向远方航行
回顾20世纪的后半叶和21世纪的开始，容易看到，科学家跨出了巨大的步伐——突破性的发现，装备知识巨库，填补信息鸿沟，向着激动人心的新领域进军。21世纪开始之际，我们面临着许多崭新的问题——正是迄今为止获得的大量知识提出了这些问题。在过去50年中，科学比以前任何时候都更深入到一个奇异的领域，这个领域变得越来越奇异和激动人心，因为它们都涉及宇宙最基本的问题，而我们正是生活在这个宇宙之中。认识这些新领域——亚原子粒子物理学和标准模型、大爆炸和膨胀宇宙、太阳系（远的和近的）、地球、DNA和RNA、病毒和逆转录病毒、遗传工程，以及其他领域——为我们提供了一个窗口，由此可以看到超越我们自身及利益之外的世界，我们成为宇宙中更有学识的公民，成为宇宙中更和谐的一员。从这一认识出发，我们还学会欣赏历代科学家揭示的知识的巨大价值，从中学习，并且不断提问，因为运用这一力量——运用我们智慧的力量——正是我们能够赋予自身也赋予世界的最大礼物——这正是人之为人的重要本质。
从真正的意义上看，世界的未来取决于科学的未来。我们依赖知识作出有见识的决定，我们也依赖科学的成果获得知识。我们作为公民执掌缰绳，因为许多（并不是全部）科学现在既需要有组织的团队合作，也需要昂贵的设备，因此它们需要来自政府和各界的支持，以便进行各种尚未有答案的巨大项目。
在21世纪需要作出许多艰难的选择。要对科学知识的用途做出明智的决策，取决于我们是否对其后果和伦理学有深刻的了解。我们站在一个关键的点上，它前所未有地令人振奋。不管我们是否选择亲自从事科学工作，我们都已经成为一项伟大事业、一项与人类最有关系的伟大事业的参与者。
从亚里士多德到中世纪晚期
（公元前322年—公元1449年）
由于亚里士多德，希腊哲学进入鼎盛时期。他最著名的学生，亚历山大大帝，曾经试图用体力来征服这个世界，正如亚里士多德尝试以智力来征服这个世界一样。但是在亚历山大于公元前323年去世后，古希腊显赫的日子过去了。然而，在亚历山大的军队所到之处，在我们今天称之为泛希腊化地区，他到处播撒希腊文化的精华，在埃及还建立了著名的亚历山大城。宏伟的亚历山大图书馆见证了希腊思想的最后繁荣，这座图书馆毁于公元前48年。随着欧几里得（Euclid，约公元前325—约前270）和佩尔加的阿波罗尼奥斯（Apollonius，约公元前262—前190）的辉煌工作，希腊几何学达到顶峰。尽管很少有思想家能像亚里士多德那样雄心勃勃，建立起一个包罗万象的知识体系，不过希腊人开创的事业正是在后人那儿得到了纵深进展。
古希腊的思想家们为现代科学上足了马力。
阿基米德和直接观察
也许古代最伟大的“实干科学家”（working scientist）和数学家是阿基米德（Archimedes，约公元前287—前212），他是西西里岛叙拉古人。阿基米德对几何学作出过许多原创性贡献，但是不像同代人，他还是一位实干、动手的思想家，他把聪明才智用到许多兼有科学和工程特性的问题上。
阿基米德曾经致力于π值的计算，他的结果要好于古代其他数学家。除此之外，他还热衷于机械制造。据说，他发明或完善了许多战争机械，其中包括抛石机。他还设计了具有特殊构造的镜面，在叙拉古港口把太阳光聚焦到敌人的战船上，使之燃烧从而摧毁了对方的作战能力。
他最先懂得如何确定重心，并据此推出杠杆原理。据说，他曾经如此吹嘘：“给我一个支点，我就能够撬动地球。”他曾在叙拉古街上裸体奔跑，喊着“尤利卡！”（意思是“我找到了！”），据说这一情节发生在这一时刻之后：就在泡澡时，他发现了浮力定律。
虽然著名的阿基米德螺旋，一个中空的螺旋圆柱，旋转时会把水抽上来，这可能是阿基米德从古埃及人那里模仿过来的，但是毫无疑问，他是古希腊一罗马最杰出的科学和工程精英之一。
阿基米德在当时已很有名，他死于公元前212年罗马人洗劫叙拉古时。据说，罗马将军曾经向他的士兵下令，不要伤害阿基米德，而要给予尊敬。然而，有一个罗马士兵正好撞见阿基米德，当时阿基米德正全神贯注在沙砾上画几何图形，而他所在的城市正在燃烧。据说，阿基米德不耐烦地向士兵示意，要他离开。同样不耐烦的罗马士兵举剑结束了阿基米德的生命。在听到这一悲剧之后，罗马将军悲伤地给阿基米德举办了隆重的葬礼。
与此同时，在边远地区，例如爱琴岛上的萨摩斯，土耳其和埃及的亚历山大城等地的其他科学家，把他们的高超技能用于天文学，这一为世界上所有文化所共享的普遍科学。
宇宙
在天文学领域，萨摩斯的阿里斯塔克斯（Aristarchus，约公元前310—前230）和喜帕恰斯（Hipparchus，约公元前190—前120）继承了亚里士多德对宇宙性质的探求。经过托勒密（Ptolemy，约100—170）的加工，这一探求导致一个系统的理论，尽管仍有缺陷，但在整个中世纪一直流行，直到迎来文艺复兴时期和16、17世纪的科学革命为止。
尽管阿里斯塔克斯的工作今天已经少有保存，他的个人生平更鲜为人知，我们还是知道他是一位卓越的数学家。他的大部分时间都用于研究天空，他推测太阳是一个大火球，比月亮约大20倍，也比月亮远20倍。虽然这一数值太小了，但是他的论证却是如此的严密，以至今天许多科学家相信，如果他有幸用上今天的现代仪器，他一定会得到更为正确的结论。阿里斯塔克斯还得出了结论，认为亚里士多德对宇宙的看法是不正确的——太阳和众恒星并不围绕地球旋转，而是地球、月亮和众行星围绕太阳旋转。这是一种意味深长的观点，但很遗憾，他从未找到证明他的猜想的途径。在大多数人的常识看来，如果地球真在运动，应该能感觉得到，于是，阿里斯塔克斯的这一说法似乎无足轻重。
喜帕恰斯和托勒密
喜帕恰斯，通常被认为是希腊最伟大的天文学家，继承了亚里士多德的观点，认为处于宇宙中心的是地球，而不是太阳。他对恒星作了许多重要的观察，据此编制了最早的精确星表。对于科学史而言更为重要的是，喜帕恰斯试图解释，为什么他对天空的观察不符合亚里士多德的见解，即天体以完善的圆形围绕地球运动。例如，如果行星与太阳一样，取同样简单的轨迹运行，但为什么它们看起来会不规则地在天空漫游呢？毕竟，“行星”这个词在希腊文中的意思就是“漫游者”。于是喜帕恰斯提出一个解决办法，太阳和月亮以中心偏离地球的圆形轨道运行，也就是说，它们不是围绕地球这一中心而运行。他认为，行星围绕地球的运行是一个大圆，同时行星还有另一种小圆运动，实际运行就是类似于环状的运动。这些小圆套上大圆的模式，他称之为本轮模型。这一思想，被两个世纪后的托勒密采纳，在之后许多世纪里一直是主流天文学思想。
喜帕恰斯以观察为基础，编制了一个最早的精确星表。这是19世纪的一张插图，展示他在亚历山大城天文台上观察恒星。如果喜帕恰斯是希腊最伟大的天文学家，那么，正是托勒密，使得喜帕恰斯的许多思想具体化，并且还综合了许多其他人的工作，建立起一个以他名字而命名的体系，该体系一直持续到1543年哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543）把它推翻为止。托勒密大约出生于公元90年，出生地也许是埃及，他可能是希腊人，也可能是埃及人，总之不得而知。（但是他不是埃及托勒密皇室成员，这个家族正好在他出生之前居于统治地位。）他在自己的书中，今天被称为《天文学大成》（Alrnagest），给出对于宇宙的看法，其中托勒密总结了古希腊对天体运动的大部分想法。按照托勒密的说法，地球是位于宇宙中心的一个球体。已知的行星以及月亮和太阳，全都围绕地球而运行，从地球上来看，它们的排列秩序依次是月亮、金星、水星、太阳、火星、木星和土星，运行轨道则是偏心圆和本轮模型的复合体。不像亚里士多德，托勒密似乎意识到携带行星的球壳并不是真正的实物，而只是方便直观的数学表达。如果托勒密把天球当做真正的实体，他就不得不凭空再来解释他的小“环”如何与行星相互作用。然而，许多采纳托勒密体系的思想家却是继续把亚里士多德的天球看成是真正的实物，同时又采纳喜帕恰斯-托勒密的本轮模型。显然某种澄清和清晰的思考是完全必要的，尽管托勒密体系有明显的弱点，但这一概念在许多世纪里却成为标准的宇宙观。
为什么亚里士多德和托勒密的理论能够全面战胜阿里斯塔克斯等人的宇宙模型，并在如此长久的时期内占据如此多人的头脑？为了理解这一点，请大家回忆他那严谨的推理体系，亚里士多德解释了几乎全部的自然奥秘，足以使古希腊人满意。更值得注意的是，基于简单和显而易见的观察，他的体系提供了一种所谓好的“常识性”的解释。人人都看到石头落地、烟尘升起、太阳和恒星围绕地球旋转。他的目的论满足了人们寻求宇宙中目的和意义的需要，相对于尘世生活中的不完美，那完美的天空和天球又提供了某种和谐之美。
至少对于天文学家而言，当他们试图依据亚里士多德的教导对天体运动进行精确的观察和预言时，问题就接踵而至。托勒密提出的正是这样一个问题：怎样才能既保持亚里士多德体系的精神，又能对行星运动给出更精确的预言？《天文学大成》相当数学化，托勒密仔细计算了许多考虑到的现象。它纠正了许多问题，并且为天文学家和占星术家提供了更有用的方法。
事实上，在几乎14个世纪里，托勒密的工作成为天体研究的扛鼎之作。在他生前，经典希腊文化的辉煌时期早已不再。罗马时代开始于凯撒大帝（Augustus Caesar，公元前102—前44）的统治，并在相当长的时期里因向外扩张而欣欣向荣。但是罗马人更擅长于处理实际事务，诸如工程、财政和行政管理，而不是从事科学。随着公元5世纪罗马的衰败。从前在它版图之下的许多区域，西方文明和精神随之走向低潮。
来自东欧和西亚的民族开始横扫欧洲大陆。法兰克人从莱茵河谷推进到法兰西。盎格鲁人涌人英格兰。有一些部落，诸如伦巴人和勃艮第人，在欧洲各地从事游牧业，而匈奴人则定居在东欧，汪达尔人在非洲安营扎寨。相比于曾在这块土地上生活过的希腊人和罗马人，这些部落的文化更为原始。在英格兰，盎格鲁人建设新城用的几乎全是罗马城市舍弃的砖，因为盎格鲁人没有掌握制砖技术。大多数现存的基础设施，例如桥梁和道路，仍投入使用，尽管有些已被损坏。当年位于罗马政府心脏地区的论坛如今成了放牛的地方。在亚历山大城，宏伟的图书馆毁于一旦。世代积累的知识和记录遗失了。
但是，尽管亚历山大城的图书馆遭到破坏，但是亚里士多德的著作以及希腊一罗马时期的其他作品还是得到了保存并留传下来，这主要靠了阿拉伯学者。
阿拉伯科学的兴起
亚里士多德的学生亚历山大大帝以及他的追随者，把希腊文化传播到世界各地，结果带来了希腊文化和其他文化的交融。来自中国、印度、埃及和巴比伦的科学和上述所有区域的希腊知识相混合。贸易通道不只是交流货物，也交流思想，于是在公元400年，数学和天文学的通俗知识出现了。希腊文取代拉丁文成了通用语言。在罗马第一位基督教皇帝，君士坦丁一世的统治期，公元330年，罗马帝国从罗马迁到了新建的君士坦丁堡（现为伊斯坦布尔）。
于是通用语言——贸易和学术语言——开始变换。一支分离出去的基督教派，叫做聂斯托里教派，定居于叙利亚，他们把圣经和其他基督教文献译成了叙利亚文（一种当时在叙利亚运用的古亚拉姆语言）。他们也把亚里士多德、柏拉图和其他人的希腊哲学著作译成叙利亚文。这个民族到处迁移，又在印度和中国定居，随身带去了他们翻译的书籍。
直到公元7世纪，除了在连接罗马与印度的红海线路上经商，阿拉伯人在地中海社会居于次要地位。但是，随着先知穆罕默德（Muhammad，约570—632）在阿拉伯半岛建立起伊斯兰教，情况开始有了变化。针对希腊一罗马和波斯帝国，伊斯兰信徒开始发起一场大护教战争，在50年内，他们的影响范围从巴基斯坦扩大到非洲和西班牙，轻而易举地使当地的居民转而信奉伊斯兰教。由于在罗马帝国统治下受到压迫和重税盘剥，这些地区的人民欢迎穆斯林的统治。在许多情况下，伊斯兰当局保留当地的管理措施，用当地语言处理事务，并且宽容各种不同的文化。尤其在埃及和叙利亚，直到11世纪，希腊语还继续被当做官方语言。
一阵清风再度袭来，正如希腊文明的早期，由于摆脱了宗教带来的文化束缚，人们得以重新培育起对于科学的新兴趣。到了公元4世纪，有些基督教徒开始压制希腊哲学，公元529年，拜占庭（东罗马帝国）皇帝查士丁尼一世下令关闭所有他认为是“异教”的学校，即使雅典的学校也无一幸免，那里的学校可追溯到柏拉图时代。雅典的教师们逃到叙利亚的鸠地霞浦（Jundishapur）城，在那里重新建立学校，并且把以前翻译成叙利亚文的希腊著作再译成阿拉伯文。阿拉伯的翻译家也参与进来。在保存过去记录的同时，阿拉伯、希腊和叙利亚三种传统相汇合，开启了科学探求的新里程。