第四節(jié)　自然科學(xué)的全面發(fā)展

我始終努力保持自己思想的自由，我可以放棄任何假說，無論是如何心愛的，只要事實(shí)證明它是不符。

——達(dá)爾文（英國）

19世紀(jì)被譽(yù)為科學(xué)的世紀(jì)。在這個(gè)世紀(jì)里，自然科學(xué)的各個(gè)門類均相繼成熟起來，形成了人類歷史上空前嚴(yán)密和可靠的自然知識體系。

（一）熱力學(xué)的研究和能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)

第一個(gè)對蒸汽機(jī)效率進(jìn)行精密的物理與數(shù)學(xué)分析的是法國工程師卡諾（L.N.M.Carnot，1753～1832年）。1800年，意大利的伏特發(fā)明了電池，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。同年，英國人尼爾科遜用電池電解水，實(shí)現(xiàn)了電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。1819年丹麥的物理學(xué)家奧斯特（H.C.Oersted，1777～1851年）發(fā)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。英國科學(xué)家法拉第（M.Faraday，1791～1867年）等人發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，表明機(jī)械能也可向電能轉(zhuǎn)化。德國醫(yī)生邁爾（E.Mayr，1904～）最早公布能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。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。能量守恒與轉(zhuǎn)化定律實(shí)際上就是熱力學(xué)第一定律。

圖2-10　法拉第

德國的克勞修斯（R.Clausius，1822～1888年）在重新研究卡諾的工作中，發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，這一定律揭示了熱運(yùn)動的過程是不可逆的，在此基礎(chǔ)上他提出了“熱寂說”，認(rèn)為宇宙總會有這樣一天，即那時(shí)所有的運(yùn)動都變成了熱運(yùn)動，最后由于熱量平衡，熱雖然存在，但熱運(yùn)動沒有了，宇宙就死亡，處于熱寂狀態(tài)。

（二）天學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)的演化理論（1）康德——拉普拉斯的星云假設(shè)

1755年，德國哲學(xué)家康德（I.Kant，1724～1804年）提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說，第一個(gè)把自然界看成是一個(gè)發(fā)展變化的過程。1796年，法國科學(xué)家拉普拉斯（P.M.Laplace，1749～1827年）也獨(dú)立地提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說。康德——拉普拉斯的星云假說盡管還有許多需要驗(yàn)證的地方，對許多地方還無法給出滿意的解釋，但它畢竟將發(fā)展的觀點(diǎn)帶到了天文學(xué)領(lǐng)域，為天體演化學(xué)說奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。它第一次把自然界理解成為一種運(yùn)動發(fā)展的過程，這是對十八世紀(jì)形而上學(xué)自然觀的一個(gè)重大突破。

（2）地質(zhì)演化理論

17世紀(jì)時(shí)，西方地質(zhì)學(xué)界對地球的形成存在水成說和火成說及災(zāi)變論和漸變論之爭。最先提出水成說的是英國人伍德沃德（J.Woodward，1665～1728年），他認(rèn)為地層是由于水的沉積作用形成的。火成說最早以意大利的莫羅（A.L.Moro，1687～1764年）為代表，1740年，他在《論在山里發(fā)現(xiàn)的海洋生物》一文中指出，巖石是由一系列的火山爆發(fā)的熔巖流所造成的。后來英國人赫頓（J.Hut-ton，1726～1797年）進(jìn)一步完善了這一學(xué)說，強(qiáng)調(diào)了地球內(nèi)部作用和地殼運(yùn)動變化的現(xiàn)實(shí)，建立起火成學(xué)派。法國生物學(xué)家居維葉（G.Cuvier，1769～1832年）系統(tǒng)地闡述了災(zāi)變說，他認(rèn)為在地球歷史上曾發(fā)生過多次巨大的自然環(huán)境災(zāi)變，由于災(zāi)變舊的生物被毀滅，新的生物被創(chuàng)造出來，從而引起地球的演變，奠定了古生物學(xué)的基礎(chǔ)。而英國業(yè)余科學(xué)家赫頓（J.Hutton，1726～1797年）1795年出版了《地球理論》，主張以現(xiàn)在仍在起作用的地質(zhì)力量去解釋歷史上發(fā)生的地殼變動。1830年，進(jìn)一步闡述他的這一思想的英國地質(zhì)學(xué)家賴爾（C.Lyell，1797～1875年）的《地質(zhì)學(xué)原理》一書出版，提出了地球表面是連續(xù)地發(fā)生緩慢改變的理論，標(biāo)志著近代地質(zhì)學(xué)的系統(tǒng)化。

圖2-11　達(dá)爾文

（3）生物進(jìn)化論

第一個(gè)系統(tǒng)地提出生物進(jìn)化論的人是法國動物學(xué)家拉馬克（J.B.Lamarch，1744～1829年）。英國生物學(xué)家達(dá)爾文（C.Dar-win，1809～1882年）是近代進(jìn)化論的奠基人。1859年達(dá)爾文在其著作《物種起源》一書中系統(tǒng)提出了生物物種進(jìn)化論。他認(rèn)為物種是連續(xù)變化的；進(jìn)化過程是連續(xù)的；相似的生物都是相互聯(lián)系的，由共同祖先進(jìn)化而來；自然選擇，適者生存，不適者淘汰。

圖2-12　孟德爾

（三）遺傳學(xué)研究與細(xì)胞學(xué)說的建立

19世紀(jì)50～60年代，奧地利牧師、業(yè)余科學(xué)家孟德爾（G.Mendel，1822～1884年）在捷克的一所修道院里，對于豌豆觀察研究了8年，從而發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的規(guī)律，孟德爾的遺傳定律包括顯性定律、分離定律和獨(dú)立分配定律。新達(dá)爾文主義的代表人物魏斯曼（A.Weismnan，1834～1914年）提出了以種質(zhì)連續(xù)性為基本原理的種質(zhì)選擇論（簡稱種質(zhì)論），這一理論雖然帶有一定的思辨性質(zhì)，但對20世紀(jì)的細(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。1831年，英國植物學(xué)家布朗（R.Rrown，1773～1858年）發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核，此后德國植物學(xué)家施萊登（M.J.Schleiden，1804～1881年）提出了細(xì)胞是一切植物的基本生命單位的觀點(diǎn)，并認(rèn)為一切新細(xì)胞皆起源于舊細(xì)胞，從而建立起低等植物與高等植物之間的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，德國解剖學(xué)家施旺（T.A.H.Schwann，1810～1882年）將施萊登的觀點(diǎn)推廣到動物界，認(rèn)為有機(jī)體都是從單一細(xì)胞開始有生命，并以其他細(xì)胞的形成而發(fā)育著，細(xì)胞是一切有機(jī)體的構(gòu)造和發(fā)育的基礎(chǔ)，從而把千差萬別的動物和植物統(tǒng)一到細(xì)胞這個(gè)基本生命單位。施旺的學(xué)說在動物和植物之間架起一座橋梁，消除了動植物之間的嚴(yán)格界限。1858年，德國的生理學(xué)家微爾和（R.C.Virchow，1821～1902年）和將細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用于病理學(xué)，創(chuàng)立了細(xì)胞病理學(xué)。法國化學(xué)教授巴士德（L.Pasteur，1822～1895年）在細(xì)微的病菌和細(xì)菌的研究中，創(chuàng)立了細(xì)菌致病學(xué)說，開辟了醫(yī)學(xué)研究病因的新途徑。在此基礎(chǔ)上他又開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)上的免疫學(xué)。他的關(guān)于消滅細(xì)菌的消毒方法，使手術(shù)真正成為拯救生命的手段。因此他被后人稱為“細(xì)菌獵人”。

（四）物質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學(xué)理論

圖2-13　道爾頓

（1）原子——分子論

19世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的最重要的成就之一，是科學(xué)的原子——分子論的提出。提出化學(xué)原子論的是英國化學(xué)家道爾頓（J.Dalton，1766～1844年）。道爾頓的原子論的建立是近代化學(xué)發(fā)展中的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)的特征，這就為許多經(jīng)驗(yàn)性的化學(xué)定律提供了明確的理論解釋，使人們認(rèn)識到一切化學(xué)現(xiàn)象內(nèi)在的統(tǒng)一本質(zhì)。1811年，意大利化學(xué)家阿弗加德羅（A.Avogadro，1776～1856年）提出了分子的概念，他認(rèn)為分子是具有一定特征的物質(zhì)組成的最小單位，而原子只是參加化學(xué)反應(yīng)的最小質(zhì)點(diǎn)，單質(zhì)的分子由相同元素的原子組成，化合物的分子由不同元素的原子組成。半個(gè)世紀(jì)后，意大利化學(xué)家康尼扎羅（S.Can-nizzaro，1826～1912年）在其《化學(xué)哲理課程大綱》的討論中，論述了分子和原子之間的區(qū)別和聯(lián)系。提出只要接受阿費(fèi)加德羅的分子論，就能把化學(xué)領(lǐng)域中的混亂一掃而清。他的觀點(diǎn)得到各國化學(xué)家的贊同，從此，原子——分子論得到了普遍的承認(rèn)和應(yīng)用。

圖2-14　門捷列夫

（2）元素周期律的發(fā)現(xiàn)

在前人研究的基礎(chǔ)上，俄國化學(xué)家門捷列夫（D.I.Mendeleev，1834～1907年）在1869年，排出了他的第一張?jiān)刂芷诒?，為化學(xué)元素周期律的發(fā)現(xiàn)作出了決定性的貢獻(xiàn)。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，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，為元素的研究和新元素的尋找，提供了一個(gè)可供遵循的規(guī)律。

（3）有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的建立

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。1828年維勒（F.Wohler，1800～1882年）用無機(jī)物合成了有機(jī)物尿素，為有機(jī)物合成開辟了廣闊的道路，徹底打破了無機(jī)物與有機(jī)物之間的絕對界限。

圖2-15　麥克斯韋

（五）電磁理論的建立

電流是由意大利醫(yī)生伽伐尼（L.Gal-vani，1737～1798年）發(fā)現(xiàn)的。1800年，意大利物理學(xué)家伏特發(fā)明了電池。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，法國物理學(xué)家安培（A.M.Ampère，1775～1836年）發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁力的基本定律，奠定了電動力學(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)始人是英國實(shí)驗(yàn)科學(xué)家法拉第。他提出了電磁感應(yīng)定律、“力線”和“場”的概念，是牛頓以來物理學(xué)基本概念的重大發(fā)展。

經(jīng)典的電磁學(xué)說的總結(jié)是由麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831～1879年）完成的。1873年，麥克斯韋的巨著《電磁學(xué)通論》問世，標(biāo)志著完整的電磁理論的確立，它的科學(xué)價(jià)值可與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》和達(dá)爾文的《物種起源》相媲美。

19世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展，特別是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律、細(xì)胞學(xué)說和生物進(jìn)化論等科學(xué)發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)，使人們形成了關(guān)于自然界處于永恒的產(chǎn)生和消滅中的辯證唯物主義自然觀。

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【思考題】

簡述19世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展？