主题：自牛顿以来的科学家 -- foundera

第16章 保守型科学家与革命型科学家

　　科学家为了完成自己的任务，必须要受到一系列复杂的思想上和操作上的约束，但是如果他要出名，他又有天才也有运气能够出名，最终却又依赖于他能否放弃这一套约束，转而支持自己的新发明。十分常见的是，一个成功的科学家必然同时显示维护传统和反对偶像崇拜者两方面的性格。　　――库恩《必要的张力》

　　我们常用极端的二分法来描述一个政治家对待革命的态度：保守或是革命、左倾或者右倾、守旧或者创新、鹰派或者鸽派，同样我们也可以用这些词汇来描述科学家。

　　革命是针对传统而言的，是对传统的反叛和变革。传统则是指被大多数接受的思想、观念、体制、制度、标准、规范、方式、方法等的集合。一项革命就是一种正在成长中的新传统取代阻碍现实发展的旧传统的过程或者活动。取代并不意味着全盘否定，而是辩证地继承和扬弃。新的传统中既包含着旧传统中已有的有效的因素，又包含着旧传统中没有的创新的内容。由此可见，革命由两个标志，一是新传统的出现，它意味着革命的开始和潜在的动力；二是新传统的替代，它意味着革命的完成。把革命的这个概念应用到政治、军事、经济、科学、技术等领域，就形成了政治革命、军事革命、经济革命、科学革命、技术革命等概念。

1、科学进步的模式与科学革命

　　为了揭示科学革命的规律，许多科学史学家、科学哲学家都进行了研究。

　　奥地利科学哲学家波普尔在《科学发现的逻辑》中指出，科学发展是通过试错法，不断排除被证伪的假设，而接近真理的。他认为，科学假说先于科学发现，科学猜测先于科学证实，一个理论、一个假说的被证伪，就是一种科学进步。

　　匈牙利科学哲学家拉卡托斯提出科学进步实质上是研究纲领的更叠。研究纲领有3个要素：一个由基本假设构成的理论的“硬核”；辅助性说明构成的对硬核的保护带；由基本理论演绎和发展的一系列理论。进步的研究纲领代替退化的研究纲领就是科学革命。

　　美国科学哲学家库恩在《科学革命的结构》一书中，则提出了所谓“范式变革”的科学革命观。尽管库恩的范式概念因模糊不清而倍受攻击，但实际上范式既包括一些早已为人们接受的基本概念、术语，也包括公认的科学成就、科学习惯和科学传统，还包括一些教科书、经典著作、实验工具、观察仪器等。库恩把科学的进步看成是革命变动和平静发展的波浪式前进的过程。他认为科学体系发展的模式是：前科学―常规科学 - 反常和危机 -科学革命― 新的常规科学 ……。在这个模式中，当一套陈旧的范式全部或局部地被一套新的不兼容的范式所取代时，就发生科学革命。

　　美国科学哲学家劳丹提出了研究传统的概念。一个研究传统是一个研究领域中的实体和过程以及该领域中用来研究问题和构成理论的合适的一组总的假定。劳丹认为科学革命发生在一个迄今在某一领域的科学家来说就是未知的或为他们所忽视的研究传统发展到了这样一种程度之时，此时该领域的科学家感到必须将它作为自己以方的或对方的一个研究纲领而加以认真对待。

　　美国科学史学家科恩也对近代科学革命作了非常详细的论述[1]。科恩认为科学革命要经过四个阶段。首先是“思想革命”或“自身中的革命”，该阶段是某一个科学家（或一个科学家小组）提出了一组改变改变现有知识特性的理论或者概念，以便解决某些重要问题。第二阶段是科学家通过文字形式写出研究纲领，支持对自己提出的新的方法、理论的信仰。前两个阶段都是私下进行的。第三阶段是把科学思想传播给朋友、同事、同行以至整个科学界，这一阶段可以称为是“论著中的革命”，因为这个新思想以科学论文或者专著为载体开始在科学共同体成员中广泛地流传。一个新的发现或者思想再者最初三个阶段的任何一个阶段都可能会失败。第四个阶段就是科学革命，科学思想被科学界接受，不过这个被接受的思想与最初的提倡者的思想已经发生了很大的变化，只保留了少量核心的概念或原理。

　　科恩还给出了鉴别科学革命发生与否的4个证据。第一个是当时的目击者的证明。对革命起主要作用的科学家确信自己的工作会引起一场革命。第二个是对据说曾经发生过革命的那个学科以后的一些文献进行考察对比。第三个是有相当水平的历史学家尤其是科学史学家和哲学史学家们的判断。第四个是这个领域从事研究的科学家们的总的看法。

　　由于人们对科学革命的定义、发生有不同的认识，对科学革命的时间和内容的划分也有所不同。有按学科领域代表性的科学家名字的，如哥白尼的天文学革命、牛顿的力学革命、拉瓦锡的氧化说革命、道尔顿的原子论革命、达尔文的进化论革命、爱因斯坦的相对论革命，等等。无疑，这里提到的哥白尼、牛顿、拉瓦锡、道尔顿、达尔文、爱因斯坦等科学家都是革命型科学家。也有按时间划分科学革命的，如哥白尼提出日心说是近代科学革命的起点，牛顿力学体系的形成则标志着近代科学革命的完成和结束；普朗克量子概念的提出是现代科学革命的起点，量子理论的建立则是现代科学革命成熟的标志。

2、革命型科学家与保守型科学家

　　我们简单地根据一个科学家在科学传统出现反常和危机的时候，表现出的态度是积极的还是消极的来区分一个科学家是革命型的还是保守型的；或者说，革命型科学家或者自己提出新的发现、新的理论或者在新理论形成过程中提供各种支持；而保守型对新理论百般责难，力图通过对旧理论的修修补补来解决各种新问题。

　　科学革命是有层次的和级别的。有的科学革命能够超越自身的学科领域，对其他学科甚至资格自然科学领域的知识基础和思维方式发生影响，如哥白尼的天文学革命、达尔文的进化论革命；有的科学革命只涉及到该学科领域，如拉瓦锡的化学革命、莱伊尔的地质学革命等；有的只涉及到学科领域的一个分支。因此，革命型科学家和保守型科学家也在不同的层次和级别发生冲突。

　　在科学发展历程中，一个新的科学发现或者新的假设，必然对原有的科学理论有所突破，这就形成了与传统相冲突的局面。因此，受到传统观念束缚较深的科学家，常常会阻碍那些具有时代超前性的科学成果的发现和承认，有时甚至鼓励地阻挠这些新思想的传播。任何一个科学家对放弃业已接受并据之推进其专业工作的那组观念，都会有一种自然的抵触情绪。因为维持现状对每位取得了成功的科学家来说在思想方面、社会方面甚至在经济方面都有好处。因此，年老的科学家已经接受和熟悉了传统的科学知识，较容易成为保守者；而年轻的科学家更具有独创精神，较容易成为革命者。

　　学术权威具有发言权，他们在同行评议中占有绝对的地位，因此他们容易对自己业已接受的知识充满自信。权威科学家的这种自信发展到盲目的程度，就会对所有来自他人的新成果表现出蔑视的态度。他们往往对名不见经传的小人物不予理睬。一个科学家在一定时期的地位越高，他就越容易产生盲目的自信，就越容易对那些不知名的科学家的科学发现产生反感。因此，权威的科学家较容易成为保守者，而没有知名度的科学家越容易成为革命者。当然，权威也是逐渐形成的，他们在不知名的时候往往都是革命者，在变成权威之后就成了保守者。

　　每一个科学家都受到自己的知识结构的限制，一个原因是知识的专业化程度越变越高，每一个科学家只能在一个相对比较狭窄的领域里有所了解，而在另外的领域则往往一无所知，另外一个原因是科学家的工作总是在一定的社会历史条件下进行的，对新的科学现象和科学家有一个认识的过程。在这个过程之中，率先承认新发现的科学家可以称之为是革命的，在心发现得到普遍承认后仍然反对新科学的科学家则可以称之为是保守的。

　　人们往往夸大地批评那些对新发现进行抵制的保守科学家。这里不排除权威思想和传统思维方法和固有知识结构的限制，但更多地是科学家的怀疑精神的结果。科学家出于对科学评价所应有的谨慎，来源于科学家的怀疑精神。科学精神要求科学家怀疑一切。对于科学知识，无论是新的还是旧的，都应该持续地检查可能的事实错误或者论证的矛盾。

　　科学家的怀疑精神已经成为制度化，要求全体科学家有严密的智力训练和严格的批评标准，在交流和研究经费申请的同行评议中，在科学会议的非正式的讨论的传统中，在所有其它的对发现结果的鉴定过程中，都要变表现出应有的怀疑精神。从这个意义上讲，科学家的保守是正常的和合理的，是怀疑精神的体现，是使科学结构大厦趋于牢固可靠的必经之路。

3、道尔顿：荣誉与保守同步

　　道尔顿既具有敏锐的理论思维头脑，又具有卓越的实验才能，尤其是在对原子的研究方面取得了非凡的成果，是近代化学的奠基人之一。

　　1803年10月，道尔顿报告了他的化学原子论，其基本要点是：①原子是组成化学元素的、非常微小的、不可在分割的物质微粒。在化学反应中原子保持其本来的性质。②同一种元素的所有原子的质量以及其他性质完全相同。不同元素的原子具有不同的质量以及其他性质。原子的质量是每一种元素的原子的最根本特征。③有简单数值比的元素的原子结合时，原子之间就发生化学反应而生成化合物。化合物的原子称为复杂原子。④一种元素的原子与另一种元素的原子化合时，他们之间成简单的数值比。

　　在科学理论上，道尔顿的原子论是继拉瓦锡的氧化学说之后理论化学的又一次重大进步，他揭示出了一切化学现象的本质都是原子运动，明确了化学的研究对象，对化学真正成为一门学科具有重要意义，此后，化学及其相关学科得到了蓬勃发展；在哲学思想上，原子论揭示了化学反应现象与本质的关系，继天体演化学说诞生以后，又一次冲击了当时僵化的自然观，为科学方法论的发展、辩证自然观的形成以及整个哲学认识论的发展具有重要意义。

　　原子论建立以后，道尔顿名震英国乃至整个欧洲，各种荣誉纷至沓来。1816年，道尔顿被选为法国科学院院士；1817年，道尔顿被选为曼彻斯特文学哲学会会长；1826年，英国政府授予他金质科学勋章；1820年，道尔顿被选为英国皇家学会会员；此后，他又相继被选为柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员等。在荣誉面前，道尔顿开始还是冷静的、谦虚的，但是后来荣誉越来越高，他逐渐改变了，变得骄傲、保守，最终走向了思想僵化、固步自封。

　　1808年，法国化学家吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac，1778～1850）在原子论的影响下发现了气体反应的体积定律，实际上这一定律也是对道尔顿的原子论的一次论证，后来也得到了其他科学家的证实并应用于测量气体元素的原子量。但是吕萨克定律却遭到了道尔顿本人的拒绝和反对，他不仅怀疑吕萨克的实验基础和理论分析，还对他进行了严厉的抨击。1811年，意大利物理学家阿佛加德罗建立了分子论，使道尔顿的原子论与吕萨克定律在新的理论基础上统一起来。他也遭到了道尔顿无情的反驳。1813年，瑞典化学家贝采里乌斯创立了用字母表示元素的新方法，这种易写易记的新方法被大多数科学家接受，而道尔顿一直到死都是新元素符号的反对派。

4、开尔文：两朵乌云的预测

　　原名威廉?汤姆逊的开尔文是一位极为成功的科学家，年轻时锐意创新，思想极为活跃。他在格拉斯哥大学创建了第一所现代物理实验室；24岁时发表一部热力学专著，建立温度的“绝对热力学温标”；27岁时发表《热力学理论》一书，建立热力学第二定律，使其成为物理学基本定律；与焦耳共同发现气体扩散时的焦耳－汤姆逊效应；历经9年建立欧美之间永久大西洋海底电缆，由此获得“开尔文勋爵”的贵族称号。他一生发表学术论文600多篇，获得专利70种，足以证明他的成功。然而，步入晚年的开尔文，以一般人所固有的保守，在英国皇家学会宣称经典的物理学大厦已经建成。也就是说，不会再有新的物理理论产生了。事实上，他自己也看到有“两朵乌云”遮蔽物理学研究。他所说的第一朵乌云，导致相对论的产生；他所说的第二朵乌云，导致了量子论的出现。这“两朵乌云”恰恰是世纪之交物理学革命的导火线，发展起了全新的物理学理论。

　　开尔文在物理研究中的成就是显而易见的，但他两次面临重大发现，却没有获得成功，不能不说是个遗憾。1845年，21岁的开尔文，在一次学术会议上不畏权势，发表他用数学公式表示法拉第的磁力线的见解，得到英国物理学家法拉第的鼓励。第二年，开尔文利用“力的活动影象法”表示电力、磁力与电流。正当他已经接近电磁理论边缘时，他却踌躇不前，在焦耳引导下去研究热力学。1853年，开尔文在热力学研究取得辉煌成就之时，又转而研究电磁学，发表著名论文《瞬间电流》，当他尚未弄清振荡电流是怎样把电磁振荡传播出去时，他又踌躇不前，把精力转移到长距离电缆传递电报的理论问题上。后来，电磁场理论由麦克斯韦建立，电磁波由赫兹发现。后来人们研究他与真理失之交臂的原因，有以下几点：一是固守经典物理学已成大厦的成规，在这种思想指导下，当他到达真理的边缘的时候，却放弃了真理的发现；二是开尔文早年得志，却很少阅读他人著作，不善于吸取他人之长；三是具有工程师气质，对应用工程感兴趣，但缺乏理论物理学家直觉，缺乏发现真理的洞察力。

5、普朗克：不情愿的革命者

　　普朗克，1858年出生于德国。他终生从事热力学研究，最大科研成果是提出了量子假说。

　　普朗克很早就投入了对黑体辐射的探索，在用经典物理理论无论如何都解释不了探索结果的情况下，他对经典物理理论进行了否定，提出崭新的量子假说新概念，并据之得出了公式，把辐射能量与辐射光谱统一了起来，解决了黑体辐射问题。普朗克的量子假说认为，辐射是由一分分的能量组成的。就象物质是由一个个原子组成的一样。辐射中的一份能量即是一个量子。量子的能量大小取决于辐射的波长，波长越短，能量越大；波长越长，能量越小。换句话说，就是量子的能量与波长成反比，与频率成正比。所谓量子，来自拉丁文“分立的部分”或“数量”一词。光正是一个个量子的连续发射，但由于人的眼睛有视觉暂留现象，所以看不到一个个分离的量子，而看到的是一道道光线。从而，为新物理学的产生奠定了第一块基石。

　　量子假说是物理学进入新的发展阶段的标志，它在经典物理学的宏大体系中打开了第一个缺口，为现代物理学基本理论的建立奠定了新的基础。因此，光量子的提出本身是一个革命性的行动，从这个意义上讲，普朗克无疑是量子力学发展史上第一个革命者。但是，受过严格经典物理学训练的普朗克，看到自己为形势所迫，不得不提出的量子假说造成的对经典物理学理论的“破坏”，心中有说不出的难过，从而限制了他进一步超越经典物理学论的界限，建立起崭新的物理学理论的研究。相反，他对经典物理学理论极其深厚的思想感情，使他开始了试图取消量子假说，或者使量子假说纳入经典物理理论的奋斗。

　　普朗克的这一奋斗造成了必然的失败。他从1901～1914年的15年间，两次修改了原来的理论，企图使之纳入经典物理学理论。1911年，他提出第二个理论，对量子假说作了部分修改，即认为它只在发射时是不连续的，而吸收时却仍然是连续的。1914年，他又提出了第三个理论，不管是发射或是吸收，一律都是连续的，全面修改了量子假说，但这一理论在1915年终因未得到人们的支持而被放弃。在这15年中，普朗克在量子理论的知识宝库中，再也没有加进任何值得称道的东西。

　　普朗克在晚年终于看到了自己的徒劳，他不得不承认“为了设法使基本作用量子适合于古典理论，我徒劳地进行了许多年的工作，耗费了很大精力，结果是枉费心血。现在我认识到，基本作用量子在物理学理论中所起的作用，比我受到的怀疑要重要得多。”

　　普朗克尽管是新理论的开拓者，但他在刚刚提出量子假说后便又缩了回去，没有能够在这一假说的基础上，建立起崭新的微观物理学理论量子力学的大厦，把已经得到的东西失掉了。就在普朗克修正他的量子假说之时，德国物理学家爱因斯坦大胆革命，继续为量子理论的发展开拓道路，不仅证实了量子的存在，并在普朗克量子假说基础上，为建起量子力学大厦做出了进一步的努力。

　　普朗克是一位老派的学者。他为人正直高尚、奉公守法、谦虚谨慎，从来不愿意炫耀自己。他自称没有特殊的天才，不能同时处理许多不同的问题。在学术工作中，他主张尽可能地谨慎，不到万不得已不愿意打破传统的“框框”。他把自己的量子假说称为“孤注一掷”的办法。就是说，只是在实验事实的逼迫下，他才终于“上了梁山”。因此，人们常说他是一个“不情愿的革命者”。

6、密立根：科学与政治同样保守

　　密立根的传记作者认为“密立根是变革世界中的保守分子，如果我们将科学家的革命者定义为努力探索、重估并最终摧毁正统学说根基的人，那么保守分子就是那些尽可能保护现有传统的人。密立根就是这样一个科学家，一个身处不断流动、迅速变迁的环境中的保守的物理学家。他总是力图通过有条不紊的程序与精确测量去实现他认为的物理学的进步。”

　　密立根是美国物理学家。1868年3月22日生于伊利诺伊州的莫里森，1887年进入奥伯林大学， 1895年获得哥伦比亚大学博士学位。他后留学欧洲，听过彭加勒（H.Poincare,1854-1912）、普朗克等的讲课。1896年～1921年任教于芝加哥大学，先后担任物理学的助理教授、副教授和教授。1921年应聘到加利福尼亚理工学院担任物理实验室主任并主持学院的行政委员会，一直工作到40年代。1916年他还兼任国家研究委员会主席，1928年兼任美国科学促进学会会长。

　　密立根最著名的实验成就是用在电场和重力场中的运动的带电油滴精确地测定了基本电荷e。从1919年到1917年他对电荷的测量越来越精确：

　　1910年：e = 4.891×10-10静电单位。

　　1913年：e = 4.774（±0.009）×10-10静电单位。

　　1917年：e = 4.774（±0.005）×10-10静电单位。

　　1916年，他的实验结果完全肯定了爱因斯坦的光电效应方程，并且从图像中测出当时最好的普朗克常数h的值。

　　密立根对电荷测量和光电效应的研究使他获得了诺贝尔奖，但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。密立根反对光量子的假设是因为它违背了人们关于光的干涉现象的全部知识和波动理论的实验基础。尽管他的实验已经验证了爱因斯坦的公式，他仍然认为这个公式依据的物理学理论被证明完全站不住脚的。

　　密立根不仅在科学上表现为保守性，他在生活的各个方面都表现为保守性。政治上、社会观上与审美观上他都倾向于传统主义者。他是共和党的坚定拥护者，因为他认为共和党具有渐进性与文明的一切特征；在艺术和建筑上他对现代艺术表现出的“彻头彻尾的病态”颇有微词。

　　密立根对科学的其他贡献还包括对X射线的研究，他从事电子在强电场作用下逸出金属表面的实验研究、以及一些金属的X射线研究，发现了近1000条谱线，波长直到13.66nm，从而有助于把X射线谱和光学光谱连接起来；对宇宙射线的研究，密立根在宇宙线方面也做过研究，积累了大量的不同高度不同地区的实验数据，发现了宇宙线的纬度效应的大小与经度有关；纠正了早期有人认为宇宙线是由光子组成的观点。

　　密立根对美国的物理教育事业也做出了贡献。1921年起，密立根任教于加利福尼亚理工学院。由于他的努力，终于使该校成为世界上最著名的科学中心之一。

7、泡利：上帝之鞭

　　泡利是20世纪杰出的理论物理学家之一，对量子力学、量子动力学、相对论、基本粒子物理都有重要的贡献。他发现了描述电子能量状态的泡利不相容原理，提出了中微子假设，因此获得了1945年诺贝尔物理学奖。

　　艾伦菲斯特（Ehrenfest）给泡利起了个绰号“上帝之鞭”，它形象地刻划出泡利作为旧量子理论最严厉的批评家的地位。在20年代初期，泡里完成了量子理论的某些最困难问题的批判性分析，在要求旧概念的一种全盘的、革命性的变化，谁也不像泡利那样激进，无论是海森堡、德布罗意或者薛定谔都比不上它。这种批判和激进的态度更多地表现在与玻恩的口头谈话中和与友人的通信中，因为在那种场合可以不用外交辞令，可以直截了当地表达思想。泡利比其他人更清楚地了解陷入量子危机的困难的深度，从而竭力阻止人们对旧量子理论修修补补的解决办法。泡利也有自己的弱点，破的多，立的少。泡利自己说过：“我在年轻的时候，觉得我是一个革命者。我当时觉得，物理里有重大的难题来的时候，我会解决这些难题的。后来，重大的问题来了，却被别人解决了。”由于泡利较少地看到他人观点中的优点，较多地注意他人观点中的缺点，因此他有个口头禅，每次发言他总要说“我不能同意你的观点”。他似乎跟别人不相容，对此有人戏称为“泡利的第二不相容原理”。

　　1957年，吴健雄与她的合作者验证了杨振宁和李政道提出的宇称不守恒，对于这个实验泡利当初坚决认为不会得到预期的结果，他不相信上帝是一个无能的左撇子。后来听到实验已经做出后，泡利几乎休克。

8、爱因斯坦：是保守问题还是哲学问题

　　没有人会否认早期的爱因斯坦是科学家的革命者。他提出的狭义相对论和广义相对论是对牛顿古典力学的革命性颠覆；他对光电效应的研究给量子力学打下了坚实的基础。但是人们对晚年的爱因斯坦的评价则不尽相同。

　　对量子力学的代表人物提出的统计规律和统计因果关系（海森堡的测不准原理、玻尔的互补原理和玻恩的波函数的几率解释），爱因斯坦不认为是完善的、独立的理论。他认为采取统计规律的必要性是暂时的现象，是一时被迫采取的措施。

　　在1927年和1930年两次索尔威大会上，爱因斯坦和玻尔就量子力学的解释问题产生过激烈的争论，但爱因斯坦的论证既没有说服玻尔，也没有说服更年轻的物理学家们。后来爱因斯坦部分地接受了对波函数的统计解释，但他不再坚持认为统计解释是错误的，但他认为统计解释是不完备的。1935年5月，爱因斯坦同波多尔斯基和罗森一起发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》一文，即著名的“EPR悖论”，再次对量子力学进行责难。

　　也许，爱因斯坦的深刻批评和严格检验的精神，推动了量子理论的进一步探讨，他对哥本哈根学派的实证主义倾向所进行的批评也不是无的放矢。但是，他把规律的统计性质排斥在基本理论之外是不正确的。由于他没有完全摆脱机械论的影响，对量子力学怀有明显的偏见，使他后来在某种程度上脱离了当时量子理论发展的主流。

注：

　　1、科恩，科学中的革命，商务印书馆，1998年。