讀一點西方科學史

 澤熙〔10／31／1999于美國〕

    最近在網上讀了三本書，它們分別是三個英國人的著作：懷特海的《科學與近代世界》，貝爾納的《科學的社會功能》和羅素的《西方哲學史》。它們有一個共同的部分，就是從不同的角度談到了西方科學史或近代科學的緣起。我聯想到「中國古代有沒有科學的問題」，在最后一部分進行探討。

（一）西方科學的源與流

    希臘科學由自然哲學家泰勒斯（Thales，公元前640－546）和畢達哥拉斯（Pythagoras，公元前582－507）奠基以來，到亞里士多德（Aristotle，公元前384－322）和阿基米德達到頂點。這一流派不僅對哲學感興趣，如探討：「自然的基始是什么呢？」「世界是變化的，還是靜止的？」等﹔而且對于數學問題，他們嚴格遵照演繹推理。同時，古希臘也向古巴比倫和古埃及學習，引進和改造科學成果，如几何學和天文學等。后來的著名人物有亞里山大城的歐几里得和托勒密（Ptolemy），他的「地球中心學說」主宰西方天文學思維將近１５００年。

    從某種意義上講，希臘人似乎已經產生了現代意義上科學。例如，力學和數學應用于建筑和戰爭，阿基米德本人對靜力學原理的掌握，等等。然而，這只是觀念上的准備，因為那時人們觀察的耐心還遠沒有占主要的地位，歸納法的綜合過程也處在「懸空狀態」。但是他們的代表人物，如亞里士多德和阿基米德等人則有些例外。近代科學的開始，就是在亞里士多德自然理論的破碎中，使十七世紀的物理知識能用一種完整的方式表述出來。

    希臘人偏重理論，他們擅長抽象思維和嚴謹推理，但是把科學放置在哲學之下﹔相反，羅馬人則更看重現實。因此，有觀點認為：近代科學既源自希臘，也源自羅馬。譬如，近代科學和實際保持聯系，就被認為是受羅馬風格的影響。再往前推，貝爾納認為：現代科學具有雙重起源，它既起源于巫師、僧侶或者哲學家的有條理的思辯，也起源于工匠的實際操作和傳統知識。

    科學史的下一時代在伊斯蘭國家，而同時期的羅馬帝國几乎在科學上沒有什么重大建樹。和中國人有些類似，伊斯蘭人較之希臘哲學更注重技朮上的探索。例如當時煉金朮對化學的推動作用，就類似于過去占星朮對巴比倫天文學所起的作用。化學不同于天文學和數學，阿拉伯人重視實效而不是理論上的完美解釋，他們可以嘗試在操作中達到自己的目的，卻不可能知道化學反應的真正原理。

    中世紀的西方科學相對停滯，從公元前２１２年阿基米德去世到１４００年間，科學雖有積累，但整體上進展遲緩。除數學外，文藝復興時期，人們還得從阿基米德已經達到的水平開始。在醫學和天文學方面取得的進步，和十七世紀的長足發展相比也顯得微不足道。

    同時期西方的經濟基礎也相對原始，無從容納發明創造。例如在意大利，十三世紀就出現過一種簡單的紡織機，并投入使用。但因其危及其他手工業者的生計而遭到行會禁止。然而，社會穩定卻有助于貿易，貿易積累財富，中產階級開始向封建經濟發難。文藝復興的意大利就成為了近代科學的發源地。

（二）近代科學的緣起

    十六世紀，哥白尼代表了當時的新宇宙觀和強調直接觀察的科學精神。哥白尼（Ｎｉｃｏｌａｕｓ Ｃｏｐｅｒｎｉｃｕｓ，１４７３－１５４３）利用余暇致力于天文學，并受到托勒密思想的影響，但他很早就已經相信太陽處在「宇宙中央」，而地球圍繞它作自轉和公轉。由于害怕教會的譴責，他的主要著作《天體運行論》直到他逝世的１５４３年才出版發表。

    文藝復興時期的意大利曾經擁有世界上第一批現代柏拉圖式的科學院，除了開普勒以外，十五、十六和十七世紀初的大發明家几乎全部出自意大利人的培養，如波蘭人哥白尼。這以后好景不長，西班牙奪去了它在政治上的獨立，北歐國家則搶占了它在商業上的霸權，意大利喪失了在科學上的領先地位。十七世紀，異端審判所對伽利略的審判，更是結束了意大利的科學，科學在意大利几個世紀也沒有復活。

    十七世紀，英國突起。發展新科學在那里逐步由科學家自己擔任起來，他們在１６４５年形成了一個「無形的學院」，并在王政復辟之后成為皇家學會。在這里出現了包括牛頓和波義耳在內的第一批現代意義上的科學家。

在羅素眼里，近代是從十七世紀開始的。他認為，文藝復興時期的意大利人，沒有一個會讓柏拉圖或亞里士多德感覺不可理解﹔阿奎那要理解路德也不難。但是論到十七世紀就不同了：柏拉圖和亞里士多德、阿奎那和奧卡姆，對牛頓會根本摸不著頭腦。而在創立近代科學方面，有四個不同凡響的偉人，他們是哥白尼、開普勒（Johannes Kepler，１５７１－１６３０）、伽利略（Galileo Galilei，１５６４－１６４２）和牛頓（Isaasc Newton，１６４２－１７２７）。

    自希臘以來，許多人力圖把所有的現象都解釋成「自然秩序」的體現，而疏于觀察。直到十六、七世紀中世紀結束，涌現出來的新思潮才加速了對自然界觀察的進展。例如，繼哥白尼之后采用太陽中心說的天文學家開普勒，通過觀察發現了他的「行星運動三定律」。他的第一定律說「行星沿橢圓軌道運動」。用橢圓代替圓，拋棄了從畢達哥拉斯以來支配天文學的審美偏見。圓不再是完美的形狀，而天體是完美的物體（被認為是神），即便依柏拉圖或亞里士多德來講，完美的物體必須作完美形狀的運動。這里出現了沖突，牛頓則進一步發展了開普勒的定律。

    十七世紀被譽為「天才的世紀」，而大部分的天才人物都出自英國。人們繼承了十六世紀的科學觀念，并把他們發展的思想體系流傳下來。吉爾伯特（Gilbert，１５４０－１６０３）在１６００年發表了論磁體的巨著﹔１６１６年春，哈維在倫敦發表了關于血液循環的理論。１６４２年牛頓出生、伽利略去世，正逢哥白尼《天體運行論》發表一百周年。笛卡兒《形而上學的沉思》和《哲學原理》也在這前后發表。其他的顯赫名字有培根、開普勒、惠根斯、波義爾（１６２７－１６９１）和萊布尼茲等等。

（三）科學的三大獨立

    首先，科學從宗教的庇蔭下獨立出來。宗教改革和科學運動是歐洲歷史性革命的兩個方面。伽利略堅持「無情而不以人意為轉移的事實（規律）」，直接對抗了教會掀起的反理性運動，即回到神秘事物上去的運動。例如１５５１年教皇特使曾下令：「所有神職人員的觀點都必須符合《聖經》、使徒傳統、正式批准的神聖宗教會議、教會法典和聖師的權威著作。他們必須簡潔自處，避免浮華而無益的問題和乖僻的爭論。」

    如果說宗教改革是一場聲勢浩大的群眾風暴，那么科學勃發的開始則只是在知識界中流行。它以平靜的方式，把以往某些「例外」或「異端」的思想流傳開來，并形成飛躍。科學家們逐步把他們的終極原理放在唯物論的基礎之上，從亞里士多德以來的「目的論」被趕出了科學，科學引起的震動也令神學家們感到不安。

    其次，科學從哲學下面獨立出來。在十七世紀，人們充滿了對規律的注意，也注意到了說明一般規律的歸納法。培根首先清楚認識到煩瑣學派的演繹法和近代歸納觀察法的對立。盡管歸納法遺留下來的理性根據問題并未解決。十八世紀，歸納法所帶來的特殊困難由于休謨的批判而暴露出來，但是科學的發展仍在繼續。它從這時起傾向定量研究，十七世紀末，物理學就已經建筑在令人滿意的量度基礎之上了。牛頓提出了最后和較完整的解釋。

    三大運動定律和引力定律的提出與完善，從「確立落體定律的第一人」伽利略開始，到牛頓為止，笛卡兒和惠根斯正好在前后兩人之間。他們四人接力般的合作獲得的成就，可以認為是人類知識中最偉大的成果。牛頓沿哥白尼、開普勒和伽利略開拓的道路，到達成功。十七世紀科學的基本特征也在牛頓的物理學中凸顯出來的。公元１５００年，歐洲人所知道的還不及阿基米德，但是到了１７００年，牛頓完成了《自然科學的數學原理》（１６８７）以后，知識界的思想就由中古式的變為近代式的了。

    當時，數學上的成就引人注目。現代几何學的開創人是三位法國人﹔笛卡兒、德札爾和帕斯卡，費馬則奠定了現代分析數學的基礎。牛頓和萊布尼茲分別獨立創造了微積分，把數學應用到物理達到了相當純熟的地步。數理分析帶來了一種思維方式的變革，几乎統治了下一個世紀的科學界。在這種情形下，科學與哲學也分道揚鑣。自休謨以來，流行的科學哲學一直在挑戰著科學的合理性，但無法從根本上動搖科學。

    最后，科學形成獨立的文化。十七世紀科學飛躍的結果殊出意外，通過牛頓等人的定量描述、培根的歸納法和笛卡爾的解析几何學等，科學不僅確立了自己的地位，牛頓的方法也被推廣到整個自然科學，它的影響遠遠超出了自然科學的范圍，甚至沖擊到神學和自然科學。科學第一次成為有別于傳統的獨立文化，在自洽中推演出了一個個龐大的數理和邏輯體系。也把十八世紀塑造成了一個「理性的世紀」，理性和計算成為十八世紀的主導，甚至對政治也產生了影響。

    隨之而來的是科學轉化為技朮。十七世紀科學依賴少數天才發展起來的盛況沒有維持到十八世紀，從１６９０到１７５０年出現了科學史上的相對空白。如果說十七世紀天文學只在航海業有廣泛應用的話，那么十八世紀的科學一開始就同產業結緣，十六、七世紀科學積累的成果在工業革命期間大量轉化為實際的技朮。出現以科學為支撐的技朮，這也是前所未有的。比如，蒸氣機的發明至少可以部分地歸功于科學，近代化學也在這個世紀里出現。

    工業革命的成功鞏固了科學作為近代文明的一部分，它不再是少數人的行動，而是普及的內容。盡管近代科學并不是盡善盡美，但很快發展成為現代科學。

（四）科學走向世界

    科學時代的出現的確相當突然，一些默默無聞的民族開始后來居上。羅素這樣寫到：「西歐人急速地富足起來，逐漸成為全世界的主子：他們征服了北美和南美，他們在非洲和印度勢力浩大﹔在中國，受尊敬﹔在日本，人懼怕。所有這種種再加上科學的輝煌勝利，無怪十七世紀的人感覺自己并非在禮拜日還自稱的可卑罪人，而是十足的好樣人物。」几個世紀下來，几乎全世界都注意到科學的效果。

    正如懷特海所說的：「現代科學誕生于歐洲，但它的家卻是整個的世界。」近兩個世紀以來，西方文化開始影響亞洲，而影響最大的也是他們的科學和科學觀點。同時，懷特海對東方人極其珍視自己的文化遺產也不感到奇怪。他說：「我們對中國的藝朮、文學和人生哲學知道得愈多，就會愈加羨慕這個文化所達到的高度。几千年來，中國不斷出現聰明好學的人，畢生獻身于學朮研究。從文明的歷史和影響的廣泛看來，中國的文明是世界上自古以來最偉大的文明。中國人就個人的情況來說，從事研究的秉賦是無可置疑的，然而中國的科學畢竟是微不足道的。」近代東方民族的落后，正是因為錯過了近代科學的興起。

    西方科學人士的一個觀點：通過對比科學在不同文化環境下的發展會收益不淺，通過與曾經具有輝煌古代科學的中國、伊斯蘭、印度、日本或俄國的經驗相比較，便可以把西歐的由希臘、猶太、基督教、羅馬傳統因素所產生的科學的特點，從比較普遍的因素中區別出來。例如，在歐洲，亞里士多德和宗教教義的宇宙觀，對待矛盾的態度曾經是通過論証或試驗加以解決﹔但是在印度，人們則是在感覺上消除矛盾﹔在中國，人們可能在與大自然的「道」上找到和諧，否則感到不自在。

    反過來看，我們同樣可以從文化的對比中發現我們需要的答案。西方科學興起的原因，歸納起來講，一是有源自古希臘的自然哲學和邏輯體系，二是實証觀察和歸納法的運用，三是近代數學分析方法的興起和在科學中的運用，四是宗教改革和時代的松動造就了一批天才的科學頭腦。其中前三者是關鍵，我們不妨以此反觀中國的古代科學。

（五）中國古代科學分析

    如果說近代科學是世界的共同語言，那么中國的古代科學則是在中國特定的環境中創造出來的知識系統。自英國學者李約瑟《中國科學技朮史》（Science and Civilization in China）問世以后，世人都知道中國曾經有過輝煌的古代科學。同時，對中國古代科學的沒落也有數不清的探討。歸納起來，一種是傾向于從科學的內在發展機理上找原因，另一種則偏向于從文化、體制等外部找原因，試圖判別我們是否具備興起近代科學的條件。本文著重內在的探討。

    同西方文明之母的古希臘相對應，中國的文化可以追溯到春秋戰國時代。一般認為，在當時諸多的學派中，最有可能生發展出近代科學的是墨家。例如，馮友蘭在美國哥倫比亞大學攻讀哲學時發表的《為什么中國沒有科學──對中國哲學的歷史及其后果的一種解釋》一文認為，中國古代的三大學派，道家主張自然，墨家主張人為，儒家主張中道，而后墨家失敗……只尋求對人的治理，而不尋求對自然界的征服。這就是中國沒有科學的原因。

    這里選用呂應鐘教授的系列文章《中國的古代科學》（見１９７９年６月《民族晚報》）作簡要分析。

    根據呂應鐘的介紹，墨子曾經對杠杆原理有所認識：「衡加重于一旁必棰。」這里的「棰」就是下垂的意思。「杆秤平衡后，加重的那一邊將會下垂」。對于力和力距的關系，墨子說：「權重若也，相衡則本短標長，兩加焉，重相若則標必下，標得權也。」按呂應鐘的解釋：如果將句中的「權」視為重物，「重」視為重錘，墨子的話可以換成：「重物和重錘相當而重錘稍重，在杆子平衡時，本會較短而標較長。兩頭各加上等重的東西，則標這一端會下垂，則標得到較大的力。」

    它符合杠杆原理：重錘×本（力距）＝重物×標（物距）

    然而，有沒有精確的公式表達，或揭示一般原理，正是古代科學與近代科學的一個重要分野。墨子拘泥于具體事物的說明，可能永遠也抽象不出純粹的數學形式來。顯然他的觀察還停留在知其然而不知其所以然的階段。同樣的道理，勾股定理甚至更加接近現代几何學的原理，但畢竟是經驗的發現，并沒有揭示普遍的邏輯關系。

    對自然的觀察是歸納的基礎，牛頓曾經對太陽光進行過觀察。而二千多年前，墨子就對光進行過仔細的觀察。他知道光是直行：「景光之人煦若射。」呂應鐘解釋道：若射者，指如射箭一般，是直行的。墨子甚至知道光在透鏡前會聚焦。他說：「在遠近有端與于光，故景瘴內也。」呂應鐘認為，這里的「內」就是納，是聚集在一點的意思，《墨經》常常稱焦點為「正」或「內」。

    同樣，墨子肉眼的觀察可能并不知道如何用實驗的手段來實証光是「直的」。牛頓用肥皂泡來辨別太陽光的不同顏色，就和我們現在用的三棱鏡一樣，這是實証的方法。從墨子的著作中可以推測出他可能進行過凹面鏡和凸面鏡的實驗，但是如果沒有開發出近代意義上的數學工具，墨子的觀察也就不可能象近代科學那樣歸納成精確的數理描述，而僅僅停留在觀察階段，發展成為科學可能還需要很長的一段路要走。

    天文學是最早的科學，古文明的觀測大部分與季節、氣候、歷法或天象有關。農業、游牧和迷信等因素推動人們進行觀察和記錄，中國也不例外。古希臘天文學還一度把人們的思考方法從神秘帶到理性。近代科學先驅哥白尼的新宇宙觀就來自直接的觀察，而不受流行宗教觀念的束縛。開普勒、伽利略、牛頓理論的完成也無不得益于對天文的觀察和提出抽象的模型解釋，如開普勒三大定律和萬有引力定律等。

    中國古人對天文知識的掌握有不少符合科學的結論，例如《周髀算經》描述四季中太陽的方位。另外，如《天工開物》記錄了許多古代中國的工藝技朮，其中也包含了對某些科學原理的運用﹔《九章算朮》從數字、几何等多方面介紹了中國傳統算學理論和計算方法。我國古代數學，如記數法、分數的算法、開方朮、高次方程求解、圓周率和勾股朮等在世界上都曾處于領先地位。但這些成就多出于實用的目的，而很少進一步上升歸納出完整的邏輯體系來。

    尤其是數學，古代中國和古代希臘的數學成果被認為是古代世界數學發展的兩個高峰，但是特點各不相同。中國沒有出現類似《几何原本》那樣的邏輯演繹體系，而是以題解為中心的算法體系。希臘數學家善于運用邏輯推演，中國數學家貫于非邏輯的直覺思維。這說明兩者都受到各自哲學背景的影響。相對來講，中國數學較不利于形成完整的科學體系。

    應該注意到，如果以現代科學為背景來挖掘中國古代的科學成份，我們總可以找到它們之間的許多相似的結論，但是一步之差可能有天壤之別﹔近代科學并不是把零散的科學觀察簡單地堆砌在一起，二千年過去了，墨子的觀察依然沒有推導出抽象的理論出來。所謂「古已有之」，是自我安慰罷了。經典物理學是西方近代科學的突破口，而中國近代的學者似乎并沒有表現出這樣的熱情和洞見。

    從十七世紀到二十世 紀 初，西學東漸，中國也沒有很好地吸納近代科學。古代中國的技朮水平高于西方，而近代的落后是由于沒有得到科學的支持，作為近代科學支柱之一的數學也沒有長足的進展。

    從外部條件看，一種流行的觀點就是從儒家那里找原因。儒家重德、「不語怪力亂神」、視技朮創造為玩物喪志，等等。然而從科學外的主流文化上找原因，并不具有說服力。古代西方的主流文化，無論是哲學還是宗教，同樣把科學放到末等的地位。外部原因固然重要，但內在分析更重要。如果說萊布尼茲可以從六十四圖里讀出二進制來，但是千百年來古代中國人卻只能從《易經》里讀出占筮朮，因為他們沒有新思想的沖力。中國的古代科學也似乎并沒有直接培養出引發近代科學飛躍的潛在結構：嚴密的邏輯體系、實驗觀察和抽象數學推演。盡管我們不乏科學的探索精神、廣泛積累的數據和科學原理在技朮中的運用。

    當然，以中國的短處來比西方的長處有失偏頗，現在的話題應該是如何取長補短。近代科學傳入中國，有的直接引入，有的在改造中國的傳統科學中確立。比如地學，明代以前中國的地學比較優越，并且擁有實用性強的地學文獻和地學理論，用不著向其他國家學習。但是明代以后，西方地學超過了我們。清末民國初，我們大量采用了西方近代地學的方法，建立了中國近代地學。二十世紀以來，中國雖然全面移植了西方近代科學及其體制，但中國的近代科學仍然落后于歐美。

几點啟示

    中國如何能在科學上趕上西方？西方科學史也提供了啟示：

    首先，科學的發展有其內在的邏輯和突變性質。近代科學的興起是一大突變，同時又必須具體一定的條件，包括嚴密的邏輯推理，數理方法的運用和實驗觀察。這些都是中國古代科學所缺少的，我們必須向西方學習。

    其次，科學沒有國界，從古代的埃及、巴比倫、希臘、亞歷山大到阿拉伯，從近代的意大利、英國、法國、德國到美國等等，科學是在不斷吸納各民族最優秀的成果上發展起來的。現代科學也是如此。

    最后，科學的發展不會停滯，它在一國停滯了，在另一國還會發展起來。因此，在一國保持科學發展的良好環境也是至關重要的。我們需要做堅持不懈地努力。