宇宙是人类生活的舞台，为了在这舞台上确定自己的位置，从古至今人类建立了各种宇宙模型，从地心说、日心说到宇宙大爆炸理论代表着人类对自身与世界关系的不懈追问。“真正影响一个时代思潮的是那个时代有教养阶层所持有的宇宙观。”[2]随着世界图景的演变，人们不断地修正着自己与自然、社会以及自身的关系。在这种意义上，科学家不仅是新生活图景的创造者，也是把人类引进一个新世界、欣赏异域风情的冒险家。

一、从哥白尼到牛顿

公元前6世纪的希腊人不再把变化无穷的自然现象归于神灵，他们设计了秩序原则和解释框架，使之能够按照少数几个主导观念来解释和进一步探究整个自然。在雅典和亚历山大（希腊的殖民地）分别出现了两种不同的自然认识方式：在雅典，哲学的形态表现为抽象的理论建构；在亚历山大，则表现为精确的数学计算。“雅典的自然哲学家关注的是能够解释一切的、关于整个世界的第一原理，亚里士多德是这一思想的集大成者；亚历山大的数学家把知觉到的现象看作是数学分析的出发点，进行精确的推导和严格的证明，托勒密的工作代表着亚历山大思想的顶峰。”[3]托勒密系统地总结了数理天文学的传统，完成了流传千古的《天文学大成》。在这部著作中托勒密以地球静止于宇宙的中心、诸天体沿着圆周轨道匀速地绕地球旋转为出发点，关注天体的运行轨迹，从而准确地预言行星在天空中的位置，并以此为核心，提出了本轮均轮模型。在此后的一千多年中，托勒密的地心说体系在西方天文学界一直占据统治地位。在《天文学大成》中能与模型相适应的观测数据，随着时间的推移被证明是不准确的。托勒密的体系是传统观念的象征，为了维护托勒密体系的权威地位，人们通过在托勒密体系中增加“轮子”，使之免遭质疑和挑战。随着轮子数目的增加，托勒密体系变得极其复杂、烦琐。

（一）哥白尼的革新

在15、16世纪，毕达哥拉斯柏拉图主义在意大利复兴，波伦亚大学的数学、天文学教授诺瓦腊批评托勒密体系太烦琐，不符合数学和谐的原理。哥白尼是诺瓦腊的学生，他仔细研究过所能找到的一切哲学著作。他所面对的问题是：行星应该有怎样的运动，才会产生最简单而最和谐的天体几何学？为了解决托勒密及其继承者尚未解决的行星问题，哥白尼针对当时能够阅读托勒密论著的一小群天文学家写作了《天球运行论》，他以阿里斯塔克的日心说为解决问题的出发点，地动说是他试图改良计算行星位置的技巧时的一个副产品。

然而，地动观念却对传统思想构成了严重的挑战：“在哥白尼的体系中，太阳取代地球成为行星运动的中心，地球失去了其独特的天文学地位，成了众多行星中的一员。从此，人类需要重新确定自己在宇宙中的位置。从地心说到日心说是人与宇宙关系的转型。”[4]哥白尼的新宇宙体系撼动了古代科学的整个结构，也造成了人类自我认同的危机。此后，西方科学哲学的发展主题就转变为重构科学体系、建立伦理生活的新秩序。

（二）新物理学的诞生

1609年，望远镜的发明和使用从根本上改变了讨论哥白尼体系和托勒密体系的标准和方式。用望远镜对天空进行观测的事实表明月球和行星的属性与地球类似，而不像恒星，哥白尼体系与新的观测事实极其相符。世界既不是托勒密式的，也不是亚里士多德式的。面对观测的事实，人们只有两个选择：一是拒绝透过望远镜观看，或拒绝接受所看到的东西；二是拒斥亚里士多德的物理学以及托勒密的地心说。对两个体系的讨论转向了哥白尼和托勒密认识范围之外的现象，人们开始寻找一种既能适合于运动的地球又能适合于宇宙的新物理学。

将望远镜用作科学仪器，奠定新的观测天文学和新物理学基础的人是伽利略。他试图解决两个独立的问题：一是落体在运动地球上的行为和假定地球静止时完全相同，二是为一般落体运动建立新的原理。

伽利略最重要的贡献是对自然的数学化。“他试图通过自己艰苦卓绝的努力向自己著作的读者表明，他所导出的数学规律如何能够表现于日常实在之中，比如自由落体运动或射出的炮弹的运动。只要有可能，他就会寻求日常情况下的实验验证。”[5]数学与实验的结合奠定了近代新物理学的基础。他的“理想实验”显现了完善的抽象思维是比望远镜更具革命性的工具。伽利略表明了抽象如何能够与经验世界相关联，如何从对“事物本性”的思考推导出与直接观察有关的定律。《关于两门新科学的谈话》和《关于两大世界体系的对话》是他留给后世的杰作。这两部著作是理解新旧宇宙体系的转换、探索日心宇宙动力学原理的基础。

（三）开普勒的新天文学

开普勒在中学时代就成了一名哥白尼主义者。1595年，25岁的开普勒发表了《宇宙的奥秘》。在这部著作中，开普勒宣布了他关于行星与太阳距离的重大发现。这本著作奠定了他在天文学领域的声望，他因此成为了第谷·布拉赫的助手。第谷·布拉赫用结构精良的巨型仪器改进了确定行星位置及其恒星相对位置的精度。他既不相信托勒密体系，也不相信哥白尼体系，他认为这两个体系都不能真正预言天象，在夜复一夜地观察行星位置的基础上，第谷提出了自己的体系。开普勒相信哥白尼的日心说，也相信第谷观测的精确性，他抛弃圆周，尝试卵形线，最终尝试椭圆。开普勒终于迈出了革命性的一步，发现了行星位置与轨道速度之间无可置疑的全新关系：每颗行星的轨道都是椭圆，太阳位于它的一个焦点上；太阳与行星的连线在任何相等时间内扫过相等的面积；任何两颗围绕太阳运行的行星（包括地球），其周期的平方与太阳平均距离的立方成正比。前两个定律显示了开普勒如何简化了哥白尼体系，第三定律则证明了天体的和谐。

（四）牛顿对宇宙的新解释

望远镜的发明不仅引起天文学的新高涨，而且推动了光学的研究。1619年开普勒公布行星运动第三定律后，从数学上推论开普勒基于观测获得的经验定律，成为当时自然科学的中心课题之一。1638年，伽利略《关于两门新科学的谈话》正式出版，激起了人们对他所确立的动力学基本概念作精确的数学表述的热情。新的科学问题对数学提出了新挑战：怎样确定运动物体的瞬时速度和加速度，以及怎样由速度或加速度公式确定物体移动的距离？怎样作任意曲线的切线（如望远镜光程设计就涉及切线问题）？怎样求函数的极大值、极小值（如行星与太阳间的最大和最小距离、抛射体的最大射程）？怎样计算曲线长度（如行星沿轨道运动的路程）、面积（如行星矢径扫过的面积）以及体积、重心与引力？等等。要克服这些困难，无论是古希腊的几何学还是中世纪及文艺复兴时代发展起来的代数，都明显地不敷应用。因此，在17世纪上半叶，几乎所有的科学大师们都竭力寻求新的数学工具。站在新的高度将以往分散的努力综合为统一的理论，是17世纪中叶自然科学赋予数学的紧迫任务。微积分的发明使牛顿成为上述任务的完成者。爱因斯坦说：“命运使牛顿处在人类理智的历史转折点上。”[6]

17世纪下半叶，牛顿同时代的科学家集中关注的问题是：行星如何在重力定律的作用下才能沿椭圆轨道运行？牛顿解决了这个悬而未决的问题，我们在天空中所看到的一切事物--恒星、太阳、月球、地球、行星和彗星的运动都遵循3个简单的定律和万有引力定律。他进而证明了我们在地球上看到的一切运动都受相同定律的支配。“牛顿把天上的运动和地上的运动统一起来。从此，承担起了解释整个可见宇宙的工作”[7]。

二、热和能：寻找变化发生的源泉

在18、19世纪，力学哲学的一个主要成就是回答了“热是什么”这个古老的问题。热力学是学科相关性最强的理论之一。对热的本质的研究引领着人们一步步思考变化发生的动因。在18世纪，热被看作是一种看不见、无重量的流体，称作热素。人们相信当两个温度不同的物体接触时，热质就从热的物体流向冷的物体，物体的固、液、气三态取决于它吸收了多少热质。直到19世纪50年代，人们接受的都是热质说。

（一）能量守恒定律

1837年，德国化学家李比希的学生弗里德里希·莫尔提出所有各种形式的能都是机械力的表现，热不是一种特殊的物质，而是各种物体中许多最小部分的一种振动。1842年罗伯特·迈尔提出体热来自食物化学能的见解，他进而指出力是不灭的和可以转化的，运动在许多情况下只不过产生热效应，因而热的来源只不过是运动。德国柏林大学的物理学教授赫尔姆霍兹从生物学现象出发得出了各种不同形式的能可以相互转化和守恒的思想。他指出，活的机体如果除掉从饮食取得的能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那么它们就会是永动机。曼彻斯特的酿酒师兼业余科学家焦耳集中研究了电流的热效应，发现在一定时间内发出的热量与电路的电阻、通过电阻线的电流的平方成正比，这就是著名的焦耳定律。他的热功当量实验证明了机械功能够转化成热，能量是守恒的。热和功的等价性是热力学第一定律，即能量转化和守恒定律的基础。

（二）熵增原理

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯发表了《论热的动力》一文，他把自己对热机的研究表述为：能量不可能从低温物体转移到高温物体而不产生其他影响。换句话说，能量转化的自然过程是不可逆的。1865年，克劳修斯引入“熵”的概念，把可逆过程和不可逆过程区分开来。熵的意思是“转移的量”和“发生变化的能力”，用热量除以温度来表示。在自发的自然过程中熵趋于增大。克劳修斯认为宇宙是一个孤立系统，所以他把热力学第一定律表述为：宇宙的总能量是守恒的；第二定律表述为：宇宙的总熵无情地朝着它的极大值增长。从“熵增原理”得出的推论是：整个宇宙的演化就是逐渐退化，最后停止于热力学平衡，处于死寂状态。热力学定律告诉我们，在能量和物质趋于混乱的过程中，宇宙无休止的衰败是一切变化发生的根源。宇宙热寂说使人们看待世界的方式带上了悲观的色彩。

波尔兹曼把热力学第二定律解释为能在自发运动，系统中能的自发增加可以和这个系统的分子能的分布概率的增加联系起来。1877年，他证明熵与这种概率的对数成比例。热力学第二定律和它的分子解释给予了时间的流逝以方向和物理意义。这在牛顿力学体系是没有的，牛顿宇宙中的力学是可逆的，热力学的宇宙是不可逆的。

三、量子力学与不确定的世界

牛顿力学有一个基本假设：物质的性质是可以连续变化的。这一观念在原子范围内变得无效，量子力学是表述亚原子世界物质运动规律的全新力学体系，它的建立和发展与人们对微观世界的认识密切相关。1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了X射线；1896年，法国物理学家贝克勒尔在做荧光试验时发现了天然放射性；1897年，英国物理学家汤姆逊在对阴极射线作定性和定量实验时发现了电子。物理学的三大发现，打破了原子不可分的观念。1906年，英国物理学家卢瑟福在他的助手盖革的帮助下开始从事α散射实验，提出了原子的核式模型--原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在原子内部极小的区域内，称为原子核，质量极小的电子围绕原子核不停地转动。原子核被发现后，它的结构问题成为科学家关心的问题。1919年，卢瑟福发现了质子。1932年，他的学生查德威克发现了中子。从20世纪30年代开始，一系列新的粒子被发现，粒子物理学的时代到来了。

（一）从黑体辐射到量子论

马克斯·普朗克是柏林大学的物理学教授，他从1878年开始关注热辐射问题。1900年10月，他在一次讲座中将辐射描述为热物体中的原子和电子的振动，推导出了既适合长波又适合短波的辐射公式。其基本观点是：任何波长的振动都有权利得到能量，它们得到的能量受自身特性的限制，每一振动只能吸收与它的频率成比例的某一最小单位的能量，或者是这一最小单位的整数倍的能量。这个最小单位的能量被称为普朗克常数。“在能量分配问题上，波长越长得到能量的可能越小，波长越短得到能量的可能越大。普朗克指出，如果黑体辐射是由量子不连续地发射出来，而一个量子的能量是和辐射频率成比例的，低温度就有利于接近光谱红端的长波的发射，因为量子的能量较小，但在高温时，由于有更多的能可用，就有利于发射短波长的较大量子。”[8]量子论打破了“自然界无跳跃”的传统观念。

1905年，爱因斯坦的光电效应实验支持了普朗克的量子学说。照射在固体金属表面的光，可以使金属发射出电子。这些电子的能量不随光的强度变化，而是随光的颜色变化。为了解释这种现象，爱因斯坦提出能量是以微小份额的形式由光线携带的，他把它称为光量子。1913年，尼尔斯·玻尔把量子论和原子结构连接起来，他证明了存在着电子轨道的离散序列。当一个原子被激发时，电子从一个轨道跃迁到另一个轨道。就在这一瞬间，原子吸收或释放一个光子，其频率相当于电子在这两个轨道上运行时所具有的能量差，这个能量差用爱因斯坦的能量和频率联系起来的公式计算。1926年，物理化学家列维斯建议把光量子命名为光子。

（二）波粒二象性

光的反射现象是坚持微粒说的最直接的证据，衍射现象是波动说的有力支持。光电效应实验使微粒说具有坚实的基础，电子散射实验证明单个量子具有某种波动性。在这些事实面前，两种竞争的学说互相修正。1925年，路易斯·德布罗意提出一切物质皆是波的观点。电子波得到了证实，德布罗意也因此获得了1929年度诺贝尔物理学奖。实验证明质子、中子等粒子同样具有波动性。波粒二象性成为公认的微观世界粒子的基本属性，是解释微观世界现象的出发点。波粒二象性是量子世界的奇特特征。依据此观点，当我们研究固体、**和气体时，我们面对的是量子的海洋，一切微观现象都是由次一层级的粒子涨落引起的。每一粒子的行为是无规则的，但整个层级的总体表现是可以把握的。我们不再妄图寻找每一事物间的因果联系，但却要通过层级间的差别与不同的表观来认识世界。从波粒二象性出发，我们可以发现一个更简单、更清晰的内在世界。

四、相对论的形成

19世纪的物理学家接受了牛顿的绝对时空观念：绝对空间与任何外界事物无关地存在着，绝对时间同样与外界事物无关地流逝着。运动定律对所有匀速运动的观察者都是相同的。爱因斯坦的相对论打破了牛顿的绝对时空观念，他把三百年来物理科学的发展推向了顶峰。

（一）狭义相对论的创立

1905年，爱因斯坦提出了两条全新的物理学原理：相对性原理和光速不变原理。前者是指宇宙中各处的物理规律都是相同的，不论观测者的运动速度如何；后者是指光速是一个常数，它与光源的运动无关。当物体运动的速度接近光速时，牛顿定律失效了，许多奇怪的现象出现了。爱因斯坦指出，接近光速运动的物体，在一个静止的观察者看来，会在运动的方向上变扁。收缩的程度取决于运动物体的实际速度；同时性的概念取决于观测者的速度，而不再是绝对的。在相对论中，运动的时钟比静止的时钟走得慢。当物体运动的速度接近光速时，它的质量会变得无限大，因为光速不变，所以没有质量无限大的运动物体。只有静止质量是零的粒子才能以光速运动，比如光子。

（二）广义相对论的建立和验证

爱因斯坦没有停止对时空本性的探索，他清醒地知道狭义相对论的局限：狭义相对论是针对接近光速的匀速运动的观察者而言的，然而，实际的观测者都在经受着加速度。他试图提供一种适合于所有观测者的物理描述，把加速运动和引力的影响包括在内。1907年，爱因斯坦提出了等效原理：引力和加速度是等效的。经过8年的努力，他创立了广义相对论。在广义相对论的宇宙中，引力被转化到时空的几何曲率中。时空弯曲的程度，由宇宙中物质的分布所决定：一个区域内物质的密度越大，时空的曲率就越大。1919年，英国天文学家爱丁顿在观测日食时，发现星光经过太阳附近时光线发生弯曲。他自己把对广义相对论的验证看作是一生中最伟大的时刻。爱因斯坦也因此获得了世界性的声誉。广义相对论对于我们认识高能量、大质量、大距离的天体来说是至关重要的，它把宇宙学变成了数学和几何学的一个分支，这是现代科学重大的智力成就之一。

五、进化论与生命之谜

（一）进化论的生命科学意义

1859年，达尔文《物种起源》的发表标志着19世纪思想发展的历史性转变。进化论指出了生命世界的变化趋势。自然选择学说是达尔文进化论的核心，它的真正功能在于说明生物如何适应变化的环境。为了解释子代和亲代之间的相似性，达尔文在1868年出版的《动物和植物在家养下的变异》一书中提出：生物体中各个部分，各种组织细胞中都能产生一种微粒，这种微粒经过循环系统集中到生殖细胞内传给后代，后代因而获得两个亲本的微粒，在一定条件下微粒发育成对应的器官。当全部微粒在正确的部位、正确的时间长出正确的器官时，生物完成发育；当微粒发生变化时，生物就发生变异。达尔文在历史上第一次把生物遗传变异的物质基础作为一个独立的问题提了出来。

（二）寻找基因的历程

1887年，比利时的细胞学家贝尔登发现了有关染色体的两个新现象：生物体内每个细胞都具有相同数目的染色体，同一物种内每个成员的染色体数目相同；在形成性细胞时，细胞在一次分裂中染色体数目并未增加一倍，精细胞和卵细胞的染色体数目只有一般细胞的一半。1902年，美国哥伦比亚大学生物系的研究生萨顿发现了和贝尔登相同的现象，他看到了染色体的行为和孟德尔遗传因子行为的相似性，于是，提出了一个大胆的假设：遗传因子位于染色体上。

1914年，摩尔根的学生布里奇斯通过研究性染色体的错误分配与性别异常的关系，证实在具体性状（性别）与特定染色体之间存在着平行的关系，随后，摩尔根的助手们把多个基因定位到多个染色体上，并证明基因在染色体上呈线性排列。摩尔根在1926年出版的《基因论》中这样写道：“我们自然很难放弃这样一个假设，基因之所以稳定，是因为它代表着一个有机化学的实体。”

1952年，德尔布吕克、卢里亚、赫尔希设计了有名的噬菌体感染实验，发现噬菌体的DNA主导着噬菌体的生命的繁衍，DNA才是遗传物质。美国哥伦比亚大学的查伽夫对DNA进行了一系列严格的生物化学分析，发现DNA并不是由单调的四种核苷酸重组出现组成的4种不同的含氮碱基的任意顺序排列，4种碱基的含量并不相等。

1953年2月28日，沃森和克里克搭建了DNA的双螺旋模型，这个三维的DNA构型像一架沿反时针方向扭转的梯子，梯子的两边骨架由核糖和磷酸组成，连接配对碱基的氢键如同梯子的横桉。4月15日，沃森和克里克在《自然》杂志上发表了有关DNA双螺旋结构的论文。

（三）遗传的中心法则

DNA位于细胞核中，蛋白质在细胞质中。克里克认为DNA不可能直接控制蛋白质的合成。克里克猜测在蛋白质合成的第一步中，一定是DNA先指导合成RNA，然后RNA游离到细胞质中，再指导合成蛋白质。RNA在这个过程中是信息的传递者，可以称之为信使。沃森提出细胞信息流动向：DNA→RNA→蛋白质，处于细胞核中的DNA把信息传递给细胞质中的RNA，各种氨基酸遵照RNA传递的信息合成各种各样的蛋白质，蛋白质的多样性决定了生物的性状，生命世界由此变得丰富多彩。信息从细胞的中心发出，这个法则叫中心法则。

1961年，蛋白质的合成机制被大致澄清。人们发现RNA有3种：一种是核糖体RNA，它提供合成蛋白质的场所；一种是转运RNA，它负责把氨基酸连接到模板RNA上；一种是信使RNA，它是DNA的复制品，蕴涵着蛋白质合成的指令信息。中心法则和遗传密码只是告诉我们基因是怎样决定蛋白质的结构和功能的，但未阐明基因与基因之间的相互关系。