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标题

科学－文明向度视角下科学史评价及教学研究

范文

王国强

摘? 要：文章介绍候气学说和天体音乐各自的起源、发展、结果以及在各自文明范围内所得到的评价。基于科学发现的元理论框架将候气学说与天体音乐和以太学说分别做了比较。以科学-文明向度的科学史视角分析了其评价对教学现状产生的影响，并由此重置了候气学说在科学史体系中应有的地位。

关键词：科学史教学;候气;天体音乐;科学史的向度;元理论

中图分类号：G642 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2020）05-0080-05

Abstract： HouQi theory and celestial music were introduced. Based on the meta-theoretical framework of scientific discovery， HouQi theory is compared with celestial music and ether theory. From the perspective of scientific history of science-civilization dimension， this paper analyses the causes of the current situation of its evaluation， and thus resets the proper position of HouQi theory in the system of scientific history.

Keywords： Teaching of History of science; HouQi， celestial music， dimension of history of science， metatheory

作者多年來在青岛大学进行的科学通史教学和研究过程中，发现了一个有趣的现象，即对古代中国和西方学术体系中相同或类似的观念的现代评价常有明显差异，其中典型的就是候气学说与天体音乐。围绕着对中国古代候气实验的真伪和地位，学术界一直争论不休。一方认为，不仅候气观测成功的历史记载均为伪造，而且候气所依据的学说也属伪科学[1-3]。另一方则认为，候气观测在科学史上的地位完全可以与相对论的主要实验基础——迈克尔逊-莫雷实验相提并论[4-6]。对候气学说的评价为何如此截然对立？本文试图给出一个可能的回答，在此基础上对候气学说的历史地位给出更合理的评价，并在科学史教学的内容和讲授中做出相应的修补。

一、中国古代候气学说简介

中国古人发现，一定形状和大小的乐器所发出的音律是相同的，因此，古代的长度体积重量的定义都来自于乐律中的黄钟。实践中则是先给出谷物（黍粒）基准的长度定义和标准长度，然后按照这个标准长度再去决定黄钟律管的长度，即以尺定律。由于黍的大小和排列方式的不确定性导致这一定义在操作上有很大的不确定性和难度，因此导致尺的标准长度历朝历代一直在发生变化。

元气宇宙论是中国古代的主流学说，元气与天体运动之间被认为有紧密的联系。由于音乐乐律和常见的天文现象中都存在着简单的周期现象，而中国古代天人合一，天地呼应的观念特别浓厚，这暗示乐律和天象两者间可能存在联系，这一观念被称为“律历一体”[7]。因此，如果能用被人们认为永恒不变的天地元气之声来首先给律一个绝对标准，那么就可以以律定尺，从而在任何情况下给出一个与天地一样永恒不变的标准长度。那么如何探测到元气在不同节律所发出的风声的节律变化呢？人们从日常的声学共振现象得到启示，如果律管的本征频率与元气的频率相同，就会发生共振，而律管是通过吹气发声的，为了探测到这种共振所产生的元气流动，在律管中装入了芦苇灰以为探测之用。中国古人对天地元气之间的这种联系所进行的长期探索性实验就是候气实验。

从汉代到清朝康熙初年的一千多年间，虽然屡有候气成功的记录，但是候气最终被官方彻底废除了。在这一期间经历过激烈的争论和大量的实验，沈括、郭守敬、朱载堉等都进行过理论探讨或实验，但是他们都得到了零结果。对此，古代学者们的态度迥然不同，有的继续坚持候气理论的有效性，将失败的原因归结为器材或方法有问题，有的则认定气并不存在或认为气的运动不可能以这种方式被检测到，有的则直指钦天监一直在弄虚作假。

二、西方古代天体音乐概念及其作用[8]

无独有偶，与古代中国的“律历一体”观念相似，在古希腊，以毕达哥拉斯为代表的学派也认为音乐和天体运动之间有联系。他的出发点则是万物皆数。据传说，他发现了四度音程和五度音程、八度音程都是不同频率间的简单比例关系。例如八度音程是1：2，五度音程是2：3，四度音程是3：4，由此毕达哥拉斯认为，1、2、3、4是世界的基本数字，并由此得出两个结论：

1. 宇宙中的天体总数为10个，即金木水火土日月地，恒星天，以及一个“对地”，以达到完美的程度。

2. 各天体到地球的距离成简单的音程比例，天上高速运动的天体也会发出声音，即天体音乐，并遵守相应的音程关系。此后柏拉图等人发展了毕达哥拉斯的这一理念，将其扩展到更宽更细的音程内。

虽然后来更精密的天文观测发现各天体到地球的距离的比值并不严格成立，但是这丝毫没有阻碍西方学者们在不同科学研究领域中寻找天空音乐。哥白尼，开普勒，伽利略，牛顿，都承认自己受过“数字神秘主义”的极大影响。

开普勒在其著作《宇宙的和谐》中，大量使用了音乐的术语来描述天体运动的数据，他比较了行星近日点和远日点的运行速度，发现得到的比例精确吻合于完美多角形的音乐比例。用这种方法，他发现全部五个行星都产生了几乎都精确地符合可以用完美的多角形表现的和谐的比例[9]。牛顿在其《原理》一书对引力平方定律的注释中，大段谈到了天体音乐的主题，他认为毕达哥拉斯时代就知道了引力的平方反比关系[10]，而且牛顿在光学中也试图将白色光分解为不同色光的规律与音乐的音阶联系起来。音乐上的八度关系也出现在化学上，如1866年，英国化学家纽兰兹将自己发现的化学元素周期律称为“八度律”。19世纪末到20世纪初，瑞典物理学家里德堡于1890年发现用于描述原子光谱的规律的公式，丹麦物理学家玻尔于1913年提出原子模型理论并计算原子内电子的能级跃迁，它们有与纯四度、大全音、纯律大半音相同比例的系数，这被当时的很多物理学家视为古希腊天体音乐概念在微观领域的发展和象征。例如，爱因斯坦就将玻尔的原子理论称为 “思想领域中最高的音乐神韵”（the highest form of musicality of the sphere of thought）。

从上面这些例子我们可以看到，天体音乐主要是作为一种启发性的形而上的理念和科學发展连续性的标志而存在于西方科学共同体中。

三、近年来关于候气学说的争论

戴念祖在《中国物理学史大系声学史》一书中，明确称“候气之学是一种伪科学”。黄一农等在文献中，称，“从现代知识界的角度来看，候气一说纯属子虚，近人刘复即尝称：‘按著物理上及气象上的现象说，这种的方术是靠不住的，李约瑟在其《中国之科学与文明》一书中，亦论此曰：‘我们在这里所处理的，事实上并不是科学本身，而是原始科学，或甚至是伪科学。”[1]。

但是，也有对候气学说持肯定态度的学者，刘道远不仅记录了郑觐文的一个候气实验，并认为所观察到的律管飞灰的正结果是由于日月地等天体的引力共振所导致的[6]，孙小淳则将重点放在了候气理论构建和预测的方法论上，认为其符合科学理论构建的一般特征，不能用实验的负结果将其简单地斥之为“伪科学”，正如不能将“以太”，“地心说”，“燃素说”等简单地斥为伪科学一样[5]。王玉民则认为应该将候气学说放在中国古代学术体系这个大背景中而不能用现代科学的体系框架将其割裂和评价[7]。

总结这些相互对立的观点，可以看到争论的主要问题有：

1. 候气是不是伪科学？能否在现代科学和科学哲学框架内对此进行评判？

2. 候气过程中是否有造假行为？并由此断定候气是一种伪科学？

我们在下面的三节中，先依次回答这两个问题，然后尝试从科学-文明的视角对候气学说进行评价。

四、天体音乐与候气学说的元理论分析

文献[11]的作者指出，“元科学理论是指在自然哲学或科学的学科或学科分支领域上、在长时段意义上对科学探索实践起组织和引导作用的种种形而上学学说，具体地说，是指科学家关于其研究对象的本体论承诺及相关方法论构架。它们往往以成对形式出现于自然哲学或科学发展的早期阶段，并在此后科学发展过程中以升级或综合的形式不断丰富、发展。”因此应该用“元科学理论、理论和实验三元互动框架理解科学探索和发展的过程，强调科学探索的系统性。即使是在理论缺位的情形下，科学实验探索的系统性也并没有因之解体--在元理论的组织和引导作用下，科学实验依然保持为彼此关联的、有活力的系统。”

我们知道，在开普勒-伽利略-牛顿革命之前，是不存在近代意义上的完备的科学理论的。因此无论是天体音乐还是候气学说，它们都只能以元科学理论的身份参与科学探索过程，并在此基础上给出可对元理论自身进行一定程度的检验的推论。

首先，我们来对比一下天体音乐和候气学说的假定和推论：

从上面的对比中我们可以看出，将“候气学说”及其实验斥为“伪科学”有失于轻率，因为几乎同时期的天体音乐理论，不仅认为天体也会发声并给出了音程与距离的关系，而且在没有任何观测证据的前提下推测出应该存在一个看不见的天体，“对地”，将数字神秘主义发挥到了极端。

其次，从科学发现的方法论来看，类比是经常使用的方法。元气宇宙论中天体的周期运动被视为宇宙元气的律动，而律管发声则来自律管内气体的振动，如果不同乐器之间存在共振现象，那么律管是否能与元气的律动共振，从而通过检验这种振动并进而确定元气的存在呢？我们用这一思路来对照两千年后关于电磁波传播的以太学说的思考逻辑。

由于机械波的传播需要媒介，因此当光的波动说尤其是电磁波理论建立后，人们也认为需要有一种媒介来传播光，古希腊物质理论中的以太便充当了这个角色，这一观点中包含着这样的假定和推论：

1. 任何波的传播都需要媒介。

2. 因此，电磁波的传播媒介可能是电磁以太。

因此，人们有必要通过实验来检验以太是否存在，正如利用候气实验来检验元气是否存在一样，这两者遵循着完全一致的推理路径。在方法论意义上，两者的科学性是完全一致的，如果硬要将其中一个斥为伪科学，那么必然也要将另一个斥为伪科学。

从历史实践来看，迈克尔逊-莫雷实验（MME）的零结果促成了洛伦兹变换公式的发现，为相对论的建立提供了实验基础。但候气的零结果却没有起到类似效果，即不足以否定天地元气及其运动的存在，这显示了候气与MME两者在科学发现过程中的不同阶段所体现出的差异，即候气是元理论与实验的互动，而MME则是理论与实验的互动。后一互动对理论对象有强得多的约束和反馈。候气实验的结果无论正负都不会对其理论源头产生明显的影响，这正是元理论与实验之间的关系的一个明显不同于近现代科学的特点。

这样，将候气学说与同时期的天球音乐学说以及后世的以太学说对比之后便可以看到，在科学方法论以及可操作性上，候气学说远远超过天球音乐而与牛顿时代的光学研究——尤其是光的微粒说和波动说的争论几乎相当。

五、候气实验造假不等于候气是伪科学

在文献[3]中，作者叙述了从东汉到明朝在候气过程中的种种造假手段，指出，从汉到魏晋、到隋、再到北宋，后一代总能发现前一代的候气试验的纰漏，总能提出某些修正的事项。可以肯定，任何一代人都不能做成所谓的候气试验，因为根本不存在所谓“气”的物质。作者还指出，“针对明代普遍怀疑和批判候气的历史，英国学者、科学史家李约瑟以世界性目光审视后写道：这个事实相当明显地表明，在明代对自然科学事件的批判态度的产生与欧洲科学复兴时期的著作中表现出来的怀疑论发展是并行的。”

但从另一个角度来看，这反而说明，历代的候气实验在不断地精进，其技巧、器材和方法在不断地提高和更新。正如我们在第四节所指出的，即便理论缺位，科学家们仍然能够在元理论的指导下，不断地对实验系统进行改进。这表现在，历代的实验者们在尽可能地排除了震动、气温和湿度变化、气流等外界影响后，的确没有看到飞灰这一理论预测的现象，因而产生了对“候气说”的怀疑。也就是说，正是由于一千多年来的连续不断的候气实验的零结果，才使得中国明代了产生与欧洲科学复兴时期相匹敌的对古代理论的批判与质疑的态度，从而为探索新的科学思想和实验方法奠定了基础。虽然由于历史的和方法论的原因，中国明代未能出现近代科学，然而批判精神与怀疑论的意识基础的奠定，很大程度上是来自候气实验的负结果，这一负结果恰恰是候气实验对科学发展的一大正面贡献。当然，在历代候气实验中的确不乏有造假现象，然而从逻辑上来说，这并不能说候气本身是伪科学，正如在现代的科研领域中造假事件也屡有发生，然而从来没有人说现代科学是伪科学。

六、科学-文明向度的视角

在文献[13]中，作者指出，科学史研究可在科学、哲学、历史、社会学等向度上进行，是因为必须承认这些学科或知识类别之间存在着界划，但不同学科或知识类别之间也存在着不容忽视的联系，以致萨顿那样的学者坚信人类知识在深层次上具有统一性。笔者进一步认为，这种统一性不仅应该体现在历史上的某些具体的知识上，也应该体现在对这些相同或类似的知识的评价上。

在文献[2]中，作者称，“科学家们显得很冷静，并未特别去渲染它。仅仅在近几十年个别音乐史或科学史论著将它作为‘天体音乐的余绪偶尔提及它而已。”然而事实是，在西方的科学史和科普著作中，古希腊的天体音乐概念经常被视为新物理学理论和概念的源头。在探寻物质结构底层的最新理论——弦理论中，物质的基元被图式化为一根小小的弦，其振动频率和模式决定了这些基元对外显现的物理性质。例如在布莱恩·格林撰写的弦论的科普著作《宇宙的琴弦》（The Elegant Universe）中，第三篇第六章中有这样一段文字[14]：“当人们考虑与宇宙有关的一些问题时，

音乐总是我们选择的方向。从毕达哥拉斯古老的‘天球的音乐到开普勒的‘自然的和谐，千百年来一直引导着我们去追寻天体平和运行的天然乐音和亚原子粒子混沌的喧嚣。自超弦理论发现以来，音乐的世界成了惊人的现实，因为这个理论认为，微观世界里到处是小小的弦，它们不同的振动便合奏出宇宙演化的交响曲。根据超弦理论，变化的微风吹遍了整个宇宙。”从字里行间人们就可以感受到两千多年前的毕达哥拉斯等古希腊先贤们的伟大理念对近现代西方物理学家们的深刻影响。因此，可以说，即便“天体音乐”这一古老的理念已经距离现代科学过于遥远，无法给科学以新的启示，但是它作为科学发现过程中的非理性因素仍然起到了重要的作用，这一点是毋庸置疑的。

我们看到，同属元理论层次的观念，候气学说被某些中国学者视为伪科学，而天球音乐则被西方科学共同体视为科学发展的源头，作者认为，导致这一差异的主要原因是用以成败论英雄的心理来看待对不同文明在科学发展过程中的贡献所致。

众所周知，西欧地区在继承世界其它文明的科技成果后最先跨入了近代科学的门槛，在此后的文明竞争中全面胜出并领先至今。为何欧洲文明首先爆发科学革命，而曾经领先的中国或伊斯兰文明却在科学方面停滞甚至衰退，这是科学史界的经典问题，对此，不同的人有不同的答案。但是不管答案如何，這一现象的后果就是胜利者的光环同样也惠及了其文明的直系祖先[15]，而轴心时代的其它大型文明的原始科学思想和贡献则被相对地矮化，虽然在那个时代不同文明的类似思想并无高下之分。因此，通过科学史的科学-文明这一向度，对相似的元科学观念在各自文明历史和体系中的地位和作用进行比较，是可以对各大文明的独立的原创性思想在人类科学史中的贡献和地位给予更为公正的评价的。

七、高校科学史教学存在的问题及其相应改进

（一）科学史教学的师资问题

科学史之父萨顿指出，科学史是沟通文理的桥梁，因此近年来，包括上交、清华等国内很多高校普遍开始重视科学史的研究与教学，并将其作为大学生通识教育的重要内容。然而由于过去对科学史专业教育的重视程度的缺乏，在目前大力推行科学史教学的状况下，高校中从事科学史教学的教师多半并未受过专业的科学史训练。由于他们在时间和精力等方面所受的限制，至少在其任课初期，往往按照已有的科学通史的教学模板和知识框架与要点进行教学工作，因而对科学史领域中已有的认识和研究结果多半采取拿来主义的态度，能满足其基本的教学任务所需即可，一般不会对这些结果背后所依托的历史和哲学框架进行深究。

另外，兼职进行科学史教学工作的教师往往是理科背景出身，他们虽然善于理解和把握科学史中的科学知识，但是并不擅长于在文化-文明层面对这些知识进行定位和评价，因而也难以在科学史的教学中把握和体现出来，反而容易倾向于西方中心论的立场，这一点在讲授科学史的古代部分时尤其明显。

（二）大学与高中在教学上的衔接问题

另一方面，随着高中阶段教学内容的丰富与灵活，大学与高中在教学内容和方法上如何有机衔接，近年来成为高校教学中一个比较突出的问题。

在高中阶段，教师和学生所熟悉的是新课标所规定的知识与技能，过程与方法，态度情感价值观这三大课程目标的教学。理论上而言，科学史或学科史教育，对刚刚踏入大学校门的年轻学生，在达成这三个教学目标方面似乎具有一定的优势，因为科学史教育所涉及的知识的难度并不大，学习的过程和方法也容易入手，并且有更多的时机在教学中向学生传达正确的三观，这也是很多高校往往将学科史或科学史的教学安排在教学计划的较早阶段的原因。

然而，笔者上面所指出的第一个问题使人不得不担忧，现在全国高校广泛开展的对刚入大学校门三观尚未成熟的学生所进行的科学史教育，如同其它的历史类学科教育一样，是否能够通过对本国和本文明在人类科学发展史中的公正而合理的定位而对学生树立正确的三观有所裨益，从而既有助于培养学生的爱国主义和民族情感，但又不陷入盲目的大国主义;既认识到本文明在科学发展中的失误与不足，但又不陷入历史虚无主义。

根据作者的教学经验，恰当合理地处理中国古代科技贡献在人类科技史中的定位，是解决这一问题的关键之一。前面已经以古代中国的候气学说和古代西方的天体音乐的对比为案例，从科学-文明的视角对候气学说进行了重新评价和定位。希望这一做法能起到抛砖引玉的作用，有更多的从事科学史教学的教师不仅能将本案例补充到自己的科学史教学实践中，而且能够对那些未受到学界足够重视的中国古代科技思想和成果在这一视角上继续进行评价和定位，这就需要共同努力完成下面的这一工作。

（三）建立中国科学发展史的连续统

现代科学发源于西方，因而其科学发展史有比较明显的连续性，这一点似乎是世界其它文明所欠缺的。正如怀特海指出的，“现代科学诞生于欧洲，但它的家却是整个的世界。在最近两个世纪中，西方文化方式曾长期而纷乱地影响亚洲文化。东方的贤哲对自己的文化遗产极其珍视，这是毫不奇怪的。在过去和现在，他们都一直百思莫解，不知道那种控制生命的秘密可以从西方传播到东方，而不会胡乱破坏他们自己十分正确地加以珍视的遗产。事情越来越明显，西方给予东方影响最大的是它的科学和科学观点。这种东西只要有一个有理智的社会，就能从一个国家传播到另一个国家，从一个民族流传到另一个民族。”。

通过以候气学说和天体音乐为案例的对中国古代科学思想的回顾以及与同时期西方古代科学思想的对比，我们可以发现，中国文明并不缺乏诞生原创性科学思想以及用实践对其进行检验的能力和愿望，虽然由于种种原因，科学的发展在中国历史上有过停滞和衰退，但是在引进了近代科学的方法论以后，近现代尤其是改革开放后的中国对人类科学发展所做出的贡献的比重逐渐增大，就更充分说明了这一点。对年轻的大学生们来说，最有说服力的莫过于中国近年来在科技方面的突飞猛进，例如，中国的科学论文的产出数量已经居世界各国排行的第二位。然而，在中国科学史的叙事方面的短板，尤其是从古代原始科学思想这一文化遗产到现代科学发展之间的鸿沟，却仍然有待于中国科学史界的努力补足和跨越。

在这一方面，西方国家的一个做法值得我们参考，他们的很多大型科技计划，不仅有以著名科学人物命名的，也有很多是以古代神话或人物的名字等来命名，如著名的阿波罗计划，盖亚卫星等，这体现了他们对自身科学发展史的连续性的看法和信心。

令作者欣喜的是，近几年来，中国自己的大型科学计划，不乏以中国古代的神话人物和科学思想及概念名词进行命名者，如，暗物质探测卫星——“悟空”，空间引力波探测计划——“太极”，21厘米波段射电天文学探测计划——“天籁”等，这一定程度上反映了现代中国科学工作者对自身文明和古代科学先贤及其伟大思想和实践的信心与敬意。那么，在高校和研究所中从事科学史的研究和教学、普及工作的中國学者们，也有必要以更公允的姿态和更强的自信心，来看待候气等中国古代文明体系中的学术思想及其实践，并在自己的研究和教学工作中践行之。

参考文献：

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