1 在人类知识演进的历史上
发布时间：2020-11-18 来源：文档文库
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在人类知识演进的历史上，形成的最庞大、最具系统性和最为复杂的知识体系，毫无疑问非科学莫属。说其庞大，是因为科学拥有迄今为止为数最多的学科群和分支学科，科学知识的总量早已超越其他任何门类。说其系统性，更是毫无争议，科学已经建立起了成熟的可逻辑推演、可重复检验和可预见结果的方法体系。说其复杂，不只是指知识本身的复杂——现今的任何一个科学分支领域都有足够的难题，去挑战任何聪明的头脑；也指体系的复杂——各学科之间相互促进和影响，既独立又彼此交叉；还指科学发展过程的复杂——重大的科学进展常被视为一种革命，即科学革命，它使得科学的发展呈现出某种复杂的“结构”。不管怎样，科学已经深深地渗透到人类生活的方方面面，人们能够以科学的思想和观念，去认识和理解极其复杂的客观世界和精神世界，而科学革命能够出人意料地变革人们的思想观念、推动人类历史的进程。
那么，可否将庞大、系统而复杂的科学，用若干实例给予一个提纲挈领的总结或说明呢？最近，曾任美国《科学新闻》杂志主编的汤姆·西格弗里德试着以“革命性”和“科学理论”作为标尺，挑选出十项最具代表性的内容，冠之以“十大最具革命性的科学理论”，简要概括了科学尤其是近代科学以来的里程碑及其影响。按照西格弗里德的解释，所谓革命性的理论，是指那种能够解决旧的知识体系所无法解决的问题，并且能够将旧有知识通过彻底的改头换面，重新纳入到新体系之中的科学理论。革命性的理论标志着知识体系得到了系统性的更新，进入到了一个全新的发展阶段。更为重要的是，这些革命性的内容确实成为某一时期人们思想变革的先导或指针。
有趣的是，西格弗里德按照“革命性”程度的不同，将挑选出的科学理论和相关人物排出了一个“榜单”，大家对此见仁见智。下面，我们一起来了解“十大最具革命性的科学理论”及其关键人物。
1 日心说：尼古拉·哥白尼，1543年
日心说取代地心说的过程，与其说带给人智力与想象力的愉悦，不如说是充满荆棘、障碍重重的坎坷。这个过程之所以如此艰辛，是因为这一理论交替，触及当时占据统治地位的知识体系和信仰体系的根本，是关乎大是大非的根本问题。这场转变史称哥白尼革命。
日心说其实是一种相当古老的学说，公元前300多年古希腊的阿里斯塔克斯就相信太阳是宇宙的中心。但是，这种观点与人们的日常观察和经验相差太远，拿地球作宇宙中心更加简单合理。所以在很长的时间内，地心说拥有了毋庸置疑的绝对地位，任何企图的挑战都将困难重重。究其原因，一方面，地心说理论化和系统化的程度很高，特别是亚里士多德的学说，为其搭建起相当坚实的哲学框架，而托勒玫则为之发展出一套宇宙结构模型与计算方法；另一方面，由于地心说与《圣经》所描绘的宇宙图景高度一致，其中不仅为上帝与天堂预留了位置，更有森严的等级体系和井然的秩序，罗马教廷理所当然地赋予了地心说绝对的正统地位，以至于它成为中世纪神学的一根支柱，对地心说的叛逆，即等同于教义上的异端。在当时看来，地心说稍显不足的是，在解释某些行星在天空的不均匀运动时，须用非常复杂的本轮-均轮模型，为了符合实际观测，有时需增加数十甚至上百个本轮与均轮。
1543年，哥白尼的《天体运行论》出版。为了“简化”地心说，更好地符合实际观测的结果，他改变了原有的宇宙结构，让太阳而不是地球位于中间，地球围绕太阳运转，行星的第一个本轮，不过是地球绕日运动的反映，于是他顺理成章地取消了所有本轮。根据日心说，地球的运动包括绕地轴的自转、绕太阳的公转以及地轴的回转运动，因此日心说也称地动说。可是，由于前文提到的两方面原因，哥白尼的学说在刚面世时，尚不能获得压倒性的胜利，它“在哲学上站不住脚，神学上属于异端学说”。此后的伽利略、布鲁诺等人，因坚信日心说，都遭到了教会不同程度的惩处。 探索宇宙是人类永恒的追求。哥白尼的日心说虽然只是人类宇宙理论的阶段性成就，却是意义十足的观念革命。没有哥白尼迈出的勇敢一步，就难以想象后来伽利略与牛顿建立的经典力学体系。宗教与科学曾有着复杂的关系，对日心说的评判，最终让教会陷入了很大的被动，多数人不再相信依靠教义来干预科学。在2000多年的时间里，人类对宇宙的思索从未停步，从亚里士多德、托勒玫，到哥白尼、伽利略和牛顿，再到爱因斯坦，每一个耀眼的名字连同他们的成就，都能代表思想史巨著的一个篇章，如果这部巨著分为上下两卷，那么哥白尼与日心说，应该在下卷的开篇位置。
2 进化论：查尔斯·达尔文，1859年
提起达尔文的进化论，不得不说，很少有重大的科学理论，如它的名称一样听上去简单易懂，意境却超凡脱俗；也很少有理论如它那样不断遭受情感抵触，却一再被事实证明其合理性。
生物进化理论，包含物种、适应和进化三个核心概念，在达尔文之前，布丰、马尔萨斯与拉马克等人曾提出各自的学说。布丰用比较分类学，指出物种变化的可能性；马尔萨斯论证了生存竞争适用是自然规律，适用于人与其他生物；拉马克则是进化论的先驱，他明确提出了物种可变、变化可遗传的观点，而变化是由“需求驱动”。例如，长颈鹿之所以长出长脖子，是因为需要够着更高的树叶。达尔文没有简单地接受这些观点。他对动植物和地质结构进行过长期的、大量的观察和思考，特别是一次历时5年的环球航行，使他有充分证据相信，影响或改变生物的最强大的力量来自于自然。在吸收前人成就的基础上，经过20余年的思想沉淀，达尔文出版了震古烁今的《物种起源》。在这部巨著中，他将生命演化的观点纳入一个统一的理论之中，首次对进化论做了系统的阐释。不论是论证还是结论，达尔文进化论与前人的学说都有着深刻的区别。演变与自然选择是达尔文进化论的核心思想。
如果达尔文是对的，人与猿类就有共同的祖先，那也意味着圣经、神创论或智能设计论都站不住脚。这在很多人看来，荒诞可笑，不经一驳，于是针对达尔文和进化论的攻击与嘲弄自此不休。就连在科学界，拉马克主义在很长一段时间内，仍与达尔文理论分庭抗礼。达尔文自己则坚称，“每一种物种都是独立创造出来的观点是错误的”，“物种并不是不可以改变的”。严谨认真的学说自然也不乏捍卫者，赫胥黎就以“达尔文的斗犬”为荣。当然，达尔文的进化论存在一些“认知盲点”。例如，他不了解与他同时代的孟德尔对生物遗传的成就，更不用说后来发现的染色体和基因。事实上，这些盲点没有降低进化论本身的价值。相反，分子生物学等新知识补充了新的证据，更加牢固了进化论的基础，也解开了自然选择的遗传机理之谜，而这也是曾困扰达尔文的问题。总之，迄今的科学发现都没有否定进化论的基本思想，而是在不断丰富与完善它。
进化论可与任何最伟大的科学理论比肩。它是生物学最显著的分水岭，对整个生命科学的发展具有“压倒一切的重要性”；它直指“我们从何而来”和“人何以为人”这类亘古的追问，却出乎意料地给出了一个“自然而然”的解释，取代了以往需借助神话的僵化观念。
3 量子理论：马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森伯、埃尔温·薛定谔、马克斯·玻恩、保罗·狄拉克，1900—1926年
量子理论与相对论并称现代物理学的两大基石。量子理论的产生和发展，经历了一个从量子论到量子力学的发展过程，它的开拓者也不是只有一两个关键人物居功至伟，而是如璀璨群星般交相辉映。1900年，普朗克提出了量子概念和量子假设，量子是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是以不可分割的能量子一份一份地进行。量子论打破了经典理论关于能量转移连续进行的观念。在学界普遍处于疑惑之时，爱因斯坦于1905年用量子假设成功解释了光电效应，而频率一定的光量子后来被赐名为光子。接着，德拜、康维、里兹、艾伦菲斯特、斯塔克、索末菲、弗兰克和赫兹等人在量子论的理论或实验方面也有所建树。这一阶段，最突出的贡献由玻尔做出，他建立的氢原子电子的量子化轨道模型，比此前的行星模型更具说服力。接着，玻尔和海森伯、玻恩、约当、狄拉克、泡利、德布罗意、薛定谔等人，提出矩阵力学与波动力学、波粒二象性、波函数的概率诠释、不确定性原理、互补原理等一批给人耳目一新的成果，克服了早期量子论的困难，建立了可告别经典物理学的量子力学。
仅就理论的博大精深而言，量子力学完全可作为古语“道可道，非常道”的最佳现代注解。纵使理论本身抽象晦涩如斯，量子力学的应用却无处不在，甚至可以说，没有量子力学就没有现代科学技术。晶体管的发明直接受惠于量子力学在固体物理取得的成功，而1954年世界首台晶体管计算机更是高速电子计算机时代的起点。不仅如此，作为半导体、超导和纳米等领域的基础理论，量子力学也为激光器、原子钟、电子显微镜、核磁共振等许多现代装置的出现，甚至为个人电脑和手机的制造提供了可能。
量子力学堪称震撼性的科学理论。它极大地拓展了人类认识和操控微观世界的能力，也改变了理解世界的思维方式。量子力学所描述的微观物质的行为，以及涉及的观察与测量、完备性与偶然性、物质与能量的连续与离散等观念，均和日常经验相去甚远。它再次提醒我们，仅仅依靠常识，无法对自然现象或科学理论得出是或否的判断。量子力学与经典物理学的分野、与广义相对论的难于调和，似乎暗示我们，每一项科学理论，无论多么出色，都有其适用范围。
4 广义相对论：阿尔伯特·爱因斯坦，1915年
如果说，对电动力学另辟蹊径的研究孕育出狭义相对论，那么对引力理论追根究底的探求，则导致广义相对论的诞生。引领这一重大理论突破的人物是爱因斯坦。
提出广义相对论，爱因斯坦不只是对自我求知欲的挑战，更是对已经举世公认、取得了一系列辉煌成就的牛顿万有引力理论的挑战。牛顿引力定律的确面临困境，首当其冲的是水星轨道近日点的进动问题，牛顿理论的计算与实际观测存在约每百年43〃的偏差。其次，牛顿引力理论暗含“超距作用”的假设，以及空间任一点的引力场强为无限大的推论，这些不符合物理学实际，也与狭义相对论冲突。虽然也有其他物理学家在寻找符合洛伦兹变换的引力理论，但未获成功，直至广义相对论的出现。
爱因斯坦将广义相对论建立在等效原理和广义相对性原理的基础之上。所谓等效原理，就是物体的惯性质量恒等于引力质量。广义相对性原理则是对狭义相对性原理的直接发展，根据这一原理，狭义相对论中的惯性系不再具有优越性，物理规律在任何坐标变化下都形式不变。基于以上原理和理论的推演，爱因斯坦将广义相对论看作是狭义相对论的推广，而且是在必须考虑引力场作用下的推广。
广义相对论是否比牛顿引力理论更接近真实呢？尽管它具有逻辑简单、数学严谨的特点，但能否被学界与公众接受，还取决于能否通过实验或观测的验证。可是，在日常生活和实验室中的引力场太弱，广义相对论效应不易察觉，与牛顿引力理论的区别也难于分辨，因此实验或观测都非易事。在首次发表广义相对论的次年，爱因斯坦提出了3个检验实验的设想：水星轨道近日点的进动、太阳引起的光线偏折（弯曲）、光波的重力红移。最终，实验结果与理论计算都能吻合，尤其是1919 年日全食期间进行的光线偏折观测获得成功，一时引发媒体竞相报道，传为美谈。
广义相对论是对时间、空间、物质和运动之间关系认识上的再次深化，拓展了牛顿引力理论和狭义相对论，它是现代物理学、天体物理学的重要基础，也为现代宇宙学奠定了理论依据。在该理论的直接影响之下，哈勃等人发现了河外星系的谱线红移现象，不仅有理可依、有据可循，而且借助广义相对论等理论，还打通了与其他学科之间的界限。 引力的实质是时空曲率，引力可归结为时空的一种几何属性，广义相对论的这一认识是人类智慧取得的一项飞跃性的成就。如今，科学家对相对论的认识仍在逐步加深。有学者指出，相对论反映出物理学规律或其他规律性的认识，它之所以能被人发现，正在于规律本身在时空变换下具有某种协变性或不变性。不变性正是科学理论的重要特征——规律的不变性具有绝对性。这也是相对论留给后人的一项宝贵思想遗产。
5 狭义相对论：阿尔伯特·爱因斯坦，1905年
1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”，因为这一年爱因斯坦在物理学领域完成了多项具有创建性的工作，对后世影响最大的首推他在论文《论动体的电动力学》中正式提出的“狭义相对论”。由此，一场声势浩大的物理学革命初露峥嵘。 笼统地说，狭义相对论是关于时间、空间及其相互关系的理论。如同许多宏大高深的理论，爱因斯坦建立狭义相对论时，着手的问题表面上也很简单，其中之一就是两个异地时钟的校准问题。为此，爱因斯坦严格定义了“事件”与“时空间隔”，并导出了不同惯性系之间的相对论变换式，即著名的洛伦兹变换。这些概念和推导看似平淡无奇，其蕴含的思想精髓却非同小可，因为它们已经将时间与空间联系为一个整体。由此，将该理论与经典物理学的理论体系划清了界限，更重要的是它摒弃了统治人们思想数千年之久的时空观念。
狭义相对论之所以给人石破天惊之感，主要在于由该理论导出的一系列前所未闻、极具颠覆性的结论。例如，相对论时空观之下的同时的相对性、空间距离的相对性、时间间隔的相对性等。又如，相对论力学明确指出了的质量与速度、质量与能量、动量与能量等物理量之间的密切相关性，以及物质运动的速度不可能超过光速等，这些问题在经典物理学的框架中，均是不可想象的。其中，引人注目的质能方程式E=mc2，被誉为“爱因斯坦对人类文明的最大贡献”。 尽管狭义相对论与爱因斯坦的贡献密不可分，但科学家也普遍认同这一重要理论“不是某个人或少数天才的自由创造”。相对论的诞生同样有其时代背景和相应的理论诉求。19世纪末，经典时空观已出现了明显的危机和挑战：麦克斯韦的电动力学已获成功，但电磁场方程组不符合绝对时空坐标的伽利略变换，进一步的理论探索势不可挡。用爱因斯坦自己的话来说明当时的情形，“相对论的兴起??是由于旧理论中严重的深刻的矛盾已经无法避免了”。可是，当时由于狭义相对论远远超出常人的理解，甚至连庞加莱等顶尖科学家也难以接受——这倒也反衬出该理论的革命性。
即便对狭义相对论的怀疑不绝于耳，但迄今仍未有科学实验能将其证伪。相反，此理论被有效运用到许多领域，影响巨大。例如，用狭义相对论分析原子中的某些电子的运动，可以解释，为何黄金在常态下呈现出金色的光泽，为何水银在
常温下是液态。更广为人知的例子是质能公式，它的应用直接导致核武器的出现，同时也开启了人类的核能时代。 狭义相对论改变了时间、空间、质量、能量等一些最基本范畴，为研究微观高能现象提供了强有力的理论工具，由此成为现代物理学的重要理论来源，也使它成为一项划时代的科学理论。爱因斯坦连同狭义相对论都成为了具有传奇性的名字，他与狭义相对论的事例足以告诫后人，只要想象力无限，科学探索就无止境。
6 统计力学：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、路德维希·玻耳兹曼、约西亚·威拉德·吉布斯，19世纪末
认识微观事物的基本规律，就可以把握对宏观问题的理解。这种简单还原论的思维，确实推动过科学的发展。尤其是，分子、原子与基本粒子的研究表明，许多宏观现象可以从微观的层面予以解释。可是，当面对由微观“单体”构成的巨大而复杂的宏观物体，有时无法依据物质的微观性质做简单外推就能理解。例如，热力学常提到的温度，与杂乱无章的分子运动究竟是何关系？又如，用何种方法能有效处理微观单体的偶然性运动与宏观物体的必然性质之间的关系？此类问题，仅从“单体”的性质出发，并不能给出令人满意的答案。而统计力学用统计学的方法，能够从分子、原子水平阐明物质宏观性质，正是架设在微观与宏观之间的一座认知桥梁。
统计力学有3位最重要的奠基人，同时也是19世纪物理学界的“三巨头”——麦克斯韦、玻耳兹曼和吉布斯。他们的工作相互连贯，承前启后，给人以一气呵成的感觉。麦克斯韦首先推导了分子速度分布定律，并解释了扩散、导热和黏滞的现象。此定律表明，气体个别分子的速度的数值和方向是偶然的，但从大量分子的整体来看，分子的速度分布遵循统计规律。玻尔兹曼注意到麦克斯韦的此项成果，并做了大量的后续研究，将微观状态的数目与宏观状态的熵之间作了确定的联系。吉布斯完成了具有总结性质的《统计力学基本原理》，发展了统计力学的分析方法，提高了数理统计方法应用于物理学的效力。“统计力学”这一名词也是源于吉布斯。
统计力学揭示了气体的压强、温度、内能等宏观量的微观本质，是物理学、化学和自然科学发展的一个基础性的理论成果。借助它，可以将分子结构性质与大尺度的热力、电磁等性质连接在一起。可以说，统计力学虽然对物体内部的“单体”有所“忽视”，却更强调集体效应，因而有时反而更能“深入到物体的内部”。举一个统计力学于寻常之处见不凡的有趣例子，布朗运动是花粉颗粒在液体中做的无规则运动，其机制困惑了科学家数十年。爱因斯坦和斯莫路科夫斯基先后运用统计理论建立的方程指明，花粉颗粒的随机运动，实质是它与做无规则热运动的液体分子碰撞所致。后来的实验不但证实了理论的推测，还直接证明液体分子是一种真实的存在。
统计力学被认为是“理论物理中最完美的科目之一，因为它的基本假设是简单的，但它的应用却十分广泛”。它能够从微观粒子性质出发，导出宏观物质的性质和宏观运动所遵循的热力学定律、流体动力学定律和化学反应速率定律等，在物理学、化学、天文学、材料学、生物学等学科中都有广泛的运用。通过对数理统计学的成功引入，统计力学还让人们对复杂系统也有了全新的认识——系统的不同层次往往会呈现出全新的性质。因此，这座微观与宏观之间的桥梁，也是将研究对象从简单引向复杂的阶梯。
7 板块构造理论：阿尔弗雷德·魏格纳，1912年；约翰·图佐·威尔逊，20世纪60年代
人类对脚下的大地可能远不及对头顶的天空那么了解。或许正因为如此，当板块构造理论出现时，它对地球科学的影响以及对人类认识的冲击，丝毫不逊于其他重大科学发现，同时它的发展跌宕起伏，引发的争议也历久不衰。
准确地说，板块构造理论是20世纪60年代才发展起来的一种被广泛采用的全球构造理论。但其思想的种子，却生长于1912年魏格纳提出的大陆漂移说之中。在魏格纳之前，虽然已有学者注意到大西洋两岸海岸线具有高度的重合性，也发现了地壳与地幔的交界，但是魏格纳用系统的地质证据，大胆提出了让人耳目一新的大陆漂移学说。魏格纳可不是传说中只靠看地图找灵感搞研究的书斋型专家，为获取第一手研究资料，他在20年内三赴格陵兰极地探险考察，甚至最后为此献出了宝贵的生命。大陆漂移说认为，所有的大陆和岛屿曾经连为一体，在地球自转的离心作用与进动的影响下，才分裂形成了后来的大陆与海洋。然而，在传统地质学家的眼中，此种说法过于离经叛道。况且，这个学说尚未成熟，特别是对魏格纳关于驱动机制的解释提出质疑后，大陆漂移说很快就少有问津。
直至20世纪60年代，随着海洋研究、深海钻探、古地磁、地震和地球物理等领域的进展，大陆漂移说重回研究者的视野。威尔逊等人综合了大陆漂移、海底扩张、转换断层、岩石圈的消亡和地极游移等多种学说，提出了板块构造理论。该理论认为，地球岩石圈被分成大小不等的若干板块。板块之间的相对运动可以很好地解释造山运动、火山、地震、成
矿、古地理和古生物分区等多种地质现象。板块之间的边界地带，往往也是地震带；青藏高原与喜马拉雅山山脉的崛起、2008年发生的汶川大地震，都可归因于印度洋板块与欧亚大陆板块的碰撞。受板块相互作用的影响，中国境内有若干规模不等的地震断层带，建房时应尽量避开它们，以减小地震可能导致的严重后果。板块构造理论也丰富了对矿物来源和矿床形成条件的认识，人们已尝试用于指导油气勘探等找矿活动。
尽管对板块构造理论的质疑声仍持续不断，但不可否认的是，它几乎冲击了地球学科的所有分支。甚至在对类地行星、卫星等天体的研究中，板块构造理论也有用武之地。科学的发展，使看似相距遥远的知识体系之间，发生了意想不到的关联。
8 氧化燃烧理论：安托万-洛朗·德·拉瓦锡，1777— 