大發現：一場以科學來型塑世界的旅程

名人推薦：史蒂文．溫伯格是位出色的世界級物理學家，為我們安排了一趟精彩的旅程，帶領我們走過人類的科學成人禮。這段故事不只是循跡道出了我們對自然運作的深邃洞見，還披露了我們是如何掌握了科學洞見的真正意涵。《大發現》以清新坦率的筆調，抒情詩意的文采，欣喜頌揚我們求知的熱情動力。」
──布萊恩．葛林（Brian Greene）

「縱如諾貝爾獎章??Nobel tin上美言所述，稱頌他生動實踐了『一位真正的知識份子，也是一位出色的理論物理學家』，對溫伯格來講，這依然太過輕描淡寫。」
──理查．道金斯（Richard Dawkins）

「...

伽利略死於一六四二年，死時仍在阿切特里接受軟禁。不過類似伽利略著作的擁哥白尼體系書籍則是直到一八三五年才從天主教會禁書目錄挪除，不過在那之前許久，哥白尼天文學其實早在多數天主教國家和基督新教國家所廣泛為人採信。伽利略在二十世紀獲得教會的平反。一九七九年，教宗若望．保祿二世（Pope John Paul II）稱伽利略〈致克莉絲蒂娜信函〉已經「建立了具有一種認識論性質的重要規範，而這正是融通調合《聖經》與科學所不可或缺。隨後一個委員會經邀集來調查伽利略案，結果顯示，伽利略時期的教會錯了。教宗就此回應，「當代神學界的錯誤在於，當他們堅守地心說時，心中乃是認為，我們對物理世界結構之認識，理當依循某種方式，由《聖經》經文字面意義所強行賦予。」（十一章）
就我本人看來，這種說法十分不宜。教會當然不能無視於（如今所有人都認同的）這項認識，承認他們就地球運動的立場一直都是錯的。不過假定教會是對的，而伽利略的天文學理念錯了，則教會依然犯了錯，他們不該判伽利略監禁，也不該剝奪他的出版權力，就如同當初他們燒死布魯諾這般異端人士時也犯了錯。所幸，儘管我不知道這是否已經受教會明確認可，不過如今他們是不能指望採取這種行動了。除了某些依然處罰褻瀆或叛教的伊斯蘭國家之外，全世界已經普遍學到教訓，政府和宗教權威完全不該以刑事罰則來懲處宗教見識，無論該見識正確與否都一樣。（十一章尾）
沒有人能操控天體，所以，第十一章討論的天文學偉大成就，必然都是基於被動觀測所得結果。所幸太陽系中的行星運動比較簡單，單純得在歷經許多世紀運用愈趨精密的儀器投入觀測之後，這些運動起碼都已經能夠正確描述了。不過為求解決其他問題，這時就不能只侷限於觀察和測量，還必須投入進行實驗，並以人為操控物理現象，來測試或提出概略性理論。（十二章第一段）
就某種意義而論，人類始終在進行實驗，他們使用嘗試錯誤來找出做成事情的方法，從熔煉礦石到烘焙糕餅等都不例外。本章論題是實驗的開端，我只專注討論用來發現或測試大自然相關通論的實驗。（十二章）
從這個角度來考量，我們不可能精確指明實驗方法的起始時間。阿基米德說不定曾經以實驗方法來測試他的流體靜力學理論，不過他的《論浮體》專著完全以數學的純演繹風格來論述，絲毫看不出用上了實驗的跡象。希羅和托勒密做實驗來測試他們的反射和折射理論，不過他們樹立的楷模，直到好幾個世紀之後才有人仿效。（十二章）
自然哲學家不再寄望自然會主動向漫不經心的觀測者揭示它的原理。他們改弦更張，把大自然當成一個狡猾的對手，唯有發揮巧思，建構人為環境，費盡心思，才能揭穿她的祕密。（十二章最後一段）
科學發現只能直接產生自對自然界不偏不倚的審慎觀測，而非從第一原理推導得出。他還就一切沒有直接實用價值的研究提出批判。（十三章頭）
求進步得仰賴種種或能歸結出普適原理的觀測或實驗，還必須從這些原理推導出能以新的觀測或實驗來予測試的學理。尋求具有實用價值的知識，利於修正不受控制的猜想，不過無論是否能發展出有用的事物，解釋世界本身就有其價值。在十七和十八世紀的科學家心目中，培根是能夠拿來和柏拉圖與亞里斯多德抗衡的人物，有點像是美國政治家動輒搬出傑弗遜（Jefferson），即便他本人絲毫未曾受到傑弗遜言談舉止之影響。我不清楚有哪個人的科學研究，果真受了培根著作的影響而變得更好。伽利略不須要培根來告訴他怎樣做實驗，我想波以耳或牛頓也都一樣。伽利略之前一個世紀，另一位佛羅倫斯人，李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）也做了落體、流體和其他多類不同實驗。我們之所以知道這些研究，完全歸功於他死後才編纂出版的兩部分別談繪畫和流體運動的相關專論，還有此後不時發現的達文西筆記，不過即便達文西的實驗對科學進展毫無影響，起碼那些著作仍能證明，早在培根之前，實驗已經隨處可見。（十三章中）
惠更斯年輕時曾自詡為笛卡兒的追隨者，不過到後來他就漸漸明白，科學原理只是假設，必須拿原理之推論和觀測所得結果進行對照檢定。（十三章倒數第四段）
笛卡兒和培根不過是好幾個世紀以來，投身嘗試為科學研究制定規則的哲學家當中的兩個。結果始終不曾奏效。我們學會怎樣做科學並不是靠制定如何做科學的規則，而是憑藉親身體驗做科學研究，接著當我們的做法成功解釋某些現象，心中便湧現歡欣喜樂，這種成就欲求，便是科學研究的驅動力量。（十三章最後ㄧ段）
遇上這種狀況，如同牛頓的潮汐理論所面臨的處境，正確態度就是要有耐性。物理學理論的驗證就看它們能不能提供足夠簡單，也因此充分可靠的做法，來計算出夠多的事項，即便我們沒辦法如我們所願，計算出所有事項也無妨。（十四章）
牛頓帶給未來一種模型，顯示物理學理論可以是什麼樣子：一組可以精確支配繁多不同現象的簡單數學原理。（十四章中）
就此歐陸自然哲學家則緊守一種古老科學典範，這可以追溯至希臘時期，主張科學理論最終都只該建立在推理基礎之上。我們已經懂得放棄這種堅持。儘管我們在電子和光學方面非常成功的理論，都能從現代基本粒子標準模型推導得出，而且這個模型最終（我們期望）還有可能從更深入的理論推導得出，然而不論我們推導得多深入，我們仍永遠不可能得出以純推理為本的基礎。就像我一樣，如今多數物理學家也遵從一項事實，我們總要質疑，為什麼我們最深入的理論，並沒有呈現不同風貌。（十四章中）
這並不是由於牛頓的理論，滿足了某種預先存在的科學理論判別準則。實際上並沒有。他的理論沒有就目的論相關問題提出解答，而這正是亞里斯多德物理學的核心議題。不過它提出了普適原理，讓先前看似神祕的眾多謎團，得以成功計算求得。牛頓理論就是以這種方式，帶來一種不可抗拒的模型，顯示物理學理論應該、可以是什麼模樣。（十四章）
笛卡兒的追隨者和萊布尼茲對牛頓理論的排斥，點出了科學實踐的一項道德寓意：逕自排斥一項像牛頓理論這樣漂亮解釋了眾多觀測結果的理論永遠不會是安全之舉。成功理論之所以生效，原因有可能連理論創建人都不明白，而且最後也總是發現，它們只是更成功理論的近似理論，不過它們也永遠不會是完全錯誤的。
牛頓的理論可以視為愛因斯坦理論的一種近似理論，而且就以速率遠低於光速的物體而言，牛頓理論的有效性還逐步提增。愛因斯坦的理論不僅沒有否定牛頓理論；相對論解釋了當牛頓的理論靈光時它為什麼靈光。廣義相對論本身無疑也是某種更令人滿意的理論的近似理論。（十四章）
別相信它。廣義相對論和牛頓的運動與重力理論在風格上都非常相似：它的基礎是一些能以數學方程式表述的普適原則，接著就能依循這些原則，以數學方法來為五花八門的不同現象推導出其必然後果，接著就可以拿推導結果來與觀測結果比對，從而得以驗證理論。愛因斯坦和牛頓的理論之間的差異，遠低於牛頓的理論和先前一切理論之間的差異。（十四章）
現代科學是超脫人情的，沒有可供超自然介入的餘地，也沒有（除行為科學之外的）人類價值觀容身之處；科學沒有目的意識；也沒有出現確定性的指望。那麼我們是怎麼發展出現況的？（十四章）
所以對我們來講，世界就像一台教學機，在靈光乍現之時增進我們的好點子。許多世紀下來，我們學會了如何辨識哪種認識有可能成立，還有如何找到它們。我們學會了不必為目的煩惱，因為這種煩惱永遠不能為我們帶來我們尋求的那種喜悅。我們學會了放棄尋求確定性，因為讓我們開心的解釋從來不是明確定論。我們學會了做實驗，並且不為人為的或刻意的安排感到憂心。我們養成一種審美意識，提示我們哪些理論可以見效，接著當理論見效時，我們的喜悅也會因此加深。我們的認識累增。這一切都不是事前規劃的，而且是無可預知的，不過從這裡我們得到了可靠的知識，享有伴隨而來的歡欣。（十四章最後一段）
無論如何，我們在這條道路上已經走了很遠的路，而且還沒有走到盡頭。這是一段壯闊的故事──研究天和研究地的物理學如何由牛頓統一，電和磁的統一理論如何發展成形，最後還有辦法解釋光，電磁量子理論如何拓展納入了弱核力和強核力，還有化學乃至於生物學如何被納入一種以物理學為本的局部統一自然觀。我們發現的形形色色科學原理，向來都是朝著還原為更基本物理學理論方向發展，過去這樣，現在也如此。（正文最後一頁）

伽利略死於一六四二年，死時仍在阿切特里接受軟禁。不過類似伽利略著作的擁哥白尼體系書籍則是直到一八三五年才從天主教會禁書目錄挪除，不過在那之前許久，哥白尼天文學其實早在多數天主教國家和基督新教國家所廣泛為人採信。伽利略在二十世紀獲得教會的平反。一九七九年，教宗若望．保祿二世（Pope John Paul II）稱伽利略〈致克莉絲蒂娜信函〉已經「建立了具有一種認識論性質的重要規範，而這正是融通調合《聖經》與科學所不可或缺。隨後一個委員會經邀集來調查伽利略案，結果顯示，伽利略時期的教會錯了。教宗就此回應，「當代神學界的...

我是個物理學家，不是歷史學家，不過我多年來對科學史越來越感著迷。這是一段了不起的故事，也可以說是人類歷史上最有意思的故事之一。而且對於像我這樣的科學家來講，這段故事也和我們息息相關。就一方面，當今的科學研究可以從對過去的認識中獲得助益與啟發；同時，對某些學者而言，瞭解科學史更有助於激勵當前的工作。畢竟，我們希望自己的研究成果，即使再微不足道，最終都能成為自然科學宏大歷史傳統中的一部分。
我自己過去的寫作曾經觸及科學史，但其中大部分是約略從十九世紀至今關於物理學與天文學的近代發展史；然而，縱然我們在這個時代裡已經研習了不少新事物，物理學的研究目標和準則並不曾發生太多實質的改變。舉例來說，如果十九世紀的物理學家透過某種方式，學到了今天宇宙學和基本粒子物理學的標準模型（Standard Models），他們會發現許多內容都令人驚異；但是，那種尋求以數學建構客觀原理，藉實驗來驗證其有效性，並以此來解釋各種自然現象的基本研究精神，他們應該會感到十分熟悉。
若干年前，我決定自己應該更深入研讀早期科學史，進一步了解當初研究目標和準則仍未形成的那段時期。身在學界，當我想研習某項主題，很自然地我就自告奮勇開授該主題的課程。過去十年，我在德州大學的某些學期裡，針對不具科學、數學或歷史等專門背景的一般學生，開授了物理學與天文學史的大學部課程。本書就是從那些課程的講義發展而來。
而隨著本書的寫作進展，我也許能提出一些比單純的敘事更深層的內容，也就是一位現代科學工作者對過往科學的觀點。藉此機會，我解釋了個人對物理學的本質，還有我對物理學與宗教、科技、哲學、數學和美學間千絲萬縷綿長關係的看法。
在人類有歷史記載之前，科學就以某種形式存在了。大自然無時無刻不在向我們展現各式各樣令人費解的現象：火、雷雨、瘟疫、行星運動、光、潮汐……等等。人類對世界的觀察衍生出了有用的一般性概念：火是熱的，打雷通常表示要下雨了，每逢月亮盈虧之時潮汐就會高漲……等等，這些認識成了人類常識的一部分。然而，偶爾人們不僅只希望蒐羅事實：他們還想要解釋世界的運作。
這不是件容易的工作。非但因為前人並不知道我們現今對世界的理解，更重要的是，他們沒有像我們所具備的概念，不清楚世界到底有哪些事物該認識、還有該怎麼去研究。在我為課程準備教案的過程當中，過去許多世紀以來的科學研究與現代科學間的巨大差異，每每讓我印象深刻。誠如哈特利（L. P. Hartley）的一本小說中常被引述的一段話所言，「過去就像異國，那裡的人們做事方式不同。」我希望本書不僅能向讀者提供一套嚴謹科學史上發生了哪些事情的概念，而且能讓讀者領會那一切來得有多艱難。
因此，本書不僅止於探討我們是如何學到世界上諸多事物，畢竟，這點是科學史自然而然會關注的重點。我寫作本書的焦點有些不同，我的著眼是探究我們該如何學習去瞭解這世界。
我不是不明白本書書名中的「解釋」（explain）一詞會讓科學哲學家心生何等質疑。他們早已指出，要在「解釋」和「描述」（description）之間劃立精準界線是多麼困難（這點到第八章我會著墨討論）。但這是一本關於科學史而非科學哲學的著作。我所謂的「解釋」意指一種無可否認地不那麼精確的行為，就像在日常生活中我們嘗試去解釋為何某匹馬贏了某場比賽，或是解釋某架飛機為何墜毀。
書名副標中的「發現」（discovery）一詞也是有點爭議的。我曾思考過是否要用「現代科學的發明」（The Invention of Modern Science）做為副標。畢竟，若沒有人類的實作，科學幾乎不可能存在。我最後之所以選擇「發現」而非「發明」，就是想暗示，現代科學之所以有此型態，並非大部分是源自於各種歷史上人為的發明創新，而是因為自然界本身樣貌就是如此。儘管有種種瑕疵，現代科學仍是一門經過細密調校，能與自然一致匹配的有效技術──它是一套能讓我們學習關於世界可靠知識的操作模式。就這層意義，現代科學可說是一門等著人類去發現的技術。
因此，我們可以用歷史學家討論人類發現農業的模式，來談科學的發現歷程。即使充滿多樣性與不完美，現代農業之所以展現如此樣貌，正是因為它的實作方式針對生物學的現實做了充分的調整，這才使農業變得有效──農業讓我們能種植作物。
我還想使用這個副標來拉開自己和少數現存的社會建構主義者（social constructivist）之間的差距。那些人我指的是企圖將科學的進程甚至成果，全都解釋成特定文化環境產物的社會學家、歷史學家和哲學家。
就科學學門方面，本書將把重點放在物理學和天文學上。科學一開始是在物理學這個領域，尤其是在天文學的應用上，形成了現代的樣貌。誠然，對於某些學門，例如其理論高度依賴重大歷史事件的生物學來說，要以物理學的發展為藍本，的確會有程度上的限制。然而，一般認為十九和二十世紀期間的生物學與化學發展，的確遵循了十七世紀時期物理學革命的模式。
如今科學已經走向國際化，說不定還是人類文明中國際化程度最深的層面，不過現代科學的發現歷程，則發生在定義鬆散的「西方世界」（the West）。在科學革命時期，現代科學從在歐洲完成的研究中習得了科學方法，科學革命的歐洲研究又自中世紀時歐洲和阿拉伯國家的研究工作演化而來，而這些進展追根究底都源出希臘時代的早期科學。雖然在過去，西方世界曾經從各地習得了許多科學知識，諸如來自埃及文明的幾何學、巴比倫文明的天文觀測資料、巴比倫和印度文明的算術技巧還有中國的羅盤……等等，然據我所知，西方世界不曾從外部引進現代科學的研究方法。因此，本書的討論將以史學家奧斯瓦爾德．史賓格勒（Oswald Spengler）與阿諾德．湯恩比（Arnold Toynbee）所反對的方式開展，僅著重於對西方世界（包括中世紀伊斯蘭文明）的描述；我將鮮少提及西方世界以外的科學史，而對於哥倫布發現新大陸之前的美洲文明那些有趣但完全孤立的科學進展，我則會完全略過不談。
在講述這段故事的過程當中，我將逼近當代歷史學家極力避免的危險地帶，亦即用現代的標準去評判過往。這會是一本甘冒大不諱的歷史書籍；我並不排斥從現代觀點來批判過去的研究方法和理論。甚至我還揪出了科學偉人犯了錯，卻從沒有歷史學家提及，這樣做總讓我感受到些許樂趣。
歷史學家曾經殫精竭慮，研究以往偉人成就，多少會誇大他們心目中英雄的功績。我發現這種現象在描述柏拉圖（Plato）、亞里斯多德（Aristotle）、阿維森納（Avicenna，本名伊本‧西那）、格羅斯泰斯特（Grosseteste）與笛卡兒（Descartes）的著作中尤為常見。然而，我寫作本書的目的，並不是要指責某些過去的自然哲學家愚蠢；相反的，我想藉由展現這些絕頂聰明的偉人們和我們當前的科學概念相隔是多麼遙遠，來顯示現代科學的發現歷程是多麼地艱難，它的實踐和準則又是多麼地絕非不證自明。這點也可以當作一項警訊，提醒我們，科學也許尚未進展到最終的型態。在本書中的某些段落我會提示讀者，即使科學方法取得如此重大的進展，今天的我們也可能重蹈某些過往的錯誤。
有些科學史學者堅守陳舊的研究方式，極力避免在探討過去的科學時提及現今的科學知識。相對的，我則把用現代知識去釐清過往科學當成本書的重點。舉個實例，希臘化時代（Hellenistic Period）的天文學家阿波羅尼奧斯（Apollonius）與喜帕洽斯（Hipparchus）曾提出行星運動的學說：行星是一邊依循本輪（epicycle）運轉、同時也順著均輪（deferent）軌道繞著地球運行。在現代，如果要嘗試僅藉著他們當時所擁有的數據資料，去理解他們究竟如何發展出該學說，會是項有趣的智力練習，但這實際上並不可行，因為他們使用的數據大多已經遺失了。然而，我們明確地知道，在古代，如同今時今日，地球和各行星均循著近似圓形的軌道繞太陽運行；而以此認識為本，我們即可理解，古代天文學家所能獲得的數據，是如何有可能讓他們發展出本輪、均輪說。無論如何，當今怎麼可能有人在研讀古代天文學時，忘了太陽系中到底是誰繞著誰轉這類的現代知識？
針對想更深入了解過往科學家的研究成果是如何與自然界實存現象達成一致的讀者，本書在主文之後準備了技術性較高的「技術劄記」。若讀者不閱讀這些劄記，也可以跟得上主文的進度；但某些感興趣的讀者可以藉技術劄記獲悉一些物理學和天文學的技術細節，像我自己在準備這些內容時就有這樣的收穫。
當前的科學已經不是剛開始的樣子了。科學的成果是中立客觀的。靈感和美學判準雖在科學理論的發展中扮演重要角色，但若要確認這些理論的有效性，最終仍須仰賴公正的實驗，來測試其預測是否準確。數學雖被應用於物理學理論的建構及其衍生結果的計算上，科學卻非數學的分支，而且科學理論無法由純粹的數學推論演繹得來。科學與科技相輔相成，但回到最基礎的層面上，科學研究的進行並不是為實用性的理由服務。科學對上帝或來世的存在與否不做任何說明，它的目標在於尋求對自然現象的純自然主義解釋方法。最後，科學是累積的成果；每項新理論均以近似的方式納入更早的成功理論，甚至可以解釋當這些理論近似有效時，其有效的原因何在。
前述關於科學的種種特質，對古代或中世紀的科學家來說，全都隱晦不明，而這些特質全是人類在十六、十七世紀的科學革命中歷盡艱難才得知的。打從最早開端，科學完全不是以現代科學的相貌作為它的發展目標。那麼，我們究竟是如何走到科學革命那一步，還更往前進到我們當前所處的境地？這是我們在探索現代科學的發現歷程時，必須試圖去瞭解的。

我是個物理學家，不是歷史學家，不過我多年來對科學史越來越感著迷。這是一段了不起的故事，也可以說是人類歷史上最有意思的故事之一。而且對於像我這樣的科學家來講，這段故事也和我們息息相關。就一方面，當今的科學研究可以從對過去的認識中獲得助益與啟發；同時，對某些學者而言，瞭解科學史更有助於激勵當前的工作。畢竟，我們希望自己的研究成果，即使再微不足道，最終都能成為自然科學宏大歷史傳統中的一部分。
我自己過去的寫作曾經觸及科學史，但其中大部分是約略從十九世紀至今關於物理學與天文學的近代發展史；然而，縱然我們...

作者序
第一部 希臘物理學
一、物質與詩詞
二、音樂與數學
三、運動與哲學
四、希臘化時代物理學與科技
五、古代科學與宗教
第二部 希臘天文學
六、天文學的用途
七、量測太陽、月球與地球
八、行星問題
第三部 中世紀
九，阿拉伯人
十，中世紀的歐洲
第四部 科學革命
十一，破解太陽系
十二，動手做實驗
十三，重新檢討研究方法
十四，牛頓集大成
十五，結語：萬法歸宗
致謝詞
技術劄記
參考書目
索引

作者序
第一部 希臘物理學
一、物質與詩詞
二、音樂與數學
三、運動與哲學
四、希臘化時代物理學與科技
五、古代科學與宗教
第二部 希臘天文學
六、天文學的用途
七、量測太陽、月球與地球
八、行星問題
第三部 中世紀
九，阿拉伯人
十，中世紀的歐洲
第四部 科學革命
十一，破解太陽系
十二，動手做實驗
十三，重新檢討研究方法
十四，牛頓集大成
十五，結語：萬法歸宗
致謝詞
技術劄記
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