物理哲學和生物哲學的對抗

第十講 物理哲學和生物哲學的對抗

相對論革命

在上一講中，我們提到第二次科學革命始于18世紀后期的化學革命，它的兩大標志是：1. 近代西方科學的古典科學傳統和培根科學傳統融合，西方科學現代化；2. 科學和技術結合，形成“科技共進”的新關系。按照這兩條標準，第二次科學革命的結束時間似乎定在20世紀60年代為宜，那時候，生命科學和地球科學也都現代化了，并且在理論上和之前已經現代化的化學、物理學、天文學也都貫通在一起，從而實現了所有基礎自然科學的現代化和統合。

正如第一次科學革命從一開始就包括有由物理學的范式更迭引發的世界圖景的變革（也就是哲學變革）、以致新范式和舊范式出現了一定程度的“不可通約性”一樣，第二次科學革命也包含有物理學范式的更新和世界圖景的變革，而且更為驚人。只不過，這場世界圖景變革不是發生在革命的開頭，而是發生在革命的中間，具體來說是20世紀初。引發它的理論，就是大名鼎鼎的相對論（theory of relativity）。

在講述這場世界圖景變革之前，我們先要介紹一個如雷貫耳的名字——諾貝爾（Alfred B. Nobel, 1833–1896）。諾貝爾是瑞典商人，因為發明安全炸藥（把硝化甘油與硅藻土之類物質混合，使之安定性大為提高）而發了大財。諾貝爾又是一個具有崇高道德風尚的人，在遺囑中決定把自己的大部分遺產拿出來作為基金，設立文學獎、和平獎、物理獎、化學獎、生理學或醫學獎5個獎項，表彰在這幾個領域為全人類做出突出貢獻的在世者。1901年這5個諾貝爾獎開始頒發，其中的3個科學獎后來即成為相關學科的最高獎項。1969年，瑞典國家銀行又設立“紀念諾貝爾經濟學獎”，簡稱為諾貝爾經濟學獎，與另5個諾貝爾獎差不多同時頒發，這樣就形成了今天我們熟悉的6個諾貝爾獎。其中，諾貝爾物理獎開始頒發的時候，正好是物理學要發生大變革的時候。因此從一開始，物理獎就見證了物理學歷史上這段比牛頓革命更激動人心的偉大時刻。

當然，任何變革都不可能沒有因由。19世紀末，物理學理論實現了第一次大一統，但仍然沒有解決所有的問題。得意地說“物理大廈已經落成”的英國物理學家開爾文，在1900年4月27日向英國皇家學會所做的報告中，就說道：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了。”正是這兩朵“烏云”，分別引發了物理學的兩場新革命。

第一朵烏云是“以太”（ether）問題。以太本來是古希臘語詞，古希臘人用它來指澄凈的高空。高空很容易給人神秘的感覺，所以后來以太這個詞就被煉金家和各種神秘主義借去，用來指各種各樣的東西。比如煉金家就用它來指一種用酒精制備的、輕盈易揮發、極易燃燒爆炸的液體——乙醚（直到今天，ether還是醚這一類有機化合物的西文通稱）。

第一次科學革命以后，以太一詞又被科學征用，褪去了神秘主義的光環。在傳統的亞里士多德物理觀的影響下，笛卡爾不承認物體之間有超距作用，認為引力一定要靠某種看不見摸不著、彌漫在宇宙間各處的介質傳遞，他便把這種介質稱為“以太”。當然，牛頓物理觀是承認超距作用的，所以這種作為引力介質的“以太”后來就“下崗”了。然而，19世紀初光的本質被重新認為是一種波動之后，因為其他任何波都需要介質來傳遞，所以包括麥克斯韋在內的物理學家對于光能夠在真空中傳播的現象百思不得其解，不得不再次假想宇宙中還是有某種看不見摸不著、彌漫于各個角落的介質，是光的傳遞媒介。他們還是把這種東西叫做“以太”。但是，如果以太是一種物質，它到底有什么性質？它有重量嗎？為了能夠傳遞光波這樣一種橫波，以太必須是一種非常堅硬的物質，然而在以太海洋中運行的日月星辰卻一點也看不出運動受阻的跡象，這又是怎么回事？

更重要的是，既然以太是光傳播的媒介，那么它一定相對地球在運動，否則無法解釋天文學家早已發現的光行差現象。1881年開始，美國物理學家邁克爾遜（Albert A. Michelson, 1852–1931）設計了一個精密的實驗，試圖檢驗地球相對于以太的運動，結果毫無發現。1887年他與美國化學家莫雷（Edward Morley, 1838–1923）合作，以更高的精密重復了這個實驗，仍是一無所獲。到了這個時候，以太這個東西變得愈發神秘難測了。

在世紀之交的物理學家對邁克爾遜–莫雷的實驗結果百思不得其解的時候，也有一些人試圖從世界圖景中消除以太這個討厭的東西。1892年，荷蘭物理學家洛倫茲（Hendrik A. Lorentz, 1853–1928）提出了洛倫茲變換，使麥克斯韋方程在相對于以太運動和相對于以太靜止的兩種坐標系中均表現為同一形式，這樣一來，地球是不是在相對以太運動就無關緊要了。但是由此卻會得出一些詭異的推論，比如在運動方向上物體長度縮短，運動物體的質量會發生變化，其速度以真空光速為上限，等等。

1895年，法國數學家龐加萊（Jules Henry Poincaré, 1854–1912）以數學家的那種高度抽象的思維指出，物理學家執著于以太的存在，實際上是執著于一種絕對靜止的參照系的存在。但是如果換個思路，認為任何實驗手段都不能檢測到絕對靜止的參照系，只能檢測到物質之間的相對運動，那就可以完全拋棄以太這個概念了。這就是所謂“相對性原理”。然而，龐加萊的主職終歸不是物理學家，他雖然為物理學革命指明了新方向，但具體構建新世界圖景的工作還要有專人來做。這個人，就是愛因斯坦（Albert Einstein, 1879–1955）。

在俗常的概念中，愛因斯坦往往被當成一個雖然沒受過良好教育也非學界中人、但一出手就以一人之力顛覆了整個學界的奇俠，因而有很多人（特別是自認為提出了驚世駭俗的新理論卻不為學界承認的“民間科學家”）試圖用他的經歷來證明學界權威不足為據。事實根本不是這樣。的確，愛因斯坦中學曾經被勸退學，但那只是因為他偏科太嚴重，無法被正統的中等教育體系容納罷了。不要忘了，1896年愛因斯坦成功考取瑞士名校聯邦工業大學，因此他是受過嚴格的高等教育的。不過，愛因斯坦在大學里也還是自由散漫，對物理學非常著迷，數學卻落下了，以至于要靠好友格羅斯曼（Marcel Grossmann, 1878–1936）的筆記應付考試。

1900年愛因斯坦大學畢業后即失業，最窮迫的時候，要靠當家庭教師勉強糊口。后來，還是格羅斯曼出手幫忙解決了愛因斯坦的工作問題。格羅斯曼的父親有一位朋友是瑞士伯爾尼專利局局長，經過一番說情，愛因斯坦終于進入伯爾尼專利局，成為一名技術員，在那里一直工作到1908年。然而，還是不要忘了，愛因斯坦在此期間和學界交往甚多，并不是什么久隱不出的獨行俠，而他發表的論文也都是刊載在權威性學術期刊之上，接受了學界同行的評議。他，自始至終都是科學共同體中的一員。

雖然1666年并不是牛頓的“奇跡年”，但1905年卻的確是愛因斯坦的“奇跡年”。這一年，26歲的他在學術期刊《物理學年鑒》上連發5篇論文，其中有3篇都是劃時代的成就。第一篇是愛因斯坦用新興的量子物理學對光電效應做出的解釋，下面我們還會再介紹；第二篇是從數學上解釋了一種叫做“布朗運動”的熱學現象；第三篇是最有名的——這是愛因斯坦第一次正式提出相對論。

相對論的基本原理，我們很難在這樣一門課中用三言兩語講清楚，但是這并不代表我們不能把握其哲學本質（善于弄清楚一門新理論的性質，而不必非得弄清楚其具體細節，大概是今天這個知識爆炸的時代必須掌握的一門技能）。事實上，相對論是一個公理系統，在這個系統里面，物質的絕對運動不可觀測和真空光速不變是打頭的兩條公理，是不容置疑的。從這兩條公理出發，愛因斯坦先是破除了“同時性”的絕對概念——在一個參照系里是同時發生的事情，在運動狀況不同的另一個參照系里就可能不同時發生，進而導出了一系列匪夷所思的結論：真空光速（c）是運動的速度上限；在物體運動速度接近光速的時候，其沿運動方向的長度會明顯縮短（尺縮效應），時間會明顯變慢（鐘慢效應），質量會明顯增加。在這種情況下，三維空間和一維時間結合成了四維的時空（space-time）。不僅如此，質量（m）和能量（E）還有對應關系，這個對應關系就是著名的質–能方程：

E = mc^2.

上面這些理論，今天我們稱為狹義相對論（special relativity）。狹義相對論并不是一個完備的理論，因為它引發了一個有趣的悖論：假定有一對雙生子，其中一個一直待在地球上，另一個乘坐接近光速的宇宙飛船在太空中飛行，按照相對性原理，在地球上看來，宇宙飛船中的時間固然變慢了，但在宇宙飛船所在的參照系看來，地球也在以接近光速運動，因此變慢的反而是地球上的時間。那么，當這艘宇宙回到地球上時，這對雙生子里哪一個更老？這個“雙生子佯謬”在狹義相對論中是無法解決的。

然而，愛因斯坦再接再厲，在1916年提出了廣義相對論（general relativity）的最終形式。廣義相對論把加速度和質量考慮進來，提出了又一條公理：引力場等價于非慣性系，原則上人們無法區分一個物體正被加速，還是正處在引力場中，這就是等效原理。廣義相對論不僅解決了雙生子佯謬，而且讓物質、能量和時空建立了密切聯系，沒有脫離物質的時空存在，也沒有脫離時空的物質存在，這就徹底顛覆了牛頓體系的那種超然于物質之外的絕對時空概念，完成了一個與牛頓體系完全不同的新世界圖景的構造。

相對論是古典科學傳統造就的巔峰，它那簡潔、和諧、統一的理論，它那公理化的體系和嚴密的定量推導，無不實現了古典科學傳統的最高理想。但是，它又不是脫離實證的臆想。無論是狹義相對論和廣義相對論，在解釋了一些舊現象的同時，又提出了大量新預言，可以用觀測或實驗來檢驗。相對來說，廣義相對論的預言比較容易檢測，比如它預測恒星的光線會被太陽的引力所扭曲，這可以通過在日全食時觀測太陽附近恒星的位置變動來檢驗。1919年5月29日，南半球發生日全食，英國天文學家愛丁頓（Arthur S. Eddington, 1882–1944）派出了兩支隊伍前往觀測，果然觀察到了廣義相對論預言的光線偏轉現象。后來，隨著航空航天技術的發展，人類有了高速的飛行器，狹義相對論也得到了直接驗證。

第二次科學革命以來，科學家們逐漸形成了比較開放的思維，對于舊范式的堅持不再像哥白尼、伽利略時代的學者那么頑固，因此相對論很快就在學界普及開來。然而，比起牛頓物理學來，相對論離俗常物理觀更遠了，也就更難為一般人所理解和接受。即使在學界，也還是有不少人反對相對論（雖然他們的表面理由十分荒唐——因為愛因斯坦是猶太人）。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾獎時，受到表彰的也只是他在光電效應方面的研究，而不是相對論。

遺憾的是，愛因斯坦思想中的思辨性過強，這雖然讓他勇于突破物理學舊范式的束縛，卻又成了阻礙他獲得更大成就的新束縛。由于納粹分子的迫害，愛因斯坦在1931年被迫移民美國。此后他除了參加一些社會活動之外，就是潛心鉆研“統一場論”，試圖把引力和電磁力統一起來，但最后也沒有成功。愛因斯坦失敗的原因，一方面是因為這個研究過于困難，但另一方面也是因為他執意不接受量子物理學的哥本哈根解釋，未能把相對論和量子物理學結合起來，從而錯失了獲得統一場論的正確方向。1955年4月18日，愛因斯坦在普林斯頓的家中病逝，結束了他傳奇般的一生。

量子論革命

開爾文所說的第二朵“烏云”是所謂“紫外災難”問題。任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，就會發出電磁波輻射。為了研究這個現象，物理學家設想了一種叫“黑體”的理想物體，把它作為模型來研究熱輻射問題。1900年，英國物理學家瑞利（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842–1919）根據經典物理學理論推出了黑體輻射的能量分布公式。這個公式在長波部分和實際觀測結果比較吻合，但波長越短，偏離越大。特別是當波長趨近0時，輻射能量也趨近無窮大，這不僅與實際觀測不符，本身也是十分荒謬的。這就是“紫外災難”（“紫外”指的就是短波部分）。

同年，德國物理學家普朗克（Max K. Planck, 1858–1947）采用拼湊的方法得出了一個在長波和短波部分都和實驗相吻合的經驗公式。之后，普朗克發現，這個公式蘊含的物理意義在于，物體的輻射能不是連續變化的，而是以一定的整數倍跳躍式變化。普朗克把能量的最小不可分的單位稱為“量子”（quantum），在12月14日把這個假說報告給德國物理學會，量子論就這樣誕生了。

正如相對論推翻了牛頓的絕對時空觀一樣，量子論也推翻了物理學界幾百年來信奉的“自然界不做跳躍”的信條，因此遭到了學界的普遍反對。連普朗克本人都對自己的理論失去了信心，一度放棄了量子論，改而繼續從能量連續變化的原則出發研究黑體輻射問題。反倒是年輕的愛因斯坦熱情接受了這個新理論，用它解釋了光電效應。這里我們不詳述什么是光電效應，只指出兩點：第一，愛因斯坦提出了光量子的概念，認為光的能量也是量子化的，不是連續發放，而是一份一份發放。第二，他的理論還引發了光本質圖景的再一次變革，這一回，微粒說沒有再次取代波動說，而是和波動說結合了起來——光是一種既有粒子性又有波動性的物質，簡單來說，就是光具有波粒二象性（wave–particle duality），所以，光量子也可以表現為粒子性，我們可以把它稱為“光子”（photon）。這自然又是一個顛覆常識的理論。

量子論的下一步發展，則和原子、亞原子物理學研究的興起相關。在19世紀后期，有幾個重要科學進展為原子物理學的創立做了鋪墊。俄國化學家門捷列夫（Д.И. Менделеев, 1843–1907）提出了元素周期律，把當時已經發現了幾十種元素按原子量排列成了整齊的表格，在表格的每一行、每一列上，元素的性質都呈現出了規律性變化。門捷列夫根據這張表還預言了幾個新元素，后來果然一一得以發現，其性質也和門捷列夫的推測非常接近。元素性質如此規律的變化，不免使人懷疑原子可能并非不可分，其內部恐怕還隱藏著什么奧秘。

19世紀后期，物理學家已經知道，在一個抽成真空的管子兩側放置兩個金屬電極，通電之后其陰極會發出一種射線，這就是陰極射線。1895年，德國物理學家倫琴（Wilhelm K. R?ntgen, 1845–1923）在研究陰極射線的時候意外發現了一種新射線，它竟然可以穿透人體的皮肉，顯示出骨骼的影子！倫琴用數學上表達未知的字母X，把這種神秘的射線命名為X射線。后來人們知道，X射線是一種波長極短的電磁波。因為發現X射線，倫琴獲得了1901年第一次頒發的諾貝爾物理獎。

倫琴的發現引發了法國物理學貝克勒耳（Antoine Henri Becquerel, 1852–1908）的注意。他懷疑X射線可能和熒光有關，就用各種能夠發出熒光的物質做實驗，結果在1896年意外發現一種叫硫酸鈾酰鉀的鹽可以持續散發出一種不同于X射線的新射線。進一步的研究表明，這種射線是從鈾原子內部發出的，不受外界條件的任何影響。這樣，貝克勒耳不僅發現了放射性（radioactivity），而且有了更直接的證據表明原子是可分的。

貝克勒耳的發現又引起了波蘭女科學家居里夫人（Marie Sk?odowska-Curie, 1867–1934）的注意。居里夫人當時已經和法國物理學家居里（Pierre Curie, 1859–1906）結婚，她在1898年先是發現了另一種元素釷的放射性，繼而又和丈夫一道，從幾噸重的瀝青鈾礦廢渣中先后發現了釙和鐳兩種新的放射性元素，其放射性都極大地超過了鈾和釷。因為發現放射性，1903年貝克勒耳和居里夫婦共同獲得了諾貝爾物理獎，1911年居里夫人又因釙和鐳的發現獲得了諾貝爾化學獎，成為4位獲得兩次諾貝爾獎的學者中的第一位。

1897年，英國物理學家湯姆遜（J.J. Thomson, 1856–1940）也終于弄清楚了陰極射線的實質——原來是一種帶電粒子流。湯姆遜發現，這種粒子的質量還不到最輕的元素氫的原子量的千分之一，但所帶電荷量卻與氫離子大小相等，正負相反，因此他把這種粒子稱為電子（electron），認為電子是一切原子的共同組分。至此，物理學家就開始了探索原子內部結構的不懈征程，不斷有人提出原子模型。其中，1911年新西蘭物理學家盧瑟福（Ernest Rutherford, 1871–1937）提出的有核模型（電子繞原子核旋轉，原子質量基本集中在核上）最符合實驗現象。

但是，這種有核模型帶來一個問題：根據經典的電磁理論，旋轉的電子必然會發射電磁波，損失能量，從而逐漸墜落到原子核中，但絕大多數的原子卻是穩定存在的。于是，就像普朗克不得不用量子論解決黑體輻射問題一樣，丹麥物理學家玻爾（Niels Bohr, 1885–1962）在1913年也發覺，只有用量子論才能解決有核模型的穩定問題。按照玻爾的觀點，電子在原子核中的軌道不是連續變化的，而是離散的，也就是說，電子只能在幾條特定的軌道上運轉，這個時候它是不輻射電磁波的。每個電子軌道代表一個能量等級，只有當電子從能級高的軌道“躍遷”到能級低的軌道時，才會輻射電磁波。利用這個理論，玻爾成功解釋了氫原子的發射光譜，引發轟動。通過玻爾的出色工作，量子物理學終于引起了學界的普遍重視。

接下來的十幾年中，量子物理學接連取得重大成就。1923年法國的德布羅意（Louis V.P.R. de Broglie, 1892–1987）提出波粒二象性是所有物質的共同性質，只是越小的粒子表現越明顯罷了。1925年德國的海森堡（Werner K. Heisenberg, 1901–1976）提出量子物理的矩陣力學方程，破天荒地用概率來描述微觀粒子的存在狀態。受德布羅意物質波理論的影響，1926年奧地利的薛定諤（Erwin R.J.A. Schr?dinger, 1887–1961）提出量子物理的波動力學方程，很快發現和海森堡的矩陣力學方程在數學上完全等價。1927年，海森堡提出了著名的不確定性原理（uncertainty principle，過去也譯“測不準原理”）：不可能同時測得微觀粒子的位置和動量。因此，不僅微觀粒子的運動是不確定的，只能用概率的方式描述，而且它們究竟在我們的眼中呈現出什么面貌，要取決于我們的觀測方式。玻爾非常贊同海森堡的觀點，并進一步指出，波動性和粒子性是量子領域的兩套經典特征，正是它們的互補，構成了微觀世界的全貌。這就是量子物理學的“哥本哈根解釋”（Copenhagen interpretation）。

量子物理學幾乎推翻了人類所有的俗常物理觀，連相對論沒有否認的連續路線運動和客體永存（當人不去觀測一個物體時，這個物體的運動狀態仍然是確定的、可推測的）觀念也顛覆了。事實上，量子論革命已經不屬于第二次科學革命的范圍了，而是第三次科學革命的開端，因為它建立的那種間斷的、概率性的、非因果性的、整體論的圖景，迥異于第二次科學革命期間的那種連續的、決定性的、因果性的、本體還原論的圖景（因此，第二、三次科學革命在20世紀上半葉期間是重疊并行的）。連愛因斯坦都實在無法接受玻爾等人對微觀世界的概率描述，說出了名言“上帝不擲骰子”。

但是，量子物理學家一面一次又一次反擊了愛因斯坦的駁難，一面繼續深入探索，最終使量子論成為物理學第二次大一統的主導理論。在20世紀20年代的時候，量子物理學家就通過描述多電子原子中的各種電子軌道解釋了元素周期律現象，使化學最終也還原為物理學。20世紀30年代起，亞原子物理學進入粒子物理學階段，各種新的基本粒子陸續發現，量子物理學也不斷邁向新的里程碑——1930年代物理學家們提出了粒子之間的弱相互作用（weak interaction）；1935年日本的湯川秀樹（1907–1981）提出強相互作用（strong interaction）；1968年美國的溫伯格（Steven Weinberg, 1933– ）、格拉肖（Sheldon L. Glashow, 1932– ）和巴基斯坦的薩拉姆（M. Abdus Salam, 1926–1996）統一了弱相互作用和電磁力；1974年格拉肖和美國的喬吉（Howard M. Georgi III, 1947– ）提出了第一個“大一統”理論，試圖統一強相互作用和弱–電相互作用；20世紀80年代起，試圖結合量子物理學和相對論的弦論（string theory）得到大發展；1994年以后美國的威滕（Edward Witten, 1951– ）又在弦論的基礎上發展了“M理論”，它是最終統一引力、電磁力、弱相互作用和強相互作用四大基本力的“萬有理論”的一個有希望的競爭者。

在量子物理學向更微觀的方向深入的同時，物理學和天文學也有了更密切的合作。1917年美國的沙普利（Harlow Shapley, 1885–1972）發現太陽不在銀河系中心，開啟了宇宙圖景的重鑄過程；1924年美國的哈勃（Edwin P. Hubble, 1889–1953）證實仙女座星云等帶星的星云是銀河系之外的遙遠星系，1929年又發現宇宙在膨脹；20世紀40年代末美籍俄裔的伽莫夫（George Gamow, 1904–1968）等人提出大爆炸（Big Bang）宇宙模型；1957年美國的埃弗萊特三世（Hugh Everett III, 1930–1982）首次提出多重宇宙模型；1980年美國的古思（Alan H. Guth, 1947– ）提出暴脹宇宙模型；1998年美國的珀爾馬特（Saul Perlmutter, 1959– ）、施密特（Brian P. Schmidt, 1967– ）和里斯（Adam G. Riess, 1969– ）又發現宇宙在加速膨脹。這些宇宙學證據成了量子物理學理論的另一個重要支撐，最小的世界和最大的世界就這樣奇妙地整合在一起。

20世紀以來，物理學這些令人眼花繚亂的新發展一次又一次宣稱刷新了世界圖景，找到了更本質的“世界本質”；物理學家也因此洋洋自得，有些人變得極為傲慢，以為物理學是科學之王，其他學科都不過是物理學的分支而已。盧瑟福就曾經說過：“一切科學要么是物理學，要么是集郵。”然而，在基礎自然科學中，恰恰有一門學科能夠在哲學基礎上和物理哲學分庭抗禮，這就是生命科學。

演化論的提出

生命科學的獨特哲學基礎來自演化論。演化論是生命科學中博物學傳統的最高智慧結晶，美籍俄裔遺傳學家多布然斯基（Theodosius Dobzhansky, 1900–1975）就曾這樣高度評價演化論：“若無演化之光，生物學的一切便毫無意義。”在本講中，我們先只看生命科學的博物學傳統在18世紀以來的歷史，順帶講述生命科學的定量化過程，而把實驗生物學興起、生命科學完全實現現代化的歷史放到第十三講專門介紹。

“地理大發現”時代以來，探險家們從世界各地帶回大量異域的奇花異草、珍禽奇獸，在讓人們大開眼界的同時，也讓博物學家傷透了腦筋。一方面，如何給予它們精確的名稱，避免“同名異物”和“同物異名”現象，成了一件麻煩事。另一方面，如何對這么多新種類的生物進行分類，把它們組織成一個便于查詢的系統，也非常考驗學者的智慧。

瑞典博物學家林奈（Carl von Linné, 1707–1778）提供了這兩大難題的最終解決方案。1739年林奈出版了《自然系統》（Systema Naturae）的第一版。雖然這本小書只有幾十頁，卻奠定了新分類學的基礎。林奈在這本書中提出了全新的動植物（此外還有礦物）分類系統，建立了界－綱－目－屬－種的分類等級體系——若干形態上相似的種組成一個屬，若干形態上相似的屬組成一個目，若干目組成一個綱，若干綱組成一個界。這種多層分類階梯利用樹狀的、分枝的結構圖，很好地把種類繁多的生物組織成了一個秩序井然、檢閱方便的體系，解決了上面的第二個難題。（后來的學者又在界和綱之間增加了門，在目和屬之間增加了科，在界之上增加了域，這樣就形成了域－界－門－綱－目－科－屬－種的8層分類系統。）《自然系統》后來多次再版，到林奈去世前出版的第12版已經是一部分卷冊出版、多達一千多頁的巨著了。

林奈解決生物命名問題的方法更巧妙，是用雙名法（binominal nomenclature）來為生物的種命名。所謂雙名法，就是用兩個詞構成一個名字，第一個詞是種所在的屬的名稱，第二個詞叫加詞（epithet），用來區分同屬的不同種。比如林奈認為狼和狗同屬不同種，他給狼起名Canis lupus，給狗起名Canis familiaris。粗略來說，屬名相當于“姓”，而加詞相當于“名”。

雖然雙名法并不是林奈的首創，但的確是由他發揚光大的。通過這種命名方法，林奈給當時歐洲人已知的絕大多數動植物都起了由兩個詞構成的名字，與方便的分類系統相得益彰，二者都很快在歐洲流行起來。直到今天，林奈的分類等級體系和雙名法仍然是生物分類和命名的基本規范。

表面上看，林奈的分枝狀分類體系只是一種組織和生物有關的知識的方法，但是學者們不免會猜測，它背后是否反映了一些深層次的自然法則？對于基督宗教來說，“自然法則”倒是很簡單：《舊約全書》直截了當地認為所有物種都是上帝直接創造的，創造出來之后就不再改變，因此某些種彼此之間比較相近并不能說明什么。林奈本人就是一位虔誠的基督徒，在他一生大部分時間里都堅持這種宗教觀點。

然而，對于理性思考的學者來說，宗教信仰顯然是無法束縛他們的思想的。中世紀的基督教接受了亞里士多德的觀點，認為宇宙間的萬物可以根據其完善性排成一個“自然界等級”，等級的一端是非生物，經過植物、昆蟲、軟體動物直到魚、鯨、卵生四足動物（兩棲爬行類）、鳥和胎生四足動物（哺乳類），再到接近完善的人，人之上則是天使。根據一個物體在這個等級上的位置，可以判斷它是高等還是低等。18世紀的瑞士博物學家波奈（Charles Bonnet, 1720–1793）由此提出了一個有趣的想法：在自然界等級之中，隨著時間的推移，低等的生物會逐漸向高等的生物轉化，植物會變成動物，動物會變成人，而人則會變成天使。盡管物種的總數是不變的，沒有新物種產生，也沒有舊物種滅亡，但是就生命的“靈魂”而言，它的形態卻在不斷進步。就這樣，波奈讓原本靜態的“自然階梯”動了起來，從而把三大俗常生物觀中認為物種各有其本質、本質不會改變的本質論清除掉了。

雖然波奈建立的是一種非常粗糙的線狀演化圖景，但演化思維一旦出現，就一發而不可收。法國博物學家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck, 1744–1829）是第一位系統地提出演化論的科學家。拉馬克一生為生物學做出了很多貢獻，“生物學”這個詞的西文（法語biologie，英語biology）就是他提出的，此外他還命名了很多新發現的動植物，并創立了無脊椎動物學。在豐富的博物學經驗基礎之上，拉馬克提出了“用進廢退”理論（use and disuse theory）：生物一直在向著完善自身的方向演化，在這個過程中，經常使用的身體部位會不斷進步，而不常使用的身體部位會不斷退化。比如長頸鹿為了吃到樹葉必須使勁伸長自己的脖子，因此后一代長頸鹿的脖子總是比前一代更長，更適合取食樹葉。脖子這個部位正是因為經常使用，而不斷演化、越來越長的。同樣，如果一個家族世世代代都是打鐵匠，那么因為他們經常使用上臂肌肉，久而久之，這個家族就發生了演化，上臂肌肉變得越來越強壯。總之，拉馬克相信后天獲得的特征是可以遺傳的。

拉馬克的學說因為存在很多缺陷，并沒有得到同時代人的贊同，相反，卻遭到了眾多的攻擊。拉馬克的晚年十分凄涼，當他在1829年去世時，甚至買不起一塊墓地，只能在窮人公墓中租一塊地埋葬。5年之后，拉馬克的遺骨被移走，從此不知下落。直到1908年，法國人才為拉馬克建立了紀念雕像，這時離他去世已經有79年了。

然而，隨著生物學積累的觀察資料越來越多，無論是生物分類學、胚胎學還是古生物學，都清晰地顯示著生物演化的證據。除了拉馬克，還有很多學者包括達爾文的祖父伊拉斯謨·達爾文（Erasmus Darwin, 1731–1802）都提出過演化的觀念。這一切都預示著，生物學界馬上就要掀起一場暴風驟雨式的革命。最后，這個改天換地的任務，落到了達爾文的頭上。

查爾斯·達爾文（Charles R. Darwin, 1809–1882）的祖父和父親都是有名的醫生，外祖父則是瓷器商人，所以家里非常富有。少年時代的達爾文不能算是一個好學生，整天以釣魚、打獵、采集動植物標本為樂。為了他的前途著想，他的家人先后給他安排了學醫、當牧師兩條人生道路，但是他都不感興趣，在大學里仍然熱衷于騎馬、打獵、采集標本，以及與博物學家結識。1831年12月，在一位博物學家的推薦下，達爾文以博物學家的身份登上了英國皇家海軍考察船“小獵犬”號，開始了為期5年的環球旅行。

在旅行初期，達爾文還是一位虔誠的基督教徒，并不相信演化論。但是隨著考察的進行，在考察中發現的一些現象引發了他深深的思考。比如，在太平洋東南部的加拉帕戈斯群島上，他發現了種類豐富的地雀和陸龜，這使他不免質疑：上帝為什么要在這樣一群小島上創造如此多樣的生物？在他回到英國不久的1837年，他已經完全不信基督教了。1838年，他讀到了英國學者馬爾薩斯（Thomas R. Malthus, 1766–1834）的《人口論》。在書中，馬爾薩斯提出如果人口不斷增長，總有一天會受到自然資源的限制；到了那個時候，只有強者能夠在資源競爭中存活下來，而弱者會被淘汰。這些觀點深深地啟發了達爾文，使他最終形成了以自然選擇為核心的演化論思想。

因為擔心自己的觀點太驚世駭俗，而為世人所不容，謹慎的達爾文并沒有打算立即發表自己的新學說。直到1856年，他才開始寫作《物種起源》（On the Origin of Species）一書，但是他希望這本書在他死后再出版。然而在1858年，另一位英國博物學家華萊士（Alfred R. Wallace, 1823–1913）給達爾文寄出了一篇論文，其中同樣提出了以自然選擇為核心的演化論（巧的是，華萊士也是受了馬爾薩斯的啟發才提出這一觀點的）。看到自己的理論出現在別人筆下，達爾文在沮喪之余，打算壓下自己的研究，讓華萊士獨享提出自然選擇學說的榮譽。但是在達爾文朋友的勸說之下，他終于決定與華萊士同時發表論文，公開這一學說。之后，達爾文把《物種起源》的手稿做了壓縮，決心就在他生前出版。1859年11月24日，《物種起源》第一版問世，立刻在整個歐洲引發了劇烈的反響。

在這本生物學史上最偉大的著作中，達爾文完整地闡述了以自然選擇為核心的演化論思想，也就是達爾文主義。關于自然選擇理論，在第一講中我們就做過介紹，這里我打算不厭其煩地再講一次：首先，達爾文認為，所有的物種都有共同祖先，它們都是從這個共同祖先逐漸分歧、演化而來的。其次，達爾文指出，演化的主要動力并不是拉馬克所說的“用進廢退”，而是自然選擇——在爭奪資源的過程中，更適應環境的個體有較大的存活率，而較不適應環境的個體有較大的淘汰率；這樣，通過環境壓力對生物個體的選擇，物種就向著更適應環境的方向發生了緩慢的演化。達爾文還否認了拉馬克演化論認為獲得性特征可以遺傳的觀點，而是認為個體對環境適應性的差異只能來自于隨機的、無方向的先天變異。

達爾文主義是把古典科學傳統中的思辨思維應用于博物學研究取得的豐碩成果，它不僅為生命科學提供了獨特的思想，為新的研究指明了方向，而且也對社會思潮形成了重大沖擊。演化論指出，物種是演化而來的，不是神的創造，這就把宗教趕出了生物學領域；人是由猿演化而來的觀念，也極大地沖擊了宗教信仰中認為人和動物判然有別的思想。更重要的是，演化論把生物對環境的適應還原為一系列緩慢的、可以理解的自然過程，否認了生物特征是有目的設計出來的，這就把三大俗常生物觀中的目的論徹底從生命科學中驅逐出去了。（在第十三講我們會看到，同樣是在19世紀中葉，第三大俗常生物觀——生機論也被否定了。）

晚年的達爾文身體不好，幾乎終年不離開他在倫敦東南部的住所，每天也工作不了太長時間。但是他仍然以頑強的毅力進行科學研究，陸續出版了許多專著。1882年4月19日達爾文逝世，為了表達對他的敬意，他的遺體被葬在威斯敏斯特大教堂（牛頓等很多名人的墓地也在這里）。

不過，達爾文主義提出之后，雖然學界很快就接受了演化的觀念，對自然選擇理論卻不那么信服。主要的兩個原因是，第一，達爾文找不到一種合適的遺傳機制可以解釋自然選擇的機理。按照當時流行的混合遺傳論，親代的遺傳特征在子代會發生混合（比如白色花植株和紅色花植株雜交，會產生開粉紅色花的植株），但自然選擇卻要求生物的特征在遺傳中保持不變，這樣才能決出優劣。第二，演化是一個極為漫長的過程，至少需要幾億年，和當時的物理學權威開爾文根據地球的冷卻速度計算出的地球年齡（僅1,000萬年）相矛盾。

當然，最后這兩個難題都被克服了。放射性元素發現之后，地球科學家發現開爾文之所以把地球年齡算得這么短，是因為忽略了地球內部放射性元素衰變所釋放的熱量。重新計算出來的地球年齡是46億年，這足以滿足演化所需了。而早在1865年，奧地利天主教神父、生物學家孟德爾（Gregor J. Mendel, 1822–1884）就利用豌豆作為主要實驗材料發現了遺傳學的真實規律。孟德爾發現，生物的表型特征由“遺傳因子”決定，遺傳因子是不相混合的。在生物進行有性生殖的時候，兩個親本會各出一個因子遺傳給子代。這兩個因子有時候會呈現為一個壓制另一個的關系（也就是顯性對隱性的關系），使子代的表型和親本的顯性表型一致，有時候則共同發揮作用，使子代的表型呈現為親本表型的混合，但因子本身是絕對不會混合的。

孟德爾之所以能夠成功發現這樣的遺傳規律，要歸功于他的兩個重要創新：第一，他把復雜的遺傳現象“化整為零”，分割為一個個彼此獨立的小特征，每次只研究單獨一個特征的遺傳規律；第二，他把數學引入了生物學，對實驗結果進行計量，這就大大增進了實驗結果的信息含量。因此，孟德爾實際上是把古典科學中的定量傳統引入了生命科學。在達爾文和孟德爾的共同努力之下，生命科學在19世紀中期終于完成了近代化，并不間斷地開始了現代化的歷程。

可惜的是，也正因為當時的生命科學界普遍不重視定量工作，孟德爾的研究長期受到冷落。孟德爾遺傳學本來正是達爾文所需要的遺傳學，但是處在困境中的達爾文卻完全沒有注意到這個新理論。晚年的孟德爾漸漸遠離了科研，專心于宗教和地方事務，在他逝世的時候，人們都只把他看成一位杰出的神職人員。直到1900年，德國學者科倫斯（Carl E. Correns, 1864–1933）和荷蘭學者德弗里斯（Hugo M. De Vries, 1848–1935）才重新發現了孟德爾的論文，并在他們自己的實驗中得到了相同的結果。孟德爾的“遺傳因子”，也被重新命名為一個更簡單的詞——基因（gene）。

在20世紀上半葉，遺傳學挾定量化的有力武器，不斷取得重要突破。美國遺傳學家摩爾根（Thomas H. Morgan, 1866–1945）在1910年確定基因以線性的方式位于染色體之上，并與弟子一起發明了確定基因在染色體上的位置和排列順序的方法。英國數學家、遺傳學家費舍爾（Ronald A. Fisher, 1890–1962）等人則用統計學方法研究生物的群體遺傳規律，逐漸把達爾文主義和現代遺傳學結合起來。事實上，現代統計學之所以能夠發展起來，一個很大的原因就是因為遺傳學家強烈需要數學家提供一種能夠處理大量數據、從這大量數據中發現規律的方法。費舍爾本身就是一位杰出的統計學家，為數理統計的發展也做出了重要貢獻。到20世紀40年代，自然選擇已經得到了現代遺傳學的有力支持，通過這種“現代綜合”（Modern Synthesis），達爾文主義才在生物學界樹立了牢固的地位，并發展到新達爾文主義的新階段。20世紀60年代以后，隨著哈密爾頓的“內含適應性理論”等新理論的提出以及演化心理學的興起，新達爾文主義又實現了“新綜合”（New Synthesis），這后面的歷史，我們在第一、三講中已經介紹過了。

物理哲學vs生物哲學

講到這里，終于可以看看物理哲學與生物哲學在哪些地方有所不同、有所對抗了。這里我們說的物理哲學，是19世紀后期物理學完成第一次大一統時所秉持的哲學，而生物哲學則是達爾文主義。

首先，熱力學第二定律提出了一種熵（大致可以理解為混亂度）越來越多、宇宙越來越退化的宇宙觀，這和演化在表面上呈現的“從簡單到復雜”的熵減趨勢出現了嚴重沖突，因此物理學界一直有人對演化論持懷疑態度。這個矛盾后來以物理哲學的讓步解決。比利時物理學家普里戈金（Ilya R. Prigogine, 1917–2003）在1969年提出耗散結構論，拒絕物理學對熱力學第二定律再做任何理論還原，而是直接把它當成一條公理。從這條公理出發，普里戈金指出生命的產生是一種“自組織現象”，是完全可以自發產生的，宇宙總體的熵增和局部的熵減并不矛盾。

其次，19–20世紀天文學、化學先后還原為物理學的史實，使很多深受物理哲學影響的人堅信物理學是最基本的自然科學，凡是不能還原為物理學、不能用高度數學化的物理定律構建模型并對過去和未來做出較為準確的解釋和預測的學科，都還處于比較粗糙、“低級”的階段。所以，生命科學、氣象學這樣的處理復雜巨系統的學科還遠未完善，而社會科學更處在一種十分原始的狀態。這種不分層次、一口氣把所有的科學都還原為物理學的做法，就是美國學者布羅克曼（John Brockman）所稱的“懸崖還原”（precipice reductionism）。與此相反，生物哲學不承認“懸崖還原”，只承認“逐步還原”（step-by-step reductionism），也即“高”一層的現象只能用與之相鄰的“低”一層的定律來做一定程度的解釋和預測，跨層的還原不僅是不現實的，也是傲慢的。事實上，正是生物哲學的逐步還原理念，使得達爾文主義在歷史上先后兩次積極地介入到對人類社會學現象的解釋中去，即包括19世紀后期的社會達爾文主義運動和20世紀晚期的新達爾文主義社會科學運動。盡管社會達爾文主義運動已經以失敗告終，并因為其引發的嚴重人道災難遭到了學界的長期批判，而新達爾文主義社會科學運動也因為學界對社會達爾文主義死灰復燃的警惕而一直未能得到廣泛承認，但是生命科學在這方面的努力終歸體現了它貫徹古典科學精神的愿望。與此相反，秉持懸崖還原信念的物理哲學在社會科學的還原實踐上并沒有做出太多的貢獻，除了提出一些過于宏大敘事的規律外，可以說是“口惠而實不至”。盡管在物理學界也有一些頂尖學者對懸崖還原提出了批評，但是在一般受物理哲學影響的人那里，懸崖還原仍然有很大的吸引力。

再次，從歷史的角度來看，物理哲學長期和實在論（realism）哲學捆綁在一起。實在論堅持笛卡爾的二元論（唯物主義實際上也是二元論的變種），認為客觀世界是不依人意志轉移、獨立存在的實體；相對論和量子物理學描述的是宇宙的真實圖景，日常感受到的世界只是這種真實圖景的一個側面；科學觀察是客觀的，因此理論必須能解釋和預測古往今來的一切觀察現象；科學的目的就是不斷探究宇宙的本質，逼近宇宙真理。相比之下，生物哲學因為源于生物學，而生物學（特別是神經生物學）在現象層次上與人類心靈更為接近，因此生物哲學能夠更方便地擺脫二元論和實在論的拘束，為科學的哲學詮釋開辟更大的空間。比如，生物哲學家就容易堅持一種和實在論針鋒相對的工具主義（instrumentalism）觀念：客觀世界只是人通過感官和思維建立起來的構體（entity）；相對論和量子物理理論只是為了“拯救現象”而提出的理論，宇宙本無“真實圖景”可言；科學觀察實際上“滲透著”理論，理論在很大程度上決定了觀察結果，因為這種主觀性，新理論并不需要非得解釋以往的一切觀察現象；科學的根本目的僅僅是要不斷提高預測的效力，絕不是為了追求真理——事實上，絕對真理根本就不存在。

最后，由于物理學的理論的巨大進步，19世紀有很多人相信宇宙已經被事先決定好的機械決定論。盡管達爾文主義在根本上和機械決定論并不必然矛盾，但在表面上，自然選擇所強調的突變的隨機性，卻和機械決定論所強調的決定性存在強烈矛盾。更重要的是，機械決定論的那種預測未來的樂觀態度，再加上實在論對于逼近宇宙真理的強烈信仰，在很大程度上契合并支持了19世紀前后出現的各種烏托邦思想。這些烏托邦思想里面最有名的就是共產主義烏托邦、自由主義烏托邦和無政府主義烏托邦——共產主義烏托邦認為物質極大豐富、人人高度解放的共產主義將是人類的最終歸宿；自由主義烏托邦認為結合了自由主義的民主制度將是人類最終的政治制度，當人類社會實現這一政治制度之后，歷史也就“終結”了；無政府主義烏托邦則認為沒有政府、一切靠人民自助自愛的世界才是最美好的，因此也將是世界的最后形態。20世紀堪稱是人類歷史上的“烏托邦世紀”，各種烏托邦思想競相發力、相互激蕩，主導了各種大善大惡的歷史事件。最終，隨著20世紀末的蘇東劇變、蘇聯解體，共產主義烏托邦率先失去市場；21世紀初，西方陷入經濟衰退，中國等發展中國家崛起，自由主義烏托邦也衰落了，連提出“歷史終結”論的美籍日裔學者福山（Francis Fukuyama）也改變了自己的觀點。反倒是無政府主義烏托邦一直在中產階級思想中常勝不衰，比如新奧地利學派就是一種無政府主義經濟學理論，其哲學基礎是所謂“自由意志主義”（libertarianism），至今在中國的中產階級中還很有市場。具有諷刺意味的是，新奧地利學派烏托邦的開山祖師之一哈耶克（Friedrich A. Hayek, 1899–1992）雖然批評共產主義烏托邦那種預言人類最終歸宿的行為是“致命的自負”，但是他自己也不可避免陷入了無政府主義烏托邦的致命的自負當中。相比之下，生物哲學謙虛地承認，由于量子世界的真隨機性和宏觀世界的混沌現象的存在，不僅學科之間只能做不完全的逐步還原，而且未來也是不可預測的，脫離了近未來可預計的因素，不管是談論人類的最終歸宿是什么，還是言之鑿鑿地肯定哪種政治經濟制度一定最好，都是沒有意義的，立論下得越細就越荒謬。因此，生物哲學天然是反烏托邦思想的。

到這里你大概也能明白，為什么我要花這么大篇幅講物理哲學和生物哲學的對抗這樣艱深的內容，因為它們作為一種能夠轉化為社會技術的思想，間接地、然而非常重要地決定了族群競爭的結果。在我看來，21世紀是一個烏托邦思想退潮的世紀，烏托邦思想的退潮，在很大程度上反映了傳統物理哲學的衰落。未來社會很可能將重新恢復一種務實、保守的風氣，而生物哲學有可能在其中起到重要的支撐作用。生物哲學的興起，不僅是第三次科學革命的重要標志，可能也將在很大程度上影響近未來人類社會的走向。

本講小結

●20世紀上半葉，物理學發生了兩場革命，即相對論革命和量子論革命。由愛因斯坦發動的相對論革命屬于第二次科學革命的范疇，它雖然統一了物質、能量、空間和時間，創造了新的世界圖景，但其背后的哲學仍然是一種決定論哲學，具有典型物理哲學色彩。

●與相對論革命同時發生的量子論革命則屬于第三次科學革命的范疇，它幾乎推翻了人類所有的俗常物理觀，建立了一個完全人為的間斷的、概率性的、非因果性的、整體論的世界圖景。量子物理學把最小的粒子世界和最大的宇宙結合起來，主導了物理學的第二次大一統。

●演化論是生命科學的博物學傳統的最高智慧結晶。林奈建立了現代生物分類命名體系，為物種建立了一種樹狀的、分枝的關系。波奈和拉馬克則建立、發展了生物演化的概念，拉馬克更以“用進廢退”演化論知名。最終，達爾文不僅建立了枝狀的演化圖景，而且為演化提出了自然選擇機制，是古典科學傳統中的思辨傳統在生命科學中的運用。孟德爾遺傳學則是定量傳統在生命科學的運用，它不僅和達爾文主義一起使生命科學在19世紀中期完成了近代化過程，而且在20世紀前期與達爾文主義實現了“現代綜合”，使達爾文主義發展成為新達爾文主義。

●19世紀后期物理學完成第一次大一統時所秉持的物理哲學，與同期的生物哲學（達爾文主義）在很多方面形成對立。物理哲學懷有決定論和不切實際的懸崖還原理念，一度無法理解生命何以能自發產生，又長期和二元論、實在論捆綁在一起，因而契合、支持了許多烏托邦思想。相比之下，生物哲學易于否定決定論，主張逐步還原，能更方便地擺脫二元論和實在論的拘束，天然反對烏托邦思想。因此，科學哲學作為一種能夠轉化為社會技術的思想，間接地、然而非常重要地決定了族群競爭的結果。

思考問題

1. 談談你對實在論和工具主義之爭的看法。

2. 談談你對烏托邦的看法。