【发展战略】第二章近代自然科学的诞生和发展

第二章：近代自然科学的诞生和发展

第一节近代科学革命

1．1天文学革命

一．哥白尼的日心地动说

哥白尼(Nicolaus Copernicus，1473—1543)是波兰数学家兼天文学家，于1543午发表了《天体运行论》一书，全面地阐述了他的日心地动说。其要点是：太阳是宇宙的中心，所有行星在以太阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并与其他行星一样绕太阳公转。根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳的东升西落不是太阳绕地球旋转，而是地球自转的表现；天球上恒星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太阳公转的结果。以现代的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说的错误，当哥白尼的学说为世人所接受之后，它就不可避免地动摇了教会的权威，从而解放了人们的思想。

当代著名的科学史与科学哲学家库恩（T.S.Kuhn,1922-1996）称哥白尼日心体系的诞生为“西方人知识发展的划时代的转折点”，因为它不仅是天文学基本概念的变革，而且是人对自然的理解的根本变革，甚至是西方人价值观念变更的一部分。但也有些人断言，哥白尼革命只不过是提出了地球每日绕自身轴旋转一周，每年绕太阳公转一周，甚至有些科学史家根本否认存在一场“哥白尼革命”。我们认为，

尽管哥白尼体系有很多旧理论的痕迹和不完善之处，甚至在得到观测证实的精确程度上一度比托勒密理论还逊色些，但是它用日心、地动说代替统治天文学界多年的地心、地静说，是在重大理论问题上用正确认识取代了谬误的认识。哥白尼理论的意义至少有两方面：其一，它引起了整个宇宙观、世界观的巨大变革。长期以来，教会利用地心说来说明上帝创造世界，说明上帝创造一切都是为了地球上的人类，所以有意把地球摆在字宙的中心。而现在，在宗教教义中被说成是宇宙中心的地球已沦为一个普通行星，于是，上帝这个不可动摇的偶像也就随之而倒台了。日心说动摇了宗教的自然观支柱，也就是动摇了宗教世界观的基础。从社会文化心理层面讲，日心说对地心说的背叛也是对近千年形成的精神生活方式和浓厚宗教情结的挑战。

其二，哥白尼日心理论引起了人类认识史上的变革。因为哥白尼的著作宣布不服从权威和教条，不把宗教所尊奉的托勒密学说视为神圣的；同时，宣布了自然科学就是要按自然界的本来面目来认识自然，也就是说，凡是不符合自然界本来面目的东西，都要加以批判和修正。正因为如此，恩格斯称哥白尼的《天体运行论》是自然科学从宗教下面解放出来的“独立宣言”。正是在它的带动和影响下，整个自然科学各个领域都纷纷与宗教教义相决裂，并大踏步地前进着。可以说，这部著作是近代自然科学思想革命的起点。

在一定意义上可以说，哥白尼日心理论在哲学世界观方面的价值大于其在科学上的价值，对于思想解放的意义大于其方法论的意义。

也正是因为如此，这本书一发表就被列为禁书，教会对它极端仇视和恐惧，直到200多年后的1758年才被开禁。

二．布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说

哥白尼学说经过近两个世纪才被牢固地树立起来。尽管哥白尼学说一开始就遭到天主教、路德教和加尔文教的反对，甚至弗兰西斯·培根也不接受这一理论，但这一学说还是被广泛地传播到整个欧洲。其中，布鲁诺和伽利略在哥白尼之后对日心说的捍卫和发展作出很大的贡献。

虽然作为天文学史可以不涉及，但作为近代宇宙观史，决不能忘记为哥白尼理论的传播而献出生命的意大利哲学家布鲁诺(GiordanoBruno，1548—1600)的名字。布鲁诺年轻时就读过《天体运行论》，并成为哥白尼学说的传播者。但他比他的先师更进一步，即抛弃了恒星固定在以太阳为中心的最高天球的信念。他在1584年出版的《论无限、宇宙和世界》中阐述了他的字宙无限、世界无限的观念，并做了哲学上的论证。

他指出，宇宙是无边际的，因而没有中心；太阳是太阳系的中心而不是宇宙的中心，宇宙中存在着无数个太阳系一样的天体，恒星就是散布在无限空间中的一个个太阳。他关于类似太阳系这样的世界有无数多个的思想，先于牛顿关于天上、地上都遵守同一运动规律的发现。

意大利科学家伽利略(GalileoGalilei，1564～1642)对近代天文学革命的贡献就在于他借助望远镜和力学(主要是动力学)思想证实

和捍卫了哥白尼日心体系。

伽利略根据他对光的折射的知识制作了可将物体直径放大30倍的望远镜，于1610年在《星际使者》中公布了由此得到的若干重大发现。

其一，他发现木星有四个较小的“行星”(后来被开普勒称为“卫星”)围绕它旋转，这就好像一个缩小了的太阳系模型，这四个卫星各有其可量度的周期。这就用科学事实推翻了地球之外只有7个天体(恒星除外)的传统观念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有天体绕之旋转的中心。

其二，他还发现月球表面并不是乎坦、均匀的圆球形，而是凹凸不平和粗糙的，有的山脉高达4英里。这个发现加上他后来观测到的太阳黑子(记叙于1613年发表的《关于太阳黑子的书信》一书中)存在的事实(其面积大于地球亚非两洲面积之和)，打破了中柏拉图、亚里士多德以来关于天上事物是完美无瑕的神话，驳斥了“月上世界”与“月下世界”属于截然不同的两个世界和“天贵地贱”的神秘主义的观点。

其三，银河在以往用肉眼看上去好像是延绵不绝的一片光区，而从望远镜中他分辨出这不过是数以万计单独恒星(其中包括用肉眼连细微的光线都看不见的成千上万个恒星)分布较为集中的结果。这个发现使人们不禁要怀疑：如果上帝为人类利益而创造了宇宙，那为什么把如此之多不可见的东西放在天上?

尽管伽利略在理论上没有给哥白尼的宇宙体系增加什么内容，但

上述发现以其为日心体系提供的强有力的证据而沉重地打击了经院哲学和传统教条。当时惟一公开支持伽利略的科学家只有开普勒，他在《同星际使者的对话》一书中指出，这些新发现同他本人的理论是一致的。但教会却把日心说视为洪水猛兽。1616年教会把哥白尼著作列为禁书，并警告伽利略，让他放弃地动说。伽利略经过长期准备和精心构思，在16年之后的1632年发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，在这部著作中最重大的贡献在于他成功地分析了反对日心说的两个主要理由即没有恒星视差和地上物体垂直坠落的问题，从而使哥白尼日心体系得到进一步论证。

1．2医学革命

近代初期，在医学领域中，希波克拉底的“四体液”之类空想仍占重要地位，因此治疗人的疾病，通常还是试图重新调整人体中体液的比例，而不大注意对疾病的专门化研究。然而到了16、17世纪，在用经验主义代替思辨的科学变革的影响下，比较明智的医生开始密切注意各种疾病的差异及其不同要求，在文献中出现了对不同疾病的仔细观察和详尽描述的记载。

在近代科学诞生之前，在医学生理学中居统治地位的是罗马名医盖伦的生理学说。他的生命元气等学说尽管距真理很远，却由于基督教的思想统治使他的学说在整个中世纪欧洲，人的眼中比他的自由探讨精神更为重要，从而堵塞了生理学探索的道路。第一个敢于起来批判盖伦学说的是比利时医生、近代解剖学奠基人安法勒斯·维萨里(A．Vesalius，1514—1564)。他于1543年发表了《人体的构造》一

书，他以多年从事人体解剖之所见，揭露了古代权威盖伦等人的某些结论缺乏根据。接着就是西班牙医生塞尔维特(Michael Servetus，1511～1553)于1553年发现了人体血液的小循环，他指出静脉血是通过肺部为空气“净化”之后变为动脉血的。其后，英国医生哈维（William Harvey,1578～1657）在1628年发表的著作中系统地阐述了他所发现的人体血液运动的大循环。他指出：血液在人体中是沿着心脏→动脉→静脉→心脏这样的路线循环流动的；在动脉和静脉之间必定还有人们看不见的细微通道相连；流回心脏的静脉血经过小循环(即在肺部经过空气的作用)变为动脉血，接着由心脏流出；心脏是血液循环的出发点，又是血液循环的归宿，心脏的脉动是血液循环的动力。动脉血和静脉血是分别流经心脏的左、右两部分房、室，这两部分并不直接沟通。哈维的学说彻底推翻了盖伦的观点，同时给了教会的神学说教以沉重打击。哈维的学说有大量事实为据，虽然还有不完善之处，但终究为科学的生理学奠定了基础。

1．3科学方法革命

一．伽利略开创实验方法

伽利略发明了光学望远镜，用大量天文观测事实论证哥白尼日心地动说。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了一系列前所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表面的山岳和湖海，太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。这些发现证明了天界并非有如亚里士多德所说的那样圣洁无瑕，宇宙中也并非只有一个中心。

伽利略开创了实验力学，标志着科学实验方法的诞生。伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。通过实验，伽利略发现了自由落体定律：物体从静止开始的自由下落是一种匀加速运动，物体下落的速度与其经历的时间成正比，下落的距离与其经历的时间的平方成正比。根据这个定律，在忽略空气阻力的情况下，从同一高度自由下落的轻重不同的物体应该同时到达地面，因为物体下落的速度与它们的质量无关。伽利略还从逻辑上论证了重物先到达地面的不合理性。从而彻底地批判了亚里士多德的错误观点。

在研究落体运动的基础上，进一步的实验使伽利略想到：沿斜面滚落的小球，如果再沿一无限光滑的平面继续滚动的话，这时既没有使小球加速的因素，也没有使小球减速的因素．它必将在这个平面上保持原有的速度匀速前进，永不停止，这就是惯性运动。惯性运动指出运动的物体具有维持原有运动状态的特性，这就是说，亚里士多德认为必须有外力才能维持物体运动的观点也是站不住脚的。

伽利略通过观察匀速前进的船舱内舱顶水滴下落和舱内苍蝇飞行的状况，发现它们都没有因船只的航行受到干扰，它们的运动状况与静止的船舱毫无二致。据此他提出了运动的相对性原理：在匀速运动系统内的力学现象与静止系统内的力学现象并无区别。这个原理告诉我们，不能根据地面上的力学运动来判断地球是处在静止状态还是在作惯性运动(假若我们把地球近似地看作一个惯性系统的话)。

二．经验论与唯理论

英国弗兰西斯·培根的《新工具论》倡导归纳法，成为近代科学的主要方法。弗·培根在他的经验主义认识论的基础上，首创了科学中的排除——归纳法。弗·培根在《新工具论》中多处批评了自亚里士多德以来，仅仅根据少数观察、用简单枚举法匆忙地从感觉和特殊中抽象出最普遍公理的传统作法；认为这种抽象由于“没有采取对自然作排除和分解或分离的方法”，其所得出的概括必定“是不确定的和含混的”。为此，应当用科学归纳法取而代之。他提出的排除——归纳法的基本思路是：

1．通过实验观察获得有关某类现象的一切事实知识，其中包括对该类现象的肯定事例、否定事例和该类现象所具物理性质的程度不同的表现；

2．然后将全部事例编制成肯定事例表、否定事例表和程度表(即比较表)；

3．借助逐步归纳和排除法，从事例中抽象出最低层次的公理(假说)；

4．应用同样方法从低层次的公理(假说)中构造出较高层次的公理(假说)，直至最终达到普遍性程度最高的公理(即“形式”)。

其中最重要的方法是逐步归纳法和排除法。而归纳法与排除法乃是同一过程的两个相反相成的方面。弗·培根把事实之间以及低层次公理之间的相关，区分为偶然相关和必然相关(即本质相关)；不论是由系统的实验观察材料概括出普遍性有限的真理，还是从普遍性程度低的真理上升到内涵更丰富、概括性更强的真理，都要通过比较鉴

别，以发现并排除偶然的非本质的相关，从而抽取出必然的本质的相关，作为进一步归纳概括的合适题材。只有如此才能牢固地建立起科学理论的“金字塔”。有人认为弗·培根“否定抽象概念”，其实，培根仅仅反对借简单枚举法，根据少数观察贸然作出不恰当的“抽象”，他并不反对、而且竭力主张以系统观察为基础、以排除和舍弃偶然相关(即非本质相关)为关键程序的科学抽象。科学抽象原则是弗·培根科学归纳法的灵魂。

近代科学尽管在很大程度上得益于实验观察和归纳方法，但要建立逻辑上完备而自恰的科学理论体系，单靠经验方法是无能为力的。笛卡尔最早看到了这个问题，在科学方法论上提出了以“普遍怀疑”为前奏、以直观——演绎法为核心、以事实验证为补充的科学发现与科学说明的逻辑模式。

在笛卡尔看来，要使科学取代统治人们思想达几个世纪的经院哲学，就必须把科学知识大厦及其每一组成部分都建立在“理性”的基础之上，为此就要“尽可能地把所有事物都来怀疑一次”。这一语道破了新哲学与传统哲学的本质区别。笛卡尔认为，感觉有可能会欺骗我们，理性也往往会判断错误，故而一切凭感官得到的知识、一切先人之见与偏见、一切传统教条和信念，都应毫无例外地通通放到理性的法庭上加以审判。在笛卡尔那里，怀疑本身不是目的，而是手段；怀疑不是消极的、虚无主义的，而是积极的、富于建设性的。因此他的怀疑论是一种方法论的怀疑论，是构筑科学知识大厦的否定性准备。它不仅是每一个别的科学认识发生的前奏，更是科学作为系统整