近代的科学

近代的科学_自然科学概论

第二节　近代的科学

一、近代科学产生的背景

(一)十字军东征和地理大发现

1096～1291年，“十字军东征”延续近200年。从“中世纪的黑暗”里睁开眼睛的欧洲人大开眼界，并从东方带回了阿拉伯人的先进科学、中国人的四大发明、希腊人的自然哲学。结果是，促进了欧洲农业和手工业的发展，商业的恢复，城市的复苏;以及东方文明、古希腊文明和他们所继承的古罗马文明之间的交流与融合。

14世纪左右，地中海沿岸城市开始出现资本主义萌芽，标志是工场手工业的出现。由于采用工序化作业方式，不仅加快了生产流程，扩大了生产规模，而且为技术的改进和机器的使用创造了条件。日益发展的工厂手工业迫需扩大市场和原料来源，于是新兴的工商业主把掠夺的目光又转向东方。但其时东、西方的贸易往来为阿拉伯人垄断，因此急需寻找通往东方的新航线。

15世纪末，在封建主的资助下，一些商人、航海家开始了前所未有的航海探险。

1492年，哥伦布(C.Columbus)率船由西班牙巴罗士港出发，驶上完全未知的大西洋。航行未达到其功利目的，但空前激发了欧洲人的探险热情和想象力。

1497年，达·伽马(V.do.Gama)率船队离开里斯本，开始探索由非洲到印度的航路。

1519年，麦哲伦(F.Magalnaes)率船由西班牙圣卢卡尔港启航。在近三年的航程之后，1522年麦哲伦的船队又返回出发点，无可争辩地证明了大地的球形理论。

地理大发现引起的观念革命与它带来的经济后果一样巨大。它突破了亚里士多德和托勒玫的知识范围，使欧洲知识阶层从古典作家的绝对权威中解放出来。

这场航海探险在发现新航线、新大陆中所体现出的自信和冒险精神，为近代科学革命提供了良好的心理氛围和精神动力。

(二)意大利的文艺复兴运动

15世纪，意大利文化艺术领域最早出现了文艺复兴浪潮。

新兴资产阶级为反对宗教神学的黑暗统治和封建专制，由诗人但丁·阿利格里(1265～1321)揭开了运动序幕。他们借复兴古典文化运动，利用古希腊文化中蕴藏的世俗观念、民主、理性和探索精神，与宗教神学的专制、蒙昧和经院哲学相抗争。在文学、绘画等方面极力宣扬以人为中心的人文主义思想。歌颂人性，反对神性;提倡人权，反对神权;提倡个性自由，反对宗教桎梏;赞颂世俗生活，反对来世观念和禁欲主义。

文艺复兴不仅是一场复兴古典文化运动，更是一场新时代的启蒙运动，它传遍整个欧洲，并在文学艺术之外的领域获到反响。它高扬的人文主义精神渐入人心，打破了宗教神学的束缚，把人类的眼光从神转移到自然界和人类自身，恢复了人的理性，使人重新获得了独立思考的能力，从而鼓舞人类依靠自己和知识的力量从事创造性的工作。

(三)宗教改革与人的解放

另一个重大的思想解放运动，是发端于德国的宗教改革运动。

16世纪，点燃这场运动引信的是马丁·路德发表《九十五条论纲》，他评击罗马教皇公开出售赦罪符，发起宗教改革运动，并很快席卷全欧洲。

宗教改革运动的宗旨是反对罗马教皇对教会的控制，否认教皇享有解释教义的绝对权威，主张教徒可以直接与上帝沟通，并依据自己的体验来解释《圣经》，不必由神父作中转。

其实质是新兴资产阶级向封建制度的主要支柱罗马教会发动的一场反封建政治运动。

其目的是建立符合资产阶级自身经济和政治利益的教义。

路德的新教学说，是所谓的“因信称义”学说，主张信仰高于一切。路德一改中世纪愤怒的上帝形象，使上帝成了可亲可敬的保护神，使人类与上帝和解，同时也使人与自然和解。自然不再是被诅咒的东西，而是上帝的杰作，是人应予以关注的对象。这样，对自然的兴趣与人的自我解放伴随而来，用理性发现宇宙秩序和法则的信念鼓舞着每一个人，不仅成为资本主义发展的强大动力，而且促进了近代科技的兴起。

(四)近代科学在宗教革命中诞生

在文艺复兴和宗教改革运动的推动下，自然科学开始了摆脱宗教神学束缚，争取自身解放的革命。

在中世纪，人们对自然界的各种观点都被纳入经院哲学体系，成为神学的婢女，只能执行神的旨意。如托勒玫地心说与上帝创世说紧密联系在一起。按照宗教的创世说，人是天之骄子，于是上帝选定人类居住的地球为宇宙中心，宇宙万物都是上帝为满足人类需要这一目的而创造的。托勒玫地心说正好可以证明上帝创世说的正确。

深受文艺复兴思想影响的波兰哥白尼(N.Copermicus)，在长期的天文观察中发现了地心说的错误。1543年，他在临终之年发表了《天体运行论》一书，系统论述了日心地动学说。指出地球只是环绕太阳转动的一颗行星。

这一年还出版了医学教授维萨里斯(A.Wesalius)的《人体构造》一书，并附有300多张精巧的解剖图，指出了古希腊医学家盖伦的许多错误。之后的1628年英国医生哈维(W.Harveg)发表了《动物心脏与血液运动的解剖实习》一书，论述了血液大循环理论，第一个把血液循环的动因归结为心脏肌肉的机械收缩，并认为“心脏是生命的开始，它是微型宇宙的太阳”。这就说明地上、人间也同样存在着天上的运动。

哥白尼的日心说与哈维的血液循环理论，把上帝创世说变成荒诞无稽的妄言，使基督教教义发生了动摇，从而把自然科学从宗教神学的束缚下解放出来，近代自然科学从此走上独立加速发展之路。

二、经典力学体系的建立

(一)“巨人的肩膀”

1.天体力学

德国开普勒(J.Kepler)受毕达哥拉斯学派理想主义的影响，认为哥白尼日心体系中所表现出的简洁的几何秩序与和谐的数字关系，正反映了数学理想主义思想，于是他将毕生精力投入到完善日心说理论的研究中。

他利用丹麦第谷(Tycho)长达20多年的观星记录，首先研究了火星，计算后发现，按日心说中行星运行的轨道为圆所算出的火星位置与第谷的观测数据相差8弧分。开普勒坚信第谷数据的精确性，并按第谷的数据，终于发现行星运行的轨道是椭圆。就如开普勒所言，正是这8弧分的差异引起了天文学的全部革命。由此建立了行星第一定律，即，行星在大小不同的椭圆轨道上运动，太阳位于椭圆的一个焦点上。为了指出行星在某一具体时间所处的位置，经过一系列计算，开普勒发现行星速度有变化，于是对天体匀速运行的传统观念做了大胆的否定，提出了行星第二定律，即，行星和太阳的联线在相等时间内扫过相等的面积。1609年，开普勒将这两条定律写成《新天文学》一书并发表。

此后，他又用了9年时间寻找行星运动周期与轨道半径之间的关系。终于在海量数据中发现了行星第三定律，即，行星公转周期的平方与其公转轨道半长轴的立方成正比。1620年，开普勒将第三定律写入《宇宙的和谐》一书中并公开发表。

由于开普勒的卓越工作，从理论上证明并发展了哥白尼学说，使人们对行星运动有了清晰概念，开普勒获得了“天空立法者”的美誉。

2.动力学

与开普勒同时代的伽利略(G.Galiled)是意大利实验物理学家，他开创了近代科学的实验研究方法，强调科学认识必须来自观察和实验，并接受实验的验证。他除了用自制的天文望远镜给日心说提供确凿的证据外，还用制的试验仪器否定了被宗教奉为权威的亚里士多德的运动学思想，揭示了地面物体运动的基本规律。

他第一次精确地提出了速度、加速度和动量的概念。通过实验和逻辑推理证明了一切物体不论轻重下落同距离都同时落地的自由落体定律。他通过著名的斜面实验发现了惯性原理，从而揭示了力是产生加速度的原因，纠正了亚里士多德力是产生速度的原因的错误观点，并指出物体不受外力作用时，将保持匀速直线运动状态。伽利略通过实验研究了抛体运动，发现抛体运动是由垂直向下的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动两个运动构成的合运动，从而证明亚里士多德关于一个物体不能同时参与两种以上运动的观点是错误的，这就是运动叠加原理。他还研究了自由下落的物体，总是落到与高处垂直对应的地面之点，而不会因为地球的自转而偏离，这是因为地面物体参与地球运动的结果，由此得出了运动相对性原理。

可以说，伽利略是经典力学和实验科学的先驱。如果说阿基米德是静力学的奠基者，那么伽利略就是动力学的奠基者。他把近代物理学推上了历史舞台，被誉为近代物理之父。

(二)牛顿的功绩

牛顿是英国物理学家、数学家，是经典力学、几何光学的创始人，微积分的发明者之一。

牛顿从揭示力学规律出发，以开普勒的天体力学、伽利略的运动力学为基础，以大量实验和观察事实为依据，凭借无以匹敌的数学才能，进行了严格的逻辑论证和精确的数学分析，于1687年完成《自然哲学的数学原理》一书，标志着经典力学体系的建立。

牛顿的经典力学体系以质量、力、动量、时间、空间等概念为基石，以力学三个定律和万有引力定律为核心，揭示了宏观、低速物体运动规律。

牛顿第一定律即惯性定律，指出任何物体，只要没有外力作用，将永远保持静止或匀速直线运动。

牛顿第二定律揭示了力和加速度的关系。

牛顿第三定律指出，两个物体之间作用力和反作用力总是同时存在，大小相等、方向相反。

万有引力定律揭示了宇宙间任何两个物体之间存在相互吸引，引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

上述四条定律的建立，使人类对宏观物体运动的知识从分散的、孤立的、零乱的状态，提高到了完整的、具有因果联系的科学认识水平。

尤其是万有引力定律，把地上物体运动规律和天体的运动规律统一起来，完成了物理学史上的第一次理论大综合。

牛顿的伟大功绩就在于他继承了前人的研究成果，站在“巨人”的肩上，经过创造性的艰苦探索，做出了划时代的伟大贡献。

人们仰望牛顿经典力学体系这座大厦，并把它的适用范围扩大到整个自然界，使近代各门自然科学深深打上了经典力学的烙印。

三、近代自然科学的初始成果

(一)数学

1.对数

1614年，苏格兰数学家耐普耳和瑞士钟表技师标尔格分别发明了对数方法。对数方法将乘除法化为加减、乘方开方化为乘除，使计算大大简化。

2.解析几何

1637年，法国笛卡儿(Descartes)发表《更好地指导推理和寻求科学真理的方法论》，提出了关于解析几何的思想。

笛卡儿认为代数完全受法则和公式控制，推理程序机械化;而几何则过多依赖直观图形。他将代数和几何结合起来，引进了变量概念，用代数方法研究几何，解决几何作图问题，找到了一种研究有关曲线问题的普遍方法。

变量的引进和解析几何的产生是数学理论发展的一次重大转折。

3.微积分

近代自然科学发展到17世纪，科学家向数学提出了一系列问题。诸如速率问题;曲线的切线问题;最大值和最小值问题及面积、体积等问题。

为了解决这些问题，很多数学家不断地研究。到17世纪下半叶，牛顿和莱布尼兹(G.W.Leibniz、德国哲学家、数学家)继承前人的研究成果，分别从力学模型和几何模型出发，各自独立创立了微积分。

但牛顿和莱布尼兹的微分方法存在着不可克服的逻辑困难，就是他们假设的一个无限小量dx，使它不为零，而在计算结果中再使它为零，这个“逻辑矛盾”历史上称为“无限小逻辑悖论”。这里实际包含着极限思想，只是当时牛顿和莱布尼兹都没有意识到。

18世纪，微积分成了数学家研究的重要课题。

19世纪初，法国柯西(A.L.Cauchy)发表了《分析教程》一书，提出了比较明确的极限定义，以此作为微积分理论的基本出发点，才形成了以极限理论为基础的微积分学。

从创立微积分的先后看，历史上发生过“优先权归属”的大争论。牛顿在1665～1666年间创立微积分，公开发表于1687年出版的《自然哲学之数学原理》一书;莱布尼兹于1673～1676年创立微积分，公开发表在1684年的《教师周刊》上。后经调查，表明两人的确是各自独立发明微积分。

科学史上这样的事例并不少见，证明科学的发现有其历史的必然性。

(二)物理学

1.光学

16～18世纪，几何光学进入了发展时期。

科学家通过实验发现了光的折射、衍射和薄膜干涉现象，并证明白光是由7种不同颜色组成的，建立了光的折射定律。费尔玛(P.Fermat、法国数学家)又得到了包括反射定律和折射定律的光程极值原理。

光学上的一系列发现，引起了科学家探索光的本性的兴趣。他们根据实验现象从各自角度出发，提出了不同的看法。17世纪末，逐渐形成两种对立的假说。一派是以牛顿为代表的微粒说，认为光是由很小的物质颗粒组成的;另一派是以惠更斯(荷兰物理学家)为代表的波动说，认为光是一种纵向振动的波。

人们对光的本性认识随着两种不同观点的长期争论而不断前进着。

2.热学

17世纪对热的研究是相当落后的，18世纪热学研究才有了进展。

第一个重要进展是德国华仑海特(D.G.Fahrenheit)和瑞典摄尔修斯(A.Celsius)建立了测定温度的标准，发明了华氏和摄氏温度计，使得温度与热量有了区别。

布莱克(英国物理、化学家)进而提出比热和潜热的概念，是18世纪热学的主要成就。

在对热的本质认识上，罗蒙诺索夫(Lomonsov)等主张:热是物质内部微粒运动，且认为运动快慢与温度的高低成正比。但布莱克等倡导的热质说或热素说仍占统治地位，热质说在当时的影响很大，以至于把热质当做无机界的独立元素。

3.电学

17世纪有了“电”的概念。

卡毕奥(意大利人)发现了两种性质的电和同性电相斥的现象。之后有人制造了静电起电机。到18世纪，荷兰莱顿大学发明了能储存静电电能的电容器，即莱顿瓶。静电起电机与莱顿瓶的发明为静电研究提供了实验工具。

1752年，美国富兰克林(R.E.Franklin)进行了捕捉“上帝之火”的雷电实验，证实了他关于地上的静电与天上的雷电相同的想法，进而发明避雷针。

1785年，库仑(法国工程师)用扭秤实验得出静电荷之间相互作用的数量关系式，即库仑定律。

但在对电的本质认识上，同热学一样，科学家们都被一种所谓“电流体”说统治着。

(三)化学

1.等温定律

15世纪以后，作为化学原始形式的炼金术已经衰落。

16世纪主要是具有某种神秘主义色彩的医药化学，代表人物是帕拉塞斯(瑞典人)，他主张化学研究的目的不在于点金而应当是制药。

17世纪，真正把化学作为一门科学的是英国科学家波义耳(R.Boyle)。他第一次给化学元素下了比较清楚的定义。他提出化学的任务就在于把复杂的物质分解为它的组成元素，进而认识物质的本质。波义耳把严格的实验方法引入了化学，确立了化学的独立性，成了近代化学的奠基者。他在流体力学的研究中，发现了气体等温定律。

2.氧化学说

17、18世纪化学的重要成果是法国拉瓦锡(A.L.Lavoirer)建立的氧化燃烧理论。

1703年，德国施塔尔(G.Estahl)提出系统的燃素说。拉瓦锡做汞锻灰的分解实验时，得到了比普通空气更助燃、更助呼吸的气体，称之为“上等纯空气”，1777年命名为氧气。之后水的合成和分解试验取得成功，拉瓦锡的氧化学说获举世公认，宣告燃素说的失败。

18世纪，化学家还改进了化学分析法，发展了吹管分析、湿法分析等分析方法。对燃烧现象的深入研究，导致碳酸气、氢气、氯气、氮气等的发现。

(四)生物学

17、18世纪，生物学有了一定程度的发展。生理学、胚胎学确立为科学，动物学、植物学建立了动植物分类体系，细胞学、微生物学也取得一些进步。

1.显微镜

显微镜是推动生理学、生物学前进的重要仪器。1590年，有人发明了放大倍数不大的复式显微镜，后经荷兰人列文虎克(A.Leeuwenhoek)改进，使放大倍数达到270倍，这就为观察生物的微结构和微小生物提供了有力工具。

由于列文虎克用显微镜在动物身体上发现了动、静脉末端是通过毛细血管连接的，这样哈维的血液循环学说终于得到了证明。

英国物理学家胡克用自制的显微镜观察软木组织。发现许多由薄壁隔成的“小盒”，他称这些单元为“细胞”，“细胞”概念由此提出并沿用至今。

由于显微镜的应用，胚胎学的研究也有了重要的进展。当时多数人赞成预成说，认为组成生物躯体的各种器官不是新生成的，而是在卵里就已经形成了，后来只不过是它的扩展而已。英国哈维主张渐成说，认为胚胎不是一次形成的，而有一个发育过程。随着胚胎学的进步，预成说逐渐破产。在这个过程中，德国沃尔费在寻找支持渐成说的实验证据上贡献很大，被誉为“近代胚胎学的创始人”。

2.动植物分类

随着新大陆、新航线的发现，许多生物学家参加“科学探险”活动，从世界各地搜集到大量动植物标本，于是动植物的分类就成了这一时期的重要工作。

当时分类方法有“人为分类法”和“自然分类法”两种，人为分类法简单方便而被广泛采用。

1735年，瑞典林耐(C.Linne)出版了《自然系统》一书，在书中采用人为分类法，即以生殖器官(如花的雄蕊数目和位置)作为区别生物的惟一重要标准，基本完成了生物的人为分类，为后来的生物分类学奠定了基础。

与此同时，坚持自然分类法的法国布丰写了《动物自然史》一书，主张大自然能够从一个原始的类型发展出一切其他的生物种类，这是最早的物种演化观念。

四、近代技术的形成与第一次工业革命

(一)近代技术形成的三个阶段

由于英国首先具备近代技术形成和应用的条件，18世纪60年代英国首先开始了技术产业革命，继之在法国、德国、美国也发生了产业革命。

蒸汽机的发明是近代工程技术的第一次大突破，它有效实现了热能转变为机械能，为工业生产提供了强大的动力能源，导致了由工场手工业过渡到机器大工业的近代以来的首次技术革命，并兴起了近代工业革命，历时90多年，近代工业革命于19世纪中叶完成。

近代技术形成大体经历三个阶段。

1.第一阶段:棉纺织业强烈竞争，要求纺织技术革新

由于棉纺织技术是英国刚刚从荷兰引进，是一个新兴的幼弱工业部门，而印度又是英国强力的竞争对手。在这种情况之下，英国决定将发明纺织机器作为当务之急。

1733年，钟表匠约翰·凯伊(John Kay)发明了飞梭机，使织布效率提高一倍。一个织布工需6个纺纱工提供纱线，结果形成严重“纱荒”，导致了纺织技术不断革命的局面。

1763年，纺织工人哈格利夫斯(Hargreaves)发明珍妮机(以其妻珍妮命名的手摇纺纱机)，揭开了第一次技术革命的序幕。

1769年，理发匠阿克莱特(Arkwright)发明了使线更结实的水力纺织机，并于1771年创立了第一个棉纺工厂。

1779年，克伦普顿(Crompton)综合了珍妮机与水力机的优点，发明了纺出的线既结实又均匀的“缪尔”机，也称骡机(意即混合机)，大大提高了纺纱的数量和质量，扭转了严重的“纱荒”局面。初步完成了纺纱机的革新，却引起了新的不平衡。

1875年，牧师卡特莱特(Cartwright)发明了用水力推动的卧式自动织布机，提高效率40倍，基本解决了纺纱与织布的矛盾。

随之而来的是一系列与纺织配套的机器发明，先后出现了净棉机、梳棉机、自动卷布机、漂白机、整染机等，整个棉纺织业完成了由工场手工业到机器大工业的过渡，实现了纺织行业的机械化。并带动相关行业如毛纺织业、造纸业、印刷业等出现了机械化浪潮。

机器生产的规模日益扩大，现有的生产动力能源(人力、马力、水力、风力)与之不匹配的矛盾愈加暴露出来。

为此，寻求新动力，满足机器大生产对动力能源的需求，成了当时技术革命的重大课题。

2.第二阶段:提升动力能源，蒸汽机动力技术的发明与创新

第一部活塞式蒸汽机是法国物理学家巴本(D.papin)于1690年在德国发明的。他的蒸汽机实验没有成功，但为活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

继巴本之后，英国工程师托巴斯·塞维利(T.Savery)于1698年发明了第一台用于矿井抽水的蒸汽机，称之为“矿工之友”或“用火抽水的机器”。塞维利机第一次真正把蒸汽变为了工业动力，是人类历史上付诸实际应用的第一部蒸汽机。

1712年，英国锻工纽可门(T.Newcimen)在综合巴本机和塞维利机的优点基础上创造了一种大气压力蒸汽机，功能上比塞维利机强，但效率仍然很低。除用于矿井抽水外，很难用于其他工业部门，因此它的普遍推广受到限制。

1765～1784年期间，英国格拉斯哥大学仪器修理工瓦特(J.Watt)对纽可门蒸汽机进行了一系列根本性的改革。首先使汽缸和冷凝器分离，如此大大提高了热效率;其次又发明了一套连杆曲柄传动装置，把活塞的直线运动转换成圆周运动，使蒸汽机带动其他机械作功成为可能;接着又设计了飞轮、进汽阀门、离心调速器等，解决了蒸汽机连续而稳定的向外输出动力的问题。瓦特终于发明了一种可付诸实用的蒸汽机。从此，动力机、传动机、工作机组成了机器生产系统，这是近代技术史上的一次重大飞跃。

纺织机的发展和蒸汽机的发明与应用，为工业大发展提供了巨大的可能性，而实现这种可能性又取决于机器制造技术的水平和能力。

3.第三阶段:机床的发明与应用

18世纪后半叶到19世纪，由于许多杰出的机械技术发明家和制造家的艰苦努力，机械加工技术有了革命性的变化，进一步推动了工业革命的发展。

1775年，英国工程师威尔金森制造了精度为1毫米用于加工瓦特蒸汽机缸体的镗床。

1797年，英国机械师亨利·莫兹利制造出全金属的大型车床，车床上装有滑动刀架，替代以往用手拿工具进行加工作业的方法，使一般工人也能按尺寸要求迅速而准确地加工部件。

镗床、车床的发明在机床发展史上占有重要地位，标志着金属加工技术发生了质的飞跃，为机床的全面发展创造了条件。

1817年，英国人罗伯茨(R.Roberts)制成了第一台手动刨床。

1818年，美国人惠特尼(E.Whitoney)制成了第一台铣床，实现了平面加工机械化。

1850年代，龙门刨床、钻床、打孔机、开槽机先后问世，机器制造业完成了从手工向机器操作的过渡，进入了用机器制造机器的时代。

(二)蒸汽时代的技术跃进

蒸汽动力技术不仅推动了整个工业的机械化进程，同时也带动了燃料、采矿业、钢铁冶炼业及交通运输业等有关部门的发展，由此引发了一连串技术上的跃进。因此，人们将蒸汽动力技术称为这一时期的主导技术或中心技术。随着工业革命的进展，逐渐形成了蒸汽时代的技术体系。

1.钢铁冶炼技术

英国18世纪以前用炭炼铁，18世纪后由于木炭短缺改用煤炼铁。但英国煤矿中含硫等杂质，所炼出的铁质地很脆，难以使用。

1713，英国人严伯拉罕·达比(A.Darbey)首先发明了把煤炭炼成焦炭，再用焦炭炼铁，获得成功。燃料问题的解决使英国的铁产量迅速增长。

1740年，钟表匠亨次曼(B.Huntsman)发明了用坩锅炼钢的方法，称“铸钢”，炼出的钢相当纯。

1760年，斯密顿发明了压缩空气鼓风法，罗布克(I. Roebuak)将此法用于冶铁，鼓风冶铁标志着近代大规模冶铁业的真正开始。

1874年，工程师亨利·考特(H.Cort)发明了搅炼熟铁法，提高了冶铁质量，生产效率提高15倍，为精炼优质铁开辟了一条广阔的道路。

18世纪末，英国已成为欧洲重要的钢铁出口国，率先进入钢铁时代。

2.交通运输技术

蒸汽机的发明为交通运输业提供了新的动力。

1807年，美国罗伯特·富尔顿(R.Fulton)发明了蒸汽动力轮船。船长40米，宽4米，所用蒸汽机功率为13.4千瓦。该船的试航成功，标志着蒸汽机动力船取代帆船的新时代的开始。

1836～1838年间，英国轮船“天狼星”号和“大西方”号完全依赖蒸汽为动力，只用11天便成功横渡大西洋。

与此同时，陆路运输的蒸汽机车也逐渐成熟并投入使用。

1814年，英国斯蒂芬逊(G.Stephenson)建造出第一台可供实际运行的铁路蒸汽机车，时速6.5公里，牵引30吨货物。1815年又造出第二台蒸汽机车，客货混运，时速提高了一倍。此后，火车作为重要的交通工具进入实用阶段。

1836年，从利物浦到曼彻斯特铁路正式通车。

10年后，英国和爱尔兰铁路增加到1350公里。

19世纪40年代，世界铁路总长已达9000公里。

3.化工技术

化工技术随之兴起。

1746年，英国医生罗巴克(J.Roebuck)发明铅室制造硫酸法，由此开始了硫酸的工业化生产。

1788年，法国医生路布兰(N.Leblane)发明以氯化钠为原料的制碱方法，这一制碱法在19世纪上半业发展很快。

1862年，比利时人索尔维(E.Solvey)发明了制造纯碱的氨碱法，实现了连续化生产。

1837年，德国化学家李比希(J.V.Hiebig)分析了土壤的化学成分，提出合成肥料理论。1850年代，氮、磷、钾肥的生产技术有了很大发展。

同时，有机化学合成技术也有了较大发展。

1845年，德国化学家霍夫曼(A.W.Von Hofmann)在煤焦油中首先发现苯胺，英国化学家用苯胺合成奎宁时，意外发现优良染料——苯胺紫。

1856年，英国青年化学家帕金(W.H.Perkin)建成了世界第一个合成煤焦油染料厂。

不久，人们已能从煤焦油中提取大量芳香族化合物，并以此为原料制成种类繁多的香料、杀菌剂、药品。

还有，瑞典诺贝尔在这一时期发明安全炸药。

总之，一场轰轰烈烈的以工作机革命为起点，以蒸汽机动力发明和普遍应用为主要标志的第一次工业革命，在人类近代科技发展史上留下了光辉的一页。

瓦特功不可没，被英国人尊称为本国的伟大人物之一。

(三)第一次工业革命的特点和历史意义

1.特点

(1)生产实践推动技术革新

这次工业革命，推动技术一系列革新的主要动力是生产实践。

面对生产实践与时俱来的一连串实际问题，迫使一批能工巧匠千方百计地寻找解决问题的技术途径。如为了解决生产中的“荒纱”，带动了纺纱机的革新;为了解决各种工作机的动力，推动了蒸汽技术的革命。

由于这次技术革命是用机器生产替代手工生产，机器生产中很多问题已不可能靠已有的手工技术来弥补，而要靠生产一线的能工巧匠用个人的经验来摸索，因此这一时期任何一项技术革新从初步成型，再到直接应用于生产并产生技术效益，周期都比较长。

(2)科学进入技术应用领域

工业革命初起时，尽管自然科学理论尤其是经典力学有了相当发展，但是科学理论的进步对生产实践似乎没有起到什么明显作用。原因是资本主义早期的工场手工业生产，几乎没有需要运用科学知识才能解决的生产技术问题。这时的生产、技术与科学理论基本处于分离状态。

但在工业革命的进程中，当人类的生产活动转向大规模使用机器，并利用机器来生产机器的时候，第一次产生了只有用科学才能解决的生产技术问题，于是科学理论第一次进入了技术应用领域。

如瓦特，当时是英国格拉斯哥大学青年仪器修理工，在接受对运转不灵的纽可门机的修理任务后，开始查阅大量有关蒸汽机的发展史料。最后在化学教授布莱克(J.Black)的帮助下，利用“比热”、“潜热”理论，找到了纽可门机热效率低的原因，进而发明瓦特蒸汽机，解决了汽缸冷却加热耗能问题。

生产技术革新过程对科学理论的需求，提供了科学与生产、技术相融合的基础，促成了科学、技术、生产三者相互促进的循环机制初步格局，这对推动科学与技术携手共进的加速发展具有重大而深远的意义。

2.历史意义

18、19世纪，以蒸汽机的产生和发展为主要标志的产业革命，是近代以来的一场深刻的技术革命，给社会的经济、政治、思想带来极其深刻的影响，资本主义生产方式彻底取得统治地位，资本主义制度在欧美先进国家取得普遍胜利。与此同时，资本主义生产方式的固有矛盾也日益显现出来。

(1)工业革命带来社会生产力的巨大提高，促进了资本主义经济的迅速发展

蒸汽动力源出现以前，人类一直局限于利用火能本身。蒸汽机的发明，使人类第一次实现了将热能转化为机械能，成为人类征服自然和改造自然的强大力量。同时，蒸汽动力的广泛应用，带动了纺织、机器制造、煤炭、冶金等工业及交通运输业的飞跃发展。马克思指出:“资产阶级在他不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要大，还要多。”仅拿一个社会工作日看，从1770到1840年，劳动生产率就提高了27倍。可以说，工业革命为资本主义生产方式的确立奠定了牢固的物质基础。

(2)工业革命进一步摧毁了旧的生产关系，使资本主义制度最终确立

蒸汽机发明和工业革命的兴起，使资本主义机器大工业代替了旧的工场手工业，一系列新的生产部门相继产生，社会经济结构发生了深刻的变化，资本主义的生产关系占据了统治地位。

工厂制度的形成，完全改变了工人的地位。旧工场手工业工人不脱离农村，且能占有一些简单工具而成为小生产者，甚或上升为小业主;而工厂制度使工人完全脱离农村，被赶到城市工厂，变成出卖劳动力的雇佣劳动者。在工厂里，手艺较高的手工业者变成了工厂中的工人，成了机器附属物。

因此，工厂制度使资本主义雇佣关系在工业中得到了确立。

(3)资本竞争，生产过剩，导致资本主义深刻的经济危机

资本主义经济的基本矛盾是生产社会化同生产资料私人占有之间的矛盾。

工业革命的技术进步，使生产真正成为社会活动，它把各个经济部门紧密联系起来;同时机器大工业又使资本家之间的竞争日益加剧。资产阶级为了追求最大限度的利润，加速了资本积累与集中。

到19世纪，社会化大生产与私人占有之间的矛盾鲜明地表现出来，并且日益尖锐。机器大工业不顾任何阻力扩大产品销路，而无产阶级的贫困化又使市场的扩张赶不上生产的增长。这就必然引起资本主义周期性的生产过剩危机。

这种危机首先于1825年在英国发生，以后又连续出现多次。

为了反抗剥削和压迫，在19世纪的英、法等国，先后爆发了宪章运动、里昂起义、巴黎公社运动以及工人为争取8小时工作制的罢工等工人运动。

五、近代自然科学的快速全面发展

16～18世纪是近代自然科学产生的初始期。进入19世纪便是近代自然科学快速全面发展时期。尤其是第一次工业革命，不仅促进了有关技术的发展，而且为近代自然科学提供了新的事实材料和新的实验工具。19世纪被誉为科学的世纪，自然科学的各个门类相继成熟起来，形成了人类历史上空前严密和可靠的知识体系。科学研究领域大大的扩展了，在近代科学思想和科学方法的指导下，各个领域相继涌现出新的理论体系。

(一)近代数学

1.分析数学

微积分的发明开创了分析数学的新时代。

这个时期涌现出一批杰出数学家，如瑞士的贝努利·雅可布(James Bernoulli)和贝努利·约翰(Jonn Bernoulli)兄弟和欧拉(L.Euler)，法国的达朗贝尔(J.Le Rona)、拉格朗日(Lagrange)、拉普拉斯(Laplance)、勒让德(Legendre)、傅里叶(J.Fourier)等，在无穷级数、微分方程、积分方程、变分法、复变函数论、微分几何等方面贡献巨大。

这个时期微积分出现数学史上的第二次危机——“无穷小量”没能给出严格描述(第一次危机指发生在古希腊时期的“一些直角三角形的三边比不能用整数来表达”，即几何量的不可通性)。进入19世纪后，经过法国柯西和德国魏尔斯特拉斯(K.Veierstrass)、戴德金(Dedekind)、康托尔(G.Cantor)等人的努力，建立了严格的极限理论。柯西以极限概念定义无穷小、连续、导数、微分、积分等，使分析数学具有了现代的形式。但柯西的极限概念仍是直观的、不严格的，只是“无限地接近”的意思。直到1850年代，魏尔斯特拉斯提出“ε－δ”语言，1870年代戴德金建立实数理论及1880年代康托尔建立集合论，数学分析才最终建立在实数理论的严格基础上。

2.近世代数

按照韦达的观点，古典代数理解为用文字符号代替数来进行计算，以后又转向方程的求解。19世纪初，代数主要研究解高次方程和联立方程问题，形成了未知数的次数发展的“多项式代数”理论和行列式、矩阵等概念的线性方程组理论(线性代数的基础)，构成今天《高等代数》课程的基本内容。挪威阿贝尔(N.H.Abel)对高次方程的研究，证明高于4次的一般方程不可能用根式来求解，法国伽罗华(Alois)研究可以求解的n次方程的类型问题，并把问题彻底解决，在解决过程中，引进了意义远大得多的“群”的概念。1870年，法国约当(C.Jordan)依据伽罗华的思想写了《置换与代数方程教程》一书，标志“群论”的正式诞生。从群论观点出发，内容丰富的抽象代数理论接连出现了，形成如“域论”、“群论”、“环论”、“格论(”等数学的新分支——泛代数论。抽象代数与数学其他分支结合，开拓出许多边缘学科，如“拓扑代数”、“微分代数”，“几何代数”和“序代数结合理论”等。

3.非欧几何

近代几何学从德国高斯、俄国罗巴切夫斯基(N.Llobatchevsky等人的重大突破开始。这种突破来自欧几里德《几何原本》中第五公设(平行公理)可否不作为公设而从其他公设推导出来。

高斯从第五公设的否定命题出发，得到与欧氏几何截然不同的结论，提出了非欧几何的有关思想。

1826年，俄国罗巴切夫斯基大胆宣布欧氏第五公设不能证明，将它换成否定命题，即平面上过直线外一点至少有两条直线与已知直线平行，而保留欧氏的其他公设，结果推出逻辑上并无矛盾的一连串定理，但这些结论与直观矛盾，是与欧氏几何完全不同的结果。于是罗巴切夫斯基将它称为“虚拟的几何学”。

与此同时，匈牙利约·鲍耶(J.Bolyai)也独立地创立了非欧几何。

非欧几何突破了人们传统的平直空间观念，引起了几何学的革命。后人称非欧几何为“罗巴切夫斯基几何学”。这种新几何学在逻辑上是无矛盾的，在现实上也是可以证实的，后来在广义相对论中终于获得运用。

继罗巴切夫斯基之后，德国数学家黎曼(G.Briemann)又创立了另一种非欧几何，“黎曼几何”。

4.复变函数

复变函数是自变量和函数都可以是复数的函数，被称为“19世纪的数学享受”和“抽象科学中最和谐的理论之一”，复变函数论的研究对象是解析函数，它是用一个复变函数是否满足柯西——黎曼方程来刻画的，解析函数在复变函数中的地位与微积分中的连续函数地位相当。复变函数在流体力学、固体力学、电磁学以及许多其他数学分支都有重要应用。

(二)物理学

1.光学

19世纪前，以牛顿为代表的微粒说同以惠更斯为代表的波动说之争的结果，是微粒说占了压倒的优势。这一局面在19世纪发生了戏剧性的变化。

一批物理学家，如英国托马斯·扬(T.Young)、法国菲涅尔(A.J.Fresnel)等不惧权威，提出光是一种横向振动的波，以支持惠更斯的波动学说，并以严密的数学论证和精确的科学实验，一举解释了光的衍射、干涉、偏振等已知光学现象。以洛埃镜实验证实光从光疏介质进入光密介质时反向光会发生半波损失，这是对波动说的又一个有力支持。

由此，使波动光学成为光学的正统理论。

2.热力学

18世纪末，对磨擦生热现象的研究证实热的本质是一种物质运动形式，结束了热素说的统治。

1799年，英国戴维(H.Davy)设想“热是一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的一种振动”。这样早在17世纪培根、玻意耳、胡克、牛顿等人提出的关于热是微粒的机械观点又被提出来了。直到1840—1851年间，德国迈尔(J.R.Mayer)、英国焦耳(J.P.Joule)最后确立了能量守恒与转化定律，才彻底推翻了“热素说”及“热是微粒”的机械观点。

1850年代，英国开尔文(W.T.Kelvin)和德国克劳修斯(R.J.Clausirs)在法国卡诺(N.L.s. carnot)研究热机工作的基础上，相继提出了热力学第一和第二定律。

热力学第一定律表明，能量只能从一种形式转变为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，而在转变和传递过程中能量是守恒的，换句话说，不消耗任何能量就能永远作功的机器(第一类永动机)是不可能的。

热力学第二定律指出，凡涉及到热运动的宏观自发过程都是不可逆的。也就是说，从单一热源吸取能量而永远作功的机器(第二类永动机)也是不可能的。

热力学第一和第二定律揭示了热、功之间联系、转化的关系。

1865年，克劳修斯把熵(ds= dQ/T)的概念引进热力学。因为ds是热量的变化被温度相除所得商，故译成熵。熵在这里被作为系统中能量可以转化成为功的程度。例如，对于具有相同能量的系统来讲，温度高的熵小，温度低的熵大。由于孤立系统中的热量总是由高温物体传向低温物体，故这个系统总是要沿着熵增加的方向运动。

用熵来表达热力学第二定律，那就是“在孤立系统内发生的实际过程，总是使系统的熵增大”。因此，第二定律又称为熵增加定律。

熵的宏观意义是表征能量的集中程度，熵越小能量越集中。

熵的微观意义是表征系统的秩序，熵越小系统越有秩序。

由此可以看出熵增加定律的意义:一个孤立系统的实际过程总是使能量由集中状态变到分散状态，系统的结构由有秩序的状态变到混乱状态。

热力学第三定律指出了低温极限。表述为:绝对零度(OK)不能达到。OK=－273.16℃，这是德国人能斯脱于1906年至1913年间建立的。

3.统计物理学

热现象是大量分子作无规则运动的体现。这种运动对于单个分子来讲是无意义的，但对整体来讲，是否有规律可循?统计物理学就是应用数学上的统计与概率方法，找出大量分子运动所遵从的统计平均值。热力学定律这些宏观事实，都可以通过对微观的统计计算来进行解释，故统计物理学与热力学是相辅相成的。这些统计规律称为经典统计，因为它假设分子运动是服从经典力学规律的。等20世纪量子力学建立之后，物理学家从微观粒子服从量子力学的规律出发，又建立了一套统计理论，称为量子统计。

4.能量守恒与转化定律

19世纪上半叶，在力、热、电磁、化学、生物等不同学科的实验研究中，积累了大量事实，表明热能、电磁能、机械能、化学能等不同形式的能量具有普遍联系，并能相互转化。

1842年，先后有十几位不同学科的科学家发现了能量守恒的实验事例。最早提出这一定律的是德国医生迈尔，他认为能量的所有形式都是等价的和守恒的，各种能量的转变过程是普遍存在的。英国酿酒商焦耳，用精确的实验测出了热功当量为4.157焦耳/卡(现在精确值为4.1840焦耳/卡)，对能量守恒与转化定律的确立起了决定性作用。

能量守恒与转化定律的发现，揭示了热、机械、化学、电磁等各种运动形式之间相互依存、相互转化的辩证关系，可说是继经典力学之后物理学发展中的第二次理论大综合。

5.电磁理论

电磁现象的研究相对物理学其他分支起步较晚，在18世纪80年代还仅限于静电荷的产生，性质和相互作用的实验研究上。

到18世纪末，电流的发现和伏特电堆(伏打电池)的出现打开了电磁学研究的新领域。

进入19世纪，1826年德国欧姆(Georg Simon Ohm)建立了欧姆定律。这个定律是电学的基本定律之一。

1847年，德国基尔霍夫发展了欧姆定律，提出了基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律，解决了复杂电路的支路节点电流和回路电压的计算问题。

1807年，丹麦奥斯特(H.C.Oersted)提出了探讨电与磁之间关系的设想。他发现通电导线附近的磁针会发生偏转现象，多次实验证明了电流的磁效应。

奥斯特的发现使科学家们大受鼓舞。1820年法国安培经过多次精心设计的电磁学实验，提出了电流激发磁场及电流在磁场中受力的概念。

将电磁学理论研究进一步推向前进的天才人物是英国的迈克尔·法拉第(M.Faraday)。法拉第通过一系列感应电流的实验，发现当磁体和线圈之间有相对运动时，线圈中就有电流产生，总结出法拉第电磁感应定律。

如果说奥斯特发现电流磁效应奠定了电动机的理论基础的话，那么法拉第发现的电磁感应定律则奠定了发电机的理论基础。1831年10月底，法拉第成功地造出了第一部感应发电机模型。从此，人类跨进了电力技术新时代。

继法拉第之后的英国克拉克·麦克斯韦(C.Maxwekk)是电磁理论集大成者。于1862～1865年间，麦氏在以往所建立的各个经验公式的基础上，创立了麦克斯韦方程组，这个方程组以简洁的形式，确定了电荷、电流、电场和磁场之间的普遍关系，总结概括出由静电荷产生静电场，电场变化产生磁场，磁场变化产生电场，由此预言了电磁波存在，并证明了这种波的速度等于光速，从而揭示了光的电磁本质。麦克斯韦把光、电、磁统一起来，创立了光的电磁理论，完成了近代物理学理论的第三次大综合。量子力学的创立者德国普朗克(M.K.E.L.Plank)指出:“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒”。

(三)化学

1.原子分子论

18世纪末，德国李斯特(J.Richter)发现了“当量比例定律”，法国普劳斯特(F.Proust)发现了“定组成定律”。至此，物质的结构组成已成为人们研究的课题。

进入19世纪，英国道尔顿(J.Dalton)不仅发现了“查理定律”、“分压力定律”和“倍比定律”，还继续了化学史上极为重要的理论综合工作。1803年，道尔顿系统提出了原子论，认为元素是由不可再分割的简单原子组成的;每一种元素以其原子的质量为其基本的特征;不同元素的原子以简单数目的比例结合，就形成化合物。原子在一切化学变化中保持其本性不变。

道尔顿原子论受到化学界的普遍重视，迎来了化学理论发展的新阶段。1811年，意大利阿佛加德罗(Avogadro)为了解释各种气体实验中的物质反应的体积关系，提出分子假说。认为分子是由原子组成的，单质分子是由相同元素的原子组成，化合物分子则由不同元素的原子组成。

就此，标志了原子分子论的建立。

2.元素周期律

19世纪中叶，寻找元素之间的联系成为化学界一个重大研究课题。

1860年，法国尚古多(B.De.Chancourtois)提出“螺旋图”，1865年，英国纽兰兹(J.A.R.Newlande)提出“八音律”，试图按原子量的大小排列顺序，从中找出与之相应的元素性质。

1871年，俄国门捷列夫(D. I.Mendeleev)在前人研究的基础上，把元素按原子量大小排列下去，终于发现元素性质呈明显的周期性特征，证明了原子量大小决定元素的特征。明确指出元素的性质是它的原子量的函数。他还从元素周期表上留下的空位，去预见许多未求知元素的发现，后均被证实，如镓、铊、锗等。

元素周期律的发现完成了科学史上的一个勋业，不仅为现代无机化学奠定了理论基础，而且也成为化学与物理学联系的纽带。

3.有机化学

近代有机化学起源于有机化合化的提纯、有机分析和有机合成。

19世纪初，有机物只能在动植物有机体内产生，不能通过生产或实验来合成。加之广泛流行的一种“生命力论”，使有机物种被神秘化，更不允许用无机物去合成有机物。这种观念严重地阻碍了有机化学的发展。

1824年，首先冲破这种僵化观念的德国维勒(D.Wohier)在实验中用无机氰酸银和无机氯化铵反应，人工合成了只能从有机生物体中才能提取的有机物尿素。人工合成尿素的成功之举，是有机化学发展中的重大突破，它填平了无机界和有机界之间的鸿沟，敲响了“生命力论”丧钟，为有机化学的发展开辟了广阔的道路。此后，有机合成迅速发展，科学家又相继用无机物合成了一系列有机酸、醇类、糖类等有机物质。此外，1887年瑞典阿伦尼乌斯为了解释物质的导电性，建立了电离理论。

(四)生物学

1.细胞学说

在近代科技发展的第一个时期，生物学研究的主要成果是英国医生哈维(W.Harvey)的血液循环学说，及显微镜的发明使用获得了毛细血管、细胞的重大发现。这一时期生物学研究还处在观察与实验的层面上。

生物学系统的理论研究起步于19世纪。

19世纪初，德国特雷维拉努斯(G.R.Treviranus)认识到细胞是植物的基本结构单位。

1827年，德国生理学家在显微镜下观察到哺乳动物的卵细胞。

1831年，英国医生罗伯特·布朗(R.Brown)观察到植物细胞一般只有一个核。这些成果为细胞学说的建立奠定了基础。

1838年，德国施莱登在《有关植物发育资料》一书中提出了:“一切植物有机体都是由细胞发展而来的，植物所有的组织结构只有从细胞出发才可得以解释”的重要结论。

1839年，德国施旺(T.Schwann)将施莱登的重要结论发展到整个生物界，在他的《动植物结构和生长相似性的显微研究》一书中明确指出:“有机体的基本部分不管怎样不同，总有一普遍的发育原则，这个原则便是细胞的形成”。

细胞学揭示了生物有机体的产生、发展、及其构造的规律，揭示了整个生物界的普遍联系，从理论上奠定了动植物有机构造和发育的基础。

可以说，生物学首次建立的理论体系是细胞学说。

2.生物进化论

1809年，法国拉马克(J.B.Lamarck)在《动物学哲学》著作中批判了各种特创论、物种不变论，提出了生物进化论思想——“用进废退”的原则。这些思想对进化论的形成起到了积极作用。

此后，英国达尔文(C.Darwin)通过5年的航海考察和实验，对所搜集的动植物标本和动植物化石进行精心细致的分析之后，1836年整理出版了《贝克尔号航海记》一书，在培育动植物新品种的经验上总结出三个基本要素:变异、遗传和选择。由此建立了人工选择理论。

之后达尔文的思想又扩展到同人工选择相似的自然选择的过程。他认为，生物普遍具有很高的繁殖力，但存活量一般都保持在相对稳定的数目上，这只能是生物界内部以及生物同所处环境之间斗争的结果。

1838年，受马尔萨斯《人口论》中所提及的“生存斗争”的启发，创立了生存斗争的理论。他认为生物就是在适者生存、不适者淘汰的斗争中经过自然选择作用逐渐产生新品种，推动生物进化的。

1859年，达尔文的伟大著作《物种起源》经过20多年的理论探究和整理终于正式发表了。在《物种起源》中，达尔文以极其丰富的第一手资料，雄辩地说明了生物界长期演化的结果，建立了生物进化“系谱树”，全面系统地论证了物种起源问题，提出了物竟天择、适者生存的思想。

达尔文进化论的建立，把发端于18世纪中叶的进化思潮，推向了新阶段，结束了宗教唯心主义和形而上学对生物学的统治，成为人们认识自然的重要思想武器。为现代细胞遗传学、生态学、分子遗传学、分子生物学、古生物学等一系列新兴科学的建立奠定了坚实的理论基础。

(五)地质学

18世纪前，地质学处在零散地观察地质现象、搜集地质资料阶段。

在地球表面地质构造成因上，出现了以英国伍德沃德(J.Woodward)的“水成说”和意大利安顿·莫罗的“火成说”之争。这两种观点导致了18世纪末关于地质形成理论的进一步争论。

1.水成论与火成论

18世纪末，德国维尔纳(A.Verner)把水成说的观点进一步深化。他指出地球表面最初是一片汪洋，所有岩石都是在海水中经沉淀、结晶而成，待后来全球水位下降，才使岩层露出水面形成高山和陆地。

苏格兰赫顿(J.Hutton)极力主张火成说，他认为地心是熔融的岩石，当能量达到一定程度时，熔融的岩石就会冲破地壳喷发出来，固化为新岩层。

2.灾变论

1825年，法国居维叶(G.Cuvier)所著《论地球表面的变动》一书中，把地质变化的形式看成是突发的灾变。通过对不同地层中的化石考察发现，地层越深，其动植物化石的构造越简单，而且与现在动植物形态差别也越大，有的种属已灭绝。据此，他指出是由于发生过多次洪水灾变，才出现了不同的地层。而每一次洪水进退的大规模激变，会将生物扫荡净尽，造成化石。而最后一次洪水即是《圣经》上讲的“摩西洪水”，它退却后才显现出今天这种地层的基本轮廓。可以看出灾变论还附有神学色彩。

3.渐变论

灾变论的神学色彩符合宗教教义而盛行。

1830～1833年，经过长期的地质考察与对以前各说的研究，苏格兰赖尔(C.Lyell)完成了《地质学原理》一书。

赖尔在书中慨然指出，地质的变迁，不必用什么神奇的超自然力来解释，他认为就是现在不断发生着的自然作用，如风、雨、河流、海潮、火山、地震、冰川等自然力，不停地侵蚀搬运冲涮沉积而形成了地球表面状态的改变。由古至今，这种微弱的地质作用是均一的，变化过程是缓慢的。倘若将地球的历史看得足够长，地球经过一系列的缓慢变化，今天的地球远不是以前的模样，已发生了巨大的变化。赖尔的渐变论有力地驳斥了灾变论的观点，把地质学引向了进化、科学的道路。

(六)天文学

1.康德星云假说

自哥白尼提出太阳中心说、开普勒建立行星运动三定律后，有关太阳系结构的理论问题已得到解决。

18世纪下半叶，人们又将研究的领域扩展到天体物理——太阳系的起源与深化问题上来。

18世纪30年代，瑞典斯维登堡认为宇宙决不止银河系一个体系。1750年，英国赖特在《宇宙理论》一书中推想宇宙中有无数类似银河系的恒星系统，犹如汪洋大海中的无数岛屿，称之为“宇宙岛”。

赖特理论对康德有着直接的影响。

1755年，德国康德(I.Kant)在《自然通史和天体论》(另译名《宇宙发展史概论》)一书中，首先提出太阳系起源于原始星云的假说。依据开普勒三定律和当时所观察到的“云雾状的天体”现象，运用牛顿引力理论和古代原子论的思想，从自然界的相互联系、相互转化的辩证发展分析中，认为“云雾状的天体”即是星云，并指出这些星云是由不同种类、不同密度、不同大小的微粒组成。形成太阳系的原始星云一开始弥漫于太空，在斥力和引力作用下逐渐凝结而成，并不停旋转，在引力作用下，这些微粒不断聚集，其中心部分形成太阳，边缘部分受斥力作用逐渐形成绕中心旋转的较大块团，最终演变成绕太阳旋转的行星。上述过程在小一号规模上重演，则形成卫星系统。此外，康德对于行星轨道的共面性、共向性、行星质量分布、彗星和土星光环的形成都提出了自己的看法。

康德的星云假说尽管有不少缺陷，但它使自然科学摆脱了宇宙不变的束缚，把演化思想带入了科学领域。

2.拉普拉斯星云假说

1796年，法国拉普拉斯(P.S.Laplace)在《宇宙系统论》中，提出了类似的星云假说。

他认为原始星云是灼热的气体，呈球形，中心密度很大，边缘密度小，一开始就处于缓慢转动状态。由于不断向外散发热量，逐渐冷却并收缩。依角动量守恒定律，质量分布趋向轴心，其角速度必然加大，于是球体星云的赤道部分将越来越凸出，逐渐变成扁平盘状。当离心惯性力与星云物质间的引力处于平衡时，边缘的物质就不再收缩，从星云块中分离出一个旋转的气环——拉普拉斯环。这种过程重复多次，便先后形成了与行星数目相同的多个气环，这些气环中的物质密度不同，密度大的地方将密度小的地方物质吸收过来，并凝集在一起，形成围绕中心转动的各个行星。而星云的中心部分继续收缩，则形成了太阳。

康德和拉普拉斯两个假说都是以“原始星云”为出发点的，但康德认为原始星云是弥漫的固体微粒，拉普拉斯认为原始星云是灼热的气体。后人往往把这两个假说并称为康德—拉普拉斯星云假说。他们将太阳系的形成看成是物质世界自身发展演化的结果，从而使近代宇宙理论奠定在科学基础之上。

康德是近代宇宙理论的奠基者。

六、近代技术的发展与第二次工业革命

19世纪中叶，英国等资本主义国家陆续完成了以蒸汽动力技术为核心的第一次工业革命。

随着生产的发展，对动力源、材料、通讯等技术又不断地提出新的要求，原有的以蒸汽动力为中心的技术体系的矛盾也日益表面化。

1783年宣告独立的美国，经过1812年第二次独立战争，从经济上业已摆脱了英国的控制，1865年的南北战争使得美国完成了资本主义制度战胜奴隶制的伟大社会革命。由此资本主义的发展为美国产业革命开辟了道路。主要表现有，农业资本主义为农业机械化大生产奠定了基础;外国移民的涌入为美国提供了大量劳动力和技术人才;对外扩张和殖民地侵略是美国获取资本的重要来源。于是，伴随着近代自然科学的全面繁荣，以电气为中心的技术革命——第二次工业革命首先在美国爆发。

(一)近代技术大发展过程

电力技术的产生与发展是在电磁理论的指导下，由工程师和科学家对发电机和电动机的研制开始的。19世纪70年代，具有实用价值的电动机、发电机先后问世。首先出现的是直流电机，然后是交流电机。在直流电机中，电动机产生要比发电机早些。

1.直流电机技术

1821年，法拉第制作了第一台用化学电源驱动的带电体围绕直立天然磁铁旋转的实验模型——现代电动机的雏型。

1834年，俄国雅可比首次采用电磁铁，用电池组驱动，制成一台电动机。

之后由于种种原因人们却转向了发电机的研究，发现要提高发电机功率并具有实用价值，关键在于解决磁铁，提供强磁场。

1863年，英国威尔德(H.Wald)提出了用旋转电枢产生电流为电磁铁励磁技术的设想。

1867年，德国冯·西门子(E.W.Von Siemens)用电磁铁替代永久磁铁，靠电机自身发出的电流为自身电磁铁励磁，制造出第一台能提供强大电流的自激式发电机，打开了近代强电技术大门。有人称西门子发电机在技术史上相当于瓦特蒸汽机，具有划时代的意义。

1870年，比利时格拉姆(Z.T.Gramme)制成环状电驱自激直流发电机，基本具备了现代电动机的结构和形式，并投入商业生产。

1873年，德国阿尔特涅克(F.VonHefner Altnek)又研制成功了鼓状转子，使发电机能产生更加均匀的电流，从此发电机得以广泛推广而进入实用阶段。

1880年，美国爱迪生(T.A.Edison)制造了可为1500个16烛光灯泡供电的大型直流发电机。对于直流电动机的“产生”，还真是“因拙得巧”，得来全不费功夫。那是1873年维也纳工业展览会上，展出了格拉姆的几种直流发电机。由于一位工人的偶然失误，错把一对电线接到另一台正在运转的发电机上，结果“奇迹”出现了——这台发电机开始倒转起来，格拉姆立刻发现这台运转的发电机变成了电动机。由此之后，在研究和制造上，发电机和电动机都统一起来了。所以，当麦克斯韦讲到“什么是当时最伟大的发现”时，他说:“格拉姆发现发电机倒转这件事”。

2.交流电机技术

直流电机在应用过程中，一些难题日益暴露出来:

(1)电机绝缘问题。随着电压升高，线圈绝缘性能不够，因而换向器上反而得不到电流。

(2)发电机在运行中，换向器上的火花问题更难克服。

(3)高压发电导致高压用电，不仅危险，而且也难以制造耐压几千伏高压的用电器。

后来人们发现交流电是克服上述困难的有效途径。

其实，早在1856年，西门子就制造出了他的第一台转枢式交流发电机，苦于当时没有与之匹配的用电设备，故一直没发展起来。

直到19世纪80年代，交流电的应用才开始起步。

1833年，法国巴黎皮克西兄弟制成了世界上第一台手摇永磁式交、直流发电机。

同年，一位署名为P.M.的发明家制成了一台单相、同步、多极发电机。

1876年，俄国科学家亚布洛契柯夫在皮克西兄弟和P.M.发明的基础上，最先提出多相发电机的构想。

1855年和1886年，意大利法拉里(Ferraris)和美国特斯拉(Tesla)分别独立地发现了旋转磁场。

1886年，特斯拉制造出一种结构完善的二相异步发电机。

1889年，俄国工程师多里沃－多布罗勿斯基(M.VorDolivo－Dobrowolsky)先后发明三相异步电动机，三相变压器和三相制。

3.电能产生与输送技术

电的全部价值在于依靠分布广远的电力供应网为需要它的地方提供电能。

早期的发电站主要用于电气照明，但同时也开始了它在工业上的应用。

发电厂的发展是从直流发电站开始的，然后逐步过渡到交流发电站。最初的发电站为“住户式”的，带动发电机发电的动力是蒸汽机。这种“住户式”的直流电站功率和供电范围都很小，后逐渐被中心电站所取代。

1881年，美国爱迪生电气公司在纽约建立起中心发电站——世界上第一座直流发电厂，容量550千瓦。

1890年，莫斯科的发电站开始用石油发电。

为了扩大直流电厂的供电范围，曾采用三线制供电和蓄电池变电站等方法，但局面仍无大的改观。于是交流电站逐渐发展起来。

19世纪80年代，单相交流中心电站开始出现。

1885年，英国菲尔安基在距伦敦12公里的捷伯特弗尔得设计和建造了世界上第一座单相交流发电站，电站总功率为3200千瓦。

单相交流电站的进一步发展，导致了三相交流电站的产生。

1891年，俄国的多里沃—多布罗勿斯基在蜡芬建造了一座由一台300马力水轮机带动一台230千伏安的三相交流发电机的水力发电厂。

1893年，法国法兰克福近郊建立了两座三相交流电站，容量为150千瓦。

美国三相电力技术起步较晚，1896年特斯拉在尼阿卡尔斯基瀑布上建造了装有三台二相发电机的电站，容量为四万马力，由于三相制大大优于二相制，最后该电站也改成了三相系统。

发电厂的纷纷建立，随之而来的便是强电能的输送问题。

电能的线路损耗是造成电力发展的一大障碍。人们发现升高输电电压是增大容量、减少损失，进行远距离传输的有效而可行的办法。要把直流发电厂发出的直流电电压升高或降低是很困难的。因此，导致了交流电的变压输电技术的研究。而实现交流高压输电的关键设备是变压器，1831年，法拉第已经提出了变压器原理。

1878年，亚布洛契柯夫制成了具有开口磁路的由电磁联系的两个绕组的感应线圈，并用于工业，这实质上就是变压器。

1885年，匈牙利吉里·波拉其和采比诺夫斯基研究出封密磁路的单相干式变压器。

1891年，瑞士布洛制造出第一台电压为30千伏的高压油浸变压器。

1885年，齐亚诺德费朗迪在英国建立了交流线路，将输出电压从2500伏提升到1万伏，而后在相距几公里的伦敦市中心将电压降下来。

总之，大容量的中心电站和高压大容量的变压器的出现，促进了近代高压交流输电技术的发展。真可谓“过去是唤出‘地下幽灵’——煤炭，现在则是由‘天上之火’——电火花来唱主角了”。

电力技术的发展不仅促进了能源动力的变革，直接作用于各项产业。而且在改善人类生活方面也比蒸汽时代作出了更大的贡献，以至人们把电气广泛应用的20世纪称为电气时代，而这个时代是从19世纪下半叶已经开始了。

(二)电气时代的技术跃进

电力技术的开发，导致电能与机械能等各种形式的能量之间的相互转化。给工农业生产和人类日常生活提供了更为强大而方便的动力能源。由此，引发了钢铁、建材、电化工、汽车、航空、电子等一大批技术密集型新兴产业的技术革新，实现了资本密集型工业开始向技术密集型工业的转移。形成了发明创新的技术跃进态势。

1.电讯技术与照明技术

(1)电报电话

电磁理论的建立不仅推动了电力技术的发展，而且还带动了电讯技术的发展。

1838年，美国的莫尔斯(S.F.B.Morse)在享利(J.Honry)的指导下，发明了电报电码，并制造出第一台电报机。

1844年，美国政府资助莫尔斯在华盛顿与巴尔的摩之间建成了一条长64公里的电报线路，至此，电报进入了实用阶段。

1876年，美国人贝尔(A.C.Bell)发明了电话。之后由爱迪生解决了长距离通话问题，使电话在美国得到普及。

早期的电讯技术局限于有线方式。到了19世纪末，自从德国赫兹用实验证实了电磁波的存在后，很多人转向了无线通讯技术的研究。

意大利马可尼(Marconi)和俄国波波夫(A.S.Popov)在无线通讯方面研究突出，很快使无线方式通讯进入实用阶段。

1895年，马可尼用英国洛奇(S.O.Lodgi)制作的粉末检波器和自制的接收机、发射机、天线，进行了多次电磁波传递信号实验。1896年，收发距离达到14.5公里;1899年，收发距离增大到50公里;1901年，无线电信号由英国跨越大西洋传到加拿大。为无线电通讯在全球的应用打开了大门。

电报和电话的发明是通讯技术的深刻变革，是扩展人类感官功能的一次革命，具有划时代的伟大意义。

(2)照明灯具

对于视觉感官，照明灯具是人类征服黑暗的工具。

电力技术的发展，为照明灯提供了新的巨大能源，引起了照明灯的革命。

1881年，英国戴维第一次利用电能造成了强大的人工光源——碳极电弧灯，用在英国沿海的各灯塔上。

1876年，俄国雅布洛契柯夫发明“电气蜡烛”弧光灯，很快成为英、法等国城市街道、剧场、商店的照明工具。

弧光灯使用的碳棒要经常调整、更换。光线大而强，不宜居家使用;而且需要大功率电源供电，成本昂贵，很不经济。故此，19世纪20年代起人们开始研制白炽灯。

1878年，英国施万用碳丝作灯丝制成了有实用价值的真空白炽灯炮，但使用寿命太短。

1878年，爱迪生决定解决这个“灯丝”问题。他的实验材料包括有机物、矿物、金属甚至人的头发、胡子等，多达1600余种，结果仍未成功。

1879年，爱迪生受到《美国科学》杂志上关于施万用碳素丝作发光体的启发，又进行了长近一年、实验材料达六千余种的“灯丝”实验。

1880年5月，终于用竹子作灯丝，制成了能连续点亮1200小时的真空白炽灯。从此，人们开始用上了真正的电灯。

2.内燃机技术

内燃机技术的出现决非偶然。首先，在蒸汽机基础上发展起来的热力学等科学理论为内燃机作了理论上的准备。其次，蒸汽技术的发展促进了冶金、机器制造业等的发展，也为内燃机产生打下了必要的物质技术基础。还有，燃料工业的发展也为内燃机的产生提供了条件。

1859年，美国德莱克在宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井。

1872年俄国，开辟了巴库油田。‘

从此，汽油成了主要动力燃料。

19世纪中叶，一批工程技术人员开始了内燃机的研制。

1860年，法国雷诺(J.E.Lenoir)研制出第一台电点火的煤气内燃机，但效率只有4%。

1862年，法国德罗沙为提高内燃机效率进行了理论分析，提出了等容燃烧的四冲程循环原理。

1876年，德国奥托(N.B.Otto)按照德罗沙的原理，研制出第一台四冲程往复活塞式内燃机。

1883年，与奥托合作的德国戴姆勒(G.Daimler)用汽油代替煤气作内燃机燃料，制成了第一台汽油内燃机。汽油机具有马力大、重量轻、体积小、效率高的特点，被广泛应用于交通运输工具。

1885年，戴姆勒和德国本茨(K.F.Benz)二人以汽油机为动力分别独立地制成了最早可供使用的汽车。

1903年，美国莱特兄弟(W.W right;O.Wright)驾驶装有汽油的飞机首次飞向天空。开拓了人类航空工业发展的历史。

1892年，德国狄塞尔(R.Diecel)成功地研制出完全靠压缩点火燃烧的柴油机，成本降低，而热效率和输出马力得到提高。柴油机成为重型运输工具如拖拉机、机车、轮船等的发动机。

柴油机的发明还促使两种热机——燃汽轮机和蒸汽涡轮机的相继问世。为电力工业的发展提供了更强大的动力机。

3.钢铁冶炼技术

19世纪以后，对钢的需要无论是量还是质都越来越高。这主要体现在蒸汽机的每分钟的冲程数由20提高到250，当然需要大量既有适当强度又有一定韧性的钢来作支持。还有建筑业，如大型桥梁、大跨度厂房及高层建筑都需要上等质量的钢材。还有军事上的枪炮所需的特种钢，等等。因此，冶炼技术上的革新是必然的趋势。

1855年，英国贝塞麦(H.Bessemer)发明了“吹气精炼法”，将固定式钢炉改为转动式，即转炉炼钢法。此法既减少出炉时间，又降低了耗能费用。

1864—1868年，法国马丁(Martin)和德国西门子(W.Siemens)发明了平炉炼钢法。与转炉炼钢法相比，点燃熔炼时间长些，但产量高，一炉能炼出上百吨钢水，钢的质量较稳定均匀，能生产优质钢。

平、转炉两炼法并驾齐驱，为钢产量大幅度上升做出了贡献。

至此，高炉、平炉、转炉炼钢生产体系形成。在钢铁工业推动下，采煤工业也迅速发展起来。据资料显示，19世纪80年代世界钢产总量为70万吨，到1900年，钢产量已达到2783万吨。

(三)第二次工业革命的特点和历史意义

1.第二次工业革命的特点

(1)科学理论引领技术发明

与蒸汽机革命不同，技术革命的成果不是直接来源于生产实践和经验上的技术革新，而是来源于科学理论直接指导下的技术发明，再应用于生产实践。事实表明，没有电磁理论就没有电机和通讯技术的发明;没有热力学理论，就没有内燃机技术的出现。科学与技术之间的关系发生了巨大改变，技术逐渐成了科学的应用，科学成了技术发明的先导。

(2)技术研究专业花、集体化

由于科学理论走到了生产技术的前面，首先决定了从事技术研究的人员不再是也不可能是仅凭经验和技能的能工巧匠，而是受过良好科学训练的专业人才，如此方能把知识形态的东西，通过技术的发明创造，物化为生产工具或产品。

其次，一些重大的研究课题由个人承担已难以完成，于是技术研究也从个人自由研究转变为集体研究，一些有影响的科研机构相继诞生。如1876年爱迪生兴建门罗顿实验室，有研究人员100多人，到1900年，该室获得白炽灯、留声机、电影机等1000余项发明专利，平均每11天取得1项。1899年贝尔成立了一个专业实验室，后来发展成为规模巨大的贝尔研究所，半个世纪以来，在电子管、雷达、激光等技术方面做出了巨大贡献，被称为富有创造性的研究所。这些研究机构在尽快解决复杂的科技难题、多出成果及培养专门人才方面，起到了积极作用。

(3)科学理论数箭齐发，技术发明多点开花

在近代数学理论、电工理论、热力学理论、电化工理论、有机合成理论及电磁波理论的指导下，第二次技术革命与前一次技术革命截然不同，第一次技术革命是蒸汽机一花独秀，第二次技术革命则形成了以电气技术为先导、多点开花的一个“技术群”——它们几乎是同时兴起的技术发明创造，涉及范围之广，受益层面之多，直至原有技术体系的各个方面，都发生了巨大的变革。

①材料技术方面

由以钢铁为主，转向有色金属材料、有机合成材料，材料的利用空间扩大了。

②动力能源方面

由单一以煤为能源的蒸汽动力，转向以煤、煤气、石油为能源的蒸汽力、内燃力、电力，内燃力又逐渐取代了蒸汽力。

③通讯技术方面

由有线通讯方式转入有线、无线通讯并行的阶段。

④机器系统方面

由于电力和内燃力的应用，原来的机器系统中传动机占重要地位，现在则是动力机、传动机、工作机形成一个整体，传动机的地位下降了，但增加了电路控制装置——专门的控制机。

2.第二次工业革命的意义

如果说以蒸汽机为标志的近代第一次工业革命，使欧洲资本主义最终摧毁了封建贵族的统治，确立了资本主义的生产方式，那么以电力技术应用为特征的第二次工业革命，则促进了资本主义社会生产力的技术发展，迎来了资本主义经济的蓬勃发展。

英国是在以蒸汽技术为标志的第一次工业革命中发迹的老牌资本主义国家，而美国和德国则是在以电力技术为中心的第二次工业革命浪潮中振兴的。他们直接吸取了电力技术革命的成果，在资本主义世界的竞争中，很快取代了英、法等老牌资本主义的领先地位。

德国电力工业自1891年起的20年间增长了28倍。

美国利用电气化技术武装自己，经过几十年的努力，压倒了欧洲大陆。1860年美国工业生产居世界第四位。产值只占资本主义世界的10%，而到1890年，美国年产值就猛增9倍，超过了大英帝国，跃居世界第一位，成了世界上经济最发达的国家。

从全世界来看，19世纪最后30年，世界工业总产值增加了两倍多，其中钢产量猛增55倍，石油产量增加25倍。生产发展加速了资本集中。电力工业的发展状况已成为衡量一个国家经济发达程度的重要标志之一。

恩格斯在谈到电力技术革命的意义时指出:“这实际上是一次巨大革命。电力技术的应用如果在最初它只是对城市有利，那么到最后它将成为消除城乡对立的最强有力的杠杆，但是非常明显的是，生产力将因此得到极大的发展，以至于资产阶级对生产力的管理愈来愈不能胜任”。

电力时代所创造的巨大生产力把资本主义从自由竞争推进到垄断阶段。垄断资本家可用规定垄断价格的办法来谋取暴力，因而拒绝采用新技术。

最先进入垄断的英国在19世纪下半叶就出现了技术停滞的趋势。英国并不缺乏电力技术的发明家和实验者，英国的矿井在1882年就试验成功了电力抽水，电照明的试用也并不晚。但煤气公司的资本家和那些应用大型蒸汽机的企业主们不愿意让他们的机器报废，或采用敌对的方法阻碍电照明，或不使用电力。19世纪末，美国已迅速建立了发电厂，而英国的电力技术应用还处于幼稚阶段，这就是垄断技术应用的表现。但是，由于垄断并不消除竞争，只要竞争不可避免，资本家就要用改良技术的办法去降低成本，提高利润。这又促进技术上的发明和应用。进入20世纪后的科学技术就是在这种既受阻碍又得到刺激的条件下发展的。20世纪初的英国处于生产技术和经济停滞阶段也是这个原因造成的。

而德国却努力采用新技术，工业发展迅速超过英国，经济发展很快，上升到欧洲的第一位，但它的市场分额和原料产地、资本输出的场所却比英国小的多。英、德两国的争夺，导致了第一次世界大战。

战后的美国则进行了大规模的设备更新，推行“产业合理化”，1928年的生产总量已超过了整个欧洲。

电力时代所创造的巨大生产力把资本主义从自由竞争推进到垄断阶段，也培育和锻炼了一支人数众多的新兴无产阶级队伍，并日益显示出了其强大的战斗力量。