现代科学的渊源 / 陈方正

芭窗夜雨

陈方正 《文汇报》

李约瑟有一句著名的话：为什么从公元前一世纪以至公元15世纪之间，中国文明在将人类自然知识应用于人类实际需要的效率，要比西方高得多?这就是他的“中国科学长期优胜论”，也是李约瑟的问题“为什么中国(或者印度)文明没有发展出现代科学”的必要前提。此问题单独看来意义不大，因为正如席文(Nathan Sivin)所指出，历史上没有发生的事情比比皆是，我们没有必要也不可能都去追究原因。但倘若有了“中国的科学长期领先西方”的潜台词，那么现代科学的桂冠最后被西方摘去就变成了悖论，而“李约瑟问题”也就产生巨大挑战性了。

李约瑟并没有让他著名的问题悬空。他立刻就为答案描绘出轮廓，这就是“李约瑟论题”。他的看法可以概括为：15世纪的欧洲远洋探险导致文艺复兴，而这两件事情又导致欧洲资本主义兴起。工商业发达的后果是实用性技术变得重要，因此刺激了科学计算与可控实验的大发展，这两者补足了古希腊科学尚理论而轻实际的弊病，现代科学革命因而发生。这样一来，李约瑟问题就蜕变为何以资本主义是在西方，而不是在中国出现。对于后面这个问题，他有个简单答案：中国高度理性化的“官僚封建体制”坚强而稳固，它阻止了小资产阶级和资本主义出现；西方的“军事——贵族封建体制”比较脆弱，它在文艺复兴冲击下崩溃，资本主义和现代科学也就跟着出现。

但他这套思想是有极大问题的，其中最要害的是两点：首先，现代科学的根源是否就只在文艺复兴时期?其次，中国科学是否的确长期优胜于西方，只是到了文艺复兴才为西方所超越?

我们认为，这两点都是不能成立的。但这不是我们讨论的重点。今天我们要说明的是：西方科学的根源在哪里，它有哪些成就，它的发展有什么特征。明白了这些，对于以上两点的是非也就自然可以有合理的判断。以下我们就回到本讲的正题。

1、在哥白尼以前是谁?

现代科学是怎么样出现的?最简单的答案是，它是从牛顿的《自然哲学的数学原理》来的。但牛顿自己又说：“倘若我望得更远，那是因为站在巨人肩膀上”。那么，他所踏足其肩膀上的“巨人”，又是些什么人呢?这也不难回答。笛卡儿、伽利略、开普勒、第谷和哥白尼，他们都是牛顿的前驱，都对他发生过重要影响。但是，他们之中最早的是哥白尼，他有些什么前驱?他又是站在谁的肩膀上的呢?当然，大家都知道古希腊的欧几里得、阿基米得、托勒密，和他们的《几何原本》、《大汇编》等作品。然而，托勒密是公元2世纪的人，他和哥白尼之间相隔足足14个世纪，我们又怎么能够跨越这巨大时间差距，将两者的学术联系起来呢?

况且，现代和古代科学在观念上、方法上好像是相反的：托勒密的“地心系统”和哥白尼的“日心说”对立；古代数学的基础是几何学，近代以计算为主，发展出代数、三角、解析几何、微积分；亚里士多德认为事物根据本性而各有“自然”运动，天体和地上事物迥然不同。近代的伽利略则提出均匀空间的概念，认为物体无论在天上或者地上其运动都服从相同规律，等等。不过，牛顿用以建构他巨著《原理》的，仍然是《几何原本》的论证方式；微积分学的发明与16世纪的古希腊数学翻译热潮分不开；哥白尼的《天体运行论》提到了日心说在古希腊的前驱。所以，古代和现代科学既有对立，也有相辅相成之处，两者关系十分复杂。要理清这些关系．我们必须先了解古希腊科学到底是怎么样一回事情。

2、亚历山大的辉煌

西方古代科学到底包含些什么?这可以从欧几里得的《几何原本》说起。和一般想法相反，这本完成于公元前300年的大书不限于几何学，更不是初等教科书，它一共13卷，分三部分：(1)几何学；(2)算术和数论，包括“几何代数学”，就是代数恒等式，以及二次方程式解法；(3)无理数的详细讨论。这三部分来源于三个不同的传统．所以《几何原本》是将所有古代数学加以整理，然后报据一个逻辑框架来作的汇编。

《几何原本》出现后一个世纪(公元前300-一200年)是希腊科学的黄金时代，其间有许多重要科学作品，例如阿基米得关于测量几何形体的论文，和静力学、浮体力学著作；阿波隆尼亚斯(Apollonius of Perga)的《圆锥曲线》，那是后来学者研究天体运行轨道时经常要用到的；阿里斯它喀斯(Aristarchus 0f Samos)的《论日月之大小及距离》，它提出了完全合理的测摄这些天文数据的方法，他的“地动说”对哥白尼也很有影响；以及埃拉托色尼(Eratosthenese of Cyrene)，他准确测量了地球周长，其结果和现代值只相差0.6％。

随后的喜帕克斯(Hipparchus)和曼尼劳斯(Menelaus)分别是希腊天文学和球面三角学的奠基者，在此基础上出现了托勒密所编纂的《大汇编》。《大汇编》一共也是13卷，它基本上是一部天文百科全书，核心是以本轮模型来计算所有天体的运行，井且给出一个详细的恒星表。这里面牵涉许多数学问题，不同天体的模型还各自需要特殊的修订，但原则上只要通过观测决定每个模型中的参数．那么相关天体的长期运行位置、速度就都可以相当准确地计算出来。

欧几里得站在亚历山大科学传统开端，托勒密却站在终端，他之后古代科学就基本结束，再也没有出现值得称道的天文学家了。这主要是因为上述科学家和他们的成就都是环绕托勒密王国在其尼罗河三角洲西北角上的都城亚历山大(Alexandria)所建立的“学宫”(Museum)而发展。后来，随着希腊人建立的王国为罗马帝国所灭，以学宫为中心的古希腊科学就慢慢衰落，至终消失。

3、新普罗米修斯革命

欧几里得是“集大成”者，亦即他之前希腊科学已经有长时间发展。这可以分为前后两段：开始的一个半世纪(公元前580—430年)是酝酿期，它以自然哲学为主，活动分散在希腊本土周边地区；随后一个多世纪(公元前430-一300年)是“突变期”，活动集中于雅典。为了下面会提到的原因，这“突变”我们称之为“新普罗米修斯革命”。事实上，西方科学大传统的形成就是由这场革命而来。17世纪的“科学革命”已经是第二次革命，它一方面结束了历时二千年以上的老传统，另一方面则开创了现代科学的新传统。

酝酿期从公元前6世纪初的泰勒斯(Thales)开始。他是希腊第一位自然哲学家和科学家，是最早对于天文、几何学，以及万物根源等三方面发生强烈兴趣的人。比他晚半个世纪的，是传奇人物毕达哥拉斯(Pythagoras)，他创立了一个神秘教派，它一方面宣讲灵魂不灭、轮回投生、前世记忆、修炼向上，另一方面还有自己的宇宙观，其中心思想是“万物皆数”，也就是数目为事物“本质”，通过数目就可以了解字宙的起源、演化和构造、它还将宗教和科学结合起来，认为人倘若专心探索宇宙奥秘，就可以获得永生，这留存在柏拉图的《对话录》里面：“但倘若他对于知识与智能的热爱是认真的，并且运用心智过于身体其余部分，那么自然就会有神圣和永恒的思想；倘若他获得真理，就必然会得到人性所能够赋予的最充分永生。”

这教派是在意大利南部的克罗顿(Croton)开始的，它不久就成为当地的统治力量。但它作风诡异，精英集权的味道太重，最终反而被旧贵族和民众联合起来颠覆和消灭掉。少数幸免的信徒则怀着他们的特殊信仰和学问，逃脱、散布到希腊本土、南意大利和西西里岛等地。西方学术史上一个最重要的命运枢纽，便是这些信徒的后代结识了柏拉图。

柏拉图是雅典贵族世家最优秀的子弟，他由于毕氏教派的深刻影响，毅然从政治转向思辨哲学。此后他所精心撰述的《对话录》风格发生基本转变，从人生哲学转向追求永恒真理的神秘主义。他说“诸神借着一位新普罗米修斯之手将一件有光芒随伴的天赐礼物送到人间；比我们更贤明也更接近诸神的古人相传，万物都是由一与多组成。而且也必然包含了有限与无限”。其中，“新普罗米修斯”所指的正就是毕达哥拉斯。柏拉图又创办“学园”(Academy)．那基本上是借公众园地所开设的讲习班，以高深数学探讨、研究为主。这样，毕达哥拉斯教派的精神终于得以通过学园而复活、发扬光大和传之久远。

所谓“新普罗米修斯革命”是在学园之前，大约公元前430年开始的，主要由两方面的数学进展所激发。第一方面是几何学的长期发展导致了兰个无法解决的“难题”：圆方等积问题(即求圆周率)、三等分角问题，和倍立方问题(即求2的三次方根)。从公元前450~410年间开始有许多哲学家、数学家和所谓智者(sophist)研究这些难题，几何学因此变得更为复杂、严谨和深奥。另一方面的进展则和毕氏教派密切相关：教中的希帕苏斯(Hippasus)在公元前430年发现正方形的边与对角线“不可通约”．也就是说√2是无理数，不能够以自然数的分数表达。这在教派内外引起了巨大震撼，因为这样“万物皆数”的基本观念就站不住脚了，而几何线段和其他度量(例如面积、体积)到底和数目有什么关系也成了大问题。

学园的创办(约公元前387年)正值这两方面数学问题讨论如火如荼之际。在柏拉图的引领、鼓励、推动之下，学园慢慢地成为希腊世界的学术、思想中心，吸引了许多学者和年轻人参加研究、问难、学习。其中最重要的数学家有两位：泰阿泰德(Theaetetus)证明所有不尽方根都是无理数，并且对它们作了深入研究和详细分类；尤多索斯(Eudoxus)则发明了比例理论和归谬法，从而使得几何形体的严谨测量，自然数观念的推广也成为可能。这些工作大致是公元前390~350年完成，后来都编入《几何原本》。此外尤多索斯还发明了天体运行的”同心球”模型。以几何模型，特别是柏拉图所提出的圆形组合来摹拟天文现象是希腊天文学的特点，它所发生的决定性影响一直延续到哥白尼乃至第谷。

“新普罗米修斯革命”所指，就是以上这些突破性发现。

其实，在泰勒斯之前，希腊科学还有更古老的渊源，那就是巴比伦科学。学者解读旧巴比伦王朝遗址(即今伊拉克)的大量陶泥板文献之后发现，远在公元前1900~1600年间，巴比伦文士就已经有很高数学水准。他们能够利用几何图形解二次方程式．准确计算不尽方根，证明二次代数恒等式和分割几何图形。而且，这些结果有相当部分留存在《几何原本》之中，成为它在几何学与无理数以外的第三个传统。因此，古希腊科学的根源可以一直追溯到公元前3000年两河流域文明的起源。

4、渡过鸿沟的载筏

现在，让我们来看希腊科学传统和近代科学之间的关系。从公元500年左右开始，西罗马帝国在蛮族冲击下崩溃，雅典和亚历山大的科学传统也断绝和消失了。所以，哥白尼的新见解、新发现到底是在什么基础上建立起来，是个大问题。回答这问题的关键在于伊斯兰科学：伊斯兰文明在公元8世纪吸收、继承了希腊科学，同时发展出自己的伊斯兰科学；到12世纪西欧复兴了，他们把阿拉伯典籍翻译成拉丁文，这样既接上希腊科学，也吸收了新出现的伊斯兰科学，所以能够发展出中古科学，那日后就成为近代科学的基础。统而言之，伊斯兰科学是古希腊和欧洲中古科学之间的载筏。

伊斯兰教在7世纪崛起于阿拉伯，他们最初忙于征战、扩张，建立庞大帝国。但到8世纪中叶，阿拔斯皇朝(Abassid Caliphate)夺取了政权。它的统治阶层具有深厚的波斯文化背景，执政后以不可思议的巨大热情来搜集古希腊典籍，并且鼓励、推动它们的翻译，后来还在巴格达的皇宫中设立了效法“学官”的“智慧宫”(Bayt al-Hikma)，召集大批优秀学者在里面负责翻译工作。这样，在皇室、大臣和学者的支持下，掀起了一个巨大的阿拉伯翻译运动，它持续了整整两个半世纪(750~1000)，最后绝大部分希腊哲学、科学和医学典籍都被翻成阿拉伯文，这些学问也被整体地移植到伊斯兰文明中来了。在短短一个世纪之后，也就是12世纪之初，西欧也掀起了自己的拉丁文翻译运动。在11世纪，欧洲开始从五百年的大混乱中复苏，并且在罗马教会领导下向伊斯兰帝国发动反攻，这导致了“十字军东征”和其他军事行动。其结果是，长期被伊斯兰教徒盘踞的西西里岛、西班牙中部重镇托莱多(Toledo)和巴勒斯坦都“光复”了。“光复”的最重要后果之一是：大量阿拉伯科学典籍和学者落入西班牙基督教公国的控制。这同样激发了欧洲学者的巨大热情，西班牙特别是托莱多很快成为搜购和翻译阿拉伯典籍的中心。诸如《几何原本》和《大汇编》最初就都是从阿拉伯文本翻泽成拉丁文的；此外还有伊斯兰科学的原著，例如柯洼列兹米(Khwarizmi)的《代数学》。翻译运动的高潮是在1120～1190年间，此后它的步伐缓慢下来，但并没有就此结束，而一直延续到16～17世纪。以上两个翻译运动的规模和影响都只有中国的佛经翻译运动可以比拟。佛经翻译将佛教移植于中国，阿拉伯与拉丁翻译运动则将科学和哲学从古希腊移植于伊斯兰世界，然后又再移植于西欧。这样，从古代以至近代，西方科学的传承虽然颇为迂回曲折，但通过两个翻译运动的维系作用，它仍然能够形成一个连贯的传统。

最后，中古和近代科学之间还有个断层——从哥白尼往前追溯渊源好像那么困难，这是基本原因。中古科学只有不足两百年(1200～1380)，在此期间中古大学兴起，科学开始发展，但受亚里士多德的影响笼罩．所以数学和天文学则无大进展，它在14世纪中叶以后就为黑死病和英法百年战争打断了。在上述危机过去以后，君士但丁堡的陷落带来了转机：在此事件前后奥斯曼帝国的威胁导致大批希腊学者移居北意大利，由是在那里掀起了古希腊文化热潮。这又转而刺激数学和天文学的兴起，那才是波尔巴赫(Peuerbach)和拉哲蒙坦那(Regiomontanus)等为哥白尼奠基的学者出现之原因。

5、现代科学为何出现于西方?

以上要说明的．是一个很简单的事实：西方科学自古希腊以至近代，形成一个历时两千年之久的大传统。它虽然曾经出现断层，而且所立足的地区、所处身的文明、所藉以传载的语言都曾经发生大转移，但是它的观念、方法、追求、典籍、问题意识等等，仍然是一脉相承，前后连贯的。这个大传统之所以会出现，是由于公元前4～5世纪的“新普罗米修斯革命”；到了16~17世纪，它再次出现突变，即今日所谓“科学革命”，它结束了老传统，同时也开出过自牛顿以来的三自多年新传统，总体来说，现代科学出现于西方，是“一个传统，两次革命”的结果。

为什么科学革命会两度出现于西方，却没有出现于印度或者中华文明呢?这可能和西方科学的另一个特征有关，那就是发展中心地区的不断转移，甚至分散为多个中心。古希腊的科学中心最初在周边城市间转移，然后集中到雅典，最后转到亚历山大；伊斯兰科学中心从巴格达转到伊朗多个城市，再到开罗、西班牙，然后回到伊朗和中亚；欧洲科学发展则从牛津和巴黎开始，其后转移到北意大利，然后回到巴黎、荷兰，以至剑桥。这“中心转移”的现象很特别，它可能是出于下列原因：在现代以前纯科学并没有实用价值，所以它生长、发展所需要的特殊条件，例如人才、资源、组织、社会的容纳和激励等等，是极其稀缺难得的。它们的适当配合只能依赖机缘，这是不稳定、难以持久的。因此科学的持续发展有赖于其中心区域不断“转移”到新的、适合生长的地区——而这是累积大量新观念、新发现以至出现革命性突变的必要条件。西方世界包含了许多截然不相同的民族、文化、地理环境乃至文明．这为它的科学中心提供了多次转移的可能性；在政治上一统、文化相对同质的中华帝国，这就很困难甚至不可能了。

除此之外，西方科学传统还有两个值得注意的特征。首先，是它的根源非常之悠久：在3600~4000年前亦即甲骨文出现以前，它在陶泥板上的数学已经高度发展了；而像严格证明√2为无理数那样抽象的观念，居然也能够在2400多年前出现。另一个特征是，与今日一般观念相反，宗教对于科学曾经发生巨大促进作用：毕达哥拉斯教派是“新普罗米修斯革命”背后动力之一，而且基督教也有相类似作用：在罗马帝国后期以及17世纪，基督教的确敌视乃至严厉迫害过科学家；但中古最重要的三位科学家同时也是主教；他们之中的大阿尔伯图(Albertus Magnus)更提出：“神之意志”与大自然规律并无冲突，后者反而能够彰显神所创造世界之奇妙。这观念为许多修士、教徒提供了科学研究的巨大动力——伽利略和牛顿就是其中最重要的例子。

当然，现代科学革命是个非常错综复杂的现象。它之所以出现，在文化、宗教和科学传统本身的因素以外，社会、经济、技术因素也同样不能忽略。例如，印刷术曾经对于科学传播发生巨大推动作用；火器为民族国家兴起提供助力，也还导致了弹道学发展，动力学研究也有相当影响。因此，不能够否认，资本主义因素也很可能是科学革命出现的因素之一。但在本讲所提出的所有证据都显示，科学大传统本身始终是最根本，也最切实而明显的因素，否定它的重要性而代之以其他因素，恐怕是本末倒置了。