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科学的文化背景(连载13)

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科学的文化背景(连载13)

1科学与文化论坛科学的文化背景(连载13)姜水根1,2杨榕楠1陈青华1(1.宁波市效实中学,浙江宁波3150122.宁波华茂外国语学校,浙江宁波315192)人们常说,哲学是有民族性的,有中国哲学和希腊哲学之分,而科学则不然,并没有中国物理和希腊物理之别。人们还常说科学无国界,因为它是建立在实验的基础上,是放之四海而皆准的。然而当我们从文化的视角来考察科学的话,就会发现,东西方不同的文化背景,会对科学概念的感受、科学规律的表述、科学发展的向度显示出不同的风格。1从琴棋书画谈起琴、棋、书、画是我国传统的四艺,除了书是中国特有的艺术外,琴、棋、画在西方也属传统艺术。在这些艺术门类中东西方显示了不同的特色,这些不同特色的形成,其根源还在于科学。就音乐而言,由于制作材料的不同,东、西方乐器的音色差异显著,中国乐器表现为丝竹之声的委婉,而西洋乐器则有金属之声的嘹亮。从作品上看,东、西方音乐的曲调也有很大的不同,中国乐曲原先主要由三分损益法产生的宫、商、角、徵、羽的5音系统构成(后来增加的变宫和变徵用得很少)。例如中国民歌茉莉花、乐曲满江红就是由Do、Re、Mi、Sol、La这样5个音谱成。西方乐曲则由7个音组成,比如歌曲国际歌、乐曲蓝色多瑙河等就呈现了7音系统。中国的音乐比较注重意境的开发,赋予乐曲较多的人文上的意义,而西方音乐比较注重科学的定量研究。西方科学研究表明,乐音音调的高低是由频率决定的。C调自然音阶的频率如下表音高DoReMiFaSolLaSiDoRe频率/Hz264297330352396440495528594从上表可以看出,在自然音阶中,随着音高的递增,频率也随之递增,但它不是按相同的比例增大的。表中相邻的两个音的频率之比分别是8∶9,9∶10,15∶16,8∶9,9∶10,8∶9,15∶16,8∶9,高8度的频率关系是1∶2,大三和弦Do、Mi、Sol的频率之比为4∶5∶6,即构成和声的几个音的频率具备简单整数比的关系。在科学研究的基础上,西方音乐家用12平均律(递增比例相同,都为122)做成钢琴的键盘音。他们不仅对每个音定有唱名,而且定了音名,达到了标准化。虽然中国明朝的朱载堉研究得出12平均律比西方还要早,但由于文化的原因,未能改变东方音乐发展的向度。就弈棋而言,中国象棋与国际象棋的棋盘有不同的对称性,棋子的名称、走法也有很大区别。但更显著、也是更深刻的区别在于中国的象棋(包括围棋)的棋子都是放在棋盘的点上的,是在线上行棋的,而国际象棋的棋子是放在空格内的,是在像马路一样有宽度的道上行棋的。对于我们中国人来说,把棋子放在点上是很自然的,因为点就是位置,有位置就可以放棋子。对于西方人来说,点是没有面积的,而放棋子需要有空间,棋子只2能放在空格内。空间是物理学中的一个概念,每个人都具有对于空间的感觉经验。它主要包括三个方面1.每个物体在空间中有确定的位置2.空间的存在跟空间中是否有物体无关3.物体在空间中有大小,即广延性。这种感觉经验是深入人心的,并构成了牛顿经典力学的基础。相比较而言,中国人感受的是第1方面,而西方人对第3方面比较注重。就绘画而言,以宣纸、墨和毛笔为质材的中国画与以画布、油彩和油画笔为质材的西洋油画是很不相同的。中国画用线条勾勒出物体形象,在中国画家的笔下,线条极其传神。而西方画家认为线条是不存在的,西洋画讲究的是面,油画的笔触就是在表现物体的面的过程中体现物体的质感。中国画画人物讲究神似,有时寥寥几笔就能使喜怒哀乐跃然纸上西洋画画人物讲究形似,为精确描绘往往先画草图,然后精工细作,画成之后就如同照片一样丝毫不差。中国画讲究画面的布局,空白处常以诗文填补,并配以书法印章之类。西洋画讲究对空间性质的科学研究,是一种高于画法几何的艺术上的表述。同样画山水风景,中国画讲究天人合一,画中的山,远近高低各不同,画家已融入山水之中,抒发一种高于生活的艺术上的感受。而西洋画讲究客观实际,画中的景物近大远小,隐含有透视的原理。当我们欣赏马萨乔的圣三位一体时,就可以看到筒状的拱顶被分割成许多方块,每个方块准确地按照透视法缩短,其显示的立体效果看起来就好像墙上开了一个洞,真是逼真无比(如图1)。书法是中国特有的艺术。汉字是象形文字,由向不同方向书写的笔划组成,结构复杂、书写不便,许多人把它当作一门学问来研究。人们在书写时讲究美观,从而使书法发展为一门博大精深、非常高雅的艺术。而西方的文字是拼音文字,由向同一个方向书写的字母组成,书写简单、方便,西方人并不把它当艺术,仅仅是作为记录和交流思想的工具。从文字本身来说,随着社会的发展,象形文字的拼音化是符合文字进化发展方向的。但是由于计算机的诞生,汉字输入法的成功发明,这个拼音化的道路实际上已经被停止了,也就是说,现代汉字的形态可以永远被保留了。从科学发展的需要来说,科学的表述对东、西方文字的取舍仍然是不对称的。构成西方文字的最小单位是字母ABCD等,用它们可以方便地表示数学上的点线面而构成中国文字的最小单位是笔划ー、ㄧ、ノ、ヽ等,用它表示数学上的点线面就显得别扭。对应于ABCD,中文要用甲乙丙丁表示,明朝的徐光启把几何原本中求作等边三角形的步骤翻译成于有界直线上求立平边三角形。法曰甲乙直线上求立平边三角形。先以甲为心,乙为界作丙乙丁圆,次以乙为心,甲为界作丙甲丁圆,两圆相交于丙、于丁。末自甲至丙、丙至乙,各作直线,即甲乙丙为平边三角形(见图2)。由此可见,用汉字表示数学上点与直线是不方便的。而对于数学公式或方程,用中文表述就更显得繁冗了。积分公式乙丙丁甲图2图13Clndxaxax,清朝的李善兰翻译成丙天)对(甲天天甲禾ㄔ。在这里已经用上了等号、括号、分数线等,加法也已经用了符号⊥,微分和积分符号用微、积字的偏旁,已见翻译者的良苦用心,可其优美简洁还是无法与原式相比,而如果涉及偏微分方程和复合函数的表达汉字就更显得难胜其任了。对于我们这些学习现代理工科的人来说,科学表述上的欧化是势所必然。2感受科学如前所述,琴棋书画这些最能体现人文修养的艺术领域,在它们与科学的渊源上,东、西方表现出了极大的差别,那么在科学的领域,在它们的研究方法和表述方式上是否也会表现出人文上的差别呢近代科学在欧洲诞生以后,迅速改变了世界的面貌,产生了强大的效应。它作为一种强势文化传播开来,使得不同的文化在科学的旗帜下统一起来。但是在近代科学还没有诞生以前就有的那些古老的科学,如天文学和医学,仍然带着各自的、深刻的文化烙印。东、西方的天文学在表述上是不同的。由众多的恒星组成的银河系,在中国人看来是西王母划出来的白茫茫的河水一片,在西方则把银河看作为主神宙斯的妻子赫拉的奶流成的道路,称为Milkway。再以行星为例,中国对行星是以中国哲学的五行木、火、土、金、水命名的,而西方对行星是以罗马神话中的诸神命名的。如水星Mercury信使神,水星的绕日运行的周期最短,只有88天,也就是跑得最快,因此就以信使神称之。金星Venus(爱神),那是因为金星最亮最美,所以给它这样美好的名称。而火星的颜色最红,好象是战争的火焰,就以战神Mars命名。木星Jupiter(罗马神话中的主神),之所以有这个地位,那是因为木星的体积最大。土星在天空中行动迟缓,被认为是年老的象征,于是就用宙斯父亲的名字Saturn(农神)来命名。离地球再远的行星发现的时间较晚,天王星Uranus(天空神)、海王星Neptune(海神)、冥王星Pluto(冥王),这些名称东、西方的称呼就都吻合了。虽然科学发展到今天,已经统一了世界,但是,不同文化传统的人们在自己科学发展的道路上,仍然保持着各自文化的印记。美国的航天登月工程叫做阿波罗工程,阿波罗是希腊神话中的太阳神而中国的登月工程就叫做嫦娥工程,嫦娥奔月是中国古代美丽的传说。实际上科学家都知道月球上没有空气和水,是一个不适宜人类居住的不毛之地,上面既没有住着古希腊的诸神,也没有美丽的月宫、玉兔和仙女,东、西方都是根据自己的文化传统给登月工程起了不同的名字。东、西方这些名称上的不同的叫法,还只是表面的,而对于星空世界的那种认识和持有的观念则有着更为深刻的差别。从公元前3千年的苏美尔人开始观察星空,到公元前2百年的古希腊的托勒密,西方科学家把观察到的北半球的星空划分为48个星座,以器皿、动物和神话的名字来命名。在每个星座中,对恒星的亮度按从亮到暗的顺序排列,然后以24个希腊字母α、β、γ和数字25、26命名。应当说西方科学家对星空世界的认识是比较客观的,他们并不认为这些星座就是器皿、动物或神,而是根据这些恒星分布的形状,为了方便观察和辨认而取的一个名称而已。4东方的天文学家对星空与西方有着截然不同的看法。汉朝司马迁(史学家,还擅长天文学,曾参与汉武帝时太初历的制定)所著史记天官书中把星空划分为28宿,将它们分属4个部分东、南、西、北宫,北极附近的星空属于中宫,总共有5宫。中宫天极星,其一明者,太一常居也。这颗太一星就是帝星,代表皇帝,在它附近的星代表正妃、后宫、藩臣、护兵等。北斗七星代表帝车,另外还有上将、次将等。中宫天庭不仅是星空世界的主宰,而且也是人间社会生活的主宰。另外东宫的星是代表天帝的明堂、府库,是主管天庭内部政务的。南宫的星有将有相,有兵车库等,是主管天庭外部事务的。西宫的星有五谷、粮草、牺牲,主管的是天庭的农事。北宫的星有羽林天军、有众多车骑,是主管天庭军事的。可见,中国的天文观念与西方的很不相同,是天人合一的思维模式的产物。我们经常看到中国的古典文学小说中写道夜观星象忽见一星陨落,必折我一大将军。这绝非仅仅出于艺术上的构思,而是中国古代天人合一的思想的直接反映。我们再来看医学的情况。从古希腊的盖伦开始直到现代,西方的医学是建立在对人体解剖的基础上的,人们掌握了人体的骨架结构、器官功能,还掌握了人体的血液循环系统、消化系统、呼吸系统、神经系统等。西医对于人体的各个部分都了解得十分透彻。对西医来讲,整个人体就像一部机器,各个器官就是机器的零件,当某个器官病了,就对它进行药物治疗甚至用手术的方法进行切除替换,所以西医的外科特别发达。中国的俗语在描述一个庸医时会说他头痛医头,脚痛医脚,而高明的西医恰恰就是这样的。西医治病就好像我们做力学题目进行受力分析那样,以生病的器官为研究对象,进行分析,再列出方案进行治疗,这是一种科学的、分析的思维方式。我国的中医就不是这样,中医虽然也有解剖方面的论述,但是中医理论是建立在医学实践和哲学思维的基础上。在中医理论中,人与自然是同构的,天地之间存在气,人就是气的运动的产物。中医把人体系统看成一个小宇宙,把生存环境看作大宇宙,小宇宙在大宇宙中,它们都符合阴阳五行模式,五行木火土金水相生相克。这是一种天地人相统一的思维方式。中医的阴阳五行体系对于自然的方位、物候均有所指,对于人体的五脏六腑也有所属,而且是对应的。中医这里既有辩证的思维,也有玄味。同样的病有虚实之分,同样的虚有阴虚和阳虚之别,中医治病,不但要辨病,而且要辨证。辨证施治是中医的特点。中医对于一些疑难杂症的个例确有西医不及的神功,而对于心、血管、脑、神经之类的危险病例,在西医看来已是轻车熟路,而中医仍视为畏途。由于受传统文化的影响,人秉天地之气而生,人身上的元气不能走漏,所以在中国古代解剖人体是不能容忍的,因而中医的外科不太发达。中医传统的诊断和治疗手段是望、闻、问、切,进行推拿、针灸和服用土生土长的中草药,而西医则用了透视、B超、内窥镜加上化学药品制剂等。在发明了抗生素治疗传染病取得显著成效后,西医在人们心目中的地位已不容动摇。随着高科技手段日益渗入医疗技术,中、西医之间的治疗水平的差别还会越来越大。尤其是那些经过心脏搭桥和换肾手术的病人,已经把自己的身体看成一架机器,他们需要的是医生在适当的时候修复和更换机器的部件。在西医的强势文化面前,社会上出现了一股思潮,认为中医理论是不科学甚至是伪科学的,要取消中医,我们认为那样是失之偏颇的。从西医的立场来看,中医的阴阳五行是牵强的,中医的气是故弄玄虚。否定中医最有力的论据是解剖学的实践已经指出中5医的经络是不存在的。然而,中医实际上对于广大人民,对于中华五千年文明有着不可磨灭的贡献。对于在应用中医的理论和技术进行保健和治疗下受惠的人来说,中医的地位是不容动摇的。人体解剖学的实践虽然是西医理论的基础,但是它一定可以作为检验中医理论的标准吗把一个电子计算机解剖到最后,得到的仅仅是一些硬件,难道我们可以否定计算机软件的存在吗正如电脑软件存在于正在运行的计算机中,而不是存在于被肢离的一堆元件中一样,人体经络是存在于处于生命状态的活体中,而不是存在于被解剖的死人肢体中的。医疗实践证明,中医的经络就像计算机中的软件那样确实是存在的。3杨振宁讲话的精神在本连载的第1和第2篇中,我们分别介绍过中国的易经和希腊的几何原本。现在我们同时打开这两本书,通过对这两本书的比较,就可以较为深刻地认识东西方文化以及科学的文化背景。两本书的结构和内容是全然不同的。易经是由两个八卦重叠而成64卦。八卦是从下至上的3个位置分别由连和断组成的,如乾、兑、离、震、巽、坎、艮、坤。这些名称是根据观物取象来定义的。如果现在从二进制的角度看,它们分别是111、110、101、100、011、010、001、000,不难看出它们排列的规则是二进制从7到0减序排列的规律。但是当它们相叠而成为64卦时,易经给出的顺序是乾、坤、屯、蒙、需、讼、师、比等,这里的排列顺序就使人找不到二进制的排序规律。实际上易经的每一个卦都是根据观察事物类比而形成、而命名的,对每一个卦都有从下到上称为初、二、三、四、五、上的6个爻位,每爻给出一句爻辞,爻辞也是根据客观事理归纳出来的。比如乾卦的6个爻辞,初爻潜龙勿用,指君子在条件尚未成熟的时候不要急于出头二爻见龙在田,利见大人,有条件可以出来了,要寻求帮助三爻君子终日乾乾,是劝诫君子要勤奋四爻或跃于渊,是条件成熟了,出入无碍五爻飞龙在天,君子在全盛时期应当成就一番事业。上爻亢龙有悔,是告诫君子全盛时期已经过去,行为应有所收敛。所以说,易经是教导人在什么情况下怎样处事的(真正的意义并不是占卜)。而几何原本是由公理和命题组成的。它首先给出了23个必要的基本定义、5个公设和5个公理,在此基础上逐步推导得出400多个命题。从公理、公设到每一个命题,都是有根有据的,每个命题的正确性是建立在前一个命题的正确性的基础上经过正确的推理得到的。几何原本的内容涉及直线、圆、三角形,三角形的全等、相似,以及直线、平面之间关系等,全部是数学问题。我们在科学和哲学论坛中讨论过,科学的语言是数学,几何原本就是科学的语言。2千年后牛顿在建立他的力学体系时,用的就是数学的方法,牛顿的自然哲学的数学原理的写法跟几何原本如出一辙。从易经和几何原本这两本书结构的对比中,我们可以看到,它们都是逻辑系统,但是它们有明显的区别易经主要是从现象中归纳出道理,可以说它是归纳逻辑系统。几何原本是从公理推理到命题的公理体系,是演绎逻辑系统。杨振宁在2004年北京文化高峰论坛上讲到科学为什么没有在中国诞生时说,易经影响中华文化的思维方式,中华文化有归纳法,可没有推演法。而近代科学就是把两者相结合发展起来的。例如电磁场理论的建立,麦克斯韦写了3篇论文。第1篇论法拉第的力线用的是归纳法,归纳总结了法拉第的场相互作用的思想,在第3篇电磁场动力学6理论中,他应用由归纳法得到的方程组,推演得出电磁场可以以波的形式向外传播,其波速与光速相符。有专家反驳杨振宁观点,认为易经其中一个功能是占卜,也是有推演法的。我们要问,这是一种怎样的推演法呢是科学意义的推演吗能推演出科学的结论吗我们就以占卜用的蓍草的数目为例,为什么占卜时一定要用50根据认为这是大衍之数为五十。也有专家认为是古籍漏字,应为五十有五。关于55或50这个数,一说是由抽象的天数25和地数30相加得到(253055),一说是由具体的天干、地支和28宿相加得到(10122850)。前者的抽象有什么实际的根据后者的具体,不是同类项又怎么可以相加可以这么说,易经一旦涉及到预测要准确,涉及到准确的数,就没有道理了。应当说,占卜的推演不是科学的推演。科学的推演自有其立论的依据。上世纪70年代华罗庚在全国各地宣传优选法的时候,大家都熟悉0.618这个数,这是通过科学的推演得到的。例如炼某种合金钢,需要添加某种元素,合金钢的强度跟加入元素的量应该呈单峰函数关系,怎样求得最佳添加量呢由于很难得到这个函数的数学解析式,实际上可以用多次试验的方法快速逼近这个值。如图3,假设最佳的峰值已被限定在AB之间,在AB范围内对称地取两个测量值a1、b1,进行比较可以缩小判断的范围,比如b1的效果比a1好,我们就可以把Aa1范围排除,再在a1B范围内取b1的对称点a2与b1比较,依次类推。为了提高测量效率,每次选点应在黄金分割位置,这样得到0.618。注小数点后有那么多位数(实际上是无穷多位)是有道理的,不是故弄玄虚。在读了几何原本和易经这两本书之后,我们说几何原本不是哲学而是科学,易经不是科学而是哲学。由几何原本承袭下来的西方文化保持着理解自然、改造自然的、进取的科学精神,由易经而传承下来的中国文化则强调人要适应环境、与环境和谐的人文精神。在我们学习物理专业的人看来,关于杨振宁讲话的争论是科学的文化背景的争论。我们想起了恩格斯在路德维希费尔巴哈和德国古典哲学的终结一书中论述科学和自然哲学分别是怎样描绘自然界联系的图画的时候讲的一段话自然哲学只能是这样来描绘用理想的、幻想的联系来代替尚未知道的现实的联系,用臆想来补充缺少的事实,用纯粹的想象来填补现实的空白。它在这样做的时候提出了一些天才的思想,预测到一些后来的发现,但是也说出了十分荒唐的见解,这在当时是不可能不这样的。今天,当人们对自然研究的结果只是辩证地即从它们自身的联系进行考察,就可以制成一个在我们这个时代是令人满意的自然体系的时候,自然哲学就最终被清除了。任何使它复活的企图不仅是多余的,而且是一种退步。虽然恩格斯写费尔巴哈论的情况跟现在不能等同,但是这段话让我们更好地理解了杨振宁在2004年北京文化高峰论坛上的讲话,作为一个科学家,杨振宁是从科学的文化背景来谈科学的兴起与发展,他强调的是现代科学应具备的科学精神。参考文献图3Aa1b1a2B71何萍等著.中国传统科学方法的嬗变.杭州浙江科学技术出版社,1994.2吴国盛.追思自然.沈阳辽海出版社,1998.3杨振宁.易经对中华文化的影响.网址http//www.people.com.cn/GB/wenhua/40462/40463/3049020.html题目和作者英译TheculturalbackgroundofscienceJiangshuigen,Yangrongnan,Chenqinghua注为了使每次比较后能排除较大的范围,就要把1a与1b选择在尽量靠近中间位置,又为了在排除剩下的范围内原测数据可以利用,1a与1b又不能太靠近,1a(或1b)在AB中的地位要与1b(或1a)在1aB(或Ab1)中的地位相当,即位置就要选择在相同的适当的比例,得到ABBaBaAa111,即小段比大段等于大段比整体,这就得到黄金分割率215。

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