3　天文學打頭陣

中世紀的理性思想之萌芽，如何轉變成了如此發達進步的現代科學，其間經過了好幾次科學思想的突破，也就是後人所稱的「科學革命」。據說每次臨近科學革命時期，人們一般會陷入極度的不安全感中，學者們不斷地爭辯科學中的基本概念的定義等。

第一次科學革命是物理學方面的，起始於16世紀哥白尼的「日心說」，史稱「哥白尼革命」；化學、生物和醫學的革命則稍晚一些，開始於18、19世紀。

人類生活在地球上，對周圍的環境十分熟悉，對天上的事情應該知之甚少。但奇怪的是，科學的第一場思想變革卻是發生在天文學，即對天體行星運動規律的認知上，實際上，也就是對整個宇宙的認知，因為那時候人們眼中的整個宇宙幾乎就只有太陽系。

尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）是波蘭人，人生中的70年主要在波蘭和義大利度過。哥白尼以日心說而留名後世，但他當時的職業既不關於天文也不關於物理，而是一名神父和醫生。哥白尼10歲喪父，不過，之後他由富裕的舅舅養大，受到良好的教育。哥白尼就讀的是中世紀大學，哥白尼也曾在波蘭的克拉科夫市亞捷隆大學和義大利的帕多瓦大學接受教育，學習了數學、天文學、法律、醫學等。之後，天文學成為他畢生的興趣和追求。

1506年哥白尼回到波蘭，擔任他舅舅的醫生和祕書。哥白尼在波蘭波羅的海旁邊的弗倫斯堡（Flensburg）還得到一個教士的位置，使其在工作之餘有足夠的時間研究天文學。他建了一個小天文臺供自己觀測研究使用，後來被稱為「哥白尼塔」。但是從可考察到的記載來看，哥白尼很少進行天文觀測，他的日心說體系，主要是以對前人的觀測結果進行思考和計算而建立的。

在回到弗倫斯堡後不久，哥白尼就有了日心說的構思。他寫了一篇匿名短文，後來被人稱為《短論》（Commentariolus），表述了他的基本想法：地球並非宇宙的中心，太陽才是中心，除月球以外的所有天體都繞太陽旋轉，只有月球是繞地球旋轉，因而，地心僅是月球運動的中心以及地面上物體下落的中心。哥白尼還了解到，人們所看到的太陽及星體每天看起來的「升落」運動，實際上是因為地球自轉的原因產生的視覺效果。但這篇文章直到哥白尼死後才被發表，影響遠不如他的另一著作《天體運行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）。

哥白尼將他的日心說思想，在腦袋裡存放了十幾年，直到去世的那一年——1543年，他才將《天體運行論》付印出版。據說在哥白尼彌留之際，這部書被送到他的病榻前。大師用雙手在書脊上摩挲了一會兒，臉上泛起一絲滿足的微笑，1小時之後，便安然離世而去。如今我們很難考證，哥白尼生前遲遲沒有出版自己的著作，是擔心些什麼呢？是害怕被教會當作異端邪說而被禁止或迫害，還是擔心天文學同行的反對，抑或是自己對日心說理論還心存質疑，需要反覆求證？

如今回頭看歷史，天主教會是在《天體運行論》出版70多年之後的1616年，才發出了對該書的禁令。對天文學家而言，也許哥白尼的理論在當時太過前衛，《天體運行論》發表60年之後，整個歐洲大陸總共約有15位天文學家支持哥白尼，其中包括布魯諾、伽利略、克卜勒等。

從現代物理的觀點看，「日心說」只不過是將觀測的座標系從地球移到了太陽而已。因為無論是體積或質量，太陽都要比地球及其他行星大得多，所以，一幅太陽靜止、地球和行星繞著轉的圖像，顯然要比反過來的圖像自然多了。例如，你帶孩子去遊樂園坐旋轉木馬，好多木頭動物圍著中心轉，速率還各不一樣。那麼這時候，地心說就好比是你坐在某個轉動的木馬上來觀察世界，而日心說則是你站在靜止不動的中心地帶來觀察世界，前者會使你眼花撩亂、頭腦昏昏，看不清楚誰動誰不動。而在後一種情況下，你才容易找出所有木頭動物都在作圓周運動的規律。

因此，哥白尼體系就是靠著將觀測平臺移動了一下，而巧妙地避免了托勒密體系中一切多餘或不和諧的因素。哥白尼引進地球一邊自轉一邊繞太陽公轉的圖像，使得托勒密體系中的許多不自然之處，如某些行星「逆行」之類的怪事立刻能夠解釋。

那為什麼日心說當年沒有得到廣泛的支持呢？其原因也並不完全是人們屈服於宗教觀念或教會壓力。在《天體運行論》出版後的數十年間，大多數科學家拒絕接受這一理論，也不僅僅是出於保守頑固不願接受新事物的偏見。

事實上，哥白尼最初的理論並不完善。哥白尼的日心說，從哲學思想和美學觀念來看很不錯：圖像清晰直觀、道理簡潔明了。但是，就解釋天體的運動以符合觀測資料而言，卻並非完美。

如果所有天體的運行都是完美的等速圓周運動，那托勒密的地心模型與哥白尼日心模型完全等價，只是參照系不同而已。為了處理實際運動與等速圓周運動的偏離，托勒密引入了偏心均輪及等徑點等方法，哥白尼則採用了更多的本輪，有時候和托勒密系統一樣複雜。

哥白尼理論中絕大部分數據，仍然是取自托勒密的《天文學大成》，並沒有透過自己的觀測得到任何新的觀測數據。因此，科學家們很難因為哥白尼體系在「審美標準」方面的優勢而放棄他們使用了1,000多年的托勒密體系，何況哥白尼體系仍然有許多解釋不通之處。

哥白尼去世之後的17世紀，科學家對天體運動的描述有3種模型：托勒密的「地心說」、哥白尼的「日心說」、第谷的「地緣日心說」。

第谷·布拉赫（Tycho Brahe）是丹麥天文學家，並不是哥白尼的支持者，但他對日心說的完善有舉足輕重的地位。

第谷出身於貴族家庭，在哥本哈根大學學習，14歲時被一次日食觀察深深感動，激勵他對天文學投入極大熱情。他發現托勒密地心說理論描述的行星運動數據有很大的誤差，但對哥白尼的日心說也不滿意。1577年，第谷透過觀測丹麥上空一顆巨大的彗星，認為彗星的軌道不可能是完美圓周形，必然是被拉得長長的。這是對亞里斯多德的天空完美無缺論的沉重打擊。1583年第谷出版了《論彗星》一書，提出一種介於地心說與日心說之間的理論，被稱為第谷行星模型或地緣日心說。第谷認為，地球作為靜止的中心，太陽圍繞地球作圓周運動，而除地球之外的其他行星則圍繞太陽作圓周運動。

第谷的宇宙模型企圖將托勒密體系和哥白尼體系結合到一起，認為太陽、月亮和恆星就像地心說描述的那樣圍繞靜止地球旋轉，而行星就像日心說描述的那樣圍繞太陽旋轉。

第谷對科學革命最大的貢獻，並非他的行星系統，而是他對星體進行詳細而準確的觀測。這些觀測資料為他最著名的助手、德國天文學家約翰尼斯·克卜勒（Johannes Kepler）後來的研究提供了大量最基本的觀測數據。要知道，那還是用肉眼觀察天體的時代，第谷得到這些寶貴數據是相當不容易的。

第谷重視觀測實踐，決定要建立更多更大的天文觀測儀器，做出更為準確的測量。1572年，第谷在某天文臺觀測到仙后座的超新星爆發，更促使他將畢生的精力用於研究天文學。同時，第谷也從事占星術、醫學和煉金術等。1576年，第谷在丹麥國王的支持下終於如願以償，在丹麥的文島上建立了他的第一座天文臺。雖然那時沒有望遠鏡，但仍然需要製造一些供天文觀測用的儀器。例如，當年第谷在文島（Hven）上用來對天體進行精確定位的儀器，定位誤差只有1/15°。

克卜勒比第谷要晚出生25年，儘管有一些通信往來，但實際上克卜勒真正作為第谷的助手，只是在第谷逝世前很短一段時間。克卜勒從求學時代開始就是哥白尼學說的捍衛者，但因童年患過天花而使他視力衰弱，雙手殘廢，限制了他天文觀察的能力。不過，克卜勒突出的數學天賦最終成就了他。

克卜勒曾經多次嘗試說服第谷接受日心說但均未成功，第谷堅信他自己的模型，甚至在臨死前還希望克卜勒在繼續完成魯道夫星表時，要採用他的行星系統，不要用哥白尼的。

從1600年1月，克卜勒啟程到布拉格見第谷，直到1601年10月，第谷在布拉格出席宴會後突然患腎臟病並於11天後去世，總共還不到兩年。也正因為第谷出人意料的突然逝世，克卜勒立刻被委任為第谷的繼任者，完成第谷未完成的工作。作為神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世的占星學方面的顧問和皇家數學家，克卜勒可以擁有和使用原來第谷獲得的整體資料——所有的行星觀測數據，克卜勒如獲至寶，因此，接下去的11年是克卜勒一生中最為多產的時間。大約在1605年，克卜勒就意識到行星運動的軌跡不是圓而是橢圓，太陽位於橢圓的一個焦點上，從而進一步對哥白尼系統進行改造，發現了之後被稱為「克卜勒定律」的行星三大定律，說明了行星圍繞太陽旋轉的理論。但因為克卜勒使用的是第谷的觀察數據，繼承人能否有權將其公開發表讓別人使用呢？因這些問題而產生的法律糾紛，使得三大定律延遲到1609年（第一、二定律）和1618年（第三定律）才分別得以發表。這三大定律使克卜勒成為17世紀科學革命的關鍵人物，並對後來的艾薩克·牛頓影響極大，啟發牛頓發現萬有引力定律。

根據克卜勒定律，行星軌道是橢圓。將這點因素加進哥白尼體系的計算中，才使得日心說在實用效果上澈底戰勝了地心說。

支持哥白尼理論的另一個重要人物是義大利物理學家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）認為，伽利略對現代科學誕生的貢獻「比其他人都多」，愛因斯坦則稱伽利略為「現代科學之父」。

克卜勒於59歲時就去世了，留下他自創的墓誌銘：「我曾測天高，今欲量地深。」、「靈魂來自天際，肉體長眠大地。」

伽利略活到78歲，與克卜勒是同時代的人物。

1597年，克卜勒寄給伽利略他的著作《宇宙的奧祕》（Mysterium Cosmographicum），伽利略收到後寫信給克卜勒，說自己也信奉哥白尼學說，但暫時不想公開。克卜勒回信呼籲伽利略支持哥白尼：「伽利略啊，站出來！」伽利略不是呆瓜，他在等待合適的時機才「站出來」。

哥白尼和克卜勒的理論，需要更多天文觀測事實的證實。第谷是最優秀的使用肉眼的天文觀測家，可惜在55歲時就逝世了。不過這時，技術的發展幫了科學的大忙：荷蘭人發明了望遠鏡，一名眼鏡製造商漢斯·李普西（Hans Lipps）在1608年提交了望遠鏡的專利。次年，伽利略一聽到這個消息，立刻想到了可以將此技術用於天文觀測，並在一個月內將望遠鏡加以改良，做出了能放大8～9倍的望遠鏡，用來觀測天體。幾個月之後，伽利略又將望遠鏡進一步改良到能放大20倍之多，同時也為自己帶來了一份額外的收入和終身教授的職位。

當克卜勒忙於處理第谷的數據遨遊於行星運動的數學世界之時，伽利略正對著天空興致勃勃地擺玩他的望遠鏡。伽利略將他的寶物對準月亮，首次發現了月面的凹凸不平；對準銀河，發現它原來是由數目眾多的恆星組成；對準行星，看見它們都是如同月亮一樣的圓球，而恆星呢，看不出形狀，只是一些閃爍的光點。伽利略用望遠鏡仔細觀測各個天體，對金星和木星的衛星進行了準確的觀測，確認了金星的盈虧，發現了木星最大的4個衛星，即如今以他姓名命名的伽利略衛星。此外，伽利略還創造了一種研究太陽表面的巧妙方法：他將用望遠鏡觀測到的太陽圖像投影到螢幕上來仔細分析，並用此方法發現了太陽黑子。

伽利略的望遠鏡使人類探索天空的眼界大開。他親自用觀測結果證明了地球和其他行星都在繞著太陽轉，地球不是宇宙的中心。例如，他發現木星有4個衛星，仔細觀測這些衛星的運動發現它們是繞著木星轉，而不是像地心說宣稱的「所有天體都必須圍繞地球轉」。伽利略在1610年3月出版的《星際信使》（Sidereus Nuncius）一書中對此進行了詳細的介紹。

克卜勒得到伽利略的《星際信使》後，也寄給他自己的嘔心之作《新天文學》（Astronomia nova）。也許因為當時的伽利略太熱衷於他的天文觀測了，克卜勒寄了書後，卻沒有得到伽利略的任何資訊反饋，這令克卜勒十分失望，因為書中包括了克卜勒提出的有關行星運動之物理定律的內容。不過實際上，克卜勒定律在剛發表時，不僅僅是被伽利略忽略，也並沒有立即得到其他學者的認可。那時的學術界或教會，多認為天文學與占星術有關，反對天文學家研究天體運動的物理規律。因此有科學史學者認為，克卜勒是第一個天體物理學家，也是最後一個科學占星家。

但伽利略是很重視研究物理規律的，這大概也是使克卜勒失望的原因。當時的伽利略已經是如日中天的名人，他將他發現的木星的4顆衛星以科西莫大公家族的麥地奇（Medici）四兄弟命名（被後來的天文學家改名為伽利略衛星），以致敬他未來的贊助人。

伽利略的一系列努力是成功的，他得到科西莫大公提供的一份工作，從帕多瓦回到了教會勢力強大的佛羅倫斯。可能是因為有了聲望和浮名，伽利略有些忘乎所以，他不僅開始公開宣稱自己支持日心說，還兩次去羅馬，向人們宣揚日心說是真理，宣稱它與基督教的經文並不衝突。

也許僅僅信奉哥白尼學說還不算觸犯權威，把日心說當作占星的工具也不錯啊，只要能準確地預測就行。但是，如果如伽利略那樣鼓吹它是「真理」就非同小可了。因此，不久後伽利略就受到了教會的指控，被斥為異端，面臨教會的審判。壓力之下的伽利略只好表面承認自己的「過錯」，最後他遭遇了終身監禁。

3　天文學打頭陣

中世紀的理性思想之萌芽，如何轉變成了如此發達進步的現代科學，其間經過了好幾次科學思想的突破，也就是後人所稱的「科學革命」。據說每次臨近科學革命時期，人們一般會陷入極度的不安全感中，學者們不斷地爭辯科學中的基本概念的定義等。

第一次科學革命是物理學方面的，起始於16世紀哥白尼的「日心說」，史稱「哥白尼革命」；化學、生物和醫學的革命則稍晚一些，開始於18、19世紀。

人類生活在地球上，對周圍的環境十分熟悉，對天上的事情應該知之甚少。但奇怪的是，科學的第一場思想變革卻是發生在天文學，即對天體...

前言　科學之科學——百年千年賽先生

賽先生即科學（science），科學這個名詞，在現在的社會是一個廣為人知的熱門詞彙。越來越多的學科和領域被冠以「科學」，甚至包括許多人文學科在內。不過，就當年請進中國的「賽先生」而言，主要指的是現代自然科學。所以，本書中我們沿用這個概念：主要從現代自然科學來敘述科學的起源、誕生和發展，來探討「科學」一詞的含義，以及所謂科學的若干屬性。

然而，書中涉及的內容，並不僅限於現代自然科學。特別是：科學之思想、精神及方法，是可以推廣應用於任何領域的。筆者的觀點是，就學科而言，不應該給科學和非科學強制設定任何明確的界限。與其花費口舌去爭論「哪門學科（某個理論）是否屬於科學」，還不如盡量使其接受科學思想，應用科學方法，走上「科學化」之路！

那麼，下面的問題是：（現代）科學到底是什麼？怎樣才是具備真正的科學精神？科學思想是如何產生的？在人類文明發展的歷史長河中，科學誕生於何時何地？是哪些因素促成了科學的發生和成長？科學與數學是什麼關係？科學與技術、科學與教育的關係又如何？

本書旨在解答你對「科學」的這些疑惑，或許可以將本書的內容稱為「科學之科學」。

科學的原名是science，賽先生這個詞彙誕生僅100年，現代自然科學的發源卻是在近千年前。而科學思想的萌芽、科學方法的使用，甚至可以追溯至兩千多年前的古希臘。因此也可以說，本書敘述的是「百年千年賽先生」。

另外，科學產生和發展的歷史過程也令人不解。亞洲許多文明歷史悠久、源遠流長，人們頗能吃苦耐勞，在歷史上似乎也不乏著名的思想家和能工巧匠，但為什麼現代科學沒有誕生於東方而是誕生於西方呢？

這個問題在二十世紀初就被學者提出，之後成為著名的「李約瑟難題」，曾經引起各界的關注和熱烈討論，可謂至今不衰。李約瑟（Joseph Needham）是一個英國學者，原來是劍橋大學的著名生化學家和教授，在1930年代時與一位在劍橋大學讀博士學位的魯桂珍發生了婚外情，也許是因為愛屋及烏，李約瑟從那時起就開始潛心研究中國科技史，他認為中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，甚至認為古中國的科技水準超前西方數百年。由此他提出了「為什麼科學和工業革命沒有在近代的中國發生？」「中國近代科學為什麼落後？」之類的「李約瑟難題」。

筆者認為他提出的問題很值得探究和思考。此外，在談及人類思想發展的問題上，必須將科學和技術分別看待，因為兩者產生和發展的驅動力是完全不同的。技術可以誕生於人的功利之心，科學卻更反映了人類對大自然運行規律純粹的追求和好奇。

如今表面上看，大眾對賽先生早就已經不陌生。特別是近幾年，快捷而方便的手機等通訊工具，已經是「婦孺皆用」。透過這種種的高科技產品，每個人都能深切地體會到科學技術對當今社會的重要性，每個人都盡情享受著「高科技」帶來的百般福利和快樂！學科學、愛科學、用科學、了解科學，似乎已經成為一種社會時尚，也深刻反映了現代教育的理念、父母一代的期望以及眾多青少年的抱負和理想。

然而，表象之下存在失誤，大多數人了解和熱衷的「科技」其實指的是「技術」，特別指的是技術帶來的便利成果，以及帶科幻色彩的想像。固然，科學和技術密切相關、不可分割，科幻作品也不可或缺。但是，如果要提高全民的科學素養，還得加強基礎科學知識的普及。

一個國家的崛起離不開科學技術的崛起，因此，對科學知識的廣泛普及迫在眉睫。

此外，探索李約瑟難題，不僅僅要研究科學史，傳播科學知識，也需要對科學涉及的方方面面有所了解：科學概念是如何形成的？囊括哪些內容？有哪些具體的科學研究方法？科學思想之精髓何在？科學與哲學、宗教、人類思維，以及與數學、技術、工程等其他領域的關係如何？廣大民眾對這些知識都有了解的願望和需求。

如果就專業術語而言，上段中所提及的課題涉及科學史、數學史、技術史、思想史、人類文明史、科學哲學、科學與宗教、科學與教育等多個範疇，可以分別用數本專業科普書一一加以介紹。然而，大多數讀者僅僅需要對某些方面有大致的了解，澄清腦海中的一些疑問，並沒有必要大量的閱讀和研究來解決這些問題。

因此，本書便是針對上述範圍內的讀者，沿著自然科學史和科學哲學的發展途徑，簡要地介紹這棵如今看起來已經根深葉茂、庇護著全人類的參天「科學」大樹。它根源於哪些地域？主幹立於何方？枝葉有多茂盛？整體又是何種景象？

本書在追溯科學史的過程中，也追蹤中國古代科學技術發展的軌跡，簡單探究科學沒有誕生、發展於中東方的原因，東方人的思維特點中存在哪些不利於科學的因素；我們應該如何克服自身的不足，才能迎上世界科技的最先進水準。

作者希望透過本書，帶領讀者經歷一個有意義的閱讀之旅，為想了解科學的民眾去疑解惑，也期望本書能在科學教育中彌補其他專業科普書難以發揮的功能。

本書以科學家的視角論科學，具體事例多於抽象的概念描述。又因作者是理論物理專業出身，所以大多數例子屬於物理學和天文學範疇，對生物、化學、地理等其他科學領域著墨不多。此外，本書涉及的大多是有關科學哲學及科學史，算是人文學科。對某些問題的看法，也許在學界頗有爭議，可謂見仁見智，難有定論，作者基本根據較主流觀點及自己的判斷來做選擇，僅供讀者參考。

前言　科學之科學——百年千年賽先生

賽先生即科學（science），科學這個名詞，在現在的社會是一個廣為人知的熱門詞彙。越來越多的學科和領域被冠以「科學」，甚至包括許多人文學科在內。不過，就當年請進中國的「賽先生」而言，主要指的是現代自然科學。所以，本書中我們沿用這個概念：主要從現代自然科學來敘述科學的起源、誕生和發展，來探討「科學」一詞的含義，以及所謂科學的若干屬性。

然而，書中涉及的內容，並不僅限於現代自然科學。特別是：科學之思想、精神及方法，是可以推廣應用於任何領域的。筆者的觀點是，就學科而言，不...

前言

第一章　科學之起源
1　第一位科學家
2　中國古代的科學
3　科學和邏輯
4　從畢達哥拉斯到微積分
5　古中國的算學
6　古希臘人的宇宙觀和天文學
7　古中國天文學和宇宙觀
8　古代教育
9　亞里斯多德的宇宙
10　托勒密的天空

第二章　科學之誕生
1　希臘數學家的傳承
2　阿拉伯世界的光亮
3　天文學打頭陣
4　牛頓之光
5　愛因斯坦的革命
6　賽先生到中國

第三章　科學之要素
1　何謂科學？
2　疑之而究之—質疑性
3　科學需要量化
4　可被證實和證偽
5　放諸四海、推而廣之—普適性

第四章　科學之思想
1　科學美與藝術美
2　西方和東方、寫實和寫意
3　科學的簡潔美
4　科學之數學美
5　愛因斯坦和哥德爾

第五章　科學之精神
1　科學中的實驗美
2　科學家的獻身精神
3　現代科學實驗之壯觀
4　將實驗室搬到太空

第六章　科學之方法
1　盲人摸象
2　知其然
3　知其所以然
4　他山之石可以攻玉
5　電腦網際網路與科學

尾聲　科學與文明社會

附錄

前言

第一章　科學之起源
1　第一位科學家
2　中國古代的科學
3　科學和邏輯
4　從畢達哥拉斯到微積分
5　古中國的算學
6　古希臘人的宇宙觀和天文學
7　古中國天文學和宇宙觀
8　古代教育
9　亞里斯多德的宇宙
10　托勒密的天空

第二章　科學之誕生
1　希臘數學家的傳承
2　阿拉伯世界的光亮
3　天文學打頭陣
4　牛頓之光
5　愛因斯坦的革命
6　賽先生到中國

第三章　科學之要素
1　何謂科學？
2　疑之而究之—質疑性
3　科學需要量化
4　可被證實和證偽
5　放諸四海、推而廣之—普適性

第四章　科學之...