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科學之源始于凝望星空

來源:中國新聞出版廣電報 | 劉懿  2019年11月27日16:38

科學之源始于凝望星空。這些星星從何而來?是由什么構成的?它們將去往哪里?天空是如何形成的?宇宙是如何運行演化的?宇宙的歸宿將是什么?這些問題,馬克·吐溫感嘆過,文森特·梵高困惑過,無數人為之癡迷不舍。剛揭曉的2019年諾貝爾物理學獎,就頒給了在探索茫茫宇宙過程中取得杰出成就的3位佼佼者。關于宇宙,不只是現代人對其著迷,早在遠古時期的人們就已經在苦苦求索了。人類從在地球上直立行走的那一天開始,就不遺余力地試圖了解周圍世界的神奇和廣袤,一直在提出問題并竭盡全力進行解答。

帶著對這些問題的思考,美國作家喬伊·哈基姆撰寫了“科學的故事系列”,在這套被稱作雜記型筆記的書中,作者通過豐富的場景調度,以戲劇化、碎片化的形式,介紹了從古至今一批杰出的哲學家、科學家、詩人的所思所想,圖文并茂,包羅萬象。這套書出版后得到了美國國家科學教師協會的大力推薦,成為美國中小學生愛不釋手的科學史讀本,好評不斷:“如果達·芬奇也在學校學習科學,他肯定會對這套書著迷”“故事大師哈基姆將創世神話、科學、歷史、地理和藝術巧妙地融合在一起,并以孩子們喜歡的方式講出來了”“在她的筆下,你將經歷一場驚險而刺激的科學冒險”……

上海教育出版社自2017年開始引進這套叢書,由于參與了其中文版圖書的部分編輯出版工作,筆者也被這套集視覺效果、思想內容、生動的個人特色于一體的書深深吸引,期待把它介紹給我國讀者,特別是中小學生,促使他們盡快地投身于書中所描述的扣人心弦的科學探險活動之中。讓我們就從這套書的第一冊《科學之源:自然哲學家的啟示》開始吧。

科學的基石:文明之光的薪火相傳

打開書本,經常映入眼簾的是一幅幅局部的世界地圖。公元前7000年,在其他地方都還處于漫漫黑夜中的時候,歐亞非大陸交合的地中海已有文明的光亮產生。光點首先出現于地中海東部,現伊拉克境內的底格里斯河及幼發拉底河,以及地中海東南部,現埃及的尼羅河一帶。兩河流域孕育了人類最早期的文明——美索不達米亞文明,尼羅河哺育了古埃及文明。蘇美爾城邦、巴比倫帝國、亞述帝國、波斯帝國在這里交替興盛、擴張和衰亡。在數千年漫長的時間里,這里的人們研究天上星星的運行軌跡,觀察月亮,并利用月亮的運行規律編制了陰歷,他們對法律、數學、藝術、政治和建筑等進行了思考,學會了使用輪子,甚至發明了文字,誕生了璀璨的文明之花、科學之芽。

接下來地圖上的光點移向了地中海的東北部,來到了愛琴海。沿著愛琴海,陡峭的山巒閃爍著白光,灰綠色的橄欖樹和雜亂的灌木擠滿了山坡,強烈的陽光透過蔚藍的天空揮灑而下。這里的景色雖然壯觀美麗,但卻不是生活的安逸之地,莊稼長不好,駭人的地震和火山留下道道傷痕,大海吞噬著生靈。講希臘語的人們居住在大海沖刷的土耳其、希臘,以及它們之間的島嶼上。為了生存,他們需要敏銳的思維,并且一直要發展這種能力,從而誕生了精彩紛呈、輝煌燦爛的古希臘文明。在古希臘黃金時代,人們一直在為解決一些重要問題而奮斗著,如地球、月亮、恒星有多大,有多遠。他們在很大程度上可以自由地研究、討論一些天馬行空的想法。令人驚嘆的雅典人在民主、真理、自由和科學之間架起了橋梁,科學的進步是快速和壯觀的。

地圖上的光點繼續沿著地中海向西移動,移到了意大利。在羅馬共和的體制下,古羅馬由一個小城邦國發展成為包括整個地中海沿岸國家及更遠處的龐大帝國。古羅馬人不同于古希臘人,他們是實用主義者,將主要精力都用于治理國家、發展貿易和發動戰爭。從英格蘭到地中海沿岸,再到波斯,羅馬帝國建造起了高水平的渡槽、輝煌的建筑和令人嘆為觀止的公共設施。羅馬的艦船維護著海上的秩序,羅馬的法律維持著世界的有序和安寧,羅馬人耗費巨資修建的大道使得對外界的強大控制成為可能。羅馬帝國雖然延續了數百年,但科學的光亮卻漸漸黯淡下來,人類的智慧受到了嚴峻的考驗。

數百年之后,文明的星火才再次明亮起來,光點繼續移動,移出了地中海,移向大西洋、印度洋、太平洋……星星之火最終燎原,開啟了人類文明的全面興盛。

科學的種子:古希臘先賢的哲學思考

自古以來人類總是想知道關于自己和自己所居住的世界的奧秘。從有記錄可考證的時期起,人們就一直在問兩個基本問題。一個基本問題是關于“很大”的:宇宙到底是怎么回事?另一個基本問題是關于“很小”的:生命的本質是什么?最后是一個大問題:是否有什么東西將我們與恒星及所有其他生物聯系起來?這些正是科學要解答的問題,而當時科學尚處于嬰兒期,猶如爬出搖籃的嬰兒蹣跚學步一般。人們無法解答這些問題,只能求助于神話和宗教。神話源自人們試圖解釋那些無法解釋的現象時的想象,帶有明顯的感情色彩。真正的科學始于問題,科學家是解決這些問題的探索者,他們將啟動把科學從神話剝離出來的進程。科學探索有點像在視界受到限制的密林中尋找出路,這些路徑布滿了坎坷荊棘,迂回曲折,永無止境。

這是一條披荊斬棘的道路,也是一條由智者的思想火花照亮的道路。縱觀人類歷史長河,無數杰出者對推動文明的進步、科學的發展起到了巨大作用。要了解科學精神的起源,就必須回到古希臘時代,領會當時的先哲們對世界的看法,了解這些天才人物之間的思想碰撞及學術傳承脈絡。在今人看來,他們的觀點有些是正確的,也有很多謬誤,但正是由于他們提供了思想的階梯,才使得后人能夠站得更高、看得更遠。

泰勒斯(公元前約636—公元前約546),是世界上第一個集哲學家、科學家和數學家于一身的人,也是第一個對觀察到的事實尋求神話之外解釋的人。同時,他也是西方第一個留有名字的科學家。

阿那克西曼德(公元前約611—公元前約547)、阿那克西米尼(公元前約570—公元前約500)、阿那克薩哥拉(公元前約500—公元前約428),可以稱他們為“A”團隊(當時正處于科學開始走向實際的起始期,而且他們名字的第一個字母都是A)。他們相信“理性統治世界”,敢于質疑舊觀念,將迷信拋在一旁,會提出假說,然后以此為基礎進行仔細的觀察和思考。他們已經具有科學思想的雛形,只是不會像后來的科學家那樣,試圖通過控制變量來證明自己的假說。

“A”團隊的前兩位是師生關系,而泰勒斯是阿那克西曼德的老師。“A”團隊的第三人阿那克薩哥拉曾經教過被認為是古希臘最聰明的人——蘇格拉底(公元前469—公元前399)。我們至今仍然在思考蘇格拉底提出的關于生與死的意義這一問題。

畢達哥拉斯(公元前約582—公元前約507),一位令人嘖嘖稱奇的思想家和數學家。他相信宇宙間的結構和關系均可用數學公式來表達,他認為“萬物皆數”,他使數學成為西方科學的語言。

柏拉圖(公元前約427—公元前約347),蘇格拉底的學生,也是畢達哥拉斯的崇拜者。他追求美、真理和明晰,尋找“純真”的知識,因此,數學這一被認為是純粹思想的知識對于他具有特別的意味。在他那所著名學園的門口刻著一句名言:“不懂數學者,不得入內!”

亞里士多德(公元前384—公元前322),柏拉圖的學生。亞里士多德雖然受到柏拉圖純粹和抽象觀念的巨大影響,但卻生有一顆務實的、面向世界的頭腦。“吾愛吾師,吾更愛真理”就是他的名言。柏拉圖和亞里士多德的名字經常出現在西方思想史中,柏拉圖一直在尋找“完美的形式”;而亞里士多德則提出問題,然后再考察現實中的事物。柏拉圖的哲學引導人們深入思考,亞里士多德的哲學則引導人們進行觀察和實驗。亞里士多德對世界產生影響的另一因素是,他曾以科學和哲學教導了一位“王中之王”——亞歷山大(公元前356—公元前323)大帝,而后者集勇猛的戰士、具有遠大目光的統治者和受過良好教育的人于一身,一度建立了一個龐大的統一帝國,幅員從俄羅斯南部到希臘,再到埃及、敘利亞和印度。亞歷山大對科學的主要貢獻是,他的帝國延續到了西亞,在隨后的歲月中使古希臘燦爛的文化影響到全世界。

歐幾里得(公元前約325—公元前約275),據傳曾經進入柏拉圖學園學習。他汲取了自泰勒斯時期以來的所有數學積淀,并有效地進行了消化和邏輯化發展,然后以清晰的文字表述出來,形成了有史以來最有影響力著作之一的《幾何原本》。《幾何原本》像是一座百科全書式的知識寶庫,它為數學著作的準確性和可讀性樹立了標準,引發了人們科學觀念的爆發性更新和大量技術奇跡的出現,對后世影響深遠。

阿基米德(公元前287—公元前212),他曾有一句名言,給我一個支點,我將能撬動地球。阿基米德的老師是歐幾里得的學生。阿基米德在《數沙者》這本著作中估算了要填滿整個宇宙所需的沙粒數,試圖證明:數是無限的,即你不可能找到“最后”的數;可以表示和運算非常大的數字。為檢測國王的王冠是否由純金做成,阿基米德采用的方法至今都是啟蒙孩子科學思考的好素材。當阿基米德在敘拉古(今意大利西西里島南部)的家中潛心研究數學問題時,被攻破城池的一位無知的羅馬士兵粗魯地刺穿了心臟。從此,一個天才輩出、群賢畢至、百花齊放、百家爭鳴的古希臘時代結束了。

隨著古羅馬帝國的興盛、衰退,權力為獨裁者把持,人民受到了壓制,民主不再存在,公開的辯論更是鮮見。科學之花漸漸枯萎,西方世界陷入了中世紀的漫漫黑夜之中……

科學的發展:書本的普及促進嶄新世界的到來

在對宇宙萬物孜孜探索的漫長過程中,人類創造了語言、文字、歌詠、神話、繪畫、建筑……并在觀察、冥想、推測和驗證過程,科學之芽漸漸地萌生、成長。透過書中的圖片,我們能看到一塊13000年前的鷹骨,上面的一列刻痕可能是人類早期的日歷;能看到美索不達米亞古文明時期的刻有楔形文字的黏土板,古埃及的金字塔和皇家陵墓中的精美壁畫及雕塑,公元前7世紀亞述巴尼拔王宮的浮雕石碑,以及用于祭拜儀式的墨西哥瑪雅人的建筑遺址和英格蘭的巨石陣……這些石頭、獸骨、泥板、壁畫、石碑等都是記載人類文明的載體。

對今人至關重要的文明載體——書籍是如何產生、演變和發展的?又是什么使得書籍從被少數人專有轉為普羅大眾都能獲得的普通用品?書籍的普及對人們的思想、社會結構和科學技術的進步產生了哪些深遠的影響?

先看紙的演變過程。中國人早期將文字寫在木板或竹板上的(稱木簡或竹簡),后來又將其寫在成卷的絲綢上。蔡倫于公元105年首先利用植物的纖維素為原料制造成了輕盈的紙張,發明了造紙術。過了6個多世紀,即在公元751年,這種造紙技術才被阿拉伯人傳入了西方世界。

紙張只是書籍制作的一部分,開始的書需要人們用手工抄寫出來,而當時能夠掌握文字并抄寫的是擁有特權的祭師、僧侶以及少部分學者等。在8世紀時的西班牙一本書的價格幾乎與兩頭奶牛相當,在15世紀上半葉手抄書的價格經常比幾盎司的黃金還貴,因此只有非常富有的人才可能擁有手抄書。這也說明了當時為什么會有如此多的文盲,導致知識的傳播極其緩慢而曲折。

取代手工抄寫而用可復制方式印制的第一本圖書是何時出現的呢?無人能確切地知道。1900年在中國被發現的一部名為《金剛經》的佛教經卷,其中一幅佛像的精美畫面是用7塊木制雕版印制而成的,上面確切地注明印制時間是“咸通九年四月十五日”,這一日期為公元868 年5月11日。在11世紀,一位名為畢昇的中國工匠發明了一種更為高效的活字印刷方法,他將漢字分別刻在一個個小板塊上,然后將這些“活字”按序排列后拼裝到一個框架內組成一個“版”,再在這個版上涂抹墨水就可用于印刷了。印刷結束后,這些活字可以被分解再重復使用。而在同時代的歐洲,仍在使用類似上述《金剛經》單一雕版的書籍印刷技術。中國發明的紙和印刷術為人類文明發展史添上了濃墨重彩的一筆,推動了人類文化的傳播,加速了世界文明的進程。

歐洲印刷術的創立者是德國的約翰內斯·谷登堡(約1397—1468)。他對活字印刷術進行了改進,并發明了機械工具進行快速鑄字和印刷,最終于1445年成功地印刷出了第一本《圣經》書。

谷登堡的發明開創了使圖書生產簡易化的新時代,使得書籍像風暴中的樹葉一樣傳播開來,因而有人說“現代世界始于印刷機”。機械印刷時代到來之后,《幾何原本》被重印了超過千次,成為有史以來最成功的教科書。失散了多年的古希臘和拉丁文經典又開始興盛,出現在大量的普通書本之中,古代先賢的探究精神啟迪和鼓勵了更多的平民。可以說這是當時科學上的一次革命,更是思想上的一次革命。20世紀科普作家艾薩克·阿西莫夫在評價印刷術的普及促進了西方科學和社會的發展時寫道:“學術的基礎更寬廣了……學者們的觀點和發現能夠在很短的時間內被其他學者所知曉。學者們也不再是孤軍奮戰了,而是以團隊的形式從事研究。越來越多的未知領域能夠被這種集體的力量所突破。科學家攻堅時使用的不再是拳頭,而是眾多臂膀揮動的攻城錘。”在谷登堡之后,一些并不太富裕但卻具有探究精神的人,如克里斯托弗·哥倫布和萊奧納爾多·達·芬奇,都能買得起古代智者和同時代人的著作并閱讀,思想得到啟蒙,心靈得到解放,從而開啟了環球航行和文藝復興的大時代……一個科學爆發的現代世界即將到來。

科學的發源既是迷人的故事,也是人類文化遺產的重要組成部分。如果說在數千年人類文明發展的漫長歲月里,科學和技術是以數量級的速度在緩緩發展,那么在書籍普及之后的幾百年里,科學和技術就是以幾何級的速度在快速發展,而到了人工智能萬物互聯的當今時代,科學和技術將是以指數級的速度飛速發展。科學從來沒有像今天這般深刻地改變著我們。我們一天都離不開科學。“科學的故事系列”叢書分為5個分冊,闡述了科學思想從古至今的演化過程,講述了數學、物理和化學的故事,從古蘇美爾時期一直到現代弦理論,從非常大的宇宙一直到非常小的原子、粒子。叢書的第一冊《科學之源:自然哲學家的啟示》將幾千年來科學起源的曲折歷程生動地呈現給讀者,筆者從其眾多的題材中提煉了3條線索,為讀者閱讀時提供幾個觀察維度:人類文明進步離不開科學,而科學只有在熱愛文化的環境里才能得到萌生和發展;科學思想起初只是少數人的智慧之果,文明的進程緩慢而曲折;只有當科學發展帶動了技術的突破,使得科學思想能夠啟迪大多數人之后,人類才會爆發出顛覆性的變革力量和創新能力。期待讀者由此出發能夠更好地欣賞叢書后面的4個分冊:《科學革命:牛頓與他的巨人們》《經典科學:電、磁、熱的美妙樂章》《量子革命:璀璨群星與原子的奧秘》《時空之維:愛因斯坦與他的宇宙》。必須指出的是,也許是作者對除西方之外的古文明缺乏深入的了解,所以書中只是零星羅列了中國、古印度以及美洲早期的一些文明碎片。缺失了對世界文明發源地之一的中華文化及科學發源的追溯,不能不說是本書的缺憾之處。當然,對于中國讀者了解西方文明,特別是西方科學的起源,本書仍不失為極好的入門讀物。

讓我們趕緊打開“科學的故事系列”,帶著人類永不消失的好奇心,快快進入喬伊·哈基姆營造的,具有“哈利·波特”般神奇魔法的科學大世界里暢游吧。

(作者單位:上海教育出版社)

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