后记:转变
从「自然哲学家」到「科学家」,业余变成了专业,科学有了不同的面貌。哲学早餐俱乐部成功地将科学置于一个完全不同的道路上,四位巨匠重新设置了科学的轨道,也就是参与塑造了现代世界,在这个世界里,科学是主演。
在离世之前,哲学早餐俱乐部的成员们终于看到了自己在学生时代的计划开花结果。他们成功地将科学置于一个完全不同的道路上,他们的成功甚至超过了他们最乐观的梦想。他们重新设置了科学的轨道,也就是参与塑造了现代世界,在这个世界里,科学是主演。之前,提到自然哲学家,人们想到的是业余爱好者,通常都是神职人员,他们在闲暇时间收 集化石,或是进行实验,但这种形象彻底改变了,变成了科学家的形象: 他们是专业人士,在大学里接受的训练,毕业时拿到的是科学学位,他们 属于科学团体,他们阅读科学期刊,他们申请研究资金——不久,他甚至 可以是她,是女性,她们先是踏入了英国协会的大门,接着就更深入地 朝着科学职业的道路走下去。1853 年,切尔滕纳姆的鲍尔比小姐成为了 英国协会的正式成员,后来皇家学会和其他国家的科学团体也开始接收 女性成员。这些新的专业人士可以找到有薪水的职业了,他们可以在大 学里成为科学领域的教授,可以在新成立的实验室里做研究员,比如说, 哲学早餐俱乐部最后一位成员去世的那一年,剑桥开始了卡文迪许实验室的修建。
科学研究职业化并没有立刻受到人们的拥护,许多自然哲学家拒绝接受“科学家”这个头衔。有一段时期,很多科学人士同柯勒律治一样,他 们依然觉得“自然哲学家”爱好者的身份让他们的工作更加崇高,更加自 由,就连赫歇尔,在他一生中大部分时间也持这个观点,他是哲学早餐俱 乐部成员中唯一持这一观点的人。《自然 》( Nature )杂志在 1869 年问世, 一开始就使用了科学家这一称呼,希望这个称呼能深入人心。在最初的几 期杂志中,有一个作者赞扬了“ 科学家坚持不懈的努力 ”。然而,一直到 了 20 世纪,科学家这个称呼才在英国得到了广泛的使用。美国一直以来 对新事物的态度都更为开放,这个词在美国普及得要快一些。这个词与美 国科学家们联系非常紧密,到了 1874 年,人们已经忘了这个词源自英国, 英格兰哲学协会的会长说“ 科学家 ”这个词是“ 美国式野蛮三音节词 ”。 虽然有些从事科学研究的人不想科学家职业化,但科学家还是职业化了。 1887 年,《 自然 》庄严地宣布,科学家们终于认识到了“ 他们也是一个伟 大职业的成员 ”。
哲学早餐俱乐部的成员们不仅仅将科学人士转变为了职业的科学家,他 们还转变了科学行为本身。巴贝奇、赫歇尔和休厄尔都坚信,科学需要绝对 正确的计算,这种绝对的正确只能通过造价高昂的新型机器来实现,这就是 今天科学追求测量、计算和精确的根源。为了达到这种精确程度,科学的工 具箱里有了新科技,他们这几个人或是亲自参与,或是鼓舞到其他人发明了 以下这些,包括准确观察的工具,比如说,光度计、风速仪、潮汐预测机、 太阳照相仪; 准确捕捉交流观察的技术,摄影术; 更新了计算大量观察数据 的数学技巧,其中就有欧洲大陆的微积分、分析数学和统计学。
哲学早餐俱乐部的成员都认为“真理之间不可能产生冲突”,有了这一信念,就有了科学真理不必受制于宗教的现代观点。约翰·廷德尔接替法拉第,成为了伦敦皇家学院的院长,1874 年,廷德尔在这一方面走 得更远,他在这两个领域划了一条清晰的界限。廷德尔在英国协会贝尔法 斯特会议上发表演讲,他赞扬了达尔文的研究,他总结说,不应该允许 “宗教情绪”“侵扰知识的领地,这片领地不属于宗教”。 在哲学早餐俱乐部成员们的有生之年,他们看到科学家们的目标发生了细小的转变: 研究的依然是自然世界,但同时也着眼于改善人们的实际 生活,遵循了培根“ 知识就是力量 ”的劝诫,这种力量应该用于“ 将人类 从当前生存状况中解脱出来 ”。关心制造实用东西的人不再只是制造商和 实业家; 科学家们也开始认为,虽然某一类科学研究的实际价值不是那么 明显,但是他或者她的研究必须以为公众服务为目的。科学家们和那些对 科学家的工作感兴趣的人开始关心科学方法的描述和定义,更多的时候, 科学的方法就是培根以实证为基础的归纳的方法,而不是里卡多在经济学 中使用的纯粹的演绎方法。( 正是因为哲学早餐俱乐部,科学史和科学哲学作为一门学科,在 19 世纪和 20 世纪才有了强劲的学科研究。)
当时,科学家在大规模的研究项目中寻求国际合作,甚至国际竞争 有时也会加快进步的速度。他或者她在大学里学习科学,在实验室里工 作,加入科学团体,在科学期刊上阅读到科学相关的文章以及自己发表 文章,并且以此为生。巴贝奇、赫歇尔、琼斯和休厄尔去世时,“ 科学 家 ”和科学本身已经在很大程度上按照他们在剑桥哲学餐桌上制定的路 线设定好了。
英国协会成立于 1831 年,这一年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦也降生到这个世上,他就是“ 科学家 ”这一新职业的缩影。在爱丁堡大学学习 后,1850 年麦克斯韦拿着福布斯写给休厄尔的介绍信来到了剑桥。福布 斯告诉三一学院的这位院长说,这个年轻人“ 待人接物非常笨拙,却是我 见过的最有原创精神的年轻人之一 ”。他从三一学院毕业了,是一等合格者的第二名,史密斯奖第一次颁给了两个人,其中一个就是他。麦克斯韦 成为了三一学院的研究员,很快他就被任命为亚伯丁马里夏尔学院自然哲 学的教授。后来,他又成为伦敦国王学院的自然哲学教授。1871 年,他 回到了剑桥,成为了第一位卡文迪许物理学教授,他负责监督用于科学实 验的卡文迪许实验室的修建。麦克斯韦在爱丁堡和剑桥接受了数学和物理 学的训练,他一生都是科学家,做科学实验、管理实验室和教下一代年轻 的科学家也是他的谋生手段。
麦克斯韦积极参与科学专业团体。14 岁时,他写了一篇题为《椭圆曲线》(Oval Curves)的论文,递交给了爱丁堡皇家学会,这是他递交给该学 会多篇论文中的第一篇——宣读论文的人是福布斯,当时大家觉得他太年 轻,不该站在讲台上。1855 年,刚从剑桥毕业,他给剑桥哲学学会递交 了他开创性的论文《论法拉第的力线 》(Faraday's Lines of Force)。他是英 国协会的会员,1870 年成为该协会的会长。麦克斯韦后来也成为了伦敦 皇家学会的会员,他的研究显示光谱上三处的光线,也就是三种所谓的基 本色组合在一起,就能形成任何一种给定的色觉,而且他的实验似乎证明 了色盲是因为对三种基本色中的一种不敏感的猜想,为此伦敦皇家学院颁 给了他拉姆福德奖章。
同哲学早餐俱乐部的成员们一样,麦克斯韦也关注自己研究的实际结 果,特别是那些能改善他人生活的研究。他在色盲成因方面写了很多开 创性的文章,他在其中一篇文章中说,实验完成后,他给一位参加实验的 人制作了“ 一副眼镜,一个镜片是红色的,另一个是绿色的 ”。参加实验 者“ X 先生 ”正在尝试着通过眼睛看到的不同效果来获得一种区别红绿两 种颜色的习性。“ 虽然他永远也不会获得红色的色觉,”麦克斯韦解释说, “ 他或许( 能够 )区别出什么是红色,这一思维过程可能会变得非常熟练, 成为像新感觉一样的无意识行为。”
麦克斯韦的物理学研究也是按照哲学早餐俱乐部成员们设定的哲学纲 要进行的,如今的研究模式也是如此。休厄尔的科学哲学极大地影响了麦 克斯韦——麦克斯韦本人也承认这一点——巴贝奇和赫歇尔的科学哲学影 响了他。麦克斯韦也施展了大型的一致性研究,他把电学、磁学和光学的 观察、实验和方程式综合在一起,形成了一个理论,即电磁场理论。这是 物理学上的第一条现代“ 万用理论 ”。
1831 年,迈克尔·法拉第把一个磁环靠近一节电池,他意识到是变 化的磁场引起了电流。这一现象被称作“ 电磁感应 ”,这一发现是现代 科技的奠基石,为大多数电气机制的运行奠定了基础,其中就有发电机 和变压器。法拉第继续实验,探索电流和磁力之间的关系,他发现它们 其实是一种“ 电磁 ”力量的两种表现形式。当时,休厄尔同法拉第书信 往来,给后者的新发现命名,并且建议他研究磁和光之间的关系。法拉 第照办了,他发现光通过透明的物质,比如说玻璃,就能被磁场所影响。 这就是说磁和光之间有某种密切的联系,但法拉第本人没有证明这是一 种什么样的关系。
大概是在1862年,麦克斯韦在国王学院做教授时,计算出电磁场 的传播速度同光速差不多是一致的。他认为这不仅仅是一种巧合,他说: “我们很难排除这样的结论: 组成光的横向波动介质也是电和磁现象的原因。”
麦克斯韦继续深入研究这一问题,从计算结果的预测来看,振荡电 场波和振荡磁场波在空荡空间传递的速度可以通过简单的电气实验来预 测。通过当时可测得的数据,麦克斯韦预测出了每秒 310,740,000 英里的速 度。大概这个时候,麦克斯韦给法拉第写了一封信,提到了这一预测性成 功(哲学早餐俱乐部的做法)。在 1864 年的论文《 电磁场的动力学理论 》(A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field)中,麦 克 斯 韦 说,“ 结果的一致性似乎说明光和磁是同一物质的属性,光是按照电磁规律传播的电磁 扰 动 。” 1873 年 , 麦克斯韦出版了著作《电磁通论》( A Treatise on Electricity and Magnetism ),书中用著名的“麦克斯韦方程组 ”集中总结了他的电磁 场理论。
这一惊人的成就是继牛顿的万有引力定律之后,物理学上第二次伟大 的统一。自此以后,所有之前的其他经典规律或是这些规律的方程式都成 了麦克斯韦方程组的简化案例。如果休厄尔还活着,他就会说这是物理学 历史上的“ 新纪元 ”。麦克斯韦精湛地践行了一致性这一理念,在今天, 这一理念依然在物理学中是主角。现代物理学将麦克斯韦的电磁力、牛顿 的万有引力,还有弱相互作用力与强相互作用力,也就是原子核内的两种 力并列在一起。如今,物理学家认为宇宙中发生的所有事情都能用这四种 力量中的一种或是多种来解释。
然而,有些物理学家并不因此而感到满足。今天,许多物理学家都在 继续研究,探寻能够将这四种力量统一为一种力量的理论,一种真正的万用理论——这一目标与一致性的标准紧密相连。爱因斯坦想要找到一种场 论来说明引力和磁场都是一个基本理论的不同表现。爱因斯坦的这一理想 被称为现代物理学的“ 圣杯 ”。有些人认为弦理论是找到这一理论的途径。 布赖恩·格林在《宇宙的琴弦 》(The Elegant Universe)一书中所描写的, 从一个原则——也就是所有的事物,从最微观的层面来看,是由不同方式 组合起来的震动的琴弦——弦理论提供了单一的解释框架,包罗万象。如 果科学家们找到了这一圣杯,他们就在逻辑上实现了哲学早餐俱乐部统一 自然界的梦想。
麦克斯韦还描述了气体分子的运动,被称为“麦克斯韦速度分布律 ”。1866年,他制定了现在称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的定律(当 时,奥地利的路德维希·玻尔兹曼也在进行类似的研究,两人都是独立 实验 )。麦克斯韦以凯特勒的统计学定律为武器,研究了分子运动论。凯 特勒是比利时天文学家和统计学家,他写了一本书,赫歇尔为这本书写 了评论文章,而麦克斯韦正是从这篇评论文章上了解到了统计学定律。 麦克斯韦速度分布律给出了在给定温度下,气体分子具体运动速度的分 式。麦克斯韦注意到,一种气体中不同分子即使在开始时速度是一致的, 在与周围分子的碰撞中,速度也会出现不同。因此,他用了一种统计学 的方法来处理这一问题: 所有的分子数量被分成几组,每组中所有分子 的速度都处在一个狭窄的上下范围之内。计算每一组分子的平均速度, 麦克斯韦就能找出速度和这一组分子数量之间的重要关系。这一方法概括了之前确立的热力学定律,更好地解释了存在的现象和实验。这是一 致性理论的又一例证。
麦克斯韦的这些发现是标志性的时刻,从这一时刻开始,物理学家开 始用数学语言来表达基本的自然规律,如果他们是非数学专家,是无法读 懂这种语言的。1846 年,约翰·库奇·亚当斯用数学的方法预测了海王 星,当时就已经有很多人无法理解了; 还不到 30 年的时间,物理学家已 经走得更远,不会再回头了。法拉第用磁场线的运行情况来表达对电磁规 律的理解——这种线条的形象便于他自己总结,也便于听众理解。麦克斯 韦不同于法拉第,他认为自己必须用复杂的数学关系来解释法拉第的发现 中更深层次的意思。麦克斯韦在电磁理论和气体分子运动论的研究改变了 物理学的视野,为爱因斯坦的相对论奠定了基础。因为麦克斯韦的研究极 其难以理解,他的理论也进一步切断了有知识的普通大众与创造了最新最 重要的科学发现的科学家之间的联系。
科学人士的角色发生了转变,同时也出现了哲学早餐俱乐部成员们没 有预料到的变化,要是他们看到如此的变化,会深感遗憾吧。休厄尔去世 不过 10 年,科学变得极为专业化,麦克斯韦本人也在哀叹这一事实。英 国协会地质学部门的成员不再可能理解并且参与到物理或者化学的最新讨 论中来了。不久之后,物理学之内,研究这一领域的人也难以完全理解另 一领域的研究者在研究些什么了。再也没有可能出现休厄尔这样,集数学 家、矿物学学家、建筑历史学家、语言学家、经典学学者、物理学家、地 质学家、历史学家、哲学家、神学家、登山诗人等数个角色于一体的人, 也不会再有赫歇尔这样的,精通三种语言的数学家、化学家、物理学家、 天文学家、摄影师、音乐家和翻译家。现在的科学家们在剑桥或者别的地 方接受一门特定的专业科学的培养,在像英国协会这样的机构中的某一部门的成员,只在这一科学领域做实验,只阅读这一领域的专业杂志,他们怎么能够知道,怎么能够理解其他科学领域的研究进展呢?而当年的那些 爱好者身份的哲学家,他们可以在度假的时候考察地质,晚上在家里的地 下室利用电池做实验,在研究晶体几何学特性的间隙,还要审核史密斯数 学奖章的候选者名单,他们对什么感兴趣,就研究什么。那是一种更为自在,更为跨学科的生活,有更多的机会将这一学科看似互不相连的知识用 于另一学科,从而产生意料之外的发现。
从我们这四位朋友的观点看来,更糟糕的是科学和人文学科之间建立起了一堵高墙,C.P. 斯诺后来将这堵高墙描述为“两种文化”的界限。 1959 年,达尔文发表《 物种起源 》正好 100 年的时间,斯诺在剑桥的评 议会大楼发表演讲——休厄尔在这里提出了“ 科学家 ”这个词——在这 篇演讲中,斯诺认为科学和人文学科不够交流互通是现代社会的一大障 碍。斯诺的观点一部分是与冷战相关的,他认为民主国家应该让不发达 国家实现现代化,否则其他社会主义国家就会这样做,他还认为有必要 在西方让更多的人接受科学的培养,以抵制苏联,但斯诺的文章也传递 出一个超越了时代特征的信息: 在过度技术化的世界里,我们遗失了一 些东西,遗失了一些人文人性的东西。艺术家和作家们脱离了科学,科 学忽视了艺术和文学,文化就会付出代价。诗人和艺术家精彩地表达了 大自然带给他们的惊奇之感,而审视世界的科学家们似乎感受不到这一 点。如果科学家们不能把这种惊奇传递给他人,传递给非专家们,想当科学家的孩子们就会越来越少,科学人士就会越来越脱离普通人的生活, 脱离需要解决的实际问题。 从某种角度而言,我们失去的就是科学人士的浪漫主义者形象,我 们不再觉得既是科学家又是艺术家的人可以理解这个世界了。1821 年, 休厄尔马上就要去湖区旅行,在给琼斯的信中,他很好地刻画了这一浪 漫形象:
你想不到我会怎么样利用一座高山。也许,在山脚绘制了素描后,我 就会爬到山顶用气压计测量其高度,再用地质锤敲下一块岩石,看一看是 什么成分,然后再在山顶沉静的空气中背诵一段华兹华斯的诗句。
在赫歇尔的笔下,他自己既是艺术家,又是科学家,甚至更多的是一 位艺术家,满足于“ 游荡于科学海洋的沙滩,捡起我喜欢的贝壳和卵石, 为了让自己高兴,我把它们摆放起来,看它们有多漂亮 ”。从某种角度而 言,艺术家和科学家,也就是自然奇观的仰慕者与职业科学家之间的这堵 墙始建于 1833 年,当时柯勒律治站了起来,要求用一个词来区分从事科 学领域的人士和“ 自然哲学家 ”,休厄尔建议使用“ 科学家 ”,“ 类比于 ” 艺术家,结果日后科学家就与艺术家分割开了。我们应该往回看,在哲学 俱乐部成员那里探索如何将这两种文化再次结合在一起——帮助我们让人 文回到科学中,让科学奇迹回到我们的日常生活中。
***
在伦敦的国家肖像馆里,有一张赫歇尔的著名照片,由他的门徒茱莉 亚·玛格丽特·卡梅伦摄于 1867 年。当时休厄尔和琼斯都已去世,不久, 赫歇尔和巴贝奇也相继离去。这张照片上,赫歇尔满头白发,一半脸在阴 影当中,另一半在光线之下,就像是他耗费不少时间凝望过的天体。他看 着前方,神情有一点惊愕,仿佛看到了什么。也许赫歇尔惊愕的是他和他朋友们的成就:他们真的改变了科学,参与塑造了现代世界。