第一卷 东方 古老文明的源头

回顾科学的历史就像一个人回顾自己的历史，记忆的大河蜿蜒伸向朦胧的远方，年代越久远，回忆越不确切。写一部科学的历史如同写一部人物传记，我们通常都要简短地追寻一下他的出生、父母和祖籍。今天我们回顾科学的历史，可以且应该从科学史之前的自然史开始。

第一章 从自然史到文明史

自然界经历了一个漫长的演化历程，这是现代人普遍持有的一个信念。宇宙、太阳系、地球、生命和人类相继演化的历史被称为自然史。如果自然界是演化的，演化的时间顺序必然是：宇宙—地球—生命—人类。

宇宙的起源与演化

地球、太阳、银河、星系、本星系群、星系团、本超星系团

根据当今得到一致认可的大爆炸宇宙学理论，我们的宇宙是在大约137亿年前的一次大爆炸中诞生的。这个理论依据这样一个事实，即几乎所有星系都以很高的速度相互逃离。这意味着整个宇宙都在膨胀，而且膨胀是没有中心的，也就是说，从任何一点看都能发现四周的天体在离我们而去。有意思的是，距离越远，退行速度越大。

宇宙的膨胀现象必然导致一个问题：如果我们往回追溯，那么，宇宙会越来越小，就像胀大的气球放气，到最后只剩下一个点。那么此前是什么?

宇宙学家设想，宇宙是从点状宇宙发生大爆炸开始膨胀的。至于点之前是什么，还没有令人满意的回答。

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一种常见的回答是，时间、空间正是在大爆炸中产生的，在没有时间的情况下，无所谓之前之后。

还有一种可能，即有无限多个星系向无限的远方膨胀。如果是这样，就不存在什么起点问题了。按照距离越远，退行速度越大的规律，无限遥远的天体将有无限大的退行速度。而这是不可思议的。根据相对论，物体运动的最大速度是光速。按照这一极限速度，宇宙的范围事实上已被限定了，也就是说，可见宇宙的边缘可定在退行速度为光速的地方。
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::: tip
空间的大小在天文学中同时意味着时间的长短。所有的天文学理论都依赖于天文观测，而所有的天文观测观测到的都是光信号或以光速传播的其他电磁波。我们每看到一样东西，都不是这个东西现在的样子，而是其若干年前的样子。这个东西离我们越远，则我们看到的是它越早的样子。
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大爆炸宇宙理论表明，在最初的百分之一秒时，宇宙温度由极高温降到1000亿摄氏度，由于温度太高，各种基本粒子均处在游离状态，宇宙就像是一锅物质和辐射汤。3分钟后，宇宙温度降到了10亿摄氏度，质子和中子开始形成像重氢和氮这样的轻原子核。此后再经过7万年，温度降到3000℃，宇宙由辐射状态变为物质状态。与物质脱耦后的辐射慢慢形成了宇宙背景辐射。再经过约2亿年，星系开始形成。也许再经过几亿年，星际物质在引力作用下逐渐收缩为球状星云。在收缩的过程中，温度逐步升高，内部压力增大，与引力对抗，于是星云内部发生核反应成为恒星。

::: tip 行星的生命周期
几乎所有恒星都要依次经过主序星阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。在主序星阶段，核反应产生的巨大能量顶住了引力收缩，使恒星的表面温度升高并向外发射可见光。当大部分氢在核反应中变成氦之后，核能量变小，恒星再度收缩，这就是红巨星阶段。当恒星收缩到一定程度时，中心温度升高又引发了新的核聚变反应，再度顶住了引力收缩。这一过程会持续约10亿年，核反应逐渐停止，恒星进入晚期和临终阶段。
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太阳系是在约46亿年前形成的。太阳内部的氢燃料已燃烧了约46亿年，还会再燃烧约50亿年。地球差不多是与太阳同时形成的。太阳系起源于碟形旋转而且高温的原始星云，太阳位于这个星云的中心，各大行星就是围绕太阳旋转的诸多物质吸引、碰撞、累积的结果。可能有一次像火星这样大的天体撞击了原始地球，使之喷出大量的物质，而这些物质后来慢慢冷却成为月球。也可能是由于这次大撞击，地轴与黄道面发生了倾斜。原始地球不断吸积天外撞来的物质，清除了公转轨道上的各类零星物质，直到38亿年前形成了稳定的地球。这个时候的地球，重物质沉入核心，轻物质浮上来，形成了今天的地壳、地幔和地核的分层结构。

地球演化与生命起源

大气的演化具有特殊的意义，因为它为生命的出现创造了条件。地球大气有三代。第一代大气即原始大气，在地球演化的早期就跑掉了。第二代大气是地球内部经物理化学反应而挤压出来的，叫作还原大气。还原大气中缺氧。主要由于后来出现的最古老的低等生物蓝藻细菌能够进行光合作用，不断放出废气“氧气”，还原大气开始逐渐变成以氧和氮为主的现代大气，即氧化大气。

生命起源问题至今依然是一个没有解决的问题，我们只能谨慎地猜测。大约在40亿年前，接近稳定的地球表面形成了海洋以及原始大陆。炽热的太阳光直射到地表，形成很高的温度。缺氧的大气使来自太阳的紫外线畅通无阻地射到地表，而紫外线具有极强的化学活性。在大气和地表中发生的各种化学反应，使原本只有无机物的地球上出现大量氨基酸、核苷酸、单糖等有机物，这些有机物又不断发生化学反应，逐渐由简单的有机物聚合成复杂的有机物，出现了生物大分子蛋白质和核酸。这些蛋白质和核酸在海水中慢慢储存聚集，经过数亿年的发展，终于在大约15亿年前形成了有自我复制功能的真核生物。

原始单细胞生物，向两个方向进化：一是自养功能加强而运动功能退化，进化到单细胞菌藻类植物，成为植物界的进化源头；另一方向则是运动功能和异养功能增强，自养功能退化，进化到单细胞原生动物，成为动物界的进化源头。

地质学家根据古生物化石在地层上沉积的次序划分了地质年代，后又根据同位素放射性蜕变物的测定确定了确切的距现在的时间：

在寒武纪（以英国威尔士地区一个地名命名，最早在这里挖到这一年代的地层）之前，确切的化石记录很难找到，因为那时的生物还没有较硬的身体。此外，那时地表温度太高，高温岩石流常常从地下流出，将原始生命熔化。不过，到了寒武纪之后，化石记录开始丰富起来。基本上可以肯定，从寒武纪开始，海水中出现无脊椎动物。奥陶纪（源自英国威尔士地区一地名）时期，脊索动物首次出现；志留纪（源自英国威尔士地区一地名）到泥盆纪（源自英国英格兰地区一地名），鱼类出现并成为海洋中主要的生命。到石炭纪（形成煤炭的植物活跃时期），陆地出现森林，两栖动物随之而来。整个中生代，陆上爬行动物横行，哺乳类动物亦开始出现。这个时期，恐龙统治着地球。到了白垩纪，有史以来最大的食肉动物霸王龙在地球上横行，但在白垩纪末期，恐龙神秘地消失了。有些科学家相信，这个时期有一颗直径达10千米的巨大星体撞击地球，导致恐龙和其他生物灭绝。到了新生代的第三纪，现今哺乳类动物的早期种类走上了地球的历史舞台，直到今天；到第四纪，人类的祖先姗姗来迟。

::: tip
若把地球的历史浓缩成一天24小时，1秒大约相当于5万年。如果地球在午夜零点诞生，那么，生命大约起源于凌晨5点，脊椎动物起源于晚9点，哺乳动物起源于晚10点，灵长类动物在晚11点37分出现，而人类的祖先差不多直到11点56分才浮出水面。
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人类的起源与进化

现代人与现代猿有着共同的祖先。现代猿也叫现代类人猿，共有四种，包括生活在赤道的非洲大猩猩和黑猩猩以及生活在东南亚的猩猩和长臂猿，它们和人类都是由古猿进化而来的，古猿是现代人与现代类人猿的共同祖先。

人和猿的基本区别是人能够直立行走，而猿不能。目前最古老的人科化石证据是1978年在坦桑尼亚奥杜威峡谷以南48公里的莱托里地区发现的人科动物脚印，年代在360万年前。根据分子生物学的证据估计，直立行走的人科动物（Hominid）大致出现在700万年前。

1974年在埃塞俄比亚的哈达地区发现了一具小个子的成年女性的全身骨架，年代在300万年前，身体结构很像猿，却明确显示是直立行走的。这个被称为“露西”（Lucy）的女人，大概是迄今为止发现的最早的直立行走的人科动物，后来被称为南方古猿阿法种。

人属成员出现的年代（距今300万年至100万年前），在南非留下了不少化石。

能人。脑量要比其他南方古猿差不多大50%。

现在一般认为，直立人大概在200万年前首次出现。直立人可分为早期直立人和晚期直立人。

直立人之后，大约在50万年前出现了智人（Homo sapiens）。智人有许多亚种，包括尼安德特人和现代人（Homo sapiens sapiens）。直立人向现代人进化的路线一直存在两种观点，一种是多地区假说，一种是出自非洲假说。目前最新的分子遗传学证据并不支持多地区起源假说。按照现代分子遗传学的说法，“现在世界上的60亿人都是过去生活在东非的、在解剖学上已是现代人的后裔。到了约10万年前，现代人经过尼罗河谷北移，横越西奈半岛到了中东。距今6万多年前，他们沿着印度和东南亚的海岸线抵达澳大利亚。约4万年前，这些现代人又从非洲东北部抵达欧洲，并从东南亚进入东亚。最后，大概在1万年前，他们又从连接今天西伯利亚和阿拉斯加的广大平原抵达南北美洲”

晚期直立人虽然已经学会了用火和保存火种，但他们还不会自己造火，只有智人才会人工取火。早期智人的典型是尼安德特人，其遗骸于1856年在德国杜塞尔多夫城附近的尼安德特河谷被发现，距今约30万至5万年，最后灭绝了。晚期智人，也就是现代人，按照分子遗传学的观点，都来自非洲。

文明史的序幕

长达数百万年的旧石器时代之后是大约始于公元前1万年的新石器时代。新石器革命最重要的标志是农业社会的出现：耕种代替或补充了狩猎，饲养家畜、栽培植物成为生存活动的主要内容，人类开始稳定地居住在一块土地上，在那里开垦、播种、繁衍生息。人类文明史的序幕就这样徐徐拉开了。

史前史的考古学分期都是按照制造工具的原料以及制造技术来划分的，与前面提到的人类进化谱系对照如下：

工具的使用标志着人类创造自身的开始，也是原始技术的萌芽。人类一旦有意识地改造周围的世界，技术的进步就成为必然的前提。新石器时代在工具层面上的标志是由打制石器进化为磨制石器。磨制的石器表面光滑，使其形状准确，刃部锋利。除了磨制石器的使用，新石器时代更重要的标志是定居生活以及与定居生活相伴的陶器的使用。定居生活意味着农业和畜牧业的产生。

在人类与大自然相适应的过程中，生产工具和生产技艺不断进步。与此同时，人类对自然界的认识也在不断积累和发展。首先值得关注的是天文和历法知识。

东方的四大文明古国

埃及

尼罗河流域的古埃及是世界上历史最悠久的文明古国之一。每年尼罗河水的泛滥都会给河谷披上一层厚厚的淤泥，使那儿的土地极其肥沃。庄稼在这里一年可以三熟。

古埃及的历史常常被分为前王朝时期、早期王国时期（第一、第二王朝）、古王国时期（第二至第八王朝）、中王国时期（第九至第十七王朝）、新王国时期即帝国时期（第十八至第二十王朝）、衰败时期（第二十一至第三十一王朝）。

在早期王国以前，埃及人就发明了图形文字，经过长时期的演变形成了由字母、音符和词组组成的复合象形文字体系。象形文字多刻于金字塔、方尖碑、庙宇墙壁和棺椁等神圣的地方，后来为了书写方便又发展出了简略的象形文字，称为僧侣体。

埃及人创造了人类历史上最早的太阳历。

埃及人在数学上也颇有成就。

埃及的医学成就比较突出。埃及人相信人的尸体是灵魂的安息处，要想死后继续在阴间生活，就必须把尸体保存好。他们发明了一种掏去尸体内部五脏，再用盐水、香料和树脂泡制、风干，用麻布包扎使尸体得以保存的方法。用这种方法保存的尸体叫木乃伊。

在公元前几十世纪的古代埃及，人们最重要的精神生活是宗教，因此，当时所有的知识无不打上宗教的烙印。埃及人把他们所识别的星座庄严地雕刻在一些神圣的地方，表明他们把神话中的神与这些星座视为一体；他们的数学知识被用来建造神庙；其医学的很大一部分实际上是巫术，指望通过符咒赶走邪魔，治好疾病。埃及人崇拜太阳神。太阳神名叫“拉”（Ra），后来又叫阿蒙-拉。

叙说古代埃及的科学技术史，不能不提到举世闻名的金字塔。金字塔是古埃及国王（又叫法老，相当于我国称皇帝为陛下）在生前为自己建造的陵墓，其外形呈角锥体，形似中文“金”字，故称金字塔。

美索不达米亚

世界上最古老的文明发源于幼发拉底河和底格里斯河流域，在今天的伊拉克境内。希腊人称之为美索不达米亚，意思是两河之间的地方。

早在公元前3500年左右，苏美尔人就发明了象形文字，后来发展成表意和指意符号。到公元前2800年左右，象形文字基本成形，被称为楔形文字。

美索不达米亚出现过高度发达的数理天文学体系，足以媲美同时代的希腊数理天文学。

美索不达米亚同埃及一样很早就开始发展农业，但自然条件与埃及很不一样。在埃及，尼罗河定期泛滥，相当规律，因此，埃及人的天文学也相对简单。在美索不达米亚，底格里斯河和幼发拉底河河水的涨落并不规律，确定一年四季全靠天象观测；此外，这里因缺乏天然屏障，外族频繁入侵，也给当地居民的精神生活蒙上了一层悲剧色彩。埃及人处世泰然、心平气和，而美索不达米亚人则阴郁消沉、疑神疑鬼，他们发达的占星术显然来自这种精神状态，而对天象的细致观测又使他们极大地发展了天文学。

太阳在恒星背景下所走的路径，天文学上叫作黄道。古代美索不达米亚人早已经知道了黄道，并将黄道带划分成12个星座，每月对应一个星座。每个星座都以神话中的神或动物命名，并用一个特殊的符号表示，它们是：

美索不达米亚人有着更为丰富的数学知识。大约在公元前1800年，巴比伦人就发明了60进制的计数系统。他们有进位制的概念，但没有表示零的记号，因此，计数系统并不完善。他们会做加减乘除四则运算，其中除法是通过将除数化成倒数来完成的。在出土的泥板文书中，有不少倒数表。

美索不达米亚的医学很不起眼，现存泥板文书中没有比公元前10世纪更早的医学文献。

美索不达米亚最值得一提的技术成就是它的冶铁术和城市建设。在美索不达米亚，大约在公元前4000年就出现了青铜铸件。最早的炼铁术是赫梯人发明的，到了大约公元前1500年已相当普及。亚述人也从赫梯人那里学习了先进的冶铁技术。用铁制造的武器坚硬而又锋利，造就了强大的亚述帝国。

古代美索不达米亚人很早就建立了城市，而且非常注重城市的建设。

印度

今日南亚次大陆俗称印度次大陆。它位于亚洲的南部，北枕喜马拉雅山，南接印度洋，东临孟加拉湾，西濒阿拉伯海，北广南狭。这里三面环海，一面靠山，有着天然的封闭地理环境。境内地形复杂，地理条件极为悬殊。西北部的印度河发源于冈底斯山以西，流入阿拉伯海；中北部的恒河发源于喜马拉雅山南坡，流入孟加拉湾。印度河和恒河所形成的冲积平原，土壤肥沃，气候湿润，是世界最古老文明的发源地之一。

直到殖民地时期，印度大小王国林立，从来没有形成过高度统一的中央集权制国家。与此相伴随，印度也从来没有统一的语言。于印度次大陆特殊的地理位置，加之累遭外族入侵、占领和殖民统治，所以成了世界三大人种（尼格罗种、蒙古利亚种和高加索种）的交会处。

印度还存在根深蒂固的种姓制度。全部印度人都被分为四个等级的种姓，从高到低依次是：婆罗门、刹帝利、吠舍和首陀罗。种姓世袭，不同种姓之间不得通婚。

::: tip 印度的种姓
婆罗门即僧侣，从事文化教育和祭祀活动；刹帝利即武士，负责行政管理和打仗；吠舍即平民，经营商业贸易；首陀罗是所谓的贱民，从事农业及各种手工业。
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印度的历史大致可分为史前时代、吠陀时代与史诗时代、列国争雄时代、殖民时代和独立时期。

印度文化主要是一种宗教文化。它推崇来世，轻视今生，强调人生的无常和空虚；主张清心寡欲，反对执着追求。

印度早期的历法五花八门，但基本上是阴阳合历。

大约在哈拉巴文化时期，印度人就采用了十进制记数制。

公元5世纪初，印度数学家创造了零的概念及其数字符号0。《圣使历数书》中出现了平面图形的求积以及算术级数的求和方法，算出了圆周率等于3.1416。《圣使历数书》中已出现了完备的十进制数值体系。印度人还引进了负数、无理数运算，学会了处理二次方程的求根问题和解不定方程。

印度的医学可以称得上相当发达。

印度的科学技术也影响了我国，特别在中古典籍中，可以看到这种影响的痕迹。我们今日的许多日常用语就来自印度，比如，表现无限大的词语“恒河沙数”，以及形容很短时刻的“一刹那”。

中国

北面是寒冷的西伯利亚荒原，东面、南面是浩瀚的大海，西面是阿尔泰山、喀喇昆仑山及沙漠、戈壁，西南是喜马拉雅山。沧海大洋与高山大漠形成了一个相对封闭的地理环境。

华夏民族的远古历史可以追溯到约公元前3000年黄河流域的姬姓黄帝部落和姜姓炎帝部落，中国人常称自己为炎黄子孙即源于此。

中国先民是朴实的农业民族。与其他几大古老文明形成鲜明对照的是，中国先民的宗教意识极为淡薄。远古的神话传说中没有超越人间的神的形象，相反，充满着对先祖杰出才能和品质的赞颂。无神论的民族重视现实世界，遵从生活经验，这个民族特性决定了中国科学的实用性、经验性特征。农（学）、医（学）、天（学）、算（学）是中国人独自创造的科学技术体系中的四大核心学科。

经过几百上千年的积累，中国的医学体系在春秋战国时期得以初步建立。《黄帝内经》是祖国医学的奠基之作，两千多年来，一直指导着中医的临床实践，是极为宝贵的科学遗产。

发展农业生产离不开历法的制定。

商代甲骨文中开始有十进制的记数方法，春秋战国时期普遍运用的筹算完全建立在十进制基础上。十进制记数法是当时世界上最为先进的记数法，是我国人民对世界文明的重大贡献。但筹算也有它的局限性，计算过程无法保存，因而无法检验。中国传统数学不擅长逻辑推理，也可能与筹算法这种重结果不重过程的数学思维有关。

中国上古时期最重要的技术成就是冶炼术和丝织技术。

中国不是近代自然科学的发源地，但是近代科学的诞生得益于许多外在和内在的条件，中国文明直接和间接地为之创造了条件。