从本文起，我们将在总结以往所有科学学，各种回答“什么是科学”等研究成果，以及我所撰写的《实验、测量与科学》，加上最新研究成果基础上，以三个环节形成的内在结构为基础，对科学给出之前从未有过的最系统、最全面和最精确的描述。在此基础上，后续文章再来回答什么是第三代科学。提示一下，本文有多个图表，要顺利理解本文，必须要对照图表来看。所以，如果是用语音来听的用户，需要在提示参见图表等地方对照图表来听。另外，本文是对整个科学内在结构进行框架性的介绍开源优配，很多地方没有深入展开，如果一时没看明白没关系，只要知道个大致概念框架就可以了，后续会一个一个深入展开。
尽管科学一词已经高度地深入人心，但即使在科学界，对于什么是科学的问题依然是莫衷一是，很难有获得公认的科学定义和有关什么是科学的完备理论。之所以如此，是因为科学的内涵有多个方面，并且科学本身也是发展变化的。所以，如果只抓取科学内在三个环节中的局部甚至更细节结构的不同方面，或者其发展历史上的不同特征，就可能给出不一样的答案。但这样的描述显然都是不完备和不精确的。所以，只有从科学的三个环节及更精细结构的所有方面，从科学发展历史各个阶段的演化等全面的维度，给予全面的考察和分类，才能对科学给出系统、全面和深入的理解。
一、科学的三个环节
从最本质的意义上说，科学就是认识与改造世界的最佳方法，它是世界上唯一并不属于任何国家和民族的，由全人类共同推动发展的文明。这个认识世界的最佳方法并不是一开始就成熟，而是不断发展的。无论怎么发展，都是围绕三个环节展开：
一是如何获得认识对象的信息和数据，这个就是测量包括实验要解决的问题。
二是对实验与测量获得的认识对象信息进行数据处理、总结出规律，也就是理论认识的问题。
三是以科学认识来改造世界，这个是工程技术、控制、社会制度等应用方面的问题。
参见图1：
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图1 理解科学的内在逻辑结构图
认识对象与改造对象
认识对象与改造对象可能是同一个，也可能是有相同内在规律的不同对象。这个怎么理解？例如，汽车的材料可以作为认识对象在实验室里进行研究，而作为改造对象是在汽车材料生产过程中使用的具有相同性质材料。它们物理上并不是同一个对象，但其规律具有同一性，因此所认识的规律可以获得应用。另外一种情况是认识对象就是改造对象。例如，要对已经生产好的成品汽车进行测试，根据测试结果对其进行调校，此时认识对象与改造对象就是同一的。
认识主体，包括测量、经验与理论、应用三个环节，都可以成为认识对象和改造对象。例如测量仪器、人类自身、科学认识的理论体系等，都可以成为认识对象和改造对象。我们可以用统一测量学的方法去测量“人的认识机制，测量仪器”等本身。这个基本关系在西方哲学历史上是引起最多争论，也最容易被绕糊涂的。包括物质与意识的关系、此岸与彼岸、科学哲学家波普尔提出的三个世界（物质的世界、精神的世界、符号的世界）等。当我们把科学的基本结构用科学的方法研究清楚后，就会发现以上这些哲学的划分和争论就没有存在的意义和价值了。
不要把认识对象和改造对象直接理解成整个世界，想一上来就搞清楚整个世界或宇宙是什么。一般来说，认识对象和改造对象都是世界或宇宙的一小部分，甚至极其微小的一部分，虽然这极小的一部分也可能受整个世界或宇宙的影响。在测量中，这种影响一般是以背景（环境）误差的形式而存在。例如，当我们测量一个小球时，地球会对其有万有引力。根据万有引力定律，月球、整个太阳系乃至整个宇宙会对它有万有引力和电磁、穿过的宇宙射线等无限多因素的影响。只是这些影响在量上很小，以环境干扰或环境误差的形式存在。通过环境误差，我们就可以把极其有限的认识对象从整个世界或宇宙中提取出来作为可能的科学认识对象。
在以往的哲学讨论中，测量与理论环节被认为是认识论，应用环节被认为是方法论。但认识方法有时也被说成方法论。我们对科学的三个环节来也用科学的方法进行研究，就不会陷入哲学的认识论和方法论的云里雾里了。
二、认识主体、反映、测量
认识主体可以是人，也可以是测量仪器，甚至是具有感觉器官的动物或大自然的任何对象。世界或宇宙本身就具有反映能力。从反映到感觉、实验、测量、计量等相互之间的关系参见图2开源优配。
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图2 反映、测量、实验、计量等相互关系图
这个图有些复杂，因为不同概念相互间的交叉重叠关系比较多。不过，如果读者在这里停下来，认真看这张图5分钟，也可以很容易理解他们相互的关系是什么。测量并不难理解，它不仅广泛地深入到科学研究的各个领域，而且已经非常广泛地深入到我们日常生活之中。你去超市购买任何散装的食物，如蔬菜、大米、鸡蛋、猪肉等，营业员都得给你称一下有多重，称重就是重量测量。你要去买衣服，营业员也得给你量一下三围、身高等，这是长度测量。你感觉可能有点发烧，用体温计量一下体温，这是温度测量。到医院做B超，CT，验血等等，这些都是测量。
狭义的测量是有计量基准的，从而可以获得测量数据。如果只是凭人的感官去接受外界的视觉、听觉的信息，没有建立计量基准，因此所得到的只是感觉，而没有测量数据。
宇宙的一切物质都具备最原始的反映能力，只是通过进化一步步到人类实现了相对较高级的感觉器官和大脑，再发展出以测量为基础的科学认识能力。
主体误差
洛克的“白板论”与莱布尼兹“有纹理的白板”，其差别不过是认识主体本身也是会引入误差——主体误差。
主体误差的案例有：雷达的本底噪声，人的眼花等。量子力学的测不准原理，本质上也是一种主体误差。
另一方面，“认识主体会决定认识结果的表现形式”，这该如何理解呢？例如，对相同的自然景物，化学相机形成的是光学图像在胶片上的化学反应，数字相机获得的是数字信号，虽然它们最后也都可以恢复成视觉图像。了解了以上这些，就会对贝克莱的“存在就是被感知”，马赫的“存在就是感觉要素的复合”等云天雾地的哲学观念有科学清晰的认识了。
反映各种类型及相互关系的确有些复杂，本文先不去展开讨论，而是先搞清楚以下测量、实验与计量的关系。
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图3 测量、实验与计量关系图
测量是可以覆盖一切认识领域，无论是从学科角度还是从问题角度都是如此。因此，测量作为科学的基础是具有完备性的，也就是可以为一切学科领域的一切问题提供科学支撑。而实验不能覆盖所有认识问题，甚至不能覆盖所有物理学领域，例如很多物理学理论是通过天文测量来获得和验证，尤其广义相对论最初的验证都是通过天文测量获得的。所以，将实验作为科学的基础是不完备的。这也是第二代科学将实验作为科学基础造成很多领域难以确立科学基础的原因所在。
计量是测量的量值基准，以及量值传递系统，因为它的存在，测量才能获得数据，否则只是类似感觉的相对模糊，很难进行相互比较的信息。此处我们也不展开讨论，后续文章中会详细介绍。
三、测量与实验的详细分类
仅靠图3的关系图可能还是不能准确理解它们的关系。我们可以通过测量的环境与自变量的受控性来对其进行分类研究。
表1 测量的4种类型及其与实验的关系
测量的类型
环境
自变量
案例
1
1
1
物理及化学实验等
2
1
0
高能射线天文台
3
0
1
新种子大田实验，新战机试飞
4
0
0
考古、寻找化石
人们一般会把自变量受控或“被认识的现象”受控的测量称为“实验”，即第1类和第3类测量。
环境受控影响的是测量精度，也就是可以最大限度地减少环境干扰误差。
自变量受控影响的是测量效率和测量数据的完备性，也就是自变量或称现象可以人为地制造和产生出来，从而可以高效地获得测量数据。另外还可以完备地获得所想要的各种不同数据。例如，假设我们通过第2类或第4类测量去研究闪电，那一方面是只能设置好测量仪器等待自然界出现闪电，然后才能获得测量数据。这有可能一年半载都测不到一次，纯属“靠天吃饭”。但如果通过在实验室制造闪电的方式来进行研究，可以天天获得大量闪电的测量数据。另一方面，在自然界的大气中出现闪电的话，其强度也是纯天然的。如果我们想测量不同强度或能量的闪电，靠第2类和第4类测量就纯属运气了，甚至有可能接近永远都遇不到。但在实验室里，可以人为制造出各种不同强度的闪电进行测量。甚至可以制造出自然界或地球上不太会出现的闪电类型，从而可以获得完备的测量数据。
因此，通过以上分析我们可以理解到，不同测量类型或非实验的测量与实验之间主要区别只是测量精度、误差、测量效率、测量数据完备性等量上的差异，但从获得认识对象信息的本质角度，它们是没有差别的，都可以作为科学的基础。因此，以测量作为科学的基础，虽然会存在某些非实验的测量技术上的差别，但在其覆盖范围上，可以使一切领域都获得科学的基础。以往学者们讨论实验时，往往脑子里潜在的概念是第1类测量。这样一来，主要以第2和第4类测量为研究工具的领域，就对自己的科学基础是什么感到很迷茫了。但我们将测量作为科学的基础，一切领域就全都可以是科学了，尤其是社会领域，以及自然科学的地质、气象等领域。
认识主体同时也可以是改造主体，也就是通过应用去改造“改造对象”的主体。
四、以科学的三个环节为基础的科学分类
1.科学应包含三个环节的原因
测量、数学、应用三个环节加在一起时常被称为科技，也就是科学加技术。一般人们头脑中世俗概念的科学是测量加上数学。我在之前的论述中一般也是这么阐述的，这只是为暂时照顾到人们日常不严格的对科学的概念印象。但为什么我们认为科学应当包含测量、数学与应用三个环节？因为这三个环节是会相互促进，很难完全区分开的。
科学测量仪器。测量仪器技术水平的进步，从而实现更高精度、更高灵敏度、更高分辨率、更大量程的测量，高度依赖应用技术的发展和推动。尤其现代的大科学装置，高度依赖相关的高科技仪器及上游产业链研发生产企业的支持。
科学研究经费。一切科学研究活动是需要经费投入的：科学研究人员的工资生活费、实验室建设、图书馆建设运营、科学测量活动、会议论文出版等科学研究活动、学校研究机构等基础设施建设运营等，都是要花钱的。而科学应用是在社会生产、生活中获得回报和产生经济收入的重要来源。如果认为应用不属于科学，科学研究要花的钱难道能从天上掉下来吗？
科学研究动力。人类好奇心的确是推动科学发展的内在动力之一，但不要幻想仅靠好奇心就能完全满足科学发展的动力需求。社会应用，包括常规的社会生产与生活，非常规的战争等，都是刺激科学发展的重要动力，甚至关键性的动力。动力不足，科学发展的速度就会很慢，甚至停下来。动力越强，科学发展的速度就越快。需要注意的是，很多学者往往是只抓住自己喜欢或关注较多的方面，认为只有它才是科学发展的动力。例如有些学者认为只有好奇心才是科学研究的动力，有些学者认为只有社会生产生活的市场需求才是动力，有些学者认为战争是引发科学革命的动力。我们需要理解到的是：这些观点都不能算错，但对于整个科学发展来说，并不是什么是动力、什么不是动力，而是动力越多越有动力。问题只是如何让各种发展的动力更有效地驱动科学的进步。
科学研究对象。对科学的应用本身也是科学研究最重要的对象，提供了科学研究最广泛的课题需求。例如，中国现在每个五年计划中的科研指南，主要是围绕涉及国计民生的重大课题而展开的。虽然指南中也会包含一些目前阶段来看算是“无用之学”，但它们肯定不会成为科研投入的主要方向，更不是某些学者认为的只有无用之学、只有追求超脱于社会的纯学术才算是科学。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“基础研究经费投入占研发经费投入比重提高到8%以上”，2021年这一比例仅为6.09%。基础研究就是短期内看不到直接应用价值，但对长远科技进步具有根本性支撑作用的研究，也就是所谓的“无用之学”。例如：
暗物质、暗能量研究。
中微子探测。
宇宙线起源。
恒星演化与致密天体。
随着我国经济总量的不断提升，国家会逐步增加“无用之学”研究的占比，但相对来说，90%以上还是会投入在有实际应用的项目，尤其是涉及国计民生的重大课题上。这个会是长久的比例关系。
2.以科学三个环节不同情况对科学进行的分类
在不同的研究领域，科学的三个环节体现可能会有所不同。根据三个环节体现的有无，可以把知识从纯理论上分成8种类型，参见表2。
第1到第7类都可以是科学，但从中可看出科学是有级别的（请不要误解，表2中的类别并不是直接对应级别）。最高的级别显然是第1类。每一门学科或相应的知识属于哪一类并不是绝对的，而是可变的。所有类别的知识都应当尽力向第1类的最高级科学类别演进。
因此，不能笼统地说什么是科学，我们必须深入到学科与知识内部去精细地进行分类研究，才有可能对科学有精准和全面的理解。
表2 以科学三个环节不同情况对科学进行分类
类别
测量
数学
应用
案例
1
1
1
1
机械、电子等
2
1
1
0
高能粒子物理
3
1
0
1
化工、农业
4
1
0
0
部分天文
5
0
1
1
编组、分类、优选
6
0
1
0
数学、西方经济学
7
0
0
1
手艺
8
0
0
0
空想、哲学、某些社会学科
表2中标识为“1”的是完善地具备，标识为“0”的是不具备，或不完全具备。以上的1、0并非绝对，尤其是从发展的眼光看，过去曾经没有的，以后可能会有。另外，现代的天文学，已经不能说没有数学支持，天体运行的规律已经可以有相当严格数学化的理论描述。
从以上8种知识类型的分类可看出，的确有几种是属于“无用之学”，包括第2、第4、第6类知识，但他们也属于科学。如高能粒子物理，某些天文学知识，某些纯数学等。尤其太阳系外的天体，除极少数像脉冲星的信号可以作为时钟信号外，绝大部分很难看得出有什么实际应用价值。所以，尽管无用，我们还是需要从科学完备性的角度去发展他们。这是科学本身的需要。另外，无用也是相对的，现在无用的，将来可能会有用。如果是描述现实社会且应当有用的知识，则必须具备有用性。
以上第8类一般不属于科学。即使属于前面7类也并不是所有知识都可称为科学，例如其中浅蓝色内容可能不能被称为科学。西方经济学为什么不能算科学，原因在于他只是追求数学化，但却没有将一切概念和理论全部建立在测量学之上。测量是科学的基础，其含义是一切理论的概念定义必须是可测量意义上的定义，或一切概念都必须是可测量的，并且必须要通过测量数据去不断地进行检验。这个测量基础是绝对的天条，不允许有任何一部分理论脱离测量基础的作用。但西方经济学居然允许经济理论可以不受实践中测量数据严格、全面、系统、持续的检验。因此，从基本观念上说它就不科学，它与中世纪经院哲学类似，尽管其经过了数学工具的精美包装，而根本问题并不在于它的理论存在某些具体的缺陷。如果没有测量基础的前提，理论中的具体缺陷也无从谈起。所以，西方经济学的问题是它的基本前提和核心基础不科学甚至是反科学的。
测量是检验一切经济学理论的唯一终极标准，如果不接受这个基本的前提和绝对的天条，它就不可能是科学。如果在其基本观念中公然地违反这一天条，它就是反科学，无论它使用的数学工具多么精美、论证多么严密和动人、发多少诺贝尔经济科学奖都是如此。经济学领域是这样，其他一切认识领域也全都是这样。
三个环节中只要具备其一的，都可以发展成为科学。因此开源优配，传统手艺也可以是科学。三个环节具备得越完善，当然其科学性就越强，最好是三个都具备的第1类。所以，即使某个领域可以算科学，也不意味着他就可以停下来不发展了，尤其是需要在三个环节都尽可能地完备和完善。如果传统手艺能系统地采用现代科学测量工具，建立严格的数学模型，向第1类科学演进，它就会更加科学。
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