科学简史第十一讲—工业革命时期的科学

工业革命的时代背景
• 钮可门蒸汽机只产生往复运动，而瓦特让蒸汽机带动轮轴 的旋转，这就使得蒸汽机的应用领域大大扩展了，当然它 最初还是在煤矿那里普及的。
• 钮可门和瓦特的蒸汽机都是依靠大气做功，体积巨大，只 适合于安置在固定的位置运转，或者驱动大型汽船，但难 以驱动车辆。所以火车的出现还需要等1800年左右特里维 西克发明小型高压蒸汽机。
• 到了19世纪，理论、实验、工业才真正汇 合到一起，互为基础，互相促进，人类正 式进入一个科学爆炸的时代。
工业革命的时代背景
• 工业革命（The Industrial Revolution ）始于18世纪60年代， 终于19世纪40年代，通常认为它发源于英格兰中部地区， 是指资本主义工业化的早期历程，即资本主义生产完成了 从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。工业革命是以机 器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产 的一场生产与科技革命。
• 1820年，丹麦学者奥斯特（1777-1851）在1820年发现电与磁的联 系。他在一次上课后收拾演示仪器的时候，其中有电回路和指南针， 他意外发现导线与磁针平行时，开关电流会影响磁针的指向。
• 听说奥斯特的发现后，法国学者安培（1775-1836）马上展开研究， 明确了磁针转动方向和电流方向的关系，也就是右手定则或安培定 则。他还提出了安培定律，来计算通电导线之间的相互作用力。设 计了根据电的磁效应来测定电流大小的电流计。
• 工业革命早期（18世纪末）的技术革新还不是由理论科学推动的，那么它又 是谁推动的呢？简单来说，主要就是社会需求。城市化和资本主义的兴起为 工业革命奠定了基础，工业革命又反过来促进了城市化与资本主义，工业与 资本之间进入正反馈的循环，最终一发而不可收。
工业革命的时代背景
• 15、16世纪，随着新航路的开辟和新大陆的发现，对外 贸易的需求日益增长，在英国，羊毛织物就是一个重要 的出口商品。对羊毛的需求导致对牧场的需求，于是就 促进了所谓的“圈地运动”，贵族与资本家用各种巧取豪 夺的手段圈占农民的土地，建立牧场驯养绵羊，导致大 量农民失去土地，被迫背井离乡，这就是后来莫尔在 《乌托邦》中痛斥的所谓“羊吃人”。
• 在16-19世纪盛行的“三角贸易”示意：欧洲人首先带上本 国的商品，到非洲换取黑奴，再到美洲换取烟草和矿产 等，最后返回欧洲。纺织品是英国的主要出口商品之一。
工业革命的时代背景
• 与此同时，英国的农业技术也有所革新， 机械播种机的应用和四田轮作制等农业变 革加强了农业生产。
• 最终的结果是农业人口日益减少，大量的 失去土地的农民不得不变成“进城务工人 员”，促进了城市人口的增加和工场手工业 的发展，这也进一步促进了资本主义的发 展。
• 特里维西克在伦敦搞了个环形铁路，让一个蒸汽驱动的火 车在里头跑，取名“谁能追上我”（Catch Me Who Can）。 收费进场，进去以后可以追着火车跑着玩儿。虽然这个活 动可能只办了几周，但总算是抓了不少眼球。
工业革命的时代背景
• 在1814年蒸汽火车终于被实用化了，首先是被用于煤矿之内短途拉煤。到 1830年，出现了第一条面向公众的铁路线（利物浦到曼彻斯特）。40年代 开始铁路大流行，英国到处都在兴建铁路。
• 在欧洲（在中国则早得多），英国人率先在炼铁工业中用煤矿取 代了木材，1709年达比首创用焦炭代替木炭炼铁，焦炭炼铁的技 术到18世纪中叶普及，从此对煤矿的需求大大增加了。
18世纪的高炉（鼓风炉） 示意：把铁矿石和焦炭等 从顶部放入，在底部鼓风， 冶炼过程中焦炭和矿石在 炉内会交替分层。
工业革命的时代背景
理论与实践的结合
• 我们知道早期的实验更多都是演示性的，只是为已知的理论进行 佐证，而不增加新的知识。到了19世纪，我们注意到实验与理论 的关系更加紧密，在理论中预言的结果要求实验的验证，而在实 验中发现的异常现象则要求理论解释，理论与实验互相激励的情 况越来越多。
培根科学的 理论化
培根科学的理论化
• 对煤矿的需求当然又促进了采矿技术的发展。 在采煤工业中，一个很重要的工作是从矿井 中排出地下水，这就需要使用抽水机。
• 早期的抽水机使用畜力驱动，到1698年，英 国工程师萨弗里发明了蒸汽泵，用蒸汽冷凝 形成的真空抽水，再用蒸汽把水压出。
• 1712年，纽可门发明第一台实用蒸汽机，他 把汽缸和锅炉分开来，在汽缸中加入冷水喷 射器，汽缸充满蒸汽后使之冷凝产生真空， 让大气压做功，形成往复的机械运动。钮可 门蒸汽机真正把燃料转化为机械动力，但实 际上主要还是被用于矿坑抽水。
• 铁路工业本身又需要大量的钢铁，这反过来又推动了钢铁工业的发展。我们 看到整个工业革命是一环扣一环，各方面的技术革新互相推动。
• 钢铁工业需要煤，这就促进了煤炭工业；而煤炭工业需要抽水和运输，这就 促进了蒸汽机和铁路的传播，而理论与实践的结合
• 伴随着工业革命的进程，理论、实验与技术的互相激励也开始渐入佳境了。 我们之前说到，事实上在18世纪，理论科学与工业革命的发展是脱节的，互 相之间并没有直接的影响。但这种说法非但现在的许多科普作家都不承认， 当时的许多人也不承认。在18世纪，许多人都相信科学研究能够推动技术 发展，推动社会进步。培根就说“知识就是力量”，这是当时的时代精神。
• 在化学方面，光是抓住质量守恒还不够，道尔顿的原子 论明确了反应前后分子结构会变化，但每一种原子及其 数量是守恒的，这才找到了化学作为定量科学的理论基 础。从此化学成为一门数理科学，就顺理成章了。
道尔顿和他的里程碑式著作——《化学哲学新体系》
培根科学的理论化
• 电学的理论化也是从18世纪末开始的，库仑就是当时的最高成就。 但当时的整个电学离一门系统的理论科学还很遥远。电学和磁学在 19世纪快速发展，实验与理论互相促进。
• 另一条传统是科学革命之后新兴起的，库恩称之为“培根科 学”，也就是弗朗西斯·培根所鼓吹的以观察、记录、归纳为 主的研究方式。在18世纪，培根科学传统主要是通过观察 和实验不断积累各种新奇现象，定性地记录并归纳其规律。
培根科学的理论化
• 像摩擦起电、莱顿瓶、固定气体之类的各种新奇现 象被不断发现和收集起来，但最初只满足于掌握观 察和演示它们的方式，以及定性地描述和解释它们， 而没有数学化。需要注意，总结“规律”并不意味 着理论化、数学化，比如摩擦就能起电——这就是 一种“规律”，但离数学化还很遥远。18世纪的“实验 科学”得到的大多是这类在操作、演示意义上的规律。
• 首先是对实验科学和技术经验的理论化， 例如法国物理学家卡诺在1824发表《论 火的原动力》，首次对蒸汽机的工作原 理作科学分析。提出“卡诺循环”，这是 可以描述一切热机的理论模型。
理论与实践的结合
• 19世纪40年代，多位科学家各自独立提出能量守 恒定律（也就是热力学第一定律），现在一般认为 最早提出者是德国医生迈尔，但系统地表述这一原 理的是德国物理学家赫尔姆霍茨（1847年）。
第11讲——工业革命 时期的科学
Content
工业革命的时代背景 理论与实践的结合 培根科学的理论化 法拉第：实验传统的巅峰 科学与工业结盟
工业革命 的时代背景
工业革命的时代背景
• 在18世纪，理论科学、实验科学和工业技 术这三方面的发展还是相对独立的，理论 科学并没有直接推动工业革命的发生，甚 至理论与实验之间也是脱节的。
• 比如在18世纪就流传有许多故事，例如钮可门曾经接受过胡克的指导，瓦特 受到布莱克潜热理论启发等等，尽管这些说法往往缺乏依据，但人们愿意相 信。
理论与实践的结合
• 下到民众，上到政府，都相信科学是能够实用的。
• 例如：在1800年左右，英国计划建造一座跨度约 180米的单跨铸铁桥。议会就决定成立两个委员会， 一方是数学家和自然科学家，另一方是有经验的 建筑师，然后综合两方的意见来开展应用。结果 几乎是个闹剧，一些理论家的提议成为笑柄。理 论家们看起来有学问，能够根据想象出来的假说 进行冗长而复杂的计算，而且精确到了最小的小 数，但是，大桥仍然不安全。”
• 由于机器的发明及运用成为了这个时代的标志，因此历史 学家称这个时代为“机器时代”（the Age of Machines）。 一般认为，蒸汽机、煤、铁和钢是促成工业革命技术加速 发展的四项主要因素。英国是最早开始工业革命也是最早 结束工业革命的国家。
工业革命的时代背景
• 工业革命时期科学的重点是电磁学和进化论，电磁学标志着理论与实验的综 合，也标志着科学与工业的结盟；而进化论则标志着科学与神学的决裂。
工业革命的时代背景
• 随着城市人口的增长，人们的需求也日益增长了， 其中有一个重要的需求越来越难以得到满足，那 就是木材。英国的木材资源向来就不怎么丰富， 在18世纪变得尤为紧缺。
• 那么什么事情需要木材呢？什么都需要。因为木 材及木炭是当时最基本的燃料了，包括烤面包、 酿酒、玻璃制造等等，各种商品的生产都需要它。
萨弗里的蒸汽泵
钮可门蒸汽机原 理图
瓦特蒸汽机示意图（1797版画）
工业革命的时代背景
• 18世纪中叶，随着对煤矿需求的增加，蒸汽机的改进也变 得日益迫切。设法改良蒸汽机的不止瓦特（1736-1819） 一个人，比如斯米顿也在尝试改良，他把钮可门蒸汽机的 效率提高了一倍。但还是比不上瓦特的新设计。
• 瓦特是一个仪器修理员，上一讲提到18世纪形成了一条仪 器产业，既然这些实验仪器经常被演示，那就总要损坏， 瓦特当时就是一个专业的维修工。1764年，他应邀去一所 大学修理那里的钮可门蒸汽机，他因此注意到钮可门蒸汽 机效率低下的问题，到1765年，他灵机一动，想到了一种 改进方式，1769年他就为他的发明申请到了专利。
培根科学的理论化
• 拉瓦锡的化学革命是培根科学传统数学化的一大标志， 但拉瓦锡化学的数学化还不够充分，到1808，英国学 者道尔顿出版《化学哲学新体系》，系统提出了化学原 子论，这时候化学的理论体系就比较成熟了。因为原子 论终于明确地阐明了化学反应中“守恒”的究竟是什么。 现代数学打通了数和量的概念，因此科学的数学化，也 就是要满足定量研究的要求，而定量研究一定要有守恒 的概念，这样才能恰当地列出“等式”。