人类的科学活动是说明复杂适应系统概念的一个很完美的例子。图式即为科学理论，理论与观察之间的比较即为现实世界中所发生的事件。新理论必须与已有的理论进行竞争，部分地以自洽性和普遍性为基础，但最终还是要看它们是否能解释已有的观察结果，并正确地预言新的观察结果。每个理论都是对一类情况高度压缩的描述，它本身尚需要补充一个或多个情况的细节，才能作出某些特殊的预言。
理论在科学中的作用应当是相当显而易见的，但就我自己的情况来说，我是花了很长时间才真正感觉到这一点，尽管如此，我还是愿意将我的有生之年奉献给理论科学。在进入麻省理工学院的研究生院以后，我才终于认识到理论物理学是怎样运作的。
在耶鲁大学读本科时，我在科学与数学课程方面都取得了好成绩，但我并不总是明白所学知识的意义。在多数情况下，似乎只是在考试时将课堂上老师所教的东西回忆出来。当我参加了一期哈佛…麻省理论讨论班以后，我的观点发生了改变。我本来以为，所谓的讨论班只不过是某种课的美名而已。但事实上，它根本不是一门课，而是关于理论物理，特别是原子核和基本粒子物理方面真正的讨论。参加者包括来自两所大学的教授、博士后和研究生；每次先由一个理论家发表演讲，然后大家就他所提出的论题进行广泛的讨论。我没能彻底赏识这种科学活动，因为我的思维方式依然受着课程和分数以及取悦老师的观念所限制。
那次演讲的是哈佛大学的一个研究生。他刚刚完成博士论文，这论文讨论的是由 5 个质子和 5 个中子组成的10 硼（10B）核的最低能态的特点。通过一个看似很有希望，实则不一定管用的近似方法，他判定，最低能态应该具有一个量子单位的“自旋”角动量。物理学家们一般也是这么认为的。当他讲完后，我极想知道，他通过近似方法得到预期的结果，以及坐在前排的杰出理论物理学家们对此有何评论。然而，第一个发言的根本不是理论物理学家，而是一个满脸胡子、好像刚从MIT 的地下室中爬出来的小个子人。他说，“喂，它的自旋角动量不止一个量子单位，是3 个量子单位。我检测过！”蓦地，我明白了理论物理学家的主要目标：不是积极地说服前排的教授们，而是要与观察结果一致。（当然，实验物理学家们也可能出错；但在上述情况下，那个邋遢人所提到的观察结果是正确的。）
我为自己早先没能完全懂得科学活动以何种方式进行而感到惭愧。根据是否与实验结果一致这一标准（当然还有它们的自治性与普遍性）来选择理论的过程，与根据是否能产生可繁殖的生物这一准则而选择基因模式的生物进化过程，并非完全不同。但直到很多年以后，当我更加了解简单性与复杂性以及复杂适应系统时，我才完全重视这两种过程的相似之处。现在大多数物理学家要么是理论家，要么是实验家。有时是理论家走在前面，他们提出一个相当成功的理论体系，该体系能够作出可反复为观察所证实的预言；另外一些时候则是实验家先行一步，他们发现一个意外的结果，这时理论家们必须对它进行分析讨论。但是这样两种不同类型的研究者的存在并非理所当然。物理学领域并不总是这样，而且在其他很多领域——包括文化人类学，考古学和大部分的生物学——中，只有少数专职理论科学家，而且他们未必很受尊敬。在如今享有很高声誉的分子生物学学科中，大部分理论难题都被实验家们相当容易地解决了。结果，许多杰出的分子生物学家都没有强烈地感觉到生物学中需要理论家。
与之形成对比的是，群体生物学有着悠久而光荣的数学理论的传统，这在罗纳德· 费希尔爵士（ Sir Ronald Fisher ）、J。B。S。 霍尔丹（J．B．S．Haldane）和塞瓦·赖特（Sewall Wright）这样一些著名人物中得到了充分的体现。通过他们和其他许多理论家们的工作，无数详细的预言被作出，并且被群体遗传学中的观察结果所证实，甚至数学著作也因之得到了充实。
随着一门科学的成熟及理论方法之深度与威力的增加，理论逐渐成为一种职业。但是，不管是否存在两种活动的不同从业者，理论与观察的作用应该是有区别的。让我们看看两者的相互作用怎样构成复杂适应系统的运作。
理论通常是从大量的观察结果中得出的。在观察过程中，科学家们有意识地从麦壳中挑拣出麦粒，从特殊或偶然的事件中找出规律来。我们通常用一个很短的信息将理论表述成为一个或一组简单的原理。如斯特芬·沃尔夫兰（Stephen Wolfram）所强调的那样，理论是一个可用于很多情况的压缩信息束。一般说来，存在很多种竞争着的理论，其中每个都具有这样的特点。为了对某一特定情形作出预言，每个理论都必须被重新展开，说得更确切些，我们必须给构成理论的那个压缩的一般性陈述，补充一些关于该特殊情形的详细信息。从而可以通过实验进行进一步的观察来检验理论。在对那些观察结果进行预言时，相互竞争的各个理论表现的好坏，将有助于决定它是否能幸存下来。与经过精心构思的实验（特别是那些被重复多次并具有相同结果的实验）的结果很不一致的理论，多半都要被更好的理论所代替，而那些成功地预言与解释观察结果的理论容易被接受，并被当作创立后续理论的基础，只要它们经得起后续观察结果的考验。可证伪性和悬而未决
哲学家们，特别是卡尔·波普尔（Karl Popper），常常强调，科学的基本特征在于它的理论是可证伪的。科学家根据理论作出预言，然后进一步的观察将证实那些预言。当一个理论与一些反复多次直到值得接受的观察相抵触时，该理论肯定会被认为是错的。一个观点失败的可能性总是存在的；这就给所有科学活动蒙上了一层悬而未决的色彩。
有时证明或证伪一个理论需要经过很长的时间，以至于理论的提出者在死时还不知道他或她所提出的观点的命运如何。最近几十年内研究基础物理学的科学家们，在有生之年幸运地看到了我们的理论观点得到检验。当一个人在得知其预言实际上被证实，而作为其基础的新的理论方案基本正确时，那种激动之情是难以言传的，可以说，是盖帽了。
人们常常说，理论即使与新的证据相抵触，也只会在它们的支持者都死去后才会消逝。虽然这一评论是针对物理学的，但我觉得，如果说它具有普适性的话，那么对于困难而复杂的生命科学与行为科学来说更加如此。我的第一个妻子玛格丽特是研究经典考古学的，50 年代她发现上述观点也适用于她的领域。但她惊讶地发现，当许多物理学家所喜爱的观点面临相抵触的证据时，他们实际上改变了他们的主意。
当一个特殊领域看来似乎缺少悬念时，可能会爆发一场关于它是否真是科学的争议。人们经常批评精神分析的不可证伪性。这一点我比较同意。这里我将精神分析指定为这样一个理论，它描述人类行为怎样受到无意识心理过程的影响，以及那些心理过程自身怎样由经历（特别是早期的经历）而引起的。（我不打算讨论治疗方法这一与本文完全不相关的问题。疗法之所以管用，可能是因为在分析者与接受分析者之间建立了积极的关系，因而并不能证实任何精神分析的观点。同样，即使那些观点中有许多是正确的，治疗也仍然可能无效。）
我相信通过精神分析而形成的知识体系中存在许多真理，但它现在不能构成一门科学，因为它不具有可证伪性。由一个病人所作出的陈述或所表露的行为中，与精神分析的基本观点有某些不一致的吗？如果有，那么那些观点就不能真正成为一个科学理论。
我的思绪不禁飞回到60 年代，当时我打算从理论物理学转到观察心理学或精神病学方面去。我想将一小组可证伪因而能够成为理论的精神分析观点分离出来，然后寻找可以检验这样一个理论的方法。（这组观点可能与某个特定的精神分析学派的观点不完全一致，但它们至少很接近于一般的精神分析观点。这些观点不但涉及到无意识心理过程对神经病患者所表现出来的反复的、明显不适应的行为模式中所起的作用，而且还论及这种心理过程在正常人日常生活中起的作用。）
在几个月的时间里我拜访了许多杰出的精神分析学家与理论心理学家（那时他们依然受着行为主义的强烈影响——认知心理学还处在初期）。但他们都使我感到很沮丧，虽然两方面的原因相反。许多心理学家倾向于认为，无意识的心理过程不重要，或难于研究，或兼而有之，而且他们认为精神分析非常可笑，不值得去认真地考虑；精神分析家们则觉得，他们的学科已经为大家接受，勿需费心将其中的一些观点纳入科学的框架之中，精炼其操作方法所需的任何探索，都应该由精神分析家们各自在同病人打交道的过程中进行。最后我打消了改行的念头，继续研究物理学。但多年以后，我得以有机会重新尝试这一努力，即试图将某些关于意识与无意识心理过程及其对行为模式的影响的观点纳入到科学的框架当中。科学活动的选择压力
实际上，科学活动并不严格按照任何明确的模型进行。理论上，科学家们做实验要么是试探性地，要么是为了验证重要的理论方案。他们应该依据对实验数据的描述之正确性、普遍性与自洽性的程度来评断一个理论。他们不应该表现出诸如自私、不诚实与偏见之类的行为。
但是，从事科学工作的人们毕竟是人。他不可避免地要受到自负、经济私利、个人方式、信念与惰性等的影响。一个科学家可能试图剽窃，或为了私利而有意发起一项毫无价值的计划，或姑且承认一个传统的观点而不去寻找一个更好的解释。还会时常发生这样一些事情，科学家们甚至修改他们的实验数据，犯下了他们职业领域内最严重的禁忌之一。不过尽管如此，科学哲学家、科学史家或科学社会学家们，仍不时抓住科学活动中存在的这些美中不足之处来责难整个科学活动，说整个科学活动错误百出，极不可靠，这也仍然是不中肯的。他们没能懂得科学的主旨。科学活动的本性就使它具有自动修正性，并且能够克服种种弊端，向正确方向前进。像聚水（polywater）或冷聚变（cold fusion）这些过分的、没有事实根据的声言，很快就被推翻了；像皮尔丹人（Piltdown man）① 1912 年在英国萨克斯郡的Pilt down 发现所谓洪积世最古人类头盖骨，结果到1953 年被证明是伪造赝品——译者注 那样的恶作剧最终总会被人识破。偏见，比如反对相对论的那些偏见，终会被克服。
一个研究复杂适应系统的学者可能会说，在科学工作中，不但存在着作为科学特征的选择压力，还存在着通常出现于一般人类事务中的常见的选择压力。但是特有的科学选择压力在促进人类对自然的理解方面起着决定性的作用。反复进行的观察与计算（及两者之间的比较），最终会去除由于其他压力所引起的瑕疵（即从科学的观点看来不完善的特征。）
任何一个科学发现的历史细节通常都有点混乱，但最后结果却可以既辉煌又明了。比如对一个统一理论的阐述与验证就是这样。统一与综合的理论
有时一个理论实现了一次重大的综合，它将原来被分开地、不充分地描述的一整组现象中发现的规律压缩成一个简单而优美的论断。基本物理学中一个绝妙的例子是麦克斯韦（J．C．Maxwell）在19 世纪的50 和60年代所做的关于电磁理论的工作。
很早以前，人们就对某些简单的静电现象很熟悉，比如，他们知道刚与猫皮摩擦过的琥珀（希腊文中为elektron）能够吸引羽毛残片。同样，他们了解磁的某些性质，比如他们知道，磁铁矿〔以盛产磁铁矿的小亚细亚的玛格尼西亚（Magnesia）命名的三氧化二铁〕能够吸引小铁块，而且可以将小铁块也磁化，使它们也能吸引别的小铁块。近代科学家吉尔伯特（W．Gilbert）在他1600 年撰写的关于磁的著名论文中引入了一些重要的电学观察结果。但当时电和磁依然被认为是两种不同类型的现象；直到19世纪，人们才明白，它们之间有着密切的联系。
1800 年左右，伏打（A．Volta）发明了第一个电池（伏打堆），这使得电流的实验成为可能，从而为发现电与磁之间的相互作用打开了