第九章近代自然科學的全面發(fā)展要點

第九章近代自然科學的全面發(fā)展一、概述19世紀是近代自然科學全面發(fā)展的時期。工業(yè)革命不僅推動了社會生產(chǎn)力突飛猛進的提高,更推動了近代自然科學實現(xiàn)了全面的理論綜合。經(jīng)典的自然科學在19世紀末已達到了基本完善的程度。各門自然科學都從經(jīng)驗科學變?yōu)槔碚摽茖W,科學研究方式從個人自由研究轉變?yōu)榧w研究。由于科學的進步,特別是由于電磁理論的建立,科學開始走到了生產(chǎn)技術的前面,并推動了生產(chǎn)技術的發(fā)展,使人類從蒸汽——機器時代,逐漸向以電氣應用為中心的時代過渡,科學逐漸成為經(jīng)濟生活中起主要作用的手段。17世紀受牛頓力學革命影響而形成的機械唯物主義自然觀,因19世紀科學的發(fā)展而受到強烈的沖擊,辯證唯物主義自然觀在新的科學事實的基礎上誕生了。二、 19世紀是“科學的世紀”工業(yè)革命和生產(chǎn)力的巨大進步,迎來了近代科學的全面繁榮,其規(guī)模和成就遠遠超過17世紀的科學革命?？茖W開始走到了生產(chǎn)技術的面前，并推動了生產(chǎn)技術的發(fā)展，使人類從蒸汽——機器時代向電氣應用化時代過渡。19世紀的熱力學、光學、電磁學、化學、地質學、生物學、人類學等學科都取得了重大的突破,并大都進入到理論綜合的階段。經(jīng)典的自然科學在19世紀末已達到了基本完善的程度，我們今天所接受和應用的基礎自然科學原理,大部分是在這個世紀里奠定的。各門自然科學已從經(jīng)驗科學變?yōu)槔碚摽茖W，由個人自由研究轉變?yōu)榧w研究，科學研究手段和方法日益完善，是19世紀科學發(fā)展的重要特點。這一時期的科學家不僅注意搜集材料,用時還重視理論上的分析、概括和綜合,他們發(fā)展了科學的思維方法,把假說、演繹同實驗、歸納結合起來,使大量自然知識得到有系統(tǒng)的整理。數(shù)學在力學和物理學等領域成為科學家進行理論思維的輔助工具和表現(xiàn)方式。19世紀的自然科學成就促進了整個文化的科學化,特別是哲學的科學化。機械唯物主義自然觀受到?jīng)_擊，19世紀的大多數(shù)自然科學家已經(jīng)從科學發(fā)現(xiàn)中開始擺脫傳統(tǒng)自然觀和方法論的束縛。黑格爾在唯心主義范圍內(nèi)對當時的自然科學知識做了全面概括,提出了對立面的滲透和統(tǒng)一、由量變到質變、否定之否定三個辯證規(guī)律。在總結科學技術成果和批判吸取德國古典哲學的基礎上,馬克思和恩格斯創(chuàng)立了辯證唯物主義。三、熱力學的研究和能量守恒與轉化定律的發(fā)現(xiàn)熱力學是研究熱同其他物理形式之間相互關系的科學,它的建立是由研究蒸汽機的效率開始的。第一個對蒸汽機效率進行精密的物理和數(shù)學分析的是法國工程師卡諾?？ㄖZ總結了關于熱機效率的卡諾定理。這一時期的研究，確立了熱力學第一、二定律。熱力學第一定律是能量守恒與轉化定律在熱力學上的表現(xiàn)。該定律證明不消耗任何能量就能永遠作功的機器（第一類永動機）不可能實現(xiàn)。德國的克勞胥斯和凱爾文等人分別獨立地發(fā)現(xiàn)了熱力學第二定律。該定律揭示了熱運動的自然過程是不可逆的,宣布制造從單一熱源吸取能量而永遠作功的機器（第二類永動機）也是不可能的。任何科學定律都有其適用范圍和應用條件，熱力學第二定律是表達特定封閉系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的規(guī)律,但克勞胥斯卻將其推廣到無限宇宙中去，得出“熱寂說”的錯誤判斷。這是科學史上的一個教訓。最早公布能量守恒與轉化定律的是德國醫(yī)生邁爾。英國業(yè)余物理學家焦耳為能量守恒定律的確立作出了重要貢獻。能量守恒與轉化定律的發(fā)現(xiàn),揭示了熱、力學、電、化學等各種運動形式之間的統(tǒng)一性,使物理學達到空前的綜合和統(tǒng)一,這是牛頓力學體系建立以來物理學的最大成就。1826年,英國植物學家布朗發(fā)現(xiàn)了分子的運動,即布朗運動。1857年,克勞胥斯指出，氣體的熱能就是氣體分子運動的動能,對熱現(xiàn)象作出了微觀解釋。在此基礎上,英國物理學家麥克斯韋用概率統(tǒng)計方法研究分子運動論。分子運動說把宏觀的熱現(xiàn)象和它的微觀機制結合起來,開創(chuàng)了統(tǒng)計物理學這個新的分支學科。四、天學、地學、生物學的演化理論19世紀產(chǎn)生了一個重要的科學概念,即演化或進化的概念。當這個概念被引入到天學、地學、生物學中之后,使這幾個學科都發(fā)生了理論上的突破。1．康德、拉普拉斯的星云說德國哲學家康德提出了關于太陽系起源的星云假說。1755年他出版了《自然通史和天體論》一書,詳細論證了他的星云假說。拉普拉斯在1796年出版的《宇宙體系說》一書中,獨立地提出了關于太陽系起源的星云假說。在整個19世紀中,天體演化學說取得了統(tǒng)治地位?？档隆绽沟男窃萍僬f把發(fā)展的觀點帶到了天文學領域中,為天體演化學說奠定了最重要的科學基礎。它第一次把自然界理解為一種運動發(fā)展、變化的過程,這是對18世紀形成的形而上學的自然觀的一種重大突破。既然太陽系的現(xiàn)有狀況是在長期發(fā)展的過程中逐漸形成的,牛頓關于“第一推動力”的假設也就顯然是錯誤的了。2．地質演化理論的提出在地層成因及生物化石的解釋上有火成說與水成說之爭、災變說與漸變說之爭。人們通過對越來越多的地質資料的深入研究,發(fā)現(xiàn)無論是水成說、火成說,還是災變論,都未能如實地反映地層構造形成的真正原因。赫頓認為歷史比較法是考察地質現(xiàn)象的科學方法,主張以現(xiàn)在還在起作用的地質力量來解釋地層和巖石的形成。他的觀點為地質學的研究指明了方向。1830年,英國地質學家賴爾的《地質學原理》出版,標志了近代地質學的系統(tǒng)化。賴爾提出了地質漸變論的概念。賴爾的學說為地質學乃至整個地球科學提供了一種重要的科學方法,使地質學得到迅速發(fā)展,并且對達爾文建立生物進化論起了重要的啟發(fā)作用。19世紀末,奧地利地質學家休斯出版了巨著《地球的面貌》,總結了賴爾以來迅速發(fā)展的近代地質學,書中已出現(xiàn)了構造體系、大陸漂移等概念的雛型,預示著現(xiàn)代地質學的崛起。3．生物進化論經(jīng)過18世紀中期法國博物學家布豐和19世紀初期的拉馬克等人的努力,到了達爾文時代,進化論終于戰(zhàn)勝神創(chuàng)論,這是19世紀最偉大的生物學成就,對哲學和社會科學都產(chǎn)生了深遠的影響。第一個系統(tǒng)地提出生物進化論的人是法國動物學家拉馬克。拉馬克在1809年出版了這方面最重要的著作《動物哲學》。對于生物適應環(huán)境的演化機制,拉馬克提出了“用進廢退”和“獲得性遺傳”兩條法則。英國生物學家達爾文是近代進化論的奠基人。達爾文的進化理論主要表現(xiàn)在于1859年出版的《物種起源》一書。按照達爾文的觀點,自然選擇包括三個始終綜合發(fā)生作用的因素——變異性、遺傳性和由繁殖過剩引起的生存斗爭。變異性為形成生物的新組織與機能提供材料,遺傳性鞏固并積累它們,生存斗爭則是排除一切對生存條件不適合或不太適合的生物,即通過生存斗爭不斷淘汰不利變異,保留有利變異,通過有利變異的積累,到一定程度就能形成新類型,實現(xiàn)生物進化。英國動物學家華萊士也幾乎同時獨立地提出了生物通過自然選擇而進化的理論。4．遺傳學研究與細胞學說的建立19世紀的生物學研究,除物種起源問題之外,還有遺傳學和細胞學的研究?，F(xiàn)代遺傳學創(chuàng)始人奧地利修道士孟德爾從1857年起對生物子代與親代的關系進行了系統(tǒng)的實驗研究,總結出生物遺傳方面的顯性定律、分離定律和獨立分配定律。孟德爾的遺傳定律對育種生產(chǎn)有重要的實踐意義。根據(jù)這定律,人們既可以設想把某些符合需要的特性保留下來并聚集在一個品種內(nèi),又可以把具有有害傾向的特性淘汰掉。德國動物學家魏斯曼也是19世紀末遺傳學研究中的重要代表人物。1892年,他在《種質:一種遺傳理論》一書中提出了種質連續(xù)和種質選擇的學說。這就是所謂“新達爾文主義”的進化論。魏斯曼認為，自然選擇的對象是生殖細胞,體細胞獲得的變異不會遺傳。這樣,他不僅完全否定了拉馬克的獲得性遺傳原則,又給自然選擇以新的意義。這一理論對20世紀細胞遺傳學的發(fā)展和綜合進化論的形成,有著深刻的影響。1838年,德國植物學家施萊登在《植物的發(fā)生》一文中宣稱,細胞是一切植物的基本生命單位,一切植物都是以細胞為實體發(fā)展成的。1839年,德國解剖學家施旺把施萊登的論點推廣到動物界,消除了動物與植物的嚴格界限。細胞學說的建立,使生物個體發(fā)育過程變成可以理解的了。1858年,柏林大學病理學教授微耳和在長期病理檢驗實踐的基礎上,將細胞學說應用于病理學,創(chuàng)立了細胞病理學。幾乎與此同時,法國的化學教授巴士德建立了細菌致病的學說,并在微生物學的研究中作出了卓越貢獻。他開創(chuàng)了醫(yī)學上的免疫學。巴士德關于消滅細菌的消毒方法在醫(yī)學上廣泛應用,使手術真正成為拯救生命的手段。巴士德被后人稱之“細菌獵人”。細菌學說的建立還從根本上否定了“自然發(fā)生說”。五、物質結構的化學理論自波義耳把化學確立為科學,擺脫了煉金術的形式之后,化學在19世紀取得了飛速發(fā)展。精密天平的應用,為化學的定量化研究提供了可能；工業(yè)革命提出了許多化學方面亟需解決的問題,推動了酸堿鹽的制造及有機合成技術的發(fā)展,導致了化學結構理論的建立。1．原子——分子學說19世紀化學發(fā)展最重要的成就之一,是科學的原子——分子論的提出和確立。提出化學原子論的是英國化學家道爾頓。道爾頓原子論的建立是近代化學發(fā)展中一次重要的理論綜合,它把原子量作為區(qū)分化學元素的最本質特征,這就為許多經(jīng)驗性的化學定律提供了清晰的理論解釋,使人們認識到一切化學現(xiàn)象內(nèi)在的統(tǒng)一本質。意大利物理學家阿佛伽德羅于1811年明確提出了分子的概念。阿佛伽德羅的分子論與道爾頓的原子論相結合,形成科學的原子——分子論,建立了物質結構的基本理論。2．元素周期律的發(fā)現(xiàn)原子——分子論確立之后,化學上又一個重大突破是化學元素周期率的發(fā)現(xiàn)。俄國化學家門捷列夫對發(fā)現(xiàn)化學元素周期律做出了決定性的貢獻。他于1869年2月排出了他的第一張周期表。他明確指出:元素的性質和它們的化合物的性質與元素的原子量有周期性的依賴關系,他還大膽地預言了10多種未知元素的存在及其性質。元素周期律揭示了各種元素之間的內(nèi)在聯(lián)系實現(xiàn)了無機化學由經(jīng)驗到理論的飛躍,為元素的研究、新元素的尋找提供了一個可遵循的規(guī)律。3．有機化學結構理論的建立原子——分子論的確立對有機化學的發(fā)展起了推動作用。有機化學中原子價概念的形成是有機化合物結構理論建立的先決條件。1858年,德國化學家凱庫勒用原子價的概念奠定了有機結構理論的基礎。原子一分子論獲得公認后,人們根據(jù)原子量可以確定分子式,再按原子價和化學性質就可以描繪出分子的結構式,進而認識了結構與性能之間的關系。1865年,凱庫勒又提出苯的環(huán)狀結構。19世紀化學在實際應用領域的重大成就就是有機合成的實現(xiàn)。1824年,維勒用無機物氰和氨水合成了有機物尿素。這給當時生物學界和化學界流行的“活力論”以致命的打擊,并為有機合成開辟了廣闊道路。到50年代后期,有機合成從實驗室研究發(fā)展到工業(yè)生產(chǎn),徹底打破了無機物與有機物之間的絕對界限。六、電磁理論的建立1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。1822年,法國物理學家安培進而發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁力的基本定律,奠定了電動力學的基礎。電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者和近代電磁理論的創(chuàng)始人是法拉第。無論在實驗上,還是在科學思想上,他都可以被稱為19世紀最偉大的物理學家。1831年法拉第提出了電磁感應定律，這是發(fā)電機的理論基礎。為了解釋電磁感應現(xiàn)象,法拉第提出“力線”和“場”的概念。這是自牛頓以來物理學基本概念的重大發(fā)展。經(jīng)典電磁學說的理論總結是由英國物理學家麥克斯韋完成的。1873年,麥克斯韋的巨著《電磁學通論》問世,這是一部系統(tǒng)總結電磁理論的經(jīng)典著作,它標志著完整的電磁理論的確立,它的科學價值可以與牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》、達爾文的《物種起源》相媲美。從法拉第到麥克斯韋是物理學發(fā)展中的一個巨大躍進。麥克斯韋的貢獻再一次表明了數(shù)學方法和理論思維的重要性。麥克斯韋關于電磁波的預言,在1886年被德國物理學家赫茲實驗所證實。電磁波的發(fā)現(xiàn)為后來無線電通訊技術的發(fā)展開辟了道路。從電磁感應到發(fā)電機,從電磁理論、電磁波實驗到無線電技術的發(fā)展,這兩段歷史雄辯地說明