繼承與叛逆：現代科學為何出現於西方（增訂版）

ISBN13：9789888758197
出版社：香港中華書局
作者：陳方正
裝訂／頁數：精裝／1032頁
規格：24.5cm*16.8cm*5.2cm (高/寬/厚)
版次：初
出版日：2021/05/01
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香港出版品：電腦科技科學總論

中文圖書分類：科學史

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商品簡介

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名人/編輯推薦

書摘/試閱

商品簡介

為何現代科學是出現於西方而非中國？本書對此困擾國人百餘年的根本問題給出了一個明確答案：它是西方科學在二千多年前經過革命性蛻變而建立大傳統，這傳統發展至十七世紀又再度發生劇烈革命，而產生的結果。本書對此大傳統以及它前後兩次革命作了詳細闡述和分析，藉以說明它與中華文明的分野是在大傳統建立之初而非近代，從而顯示「李約瑟問題」背後預設之不能成立。本書初版於2009年，出版後在國內外引起廣泛關注，並獲國家圖書館文津圖書獎。今增訂版為作者重新修訂補充，將原來十二章擴充為十五章，佔全書近半篇幅，除增加醫學及地理學之發展梗概外，並詳述討論自哥白尼以迄牛頓多條導致現代科學革命之發展脈絡。增訂版無論篇幅或內容均極具份量，值得細心閱讀及思考。

作者簡介

陳方正，物理學博士，香港中文大學物理學系名譽教授，中國文化研究所前所長、現任名譽高級研究員，中國科學院自然科學史研究所竺可楨科學史講席教授。學術工作包括現代化比較、科技與現代化關係以及科學哲學，近年則致力於科學史研究。著有《站在美妙新世紀的門坎上》、《在自由與平等之外》、《當時只道是尋常》、《大逆轉與新思潮》等數部文集，並編校《陳克文日記1937-1952》。此外又曾經創辦及主持《二十一世紀》雙月刊，主編《現代化衝擊下的世界》叢書，並負責「中國古代文獻電子數據庫」之建立及相關古籍逐字索引之出版。

名人/編輯推薦

我必須鄭重指出，這是一部出色當行的西方科學與科學思想的發展史。作者從四、五百種古今文獻中鈎玄提要，建構出一部簡明流暢的歷史敍事，真正達到了深入淺出，舉重若輕的境界。但本書的成就和價值則遠不止於此。這是因為作者的動機不僅僅在於整理出一部西方科學史，而是以此為階梯，去探索一個更重大的歷史和文化問題，即是本書副題：「現代科學為何出現於西方？」但要澄清這一問題，科學史本身是無能為力的，至少是不足夠的；研討的範圍必須從科學史推廣到西方思想史與文化史的整體。我相信細心的讀者不難發現：本書在科學史敍事的後面不但襯托着一層西方哲學史，而且還隠現着一套西方文化史。作者筆下寫的是西方科學史，心中關懷的卻是科學與中國文化之間的關係；全書的設計和論辯方式也有意無意地針對着「李約瑟問題」而發。作者對於李約瑟的《中國科學技術史》（Science and Civilization in China）及其他相關論著不但有深入的理解，而且評論得非常中肯。───余英時

書摘/試閱

第十四章

牛頓與科學革命

歐洲從近代進入現代的關鍵是啟蒙運動，那其實是歐洲從中古開始，長達五百年思想變革的最後階段。籠統地說，這變革以文藝復興為開端，繼以宗教改革和科學革命。到了十八世紀，這幾個不同方向的變革思想匯集起來，方才促成啟蒙運動的大潮。在整個過程中，科學革命無疑是最直接的關鍵因素之一。如前三章所縷述，科學革命從十六世紀之初開始醞釀，到笛卡兒和惠更斯的時代已經有一個半世紀之久，所以在此時出現的牛頓能夠取得巨大突破，從而完成這個革命，可謂水到渠成。他在致胡克的信中所說「我能夠望得更遠，是因為站在巨人的肩膀上」原意雖然只是客氣恭維對方，卻也反映了實情。本章所要討論的，便是牛頓個人的探索歷程，特別是他在1684－1687那短短三年間，如何將所有前人和自己的發現熔鑄為一個完整體系，以解決自柏拉圖和亞里士多德以來困擾學者達二千年之久的天文和物理問題，更為大自然探索樹立新目標、新方法、新典範，從而奠定隨後三百年多現代科學發展的基礎。

在十七世紀中葉，現代科學革命所需要的各種基本因素──新天文觀念、行星運動定律、慣性觀念、落體和拋射體的運動規律，乃至代數學、解析幾何，以及解析學觀念與方法等等，大致都已經具備了。但倘若我們認為，牛頓只不過是幸運地在適當時刻出現在適當位置，因而能夠融會貫通這一切的人，那就大錯特錯了。倘若他沒有過人天份、才能和魄力，是絕對不可能在短短兩三年內完成最後一步飛躍，將許多雜亂無章的思想、方法和試探性規則加以神奇變化，融鑄成完整科學體系的。古人有云「天不生仲尼，萬古如長夜」，蒲帕（Alexander Pope, 1688－1744）為牛頓作墓誌銘曰「大自然暨其規律為夜幕所掩，上帝命牛頓出世，天地遂大放光明」，東西方所稱頌的人物迥異，文辭卻異曲同工，都充分表達了後人對大宗師的景仰讚嘆之情。

聖三一學院的孤癖青年

牛頓（Isaac Newton, 1642－1727）出生於林肯郡小市鎮葛蘭深（Grantham）附近的伍斯索合（Woolsthorpe）莊園，他的家族在該地淵源久遠，人口繁衍，但歷來務農為業，前輩並無學者或顯赫人物。他這一支至祖父輩致富，成為縉紳，但父親在承受家業和結婚之後不久便去世了。牛頓是早產的遺腹子，身體極其孱弱，三歲時母親漢娜（Hannah Ayscouth）改嫁當地牧師史密斯（Rev. Barnabas Smith），將他留在祖屋，由祖母撫養。這個巨變對他自是重大打擊，但相關財務安排則對他十分有利，因為婚約中後父同意贈予他一處田產，而生父母雙方財產後來也都由他承受，保證他一生不必為經濟擔憂。他十二歲時後父去世，母親帶同三個異父弟妹回歸祖屋同住。這一連串委屈、淒涼經歷對牛頓的性格影響很大，入大學後他甚至曾寫下痛恨母親與後父的自白。大概在十三四歲左右，他被送往葛蘭深文法中學，並寄居在當地藥劑師克拉克（Mr. Clark）家中，從而認識其妻舅巴丙頓（Humphrey Babington）──此人在劍橋聖三一學院當導師，日後對牛頓關照備至，影響他的前途至深。當時文法學校的課程受文藝復興風氣影響，除《聖經》外以拉丁文為主，加上少許希臘文，數理方面則闕如。牛頓在校時性格孤僻，與同學格格不入，學業上也沒有突出表現。但他手工十分靈巧，曾經製作多種模型，包括玩偶家具、風車、水車、磨盤、板車等等，而意念大抵是得之於一部名為《自然奧秘》的通俗讀物；他又對日晷和日影長短特別感興趣，往往為此廢寢忘餐。十七歲時母親命他輟學歸家學習管理莊園，但他毫不感興趣，表現極其懶惰散漫。九個月後，由於舅父（他畢業於劍橋後任職牧師）和賞識他的中學校長的斡旋，他終於能夠回校完成學業，然後在1661 年入讀劍橋聖三一學院。

不知為何，他雖然家境殷實，卻是以最低級的服務生（subsizar）地位入學，需要為導師和其他同學做侍應、收拾、清潔等低下工作，這無疑對他的自尊心有很大打擊，令他的孤僻性格與日俱增。他唯一相投的同窗是在散步時無意中結識而比他低班的維金斯（John Wickins），後來他們成為室友；至於和其他同學的交往，則止於為他們提供借貸以牟利而已，除此之外未曾留下任何記載。當時查理斯二世剛剛復辟（1660），劍橋暮氣沉沉，亞里士多德學說仍然是課程重心，但已經完全失去活力，無人認真看待，學院導師尸位素餐，視本職如乾俸（sinecure），他們除了維持學院的營運以外，只有少數為學生導修，那也都是為增加收入而已。不過大學規制鬆弛，對學生不聞不問，放任自流，這對於求知若渴的天才如牛頓，反而提供了理想的自由治學環境。

從牛頓購藏的書籍和留下的筆記可知，他最初的確對以亞里士多德為主的正規課程和相關讀本下過功夫，也從中吸收了一些思想方法和習慣，但大概從三年級開始，就對這些舊學失去興趣，而將注意力轉向當時正在大學門牆外蓬勃發展的自然哲學新風。饒有象徵意義的是，他的大學年代正好處於皇家學會成立（1662）和法國皇家科學院出現（1666）之間。他涉獵極廣：除了起初有點不屑一顧的《幾何原本》以外，從開普勒的《折射光學》（1653年重印）、伽利略的《對話》（但《新科學》似乎闕如）、維艾特的《分析方法導論》、笛卡兒的《幾何學》和《哲學原理》、伽桑迪的原子論、奧特雷德的《數學要義》、沃利斯的《無限算法》和《代數學》、胡克的《顯微圖錄》，乃至霍布斯和亨利摩爾的哲學，都無所不窺；對於哥白尼天文學、伽利略《星際信使》、波義耳的最新研究，特別是有關氣體彈性（1660）、生理學（1661）、化學（1661）、實驗哲學（1663）、顏色研究的歷史（1663）、冷熱研究的歷史（1665）等書籍也同樣涉獵。他的筆記除了分門別類記載閱讀所得，還以疑問方式寫下了對各種問題的大量思考，諸如物質基本結構和屬性、「自然」和「劇烈」運動的討論、重力、漩渦說、開普勒天文學、光的性質、顏色、視覺、潮汐等等都有涉及。可以說，他一生工作，都已經在此打下基礎，露出端倪了。

神奇之年

牛頓是個毫無家世憑藉的草莽天才，對於他來說，劍橋雖然落伍頹廢，幾乎沒有和師友切磋的可能，卻不失為理想學術家園。不過學院中的院士（fellow）位置稀少，大多數為有勢力特別是由皇家推薦的世家子弟把持，像他那樣一個低級服務生，不論如何才華橫溢，要擠進去機會都很渺茫。但意想不到，他居然成功了！決定性的第一步是在1664年4月底即三年級結束時通過考試獲得獎學金。這可能是被學院主考巴羅教授賞識，但熟人巴丙頓的推薦可能更具決定性。翌年他本科畢業，取得學士學位，此後兩年間（1665－1666）大學由於瘟疫流行而停課，他回到伍斯索合老家躲避，潛心研究。

他日後回頭細數年輕時的許多發現之後說，「所有這些都發生於1665－1666 那兩年瘟疫期間。那時我正當發明的盛年，對於數學和哲學比此後任何時候都更加用心」，所以那兩年被稱為他的「神奇之年」（anni mirabilis）。這些發現集中在數學、力學和光學等三方面，它們在時間上大部分重疊，成果又沒有出版，所以先後次序只能夠從手稿和事後追憶來推斷，不可能很準確。

流數法的發現

牛頓接觸數學很晚，本來連《幾何原本》都不屑一顧，直到1664年春夏間，即三年級末讀到笛卡兒《幾何學》的范舒敦拉丁文譯本第二版（那包括大量評注），才對分析學發生強烈興趣8。他無師自通，不到一年就完全吸收當時最前緣的研究成果，包括沃利斯的《無限算法》，跟着進一步將既有成績從特例逐步推廣為整套普遍方法，包括通過二項展開式將函數轉變為級數；以積分法求曲線所包面積；以微分法求曲線上每點的法線、切線、曲率、曲率中心，乃至其法包線；求導數的普遍法則等等。最後，還通過疊加曲線每點切線所掃過的面積，證明微分和積分運作的「對易關係」，也就是微積分學的基本定理。

在這些計算中，他最初是依循笛卡兒的切線法和沃利斯的無限小（infinetesimals）方法，到後來，則發展出他獨特的「流數法」（method of fluxions）。它的基本觀念是用運動點不斷延伸的動態軌跡來取代完整的靜態曲線，從運動點在極短時間內的位移，來計算它的瞬時速度，而速度方向自然就是軌跡的切線方向。經過一年多緊張工作，他在1665年11月中寫成第一篇數學手稿〈從物體軌跡計算其速度〉，翌年5月和10月短暫回到同類問題，再寫成三篇手稿，但都沒有示人，更沒有發表，只是束之高閣。其實，從1666年初開始，他的興趣已經完全轉移到其他方向去了。

力學研究

牛頓對於力學的興趣，其實開始於1665年1月，也就是與數學原創研究大致同時，但它逐漸增加以至取代數學，則在1666年。他最早解決的，是我們在上面討論過，惠更斯最先在1656年解決但遲至1668年方才發表的問題：兩個不同質量和速度物體之間的碰撞。為此他提出了三個重要新觀念：首先，慣性不是力，改變慣性運動的才是力；其次，以兩物體的重心為參照系，則問題可以簡化成兩者的對撞；最後，兩物體作用於彼此的力必然相同但方向相反──那當然也就是日後運動三定律的第三條。

他研究的下一個問題是圓周運動：通過以多邊形代替圓，這運動便等同於運動體在平面上被多次反彈，由是可以推斷其所感受的力與v2/r 成比例，其中v是旋轉速度，r是圓半徑。這結果同樣是惠更斯早已經發現，卻遲至1673年才發表的。他的天才在於，立刻就想到要將這公式應用到兩個大問題上去。首先，是將地面上物體所受的「重力」與因為地球的旋轉而受到的「離心力」加以比較，得到前者大約為後者300倍的結果，從而證明，物體不至於因為地球的旋轉而被「拋出」地球以外。更驚人的是下一步：憑着猶如天馬行空的想像力，他竟然把「地面重力」與「月球繞地運轉的離心傾向」加以比較，結果是4000倍。另一方面，行星軌道與圓形相差極微，因此將開普勒行星運行第三定律（軌道直徑三次方與周期平方成比例）和以上離心力的公式結合，他立刻就得到「令行星循圓形軌道運行的力與軌道半徑的平方成反比」的重要結果──而這可以用於月球的運行：地月距離大約是地球半徑的60倍，所以地球重力在地面應該比在月球的位置大3600倍左右，那和前面的數值相當接近了，只相差10%。因此，天體之間的引力很可能是和距離平方成反比，而使月球繞地運行的力量和地面重力有相同根源。當然，這就是萬有引力定律的雛形。根據他外甥女婿康杜依（Conduitt）記錄他自己的回憶，他是1666 年在祖屋園子裏，從蘋果的墜落而悟到這道理的。他甚至還計算了不同行星所受（太陽）引力的比例。這樣，他已經對支配天體運行的引力形成初步構想了。此外，他還寫過一篇「運動規律」手稿，討論的是剛體運動（包括平移和轉動）和碰撞，在其中提出了角動量守恆觀念──雖然其角動量的意義仍然模糊不清。

光學實驗與大發現

光學在西方有久遠和豐富傳統，到十七世紀中葉已經很成熟，特別是反射、折射定律和彩虹、全反射等現象都已經被討論得很詳細。牛頓在這方面的閱讀，主要是笛卡兒《方法論》的光學部分（Dioptrics）、波義耳的《論顏色》，和胡克《顯微圖錄》的光學理論等等。至於牛頓的光學研究到底從什麼時候開始，則是個相當困難的問題，最終我們只能夠妥協各種因素而作合理猜想而已。現在看來，他最早大約是1665年夏季避瘟疫時，在伍斯索合老家中做了以單個三稜鏡分解日光為七色光譜的實驗；翌年春間回到劍橋時，方才在他的院士房間裏用兩個三稜鏡做了先將日光分解然後又使之重合的進一步實驗。換而言之，它們大致和力學研究同時而稍晚一些。

當時尚未解決而他感興趣的問題是：何以光線會有不同顏色？在西方科學傳統中，學者向來認為光只有一種，即太陽所發的明亮白光，至於彩虹或者白光經過稜鏡之後所產生的有色光，則只不過是光因為折射而發生的某種變異（例如與黑暗以不同比例混合），由是在眼睛中產生的混亂現象，但那是非本質的。牛頓在他題為《若干哲學問題》（Questiones quaedam philosophicae）的筆記本中開始質疑這種觀念，而發展出光線的顏色是其本質的想法。要證實這個假想，他在1665年夏季所做的第一個實驗，就是通過窗上細孔將一細束陽光引入黑暗房間，使它通過三稜鏡，然後投射到對面22英尺之遙的牆上。這距離很大，所以不同顏色的光由於折射率各不相同，就散開形成長條形（寬度達高度的5倍）光譜，其中不同顏色的條紋清楚地顯示出來。這實驗的關鍵是投射距離。笛卡兒、胡克、波義耳都曾做過相類實驗，但顯示平面離稜鏡只有幾寸以至數尺的距離，所以都不能夠清楚顯示光譜，而只是在變形亮點的兩端呈現模糊色彩。牛頓的研究非常徹底，從此突破開始，他又做了大量後續實驗以得到確鑿證據。例如以稜鏡分解陽光之後，令光譜中藍色或者紅色部分再經過第二個稜鏡，從而證明它不會再有變化。但最決定性的，則是令日光分解成的光譜通過一個倒轉的稜鏡，從而將不同顏色的光重新混合成為白光；或者令三個稜鏡分解成的光譜部分重疊，從而見其重疊部分也是白光。這樣，他有力地證明，不同顏色的光各有不同折射率，它們是本質和不變的，反而亮白的日光是由不同顏色的光混合而成。這樣，自亞里士多德以來對於光和顏色的深刻誤解就被打破了。不過，這些都只是他在筆記本寫下的實驗記錄和見解，尚未為人所知，更不要說被接受（圖14.1）。

本科畢業後由於躲避瘟疫而居家研究的那兩年，牛頓才華煥發，神思睿轉，他日後的所有的重大發現，可以說都是在此時奠定基礎。愛因斯坦說「幸運的牛頓，科學的幸福童年！」，所想到的無疑就是這「神奇之年」──當然，很可能也想到了240年之後的1905，他自己的「神奇之年」！

圖14.1 牛頓1672年光學實驗手稿一頁。在其圖解中陽光是通過壁孔 k 進入黑室，以木板xy上的細孔令其成為細束，經旁邊的三棱鏡abcdef折射後散開成為多色長條 trus。此實驗是用英文（而非拉丁文）記錄。見劍橋大學圖書館編號 Add Ms 3975, p.2, Portsmouth Collection.