在人類知識(shí)演進(jìn)的歷史上，形成的最龐大、最具系統(tǒng)性和最為復(fù)雜的知識(shí)體系，毫無疑問非科學(xué)莫屬。說其龐大，是因?yàn)榭茖W(xué)擁有迄今為止為數(shù)最多的學(xué)科群和分支學(xué)科，科學(xué)知識(shí)的總量早已超越其他任何門類。說其系統(tǒng)性，更是毫無爭議，科學(xué)已經(jīng)建立起了成熟的可邏輯推演、可重復(fù)檢驗(yàn)和可預(yù)見結(jié)果的方法體系。說其復(fù)雜，不只是指知識(shí)本身的復(fù)雜——現(xiàn)今的任何一個(gè)科學(xué)分支領(lǐng)域都有足夠的難題，去挑戰(zhàn)任何聰明的頭腦；也指體系的復(fù)雜——各學(xué)科之間相互促進(jìn)和影響，既獨(dú)立又彼此交叉；還指科學(xué)發(fā)展過程的復(fù)雜——重大的科學(xué)進(jìn)展常被視為一種革命，即科學(xué)革命，它使得科學(xué)的發(fā)展呈現(xiàn)出某種復(fù)雜的“結(jié)構(gòu)”。不管怎樣，科學(xué)已經(jīng)深深地滲透到人類生活的方方面面，人們能夠以科學(xué)的思想和觀念，去認(rèn)識(shí)和理解極其復(fù)雜的客觀世界和精神世界，而科學(xué)革命能夠出人意料地變革人們的思想觀念、推動(dòng)人類歷史的進(jìn)程。

那么，可否將龐大、系統(tǒng)而復(fù)雜的科學(xué)，用若干實(shí)例給予一個(gè)提綱挈領(lǐng)的總結(jié)或說明呢？最近，曾任美國《科學(xué)新聞》雜志主編的湯姆·西格弗里德試著以“革命性”和“科學(xué)理論”作為標(biāo)尺，挑選出十項(xiàng)最具代表性的內(nèi)容，冠之以“十大最具革命性的科學(xué)理論”，簡要概括了科學(xué)尤其是近代科學(xué)以來的里程碑及其影響。按照西格弗里德的解釋，所謂革命性的理論，是指那種能夠解決舊的知識(shí)體系所無法解決的問題，并且能夠?qū)⑴f有知識(shí)通過徹底的改頭換面，重新納入到新體系之中的科學(xué)理論。革命性的理論標(biāo)志著知識(shí)體系得到了系統(tǒng)性的更新，進(jìn)入到了一個(gè)全新的發(fā)展階段。更為重要的是，這些革命性的內(nèi)容確實(shí)成為某一時(shí)期人們思想變革的先導(dǎo)或指針。

有趣的是，西格弗里德按照“革命性”程度的不同，將挑選出的科學(xué)理論和相關(guān)人物排出了一個(gè)“榜單”，大家對此見仁見智。下面，我們一起來了解“十大最具革命性的科學(xué)理論”及其關(guān)鍵人物。

1

日心說：尼古拉·哥白尼，1543年

日心說取代地心說的過程，與其說帶給人智力與想象力的愉悅，不如說是充滿荊棘、障礙重重的坎坷。這個(gè)過程之所以如此艱辛，是因?yàn)檫@一理論交替，觸及當(dāng)時(shí)占據(jù)統(tǒng)治地位的知識(shí)體系和信仰體系的根本，是關(guān)乎大是大非的根本問題。這場轉(zhuǎn)變史稱哥白尼革命。

日心說其實(shí)是一種相當(dāng)古老的學(xué)說，公元前300多年古希臘的阿里斯塔克斯就相信太陽是宇宙的中心。但是，這種觀點(diǎn)與人們的日常觀察和經(jīng)驗(yàn)相差太遠(yuǎn)，拿地球作宇宙中心更加簡單合理。所以在很長的時(shí)間內(nèi)，地心說擁有了毋庸置疑的絕對地位，任何企圖的挑戰(zhàn)都將困難重重。究其原因，一方面，地心說理論化和系統(tǒng)化的程度很高，特別是亞里士多德的學(xué)說，為其搭建起相當(dāng)堅(jiān)實(shí)的哲學(xué)框架，而托勒玫則為之發(fā)展出一套宇宙結(jié)構(gòu)模型與計(jì)算方法；另一方面，由于地心說與《圣經(jīng)》所描繪的宇宙圖景高度一致，其中不僅為上帝與天堂預(yù)留了位置，更有森嚴(yán)的等級(jí)體系和井然的秩序，羅馬教廷理所當(dāng)然地賦予了地心說絕對的正統(tǒng)地位，以至于它成為中世紀(jì)神學(xué)的一根支柱，對地心說的叛逆，即等同于教義上的異端。在當(dāng)時(shí)看來，地心說稍顯不足的是，在解釋某些行星在天空的不均勻運(yùn)動(dòng)時(shí)，須用非常復(fù)雜的本輪-均輪模型，為了符合實(shí)際觀測，有時(shí)需增加數(shù)十甚至上百個(gè)本輪與均輪。

1543年，哥白尼的《天體運(yùn)行論》出版。為了“簡化”地心說，更好地符合實(shí)際觀測的結(jié)果，他改變了原有的宇宙結(jié)構(gòu)，讓太陽而不是地球位于中間，地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，行星的第一個(gè)本輪，不過是地球繞日運(yùn)動(dòng)的反映，于是他順理成章地取消了所有本輪。根據(jù)日心說，地球的運(yùn)動(dòng)包括繞地軸的自轉(zhuǎn)、繞太陽的公轉(zhuǎn)以及地軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此日心說也稱地動(dòng)說。可是，由于前文提到的兩方面原因，哥白尼的學(xué)說在剛面世時(shí)，尚不能獲得壓倒性的勝利，它“在哲學(xué)上站不住腳，神學(xué)上屬于異端學(xué)說”。此后的伽利略、布魯諾等人，因堅(jiān)信日心說，都遭到了教會(huì)不同程度的懲處。

探索宇宙是人類永恒的追求。哥白尼的日心說雖然只是人類宇宙理論的階段性成就，卻是意義十足的觀念革命。沒有哥白尼邁出的勇敢一步，就難以想象后來伽利略與牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)體系。宗教與科學(xué)曾有著復(fù)雜的關(guān)系，對日心說的評判，最終讓教會(huì)陷入了很大的被動(dòng)，多數(shù)人不再相信依靠教義來干預(yù)科學(xué)。在2000多年的時(shí)間里，人類對宇宙的思索從未停步，從亞里士多德、托勒玫，到哥白尼、伽利略和牛頓，再到愛因斯坦，每一個(gè)耀眼的名字連同他們的成就，都能代表思想史巨著的一個(gè)篇章，如果這部巨著分為上下兩卷，那么哥白尼與日心說，應(yīng)該在下卷的開篇位置。

2

進(jìn)化論：查爾斯·達(dá)爾文，1859年

提起達(dá)爾文的進(jìn)化論，不得不說，很少有重大的科學(xué)理論，如它的名稱一樣聽上去簡單易懂，意境卻超凡脫俗；也很少有理論如它那樣不斷遭受情感抵觸，卻一再被事實(shí)證明其合理性。

生物進(jìn)化理論，包含物種、適應(yīng)和進(jìn)化三個(gè)核心概念，在達(dá)爾文之前，布豐、馬爾薩斯與拉馬克等人曾提出各自的學(xué)說。布豐用比較分類學(xué)，指出物種變化的可能性；馬爾薩斯論證了生存競爭適用是自然規(guī)律，適用于人與其他生物；拉馬克則是進(jìn)化論的先驅(qū)，他明確提出了物種可變、變化可遺傳的觀點(diǎn)，而變化是由“需求驅(qū)動(dòng)”。例如，長頸鹿之所以長出長脖子，是因?yàn)樾枰獕蛑叩臉淙~。達(dá)爾文沒有簡單地接受這些觀點(diǎn)。他對動(dòng)植物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過長期的、大量的觀察和思考，特別是一次歷時(shí)5年的環(huán)球航行，使他有充分證據(jù)相信，影響或改變生物的最強(qiáng)大的力量來自于自然。在吸收前人成就的基礎(chǔ)上，經(jīng)過20余年的思想沉淀，達(dá)爾文出版了震古爍今的《物種起源》。在這部巨著中，他將生命演化的觀點(diǎn)納入一個(gè)統(tǒng)一的理論之中，首次對進(jìn)化論做了系統(tǒng)的闡釋。不論是論證還是結(jié)論，達(dá)爾文進(jìn)化論與前人的學(xué)說都有著深刻的區(qū)別。演變與自然選擇是達(dá)爾文進(jìn)化論的核心思想。

如果達(dá)爾文是對的，人與猿類就有共同的祖先，那也意味著圣經(jīng)、神創(chuàng)論或智能設(shè)計(jì)論都站不住腳。這在很多人看來，荒誕可笑，不經(jīng)一駁，于是針對達(dá)爾文和進(jìn)化論的攻擊與嘲弄自此不休。就連在科學(xué)界，拉馬克主義在很長一段時(shí)間內(nèi)，仍與達(dá)爾文理論分庭抗禮。達(dá)爾文自己則堅(jiān)稱，“每一種物種都是獨(dú)立創(chuàng)造出來的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的”，“物種并不是不可以改變的”。嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)說自然也不乏捍衛(wèi)者，赫胥黎就以“達(dá)爾文的斗犬”為榮。當(dāng)然，達(dá)爾文的進(jìn)化論存在一些“認(rèn)知盲點(diǎn)”。例如，他不了解與他同時(shí)代的孟德爾對生物遺傳的成就，更不用說后來發(fā)現(xiàn)的染色體和基因。事實(shí)上，這些盲點(diǎn)沒有降低進(jìn)化論本身的價(jià)值。相反，分子生物學(xué)等新知識(shí)補(bǔ)充了新的證據(jù)，更加牢固了進(jìn)化論的基礎(chǔ)，也解開了自然選擇的遺傳機(jī)理之謎，而這也是曾困擾達(dá)爾文的問題?？傊?，迄今的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都沒有否定進(jìn)化論的基本思想，而是在不斷豐富與完善它。

進(jìn)化論可與任何最偉大的科學(xué)理論比肩。它是生物學(xué)最顯著的分水嶺，對整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展具有“壓倒一切的重要性”；它直指“我們從何而來”和“人何以為人”這類亙古的追問，卻出乎意料地給出了一個(gè)“自然而然”的解釋，取代了以往需借助神話的僵化觀念。

3

量子理論：馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、維爾納·海森伯、埃爾溫·薛定諤、馬克斯·玻恩、保羅·狄拉克，1900—1926年

量子理論與相對論并稱現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石。量子理論的產(chǎn)生和發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)從量子論到量子力學(xué)的發(fā)展過程，它的開拓者也不是只有一兩個(gè)關(guān)鍵人物居功至偉，而是如璀璨群星般交相輝映。1900年，普朗克提出了量子概念和量子假設(shè)，量子是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是以不可分割的能量子一份一份地進(jìn)行。量子論打破了經(jīng)典理論關(guān)于能量轉(zhuǎn)移連續(xù)進(jìn)行的觀念。在學(xué)界普遍處于疑惑之時(shí)，愛因斯坦于1905年用量子假設(shè)成功解釋了光電效應(yīng)，而頻率一定的光量子后來被賜名為光子。接著，德拜、康維、里茲、艾倫菲斯特、斯塔克、索末菲、弗蘭克和赫茲等人在量子論的理論或?qū)嶒?yàn)方面也有所建樹。這一階段，最突出的貢獻(xiàn)由玻爾做出，他建立的氫原子電子的量子化軌道模型，比此前的行星模型更具說服力。接著，玻爾和海森伯、玻恩、約當(dāng)、狄拉克、泡利、德布羅意、薛定諤等人，提出矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)、波粒二象性、波函數(shù)的概率詮釋、不確定性原理、互補(bǔ)原理等一批給人耳目一新的成果，克服了早期量子論的困難，建立了可告別經(jīng)典物理學(xué)的量子力學(xué)。

僅就理論的博大精深而言，量子力學(xué)完全可作為古語“道可道，非常道”的最佳現(xiàn)代注解。縱使理論本身抽象晦澀如斯，量子力學(xué)的應(yīng)用卻無處不在，甚至可以說，沒有量子力學(xué)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。晶體管的發(fā)明直接受惠于量子力學(xué)在固體物理取得的成功，而1954年世界首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)更是高速電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的起點(diǎn)。不僅如此，作為半導(dǎo)體、超導(dǎo)和納米等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，量子力學(xué)也為激光器、原子鐘、電子顯微鏡、核磁共振等許多現(xiàn)代裝置的出現(xiàn)，甚至為個(gè)人電腦和手機(jī)的制造提供了可能。

量子力學(xué)堪稱震撼性的科學(xué)理論。它極大地拓展了人類認(rèn)識(shí)和操控微觀世界的能力，也改變了理解世界的思維方式。量子力學(xué)所描述的微觀物質(zhì)的行為，以及涉及的觀察與測量、完備性與偶然性、物質(zhì)與能量的連續(xù)與離散等觀念，均和日常經(jīng)驗(yàn)相去甚遠(yuǎn)。它再次提醒我們，僅僅依靠常識(shí)，無法對自然現(xiàn)象或科學(xué)理論得出是或否的判斷。量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的分野、與廣義相對論的難于調(diào)和，似乎暗示我們，每一項(xiàng)科學(xué)理論，無論多么出色，都有其適用范圍。

4

廣義相對論：阿爾伯特·愛因斯坦，1915年

如果說，對電動(dòng)力學(xué)另辟蹊徑的研究孕育出狹義相對論，那么對引力理論追根究底的探求，則導(dǎo)致廣義相對論的誕生。引領(lǐng)這一重大理論突破的人物是愛因斯坦。

提出廣義相對論，愛因斯坦不只是對自我求知欲的挑戰(zhàn)，更是對已經(jīng)舉世公認(rèn)、取得了一系列輝煌成就的牛頓萬有引力理論的挑戰(zhàn)。牛頓引力定律的確面臨困境，首當(dāng)其沖的是水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問題，牛頓理論的計(jì)算與實(shí)際觀測存在約每百年43〃的偏差。其次，牛頓引力理論暗含“超距作用”的假設(shè)，以及空間任一點(diǎn)的引力場強(qiáng)為無限大的推論，這些不符合物理學(xué)實(shí)際，也與狹義相對論沖突。雖然也有其他物理學(xué)家在尋找符合洛倫茲變換的引力理論，但未獲成功，直至廣義相對論的出現(xiàn)。

愛因斯坦將廣義相對論建立在等效原理和廣義相對性原理的基礎(chǔ)之上。所謂等效原理，就是物體的慣性質(zhì)量恒等于引力質(zhì)量。廣義相對性原理則是對狹義相對性原理的直接發(fā)展，根據(jù)這一原理，狹義相對論中的慣性系不再具有優(yōu)越性，物理規(guī)律在任何坐標(biāo)變化下都形式不變?；谝陨显砗屠碚摰耐蒲?，愛因斯坦將廣義相對論看作是狹義相對論的推廣，而且是在必須考慮引力場作用下的推廣。

廣義相對論是否比牛頓引力理論更接近真實(shí)呢？盡管它具有邏輯簡單、數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)，但能否被學(xué)界與公眾接受，還取決于能否通過實(shí)驗(yàn)或觀測的驗(yàn)證。可是，在日常生活和實(shí)驗(yàn)室中的引力場太弱，廣義相對論效應(yīng)不易察覺，與牛頓引力理論的區(qū)別也難于分辨，因此實(shí)驗(yàn)或觀測都非易事。在首次發(fā)表廣義相對論的次年，愛因斯坦提出了3個(gè)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想：水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、太陽引起的光線偏折（彎曲）、光波的重力紅移。最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算都能吻合，尤其是1919 年日全食期間進(jìn)行的光線偏折觀測獲得成功，一時(shí)引發(fā)媒體競相報(bào)道，傳為美談。

廣義相對論是對時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系認(rèn)識(shí)上的再次深化，拓展了牛頓引力理論和狹義相對論，它是現(xiàn)代物理學(xué)、天體物理學(xué)的重要基礎(chǔ)，也為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了理論依據(jù)。在該理論的直接影響之下，哈勃等人發(fā)現(xiàn)了河外星系的譜線紅移現(xiàn)象，不僅有理可依、有據(jù)可循，而且借助廣義相對論等理論，還打通了與其他學(xué)科之間的界限。

引力的實(shí)質(zhì)是時(shí)空曲率，引力可歸結(jié)為時(shí)空的一種幾何屬性，廣義相對論的這一認(rèn)識(shí)是人類智慧取得的一項(xiàng)飛躍性的成就。如今，科學(xué)家對相對論的認(rèn)識(shí)仍在逐步加深。有學(xué)者指出，相對論反映出物理學(xué)規(guī)律或其他規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，它之所以能被人發(fā)現(xiàn)，正在于規(guī)律本身在時(shí)空變換下具有某種協(xié)變性或不變性。不變性正是科學(xué)理論的重要特征——規(guī)律的不變性具有絕對性。這也是相對論留給后人的一項(xiàng)寶貴思想遺產(chǎn)。

5

狹義相對論：阿爾伯特·愛因斯坦，1905年

1905年被稱為“愛因斯坦奇跡年”，因?yàn)檫@一年愛因斯坦在物理學(xué)領(lǐng)域完成了多項(xiàng)具有創(chuàng)建性的工作，對后世影響最大的首推他在論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中正式提出的“狹義相對論”。由此，一場聲勢浩大的物理學(xué)革命初露崢嶸。

籠統(tǒng)地說，狹義相對論是關(guān)于時(shí)間、空間及其相互關(guān)系的理論。如同許多宏大高深的理論，愛因斯坦建立狹義相對論時(shí)，著手的問題表面上也很簡單，其中之一就是兩個(gè)異地時(shí)鐘的校準(zhǔn)問題。為此，愛因斯坦嚴(yán)格定義了“事件”與“時(shí)空間隔”，并導(dǎo)出了不同慣性系之間的相對論變換式，即著名的洛倫茲變換。這些概念和推導(dǎo)看似平淡無奇，其蘊(yùn)含的思想精髓卻非同小可，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)將時(shí)間與空間聯(lián)系為一個(gè)整體。由此，將該理論與經(jīng)典物理學(xué)的理論體系劃清了界限，更重要的是它摒棄了統(tǒng)治人們思想數(shù)千年之久的時(shí)空觀念。

狹義相對論之所以給人石破天驚之感，主要在于由該理論導(dǎo)出的一系列前所未聞、極具顛覆性的結(jié)論。例如，相對論時(shí)空觀之下的同時(shí)的相對性、空間距離的相對性、時(shí)間間隔的相對性等。又如，相對論力學(xué)明確指出了的質(zhì)量與速度、質(zhì)量與能量、動(dòng)量與能量等物理量之間的密切相關(guān)性，以及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度不可能超過光速等，這些問題在經(jīng)典物理學(xué)的框架中，均是不可想象的。其中，引人注目的質(zhì)能方程式E=mc2，被譽(yù)為“愛因斯坦對人類文明的最大貢獻(xiàn)”。

盡管狹義相對論與愛因斯坦的貢獻(xiàn)密不可分，但科學(xué)家也普遍認(rèn)同這一重要理論“不是某個(gè)人或少數(shù)天才的自由創(chuàng)造”。相對論的誕生同樣有其時(shí)代背景和相應(yīng)的理論訴求。19世紀(jì)末，經(jīng)典時(shí)空觀已出現(xiàn)了明顯的危機(jī)和挑戰(zhàn)：麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)已獲成功，但電磁場方程組不符合絕對時(shí)空坐標(biāo)的伽利略變換，進(jìn)一步的理論探索勢不可擋。用愛因斯坦自己的話來說明當(dāng)時(shí)的情形，“相對論的興起??是由于舊理論中嚴(yán)重的深刻的矛盾已經(jīng)無法避免了”?？墒?，當(dāng)時(shí)由于狹義相對論遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常人的理解，甚至連龐加萊等頂尖科學(xué)家也難以接受——這倒也反襯出該理論的革命性。

即便對狹義相對論的懷疑不絕于耳，但迄今仍未有科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⑵渥C偽。相反，此理論被有效運(yùn)用到許多領(lǐng)域，影響巨大。例如，用狹義相對論分析原子中的某些電子的運(yùn)動(dòng)，可以解釋，為何黃金在常態(tài)下呈現(xiàn)出金色的光澤，為何水銀在常溫下是液態(tài)。更廣為人知的例子是質(zhì)能公式，它的應(yīng)用直接導(dǎo)致核武器的出現(xiàn)，同時(shí)也開啟了人類的核能時(shí)代。

狹義相對論改變了時(shí)間、空間、質(zhì)量、能量等一些最基本范疇，為研究微觀高能現(xiàn)象提供了強(qiáng)有力的理論工具，由此成為現(xiàn)代物理學(xué)的重要理論來源，也使它成為一項(xiàng)劃時(shí)代的科學(xué)理論。愛因斯坦連同狹義相對論都成為了具有傳奇性的名字，他與狹義相對論的事例足以告誡后人，只要想象力無限，科學(xué)探索就無止境。

6

統(tǒng)計(jì)力學(xué)：詹姆斯·克拉克·麥克斯韋、路德維?！げ６澛?、約西亞·威拉德·吉布斯，19世紀(jì)末

認(rèn)識(shí)微觀事物的基本規(guī)律，就可以把握對宏觀問題的理解。這種簡單還原論的思維，確實(shí)推動(dòng)過科學(xué)的發(fā)展。尤其是，分子、原子與基本粒子的研究表明，許多宏觀現(xiàn)象可以從微觀的層面予以解釋?？墒牵?dāng)面對由微觀“單體”構(gòu)成的巨大而復(fù)雜的宏觀物體，有時(shí)無法依據(jù)物質(zhì)的微觀性質(zhì)做簡單外推就能理解。例如，熱力學(xué)常提到的溫度，與雜亂無章的分子運(yùn)動(dòng)究竟是何關(guān)系？又如，用何種方法能有效處理微觀單體的偶然性運(yùn)動(dòng)與宏觀物體的必然性質(zhì)之間的關(guān)系？此類問題，僅從“單體”的性質(zhì)出發(fā)，并不能給出令人滿意的答案。而統(tǒng)計(jì)力學(xué)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，能夠從分子、原子水平闡明物質(zhì)宏觀性質(zhì)，正是架設(shè)在微觀與宏觀之間的一座認(rèn)知橋梁。

統(tǒng)計(jì)力學(xué)有3位最重要的奠基人，同時(shí)也是19世紀(jì)物理學(xué)界的“三巨頭”——麥克斯韋、玻耳茲曼和吉布斯。他們的工作相互連貫，承前啟后，給人以一氣呵成的感覺。麥克斯韋首先推導(dǎo)了分子速度分布定律，并解釋了擴(kuò)散、導(dǎo)熱和黏滯的現(xiàn)象。此定律表明，氣體個(gè)別分子的速度的數(shù)值和方向是偶然的，但從大量分子的整體來看，分子的速度分布遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。玻爾茲曼注意到麥克斯韋的此項(xiàng)成果，并做了大量的后續(xù)研究，將微觀狀態(tài)的數(shù)目與宏觀狀態(tài)的熵之間作了確定的聯(lián)系。吉布斯完成了具有總結(jié)性質(zhì)的《統(tǒng)計(jì)力學(xué)基本原理》，發(fā)展了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的分析方法，提高了數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于物理學(xué)的效力?！敖y(tǒng)計(jì)力學(xué)”這一名詞也是源于吉布斯。

統(tǒng)計(jì)力學(xué)揭示了氣體的壓強(qiáng)、溫度、內(nèi)能等宏觀量的微觀本質(zhì)，是物理學(xué)、化學(xué)和自然科學(xué)發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)性的理論成果。借助它，可以將分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)與大尺度的熱力、電磁等性質(zhì)連接在一起。可以說，統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然對物體內(nèi)部的“單體”有所“忽視”，卻更強(qiáng)調(diào)集體效應(yīng)，因而有時(shí)反而更能“深入到物體的內(nèi)部”。舉一個(gè)統(tǒng)計(jì)力學(xué)于尋常之處見不凡的有趣例子，布朗運(yùn)動(dòng)是花粉顆粒在液體中做的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其機(jī)制困惑了科學(xué)家數(shù)十年。愛因斯坦和斯莫路科夫斯基先后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)理論建立的方程指明，花粉顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)是它與做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的液體分子碰撞所致。后來的實(shí)驗(yàn)不但證實(shí)了理論的推測，還直接證明液體分子是一種真實(shí)的存在。

統(tǒng)計(jì)力學(xué)被認(rèn)為是“理論物理中最完美的科目之一，因?yàn)樗幕炯僭O(shè)是簡單的，但它的應(yīng)用卻十分廣泛”。它能夠從微觀粒子性質(zhì)出發(fā)，導(dǎo)出宏觀物質(zhì)的性質(zhì)和宏觀運(yùn)動(dòng)所遵循的熱力學(xué)定律、流體動(dòng)力學(xué)定律和化學(xué)反應(yīng)速率定律等，在物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科中都有廣泛的運(yùn)用。通過對數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的成功引入，統(tǒng)計(jì)力學(xué)還讓人們對復(fù)雜系統(tǒng)也有了全新的認(rèn)識(shí)——系統(tǒng)的不同層次往往會(huì)呈現(xiàn)出全新的性質(zhì)。因此，這座微觀與宏觀之間的橋梁，也是將研究對象從簡單引向復(fù)雜的階梯。

7

板塊構(gòu)造理論：阿爾弗雷德·魏格納，1912年；約翰·圖佐·威爾遜，20世紀(jì)60年代

人類對腳下的大地可能遠(yuǎn)不及對頭頂?shù)奶炜漳敲戳私狻；蛟S正因?yàn)槿绱?，?dāng)板塊構(gòu)造理論出現(xiàn)時(shí)，它對地球科學(xué)的影響以及對人類認(rèn)識(shí)的沖擊，絲毫不遜于其他重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)它的發(fā)展跌宕起伏，引發(fā)的爭議也歷久不衰。

準(zhǔn)確地說，板塊構(gòu)造理論是20世紀(jì)60年代才發(fā)展起來的一種被廣泛采用的全球構(gòu)造理論。但其思想的種子，卻生長于1912年魏格納提出的大陸漂移說之中。在魏格納之前，雖然已有學(xué)者注意到大西洋兩岸海岸線具有高度的重合性，也發(fā)現(xiàn)了地殼與地幔的交界，但是魏格納用系統(tǒng)的地質(zhì)證據(jù)，大膽提出了讓人耳目一新的大陸漂移學(xué)說。魏格納可不是傳說中只靠看地圖找靈感搞研究的書齋型專家，為獲取第一手研究資料，他在20年內(nèi)三赴格陵蘭極地探險(xiǎn)考察，甚至最后為此獻(xiàn)出了寶貴的生命。大陸漂移說認(rèn)為，所有的大陸和島嶼曾經(jīng)連為一體，在地球自轉(zhuǎn)的離心作用與進(jìn)動(dòng)的影響下，才分裂形成了后來的大陸與海洋。然而，在傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)家的眼中，此種說法過于離經(jīng)叛道。況且，這個(gè)學(xué)說尚未成熟，特別是對魏格納關(guān)于驅(qū)動(dòng)機(jī)制的解釋提出質(zhì)疑后，大陸漂移說很快就少有問津。

直至20世紀(jì)60年代，隨著海洋研究、深海鉆探、古地磁、地震和地球物理等領(lǐng)域的進(jìn)展，大陸漂移說重回研究者的視野。威爾遜等人綜合了大陸漂移、海底擴(kuò)張、轉(zhuǎn)換斷層、巖石圈的消亡和地極游移等多種學(xué)說，提出了板塊構(gòu)造理論。該理論認(rèn)為，地球巖石圈被分成大小不等的若干板塊。板塊之間的相對運(yùn)動(dòng)可以很好地解釋造山運(yùn)動(dòng)、火山、地震、成礦、古地理和古生物分區(qū)等多種地質(zhì)現(xiàn)象。板塊之間的邊界地帶，往往也是地震帶；青藏高原與喜馬拉雅山山脈的崛起、2008年發(fā)生的汶川大地震，都可歸因于印度洋板塊與歐亞大陸板塊的碰撞。受板塊相互作用的影響，中國境內(nèi)有若干規(guī)模不等的地震斷層帶，建房時(shí)應(yīng)盡量避開它們，以減小地震可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。板塊構(gòu)造理論也豐富了對礦物來源和礦床形成條件的認(rèn)識(shí)，人們已嘗試用于指導(dǎo)油氣勘探等找礦活動(dòng)。

盡管對板塊構(gòu)造理論的質(zhì)疑聲仍持續(xù)不斷，但不可否認(rèn)的是，它幾乎沖擊了地球?qū)W科的所有分支。甚至在對類地行星、衛(wèi)星等天體的研究中，板塊構(gòu)造理論也有用武之地?？茖W(xué)的發(fā)展，使看似相距遙遠(yuǎn)的知識(shí)體系之間，發(fā)生了意想不到的關(guān)聯(lián)。

8

氧化燃燒理論：安托萬-洛朗·德·拉瓦錫，1777—1778年

徹底推翻一個(gè)占據(jù)統(tǒng)治地位的理論，不僅需要勇氣，更需要縝密的思維和恰當(dāng)?shù)姆椒ā＠咤a氧化燃燒理論的確立和燃素理論的破產(chǎn)，正是一個(gè)絕好的例子。

人們很早就相信，物質(zhì)的燃燒與其含有的特殊成分有關(guān)，這種神秘的“靈氣”被稱為燃素。燃素的有無和多寡曾被成功地說明木料或油脂的燃燒、金屬的腐蝕和冶煉等許多化學(xué)現(xiàn)象。依據(jù)這種認(rèn)識(shí)，金屬可看作是灰燼與燃素的化合物，燃燒就是釋放燃素、留下灰燼的過程，而木料和油脂等易燃物顯然含有更多的燃素。當(dāng)時(shí)的著名學(xué)者普利斯特里做了許多實(shí)驗(yàn)，論證了燃素理論的合理性。18世紀(jì)中葉前后，燃素理論逐漸被接受和認(rèn)可，成為主流的化學(xué)理論。

拉瓦錫用一系列精巧的實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，表明了自己對燃素理論的態(tài)度——既不盲從，也未情緒化地反對。1772年，他設(shè)計(jì)了鐘罩實(shí)驗(yàn)，在密閉的容器里，硫、錫、鉛或汞能夠與空氣反應(yīng)，同時(shí)容器里的空氣的體積減小約1/5，由此推斷燃燒與空氣中的某種成分有關(guān)。然后他證明，鉛、錫在密閉的曲頸瓶中加熱變成灰燼后，曲頸瓶連同灰燼的總質(zhì)量與試驗(yàn)前一樣，但是灰燼的質(zhì)量卻大于原先金屬的質(zhì)量。經(jīng)精確稱量，灰燼中增加的質(zhì)量就是燃燒時(shí)空氣中失去的氧氣的質(zhì)量。接著，他在實(shí)驗(yàn)中直接加熱氧化汞，發(fā)現(xiàn)一種可以支持燃燒與呼吸的氣體，也正是燃燒時(shí)空氣中失去的氣體，他稱之為氧氣。實(shí)驗(yàn)取得突破之后，拉瓦錫并未停步，他在 1777年和1778年連續(xù)發(fā)表《燃燒概論》和《酸性概論》，對燃燒進(jìn)行了理論闡釋：燃燒本質(zhì)上是燃燒物氧化過程中發(fā)出光與熱的現(xiàn)象，物質(zhì)只有在氧氣中才可燃燒，燃燒物在燃燒后增加的質(zhì)量，等于所消耗的氧氣的質(zhì)量。人們這才恍然大悟，原來世間本無“燃素”。

懂得了氧化燃燒的道理，就容易理解一些日常現(xiàn)象。為促使燃燒，人們早就使用了鼓風(fēng)裝置，其作用在于不斷輸入氧氣，并驅(qū)走阻燃的二氧化碳；即便在外界供氧近乎為零的一些特殊場合，只要提供含氧的助燃劑，同樣可實(shí)現(xiàn)燃燒，炸藥起爆或運(yùn)載火箭在空間環(huán)境飛行皆是如此。反過來，控制燃燒的原理就是設(shè)法讓燃燒物與氧氣隔絕，這也是泡沫滅火器等裝置的一個(gè)重要的消防原理。

氧化燃燒理論意義非凡。對拉瓦錫個(gè)人來說，這是他一生中最重要的成就之一，在此基礎(chǔ)上他首次指出水是化合物，他還進(jìn)一步提出了化學(xué)元素的概念，深化了人們對變化紛雜的物質(zhì)世界的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。對于近代科學(xué)來說，這是劃時(shí)代的科學(xué)理論，它無可辯駁地解釋了燃燒等許多化學(xué)現(xiàn)象，而與之相關(guān)的定量試驗(yàn)，不僅證實(shí)了化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒定律，還將化學(xué)帶入到精密科學(xué)的研究階段。

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博弈論：約翰·馮·諾伊曼、奧斯卡·摩根斯頓，1944年；約翰·納什，20世紀(jì)50年代

簡單的博弈分析可以從二人在平等對局的相互策略來展開，就好比二人進(jìn)行的棋牌游戲，彼此在利用對方的策略的同時(shí)，也不斷調(diào)整自己的對抗策略。博弈論本質(zhì)上是研究博弈過程中的決策或?qū)Σ叩睦碚摗１M管該理論古已有之，但是它能被稱為科學(xué)的理論，首功還是應(yīng)歸于馮·諾伊曼與摩根斯頓。1944年，二人合著的《博弈論和經(jīng)濟(jì)行為》一書出版。在書中，作者不僅對沖突和決策進(jìn)行了系統(tǒng)地?cái)?shù)學(xué)分析，還嘗試將博弈論用于經(jīng)濟(jì)學(xué)研究，由此奠定了這一理論的基礎(chǔ)與應(yīng)用價(jià)值。

博弈論的一個(gè)迷人之處在于，所研究的問題常常是一系列從現(xiàn)實(shí)生活狀況高度抽象出來的游戲模型，引人入勝且發(fā)人深省。博弈論的發(fā)展也和這些問題的提出與解決密切關(guān)聯(lián)。廣為人知的“囚徒困境”就是一例，該模型能夠反映現(xiàn)實(shí)中個(gè)人最佳抉擇與集體最佳選擇之間的復(fù)雜情形。20世紀(jì)50年代，數(shù)學(xué)家納什證明了“囚徒困境”問題的“均衡點(diǎn)”的存在，以此榮獲1994年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)。納什的貢獻(xiàn)被認(rèn)為是博弈論的又一次標(biāo)志性成果。

博弈論具有典型的學(xué)科交叉的特性，受其影響最大的學(xué)科是數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)。該理論已經(jīng)成為主流經(jīng)濟(jì)學(xué)的重要內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)分析工具之一，影響了幾乎整個(gè)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)。迄今，諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)已先后至少有6次頒給了與博弈論有關(guān)的研究者。除經(jīng)濟(jì)學(xué)之外，在生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、政治學(xué)、軍事學(xué)等許多領(lǐng)域，博弈論也得到了廣泛的應(yīng)用。普通的愛好者，可以借助博弈論獲得一種新的看問題的視角。舉個(gè)例子，公共福利的供給也可看作一個(gè)“囚徒困境”問題，如果個(gè)體的選擇都是不出錢、不愿為共同福利付出，那么最終結(jié)果就是，所有人的福利都不能提高。又如，拍賣也是博弈論研究的一個(gè)經(jīng)典問題，博弈論能夠很好地描述競拍者的人數(shù)，以及彼此擁有的信息量的多寡和信息質(zhì)量的高低等因素，是如何影響博弈中的出價(jià)策略。類似地，貨幣政策、商業(yè)談判、軍備競賽等，也都是博弈論可一展身手的場合。

回到開頭提到的問題，博弈現(xiàn)象很早就有人注意到，但博弈論的出現(xiàn)在很大程度上與馮·諾伊曼出眾的才華有關(guān)。這位“計(jì)算機(jī)之父”同時(shí)精通數(shù)學(xué)、物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域，學(xué)術(shù)視野極其開闊且觸類旁通。博弈論是觀念史上最匪夷所思的理論之一，因?yàn)樗砻?，人類的行為，尤其是此前看似不可捉摸的決策行為，依然可以用科學(xué)的方法進(jìn)行確定性的分析。

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信息論：克勞德·香農(nóng)，1948年

信息，對于當(dāng)今處于“信息大爆炸”的人們都不會(huì)感到陌生?？墒牵畔⒕烤故鞘裁?？可否度量？用何種方法進(jìn)行研究？如何有效、可靠、安全地構(gòu)建一個(gè)通信系統(tǒng)來處理信息？這些問題的回答都得益于美國數(shù)學(xué)家與工程師香農(nóng)于20世紀(jì)中葉提出的信息論。香農(nóng)定義了一個(gè)相對抽象的概念——信息熵，以衡量信息的不確定性，并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，用數(shù)學(xué)的語言嚴(yán)格闡述了通信的基本問題，如信息的量化與編碼。在此基礎(chǔ)上，他與合作者針對通信系統(tǒng)的極限性能等問題，又進(jìn)一步將他的理論概括成經(jīng)典信息論的基石——香農(nóng)三大定理。因?yàn)閷π畔⒗碚摰牡旎缘呢暙I(xiàn)，香農(nóng)當(dāng)之無愧地被稱為“信息論之父”。

事實(shí)上，香農(nóng)創(chuàng)立信息論絕非憑空而來，而是繼承了前人的成果，并且與他本人所深受的時(shí)代影響也不無關(guān)聯(lián)。信息熵這一核心概念的提出，直接受到20世紀(jì)20 —30年代奈奎斯特和哈特利等人的研究影響，而熵這一觀念及其分析方法的建立更可追溯到19世紀(jì)麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯對統(tǒng)計(jì)力學(xué)的天才工作。香農(nóng)運(yùn)用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)在20世紀(jì)前半葉獲得迅猛發(fā)展，許多方法已趨于成熟。莫爾斯電報(bào)、貝爾電話、馬可尼無線電報(bào)以及第二次世界大戰(zhàn)期間密碼學(xué)所受到的重視等，這一系列信息技術(shù)與工具的產(chǎn)生，構(gòu)成了信息論誕生不可忽視的前提。如果再考慮到香農(nóng)本人的一些際遇，例如曾在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)有機(jī)會(huì)與著名的科學(xué)家圖靈在密碼學(xué)方面進(jìn)行合作，與奈奎斯特同在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，在普林斯頓高等研究院與愛因斯坦、馮·諾伊曼等頂尖科學(xué)家的交流，這些都是促成香農(nóng)信息論誕生的有利的外在因素。

信息論理論的建立直接推動(dòng)了信息的度量、可靠通信、無損與有損數(shù)據(jù)壓縮等應(yīng)用的發(fā)展，對后來計(jì)算機(jī)、通信等學(xué)科的發(fā)展與運(yùn)用有極其重要的影響。在生活中信息論的應(yīng)用也屢見不鮮，DVD、MP3等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以不同形式解決了信息有效壓縮、存儲(chǔ)、可靠傳輸、復(fù)原等問題，且已廣為接受。平常上網(wǎng)收發(fā)信息或網(wǎng)購用到的數(shù)據(jù)加密，以及當(dāng)前大行其道的3G和4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，它們的理論基礎(chǔ)也是信息論。在信息化時(shí)代，信息論與我們每個(gè)人都息息相關(guān)。

借助信息論，人們不僅對信息的本質(zhì)有越來越深刻的理解，而且豐富了我們對世界的認(rèn)知。有人甚至提出，信息是與物質(zhì)、能量相提并論的構(gòu)成世界的三大要素，信息論有可能發(fā)展成為最重要的科學(xué)基礎(chǔ)理論之一。今天，我們不論如何強(qiáng)調(diào)這一理論的價(jià)值都不為過。

在有的人心中，對上面的排序或許有不同的意見。的確，“每個(gè)人心中都有一個(gè)哈姆雷特”。西格弗里德的原文在網(wǎng)上刊出不久，陸續(xù)有讀者在網(wǎng)上表達(dá)了自己的看法。西格弗里德自己也用戲謔的口吻說：“難以相信，量子理論只排在老三的位置”。而信息論之所以排名墊底，他覺得僅僅因?yàn)樵谒啊皼]有什么命可讓它去革”。拋開排名與英雄譜，更多的人會(huì)冷靜地想，宇宙包羅萬象，萬物復(fù)雜多樣，也許沒有一個(gè)能夠統(tǒng)攝整個(gè)科學(xué)的最終理論，各種理論都有一席之地，不同領(lǐng)域之間的理論，更不是非此即彼。所以，上述的十大理論，真的沒有顯示出，在科學(xué)理論之間存在一個(gè)“井然的秩序”。

也有人會(huì)認(rèn)為，最具革命性的科學(xué)理論何止十個(gè)！還有人會(huì)問，照此標(biāo)準(zhǔn)，既然有日心說，為何沒有更具革命意義的牛頓力學(xué)？提到相對論，怎能不單列此前的萬有引力定律和此后的大爆炸學(xué)說？與信息論同樣新穎，影響面也很廣的還有控制論；只有進(jìn)化論，沒有基因理論，似乎不完整，最好還應(yīng)算上微生物學(xué)和免疫學(xué)……這些意見都很好，不過，我們就只談十個(gè)吧。

值得注意的是，革命性的科學(xué)理論不等同于科學(xué)革命。首先，科學(xué)革命一般指一個(gè)或幾個(gè)大的學(xué)科發(fā)生的巨大轉(zhuǎn)變，例如，相對論與量子力學(xué)導(dǎo)致的物理學(xué)革命、進(jìn)化論引起的生物學(xué)革命等。但是，博弈論的出現(xiàn)，往往不說成發(fā)生了數(shù)學(xué)革命或經(jīng)濟(jì)學(xué)革命，盡管理論本身是革命性的。其次，科學(xué)革命常常同時(shí)還包括方法、手段或工具的革命，而不僅僅只是理論革命，這些方法、實(shí)驗(yàn)和考察等對理論革命至關(guān)重要。

當(dāng)然，任何科學(xué)理論不論看上去多么超前，都離不開其時(shí)代背景，革命性的理論更是時(shí)常具有總結(jié)以往的“集大成”的特征，而他的創(chuàng)建者也因此成為了某領(lǐng)域的集大成者。套用著名集大成者——牛頓的名言，他們都站在了巨人的肩膀之上。然而，幾乎每項(xiàng)事例也表明，巨人同時(shí)也站在一些普通科學(xué)家——“矮子”的肩膀之上。巨人與“矮子”，都為科學(xué)理論與科學(xué)革命做了貢獻(xiàn)。這本是不該回避的事實(shí)。