科学史上的神话

来源：公众号慧明力学

我们小时候都会学到一些伟大科学家的故事，牛顿的苹果、伽利略的比萨斜塔试验、瓦特的茶壶盖……然而，这些科学传奇原来都不过是讹传罢了。 

布鲁诺

1600年2月17日，吉尔达诺·布鲁诺(Giordano Bruno)被绑在罗马的鲜花广场上，活活地烧死了。他的舌头被事先钉住，以防他临死前喊出什么异端的口号来。尽管这样，布鲁诺的句子还是流传了四百年而依旧震撼人心：你们在宣判的时候，比我听到判决时还要恐惧。

以上当然是历史的事实，并无夸大之处。但问题是，当我们的脑海中出现布鲁诺的名字时，往往会自然反射般地有这样一种印象：他是因为捍卫哥白尼的日心说而被反动的教会迫害致死的。布鲁诺为科学真理而献身，他是一个科学的“烈士”！实际上，这个结论却是大可值得商榷的。
对于布鲁诺的审判长达8年之久，他当真是因为坚持科学观点而受审的吗？根据学者们的研究，宗教裁判所先后对布鲁诺提出的指控足有40项之多，但其中的大部分还是关于神学和哲学方面的，例如布鲁诺怀疑三位一体学说、否认圣母玛利亚的童贞、认为万物有灵、怀疑耶稣的生平事迹、对于地域和犯罪的错误看法，等等，也包括他的一些具体行为，例如亵渎神明、侮辱教皇、试图在修道院纵火、研究和施行巫术，等等。对于宇宙和太阳行星的看法当然也包括在其中，但却远非主要部分。
话又说回来，布鲁诺支持哥白尼的日心说，是否出自科学上的理由呢？这更是一个牵强的说法。从任何角度来看，布鲁诺都很难称得上是一个“科学家”。他认为太阳处在中心地位，更多的是出自一种自然哲学上的理由，而绝非科学上的。布鲁诺甚至在著作中评述说，哥白尼的局限就在于他过分拘泥于数学中，而无法把握真正的哲学真理。
在科学史界有一种非常著名的看法：布鲁诺对于日心体系的支持，其根源在于赫尔墨斯主义(Hermeticism)对其的深刻影响。赫尔墨斯主义是一种古老的宗教，带有强烈的神秘主义，泛神论和巫术色彩。这种宗教崇拜太阳，而哥白尼体系正好迎合了这种要求。布鲁诺的思想带着深深的宗教使命感，试图恢复这种古老的巫术体系的繁荣。教会最后判了布鲁诺8条罪名，具体是哪些现在我们已经无从得知了，不过很有可能，他主要是作为一个巫师被烧死的！
不管这种看法是否可信，退一万步来说，布鲁诺也最多是一位有着叛逆思想的自然哲学家。他只是从哲学的角度出发去支持哥白尼体系，在科学史上，他对于后来人没有产生过任何影响。把他作为一个为科学而献身的烈士来宣传，无疑掺杂了太多的辉格式历史的色彩。说他是一个伟大的“自然科学家”或者主观上为了捍卫科学而死，则更没有任何根据。
当然，我们无意贬低布鲁诺的地位。客观上来说，他无疑对日心说的传播起到了积极的影响。而他对于自由思想的追求，对于个人信念的坚持，面对世俗的压力不惜反叛而献身的勇气，则更属于人类最宝贵的精神财富。但我们必须承认的是，在现代科学初生的那个蒙昧阶段，它和巫术、占星术、炼金术、宗教的关系是千丝万缕的，根本无法割裂开来。就算是作为现在科学奠基人的牛顿，他的神学著作和炼金活动也是数不胜数的。我们往往过分强调了那个时代科学与宗教的冲突，反过来又把许多站在教会对立面的人立为科学的典型，这在科学史上是非常需要避免的辉格式解释倾向。

阿基米德

很少人不知道阿基米德（Archimedes）量金冠的故事，这个传说本身倒是空穴来风，它首先被记载于公元前1世纪罗马的建筑师维特鲁乌斯(Vitruvius)的著作中。根据记载，叙拉古的国王耶罗二世(HieroⅡ)做了一个金冠要献给神，但他怀疑金匠私吞了一部分金子，而以同等质量的银子代替，便命阿基米德想办法在不破坏王冠的情况下测出它是否为纯金。阿基米德冥思苦想，终于在一次洗澡的时候，他发现浴缸里的水随着身体的浸入而不断地溢出，于是突然恍然大悟，光着身子跳出浴缸，嘴里还叫着一种多里安方言：Eureka（希腊文，意为“我找到了”）！这个词从此被作为灵感来临的象征，成为多少人梦寐以求的时刻。

阿基米德的方法是，把金冠扔进一个盛满水的桶中，测得溢出水的体积。然后把同等质量的纯金也扔进满水的桶中，得到溢出水的体积。如果金冠掺银的话，它的体积就要比同等重量的纯金要大，因此排出的水相应地便多。

这听上去当然无懈可击，不过稍作计算的话，很难想象阿基米德真的可以用这种方法来实际地解决问题。希腊时代的王冠其实就是“桂冠”，也就是像奥运会上那种橄榄枝围一圈戴在头上的那种“花环”。从考古实物来说，目前出土的最大的王冠重714克，直径18.5厘米，为了简便，我们往宽里计算，假设阿基米德的王冠重1千克，直径20厘米好了。因为纯金的比重是19.3克/立方厘米，所以1千克的金子实占体积51.8立方厘米。现在假设金匠往王冠里掺了30%的银子，那么银子的比重是10.6克/立方厘米，该王冠实占的体积差不多是64.6立方厘米。

把王冠和纯金放进尽可能窄的桶里（王冠直径20厘米，则桶口的面积最小是314平方厘米），王冠能造成0.206厘米的水位上涨，纯金则是0.165厘米。相比之下，落差只有0.041厘米，也就是0.4毫米！不要说在阿基米德时代，就算在现代的中学里，要测出这样一个差值都是相当困难的！而且，任何其他因素，比如水的表面张力，水中的气泡等等都能轻易地造成同等的误差，这造成了该方法实际上不可行。我们的计算还是宽松的：假如王冠再轻一点，掺的银子再少一点，或桶再大一点，这个差值就更小了。

实践上的难度暂且不论，罗马建筑师的本意在于颂扬阿基米德的天才成就，然而这个检测方法确实一场拙劣的！更糟糕的是，这里面却没有用到阿基米德本人的伟大发现浮力定律！其实，如果想称颂阿基米德的话，我们有一种最简单的方法：直接用提秤，把王冠和在空气中同等重量的纯金同时放到水下去称量！因为王冠的体积大，受到的浮力相对也大，所以在水中王冠就会显得比金子要轻，提秤的这端会翘起！如果要使这两者在水中保持平衡的话，我们需要在空气中中1012.8g的纯金才行，相对来说，12.8g的差距是容易测量的，我们甚至能从中轻易的得到掺银的比例。而最关键的是，这才是阿基米德伟大之处的真正体现：浮力定律！

如果维特鲁乌斯物理再好一点，编造得更聪明一点的话，这个神话也许就没这么容易破灭。

伽利略

布鲁诺不被处死33年后，另一场著名的审判又在罗马开始了。这次货真价实，迎来的是历史上最伟大的科学家之一：伽利略(GalileoGalilei)。对于该审判的研究是科学史中的显学，有关著作汗牛充栋，在此无法详述。我们还是来关注一下大家所熟悉的那个有关伽利略的小故事：比萨斜塔上的扔球实验。

这次名留青史的实验是伽利略的一个学生维瓦尼(Vincenzio Viviani)在为老师写的传记中描述的。根据维瓦尼的叙述，伽利略在比萨担任教授时（大约25岁），特地召集了比萨大学的所有教授和学生，请他们来观摩斜塔实验。他从塔上扔下了两个不同重量的球，结果发现它们同时落地，于是推翻了亚里士多德体系。这个故事后来在漫长的时光里发展出了多个不同的版本，但概括来说大致如此。

可是，伽利略真的在比萨斜塔上做过这次实验吗？

翻阅所有的历史资料，我们发现这个故事的唯一来源就是维瓦尼的记述。当然伽利略的著作中曾经描述过类似的实验，不过他并未指明说是在比萨做的。如果真的有过这样一次轰动的实验的话，在当时人们的记述中应当会留下一些蛛丝马迹，可惜历史学家们从来没有找到过其他可以佐证的材料，这使得维瓦尼成了一条尴尬的孤证。从时间上看，维瓦尼自1638年起才成为伽利略的助手，而当时离开所谓的斜塔实验已经有差不多50年的光阴，这就更增加了人们的疑惑。

维瓦尼的伽利略传记在伽利略研究中当然是极其重要的资料，可惜历史学家们很快就发现，这本书里充斥了吹嘘，夸大和不真实的描述。维瓦尼作传的目的就是在于拔高老师的历史地位，这就使他的笔法带有强烈的圣徒传(hagiography)的色彩。他曾经描写说，伽利略于1583年坐在教堂里看着吊灯的摆动而发现了摆动定律，可后来人们发现这盏灯直到4年后才被挂到比萨教堂里去。类似的破绽在书中还有很多，这不免使得斜塔实验更加显得不大可信。

但是，我们就算伽利略真的在1589年爬上了比萨斜塔，面对他的学生们扔了两个球。OK，他实际上能证明什么？他又会对学生们说些什么呢？当然，他可以证明亚里士多德是明显错误的：两倍重的球决不会下落得快两倍，不过这也不算不得什么重大突破。后世对于伽利略的颂扬过分到如此的程度，以至于人们都相信在他之前竟没有人指出过这样明显的错误！事实上，早于伽利略1000年，公元6世纪的时候，拜占庭的学者菲罗波努斯(JohnPhiloponus)就明确地描述过类似的落体实验，指出轻物并不会比重物晚落地多久，许多中世纪学者也早就有过相同的论述。1533年，贝内德蒂(GiovanniBenedetti)建议用轻重物体来实际检验亚里士多德的理论，而斯蒂文(SimonStevin)则当真进行了实验，并于1586年发表了结果。关键不在于是否能反驳亚里士多德，问题在于，伽利略能在斜塔上用实验来证明他自己的理论吗？

显然不可能，因为伽利略当时对于落体的看法本身是错误的。他仍然认为，不同质地的物体都会有一个相应的最大速度，落体在开始时经历一个加速阶段，但到了最大速度以后就将一直保持匀速直线。看起来，斜塔实验并不会对他有太大的用处。

时至今日，虽然还有如Drake这样的名家认为斜塔实验是有可能实际上发生的，大部分的科学史家都倾向于把这个故事看成一个虚构的神话。20世纪中，鼎鼎大名的柯瓦雷甚至对伽利略在整个实验科学中的地位都发出了质疑，他认为伽利略的许多实验实际上都知识理论推导的点缀，在体系中并没有基本的地位。而有些在当时则干脆根本难以实现，很可能是凭空虚构出来的。Settle和Drake对此进行了反驳。不过，伽利略后来对于落体实验应该是反复研究过的，他的论著中好几处提到这样的现象：当我们同时放开一个重物和一个轻物的时候，似乎总是轻物一开始下落的快啊，而重物则慢慢地追上并反超。现代高速摄影机证实了这个奇怪的结论，不过原因大概是你想不到的：抓着重物的手因肌肉疲劳的缘故，总是会不自觉地比另一只手迟松开片刻。换句话说，我们没法”同时“放开轻物和重物。

牛顿

牛顿的苹果的故事是如此地家喻户晓，妇孺皆知，使其当时无愧地成为了科学史上最深入人心的神话之一。不过，这棵苹果树在历史上倒真是存在的，牛顿的朋友们如W.Stukeley等都曾经提到过。直到1814年，牛顿的传记作者布鲁斯特还亲眼见到了它，只不过已经严重腐朽了。这棵神奇的树终于在1820年的一次暴风雨中被摧倒，有一段树干至今保存在剑桥大学三一学院博物馆，但它的子嗣依然繁衍不息：人们从它身上剪下枝条，嫁接到Brownlow勋爵的一些树上。在以后的岁月里，它被送到世界各地生根发芽，仍然结出被称为“肯特郡之花”的一种烹饪苹果。它的名气历经3个多世纪始终不衰，当印度普恩天文研究院里的一个分枝真的结出两个苹果的时候，人们甚至还不远从300公里以外赶来参观朝圣。
1998年，约克大学的Richard Keesing在《当代物理》杂志上撰文，宣称通过自习的考证比较，在牛顿的家乡林肯郡沃尔索普找到了当年那棵苹果树的遗址。令人惊奇的是，通过与当年样本的遗传基因比对，现在的这棵树很可能就是当年残留的老根上抽出的新芽！换句话说，牛顿的苹果仍未死去，至今已有350多岁！
我们暂且把苹果树的命运放到一边，来关注一下那个耳熟能详的故事：1666年，牛顿在家乡躲避瘟疫的时候，偶尔看到一个苹果落到地上，于是引发了他的思考，最终得出了万有引力理论。这是真的吗？它有多少可信度？它背后隐藏了一些什么样的内容呢？
苹果传奇的推动者当然要属伏尔泰和格林，两个人在1727年的著作中不约而同记述了这一故事。不过追根溯源，伏尔泰是从对牛顿侄女康杜伊特的访问中了解这个情况的。格林的来源则是福尔克斯，他是当时皇家协会的副主席，牛顿的好友。牛顿的另一个朋友斯图克雷也记述了他和牛顿一起喝茶时的情景，当时牛顿告诉他，正是当年一个苹果的落地勾起了他对于引力的看法。而牛顿侄女的丈夫J.Conduitt也多次提到这个故事。然而不管怎么样，最终的源头都还是来自牛顿自己之口：看起来，牛顿在晚年曾向多个人（至少4个以上）讲起过这个事情。可值得玩味的是，为什么牛顿在50多年中从未提及此事，但到了1720年后，他却突然不厌其烦地到处宣扬起来了呢？
作为后世人的我们，恐怕永远也无从知晓牛笋是否真的亲眼目睹了一个苹果的落地，而这本身也并不重要。我们所感兴趣的是，这个故事的背后究竟包含了一些什么东西。对于牛顿时代的人们来说，苹果作为《圣经》里伊甸园的智慧之果，其象征意义是不言而喻的。由“苹果落地”而发现宇宙的奥妙，这里面就包含了强烈的冥冥之中获得天启的意味，使得牛顿的形象进一步得到神化。牛顿曾和胡克关于引力平方反比定律产生过纠纷，后来牛顿更卷入了著名的和莱布尼兹关于微积分发明权的官司中去，这样一个故事，对牛顿来说无疑是有其意义的的描述未免有些过于小人之心，我们还是假设牛顿当时真的见到了一个苹果落地。那么，他的灵感带来了什么样的突破？引力平方反比定律当真在1666年就被发现了吗？难受，难说。

大家已经知道牛顿对于胡克竟敢争夺反比平方定律的优先权非常恼怒，他几次对人声称，反比平方定律是他在1679年所证明了的。可见，牛顿自己也只不过认为反比平方定律发现于1679年，然而到晚年的时候，他的论述却突然变得暧昧起来，许多语句都有意无意地产生了误导的作用。

1714年，牛顿写了一份如今非常著名的手稿，宣称早在1666年在老家躲避瘟疫期间，他就根据开普勒定律和离心力定律推导出了行星运动中的受力复合反比平方关系，更言之凿凿地说，发现答案非常吻合。
今天我们几乎可以肯定，这个陈述是不真实的。首先运用牛顿的方法，不可能得出行星椭圆轨道的求解；其次，对于月球是我成功检验是绝对不现实的：牛顿根本没有地球直径的准确数据。哪怕牛顿的亲朋好友们，也都描述说正是这个原因导致了检验的失败，迫使他把研究搁置了起来。
在1718年的备忘录里，牛顿又说，1676-1677年之交的冬天，他从平方反比关系退出了行星轨道必定是椭圆。这有事一种和他之前声明互相矛盾的说法，而且也肯定是站不住脚的。著名的牛顿学者，已故的哈佛大学教授柯恩对此直言不讳地说：“这当然是虚假的历史，由牛顿在1718年空造出来的”。
更需要指出的是，牛顿在1679-1680年与胡克的那次关键通信之前，对于行星运动的理解是非常不同的。他认为月球的运动是在一种“离心力”的作用下进行的，所有总是有“远离“地球的趋势！这和导致苹果落地的地心引力是截然不同的概念。就算牛顿看到了苹果落地，他也不太可能联想到这种力就是导致月球环绕地球（或行星环绕太阳）的原因！没有任何证据显示，牛顿在1666年已经有了”万有引力“的想法。
实际上，不要说1666年，哪怕在牛顿之前所宣称的1679年，他在和胡克通信时所犯下的基本错误，单从概念上说，牛顿也没有做好准备。结合各种史料来看，目前学界普遍认为牛顿证明反比平方定律只能在1684年，也就是他写《运动论》的时候才能最终实现。而万有引力定律的普遍形式则更要推迟到1685-1686年。苹果的神话往往给我们这样的错觉：一时灵感是如何在瞬间成就了不世出的天才。可实际上，万有引力定律的思想根源有着明确而漫长的艰难轨迹：从离心力概念到平方反比思想，再发展出离心力定律然后往向心力定律转变，这才能得出平方反比定律，而最后归结为万有引力定律的最终形式。这个链条中缺失了任何一环都是无法想象的。牛顿在无数前人的基础和同时代人的帮助下，经过20多年的不懈探索才最终完成了这一伟大发现，如果用一个苹果来概括这一切，未免是对科学的大不敬吧？

瓦特

不管是阿基米德的浴缸、伽利略的斜塔还是牛顿的苹果，神话的一大特点就是在当时无人提起也无据可查，直到漫长的岁月过去，当主角已经名扬天下的时候，它们才纷纷出炉，而且描述得活灵活现。瓦特的茶壶又是一个例子。

茶壶故事的最早源头采自瓦特的表姐一一坎贝尔夫人。她在回忆录中描写了瓦特的阿姨穆尔海德(Nuirhead)夫人如何训斥瓦特不干正事，盯着一个茶壶出神的情景。问题是，回忆录写于1798年，距离当年又已经过去了差不多半个世纪！她字里行间那种栩栩如昨的叙述，其真实性怎么都令人捏一把汗。故事的真假我们先不论，关键在于它到底带给了我们什么教育意义?瓦特难道真的是因为茶壶蒸汽的启发而发明了蒸汽机吗？

今天我们都知道事实远非如此，早在瓦特出生20多年前，纽科门(Thomas Newcomen)就制成了第一台实用的蒸汽机并投入使用。瓦特的杰出贡献在于对其进行了不断的改良，而其中牵涉到大量的物理、化学和机械上的知识。但它们和茶壶里冒出的蒸汽却是风马牛不相及的！可由于神话的暗示作用，至今许多人仍条件反射般将瓦特和蒸汽机发明者联系在一起。或许，正是这种把科学史简单化的心态成就了神话的风行于世吧。

凯库勒

另外一个类似的例子是凯库勒(August Kekul e)的蛇。据凯库勒自称，他因为当年做梦梦见一条蛇咬住了自己的尾巴，从而灵机一动，发现了苯的环状分子结构。同样，这个声明是他临死前几年才作出的，之前并没有任何旁证。详查他的笔记和资料，人们并没有发现有这样一个忽然获得“突破”的日子。有一种说法认为，凯库勒在晚年存心编造了这样一个神话，以掩盖他实际上从别的化学家工作中获得启发的事实。

爱因斯坦

不管怎么说，以上的所有故事至少都还能查到准确的来源，而所谓爱因斯坦的小板凳就令人一头雾水了。没有任何原始材料可以证明存在着这个可爱的故事，而爱因斯坦也似乎并未留下手工方面的不良记录(正相反，他在小提琴上的天赋说明他是一个双手灵活的人)。另一种说法是爱因斯坦小时候是一个很笨、学习很差的孩子，靠日后的不懈努力成才，这也完全没有根据，从爱因斯坦的成绩单中可以看出他的成绩极为优秀。

当然，根据爱因斯坦本人的自述，他直到3岁才学会说话，大家普遍怀疑他患有诵读困难症，在语言和表达上存在着学习困难，但这却和小板凳毫无关系！而且，他在语文上的成绩也并不差。1929年，爱因斯坦母校的校长为了证明学校的教育水平良好，特地翻阅了爱因斯坦的学习记录，发现他在拉丁文上总是拿1分，在希腊文上也拿到2分（注：德国教育的打分方法是越低越好，1分为优秀）。事实上，小板凳故事似乎只在国内流行，大概是哪位中国人的一时创造吧。

还有许许多多别的神话，由于篇幅原因，无法一一详述。我们这样走马观花地简单剖析一些科学史上的传奇，并非有意去贬低任何一位科学巨人在历史上的地位。如果说可以达到什么目的的话，那么除了起到娱乐八卦的效果之外，还能把历史从晕轮效应中还原出来，更准确地刻画出科学发展的详细历程，打破对于历史人物模式化的构建才是富有意义的行为。当然，从另一个角度来看，这些富有寓言色彩的故事在教育和宣传上仍然有着难以取代的效果，甚至我们的史话本身为了增强可读性，也偶尔会有意无意地向戏剧化方面稍稍靠拢。只不过，我们终究是长大了，总不能老用孩子的真天眼光反复地读着同样的童话吧。

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