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為什么現(xiàn)代科學源自天文觀察?

前面提到,狹義的科學認知是在人類演化歷程中很晚才出現(xiàn)的一種特殊的認知形式。那么這種認知形式是在什么時候、因為什么而出現(xiàn)的呢?在現(xiàn)代社會的語境中,談到現(xiàn)代“科學”的起源,一般都會以牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》作為一座讓后人仰望的里程碑。而再向前,則有伽利略和哥白尼(當然也有學者將科學的起源追溯到古希臘時代)。1在我的成長歷程中,一直有一個印象,即現(xiàn)代科學肇始于物理學,因此,物理學的規(guī)則就是科學的規(guī)則。可是在思考生命的本質(zhì)的過程中,我發(fā)現(xiàn)雖然很多物理學家都在努力地用他們駕輕就熟的物理學思維去解析生命,而且19世紀中后期以來生命科學幾乎所有的突破,都源自物理學家、化學家在技術(shù)和理念上的創(chuàng)新,可是在物理學家與從事生物研究的人之間,好像總是存在一些大家都說不清楚的隔膜。是因為生物學的研究系統(tǒng)太復(fù)雜而挑戰(zhàn)了物理學家的能力上限?或者生物學的研究水平太低下而缺乏讓物理學家一展身手的舞臺?或者傳統(tǒng)的物理學家對實體存在的描述和對實體存在之間關(guān)系的想象上所向披靡、屢試不爽的思維模式,在處理生命現(xiàn)象時出現(xiàn)了方向性的偏差?前兩種或許大家都可以接受,畢竟生命系統(tǒng)太復(fù)雜。人們目前所能獲取的數(shù)據(jù)非常有限,而且處理這些數(shù)據(jù)的計算能力(主要是計算機)也非常有限??墒?,第三種恐怕很難被人接受: 難道生命系統(tǒng)不是物質(zhì)世界的一部分嗎?物理學不是揭示物質(zhì)世界的構(gòu)成與運行規(guī)律的嗎?怎么可能把生命系統(tǒng)給漏掉呢?

2017年美國西雅圖華盛頓大學應(yīng)用數(shù)學系講座教授錢紘來做“生命的邏輯”課程講座時,和我討論過一個問題,即生物學的原點性概念是什么。他說,數(shù)理化這些學科都有自己的原點性概念。數(shù)學的原點性概念是“數(shù)( number) ”,物理學的原點性概念是“質(zhì)點( point mass) ”,化學的原點性概念是“分子( molecule) ”。生物學呢?他的問題對我非常有啟發(fā)。如果說數(shù)是人類抽象思維的產(chǎn)物,而分子是實體存在的一個單元,質(zhì)點是什么?是一個抽象的概念呢,還是一個實體存在呢?從牛頓力學到熱力學再到量子力學,如果細究起來,我們在學習物理學時所用公式描述的物質(zhì)規(guī)律,其實都是質(zhì)點的移動、碰撞、排列的規(guī)律。在讀物理學家、化學家撰寫的有關(guān)生命活動的描述時,看到的也都是將研究對象(無論是分子、細胞還是個體)理想化為一些“質(zhì)點”之后,再分析其移動、碰撞、排列的規(guī)律??墒?,質(zhì)點的概念是怎么形成的呢?

我曾經(jīng)專門檢索過不同的詞典,沒有在權(quán)威的詞典中找到該詞的出處。但在錢紘推薦給我的一篇有關(guān)科學史的文章中,講清楚了質(zhì)點概念在18—19世紀之間從“物體( body) ”這個概念演變而來。此外,在有關(guān)物理學的發(fā)展史中,我注意到一個很有趣的事情,即被科學史家認可的近現(xiàn)代物理學的奠基人,即伽利略、開普勒、牛頓等人都研究過天文學;作為物理學最初形式的力學,很多都源自對天體運行規(guī)律的描述。這種情況是偶然的嗎?

在對物理學史的檢索中,有兩張圖片給我留下深刻的印象(圖1-3): 一張是古代天文學家記錄下來的天空;一張是現(xiàn)代天文學記錄下來的宇宙。據(jù)說,開普勒之所以能總結(jié)出行星運動規(guī)律,是因為他所依據(jù)的,是當時世界上對天體觀察和記錄最詳細的丹麥天文學家第谷的數(shù)據(jù)。而第谷觀察了多少個天體呢?有資料說是750個。這應(yīng)該是當時人們觀察天體所能達到的分辨力的極限了。在這種分辨力的范圍內(nèi),當時的人們是無法獲得現(xiàn)代天文學所觀測到的宇宙的。但反過來,也給了觀測者一個機會,即可以在對象有限的范圍內(nèi),詳細地跟蹤記錄單個天體的運行軌跡。按照現(xiàn)在的知識,我們知道,不同天體的大小和組成是非常不同的??墒窃诠湃搜壑校@些不同與它們的運行軌跡相比較而言,好像沒有那么重要——關(guān)鍵是無從細究。而從軌跡的角度講,所有不同的天體,其實不過都是一些點!所有的天體都被簡化為星圖中的“點”,而由對這些點的運行軌跡可以歸納出以數(shù)學公式描述天體運行的規(guī)律,甚至是偉大的牛頓力學體系。顯然,套用對天體運行軌跡進行描述的成功,把所有的物體運動都簡化為一個點,在物理學的發(fā)展上取得了輝煌的成功!于是,把物體簡化為點,然后用數(shù)學去描述這些點的運行,成為物理學這一科學體系的一個重要特征。

圖1-3 早期的星圖與當下星圖的比較,信息量出現(xiàn)根本性的不同。

左圖: 敦煌倉經(jīng)洞中發(fā)現(xiàn)的星圖。這是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早的星圖[ Bonnet-Bidaud et al (2009). The Dunhuang Chinese Sky: A comprehensive study of the oldest known star altas. J. Astro-nomical History and Heritage,12: 39-59];右圖: 現(xiàn)代天文學獲得的有關(guān)銀河系的圖

在前面分析“自然”一詞的含義時,我們發(fā)現(xiàn)人類眼中的自然是人類與出現(xiàn)之前就存在的實體。人類對自然的了解,最終無非是兩大類: 一類是對實體的辨識,另一類是對實體間關(guān)系的想象(見圖1-4) (農(nóng)耕之后,又出現(xiàn)了對實體由來的追溯) 。這些辨識和想象都以抽象的符號來表示,并以語言為載體而在居群成員之間交流分享。從這個角度看,把天體簡化為“點”來進行觀測和描述,雖然取得了極大的成功,但顯然只是形式之一。很多其他的觀察就很難被簡化為“點”來進行,比如為什么水是流動的、棉花是柔軟的、巖石是堅硬的,而火可以將一些東西燒為灰燼。對這些現(xiàn)象相關(guān)的實體及其相互關(guān)系的辨識和想象顯然無法用質(zhì)點式的簡化加以解決——最起碼在最初的階段。于是就有化學等反映其他辨識和想象策略的學科的產(chǎn)生。雖然到了原子和亞原子層面,化學和物理殊途同歸,但化學至今仍然因其有傳統(tǒng)的物理學思維所無法替代或涵蓋的獨特的問題和研究方法而作為科學的一個分支獨立存在。這大概是為什么錢紘在提到原點性概念時,認為物理學的原點性概念是質(zhì)點,而化學的原點性概念是分子。

那么生物學的原點性概念是什么呢?個體,細胞,基因,還是我們這里提出的整合子?希望在讀完這本書之后,大家能找到讓自己滿意的答案。

圖1-4 人類和其他動物一樣,對實體的辨識和對實體間關(guān)系的想象是生存不可或缺的兩個要素。

1 有關(guān)現(xiàn)代科學起源的問題,清華大學吳國盛教授《什么是科學》一書(該書第一版出版時,他從北大轉(zhuǎn)入清華)中有非常專業(yè)的闡述。

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