3.思索与展望
科学往往是在人类好奇心的驱使下诞生的。星星离我们究竟有多远？星星上是否有类似地球上的生物存在？大海究竟有多深？海洋里究竟有什么？科学的目的就是刨根问底，也就是发现各种规律。例如，人们用望远镜观察所发现的自然规律为经典力学和相对论奠定了基础，人们通过显微镜观测建立了量子力学。但是，科学早期的目的并不是应用这些规律，有些科学家在研究科学时只关心这些规律本身，并不关心它们是否有用、是否危险。随着科学的发展，人们围绕消除人类对宇宙自然的恐惧、提高人类的幸福指数的科学研究才逐渐开始。时至今日，科学的目的可以归纳为两个主要方面：满足人类固有的好奇心，提高人类的幸福指数。
轨迹的认知
在近代以前，完备的科学系统并没有形成。我们能找到“科学”发端的蛛丝马迹，但那时尚未形成系统的科学体系及科学研究的方法。[4]直到牛顿力学建立，以及机械自然观和实验数学方法论形成，近代科学体系才逐渐建立形成。
16世纪的科学革命主要是天文学的革命，日心说推翻了居于宗教统治地位的地心说，实现了天文学的变革。17世纪的科学革命主要是物理学和数学的革命，牛顿在1687年发表了《自然哲学的数学原理》，论述了其运动三定律和万有引力定律。这是人类在科学史上首次提出一个完整统一的体系并对客观物理世界中的自然规律进行了描述。而此时的许多其他学科依旧处于搜集资料及对已有认知进行初步整理的阶段。18世纪的科技大发展则是一场技术革命和化学革命，拉瓦锡推翻了统治化学界100多年的“燃素说”。
16—18世纪各门学科的发展和革命使得自然哲学逐渐分化，尤其是自然科学方面逐渐形成了各自独立且系统的学科体系。17世纪以来，天文学、物理学、化学、生物学等自然科学首先从自然哲学中分化出来，形成了属于自己学科的研究范式及研究方向。到了19世纪前后，随着社会生产力水平的不断提高，社会问题日益复杂，诸如社会学、经济学、法学、政治学等社会科学纷纷从哲学中分化出来，并确立了各自独立的学科地位。之后，随着科学的蓬勃发展，各学科的划分越来越细致。
20世纪，为了解决科学发展的瓶颈，学科之间开始融合。美国哥伦比亚大学心理学家伍德沃思于1926年首创了“交叉学科”（interdisciplinary）这个术语，他认为交叉学科是超越一个已知学科的边界、涉及两个或两个以上学科的研究领域。近几十年来，学科分化和学科融合这两种趋势一直并存。最近25年，许多诺贝尔奖获得者都得益于交叉性合作研究。
科学的发展是一个持续的动态过程。科学发展到今天，我们急需一个新的思维范式去审视科学与人类的关系以及未来科学的发展方向。
回顾发展
16—19世纪是西方科学发展的高光时刻。在科学发展的进程中，科学理论成果间存在千丝万缕的联系，图1.3展现了西方科学的发展进程。我们可以在图1.3中发现一些玄机，例如哈密顿力学推进了热力学第一定律。科学所包含的各种学科及理论并不是独立发展的，各种理论相互影响，继而又发展为新的理论。对于理论间关系的梳理将在第三篇详细介绍。
图1.3 西方科学发展简史
注：蓝、紫和绿色时间环分别表示物理、化学和生物的科学发展简史，由对科学进程的影响大小由内向外展开，每个圆点表示一个事件点。带箭头的黑线标示了理论及科学家之间互相影响和传承的方向。
科学革命是推动科学发展过程中极为重要的一环。科学家只有勇于打破常规科学，勇于发现常规科学中的错误，才能向传统科学注入新的思想，才能不断修正我们对自然的认知。梳理科学革命的过程能够帮助我们探究科学问题的本质。[5]
图1.4展示了第二次工业革命的简要发展过程。对于重要科学革命的介绍，详见第四篇。
图1.4 第二次工业革命的工业和技术成果
在近代科学形成之前，最先发展且最接近现代科学的学科是天文学，其他领域并未形成系统的研究体系。随着科学的发展，科学家们对各个领域的研究逐步深入，不同的学科开始慢慢出现。而自科学发展史初现峥嵘以来，各学科领域均有不同程度的交叉融合。各学科在互相影响、借鉴和融合的态势下欣欣向荣。“交叉学科”也成了一个我们越来越耳熟能详的词。
在梳理学科形成、分化过程的同时，我们也梳理了各个学科的建立与发展过程。图1.5就展示了生物学的发展历程及其间的重要事件。有关学科发展的介绍，详见第五篇。
图1.5 生物学的建立与发展
随着学科的不断发展和演化，各个细分学科的愿景也不断深化和转变，在系统生态学中，如图1.6所示，软系统与硬科学的愿景和融合推动着多学科的交叉与进步，详见第六篇第26章。
图1.6 软系统与硬科学的关系
注：每个放射状圆都表示一个理论或学科，从系统生态学向左右两边延伸，右边表示由系统生态学推动的理论学科，左边是系统生态学分出的愿景，即软系统和硬科学。硬科学向下分支引申出了自然法则，再向下分为热力学、进化遗传学等，而软系统向下分支引申出了多角度，再向下分为控制论和一般系统论等。
理论的交汇
解决科学中诸多问题的核心是科学的研究方法，而这些方法都是基于严谨的科学理论及公理。在本书中，我们将对科学发展中的核心理论进行介绍。
图1.7展示了量子力学的三个原理，详见第六篇关于量子力学的内容。量子力学的三个原理包含了狄拉克的剃刀、态叠加原理及不确定性原理。
图1.7 量子力学的三个原理
注：“态叠加原理”中蓝色圆表示不同的状态，“不确定性原理”中蓝色小箭头表示很多种最终状态发生的可能，蓝色圆表示不确定的不同的状态，紫色圆框定特定状态为观察区。
一个不存在的概念如何被建立又被推翻？图1.8所示的惯性参考系就是这样一个例子。真空相关的概念可能也面临同样的命运，有些概念先被建立、被推翻，未来有可能再被建立，如以太，这就是科学的螺旋式上升过程，详见第六篇。
图1.9描绘了控制论的发展与延伸，图1.10则为人工智能发展树状图。
波粒二象性是量子力学中引入的一个新概念，用来解释人们在双缝实验中观察到的现象。图1.11展示了波粒二象性概念的发展。
原始文明对科学的形成有何影响？科学的形成过程是怎样的？科学中的技术体系及思想体系是如何发展的？而在数字时代及未来元宇宙世界中的科学之路又将指向何方？我们将在本书中探讨这些问题的答案。
本书针对元科学的研究方向来研究元科学，即研究科学的科学，如图1.12所示。我们将从科学的起源、形成、发展、分化和融合入手，重新审视科学发展的轨迹，探究科学理论是如何相互产生影响的，通过深度剖析科学本身来重新认识科学。最后，我们将用新的元科学的思维范式去探究科学未来的发展方向。
图1.8 惯性参考系
注：B、C、D、E参考系以A为参考系，做匀速直线运动，因此B、C、D、E也是惯性参考系。
图1.9 控制论的发展与延伸
注：控制论的起源时间及彼时包括的学科如上图中层级A所示。最初的发展通过梅西会议和比率俱乐部等得到巩固。控制论后来的突出发展如上图中层级B所示，是图中对应标示领域的先驱，且与并行发展的系统科学密切相关。早期发展重点和发展扩散的领域工作及新研究方法均如上图中层级C所示。当代控制论领域发展出的各种学科如上图中层级D所示。
图1.10人工智能发展树状图
注：主干（人工智能）为深绿色，以其应用（浅蓝色）、研究目标（紫色）、技术（红色）、引申理论（浅绿色）和涉及领域（浅褐色）五方面为主来分析。
图1.11 波粒二象性概念的发展
注：发展时间线与图中箭头标示走向一致，每个理论外套圈是理论发生的时间环，环上标示了时间，每个时间段对应的文字标示了此理论在这一段时间的具体发展成果。
图1.12 元科学的研究
[1] 成生辉.元宇宙：概念、技术及生态[M].北京：机械工业出版社，2022.
[2] 布莱恩·戴维·约翰逊. 21世纪机器人[M]. 张银奎，等译. 北京：机械工业出版社，2017.
[3] 赛博格，又称生化人，其旨在借由人工科技来增加或强化生物体的能力。
[4] 戴维·伍顿.科学的诞生[M]. 刘国伟，译. 北京：中信出版社，2018.
[5] 托马斯·库恩.科学革命的结构：第4版[M].金吾伦，胡新和，译.2版.北京：北京大学出版社，2012.