学习科学史的意义

PAGEPAGE6学习科学史的意义吴国盛2004年03月30日今天，不大可能有人问科学有什么用了。约四百年前，科学的作用远未像今天这样彰显，但英国哲学家弗兰西斯·培根提出了“知识就是力量”这样一句脍炙人口的名言。近代自然科学已经一步步向世人显示了这句名言的真理性。其实，这位哲人还有另外一句关于知识的名言同样值得引用：“读史使人明智。”在科学已经无孔不入地渗透在人类生活各个层面的今天，我们不再对身边的科学表现出惊奇，甚至已经对科学无动于衷，而恰恰在此时，我们需要回顾科学的历史，因为读史使人明智，阅读科学的历史可以使科学时代的人们变得深思熟虑、深谋远虑。科学是引人入胜的学习科学史可以增加自然科学教学的趣味性，科学史有助于理科教学。历史故事总是使课堂教学变得有趣。我们在儿时谁没有听过几个科学家的传奇故事？阿基米德在浴盆里发现了浮力定律后，大喊大叫着跑上街道，赤身裸体地告诉每一个人他终于发现了；伽利略为了证明落体定律，把一个木球和同样大小的一个铁球从比萨斜塔上扔下，结果是同时着地的，于是反驳了亚里士多德派哲学家认为重者先落的理论；牛顿在一个炎热的午间躺在一棵苹果树下思考行星运动的规律，结果一个熟透了的苹果掉下来打中了他，使他茅塞顿开发现了万有引力定律；瓦特在外祖母家度假，有一天他偶然发现烧水壶的壶盖被正在沸腾的开水所掀动，结果发明了蒸汽机……这类科学传奇故事确实诱发了儿童对神奇的科学世界的向往。但我们也应该看到，能够诱发儿童热爱科学、向往科学事业的传奇故事，对于正规的理科课程学习并不见得有很大的帮助。倒是相反，某些以讹传讹的传奇故事对于深入理解科学理论还是有害的。传奇故事往往过于强调科学发现的偶然性、机遇性，使人们容易忽略科学发现的真实历史条件和科学工作的极端艰苦性。除了传奇之外，科学史所能告诉人们的科学思想的逻辑行程和历史行程，对学习科学理论肯定是有益的。当我们开始学习物理学时，常常为那些与常识极为格格不入的观念而烦恼，这时候，如果了解一下这些物理学观念逐步建立的历史，接受这些观念就变得容易多了。科学家们并不是一开始就这样“古怪”地思考问题，他们建立“古怪的”科学概念的过程很好理解而且引人入胜。以“运动”为例。物体为什么会运动呢？希腊大哲亚里士多德说，运动有两种，一是天然运动，一是被迫运动。轻的东西有“轻性”，如气、火，它们天然地向上走；重的东西有“重性”，如水、土，天然地向下跑。这是天然运动，是由它们的本性决定的。世间万物都向往它们各自的天然位置，有各归其所的倾向，这个说法我们是容易理解的。轻的东西的天然处所在上面，重的东西的天然处所在下面，在“各归其所”的倾向支配下，它们自动地、出自本性地向上或向下运动。一旦物体到达了自己的天然位置，就不再有运动的倾向了，这时候只有外来的力才能迫使物体运动，这样的运动是被迫运动。地面上物体的运动都是受迫运动，因为它们已经达到了最低处所。受迫运动依赖于外力，外力一旦消失，受迫运动也就停止了。亚里士多德关于运动的这些观念当时从常识的角度似乎觉得很自然，很有道理，可是近代物理学恰恰首先要破除这些观念。“运动”观念上的变革首先是由伽利略做出的。伽利略从一个逻辑推理开始批评亚里士多德的理论。他设想一个重物（如铁球）与一个轻物（如纸团）同时下落。按亚里士多德的理论，当然是铁球落得快，纸团落得慢，因为较重物含有更多的重性。现在，伽利略设想把重物与轻物绑在一起下落会发生什么情况。一方面，绑在一起的两个物体构成了一个新的更重的物体，因此，它的速度应该比原来的铁球还快，因为它比铁球更重；但另一方面，两个不同下落速度的物体绑在一起，快的物体必然被慢的物体拖住而不再那么快，同时，慢的物体也被快的物体所带动比从前更快一些，这样，绑在一起的两个物体最终达到一个平衡速度，这个速度比原来的铁球速度小，但比原来纸团速度大。究竟哪种说法更合理呢？各有各的道理！但它们之间却不一致。伽利略据此推测落体速度与其重量有关系的说法值得怀疑，从逻辑上讲，解决这个矛盾的惟一途径是：下落速度与重量无关，所有物体的下落速度都相同。科学的进步并不完全是靠逻辑推理取得的，伽利略这位近代实验科学精神的创造者，并未满足于逻辑推理，而是继续做了斜面实验。他发现，落体的速度越来越快，是一种匀加速运动，而且加速度与重量无关；他还发现，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，则加速度越小，在极限情况下，斜面垂直，相当于自由下落，不同物体的加速度是一样的。当斜面完全水平时，加速度为零，这时一个运动物体就应该是沿直线永远运动下去。斜面实验表明，物体运动的保持并不需要力，需要力的是物体运动的改变。这是一个重大的观念更新！伽利略没有能够直接对落体运动进行实验，因为当时准确的计时装置还未出现。伽利略发现摆的等时性时是用自己的脉搏计时的，足可以说明当时科学仪器的缺乏。斜面可以使物体下落的加速度减小，因而可以对其进行观测，在此基础上，伽利略最终用“思想实验”由斜面的情形推到自由落体和水平运动的情形。所谓的比萨斜塔实验是没有根据的，因为在伽利略本人的著作里并没有提到这件事情。这个关于“运动问题”的科学史故事，对读者深入学习牛顿力学知识是有好处的，因为在回顾这个观念更替的过程中，我们自己的观念也不知不觉地发生了改变，这比直接从概念、定律和公式出发去学习牛顿力学当然要生动有趣得多，而且印象也深刻得多。追究科学史的作用，使我们有必要在“知道”（Knowing）和“理解”（Understanding）之间做出区别。为了掌握一门科学知识，我们大多不是从阅读这门学科的历史开始，相反，我们从记住一大堆陌生的符号、公式、定律开始，然后是在教师和课本的示范下，反复做各种情形下的练习题，直至能把这些陌生的公式、定律灵活运用到处理各种情况为止。但我们真地“理解”这些知识吗？那可不一定。我知道一位非常年轻的大学生，他高考