科学革命的真实样子

很多人认为一项新科学的诞生，就像法国大革命一样，摧毁一切旧势力。现代科学并不简单地是对中世纪科学的彻底决裂，而实际上也同时是古希腊和中世纪科学传统的继承和延续。科学的发生是历史演变积累的结果，是由一个范式向另一个范式过度的过程。所谓的范式，是一整套大家相信的解释体系。

但是在某一个范式当中时间久了就会形成路径依赖，比如量子理论发展到今天，科学家会用量子理论解释一切，认为我们所在的世界，一切都是由粒子组成的，包括相互之间的力。当这个理论发展到今天，很多问题走不通的时候，比如量子力学粒子学说兼容不了牛顿的万有引力，这就需要再一次的范式转移。

现代科学诞生之前，西方如何认识自然的

其实英文当中的“Science”很晚才诞生，早期人们并没有把科学从自然哲学当中区别开来，比如牛顿的《自然哲学的数学原理》，那个时候大家认为自己是自然哲学家，而没有人认为自己是科学家。

早期西方自然哲学主要受到亚里士多德以及柏拉图的影响，亚里士多德把宇宙分为月亮之上和月亮之下两个世界，月亮之上是由以太元素构成的，是不朽的，也是不变的。而月亮之下的世界，则有水、土、气、火四种元素组成的，这四种元素不断分解与组合，构成了我们世间的万物。

四元素还用来解释运动理论，土和水是重元素，因此房子会倒塌，山会坍塌，水会一直往下流，一直流向宇宙的中心。而气和火是轻的元素，它们总是奔向月上的世界，因此火焰、烟气等总是上升。

人们根据四元素来解释人身体的构成，认为人是由血液、黏液、黑胆汁与黄胆汁四种体液构成的，同时也对应了四种元素，决定了人的健康与否。如果四种体液平衡了，人的身体就健康了。生病的过程也是打破平衡的过程。

柏拉图强调用数学的方法来认识自然，数学被认为是哲学严谨推理演化的产物。柏拉图的追随者们认为，月上的世界是匀速圆周运动，因为匀速是最和谐的运动方式。他们把地球放在宇宙的中心，月亮、太阳、金星、火星等都是镶嵌在不同层次上的同心球上。

这些同心球，像洋葱皮一样，层层包裹着地球，每一层都是匀速圆周运动。后来发现这个范式不能解释为何有些星体能够忽明忽暗，而且并不是规则运动的，于是有了一套新的解释体系，托勒密体系。

托勒密解释体系认为，行星并不是直接绕地球运行的，而是沿着一个小的圆形轨道运行，轨道中心再绕地球旋转。在这套解释体系当中，大环套着小环，而且不同的环还同时都在运动，这就是均轮与本轮学说。这套解释体系一度流行了上千年，直至文艺复兴时期才被打破。

神学与科学的关系

在我们现在的历史当中，神学常常是科学的对立面。其实神学一直是科学的支持者，即使最黑暗的欧洲中世纪，人们认为上帝留给世界两本书，一本是《圣经》，另一本是就是自然哲学，而且自然哲学是一本无字的天书。

在这本天书当中，四元素是内在的原理，它们自行运转，不需要上帝的干预。文艺复兴时期，很多古希腊的学术著作被重新发掘与翻译，人们相信自然万物是相互联系的，通常这些联系又具有某种规律。

人们认为这些自然规律就像魔法，一旦掌握就会有意想不到的变化，因此自然科学家们试图寻找自然当中的内在原则，这就像解开上帝留下来的谜题，人们并不认为这是对上帝的冒犯。

当时人们的思考范式还主要局限在形象思维上，比如向日葵为何向着太阳，那是因为它像太阳；核桃仁像大脑，它能够补脑，现在回头看，这些肯定不是自然科学，但是科学就是这样一步步发展起来的。

其中哥白尼的日心说，是这一时期的典型现象。哥白尼对于托勒密均轮与本轮的解释体系非常不满意，认为这套解释体系太过于复杂了，违背了柏拉图主义认为的数学是简洁而美的。在千年之后，人们对麦克斯韦方程也提出了相同的质疑。

麦克斯韦方程组要写4行，整整8个方程组，时间和空间的8个方程组还要分开处理，缺乏自然科学的自然和优美。之后爱因斯坦用广义相对论重新解释了电磁现象，在引入第四维之后，这个方程变得简洁而又漂亮。

我们现在把哥白尼描绘为教会的叛逆者，但实际上，教会对哥白尼的研究非常尊重，甚至在修正历法的时候，都要征求哥白尼的意见。哥白尼的《天球运行论》是他临终前出版的，而且整个理论也是建构在“洋葱地球”的基础上。

当时人们并不关注是地球绕着太阳转，还是太阳绕着地球转，当时天文学是为占星术服务的，占星术在乎的是各个行星之间的距离变化，因为这预示着某些现象的发生。

那么我们的历史故事当中，为何演变为教会迫害哥白尼呢？那是因为伽利略在与天文学家沙伊纳在争夺谁先发现太阳黑子的时候，暗讽当时的主教乌尔班八世。这让乌尔班八世非常生气，导致关于伽利略的所有著作都被禁止，包括关于日心说的一切学说，所以教会封杀“日心说”是针对伽利略这个人，而不是针对这项研究的。

所以发生在16、17世纪的那个挑战宗教权威的大英雄根本就不存在。在哥白尼之后，开普勒继续致力于发展宇宙当中的数学规律，牛顿则用万有引力解释了天体之间普遍存在，但是又搞不清的规律。

现在科学故事当中，认为牛顿因为苹果砸到脑袋上，突发奇想“创造”了万有引力。其实万有引力在文艺复兴时期，当作一种“隐性物质”一直被研究，只不过在牛顿这里，获得了一种更为精确的表达。开普勒曾经利用内切多面体的方式，算出了近似值，但是没有把这个发现进一步的论证。

同样化学也是诞生于自然哲学，最初的化学应该被称之为炼金术，这是最典型的自然魔法之一。术士们希望把金属铅炼成金子，这在当时是一种主流理论，当时人们认为金属是水银和硫在地下生成的复合物，只要结合好比例，利用好纯正度，就能够炼成金子。

所以当时自然哲学家都会从事这项研究，包括牛顿。此时人们还诞生了三位一体的概念，区别于亚里士多德的四元素，人们认为和基督教当中圣父、圣子、圣灵三位一体一样，自然界也同样是三位一体的，比如人是由肉体、灵魂和精神组成的。

自然哲学家们相信世界是由化学组成的。地下的矿物质的形成，以及生物的生长，本质都是化学，也就是炼金术。上帝造人的过程，其实就是在原始混沌中，通过不断萃取、提纯获得的。上帝将净化后的灵魂注入到人的肉体，肉体获得新生，这和炼金术的提纯如出一辙。

但是这些炼金术士为了谋生，常常利用化学进行诈骗，比如欧洲瓷器的发明者波特格，谎称自己拥有炼金的本领，最后阴差阳错之下，练出了比黄金还要贵重的白瓷。正因为炼金术的坏名声，导致化学在很长一段时间内，都不被主流社会所承认。

科学的范式

任何科学的诞生，都不可能脱离于当下的环境，无论是哥白尼的日心说，还是牛顿的万有引力，都是在解决当下的问题，而诞生的一种新的解释体系。人们在用以往的理论框架解释不了新的问题的时候，人们才会转而寻求新的解释体系。

这就像我们小时候做数学题，在稳定范式没有确立之前，数学题就是一张空白纸。当范式被认可之后，科学研究的问题，原则上存在着一个答案，只要充分利用现有的知识，计算推理，最终能够解出这道数学题。

一门科学从不成熟到成熟，其标志就是形成了共识，拥有了大批的拥护者，他们不再为了同一类的研究进行争锋相对的辩论。在日心说没有被确立之前，人们为这个问题争吵了甚至上千年，直至伽利略望远镜的观察，笛卡尔的数学论证下，范式确立之后，剩下就是如何精确计算天体之间的距离了。

氧气最早是化学家普利斯特列在实验室当中获得的，但是科学家却把发现归功于拉瓦锡。因为拉瓦锡提出了一套新的解释体系，用氧气还原学说的新范式，替代了之前的燃素说，这也奠定了今天化学的基础。

拉瓦锡成功解答谜题，也不是因为他是天才，而是旧的范式解释不了科学问题。就像“洋葱”地球理论，解释不了行星运行规律一样，人们需要跳出原有的理论框架，找出一个全新的范式。

新旧范式的转换，其实就是科学革命，范式的转换意味着科学家看待世界的方式、做研究的方式都发生了根本的改变，这种转换是思维方式的突然转变，而且范式的转换也类似于宗教信仰的改变。

在信仰牛顿万有引力的时代里，天文学家勒维耶通过计算发现，除了太阳之外，还有其他的行星干扰天王星，之后伽利略通过望远镜成功发现了海王星。可是人们在观察水星轨道的时候，遇到和天王星一样的问题，那就是轨道异常肯定还有一个未知行星干扰了水星，可是在之后几百年时间里，人们始终找不到这颗未知的行星。

直到有一天，爱因斯坦提出了广义相对论，他认为引力不过是时空的扭曲，水星之所以会异常，那是因为它离太阳更近，产生的速度自然加快，而不是受到未知行星的影响。

牛顿和爱因斯坦的范式，无所谓谁更接近真理，目前量子力学也无法完成对万有引力的兼容。科学家们也从来不评价自己的理论是否更接近真理，而看中当下的评价指标，只有当评价体系出现混乱的时候，我们才会转换另外一种范式。

科学通过范式的转换，不断破除既有思想的束缚，聚焦新的谜题，朝向未知领域不断扩展，它的演化也许并未设定任何目标，认识的进步也永无止境。