一场关于物理学本质的争论

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09-12 09:52 中科院物理所 (cas-iop) 学术

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为了统一广义相对论和量子力学而建立的弦理论,与其说是能被证实或证伪的理论,不如说更接近"一个笼统的数学框架"。不管是振动着的超弦,折叠的多维时空,还是理论的其他部分,所有的这些都不可能通过实验的方法来证实或证伪。那么问题来了,无法通过实验验证的理论,还能叫做科学吗?


撰文 马西莫·皮柳奇(Massimo Pigliucci)

翻译 叶宣伽

审校 丁家琦


本文作者 马西莫·皮柳奇是纽约市立大学雷曼学院哲学院教授,撰有《亚里士多德的答案:科学和哲学何以让我们的生活更有意义》一书。


数十年前,最具影响力的科学哲学家之一卡尔·波普尔(Karl Popper)陈述了这样一个结论:广义相对论是可靠的科学,而弗洛伊德的精神分析是伪科学。波普尔对于如何划分科学与非科学(non-science),尤其科学和伪科学(pseudoscience)之间界限的问题怀有极大的兴趣,他将这个问题称为"分界问题"(demarcation problem)。经过长时间的痛苦思考,波普尔得出了一个简单的区分"科学"与"非科学"的评判标准:可证伪性(falsifiability)。即如果某一观念可以--至少从原则上可以--被证明是错误的,那么我们就可以说这个观念是科学的,即使这个观念最后被发现真的是错误的


1919年的日全食在全世界的见证下证明了爱因斯坦理论的正确性,也深深地影响了波普尔,他认为,爱因斯坦的理论就是"好的科学"(good science)的典范。下文是他在《猜想与反驳》 (Conjectures and Refutations, 1963)一书中的节选,他以爱因斯坦的广义相对论和弗洛伊德、阿德勒(个体心理学派创始人)的理论为例,说明了科学与伪科学的区别:


我们可以清楚地看到,爱因斯坦的理论符合可证伪性的判断标准。即使我们现有的测量手段无法让我们确定它得出的结论是正确还是错误,但至少它的结论存在被否定的可能性。


而弗洛伊德和阿德勒的精神分析理论则不一样:它们无法检验,也无法被证伪--没有任何一种可设想的人类行为可以反驳它们,证明它们是错误的。就我个人而言,我不否认他们的部分理论可能很重要,也不否认这些理论有一天也许能够在心理学这门实验科学中起到一些作用。但也止步于此,我不认为这些分析学家们以"临床观察"为依据得出的理论,能比占星学家们每天占卜得到的结论有什么更高明的地方。


然而,后来人们发现,波普尔所高度赞扬的1919年验证广义相对论的日全食实验,其过程很可能没有他想象的那么无懈可击。有学者在回顾历史长河,探究当时的细节时,发觉爱因斯坦理论的早期构想中其实存在一个计算错误--这个计算错误,使得该理论预言的光受大质量物体(比如太阳)作用而弯曲的角度比真实值多出了一倍,而科学家们在日全食中测量并引为理论证明依据的物理量,正是光的弯曲度。所以,如果日全食实验在1914年进行(它原本计划就是在这一年进行的,只是被一战耽搁了),爱因斯坦当时的理论就会被证明是错误的。不仅如此,在爱因斯坦已经修正了计算错误,提出了最终版的广义相对论之后,1919年的日全食实验其实也包含着相当大的误差。为了得到最理想的验证实验数据,当时主持实验的首席天文学家之一--亚瑟·爱丁顿爵士(Arthur Eddington),很可能人为挑选了采集到的实验结果。这个故事告诉我们,科学和生活一样复杂,完美的"干净结果"是可遇不可求的。


关于波普尔的理论我们就讲到这里,但是读者们不禁会问,无论波普尔多么声名卓著,他提出这一理论毕竟也是上个世纪初的事情了,那为什么直到今天,他的理论还吸引了这么多关注呢?这就不得不提到另一个概念:弦理论(string theory)了。这个名词或许对你来说并不陌生,近几十年来,基础物理学家们一直围绕着"弦理论"团团转,将它视为解释自然界所有物质及其相互作用的终极理论--也即诺奖获得者史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)口中的"万有理论"(a theory of everything)的候选。显然,"万有理论"这个名词不能单纯从字面上去理解,而且严格来说,"弦理论"甚至还不能算作是一门"理论"--如果我们将"理论"这个词定义为一套成熟的概念体系(译者注:此指经过验证的、合乎逻辑的推论性总结),比如进化论和大陆漂移学说这类的话。事实上,目前而言,弦理论与其说是理论,不如说更接近"一个笼统的数学框架",这是我们现有的、已知的、从数学的角度来说最复杂的一个框架,其目的是为了解决近代物理学的根本问题:如何统一广义相对论和量子力学。广义相对论和量子力学都是非常成功的科学理论,但是当它们解决一些特定条件下的物理问题--比如黑洞或奇点(宇宙大爆炸之前的宇宙起源点)--时,彼此间就会产生尖锐的冲突。



小词典

奇点(singularity),也称引力奇异点(Gravitational singularity)或时空奇异点(spacetime singularity),是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点。

黑洞(black hole)是广义相对论所预言的一种天体,其引力极大,以至于任何落入其附近的物质都无法逃脱,包括光也不例外。按照爱因斯坦的广义相对论,落入黑洞的物质只会一直不停地下落,但根据量子力学,落入黑洞的物体会在黑洞视界处遇到一个由高能粒子构成的、致命的火墙。因此,黑洞就成为了广义相对论与量子力学的冲突现场。




图解弦理论与其他物理学理论的关系。图片来源:译者


物理学家们已经达成了共识:既然广义相对论和量子力学两者之间存在不可调和的矛盾,那么一定至少有一者是错误或不完善的。他们找到的解决问题的方法之一就是弦理论:它把两者都划归到一个更大的理论框架之下(看上图)。


这是个美好的构想,只有一个问题:一些基础物理学家们信誓旦旦地声称弦理论不仅是项颇有前景的科学理论,甚至还可能是唯一的真理;另一些科学家们却对此嗤之以鼻,他们认为"弦理论"根本不能算是科学。他们的论据也非常充分:弦理论和任何实验性的证据都毫无交集--不管是振动着的超弦,折叠的多维时空,还是理论的其他部分--所有的这些都不可能通过实验的方法来验证。弦理论就像是数学领域中的形而上学,而科学家们从来不会给冠以"形而上学"的东西好脸色看。只是出人意料地,越来越多的公众言论和刻薄的诽谤都仅指向一位哲学家--卡尔·波普尔,这究竟是怎么一回事呢?


去年,我恰好有幸现场目击了一场这样的讨论会。当时我被邀请到慕尼黑去参加一次基础物理的研讨会,会议的具体讨论内容就是"弦理论论战"。会议的组织者,斯德哥尔摩大学的理查德·戴维(Richard Dawid),是一名有着深厚理论物理背景的科学哲学家,也是理论派认识论的拥护者。他肯定了弦物理学家们的努力,也试图为"弦理论"辩护:弦理论并不只是脱离真实科学的华丽数学模型。而我在这场会议中的任务,就是保证每一位与会者(一半是哲学家,另一半是科学家,其中还有一位诺贝尔奖获得者)都能完全明白科学哲学入门课程的内容:波普尔到底说了些什么,以及他为什么这么说--既然这群参会的物理学家里有不少人正是利用波普尔的证伪论否定弦理论的科学性,而另一部分物理学家对此不屑一顾,有必要让他们知道波普尔的理论究竟是怎样的。


其实,早在会议开始前的一个月,正反两方的主力科学家们就都已使尽浑身解数,发动了铺天盖地的舆论攻势,有人在严肃的《自然》(Nature)杂志上发表文章宣言,也有人在接地气的Twitter上抒发观点,都想打赢这场近代物理核心的攻防保卫战。为了让大家感受一下当时的氛围,我节选了其中的几段交锋。"最让我恐慌的是,若不能通过实验检验的理论可以成为科学,那么科学和装神弄鬼的废话,或者科幻小说也就没了区别。"这话来源于宇宙学家乔治·埃利斯(George Ellis),显然他在批评弦理论派;紧随其后的是瑞典物理学家霍森菲尔德 (Sabine Hossenfelder),他说:"'无需实验证明的科学',这个名词本身就是自相矛盾的。"而哈佛大学教授皮特·盖里森(Peter Galison)则一针见血地指出双方争论的核心:"这是一场有关物理学本质的争论。"而在另一阵地,支持弦理论的一派也不甘示弱,宇宙学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)就在他的推特上写道:"我们不可能提前预知什么样的理论可以正确描述世界。"紧接着,他又写道:"只有缺乏哲学素养的科学家才会把可证伪性奉若圣经。"由于篇幅限制,我只能再摘录一位科学家的精彩回击了--斯坦福大学的理论物理学家伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)竟发明了一个新词"Popperazzi"来讽刺扯着波普尔虎皮的科学家们("Popperazzi"可译为"波普尔的跟屁虫","azzi"或"razzi"为表示"跟踪者"的词缀),依他来看,那些人都把科学想得太简单了。


这场直率而又硝烟味十足的公开论战并不奇怪,它完全反映了当今享誉学界的科学家对于哲学的态度:有的人试图使用一些哲学概念,有的人则简单地摒弃一切哲学思考,而不管是前者还是后者,其实都没有真正地搞清楚这些哲学观念。在弦理论战争中,他们对波普尔的科学哲学和它在"分界问题"上的应用只是一知半解罢了。现今相当一部分科学家(尤其是物理学家)不怎么看得起哲学这门学科,对于我这个在中年危机后"半路出家"为哲学家的"前科学家"而言,这是件非常讽刺的事情。早在几年前,斯蒂芬·霍金就宣称哲学已死,物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)则嘲讽哲学会让他想起上世纪美国喜剧演员伍迪·艾伦(Woody Allen)的黑色幽默:"那些干不了大事的人,就跑去教书;那些教不了书的人,就去教体育。"科普工作者尼尔·德葛拉斯·泰森(Neil deGrasse Tyson)和比尔·奈(Bill Nye)也双双对哲学提出质疑,他们认为年轻人大学选择哲学这个专业是在浪费宝贵的青春。


这场辩论,决定了大众对于物理学的认识


幸运的是,这种看法直到新近才出现,而且抱有这种想法的物理学家只是少数。与上文中现代物理学家们对哲学的傲慢态度形成鲜明对比的,是1944年爱因斯坦在写给他朋友罗伯特·索顿(Robert Thorton)的信中关于同一话题的态度:"我非常同意你的看法,科学的方法论、科学史和科学的哲学思维都是极具意义和教育价值的。如今太多人--甚至包括不少专业的科学家--都只见树木,不见森林,只看得见局部,看不见整体。而哪怕只是一丁点儿的历史或是哲学的背景知识都能给他们一个更广阔的视角,让他们超脱于同时代的局限性。在我看来,正是这种哲学视角带来的时代超脱性,才把'真理追求者'同'掌握着某种特定技术的专业技术人员'区分了开来。"也就是说,如果用爱因斯坦的标准来衡量,现代物理学界或许大多都是"蹩脚的技术人员",而真正的真理追寻者却寥寥无几。


不过客观来说,爱因斯坦关于哲学的这些观点,即使在当时也并不具有代表性,所以在今天也不见得会有什么现实意义,更不用说弦物理学家们只占物理学界的一小部分,而会在推特上留言的就更少了--他们可能只是弦物理学家这一小类群体中比较健谈的那一部分。由此可以看出,他们对哲学的抨击其实并不能代表物理学界的整体态度,然而糟糕的是,由于参与这场讨论的都是学术领域的顶尖人才,他们很容易让大众产生误解--因为并不了解这个领域的普通围观群众(甚至研究其他课题的物理学家)只有通过科学家们在公众媒体、科普杂志上轰轰烈烈的辩论来了解弦论这一宏大课题。


也就是说,公众今天所接触到的物理学界似乎只有两种人:公然轻视哲学的,和自以为懂得了相关哲学真谛而自视甚高的。由此观之,不仅该领域科研人员的小圈子已经发生了危机,整个社会都在渐渐丢失对人性与科学的赞美和尊重--更不用提每年拨给物理学家们的动辄百万的研究经费了(研究经费当然只会发给物理学家,不会发给哲学家)。所以,在今天这种情况下,我们有必要再次重新翻开历史的档案,仔细推敲波普尔哲学的深层意义,并且回答一个问题:它和科学之间到底是什么关系。


让我们回到文章最初提到的波普尔的理论:判断"科学"与"非科学"的评判标准是可证伪性。这个标准看上去似乎非常简单,不过坏消息是,这只是假象。波普尔的这个理论被概括成只言片语发到推特上后,已经成功骗过了不少聪明的评论者,使他们严重低估了潜藏在理论背后的哲学的复杂性。这就好像把波普尔的哲学做成了贴在电线杆上的小广告:"不能被证伪的东西就不是科学,不要再浪费大众的时间和金钱了!"


然而,优秀的哲学思想是不可能被小广告一样的简单标语就总结出来的,所以打算真正理解这个思想的人也不可能满足于这样的简单语句。哪怕是波普尔自己,也在同行批评和反例的洗礼下,对他关于证伪性和分界问题的理论做出了多次修改--这是每一个谨慎严密的思想家都会做的。例如,他一开始就排除了验证在理论建立过程中的作用,因为如果人们在建立一个理论的过程中就积极寻找证实它的证据,那么要它要通过检验实在是太简单了。类似的倾向无论是在普通大众的生活中,还是在科学家的研究过程里都十分常见,现代心理学家们给了这种现象一个专有名词:证实性偏见(confirmation bias)。



小词典

证实性偏见(confirmation bias)是指个人选择性地回忆、搜集有利细节,而忽略不利或矛盾的信息,来支持自己已有想法的现象。



但后来,波普尔又承认检验是健全的科学方法的一部分,尤其是对于能产生大胆而又新颖的预测的理论而言。毕竟,之所以1919年爱因斯坦得以在一夜间跻身于顶尖科学家之列,恰恰就是因为天文学家们在日全食中证实了他的预期数据。不过对波普尔而言,这并不意味着爱因斯坦的理论(广义相对论)就是"真"的,这只能说明短期内人们不用再对该理论据理力争了。确实,考虑到上文中提到的广义相对论与量子力学在特定条件下的冲突,今天我们不再认为爱因斯坦的理论就是真理。但不可忽视的是,广义相对论成功地经受住了一个世纪以来大大小小的风浪,而且就在几个月之前,科学家们第一次探测到了引力波--相对论又再一次被证实。


科学假说在被某种程度上确证之前,需要不同条件下的反复试验


除此之外,波普尔对于其他一些的理论也发生了改变。他曾把马克思唯物主义史观看做是伪科学的代表,但后来至少承认了马哲史观存在可行性。另一个相似的例子是达尔文进化论,波普尔一开始错误地认为进化论只是基于无意义的同义反复,所以原先一直对进化论持怀疑态度,但后来逐渐接受了进化论。同时,他也承认即使是最优秀的科学理论,在证伪性问题上也可能存在漏洞--考虑到一个完整的理论中总会包含一些辅助性的次级理论和作为背景的猜想。举个例子,如果有人想通过"使用天文望远镜和照相机观测太阳"来验证爱因斯坦的理论,那么事实上,在他进行实验的同时,他还要保证相机的镜头焦距理论、设计天文望远镜的基础光学原理、用来处理实验数据的数学模型和假说都没有问题,以及其他大量科学家们"想当然"的常识和背景--实际上相当于同时验证了这么一大堆理论,而同时,他还要努力把注意力集中在爱因斯坦的理论上。所以当真实观测到的实验结果不能符合理论相关预期的时候,我们并不能急于否定整个理论,因为很有可能出错的只是其中某个次级理论。这就是为什么当我们能在相当程度上确信某个理论之前,必须先经过不同条件下的反复验证。


波普尔的工作,与其说是回答了"分界问题",不如说是以一己之力将"分界问题"放上科学哲学界的版图,并号召哲学家们为了哲学领域的健全发展,努力界定什么是科学,什么不是。这种格局一直持续到了1983年,这一年著名科学哲学家拉里·劳登(Larry Laudan)发表了一篇名为《分界问题的终结》(The Demise of the Demarcation Problem)的论文,在这篇影响巨大的论文里,劳登声称,解决分界问题对哲学家们来说完全是浪费时间。他在文章中列举了一系列理由以论证他的观点,其中最重要的一条便是,对于任何人来说,找全所有界定"科学"、"伪科学"、或是其它类似事物的充要条件组成的集合都是绝对不可能的--而若是找不全这些充要条件,完全严格地区分科学与伪科学简直就是天方夜谭。


"充分必要"(简称"充要")其实并不是科学哲学术语,而是一个逻辑哲学术语,但它对我们理解劳登的理论至关重要。劳登认为,波普尔和其他人试图精确界定"科学"与"非科学"的企图,其实和初等几何中的定义差不多。比如,人们定义内角和为180度的几何图形为三角形。这个定义是充分且必要的:只要一个几何图形的内角和是180度,我们就可以说这是一个三角形(充分性);而如果这个几何图形的内角和不是180度,它就不是三角形(必要性)。而在劳登看来,分界问题根本无法找到这样的答案,因为 "科学"或是"伪科学"这样的概念本来就是复杂的、多维的、模糊的,并不存在清晰的分界线。从某种意义上来说,控诉着"波普尔跟屁虫"的物理学家们(也就是弦理论的支持派)其实和劳登的想法不谋而合:波普尔的证伪性标准,是一种与客观情况相去甚远的"一刀切"标准,它并不适用于区分"科学"与"伪科学",而认为它能在理论物理这样的前沿学科中区分健全与非健全的科学理论,就更是一个笑话了。


不过,请允许我再次反驳我上面提到的观点--我知道在这篇文章中我已经反复变卦许多次了(笑)。波普尔绝不像上文劳登、肖恩·卡罗尔、伦纳德·萨斯坎德等人所说的那样不堪,同样,分界问题也绝不像他们所说的那样一无是处。不少研究者(包括我和我的长期合作伙伴马腾·布德里)近来都维持这样的看法:劳登对于分界问题的否定下得有些过快了。而且我们都认为,推特不是一个讨论科学哲学的好地方(此处当然指的是肖恩·卡罗尔等人在推特上指责波普尔理论),许多细致精妙的讨论内容都无法在那里展开。


好消息是,分界问题的研究并不是无路可寻的--只要愿意摒弃充要条件的限制,道路立马就会出现在你的眼前,而事实上,就连波普尔自己也没有要求一定要在充要条件下研究界定问题。那我们不禁要问了,如果摒弃充要条件,取而代之的又是什么?这个问题的答案是维特根斯坦的'家族相似性'理论。我们认为"科学"和"伪科学"各自都是一类具有"家族相似性"特征的概念。路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)是20世纪另一位伟大的哲学家,在这个问题上,维特根斯坦就像是另一个波普尔,尽管这两位哲学家有着截然不同的脾气秉性和社会经济背景(译者:我不会告诉你小维家里超级有钱的),甚至连研究兴趣也完全不一样。[如果读者想进一步了解这两位哲学家的不同,可以参考一本挺有意思的读物:《维特根斯坦的拨火棍》(长春出版社,2003),该书的作者是新闻记者大卫·埃德蒙(David Edmonds)和约翰·艾丁诺(John Eidinow)]



小词典

家族相似性(Family Resemblance):指用同一个字(或词)来代表不同事物或状态,这些事物或状态虽然不同,却像家族的成员一样,具有某些相似的特征,且属于同一家庭。维特根斯坦以游戏(game)这个词为例,在日常语言中,游戏这个词可以用来指称诸多不同的活动,如打棒球是一个game、下棋是一个game、人生是一个game等等,但这许多活动其实并没有相同的特质,它们所具备的只是家族相似性,就好像家庭中的成员(如兄弟姊妹)一般,长得相似,有相似的神韵、体型、眼睛和眉毛,可是仔细分析起来,这些成员并不具备有相同的特质。(参考来源:http://terms.naer.edu.tw/detail/1308191/)




维特根斯坦。图片来源:afflictor.com


有趣的是,关于科学哲学,维特根斯坦没有留下任何只言片语,更遑论基础物理学或是马哲史观了。维特根斯坦真正感兴趣的是"语言",包括语言本身、语言的逻辑和语言的应用。维特根斯坦指出,生活中许多颇为实用的概念其实并不服从劳登所提到的那种清晰的定义式界定。他最喜欢用的例子就是"游戏"这个看上去很简单的词语,如果有人想用定义三角形的方式去定义"游戏"这个词语,那么等着他的就只有无尽的挫败--如果读者不信的话可以自己试试看,你会发现定义"游戏"本身就是一个怎么都无法完成的"游戏"。维特根斯坦这么写道:"我们如何去和别人解释'游戏'是什么呢?我们只能为对方形容几个游戏的例子,然后再加上一句'像这样的,或是其他类似的,就是游戏。'这并不是因为我们无知,只是从来没有人刻意划分过这样的边界。我们可以人为地划分边界,但这么做能让这个理论的实用性更强吗?我觉得完全不会!"


问题的关键在于,很多情况下边界确实存在,但我们无法发现它们,这让"定义游戏"和"规范科学的界定方法"成为了柏拉图式的理想,永恒地存在于形而上学的维度。我们经常为了某些特定的目的创造边界,然后根据创造它的目的来测试其是否有效--就像界定科学和伪科学时一样,我们主观认为这两者间存在意义重大的差异,所以非要尝试着给它们划个界线,强调他们的不同。相信无论是对于科学家,还是对于哲学家来说,对"天文学和占星术这两者之间存在本质的不同"这个说法应该都没有什么异议,只不过问题是,这个差异在什么地方?或者至少,大约在什么地方?


比起毫无水准的互相争辩,科学家们更应精诚合作,追求更好的科学,反对真正的伪科学


和上面这个问题类似的,参加慕尼黑研讨会(或更广义的,弦理论论战中)的许多科学家们确实感觉到,基础物理的传统构想和弦理论学家们声称的事物之间有着某种很重要的区别。研讨会的组织者理查德·戴维反对人们使用"后经验科学"(post-empirical science)这种容易招致嘲笑的说法来形容弦理论,他提倡使用"非经验理论"(non-empirical theory assessment)来替代。不过无论别人如何选择这些称呼,戴维和他的同行者们都发现,弦理论这样的物理学理论已经偏离了伽利略时代所确立的传统科学的航道。即使真实情况是伽利略本人更注重理论研究(他参与了大量的理论争辩和思维实验,而且很可能从未在比萨斜塔上完成自由落体实验),但是他的想法绝对是可证伪的,而且科学家们也很喜欢设计实验去验证它(最出名的一次可能要属大卫·斯科特在阿波罗15号登陆月球时完成的实验:他让羽毛和锤子在没有空气的月球表面同时下落,结果两者在同一时间落地)。


所以紧接着,一个更大层面上的问题便是,这到底是标志着一个全新科学领域的起始边缘,抑或只是后人眼中漫长科学史的一次短暂停顿?有没有这样的可能:基础物理的终结并不是由于我们已经知道了想要知道的一切,而是因为我们的智力和技术水平已经达到了极限?这些都是非常严肃的问题,不仅物理学家和哲学家们应该思考,普通大众也该好好想想清楚,毕竟为基础物理学以及其他研究提供资金的,归根到底还是普通大众。


在这场关于运用及误用科学哲学原理的弦理论论战中,让我感到离奇的是,无论科学家还是哲学家,都在积极地从社会上吸引更多的支持者。我不禁遗憾,要是他们能停止无意义的互相争论,而是合作起来发挥集体的智慧,那该有多好。比起用各种不专业的术语互相攻击,他们本应精诚合作--当然,仅仅追求更好的科学是不够的,他们还应驱逐真正的伪科学:比如顺势疗法(Homeopaths,此理论指如某物质能在健康的人身上,引起病人患某病时的病症,将此物质稀释震荡处理后就能治疗该病症)或是灵媒等等,这类的显而易见的伪科学仍然阴魂不散地从人们那里骗取大量的钱财,在愚弄着人们的同时,更损害着他们的身心健康。这些才是真正值得学术界去仔细批评分析、并公之于众的,何况这也是知识分子和科研人员(无论是物理还是哲学)的责任--尽他们最大的努力去改善社会,因为正是这样一个社会支持着他们,让他们得以专心研究认识论或是理论物理这样艰涩的学科。


原文链接:

https://aeon.co/essays/the-string-theory-wars-show-us-how-science-needs-philosophy


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