[转帖]科学发展简史

aqua2001

转自：http://www.phyan.com/physics_astronomy/3.html
科学发展简史
By Phyan
(说明：本文作者为北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室倪志勇，是我在北大暑期学校上课时得到的)
(LTCS：State Key Laboratory For Turbulence and Complex System)主要参考书：《科学史——及其与哲学和宗教的关系》，[英] W.C.丹皮尔 著， 商务印书馆，1995

科学史三部分：
要素：时期，代表人物，观点方法、发现、意义影响
内容：物质、生命、世界、数学与逻辑
“西方科学的发展是以两个伟大成果为基础：由希腊哲学家发明的形式逻辑体系（在欧几里德几何中）和发现通过系统的实验方法找出因果关系的可能性（在文艺复兴时期）。”
（爱因斯坦，《爱因斯坦语录》，杭州出版社，p159
回答几个问题：19世纪人们有没有看到复杂现象，怎么去回避复杂现象的？当初人们问了些什么问题？
反观现在。
人们看到了自然界大量的复杂现象。复杂系统科学的兴起是由于技术的进步导致，大量观测数据的出现，大量理论的出现的情况下，人们对新的综合的渴望。

一 古代世界的科学

世界的基本元素
“在物质被分割又分割之后，它的特性会保持不变吗？不管怎样分割下去，土还是土，水还是水吗？换句话说，物体的特性究竟是无法再加解释的最后的事实呢？还是可以按照更简单的观念加以描写，从而把一无所知的范围再缩小一步呢？
各种各样的学说：基本元素，泰勒斯以为是水，阿那克西曼德以为是气，赫拉克利特以为是水，恩培多克勒（Empedocles, 公元前450年）认为世界的根源或元素是土、水、气和火。留基伯和德谟可利特的原子论——物质是由散布在真空中的终极粒子组成的。德谟可利特的原子论：“原子是无前因的，从永恒就存在的，并且永不毁灭。它们在大小和形状上是多种多样的，但是在本质上却是一样的。特性不同是由于具有统一终极性质的质点在大小、形状、位置和运动方面的不同而产生的。原子在无限的空间中向四面八方运动，互相冲击，引起了直线运动和旋转，这样就把类似的原子结合在一起，组成元素，开始形成无数世界。这无数世界生长、衰颓，以至于最后毁灭，只有与本身环境相适应的体系才能存在下来。”

希腊人解决物质问题的努力在科学思想史上所以重要，正是因为他们企图这样用看起来比较简单的方式来求得合理的解释。

阿基米德和力学的起源
“他的工作比任何别的希腊人的工作都更具有把数学和实验研究结合起来的真正现代精神。” （p84，《科学史——及其与哲学和宗教的关系》，[英] W.C.丹皮尔 著， 商务印书馆，1995）

生命：
阿尔克莽（Alcmaeon of Croton,公元前500年左右）等人用解剖学方法研究动物和人体的构造。发现大脑是感觉和理智活动的中心，血液流向心脏并由心脏流出。
希腊医学到希波克拉底（Hipporates,公元前420年左右）达到顶峰。他们研究生理学时候不像亚里士多德那样去追问“最后因”；他们多问“怎么样”，而少问“为什么”。他们坚决主张进行精微的观察和周密地解释症候。

逻辑学与数学：
亚里士多德创立了形式逻辑及三段论法。
数学：希腊人明确地指出数学是处理抽象事物的。“除希腊文明外，在其他文明中数学并不是一个独立体系，它没有形成一套方法，仅为了直接而实用的目的被研究。它是一种工具，是一系列相互无关的、简单的、帮助人们解决日常问题的规则，如推算日历、农业和商业往来。这些规则是由试探、错误、经验和简单的观察得到的，许多都只是近似的正确。” （《数学——确定性的丧失》M.克莱因，湖南科学技术出版社，1997，p10） “欧几里得（公元前300年左右）《几何原本》，具有系统、演绎的形式，是许多古希腊人孤立发现的汇合，给出了空间和空间中图形的规律。”（《数学——确定性的丧失》M.克莱因，湖南科学技术出版社，1997，p14）

方法：亚里士多德“从可知和可观察的事物出发，向着本质上可为人们认识的逐渐清晰的事物前进。”

总结：“希腊人首先既没有确定的观察所得的事实，可以据以建立一个精确的和有限的理论，而且在理论成立之后，也没有力量通过实验来检验这个理论的推论。”P58

二 中世纪（公元500年——公元1500年）

中世纪的学者们强调演绎法是科学研究的唯一方法，他们到〈启示录〉和〈圣经〉中去寻找真理，关于自然界的一切可靠的结论必须从宗教教义中演绎出来。

三 文艺复兴：

文艺复兴的起源——列奥纳多.达.芬奇——宗教改革——哥白尼——自然史、医学与化学——解剖学与生理学——植物学——吉尔伯特——弗兰西斯.培根——开普勒——伽利略——从笛卡儿到波义耳——帕斯卡与气压计——数学——科学的起源

列奥纳多.达.芬奇：
观点方法：“对于自然界的观察与实验，是科学的独一无二的真方法。古代著作家的知识，作为研究的起点是有益的，但绝不能作为最后的定论。”（p163，《科学史——及其与哲学和宗教的关系》）。“科学如果不是从实验中产生并以一种清晰实验结束，便是毫无用处的，充满谬误的，因为实验乃是确实性之母。”（p165）
科学贡献：机械、流体运动、解剖等。
影响：“如果我们要在古今人物中选择一位来代表文艺复兴的真精神的话，我们一定会指出列奥纳多.达.芬奇这位巨人。”（p166）

哥白尼（Nicolaus Koppernigk, 1473——1543年）——日心说。
“哥白尼的天文学不但把经院学派纳入自己体系内的托勒密的学说摧毁了，而且还在更重要的方面影响了人们的思想与信仰。”p174
伽利略（1564——1642）：
列奥纳多.达.芬奇在他所考虑过的无数题目中，已经预兆了现代科学精神。哥白尼在思想世界发起了一场革命。吉尔伯特说明了实验方法怎样可以增加知识。但在伽利略身上，新精神比前人更进了一步。
贡献：望远镜——“伽利略利用人人可以复按的事实证明了天文学的新学说，而在那以前天文学的学说是仅仅建立在先验的数学简单性的根据上的。”；为动力学奠定了基础。
生理学：哈维（William Harvey, 1578—1657）,血液循环。

方法：伽利略把吉尔伯特的实验方法和归纳方法与数学的演义方法结合起来，因而发现，并建立了物理科学的真方法。他认为，在科学研究的每一个阶段，都必须把感觉经验与推理数学结合起来，为演绎提供可靠的基础；他在归纳法方面的贡献是利用抽象和理想化方法。如“真空中的自由落体”、“理想摆”。

四 牛顿时代：

物理学上首次的大综合。
牛顿:《自然哲学的数学原理》牛顿力学的建立：运动定律；万有引力定律。
观点：“自然哲学的主要任务，是从现象出发，而不臆造假说，从结果推到原因，一直推到最初的第一因。”（牛顿，《光学》）
“牛顿教了以问‘怎样’（how）代替问‘为什么’（why）的方法。”（《综合科学史》p98）

数学：微积分的发明。

五 十八世纪

数学与天文学——化学——植物学、动物学与生理学——地理发现

物质：1781年卡文迪什（Henry Cvendish，1731——1810）证明了水的复合性。拉瓦锡（Antoine Laurent Lavoisier, 1743_1794）发现水是由两种复合元素——氢、氧组成。

生命：林耐《自然系统》，根据植物的生殖器官创立了分类体系。把人与猿猴、狐猴、蝙蝠同放在“灵长目”中。
显微镜的应用使人们窥见了生物器官的细微结构和功能，证明有无数微生物存在。

数学天文学：拉普拉斯《天体力学》，《宇宙体系论》，进一步发展牛顿力学。

六 十九世纪

科学时代——数学——不可称量的流体——单位——原子论——电流——化学效应——电流的其它性质——光的波动说——电磁感应——电磁力场——电磁单位——热与能量不灭——气体运动学说——热力学——光谱分析——电波——化学作用——溶液理论。
生物学的意义——有机化学——生理学——微生物与细菌学——碳氮循环——自然地理学与科学探索——地质学——自然历史——达尔文以前的进化论——达尔文——进化论与自然选择——人类学

总论：“自有人类以来，人们就在研究自然：原始的生活技术就是对物性的片段知识的运用，早期的神话与寓言就是根据当时已有的证据创立的世界和人类起源的理论。但在最近一百年或一百五十年中，人们对自然的宇宙的整个观念改变了，因为我们认识到人类与其周围的世界，一样服从相同的物理定律与过程，不能与世界分开来考虑，而观察，归纳，演绎与实验的科学方法，不但可应用于纯科学原来的题材，而且在人类思想与行动的各种不同领域里差不多都可应用。”p283
“人类控制自然的能力的扩展似乎没有止境；人们都毫无理由地认为扩大控制自然的能力所用的机械原理，足可以解释整个宇宙的奥秘。”
“这一时期，主要倾向，是把动力学的实验与数学方法逐渐推广到物理学的其他学科中去，而且在可能的情形下，并应用到化学和生物学上去。多数科学家以为科学所揭示的物质，它的性质及其间的关系，就是终极的实在，而人的身体就是机械结构，也许偶尔为心灵所控制或影响。在牛顿与拉瓦锡所奠定的基础上，物理学与化学建立起一座不断发展与和谐一致的大厦。这个成就使人们感觉总的路线已经一劳永逸地规划好了，此后不会再有什么惊人的发现了，剩下来的工作不过是把科学的度量弄得更加精密，把几个明显的空隙加以填补罢了。”p285
物理学

物质：道尔顿原子概念
能量概念，焦耳1851年，能量守恒
1865年克劳修斯，熵概念
19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一的电磁场理论，实现了物理学的第二次大综合。

数学：数论、形论、群论、三角学。傅立叶，拉格朗日，哈密顿，洛巴捷夫斯基，高斯等。

生物学
背景：随着文艺复兴开始的科学时期里，天文学与物理学的进步所引起的思想上的革命是最大的一次革命。当哥白尼把地球从宇宙中心的高傲地位上推下来，牛顿把天体现象收服到日常习见的机械定律管制之下的时候，许多构成整个神意启示理论基础的默认假设，恰好也遭到了破坏。

十九世纪生理学上最早的观念之一就是，身体的生命是组成身体的各个组织的生命的总和结果。P350
德国的微尔和（Rudolf Virchow, 1821—1902 ）将细胞理论应用于病理组织的研究，而在医学上展开了一个新的篇章。他在《细胞病理学》（1858）一书中指出，病态结构是由原有的细胞变化而来的细胞组成的。例如癌有赖于细胞的病理发育，如果能找到一种治疗的方法，它就必须建立在控制细胞活动的方法的基础之上。（p355）

十九世纪生物学最惊人的发现之一，是人们对于动植物和人类的细菌性疾病的来源与原因的认识大大增进。P358
巴斯德（Louis Pasteur,1822—1895，法国生物学家）证明某些疾病如炭疽、鸡霍乱与蚕病就是由特种微生物造成的。
“当您生活于实验室和图书馆的宁静之中时，首先应问问自己：我为自己的学习做了些什么？当您逐渐长进时，再问问自己：我为自己的祖国做了些什么？总有一天，您可以因自己已经用某种方式对人类的进步和幸福作出了贡献而感到巨大的幸福。”——巴斯德（转引自〈原子物理学〉，杨福家，高等教育出版社，p1）

1858年达尔文发表“进化论”。它整个改变了人类对于自身在世界中地位的认识，人类只是自然的一部分。

七 二十世纪的科学发展

生物学的地位——孟德尔与遗传——遗传的统计研究——人们后来对进化的看法——遗传与社会——生物物理学与生物化学——病毒——免疫——海洋学——遗传学——神经系统——心理学——人是机器吗？——体质人类学——社会人类学

新物理学——阴极射线与电子——阳极射线或原子射线——放射性——X射线与原子序数——量子论——原子结构——玻尔学说——量子力学——相对论——相对论与万有引力——化学

物质的微观结构：
电子、质子、中子、基本粒子的发现

相对论：
狭义相对论——物体高速运动的规律，1905年，爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》。
“概念和判断只有当它们同观察到的事实相比较而无分歧时才是可接受的（要求概念和判断是有意义的）。这个认识论的先决条件是根本的。”
——爱因斯坦，〈诺贝尔演讲集.物理学卷I〉，福建人民出版社，p459
质量与能量的关系。

量子力学:
1900年德国科学家普朗克提出能量子概念，1925—1926年海森伯和薛定谔最终建立了量子力学，解决了原子物理、光谱等基本问题，取得了巨大成功。

“这样，我们将面对着下述两者之间的逻辑上的完全对立：
不是……就是……（质点力学）
既是……又是……（量子力学）”
——薛定谔，〈诺贝尔演讲集.物理学卷I〉，福建人民出版社，p772
影响：“量子论打碎了人们的常识所珍视的关于实在性质的概念。它使得主体与客体、原因与结果之间的界限模糊了，将强烈的整体论观念引入了我们的世界观。”（《上帝与新物理学》p119）“量子论所要求的关键性的描述变化就是，放弃分析的想法，不再把世界分析成相对自主的部分，分别存在但同时又相互作用。相反，现在最受强调的是不可分的整体性，在整体的世界中，观察工具与被观察的东西不是分开的。”“习惯上把世界分成主体与客体，内心世界与外部世界，肉体与灵魂，这种分法已不恰当了。”（大卫.玻姆，转引自《上帝与新物理学》，p119）

生物学：
遗传学：孟德尔（Gregor Mendel 1822—1884）,豌豆实验——》“遗传定律”；
分子生物学：1953年DNA双螺旋结构

数学：
TOE is impossible
Cantor and the infinity in set theory
Russells’s paradox
Hilbert’s hope
Godel’s incompleteness theorem
Turing’s halting problem
Chaitin’s AIT

非线性科学的发展：分形和混沌
非经典数学：神经网络、遗传算法

技术：计算机

系统学：主要研究组元之间的相互关系。新三论，老三论（参考《系统科学》，许国志 主编，上海科技教育出版社，2000年9月）

一般系统论：奥地利理论生物学家冯.贝塔朗菲（Von Bertalanfy，1910——1917）于1945年发表《关于一般系统论》，明确提出一般系统论的任务“乃是确立适用于系统的一般原则”，并对系统的共性作了一定的概括，如系统的整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）等。
“因为活的东西的的基本特征是组织，对各部分和各过程进行研究的传统方法不能完整地描述活的现象，它没有包括协调各部分、各过程的信息。因此，生物学的主要任务应当是发现在生物系统中（在组织的一切等级上）起作用的规律。”（冯.贝塔朗菲，1934年《现代发展理论》，转引自《系统论、控制论、信息论经典论文选编》庞正元、李建华 编，求实出版社1989，p3）
“在不同的科学领域，不仅是一般范围和观点上的相似。我们还发现了在许多不同领域内的结构上的同一性和同构性规律。在许多情况下，同构性规律适用于确定的‘系统’或‘子系统’，当然不考虑实体本身的性质。看来，这说明存在者适用于一定类型的任何系统的一般系统规律，这里不考虑系统的特性及其所包含的成分。”

科学家明确地直接把系统作为研究对象，一般公认以冯.贝塔朗菲提出“一般系统论”概念为标志。

控制论：美国数学家维纳（N.Wiener,1984~1964），把控制论定义为：关于在动物和机器中控制和通信的科学。控制论是在20世纪30~40年代蓬勃发展的自动控制技术和统计数学的背景下诞生的。控制论提炼出的基本概念，诸如目的、行为、通信、信息、输入、输出、反馈、控制以及在这些概念基础上的控制论系统模型，即输入——输出反馈控制模型，具有广泛的意义。
“一个真正的学者，应该抛弃一切个人的私心杂念，要象战士那样冲锋在前，象医生那样在瘟疫盛行的城市留守在后，有效地行使职责。” 他期望“建立一个以人的价值为基础而不是以买卖为基础的社会。”（维纳，1934年《现代发展理论》，转引自《系统论、控制论、信息论经典论文选编》庞正元、李建华 编，求实出版社1989，p279）
信息论：美国香农（C.E.Shannon）1948年发表《通信的数学理论》。香农的信息论提炼了包括信源、信宿、信道的信号传输的普适模型，定义了信息量，提出了信源编码定理等重要定理，为一般意义上的信息传输奠定了理论基础。

耗散结构理论：比利时物理化学家普利高津（I.Prigogine, 1917—2003）于1969年提出耗散结构理论（Dissipative Structure Theory），远离平衡状态的开放系统通过与环境进行物质和能量交换，一旦某个参量变化到一定的阈值，系统就有可能从原来的无序状态自发转变到在时间、空间和功能上的有序状态。

协同学：德国物理学家哈肯（H.Haken,1927~）于1969年提出了协同学（Synergetics）。哈肯发现激光是一种典型的远离平衡态时由无序转化为有序的现象，但他发现即使在平衡态时也有类似现象，如超导和铁磁现象。这就表明，一个系统从无序转变为有序的关键并不在于系统是平衡或非平衡，也不在于离平衡态有多远，而是通过系统内部各子系统之间的非线性相互作用，在一定条件下，能自发产生在时间、空间和功能上的有序结构，这就是自组织（Self-organization）。

超循环理论：德国科学家艾根（M.Eigen）于1979年发表了“超循环理论”，吸收了进化论思想和自组织理论，把生命起源解释为自组织现象，提出了一个自然界演化的自组织原理——超循环。
开放复杂巨系统的研究：
中国学者钱学森、许国志、于景元等人组织的研究团体—“系统学讨论班”。提炼了许多重要概念，综合和提出了系统研究方法，逐步形成了以简单系统、简单巨系统、复杂巨系统等为主线的系统学提纲和内容，明确系统学是研究系统结构与功能（包括演化、协同与控制）一般规律的科学。
研究复杂巨系统的方法：定性与定量结合的综合集成法，多参量描述。
多参数模拟，“因为现象是复杂的，所以不能用简单的模型，要用几百个、几千个参数的大模型才行。”（钱学森，《创建系统学》，山西科学技术出版社，p30）

sicence杂志，复杂系统专辑

八 总结：

摘自〈科学史〉
“科学自身，只能凭我们五官所得的印象，进行观察和测量。”（p609）
“科学被分为若干部门，是一种牵强的办法；各不同学科，仿佛是我们对于自然界的概念上的模型的截面——或更确切地说，是我们用以求得一个立体模型的平面图。”（p609）
“自然科学的普通方法，是用分析方法把问题简化。心理学家在分析之后，用生理学原因来表述其结果；生理学家应用物理学及化学来说明他们的结果；物理学家则剖分物质为原子及电子。”
P602“正确的概念既已择定，人们大概就可以象伽利略那样看出概念间的某些关系。这些关系，或它们的逻辑推论，就可以用实验加以检验，而其中有些将得到证明。于是简单的定律就建立起来，而新的学科也就开始形成了。每一得到证明的新关系，又引起新的实验，实验知识的增加，又需要并引出假设性的新关系。提出可能正确的假说，需要洞察力与想象力；推求假说的推论，需要逻辑本领同时还需要数学本领；检验假说的正确性，需要耐心、毅力与实验技巧。的确，如坎贝尔所说，归纳是一种艺术，而科学是艺术中最高的。”
P623“科学从现象世界形成抽象，并制订出本身含有逻辑含义的概念。因此，在概念和一切可能而正确的推论之间，有一条不可打破的连锁。所以，科学上的决定论，是由于科学是一种抽象过程而产生的。例如力学从感觉引起的观念，构成抽象的概念——空间、时间、物质——再根据这种概念建立一个合乎逻辑的决定论的体系；从这种体系中，只能引出与所纳入的抽象概念性质相同的抽象概念。从力学的立足点看来，自然界不可避免地是机械的；而从任何抽象的与逻辑的立足点看来，它是决定论的。但还有一些其它立足点，精确科学无法达到。”

量小非君子也

科学家太强了