彭明輝專文：純科學與工程技術─想像與現實、落差與縫合

現代的橋梁結構可以遠比羅馬時代輕，跨距遠比羅馬時代長，是因為當代科技有能力分析一座橋梁內部任何一個構件所承受的力量，並且靈活利用這個分析技術去找出最佳的橋梁結構設計，使得它能用最輕量的結構去承載最大的荷重。更驚人的是，整個分析過程只需要用到牛頓的三大定律和虎克定律（彈簧伸長量正比於外力）—雖然過程中的數學計算非常複雜，甚至必須使用電腦。這是古典物理「以一馭萬」、「以簡馭繁」的典型案例之一。

不過，認真細究的人卻會發現：大學課堂裡有關結構分析的理論都會假定一些與事實不合的理想狀態（譬如可移動的構件之間的摩擦力為零，或者構件間的相對位置不會變形），因而導致理論模型的預測與實際的數值間有誤差存在。為了避免這些誤差導致設計出來的橋梁強度不足，結構工程師會先根據理論模型設計出縮小版的實體模型，對它們進行實際的測試，具體評估理論預測和實際數值之間的可能誤差範圍，再據以反覆修正結構的設計，直到理論模型的預測與實測值的誤差小到可以接受為止（詳見第 6 章）。

其次，大學課堂裡有關結構分析的理論都假定所有的構件受力後只有彈性變形，而沒有塑性變形。原因是塑性變形的現象太複雜，至今沒有任何理論可以恰當地描述它。但是當代的汽車結構卻設計得非常巧妙，當汽車高速撞牆以至於整個車頭都壓扁以後，車門的變形量依舊極端微小，可以讓乘客輕易地打開來逃生。汽車工程師之所以能有如此巧妙的設計，也不是只靠力學理論的預測，而是一再將設計出來的車體拿去撞牆（或者從高處墜落），並且量測理論預測與實際變形間的落差，用以反覆校正理論模型與設計，直到誤差夠小為止。

也就是說，工程科技之所以能有如此驚人的成就，並非僅靠理論與數學演繹，還仰賴大量的實際測試，以及一系列用以縫合理論與現實的工程技術。

科學不是萬能，典型證據就是太空梭會爆炸，飛機會墜毀，汽車會暴衝，連「保證絕對安全」的核電廠都會爆炸。如果沒有工程師在努力縫合理論模型與現實世界間的落差，不但人類將無法登陸月球，甚至連電梯都隨時有可能會墜落而使乘客喪生。

然而很多人卻納悶：我們都已經可以讓太空人順利地往返月球了，為什麼太空梭還會爆炸？工程師在縫合理論與現實的時候，面臨怎樣的挑戰？此外，平庸的工程師所設計、製造的電梯不會因墜落而使乘客喪生，為什麼匯聚科技精英無數心血的太空梭反而會爆炸？

以太空梭為例，美國太空總署一共製作了六艘，在前後三十年的服役期間裡共執行了一三五次任務。其中挑戰者號在它的第十次任務時爆炸，而哥倫比亞號在它的第二十八次任務時爆炸，平均空難失事率為百分之一‧五。對比下，二○○○年至二○一四年期間美國的飛機空難失事率僅一億分之二，兩者相差七十五萬倍！至於大樓的客用電梯，乘客喪命的失事率更是只有百億分之一‧五，又遠低於飛機。
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此外，一九九二年至二○○九年共有八十九個美國乘客因電梯意外事件而死亡，其中三十個人是電梯門一打開就立即進去，卻沒注意到電梯尚未到達該樓層（電梯門的自動開關故障），因而墜落身亡；還有人是因為電梯門的自動開關故障而被夾傷後喪命。然而在八十九個案例中，沒有一個是因為電梯的鋼纜斷裂而隨著電梯墜落、死亡。

為什麼尖端科技的太空梭卻比飛機更容易失事，甚至比毫不起眼的電梯更容易失事？其中一個很重要的原因是：根據法令規定，電梯上方鋼纜的最大承載重量必須是電梯所容許最大載重的十倍（工程術語叫「安全係數等於十」）。這個「十倍」的安全係數就是用來避免各種未知因素所造成的鋼纜斷裂：鋼纜的品質不一會使其實際的承載重量小於預期，鋼纜長期磨損、鏽蝕後承載能力下降，等等難以預測的因素。

然而太空梭和飛機的設計若使用「十倍」的安全係數，機體可能會笨重到飛不起來，或者燃料耗損率大到難有實際的應用價值。因此，它們只能使用極小的安全係數，並且靠著極為複雜、精巧的理論模型和嚴謹而繁複的測試過程，來縮小理論與現實的落差。偏偏導致飛機與太空梭失事的可能性太多、太複雜，既非理論模型所能準確預測，甚至還有很多因素是在失事後的複雜調查過程中才被發現的。因此，即使飛機與太空梭的設計者在科學與技術的專業能力上遠遠勝過電梯的設計與製造者，其失事的機率還是遠高於電梯（詳見第 6 章）。

總之，工程技術的可靠性來自非常複雜的實證與測試過程，絕非只靠精巧的實驗和嚴格的演繹科學就能有功，也遠非經濟學者和自然科學的狂熱支持者所能想像。

然而工程技術賴以建立其可靠性的許多措施是很難（或無法）在醫學、社會科學，以及人文領域裡應用的。譬如，工程師可以讓汽車一再從高處墜落，並且在車內的假人身上裝入許多感測器來量測假人各部位所受的撞擊力道，以便確認車輛結構與安全防護裝置的有效性或其弱點，並一再藉著這些數據改良設計。然而醫生卻不可以輕易地用活人進行實驗，也不能在活人身上隨意裝置感測器，這就使得醫學研究的結論不如工程科技可靠。

類似地，經濟問題很難進行實證的測試，甚至連實證的觀察都很不容易。因此一九七○年代以後的經濟學發展偏重理論體系與數學演繹的嚴密性，而嚴重地偏廢實證的研究，使得其理論預測跟經濟活動的事實日益脫節。結果，二○○八年的全球金融風暴後，許多著名的經濟學家紛紛指責經濟學界長期忽略實證研究，才會在風暴發生前完全沒有警覺，甚至在風暴發生後還繼續堅持市場有自我校正能力，並據此反對政府的介入（注入資金救銀行，並且亡羊補牢地修正金融監管辦法）（詳見第 11 章）。

這個案例告訴我們，假如我們對於理論與事實間的落差過分掉以輕心，其結果有可能會是鉅大災難且後悔莫及。

不過，比這個現象更值得憂心的是，許多人盲目相信實證科學的有效性，並且毫無節制地將它到處濫用，恣意宣揚「愛情的科學」、「幸福的科學」、「靈魂的科學」，而不曾自問：實證科學有沒有適用的範圍，以及不適用的場合？ （相關報導： 張慶瑞觀點：現代民主困境的根源 ─用牛頓的大腦，活在量子社會 ｜ 更多文章 ）

＊作者彭明輝，劍橋大學控制工程博士，退休前為清華大學動力機械工程學系專任教授、清大人類所以及交通大學社會與文化研究所兼任教授；曾獲中國畫學會「藝術理論金爵獎」與帝門基金會「藝術評論獎」。本文選自作者著作《科學的能與不能：科學的方法、侷限與迷思，兼論人文的價值》（聯經出版）