新技术推动科学发展

科学是如何发展的？它是科学家头脑中创新思想（Ideas）推动的，还是人类使用的技术工具（Tools）推动的？1962年科学史家库恩（Thomas Kuhn）出版了他著名的“科学革命的结构”一书。库恩认为，科学的发展的表征是范式转换（Paradigm shift）。这种范式转换常常是突然发生的，因此可以称之为科学革命。库恩是一个由理论物理学家改行的历史学家，他喜欢用科学“思想（观念）”的变化来介释科学发展的历史。因此，库恩的科学史观是“创新思想驱动”（idea-Driven）的。他认为，上世记初的30年中以相对论和量子论为代表的物理学革命，就是由爱因斯坦、海森伯、薛定鳄、和迪拉克等人的深刻的创新思想（Abstract ideas）引发的。库恩的“科学革命”理论影响了几代科学家、科学史家和科学哲学家们的思想方式，至今我们仍能感受到它的思想魅力。但是，回顾历史，我们也发现，科学史上的许多重大突破和科学的发展，并不都是以“创新思想驱动”的。最直观的例子是显微镜的发明，它不但打开了一个肉眼看不见的微生物世界，开创了微生物学；而且通观察细胞的结构，建立了细胞生物学；同时也促进了孟德尔遗传学与染色体理论的联系，为孟德尔-摩尔根经典遗传学的建立奠定了基础。

1997年，伽里森（Peter Galison）出版了一本同样思想深邃的重要著作：“想象与逻辑”（Image and Logic）。此书提出了与库恩不同的科学史观点。伽里森并不排斥库恩的思想，甚至还不时引用一下库恩的观点。但二者显然是完全不同的科学史理论。伽里森是由实验物理学家改行的历史学家，他的科学发展史观是“技术工具驱动”（Tool-Driven）的，被称为“伽里森科学”（Galison science）。伽里森认为，新技术工具是驱动科学发展的重要方式，这种发展方式是非革命的、惭进式的。21世记的粒子物理学发展的历史主线，就是由模拟世界向数字世界转换的历史。在这个过程中，产生大量数据的数字器具逐步取代了产生图象的摸拟器具。这是一个意义深远的转变，它不但发生在粒子物理学，而且也出现在地理学、气象学、古生物学和遗传学中。即使在天文学这样的领域，数字技术也开始占有一席之地。“数字处理工具在20世记后半期推动了几乎所有的科学领域的发展”。显然，由于新技术的发展，科学的存在和发展方式都在发生变化。

2012年12月14日出版的Science杂志在“展望”（Perspectives）专拦中发表了题为“科学发展的驱动力主要来自于观念还是工具？”（Is science mostly driven by ideas or by tools？）的文章。文章认为，库恩和伽里森都是杰出的历史学家，他们各自描述了科学发展的一个方面，综合这二个方面，可以获得一个全景式的科学形象。文章认为，即使在20世记前，在那种由伽里略和拉瓦锡这些科学家由创新思想引发的科学革命（Idea-driven revolutions）时代，伽里森科学的特点也是很明显的。如先有蒸气机技术工具的出现，然后才有热力学理论的出现；先有电报、电话技术工具的出现，才引发信息理论的产生，等等。到20世记中期，物理学的发展方式就明显地分成了二种：老一代的科学家们仍然追求着库恩式的思想驱动的科学革命，如爱因斯坦的对统一场论的痴迷，以及海森伯、薛定谔，和狄拉克等仍然沉醉在基于方程的科学革命的梦想（A dream based on equations）之中。而年轻一代科学家却开始了一种新方向，他利用二战期间军事技术产生的新工具，以伽里森科学的方式推动着科学的发展。如剑桥大学的雷尔（Martin Ryle）将军事雷达技术转化为射电望远镜来探索宇宙的奥秘；哥伦比亚大学的兰姆（Wills Lamb）用微波分光镜探测氢原子的精细结构，并发现了氢原子和电荷相互作用以及这种相互作用可以在真空中产生电流的证据；国王学院的威尔金斯（Maurice Wilkins）和富兰克林（Rosalind Franklin）用X衍射技术研究DNA的结构，促进了沃森-克里克DNA双螺旋结构的发现；伯克利加卅大学的卡尔文（Melvin Calvin）用放射活性示踪技术和纸色谱法（Paper chromatography）研究光合作用，揭示了植物利用阳光将CO2转化为碳水化合物的化学反应链。作者认为，上述四种新工具的应用，开创了四个崭新的科学研究领域，是技术驱动科学发展的典型案例。二战后，伽里森科学开始大行其道，而库恩式的科学革命的梦想却逐渐式微。文章说：“广义地讲，20世记的前50年属于库恩，而后50年则属于伽里森”。对此，我们可以理解为：在科学发展的早期，创新思维是推动科学发展（革命）的主要力量，而在现代，新技术革命则成了推动科学发展的主要方式。

在新世记来临之际，我们看到，在物理学中，一方面，库恩式的最雄心勃勃的研究领域是弦论（String theory），它试图用抽象的数学构建一个坚实而美丽的图象，来反映出宇宙结构。而同时，伽里森科学也在用自已的方式探索宇宙自然。近来物理科学研究的伟大成果，即占宇宙物质97％的暗物质和暗能量的发现，就是由于使用了天文学的新工具，广视野照相机，以及数字资科处理技术带来的，“这些发现并没有提出新范式”。而要真正理解象暗物质这类现象，还必需使用更新、更精确的数字工具。文章认为，随着新技术工具的发展和演变，伽里森科学将把科学研究扩展到“时间与空间、银河系和基本粒子、基因组和大脑的结构”。今天，库恩和伽里森正并肩前行，一起追求着科学的辉煌。

本文部分内容在《环球科学》2013年7月号作者发表的专栏文章“技术才是根本”一文中有表达