很多人認為一項新科學的誕生，就像法國大革命一樣，摧毀一切舊勢力。現代科學並不簡單地是對中世紀科學的徹底決裂，而實際上也同時是古希臘和中世紀科學傳統的繼承和延續。科學的發生是歷史演變積累的結果，是由一個範式向另一個範式過度的過程。所謂的範式，是一整套大家相信的解釋體系。

但是在某一個範式當中時間久了就會形成路徑依賴，比如量子理論發展到今天，科學家會用量子理論解釋一切，認為我們所在的世界，一切都是由粒子組成的，包括相互之間的力。當這個理論發展到今天，很多問題走不通的時候，比如量子力學粒子學說兼容不了牛頓的萬有引力，這就需要再一次的範式轉移。

現代科學誕生之前，西方如何認識自然的

其實英文當中的「Science」很晚才誕生，早期人們並沒有把科學從自然哲學當中區別開來，比如牛頓的《自然哲學的數學原理》，那個時候大家認為自己是自然哲學家，而沒有人認為自己是科學家。

早期西方自然哲學主要受到亞里士多德以及柏拉圖的影響，亞里士多德把宇宙分為月亮之上和月亮之下兩個世界，月亮之上是由以太元素構成的，是不朽的，也是不變的。而月亮之下的世界，則有水、土、氣、火四種元素組成的，這四種元素不斷分解與組合，構成了我們世間的萬物。

四元素還用來解釋運動理論，土和水是重元素，因此房子會倒塌，山會坍塌，水會一直往下流，一直流向宇宙的中心。而氣和火是輕的元素，它們總是奔向月上的世界，因此火焰、煙氣等總是上升。

人們根據四元素來解釋人身體的構成，認為人是由血液、黏液、黑膽汁與黃膽汁四種體液構成的，同時也對應了四種元素，決定了人的健康與否。如果四種體液平衡了，人的身體就健康了。生病的過程也是打破平衡的過程。

柏拉圖強調用數學的方法來認識自然，數學被認為是哲學嚴謹推理演化的產物。柏拉圖的追隨者們認為，月上的世界是勻速圓周運動，因為勻速是最和諧的運動方式。他們把地球放在宇宙的中心，月亮、太陽、金星、火星等都是鑲嵌在不同層次上的同心球上。

這些同心球，像洋蔥皮一樣，層層包裹著地球，每一層都是勻速圓周運動。後來發現這個範式不能解釋為何有些星體能夠忽明忽暗，而且並不是規則運動的，於是有了一套新的解釋體系，托勒密體系。

托勒密解釋體系認為，行星並不是直接繞地球運行的，而是沿著一個小的圓形軌道運行，軌道中心再繞地球旋轉。在這套解釋體系當中，大環套著小環，而且不同的環還同時都在運動，這就是均輪與本輪學說。這套解釋體系一度流行了上千年，直至文藝復興時期才被打破。

神學與科學的關係

在我們現在的歷史當中，神學常常是科學的對立面。其實神學一直是科學的支持者，即使最黑暗的歐洲中世紀，人們認為上帝留給世界兩本書，一本是《聖經》，另一本是就是自然哲學，而且自然哲學是一本無字的天書。

在這本天書當中，四元素是內在的原理，它們自行運轉，不需要上帝的干預。文藝復興時期，很多古希臘的學術著作被重新發掘與翻譯，人們相信自然萬物是相互聯繫的，通常這些聯繫又具有某種規律。

人們認為這些自然規律就像魔法，一旦掌握就會有意想不到的變化，因此自然科學家們試圖尋找自然當中的內在原則，這就像解開上帝留下來的謎題，人們並不認為這是對上帝的冒犯。

當時人們的思考範式還主要局限在形象思維上，比如向日葵為何向著太陽，那是因為它像太陽；核桃仁像大腦，它能夠補腦，現在回頭看，這些肯定不是自然科學，但是科學就是這樣一步步發展起來的。

其中哥白尼的日心說，是這一時期的典型現象。哥白尼對於托勒密均輪與本輪的解釋體系非常不滿意，認為這套解釋體系太過於複雜了，違背了柏拉圖主義認為的數學是簡潔而美的。在千年之後，人們對麥克斯韋方程也提出了相同的質疑。

麥克斯韋方程組要寫4行，整整8個方程組，時間和空間的8個方程組還要分開處理，缺乏自然科學的自然和優美。之後愛因斯坦用廣義相對論重新解釋了電磁現象，在引入第四維之後，這個方程變得簡潔而又漂亮。

我們現在把哥白尼描繪為教會的叛逆者，但實際上，教會對哥白尼的研究非常尊重，甚至在修正曆法的時候，都要徵求哥白尼的意見。哥白尼的《天球運行論》是他臨終前出版的，而且整個理論也是建構在「洋蔥地球」的基礎上。

當時人們並不關注是地球繞著太陽轉，還是太陽繞著地球轉，當時天文學是為占星術服務的，占星術在乎的是各個行星之間的距離變化，因為這預示著某些現象的發生。

那麼我們的歷史故事當中，為何演變為教會迫害哥白尼呢？那是因為伽利略在與天文學家沙伊納在爭奪誰先發現太陽黑子的時候，暗諷當時的主教烏爾班八世。這讓烏爾班八世非常生氣，導致關於伽利略的所有著作都被禁止，包括關於日心說的一切學說，所以教會封殺「日心說」是針對伽利略這個人，而不是針對這項研究的。

所以發生在16、17世紀的那個挑戰宗教權威的大英雄根本就不存在。在哥白尼之後，開普勒繼續致力於發展宇宙當中的數學規律，牛頓則用萬有引力解釋了天體之間普遍存在，但是又搞不清的規律。

現在科學故事當中，認為牛頓因為蘋果砸到腦袋上，突發奇想「創造」了萬有引力。其實萬有引力在文藝復興時期，當作一種「隱性物質」一直被研究，只不過在牛頓這裡，獲得了一種更為精確的表達。開普勒曾經利用內切多面體的方式，算出了近似值，但是沒有把這個發現進一步的論證。

同樣化學也是誕生於自然哲學，最初的化學應該被稱之為鍊金術，這是最典型的自然魔法之一。術士們希望把金屬鉛煉成金子，這在當時是一種主流理論，當時人們認為金屬是水銀和硫在地下生成的復合物，只要結合好比例，利用好純正度，就能夠煉成金子。

所以當時自然哲學家都會從事這項研究，包括牛頓。此時人們還誕生了三位一體的概念，區別於亞里士多德的四元素，人們認為和基督教當中聖父、聖子、聖靈三位一體一樣，自然界也同樣是三位一體的，比如人是由肉體、靈魂和精神組成的。

自然哲學家們相信世界是由化學組成的。地下的礦物質的形成，以及生物的生長，本質都是化學，也就是鍊金術。上帝造人的過程，其實就是在原始混沌中，通過不斷萃取、提純獲得的。上帝將凈化後的靈魂注入到人的肉體，肉體獲得新生，這和鍊金術的提純如出一轍。

但是這些鍊金術士為了謀生，常常利用化學進行詐騙，比如歐洲瓷器的發明者波特格，謊稱自己擁有鍊金的本領，最後陰差陽錯之下，練出了比黃金還要貴重的白瓷。正因為鍊金術的壞名聲，導致化學在很長一段時間內，都不被主流社會所承認。

科學的範式

任何科學的誕生，都不可能脫離於當下的環境，無論是哥白尼的日心說，還是牛頓的萬有引力，都是在解決當下的問題，而誕生的一種新的解釋體系。人們在用以往的理論框架解釋不了新的問題的時候，人們才會轉而尋求新的解釋體系。

這就像我們小時候做數學題，在穩定範式沒有確立之前，數學題就是一張空白紙。當範式被認可之後，科學研究的問題，原則上存在著一個答案，只要充分利用現有的知識，計算推理，最終能夠解出這道數學題。

一門科學從不成熟到成熟，其標誌就是形成了共識，擁有了大批的擁護者，他們不再為了同一類的研究進行爭鋒相對的辯論。在日心說沒有被確立之前，人們為這個問題爭吵了甚至上千年，直至伽利略望遠鏡的觀察，笛卡爾的數學論證下，範式確立之後，剩下就是如何精確計算天體之間的距離了。

氧氣最早是化學家普利斯特列在實驗室當中獲得的，但是科學家卻把發現歸功於拉瓦錫。因為拉瓦錫提出了一套新的解釋體系，用氧氣還原學說的新範式，替代了之前的燃素說，這也奠定了今天化學的基礎。

拉瓦錫成功解答謎題，也不是因為他是天才，而是舊的範式解釋不了科學問題。就像「洋蔥」地球理論，解釋不了行星運行規律一樣，人們需要跳出原有的理論框架，找出一個全新的範式。

新舊範式的轉換，其實就是科學革命，範式的轉換意味著科學家看待世界的方式、做研究的方式都發生了根本的改變，這種轉換是思維方式的突然轉變，而且範式的轉換也類似於宗教信仰的改變。

在信仰牛頓萬有引力的時代里，天文學家勒維耶通過計算髮現，除了太陽之外，還有其他的行星干擾天王星，之後伽利略通過望遠鏡成功發現了海王星。可是人們在觀察水星軌道的時候，遇到和天王星一樣的問題，那就是軌道異常肯定還有一個未知行星干擾了水星，可是在之後幾百年時間裡，人們始終找不到這顆未知的行星。

直到有一天，愛因斯坦提出了廣義相對論，他認為引力不過是時空的扭曲，水星之所以會異常，那是因為它離太陽更近，產生的速度自然加快，而不是受到未知行星的影響。

牛頓和愛因斯坦的範式，無所謂誰更接近真理，目前量子力學也無法完成對萬有引力的兼容。科學家們也從來不評價自己的理論是否更接近真理，而看中當下的評價指標，只有當評價體系出現混亂的時候，我們才會轉換另外一種範式。

科學通過範式的轉換，不斷破除既有思想的束縛，聚焦新的謎題，朝向未知領域不斷擴展，它的演化也許並未設定任何目標，認識的進步也永無止境。