近代自然科學(xué)體系的建立及其意義
——科學(xué)發(fā)展的人文歷程漫話之九

錢時(shí)惕

（河北大學(xué) 河北 保定 071002）

1 近代自然科學(xué)體系建立的歷史背景［1～2］

1.1 擺脫神權(quán)統(tǒng)治的斗爭(zhēng)取得勝利

由于波蘭天文學(xué)家哥白尼（N.Copernius，1473～1543）、意 大 利 天 文 學(xué) 家 布 魯 （G.Bruno，1548 ～1600）、近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)之父伽利略（G.Galileo，1564～1642）、比利時(shí)醫(yī)學(xué)家維薩里（A.Vesalius，1514～1564年）、西班牙青年醫(yī)生塞爾維特（M.Servet，1511～1553）、英國(guó)生理學(xué)家哈維（W.Harvey，1578～1657）、英國(guó)生物學(xué)家達(dá)爾文（C.Darwin，1809 ～1882）等的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，沖破了基督教的神權(quán)統(tǒng)治，批判與糾正了長(zhǎng)期以來(lái)教會(huì)推崇為“權(quán)威”與“經(jīng)典”、神圣不可侵犯的“托勒密的地心說(shuō)”、“亞里士多德的物理學(xué)”、“蓋侖的三靈氣說(shuō)”、“物種神創(chuàng)論”等的錯(cuò)誤，使自然科學(xué)逐漸走上了獨(dú)立發(fā)展的道路.

1.2 走出“自然哲學(xué)”形態(tài) 各部科學(xué)分門別類地得到發(fā)展

古代自然科學(xué)帶有“自然哲學(xué)”形態(tài)，其基礎(chǔ)主要是直觀的經(jīng)驗(yàn).這些通過(guò)人的各種感官（眼、耳、口、鼻、皮膚等）直接感受所取得的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)不是在純化的、可控條件下取得的，因此比較表面、膚淺、模糊、不準(zhǔn)確.由于其經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的直觀性，所用概念及語(yǔ)言一般未經(jīng)分析，理論依靠猜測(cè)及思辯來(lái)編織，并受到各種宗教、神話、巫術(shù)不同程度的影響；因而，其理論體系多數(shù)顯得籠統(tǒng)、朦朧、粗糙、含混、未能從哲學(xué)形態(tài)中分離出來(lái).近代自然科學(xué)由于完成了從經(jīng)院哲學(xué)傳統(tǒng)到實(shí)證科學(xué)方法（受控實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)、邏輯體系的結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、統(tǒng)一的糾錯(cuò)機(jī)制）轉(zhuǎn)變，從而走出了“自然哲學(xué)”形態(tài)，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)，分門別類地得到發(fā)展.

1.3 數(shù)學(xué)在各門科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用

近代自然科學(xué)一個(gè)顯著特點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)的結(jié)合以及數(shù)學(xué)的廣泛應(yīng)用.馬克思曾指出：“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了真正完善的地步.”［3］近代自然科學(xué)體系則是在數(shù)學(xué)得到廣泛應(yīng)用這一歷史背景下逐漸建立起來(lái)的.

2 近代自然科學(xué)體系的構(gòu)成［4］

2.1 數(shù)學(xué)

數(shù)學(xué)是研究認(rèn)識(shí)客體（自然，社會(huì)及其事物）中數(shù)與形及其關(guān)系的科學(xué).數(shù)學(xué)對(duì)于科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)生具有重要意義.一般來(lái)說(shuō)，人們把數(shù)學(xué)分為初等數(shù)學(xué)與高等數(shù)學(xué).初等數(shù)學(xué)主要以常量作為研究對(duì)象，而高等數(shù)學(xué)則把研究對(duì)象從常量擴(kuò)充到變量.

初等數(shù)學(xué)在古代已經(jīng)建立起來(lái)了，包括算術(shù)、幾何、代數(shù)、三角.而高等數(shù)學(xué)則是現(xiàn)代才產(chǎn)生的.近代數(shù)學(xué)是從解析幾何的產(chǎn)生而開始的.解析幾何把幾何與代數(shù)結(jié)合起來(lái)，并把數(shù)學(xué)的的研究從常量推廣到變量，為數(shù)學(xué)在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用開辟了道路.解析幾何的思想，最早出現(xiàn)在笛卡兒（R.Descartes，1596～1650，圖1）的《方法論》（1673年）一書中.與笛卡兒大致同時(shí)，法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)爾瑪（P.de Fermat，1601～1665）也獨(dú)立地創(chuàng)立了解析幾何.

圖1 笛卡兒 法國(guó)科學(xué)家與哲學(xué)家

自從笛卡兒把變量引入數(shù)學(xué)后，數(shù)學(xué)開始研究變量之間的關(guān)系，這樣就引入了函數(shù)概念，而這正是當(dāng)時(shí)力學(xué)、天文學(xué)中迫切需要處理的問(wèn)題（如已知物體運(yùn)動(dòng)的距離作為時(shí)間的函數(shù)，求物體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等）.正是在這一種形勢(shì)下，微積分產(chǎn)生了.微積分是近代數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)與核心，它的出現(xiàn)是近代數(shù)學(xué)最重要的成就.牛頓（圖2）和萊布尼茲（G.Leibniz，1646～1716，圖3）是微積分的創(chuàng)始人，但他們創(chuàng)立的微積分實(shí)際上是不嚴(yán)格的，微積分理論的嚴(yán)格化是由法國(guó)數(shù)學(xué)家達(dá)蘭貝爾（J.L.R.d＇Almbert，1717～1783）及法國(guó)數(shù)學(xué)家柯西（A.L.Cauchy，1789～1857）完成的.在微積分基礎(chǔ)上，建立和發(fā)展了無(wú)窮級(jí)數(shù)、微分方程、微分幾何及變分法，這就形成了近代數(shù)學(xué)最重要的一個(gè)分支—— 數(shù)學(xué)分析.

圖2 牛頓 英國(guó)物理學(xué)家

圖3萊布尼茲 德國(guó)數(shù)學(xué)家與哲學(xué)家

除數(shù)學(xué)分析之外，近代數(shù)學(xué)中還包括概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)，線性代數(shù)、拓?fù)鋵W(xué)、數(shù)論等分支學(xué)科.

2.2 物理學(xué)

物理學(xué)是研究自然界中物理（力、熱、電磁、量子……）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué).物理學(xué)是近代自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，它對(duì)于近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用起了主導(dǎo)性的作用.近代物理學(xué)是從意大利科學(xué)家伽利略對(duì)慣性問(wèn)題的研究而開始的.伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，破除了亞里士多德關(guān)于“只有外力的持續(xù)作用才能保持自身運(yùn)動(dòng)”的錯(cuò)誤觀念，為物理學(xué)的健康發(fā)展開辟了道路.

在伽利略、開普勒（J.Kepler，1571～1630）、笛卡兒、惠更斯（C.Huggens，1629～1695）、胡克（R.Hooke，1635～1730）等人對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)研究成果的基礎(chǔ)上，牛頓進(jìn)行了偉大的綜合.1678年牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書出版，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立，成為物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ).

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，物理學(xué)開始了對(duì)熱運(yùn)動(dòng)的研究，于19世紀(jì)上半葉相繼建立了熱運(yùn)動(dòng)的宏觀理論——熱力學(xué)及熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)理論——統(tǒng)計(jì)力學(xué).

進(jìn)入19世紀(jì)，物理學(xué)研究的主攻方向轉(zhuǎn)向電磁運(yùn)動(dòng).1820年，奧斯特（H.C.Orsted，1777～1851）發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)；1831年，法拉第（M.Faraday，1791～1867，圖4）發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律；1864年，麥 克 斯 韋 （J.C.Maxwell，1831 ～1879）在前人工作基礎(chǔ)上建立了電磁場(chǎng)理論并預(yù)言（1865年）電磁波的存在并把光歸結(jié)為電磁波的一種；1888年，赫茲（H.R.Herts，1857～1894）用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波之存在，成為科學(xué)理論指導(dǎo)科學(xué)發(fā)現(xiàn)最生動(dòng)的事例.到19世紀(jì)末，物理學(xué)建立起力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)的理論體系.

圖4 法拉第 英國(guó)化學(xué)家與物理學(xué)家

2.3 化學(xué)

關(guān)于化學(xué)的定義，存在多種不同的說(shuō)法.我們認(rèn)為：化學(xué)是研究化學(xué)運(yùn)動(dòng)（原子、分子層次上物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化及引起的反應(yīng)）規(guī)律的科學(xué).

1661年，英國(guó)科學(xué)家玻意耳（R.Boyle，1627～1691）出版了《懷疑的化學(xué)家》一書，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)，批判了亞里士多德的“四元素論”與醫(yī)藥化學(xué)家的“三元素說(shuō)”，建立了自己的元素概念，從而為化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并把化學(xué)從煉金術(shù)的影響下解放出來(lái).

1777年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫（A.L.Lavoisies，1743～1794）關(guān)于燃燒的“氧化學(xué)說(shuō)”驅(qū)散了長(zhǎng)期在化學(xué)中占統(tǒng)治地位的燃素說(shuō)，為化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展掃 清 了 道 路.1808年 道 爾 頓 （J.Dalton，1766 ～1844，圖5）在《化學(xué)哲學(xué)新體系》一書中，把古代原子論與化學(xué)實(shí)驗(yàn)定律結(jié)合起來(lái)，建立了新的原子學(xué)說(shuō).由于阿伏伽德羅（A.Avogadro，1776～1856）及康尼查羅（S.Cannizzaro，1826～1910）等人的努力，澄清了道爾頓原子學(xué)說(shuō)的某些混亂，提出了分子概念，從而確立了科學(xué)的原子 －分子學(xué)說(shuō).

元素周期律的發(fā)現(xiàn)（門捷列夫，1869年，圖6）是近代化學(xué)發(fā)展的偉大成就.它為人類認(rèn)識(shí)突破原子界限，進(jìn)入微觀領(lǐng)域作了準(zhǔn)備（圖7）.19世紀(jì)后期，在化學(xué)上另一重大成就則是“化學(xué)結(jié)構(gòu)”概念的提出（布特列洛夫，1861年）.

圖5 道爾頓 英國(guó)化學(xué)家

圖6 門捷列夫 俄國(guó)化學(xué)家

圖7 門捷列夫元素周期表的原始手稿（1869年）

到19世紀(jì)末，初步形成了無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)的理論體系.

2.4 生物學(xué)

生物學(xué)是研究生命系統(tǒng)（同時(shí)具有自我更新、自我調(diào)節(jié)、自我復(fù)制特性的物質(zhì)系統(tǒng)）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué).

生命的運(yùn)動(dòng)是比物理運(yùn)動(dòng)、化學(xué)運(yùn)動(dòng)更為高級(jí)、更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng).因此，從科學(xué)的嚴(yán)格規(guī)范（數(shù)學(xué)運(yùn)用，公理化體系）來(lái)說(shuō)，生物學(xué)成熟得較晚.

近代生物學(xué)是從突破中世紀(jì)奉為權(quán)威的蓋倫學(xué)說(shuō)而開始的.其中，《人體的構(gòu)造》一書的出版（維薩留斯，1543年）與血液循環(huán)理論的創(chuàng)立（哈維，1616年）作出了重大貢獻(xiàn).

生物進(jìn)化論的建立是近代生物學(xué)的最重大成就.它是在沖破了“上帝創(chuàng)世說(shuō)”、“物種神創(chuàng)論”等錯(cuò)誤觀念，經(jīng)過(guò)幾代人共同勞動(dòng)、研究、創(chuàng)造的成果.其中，布豐（G.L.L.Buffon，1707～1788）關(guān)于生物進(jìn)化論的思想、拉馬克 （J.B.C.Lamarck，1744 ～1829）的 早 期 進(jìn) 化 學(xué)說(shuō)、賴爾 （C.Lyell，1797 ～1875）的地質(zhì)漸變學(xué)說(shuō)都起了重要作用.到了19世紀(jì)60年代，達(dá)爾文（C.R.Darwin，1809～1882）與華萊士（A.R.Wallace，1823～1913）同時(shí)創(chuàng)立生物進(jìn)化論；其標(biāo)志則是1859年《物種起源》一書的出版.

1838～1839年，施萊登（M.J.Schleiden，1804～1881）與施旺（T.Schwann，1810～1882，圖8）建立的細(xì)胞學(xué)說(shuō)是近代生物學(xué)的又一重大成就.它揭示了動(dòng)植物之間在結(jié)構(gòu)上及生命活動(dòng)的基礎(chǔ)上的統(tǒng)一性，為生物學(xué)與化學(xué)、物理學(xué)的聯(lián)結(jié)架起了一座橋梁.

圖8 施萊登與施旺 德國(guó)生物學(xué)家

奧地利生物學(xué)家孟 德 爾 （J.G.Mendel，1822～1884，圖9）通過(guò)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了遺傳現(xiàn)象中的分離定律與自由組合定律，開創(chuàng)了遺傳學(xué)的先河.

到19世紀(jì)后期，初步形成了生物形態(tài)學(xué)、生物分類學(xué)、生理學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)以及生物歷史學(xué)（生物進(jìn)化論）的生物學(xué)科體系.

圖9 孟德爾 奧地利生物學(xué)家

3 近代自然科學(xué)體系建立的意義［5］

按系統(tǒng)理論觀點(diǎn)，一種事物如果形成了體系（或系統(tǒng)）就應(yīng)具有整體性、相關(guān)性、動(dòng)態(tài)性、層次性、組織性等特性.正是這些特性，使體系（或系統(tǒng)）相對(duì)個(gè)體而言，具有許多優(yōu)勢(shì).

3.1 自然科學(xué)進(jìn)入了組織性發(fā)展階段

在自然科學(xué)尚未形成體系的時(shí)候，科學(xué)的發(fā)展分散地進(jìn)行，發(fā)展速度較為緩慢.近代自然科學(xué)體系建立以后，科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了組織性的階段.組織性的發(fā)展可以分為兩類：自組織和他組織.自組織指的是系統(tǒng)按照自身的某些規(guī)則，通過(guò)相互作用，協(xié)調(diào)地、自動(dòng)地形成有序結(jié)構(gòu).他組織指的是系統(tǒng)靠外部指令而得到發(fā)展.對(duì)于發(fā)展來(lái)說(shuō)，自組織比他組織更為基本與重要.自組織現(xiàn)象無(wú)論在自然界還是在人類社會(huì)中都普遍存在.一個(gè)系統(tǒng)自組織功能愈強(qiáng)，其保持和產(chǎn)生新功能的能力也就愈強(qiáng).

近代自然科學(xué)體系（或系統(tǒng)）的組織性發(fā)展，一方面表現(xiàn)在各子系統(tǒng)（數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)）自身的發(fā)展；另一方面表現(xiàn)在各子系統(tǒng)相互作用與促進(jìn)，如數(shù)學(xué)在各門科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，物理學(xué)的基礎(chǔ)與帶頭作用等.其方式方法為：通過(guò)眾多科學(xué)概念、理論、學(xué)科之間的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)，如相互影響、借鑒、啟發(fā)、促進(jìn)、批評(píng)、詰難、辯論、交叉、滲透、融合等，使得科學(xué)系統(tǒng)向高層次、復(fù)雜化方向進(jìn)化.

3.2 近代自然科學(xué)體系的整體性效應(yīng)使人類社會(huì)進(jìn)入科學(xué)時(shí)代

在自然科學(xué)形成體系以前，也就是自然科學(xué)整體性效應(yīng)尚未充分發(fā)揮作用的時(shí)候，科學(xué)在社會(huì)中的地位并不突出，只不過(guò)是少數(shù)人的事業(yè).隨著自然科學(xué)整體性效應(yīng)的顯現(xiàn).

特別是科學(xué)通過(guò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，科學(xué)在社會(huì)中的地位空前提高.例如，由于18～19世紀(jì)物理學(xué)的研究，特別是對(duì)電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)（皮克希，1832年）、電動(dòng)機(jī)（雅可比，1837年）、變壓器（斯坦利，1885年）、交流電機(jī)（特斯拉，1888）、發(fā)電站（愛(ài)迪生，1882年）及電力傳輸技術(shù)（德普勒，1882年）等的先后發(fā)明與廣泛應(yīng)用 ，產(chǎn)生了以電力技術(shù)（亦稱電氣技術(shù)）為主導(dǎo)技術(shù)的第二次技術(shù)革命，使人類進(jìn)入電氣化時(shí)代.

3.3 近代自然科學(xué)體系的建立使人類的認(rèn)識(shí)從神學(xué)自然觀轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械自然觀

中世紀(jì)的歐洲，基督教神學(xué)自然觀在思想界占據(jù)統(tǒng)治地位.按“圣經(jīng)”中“創(chuàng)世紀(jì)”的說(shuō)法，宇宙中的日月星辰、萬(wàn)事萬(wàn)物都是上帝創(chuàng)造的.愛(ài)爾蘭的大主教烏歇爾（Usher 1650～？）曾推算出上帝是在公元前4004年10月17日至10月22日完成“創(chuàng)世”的.由于“上帝”的“全能”，這個(gè)被“創(chuàng)造”的世界當(dāng)然是有秩序的.上帝完成“創(chuàng)世”后，世界就不再變化了.為了說(shuō)明地球上地質(zhì)及生物的某些變化現(xiàn)象，具有神學(xué)傾向的科學(xué)家居維葉（G.Cuvier，1769～1832）提出了“災(zāi)變論”.按照居維葉的觀點(diǎn)，地球上每次大的激變將消滅所有的生物.激變結(jié)束后，地球上又出現(xiàn)新的生物類型，所以在不同的地層里會(huì)出現(xiàn)不同的生物化石.

16～19世紀(jì)，近代自然科學(xué)體系主要是在牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上展開的；因而，機(jī)械的自然觀占了主導(dǎo).它把生物、化學(xué)、物理學(xué)等運(yùn)動(dòng)形式都?xì)w結(jié)為簡(jiǎn)單機(jī)械運(yùn)動(dòng)，各種物體（包括人在內(nèi)）則看成是由宇宙最后的基石——原子通過(guò)各種方式組合而成.因此，只要掌握了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，原則上就能解釋，甚至預(yù)測(cè)世界上的一切自然現(xiàn)象.這種自然觀雖然有重大缺陷，但對(duì)比神學(xué)自然觀還是一種歷史進(jìn)步.

1 錢時(shí)惕.神權(quán)統(tǒng)治下的中世紀(jì)科學(xué).物理通報(bào)，2011（5）：81

2 錢時(shí)惕.從經(jīng)院哲學(xué)傳統(tǒng)到實(shí)證科學(xué)方法的轉(zhuǎn)變.物理通報(bào)，2011（10）

3 保爾·拉法格，等著.馬集譯.回憶馬克思恩格斯.北京：人民出版社，1973.7

4 丹皮爾.科學(xué)史，北京：商務(wù)印書館，1970.29～40.50～68

5 吳今培，李學(xué)偉.系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展慨論.北京：清華大學(xué)出版社，2010.5～18