在欠著量子物質態簡介的狀態下，我覺得還是有必要從概念上說明科學研究是什麼。並且介紹科學研究中的一些基本技能，幫助有志従事科學研究的學生，少走一些冤望路。
科學是什麼？科學研究最重要的幾個需求
可以被證偽，以及預測能力
科學理論最基本的要求是：需要是一個可以被證偽的理論。可以被證偽的意思是：我們要有方法（其他理論或實驗）可以證明該理論是錯的。這個理論的創造者，有義務提出他的理論可以被證偽的結構。也就是這個理論的創造者，可以定義出什麼情況下，他所創造的理論會是錯的。如果沒辦法本質上構築出證偽的手段，那這個理論就不屬於科學，屬於連錯誤都稱不上（Not even wrong）的範疇。
什麼是可證偽？可以證偽的對象是什麼？一個科學理論最重要的兩個部分是，推論過程和他的預測能力。主要證偽的對象也就是這兩者。數學的遊戲規則比較乾淨，有一個假設（公理），經由邏輯推演，得到結論。所以數學的可證偽，就是在符合公理的情況下，得到不同的結論。或是邏輯推演的部分是否真的符合邏輯（有沒有不小心用到不在公理中的假設）。當結論不同時，這通常意味著在邏輯推演過程中做的假設或猜測，不一定可靠。
物理和數學有個主要差異：實驗的限制。物理的完整理解，有兩個部分。一個部分是理論理解，另一個部分是實驗驗證。理論理解的部分比較像是數學的遊戲規則，有一些基本假設（一些比較基礎的假設或猜測），經過邏輯推演（可能包含比較不基礎的假設或猜測，不一定需要滿足數學上的邏輯推論！），得到結論。實驗驗證的部分，就是大自然裁決理論理解的主要關卡。第一個挑戰是：如何確立這兩個部分存在同一個立基點，並以此為背景開始有意義的討論？如和利用實驗證實這兩個部分有共同的立基點可以討論？第二個挑戰是：當第一個挑戰可以有一定程度的共識後，如何針對邏輯推演中使用的關鍵假設或猜測，利用實驗驗證？當這兩個挑戰被克服後的第三個挑戰：也就是預測能力。我們可不可以利用前面經過前兩個部份挑戰的理論理解和實驗驗證，設計一個對實驗和理論都是未知的情境，並測試這兩者預測的的異同？
為什麼可以被證偽是重要的性質？因為物理的進展是一個時間的函數，所以不一定遵守基礎假設$\to$邏輯推論$\to$預測能力，這個時間序列。有可能有新的實驗和理論，改變我們原先對自然的想像。也幫助我們發展湊答案的想像力，讓我們更早找到整個結構。
湊答案的想像是什麼意思？理論發展的過程中，可能一開始的時候邏輯推論部分不是很堅實，但是如果使用某些合乎物理基礎的假設，可以幫助我們的理論獲得很好的預測能力。也就是，一但這個不堅實的假設，在很多不同的情境下都可以給出很好的預測，那表示我們這個“不堅實”的假設，說不定存在一些道理，只是當時的科學情境限制，導致我們尚未發覺這個假設其實背後存在堅實的理由。或許讀到這裡，我們會有一種感覺，這裡好像有很多模糊空間。事實上，的確有很多部分會取決於研究者怎麼去認定什麼是合乎物理基礎的假設，這個時候就牽涉到研究者的研究品味：什麼叫做合乎物理基礎？換句話說：我們其實是在變向的在問一個問題：什麼是這個研究主題中最重要的元素？這個元素可以導致什麼樣的效果？如果這個問題問得好，或是有抓到這個元素的精神，就比較容易找到對的方向，或是找到值得研究、可能廣泛被應用的不堅實的假設。而創造新的知識。
綜合以上描述，我們可以理解：科學是一個理解自然運作的學說。而這個學說，需要和實驗連結，並且需要有可以被證偽的結構，因為在我們尋找合乎物理基礎的不堅實假設時，我們希望可以有能力判斷過去物理理論的哪些機制應該被考慮。一個無法被證偽的理論，因為無法在這個篩選中幫助我們進行客觀的判斷（利用實驗或其他手段釐清該理論和我們想研究的自然運作的關係），所以失去產生新知識的能力。或是說，從無法證偽的理論發展出來的說法，基本上都會因為基礎無法證偽，而成為一個無法證偽的說法，即使過程中的推論符合”邏輯”。因此除了無法產生新知識外，無法證偽的說法也喪失科學另外一個最重要的性質–預測的能力。
可重現性
科學研究的目的很單純：了解自然運作的法則，完整暸解必定包含預測能力。另外一個我們還沒提到的重要的條件是：可重現性。也就是說。想像我們找到如何製作完美蛋糕的方法。但是因為嫌麻煩而沒有把食譜中的比例記錄下來。從此無法做出完美蛋糕。顧客會相信這是一間有能力製作出令人驚豔的蛋糕店嗎？
實驗物理需要把相關實驗的細節詳實地記錄在實驗室日誌中。理論物理研究，類似的紀錄則是整理自己的研究筆記，仔細說明自己邏輯推演的物理思路、詳實記載算數推導過程、數值方法、用到的近似、假設等等。這些工作大部分時候繁瑣，但是卻是必要的。一個完整的研究筆記可以幫助理論研究者發現自己的思維漏洞、除錯、掌握整體研究的大方向、鑽研研究中的子題、掌握研究社群的重要文獻及演進邏輯、紀錄研究過程中遇到的大小問題、訓練自己問出關鍵問題。這些都是培養研究者的知識架構，並且發展成獨立研究者所必須的條件。筆記的撰寫也是應該以確保結果的可重現性、建構研究主題的科學邏輯脈絡、研究主體重要文獻理解作為重點。學位論文就是這種筆記的正式版本。
研究主題是什麼？我們想問什麼樣的問題？
了解科學研究的一些基本要素之後，在開始研究的過程中，最重要的問題就是想要問的問題是什麼？當指導教授說：你的任務是畫出某張圖的時候，第一個應該要浮現的問題是：我為什麼要畫這張圖？這張圖為什麼重要？這張圖怎麼幫助社群發展新知識？我可以在這個研究過程中學習到什麼？以上問題的答案，是一個會讓我感到有趣，主動花時間搞清楚的問題嗎？好奇心大家都有，但是願意為了好奇心花力氣研究透徹，那就是科學家特有的堅持了。
回來清大教書後，我慢慢的在摸索幾個問題：在這個新的世代裡，下一代的科學家需要什麼樣的能力？我能怎麼幫助下一代科學家發展相關能力？該如何凝結社群的力量讓有志於科學研究的同學發展相關能力？目前很多問題還沒有答案，也還在努力中。人總是從自己的過去經驗中學習。回想我的博班訓練，我覺得博士班指導教授對我的影響很深遠。我還記得我讀博士班的時候，指導教授非常有肩膀的讓我在我的困惑裡掙扎。當時我還不太清楚研究經費怎麼運作，現在成為助理教授之後，真心感謝當時指導教授所願意提供的研究環境非常難得。我還記得在我博士班第二年的時候，討論到研究進度的問題，我還記得我老闆說：It depends on you. It is your Ph.D. thesis, not mine.我還蠻認真的對待這句話，我得為自己的工作負責。也慢慢體會到最好的研究主題，是因為好奇心，而自己想出來的研究題目這句話的意義。目前在幾位找我做研究的學生中，正在嘗試各種不同的實驗，希望可以對他們發展研究獨立性有所幫助。當然，每個學生的長處不同，也因此成長的模式也會不同。也很感激他們在這段過程中跟我一起成長學習。
如何開始科學研究
除了以上簡介科學的本質，以及幾個科學研究的動機之外，還是有一些基本的研究心態，或是方法，我想可以對廣大想做研究的同學有所幫助。萬事起頭難，如果有幾篇文章說明該怎麼開始研究，我想對整個社群的研究氛圍會有所幫助。