为什么现代科学源自天文观察？

前面提到，狭义的科学认知是在人类演化历程中很晚才出现的一种特殊的认知形式。那么这种认知形式是在什么时候、因为什么而出现的呢？在现代社会的语境中，谈到现代“科学”的起源，一般都会以牛顿的《自然哲学的数学原理》作为一座让后人仰望的里程碑。而再向前，则有伽利略和哥白尼(当然也有学者将科学的起源追溯到古希腊时代)。¹在我的成长历程中，一直有一个印象，即现代科学肇始于物理学，因此，物理学的规则就是科学的规则。可是在思考生命的本质的过程中，我发现虽然很多物理学家都在努力地用他们驾轻就熟的物理学思维去解析生命，而且19世纪中后期以来生命科学几乎所有的突破，都源自物理学家、化学家在技术和理念上的创新，可是在物理学家与从事生物研究的人之间，好像总是存在一些大家都说不清楚的隔膜。是因为生物学的研究系统太复杂而挑战了物理学家的能力上限？或者生物学的研究水平太低下而缺乏让物理学家一展身手的舞台？或者传统的物理学家对实体存在的描述和对实体存在之间关系的想象上所向披靡、屡试不爽的思维模式，在处理生命现象时出现了方向性的偏差？前两种或许大家都可以接受，毕竟生命系统太复杂。人们目前所能获取的数据非常有限，而且处理这些数据的计算能力(主要是计算机)也非常有限。可是，第三种恐怕很难被人接受： 难道生命系统不是物质世界的一部分吗？物理学不是揭示物质世界的构成与运行规律的吗？怎么可能把生命系统给漏掉呢？

2017年美国西雅图华盛顿大学应用数学系讲座教授钱紘来做“生命的逻辑”课程讲座时，和我讨论过一个问题，即生物学的原点性概念是什么。他说，数理化这些学科都有自己的原点性概念。数学的原点性概念是“数( number) ”，物理学的原点性概念是“质点( point mass) ”，化学的原点性概念是“分子( molecule) ”。生物学呢？他的问题对我非常有启发。如果说数是人类抽象思维的产物，而分子是实体存在的一个单元，质点是什么？是一个抽象的概念呢，还是一个实体存在呢？从牛顿力学到热力学再到量子力学，如果细究起来，我们在学习物理学时所用公式描述的物质规律，其实都是质点的移动、碰撞、排列的规律。在读物理学家、化学家撰写的有关生命活动的描述时，看到的也都是将研究对象(无论是分子、细胞还是个体)理想化为一些“质点”之后，再分析其移动、碰撞、排列的规律。可是，质点的概念是怎么形成的呢？

我曾经专门检索过不同的词典，没有在权威的词典中找到该词的出处。但在钱紘推荐给我的一篇有关科学史的文章中，讲清楚了质点概念在18—19世纪之间从“物体( body) ”这个概念演变而来。此外，在有关物理学的发展史中，我注意到一个很有趣的事情，即被科学史家认可的近现代物理学的奠基人，即伽利略、开普勒、牛顿等人都研究过天文学；作为物理学最初形式的力学，很多都源自对天体运行规律的描述。这种情况是偶然的吗？

在对物理学史的检索中，有两张图片给我留下深刻的印象(图1-3)： 一张是古代天文学家记录下来的天空；一张是现代天文学记录下来的宇宙。据说，开普勒之所以能总结出行星运动规律，是因为他所依据的，是当时世界上对天体观察和记录最详细的丹麦天文学家第谷的数据。而第谷观察了多少个天体呢？有资料说是750个。这应该是当时人们观察天体所能达到的分辨力的极限了。在这种分辨力的范围内，当时的人们是无法获得现代天文学所观测到的宇宙的。但反过来，也给了观测者一个机会，即可以在对象有限的范围内，详细地跟踪记录单个天体的运行轨迹。按照现在的知识，我们知道，不同天体的大小和组成是非常不同的。可是在古人眼中，这些不同与它们的运行轨迹相比较而言，好像没有那么重要——关键是无从细究。而从轨迹的角度讲，所有不同的天体，其实不过都是一些点！所有的天体都被简化为星图中的“点”，而由对这些点的运行轨迹可以归纳出以数学公式描述天体运行的规律，甚至是伟大的牛顿力学体系。显然，套用对天体运行轨迹进行描述的成功，把所有的物体运动都简化为一个点，在物理学的发展上取得了辉煌的成功！于是，把物体简化为点，然后用数学去描述这些点的运行，成为物理学这一科学体系的一个重要特征。

在前面分析“自然”一词的含义时，我们发现人类眼中的自然是人类与出现之前就存在的实体。人类对自然的了解，最终无非是两大类： 一类是对实体的辨识，另一类是对实体间关系的想象(见图1-4) (农耕之后，又出现了对实体由来的追溯) 。这些辨识和想象都以抽象的符号来表示，并以语言为载体而在居群成员之间交流分享。从这个角度看，把天体简化为“点”来进行观测和描述，虽然取得了极大的成功，但显然只是形式之一。很多其他的观察就很难被简化为“点”来进行，比如为什么水是流动的、棉花是柔软的、岩石是坚硬的，而火可以将一些东西烧为灰烬。对这些现象相关的实体及其相互关系的辨识和想象显然无法用质点式的简化加以解决——最起码在最初的阶段。于是就有化学等反映其他辨识和想象策略的学科的产生。虽然到了原子和亚原子层面，化学和物理殊途同归，但化学至今仍然因其有传统的物理学思维所无法替代或涵盖的独特的问题和研究方法而作为科学的一个分支独立存在。这大概是为什么钱紘在提到原点性概念时，认为物理学的原点性概念是质点，而化学的原点性概念是分子。

那么生物学的原点性概念是什么呢？个体，细胞，基因，还是我们这里提出的整合子？希望在读完这本书之后，大家能找到让自己满意的答案。

1 有关现代科学起源的问题，清华大学吴国盛教授《什么是科学》一书(该书第一版出版时，他从北大转入清华)中有非常专业的阐述。