02.科学思想的发展：历史的回顾

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DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC THOUGHT: A HISTORICAL OVERVIEW

一经发现，一切真理都易于理解。关键是要发现它们。

——伽利略·伽利莱伊

哲学家热爱真理，但他爱的不是感觉的变化世界，那是意见的对象；他爱的是不变的真实的世界，那是知识的对象。

——柏拉图

（Plato）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 从早期人类到现代人类对于真实的求索

· 科学思想的发展历史

· 用客观的推理解释世界的第一批尝试

· 第一批世界模型

· 不同的科学学科的出现

· 科学革命与自然定律的发现

对了解我们自身起源的渴望，是定义人类好奇心的有机组成部分。这里的主要挑战是在对真实的求索中找到对整个世界运行机理的合理解释，并试图解答如下问题：为什么事物会是它们现在这种样子？如果人类在这个恢宏的宇宙图像中扮演了某种角色，那是一种什么样的角色？在这一旅程中，新的想法会直面强有力的实验的检验，新的假说必须符合自然现象。这就是所谓的科学方法——尽量通过科学的、数学的、可以验证的定律来解释人们观察到的现象。只有在得到了实验验证之后，一种解释才会被接受。所以，如果人们对这个世界中任何事物的起源做出一种假定，它都应该首先得到确定，然后得到经验证实。

在试图解答诸如自然现象的起源这类深刻的问题时，我们经常会见到抽象或猜测性的解释。对于这类问题的探索，以及哲学家和科学家思索这个问题的方式经过了千百年的演变。人们过去采取的方式是抽象的，但后来，当人类能够用科学手段观察自然现象时，我们逐渐可以将模型与真实世界联系，并能完全理解让事物具有其性质的密码。最令人神往的工作莫过于破解这些密码，发现隐藏在它们背后的真实。

在理解周围的世界活动中，人类走过了漫长的道路。我们当然应该为此而骄傲，但同时也应该承认，在这个世界上，人类并没有占据独一无二的地位。我们对于宇宙知道得越多，这一点就越清晰。将人类与其他造物相区别的是我们所具有的思考和想象的能力，以及从经验当中学习的能力。本章将简单地回顾思想的进化和人们用于理解大自然隐藏的奥秘的不同方法，并通过引申法阐述人类的起源。尽管人类的思想进化在开始时发展得很慢，但加速非常迅猛。

本章回顾了人类知识的逐步积累、不同科学学科涌现的时刻，并以古希腊哲学家们的工作为起点，总结了改变人类世界观的重大发现。随之而来的是人类获得了观察的能力，从而引发了科学革命。本章讨论了现代科学的进步、导致这一进步的因素，以及这一进步如何改变了我们的宇宙观和我们周围的世界。当不同的科学学科在科学革命之后出现时，人们已经不可能再孤立地学习单一学科了。例如，化学依赖于物理定律，而生物学严重依赖于理解化学的过程。为了深刻地理解起源问题，我们需要发现的恰恰是这些看上去各自独立的领域之间的关系。

对于真实的早期探索[1]

第一批古希腊哲学家试图使用从基于信仰到基于知识的方法，通过逻辑寻找真实。他们属于前苏格拉底（Socratic）哲学家学派，寻找真实的、单一的、绝对的原理。第一位前苏格拉底学派的哲学家是泰勒斯（Thales，公元前624—前546年），他也是第一个赞成所有物体都来源于水这个单一终极物质的人。因此，他相信万物是统一的。泰勒斯是第一位对数学、天文学和哲学的开创性方法进行统一的哲学家，也是第一位用理论和假说解释自然事物的哲学家。阿那克西曼德（Anaximander，公元前610—前546年）是泰勒斯的学生，是第一位科学哲学家，他相信自然是遵循定律的，并试图将自然现象解释为一系列因果关系。历史上有记录的最早的科学实验由阿那克西曼德完成。尽管在历史记录中，巴比伦人（Babylonians）创建了天文学，但人们通常认为，阿那克西曼德是第一个用非神学方法考虑宇宙学的人。他试图运用观察与实验的方法研究宇宙的不同方面及其起源，并探索了天体力学。另一位著名的泰勒斯的学生是毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前570—前490年），他是第一个自称哲学家（即“智慧热爱者”）的人，也是第一位纯数学家，被人称为“数字之父”。毕达哥拉斯是第一个通过数学方法解释自然的人，而且他看到了数学表达的世界之美。在追寻形而上学基础和道德应用方面，有一位超越了物理学理论的前苏格拉底学派的哲学家，他就是赫拉克利特（Heraclitus，公元前535—前475年）。赫拉克利特有关具有内在秩序与理性的持续变化的宇宙的想法，形成了后来的欧洲世界观的基础。赫拉克利特与埃利亚的巴门尼德（Parmenides of Elea，公元前515—前450年）是同代人，后者是一位非常有影响力的前苏格拉底学派哲学家，被称为“形而上学之父”。巴门尼德在做出断言的时候遵循推理证明的方法，否定变化的现实。西方哲学史上的一个转折点由此出现，对在他之后包括柏拉图（公元前428—前348年）之内的哲学家具有重大影响。

两位深受巴门尼德思想影响的早期希腊哲学家是阿那克萨哥拉（Anaxagoras，公元前500—前428年）和恩培多克勒（Empedocles，公元前490—前430年）。阿那克萨哥拉在自然科学方面有许多洞见，在他的时代很有革命意义。例如，他是第一个解释日食成因的人，其想法推动了后来的原子论的发展。恩培多克勒被认为是古代世界四大经典元素——土、水、气、火的宇宙理论的创造者，后来，在许多个世纪中，这一理论一直是人们的标准信条。德谟克里特（Democritus，公元前460—前370年）是最后一批前苏格拉底学派的哲学家之一，他发展了一个自然界的唯物论模式，并对建立原子论的哲学流派做出了重大贡献。尽管他是苏格拉底的同时代人，但他的观点更接近前苏格拉底学派的哲学家。

以上讨论总结了人类对于真实的早期探索，这些探索为此后两千年间对于自然的科学理解奠定了基础。从泰勒斯到德谟克里特的近三百年间，人类获得的基础成就是能够考虑简单的观察，并解释自然携带的信息。这也有助于解释自然现象所经历的从最初假定到最后模型的思想的发展。这说明了人类是如何开始思考自身在宇宙中的地位以及起源问题的。在这个时期，对于思想的发展有所贡献的重大方法，是由苏格拉底（Socrates，公元前469—前399年）建立的对话和谈话的力量，人称苏格拉底问答法。在探讨自然的真实方面，这种方法发挥了重要作用，它不但由苏格拉底的学生们在发展与对比各种想法时使用，而且在此后很长一段时间内产生了重大影响。

第一批世界模型

第一个宇宙模型是苏格拉底的学生柏拉图提出的。在他的著名著作《蒂迈欧篇》（Timaeus）中，柏拉图解释了宇宙和其中的一切是如何诞生的。他的观点与后来的中世纪神学家的观点不同。他认为宇宙并不是无中生有地被创造出来的，而是由已经存在的土、水、气、火四大元素生成的，这些元素组成了各种复合物，构成了世界。柏拉图的宇宙是由恒星、行星、太阳和月球组成的，它们都在不同的球面上围绕地球旋转。他的结论是，月球旋转的球面是与地球最近的，其次是太阳的球面，接着是更远的其他行星，恒星则是最遥远的。柏拉图认为天体必须是对称的，具有完美的形状，而这是它们能够存在的唯一可能方式。柏拉图的学生亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）运用观察的方法提出了他有关自然现象的模型，并解释了这些模型的理性论证。亚里士多德的宇宙是不随时间变化的，永远以同样的方式存在。在将近1900年的时间内，人们广泛接受了亚里士多德的地心说宇宙模型，认为这是唯一可行的宇宙模型，直到哥白尼革命（Copernican revolution）之后，情况才有所改变。这些年间，人们已经对地心模型进行了修正，但该模型的基本原则一直未变。

尽管亚里士多德为宇宙的地心模型奠定了哲学基础，但他并没有以天文学观察为基础仔细地添加细节。公元2世纪，托勒密（Ptolemy，公元90—168年）开发了一套标准地心模型，其中以组合圆运动解释人们观察到的行星运动。然而，要使他的模型与观察结果匹配，托勒密只能偏离亚里士多德的某些原理。尽管许多人试图修正托勒密的模型，但直到16世纪中叶，有关行星球面结构的不确定性仍然未能得到解决。

尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543年）出版了一部题为《天体运行论》〔De revolutionibus orbium coelestium （On the Revolution of Heavenly Bodies）〕的著作，他在书中试图通过让太阳取代地球居于宇宙中心的方式来纠正这些偏差。哥白尼相信，每颗行星的大小和速度取决于它们与太阳的距离。这是一个革命化的概念，常被人称为“哥白尼革命”。尽管哥白尼的断言当时遭到了反对，但它为未来的发现铺设了道路。

一个以观察为基础的世界模型

丹麦人第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601年）是最后一位用肉眼观察天象的天文学家。他准确地观察了天体的位置和它们在天球上的运动，对其进行了角度测量。通过对一次超新星爆发和一颗彗星的观察，他得出一个结论：它们比月球离我们更远。这种测量非常重要，因为亚里士多德和托勒密的模型认为，彗星和超新星是气象或者大气现象。因此，布拉赫提供了反对经典天文学的第一批证据之一。他也提出了一个新模型，其中行星围绕太阳旋转，太阳则率领所有的行星围绕着位于中心的地球旋转。布拉赫做出了他那个时代有关天体位置的最准确的测量。他的助手约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler，1571—1630年）利用了这些数据，把它们总结为数学模型，得到了行星运动的三大定律。开普勒受到了新柏拉图思想的影响，相信“几何图形为创世者提供了装点整个世界的模型”。开普勒是第一个发现行星运动遵循的宇宙定律的人。他最初的模型为行星围绕太阳的旋转假定了一条圆形轨道，但他发现，这与布拉赫测量的行星的准确位置有8弧分的偏差。他并没有将这一点归咎于观察误差，而是修正了自己的模型，并最终发现，当假定行星沿椭圆轨道公转时，理论与观察能够得到最佳匹配，这时太阳处于椭圆的一个焦点上（开普勒行星运动第一定律）。他也发现了行星的轨道速度和它们的轨道与太阳的距离之间的关系（开普勒行星运动第二定律）。通过尝试许多模型的结合，他最后得出了开普勒行星运动第三定律，即任何行星围绕太阳公转周期的平方都与轨道的长半轴的立方成正比。这一定律完美符合当时的观察数据，这些数学模型也得到了此后无数次独立实验的证实。开普勒行星运动定律的重要意义在1687年得到了清楚的展现，当时艾萨克·牛顿应用这些定律，得到了万有引力定律。

1610年，意大利天文学家、哲学家、工程师伽利略·伽利莱伊（1564—1642年）利用自己刚刚研制的望远镜，观察到了围绕木星旋转的4个天体，也就是说，他实际上发现了木星的4颗卫星。这与亚里士多德的宇宙学矛盾，后者认为所有天体都围绕地球旋转。伽利略于同年注意到，金星与月球一样有位相。托勒密的地心学说完全无法解释这种观察结果，而日心说则预测金星会有不同的位相。这些观察结果摈弃了亚里士多德的地心宇宙观点，支持行星围绕太阳旋转的日心体系。这一事件影响了科学与哲学的基本概念和人类的世界观。

科学革命

艾萨克·牛顿（1642—1727年）生于伽利略去世的那一年。在他于1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿为万有引力概念和后来的运动定律奠定了基础。牛顿结合了开普勒定律和由克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695年）发现的与离心力[2]相关的定律，证明向心力（即令物体沿着圆形路径运动的力，力的方向永远指向该物体的圆形轨道的中心）确实是让行星运动的力，而且太阳与其行星之间的引力与它们之间的距离的平方成反比。这是牛顿万有引力定律的诞生过程，它让科学发生了革命性的变化。应用这一定律，牛顿预言了彗星的轨道、行星的运动以及许多其他天体现象。牛顿的工作无可辩驳地证实了太阳系日心模型的有效性，否定了亚里士多德的世界模型。牛顿的万有引力定律和运动定律成功地解释了此前350年间人们对于太阳系内各天体的观察结果。

除了万有引力定律，后牛顿时代的另一项重要发现，是对于电、磁和光现象是同一种现象的不同表现形式的理解。这种思想由苏格兰数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879年）于1860至1871年间开发的4项方程予以阐述。人类第一次成功地表达了一种统一力，这种力被命名为电磁力。麦克斯韦证明了，电磁波传播的速度等于光速，而光是一种遵照麦克斯韦方程建立的定律传播的电磁扰动。牛顿和麦克斯韦共同为延续到今天的现代科学奠定了基础。

牛顿的世界观于20世纪初受到了挑战。随着在自然科学不同领域内发生的突破，一种新的世界观崭露头角。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955年）推出了他的狭义相对论，粉碎了人类到那时为止有关世界的见解。爱因斯坦是以麦克斯韦的电磁理论为基础推导他的理论的。根据他的论证，出现在麦克斯韦方程中的光速是一个无视产生它的光源的速度的常数。接着，爱因斯坦进一步提出，物理定律在任何参照系中都是不变的。这两个概念形成了狭义相对论和现代物理学的基础。

物质本质的现代观点的出现

19世纪初，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844年）注意到，各种元素总是按照整数比例参与反应。通过测量一种化合物中不同成分（元素）的相对质量，他意识到，参与反应的每种元素都是某个离散单位的整数倍，即原子的整数倍。法国物理学家让·佩兰（Jean Perrin，1879—1942年）用实验方法证实了道尔顿的原子论，并首次证明物质是由人称原子的离散单位组成的。在用阴极射线所做的一次实验中，英国物理学家J. J. 汤姆逊（J.J. Thomson，1856—1940年）证明了一种粒子的存在，其质量为原子的1/1 800。人们很快便意识到，这些“新”粒子带有负电荷，正是它们形成了电线中的电流，为此人们称其为电子。电子的发现向原子不可分而且是构成物质的终极成分的理念提出了挑战。然而，人们当时并不清楚电子在原子内部是如何分布的。在1909年的一次实验中，汤姆逊的学生欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937年）研究了带有正电荷的阿尔法粒子被金属箔散射的现象，出乎意料的是：他注意到，有些粒子的偏转角度大于90度。为了解释这一观察结果，卢瑟福提出了一种观点，认为带有正电荷的粒子形成了处于原子中心的小原子核。汤姆逊和卢瑟福分别提出了原子结构的两种最早的模型，一种是布丁模型（plum pudding model），另一种是行星模型（planetary model）。然而，1913年，汤姆逊的另一位学生——丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962年）证明卢瑟福的模型不可能稳定，并首次提出了以量子概念为基础的原子结构模型。在这个模型中，原子核处于原子的中心，电子在不同的轨道上围绕原子核旋转。电子可以通过吸收或者发射独立的能量单位来改变它们的轨道。1916年，有关原子结构的信息让人们理解了原子之间的化学键，以及如何解释原子的发射与吸收光谱这一由来已久的问题。人们将化学键解释为不同原子中的电子之间的相互作用，而在1919年，美国化学家欧文·朗缪尔（Irving Langmuir，1881—1957年）解释了元素的化学性质，认为这是由于电子之间结合的特殊模式而产生的。

20世纪20年代，量子力学的发展彻底改变了物理学世界，改变了人类对于物质构成的看法。1900年，马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947年）发现了有关黑体辐射的原理；1905年，爱因斯坦解释了光电效应。这两次重大发现揭示了物质的量子性质。而人类对于基本粒子的物理特性的测量始于一次利用银原子束的实验，银原子在穿过磁场时按照粒子的不同角动量（或者说自旋）分裂。1924年，路易·德布罗意（Louis de Broglie，1892—1987年）提出，一切粒子都在某种程度上表现出波的行为。埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961年）于1926年利用了这一模型，将电子视为波而不是质点粒子，从而为原子建立起一个数学公式。电子的波动本性导致的一个后果是：在任何给定的时间内，人们无法同时准确地测量一个粒子的速度和位置；这一原理被称为不确定性原理，是由维尔纳·海森伯（Werner Heisenberg，1901—1976年）于1927年提出的。由此，量子力学第一次向人类揭示了原子尺度上物质运转的深刻内涵。

今天，人们将电子视为基本粒子，而组成原子核的中子和质子（neutrons and protons）则是由更基本的夸克（quarks）组成的（每个中子和质子中都有3个夸克）。不同类型的夸克的存在已经得到了实验证明。同样，考虑到粒子具有与波类似的性质，人们通常用场的术语解释它们的行为（第4章）。20世纪的后50年见证了物理学理论的巨大飞跃，这些理论解释了基本粒子的性质和夸克的行为，并尝试统一自然的四大基本力。当人们进一步深入地寻找并发现更多细节的时候，对于这些模型的实验验证变得更加困难，需要更精细复杂的实验装置。尽管如此，我们当前的实验能力是能够检验现有模型的。

有关空间与时间的现代观点

1915年，爱因斯坦在一个优美的数学框架内发展了广义相对论。通过这一进展，他改变了牛顿的绝对空间和绝对时间的概念，并将质量-能量关系结合到了空间与引力的集合框架之内。广义相对论预言了太阳系内许多可观察的现象，并预言了空间与时间的经纬。在广义相对论发表后不久，这些预言中就有许多得到了实验证实，其中包括水星轨道近日点的进动、光线由于引力发生的弯曲，以及最近几年得到证实的庞大物体发出的引力波概念。如果将广义相对论扩展到太阳系之外，爱因斯坦方程的解预言了一个动态宇宙，它会收缩或者膨胀。在没有任何观察证据的情况下，爱因斯坦在他的方程中引进了一个数学项，以此平衡引力的吸引，由此得到了一个静态宇宙。人们称这个数学项为宇宙常数（cosmological constant），它产生了对抗引力的压力，从而让星系分开。1925年，利用坐落在加利福尼亚威尔逊山（Mount Wilson，California）上的、当时最大的望远镜，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889—1953年）发现了宇宙的膨胀，这是理论预言与实验观察证实之间最令人惊讶的不期而遇之一[3]。在宇宙膨胀被发现之后，爱因斯坦摈弃了宇宙常数这一概念。然而，人们于1998年发现了一种令宇宙膨胀加速的人称暗能量（dark energy）的神秘力（第10章），在此之后，科学家们重新燃起了对宇宙常数的兴趣。暗能量是一种力，具有与宇宙常数同样的作用。我们目前还不清楚这种排斥力的真正本质。这项实验观察得到的事实正在等待理论上的解释，这是科学史上罕见的一个例子。

宇宙诞生之初的残留辐射叫作宇宙背景辐射（cosmic background radiation），它的发现是理论预言后来得到观察证实的另一个例子。这种辐射的存在是由乔治·伽莫夫（George Gamow，1904—1968年）于1953年预言的，并由阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias，1933—）与罗伯特·威尔逊（Robert Wilson，1936—）于1964年通过实验证实。这种辐射充满了整个宇宙，在空间与时间中提供了一个绝对参照系。宇宙背景辐射被发现以来，人们已经利用专门的太空航天器与地基设备对其进行了详细研究。

宇宙学是研究宇宙起源和演变的学科，有了这些观测结果后，这门学科就有了坚实的实验基础。这是宇宙学作为一个独立的科学学科的开始。从那时起，发现之路便一直在持续向前，而且，随着科技的进步，宇宙学变成了一项精确科学。过去几十年来，这门学科飞速发展，让我们越来越了解人类生活的这个世界的真实情况。

从自然哲学到自然历史和生物学

前苏格拉底学派的哲学家们惊叹于生命的神奇，并提出了许多这方面的问题。人们称希波克拉底（Hippocrates，公元前460—前370年）为医学之父，他是第一个相信疾病是自然造成的，而不是通过迷信的方式或者神祇造成的人，从而使生物学（有关生命的科学）与宗教分道扬镳。希波克拉底是亚里士多德的同代人，后者的生物学是完全根据经验而来的，不同于他在自然哲学中采取的推测方式。亚里士多德为许多动物物种做了分类，而且他相信，从植物到动物，所有生物都是按照完美的分级标准排列的。直到18世纪，这种观点都得到了其他学者的认同。在希波克拉底与亚里士多德之后的时代，出现了一位著名的生物学家兼医师——克劳狄乌斯·盖仑（Claudius Galen，129—216年）。他建立了许多沿用至今的生物学科，包括生理学与外科的基础。在盖仑之后，尽管有史上记载的中国、美索不达米亚（Mesopotamian）和埃及学者在生物学方面的活动，但在欧洲14世纪至17世纪的文艺复兴时期之前，这个学科没有出现重大进展。

安德雷亚斯·维萨里（Andreas Vesalius，1514—1564年）是第一批在医学与生物学领域用事实经验主义取代抽象推理的人之一。他解剖、研究动物，并于1543年（哥白尼出版有关日心天文学的革命性著作的同年）发表了人类解剖学领域最有影响的书籍之一——《人体的构造》（On the Fabric of the Human Body）。维萨里的方法也有助于观察与研究植物。17世纪70年代，荷兰微生物学家安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632—1723年）发明了显微镜，开始了一场生物学革命。这场革命促使显微镜的放大倍数急速增加，这让人们发现了微生物。英格兰博物学家约翰·雷（John Ray，1627—1705年）是第一个将植物分类为亚组的人，他为“物种”这个术语做出了科学定义，开创了分类学这门学科。大约在同一时间，丹麦解剖学家兼地质学家尼古拉斯·斯丹诺（Nicholas Steno，1638—1686年）观察到，活体生物的尸体可以被禁锢在岩石层中并产生化石，从而提出了化石的有机起源。由于哲学方面的分歧和宗教在地球年龄这类问题上的影响，当时的科学家们并没有完全接受这一点。

18世纪初，自然科学开始多元化，不同的学科相互独立地成长了起来。法国博物学家德·布丰伯爵（Comte de Buffon，1707—1788年）收集了直至17世纪的一切自然科学知识，并以36卷本百科全书的形式出版，书名为《自然史》（Natural History）。与布丰一生的心血结晶发表的同年，伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant，1724—1804年）提出了他有关地球形成的著名理论。这些工作共同为地质学这门科学奠定了基础并与19世纪初亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859年）的工作相辅相成；洪堡用自然哲学的定量法分析了生物与它们周围环境之间的关系。洪堡的工作引发了对于生物的时间分布与空间分布之间关系的研究，并最终推动了19世纪初生物学、古生物学和生态地理学等相互独立的学科的发展。这些尝试共同为进化研究奠定了基础。乔治·居维叶（Georges Cuvier，1769—1832年）进行了比较哺乳动物与化石的实验，并由此得出结论：化石就是那些已经灭绝的物种留下的尸体。后来，随着科学与技术的发展，化石成了研究自然历史的主要工具之一，并最终成为研究我们这颗星球的历史和演变的主要工具之一。

1859年，随着查理·达尔文（Charles Darwin，1809—1882年）的巨著《物种起源》（On the Origin of Species by Means of Natural Selection）的出版，进化科学迎来了一个新的转折点。在达尔文之前，深受德·布丰伯爵影响的法国博物学家让-巴蒂斯特·拉马克（Jean-Baptiste Lamarck，1744—1829年）曾提出一种新的进化理论，而英国探险家阿尔弗雷德·罗素·华莱士（Alfred Russell Wallace，1823—1913年）也发现了与达尔文类似的有关进化的证据。让达尔文的工作鹤立鸡群的，是他列举的无可辩驳的数据的规模与深度，以及他根据这些数据推导结论时采用的科学方法。到了19世纪末，越来越多的科学家接受了进化以及一切生物都具有共同起源的概念。尽管争论持续存在了许多年，但到今天，人们已经积攒了数量宏大的数据，为进化论打下了坚实的科学基础。

在此期间也发生了另一次革命。1839年，显微技术的进步让西奥多·施旺（Theodore Schwann，1810—1882年）和马蒂亚斯·施莱登（Matthias Schleiden，1804—1881年）发现了作为生物基本单元的细胞，并发展了细胞理论。作为这一发现的基础的实验观察是：人们发现，新的植物细胞是通过老的植物细胞形成的，动物细胞上发生的过程也与此类似。19世纪末，在放大倍数更高的显微镜的帮助下，人们确定并研究了细胞的不同成分。活体生物的基本组成一经确认，生物学家们便能够把注意力转向考虑生命起源的问题了。经过一系列实验，路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895年）证明，活体生物无法通过非活体物质产生，从而结束了一场从亚里士多德时代便开始了的辩论。

这一时期的发现预示着新的科学学科的出现，从而推动了生命科学的发展和这些学科向不同子领域的分化。在此之后，科学家们进一步挖掘，试图理解生命本身，以及能够形成生命的物质的起源。

有机化学和分子生物学的诞生

20世纪初，科学家们开始通过物理学与化学过程来解释生物的行为。在试图将有机物与无机物分开的过程中，有机化学这门科学诞生了。极为重要的一点是人们理解，有机物质的存在是任何生物存在的需要，但并不是每一种有机物质都带有生命的标志。这导致科学家们开始研究生物的物理与化学功能。与此同时，药物代谢以及蛋白质和脂肪酸被发现。到了20世纪20年代，科学家们开始研究生命的新陈代谢路径，生物化学领域也因此取得了显著的进步。20世纪30年代，许多科学家开始应用物理学与化学技术研究生物学。这推动了分子生物学的诞生，为许多延续至今的杰出发现铺设了道路。

由于生物化学和遗传学的进步，奥斯瓦德·埃弗里（Oswald Avery，1877—1955年）意识到，基因和染色体的遗传物质是核酸，而不是蛋白质。此后，1953年，詹姆斯·沃森（James Watson，1928—）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1916—2004年）提出了遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的一个结构模型。这里的基本要点是核酸的特殊配对，说明DNA具有一种复制能力，这是任何生物分子都需要的一种能力。当时新出现的X射线晶体学技术让这一发现成为可能。因此，一个领域内的进步开始对其他学科的发展具有重大影响。此后，从20世纪50年代末期到70年代初期，分子生物学有了迅速的发展，其中生物科学分裂为几个独立的学科，包括遗传生物学和后来的天体生物学，它们探讨的是最基本的问题，如疾病的分子基础、医学的新分支和生命进化的起源。

20世纪以来，出现了一个文明史上前所未有的时代，人类在理解生命起源以及进化到当前状态所需的基本功能方面取得了非常大的进展。科技的进步让人们能够提出并研究更加深刻的问题，而自然科学的其他领域也同样参与了对这些最基本的问题的解答。我将在本书后面的章节中探讨一些这样的领域。

总结与悬而未决的问题

按照时间次序，本章对人类文明出现以来的科学发展做出了一个简要的总结，其目的主要是展现千百年来科学思想和重大发现的起源和演变，以及科学方法的发展。古代哲学家们在文明之始做出的发现，与人们近年来使用最先进的方法与科技做出的发现同样深刻。这些发现协力为人类提供了机会，让我们能够更加准确地理解真理。

与当前的情况不同，早期的科学进步更为抽象，是由个别思想家发展的，有时来自信仰，而不是通过客观观察获得的。然而，在任何时候，思想家们都有一个共同点：追求真实。在这样一个过程中，出现了许多不同的问题。而在寻找这些问题的答案的过程中又出现了新问题，人们又接着研究新问题。所有这些问题和理论都被交给实验加以检验，而只有得到了实验结果的支持时，它们才会被接受。本章也涵盖了一些学科的出现，人们现在用它们直接研究最基本的问题，宽泛地说就是：宇宙、星系、恒星、行星和生命是怎样出现并且演变成现在这种状态的。在这一章的讨论中，有一件事情是清楚的：每一个时代都有它面临的独特的挑战和谜团。每一个发现都让我们距离理解真实更近了一步，但这同时也引发了许多新问题。自从第一批哲学家面对有关真理的问题而冥思苦想时，到现在已经过去了差不多2 500年的悠悠岁月，但我们与真理的距离还是和过去一样遥远。

遥想当年，伽利略曾透过他的第一台望远镜观看，研究着人们那时认为就是宇宙的那片天空，而差不多与此同时，范·列文虎克正在透过他新造的显微镜，研究所谓的“微观宇宙”。所以，推动生物学革命的微观世界研究是与对宏观宇宙现象的研究一起发展的。这些研究依赖于物理定律，物理定律同时也决定了形成化合物的化学键，而其中有些化合物恰恰是生物学需要的，它们能够产生人类细胞需要的能量，并且能够传递来自祖先的遗传信息。

为了检验这些有关宇宙起源的理论，科学家们需要模拟当时的主要条件。于是他们建造了最庞大的粒子加速器，可以把粒子加速到接近光速，并让它们迎头相撞；当粒子相撞的时候，它们会产生早期宇宙中存在的那种数量级的能量。通过这种方法，科学家们揭示了微观尺度的物理学影响今天的宇宙状态的方式。伽利略的望远镜现在已经被大型陆基与天基天文台取代，这使我们可以研究宇宙最遥远的部分，或者找到其他的行星；而列文虎克的显微镜也变成了先进的电子显微镜和磁共振成像仪，用来研究细胞是怎样发展的，它们是怎样满足自己对于能量的需要的，以及人类的思想是如何运转的。破解自然定律是人类取得的最伟大的成就。

科学的当前发展与亚里士多德和伽利略的时代非常不同。我们已经进一步接近了以实验与观察为基础的科学的客观观点。类似地，当今有关真实的见解也与千百年前完全不同。同样，科学发展的部分也大大加快了。人类花费了几千年时间，才让地球不再是宇宙的中心，而在过去一百年间，人类对于围绕着自身世界的整体理解也发生了改变。今天的科学界拥有有史以来最大、装备最为精良的一支队伍，它正在为解决人们曾经认为不可想象的问题而努力工作。如果会有一个以科学方法探讨宇宙与生命起源的时代，那一定就是我们今天的时代。

回顾复习问题

1. 早期希腊哲学家可以按照前苏格拉底学派与后苏格拉底学派划分。人们是根据什么而这样划分的？

2. （a）按照理论与假说，（b）按照一系列因果关系，或者（c）按照数学方法揭示自然现象的第一人是谁？指出这三种事件发生的时间，并解释这些事件是否开启了科学思想的进程。

3. 埃利亚的巴门尼德是怎样影响了他之后的哲学家的？这一影响持续了多久？

4. 最早的世界模型是什么？

5. 为什么柏拉图的宇宙模型长时间在社会占主导地位？

6. 尼古拉·哥白尼根据什么提出了他的日心宇宙模型？

7. 解释第谷·布拉赫和约翰尼斯·开普勒的共同工作是怎样导致行星运动定律的发现的。

8. 伽利略的哪些观察否定了亚里士多德的宇宙地心模型？为什么？

9. 牛顿与爱因斯坦的世界观有什么区别？

10. 解释导致原子结构的第一个模型最终发现的不同步骤。

11. 为什么要在爱因斯坦方程中引入宇宙常数？为什么它被摈弃了，后来又被重新接纳？

12. 解释从希波克拉底到亚里士多德和盖仑的生物学早期发展。

13. 从什么时候开始，科技在生物学史上扮演了重要的角色？

14. 描述化石的发现、它们作为有机物质的解读，以及这一发现在当时是怎样被人接受的。

15. 解释地质学这门科学是怎样产生的。

16. 是谁第一个确定了化石是已灭绝的动物的遗留物？

17. 是什么让查理·达尔文在进化方面的工作如此独特而且极具说服力？

18. 20世纪20年代与30年代，有机化学、生物化学和分子生物学作为不同的学科得到了发展。解释这些发展背后的根本原因。

参考文献

Almasi, G. 2013. “Tycho Brahe and the Separation of Astronomy from Astrology: The Making of a New Scientific Discourse.” Science in Context 26 (01): 3–30.

Bowler, J.P., and I.R. Morus. 2005. Making Modern Science: A Historical Survey. Chicago: University of Chicago Press.

Brush, S., and G. Holton. 2001. Physics, the Human Adventure: From Copernicus to Einstein and Beyond. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press.

Brush, S.G. 1992. “How Cosmology Became a Science.” Scientific American 267 (2): 62–68. doi:10.1038/ scientificamerican0892-62.

Collins, G.P. 2007. “The Many Interpretations of Quantum Mechanics.” Scientific American,November 19.

Gleiser, M. 2014. The Island of Knowledge: The Limits of Science and the Search for Meaning. New York: Basic Books.

Kahn, C.H. 1994. Anaximander and the Origins of Greek Cosmology. New York: Columbia University Press. Reprint, Indianapolis: Hackett.

Kirk, G.S., J.E. Raven, and M. Schofield. 1995. The Presocratic Philosophers. 2nd ed. Cambridge,UK: Cambridge University Press.

Lindberg, D.C. 2008. The Beginning of Western Science. Chicago: University of Chicago Press.

McClellan, J.E., III, and H. Dorn. 2015. Science and Technology in World History: An Introduction. Baltimore: John Hopkins University Press.

Schrödinger, E. 1992. What Is Life? Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Watson, J. 1980. The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of DNA. New York: Norton.

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注释

[1] 在有关古希腊哲学家对于科学的早期发展的讨论中，作者大量使用了如下来源的材料：Internet Encyclopedia of Philosophy: http://iep.utm.edu Stanford Encyclopedia of Philosophy: http://plato.stanford.edu/index.html

[2] 离心力是一种虚拟力，只是在非惯性参考系中作为向心力的反作用力而存在的。——译者注

[3] 在威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）上的100英寸（2.54米）胡克望远镜（Hooker Telescope）是1917—1949年间世界上最大的望远镜，正是利用这台望远镜，埃德温·哈勃发现了宇宙膨胀现象。