近代自然科學體系的建立及其意義
——科學發展的人文歷程漫話之九

錢時惕

（河北大學 河北 保定 071002）

1 近代自然科學體系建立的歷史背景［1～2］

1.1 擺脫神權統治的斗爭取得勝利

由于波蘭天文學家哥白尼（N.Copernius，1473～1543）、意 大 利 天 文 學 家 布 魯 （G.Bruno，1548 ～1600）、近代實驗科學之父伽利略（G.Galileo，1564～1642）、比利時醫學家維薩里（A.Vesalius，1514～1564年）、西班牙青年醫生塞爾維特（M.Servet，1511～1553）、英國生理學家哈維（W.Harvey，1578～1657）、英國生物學家達爾文（C.Darwin，1809 ～1882）等的科學實踐活動，沖破了基督教的神權統治，批判與糾正了長期以來教會推崇為“權威”與“經典”、神圣不可侵犯的“托勒密的地心說”、“亞里士多德的物理學”、“蓋侖的三靈氣說”、“物種神創論”等的錯誤，使自然科學逐漸走上了獨立發展的道路.

1.2 走出“自然哲學”形態 各部科學分門別類地得到發展

古代自然科學帶有“自然哲學”形態，其基礎主要是直觀的經驗.這些通過人的各種感官（眼、耳、口、鼻、皮膚等）直接感受所取得的經驗事實不是在純化的、可控條件下取得的，因此比較表面、膚淺、模糊、不準確.由于其經驗基礎的直觀性，所用概念及語言一般未經分析，理論依靠猜測及思辯來編織，并受到各種宗教、神話、巫術不同程度的影響；因而，其理論體系多數顯得籠統、朦朧、粗糙、含混、未能從哲學形態中分離出來.近代自然科學由于完成了從經院哲學傳統到實證科學方法（受控實驗的基礎、邏輯體系的結構、嚴格的實驗檢驗、統一的糾錯機制）轉變，從而走出了“自然哲學”形態，數學、物理學、化學、生物學，分門別類地得到發展.

1.3 數學在各門科學中得到廣泛應用

近代自然科學一個顯著特點就是實驗與數學的結合以及數學的廣泛應用.馬克思曾指出：“一種科學只有在成功地運用數學時，才算達到了真正完善的地步.”［3］近代自然科學體系則是在數學得到廣泛應用這一歷史背景下逐漸建立起來的.

2 近代自然科學體系的構成［4］

2.1 數學

數學是研究認識客體（自然，社會及其事物）中數與形及其關系的科學.數學對于科學技術的產生具有重要意義.一般來說，人們把數學分為初等數學與高等數學.初等數學主要以常量作為研究對象，而高等數學則把研究對象從常量擴充到變量.

初等數學在古代已經建立起來了，包括算術、幾何、代數、三角.而高等數學則是現代才產生的.近代數學是從解析幾何的產生而開始的.解析幾何把幾何與代數結合起來，并把數學的的研究從常量推廣到變量，為數學在科學技術中的應用開辟了道路.解析幾何的思想，最早出現在笛卡兒（R.Descartes，1596～1650，圖1）的《方法論》（1673年）一書中.與笛卡兒大致同時，法國數學家費爾瑪（P.de Fermat，1601～1665）也獨立地創立了解析幾何.

圖1 笛卡兒 法國科學家與哲學家

自從笛卡兒把變量引入數學后，數學開始研究變量之間的關系，這樣就引入了函數概念，而這正是當時力學、天文學中迫切需要處理的問題（如已知物體運動的距離作為時間的函數，求物體運動的速度、加速度等）.正是在這一種形勢下，微積分產生了.微積分是近代數學的基礎與核心，它的出現是近代數學最重要的成就.牛頓（圖2）和萊布尼茲（G.Leibniz，1646～1716，圖3）是微積分的創始人，但他們創立的微積分實際上是不嚴格的，微積分理論的嚴格化是由法國數學家達蘭貝爾（J.L.R.d＇Almbert，1717～1783）及法國數學家柯西（A.L.Cauchy，1789～1857）完成的.在微積分基礎上，建立和發展了無窮級數、微分方程、微分幾何及變分法，這就形成了近代數學最重要的一個分支—— 數學分析.

圖2 牛頓 英國物理學家

圖3萊布尼茲 德國數學家與哲學家

除數學分析之外，近代數學中還包括概率論與數理統計，線性代數、拓撲學、數論等分支學科.

2.2 物理學

物理學是研究自然界中物理（力、熱、電磁、量子……）運動規律的科學.物理學是近代自然科學的帶頭學科，它對于近代科學技術的發展及其在生產過程中的應用起了主導性的作用.近代物理學是從意大利科學家伽利略對慣性問題的研究而開始的.伽利略通過實驗研究，破除了亞里士多德關于“只有外力的持續作用才能保持自身運動”的錯誤觀念，為物理學的健康發展開辟了道路.

在伽利略、開普勒（J.Kepler，1571～1630）、笛卡兒、惠更斯（C.Huggens，1629～1695）、胡克（R.Hooke，1635～1730）等人對機械運動研究成果的基礎上，牛頓進行了偉大的綜合.1678年牛頓的《自然哲學的數學原理》一書出版，標志著經典力學體系的建立，成為物理學進一步發展的基礎.

在機械運動研究的基礎上，物理學開始了對熱運動的研究，于19世紀上半葉相繼建立了熱運動的宏觀理論——熱力學及熱運動的統計理論——統計力學.

進入19世紀，物理學研究的主攻方向轉向電磁運動.1820年，奧斯特（H.C.Orsted，1777～1851）發現電流磁效應；1831年，法拉第（M.Faraday，1791～1867，圖4）發現電磁感應定律；1864年，麥 克 斯 韋 （J.C.Maxwell，1831 ～1879）在前人工作基礎上建立了電磁場理論并預言（1865年）電磁波的存在并把光歸結為電磁波的一種；1888年，赫茲（H.R.Herts，1857～1894）用實驗證明了電磁波之存在，成為科學理論指導科學發現最生動的事例.到19世紀末，物理學建立起力學、熱學、電磁學、光學的理論體系.

圖4 法拉第 英國化學家與物理學家

2.3 化學

關于化學的定義，存在多種不同的說法.我們認為：化學是研究化學運動（原子、分子層次上物質結構的變化及引起的反應）規律的科學.

1661年，英國科學家玻意耳（R.Boyle，1627～1691）出版了《懷疑的化學家》一書，根據大量實驗事實，批判了亞里士多德的“四元素論”與醫藥化學家的“三元素說”，建立了自己的元素概念，從而為化學的發展奠定了基礎，并把化學從煉金術的影響下解放出來.

1777年，法國化學家拉瓦錫（A.L.Lavoisies，1743～1794）關于燃燒的“氧化學說”驅散了長期在化學中占統治地位的燃素說，為化學的進一步發展掃 清 了 道 路.1808年 道 爾 頓 （J.Dalton，1766 ～1844，圖5）在《化學哲學新體系》一書中，把古代原子論與化學實驗定律結合起來，建立了新的原子學說.由于阿伏伽德羅（A.Avogadro，1776～1856）及康尼查羅（S.Cannizzaro，1826～1910）等人的努力，澄清了道爾頓原子學說的某些混亂，提出了分子概念，從而確立了科學的原子 －分子學說.

元素周期律的發現（門捷列夫，1869年，圖6）是近代化學發展的偉大成就.它為人類認識突破原子界限，進入微觀領域作了準備（圖7）.19世紀后期，在化學上另一重大成就則是“化學結構”概念的提出（布特列洛夫，1861年）.

圖5 道爾頓 英國化學家

圖6 門捷列夫 俄國化學家

圖7 門捷列夫元素周期表的原始手稿（1869年）

到19世紀末，初步形成了無機化學、有機化學、分析化學和物理化學的理論體系.

2.4 生物學

生物學是研究生命系統（同時具有自我更新、自我調節、自我復制特性的物質系統）運動規律的科學.

生命的運動是比物理運動、化學運動更為高級、更為復雜的運動.因此，從科學的嚴格規范（數學運用，公理化體系）來說，生物學成熟得較晚.

近代生物學是從突破中世紀奉為權威的蓋倫學說而開始的.其中，《人體的構造》一書的出版（維薩留斯，1543年）與血液循環理論的創立（哈維，1616年）作出了重大貢獻.

生物進化論的建立是近代生物學的最重大成就.它是在沖破了“上帝創世說”、“物種神創論”等錯誤觀念，經過幾代人共同勞動、研究、創造的成果.其中，布豐（G.L.L.Buffon，1707～1788）關于生物進化論的思想、拉馬克 （J.B.C.Lamarck，1744 ～1829）的 早 期 進 化 學說、賴爾 （C.Lyell，1797 ～1875）的地質漸變學說都起了重要作用.到了19世紀60年代，達爾文（C.R.Darwin，1809～1882）與華萊士（A.R.Wallace，1823～1913）同時創立生物進化論；其標志則是1859年《物種起源》一書的出版.

1838～1839年，施萊登（M.J.Schleiden，1804～1881）與施旺（T.Schwann，1810～1882，圖8）建立的細胞學說是近代生物學的又一重大成就.它揭示了動植物之間在結構上及生命活動的基礎上的統一性，為生物學與化學、物理學的聯結架起了一座橋梁.

圖8 施萊登與施旺 德國生物學家

奧地利生物學家孟 德 爾 （J.G.Mendel，1822～1884，圖9）通過豌豆雜交實驗發現了遺傳現象中的分離定律與自由組合定律，開創了遺傳學的先河.

到19世紀后期，初步形成了生物形態學、生物分類學、生理學、遺傳學、細胞學以及生物歷史學（生物進化論）的生物學科體系.

圖9 孟德爾 奧地利生物學家

3 近代自然科學體系建立的意義［5］

按系統理論觀點，一種事物如果形成了體系（或系統）就應具有整體性、相關性、動態性、層次性、組織性等特性.正是這些特性，使體系（或系統）相對個體而言，具有許多優勢.

3.1 自然科學進入了組織性發展階段

在自然科學尚未形成體系的時候，科學的發展分散地進行，發展速度較為緩慢.近代自然科學體系建立以后，科學的發展進入了組織性的階段.組織性的發展可以分為兩類：自組織和他組織.自組織指的是系統按照自身的某些規則，通過相互作用，協調地、自動地形成有序結構.他組織指的是系統靠外部指令而得到發展.對于發展來說，自組織比他組織更為基本與重要.自組織現象無論在自然界還是在人類社會中都普遍存在.一個系統自組織功能愈強，其保持和產生新功能的能力也就愈強.

近代自然科學體系（或系統）的組織性發展，一方面表現在各子系統（數學、物理學、化學、生物學）自身的發展；另一方面表現在各子系統相互作用與促進，如數學在各門科學中的廣泛應用，物理學的基礎與帶頭作用等.其方式方法為：通過眾多科學概念、理論、學科之間的協同與競爭，如相互影響、借鑒、啟發、促進、批評、詰難、辯論、交叉、滲透、融合等，使得科學系統向高層次、復雜化方向進化.

3.2 近代自然科學體系的整體性效應使人類社會進入科學時代

在自然科學形成體系以前，也就是自然科學整體性效應尚未充分發揮作用的時候，科學在社會中的地位并不突出，只不過是少數人的事業.隨著自然科學整體性效應的顯現.

特別是科學通過技術的廣泛應用，科學在社會中的地位空前提高.例如，由于18～19世紀物理學的研究，特別是對電磁運動規律的研究，導致發電機（皮克希，1832年）、電動機（雅可比，1837年）、變壓器（斯坦利，1885年）、交流電機（特斯拉，1888）、發電站（愛迪生，1882年）及電力傳輸技術（德普勒，1882年）等的先后發明與廣泛應用 ，產生了以電力技術（亦稱電氣技術）為主導技術的第二次技術革命，使人類進入電氣化時代.

3.3 近代自然科學體系的建立使人類的認識從神學自然觀轉變為機械自然觀

中世紀的歐洲，基督教神學自然觀在思想界占據統治地位.按“圣經”中“創世紀”的說法，宇宙中的日月星辰、萬事萬物都是上帝創造的.愛爾蘭的大主教烏歇爾（Usher 1650～？）曾推算出上帝是在公元前4004年10月17日至10月22日完成“創世”的.由于“上帝”的“全能”，這個被“創造”的世界當然是有秩序的.上帝完成“創世”后，世界就不再變化了.為了說明地球上地質及生物的某些變化現象，具有神學傾向的科學家居維葉（G.Cuvier，1769～1832）提出了“災變論”.按照居維葉的觀點，地球上每次大的激變將消滅所有的生物.激變結束后，地球上又出現新的生物類型，所以在不同的地層里會出現不同的生物化石.

16～19世紀，近代自然科學體系主要是在牛頓力學基礎上展開的；因而，機械的自然觀占了主導.它把生物、化學、物理學等運動形式都歸結為簡單機械運動，各種物體（包括人在內）則看成是由宇宙最后的基石——原子通過各種方式組合而成.因此，只要掌握了機械運動的規律，原則上就能解釋，甚至預測世界上的一切自然現象.這種自然觀雖然有重大缺陷，但對比神學自然觀還是一種歷史進步.

1 錢時惕.神權統治下的中世紀科學.物理通報，2011（5）：81

2 錢時惕.從經院哲學傳統到實證科學方法的轉變.物理通報，2011（10）

3 保爾·拉法格，等著.馬集譯.回憶馬克思恩格斯.北京：人民出版社，1973.7

4 丹皮爾.科學史，北京：商務印書館，1970.29～40.50～68

5 吳今培，李學偉.系統科學發展慨論.北京：清華大學出版社，2010.5～18