近代自然科学体系的建立及其意义——科学发展的人文历程漫话之九

钱时惕

（河北大学 河北 保定 071002）

1 近代自然科学体系建立的历史背景［1～2］

1.1 摆脱神权统治的斗争取得胜利

由于波兰天文学家哥白尼（N.Copernius，1473～1543）、意 大 利 天 文 学 家 布 鲁 （G.Bruno，1548 ～1600）、近代实验科学之父伽利略（G.Galileo，1564～1642）、比利时医学家维萨里（A.Vesalius，1514～1564年）、西班牙青年医生塞尔维特（M.Servet，1511～1553）、英国生理学家哈维（W.Harvey，1578～1657）、英国生物学家达尔文（C.Darwin，1809 ～1882）等的科学实践活动，冲破了基督教的神权统治，批判与纠正了长期以来教会推崇为“权威”与“经典”、神圣不可侵犯的“托勒密的地心说”、“亚里士多德的物理学”、“盖仑的三灵气说”、“物种神创论”等的错误，使自然科学逐渐走上了独立发展的道路.

1.2 走出“自然哲学”形态 各部科学分门别类地得到发展

古代自然科学带有“自然哲学”形态，其基础主要是直观的经验.这些通过人的各种感官（眼、耳、口、鼻、皮肤等）直接感受所取得的经验事实不是在纯化的、可控条件下取得的，因此比较表面、肤浅、模糊、不准确.由于其经验基础的直观性，所用概念及语言一般未经分析，理论依靠猜测及思辩来编织，并受到各种宗教、神话、巫术不同程度的影响；因而，其理论体系多数显得笼统、朦胧、粗糙、含混、未能从哲学形态中分离出来.近代自然科学由于完成了从经院哲学传统到实证科学方法（受控实验的基础、逻辑体系的结构、严格的实验检验、统一的纠错机制）转变，从而走出了“自然哲学”形态，数学、物理学、化学、生物学，分门别类地得到发展.

1.3 数学在各门科学中得到广泛应用

近代自然科学一个显著特点就是实验与数学的结合以及数学的广泛应用.马克思曾指出：“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步.”［3］近代自然科学体系则是在数学得到广泛应用这一历史背景下逐渐建立起来的.

2 近代自然科学体系的构成［4］

2.1 数学

数学是研究认识客体（自然，社会及其事物）中数与形及其关系的科学.数学对于科学技术的产生具有重要意义.一般来说，人们把数学分为初等数学与高等数学.初等数学主要以常量作为研究对象，而高等数学则把研究对象从常量扩充到变量.

初等数学在古代已经建立起来了，包括算术、几何、代数、三角.而高等数学则是现代才产生的.近代数学是从解析几何的产生而开始的.解析几何把几何与代数结合起来，并把数学的的研究从常量推广到变量，为数学在科学技术中的应用开辟了道路.解析几何的思想，最早出现在笛卡儿（R.Descartes，1596～1650，图1）的《方法论》（1673年）一书中.与笛卡儿大致同时，法国数学家费尔玛（P.de Fermat，1601～1665）也独立地创立了解析几何.

图1 笛卡儿 法国科学家与哲学家

自从笛卡儿把变量引入数学后，数学开始研究变量之间的关系，这样就引入了函数概念，而这正是当时力学、天文学中迫切需要处理的问题（如已知物体运动的距离作为时间的函数，求物体运动的速度、加速度等）.正是在这一种形势下，微积分产生了.微积分是近代数学的基础与核心，它的出现是近代数学最重要的成就.牛顿（图2）和莱布尼兹（G.Leibniz，1646～1716，图3）是微积分的创始人，但他们创立的微积分实际上是不严格的，微积分理论的严格化是由法国数学家达兰贝尔（J.L.R.d＇Almbert，1717～1783）及法国数学家柯西（A.L.Cauchy，1789～1857）完成的.在微积分基础上，建立和发展了无穷级数、微分方程、微分几何及变分法，这就形成了近代数学最重要的一个分支—— 数学分析.

图2 牛顿 英国物理学家

图3莱布尼兹 德国数学家与哲学家

除数学分析之外，近代数学中还包括概率论与数理统计，线性代数、拓扑学、数论等分支学科.

2.2 物理学

物理学是研究自然界中物理（力、热、电磁、量子……）运动规律的科学.物理学是近代自然科学的带头学科，它对于近代科学技术的发展及其在生产过程中的应用起了主导性的作用.近代物理学是从意大利科学家伽利略对惯性问题的研究而开始的.伽利略通过实验研究，破除了亚里士多德关于“只有外力的持续作用才能保持自身运动”的错误观念，为物理学的健康发展开辟了道路.

在伽利略、开普勒（J.Kepler，1571～1630）、笛卡儿、惠更斯（C.Huggens，1629～1695）、胡克（R.Hooke，1635～1730）等人对机械运动研究成果的基础上，牛顿进行了伟大的综合.1678年牛顿的《自然哲学的数学原理》一书出版，标志着经典力学体系的建立，成为物理学进一步发展的基础.

在机械运动研究的基础上，物理学开始了对热运动的研究，于19世纪上半叶相继建立了热运动的宏观理论——热力学及热运动的统计理论——统计力学.

进入19世纪，物理学研究的主攻方向转向电磁运动.1820年，奥斯特（H.C.Orsted，1777～1851）发现电流磁效应；1831年，法拉第（M.Faraday，1791～1867，图4）发现电磁感应定律；1864年，麦 克 斯 韦 （J.C.Maxwell，1831 ～1879）在前人工作基础上建立了电磁场理论并预言（1865年）电磁波的存在并把光归结为电磁波的一种；1888年，赫兹（H.R.Herts，1857～1894）用实验证明了电磁波之存在，成为科学理论指导科学发现最生动的事例.到19世纪末，物理学建立起力学、热学、电磁学、光学的理论体系.

图4 法拉第 英国化学家与物理学家

2.3 化学

关于化学的定义，存在多种不同的说法.我们认为：化学是研究化学运动（原子、分子层次上物质结构的变化及引起的反应）规律的科学.

1661年，英国科学家玻意耳（R.Boyle，1627～1691）出版了《怀疑的化学家》一书，根据大量实验事实，批判了亚里士多德的“四元素论”与医药化学家的“三元素说”，建立了自己的元素概念，从而为化学的发展奠定了基础，并把化学从炼金术的影响下解放出来.

1777年，法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisies，1743～1794）关于燃烧的“氧化学说”驱散了长期在化学中占统治地位的燃素说，为化学的进一步发展扫 清 了 道 路.1808年 道 尔 顿 （J.Dalton，1766 ～1844，图5）在《化学哲学新体系》一书中，把古代原子论与化学实验定律结合起来，建立了新的原子学说.由于阿伏伽德罗（A.Avogadro，1776～1856）及康尼查罗（S.Cannizzaro，1826～1910）等人的努力，澄清了道尔顿原子学说的某些混乱，提出了分子概念，从而确立了科学的原子 －分子学说.

元素周期律的发现（门捷列夫，1869年，图6）是近代化学发展的伟大成就.它为人类认识突破原子界限，进入微观领域作了准备（图7）.19世纪后期，在化学上另一重大成就则是“化学结构”概念的提出（布特列洛夫，1861年）.

图5 道尔顿 英国化学家

图6 门捷列夫 俄国化学家

图7 门捷列夫元素周期表的原始手稿（1869年）

到19世纪末，初步形成了无机化学、有机化学、分析化学和物理化学的理论体系.

2.4 生物学

生物学是研究生命系统（同时具有自我更新、自我调节、自我复制特性的物质系统）运动规律的科学.

生命的运动是比物理运动、化学运动更为高级、更为复杂的运动.因此，从科学的严格规范（数学运用，公理化体系）来说，生物学成熟得较晚.

近代生物学是从突破中世纪奉为权威的盖伦学说而开始的.其中，《人体的构造》一书的出版（维萨留斯，1543年）与血液循环理论的创立（哈维，1616年）作出了重大贡献.

生物进化论的建立是近代生物学的最重大成就.它是在冲破了“上帝创世说”、“物种神创论”等错误观念，经过几代人共同劳动、研究、创造的成果.其中，布丰（G.L.L.Buffon，1707～1788）关于生物进化论的思想、拉马克 （J.B.C.Lamarck，1744 ～1829）的 早 期 进 化 学说、赖尔 （C.Lyell，1797 ～1875）的地质渐变学说都起了重要作用.到了19世纪60年代，达尔文（C.R.Darwin，1809～1882）与华莱士（A.R.Wallace，1823～1913）同时创立生物进化论；其标志则是1859年《物种起源》一书的出版.

1838～1839年，施莱登（M.J.Schleiden，1804～1881）与施旺（T.Schwann，1810～1882，图8）建立的细胞学说是近代生物学的又一重大成就.它揭示了动植物之间在结构上及生命活动的基础上的统一性，为生物学与化学、物理学的联结架起了一座桥梁.

图8 施莱登与施旺 德国生物学家

奥地利生物学家孟 德 尔 （J.G.Mendel，1822～1884，图9）通过豌豆杂交实验发现了遗传现象中的分离定律与自由组合定律，开创了遗传学的先河.

到19世纪后期，初步形成了生物形态学、生物分类学、生理学、遗传学、细胞学以及生物历史学（生物进化论）的生物学科体系.

图9 孟德尔 奥地利生物学家

3 近代自然科学体系建立的意义［5］

按系统理论观点，一种事物如果形成了体系（或系统）就应具有整体性、相关性、动态性、层次性、组织性等特性.正是这些特性，使体系（或系统）相对个体而言，具有许多优势.

3.1 自然科学进入了组织性发展阶段

在自然科学尚未形成体系的时候，科学的发展分散地进行，发展速度较为缓慢.近代自然科学体系建立以后，科学的发展进入了组织性的阶段.组织性的发展可以分为两类：自组织和他组织.自组织指的是系统按照自身的某些规则，通过相互作用，协调地、自动地形成有序结构.他组织指的是系统靠外部指令而得到发展.对于发展来说，自组织比他组织更为基本与重要.自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在.一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强.

近代自然科学体系（或系统）的组织性发展，一方面表现在各子系统（数学、物理学、化学、生物学）自身的发展；另一方面表现在各子系统相互作用与促进，如数学在各门科学中的广泛应用，物理学的基础与带头作用等.其方式方法为：通过众多科学概念、理论、学科之间的协同与竞争，如相互影响、借鉴、启发、促进、批评、诘难、辩论、交叉、渗透、融合等，使得科学系统向高层次、复杂化方向进化.

3.2 近代自然科学体系的整体性效应使人类社会进入科学时代

在自然科学形成体系以前，也就是自然科学整体性效应尚未充分发挥作用的时候，科学在社会中的地位并不突出，只不过是少数人的事业.随着自然科学整体性效应的显现.

特别是科学通过技术的广泛应用，科学在社会中的地位空前提高.例如，由于18～19世纪物理学的研究，特别是对电磁运动规律的研究，导致发电机（皮克希，1832年）、电动机（雅可比，1837年）、变压器（斯坦利，1885年）、交流电机（特斯拉，1888）、发电站（爱迪生，1882年）及电力传输技术（德普勒，1882年）等的先后发明与广泛应用 ，产生了以电力技术（亦称电气技术）为主导技术的第二次技术革命，使人类进入电气化时代.

3.3 近代自然科学体系的建立使人类的认识从神学自然观转变为机械自然观

中世纪的欧洲，基督教神学自然观在思想界占据统治地位.按“圣经”中“创世纪”的说法，宇宙中的日月星辰、万事万物都是上帝创造的.爱尔兰的大主教乌歇尔（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“创世”的.由于“上帝”的“全能”，这个被“创造”的世界当然是有秩序的.上帝完成“创世”后，世界就不再变化了.为了说明地球上地质及生物的某些变化现象，具有神学倾向的科学家居维叶（G.Cuvier，1769～1832）提出了“灾变论”.按照居维叶的观点，地球上每次大的激变将消灭所有的生物.激变结束后，地球上又出现新的生物类型，所以在不同的地层里会出现不同的生物化石.

16～19世纪，近代自然科学体系主要是在牛顿力学基础上展开的；因而，机械的自然观占了主导.它把生物、化学、物理学等运动形式都归结为简单机械运动，各种物体（包括人在内）则看成是由宇宙最后的基石——原子通过各种方式组合而成.因此，只要掌握了机械运动的规律，原则上就能解释，甚至预测世界上的一切自然现象.这种自然观虽然有重大缺陷，但对比神学自然观还是一种历史进步.

1 钱时惕.神权统治下的中世纪科学.物理通报，2011（5）：81

2 钱时惕.从经院哲学传统到实证科学方法的转变.物理通报，2011（10）

3 保尔·拉法格，等著.马集译.回忆马克思恩格斯.北京：人民出版社，1973.7

4 丹皮尔.科学史，北京：商务印书馆，1970.29～40.50～68

5 吴今培，李学伟.系统科学发展慨论.北京：清华大学出版社，2010.5～18