爱思想 | 金观涛 樊洪业 刘青峰:文化背景与科学技术结构的演变

  

   一、问题的提出

   人们对科学技术史研究的兴趣,往往是由科学技术史本身向人们提出的严肃而富有挑战性的问题引起的。今天,任何稍具有科学史常识而又不带偏见的人,都会承认这样一个事实:在历史上长达千余年的时期内,中国科学技术曾处于世界领先地位,并对整个人类文明作出了许多有决定性影响的贡献;但在近三、四百年中,西方科学技术飞速发展,远远超过了中国。这个历史事实迫使人们要思考:近代中国科学技术落后的原因究竟是什么?

   著名科学史家李约瑟就曾明确指出,无论是在以前的千余年,还是近五百年来,中国的科学技术“事实上一点没有退步”,“一直在稳缓地前进”;而西方在经历了“几乎没有任何科技上的建树”的黑暗中世纪之后,“文艺复兴来了,发生了科学大革命”。这样,问题就巧妙地转变为:“为什么这种科学的大振兴或大革命,不在中国或印度发生,而是在西方发生”?1

  

   为了证明提出这一论点的正确性,李约瑟“非常谨慎”地画了一张中西科学技术发展对照的示意图,见图l。2

  

  

   这张图给我们一个启示:把中西科学技术发展作些数量化的分析,对我们从历史发展全过程和总趋势上讨论科学史上的某些重要理论问题,将可能提供有说服力的解释。

   为了从整体上把握中西方在科学技术发展中所体现的不同特点,为了显示中西方科学技术各自在不同历史时期发展情况的差异,我们的研究主要从以下两个方面入手:第一,统计了从公元前6世纪到19世纪末这两千五百年时间内的近两千项科学技术成果,分为科学理论、科学实验和技术三部分,根据各项成果在学科范围内的地位及其对社会影响程度的大小,制定不同的计分标准,作出中国和西方的科学技术水平累加增长曲线(图2、图3,其中○——○表示总和,●——●表示理论,●……●表示实验,○……○表示技术,以下各图同此示侧,图中曲线是取对数值绘出的)3。第二,以不同的时间尺度,对中西方在不同的历史时期里科学技术成果的净增长(绝对增长)作出统计(图4、图9)。下面,我们将依次对这些曲线做具体分析讨论。

  

   二、两组曲线的启示

  

   图2、图34中最上面一条曲线分别代表中西方科学技术总发展趋势。我们可以分四个阶段来对照这两条曲线。

  

   第一阶段,公元前4世纪前后(西方是希腊文化时期,中国是战国时期),中西方处于大致相同的水平。第二阶段,公元4-11世纪,中国的曲线呈平缓上升的趋势,而西方的曲线则出现一个大跌荡。第三阶段,12—15世纪,中国的曲线依然平缓上升,西方则经过大翻译、文艺复兴等而蕴育着科学技术革命的风暴,曲线虽仍居于中国之下,但明显可见它是在上升且趋于逼近。第四阶段,16-19世纪,从整个趋势看来中国仍然是平缓前进,而西方则发生了科学技术革命,曲线高度超过中国(在图2中始于D点),并以迅猛的势头陡直上升。

  

   由此,我们可以从图2、图3中看出中西方科学技术发展的一个显著不同的特点:中国科学技术的发展是连续稳步的缓慢增长过程;而西方则是中间有个大跌荡,15、16世纪后呈加速发展的过程。

  

   我们继续对照图2、图3,马上会注意到另一个更为明显的特点,即中国和西方的科学理论、实验、技术三条曲线的关系也是大不相同的。图2显示中国的三条曲线相互分离,其中技术线与理论、实验线间的分离尤为突出,技术线远远高于理论线和实验线。这种相互分离的关系贯彻始终,三者似乎是各自独立地发展着。再从中国科学技术成果的总分中算一算,技术成果的积累计分高达80%,理论成果积分占13%,而实验成果积分仅占7%。这表明,中国古代科学技术水平主要是以技术水平来体现的。这一特点在图2中表现为技术线与总分线极为接近而又平行。

   西方的三条曲线分布则不是这样。古希腊时期科学理论水平比实验与技术都高。经过6至10世纪大跌荡后,大翻译运动又恢复了理论领先地位,到13-14世纪,技术一跃居上。16世纪后,实验曲线急剧上升,理论、实验和技术三条曲线趋于一致,整个科学技术呈你追我赶加速发展的局面。

   人们自然会问,为什么中国的理论、实验、技术三条曲线是离散的,平行的?它和中国科学技术水平两千年来缓慢上升以及近代趋于饱和有没有关系?西方16世纪后加速发展的原因又是什么?我们认为,从统计曲线的宏观分析出发,特别是从分析西方科学技术在16世纪后加速的原因开始,可以找到解决为什么近代科学没有在中国最先产生这一历史之谜的钥匙。

  

   三、近代科学技术的循环加速机制

   我们来看西方科学技术净增长变化曲线(图4E)。由于西方科学技术净增长计分值在不同的历史时期相差悬殊,我们不得不把它们画为四个图(图4A,B,C,D)。图4确实证明西方自16世纪以,科学技术出现了亘古未有的加速增长。我们发现,如果仅仅从科学技术内部来分析,这种加速发展是因为科学理论、实验和技术三者之间逐步确立了一种相互依赖、相互促进的循环。

  

   第一个循环加速过程是理论-实验-理论。我们知道,科学理论和实验的发展有两条线索。一条是它们各自内部的继承发展,即理论科学家在前人理论成果的基础上发展新理论,实验科学家继承和改造、创新实验仪器和方法。如果仅仅只有一条理论和试验分离的发展线索,整个科学发展速度必定是缓慢的。而在近代科学中,理论对试验起着指导和设计作用,试验则对理论起着鉴别作用。这两种效应使试验从盲从走向自觉、严格;也使理论从含混趋于清晰、严密。它们构成了一个强有力的循环。图5 是一个实例,它证明了这种循环加速机制对建立近代电磁理论的作用。从1820年奥斯特发现磁针被电流偏转,到赫兹证实电磁波的存在,在不到70年的短短时间里,就揭示了电磁现象的本质,开掘了电磁学的巨大宝库。可以想象,如果仅仅只有理论和试验独立的发展(图5中虚线),没有理论与试验之间的循环(图5中实线),这样快的进展是不可能的。

  

  

   科学史上,不少人把自伽利略开始的近代科学革命称为“实验科学”的建立和发展。这个说法强调了实验在科学中的重要地位,但是,在这个意义上使用“实验科学”一词并不很确切。我们认为,近代科学的建立是由于科学结构内部形成了理论—实验—理论这一循环加速机制。有了这种机制,从事理论研究和实验研究的科学家们从各自的局限中摆脱出来,结合为一体。科学家在继承前人理论成果的基础上提出新的学说,这种新理论为实验提供了设计方案和方向,新的实验结果对理论进行审定鉴别,否定其错误,强化和明确其正确的因素,使假说得以成长为理论,同时实验也由粗放简单趋于精密复杂。

  

   促使西方近代科学技术加速发展的第二个循环是:技术—科学(包括理论和实验)—技术。这里,我们以工业革命的核心技术—蒸汽机的发明和使用为例来进行讨论(图6)。李约瑟有一个著名的论断:蒸汽机等于水排加上风箱。确实,从技术发展本身环节来说,水排解决了往复运动和圆周运动转换问题,而风箱的阀门是蒸汽机必备的技术设备。我们知道,水排和风箱均是我国古代最先发明的,但在中国,水排和风箱并没有诞生蒸汽机。蒸汽机的发明需要技术本身的改造和进步,而这种改造和进步却要仰仗技术—科学—技术的循环。

  

   要利用蒸汽动力作功,最先必定是利用低压蒸汽,即制造大气机。而大气机的研制必须基于有关真空的理论和实验。17世纪时西方对真空的理论研究,使人们认识到,如果使蒸汽冷凝来获得真空,那么就能利用大气压来做功。法国人巴本根据菜布尼兹的提议,于1690年制成第一台大气机。1698年,美国矿山技师塞维利也利用真空原理制成能在矿井中抽水的蒸汽泵。1712年,纽康门终于制成较完备的大气机。如果仅仅有矿井抽水技术内部的发展,而没有真空理论的研究,那末纽康门大气机是不可能出现的。众所周知,瓦特对大气机所做的革命性的改进,是发明了冷凝器,而这项发明则是利用了科学对潜热研究的理论成果。瓦特蒸汽机出现以后,又促进了科学家们对热机效率的研究,科学家卡诺提出了相当于热力学第二定律的卡诺循环,奠定了一般热机理论。这一理论成果以及后来的热力学理论,又成为一般热机如蒸汽轮机、内燃机等的设计基础。

  

   在这一过程中,我们可以明显地看到科学研究为新技术开辟道路,新技术的兴起又向科学研究提出新课题(包括理论和实验),同时,新技术所代表的生产水平和能力也为科学研究提供新的实验材料和仪器,促使更完备的理论和实验成果诞生。这些科学研究的新成果又反过来促进新技术的开发,新的实验产品和仪器也不断地社会化成为技术产品和工具。如此循环不已,相互促进,便形成了强大的加速发展机制。翻开近代科学技术史,在化学工业、无线电工业、计算机工业、原子能、激光、空间技术等等领域,无一不经历了这样的循环加速过程。而且20世纪以后,这种循环加速的周期大大缩短了。

  

   这两种循环加速机制可以综合表示为图7,科学理论、实验和技术三足鼎立,形成互相独立又互相促进的结构,这是科学技术加速发展的内在条件。表1和表2又给出了西方和中国各个时期理论、实验和技术三者各占总分的百分比。从中明显可见,西方16世纪科学发展的加速和这三项数值的趋近一致这一点是密切相关的。而中国古代并没有形成三足鼎立的结构,实验的比重一直很低,出现循环加速是不可能的。西方科学技术正是在形成三足鼎立结构、出现循环加速之后才在总体上急速超过中国的(图2中的D点)。

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2013年10月18日 下午 11:31
分类: 公民博客