黑暗中的烛光:1000年来的科学发展及20世纪社会中的科学(一)-深度-知识分子

黑暗中的烛光:1000年来的科学发展及20世纪社会中的科学(一)

2019/01/06
导读
2000年,王鸿飞受《中国图书商报》之《书评周刊》邀请,回溯了过去一千年的科学。

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图片来自chinadaily.com.cn


撰文 | 王鸿飞(复旦大学化学系)


   


伟大有伟大的问题

“没有它,我们将仍然在黑暗中摸索。”


20 世纪,科学和技术在社会生活中已成为不可或缺的力量。科学和技术是非常具体、琐碎的人类活动,所以往往只是科学家和技术专家们自己才颇为关心其细节。技术对社会生活的影响大都比较直接,且随处可见,尚属比较容易解释的事情。然而科学对社会的作用,则显得比较间接和隐晦。科学主要是通过对人类知识的积累,以及对人们思维方式的潜移默化来影响社会。要用短短的篇幅,回顾1000 年来的科学发展,而又不陷于具体而且琐碎的专门知识的“泥潭”,实在是非常难于办到。 不过,如果从着眼于大众对科学观念的兴趣出发,来看看一般科学观念的发展,倒是一件可为的事业。因为我们清楚地看到,今天的任何一个社会都必须对科学和技术有足够的关心,随着科学的发展,以及科学研究领域的扩展,公众对于科学观念的理解直接影响着现代社会生活的各个方面。


W.C. 丹皮尔在《科学史及其与哲学和宗教的关系》(1929)中指出:“现代科学的巨大宏伟的大厦,或许是人类心灵的最伟大胜利。”


这个胜利,确切地说应该是人类对自然的胜利。自从上个世纪以来,科学和技术日益紧密的结合,使人类释放出了空前的创造力,极大地增强了人们认识自然和改造自然的能力,成为人类规模 最大的有目的和有组织的社会活动。在最近的一个多世纪里,科学和技术给人类带来电灯、电话、电视、冰箱、汽车、火车、飞机、远洋航行、宇宙航行、计算机和互联网络,也给人类带来了新的 材料、药物、能源等,增进了健康,消灭了很多疾病,降低了婴儿死亡率,大大延长了人类的平均 寿命。科学知识的推广和教育的普及,给了更多的个人以创造知识和财富,以及发展自我的机会。人类不仅作为一个整体,而且也在个体的层次上摆脱了诸多自然宿命的束缚,在社会和个体的物质生活上取得了巨大进步。这些人类文明中前所未有的光辉业绩,正是因为人类在漫长的摸索中找到 了征服自然的法宝,即科学和技术的一种近乎完美的结合。


为了这个胜利人类和自然也付出了巨大代价。征服自然的巨大能力,被用于制造杀人的有效武器,两次世界大战以及诸多的大小武装冲突,冤魂无数;为了快速进入现代工业社会的乌托邦理想和极权主义指导下的社会工程(Social Engineering),平添了比战乱更多的数千万的野鬼;对自然资源的无节制和不合理开发,很大程度上污染和破坏了人类赖以生存的生态环境,也加速了其它生物物种的灭绝;新技术的大量应用,不可避免地导致了过度城市化、人口爆炸,并带来难以自我调节适 应的社会组织结构和社会伦理的巨大变迁,导致了很多传统社会结构的解体。人类在本世纪初面临 的巨大挑战,主要是社会内部的不平等以及普遍的贫穷,自然还只是一个有待征服的对象;而到了世纪的末端,巨大挑战则来自于穷国和富国之间的社会不平等和结构性的贫困,以及自然环境无法 保障持续发展的危机。


科学和技术在人类文明中的成功,来源于它们给社会带来的诸多物质与精神生活上的进步;科学和技术在社会文化中受到的怀疑,则是来源于它们给社会带来的诸多问题。在这千禧之年到来的时刻,科学和技术一方面不断地给人类带来意外发现的惊喜,另一方面又不断地让社会对其应用后果的不确定性产生焦虑。正因为科学与技术在现代社会中是如此地影响巨大,波及到地球的每一个角落和社会的各个方面,不仅可以改变现在世界上的人们的生活,而且可以对子孙后代有不可避免的影响,所以,我们对于科学与技术的成功与失败,自当进行深入的总结和反醒。


我们要问:


什么是科学?科学大厦的基础又是什么?它是如何修建起来的?科学是否还有继续发展的空间? 科学面临的问题是什么?科学与技术和其它的人类文化之间的关系是什么?人类,特别是我们中国人,所面临的挑战是什么?


是否千禧之年,我们都应该问这些问题。千禧年的情结,往往是向往天堂的人们,对未来的一 种无谓的期待。千禧之年,按西方的说法是耶酥回到世上,进行最后的审判的时候。所以,在西方,时不时会听到一人问:“他什么时候来?”另一人答:“快了。”前面一位接着叹气道:“唉!已经两千年了!”


对我们东方人来讲,千禧之年并不真是什么人类命运的转折点。人类面临的问题既不会立刻变得不可收拾,也不可能马上得到解决。所以,该做什么还得做什么,我们最好还是回到科学这个问题上来。


近代科学简史

“一切历史都是当代史。”


科学的研究和技术的应用在今天无疑已经成为人类规模最大的有目的和有组织的社会活动。然而,这样一个历史时代并不是突然出现的,而是经历了一个漫长的发展过程。人类从零星的冥想和 偶然的发现,进步到自觉的有目的有组织的活动,中间经历了漫长的岁月和艰苦的努力。科学思想的演进和技术手段的发展都有其历史的源流。科学和技术的逐渐兴起的历史过程,与其它人类社会活动,如宗教、政治等事务中发生的变革比较起来,是非常平静的,因而往往很难的提起历史学家的兴趣。历史学家所叙述的,不外乎是宗教、战争、政治和经济,或者是某种可以称之为文化的东西。而在科学和技术二者之间,他们更为偏爱的恐怕也局限在技术的变迁或“进步”上,因为技术的应用可以给人类生活带来看得见的较为直接的影响。并且,科学研究一直只是少数科学家所从事的一种在大众看来是隐秘或神秘的工作,人们也没有太多的机会和足够的知识去了解。只有进入了 二十世纪,科学的方法、成就和意义,才真正引起社会的广泛注目。在当今的所谓“大科学时代”,从国家政治、军事行为,到社会日常生活的每一个方面都受到科学和技术的影响,科学和技术也就更成为人们必须经常关注的问题。


现代科学的起源,是从16 和17 世纪开始的。虽然14 到16 世纪间发生的文艺复兴中的探索精神引导了哥白尼(1473 - 1543)、开普勒(1571 - 1630)和伽利略(1571 - 1630)推翻了中世纪的地球是宇宙中心的观念,但是他们的理论直到17世纪才受到较广泛的接受。


17世纪被称作“天才的世纪”。17世纪早期的科学与哲学家弗兰西斯·培根明确地提出了神学的对象是上帝的头脑(God’s Minds), 科学的对象是上帝的杰作(God’s Minds)。17 世纪里科学在各个方面都有了发展。罗伯特·玻义尔在化学方面发现了气体定律,威廉·哈维在医学方面发现了血液循环理论,牛顿在数学和物理学方面创造了微积分和提出了牛顿力学定律和引力定律。英国皇家学会也于1662 年成立。17 世纪的最大 科学贡献是产生了一种科学的思维体系。这一世纪的科学进步,在数学方面尤为突出,这些包括莱 布尼兹、笛卡尔、帕斯卡、德扎尔和费马等人的卓越贡献。数学作为应用到物理问题上的工具,已在很大程度上达到非常纯熟的地步。这种情形的发展将继续统治18 世纪,使之成为数学分析的世纪。


17 世纪自然科学的胜利,使18 世纪的哲学思想正好走向了中世纪的反面。18 世纪是“理性主义”的时代。中世纪的人们总想把上帝理性化,18 世纪的人们则将社会生活理性化,并试图把他们的社会学理论建筑在自然界事实的基础上。这种唯物论上的胜利,主要发生在动力学、物理学和化学中。在这一世纪中,各种自然过程的机械论解释逐渐僵化为科学上的武断论。1787 年拉格朗日发表的《分析力学》距 1687 年牛顿发表的《自然哲学的数学原理》刚好一百年,标志着近代数学物理 的第一辉煌时期。这一时期的数学物理方面的巨人,如克来罗、达朗贝尔、拉格朗日、拉普拉斯、 福立叶、卡诺等均是法国人。他们的目标是发现比牛顿定律更普遍更基本的规律及其数学描述。这是一个雄心极大的伟业,他们努力使机械论的理论体系大获成功。这一时期中除了数学和天文学的进展之外,化学中拉瓦锡发现了氧气的燃烧作用,推翻了“燃素说”,发展了基于称量基础上的重量分析方法,为不久之后的物质守恒规律的确立打下了基础;植物学通过林奈的植物生殖器官分类法,动物学方面通过布丰的《动物自然史》,以及生理学方面通过哈勒的《生理学纲要》都奠定了各自领域的科学基础。总的来讲,十八世纪机械论和唯物论成为了人们新的信仰。马赫在 19 世纪末评论说:“十八世纪法国百科全书派(哲学家们)以为他们利用物理的和机械的原理去给世界最后解释的日子已经不远了;拉普拉斯甚至认为人类心灵可以预测自然界的世世代代的进展,只要有了质量和 它们的速度就行了。”


18 世纪的哲学家和科学家们对机械观念对整个宇宙给予最后解释的能力估计过高,从而直接导致了19 世纪的浪漫主义的反方向运动。1794 年当拉瓦锡在法国大革命中被人民法庭送上断头台时,他要求缓刑,以有时间完成正在进行的关于汗的实验,法庭副庭长的对他的回答是:“共和国不需要学者。”以此作为随后汹涌的浪漫主义反向运动的标志,恐怕是再合适不过了。


19 世纪并非仅仅是对 18 世纪的过度的机械唯物论的反动。19 世纪的思想至少是三个方面的信念的交织。第一是宗教复兴、艺术以及政治思潮上的浪漫主义思潮;第二是前两个世纪以来的科学思想在各门学科中的扩展和前进;第三是科学与技术结合,开始彻底改变人类生活。19 世纪的欧洲和新独立的美国,不仅找到了技术发明的方法,而且有意识地推动一切领域的专业化,并找到了科学概念和技术发明之间的根本联系。19 世纪的伟大科学成就,在物质科学方面是化学中原子论的确立和在此基础上物质守恒定律的发现,电磁理论的建立和电磁波的发现,热与能量守恒定律的发现,热力学、气体动力学、统计物理学、光谱学、溶液理论等等方面的发展。以煤为基础的能源和化学染料工业,大大推动了有机化学的发展,让人们了解到有机物质和无机物质之间相互转化的化学规律。生物学方面则表现在人们对动植物和人类疾病与细菌之间的联系的了解和认识,这对医学的发展和社会卫生状况的改进产生了根本性的影响。地质学和化石考古学也有了非常大的进展,使人们对地球历史和生命状态的演化及人类的起源有了实际的认识。当然,这些认识是建立在达尔文发现的自然选择的进化论的基础之上的。


在19 世纪的上半期,科学开始影响到人文学科了。将观察、逻辑推理与实验有效结合起来的科学方法逐渐运用到这些学科中,已经成了必然的趋势。虽然 18 世纪的人是过分乐观了,但是,人们至少发现,经济学问题是可以用数学方法研究的。数学和物理学中的统计学方法,也被运用于财政、保险和其它的社会学问题。自然选择基础上的进化论,已经动摇了宗教的神学体系和教条体系,使西方宗教只剩下了维护社会道德和伦理的最后功能。当19 世纪结束的时候,人们又过分乐观地认为自然科学的发展已经完结,科学只待向技术和人文科学扩展,以及让科学的光芒照耀到西方世界之外的“野蛮人”社会了。


20 世纪自然科学的发展一定会让 19 世纪最有预见的人也跌破眼镜。虽然 20 世纪中技术的持续进步是19 世纪里人们已经普遍认识到了的,但是,人们并没有料到是以什么样的方式和何等的速度。20 世纪和整个人类历史上最伟大的科学成就,是量子理论和相对论的创立与发展。量子理论和相对论涵盖了机械论的牛顿经典力学,但又具有与之非常不同的新的概念。量子理论使人们对构成宏观世界的微观基础,如原子结构、光的本性、基本粒子,有了透彻的了解。并使化学、生物学的微观基础与物理学统一起来。相对论彻底地改变了自伽利略和牛顿以来人们对于时空的观念和对物质与能量的统一性的认识。量子理论和相对论不仅成为现代原子、分子物理的基础,成为物理与化学及生物学交叉的重要理论基础,也成为现代核技术、半导体技术、微电子与光电子技术的重要理论基础,并同时开辟了新的科学宇宙学的发展方向。物理和化学在分子层次上的结合,通过1953 年DNA 双螺旋结构的发现,开创了现代分子遗传学,揭示了千差万别的生命世界的物质基础和统一性,并为农业和医学的发展产生了极其深远的影响。


20 世纪工业化的进程大大加快。一方面是新的能源技术的发展,另一方面是定量的工业管理科学的发展。20 年代初,石油逐渐代替了煤成为主要的化石能源。以石油为基础的新的化学工业技术为人类提供了前所未有的人工合成材料,特别是各种聚合物材料,彻底地改变了人类日常生活的面貌。本世纪初以来,从福特汽车公司采用了泰勒的标准化管理开始,工业管理科学的发展,促进了大规模工业生产,彻底地改变了社会的组织方式、消费方式以及与它们相适应的社会结构。新的科学和技术创新,以及现代工业和商业管理科学的发展,使得社会劳动生产率有了极大的提高。在发达国家里,人们第一次感受到了物质生产能力普遍过剩带来的消费不足的压力。商业和销售管理也 逐渐成为管理科学深入研究的对象。20 世纪,人们逐渐认识到科学技术与科学管理已经成为现代社会持续发展的根本动力和保证。这二者的结合对于社会的影响非常深远,其最根本的一点是使人的整个社会和个人生活变得日益数量化。


管理科学的发展,一方面是随着大工业生产及大型商业化管理,另一方面也受到现代国家因大规模战争所需要的社会物资及人口动员能力而得到发展。国家对于社会生活各个方面的侵入,彻底改变了19 世纪的自由放任的工业、经济和科学观念,也成为20 世纪科学史中的另一大特征。国家和政府对科学研究的影响在二战以来已经根本改变了科学研究的方式和特性。为了保证自己在冷战中的军事力量,美苏两国政府都倾其所能地对以军事、航天为背景的相关科学和技术进行投资。不仅建立了大量的庞大的国家科研机构,而且使一直分散于大学和工业界的小农经济式的相对自由放任的科学研究,进入了一种受社会政治和政府内部权力分配影响的所谓的“大科学时代”。其后果, 一方面是科学知识的指数式的增长,使人类的某些技术能力扩展到了极限,社会物质生活的巨大改 善;另一方面是社会财富和资源向军事技术的倾斜也成为社会的经济负担,阻碍了社会其它方面的发展。所以,美苏两国在与掌握军用和民用相关的科学技术方面的平衡的能力,最后决定了两国的综合实力和冷战的最终结局。


20 世纪90 年代,冷战结束,科学和技术更是越来越结合紧密。改变人们生活的信息技术、光电子技术和生物工程得到主要国家和社会的高度重视,成为将延续进入下一个世纪的关键经济生长点。经济全球化越来越成为现实,使人们对于科学和技术的功利作用更加看重。知识产权越来越受到重视,以自由,求知和无私奉献为己任的古典科学精神,越来越有被技术理性所代替的可能。20世纪上半叶,科学家们还基本采用一种追求自由探索精神的思维方式,以及以学问为重的纯真激情之中。到了 20 世纪的末尾,这种激情经过冷战的折磨和全球商业化的洗礼,逐渐为更加现实和成熟 的理智所代替。知识经济的时代,实际上是一个技术理性膨胀的时代,科学活动在其中作为一种受到社会大力支持的人类活动,必须按照与以前大为不同的外在于科学的社会规则来进行。乐观一点,社会对科学活动的支持使科学研究活动的进行大有保障,而且将更规范化;悲观一点说,科学中的自由选题和创新精神会受到社会中实用思维的限制,或许预示着科学探索时代的终结、技术时代的君临。


预言未来是一件吃力不讨好的事。如果我们要对21 世纪的科学发展作一些预测的话,应该可以肯定,在社会的持续支持下,新的科学发现将持续增加,定量的知识仍将稳步增长。虽然今天我们对自然、人类社会的各个方面都有了不少科学上的了解,但我们应当看到,仍有许多未被了解的事物限制着我们预测、控制和保持社会可持续发展的能力。在科学知识上的探索也许不在会像 20 世纪这样激动人心,但仍然是远无止境。


重要的是,20 世纪的人类经验已经告诉我们,21 世纪将要求人们学会如何使人、自然和社会协调地发展。对人类生活有广泛影响的科学、技术、宗教和人类文化的其它方面,都需要找到在社会中和谐的共处方式。科学的方法,已经成为了人类获得实在知识的唯一可靠的方法,新的世纪里需 要更进一步地深入到社会的精神中去,成为指导个人生活的不可缺少的知识方法。科学的求实方法和自由独立的求知精神,作为构成未来社会的物质和精神生活基础的重要方面,仍然需要时时加以 坚持和捍卫。过去500 多年来,人类依靠科学已经彻底摆脱了宗教理性的教条化统治;在人类越来 越依赖于技术理性的时代,科学的求实方法和自由独立的求知精神,连同作为道德伦理基础的宗教文化,有希望抵制越来越商业化和功利化的社会价值观念。否则,人类将来也许不能避免重蹈罗马或巴比伦人文化衰落的命运。


所以,在此基础上,我们非常需要进一步了解,科学作为一种独特的社会活动,究竟有那些不同于其它社会活动的特征和精神价值。


注:本文节选首次发表于《中国图书商报》之《书评周刊》2000 年1月25日。未完待续。

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