现代自然科学导论

现代自然科学导论

第一章自然科学基本概念的形成与基本测量

1O、人类的进化与自然科学基本概念的形成

作为今天高级智慧生物的人类，在远古时期也与别的动物一样，对自然界的感受没什么不同。那时的人类和一般动物一样，都能感受到饥饿、疼痛、疲倦、危险、光亮、黑暗等等。后来人类和高级一点的哺乳动物一样，也能感受到食物、敌人、恐惧、花草、树木、别的若干动物等等。或许这些感受从某个时期已经能上升到意识的地步，但还远远达不到形成概念的程度。

人类能与普通的动物区分开来，或许是由于生存环境的变化，或许是由于人类生存发展的需求，自然地迫使人类大脑的进化达到其功能可以把对环境的感受提高到意识的地步，并进而能形成相应的一些粗略概念。在原始人类头脑中的众多原始而又粗略的概念中，有三个发展出了数学和物理学。这就是物品的多少、物品的远近和诸如日月星辰的升落及等待过程的长短。

显然，物品的多少首先就是一个数量的概念，数量的概念就是数学发展起点。但物品的多少这个概念还可以发展出另一个极有价值的概念，那就是质量。同样，我们可以看出，物品的远近无疑可以发展出距离的概念，而日月星辰的升落及等待过程的长短，可以发展出时间的概念。

或许某些动物的头脑中也形成了物品的多少、物品的远近和诸如日月星辰的升落及等待过程的长短等概念。但为什么它们没有象人类一样发展出数量、质量、距离和时间这些计量的概念呢？这个问题用于人类发展的历程又过于久远而太过于复杂，因此是很难完全搞清楚的。但有几个要素可以提供一点线索。首先，在人类还未从灵长类动物分化出来的1700万年以前，和灵长类动物一样，有一个特殊的生理结构，那就是它们的前肢可以方便地抓拿物品。

其次，自然气候和环境的变化，有可能使得某些灵长类种群的栖息地的森林逐步消亡。这就迫使这些灵长类种群逐步地从树上下来，到地面上寻找食物。这时，这些灵长类种群的前肢就不再是平时要抓住树枝，以维持身体的平衡，而是用它们的前肢来搜寻抓拿食物和其他物品。这样，这些灵长类种群的前肢就解放了，可以做更多不同的事，而前肢的功能就可能得到更大的发展。伴随着搜寻食物和拨弄抓拿物品的过程，使得这些灵长类种群的大脑功能发展得更大、更快、更强。

无疑，前肢使用得越多，躯体就越依赖于后肢的支撑而使整个身体移动。终于有一天，这些灵长类种群完全地直立行走奔跑了，人类诞生了！而这一时间大约是在700万年前。

最初的人类其前肢即手的功能已发展到很强大的地步。他们可以用手来使用木棍、木棒和石头作为工具进行捕猎、捕鱼。后来可以用手来制造简单的工具，如刮削用的石刀、砍

砸用的石斧等等。而手使用的越多、使用方式的越复杂，就越能促使大脑功能的发展。大脑功能发展的越强大，就越能感受和意识到越复杂过程越长的事物，并进而形成相应的概念。而要把各种概念能加以描述，语言是不可或缺的。人类发展出语言的时间已无从可考了。但语言使得人类能对各种自然概念加以描述并进行交流是人类与别的包括灵长类动物的动物之间最大的不一样之处，也是人类超越别的动物的最明显表征，这也是人类能发展出数量、质量、距离和时间这些计量的较准确概念而别的动物却不能的原因。而人类在总体功能发展的同时，也就从最初的捕猎寻求食物的生存方式，发展出了游牧和农耕的生产形态，并进而发展出了贸易、商业，同时也促进了各种概念的形成。

进行捕猎的原始人类，有的族群有时可能一次捕获的猎物多了一点，其中有活的、幼小的动物，不能全都吃完。这时，他们有可能把那些活的和幼小的动物圈养起来，以备以后食用。如果圈养的时间长了，某些动物如牛、羊等就有可能被驯化，并能进行放牧。这样，游牧生产方式就开始形成了。

但某些原始人类族群有可能总是捕获不到足够动物食用，他们就有可能搜寻植物的种子食用，以维持生存。有的族群可能其大脑的功能已发展得足够强大，能对较复杂和过程较长的事物加以感知，进而能较好地理解这类较复杂的事物，以为生存所需。如随着对植物发芽生长、开花、结果整个较复杂过程的理解，有的原始人类族群就有可能选择一些其果实可以食用的植物，进行种植，如玉米、小麦、稻谷。这样，农耕生产方式就形成了。而这种生产方式只有群体协同，才会有效率，这就必然要导致了社会的产生。

华夏民族的祖先神农氏(族)，就是世界上最早发展出农耕生产方式的原始人类族群之一。不过，这些原始人类族群距离现代人类已不太远了，只不过是大约7000～1万年前的事了。传说神农氏名叫石年，他尝了成百种植物及其种子，并一一试种，最后挑出了麦、麻、黍、稷、菽五谷进行耕种。石年的氏族在他带领下进行了农业种植，在很大的程度上，解决了生存的问题。为此，神农氏的族群把他尊奉为炎帝。后来，另一个氏族的首领轩辕氏，领导着他那有点庞大的族群，打败了另一个称之为蚩尤较庞大的族群，甚至连神农氏族群的部落也归顺了，解决了轩辕氏族群的周边安全问题和发展空间问题，他的族群和各归顺的部落也就奉他为黄帝，而这也正是后来华夏大地上生活着的人们自称炎黄子孙的缘由。今天，华夏大地上生活着的人们，有的或许就是远古时这些氏族和部落的后裔，有的或许不是。但无论如何，这些氏族部落发展起来的文明传承到了今天，这就是华夏文明。

虽然人类的各种活动如贸易、战争等等，都能促进或阻碍自然科学的发展。但游牧业、畜牧业和农业社会的发展，却是促进自然科学基本概念发展的主要因素之一。对畜牧业和农业所生产出来的剩余物品要进行交换，一方面发展出了商业贸易，一方面又促进了对物品的计数和称量的技术和工具的发展。而随着农作物种植生产的发展，相应的农业社会就需要对不同种植者所拥有的土地进行丈量，这就发展了对距离的测量工具和技术。如生活在尼罗河畔古埃及人，每年雨季的尼罗河水，都要泛滥冲毁河畔的大片农田。水退之后，各农家的农田都要重新丈量。如果丈量的偏差太大，就会引起农家的冲突。因此，丈量的工具和技术都

需要提高。

另一方面，农作物的种植和人类群聚的社会，也对时间的计量和测量提出了需求。农作物的种植是与气候相关的，而气候又与地球绕太阳的公转轨道周期一年相关－即便那时的人们还不知道地球绕着太阳公转。再者，人们的起居生活节律是以一天为周期的。这种生物节律在人类社会形成以后被社会强化了。社会要求人们某天某时集结，以准备抗击入侵；会要求人们某天某时集结公布某项集体活动的处理等等。这样，对时间的计量和测量就提出了明确的多的需求。而这时整个人类的发展也就形成了计数(数学)和距离、质量、时间等基本的自然概念。

20、长度距离的测量

对计数方法和技术的需求，是发展出数学的前提，这是不言而喻的。但这里并不准备讨论数学的产生和问题，这里首先要讨论的是长度距离的测量问题。

最初对距离的测量可能以步长或臂长来计，百步穿杨的成语想来汉语系统的人们都很熟悉。但不同的人其步长或臂长是不一样的，于是就可能以一根固定长度的木棍来计。这种固定长度的木棍后来发展成了有等分刻度的尺。4千多年前的古埃及和中国古代都有这种测量长度距离的尺的记载，考古上这种古老的工具实物也有发现。

古代不同时期不同地区测量长度距离的工具是不一样的，作为测量长度距离的基本单位也不同。中国古代就以丈、尺、寸作为测量长度距离的单位。但不同的朝代，丈、尺、寸的长度也不一样。近代中国使用的丈、尺、寸长度距离单位现在都还能见到，其换算关系是：1丈＝10尺

1尺＝10寸

长度单位的不统一，会引起测量上的差异和混乱，在土地丈量时还可能引起纠纷。中国秦朝时代的秦始皇一统战国七国后，就废除了其它六国的度量衡制，将度量衡制也统一在秦国的体系下，以免引起混乱。当然，另一个目的就是从度量体制上，消除其他六国的存在。

古代英国国王亨利一世为了统一其国家的长度距离测量单位，有一天对大臣们平伸出自己的手臂说：“就以我的鼻尖到手指尖的距离为一尺吧。”这样他就统一了当时英国长度距离的测量单位。现在的英尺是以两百年前荷兰一个鞋匠制作的一种鞋的长度为标准的，因为他做的鞋极其规整，故英语中的一英尺也就是一脚(a foot)。

我们今天常使用的米这个长度距离单位，最初是法国1791年提出来的。1791年，法国规定从赤道到北极经过巴黎子午线其长度的一千万分之一为1米，并以1米作为测量长度距离的基本单位。后来根据实际测量的结果，用纯铂制成了一个标准米原器，保存在法国国家档案局。1889年，第一届国际计量大会上，又用90%的铂和10%的铱的合金制作了一个X 型的国际米原器。在它的凹槽两端分别刻着三条细线。规定在0℃时，两端细线中间的各一条之间的直线距离为1米。

毫无疑问，用直尺进行长度距离的测量时，首先确定的只是尺子两端顶点间的直线距离，然后再对所要测量的直线段或曲线段长度一段一段地去量。如果你用一把固定长度的尺