本文作者：小红猪小分队

有人说，像原子级别的粒子是真实存在的实体，我们应该接受这一点。另一些人则激烈反对。其实，存在一种解决分歧的方法。

我们是否曾忍不住怀疑着，像电子、黑洞、希格斯粒子之类的实体真的存在吗。作为一个化学家，我为我研究的领域中，什么是真实可靠的东西而担忧。到底是“化学实体”，还是能大致解释元素周期表的“化学理论”和量子力学？我关心这点的另一个原因是，这一切都直指一个古老而重要但未解决的争论——如何看待科学发现。

这场争论有两个主要阵营：科学实在论和反实在论。前者认为，既然科学已经通过激发出电子之类的实体取得了巨大成就，那么我们下一步该做的就是接受它们确实存在的事实，由科学描绘的世界就是“实在的”世界。我们现在拥有的理论体系是很成功的，不可能只是巧合。不知不觉中我们已经掌握了宇宙的蓝图。
这个说法不符合有些人的口味。反实在论者承认科学带来的成就，但仅此而已，拒绝进一步相信他们不能真正看见的物体的物质性。反科学实在论者基本上以如下方式表达他们相反的观点：过去有过那么多理论和理论上的实体（还记得以太和燃素吗），为什么我们要把它们任何一个看作“实在”？很难说每个阵营有多少科学家——再说，你也可能对一些理论持实在论，但对更抽象的一些理论持反实在论，比如量子力学。

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反实在论者还表示，他们的认知方法使他们在发现一个特定的实体或理论变得多余的时候更容易接受改变。他们称，不对某个理论投入信念使他们更容易转向接替的新理论 。

实在论者觉得这样的方法定性是漫不经心的，甚至是危险的。科学随着探索世界的真相的深入而进步，如果接连不断地有新理论取代旧理论，那真是奇迹般的进展。这里的担忧是，反实在论可能会让人以为所有的理论都是相对的，这会威胁到对科学进步的观念。你可能会认为这只是“科学哲学家”（研究科学的哲学家）讨论的题目，但是科学家怎样展现自己，以及其他大众怎样看待科学的状态确实是非常重要的。

有没有什么办法打破这个僵局？伦敦经济学院的科学哲学家约翰·沃勒尔在1989年发表了论文《结构实在论：对两个世界都是最佳？》，刊登在期刊《辩证法》上。其中，他概述了结构实在论，并将这种方法追溯到法国数学家亨利·庞加莱等人。在沃勒尔看来，在科学理论变化时，存活下来的东西与其说是内容（实体），不如说是内在的数学结构（形式）。

沃勒尔以19世纪的光学理论为例支持这个观点：1812年，法国工程师奥古斯丁·让·菲涅耳发展了一个描述光性质的理论，它成功地预测了一些现象。菲涅耳确信光波是种存在于无处不在的力学介质中的扰动。但是，这个理论被约翰·克拉克·麦克斯韦的电磁辐射理论赶超，后者认为光是种在电磁场中的扰动。

虽然有这样的失败，沃勒尔和其他一些人认为，菲涅耳对光的“结构”的看法是正确的，如果说“实体”错误的话。因为他的一些等式能被麦克斯韦的理论包含进去，而且在麦氏理论下光的行为模式也遵守菲涅耳的理论中类似的定律。

布里斯托尔大学的哲学家詹姆斯·雷迪曼和物理哲学家利兹大学的史蒂文·弗伦奇、牛津大学的西蒙·桑德斯支持沃勒尔。在他们那里，他们拓展了结构实在论，解释经典物理到相对论的转变，和经典力学到量子力学的转变。粒子不是最终的实体，这个想法并不完全是新的，但一些批评家暗示，弦理论中量子弦的理论化只是用一种实体代替另一种而已。结构实在论去除了对“实体”任何形式的注意而走得更远。

接下来在2007年，雷迪曼和他人出版了一本煽动性的书，叫做《放弃一切》。他们在书中提出要放弃基于诸如粒子的“物体”的科学本体论，而只关注于基础的数学结构。

公平而言，若要说结构实在论提供了严肃的前进方法，它得在其他科学领域也有效才行。所以我一直致力于将它应用在元素周期表上。这张元素构成的表是对所有化学元素以及一些情况下由它们组成的化合物的行为特性进行分类的系统。表上的元素按照原子序数（即质子数）递增顺序排列，在有规律但不同的间隔（2,8,18,32,32，等等）后，元素的性质表现出近似的重复性。

在1869年德米特里·门捷列夫发表他的元素周期表时，没人知道原子的基础构造，也不知道原子含有质子、电子和中子。帮助解释周期表机制的知识，是量子理论的产物，后者由尼尔斯·玻尔，沃尔夫冈·泡利和埃尔文·薛定谔在20世纪20年代提出。

大致而言，电子在量子壳中出现。外层壳中的电子数掌握一个元素的化学性质，也决定了它会掉到元素周期表的哪一列。一开始，阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论对化学几乎没什么影响，但现在，化学家已经几乎离不开它，尤其是在对原子和分子各种属性的理论计算时。比如，相对论已被用来解释为什么金有独特的黄色，而不像它周围的其它元素。而且，化学领域应用相对论和量子力学预言了很多化合物，包括新的富勒烯分子WAu12，其中含有钨。

保留下来并且很可能继续保留下去的，是在周期表中体现出的元素间的关系。这完全是化学的结构，或者说建构原则，而不是它的内容。但是这个结构是数学的吗？这点怎么看都还不明确，学界现在正用群论研究周期表中的数学，以此确定这一点。我猜想结果可能是这样，值得留意一下。

再看现代生物学，结构实在论是否有一席之地？在一些层面上，它和化学的发展轨迹相似。查尔斯·达尔文在1859年发表基于自然选择的进化论时，这个理论缺乏实施选择的物理机制。这点最后由DNA的发现所补充，就像电子在化学里一样。

但是DNA只能走到这里，要更深入的话我们要采取一个数学的途径。DNA根据碱基A,T,G,C的顺序决定基因编码。这就变成了数学组合的问题。而这些个计算问题令20世纪90年代进行的人类基因组计划得以结题，现在又轮到了基因组学。

沃勒尔的结构实在论正处于正轨，不仅对物理学行得通，也可以解释化学和生物学。如果我是对的，他和他的同僚应该得到赞誉，因为他们为这场旷日持久的、针对最最基本问题的苦战提供了一条解决方案。

关于本文

Eric Scerri，加州大学洛杉矶分校化学、科学史和科学哲学讲师。他出版了很多有关元素周期表的著作，包括《元素周期表的非常简短的介绍》（牛津大学出版社）。最近一场有关结构实在论的讲演将在不久后发布于www.ericscerri.com。