第十講 物理哲學(xué)和生物哲學(xué)的對(duì)抗

相對(duì)論革命

在上一講中，我們提到第二次科學(xué)革命始于18世紀(jì)后期的化學(xué)革命，它的兩大標(biāo)志是：1. 近代西方科學(xué)的古典科學(xué)傳統(tǒng)和培根科學(xué)傳統(tǒng)融合，西方科學(xué)現(xiàn)代化；2. 科學(xué)和技術(shù)結(jié)合，形成“科技共進(jìn)”的新關(guān)系。按照這兩條標(biāo)準(zhǔn)，第二次科學(xué)革命的結(jié)束時(shí)間似乎定在20世紀(jì)60年代為宜，那時(shí)候，生命科學(xué)和地球科學(xué)也都現(xiàn)代化了，并且在理論上和之前已經(jīng)現(xiàn)代化的化學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)也都貫通在一起，從而實(shí)現(xiàn)了所有基礎(chǔ)自然科學(xué)的現(xiàn)代化和統(tǒng)合。

正如第一次科學(xué)革命從一開始就包括有由物理學(xué)的范式更迭引發(fā)的世界圖景的變革（也就是哲學(xué)變革）、以致新范式和舊范式出現(xiàn)了一定程度的“不可通約性”一樣，第二次科學(xué)革命也包含有物理學(xué)范式的更新和世界圖景的變革，而且更為驚人。只不過(guò)，這場(chǎng)世界圖景變革不是發(fā)生在革命的開頭，而是發(fā)生在革命的中間，具體來(lái)說(shuō)是20世紀(jì)初。引發(fā)它的理論，就是大名鼎鼎的相對(duì)論（theory of relativity）。

在講述這場(chǎng)世界圖景變革之前，我們先要介紹一個(gè)如雷貫耳的名字——諾貝爾（Alfred B. Nobel, 1833–1896）。諾貝爾是瑞典商人，因?yàn)榘l(fā)明安全炸藥（把硝化甘油與硅藻土之類物質(zhì)混合，使之安定性大為提高）而發(fā)了大財(cái)。諾貝爾又是一個(gè)具有崇高道德風(fēng)尚的人，在遺囑中決定把自己的大部分遺產(chǎn)拿出來(lái)作為基金，設(shè)立文學(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng)、物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，表彰在這幾個(gè)領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀鐾怀鲐暙I(xiàn)的在世者。1901年這5個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)開始頒發(fā)，其中的3個(gè)科學(xué)獎(jiǎng)后來(lái)即成為相關(guān)學(xué)科的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。1969年，瑞典國(guó)家銀行又設(shè)立“紀(jì)念諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)”，簡(jiǎn)稱為諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)，與另5個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)差不多同時(shí)頒發(fā)，這樣就形成了今天我們熟悉的6個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。其中，諾貝爾物理獎(jiǎng)開始頒發(fā)的時(shí)候，正好是物理學(xué)要發(fā)生大變革的時(shí)候。因此從一開始，物理獎(jiǎng)就見證了物理學(xué)歷史上這段比牛頓革命更激動(dòng)人心的偉大時(shí)刻。

當(dāng)然，任何變革都不可能沒有因由。19世紀(jì)末，物理學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了第一次大一統(tǒng)，但仍然沒有解決所有的問題。得意地說(shuō)“物理大廈已經(jīng)落成”的英國(guó)物理學(xué)家開爾文，在1900年4月27日向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)所做的報(bào)告中，就說(shuō)道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了。”正是這兩朵“烏云”，分別引發(fā)了物理學(xué)的兩場(chǎng)新革命。

第一朵烏云是“以太”（ether）問題。以太本來(lái)是古希臘語(yǔ)詞，古希臘人用它來(lái)指澄凈的高空。高空很容易給人神秘的感覺，所以后來(lái)以太這個(gè)詞就被煉金家和各種神秘主義借去，用來(lái)指各種各樣的東西。比如煉金家就用它來(lái)指一種用酒精制備的、輕盈易揮發(fā)、極易燃燒爆炸的液體——乙醚（直到今天，ether還是醚這一類有機(jī)化合物的西文通稱）。

第一次科學(xué)革命以后，以太一詞又被科學(xué)征用，褪去了神秘主義的光環(huán)。在傳統(tǒng)的亞里士多德物理觀的影響下，笛卡爾不承認(rèn)物體之間有超距作用，認(rèn)為引力一定要靠某種看不見摸不著、彌漫在宇宙間各處的介質(zhì)傳遞，他便把這種介質(zhì)稱為“以太”。當(dāng)然，牛頓物理觀是承認(rèn)超距作用的，所以這種作為引力介質(zhì)的“以太”后來(lái)就“下崗”了。然而，19世紀(jì)初光的本質(zhì)被重新認(rèn)為是一種波動(dòng)之后，因?yàn)槠渌魏尾ǘ夹枰橘|(zhì)來(lái)傳遞，所以包括麥克斯韋在內(nèi)的物理學(xué)家對(duì)于光能夠在真空中傳播的現(xiàn)象百思不得其解，不得不再次假想宇宙中還是有某種看不見摸不著、彌漫于各個(gè)角落的介質(zhì)，是光的傳遞媒介。他們還是把這種東西叫做“以太”。但是，如果以太是一種物質(zhì)，它到底有什么性質(zhì)？它有重量嗎？為了能夠傳遞光波這樣一種橫波，以太必須是一種非常堅(jiān)硬的物質(zhì)，然而在以太海洋中運(yùn)行的日月星辰卻一點(diǎn)也看不出運(yùn)動(dòng)受阻的跡象，這又是怎么回事？

更重要的是，既然以太是光傳播的媒介，那么它一定相對(duì)地球在運(yùn)動(dòng)，否則無(wú)法解釋天文學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)的光行差現(xiàn)象。1881年開始，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜（Albert A. Michelson, 1852–1931）設(shè)計(jì)了一個(gè)精密的實(shí)驗(yàn)，試圖檢驗(yàn)地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果毫無(wú)發(fā)現(xiàn)。1887年他與美國(guó)化學(xué)家莫雷（Edward Morley, 1838–1923）合作，以更高的精密重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，仍是一無(wú)所獲。到了這個(gè)時(shí)候，以太這個(gè)東西變得愈發(fā)神秘難測(cè)了。

在世紀(jì)之交的物理學(xué)家對(duì)邁克爾遜–莫雷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果百思不得其解的時(shí)候，也有一些人試圖從世界圖景中消除以太這個(gè)討厭的東西。1892年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲（Hendrik A. Lorentz, 1853–1928）提出了洛倫茲變換，使麥克斯韋方程在相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)和相對(duì)于以太靜止的兩種坐標(biāo)系中均表現(xiàn)為同一形式，這樣一來(lái)，地球是不是在相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)就無(wú)關(guān)緊要了。但是由此卻會(huì)得出一些詭異的推論，比如在運(yùn)動(dòng)方向上物體長(zhǎng)度縮短，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，其速度以真空光速為上限，等等。

1895年，法國(guó)數(shù)學(xué)家龐加萊（Jules Henry Poincaré, 1854–1912）以數(shù)學(xué)家的那種高度抽象的思維指出，物理學(xué)家執(zhí)著于以太的存在，實(shí)際上是執(zhí)著于一種絕對(duì)靜止的參照系的存在。但是如果換個(gè)思路，認(rèn)為任何實(shí)驗(yàn)手段都不能檢測(cè)到絕對(duì)靜止的參照系，只能檢測(cè)到物質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那就可以完全拋棄以太這個(gè)概念了。這就是所謂“相對(duì)性原理”。然而，龐加萊的主職終歸不是物理學(xué)家，他雖然為物理學(xué)革命指明了新方向，但具體構(gòu)建新世界圖景的工作還要有專人來(lái)做。這個(gè)人，就是愛因斯坦（Albert Einstein, 1879–1955）。

在俗常的概念中，愛因斯坦往往被當(dāng)成一個(gè)雖然沒受過(guò)良好教育也非學(xué)界中人、但一出手就以一人之力顛覆了整個(gè)學(xué)界的奇?zhèn)b，因而有很多人（特別是自認(rèn)為提出了驚世駭俗的新理論卻不為學(xué)界承認(rèn)的“民間科學(xué)家”）試圖用他的經(jīng)歷來(lái)證明學(xué)界權(quán)威不足為據(jù)。事實(shí)根本不是這樣。的確，愛因斯坦中學(xué)曾經(jīng)被勸退學(xué)，但那只是因?yàn)樗铺珖?yán)重，無(wú)法被正統(tǒng)的中等教育體系容納罷了。不要忘了，1896年愛因斯坦成功考取瑞士名校聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，因此他是受過(guò)嚴(yán)格的高等教育的。不過(guò)，愛因斯坦在大學(xué)里也還是自由散漫，對(duì)物理學(xué)非常著迷，數(shù)學(xué)卻落下了，以至于要靠好友格羅斯曼（Marcel Grossmann, 1878–1936）的筆記應(yīng)付考試。

1900年愛因斯坦大學(xué)畢業(yè)后即失業(yè)，最窮迫的時(shí)候，要靠當(dāng)家庭教師勉強(qiáng)糊口。后來(lái)，還是格羅斯曼出手幫忙解決了愛因斯坦的工作問題。格羅斯曼的父親有一位朋友是瑞士伯爾尼專利局局長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一番說(shuō)情，愛因斯坦終于進(jìn)入伯爾尼專利局，成為一名技術(shù)員，在那里一直工作到1908年。然而，還是不要忘了，愛因斯坦在此期間和學(xué)界交往甚多，并不是什么久隱不出的獨(dú)行俠，而他發(fā)表的論文也都是刊載在權(quán)威性學(xué)術(shù)期刊之上，接受了學(xué)界同行的評(píng)議。他，自始至終都是科學(xué)共同體中的一員。

雖然1666年并不是牛頓的“奇跡年”，但1905年卻的確是愛因斯坦的“奇跡年”。這一年，26歲的他在學(xué)術(shù)期刊《物理學(xué)年鑒》上連發(fā)5篇論文，其中有3篇都是劃時(shí)代的成就。第一篇是愛因斯坦用新興的量子物理學(xué)對(duì)光電效應(yīng)做出的解釋，下面我們還會(huì)再介紹；第二篇是從數(shù)學(xué)上解釋了一種叫做“布朗運(yùn)動(dòng)”的熱學(xué)現(xiàn)象；第三篇是最有名的——這是愛因斯坦第一次正式提出相對(duì)論。

相對(duì)論的基本原理，我們很難在這樣一門課中用三言兩語(yǔ)講清楚，但是這并不代表我們不能把握其哲學(xué)本質(zhì)（善于弄清楚一門新理論的性質(zhì)，而不必非得弄清楚其具體細(xì)節(jié)，大概是今天這個(gè)知識(shí)爆炸的時(shí)代必須掌握的一門技能）。事實(shí)上，相對(duì)論是一個(gè)公理系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里面，物質(zhì)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)不可觀測(cè)和真空光速不變是打頭的兩條公理，是不容置疑的。從這兩條公理出發(fā)，愛因斯坦先是破除了“同時(shí)性”的絕對(duì)概念——在一個(gè)參照系里是同時(shí)發(fā)生的事情，在運(yùn)動(dòng)狀況不同的另一個(gè)參照系里就可能不同時(shí)發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)出了一系列匪夷所思的結(jié)論：真空光速（c）是運(yùn)動(dòng)的速度上限；在物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速的時(shí)候，其沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度會(huì)明顯縮短（尺縮效應(yīng)），時(shí)間會(huì)明顯變慢（鐘慢效應(yīng)），質(zhì)量會(huì)明顯增加。在這種情況下，三維空間和一維時(shí)間結(jié)合成了四維的時(shí)空（space-time）。不僅如此，質(zhì)量（m）和能量（E）還有對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系就是著名的質(zhì)–能方程：

E = mc^2.

上面這些理論，今天我們稱為狹義相對(duì)論（special relativity）。狹義相對(duì)論并不是一個(gè)完備的理論，因?yàn)樗l(fā)了一個(gè)有趣的悖論：假定有一對(duì)雙生子，其中一個(gè)一直待在地球上，另一個(gè)乘坐接近光速的宇宙飛船在太空中飛行，按照相對(duì)性原理，在地球上看來(lái)，宇宙飛船中的時(shí)間固然變慢了，但在宇宙飛船所在的參照系看來(lái)，地球也在以接近光速運(yùn)動(dòng)，因此變慢的反而是地球上的時(shí)間。那么，當(dāng)這艘宇宙回到地球上時(shí)，這對(duì)雙生子里哪一個(gè)更老？這個(gè)“雙生子佯謬”在狹義相對(duì)論中是無(wú)法解決的。

然而，愛因斯坦再接再厲，在1916年提出了廣義相對(duì)論（general relativity）的最終形式。廣義相對(duì)論把加速度和質(zhì)量考慮進(jìn)來(lái)，提出了又一條公理：引力場(chǎng)等價(jià)于非慣性系，原則上人們無(wú)法區(qū)分一個(gè)物體正被加速，還是正處在引力場(chǎng)中，這就是等效原理。廣義相對(duì)論不僅解決了雙生子佯謬，而且讓物質(zhì)、能量和時(shí)空建立了密切聯(lián)系，沒有脫離物質(zhì)的時(shí)空存在，也沒有脫離時(shí)空的物質(zhì)存在，這就徹底顛覆了牛頓體系的那種超然于物質(zhì)之外的絕對(duì)時(shí)空概念，完成了一個(gè)與牛頓體系完全不同的新世界圖景的構(gòu)造。

相對(duì)論是古典科學(xué)傳統(tǒng)造就的巔峰，它那簡(jiǎn)潔、和諧、統(tǒng)一的理論，它那公理化的體系和嚴(yán)密的定量推導(dǎo)，無(wú)不實(shí)現(xiàn)了古典科學(xué)傳統(tǒng)的最高理想。但是，它又不是脫離實(shí)證的臆想。無(wú)論是狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，在解釋了一些舊現(xiàn)象的同時(shí)，又提出了大量新預(yù)言，可以用觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)來(lái)檢驗(yàn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論的預(yù)言比較容易檢測(cè)，比如它預(yù)測(cè)恒星的光線會(huì)被太陽(yáng)的引力所扭曲，這可以通過(guò)在日全食時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)附近恒星的位置變動(dòng)來(lái)檢驗(yàn)。1919年5月29日，南半球發(fā)生日全食，英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓（Arthur S. Eddington, 1882–1944）派出了兩支隊(duì)伍前往觀測(cè)，果然觀察到了廣義相對(duì)論預(yù)言的光線偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。后來(lái)，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，人類有了高速的飛行器，狹義相對(duì)論也得到了直接驗(yàn)證。

第二次科學(xué)革命以來(lái)，科學(xué)家們逐漸形成了比較開放的思維，對(duì)于舊范式的堅(jiān)持不再像哥白尼、伽利略時(shí)代的學(xué)者那么頑固，因此相對(duì)論很快就在學(xué)界普及開來(lái)。然而，比起牛頓物理學(xué)來(lái)，相對(duì)論離俗常物理觀更遠(yuǎn)了，也就更難為一般人所理解和接受。即使在學(xué)界，也還是有不少人反對(duì)相對(duì)論（雖然他們的表面理由十分荒唐——因?yàn)閻垡蛩固故仟q太人）。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，受到表彰的也只是他在光電效應(yīng)方面的研究，而不是相對(duì)論。

遺憾的是，愛因斯坦思想中的思辨性過(guò)強(qiáng)，這雖然讓他勇于突破物理學(xué)舊范式的束縛，卻又成了阻礙他獲得更大成就的新束縛。由于納粹分子的迫害，愛因斯坦在1931年被迫移民美國(guó)。此后他除了參加一些社會(huì)活動(dòng)之外，就是潛心鉆研“統(tǒng)一場(chǎng)論”，試圖把引力和電磁力統(tǒng)一起來(lái)，但最后也沒有成功。愛因斯坦失敗的原因，一方面是因?yàn)檫@個(gè)研究過(guò)于困難，但另一方面也是因?yàn)樗麍?zhí)意不接受量子物理學(xué)的哥本哈根解釋，未能把相對(duì)論和量子物理學(xué)結(jié)合起來(lái)，從而錯(cuò)失了獲得統(tǒng)一場(chǎng)論的正確方向。1955年4月18日，愛因斯坦在普林斯頓的家中病逝，結(jié)束了他傳奇般的一生。

量子論革命

開爾文所說(shuō)的第二朵“烏云”是所謂“紫外災(zāi)難”問題。任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上，就會(huì)發(fā)出電磁波輻射。為了研究這個(gè)現(xiàn)象，物理學(xué)家設(shè)想了一種叫“黑體”的理想物體，把它作為模型來(lái)研究熱輻射問題。1900年，英國(guó)物理學(xué)家瑞利（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842–1919）根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論推出了黑體輻射的能量分布公式。這個(gè)公式在長(zhǎng)波部分和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果比較吻合，但波長(zhǎng)越短，偏離越大。特別是當(dāng)波長(zhǎng)趨近0時(shí)，輻射能量也趨近無(wú)窮大，這不僅與實(shí)際觀測(cè)不符，本身也是十分荒謬的。這就是“紫外災(zāi)難”（“紫外”指的就是短波部分）。

同年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克（Max K. Planck, 1858–1947）采用拼湊的方法得出了一個(gè)在長(zhǎng)波和短波部分都和實(shí)驗(yàn)相吻合的經(jīng)驗(yàn)公式。之后，普朗克發(fā)現(xiàn)，這個(gè)公式蘊(yùn)含的物理意義在于，物體的輻射能不是連續(xù)變化的，而是以一定的整數(shù)倍跳躍式變化。普朗克把能量的最小不可分的單位稱為“量子”（quantum），在12月14日把這個(gè)假說(shuō)報(bào)告給德國(guó)物理學(xué)會(huì)，量子論就這樣誕生了。

正如相對(duì)論推翻了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀一樣，量子論也推翻了物理學(xué)界幾百年來(lái)信奉的“自然界不做跳躍”的信條，因此遭到了學(xué)界的普遍反對(duì)。連普朗克本人都對(duì)自己的理論失去了信心，一度放棄了量子論，改而繼續(xù)從能量連續(xù)變化的原則出發(fā)研究黑體輻射問題。反倒是年輕的愛因斯坦熱情接受了這個(gè)新理論，用它解釋了光電效應(yīng)。這里我們不詳述什么是光電效應(yīng)，只指出兩點(diǎn)：第一，愛因斯坦提出了光量子的概念，認(rèn)為光的能量也是量子化的，不是連續(xù)發(fā)放，而是一份一份發(fā)放。第二，他的理論還引發(fā)了光本質(zhì)圖景的再一次變革，這一回，微粒說(shuō)沒有再次取代波動(dòng)說(shuō)，而是和波動(dòng)說(shuō)結(jié)合了起來(lái)——光是一種既有粒子性又有波動(dòng)性的物質(zhì)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是光具有波粒二象性（wave–particle duality），所以，光量子也可以表現(xiàn)為粒子性，我們可以把它稱為“光子”（photon）。這自然又是一個(gè)顛覆常識(shí)的理論。

量子論的下一步發(fā)展，則和原子、亞原子物理學(xué)研究的興起相關(guān)。在19世紀(jì)后期，有幾個(gè)重要科學(xué)進(jìn)展為原子物理學(xué)的創(chuàng)立做了鋪墊。俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫（Д.И. Менделеев, 1843–1907）提出了元素周期律，把當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十種元素按原子量排列成了整齊的表格，在表格的每一行、每一列上，元素的性質(zhì)都呈現(xiàn)出了規(guī)律性變化。門捷列夫根據(jù)這張表還預(yù)言了幾個(gè)新元素，后來(lái)果然一一得以發(fā)現(xiàn)，其性質(zhì)也和門捷列夫的推測(cè)非常接近。元素性質(zhì)如此規(guī)律的變化，不免使人懷疑原子可能并非不可分，其內(nèi)部恐怕還隱藏著什么奧秘。

19世紀(jì)后期，物理學(xué)家已經(jīng)知道，在一個(gè)抽成真空的管子兩側(cè)放置兩個(gè)金屬電極，通電之后其陰極會(huì)發(fā)出一種射線，這就是陰極射線。1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm K. R?ntgen, 1845–1923）在研究陰極射線的時(shí)候意外發(fā)現(xiàn)了一種新射線，它竟然可以穿透人體的皮肉，顯示出骨骼的影子！倫琴用數(shù)學(xué)上表達(dá)未知的字母X，把這種神秘的射線命名為X射線。后來(lái)人們知道，X射線是一種波長(zhǎng)極短的電磁波。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)X射線，倫琴獲得了1901年第一次頒發(fā)的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

倫琴的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了法國(guó)物理學(xué)貝克勒耳（Antoine Henri Becquerel, 1852–1908）的注意。他懷疑X射線可能和熒光有關(guān)，就用各種能夠發(fā)出熒光的物質(zhì)做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1896年意外發(fā)現(xiàn)一種叫硫酸鈾酰鉀的鹽可以持續(xù)散發(fā)出一種不同于X射線的新射線。進(jìn)一步的研究表明，這種射線是從鈾原子內(nèi)部發(fā)出的，不受外界條件的任何影響。這樣，貝克勒耳不僅發(fā)現(xiàn)了放射性（radioactivity），而且有了更直接的證據(jù)表明原子是可分的。

貝克勒耳的發(fā)現(xiàn)又引起了波蘭女科學(xué)家居里夫人（Marie Sk?odowska-Curie, 1867–1934）的注意。居里夫人當(dāng)時(shí)已經(jīng)和法國(guó)物理學(xué)家居里（Pierre Curie, 1859–1906）結(jié)婚，她在1898年先是發(fā)現(xiàn)了另一種元素釷的放射性，繼而又和丈夫一道，從幾噸重的瀝青鈾礦廢渣中先后發(fā)現(xiàn)了釙和鐳兩種新的放射性元素，其放射性都極大地超過(guò)了鈾和釷。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)放射性，1903年貝克勒耳和居里夫婦共同獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，1911年居里夫人又因釙和鐳的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，成為4位獲得兩次諾貝爾獎(jiǎng)的學(xué)者中的第一位。

1897年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜（J.J. Thomson, 1856–1940）也終于弄清楚了陰極射線的實(shí)質(zhì)——原來(lái)是一種帶電粒子流。湯姆遜發(fā)現(xiàn)，這種粒子的質(zhì)量還不到最輕的元素氫的原子量的千分之一，但所帶電荷量卻與氫離子大小相等，正負(fù)相反，因此他把這種粒子稱為電子（electron），認(rèn)為電子是一切原子的共同組分。至此，物理學(xué)家就開始了探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不懈征程，不斷有人提出原子模型。其中，1911年新西蘭物理學(xué)家盧瑟福（Ernest Rutherford, 1871–1937）提出的有核模型（電子繞原子核旋轉(zhuǎn)，原子質(zhì)量基本集中在核上）最符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

但是，這種有核模型帶來(lái)一個(gè)問題：根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，旋轉(zhuǎn)的電子必然會(huì)發(fā)射電磁波，損失能量，從而逐漸墜落到原子核中，但絕大多數(shù)的原子卻是穩(wěn)定存在的。于是，就像普朗克不得不用量子論解決黑體輻射問題一樣，丹麥物理學(xué)家玻爾（Niels Bohr, 1885–1962）在1913年也發(fā)覺，只有用量子論才能解決有核模型的穩(wěn)定問題。按照玻爾的觀點(diǎn)，電子在原子核中的軌道不是連續(xù)變化的，而是離散的，也就是說(shuō)，電子只能在幾條特定的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)時(shí)候它是不輻射電磁波的。每個(gè)電子軌道代表一個(gè)能量等級(jí)，只有當(dāng)電子從能級(jí)高的軌道“躍遷”到能級(jí)低的軌道時(shí)，才會(huì)輻射電磁波。利用這個(gè)理論，玻爾成功解釋了氫原子的發(fā)射光譜，引發(fā)轟動(dòng)。通過(guò)玻爾的出色工作，量子物理學(xué)終于引起了學(xué)界的普遍重視。

接下來(lái)的十幾年中，量子物理學(xué)接連取得重大成就。1923年法國(guó)的德布羅意（Louis V.P.R. de Broglie, 1892–1987）提出波粒二象性是所有物質(zhì)的共同性質(zhì)，只是越小的粒子表現(xiàn)越明顯罷了。1925年德國(guó)的海森堡（Werner K. Heisenberg, 1901–1976）提出量子物理的矩陣力學(xué)方程，破天荒地用概率來(lái)描述微觀粒子的存在狀態(tài)。受德布羅意物質(zhì)波理論的影響，1926年奧地利的薛定諤（Erwin R.J.A. Schr?dinger, 1887–1961）提出量子物理的波動(dòng)力學(xué)方程，很快發(fā)現(xiàn)和海森堡的矩陣力學(xué)方程在數(shù)學(xué)上完全等價(jià)。1927年，海森堡提出了著名的不確定性原理（uncertainty principle，過(guò)去也譯“測(cè)不準(zhǔn)原理”）：不可能同時(shí)測(cè)得微觀粒子的位置和動(dòng)量。因此，不僅微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是不確定的，只能用概率的方式描述，而且它們究竟在我們的眼中呈現(xiàn)出什么面貌，要取決于我們的觀測(cè)方式。玻爾非常贊同海森堡的觀點(diǎn)，并進(jìn)一步指出，波動(dòng)性和粒子性是量子領(lǐng)域的兩套經(jīng)典特征，正是它們的互補(bǔ)，構(gòu)成了微觀世界的全貌。這就是量子物理學(xué)的“哥本哈根解釋”（Copenhagen interpretation）。

量子物理學(xué)幾乎推翻了人類所有的俗常物理觀，連相對(duì)論沒有否認(rèn)的連續(xù)路線運(yùn)動(dòng)和客體永存（當(dāng)人不去觀測(cè)一個(gè)物體時(shí)，這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仍然是確定的、可推測(cè)的）觀念也顛覆了。事實(shí)上，量子論革命已經(jīng)不屬于第二次科學(xué)革命的范圍了，而是第三次科學(xué)革命的開端，因?yàn)樗⒌哪欠N間斷的、概率性的、非因果性的、整體論的圖景，迥異于第二次科學(xué)革命期間的那種連續(xù)的、決定性的、因果性的、本體還原論的圖景（因此，第二、三次科學(xué)革命在20世紀(jì)上半葉期間是重疊并行的）。連愛因斯坦都實(shí)在無(wú)法接受玻爾等人對(duì)微觀世界的概率描述，說(shuō)出了名言“上帝不擲骰子”。

但是，量子物理學(xué)家一面一次又一次反擊了愛因斯坦的駁難，一面繼續(xù)深入探索，最終使量子論成為物理學(xué)第二次大一統(tǒng)的主導(dǎo)理論。在20世紀(jì)20年代的時(shí)候，量子物理學(xué)家就通過(guò)描述多電子原子中的各種電子軌道解釋了元素周期律現(xiàn)象，使化學(xué)最終也還原為物理學(xué)。20世紀(jì)30年代起，亞原子物理學(xué)進(jìn)入粒子物理學(xué)階段，各種新的基本粒子陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，量子物理學(xué)也不斷邁向新的里程碑——1930年代物理學(xué)家們提出了粒子之間的弱相互作用（weak interaction）；1935年日本的湯川秀樹（1907–1981）提出強(qiáng)相互作用（strong interaction）；1968年美國(guó)的溫伯格（Steven Weinberg, 1933– ）、格拉肖（Sheldon L. Glashow, 1932– ）和巴基斯坦的薩拉姆（M. Abdus Salam, 1926–1996）統(tǒng)一了弱相互作用和電磁力；1974年格拉肖和美國(guó)的喬吉（Howard M. Georgi III, 1947– ）提出了第一個(gè)“大一統(tǒng)”理論，試圖統(tǒng)一強(qiáng)相互作用和弱–電相互作用；20世紀(jì)80年代起，試圖結(jié)合量子物理學(xué)和相對(duì)論的弦論（string theory）得到大發(fā)展；1994年以后美國(guó)的威滕（Edward Witten, 1951– ）又在弦論的基礎(chǔ)上發(fā)展了“M理論”，它是最終統(tǒng)一引力、電磁力、弱相互作用和強(qiáng)相互作用四大基本力的“萬(wàn)有理論”的一個(gè)有希望的競(jìng)爭(zhēng)者。

在量子物理學(xué)向更微觀的方向深入的同時(shí)，物理學(xué)和天文學(xué)也有了更密切的合作。1917年美國(guó)的沙普利（Harlow Shapley, 1885–1972）發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)不在銀河系中心，開啟了宇宙圖景的重鑄過(guò)程；1924年美國(guó)的哈勃（Edwin P. Hubble, 1889–1953）證實(shí)仙女座星云等帶星的星云是銀河系之外的遙遠(yuǎn)星系，1929年又發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹；20世紀(jì)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年美國(guó)的埃弗萊特三世（Hugh Everett III, 1930–1982）首次提出多重宇宙模型；1980年美國(guó)的古思（Alan H. Guth, 1947– ）提出暴脹宇宙模型；1998年美國(guó)的珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter, 1959– ）、施密特（Brian P. Schmidt, 1967– ）和里斯（Adam G. Riess, 1969– ）又發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。這些宇宙學(xué)證據(jù)成了量子物理學(xué)理論的另一個(gè)重要支撐，最小的世界和最大的世界就這樣奇妙地整合在一起。

20世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)這些令人眼花繚亂的新發(fā)展一次又一次宣稱刷新了世界圖景，找到了更本質(zhì)的“世界本質(zhì)”；物理學(xué)家也因此洋洋自得，有些人變得極為傲慢，以為物理學(xué)是科學(xué)之王，其他學(xué)科都不過(guò)是物理學(xué)的分支而已。盧瑟福就曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“一切科學(xué)要么是物理學(xué)，要么是集郵?！比欢诨A(chǔ)自然科學(xué)中，恰恰有一門學(xué)科能夠在哲學(xué)基礎(chǔ)上和物理哲學(xué)分庭抗禮，這就是生命科學(xué)。

演化論的提出

生命科學(xué)的獨(dú)特哲學(xué)基礎(chǔ)來(lái)自演化論。演化論是生命科學(xué)中博物學(xué)傳統(tǒng)的最高智慧結(jié)晶，美籍俄裔遺傳學(xué)家多布然斯基（Theodosius Dobzhansky, 1900–1975）就曾這樣高度評(píng)價(jià)演化論：“若無(wú)演化之光，生物學(xué)的一切便毫無(wú)意義?！痹诒局v中，我們先只看生命科學(xué)的博物學(xué)傳統(tǒng)在18世紀(jì)以來(lái)的歷史，順帶講述生命科學(xué)的定量化過(guò)程，而把實(shí)驗(yàn)生物學(xué)興起、生命科學(xué)完全實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的歷史放到第十三講專門介紹。

“地理大發(fā)現(xiàn)”時(shí)代以來(lái)，探險(xiǎn)家們從世界各地帶回大量異域的奇花異草、珍禽奇獸，在讓人們大開眼界的同時(shí)，也讓博物學(xué)家傷透了腦筋。一方面，如何給予它們精確的名稱，避免“同名異物”和“同物異名”現(xiàn)象，成了一件麻煩事。另一方面，如何對(duì)這么多新種類的生物進(jìn)行分類，把它們組織成一個(gè)便于查詢的系統(tǒng)，也非常考驗(yàn)學(xué)者的智慧。

瑞典博物學(xué)家林奈（Carl von Linné, 1707–1778）提供了這兩大難題的最終解決方案。1739年林奈出版了《自然系統(tǒng)》（Systema Naturae）的第一版。雖然這本小書只有幾十頁(yè)，卻奠定了新分類學(xué)的基礎(chǔ)。林奈在這本書中提出了全新的動(dòng)植物（此外還有礦物）分類系統(tǒng)，建立了界－綱－目－屬－種的分類等級(jí)體系——若干形態(tài)上相似的種組成一個(gè)屬，若干形態(tài)上相似的屬組成一個(gè)目，若干目組成一個(gè)綱，若干綱組成一個(gè)界。這種多層分類階梯利用樹狀的、分枝的結(jié)構(gòu)圖，很好地把種類繁多的生物組織成了一個(gè)秩序井然、檢閱方便的體系，解決了上面的第二個(gè)難題。（后來(lái)的學(xué)者又在界和綱之間增加了門，在目和屬之間增加了科，在界之上增加了域，這樣就形成了域－界－門－綱－目－科－屬－種的8層分類系統(tǒng)。）《自然系統(tǒng)》后來(lái)多次再版，到林奈去世前出版的第12版已經(jīng)是一部分卷冊(cè)出版、多達(dá)一千多頁(yè)的巨著了。

林奈解決生物命名問題的方法更巧妙，是用雙名法（binominal nomenclature）來(lái)為生物的種命名。所謂雙名法，就是用兩個(gè)詞構(gòu)成一個(gè)名字，第一個(gè)詞是種所在的屬的名稱，第二個(gè)詞叫加詞（epithet），用來(lái)區(qū)分同屬的不同種。比如林奈認(rèn)為狼和狗同屬不同種，他給狼起名Canis lupus，給狗起名Canis familiaris。粗略來(lái)說(shuō)，屬名相當(dāng)于“姓”，而加詞相當(dāng)于“名”。

雖然雙名法并不是林奈的首創(chuàng)，但的確是由他發(fā)揚(yáng)光大的。通過(guò)這種命名方法，林奈給當(dāng)時(shí)歐洲人已知的絕大多數(shù)動(dòng)植物都起了由兩個(gè)詞構(gòu)成的名字，與方便的分類系統(tǒng)相得益彰，二者都很快在歐洲流行起來(lái)。直到今天，林奈的分類等級(jí)體系和雙名法仍然是生物分類和命名的基本規(guī)范。

表面上看，林奈的分枝狀分類體系只是一種組織和生物有關(guān)的知識(shí)的方法，但是學(xué)者們不免會(huì)猜測(cè)，它背后是否反映了一些深層次的自然法則？對(duì)于基督宗教來(lái)說(shuō)，“自然法則”倒是很簡(jiǎn)單：《舊約全書》直截了當(dāng)?shù)卣J(rèn)為所有物種都是上帝直接創(chuàng)造的，創(chuàng)造出來(lái)之后就不再改變，因此某些種彼此之間比較相近并不能說(shuō)明什么。林奈本人就是一位虔誠(chéng)的基督徒，在他一生大部分時(shí)間里都堅(jiān)持這種宗教觀點(diǎn)。

然而，對(duì)于理性思考的學(xué)者來(lái)說(shuō)，宗教信仰顯然是無(wú)法束縛他們的思想的。中世紀(jì)的基督教接受了亞里士多德的觀點(diǎn)，認(rèn)為宇宙間的萬(wàn)物可以根據(jù)其完善性排成一個(gè)“自然界等級(jí)”，等級(jí)的一端是非生物，經(jīng)過(guò)植物、昆蟲、軟體動(dòng)物直到魚、鯨、卵生四足動(dòng)物（兩棲爬行類）、鳥和胎生四足動(dòng)物（哺乳類），再到接近完善的人，人之上則是天使。根據(jù)一個(gè)物體在這個(gè)等級(jí)上的位置，可以判斷它是高等還是低等。18世紀(jì)的瑞士博物學(xué)家波奈（Charles Bonnet, 1720–1793）由此提出了一個(gè)有趣的想法：在自然界等級(jí)之中，隨著時(shí)間的推移，低等的生物會(huì)逐漸向高等的生物轉(zhuǎn)化，植物會(huì)變成動(dòng)物，動(dòng)物會(huì)變成人，而人則會(huì)變成天使。盡管物種的總數(shù)是不變的，沒有新物種產(chǎn)生，也沒有舊物種滅亡，但是就生命的“靈魂”而言，它的形態(tài)卻在不斷進(jìn)步。就這樣，波奈讓原本靜態(tài)的“自然階梯”動(dòng)了起來(lái)，從而把三大俗常生物觀中認(rèn)為物種各有其本質(zhì)、本質(zhì)不會(huì)改變的本質(zhì)論清除掉了。

雖然波奈建立的是一種非常粗糙的線狀演化圖景，但演化思維一旦出現(xiàn)，就一發(fā)而不可收。法國(guó)博物學(xué)家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck, 1744–1829）是第一位系統(tǒng)地提出演化論的科學(xué)家。拉馬克一生為生物學(xué)做出了很多貢獻(xiàn)，“生物學(xué)”這個(gè)詞的西文（法語(yǔ)biologie，英語(yǔ)biology）就是他提出的，此外他還命名了很多新發(fā)現(xiàn)的動(dòng)植物，并創(chuàng)立了無(wú)脊椎動(dòng)物學(xué)。在豐富的博物學(xué)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，拉馬克提出了“用進(jìn)廢退”理論（use and disuse theory）：生物一直在向著完善自身的方向演化，在這個(gè)過(guò)程中，經(jīng)常使用的身體部位會(huì)不斷進(jìn)步，而不常使用的身體部位會(huì)不斷退化。比如長(zhǎng)頸鹿為了吃到樹葉必須使勁伸長(zhǎng)自己的脖子，因此后一代長(zhǎng)頸鹿的脖子總是比前一代更長(zhǎng)，更適合取食樹葉。脖子這個(gè)部位正是因?yàn)榻?jīng)常使用，而不斷演化、越來(lái)越長(zhǎng)的。同樣，如果一個(gè)家族世世代代都是打鐵匠，那么因?yàn)樗麄兘?jīng)常使用上臂肌肉，久而久之，這個(gè)家族就發(fā)生了演化，上臂肌肉變得越來(lái)越強(qiáng)壯?？傊R克相信后天獲得的特征是可以遺傳的。

拉馬克的學(xué)說(shuō)因?yàn)榇嬖诤芏嗳毕荩]有得到同時(shí)代人的贊同，相反，卻遭到了眾多的攻擊。拉馬克的晚年十分凄涼，當(dāng)他在1829年去世時(shí)，甚至買不起一塊墓地，只能在窮人公墓中租一塊地埋葬。5年之后，拉馬克的遺骨被移走，從此不知下落。直到1908年，法國(guó)人才為拉馬克建立了紀(jì)念雕像，這時(shí)離他去世已經(jīng)有79年了。

然而，隨著生物學(xué)積累的觀察資料越來(lái)越多，無(wú)論是生物分類學(xué)、胚胎學(xué)還是古生物學(xué)，都清晰地顯示著生物演化的證據(jù)。除了拉馬克，還有很多學(xué)者包括達(dá)爾文的祖父伊拉斯謨·達(dá)爾文（Erasmus Darwin, 1731–1802）都提出過(guò)演化的觀念。這一切都預(yù)示著，生物學(xué)界馬上就要掀起一場(chǎng)暴風(fēng)驟雨式的革命。最后，這個(gè)改天換地的任務(wù)，落到了達(dá)爾文的頭上。

查爾斯·達(dá)爾文（Charles R. Darwin, 1809–1882）的祖父和父親都是有名的醫(yī)生，外祖父則是瓷器商人，所以家里非常富有。少年時(shí)代的達(dá)爾文不能算是一個(gè)好學(xué)生，整天以釣魚、打獵、采集動(dòng)植物標(biāo)本為樂。為了他的前途著想，他的家人先后給他安排了學(xué)醫(yī)、當(dāng)牧師兩條人生道路，但是他都不感興趣，在大學(xué)里仍然熱衷于騎馬、打獵、采集標(biāo)本，以及與博物學(xué)家結(jié)識(shí)。1831年12月，在一位博物學(xué)家的推薦下，達(dá)爾文以博物學(xué)家的身份登上了英國(guó)皇家海軍考察船“小獵犬”號(hào)，開始了為期5年的環(huán)球旅行。

在旅行初期，達(dá)爾文還是一位虔誠(chéng)的基督教徒，并不相信演化論。但是隨著考察的進(jìn)行，在考察中發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象引發(fā)了他深深的思考。比如，在太平洋東南部的加拉帕戈斯群島上，他發(fā)現(xiàn)了種類豐富的地雀和陸龜，這使他不免質(zhì)疑：上帝為什么要在這樣一群小島上創(chuàng)造如此多樣的生物？在他回到英國(guó)不久的1837年，他已經(jīng)完全不信基督教了。1838年，他讀到了英國(guó)學(xué)者馬爾薩斯（Thomas R. Malthus, 1766–1834）的《人口論》。在書中，馬爾薩斯提出如果人口不斷增長(zhǎng)，總有一天會(huì)受到自然資源的限制；到了那個(gè)時(shí)候，只有強(qiáng)者能夠在資源競(jìng)爭(zhēng)中存活下來(lái)，而弱者會(huì)被淘汰。這些觀點(diǎn)深深地啟發(fā)了達(dá)爾文，使他最終形成了以自然選擇為核心的演化論思想。

因?yàn)閾?dān)心自己的觀點(diǎn)太驚世駭俗，而為世人所不容，謹(jǐn)慎的達(dá)爾文并沒有打算立即發(fā)表自己的新學(xué)說(shuō)。直到1856年，他才開始寫作《物種起源》（On the Origin of Species）一書，但是他希望這本書在他死后再出版。然而在1858年，另一位英國(guó)博物學(xué)家華萊士（Alfred R. Wallace, 1823–1913）給達(dá)爾文寄出了一篇論文，其中同樣提出了以自然選擇為核心的演化論（巧的是，華萊士也是受了馬爾薩斯的啟發(fā)才提出這一觀點(diǎn)的）。看到自己的理論出現(xiàn)在別人筆下，達(dá)爾文在沮喪之余，打算壓下自己的研究，讓華萊士獨(dú)享提出自然選擇學(xué)說(shuō)的榮譽(yù)。但是在達(dá)爾文朋友的勸說(shuō)之下，他終于決定與華萊士同時(shí)發(fā)表論文，公開這一學(xué)說(shuō)。之后，達(dá)爾文把《物種起源》的手稿做了壓縮，決心就在他生前出版。1859年11月24日，《物種起源》第一版問世，立刻在整個(gè)歐洲引發(fā)了劇烈的反響。

在這本生物學(xué)史上最偉大的著作中，達(dá)爾文完整地闡述了以自然選擇為核心的演化論思想，也就是達(dá)爾文主義。關(guān)于自然選擇理論，在第一講中我們就做過(guò)介紹，這里我打算不厭其煩地再講一次：首先，達(dá)爾文認(rèn)為，所有的物種都有共同祖先，它們都是從這個(gè)共同祖先逐漸分歧、演化而來(lái)的。其次，達(dá)爾文指出，演化的主要?jiǎng)恿Σ⒉皇抢R克所說(shuō)的“用進(jìn)廢退”，而是自然選擇——在爭(zhēng)奪資源的過(guò)程中，更適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體有較大的存活率，而較不適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體有較大的淘汰率；這樣，通過(guò)環(huán)境壓力對(duì)生物個(gè)體的選擇，物種就向著更適應(yīng)環(huán)境的方向發(fā)生了緩慢的演化。達(dá)爾文還否認(rèn)了拉馬克演化論認(rèn)為獲得性特征可以遺傳的觀點(diǎn)，而是認(rèn)為個(gè)體對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的差異只能來(lái)自于隨機(jī)的、無(wú)方向的先天變異。

達(dá)爾文主義是把古典科學(xué)傳統(tǒng)中的思辨思維應(yīng)用于博物學(xué)研究取得的豐碩成果，它不僅為生命科學(xué)提供了獨(dú)特的思想，為新的研究指明了方向，而且也對(duì)社會(huì)思潮形成了重大沖擊。演化論指出，物種是演化而來(lái)的，不是神的創(chuàng)造，這就把宗教趕出了生物學(xué)領(lǐng)域；人是由猿演化而來(lái)的觀念，也極大地沖擊了宗教信仰中認(rèn)為人和動(dòng)物判然有別的思想。更重要的是，演化論把生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)還原為一系列緩慢的、可以理解的自然過(guò)程，否認(rèn)了生物特征是有目的設(shè)計(jì)出來(lái)的，這就把三大俗常生物觀中的目的論徹底從生命科學(xué)中驅(qū)逐出去了。（在第十三講我們會(huì)看到，同樣是在19世紀(jì)中葉，第三大俗常生物觀——生機(jī)論也被否定了。）

晚年的達(dá)爾文身體不好，幾乎終年不離開他在倫敦東南部的住所，每天也工作不了太長(zhǎng)時(shí)間。但是他仍然以頑強(qiáng)的毅力進(jìn)行科學(xué)研究，陸續(xù)出版了許多專著。1882年4月19日達(dá)爾文逝世，為了表達(dá)對(duì)他的敬意，他的遺體被葬在威斯敏斯特大教堂（牛頓等很多名人的墓地也在這里）。

不過(guò)，達(dá)爾文主義提出之后，雖然學(xué)界很快就接受了演化的觀念，對(duì)自然選擇理論卻不那么信服。主要的兩個(gè)原因是，第一，達(dá)爾文找不到一種合適的遺傳機(jī)制可以解釋自然選擇的機(jī)理。按照當(dāng)時(shí)流行的混合遺傳論，親代的遺傳特征在子代會(huì)發(fā)生混合（比如白色花植株和紅色花植株雜交，會(huì)產(chǎn)生開粉紅色花的植株），但自然選擇卻要求生物的特征在遺傳中保持不變，這樣才能決出優(yōu)劣。第二，演化是一個(gè)極為漫長(zhǎng)的過(guò)程，至少需要幾億年，和當(dāng)時(shí)的物理學(xué)權(quán)威開爾文根據(jù)地球的冷卻速度計(jì)算出的地球年齡（僅1,000萬(wàn)年）相矛盾。

當(dāng)然，最后這兩個(gè)難題都被克服了。放射性元素發(fā)現(xiàn)之后，地球科學(xué)家發(fā)現(xiàn)開爾文之所以把地球年齡算得這么短，是因?yàn)楹雎粤说厍騼?nèi)部放射性元素衰變所釋放的熱量。重新計(jì)算出來(lái)的地球年齡是46億年，這足以滿足演化所需了。而早在1865年，奧地利天主教神父、生物學(xué)家孟德爾（Gregor J. Mendel, 1822–1884）就利用豌豆作為主要實(shí)驗(yàn)材料發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的真實(shí)規(guī)律。孟德爾發(fā)現(xiàn)，生物的表型特征由“遺傳因子”決定，遺傳因子是不相混合的。在生物進(jìn)行有性生殖的時(shí)候，兩個(gè)親本會(huì)各出一個(gè)因子遺傳給子代。這兩個(gè)因子有時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)為一個(gè)壓制另一個(gè)的關(guān)系（也就是顯性對(duì)隱性的關(guān)系），使子代的表型和親本的顯性表型一致，有時(shí)候則共同發(fā)揮作用，使子代的表型呈現(xiàn)為親本表型的混合，但因子本身是絕對(duì)不會(huì)混合的。

孟德爾之所以能夠成功發(fā)現(xiàn)這樣的遺傳規(guī)律，要?dú)w功于他的兩個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新：第一，他把復(fù)雜的遺傳現(xiàn)象“化整為零”，分割為一個(gè)個(gè)彼此獨(dú)立的小特征，每次只研究單獨(dú)一個(gè)特征的遺傳規(guī)律；第二，他把數(shù)學(xué)引入了生物學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)量，這就大大增進(jìn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信息含量。因此，孟德爾實(shí)際上是把古典科學(xué)中的定量傳統(tǒng)引入了生命科學(xué)。在達(dá)爾文和孟德爾的共同努力之下，生命科學(xué)在19世紀(jì)中期終于完成了近代化，并不間斷地開始了現(xiàn)代化的歷程。

可惜的是，也正因?yàn)楫?dāng)時(shí)的生命科學(xué)界普遍不重視定量工作，孟德爾的研究長(zhǎng)期受到冷落。孟德爾遺傳學(xué)本來(lái)正是達(dá)爾文所需要的遺傳學(xué)，但是處在困境中的達(dá)爾文卻完全沒有注意到這個(gè)新理論。晚年的孟德爾漸漸遠(yuǎn)離了科研，專心于宗教和地方事務(wù)，在他逝世的時(shí)候，人們都只把他看成一位杰出的神職人員。直到1900年，德國(guó)學(xué)者科倫斯（Carl E. Correns, 1864–1933）和荷蘭學(xué)者德弗里斯（Hugo M. De Vries, 1848–1935）才重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾的論文，并在他們自己的實(shí)驗(yàn)中得到了相同的結(jié)果。孟德爾的“遺傳因子”，也被重新命名為一個(gè)更簡(jiǎn)單的詞——基因（gene）。

在20世紀(jì)上半葉，遺傳學(xué)挾定量化的有力武器，不斷取得重要突破。美國(guó)遺傳學(xué)家摩爾根（Thomas H. Morgan, 1866–1945）在1910年確定基因以線性的方式位于染色體之上，并與弟子一起發(fā)明了確定基因在染色體上的位置和排列順序的方法。英國(guó)數(shù)學(xué)家、遺傳學(xué)家費(fèi)舍爾（Ronald A. Fisher, 1890–1962）等人則用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究生物的群體遺傳規(guī)律，逐漸把達(dá)爾文主義和現(xiàn)代遺傳學(xué)結(jié)合起來(lái)。事實(shí)上，現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)之所以能夠發(fā)展起來(lái)，一個(gè)很大的原因就是因?yàn)檫z傳學(xué)家強(qiáng)烈需要數(shù)學(xué)家提供一種能夠處理大量數(shù)據(jù)、從這大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律的方法。費(fèi)舍爾本身就是一位杰出的統(tǒng)計(jì)學(xué)家，為數(shù)理統(tǒng)計(jì)的發(fā)展也做出了重要貢獻(xiàn)。到20世紀(jì)40年代，自然選擇已經(jīng)得到了現(xiàn)代遺傳學(xué)的有力支持，通過(guò)這種“現(xiàn)代綜合”（Modern Synthesis），達(dá)爾文主義才在生物學(xué)界樹立了牢固的地位，并發(fā)展到新達(dá)爾文主義的新階段。20世紀(jì)60年代以后，隨著哈密爾頓的“內(nèi)含適應(yīng)性理論”等新理論的提出以及演化心理學(xué)的興起，新達(dá)爾文主義又實(shí)現(xiàn)了“新綜合”（New Synthesis），這后面的歷史，我們?cè)诘谝?、三講中已經(jīng)介紹過(guò)了。

物理哲學(xué)vs生物哲學(xué)

講到這里，終于可以看看物理哲學(xué)與生物哲學(xué)在哪些地方有所不同、有所對(duì)抗了。這里我們說(shuō)的物理哲學(xué)，是19世紀(jì)后期物理學(xué)完成第一次大一統(tǒng)時(shí)所秉持的哲學(xué)，而生物哲學(xué)則是達(dá)爾文主義。

首先，熱力學(xué)第二定律提出了一種熵（大致可以理解為混亂度）越來(lái)越多、宇宙越來(lái)越退化的宇宙觀，這和演化在表面上呈現(xiàn)的“從簡(jiǎn)單到復(fù)雜”的熵減趨勢(shì)出現(xiàn)了嚴(yán)重沖突，因此物理學(xué)界一直有人對(duì)演化論持懷疑態(tài)度。這個(gè)矛盾后來(lái)以物理哲學(xué)的讓步解決。比利時(shí)物理學(xué)家普里戈金（Ilya R. Prigogine, 1917–2003）在1969年提出耗散結(jié)構(gòu)論，拒絕物理學(xué)對(duì)熱力學(xué)第二定律再做任何理論還原，而是直接把它當(dāng)成一條公理。從這條公理出發(fā)，普里戈金指出生命的產(chǎn)生是一種“自組織現(xiàn)象”，是完全可以自發(fā)產(chǎn)生的，宇宙總體的熵增和局部的熵減并不矛盾。

其次，19–20世紀(jì)天文學(xué)、化學(xué)先后還原為物理學(xué)的史實(shí)，使很多深受物理哲學(xué)影響的人堅(jiān)信物理學(xué)是最基本的自然科學(xué)，凡是不能還原為物理學(xué)、不能用高度數(shù)學(xué)化的物理定律構(gòu)建模型并對(duì)過(guò)去和未來(lái)做出較為準(zhǔn)確的解釋和預(yù)測(cè)的學(xué)科，都還處于比較粗糙、“低級(jí)”的階段。所以，生命科學(xué)、氣象學(xué)這樣的處理復(fù)雜巨系統(tǒng)的學(xué)科還遠(yuǎn)未完善，而社會(huì)科學(xué)更處在一種十分原始的狀態(tài)。這種不分層次、一口氣把所有的科學(xué)都還原為物理學(xué)的做法，就是美國(guó)學(xué)者布羅克曼（John Brockman）所稱的“懸崖還原”（precipice reductionism）。與此相反，生物哲學(xué)不承認(rèn)“懸崖還原”，只承認(rèn)“逐步還原”（step-by-step reductionism），也即“高”一層的現(xiàn)象只能用與之相鄰的“低”一層的定律來(lái)做一定程度的解釋和預(yù)測(cè)，跨層的還原不僅是不現(xiàn)實(shí)的，也是傲慢的。事實(shí)上，正是生物哲學(xué)的逐步還原理念，使得達(dá)爾文主義在歷史上先后兩次積極地介入到對(duì)人類社會(huì)學(xué)現(xiàn)象的解釋中去，即包括19世紀(jì)后期的社會(huì)達(dá)爾文主義運(yùn)動(dòng)和20世紀(jì)晚期的新達(dá)爾文主義社會(huì)科學(xué)運(yùn)動(dòng)。盡管社會(huì)達(dá)爾文主義運(yùn)動(dòng)已經(jīng)以失敗告終，并因?yàn)槠湟l(fā)的嚴(yán)重人道災(zāi)難遭到了學(xué)界的長(zhǎng)期批判，而新達(dá)爾文主義社會(huì)科學(xué)運(yùn)動(dòng)也因?yàn)閷W(xué)界對(duì)社會(huì)達(dá)爾文主義死灰復(fù)燃的警惕而一直未能得到廣泛承認(rèn)，但是生命科學(xué)在這方面的努力終歸體現(xiàn)了它貫徹古典科學(xué)精神的愿望。與此相反，秉持懸崖還原信念的物理哲學(xué)在社會(huì)科學(xué)的還原實(shí)踐上并沒有做出太多的貢獻(xiàn)，除了提出一些過(guò)于宏大敘事的規(guī)律外，可以說(shuō)是“口惠而實(shí)不至”。盡管在物理學(xué)界也有一些頂尖學(xué)者對(duì)懸崖還原提出了批評(píng)，但是在一般受物理哲學(xué)影響的人那里，懸崖還原仍然有很大的吸引力。

再次，從歷史的角度來(lái)看，物理哲學(xué)長(zhǎng)期和實(shí)在論（realism）哲學(xué)捆綁在一起。實(shí)在論堅(jiān)持笛卡爾的二元論（唯物主義實(shí)際上也是二元論的變種），認(rèn)為客觀世界是不依人意志轉(zhuǎn)移、獨(dú)立存在的實(shí)體；相對(duì)論和量子物理學(xué)描述的是宇宙的真實(shí)圖景，日常感受到的世界只是這種真實(shí)圖景的一個(gè)側(cè)面；科學(xué)觀察是客觀的，因此理論必須能解釋和預(yù)測(cè)古往今來(lái)的一切觀察現(xiàn)象；科學(xué)的目的就是不斷探究宇宙的本質(zhì)，逼近宇宙真理。相比之下，生物哲學(xué)因?yàn)樵从谏飳W(xué)，而生物學(xué)（特別是神經(jīng)生物學(xué)）在現(xiàn)象層次上與人類心靈更為接近，因此生物哲學(xué)能夠更方便地?cái)[脫二元論和實(shí)在論的拘束，為科學(xué)的哲學(xué)詮釋開辟更大的空間。比如，生物哲學(xué)家就容易堅(jiān)持一種和實(shí)在論針鋒相對(duì)的工具主義（instrumentalism）觀念：客觀世界只是人通過(guò)感官和思維建立起來(lái)的構(gòu)體（entity）；相對(duì)論和量子物理理論只是為了“拯救現(xiàn)象”而提出的理論，宇宙本無(wú)“真實(shí)圖景”可言；科學(xué)觀察實(shí)際上“滲透著”理論，理論在很大程度上決定了觀察結(jié)果，因?yàn)檫@種主觀性，新理論并不需要非得解釋以往的一切觀察現(xiàn)象；科學(xué)的根本目的僅僅是要不斷提高預(yù)測(cè)的效力，絕不是為了追求真理——事實(shí)上，絕對(duì)真理根本就不存在。

最后，由于物理學(xué)的理論的巨大進(jìn)步，19世紀(jì)有很多人相信宇宙已經(jīng)被事先決定好的機(jī)械決定論。盡管達(dá)爾文主義在根本上和機(jī)械決定論并不必然矛盾，但在表面上，自然選擇所強(qiáng)調(diào)的突變的隨機(jī)性，卻和機(jī)械決定論所強(qiáng)調(diào)的決定性存在強(qiáng)烈矛盾。更重要的是，機(jī)械決定論的那種預(yù)測(cè)未來(lái)的樂觀態(tài)度，再加上實(shí)在論對(duì)于逼近宇宙真理的強(qiáng)烈信仰，在很大程度上契合并支持了19世紀(jì)前后出現(xiàn)的各種烏托邦思想。這些烏托邦思想里面最有名的就是共產(chǎn)主義烏托邦、自由主義烏托邦和無(wú)政府主義烏托邦——共產(chǎn)主義烏托邦認(rèn)為物質(zhì)極大豐富、人人高度解放的共產(chǎn)主義將是人類的最終歸宿；自由主義烏托邦認(rèn)為結(jié)合了自由主義的民主制度將是人類最終的政治制度，當(dāng)人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)這一政治制度之后，歷史也就“終結(jié)”了；無(wú)政府主義烏托邦則認(rèn)為沒有政府、一切靠人民自助自愛的世界才是最美好的，因此也將是世界的最后形態(tài)。20世紀(jì)堪稱是人類歷史上的“烏托邦世紀(jì)”，各種烏托邦思想競(jìng)相發(fā)力、相互激蕩，主導(dǎo)了各種大善大惡的歷史事件。最終，隨著20世紀(jì)末的蘇東劇變、蘇聯(lián)解體，共產(chǎn)主義烏托邦率先失去市場(chǎng)；21世紀(jì)初，西方陷入經(jīng)濟(jì)衰退，中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家崛起，自由主義烏托邦也衰落了，連提出“歷史終結(jié)”論的美籍日裔學(xué)者福山（Francis Fukuyama）也改變了自己的觀點(diǎn)。反倒是無(wú)政府主義烏托邦一直在中產(chǎn)階級(jí)思想中常勝不衰，比如新奧地利學(xué)派就是一種無(wú)政府主義經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，其哲學(xué)基礎(chǔ)是所謂“自由意志主義”（libertarianism），至今在中國(guó)的中產(chǎn)階級(jí)中還很有市場(chǎng)。具有諷刺意味的是，新奧地利學(xué)派烏托邦的開山祖師之一哈耶克（Friedrich A. Hayek, 1899–1992）雖然批評(píng)共產(chǎn)主義烏托邦那種預(yù)言人類最終歸宿的行為是“致命的自負(fù)”，但是他自己也不可避免陷入了無(wú)政府主義烏托邦的致命的自負(fù)當(dāng)中。相比之下，生物哲學(xué)謙虛地承認(rèn)，由于量子世界的真隨機(jī)性和宏觀世界的混沌現(xiàn)象的存在，不僅學(xué)科之間只能做不完全的逐步還原，而且未來(lái)也是不可預(yù)測(cè)的，脫離了近未來(lái)可預(yù)計(jì)的因素，不管是談?wù)撊祟惖淖罱K歸宿是什么，還是言之鑿鑿地肯定哪種政治經(jīng)濟(jì)制度一定最好，都是沒有意義的，立論下得越細(xì)就越荒謬。因此，生物哲學(xué)天然是反烏托邦思想的。

到這里你大概也能明白，為什么我要花這么大篇幅講物理哲學(xué)和生物哲學(xué)的對(duì)抗這樣艱深的內(nèi)容，因?yàn)樗鼈冏鳛橐环N能夠轉(zhuǎn)化為社會(huì)技術(shù)的思想，間接地、然而非常重要地決定了族群競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。在我看來(lái)，21世紀(jì)是一個(gè)烏托邦思想退潮的世紀(jì)，烏托邦思想的退潮，在很大程度上反映了傳統(tǒng)物理哲學(xué)的衰落。未來(lái)社會(huì)很可能將重新恢復(fù)一種務(wù)實(shí)、保守的風(fēng)氣，而生物哲學(xué)有可能在其中起到重要的支撐作用。生物哲學(xué)的興起，不僅是第三次科學(xué)革命的重要標(biāo)志，可能也將在很大程度上影響近未來(lái)人類社會(huì)的走向。

本講小結(jié)

●20世紀(jì)上半葉，物理學(xué)發(fā)生了兩場(chǎng)革命，即相對(duì)論革命和量子論革命。由愛因斯坦發(fā)動(dòng)的相對(duì)論革命屬于第二次科學(xué)革命的范疇，它雖然統(tǒng)一了物質(zhì)、能量、空間和時(shí)間，創(chuàng)造了新的世界圖景，但其背后的哲學(xué)仍然是一種決定論哲學(xué)，具有典型物理哲學(xué)色彩。

●與相對(duì)論革命同時(shí)發(fā)生的量子論革命則屬于第三次科學(xué)革命的范疇，它幾乎推翻了人類所有的俗常物理觀，建立了一個(gè)完全人為的間斷的、概率性的、非因果性的、整體論的世界圖景。量子物理學(xué)把最小的粒子世界和最大的宇宙結(jié)合起來(lái)，主導(dǎo)了物理學(xué)的第二次大一統(tǒng)。

●演化論是生命科學(xué)的博物學(xué)傳統(tǒng)的最高智慧結(jié)晶。林奈建立了現(xiàn)代生物分類命名體系，為物種建立了一種樹狀的、分枝的關(guān)系。波奈和拉馬克則建立、發(fā)展了生物演化的概念，拉馬克更以“用進(jìn)廢退”演化論知名。最終，達(dá)爾文不僅建立了枝狀的演化圖景，而且為演化提出了自然選擇機(jī)制，是古典科學(xué)傳統(tǒng)中的思辨?zhèn)鹘y(tǒng)在生命科學(xué)中的運(yùn)用。孟德爾遺傳學(xué)則是定量傳統(tǒng)在生命科學(xué)的運(yùn)用，它不僅和達(dá)爾文主義一起使生命科學(xué)在19世紀(jì)中期完成了近代化過(guò)程，而且在20世紀(jì)前期與達(dá)爾文主義實(shí)現(xiàn)了“現(xiàn)代綜合”，使達(dá)爾文主義發(fā)展成為新達(dá)爾文主義。

●19世紀(jì)后期物理學(xué)完成第一次大一統(tǒng)時(shí)所秉持的物理哲學(xué)，與同期的生物哲學(xué)（達(dá)爾文主義）在很多方面形成對(duì)立。物理哲學(xué)懷有決定論和不切實(shí)際的懸崖還原理念，一度無(wú)法理解生命何以能自發(fā)產(chǎn)生，又長(zhǎng)期和二元論、實(shí)在論捆綁在一起，因而契合、支持了許多烏托邦思想。相比之下，生物哲學(xué)易于否定決定論，主張逐步還原，能更方便地?cái)[脫二元論和實(shí)在論的拘束，天然反對(duì)烏托邦思想。因此，科學(xué)哲學(xué)作為一種能夠轉(zhuǎn)化為社會(huì)技術(shù)的思想，間接地、然而非常重要地決定了族群競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

思考問題

1. 談?wù)勀銓?duì)實(shí)在論和工具主義之爭(zhēng)的看法。

2. 談?wù)勀銓?duì)烏托邦的看法。