培根和牛顿的遗产

培根和牛顿的遗产

自17世纪以来，知识就一直在按照几何级数快速增长，这种现象为探讨科学革命以后的科学史提出了一个难题。自那时以来，科学活动的规模及其产出都已经增加了好几个数量级，无论怎么做，想要详细考察过去200年间的科学，几乎都是不可能的。有一个办法或许可以绕过这些困难，那就是把现象加以模型化，也就是说，选取那些起过重大作用的因素，把复杂的历史事实加以简化，从概念上把它们联系起来，看它们如何相互作用。

采用这种办法，我们就会发现，继科学革命之后形成有两种不同的科学传统。一种传统是通常所说的“经典科学”，包括天文学、力学、数学和光学。这些领域起源于古代，它们是在古代世界所从事的研究中就已经成熟，而在科学革命中又经受过革命性改造的那些科学。然而，即使在得到改造以前，这些科学就已经高度理论化了，继续进行的研究是为了解决具体的难题。从总体上看，经典科学在研究方法上并不是实验性的，而是以数学和理论为基础，可以明显地感觉到它们那种规范严谨的学术气息。

另一类科学可以称之为“培根科学”，它们虽然是在科学革命之中及其以后同经典科学平行发展起来的，却与经典科学基本上没有什么关联。之所以叫培根科学，是因为它们正符合培根勋爵竭力倡导的那一类科学研究风格。培根科学主要是指对电、磁和热的系统研究，它们没有古代经典科学的渊源，而是在科学革命的外围受到或多或少的熏陶，作为经验主义的研究领域冒升出来的。也就是说，经典科学在科学革命中得到了改造，而培根科学则是在那个时代智力普遍活跃的背景下形成的。同经典科学依靠理论和较多使用数学不同，培根科学通常在特征上更为注重定性分析，在方法上更加看重实验。因此，培根科学依靠仪器的程度要比经典科学大得多。培根科学需要的理论指导不多，典型做法是收集原始数据和资料。

牛顿的《原理》提供了经典科学的一个范例，在这个范例中，我们可以看到在18世纪那个历史阶段作为经典科学的物理学的技术性细节、经典科学采用的普遍方法以及当时的数学科学家怎样去处理问题。例如，在1758—1759年哈雷彗星按照预言如期回归并在预定轨道出现，就显示了牛顿数学科学具有何等巨大的威力。在另一个证实牛顿物理学的正确性及其适用范围之广的例子中，有科学家测出了地球表面的曲率。在1761年和1769年先后两次，专门组成的国际观测小组都测出了罕见的金星越过太阳圆面的时间，并且第一次非常有说服力地计算得到了日地距离。在欧洲大陆，法国和瑞士的数学家成功地把理论力学的研究扩展到一些技术性更强的领域，如流体力学、振动弦的数学描述和弹性变形等。

这类技术性研究在进入19世纪以后仍然保持着活力。一个非常著名的例子是1846年海王星这颗行星的发现。在此之前的1781年，威廉·赫歇耳（William Herschel）曾经凭借经验先发现了天王星，可是观察到它的运行轨道很不规则，根据这一点，英国和法国的理论天文学家预言了海王星的存在。柏林的德国天文学家在知道了那个预言的当夜，果然就观测到了那颗行星。经典科学传统在拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1837年）的著作《天体力学》（Celestial Mechanics）问世之时恐怕就达到了它的顶峰，至少从概念体系看是如此。拉普拉斯的著作（共5卷，1799—1825年）完全用微积分语言写成，显出严谨规范的威仪，相比之下，牛顿的《原理》中插入了许多难解其意的几何图形，就显得有些怪诞而不合时宜了。另外，牛顿在他的物理学里看到了上帝存在的地方，拉普拉斯看到的恰好是上帝并不存在。在法国皇帝拿破仑（Napoleon Bonaparte）与拉普拉斯之间后来经常被人们提到的一次谈话中，法国皇帝谈到他发现拉普拉斯的著作里只字不提上帝。据说拉普拉斯回答道：“陛下，我不需要那种假设。”那时候，经典科学就已经发展到了如此先进的程度，拉普拉斯可以根据牛顿及其追随者们确立的基本力学定律来表述出一个在数学上十分完备的有序宇宙。

牛顿的《光学》（1704年）为培根科学在18世纪的发展提供了一个现成的概念框架。牛顿这位巨匠在《光学》里所附的那组探询式的提问中，为了说明现象，一次就假想出有可能存在着一系列极其微小而自身又彼此排斥的物质。如牛顿问：倘若没有以太，温暖房间里的热量怎么能够进入到一个抽空了的玻璃烧杯里面去呢？同样，牛顿也求助于各种不可捉摸的以太来解释电现象、磁现象、某些光学现象乃至生理现象。

18世纪电学的发展最能体现牛顿那些观点的影响。当然，静电现象至少在古代就已经为人们所知。（在发明电池以前，科学领域根本就不存在流动的电。）然而，科学家们研究静电，则是从18世纪开始的。他们研制出一些能够产生和储存静电的新仪器，并用这些仪器研究了同电的传导、绝缘、吸引和排斥等有关的大量新现象。本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）用来证明闪电是一种电现象的风筝实验（第一次实验是在1752年做的），似乎就是那种用实验进行定性研究模式的典型。在理论上，富兰克林提出了一种单一电以太来解释电现象，但并不怎么成功。另外一些科学家不同意富兰克林的观点，提出的是一套有两种以太的理论。值得注意的是，这两者并无本质差别。在其他许多领域的研究，情况也大抵如此，全都遵循的是《光学》一书中提出的思路。例如在磁学领域，当时在圣彼得堡帝国科学院工作的一位德国出生的俄国科学家埃皮努斯（F.U.T.Aepinus，1724—1802年），也是提出一种以太理论来解释磁体的互相吸引和排斥。英国生理学家黑尔斯（Stephen Hales，1677—1761年）做过许多植物实验，他又提出存在着一种“植物”以太。麦斯麦（Franz Anton Mesmer，1734—1815年）关于“动物磁性”和早期催眠术的工作按说不会那么枯燥，也许能使今天的读者感到兴趣。其实不然，因为他仍然是完全按照牛顿在《光学》里的权威观点在从事研究，遵循的也是基于以太的研究和科学解释传统。其实，麦斯麦如果说有错，并不在于他求助了一种极其细微而又自我排斥的磁性以太，来解释他给病人治病所产生的简直犹如奇迹的治疗效果，而在于他顽固地不让科学和医学界的其他人了解其发现的秘密，因此，他很不得人心，他的催眠以太也没有人承认。(https://www.daowen.com)

培根科学的范围完全能够加以扩大，也把18世纪关于气象学、博物学、植物学和地质学的研究包括进来。在气象学领域，各个科学学会起到了研究中心的作用，发表个人提交的报告，各自还独立组织过不少大规模收集气象资料的研究项目。显然，这些工作都要用到仪器（如温度计和气压计）。任何一位当地的业余爱好者如果有兴趣，都可以参加到收集天气资料的工作中来，就好像他（在少数场合也有女性）也参与了18世纪欧洲科学的宏伟事业。在植物学和博物学领域也普遍存在着类似的情况，基础工作是收集标本，有些标本常常还是来自世界最偏远的角落。标本被送到伦敦、巴黎或者瑞典的乌普萨拉这些城市的研究机构，在那些地方像布丰伯爵（Count de Buffon，1707—1788年）、约瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks，1743—1820年）或林奈（Carolus Linnaeus，1707—1778年）这样的理论家则努力制定出合理的分类体系。采集植物标本甚至成为18世纪的一种时尚，一个人只需带上几本简单的植物鉴定手册（或许还有一瓶葡萄酒），就可以在野外同大自然一起享受一顿科学野餐。18世纪地质学的进步，同样也是得益于系统地收集资料。在上述所有这些领域的研究都不涉及复杂的理论，也不受以《原理》为基础的经典科学所特有的其他规范的约束。

在说到18世纪经典科学和培根科学这两种不同的传统时，化学科学或许有些特别。化学来自源远流长、根基深厚的金丹术，在16和17世纪的科学革命中没有受到根本性的触动，因此，18世纪的化学既不适合归入经验性的培根科学，也不像经典科学那样偏重进行针对具体问题的研究。当时的化学要进行很多的实验，自然离不开仪器。然而化学在18世纪的前几十年却形成了一种得到普遍承认的被称为燃素化学的理论架构，到该世纪末，则又独立发生了一次概念革命。

化学革命的历史同样符合前面我们看到的整体科学革命的模式。在整个18世纪70年代，流行的理论框架是燃素化学。燃素是燃烧过程的源泉，它其实同古希腊“火”的概念差不太多，在燃烧过程中起作用并被释放出来。例如，按照燃素说，一支点燃的蜡烛就在释放燃素。把蜡烛用烧瓶罩起来就会熄灭，那是因为瓶子里的空气被燃素浸满了，这样的环境阻止了继续燃烧（同化学革命以后对燃烧的看法正相反）。燃素说在当时倒是统一解释了不少很不相同的现象，如燃烧、植物生长、消化、呼吸、熔化，等等，成为18世纪进行化学研究所依据的一个颇为牢固的理论框架。

燃素化学最终被抛弃，取而代之的是拉瓦锡关于化学和燃烧的氧理论。实际上，这种转变是由好几个因素引起的。1756年，布莱克发现了“固定空气”（即二氧化碳），确证它是另一种不同的气体。这件事代表了化学发展史上一块重要的里程碑。“固定空气”有其独特的性质，从而打破了把“空气”当做单一元素或单一实体的传统观念。此后不久，化学家借助经过改进的设备又发现了一系列其他的新“空气”。新发现的一连串奇怪的事实，尽管起初还不大起眼，最后却终于构成了对燃素说的挑战。尤其是，水银居然会在燃烧中获得重量（在一定条件下），而按照燃素说，燃烧中释放出燃素，水银应该是失去重量才对。诸如此类的奇怪现象使理论化学家们感到越来越难以应付。这时，有一位非常精通燃素理论的年轻化学家拉瓦锡（1743—1794年）索性以相反的观念开始他的理论研究，认为在燃烧过程中不是有物质被释放进入大气，而是从大气中取走了什么东西。

那个“东西”后来证明就是氧。不过必须说明，即使是拉瓦锡对氧的成熟观点也与我们今天在化学课上所学的内容有所不同。尽管如此，发现氧气并认识到氧在燃烧中所起的作用，拉瓦锡就此使化学概念发生了革命性的变化；尤其是，通过细致地计量在实验中所产生的化学反应和逆反应过程的投入和产出，他还进行了非常有说服力的解释。正如科学中发生革命性变革时常见的那样，拉瓦锡激进的新观点并没有立即得到其他化学家的认同。以年长一些的英国化学家普利斯特利（1733—1804年）为首，他们对燃素说进行修改，仍然竭力想用它来对化学现象作出令人满意的合理说明。即使在进入到18世纪80年代以后，化学家仍然还在相当程度上保留着他们的燃素说观点，原因仅仅是他们对于燃素理论太熟悉不过了。至于普利斯特利，他则根本就不曾有过转变，直到1804年进棺材也不肯承认新化学。他大概要算是最后一位坚持燃素化学的化学家。

如果不拿出无可辩驳的测试或者证据，欧洲的那些化学家怎么会转变观念而改信新化学呢？在那场充满生机的化学革命中，辩才和说服力起到了关键作用。不止是拉瓦锡，还有一批与他志同道合的同行，也陆续做出了许多新发现，并将他们的实验结果发表出来，在1787年，还编订出一套全新的化学专业名词。在拉瓦锡的那套新术语里，“易燃气体”是指氢，“农神糖”（sugar of Saturn）指醋酸铅，“维纳斯硫酸盐”（vitriol of Venus）指硫酸铜，如此等等。那套新术语的支持者希望化学语言能够恰当地反映化学的现实。然而，实际情况是，在学校学过那种新化学的学生仅仅是能够在嘴上挂几个新名词而已。不久，拉瓦锡亲自编写的一本教材《化学概要》（Elementary Treatise of Chemistry）于1789年出版，书中只教拉瓦锡的化学，这时情况才大有改观。在拉瓦锡的教材里，燃素化学被完全删除。燃素原来曾经是化学理论的一个核心概念，从此以后，它作为一种实体就从这个世界上消失了。

这里，我们需要特别提到拉瓦锡教材的一个特点。翻开《化学概要》，一开始，拉瓦锡就用一节的篇幅仔细地把热现象与真正的化学现象区别开来。譬如说水，按照拉瓦锡的观点，水的物理状态可以改变，如从冰变为液态水，再变为水汽，但它仍然是化学上的水。为了说明物态变化以及其他热现象，拉瓦锡引入了一种新的以太——卡路里（caloric）。同其他以太一样，我们在这里看到的卡路里也是一种自身排斥的流体一样的物质，远比普通物质稀薄。因此，卡路里能够渗透进冰块内部，把其中的粒子彼此分开，从而把冰溶化成水。加进去的卡路里再多一些，水就会变为水蒸气。通过引入卡路里，拉瓦锡就把化学纳入了牛顿在《光学》一书中所构造的那个智识框架之中。