全面发展的十八世纪

全面发展的十八世纪１８世纪人类历史上最大的事件是英国的产业革命和法国的资产阶级政治大革命。作为科学，虽然排不出与之相匹配的辉煌事件，但是，一方面科学以非常主动的姿态参与和推动了这两个革命，这对于科学史来说，也是一种非常宝贵的成熟的标志；另一方面，自然科学也受到社会发展需要和自身发展需要的双重推动，除了在应用力学上有了很大的发展外，热学、电学、化学、生物学、地质学等新学科也迅速地发展起来。到１８世纪末叶，科学逐渐成为了一种理性的精神，成为推动１９世纪和２０世纪世界发展的根本动力之一，这是１８世纪科学的重大贡献。物理学在１８世纪基本上是一个平稳的发展时期，牛顿力学在两个方面得到了发展。一是由于一批思想家，特别如法国的伏尔泰（１６９４－１７７８）等人的介绍，使得科学逐渐为普通人民和当权者们所了解，另一方面是力学本身随着面对问题的日益复杂化，需要超过牛顿时代的新数学去完善，一批那一时代天才的数学家物理学家们参与了这一改造牛顿力学的工作，惠更斯（荷１６２９＿１６９５）、伯努利（瑞１７００＿１７８２）、达朗贝尔（法１７１７＿１７８３）、欧拉（瑞１７０７＿１７８３）、拉格朗日（法１７３６＿１８１３）等人灿烂的科学研究人生获得了巨大成功，比较划时代的如：欧拉用分析方法发展了质点动力学（１７３６），伯努利发现了流线方程，后来欧拉用变分法达到了能引出牛顿力学的普适数学形式，达朗贝尔将动力学化为静力学，哈密尔顿（英１８０５－１８６５）从拉格朗日函数中定义了广义速度和广义作用量，得到了哈密尔顿方程（１８３４），这一系列数学方式从此成为力学以及现代物理学的根本手段。到了十八世纪中叶，力学达到了顶点。牛顿力学由于被数学化了，也就被更普遍化了。一批原理和方程的引入使得牛顿力学适用于当时可以发现的一切现象。在这一时期，人们的视野开始注视对于微观物理的研究，首先是对于热现象和电现象的研究，１７２４年和１７４２年，华氏和摄氏两种温标的出现和温度计的出现以及热质说的确立是当年人们在热学领域里的创造性进展。在电磁学方面，吉尔伯特１６００年发表的被伽里略称为“伟大到令人妒忌”的著作《磁铁》标志了现代电磁学的开始，后来牛顿、波义耳等人也作过一些电磁方面的实验，但都属于早期工作。到了十八世纪，电学从实验中逐渐形成，首先是天电和地电得到了统一，进而发明了避雷针，众所周知，这个发明过程是很危险的，甚至有科学家牺牲在雷电实验中。二是意大利科学家伏打（１７４５＿１８２７）发明了电堆，这一发现使人类获得了稳定的电源装置，进而获得了电流；第三是卡文迪许（英１７３１＿１８１０）和库仑（法１７３６＿１８０６）对于静电做了定量的研究，他们各自独立得到的关于静电的定律和牛顿的万有引力在形式上很相似，这更加激起了人们对于力学、电学甚至热学之间理论关系的好奇，推动了１９世纪物理理论的大步前进。与物理学有很大关系的天文学，在１８世纪中最大的成就有两个事件。一个是德国哲学家康德（１７２４－１８０４）提出了关于太阳系起源的星云假说，１７５５年，他在《自然通史和天体论》一书中，提出了太阳以及一切恒星都是由原始的分散状态的物质微粒遵从力学规律在斥力和引力的作用下逐渐凝聚而成的观点，康德还对行星运动、行星的质量分布、彗星等都提出了自己的看法。康德的基本思想是一个有科学依据的设想，康德提出这一设想时，并没有引起科学界的注意，直到１７９６年，法国天文学家、数学家、物理学家拉普拉斯（１７４９＿１８２７）的巨著《天体力学》出版了，他提出了一个类似的星云假说，并且从数学上给以了论证，上帝在牛顿的引力系统中还占有一席之地，到了以非凡数学演算和逻辑推理的拉普拉斯手里，上帝被最终请出了天文学。于是，康德的书于１７９９年再版，并引起广泛的注意，后人往往把这两个假说并提，称为康德－拉普拉斯星云假说，这个假说的最大功绩是把太阳系看成是演变的、发展的，而不是永恒不变的。恩格斯在《反杜林论》中对此曾有高度评价，他认为，康德的假说“是从哥白尼以来天文学取得的最大进步。认为自然界在时间上没有任何历史的那种观念，第一次被动摇了。”本世纪天文学上的另一件事是音乐家出身的赫舍尔（英１７３８－１８２２）在实施伽利略的方案中意外地发现了太阳系的一颗新的行星＿天王星（１７８１），并且由此在天文观测上大展才能。这两件事异曲同工地证明了牛顿的万有引力定律是宇宙所有星体间复杂的多体关系中的普适定律，这是天文学的大进展。化学在１８世纪可以被称为革命的世纪，法国科学家拉瓦锡（１７４３＿１７９４）是这场革命的主将。他在化学史上的地位与牛顿在物理史上的地位相当。拉瓦锡和许多与他同时代的科学家（请注意：这些人中许多同时又是几门学科的先驱者）如拉普拉斯、普利斯特、卡文迪许、德莫瓦、贝托等一起实现了真正意义上的古典化学的理论创建。他们的首要功绩是推翻了燃素说。在此之前，人们总认为燃烧是一种分解的过程，是“燃素”逃离物体的过程。这种理论粗放地成功解释过许多燃烧现象，但也留下一些无法解释的问题。拉瓦锡以实验为基本原则，做了反复多样的实验，甚至不惜用昂贵的金刚石做实验，终于证明了燃素理论是不必要的学说。与此并行的是人们对于空气和化合物的研究也在不断地发展，当拉瓦锡最后以《化学纲要》一书的出版来确立新的化学体系的时候，整个化学理论就显得十分地清晰了。所以人们称他为近代化学之父。拉瓦锡进而去研究生物体的化学现象，不幸却在法国大革命中死在绞刑架上，和千年前阿基米德一样，又一颗伟大的科学头颅在不要科学的旗帜下被利刃砍了下来。化学从拉瓦锡开始大踏步地进入其辉煌的历史时期。在这个时期，还值得提到的是俄罗斯人罗蒙诺索夫（１７１１－１７６５），他宣布了化学反应的质量守恒定律，物质与物质在化合时有一定的比例关系，化合后生成的物质之间得失相当，后来这个当量定律经过人们的不断完善而更加成型，特别是道尔顿（英１７６６－１８４４）在此基础上结合了他自己提出的原子说而提出倍比定律，这样，原子论与当量论就合而为一。元素是原子构成的，元素的结合是化学反应，质量守恒、当量（定比、倍比）是不同元素的原子结合的结果，这样一来，化学的基本概念和基本范式就完成了。１７８０年，瑞典人柏格曼（１７３５－１７８４）首次提出了有机物的概念，拉瓦锡发现了有机物燃烧以后变成了水，这个世纪的末年，有机化合物的分离提纯技术得到发展，大量有机物被发现，科学界开始使用无机化学的方法分析有机物，后来，１８２８年，维勒（德１８００－１８８２）首次合成了有机物尿素。１８世纪的生物学较之化学还显得早期和稚嫩一些。在此之前（基本上还可以包括１８世纪自身），生物学除了对生理学有许多研究外，基本还处在博物学的阶段。当年亚里士多德就曾经描述过５００种动物。到了１７世纪，生物物种的积累材料已经到了“爆炸”程度，生物学面临并出现了生物分类的研究。１８世纪中叶，瑞典人林奈（１７０７＿１７７８）建立起了人为分类体系和双名制命名法，使生物分类学进入了近代科学的范畴。将生物人为地分为纲、目、属、种的方法是林奈的贡献，对所有物种进行一种标准化的命名的方式结束了过去命名的混乱局面，因此可以说是现代生物学的开始。引人注目的，是林奈将人与猿归入了同一个属，为后来的人们提供了广阔的思想天地。与林奈同时代的布丰（１７０７－１７８８）和稍后一点的拉马克（１７４４－１８２９）都是法国人，他们都是现代进化论的先驱，虽然他们的许多观点今天看来有错误甚至可笑的地方，但如同达尔文所说，他们的工作说明一个崭新的规律，即“有机界的变化就象无机界的变化一样，都是自然规律作用的结果，而不是神的干预造成的。”辉煌的十九世纪当人类进入１９世纪的时候，近代科学也进入了它的全盛时期，几乎达到了尽善尽美的境界。人们视野中的一切自然现象几乎都得到了完美的解释，各门自然科学并驾齐驱，共同建立起了一个空前严密和可靠的知识体系。只是为了描述的方便，我们还是按照自然科学的门类来分别讨论，但在实际上，在那个激动人心的时期，所有自然科学是同时在发展的，新的事物新的理论新的人物新的发现常常此起彼伏，雷鸣般地不断震撼着那个时代。１８世纪末叶，人们对于电的认识已日益完美。１９世纪最大的贡献是将电、磁、光统一了起来，由此开辟了崭新的理论思维和形成了自工业革命以来最大的产业变革＿电与磁改变了整个人类社会。丹麦物理学家奥斯特（１７７７＿１８５１）１８２０年在实验中发现电流接通时附近的小磁针发生了偏转，这个认识惊动了整个科学界。法国天才的物理学家安培（１７７５＿１８３６）当年底就提出了著名的安培定律，并且开创了电的动力学理论（相对于库仑定律的静力学理论）。接着，欧姆（德１７８９＿１８５４）１８２６年发表了欧姆定律，指出了电流、电压、电阻之间的关系，然后是英国的法拉弟（１７９１＿１８６７）通过各种实验证明了问题的另一方面：磁的变化也可以产生电流。法拉弟创造发明了“场”的概念和“力线”的概念，并天才地预言到电磁波可能出现。法拉第发现了电磁感应现象以后，电磁学才进入了自身的发展阶段。电磁理论所有这一切现象和局部结论，最终被另一位苏格兰物理学家麦克斯韦（１８３１＿１８７９）以极其完美的数学形式统一了起来，他在１８７３年出版的《电磁通论》中总结了本世纪电磁理论的全部知识，证明了电、磁、光的统一辩证关系，说明了电磁场的存在、电磁波的存在，并进而证明光是一种电磁振动，可以看作是一种电磁现象。麦克斯韦的这些伟大的理论，成了２０世纪科学飞速发展的源动力。可惜他本人并没有看到电磁波的诞生，这个实验是赫芝（德１８５７－１８９４）在麦氏去世不到十年的时候作出来的，不久，人类就实现了无线电波的通讯，达到了电磁理论的最高峰。划时代的变革来到了。除了对电的认识是１９世纪的巨大进展以外，在物理学发明方面还可以关注到以下几个领域的进展：首先是对热力学的本质的认识，在一批科学家＿其中著名的如卡诺（法１７９６－１８３２）、开尔文（英１８２４－１９０７）、焦耳（英１８１８－１８８９）、克劳修斯（德１８２２－１８８８）等人的努力下，建立了热力学的两个定律，即能量守恒定律和能量耗散定律。能量守恒是同时代十几个人通过不同领域的观察提出来的定律：迈尔（德１８１４－１８７８）首先提出了能量守恒（１８４１）；赫姆霍茨（德１８２１－１８９４）接着提出了能量守恒和转换的基本思想（１８４７）；焦耳在长期实验中测定了热功当量，说明了热是一种能量交换的形式；后来，汤姆逊（即后来的开尔文）等又确定了能量和守恒的表达方式（１８５３）。热力学第二定律被人们称为热力学自己的定律。卡诺的热机理论（１８２４）总结了热做功必须在高低温之间，汤姆逊１８４９年设立起了绝对温标，进而，克劳修斯１８５４年定义了一个特有的物理量熵，确立了平衡和不可逆的概念，并得到了宇宙热寂说的结论。热力学的这两个以否定语言表达的定律与力学的定律有相当大的差别，特别是第二定律所表达的系统的演化方向问题是一个崭新的问题。人们对热的研究反映了人类的视野已向微观领域进军。除了分子的热运动以外，科学家们对光的解释也在继续深入，光的粒子性运动和波动性运动之争经过几个世纪，到本世纪末似乎有了一些解答，光和电磁波相同是一个美丽的结局。但仍有问题留给了下一个世纪，甚至说下世纪天翻地覆的变革正是从对这种波粒二象的微观现象的深刻认识起步的；第三个微观领域是人们对于分子运动和对于原子结构的认识，对前者认识的结果是建立了与热力学相适应的分子运动理论，其代表人物是麦克斯韦和玻尔兹曼（德１８４４－１９０６），后者则以道尔顿为代表。这种对元素微观理论研究的结果促进了１９世纪化学的发展，伟大的俄国科学家门捷列夫（１８３４＿１９０７）１８６９年发表了他关于元素周期性变化规律的研究，给出了著名的元素周期表。元素周期表的诞生使人类对元素有了完全新的规律性认识。１９世纪化学史上另一位大科学家是德国的李比希（１８０３＿１８７３），他是有机化学开创时期的重要人物，他发现了存在于一些有机物中的安息香酸基，提出了乙基并定义了一般的基。在他的热情领导和努力实践下，１９世纪德国在化学和化肥生产工业上都在世界上有极大的优势。化学史上一个常常被人们引证的趣事是关于德国人