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今天，不大可能有人问科学有什么用了。科学的实际用处随处可见。我们享受着科技文明的成果，谁也不会怀疑科学的用处。相反，当代中国人已经充分意识到科技对于发展生产力、发展经济的决定性意义。
约400年前，科学的用处远未变得像今天这样显明，但英国哲学家培根提出了“知识就是力量”的口号。这是一句脍炙人口的名言，近代自然科学已经一步步向世人展示了这句名言的真理性。不过，培根还有另外一段关于知识的名言值得引用：
阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作与笔记使人精确……读史使人明智，诗歌使人巧慧，数学使人精细，博物使人深沉，伦理之学使人庄重，逻辑与修辞使人善辩。
在科学已经渗透了人类生活各个层面的今天，我们不再对身边的科学表现出惊奇，我们已经对科学无动于衷，而恰恰在此时，我们需要回顾科学的历史，因为读史使人明智，阅读科学的历史将使科学时代的人们变得深思熟虑、深谋远虑。
尽管直到20世纪科学史才受到人们的广泛关注，正式成为一门学科，科学史的研究却一直受到不少科学家的重视。他们在向学生讲授专业知识时，为了增强趣味性，总是愿意略微提一下这门学科的历史。
历史故事总是使功课变得有趣。我们在儿时谁没有听过几个科学家的传奇故事？阿基米德在浴盆里顿悟到如何测量不规则物体的体积之后，赤身裸体地跑上街道大喊大叫“尤里卡”（我发现了）；牛顿在一个炎热的午后躺在一株苹果树下思考行星运动的规律，结果一个熟透了的苹果掉下来打中了他，使他茅塞顿开，提出了万有引力定律；瓦特在外祖母家度假，有一天他偶然发现烧水壶的壶盖被沸腾的开水所掀动，结果他发明了蒸汽机……
这类科学传奇故事确实诱发了儿童对神奇的科学世界的向往，对于正规的理科课程学习却并不见得有很大的帮助。甚至，某些以讹传讹的传奇故事对于深入理解科学理论还是有害的。再说，传奇故事往往过于强调科学发现的偶然性、随机性，使人们容易忽略科学发现的真实历史条件和科学工作的极端艰苦。
除传奇之外，科学史所能告诉人们的科学思想的逻辑行程和历史行程，对学习科学理论肯定是有益的。当我们开始学习物理学时，我们为那些与常识格格不入的观念而烦恼，这时候，如果我们去了解一下这些物理学观念逐步建立的历史，接受它们就变得容易多了。科学家们并不是一开始就这样“古怪地”思考问题，他们建立“古怪的”科学概念的过程极好理解而且引人入胜。
以“运动”为例。物体为什么会运动呢？希腊大哲学家亚里士多德说，运动有两种，一种是天然运动，另一种是受迫运动。轻的东西有“轻性”，如气、火，它们天然地向上走；重的东西有“重性”，如水、土，天然地向下跑。这些都是天然运动，是由它们的本性决定的。如果轻的东西向下运动、重的东西向上运动，那就不是出自本性的天然运动，而是受迫运动。物体到达自己的天然位置之后，就不再有运动的倾向了，如果它这时候还在运动，那也是受迫运动。受迫运动依赖于外力，一旦外力消失，受迫运动也就停止了。
伽利略从一个逻辑推理开始批评亚里士多德的理论。他设想一个重物（如铁球）与一个轻物（如纸团）同时下落。按亚里士多德的理论，当然是铁球落得快，纸团落得慢，因为较重物含有更多的重性。现在，伽利略设想把重物与轻物绑在一起下落会发生什么情况。一方面，绑在一起的两个物体构成了一个新的更重的物体，因此，它的速度应该比原来的铁球还快，因为它比铁球更重；但另一方面，两个不同下落速度的物体绑在一起，最终会达到一个平衡速度，这个速度比原来铁球的速度小，但比原来纸团的速度大。从同一个理论前提出发，可以推出两个相互不一致的结论，伽利略据此推测理论前提有问题，也就是说，亚里士多德关于落体速度与其重量有关的说法值得怀疑。从逻辑上讲，解决这个矛盾的唯一途径是：下落速度与重量无关，所有物体的下落速度都相同。
当然，科学的进步并不完全是凭借逻辑推理取得的。伽利略这位真正的近代科学之父，近代实验科学精神的缔造者，并未满足于逻辑推理，而是继续做了斜面实验。他发现，落体的速度越来越快，是一种匀加速运动，而且加速度与重量无关。他还发现，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，加速度越小。在极限情况下，斜面垂直，则相当于自由下落，所有物体的加速度都是一样的。当斜面完全水平时，加速度为零，这时一个运动物体就应该沿直线永远运动下去。斜面实验表明，物体运动的保持并不需要力，需要力的是物体运动的改变。这是一个重大的观念更新！
这个关于“运动问题”的科学史故事，对读者深入学习牛顿力学知识是有好处的，因为在回顾这个观念如何更替的过程中，我们自己的观念也不知不觉地发生了改变，这当然比直接从概念、定律和公式出发去学习牛顿力学要生动有趣得多，而且印象深刻得多。当然，前面所讲的极为简短，实际发生的还要复杂得多。
追究科学史的用处，使我们有必要在“知道”和“理解”之间做出区别。为了掌握一门科学知识，我们大多不是从阅读这门学科的历史开始，相反，我们从记住一大堆陌生的符号、公式、定律开始，然后在教师和课本的示范下，反复做各种情形下的练习题，直至能把这些陌生的公式、定律灵活运用于处理各种情况，我们才算掌握了这些知识。但我们真的“理解”这些知识吗？那可不一定。理解这些定律的含义完全可以是另一回事。我知道一位非常年轻的大学生，他高考的物理成绩几乎是满分，但是在兴高采烈地去大学报到的旅途中，他却一直在苦苦思考一个问题：为什么人从轮船和火车上跳起来时，仍能落回原处，而轮船或火车在他跳离的这段时间里居然没有从他脚底下移动一段距离。可怜的孩子，他在轮船上试了好几次，情况都差不多，轮船一点也没有将他抛离的意思。后来，他突然想起，地球时时刻刻都在转动，而且转速极大，也从来没有发生过跳起来落不回原地的事情，这是怎么回事呢？想着想着，高分的大学生睡着了。直到后来，他读了一本有关的科学史书，懂得了牛顿第一定律的真正含义，他才恍然大悟，痛骂自己愚昧无知。
这个故事应该很恰当地说明了“知道”与“理解”的区别。这是一个真实的故事，因为这位年轻大学生的故事正是我自己早年的经历。有了知识并不等于理解，会解题不意味着掌握了物理概念，在深入地理解物理定律的本质方面，科学史是有用处的。
不幸的是，教科书大多不谈历史，如果有也只是历史知识方面的点缀，诸如牛顿的生卒年月等。把科学史有机地糅进理科教科书中，是当代科学教育界所大力提倡的，但做起来很困难，而且效果不好。但教育界仍在努力。当代美国著名科学史家、哈佛大学物理学和科学史教授霍尔顿从20世纪60年代开始主持“哈佛物理教学改革计划”，陆续编写出版了《改革物理教程》作为新的中学物理教科书。此外，他还写出过供大学文科学生阅读的物理教科书《物理科学的概念和理论导论》，这些书贯彻了史论结合的原则，而且是以史带论，极大地影响了美国的物理学教学。这两套书我国都出了中译本。不过，似乎都未产生积极有效的反响。
也许是文化传统的关系，中国教育界盛行的依然是分数教育、技能型教育。这种应试教育的一个消极后果是培育了不少科学神话，树立了不正确的科学形象，形成了对科学不正确的看法。首先是将科学理论固定化、僵化，使学生以为科学理论都是万古不变的永恒真理；其次是将科学理论神圣化、教条化，使学生以为科学的东西都是毋庸置疑、神圣不可侵犯的；最后是将科学技术化、实用化、工具化，忽视了科学的文化功能和精神价值。
当代科学的专门化、专业化带来了高等教育严重的分科化。分科教育很显然是为了造就专门人才，但在中学和大学低年级，通才教育是更有实际意义的。只有少数人将来会成为科学家，但即使对于他们，狭窄的专门训练也不利于培养创新意识和创造潜力。大多数人真正需要的是领会科学的精神、掌握科学的方法、树立恰如其分的科学形象，以便在这个科学时代理智地对待科学、对待社会、对待生活。
在教科书中纷至沓来的新概念、新术语、新公式、新定律面前，学生逐渐形成了这样的观念：这就是真理，学习它，记住它。久而久之，历史性的、进化着的科学理论被神圣化、教条化。人们不知道这个理论从何而来，为什么会是这样，但我们仍旧相信它是真的，因为它是科学。这种教条的态度明显与科学精神格格不入，但却是目前的科学教育导致的一个普遍的态度。它不自觉地剥夺了学生的怀疑和批判精神，而怀疑和批判精神对于科学发展恰恰是不可或缺的。
科学理论不是一成不变的，它是发展的、进化的。几乎没有什么比科学史更能使人认识到这一点了。不仅如此，自然科学各个分支领域相互联系，这在按学科分块的教科书中肯定得不到体现，而科学史却能够给出一个综合。我想举热力学第一定律为例，说明科学史何以能够体现科学的统一性。这个定律又称为能量守恒定律。就我自己的经验，从教科书中我始终未能获得关于这个定律的完整理解，因为它涉及的面太广了。从历史上看，它首先来自运动不灭原理，虽然古代哲学家们已经提出过运动不灭的思想，但只有给出了运动的量度，运动不灭原理才可能成为一个科学原理并付诸应用。有意思的是，运动的量度一开始就出现了分歧，有人把质量与速度的乘积作为运动的量度，也有人认为运动量应由质量与速度的平方的乘积来标度。经过长时间的争论和力学本身的发展，人们在18世纪发现了机械能的守恒定律。
能量守恒原理的最终确立有赖于更多领域里相关研究的出现。首先是对热与机械运动相互转换的研究。当时，人们连热究竟是怎么一回事都不清楚。开始人们以为热也是一种物质，一种特殊的、看不见的、无重量的流体，仿照物质守恒原理，有人还提出了热质守恒原理。可是，美国人本杰明·汤普森（又称伦福德伯爵）在德国从事炮膛钻孔实验时，发现只要不停地钻，几乎可以不停地放出热。这么多热从哪里来呢？若用热质守恒说根本解释不通，这促使人们研究热量与做功之间的关系，并定量测定其转化系数。这一工作的最终完成，也就是能量守恒定律的正式确立。
第二是化学和生物学上的研究。德国化学家李比希设想，动物的体热和活动的机械能可能来自食物中包含的化学能。此外，俄国化学家赫斯发现了化学反应过程中的能量守恒定律。
第三是电学和磁学的研究。德国物理学家楞次研究电流的热效应，发现通电导体放出的热量与电流强度的平方、导体的电阻以及通电时间成正比。这在今天被称为焦耳-楞次定律，这一定律直接导向能量守恒定律的精确形式。
如果不了解科学史，我们无法理解“能量”这一概念的普遍性。“能量”概念提醒我们自然科学的统一性，提醒我们不要深陷在各门学科的技术细节中，忘记了自然科学的根本任务是为人类建立一个关于外在世界的统一的整体图像。在学科分化愈演愈烈的今天，人们尤其需要这种统一的图像。
我们的时代是一个科学的时代。今天，我们对许多科学的东西耳熟能详，我们觉得许多科学的道理理所当然。但正如黑格尔曾经说过的，“熟知”往往并非“真知”。一切理所当然的东西都逃避了理性的反思，反而成为一种盲目的东西。科学对人类的命运影响如此之大，而我们对科学的本质也许还缺乏认识，这应该引起高度警醒。了解科学史可以帮助我们理解科学的社会角色和人文意义。
在诸种科学神话中，关于科学家的神话也许是流传最广的。很长时间以来，科学家被看作在某一方面有惊人才智的天才，掌握了与自然界进行对话的神秘钥匙，但在日常生活中完全是个低能儿，而且表现得离奇古怪。另一方面，科学家在他的研究工作之外，与常人并无不同，在参与社会文化生活和从事艺术宗教活动方面，并不比一般人出色。
这一点有必要大大强调，因为我们陷入这类科学家神话中太深了，不仅歪曲了科学家的形象，而且对培养自己的科学家相当不利——年轻人往往照公认的科学家形象规范自己。实际上，真正的科学家不仅增长人类的自然知识，还传播独立思考、有条理地怀疑的科学精神，传播在人类生活中相当宝贵的协作、友爱和宽容的精神，是最富有人性的。真实的、富有人性的科学家形象只有在科学史中才能得到恢复，因为在学习科学理论时，我们可能完全不知道该理论的创造者是一个怎样的人。
说到科学家的形象，我们不免会想起科学的技术化和科学的实用化、工具化问题，因为前面那种看似传奇实则愚蠢的科学家形象，是与错误的非人性的科学形象相适应的。无疑，科学是有实用意义的，特别是在当代，这种实用意义相当显著，但是，科学不只有实际用途。它既有物质的方面，也有精神的方面；它既有认识和改造世界的方面，也有锻炼人性的方面。一味强调一方面而忽视另一方面，科学的生命就要完结。今天，科学正在发挥着从前人们难以想象的实际作用，科学召唤出来的力量已经大到令人类无法驾驭的程度。核能的开发是一个伟大的科学成就，但造出的原子弹令人担忧，当今世界各国存有的核武器足够把地球炸毁好几次。此外，科学带来了经济的高速增长、物质财富的极大丰富，但也带来了环境污染和能源短缺。这一切的根源均在于过分把科学工具化、实用化，唯有激活科学的精神方面，建立健全的发展思路，才有可能最终解决这些问题。
固然，技术上的不良后果只有通过更新技术来解决，但技术上的解决并不能触及根本的问题，那就是，究竟为什么要发展科学？要发展什么样的科学？要回答这些问题，我们首先要回溯科学的本质。科学不只是一些方法性、技巧性的东西，它是一种文化。它既面对自然，以理性的态度看待自然；它也深入人性，在科学活动中弘扬诚实、合作，为追求真理而不屈不挠的献身精神。其次，不可以视科学为一种手段，一种为达到某种目的（比如发展经济）而采取的手段，相反，科学自身就可以作为目的。“为科学而科学”长期以来受到批判，现在应该承认它有合理之处。诚然，生产上的需要促成了科学的产生和发展。同样，为了求知，为了解开自然界的奥秘，人类也致力于发展科学。亚里士多德提到科学和哲学产生的原因时说：
古往今来人们开始哲理探索，都应起于对自然万物的惊异；他们先是惊异于种种迷惑的现象，逐渐积累一点一滴的解释，对一些较重大的问题，例如日月与星的运行以及宇宙之创生，作出说明。一个有所迷惑与惊异的人，每自愧愚蠢（因此神话所编录的全是怪异，凡爱好神话的人也是爱好智慧的人）；他们探索哲理只是为想脱离愚蠢，显然，他们为求知而从事学术，并无任何实用的目的。
受中国传统文化中实用理性的支配，中国人不大能接受“为科学而科学”的说法。不过，对我们中国人而言，比较缺乏的也许恰恰是“为科学而科学”的精神。在科学的历史中，我们将看到，这种精神如何成为科学发展的原动力。
今天，理解科学成了一项迫切的任务，因为科学在社会生活中已占据相当重要的位置，而人们对它又太缺乏了解。仅有的了解常常是片面的、不正确的。正在成长的一代年轻人将主宰未来的社会发展，如果一开始他们通过熟悉科学的历史全面地理解科学，那么，科学就能更好地为人类造福。
（摘编自《科学的历程》，湖南科技出版社2018年8月出版。吴国盛，清华大学教授，国际科学史研究院通讯院士、科技哲学专家、科学史家。）