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《时空简史：从芝诺悖论到引力波》

本书从“时间和空间”这个总视角，回顾了人类文明史上重大的科学革命。全书通过“时空观”这一科学哲学思维范式全面审视了科学革命和进步发生时人们对于时间和空间观念的根本性转变，梳理了这些科学革命发生时的关键思想细节。本书把“时空观”提升到哲学高度，提纲挈领地阐述了那些重大科学革命背后的哲学思考。*作者朱伟勇教授负责全书的框架，第二作者朱海松负责内容；*作者负责内容的深入，第二作者负责内容的浅出；*作者负责科学，第二作者负责哲学。在思考和创作本书的过程中，中国的科学和技术发展及其对世界的影响始终萦绕在我们的思绪当中。在完成本书之际，仍觉得有必要反思一下中国自十七世纪以来没能参与到引领世界科学革命发生进程的深层原因。

《现代科学简史：从蒸汽机到??求偶》

在19世纪所有的发明中，"科学”是*引人注目的。本书梳理了现代科学在欧洲各国的发展历程，再现现代科学*激动人心的这一历史时期。通过本书，我们可以了解科学家何时及为什么能够成为一种职业，并与神职人员一样成为圣人或国宝。本书也包括了妇女参与科学研究甚至成为科学家的历史素材的梳理。本书是了解科学史的读物。

《现代科学简史》

序：科学时代

致谢

插图目录

导言：回顾过去

章 1789年及以后的科学状况

第二章 科学及其术语

第三章 应用科学

第四章 求索之快乐

第五章 健康的生活

第六章 实验室

第七章 身体、思想和精神

第八章 令人欣喜的一段时光

第九章 科学与国家身份

第十章 方法与异端

第十一章 主导文化的地位

第十二章 进入新世纪

大事年表

注释与参考文献

《时空简史》

序言

引言

01 静止的时空：从芝诺悖论说起

万物皆数：位宇宙人

芝诺的时空：“万物静止”

无穷的烦恼：“潜无穷”与“实无穷”

次数学危机：拒绝无理数

定义连续性：“刀切”拥挤的数轴

整体与部分相等：疯了，无穷大可计算

反驳芝诺：芝诺的意义

数学的柏拉图主义：认识即回忆

康熙皇帝与勾股定理

02 运动的时空：微积分思想

无穷小的复活

导数：探寻永恒的刹那

牛顿的物理直觉：消失的“瞬”

莱布尼茨的几何直觉：消失的“三角形”

牛顿-莱布尼茨公式：小心求证与大胆假设

第二次数学危机：捕捉“无穷小的幽灵”

消灭无穷小：极限理论

数学符号：宇宙的语言

03 时空：朴素沉静的时空

新范式的胜利：把圆压扁

伽利略：过程比原因重要

笛卡尔：天花板上的苍蝇

牛顿：定义质量

时空：分割的时间与空间

万有引力：神秘的超距作用

经典的因果论和决定论范式

数学与物理的伟大融合

04 相对的时空：时空一体，同时相对

麦克斯韦方程与牛顿力学的冲突

迈克尔逊-莫雷实验： “以太”存在吗？不存在！

光速是的：空间的运动影响时间的流逝

狭义相对论：同时相对，众生平等

时空一体：时间膨胀，空间收缩

E＝MC2，质量可以换转为能量

信仰与范式

05 弯曲的时空：引力即几何

发现引力波

从平直空间到弯曲空间：非欧几何

狭义相对论的困惑：惯性系为什么如此特殊

突破：引力质量与惯性质量

等效原理：引力和加速度是等效的

时空弯曲：引力即几何

引力使光线弯曲

广义相对论三大经典预言的验证

人类次用肉眼验证广义相对论

相对论的意义：物质与时空，有限与无界

爱因斯坦的哲学和美学思想

06 膨胀的时空：时空的方向性

两种宇宙范式

宇宙常数：“一生中的错误”

宇宙创生时刻 Big Bang！

什么是时间

时间的方向性：时间箭头

统计熵：宏观与微观的统一

时间的静止：黑洞的引力时间膨胀

时空穿越：时间的演化

07 混沌的时空：无序的世界

混沌现象：不确定性

“蝴蝶效应”的来历

“面包师”变换

通往混沌的路径：周期倍分岔

三生乱象：周期三导致混沌

混沌是自然系统的内在特征：费根鲍姆常数

通往混沌的四条道路及其轨道

预测在原则上是不可能的

08 破碎的时空：分形的世界

分形几何：英国的海岸线有多长

分形的数学渊源：病态函数

上帝的指纹：对经典的挑战

分形维数：“量化了物体细节的瀑流”

理解分形：对称破缺之美

科学与艺术的结晶：混沌分形图

混沌分形的世界观：“复杂思维”范式

09 纠缠的时空：量子世界

量子通信：幽灵般的超时空穿越

连续性的丧失：普朗克时空

因果性的丧失：上帝掷骰子吗

确定性的丧失：测不准原理

实在性的丧失：当你不看月亮时，月亮存在吗

局部性的丧失：量子纠缠

信仰之争：决定论与概率论

10 振动的时空：多维的世界

时空中的场

“杨-米尔斯”规范场

宇宙的四种基本力

标准模型与“上帝粒子”

一切都在振动：多维的时空

宇宙的琴弦：平行宇宙

在路上：无边界的宇宙

结语

写在后面的话

《时空简史：从芝诺悖论到引力波》

朱伟勇，现年80岁（1938—），我国知名统计学家、应用数学家，辽宁省科学技术协会原副主席，东北大学教授、计算机软件与理论博士生导师。长期从事设计理论、方法及应用的研究工作，开辟了这一应用统计学的分支在钢冶、机械、电子、建材、医药等十几个领域中的实际应用。20世纪80年代首次提出“对数项混料模型”，形成了设计的计算机证明与构造这一全新的应用理论体系，填补了国内的空白。90年代致力于混沌动力学、分形理论、小波理论的应用研究，以及电子商务中分形信息压缩、存储和混沌保密的应用。出版8部专著，发表论文160余篇。

朱海松，科普作家，流行文化研究学者，著有《禅定与互联思维》《微博的碎片化传播》《移动互联网时代国际4A广告》系列丛书等27部专著。

《现代科学简史：从蒸汽机到??求偶》

大卫·奈特是英国杜伦大学历史与科学哲学系的名誉退休教师,他热爱科学,热爱历史，本书也是对他这种热情的完美诠释。

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编辑推荐

《时空简史：从芝诺悖论到引力波》不仅是一部动人心魄的科普佳作，更是一部叙事宏大的科学哲学著作。本书从物理、数学和哲学三个角度展开，以对时空的物理哲学、数学哲学和科学哲学的基本认识和思维范式为主线，展开了纵横几千年的人类文明史；从对时间和空间认识的哲学视角出发，深入浅出地阐述了多种不同的时空观对社会文明进步所造成的不同影响；高度概括了人类思维方式的演化历程，对科学思想史上惊心动魄的原创性思想探索历程进行了细致入微的描述。作者在人类不同历史时期的时空观认识基础上，对新世纪面临的新的机遇和挑战，做出了充满深情的展望，给人以巨大的震撼和启迪。可以说，这是一部由中国作者原创的、关于宇宙时空观历史的高端科普读物。

《现代科学简史：从蒸汽机到??求偶》用妙趣横生的故事，严肃讲述科学史。在品味故事中，拨开迷雾，走进科学，近距离认识那些普通又伟大的人，科学不再枯燥，大师不再遥远。从科学家身上学到一点真的东西，这会让你受用一生。

书摘插图

科学革命中的

“时空范式”

宇宙就是时空。上下四方曰宇，空间；往古今来为宙，时间。自古以来，对时间和空间的认识构筑了人类的知识框架和思维方式。科学与文明的进步是通过人类对时间和空间认识的深入而推动的。不同的时空观会导致不同的文明与进步，并影响到人类社会生活的方方面面。时间和空间的问题是科学的基本问题。时空的基本认识是知识体系建立的核心基础和根本前提。不同的时空观就会有不同的认识基础，时空观的改变往往产生认识上的革命。本书中，我们把

“时空观”用科学哲学史上的一个重要名词“范式”来阐释，不同时期的时空观就是当时的思维范式。时空观的改变也意味着范式的转移，也就是科学革命。

托马斯

·库恩的“范式”

《科学革命的结构》是

20世纪科学哲学的经典名著，该书作者美国科学哲学家托马斯·库恩认为，科学发展的历史是一部同科学共同体密切联系的历史，科学作为一个在时间和空间上扩展的复杂过程，其发展规律的内在性是同这个过程的主体不可分割地结合在一起的。在库恩看来，科学作为科学共同体活动的结果，它表现为科学“范式”的不断完善和更迭。库恩所指的“范式”是一种看待时间和空间的思维方式。库恩认为，“范式就是一个公认的模型或模式”，“科学共同体取得一个范式就是有了一个选择问题的标准，当范式被视为理所当然时，这些选择的问题可被认为是有解的问题”。他认为“范式是一个成熟的科学共同体在某段时间内所接纳的研究方法、问题领域和解题标准的源头活水。因此，接受新范式，常常需要重新定义相应的科学”。

库恩进一步指出，

“范式”是形而上学的、高于规则之上的观念约定：“历史研究还有规则展示出，有一类更高层次的，准形而上学的承诺，虽然这些承诺还不是科学的不变特征，但却较少受时空的局限。”“这套承诺既是形而上学的，又是方法论的。”“我认为，规则发扬光大于范式，但即使没有规则，范式仍能指导研究。”“范式的存在并不意味着有任何整套规则存在。”

库恩在论述

“范式”时所提到的科学共同体，是指具有共同思考前提和思维“范式”的科学共同体。科学革命就是新“范式”对原有“范式”造成强烈的冲击，使旧范式向新范式进行了转移，导致科学革命。

“反常”带来的“危机”是思维“范式”变革的前奏

所有的

“反常”现象都是人们在旧的时空范式下审视现象的结果。当开普勒把行星运行的轨道从完美的圆周“压扁”后成为椭圆时，原来行星运行的所有反常的本轮现象得到完美解决，而那根深蒂固的圆周思维范式被彻底打破，新的椭圆运行轨道范式成为主导的基本认识。库恩认为：“一种反常虽然没有明显的基本重要性，但它所禁止的应用却具有特殊的实践重要性。”库恩说，“有时，一个反常能使人们对范式中清晰而基本的概括明显地产生疑问”，“所有危机都始于范式变得模糊，随之而使常规研究的规则松弛”。

科学史上对光的认识，经历了光的粒子说和光的波动说。光到底是粒子还是波，终量子力学告诉我们，二者都是！光具有波粒二象性。这个历时几百年的争论，充分体现了不同的范式之间的竞争与融合。光的粒子说是一个科学基本范式，波动说也是一个范式。粒子说盛行时，光的波动反常现象就出现；当波动说占上风时，粒子说的反常现象就出现。从牛顿的粒子说开始，直到爱因斯坦光的波粒二象性一统江湖，人类对光的认识不断深化。对光的认识就是对时空的认识，对宇宙的认识。正像库恩所说的那样，

“当一种反常现象达到看来是常规科学的另一个难题的地步时，就开始转化为危机和非常科学。于是，这种反常现象本身就这样被同行们更为普遍地认识了。这领域的越来越多的杰出人物对它越来越注意”。

库恩认为：

“从一个处于危机的范式，转变到一个常规科学的新传统能从其中产生出来的新范式，远不是一个积累的过程，即远不是一个可以经由对旧范式的个性或扩展所能达到的过程。不如说它是这领域按新原理的一种重建，是一种变革这领域的某些基本的理论推广，以及它的许多规范方法和应用的重建。在过渡时期，会有一大批问题，既能由旧范式解决，也能由新范式解决，在这些问题之间绝不会完全重叠。但是，解决的方式也会有决定性的差别。当转变完成时，专业的视野、方法和目标都将变革。”

托马斯

·库恩在《科学革命的结构》一书中，为我们描绘和分析了科学革命发生的前后过程。库恩认为，科学的发生和发展一般要经历几个阶段：前科学时期、常规科学时期、反常和危机时期、科学革命时期，以及动态的周而复始过程。

任何一次科学革命都不是只带来个别或少数要领的变化，而是常常带来一系列新概念、新术语的飞跃式的增生，甚至常常出现一个内容广泛的

“概念场”或“理论概念群”。在复杂网络和混沌分形的“破碎时空”理论中，复杂网络、中心节点、幂律分布、小世界、弱关系、无标度、人类动力学、自相似、对称破缺、破碎化等新概念、新理念大量出现，这些都为“范式”革命进行了量化的积累，是“革命”将要发生的“种子”，将随时引发质变！“没有理论的事实是模糊的，没有事实的理论是空洞的”，大量的“反常”已经给我们提供了无数的事实，需要适当的创新理论建立新的“范式”！

托马斯

·库恩在他的《科学革命的结构》一书中深刻地阐明了科学的演进不仅是“渐进性”的、“选择性”的，而且是“革命性”的，即通过基本的解释原则或范式的革命来实现。本书根据库恩的观点，把时空范式提到一个哲学高度，时空观支配着我们的世界观。时空范式的革命不仅意味着世界观的拓展，而且意味着世界观的结构本身发生了改变。一些时空范式统治着一个时代的科学认识，当一个旧的时空范式让位给新的时空范式时就发生了科学革命的大变动，也就是说，对于时空的认识信念发生的改变，往往就是世界观的革命。

科学革命是新世界观的革命：范式不是认识，而是信念

库恩认为，由于范式不是认识，而是信念，因而从旧时空范式到新时空范式的转换，不是科学共同体的认识的深化，而是信念的转变。当

“日心说”替代“地心说”时，就是以太阳为中心的信念代替了以地球为中心的信念，这是范式的转移。结果就是，以地心说为核心的知识体系被以日心说为核心的知识体系所取代，终确立了牛顿的经典时空观。当爱因斯坦的相对论时空观摧毁了牛顿经典时空观的基石时，一个全新的宇宙图景出现在人们面前。而量子力学的时空观更把我们的视野从超大尺度拉回到超小尺度，又从超小尺度伸展到超大尺度，经过几个回合的时空认识，产生了重大的科学革命，并对我们的时空观造成重大的冲击。直到今天，量子力学所带来的时空基本认识，仍然困惑着科学家。

库恩指出，在科学的演进中，新知识所取代的是无知：

“范式的转化，就是科学革命。一种范式经过革命向另一种范式逐步过渡，正是成熟科学的通常发展模式。”“科学革命在这里是指科学发展中的非累积性事件，其中旧范式全部或部分地为一个与其完全不能并立的崭新范式所取代。”“范式为除了反常之外的所有现象提供一个在科学家视野内的确定的理论位置。”

除确立新的世界观之外，科学范式兴起的重要的标志是建立起一套自己的基本概念、理论和模型等，以构成科学范式的核心。这些并不是传统思维下的新生事物，也无法用传统的知识来解读这些新事物，这些新事物包含着革命的种子。库恩强调：

“科学革命也起源于科学共同体中某一小部分人逐渐感觉到，他们无法利用现有范式有效地探究自然界的某一方面，而以前范式在这方面的研究中是起引导作用的。”

库恩说：

“大部分新范式的早期形态都是粗糙的。等到其美学上的吸引力得以全部展现时，科学共同体的大部分人早已为其他方式所说服。然而，美学上的考虑的重要性有时却是决定性的。”时空范式一定是美的！

媒体评论

长期以来，大卫

·奈特一直用生动而有趣的科学史书籍在启迪和愉悦着读者。在该书中，他以穷尽毕生心血之研究为我们解释了科学如何作为一种实用的、具有智力挑战性的、社会多样性的活动，在漫长的19世纪中获得其文化意义的重要性。强烈推荐。   

 ---胡恩·赫德雷·布鲁克，安德里亚斯·伊德瑞斯，牛津大学名誉教授

书写风格轻盈，内容精辟，信息量大，意义深远

——本书带给读者非常愉快的阅读体验。仅需几个精心挑选的词语，奈特就让读者在他们的脑海中勾画出一个赫胥黎或法拉第的生动形象；能够一针见血解释科学问题的核心所在，而不会为繁缛细节所累。关于19世纪科学历史的介绍，我想不出比这本书写得更全面、更好的了。

-----杰弗里·坎特  利兹大学名誉教授

大卫

·奈特的新书是一部耀眼的杰出著作。书中运用各类学科的众多例子来描述科学的专业性。作者博学多识、文笔通俗易懂、笔调乐观幽默。该书是社会历史、制度历史和科学内部历史的一个结合体，我亦很欣慰地看到化学在该书中占据了相当中心的地位。

-----埃里克·斯克里，《元素周期表：关于它的故事和它的意义》之作者

前言

科学时代

在

19

世纪的所有发明中，“科学家”这一名称的问世为令人瞩目了。在

1789

年时，已经有了自然哲学家和自然历史学家，但化学家、解剖学家和仪器制造商的地位却略逊一筹。他们那种看上去像童稚的好奇心也进入了成熟的岁月，在当时的成人世界里，解决问题和寻找答案既可以是个人消遣，也可以是一种社交活动。

1812

年，汉弗莱·戴维（

Humphry Davy

，

1778

—

1829

）这样向年轻的迈克尔·法拉第（

Michael Faraday

，

1791

—

1867

）解释科学 ：科学就是一个令人烧钱的冷酷情人。除医药之外，医生对病人的态度和临床经验非常重要，而科学知识在这方面只能起到某种辅助的作用，它只是一种技能或爱好，而不是一种正当的工作或职业。

1833

年，当“科学家”这个词问世以后，情况完全不同了。科学要求一个人具有机械、数学、手工、逻辑、观察技能等各方面的能力，而组织能力在不同程度上也同样必要。医学和数学在大学已开设课程，站稳脚跟，但在

1789

年，大学里却没有任何其他科学方面的学位课程（包括近代史、现代语言文学）：希腊和拉丁语经典是谋求仕途者必经的传统人文教育，其中能拿到奖学金的男孩会成为神职人员、教师、法官和校长。在当时，工程师和大多数医务人员都是通过工作进行学习的。学习科学好的方式，或许是师徒形式，就像法拉第与戴维之间的关系，是一种非正式的学徒制。在当时的法国、普鲁士和俄罗斯，科学院中有几个受薪职位可以竞聘，但一般来说，赞助对科学很关键。

1789

年，这样的赞助通常来自贵族和士绅 ；到

1914

年，则由那些成名的科学家挑起了大梁。那些不屑为赞助折腰或无法获得赞助之士，只能靠文笔或者演讲来过 日子。

1

对大多数人而言，除非像查尔斯·达尔文（

Charles Darwin

，

1809

—

1882

）那样过着独立的小康生活，否则，拥有一份职业以糊口度日是必要的，要么靠笔谋生，要么沦为失意文人和街头说客。对他们来说，科学只能是某种业余爱好。进入

18

世纪

90

年代，随着巴黎综合理工大学（

Ecole Polytechnique

）的成立，

理科学生在极具革命精神的法国大革命中诞生了。这些学生通过竞争性考试进入大学，在致力于研究的大学教师教导下，正规学习理科与工程方面的课程。研究生则起源于德国。尤斯图斯

·冯·李比希（

Justus von Liebig

，

1803

—

1873

）在

19

世纪

20

年代的吉森大学，创立了一个小型实验室并开始化学博士课程的教学—— 这是世界上所著名的研究学院。

2

德国研究型大学的模式很快就遍布欧洲， 并在

19

世纪后半叶登陆英国和美国。

3

它们的毕业生在教学、工业和商业等领域就职。与科学相关岗位（包括政府实验室）的数量在大学和各种技术机构迅速增

加。

1870

年后，随着普法战争中教育程度更高的德国赢得战争的胜利，这种趋势 更加势不可当。

4

从这个意义上来说，“应用科学”开始真切地实践它过去许下的诺 言。科学工作的从业资格促进了科研团体的团结

5

，以及科学家的职业生涯规划、专业化和社会认可度。在世人眼里，科学家的形象改变了，不再是一个成天恍惚健忘的演奏家或半桶水货色，而是能给社会带来经济价值和改变人们世界观的宝贵的公民。这种整合恰巧与欧洲走向民族统一发生在同一时期，澳大利亚人也不 再把自己当作在南半球的英国人了。由于集应用、才智和社会活动于一身，科学在

19

世纪变得至关重要。由此，我们不应该仅仅只关注天才以及他们的发明创造，还要关注其他那些开放、渊

博、专业、正式或非正式的（也许中介性质）科学团体，它们变得越来越专业化，跨越阶级、地区和国家的界限。科学既是公共知识，又可使社会任人唯才，成为一种社会阶层流动的手段以及走向现代化的途径。科学教育也许是至关重要的，但它也难以摆脱或多或少的教条式的

“科学方法”。过去是这样，现在还是 这样。也许今天的学生更需小心，以免重犯过去的错误。在小学或成熟的科学知识里，问题是有标准答案的 ；在教学方法上虽然可以让学生动手实践，但答案却不能是开放式的。学习中一定有或多或少需要死记硬背的东西。特别可恶的是，随着学生的进步，那些简单化的解释还必须被遗忘。总而言之，科学研究会涉及理想的条件、受控的条件、实验室中、模型化和一般规律下的各种情形，这必然促进思维锻炼，使人能够质疑，变得更加谨慎。科学家尽力解答难题，偶尔也绞

尽脑汁提出难题，但他们总希望找到明确的或有一定概率的答案。这一点似乎完全不同于那些伦理或政治方面的问题，这也造成了所谓

“两种文化”和“科学战争”，将科学与其他思维方式相对立。科学至上主义认为，科学方法是任何领域中有效的方法，这种观点更加剧了这样的冲突。在

19

世纪，科学对社会与公众的影响是巨大的。它的作用辐射到食品生产、交通运输、通信、时尚、艺术、文学、政治、宗教等诸多方面，甚至影响到国家

的尊严与信心。许多科学家也是宗教信仰者，他们却成为教会的一股新生力量，

以世俗精英来取代原先由先知与教士所担当的角色。

8

但是，并非所有人都欢迎这种变化。丑陋不堪的工业化城市、矿山与工厂，都让人无法细看。然而，通过技术进步，各种问题得到了改进 ；政府也逐渐放弃了原来不干涉的态度，加强了对水源、排水系统和工厂的监管，对食品药品以及交通运输进行安全立法。玛 丽·雪莱（

Mary Shelley

）通过其科学作品《弗兰肯斯坦》（

Frankenstein

，

1818

）， 对伊拉斯谟斯·达尔文（

Erasmus Darwin

，

1731

—

1802

）和戴维这两位启蒙时代的诗人对科学的高歌发起了一场争论。在我们今天看来，她的小说只是一部哥特式恐怖小说。她把科学家描述成一群巫师的学徒，却想扮演上帝的角色。她的观 点获得了意想不到的共鸣，

9

与当时众多的科学文章、演讲、博览会、科学植物 园等各种强调科学与自然的进步与益处的活动，形成了有力的抗衡。

1019

世纪一个鲜明的特点是超自然主义、巫术、唯心主义与科学的兴起，包括对疫苗和解剖学的对抗。就连当时“物竞天择”的发现者之一，阿尔弗雷德·罗素·华莱士（

Alfred Russel Wallace

，

1823

—

1913

），在对社会主义思想表示支持的同时，也对 科学抱有不信任的态度。这在当时的科学家中是极为少见的。流行科学并非总是学者们想看到的结果 ：骨相学、催眠术、动物催眠比严肃精确的科学要更受欢迎［事实上，动物催眠理论早就被本杰明·富兰克林（

Benjamin Franklin

，

1706

—

1790

）推翻，但动物催眠术依然饱受人们的喜爱。我们在渴望新思想新景象的同时，不该忘记接受科学的人们为科学进步所付出的代价。传统的价值观及生活方式消失了。制作火药棉这类新型爆炸物的人在制作过程中被炸药炸死、化工厂附近的居民和动物受到化学品的毒害、政府官员把人进 行分类（也许是想区分出哪些属于隔代遗传病者，哪些属于退化人群）、在机械化面前许多人发现自己的技能变得一无所用。在都市里进行科学研究，成功合成靛蓝、在克佑区培育出橡胶和奎宁，再把秧苗送到殖民地的种植园，损害了这些植物的原产地印度、巴西和秘鲁的国家经济。远离欧洲及美国科学研究中心的国家和地区，似乎只能为那些在“国内”的研究人员提供原材料，由他们去分析研

究，对他们表示感恩。至于理论方面的研究，甚至于命名的事情，都交由都市中心去做，与各地方、各殖民地都没有关系。直到

19

世纪末，亚洲人和非洲人才有了机会在科学上施展他们祖先曾经施展过的才华抱负。在这个按地域划分科学的时期，女性也被排挤出这一活跃的科学研究领域之外（她只知道家务，他则什么 都知道

13

）。女性在

1900

年终于冲破藩篱，得到社会的认可，这也是“科学家”一词取代“从事科学研究的男人”的真正原因。

19

世纪是一个人类对自然界有着全新认识的时代，它见证了当时科技的进步、帝国的扩张、新国家的兴起，以及新专业、新行业、新可能的诞生。在概述这个科学的时代时，许多内容必须有所取舍，有些只能略过。科学是讲究背景

的，它有自己的内容

；我对此尽量做到不偏不倚。当我们看待科学时，我们往往过于关注内容、理论、实验，以及具有创新能力的个人，而忽略了社会历史背景，如伦理与宗教信念、教育体制、社会、团体、出版商、科普人员及市民大众。因此，当我试图恰如其分地评价科学的学术价值时，有人也许更想了解能源的革新与保护，了解那些在

19

世纪

50

年代里给科学带去新凝聚力的普遍原理。革新与能源的确渗透于方方面面，但我还是努力把科学和以下的这些背景结合进行叙述 ：社会进步、宗教质疑、伦理争议、科学家对地位和尊重的要求，以及在印染技术、照明、运输业、炸药、战舰方面的发展。在

19

世纪早期，科学落后于技术，科学研究者努力阐释发明的本质 ；而随着科学的进步，应用科学成为新型工业的关键。在

19

世纪后期，“纯”科学与应用科学剥离开，但要把科学、技术、医学分开是不可能的事，因为它们同属于一个我们所关心的集知识性、实践性和社会活动于一体的范畴。诠释自然需要考虑如何处理相关的知识。这点尤其表现在化学上，这是一门在

19

世纪得到深入研究的学科。化学在医学和工业上至关重要，它是财富和力量的源泉，它带给我们原子理论、分子模型，它帮助我们理解物质，让我们明白它与电和摄影之间的关系。我在本书中对它给予了应有的关注。作为西方文化的一个重要元素，科学改变了

19

世纪的世界面貌。因为无法对所有的背景情况面面俱到，我的叙述只能专注于西欧。我尽力恰如其分地对待在

1789

年处于核心地位的法国，以及在

1914

年重要的科学发达国家德国。由于对英国情况更为熟悉，而非因为英国在全世界的重要地位，我选取了不少来自英国的例子。不同的视角毫无疑问会带来有所不同的看法。我的叙述中会有大量有关人类在科学知识与实践方面所取得的成就，以及关于人类对大自然的诠释和理解。但是，关于科学家诞生的过程依然是该书的核心。我们将关注的是，在当时，世人如何接受和认识科学和科学家，以及科学和科学家是如何诞生的。