第4章 科学思想的摇篮
第一节 古希腊时代的科学
1.西方医学之父——希波克拉底
希波克拉底大约于公元前460年出身于柯斯的一个医生世家，约在公元前371年去世。柯斯是一个有着悠久医学传统的小岛，医生在那里很受尊重。他从幼年起就受到很好的教育，曾到处求学，结识了很多智者和学者。成年之后，由于在医学上有突出的贡献，这位外邦人被雅典特别授予荣誉公民的称号。
希波克拉底的最大贡献是将医学从原始巫术中拯救出来，以理性的态度对待生病治病。他注意从临床实践出发，总结规律，创立了自己的医学理论，即人体有四种体液的学说。
希波克拉底的“四体液病理学说”是从恩培多克勒（约公元前495～前435年）的四元素学说发展而来的。
恩培多克勒认为空气、水、火和土是组成世界的四种基本元素。这四种元素与热、干、湿、冷四种基本属性相配合而成，它又与体内的四种液体即血液、黏液、黄胆汁和黑胆汁等相对应，希波克拉底则进一步以这四种体液在体内的平衡与变动，来说明人体的正常生理和病理。
希波克拉底认为，当四种体液相互调和，处于平衡状态时，人体就处于正常的健康状况。如果比例失调是暂时的，体内自有使之恢复平衡的趋势。这四种体液还决定了人的气质，即血液型为多血质的；黏液型为黏液质的；黄胆汁型为急躁性的（多胆汁的）；黑胆汁型为忧郁性的。四种体液理论对后来的医学与心理学的发展有很大影响，如同中医的阴阳五行说一样，成了西医学的理论基础。
希波克拉底的医学著作很多，以法国人李特尔整理的《希氏医学著作集成》流传最广，书中收录了70篇医学著作。《希氏医学著作集成》的主要特点有：记录了丰富的临床经验；注意预诊，即在病症还没有完全显现出来时及时发现病情，采取早期治疗的措施；对发烧比较注意，知道从皮肤、舌、眼、汗、尿和大便的变换来诊断各种有发烧症状的疾病；积累了用草药治疗疾病的经验，但更强调“自然疗法”；注意对病例的分析研究，用理性的态度对疾病做具体分析；注意对病人进行心理治疗。《希氏医学著作集成》对后世医学的影响是其他任何一部医学著作都不可比拟的。
希波克拉底不仅以医术高超著称，而且以医德高尚为人称道。在他周围，形成了一个医学学派和医生团体。他首创了著名的希波克拉底誓词，每一个要成为医生的人都要以此宣誓。誓词中说，医生要处处为病人着想，要维护自己的行为和这一职业的神圣性。
希波克拉底德艺双馨，名闻遐迩，人们尊他为“西方医学之父”。现在，西方国家的医生从业前都要以希波克拉底的誓言宣誓。
2.百科全书式的学者——亚里士多德
亚里士多德（公元前384～前322年）是古希腊最伟大、最富传奇色彩的人物。他是柏拉图的学生、马其顿国王亚历山大大帝的老师。恩格斯称亚里士多德是最博学的人，因为他在哲学、政治学、美学、教育学、逻辑学、生物学、生理学、医学、天文学、化学、物理学等方面都有卓越贡献。他的著作丰富，体系庞大，堪称古代的百科全书。
亚里士多德跟随柏拉图学习多年之后，创立了自己的学派。他在雅典的吕克昂著书讲学，经常和学生一起去花园或树林里边散步边讨论问题，因此他的学派也被称为逍遥派。
亚里士多德好学深思，提出了许多创造性的理论。在逻辑学方面，他创立了以三段论为核心的严整的形式逻辑体系以及从理论上探索问题的“分析方法”，即先把研究对象分解为各种可能具有的情形和方面，然后一一加以评判，最后求得正确结论。他还丰富和发展了归纳法的思想，指出“归纳法是从特殊到一般”，并研究了归纳法的逻辑形式。
亚里士多德的哲学思想，主要体现在阐述“第一哲学”即名为《形而上学》的著作里。他提出了哲学自身的独立对象和范畴，提出“四因说”，认为所有事物都有四方面的因素构成，即“质料因”、“形式因”、“动力因”和“目的因”。以建造一座房子为例，砖瓦土石这些建筑材料是它的质料因，但只有材料没有构成房子的形式还不能动工，因此还要有形式因；动力因把建筑材料搭成房子；目的因即房子满足人们某种需要的功能。把四因弄清楚了，也就全面地认识了事物。他还提出了系统思想的基本原理，即整体大于部分的总和，这是十分了不起的。
在天文学和物理学方面，他认为天体都是物质的实体，大地是球形的；地球和其他天体由不同的物质构成。地球上的物质由水、气、火、土四种“元素”组成，天体由第五种元素“以太”构成。他同时又认为：地球是宇宙的中心，“世界上没有虚空，不存在原子”；“重的物体比轻的物体下落得快”。这些建立在猜测基础上的结论影响很大，在一定程度上成为科学发展的桎梏。
在生物学方面，亚里士多德亲自动手做实验，取得了很多创造性的研究成果。他观察力极其敏锐，善于进行总结和归纳。将事物进行分类则是基本的自然科学方法，亚里士多德对500种不同动植物进行了分类，这是生物学得以建立和发展的基础。今天我们研究生物学，都要从生物分类开始。亚里士多德至少解剖过50种动物，以直接了解其生理结构。
在担任亚历山大大帝的老师时，亚里士多德经常得到亚历山大在远征中给他捎回的各种稀罕的动植物标本，这给他的生物学研究提供了很大的帮助。根据解剖观察，亚里士多德指出，“鲸鱼是胎生的，不像产卵的鱼类”。他还总结出，“没有一个动物同时具有长牙和角”，因为野兽有了长牙保护自己后，不必再利用角作武器了。
他还注意到了遗传学上的一个问题：“一个白种妇人嫁给一个黑种男人，他们子女的肤色是白的，但到了孙儿那一代，肤色又变成了黑的，那么他们白色的子女中，是如何藏着黑色血统的呢？”对此，直到两千多年后人们才从基因的隐藏性中找到了答案，而这只是亚里士多德所提出的伟大问题中的一个。
不过，由于亚里士多德在欧洲思想界一千多年的时间里一直是至高无上的权威，他的一些谬误和过时的观点也一直处于统治地位，很多还成为以后宗教神学的理论依据，阻碍了中世纪科学技术的发展。但是，也正是亚里士多德的错误思想激发近代西方科学工作者走上了探索真理的正确道路。
亚里士多德是古希腊文明的集大成者，在哲学、社会科学和自然科学诸方面都达到了前所未有的高度，奠定了后世各学科的基础，亚里士多德的出现标志着古希腊文明的空前繁荣。
第二节 希腊化时代的科学
1.欧几里得和《几何原本》
埃及的亚历山大城，是地中海南岸的重要海港，经过托勒密王的苦心经营，逐渐成为新的希腊文化的渊薮，希腊本土这时已经退居次要地位。欧几里得（约公元前330～前275年）就生活在这个时代。欧几里得早期在雅典接受教育，他博览群书，汲取了前人积累起来的大量的几何知识，终于成为一位几何大家。
在欧几里得以前，古希腊人已经积累了大量的几何知识，并开始用逻辑推理的方法去证明几何结论。欧几里得这位伟大的几何建筑师在前人准备的“木石砖瓦”材料基础上，天才般地按照逻辑系统把几何命题整理起来，建成了一座巍峨的几何大厦，完成了数学史上的光辉著作《几何原本》。
《几何原本》这本书的问世，标志着欧氏几何学的建立。这部划时代的著作共分13卷，465个命题（即现在所说的定理）。其中有8卷讲述几何学，几乎包含了现在中学所学的平面几何、立体几何的全部内容。但《几何原本》的意义却绝不限于其内容的重要，或者其对定理出色的证明，真正重要的是欧几里得在书中创造的一种被称为公理化的方法。
何谓公理化的方法呢？在证明几何命题时，一个命题总是从前一个命题推导出来的，而前一个命题又是从更前一个命题推导出来。我们不能这样无限地推导下去，应有一些命题作为起点。这些作为起点、具有自明性并被承认下来的命题被称为公理，如“两点确定一条直线”等。同样，对于概念来讲也有些不加定义的原始概念，如点、线等。在一个数学理论系统中，我们尽可能少地选取原始概念和不加证明的一组公理，以此为出发点，利用纯逻辑推理的法则，把该系统建立成一个演绎系统，这样的方法就是公理化方法。
欧几里得正是采用这种公理化方法。他先摆出公理、公设、定义，然后有条不紊地由简单到复杂地证明一系列定理。他利用公理、公设、定义为要素，作为已知，先证明了第一个命题；然后又以之为基础，并作为新的已知来证明第二个命题，如此循序渐进，直至证明了所有的命题。其论证之精彩、逻辑之周密、结构之严谨，令人叹为观止。零散的数学理论被他成功地编织为一个从基本假定到最复杂结论的连续网络。
公理化方法到现在几乎已经渗透到了数学的每一个领域，对数学的发展产生了不可估量的影响，公理化结构已成为现代数学的主要特征。而作为完成公理化结构最早典范的《几何原本》用现代的标准来衡量，在严谨性上还存在着不少缺点。如一个公理系统都有若干原始概念（或称不定义概念），如点、线、面就属于这一类。欧几里得对这些都做了定义，且定义本身含混不清。另外，其公理系统不完备，许多证明不得不借助于直观来完成。此外，个别公理不是独立的，即可以由其他公理推出。
这些缺陷到1899年希尔伯特的《几何基础》出版时得到了完善。在这部名作中，希尔伯特成功地建立了欧几里得几何的完整的公理体系，即所谓的希尔伯特公理体系。这一体系的建立使欧氏几何成为一个逻辑结构非常完善而严谨的几何体系，也标志着欧氏几何完善工作的终结。
《几何原本》这部科学著作中发行最广而且使用时间最长的书，其手抄本曾统驭几何学1800年之久。印刷术发明后，又被译成多种文字，共有2000多种版本，成为数学中的“《圣经》”。它的问世是整个数学发展史上意义极其深远的大事，也是整个人类文明史上的里程碑。
在数学发展史上，欧几里得被认为是成功而系统地应用公理化方法的第一人，他的工作被公认为是最早用公理法建立起演绎的数学体系的典范。正是从这层意义上，欧几里得的《几何原本》对数学的发展起到了巨大而深远的影响，在数学发展史上树立了一座不朽的丰碑。2000多年来，这部著作在几何教学中一直占据统治地位，至今也没有被动摇，包括我国在内的许多国家仍要把它作为中学数学的必修课目来讲授。
2.古代科学巨匠——阿基米德
阿基米德（约公元前287～前212年）是古希腊物理学家、数学家，静力学和流体静力学的奠基人。
公元前287年，阿基米德诞生于西西里岛的叙拉古（今意大利锡拉库萨）。他出身于贵族，与叙拉古的赫农王有亲戚关系，家庭十分富有。阿基米德的父亲是天文学家兼数学家，学识渊博，为人谦逊。阿基米德11岁时，借助与王室的关系，被送到古希腊文化中心亚历山大城去学习。
亚历山大位于尼罗河口，是当时文化贸易的中心之一。这里有雄伟的博物馆、图书馆，而且人才荟萃，被世人誉为“智慧之都”。阿基米德在这里学习和生活了许多年，曾师从欧几里得的学生。他在学习期间对数学、力学和天文学有浓厚的兴趣。在学习天文学时，他发明了用水力推动的星球仪，并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。为解决用尼罗河水灌溉土地的难题，他发明了圆筒状的螺旋扬水器，后人称为“阿基米德螺旋”。
公元前240年，阿基米德回到叙拉古，当了赫农王的顾问，帮助国王解决生产实践、军事技术和日常生活中的各种科学技术问题。
阿基米德在力学方面的成绩最为突出，他系统并严格地证明了杠杆定律，为静力学奠定了基础。在总结前人经验的基础上，阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理，提出了精确确定物体重心的方法，指出在物体的重心处支起来，就能使物体保持平衡。他在研究机械的过程中，发现了杠杆定律，并利用这一原理设计制造了许多机械。他在研究浮体的过程中发现了浮力定律，也就是有名的阿基米德定律。
阿基米德确定了抛物线弓形、螺线、圆形的面积以及椭球体、抛物面体等各种复杂几何体的表面积和体积的计算方法。在推演这些公式的过程中，他创立了“穷竭法”，即我们今天所说的逐步近似求极限的方法，因而被公认为是微积分计算的鼻祖。他用圆内接多边形与外切多边形边数增多、面积逐渐接近的方法，比较精确地求出了圆周率。面对古希腊繁冗的数字表示方式，阿基米德还首创了记大数的方法，突破了当时用希腊字母计数不能超过1万的局限，并用它解决了许多数学难题。
阿基米德在天文学方面也有出色的成就。除了前面提到的星球仪，他还认为地球是圆球的，并围绕着太阳旋转，这一观点比哥白尼的“日心地动说”要早1800年。限于当时的条件，他并没有就这个问题做深入系统的研究。但早在公元前3世纪就提出这样的见解，是很了不起的。
阿基米德的著作很多，作为数学家，他写出了《论球和圆柱》、《圆的度量》、《抛物线求积》、《论螺线》、《论锥体和球体》、《沙的计算》等数学著作。作为力学家，他著有《论图形的平衡》、《论浮体》、《论杠杆》、《原理》等力学著作。
阿基米德和雅典时期的科学家有着明显的不同，就是他既重视科学的严密性、准确性，要求对每一个问题都进行精确的、合乎逻辑的证明；又非常重视科学知识的实际应用。他非常重视试验，亲自动手制作各种仪器和机械。他一生设计、制造了许多机器，除了杠杆系统外，值得一提的还有举重滑轮、灌地机、扬水机以及军事上用的抛石机等。被称作“阿基米德螺旋”的扬水机至今仍在埃及等地使用。
阿基米德不仅是个理论家，也是个实践家，他一生热衷于将其科学发现应用于实践，把二者结合起来。在埃及，公元前1500年前，就有人用杠杆来抬起重物，不过人们不知道它的道理。阿基米德潜心研究了这个现象并发现了杠杆原理。阿基米德曾说过：“假如给我一个支点，我就能撬起地球。”
当时的赫农王为埃及国王制造了一条大船，相当重，因为无法挪动，搁浅在海岸上多日。阿基米德设计了一套复杂的杠杆滑轮系统安装在船上，将绳索的一端交到赫农王手上。赫农王轻拉绳索，大船缓缓地挪动起来，最终下到海里。国王惊讶之余，派人贴出告示：“今后，无论阿基米德说什么，都要相信他。”
在阿基米德晚年时，罗马军队入侵叙拉古，阿基米德指导同胞们制造了很多攻击和防御的作战武器。当侵略军首领马塞勒塞率众攻城时，他设计的投石机把敌人打得抱头鼠窜；他制造的铁爪式起重机，能将敌船提起并倒转……传说他曾率领叙拉古人民手持凹面镜，将阳光聚焦在罗马军队的木制战舰上，使它们焚烧起来。
罗马军队被阻入城达3年之久。最终，于公元前212年，罗马人趁叙拉古城防务稍有松懈，大举进攻闯入了城市。此时，75岁的阿基米德正在潜心研究一道深奥的数学题，一个罗马士兵闯入，用脚践踏了他所画的图形，阿基米德愤怒地与之争论，残暴无知的士兵举刀一挥，一位璀璨的科学巨星就此陨落，终年75岁。
阿基米德的遗体葬在西西里岛，墓碑上刻着一个圆柱内切球的图形，以纪念他在几何学上的卓越贡献。
除了伟大的牛顿和爱因斯坦，再没有一个人像阿基米德那样为人类的进步作出过这样大的贡献，而即使牛顿和爱因斯坦也都曾从他身上汲取过智慧和灵感。他是“理论天才与实验天才合于一人的理想化身”，文艺复兴时期的达·芬奇和伽利略等人都拿他来做自己的楷模。
第三节 古罗马时代的科学
1.儒略历的诞生
古埃及的太阳历将一年定为365天，与地球围绕太阳公转一圈的时间（回归年）相比较，只相差1/4天，这在当时已经相当准确了。但是，一年相差1/4天不觉得，经过4年就相差一天，经过730年，历法上的时间就比实际时间推进了半年，冬天和夏天正好颠倒过来，再过730年，才能回到原来的起点。
公元前46年，罗马统帅儒略·恺撒（又译朱利乌斯·恺撒）决定以埃及的太阳历为蓝本，重新编制历法。恺撒主持编制的历法，被后人称为“儒略历”。
儒略历法对埃及太阳历中每年约1/4天的误差，做了这样的调整：设平年和闰年，平年365天，闰年366天。每4年置1个闰年；单月每月31天，双月中的2月平年29天，闰年30天，其他双月每月30天。
恺撒死后，他的继承人奥古斯都因为自己生在8月，便从2月中抽出一天加在8月上，使8月也成为大月，即31天，同时相应把9、11两个月定为小月，10、12两个月定为大月。经过这样的改动，各月的天数与今天使用的公历基本相同了。
公元325年，罗马皇帝君士坦丁在一次宗教会议上，规定儒略历为基督教的历法，但没有规定哪一年是它的起点。到了公元6世纪时，基督教徒把500多年前基督教传说的创始人耶稣基督诞生的那一年，说成是公元元年。“公元”的拉丁文的意思就是“主的生年”，用拉丁文A.D.表示。在这一年以前，称为“公元前”，英文的意思是“基督以前”，用英文B.C.表示。
儒略历虽然比埃及的太阳历进了一步，但回归年仍有11分14秒的误差，积128年又要相差一天。儒略历在欧洲通行了1600多年，至16世纪下半叶，历法上的日期比回归年迟了10天。比如，1583年的春分应在3月21日，历法上却是3月11日。此外，教会规定耶稣复活节，应在过春分月圆后的第一个星期日，由于春分已相差10天之多，耶稣究竟在哪一天“复活”的，也成了问题。因此，对儒略历做进一步的改革，已经势在必行。
罗马教皇格里高利十三世，在1582年组织了一批天文学家，根据哥白尼日心说计算出来的数据，对儒略历做了修改。将1582年10月5日到14日之间的10天宣布撤销，继10月4日之后为10月15日；过去将4年置1个闰年，400年共计100个闰年，现在改为400年中有97个闰年，从而大体上弥补了11分14秒的误差。置闰的方法是：凡是逢百年那一年可以用400除尽的就是闰年，除不尽的就不是（如1600年是闰年，1700年、1800年、1900年皆不是闰年，2000年是闰年）。后来人们将这一新的历法称为“格里高利历”，也就是今天世界上所通用的历法，简称格里历或公历。
我国从民国元年即1912年开始采用格里历，但同时保留我国自己的阴阳合历即农历。当然，格里历也不是尽善尽美的，每月的天数仍然参差不齐，规则性不强，特别是每经过3300年还会有一天的误差。随着生产的发展和天文学的进步，这些缺陷将不断得到改进。
历法的统一实际上是大一统国家政权有效施政管理的要求。像罗马帝国这样大的版图，命令要准确地上传下达，没有高度统一的历法是不可想象的。儒略历的诞生可以说是罗马时代比较重要的科学史事件。
2.普林尼和《自然史》
普林尼是罗马最有名的博物学家。他出生于意大利北部的诺级科莫恩，生活在古罗马帝国鼎盛时期的一个官吏家庭。他曾广泛地到德国、高卢、西班牙和非洲旅行，从旅行中受到了良好的教育。好奇心和高效率是他的个性，他从不浪费任何一分钟可用于读书写字的时间。为了在旅行时也能进行工作，他总是坐四轮马车，从不骑马。
普林尼的主要贡献是写成了不朽著作《自然史》。
《自然史》这部著作在中世纪时被认为是已有的关于自然界一切知识的宝库，它共有37卷之多，内容包括所有的自然界和人类的技艺技术。在这部著作中，普林尼广征博引了大量事实和观察的结果，这些都是从2000多种前人的著作中搜集来的。
《自然史》第一卷书包括了给皇帝泰特斯的献辞、一篇总序、内容目录及一张被引用书籍的作者名单；第二卷讨论了天和地；第三卷到第六卷是关于地理学和人种史；后面几卷讨论的是我们称之为自然史的内容，都是一些关于各种兽类、鱼类、昆虫类和鸟类的记事；第十二卷到第十九卷论述植物学及其应用。植物学部分相当庞大，内容很多，包括林业、家业和园艺业。他还介绍了如何利用植物材料制造有用的产品如酒、油的方法；第二十卷到第二十七卷牵涉的内容是植物在医学上的应用。
讲到葡萄园时，普林尼就告诉人们修剪的方法、葡萄酒的用途。他还讲到在非常遥远的过去，罗马是不准妇女饮酒的。有一个妇女就是因为饮酒被丈夫乱棒打死，而罗默勒斯却判这个杀人犯无罪。这看似节外生枝，但普林尼就可以用这样一种方法对任何问题发表看法。在他的著作中，没有任何一件事可被称作是离题的。
普林尼关于某些控制害虫的方法的介绍，是宗教神话、民间传说和“化学方法”的混合物。如用绿蜥蜴的胆擦树的顶端，可以保护树木不受毛虫的损坏。如果这个方法不起作用，把一种小龙虾或一只母马或驴子的头颅吊在园子中的柱子上，这样也会驱走害虫。把月桂树的枝条堆在麦田周围可以防止麦子生霉病，这种方法会把霉病从谷物上驱走。如果在晚上拿着一只蟾蜍围着田地转，然后把它装入罐中，埋在地里，这样就会防止谷物得病，并且还可以驱走麻雀和害虫。但是，播种前要把这个罐挖出来，否则土壤会变酸。他介绍的防治害虫的方法并非都是这样的无稽之谈。有的方法，例如用酒浸种可以防止某些真菌病害，便具有实用价值。
普林尼对动物世界的描述，是从人类开始的。他强调了似乎其他所有的动物都是大自然为了人类而产生的。在他所描写的人类中，包括那些被后人认为是“奇异人”的怪物。这些奇怪人种的故事以及关于“不可思议的”和“奇形怪状的”人的描述，并非起源于普林尼，是他从前人那里收集来的。在这些怪人中，包括只有一只眼睛的阿里马斯比，有腿向后长的阿白里蒙，有半男半女的安得罗格尼，还有其他许多怪人。
在他对动物的描述中，看不出有什么特别的等级。他描述了独角兽和长生鸟；也以学者的公正的态度描述了狮子和大象。总的来说，他把最大的和最引人注目的动物放在首位。这样，象就成为陆地上最大的也是最聪明的动物，它甚至还具有诚实、智慧、公正等德行，以及虔诚地尊敬星球、崇拜太阳和月亮的感情。普林尼还能够详细地描写那些想象出来的动物。例如，在他看来，独角兽是一种非常凶猛的野兽，它长着像牝鹿的头，大象的腿，野猪的尾巴，身体的其余部分与马相似。这种动物“吼声低沉，前额中央长着一只三英尺长的黑角。他们说要活捉这样的动物是不可能的”。
在描述普通的和家养的动物时，普林尼叙述得相当准确。文艺复兴时代，科学家们恢复了动物学的研究，他们接着普林尼的工作继续做下去，直到18世纪，他们仍然使用着普林尼的方法。
在书中，普林尼经常记录一些他不忍略去的稀奇古怪的故事，但是他也注明了这些是别人的观点。很明显，在汇编那本杰出的百科全书时，他对收集各种思想和事实的资料有很大的热情，而对各种资料进行批判性的判断则注意得不够。他强调罗马人的观点，即任何知识和科学，不管是可以直接应用的，还是可以间接地用于道德说教的，都对人类有用。这种被认为具有人的特点的目的论，使得这本书为中世纪的基督教会所接受。
公元79年，维苏威火山大爆发，摧毁了庞贝城和赫尔库拉内姆城。在当时这种情况下，普林尼还坚持亲身研究这种可怕的现象。他本来就患有先天的肺部衰弱症。在观察时，被火山喷出的浓烟毒雾熏死了。
普林尼的侄子曾说：“《自然史》是一部以内容多样、常识广博为显著特点的著作，其内容变化之多并不亚于自然界本身。”到16世纪时，新的动物学著作已经出版了，但普林尼的书仍然是自然史研究的最好源泉。甚至到了18世纪，法国博物学家布丰还对他极其钦佩。直到19世纪，才开始出现对普林尼著作的真正批判。但他的《自然史》却是一座自然知识的宝库，影响深远。