常快速地完成的。

如果计步器假说是正确的，从这个假说出发得到的预测是，腿被截掉一半的蚂蚁在往回走的路上，在路途一半的时候就会开始表现出找家的行为，主要表现就是开始团团转；而腿被延长的蚂蚁会跨过自己的巢穴，继续向前走可以计算的距离，然后才表现出找家的行为。

从计步器假说出发，理论上可以作出这样的预测。所以接下来的问题就是用实验证据的方法来看看这个预测是不是正确的。

这篇论文能够在学术杂志上发表，很重要的原因就是这个假说居然是正确的。蚂蚁找家行为的表现与这一理论的预测是一模一样的。

在这里，我们看到了研究的第三步和第四步。

如果说研究的第一步是观察现象、提出问题，第二步是提出假说、提出理论，那么研究的第三步就是从假说和理论出发，从其内在的逻辑出发，去作出一系列的预测。这一系列的预测本身是基于理论的内在逻辑推演出来的。

由理论所推导出来的预测必须是明确的、可以观察的和排他性的。显然，蚂蚁腿的长度被控制以后，其找家行为的变化是明确的和可以观察的。同时，这一预测只有计步器理论可以作出，其他竞争性理论是无法作出的。在此意义上，这一预测是排他性的。

研究的第四步就是系统性地搜集经验、事实和证据，并把这些经验、事实和证据同理论的预测相对照。

如果理论的所有预测都能够和经验事实一致起来，那么我们就接受这个理论；如果理论的预测和经验事实不一致，那么我们就推翻这个理论，去寻求一个新的理论。

这就是我们迄今所知道的所有科学研究的四个步骤。这四个步骤是缺一不可的，关于它们的重要性，我们再举另一个例子。

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