第八章 数理传统与归纳传统的统一

6.科学强国的变迁 • 历史上科学中心的转移
– – – – – – – 希腊的米利都－雅典 希腊化的亚里山大里亚的缪塞昂 8世纪的巴格达的智慧馆 文艺复兴时期的意大利 16、17世纪的英国 18世纪的法国 19世纪的德国－美国－俄国
• 各科学强国的科学体制
– 英国科学体制：民间业余科学传统，科研机构遍布全 国，科研社会化程度高，政府冷漠。道尔顿、戴维、 杨、赖尔、焦耳、法拉第、麦克斯韦、达尔文 – 法国科学体制：高度集中的科学管理体制，巴黎享有 科研优势资源，外省科研条件十分恶劣 – 德国科学体制：面向工业发展科技，有机化学之父李 比希，施旺、施莱登、微耳和、耐格里、魏斯曼，欧 姆、楞次、赫尔姆荷兹。电力技术与内燃技术 – 美国科学体制：实用主义传统，解决实际问题，技术 发明，菲奇、富尔顿、莫尔斯电码、爱迪生，吉布斯、 迈克尔逊。20世纪二战之后，成为基础科学的大国
• 专业期刊的出现
– 除天文、医学外，专业期刊以化学为最 – 1790年，拉瓦锡创办《化学年鉴》（Annales de chimie） – 1778年，德国克雷尔创办《化学杂志》（Chemisches Journal） – 1790年，哈勒和莱比锡创办《物理学杂志》（Journal der Physik） – 1810年，法国尼姆出版《理论和应用数学年鉴》 – 19世纪60年代，专科杂志超过500种：动物学（近百 种）、地质学（80种）、博物学（75种）、植物学 （65种）、化学（不到60种）、数学（45种）、物理 学（30种）、天文学（20种） – 1869年，《自然》创刊，以业余读者为对象
• 欧洲创办科学期刊
– – – – – – 1710年，普鲁士科学院创办《论文集》 1700－1770年，创办了400种刊物 最保守的估计，1666－1790年，200种 1770年，有影响的科学刊物25种，涵盖所有科学领域 1800年，重要刊物50种左右，主要为普及读物 19世纪，专业期刊大量出现
• 1585年，意大利人加尔佐尼在威尼斯出版《世界职业大 全》，除了医生是一个体面职业外，数学家、机械师、天 文学家都只是一字带过 • 不存在一个统一的科学界或科学家职业，不存在一套为了 成为科学家而必须接受的教育和训练体系 • 伽利略时代，“哲学家”是有地位的 • 牛顿时代，“自然哲学家”有明显职业化倾向，涵盖皇家 学会会员们的科学活动
• 18-19世纪新兴的科学组织
– 1724年圣彼得堡科学院，主要来自瑞士的学者，伯努 利家族，欧拉 – 1743年，富兰克林创立美国哲学会 – 1747年，瑞典天文台建立 – 1753年，英国基尤地区的皇家植物园建立 – 1794年，巴黎皇家植物园改造成自然博物馆
4.18-19世纪研究机构的变迁
2.热力学第一定律
• 德国医生迈尔（1814－1878），从思考动 物热问题出发，演绎推理出能量守恒的思 想，过于抽象和思辩，不被人理解。 • 英国物理学家焦耳（1818－1889）啤酒厂 厂主，是位业余科学家。1840年，通过测 定电流的热效应，得出焦尔定律（发热与 电阻成正比，与电流的平方成正比） • 热功当量（每千卡热量＝460千克米） • 1847年，德国物理学家赫尔姆霍茨发表 “论力的守恒”，系统地表述了能量守恒 原理。
2.归纳科学的数学化
• • • • • • 库仑定律（电静力学） 安培定律（电动力学） 傅里叶定律（热学） 欧姆定律（电学） 焦耳定律（电学与热学） 麦克斯韦方程
3.经典科学与归纳科学向着力学世界观统一
• 场——以太振动模型基础之上的电磁学、光学、 力学的统一 • 能量概念之上的力、热、光、电、磁的统一
• 巴黎科学院
– 巴黎科学院（1666）经路易十四批准成立，提供经费 和津贴，外籍院士惠更斯的思想影响了法国科学院。 同年出版《科学通报》 – 1667－1672，巴黎科学院建成巴黎天文台，由意大利 天文学家卡西尼（1625－1712）主持 – 1699年法国科学院把科学分成六大门类，三个数学 （地理、天文和数学），三个医学（解剖、化学和植 物学）。
4.赫兹的发现
• 1886年，德国物理学家 赫兹（1857－1894）在 放电实验中，发现近处 的线圈也发出火花，证 实了电磁波的存在 • 意大利青年物理学家马 可尼（1874－1937）于 1894年实现无线电通讯
三、能量守恒与转化定律的确立
1.热质说的问题
• 热质说成功的解释了热量守恒定律，但热质有没 有质量？ • 美国人本杰明· 汤姆逊（伦福德伯爵）因反对ห้องสมุดไป่ตู้立 战争，流落到英国、德国，在巴伐利亚获封，在 慕尼黑兵工厂发现加工炮弹会生成大量的热，这 个现象用热质说不好解释。 • 同一时期，戴维的磨擦冰实验也提出了这个问题。
科学技术史
主讲人：刘伟 vivien6w@sina.com
第八章 数理传统与归纳传统的统一
一、19世纪科学发展概况 二、电磁学理论的建立 三、能量守恒与转化定律的建立 19 四、科学的制度化与职业化
一、 19世纪科学发展概况
1.19世纪科学的总体特征
• 数理科学与归纳科学的综合与统一，归纳科学的 数学化，数理科学的实验化 • 理论科学的潜在的应用性，很快被显现出来。电 磁学、热力学、工业化学 • 科学体制进一步健全，学院传统与工匠传统进一 步融合。 • 博物学传统中出现了空前伟大的成就：进化论。 “自达尔文以后，世界就不同了。”
4.分子运动论
• 气体定律与分子层次的微观解释。分子的动能对称气体的 温度 • 玻尔兹曼（1844－1906），提出了热力学第二定律的分子 层次的微观解释
四、科学的制度化和组织化
1.科学家的社会角色
• scientist一词最早出现在1833年，在剑桥召开的英国科学 促进会的会议上，由威廉· 休厄尔（William Whewell）提 议仿照artist造出的新词。这个词并不被当时像法拉第这 样的科学家所认可。 • 近代科学革命以来，今天被我们称为“科学家”的那些人 的社会角色是什么？如何谋生？在哪里工作？
2.法拉第的发现
• 英国物理学家麦克· 法拉第（1791－1867）
– 出身贫苦，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的 科学知识 • 1812年，聆听戴维的讲演，得到戴 维的赏识，到了实验室当一名刷瓶 子工人。次年成为戴维的助手。游 历欧洲。 • 在电化学方面显示出卓越的实验才能， 1824年选为皇家学会会员。一生对科 学一往情深，对金钱和地位不屑一顾。 • 从1820－1862，每天坚持做实验日记， 1932年出版，共七大卷3236页。
5.科学交流方式的改变
• 私人通信 • 学会刊物 – 1665年，巴黎创办了《学者报》（Le Journal des scavants），主要是书评 – 伦敦创办了《哲学学报》（Philosophical Transactions），主要是学会秘书的书信摘录
• 欧洲创办科学期刊
– 1668年，罗马《意大利文献报》 – 1670年，莱比锡《教师学报》，莱布尼兹在此发表微 积分运算的文章 – 1673年，哥本哈根《哥本哈根医学与哲学学报》 – 1684年，阿姆斯特丹《文坛消息》 – 1702年，巴黎科学院出版《历史与学术论文集》，由 历史与学术两部分组成，不定期出版
二、电磁学理论的建立
1.电流的磁效应
• 18世纪结束时，电学的最高成就是库仑定律 • 1820年，丹麦物理学家奥斯特（1777－1851）发 现电流的磁效应。 • 同年，法国物理学家安培（1775－1836）提出安 培定律（载流导线之间的相互作用力定律），奠 定了电动力学的基础。电流的方向 • 欧姆（1789－1854），1826年发表欧姆定律（电 流与电势差成正比与电阻成反比 • 问题：电流有磁效应，磁有没有电流效应呢？
• 大学和传统研究机构向发展科学技术方向改造 • 拿破仑充分认识到科学对于国家的战略意义，创办一批军 事学校和工科学校，1794年法国综合工艺学校（Ecole Polytechnique） • 1799年英国皇家研究院成立，为戴维、法拉第提供了研究 场所，与此同时，一批机械学院诞生。 • 1810年德国柏林大学建立，德语区的大学里重视自然科学， 大学不仅是传授知识，而且生产知识，研究型大学来源于 此。19世纪后期，德国建立了一批技术专科学校 （Technische Hochschulen） • 科学家的培养体制开始形成
3.科学活动的组织化
• 实验科学需要资金支持，16－17世纪的主要资助方式：宫 廷资助 – 1560年意大利人波尔塔（1535－1615）创立“自然秘 密研究会”，不久指为巫术团体被取缔 – 1603年在罗马成立林琴（Lincei，山猫、猞猁）学院， 伽利略为重要成员，1630年因赞助人去世而解散 – 1657年佛罗伦萨成立“实验（Cimento，齐曼托、西芒 托）学社”，伽利略的学生托里拆利和维维安尼是发 起人。1667年赞助人美第奇家族不再赞助，遂解散。
3.麦克斯韦电磁理论
• 英国物理学家麦克斯韦（1831－1879），爱丁堡的名门望 族，数学天才，1871年回到剑桥任实验物理学教授，1857 年提出土星光环的颗粒构成理论 • 1855年“论法拉第的力线” • 1862年“论物理学的力线” • 1864年“电磁场的动力理论”给出了麦克斯韦方程，提出 了电磁波的概念，提出了光的电磁理论 • 1873年《电磁通论》一个世纪来电磁学的经典。
• 1832年的一封信中实际上提出了电磁波的概念： “我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹 的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就是说， 我打算把振动理论应用于磁现象，就像对声音所 作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。” • 1845年发现磁的旋光效应（法拉第效应） • 1846年提出光的本性是电力线和磁力线的振动
2.科学活动制度化的过程
• 作为汇集知识精英的大学，并不是近代科学的策源地。大 学是保守势力的大本营，容不下科学革命家。科学革命的 先驱者，大多散布在民间，从事各种各样的职业 • 1600－1850年间，学会、学院是科学活动的中心，科学研 究的业余化、非职业化 • 1850年开始，大学重新成为科学精英的汇集之地，大学教 授同时承担科研和教学双重任务，研究性大学出现 • 20世纪，工业界、政府、基金会大量投入经费支持科学研 究，科学的职业化彻底完成
• 科学组织的初步建立：英国皇家学会和巴黎科学 院 • 英国皇家学会
– 17－18世纪的资助方式：国家介入，以皇家学会为例 – 1640年代，哥白尼派的牧师威尔金斯（1614－1672） 在伦敦组织“哲学学会” – 1660年，建筑师雷恩（1632－1723）倡议成立一个新 的团体，并选威尔金斯为主席，但英王查理二世要求 变成皇家科学组织 – 1663年正式成立英国皇家学会，“以促进自然知识为 宗旨”。
• 1831年，法拉第发现运动的磁铁会导致电流，而 静止的磁铁却没有电流效应。这个电流称为感生 电流，制作出发电机与电动机最早的模型。 • 建立“场”的概念（用来传递电 磁作用的连续介质）、“力线” 概念（场的直观图象）。破除了 牛顿的超距作用概念。 • 建立电磁感应定律：只要导线垂 直地切割磁力线，导线中就有电 流产生，电流的大小与所切割的 磁力线数成正比。
3.热力学第二定律
• 英国物理学家威廉· 汤姆森（开尔文勋爵1824－1907）发 现：热总是不可避免的要从高温流向低温 • 热二定律：从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而 不产生其它影响是不可能的。 • 德国物理学家克劳修斯（1822－1888）给出的表述：热量 不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。 • 熵增定律：一个系统热含量与其绝对温度之比在系统孤立 时总是增大 • 宇宙热寂说
• 本学会召集的日常会议的事务，是安排、考虑、审议和讨论哲 学实验和观察报告。……本学会不会承认任何古代和当代哲学 家提出或提到的任何自然哲学原理的假说、体系或学说。
– 1665年，学会的机会刊物《皇家学会哲学学报》由学 会秘书、商人奥尔登堡自费出版 – 整体上体现典型的英国式经验主义风格，是培根精神 的体现；名为皇家学会，实为民间组织 – 早期工艺师、商人较多，机械、航海技术等问题受到 重视