文 / 陳竹亭（台大科教發展中心創辦人、跨領域通識課程教授）
本書要帶你從「科學的世界觀」認識人類世，然而說明科學的世界觀之前，讓我們先思考，所謂的「科學」是什麼意思？
常有人把中國古代製造的渾天儀、地動儀當成科學，也有人把原住民的生活技術當成科學。但所謂的「技術」(technology) 和「科學」(science) 不盡相同。精確來說，你可以將技術看成源自經驗的發明。科學 (science) 源自人類理性思維與自然的對話，常常被認為是發自心智的一種以嚴格理性為本的特殊思維，人類藉此發現或發明、創造出抽象的新概念。
先民的石器製作從舊石器進入新石器時代，歷經了一次技術的大躍進。其時幾乎每一個族群都發展出各自的新石器技術，有些民族更進一步創造出陶器、青銅、鐵器，他們的文化因此標誌了新材料技術的特徵，也為歷史註記了陶器時代、青銅時代、鐵器時代的文明紀元。建築技術則展現了宏偉的空間想像，從巨石時代起，建築向來都是智人結合技術與藝術的標幟。
文字則是智人另一項心智思維產生的抽象符碼發明，有文字的社會才能創造歷史，產生世界觀。而科學則使得世界觀脫胎換骨、典範轉移。
相較於技術層面的不斷突破，科學思維的原始創造，在人類歷史上只發生了兩次。
第一次是在古希臘雅典時期，大約是西元前 600-300 年。理性與邏輯率先創造了數學。從畢達格拉斯 (Pythagoras,BC 570-495) 到歐幾里德（Euclid, -BC 300），《幾何原本》是最出色的成果。書中從寥寥幾個公設衍導出來的平面幾何定理，展現了古希臘最嚴謹的邏輯推理思維。忠於理性，正是科學最高尚的本質。
接著是亞里斯多德 (Aristotle, BC 384-322) ，他致力於自然哲學，思考人與自然界的關係，以及自然界的種種規律。他提出的世界觀主宰了西方歷史兩千年。雖然這些主張的理論內容，現在已經大多被近代科學推翻，但是亞里斯多德提倡的理性觀察和分析方法，尤其對自然、人文所建立的系統學科分類，仍是科學中的經典之作。
歷史上第二次的科學思維發跡，發生在 16 至 17 世紀的歐洲。在天文、物理學上，科學家們復興了古希臘的理性思考和數學邏輯，並且發明了驗證理論的新數學、新工具和新方法。史稱「科學革命」，使得天文學和物理學都有了全新的科學典範。新科學引生的科技 (scientific technology) 在最近兩百年成為普世的厚生發明。科技成為工業革命的產物，也成為現代化的象徵。
科學革命的先鋒，是被譽為實驗物理之父、近代科學之父的伽利略 (Galileo Galilei, 1564-1642)，他曾說：
第一眼看上去認為不可能的事，有時僅用少許理性的分析或解釋，就可以把遮蔽的掩飾除去，顯露簡單赤裸的真理之美。1
伽利略矢志恢復柏拉圖以數學和理性來觀察掌管物體運動的力學，他的信念在這段話中清晰可見。伽利略先是以非直觀的數學描述物體運動中的加速度，並且提出了「地球重力論」。他曾預測在真空中，從高塔受重力落下的鉛球和羽毛將會同時著地，後來經過實驗，果然如他所言。這是依據科學偉大洞見所做的預言。
當伽利略發現木星的四顆衛星時，因為與當時相信天上星辰只能環繞地球運行的傳統信仰相悖，就毅然捐棄了教廷及世人眾口鑠金的「地心說」，而決心接受革命性主張「日心說」的觀點。伽利略選擇日心說，是走在極少數人願意嘗試的新世界觀的鋼索上，這樣的主張不見容於當時的教廷，伽利略更因此一度被定罪。
關於他最著名的事蹟，他是第一個將望遠鏡指向天空的人類，能夠善用新的工具，觀察新的事物對象，而獲得新的知識，開拓新的心智視野，這正是科學發跡最重要的突破。伽利略也因此被譽為「近代科學之父」。
科學革命的精神，是近代科學家選擇站在歷史中具有自然哲學、純粹理性及數學形式邏輯的方法上，學會如何對科學問題設計出工具和實驗，然後努力獲得可驗證之數據和資訊，敘說出有意義、有洞見、可預測的科學結論。
牛頓 (Isaac Newton, 1643-1727) 承繼了這種科學方法和精神，集哥白尼、克卜勒、伽利略以來物理力學之大成。他在 1687 年出版了《自然哲學的數學原理》，這本書是今世古典物理學的首篇，成就了科學革命的典範轉移2。新科學強調的是理論與實證並行，同時也建立了全新的科學世界觀。
歷時逾兩百年的科學革命，終於使人類的心智得以突破感官的界限。天文與物理學家的心智視野超越了歷史中帝王與賢哲的親眼所見、親身所歷，打擊了星象術士的幻想和謬論。萬有引力定律的科學知識甚至得以精準預測前人未曾思考，甚至從未經驗、想像的認知範疇。科學不僅能預測天文現象，行星軌跡、天體的運動行為，新科技甚至據以將衛星和宇航飛船發射至太空，精準地環繞目標的軌道飛行。
20 世紀，人類登陸了月球，如今則把想像力指向登陸火星和其他天體，這種偉大的太空工程成就精準而且確實，正是牛頓力學實際應用的精采範例，也是文明的一大步。
在諸多近代天文物理學術研究的先驅項目中，美國太空總署 (NASA) 主導的哈伯太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 無疑是科學殿堂中的一顆明星。
哈伯太空望遠鏡的名稱，是為了紀念主張宇宙仍在膨脹擴張的20 世紀美國天文學家艾德溫．哈伯 (Edwin Hubble, 1889-1953)。哈伯太空望遠鏡對宇宙的新發現，不僅極具科學啟發性，其產出的影像也往往吸引全世界媒體及普羅大眾的目光焦點。3 它的觀測深入宇宙邊際，就像是把視野投入宇宙最初的時間，引領人類遨遊於愛因斯坦的宇宙「時空」(spacetime)。
1990 年，NASA 發射了哈伯太空望遠鏡，將它放置到海拔高達 260 公里的太空軌道。上面裝置有當時世界最大的光學望遠鏡及各種光學相機。哈伯太空望遠鏡孤獨地踽行於太空，在沒有大氣層的干擾下，毫無保留地將人類的心智視野往宇宙邊際的時空投射。哈伯太空望遠鏡的觀測為人類提供了關鍵的宇宙訊息，也就是更精準地測量宇宙的年紀，讓我們了解宇宙誕生「大霹靂」至今 137 億年，這個重大科學貢獻，是人類科學文明的一大步！
望遠鏡絕不僅僅是一個新的科學工具而已，望遠鏡英文中的 "SCOPE"，意思也是「視野」，它不僅延伸了科學家肉眼的視力範圍，也象徵著向所觀測的目標對象投射出觀測者的心智想像。
自從伽利略將望遠鏡指向星空，觀測者的心智視野也隨之無限擴展。心智境界的擴展是人類發明科學新工具、新方法的終極意義，而使用科學新工具或新方法時，也要能保有好奇心，發揮想像力，才能使視野提升。
伽利略的望遠鏡，標示了他領悟到地球不是宇宙中心的心智視野。哈伯太空望遠鏡則以「137 億光年的宇宙」，註記了20 世紀人類理性的時空視野。
另一個與伽利略使用望遠鏡相似，但可以說是從相反方向擴展心智視野的例子，是 17 世紀荷蘭的雷文‧霍克 (Antonie Philips van Leeuwenhoek, 1632-1723)。他改良了顯微鏡，揭開微觀宇宙，將人類的視野指向肉眼視力所不能及的微小世界。
同時期，在學術上常常與牛頓對立的英國皇家科學院博物學家虎克 (Robert Hooke, 1635-1703)，也在探索微觀世界上踏出了一大步。他在 1665 年出版的《微觀視界》(Micrographia) 中，形形色色的發現讓同時代人大開眼界。
例如書中手繪的跳蚤圖，這種黑黑小小、來去無蹤的昆蟲高手，有如變型金鋼的後腿可以讓它們一蹬達1 英呎高。其力學效益好比一個人一躍達 300 英呎！
昆蟲學家今天仍不全然清楚關於這種「蚤下目」昆蟲的演化歷史，從今日的電子顯微鏡下觀看這些寄生在各種哺乳動物或鳥類身上的跳蚤，牠們的身體結構、生命週期、生活型態，仍然讓專家們驚歎不已。
此外，虎克也在這本書中首創了「細胞」(cell) 一詞。細胞是生物體結構和功能的基本單位，能夠研究肉眼難以辨識的細胞，是生物學的一大突破。
顯微研究為人類開啟了另一扇心智之窗。代表人類科學視野的空間尺度不僅延伸向百億光年（1010 m）遙遠的星際與浩瀚的宏觀宇宙，也能往內指向微米（10-6 m）或奈米（10-9 m）的微生物和分子、原子的微觀世界。
望遠鏡和顯微鏡的先後問世，擴展了科學家對廣袤宇宙和細微世界新的想像，也帶來了新的理論與世界觀。
在傳統的人類世界中，永恆和無限是不可能的經驗，只有在神祇的國度才被允許存在。從猶太教、基督教、天主教和回教，包括古希臘的宇宙觀，都是以地球為中心。上帝以天頂蒼穹為邊際，設下了空間的界限。
但到了 17 世紀， 英國哲士霍布斯 (Thomas Hobbes,1588-1679) 的機械哲學產生了新的階層，他認為宇宙是大型的機械體，遵照物理學的基本律則運行。這種把宇宙視為機械的看法，打破了先人對於宇宙的認知，而將星辰的世界臣服在物理力學的統治下，依規循理而行。
而在思考方法與看待知識的態度上，17 世紀理性主義抬頭，理性分析與實證方法的結合，也踏出了科學思考的新方向。培根 (Francis Bacon, 1561-1626) 和笛卡兒 (René Descartes, 1596- 1650) 是此時期的代表人物。1605 年，培根曾針對科學行為表示：
沒有比尋求真理更適合我的工作。有足夠敏感廣識的心靈，能看穿萬物的同；足夠堅定穩固的心志，分辨諸事細微的異；以上蒼賦予的探索慾望，以堅毅的懷疑，喜愛靜思冥想，不急於定論，隨時思考，謹慎取捨，不固守舊習，也不盲從於新奇，且立志憎惡虛假。4
笛卡兒則針對真理的探究說：
如果真想成為真理的追求者，一生中至少要有一次對一切事物存疑的經驗，而且懷疑得越深遠越好。5
直到今天，這樣的批判思考與精神仍然可以作為從事科學研究者的典範思維。
物理的力學觀點滿足了人類對機械宇宙運作和活動的想像。但是 17 世紀時，科學家對物質組成的知識，仍然走不出鍊金術的迷宮。
牛頓對重力和萬有引力的研究，圓滿地闡釋了物質世界中機械力學運作的律則，是第一位以系統科學和數學了解物理的先知。但是牛頓在晚年時，因為認為鍊金術可以引向心靈世界的奧祕而沈迷其中。他成篇累牘未曾發表的鍊金術研究手稿，顯示了牛頓投注其上巨大的精力，卻似乎不得其門而入。
其時，物質科學的革命大纛跟隨著文藝復興和宗教改革的步伐，如同照亮知識黎明的一道曙光，已經悄悄浮現，只是當時大多數的世人仍在夢鄉沉睡。
與牛頓同時代， 英國的波以耳 (Robert Boyle, 1627-1691) 基於牛頓的物理成就，也接受了當時盛行的微粒論 (corpusculariarism) 的洗禮。他相信物質世界是由不同的基本「元素」組成，不同的元素各有不同的微粒。其排列、集合、重組、分解造成了世界多樣、形變的繁複面貌。
這是非常先進的物質概念，波以耳甚至確立了以簡易有序、可以設計、理解，能重複執行的實驗，奠立了對科學研究做詳實紀錄、而且可以重覆檢驗結果的實驗方法。
可惜，波以耳仍然不能在實驗上釐清元素的真偽，也無法在實驗中切實區辨元素和化合物。而當時，貝雪 (Johann Joachim Becher, 1635-1682) 主張物質在燃燒時會釋放出「燃素」(phlogiston) 到周遭環境的其他物質中。科學界大多篤信空泛的燃素是導致燃燒現象的原因，可是從來沒有人能證明燃素的存在。也無法解釋為甚麼硫（S）和磷（P）的燃燒產物重量會增加，而含碳酸鈣 (CaCO3) 的礦渣的燃燒，產物的重量卻減少。
對於物質性質的變化，波以耳也無法捐棄鍊金術的窠臼，他甚至在布蘭德 (Hennig Brand, 1630-1710) 發現了白磷後，將其當作「哲人之石」(philosopher's stone) 狂熱地探索其奧祕（哲人石就是《哈利波特》書中所謂的魔法石）。鍊金術士長久傳說哲人之石和任何物質接觸，都會將其變成最純粹的成分，甚至能使生命不朽。
波以耳迷失在偽科學、形上學及宗教混淆的鍊金術幻夢中無法自拔。他雖然在 1661 年出版了劃時代的《懷疑的化學家》，企圖以化學 (chemistry) 的新觀念取代傳統的鍊金術(alchemy)，可是缺乏臨門一腳的突破。
直到 18 世紀的拉瓦節 (Antoine Lavoisier, 1743- 1794)，才真正領師揮別了鍊金術的幻境，推翻燃素論與四元素說，在實驗室中樹立了化學實質操作的意義，以「元素」純物質作為物質的基本成分，直奔近代化學的康莊大道。
拉瓦節在 1789 年出版的第一本近代化學教科書《化學原論》中，根據當代能重複實驗之具體可靠的結果，整理出 32 個元素。（雖然並非完全正確，譬如「卡路里」也被當成熱質元素。）
他確立元素就是不能再由化學反應分解出新物質的純物質 (substance)，還依照伯齊里斯 (Jöns Berzelius, 1779-1848) 建議的英文元素符號，有系統地替化合物命名。化合物就是由兩種或兩種以上的元素結合成的純物質。從此，要稱一個東西為純物質，就必須提出固定不變，且經得起檢驗的成分組成。（這就打斷了一群實驗混混的後路！）
燃燒，這個從古至今迷幻、眩惑、震懾、驚恐了無數人的神奇現象，長期陷於「燃素」的迷思中。英國的普里斯利 (Joseph Priestley, 1733-1804) 先發現了用聚焦的太陽光加熱分解三仙丹 (HgO) 會產生一種新氣體和金屬色澤的汞，他以為這種不同於空氣的新氣體是「去燃素的空氣」。在空氣中燃燒汞，又會產生紅色的三仙丹。這些反應似乎正符合貝雪的燃素論。
然而，拉瓦節卻認清了這種新氣體是一種新元素，他將其命名為「氧」(oxygen)。氧才是造成燃燒反應的關鍵元素物質。他簡潔明暸地說明了快速放熱的「燃燒」過程，就是可燃物質與氧氣結合的劇烈化學反應。
根據實驗，拉瓦節分析歸納出物質的組成，得知將水電解可以分出氫和氧兩種元素；而空氣主要含有氮和氧兩種元素；火是物質與氧進行劇烈燃燒反應的現象；土是由各種各樣的化合物及元素混合而成。這就徹底推翻了兩千年來古希臘亞里斯多德主張世界由氣、水、火、土組成的四元素說。
此外，他還根據自己鉅細靡遺的實驗數據，提出一切化學反應皆遵守質量守恆定律，也就是化學反應前後，反應物與生成物的總質量總是相同。
拉瓦節憑著實驗室中誠實精準的證據，捐棄了歷時愈逾千年的鍊金術、燃素論和四元素說，成為將化學整理在正確現代理論下的化學革命第一人。就像牛頓是系統地認識物理學的先知，拉瓦節正是第一位以系統理論了解化學的先知！
自 17 世紀以降，化學家大多承襲了機械哲學的世界觀。到了 18 世紀末，幾乎所有有見識的化學家，都接受了拉瓦節以元素為基本物質成分的化學原理。很不幸地，拉瓦節後來被羅織對人民不法納稅的罪名，在 1794 年被送上了斷頭台。
數學家拉格朗日惋惜地說：「他們瞬間就砍下一顆頭，卻是再一百年也生不出來的！」拉瓦節去世後未滿十年， 英國的教師道耳吞 (John Dalton, 1766-1844) 在 1803 年發表了「原子論」。他根據定比 (Definite proportion) 和倍比 (Multiple proportion) 實驗，主張「相同的元素由相同的原子組成，不同的元素由不同的原子組成，化學反應是物質原子間的重新排列組合」。
我們身處的世界是原子組成的，這個劃時代的洞見，完全跳脫了鍊金素認為元素可以相互轉換的錯謬概念。科學界中的化學研究就此門扉大開，踏上了正途。不過直到 20 世紀初，世界是由原子組成的概念，才終於成為普世的科學知識。美國著名的物理學家費曼 (Richard Feynman, 1918-1988)曾說：「人類如果只留下一句話來傳遞最豐富資訊的科學知識，那就應該是『萬物是由原子組成』。」
為什麼近代科學家可以接受人類眼睛無法目睹的原子作為科學和世界觀的基礎呢？新科學思維認為：真知識在於理性的心智對宏觀與微觀的現象創造可驗證的觀點，而不再倚賴眼見的事物。眼見之物可以欺騙我們的感官，就像魔術與幻術會矇蔽我們的理性，反而未必全然真實。
物理是從萬象中尋其一理；化學是從一理中究其萬象。於是物理學與化學兩門新的核心物質科學，攜手啟發了人類對物質世界的認知，在 19、20 世紀又進一步結合了演化、遺傳及生物學而建立生命科學和現代醫學，也催生了結合地質、氣候、地理、海洋的地球科學、環境科學，這些新學科共同建構、締造了自然界物質與生命的全新世界觀。
現代科學突破了昔日政治、宗教的詮釋，或歷史、玄學⋯⋯的經驗傳統，撇棄了各種沒有證據、各說各話的謬思玄想。太陽系知識的建立是基於力學模型，而不再倚賴宗教信仰。日心說有了望遠鏡觀星證據的支持，還有數學演算的證據。科學是一種特殊思考方式，經常違背人類的直觀，訴求嚴格運用理性，遵從數學邏輯的本質，力求可驗證之方法、途徑，並精準預測尚未發生的經驗。
在科學萌芽初期，各種崇高的科學成就塑造了科學家出世的清流形象。而當國家開始設立大學和研究機構，大型企業成立研發單位，開始有制度地養成並且聘用科學人才，容許以科學研究做為謀生工具，科學家就成了一批擁有艱深知識特權的中產階級，科學工作者也成為新時代的專門職業。
然而，或許是由於近代科學獨尊理性、屏棄感性的思考特質，使其逐漸開始與人文分道。從科學革命到 20 世紀，科學發展出一種重理性輕感性、重驗證輕直觀、重邏輯推理輕感官經驗、重事實論證輕憑空推論的特質，再加上 20 世紀學科 (subject discipline) 的分途林立。今天的世界知識公民缺乏科學、人文統合的整全世界觀 (wholistic worldview)，跨領域的素養也常嫌不足。
這些雖然未必完全是科學家單方的責任，但科學成為壟斷的事業，許多科學家汲汲於生產知識、發表論文，卻忽略了有智慧創見的洞見，才是科學初心所尋求的目標。此外，科學社群也為自己打造象牙高塔，發展出獨有的語文體系，與世隔絕，造成普羅大眾幾乎無法逾越的知識斷崖和阻絕他人的高牆。此外，由於歷史社會結構的男性中心文化，即使到了 21 世紀，女性科學家仍然在科學社群中屬於絕對少數，其成就經常為人所忽視。
除了科學學界內部的問題，科學引生了科技，20 世紀的科技大爆發結合了資本主義經濟和自由市場，改善了民生，使得世界人口遽增。人類的物質生活固然大為改善，但人口爆炸、物質掛帥也導致了能源危機、環境危機、生態危機，以及病毒危機、糧食危機、世界大戰、貧富不均、社會解構⋯⋯許許多多的自然和文明的困境、難題也應勢而生。「人類世」的困境，是否也是地球上科學世界觀演化的盲點？
※ 本文為商周出版提供之文摘，摘自 (2022). 丈量人類世. pp.19-35。
