科学史十五讲第06讲 工业革命与启蒙运动

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症结在哪里?
纽可门蒸汽泵的缺陷:高耗 低效 加热—冷却—再加热—再冷却
致命难题:没有冷却就没有 真空,没有真空就没有泵, 也就没有蒸汽动力!
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灵感闪现!
1765年5月的一 个星期日下午, 瓦特出来散步, 漫步徘徊,陷 入沉思:突然, 一个念头出现 了……
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谜底:单独容器!
蒸汽在将活塞 推上气缸顶部 时,仍是炽热 的,可以将蒸 汽引入另一个 容器将其冷凝, 而在气缸内形 成热态真空!
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火车
1850年,铁路线如蜘蛛网一般布满了英国,随即传播到了 欧洲和美国。
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美国的机车:车头前的排障器,烟囱上的防火罩
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“蒸汽”改变世界
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3. 科学在工业革命中的滞后
构成18世纪工业革命的技术创新,大都是 由工匠、技师或工程师这一类人做出来的。 他们中间没有多少人接受过大学教育,而 且他们全是在没有得益于科学理论的情况 下取得这些成果的。 当时的科学理论也远远落后实际需要,如 卡诺《论火的原动力》(1824)对蒸汽机 的工作原理分析。
1679年,巴本(1647-1712)造出了“蒸煮器”: 锅体密封,蒸汽使沸点升高,在高温和高压下 食物极易煮烂。锅盖上装有安全阀,防止蒸汽 压力过高—高压锅。他用这种锅给查理二世做 了一顿菜:炖骨头,味道鲜美。 1680年入选皇家学会会员;1690年研制成第一 台带活塞的“蒸汽机”,撰写《一种获取廉价 大动力的新方法》—单缸活塞式“蒸汽机” 。
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二、启蒙运动与 科学思想的传播
1785年,有人问德国的康德(Immanuel Kant,1724-1804)是否生活在一个开明的 时代(an enlightened age)时,康德回答 说:“不,我们正生活在一个启蒙的时代 (an age of enlightenment)。”
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1. 何谓“启蒙”
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道路坎坷
当年,瓦特才29岁,但是在此后的11年中, 瓦特的生活之路充斥着失望、不安、悲伤。 如果只是依靠他自己,他的蒸汽机永远只 能停留在实验室的试验阶段。 瓦特的谦逊、坦率和善良的品德使得他吸 引了一些社会名流,这些人又将瓦特介绍 给了矿山的老板、企业的经理,是他们看 到了瓦特发明所蕴涵的巨大商业价值!
这场革命,经过开普勒、伽利略、笛卡尔的推波 助澜,最后是牛顿使其达到了顶点。牛顿的科学 成就使他本身成为那个时代的思想中心,他的宇 宙观和自然哲学逐渐成为占有主导地位的社会和 政治思想潮流。 哈雷在牛顿《原理》第一版“前言”写道: 在理性光芒的照耀下 愚昧无知的乌云 终将被科学驱散
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为什么科学革命未能解放 生产力?
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科学与技术的分离
18世纪的“科学家”们的工作大多数脱离 社会的实际生活,技术行家和工程师也不 主动去吸取科学知识的营养。实际应用和 理论研究之间存在一道鸿沟。
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爱科学?还是爱财富?
瓦特希望把漂白织物的氯化过程应用于商 业领域,化学过程是法国科学家贝托莱 (C.L.Berthollet)发现的。贝托莱是以纯 科学的态度进行这项研究的。发表论文时 根本没有考虑商业应用或者说经济效益。 瓦特希望贝托莱能够合作,改进生产工艺, 一同申请专利。贝托莱的反对:“一个人 要是爱科学,就不要财富。”
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静谧的田园
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工业化的开始
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1. 纺织业的发展
毛纺是英国的传统工业。如苏格兰的花格 呢。英国社会十分喜爱棉布,一直从印度 进口。1700年禁令:停止进口棉布,以挽 救民族工业,刺激英国本土纺织业的发展。 纺织:textile ; 纺纱:spinning 织布:weaving, knitting 传统的纺纱:一手摇轮,一手续棉
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“太阳和行星”
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世界遗产
詹姆斯· 瓦特于1819年8月25日去世,享年83 岁。 瓦特的蒸汽机促使社会发生了巨大的变革: 工业革命!
以工厂为基础的社会化大生产; 以蒸汽为动力的交通运输; 人口的大迁移。

工业革命的深远影响至今还在震撼着我们!
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Fra Baidu bibliotek 《铁匠铺》 Joseph Wright (1734-1797)
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纺纱
东汉画像石
一人一车一锭
英国家庭作坊
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“珍妮机”—“意外”的发明
1733 年,约翰 · 凯伊发明了飞梭,改进了 织布技术。导致“纱荒”。 1751年,皇家学会悬赏征求“发明一架出 色的能同时纺 6 根棉纱或麻线而只需要一 人照管的机器。” 1765年,英国詹姆斯· 哈格里夫发明了立 式多滚轮纺纱机:“意外”。从8根锭子 到80根。
说到蒸气机,就会想到瓦特,就会想到那 个迷人的故事:小瓦特看到水壶中的蒸汽 不断地顶开盖子,而埋下了发明“蒸汽机” 的种子。
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图中童年的 瓦特正在观 察蒸汽从煮 沸的茶壶口 冒出而凝结 的过程。小 瓦特真是坐 在家中的茶 桌边萌发制 造蒸汽机的 念头的吗?
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苹果与茶壶:又是一个“神话”
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矿井排水:头号难题!
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萨弗里:“矿工之友”
1698年政府悬赏征求解决矿井排水的难题。 英国工程师萨弗里( 1650-1715 ):蒸汽泵 — “矿工之友” 。 萨弗里的方法是:气缸和三根导管,一根通向 蒸汽锅炉,将蒸汽注入气缸;另一根喷洒凉水 使蒸汽冷却形成真空,此时将坑道中的水吸入, 第二次通入蒸汽时则将气缸中的水压出。蒸汽 泵是第一台投入实用的蒸汽机。节省了人力, 但缺点也非常明显:效率底,高程短。
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走向市场
1774年8月,在一位富裕的实业家博尔登参 与下,以租赁的形式将“博尔登—瓦特” 蒸汽机租借给矿厂主使用,从节约的燃煤 中收取租金—逐渐扩大影响。 1776年,他们在本特利的一个矿山进行抽 水演示,特地邀请记者参观。演示取得了 巨大的成功:不到1小时,深达300英尺的 矿井中深57英尺的水被抽干了!—订单在 不断的飞来!
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一个木匠儿子的成才道路
瓦特1736年1月19日出生在 英格兰一个木匠家庭。10 岁时的志向是:做一个科 学仪器的制造者。 1756年获得格拉斯哥大学 “附属数学仪器制造师” 的头衔。 瓦特(1736-1819)
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机遇!
1763年,接 受一项任务: 修复大学的 一台纽可门 蒸汽泵的模 型!
“詹姆斯,我从来没见过像你这样空闲的孩子。 念书去吧!或做些什么有意义的事。半小时过 去了,你一言不发,一会儿把茶壶盖取下来, 一会儿又盖上去;要么用茶杯,要么用银匙去 挡住壶口的蒸汽;望着蒸汽如何冒出壶口,目 不转睛地数着水滴。……” —1750年詹姆斯· 瓦特的姑母对瓦特的一段讲话
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漫长的历程: 巴本—萨弗里—纽可门—瓦特
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立式的珍妮机—直立的纱锭
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什么是“骡机”?
1769 年,阿克赖特( 1732-1792 )“水力 纺纱机” “骡机”=“珍妮机”+“水力纺纱机” 1785 年,塞缪尔 · 康普顿:走锭纺纱机, 可纺400根锭子。
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纺织业的迅速发展,迫切需要强大的动力……
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2. 蒸汽动力机的发明
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科学尚未做好准备
欧洲的各国政府关注的是“科学”如何帮助国 家进行管理,至于技术层面的问题,则仍留给 没有受过大学教育的技师工匠去解决,而那些 技师工匠却又不掌握理论知识。 那时,这样的理论知识还没有被编进教科书中, 大学也没有工程科学的课程,更没有专门为培 养工程师而建立的大学。 不过,这一现象,就要因法国大革命而改变了。
启蒙就是人类走出自我设置的不成熟的状 态。不成熟就是没有他人指导无法使用自 己的才智。不是缺少才智,而是无决心和 勇气进行没有他人指导的思考,叫做自我 设置的不成熟。大胆求知吧!这才是启蒙 运动的口号。 —康德:《什么是启蒙》(1784)
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启蒙运动诞生的思想环境
17世纪科学革命为启蒙运动的诞生营造了基本的思想环境。 自然观念的转变,不但对科学,还对人类思想的其他领域 提出了大量问题。 机械哲学从物质和运动的角度解释一切自然现象,并用数 学来表达事物之间的关系; 理性主义赋予人类理性以极大的力量,通过仔细考察各种 传统观念和信仰,摒弃那些错误的教条; 经验主义要求从经验和实践中观察客观事物,使用这种方 法人们才能秉承理性来推行秩序,并最终揭示出事物的基 本结构。
第6讲
工业革命与启蒙运动
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“哥白尼”革命的意义
哥白尼是一位“反叛的宇宙设计师”, 他导致了一场“宇宙概念结构中的革 命”。这是“西方思想发展中划时代的 转折点”,“是人类对大自然的理解的 一次根本性的变更”。他所引发的不仅 仅是科学中的革命,也是人的思想发展 和价值体系中的一场革命。
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在科学光芒的照耀下!
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启蒙运动的三个基本前提
1.整个宇宙可以被充分认识,它是由自然而 不是由超自然的力量支配的; 2.通过使用科学方法可以解决每一个研究领 域的基本问题; 3.人类可以被“教化”以至获得无止境的改 善。
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A Lecture on the Orrery(1766)
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The Experiment with the Air Pump(1771)
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蒸汽时代
“它武装了人类 微弱的手,赋予 它无比的威力; 它健全了人类的 头脑,统辖最难 以驾驭的东西。 它为机械动力在 未来创造奇迹、 造福后代打下了 坚实的基础。”
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轮船
1801年,蒸汽首先为船只提供动力—“轮船”
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Catch me who can!
1804年,特立维的克开发出高压蒸汽机,并设计出用 蒸汽推进的火车头,载着70名乘客和10吨的车厢,在 轨道上滚动了9.5英里。
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谁来设计特尔福特大桥
对大桥设计方案的论证:要咨询全英国在这件 事情上掌握有最丰富时间经验和理论知识的人。 两个委员会:数学家和自然科学家委员会;有 经验工程师委员会,结果双方都令人失望: 天文学家—大桥要油漆成白色的,减少太阳光 线的影响 数学家—长度精确到1英寸的百万分之十,重 量1英两的千分之几。
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技术变革引发工业革命!
也就是在这时,一场根本性变革率先在英 格兰展开,接着,影响到欧洲和北美。这 就是工业革命。18世纪这场由技术变革引 发的工业革命,把人类推进到一种全新的 生存方式—工业文明。
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一、技术发明与英国产业革命
产业革命即工业革命。它表现在以机器代 替人力,以大规模工厂生产代替个体手工 生产,在生产力和生产关系方面均发生巨 大的变革。它使人类历史进入一个全新的 时期。一座座工厂在从前绿色的原野上耸 立起来,高大的烟囱冒出浓黑的烟雾,机 器的轰隆声惊醒了沉寂的山坳,人类生活 方式在工业革命中发生着巨大的变化。
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萨弗里的“蒸汽泵” —没有活塞!
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纽可门泵:一个铁匠的发明
纽可门(1663-1729) 吸收巴本“蒸汽机”和 萨弗里“蒸汽泵”的 优点: 1.气缸中活塞; 2.冷水喷射器 1705年造出第一台蒸汽 机,1712年英国的煤 井和矿山普遍使用。
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瓦特的登场
纽可门式的蒸汽机发明之后,得到一些改良。到 十八世纪中叶,大约有好几百台的纽可门式的引 擎在英国国内和国外投入使用,但是它的使用代 价太大。 对这样一种新动力的出现,有识之士都认识到应 该提高他的工作效率,为它的推广应用开辟广阔 的天地,比如纺纱、织布、面粉加工、钢铁厂等 等,需要的地方实在是太多了。许多发明者都致 力于这一目标,这时,詹姆斯 · 瓦特才开始登场。
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2.科学院:促进知识传播的正 规学术机构
17世纪以来,科学院(Scientific Academies) 如雨后春笋一般建立起来,成为促进科学 知识探索与传播的正规学术机构。 科学院定期举行学术会议,宣读和讨论科 学论文,创办刊物,组织考察队,促进科 学的传播,逐渐地形成科学研究的职业化 和建制化。
17世纪初,在欧洲的总人口中,超过90% 的人居住在农村,直接从事农业生产。即 使是城市居民,在工厂劳动的人也非常少。 能够见到的制成品,要么是在乡村的农舍 小屋里产生出来的,要么是能工巧匠的产 品。可以利用的自然资源不过就是水、风 和木材,煤炭的使用也非常少。
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风力和畜力是当时的主要动力
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