站在巨人的肩膀上    / 1

宇 宙    / 11

尼古勞斯·哥白尼    / 15

太陽繫的發明者

約翰尼斯·開普勒    / 23

揭示行星運動的奧秘

伽利略·伽利萊伊    / 29

現代科學的奠基者

艾薩克·牛頓    / 39

三大運動定律與萬有引力定律的發現者

邁克爾·法拉第    / 49

電磁學領域的偉大實驗家

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋    / 55

發現光與輻射的電磁本質

阿爾伯特·愛因斯坦    / 62

關於空間、時間的思維實驗與相對論

埃德溫·鮑威爾·哈勃    / 71

提出宇宙膨脹模型的天文學家

地 球    / 79

詹姆斯·赫頓    / 83

地球是一個穩定的繫統

查爾斯·萊爾    / 87

地球的現在是了解其過去的一把鑰匙

亞歷山大·馮·洪堡    / 95

具有冒險精神的探險家，具有開拓精神的生態學者

阿爾弗雷德·魏格納    / 101

氣像學家與大陸漂移學說的創立者

分子與物質    / 109

羅伯特·波義耳    / 112

通過實驗探究物質的本質

安托萬-洛朗·拉瓦錫    / 119

現代化學的創立者

約翰·道爾頓    / 127

創立原子論

德米特裡·門捷列夫    / 135

奧古斯特·凱庫勒    / 141

碳鏈、苯環與化學機構理論

多蘿西·克勞福特·霍奇金    / 146

探索生物分子復合體結構

錢德拉塞卡爾·文卡塔·拉曼    / 150

分子物理學家、“拉曼散射”的發現者

原子內部的奧秘    / 157

瑪麗·居裡與皮埃爾·居裡    / 161

放射學的先驅

歐內斯特·盧瑟福    / 169

洞察原子核的秘密

尼爾斯·玻爾    / 179

量子學研究的領導者

萊納斯·卡爾·鮑林    / 185

結構化學的開創者、和平運動積極分子

恩裡科·費米    / 195

原子彈的創造者

湯川秀樹    / 201

日本首位諾貝爾獎獲得者

生 命    / 205

卡爾·林奈    / 209

給自然界命名的植物學家

簡·英格豪斯    / 217

發現光合作用的生理學家

查爾斯·達爾文    / 223

基於自然選擇的進化理論的提出者

格雷戈爾·孟德爾    / 232

遺傳學與生物遺傳定律的發現者

揚·普爾基涅    / 238

視覺研究者與神經繫統科學的先驅

聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾    / 244

發現大腦的精細結構

弗朗西斯·克裡克與詹姆斯·沃森    / 249

破解DNA結構與生命的秘密

身體與心靈    / 259

安德雷亞斯·維薩裡    / 263

文藝復興時期的解剖學家

威廉·哈維    / 269

通過實驗發現血液循環的醫生

路易斯·巴斯德    / 275

疾病治療的革命

弗朗西斯·高爾頓    / 281

探險家、統計學家、心理學家與優生學的創始人

西格蒙德·弗洛伊德    / 288

潛意識理論的發明者與精神分析的奠基人

艾倫·圖靈    / 295

計算機科學與人工智能之父

約翰·馮·諾依曼    / 303

數學家與電子計算機的設計者

路易斯·利基與瑪麗·利基    / 307

人類的起源

編著者    / 319

延伸閱讀    / 323

圖片來源    / 333

譯名對照表    / 337

站在巨人的肩膀上

如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。

——1676年，艾薩克•牛頓寫給羅伯特•胡克的信，引自中世紀

法國哲學家沙特爾的伯納德（卒於1130年前後）

古羅馬時代，拉丁文的“科學”（scientia）一詞泛指一切“知識”。中世紀時，這個詞首次出現在古法語之中，並由此衍生出現代英語的“科學”（science）一詞。起初，這個詞不僅僅指代研究大自然所獲得的知識，還指代其他研究領域的知識，比如哲學、政治學和神學。時至今日，也常常出現諸如 “ 邏輯科學”“政治科學”或“憂郁的科學”（19世紀的歷史學者托馬斯•卡萊爾對經濟學的嘲諷）之類的表述。

但本書中，“科學”一詞隻承載著一般性的現代意義：收集、歸類和分析來自物理世界的數據。科學與古巴比倫、古埃及和古希臘的歷史一樣久遠，更不必說中世紀的阿拉伯人、中國人、歐洲人、印第安人以及16世紀的波斯人——這些民族對科學的貢獻已經越來越被歷史學家們所認可。然而令人驚訝的是，用於描那些從事科學研究者的現代術語——“科學家”一詞，僅有不到兩百年的歷史。19世紀中葉以前，那些如今常被我們稱為科學家的偉大人物——例如17世紀的約翰尼斯•開普勒、伽利略•伽利萊伊、艾薩克•牛頓——當時統統冠以“自然哲學家”的名號。直到1799年，觀念與時俱進的英國皇家學院纔逐漸為科學家敞開大門，設立了“自然哲學教授”講席，教授我們現在所稱的物理學。

一個“新”行當的誕生

1833年，“科學家”一詞纔被創造出來。新成立的不列顛科學促進會在劍橋舉辦的一次會議上，一名與會者——詩人塞繆爾•泰勒•柯爾律治，提出這樣一個問題：如何使用一個概括性術語給從事各學科研究的這群專業人士命名，且能夠涵蓋解剖學家、天文學家、生物學家、植物學家、化學家、地理學家、古生物學家、物理學家、動物學家等群體。就這個報告所展開的討論中，“哲學家”一詞由於“過於寬泛、過於不知所雲”而被否定。“學者”（savant）一詞則“過於傲慢”且太法國範。於是該協會的秘書長，礦物學家、科學史學者以及三一學院（牛頓曾經學習過的地方）未來的院長——威廉•惠威爾，借鋻“藝術家”（artist）一詞的造詞方法，創造出了“科學家”（scientist）一詞。盡管這個新稱謂並沒有在這次會議上被廣泛接受，但立即在美國流行起來，之後纔逐漸被英國接受。直到20世紀上半葉，當科學與技術開始主宰甚至定義現代世界時，“科學家”一詞纔被廣泛應用。

盡管科學聲望日隆，但被譽為自牛頓以來開創性的科學家——阿爾伯特•愛因斯坦，仍在1936年時宣稱，“所謂科學隻不過是對日常思考的”。這是一個能夠從復雜性中發現簡單性的天纔，所提出的一個典型惡作劇式悖論。如果你是愛因斯坦，這句話或許沒什麼不妥，但對於我們大多數人來說，這是一個幾乎不可信的陳述。人們不禁會認為這就是胡說八道！畢竟我們的日常思維過程與愛因斯坦這類偉大的科學家的思考有什麼關繫，更不必說20世紀的物理學家還掌握了高深玄妙的數學工具。

在過去的幾十年裡，物理學正在朝著用越來越少的基礎理論對越來越繁復的物理世界進行統一認知的方向發展，似乎已經越來越遠離日常思維了。大多數非物理學專業人士學會使用純物理理論研究的一些技術性副產品：計算機，移動電話，萬維網……但廣義相對論和量子理論——前者解釋了黑洞和全球定位繫統（GPS）的精確性，後者是等離子電視和激光器的基礎——似乎與日常經驗沒有任何共通之處。早期一些具有關鍵意義的科學觀念，如阿基米得的位移和浮選原理，牛頓的運動和萬有引力定律，邁克爾•法拉第的磁場論和查爾斯•達爾文的進化論，都比較容易被日常思維所接受。我們甚至可以在家中通過簡單的實驗來證明它們——沉浸在水中的物體，落下的硬幣，鐵屑圖案和轉動的羅盤指針……然而相對論和量子理論並非如此。

古人的影響

當然，現代科學很大程度上歸功於阿基米得、亞裡士多德、德謨克利特、歐幾裡得、埃拉托斯訥和托勒密等古希臘人。例如，我們要將早的動物分類繫統、原子唯物論學說、幾何學的發明、光沿直線傳播、首次估算地球的周長和經緯度的概念，統統歸功於這些早在兩千多年前就已經在觀察自然、思考人類自身的科學家和自然哲學家。由此可見，古人的思想成果非常豐富。

然而古希臘人也相信太陽和行星以完美的圓形軌道圍繞著地球運轉（除了薩摩斯的阿利斯塔克等一兩位開明人士之外），也相信質量越大的物體，掉落速度就越快。亞裡士多德的“常規思維”使他在《物理學》中得出“當運動的物體不再受到外力作用時就會停止運動”這樣的結論——他關於質量和力的學說並不準確。亞裡士多德認為，質量越大的物體降落得越快，因為它受到更大的地心引力——這一論斷很容易就能被推翻。亞裡士多德對“運動”的定義，不僅包括推和拉，還包括結合和分離，增強和減弱。魚在水中遊和蘋果從樹上掉落顯然都是運動，但兒童長大成人和果實成熟也是運動。常識令亞裡士多德在面對這些簡單的力學事實時，陷入了令人絕望的概念混淆。

古希臘人在自然哲學領域的權威源於亞裡士多德。直到17世紀的牛頓時代，亞裡士多德關於物理世界的觀點一直主導著歐洲的知識生活。甚至在達爾文生活的時代，亞裡士多德的學說依舊盛行，達爾文本人就非常推崇亞裡士多德對動物的觀察。17世紀20年代，英國自然哲學家弗朗西斯•培根如此評價前人的研究成果：“今天我們所接受的一切自然哲學，要麼是古希臘式的哲學，要麼是煉金術士的哲學……前者從一些簡單的觀察中分析總結而來，後者從坩埚中而來。一個永遠不乏各種誇誇其談，而另一個則永遠不會使黃金成倍增加。” 培根的著作後被1660年成立的倫敦皇家學會奉為圭臬。這個組織也是世界上現存古老的科學社團。

智力與觀察

但對亞裡士多德世界觀的挑戰不斷出現。 1543年，尼古勞斯•哥白尼在臨終前出版了《天體運行論》，在他那張以太陽為中心的太陽繫插圖中，地球和其他行星圍繞太陽旋轉。這種對當時的常識和《聖經》經文的挑戰受到了自然哲學家的極大懷疑，並且受到天主教會的抵制。但就像古希臘時代一樣，日心說這一偉大的學說終還是風行起來。地球不再是宇宙的中心。當然這個學說並非無懈可擊——哥白尼仍然堅持古代的觀點，即行星軌道是圓形的。

1609年，開普勒利用第谷•布拉赫所積累的首批行星運動的精確觀測數據，提出了一個有根據的假說：行星繞太陽運行的軌道不是圓形，而是橢圓形。橢圓形也是古希臘人發現的幾何圖形之一。借助於這一思想上的飛躍，開普勒推導出他的行星運動定律。根據這一定律，天文學家們能夠利用天文表，計算過去、現在或將來任何時間點上行星的位置，並與實踐的觀測結果很吻合。正如愛因斯坦在1930年開普勒逝世300周年時所說：“開普勒的偉大成就是一個特別好的例子，證明知識不隻源於經驗，而是源於智力上的奇思妙想與已觀測到事實的對比。”

“發現未被發現事物”

主要基於上述原因，《偉大的科學家》以哥白尼、開普勒和伽利略的章節作為開篇。他們作為16、17世紀科學革命的先驅，無疑也奠定了當代科學的基礎。本書的其餘部分並沒有單純按照年代順序，一個世紀一個世紀地來書寫，而是強調科學思想在諸如宇宙學等特定領域中的發展。因此本書的六個篇章從研究宇宙的科學開始，然後逐漸聚焦地球（第二部分）、分子和物質（第三部分）以及亞原子世界（第四部分）。第五和第六部分致力於植物和動物領域，包括人體和心靈。所有核心的科學學科（包括心理學）都包含在內。除了醫生兼生理學家威廉•哈維和英格豪斯，以及研究人類起源的考古學家兼人類學家路易斯和瑪麗•利基的章節外，其他具有科學要素的學科，如數學、醫學、考古學和人類學都被排除了，以保證本書的篇幅適中。同樣由於篇幅有限，一些在建築、工程、技術或發明方面頗有建樹的科學思想者，如克裡斯托弗•雷恩、詹姆斯•瓦特和托馬斯•愛迪生等，也被忽略了。

在本書的每個章節中，科學家的生平都和他們的科學成就交織在一起。盡管科學方法具有所謂的客觀性，但科學的進步始終是一個個個性鮮明的人物所驅動的。偉大科學家的傳記（以及自傳）中常常會闡述他們的動機，有時會提供他們為何能取得突破性科學進展的蛛絲馬跡。誰能抵抗阿基米得的那些趣聞軼事，尤其是國王的金冠和滿溢的浴缸，抑或牛頓受蘋果掉落啟發，發現萬有引力定律？愛因斯坦曾自述在青少年時期便構思了追逐光的思想實驗，而詹姆斯•沃森則在《雙螺旋》一書中對DNA結構的發現過程進行了繪聲繪色的描述——盡管這本書一開始就受到沃森的合作者弗朗西斯•克裡克的批評，認為他在科學研究中摻雜太多的個人色彩，但克裡克也得承認這本書所言非虛。

除了對科學的熱愛之外，本書所選擇的這40多位科學家是否具有共同點？他們的民族、家庭背景、所受到的教育和培訓、性格、宗教信仰、工作方法和他們所處的環境可謂天差地別。但至少在一個方面，這些科學家看起來是相似的：這些人對待科學研究永遠樂此不疲、孜孜不倦，而且著作等身。法國數學家、理論物理學家、工程師和科學哲學家亨利•龐加萊（對愛因斯坦的狹義相對論具有很大的影響）發表了500篇論文，出版了30本書；愛因斯坦發表了240種著述；西格蒙德•弗洛伊德的著述有330種。正如達爾文晚年時對兒子所說的那樣：“我昨晚一直在思考是什麼讓一個人成為未被發現事物的發現者？這是一個令人困惑的問題。許多非常聰明的人——比那些發現者更聰明 ——卻從來沒有發現任何東西。據我所知，發現的藝術在於習慣性地尋找一切事物發生的原因或意義。這意味著發現需要進行敏銳的觀察，並需要盡可能地積累關於研究對像的各種知識。”當被問及如何發現萬有引力定律時，牛頓的回答更簡單：“不停地思考。”想必本書所提到的科學家都會心有戚戚焉。