陈嘉映：近代科学是如何兴起的

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近代科学的兴起

文：陈嘉映来源：选自《哲学·科学·常识》

▍近代科学是如何兴起的

伽利略于1642年去世（1564—1642），牛顿于第二年诞生（1643—1727），罗素曾把这个事实推荐给相信灵魂转世的读者。这个巧合的确太富象征意义。伽利略和牛顿可说是一先一后“联手打造”了近代科学。伽利略是一个巨人，他在广泛的领域引入了近代科学的观念和方法，牛顿也是一个巨人，他赋予近代科学以完整的形态。

从伽利略的盛年开始，近代科学开始蓬勃发展，一个巨大的新世界开始展现，各种思想互相激荡，所有怀抱新观念的学者都极其兴奋。回顾伽利略到牛顿的时期，我们可以数出很多鼎鼎大名：培根、开普勒、哈维、霍布斯、笛卡尔、波义耳、伽桑迪、马勒伯朗士、帕斯卡、惠更斯、斯宾诺莎、洛克。仅在英国的皇家科学院和牛顿先后工作的人中，我们可以提到牛顿的老师巴罗，一直和牛顿互相纠缠名声的胡克。远在德国，当然要提到伟大的莱布尼茨。这些名字表明，近代科学的前进方向已经不可扭转。

▍科学家与科学沙龙

我们在这里不提莎士比亚、弥尔顿这些空前绝后的诗人。然而实际上，在16—17世纪，科学不局限在专家圈子里。科学、哲学、艺术似乎还处在同一个平台之上，科学当时主要不是在大学里面发展的，而是在沙龙里面发展的，相对而言，大学比较保守，沉浸于神学、形式逻辑、修辞、法学，等等，为中世纪化的亚里士多德统治。有教养阶层在沙龙里讨论文学艺术，同样也都有能力讨论科学。科学家们的确要做些实验，不过这些实验对技术的要求不是太高，其内容也很好理解。帕斯卡指导他的妻弟到山上去测量气压，登得越高气压越低，这些实验讲给别人听，别人不难明白实验的程序，明白根据什么道理得出这个结论。就像达·芬奇画一张画，米开朗琪罗做一件雕塑，我们做不到，但他们做出来了，我们都能欣赏、领会。虽然有人偏重哲学一点儿，有人偏重科学一点儿，有人偏重艺术一点儿，但是我们还是有一个共同的平台。不说老百姓吧，至少那些受过教育的阶层，大家在一起交流并没有什么障碍。不像今天，科学完全是专家的事业，需要高度的专业训练才能接近。

这些沙龙和团体逐渐发展成各种学会。1651年，美第奇家族在佛罗伦萨创立了西芒托学院。同期，波义耳等人在英国组织了牛津学会。1662年，英王查理二世特许成立了英国皇家学会。四年后，路易十四在法国创立巴黎科学院。这里开始萌芽的团体合作将成为后世科学研究工作的一个本质特征，单凭这一点，我们就可以把科学和哲学区分开来。

人们对什么都感兴趣，天文、气体、枪炮的反冲力、人口、解剖、海运、矿业、羊毛织品、机械，新的思考方式在形形色色的领域中发展起来。学者们聚在一起讨论他们的新发现、新思路，更多时候是通过书信。后来，学会开始出版刊物，学者们逐渐发展出一种后来被称作论文的文体。

▍仪器与实验

同一时期，西方人航行到世界的各个角落。随着世界的扩大，人的眼界开阔了，看到的东西增多了。但对近代哲学—科学影响更大的，不是通过旅行和探险见到了更多的新事物，而是通过新仪器和实验手段发现了更多的新事物。近代科学的眼光不限于我们平常能够经验到的事物，而是通过多种多样的仪器和实验去发现我们平常经验不到的现象。这是近代科学与古代科学—哲学的一个显著的不同之处。我愿顺便提到，制造仪器以及后世更大规模的实验设备，与工艺的进步、近代工业的发展是分不开的。

望远镜、显微镜、温度计、气压计、抽气机、钟摆被相继制造出来。人们用望远镜来看月亮，看到月亮上的山脉和凹坑。更好的望远镜让人们看到行星上的情况。它们明明白白是一些物质体，而不是自古以来所相信的纯天界的、纯精神的东西。Kosmos（宇宙）这个词，意谓着一个有秩序的世界，而最重要的秩序就是天地之别。在西方哲学—科学传统中，人类居住的地界和众神居住的天界一直有霄壤之别。伽利略用望远镜看到天体是物质的而不是纯精神的，伽利略—牛顿的力学体系则从理论上揭示了天地共同遵守着同样的定律。天和地的区分被取消了，两界合一了，柯瓦雷把这个根本的转变叫作“宇宙的坍塌”。后来海德格尔说，在我们这个世界，众神无处居住。

一旦认识到星星是自然天体，宇宙空间的新观念就自然而然产生了，为牛顿的空间观做好了准备。按照牛顿的空间观念，空间在任何方向上都是无差别的，都是均匀的。这种观念在我们今天看来是那么自然，但这个观念其实只有几百年的历史。

通过仪器来观察世界改变了世界的景貌，甚至可以说改变了我们对现实世界的定义。考夫曼说道“近代物理科学的总进路是彻头彻尾机械论的”，他解释说，机械论在这里并不是在粗糙的意义上指齿轮、杠杆、滑轮，而是指“试图把全部现实还原为具体的物理定律，在那里，唯一真正重要的性质是那些我们能够用光谱仪、电流计、摄影胶片这类器械加以测量的性质”。

人们通过显微镜看到了毛细血管、肌肉纤维、血球、精子，看到了细菌。人们用显微镜发现软木塞里有很多孔，继而发现这些小孔不仅在软木塞这种死的东西里有，在活的东西里也有。人们逐渐明白，植物和动物是由一些当时叫作cell的东西构成的，我们后来把cell这一术语译做“细胞”。对这些微观世界的观察，改变了我们对植物、动物、身体的理解。

仪器和实验是联系在一起的。大多数仪器本来就是为了进行某种实验发明出来的。从伽利略开始，在各个新成立的科学院，实验热情陡然高涨。在西芒托学院，托里拆利进行了真空实验，维维安尼进行了气压实验、冰膨胀系数测量、凹镜聚焦实验。利用气压计，人们测定了气压随山的高度不断变化。波义耳在胡克的帮助下，改进了空气唧筒，完成了他的著名实验，确定了波义耳定律。

这些观察、实验、新思路、新概念，总体上对宗教权威构成了威胁。近代初期的科学家多半是虔诚的基督教徒，而且，宗教思想对他们的科学工作构成了重要的启发和指导。人们常引用牛顿来说明这一点，经常提到这个事实：在晚年，他专注于《圣经》研究远甚于科学研究。但所有这些事实并不减弱近代科学所获得的自主性。韦斯特福尔在《近代科学的建构》中提到牛顿写给T.伯内特的一封信。在这封著名的信里，牛顿运用科学证据来论证《创世记》的可靠性。韦斯特福尔评论说：在这封信里，《圣经》与科学“两者的角色恰好倒转过来。牛顿本人无疑会拒绝接受这个评论，但我们不能忽略信中的含义，尽管那很可能是无意识的”。韦斯特福尔总结说，从17世纪起，科学就开始“将原来以基督教为中心的文化变革成为现在这样以科学为中心的文化”。

▍机械论与数学化

科学所挑战的不仅是宗教观念，它从根本上挑战我们对世界的日常看法。科学热衷于实验和观测仪器为我们提供的事实，这些事实不再是我们直接经验到的，它们不曾参与塑造我们的心智，相应地，旧有的心智也不能理解这些现象。要解释这些新现象，以往的概念和理论显然远不敷用。科学家们改造旧概念，营造新概念，用这些概念建构新理论。这些概念不是直接从我们的经验中生长出来的，它们的意义在于解释观察资料和实验结果，而不是理解我们的直接经验。它们是些技术性的概念，逐渐不受自然语言的束缚，而在一个理论体系中互相定义。

韦斯特福尔在《近代科学的建构》的导言里概括说：

两个主题统治着17世纪的科学革命——柏拉图—毕达哥拉斯传统和机械论哲学。柏拉图—毕达哥拉斯传统以几何关系来看待自然界，确信宇宙是按照数学秩序原理建构的；机械论哲学则确信自然是一架巨大的机器，并寻求解释现象后面隐藏的机制。……这两种倾向并非总是融洽吻合的……科学革命的充分完成要求消除这两个主导倾向之间的张力。

笛卡尔是系统表述机械论的第一人。他第一个系统使用“自然规律”这一表达式。像伽利略一样，笛卡尔也使得地上运动和天上运动服从同样的法则、机制。所有的物质都为同样的自然规律所支配，植物、动物、人体概莫能外。由于笛卡尔并不否认精神的存在，在他的机械论背景上，物质—精神二元论就成为难以避免的后果。这种二元论取代了传统上的由高级到低级的连续的“存在之链”。不过，如伯特指出，“笛卡尔对精神实体兴趣不大，对它的描述极为简短”，而且，“对科学和哲学随后的整个发展具有根本意义的是，这个勉强赋予心灵的位置极其贫乏，绝不超过与之相结合的身体的一个不同的部分”。近代科学思想整体上处在笛卡尔机械论的笼罩之下，在这个框架之内，看来只有两个选择，要么接受二元论，要么把精神还原为机械的东西。拉梅特里选择了后者。笛卡尔把动物看作机器，拉梅特里说：人是机器。按照伯特的草描：现在，世界变成了一部无限的、一成不变的数学机器。不仅人丧失了它在宇宙目的论中的崇高地位，而且在经院学者那儿构成物理世界之本质的一切东西，那些使世界活泼可爱、富有精神的东西，都被聚集起来，塞进这些动荡、渺小、临时的位置之中，我们把这些位置称为人的神经系统和循环系统。

数学化与机械论之间存在着某种张力，韦斯特福尔在《近代科学的建构》一书中对两者之间一开始所显示的不融洽作了多方考察。不过另一方面，他也提到，从一开始也同样显露出两者遥相呼应的苗头。笛卡尔所谓的自然规律是通过数学方法所揭示的数量上的机械规律。万物都可以还原为长宽高以及运动这几样基本元素。“给我运动和广延，我就能构造出世界”。因为“机械论哲学的基本主张之一就是物质的同质性，物质被区分开来，仅仅是凭借物质粒子的形状、大小、运动”。

波义耳则更具体地展现了机械论和数学化的统一：波义耳定律对空气作出了数学描述，把压强和体积联系起来，波义耳是个原子论者，他设想空气由很多微粒组成，每个微粒都具有弹性，借此为空气压强定律提供了物理解释。到牛顿，通过系统地重构力这个概念，数学化和机械论水乳交融，再不可分割。

牛顿既是数学天才，也是实验天才。像伽利略一样，他把数学和实验结合起来，为近代科学的研究模式树立了典范。

尽管在科学时代，大多数思想家都意识到数学应该成为科学的语言，但真正做到这一点的是牛顿。数学取代形而上学成为理解世界的总原理。牛顿的主要著作题为《自然哲学的数学原理》，但他在谈到这本书的时候，经常不说数学原理，而径称为“哲学原理”，夸耀说在使原理数学化的过程中，他创立了一门不同于一般哲学的自然哲学。

牛顿系统地提供了近代力学的时空观。几何化的空间取代了亚里士多德的位置连续系统。无限空间中没有中心，也没有天然的处所、位置。地球的独一无二性消失了，地球上所有位置的固定性也消失了。

在这个新的时空观框架里，牛顿总结了关于运动的三大定理，即通常所称的惯性定律、加速度定律、反作用定律。我们记得，位移，即后世力学所理解的运动，在亚里士多德那里意谓的是远为广泛的运动—活动—变化的一种而已。位移这种运动和植物的生长、

青年的教育在概念中是连续的，因此不存在用位移运动来还原其他活动的要求。在牛顿那里，运动和位移成了同义词。在此后的两三百年里，机械论者一直努力把所有其他形式的运动都还原为位移。

牛顿落实了万有引力学说。此前，开普勒曾为行星的运动轨道提供了几何学解释，但他没有提供动力学解释。这是由万有引力提供的。但是，万有引力本身得不到解释。其结果是，一些人为引入万有引力欢呼，一些人极力抗拒这个概念。

▍科学世界图景

牛顿是近代科学的集大成者。从牛顿开始，我们有了一幅科学的世界图景。柯瓦雷在回顾这幅宏大图景时不无感叹：它“把一个我们生活、相爱并且消亡在其中的质的可感世界，替换成了一个量的、几何实体化了的世界，在这个世界里，任何一样事物都有自己的位置，唯独人失去了位置”。这一感叹与伯特的感叹遥相呼应。

近代开始的时候，在笛卡尔和牛顿那里，哲学与科学是连成一片的，甚至仍然是一回事，但两者就从那时起开始分离。牛顿那时，英语里还没有science（科学）、scientist（科学家）这些词，他的主要著作是以《自然哲学的数学原理》为题的。他是个哲学家，实验哲学家。然而我们讲哲学史，通常不讲牛顿，或者一笔带过。这也是有道理的，因为恰恰从那时起，哲学—科学的传统走到尽头，哲学与科学开始分道扬镳。牛顿在我们今天称作哲学的领域里没作出什么贡献，然而，他从外部对改变哲学发展方向所发生的作用是划时代的。

哲学一开始是要寻求真理，理解我们置身其中的世界。我们所要理解的是我们所经验到的那些东西——无论是个人的经验，还是人类共同的经验；无论是对心理的体验，还是对世界的经验。火会烫着人，水往低处流，人会做梦，男女交合会生孩子，日月循环，众星永恒，这些是我们经验到的世界，为这个经验到的世界提供解释，这是哲学—科学的事业。科学也是要寻求真理，但它不满足于我们被动地经验到的世界的真相，它通过仪器和实验，拷问自然，迫使自然吐露出更深一层的秘密。要解释这些秘密，古代传下来的智慧和方式就逐渐显出其不足。从伽利略开始，科学家告诉我们，仪器和实验所揭示出来的现象证明了常识并不具有终极的说服力。常识式的理性不够用了，人们学会求助于数理式的理性。新的物理理论以数学作为科学的原理，与此相应，新概念以通向量化为特征，它们有助于把各种资料数量化。近代科学之父伽利略宣称：“大自然这部书是用数学文字写成的。”这可以看作近代科学的总宣言。哥白尼的日心说、伽利略的运动观、笛卡尔对动物以及人的机体的机械解释，离我们的常识和经验越来越远。“如果我们从经验出发，那么我们以亚里士多德的力学为终点可能更贴切一些，因为它是一个十分成熟的经验分析。相反，伽利略以经验从来不知的理想化条件的分析为出发点。”

近代始于对古典时代的复兴，但人们很快看到，它远不是一场复兴，而是一个崭新的时代。科学经过两三百年的发展，一开始是自然科学的成熟，然后，大致在19世纪、20世纪之交，社会科学先后获得自治。回过头来看，是希腊思想的哲学方式为近代科学奠定了基础。当然，我不知道从希腊哲学是否必然会发展出近代科学，但没有人会怀疑，到了伽利略和牛顿之后，思想的科学发展就不可能再逆转了。

本文选编自《哲学·科学·常识》，中信出版社，2018年3月

作者：陈嘉映