简明科学大历史

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简明科学大历史

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◆            简明科学大历史

  (全文分上、中、下三个部分。每个部分3000多字,各五小节。可通读,亦
可随机阅读小节。)

  (上)

  引 子

  天地玄黄,宇宙洪荒。“大爆炸”137亿年后,地球已45亿多岁且诞生生命
38亿年,我们的先人——从黑猩猩分支出来,约600万年前总算出场了。猿人经
历缓慢的演化,我们——智人,20万年前在非洲大草原崛起。智人几次尝试走出
非洲,而后散布全球,凭借出众的大脑、灵巧的双手和口语交流等,“雄霸”天
下。

  五千多年前开始,人类又有了文明,告别史前时代。各地陆续发明的文字,
比口口传递信息,更进一步累积经验和知识,配合财富和阶层等级的分化、城市
诞生、农业商业分工、武装平乱打仗,以及其相应的需求,保障了古代科技能以
某些形式持续推进。各早期文明在天文、历法、数学、艺术、机械或建筑工程等
已取得令人惊叹的成就。往后数千年的发现发明中不乏科学的元素或成分,可是
真正意义上的科学始终没有降生。

  人天生有好奇心,探索未知,去认识世界和自己的脚步根本停不下来,但人
的生物本能采用内省、直觉、体验、臆想、武断等方式方法,使得结论不客观不
可靠,巫术、宗教或玄学的观点盛行,鬼神崇拜、神秘主义和生活流言大行其道。
那些感性方法今天仍可占主导。

  好在,世上总有与众不同的奇葩。

  萌 芽

  二千多年前,古希腊的哲人“爱智慧”,可劲儿思考和解释世界本质,无意
间打下了科学的基础。

  泰勒斯不从神界而从自然界找寻宇宙的构成,认为水生万物,成自然主义思
想的鼻祖;毕达哥斯拉赞颂数学和理性,称宇宙遵循数学规则和比例,数学是哲
学思考的核心模型,初建推导法则;德谟克利特和留基伯提出“原子论”,是还
原主义思想的前驱;苏格拉底契而不舍地发问,持续怀疑、审视、反诘、辩论、
核验,尽管没有留下著作和创立学派,却深深影响了后人;柏拉图继承前辈,相
传他创办的雅典学院门口写着“不懂几何者不得入内”,他不信赖人的感官认识,
认为只有经过理性推理才能获得真正的知识;亚里士多德是集大成的学者,在观
察自然并对生物分类过程中,发明了著名的三段论,构建了第一套逻辑思维体
系……

  但是,公元4世纪,罗马帝国认基督教为国教,并改造其符合等级制,古希
腊的宝贵思想财富非其神学,被否定、查禁,大量藏书和图书馆让教徒烧毁。随
后一千年,被有的人讽刺为“黑暗的中世纪”里,广大欧洲被经院哲学和政教合
一所笼罩,民众愚昧、闭塞,整体贫穷困苦,学术上死气沉沉。科学的萌芽遭受
扼杀。

  文明,比想象中脆弱。

  转 机

  万幸的是,科学种子在阿拉伯世界保存了下来,在蒙古征服者残酷摧毁前又
回传到欧洲。

  当时连通亚欧的阿拉伯帝国繁荣、自信,收集、翻译古典著作,吸引和尊重
人才,像《光学宝鉴》的作者阿尔哈曾,成为了最早的实验家之一。

  受巴格达的智慧宫影响,12—14世纪地中海沿岸掀起创办大学风潮,搞学术、
育人才。基督教和伊斯兰教交战交流前沿,欧洲人获取许多古希腊典籍并翻译过
来,才领悟自己祖上曾经阔过。继承了希腊哲人的求索精神和思想精华,欧洲学
者在世界领先的阿拉伯科技、数学成果和其他文明的技术积累上,一步一步前推。

  教会因十字军战败、致死瘟疫横行等被削弱了威信,而古希腊罗马文化日渐
成为有钱人的时尚。14世纪,文艺复兴运动在相对富庶开放的意大利城市拉开帷
幕,一些人渴求解放思想、重现古罗马“辉煌”,人本主义冲击着神权精神垄断。

  12、13世纪,欧洲才掌握源自中国的经济好用的造纸术。1450年代,德国谷
登堡铅活字印刷术发明,则辅助西方文明“反客为主”,其高效的印刷使书籍的
数量、品种爆炸性增长,思想文化极大传播、发展,欧洲的人才乃至天才辈出……
几十年后,一个又一个新人,做着自个想做的、觉得应该做的事,挑战旧观念旧
习惯旧秩序,浑然不觉他们汇聚起来的力量有多大,也不预知彪炳史册的一系列
革命因此发生。

  新 生

  1543年这一年,波兰人哥白尼《天体运行论》、尼德兰人维萨留斯《人体构
造》出版,前者用观测和数学工具提出“日心说”模型,刷新了沿用一千多年的
托勒密“地心说”体系;后者以精美的绘图展示人体解剖结构,与教会宣扬的用
于肯定上帝存在的盖伦学说相异。临死出书和用语巧妙的教士哥白尼是幸运的,
维萨留斯作为西班牙王室御医,仍以“巫师”“盗尸”等罪名被宗教裁判所定为
死罪,赦免后身无分文的他倒在被逼迫的朝圣悔过之路;布鲁诺四处传播“日心
说”显得固执和张扬,他被自己忠心耿耿的天主教会视作“异端”,1600年公开
烧死在罗马鲜花广场——教会的权威不光是脸面,更关乎利益,他们要坚决捍卫。

  那时,天文学的进展尤其引人瞩目。17世纪初,开普勒在第谷观测结果上,
提出行星运行三定律,指出行星沿椭圆轨道运行的情况。

  意大利人伽利略·伽利雷(1564-1642)自制最早的折射式望远镜,观测天体
发现了木星四颗卫星、土星光环、太阳自转、金星和水星的盈亏……为当时备受
嘲讽的哥白尼学说提供了确凿证据。

  伽利略不盲从不轻信,他怀疑亚里士多德的理论,于是设计了小球在斜坡滚
动的实验,以确定物体运动和停止的原理,也设计了著名的自由落体试验,看大
小不一的球体下落速度是否不一致——实际上并没有在比萨斜塔进行。

  “可计算的当计算,可测量的当测量,把不可测的变为可测的。”伽利略坚
持用耐心观察记录和可测量的实验验证各种假说,而不像过去的哲学家依赖思考
和辩论,彻底推开了科学实证的大门,是当之无愧的“近代科学之父”。

  伽利略因论文、发明、实验早早便成名,先后在比萨、威尼斯等都市的大学
任教并安心“科研”,然后在艺术中心佛罗伦萨宫廷享首席数学家、哲学家的荣
光。因不支持“地心说”,科学结论“违背教义”,伽利略人生最后二十多年被
罗马天主教会残酷迫害,“以一儆百”。他受刑罚,丧失自由,最终双目失明,
晚景凄凉。

  需要说明的是,伽利略虽主要凭一己之力开创新纪元,但和后世科学研究一
样,成就他的事业其实不只靠一个人。前代天文学家不懈地观测、计算、提出理
论,贡献了良好的研究起点。15、16世纪,新航路开辟,人口恢复,粮食增长,
文教进步,孕育了理想的社会环境;武器、航海设备技术的提高,促进研究仪器
更精密可靠;意大利的城市,一个个手工业、银行业或地中海商贸的中心,提供
了充裕的资金保障,以及四方才俊共同工作、学习、交流的“人才小高地”。

  方 法

  那么,科学方法到底是什么?学者们各说各话,又都能自圆其说,争论不休,
该听谁的?英国人弗朗西斯·培根——因一句“知识就是力量”而闻名中国中小
学的那位——在实验家们的实践和笛卡尔《方法论》启发下,首次阐明了科学方
法三步骤:一是观察,二是解释、归纳、推理后形成理论,三是用实验验证理论
对不对。实验结果如果显示理论正确,则交给同行来评审,重复实验确认。同行
是领域相同或相近的人士,他们发现了漏洞或差错,指出理论不正确,那就继续
研究、实验,直至问题解决。

  今天,我们科学研究仍然沿袭这样的大致步骤。不过在研究之前,要先查查
其他人的研究结果,避免不必要的重复、浪费,并发掘值得深化、细化或创新的
切入点。具体操作上颇有讲究,如实验设计尽可能严密,随机抽取样本(随机化
原则),安排合适的对照组并对比结果(对照原则),重复地取样、测量和实验
(平行重复原则),平衡处理和齐同对比多种影响的因素(均衡原则);如严格
按照操作规程进行,数据忠实记录并保存好,不歪曲、不篡改;如运用统计学,
描述定量资料的集中、离散趋势,分析相关性……

  遵循培根的设想,1660年,一个纯粹的、独立自治的研究机构——英国皇家
学会——在伦敦成立。英国之前几乎全歼了荷兰“无敌舰队”并刚刚打赢了第一
次英荷战争,取代“海上马车夫”荷兰的全球霸权指日可待;正在进行的资产阶
级革命,继16世纪马丁·路德宗教改革后进一步打击了天主教会的神权政治。英
国的上流精英,有合适的条件开展研究。

  那些年,哲学家、工程师、艺术家的分工并不明确,跟其他学者一样,皇家
学会院士胡克多才多能,取得跨领域突破。他发现弹性定律,设计建筑,发明装
置,为“细胞”命名……其亲手编绘的“绘本”《显微术》揭示显微镜下的生物
世界,成最早科普畅销书,激励了下一代。

  16—17世纪的欧洲,生物学研究生物成长,化学研究空气,地理学研究岩层、
地磁,光学研究光速和光的本质……不仅在天文学、物理学,各个学科一扫陈腐,
欣欣向荣。

  是的,科学,出现了!尽管还挂在自然哲学名下,但已初步成形。以追求真
理、获取真知为目的,采取科学方法,运用逻辑、数学和实验,尽可能排斥主观
偏差,科学迸发出强大的生命力,成为人认识世界的最牢靠最有力工具。这场快
速掀起、持续上百年的“科学革命”,也是人们认知方式和与既往知识体系区别
的分水岭。学术团体的建立和壮大,科学逐渐完备。

  科学诞生在欧洲而不在其他地方,有诸多机缘巧合,假如历史推倒重来,不
一定有相仿的进程乃至相似的结果。重要的是,科学,不属于欧洲人专有,她是
全人类共有共享的宝藏。

  (中)

  光 明

  今人看不到胡克的相貌,胡克所有画像都被宿敌毁了。这个宿敌来头不小,
性格乖张,当上英国皇家学会会长后,打击竞争对手和怨恨对象不惜手段,他还
倾注大量心血钻研炼金术、长生术,释经给上帝找位置,然而,人们都称赞他是
最伟大的科学家,能够排在第一名。没错,他就是——

  艾萨克·牛顿(1643-1727)。

  在好友哈雷不断催促和协助下,牛顿两年没怎么出门,把在前人的基础上长
期研究并已思考好的内容重新整理,终于交付了《自然哲学的数学原理》。这部
现代科学的开创性著作1687年推出,立即引起巨大轰动。

  牛顿在书中,公布了万有引力定律、三大运动定律和自己的微积分、潮汐理
论、流体力学理论等,一举奠定了经典力学基础,精确而简单的公式一直被用来
计算力和运动,至今依然普遍使用——尽管有瑕疵,在某些情形需搬出另一位大
神爱因斯坦。

  万有引力定律解答了月球为什么绕着地球转,树上的苹果为什么往下落。万
有引力的大小与两个物体的质量和它们间的距离有关。牛顿运动定律分别是惯性
定律,物体的加速度取决于质量大小和作用力,以及作用力与反作用力定律。另
外,牛顿是光学先驱,用三棱镜分析日光、制作牛顿色板、发现牛顿环,他的光
谱分析开创天体物理学。他发明了反射式望远镜,热学方面也颇有建树。他和莱
布尼茨各自独立创建微积分,是第一个封爵的科学家。

  “自然和自然法则隐藏在黑暗之中,上帝说‘让牛顿出世吧’,于是一切光
明。”诗人蒲柏写的牛顿墓志铭并不浮夸,也常被引用。耐人寻味的是,自然法
则揭示出人格化的上帝是人虚构出来自我慰藉用的。科学越拓展,宗教的空间越
受挤压,“上帝”越不好过;已知领域越扩大,用未知来威逼利诱的生意越得退
让妥协,牛顿本人的意愿也不能左右。

  科学家也是人,不是神仙,得吃喝拉撒,有七情六欲,含缺点缺陷。一些天
才往往有常人看来特别古怪偏执的行为。而完善的科学有纠错机制,只用证据说
话,修正既往的不完善和错误,吸收可靠的内容,不以个人主观好恶、道德评价
而否定成果。今日,学术共同体发挥着重要作用。胡克、莱布尼兹的贡献和地位,
最终没有因牛顿的打压而淹没。

  生 长

  牛顿生活的年代,17—18世纪,宗教依然强盛,却也是呼唤理性的年代。轰
轰烈烈的启蒙运动,反专制、反宗教愚昧,提倡普及文化教育,宣扬“天赋人
权”,解放了思想。

  牛顿去世后的几十年,科学向不同专业方向细分,研究工作更加精准并互相
竞争、促进。

  牧师黑尔斯发现根压并发明了集气槽。新的实验仪器帮助人们发现二氧化碳,
进而对气体全面研究。英国人卡文迪许分离出氢气,称量气袋计算密度,还发现
水中氢氧比(2:1)和空气氧氮比(1:4)。法国人安托万·拉瓦锡做实验,确认
氧气在燃烧过程中的作用,终于推翻了燃烧靠释放可燃物里含的“燃素”之说,
他给“氧气”命名并提出了质量守恒定律。

  美国全才富兰克林用实验证明闪电是放电现象的,对墨西哥湾绘制了世界最
早的洋流图。地理学家测量高山的万有引力,计算地球密度,完善了地层学。

  指出流速和压强呈反比关系的伯努利原理,让人们了解到血压,催生流体动
力学。对植物和昆虫观察,激发对生命起源的探究。天文学家观测天王星的不规
则轨道,运用牛顿定律正确算出引力牵引源的位置,发现了海王星。

  18世纪下半叶,一件不得不提的大事,深刻改写人类历史——第一次科技革
命即工业革命在英国发生。尤其是瓦特改良蒸汽机后,手工劳动向动力机器生产
转变,机器制造机器,效率大为提升,传统社会的发展上限被突破了,财富可以
指数增长。科学参与激发、促进工业化,工业化回馈科学,更多研究资金得以投
入,有更精密更耐用更廉价的仪器设备,科学加快了发展。

  繁 茂

  1833年,科学哲学家休厄尔宣布用新词“科学家”(scientist)称呼致力
于科学研究的人。科学家不再是“自然哲学家”,科学著作不必再冠以“自然哲
学”之名。作为法拉第的朋友,休厄尔或许感觉到,伟大的电气时代即将来临。
19世纪中叶,第二次工业革命即电力技术革命开启,美国、日本等国乘势而上。

  追溯到1799年,那年意大利人伏打发明了电堆,随后人们争相模仿制作电池,
多国刮起物理探索风潮,其他领域的研究也增加了便利。19世纪20—30年代,英
国人迈克尔·法拉第在同行研究基础上,发现了电动机原理并制作了第一台电动
机,然后又发现了电磁感应现象,解释了发电原理。1873年,苏格兰人詹姆斯·
麦克斯韦提出电磁学定律,复杂的麦克斯韦方程组解释了电磁现象,奠基电动力
学、数学物理学等,对电、光、磁的认识和利用具有里程碑意义。爱迪生、特斯
拉等发明家(注意,不是科学家)和优秀的工程人员,对电力技术的应用和推广
做出卓越贡献。

  对于看不见的电磁波,19世纪也有新认识:红外线、紫外线相继发现,重要
的多普勒效益在奥地利被提出,法国人博科和同事测量了光速,发明了显示地球
自转的博科摆,德国人伦琴在实验室偶然发现了X射线。今天的人听广播、拨打
手机、消耗流量下载视频,利用电磁波已经麻木,可就在一百多年前,谁也不知
道认识电磁波有什么实用。

  另外,英国人焦耳的实验可论证能量守恒定律。法国人巴斯德用对照实验证
明,微生物不会凭空“自然发生”,微生物繁殖导致腐败,并发明了巴氏消毒法。

  蓬 勃

  化学,在19世纪可称“高光表现”,还料不到一百年后的当下,它将融入其
他学科,渐渐“失去自我”。

  英国人约翰·道尔顿本来是搞气象的,他研究天气发觉,元素由“基本粒子”
原子组成,独特的原子区分元素并决定元素性质。他还想到研究化合物,通过元
素质量、原子比例算出已知元素的“原子量”(相对原子质量)。他的原子论为
化学奠基,让科学家找对方向。瑞典人贝采里乌斯一口气研究了2000多种化合物
的化合比例,发明至今使用的化学命名系统和“有机化学”一词。阿伏伽德罗常
数在意大利被提出。这世纪的头十来年,化学真可谓突飞猛进。

  碳链、化合价、碳化合物相继被了解后,德国人凯库勒宣称解开了苯的结构
之谜——由碳原子组成的环形结构。他梦见蛇咬住尾巴而得到环形灵感的事迹,
充满细节,被广为传颂。但后人查明,他看过别人有关苯环的设想,完全无需灵
感闪现,做梦之说仅是忽悠——显然,科学家也有讲故事的鬼才。

  另一个故事未必更有名,却影响深远。俄国人德米特里·门捷列夫把当时已
知56个元素,做成了一套56张的纸牌,准备用在旅行打发时光。出发前,他摆弄
纸牌入了迷,车夫来取行李都拒绝了:“我在忙”。他把纸牌排列成了自己满意
的模样,第二年即1869年在论文发表这个灵感的成果——门捷列夫周期表。现代
元素周期表沿用了该周期表的框架,修正了个别差错。他这份“目录表”对化学
和物理意义重大,空缺位置方便科学家寻找元素,还促进摸清原子结构、元素化
学性质及其规律。2016年,科学界发布了元素周期表终版,包含118个元素,7个
周期填满。

  门捷列夫成功预测几个元素原子量和其氧化物组成,这正是科学的一个性质:
预测有依据,预言正确不靠运气和“魔法”。

  同时期,其他科学家也独立发现元素周期,门捷列夫发表时机占了优势,这
种竞争情况是科研的常态——别误会,并没有鼓励读者早点玩纸牌的意思。

  震 撼

  英国人查尔斯·达尔文(1809-1882)一开始是拒绝出《物种起源》的,其进
化论不是不想发布,而是想晚一些发布。1831—1836年,他随乘小猎犬号(音译
贝格尔号)军舰环球航海从事生物考察,和船长船员交为朋友,一路上寄回国的
化石和描述让他声名鹊起,所见证据使他从极虔诚的教徒转变为无神论者。达尔
文很清楚,这本书面世,会被指责亵渎造物主“上帝”、亵渎比万物“高贵”的
人类,搞出大新闻,而布鲁诺、伽利略的下场历历在目。受疾病折磨、宅居研究
动植物的他,已不适合出面激辩。平平淡淡的生活,被一个来信的年轻人,英国
的华莱士打破了。华莱士的推断与他20多年深思熟虑的结论几乎不谋而合。

  达尔文受到鼓励,在1859年将《物种起源》出版。这本书作为最杰出的科学
著作之一,上市即脱销,社会震撼、争论,主要论点学界很快认可。达尔文和华
莱士结交挚友,两人相互礼让、共享成果(其实华莱士的自然选择说肤浅粗糙不
少),成就科学史上温馨的佳话。

  出版前,博物学已风靡,化石的由来众说纷纭,居维叶发现物种灭绝,拉马
克总结出有误的进化论(“用进废退”),马尔萨斯焦虑食物供应赶不上人口增
长……

  《物种起源》整合了之前说法,以不可辩驳的证据和逻辑,指出“生物是进
化的”这一事实(注意,不是观点),并提出自然选择是进化的主要动力,适者
生存,优胜劣汰,优良性状的选择将产生新的形态、新的物种。一本书奠定生物
科学基础,汇总、推动了古生物学、生物地理学、系统分类学、比较胚胎学、比
较解剖学等。

  “科学就是整理事实,从中发现规律,做出结论。”达尔文概括道。

  赫胥黎坚定支持达尔文,不畏讥讽,参加公开辩论,人称“达尔文的斗犬”;
他推断鸟与恐龙存在进化关系,被现在中国古生物学家发现的化石、琥珀更进一
步证明。奥地利人格雷戈尔·孟德尔通过豌豆实验总结遗传定律,在冷遇30多年
后重新发现、得到承认,他解开了进化过程一大困惑,奠基现代遗传学。

  (下)

  旋 风

  19世纪,英语、法语和德语等科学类出版物涌现。1869年英国《自然》创刊,
1880年美国《科学》创刊。与之伴随的,是学术规范逐步的建立、完善。搞学术
要诚实,数据要真实——这是科学研究人员的及格线。还须避免学术剽窃、抄袭,
发表论文需通过专家的评审,发表后经受同行们的挑刺,实验结果得他人重复得
出来,有些结论还需进一步研究。发表的论文被撤销,屡见不鲜。健全的学术机
制对学术不端零容忍。

  很多新闻媒体至今不清楚,一篇论文发表,某种意义上说,仅仅只是开始。

  精英们积极创建图书馆、博物馆共享知识,科学团体也很注重与公众沟通、
分享。伦敦著名的圣诞讲座1825年起举办,通俗易懂介绍科学新知,不乏科学大
佬主讲,各阶层的人争相聆听,有时一票难求。那时科学出版物常常“兼职”科
普读物,并不艰深难懂。大众科普的优良传统,一直延续了下来。当中也有争取
公众理解,向财政争取课题经费的需求。西方诸多知名学术书刊,很时髦很接地
气,对普通读者也有吸引力。

  轰隆隆的机器运行声中,地球的面貌被改变,西方传统的社会结构被重建。
日新月异的发明创造,掩盖不住政治、经济的激荡。殖民主义为西方国家攫取其
他大洲的资源,粗暴打开全球市场。长久以来的欧洲军备竞争,引导、刺激着科
技研发。

  工业化进程创造了资源,让教育更好地普及,城市化加速,出现新的工作岗
位。越来越多的人投身科学,科学研究不再是少数名门贵族的专利,平民(如焦
耳、门捷列夫)乃至苦出身,亦有机会通过教育改变命运,走进学术。妇女们不
再只能做家庭主妇,可以外出工作。19世纪末,女性加入了“科研民工”的队伍,
如从事比对星空照片。她们聪慧、坚韧、细致、耐心,能做出和同样优异的成绩。
有女性当上了科学家,那时最著名的,是玛丽·居里(1867—1934),世称居里
夫人。

  居里夫妇因研究放射性元素获得1903年诺贝尔物理学奖,丈夫去世后,居里
夫人以发现了元素钋和镭获颁1911年诺贝尔化学奖,她成为两获诺贝尔奖的第一
人。居里夫人出生在波兰,为接受高等教育而去往法国。诸多知名研究成果,比
如从1顿的沥青铀矿提取出0.1克的氯化镭,他们是在难以想象的简陋条件下做出
的,艰苦的付出令人动容。她放弃专利以造福世人,首倡放射性同位素治疗癌症。
由于长期接触放射性物质,居里夫人患白血病逝世,为科学事业献身。

  19世纪末,有科学家认为,数学达到了系统和严密,科学大厦也已基本建成。
在缺乏根据的传闻里,英国人开尔文称:“物理学没有什么新的可以发现的事物
了;所有剩下的只是更多和更精确的测量。”

  人们满怀憧憬地迎来了20世纪。

  危 机

  理想是丰满的,现实是残酷的。新世纪,科学的基础——数学,立马遇到罗
素悖论,陷入大危机。科学家的日子也好过不到哪里去,理论“大厦”将倾。比
如在天文物理,经典力学已力不从心,能推出不符合实际的荒谬结果,以前设想
的“以太”始终找不到(因为就不存在),亟需新理论。假冒成科学的伪科学
(比如人种优越论、李森科主义)可能得到威权主义政府积极扶持。全球范围,
政治势力和民粹力量歧视、迫害正直的科学家,影响、破坏正常的科研,阻碍优
秀科技造福,从来就没有中断过。

  科学界之外,风云跌宕,文明的生存危机上升到全人类。

  短短30多年,爆发了两次世界大战,生灵涂炭。高程度组织、职业化军人结
合不断升级的现代武器,杀人灭口的轻易高效令人毛骨悚然。更多科学家被卷入
战争烟云,参与军事科技的理论和应用研发。一些精英陆续逃离欧洲,去往美国
等国。

  二战后,多个民族国家独立,非西方科学家奋起直追。世界进入美苏争霸的
冷战格局,核战争曾一触即发,严重威胁人类。很多科学家投入到冷战的科技竞
争,如“太空竞赛”中。第三次科技革命发生,原子能、电子计算机、空间技术
和生物工程等飞跃发展,信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间
技术和海洋技术等革新,信息时代迈入,知识大爆炸。

  近百年,生态破坏、环境污染,规模空前。人为重大公害事件屡屡出现。加
上旷日持久的越南战争,高科技武器的野蛮使用被现代媒介传播,西方民众激起
反战热潮和新一轮的反科学浪潮。

  科学此时也不似从前,依赖专门学习训练的高层次人才,取得一点新进展需
要更多财力物力,甚至可能耗费天价。学科专业化细分化,生涩的术语、艰深的
理论、复杂的运算推演,民众越来越难理解科学成果,误解、隔膜加深。科学怪
人、终结者、疯狂科学家等恐怖形象,借助电影生动地传播,充分泛起人心底对
陌生事物的胡想、抗拒与恐慌。

  不同的机构团体借反科学表达自己的理念或者实现自我利益诉求。文科学者
有备而来,他们用理论体系攻击科学也属“迷信”、本质和古代其他假说无异,
把科学知识贬低为“人们主观建构的关于自然的神话”,激进派称其“由巨大权
力支配”。面对愈演愈烈的舆论,科学界被迫回应,文理兼修的科学家指出对方
为反而反、不懂装懂、忽视事实和撒播谣言。“索卡尔的恶作剧”(物理学家胡
编乱凑一篇文化论文在后现代主义名刊顺利发表)惊动思想界。

  冷战结束十年后,一场“9·11”事件拉开21世纪历史的大幕。人们反思宗教
的局限和破坏力,专家学者参与,一场新无神论运动在五大洲展开。恐怖主义、
人口资源压力、全球气候异常,迫使国际联手行动。

  危机,并不等于绝路,挑战总是与机遇并存。工业升级和科技进步属治本良
方,盲目恋旧和好高骛远毫不务实。

  标 志

  “一战”伊始,几乎所有在柏林的科学家都为战争卖力。他们拥护“祖国”
发动不正义的战争,甚至穿上了德国军官军服。一名犹太裔德国科学家解决了炸
药制造大问题,又兴致勃勃研发糜烂性和窒息性的毒气。其一个同胞好友,阿尔
伯特·爱因斯坦(1879-1955)深感失望和恼怒。爱因斯坦受不了身边的人乐此不
疲研制杀人武器,公开发表言论、签宣言书,坚决跟军国主义、好战狂热、种族
歧视、民族自大对着干。他运用自身的影响力,一辈子提倡宽容、友爱、和平、
公民自由、社会正义,并就社会问题深入发表见解……1933年,纳粹洗劫、没收
了他在德国的住宅,可能在欧洲部署暗杀,爱因斯坦选择留在美国。

  爱因斯坦风趣幽默,亲切随和,严肃的课本也爱选用他那张吐舌头的俏皮照。
他拉得一手小提琴,和普朗克、玻尔一样酷爱音乐。人性的光辉,让他身影更加
伟岸。

  人们不一定理解相对论,但也知悉,他的科学成果比肩牛顿。“20世纪最伟
大的科学家”实至名归,这位19世纪“70后”成了20世纪标志人物之一。

  1900年,德国人马克斯·普朗克颠覆性提出,电磁辐射不是过去认为的连续
波,而是以不连续的能量包“量子”形式发射的。

  仅5年后,爱因斯坦一年内发表了多篇奠基现代物理学的论文,解决了几大
问题。他当时在瑞士专利局上班,因一时没求得理想工作。他此前在名校苏黎世
联邦理工学院正儿八经受过专业训练,此后回归学术圈,获博士学位并任物理学
教授。

  这几篇论文:引入“光量子”,用电子和光子相互作用解释了光电效应疑惑;
指出布朗运动可作为原子存在的证据;阐释移动速度快,经历的时间“变”慢,
移动速度慢,经历的时间“变”快,时间和位置是“相对”的,参考系不同则变
得不同,后称狭义相对论;列出以物体的质量衡量能量的著名的质能方程,论证
“质量等同于能量”原则。

  1915年,爱因斯坦又完整论述了广义相对论(说“广义”是因一切参考系可
用,不像狭义相对论仅适用于四维时空平直的惯性参考系):质量足够大的物体,
强大的引力能弯曲时间和空间。若用二维的水面展示引力场,宇宙中有着大大小
小的收缩下陷和波浪,丝毫不平静。后来的科学观测验证了相对论的正确。此外,
爱因斯坦还有很多重要的理论创见。

  科学界开始有能力探索构成物质的微观世界。拓展量子领域,不再靠单一功
臣,而是科学家集体功劳。除上述两位,还有几位欧洲科学家比较突出:欧内斯
特?卢瑟福和尼尔斯·波尔设想原子的结构,前者还预测了中子存在,后者联合提
出波尔—惠勒原子核裂变理论;国际名“猫”的主人埃尔温·薛定谔,推进了波
动方程,“薛定谔的猫”表示两种可能结果的叠加态及其不可确定;维尔纳·海
森堡提出测不准原理,称无法同时知道一个粒子的位置和速度,不确定性是宇宙
固有特性;保罗·狄拉克修正了波动方程后,预测反物质的存在,每个粒子像照
镜子有镜像般都有相应的反物质,物质和反物质相遇会湮灭(爆炸消失),狄拉
克和理查德·费曼等人先后推动了量子电动力学……

  光是波还是粒子的数百年争论终有答案:波粒二象性,光兼有波和粒子二者
特性。宇宙大爆炸理论提出并持续获得证据支持。宇宙在膨胀得到确认。

  概念、新概念,不断刷新人类认识:分子、原子、质子、中子、电子、夸克,
黑洞,虫洞,暗物质、暗能量,亚原子粒子及其中的希格斯玻色子……而多重宇
宙、平行宇宙等,这两个经数学演算、脑洞大开又将长期无法验证的假说,堪比
科幻还科幻。弦理论、超弦理论,物理学家不断找寻解释宇宙本质的简洁优美的
公式——万有理论(大统一理论),希望把引力、电磁力、强核力、弱核力等四
种自然的基本力统一起来。

  卢瑟福没想到,20世纪初他的原子模型竟成了代表“科学”一大标志图案,
即三条椭圆电子轨道环绕一个小核。后来发现,原子实际情况并非如此,电子们
围着原子核“胡乱”闪现,完全没什么绕行轨道和规则。量子世界颠覆经典力学
和所有日常规则的认知,充斥着意外和神奇,它和无垠的宇宙还有着太多的未知。

  奥 秘

  20世纪,我们对地球母亲的认识有了突破性进展。德国人魏格纳大陆板块漂
移学说获得肯定。通过天然“计时器”——元素里超稳定的放射性同位素,科学
家反复测量地球诞生时的火成岩、外来陨石的年龄,得出地球准确年龄45.5亿年。
人们终于窥见深海海底的面貌。

  生物学领域,美国人托马斯·摩尔根开创果蝇实验,证实了孟德尔结果并提
出染色体遗传学说。美国人艾弗里在格里菲斯实验基础上,用化学提纯技术和巧
妙设计,实验推导出DNA很可能是主要遗传物质。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里
克,借助弗兰克林的X射线晶体衍射照片等实验资料,在1953年研究出了“生命
密码”DNA的模样——双螺旋结构。分子生物学时代来临。

  生物技术不断升级跨越,加速了成果涌现。开篇关于人类和黑猩猩分支的年
代,能运用蛋白质测序技术、DNA-DNA杂交技术甚至基因组测序技术比对得出。
“我是谁,我从哪里来”,查阅基因给了我们可靠答案,但深入解读基因还任重
道远。近些年来,精准强大的“基因剪刀”CRISPR技术,让基因编辑变为简单,
引起伦理质疑的同时将革新医学、农业,可能和人工智能一起福泽人类。

  科学家参与科学普及的传统在电影、电视和互联网上延续,爱登堡、萨根、
道金斯、霍金等激发青少年爱科学,保护大自然、探索太空的热情。

  尾 声

  愚昧与开化,严酷与包容,落后与进步,毁灭与生存……惊心动魄、波澜壮
阔的悲喜剧,都发生在浩瀚宇宙中这一粒渺小的微不足道的黯淡蓝点上。

  一部科学史,群星璀璨的科学家,背后交织着政治、经济、技术、文化,浓
缩了人类历史的进程。

  科学的发展向来不是一帆风顺。科学会走弯路、试错。科学每进一步,可能
受到最尖锐刻薄的“饱和攻击”。无比顽固的陈见和偏见,大大小小的既得利益
集团,从不肯拱手相让。

  然而,我们不能没有科学,我们不能不前进。面对更多更大的疑问,更复杂
更困难的挑战,追求美好,必须有人投身光荣的科学事业,认真进行基础研究、
应用研究或开发研究,必须有更多的人支持科学,营造崇尚科学氛围,学会用逻
辑、定量、实证、理性去思考和决策。

  幸福的光景,瑰丽的新发现,伟大的新发明,在未来等待着你!

  亲爱的读者,假如人人苟且于眼前,鼠目寸光,会有今日生活之质量吗?是
什么,让人之所以为人,而不成为其他东西?这孤寂的美丽星球上,人类文明的
命运,该何去何从?——这些答案,从不在神灵处,也不在占卜里。

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