现代科学之起源

在今天的中小学和大学里，基本是以非历史的方式来教授科学的。教科书采用尽可能方便的形式来表述科学学科的关键思想，很少涉及促成这些科学发现的漫长而又经常曲折发展的历史过程。作为教学方法，这样做是有道理的。但是对于科学思想发展史的适当关注会对理解科学哲学家感兴趣的那些论题有所助益。实际上，我们将在第五章看到得到论证的这种观点：对科学史的密切关注是做好科学哲学工作所必不可少的。

现代科学起源于1500年到1750年之间发生在欧洲的科学高速发展时期，即我们现在所称的科学革命时期。当然，古代和中世纪的人们也从事科学探索——科学革命并不是凭空产生的。在这些早期阶段，主流的世界观是亚里士多德学说，这一名称来自古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德在物理学、生物学、天文学和宇宙学领域都提出了具体的理论。但是正如他的研究方法那样，亚里士多德的观点对于一个现代科学家来说似乎是非常古怪的。仅举一例：他认为所有的地球物体都仅是由土、火、空气和水四种物质组成的。这种观点显然与现代化学告诉我们的东西相冲突。

在现代科学世界观的发展过程中，第一个关键阶段是哥白尼革命。1542年，波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼（1473—1543）发表了一本抨击地心说宇宙模型的著作，地心说模型认为静止不动的地球位于宇宙的中心，行星和太阳都在围绕地球的轨道上旋转。地心说式的天文学也称为托勒密天文学，以古希腊天文学家托勒密的名字命名。它是亚里士多德式世界观的核心，延续了约1800年而未受质疑。但是哥白尼却提出了另外一种观点：太阳是宇宙的固定中心，包括地球在内的行星都在环绕太阳的轨道上运行（参见图1）。在这种太阳中心说的模型中，地球仅被看做是另外一个行星，因此也就失去了传统曾经赋予它的独特地位。哥白尼的理论最初遇到了非常大的抗拒，尤其是来自天主教会的抗拒。天主教会认为哥白尼的理论是对圣经的背叛，并于1616年禁止了宣扬地动学说的书籍的发行。然而在不到100年的时间里，哥白尼学派就被确立为正统的科学。

哥白尼的革新不仅带来了更好的天文学的进步，通过约翰内斯·开普勒（1571—1630）和伽利略·伽利雷（1564—1642）的努力，它还间接地推动了现代物理学的发展。开普勒发现，行星围绕太阳运行的轨道不是哥白尼所猜想的正圆形，而是椭圆形。这就是他重要的行星运动“第一定律”；他的第二和第三定律明确给出了行星围绕太阳运行的速度。

开普勒的三定律加在一起，给出了一个远比以前提出的理论更好的行星运动理论，解决了许多世纪以来困扰天文学家的难题。伽利略终生追随哥白尼的学说，也是望远镜的早期发明人之一。当把望远镜对准天空的时候，他得到了许多惊人的发现，其中包括月亮上的山脉、大量的恒星、太阳黑子以及木星的卫星。所有的这些发现同亚里士多德学派的宇宙学完全相矛盾，并在科学共同体转向哥白尼学说的过程中发挥了至关重要的作用。

然而，伽利略最持久的影响并不在天文学，而是在力学中；他推翻了亚里士多德学说中关于重物体比轻物体下落速度更快的理论。取而代之的是，伽利略提出了一种反直觉的观点，认为所有做自由落体运动的物体都以相同速率向地面下落，不受重量影响（参见图2）。（当然，在实践中如果你从相同的高度向下抛一片羽毛和一枚炮弹，炮弹将会首先着地，然而伽利略认为这仅仅是由于空气阻力的作用——在真空中，它们将会同时着地。）另外，他还认为做自由落体运动的物体是均匀加速的，即在相等的时间内获得相等的速度增量；这就是伽利略自由落体定律。伽利略为这一定律提供了尽管不是决定性的但却具有说服力的确凿证据，这构成了他力学理论的核心部分。

通常认为，伽利略是第一位真正的现代物理学家。他第一次表明数学语言可被用来描述物质世界中的真实物体的行为，例如下落的物体、抛射的物体等等。在我们看来这似乎是很显然的——今天用数学语言来表述科学理论已经成为惯例，不仅是物理学，在生物学以及经济学领域也是如此。但在伽利略的时代，这却不是显然的：人们普遍认为数学处理的是纯粹抽象的实体，因此对于物质实体是不适用的。伽利略所做工作的另外一个革新方面是，他强调了运用实验来检验假说的重要性。对于现代科学家来说，这也许又是一个看上去显而易见的观点。但是，在伽利略的时代，人们并不认为实验是一种获得知识的可靠手段。伽利略对于实验检验的强调标志着一种研究自然界的经验方法的出现，这一方法一直沿用至今。

伽利略去世后接下来的那段时期，科学革命突飞猛进。法国哲学家、数学家和科学家勒内·笛卡尔（1596—1650）提出了一门全新的“机械论哲学”，按照这种哲学，物理世界仅由相互作用和相互碰撞的惰性粒子物质构成。控制这些粒子或“微粒”运动的定律就是理解哥白尼式宇宙结构的关键因素，笛卡尔对此深信不疑。机械论哲学声称将用这些惰性的、不可感知的微粒运动来解释一切可观察现象，很快就成为了17世纪下半叶的主流科学观；在某种程度上至今它仍然影响着我们。机械论哲学的观点得到了诸如惠更斯、伽桑狄、胡克、玻意耳等人的支持；对它的广泛接受标志着亚里士多德式世界观寿终正寝。

科学革命在艾萨克·牛顿（1643—1727）的研究工作的推动下达到了顶峰，他的贡献在科学史上无人可出其右。牛顿最杰出的著作是《自然哲学的数学原理》一书，出版于1687年。牛顿虽然赞同机械论哲学家们关于宇宙完全是由运动粒子构成的观点，但他却试图改进笛卡尔运动定律和碰撞规则。其结果是，在牛顿的三大运动定律和他著名的万有引力原理的基础之上，强大的动力学和机械论理论诞生了。按照该定律，宇宙中的每一个物体都对所有其他物体产生引力；两物体间引力的大小取决于它们质量的乘积和它们之间距离的平方。运动定律阐明了引力是如何影响物体运动的。牛顿发明了今天被我们称为“微积分”的数学技巧，对理论的表述具有很高的数学上的精确性和严格性。令人惊奇的是，牛顿能够表明开普勒的行星运动定律和伽利略的自由落体定律（经过微小的修正）都是他的运动定律和万有引力原理的逻辑结果。换言之，无论是天上的还是地上的物体运动，都可以用同样的定律来解释。牛顿给出了这些定律精确的定量形式。

牛顿物理学为此后200年左右的科学提供了框架，很快就取代了笛卡尔物理学。主要由于牛顿理论的成功，科学的信心在此期间迅速增强。人们普遍认为牛顿的理论揭示了自然界真正的运行方式，并能够解释一切，至少在原则上是可以的。人们作了更为细化的尝试，以便把牛顿力学的解释模式拓展到越来越多的自然现象上。18和19两个世纪见证了巨大的科学进步，尤其是在化学、光学、能源、热力学以及电磁学研究领域。但是大多数情况下，这些新发展都被看做是在一个宽泛的牛顿宇宙观范围之内作出的。科学家们把牛顿的观念作为最根本的正确观念来接受；剩下的工作就是在细节上对其加以填充而已。

牛顿式的理论图景在20世纪上半叶被动摇了，这要归功于物理学上两项革命性的新发展：相对论和量子力学。爱因斯坦发现的相对论表明，在运用于特别巨大的物体或者运动速度极快的物体时，牛顿力学无法给出正确的解答。相反的是，量子力学则指出在运用于微观领域的亚原子微粒时，牛顿力学无法给出正确解答。相对论和量子力学两者，特别是后者，是非常奇特和激进的理论，它们关于实在本性的论断使很多人难以接受甚至难以理解。它们的出现导致了物理学上重大的观念变革，这些变革一直延续至今。

到现在为止，我们对于科学历史的简要回顾主要集中在物理学领域。这绝非偶然，物理学不仅在历史上非常重要，在某种意义上也是所有科学学科当中最基础的学科。这是因为，其他科学的研究对象本身都是由物理实体构成的。以植物学为例。植物学家研究植物，植物最终是由分子和原子构成的，这些分子和原子都是物理学微粒。因此，植物学显然不如物理学更基础——尽管这并不是说它更不重要。我们将在第三章回到这一点进行讨论。但是，如果完全忽略非物理科学，对现代科学起源的一个即使是简要的阐述也将是不完整的。

在生物学领域，最著名的事件是查尔斯·达尔文关于通过自然选择实现物种进化的理论发现，这一理论1859年被发表在《物种起源》一书中。在此之前，按照圣经《创世记》的教导，人们普遍认为不同的物种都是由上帝分别创造的。但是达尔文却认为，当代的物种事实上都是由古代的物种通过一种名为自然选择的过程进化而来的。当一些生物组织依靠它们的本身特征比其他的组织留下更多的后代时，自然选择就开始了；如果这些特征被它们的后代所继承，随着时间的推移，这一种群就会越来越好地适应环境。达尔文认为，尽管这一过程很简单，但是经过许多代之后，它就会导致一个物种进化成另一个全新的物种。达尔文为他的理论提供的证据非常有说服力，以至于在20世纪开始之前它就作为正统的科学被人们接受了，尽管有许多来自神学的反对意见（参见图3）。后续的科研工作为达尔文的理论提供了更为惊人的验证，这一理论成为了现代生物学世界观的核心观点。

20世纪又见证了另外一场迄今尚未完成的生物学革命：分子生物学、特别是分子基因学的问世。1953年沃森和克里克发现了生命体细胞当中组成基因的遗传物质DNA的结构（参见图4）。沃森和克里克的发现解释了基因信息如何从一个细胞被复制到另一个细胞，并从父母传给子女的问题，从而解释了为何子女往往与父母相像。他们的发现开辟了生物学研究的一个激动人心的新领域。在沃森和克里克的发现问世以来的50年里，分子生物学获得飞速发展，改变了我们对遗传以及基因如何构建生物体的理解。最近试图进行的对人类体内整套基因提供分子水平描述图的工作，即人类基因组计划，标志着分子生物学的深远发展。21世纪将会见证这一领域更加激动人心的进步。

过去一百年间投入到科学研究方面的资源比以前任何时候都要多。带来的一个局面就是新科学学科，诸如计算机科学、人工智能、语言学和神经科学的大量涌现。也许近30年来最重要的事件就是认知科学的兴起，认知科学研究人类认知的各个方面，例如感知、记忆、学习和推理，并且改造了传统的心理学。认知科学很大的动力来自于一种观点，该观点认为人脑在某种程度上类似于一台计算机，人类的心智过程因而可以通过与计算机执行的操作加以对比得到理解。认知科学虽然仍处于婴儿期，但很有希望依靠它揭示关于意识活动的大量机理。社会科学，特别是经济学和社会学，在20世纪也得到了繁荣发展，尽管许多人认为它们在成熟性和严格性方面仍落后于自然科学。在第七章我们将回到这个问题上来。