新书速递 | 《地球科学思想史导论》：回溯地球科学发展史上的思想交锋

“地球科学思想史”课程为高年级本科生和低年级硕士研究生开设，目的是帮助他们提高研究能力。在南京大学和其他一些高校，高年级本科生要主持或参与大学生创新项目，同时也要加入毕业论文导师的科研项目团队；硕士研究生是科研项目的团队成员，全过程参与数据采集、实验室分析和期刊论文发表。在这个阶段，学生们要完成从书本中学习知识到通过研究获取知识的转变。抓住良好的开头，是未来职业生涯的第一步，至关重要。

科学哲学探讨方法论，科学社会学试图确定科学发展的条件，科学史则告诉我们科学实际上是如何发展的。对于学术生涯初期而言，学术思想是理解科学问题、研究动机、操作流程的关键。学术思想的形成演化是科学发展的主线，从中衍生出的种种现象，为我们判断具体科学活动的价值、成效、影响提供依据。这正是科学思想史的意义所在。

我们现在把地球科学所针对的物质体系、生命体系和时空尺度特征称为复杂系统。在古希腊时代，复杂系统作为一个术语还不存在，但亚里士多德已经认识到其内涵，他以《物理学》来阐述当时流行的“万物皆数”理念的可能性，同时也借助《动物四篇》来说明自然哲学需要自然史提供研究线索的重要性，否则对于地球这样的复杂系统，“万物皆数”将是不可能的。因此，地球科学始于自然史和自然哲学的并立。由此追踪自然史和自然哲学的走向，我试图概括学术发展的主线：15～18世纪，地球科学主要是博物学时代，同时也受到自然哲学的影响；19世纪到20世纪上半叶，自然史和自然哲学的相互作用催生了经验科学和实验科学；20世纪中期进入计算机时代，经验科学和实验科学逐渐融合为现代地球系统科学的组成部分；21世纪开始，整个科学进入人工智能时代，地球系统科学也不例外，复杂系统分析方法与人工智能方法相融合，使研究主题得以覆盖地球研究的全部时空范围，每个科学问题都能在相应的时空尺度下得到研究。

在历史主线之外，还有以下几点值得关注。首先，历史文献表明，地球科学领域学术贡献的标志，最主要的是新术语、新定义、新概念，以及高层次理论的提出、系统演化关键节点主控机制的研究。其次，研究方法和术语使用具有高度动态性，研究方法的适用性取决于应用场景是否恰当，而术语要经历学术界异常严格的筛选。最后，每个发展阶段之间并非淘汰、替代的关系，科学问题是逐渐积累的，因此即便到了人工智能时代，经验科学和博物学时期遗留的科学问题仍然大量存在，需要继续提供答案。

本教材的理论框架是根据科学发展的历史事实而构建的，可称为“ NPH 并立-融合论”，此处 NPH 指代自然哲学和自然史。由于篇幅限制，不能全面讨论所有领域的历史发展，因此以 9 章的篇幅，选择 7 个案例来诠释这个理论。在学习的过程中，也可以从地球科学史上寻找其他的案例，来评判这个理论，看其是否具有借鉴价值、是否需要修改完善。为了帮助读者进一步钻研，本书提供了各个论题的基本文献。

01

第一章

绪论，回顾总体科学思想体系的形成，然后聚焦到地球科学。从历史发展中概括的总体格局是：最早时期的科学、宗教和哲学是难以区分的，各自的特点均不明显；到了古希腊时代出现了科学的两种萌芽，即自然哲学和博物学，亚里士多德描述了博物学的特点和功能，为日后两者的融合提供了理论基础；再往后，博物学、自然哲学之间有多种形式的交融，最终两者的相互作用和影响导致了经验科学和现代科学的产生。

02

第二章

论博物学发展问题。博物学虽然很早就有了，但真正与自然科学发生关系是从亚里士多德的时代开始。博物学从观察记录、系统分类到溯源追踪，取得了早期科学研究阶段的显著成就，并为经验科学的诞生奠定了基础。本章还讨论了博物学领域有些学者主张的依靠归纳来总结科学定律并且发展科学理论的想法。如果这一主张能够成立，那么自然哲学的研究就成为多余的了。但另一派的观点是，自然史研究必须与公理体系相结合，才能最终形成高层次科学理论，科学史上有许多实例是支持这一观点的。

03

第三章

讨论潮汐问题。借助于博物学记录，古代的人们已经解决了潮时观察和预测，但对于潮位的预测却只有定性的描述。自然哲学介入之后，有了牛顿的平衡潮原理，然后又有了拉普拉斯的潮汐动力方程；在此基础上，惠威尔建议以制作大洋同潮图作为研究方向来解决潮汐理论计算问题。20世纪80年代实现了全球潮汐模拟，至此，博物学时代提出的潮汐问题已经全部解决。

04

第四章

关于近期地球科学领域发生的一个重要事件，即板块构造学说的建立。从19世纪20年代开始，地质学分为物理地质学和历史地质学，虽然这里还能看到自然哲学和博物学的影子，但它们都已进入了经验科学时代。此后，物理地质学的主要科学问题是海洋、大陆、山脉、火山和地震带的成因。人们开始从重力和地球自转等力学因素上寻找答案，魏格纳的大陆漂移说从地壳水平运动来解释，这是一个重要进步。此后，海底扩张说主张用地球内部热能分布的动向来解释，为板块构造学说构建了科学假说。验证这一假说，需要现代技术的支撑，而深海钻探正好提供了这一个技术保障。20世纪60年代，通过一系列深海钻探，很快证实了大陆漂移说和海底扩张说的合理性，主要的能量来源不是重力和地球自转，而是地球内部热能。

05

第五章

讨论生态学的问题。生态学是一个较晚出现的学科。生物学与数理化体系相结合，在考虑物质能量的同时，也考虑生物信息的作用，于是逐渐脱离了博物学的范围，医学和农业是生物学发展的最大驱动力。原先博物学遗留的问题就转入了生态学的研究领域。为了回答生态的问题，逐步建立了生态学的理论框架，如生命体系与环境的关系、生存与繁殖、营养级、食物网、生物多样性、栖息地、生态位等，为生态系统动力学的诞生奠定了基础。

06

第六章

阐述全球气候模型问题。大气科学早年称为气象学，经历短暂的博物学阶段之后，它迅速纳入自然哲学的体系，成为物理学的一项研究。但是，如果把时间尺度放大，天气现象就成了气候现象，而采用气象预报方法却难以预报气候。因此，如何在全球气候模型的框架内实现对长期气候变化的预测成为关键科学问题。在这个方面，单靠物理学目前还不能完全解决，需要动用更大范围的学科融合，了解气候变化的所有必要条件和充分条件，并且要依靠复杂系统理论和人工智能技术才能解决。这是一个计算机时代科学研究的代表性案例。

07

第七章

是关于地球长时间尺度演化的研究。板块学说的时间尺度是过去2亿年，然而地球有46亿年的历史，因此，对莱伊尔的均变论原理要有合理的解释，不应理解为现在的环境现象过去都有，而应理解为用来研究现代过程和机理的方法对过去也是适用的。地球早期形成的地层记录比较贫乏，在这种情形下，完全靠史料来恢复地球演化的历史是不现实的，还必须要靠现代科学的模拟和复杂系统方法，辅之以已有的历史材料。由此恢复的地球演化历史，其可靠性如何评价？本章拟回顾这个热点问题的内涵及获得答案的研究方法和思路。

08

第八章

阐述当代地球科学方法论及其前景。如今，人工智能尤其是大数据方法日益盛行，用以写作论文的趋势也愈发明显。在一定程度上，人们重启了自然哲学和博物学关系的争论：有一种观点认为大数据方法可以取代一切，动力学方法将变得冗余。本章将从复杂系统方法的视角讨论动力学和大数据方法在人工智能中的作用，以及对地球系统科学的影响。

09

第九章

是关于地球科学思想史给科研管理和个人发展带来的启示。科研管理的核心是科研评价和资金投入，思想史揭示了管理措施与研究效率的关系。对于从事地球科学研究的个人，如何面对纷繁的科研环境，如何聚焦于科学理论和方法、重要定义、概念、定律、公式和函数关系的建立，以便提高研究质量，需要思想史的引导。

本文摘编自《地球科学思想史导论》一书，有删减，标题为编者所加。

《地球科学思想史导论》

ISBN 978-7-03-085819-1
高抒 著

责任编辑：黄 梅

本书以博物学时代、潮汐问题之解、板块构造理论、生态学发展、全球气候变化与模型、后板块时代的地球早期演化研究、地球科学方法论为例，总结博物学、经验-实验科学、现代科学三个发展阶段的地球科学思想演进特征，提出地球科学领域具有里程碑意义学术贡献的核心判据，包括原创性新术语、新定义和新概念、高层次系统性理论、系统演化关键节点主控机制。
本书可为科研起步阶段的高年级本科生、研究生夯实研究能力提供助力，帮助青年学者制定可行科研规划、探索创新方向，同时也可为负责科研管理的资深科研工作者提供决策参考。

（本文编辑：洪弘）

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