相对论革命


在上一讲中,我们提到第二次科学革命始于18世纪后期的化学革命,它的两大标志是:1. 近代西方科学的古典科学传统和培根科学传统融合,西方科学现代化;2. 科学和技术结合,形成“科技共进”的新关系。按照这两条标准,第二次科学革命的结束时间似乎定在20世纪60年代为宜,那时候,生命科学和地球科学也都现代化了,并且在理论上和之前已经现代化的化学、物理学、天文学也都贯通在一起,从而实现了所有基础自然科学的现代化和统合。

正如第一次科学革命从一开始就包括有由物理学的范式更迭引发的世界图景的变革(也就是哲学变革)、以致新范式和旧范式出现了一定程度的“不可通约性”一样,第二次科学革命也包含有物理学范式的更新和世界图景的变革,而且更为惊人。只不过,这场世界图景变革不是发生在革命的开头,而是发生在革命的中间,具体来说是20世纪初。引发它的理论,就是大名鼎鼎的相对论(theory of relativity)。

在讲述这场世界图景变革之前,我们先要介绍一个如雷贯耳的名字——诺贝尔(Alfred B. Nobel, 1833–1896)。诺贝尔是瑞典商人,因为发明安全炸药(把硝化甘油与硅藻土之类物质混合,使之安定性大为提高)而发了大财。诺贝尔又是一个具有崇高道德风尚的人,在遗嘱中决定把自己的大部分遗产拿出来作为基金,设立文学奖、和平奖、物理奖、化学奖、生理学或医学奖5个奖项,表彰在这几个领域为全人类做出突出贡献的在世者。1901年这5个诺贝尔奖开始颁发,其中的3个科学奖后来即成为相关学科的最高奖项。1969年,瑞典国家银行又设立“纪念诺贝尔经济学奖”,简称为诺贝尔经济学奖,与另5个诺贝尔奖差不多同时颁发,这样就形成了今天我们熟悉的6个诺贝尔奖。其中,诺贝尔物理奖开始颁发的时候,正好是物理学要发生大变革的时候。因此从一开始,物理奖就见证了物理学历史上这段比牛顿革命更激动人心的伟大时刻。

诺贝尔

当然,任何变革都不可能没有因由。19世纪末,物理学理论实现了第一次大一统,但仍然没有解决所有的问题。得意地说“物理大厦已经落成”的英国物理学家开尔文,在1900年4月27日向英国皇家学会所做的报告中,就说道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”正是这两朵“乌云”,分别引发了物理学的两场新革命。

第一朵乌云是“以太”(ether)问题。以太本来是古希腊语词,古希腊人用它来指澄净的高空。高空很容易给人神秘的感觉,所以后来以太这个词就被炼金家和各种神秘主义借去,用来指各种各样的东西。比如炼金家就用它来指一种用酒精制备的、轻盈易挥发、极易燃烧爆炸的液体——乙醚(直到今天,ether还是醚这一类有机化合物的西文通称)。

第一次科学革命以后,以太一词又被科学征用,褪去了神秘主义的光环。在传统的亚里士多德物理观的影响下,笛卡尔不承认物体之间有超距作用,认为引力一定要靠某种看不见摸不着、弥漫在宇宙间各处的介质传递,他便把这种介质称为“以太”。当然,牛顿物理观是承认超距作用的,所以这种作为引力介质的“以太”后来就“下岗”了。然而,19世纪初光的本质被重新认为是一种波动之后,因为其他任何波都需要介质来传递,所以包括麦克斯韦在内的物理学家对于光能够在真空中传播的现象百思不得其解,不得不再次假想宇宙中还是有某种看不见摸不着、弥漫于各个角落的介质,是光的传递媒介。他们还是把这种东西叫做“以太”。但是,如果以太是一种物质,它到底有什么性质?它有重量吗?为了能够传递光波这样一种横波,以太必须是一种非常坚硬的物质,然而在以太海洋中运行的日月星辰却一点也看不出运动受阻的迹象,这又是怎么回事?

更重要的是,既然以太是光传播的媒介,那么它一定相对地球在运动,否则无法解释天文学家早已发现的光行差现象。1881年开始,美国物理学家迈克尔逊(Albert A. Michelson, 1852–1931)设计了一个精密的实验,试图检验地球相对于以太的运动,结果毫无发现。1887年他与美国化学家莫雷(Edward Morley, 1838–1923)合作,以更高的精密重复了这个实验,仍是一无所获。到了这个时候,以太这个东西变得愈发神秘难测了。

在世纪之交的物理学家对迈克尔逊–莫雷的实验结果百思不得其解的时候,也有一些人试图从世界图景中消除以太这个讨厌的东西。1892年,荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik A. Lorentz, 1853–1928)提出了洛伦兹变换,使麦克斯韦方程在相对于以太运动和相对于以太静止的两种坐标系中均表现为同一形式,这样一来,地球是不是在相对以太运动就无关紧要了。但是由此却会得出一些诡异的推论,比如在运动方向上物体长度缩短,运动物体的质量会发生变化,其速度以真空光速为上限,等等。

迈克尔逊-莫雷实验示意图。一束光从光源发出后,经过一面半透镜分成相互垂直的两束光,最后再会合到一起。如果地球相对于以太(光的传播媒介)漂移,这两束光从分离到会合用的时间是不同的,这会导致它们出现相位差,从而产生干涉现象(显示为屏幕上的明暗条纹)。


1895年,法国数学家庞加莱(Jules Henry Poincaré, 1854–1912)以数学家的那种高度抽象的思维指出,物理学家执着于以太的存在,实际上是执着于一种绝对静止的参照系的存在。但是如果换个思路,认为任何实验手段都不能检测到绝对静止的参照系,只能检测到物质之间的相对运动,那就可以完全抛弃以太这个概念了。这就是所谓“相对性原理”。然而,庞加莱的主职终归不是物理学家,他虽然为物理学革命指明了新方向,但具体构建新世界图景的工作还要有专人来做。这个人,就是爱因斯坦(Albert Einstein, 1879–1955)。


 
专利局时期的爱因斯坦

在俗常的概念中,爱因斯坦往往被当成一个虽然没受过良好教育也非学界中人、但一出手就以一人之力颠覆了整个学界的奇侠,因而有很多人(特别是自认为提出了惊世骇俗的新理论却不为学界承认的“民间科学家”)试图用他的经历来证明学界权威不足为据。事实根本不是这样。的确,爱因斯坦中学曾经被劝退学,但那只是因为他偏科太严重,无法被正统的中等教育体系容纳罢了。不要忘了,1896年爱因斯坦成功考取瑞士名校联邦工业大学,因此他是受过严格的高等教育的。不过,爱因斯坦在大学里也还是自由散漫,对物理学非常着迷,数学却落下了,以至于要靠好友格罗斯曼(Marcel Grossmann, 1878–1936)的笔记应付考试。

1900年爱因斯坦大学毕业后即失业,最穷迫的时候,要靠当家庭教师勉强糊口。后来,还是格罗斯曼出手帮忙解决了爱因斯坦的工作问题。格罗斯曼的父亲有一位朋友是瑞士伯尔尼专利局局长,经过一番说情,爱因斯坦终于进入伯尔尼专利局,成为一名技术员,在那里一直工作到1908年。然而,还是不要忘了,爱因斯坦在此期间和学界交往甚多,并不是什么久隐不出的独行侠,而他发表的论文也都是刊载在权威性学术期刊之上,接受了学界同行的评议。他,自始至终都是科学共同体中的一员。

虽然1666年并不是牛顿的“奇迹年”,但1905年却的确是爱因斯坦的“奇迹年”。这一年,26岁的他在学术期刊《物理学年鉴》上连发5篇论文,其中有3篇都是划时代的成就。第一篇是爱因斯坦用新兴的量子物理学对光电效应做出的解释,下面我们还会再介绍;第二篇是从数学上解释了一种叫做“布朗运动”的热学现象;第三篇是最有名的——这是爱因斯坦第一次正式提出相对论。

相对论的基本原理,我们很难在这样一门课中用三言两语讲清楚,但是这并不代表我们不能把握其哲学本质(善于弄清楚一门新理论的性质,而不必非得弄清楚其具体细节,大概是今天这个知识爆炸的时代必须掌握的一门技能)。事实上,相对论是一个公理系统,在这个系统里面,物质的绝对运动不可观测和真空光速不变是打头的两条公理,是不容置疑的。从这两条公理出发,爱因斯坦先是破除了“同时性”的绝对概念——在一个参照系里是同时发生的事情,在运动状况不同的另一个参照系里就可能不同时发生,进而导出了一系列匪夷所思的结论:真空光速(c)是运动的速度上限;在物体运动速度接近光速的时候,其沿运动方向的长度会明显缩短(尺缩效应),时间会明显变慢(钟慢效应),质量会明显增加。在这种情况下,三维空间和一维时间结合成了四维的时空(space-time)。不仅如此,质量(m)和能量(E)还有对应关系,这个对应关系就是著名的质–能方程:

E = mc^2.

上面这些理论,今天我们称为狭义相对论(special relativity)。狭义相对论并不是一个完备的理论,因为它引发了一个有趣的悖论:假定有一对双生子,其中一个一直待在地球上,另一个乘坐接近光速的宇宙飞船在太空中飞行,按照相对性原理,在地球上看来,宇宙飞船中的时间固然变慢了,但在宇宙飞船所在的参照系看来,地球也在以接近光速运动,因此变慢的反而是地球上的时间。那么,当这艘宇宙回到地球上时,这对双生子里哪一个更老?这个“双生子佯谬”在狭义相对论中是无法解决的。

然而,爱因斯坦再接再厉,在1916年提出了广义相对论(general relativity)的最终形式。广义相对论把加速度和质量考虑进来,提出了又一条公理:引力场等价于非惯性系,原则上人们无法区分一个物体正被加速,还是正处在引力场中,这就是等效原理。广义相对论不仅解决了双生子佯谬,而且让物质、能量和时空建立了密切联系,没有脱离物质的时空存在,也没有脱离时空的物质存在,这就彻底颠覆了牛顿体系的那种超然于物质之外的绝对时空概念,完成了一个与牛顿体系完全不同的新世界图景的构造。

相对论是古典科学传统造就的巅峰,它那简洁、和谐、统一的理论,它那公理化的体系和严密的定量推导,无不实现了古典科学传统的最高理想。但是,它又不是脱离实证的臆想。无论是狭义相对论和广义相对论,在解释了一些旧现象的同时,又提出了大量新预言,可以用观测或实验来检验。相对来说,广义相对论的预言比较容易检测,比如它预测恒星的光线会被太阳的引力所扭曲,这可以通过在日全食时观测太阳附近恒星的位置变动来检验。1919年5月29日,南半球发生日全食,英国天文学家爱丁顿(Arthur S. Eddington, 1882–1944)派出了两支队伍前往观测,果然观察到了广义相对论预言的光线偏转现象。后来,随着航空航天技术的发展,人类有了高速的飞行器,狭义相对论也得到了直接验证。

第二次科学革命以来,科学家们逐渐形成了比较开放的思维,对于旧范式的坚持不再像哥白尼、伽利略时代的学者那么顽固,因此相对论很快就在学界普及开来。然而,比起牛顿物理学来,相对论离俗常物理观更远了,也就更难为一般人所理解和接受。即使在学界,也还是有不少人反对相对论(虽然他们的表面理由十分荒唐——因为爱因斯坦是犹太人)。1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖时,受到表彰的也只是他在光电效应方面的研究,而不是相对论。


晚年爱因斯坦


遗憾的是,爱因斯坦思想中的思辨性过强,这虽然让他勇于突破物理学旧范式的束缚,却又成了阻碍他获得更大成就的新束缚。由于纳粹分子的迫害,爱因斯坦在1931年被迫移民美国。此后他除了参加一些社会活动之外,就是潜心钻研“统一场论”,试图把引力和电磁力统一起来,但最后也没有成功。爱因斯坦失败的原因,一方面是因为这个研究过于困难,但另一方面也是因为他执意不接受量子物理学的哥本哈根解释,未能把相对论和量子物理学结合起来,从而错失了获得统一场论的正确方向。1955年4月18日,爱因斯坦在普林斯顿的家中病逝,结束了他传奇般的一生。


量子论革命


开尔文所说的第二朵“乌云”是所谓“紫外灾难”问题。任何物体,只要其温度在绝对零度之上,就会发出电磁波辐射。为了研究这个现象,物理学家设想了一种叫“黑体”的理想物体,把它作为模型来研究热辐射问题。1900年,英国物理学家瑞利(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842–1919)根据经典物理学理论推出了黑体辐射的能量分布公式。这个公式在长波部分和实际观测结果比较吻合,但波长越短,偏离越大。特别是当波长趋近0时,辐射能量也趋近无穷大,这不仅与实际观测不符,本身也是十分荒谬的。这就是“紫外灾难”(“紫外”指的就是短波部分)。

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“紫外灾难”图解

同年,德国物理学家普朗克(Max K. Planck, 1858–1947)采用拼凑的方法得出了一个在长波和短波部分都和实验相吻合的经验公式。之后,普朗克发现,这个公式蕴含的物理意义在于,物体的辐射能不是连续变化的,而是以一定的整数倍跳跃式变化。普朗克把能量的最小不可分的单位称为“量子”(quantum),在12月14日把这个假说报告给德国物理学会,量子论就这样诞生了。

正如相对论推翻了牛顿的绝对时空观一样,量子论也推翻了物理学界几百年来信奉的“自然界不做跳跃”的信条,因此遭到了学界的普遍反对。连普朗克本人都对自己的理论失去了信心,一度放弃了量子论,改而继续从能量连续变化的原则出发研究黑体辐射问题。反倒是年轻的爱因斯坦热情接受了这个新理论,用它解释了光电效应。这里我们不详述什么是光电效应,只指出两点:第一,爱因斯坦提出了光量子的概念,认为光的能量也是量子化的,不是连续发放,而是一份一份发放。第二,他的理论还引发了光本质图景的再一次变革,这一回,微粒说没有再次取代波动说,而是和波动说结合了起来——光是一种既有粒子性又有波动性的物质,简单来说,就是光具有波粒二象性(wave–particle duality),所以,光量子也可以表现为粒子性,我们可以把它称为“光子”(photon)。这自然又是一个颠覆常识的理论。

量子论的下一步发展,则和原子、亚原子物理学研究的兴起相关。在19世纪后期,有几个重要科学进展为原子物理学的创立做了铺垫。俄国化学家门捷列夫(Д.И. Менделеев, 1843–1907)提出了元素周期律,把当时已经发现了几十种元素按原子量排列成了整齐的表格,在表格的每一行、每一列上,元素的性质都呈现出了规律性变化。门捷列夫根据这张表还预言了几个新元素,后来果然一一得以发现,其性质也和门捷列夫的推测非常接近。元素性质如此规律的变化,不免使人怀疑原子可能并非不可分,其内部恐怕还隐藏着什么奥秘。

19世纪后期,物理学家已经知道,在一个抽成真空的管子两侧放置两个金属电极,通电之后其阴极会发出一种射线,这就是阴极射线。1895年,德国物理学家伦琴(Wilhelm K. R?ntgen, 1845–1923)在研究阴极射线的时候意外发现了一种新射线,它竟然可以穿透人体的皮肉,显示出骨骼的影子!伦琴用数学上表达未知的字母X,把这种神秘的射线命名为X射线。后来人们知道,X射线是一种波长极短的电磁波。因为发现X射线,伦琴获得了1901年第一次颁发的诺贝尔物理奖。

伦琴的发现引发了法国物理学贝克勒耳(Antoine Henri Becquerel, 1852–1908)的注意。他怀疑X射线可能和荧光有关,就用各种能够发出荧光的物质做实验,结果在1896年意外发现一种叫硫酸铀酰钾的盐可以持续散发出一种不同于X射线的新射线。进一步的研究表明,这种射线是从铀原子内部发出的,不受外界条件的任何影响。这样,贝克勒耳不仅发现了放射性(radioactivity),而且有了更直接的证据表明原子是可分的。

贝克勒耳的发现又引起了波兰女科学家居里夫人(Marie Sk?odowska-Curie, 1867–1934)的注意。居里夫人当时已经和法国物理学家居里(Pierre Curie, 1859–1906)结婚,她在1898年先是发现了另一种元素钍的放射性,继而又和丈夫一道,从几吨重的沥青铀矿废渣中先后发现了钋和镭两种新的放射性元素,其放射性都极大地超过了铀和钍。因为发现放射性,1903年贝克勒耳和居里夫妇共同获得了诺贝尔物理奖,1911年居里夫人又因钋和镭的发现获得了诺贝尔化学奖,成为4位获得两次诺贝尔奖的学者中的第一位。

1897年,英国物理学家汤姆逊(J.J. Thomson, 1856–1940)也终于弄清楚了阴极射线的实质——原来是一种带电粒子流。汤姆逊发现,这种粒子的质量还不到最轻的元素氢的原子量的千分之一,但所带电荷量却与氢离子大小相等,正负相反,因此他把这种粒子称为电子(electron),认为电子是一切原子的共同组分。至此,物理学家就开始了探索原子内部结构的不懈征程,不断有人提出原子模型。其中,1911年新西兰物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871–1937)提出的有核模型(电子绕原子核旋转,原子质量基本集中在核上)最符合实验现象。

但是,这种有核模型带来一个问题:根据经典的电磁理论,旋转的电子必然会发射电磁波,损失能量,从而逐渐坠落到原子核中,但绝大多数的原子却是稳定存在的。于是,就像普朗克不得不用量子论解决黑体辐射问题一样,丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr, 1885–1962)在1913年也发觉,只有用量子论才能解决有核模型的稳定问题。按照玻尔的观点,电子在原子核中的轨道不是连续变化的,而是离散的,也就是说,电子只能在几条特定的轨道上运转,这个时候它是不辐射电磁波的。每个电子轨道代表一个能量等级,只有当电子从能级高的轨道“跃迁”到能级低的轨道时,才会辐射电磁波。利用这个理论,玻尔成功解释了氢原子的发射光谱,引发轰动。通过玻尔的出色工作,量子物理学终于引起了学界的普遍重视。

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玻尔

接下来的十几年中,量子物理学接连取得重大成就。1923年法国的德布罗意(Louis V.P.R. de Broglie, 1892–1987)提出波粒二象性是所有物质的共同性质,只是越小的粒子表现越明显罢了。1925年德国的海森堡(Werner K. Heisenberg, 1901–1976)提出量子物理的矩阵力学方程,破天荒地用概率来描述微观粒子的存在状态。受德布罗意物质波理论的影响,1926年奥地利的薛定谔(Erwin R.J.A. Schr?dinger, 1887–1961)提出量子物理的波动力学方程,很快发现和海森堡的矩阵力学方程在数学上完全等价。1927年,海森堡提出了著名的不确定性原理(uncertainty principle,过去也译“测不准原理”):不可能同时测得微观粒子的位置和动量。因此,不仅微观粒子的运动是不确定的,只能用概率的方式描述,而且它们究竟在我们的眼中呈现出什么面貌,要取决于我们的观测方式。玻尔非常赞同海森堡的观点,并进一步指出,波动性和粒子性是量子领域的两套经典特征,正是它们的互补,构成了微观世界的全貌。这就是量子物理学的“哥本哈根解释”(Copenhagen interpretation)。

量子物理学几乎推翻了人类所有的俗常物理观,连相对论没有否认的连续路线运动和客体永存(当人不去观测一个物体时,这个物体的运动状态仍然是确定的、可推测的)观念也颠覆了。事实上,量子论革命已经不属于第二次科学革命的范围了,而是第三次科学革命的开端,因为它建立的那种间断的、概率性的、非因果性的、整体论的图景,迥异于第二次科学革命期间的那种连续的、决定性的、因果性的、本体还原论的图景(因此,第二、三次科学革命在20世纪上半叶期间是重叠并行的)。连爱因斯坦都实在无法接受玻尔等人对微观世界的概率描述,说出了名言“上帝不掷骰子”。

但是,量子物理学家一面一次又一次反击了爱因斯坦的驳难,一面继续深入探索,最终使量子论成为物理学第二次大一统的主导理论。在20世纪20年代的时候,量子物理学家就通过描述多电子原子中的各种电子轨道解释了元素周期律现象,使化学最终也还原为物理学。20世纪30年代起,亚原子物理学进入粒子物理学阶段,各种新的基本粒子陆续发现,量子物理学也不断迈向新的里程碑——1930年代物理学家们提出了粒子之间的弱相互作用(weak interaction);1935年日本的汤川秀树(1907–1981)提出强相互作用(strong interaction);1968年美国的温伯格(Steven Weinberg, 1933– )、格拉肖(Sheldon L. Glashow, 1932– )和巴基斯坦的萨拉姆(M. Abdus Salam, 1926–1996)统一了弱相互作用和电磁力;1974年格拉肖和美国的乔吉(Howard M. Georgi III, 1947– )提出了第一个“大一统”理论,试图统一强相互作用和弱–电相互作用;20世纪80年代起,试图结合量子物理学和相对论的弦论(string theory)得到大发展;1994年以后美国的威滕(Edward Witten, 1951– )又在弦论的基础上发展了“M理论”,它是最终统一引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用四大基本力的“万有理论”的一个有希望的竞争者。

在量子物理学向更微观的方向深入的同时,物理学和天文学也有了更密切的合作。1917年美国的沙普利(Harlow Shapley, 1885–1972)发现太阳不在银河系中心,开启了宇宙图景的重铸过程;1924年美国的哈勃(Edwin P. Hubble, 1889–1953)证实仙女座星云等带星的星云是银河系之外的遥远星系,1929年又发现宇宙在膨胀;20世纪40年代末美籍俄裔的伽莫夫(George Gamow, 1904–1968)等人提出大爆炸(Big Bang)宇宙模型;1957年美国的埃弗莱特三世(Hugh Everett III, 1930–1982)首次提出多重宇宙模型;1980年美国的古思(Alan H. Guth, 1947– )提出暴胀宇宙模型;1998年美国的珀尔马特(Saul Perlmutter, 1959– )、施密特(Brian P. Schmidt, 1967– )和里斯(Adam G. Riess, 1969– )又发现宇宙在加速膨胀。这些宇宙学证据成了量子物理学理论的另一个重要支撑,最小的世界和最大的世界就这样奇妙地整合在一起。

20世纪以来,物理学这些令人眼花缭乱的新发展一次又一次宣称刷新了世界图景,找到了更本质的“世界本质”;物理学家也因此洋洋自得,有些人变得极为傲慢,以为物理学是科学之王,其他学科都不过是物理学的分支而已。卢瑟福就曾经说过:“一切科学要么是物理学,要么是集邮。”然而,在基础自然科学中,恰恰有一门学科能够在哲学基础上和物理哲学分庭抗礼,这就是生命科学。

演化论的提出

生命科学的独特哲学基础来自演化论。演化论是生命科学中博物学传统的最高智慧结晶,美籍俄裔遗传学家多布然斯基(Theodosius Dobzhansky, 1900–1975)就曾这样高度评价演化论:“若无演化之光,生物学的一切便毫无意义。”在本讲中,我们先只看生命科学的博物学传统在18世纪以来的历史,顺带讲述生命科学的定量化过程,而把实验生物学兴起、生命科学完全实现现代化的历史放到第十三讲专门介绍。

“地理大发现”时代以来,探险家们从世界各地带回大量异域的奇花异草、珍禽奇兽,在让人们大开眼界的同时,也让博物学家伤透了脑筋。一方面,如何给予它们精确的名称,避免“同名异物”和“同物异名”现象,成了一件麻烦事。另一方面,如何对这么多新种类的生物进行分类,把它们组织成一个便于查询的系统,也非常考验学者的智慧。

瑞典博物学家林奈(Carl von Linné, 1707–1778)提供了这两大难题的最终解决方案。1739年林奈出版了《自然系统》(Systema Naturae)的第一版。虽然这本小书只有几十页,却奠定了新分类学的基础。林奈在这本书中提出了全新的动植物(此外还有矿物)分类系统,建立了界-纲-目-属-种的分类等级体系——若干形态上相似的种组成一个属,若干形态上相似的属组成一个目,若干目组成一个纲,若干纲组成一个界。这种多层分类阶梯利用树状的、分枝的结构图,很好地把种类繁多的生物组织成了一个秩序井然、检阅方便的体系,解决了上面的第二个难题。(后来的学者又在界和纲之间增加了门,在目和属之间增加了科,在界之上增加了域,这样就形成了域-界-门-纲-目-科-属-种的8层分类系统。)《自然系统》后来多次再版,到林奈去世前出版的第12版已经是一部分卷册出版、多达一千多页的巨著了。

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林奈像


林奈解决生物命名问题的方法更巧妙,是用双名法(binominal nomenclature)来为生物的种命名。所谓双名法,就是用两个词构成一个名字,第一个词是种所在的属的名称,第二个词叫加词(epithet),用来区分同属的不同种。比如林奈认为狼和狗同属不同种,他给狼起名Canis lupus,给狗起名Canis familiaris。粗略来说,属名相当于“姓”,而加词相当于“名”。

虽然双名法并不是林奈的首创,但的确是由他发扬光大的。通过这种命名方法,林奈给当时欧洲人已知的绝大多数动植物都起了由两个词构成的名字,与方便的分类系统相得益彰,二者都很快在欧洲流行起来。直到今天,林奈的分类等级体系和双名法仍然是生物分类和命名的基本规范。

表面上看,林奈的分枝状分类体系只是一种组织和生物有关的知识的方法,但是学者们不免会猜测,它背后是否反映了一些深层次的自然法则?对于基督宗教来说,“自然法则”倒是很简单:《旧约全书》直截了当地认为所有物种都是上帝直接创造的,创造出来之后就不再改变,因此某些种彼此之间比较相近并不能说明什么。林奈本人就是一位虔诚的基督徒,在他一生大部分时间里都坚持这种宗教观点。

然而,对于理性思考的学者来说,宗教信仰显然是无法束缚他们的思想的。中世纪的基督教接受了亚里士多德的观点,认为宇宙间的万物可以根据其完善性排成一个“自然界等级”,等级的一端是非生物,经过植物、昆虫、软体动物直到鱼、鲸、卵生四足动物(两栖爬行类)、鸟和胎生四足动物(哺乳类),再到接近完善的人,人之上则是天使。根据一个物体在这个等级上的位置,可以判断它是高等还是低等。18世纪的瑞士博物学家波奈(Charles Bonnet, 1720–1793)由此提出了一个有趣的想法:在自然界等级之中,随着时间的推移,低等的生物会逐渐向高等的生物转化,植物会变成动物,动物会变成人,而人则会变成天使。尽管物种的总数是不变的,没有新物种产生,也没有旧物种灭亡,但是就生命的“灵魂”而言,它的形态却在不断进步。就这样,波奈让原本静态的“自然阶梯”动了起来,从而把三大俗常生物观中认为物种各有其本质、本质不会改变的本质论清除掉了。

虽然波奈建立的是一种非常粗糙的线状演化图景,但演化思维一旦出现,就一发而不可收。法国博物学家拉马克(Jean-Baptiste Lamarck, 1744–1829)是第一位系统地提出演化论的科学家。拉马克一生为生物学做出了很多贡献,“生物学”这个词的西文(法语biologie,英语biology)就是他提出的,此外他还命名了很多新发现的动植物,并创立了无脊椎动物学。在丰富的博物学经验基础之上,拉马克提出了“用进废退”理论(use and disuse theory):生物一直在向着完善自身的方向演化,在这个过程中,经常使用的身体部位会不断进步,而不常使用的身体部位会不断退化。比如长颈鹿为了吃到树叶必须使劲伸长自己的脖子,因此后一代长颈鹿的脖子总是比前一代更长,更适合取食树叶。脖子这个部位正是因为经常使用,而不断演化、越来越长的。同样,如果一个家族世世代代都是打铁匠,那么因为他们经常使用上臂肌肉,久而久之,这个家族就发生了演化,上臂肌肉变得越来越强壮。总之,拉马克相信后天获得的特征是可以遗传的。

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拉马克像

拉马克的学说因为存在很多缺陷,并没有得到同时代人的赞同,相反,却遭到了众多的攻击。拉马克的晚年十分凄凉,当他在1829年去世时,甚至买不起一块墓地,只能在穷人公墓中租一块地埋葬。5年之后,拉马克的遗骨被移走,从此不知下落。直到1908年,法国人才为拉马克建立了纪念雕像,这时离他去世已经有79年了。

然而,随着生物学积累的观察资料越来越多,无论是生物分类学、胚胎学还是古生物学,都清晰地显示着生物演化的证据。除了拉马克,还有很多学者包括达尔文的祖父伊拉斯谟·达尔文(Erasmus Darwin, 1731–1802)都提出过演化的观念。这一切都预示着,生物学界马上就要掀起一场暴风骤雨式的革命。最后,这个改天换地的任务,落到了达尔文的头上。

查尔斯·达尔文(Charles R. Darwin, 1809–1882)的祖父和父亲都是有名的医生,外祖父则是瓷器商人,所以家里非常富有。少年时代的达尔文不能算是一个好学生,整天以钓鱼、打猎、采集动植物标本为乐。为了他的前途着想,他的家人先后给他安排了学医、当牧师两条人生道路,但是他都不感兴趣,在大学里仍然热衷于骑马、打猎、采集标本,以及与博物学家结识。1831年12月,在一位博物学家的推荐下,达尔文以博物学家的身份登上了英国皇家海军考察船“小猎犬”号,开始了为期5年的环球旅行。

在旅行初期,达尔文还是一位虔诚的基督教徒,并不相信演化论。但是随着考察的进行,在考察中发现的一些现象引发了他深深的思考。比如,在太平洋东南部的加拉帕戈斯群岛上,他发现了种类丰富的地雀和陆龟,这使他不免质疑:上帝为什么要在这样一群小岛上创造如此多样的生物?在他回到英国不久的1837年,他已经完全不信基督教了。1838年,他读到了英国学者马尔萨斯(Thomas R. Malthus, 1766–1834)的《人口论》。在书中,马尔萨斯提出如果人口不断增长,总有一天会受到自然资源的限制;到了那个时候,只有强者能够在资源竞争中存活下来,而弱者会被淘汰。这些观点深深地启发了达尔文,使他最终形成了以自然选择为核心的演化论思想。

因为担心自己的观点太惊世骇俗,而为世人所不容,谨慎的达尔文并没有打算立即发表自己的新学说。直到1856年,他才开始写作《物种起源》(On the Origin of Species)一书,但是他希望这本书在他死后再出版。然而在1858年,另一位英国博物学家华莱士(Alfred R. Wallace, 1823–1913)给达尔文寄出了一篇论文,其中同样提出了以自然选择为核心的演化论(巧的是,华莱士也是受了马尔萨斯的启发才提出这一观点的)。看到自己的理论出现在别人笔下,达尔文在沮丧之余,打算压下自己的研究,让华莱士独享提出自然选择学说的荣誉。但是在达尔文朋友的劝说之下,他终于决定与华莱士同时发表论文,公开这一学说。之后,达尔文把《物种起源》的手稿做了压缩,决心就在他生前出版。1859年11月24日,《物种起源》第一版问世,立刻在整个欧洲引发了剧烈的反响。

在这本生物学史上最伟大的著作中,达尔文完整地阐述了以自然选择为核心的演化论思想,也就是达尔文主义。关于自然选择理论,在第一讲中我们就做过介绍,这里我打算不厌其烦地再讲一次:首先,达尔文认为,所有的物种都有共同祖先,它们都是从这个共同祖先逐渐分歧、演化而来的。其次,达尔文指出,演化的主要动力并不是拉马克所说的“用进废退”,而是自然选择——在争夺资源的过程中,更适应环境的个体有较大的存活率,而较不适应环境的个体有较大的淘汰率;这样,通过环境压力对生物个体的选择,物种就向着更适应环境的方向发生了缓慢的演化。达尔文还否认了拉马克演化论认为获得性特征可以遗传的观点,而是认为个体对环境适应性的差异只能来自于随机的、无方向的先天变异。



拉马克主义和达尔文主义的区别


达尔文主义是把古典科学传统中的思辨思维应用于博物学研究取得的丰硕成果,它不仅为生命科学提供了独特的思想,为新的研究指明了方向,而且也对社会思潮形成了重大冲击。演化论指出,物种是演化而来的,不是神的创造,这就把宗教赶出了生物学领域;人是由猿演化而来的观念,也极大地冲击了宗教信仰中认为人和动物判然有别的思想。更重要的是,演化论把生物对环境的适应还原为一系列缓慢的、可以理解的自然过程,否认了生物特征是有目的设计出来的,这就把三大俗常生物观中的目的论彻底从生命科学中驱逐出去了。(在第十三讲我们会看到,同样是在19世纪中叶,第三大俗常生物观——生机论也被否定了。)

晚年的达尔文身体不好,几乎终年不离开他在伦敦东南部的住所,每天也工作不了太长时间。但是他仍然以顽强的毅力进行科学研究,陆续出版了许多专著。1882年4月19日达尔文逝世,为了表达对他的敬意,他的遗体被葬在威斯敏斯特大教堂(牛顿等很多名人的墓地也在这里)。

不过,达尔文主义提出之后,虽然学界很快就接受了演化的观念,对自然选择理论却不那么信服。主要的两个原因是,第一,达尔文找不到一种合适的遗传机制可以解释自然选择的机理。按照当时流行的混合遗传论,亲代的遗传特征在子代会发生混合(比如白色花植株和红色花植株杂交,会产生开粉红色花的植株),但自然选择却要求生物的特征在遗传中保持不变,这样才能决出优劣。第二,演化是一个极为漫长的过程,至少需要几亿年,和当时的物理学权威开尔文根据地球的冷却速度计算出的地球年龄(仅1,000万年)相矛盾。

当然,最后这两个难题都被克服了。放射性元素发现之后,地球科学家发现开尔文之所以把地球年龄算得这么短,是因为忽略了地球内部放射性元素衰变所释放的热量。重新计算出来的地球年龄是46亿年,这足以满足演化所需了。而早在1865年,奥地利天主教神父、生物学家孟德尔(Gregor J. Mendel, 1822–1884)就利用豌豆作为主要实验材料发现了遗传学的真实规律。孟德尔发现,生物的表型特征由“遗传因子”决定,遗传因子是不相混合的。在生物进行有性生殖的时候,两个亲本会各出一个因子遗传给子代。这两个因子有时候会呈现为一个压制另一个的关系(也就是显性对隐性的关系),使子代的表型和亲本的显性表型一致,有时候则共同发挥作用,使子代的表型呈现为亲本表型的混合,但因子本身是绝对不会混合的。



孟德尔像

孟德尔之所以能够成功发现这样的遗传规律,要归功于他的两个重要创新:第一,他把复杂的遗传现象“化整为零”,分割为一个个彼此独立的小特征,每次只研究单独一个特征的遗传规律;第二,他把数学引入了生物学,对实验结果进行计量,这就大大增进了实验结果的信息含量。因此,孟德尔实际上是把古典科学中的定量传统引入了生命科学。在达尔文和孟德尔的共同努力之下,生命科学在19世纪中期终于完成了近代化,并不间断地开始了现代化的历程。

可惜的是,也正因为当时的生命科学界普遍不重视定量工作,孟德尔的研究长期受到冷落。孟德尔遗传学本来正是达尔文所需要的遗传学,但是处在困境中的达尔文却完全没有注意到这个新理论。晚年的孟德尔渐渐远离了科研,专心于宗教和地方事务,在他逝世的时候,人们都只把他看成一位杰出的神职人员。直到1900年,德国学者科伦斯(Carl E. Correns, 1864–1933)和荷兰学者德弗里斯(Hugo M. De Vries, 1848–1935)才重新发现了孟德尔的论文,并在他们自己的实验中得到了相同的结果。孟德尔的“遗传因子”,也被重新命名为一个更简单的词——基因(gene)。

在20世纪上半叶,遗传学挟定量化的有力武器,不断取得重要突破。美国遗传学家摩尔根(Thomas H. Morgan, 1866–1945)在1910年确定基因以线性的方式位于染色体之上,并与弟子一起发明了确定基因在染色体上的位置和排列顺序的方法。英国数学家、遗传学家费舍尔(Ronald A. Fisher, 1890–1962)等人则用统计学方法研究生物的群体遗传规律,逐渐把达尔文主义和现代遗传学结合起来。事实上,现代统计学之所以能够发展起来,一个很大的原因就是因为遗传学家强烈需要数学家提供一种能够处理大量数据、从这大量数据中发现规律的方法。费舍尔本身就是一位杰出的统计学家,为数理统计的发展也做出了重要贡献。到20世纪40年代,自然选择已经得到了现代遗传学的有力支持,通过这种“现代综合”(Modern Synthesis),达尔文主义才在生物学界树立了牢固的地位,并发展到新达尔文主义的新阶段。20世纪60年代以后,随着哈密尔顿的“内含适应性理论”等新理论的提出以及演化心理学的兴起,新达尔文主义又实现了“新综合”(New Synthesis),这后面的历史,我们在第一、三讲中已经介绍过了。


物理哲学vs生物哲学


讲到这里,终于可以看看物理哲学与生物哲学在哪些地方有所不同、有所对抗了。这里我们说的物理哲学,是19世纪后期物理学完成第一次大一统时所秉持的哲学,而生物哲学则是达尔文主义。

首先,热力学第二定律提出了一种熵(大致可以理解为混乱度)越来越多、宇宙越来越退化的宇宙观,这和演化在表面上呈现的“从简单到复杂”的熵减趋势出现了严重冲突,因此物理学界一直有人对演化论持怀疑态度。这个矛盾后来以物理哲学的让步解决。比利时物理学家普里戈金(Ilya R. Prigogine, 1917–2003)在1969年提出耗散结构论,拒绝物理学对热力学第二定律再做任何理论还原,而是直接把它当成一条公理。从这条公理出发,普里戈金指出生命的产生是一种“自组织现象”,是完全可以自发产生的,宇宙总体的熵增和局部的熵减并不矛盾。

其次,19–20世纪天文学、化学先后还原为物理学的史实,使很多深受物理哲学影响的人坚信物理学是最基本的自然科学,凡是不能还原为物理学、不能用高度数学化的物理定律构建模型并对过去和未来做出较为准确的解释和预测的学科,都还处于比较粗糙、“低级”的阶段。所以,生命科学、气象学这样的处理复杂巨系统的学科还远未完善,而社会科学更处在一种十分原始的状态。这种不分层次、一口气把所有的科学都还原为物理学的做法,就是美国学者布罗克曼(John Brockman)所称的“悬崖还原”(precipice reductionism)。与此相反,生物哲学不承认“悬崖还原”,只承认“逐步还原”(step-by-step reductionism),也即“高”一层的现象只能用与之相邻的“低”一层的定律来做一定程度的解释和预测,跨层的还原不仅是不现实的,也是傲慢的。事实上,正是生物哲学的逐步还原理念,使得达尔文主义在历史上先后两次积极地介入到对人类社会学现象的解释中去,即包括19世纪后期的社会达尔文主义运动和20世纪晚期的新达尔文主义社会科学运动。尽管社会达尔文主义运动已经以失败告终,并因为其引发的严重人道灾难遭到了学界的长期批判,而新达尔文主义社会科学运动也因为学界对社会达尔文主义死灰复燃的警惕而一直未能得到广泛承认,但是生命科学在这方面的努力终归体现了它贯彻古典科学精神的愿望。与此相反,秉持悬崖还原信念的物理哲学在社会科学的还原实践上并没有做出太多的贡献,除了提出一些过于宏大叙事的规律外,可以说是“口惠而实不至”。尽管在物理学界也有一些顶尖学者对悬崖还原提出了批评,但是在一般受物理哲学影响的人那里,悬崖还原仍然有很大的吸引力。

再次,从历史的角度来看,物理哲学长期和实在论(realism)哲学捆绑在一起。实在论坚持笛卡尔的二元论(唯物主义实际上也是二元论的变种),认为客观世界是不依人意志转移、独立存在的实体;相对论和量子物理学描述的是宇宙的真实图景,日常感受到的世界只是这种真实图景的一个侧面;科学观察是客观的,因此理论必须能解释和预测古往今来的一切观察现象;科学的目的就是不断探究宇宙的本质,逼近宇宙真理。相比之下,生物哲学因为源于生物学,而生物学(特别是神经生物学)在现象层次上与人类心灵更为接近,因此生物哲学能够更方便地摆脱二元论和实在论的拘束,为科学的哲学诠释开辟更大的空间。比如,生物哲学家就容易坚持一种和实在论针锋相对的工具主义(instrumentalism)观念:客观世界只是人通过感官和思维建立起来的构体(entity);相对论和量子物理理论只是为了“拯救现象”而提出的理论,宇宙本无“真实图景”可言;科学观察实际上“渗透着”理论,理论在很大程度上决定了观察结果,因为这种主观性,新理论并不需要非得解释以往的一切观察现象;科学的根本目的仅仅是要不断提高预测的效力,绝不是为了追求真理——事实上,绝对真理根本就不存在。

最后,由于物理学的理论的巨大进步,19世纪有很多人相信宇宙已经被事先决定好的机械决定论。尽管达尔文主义在根本上和机械决定论并不必然矛盾,但在表面上,自然选择所强调的突变的随机性,却和机械决定论所强调的决定性存在强烈矛盾。更重要的是,机械决定论的那种预测未来的乐观态度,再加上实在论对于逼近宇宙真理的强烈信仰,在很大程度上契合并支持了19世纪前后出现的各种乌托邦思想。这些乌托邦思想里面最有名的就是共产主义乌托邦、自由主义乌托邦和无政府主义乌托邦——共产主义乌托邦认为物质极大丰富、人人高度解放的共产主义将是人类的最终归宿;自由主义乌托邦认为结合了自由主义的民主制度将是人类最终的政治制度,当人类社会实现这一政治制度之后,历史也就“终结”了;无政府主义乌托邦则认为没有政府、一切靠人民自助自爱的世界才是最美好的,因此也将是世界的最后形态。20世纪堪称是人类历史上的“乌托邦世纪”,各种乌托邦思想竞相发力、相互激荡,主导了各种大善大恶的历史事件。最终,随着20世纪末的苏东剧变、苏联解体,共产主义乌托邦率先失去市场;21世纪初,西方陷入经济衰退,中国等发展中国家崛起,自由主义乌托邦也衰落了,连提出“历史终结”论的美籍日裔学者福山(Francis Fukuyama)也改变了自己的观点。反倒是无政府主义乌托邦一直在中产阶级思想中常胜不衰,比如新奥地利学派就是一种无政府主义经济学理论,其哲学基础是所谓“自由意志主义”(libertarianism),至今在中国的中产阶级中还很有市场。具有讽刺意味的是,新奥地利学派乌托邦的开山祖师之一哈耶克(Friedrich A. Hayek, 1899–1992)虽然批评共产主义乌托邦那种预言人类最终归宿的行为是“致命的自负”,但是他自己也不可避免陷入了无政府主义乌托邦的致命的自负当中。相比之下,生物哲学谦虚地承认,由于量子世界的真随机性和宏观世界的混沌现象的存在,不仅学科之间只能做不完全的逐步还原,而且未来也是不可预测的,脱离了近未来可预计的因素,不管是谈论人类的最终归宿是什么,还是言之凿凿地肯定哪种政治经济制度一定最好,都是没有意义的,立论下得越细就越荒谬。因此,生物哲学天然是反乌托邦思想的。

到这里你大概也能明白,为什么我要花这么大篇幅讲物理哲学和生物哲学的对抗这样艰深的内容,因为它们作为一种能够转化为社会技术的思想,间接地、然而非常重要地决定了族群竞争的结果。在我看来,21世纪是一个乌托邦思想退潮的世纪,乌托邦思想的退潮,在很大程度上反映了传统物理哲学的衰落。未来社会很可能将重新恢复一种务实、保守的风气,而生物哲学有可能在其中起到重要的支撑作用。生物哲学的兴起,不仅是第三次科学革命的重要标志,可能也将在很大程度上影响近未来人类社会的走向。

小结


●20世纪上半叶,物理学发生了两场革命,即相对论革命和量子论革命。由爱因斯坦发动的相对论革命属于第二次科学革命的范畴,它虽然统一了物质、能量、空间和时间,创造了新的世界图景,但其背后的哲学仍然是一种决定论哲学,具有典型物理哲学色彩。

●与相对论革命同时发生的量子论革命则属于第三次科学革命的范畴,它几乎推翻了人类所有的俗常物理观,建立了一个完全人为的间断的、概率性的、非因果性的、整体论的世界图景。量子物理学把最小的粒子世界和最大的宇宙结合起来,主导了物理学的第二次大一统。

●演化论是生命科学的博物学传统的最高智慧结晶。林奈建立了现代生物分类命名体系,为物种建立了一种树状的、分枝的关系。波奈和拉马克则建立、发展了生物演化的概念,拉马克更以“用进废退”演化论知名。最终,达尔文不仅建立了枝状的演化图景,而且为演化提出了自然选择机制,是古典科学传统中的思辨传统在生命科学中的运用。孟德尔遗传学则是定量传统在生命科学的运用,它不仅和达尔文主义一起使生命科学在19世纪中期完成了近代化过程,而且在20世纪前期与达尔文主义实现了“现代综合”,使达尔文主义发展成为新达尔文主义。

●19世纪后期物理学完成第一次大一统时所秉持的物理哲学,与同期的生物哲学(达尔文主义)在很多方面形成对立。物理哲学怀有决定论和不切实际的悬崖还原理念,一度无法理解生命何以能自发产生,又长期和二元论、实在论捆绑在一起,因而契合、支持了许多乌托邦思想。相比之下,生物哲学易于否定决定论,主张逐步还原,能更方便地摆脱二元论和实在论的拘束,天然反对乌托邦思想。因此,科学哲学作为一种能够转化为社会技术的思想,间接地、然而非常重要地决定了族群竞争的结果。


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