[reinherd談科學史 part 1] 自然實驗

[reinherd (浣熊提督萊茵哈特)]

最近有一位版友, 在某一篇文章的推文提到一個很有趣的觀念,
"既然不能實驗,那自然沒有定論".
(請大家不要去查是哪一位朋友寫的, 我不是想要針對他,而是
看到這句話, 我知道這是普遍的看法, 至少我也曾經這樣想過.
所以利用這個機會來分享一些我這幾年學到的新知.)

其實, 就算是自然科學領域, 也不是永遠可以執行"可控制變因
實驗". 那歷史上的科學家們, 包含今天很多不同領域的學者們,
要如何在不能做人工可控制變因的實驗下, 製造出一些定論呢?

我想講一個科學史上一個很著名的故事, 來介紹一個觀念"自然
實驗"(Natural experiment). 我最後會附上英文維基百科的介
紹網址. 但是很可惜, 這個觀念/研究工具在中文世界中似乎不
是很多人了解,甚至連中文維基百科頁面都沒有. 所以我還是把
這個故事用我的口吻講一遍.

在1854年, 英國倫敦發生霍亂疫情, 當時的人不知道這個霍亂
疫情怎麼發生要如何控制. 有一個名叫John Snow(約翰 雪諾,
不是那個什麼都不知道的北境之王歐)的醫生, 把當時所有的霍
亂病患的地點標記在地圖上發現一個有趣的地方. 大多數的病患
都是在Broad街的水幫浦附近. 因為當時還沒有自來水, 所以民眾
要去幫浦取水. 而附近區域使用另外一個幫浦,霍亂發病者遠少
於Broad街幫浦附近的區域. 所以John Snow就猜測, 霍亂和這個
幫浦有關, 所以通知市政當局把這個在統計/地理分布上有問題的
幫浦拆掉. 而解除了疫情.

後來事後諸葛發現, 原因是因為這兩個幫浦雖然水源都是泰晤士河.
但是一個在汙染源的上游, 一個在下游, 在下游的把霍亂弧菌的
疫情帶進了倫敦市區. 事後, John Snow認為, 雖然沒有一個人刻
意地做實驗驗證了霍亂的病源可以透過水傳染, 但是自然界好像在
做一個大實驗一樣. 假設霍亂的病原汙染源是透過水傳染, 那控制
組是正常的河水, 實驗組是被汙染的河水, 實驗對象是倫敦居民.
所以這給後來科學家一個很大的啟發, 我們可以用自然實驗的概念
來建立定論.

英文維基百科對於自然實驗法的介紹頁面.
https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_experiment

後來自然實驗這種研究法被廣泛應用在許多很難做實驗的學科上.
例如公共衛生學, 經濟學, 政治學, 生態學以及社會學上面.
其實我第一次聽到自然實驗理論是我一位政治學的博士朋友介紹
給我的, 因為這在美國的社會科學界已經逐漸成為主要的研究法.
透過地圖資訊以及統計分析, 可以用來研究很多社會科學的課題.
因為如板上朋友所說的, 因為不能做實驗,怎麼能建立定論? 過去
的研究法往往只能夠透過推倒推理歸納等方式來論述. 但是現在
可以利用自然實驗法. 甚至, 自然實驗法也被應用在歷史學上面.
例如, 有一本很有趣的歷史書"槍砲細菌與鋼鐵", 書中的作者賈
德戴蒙也應用了自然實驗法, 歐亞大陸的地理軸線和美洲大陸的
地理軸線相互對比, 然後影響歷史發展的軌跡. 而他另外一本書
大災變, 更用類似的方法討論多明尼加共和國以及海地共和國兩
國的歷史發展怎麼導致完全不一樣的現況.

最近賈德戴蒙也寫了一本書:"歷史的自然實驗"
https://www.amazon.com/Natural-Experiments-History-Jared-Diamond/dp/0674060199
我強烈推薦對歷史有興趣,又對傳統上的推論感到無法滿足，想要
嘗試接觸新的研究法的朋友一讀．

大家可以嘗試用自然實驗法來研究一些自己對於歷史發展的定見看看．
例如說，工業革命為什麼會發生？
如果有一個假說是，科學進步是直接因，工業革命是必然果．
那實驗驗證應該是這樣，如果該假說正確那因該要有以下發現（實驗結果）：
１．只有發生科學的國家發生了工業革命
２．所有發生科學的國家都發生科學革命

然後我們回頭蒐集史料來驗證看看自己的假說對不對．

那自然實驗法有沒有缺點．有，缺點是往往只能找到相關性(association).
很難找到絕對的因果，例如１９世紀的倫敦霍亂事件，雪諾醫生用自然實驗
法雖然找到了幫浦，證明幫浦和霍亂發病有關連性．但是因果未知．一直到
後來發現霍亂弧菌，發現霍亂弧菌可以透過水／攝食傳染．才完整解釋了當
時雪諾的發現．但是不管怎麼說，這比推演構築理論好多了．因為至少產生
一個雖然不能做實驗但是還是可以驗證理論的工具．而驗證是一個關鍵．因
為當驗證可行，那很多過去被認為不是科學的學門可能會在一瞬間被認為是
科學，我猜測過一段時間後，自然實驗會成為社會學科（包含歷史）的一個
重要工具．雖然目前還沒有成為主流．

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夫英雄者
        胸懷大志
                腹有良策

                             有包藏宇宙之心, 吞吐天地之志

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→ innominate: 你不移掉幫浦，哪永遠是推論
→ innominate: 是因為移掉幫浦解除疫情，之後的東西才成立
→ innominate: 而且充分條件跟必要條件不同
→ innominate: 你自己做科學的不會不知道這個
→ innominate: 比如說：科學是產生工業革命的條件「之一」
→ innominate: 這個「之一」你就不能單獨的用你說的方式論證
推 moslaa: 寫很好，但我也是同上面疑問。
→ innominate: 我們在實務上解bug，也是有推論後改code
→ innominate: 但改完code，你沒有test，永遠不能說你真的解掉
→ innominate: 連因果這麼強相關的程式代碼都這樣了
*[1;31m→ *[33minnominate*[m*[33m: 更不要說歷史了
我只能說天底下沒有最好的工具,只有較好的工具. 有工具至少可以
對自己的理論作修正了. 生物學也是很多多變因的現象, 其實可控制
實驗也很難做,例如我們不知道有多少種免疫細胞會抑制癌症.我們猜
測可能有非常多種,但是我們目前想要研究T 細胞,在T細胞下手,我們
往往不能看到我們想要的結論,但是我們可以透過修正模型,修正我們
的論述以及數據收集的方式來盡可能地驗證假說.這也就是為什麼科
學實驗這麼難做, 乍看之下很簡單,但是其實每一步都需要複雜的修
正和調整. 同理, 自然實驗法也不是完美的工具, 但是可以嘗試用這
個來做驗證. 這也就是為什麼目前自然實驗法常常是跟量化模型大數
據一起使用. 嘗試來做多變因複雜系統.

還有, 很多人會誤以為科學是能夠發現真理. 其實非也. 我們做的也
只是觀察, 建立推論, 然後用我們手上最好的工具來驗證推論. 但是
問題來了, 連我們最好的驗證工具都很難說我們是真理, 那其他方法
恐怕離真理更為遙遠. 就像槍砲細菌與鋼鐵這本書提出的人類歷史解
釋, 的確我也不認為這是真理 但是可能是我們目前最接近的狀況.
推 JustSad: 推文理由同七樓，納悶理由同一樓。
最後我想說, 其實科學界的定論往往也只是現在實驗工具/模型的最佳解.
但是如果自然科學可以用實驗/自然實驗等模型找到最佳解. 那其實我們
也可以用這辦法來找我們能找到的最佳解.

我覺得我可能沒有講清楚, 我個人是認為自然實驗最好的用途是找到最
直接的關聯性(association)而不是因果.例如我之前嘗試用自然實驗來
看工業革命.我的結論是,英法在工業革命發生前後都有出現科學革命,
但是英國的工業革命遠早於法國,代表工業革命的出現有一個英國特有
法國沒有的非科學因素.所以工業革命發生最直接的關聯性可能不是科學.
→ innominate: 我的推論是「科學」是工業革命的要素之一
→ innominate: 所以你說的「非科學因素」我認為沒錯
→ innominate: 但不能說「科學」跟工業革命無關
但是我們可以用這去找最直接關係, 因為科學發現可以使用引進模式.
但是非科學要素不一定容易引進. 這也就是為何從18世紀以來,嘗試工
業化現代化國家者眾, 成功者少的原因. 這回到的問題是, 這個假設
原始上想要解決的問題是什麼? 我也沒有說科學無關阿. 如果要證明
科學無關需要另外一個命題以及另外一組自然實驗.

該實驗可能要這樣設計, 若要證明科學與工業革命無關
必須要找到工業革命發生,但是還沒有引進或是自行發展科學革命的案例.
(其實要找還真的有一個打擦邊球的案例, 威尼斯造船廠在中世紀就有大規模
流水線工業生產體系. 只是大多數史家不把這當作工業革命就是了)
→ innominate: 再比如說，我認為西哲的知識論跟方法論
→ innominate: 是形成現今科學的原因「之一」
→ innominate: 你要找出反論，那就要找出一個完全不用這套
→ innominate: 知識方法論的國家，並且他發展出科學
其實這要回到原始定義"科學",因為如果只是預測解釋自然現象.
那其實還真的不少文明獨自發展出科學.例如伊斯蘭世界的科學
印地安文明(印加 瑪雅)的科學, 中原漢文化發展出來的科學,以
及上古印度發展出來的科學.尤其是今天歐美科學史學家常常使用
的指標之一:天文曆法.

→ innominate: 如果你要找「相關性」，哪要跑迴歸了
→ innominate: 但跑迴歸不是用一兩個數據就行
→ innominate: 而這個命題能不能有足夠的數據跑迴歸？
→ innominate: 我說的是「現今」的科學
→ innominate: 請看清楚我的推文....
→ innominate: 我相信你現在也不是用瑪雅科學那套在做研究
→ innominate: 「災異譴告說」也是一種解釋自然的方法
→ innominate: 但現在有誰信這套？ 唔，也不是沒有...
→ innominate: 總是有人會把自然災害的發生怪到某人帶屎
→ innominate: 但我相信你不會信這套
我們今天使用的科學法主要是在19世紀末期建立出來的沒有錯. 但是這有一個很妙
的論點. 史實是, 今天的科學產生時, 同時間西方國家出現一些所謂的"知識論".
那命題變成, 我們怎麼知道這些知識論必然是科學出現因. 如果我們要找反證的話
目前我還真的找不到. 但是, 這很類似另外一個命題, 今天已知的文明都是人類建
立的, 但是這不代表只有人類有可能建立文明.反之, 我們也很難說一定是要先有
西哲才能發生現代科學. 只能說現代科學是誕生於有西哲出現的西方文明.

→ innominate: 是的，所以我才說這「沒有定論」
我認為我們已經從上述的討論中得到一些定論了, 例如工業革命的出現必然有非
科學的重要因素.

因為小弟我是生物學背景, 生物學的複雜度不會小於歷史或是社會科學.
只是好處是我們有一些可以操作的"模型物種"(model organism).
但是生物學我們也不會說完全沒有定論 ^^ 這種狀況不只是生物學,還包含
其他難以做實驗的自然科學領域/社會科學領域.例如大氣科學的二氧化碳
在大氣層濃度增加導致溫室效應, 的確很難做一個全球的實驗來驗證.但是
目前科學界仍然是普遍接受這種說法不是嗎 因為用其他非實驗科學的模型
而自然實驗也提共一個可以使用的模型 ^^
※ 編輯: reinherd (45.37.106.33), 07/07/2018 11:55:19
→ innominate: 你自己也知道模型始終是模型，模型會修正
→ innominate: 你可以提模型，但不要說你的模型是「定論」
→ innominate: 而社會科學跟自然科學還是有差距的
→ innominate: 因為拿「人類」來實驗產生模型在現在的倫理
→ innominate: 上是有相當難度的
推 amyvivian: ？醫院在做的不算是人類實驗嗎？
→ innominate: 醫院的人體實驗也不是毫無限制的
推 leptoneta: 人體實驗的規範是非常嚴苛的 所以往往只能用其他物種或
→ leptoneta: 利用流行病學的統計來推論 只要故事說得好就是主流說法
→ amyvivian: 有規範，但是並不是不能做啊。
→ innominate: 既然嚴苛，就代表很多實驗是不能做的
→ innominate: 比如說複製一百個人然後用不同的方式教育
→ innominate: 在基因相同下調整各種變量，現在不能做
推 ChoshuArmy: good
推 leptoneta: 最基本的 藥品半數致死劑量 誰敢拿人來做?
→ amyvivian: 我是不太了解前面整句話，什麼是產生模型？需要產生什
→ amyvivian: 麼模型？
→ amyvivian: 不是要問哪些實驗能做哪些不能做。
推 duriamon: 通常數學家或科學家為了描述一個現象或是簡化並模擬以方
→ duriamon: 便研究這個現象，會選擇建立一個能被數學公式化或是基於
→ duriamon: 某些假設前提而簡化以用來類比真實現象類的研究平台，這
→ duriamon: 種我們稱作模型或模式（英文為model）。
推 duriamon: 建立或使用model雖然可以加速研究跟拆解現象的成因，但
→ duriamon: 是由於model是基於“已觀察到的現象”為根基，如果該現
→ duriamon: 象有其他“隱形成因或變數”未在建立model時被納入就會
→ duriamon: 因“錯誤的假設”和“錯誤的實驗設計”而得到“錯誤的結
→ duriamon: 果和結論”。
推 amyvivian: 模型是經由實驗產生，還是實驗是基於模型？
推 F04E: You know nothing. (誤
→ duriamon: 通常要先觀察到現象或是有前人研究所蒐集累積的知識背景
→ duriamon: 才能建立model，在沒有累積知識的情況下建立的model很多
→ duriamon: 都錯誤百出。所以為什麼哥白尼、伽利略、克浦勒等人對牛
→ duriamon: 頓很重要，因為沒有這些前人觀測和研究，牛頓對自然現象
→ duriamon: 建立的model有很高的機率是錯的或是會有很大的偏差。
→ amyvivian: 抱歉，我是很無知……以前沒學好，只好問了
推 duriamon: 沒關係，這些都是良性討論值得鼓勵。有知識的人願意分享
→ duriamon: 提升大家的見聞，可以減少很多誤解跟滿足大家對知的慾望
→ duriamon: 。我自己也常在這個版學到很多東西。
推 duriamon: 剛剛突然想到以牛頓當做model的例子真的是非常妙！牛頓
→ duriamon: 雖然應用前人所累積的知識建立了一個不錯的model。但卻
→ duriamon: 因為有許多的隱形變數不知道而未被納入，所以日後被愛因
→ duriamon: 斯坦所建立的model部分摧毀。
→ amyvivian: 還是不了解，用人類做實驗，與建立模型的關係是什麼。
→ yuriaki: 模型是根據觀察(實驗)結果建立的一套理論假說 還需要更多
→ yuriaki: 實驗來驗證
→ yuriaki: 牛頓的運動公式就是一種模型 解釋質量與速度與力的關係
→ yuriaki: 經過幾百年驗證沒被攻破而被認定為公式 上個世紀才被找到
→ yuriaki: 它不充分之處
→ yuriaki: 勘誤： 公式→定律
推 leptoneta: 簡化的講 因為用A做很困難 所以用簡單的B來做 然後想辦
→ leptoneta: 法說服別人B和A一樣
推 duriamon: 不能直接用人類做實驗是基於道德問題。所以科學家或醫生
→ duriamon: 用其他實驗動物（老鼠、兔子、天竺鼠、貓、狗、豬及猿猴
→ duriamon: 等）來作為模擬人類的model。用這些model來研究疾病的致
→ duriamon: 病原因、藥物研究等，當然因為不是直接用人類所以實驗結
→ duriamon: 果套用在人身上就會有偏差。畢竟能像731部隊那樣直接拿
→ duriamon: 人做研究的事情，現代是不允許的。
→ yuriaki: 最後階段還是會人體實驗的
→ yuriaki: 現代的道德限制要通過實驗動物確保一定程度可信賴的安全
→ yuriaki: 可靠性 但最後還是要靠自願簽約參加實驗的人體驗證
推 duriamon: 很多實驗是不可能被允許做人體實驗的，例如毒物學研究。
推 godivan: 簡單來說就是例如說白老鼠等實驗，雖然說基因跟人類很類
→ godivan: 似。但中間的查差異事實上在動物上得到的實驗結果不一定
→ godivan: 能套用在人類上
→ amyvivian: 哦，所以模型是一個研究平台(有限制的、簡化的，來自
推 godivan: 然后人體試驗不一定所有東西都可以做。要說服人動物試驗
→ godivan: 結果要套用在人身上
→ amyvivian: 於假設、實驗設計)，可以從中得到一些結果和理論，但是
→ amyvivian: 這些結果和理論是否能套用在模型外，是因為有某些理由
→ amyvivian: 去相信模型很接近真實。不管是隨機挑選，或者複製一百
→ amyvivian: 個人類，或者一個類似的哺乳動物，只要有理由相信可以
→ amyvivian: 接近真實，都可以是建立模型的手段。
→ godivan: 前面就說過藥物的半數致死量不可能做人體實驗
→ amyvivian: 抱歉打斷你的話
→ amyvivian: 731也是建立在，相信用中國平民建立的模型，可以套用在
→ amyvivian: 其他人類的想法上。但是也有可能結果並不相近。
→ godivan: 所以，因為有「中間差異」，所以要說服人如何能套用
→ godivan: 前面講的半數致死量就是很好例子
→ godivan: 從動物身上得出結果要怎麼套用在人身上就是研究者要怎麼
→ godivan: 圓過去
→ amyvivian: 嗯，但是可以說服，也並不代表永遠都是真的。只是目前
→ amyvivian: 認為可以相信這樣。
推 godivan: 除非哪天可以讓死者復活再說惹
推 duriamon: 沒什麼圓不圓，講圓不圓也許代表你認為這些研究不可信。
→ duriamon: 但對於真的從事研究的科學家和醫生來說這是現有規則下能
→ duriamon: 取得的“最佳解”。
→ godivan: 不然現在的「人體試驗」也只能作安全部份，危害生命的做
→ godivan: 下去是準備被告到脫褲子
推 duriamon: 人類的知識累積本來就是如此，在19世紀快結束時有多數科
→ duriamon: 學家認為人類用科學和哲學方法已經攻克了大自然規則的主
→ duriamon: 體，剩下的只是細部修正。那知X光的發現和黑體輻射研究
→ duriamon: 會產生那麼巨大的破壞性創新，古典物理的崩解和現代物理
→ duriamon: 對所有自然規則知識的修正，也不過發生在這短短的一百年
→ duriamon: （1900-2000）。
推 yuriaki: 科學精神的重要因素之一就是願意承認過去認知有錯誤 建立
→ yuriaki: 模型/理論不是因為它正確 而是願意從不完美的模型理論開
→ yuriaki: 始逐步修正追求真實
推 duriamon: 但很不幸的探討這些寶貴成果的方法和結果對這個世界上的
→ duriamon: 多數人其實不接受或不知道，舉例來說多數人會抱怨基地台
→ duriamon: 散發電磁波對身體不好，但是當你跟他們說太陽光也是電磁
→ duriamon: 波，能量還比較強時許多人是不能接受的。更甚者這些方法
→ duriamon: 和結果被有心人作為鬥爭工具應用於兩次世界大戰（例如武
→ duriamon: 器的光學瞄具和原子彈）。
推 duriamon: 所以我才會說縱使我們現代人認為有了科學和哲學生活變得
→ duriamon: 更好，但追根究底人類根基於本性所創造的社會還是沒有太
→ duriamon: 大改變，自科學跟哲學被提倡到現在的人類歷史還是不斷循
→ duriamon: 環。對多數人來說科學和哲學跟人類過往所發展的技術和工
→ duriamon: 具差異並不大，多數人日常生活並不會套用科學和哲學。
→ verdandy: 多數人日常是靠"感覺"。農藥殘留超過1ppm好可怕 <->蟑螂
→ verdandy: 出現了，必X住趕快噴到死