究竟什么是科学？——从牛顿《炼金术手稿》谈起（上）

■ 作者简介

上海交通大学安泰经济与管理学院特聘教授

复旦大学中国研究院特邀研究员

著有《伟大的中国工业革命》《科学革命的密码——枪炮、战争与西方崛起之谜》

本文要回答的中心问题是：究竟什么是科学？我将用近代化学发展史——尤其是牛顿死后留下的《炼金术手稿》和拉瓦锡的经典名著《化学基础论》中所体现的化学观念的演变——来帮助回答这个问题。问题的讨论会促进对流行“科学观”的质疑和商榷，使得发生在近代欧洲的“科学革命”变得更容易理解，从而让我们从“言必称希腊”的“数学演绎中心论”或“物理学中心论”窠臼中解放出来，重塑我们的“科学观”。“科学”一词在今天的含义是指一种分门别类的专业化人类理性活动，它的产物是对客观世界某个方面的系统性解释和由此形成的“世界图像”。这种理性活动既可以产生正确的理论和“图像”，也可以产生错误的理论和“图像”（科学思维是根据已知推测未知，比如遵循贝叶斯推理规则，那么犯错误的概率取决于已知信息的多少），但都是属于“科学”活动的范畴。换句话说，科学理论也可以是“错误”的，而且经常是错误的。如果只有“正确”的理论才算“科学”，那么在相对论之后，就连牛顿力学也不是科学了。科学活动的成果一方面是可以积累和继承的，另一方面也会经历库恩意义上的“范式”转换与“世界观”革命；但新范式和旧范式都是“科学历程”的一部分。科学活动离不开利用工具（包括人的感觉器官和技术）对自然现象进行观察、测量和实验；因此科学的源泉是观察和实验，科学的基础是技术。自古以来，人类通过技术能够把握的东西，远比科学能够证明（或者表达）的东西要多得多；而凡是无法经过观察、实验或技术操作“验证”和“检验”的科学理论，不过是猜想和假说而已。因此，科学的发展往往是新观察与新技术推动的结果。所以培根和马克思都认为中国四大发明中的火药、指南针、印刷术才是创造西方智慧（包括科学智慧）的最有力手段。科学研究当然依赖“逻辑思维能力”，但并不依赖“逻辑学”。古希腊产生了“逻辑学”和公理演绎几何，但这并不意味着古希腊的科学一定比其他文明更发达。正如伽利略在批驳亚里士多德的物理学和文艺复兴时期的文人们用亚里士多德的逻辑学地位来为其错误的物理学理论辩护时指出：“逻辑，根据一般的理解，是我们用来进行哲学推理的工具。但是正如一个匠人可能在制造风琴上很出色，然而却不懂得演奏风琴一样，一个人也有可能是很伟大的逻辑学家，然而在运用逻辑上并不在行。同样，有许多人在理论上完全理解整套的诗歌艺术，然而连一首四行诗都写不出来。”【1】这意味着，古希腊人虽然有亚里士多德逻辑学和欧氏公理演绎几何，但并不能由此得出结论说他们也一定擅长科学，更不能因此宣称只有古希腊才有科学。中国古代在化学、植物学、药学和医学方面相当发达，那是因为拥有比古希腊更优越的观察条件、实验手段和冶炼技术，以及对于这些学科与知识的更加广泛的社会需求。《九章算术》体现了深厚的逻辑推理和运算能力，它与牛顿的微积分一样是为了解决实际问题而创造出来的“算法”。微积分本身的公理演绎基础是后来才被数学家们逐渐建立的；而包含中国古代算术和代数理论在内的公理演绎体系，则是在20世纪才由罗素和怀特海试图建立的。因此，正如本文利用牛顿的《炼金术手稿》和拉瓦锡的化学革命所揭示的那样，科学的发展不需要以逻辑学的发展为前提，近代欧洲的“科学革命”不需要以古希腊公理演绎思维为前提。理论体系的公理化是值得追求的事业，但公理化从来不是科学发展的主流，甚至不是数学知识发展的主流。因此，“言必称希腊”的科学观，不仅违背科学本身的发展史，也会误导我们的知识分子，并对一个国家的教育制度和政府的科技政策带来危害。

一、绪论

一种十分流行的科学观，把科学看成由公理演绎体系构成的理论大厦。然而，历史上的科学很少是通过建立公理演绎体系而发展出来的，而且绝大多数科学分支至今仍然没有形成自身的公理演绎体系，更谈不上相互整合成为单一的公理演绎体系。著名物理学家费曼也说：“物理学对数学的运用是巴比伦式的而不是希腊式的或欧几里得式的。”【2】

把科学看成公理演绎体系的科学观，自然而然地将近代科学的产生归功于古希腊，因为只有古希腊才在几何学方面产生过公理演绎体系——欧氏《几何原本》。而这种科学观认为其他几大文明除了技术以外，对人类科学的发生和发展，尤其是发生在17-18世纪的科学革命，几乎没有任何贡献。

本文将用发生在近代欧洲的“化学革命”的历史来反驳这种十分流行的科学观。这样一种“言必称希腊”的科学观，将科学创新活动和科学理性，限制、聚焦在形式逻辑的演绎推理上面。其后果之一就是否定了绝大多数科学研究活动和理论的“科学性”；后果之二是误解了科学创新的规律；后果之三是对科学教育十分不利，使得基础科学教育很容易陷入迂腐的经院哲学和考试传统的窠臼。

比如化学，它无疑是一门非常硬核的基础科学，但并不是一个由公理和定义构成的演绎体系。而发生在17-18世纪的科学革命便是以两大成就为标志的：一是牛顿经典力学体系的建立；二是拉瓦锡的化学革命。

众所周知，拉瓦锡的化学革命是直接建立在古代炼金术的基础之上的，与数学无关。而近代欧洲的炼金术知识在很大程度上是从中国（通过阿拉伯）传入的。正如著名英国科学史学家李约瑟所说：“整个化学最重要的根源之一（即使不是唯一的最重要根源）就是地地道道从中国传出的。”【3】

那么炼金术是不是科学呢？按照流行科学观，答案是否定的。这个流行的以古希腊演绎数学为标准的“科学观”不会将炼金术视为科学，因为炼金术似乎除了一些迷信、冶炼技术、经验知识和哲学思辨的堆砌以外，根本没有严格的公理体系，更别说以数学这门精确语言为特征的公理演绎体系了。

如果炼金术不是科学——仅仅因为它缺乏古希腊式的公理演绎模式和数学应用，那么问题就来了：

第一，牛顿本人就长期从事炼金术的研究，而且留下了近百万字的炼金术手稿，里面除了经验观察、归纳分类和思辨猜测以外，还充满了对“长生不老药”和“点石成金”的神秘主义崇拜。

第二，即便在今天，化学这门学科也仍然不是一个公理演绎体系，而且很少采用数学推导的方式来演绎出各种化学反应方程式（生物学和医学更是如此）。

如果牛顿自青年时代起，就在研究物理学的同时花大量时间从事炼金术的研究，而且他也试图用“公理化”的语言来表达炼金术知识，那么牛顿的炼金术是否因此就可以被称为“科学”了呢？

著名经济学家凯恩斯不这样认为。他认为，牛顿留下的炼金术手稿是“毫无科学价值”的古希腊式思辨和充满古埃及与古巴比伦原始思维的“魔法”。

二、牛顿鲜为人知的《炼金术手稿》

1727年3月20日，牛顿在家中去世，享年84岁，一生未娶，勤于著述，生前只发表过《自然哲学的数学原理》和《光学》等少数著作，身后则留下一大箱杂乱无章的手稿（900万字左右）和满屋子的藏书（2000多册）。

这批长期以来鲜为人知的牛顿手稿，在埋没和漂流200多年后，突然出现在1930年代的一次公开拍卖会上。手稿主要是关于神学和炼金术的，其中关于炼金术的绝大部分手稿被著名经济学家凯恩斯竞标拍得。

牛顿去世前，他创立的经典力学体系和微积分算法已经奠定了他在科学思想史上的巅峰地位。他去世时的名声更是如日中天，被当时的英国王室和整个欧洲思想界的支持者们奉为科学界“永恒的圣人”与“科学先知”，被尊为给统治人类思维上千年的黑暗世界带来完美理性和无限光明的人。

然而，这批手稿中呈现的牛顿，却是一个痴迷于神学和炼金术的人。这一形象不仅极大地有损于牛顿的个人名望，而且严重威胁到牛顿所代表的“理性精神”和基于此的“科学观”。牛顿被奉为西方理性时代的典范——是他发展并完善了一整套思想体系，重新解释了宇宙。因此，那些在牛顿死后见过这批手稿的人，自然极度地惶恐和不解，担心手稿内容的曝光会对牛顿的威望和笼罩在科学理性头上的光环带来毁灭性的打击。由于这个原因，牛顿手稿一直被英国皇家学会视为不适合公开的“国家机密”。

手稿表明，牛顿在从事《自然哲学的数学原理》写作的同一时期，也在大力从事炼金术方面的研究工作，而且前后花费了30多年的时间，包括在他的私人实验室里进行的炼金术实验。

凯恩斯花重金买下牛顿的炼金术手稿以后，怀着极大兴致并耗费大量时间研读，希望从中发现牛顿在化学方面的原创性思想和天才火花。但是手稿内容令他极度震惊和扫兴。在一次与朋友通信中凯恩斯不解地问道：“牛顿真的明白自己在做什么吗？这到底是老一套的瞎胡闹，还是预示了化学的真正开端？”【4】

凯恩斯指出，看得出来，这些炼金术手稿是牛顿特意保存下来的，但是，“牛顿选择留下炼金术手稿，颇令人感到困惑，这些手稿与他的其他成就，居然出自同一个大脑，真叫人难以置信”【5】。

凯恩斯从手稿中看出，牛顿在动笔写作巨著《自然哲学的数学原理》之前，已经开始从事炼金术研究了，而且在完成《自然哲学的数学原理》的构思之后也继续长期沉迷于炼金术。因此凯恩斯确信，创作《自然哲学的数学原理》和《炼金术手稿》的，的确是“同一个”牛顿，拥有“同一个大脑”。这个大脑在思考宇宙物体运动的普遍原则，在推演精确无比的微积分，以及在捣鼓充满迷信、神话与魔法的炼金术时，都是同一个牛顿的大脑。

为什么会这样？凯恩斯百思不得其解。

凯恩斯为此还专门请教过研究化学和炼金术历史的专家吉尔伯特（L.E.Gilbert）。吉尔伯特在吃惊之余也试图帮助凯恩斯调和一个高度分裂的牛顿形象，他对凯恩斯说：虽然很难相信牛顿的物理学和光学著作与这些炼金术手稿居然属于同一个天才大脑的产物，但是纵观历史，智慧之人也常有古怪之举。

凯恩斯因此不得不承认，“牛顿的两只脚站在两个不同的思想潮流之中”【6】：一个是关于宏观物体如何运行的经典力学思潮；另一个是关于微观物质世界如何运行的炼金术思潮。然而，这两个思潮似乎代表了两种截然不同的世界观、科学方法论和科学价值观。

1942年圣诞节是牛顿诞生300周年的纪念日。研究牛顿手稿整整六年之后的凯恩斯，受邀在皇家学会发表讲话。他以《牛顿其人》（Newton, the Man）为题，作了两场演讲，第一场是在1942年10月30日纪念活动的晚宴之后，第二场是1943年1月30日在牛顿的母校剑桥大学三一学院。

凯恩斯在演讲中宣称，牛顿自18世纪以来留给人们的形象——即作为“一位理性主义者，教导我们要用冷酷无情的推理来思考问题”的形象——必须被“彻底修正”。凯恩斯还信誓旦旦地说：“我相信，任何看过手稿的人，都会改变对牛顿的看法。”

凯恩斯指出，牛顿的思想和思维方式其实与我们预想的那位受人尊崇的物理学和数学大师截然不同；牛顿的世界观并非以理性的科学为主导，而是遵奉一个更古老的世界图景，即认为世界是相互联系的神秘的统一体。凯恩斯得出结论说：“牛顿不是理性时代的第一人。他是最后一位魔法师，最后一位巴比伦人和苏美尔人，是具有古代智慧的伟大心灵的最后一人，他看待可见世界和思考世界的方式，与数千年以来、为人类思想传承添砖加瓦的先哲前辈，并无不同。”【7】

言下之意，牛顿与中国古代的道士和阴阳家们所信奉的世界图景也并无不同。牛顿“把整个宇宙及其中的万物，看作一道等待破译的谜。散布在宇宙中的解谜证据，是上帝有意安放的，是哲学家进行寻宝游戏的神秘线索和启示。只需要通过纯粹的思考和猜测，就能把这些线索解读（破译）出来”。在牛顿看来，这些线索和启示既存在于自然界之中，可以通过观察天空和地面化学物质的构成去发现，也存在于古代经书之中，可以通过解读古代神话和抄本经文去找到。

其实，凯恩斯或许没有意识到，莱布尼茨也认为，中国古代典籍经书，尤其是《易经》，隐藏着许多有待破译的关于神秘大自然真谛的密码和启示。与牛顿一样，莱布尼茨认为古人比现代人聪明，因为其工匠直觉与研究精神没有受到现代那些赞助科学研究的国家机构和商业团体的“功利主义”商业习气的污染。

然而，凯恩斯指出，牛顿的炼金术手稿“完全是关乎魔法，完全缺乏科学价值”，虽然它们也显示出“严谨的学识、准确的方法、极度冷静的陈述”。手稿显示，牛顿似乎真的相信“点石成金”和“长生不老药”的可能性；他的炼金术的重要目标之一似乎是去发现如何将贱金属变成黄金以及使人长生不老的秘密——从先验的角度，既然这些可能性是无法用科学理性和逻辑思维去排除的，那么金属嬗变和长生不老药可能真是揭开上帝创造宇宙和生命世界的密码的重要启示和捷径。

一直有牛顿有过短暂精神失常的传言，但是凯恩斯确信，牛顿的神学和炼金术手稿显然出自一个精神状态完全正常的人，因为这些手稿很大一部分是牛顿在三一学院的25年中书写的，那正是牛顿写作《自然哲学的数学原理》、从事光学实验和发明微积分的时期。这些手稿主要完成于人们传说的牛顿晚年因一场火灾失去很多手稿而有过短暂的精神失常年份之前（即1692-1694年之前）。

不过，凯恩斯感到无比困惑的却是，一个人何以能够同时展开这么多貌似毫不相干领域的研究？而且采纳完全不同的思维方式和研究方法？

牛顿显然不认为自己发现的物理定律能够解释炼金术世界的神奇现象，因此，牛顿在其创造力的高峰时期，前后花了30多年时间从事炼金术研究，而且拥有两个简陋的私人化学实验室，并留下了近百万字的炼金术手稿。其中相当一部分是对其他人的炼金术著作和实验结果的摘抄、注释和阅读体会，也有一部分是根据他自己的实验结果对微观世界的规律进行的系统性思考。

问题在于，这些出自有史以来第一个最伟大的物理学家和数学大脑对炼金术化学世界的思考，是否可以称为“科学”或者“科学理性的产物”？

一方面，如果不可以的话，那么牛顿为什么没有将他的科学精神或者“古希腊演绎推理”传统，引入炼金术并将其提升为一门科学？他为什么会如此缺乏批判能力，竟然背叛他的理性分析精神，并以讹传讹地堕入传统炼金术迷思的窠臼？

另一方面，如果牛顿的炼金术手稿可以像他的力学手稿和光学手稿那样，被称为“科学”或者“科学理性的产物”的话，那么中国古代炼金术和大量医学书籍中所包含的知识与理论，以及“阴阳五行”思想体系，是否也理所当然地属于“科学”或者“科学理性的产物”之列？这些体现在《龙虎还丹诀》《九还金丹妙诀》《抱朴子》《肘后备急方》《伤寒论》《黄帝内经》《本草纲目》《天工开物》等书中关于无机物、有机物、植物、人体、疾病以及采矿、冶炼和工程技术的知识，以及这些知识所支撑的“世界图像”和关于世界如何运作的理论，其实毫不逊色于古希腊关于宇宙物质构成的“四元素”思辨；就连牛顿炼金术手稿中包含的化学与化工知识，也并不比这些中国古籍里的知识体系丰富，并在“理论范式”上超越它们。

然而，仅仅因为牛顿本人也无力将他自己创立的经典力学分析方法应用于复杂的化学现象、并不得不像古巴比伦人一样用炼金术来理解化学世界，从而使得我们也因此将中国古代炼丹术和医学体系视为“科学”或者“科学理性的产物”——这样一种“科学观”，显然与“言必称希腊”的“演绎主义”或“物理学中心主义”科学观严重冲突。

其实，爱因斯坦作为牛顿的最大崇拜者，当然也在牛顿手稿拍卖会后知道了大批量牛顿手稿的存在，他也希望能够通过这些手稿去发现牛顿《自然哲学中的数学原理》中的伟大思想是如何形成的痕迹，并从中看出牛顿当年实现历史性突破的科学研究方法。因为在爱因斯坦看来，科学活动的关键特征不是其结果是否“正确”，而是其方法是否“科学”。

众所周知，牛顿的《自然哲学中的数学原理》是模仿欧氏《几何原本》的公理演绎方式写成的；但爱因斯坦根本不相信这是牛顿从事科学发现的真正方法。他认为牛顿刻意掩盖了他的物理学思想的真实形成过程。正如著名经济学家凯恩斯在谈到牛顿的写作风格时一针见血指出过的：“作为一名技巧高超的数学大师，牛顿很会掩饰，为表达的美观，牛顿可以用数学证明把它打扮得漂漂亮亮。但其实真正起作用的是他非凡的直觉——正如德·摩根所说，‘牛顿对他的推测感到如此快乐，似乎他知道的比他所能证明的要多得多’。正如我说过的：尽管具有独立价值，牛顿的这些演绎证明是事后修饰出来的——它们根本不是他赖以从事科学发现的工具。”凯恩斯还换了一种方式说道：“毫无疑问，《自然哲学中的数学原理》写作所采用的奇特的几何证明形式只是一种包装，它与牛顿得出那些结论的心路历程毫无相通之处。”【8】

可惜牛顿留下的近千万字手稿里面根本没有透露这方面的内容，以至于爱因斯坦失望地说道：“牛顿物理学思想的形成过程始终晦暗不清，这显然是由于他刻意销毁了前期的铺垫性工作。不过，我们仍然拥有他关于圣经研究的草稿，其中保留了反复修改的痕迹。因此，借助这些大多未曾发表的作品，我们将有机会亲眼一睹这位独特思想家的思维作坊。”【9】

相对于牛顿的炼金术手稿，爱因斯坦对牛顿的神学手稿似乎更感兴趣并寄予更大希望；或许爱因斯坦接受凯恩斯的观点，认为牛顿的炼金术手稿没有任何科学价值。从爱因斯坦与亚胡达（牛顿神学手稿保存者）之间的通信可以看出，爱因斯坦似乎将牛顿的物理学研究方法与他的神学研究方法联系起来，相信研究了后者，便可洞察前者。在爱因斯坦看来，牛顿对基督教教会史和《圣经》中隐含的神秘“创世”真理的形成史的史学探讨和严密论证，是基于“犀利的系统性思想”，并且说道：“我对牛顿有关圣经的手稿很感兴趣，通过这些手稿，我们将进一步洞悉这位伟人的思想特征和工作方法……圣经中那些晦涩难懂的部分，必定包含某些重要的启示，人们只需要破译圣经中的象征语言，便可获得这些启示。牛顿利用犀利的系统性思想，认真审阅手头上所有的文献资料，试图破解或是诠释这些经文。”【10】

其实，或许凯恩斯和爱因斯坦都没有意识到，牛顿的炼金术手稿，才是破译牛顿在面临错综复杂的自然现象时的科学研究方法以及他关于宇宙体系的“犀利的系统性思想”的密码。

■ 注释

* 本文深受廖玮《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》、汪涛《实验、测量与科学》、吴国盛《什么是科学》等著作的启发。在此特别感谢廖玮教授、王一教授和汪涛先生对文章初稿提出的诸多宝贵意见，以及与江晓原教授的私下交流。文中疏漏由笔者负责。

【1】［意］伽利略：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，周煦良等译，北京大学出版社2006年版，第22页。

【2】转引自廖玮：《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》，科学出版社2021年版，第132页。

【3】［英］李约瑟：《中国科学技术史》第一卷，袁翰青等译，科学出版社1990年版，“序言”，第7页。

【4】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，王哲然译，湖南科技出版社2022年版，第235页。

【5】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第235页。

【6】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第236页。

【7】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第237页。

【8】 John Maynard Keynes: “Newton, the Man” (March 2006), Mac Tutor, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Extras/Keynes_Newton/, retrieved August 28, 2023.

【9】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第260页。《牛顿手稿漂流史》的作者莎拉·德里还在第161页写道：牛顿“这位现代科学的奠基人总爱隐藏自己数学的思考（推导）过程，对于那些和自己意见相左的人异常刻薄，近乎残忍”。

【10】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第260页。