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Subject: 信仰與科學(1) ── 科學簡史
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標 題: 信仰與科學(1) ── 科學簡史
發信站: 交大資工鳳凰城資訊站 (Sat Mar 25 13:41:44 1995)
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本文作者劉大衛在東海大學教書。
壹。 科學簡史
在寫這歷史的時候，我承認較著重於物理和天文，這有兩個理由。第一是
我的背景是物理，從小學四年級我的嗜好就是天文學。第二是任何一本有關科
學歷史的書都強調這兩個科目，因為它們是所有現代科學的根。
Ⅰ. 古代
古代的巴比倫人、埃及人、和中國人至少在西元前 3000 年就有基本天文
和數學，包括對天體的運動都有相當準確的瞭解和預測的能力。這可從他們的
年曆和其他的記載看出來。
在古典希臘人當中我們可以用傑出思想家來代表， 像「亞里斯多德」（
Aristotle ， 西元前 350 年）、「阿基米德」（ Archimedes ，西元前 250
年）等人。中國在同樣的時代，也發展到相同的程度。他們有生物學、物理、
化學、幾何學的基本觀念。
亞里斯多德的物理學是古典希臘人的最高科學成就，也是對以後歐洲文化
的最大影響。我們要很簡短的討論這個題目，也要特別注意前提或假設對結論
的重要影響力。
亞里斯多德的物理學的第一個假設是「作用力造成運動速度」。這是建立
在日常經驗上。若你看到一個東西在移動，你就會尋找一個推動它的東西。當
沒什麼東西推它時，它就會停止運動。有少數的現象似乎是例外，譬如說，拋
物體能飛在空中，卻看不見有什麼東西在推它。但這也可以想辦法來解釋，只
要說空氣從拋物體的前面移開，再跑到後面去推它。
第二個假設是「地球是宇宙的中心」，這就是「地球中心說」。這也建立
在我們看到的所有東西上。天空看起來是一個以地球為中心的球面，而且所有
的東西都繞著地球跑。物體很自然的不是往地球走，就是背著它走。
第三個假設是有關物質的成份。亞里斯多德的化學很簡單，他說地上的東
西是由土、氣、火、水這四種元素組成的。用這個理論他們就能解釋當時所觀
察到物質的屬性和變化。
亞里斯多德說天體（太陽、月球、行星、恒星）是由另外第五種元素「以
太」 (ether) 組成的，跟地上的物質不同的是它永遠不變、完美。 所以天上
會變的東西，像流星、彗星、新星都在天空之下、在地球大氣層空氣中，而不
是在恆星和行星中。以太的自然運動不是往地球的直線運動而是繞地球做等速
圓周運動，自然形狀也是光滑的球形，因為球或圓圈是最完美的形狀。
亞里斯多德為他的理論體系提供了五種證據。第一、我們沒有地球在動的
感覺。當我們走、跑、騎馬、坐車或船，我們有運動的感覺，但我們在地球上
沒什麼感覺。第二、有甚麼作用力能夠推動地球？！若說地球在動，那要解釋
為什麼在動，就是說需要有一個推力。誰能想像有一個那麼大的力能推動地球
？第三、沒有風。當我們走或跑就會感到有風，假如地球在運動就應該有風，
但沒有。第四、沒有看的出來的視差，天空沒有呈現任何因為地球跑到另一個
地方而導致的變化。比方說，如果地球每一年繞太陽走一圈而不是太陽繞地球
走，那一定會在不同季節使星星有不同的外像，但並沒有。第五、人類是宇宙
的中心點，因為我們是宇宙中最高、最重要的部份。
我們現在知道亞里斯多德的整個系統都是錯的，所以他的根據也是錯的，
但我們不能笑他，因為假如我們也生活在他的時代，我們會有不同的結論嗎？
基於他所知道的和他觀念上的假設都頭頭是道，任何與它不同的想法就是不合
理。所以在他之後將近兩千年，才有人能提出另外一種理論體系，來回答亞里
斯多德的五種證據。
住在埃及亞里山大城的「托勒密」（ Ptolemy, 西元後 150 年）延伸了
亞里斯多德的系統。他發明週轉圓圈（ epicycle ）的觀念，就是說用很多層
周轉圓來解釋行星、月球、太陽的複雜運動。這些天體所呈現的運動不是等速
圓周運動，反而會快會慢甚至於偶而會往後退，亮度也會有變化。 Epicycles
是圓圈上的圓圈，像有一種機器使這些天體在天空行走。托勒密自己大概不是
真的認為天空中真有這樣一套機器，而只是把天體的運動分析成這些圓圈以計
算未來運動的工作。但後來的人認為這些圈子是真的，是由一種透明的材料組
成的。
Ⅱ. 中古時代
過了一千多年歐洲沒什麼值得提到的天文或一般科學方面的進步。最接近
科學研究的就是煉金術，但這是一種錯誤方向，是很迷信的科目，想要尋找把
便宜的金屬變成金子的魔術，或醫治所有的病而永遠長生不老的藥，或找一種
萬能溶劑用來溶化所有材料（但據所知，沒有人想過這溶劑可以放在什麼容器
裡！）煉金術倒還是有一個益處，就是累積了很多有關化學反應和特性的經驗
和資料。
最大的進步在阿拉伯世界，阿拉伯數字和代數學發展出來了，跟以前很不
方便的羅馬數字比起來真是很大的改進。他們也發明「零」字。這都提供對以
後科學計算不可少的數學觀念和方式。
在歐洲「多馬 亞奎納」（ Thomas Aquinas, 1225-74 年）把亞里斯多
德的哲學和天主教會的教義合併了，製造了一個新的思想體系。這都變成很多
世紀以來天主教會的正式教義。天主教會堅持要所有的基督徒接受教會所有的
教義，不但包括從聖經來的，也包括從傳統和亞里斯多德來的。若有人表示不
同意其中任何一條，那可能會遭到很嚴厲的處罰或虐待，甚至於被殺。
Ⅲ. 天文學的革命
到了 1500 年托勒密的 epicycle 系統，為了要符合所觀測到行星的位置
而受到很大規模的調整，圓圈的數量增加到八十以上，據說有一個國王提議說
，若在創造的時候他在場，就會建議天空的創造要簡單一點。住在波蘭的「哥
白尼」（ Nicolas Copernicus, 1473-1543 年）研究天文以後就看的出， 若
epicycles 系統改成以太陽為中心，那會使計算更簡單更準確。這就是說太陽
是中心而地球不是，地球是繞太陽走的。他計算了從運動中的地球來看別的行
星所在的位置。這跟亞里斯多德的教導，也是天主教會的教導，有重大的出入
。哥白尼只敢說這是效率較高的計算方式，連這也等到他知道快要死時才敢發
表。但地球在走也是真的嗎？他的一些間接的話好像暗示著他是這麼想，一個
理論這樣簡單又準確，應該是離真理不遠，但他沒辦法回答亞里斯多德的五種
證據。
之後幾十年中，哥白尼的理論逐漸傳到歐洲學術界，引起很多不同意見。
「泰革」（ Tycho Brahe, 1546-1601 年）因為在 1572 有一顆超新星出現，
開始對天文學感興趣。他用晚上不同時間的觀測來證明那顆超新星比大氣層甚
至比月亮還遠，所以是在行星和恆星當中的。他知道這是否定亞里斯多德和托
勒密的理論，他想出一種以地球為中心的哥白尼式理論，想要把新舊兩者的優
點合併。他維持以地球為中心，因為這好像很合理，也是教會的正式立場，他
像哥白尼一樣說行星繞太陽走，但他說太陽和這整個系統都繞地球走。他從丹
麥國王獲得了允許和經費蓋了一座天文臺，準確觀測行星運動達 20 年之久，
特別注意火星。他的儀器比他之前的人的儀器準確，他的目的是要驗證他的理
論。在那幾年當中他也看到一顆彗星，測出彗星在行星之間有非圓形的軌道，
這又否定了亞里斯多德的話。
泰革去世以前雇用一位助手 － 「克卜勒」（ Johannes Kepler,
1571-1630 年）。他把泰革的數據留下來，花了很多年來分析這資料。他已經
被說服說哥白尼的系統是真實的，也試過按這立場來分析泰革的資料。他逐漸
塑造出他很出名的「行星的三個運動定律」：
以太陽為中心的橢圓形軌道
速度遵守等面積定律
軌道半徑和週期之間的關係
這具有幾種革命性的觀念，當然一個是接受哥白尼的系統，說太陽是中心
而地球是一個行星，像其他的行星一樣繞太陽走。另外一個是軌道的形狀，哥
白尼還是用 epicycles ，但不管克卜勒在怎樣調整他的 epicycles ，還是差
一點點無法使它們符合泰革的數據。克卜勒對泰革的準確度有很大的信心，所
以連很小的誤差也不能接受。他終於放棄了圓圈，試用第二簡單形狀 － 橢
圓，就很興奮的發現，這樣就成功了，計算跟觀測完全符合。
克卜勒的系統那樣簡單又準確，所以哥白尼的系統被大部分的人接受了，
但克卜勒的定律只是憑經驗，沒有理論解釋行星為什麼要這樣走。他不能回答
亞里斯多德的五個證據，那還是一個困惑。
「伽利略」（ Galileo, 1564-1642 年）開始解決這困惑，他想出了「慣
性」（ inertia ）的觀念。 這是說一個物體的正常狀態不一定是靜止不動，
而是沿著直線做等速運動。我們平常看的東西若沒受到推力就停下來是因為有
摩擦力，若摩擦力減少，那物體要用比較長的時間減速到停下來。伽利略推理
說，如果可以完全除掉摩擦力，那物體就永遠停不下來。所以當我們看一個東
西在走，不用問有什麼力使它走，只有看它的運動改變才要問為什麼。跟亞里
斯多德不同，伽利略說作用力不是造成速度，他說「作用力造成加速度」。這
就回答了亞里斯多德的問題，「有什麼力夠大到能推動地球？」，這就是問錯
問題。沒什麼力推動地球，簡單說沒什麼力使它停下來，所以它繼續走。這樣
也回答了亞里斯多德另一個證據，說沒看到地球運動所造成的風。地球和大氣
層是兩個一齊走。
伽利略第二個大貢獻是他用望遠鏡觀看天空，在 1609 年，望遠鏡剛發明
的時候開始，他用望遠鏡發現月球表面上有山、撞擊坑和「海洋」，太陽有一
直在改變的黑子。亞里斯多德說「天體是「以太」組成的，所以一定是完美、
光滑、不變的球形」、但伽利略看到它們是不光滑的也會改變。他也看木星的
四大衛星，另外一個中心！亞里斯多德說「任何東西都要繞地球走」。伽利略
觀察金星的形狀和大小都不斷有變化，表示它繞著太陽走！亞里斯多德又錯了
。最後，看任何方向，尤其是叫作「銀河」的那條朦朧的光，他看到天空充滿
了數不完的星星和星團，不可思議的多、浩瀚而遙遠！不只有幾千顆固定在一
個球面內面的星星，而是數不完的恆星在空中分散到很大的距離。這回答了亞
里斯多德有關視差的證據。地球的運動沒造成看得見的恆星的變化，是因為它
們的距離太大，使得視差小而無法測出。
到此只有回答亞里斯多德前面四個證據，剩下第五個，說「人類是宇宙的
中心」。這不是科學化的詞句，所以不能有科學化的答案。但伽利略還是沒有
一個理論能解釋克卜勒的四個定律為什麼是真的，行星的軌道為什麼是橢圓形
等。
「牛頓」（ Isaac Newton, 1642-1727 年）提供所需要的理論， 有「萬
有引力」、 「三個運動定律」和微積分。 他發展出他的理論是在他 23 歲、
1665 到 1666 年在各大學因重大傳染病而停課的時候， 他終於在 1687 年發
表他的理論。
萬有引力是任何兩塊物質之間的吸引力。地球的運動之所以往太陽轉彎形
成繞太陽的橢圓形軌道，是因為太陽勢一個力作用到地球上。其他的行星繞太
陽也是同樣的原因。地球吸引月球、使它繞地球走。木星吸引它的衛星。這理
論那麼成功就完成了推倒亞里斯多德系統的革命。但我們必須注意，當回答一
個問題就造成一個新的問題：「為什麼有萬有引力？」克卜勒描述橢圓形軌道
，但沒提供它們的解釋。牛頓描述萬有引力，用它來解釋橢圓形軌道，但沒提
供萬有引力的解釋。
伽利略和牛頓不只造成新的理論，而且是用完全新的方式來解釋自然界。
以前的解釋都用邏輯、哲學和幾何學，牛頓的定律給我們一套數學式時空理論
，把宇宙機械化了，其中的事件都是預定的。
十七世紀的另外一個很重要的事情是估計光速。 在 1676 年， Olaf
Roemer研究木星衛星運動的記錄，推論光線橫過地球軌道的直徑要 22 分鐘。
這不是很準，但誤差不是很大。
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