現代科學的淵源：新普羅米修斯革命

西方科學自古希臘以至近代，形成一個歷時兩千年之久的大傳統。它雖然曾經出現斷層，所立足的地區、所處身的文明、所藉以傳載的語言都曾發生大轉移，但它的觀念、方法、追求、典籍和問題意識仍是一脈相承的。這個大傳統之所以會出現，是由於公元前4－5世紀發生的「新普羅米修斯革命」和16－17世紀出現的「科學革命」。科學革命結束了老傳統，同時也開出過自牛頓以來的三百多年的新傳統。
   
講演者小傳
   
    陳方正
   
    1939年生於重慶，香港中文大學物理系名譽教授、中國文化研究所前所長、中國科學院自然科學史研究所竺可楨科學史講席教授。1962年獲哈佛大學物理學士學位,此後赴美國布蘭德斯大學研究院深造，並獲物理學碩士及博士學位。曾先後赴日內瓦歐洲核子研究中心、牛津大學工學院、哈佛大學費正清中心做訪問研究。
   
    研究方向涵蓋現代化比較、科技與現代化關係以及科學哲學，近年來致力於科學史研究。曾創辦並主持《二十一世紀》雙月刊，主編「現代化衝擊下的世界」叢書，著有《站在美妙新世紀的門檻上》、《在自由與平等之外》、《繼承與叛逆--現代科學為何出現於西方》等。
   
    李約瑟有一句著名的話：為什麼從公元前一世紀以至公元15世紀之間，中國文明在將人類自然知識應用於人類實際需要的效率，要比西方高得多？這就是他的「中國科學長期優勝論」，也是李約瑟的問題「為什麼中國（或者印度）文明沒有發展出現代科學」的必要前提。此問題單獨看來意義不大，因為正如席文(Nathan Sivin)所指出，歷史上沒有發生的事情比比皆是，我們沒有必要也不可能都去追究原因。但倘若有了「中國的科學長期領先西方」的潛台詞，那麼現代科學的桂冠最後被西方摘去就變成了悖論，而「李約瑟問題」也就產生巨大挑戰性了。
   
    李約瑟並沒有讓他著名的問題懸空。他立刻就為答案描繪出輪廓，這就是「李約瑟論題」。他的看法可以概括為：15世紀的歐洲遠洋探險導致文藝復興，而這兩件事情又導致歐洲資本主義興起。工商業發達的後果是實用性技術變得重要，因此刺激了科學計算與可控實驗的大發展，這兩者補足了古希臘科學尚理論而輕實際的弊病，現代科學革命因而發生。這樣一來，李約瑟問題就蛻變為何以資本主義是在西方，而不是在中國出現。對於後面這個問題，他有個簡單答案：中國高度理性化的「官僚封建體制」堅強而穩固，它阻止了小資產階級和資本主義出現；西方的「軍事－貴族封建體制」比較脆弱，它在文藝復興衝擊下崩潰，資本主義和現代科學也就跟著出現。
   
    但他這套思想是有極大問題的，其中最要害的是兩點：首先，現代科學的根源是否就只在文藝復興時期？其次，中國科學是否的確長期優勝於西方，只是到了文藝復興才為西方所超越？
   
    我們認為，這兩點都是不能成立的。但這不是我們討論的重點。今天我們要說明的是：西方科學的根源在哪裡，它有哪些成就，它的發展有什麼特徵。明白了這些，對於以上兩點的是非也就自然可以有合理的判斷。以下我們就回到本講的正題。
   
1  在哥白尼以前是誰？
   
    哥白尼是牛頓的前驅，托勒密又是哥白尼的前驅。可問題是，托勒密是公元2世紀的人，他和哥白尼之間相隔足足14個世紀，兩者的學術怎麼聯繫起來的呢？
   
    現代科學是怎麼樣出現的？最簡單的答案是，它是從牛頓的《自然哲學的數學原理》來的。但牛頓自己又說：「倘若我望得更遠，那是因為站在巨人肩膀上」。那麼，他所踏足其肩膀上的「巨人」，又是些什麼人呢？這也不難回答。笛卡兒、伽利略、開普勒、第谷和哥白尼，他們都是牛頓的前驅，都對他發生過重要影響。但是，他們之中最早的是哥白尼，他有些什麼前驅？他又是站在誰的肩膀上的呢？當然，大家都知道古希臘的歐幾里得、阿基米得、托勒密，和他們的《幾何原本》、《大彙編》等作品。然而，托勒密是公元2世紀的人，他和哥白尼之間相隔足足14個世紀，我們又怎麼能夠跨越這巨大時間差距，將兩者的學術聯繫起來呢？
   
    況且，現代和古代科學在觀念上、方法上好像是相反的：托勒密的「地心繫統」和哥白尼的「日心說」對立；古代數學的基礎是幾何學，近代以計算為主，發展出代數、三角、解析幾何、微積分；亞里士多德認為事物根據本性而各有「自然」運動，天體和地上事物迥然不同，近代的伽利略則提出均勻空間的概念，認為物體無論在天上或者地上其運動都服從相同規律，等等。不過，牛頓用以建構他巨著《原理》的，仍然是《幾何原本》的論證方式；微積分學的發明與16世紀的古希臘數學翻譯熱潮分不開；哥白尼的《天體運行論》提到了日心說在古希臘的前驅。所以，古代和現代科學既有對立，也有相輔相成之處，兩者關係十分複雜。要理清這些關係，我們必須先了解古希臘科學到底是怎麼樣一回事情。
   
2  亞歷山大的輝煌
   
    歐幾里得站在亞歷山大科學傳統開端，托勒密卻站在終端，此後古代科學就基本結束了。因為隨著希臘王國為羅馬帝國所滅，由這批科學家建立的以學宮為中心的古希臘科學就慢慢衰落直至消失。
   
    西方古代科學到底包含些什麼？這可以從歐幾里得的《幾何原本》說起。和一般想法相反，這本完成於公元前300年的大書不限於幾何學，更不是初等教科書。它一共13卷，分三部分：（1）幾何學；（2）算術和數論，包括  「幾何代數學」，就是代數恆等式，以及二次方程式解法；（3）無理數的詳細討論。這三部分來源於三個不同的傳統，所以《幾何原本》是將所有古代數學加以整理，然後根據一個邏輯框架來作的彙編。
   
    《幾何原本》出現后一個世紀（公元前300－200年）是希臘科學的黃金時代，其間有許多重要科學作品，例如阿基米得關於測量幾何形體的論文，和靜力學、浮體力學著作；阿波隆尼亞斯(Apollonius of Perga)的《圓錐曲線》，那是後來學者研究天體運行軌道時經常要用到的；阿里斯它喀斯(Aristarchus of Samos)的《論日月之大小及距離》，它提出了完全合理的測量這些天文數據的方法，他的「地動說」對哥白尼也很有影響；以及埃拉托色尼(Eratosthenese of Cyrene)，他準確測量了地球周長，其結果和現代值只相差0.6%。
   
    隨後的喜帕克斯(Hipparchus)和曼尼勞斯(Menelaus)分別是希臘天文學和球面三角學的奠基者，在此基礎上出現了托勒密所編纂的《大彙編》。《大彙編》一共也是13卷，它基本上是一部天文百科全書，核心是以本輪模型來計算所有天體的運行，並且給出一個詳細的恆星表。這裡面牽涉許多數學問題，不同天體的模型還各自需要特殊的修訂，但原則上只要通過觀測決定每個模型中的參數，那麼相關天體的長期運行位置、速度就都可以相當準確地計算出來。
   
    歐幾里得站在亞歷山大科學傳統開端，托勒密卻站在終端，他之後古代科學就基本結束，再也沒有出現值得稱道的天文學家了。這主要是因為上述科學家和他們的成就都是環繞托勒密王國在其尼羅河三角洲西北角上的都城亞歷山大(Alexandria)所建立的「學宮」(Museum)而發展。後來，隨著希臘人建立的王國為羅馬帝國所滅，以學宮為中心的古希臘科學就慢慢衰落，至終消失。
   
3  新普羅米修斯革命
   
    以幾何模型特別是柏拉圖所提出的圓形組合來摹擬天文現象是希臘天文學的特點，它所發生的決定性影響一直延續到哥白尼乃至第谷。
   
    歐幾里得是「集大成」者，亦即他之前希臘科學已經有長時間發展。這可以分為前後兩段：開始的一個半世紀（公元前580－430年）是醞釀期，它以自然哲學為主，活動分散在希臘本土周邊地區；隨後一個多世紀（公元前430－300年）是「突變期」，活動集中於雅典。為了下面會提到的原因，這「突變」我們稱之為「新普羅米修斯革命」。事實上，西方科學大傳統的形成就是由這場革命而來。17世紀的「科學革命」已經是第二次革命，它一方面結束了歷時二千年以上的老傳統，另一方面則開創了現代科學的新傳統。
   
    醞釀期從公元前6世紀初的泰勒斯(Thales)開始。他是希臘第一位自然哲學家和科學家，是最早對於天文、幾何學，以及萬物根源等三方面發生強烈興趣的人。比他晚半個世紀的，是傳奇人物畢達哥拉斯(Pythagoras)，他創立了一個神秘教派，它一方面宣講靈魂不滅、輪迴投生、前世記憶、修鍊向上，另一方面還有自己的宇宙觀，其中心思想是「萬物皆數」，也就是數目為事物「本質」，通過數目就可以了解宇宙的起源、演化和構造。它還將宗教和科學結合起來，認為人倘若專心探索宇宙奧秘，就可以獲得永生，這留存在柏拉圖的《對話錄》裡面：「但倘若他對於知識與智能的熱愛是認真的，並且運用心智過於身體其餘部分，那麼自然就會有神聖和永恆的思想；倘若他獲得真理，就必然會得到人性所能夠賦予的最充分永生。」
   
    這教派是在義大利南部的克羅頓(Croton)開始的，它不久就成為當地的統治力量。但它作風詭異，精英集權的味道太重，最終反而被舊貴族和民眾聯合起來顛覆和消滅掉。少數倖免的信徒則懷著他們的特殊信仰和學問，逃脫、散布到希臘本土、南義大利和西西里島等地。西方學術史上一個最重要的命運樞紐，便是這些信徒的後代結識了柏拉圖。
   
    柏拉圖是雅典貴族世家最優秀的子弟，他由於畢氏教派的深刻影響，毅然從政治轉向思辨哲學。此後他所精心撰述的《對話錄》風格發生基本轉變，從人生哲學轉向追求永恆真理的神秘主義。他說「諸神借著一位新普羅米修斯之手將一件有光芒隨伴的天賜禮物送到人間；比我們更賢明也更接近諸神的古人相傳，萬物都是由一與多組成，而且也必然包含了有限與無限」。其中，「新普羅米修斯」所指的正就是畢達哥拉斯。柏拉圖又創辦「學園」（Academy），那基本上是借公眾園地所開設的講習班，以高深數學探討、研究為主。這樣，畢達哥拉斯教派的精神終於得以通過學園而復活、發揚光大和傳之久遠。
   
    所謂「新普羅米修斯革命」是在學園之前，大約公元前430年開始的，主要由兩方面的數學進展所激發。第一方面是幾何學的長期發展導致了三個無法解決的「難題」：圓方等積問題（即求圓周率）、三等分角問題，和倍立方問題（即求2的三次方根）。從公元前450－410年間開始有許多哲學家、數學家和所謂智者(sophist)研究這些難題，幾何學因此變得更為複雜、嚴謹和深奧。另一方面的進展則和畢氏教派密切相關：教中的希帕蘇斯(Hippasus)在公元前430年發現正方形的邊與對角線「不可通約」，也就是說是無理數，不能夠以自然數的分數表達。這在教派內外引起了巨大震撼，因為這樣「萬物皆數」的基本觀念就站不住腳了，而幾何線段和其它度量（例如面積、體積）到底和數目有什麼關係也成了大問題。
   
    學園的創辦（約公元前387年）正值這兩方面數學問題討論如火如荼之際。在柏拉圖的引領、鼓勵、推動之下，學園慢慢地成為希臘世界的學術、思想中心，吸引了許多學者和年輕人參加研究、問難、學習。其中最重要的數學家有兩位：泰阿泰德(Theaetetus)證明所有不盡方根都是無理數，並且對它們作了深入研究和詳細分類；尤多索斯(Eudoxus)則發明了比例理論和歸謬法，從而使得幾何形體的嚴謹測量，自然數觀念的推廣也成為可能。這些工作大致是公元前390－350年完成，後來都編入《幾何原本》。此外尤多索斯還發明了天體運行的「同心球」模型。以幾何模型，特別是柏拉圖所提出的圓形組合來摹擬天文現象是希臘天文學的特點，它所發生的決定性影響一直延續到哥白尼乃至第谷。
   
    「新普羅米修斯革命」所指，就是以上這些突破性發現。
   
    其實，在泰勒斯之前，希臘科學還有更古老的淵源，那就是巴比倫科學。學者解讀舊巴比倫王朝遺址（即今伊拉克）的大量陶泥板文獻之後發現，遠在公元前1900－1600年間，巴比倫文士就已經有很高數學水準。他們能夠利用幾何圖形解二次方程式，準確計算不盡方根，證明二次代數恆等式和分割幾何圖形。而且，這些結果有相當部分留存在《幾何原本》之中，成為它在幾何學與無理數以外的第三個傳統。因此，古希臘科學的根源可以一直追溯到公元前3000年兩河流域文明的起源。
   
4  渡過鴻溝的載筏
   
    西羅馬帝國在蠻族衝擊下崩潰，雅典和亞歷山大的科學傳統也斷絕和消失了。哥白尼的新見解、新發現到底是在什麼基礎上建立起來的？問題的關鍵在伊斯蘭科學。
   
    現在，讓我們來看希臘科學傳統和近代科學之間的關係。從公元500年左右開始，西羅馬帝國在蠻族衝擊下崩潰，雅典和亞歷山大的科學傳統也斷絕和消失了。所以，哥白尼的新見解、新發現到底是在什麼基礎上建立起來，是個大問題。回答這問題的關鍵在於伊斯蘭科學：伊斯蘭文明在公元8世紀吸收、繼承了希臘科學，同時發展出自己的伊斯蘭科學；到12世紀西歐復興了，他們把阿拉伯典籍翻譯成拉丁文，這樣既接上希臘科學，也吸收了新出現的伊斯蘭科學，所以能夠發展出中古科學，那日後就成為近代科學的基礎。統而言之，伊斯蘭科學是古希臘和歐洲中古科學之間的載筏。
   
    伊斯蘭教在7世紀崛起於阿拉伯，他們最初忙於徵戰、擴張，建立龐大帝國。但到8世紀中葉，阿拔斯皇朝(Abassid Caliphate)奪取了政權。它的統治階層具有深厚的波斯文化背景，執政后以不可思議的巨大熱情來搜集古希臘典籍，並且鼓勵、推動它們的翻譯，後來還在巴格達的皇宮中設立了效法「學宮」的「智慧宮」(Bayt al -Hikma)，招集大批優秀學者在裡面負責翻譯工作。這樣，在皇室、大臣和學者的支持下，掀起了一個巨大的阿拉伯翻譯運動，它持續了整整兩個半世紀(750－1000)，最後絕大部分希臘哲學、科學和醫學典籍都被翻成阿拉伯文，這些學問也被整體地移植到伊斯蘭文明中來了。在短短一個世紀之後，也就是12世紀之初，西歐也掀起了自己的拉丁文翻譯運動。在11世紀，歐洲開始從五百年的大混亂中復甦，並且在羅馬教會領導下向伊斯蘭帝國發動反攻，這導致了「十字軍東征」和其它軍事行動。其結果是，長期被伊斯蘭教徒盤踞的西西里島、西班牙中部重鎮托萊多(Toledo)和巴勒斯坦都「光復」了。「光復」的最重要後果之一是：大量阿拉伯科學典籍和學者落入西班牙基督教公國的控制。這同樣激發了歐洲學者的巨大熱情，西班牙特別是托萊多很快成為搜購和翻譯阿拉伯典籍的中心。諸如《幾何原本》和《大彙編》最初就都是從阿拉伯文本翻譯成拉丁文的；此外還有伊斯蘭科學的原著，例如柯窪列茲米(Khwarizmi)的《代數學》。翻譯運動的高潮是在1120－1190年間，此後它的步伐緩慢下來，但並沒有就此結束，而一直延續到16－17世紀。以上兩個翻譯運動的規模和影響都只有中國的佛經翻譯運動可以比擬。佛經翻譯將佛教移植於中國，阿拉伯與拉丁翻譯運動則將科學和哲學從古希臘移植於伊斯蘭世界，然後又再移植於西歐。這樣，從古代以至近代，西方科學的傳承雖然頗為迂迴曲折，但通過兩個翻譯運動的維繫作用，它仍然能夠形成一個連貫的傳統。
   
    最後，中古和近代科學之間還有個斷層──從哥白尼往前追溯淵源好像那麼困難，這是基本原因。中古科學只有不足兩百年（1200－1380），在此期間中古大學興起，科學開始發展，但受亞里士多德的影響籠罩，所以數學和天文學則無大進展，它在14世紀中葉以後就為黑死病和英法百年戰爭打斷了。在上述危機過去以後，君士但丁堡的陷落帶來了轉機：在此事件前後奧斯曼帝國的威脅導致大批希臘學者移居北義大利，由是在那裡掀起了古希臘文化熱潮，這又轉而刺激數學和天文學的興起，那才是波爾巴赫(Peuerbach)和拉哲蒙坦那(Regiomontanus)等為哥白尼奠基的學者出現之原因。
   
5  現代科學為何出現於西方？
   
    科學革命兩度出現於西方，可能和西方科學發展中心地區不斷轉移有關。科學的持續發展有賴於其中心區域不斷「轉移」到新的、適合生長的地區，這是累積大量新觀念、新發現以至出現革命性突變的必要條件。
   
    以上要說明的，是一個很簡單的事實：西方科學自古希臘以至近代，形成一個歷時兩千年之久的大傳統。它雖然曾經出現斷層，而且所立足的地區、所處身的文明、所藉以傳載的語言都曾經發生大轉移，但是它的觀念、方法、追求、典籍、問題意識等等，仍然是一脈相承，前後連貫的。這個大傳統之所以會出現，是由於公元前4－5世紀的「新普羅米修斯革命」；到了16－17世紀，它再次出現突變，即今日所謂「科學革命」，它結束了老傳統，同時也開出過自牛頓以來的三百多年新傳統。總體來說，現代科學出現於西方，是「一個傳統，兩次革命」的結果。
   
    為什麼科學革命會兩度出現於西方，卻沒有出現於印度或者中華文明呢？這可能和西方科學的另一個特徵有關，那就是發展中心地區的不斷轉移，甚至分散為多個中心。古希臘的科學中心最初在周邊城市間轉移，然後集中到雅典，最後轉到亞歷山大；伊斯蘭科學中心從巴格達轉到伊朗多個城市，再到開羅、西班牙，然後回到伊朗和中亞；歐洲科學發展則從牛津和巴黎開始，其後轉移到北義大利，然後回到巴黎、荷蘭，以至劍橋。這「中心轉移」的現象很特別，它可能是出於下列原因：在現代以前純科學並沒有實用價值，所以它生長、發展所需要的特殊條件，例如人才、資源、組織、社會的容納和激勵等等，是極其稀缺難得的。它們的適當配合只能依賴機緣，這是不穩定、難以持久的。因此科學的持續發展有賴於其中心區域不斷「轉移」到新的、適合生長的地區——而這是累積大量新觀念、新發現以至出現革命性突變的必要條件。西方世界包含了許多截然不相同的民族、文化、地理環境乃至文明，這為它的科學中心提供了多次轉移的可能性；在政治上一統、文化相對同質的中華帝國，這就很困難甚至不可能了。
   
    除此之外，西方科學傳統還有兩個值得注意的特徵。首先，是它的根源非常之悠久：在3600－4000年前亦即甲骨文出現以前，它在陶泥板上的數學已經高度發展了；而像嚴格證明為無理數那樣抽象的觀念，居然也能夠在2400多年前出現。另一個特徵是，與今日一般觀念相反，宗教對於科學曾經發生巨大促進作用：畢達哥拉斯教派是「新普羅米修斯革命」背後動力之一，而且基督教也有相類似作用：在羅馬帝國後期以及17世紀，基督教的確敵視乃至嚴厲迫害過科學家；但中古最重要的三位科學家同時也是主教；他們之中的大阿爾伯圖(Albertus Magnus)更提出：「神之意志」與大自然規律並無衝突，後者反而能夠彰顯神所創造世界之奇妙。這觀念為許多修士、教徒提供了科學研究的巨大動力——伽利略和牛頓就是其中最重要的例子。
   
    當然，現代科學革命是個非常錯綜複雜的現象。它之所以出現，在文化、宗教和科學傳統本身的因素以外，社會、經濟、技術因素也同樣不能忽略。例如，印刷術曾經對於科學傳播發生巨大推動作用；火器為民族國家興起提供助力，也還導致了彈道學發展，動力學研究也有相當影響。因此，不能夠否認，資本主義因素也很可能是科學革命出現的因素之一。但在本講所提出的所有證據都顯示，科學大傳統本身始終是最根本，也最切實而明顯的因素，否定它的重要性而代之以其它因素，恐怕是本末倒置了。