吳國盛 | 科學的精神

科學的歷程2018-11-09 06:32:21



作者 吳國盛 (本號主編,清華大學史系教授

責編 許嘉芩 劉愈


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在阿拉伯的民間傳說中,一個叫阿拉丁的小男孩因為獲得了一盞神燈,而有求必應、呼風喚雨。神燈所照之處,奇蹟相繼發生。這個故事曾經令多少少年朋友心馳神往。其實,我們也許還沒有意識到,今天的人類也掌握著一盞這樣的神燈。這盞神燈服從人類的意志,正創造著人類從前一切世代都不曾想象過的奇蹟。在這盞神燈的照耀下面,人類飛行的夢想實現了,而且還登上了月球;千里眼、順風耳的夢想也實現了,而且觸角伸向了宇宙深處;我們開發出了“比一千個太陽還亮”的原子能,還能夠人工複製生命。不用我說你們也知道,這神燈就是科學。

於是,我們全都一件件想起了科學的好處來。我們的樓上樓下、電燈電話,我們家庭用的各種電器,我們的醫療保障系統,全都是科學為我們提供的。我們往家裡一坐,空調或者電風扇送來清涼的風,電冰箱裡端出冰鎮的飲品,音響裡播送出優美保真的音樂有如音樂大師現場演奏一般,電視機里正在報告世界各地發生的新聞,彷彿親臨現場一樣……還有洗衣機、吸塵器,減輕我們的家務勞動;電子加溼器、空氣淨化器、電蚊香,美化我們的生活環境……科學真象是一個超級僕人,為著我們人類舒適、安全的生活而無微不至的創造著、關懷著,我們人類擁有科學,真是有福了。

且慢高忱無憂。我們真把科學當做一個超級僕人來看待,要是有一天,這個僕人不聽我們使喚怎麼辦?它會不會自做主張,幹出為害人類的事情?它會不會一味埋頭苦幹,不管目標,就象那個著了魔的掃帚一樣,不停地擔水,直到把主人都淹死了?它會不會象那隻好心的狗熊那樣,只是為了趕走主人臉上的一隻蒼蠅,就一掌把主人給打死了?要是我們真把科學當作一個超級僕人來看待,那麻煩就大了。

正因為如此,我們堅決反對把科學只當做僕人的工具論。人們在驚歎科學給我們帶來奇蹟的時候,還永遠必須看到科學的另一面,這就是它人性的一面、精神的一面。無論怎麼說,科學是我們人類自己的創造,是人類精神的偉大成就。

現代科學以它表面上的技術成就,為公眾所矚目,以它龐大而嚴密的知識體系,迎接莘莘學子——唯有經過艱苦的訓練和學習,才有可能掌握其中的一小部分。但是還有一些東西是隱而不彰的,它滲透在知識的字裡行間,滲透在技術的效用之中,那就是基本的存在方式、做人的品質,對待事物的態度、處理事情的方法。這些東西我們稱之為科學精神。阿拉丁的神燈之所以能夠引發奇蹟,就在於它發光,科學作為神燈,也在於這四射的光芒──科學精神。

今天,在這個科學昌明的時代,一方面,科學在我們的社會生活中起著越來越大的作用,我們的一切都受科學的支配,但另一方面,人們對科學的瞭解越來越少,對科學越來越陌生,科學似乎越來越遠離人性的目標,越來越脫離人類理性的批判和控制,在這個時代,重新恢復科學的人文面目,使科學與人貼近,就顯得極為重要。

1、追求真理、超越功利


當代科學是400年前那一場科學革命的產物。發生在16、17世紀的那場科學革命,以哥白尼日心說的提出(1543年《論天球的旋轉》出版)為發端,以牛頓力學的建立(1687年《自然哲學的數學原理》出版)為結束,開闢了近現代科學的“科學”傳統。

這場科學革命的根子在那裡呢?與16、17世紀科學革命大致同時的歐洲另一場文化運動是文藝復興。所謂文藝復興就是,歐洲在走過了一千多年漫長的黑暗年代之後,開始復興古代希臘的燦爛文化。從某種意義上說,16、17世紀的科學革命也是復興古代希臘的科學傳統,是在科學領域中的一場文藝復興。如果說近代科學有根的話,這個根就是希臘科學。因此,我們追溯科學精神的起源,就肯定得從希臘說起。

希臘地處地中海的東北部,東與土耳其,西與意大利隔海相望。古希臘文明發起於公元前1千多年,在公元前6-3世紀達於鼎盛。與之鄰近的有埃及和巴比倫兩大文明古國──地中海南岸是埃及,東岸是兩河流域的巴比倫。比起這兩大文明古國來,希臘還只是一個小弟弟。可是希臘文明初出茅廬就身手不凡,開創了日後被我們稱為科學精神的那種東西。

人類的知識同人類的記憶一樣古老,但在希臘人以前,幾乎所有的知識都是實用性知識。算術知識被用來計算貨物的數量,以便進行交換和貿易,被用來計算田地面積,以便進行分配;天象知識被用來占卜,安排大型禮儀的時間和地點;醫學知識用來治病。這三種知識一開始都是實用性知識,它的範圍和深度都與人們特定的需求相關。實用性知識固有的侷限性就在於,它不會越出特定需求的範圍而自主的發展。

希臘人所開闢的知識態度的獨特之處,在於他們對待知識的超功利性。什麼用處都沒有的知識還值得研究和學習嗎?希臘人的回答是,正因為它沒有什麼用處,它才是最高級的知識。與這種超功利的知識相比,任何實用性知識都相形見拙。希臘大哲亞里士多德在《形而上學》一書中這樣寫道:“當今人們開始從事哲理的思考和探求都是由於驚異。他們最初從明顯的疑難感到驚異,便逐步進入到那些重大問題上的疑難,例如關於日月星辰的現象和宇宙創生的問題。感到困惑和驚異的人想到自己無知,為了擺脫無知,他們就致力於思考,因此,他們這樣做顯然是為了求知而追求學術,而不是為了任何實用的目的。”

希臘第一個哲學家-科學家叫做泰勒士,關於他流傳了一個故事。說的是有一天晚上,泰勒士還象往常那樣孜孜不倦的觀察星空,不料想腳下一拌,掉進了深坑裡。正好有一位女僕路過這裡,把泰勒士拉了出來。女僕認出是每天晚上都專心仰望天空的泰勒士,便笑話他說:“您腳底下的事情還沒有搞清楚,光看天上有什麼用呀?”

這則流傳下來的故事發生在希臘第一個哲學家-科學家泰勒士身上,具有巨大的象徵意義,它可以看成是希臘科學精神的一則寓言。希臘科學特別強調知識的純粹性和超功利性,希臘科學家身體力行,有許多故事為證。

歐幾里德是希臘著名的幾何學家,他的《幾何原本》是全人類的幾何教科書。據說曾經有一個青年跟隨他學習幾何,但這個青年比較功利,剛學了一個命題,就問歐幾里德學了幾何學後有什麼用處。歐幾里德非常不高興的對僕人說:“給這個學生三個錢幣,趕緊讓他走。他居然想從幾何學中撈實利,真是莫名其妙!”

我們還可以提到希臘世界最偉大的科學家的故事,在追求超功利性的知識方面,他也是一個不朽的典範。大家都知道他洗澡時發現浮力定律的故事。國王請工匠用黃金打了一個王冠,打出來之後,國王覺得似乎份量不夠,不象是純金的。表面看起來確實是金的,誰知道里面怎麼樣呢?國王雖然懷疑,也沒有辦法,他也不能只是懷疑,就把好好的王冠打爛了檢查裡面到底是不是純金的。萬一真是純金的,那就太可惜了。但國王還是懷疑。他把這事告訴了阿基米德,請他幫忙判定一下。阿基米德苦思冥想,不得要領。那天,他準備進浴盆裡洗澡,還在想著王冠這事。這一次,僕人把水放得太滿了。當阿基米德坐進浴盆時,許多水溢了出來,這使他想到,這溢出來的水一定就是自己的體積。如果把王冠浸在水裡,根據水面上升的情況就可以知道王冠的體積,再拿與王冠同等重量的金子放在水裡浸一下,就可以知道它的體積是否與王冠體積相同。如果王冠體積更大,則說明其中有假。阿基米德想到這裡,十分激動。他一下子就從浴盆裡跳了起來,光著身子就跑了出去,一邊跑還一邊喊:“尤里卡,尤里卡”(尤里卡是希臘語“發現了”的意思)。

據說阿基米德的死非常具有悲劇色彩。阿基米德所在的敘拉古王國被羅馬人包圍,攻城那天,阿基米德正在家裡的沙堆上研究一個幾何問題,全然不知道攻入城池的羅馬士兵正在外面瘋狂的殺戳。一個羅馬士兵闖進了阿基米德的居所,以征服者的驕橫朝著阿基米德嚷嚷。正在幾何世界陷入沉思的阿基米德,完全沒有意識到站在他面前的是一位持刀荷劍的羅馬軍人,他剛喊了一聲:“不要踩壞了我的圓”,就被羅馬士兵一劍刺死。當代大哲懷特海曾經這樣評論說:“從沒有一個羅馬人是因全神貫注於對數學圖形的冥想而喪生的。”這句話飽含對超越功利和世俗的希臘科學精神的敬意,也充滿了對只知窮兵黷武的羅馬人的嘲諷。

超功利性的追求知識、追求真理的態度,是希臘人貢獻給全人類的巨大精神財富,也是今日科學研究的基本精神。科學家創造了一個“超凡脫俗”的世界,而他們往往沉浸在這個世界裡樂而忘返。我們都聽說過牛頓煮雞蛋把表也給煮進去的故事,也聽說過不少愛因斯坦、陳景潤們因潛心思考而發呆犯傻的故事,所有這些故事顯示的都是科學家們追求真理時的無私、真誠和執著。

2、追求普遍性與客觀性


與超功利性相伴隨的是希臘科學的普遍化特徵。實用性知識往往是個別的、特定條件下的,唯有超功利的知識才能是普遍的、無條件的。我們都知道勾股定理,它說的是直角三角形三邊的數值關係。大約成書於公元前一世紀的《周髀算經》把它描述為勾三股四弦五,因描述者是周公旦(西周時期周武王的弟弟)的大臣商高(約公元前10世紀),此定理也被稱做商高定理。這個定理在西方被稱為畢達哥拉斯(約公元前6世紀)定理,它說的是,直角三角形兩直角邊的平方和等於斜邊的平方。很顯然,勾股定理或商高定理只是一個特定的經驗性定理,而畢達哥拉斯定理是一個普遍性命題。在畢達哥拉斯之前,巴比倫人早就有了關於直角三角形邊值關係的經驗性知識,畢氏本人肯定也瞭解這些經驗性知識。但經驗性定理只是經驗的總結,說不出道理來,而普遍性命題涉及的是無條件的普遍有效性,因而需要一個邏輯證明。所以,畢達哥拉斯定理與勾股定理的最大不同還在於,前者給出了一個證明。

幾何學的原文是geo-metry,geo意思是“地”,metry意思是“測量術”,因此geometry的原意是“測地術”。這個詞的原形表明了它的埃及出身。在古代埃及,尼羅河定期氾濫,每一次氾濫都把此前的田地格局沖掉了,氾濫之後需要重新劃定,以滿足納貢上稅的需要。由於這一特定的原由,埃及的測地術是十分發達的。希臘早期的學者象泰勒士、畢達哥拉斯都曾經遊學於埃及,學到了埃及人的測地術。但是,他們並沒有簡單地接受和延用這個實用性知識,而是把埃及人的“測地術”改造成了“幾何學”。

希臘幾何學區別於測地術的最根本的特徵在於,它是公理-演繹體系。它由少數幾個自明的公理出發,通過邏輯推理的方式,推出更多的定理。因為是由邏輯演繹構造出來的理論體系,希臘幾何學具有最大的普適性。比如三角形內角和等於180度這條定理,對任何三角形都成立,既不取決於它是銳角、直角還是鈍角三角形,也不取決於這個三角形實際上由什麼材料構成的,更不取決於在什麼時間什麼地點來測量它。所以,當我們說三角形內角和定理時,它是一個通過邏輯證明而得出的普遍性定理,不必象實用性經驗規律那樣考慮它的適用條件。

正是因為希臘幾何這種超功利性的普遍適用性,使得科學史上出現了好幾次數學走在物理學前頭的例子。一個例子是太陽系行星運行軌道的形狀。從希臘時代一直到哥白尼時代,人們都認為行星做正圓運動。對於那些在觀察中出現的對正圓軌道的偏離,希臘天文學家托勒密想出了本輪加均輪的辦法,即在圓周(均輪)上疊加一個以圓周上的點為圓心的圓(本輪)。對於不斷出現的行星運行軌跡“異常”,不斷加上更多的“輪子”。到了近代,由於天文觀測能力大大加強,軌跡“異常”太多了,以致輪子數達到80多個。哥白尼建立日心說之後,由於中心的轉換,輪子數大大減少。但因為哥白尼也恪守行星運行的正圓模式,還是不得不保留了30多個輪子。德國天文學家開普勒不滿意這套輪子體系,決意要構造一個更加簡單而和諧的體系。經過長時間的努力,他終於發現,行星運動的軌道不是正圓,而是一條圓錐曲線──橢圓。令人驚奇的是,圓錐曲線早在古希臘時代就已經被發現,而且得到了詳盡的研究。比歐幾里德晚一個世紀的希臘數學家阿波羅尼對圓錐曲線的研究幾乎空前絕後,他用純幾何的方法對圓錐曲線幾何性質的發掘,今人亦歎為觀止。如果不是阿波羅尼的工作做底子,開普勒就不可能做出這個偉大的發現。數學超前物理學,遠了近兩千年。

另一個例子是愛因斯坦的廣義相對論使用黎曼幾何。牛頓力學默認了歐幾里德空間作為唯一真實的物理空間,連哲學家康德都把歐氏空間當做人類先天普遍必然的空間形式。19世紀中葉,許多數學家意識到歐幾里德幾何學中的第五公設(即平行公設)不可能由其他公理或公設推導出來,是一個獨立的公理,因而可以用不同的“平行公理”來替代歐幾里德的平行公設,從而建立非歐幾何。其中德國數學家黎曼用“同一平面上任何兩直線一定相交”來代替歐氏平行公理“從直線外一點能且只能做一條直線與該直線平行”,創立了黎曼幾何,又稱橢圓幾何。在黎曼幾何空間裡,空間是彎曲的。愛因斯坦的相對論把宇宙空間的空間結構與物質內容相關聯,從而得出引力必然導致彎曲空間的結論。愛因斯坦正是運用了黎曼幾何做為數學工具,才創立了他的廣義相對論。這個例子再次顯示,數學如何一再先行,為物理世界的構築鳴鑼開道。非歐幾何的創立者們,正象圓錐曲線的發現者一樣,絕沒有考慮到它將會有什麼用處。然而,正是這種非功利性的追求,卻顯示了它無與倫比的生命力,圓錐曲線在近兩千年後,黎曼幾何則在半個世紀後,均發揮了它們對物理世界的組建作用。

希臘人開創的超越功利、追求普遍性的科學精神,近代以後成了科學發展的原動力。舉牛頓的萬有引力定律為例。從字面上講,萬有(universal)引力的“萬有”就是“普遍”的意思,那意思是說,這種引力是普遍存在的,所有的“物質”都有引力。人們經常傳說,牛頓是在一個夏日的午後坐在一顆蘋果樹下納涼,被一個熟透了的蘋果的下落所啟發而發現了萬有引力定律。這個傳說當然是靠不住的,因為萬有引力定律的發現是一個非常複雜而又漫長的過程,決不是夏日午後的靈機一動所能完成的。但是,如果簡單的概括一下牛頓發現萬有引力定律的動機,則可以說,牛頓希望找到蘋果落地和月亮不落地但卻圍繞地球轉動這兩者之間的共同原因。牛頓相信,這地上事件(蘋果落地)和天上事件(月亮繞地球週期轉動)的共同原因是地球的引力,只有這地球引力既對近地蘋果發生作用,也對天外月亮以相同的方式發生相同的作用,那麼這個引力才是萬有的(普遍的),如果我們能夠發現引力的作用方式,那就能夠說發現了“萬有引力定律”。

牛頓以前,荷蘭物理學家惠更斯已經發現了向心力公式。我們都有這樣的經驗,抓住一根繩子的一端,另一端栓上一個重物,當把繩子甩動起來,重物做以手為圓心的圓周運動,手這時開始吃勁,需要拉住繩子,也就是需要給重物一個向心力的作用。如果不給它一個向心力,比如手一鬆,重物就不再做向心運動,而是沿切線飛離出去。這個向心力的大小與重物的重量、繩子的長度以及轉動的速度相關,直覺上,重量越重、長度越短、轉動越快,則手越吃勁。惠更斯已經發現,向心力與速度的平方成正比,與運動半徑成反比。牛頓以前,開普勒也已經發現,行星運行週期的平方與軌道半徑的立方之比是一個常數,是為開普勒第三定律。由惠更斯的向心力公式和開普勒第三定律,可以推出,向心力與半徑的平方成反比。

如果導致月球運動的向心力確實是由地球引力提供的,那麼由地球引力造成的蘋果落地的運動效應與地球引力造成的月球運動的效應就可以相互印證。牛頓正是在印證了這兩種運動效應之後,才宣佈發現了萬有引力定律。

能量守恆定律的發現,也印證了近代科學追求普遍性目標的巨大成功。大約從18世紀開始,力學領域最先發現了機械能守恆定律,此後,在熱學、電磁學、化學和生物學領域,人們全都發現了能量守恆的原理。“能量”的概念,顯示了自然科學基本概念上的統一性和普適性。今天,要是有人還在搞“永動機”(即違反能量守恆定律的機器),那是不值得嚴肅對待的。要是有人說自己能夠在空中不用任何支撐的懸空,那怕是幾秒鐘,我們也不必信以為真。近代科學的普遍性法則本身已經規定了,科學定律無一例外,如果有例外,那隻能說明該定律不再是基本定律。曾經在量子力學領域,一度出現了許多奇怪的物理現象,當時有的物理學家懷疑能量守恆定律是否不再成立了,但後來發現了許多新的定律,但能量守恆定律沒有問題。

普遍性構成了客觀性的基本依據。現代科學以其客觀性而享受崇高的榮譽,但客觀性是以其知識的普遍性原則為依據的。科學相信,世上萬事萬物,都有著不依賴個人意志為轉移的規律,反過來說,這些規律,對任何人、任何事,任何時間、任何地點都是適用的。科學具有某種超越性,它超越時間、地點,超越歷史和文化,超越民族和階級,超越一切個人和團體。牛頓定律無論是在牛頓的時代,還是在我們今天,無論由西方人來驗證,還是由東方人來驗證,都是成立的。它是自然科學中典型的普適定律。正是這種最廣泛的普遍性,導致了科學規律的客觀性。

 一個科學規律,不因時間地點、對象人事的不同而改變。一條定律在世界上任何一個實驗室中都能得到驗證,任何一個受過科學訓練的人都能驗證。普適性在科學實踐中常常表現為對“可重複性”的要求。如果一個科學上的新發現,不能為其他人在其他地方重複地發現,則不能被承認是一項科學發現。在物理學界,曾經有人宣佈發現了引力波,但他只觀測到了一次,以後再也無法重複,別的物理學家也未能觀測到,所以,引力波就還不是一個被證實了的客觀事實。在我們中國,社會上經常流行什麼“人體特異功能”,這些現象許多人據說有體會有經驗,但是,迄今為止,還沒有一樣被科學的、“可重複的”驗證過。不管怎麼說,“特異功能”現象還不能為科學所認同,因為它遠遠不能滿足科學的“普遍性”和“客觀性”原則。

科學的普適性也表現在對所有人種、所有民族、所有出身的一視同仁。競技體育的某些項目可能與人種有關,但科學研究能力與人種無關。曾經有一個國王想向歐幾里德學習幾何學,但他不怎麼願意下功夫,學了半天還是一竅不通,他便問歐幾里德有沒有什麼學習的捷徑和“祕訣”,歐幾里德很不高興的回敬了他一句:“在幾何學中,沒有專為國王設置的捷徑”。這就是說,在認識真理面前人人平等,並不是當了大官就能獲得更多的真理。科學“無情”,來不得半點虛假。

科學的普適性和客觀性最能調動起人類之間的團結協作精神。不同民族、不同文化背景甚至不同語言的人能夠聚集在一起從事科研活動,這純粹是因為他們共有一種數學語言,而數學語言是普適的。科學的成就屬於全人類,所以毫無保留的為科學界所共享,這是推動科學進步的一個最重要的原則。技術成就有時候被進行專利註冊,如愛迪生、諾貝爾的許多發明,使用它是有償的;有時候被國家壟斷,如核技術,屬於高級機密。然而,科學理論卻不可申請專利,不可被壟斷。中國古代很多技術父子相傳,祕不宣人,結果進步很慢,幾千年後還是老樣子,有些甚至失傳了。西方近代科學之所以象滾雪球一樣的指數般的發展壯大,就在於它的公開競爭機制。所有的後續者都可以在前人的基礎上再攀新高。牛頓的名言“如果我比別人看得遠些,那時因為我站在巨人們的肩上”,就顯示了近代科學的這種精神氣質。

客觀性意味著科學的公共性,因此,科學破除神祕性。某些個人內心的體驗,如果不能公開為可普遍化的陳述,那麼,它不是科學。這當然不是說它的存在的合法性受到懷疑,而是說它不能作為科學出現。這個世界上並不是只有科學合法,但非科學的東西以科學麵目出現是不合法的。這個世界上有許多神奇的事情,它們中的許多與科學無緣,因為它們永遠也不可能脫離神祕性,從而不能進入科學的領域。它們大多隻是人類某種存在狀況的表現,比如對美的體驗,對神聖的體驗,對愛的體驗。人類好奇,心靈中永遠有神祕事物的位置。這是人類真實的存在狀況,不可逃避。但是,神祕的事物不可交流、不可言說,陷於混沌的黑暗之中。科學是光明,照亮神祕的領地。

3、懷疑批判與寬容精神


客觀的態度並不象表面看來那麼容易,不僅人有七情六慾,總是難免意氣用事;不僅人歸屬於不同的民族,難免受文化偏見的制約;而且,人就其存在狀況而言,它都本能地喜好神祕的東西。客觀態度是難的。


正因為如此,對客觀的態度的要求,增生了科學精神的一項新內容,這就是批判精神。人類難免有偏見,個體難免“當局者迷”,“不識廬山真面目,只緣身在此山中”,因此需要保持一個批判的態度。這個態度不是指絕對否定,而是一種有保留的、適度的存疑,它總是保留另外的可能性。有批判精神的科學家,從來不認為某一理論已經無懈可擊,進入了絕對真理的行列。但這一存疑態度,也不妨礙他滿懷熱情地投入工作。

沒有批判精神,就難以保證客觀態度。任何人都是歷史的,誰也不能逃避歷史侷限性。科學家也是人,他也不例外。因此,一種看待事物的態度是不是客觀的,一個研究結論是不是客觀的,並沒有一個永恆不變的標準。在沒有永恆標準的情況下,我們只能用一些臨時的標準。任何標準都是臨時的,所以我們對它要永遠保持一種批判性。有了批判性,客觀性就不致於僵化而走向反面。

近代科學誕生的時候,歐洲社會受著基督教教會強大的精神禁錮,以信仰代替獨立思考、以教條代替探索,成為那個時代人們的一般心理狀態。當時教會把亞里士多德-托勒密的一套宇宙論和物理學奉為圭臬,人們不得越雷池一步。托勒密的宇宙體系認為,地球處在宇宙的中心,太陽、月亮以及幾大行星繞著地球做或快或慢的週期轉動,恆星全部被鑲嵌在最外層天球上做週日運動。由於天文觀測表明這些運動都不是嚴格的圓周運動,所以,托勒密又採用輪子上套輪子的方法來模擬真實的運動,這就形成了所謂的本輪-均輪體系。近代科學是從哥白尼改變托勒密的地心說提出日心說開始的。當時的教會勢力過於強大,哥白尼直到臨死前才把自己的日心體系拿出來出版。但是,口子一旦撕開,批判的精神就成為不可阻擋的力量。接下來,伽利略創立新的物理理論更有力的支持哥白尼的日心說。為此,教會對他進行了審判,並迫使他放棄這一思想。但據說,在審判結束時,這位已經70歲的掘強老人還是喃喃自語:“可是,地球仍在轉動呀!”

挑戰傳統的科學精神早在希臘時代就見端倪。雅典哲學家阿那克薩哥拉提出日月星辰不過就是火熱的石頭,與地上的物體沒有什麼區別,太陽只比伯羅奔尼撒(希臘一個地名)

大一點。這些傑出的思想被當地人視為可怕的異端邪說,阿那克薩哥拉因此被抓進了監獄,差一點送了命。近代早期,與日心說挑戰地心說的同時,生命科學中也有一場關心人體血液循環的鬥爭。基督教會禁止解剖人的屍體,因此一千多年來,關於人體結構的理論均延襲希臘醫生蓋倫的說法。比利時科學家維薩留斯最早打破這一禁令,偷著進行人體解剖,創立了新的人體結構理論。

批判精神不只表現在對歷史文化傳統的挑戰上,而且也表現在對科學傳統、對科學自身的批判上。歷史上曾經出現過著名的燃素說和熱質說,但後來都被證明是錯誤的。燃素說是用來解釋燃燒問題的。從前人們不知道物體為何會被點著燒起來,只是發現象木柴等易燃物,燃燒完後的灰燼比以前輕了許多,而且不再易燃,於是,有些人就推測在燃燒過程中,某種易燃的東西跑掉了,這種東西就稱為燃素。這些想法被化學家系統化成為燃素理論,用來解釋燃燒過程。後來,化學家發現金屬生鏽的過程與燃燒過程屬於同一類型的化學過程,都是失去燃素的過程。但這樣一來就出現了一個問題:燃素是否有重量。問題在於,有機物燃燒之後重量均減少,而金屬生鏽後重量都增加。這個問題直到拉瓦錫提出氧化學說之後,才徹底解決了。按照氧化學說,燃燒的過程不是一個分解(燃素)的過程,而是一個化合過程。金屬生鏽的過程中吸收了大量的氧化,所以重量變大。而有機物的燃燒過程中,有機物中所含的大量的碳與氧氣化合形成二氧化碳散逸到空氣中,所以灰燼變輕。

熱質說是近代早期發展出來的一種熱學理論,認為熱是一種特殊的物質,可以度量,遵守守恆定律。熱質說可以解釋熱量守恆現象,但無法說明熱質是否有質量。英國物理學家倫福德伯爵發現兵工廠的工人在對銅炮鏜加工時,被刀具刮削下來的金屬屑非常之燙,這個現象用熱質說是解釋不了的,因為隨著刮削繼續下去,熱量幾乎是源源不斷地被“開發”出來,如果這些熱量按照熱質說都來自青銅,那青銅早就被這麼多的熱質熔化了。倫福德意識到,這麼多的熱量可能與刮削運動有關。延著這條線索,後面科學家終於提出了“熱是分子運動”的理論。

燃質說和熱質說的例子說明了,儘管科學是在與謬誤的鬥爭中前進的,但謬誤不可以看成與科學絕對的對立,相反應該看成科學之母。在科學中,許多理論尚未有定論,科學家們各執一詞。相互對立的理論之間相互競爭,也是科學發展的動力。比如光的本性一直有“微粒說”和“波動說”兩派。以牛頓為代表的微粒說主張,光是微小粒子的直線運動;而以惠更斯為代表的波動說則主張,光不是微粒的運動而是媒介的波動。微粒運動與媒介波動之間的區別是這樣的,假如光由A處照射到B處,微粒說認為有微粒由A跑到了B,波動說則認為並沒微粒的移動,移動的只是A處的振動通過媒介傳到了B處引起了B處的同樣的振動。聲音是一種波動。關於光的本性的兩大學說互有利弊,微粒說能很好的解釋光的直線運行、光的反射和折射現象,波動說可以解釋光的反射、折射,特別是干涉、衍射及偏振現象。但微粒說認為波動說不能很好的解釋光的直射,因為如果是波,就會有很強的繞射現象,比如聲音可以繞過牆,但光似乎沒有繞射現象。由於牛頓的聲望很高,一度微粒說佔上風。1800年,英國醫生托馬斯·楊對微粒說提出異議,他說:“儘管我仰慕牛頓的大名,但我並不因此非得認為他是萬無一失的。我遺憾地看到他也會弄錯,而他的權威也許有時甚至阻礙了科學的進步。”楊提出,強光和弱光的速度相同,這用微粒說不好解釋;光線由空氣進入水中時,一部分被反射一部分被折射,這也很難用微粒說加以解釋。特別是,楊用實驗發現了光的波動說所預言的光的干涉效應。這導致不久之後科學界對光之波動說的認同。

光之波動說和微粒說的爭論似乎結束了,以波動說取勝。然而富有戲劇性的是,本世紀初大物理學家愛因斯坦再次發現,某些金屬在光的照射下可以發射出電子,但光的強度只能決定電子的多少,而不能改變電子的發射能量,這使他提出了光的量子理論,從而在某種意義上重新恢復了光的微粒說。後來發展出來的光的波粒二象性,即光既是粒子又是波但既不是通常意義下的粒子也不是通常意義下的波,將關於光的本性幾百年來的爭論推進到了一個新的歷史水平上。

這個例子說明,一種學說看似不佔上風,被人們拋棄,但它將來還有可能取得新的證據,再度捲土重來。科學史上這樣的例子不在少數,於是科學共同體中形成了對少數派的寬容原則。批判精神必須佐之以寬容精神。對挑戰者而言,他需要有批判精神,對被挑戰者而言則需要有寬容精神。正是這兩種精神,能夠保證科學不斷獲得突破性進步。

4、尊重實驗、勇於糾錯


批判精神有可能被用濫,以致出現科學界的人成天吵吵鬧鬧無法取得實際進展的局面。阻止這種局面出現的最主要的因素是,任何科學理論首先必須尊重實驗事實。對實驗的尊崇,是近代科學特有的精神氣質。


亞里士多德曾經認為,物體自由下落的速度與其重量成正比,越重的東西下落得越快。這種看法與日常生活某些經驗是吻合的。比如,一根羽毛就明顯比一塊石頭下落得慢。羽毛和石頭如此,其他象木球和鐵球之間是否也有這樣的差距呢?沒有人深究。近代早期的經院哲學家們大多隻講教條,蔑視實驗。伽利略為了批評亞里士多德的運動理論,據說在意大利有名的比薩斜塔上將一個木球和一個鐵球扔下去。結果是兩球幾乎同時著地,為伽利略爭得了有利的實驗證據。經院哲學家們十分頑固,甚至拒絕觀看事實。按照亞里士多德-托勒密理論,地球是宇宙的中心,只有地球才會有行星圍繞著。伽利略用望遠鏡發現木星有衛星後,表明衛星並不是地球專有,地球也只是普通一星。老派的哲學家們為了捍衛亞里士多德的教條,不肯用伽利略提供的望遠鏡看看天空,認為伽利略是用魔術變出瞭望遠鏡中的圖象。這種閉著眼睛不看事實的態度,很快遭到近代思想的摒棄。

在人體生理學方面,近代以前,所有的醫生重理論輕臨床,都不親自動人做解剖實驗,遇到問題就讓屠夫或理髮匠對豬等動物下手,自己只在一旁看看了事。所以,那時的醫生對動物解剖一知半解,更不用說對人體了。近代生理學是從親自動手搞人體解剖開始的。那些發現血液循環的生理學家們,全都是生理解剖家。在電學、磁學、光學、熱學、化學、生理學領域,科學家們開創了一種全新的尊重實驗的科學傳統。英國電學家吉爾伯特用實驗駁斥了當時人們的一種流見,即認為將大蒜抹在磁鐵上將破壞磁性,表明大蒜對磁性絲毫沒有影響。中世紀的人們還有一種見解,認為“自然界厭惡真空”,否認真空的存在。到了近代,首先是伽利略的學生托裡拆利發現了空氣本身有重量,一根一端開口的管子裡的水銀之所以在管子倒過來之後不全流出來,是因為管口的空氣在頂著。這就說明,正是空氣的重量在排斥真空,而空氣的重量是有限的,所以真空就不是絕對不能得到。倒立著的管子裡被水銀空出來的一段就是真空。為了進一步證明真空的存在,德國工程師蓋裡克舉行了著名的馬德堡半球實驗。他當著德皇和國會議員們的面,把兩個銅製半球塗上油對接上,然後把球內抽成真空,再讓兩個馬隊分別拉一個半球,最後用上了16匹馬才將兩個兩個半球拉開。這個令人驚奇的實驗傳開後,再也沒有人對真空的存在表示懷疑了。

近代科學常常被稱為實驗科學,表明了實驗在近代科學中的地位。它對各種各樣的科學理論有判決性作用。在法國生物學家巴斯德創立微生物學之前,人們一直相信生命的自然發生說即相信許多小生命是自然界隨時隨地產生的,象蒼蠅、蛆甚至老鼠都是在骯髒的自然環境中自然產生的。巴斯德用實驗表明這種看法不對。他精心設計了一個實驗。他把肉湯放在一個瓶內加熱後密封起來,過了許多天,肉湯都沒有壞,一旦開封,則肉湯馬上變壞。他得出結論說,肉湯之所以變壞,是因為空氣中的微生物進入了肉湯之中。微生物根本不可能自然的發生。

在實驗事實面前,許多舊理論不攻自破,而這些舊理論的創立者們作為真正的科學家,則通常表現出從善如流──勇於承認錯誤和改正錯誤。愛因斯坦創立廣義相對論之後,曾經把它運用到整個宇宙構造了一個宇宙模型。當時為簡便起見,他假定宇宙整體上是靜止的,從而在宇宙模型中加入了一個宇宙常數,以抵銷因為引力而變得不太穩定的宇宙。但後來,天文學家發現宇宙整體處在膨脹之中,並不是靜止的;理論家也發現,愛因斯坦的宇宙模型不可能是穩定的。愛因斯坦得知觀測天文學家發佈的消息之後,主動承認加入宇宙常數可能是自己一生犯下的最大的錯誤。

科學的精神千言萬語說不完,科學的精神也不能停留在聽聽故事、看看熱鬧。科學的精神就存在於對科學理論的學習和具體實踐操作過程中,只有在親自動手、親身實踐中,才能有對科學精神真正的領悟。親愛的小讀者,希望你們認真學習科學理論,用科學精神武裝自己的頭腦,指導自己的行動,在科學的時代更有作為。


【本文選自《科學走向傳播》,轉載請聯繫作者獲取授權,並註明出處。】


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