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站在巨人的肩膀上
如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。
——1676年，艾萨克·牛顿写给罗伯特·胡克的信，引自中世纪
法国哲学家沙特尔的伯纳德（卒于1130年前后）
古罗马时代，拉丁文的“科学”（scientia）一词泛指一切“知识”。中世纪时，这个词首次出现在古法语之中，并由此衍生出现代英语的“科学”（science）一词。起初，这个词不仅仅指代研究大自然所获得的知识，还指代其他研究领域的知识，比如哲学、政治学和神学。时至今日，也常常出现诸如 “ 逻辑科学”“政治科学”或“忧郁的科学”（19世纪的历史学者托马斯·卡莱尔对经济学的嘲讽）之类的表述。
但本书中，“科学”一词只承载着一般性的现代意义：收集、归类和分析来自物理世界的数据。科学与古巴比伦、古埃及和古希腊的历史一样久远，更不必说中世纪的阿拉伯人、中国人、欧洲人、印第安人以及16世纪的波斯人——这些民族对科学的贡献已经越来越被历史学家们所认可。然而令人惊讶的是，用于描那些从事科学研究者的现代术语——“科学家”一词，仅有不到两百年的历史。19世纪中叶以前，那些如今常被我们称为科学家的伟大人物——例如17世纪的约翰尼斯·开普勒、伽利略·伽利莱伊、艾萨克·牛顿——当时统统冠以“自然哲学家”的名号。直到1799年，观念与时俱进的英国皇家学院才逐渐为科学家敞开大门，设立了“自然哲学教授”讲席，教授我们现在所称的物理学。
一个“新”行当的诞生
1833年，“科学家”一词才被创造出来。新成立的不列颠科学促进会在剑桥举办的一次会议上，一名与会者——诗人塞缪尔·泰勒·柯尔律治，提出这样一个问题：如何使用一个概括性术语给从事各学科研究的这群专业人士命名，且能够涵盖解剖学家、天文学家、生物学家、植物学家、化学家、地理学家、古生物学家、物理学家、动物学家等群体。就这个报告所展开的讨论中，“哲学家”一词由于“过于宽泛、过于不知所云”而被否定。“学者”（savant）一词则“过于傲慢”且太法国范。于是该协会的秘书长，矿物学家、科学史学者以及三一学院（牛顿曾经学习过的地方）未来的院长——威廉·惠威尔，借鉴“艺术家”（artist）一词的造词方法，创造出了“科学家”（scientist）一词。尽管这个新称谓并没有在这次会议上被广泛接受，但立即在美国流行起来，之后才逐渐被英国接受。直到20世纪上半叶，当科学与技术开始主宰甚至定义现代世界时，“科学家”一词才被广泛应用。
尽管科学声望日隆，但被誉为自牛顿以来最具开创性的科学家——阿尔伯特·爱因斯坦，仍在1936年时宣称，“所谓科学只不过是对日常思考的”。这是一个能够从复杂性中发现简单性的天才，所提出的一个典型恶作剧式悖论。如果你是爱因斯坦，这句话或许没什么不妥，但对于我们大多数人来说，这是一个几乎不可信的陈述。人们不禁会认为这就是胡说八道！毕竟我们的日常思维过程与爱因斯坦这类伟大的科学家的思考有什么关系，更不必说20世纪的物理学家还掌握了高深玄妙的数学工具。
在过去的几十年里，物理学正在朝着用越来越少的基础理论对越来越繁复的物理世界进行统一认知的方向发展，似乎已经越来越远离日常思维了。大多数非物理学专业人士学会使用纯物理理论研究的一些技术性副产品：计算机，移动电话，万维网……但广义相对论和量子理论——前者解释了黑洞和全球定位系统（GPS）的精确性，后者是等离子电视和激光器的基础——似乎与日常经验没有任何共通之处。早期一些具有关键意义的科学观念，如阿基米得的位移和浮选原理，牛顿的运动和万有引力定律，迈克尔·法拉第的磁场论和查尔斯·达尔文的进化论，都比较容易被日常思维所接受。我们甚至可以在家中通过简单的实验来证明它们——沉浸在水中的物体，落下的硬币，铁屑图案和转动的罗盘指针……然而相对论和量子理论并非如此。
古人的影响
当然，现代科学很大程度上归功于阿基米得、亚里士多德、德谟克利特、欧几里得、埃拉托斯讷和托勒密等古希腊人。例如，我们要将最早的动物分类系统、原子唯物论学说、几何学的发明、光沿直线传播、首次估算地球的周长和经纬度的概念，统统归功于这些早在两千多年前就已经在观察自然、思考人类自身的科学家和自然哲学家。由此可见，古人的思想成果非常丰富。
然而古希腊人也相信太阳和行星以完美的圆形轨道围绕着地球运转（除了萨摩斯的阿利斯塔克等一两位开明人士之外），也相信质量越大的物体，掉落速度就越快。亚里士多德的“常规思维”使他在《物理学》中得出“当运动的物体不再受到外力作用时就会停止运动”这样的结论——他关于质量和力的学说并不准确。亚里士多德认为，质量越大的物体降落得越快，因为它受到更大的地心引力——这一论断很容易就能被推翻。亚里士多德对“运动”的定义，不仅包括推和拉，还包括结合和分离，增强和减弱。鱼在水中游和苹果从树上掉落显然都是运动，但儿童长大成人和果实成熟也是运动。常识令亚里士多德在面对这些简单的力学事实时，陷入了令人绝望的概念混淆。
古希腊人在自然哲学领域的权威源于亚里士多德。直到17世纪的牛顿时代，亚里士多德关于物理世界的观点一直主导着欧洲的知识生活。甚至在达尔文生活的时代，亚里士多德的学说依旧盛行，达尔文本人就非常推崇亚里士多德对动物的观察。17世纪20年代，英国自然哲学家弗朗西斯·培根如此评价前人的研究成果：“今天我们所接受的一切自然哲学，要么是古希腊式的哲学，要么是炼金术士的哲学……前者从一些简单的观察中分析总结而来，后者从坩埚中而来。一个永远不乏各种夸夸其谈，而另一个则永远不会使黄金成倍增加。” 培根的著作后被1660年成立的伦敦皇家学会奉为圭臬。这个组织也是世界上现存最古老的科学社团。
智力与观察
但对亚里士多德世界观的挑战不断出现。 1543年，尼古劳斯·哥白尼在临终前出版了《天体运行论》，在他那张以太阳为中心的太阳系插图中，地球和其他行星围绕太阳旋转。这种对当时的常识和《圣经》经文的挑战受到了自然哲学家的极大怀疑，并且受到天主教会的抵制。但就像古希腊时代一样，日心说这一伟大的学说最终还是风行起来。地球不再是宇宙的中心。当然这个学说并非无懈可击——哥白尼仍然坚持古代的观点，即行星轨道是圆形的。
1609年，开普勒利用第谷·布拉赫所积累的首批行星运动的精确观测数据，提出了一个有根据的假说：行星绕太阳运行的轨道不是圆形，而是椭圆形。椭圆形也是古希腊人发现的几何图形之一。借助于这一思想上的飞跃，开普勒推导出他的行星运动定律。根据这一定律，天文学家们能够利用天文表，计算过去、现在或将来任何时间点上行星的位置，并与实践的观测结果很吻合。正如爱因斯坦在1930年开普勒逝世300周年时所说：“开普勒的伟大成就是一个特别好的例子，证明知识不只源于经验，而是源于智力上的奇思妙想与已观测到事实的对比。”
“发现未被发现事物”
主要基于上述原因，《伟大的科学家》以哥白尼、开普勒和伽利略的章节作为开篇。他们作为16、17世纪科学革命的先驱，无疑也奠定了当代科学的基础。本书的其余部分并没有单纯按照年代顺序，一个世纪一个世纪地来书写，而是强调科学思想在诸如宇宙学等特定领域中的发展。因此本书的六个篇章从研究宇宙的科学开始，然后逐渐聚焦地球（第二部分）、分子和物质（第三部分）以及亚原子世界（第四部分）。第五和第六部分致力于植物和动物领域，包括人体和心灵。所有核心的科学学科（包括心理学）都包含在内。除了医生兼生理学家威廉·哈维和英格豪斯，以及研究人类起源的考古学家兼人类学家路易斯和玛丽·利基的章节外，其他具有科学要素的学科，如数学、医学、考古学和人类学都被排除了，以保证本书的篇幅适中。同样由于篇幅有限，一些在建筑、工程、技术或发明方面颇有建树的科学思想者，如克里斯托弗·雷恩、詹姆斯·瓦特和托马斯·爱迪生等，也被忽略了。
在本书的每个章节中，科学家的生平都和他们的科学成就交织在一起。尽管科学方法具有所谓的客观性，但科学的进步始终是一个个个性鲜明的人物所驱动的。伟大科学家的传记（以及自传）中常常会阐述他们的动机，有时会提供他们为何能取得突破性科学进展的蛛丝马迹。谁能抵抗阿基米得的那些趣闻轶事，尤其是国王的金冠和满溢的浴缸，抑或牛顿受苹果掉落启发，发现万有引力定律？爱因斯坦曾自述在青少年时期便构思了追逐光的思想实验，而詹姆斯·沃森则在《双螺旋》一书中对DNA结构的发现过程进行了绘声绘色的描述——尽管这本书一开始就受到沃森的合作者弗朗西斯·克里克的批评，认为他在科学研究中掺杂太多的个人色彩，但克里克也得承认这本书所言非虚。
除了对科学的热爱之外，本书所选择的这40多位科学家是否具有共同点？他们的民族、家庭背景、所受到的教育和培训、性格、宗教信仰、工作方法和他们所处的环境可谓天差地别。但至少在一个方面，这些科学家看起来是相似的：这些人对待科学研究永远乐此不疲、孜孜不倦，而且著作等身。法国数学家、理论物理学家、工程师和科学哲学家亨利·庞加莱（对爱因斯坦的狭义相对论具有很大的影响）发表了500篇论文，出版了30本书；爱因斯坦发表了240种著述；西格蒙德·弗洛伊德的著述有330种。正如达尔文晚年时对儿子所说的那样：“我昨晚一直在思考是什么让一个人成为未被发现事物的发现者？这是一个最令人困惑的问题。许多非常聪明的人——比那些发现者更聪明 ——却从来没有发现任何东西。据我所知，发现的艺术在于习惯性地寻找一切事物发生的原因或意义。这意味着发现需要进行敏锐的观察，并需要尽可能地积累关于研究对象的各种知识。”当被问及如何发现万有引力定律时，牛顿的回答更简单：“不停地思考。”想必本书所提到的科学家都会心有戚戚焉。
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