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希腊化时代科学与技术之间的互动
2017-1-5 4:27:00           作者: 知识分子

  导言:

   科学与技术之间的关系是一个广受关注的问题,一般认为这是两个传统,直到19世纪才开始发生紧密联系。但历史绝非如此简单。我们今天推送的文章主要通过对阿基米德的数学与力学工作、安提凯希拉装置的设计与制造,以及人体生理学的兴起这三大案例的考察来说明,希腊化时代科学与技术之间存在密切的互动。作为这一互动的结果,在传统的理论研究与应用研究之间出现了新型的应用性理论研究,突出表现为机械力学的发展,后者在一定程度上已成为希腊化时代理解自然并指导技艺的“实验哲学体系”。

  撰稿 | 郝刘祥(中国科学院大学人文学院教授)

  责编 | 伊默、杨仪

  ●●●

  科学与技术之间的关联,向来是科学史上一个迷人的话题。技术活动系统接受科学理论的指导,只是近两个世纪才发生的事实。像19世纪的电力和化工技术,以及20世纪的信息和生物技术,都离不开电磁学、化学、量子物理学和分子生物学的发展。而在此之前,技术实践很大程度上是独立于科学探索的。18世纪中叶至19世纪初叶的工业革命,其核心技术,钢铁、煤炭和蒸汽机,主要是人们在实践活动中摸索出来的;蒸汽机的改进,也只是间接受到当时关于气体和热学研究的影响。大体说来,在19世纪以前,科学和技术仍然是两大独立的传统 [路甬祥 2001,页17-24]。

  希腊化时代科学与技术之间的互动

  ►图1 漫画:原始人中的科学家悲哀地认为:“我想科学与技术之间的鸿沟将永世长存。”(源自:http://lff.webgrupos.com.br)

  尽管如此,在近代早期的科学革命时代,已有大量迹象表明,科学与技术只要联起手来,就能彼此获益。关于这一点,只要看看17世纪科学仪器诸如望远镜、显微镜、气压计、空气泵、起电机、温度计的发明就够了。依靠望远镜,伽利略发现了月球上的环形山、木星卫星和太阳黑子,从而颠覆了亚里士多德关于月上界完美无缺的概念;依靠显微镜,马尔比基(M. Malpighi)和列文虎克(A. von Leeuwenhoek)发现了连接动脉血和静脉血的毛细血管网;空气泵等其他工具的发明,则迎来了气体力学、热学、化学、电学、光学等实验学科的发展,并预示着科学指导技术时代的来临。

  科学革命时代是科学与技术的互动已现端倪的时代,不过这在人类文明史上并非没有先例,其中最突出的就是希腊化时代。这一点其实并不奇怪。科学革命的核心性成就,要么是推翻希腊化时代的科学理论,包括行星天文学的本轮-均轮体系和人体解剖学中的血液运行模式,要么是复兴或拓展希腊化时代的科学理论,比如阿里斯塔克的日心体系和阿基米德的静力学理论。希腊化时代的科学是希腊科学发展的高峰,希腊科学能达到这个高度,自然离不开其强大的技术传统。科学是用理性和经验的手段来认识世界,而技术则是我们感官和肢体的延伸。

  本文的目标,并非系统罗列希腊化时代科学和技术的各项成就,而是想用若干突出的实例来表明:在希腊化时代,科学和技术之间的联系远远超出了人们预想的程度。在我们的印象中,似乎希腊科学更贴近哲学传统,而非技术传统。这里我想表明,希腊化时代的科学是介于哲学和技术之间的一项独特的人类活动,它更多地是从技术活动中汲取营养。希腊化时代科学与技术的互动,突出表现为应用性理论研究特别是机械力学(mechanics)和人体生理学的兴起。希腊化时代的机械力学涵盖纯粹与应用力学,前者探讨物体的运动与平衡,后者包括各种机械制造的技艺。在某种程度上,机械力学已成为希腊化时代理解自然并指导技艺的“实验哲学体系”。

  1 断代史概述

  所谓希腊化时代,一般是指从亚历山大大帝之死(323 BC)到罗马帝国崛起(30 BC)这一时段,时间跨度约三个世纪;希腊化文明的地域范围主要包括希腊、马其顿、小亚细亚、叙利亚和埃及等地中海沿岸区域。希腊化时代是希腊科学离开本土而向地中海周边传播,并在亚历山大里亚、叙拉古、帕加蒙、安条克等城市落户的时代。

  亚历山大里亚是希腊化文明的中心,自然也是希腊化科学与技术的中心。亚历山大里亚的科学活动,主要依托图书馆(Library)和缪斯学园(Museum)两大机构,前者大约建于托勒密一世在位期间(304 BC – 285 BC),后者一般认为是公元前280年前后托勒密二世即位初期所建。缪斯学园是一个以亚里士多德的卢克昂学园为蓝本的科研和教学机构,筹建者乃亚里士多德的弟子斯特拉图(Strato of Lampsacus, 290 BC——指其活跃年代,下同)。与卢克昂相比,缪斯学园主要是一个研究而非教学机构,学园内设有天文台、动物园、植物园和解剖室;缪斯学园的学者享有国家薪俸,不用依靠教学来维持生计。该学园维持了六个多世纪,不过全盛时期则是其建立最初的一个多世纪。

  希腊化时代科学与技术之间的互动

  ►图2 后人想象的亚历山大里亚图书馆全景及内部复原图(源自:http://io9.gizmodo.com/the-great-library-at-alexandria-was-destroyed-by-budget-1442659066)

  公元前3世纪,几乎当时所有的重要科学家都与这座学园结下了不解之缘。简要提一下他们的名字或许是必要的:欧几里得(Euclid, c. 300 BC),《几何原本》的撰写者;阿里斯塔克(Aristarchus of Samos, c. 275 BC),日心说的建立者、日地月相对大小和相对距离的测量者;克特西比乌(Ctesibius of Alexandria, c. 270 BC),压力泵、机械水钟等众多机械的发明者;希罗菲洛斯(Herophilus of Chalcedon, c. 270 BC),人体解剖学之父;埃拉希斯特拉塔(Erasistratus of Ceos, c. 260 BC),人体生理学之父;阿基米德(Arichmedes of Syracuse, 287-212 BC),古代伟大的数学家、力学家和发明家;埃拉托色尼(Eratosthenes of Cyrene, c. 225 BC),地球周长测量者;阿波罗尼(Apollonius of Perga, c. 210 BC),圆锥曲线研究者和行星运动的本轮-均轮模型的创立者;菲罗(Philo of Byzantium, c. 200 BC),机械发明家。透过这份名单,我们可以看出,希腊化时代的科学和技术都达到了前所未有的高度。

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  ►图3 学者们在亚历山大里亚图书馆研读场景(虚拟场景,源自http://io9.gizmodo.com/the-great-library-at-alexandria-was-destroyed-by-budget-1442659066)

  公元前2世纪,希腊化科学面临着不确定的命运。伴随着罗马的扩张,希腊化文明的中心城市相继陷落:公元前212年,罗马占领了叙拉古;公元前146年,罗马摧毁了迦太基;公元前133年,帕加蒙王国并入罗马。罗马人虽然不像后来的基督徒那样敌视科学,但他们对科学并无热情。与此同时,埃及的托勒密王朝也越来越埃及化,以致当时最伟大的天文学家希帕克(Hippachus of Nicaea, c. 135 BC)及其弟子波希多尼(Posidonius of Apamea, c. 80 BC)都不得不避居罗德斯岛。公元前86年,罗马执政官苏拉洗劫了雅典;公元前31 年,屋大维在亚克兴角(Actium)击败安东尼和克里奥帕特拉,希腊化时代宣告结束,地中海成了罗马的内湖。在罗马帝国早期(30 BC – 285 AD),昔日这些希腊化科学的中心基本上失去了创造力,不过总体上还能维持一个高水准的理解和鉴赏力。公元2世纪,托勒密(Ptolemy of Alexandria, c. 150 AD)和盖伦(Galen of Pergamum, c. 180 AD)分别总结了希腊化时代天文学和医学的成果,成为希腊化科学成就的集大成者。

  希腊化时代科学与技术之间的互动

  ►图4 亚历山大里亚的陷落(源自:http://io9.gizmodo.com/the-great-library-at-alexandria-was-destroyed-by-budget-1442659066)

  今天我们提起希腊化科学家,一般都会想起阿基米德、托勒密和盖伦这三个人。不过,与阿基米德相比,后两者的形象要黯淡得多。在今日的中小学教科书中,阿基米德的成就仍然占据相当大的篇幅,但托勒密和盖伦的理论早已成了古董。现代科学的诞生,在很大程度上得益于用阿基米德的方法来推翻托勒密的天文学体系和盖伦的血液运行模式。再者,托勒密和盖伦很大程度上是知识的综述者而非原创者。盖伦的人体解剖学,主要是继承希罗菲洛斯和埃拉西斯特拉塔的解剖学成果;托勒密的天文学,主要是继承阿波罗尼和希帕克的本轮-均轮体系。下面,我将通过阿基米德的数学与力学成就、阿波罗尼-希帕克的行星运动模型,以及希罗菲洛斯和埃拉西斯特拉塔的人体解剖学来说明:希腊化时代的科学与技术之间存在着紧密联系,并且其程度与近代早期相比一点也不逊色。

  2 伟大的阿基米德

  在科学史上,阿基米德不仅可与伽利略和牛顿比肩,更是伽利略和牛顿的先驱和导师。阿基米德的贡献,大家都耳熟能详。在数学上,他用穷竭法求出了多种曲边图形的面积和曲面立体的体积,前者如圆、抛物弓形、球面和螺线相邻两圈之间面积,后者如圆柱、球缺、三角锥、旋转抛物面、旋转双曲面和旋转椭球面的体积;在机械力学上,他发明了水力推动的行星仪、螺旋提水器、大型起重机、巨型投石器和操纵船体下水的滑车,甚至传说他曾利用抛物镜聚焦原理烧毁了入侵的罗马战舰;与此同时,他还专注于重心和平衡问题,发现了杠杆原理和浮力定理,从而奠定了静力学的基础。在人类历史上,阿基米德是第一个将数学方法和技术手段结合起来以寻求物理学原理的科学家。

  希腊化时代科学与技术之间的互动

  ►图5 撬起地球的阿基米德(源自:http://prikol.pikmik.ru/en/view/normal/81468)

  阿基米德对工程的兴趣,显然与其在亚历山大里亚的求学经历相关。大约10岁左右,阿基米德就被送到这里学习,与亚历山大里亚工程学派的奠基人克特西比乌年龄相仿,后者可能出任过缪斯学园的主持人。克特西比乌的著作没有传承下来,但他的工作通过菲洛和希罗(Hero of Alexandria, c. 60 AD)而为人们所知:他改进了水钟,发明了水风琴,发现了空气的弹性并试图利用压缩空气来制造水枪甚至弩炮。阿基米德对机械的研究,无疑源自亚历山大里亚的工程研究传统。他所发明的螺旋提水器,就是为了帮助埃及居民解决提水浇地的困难。

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  ►图6 克特西比乌(源自:https://www.britannica.com/biography/Ctesibius-of-Alexandria)

  除实用机械外,阿基米德还发明了天文学测量所用的十字测角器和用水力推动的演示日月行星运行的天象仪。据传这台行星仪能够准确预报日月食,但我们不清楚这台行星仪的工作原理。当时行星运动的本轮-均轮模型尚未建立,合理的推断应该是基于地心的同心球运动模型。阿基米德在亚历山大里亚的求学岁月,正值阿里斯塔克科学生涯的鼎盛时期。阿里斯塔克的日心说,可以说是希腊化时代最有创见的天文学理论。日心体系是古希腊天文学从同心球体系到偏心轮体系的过渡环节,它是为解决同心球体系所面临的困难,特别是为解释行星亮度变化问题而发展起来的。不完整的日心说最初是柏拉图的弟子和友人蓬托斯的赫拉克利德(Heraclides of Pontus, c. 330 BC)提出来的,在他的模型中,地球自转,水星和金星绕日转动。而在阿里斯塔克的模型中,所有行星包括地球皆绕太阳公转,同时地球还绕轴自转。我们不清楚阿基米德是否赞同日心体系,但他是这一理论的最早记录者。在《数沙者》(The Sand Reckoner)这部著作中,阿基米德写道:

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