世界科技发展史

第三章世界科技發展史3-1前言科技發展史是用科學發展歷程中真實的歷史事實教育人的哲學。每一個科技工作者都必須熟悉科學技術的發展歷史，掌握本學科發展的來龍去脈，這樣才能有所發現，有所突破，有所創新本課程的目標是培養學生具有科學的世界觀和完美的人生觀，增強學生的科學素質。瞭解科技發展史，熟悉科學家研究科學的心路歷程，學習科學家的思維方式，培養科學現象的洞察力，以及增強分析問題和解決問題的能力像牛頓那樣站在科學「巨人」的肩膀上開拓創新像愛因斯坦那樣追求真理超凡脫俗像居里夫人那樣堅定執著無私奉獻像霍金那樣挑戰自我挑戰生命挑戰宇宙。3-23.1公元前的科技發展在公元前的科學研究，對後世影響深遠的應屬亞里斯多德(Aristotle)、歐幾里德(Euclid)及阿基米德(Archimedes)。亞里斯多德發表「動物自然史」、「動物結構學」、「動物發生學」及「論靈魂」等書。記載了五百多種動物。現代科學可說是建立於阿基米德的研究之上。阿基米德是歷史上的一位工程師與偉大的數學家，也是對力學有著明顯、直接貢獻的唯一古代希臘人。今日科學是建立在阿基米德對科學之鍾愛以及對基礎理論的認知，這些基礎理論可以直接用數學或是一種物理現象描述。歷史上的一些知名科學家，如牛頓、伽利略等等都是強烈受到阿基米德及歐幾里德等人的影響。3-33.1.1歐幾里德和數學基礎歐幾里德的生活幾乎不為人所知，僅知活於希臘時代末期，比亞里斯多德(Aristotle)年輕一代，和阿基米德同一時期。他於柏拉圖學院上過課，此學院創立於一世紀前，是當時最重要的數學學校。在亞力山大帝死亡後，普駝列邁一世於埃及掌權的時代，歐幾里德於亞力山大城成立他自己的學校。在西方文化的發展中，歐幾里德的幾何在物理世界的重要性，可說是非常特別難以估計的。歐幾里德幾何只有在非常大的量及距離，才會感到誤差，它是一種普通感覺世界的數學，而其限制也是近兩個世紀以來才明顯的。愛因斯坦是從歐幾里德概念以開始探討眾所周知的相對論。3-43.1.2阿基米德與科學的興起阿基米德(公元前287-212)生長於西西里島的西那庫斯城市，這是一個位於愛奧尼亞海濱的城市，他在這城市度過大半輩子。直到今日仍有機會在那裡見到城牆、防禦工事與溝渠等的古代都市遺跡。阿基米德約出生於紀元前287年，他的父親菲狄亞斯是一位天文學家，而阿基米德是當時國王亥厄洛II世的朋友，他們之間很有可能是親屬。阿基米德曾經遊歷埃及並求學於當時希臘的文化及學術中心-亞歷山大城。3-5阿基米德之「浮體」一書記載他最著名有關浮力的阿基米德定律，此定律敘述當一物體浸入水中時，此物體所受之浮力等於物體排開水的重量。石頭比水重，所以當石頭浸入水中後，雖然受到浮力，但仍然下沉，但大艘船浸在水面下之船身排開水的重量等於整艘大船的重量，所以船會浮在水上。阿基米德敘述了浮力的原理，同時也是後來流體靜力學的基礎。3-6亥厄洛國王花圈有關阿基米德定律，但典據無法考證軼事，就是亥厄洛國王花圈(一般資料均誤載為王冠)的故事，一個並非完全純金的花圈，其中成分含有部份的銀。亥厄洛國王希望在不破壞這花圈的情況下查證花圈的成份，因為這是褻瀆神聖的行為。在阿基米德死後二百多年，羅馬建築師馬克斯記載如下，當阿基米德坐在公共澡堂浴盆內洗澡時，注意到浴盆內水位上升的幅度等於他身體浸在水下的體積，因此他找到了解答！阿基米德馬上從浴盆中跳出，裸身衝回家中並高興的大喊大叫！據說從此以後，阿基米德的妻子不許他在於公共澡堂洗澡！阿基米德因此發現了一種可以輕易的算出任何不規則形狀物體的體積的方法。他將國王的花圈浸在水中並計算水面上升幅度，再將一塊等重的純金浸在水中，同樣計算水面上升幅度，發現二者上升幅度不一樣，因此清楚判定花圈的成份不是純金。3-7阿基米德之死亡阿基米德於紀元前212年被羅馬士兵所殺，根據歷史記載，阿基米德當時正在協助防禦城池，他發明一種彈道裝置可以將石頭拋向遠方並擊毀敵船。另一個故事是他發明一種裝置可將敵軍小船從水面上舉起。另外一個敘述阿基米德發明一種大鏡子可將陽光聚焦以燒毀敵船則是屬於誤傳，但是羅馬軍隊確實被阿基米德的發明所擊退，最後只好採取長期圍城的戰術。雖然羅馬大將馬賽羅斯希望不要殺死阿基米德，但是阿基米德仍然被其攻入城的士兵所殺害了，馬賽羅斯因此幾乎生氣的發狂3-83.2公元後至黑暗時代的科技發展中世紀（約400~1500年），隨著羅馬帝國的衰落，西歐進入一個所謂的黑暗時代。這個名稱算是頗為貼切，因為大部份的羅馬文明在這段期間受到破壞，並且被所謂的蠻族文化所取代，造成隨後的十個世紀變成昏昏沉沉的時期。在這麼長時間內，西方文明的進展卻非常的少；反而在醫學方面有比較突出的研究成果，這是因為醫學是屬於實用的科學，統治者較不會去干預。這時候最為著名的醫學發展包括：公元二世紀，羅馬醫學家蓋侖在解剖、生理、胚胎、病理、醫療、藥物等領域均有新發現，著述也很多。3-93.3文藝復興時代的科技發展(I)文藝復興是14世紀至16世紀在歐洲興起的一個思想文化運動，帶來一段科學與藝術革命時期，揭開了現代歐洲歷史的序幕，被認為是中古時代和近代的分界。現在普遍認為文藝復興發端於14世紀的義大利，文藝復興一詞就源於義大利語Rinascimento，意為再生或復興，以後擴展到西歐各國，16世紀達到鼎盛。當時，以地球為宇宙中心的觀念，是源自於公元二世紀傑出的希臘天文學家托勒密的數學系統。托勒密的系統深具說服力而且持續了數百年之久，他的系統被用來解釋自由落體以及星和雲的移動，在神學上，托勒密系統則是用來闡述人類在宇宙中地位的中心理論。3-103.3文藝復興時代的科技發展(II)然而到了十六世紀，人類探索世界的發現之旅為多元的世界帶來更多的證據，而羅馬教會的權威正日漸式微，使得托勒密的系統出現裂隙，1543年哥白尼的身後之作「天體的革命」，終於使托勒密的系統崩潰。哥白尼寫道：「地球帶著月球循著周年的大軌道在群星之間繞著太陽旋轉。」雖然這不完整的事實維持了將近一百年，但是哥白尼的革命已然開始，再加上伽利略及克卜勒等人的努力，帶動現代天文學的發展；牛頓的運動理論亦是根據他們的基礎之上。3-113.3.1哥白尼與太陽中心學說尼古拉斯哥白尼(NicolausCopernicus)15世紀波蘭天文學家哥白尼在其70歲時發表其巨著「天體運行論」。書中記載日蝕、月蝕、火星衝日、木星衝日、土星衝日等27項實際觀測之數據，推論出地球繞太陽公轉之事實，並對教會展開公開批判哥白尼的舅舅是一位學者，後來受任為主教。他對哥白尼的教育非常關心在那個時代，年青人通常只有兩條路可以走：一條是從軍，一條是當教士。哥白尼受到舅舅的影響，選擇傳教做他的終身職業哥白尼經過長期的觀察研究，最後完成了《天體運行論》3-12哥白尼「日心體系」概略的要點地球不是宇宙的中心，而只是月球軌道的中心宇宙的中心在太陽附近，包括地球在內的行星都環繞著太陽轉動太陽與地球距離和眾星所在的天穹層高度相比是微不足道的每天看到的天穹周期性地轉動，是由於地球繞其自轉軸每天旋轉一周所造成的(地球自轉效應)每年看到的太陽在天球的周期性運動，並不是太陽本身在動，而是地球繞著太陽公轉所造成的(地球公轉效應)目視到的行星順行和逆行的現象，是地球和行星共同繞著太陽運動的結果3-13天體運行論天體運行論的初稿大約在1530年就已經完成，但是哥白尼鑑於教會勢力龐大，貿然出版，只會徒然犧牲自己的生命，於是他將初稿藏於書齋裡，一直沒有公諸於世，只是將自己的見解，透過天文同好和其他的科學家傳播出去，所以越來越多的科學家知道哥白尼的理論一直到1539年，有位任教於威汀堡大學的數學教授雷替克斯，他閱讀哥白尼的短文後深受感動，親自到哥白尼住處拜訪，並以2年的時間整理出埋沒多年的稿子，改正其中的計算錯誤；並在1540年發行一本摘要來介紹哥白尼的學說，這本摘要並沒有引起教會太大的反彈，於是哥白尼才決定將天體運行論出版3-14天體運行論在出版前二個月，哥白尼身染重病，1543年5月24日，當這本書送到病榻前時，哥白尼的眼睛已經瞎了，只能用手撫摸這本改變後世天文學家觀念的偉大著作，當天哥白尼就與世長辭了，享年七十歲哥白尼過世後，他的論點引起極大的騷動，除了少數科學家之外，差不多所有的人都反對，包括羅馬天主教、馬丁路德、約翰喀爾文等宗教家都予以大力的抨擊，並將之列為邪說異端。但是，天文學的真理之火已被哥白尼燃起，擁護「日心說」的學者前仆後繼，第谷、克卜勒、布魯諾、伽利略、牛頓…….，其中甚至有人犧牲自己的性命來維護真理3-153.3.2克卜勒在天文學上之貢獻1572年，克卜勒發現一顆新星，並連續記載其亮度變化達18個月之久。其一生觀察了719顆恆星，並記錄了太陽系中6大行星之運動狀況，而歸納出行星運動三大定律。並確定彗星是一種實際的天體喬漢尼斯克卜勒(JohannesKepler)在1571年12月27日生於威爾，是位於德國的渥太華的一個城鎮1591年，克卜勒從大學畢業後轉入神學院，準備當牧師。1594年，將從神學院畢業時，經人介紹到奧地利葛瑞茲地方教數學及天文學3-16克卜勒的三大行星運動定律(續)橢圓軌道定律：行（衛）星運轉軌道為橢圓，而被繞行之天體之質量中心位在橢圓之某一焦點上。而圓可視作橢圓的一個特例等面積定律：相等的時間內，行（衛）星掃過相等的面積，所以行（衛）星距離被繞行之天體較近時，其速率較快。而這個定律其實就是牛頓提出之角動量守恆定律調和定律：繞行相同天體的任兩顆行（衛）星，其公轉週期(T)的平方與其軌道之半長軸（r）之立方成正比，即T2r3。而這個定律可以由牛頓之萬有引力定律所推導出來3-173.3.3伽利略之貢獻伽利略發明並改良望遠鏡，使之觀察天體更加方便。而他因為支持哥白尼的太陽中心之論點，而遭教會迫害，其一生最後9年均在牢中度過伽利略(GalileoGalilei)在1564年2月15日出生於義大利的比薩他在比薩大教堂發現單擺的長度改變，擺動的週期就不一樣；但是擺錘的重量、擺幅的大小和擺動的週期無關，這就是「擺錘等時性原理」。這發現在當時是一項創舉，那時伽利略還不滿20歲，是一位醫學院的學生比薩斜塔的落體實驗：證明古希臘最著名的哲學家—亞里斯多德的學說是錯誤的，當時伽利略為26歲3-18伽利略的觀察伽利略用望遠鏡看見金星也跟月亮一樣有盈虧，證實了哥白尼的見解是正確的—顯然金星是繞著太陽轉的，而不是繞著地球轉的看見太陽的表面有黑點，而且這些黑點不停的在移動、在改變，漸漸的又消失了。這發現擊碎了天體是完美的臆測，而且證明太陽本身在旋轉1622年伽利略的好朋友—烏魯班八世即位，成為羅馬新教皇。伽利略心想機會來了，於是他開始撰寫《關於托勒密和哥白尼宇宙論的對話》，這本書在1632年出版，表面上是以對話的形式，來解說兩種宇宙論的觀點，實際上則是宣揚哥白尼的地動說3-19伽利略所受到的迫害這書完成的隔年，伽利略就被押到羅馬宗教法庭總部，並被指控為「反對教皇、宣傳異端」的罪名，可憐的伽利略在布魯諾被燒死的陰影、和不堪身心折磨的情況下，終於口頭上承認自己學說的錯誤，並接受無限期在家監禁的處罰，直到教會滿意為止儘管遭到軟禁，伽利略研究的精神依然旺盛，他在家開始撰寫《新科學對話》這本書，書中將自己年輕時的研究詳細寫下，成為後世研究科學的寶典，這時他已經是74歲的老人了，雙眼也完全失明。1642年伽利略永遠閉上眼睛，離開人世。但是同一年，牛頓在英國誕生，牛頓說他是站在巨人的肩膀上，才有如此偉大的成就。而伽利略就是這巨人的其中之一3-203.3.4牛頓與運動定律小孩時候的牛頓充滿好奇心，並展現數學與機械能力，顯然的他不是想成為農夫。在1661年他就進入劍橋的三一學院。在1664年那一年他就被選為三一學院的學者，使他在獲得學士學位後一年就可以自由從事自己喜歡的研究工作，但是當年的大瘟疫阻止了他的機會，該大學竟然於1665年關閉，使他不得不回家和他再度成為寡婦的母親同住了兩年。1667年牛頓回到三一學院被選為劍橋大學的