近代自然科学的全面发展

第九章近代自然科学的全面发展
一、概述
19 世纪是近代自然科学全面发展的时期。

工业革命不仅推动了社会生产力突飞猛进的提高, 更推动了近代自然科学实现了全面的理论综合。

经典的自然科学在19 世纪末已达到了基本完善的程度。

各门自然科学都从经验科学变为理论科学, 科学研究方式从个人自由研究转变为集体研究。

由于科学的进步, 特别是由于电磁理论的建立, 科学开始走到了生产技术的前面, 并推动了生产技术的发展, 使人类从蒸汽——机器时代, 逐渐向以电气应用为中心的时代过渡, 科学逐渐成为经济生活中起主要作用的手段。

17 世纪受牛顿力学革命影响而形成的机械唯物主义自然观, 因19 世纪科学的发展而受到强烈的冲击, 辩证唯物主义自然观在新的科学事实的基础上诞生了。

二、19 世纪是“科学的世纪”
工业革命和生产力的巨大进步, 迎来了近代科学的全面繁荣, 其规模和成就远远超过17 世纪的科学革命。

科学开始走到了生产技术的面前，并推动了生产技术的发展，使人类从蒸汽——机器时代向电气应用化时代过渡。

19 世纪的热力学、光学、电磁学、化学、地质学、生物学、人类学等学科都取得了重大的突破, 并大都进入到理论综合的阶段。

经典的自然科学在19世纪末已达到了基本完善的程度，我们今天所接受和应用的基础自然科学原理, 大部分是在这个世纪里奠定的。

各门自然科学已从经验科学变为理论科学，由个人自由研究转变为集体研究，科学研究手段和方法日益完善，是19 世纪科学发展的重要特点。

这一时期的科学家不仅注意搜集材料, 用时还重视理论上的分析、概括和综合, 他们发展了科学的思维方法, 把假说、演绎同实验、归纳结合起来, 使大量自然知识得到有系统的整理。

数学在力学和物理学等领域成为科学家进行理论思维的辅助工具和表现方式。

19 世纪的自然科学成就促进了整个文化的科学化, 特别是哲学的科学化。

机械唯物主义自然观受到冲击，19 世纪的大多数自然科学家已经从科学发现中开始摆脱传统自然观和方法论的束缚。

黑格尔在唯心主义
范围内对当时的自然科学知识做了全面概括, 提出了对立面的渗透和统一、由量变到质变、否定之否定三个辩证规律。

在总结科学技术成果和批判吸取德国古典哲学的基础上, 马克思和恩格斯创立了辩证唯物主义。

三、热力学的研究和能量守恒与转化定律的发现
热力学是研究热同其他物理形式之间相互关系的科学, 它的建立是由研究蒸汽机的效率开始的。

第一个对蒸汽机效率进行精密的物理和数学分析的是法国工程师卡诺。

卡诺总结了关于热机效率的卡诺定理。

这一时期的研究，确立了热力学第一、二定律。

热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热力学上的表现。

该定律证明不消耗任何能量就能永远作功的机器（第一类永动机）不可能实现。

德国的克劳胥斯和凯尔文等人分别独立地发现了热力学第二定律。

该定律揭示了热运动的自然过程是不可逆的, 宣布制造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。

任何科学定律都有其适用范围和应用条件，热力学第二定律是表达特定封闭系统宏观状态的规律, 但克劳胥斯却将其推广到无限宇宙中去，得出“热寂说”的错误判断。

这是科学史上的一个教训。

最早公布能量守恒与转化定律的是德国医生迈尔。

英国业余物理学家焦耳为能量守恒定律的确立作出了重要贡献。

能量守恒与转化定律的发现, 揭示了热、力学、电、化学等各种运动形式之间的统一性, 使物理学达到空前的综合和统一, 这是牛顿力学体系建立以来物理学的最大成就。

1826 年, 英国植物学家布朗发现了分子的运动, 即布朗运动。

1857 年, 克劳胥斯指出，气体的热能就是气体分子运动的动能, 对热现象作出了微观解释。

在此基础上, 英国物理学家麦克斯韦用概率统计方法研究分子运动论。

分子运动说把宏观的热现象和它的微观机制结合起来, 开创了统计物理学这个新的分支学科。

四、天学、地学、生物学的演化理论
19 世纪产生了一个重要的科学概念, 即演化或进化的概念。

当这个
概念被引入到天学、地学、生物学中之后, 使这几个学科都发生了理论
上的突破。

1．康德、拉普拉斯的星云说德国哲学家康德提出了关于太阳系起源的星云假说。

1755 年他出版了《自然通史和天体论》一书, 详细论证了他的星云假说。

拉普拉斯在1796 年出版的《宇宙体系说》一书中, 独立地提出了关于太阳系起源的星云假说。

在整个19 世纪中, 天体演化学说取得了统治地位。

康德——拉普拉斯的星云假说把发展的观点带到了天文学领域中, 为天体演化学说奠定了最重要的科学基础。

它第一次把自然界理解为一种运动发展、变化的过程, 这是对18 世纪形成的形而上学的自然观的一种重大突破。

既然太阳系的现有状况是在长期发展的过程中逐渐形成的, 牛顿关于“第一推动力” 的假设也就显然是错误的了。

2．地质演化理论的提出在地层成因及生物化石的解释上有火成说与水成说之争、灾变说与渐变说之争。

人们通过对越来越多的地质资料的深入研究, 发现无论是水成说、火成说, 还是灾变论, 都未能如实地反映地层构造形成的真正原因。

赫顿认为历史比较法是考察地质现象的科学方法, 主张以现在还在起作用的地质力量来解释地层和岩石的形成。

他的观点为地质学的研究指明了方向。

1830年, 英国地质学家赖尔的《地质学原理》出版, 标志了近代地质学的系统化。

赖尔提出了地质渐变论
的概念。

赖尔的学说为地质学乃至整个地球科学提供了一种重要的科学方法, 使地质学得到迅速发展, 并且对达尔文建立生物进化论起了重要的启发作用。

19 世纪末, 奥地利地质学家休斯出版了巨著《地球的面貌》, 总结了赖尔以来迅速发展的近代地质学, 书中已出现了构造体系、大陆漂移等概念的雏型, 预示着现代地质学的崛起。

3．生物进化论
经过18 世纪中期法国博物学家布丰和19 世纪初期的拉马克等人的努力, 到了达尔文时代, 进化论终于战胜神创论, 这是19 世纪最伟大的生物学成就, 对哲学和社会科学都产生了深远的影响。

第一个系统地提出生物进化论的人是法国动物学家拉马克。

拉马克在1809 年出版了这方面最重要的著作《动物哲学》。

对于生物适应环境的演化机制, 拉马克提出了“用进废退”和“获得性遗传”两条法则。

英国生物学家达尔文是近代进化论的奠基人。

达尔文的进化理论主要表现在于1859 年出版的《物种起源》一书。

按照达尔文的观点, 自然选择包括三个始终综合发生作用的因素——变异性、遗传性和由繁殖过剩引起的生存斗争。

变异性为形成生物的新组织与机能提供材料, 遗传性巩固并积累它们, 生存斗争则是排除一切对生存条件不适合或不太适合的生物, 即通过生存斗争不断淘汰不利变异, 保留有利变异, 通过有利变异的积累, 到一定程度就能形成新类型, 实现生物进化。

英国动物学家华莱士也几乎同时独立地提出了生物通过自然选择而进化的理论。

4．遗传学研究与细胞学说的建立
19世纪的生物学研究, 除物种起源问题之外, 还有遗传学和细胞学的研究。

现代遗传学创始人奥地利修道士孟德尔从1857 年起对生物子代与亲代的关系进行了系统的实验研究, 总结出生物遗传方面的显性定律、分离定律和独立分配定律。

孟德尔的遗传定律对育种生产有重要的实践意义。

根据这定律, 人们既可以设想把某些符合需要的特性保留下来并聚集在一个品种内, 又可以把具有有害倾向的特性淘汰掉。

德国动物学家魏斯曼也是19 世纪末遗传学研究中的重要代表人物。

1892 年, 他在《种质: 一种遗传理论》一书中提出了种质连续和种质选择的学说。

这就是所谓“新达尔文主义”的进化论。

魏斯曼认为，自然选择的对象是生殖细胞, 体细胞获得的变异不会遗传。

这样, 他不仅完全否定了拉马克的获得性遗传原则, 又给自然选择以新的意义。

这一理论对20 世纪细胞遗传学的发展和综合进化论的形成, 有着深刻的影响。

1838 年, 德国植物学家施莱登在《植物的发生》一文中宣称, 细胞
是一切植物的基本生命单位, 一切植物都是以细胞为实体发展成的。

1839 年, 德国解剖学家施旺把施莱登的论点推广到动物界, 消除了动物与植物的严格界限。

细胞学说的建立, 使生物个体发育过程变成可以理解的了。

1858年, 柏林大学病理学教授微耳和在长期病理检验实践的基础上, 将细胞学说应用于病理学, 创立了细胞病理学。

几乎与此同时, 法国的化学教授巴士德建立了细菌致病的学说, 并在微生物学的研究中作出了卓越贡献。

他开创了医学上的免疫学。

巴士德关于消灭细菌的消毒方法在医学上广泛应用, 使手术真正成为拯救生命的手段。

巴士德被后人称之“细菌猎人”。

细菌学说的建立还从根本上否定了“自然发生说”。

五、物质结构的化学理论
自波义耳把化学确立为科学, 摆脱了炼金术的形式之后, 化学在19 世纪取得了飞速发展。

精密天平的应用, 为化学的定量化研究提供了可能；工业革命提出了许多化学方面亟需解决的问题, 推动了酸碱盐的制造及有机合成技术的发展, 导致了化学结构理论的建立。

1．原子——分子学说
19 世纪化学发展最重要的成就之一, 是科学的原子——分子论的提出和确立。

提出化学原子论的是英国化学家道尔顿。

道尔顿原子论的建立是近代化学发展中一次重要的理论综合, 它把原子量作为区分化学元素的最本质特征, 这就为许多经验性的化学定律提供了清晰的理论解释, 使人们认识到一切化学现象内在的统一本质。

意大利物理学家阿佛伽德罗于1811 年明确提出了分子的概念。

阿佛伽德罗的分子论与道尔顿的原子论相结合, 形成科学的原子——分子论, 建立了物质结构的基本理论。

2．元素周期律的发现
原子——分子论确立之后, 化学上又一个重大突破是化学元素周期率的发现。

俄国化学家门捷列夫对发现化学元素周期律做出了决定性的贡献。

他于1869 年2 月排出了他的第一张周期表。

他明确指出: 元素的性质和它们的化合物的性质与元素的原子量有周期性的依赖关系, 他
还大胆地预言了10 多种未知元素的存在及其性质。

元素周期律揭示了各种元素之间的内在联系实现了无机化学由经验到理论的飞跃, 为元素的研究、新元素的寻找提供了一个可遵循的规律。

3．有机化学结构理论的建立原子——分子论的确立对有机化学的发展起了推动作用。

有机化学中原子价概念的形成是有机化合物结构理论建立的先决条件。

1858 年, 德国化学家凯库勒用原子价的概念奠定了有机结构理论的基础。

原子一分子论获得公认后, 人们根据原子量可以
确定分子式, 再按原子价和化学性质就可以描绘出分子的结构式, 进而认识了结构与性能之间的关系。

1865 年, 凯库勒又提出苯的环状结构。

19世纪化学在实际应用领域的重大成就就是有机合成的实现。

1824年, 维勒用无机物氰和氨水合成了有机物尿素。

这给当时生物学界和化学界流行的“活力论” 以致命的打击, 并为有机合成开辟了广阔道路。

到50 年代后期, 有机合成从实验室研究发展到工业生产, 彻底打破了无机物与有机物之间的绝对界限。

六、电磁理论的建立
1820 年, 丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。

1822 年, 法国物理学家安培进而发现了电流产生磁力的基本定律, 奠定了电动力学的基础。

电磁感应现象的发现者和近代电磁理论的创始人是法拉第。

无论在实验上, 还是在科学思想上, 他都可以被称为19 世纪最伟大的物理学家。

1831年法拉第提出了电磁感应定律，这是发电机的理论基础。

为了解释电磁感应现象, 法拉第提出“力线” 和“场”的概念。

这是自牛顿以来物理学基本概念的重大发展。

经典电磁学说的理论总结是由英国物理学家麦克斯韦完成的。

1873年, 麦克斯韦的巨著《电磁学通论》问世, 这是一部系统总结电磁理论的经典著作, 它标志着完整的电磁理论的确立, 它的科学价值可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相媲美。

从法拉第到麦克斯韦是物理学发展中的一个巨大跃进。

麦克斯韦的贡献再一次表明了数学方法和理论思维的重要性。

麦克斯韦关于电磁波的预言, 在1886 年被德国物理学家赫兹实验所证
实。

电磁波的发现为后来无线电通讯技术的发展开辟了道路。

从电磁感应到发电机, 从电磁理论、电磁波实验到无线电技术的发展, 这两段历史雄辩地说明了科学对生产的巨大的能动作用, 说明了科学是生产力的重要组成部分。

从整体来看, 科学的发展固然基本上取决于生产的需要, 但当科学进入比较成熟的阶段, 科学能够走在生产前面, 对生产的发展起指导作用。

这是科学同生产之间一种新关系的开端。

19 世纪自然科学的发展, 特别是能量守恒与转化定律、细胞学说、生物进化论等的科学发现, 为人们提供了一个新的自然图景, 形成了辩证
唯物主义的自然观。

实践表明, 辩证唯物主义
才是适用于自然科学的世界观和方法论。

在自然科学中, 由于其本身的发展, 使形而上学的观点已经成为不可能的了。