科学简史：伟大科学家的故事

第一章

天文学和宇宙学：科学的宇宙观

上古时代人类试图通过观察天体来理解宇宙，现在的天文学家借助仪器发现了更多未知。此外，他们还发现了宇宙中无法被任何望远镜观测到的部分……

自上古时代起，人类就已试图通过观察我们世界之外的物体——太阳、月亮、各种恒星和行星，来理解这个宇宙。巴比伦和埃及文明早就意识到，某些天文事件会重复发生且拥有循环周期，于是绘制了恒星定位图并对种种天体事件进行了预测，诸如交食（天体的部分或全部受其他天体的遮掩而变得晦暗）、彗星、月亮以及最明亮恒星的运动，他们的记录构成了计时和导航的基础。

早在他们进行数世纪的观察之前，古希腊人就已用神话人物的名字来命名各种星群或星座，诸如用俄里翁（海神波塞冬的儿子，一位年轻英俊的巨人）命名猎户座，用卡斯特与帕勒克这对孪生神灵命名双子座。托勒密在公元1世纪罗列了48个西方星座，如今，它们已成为人们在浩瀚夜空中的导航工具。罗马人也以类似的方式命名了我们的一些行星：用墨丘利（罗马神话中为众神传递信息的使者）命名了水星，用维纳斯（希腊神话中爱与美的女神）命名了金星，用玛尔斯（罗马神话中的战神）命名了火星，用朱庇特（罗马神话中的宙斯神）命名了木星，用萨杜恩（罗马神话中的农业之神）命名了土星。由于反射了太阳的光芒，在天空中，我们可以看到这些行星犹如璀璨的“恒星”。

17世纪，人们发明了光学望远镜，这永远地改变了地球中心论的观点。很快，人们便清晰地意识到，宇宙远比曾经想象的要广袤。进一步深入地探究宇宙空间后，天文学家发现了太阳系内更多的行星（天王星和海王星）、小行星、爆破彗星、卫星（诸如月亮）、矮行星（诸如冥王星）、气体云、宇宙尘，以及全新的星系。

如今的天文仪器五花八门，包括可以探测来自遥远宇宙物体辐射的星载望远镜以及可以从其他行星带回信息的航天探测器。有了这些仪器的武装，天文学家发现了更多的未知：构成我们宇宙的物质粒子和作用力，恒星、行星和星系进化演变的过程以及宇宙的发端。此外，他们还发现了宇宙中无法被任何望远镜观测到的很大一部分，这种“暗物质”已被证明为天文学中的最大谜团之一。

早期恒星录：甘德

人们认为，中国的天文学家甘德（约公元前400—前340）以及与他同时代的石申是历史上最早有名字记载的编制出恒星列表或者说恒星录的天文学家。甘德生活在古代中国动荡不安的战国时代。木星是我们太阳系中体型最为巨大的行星，它拥有着明亮的可见光，其规律的十二年运行轨道穿越天空，这被用来纪年，于是木星也就成了集中观察和预测的焦点。在没有望远镜的年代，甘德及其同僚不得不凭借肉眼观测，不过，他们完成了精确的计算，这引领其在最佳时机完成了天文观测。

在中国大陆之上的夜空中，甘德观测并分类编录了超过1000颗恒星，此外，他还识别了至少100个东方星座。在200年后，希腊天文学家希帕克斯（Hipparchus）编制了第一本为人知晓的西方恒星录，其中包含了约800颗恒星，与之相较，甘德的恒星录更为综合全面。

甘德确切观察到了木星四大卫星中的一颗，这是世界上已知的关于木星卫星的首次观测记录——伽利略·伽利雷于1610年用最新研制的望远镜方才正式“发现”这些卫星，这比甘德的记录晚了很多年。

石申和甘德是第一批近乎精确地将一年测算为3651/4天的天文学家。在公元前46年，尤里乌斯·恺撒聘用了亚历山大的希腊天文学家索西琴尼（Sosigenes），令其重新调整罗马历法，以便其测量更为精准，此后的欧洲和非洲北部一直使用这部由此生成的罗马儒略历（Julian calendar，尤里乌斯·恺撒在公元前46年所制定的一个官方的365天的历法），直至1582年出现的格里高利历（Gregorian calendar）将其取而代之，后者一直沿用至今。

以地球为中心的宇宙观：亚里士多德（Aristotle）

公元前4世纪，古代中国的诸个列国正为霸主之争沐浴在战火中。与此同时，希腊古典文化则传遍了地中海东部为数众多的殖民地，这为支撑西方思想走入近代奠定了基础。

希腊人感觉自己身处宇宙的中心，而夜空的景象加强了他们的这种信念。天空中的星辰升起继而降落，它们似乎正在进行着围绕地球的旅程（这造成了一种地球围绕自身轴线旋转的错觉：各种恒星在天空中向西移动，这似乎仅仅是因为地球向东旋转而已）。

他们确认了一些“游星”，其位置相对于背景中闪闪发光的“恒星”发生着移动。这些漫游之星包括太阳、月亮以及我们太阳系中五颗当时已被人知晓的行星：水星、金星、火星、木星以及土星。希腊人得出一条结论，宇宙由地球和一些天体组成，前者是一个完美的球体（并非如太古文化所想的那般平坦），它固定处于万物的中心，后者包括太阳和一些可见的行星——它们环绕地球，在轨道中进行着正圆匀速运动。这些“恒星”位于外天球——在19世纪之前，天文学家并未关注过这些遥远恒星的真实运行情况。

伟大的自然哲学家兼科学家亚里士多德针对这种“地心说”补充了自己的观点。他推理指出，大地和天空是由五种元素构成的：四种大地元素（土、气、火和水）以及第五元素，一种充斥于天空并包含在围绕地球同心壳层中的物质，也被称作以太。每个以太的同心壳层都含有一个天体，其围绕地球进行正圆匀速运动，位于天球最外层的那些恒星都是固定的。那些大地元素形成、衰退并死亡，但天空是完美和不变的。

亚里士多德的宇宙观被阿拉伯世界接受并于中世纪被再度引入受基督教影响的欧洲。

亚里士多德（公元前384—前322）

亚里士多德是古希腊知识界的一名巨匠，其观点对西方世界产生了持久的影响。他出生于马其顿的一个医学世家，也是位于雅典的柏拉图学园的明星之一。

他之所以离开雅典，可能是因为未能在柏拉图死后被任命为学园院长，也可能是因为菲利普发起的马其顿扩张战争使得马其顿人不受欢迎。不过，当亚历山大大帝——菲利普的儿子，也是亚里士多德的学生——征服了所有希腊城邦之后，亚里士多德于公元前335年或前334年返回了这座城市。

亚里士多德在雅典创办了自己的吕克昂学园，在当时已被定义的几乎所有学科继续开展广泛的研究。他教学和辩论的方法是一边和学生散步，一边与其讨论各种学问，正因如此，亚里士多德学派的学者也被称为逍遥学派者。

亚历山大大帝死后，针对马其顿人的反感情绪再度点燃，亚里士多德开始了逃亡。据说这是因为他援引了七十年前哲学家苏格拉底被判死刑的案例，并说道：“我不想让雅典人再犯下第二次毁灭哲学的罪孽。”

分点岁差：希帕克斯（Hipparchus）

紧随着亚历山大大帝的战胜，希腊古典文化流向东方，启发了一批学者，其中就包括尼西亚（在如今的土耳其）的希帕克斯（约公元前190—前120）。

希帕克斯着手编制了一本恒星录，与此同时，他注意到各颗恒星的位置和早先的记录并不吻合：存在着一个预料之外的系统性移位。他探测到地球在围绕自身轴线旋转时的“摇摆”——不妨想象一下，旋转陀螺顶部出现的缓慢摇摆，其自转轴会沿着一个圆形轨道运转。由地球摇摆造成的这样一种环行周期大约为2.6万年——希帕克斯经过相当精确的计算得到了这个数字。

该摇摆导致的昼夜平分点要比预期参照“恒星”时出现得略微早一点，正因如此，他将这种摇摆命名为分点岁差。

随着时间的变迁，在这种偏差的影响下，古代历法体系中四季的出现时间各不相同。这些历法体系中的一年是以太阳运行规律进行的测量为基准的（“恒星年”），这恰好是我们从地球出发观测（或者，如我们现在所知，地球围绕太阳运行一周的耗时），太阳从天空中由某颗恒星标注的位置再次旋转运动到同一位置所花费的时间。希帕克斯发明了测定年的一种新方法，并由此解决了这个问题，这就是所谓的“回归年”，或者是表面上太阳旋转连续两次通过相同分点的时间间隔。回归年约比恒星年短20分钟，它构成了我们现代格里高利历的基础。这就确保每年之中，四季都能在相同的历月出现。

希帕克斯利用巴比伦的数据，并精准地计算出了恒星年和回归年的时长：确实，他的计算要比250年后托勒密精确得多，这也表明，希帕克斯远远领先于他所处的时代。

一个数学的宇宙：托勒密（Ptolemy）

托勒密出生于1世纪末期，是最后一位伟大的古希腊天文学家，他也采纳了地球位于宇宙中心的地心论。他的贡献在于创造了第一个能够通过数学术语解释并预测太阳和各大行星运动的宇宙模型。他的模型似乎解答了一个已然困惑了希腊人长达1400年之久的问题：如果一颗行星围绕着处于宇宙中心的地球旋转，那么为什么有的时候，相对于其背后“恒星”的位置，这颗行星似乎是向后运动的呢？

尽管托勒密对此深信不疑，但为了以数学方法解释天体的运动，他不得不违背自己的规则进行假设，地球并非处于行星轨道的正中心。从实用主义出发，托勒密及其追随者们接受了这种移位差，它被认为是“偏心圆”，但这不过是地心说这种重要理论中的一个小插曲而已。

托勒密结合使用了三种几何结构。其中第一种——偏心圆并无什么新奇，他的第二种结构周转圆亦是如此。这就表明，各颗行星并非简单地沿着大圈，而是沿着小圈，或者说是沿着周转圆围绕地球运转的，反过来，它们其实围绕着一个以地球为核心（偏心的）更大圆（均轮）的圆周旋转。周转圆领域的研究进展解释了行星为何有时似乎会向后移动，或者说“逆行”（参见下页图解）。

托勒密的第三种几何结构——偏心匀速圆——是富有革命性意义的。托勒密发明这种结构，旨在解释行星为何有时看起来会移动得越来越快或越来越慢，而非如从地球上观测的那样匀速前进。他提出，周转圆在其较大圆（均轮）圆周上的运动中心既未对准地球，也未对准该较大圆的偏心圆中心，而是与一个第三点重合，这就是偏心匀速点，其和地球位置相对，且与该较大圆中心的距离也与地球相同。只有从偏心匀速点出发观测行星，它们才会呈现匀速运动。

以上三种数学架构（周转圆、偏心圆、偏心匀速圆）较为复杂，也无法令纯粹主义者们满意，但它们似乎可以解释天文学中某些令人困惑的问题，比如说行星的逆行，比如说为什么行星在某些不同时间会显得更加明亮，也因而似乎更加接近地球。这些数学架构合起来引发了人们对行星位置的种种预测，这些预测非常接近于现代的太阳中心论这种宇宙观，其认为，各颗行星是沿着椭圆形轨道围绕太阳运转的。

托勒密的几何模型首先在中东，然后在西欧为人所接受。它与当时的宗教信仰相吻合，但凡有学者胆敢对其提出非议，严苛死板且颇具镇压性的天主教会将其判处死刑。不过到了1008年，阿拉伯的天文学家开始质疑托勒密的数据及其观点，数个世纪之后，人们明确发现，实际上托勒密伪造了某些观察记录以匹配他自己的理论。

托勒密（约83—161）

托勒密生活在埃及，当时那里还只是罗马帝国下辖行省之一。尽管他有着罗马名——克罗狄斯，但其拉丁姓氏托勒密透露出希腊后裔的身世，他也采用希腊语进行写作。托勒密在亚历山大港小镇观测天空，那个小镇拥有一座宏伟的图书馆，它犹如磁石一般吸引着所有学科的古代学者慕名前来。

从希帕克斯时代直至托勒密开始写作之时，其间，希腊天文学历经了一个长达200年的空挡期，而且多亏了托勒密，我们如今才会知晓希帕克斯当时的工作成果。托勒密是一名伟大的集大成者，他承认自己在解释宇宙运作规律时采用了很多早先的理论。

阿拉伯世界的天文记录：阿尔巴塔尼（al-Battani）

阿尔巴塔尼是一位著名天文仪器制造者兼天文学家之子，在他生活的时代，穆斯林帝国鼓励人们努力学习，并使古希腊及罗马的科学和哲学维持着勃勃生机。身处东西方的交叉路口，穆斯林学者也同时接纳了来自中国和印度古老文明的观念，辅之以自身的种种发现，他们融会贯通地形成了一种知识体系，并在之后传入欧洲。

阿尔巴塔尼编制了一系列详尽的天文表，其中精密记录了太阳、月亮以及各大行星的位置，人们还可借此预测这些天体的未来位置。他的拜星者表（Sabian Tables）堪称当时可以获得的最为精准的天文表，并影响了后来的拉丁世界。

不同于早先其他的天文学家，阿尔巴塔尼在天文计算中并未采用什么几何方法，而是使用了三角法。令人叹为观止的是，他竟然在当时就精准测定了我们的一个太阳年为365天5小时46分又24秒，我们今日的测算数字是365天5小时48分又45秒，前者仅仅少了数分钟而已。此外，他还探索出了一个托勒密未曾注意到的新发现：一年之中，地球与太阳间的距离以及月亮与地球间的距离都在不断变化。鉴于此，他准确预测了日环食现象，这个时候，月球覆盖了太阳的中心，月球的边缘就出现了一个“火环之圈”。

阿尔巴塔尼受到高度赞誉，600年之后出现的富有开创性的数学家兼天文学家尼古拉·哥白尼依然认可他的工作成果。

北极星导航：沈括

在11世纪，航海家们在导航时依赖于天体标志物以及对天体的观察，其中就包括北部的极星，或称为“北极星”。

北极星的位置大约和地轴方向一致，如果站在北极点上，那么它将恰好位于你的头顶。当地球绕地轴旋转时，位于地球北半球的观察者会有这样一种印象：各颗行星都围绕着地球旋转——只有北极星是个例外，它留在原地不动，于是也就成了地理北极极佳的导航指针。人们也可通过测量北极星水平线以上的高度来确定纬度位置（北南坐标）。

自上古时代晚期起，北极星就一直扮演着北部极星的角色，但由于存在着分点岁差，地球围绕自身地轴旋转时会出现极为缓慢的摇摆，于是北极就会指向某个不同的极星。在约公元3000年时，它将指向少卫增八；在约公元15000年时，它会转向织女星，而在遥远的未来，北极星将再度成为极星。

中国的博学家兼政府官员沈括（1031—1095）及其同僚卫朴（活跃于1075年前后）在连续五年中每晚测量极星的位置。之后，他记录了中国磁针罗盘这项发明，整个欧洲及中东地区的海员都使用了这种罗盘。他是发现磁针指向磁南磁北，而非地理南地理北，或是真南真北的第一人。

阿拉伯的星表和星盘：阿扎奎尔（Azarquiel）

阿扎奎尔（1028—1100），也被称为阿尔-查尔卡利，生于西班牙的穆斯林城镇托莱多，这里曾长期遭受西班牙基督徒的攻击。他以制作精致的科学仪器为生，直到有一天，其客户鼓励他接受一些数学和天文学方面的教育。之后，他编制了托莱多星表（Toledan Tables），人们普遍认为它是当时最为精准的天文图表，12世纪之前，这份图表一直在整个欧洲广为使用。

天文学家借助托莱多星表提早多年预测了太阳、月亮、各大行星相对于“恒星”的运动以及各种日食和月食现象。人们针对基督教西方的不同位置对这些星表做出改编，这就形成了在欧洲一直沿用到16世纪的阿方索星表（Alfonsine Tables，约1252—1270）。

阿扎奎尔的另外一大主要贡献在于研制了一种新型的星盘。希帕克斯早在公元前150年就发明了这样一种星盘的前身，但采用阿扎奎尔的仪器，人们可在任何纬度测量太阳、月亮及各大恒星的高度并确定其纬度。在中世纪的阿拉伯世界，星盘对于制定时间表的祷告者们非常重要，最终，它们被研制用于海上导航。

天文导航与地理大发现时代：亚伯拉罕·萨库托（Abraham Zacuto）

公元15世纪，犹太科学家兼拉比（犹太人学者）亚伯拉罕·萨库托出生于西班牙。当时，多数欧洲海员都沿着紧邻海岸线且众所周知的航线航行，而萨库托凭借其导航仪器完全改变了这一切，在其帮助下，欧洲的探索者们得以横渡海洋，直达美洲和东印度群岛。

萨库托最伟大成就之一在于研制了用于白天导航的太阳表（极星用于晚间导航）。拥有一个适用于航海的星盘，加上这些太阳表，海员就能基于太阳的高度（在一年中不同时间不断变化）确定船只的纬度。人们可垂直放置金属星盘，将圆盘上的零点标志对准地平线，其中可移动的表尺就会对准太阳，此时可以通过刻度读取太阳高度。此外，通过比较某一海上位置与某一始发地（比如说，里斯本）的太阳高度，航海家可以分别计算出自身距离里斯本向南或向北的距离。

后来，人们应用这些技术研制了海图，这成了海员冒险探索未知水域的无价之宝，其中就包括大名鼎鼎的探险家巴尔托洛梅乌·迪亚士、瓦斯科·达伽马以及克里斯多弗·哥伦布。

萨库托出版了一份年鉴，其中包含描绘各种天文现象的图表，这曾极为成功地拯救了克里斯多弗·哥伦布的生命。在第四次寻找“新大陆”的航程中，哥伦布及其船员曾险遭一群土著人的杀戮，不过哥伦布从萨库托的年鉴中得知，1504年2月29日将会出现一次月全食，于是他充分利用这点并告诉那些人，月亮的完全消失将说明，神对他们非常生气。当月亮再度出现时，他宣布这标志着那些土著人获得了宽恕，这很快就改变了那些土著人的态度！

200年之后，一种更为精准的六分仪取代了星盘，并成为天文导航的标准仪器。不过直到18世纪精密计时表的问世，水手们才测量经度并得以在一望无际的大海上准确定位。

亚伯拉罕·萨库托（约1452—1515）

位于伊比利亚半岛历史悠久的犹太社区与阿拉伯文化相连，它从中得益并培育了诸多伟大的学者。萨库托就是其中之一，他是文艺复兴时代的一名通才，具有广泛的兴趣爱好。他鼓励自己的朋友克里斯多弗·哥伦布坚持航行前往亚洲的梦想。

1492年，作为君王的费迪南德与伊莎贝拉要求犹太人转信基督教，否则就离开西班牙，于是萨库托离开前往葡萄牙并在里斯本定居。很快，他就获得了一个皇家天文学家及历史学家的职位。国王曼努埃尔及航海家瓦斯科·达伽马向萨库托请教，他认为探索东方世界的航行是可行的。就在同一年，国王曼努埃尔下达了最后通牒，命令葡萄牙的犹太人要么转信基督教，要么选择离开。萨库托及其子塞缪尔是少数得以适时逃离的犹太人，不过在前往北非地区避难所的路途中，他们被海盗捕获两次并被要求缴纳赎金。

萨库托最后在突尼斯登岸，但对西班牙的入侵始终心存恐惧，这迫使他继续前行。萨库托在北非地区四处流浪，最终在土耳其安顿下来。

尼古拉·查尔顿曾经撰写和编辑过丰富多样的历史类及非小说类书籍，包括科学史以及哲学史的系列丛书：《科学家：他们改变了世界》和《哲学家：他们改变了世界》。现在她和合作伙伴一起在北约克郡运营一家小型出版企业。

梅瑞迪斯·麦克阿德是一名生活在伦敦的作家和编辑，已出版图书《中国历史年表》《中世纪历史年表》。

《科学简史》再现了伟大科学家的智慧光辉，并以此为脉络呈现了一部极简科学史，是人类探索世界和科学历程的全新概览。作者从史上伟大科学家的独特视角出发，按照科学门类向读者依次勾勒了天文学、宇宙学、数学、物理学、化学、生物学、医学、地质学和气象学的发展史。在阐述各学科重要原理、发现、发明的过程中穿插了伟大科学家的生平，让你深入了解科学家的聪明才智，以及隐匿在科学背后的奇闻趣事，开启探索未知世界的好奇心。

引言 1

第一章 天文学和宇宙学：科学的宇宙观 5

第二章 数学：数字的科学 47

第三章 物理学：事物的本质规律 77

第四章 化学：发现元素和化合物 111

第五章 生物学：地球生命的特征 139

第六章 人类与医学：生命的本源 169

第七章 地质学和气象学：自然的秘密 203

译后记 229