我是物理学家，不是历史学家，但是这些年来我对科学史越来越着迷。科学史精彩纷呈，讲叙着人类历史上极为有趣的故事。像我这样的科学家对科学史又有别样的痴迷。掌握科学史有助于指引今天的科学研究，对有些科学家而言，学习科学史对他们目前的科研工作起到了推动作用。我们希望我们的研究工作将来能够在自然科学宏大历史中占有一席之地，无关大小。
我过去的作品已经涉及到历史题材，不过主要是现代物理和天文史，跨度大致从19世纪后期到最近。虽然在我们这个时代我们已经掌握了大量新的知识，但物理学的目的和标准并没有发生根本性变化。假如1900年的物理学家来学习今天的宇宙学标准模型或基本粒子物理，他们一定会倍感惊奇，但是这种寻求采用数学方程描述以及可实验验证的客观原理来解释各种现象的方法看起来一定非常熟悉。
不久前我决定应该对科学史早期阶段进行更深入的挖掘，那时科学研究的目的和标准还没有成型。做为一位大学教师，当我想掌握什么内容时，自然而然会自愿去教授这方面的课程。过去十年中我在得克萨斯大学不时为没有特别科学，数学和历史背景的本科生教授物理和天文史。本书就是基于那些课程的教学讲稿。
但是本书不是对科学史的简单叙述，它加入了一个现代前沿科学家关于过去科学的看法。我利用这个机会来阐述我对物理科学本质，以及它与宗教，技术，哲学，数学和审美学盘根错节关系的理解。
类似科学这样的方法由来已久。大自然不时会在我们面前呈现各种各样谜团：火，雷雨，瘟疫，天体运动，闪电，潮汐等等。通过对世界的观察可以做出实用的归纳：火发烫，打雷预示下雨，新月和满月时潮汐最高等等。这些基本成为人类的部分常识。但是在各地都有些人不只满足于只收集现象，他们更想解释世界。
这并不容易。我们的先贤不但没有我们现在这样对世界有全面的认识，更重要的的是他们不具备任何我们现在发现问题以及解决问题的方法。在我准备我的教学讲稿时我不止一次感受到过往几个世纪科学工作与现在有多大的不同。正如被多次引用的作家哈特利小说中所言：昔日犹如异国，其人行事迥异。在本书中我希望我不只为读者介绍科学史上发生了什么，而且能让读者感受到一丝科学工作的艰难。
所以本书不只是介绍我们如何逐步认识纷繁复杂的世界，任何科学史都以此为主。我在本书中的着重点有所不同，我会侧重介绍我们是如何逐步学会怎样认识世界的。
我并不是没有意识到本书书名中的“解释”一词会给科学哲学家带来疑问。他们早就指出很难清晰区分解释和描述的不同。但是本书关注科学史而不是科学哲学。我承认采用解释一词可能不太准确，这里的意思类似于日常生活中我们试图解释为什么某匹马赢得了比赛，为什么某架飞机发生坠毁一样。
副书名用了“发现”一词也有待商榷。我曾经想过用“现代科学的发明”做为副标题。毕竟没有人类的实践是不可能产生科学的。我最后选择“发现”而不是“发明”是为了说明科学之所以是现在这样并不是因为一系列历史上偶然的发明创造，而是因为自然本身就是这样。虽然现代科学并不完美，但历经不断调整和完善，已然非常有效。我们可以通过现代科学对世界有更可靠的认识。从这个意义上说，科学的确是一门等待人们去发现的技术。
这样人们可以谈及科学的发现，正如历史学家谈及农业的发现一样。虽然农业种类繁多，不尽完美，但由于农业实践在生物学的指引下不断完善，已然极其实用—我们依靠农业生产粮食。
采用这个副书名也是为了让我远离那些个别仅存的社会解构主义者，那些试图解释不光科学发现过程，甚至包括科学成果本身也是特定文化的产物的社会学家，哲学家以及历史学家。
在科学的多种分支中，本书着重介绍物理学和天文学。物理学，尤其是物理学在天文学中的应用，奠定了现代科学的基础。当然认为像生物学这种其原理很大程度取决于历史偶然性的科学可以或应该仿照物理学的观点有一定局限性，然而从某种程度上来说生物学和化学在19世纪和20世纪的发展确实延续着17世纪物理学的发展模式。
科学现在已然国际化，也许具备我们文明中最国际化的一面。但是现代科学的发现是发生在俗称的西方。现代科学从科学革命时期发生于欧洲的研究中学会科学方法，而后者又是从中世纪欧洲和阿拉伯国家的成就演变而来，最终源至于希腊早期科学。西方从世界各地吸取了很多科学知识 – 包括埃及几何，巴比伦天文数据，巴比伦和印度算术方法，中国的磁罗盘等等。但是就我所知，现代科学方法本身并不是引进的。所以本书强调的西方（包括中世纪伊斯兰）如同曾经被奥斯瓦德-施本格勒和阿诺德-汤因比哀叹的西方一样：对发生在西方以外的科学我将甚少介绍，对于被哥伦布发现之前的美洲大陆发生的有趣但与外界完全隔绝的科学进展我将完全不会介绍。
讲述这个故事我会面临现代历史学家小心回避的危险境地，即用现代标准评价过去。本书对历史大有不敬，我不会回避用现代视角批判过去的方法和理论。我甚至可以从揭示一些史学家过去不曾指出的科学大师的错误中找到乐趣。
一个常年致力于研究过去科学大师贡献的史学家可能会夸大他们心目中英雄的成就，我发现特别是对柏拉图，亚里士多德，阿维森纳，格罗斯泰特以及笛卡尔的研究。这里我并不是要指责过去一些自然哲学家有多愚蠢，而是想通过展示这些智力超群的大师与我们现在的科学概念差距有多远，我试图说明现代科学的发现多么来之不易。这也是一种警示，科学还没有最后成型。在本书几个观点中我指出科学方法虽然取得了如此巨大进步，我们今天可能正在重复过去的一些错误。
有些科学史学家制定了一个准则，在研究过去科学时不去参考现代科学知识。我则相反会尽量用现在知识去理清过去的科学。比如虽然说尝试理解古希腊天文学家阿波罗尼奥斯和喜帕恰斯如何从他们有限的数据中发展出行星在循环本轮轨道上围绕地球运动是很好的智力训练，但事实上不可能做得到，因为大部分他们应用的数据已经失传。但是我们清楚知道在古代地球和行星跟现在一样在近圆形轨道上围绕太阳运动，通过应用这个知识我们就可以理解古代天文学家手头掌握的数据是如何指引他们发展出本轮理论的。无论如何，现代人在阅读古代天文学时怎么可能忘掉我们现在已经完全掌握了的太阳系运行规律哪。
读者如果想详细了解古代科学家的工作如何切合实际，可以参见本书后部的“技术手册”。理解本书主要内容并没有必要一定去阅读这部分，但有些读者可能会从中学会一些物理学和天文学的瑰丽知识，就像我在准备这部分资料时所经历的一样。
科学现在与其初期相比已然完全不同。科学结果是客观的。灵感和审美判断在科学理论发展进程中固然重要，但这些理论的证实最终依赖对这些理论的预测结果做出公正的实验验证。虽然数学被应用于物理理论的公式表达以及推导出理论结果，但科学不是数学的一个分支。科学理论不能从纯粹数学思考中推演出来。科学和技术互惠，但是在最本质上科学并不是完全为了实用。科学对上帝或来世是否存在不置一词，科学的目的是对自然现象做出纯自然的解释。科学是个累积过程。每个新理论都会吸纳早期的成功理论，将其作为近似特例，而且对为什么这些近似特例有效，在什么条件下有效做出解释。
对于古代或中世纪科学家而言这些完全不是明确的，所有这些认识都是历经艰辛从发生在16世纪和17世纪的科学革命中学来的。现代科学从来不是一开始就做为追求的目标。那么我们是如何实现科学革命并将其超越达到我们现在的高度的呢？在我们探索现代科学发现之路时我们必须去回答这些问题。