導(dǎo)讀
西方科學(xué)發(fā)展的脈絡(luò)
“科學(xué)”一詞在英語里稱為“science”，其本來的意義乃是整個知識系統(tǒng)，包括人們對于世界的一切認(rèn)知，不但包括有關(guān)自然萬物的知識，還包括有關(guān)人類與社會的知識，即不但包括自然科學(xué)，而且包括人文與社會科學(xué)，這才是對科學(xué)的完整理解。不過，因為某種原因，很可能只是習(xí)慣的原因，現(xiàn)在人們一般情形之下只將有關(guān)自然事物的自然科學(xué)稱之為科學(xué)，而將人文與社會科學(xué)從科學(xué)中劃了出去，不再稱其為科學(xué)。
在西方的“專業(yè)科學(xué)語言”拉丁語中，科學(xué)即scientia，它來源于scire，即學(xué)或知，其本來意義即學(xué)識或者知識，所有的學(xué)問與知識都可稱為“scientia”，在德語里它的對應(yīng)詞是“wissenshcaft”，也是同一個意思，在英語里則是“science”，其本來意義也是如此。不過，像在漢語里一樣，日常所稱的“science”專門指有關(guān)自然的知識，即“natural science”，就是自然科學(xué)，這也就是我們在這本書里所稱的科學(xué)。
第一節(jié)　科學(xué)的興起：從古代到中世紀(jì)
想精確地了解科學(xué)起源于何時是徒勞的，可以說比之想知道藝術(shù)的起源更難，因為藝術(shù)會使古人們在巖壁上留下萬年之后也能識別的圖畫，而科學(xué)卻不如此，它不會給我們留下這樣的證據(jù)。不過我們還是可以從“想當(dāng)然”的角度去理解一下科學(xué)的起源。例如很早以前，古人們就在觀察天上的星星、太陽、月亮了，對于它們究竟是什么樣的、有什么運行規(guī)律也做過一些臆測，這些觀察與臆測也許就是天文學(xué)的起源了。還有，打獵時需要計算獵物的數(shù)量，遠(yuǎn)在文明誕生之前的古人想必也會找一些方式來進(jìn)行這種計算，例如數(shù)手指頭或者在繩子上打個結(jié)，這些就是最早的數(shù)學(xué)了。
當(dāng)人類進(jìn)入文明社會之后，科學(xué)自然也開始進(jìn)入它的“文明”了，即以文字來記錄那些早已有之的簡陋的科學(xué)知識。這些東西，我們從最古老的文字里就可以略知一二。例如從古埃及的紙草書里，我們知道那時有一個聰明的貴族，他為法老設(shè)計了一座獨特的計時裝置。他先做了一個漏斗，下面的孔開得很小，然后在里面裝上水，讓水慢慢地從小孔里漏將下來，甚至還在漏斗上標(biāo)記了刻度。這樣，在一定的刻度之間，漏水所花的時間就是一樣的，類似于我們現(xiàn)在的一分鐘或者一小時。這個計時器也可以說是一種物理儀器。
在與古埃及文明同樣古老的美索不達(dá)米亞，那里的古人們觀察了天象，并且把天上星星的位置做了一番記錄，制成一種星表。那一帶的蘇美爾人發(fā)明了楔形文字，在這種文字里有許多表示種類與屬性的詞匯，例如表示顏色的黑、白，表示種類的木、石，表示硬度的軟、硬等等，還用這些詞匯來表示各種礦物。這樣，就使得幾千年之后的人們?nèi)匀荒軌騾^(qū)分出蘇美爾人所描述的是何種礦物。這種命名法與現(xiàn)在我們在生物學(xué)或者地質(zhì)學(xué)上所運用的命名法則也是相似的。
如此等等，這些知識就是人類最早的科學(xué)知識，也是以后更為復(fù)雜的科學(xué)知識的基礎(chǔ)。
古代埃及人、蘇美爾人等的科學(xué)知識通過一系列復(fù)雜的過程傳給了古希臘人。古希臘人在文學(xué)、哲學(xué)、藝術(shù)等方面的成就直到今天依然為后人所景仰。與之相類，古希臘人在科學(xué)方面亦成就非凡。
在古希臘人的科學(xué)成就中，我們最為熟悉的也許是德謨克利特的原子說了，他以為世間萬物均由原子組成。千載之后，他的學(xué)說竟得到了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)可，被證明有著頗大的準(zhǔn)確度。
除德謨克利特外，古希臘還有許多偉大的科學(xué)家，例如數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯，他對數(shù)字有一種近乎崇拜的喜愛。例如他認(rèn)為只有數(shù)才是和諧的、美好的。他找了各種各樣的數(shù)，如長方形的數(shù)、三角形的數(shù)、金字塔形數(shù)等，它們都由一些數(shù)目小塊構(gòu)成，具有美的形狀。他還認(rèn)為十是最完美的數(shù)，因此天體的數(shù)目也應(yīng)當(dāng)是十。并且硬是臆造了所謂第十個天體“對地”。畢達(dá)哥拉斯最偉大的成就是發(fā)現(xiàn)了勾股定理。
除了德謨克利特和畢達(dá)哥拉斯這兩個我們熟悉的哲學(xué)家兼科學(xué)家之外，古希臘著名的科學(xué)家還有天文學(xué)家菲勞洛斯、醫(yī)學(xué)家希波克拉底（他被尊為西方的“醫(yī)學(xué)之父”）等。
這些偉人之后，古希臘出現(xiàn)了另外三個更偉大的人物，就是我們熟悉的蘇格拉底、柏拉圖和亞里士多德了，特別是后兩者，除了是偉大的哲學(xué)家外，同樣是偉大的科學(xué)家。例如柏拉圖，在他的“阿卡德米”里數(shù)學(xué)是最主要的學(xué)科，包括算術(shù)、平面幾何、立體幾何等，另外還有天文學(xué)和聲學(xué)等課程。在阿卡德米的大門口刻著這樣的話：“不懂幾何學(xué)者不得入內(nèi)。”
亞里士多德則是比其老師柏拉圖更偉大的科學(xué)家，甚至可以說他主要是一個科學(xué)家，其次才是哲學(xué)家。因此，在亞里士多德的思想中，內(nèi)容最豐富的不是形而上學(xué)的玄思，而是富于科學(xué)精神的觀察與研究。亞里士多德將他的目光投向了整個自然界，把自然界的萬千個體當(dāng)作自己的研究對象，試圖從中尋求知識與真理。在他的學(xué)園呂克昂，教學(xué)的主要內(nèi)容不是阿卡德米的數(shù)學(xué)與政治，而是傾向于生物學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)等自然科學(xué)。
在亞里士多德的諸多著作中，有相當(dāng)一部分是有關(guān)于科學(xué)的，如《物理學(xué)》《天象學(xué)》《論夢》《論呼吸》《論顏色》《動物志》《論植物》《機(jī)械學(xué)》《論不可分割的線》等。從它們的名字我們就可以看出其研究領(lǐng)域包括天文學(xué)、氣象學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)、機(jī)械學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等。這些學(xué)科中的一大部分實際上就是由亞里士多德本人創(chuàng)立的，如動物學(xué)、植物學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)等。
古希臘之后的古羅馬時期，科學(xué)同文學(xué)、藝術(shù)一樣，大體是對希臘人的模仿，而且遠(yuǎn)沒有希臘人來得偉大。古羅馬的科學(xué)著作是用拉丁語寫成的，這個時期著名的科學(xué)家有盧克萊修，他的《物性論》既是偉大的哲學(xué)著作，也是偉大的科學(xué)著作。還有普林尼，他的《自然史》，或者譯作《博物志》，是古羅馬最偉大的科學(xué)著作，其中天文、地理、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等無所不包。
普林尼生活在公元1世紀(jì)，到了公元2世紀(jì)，出現(xiàn)了兩個偉大的科學(xué)家，一個是天文學(xué)家托勒密，另一個是醫(yī)學(xué)家蓋倫。蓋倫對我們來說可能有點陌生，您可能聽說過人的四種氣質(zhì)，即膽汁質(zhì)、黏液汁、多血質(zhì)和抑郁質(zhì)，這說法最初就是由蓋倫提出來的。他認(rèn)為人的身心特征有賴于四種體液之間的平衡，即黑膽汁、黃膽汁、黏液和血液。他甚至還進(jìn)行過動物的活體解剖，對人體生理結(jié)構(gòu)亦有相當(dāng)了解。
公元2世紀(jì)是羅馬帝國的黃金時代。此后帝國誕生了不少杰出的科學(xué)家，像3世紀(jì)的迪奧凡圖斯、公元4世紀(jì)的泰昂、公元5世紀(jì)時泰昂的女兒海帕西婭，公元6世紀(jì)的辛普利西烏斯等。這里，我們只說一下海帕西婭。海帕西婭被稱為西方歷史上最偉大的女哲學(xué)家之一，也是第一個女?dāng)?shù)學(xué)家。她非常美麗且博學(xué)多才，是亞歷山大城里新柏拉圖學(xué)派的領(lǐng)袖，但她的命運真是慘極了。原來，遠(yuǎn)在宗教裁判所正式建立之前，基督教在擁有龐大勢力后，就開始迫害異己了。受害者中之一就是海帕西婭。她在講學(xué)回家的路上被幾個基督徒抓進(jìn)了教堂，他們先把她剝得一絲不掛，然后用鋒利的蚌殼將她全身的肉一片片割下來，再硬生生地扯斷她的四肢，最后，他們把她還在顫抖著的身軀丟進(jìn)了熊熊烈火。
羅馬帝國崩潰以后，西方歷史進(jìn)入了中世紀(jì)。這時候阿拉伯人占領(lǐng)了原來屬于羅馬帝國的許多地區(qū)，包括亞洲的部分地區(qū)和北非，甚至歐洲的西班牙。阿拉伯人成了科學(xué)的主角，這時候最偉大的科學(xué)家是穆斯林伊本·西拿，西方人稱他為阿維森那。他是一個偉大的生理學(xué)家與醫(yī)學(xué)家，被西方人尊為“最偉大的醫(yī)生”。
這時古希臘與古羅馬的許多典籍都被譯成了阿拉伯文，在阿拉伯世界傳播開來，而它們原來的希臘文本與拉丁文本卻消失在基督教的汪洋大海里，西方人的科學(xué)也像其哲學(xué)與文學(xué)一樣進(jìn)入了黑暗時期。
西方的中世紀(jì)對科學(xué)最大的貢獻(xiàn)也許是大學(xué)的誕生。我們知道，大學(xué)是科學(xué)研究的主要基地，正如它是培養(yǎng)科學(xué)人才的主要基地一樣。西方第一所真正的大學(xué)是成立于11世紀(jì)的意大利的博洛尼亞大學(xué)，后來法國的巴黎大學(xué)、英國的牛津大學(xué)與劍橋大學(xué)等相繼建立，大學(xué)的建立為以后的科學(xué)研究奠定了最主要的基礎(chǔ)。
第二節(jié)　走向經(jīng)典的科學(xué)：以牛頓為標(biāo)志
中世紀(jì)之后是文藝復(fù)興。對于西方，這既是一個古希臘與古羅馬文明的復(fù)興時代，也是一個科學(xué)巨人們創(chuàng)新的時代。
文藝復(fù)興時有一樣?xùn)|西對科學(xué)的發(fā)展與傳播產(chǎn)生了重大影響，這就是印刷術(shù)。印刷術(shù)是中國古代的四大發(fā)明之一，畢昇是活字印刷術(shù)的發(fā)明者，這是確定無疑的。這個事實沈括在《夢溪筆談》里有詳細(xì)的記載。但對于西方人卻不是如此。他們倒不否認(rèn)中國是印刷術(shù)的發(fā)明者，甚至不否認(rèn)畢昇是活字印刷術(shù)的發(fā)明者。但他們認(rèn)為真正的印刷術(shù)的發(fā)明者是活躍于15世紀(jì)的古騰堡。他們這樣說的理由有三個：一是畢昇的發(fā)明并沒有在歐洲傳播；二是古騰堡所發(fā)明的用鉛來鑄活字的技術(shù)較畢昇的泥活字要好得多；三是古騰堡所發(fā)明的不僅有鉛活字，而且有連同印刷機(jī)等在內(nèi)的整個印刷系統(tǒng)，它能夠大規(guī)模地印刷出精美的作品，使得知識在西方的流傳大大加快，為知識的傳播產(chǎn)生了巨大影響。
文藝復(fù)興晚期或文藝復(fù)興之后不久，出現(xiàn)了另一樣對西方科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響的新事物——科學(xué)院�，F(xiàn)在世界各國都有專業(yè)的科學(xué)研究院，像中國科學(xué)院，是我國科學(xué)研究的最權(quán)威機(jī)構(gòu)。這樣的機(jī)構(gòu)最初于17世紀(jì)左右興起于羅馬，最早有羅馬的林且科學(xué)院、佛羅倫薩的奇門托研究院、英國的皇家學(xué)會、法國的巴黎科學(xué)院等�？茖W(xué)院是專門的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，不但進(jìn)行科學(xué)研究，還辦了各種科學(xué)雜志和出版社以發(fā)表科研成果、出版科學(xué)書籍。當(dāng)時幾乎每一個有影響的科學(xué)家都是這個或那個科學(xué)院的成員。大致在同一時期，與科學(xué)院的興起一樣，歐洲出現(xiàn)了一大批杰出的科學(xué)家，將科學(xué)帶入了又一個黃金時代，真正建立了現(xiàn)代意義上的科學(xué)。在所有這些偉大的科學(xué)家之中，最偉大者乃是牛頓。
牛頓之后，為科學(xué)做出杰出貢獻(xiàn)的人就多了，如惠更斯有關(guān)光學(xué)的理論、笛卡爾的解析幾何、萊布尼茨的微積分、歐拉那些奇跡般眾多的數(shù)學(xué)成果等等，有若夏夜繁星。另外值得一提的是，這時候的科學(xué)研究不再是意大利、德國、英國、法國等少數(shù)幾個大國的事情了，而是推廣到了整個歐洲，幾乎每一個歐洲國家都有人在搞科學(xué)研究，都誕生了優(yōu)秀的科學(xué)家，例如像瑞士這樣的小國就出現(xiàn)了伯努利家族、大數(shù)學(xué)家歐拉、大生物學(xué)家哈勒等。
第三節(jié)　現(xiàn)代科學(xué)：以愛因斯坦為標(biāo)志
17世紀(jì)后，科學(xué)就這樣迅猛地發(fā)展著，直到19世紀(jì)。這時候，科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)到了一定的程度，使相當(dāng)一部分人包括許多杰出的科學(xué)家宣稱科學(xué)發(fā)展到這個程度已經(jīng)完美無缺，到達(dá)頂點了，以后科學(xué)研究的工作將只是完善已有的理論，或者對某些小漏洞做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作而已，其洋洋得意之態(tài)溢于言表。然而，到了19世紀(jì)末，出現(xiàn)了一系列新生事物，這些新生事物對舊的科學(xué)秩序產(chǎn)生了幾乎致命的打擊。
這些新東西即工業(yè)革命的技術(shù)成就，如紡織革命中的紡紗機(jī)與織布機(jī)；動力革命中的蒸汽機(jī)與內(nèi)燃機(jī)；運輸革命中的火車、輪船、汽車和飛機(jī)；通訊革命中的電報與電話等。這些新技術(shù)新產(chǎn)品迅速傳遍整個西方，使西方人的生產(chǎn)方式與生活方式都產(chǎn)生了革命性的轉(zhuǎn)變，使得20世紀(jì)的人們比起18或者19世紀(jì)來仿佛生活在另一個世界。
與這些技術(shù)性的成就相比，純科學(xué)在這時候也出現(xiàn)了許多令科學(xué)家們感到驚異的現(xiàn)象。第一項是倫琴X射線的發(fā)現(xiàn)，他之所以將之命名為“X”，是因為當(dāng)時對這種射線的各種性質(zhì)幾乎一無所知，顯得極為神秘。倫琴也因此獲得1901年第一屆諾貝爾物理學(xué)獎，這標(biāo)志著物理學(xué)一個新紀(jì)元的到來。
大約同時，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的放射性。什么是放射性呢？簡而言之就是物質(zhì)能夠自發(fā)地發(fā)射能量和亞原子粒子的屬性。所謂亞原子粒子就是比原子還要小的粒子。放射性表示原子并不是組成物質(zhì)最微小的粒子，而且物質(zhì)也不是一成不變的，而是可變的。
此外，再加上否定了以太存在的邁克爾遜—莫雷試驗等，它們像烏云一樣籠罩在科學(xué)家們的頭頂，有如懸在傳統(tǒng)物理學(xué)上的一柄達(dá)摩克利斯之劍，隨時可能掉下來，將傳統(tǒng)科學(xué)砸得粉身碎骨。就像著名物理學(xué)家、量子理論的創(chuàng)立者普朗克所說的一句話：“很久以前，在宗教和藝術(shù)的領(lǐng)域內(nèi)，現(xiàn)在則在科學(xué)園地內(nèi)，再難以找到一個不會被人懷疑的基本原理，同時也難以找到一種無稽之談是無人相信的。”
到了20世紀(jì)初，不但原來的老問題沒有解決，而且新問題接踵而至，新理論不斷誕生，例如對孟德爾遺傳學(xué)說的重新發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識像達(dá)爾文的進(jìn)化論一樣再一次改變了人們對于生物進(jìn)化的觀念。弗洛伊德的精神分析學(xué)說則極大地改變了人類對自身的認(rèn)識，認(rèn)識到了人類在理性之下非理性的本質(zhì)。終于，1905年，愛因斯坦提出了相對論，它告訴人們，無論時間還是空間，都不是絕對的、不變的，而是相對的、可變的，甚至在物質(zhì)與能量之間也沒有絕對的區(qū)別，而是可以相互轉(zhuǎn)換的——它的直接結(jié)果就是原子彈的誕生，如此等等，終于將本來已經(jīng)搖搖欲墜的傳統(tǒng)科學(xué)大廈一舉推倒。至此，科學(xué)超越了傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，到達(dá)了全新的現(xiàn)代科學(xué)之境。
以上就是西方科學(xué)發(fā)展大致的脈絡(luò)與路徑了，此后我們關(guān)于西方科學(xué)所有的述說都將依據(jù)這條路徑行走。
第一章
天文學(xué)
第一節(jié)　什么是天文學(xué)
六大基礎(chǔ)學(xué)科中，我們將以天文學(xué)開始，然后分別是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地學(xué)與生物學(xué)。
我們要了解的第一個問題是：什么是天文學(xué)？
什么是天文學(xué)呢？按《不列顛百科全書》的定義：天文學(xué)是研究宇宙內(nèi)所有天體和散布其中的一切物質(zhì)的起源、演化、組成、距離和運動的科學(xué)。這個概念是容易理解的，我們就從它來分析什么是天文學(xué)吧！從中我們首先可以知道天文學(xué)的研究對象有兩個：一是所有天體，二是散布其中的一切物質(zhì)。
什么是天體呢？簡而言之，天體就是宇宙間各種星體的通稱。太陽系中的天體包括太陽、行星、衛(wèi)星、彗星、流星以及行星際微小天體等。銀河系中的天體有恒星、星團(tuán)、星云以及星際物質(zhì)等，河外星系則是和銀河系同樣龐大甚至更加龐大的星系。
以上這些都屬自然天體。近年來，利用紅外線觀測、射電觀測以及高能探測器等發(fā)現(xiàn)的紅外源、射電源、X射線源和 γ射線源等也是自然天體。但在天空中也運行著人造衛(wèi)星、宇宙火箭、行星際飛船和空間實驗室等，它們就屬于人造天體了。除了這些天體之外，天文學(xué)還有第二個研究對象，即“散布其中的一切物質(zhì)”，它們又是什么呢？
我們知道，宇宙中有著許多天體，像恒星、行星、衛(wèi)星、流星，等等。這些天體的共同特點就是它們都有一定的體積，哪怕只是幾塊小石頭而已的流星也是如此，例如一立方米甚至一立方分米。它們都是我們用眼睛看得見、用手摸得著的實實在在的物體。但宇宙中是不是全是這類天體呢？不！除了這些外，宇宙中還有另一類型的天體， 它們是一些比較特別的物質(zhì)，我們的眼睛看不見、手也摸不著。具體而言主要是一些氣體，例如氫，還有很少的鈣、鈉甚至有機(jī)分子等，此外還有大量成分多種多樣的微小塵埃。這些小東西充滿看上去一無所有的星球空間。它們被稱為星際塵�；蛘咝请H介質(zhì)。這就是散布天體之中的物質(zhì)了。它們是天文學(xué)研究的第二類對象，不過并不是我們在這里要進(jìn)一步討論的對象。
以上就是天文學(xué)所要研究的兩大類對象了。還有另一個問題是：我們要研究這些對象什么樣的性質(zhì)或特征呢？這就好回答了，就是《不列顛百科全書》定義中的后一部分：它們的起源、演化、組成、距離和運動。
我們在這里要講的當(dāng)然不可能是前面所有的天體，而只是其中的自然天體，并且主要是那些大型的、我們比較熟悉的自然天體，如星系、太陽系、太陽、行星、彗星、衛(wèi)星、流星等。
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