科学史的意义

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吴国盛

我坐在这里，应邀为正在或将要学习自然科学的年轻人写一部科学技术的历史。夏秋时节温暖的阳光从宽大的钢窗中投撤进来，使人感到几分安逸和慵倦。远处建筑工地上的轰鸣声和农贸市场上的嘈杂人声，显示了外面世界正发生的热烈的经济生活。虽然一想到科学的历史，我就会掠过一阵异样的激动，为摆脱观念的困扰，摆脱愚昧与无知所作的艰苦卓绝的斗争场面，以及为刷新文明社会的面貌，科学先贤们艰苦创业的景象，仿佛一部向大自然胜利进军的英雄史诗，勾起入的祟敬和景仰之情。但今天，在这个由科学自身造就的繁忙的世界上，谁还有闲暇来回顾过去呢?科学的历史就其作为猎奇的材料而言已甚至远远不如科幻作品。在当代，年轻的读者也许会提出这样的问题:学习科学史有什么意义?我们在学习科学知识的同时为什么还要了解科学的历史?这确实是一个必须首先回答的问题。

1.知识就是力量

今天，不大可能有人问科学有什么用了，科学的实际用处随处可见。我们的社会生活、日常生活的每一细节都由科学支撑着，吃的是经科学栽培和科学的工艺烹制出的蔬菜、瓜果和食品，穿的是用科学工艺纺织加工出的衣服，住的是带有电梯、电灯、电话、电视、电冰箱、洗衣机、录像机、组合音响等电器的混凝土钢架高层建筑。我们享受着科技文明的成果，谁也不会怀疑科学的用处。相反，当代中国人正越来越意识到科技对于发展生产力、发展经济的决定性意义。约四百年前，科学的用处远未变得像今天这样显明，当时英国哲学家弗兰西斯·培根提出了“知识就是力量”的口号。这是一句脍炙人口的名言。从巨大的吊车、起重机，牵引长龙似的列车的蒸汽机、内燃机和电动机，到一瞬间毁灭一个城市的原子武器和载人走上月球的航天器，近代自然科学已经一步步向世人显示了这句名言的真理性。不过，培根还有另外一段关于知识的名言值得引用:

“阅读使人充实．会谈使人敏捷，写作与笔记使人精确。……读史使人明智，诗歌使人巧慧，数学使人精细，博物使人深沉，伦理之学使人庄重，逻辑与修辞使人善辩。”(《培根论说文集·论学问》)

2.读史使人明智

这位在近代科学创造时期为新时代高声呐喊的英国哲人，这位未来科学时代的预言家，同样说了一句对本书而言，很重要的话:“读史使人明智”。在科学已经无孔不入地渗透在人类生活各个层面的20世纪90年代，我们不再对我们身边的科学表现出惊奇，我们已经对科学无动于衷。而恰恰在此时，我们需要回顾科学的历史，因为读史使人明智，阅读科学的历史使科学时代的人明智。

也许，对科学史的重视首先是因为人们不再问科学有什么用。在人们还未认识到科学的用处时，也就是在科学远未成熟、远未进入社会生活之前，对科学历史的回顾的确只有有限的意义。往往只有各学科的科学家在向学生讲授该门学科时，为了增强趣味性而略微提一下。增加自然科学教学的趣味性确实是科学史的功能之一，今天依然有很多科学史教育工作者只是在这种意义上陈述科学史教学的必要性和理由，他们说，学习科学史能使自然科学课程变得生动有趣，它有助于理科教学。这的确是一个比较好的理由，也是对科学史有什么用这个问题的一个较直接的回答。但是，这只是科学史用处的一个方面。另一个更重要的方面是理解科学本身。“熟知”往往并非“真知”，今天，科学渗透到人们日常生活的每一角落，为人们所“熟知”，但正因为这样，我们可能并不“真知”科学。科学对我们的社会、我们的未来、人类的命运影响如此之大，可我们并不真正懂得科学是怎么一回事，这当然是十分危险的事情，应该引起高度警醒，这大概是科学史学科在本世纪迅速成长起来的重要原因。

3.传奇式的科学故事

让我们先看看科学史对学习科学知识的用处。首先当然是使功课变得有趣，它把某些科学理论与某个非常有意思的历史故事相联系，这样使学习该理论变得更有吸引力一些。不过这些历史故事往往传说的成分很大，很难肯定是真实的科学历史事件。我们熟知的几个传奇故事有:阿基米德在浴盆里发现了浮力定律后，大喊大叫着跑上街道，赤身裸体地告诉每一个人他终于发现了浮力定律;伽利赂为了证明落体定律，把一个木球和同样大小的一个铁球从比萨斜塔上扔下，结果是同时着地的，于是反驳了亚里士多德派哲学家认为重者先落的理论;牛顿在一个炎热的午间躺在一棵苹果树下思考行星运动的规律，结果一个熟透了的苹果掉下来打中了他，使他茅塞顿开发现了万有引力定律;瓦特在他外祖母家度假，有一天他偶然发现烧水壶的壶盖被正在沸腾的开水所掀动，结果他发明了蒸汽机……等等，等等。这类科学传奇故事诱发了儿童对神奇的科学世界的向往，但对于学习理科课程并没有什么太大的帮助。倒是相反．某些传奇故事对于深入理解科学理论还是有害的。此外，传奇故事往往强调了科学发现的偶然性、机遇性，这使人们忽略了科学发现的真实历史条件和科学工作的极端艰苦性。

4.“古怪”科学概念的历史由来

科学思想的逻辑行程和历史行程对学习科学理论是有益的。当我们开始学习物理学时，我们为那些与常识极为格格不入的观念而烦恼。这时候，如果我们了解一下这些物理学观念逐步建立的历史，接受这些观念就变得容易多了。科学家们并不是一开始就这样“古怪”地思考问题，他们建立“古怪”的科学概念的过程是极好理解而且极引人入胜的。最典型的例子之一是“运动”问题。物体为什么会运动呢?亚里士多德说，运动有两种，一是天然运动，一种是被迫运动。轻的东西如气、火向上走，重的东西如水、土向下跑，这是天然运动，这是由它们的本性决定的，就像俗话所说的“人往高处走，水往低处流”。轻的东西有“轻性”，重的东西有“重性”，但总的说来是向往它们各自的天然位置，也就是有所谓各归其所的倾向。轻的东西天然处所在上面，重的东西天然处所在下面，在“各归其所”的倾向支配下，它们自动地、出自本性地向上或向下运动。一目物体到达了自己的天然位置，就不再有运动的倾向了。这时候只有外来的力才能迫使物体运动。这样的运动是被迫运动。地面上物体的运动都是被迫运动，因为它们已经达到了最低处所。被迫运动依赖于外力，外力一旦消失，被迫运动也就停止了。

亚里士多德关于运动的这些观念很符合常识。比如从其天然运动理论可以得出重的东西下落得快，而轻的东西下落得慢的结论。这我们是有体会的，玻璃弹子当然比羽毛下落得快。又比如，由其被迫运动理论可以得出，不推一个物体，物体是不动的，推力越大动得越快，突然撒手，运动就会停止，这一点我们也经常体验到。对这些结论，我们从常识的角度觉得很自然，很有道理。可是近代物理学首先要破除这些观念。“运动”观念上的变革首先是由伽利略作出的。

伽利略从一个逻辑推理开始批评亚里士多德的理论。他设想一个重物(如铁球)与一个轻物(如纸团)同时下落，按亚里士多德的理论，当然是铁球落得快，纸团落得慢，因为较重物含有更多的重性。现在，伽利略设想把重物与轻物绑在一起下落会发生什么情况。一方面，绑在一起的两个物体构成了一个新的更重的物体，因此，它的速度应该比原来的铁球还快，因为它比铁球更重。但另一方面，两个不同下落速度的物体绑在一起，快的物体必然被慢的物体拖住而不再那么快，同时，慢的物体也被快的物体所带动，比从前更快一些。这样，绑在一起的两个物体最终达到一个平衡速度，这个速度比原来的铁球速度慢，但比原来纸团速度快。这两方面的推理都是完全合乎情理的，但却是相互不一致的。因此，伽利略推测物体速度与其重量有关系的说法值得怀疑。从逻辑上讲，解决这个矛盾的唯—途径是，下落速度与重量无关，所有物体的下落速度都相同。伽利略这位真正的近代科学之父，近代实验科学精神的创造者，并不满足于逻辑推理，而是继续做了斜面实验。他发现，斜面上的落体作加速运动，而且加速度与重量无关。他还发现，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，则加速度越小。在极限情况下，斜面垂直，相当于自由下落，不同物体的加速度应该是一样的。斜面完全水平，加速度为零，这时一个运动物体就应该是沿直线永远运动下去。物体运动的保持并不需要力，需要力的是物体运动的改变。这实在是一个重大的观念更新。

伽利赂没有直接观察落体运动状况，因为自由落体加速度太大，而当时准确的计时装置还未出现。想一想，伽利赂发现摆的等时性时，是用自己的脉搏计时的，就可以明白当时科学仪器的缺乏。斜面可以使物体下落的加速度减小，因而可以对其进行观测，在此基础上，伽利赂最终用“思想实验”由斜面的情形推到自由落体和水平运动的情形。所谓比萨斜塔实验大概是没有什么根据的，因为:一是伽利略本人没有留下任何记载;二是这个实验当时也无法真的做出来;三是即使真做出来了，其结论恐怕对伽利略也是不利的，因为，该实验的实验条件很复杂，有空气阻力，不是理想状态。对于这一点，读者运用中学学过的力学知识就可以理解。

这个关于“运动问题”的科学史故事，对读者深入学习牛顿力学知识是有好处的。因为在回顾这个观念更替的过程中，我们自己的观念也不知不觉地发生了改变，这比直接从概念、定律和公式出发去学习牛顿力学当然要生动有趣得多，而且印象深刻得多。当然，前面所讲极为简短，实际所发生的比这要复杂得多。

5.“知道”不等于“理解”

追究科学史的用处，使我们有必要在“知道”(Knowing)和“理解”(Understand)之间作出区别。为了掌握一门科学知识，我们大多不是从阅读这门学科的历史开始，相反，我们从记住一大堆陌生的符号、公式、定律开始。然后是在教师和课本的示范下，反复做各种情形下的练习题，直至能把这些陌生的公式、定律灵活运用到处理各种情况为止，我们才算掌握了这些知识。但我们真的“理解”这些知识吗?那可不一定。理解这些定律的含义可以完全是另—回事。我知道一位非常年轻的大学生，他高考的物理成绩几乎是满分，但是在兴高采烈地去大学报到的旅途上，他却一直在苦苦思考—个问题:为什么人从轮船和火车上跳起来时，仍能落回原处，而轮船和火车在他跳高的这段时间中并没有从他脚底下溜走一段距离。可怜的孩子，他在轮船上试了好几次，情况都差不多，轮船一点儿也没有溜走的意思。后来，他突然想起，地球时时刻刻都在转动，而且转速极大，也从来没有发生过跳起来后落不回原地的事情，这是怎么回事呢?想着想着，高分的大学生睡着了。后来，他读了一本有关的科学史书，懂得了牛顿第一定律的真实含义，他才恍然大悟，痛骂自己愚昧无知。

这个故事应该很恰当地说明“知道”与“理解”的区别。这个故事是真实的，因为这位年轻大学生的故事就是我自己早年的经历。有了知识并不等于理解，会解题不意味着掌握了物理概念。在深入地理解物理定律的本质方面，科学史是有用处的。

6.理科教学的缺憾

不幸的是教科书大多不谈历史，如果有也只是历史知识方面的点缀，诸如牛顿的生卒年月等等。把科学史有机地揉进理科教科书中，是当代科学教育界所大力提倡的，但做起来很困难，而且效果不好。这是可以想见的。因为自然科学本身有很强的技术性，科学教育必须花大部分精力于训练学生的技能方面，而科学史的引入肯定会分散精力，削弱技能训练。但教育界仍在努力。当代美国著名的科学史家、哈佛大学物理学和科学史教授杰拉德·霍尔顿，从60年代以来主持“哈佛物理教学改革计划”，陆续编写出版了《改革物理教程》作为中学新的物理教科书。此外，他还写出过供大学文科学生阅读的物理教科书《物理科学的概念和理论导沦》。这些书贯彻了史论结合的原则，而且是以史带论，极大地影响了美国的物理学教学。这两套书我国都出了中译本，前者由文化教育出版社出版，更名为《中学物理教程》，分“课本和手册’’以及“学生读物”两部分，各六册，后者由人民教育出版社分上下两册出版。不过，似乎都未产生积极有效的反响。

也许是文化传统的关系，中国教育界盛行的依然是分数教育、技能型教育。这种教育的一个消极后果是培育了不少科学神话，树立了不正确的科学形象，以及对科学产生了不正确的看法。首先是将科学理论静止化、僵化、其次是将科学理论神圣化、教条化，再次是将科学技术化。最后是将科学实用化、工具化。

不用说，试图破除种种科学神话，纠正不正确的科学形象，正是本书的重要使命。不过我们首先得仔细具体地看一看，这些科学神话是如何掩盖了真正的科学世界的面貌，以便心中有数，有的放矢。

与当代科学的专门化、专业化相适应，基础教育也实行分科。先是文理分科，再是数理化生分科，再是更细致的分科，如物理分成力学、热学、光学、电磁学等等。分科教育很显然是为了造就专门人才。但在中学时期，通才教育是更有实际意义的。只有极少数人将来成为科学家，但为了这极少数人的未来成长，所有学生都得接受极专门的训练，这是相当不合理而且是浪费智力资源的。大多数人真正需要的是树立恰如其分的科学形象，以便在这个科学时代理智地对待科学、对待社会、对待生活，

7.教条的态度与批判的态度

在教科书中纷至沓来的新概念、新术语、新公式、新定律面前，学生逐渐形成了这样的观念:这就是真理，学习它、记住它。久而久之，历史性的、进化着的科学理论被神圣化、教条化，人们不知道这个理论从何而来，为什么会是这样。但我们还要相信它是真的，因为它是科学。这种教条的态度明显地与科学精神格格不入，但在科学教育中产生这样的态度又是相当普遍的。因为学生不知道—个理论源于哪些问题，有多少种解决问题的方案，以及为什么人们选择了其中—种并称之为科学理论。学生也不知道这种理论是可错的，并非万古不变的教条，也许学生自已经过思考就能对伟大科学家解决问题的方案提出异议。所有这一切，在以灌输知识为目的的教学中肯定是得不到应有反映的，它不自觉剥夺了学生的怀疑和批判精神，而怀疑和批判精神对于科学发展恰恰是不可或缺的。我们毫不奇怪地看到，大多数人对科学理论永远怀着一种崇敬心情，这种心情无论对于理解该理论的真正价值，还是理解该理论的条件性和局限性都没有益处。

在我的印象中，达尔文的进化论一直享受着真理的位置，达尔文之后生物学上对进化论的发展在普通教育界一直是模糊的，仿佛它已进入了绝对真理的行列。久为传颂的是达尔文主义所经受的责难以及对这些责难作成功的驳斥的一段故事。那是在1860年的英国牛津，达尔文的《物种起源》刚刚在上一年出版并引起广泛的注意和争论，学术界内部亦有分歧。达尔文主义的著名斗士赫胥黎坚定地捍卫进化论，遭到牛津大主教威尔伯福斯的讥讽，他责问道:我要请问一下坐在我的旁边，在我讲完以后会把我撕得粉碎的赫胥黎教授，请问“与猴子发生关系的是你祖父这一方，还是你祖母这一方?”面对这恶意中伤，赫胥黎从容不迫地先从科学事实方面进行驳斥，然后说:“我过去说过，现在再说一次，一个人没有理由因为猴子做他祖父而感到羞耻。在我的回忆中叫我感到羞耻的倒是这样一种人:他惯于信口雌黄，并且不满足于他自己活动范围里的那些令人怀疑的成就，却要粗暴地干涉他根本不理解的科学问题。所以他只能避开辩论的焦点，而用花言巧语和诡辩的辞令来转移听众的注意力，企图煽动一部分听众的宗教偏见来压倒别人。这才是真正的羞耻啊!”

这段故事确实是捍卫科学真理的典范。然而，如果从进化论本身的缺陷以及面临的发展角度看，威尔伯福斯主教的责问也有重要的科学意义。他实际上表达了这样一个问题:是否“存在一种通过特殊遗传而积累有利变异的能力，它与竞争规律以及所出现的有利变异一起在自然界中积极地起作用。”达尔文其时，细胞学说刚刚建立，遗传学尚未开始，这样的“能力”也就是在进化中起作用的遗传因子尚未出现。主教的讥讽中所包含的有意义的问题实际上无法回答。今天，进化论经过了新达尔文主义进入了综合进化论时期。威尔伯福斯的问题可以回答了，其作为恶意中伤已变得毫无力量，而这恰恰是生物学的进步和进化论本身的发展所带来的。

8.片面的理解与全面的理解

科学理论不是一成不变的，它是发展的、进化着的。几乎没有什么比科学史更能使人认识到这一点了。不仅如此，自然科学各个分支领域相互联系的方面，在按学科分块的教科书中肯定也得不到体现。最典型的例子大概要数热力学第—定律，这个定律又称为能量守恒定律。就我自己的经验，从教科书中我始终未能获得关于这个定律的完整理解，因为它涉及的面太广了。从历史上看，它首先来自运动不灭原理，虽然古代哲学家们已经提出过运动不灭的思想，但只有给出了运动的量度，运动不灭原理才可成为一个科学原理并付诸应用。有意思的是，运动的量度一开始就出现了分歧，有人把质量与速度的乘积作为运动的量度，也有人认为运动应由质量与速度的平方的乘积来标度。经过长时间的争论和力学本身的发展，人们在18世纪发现了机械能的守恒定律。

能量守恒原理的最终确立有赖于在更多领域里相关研究的出现，第一是热与机械运动相互转换的研究。当时连热究竟是怎么一回事大家都还不清楚。开始人们以为热也是一种物质，一种特殊的看不见无重量的流体。仿照物质守恒原理，有人还提出了热质守恒原理，这个原理还被用来解释热平衡过程。例如，热水和冷水混合，热水中的热质多，跑一部分到冷水中，结果温度降低了。可是美国物理学家本杰明·汤姆逊(又称伦福德伯爵)在德国从事炮膛钻孔实验时发现，只要不停地钻，几乎可以不停地放出热，这么多热从哪里来的呢?若用热质守恒说根本不可能解释，这促使人们研究热量与作功之间的关系，并定量测定其转化系数，这一工作的最终完成，也就是能量守恒原理的正式确立。

第二是在化学和生物学上的研究上。德国化学家李比希设想，动物的体热和活动的机械能可能来自食物之中包括的化学能。此外，俄国化学家赫斯发现了化学反应过程中的能量守恒原理。

第三是电学和磁学的研究。德国物理学家楞次研究电流的热效应，发现通电导体放出的热量与电流强度的平方、导体的电阻以及通电时间成正比。这在今天被称为焦耳—楞次定律，这一定律直接导向能量守恒定律的精确形式。

现在各路人马都在奔向一个伟大的原理。在提出或表述能量守恒原理的科学家行列中，有德国医生罗伯德·迈尔，他几乎是从哲学上明确地导出这个原理的;有德国物理学家赫尔姆兹;有英国物理学家焦尔，他是在测量热功当量中建立这一原理的;还有法国工程师卡诺，英国律师格罗夫，丹麦工程师柯尔丁。这么多人大致在同一时间里提出同一科学原理，真是科学史上罕见的事情。

如果不是科学史，我们肯定无法理解“能量”这一概念的普通性，它在全部自然科学中的地位，它对于人类理解自然现象的意义。“能量”概念提醒我们自然科学的统一性，提醒我们不要深陷在各门学科的技术细节中，忘记了自然科学的根本任务是为人类建立一个关于外在世界的整体的统一的图像，在学科分化愈演愈烈的今天，人们尤其需要这种统一的图像。

9.人性的科学家形象与科学形象

在诸种科学神话中，关于科学家的神话也许是流传得最广的。很长时间来，科学家被看做在某一方面有惊人的天才，掌握了与自然界进行对话的神秘钥匙，但在日常生活中完全是低能儿，而且表现得离奇古怪。人们广泛传颂着诸如牛顿煮鸡蛋结果把手表煮进去了，爱因斯坦走路时头撞着一棵树还连声说对不起等等之类的故事。这些有趣的故事也许是真的，但不可把这看作科学家的本质特征。人们由于专注于某件事情而忘了周围的一切，这种情况并不罕见，并非只有科学家如此。另一方面，科学家在结束他的研究工作时，他与常人一样，而且在参与社会文化生活和从事艺术宗教活动方面，并不比一般人逊色。这一点有必要大大强调，因为我们陷入这类科学家神话中太深了，不仅歪曲了科学家的形象，而且对培养自己的科学家相当不利。年轻人往往照公认的科学家形象规范自己。危害倒不在于年轻人将来在日常生活中表现得无能、生活不能自理，而在于他可能不再关心社会、关心他人，不再关心道德和艺术，而甘于做一个对世事不闻不问、对人漠不关心、缺乏同情、只在某一狭窄领域当熟练工人的人。实际上，真正的科学家不仅能增长人类的自然知识，而且还传播一种在思想上独立思考、有条理的怀疑的科学精神，传播一种在人类生活中相当宝贵的协作、友爱和宽容精神，是最富有人性的。真实的人性的科学家形象只有在科学史中才能得到恢复。因为在学习科学理论时，我们可能完全不知道该理论的创造者是一个怎样的人。

说到科学家的形象。我们不免会想起科学的技术化和科学的实用化、工具化问题。因为前面那种看似传奇实则愚蠢的科学家形象，是与错误的非人性的科学形象相适应的。无疑，科学是有实用意义的，特别在当代，这种实用意义相当显著。但是科学不只是有实际用途，它既有物质的方面，也有精神的方面;它有改造世界的方面，也有认识世界的方面。一味强调一方面而忽视另一方面，科学的生命就要完结。在古代，科学的实际用处还未表现出来，注重实用的罗马人就对科学不加重视，刚刚由希腊人创造出来的科学马上断送在罗马人手里。今天，科学正发挥着从前无论如何也意想不到的作用，科学召唤出来的力量已经大到令人类无法驾驭的程度。原子能的开发是一个伟大的科学成就，但造出的原子弹令人担忧，当今世界各国存有的原子武器足够把地球炸毁好几次。另外，科学带来了经济的高速增长，物质财富的极大丰富，但也带来了环境污染和能源短缺。大气污染有可能破坏数万年来保护人类和地球生命的大气层，陆地和海洋污染破坏了生态平衡，水污染危及人的生命之源。但把这一切都归罪于科学，是否与罗马人犯的是同样的错误?

技术上的不良后果也只有通过更新技术来克服，何况科学并不等于技术。首先，科学不只是一些方法上的、技巧性的东西，它是一种文化。它既面对自然，以理性的态度看待自然，它也深入人性，在科学活动中弘扬诚实、合作、为追求真理而不屈不挠献身的精神。其次，科学不可以视为一种手段，一种为达到它种目的(比如发展经济等)的手段，相反，科学自身就可以作为目的。“为科学而科学”长期以来受到批判，现在应该承认它有合理之处。诚然，生产上的需要将促进科学的产生和发展，同样，为了求知，为了解开自然界的奥秘，人类也致力于发展科学。亚里士多德提到科学和哲学产生的原因时说:“当今人们开始从事哲理的思考和探求都是由于惊异。他们最初从明显的疑难感到惊异，便逐步进入到那些重大问题上的疑难，例如关于日月星辰的现象和宇宙创生的问题。感到困惑和惊异的人想到自己无知，为了摆脱无知，他们就致力于思考，因此，他们这样做显然是为了求知而追求学术，而不是为了任何实用的目的。”(《形而上学》)

受中国传统文化中实用理性的支配，中国人不大能接受“为科学而科学”的提法。不过，对我们中国人而言，比较缺乏的也许恰恰是“为科学而科学”的精神。为了搞懂这些问题，我们需要求助于科学的历史。

今天，理解科学成了一项迫切的任务，因为科学在社会生活中已占据了太重要的位置，而人们对它又太缺乏了解，仅有的了解常常是片面的、不准确的。正成长着的一代年轻人，将主宰着未来的社会发展，如果一开始他们能通过熟悉科学的历史而全面地理解科学，那么科学就能更好地为人类造福。