科學簡史
作者:劉大衛
在寫這歷史的時候,我承認較著重於物理和天文,這有兩個理由。第一是我的背景是物理,

 

 

從小學四年級我的嗜好就是天文學。第二是任何一本有關科學歷史的書都強調這兩個科目,因為它們是所有現代科學的根。

 

Ⅰ. 古代
古代的巴比倫人、埃及人、和中國人至少在西元前 3000 年就有基本天文和數學,包括對天體的運動都有相當準確的瞭解和預測的能力。這可從他們的年曆和其他的記載看出來。

在古典希臘人當中我們可以用傑出思想家來代表,像「亞里斯多德」(Aristotle, 西元前 350 年)、「阿基米德」( Archimedes,西元前 250年)等人。中國在同樣的時代,也發展到相同的程度。他們有生物學、物理、化學、幾何學的基本觀念。

亞里斯多德的物理學是古典希臘人的最高科學成就,也是對以後歐洲文化的最大影響。我們要很簡短的討論這個題目,也要特別注意前提或假設對結論的重要影響力。

亞里斯多德的物理學的第一個假設是「作用力造成運動速度」。這是建立在日常經驗上。若你看到一個東西在移動,你就會尋找一個推動它的東西。當沒什麼東西推它時,它就會停止運動。有少數的現象似乎是例外,譬如說,拋物體能飛在空中,卻看不見有什麼東西在推它。但這也可以想辦法來解釋,只要說空氣從拋物體的前面移開,再跑到後面去推它。

第二個假設是「地球是宇宙的中心」,這就是「地球中心說」。這也建立在我們看到的所有東西上。天空看起來是一個以地球為中心的球面,而且所有的東西都繞著地球跑。物體很自然的不是往地球走,就是背著它走。

第三個假設是有關物質的成份。亞里斯多德的化學很簡單,他說地上的東西是由土、氣、火、水這四種元素組成的。用這個理論他們就能解釋當時所觀察到物質的屬性和變化。

亞里斯多德說天體(太陽、月球、行星、甯P)是由另外第五種元素「以太」 (ether) 組成的,跟地上的物質不同的是它永遠不變、完美。 所以天上會變的東西,像流星、彗星、新星都在天空之下、在地球大氣層空氣中,而不是在恆星和行星中。以太的自然運動不是往地球的直線運動而是繞地球做等速圓周運動,自然形狀也是光滑的球形,因為球或圓圈是最完美的形狀。

亞里斯多德為他的理論體系提供了五種證據。第一、我們沒有地球在動的感覺。當我們走、跑、騎馬、坐車或船,我們有運動的感覺,但我們在地球上沒什麼感覺。第二、有甚麼作用力能夠推動地球?!若說地球在動,那要解釋為什麼在動,就是說需要有一個推力。誰能想像有一個那麼大的力能推動地球?第三、沒有風。當我們走或跑就會感到有風,假如地球在運動就應該有風,但沒有。第四、沒有看的出來的視差,天空沒有呈現任何因為地球跑到另一個地方而導致的變化。比方說,如果地球每一年繞太陽走一圈而不是太陽繞地球走,那一定會在不同季節使星星有不同的外像,但並沒有。

第五、人類是宇宙的中心點,因為我們是宇宙中最高、最重要的部份。

我們現在知道亞里斯多德的整個系統都是錯的,所以他的根據也是錯的,但我們不能笑他,因為假如我們也生活在他的時代,我們會有不同的結論嗎?基於他所知道的和他觀念上的假設都頭頭是道,任何與它不同的想法就是不合理。所以在他之後將近兩千年,才有人能提出另外一種理論體系,來回答亞里斯多德的五種證據。

住在埃及亞里山大城的「托勒密」( Ptolemy, 西元後 150 年)延伸了亞里斯多德的系統。他發明週轉圓圈( epicycle )的觀念,就是說用很多層周轉圓來解釋行星、月球、太陽的複雜運動。這些天體所呈現的運動不是等速圓周運動, 反而會快會慢甚至於偶而會往後退, 亮度也會有變化。Epicycles 是圓圈上的圓圈,像有一種機器使這些天體在天空行走。托勒密自己大概不是真的認為天空中真有這樣一套機器,而只是把天體的運動分析成這些圓圈以計算未來運動的工作。但後來的人認為這些圈子是真的,是由一種透明的材料組成的。

 

Ⅱ. 中古時代
         過了一千多年歐洲沒什麼值得提到的天文或一般科學方面的進步。最接近科學研究的就是煉金術,但這是一種錯誤方向,是很迷信的科目,想要尋找把便宜的金屬變成金子的魔術,或醫治所有的病而永遠長生不老的藥,或找一種萬能溶劑用來溶化所有材料(但據所知,沒有人想過這溶劑可以放在什麼容器裡!)煉金術倒還是有一個益處,就是累積了很多有關化學反應和特性的經驗和資料。

         最大的進步在阿拉伯世界,阿拉伯數字和代數學發展出來了,跟以前很不方便的羅馬數字比起來真是很大的改進。他們也發明「零」字。這都提供對以後科學計算不可少的數學觀念和方式。

         在歐洲「多馬 亞奎納」( Thomas Aquinas, 1225-74 年)把亞里斯多德的哲學和天主教會的教義合併了,製造了一個新的思想體系。這都變成很多世紀以來天主教會的正式教義。天主教會堅持要所有的基督徒接受教會所有的教義,不但包括從聖經來的,也包括從傳統和亞里斯多德來的。若有人表示不同意其中任何一條,那可能會遭到很嚴厲的處罰或虐待,甚至於被殺。

 

Ⅲ. 天文學的革命
到了 1500 年托勒密的 epicycle 系統,為了要符合所觀測到行星的位置而受到很大規模的調整,圓圈的數量增加到八十以上,據說有一個國王提議說,若在創造的時候他在場,就會建議天空的創造要簡單一點。住在波蘭的「哥白尼」( Nicolas Copernicus, 1473-1543 年)研究天文以後就看的出, 若 epicycles 系統改成以太陽為中心,那會使計算更簡單更準確。這就是說太陽是中心而地球不是,地球是繞太陽走的。他計算了從運動中的地球來看別的行星所在的位置。這跟亞里斯多德的教導,也是天主教會的教導,有重大的出入。哥白尼只敢說這是效率較高的計算方式,連這也等到他知道快要死時才敢發表。但地球在走也是真的嗎?他的一些間接的話好像暗示著他是這麼想,一個理論這樣簡單又準確,應該是離真理不遠,但他沒辦法回答亞里斯多德的五種證據。

之後幾十年中,哥白尼的理論逐漸傳到歐洲學術界,引起很多不同意見。「泰革」( Tycho Brahe, 1546-1601 年)因為在 1572 有一顆超新星出現,開始對天文學感興趣。他用晚上不同時間的觀測來證明那顆超新星比大氣層甚至比月亮還遠,所以是在行星和恆星當中的。他知道這是否定亞里斯多德和托勒密的理論,他想出一種以地球為中心的哥白尼式理論,想要把新舊兩者的優點合併。他維持以地球為中心,因為這好像很合理,也是教會的正式立場,他像哥白尼一樣說行星繞太陽走,但他說太陽和這整個系統都繞地球走。他從丹麥國王獲得了允許和經費蓋了一座天文臺,準確觀測行星運動達 20 年之久,特別注意火星。他的儀器比他之前的人的儀器準確,他的目的是要驗證他的理論。在那幾年當中他也看到一顆彗星,測出彗星在行星之間有非圓形的軌道,這又否定了亞里斯多德的話。

泰革去世以前雇用一位助手 - 「克卜勒」( Johannes Kepler,1571-1630 年)。他把泰革的數據留下來,花了很多年來分析這資料。他已經被說服說哥白尼的系統是真實的,也試過按這立場來分析泰革的資料。他逐漸塑造出他很出名的「行星的三個運動定律」:

  • 以太陽為中心的橢圓形軌道
  • 速度遵守等面積定律
  • 軌道半徑和週期之間的關係

這具有幾種革命性的觀念,當然一個是接受哥白尼的系統,說太陽是中心而地球是一個行星,像其他的行星一樣繞太陽走。另外一個是軌道的形狀,哥白尼還是用 epicycles,但不管克卜勒在怎樣調整他的 epicycles,還是差一點點無法使它們符合泰革的數據。克卜勒對泰革的準確度有很大的信心,所以連很小的誤差也不能接受。他終於放棄了圓圈,試用第二簡單形狀 - 橢圓,就很興奮的發現,這樣就成功了,計算跟觀測完全符合。

克卜勒的系統那樣簡單又準確,所以哥白尼的系統被大部分的人接受了,但克卜勒的定律只是憑經驗,沒有理論解釋行星為什麼要這樣走。他不能回答亞里斯多德的五個證據,那還是一個困惑。

「伽利略」( Galileo, 1564-1642 年)開始解決這困惑,他想出了「慣性」( inertia )的觀念。 這是說一個物體的正常狀態不一定是靜止不動,而是沿著直線做等速運動。我們平常看的東西若沒受到推力就停下來是因為有摩擦力,若摩擦力減少,那物體要用比較長的時間減速到停下來。伽利略推理說,如果可以完全除掉摩擦力,那物體就永遠停不下來。所以當我們看一個東西在走,不用問有什麼力使它走,只有看它的運動改變才要問為什麼。跟亞里斯多德不同,伽利略說作用力不是造成速度,他說「作用力造成加速度」。這就回答了亞里斯多德的問題,「有什麼力夠大到能推動地球?」,這就是問錯問題。沒什麼力推動地球,簡單說沒什麼力使它停下來,所以它繼續走。這樣也回答了亞里斯多德另一個證據,說沒看到地球運動所造成的風。地球和大氣層是兩個一齊走。

伽利略第二個大貢獻是他用望遠鏡觀看天空,在 1609 年,望遠鏡剛發明的時候開始,他用望遠鏡發現月球表面上有山、撞擊坑和「海洋」,太陽有一直在改變的黑子。亞里斯多德說「天體是「以太」組成的,所以一定是完美、光滑、不變的球形」、但伽利略看到它們是不光滑的也會改變。他也看木星的四大衛星,另外一個中心!亞里斯多德說「任何東西都要繞地球走」。伽利略觀察金星的形狀和大小都不斷有變化,表示它繞著太陽走!亞里斯多德又錯了。最後,看任何方向,尤其是叫作「銀河」的那條朦朧的光,他看到天空充滿了數不完的星星和星團,不可思議的多、浩瀚而遙遠!不只有幾千顆固定在一個球面內面的星星,而是數不完的恆星在空中分散到很大的距離。這回答了亞里斯多德有關視差的證據。地球的運動沒造成看得見的恆星的變化,是因為它們的距離太大,使得視差小而無法測出。

到此只有回答亞里斯多德前面四個證據,剩下第五個,說「人類是宇宙的中心」。這不是科學化的詞句,所以不能有科學化的答案。但伽利略還是沒有一個理論能解釋克卜勒的四個定律為什麼是真的,行星的軌道為什麼是橢圓形等。

「牛頓」( Isaac Newton, 1642-1727 年)提供所需要的理論, 有「萬有引力」、「三個運動定律」和微積分。他發展出他的理論是在他 23 歲、 1665 到 1666 年在各大學因重大傳染病而停課的時候, 他終於在 1687年發表他的理論。

萬有引力是任何兩塊物質之間的吸引力。地球的運動之所以往太陽轉彎形成繞太陽的橢圓形軌道,是因為太陽勢一個力作用到地球上。其他的行星繞太陽也是同樣的原因。地球吸引月球、使它繞地球走。木星吸引它的衛星。這理論那麼成功就完成了推倒亞里斯多德系統的革命。但我們必須注意,當回答一個問題就造成一個新的問題:「為什麼有萬有引力?」克卜勒描述橢圓形軌道,但沒提供它們的解釋。牛頓描述萬有引力,用它來解釋橢圓形軌道,但沒提供萬有引力的解釋。

伽利略和牛頓不只造成新的理論,而且是用完全新的方式來解釋自然界。以前的解釋都用邏輯、哲學和幾何學,牛頓的定律給我們一套數學式時空理論,把宇宙機械化了,其中的事件都是預定的。

十七世紀的另外一個很重要的事情是估計光速。 在 1676 年, Olaf Roemer 研究木星衛星運動的記錄, 推論光線橫過地球軌道的直徑要 22 分鐘。這不是很準,但誤差不是很大。

Ⅳ. 十八世紀
第十八世紀沒發生新的革命。牛頓的理論變成很多人都知道也能瞭解的,也有很多新的應用和計算方式發展出來。哲學家和神學家覺得因為牛頓的定律解釋了那麼多事情,好像幾乎沒什麼事情需要神來做,許多人也就開始偏向無神論。

十八世紀末有一些很重要的發現。 美國的 Benjamin Franklin 和歐洲的幾個人發現靜電。 William Herschel 於 1781 年在英國發現天王星(Uranus),給太陽系增加一顆比土星還遠的新行星。

 

Ⅴ. 十九世紀
很久以來天文學家都在想,為什麼火星和木星的軌道之間有那麼大的空格,好像在那空格裡面應該有多一顆行星。他們花很多時間去尋找它,結果沒找到單獨一顆大的行星,卻找出很多小的,叫做「小行星」 (asteroids)。 義大利人 Giuseppe Piazzi 在 1801 年 1 月 1 日,十九世紀的第一個晚上,發現第一顆小行星。

天文學家已經知道恆星離我們的距離至少有很多光年。這是說我們所看到從恆星來的光線是走了很多年的路才到達我們的。但還沒有觀測任何一顆星的距離。當儀器終於發展到靈敏度夠高到能測出那麼小的夾角的時候,他們在 1838 年用視差測出最近星球的距離是二十光年以下。

天王星運動觀測的結果出現有一點偏離了牛頓定律所預測的。兩個歐洲很出名的數學家就用這偏離的數據來預測比天王星還遠有另外一顆行星,也估計它的位置。 結果天文臺在 1846 年發現海王星 (Neptune) 在所預測的位置。這就給牛頓定律很大的驗證,表示這些定律真的是萬有的。

科學家也繼續研究電和磁的現象, 發現這兩種現象互相有關係。 在1865 年 Maxwell 發表他的出名的 Maxwell's 電磁學方程組。 他的理論表示光是一種電磁波,所以將光學跟電磁學合併在一齊。

化學家發現很多有關不同材料之間的反應的規則,但沒什麼理論能夠解釋這些規則。元素的週期表就提供了元素和化合物的觀念。反應裡面所觀測到很準的比例,就導致「物質是由原子組成的」這觀念。

十九世紀末,科學家開始發覺有時候一些特殊的原子會射出帶電的粒子,就推論原子是由帶正負電荷的粒子組成的。這就表示「原子」這名稱,在希臘文的意思是「無法切開的」,是錯的,原子不是最小而不能切開的粒子。

有了這些發現,就可以解釋「天為什麼是藍色的」。這似乎是很簡單的事實,事實上很不簡單,為了解釋它要知道天是什麼,是空氣,空氣是由原子組成的,原子是由帶電的粒子組成的。也必須要知道光和顏色是什麼,光是電磁波,不同顏色的光有不同波長,也必須要知道光和原子之間有什麼相互作用。

熱力學的觀念和定律被發展出來。 第一定律, 「能量不滅」(conservation of energy ),是物理的最基本定律之一, 應用到所有已知的現象。這定律說不能白吃午餐,不能創造能量,只能把能量從一種狀態轉換到另外一種。 第二定律,「熵不減」( increase of entropy ),跟第一一樣寬廣,不只說沒什麼免費的東西,也說無法避免浪費,宇宙中能用到的能量一直在減少。任何物理系統的變化過程都要使系統的混亂性漸增。

地質學的岩層研究逐漸發現地表的年齡至少有 10,000,000 年,不只是幾千年而已。

在生物學裡一種革命性的新觀念得到大部分的人的認同, 1859 年,「達爾文」( Darwin )出版「物種源起」,介紹進化論和天擇的觀念來解釋生物的存在。這當然跟基督教的聖經立場有很大的差別。

在遺傳學有兩個重要的突破。第一個是「孟德爾」( Mendel )的「遺傳學定律」。雖然這是在 1859 年以前已經被發現也發表了,而且在達爾文的辦公室有一份登載這篇文章的期刊,但他從未看過。他去世以後,有人發現那份期刊還是封住的。第二個,別人也發現突變的現象。

光譜學的儀器和數據正在發展中。任何一種材料可以燃燒或加熱使它發光,就可以用「光譜儀」將光分成不同波長。結果,各種化學元素和化合物都有它不同的光譜,這樣可以得知一個未知的樣品的成份。有了實驗室觀測而來的這種資料,就可以分析從天體來的光線。雖然我們無法走到行星和星球那邊,卻還是能夠得知它們的化學成分。

在十九世紀末,科學家都因為他們驚人的進步而覺得很很驕傲,科學好像「大功告成」,只剩下幾個「小問題」他們還沒想辦法用那時候所知的物理定律來解釋,但他們有把握這些問題過不久就會解決。這些問題是:

Michelson-Morley 實驗,光速不會變
         黑體輻射光譜(blackbody radiation)
         原子的結構、穩定性、線光譜
         輻射性元素所發射的α、β、γ 輻射線
         光電效應,光和物質之間的互作用

我們現在知道他們太過自信了。那些「小問題」在二十世每一個都導致了革命性新的發現。在 1900 年以前所知道的物理定律現在叫做「古典物理」,在二十世紀所發現的定律叫做「近代物理」。現在沒有一個科學家敢預測說科學工作有做完的一天。

 

Ⅵ. 二十世紀
在 1905 年,「愛因斯坦」( Einstein )在瑞士發表三篇文章:

「狹義相對論」( special relativity ): 四度時空、能量 - 質量對換
         「伯朗運動」( Brownian motion ):原子和分子
         「光電效應」( photoelectric effect ):光的能量是量子化的

這三篇中每一篇都是物理上歷史性的突破。愛因斯坦的相對論是一個全新的時間空間觀念,重新改寫了運動和電磁定律。他對伯朗運動的分析是最先表示原子和分子存在的直接觀測方法。他對光電效應的解釋是量子物理的開始。這三篇文章是牛頓停課的那一年之後在新思想上最大的進步。

在 1915 年愛因斯坦發表「廣義相對論」( general relativity )有不變的法則,時間-空間-物質之間的關係式,這就對萬有引力提供了新解釋。

在 1909 年,Ernest Rutherford 發現原子核,原子裡面的一個小物體,原子的質量幾乎都集中在它裡面,正電也都在這裡面。以後原子核的研究就發現兩種新的力,弱力和強力。

量子物理學源自於 1920 年代,成功地解釋原子的結構和它們所發射的光譜。它基於幾個基本觀念,包括「波粒雙重性」和「測不準原理」。從牛頓的時候,物質被認為是一個簡單、準確的系統,但並不是。

「電弱統一理論」源自於 1960 年代,把電磁和弱力合併在單獨一個理論。這在往把所有分開的物理定律合併成單獨一個理論的目標的路上,是又一個里程碑。 現在物理學家正在尋找「統一場論」( Grand Unified Theory, GUT ),希望強力和萬有引力也能夠包括在其中。

高能物理從研究輻射性元素所發射的輻射線和宇宙射線開始。以後就作粒子加速器,發現很多新的粒子,當初令他們覺得很迷糊但以後導致現在「夸克」( quark )的理論,說很多粒子是夸克組成的。 但按這理論,夸克是看不見的,不可能在那些包含它們的粒子的外面分開出來觀測它們。從來沒有這種理論,這就引起了一些很有趣的哲學問題。有一些理論也牽涉到「多度空間」,說可能在我們所看見的三度空間以外(或說四度,包括時間)事實上還有很多度,可能十度以上。這有什麼意義呢?這幾度空間是真的存在嗎?我們所謂「真的」是什麼意思呢?一個理論是什麼?

在 1980 年代有人發明「掃描穿透顯微鏡」,這就是第一次能夠直接看得出個別的原子。

在二十世紀末就看到「混沌理論」( chaos theory )的發展,能夠處理很複雜的,以前的方法無法分析的問題,包括不可預測的系統和亂流。

在 1930 年,美國人 Clyde Tombaugh 尋找幾年以後就「按預測」發現冥王星( Pluto )。 這之前有人基於海王星的運動似乎有一點點偏差就預測另外一顆行星的存在,就像海王星是因為天王星的偏差而預測的。但冥王星太小,不能造成任何干擾,天文學家發現所謂的干擾其實只不過是很小的觀測誤差而已。

天文學家對宇宙的瞭解繼續進步,因為做更大的望遠鏡和靈敏度更高的儀器就漸漸可得知銀河系的結構及大小,是一個「星系」( galaxy ),一個扁的圓形的直徑約 100, 000 光年的系統, 太陽距離中心很遠, 至少25, 000 光年。 一光年就是光線在一年的時間所走的距離,10,000,000,000,000 公里。

但這仍不是宇宙的端點。在十九世紀觀察到「螺旋星雲」,它們的本性是一個困惑。 在 1925 年,蓋完 100 英吋的望遠鏡就終於證明螺旋星雲是銀河系之外別的星系, 距離達到 100,000,000 光年以上,而且宇宙的邊界還是看不到的。宇宙多大?還是無限大嗎?

他們繼續觀察星系就在 1930 年發現它們光譜上的紅位移。這是說它們的光譜很像實驗室裡面的材料的光譜,但整個光譜往紅色的方向移過來了。到現在所提出來唯一合理的解釋是說星系都背著我們走,這就拉長了它們光的波長也造成紅位移。越遠的星系走得越快,這種情況是所謂的「宇宙的膨脹」。

這表示宇宙不是永遠靜止不變的, 而且有一個開始或說一個起源。 在1940 和 1950 年代這就導致「大爆炸論」( Big Bang )的發展, 說宇宙源起於一個高溫高壓的爆炸。這樣就能夠解釋元素的由來和星球的形成和演化。

但在那個時候很多天文學家還沒有接受這理論,一個原因是有一各很重要預測的觀測, 若大爆炸真發生過,那從天空各方向都應該收到「 3 K 宇宙微波背景輻射」。但儀器還沒有發展到夠高的程度去做這觀測,看是否有這種輻射。 終於在 1965 年,Bell 電話公司的兩個工程師,Arno Penzias 和 Robert Wilson ,觀測到這輻射線。之後除很少數的人以外天文學家都認為這驗證了大爆炸論。

對宇宙和星球來源的瞭解有了這樣的進步, 就能估計太陽系的年齡約4,700,000,000 年,宇宙的年齡約 15-20,000,000,000 年。

生物學家把達爾文和孟得爾的理論合併做成比較新的生物起源的理論,叫做「新達爾文合論」( neo-Darwinian synthesis )。

生物學家一直研究越來越小的系統,終於達到分子的規模,這就是生物最基本的構成單位,分子生物學就源自於此。結果就發現有生命物質的浩大複雜性,有蛋白質、酵素、DNA 結構及它在遺傳上的角色。

當科學家發覺到這宇宙剛好適合生物的存在是多麼驚人的事,他們開始討論「 anthropic  原理」,想要知道宇宙為什麼會這樣。 也有人懷疑是否有很多其他的宇宙。

因為很多科學家採取進化論的前提,這就使他們相信在宇宙中應該有生物存在於很多地方, 所以他們開始尋找「外星智能者」( SETI, Search for Extra-terrestrial Intelligence ),到現在還沒找到。

在二十世紀開始時,「科學」就是自然科學。但在二十世紀中也有「社會科學」的發展,包括心理學、社會學、人類學。

 

Ⅶ. 結論
         西方文明邁進十七世紀的時候,認為人類是擺在上帝所指定的小小宇宙的中心點。但到了二十世紀末,科學界認為人類只不過是在一個測不盡又無意義的機械宇宙中,一種微不足道之意外副產品。              The end~

 

至科學之思