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[转载]金观涛 樊洪业 刘青峰:文化背景与科学技术结构的演变(5)

已有 363 次阅读 2020-6-2 07:16 |个人分类:读书笔记|系统分类:论文交流| 文化背景, 科学技术结构, 历史演变 |文章来源:转载

六、原始科学结构及其社会化

我们虽然从科学技术结构的特点和是否产生循环加速机制来说明中国科学于17世纪落后于西方的原因,但疑问还继续存在。

就中世纪科学技术结构而论,西欧比中国更为落后,那末,为什么近代科学技术结构能在西方以基督教神学自然观和经院哲学为文化背景的社会中建立起来,而不能由中国的传统科学技术结构转化而来呢?当然,这和西欧16世纪后封建社会瓦解和资本主义社会的建立直接相关,中国封建社会基本结构的长期停滞使得与其相适应的科学技术结构也长期停滞在古老而幼稚的形态中。但是,科学技术结构毕竟与社会结构是不同的,近代科学技术结构的确立一方面需要一定的社会条件,但还需要其本身内部的动力。因为科学技术是人类认识自然和改造自然的活动。近代科学技术结构的成长包含着一套正确合理的认识自然、改造自然的方法以及相应的科学研究和技术的组织形态的发展。仅仅有经济和政治的动力,还不足以说明它的形成。在近代科学技术结构三个子系统中,开放性技术体系的确立与政治经济的关系最为密切。要弄清为什么中国没有建立开放性技术体系,首先就必须探讨中国封建社会长期延续的原因(这个问题更为广泛,我们在此不深入展开讨论)。而即使回答了这个问题,也还是不能解释近代科学技术结构何以不能最先在中国确立。我们已在第四节指出,开放性技术体系的确立,除了资本主义政治和经济结构外,还要有构造性自然观与受控实验系统为基础。我们打开科学技术史,可以发现,就科学结构而言,它们甚至比资本主义社会结构确立还早一些。更进一步说它本身就是摧毁西欧封建制度而为资本主义制度开路的有力武器。为了更深刻地理解中国科学技术在17世纪以后落后的原因,我们必须去研究科学结构和社会结构的相互作用,并在这种相互作用中来把握科学结构演化的规律,为此,我们把讨论的重点放在近代科学结构确立的过程上。

从整体上分析,可以把近代科学结构形成的过程分为两个阶段加以考察。第一阶段,人类首先在某一个特殊领域,一个最容易发现这些正确认识自然原则的科学中发现了这些原则。第二步,这些原则在一定的社会条件下不断扩大其影响,为社会上大多数科学家所接受。近代科学结构的形成好象晶体的成长一样,它必须首先形成一个类似于晶体的东西,也就是说必须在一个最容易进行受控实验和确立构造性自然观的领域中建立一种类似于近代科学结构的体系。我们将其称为原始科学结构。其之所以是原始的,因为和近代科学结构相似的规范虽然在这一学科中确定,但它没有上升到一般原则,并且和具体学科的内容还不曾分离,它的影响只局限在很窄的一个领域以及与这一领域有直接关系的学科。原始科学结构在合适的社会条件下,不断成长,不断扩张到越来越广阔的科学研究范围,最后形成科学结构,我们称其为原始科学结构的社会化过程。研究为什么西欧在16世纪后能确立近代科学结构,就是去剖析原始科学结构的形成过程及其社会化的条件。

古代科学理论一般是宗教或自然哲学的一部分,实验限于个别人的肉眼观察或简单仪器的使用,技术虽然存在于生产实践之中,但在大多数领域中,科学理论、实验和技术三者是互相隔裂的。原始科学结构只可能最先产生于一开始就不能把理论、实验和技术之间关系截然分割的特殊部门中。显然几何学是第一个具备这种条件的领域。在几何学中,相应的实验就是测量,空间测量无疑是一切科学实验中最容易成为受控实验的,当古人发明第一根尺,用拉紧绳子作为直线时,几何实验就开始客观化和量化了。有了测量仪器,对于同一段距离,同一个正方形,同一个角度,不同人测量都得到同样的并且可以亿万次重复的结果。而且,测量也是人类最早将实验与技术结合起来的领域。技术和科学不同,它因纯粹政治、经济等实用目的而发展起来,所以,它是社会化的。古埃及尼罗河的定期泛滥而淹没地界,使得土地测量成为一种最早社会化具有经济目的的技术活动,这种技术具有相当大的开放性(在其可能达到的领域中),它不可能被严格地禁锢在某些特殊的测量对象之中。所以就几何学而论,它相应的实验结构和技术结构是容易建立起类似近代科学技术结构中的规范的。理论结构又如何呢?科学史告诉我们,欧几里得几何学正好是第一个逻辑构造型的理论体系。几何理论中的没有大小的点,没有宽窄的线,没有厚度的面,这些抽象和定义,的确成功地忽略了物体众多的第二性质,而从空间结构的角度来把握研究对象。在今天看来,差不多一切古代科学知识体系都消失了,唯有欧氏几何学是一个例外,我们关于现实空间结构的知识并没有超出欧氏几何的范围,这恰恰表明,欧氏几何体系是在科学史上第一个建立起满足近代科学技术结构规范的体系。

在几何学的实验和技术结构中建立起类似于近代科学技术结构的规范是比较容易的,古代巴比伦、埃及、印度和中国都几乎独立地迈出了这一步。而建立构造性理论体系则比较困难。只有古代希腊人大致达到了这一点。图11表示欧氏几何理论体系建立的几个主要步骤。首先,古埃及发达的测量技术以及完备的测量工具为它奠定了基础。相传爱奥尼亚哲学家米利都的泰勒斯到埃及游历回来后,就想到可以根据土地测量的经验规则,建立起一门关于空间形式的理想科学13。接着毕达哥拉斯学派发现了勾股定理,并按照某种逻辑顺利地把已知定理排列起来,赋予理论体系以某种结构性要素。从公元前320年欧德谟所著几何学史的残篇中我们可以看到,这种理论结构又是怎样逐步完善起来的。在理性主义的古希腊哲学背景之中,亚里士多德发现了形式逻辑,它一方面是受到了正在形成的几何理论体系的影响,另一方面,形式逻辑的发现无疑把逻辑和构造结合起来,以至于欧几里得最后能赋于几何学以一种明确的逻辑构造型理论体系。

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在几何学中形成原始科学结构方面,古代中国所走过的道路和古希腊是不同的。我们知道,就测量技术和测量仪器的发明而言,中国和西方一样早,被认为是中华民族最古老的神祗的女娲和伏羲是手中握着规和矩的。春秋战国时诸子百家的哲学起到了类似古希腊哲学对原始科学结构的孕育作用。春秋战国时期的名辩思潮包含有初步的形式逻辑萌芽;《考工记》中出现了角度概念;中医已形成了自己独特的理论体系;天文学思想也有很大发展。确实,中国在春秋战国时代,原始科学结构正在形成。李约瑟曾把《墨经》中有关的几何定义和定理与欧氏几何原本作了对比,发现欧氏书中的许多定义和定理和《墨经》中的表述一模一样14。《墨经》几乎是一本尚未完成的中国式几何原本。但不幸的是,中国几何学中构造性理论体系尚未确立就夭折了(图12),一方面,《墨经》并没有完成原始科学结构的建造,更重要的是,随着百家争鸣时代的结束,中国建立了大一统封建王朝,号称显学的墨家衰亡了,《墨经》从此被埋没在历史的尘埃之中,而几何学的知识被纳入到更为实用的天文学体系里与测量技术中去了,独尊儒术后带来的理论技术化倾向无疑加强了这一结合。其结果是,中国的数学理论模式几乎是以天文学和计算数学为中心而形成的。对后世科学理论建立起到示范作用的不是《墨经》,而是《周髀算经》。显而易见,就原始科学结构形成而言,天文学远比几何学不利,古代天文学中实验受控程度远低于几何学,在几何理论体系本身不完备的条件下,由于天文历法的实用要求会促使整个数学(包括几何)朝着算术化的方向发展,其结果愈加不利于几何学中构造性理论体系的成熟。

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对比一下中国和古希腊数学与天文学的发展,我们可以发现一个重要差别,古希腊的天文学主要是在几何学影响和哺育之下发展起来的,而中国则反过来是天文历法影响着数学的发展。在科学史上它表现为希腊科学是几何式的而中国则以代数算术见长。就古代科学内容本身的发展而论,这种差别不会带来太大的损害。实际上,古希腊大多数几何学成就,中国古代数学家都用自己独特的方法(主要是算术和代数的方法,如出入相补法)推出来了。但是对于原始科学结构的建立来说,其含义就大不相同了。

为什么古希腊以欧氏几何体系为代表的原始科学结构的出现是这样重要呢?就人类整个科学知识内容来说,几何学只是沧海一粟,欧氏几何理论体系的意义并不在于人类在几何学中所掌握的知识本身,而在于明确了一种建立科学理论的模式。西方很多科学史家都看到了欧氏几何体系对近代科学理论发展的作用,认为中国的几何知识的单薄是近代科学没有在中国出现的原因,但他们大多只看到了几何学的内容对天文学和力学的贡献,李约瑟对此提出了中肯的批评。实际上,欧氏几何体系的作用在于它集中地代表了原始科学结构的理论雏形。我们在后面将指出,它为近代科学结构(主要指构造性自然观)的建立起到了某种模板的作用。而这种模板在科学史上只能最先在几何中建立,而不能在别的学科中建立。医学由于其对象过于复杂使得实验很难受控,天文学理论由于本身的特点决定了只有当原始科学结构在几何学中形成后才能在其中建立类似几何的理论体系(古希腊正是如此)。否则,它会长期停滞在历法算术和混沌的原始宇宙模型之中。化学、生物学等由于它们在古代理论、实验、技术三个系统的分裂和不完备,形成原始科学结构更为困难。历史表明,中国科学理论中的技术化倾向、春秋战国后期社会结构的巨大变化和墨家学说的流产,使得原始科学结构的确立失去了历史的机会,它对以后科学技术发展的影响是巨大的。

七、社会化的途径:示范作用

用我国古代一个著名的寓言可以很形象地说明原始科学结构所起的作用。据说伯乐写了一本怎样找千里马的书《相马经》。伯乐的儿子根据这本书去找千里马,结果找回来一只癞蛤蟆,他认为癞蛤蟆完全符合书上所说的特征,搞得伯乐哭笑不得。我们可以设想,如果伯乐的儿子不是仅仅根据《相马经》去找千里马,而是牵着伯乐找到的一匹千里马,对照着这匹马去找千里马,那么至少他不会找一个癞蛤蟆回来。这里,第一匹千里马就是一个示范。在科学研究各个领域里去建立正确的认识结构,正象许许多多人独立去发现千里马那样困难。但是一旦出了一个伯乐,他找到一匹千里马,并研究了它的结构特征,根据这匹千里马的示范去找别的千里马就容易得多了。原始科学结构对近代科学结构建立所起的作用,正是它确定了一种示范。

我们知道,近代科学结构是很复杂的,从系统组织原理来讲,根据一种已有的模式(虽说比较简陋)去构造一个模式相同的体系,是比较容易的。如果没有样板,要建立两个复杂而结构相同的体系则不可思议。关于在科学发展中示范所起的独特作用,库恩曾作了很有说服力的研究。库恩把科学的发展看作“范式”的演变。“范式”有三种含义,首先它是一种处理问题的规范;其次它是一个科学共同体共同遵守的准则;第三,也是最重要的,它给出一个具体的范例,为科学家研究作示范。实际上,原始科学结构所起的作用正是这种广义的结构上的示范作用,换句话说,它就是近代科学结构的模板。

欧几里得几何体系在其形成过程中和形成后对科学理论成长中的巨大影响很值得注意。它在历史上先后出了近1000种版本,科学理论的传播总是以它的翻译居先的。实际上,如果我们去分析古希腊罗马文明所达到的科学成就,就会发现其中最发达最具有现代意义的部分都是在它的示范作用下取得的,它们共同形成了原始科学结构对后世科学家进行示范。对近代力学和天文学起到奠基作用的圆锥曲线研究(它是微积分和解析几何的基础)实际是欧几里得理论体系的直接延伸。阿波罗尼的圆锥曲线论中487个命题,均由几何原本10个公论导出15。伽里略对近代物理学划时代的贡献可以说是阿基米德方法和道路的发扬光大。而阿基米德则完全是以欧氏几何为示范来构造他的静力学理论的。乔治·伽莫夫的《物理学发展史》中,生动地说明了阿基米德怎样用不证自明的力学假定推出著名的杠杆原理和浮力定理(正如欧氏几何从公理推出定理那样)16。托勒密在建立他的天文学体系时不仅系统地引用了几何学成果,而且在理论构造上也以欧氏体系为示范,他改进并发展了三角学,执意要把他的工作建立在“算术和几何的无可争论的方法”之上。他强调了构造理论必须遵守的原则:“在解释现象的时候,采用一种能够把各种事实统一起来的最简单的假说,乃是一条正路。”他所强调的原则正是原始科学结构所要求的构造型逻辑体系。由于天文学实验本身的局限,使得托勒密天文学理论不可能象欧氏几何本身那样直接成为近代科学的一部分,但是如果托勒密天文体系中不以欧氏几何为示范来建立,它就不可能具有相当的逻辑构造型框架,这样,哥白尼革命也就会困难得多。几何光学的进展是原始科学结构示范作用的另一个例子。光学实验是人类最早进行的实验,但从这些实验中得到类似于近代科学结论的多数属于古希腊科学家。欧几里得本人无疑是利用它的几何理论规范来构造光学理论的。正是他提出光沿直线传播,并把它作为光学的最基本公理,没有这种示范,是无法发现反射定律的。希罗进一步指出:“光的反射线的路径是最短的路径。”而托勒密则利用几何规范对光学进行了更为透彻的研究,他不仅给出了凹面镜成像的数学定律,而且还研究了折射,发现光线从一种媒质进入另一种媒质时,入射角与折射角成正比。这些结论和现代几何光学结论几乎完全吻合。

如果不存在原始科学结构的示范作用,古代科学理论将会怎样发展呢?这方面中国古代天文学的发展给出了极好的例子。中国天文学观察之精确在世界古代科学史上是屈指可数的,阐述宇宙结构的天文理论也很早,如在殷周之际就产生了盖天说,汉代又出现了“浑天”和“宣夜”两种宇宙模型。宣夜说和浑天说从哲学上看是相当先进的。按理说,它们应该成为天文学理论向近代科学逼近的良好发端。但是由于缺乏原始科学结构示范作用,中国天文学理论一直没有形成类似近代科学理论结构那样的体系。我们可以把与托勒密几乎同时代的中国大天文学家张衡的理论与地心说作一个比较。我们知道,在肉眼观察看来,太阳、月亮众星都在绕地球运转,因此,从认识次序来说,天文学理论中首先确定地心说模型是很自然的。张衡在前人研究的基础上,系统地发挥了浑天说,他在《灵宪》中说:“几文耀丽乎天,其动者七,日月五星是也。周旋右回,天道者贵顺也,近天则迟,远天则速,行则屈,屈则留回,留回则逆,逆则迟,迫于天也”。这明显表明,张衡认为日月五星绕地球转动,其视运动速度取决于该天体离大地的远近。有人根据张衡的假说画了一张图(图13)17。它与托勒密地心说是十分相似的。但是张衡并没有明确提出托勒密那样的地心说理论模型。令人惊奇不已的是张衡制造的浑象几乎就是一个物化了的托勒密地心说模型。从浑象到地心说只有一步之差,但中国天文学家从来没有打算迈出这一步。为什么呢?一方面,这要归之中国科学理论的技术化倾向。另一个更为重要的原因是:缺乏原始科学结构的示范作用。托勒密为了用欧氏几何体系的示范来建立天文学理论,他必须首先选择能在天文理论中作为公理的假说,他自然会把圆周运动看作是最基本的,然后用圆周运动的均轮和本轮建立了他的地心说。张衡虽然理解日月星辰在作圆周运动,但由于没有原始科学结构逻辑构造型理论的框架的示范,圆不会被认为是基本的。中国天文学家的主要兴趣在于抽取行星运动的代数特征,即周期大小来建立天文理论。这样,天文学变成了对天体视运动周期取公倍数和公约数的算术运算。虽然从天文观察和计算来说,中国古代天文学家可以和西方一样准确,甚至更为准确,但作为理论结构,古希腊天文学比中国更接近于近代科学。

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在关于地球形状的认识上,原始科学结构示范作用的意义更为显著。如果把古希腊科学中对地球认识的知识系统进行分析,欧氏几何构成了它的理论结构,测量仪器和方法构成了受控实验结构。而大地测量(航海等)可以看作相应的技术活动。这三者在其所限定的范围内完全构成了与近代科学结构一样的体系,那么理论、实验、技术之间的循环加速机制肯定可以推动这方面科学知识不断进步,从而得到大地形状的基本正确的认识。科学史的事实证明了这一点。古希腊几何学家中很多人不仅是天文学家,而且是地理学家。他们在对大地形状认识上一直遥遥领先。公元前3世纪,塞莫斯的阿利斯塔就利用几何方法计算月球与地球的大小,巧妙地指出太阳与地球直径之比一定大于19:3,小于43:6。这个数太小,但错误不在于计算方法,而在于实验数据。实际上只要有正确的科学技术结构,错误是可以通过不断改进而逼近真理的。事实上,在希帕克那里,计算相当准了,他算出地球到月球的距离是地球直径的33.2/3,月球直径是地球的1/3。这两个值和实际数值30.2与0.27很接近。而埃拉托色尼达到的成果更为惊人,他认为地球是椭圆形的,还估算了处于同一子午线两个地方希恩和麦罗的纬度和距离,算出地球大小为24000英里,地球到太阳距离是9200万英里,这两个值几乎和现在算的数值完全一样。托勒密不仅对经纬度作了正确的观察,发明了制造地图的坐标方法,还综合了大量资料,画出了一幅相当现代化的古代世界地图。我们无须为这些古代科学成就感到吃惊,因为原始科学结构已在这一领域中发挥示范作用。

中国古代对大地形状的认识和古希腊构成了明显的对照,就大地测量的技术和仪器而言,中国比西方更为先进,张衡和裴秀发明了绘制地图的网格方法。唐政府曾组织过世界中古史上最大规模的大地测量。一行创制了一种简便的仪器“复矩”,得到“大率三百五十一里八十步,而极差一度”的科学结论。它相当准确,相对误差只有19%18。元朝的耶律楚材已明确提出“里差”概念,提出了一个相当精确的经验公式,苏天爵又进一步提出了地方时的概念。如果仅仅从测量精度和技术来看,中国古代天文学家完全可以计算出地球大小的。但是中国古代连大地是球形的观点都没有明确提出来过。落后的盖天说到清代仍有人信奉。中国天文学家在理解日食和月食时可以明确指出它是太阳被月亮掩没或月球被地球掩没所致,但这些结论孤立存在着,没有和大地形状理论构造性结合起来。由于理论结构中缺乏原始科学结构的示范,所以尽管从唐朝一直到清朝大规模的大地测量一直在进行,科学知识体系却并没有加速其进化。

中国古代科学发展中是不是不存在示范作用呢?实际上,科学的发展是不能没有示范的,差别在于是什么样的示范。从《周髀算经》开始的天文学和代数算术结合的传统以及理论技术化倾向本身是一种示范。儒家的直观合理外推的思想方法和伦理中心主义一直是强大的示范。中国儒家思想“述而不作”模式的示范作用,突出表现在中国古代科学家大多是用“注经”的方式写著作,而不象古希腊科学家按欧氏几何为模板构造自己的理论。



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