近代科技史

科技史上的近代，一般是指16—19世纪。近代的科学技术成就，我们这里主要介绍近代科学革命、牛顿力学、近代化学、生物进化论、经典物理学体系、近代技术革命。

一、近代科学革命

14—16世纪，从黑暗的中世纪走过来的欧洲经历了一系列深刻的社会变革，文艺复兴、资本主义生产方式的兴起、地理大发现、宗教改革等，为科学的发展奠定了坚实的社会基础。科学几乎同时在 “大宇宙”和 “小宇宙”两个维度上向宗教神学发起冲击，拉开近代科学革命的大幕。然而，这是一场深刻的思想革命，科学为了走上独立发展之路，与宗教神学展开了针锋相对的斗争，甚至有人为此付出了生命的代价。

1.“大宇宙”革命——哥白尼日心说

在中世纪中期，基督教经院哲学对托勒密的地心体系进行改造，使之成为基督教教义的一个支柱。然而，随着天文观测技术的发展，该地心体系已是破绽百出。文艺复兴时期，已有许多进步思想家和天文学家对它表示怀疑。但是，真正打破这个体系的，是16世纪伟大的波兰天文学家哥白尼。

经过多年悉心研究，哥白尼得出了 “地球不是宇宙中心”的结论。在1543年出版的 《天体运行论》中，哥白尼向人们描述他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，有五颗当时已知的行星和地球围绕太阳旋转。地球也是行星，它与其他行星毫无区别。月亮是地球的卫星，它绕着地球旋转。恒星则在远离太阳的一个天球面上静止不动。

哥白尼用30多年的时间去测算、校核、修订他的学说。他的日心说短文曾在他的友人中间手抄流传。但他迟迟不愿将他的著作 《天体运行论》公开出版。因为作为一个天主教徒，他很了解他的学说的 “危险性”。1543年5月24日，生命垂危的哥白尼在病榻上见到了 《天体运行论》的样书。据说他只摸了摸书的封面，便与世长辞了。

当然，哥白尼的日心说也有其时代局限性。例如，他认为行星的轨道是圆、宇宙是有限的球等。但这无损于它的伟大。它的这些局限性在后来的开普勒 （J.Kepler，1571—1630）等人那里得到了克服。恩格斯在 《自然辩证法》中对哥白尼的 《天体运行论》给予了高度评价：“自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用这本书 （虽然是胆怯地而且可说是只在临终时）来向自然事物方面的教会权威挑战，从此自然科学便开始从神学中解放出来。”[4]科学史家一般把 《天体运行论》出版的1543年作为近代科学的诞生年。

《天体运行论》发表后，遭到了马丁·路德的反对和责难，他把哥白尼叫作 “想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人。同时，日心说也遭到一些天文学家的反对和质疑。因为它不但与经典的思想相抵触，而且与人们的日常经验不符。因此，哥白尼日心说直到最终被承认，经历了一条非常曲折的道路。从布鲁诺到伽利略，许多人为了宣传和传播它而触怒了教会。布鲁诺还为此付出了生命。

布鲁诺对日心说的主要学术贡献是克服了哥白尼的 “宇宙是有限的”观念局限性。布鲁诺认为，宇宙无论在空间和时间上都是无限的。地球不是宇宙的中心，太阳也不是宇宙的中心，太阳只是太阳系的中心。整个宇宙根本就没有中心，也没有界限。宇宙中有无数的太阳，而围绕它们运行的是无数的行星。

罗马教廷对布鲁诺到处宣传日心说和他的新宇宙观感到非常恐惧和仇恨。1600年2月17日，是科学史上一个无比黑暗的日子。这一天，布鲁诺被宗教裁判所处以火刑，烧死在罗马的鲜花广场上。

解决哥白尼日心说关于 “行星运动为圆轨道”这一局限性的是开普勒。开普勒利用老师第谷留下来的珍贵天文观测资料，对火星的运动轨道进行了研究，经过多年的艰苦计算，终于发现了火星的真实轨道是椭圆，而太阳恰好位于椭圆的一个焦点上。在此基础上，开普勒又研究了其他几个行星的运动，证明它们的运动轨道都是椭圆，这就推翻了 “天体必然作匀速圆周运动”的传统偏见，得到行星运动第一定律。接着他又发现了行星运动的第二定律和第三定律。自从这三大定律被发现之后，行星的复杂运动立刻便失去了它的神秘性。更为重要的是，它把哥白尼的理论推进了一大步，为专业天文学家和数学家提供了支持日心说的强有力论据。后世史家称赞开普勒是 “天空立法者”。

1623年，开普勒因出版 《哥白尼太阳中心说概念》受到教会迫害，书被焚，工资被停发。1630年，开普勒在前往布拉格向皇家讨欠薪的路上贫病交困去世。后来德国大哲学家黑格尔谈到这件事，曾痛心疾首地说：“开普勒是被德国饿死的。”

当开普勒在布拉格进行研究发现行星运动定律时，在意大利，伽利略正在将自己亲手制作的望远镜指向天空。他惊奇地发现：月亮表面也有许多凹凸不平的山岳、盆地；木星有四个卫星围绕着运转，俨然一个 “小太阳系”；银河是由无数个恒星组成的星系；金星、水星也有盈亏现象；太阳上有黑子等。这一系列的发现，对哥白尼的日心说给予了有力的支持。1632年，伽利略出版了 《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称 《对话》）一书。此书在表面上保持中立，但实际上却为哥白尼体系辩护。《对话》出版后六个月，便被罗马教廷查禁。1633年2月，宗教法庭把伽利略传到罗马，并强迫他在 “悔过书”上签了字，最后判决伽利略终身监禁。据说，伽利略在听了判决后，只是喃喃地说：“无论如何，地球确实在运动啊！”

基督教会最终对日心说的承认是迫于科学的进步。哥白尼日心说提出两个多世纪后的1757年，教会取消了对哥白尼 《天体运行论》的禁令。1979年，罗马教廷宣布重新审查对伽利略的裁判，1980年成立了一个由杨振宁、丁肇中等著名科学家组成的伽利略案件调查委员会。1983年，罗马教皇承认“给伽利略定罪的法官犯了错误”，宣布给伽利略平反。

2.“小宇宙”大革命——近代医学的突破

古代的自然哲学家们把人体称为 “小宇宙”，并且猜测 “小宇宙”与大宇宙存在某种相似性。16世纪，正当哥白尼提出日心说在大宇宙领域向宗教神学提出挑战之时，维萨里、塞尔维特、哈维等人对人体进行了研究，并取得重大突破，从而在 “小宇宙”领域也向宗教神学发起了冲击。

哥白尼的 《天体运行论》出版的同一年，维萨里在巴塞罗那出版了划时代的著作 《人体结构》。该书后来成了医学解剖学的经典。维萨里在继承盖伦解剖学成就的基础上，向人们展示了大量全新的人体知识，并纠正了盖伦的许多错误。维萨里在该书的序言中曾这样说：“我在这里并不是无故挑剔盖伦的缺点，相反，我肯定盖伦是一位大解剖学家。他解剖过很多动物，但限于条件，就是没有解剖过人体，以致造成许多错误。在一门简单的解剖课程中，我能指出他的200多处错误。但我还是尊重他。”维萨里的 《人体结构》之后，解剖学得到全面深入的发展，近代医学也在此基础上逐步形成。

维萨里对盖伦的批评和对 《圣经》一些观点的否定，激怒了教会和盖伦的忠实信徒。他们诬告他搞人体活体解剖。宗教裁判所判处他死刑。维萨里后死于去耶路撒冷朝圣回来的路上。

维萨里的 《人体结构》研究过人体的动脉管和静脉管，也研究过心脏，然而并没有解决人体血液流动的方向、通道和作用问题。后来塞尔维特发现了血液的肺循环。但由于其研究成果与基督教正统教义抵触，被教会所不容，最终被宗教裁判所处以火刑。彻底解决血液循环问题的是哈维。1628年，哈维的 《心血运动论》出版。

与哥白尼的日心说一样，血液循环论一出现便招致风暴似的反对和攻击。但真理终归是真理，无端的攻击和指责是无法改变事实的。因为，《心血运动论》是以严格的人体解剖和动物的活体解剖为基础的。最终，在世界各大学的讲台上，盖伦医学中主观臆断的谬论被淘汰了，取代它的是哈维发现的血液循环理论。

哈维的贡献是划时代的，他的工作标志着新的生命科学的开始，属于发端于16世纪的科学革命的一个重要组成部分。哈维因为他出色的心血系统的研究，被后人誉为 “近代生理学之父”，成为与哥白尼、伽利略等人齐名的科学革命的巨匠。

二、牛顿力学的创立

科学革命后，自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来。首先发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学。因为，与其他学科相比，力学比较简单、直观。这也符合人类认识从简单到复杂的规律。经典力学也称牛顿力学，是牛顿把地面和天空的力学统一到一个基本的力学体系中而创立的。它实现了自然科学的第一次大统一，是人类对自然界认识的一次大飞跃。

但是，经典力学体系的创立不是一个人的功劳，而是那个时代一批科学家共同努力的结果。牛顿只是经典力学体系的最终完成者。对此，牛顿曾有过这样一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”确实，如果没有这些科学巨人们开创性的工作，牛顿是不可能发现万有引力定律及完成经典力学的综合工作的。这些科学家主要有伽利略、开普勒、惠更斯、笛卡尔 （RenéDescartes，1596—1650）、胡克、哈雷等。

16世纪后期至17世纪后期的近100年中，伽利略等上述这些科学家已分别在运动学、行星运动、向心力、引力的平方反比关系等研究领域做出了成果，也就是说，经典力学的基础工作已经完成。但各种力学的知识和理论基本处于 “各自为战”的状态，显得有些杂乱无章。这时，科学史上千年一遇的巨人牛顿出现了，他用优美得无与伦比的数学语言，描述并统一了地面、天空的力学理论，创立了经典力学体系。这是自然科学的第一次大综合，在科学史上竖起了一座丰碑。而从哥白尼开始的近代科学革命，也以牛顿力学的建立为标志，宣告胜利完成。在一个多世纪的与宗教神学的抗争后，科学终于把上帝驱逐出了太阳系，在太阳系内上帝不再拥有发言权。科学理性思想的光辉开始照耀地球，指引人类前进的方向。

自从开普勒发现行星运动三大定律之后，许多科学家都在探索行星遵循三大定律运行背后的原因。牛顿自然也不例外，并且有证据证明，早在1665—1666年躲避瘟疫隐居家乡期间，他就已经思考过天体的引力问题。牛顿那个几乎妇孺皆知的 “苹果落地”的故事就发生在那期间。当然，这仅仅是一个故事而已，肯定存在着后人的夸大渲染。牛顿自己就曾说过，万有引力定律是 “不停地思考”的结果。不过，苹果落地触发牛顿对引力的思考，这是完全可能的。

在长时间的思考中，牛顿逐渐认识到，地球吸引地球表面物体的力 （如吸引苹果落地的力），与地球吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。这是人类认识上的一个重大飞跃。后来，牛顿又通过对地球、对月球的引力研究，发现了地月间的引力与其距离平方反比的关系，并认为，这一引力并非磁力，本质上就是重力。

1687年，牛顿的 《自然哲学的数学原理》出版，牛顿力学创立。刚开始，牛顿力学并没有得到普遍承认。但是，哈雷依据牛顿力学准确预言哈雷彗星的回归，后来人们又根据牛顿万有引力定律的计算发现了海王星和冥王星。此外，牛顿曾指出，由于万有引力与行星自转产生的惯性离心力的综合作用，行星形状应该偏离球形，呈橘子的扁球状，后在地球的测量中这也得到证实。这样，万有引力定律在天文学上的一系列惊人成就，使人们不得不信服，牛顿力学的地位得以确立。《自然哲学的数学原理》也成了经典力学的《圣经》，在科学史上具有划时代的意义。

三、近代化学

化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。自古以来，人类一直对自然界物质的丰富多变充满着好奇。从某种意义上说，古代的炼金术就是这种好奇心驱使下的产物。到15、16世纪，由炼金术中获得的化学知识和化学方法开始在许多其他领域中得到实际应用，尤其是在医药和冶金方面最为显著，也取得了很多的成就，但主要以实用为主，并没有在理论上取得突破。

化学理论上的重大突破首先由英国化学家波义耳在17世纪后期做出。他第一次为化学元素下了明确的定义，把化学确立为科学，使化学发展有了新的起点。

波义耳的元素定义的提出，激起了人们对已知的 “元素”进行重新鉴别的热情。当然，从现代化学的观点看，波义耳所定义的元素实际上是单质，他以这一定义将单质与化合物和混合物区别开来。不过人们发现，根据波义耳的元素定义，被炼金术士们称作元素的硫和汞确实是元素，而被炼金术士们称为元素的盐、水和空气根本不是元素；反之，炼金术士们认为不是元素的铜、铁、锌、碳等倒是真正的元素。同时，波义耳的元素定义的提出，也激起了人们寻找新元素的热情。正是在波义耳的元素定义的指引下，人们逐渐发现了一系列新的化学元素，而化学也因之得以迅速进步。

人类很早就会使用火了，燃烧是人类最司空见惯的现象，但人们长时间不知道燃烧是怎么回事。17世纪，随着冶金业的发展，人们迫切需要对燃烧的本质作出解释。在17—18世纪的100年间，关于燃烧本质的理论是 “燃素说”，认为燃烧是一种分解作用，“燃素”在燃烧的过程中，从可燃物中飞散出来，与空气结合，从而发出光和热，这就是火。18世纪后期，越来越多的化学实验结果使燃素说穷于应付，无法自圆其说。

1774年，氧气被普里斯特利和舍勒两人分别独立地发现。1777年9月5日，拉瓦锡向巴黎科学院提交了划时代的论文 《燃烧概论》，建立了燃烧的氧化学说，最终揭开了燃烧的奥秘。化学也由此迎来了大发展的转折点。

1808年，道尔顿提出原子学说，拉开了19世纪化学全面繁荣的序幕。至19世纪初，化学界已发现了好些定律，例如物质不灭定律、定组成定律、当量定律等，同时，也建立起了一些基本概念，如氧化、还原等。但是，这些化学定律和基本概念缺乏一个完整的理论去统率它、驾驭它，犹如一堆铜钱缺乏绳索去串联它，显得孤立、零乱。道尔顿目睹这个现状，决心去寻找这根线索。

道尔顿把化学上已发现的这些定律联系起来思考：他想，自然界的物质为什么会有如此神奇的数量关系呢？是原子吗？原子在自然界中存在吗？如果确实存在，那就应当根据原子理论来解释物质的一切性质和各种变化规律；在化学上，化学原子理论应当成为物质结构的真正理论。他想努力搞清原子的特点，各种元素的原子有何区别，原子的重量、大小、形态又是如何的。终于，他继承古希腊德谟克利特的原子概念，综合牛顿、波义耳、罗蒙诺索夫等科学家的有关理论和假设，提出了科学的原子论。1808年，道尔顿出版《化学哲学的新体系》一书。该书是化学史上的奠基之作。在书中，道尔顿系统阐述了他的化学原子论。

不过，由于时代的局限，道尔顿的原子论也有一些不足和自相矛盾的地方。例如，他认为原子是不可分的，但又说有复杂原子，并说复杂原子可以分为简单原子。当然，我们现在已经明白，道尔顿是把化合物当成了复杂原子，不懂得分子的概念。这在后来阿佛伽德罗的分子学说提出后得到了克服，从而建立起了科学的原子——分子学说。

道尔顿的原子论提出后，人们对元素的概念更加清晰了，从而大大加快了发现化学元素的进程。至1869年，已发现的化学元素达到了63种。那时候，最令化学家们激动的事莫过于发现新元素了。可是，谁也说不清世界上究竟有多少元素，又应当怎样去寻找新元素，人们只是在盲目地摸索着。更令化学家们伤脑筋的是，随着新发现元素的增多，人们对这些元素性质了解得更多，人们反而被眼前这纷繁复杂的化学世界给搞糊涂了，也给教学和科研带来许多不便。难道世界上化学物质就是这样偶然地、杂乱无章地凑到一起的吗？各种元素之间有没有什么内在的联系？有没有一个统一的规律支配它们呢？

许多化学家开始思考和探求这一系列问题的答案。他们的主要做法就是把这些元素按照各种方式排列成表。最终，门捷列夫发现了元素周期律。元素周期律是人类对化学元素认识的一次大的总结。同时，也为人类进一步认识化学元素奠定了科学基础。许多化学元素是在周期律发现以后才被发现或制取出来的。

19世纪中叶，随着有机合成的快速发展，有机化合物的数量也急剧膨胀。然而，化学家们注意到：有机化合物如此繁多，而构成有机化合物的元素却只有碳、氢、氧、氮等屈指可数的几种。这引起了他们的思考：这几种元素以什么方式构成这么多性质迥异的化合物？当分子、分子量的概念逐步确立以后，人们又发现有机物较之无机物往往有大得多的分子量，道尔顿的原子结合最简原则并不适用于有机化合物，有机化合物必然有更复杂的结构。及至同分异物体的发现，才启示了化学家们去探索有机物质的内部结构——分子中原子的排布和组合方式。这样，有机化学的理论就逐步发展起来了。

1832年，维勒和李比希首先提出了 “基因论”。1843年，日拉尔提出了“类型论”。1858年，德国著名化学家凯库勒提出了碳的四价学说，这一学说成了有机化学结构理论的基础。他还因发现了苯的分子结构而著称于世，而他那个在梦中悟到苯环结构的故事，更是科学史上的传世佳话。碳原子四价学说和苯分子结构被发现后，有机结构理论的研究便驶上了快车道。不久，俄国化学家布特列洛夫系统地提出了有机结构理论。这样，有机化学的最基本理论已经确立，从而为后来有机化工以及高分子化学的快速发展奠定了坚实的基础。

至此，化学理论的基本框架已经奠定，到20世纪以后，化学理论上的突破更多是有赖于现代核物理学和量子力学的成就，主要是在关于化学反应的过程及机理方面。

四、生物进化论

地球上的生物是从哪里来的？为什么会形成这样千姿百态、各不相同的物种？自古以来，这个问题就引起人们不断的争论。古希腊的阿那克西曼德曾猜测：“人是由鱼变成的，是从水中到陆地上来的。”这可以说是生物进化思想的最早萌芽。不过，在18世纪中叶以前，关于生物物种的问题，统治人们思想的是人和万物都是由神创造的说法，其中影响最大的就是基督教的神创论，就连著名的生物学家林奈也曾对此深信不疑。林奈认为，世界上千变万化的生物世界，每一个种都是上帝的有意创造，所以它们才这样巧妙、这样丰富多彩。上帝创造的物种永恒不变，即：隐花植物就是隐花植物，显花植物就是显花植物；猴就是猴，鱼就是鱼。它们永远不变，二者之间没有任何联系，更不要说动物和植物之间、生物界与非生物界之间的转变和联系。

18世纪中后期，布丰首先提出了生物进化的思想。他认为，物种是可变的。生物变异的原因在于环境的变化；环境变了，生物会发生相应的变异，而且这些变异会遗传给后代 （获得性遗传）。但由于受到教会过大的压力，布丰的进化思想和论述有许多矛盾之处。后来，达尔文评论说：布丰是第一个以科学精神阐明物种起源问题的人，然而他的观点却动摇得厉害。

继承布丰的生物进化思想的是拉马克。他取得的古生物化石的研究成果，使他开始怀疑 “上帝创造万物”和 “物种千古不变”的说法。他相信今天的生物是古代生物进化来的。在他看来，物种的稳定性只是一种错觉。那为什么物种的进化不易看出来呢？这是因为进化是逐渐的、缓慢的过程，而人类的寿命又很短暂。他说，假如有一种寿命只有一年的小虫，连续二十五代观察一座房屋，它们也会认为房屋是不会变化的；一个生物学家在观察物种时也会遇到类似的情形。他坚信自然界总是循序渐进地产生各种生物，最先产生的是最简单的生物，后来产生的是复杂的生物，这就形成了一个由简单到复杂、由低级到高级的连续系列。那么，物种为什么会变化呢？拉马克认为，外界环境是引起生物变异的直接原因。由于宗教的原因以及当时古生物研究领域权威居维叶的反对，拉马克的进化思想没有得到承认和传播。

最终让生物进化思想得以确立的是达尔文。1859年，科学史上划时代的著作——达尔文的 《物种起源》出版。在书中，达尔文用大量而丰富的资料，系统、全面地阐述了他的进化论思想。其基本点是：其一，生物是进化来的，既不是上帝创造的，也不是一成不变的。其二，变异是生物普遍存在的现象，变异的基本原因是生活条件的改变。其三，通过人工培育可以产生新种。其四，相似的生物起源于一个共同的祖先，一切生物的最终起源是单一的。其五，在自然界中，生物物种是通过自然选择而产生的；自然选择中遵循 “物竞天择，适者生存”的基本规律。其六，达尔文还认为，生物不仅有变异，而且有遗传，它不仅保证种的繁衍，而且保证把有利的变异传给后代。有利的变异在世代的传递中逐渐积累，最终可以产生出新种。总之，达尔文对生物进化做了规律性解释。

《物种起源》的出版犹如一块巨石落水掀起巨澜，引起了人们的激烈争论，就连一些科学家开始也接受不了生物进化这一革命的理论。而一般民众在心理上对如此大跨度的思想跃进明显不适应：人类是猴子的子孙？太卑贱了！仅仅是想到这件事，就不禁觉得恶心！

当然，更多科学家支持达尔文的进化论，特别是英国的生物学家赫胥黎和德国生物学家海克尔，他们不仅热情地宣传进化论，而且勇敢地与宗教界进行论战，从而捍卫和发展了进化论。赫胥黎被称为 “达尔文的斗犬”，是他首先把进化论用到人类的起源上，推测人类是由类人猿变来的，人和猿有共同的祖先。海克尔则最早提出了动植物进化的系统树，并标明了人类的来源和人种的分布。最终，达尔文进化论被普遍接受，成为科学史上最伟大的理论学说之一。

五、经典物理学体系的完成

在古代，人们就已注意到光、电、磁、声、热等这些物理现象，但对它们本质的认识却一直没有什么进展。到了近代，人们才真正开始对它们的科学研究。牛顿力学的建立，标志着近代物理学的诞生。此后，专门研究这些物理现象的分支学科相继建立了起来，至19世纪末，经典物理学体系完成。

1.光的本质—— “微粒说”与 “波动说”之争

光学是一门古老的学科，中国先秦时期的墨家就做过许多光学的实验，古希腊的自然哲学家们也十分关注光这种自然现象。那时，主要讨论的是关于光的本性的思辨和经验上光的传播方式。真正开始对光的科学研究是在17世纪。

光的色散现象的发现，是近代物理光学研究中第一个重要的成果。该项工作是由牛顿完成的。光的色散现象被发现后，牛顿开始了对光的本质的研究。起初，牛顿也曾认为光是一种波，因为这样能轻易地解释两束光交叉通过时不受干扰的现象。然而，随后牛顿便对 “光是波”的认识发生了怀疑，因为光若真的是波，那么光为什么会直线传播？牛顿看到用 “光是波”的结论无法解释这一基本事实时，便提出了光的本质的 “微粒说”。结果，他成功地解释了光作直线传播、光能投下清晰的影子、光的反射等现象。

然而，牛顿光的微粒说的提出，却引起了一场持续300年的大论战，即科学史上著名的光的微粒说与波动说之争。波动说以笛卡尔、胡克、惠更斯为代表，而微粒说以牛顿为代表。

由于牛顿在科学界的威望以及光波动说本身还不完善，在19世纪以前，牛顿的微粒说在科学界占据了优势地位。19世纪初，由于英国科学家托马斯·杨那个著名的 “双缝干涉实验”，以及其他人的一系列努力，使得光的波动说得到复兴。托马斯·杨在1800年发表了题为 《关于声学和光学方面的实验和问题》的著名论文。他指出，光如同声音一样，是一种振动，这种振动是靠充满宇宙整个空间的以太传播的。这样，波动说在19世纪初取得了胜利。特别是到了1864年，麦克斯韦仔细研究了光波，指出光是一种波长很短的电磁波，它与其他电磁波没有本质上的区别，只是波长不一样，从而完成了一次人类对光的认识的飞跃，使光作为一种波动被确定下来，并使光的微粒说在一段时间里沉寂了下来。

但光的波动和微粒之争并没就此结束。20世纪初，发生了现代物理学革命。光的微粒说以爱因斯坦提出的光粒子的形式，在沉寂一个世纪后获得新生。不过光的波动性并没失效。现代量子力学认为光是波动性和粒子性的统一，具有波粒二象性，至此人们才获得了对光本质的正确认识。

2.热的本质——热力学和能量守恒定律

人类对热的接触和人类文明一样久远。从钻木取火到古埃及的 “蒸汽转球”，远古的人类就已认识到了热现象。但人类真正对热本质的探索始于近代。18世纪时，有人提出了 “热质说”（也称 “热素说”），认为热是一种特殊的物质——热质。它不生不灭，可渗透到一切物体之中。一个物体是 “热”还是 “冷”，是由它所含热质的多少决定的。

热质说在18世纪一直占据统治地位，但也有一些科学家不同意这种观点，因为热质说无法解释摩擦生热、撞击生热等现象。这些科学家提出 “热是物质运动的一种表现”的观点。

第一个真正对热的本质进行科学研究的是卡诺 （N.L.S.Carnot，1796—1832）。在经过多年对热机的研究后，卡诺于1830年在其工作手稿中写道：“人们可以由此提出一个普遍的命题：动力或能量是自然界中一个不变的量。准确地说，它既不能产生也不能消灭。”实际上，这时卡诺已经发现了能量守恒定律。但非常遗憾的是，这一非常有价值的研究见解尚未来得及整理发表，他就死于1832年的霍乱，时年仅36岁。十几年后，能量守恒定律终于在迈尔、焦耳等人的努力下被发现。

在热力学的框架内，热力学第一定律和能量守恒定律是等价的。其实，热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式。能量守恒定律的内容是：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体；在转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。

能量守恒定律的发现，具有重大的意义。它生动地证明了自然界各种物质运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性。打破了过去人们把热、光、电、磁、化学等运动形式都看作是彼此孤立的形而上学的观念，为事物普遍联系的观点提供了强有力的科学依据。

热力学第二定律发现的准备工作是由卡诺完成的，但由于受热质说的影响，他虽已推开了热力学第二定律的大门，但没有跨进去，最终没能把这一定律准确地表达出来。不过，卡诺的工作，为热力学第二定律的发现奠定了基础。最终发现热力学第二定律的是开尔文和克劳修斯。尽管克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的表述不同，其实它们是等价的，并且都包含一个共同的真理，即热机在工作过程中不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为有用的功，总要把一部分热量传给低温热源，这就是理想热机的效率不可能达到100％的原因。1865年，克劳修斯把 “熵”的概念引入热力学，用以说明热力学第二定律。他指出：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵值增加，所以热力学第二定律又称 “熵增加原理”。

热力学第一、第二定律的发现，使人们对各种热现象的认识有了理论基础。20世纪人们又发现了热力学第三定律。该定律有两种表述：①当温度趋于绝对零度时，体系的熵趋于一个固定的值，而与其他性质 （如压力等）无关。②绝对零度是不可能达到的，即不可能用有限的手段使物体冷却到绝对零度。

3.电磁历程——打开奇妙的电世界

“电”这一词在西方是由吉尔伯特从希腊文 “琥珀”一词转意得来，在中国则是从雷闪现象中引出来的。18世纪，电的研究迅速发展起来，电神秘的面纱被揭开了，人们看到了一个奇妙的电世界。电成为了近代科学史上最伟大的发现之一。而人类对电本质认识的思想历程，构成了一段传奇式的科学探索故事。

1600年，吉尔伯特做了一系列摩擦起电实验，并区分了电现象和磁现象。1660年，盖利克发明了第一台摩擦起电机。1745年，人类的第一个储电装置——莱顿瓶诞生，成为18世纪研究静电实验的好帮手。总体来看，18世纪以前，人们对电的研究很肤浅也很盲目。到了18世纪，关于电的本质问题已摆在了物理学家们的面前，许多科学家都投入了对电的研究。

1752年7月，富兰克林和他儿子在费城做了那个震动世界的电风筝实验，从而证明了雷电和莱顿瓶的电是一回事。富兰克林还研究了带电体之间的相互吸引和排斥、不规则带电导体中的电荷分布、感应起电现象等。在实际工作过程中，富兰克林创造了许多电学方面的专门名词，例如：正电、负电、导电体、电池 （当时指莱顿瓶组，尚未发现今日所说的电池）、充电、放电等，所有这些名词至今仍在现代电学中被沿用。富兰克林对电学的研究结果统一了当时混乱的电学知识，为以后电学的发展打下了基础。

从吉尔伯特到富兰克林，人们对电的研究基本都是定性的。也就是说，得出的结果都是描述性的，而不是以数学形式给出结论。首先在电学研究上得出定量关系的是库仑。1785年，库仑用自己设计制造的灵敏扭秤证实了同号电荷之间的斥力与它们之间的距离具有平方反比关系。又类比地球重力场中的重力单摆设计了 “电引力单摆”，通过实验证实了异号电荷之间的引力也遵从同样的规律。他还认识到两电荷之间相互作用力与电荷量之积成正比，由于当时对电量还没有一个科学的量度，他便采用相对比较的方法给予了实验证明。后来，高斯根据库仑得出的规律定义了电荷的量度。这就是库仑定律。

库仑定律是电学的第一个定量定律，它的发现标志着电学从定性观察到定量分析的转折，从此电学的研究开始进入科学行列。但这些研究成果都是静电领域的，实验时所使用的电源是用来储存摩擦电的莱顿瓶，实际上就是电容器。实验过程中莱顿瓶放电的时间是很短的，根本无法得到稳定、长时间的电供应，这大大制约了各种电学实验的开展，人们迫切需要一种能持续提供电的方法。

1786年，意大利生理学家伽伐尼在解剖青蛙时，偶然发现了所谓 “动物电”，但物理学家伏打在经过实验后认为不是青蛙本身带的电，而是两种不同金属接触青蛙时产生的电，伏打把这种电称为 “接触电”。从1792年起，伏打花了3年时间，用各种不同金属搭成一对一对，做了许多实验，在实验中他把金属排成一列：锌、锡、铅、铜、银、金……他发现按这个序列，将前一个金属和后一个金属连接起来，前者带正电，后者带负电。这就是 “伏打序列”。伏打就这样发现了 “接触电位差”，这是伏打引进的新概念。1799年，伏打经过无数次的实验，终于制成了能产生持续电流的电源，这就是最早的电池，史称 “伏打电堆”，也叫 “伏打电池”。电堆是由数十个银与锌的圆板相互叠加而成，在这些圆板之间放上一张浸液片，这样就成了一个电堆，它能产生相当多的电荷。伏打不仅用这个电堆产生了同莱顿瓶一样的电，而且还具有明显的反复产生的性能——把电堆两端用金属导线连接起来，就可以获得持续的电流。

虽然伏打发明的第一个原电池只能产生0.1伏特的电势，但是，它是科学史上最伟大的发明之一，对后来科学技术的发展起到了不可估量的促进作用。而即便是在当时，它也一下子为当时的科学研究开辟了一个崭新的局面。

近代研究电和磁现象的鼻祖吉尔伯特在17世纪初他的著作 《论磁》中断定：电和磁是两种截然不同的现象。这个错误的论断一直延续了200多年。19世纪20年代，这种 “电磁老死不相往来”的观念首先被丹麦物理学家奥斯特打破。从此拉开了电磁学大发展的帷幕。

1820年7月21日，奥斯特发表题为 《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，这篇论文仅用4页纸，向科学界宣布了他在实验中发现的电流的磁效应。奥斯特的发现马上轰动了整个欧洲。当年8月末，法国物理学家阿拉果在瑞士听到这个消息后，马上返回法国；9月初他向法国科学院报告了奥斯特电流磁效应的实验细节。这时，包括安培在内的法国科学家们如梦方醒，才知道他们错误地信奉了关于电、磁之间没有关系的教条。

听完报告的第二天，安培就重复了奥斯特的实验。随后，安培潜心电流磁效应的研究，又做了许多实验，并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律，描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这个定律称为安培定律。

在奥斯特的电磁效应论文发表后，欧洲的科学家产生了极大的兴趣，他们投入了大量的人力、物力对电磁现象进行研究。他们想，既然电与磁有密切联系，电能产生磁，那么它的逆效应—— “磁能产生电”吗？

科学家们进行了长期的实验探索。1820—1831年的10多年时间内，许多科学家，如欧姆、安培、菲涅耳、阿拉果等都投身于探索磁与电的关系中。他们用各种很强的磁场试图产生电流，均无结果，其根源是他们抱着稳态条件，没有考虑动态效应，结果10年研究进展不大。最后完成这一伟业的是法拉第，一位完全自学成才的科学伟人。

法拉第从小当学徒工，后跟随化学家戴维开始科学研究工作。1820年奥斯特发现电流磁效应后，法拉第开始转向电磁实验的研究。法拉第的目标很明确，就是用实验证实磁能产生电，并且要找到这种方法。然而，经过近10年的研究，法拉第没有找到 “磁生电”的方法。后来他回忆这十年失败的教训，是错误地认为 “磁生电”也像 “电生磁”那样是一种稳恒过程，即只要有磁力存在，在其周围放置的导线上就能检测到持续的电流。很显然，法拉第和当时其他的科学家一样，都进入了这个误区。他们总是不断地在加大磁性强度上下工夫。后来才明白，“磁生电”最关键的是磁强度的变化，而不是磁强度本身。

1831年8月，法拉第经过10年无数次的失败，终于获得了成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈，在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间，B组线圈中感生出电流，法拉第把这叫作 “伏打电感应”。10月，又发现，磁铁和导线的闭合回路有相对运动时，回路中会产生感生电流，法拉第称之为 “磁电感应”。“伏打电感应”孕育了变压器的诞生，“磁电感应”预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现，为电在未来的大规模应用奠定了基础。后来有人就把法拉第发现电磁感应原理的1831年定为电气时代的纪元元年。

在发现电磁感应之后，法拉第又思考电磁学中另一个重大问题：“电磁作用是如何传递的。”1845年11月，法拉第用强电磁铁进行实验发现，物质对磁力的作用类似于介质对电的作用。他设想在带电体、磁体和电流周围空间存在着某种由电或磁产生的像 “以太”那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，法拉第把它们称为 “电场”和 “磁场”。这是第一次把 “场”的概念引入到物理学中来。法拉第关于 “力线”和 “场”的概念，对传统观念是一个突破，对电磁学乃至整个物理学发展产生了深远影响。

后人对法拉第评价极高，认为他是19世纪最伟大的实验科学家，认为他在电磁学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。那么，在电磁学中如力学中的牛顿的那个人会是谁呢？这个人是麦克斯韦。

麦克斯韦是电磁学的集大成者，正如牛顿在伽利略等人工作的基础上创立经典力学体系一样，麦克斯韦总结法拉第等人的科学成果，建立了完整的电磁理论体系，是物理学的又一次大综合。他的电磁理论是经典物理学的最高峰。在科学史上，人们能清晰地看到牛顿—麦克斯韦—爱因斯坦这样的思想历程。麦克斯韦是从牛顿到爱因斯坦不可逾越的阶段。

1873年，麦克斯韦出版 《电学和磁学论》一书，这是一本集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪以来的电磁学成就，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的 《自然哲学的数学原理》相媲美的里程碑式的著作。

1887年，麦克斯韦预言的电磁波及其光的特性被德国物理学家赫兹用实验证实。1895年，波波夫和马可尼实现了无线电通信。从此一个新的时代——无线电电子时代开始了。

六、近代技术革命

今天，人们常常把19世纪称为科学的世纪，这其中有两层含义：一是指自然科学各学科在19世纪的全面繁荣；二是指科学技术对社会产生了巨大的影响，它正日益成为推动社会发展的主要力量。而科学技术这种在社会角色上的崛起，是通过两次技术革命完成的。

1.第一次技术革命

第一次技术革命发生在18世纪30年代至18世纪末，它以纺织机的改革为起点、蒸汽机的发明与使用为标志，而这些机器的使用直接导致了产业革命，从而开创了人类的工业文明时代。

随着18世纪下半叶英国棉纺和棉织工业的机械化，纺织机器不断被改良与发明，各种各样的机器出现了，把手工劳动的阵地占领了下来。于是，净棉机、梳棉机、自动卷扬机、漂白机、染整机等陆续出现在棉纺织工厂中，组成机器系列，带来了纺织工业的繁荣。纺织工业成了整个工业革命的带头工业。

纺织机作为一种机器，是属于最初级的阶段，因为那时的纺织机基本上都是水力的。从能量转换的角度来说，它并没有进行能量形式上的转换，只是以水流的机械能转变为丝织机转动的机械能，是能源的直接利用，这样自然会受到生产中种种条件的制约。所以，纺织机的改革是第一次技术革命的第一阶段。

第一次技术革命的第二阶段是蒸汽机的发明和使用。它使人类的生产方式发生了根本性的变化。蒸汽机的发明是科学和生产相结合的产物，是一百多年间许多发明家共同努力的结果。最后由瓦特 （James Watt，1736—1819）完成。

蒸汽机是人类继发明用火之后，在驯服自然方面所取得的最大胜利。蒸汽机把火转化为动力，发生了动力革命，给人们增添无穷的力量。从此，人类进入了 “蒸汽机时代”。

瓦特发明的蒸汽机是一项划时代的技术成就，首先在英国引起了一场产业革命。1785年，棉纺厂开始使用蒸汽机作动力。1789年，蒸汽机开始应用于棉织业。然后，蒸汽机逐步扩展到化工、冶金、采矿、机器制造、运输等部门。这些行业迅速地成长起来。

产业革命在英国完成后，迅速向欧洲大陆扩展，至19世纪末，整个欧洲基本上完成了产业革命，近代工业体系已建立起来。它的意义绝不仅仅是技术上的，最重要的是，它标志着人类社会进入了一种新的文明形态——工业文明。

2.第二次技术革命

以蒸汽机为标志的第一次工业革命，使资产阶级最终摧毁了封建贵族的统治，确立了资本主义的生产方式。但蒸汽机有其自身的局限性，无法适应资本主义更大规模的生产要求。于是，一场电力代替蒸汽动力的技术革命便应运而生。与第一次技术革命不同，以电力应用为标志的第二次技术革命是在科学理论的指导下完成的，即理论在先、技术在后，而第一次技术革命恰好相反。

19世纪以来，人们对电有了初步的认识，特别是奥斯特发现的电流磁效应和法拉第发现的电磁感应原理，为电动机和发电机的发明制造奠定了理论和实验的基础。

在第二次技术革命中，大批东西被发明出来，许多东西在一个多世纪后的今天，仍然是生活中必不可少的，如发电机和电动机、电灯、变压器和远距离输电、无线电技术以及内燃机等。

在第一次技术革命中拔得头筹的英国，在第二次技术革命中显得有点落伍了。在19世纪末，英国的国力被美国超过。而德国也借第二次技术革命之机，迅速发展起自己的优势工业，欲与英国一争高下。

这一次技术革命的影响比第一次更为深远，其中渗透的科技知识也更为广泛。它是各门科学技术知识综合的结果，同时也促进了生产和科技知识研究的巨大发展，改变了人类的物质生活和精神生活，推动了整个人类文明的进步。

第二次技术革命期间，涌现了一大批发明家，如德国的西门子、美国的爱迪生 （Thomas Edison，1847—1931）等，他们都是融科学家、工程师和商人于一身的人物。他们亲手创建的企业，到今天，许多仍然是各自领域的佼佼者，如西门子公司、爱迪生的GE（通用电气）公司、福特公司，等等。德国和美国也正是由于培养出了这些人才，才使它们的科学技术后来居上，成为世界新的科技中心。

近代科学技术至19世纪末已经取得了全面的繁荣，各个学科基本上都已经建立起来了自己的体系。近代科学技术的成就绝不仅仅限于我们上述提及的这些领域和学科；像天文学、地学、数学以及生物学中的生理学和微生物学，这些学科也都取得了很大的成就。这些科学史事件在此我们只能略过，不展开详述。