科学简史

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标  题: 信仰与科学(1) —— 科学简史
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标  题: 信仰与科学(1) —— 科学简史
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本文作者刘大卫在东海大学教书。

    壹。                      科学简史

        在写这历史的时候，我承认较著重於物理和天文，这有两个理由。第一是
    我的背景是物理，从小学四年级我的嗜好就是天文学。第二是任何一本有关科
    学历史的书都强调这两个科目，因为它们是所有现代科学的根。

        Ⅰ. 古代
        古代的巴比伦人、埃及人、和中国人至少在西元前 3000 年就有基本天文
    和数学，包括对天体的运动都有相当准确的了解和预测的能力。这可从他们的
    年历和其他的记载看出来。

        在古典希腊人当中我们可以用杰出思想家来代表，  像「亚里斯多德」（
    Aristotle ， 西元前 350 年）、「阿基米德」（ Archimedes ，西元前 250
    年）等人。中国在同样的时代，也发展到相同的程度。他们有生物学、物理、
    化学、几何学的基本观念。

        亚里斯多德的物理学是古典希腊人的最高科学成就，也是对以後欧洲文化
    的最大影响。我们要很简短的讨论这个题目，也要特别注意前提或假设对结论
    的重要影响力。

        亚里斯多德的物理学的第一个假设是「作用力造成运动速度」。这是建立
    在日常经验上。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西。当
    没什麽东西推它时，它就会停止运动。有少数的现象似乎是例外，譬如说，抛
    物体能飞在空中，却看不见有什麽东西在推它。但这也可以想办法来解释，只
    要说空气从抛物体的前面移开，再跑到後面去推它。

        第二个假设是「地球是宇宙的中心」，这就是「地球中心说」。这也建立
    在我们看到的所有东西上。天空看起来是一个以地球为中心的球面，而且所有
    的东西都绕著地球跑。物体很自然的不是往地球走，就是背著它走。

        第三个假设是有关物质的成份。亚里斯多德的化学很简单，他说地上的东
    西是由土、气、火、水这四种元素组成的。用这个理论他们就能解释当时所观
    察到物质的属性和变化。

        亚里斯多德说天体（太阳、月球、行星、□星）是由另外第五种元素「以
    太」 (ether) 组成的，跟地上的物质不同的是它永远不变、完美。 所以天上
    会变的东西，像流星、彗星、新星都在天空之下、在地球大气层空气中，而不
    是在恒星和行星中。以太的自然运动不是往地球的直线运动而是绕地球做等速
    圆周运动，自然形状也是光滑的球形，因为球或圆圈是最完美的形状。

        亚里斯多德为他的理论体系提供了五种证据。第一、我们没有地球在动的
    感觉。当我们走、跑、骑马、坐车或船，我们有运动的感觉，但我们在地球上
    没什麽感觉。第二、有甚麽作用力能够推动地球？！若说地球在动，那要解释
    为什麽在动，就是说需要有一个推力。谁能想像有一个那麽大的力能推动地球
    ？第三、没有风。当我们走或跑就会感到有风，假如地球在运动就应该有风，
    但没有。第四、没有看的出来的视差，天空没有呈现任何因为地球跑到另一个
    地方而导致的变化。比方说，如果地球每一年绕太阳走一圈而不是太阳绕地球
    走，那一定会在不同季节使星星有不同的外像，但并没有。第五、人类是宇宙
    的中心点，因为我们是宇宙中最高、最重要的部份。

        我们现在知道亚里斯多德的整个系统都是错的，所以他的根据也是错的，
    但我们不能笑他，因为假如我们也生活在他的时代，我们会有不同的结论吗？
    基於他所知道的和他观念上的假设都头头是道，任何与它不同的想法就是不合
    理。所以在他之後将近两千年，才有人能提出另外一种理论体系，来回答亚里
    斯多德的五种证据。

        住在埃及亚里山大城的「托勒密」（  Ptolemy, 西元後 150 年）延伸了
    亚里斯多德的系统。他发明周转圆圈（ epicycle ）的观念，就是说用很多层
    周转圆来解释行星、月球、太阳的复杂运动。这些天体所呈现的运动不是等速
    圆周运动，反而会快会慢甚至於偶而会往後退，亮度也会有变化。 Epicycles
    是圆圈上的圆圈，像有一种机器使这些天体在天空行走。托勒密自己大概不是
    真的认为天空中真有这样一套机器，而只是把天体的运动分析成这些圆圈以计
    算未来运动的工作。但後来的人认为这些圈子是真的，是由一种透明的材料组
    成的。

    Ⅱ. 中古时代
        过了一千多年欧洲没什麽值得提到的天文或一般科学方面的进步。最接近
    科学研究的就是炼金术，但这是一种错误方向，是很迷信的科目，想要寻找把
    便宜的金属变成金子的魔术，或医治所有的病而永远长生不老的药，或找一种
    万能溶剂用来溶化所有材料（但据所知，没有人想过这溶剂可以放在什麽容器
    里！）炼金术倒还是有一个益处，就是累积了很多有关化学反应和特性的经验
    和资料。

        最大的进步在阿拉伯世界，阿拉伯数字和代数学发展出来了，跟以前很不
    方便的罗马数字比起来真是很大的改进。他们也发明「零」字。这都提供对以
    後科学计算不可少的数学观念和方式。

        在欧洲「多马　亚奎纳」（  Thomas Aquinas, 1225-74 年）把亚里斯多
    德的哲学和天主教会的教义合并了，制造了一个新的思想体系。这都变成很多
    世纪以来天主教会的正式教义。天主教会坚持要所有的基督徒接受教会所有的
    教义，不但包括从圣经来的，也包括从传统和亚里斯多德来的。若有人表示不
    同意其中任何一条，那可能会遭到很严厉的处罚或虐待，甚至於被杀。

        Ⅲ. 天文学的革命
        到了 1500 年托勒密的 epicycle 系统，为了要符合所观测到行星的位置
    而受到很大规模的调整，圆圈的数量增加到八十以上，据说有一个国王提议说
    ，若在创造的时候他在场，就会建议天空的创造要简单一点。住在波兰的「哥
    白尼」（ Nicolas Copernicus, 1473-1543 年）研究天文以後就看的出， 若
    epicycles 系统改成以太阳为中心，那会使计算更简单更准确。这就是说太阳
    是中心而地球不是，地球是绕太阳走的。他计算了从运动中的地球来看别的行
    星所在的位置。这跟亚里斯多德的教导，也是天主教会的教导，有重大的出入
    。哥白尼只敢说这是效率较高的计算方式，连这也等到他知道快要死时才敢发
    表。但地球在走也是真的吗？他的一些间接的话好像暗示著他是这麽想，一个
    理论这样简单又准确，应该是离真理不远，但他没办法回答亚里斯多德的五种
    证据。

        之後几十年中，哥白尼的理论逐渐传到欧洲学术界，引起很多不同意见。
    「泰革」（ Tycho Brahe, 1546-1601 年）因为在 1572 有一颗超新星出现，
    开始对天文学感兴趣。他用晚上不同时间的观测来证明那颗超新星比大气层甚
    至比月亮还远，所以是在行星和恒星当中的。他知道这是否定亚里斯多德和托
    勒密的理论，他想出一种以地球为中心的哥白尼式理论，想要把新旧两者的优
    点合并。他维持以地球为中心，因为这好像很合理，也是教会的正式立场，他
    像哥白尼一样说行星绕太阳走，但他说太阳和这整个系统都绕地球走。他从丹
    麦国王获得了允许和经费盖了一座天文台，准确观测行星运动达 20 年之久，
    特别注意火星。他的仪器比他之前的人的仪器准确，他的目的是要验证他的理
    论。在那几年当中他也看到一颗彗星，测出彗星在行星之间有非圆形的轨道，
    这又否定了亚里斯多德的话。

        泰革去世以前雇用一位助手　－　「克卜勒」（    Johannes   Kepler,
    1571-1630 年）。他把泰革的数据留下来，花了很多年来分析这资料。他已经
    被说服说哥白尼的系统是真实的，也试过按这立场来分析泰革的资料。他逐渐
    塑造出他很出名的「行星的三个运动定律」：
          以太阳为中心的椭圆形轨道
          速度遵守等面积定律
          轨道半径和周期之间的关系

        这具有几种革命性的观念，当然一个是接受哥白尼的系统，说太阳是中心
    而地球是一个行星，像其他的行星一样绕太阳走。另外一个是轨道的形状，哥
    白尼还是用 epicycles ，但不管克卜勒在怎样调整他的 epicycles ，还是差
    一点点无法使它们符合泰革的数据。克卜勒对泰革的准确度有很大的信心，所
    以连很小的误差也不能接受。他终於放弃了圆圈，试用第二简单形状　－　椭
    圆，就很兴奋的发现，这样就成功了，计算跟观测完全符合。

        克卜勒的系统那样简单又准确，所以哥白尼的系统被大部分的人接受了，
    但克卜勒的定律只是凭经验，没有理论解释行星为什麽要这样走。他不能回答
    亚里斯多德的五个证据，那还是一个困惑。

        「伽利略」（ Galileo, 1564-1642 年）开始解决这困惑，他想出了「惯
    性」（ inertia ）的观念。 这是说一个物体的正常状态不一定是静止不动，
    而是沿著直线做等速运动。我们平常看的东西若没受到推力就停下来是因为有
    摩擦力，若摩擦力减少，那物体要用比较长的时间减速到停下来。伽利略推理
    说，如果可以完全除掉摩擦力，那物体就永远停不下来。所以当我们看一个东
    西在走，不用问有什麽力使它走，只有看它的运动改变才要问为什麽。跟亚里
    斯多德不同，伽利略说作用力不是造成速度，他说「作用力造成加速度」。这
    就回答了亚里斯多德的问题，「有什麽力够大到能推动地球？」，这就是问错
    问题。没什麽力推动地球，简单说没什麽力使它停下来，所以它继续走。这样
    也回答了亚里斯多德另一个证据，说没看到地球运动所造成的风。地球和大气
    层是两个一齐走。

        伽利略第二个大贡献是他用望远镜观看天空，在 1609 年，望远镜刚发明
    的时候开始，他用望远镜发现月球表面上有山、撞击坑和「海洋」，太阳有一
    直在改变的黑子。亚里斯多德说「天体是「以太」组成的，所以一定是完美、
    光滑、不变的球形」、但伽利略看到它们是不光滑的也会改变。他也看木星的
    四大卫星，另外一个中心！亚里斯多德说「任何东西都要绕地球走」。伽利略
    观察金星的形状和大小都不断有变化，表示它绕著太阳走！亚里斯多德又错了
    。最後，看任何方向，尤其是叫作「银河」的那条朦胧的光，他看到天空充满
    了数不完的星星和星团，不可思议的多、浩瀚而遥远！不只有几千颗固定在一
    个球面内面的星星，而是数不完的恒星在空中分散到很大的距离。这回答了亚
    里斯多德有关视差的证据。地球的运动没造成看得见的恒星的变化，是因为它
    们的距离太大，使得视差小而无法测出。

        到此只有回答亚里斯多德前面四个证据，剩下第五个，说「人类是宇宙的
    中心」。这不是科学化的词句，所以不能有科学化的答案。但伽利略还是没有
    一个理论能解释克卜勒的四个定律为什麽是真的，行星的轨道为什麽是椭圆形
    等。

        「牛顿」（ Isaac Newton, 1642-1727 年）提供所需要的理论， 有「万
    有引力」、 「三个运动定律」和微积分。 他发展出他的理论是在他 23 岁、
    1665 到 1666 年在各大学因重大传染病而停课的时候， 他终於在 1687 年发
    表他的理论。

        万有引力是任何两块物质之间的吸引力。地球的运动之所以往太阳转弯形
    成绕太阳的椭圆形轨道，是因为太阳势一个力作用到地球上。其他的行星绕太
    阳也是同样的原因。地球吸引月球、使它绕地球走。木星吸引它的卫星。这理
    论那麽成功就完成了推倒亚里斯多德系统的革命。但我们必须注意，当回答一
    个问题就造成一个新的问题：「为什麽有万有引力？」克卜勒描述椭圆形轨道
    ，但没提供它们的解释。牛顿描述万有引力，用它来解释椭圆形轨道，但没提
    供万有引力的解释。

        伽利略和牛顿不只造成新的理论，而且是用完全新的方式来解释自然界。
    以前的解释都用逻辑、哲学和几何学，牛顿的定律给我们一套数学式时空理论
    ，把宇宙机械化了，其中的事件都是预定的。

        十七世纪的另外一个很重要的事情是估计光速。  在  1676  年，  Olaf
    Roemer研究木星卫星运动的记录，推论光线横过地球轨道的直径要 22 分钟。
    这不是很准，但误差不是很大。

    Ⅳ. 十八世纪
        第十八世纪没发生新的革命。牛顿的理论变成很多人都知道也能了解的，
    也有很多新的应用和计算方式发展出来。哲学家和神学家觉得因为牛顿的定律
    解释了那麽多事情，好像几乎没什麽事情需要神来做，许多人也就开始偏向无
    神论。

        十八世纪末有一些很重要的发现。 美国的 Benjamin Franklin 和欧洲的
    几个人发现静电。   William   Herschel   於  1781  年在英国发现天王星
    (Uranus) ，给太阳系增加一颗比土星还远的新行星。

    Ⅴ. 十九世纪
        很久以来天文学家都在想，为什麽火星和木星的轨道之间有那麽大的空格
    ，好像在那空格里面应该有多一颗行星。他们花很多时间去寻找它，结果没找
    到单独一颗大的行星，却找出很多小的，叫做「小行星」 (asteroids) 。 义
    大利人 Giuseppe Piazzi 在 1801 年 1 月 1 日， 十九世纪的第一个晚上，
    发现第一颗小行星。

        天文学家已经知道恒星离我们的距离至少有很多光年。这是说我们所看到
    从恒星来的光线是走了很多年的路才到达我们的。但还没有观测任何一颗星的
    距离。 当仪器终於发展到灵敏度够高到能测出那麽小的夹角的时候， 他们在
    1838年用视差测出最近星球的距离是二十光年以下。

        天王星运动观测的结果出现有一点偏离了牛顿定律所预测的。两个欧洲很
    出名的数学家就用这偏离的数据来预测比天王星还远有另外一颗行星，也估计
    它的位置。 结果天文台在 1846 年发现海王星 (Neptune) 在所预测的位置。
    这就给牛顿定律很大的验证，表示这些定律真的是万有的。

        科学家也继续研究电和磁的现象，发现这两种现象互相有关系。 在 1865
    年 Maxwell 发表他的出名的 Maxwell's 电磁学方程组。他的理论表示光是一
    种电磁波，所以将光学跟电磁学合并在一齐。

        化学家发现很多有关不同材料之间的反应的规则，但没什麽理论能够解释
    这些规则。元素的周期表就提供了元素和化合物的观念。反应里面所观测到很
    准的比例，就导致「物质是由原子组成的」这观念。

        十九世纪末，科学家开始发觉有时候一些特殊的原子会射出带电的粒子，
    就推论原子是由带正负电荷的粒子组成的。这就表示「原子」这名称，在希腊
    文的意思是「无法切开的」，是错的，原子不是最小而不能切开的粒子。

        有了这些发现，就可以解释「天为什麽是蓝色的」。这似乎是很简单的事
    实，事实上很不简单，为了解释它要知道天是什麽，是空气，空气是由原子组
    成的，原子是由带电的粒子组成的。也必须要知道光和颜色是什麽，光是电磁
    波，不同颜色的光有不同波长，也必须要知道光和原子之间有什麽相互作用。

        热力学的观念和定律被发展出来。     第一定律，     「能量不灭」（
    conservation of energy ），是物理的最基本定律之一， 应用到所有已知的
    现象。这定律说不能白吃午餐，不能创造能量，只能把能量从一种状态转换到
    另外一种。 第二定律，「熵不减」（ increase of entropy ），跟第一一样
    宽广，不只说没什麽免费的东西，也说无法避免浪费，宇宙中能用到的能量一
    直在减少。任何物理系统的变化过程都要使系统的混乱性渐增。

        地质学的岩层研究逐渐发现地表的年龄至少有 10,000,000年， 不只是几
    千年而已。

        在生物学里一种革命性的新观念得到大部分的人的认同， 1859 年，「达
    尔文」（ Darwin ）出版「物种源起」，介绍进化论和天择的观念来解释生物
    的存在。这当然跟基督教的圣经立场有很大的差别。

        在遗传学有两个重要的突破。第一个是「孟德尔」（ Mendel ）的「遗传
    学定律」。虽然这是在 1859 年以前已经被发现也发表了，而且在达尔文的办
    公室有一份登载这篇文章的期刊，但他从未看过。他去世以後，有人发现那份
    期刊还是封住的。第二个，别人也发现突变的现象。

        光谱学的仪器和数据正在发展中。任何一种材料可以燃烧或加热使它发光
    ，就可以用「光谱仪」将光分成不同波长。结果，各种化学元素和化合物都有
    它不同的光谱，这样可以得知一个未知的样品的成份。有了实验室观测而来的
    这种资料，就可以分析从天体来的光线。虽然我们无法走到行星和星球那边，
    却还是能够得知它们的化学成分。

        在十九世纪末，科学家都因为他们惊人的进步而觉得很很骄傲，科学好像
    「大功告成」，只剩下几个「小问题」他们还没想办法用那时候所知的物理定
    律来解释，但他们有把握这些问题过不久就会解决。这些问题是：
              Michelson-Morley 实验，光速不会变
              黑体辐射光谱（blackbody radiation）
              原子的结构、稳定性、线光谱
              辐射性元素所发射的α、β、γ 辐射线
              光电效应，光和物质之间的互作用

        我们现在知道他们太过自信了。那些「小问题」在二十世每一个都导致了
    革命性新的发现。在 1900 年以前所知道的物理定律现在叫做「古典物理」，
    在二十世纪所发现的定律叫做「近代物理」。现在没有一个科学家敢预测说科
    学工作有做完的一天。

    Ⅵ. 二十世纪
        在 1905 年，「爱因斯坦」（Einstein）在瑞士发表三篇文章：
          「狭义相对论」（special relativity）：四度时空、能量-质量对换
          「伯朗运动」（Brownian motion）：原子和分子
          「光电效应」（photoelectric effect）：光的能量是量子化的

        这三篇中每一篇都是物理上历史性的突破。爱因斯坦的相对论是一个全新
    的时间空间观念，重新改写了运动和电磁定律。他对伯朗运动的分析是最先表
    示原子和分子存在的直接观测方法。他对光电效应的解释是量子物理的开始。
    这三篇文章是牛顿停课的那一年之後在新思想上最大的进步。

        在 1915 年爱因斯坦发表「广义相对论」（ general relativity ）有不
    变的法则，时间－空间－物质之间的关系式，这就对万有引力提供了新解释。

        在 1909 年， Ernest Rutherford 发现原子核， 原子里面的一个小物体
    ，原子的质量几乎都集中在它里面，正电也都在这里面。以後原子核的研究就
    发现两种新的力，弱力和强力。

        量子物理学源自於 1920 年代，成功地解释原子的结构和它们所发射的光
    谱。它基於几个基本观念，包括「波粒双重性」和「测不准原理」。从牛顿的
    时候，物质被认为是一个简单、准确的系统，但并不是。

        「电弱统一理论」源自於 1960 年代，把电磁和弱力合并在单独一个理论
    。这在往把所有分开的物理定律合并成单独一个理论的目标的路上，是又一个
    里程碑。现在物理学家正在寻找「统一场论」（ Grand Unified Theory, GUT
    ），希望强力和万有引力也能够包括在其中。

        高能物理从研究辐射性元素所发射的辐射线和宇宙射线开始。以後就作粒
    子加速器，发现很多新的粒子，当初令他们觉得很迷糊但以後导致现在「夸克
    」（ quark ）的理论，说很多粒子是夸克组成的。 但按这理论，夸克是看不
    见的，不可能在那些包含它们的粒子的外面分开出来观测它们。从来没有这种
    理论，这就引起了一些很有趣的哲学问题。有一些理论也牵涉到「多度空间」
    ，说可能在我们所看见的三度空间以外（或说四度，包括时间）事实上还有很
    多度，可能十度以上。这有什麽意义呢？这几度空间是真的存在吗？我们所谓
    「真的」是什麽意思呢？一个理论是什麽？

        在 1980 年代有人发明「扫描穿透显微镜」，这就是第一次能够直接看得
    出个别的原子。

        在二十世纪末就看到「混沌理论」（ chaos theory ）的发展，能够处理
    很复杂的，以前的方法无法分析的问题，包括不可预测的系统和乱流。

        在 1930 年，美国人 Clyde Tombaugh 寻找几年以後就「按预测」发现冥
    王星（ Pluto ）。 这之前有人基於海王星的运动似乎有一点点偏差就预测另
    外一颗行星的存在，就像海王星是因为天王星的偏差而预测的。但冥王星太小
    ，不能造成任何干扰，天文学家发现所谓的干扰其实只不过是很小的观测误差
    而已。

        天文学家对宇宙的了解继续进步，因为做更大的望远镜和灵敏度更高的仪
    器就渐渐可得知银河系的结构及大小，是一个「星系」（ galaxy ），一个扁
    的圆形的直径约 100,000 光年的系统，太阳距离中心很远，至少 25,000光年
    。一光年就是光线在一年的时间所走的距离， 10,000,000,000,000 公里。

        但这仍不是宇宙的端点。在十九世纪观察到「螺旋星云」，它们的本性是
    一个困惑。 在 1925 年，盖完 100 英□的望远镜就终於证明螺旋星云是银河
    系之外别的星系， 距离达到 100,000,000 光年以上，而且宇宙的边界还是看
    不到的。宇宙多大？还是无限大吗？

        他们继续观察星系就在 1930 年发现它们光谱上的红位移。这是说它们的
    光谱很像实验室里面的材料的光谱，但整个光谱往红色的方向移过来了。到现
    在所提出来唯一合理的解释是说星系都背著我们走，这就拉长了它们光的波长
    也造成红位移。越远的星系走得越快，这种情况是所谓的「宇宙的膨胀」。

        这表示宇宙不是永远静止不变的，  而且有一个开始或说一个起源。  在
    1940 和 1950 年代这就导致「大爆炸论」（ Big Bang ）的发展， 说宇宙源
    起於一个高温高压的爆炸。这样就能够解释元素的由来和星球的形成和演化。

        但在那个时候很多天文学家还没有接受这理论，一个原因是有一各很重要
    预测的观测， 若大爆炸真发生过，那从天空各方向都应该收到「 3 K 宇宙微
    波背景辐射」。但仪器还没有发展到够高的程度去做这观测，看是否有这种辐
    射。 终於在 1965 年，  Bell 电话公司的两个工程师，  Arno Penzias  和
    Robert Wilson ，观测到这辐射线。之後除很少数的人以外天文学家都认为这
    验证了大爆炸论。

        对宇宙和星球来源的了解有了这样的进步，    就能估计太阳系的年龄约
    4,700,000,000 年，宇宙的年龄约 15-20,000,000,000 年。

        生物学家把达尔文和孟得尔的理论合并做成比较新的生物起源的理论，叫
    做「新达尔文合论」（ neo-Darwinian synthesis ）。

        生物学家一直研究越来越小的系统，终於达到分子的规模，这就是生物最
    基本的构成单位，分子生物学就源自於此。结果就发现有生命物质的浩大复杂
    性，有蛋白质、酵素、 DNA 结构及它在遗传上的角色。

        当科学家发觉到这宇宙刚好适合生物的存在是多麽惊人的事，他们开始讨
    论「 anthropic 原理」，想要知道宇宙为什麽会这样。 也有人怀疑是否有很
    多其他的宇宙。

        因为很多科学家采取进化论的前提，这就使他们相信在宇宙中应该有生物
    存在於很多地方， 所以他们开始寻找「外星智能者」（  SETI, Search  for
    Extra-terrestrial Intelligence ），到现在还没找到。

        在二十世纪开始时，「科学」就是自然科学。但在二十世纪中也有「社会
    科学」的发展，包括心理学、社会学、人类学。

    Ⅶ. 结论
        西方文明迈进十七世纪的时候，认为人类是摆在上帝所指
    定的小小宇宙的中心点。但到了二十世纪末，科学界认为人类只不过是在一个
    测不尽又无意义的机械宇宙中，一种微不足道之意外副产品。