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我正在教我的兒子像科學家一樣思考。他兩歲了。我們經常一起在不列顛哥倫比亞省的樹林和海岸線散步，在那裡我讓他自由地發揮好奇心。他目前的研究專案是向海裡扔石頭（這只是探索階段，假設檢驗要等到他如廁訓練之後才會進行）。他以極大的決心承擔這項任務，並且似乎確信自己很快就能完成這個專案，也許再扔一次就行了。
他向後拉動他稚嫩的手臂，聚集了他能 muster 的所有勢能，然後用我估計不超過半牛頓的力氣扔出小石頭。對於這隻年輕的猿來說，這不是一個好的開始，考慮到我差點被一隻不比他大多少的倭黑猩猩扔出的投射物擊傷。但他睜大眼睛看著石頭向上拉起對抗重力，然後變成一個柔和的弧線。
“拋物線，” 我告訴他，就在石頭到達中點並向下墜落時。“重力贏了。” 這當然是一個不完美的描述。但正如理查德·費曼喜歡說的那樣，“沒有人知道東西為什麼會掉落。這是一個深刻的謎，世界上最聰明的人也不知道其基本原因。” 我覺得我很安全。我的兒子已經習慣了我們的小文字遊戲，如果我不說，他通常會期待地指著我。接下來是安靜的“撲通”一聲，石頭的動能轉化為聲音，以及在水面輻射開來的幾道小小的毛細波。
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“啪！” 我宣佈並拍手，看著細小的漣漪盪漾開來。他知道拋物線是弧線，但“啪”聲是回報，我為了效果而誇大了他微不足道的投射物的影響。他迅速環顧四周尋找另一塊石頭。
對我來說，科學寫作和科學教育是密切相關的專案。最終目標是將有時高度複雜的現象轉化為 common experience 的語言。天文學家和科學作家卡爾·薩根的工作在這方面啟發了我，他將傑出的分析頭腦與罕見的交流複雜思想的能力結合在一起。正如我所瞭解到的，享受樂趣是這個過程的重要組成部分；它支撐我們完成全面理解通常必要的技術工作。對於我的兒子來說，這是關於在特定詞語和想法之間建立聯絡，同時使體驗愉快，以便透過遊戲的重複“偶然地”發生學習。對於你們，我的讀者來說，這是關於講故事；我的目標是操縱你們，讓你們被某個敘事所吸引或被一個令人困惑的問題所吸引。如果我做得正確，你們會讀到最後，這樣你們就能知道發生了什麼。科學將隨之而來。
我有著多元化的背景，但共同的主線一直是發現的樂趣和對文字的熱愛。我的科學背景可能是靈長類動物學，但我的興趣始終向外擴充套件到遙遠的海岸。在過去的四年裡，無論是寫關於壓力過大的猴子、樂於助人的祖母的基因、避孕和女性性行為、海地環境政策、始祖地猿、關於珊瑚礁的達爾文爭議、男性沙文主義黑猩猩、印度的殖民科學、斯大林的猿人超級戰士、人類性行為的進化，還是核冬天，我都盡力提供跨學科的視角和引人入勝的敘事來引導讀者閱讀。尤其是在去年“流亡”期間，我遇到了每一篇寫作的新受眾，並且不得不學習如何為未知的讀者創作故事。在每一篇新帖子中，我都想象著他們在安靜的黑暗中期待地注視著我。同樣，在我目前作為科學史學家的追求中，良好的講故事能力對於提供科學發現發生的背景至關重要。
但講故事一直是科學過程的重要組成部分，可以追溯到 17 世紀的現代起源。科學期刊文章是一個相對較新的發明，當伽利略·伽利萊在 1638 年寫下他的《關於兩門新科學的對話與數學證明》時，這本書提出了他的勻速加速度理論和拋射體的拋物線運動理論，它採用了三個角色之間對話的形式。主角薩爾維亞蒂顯然是作者的另一個自我，他花費了本書的大部分篇幅來介紹伽利略花了三十年時間完善的證據和理論。他的主要對手辛普利丘，顧名思義，對薩爾維亞蒂的想法提出了挑戰，必須透過一系列證據來引導他，直到他最終被說服。正是辛普利丘在伽利略之前關於“哥白尼假說”的書中所說的話幾乎與教皇烏爾班八世所說的話相同，這在很大程度上導致他在六年前被帶到宗教裁判所。
伽利略關於拋射運動的主要問題是自公元前 4 世紀亞里士多德對該主題進行處理以來一直困擾著自然哲學家的問題。是什麼使石頭在被你扔出去後繼續運動？這個問題並不像聽起來那麼簡單。我們知道為什麼當我們推動石頭時它會向前移動：我們肌肉施加的力克服了它的質量和它所處地面的摩擦力。但是，當我們不再觸控石頭時，我們施加的力如何繼續起作用？我們最終討論的是超距作用。對於亞里士多德以及隨後兩千年的自然哲學家來說，這是一個深刻的宗教問題，直接關係到人們認為上帝如何在地球上運作。大多數人追隨亞里士多德，認為是丟擲的石頭周圍的空氣繼續推動它前進。超距作用是為“第一推動者”保留的。
但是，一顆瞄準好的石頭可以把上帝從他的天堂中擊落，並揭示宇宙的奧秘。因此，在 1320 年代，一對在逃的國際罪犯最終對上帝的垮臺負有責任（就其在地球上的代表可以聲稱在物質世界中擁有神聖之手而言）。威廉·奧卡姆和弗朗西斯庫斯·馬爾西亞是方濟各會修士，也是當時歐洲最傑出的學習中心巴黎大學備受尊敬的自然哲學家。他們也是教皇約翰二十二世的過度行為的直言不諱的批評者，並堅持譴責他是異端。就教皇而言，他下令宗教裁判所逮捕他們，並宣佈他們的整個方濟各會修道會犯有異端罪。
教皇約翰是阿維尼翁教廷最早的教皇之一，在這個時期，教會為了集中其運作並對宗教和世俗領域施加權力而做出了巨大努力。要做到這一點需要大量的金錢。出售贖罪券，即為被困在煉獄中的靈魂提供的宗教赦免，帶來了豐厚的回報，稅收的增加也是如此。神職任命的繁榮市場，貴族家庭可以為他們的孩子購買教會中的顯赫職位。正是在 1320 年，教皇約翰二十二世簽署了命令，啟動了全歐洲的女巫審判，沒收的任何財產都被聖教會吸收。而且，即使他以對金布和毛皮的品味而聞名，教皇 1324 年的Quia quorundam也宣告方濟各會的貧困誓言是“荒謬和錯誤的”，因為它需要他們靠“自然界的 sustenance”為生。由於這些是修士們不擁有的物品，因此這種行為是“不公正的”，與小偷的行為相差無幾。
但是，儘管奧卡姆和馬爾西亞被迫放棄他們的工作並逃往巴伐利亞（後來成為新教起義溫床的地區），但他們在巴黎留下的影響力比任何教皇的法令都大。對亞里士多德傳統的兩個重要突破啟動了一個想法，這個想法的慣性最終將透過使他們所服務的神靈完全無能為力來挑戰教會的權威。首先，奧卡姆拒絕了亞里士多德的論點，即數學必須是一個單獨的類別，不應應用於其他知識領域（例如物理學）。其次，馬爾西亞拒絕了亞里士多德關於拋射運動的觀點，並提出了一個與伽利略三百年後提出的理論非常相似的理論。
馬爾西亞的方法純粹是理論性的，但他的論點是，拋射體保留了一種“剩餘力”（virtus derelicta），這種力提供了暫時抵抗其墜落到地球所需的動力。這種力由拋射體保留，不需要像亞里士多德所設想的那樣來自周圍空氣的力量。但馬爾西亞也是一位虔誠的基督徒，他認為這種 virtus derelicta 可以解釋聖餐期間聖禮的聖餐變體論（其中麵包和葡萄酒轉化為基督的字面意義上的身體和血液）。因此，他不願接受 terrestrial 和 celestial 領域之間存在勻速運動的想法。上帝仍然統治著天球，即使自然力支配著地面上的運動。
這兩個領域之間的聯絡最終將落到一位年輕的研究生尼科爾·奧雷斯姆身上，他在巴黎大學期間親身經歷了關於他的教授被指控為異端的爭議。這位年輕人後來成為 14 世紀最有影響力的學者之一，他的政治安全得到了查理五世國王的個人支援。1320 年代的事件顯然給這位年輕人留下了深刻的印象，因為他運用和擴充套件了奧卡姆和馬爾西亞在他們與亞里士多德決裂時的思想，提出了一個真正革命性的概念
畢達哥拉斯說，地球日夜圍繞赤道圓圈的兩極旋轉 . . . 其他人反駁這種觀點，說如果地球旋轉，空氣中的東西以及鳥類和雲彩將被地球的運動拋在後面。但畢達哥拉斯認為，不僅地球旋轉，而且空氣和其中的任何東西也旋轉。因此，無論是畢達哥拉斯學派的觀點更真實，還是其他認為地球是靜止不動的人的觀點更真實，都無法透過論證來判斷。
他繼續駁斥了反對這一假設的標準論點，即向上射出的箭會返回到原來的位置，因為他說箭會隨著地球繼續運動，因為它已經分享了地球的運動。這就像在移動的船上掉落一枚硬幣，它會相對於船垂直落下，但不會相對於大海。
但是，簡單的拋射運動和行星運動之間的這種聯絡將成為伽利略實證檢驗的基礎。透過簡單地測量物體（在他的案例中，是一個大的黃銅球）在以不同角度沿斜面滾動後行進的距離，他證明了勻速加速度的概念。這一見解直接導致了他對勻速運動的討論，其中地球上和天上的所有物質都按照物理定律執行。先前推動行星圍繞固定地球軌道執行的神靈最終將淪為旁觀者（或完全消失）。今天，直接源於伽利略實驗的物理定律，正如它們站在奧卡姆、馬爾西亞和奧雷斯姆的肩膀上一樣，使得這種神聖的假設完全沒有必要。“因為存在像重力這樣的定律，宇宙可以並將從虛無中創造自身，” 斯蒂芬·霍金在他的最新著作中寫道。“沒有必要祈求上帝。”
從石頭向外丟擲的簡單拋物線到天球的運動：這就是當小想法與富有創造力的頭腦和仔細的實證檢驗相結合時可能產生的影響。科學是對我們關於自然世界的想法的創造性檢驗。它是迄今為止設計的最好的一種手段，可以事實核查我們的集體現實，並且是人類精神的頂峰。
卡爾·薩根在他的書和 PBS 系列節目《宇宙》中最好地總結了科學過程的奇妙和力量，該節目在我剛比我的兒子大一點的時候釋出。
我們開始了我們的星際之旅，提出的問題最初是在我們物種的童年時代提出的，並且每一代人都以毫不減弱的驚奇感重新提出：星星是什麼？探索是我們的本性。我們最初是流浪者，現在仍然是流浪者。我們在宇宙海洋的岸邊徘徊得夠久了。我們終於準備好揚帆起航，駛向星空。
最近，我帶著我的兒子去了溫哥華的公共遊泳池，我發現他迷上了向上噴射的水柱，孩子們可以在其中玩耍。它們的弧線勾勒出五個完美成形的拋物線。我抱著他走到其中一個噴射口正下方的中點，然後向上指。“這就是重力獲勝的地方，” 我告訴他。我不認為他現在完全理解我的意思，但是還有很多石頭要扔進他想象的宇宙海洋中，隨著時間的推移，我希望這個想法會被接受。還有更多的概念即將到來，然後真正的樂趣就開始了，我們開始我們的航程，並根據我們周圍的世界檢驗我們的想法。
在接下來的這些頁面中，我的目標是在我的能力範圍內，處理對科學中創造性發現的考察，但也考察過程本身。在這樣做時，我將把自己的石頭扔進海洋，並且永遠不會真正完成。我希望有一天能把這些頁面展示給我的兒子。也許他會像我第一次被邀請進入宇宙海洋之旅時那樣受到啟發。也許他會明白我們為什麼選擇給他取名薩根。
參考文獻
Elazar, M. (2011). Projectile Motion and the Rejection of Superposition, Boston Studies in the Philosophy of Science, 288, 169-187.
Courtenay, W.J. (2000). The Early Career of Nicole Oresme, Isis 91 (3), 542-548.
Goddu, A. (2001). The Impact of Ockham's Reading of the "Physics" on the Mertonians and Parisian Terminists, Early Science and Medicine 6 (3), 204-237.
Leff, G. (1961). Heresy and the Decline of the Medieval Church, Past and Present 20 (1), 36-51.
Schabel, C. (2006). Francis of Marchia's Virtus derelicta and the Context of Its Development, Vivarium 44 (1), 41-80.
Toulmin, S.E. and Goodfield, J. (1999). The Fabric of the Heavens: The Development of Astronomy and Dynamics, University of Chicago Press, p. 220.
Zanin, F. (2006). Francis of Marchia, Virtus derelicta, and Modifications of the Basic Principles of Aristotelian Physics, Vivarium 44 (1), 81-95.