科學革命的真實樣子

菌心說 2021-12-13

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很多人認為一項新科學的誕生,，就像法國大革命一樣，摧毀一切舊勢力,。現(xiàn)代科學并不簡單地是對中世紀科學的徹底決裂,，而實際上也同時是古希臘和中世紀科學傳統(tǒng)的繼承和延續(xù)。科學的發(fā)生是歷史演變積累的結果,，是由一個范式向另一個范式過度的過程,。所謂的范式，是一整套大家相信的解釋體系,。

但是在某一個范式當中時間久了就會形成路徑依賴,，比如量子理論發(fā)展到今天,，科學家會用量子理論解釋一切，認為我們所在的世界,，一切都是由粒子組成的,，包括相互之間的力。當這個理論發(fā)展到今天,，很多問題走不通的時候,，比如量子力學粒子學說兼容不了牛頓的萬有引力，這就需要再一次的范式轉移,。

現(xiàn)代科學誕生之前,，西方如何認識自然的

其實英文當中的“Science”很晚才誕生，早期人們并沒有把科學從自然哲學當中區(qū)別開來,，比如牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》,，那個時候大家認為自己是自然哲學家，而沒有人認為自己是科學家,。

早期西方自然哲學主要受到亞里士多德以及柏拉圖的影響,，亞里士多德把宇宙分為月亮之上和月亮之下兩個世界，月亮之上是由以太元素構成的,，是不朽的，也是不變的,。而月亮之下的世界,，則有水、土,、氣,、火四種元素組成的，這四種元素不斷分解與組合,，構成了我們世間的萬物,。

四元素還用來解釋運動理論，土和水是重元素,，因此房子會倒塌,，山會坍塌，水會一直往下流,，一直流向宇宙的中心,。而氣和火是輕的元素，它們總是奔向月上的世界,，因此火焰,、煙氣等總是上升。

人們根據(jù)四元素來解釋人身體的構成,，認為人是由血液,、黏液,、黑膽汁與黃膽汁四種體液構成的，同時也對應了四種元素,，決定了人的健康與否,。如果四種體液平衡了，人的身體就健康了,。生病的過程也是打破平衡的過程,。

柏拉圖強調用數(shù)學的方法來認識自然，數(shù)學被認為是哲學嚴謹推理演化的產物,。柏拉圖的追隨者們認為,，月上的世界是勻速圓周運動，因為勻速是最和諧的運動方式,。他們把地球放在宇宙的中心,，月亮、太陽,、金星,、火星等都是鑲嵌在不同層次上的同心球上。

這些同心球,，像洋蔥皮一樣,，層層包裹著地球，每一層都是勻速圓周運動,。后來發(fā)現(xiàn)這個范式不能解釋為何有些星體能夠忽明忽暗,，而且并不是規(guī)則運動的，于是有了一套新的解釋體系,，托勒密體系,。

托勒密解釋體系認為，行星并不是直接繞地球運行的,，而是沿著一個小的圓形軌道運行,，軌道中心再繞地球旋轉。在這套解釋體系當中,，大環(huán)套著小環(huán),，而且不同的環(huán)還同時都在運動，這就是均輪與本輪學說,。這套解釋體系一度流行了上千年,，直至文藝復興時期才被打破。

神學與科學的關系

在我們現(xiàn)在的歷史當中,，神學常常是科學的對立面,。其實神學一直是科學的支持者，即使最黑暗的歐洲中世紀,，人們認為上帝留給世界兩本書,，一本是《圣經(jīng)》,，另一本是就是自然哲學，而且自然哲學是一本無字的天書,。

在這本天書當中,，四元素是內在的原理，它們自行運轉,，不需要上帝的干預,。文藝復興時期，很多古希臘的學術著作被重新發(fā)掘與翻譯,，人們相信自然萬物是相互聯(lián)系的,，通常這些聯(lián)系又具有某種規(guī)律。

人們認為這些自然規(guī)律就像魔法,，一旦掌握就會有意想不到的變化,，因此自然科學家們試圖尋找自然當中的內在原則，這就像解開上帝留下來的謎題,，人們并不認為這是對上帝的冒犯,。

當時人們的思考范式還主要局限在形象思維上，比如向日葵為何向著太陽,，那是因為它像太陽,；核桃仁像大腦，它能夠補腦,，現(xiàn)在回頭看,，這些肯定不是自然科學，但是科學就是這樣一步步發(fā)展起來的,。

其中哥白尼的日心說，是這一時期的典型現(xiàn)象,。哥白尼對于托勒密均輪與本輪的解釋體系非常不滿意,，認為這套解釋體系太過于復雜了，違背了柏拉圖主義認為的數(shù)學是簡潔而美的,。在千年之后,，人們對麥克斯韋方程也提出了相同的質疑。

麥克斯韋方程組要寫4行,，整整8個方程組,，時間和空間的8個方程組還要分開處理，缺乏自然科學的自然和優(yōu)美,。之后愛因斯坦用廣義相對論重新解釋了電磁現(xiàn)象,，在引入第四維之后，這個方程變得簡潔而又漂亮,。

我們現(xiàn)在把哥白尼描繪為教會的叛逆者,，但實際上,，教會對哥白尼的研究非常尊重，甚至在修正歷法的時候,，都要征求哥白尼的意見,。哥白尼的《天球運行論》是他臨終前出版的，而且整個理論也是建構在“洋蔥地球”的基礎上,。

當時人們并不關注是地球繞著太陽轉,，還是太陽繞著地球轉，當時天文學是為占星術服務的,，占星術在乎的是各個行星之間的距離變化,，因為這預示著某些現(xiàn)象的發(fā)生。

那么我們的歷史故事當中,，為何演變?yōu)榻虝群Ω绨啄崮?？那是因為伽利略在與天文學家沙伊納在爭奪誰先發(fā)現(xiàn)太陽黑子的時候，暗諷當時的主教烏爾班八世,。這讓烏爾班八世非常生氣,，導致關于伽利略的所有著作都被禁止，包括關于日心說的一切學說,，所以教會封殺“日心說”是針對伽利略這個人,，而不是針對這項研究的。

所以發(fā)生在16,、17世紀的那個挑戰(zhàn)宗教權威的大英雄根本就不存在,。在哥白尼之后，開普勒繼續(xù)致力于發(fā)展宇宙當中的數(shù)學規(guī)律,，牛頓則用萬有引力解釋了天體之間普遍存在,，但是又搞不清的規(guī)律。

現(xiàn)在科學故事當中,，認為牛頓因為蘋果砸到腦袋上,，突發(fā)奇想“創(chuàng)造”了萬有引力。其實萬有引力在文藝復興時期,，當作一種“隱性物質”一直被研究,，只不過在牛頓這里，獲得了一種更為精確的表達,。開普勒曾經(jīng)利用內切多面體的方式,，算出了近似值，但是沒有把這個發(fā)現(xiàn)進一步的論證,。

同樣化學也是誕生于自然哲學,，最初的化學應該被稱之為煉金術，這是最典型的自然魔法之一。術士們希望把金屬鉛煉成金子,，這在當時是一種主流理論,，當時人們認為金屬是水銀和硫在地下生成的復合物，只要結合好比例,，利用好純正度,，就能夠煉成金子。

所以當時自然哲學家都會從事這項研究,，包括牛頓,。此時人們還誕生了三位一體的概念，區(qū)別于亞里士多德的四元素,，人們認為和基督教當中圣父,、圣子、圣靈三位一體一樣,，自然界也同樣是三位一體的,，比如人是由肉體、靈魂和精神組成的,。

自然哲學家們相信世界是由化學組成的,。地下的礦物質的形成，以及生物的生長,，本質都是化學,，也就是煉金術。上帝造人的過程,，其實就是在原始混沌中,，通過不斷萃取、提純獲得的,。上帝將凈化后的靈魂注入到人的肉體,，肉體獲得新生，這和煉金術的提純如出一轍,。

但是這些煉金術士為了謀生,，常常利用化學進行詐騙，比如歐洲瓷器的發(fā)明者波特格,，謊稱自己擁有煉金的本領，最后陰差陽錯之下,，練出了比黃金還要貴重的白瓷,。正因為煉金術的壞名聲，導致化學在很長一段時間內,，都不被主流社會所承認,。

科學的范式

任何科學的誕生，都不可能脫離于當下的環(huán)境,，無論是哥白尼的日心說,，還是牛頓的萬有引力,，都是在解決當下的問題，而誕生的一種新的解釋體系,。人們在用以往的理論框架解釋不了新的問題的時候,，人們才會轉而尋求新的解釋體系。

這就像我們小時候做數(shù)學題,，在穩(wěn)定范式?jīng)]有確立之前,，數(shù)學題就是一張空白紙。當范式被認可之后,，科學研究的問題,，原則上存在著一個答案，只要充分利用現(xiàn)有的知識,，計算推理,，最終能夠解出這道數(shù)學題。

一門科學從不成熟到成熟,，其標志就是形成了共識,，擁有了大批的擁護者，他們不再為了同一類的研究進行爭鋒相對的辯論,。在日心說沒有被確立之前,，人們?yōu)檫@個問題爭吵了甚至上千年，直至伽利略望遠鏡的觀察,，笛卡爾的數(shù)學論證下,，范式確立之后，剩下就是如何精確計算天體之間的距離了,。

氧氣最早是化學家普利斯特列在實驗室當中獲得的,，但是科學家卻把發(fā)現(xiàn)歸功于拉瓦錫。因為拉瓦錫提出了一套新的解釋體系,，用氧氣還原學說的新范式,，替代了之前的燃素說，這也奠定了今天化學的基礎,。

拉瓦錫成功解答謎題,，也不是因為他是天才，而是舊的范式解釋不了科學問題,。就像“洋蔥”地球理論,，解釋不了行星運行規(guī)律一樣，人們需要跳出原有的理論框架,，找出一個全新的范式,。

新舊范式的轉換，其實就是科學革命，范式的轉換意味著科學家看待世界的方式,、做研究的方式都發(fā)生了根本的改變,，這種轉換是思維方式的突然轉變，而且范式的轉換也類似于宗教信仰的改變,。

在信仰牛頓萬有引力的時代里,，天文學家勒維耶通過計算發(fā)現(xiàn)，除了太陽之外,，還有其他的行星干擾天王星,，之后伽利略通過望遠鏡成功發(fā)現(xiàn)了海王星?？墒侨藗冊谟^察水星軌道的時候,，遇到和天王星一樣的問題，那就是軌道異?？隙ㄟ€有一個未知行星干擾了水星,，可是在之后幾百年時間里，人們始終找不到這顆未知的行星,。

直到有一天,，愛因斯坦提出了廣義相對論，他認為引力不過是時空的扭曲,，水星之所以會異常,，那是因為它離太陽更近，產生的速度自然加快,，而不是受到未知行星的影響,。