第九章近代自然科學(xué)的全面發(fā)展要點(diǎn)

第九章近代自然科學(xué)的全面發(fā)展一、概述19世紀(jì)是近代自然科學(xué)全面發(fā)展的時(shí)期。工業(yè)革命不僅推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力突飛猛進(jìn)的提高,更推動(dòng)了近代自然科學(xué)實(shí)現(xiàn)了全面的理論綜合。經(jīng)典的自然科學(xué)在19世紀(jì)末已達(dá)到了基本完善的程度。各門自然科學(xué)都從經(jīng)驗(yàn)科學(xué)變?yōu)槔碚摽茖W(xué),科學(xué)研究方式從個(gè)人自由研究轉(zhuǎn)變?yōu)榧w研究。由于科學(xué)的進(jìn)步,特別是由于電磁理論的建立,科學(xué)開始走到了生產(chǎn)技術(shù)的前面,并推動(dòng)了生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,使人類從蒸汽——機(jī)器時(shí)代,逐漸向以電氣應(yīng)用為中心的時(shí)代過渡,科學(xué)逐漸成為經(jīng)濟(jì)生活中起主要作用的手段。17世紀(jì)受牛頓力學(xué)革命影響而形成的機(jī)械唯物主義自然觀,因19世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展而受到強(qiáng)烈的沖擊,辯證唯物主義自然觀在新的科學(xué)事實(shí)的基礎(chǔ)上誕生了。二、 19世紀(jì)是“科學(xué)的世紀(jì)”工業(yè)革命和生產(chǎn)力的巨大進(jìn)步,迎來了近代科學(xué)的全面繁榮,其規(guī)模和成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過17世紀(jì)的科學(xué)革命。科學(xué)開始走到了生產(chǎn)技術(shù)的面前，并推動(dòng)了生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，使人類從蒸汽——機(jī)器時(shí)代向電氣應(yīng)用化時(shí)代過渡。19世紀(jì)的熱力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)等學(xué)科都取得了重大的突破,并大都進(jìn)入到理論綜合的階段。經(jīng)典的自然科學(xué)在19世紀(jì)末已達(dá)到了基本完善的程度，我們今天所接受和應(yīng)用的基礎(chǔ)自然科學(xué)原理,大部分是在這個(gè)世紀(jì)里奠定的。各門自然科學(xué)已從經(jīng)驗(yàn)科學(xué)變?yōu)槔碚摽茖W(xué)，由個(gè)人自由研究轉(zhuǎn)變?yōu)榧w研究，科學(xué)研究手段和方法日益完善，是19世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的重要特點(diǎn)。這一時(shí)期的科學(xué)家不僅注意搜集材料,用時(shí)還重視理論上的分析、概括和綜合,他們發(fā)展了科學(xué)的思維方法,把假說、演繹同實(shí)驗(yàn)、歸納結(jié)合起來,使大量自然知識(shí)得到有系統(tǒng)的整理。數(shù)學(xué)在力學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域成為科學(xué)家進(jìn)行理論思維的輔助工具和表現(xiàn)方式。19世紀(jì)的自然科學(xué)成就促進(jìn)了整個(gè)文化的科學(xué)化,特別是哲學(xué)的科學(xué)化。機(jī)械唯物主義自然觀受到?jīng)_擊，19世紀(jì)的大多數(shù)自然科學(xué)家已經(jīng)從科學(xué)發(fā)現(xiàn)中開始擺脫傳統(tǒng)自然觀和方法論的束縛。黑格爾在唯心主義范圍內(nèi)對(duì)當(dāng)時(shí)的自然科學(xué)知識(shí)做了全面概括,提出了對(duì)立面的滲透和統(tǒng)一、由量變到質(zhì)變、否定之否定三個(gè)辯證規(guī)律。在總結(jié)科學(xué)技術(shù)成果和批判吸取德國(guó)古典哲學(xué)的基礎(chǔ)上,馬克思和恩格斯創(chuàng)立了辯證唯物主義。三、熱力學(xué)的研究和能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)是研究熱同其他物理形式之間相互關(guān)系的科學(xué),它的建立是由研究蒸汽機(jī)的效率開始的。第一個(gè)對(duì)蒸汽機(jī)效率進(jìn)行精密的物理和數(shù)學(xué)分析的是法國(guó)工程師卡諾。卡諾總結(jié)了關(guān)于熱機(jī)效率的卡諾定理。這一時(shí)期的研究，確立了熱力學(xué)第一、二定律。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱力學(xué)上的表現(xiàn)。該定律證明不消耗任何能量就能永遠(yuǎn)作功的機(jī)器（第一類永動(dòng)機(jī)）不可能實(shí)現(xiàn)。德國(guó)的克勞胥斯和凱爾文等人分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律。該定律揭示了熱運(yùn)動(dòng)的自然過程是不可逆的,宣布制造從單一熱源吸取能量而永遠(yuǎn)作功的機(jī)器（第二類永動(dòng)機(jī)）也是不可能的。任何科學(xué)定律都有其適用范圍和應(yīng)用條件，熱力學(xué)第二定律是表達(dá)特定封閉系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的規(guī)律,但克勞胥斯卻將其推廣到無限宇宙中去，得出“熱寂說”的錯(cuò)誤判斷。這是科學(xué)史上的一個(gè)教訓(xùn)。最早公布能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的是德國(guó)醫(yī)生邁爾。英國(guó)業(yè)余物理學(xué)家焦耳為能量守恒定律的確立作出了重要貢獻(xiàn)。能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn),揭示了熱、力學(xué)、電、化學(xué)等各種運(yùn)動(dòng)形式之間的統(tǒng)一性,使物理學(xué)達(dá)到空前的綜合和統(tǒng)一,這是牛頓力學(xué)體系建立以來物理學(xué)的最大成就。1826年,英國(guó)植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)了分子的運(yùn)動(dòng),即布朗運(yùn)動(dòng)。1857年,克勞胥斯指出，氣體的熱能就是氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,對(duì)熱現(xiàn)象作出了微觀解釋。在此基礎(chǔ)上,英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋用概率統(tǒng)計(jì)方法研究分子運(yùn)動(dòng)論。分子運(yùn)動(dòng)說把宏觀的熱現(xiàn)象和它的微觀機(jī)制結(jié)合起來,開創(chuàng)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)這個(gè)新的分支學(xué)科。四、天學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)的演化理論19世紀(jì)產(chǎn)生了一個(gè)重要的科學(xué)概念,即演化或進(jìn)化的概念。當(dāng)這個(gè)概念被引入到天學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)中之后,使這幾個(gè)學(xué)科都發(fā)生了理論上的突破。1．康德、拉普拉斯的星云說德國(guó)哲學(xué)家康德提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說。1755年他出版了《自然通史和天體論》一書,詳細(xì)論證了他的星云假說。拉普拉斯在1796年出版的《宇宙體系說》一書中,獨(dú)立地提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說。在整個(gè)19世紀(jì)中,天體演化學(xué)說取得了統(tǒng)治地位?？档隆绽沟男窃萍僬f把發(fā)展的觀點(diǎn)帶到了天文學(xué)領(lǐng)域中,為天體演化學(xué)說奠定了最重要的科學(xué)基礎(chǔ)。它第一次把自然界理解為一種運(yùn)動(dòng)發(fā)展、變化的過程,這是對(duì)18世紀(jì)形成的形而上學(xué)的自然觀的一種重大突破。既然太陽系的現(xiàn)有狀況是在長(zhǎng)期發(fā)展的過程中逐漸形成的,牛頓關(guān)于“第一推動(dòng)力”的假設(shè)也就顯然是錯(cuò)誤的了。2．地質(zhì)演化理論的提出在地層成因及生物化石的解釋上有火成說與水成說之爭(zhēng)、災(zāi)變說與漸變說之爭(zhēng)。人們通過對(duì)越來越多的地質(zhì)資料的深入研究,發(fā)現(xiàn)無論是水成說、火成說,還是災(zāi)變論,都未能如實(shí)地反映地層構(gòu)造形成的真正原因。赫頓認(rèn)為歷史比較法是考察地質(zhì)現(xiàn)象的科學(xué)方法,主張以現(xiàn)在還在起作用的地質(zhì)力量來解釋地層和巖石的形成。他的觀點(diǎn)為地質(zhì)學(xué)的研究指明了方向。1830年,英國(guó)地質(zhì)學(xué)家賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》出版,標(biāo)志了近代地質(zhì)學(xué)的系統(tǒng)化。賴爾提出了地質(zhì)漸變論的概念。賴爾的學(xué)說為地質(zhì)學(xué)乃至整個(gè)地球科學(xué)提供了一種重要的科學(xué)方法,使地質(zhì)學(xué)得到迅速發(fā)展,并且對(duì)達(dá)爾文建立生物進(jìn)化論起了重要的啟發(fā)作用。19世紀(jì)末,奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯出版了巨著《地球的面貌》,總結(jié)了賴爾以來迅速發(fā)展的近代地質(zhì)學(xué),書中已出現(xiàn)了構(gòu)造體系、大陸漂移等概念的雛型,預(yù)示著現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的崛起。3．生物進(jìn)化論經(jīng)過18世紀(jì)中期法國(guó)博物學(xué)家布豐和19世紀(jì)初期的拉馬克等人的努力,到了達(dá)爾文時(shí)代,進(jìn)化論終于戰(zhàn)勝神創(chuàng)論,這是19世紀(jì)最偉大的生物學(xué)成就,對(duì)哲學(xué)和社會(huì)科學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。第一個(gè)系統(tǒng)地提出生物進(jìn)化論的人是法國(guó)動(dòng)物學(xué)家拉馬克。拉馬克在1809年出版了這方面最重要的著作《動(dòng)物哲學(xué)》。對(duì)于生物適應(yīng)環(huán)境的演化機(jī)制,拉馬克提出了“用進(jìn)廢退”和“獲得性遺傳”兩條法則。英國(guó)生物學(xué)家達(dá)爾文是近代進(jìn)化論的奠基人。達(dá)爾文的進(jìn)化理論主要表現(xiàn)在于1859年出版的《物種起源》一書。按照達(dá)爾文的觀點(diǎn),自然選擇包括三個(gè)始終綜合發(fā)生作用的因素——變異性、遺傳性和由繁殖過剩引起的生存斗爭(zhēng)。變異性為形成生物的新組織與機(jī)能提供材料,遺傳性鞏固并積累它們,生存斗爭(zhēng)則是排除一切對(duì)生存條件不適合或不太適合的生物,即通過生存斗爭(zhēng)不斷淘汰不利變異,保留有利變異,通過有利變異的積累,到一定程度就能形成新類型,實(shí)現(xiàn)生物進(jìn)化。英國(guó)動(dòng)物學(xué)家華萊士也幾乎同時(shí)獨(dú)立地提出了生物通過自然選擇而進(jìn)化的理論。4．遺傳學(xué)研究與細(xì)胞學(xué)說的建立19世紀(jì)的生物學(xué)研究,除物種起源問題之外,還有遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)的研究。現(xiàn)代遺傳學(xué)創(chuàng)始人奧地利修道士孟德爾從1857年起對(duì)生物子代與親代的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)出生物遺傳方面的顯性定律、分離定律和獨(dú)立分配定律。孟德爾的遺傳定律對(duì)育種生產(chǎn)有重要的實(shí)踐意義。根據(jù)這定律,人們既可以設(shè)想把某些符合需要的特性保留下來并聚集在一個(gè)品種內(nèi),又可以把具有有害傾向的特性淘汰掉。德國(guó)動(dòng)物學(xué)家魏斯曼也是19世紀(jì)末遺傳學(xué)研究中的重要代表人物。1892年,他在《種質(zhì):一種遺傳理論》一書中提出了種質(zhì)連續(xù)和種質(zhì)選擇的學(xué)說。這就是所謂“新達(dá)爾文主義”的進(jìn)化論。魏斯曼認(rèn)為，自然選擇的對(duì)象是生殖細(xì)胞,體細(xì)胞獲得的變異不會(huì)遺傳。這樣,他不僅完全否定了拉馬克的獲得性遺傳原則,又給自然選擇以新的意義。這一理論對(duì)20世紀(jì)細(xì)胞遺傳學(xué)的發(fā)展和綜合進(jìn)化論的形成,有著深刻的影響。1838年,德國(guó)植物學(xué)家施萊登在《植物的發(fā)生》一文中宣稱,細(xì)胞是一切植物的基本生命單位,一切植物都是以細(xì)胞為實(shí)體發(fā)展成的。1839年,德國(guó)解剖學(xué)家施旺把施萊登的論點(diǎn)推廣到動(dòng)物界,消除了動(dòng)物與植物的嚴(yán)格界限。細(xì)胞學(xué)說的建立,使生物個(gè)體發(fā)育過程變成可以理解的了。1858年,柏林大學(xué)病理學(xué)教授微耳和在長(zhǎng)期病理檢驗(yàn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,將細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用于病理學(xué),創(chuàng)立了細(xì)胞病理學(xué)。幾乎與此同時(shí),法國(guó)的化學(xué)教授巴士德建立了細(xì)菌致病的學(xué)說,并在微生物學(xué)的研究中作出了卓越貢獻(xiàn)。他開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)上的免疫學(xué)。巴士德關(guān)于消滅細(xì)菌的消毒方法在醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用,使手術(shù)真正成為拯救生命的手段。巴士德被后人稱之“細(xì)菌獵人”。細(xì)菌學(xué)說的建立還從根本上否定了“自然發(fā)生說”。五、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學(xué)理論自波義耳把化學(xué)確立為科學(xué),擺脫了煉金術(shù)的形式之后,化學(xué)在19世紀(jì)取得了飛速發(fā)展。精密天平的應(yīng)用,為化學(xué)的定量化研究提供了可能；工業(yè)革命提出了許多化學(xué)方面亟需解決的問題,推動(dòng)了酸堿鹽的制造及有機(jī)合成技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)致了化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的建立。1．原子——分子學(xué)說19世紀(jì)化學(xué)發(fā)展最重要的成就之一,是科學(xué)的原子——分子論的提出和確立。提出化學(xué)原子論的是英國(guó)化學(xué)家道爾頓。道爾頓原子論的建立是近代化學(xué)發(fā)展中一次重要的理論綜合,它把原子量作為區(qū)分化學(xué)元素的最本質(zhì)特征,這就為許多經(jīng)驗(yàn)性的化學(xué)定律提供了清晰的理論解釋,使人們認(rèn)識(shí)到一切化學(xué)現(xiàn)象內(nèi)在的統(tǒng)一本質(zhì)。意大利物理學(xué)家阿佛伽德羅于1811年明確提出了分子的概念。阿佛伽德羅的分子論與道爾頓的原子論相結(jié)合,形成科學(xué)的原子——分子論,建立了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本理論。2．元素周期律的發(fā)現(xiàn)原子——分子論確立之后,化學(xué)上又一個(gè)重大突破是化學(xué)元素周期率的發(fā)現(xiàn)。俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫?qū)Πl(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期律做出了決定性的貢獻(xiàn)。他于1869年2月排出了他的第一張周期表。他明確指出:元素的性質(zhì)和它們的化合物的性質(zhì)與元素的原子量有周期性的依賴關(guān)系,他還大膽地預(yù)言了10多種未知元素的存在及其性質(zhì)。元素周期律揭示了各種元素之間的內(nèi)在聯(lián)系實(shí)現(xiàn)了無機(jī)化學(xué)由經(jīng)驗(yàn)到理論的飛躍,為元素的研究、新元素的尋找提供了一個(gè)可遵循的規(guī)律。3．有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的建立原子——分子論的確立對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展起了推動(dòng)作用。有機(jī)化學(xué)中原子價(jià)概念的形成是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)理論建立的先決條件。1858年,德國(guó)化學(xué)家凱庫勒用原子價(jià)的概念奠定了有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。原子一分子論獲得公認(rèn)后,人們根據(jù)原子量可以確定分子式,再按原子價(jià)和化學(xué)性質(zhì)就可以描繪出分子的結(jié)構(gòu)式,進(jìn)而認(rèn)識(shí)了結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。1865年,凱庫勒又提出苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。19世紀(jì)化學(xué)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的重大成就就是有機(jī)合成的實(shí)現(xiàn)。1824年,維勒用無機(jī)物氰和氨水合成了有機(jī)物尿素。這給當(dāng)時(shí)生物學(xué)界和化學(xué)界流行的“活力論”以致命的打擊,并為有機(jī)合成開辟了廣闊道路。到50年代后期,有機(jī)合成從實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到工業(yè)生產(chǎn),徹底打破了無機(jī)物與有機(jī)物之間的絕對(duì)界限。六、電磁理論的建立1820年,丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。1822年,法國(guó)物理學(xué)家安培進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁力的基本定律,奠定了電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者和近代電磁理論的創(chuàng)始人是法拉第。無論在實(shí)驗(yàn)上,還是在科學(xué)思想上,他都可以被稱為19世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。1831年法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，這是發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)。為了解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象,法拉第提出“力線”和“場(chǎng)”的概念。這是自牛頓以來物理學(xué)基本概念的重大發(fā)展。經(jīng)典電磁學(xué)說的理論總結(jié)是由英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋完成的。1873年,麥克斯韋的巨著《電磁學(xué)通論》問世,這是一部系統(tǒng)總結(jié)電磁理論的經(jīng)典著作,它標(biāo)志著完整的電磁理論的確立,它的科學(xué)價(jià)值可以與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物種起源》相媲美。從法拉第到麥克斯韋是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)巨大躍進(jìn)。麥克斯韋的貢獻(xiàn)再一次表明了數(shù)學(xué)方法和理論思維的重要性。麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言,在1886年被德國(guó)物理學(xué)家赫茲實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。電磁波的發(fā)現(xiàn)為后來無線電通訊技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。從電磁感應(yīng)到發(fā)電機(jī),從電磁理論、電磁波實(shí)驗(yàn)到無線電技術(shù)的發(fā)展,這兩段歷史雄辯地說明