■ 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》
该系列文章（上）篇见：究竟什么是科学？——从牛顿《炼金术手稿》谈起（上） | 文一
三、牛顿的《炼金术手稿》的具体内容
牛顿手稿透露，他一辈子关注的自然现象和社会现象非常广泛，从无机世界到有机世界、从矿物到植物、从化学到医学、从生命到灵魂、从基督教信仰到教会史，其广度远远超出普通人的想象。换句话说，除了头顶上的星空，牛顿还思考脚底下的矿藏，思考构成宇宙的基本元素，从而解释太阳系不同天体的颜色、地球上金属与矿物质的形成机制、不同金属之间的相互转化原则、各种动植物的生长和死亡的规律，从而能够回答最基本的本体论哲学问题和神学问题。好一个典型的自然哲学家！
换句话说，牛顿手稿显示，他对大自然规律的思考是“系统性”的和“整体性”的，而不是局部的、机械的、分割的——他远远不满足于仅仅揭示无机宏观物体运动必须服从的三大定律和万有引力定律；他还想知道构成物质微观世界的机制和运动规律，比如：那种把遥远的星球联系在一起的、具有超距作用的万有引力，究竟是什么东西？真空真的存在吗？光的本质究竟是什么，是靠什么媒介传播的？为什么植物的生长需要阳光？生命的本质是什么？为什么存在大量不同种类的矿物和金属，比如金、银、汞、锡、铜以及硝石、硫黄、木炭，等等？这些不同的物质的元素之间是可以完全相互转化的吗？它们转化的“力”究竟是什么？“长生不老药”是真的吗？真的可以“点石成金”吗？化学与生命世界背后究竟是靠什么“力”来作用的？这些“力”与万有引力之间是否具有统一性，与雌雄男女之间的吸引力和生殖力有何联系？一言以蔽之，牛顿希望揭示中国哲学家老子的“道”，或者上帝创造整个宇宙间万事万物的最基本的“密码”，而且他相信这个“创世密码”是可以通过对炼金术和动植物的生殖行为的研究被认识和发现的，就像他能够基于前人的天文学观察数据、通过归纳和猜测发现万有引力定律一样。
注意，在牛顿时代，关于宇宙演化和生命进化的思想还根本没有出现，人们关于世界的“图像”是静止的和永恒不变的，自从上帝创世以来就一直如此。上帝在七天内创造天地万物这个圣经预言，统治着当时人们（包括牛顿）的思想。
但是从哪里着手去发现上帝创造宇宙万物的密码呢？牛顿手稿揭示，他认为应该从炼金术着手，而不是从他熟知的物理学范式和微积分着手；他当然也知道，这就意味着需要从大量的新观察和新实验着手，而不是仅从任何古希腊哲学家和数学家的公理着手。虽然牛顿深受古希腊“四大元素”理论的影响，可是化学世界无限神奇和丰富，远远超出牛顿三大定律和万有引力定律所能描述的范围，何况还有更加复杂神奇的生命世界和灵魂世界有待理解。那么，如何才能找到破译上帝“创世密码”的突破口呢？
牛顿采取的策略是通过大量阅读古代和同时代炼金术士们发现的经验事实，通过理解古代经文和圣经中提供的关于宇宙形成的神秘信息，以及通过自己的炼金术实验，来归纳、总结、提炼、猜测、捕捉上帝创世的密码。
牛顿也深知，他之所以能够获得举世瞩目的物理学成就，是因为有幸能够站在巨人——包括伽利略、开普勒、惠更斯、费马、笛卡尔——的肩膀上，再通过自己的直觉、归纳、类比和猜测才获得的；【1】牛顿也因此懂得，需要站在所有的炼金术大师、博物学大师、古代经文与宗教经典的肩膀上，才能够看得更远，从而通过归纳、类比、猜测来获得自然界的“第一性原理”和“生成密码”。
恰如凯恩斯在《牛顿其人》的演讲中描述的：“（牛顿）确实破译了太阳系行星运动之谜。他还相信，凭借同样天才的直觉和想象力，他将从一个原始的无差别的第一性事物中，推导和解读出上帝创世之谜、过去和未来事件之谜、元素及其构造之谜、人体健康之谜和生命不朽之谜。”
可惜牛顿失败了。他不仅一辈子在化学与生物学领域一事无成，白白耗费了几十年最具创造力的时光，而且他留下的炼金术手稿还被后人诟病，被英国皇家学会不屑，被凯恩斯挖苦嘲笑。【2】
关于牛顿为什么在物理学方面如此成功，而在化学方面如此失败、没有任何原创性发现，我们将在后文进行分析。以下我们先呈现牛顿炼金术手稿中关于微观物质世界的“世界图像”，概括描述手稿中所体现的属于“古代科学”的“世界观”。
手稿显示，牛顿倾向于认同某一派炼金术理论，即大千世界的本源是“水”，水既能转化为“气”和“冰”，也能通过“发酵”这种特殊的过程——类似于动物世界的“受精”过程——转化为其他形态的物质，包括烂泥、矿物、微生物、植物、动物。而“光”在物质“受精”和“发酵”的过程中扮演着关键的角色—其实牛顿当时并不知道植物的“光合作用”。反过来，牛顿认为植物和动物死亡以后，通过“腐烂”原理——“发酵”的反向运动——降解为“淤泥”和“水”。比如，金属通过“腐烂”原理还原为最小颗粒构成的泥土后，就可以转化为另一种任何其他物质，所需要的只是旧金属的颗粒吸收一种“发酵剂”，就可以在它们身上留下新的“种子”（——有时被牛顿称为“精液”）。通过发酵获得的“精液”是媒介，因此“水”可以通过发酵被转化为“土”，并由此再进一步通过发酵转化为大千物质世界的各种其他物质。牛顿的实验室笔记本充满了使各种矿物和化学物质通过“发酵”或“腐烂”而实现相互转化的尝试。这就是牛顿炼金术手稿所呈现的关于大千世界的大致图像—即牛顿的“化学理论”。【3】
牛顿从事炼金术活动的思维方式是否受到他物理学思维方式的影响，或者是反过来，还有待进一步研究。不过，这位发现了经典力学三大定律和万有引力定律的伟大科学家在他留下的炼金术手稿中，用公理般的语言说道：
万物皆可腐（All things are corruptible）
万物皆可生（All things are generable）
不经过“腐烂”过程，任何物质都不可能改变它的性质（Nothing can be changed from what it is without putrefaction）
腐烂是一个使得被腐蚀的物质与它的本性相疏远的过程（No putrefaction can be without alienating the thing putrefyed from what it was）
（不经过“腐烂”）没有任何新东西可以被产生或滋养出来［Nothing can be generated or nourished (but of putrefyed matter)］
所有物质都能通过“腐烂”而产生某种新物质并朝着这种新生东西变化（All putrefyed matter is capable of having something generated out of it & in motion towards it）
大自然的一切运作都是将不同性质的事物进行转化。最强大的转化者不会对自身采取行动（All natures operations are twixt things of differing dispositions. The most powerful agent acts not upon it self）
大自然的最初始运动是将物质混合成为腐烂的混沌世界（Her first action is to blend &confound mixtures into a putrefyed Chaos）【4】
以上这些关于微观的化学与生命世界的公理式命题，很难想象是出自牛顿这位精密科学大师和微积分创始人之手。里面涉及的关键概念，比如“腐烂”“发酵”“生长”“物质”“本性”“混沌”和“转化”都缺乏精确定义和测量。与此形成鲜明对照的，是牛顿关于支配宏观物理世界的基本定律——牛顿在《自然哲学的数学原理》（第一卷“论物体的运动”）中是这样表述的：
——首先是定义：
定义1：物质的量（质量）是物质的度量，可由其密度和体积共同求出。
定义2：运动的量是运动的度量，可由速度和运动的量共同求出。
定义3：惯性力，或者物体固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体之中，大小与该物体相当，并使之保持现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动。
定义4：外力是一种对物体的推动作用，使其改变静止的或者匀速直线运动的状态。
定义5：向心力使物体受到指向一个中心点的吸引，或推斥，或以其他任何方式趋向该点的作用。
定义6：以向心力的绝对度量量度向心力，它正比于中心导致向心力产生并通过周围空间传递的作用源的性能。
定义7：以向心力的加速度度量量度向心力，它正比于向心力在给定时间里所产生的速度部分。
定义8：以向心力的运动度量量度向心力，它正比于向心力在给定时间里产生的运动部分。
——然后是定律：
定律1：每个物体都保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。
定律2：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。
定律3：每一种作用都有一个相等的反作用；或者，两个物体间的相互作用总是相等，而且指向相反。
牛顿通过这些基本定律和卓越的数学分析技巧，在《自然哲学的数学原理》的第二章中直接推导出了以下关于大自然一切沿曲线运动的物体所必须遵循的力学规则的命题，包括著名的万有引力定律：
命题1：做环绕运动的物体，其指向力的不同中心的半径所掠过的面积位于同一不动的平面上，而且正比于画出该面积所用的时间。
命题2：沿平面上任意曲线运动的物体，其半径指向静止的或做匀速直线运动的点，并且关于该点掠过的面积正比于时间，则该物体受到指向该点的向心力的作用。
命题3：任何物体，其环绕半径指向另一任意运动物体的中心，所掠过的面积正比于时间，则该物体受到指向另一物体的向心力，以及另一物体所受到的所有加速力的复合力的作用。
命题4：沿不同圆周等速运动的若干物体的向心力，指向各自圆周的中心，它们之间的比，正比于等时间里掠过的弧长的平方，除以圆周的半径。
由命题4可以得出如下推论：如果周期正比于半径的3/2次方，则向心力反比于半径的平方；反之亦然。这个特殊推论就是著名的万有引力定律，而且与开普勒的观察完全一致。
牛顿在《自然哲学的数学原理》中构造的经典力学体系，表明牛顿掌握了上帝规范行星的运动规律和太阳系力学体系的“（非）稳定性”秘方。【5】但是这个理论体系并不能解释牛顿观察到的化学世界，比如，火药的爆炸现象和自然界各种神奇的金属化合物之间的相互“转化”现象。因此，牛顿认为他离揭开上帝创造整个宇宙的“炼金术秘方”还有相当距离，虽然并非遥不可及。在我看来，这才是他怀着巨大热情从事炼金术研究的根本原因和动力。
不过在纷繁复杂的化学与生命世界面前，牛顿却显得异常地力不从心，尽管他博览群书、邃密群科、奋笔疾书，并利用家里的实验室做了三十年左右的化学实验。由于流行的看法将炼金术等同于魔法、占星和巫术，涵盖在“邪教”的范畴，而且牛顿炼金术手稿中关于化学世界的理论显得还停留在几千年前古代哲人的水平，这才是为什么凯恩斯认为牛顿“是最后一个魔法师，是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”。
比如，古希腊哲学家认为构成宇宙的基本元素只有四种，即“水、火、土、气”，按照不同的比例可以生成万物，却没有关于它们之间如何相互作用或者实现相互转化的定量理论，更没有这方面的“实用技术”可以用来实现这种转化。中国古代哲学家认为构成宇宙的基本元素有五种，即“金、木、水、火、土”，它们之间相生相克，在阴阳两种基本原动力的作用下可以相互转化，但是也缺乏关于这些转化机制的定量理论。而炼丹 — 炼金术则是这些“古代科学理论”在实践中的“技术支撑”和“实验证明”。
到了牛顿物理学革命的年代，绝大多数欧洲自然哲学家仍然接受古希腊对宇宙构成的解释。但是牛顿更进（退）一步，认为宇宙最基本的元素只有一种，那就是“水”。“水”可以通过“发酵”原理衍生出万物，而万物又可以通过“腐烂”原理降解（还原）为水。因此，牛顿认为，“发酵”与“腐烂”就像作用力（生命力）与反作用力（衰败力）一样不断地维持着宇宙万物的生命周期和相互转化。牛顿是在他写作《自然哲学的数学原理》和《光学》期间，通过炼金术实验（见图1）构思出他的“本体论”化学图像的。
不过凯恩斯关于牛顿“不是理性时代的第一人，而是最后一位魔法师”，关于牛顿的炼金术手稿“完全是魔法性质的，没有任何科学价值”的评价，或许过于犀利且有失偏颇。事实上，作为一名追求精密推理和实验观察的数学家和物理学家，牛顿不过是企图通过观察到的化学与生命现象去破译宇宙物质基本构成元素背后的密码。但由于受到时代知识积累尤其是实验技术条件的限制，牛顿没有能够像他在天体物理学领域那样出神入化、游刃有余、高瞻远瞩、出类拔萃地在化学方面建立一种崭新的“科学范式”和“世界图像”，成为化学革命之父，反而白白耗费了三十多年黄金岁月，这辜负了他对理解微观物质世界规律的无限热忱。而突破古代炼金术的理论范式，并将化学提升为一门与牛顿物理学一样的精密实验科学（注意不是应用“抽象数学”的科学而是应用实验操作手段的科学），这样一个“化学革命之父”的荣誉，恐怕只能由牛顿《自然哲学的数学原理》发表一百年之后的法国兵工厂厂长、法国火药局局长、法国国家实验室主任、杰出的炼金术士拉瓦锡获得（理由将在后面探讨）。
有一种关于牛顿的炼金术手稿是他一度处于精神崩溃下产生的作品这一猜测，已经被牛顿留下的跨越三十多年的大量手稿和与他人的通讯录等史料所否定。事实证明，牛顿并非在完成了他的物理学研究工作之后才开启他的炼金术研究，而是一直与他的物理学探索和光学研究同时进行的。比如，牛顿对炼金术的兴趣从1660年代的早期剑桥学生时期起，一直到四十年后（06年）他成为皇家造币局主管，都没有停止过。
因为物理学研究一直只是牛顿对整个大自然的宏大研究纲领的一部分，这是为什么牛顿的数学手稿和物理学手稿都是通过别人（包括大名鼎鼎的英国天文学家哈雷）催促之后才愿意单独发表的，因为他同时在对大自然的其他各个方面进行研究，希望在揭示了整个大自然的整体秘密之后再一起公开发表。只不过牛顿认为，相对于自己的物理学理论和光学理论，他的化学理论还很不成熟，因此在同仁们的催促下只公开发表了物理学和数学那部分，而将炼金术部分一直秘而不宣，没有告诉任何人。牛顿死前并没有企图要销毁这些炼金术手稿，其间哪怕是老年搬家时还特意装箱带上这批手稿，证明他一定认为它们是值得保留并具有与后人分享的具有科学价值的东西。
事实上，牛顿的光学理论并不能被纳入他的经典物理学演绎框架，而且关于“万有引力”和“光”的本质究竟是什么，他还远远没有思考清楚甚至根本不知道。而这些方面也是他的炼金术手稿乃至牛顿生后的伟大物理学家们一直试图探讨的问题。
可是后人在看了他的炼金术手稿之后却倍感失望和莫名其妙，感觉牛顿是在从事“魔法和巫术”，以至于皇家学会和剑桥大学根本不愿意公开这些手稿，担心会彻底损害牛顿的万世英名。因此，牛顿手稿不得不需要在黑暗中等待两百年才被曝光。虽然英国皇家学会有关人员早在牛顿去世时就看到了牛顿手稿，但为了维护牛顿和“科学理性”的名声而没有声张。他们当时就尴尬地发现牛顿的炼金术手稿所体现的并不是人们熟悉和想象中的那个伟大的、划时代的、代表“科学理性”与“精密数学思维”的牛顿。
其实在牛顿时代，包括18世纪的大部分时间里，化学家们仍然对他们所研究的物质的性质一无所知。地壳中最丰富的三种元素——氧、硅和铝，以及空气中最丰富的元素——氮气、氧气和二氧化碳——尚未被发现。当时的化学家也不知道“水”可以分解成氧气和氢气，而这些气体在化学反应中都起着重要作用。
然而，炼丹-炼金术士们从未停止寻找宇宙的钥匙——世界是由什么元素构成的？它们之间是如何相互转化的？他们与人的身体之间的关系是什么？——并且每一代人都有重要的新发现。到18世纪末，随着神秘的燃烧现象被拉瓦锡的“氧化原理”所清晰地解释，现代化学才诞生，炼金术终于由“古代科学”变成了“近代科学”。
虽然中国炼丹术士早在 8 世纪就已经发现氧气，而且拉瓦锡的同时代人也在拉瓦锡之前发现了氧气，但是他们都没有从一个更加普遍的化合原则的高度（或者“新范式”的角度）来认识和解释氧气在物质燃烧过程中的关键作用，从而没有达到拉瓦锡对已知化学元素和化学反应进行科学分类的高度。【6】而拉瓦锡构造的化学理论根本不需要涉及“上帝”这个假设，不像牛顿的炼金术和经典力学体系那样。【7】
正确的分类是所有科学进步的关键和第一步，尤其是涉及复杂现象的化学、地质学、植物学、动物学。正如拉瓦锡精辟指出的：“我们能够避免混乱的唯一方法，就是给它们分类。按照正常的观念秩序，类或属的名称表达大量个体的共有之质（属性）；相反，种的名称则仅仅表达某些个体的特有之质（属性）。”“这是一切科学的逻辑，自然适用于化学。”【8】
其实物理学的进步也首先是建立在正确的分类上，这是理性分析的基础。比如伽利略对亚里士多德物理学的批判和突破，也是首先建立在对“物体运动形式”的分类与刻画上：惯性运动和受力运动，直线运动、圆周运动和抛物线运动，匀速运动、匀加速运动、减速运动和其他变速运动，等等。
由于化学世界的物质运动形式的复杂程度，远远超过地面物体的抛物线运动和天体的椭圆周运动所涉及的受力加速运动模式，牛顿在化学方面没有作出任何有意义的贡献是完全可以理解的，虽然他倾平生精力努力尝试过。
人们对自然现象形成正确的“科学图像”的能力，取决于研究者获取大自然信息的程度；当信息量很小时，所形成的“图像”一定是不完整的，甚至是错误的。【9】牛顿关于化学世界的“图像”便是如此。而拉瓦锡通过大量系统性实验，对化学世界获得了远比牛顿所掌握的多得多的信息，因此更容易形成正确的“图像”。而科学家获取信息的能力，完全取决于所使用的技术和方法；这也是牛顿不如拉瓦锡的地方。
不过正因为如此，牛顿炼金术手稿向我们展示的，是一位天才物理学家和数学大师在面对纷繁复杂的化学世界时，在思考和理解无比复杂的有机自然现象方面，与中国古代的阴阳家和炼丹术-炼金术大师们竟是如此相似——他们捕获“信息”的技术与方法都受到了时代条件的类似限制。这才是研究牛顿炼金术手稿的最大意义。
换句话说，我们看待“化学革命”这个科学史问题的角度，应该是以这样的方式来提出问题：如果牛顿炼金术手稿体现的仅仅是一种宗教迷信与点石成金的魔法，那么这如何与他的精密物理学和天体力学思维能力相协调？反过来，如果牛顿炼金术手稿体现的是一位深邃的科学家和自然哲学家在面对极其复杂的化学现象时的自然而然的理性思维方式和历程，以及由此产生的包含各种思辨与猜测的“科学”假设，因此体现了科学理论诞生和演化的一种真实认识论机制，那又该如何对待中国古代的知识体系，包括《易经》《黄帝内经》《本草纲目》里体现的自然哲学、分类学和中医药理论？它们称得上“科学”吗？如果答案是否定的，仅仅因为近代科学没有诞生在中国，那么近代科学不是也没有诞生在古希腊吗？
目前国内有一种流行观念，认为中国历史上从来没有科学，只有技术。【10】
其实伟大科学家牛顿留下的炼金术手稿，不仅仅是凯恩斯意识到的“修改了我们对牛顿的看法”，更加重要的是，它也修改了我们对于“科学”的看法！
换句话说，科学并不是由特定学科的科学家根据自己当下狭隘的研究领域（比如今天的数理天文学）来定义的，而是由人类漫长而曲折的整个科学史（尤其是各个学科在不同文明的各个历史时期与实验技术发展阶段，包括物理、化学、植物学、动物学、医学等的演化史）来定义的。“言必称希腊”的“演绎主义”和“物理学中心主义”科学观，不反映客观的科学发展史，甚至不反映近代物理学的发展史。【11】而且这样的流行科学观，会因为扭曲了对“科学”的定义和图像，而误导今天和未来的科学教育与科技发展政策。
也就是说，牛顿从事的炼金术其实是一门“科学”，他的炼金术手稿是“科学理性的产物”。他采用的研究方法是“科学”的——是基于观察、实验、归纳、类比和猜测，而不是纯粹的思辨、凭空想象和迷信；虽然爱因斯坦也承认科学思想与科学家的想象力和信念紧密相关。
换句话说，如果流行科学观可以毫不迟疑将培根和伽利略猛烈批判的古希腊物理学称为“科学”—仅仅因为它是近代物理学的先驱；【12】那么古代炼金术作为近代化学的唯一先驱，为什么不能也被称为“科学”呢？
关键是，牛顿这样的物理学大师和数学大师不仅从事炼金术研究，而且他所接受的“化学图像”和“世界观”与中国古代炼丹术士是一样的，在概念体系和研究范式上都是属于“古代科学”的范畴。
其实，炼丹-炼金术作为人类认识微观化学世界的“古代实验科学”范式，也是近代化学革命唯一的技术源泉；因此我们不能由于它的“阴阳五行”形态而否定它的科学性。它只不过是科学起源和进化的少年期，在对物质世界的把握和理解上，远比人类原始社会时代的巫术、魔法和“万物有灵论”先进，虽然还没有达到拉瓦锡化学革命以后才形成的“近代科学”的水平。关于“古代科学”与“近代科学”的区分和关系，我们会在后面进一步论述。
而且，牛顿炼金术手稿所体现的实验水平，并没有超过古代中国炼丹术的实验水平。照此类推，如果牛顿（或者爱因斯坦）在17世纪从事医学、植物学和药理学等“复杂系统”的研究，那这些研究成果不见得会超越中国的《黄帝内经》和《本草纲目》的水平。牛顿和爱因斯坦如此，古希腊更是如此。这说明中国古代在化学、植物学、动物学、医学和药学方面比古希腊发达，因为拥有比古希腊先进的实验技术、观察条件、思考“复杂系统”的辩证方法，从而获得了更多的大自然“信息”和更加合理的“图像”。中国古代“代数学”所体现的计算能力和大数字处理能力，尤其是作为一个没有中断的文明，通过春秋战国前上千年连续不断的经验总结和实践，使得中国古代在这些学科方面有比古希腊更加可靠的“科学技术”“计算理论”和“世界图像”。【13】只不过这些“科学理论”仍然属于“古代科学”的范畴。
科学是什么？科学是基于观察到的自然现象（捕获到的信息），利用类似“贝叶斯推理”的方式（即由“已知”推“未知”），通过试错和猜测所提出的一套“合情合理”的、自洽（不自相矛盾）的解释。这套解释代表人类大脑对于现象背后的运作机制所形成的“图像”。这些“图像”是经过归纳、类比、猜测以后形成的普遍性概念和原则，比如“金、木、水、火、土”以及它们之间相互转化的“阴-阳”之道和“相生相克”原则。这些原则所体现的“本体论”哲学形成了我们关于自然界如何运作的“普遍法则”和“第一性原理”，代表了一个时代的“自然观”与“科学观”。
因此，牛顿炼金术手稿体现的是一位卓越的物理学家和数学家对待大自然的“科学”态度和“系统性”思考。牛顿除了思考惯性、加速度和万有引力以外，他还在思考：星星是由什么元素构成的？在它们从深夜发出的光芒中，我们能读到什么信息？地球表面为什么有那么多种不同的矿物？它们是否包含了火星、水星、金星的形成和太阳系当年被上帝创造时留下的残迹？天体物理学是一门引人入胜的学科，不仅仅是因为它能被万有引力定律所刻画，而且因为它可以在原子、恒星和人类之间建立联系。事实上，牛顿去世二三百年以后的现代天文学，科学家们成功地解开了各种天体上（包括太阳这类天体上）化学元素形成的全部历史，并了解了它们是如何起源和演变成今天构成我们周围环境的所有元素的。金属转化为黄金，曾经是古代中国炼丹术士和牛顿所处时代炼金术士们梦寐以求的事情，而这种过程通常发生在大质量恒星的核心。但最令人兴奋的发现是人类身体组成与爆炸的恒星碎片之间的密切联系。这个引人入胜的关于宇宙化学元素的演化与相互转化的机制，以及它们与人类自身的生命之间的关系，恰好是牛顿炼金术当年所暗中追求的目标，也是中国古代自然哲学家（包括道家、阴阳家、炼丹家、医学家、药学家）所暗中追求的目标——因此老子才宣称：“道生一， 一生二， 二生三， 三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和。”
无论是牛顿的经典力学体系还是他的炼金术研究，都体现了一个共同特点：通过观察现象世界的运行模式，猜想出刻画物体属性的“量”和推动物体运动的“力”，从而刻画物质的运动规律。比如在经典力学世界，衡量物质属性的量是“质量”，推动物质运动的“力”就是引力，以及物体在运动中产生的“向心力”和“离心力”、“作用力”和“反作用力”，等等。在牛顿的炼金术化学世界，代表物质属性的量就是各种基本元素：“水、火、土、气”，推动元素之间相互转化的这个“力”就是“腐烂”和“发酵”，分别代表物质的“分解”和“生命”运动。放在中国古代，推动五行元素相互转化的“力”就是“阴和阳”；物质的具体形态和转化方向取决于“金、木、水、火、土”的比例和它们之间的相生相克模式。
比如牛顿猜测“光”是一种多面体粒子，通过“以太”这个媒介在真空中传播并对地球上生命的繁衍至关重要。类似地，即便在拉瓦锡开创了化学革命之后，他关于“热”的图像，也仍然是一种具体的物质颗粒——“热素”。“热素”像其他化学元素（如金、银、铁）一样会挤占其他元素的空间，参与化学反应，并在不同物质之间交换和流动。
讽刺的是，拉瓦锡本人的化学革命，恰好是推翻了统治欧洲科学界一个世纪之久的“燃素”理论之后建立的。这个燃素理论认为物质燃烧是由于物体内含有“燃素”（或者古希腊的“火”元素）；物质在燃烧时，其体内的燃素从可燃物中逃逸并进入空气，从而形成火焰。吸收了燃素并被燃素完全饱和的空气不再具有助燃功能，因此蜡烛在被燃素饱和的空气里无法燃烧，动物也无法呼吸。换句话说，物质燃烧不仅需要空气而且需要没有被燃素饱和的空气，或者是“去燃素化”的空气。这个理论之所以统治欧洲科学界一百年之久，是因为它对很多燃烧现象的强大解释能力，唯一无法解释的现象是物质燃烧以后会增加重量而不是如燃素理论预测的那样会减少重量，除非燃素具有“负质量”。拉瓦锡花几十年时间，用一系列实验而不是公理演绎方法，“证明”了物质燃烧时并没有“燃素”从物体里面逃逸出来，反而是可燃物与空气中的氧气相结合形成新的氧化物；而被燃素饱和的空气其实是脱氧以后剩下的氮气，或者二氧化碳——比如木炭燃烧时与空气中的氧气结合，产生无法用来支持蜡烛燃烧或者动物呼吸的二氧化碳气体。
无论是陈旧的“燃素”理论还是拉瓦锡的“氧化”理论，这些图像都是“科学”的，都是基于特定技术条件下通过观察、实验、归纳、猜测、类比与逻辑推理的理性思维产物，但是属于完全不同（时代）的科学“范式”。
但一个“科学”的图像却不一定是“正确的”，它完全可能是“错误”的或者“不准确”的。科学的进步就是对这些图像进行修正、精确化、证伪、反驳、替代，或者“格式塔转换”。之所以会有格式塔转换（颠覆），是因为科学图像的背后是一整套语言、哲学、信仰所代表的思维方式，因此是镶嵌于我们的语言系统和思维方式里面的，而不能独立于语言系统和思维方式而存在。所谓的“科学革命”不外乎是对流行的“科学”图像及其背后的整个语言体系和世界观的颠覆性的“取代”和“格式塔转换”。【14】
然而历史上科学的进步，往往又是通过技术进步——改进观察与测量工具和实验工具——而促成和实现的；因为只有当新工具导致的新观察与新实验结果对传统科学图像起到强烈冲击和反驳的作用时，才需要新的“理论范式”来更好、更合理地理解这些新涌现出来的“事实流”或者“事实集”。【15】
因此在历史上，往往是技术方面的进步，而不是逻辑学和逻辑思维方面的进步，才成为推动科学进步之母和“科学革命”之母。
一方面，技术提高观察能力，改善实验手段，从而获得更多的关于大自然的信息。从这些信息上升为科学理论的关键一步是归纳和分类，然后是猜测和假说，并由此推导出各种可进一步检验的命题和预测。另一方面，对这些命题和预测的检验（“证明”）也必须依靠技术才能做到。这就是为什么拉瓦锡在他的《化学基础论》中用了三部分中的整整一部分（三分之一篇幅），来描述化学实验的技术和各种仪器。如果没有这些技术手段，那么检验、证明拉瓦锡的革命性化学理论是不可能的。
因此，一个科学理论的真正的“证明”，往往是通过技术和实验来实现的，而不是通过逻辑演绎（更不是公理化的演绎）实现的。
千万不要认为只有古希腊人才会逻辑思维。凡是能够诞生数学和哲学的文明，都是擅长逻辑思维的。而“逻辑思维能力”与“逻辑学”是两回事；正如“文学创作能力”与“语言学”是两回事一样。这个重大区别，却被许多知识分子甚至科学家们混淆了——正是基于这种混淆，很多知识分子宣称中国古代没有逻辑学，从而也没有科学。这些人对“科学”的定义，是狭隘的和违背人类科学发展史的。
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就早已精辟地指出过：逻辑推理能力与逻辑学是两回事；科学研究需要逻辑推理能力、观察能力、综合能力、归纳能力，但是并不需要懂得逻辑学。正如写小说、诗歌、散文需要语言能力，但是并不需要懂得语言学。反过来，一位语言学家并不见得擅长写作与创作小说，因此一位逻辑学家并不见得擅长科学。
这意味着，古希腊人虽然有亚里士多德的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》体现了深厚的逻辑思维能力和逻辑运算能力，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”。微积分本身的公理基础是后来才被数学家们逐渐建立的。因此人们不能因为《九章算术》中没有公理式的证明而被贬低为“不科学”或者“不高雅”，其实只要进行“解题”和“运算”就必然涉及“逻辑推导”，而“逻辑推导”本身就是一种“逻辑证明”过程，只不过它不一定是从一组特定“定义和公理”出发的“证明”形式。比如，中国古人最早发现了四则运算和负数，只需要给定“数”的操作性定义（比如算筹）和四则运算法则，就能从“2-3”中推导出“2-3=-1”，或者从“2×3”中推导出“2×3=3+3=2+2+2=3×2”，而这些推导过程本身就同时是一种逻辑证明——它用算术规则严格“证明”了等式的左边等于等式的右边。然而，包含算术的“公理体系”则要等到 20 世纪才由罗素和怀特海尝试去建立。
难道离开了罗素和怀特海完成的《数学原理》，人类就不能利用代数知识发展出现代科学了？事实上牛顿发明微积分这种“算法”时，根本不可能用古希腊的公理演绎方法，而是遵循了古代中国代数传统所追求的“算法”精神。【16】
因此，科学的发展需要“逻辑推理”，但不需要以“逻辑学”为前提；近代欧洲的“科学革命”需要“逻辑思维”，但不需要以古希腊公理演绎思维为前提，正如本文使用牛顿的《炼金术手稿》和拉瓦锡的化学革命所揭示的那样。
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和动力，甚至不是数学知识发展的主流和动力。换句话说，“公理化”是整理、记载、交流科学成果的有效方法，但从来不是科学发现和发明的有效方法。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不可小视的危害。
其实这种“科学观”早就被近代“物理学革命之父”伽利略批判过。比如伽利略针对他那个时代大多数自然哲学家认为“亚里士多德是用演绎法建立自己的《物理学》学说和论证根据的，从而永远不会错”的时候，指出这样的看法是极其错误的：“（演绎法）只是他（亚里士多德）著书立说时所使用的方法，但我（伽利略）不相信这是他考察问题的方法。我比较敢于肯定，他首先是通过感觉、实验和观察所得的结果，尽可能地弄清自己那些结论无误以后他才设法加以证明。在实验科学里，大部分都是这样做的。”【17】
以下是另一部分牛顿《炼金术手稿》的中文翻译，它是关于将金属矿物与动植物的有机生长规律相比较的观察笔记。【18】这些观察和基于这些观察提出的理论，明显地受到牛顿所使用的技术手段的局限。这篇手稿创作于1670-1675年（清朝初年），题目是《金属与矿物的有机生长》。那个时期牛顿年值27-32岁，刚完成了一系列重大发现，包括二项式定理、微积分和行星的轨道运动理论，而且在1669年被授予卢卡斯数学教授席位；因此手稿写作时正值牛顿科学发现的顶峰时期，而且当时牛顿正在剑桥讲授光学并提出了白光为所有颜色的混合物的猜测。这时离牛顿正式出版《自然哲学的数学原理》还有12年，离正式公开发表他的《光学》还有30年。
通过这篇手稿，我们可以进一步感受到，牛顿对于有机世界（复杂系统）的思维方式与他对宏观无机物理世界（简单机械系统）的思维方式大相径庭，采用的概念体系也非常不同，手稿中充满了拟人化的概念和类似“万物有灵论”的术语来描述化学与植物世界。其实，这是因为牛顿正确地意识到，任何关于物质世界的理论，必须而且只能从观察到的现象开始，而不能从任何已知的公理假设开始。既然炼金术所呈现的化学现象是如此不同于地面炮弹运动和天体运动，那么首先要做的就是去对这些现象进行了解、观察、操作和“实验”，而不是先验地假设一个“力学模型”来强套在这些现象上。这充分体现了牛顿的“科学精神”。从这个意义上，一百年后的拉瓦锡化学革命证明了牛顿“总是从现象出发”这种“科学精神”的无比正确性。
这篇手稿中呈现的世界图像与中国东汉时期魏伯阳著的《周易参同契》和唐代金陵子著的《龙虎还丹诀》中所呈现的世界图像，颇有些类似，并无本质上的不同。注意牛顿手稿往往用缩写和不完整的句子写成，给翻译和理解造成很大困难，因此以下中文翻译中的错误在所难免。翻译中需要注意牛顿手稿中常用的炼金术符号包括：
它们分别代表铁、铅、铜、金、锑、银、汞、火、硫。【19】
——这篇手稿的开头（见图2）是类似目录一样的课题：
1. 有机物质生长的自然规律与过程
2. 金属遵循类似的规律生长。这可以从矿工们观察到的情况来证明，更充分的证据来自苏菲人，以及所有其他炼金术士对自然的观察。万物的腐败力
3. 描述矿物的有机生长
4. 玻璃罐里观察到的有机生长—这和外面的有机生长一样自然
5. 与植物和动物的有机生长一致的条件
6. 生长是潜在精神的唯一效应。这种精神在所有事物中都是一样的，只是通过它的成熟度和物质腐烂程度来区分
7. 粗俗物质的行为和激情，以及这在多大程度上是常见的
8. 所有物质在混合、腐败、生长方面的程度，这只是对可观察到的矿物而言
9. 事物是如何保护它们的物种的，一棵晶体树是如何在温室玻璃中被保护和滋养的，地球上那些金属晶体很可能就是这样生长的，为什么人类体内的连续突变是不敏感的。在样品矿物中发现了不同程度的金属
10. 种子和繁殖的数量、体积和质量。为什么它的射精会减弱。为什么产物有时是雄性，有时是雌性
11. 自然只能滋养而不能创造原生质，这是上帝的机制
12. 为什么这两种长生不老药是对所有人来说都是最友好的万能药【20】
——然后是手稿内容的展开：
自然界总是从腐败或发酵开始，由此产生了一种紧密的结合、精神的发挥和杂质的净化。腐败之后，工作就相当安全了，流产成为主要危险。第一次交媾后，疾病主要在腹腔内和血液中。卵生动物很少流产。腐败会产生一种精神，净化粪便与废物，形成一种亲密的混合物，闻起来像腐烂的尸体。黏合期后，有机生长便不会被冷却、染色和过度加热所中断。有机生长必须在一定湿度条件下才能发生。过程会在成熟期继续。突然的加热和冷却会影响成熟。腐烂能使粪便分离，因此也能使尿液分离。完全腐烂会产生一种黑色的恶臭腐烂物。在结合之后，物质很容易成长为所有的图形和颜色，尽管是短暂的，因为运动还没有结束。在同一片绿洲中，发现了几种金属，它们都明显地生长着。盐对植物生长有刺激作用。在石绿色的最初几天，它是唯一永久的颜色，在最不成熟的蔬菜中也是如此。有时金属像地球上的树木一样生长。没有什么能像矿物那样对动物有如此强大的力量，不仅有破坏力和保存力，而且能在普通的糜烂药物和泉水中发挥作用。因此，既然我们生活在空气中，它们最微妙的蒸汽总是散布在空气中，我们就必须对它们有很大的依赖性，有健康的年份和生病的年份。
因此，它们与我们的身体结合在一起，成为我们身体的一部分，而如果没有有机生长的原则，这就不会发生，这一原则与我们身体其他部分的情况相同。因此，我们的身体就像在温室中一样生长。它们就好像男女一样相结合。雌性种子所占的比例总是最大的。它们因种子的释放而变得虚弱。长生不老精神的效果被放大，孩子总是比父母更有活力和长寿。发酵和长时间煎煮后一个环节，到了那个时候，事情就不那么简单了，因为鸟儿开始下蛋了。
不同之处。它们没有固定的形式，我们的身体是固定的。它们的体格和体积都在增加，而我们的身体却没有。它们的生长离不开完全的死亡和腐烂，这是自然界所不能使我们的身体做到的。它们在没有空气的情况下生长，而这是其他任何东西都做不到的。它们通过沟渠获得了将自己的生命力传递给他者的能力，这在其他生长中是没有的。它们的整个物质具有极强的固定性，这是其他生长无法做到的。它们可以一次性转化为其自身重量的2或3倍，甚至10倍以上的营养物质。它们是相互滋养或相互发酵的。此外，还应该有大部分的雌性种子。整个精子的每一部分，在其他动物中只是很小的一部分。
……

盐是如何变成坚硬的石状透明的不溶于水的物质的，从那里可以产生沙和水晶以及所有透明的石质浓缩物。如果物质是纯净的，也可以产生辉煌的宝石以及在物质变硬之前充满纯净和各种颜色的金属烟雾。这一点体现在用长生不老药将结晶体转化为红宝石或其他美丽的石头中。是什么水凝结成了古尔和珊瑚的石头？木材被水石化，水在孔隙中凝结成了石头。黏土是上层地壳的重要成分，不过是石头而已。盐可能会腐烂。通过腐败会产生另一种黑色的腐烂物质或脂肪物质，这是地壳最肥沃的部分，也是蔬菜提取的最接近的物质，死后它们会重新回到其中。这证实了没有什么比盐更能促进发酵和腐败，正如我所说的那样，盐是孤独的，没有积极的生长原理，直到它们被其他物质所激发，而这些物质正处于它们所混合的活的和生长的状态，在大自然没有足够的力量来激发它们行动的地方，反而阻碍了它们的工作，因此，咸肉的腐烂速度很慢，但是，如果它们的潜在原理一旦发挥出来，就会显示出它们更强大的自我。如此看来，硝石似乎是最肥沃的土地，也是最不能保存肉类的物质，因为它不是那么封闭，也不容易腐烂。这里要注意的是，如果真的可以通过腐化来分离盐分，那么这将不会证明什么。如果作为矿物质和其他物质的盐类可以生长，为什么金属和硝石就不能像盐和其他物质一样生长得更快呢？既然金属会腐烂成黑色的脂肪和腐臭的物质，为什么盐不会呢？关于盐、石头、黏土和腐烂脂肪这些上层地表的主要成分，就讨论到这里。
至于水，我们可以观察到阿尔卡斯特（一种与不断上升并渗透于万物的矿物精神有着相同根源的矿物精神）是如何将所有这些上层物质分解为水，即金属硫。从那里看来，它们不仅有一个共同点，而且弥漫在万物中的矿物精神在某种程度上也可能对它们产生同样的影响。其次，干的和粗鄙的可能是其中很大一部分，因为腐败会软化成水，腐败会留下大量固定的土壤，但如果把它放在温暖的空气中腐烂，它就会分解，并立即将在几乎所有的土壤里吐出烟雾。
腐败不仅会将物质分解成水，还会分解成淤泥，正如啤酒发酵过程中的脂肪和酒精所见。
现在，这些由此产生的盐、石、土、水等物质看起来与金属元素的性质是如此的矛盾，以至于人们会担心它们会从那里跑出来的。但理性是显而易见的。由于不是通过有机生长而是通过机械转换而转变为这些物质，它们将以相同的方式被还原，而不是通过生长过程，直到它们被还原到它们的第一阶层次和框架。
然而，这些减少可以通过以下方式实现。以机械方式分解其生产。由于太阳的热量，由于意志的作用，水会像人们经常尝试蒸馏的那样，使土壤肥沃，而积水也会因太阳的热量而腐烂，使粪便变质，连续无循环。从这些土中可以提炼出一种盐。这种盐可能会腐烂，从而使矿物精神从凝聚态中释放出来，因此会恢复到它第一次升出地球时的状态，即最初的金属物质的状态（尽管这些变化削弱了它的能力），但如果分布到地球上其他金属可能生长的地方，它们就会获得金属生命，并逐渐恢复它们原始的金属形态。
然而，这些还原可以通过机械方式来实现，从而分解它们。水通过太阳的热量，加上意志的作用，水会变成泥土，就像人们通过反复蒸馏而发现的那样。
空气（我指的不是蒸汽，而是不会凝结成水的空气）首先可以通过冷冻水而从水中产生。其次是通过盐水或硫酸酒精在一起时沸腾而产生。再次可以通过盐和硫酸产生。复次通过用酸性液体腐蚀金属的方式，从金属和其他物质中将空气置换出来。最后通过发酵来产生。
我只知道一个例子，即在第一次溶解过程中，石头中会产生大量空气，通过矿物溶解和发酵，不断产生大量的空气，这些空气以温和的运动（在矿井中非常敏感）不断上升，成为矿物烟雾和水蒸气的媒介，把云撑起来，仍然（被下面上升的空气所突出）升得更高，直到它散落在空灵的区域，同时也带来了许多其他的蒸汽和呼气，当它们恰好高到失去重力时，整个云也会随之升起。
不断产生的空气量可以通过降雨的数量来估计，我们对降雨的上升和空气一样不敏感。但与上升相比，空气质量更好。就好像它应该在三或四天内上升1英里，这可能是一个非常温和和无意识的运动：这将导致地球周围水深5英尺。这不断地为获得空间而咆哮，以太将因此而被压缩，从而被迫不断地下降到空气来自的地球中，在那里，空气逐渐凝结并与它在那里遇到的物体交织在一起，并促使它们的行动成为一个柔软的发酵器。但在它的下降过程中，它努力沿着它所穿过的物体行走，这使它们变得沉重，而这种行动是由坚韧的弹性体质推动的，它在前进的道路上对事物有更大的把握；以其巨大的速度。【21】
随着空气和呼气的上升，以太应该下降如此多，因此以太比空气（因为空气是水）稀薄和稀少很多倍，它必须下降得更快，因此有更多的功效来推动身体下降，而不是空气推动身体上升。这是非常符合自然规律的，使万物循环。
因此，这个地球就像一个巨大的动物生命，或者更确切地说是无生命的有机物，通过呼吸吸入以太的所有能量，以获得其每日的精神和发酵活力，并随着大量的呼气再次蒸发，根据所有其他生物的状况，这个生命应该有它年轻、衰老和消亡的时代（这是一种微妙的精神，它在所有进入它们最小毛孔的物质中寻找最隐蔽的地方，并比任何其他物质力量都更微妙地将它们分开，不是按照普通的月经方式用暴力的方式来缓解）。这是大自然的万能媒介，她的秘密之火，所有生长过程的唯一发酵原理。所有物质的灵魂，不断地从上面被激发出来，并与之融合成一种形式，然后如果受到温和的热的刺激，它就会启动并活跃起来，但它是如此温柔和微妙，以至于消失得无影无踪，而且永远停止行动，并在热量不足时凝结在物质中，除非它从新一轮发酵中获得新的生命。
因此，宇宙中可能很大一部分可感物质只不过是以太，它凝结并交织成各种纹理，它们不像以太那样消失，在以太中，它们像固体在流体中一样游动。因此，地球需要源源不断的新鲜以太，而且以太溶液使它变得柔软。
请注意，更有可能的是，以太只是某种更活跃的精神的载体，而物质可以是由两者共同构成的，它们在生成时吸收了以太和空气。在以太中精神是相互交融和无形的。这种精神也许是光的身体，因为两者都有一个惊人的活动原则，都是永恒的做功者；因为所有的东西都可以通过热来发光，所以同样的原因（热）也驱逐了生命原理。无限的智慧不应该在没有必要的情况下增加原因，这是合适的。光和热是相互依赖的，没有热就不会产生光。热是光和生长的必要条件。没有任何物质像光那样冷漠、微妙和迅速地渗透万物，也没有任何东西像精神那样敏锐和迅速地寻找物质。热激发光，光激发热，热激发有机生长原理，而生长反过来也增加热量。
……
自然界的行为要么是有机的，要么纯粹是机械性的。
有机世界的原则，除了种子或是万物的精加工场所之外，没有别的，这些都是她唯一的媒介，她的火，她的灵魂，她的生命。
事物的种子是事物中的全部物质，它达到了事物中最成熟的程度，因此没有什么比这更成熟的东西可以对它们采取行动。
生长过程无非是最成熟或最具体的东西对那些不太具体或不太成熟的东西的作用，使其像自身一样成熟，在这种成熟程度上自然就永远存在。
在所有事物中完全成熟的部分只是很小的，永远不会被单独看到，但只有在潮湿的环境中才能看到。整个物质永远不会成熟，只有其中最容易被处理的那一部分。主要的物质只是一种平淡无味的物质，而不是在其中进行行动。
腐烂是一种事物从它一代所达到的成熟和具体程度上的衰减。【22】
在这篇手稿中，牛顿通过归纳和类比，猜测地球像一个“动物”，或者说一个表面上无生命的“有机物”，它吸入“以太”——光的传播媒介——来“提振精神”和维持生命；虽然被剥夺了动物才有的灵魂，但地球仍然是一个生命体。牛顿这篇手稿体现了某种“万物有灵论”——万物皆有“生命”、皆有“精神”、皆要“交媾”、皆要“排泄”、皆有“死亡”和“腐败”的命运。换句话说，牛顿对于复杂的化学世界与生命世界的理解是高度“拟人”化的，是建立在不精确的比喻和类比推理的基础之上的。这是一种典型的“古代科学”思维方式。
牛顿认为，即使是像金属这样耐用的材料也会经历自己的生命周期，在地球表面下生成和毁灭。金属和矿物从地下的硫黄和汞烟雾中产生；完全形成的金属材料反过来又最终衰变为其原始的成分，在热和强大的溶剂的影响下，一旦它们被分解成它们的原始成分，而这些成分是挥发性的，这些汞和硫黄的烟雾在地球表面升起并重新组合，使金属再生。因此，金属的诞生、死亡和重生的持续循环总是在我们这个生命星球的有机结构中发生。而在这个不断循环的背后是炼金术的两个传统原则——汞和硫。牛顿似乎把它们看作“以太”的更粗略形式。正如他所说，这两种“精神”——硫黄和汞——以一种挥发性的形式“在地球上游荡”，并为“动物和植物以及其他生物提供生命，并制造石头和盐类等物质”。
牛顿这个“世界图像”的来源是什么？他用“水银”和“硫黄”来解释金属的构成，这表明他接受流行的炼金术理论，这种来自东方并在 13 世纪以后开始在欧洲广泛流传的理论认为：宇宙间的所有金属，都是由代表“女性”的水银和代表“男性”的硫黄以不同的比例混合而成的。
牛顿还接受另外一种流行观念，认为“土”元素是由“水”元素转化而来的，因为他自己的实验也证明，把天然水放在锅炉或者蒸馏器中烧干以后，就会剩下可以发臭的淤泥状的“土”——看来牛顿生活周围的湖水不怎么干净。几乎与牛顿同时代的著名化学家波义耳也接受这个“水生土”的炼金术理论。其实中国古代的阴阳五行理论认为“水生木、木生火、火生土、土生金、金生水”——植物需要水，木材可以燃烧，燃烧以后变成灰（土），金属矿物来自泥土（地壳），金属经过高温熔化成液体（水）。而古希腊的四元素说（水、土、火、气）很难形成类似的“相生相克”关系，比如“水生土、土生火、火生气、气生水”就显得在逻辑上很不符合大自然的观察经验，除了第一个“水生土”的环节以外。可见这些不同文明所产生的“古代科学”理论和自然哲学原理都是基于特定的直接经验观察与不严格的实验验证而获得的。
自石器时代以来，人类通过实践活动和对大自然的观察所形成的“科学图像”或者“自然观”（见图3），大致经历了几个发展阶段：（1）原始自然观阶段——这个阶段主要以自然神崇拜、迷信、巫术、神话为代表；（2）古代科学阶段——这个阶段开始形成高度概括和抽象的概念体系，将许多日常概念“本体论”化，比如古希腊的四元素说和古代中国的阴阳五行理论；（3）近代科学阶段——这个阶段以系统性实验和精确测量为手段，对大自然进行分门别类的分科研究（所以叫“科”学），从而形成近代科学革命后的自然观。
鲜为人知的是，这每一个阶段的开启和结束（向下一个阶段的提升）都是以技术的进步和新技术的大规模应用为前提的。因为观察和“解剖”大自然必须通过一定技术和观察手段才能实现，而石器时代的人类是无法用石头工具去真正“解剖”大自然的，除了用石器砸开坚果和捕杀动物以外。因此，石器时代对自然界的观察更主要的是来自对人类自身身体状况的观察和体验，通过归纳和类比得出外部世界运作机制的结论，也就是将人类自身（观察者）的形象投射到外界（被观察）事物，从而产生大量的拟人化思维图像，形成巫术、迷信和“万物有灵”论。这个时代可以延续上万年甚至百万年。
进入青铜器时代以后，人类开始利用高温火炼技术对大自然进行更加深入的“解剖”和“分析”，从而进入炼丹 — 炼金术时代。这个延续上千年的时代所形成的自然观，逐步脱离“万物有灵”论，并能够从实际观察到的周期性天文现象与地质现象和“物极必反、相反相成”现象中，总结、归纳、抽象出类似古希腊自然哲学和古中国自然哲学的朴素理论——“古代科学”理论，包括“四元素说”和“阴阳五行理论”以及各种辩证思维体系。
进入火药-火炮和大航海时代以后，生产技术、冶金技术和对不同大洋和大陆洲的生物种类的观察得到进一步拓展，尤其是玻璃制造、钟摆、火炮、天平、蒸馏、高温冶炼、望远镜、显微镜等技术的发展，从而导致伽利略对炮弹轨迹的弹道学研究，由此诞生了近代经典力学；导致拉瓦锡对火药燃烧爆炸学的研究，由此诞生了近代化学（燃烧的氧化原理）；导致胡克利用显微镜对微生物的观察，由此产生了微生物学和近代医学。但是天文学、经典力学和化学摆脱“古代科学范式”的时间不同：化学大大滞后于经典力学和天文学，因为化学所涉及的自然现象更加复杂，获取信息的技术手段更加困难—其复杂程度和技术困难相对于伽利略和牛顿面临的物理学现象是好几个数量级的。因此，一方面牛顿的物理学是对伽利略以来的物理学成果的集大成，而另一方面牛顿的炼金术手稿只不过是拉瓦锡化学革命前、古代炼金术化学在牛顿这个天才头脑中的回光返照而已。因此凯恩斯才认为，“牛顿不是理性时代的第一人”，而“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”，“（牛顿）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（包括中国古代的先哲们），并无不同”。【23】
以下摘录来自牛顿的另一份手稿【24】（见图4）。这篇手稿创作于1685-1690年，在此期间，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》（1687年），离完成前面那份手稿间隔15-20年。从这篇手稿可以看出，牛顿关于微观物质世界的“图像”并没有发生任何根本变化，只是在炼金术知识的积累方面更加丰富了。
1.3 古人经常研究大自然，而我们研究商业投机，因此他们的许多发明都遗失了。
2.20 大自然的方式是将自己的全部潜在欲望加以展示，向完美的方向发展，并在运动结束时达到最佳状态。
2.31 古人发现的无数新事物被赫梅蒂克教授错误地加以吹嘘。
3.22 大自然是一个真实而简单的过程，来自上帝，从它的开始和结束，就以某种精神为乐，这是所有自然事物的发端。
4.2 大自然被划分并分布在属于四个元素（水、火、土、气）的地方，在其中，她操纵着所有的自然事物，使事物本身或其本质隐藏在被某些可感知的元素覆盖物的阴影下。大自然是可增殖的，适合万物生长。
4.26 自然的探索者应该是什么。
5.5 赫密克艺术的意图是认为，大自然决定金，但一般说来，大自然是凝固的汞，或者在铁和铜包裹下的汞。
5.13 首先要注意处理金或特殊的性质，因为一般的性质在所有事物中都是扩散的。
5.23 一个大自然产生了不同的东西，因为它遵循着四大元素中的种子，做着它所设计和能够实现的事情。
6.14 种子是由上帝所设计的，是为了在大自然繁衍它的后代。
6.20 金属在地球上是由一种湿热的精神物质的循环而形成的，这种物质就像位于恒星生殖器或子宫中的元素一样，具有吸引他物的强大磁力。所以汞被用来从溶解于金液中的锑-铁-铜化合物中提取锑，必须通过汞的精神还原为气态，从身体上升起并循环属于铁和铜的锑，沉淀底部的金被称为空灵的大地，它吸引着自己的灵魂。同样，灵魂也希望通过循环变得更加稀薄和高贵，通过与精子结合，如一颗可以无限繁殖的苹果种子，从而回到自己的身体。因此，大自然赤裸裸地暴露在我们眼前。然而，这些金属元素并不是种子的灵魂，而是最初被创造出来的、后来被大自然传播和扩大了的。
7.1 上帝根据物种，而不是地理，将自己的种子注入万物。
7.26 这是由种子与野兽混合的力量造成的，而不是地理的力量。因为整个物种并没有改变，但留下了一些人性，正如通过例子证明的那样。
8.4 并且通常是杂种。
13.19 1份金，3份属于铁和铜的锑，4份汞，研磨7次并与所说的锑溶解。大约三周后汞与溶解的金的灵魂一起上升。然后一种银的混合物开始生长，并具有纯粹的绿色，它比除黑色以外的任何其他颜色都能保持更长的时间。铜七周以后变成最黑的粉末，不再移动或上升。但在这里，作者描述了第二种绿色，三个月后，黑色出现了，更活泼了，而且持续了很长时间。从12月11日开始到3月10日是哲学的冬天。但之后，当黑暗过去，元素再次开始升华，然后出现了草和花，油腻的蒸汽与称为氧化镁的泥土和水混合，吸引了气体形态的汞本身的种类，通过金和银给所有物质以生命，其中有铅、铁和铜。因此大自然从不闲着。
16.12 由铁、锑、铜和金混合的水溶液必须被火凝结成铅。通过精神或汞的作用，属于铁和铜的锑把它分开，这样水溶液会像谷物一样腐烂。在扔掉里面的污泥粪便之后，灵魂必须再次从地球的黑暗深处升到水里，从那里它变成了一根不像自己的金树枝，或者是一块不像它的生殖器的石头。德雷米乌斯将精液播种到金或锑或银的身体上，从而被澄清成同样的清澈。从它们的水或哲学家的汞中出现了一种硫黄般的精神或黑暗，然后两者都再次快乐结合成为一体，其中只有一小部分是自然的火种。
牛顿认为硫是“男性”，汞是“女性”［“Sulphur is male, ☿（汞）female”］。【25】中国古代炼金术也认为硫属于“阳性”，汞属于“阴性”。东晋炼丹家葛洪的《抱朴子》里记载“丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂”，丹砂即硫化汞，加热即分解得到汞，汞与硫化合又生成黑色的硫化汞，再在密闭容器中加热便升华为赤红色的结晶硫化汞。用硫化汞制水银，中国早在公元前的世纪就知道，葛洪是最早详细记录这一反应的人。但是“阴-阳”作为一对高度抽象化和普遍化的哲学概念，肯定高于“男-女”或者“雌-雄”这样具象感性的概念框架。后来拉瓦锡在他的《化学基础论》一书中采用了“酸-碱”这样的概念框架，更能够精确体现化学元素或者化合物的化学性质。可见牛顿炼金术理论没有超越中国古代的炼丹 — 炼金术理论的基本范式。西方化学对东方化学的超越，是18世纪后由拉瓦锡实现和完成的。
为了进一步客观、理性地评价牛顿《炼金术手稿》的“科学性”和历史意义，让我们详细介绍一下拉瓦锡的工作和他开创的化学革命。
■ 注释
【1】参见戴瑾博士关于物理学研究与数学研究的区别的文章《为什么物理比数学更难入门》（2022年8月17日），“物理学博士看天下”微信公众号，https://mp.weixin.qq.com/s/ihbTcN8kzotUAWZrACiT9Q，最后浏览日期：2023年8月17日。戴瑾在文章中认为：“自然界从来不会这么简单地揭示她的规律。她只是给人们一些提示，有智慧的科学家猜到了其中的奥妙，建立起理论系统来解释观测到的现象。”“基本物理规律从来不是（以数学课里的证明方式）证明出来的，是猜出来的。”
【2】 事实上，早在凯恩斯研究牛顿手稿半个世纪之前，一个由剑桥大学科学家组成的专家小组曾经在19世纪末对牛顿的炼金术手稿进行过一次全面的认真整理、研究和评估，而且这不是牛顿死后英国科学机构第一次这样做，并再次得出如下结论：牛顿有关炼金术的手稿无足轻重，基本上是抄录其他作者的著作，手稿远远谈不上简洁或精巧，它们相当复杂，而且很不成功，没有任何原创性思想。手稿表明牛顿试图通过他人的大量炼金术著作甚至古代经文和神话中，归纳出一套基本的原则，使得高度象征性的、无法结合的物质，可以转化为能够相互结合的物质。换句话说，牛顿试图从一大批炼金术士的实验结果以及自己亲自做过的实验中归纳和猜测出化学世界的密码。但是牛顿没有实现其预期的目标。（参见［英］沙拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第160-161页。）
【3】 参见William R. Newman, Newton the Alchemist: Science, Enigma, and the Quest for Nature’s “Secret Fire”, Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 2019。
【4】引 文 参 见 牛 顿 手 稿（ 原 件 ）。详 见Isaac Newton, “Two incomplete treatises on the vegetative growth of metals and minerals”(1670-75), in English and Latin [Source: NMAHRB Ms. 1031 B, Dibner Library, Smithsonian Institution, Washington D.C., USA. Newton Catalogue ID: ALCH00081], https://www.newtonproject.ox.ac.uk/texts/newtons-works/alchemical, retrieved August 22, 2023。
【5】牛顿没有能够解决“三体问题”，这个问题遗留至今。牛顿非常推崇古希腊的数学传统和欧几里得公理演绎方法，但是牛顿通过模仿《欧氏几何》而建立的经典力学体系，实际上是不完备的和有点牵强的。华东理工大学理论物理学廖玮教授在《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》中指出：“牛顿建立的这个理论体系实际上并不是逻辑严密的公理化体系……牛顿引入的定律和基本假设都是经验规律，是通过实验得以建立的，没有一个是所谓自明的。”（第129页）“牛顿为力学演绎理论所引入的概念和假设不是自明的，也不是（彼此）独立的。这些概念和假设只能被看作是一系列相互依赖的概念和假设，对其中一些的解释需要用到另外一些，反之亦然。”（第130页）比如，廖玮详细解释了牛顿三大定律所使用的概念之间的相互依赖性、非独立性和循环定义之处。事实上，正是因为牛顿力学体系的这些弱点，导致了马赫后来对牛顿经典力学基本概念和其哲学基础的批判（可参见马赫《力学及其发展的批判历史概论》）。
【6】 参见金吾伦在《科学变革论——拉瓦锡化学革命探究》（科学出版社1991年版）中提供的科学哲学分析。
【7】拉瓦锡的好友和科研合作者，法国伟大数学家拉普拉斯，在回答拿破仑问自己的宇宙力学体系中为啥没有提及上帝时说道：“陛下，我不需要那个假设。”详见https://en.wikipedia.org/wiki/Pierre-Simon_Laplace，最后浏览日期：2023年8月23日。
【8】［法］拉瓦锡：《化学基础论》，任定成译，北京大学出版社2008年版，“序”，第6页。
【9】科学思维是根据已知推测未知，比如遵循贝叶斯推理法则，那么在推理中犯错误的概率取决于已知信息的多少。
【10】 参见张双南：《我是科学家，但我曾经不知道“科学是什么”》（2018年7月24日），中国科学院高能物理研究所网站， https://ihep.cas.cn/xwdt/cmsm/2018/201807/t20180724_5049209.html，最后浏览日期：2023年8月23日；吴国盛：《什么是科学》，广东人民出版社2016年版。吴国盛教授认为，中国古代虽然有博物学，但是没有真正意义上的理性科学，而近代科学则完全起源于古希腊。吴国盛教授还认为，李约瑟混淆了科学与技术的区别，被李约瑟赞不绝口的中国古代科技成就其实都是技术而不是科学，因为“在希腊理性科学意义上、在现代数理实验科学意义上，中国古代没有科学”。详见吴国盛：《对批评的答复》，《哲学分析》2017年第2期。吴国盛在书中提出了关于科学的“历史类型学”，这个提法很好，我十分认同，但是不认同他的分类方法。比如，吴国盛认为，“在历史上出现过三种突出的‘科学类型’：希腊理性科学、欧洲现代数理实验科学、博物科学；其中数理实验科学属于理性科学的变种，因此严格说来，人类历史上只有两种科学类型：理性科学和博物科学”。前者属于古希腊，后者属于中国和其他古代文明。详见吴国盛：《对批评的答复》。另外，我也非常认同吴国盛把近代科学刻画为西方基督教世界“求力意志”和“征服意志”的产物，但是他还没有把问题完全说清讲透。基督教原教旨是追求“大爱和无暴力”的宗教，没有“求力意志”，只是因为“十字军东征”运动才改变了这一切；而且我在《科学革命的密码——枪炮、战争与西方崛起之谜》（东方出版中心2022年版）一书中揭示，近代科学发源于威尼斯兵工厂顾问伽利略的炮弹力学和法国火药局局长拉瓦锡的燃烧学，因此是热兵器战争环境下国家间军备竞赛的产物。【11】 参见高能物理学家廖玮在《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》一书中对物理学思想史中“言必称希腊”观点的批判。
【12】参见吴国盛：《什么是科学》。
【13】比如，中国古代（东汉末年）围棋布局的排列组合可能性已经达到3361，《梦溪笔谈》也用指数运算方法给出了这个正确结果，而这个天文数字远远超出银河系的原子数量（大约1068）。围棋的起源可以追溯到四千多年前的尧舜时代。
【14】 参见［美］托马斯·库恩：《科学革命的结构》，金吾伦、胡新和译，北京大学出版社2003年版。
【15】汪涛在《实验、测量与科学》（东方出版社2017年版）一书中将测量看成科学的基础，而将实验看成测量的一个子集。这个观点与本文将实验看成是获取信息的手段的观点是一致的。“测量”更加强调“定量和精密”的观察。为了陈述的方便和与传统用法接轨，本文把测量活动理解为科学实验的一个子集，因此实验包括观察、测量、仪器操作、记录分析、解剖、化验、蒸馏、冶炼、煅烧、分解、合成、编辑、实验室制造等一系列活动。
【16】从形式上，牛顿发明的微积分是从几何出发，莱布尼茨是从代数出发，但都是遵循实用“算法”传统而非欧氏《几何原本》的演绎传统。
【17】［意］伽利略：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，第32页【18】 Isaac Newton, “Two incomplete treatises on the vegetative growth of metals and minerals” (1670-75).
【19】 这些符号的翻译参见William R. Newman, Newton the Alchemist: Science, Enigma, and the Quest for Nature’s “Secret Fire”, p. xiv。
【20】 Isaac Newton, “Two incomplete treatises on the vegetative growth of metals and minerals”(1670-75).
【21】其中，1英里=1.609公里；1英尺=0.305米。
【22】 Isaac Newton, “Two incomplete treatises on the vegetative growth of metals and minerals” (1670-75).
【23】［英］莎拉·德里：《牛顿手稿漂流史》，第237页。
【24】Isaac Newton, “Notes on Sendivogius” (1685-90), in English and Latin [Source: Keynes Ms. 55, King’s College, Cambridge, UK. Newton Catalogue ID: ALCH00044],，https://webapp1.dlib.indiana.edu/newton/mss/norm/ALCH00044, retrieved August 23, 2023.【25】Isaac Newton, “Notes on Sendivogius” (1685-90), page 127 line 1.
本文2023年12月1日发表于微信公众号 复旦大学中国研究院（文一：究竟什么是科学？——从牛顿《炼金术手稿》谈起（中）），风云之声获授权转载。
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