亚历山大里亚学派和罗马科技文化的兴衰

二、亚历山大里亚学派和罗马科技文化的兴衰

1.希腊化时期的学术思想与技术进展

随着马其顿王亚历山大大帝的出征，古希腊科学的中心开始从雅典转移到现在埃及境内的亚历山大里亚（公元前332年由亚历山大大帝所建）。从公元前323年亚历山大去世到公元前31年罗马帝国建立为止，这段历时300年之久的时期，称为希腊化时期（科学史上也叫亚历山大里亚时期）。希腊化时代是由亚历山大大帝推动的，其结果之一是：“个人主义的充满活力的希腊文化开始与古老庄严的近东文化密切接触。”⁽²⁵⁾巴克勒等人认为，“希腊化时期的文化中达到巅峰的领域乃是科学”⁽²⁶⁾。这一时期的科技成就主要包括以下几个方面：阿利斯塔克的“日心说”，阿波洛尼乌斯和希帕克的地心说成就，欧几里得的欧氏几何，阿基米德的科技成就，埃拉托色尼的地理学，提奥弗拉斯特的植物学，医学中教条主义与经验主义的对立，亚历山大里亚的工程学派等。其中，阿基米德的成就最为突出，尤其是他表现出的实验理性更是成为近代自然科学的“第一特性”，因此我们将其成就单列一节进行阐述。

实际上，地动说最初是由毕达哥拉斯学派提出的。菲洛劳斯（Philolaus，约公元前400年左右）受到赫拉克利特“火本原论”的影响，认为包括地球在内的天体，围绕着一团“中央火”运行。虽然火不是太阳，但这毕竟是关于地球运行的第一个猜测。这个思想后来被阿利斯塔克（Aristorchus，公元前310—230年）发展为一个假说，即“恒星与太阳是不动的，地球沿着一个圆周的周边绕太阳运动，太阳则在轨道的中心”⁽²⁷⁾。为了解释恒星没有视差位移，他甚至天才地指出，这是由于恒星的距离远比地球轨道直径大得多的缘故。在没有天文望远镜的条件下，他的工作令人惊叹。可惜的是，阿利斯塔克的理论并未说服古老的世界，而经托勒密发展的地心说流行了一千四百多年。可见，虽然第一次数学危机使人们意识到直觉和经验不一定可靠，但在实际生活中，直觉与经验还是占据很重要的地位。再加上主张地心说的学者们拥有更高的社会声望，符合我们直觉与经验的地心说得以流行。

与阿利斯塔克相对，阿波洛尼乌斯和希帕克继续改进地心说体系。欧多克斯为完成其老师柏拉图的“拯救现象”理想，建立了“同心球体系”，认为地球是万物的中心，太阳、月球和行星都在同心透明球体中绕地球而运转。但是这一体系与一些观测事实相矛盾：第一，它要求天体同地球永远保持固定的距离，而金星和火星的亮度却时常变化，这意味着它们同地球的距离并不固定；第二，日食有时是全食，有时是环食，这说明太阳、月亮同地球的距离也在变化。

阿利斯塔克的日心说虽然可以克服同心球理论的困难，但是他也无法解释上述现象。于是，阿波洛尼乌斯设计出均轮、本轮的方案，较好地解决了行星明暗变化问题，进一步完善了这个体系——提出了偏心圆和本轮—均轮体系。这一体系很好地解决了上述问题，并得到时代的承认，一直应用到哥白尼的日心说。

在几何学方面，希腊化时期的思想家们几乎没有新发现，但它向系统化方向发展。欧几里得（Euclid，公元前330—前275年）是古希腊第一次把几何学系统化的里程碑式的人物。关于欧几里得本人的故事流传很少，但他的名著《几何原本》却是尽人皆知，影响极大。《几何原本》的出现标志着古代数学达到某种系统化的程度，也体现了人类的抽象思维能力和推理能力的发展水平。这本书不是欧几里得一个人的创造，他自己发明的并不多，但他把所有古代数学知识，其中包括欧多克斯定理以及柏拉图时代数学家们的“自由的证明”等等，广泛地搜集起来，加以发展和系统化，并且用严谨的形式整理出来。这部巨著在科学史上具有重要的地位。因为同希腊思想的其他成果相比，这本著作“标志着知识的进步方面的一个永久性的一步。这一步是永远不必回头再走了”⁽²⁸⁾。因此丹皮尔把它看成与近代实验科学具有同等重要的地位。也许这正是此书能够流传后世的主要原因。据说，19世纪欧洲有些国家还原封不动地直接用它作数学教本。

欧几里得的功劳还不止于此，他还创造了科学中的严格的论证和叙述的方法。在他的几何原本中，定义、公理、定理的叙述或论证都很正规、很严格。这种方法作为严密的自然科学著作的格式和范例，一直对中世纪和近代科学有着深刻的影响。正如科学史家丹皮尔所说：“他从少数被认为是空间的不证自明的特性的公理出发，按照逻辑原理，推演出一系列奇妙的命题。他的办法直到不久前还是公认的唯一的方法。”⁽²⁹⁾《几何原本》一书所具有的高度的抽象性和逻辑论证的严密性，为后世的科学研究与著述树立了楷模。牛顿的《自然哲学的数学原理》就受欧几里得《几何原本》影响很深，说明《几何原本》不仅在写法上，而且在研究方法上都是后人的典范。

埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275—前193年）兴趣广泛，有多方面的成就，最突出的是地理学。埃拉托色尼被推崇为“地理学之父”不仅是因为他在测地学和地理学方面的贡献，还因为他创用了“Geography”（地理学）一词，使其成为通用的学术词汇。埃拉托色尼在担任亚历山大里亚图书馆馆长职位之时，利用馆藏中丰富的地理资料和地图，完成了两部代表著作：《地球大小的修正》和《地理学概论》。前者的精华是测定地球的大小，其方法完全是几何学的。假定地球是球体，那么同一时间的不同地方，太阳光线与地平面的夹角是不一样的。埃拉托色尼选择同一子午线上的埃及塞恩和亚历山大里亚，在夏至日正午进行太阳位置观察的比较，再测出两地之间的距离，就可以计算地球的周长了。他的计算结果是4万公里，与地球实际周长仅差100多公里，这个测量结果引人注目。《地理学概论》主要涉及地图的绘制。他改进绘制地图的方法，以精确的测量为依据，将得到的天文学和测地学结果结合起来，这使得他所绘制的地图具有权威性，成为其后一切古代地图的基础。

埃拉托色尼测地球大小

植物学的研究也发源于希腊化时期，由亚里士多德的学生提奥弗拉斯特（Theophrastus，约公元前372—前288年）领导。亚里士多德将主要精力放在动物学的研究上，提奥弗拉斯特则把他的工作扩展到植物学方面，著有《植物的历史》和《植物的起源》。提奥弗拉斯特对植物进行分类，并精确描述了它们的各个部分。他发现了萌芽过程，还认识到天气和土壤对植物的重要性。⁽³⁰⁾正如希腊化时期的其他学科一样，植物学也只是所收集的资料的系统化，并未在理论上获得重大进展。

希腊化时期的医学领域出现了教条主义和经验主义之争，教条主义学派强调生理学和解剖学，认为推理在研究中起着非常重要的作用；而经验主义学派则专注于疾病的观察和治疗，重视药物在治疗疾病上的作用。由于医学实践的增加，希腊化时期的医学在治疗上取得了巨大进步。但是，由于医生的医德不高，这一时期的医学受到罗马人的厌弃。

可见，希腊化时期的主要特点是，在科学上出现了较精确和有系统的研究。正如恩格斯所说：“在整个古代，本来意义的科学研究局限于这三个部门（指天文学、数学和力学），而且作为精确的和有系统的研究在后古典时期才开始（亚历山大利亚学派、阿基米德等）。”⁽³¹⁾这也就是说，在这一时期之前，科学尚未从哲学中分化出来；而进入希腊化时期以后，开始出现了精确的、有系统的研究。这个时期的科学的特点还可以用丹皮尔的一句话来概括，就是：“从全面的哲学学说和百科全书式的知识综述，过渡到了比较富于现代气息的专业化。”⁽³²⁾总之，这个时期从总体上说，科学发展还是综合的，但后期有的学科出现了分析的趋势。

2.阿基米德和实验理性的萌芽

阿基米德（Archimedes，约公元前287—前212年）是希腊化时期最伟大的思想家，许多人都听说过关于阿基米德的两件事：他是古代最伟大的数学家和他从浴盆中跳出来大喊“尤里卡”⁽³³⁾。公元前287年，阿基米德诞生于西西里岛的叙拉古，他的父亲是天文学家兼数学家，学识渊博，这使阿基米德自幼受到良好的天文学和数学训练。青年时代，他又到古代世界的学术中心亚历山大里亚求学，在此期间，他表现出对数学、力学和天文学的浓厚兴趣。后来阿基米德回到故乡叙拉古，为国王服务。

阿基米德是科学史上的一位光辉人物。希腊化时期，东西方文化密切接触，“古典希腊人那种纯粹、理想、自由的演绎科学与东方人注重实利、应用的计算型科学进行了卓有成效的融合”⁽³⁴⁾，为近代科学树立了榜样。阿基米德的科学成就就是这种融合的产物，这是他的贡献和方法如此接近近代科学风格的原因所在。可惜的是，他的研究风格没有传承，昙花一现，便为历史淹没。阿基米德的最大特点，是将科学家和工程师的双重身份集于一身，把观察、实验方法和数学方法结合在一起，展现了希腊化时期科学的风采。

我们从阿基米德具体的科技活动及贡献来看东西方科学融合之后的特点，它是如此地接近近代科学，尤其将近代科学的“第一特性”——实验特性充分展露出来。

阿基米德对纯数学很感兴趣，进行了多个领域的数学研究，这是他对西方思想的最大贡献，使他与牛顿、高斯并列为三个最伟大的数学家。⁽³⁵⁾希腊人十分重视几何学，“他们仔细、全面地研究了平面几何、立体几何。但是，简便的表示数量的方法，却从未得到发展，他们也没有处理数的有效方法”⁽³⁶⁾ 。希腊人对几何的偏爱使他们忽略了算术计算，当时甚至连圆的面积都无法计算。但从阿基米德开始，算术和代数开始成为一门独立的数学学科，虽然几何学在数学中仍然占据支配地位。阿基米德发现了一个著名的体积定理：圆柱体和它内接球体的比例，或两者之间的关系，是3∶2。他为这个发现而欣喜若狂，嘱咐后人，将一个有内接球体的圆柱体图案刻在他的墓碑上，作为墓志铭。

可见，穷竭法虽然是一种几何方法，但阿基米德关心的是要得出关于面积和体积的有用结果，而不像希腊几何那样是定性的对比例的描述。这是希腊化时期，几何学汲取东方计算型科学特点后表现出来的特性。阿基米德的数学成就既继承和发扬了古希腊研究抽象数学的科学方法，又使数学的研究和实际应用联系起来，这在科学发展史上意义重大，对后世有极为深远的影响。阿基米德还创立了一套计大数方法。⁽³⁷⁾他要计算充满宇宙大球体内的砂粒数量，运用很奇特的想象，建立了新的量级计数法，确定了新单位，提出了表示任何大数量的模式，这与对数运算密切相关。

在力学方面，阿基米德把观察、实验、推理和数学方法结合在一起，奠定了静力学（包括流体静力学）的基础。阿基米德根据浴盆经验，进一步总结出浮力原理：浸在液体中的物体，受到液体向上的浮力的大小等于物体所排开的液体的重量，这就是著名的阿基米德定律。他用浮力原理鉴别叙拉古王希艾罗的纯金王冠是否掺假。他使用类比、推理、实验等方法得出结果，其理论思维过程具有方法论意义。

此外，他从不证自明的公理和简单实验出发，得到杠杆原理（或重心原理），即杠杆如平衡，则支点两端力（重量）与力臂长度的乘积相等。他由此建立了支点、力臂等杠杆概念。在总结前人经验的基础上，阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理，提出了精确地确定物体重心的方法，指出在物体的中心处支起来，就能使物体保持平衡。而求重心又恰恰可以归结为一个纯几何学的问题，实际上，用几何方法论证力学问题，是他的一个主要特点。他在《论平面图形的平衡》一文中曾经谈到，杠杆原理的论证，是借助抽象几何的量。

在这些力学定理的发现过程中，实验扮演了一个重要角色。他发现浮力定理的过程众所周知，在希腊那样一个没有比重概念，甚至没有重量概念的时代，安排浮力实验是多么了不起！那么实验理性是什么呢？针对一个科学问题，首先提出假说，接着用演绎方法推出结论，然后用实验和观察方法加以检验，这就是实验理性的实质。显然，阿基米德作为西方实验理性的鼻祖⁽³⁸⁾，是当之无愧的。而近代科学奠基人伽利略的实验—数学方法则是对实验理性精神的发展和完善。17世纪，伽利略的第一篇论文《小秤》正是把阿基米德发现的浮力原理和杠杆原理结合起来，用实验和精密计量揭开了王冠之谜。⁽³⁹⁾

阿基米德还将他的这些科学发现应用于工程技术当中，发明了一系列超水平的机械装置和仪器。比如，阿基米德曾经到当时的学术中心亚历山大里亚游学，就在那里他发明了至今仍在埃及农村使用着的螺旋提水器。又如，他制造的用水力推动的行星仪，包括日、月、地球和五大行星的模型，用它可以把包括日、月食在内的天象演示出来。这些都说明他很熟悉力学和天文学。另外，为了用机械力量转移重物，他还设计了由杠杆和滑轮组组成的“滑车装置”，使造好的轮船得以顺利下水。他甚至发出了这样的豪言：“只要给我一个支点，我就可以撬动地球。”

此外，在罗马人进攻叙拉古时，阿基米德所造的投石器多次打中罗马人的战船；他所发明的大型聚光镜烧毁了不少敌人的战船，加上他发明的其他军用设施，使得叙拉古一直坚守了两年多。

从阿基米德的贡献中可以看出，他将数学、演绎的纯科学与重操作、效益的实践完美融合，这是完全的近代科学的特征。阿基米德既重视科学的严密性、准确性，要求对每一个问题都进行精确的、合乎逻辑的证明，又非常重视科学知识的实际应用，非常重视试验。因此，阿基米德是古时第一位、也是最伟大的近代型科学家。文艺复兴时代的达·芬奇为了搜集阿基米德的著作抄本，简直比什么都热切，这样一个事实也足以说明他的贡献和方法是多么接近于近代的风格。

阿基米德是在罗马军队攻入叙拉古以后被一个罗马士兵杀死的。据说当时阿基米德正出神地在沙盘上画几何图形、思考数学问题，以至于没有听到罗马士兵的喝问，于是75岁的阿基米德被士兵杀害了，尽管罗马主将曾下令不许杀死阿基米德。阿基米德的死似乎预告着希腊世界的命运，实际上，经过亚历山大里亚时期之后，希腊科学就开始衰落了。

结合希腊时期的数学理性和逻辑理性萌芽，再加上阿基米德的实验理性，这三大理性萌芽的出现，标志着希腊思想进入理性思考的时代。而数学理性、逻辑理性与实验理性共同构成了科学中的工具理性，它们分别为科学知识的精确性、条理性和可靠性（实证性）提供保证。这种作为希腊文化精髓的理性精神，在人类思想史特别是科技文化史的发展中，经过漫长的孕育、发展与成熟，绽放出了绚烂的近代科学之花。

3.罗马时代辉煌的技术成就

基督教和罗马帝国对科学的摧残，确实导致了希腊自然哲学的衰落，但罗马的学者和工程师们在科学上、特别是工程技术方面仍然取得了某些成就。罗马科学著作家的主要工作还是收集希腊前辈的研究成果。正如科学史家梅森所说：罗马人把希腊科学的内容搬过来，却没有汲取希腊科学的方法，因此，他们的科学著作往往像卢克莱修的《物性论》那样以哲学为主，或者像老普林尼 （Pliny，公元23—79年）的《自然史》一样，大部分是经验的总汇。罗马时期科学发展的另一特点，就是十分注重实用，特别是在工程技术和医学方面作出了较大的贡献。其中最值得一提的是供水系统，还有一直存留至今的宽广大路、桥梁和公共建筑。从古罗马时期角斗用的大剧场的遗址，仍然可以看出其建筑的宏伟和壮观。

罗马大斗兽场

（1）罗马时代的建筑

建筑常常可以当做技术水平和社会繁荣的一面镜子。罗马建筑在继承希腊建筑的基础上，把世界古代奴隶制建筑推到最高峰。位于罗马广场的神殿、会堂、柱廊与拱门，庞培的第一石造大剧院、帝国繁荣时期的凯旋门、记功柱、会场、浴场、剧场和容纳5 万观众的罗马大圆形竞技场，都以其宏伟与豪华多姿说明了这一点。古罗马建筑的形式特征是石结构的旋柱建筑。建造拱券顶或穹顶（称为发券）以及它们的巧妙结合，是罗马建筑的固有形式。罗马人除了发券技术成熟外，还采用一种天然混凝土材料，其成分主要是火山灰，加入石灰、碎石等后其凝结力增强，坚固而不透水。罗马建筑的极盛期是公元1—4世纪的罗马帝国时期，这时的罗马占领了地中海周围最富饶、最发达的地区，集中了所有的曾经创造过古代文明的西方国家中高手工匠与设计师，还有在战争中俘获的大量奴隶给建筑提供了充足的劳动力，这是它获得建筑成就的主要原因。

（2）罗马时期的供水系统

古典世界的人们很了解供水的重要性，在迈锡尼时代希腊已建立了城市供水系统。由于希腊医生强调优质水源对城市居民健康的重要性，古希腊人建成一些沟渠向城市提供优质饮用水与洗浴用水，同时希腊工程师还学会用虹吸管穿过水源与城市间的深谷，并在帕加蒙渠（公元前179—159年）中得到应用。罗马人使沟渠系统更加完善，将之发展为包括贮水池、导水道、公共浴池、喷泉和排水道在内的庞大供水体系，并能测量用水量以进行收费。关于罗马时期的供水系统，还必须提到的是大型引水渠道（即水道）。这种高架引水渠道是为古罗马统治者供应生活用水而建造的。

罗马水道有两个突出的技术成就：连拱结构与混凝土。为了使水渠跨越低地，采用了长连拱，罗马城附近现存的一段连拱长1372米，有153个拱，高约12米。在特别低的地方，还采用了多层连拱技术，有些地方的3层拱桥高达49米。在引水工程中，他们大量使用在水中能够快速凝固的高强度、不透水的硬性混凝土。同时还采用了虹吸技术和筑坝蓄水技术等。古罗马人熟知水的控制与试验方法，对沟渠经常进行检查并有专人维护。引水工程不但在罗马城有，在罗马统治的法国与北非也有，不但为城市供水，也可以为农田灌溉。

公共浴场规划包括一个空阔的大花园，其周围是俱乐部用的配房，浴室建在花园中央或后面。其主体建筑有三大浴室：冷室、热室与温室。有小浴室若干，还有庭院。罗马式浴室从较大的私人住房里的浴室到公共浴场，规模不一，其基本特征是有一个供应冷热水的完备的系统；浴室的热池及温池的热源，由地板下烧火，使烟和热空气通过空心墙来供应；浴室里有足够的温水与冷水盆。

（3）“条条道路通罗马”

罗马帝国为了在广阔的疆域内巩固自己的统治，还大兴道路工程。维特鲁维（Vitruvius，公元前1世纪末）在其著作《建筑学十讲》中把当时建筑学知识汇集起来，并对筑路作了详细的论述。罗马道路系统与前人根本不同。古代人在某些地方用天然石板覆盖他们城市的街道路面，希腊人也这样做，他们搞平道路，并在岩石面刻出人工的轮辙。但罗马人在修筑人造道路时尽可能先挖出路基槽，道路由四层组成，并有固定的排水沟。这样的公路绵延数千公里，为行进的军队、商队提供了方便与安全的道路。罗马公路系统成为地中海地区宏伟的古代交通运输网。罗马公路的特点是路直、路基坚实，路面呈拱形以利排水，材料为火山混凝土。罗马公路系统为罗马的征服与统治创造了条件，并为后来的民族大迁徙与基督教的传播提供了道路。罗马时代的道路如此之便利，直到铁路的出现，人们旅行的速度才超过它。

（4）农业及其他技术

在漫长的农业生产实践中，罗马人总结了栽培作物与饲养家畜的经验，并着手进行了研究与论述。加图（Cato，公元前234—前149年）的《农业志》记载了公元前2世纪罗马人从事农业与畜牧业的技术与情况。瓦罗（Varro，公元前116—前27年）的《论农业》分三篇分别讲述了谷类、豆科作物、橄榄树及葡萄的栽培法，牛、羊、猪、马的饲养法和各种小动物的饲养法。罗马帝国初期，维吉尔（公元前70—前19年）的《农事诗》记载了休耕、轮栽、施肥、整地、耕作和种子的处理技术。由此可知，罗马的农业已有相当的发展了。与此同时，不论罗马还是希腊，纺织业都是一种家庭手工业。奥古斯都皇帝及其妻女都以自行解决穿衣问题而自豪。在实用技术上值得一提的还有玻璃的应用，由于叙利亚发明了玻璃吹制法，使玻璃成为十分重要的材料，亚历山大里亚建立了玻璃厂，罗马人在公元前20年开始生产玻璃，到公元2世纪，玻璃的使用相当流行。