近代自然科学

第二章：近代自然科学的诞生和发展

第一节近代科学革命

1．1天文学革命

一．哥白尼的日心地动说

哥白尼(NicolausCopernicus，1473—1543)是波兰数学家兼天文学家，于1543午发表了

《天体运行论》一书，全面地阐述了他的日心地动说。其要点是：太阳是宇宙的中心，所有行

星在以太阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并与其他行

星一样绕太阳公转。根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳的东升西落不是太阳绕地球旋转，

而是地球自转的表现；天球上恒星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地

球绕太阳公转的结果。以现代的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上纠正

了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说的错误，当哥白尼的学说为世人所接受之后，

它就不可避免地动摇了教会的权威，从而解放了人们的思想。

当代著名的科学史与科学哲学家库恩（,1922-1996）称哥白尼日心体系的诞生为

“西方人知识发展的划时代的转折点”，因为它不仅是天文学基本概念的变革，而且是人对自然

的理解的根本变革，甚至是西方人价值观念变更的一部分。但也有些人断言，哥白尼革命只不

过是提出了地球每日绕自身轴旋转一周，每年绕太阳公转一周，甚至有些科学史家根本否认存

在一场“哥白尼革命”。我们认为，尽管哥白尼体系有很多旧理论的痕迹和不完善之处，甚至在

得到观测证实的精确程度上一度比托勒密理论还逊色些，但是它用日心、地动说代替统治天文

学界多年的地心、地静说，是在重大理论问题上用正确认识取代了谬误的认识。哥白尼理论的

意义至少有两方面：

其一，它引起了整个宇宙观、世界观的巨大变革。长期以来，教会利用地心说来说明上帝

创造世界，说明上帝创造一切都是为了地球上的人类，所以有意把地球摆在字宙的中心。而现

在，在宗教教义中被说成是宇宙中心的地球已沦为一个普通行星，于是，上帝这个不可动摇的

偶像也就随之而倒台了。日心说动摇了宗教的自然观支柱，也就是动摇了宗教世界观的基础。

从社会文化心理层面讲，日心说对地心说的背叛也是对近千年形成的精神生活方式和浓厚宗教

情结的挑战。

其二，哥白尼日心理论引起了人类认识史上的变革。因为哥白尼的著作宣布不服从权威和

教条，不把宗教所尊奉的托勒密学说视为神圣的；同时，宣布了自然科学就是要按自然界的本

来面目来认识自然，也就是说，凡是不符合自然界本来面目的东西，都要加以批判和修正。正

因为如此，恩格斯称哥白尼的《天体运行论》是自然科学从宗教下面解放出来的“独立宣言”。

正是在它的带动和影响下，整个自然科学各个领域都纷纷与宗教教义相决裂，并大踏步地前进

着。可以说，这部著作是近代自然科学思想革命的起点。

在一定意义上可以说，哥白尼日心理论在哲学世界观方面的价值大于其在科学上的价值，

对于思想解放的意义大于其方法论的意义。也正是因为如此，这本书一发表就被列为禁书，教

会对它极端仇视和恐惧，直到200多年后的1758年才被开禁。

二．布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说

哥白尼学说经过近两个世纪才被牢固地树立起来。尽管哥白尼学说一开始就遭到天主教、

路德教和加尔文教的反对，甚至弗兰西斯·培根也不接受这一理论，但这一学说还是被广泛地

传播到整个欧洲。其中，布鲁诺和伽利略在哥白尼之后对日心说的捍卫和发展作出很大的贡献。

虽然作为天文学史可以不涉及，但作为近代宇宙观史，决不能忘记为哥白尼理论的传播而

献出生命的意大利哲学家布鲁诺(GiordanoBruno，1548—1600)的名字。布鲁诺年轻时就读过《天

体运行论》，并成为哥白尼学说的传播者。但他比他的先师更进一步，即抛弃了恒星固定在以太

阳为中心的最高天球的信念。他在1584年出版的《论无限、宇宙和世界》中阐述了他的字宙无

限、世界无限的观念，并做了哲学上的论证。

他指出，宇宙是无边际的，因而没有中心；太阳是太阳系的中心而不是宇宙的中心，宇宙

中存在着无数个太阳系一样的天体，恒星就是散布在无限空间中的一个个太阳。他关于类似太

阳系这样的世界有无数多个的思想，先于牛顿关于天上、地上都遵守同一运动规律的发现。

意大利科学家伽利略(GalileoGalilei，1564～1642)对近代天文学革命的贡献就在于他借

助望远镜和力学(主要是动力学)思想证实和捍卫了哥白尼日心体系。

伽利略根据他对光的折射的知识制作了可将物体直径放大30倍的望远镜，于1610年在《星

际使者》中公布了由此得到的若干重大发现。

其一，他发现木星有四个较小的“行星”(后来被开普勒称为“卫星”)围绕它旋转，这就

好像一个缩小了的太阳系模型，这四个卫星各有其可量度的周期。这就用科学事实推翻了地球

之外只有7个天体(恒星除外)的传统观念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有天体绕

之旋转的中心。

其二，他还发现月球表面并不是乎坦、均匀的圆球形，而是凹凸不平和粗糙的，有的山脉

高达4英里。这个发现加上他后来观测到的太阳黑子(记叙于1613年发表的《关于太阳黑子的

书信》一书中)存在的事实(其面积大于地球亚非两洲面积之和)，打破了中柏拉图、亚里士多德

以来关于天上事物是完美无瑕的神话，驳斥了“月上世界”与“月下世界”属于截然不同的两

个世界和“天贵地贱”的神秘主义的观点。

其三，银河在以往用肉眼看上去好像是延绵不绝的一片光区，而从望远镜中他分辨出这不

过是数以万计单独恒星(其中包括用肉眼连细微的光线都看不见的成千上万个恒星)分布较为集

中的结果。这个发现使人们不禁要怀疑：如果上帝为人类利益而创造了宇宙，那为什么把如此

之多不可见的东西放在天上?

尽管伽利略在理论上没有给哥白尼的宇宙体系增加什么内容，但上述发现以其为日心体系

提供的强有力的证据而沉重地打击了经院哲学和传统教条。当时惟一公开支持伽利略的科学家

只有开普勒，他在《同星际使者的对话》一书中指出，这些新发现同他本人的理论是一致的。

但教会却把日心说视为洪水猛兽。1616年教会把哥白尼著作列为禁书，并警告伽利略，让他放

弃地动说。伽利略经过长期准备和精心构思，在16年之后的1632年发表了《关于托勒密和哥

白尼两大世界体系的对话》，在这部著作中最重大的贡献在于他成功地分析了反对日心说的两个

主要理由即没有恒星视差和地上物体垂直坠落的问题，从而使哥白尼日心体系得到进一步论证。

1．2医学革命

近代初期，在医学领域中，希波克拉底的“四体液”之类空想仍占重要地位，因此治疗人

的疾病，通常还是试图重新调整人体中体液的比例，而不大注意对疾病的专门化研究。然而到

了16、17世纪，在用经验主义代替思辨的科学变革的影响下，比较明智的医生开始密切注意各

种疾病的差异及其不同要求，在文献中出现了对不同疾病的仔细观察和详尽描述的记载。

在近代科学诞生之前，在医学生理学中居统治地位的是罗马名医盖伦的生理学说。他的生

命元气等学说尽管距真理很远，却由于基督教的思想统治使他的学说在整个中世纪欧洲，人的

眼中比他的自由探讨精神更为重要，从而堵塞了生理学探索的道路。第一个敢于起来批判盖伦

学说的是比利时医生、近代解剖学奠基人安法勒斯·维萨里(A．Vesalius，1514—1564)。他于

1543年发表了《人体的构造》一书，他以多年从事人体解剖之所见，揭露了古代权威盖伦等人

的某些结论缺乏根据。接着就是西班牙医生塞尔维特(MichaelServetus，1511～1553)于1553

年发现了人体血液的小循环，他指出静脉血是通过肺部为空气“净化”之后变为动脉血的。其

后，英国医生哈维（WilliamHarvey,1578～1657）在1628年发表的著作中系统地阐述了他所

发现的人体血液运动的大循环。他指出：血液在人体中是沿着心脏→动脉→静脉→心脏这样的

路线循环流动的；在动脉和静脉之间必定还有人们看不见的细微通道相连；流回心脏的静脉血

经过小循环(即在肺部经过空气的作用)变为动脉血，接着由心脏流出；心脏是血液循环的出发

点，又是血液循环的归宿，心脏的脉动是血液循环的动力。动脉血和静脉血是分别流经心脏的

左、右两部分房、室，这两部分并不直接沟通。哈维的学说彻底推翻了盖伦的观点，同时给了

教会的神学说教以沉重打击。哈维的学说有大量事实为据，虽然还有不完善之处，但终究为科

学的生理学奠定了基础。

1．3科学方法革命

一．伽利略开创实验方法

伽利略发明了光学望远镜，用大量天文观测事实论证哥白尼日心地动说。1609年，伽利略

用自制的望远镜观察天空，发现了一系列前所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表

面的山岳和湖海，太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。这些发现证明了天界并非有如

亚里士多德所说的那样圣洁无瑕，宇宙中也并非只有一个中心。

伽利略开创了实验力学，标志着科学实验方法的诞生。伽利略是第一个把实验引进力学的

科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。通过实验，伽利略发现

了自由落体定律：物体从静止开始的自由下落是一种匀加速运动，物体下落的速度与其经历的

时间成正比，下落的距离与其经历的时间的平方成正比。根据这个定律，在忽略空气阻力的情

况下，从同一高度自由下落的轻重不同的物体应该同时到达地面，因为物体下落的速度与它们

的质量无关。伽利略还从逻辑上论证了重物先到达地面的不合理性。从而彻底地批判了亚里士

多德的错误观点。

在研究落体运动的基础上，进一步的实验使伽利略想到：沿斜面滚落的小球，如果再沿一

无限光滑的平面继续滚动的话，这时既没有使小球加速的因素，也没有使小球减速的因素．它

必将在这个平面上保持原有的速度匀速前进，永不停止，这就是惯性运动。惯性运动指出运动

的物体具有维持原有运动状态的特性，这就是说，亚里士多德认为必须有外力才能维持物体运

动的观点也是站不住脚的。

伽利略通过观察匀速前进的船舱内舱顶水滴下落和舱内苍蝇飞行的状况，发现它们都没有

因船只的航行受到干扰，它们的运动状况与静止的船舱毫无二致。据此他提出了运动的相对性

原理：在匀速运动系统内的力学现象与静止系统内的力学现象并无区别。这个原理告诉我们，

不能根据地面上的力学运动来判断地球是处在静止状态还是在作惯性运动(假若我们把地球近

似地看作一个惯性系统的话)。

二．经验论与唯理论

英国弗兰西斯·培根的《新工具论》倡导归纳法，成为近代科学的主要方法。弗·培根在

他的经验主义认识论的基础上，首创了科学中的排除——归纳法。弗·培根在《新工具论》中

多处批评了自亚里士多德以来，仅仅根据少数观察、用简单枚举法匆忙地从感觉和特殊中抽象

出最普遍公理的传统作法；认为这种抽象由于“没有采取对自然作排除和分解或分离的方法”，

其所得出的概括必定“是不确定的和含混的”。为此，应当用科学归纳法取而代之。他提出的排

除——归纳法的基本思路是：

1．通过实验观察获得有关某类现象的一切事实知识，其中包括对该类现象的肯定事例、

否定事例和该类现象所具物理性质的程度不同的表现；

2．然后将全部事例编制成肯定事例表、否定事例表和程度表(即比较表)；

3．借助逐步归纳和排除法，从事例中抽象出最低层次的公理(假说)；

4．应用同样方法从低层次的公理(假说)中构造出较高层次的公理(假说)，直至最终达到普

遍性程度最高的公理(即“形式”)。

其中最重要的方法是逐步归纳法和排除法。而归纳法与排除法乃是同一过程的两个相反相成

的方面。弗·培根把事实之间以及低层次公理之间的相关，区分为偶然相关和必然相关(即本质

相关)；不论是由系统的实验观察材料概括出普遍性有限的真理，还是从普遍性程度低的真理

上升到内涵更丰富、概括性更强的真理，都要通过比较鉴别，以发现并排除偶然的非本质的相

关，从而抽取出必然的本质的相关，作为进一步归纳概括的合适题材。只有如此才能牢固地建

立起科学理论的“金字塔”。有人认为弗·培根“否定抽象概念”，其实，培根仅仅反对借简单

枚举法，根据少数观察贸然作出不恰当的“抽象”，他并不反对、而且竭力主张以系统观察为基

础、以排除和舍弃偶然相关(即非本质相关)为关键程序的科学抽象。科学抽象原则是弗·培根

科学归纳法的灵魂。

近代科学尽管在很大程度上得益于实验观察和归纳方法，但要建立逻辑上完备而自恰的科

学理论体系，单靠经验方法是无能为力的。笛卡尔最早看到了这个问题，在科学方法论上提出

了以“普遍怀疑”为前奏、以直观——演绎法为核心、以事实验证为补充的科学发现与科学说

明的逻辑模式。

在笛卡尔看来，要使科学取代统治人们思想达几个世纪的经院哲学，就必须把科学知识大

厦及其每一组成部分都建立在“理性”的基础之上，为此就要“尽可能地把所有事物都来怀疑

一次”。这一语道破了新哲学与传统哲学的本质区别。笛卡尔认为，感觉有可能会欺骗我们，理

性也往往会判断错误，故而一切凭感官得到的知识、一切先人之见与偏见、一切传统教条和信

念，都应毫无例外地通通放到理性的法庭上加以审判。在笛卡尔那里，怀疑本身不是目的，而

是手段；怀疑不是消极的、虚无主义的，而是积极的、富于建设性的。因此他的怀疑论是一种

方法论的怀疑论，是构筑科学知识大厦的否定性准备。它不仅是每一个别的科学认识发生的前

奏，更是科学作为系统整体而发生的初始环节。这种怀疑论是新兴资产阶级社会理想和价值观

念在认识论领域的反映，是近代史上推动人类理性解放的一面旗帜。

笛卡尔认为，科学的最高成就是一种命题金字塔，其建构顺序是由上而下即由一般到个别。

那么处于金字塔顶端的作为科学理论体系大前提的最一般原理(即公理)从何而来?笛卡尔的“天

赋观念”论是对这个问题的唯心主义的、但又是当时相对成功的一种解决。笛卡尔认为，来自

外界的关于事物的感觉观念是不可靠的，而由人的心灵自由虚构和臆想的观念是个别的和偶然

的，只有来自理性本身的“天赋观念”才是一切普遍性、必然性知识的惟一可靠的来源。这种

观念作为真理性认识的标准在于其无可怀疑的确定性和自明性；由于它既不依赖于感觉经验，

也不依人的自由意志为转移而具有客观实在性，因此，以这种观念作为最普遍原理，可以成功

地解释一切自然现象。

在笛卡尔科学方法论中，最核心的乃是作为其知识哲学中心内容的直观——演绎法。所谓

直观“既不是指感觉的易变表象，也不是虚假组合的想像所产生的错误判断”，而是靠人的认识

普遍性、必然性知识的天赋能力而获得对于基本的、清楚明白的、不证自明的真理的直接了解。

所谓“演绎”，是指运用数学中的推理方法从直观得到的第一原理出发所进行的全部带必然性的

推理。它相对于“直观”来说，是认识自然的“补充方法”。笛卡尔认为，传统的三段论只能说

明已知的真理，而对于那些要发现真理的人来说则毫无价值。作为演绎推理大前提的第一原理

是运用理性直观的力量而发现的，第一原理的创造性保证了由它所推演出的知识的新颖性。因

此直观——演绎法不单是说明的逻辑，而主要是一种发现的逻辑。这是它同亚里士多德三段论

的本质区别。

笛卡尔接受了亚里士多德关于科学是演绎陈述系统的思想，并试图用他的直观——演绎法

构造一个庞大而包罗万象的人类知识金字塔。但是，并未成功。因为仅仅根据一般定律的考虑，

人们不可能确定物理过程的进程。于是，他为了克服直观——演绎法的局限和困难，不得不给

实验观察和归纳方法以一席之地，运用这些方法对定律和推论进行事后的验证或经验批准。但

这些仅仅是科学研究中的辅助性的补充手段。

第二节经典力学体系的建立

2.1近代力学知识的积累

一．伽利略的力学贡献

近代力学产生之前，亚里士多德关于运动学的自然哲学理论占据统治地位达1900年之久。

而亚里士多德的运动学大多属于哲学猜测与常识的混合物．特别是由于中世纪后期托马斯·阿

奎那等人把他的著作奉为经典，而使他的错误的运动学理论成为严重束缚力学发展的桎梏。伽

利略是在力学上第—个向亚里士多德提出挑战的科学革命家。

首先，伽利略驳斥了亚里士多德的落体理论。亚里士多德认为物体运动的快慢与运动物体

自身的重量有关，并把这个思想用于落体运动。他指出，体积相等而重量不同的两个物体认同

—高度自由落下时其速度比等于这些物体的重量比；比如，两物体重量比为1：10，则其下落

速度比也是1：10。伽利略运用思想实验和归谬法反驳了这些错误理论。他指出，若两个重量、

大小不同的物体捆在一起，其下落速度有两种相反的可能：(1)由于两物体总重量均大于其中任

何一物重量，故捆在一起时下落速度比两物体中较重的物体单独下落时速度要快；(2)由于两物

体一轻一重，捆在—起时较轻者牵制较重者的下落速度，因此联合体下落速度大于较轻者而小

于较重者。通过分析相同比重物体在同一介质(如空气)中下落的种种情况和介质密度对物体下

落的影响，以及经过“冲淡重力”斜面实验，伽利略最终得出三个结论：第一比重相同而重量

不同的物体在空气中以同样的速度运动(下落)；第二．在完全没有阻力的介质(即真空)中所有

物体以同样速度作自由落体运动；第三，物体均以匀加速运动自由下落，而下落距离与时间的

平方成比例地增加。据传伽利略作过比萨斜塔实验，但没有原始记录作证据。但在1586年以前，

斯台文(SimonStevin，1548—1620)确实做过反驳亚里士多德观点的落体实验：从30英尺的高

处，同时让两只铅球自由下落，其中一只是另-一只重量的10倍，而到达地面上发出的清晰响

声好像是一个声音。

伽利略在《关于两种新科学的对话》(Thedialoguesconcerningtwonewsciences)中不

仅反驳了亚里士多德的运动观念，而且讨论了匀速运动、加速运动、单摆和抛射体运动的规律。

关于匀速运动，他给出了以下定义：“我们称运动是匀速的，是指在任何相等的时间间隔内通过

相等的距离。”关于匀加速运动，则是指“运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。

在这两个概念的基础上，再引入“合成速度”的概念，就可以容易地解释抛物体的运动。伽利

略将抛物体运动分解为水平方向的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，从而证明了意大利数学

家塔尔塔利亚(NiccoloTartaglia，1499～1557)早期的发现：抛物体仰角为45。时可有最大射

程。他第一个成功地证明了炮弹的运动轨迹是一条抛物线。

伽利略在单摆实验和小球在相对的两斜面上滚下与滚上运动的实验中发现类似机械能守恒

定律的思想，由此得出惯性的概念，从而否定了亚里士多德“力是运动原因”的错误，建立了

“力是改变运动的原因”的思想。这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义—起，为牛顿的

运动第一和第二定律的最终表述奠定了基础。

伽利略通过对单摆的研究发现：单摆的摆动周期与振幅无关。传说这是1582—1583年他在

比萨大学学习时，在比萨教堂观察吊灯时发现的。但据考证，比萨教堂的吊灯是1587年制造的，

此时伽利略早已离开了比萨。但在1602年信件中他的确提到了单摆实验，而在《关于两种新科

学的对话》中他详细地描述了这些实验及其结果，证明单摆周期不依赖于摆的重量和材料，而

和摆的长度的平方根成比例。不过，单摆周期严格的表达式是惠更斯首先提出的，其

中T表示单摆周期，L表示单摆的摆长，g表示重力加速度，据说伽利略于1638年也得到了这

一结果。

由于伽利略想要发现的不是物体为什么运动(降落)，而是怎样运动(降落)，并通过实验揭

示厂其中的数学关系，这就使得从他开始，时间与空间在物理科学中具有了根本性的意义。不

过，由于他认为惯性定律只有在水平面上才成立，因此他的力学停留在重力影响占绝对优势的

地面力学上，而未能扩展到天体力学，只有笛卡儿和牛顿才把惯性定律作为普通的力学基本原

理来把握。

二．开普勒三定律的发现

1609～1619间，德国天文学家开普勒(JohannesKepler，1571～1630)利用他的老师、丹

麦天文学家第谷·布拉赫(TychoBrahe，1546～1601)遗赠的大量准确的观测数据研究行星运动

的规律，先后发现了行星运动的三条定律，科学史上习称为开普勒三定律。

开普勒第一定律亦称行星轨道定律。这一定律指出，行星运行的轨道不是正圆形而是椭圆

形，它们围绕各自椭圆轨道的一个焦点运行(椭圆有两个焦点)，而这些焦点又都重合在一起，

那就是太阳之所在。

开普勒第二定律又称行星运动面积定律，它指出在相等时间内行星与太阳联线所扫过的面

积相等。

开普勒第三定律即行星运动周期定律，它指出任何两颗行星公转周期的平方与它们轨道长

半径的立方成正比。

开普勒的工作以准确的观测数据为依据，他的结论无可争议。在西方流行了两千年的行星

必定沿圆形轨道匀速运行的传统观念终于被打破了。开普勒因此被誉为“天空的立法者”。行星

三定律的发现是天文学上又一重大突破。同时，它更进一步把天体运动的物理机制问题摆在人

们面前：行星的运动轨道为什么是椭圆形?维持这些运动的力是什么?如此等等。开普勒的同辈

人中曾有人猜测，太阳和行星可能是由于磁力作用而联系在一起的。在他们的启发下，开普勒

提出了天体磁性引力假说。他考虑，既然地球是一块大磁石，太阳以及其他行星很可能也是大

磁石，是太阳和行星之间的磁力作用使它们联系起来并且使行星围绕太阳沿椭圆形轨道运行。

开普勒的假说虽然并不正确，但他揭开了天体力学研究的序幕。

三．惠更斯、胡克等人的贡献

同一个科学问题往往会由来自不同侧面的研究而得到解决，这种现象在科学史上很是常见。

天体力学的问题得到了有关地面上的物体运动的研究成果的启发，这就是惠更斯和胡克等人的

工作。惠更斯(ChristianHuygens，1629～1695)是荷兰科学家，他对物体围绕一个中心旋转的

问题进行了研究，于1673年确认：一个围绕中心作匀速圆周运动的物体之所以不会沿切线方向

飞去，是因为有一个向心力作用于该物体。这个向心力的大小与该物体的运动速率的平方成正

比而与圆周的半径成反比，即向心力（这里m是物体的质量，v是物体的旋转速率，r

是圆周的半径）。这就使人们认识到，必定是太阳给了行星一个引力，这个引力作用于行星，使

行星围绕太阳旋转。英国科学家胡克（RobertHooke,1635～1703）就是这样想的。1674年他

在一次演讲中说到，在太阳吸引行星的同时，行星也同样吸引着太阳，从而提出了物体之间有

相互的吸引力的想法，他说这种引力与磁性无关。1680年他更提出了这种引力的大小与距离的

平方成反比的猜测。但是，引力与距离平方成反比的猜测是否能与行星依椭圆形轨道绕太阳旋

转的事实相一致？这个问题一时难住了许多人。

2.2牛顿力学体系的建立

一．近代最伟大的科学家——牛顿

伊萨克·牛顿(IsaacNewton，1642一1727)诞生在一个农民家庭，幼年身体很弱。他12岁

进入文科中学读书时就显示出制造机械工具及其模型的天才。中学毕业后，在舅父推荐下他进

入剑桥大学三一学院深造。在念文学士学位过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光学的名

著以及天文学和力学等方面的最新成果，并于1665～1666年在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间发

明了二项式定理的流数法，实现了对光的分解，并向万有引力定律的建立迈出了头几步。鉴于

他的数学天才，他的老师巴罗于39岁就毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授的职位而让牛顿接替。

不久他制造了反射式望远镜。这促使天文学家瓦尔德于1671年提议选牛顿为皇家学会会员，并

当即被通过人选。但牛顿的光微粒说却受到主张波动说的胡克的批评，由此引发了科学史上著

名的波动说与微粒说之争。在此期间，他还发展了流数法，同时花费巨大精力研究引力问题，

并于1684年将证明引力平方反比定律的手稿交给哈雷。在哈雷和皇家学会的推动下，他从此进

入了对理论力学进行紧张研究的时期，并以1687年7月他的《自然哲学的数学原理》一书的出

版而达到高潮。此后，牛顿还做过一些化学实验，可惜他的化学手稿于1692年的一次大火中与

他的光学手稿一起被全部焚毁。加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”

倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，以及胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发

现权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经哀弱以致失常。以后的牛顿除了从事

货币改革、研究炼金术和注释圣经外，从1703年当选皇家学会主席至去世，还做过一个时期的

议员。但近40年当中，他几乎没有什么突出的科学成就。牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学

会会议时突然发病，两周之后去世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科家家。1731年牛

顿的亲友在安葬牛顿的威斯敏斯特教堂建立了一座纪念碑，碑上刻着一首诗：“这里躺着牛顿爵

土，他以超人的智力首先证明了行星的运动和图形、彗星的轨道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地

研究光线的各种折射率及其所产生颜色的种种性质。对于自然、考古和圣经是—位前所未有的

勤奋、敏锐而忠实的诠释者。他的哲学中确认了上帝的尊严，他的行为中展现了真正的纯朴。

让人类欢呼曾经生存过这样伟大的一位人类之光吧！”

二．牛顿经典力学体系的创立

牛顿经典力学体系，是以绝对化的四个基本概念空间、时间、质量、力为基础，以著名的

三大定律为核心，以万有引力定律为最高的综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结

构严谨、逻辑严密、以实验和观察对结果进行验证的科学体系。《自然哲学的数学原理》就是这

个体系的集中表现。

牛顿发现万有引力定律的过程前后历经20年之久。此间他受到当时一些著名物理学家(如

哈雷和胡克)的帮助或启发；并借助了一些重要的天文观测结果，如皮卡特1679年关于纬度对

应的地球表面长度的测定值，从而在伽利略地面力学和开普勒天体力学成就的基础上发现了万

有引力定律。

牛顿有一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”的确如此。

作为万有引力定律概念基础之一的“离心力”、“向心力”思想早在1632年伽利略的《对话》中

就提出来了。不仅如此，1666年牛顿还从伽利略的抛射体运动中得到启发，去思考“月亮为什

么不下落”的问题。而作为万有引力定律概念基础之二的“引力平方反比”思想也早在1645年

就为布里阿德所提出。牛顿的探索是在上述思考基础上，以1665～1666年离心力定律

()的提出而宣告开始的。(这一定律在1673年也为惠更斯独立地得出。)紧接着，他

从这一定律和开普勒第一与第三定律中推出了圆形轨道上天体的引力平方反比关系。1669年他

又把圆轨道上的引力平方反比关系近似地用于行星的椭圆轨道的研究中，但是这种研究尚存重

大的障碍和困难：其—，缺乏关于地球半径的足够精确的数据。其二，天体是实体，怎样来计

算所有物体的任何部分所产生的吸引力的联合作用?其三，牛顿当时还不能肯定是否应该由地心

开始计算月地距离，因为这牵涉到地球对月球的引力是否行同地球的全部质量都集中于地心。

在经受一系列困难的折磨之后，牛顿于1684年利用皮卡特关于地球半径的测定值，成功地验证

了在平方反比于距离的力作用下，行星必定在椭圆形轨道上运动。然后，在发现运动第二定律

的基础上，把它用于万有引力问题，从而得出万有引力与相互作用物体的质量乘积的正比关系。

最后于1685年春至1686年夏得出了关于重力或万有引力与质量乘积成正比、而与距离的平方

成反比的完整表述，并发表在《自然哲学的数学原理》的第三编中。

运动三定律所描述的是物体(包括天体和地上的物体)力学运动的规律，它和万有引力定律

一样是经典力学的基本定律。这些定律的确立虽然经过几代科学家的努力，但最终是由牛顿完

成的。牛顿是经典力学的集大成者，所以经典力学又称牛顿力学。

运动第一定律运动第一定律又称惯性定律。伽利略虽然提出了惯性运动的思想，但是他相

信宇宙是一个球形的封闭的空间，因此不能设想一个无限大的平面。他所考虑的惯性运动是沿

着地面的运动（其实是围绕地球的圆周运动），他对于向心力也还没有认识。牛顿突破了伽利略

的局限，终于发现了惯性定律。

惯性定律指出：如果没有外力的作用，任何物体将保持其精致状态或匀速直线运动状态。

这就是说，力是改变物体运动状态的原因，或者说，力是使物体的运动状态发生变化，即产生

加速度的原因。当我们发现一个物体从静止变为运动，或者在运动中有加速、加速（可看作是

负的加速），或者是运动方向发生变化时，就可以断定必有外力作用于这个物体。在自然界中，

物体不受任何外力作用的情况实际上是不存在的，但只要它所受到的外力相互平衡，便可看作

是外力为零，此时该物体或者是保持静止不动，或者是保持原油的运动状态。所以，如果我们

看到一物体静止不动或者作匀速直线运动，我们就知道它没有受到外力作用或者作用在它上面

的外力相互平衡（合力为零）。在日常生活中，物体的运动必受阻力（如摩擦力）的制约，要维

持等速运动就得有一个力来克服阻力，这个力与阻力必定是大小相等而方向相反的，其实这时

作用于该物的外力应视为零。人们往往只注意到要给物一个力来维持它的运动，却忽视了这个

力的作用只在于与阻力相抵消而使其总的外力为零。

运动第二定律运动第一定律所表述的是力的概念和力与物体运动关系的定性的认识，运

动第二定律给我们展示的则是力与物体加速度之间的定量关系。

为了从量上考察力与物体加速度的关系，牛顿研究了比较简单的物体的碰撞运动，得出了

这样的看法：碰撞运动中作用于一物体的外力与它的运动量的变化成正比。(他把物体的“运动

量”定义为该物体的质量与它的速度的乘积。)在碰撞过程中冲力所引起的运动量变化是在极短

时间内所产生的效应，牛顿把这个过程表述为

亦即

也可以写成

(是碰撞时的作用力,是作用的时间,即运动量的改变量)

这个式子表明，物体运动量（亦称“动量”）的变化与作用力的大小成正比，力作用时间越

长，它所产生的冲量越大，物体的动量改变量就越大，物体动量的改变量=合外力的冲量，

动量变化的方向与作用力的方向相同。对于匀加速运动，

即单位时间里速度的变化，这也就是伽利略所引入的加速度的概念。于是，运动第二定律又

可以写成

我们现在常用的就是这个表达式。

根据运动第二定律，我们就可以很容易解释为什么一切物体的自由下落都有相同的加速度

了。对于自由落体而言，作用于该物体的力F就是地球对这个物体的万有引力。由万有引力定

律，可知

(M是地球的质量，m是该物体的质量，R是地球的半径。)

依运动第二定律F＝ma可得

从这里便可以看到，因为G、M和R都是常数，所以a也是一个常数。这就表明一切自由落体的

加速度a都是相同的。通常我们用g来表示这个加速度，称为重力加速度。

有了运动第二定律，只要我们知道作用于一物体上的力，就可以据此求出此物体所获得的

加速度，即可以知道这个力使该物体所产生的运动状态的变化(包括它的大小和方向)；反之，

如果我们知道一个物体的运动状态发生了某种变化，也就可以断定必有一个力作用于该物体，

并且可以准确地计算出这个力(包括它的大小和方向)。力与物体运动状态变化互为因果，它们

之间的关系是确定无疑的。

运动第三定律运动第三定律也是在碰撞运动的研究中弄清楚的。惠更斯已经发现，若两

个质量相等的小球以大小相等而方向相反的速度在同一直线上相向运动，在发生完全弹性碰撞

后，这两个小球便以与原来大小相等的速率在该直线上相背运动。这就告诉我们，在碰撞前和

碰撞后两个小球动量的变化量在数值上是相等的。我们假定第一个小球运动量的变化为：

,

第二个小球运动量的变化为：

。

已知

可知

两球碰撞时它们相互作用的时间是相同的，即相等。根据运动第二定律就可以得出它们之间

的作用力大小相等而方向相反的结论。牛顿据此进一步指出：当物体A施力于物体B时，物体

B同时也施一反作用力于物体A，作用力与反作用力大小相等，方向相反，并且作用在同一条直

线上。这就是牛顿所确立的运动第三定律。

运动第三定律告诉我们，自然界中没有孤立存在的单个的力，一个孤立的物体无所谓施力

或受力，力总是存在于两个相互作用的实体之间，不管力是通过直接接触(如推力、拉力)还是

不通过直接接触(如磁力、万有引力)，它总是成对出现，同时出现，它们作用在一条直线上，

大小相等，方向相反，这两个力分别施加于相互作用的两个物体之上，它们的力学效应并不互

相抵消。

在日常生活中，我们很容易看到运动第三定律所描述的现象。例如我们用一根绳子牵一头

牲口，就会感觉到这头牲口通过绳子在拉我们。但也有些时候我们容易产生错觉。比如物体自

由下落，我们知道这是因为地球的引力作用于该物体的原故。其实，与此同时该物体也对地球

施加一个大小相等方向相反的引力，不过比较起来地球的质量大得很多，这个物体对地球的引

力显不出来罢了。月球围绕地球旋转是因为它受到地球给它的引力，月球同样也有一个大小相

等方向相反的引力施加于地球。月球引力就是海洋潮汐现象产生的主要原因之一。

在发现万有引力定律和运动三定律的基础之上，牛顿仿效古希腊人的作法，把力学知识整

理成为一个演绎知识体系，1687年出版了《自然哲学之数学原理》这部名著，标志着经典力学

的成熟。

三．牛顿力学的重大历史意义

经典力学的成就在科学史上具有划时代的意义。它表明人类关于自然界的认识已推进到一

个新的阶段，标志着自然科学已形成了自己独立的知识体系。

经典力学的科学意义

(1)经典力学彻底打破了亚里士多德学派严格区分月亮以上和月亮以下两个忖界的旧观念，

杷天上和地上的运动统一了起夹．证明了万有引力辛律和活动三定律是宇宙间一切机械运动(即

物体位置的变化)的普遍规律，从力学的角度论证了自然界的统一性，实现了人类对自然界认识

的一次伟大的综合。

(2)经典力学把人们对机械运动的研究从运动学提高到动力学的水平。运动学只考虑物体运

动的速度、加速度、时间、距离等因素及其关系，只能描述物体运动的过程和状态。动力学的

任务则在于揭示物体运动的力学原因及其力学后果。在历史上，虽然亚里士多德曾经探讨过动

力学的问题，但他走入了歧途。牛顿成功地完成了建造动力学的任务，从而使人们能够全面地

把握机械运动的规律。

3)经典力学把对物体机械运动状态的描述与研究提高到瞬时状态的水平。过去人们只能把

握运动的某一个过程，这对于处理匀速运动、匀加速运动(如自由落体运动)或加速度的大小不

变而方向均匀变化的运动(如圆周运动)这类比较简单的运动尚可，对于加速度复杂变化的运动

便无能为力。如今牛顿引进了微积分的方法，原则上便可处理任何复杂机械运动的过程与瞬时

状态的问题。

(4)经典力学把原来只能孤立地研究的力学事件联系了起来，使它们成为因果的链条。运用

经典力学，只要我们知道某物体的运动状态以及它在某时刻所受的力，就可以得知这个物体的

运动状耷所要发生的变化。反之，如果我们发现某物体的运动状态发生变化以及它的变化状况，

我们也就知道它受到一个力并且知道它受到的是什么样的力(包括它的大小和方向)，而且也知

道它必定对外界施加了一个什么样的力(包括它的大小和方向)。力与运动组成了一个无穷无尽

的因果链条，这就大大地提高了我门对物体运动前因后果的认识，提高了我们的预见与推想的

能力。

(5)我们说过，以往的自然知识都包容于自然哲学之中。虽然牛顿仍然把他的著作称为《自

然哲学之数学原理》，但实际上它表明自然科学不仅已摆脱了神学的束缚，亦已从哲学中分化出

来．开始建设自己的知识体系与科学思想和科学方法，表明自然科学已经成熟。

第三节经典物理学的全面发展

物理学是自然科学最重要的基础学科之一。经典物理学所研究的范围包括力学、光学、热

学、分子物理学、磁学、电学等许多分支。至18世纪，只有经典力学已趋成熟，几何光学也有

了一些轮廓，其他分支则还未成形，基本上还得从收集事实、积累材料做起。到19世纪，经典

物理学各分支便都有了巨大的进展，整个经典物理学体系逐渐形成。经典物理学的许多成果转

化为前所未有的技术，深入到生产、生活各个领域，迅速地改变了整个人类社会的面貌，表现

出了科学的巨大威力。

3.1光学的进展

古希腊时期已知道光的直进和反射规律；托勒密在光折射实验基础上提出入射角与折射角成

正比的思想；而关于视觉的本质，伊壁鸠鲁和亚里士多德等提出过一些哲学猜测。中世纪伟大

的数学家、天文学家伊本·海赛姆用实验测定了折射率。但总的来说，古代与中世纪的光学知

识是极其有限的。因此近代光学基本是从零开始的。

开普勒是近代光学的奠基人，其地位如伽利略之于力学和吉尔伯特之于磁学。他在1611年

出版的《屈光学》中解释了荷兰望远镜或伽利略望远镜及显微镜所涉及的光学原理，并提出了

改良望远镜的建议，他的建议在近代导致远距照相透镜组合的发明。开普勒第一次明确提出光

度学基本定律，即光强与离光源的距离平方成反比地变化。他还研究了球面像差一类复杂现象，

为巴罗等后人的几何光学研究提供了基础。关于视觉理论，他还提出视网膜上的成像本身不构

成整个视觉行为的正确思想。他对折射规律的研究虽方法正确但未获成功。

第一位提出精确的折射定律的是荷兰人斯涅尔(W．Sncll，1591—1626)。根据他于1621年

的结果，可容易地推出现代形式的折射定律：

不过是笛卡儿于1637年第——个发表了折射定律，并尝试给它一个物理证明，但是否与斯

涅尔独立地发现该定律则尚存疑问。在发表有关折射定律的这本《屈光学》中，笛卡儿还提出

丁关于光的本性的微粒假说。他在《气象学》中对虹霓理论的研究成为牛顿对虹霓解释的前提。

关于光的本性的波动说，在达·芬奇的著作和伽利略书信中已有迹象。但正式认真地提出光

具有周期性的是意大利数学家格里马力迪(F．F．Grimaldi，1618—1663)。他从波动观点出发

解释了似乎同光的直线传播定律相悖的衍射现象。他还指出，颜色的不同乃是眼睛受到速度不

同的光振动刺激的结果，这个思想对后来的光学发展具有根本性意义。他的光学著作，在他死

后两年被发表。在同一年(1665)，胡克的科学著作《显微术》问世，其中光学部分对多种透明

薄膜的闪光颜色现象进行了实验和理论的探讨。他注意到，在一定的厚度范围内，云母薄片里

会出现虹霓的色彩，不同厚度的部位颜色不同。虽然他未能确定厚度与颜色之间的精确关系，

却为牛顿对“牛顿环”现象的研究奠定厂基础。胡克认为光是一种振动，发光体的每—次振动

或脉动必将以球面向外传播。不过，比较系统地提出光的波动理论的还是荷兰物理学家惠更斯

(1629～1695)。他认为，构成一个发光体的微粒把脉冲传送给邻近的种弥漫媒质的微粒，每个

受激微粒都变成一个球形子波(即次波)的中心。这就是1678年提出的著名的惠更斯原理。用微

分几何的语言来表述，即：波阵面所及的任意点均可看做是新的次波源(即子波中心)，而新的

波阵面则是所有次波源向外发出的半球面次波的包迹。

牛顿在大学时期就对光学有浓厚兴趣，为了制造一种能消除色差的望远镜而开始研究颜色

理沦。1672年在《哲学学报》上发表的他对色散现象的研究成果，是他第一次公开发表的科

学论文。他对色散的解释立即引起他与胡克等人的争论。牛顿最初吸取了胡克的波动思想，倾

向于把微粒说和波动说结合起来，1675年他提出弹性以太的思想以解决微粒说的困难。但他拒

绝纯粹的波动理论。而在1704年他的《光学》中，牛顿则彻底主张光的微粒假说。由于他在科

学界的巨大影响，而使惠更斯提出的较系统的波动说被埋没百年之久，以致整个18世纪光学处

于停顿状态。直至19世纪初由于偏振、于涉等现象的发现和研究，才使波动说占据了统治地

位。

3.2热学的成就

在近代，对热现象的研究是从测量“热度”开始的。在科学地定义温度概念以前，人们往

往将温度的变化和物体所含热量的多少混为——谈，均用“热度”来表示。为了能精确地测量

热度，许多科学家都致力于温度计的研制。我们在伽利略时代的测温器中看到了温度汁的原始

形式，与之相比较，法国的吉永·阿蒙顿大约在1700年发明的空气温度计，是一个相当大的进

步。德国人丹尼尔·加比尔·华伦海特(DanielGabrielFahrenheit．1686—1736)是华氏温度

计的制造者。以水的冰点和沸点作为固定点的百分温标，是1742年由瑞典人安德斯·摄尔絮斯

(AndersCelsius，1701—1744)采用的。至于在0和100之间插入数值的精确性问题，19世纪

才被提出和加以研究。

直到18世纪，自然科学才区分开热量和温度；而“冷”这个术语，直到19世纪才从科学

的词汇中最后消失。力学已经达到能够计算行星运动的阶段时热学理论仍然处在原始的水平。

对于热的本质问题，整个17世纪相当普遍地认为是由物体的最小粒子的运动而形成的。培根在

《新工具》中正确地指出：“热是向外扩张而又受了限制的一种运动，热的精英和本质就是运动，

并不是别的。”约翰·洛克也说明：“热是物体中各部分难以察觉的非常活泼的搅动，我们所感

觉的热，除了物体中的运动以外，别无其他。”，这个热的概念是非常现代化的但又是思辨的，

因此不难理解它为什么会在18世纪被热质说所代替。

在对热现象进行大量研究的基础上，英国化学家布莱克等人提出了热质(素)说。这种学说

认为：热是一种流体，它可以渗透到物体中去并在热交换中从一个物体流向另一个物体；加热

就是给一定物体增加热质，而冷却则是从该物体放出热质；尽管在热交换前后，物体中的含量

有所改变，但它们的总量是守恒的。

热质说能解释许多已知的热现象，因而在18世纪成为一种主流的理论，它的确立和当时的

科学发展水平和机械自然观有很大的关系。直到19世纪，热质说才让位于热是能的一种形式的

观念。

今天已成为热力学的基本课题—一热的定量测定，直到19世纪才开始。苏格兰的约瑟夫·布

莱克(JophBlack，1728—1799)在温度和热量之间，画出一条明显的界限；他引入了卡路里、

比热、热容量、熔解热和潜热等术语。他的研究是按照热质说进行的，并使热质说几乎得到完

全普遍的承认。与此同时，热的唯动说还没有完全被放弃。丹尼尔。伯努利(DanierBernouli，

1700—1782)的《流体动力学》(1738)与当时流行的观点相反，它把热归结为分子的相互排斥。

他利用数学推理，成功地推导了波义耳和马略特定律，论证了压强和分子速度的平方成比例，

证实了阿蒙顿实验：当密闭的定量气体的温度增加某—数值时，气体压强的增加和密度成比例。

可是当时热质说占优势，拥护者中包括权威拉瓦锡，他甚至把卡路里纳入化学元素表。拉瓦锡、

皮埃尔·西蒙和拉普拉斯由于用冰量热器进行测量，从而对量热术作出了贡献。

18世纪末，美国人本杰明·汤姆逊即伦福德(BejaminThomp—son，即Rumford，1753—1814)

批判了热质说。为此，他对摩擦所产生的热量进行了广泛的测量。焦耳从这些测量数据中，推

导出热功当量的数值。伦福德证明，加热金属球时，其重量不变。他推论，如果热全然是一种

物质，那么无论如何，它必是没有重量的一种物质。汉弗莱·戴维支持伦福德对热质说的批判，

他认为热素是不存在的，热现象的直接原因是运动。

直至19世纪前10年，热质说和热的唯动说的争论仍未停止，热质说仍占优势。提出“卡诺循

环”概念的卡诺在研究热机效率问题时还用热素的撞击来解释热机的运转。但后来(1S27—1830

年左右)他终于放弃了热质论，认为热是动力(能量)，是改变丁形式的运动。直至克劳修斯证明

理想气体的绝对温度是由分子的平均动能所决定，焦耳确立了热功当量，以及能量守恒与转化

定律的提出，才牢固地确立了热的唯动说。

能量守恒与转化定律的确立古人已经有过运动不灭的猜测。18世纪末叶以来，人们相继

发现了许多不同物质运动形式相互转化的事例。人们早就知道摩擦这样的机械运动可以转化为

热运动，而蒸汽技术则是把热运动转化为机械运动的实际应用。1800年人们发现电解水可以得

到氢和氧，知道了电运动可以产生化学变化；同年发明的伏打电堆(一种原始电池)又表明化学

变化能够产生电。1805年人们知道了电流经过导体会产生热，1821年德国人塞贝克(Thomas

Johannebeck，1770～1831，制成了温差电偶，又说明热可以转化为电。摩擦(机械运动)生

电的现象是人们早就知道了的,1820年人们又知道电和磁可以相互转化,次年更知道了电与磁的

联合作用能够产生机械运动。这一切都表明过去看起来似乎是各不相关的、不同的物质运动形

式之间必定存在着某种内在联系。经过一大批科学家的努力，作为自然科学的基石之一的能量

守恒与转化定律终于确立。

1842年德国医生迈尔（JuliusRobertMayer,1814～1878）发表论文指出，“力是不灭的、

可转变的和不可称量的东西。”他是力图找到机械功与热能在量上的对应关系——热功当量的第

一人。经过多年的努力，他利用别人的实验数据，经过计算先后得出两个数值。他的数据虽然

都不大准确，但有开创性的意义。可是，他以哲学推理为主的研究方式不受科学家们的欢迎，

他的成果没有得到科学界的承认。遭到冷落的迈尔痛苦万分，甚至愤而自杀，幸而未死，后来

又曾被送入疯人院接受治疗。直到该世纪50年代末他的工作才逐渐为人们所赏识。

英国业余科学家焦耳(JamesPrescottJoule，1818～1889)从少年时代起就对科学有浓厚

的兴趣，一生在家里做过许多科学实验。1840年他在实验中发现了电流通过导体产生热量的规

律，即我们现在所说的焦耳定律，通常表示为P＝I2R。(p为热功率，I为电流强度，R为该导

体的电阻。)他为测定热功当量作了400多次实验，勤奋工作了30多年，意在使所得数据更加

精确。1843年他首次公布实验结果。他发表最后一批报告是在1878年，所公布的数据是1卡

＝424．71克·米。(目前国际公认的数值是1卡=427．14克·米。)他的工作也曾受到持热质

说的学者的反对，不过由于焦耳运用了多种测定方法，重复性又相当好，他的结果令人不得不

信服。

热功当量的确认，使人们认识到热量和机械功有着严格的对等的关系，这是科学史上的重

大事件。过去人们只是以思辨的方式推断能量的守恒与转化，如今有了电→热转化的定量关系，

又有了机械能→热转化的定量关系，这就把能量守恒与转化推向科学的认知的阶段。

其后又经过许多科学家的努力，能量守恒与转化定律才最终得以确认。这里既需要理论的

概括，也需要多方面的实验检验与证明。为此作出重要贡献的有德国科学家亥姆霍兹(Hermannn

vonHelmholtz，1821～1894)克劳修斯（RudolffJuliusEmanuelClausius,1822～1888)，英

国科学家W·汤姆孙（WilliamThomson,1822～1888，即开尔文勋爵，LordKelvin，1824～1907)

等人。到了19世纪纪60年代，能量守恒与转化定律作为自然界的普遍规律便得到科学界的公

认。“能量”这个概念是W·汤姆孙提出来的，用以取代过去的“力”那个含混的说法，很快便

得到大家的认可。至于“能量守恒与转化定律”这样一个完整的提法，则源自恩格斯(Friedrich

Engels，1820～1895)的《自然辩证法》。能量守恒与转化定律通常的表述是：在任何孤立的物

质系统中，不论发生何种变化，无论能量从一种形式转化为它种形式，或从一部分物质传递给

另一部分物质，系统的总能量守恒。

在此之前，曾有许多人煞费苦心地试图制造不消耗能量又能作功的“永动机”，虽然没有人

能够成功，但仍有不少人在作这种努力。1875年法国科学院正式声明不再受理审查任何有关“永

动机”的设计方案。

能量守恒与转化定律的确立给了科学家们很大鼓舞。它被称为物理学的“最高定律”(法拉

第)，“宇宙的普遍的基本定律”(克劳修斯)。恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。运用这个

定律研究物质运动的问题时，常常可以只从起始状态和终结状态的能量变化上作总体的把握，

不必考虑变化的具体过程和细节，这就给了人们很大的方便。在哲学上，它为人们对物质世界

运动形式的多样性和统一性，对物质运动在量上和质上的守恒性的认识，都提供了科学上的依

据。

热力学三个基本定律热力学是从能量转化的角度来研究热现象的学科，它的产生与人们

对蒸汽机的研究直接相关。蒸汽机的社会效益广泛地引起了人们的关注，提高蒸汽机的效率一

时成了许多人的研究课题。工程师们着意于从技术上加以改进，而科学家们则主要从理论上进

行探讨，这就产生了热力学。不过它后来的应用范围远远超出蒸汽机以至一般热机。

(1)热力学第一定律热力学第一定律其实是能量守恒与转化定律的一种特殊形式，它的建

立是一批科学家的贡献，其中最主要是克劳修斯。1850年克劳修斯首次提出了热力学第一定律：

当一个系统的工作物质无论以任何方式从某一状态过渡到另一状态时，该系统对外作功与传递

热量的总和守恒。若以公式表示，可以写成：

公式中的表示系统内能(当时克劳修斯称为“潜热”)的变化，A表示系统所作的功（A为正值

时表示外界对系统作功，为负值时表示系统对外界作功)，Q表示系统与外界的热量传递(Q为正

值时表示系统从外界吸收热量，为负值时表示向外界释放热量)，换一种说法．热力学第一定律

也可以表述为：一个物质系统与外界之间所传递的热量等于该系统内能的变化与系统所作的功

之总和。用公式可以写成

上面两种表述是完全等价的。克劳修斯所说的“潜热”指的就是物质系统内部的运动所包含的

能量，不过他用语含混，后来人们改用“内能”这一科学表述。

我们原先已经有了热功当量的概念，它准确地告诉我们机械功→热能转化的关系。现在热

力学第一定律又准确地告诉我们机械功←→热能转化的双向关系，并且还告诉我们在处理热能

和机械功转化的问题时必须考虑到系统的内能的变化。热力学第一定律现在已经成为热机研究

以至于其他许多学科(如化学)研究的理论基础之一。

(2)热力学第二定律热力学第二定律所描述的是一个孤立系统中热功转化的问题，所关心

的只是该系统变化前后温度的关系。最早研究这个问题的是法国人卡诺(NicolasLeonard

SadiCarnot，1796～1832)。卡诺曾是一位军事工程师，退役后便潜心研究热机理论。他于1824

年提出了“理想热机”的概念。所谓理想热机，是不管它的工作物质是什么，也不管它是什么

样的机器，只考虑它是靠热来作功的机器。这是对热机的抽象。热机千差万别，建立这样一种

“理想模型”来加以研究有利于揭示一般热机的本质。那时大多数人仍然相信热质说，卡诺也

不例外。他认为可以想像热机有如瀑布，热从高处流向低处，热能便转化为机械功，同量的热

量产生同量的功，热质的总量并没有变化，由此他得出结论：热机必须工作在高温热源和低温

热源之间。比如说，蒸汽机必须工作在高温蒸汽和被冷却的蒸汽这两种物质状态之间。热机的

效率取决于两个热源的温度差，温差越大，热机的效率越高。他的另一个结论是：在两个固定

热源之间工作的热机以“可逆机”的效率最高。所谓可逆机也是一种想象中的热机，这种热机

经过一个循环之后，热机系统和外界都完全恢复原状，这在实际上是不可能做到的。这就等于

说，热机效率的提高是有上限的，我们不可能使热能全部转化为机械功。卡诺只是为热力学第

二定律的建立奠定了基础，真正建立热力学第二定律的功劳属于反对热质说而主张热是一种运

动的学者。

1850年，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的基本思想：“在没有任何力消耗或其他变

化的情况下，把任意多的热量从冷体传到热体是和惯常行为矛盾的。”1854年他又再次阐明他

的观点，并把热力学第二定律表述为：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关

系的变化。”克劳修斯的工作并没有到此为止，他还提出了“熵”的概念。熵是表征物质系统热

学状态的物理量，它只与物质系统的热学状态有关，而与工作物质的种类无关。某一物质系统

的热学状态为一定时，它的熵为一定值，其热学状态发生变化时，熵值也发生相应的变化。在

不可逆循环熵的值总是增加的。他说熵所表明是在一个物体中由热所促成的它最小组成部分之

间的分散与远离已发生到何种程度，“在一切自然现象中，熵的总值只能增加而不能减少。”因

此，热力学第二定律也可以称为“熵增加原理”。熵的概念后来更被推广到热力学以外的广阔领

域，成为一个重要的科学概念。

比克劳修斯晚一年，W·汤姆孙于1851年也独立地提出了热力学第二定律，他的表述是：

“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其他影响。”他们两人的说法虽然不

同，但是所表达的意思则是一致的。W·汤姆孙一再声称发现热力学第二定律的优先权属于克劳

修斯而不属于他自己，其实他们两人同样作出了贡献。

热力学第二定律告诉我们，热总是从高温物体传向低温物体，要改变这个传向必须有外界

的作用。在封闭系统内(即无外界作用的情况下)这个过程是不可逆的，在封闭系统内总是存在

着热耗散(熵增加)的过程，其结果将是该系统内部的热平衡。在热平衡状态下，一个系统若无

外部作用便不可能作功。热力学第二定律的意义远远超出了热机研究的范围，已经成为处理热

运动以至其他许多运动形态的普遍适用的基本原理。

(3)热力学第三定律热力学第三定律的建立是20世纪初的事。

热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关。18世纪末荷兰人范·马鲁姆(Martin

vanMarum，1750～1837)首次以增大压力的方法使气态氨转变成液态氨。后来人们又以同样的

方法使多种气体转变为液体，但是有一些气体如氧、氮、氢等的液化却没有成功。1869年英国

物理学家安德鲁斯(ThomasAndrews，1813～1885)在研究二氧化碳的气液相变时，终于发现了

相变的“临界温度”。其后的研究判明，不同气体有不同的临界温度，只有在临界温度以下气体

才有可能液化，如果气体的温度高于其临界温度，无论压力多大它都不可能使其液化。人们这

才弄明白，那些以往无法液化的气体其实是临界温度极低的气体，如氧的临界温度为90．2K，

氢为33．19K，氦为4.1K。荷兰莱顿大学低温物理实验室的科学家们于1908年首次成功地使氦

液化。随着这些气体的液化研究，科学家们开始了向低温领域进军的历程。

1911年，莱顿大学低温物理实验室的领导者开默林——昂内斯(HeikeKamerlingh-Onnes，

1853～1926)在实验中发现了一个令人十分惊异的现象：若把汞、铅、锡这些金属导体置于10K

以下的液氦中，它们的电阻会突然变得非常小，其数值接近零。这种现象称为“超导现象”。

开默林——昂内斯因此荣获1913年度诺贝尔物理学奖金。1937年，苏联物理学家卡皮察(Пё

трЛеонидовичКапица，1894～1984)和英国物理学家阿伦(JohnFrank

Allen，1908～)、迈申纳(AustinDonaldMiner，1911～)差不多同时而独立地发现了液氦的

“超流性”，即液氦在2．2K以下时可以无摩擦地从毛细管中流出，这也是一种十分奇特的现象。

这些低温现象的机理物理学家们尚在研究之中，超导现象尤为科学家们所关注。这是因为在电

能输送过程中，由于输电线路存在着电阻，总要使部分电能转化为热能而损耗掉，电流越大损

耗越大。如果能研制出一些在温度不太低的条件下即具备超导性能的材料，将有可能节省大量

能源。各国科学家正为此展开一场激烈的竞赛，我国物理学家的成绩一直居于前列。最近有报

道称，美国得克萨斯超导中心的研究小组开发出一种可在153K(即-120℃)时实现超导的材料，

这是现时最好的记录。人们都期待不久的将来取得根本性的突破。

在人们开始探索低温领域之时，德国科学家能斯脱(WaltherHermannNernst，1864～1941)

于1906年提出了热力学第三定律。后来他在1912年的著作中作了这样的表述：“不可能通过有

限的循环过程使物体冷到绝对零度。”热力学第三定律不能够由任何其他物理定律推导而得，只

能看成是根据实验事实所作出的经验性总结。能斯脱因他在热力学上的贡献而荣获1920年度诺

贝尔化学奖金。

3.3电磁学的建立

远在春秋战国时期，在我国的文献中即有“玳瑁吸”和“慈石召铁”的记载。古希腊人也

很早就发现经过摩擦的琥珀能吸引细小的物体，也知道磁石能够吸铁，但是作为科学的电学和

磁学是从17世纪才开始的。

电学和磁学的早期进展静电和静磁现象有很多相似之处，中国古人没有能分清楚。英国女

皇御医的吉伯(WilliamGilbert，1544～1603)是最早把电和磁作为两种现象来研究的人。1600

年他发表了一部著作，记载了他对电磁现象的实验研究。他经过实验认定地球具有磁性，有如

一块大磁石；他认识到磁石有两个磁极，若把一块磁石从中间截断，切口处又会形成新的磁极；

他知道同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引；他推测磁石之间的作用力与两磁石之间的距离

成反比。吉伯的这些工作显然是指南针为欧洲人广泛应用以后的反映。关于静电现象，他发现

除了琥珀之外还有许多物质经过摩擦可以吸引其他物体，如金刚石、水晶、硫磺、火漆、玻璃

等，金属类物质则没有这种性质。他的工作为近代电磁学研究揭开了序幕。

到18世纪，人们在实验研究中又有如下发现：

(1)自然界中有两种不完全相同的电。一种是以毛皮摩擦玻璃、水晶等物所产生的电，当时

称为“玻璃电”，后来叫做“正电”；另一种是以丝绸摩擦琥珀、树脂等物所产生的电，当时称

为“树脂电”，后来叫做“负电”。这两种电同名相斥，异名相吸。

(2)电的传导和电的感应现象。原先人们只知道摩擦生电，通过与带电物体接触也可以使另

一物带电，后来发现利用一根金属线就能够使电从一物传至另一物，即电可以通过金属线来传

导；又发现使一不带电物体与一带电物体靠近但不与其接触时，也能使该物带电，即静电感应

的现象。

(3)火花放电现象。天空中的雷电早就引起人们的注意。后来人们在实验中看到，当两个带

有足够多电荷的物体靠近到一定距离时，两个物体之间会发生放电现象，这时可以看到火花和

听到噼啪的声响，与天空中的雷电现象十分相似。1752年美国政治家兼科学家富兰克林

(BenjaminFranklin，1706～1790)冒着生命危险在雷雨天里用风筝把空中的电引入室内，证明

了它与由摩擦而生的电完全相同，从而弄清楚了雷电产生的机理。

(4)静止电荷间相互作用的规律。法国物理学家库仑(CharlesAugustindeCoulomb，1736～

1844)于1785～1786年间发现了库仑定律。这个定律指出，两个静止的点电荷间作用力的大小

与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间距离的千方成反比，可用代数式表示为：

这里f表示两电荷之间的作用力，q1和q2分别表示两点电荷的电量，r为它们之间的距离，

称为介电常数，其值因电荷间介质的不同而异。

电池的发明和电流及其效应的研究1780年，意大利医生伽伐尼(LuigiGalvani，1737～

1789)在实验中发现，当两种不同金属分别与蛙腿的肌肉和神经相接触，金属的另外两端又相连

时，便有电从那里流过，蛙腿的肌肉因此而不断地抽搐。他误以为电是生物体产生的。伽伐尼

的工作引起了意大利科学家伏打(AlessandroGiuppeAntonioAnastasioVolta，1745～1827)

的注意。

伏打经过反复实验后指出，电流的产生是由于两种不同的金属同时插入液态导体中造成的，

不论这种导体是否是生物体都会产生电流。根据他的发现，伏打于1800年制成了名为“伏打电

堆”的最早的电池。有了电池，人们就可以获得持续的电流，使电学研究推向了新的阶段。

英国人尼科尔森(WilliamNicholson，1753～1815)在得知制成伏打电堆后，立即与他的朋

友卡莱尔(AuthongCarlisle，1768～1840)组装自己的电池组，一个月后便制成。他们用自己

的电池组进行实验，把从两电极引出的金属丝置于水中并保持一定的距离，发现电流使水分解

为氢和氧。这就是电解现象。

1826年，原先是一名中学教师的德国人欧姆(GeorgSimonOhm，1787～1854)报告了他发现

的、后来以他的名字命名的欧姆定律。他引入子电动势、电流强度、电阻等等这些现在常用的

概念，并给出了精确的定义。欧姆定律现在通常表示为：

这里I代表电流，通常以“安培”为单位；V代表加于电阻两端的电压，通常以“伏特”为单

位；R则代表电阻。通常以“欧姆”为单位。欧姆定律是电学的基本定律之一。欧姆定律的发

现是科学史上的重要事件，但当时它并未引起科学界的重视，甚至受到一些人的非难，十多年

以后人们才认识到它的意义。

靠自学成才的书籍装订工出身的英国科学家法拉第(MichaelFaraday，1791～1867)于

1833～1834年间对电解现象进行了深入的研究，他发现子电化学当量定律，即电解定律，这是

电学研究的又一项重要成果。它表达了电运动与化学运动间的关系，在理论上和实用上都有重

要意义。

上述一系列重要发现以及上文已经述及的焦耳发现的电能转化为热能的焦耳定律等等，表明

电学已经逐渐形成了自己的学科体系。不过，电学在19世纪更重要的进展还在于人们弄清楚了

电和磁之间的关系。

电磁关系的研究上文说到，把电和磁现象区别开来有助于认识的深入，但它们之间确有太

多相似之处，人们自然还是要思考它们之间的关系。

从1807年起，丹麦科学家奥斯特(HansChristianOersted，1777～1851)就开始这个问题

的研究，经多年的努力，他在1820年发现，若在通电导线近旁平行放置一磁针，磁针会因电流

通过导线而发生偏转，这就表明电流具有某种磁效应。

法国物理学家安培(Andre-MarieAmpere，1755～1836)得知上述发现后，随即进行了一系列

实验，仅仅四个多月的时间里又有了许多新的发现。他于同年就报告了他的研究成果：(1)电流

方向与磁针转动方向的关系服从右手定则。(2)两条平行载流导线之间的相互作用为：电流同向

则两导线相吸，反向则相斥。他经过反复实验和思考，更进一步揭示出两导线间的作用力与它

们的距离的平方成反比，这就是著名的安培定律。(3)用导线绕成的线圈通过电流时就像磁石那

样呈现出两极磁性。

法拉第又从另一个角度来思考，既然电流有磁效应，那么磁会不会也有电效应?磁能不能产

生电?经过10年的努力。也终于有了答案。他发现，如果在一块软铁上缠绕两个线圈，当其中

一个线圈上的电流发生变化时(即接通或断开电路时和电流大小发生变化时)，另一个线圈就会

出现瞬间电流；又如果使放置于线圈中的条形磁铁与线圈发生相对运动，线圈也会出现瞬间电

流。这两个实验都表明，线圈产生感生电流的原因在于线圈附近的电流或磁场发生变化。如果

电流或磁场的变化是短暂的，所感生的只是瞬间电流，要是设法使电流或磁场持续地变化，我

们就能得到持续的感生电流。这正是发电机的工作原理。他根据这个想法设计制造的第一台试

验装置终于在1831年10月产生出了持续的电流。数年之后可供实用的发电机问世，随后依据

同样的原理人们又制成了电动机。发电机和电动机的发明是人类历史上的重大事件，它标志着

电气时代的来临。

场的概念的形成上文所述都是实验所取得的成果，并未涉及其中的机理，法拉第经过多年

的思索，于1851年提出了场和力线的概念来加以解释。早年牛顿提出万有引力的概念时，他想

象引力是一种超距作用力，就是说引力的作用并不需要媒质的传递，并且是即时发生的，这与

牛顿崇尚古希腊原子论思想直接相关。对电学和磁学作出过重要贡献的富兰克林、库仑、安培

等人与牛顿的思路一致，也都深信电力和磁力是超距作用力。但是法拉第的思路不同，他认为

宇宙间应当充满介质，电和磁的作用是通过介质在空间里传递而发生的。他把电和磁发生作用

的空间称为“场”。电有电场，磁有磁场。他更想象电场和磁场都由“力线”所组成。他说场的

作用是沿着力线的方向发生的，电力线出发于正电荷而终止于负电荷，磁力线则出发于北极而

终止于南极。异名电荷(或磁极)之间的力线有横向拉紧纵向扩张的趋势，同名电荷(或磁极)之

间的力线的情形恰恰相反。异名电荷或磁极的相吸，是力线把它们拉在一起：同名电荷或磁极

的相斥，是力线使它们相互推开。一根通电导线周围的磁力线是在垂直于电流的平面内形成的，

它是一组以电流为中心的环形力线，力线的方向与电流方向服从右手定则。据此我们便可以说

明为什么电流可以使磁针发生偏转并且知道磁针如何偏转。空间中的场强以该处力线的密度来

表示，场的方向以力线的方向来表示。他在一张纸上撒满铁粉，让磁铁在其下轻轻抖动，于是

看到了铁粉的有序排列，反映出磁场分布的状况。

法拉第还以场和力线的概念成功地描述了电磁感应定律。他说，感生电流的产生在于该导线

切割磁力线，感应电流的强度正比于该导线单位时间内切割磁力线的数目。

场的概念的建立有重要的意义，最直接后果就是导致电磁波的发现。后来的科学实验证明场

的确是一种物理实在。法拉第所说力线虽然事实上并不存在，不过它也不失为一种可供实用的

模型，利用它来考察电和磁的作用也有许多方便之处。过去人们只知道实物是物质存在的形式，

现在又知道场也是物质存在的一种形式。这是关于物质观念的重大突破。现代科学表明，自然

界中不仅有电场、磁场，还存在着引力场等等许多与实物相联系的场。

电磁场理论的建立与电磁波的发现法拉第虽然提出了场的概念，但是他的数学功底不太

好，构建严密的电磁理论的任务只能由其他人来完成，其中贡献最大的是麦克斯韦。麦克斯韦

吸收了许多人的研究成果，于1873年发表了他的名著《电磁通论》，终于建成了电磁学理论的

基本框架。

麦克斯韦的主要功绩在于他把前人的电磁理论加以推广，使之适应变化着的电场和磁场，他

列出了两组表征变化着的电场和磁场的偏微分方程组，即通常所说的麦克斯韦方程组。从方程

组所表征的物理含义进一步思考，他指出，不仅在导线中通过的电流可以在周围产生磁场，在

空间中变化着的电场也可以在其周围产生变化的磁场。同样，不仅变化着的磁场可以在导线中

产生电流，即使没有导线存在，在空间中变化着的磁场也可以在它的周围产生变化的电场。不

过这种电场的电力线与由点电荷所产生的电力线不同，它不是从一点向外发散的直线，而是在

变化着的磁场周围形成的漩涡状的封闭曲线，与电流周围的磁力线的情形相似。据此，麦克斯

韦提出了电磁波的概念。他说，如果空间某处存在一个变化的电场，它将在周围激发出一个变

化的磁场，这个变化的磁场又在周围激发出一个变化的电场，这样一来，就会出现一连串交替

产生，相互激发，连续出现的电场和磁场的振动，以原先的变化电场为中心向四面八方传播，

这就是电磁波。电磁波的传播方向与电场的振动方向和磁场振动方向相互垂直。通过选取适当

的单位，麦克斯韦推算出电磁波的传播速度等于光速，这个数值是一个常数。他还预言电磁波

也具有如同光一样的反射和折射等性质，光在本质上也就是电磁波。

麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，但那时一些科学家还不大习惯“场”这样的物理图

像，也有一些科学家对此抱怀疑态度。德国人赫兹(HeinrichRudolfHertz，1857～1894)在他

的老师的要求下对这个问题进行研究。经过几年的艰苦努力，终于在1888年初证实了电磁波的

存在，表明麦克斯韦的理论完全正确，这时麦克斯韦已离开人世将近十年了。麦克斯韦的工作

使电、磁和光这些从前看来相异的现象得到了理论上的统一，实现了人类知识的又一次伟大的

综合，他因此被誉为牛顿以后最伟大的数学物理学家。

电磁波原先完全只是理论上的推测，后来才由实验证实它是客观的存在，这又一次证明了

科学理论对于认识客观世界的重要意义。电磁理论的建立和电磁波的发现为无线电技术奠定了

坚实的基础，使人类社会生活的各个方面都进入了一个新的时代。这也充分表明这时科学已经

大大地走在技术的前头，成为推动技术进步的主要杠杆。

第四节化学的确立和长足进步

4.1科学化学的形成

在科学的化学理论建立之前，人们早已提出过关于物质组成的种种学说，例如古希腊的四根

说、原子论、亚里士多德的元素说等等。在漫长的历史岁月中，炼金术士们也积累了不少材料。

不过直至16世纪，人们的化学知识仍然处于很低的水平，理论上还没有脱出古代的框架，依然

笼罩在炼金术的迷雾之中。

近代化学的奠基者玻意耳玻意耳(RobertBoyle，1627～1691)是英国著名科学家，在物理

学和化学上都有重要贡献。他在物理学方面最重要的贡献，是他于1662年发现一定量的气体在

保持温度不变时它的压强与体积的变化成反比。因1676年法国科学家马略特(KdméMariotte，

1620～1684)也独立地发现了同一定律，马略特的表述更为完整，后来这个定律就被称为玻意耳

——马略特定律。在化学方面，他作了许多实验研究，提出了关于物质构成的学说和化学元素

的概念。玻意耳的工作使化学走上了科学的轨道。

过去人们只是把化学当作一种“炼金”或者制药和冶金的工艺技术。玻意耳指出，化学应当

是一门理性科学，其目标在于发现化学变化的一般原理，他还认为科学化学的基础是实验和观

察。“空谈无济于事，实验决定一切。”这是他的名言。既重视理性思维，又强调科学实验，正

是那个时代的科学精神。

1661年玻意耳发表了科学史上的名著《怀疑的化学家》，这部书仿效伽利略的著作以对话的

方式写成。玻意耳所怀疑的不是别的，就是亚里士多德的四元素说和帕拉切尔苏斯(Paracelsus，

1493～1541)的三要素说。玻意耳深受古希腊原子论思想的影响，相信世界上所有物质都由一种

细小致密的、不可分割的“原初物体”组成，这些“原初物体”结合成各种“微粒”，然后微粒

又以不同的形式结合成各种物质，微粒的运动、形状和配置的状况决定这些物质的物理和化学

性质，微粒是这些物质参加化学反应的基本单位。他认为没有必要认定某几种物质为“元素”

或“要素”。他在这部著作中所表述的元素概念对于化学成为科学起了重要的作用。他写道：“„„

我现在所谈的元素，如同那些谈吐最为明确的化学家所谈的要素，是指某些原始的、简单的物

体，或者说完全没有混杂的物体，它们由于既不能由其他任何物体混成，也不能由它们自身相

互混成，所以它们只能是我们所说的完全结合物的组分，是它们直接复合成完全结合物，而完

全结合物最终也将分解成它们。”这里需要注意的是，当时人们还没有“化合”的概念，玻意耳

把“化合”称为“复合”或者“混合”，把“化合作用”称为“混成”，把“化合物”称为“复

合物”或“完全结合物”，这也反映厂他的机械论倾向。尽管玻意耳的说法有些含混也不完全正

确，但这是第一次以比较明确的语言区分了化合物和构成化合物的单质，因此被认为是化学元

素概念的最早的科学表述。玻意耳的思想给了当时的学术界以新鲜的气息，不过他的粒子说并

不都为那时的科学界所接受。只有同样深受原子沦影响的牛顿全盘接受了他的看法。但是，即

使是反对他的人也都受到了他的元素概念的影响。

玻意耳既反对把化学当作纯粹的工艺技术来对待，又反对以纯粹思辨的方式研究化学，他

强调要以科学实验作为研究化学的手段，而且身体力行。他改进了许多当时常用的化学仪器，

一生设计和亲自做了成百上千个化学实验。

玻意耳发现了提取磷的方法，研究过酸和碱的性质。他试验过多种动植物浸液对酸碱的颜色

反应，注意到所有酸都能使紫罗兰汁液变成红色，而所有碱都能将紫罗兰的汁液变成绿色。由

此，他引进了用有机试剂作化学定性分析的重要手段。他描述子许多检验物质的方法，除了过

去常用的火法检验之外，他更注重以物质的水溶液来检验的方法，这就使化学分析以利用物质

的物理性质为主向以利用物质的化学性质为主转变。玻意耳被公认为是化学定性分析方法的奠

基人。

燃烧现象虽早已为人所熟知，第一个以实验方法研究燃烧现象的人则是玻意耳。他曾把金

属密封在玻璃瓶里煅烧，在金属变成金属灰(即金属的氧化物)后开瓶称量它的重量，发现金属

灰的重量大于原先的金属。玻意耳错误地以为火也是一种微粒，金属燃烧后增重是火透过玻璃

壁进入金属内部所致。其实，在煅烧过程中，金属与瓶内空气中的氧化合，因而金属的氧化物

比原先的金属重。他虽然十分认真地作他的实验，也知道燃烧需要空气，却忽略了瓶中空气对

金属的作用，因而没能揭开燃烧现象的秘密。

4.2原子——分子学说的诞生

从玻意耳到拉瓦锡，化学科学终于找到了正确的方向，并且使人们认识到实验方法和定量分

析在化学研究中的重要意义，化学作为一门科学从此大踏步地前进了。

化学基本定律的建立关于化学反应中的物质守恒思想，在拉瓦锡之前已有人提到过，一些

化学家在思考他们的实验时也在实际上运用，但是把它确立为一条普遍定律则应归功于拉瓦锡。

他指出：“无论是人工的或是自然的作用都没有创造什么东西，物质在每一化学反应前的数量等

于反应后的数量，这可以算是一个公理。”拉瓦锡不仅对此作出了明确的表述，而且以他的实验

令人信服地证明了这一定律的正确，从此，化学反应中物质守恒定律便被公认为化学的一条基

本定律。

1792年，德国科学家里希特(JeremiasBenjaminRichter，1762～1807)从“化学是数学的

一个分支”的思想出发，通过对大量酸碱中和反应的测定，提出于这样的看法：化合物都有确

定的组成，在化学反应中，反应物之间必有定量的关系，“如果两种元素生成一种化合物，因为

元素的性质总是保持不变的，因此发生化学反应时，一定量的一种元素总是需要确定量的另一

种元素。”这就是化学反应当量定律的最早的表述，虽然里希特说的只是酸碱的中和反应，其实

它在化学反应中具有普遍的意义。不过当时并非所有化学家都认识到这一点。

17世纪末以来，人们在化学实验中已经逐步地认识到每种化合物都有确定的组成。1799年，

法国药剂师普鲁斯特(JophLouisProust，1754～1826)更明确地指出：“两种或两种以上元

素相化合成某一化合物时，其重量之比是天然一定的，人力不能增减。”这就是化学定组分定律

的原始表述。原先普鲁斯特以为确定的两种或两种以上的元素只能生成一种确定的化台物，后

来有人指出，确定的两种或两种以上元素化合时也可能生成不只一种化合物，组成这些化合物

的各元素的比例并不相同。不过，对于某一种确定的化合物而言，它的组成则是确定无疑的。

普鲁斯特还是第一个科学地区分化合物和混合物的人。他指出，混合物的各种成分可以用物理

方法分离开来，而化合物中的各成分只能靠化学方法来分解。正确地区分混合物和化台物在化

学发展史上有重要意义。

1789年爱尔兰化学家希金斯(WilliamHiggins，1762?～1825)提出了倍比定律的模糊想法。

这个定律的确立则是英国化学家道尔顿(JohnDalton，1766～1844)的贡献。他于1804年分析

了沼气(甲烷，CH4）和油气(乙烯，CH2＝CH2）了解到其中碳与氢之比分别为4．3：4和4．3：2，

由此得知与同量碳相化合的氢重量之比为2：1。根据这些实验结果，道尔顿指出：“当相同之

元素可生成两种或两种以上的化合物时，若其中一元素之重量恒定，则其余一元素在各化合物

中之相对重量有简单倍数之比。”这就是化学倍比定律。后来还有许多化学家继续就此作实验研

究，其结果都表明道尔顿所提出的这个定律是化学物质的普遍规律。

除了上述关于化学物质和化学反应的几条重要定律之外，关于气体的几条定律的发现在化学

发展史上也有重要意义。

1787年左右，法国科学家查里(Jacques-Alexandre-CéasrCharles，1716～1823)指出：在

压力不变的情况下，气体的体积与温度成正比。后来，道尔顿和法国科学家盖——吕萨克(Joph

LouisGav-Lussac，1778～1850)等人也都得到了同样的结论。这就是气体膨胀定律，这一定律

现在一般称为查里定律或盖——吕萨克定律。

气体分压定律是道尔顿于1802年得出的。这一定律指出：混合气体的总压力是其中每一种

气体单独存在时各自压力的总和。

道尔顿的原子学说化学定组分定律表明所有化合物都有确定的组分。化学反应当量定律和

化学倍比定律又指出化学反应中元素间存在着简单的量的比例关系，气体膨胀定律和气体分压

定律也向人们暗示了气体可能都是一些粒子。此时，物质微粒的思想又正流行于欧洲。近代原

子学说的出现已是顺理成章的事了。

道尔顿出身于一个纺织工人家庭，不曾受过高等教育，他是靠自己坚强的毅力自学成才的，

他把自己的成就归结为他的“不屈不挠”。经过深思熟虑，他把元素说与物质微粒的思想结合起

来，建立了近代原子学说；他首先考虑的是气体的物理性质，他注意到，如果假定气体都是由

小球般的原子所组成，不同的原子组成不同的气体，上述那些气体定律便都能够加以解释。他

又进一步思考化合物的问题。他考虑，要是设想元素都由原子组成。那些已经发现的化学定律

也就都一目了然。于是他假定，凡是由两种元素组成的化合物的最小微粒都是由两个原子组成

的，这样他便很容易地得出不同元素的原子重量之比。道尔顿于1803年公布他的第一张原子量

表，这个表于18051年正式出版，后来又屡经修订，多次出版发行，产生了很大影响，以往的

原子概念都只是哲学上的推测，而道尔顿的原子则是化学实验的客观实在。

道尔顿原子学说的要点是：

(1)化学元素由非常微小的、不可再分割的物质粒子——原子所组成，原子在所有化学变化

中均保持自己的性质；

(2)同一种元素原子的形状、性质、质量都完全相同，不同元素的原子质量不同，原子量是

每一种元素的特征性质；

(3)不同元素的原子以简单数目的比例相结合形成化合物。化合物的“复杂原子”(当时还没

有“分子”的概念，道尔顿把化合物的分子称作“复杂原子”。)的质量为所含各种元素的原子

质量的总和。

化学作为自然科学的基础学科，它所要说明的自然现象的本质就是原子的化合和化分，道尔

顿的原子学说正是抓住了化学的核心和最本质的问题，它在化学发展上的意义无论从深度到广

度上都超过了燃烧的氧化学说。可以认为，化学的新时代是随着原子论的建立才正式开始的。

不过，道尔顿的学说是有缺陷的，它还需要进一步完善。在道尔顿提出他的原子学说之后不

久，盖——吕萨克在研究各种气体物质的化学反应时，发现它们的体积有简单的整数比关系。

例如，氢与氧化合成水时，它们的体积比为2：1；一氧化碳与氧化合时，体积比为2；1；氮与

氢化台时，体积比为1：3等等。盖——吕萨克综合了他的实验结果，作出了如下结论：“各种

气体在相互发生化学反应时，常以简单的体积比相结合。”他想，他的这个结论与道尔顿所说的

“化学反应中各种原子以简单的数目比相化合”必有内在联系。他因此而推论：同体积的不同

气体中所含的原子数目应该有简单的整数比。于是他提出了这样一个假说：在同温同压下，相

同体积的不同气体(无论它是单质或是化合物)含有相同数目的原子。他认为，如果他的这个假

说是正确的话，不同气体的比重之比就应当等于它们的原子量之比，人们可以据此以测定各种

气体物质的原子量和确定气体化合物中各种原子的数目，这比道尔顿主观地规定原子化合数更

为合理。因此，盖——吕萨克把自己的假说看作是对道尔顿的原子学说的有力支持。从盖——

吕萨克的推理可以看出，道尔顿所规定的水分子(当时称为“复杂原子”)为HO是不对的。然而，

道尔顿本人却反对盖——吕萨克的假说。他认为，已知1体积氯与1体积氢化合生成2体积的

氯化氢，如果依照盖——吕萨克的假说，则一个氯化氢“原子”(实为分子)就只含半个氯原子

和半个氢原子，这与原子不可分割的概念不相容。其实这是当时人们还没有建立起“分子”的

概念所造成的混乱。道尔顿坚持自己的观点，硬说盖——吕萨克的实验结果不可靠。不过后来

的事实证明，道尔顿的实验技术远不如盖——吕萨克，盖——吕萨克的假说与事实相符，而道

尔顿的学说则必须加以修正和补充。

从阿伏伽德罗到坎尼扎罗的分子学说使上述疑难得以解决的是意大利科学家阿伏伽德罗

(AmedeoAvogadro，1776～1856)。他在盖——吕萨克实验的基础上进行合理的推理，于1811

年发表论文提出了“分子”的概念。他认为，原子是参加化学反应的最小质点，单质的分子是

由相同元素的原子组成的。化合物的分子则是由不同元素的原子组成的。他根据气体物质反应

时具有简单整数比的事实提出“一切气体在相同体积中含有相等数目的分子”的看法。他认为，

只要假设每种单质气态分子都含有两个原子，盖——吕萨克的气体反应简单整数比定律和道尔

顿的原子学说就能统一起来并得到圆满的解释。阿伏伽德罗以原子——分子假说为依据，测定

了气体物质的原子量和分子量，并确定了许多化合物中各种原子的数目。他根据气体反应时的

体积比，确定了氨分子的组成为NH3，水分子的组成为H20，这些结论都是正确的。

但是，阿伏伽德罗的正确思想并未为当时的科学界所承认和重视，甚至被冷落了差不多半个

世纪。其原因之一是当时的科学发现还不足以对分子的存在作出系统的，明确的论证，阿伏伽

德罗的假说也有不完善的地方；另一个重要原因是，在当时化学界中贝采利乌斯(JonsJocob

Berzelius，1779～1848)关于分子构成的电化二元论占据着统治地位，而阿伏伽德罗的分子学

说与电化二元论不有相容之处。

1814年，瑞典皇家科学院研究员贝采利乌斯发表了他论述电化二元论的专著，他主张原子

化合成分子是正负电荷相吸引的结果。他想象，各种原子都有正负两极，但两极的强弱并不相

同，因此就原子整体而言，它们外部所表现的电性也各不相同，如他认为氧是“绝对负性”的，

钾则是“绝对正性”的等等。不同原子因其不同的电性而有选择地相互吸引，从而形成各种化

合物，按照电化二元论的观点，由于两个同种原子的“电性”完全相同，它们绝对不可能结合

成为一个分子，这就与阿伏伽德罗的“单质气态分子都含有两个原子单质气态分子”相矛盾。

这时，正值电学的一系列发现使科学家们十分振奋，贝采利乌斯又以原子量的测定以及分析化

学和物理化学等方面的杰出工作而享有崇高的威望，人们普遍接受他的观点是很自然的事。

19世纪20年代以后，人们积累了更多的化学知识，实验技术也达到了更高的水平，然而新

发现的许多事实运用电化二元论却无法加以解释，尤其是有机化学的发展，更是不断地冲击着

贝采利乌斯的学说。那个时候对于如何确定化合物中的原子组成，人们还没有找到公认的合理

的方法，原子量的测定仍然没有统一的标准，化学式的运用也很混乱，例如HO既可以代表水也

可以代表过氧化氢。这种状况使得当时有些化学家对于测定原子量的可能性都发生了怀疑，甚

至有人认为原子学说是否正确也成为问题。许多国家的化学家为此于1860年9月在德国的举行

国际会议，希望在原子量、原子价和元素符号上取得一致的意见。会上人们争论得很激烈，有

人力主一种元素只能有一种原子量，但也有人认为有机化学和无机化学截然不同，应当各有各

的原子系统。会议最后的结论是：“科学上的问题不能勉强一致，只好各行其事!”但是事情发

生了戏剧性的变化。当会议散会时，一位意大利化学家散发了他的同胞坎尼扎罗(Stanislao

Cannizzaro，1826～1920)的一部著作。坎尼扎罗这部书条理清晰，论证充分，方法严谨，为确

定原子量提出了非常合理的，令人信服的途径。坎尼扎罗的意见很快便得到化学界的一致赞许

和承认。

坎尼扎罗指出，只要把分子和原子区别开来，并承认阿伏伽德罗早就提出的假说，即等体

积气体无论是单质还是化合物，都含有相同数目的分子，而不是含有相同数目的原子，那就可

以使测定原子量、分子量和分子组成所得的结果与已知的物理和化学定律相符合。坎尼扎罗采

用一系列化合物中某一种元素的最低相对量为该元素的原子量，使原子量的确定有了统一的、

合理的标谁，坎尼扎罗的工作使原子——分子学说得以确立，对化学的发展起了很大的促进作

用。

4.3有机化学与结构化学的起步

有机化合物主要是指碳氢化合物和它的衍生物，由于这些化合物最初都是从生物机体中获取

的，因此人们把这类化合物统称为有机化合物，与原子——分子学说建立的同时，有机化学也

逐渐发展成为化学科学的一个重要分支。结构化学所研究的是物质的内部结构状况，这是原子

——分子学说确立之后人们必然要思考的问题。结构化学的形成与有机化学的研究密切相关。

从早期的有机化学研究到尿素的合成有机化学的起步是从有机物提纯、有机物分析和有机

物合成开始的。人们早就在实践中掌握了从动植物里提取、分离和制造某些有机物的方法。例

如酿酒、制糖、制醋等等，但是人们对有机物的面目却知道得很少。到了18世纪后期，以科学

实验为目的的分离和提纯有机物的工作取得了不小的成绩，如舍勒从苹果中析离了苹果酸，从

柠檬中析离了柠檬酸，从酸牛奶中得到了乳酸。从尿中得到了尿酸等等。拉瓦锡以燃烧的方法

分析有机物，认识到一般取自植物体的物质都含有碳、氢和氧，取自动物体的物质还含有氮。

后来，盖—吕萨克、贝采利乌斯和李比希(Justusvonliebig，1803～1873)等人通过对蔗糖、

乳糖、淀粉、蛋白、明胶等许多有机物的分析，逐步知道了它们是由什么元素和以什么比例组

成的，还初步写出了这些有机物的化学式。不过，有机化学的真正起步是从人工合成尿素才开

始的。在此之前，生物学界和化学界都广泛流行着一种“活力论”，以为有机物只能在生物体内

产生，它具有某种神秘的“活力”，而无机物则是没有“活力”的，人们不可能从无机物制造出

有机物来，这就阻碍了人们对有机物的认识。

l824年，德国化学家维勒(FriedrichWohler，1800～1882)在研究氰作用于氨水时，发现

除了生成草酸外，还有一种白色的结晶物，经过实验研究，证明它是有机物尿素。后来维勒又

分别用不同的无机物通过不同方法合成了尿素。维勒在1828年发表的论文中说：尿素人工制成

的重大意义在于“它提供了一个从无机物人工制成有机物并确实是所谓动物体上的实物的例

证。”尿素的合成，表明无机物与有机物之间并没有不可逾越的鸿沟，从此开始子对有机物的广

泛研究，同时也为有机物的合成开辟了广阔的前景。在维勒之后，人们又相继合成了醋酸、葡

萄酸、柠檬酸、苹果酸以及油脂类、糖类等许多重要的有机化合物。

有机结构理论的发端人们认识的有机物越来越多，就希望能从理论上加以概括。而且，人

们要制造更多更好的有机物产品，也迫切需要理论的指导，仅仅知道一些有机物质的成分和组

成已经远远不够了。现在人们需要回答的问题是：有机物质有哪些种类，有机物中的各个组分

为什么要以一定的比例结合，以及有机物的构成等等。

19世纪初，李比希和维勒在多年研究有机化合物的基础上，提出有机化合物是由“基”(或

称为“基团”)组成的看法。李比希给“基”下了如下定义：(1)基是一系列化合物中不变化的

组成部分；(2)基可以被其他简单物所取代；(3)基与简单物的结合符合当量定律。基团理论归

纳了当时已知的一些有机化学事实，它能够解释一些已知的化学反应。在基团理论的影响下，

许多化学家都在致力于寻找新的基，研究制备基的反应，为有机化学的发展积累了更多的材料。

进一步的研究发现，有机物的基团在一些化学反应中并不是不变的，尤其是在取代反应中，

一些基团中的氢可以被其他元素或基团所取代。1834年，法国化学家杜马(Jean-Baptiste-Andre

Dumas，1800～1884)比较系统地研究了有机化合物的取代反应，并在此基础上提出了有机物的

“类型论”。

杜马之后，当时还很年轻的法国化学家热拉尔(Charles-FrédéricGerhardt，1816～1856)

在前人工作的基础上于1839年把当时已知的有机化合物分为四个基本类型：水型、氢型、氯化

氢型和氨型，使类型论发展到比较系统的地步。

原子价概念的建立人们既然知道化合物有上述这样一些类型，从此就很容易看出：一个

氯原子可以和一个氢原子结合，一个氧原子可以和两个氢原子结合，一个氮原子可以和三个氢

原子结合。一些化学家就沿着这条思路继续探索。

1852年英国化学家弗兰克兰(EdwardFrankland，1825～1899)在研究了许多金属和准金属

的有机化合物后发现，每一种金属的原子都只能和完全确定数目的有机基团化合，他把这个数

目称为该元素的“化合能力”。

1857年，德国化学家凯库勒(FriedrichAugustKekulevontradonitz，1829～1896)在

认真地总结和归纳已知的各类化合物之后，提出了含义更为明确的“亲和力单位”概念。他认

为不同元素的原子相化合时总是倾向于遵循亲和力单位数等价的原则。凯库勒把氢的亲和力单

位数(实际上就是我们现在所说的“原子价”)确定为1，因氯、溴等与氢以1：1相化合，所

以它们的亲和力单位数也是1；同理，氧、硫是2；氮、磷、砷为3；碳为4。他还认定碳与碳

之间可以相互结合成链状(—C—C—C—C—)结构。

1864年德国化学家J．J．迈尔(JuliusLotharMeyer，1830～1895)建议以“原子价”这

一术语取代凯库勒所说的亲和力单位，原子价学说从此定型。

“原子价”是化学的基本概念之一，原子价学说揭示了元素化学性质的一个重要方面，阐

明了各种元素相化合时在数量上所遵循的规律，为原子量的正确测定和化学元素周期律的发现

提供了重要依据，大大地推动了化合物结构理论以至整个化学科学的发展。

立体有机结构理论和苯环结构学说的提出有机化合物的立体结构首先是在研究旋光异构

现象时发现的。1848年法国科学家巴斯德(LouisPasateur，1822～1895)研究了19种酒石酸

盐的结晶，他用人工方法分离出了左旋酒石酸和右旋酒石酸。这两种酒石酸的化学成分完全一

样，但是它们的旋光方向却不相同。巴斯德推想，它们的分子结构有可能像人的左右手那样处

于镜面对称状态而不能平移叠合。后来其他一些化学家也发现了类似的现象。这

就使人们想到原子在空间里有不同的排布，即所谓“异构现象”。

受到巴斯德等人的工作的启发，荷兰化学家范托夫(JacobushenricusvantHoff，1852～

1911)于1874年提出碳的四面体构型学说。他考察了碳的异构体的情况时注意到，要是组成分

子的原子都在同一平面上，异构体的数目比已知的要多。于是他设想，碳的四个价键不在同一

平面上，而是指向一个正四面体的四个顶点，碳原子居于这个四面体的中心。依此所推得的有

机化合物的异构体数目便与当时已知的实验事实相一致。碳的四面体结构为日后的结构测定所

证实。范托夫当时只根据有限的事实而作出如此大胆的推想实为不易。19世纪以后，煤焦油工

业有了很大的发展，人们从煤焦油中提取了大量芳香族有机化合物，如苯、萘、蒽、甲苯、二

甲苯等。测定这些有机化合物的结构就成为化学家的迫切任务。

富有想象力的凯库勒经过多次试验和反复的思考，于1865年提出了苯的环状结构的看法，

并且得到了许多实验的证明。苯的环状结构的提出，对于芳香族有机化合物的利用和合成都有

重要的指导作用。

到19世纪下半叶，有机化学已经有了比较完整的结构理论，在实践上又制造出了成千上万种有

机化合物，为人类社会提供了各种各样的药品、染料以及许多工业原料。有机化学在社会生活

中发挥了越来越重要的作用。

4.4元素周期律的发现

化学作为科学迈开步伐，便以前所未有的速度向前发展。人们通过对各种物质和元素的分

析测定，不仅对已知元素有了进一步的认识，许多前所未知的元素及其性质也相继为人们所知。

从18世纪中叶至18世纪末，化学家一共发现了17种化学元素，而19世纪前50年就发现了

27种，到1869年人们已知的元素达到了63种，对这些元素的物理和化学性质的研究亦已积累

了相当丰富的资料。虽然这些材料还很零散和杂乱，但却促使人们思考：各种壳素之间是否存

在着一定的内在联系?地球上究竟有多少种元素？怎样去寻找那些未知的元素?

早期的元素分类工作19世纪以后，原子量已被公认为元素最重要的特征之一，不少科学

家都试图以元素的原子量和它们的性质为依据而进行分类。例如1829年德国化学教授德贝赖纳

(JohannWolfgangDÖbereiner，1780～11849)以原子量为依据，对已知的54种元素进行分

类，把它们分为三组。1862年法国矿物学家德尚库托瓦（AlexandreEmileBéguyerde

Chancourtois，1819～1886)首次提出元素的性质随原子量的变化而周期性地变化的观点，他把

62种元素以原子量的大小为序标记在一个圆柱体的螺线上，画出了一个螺旋图。从这个图上可

以清楚地看出，那些性质相近的元素都出现在同一条母线上。接着，英国化学家奥德林(William

Odling，1829～1921)于1864年发表了一个按原子量顺序排列的元素表，他也注意到了元素的

性质随原子量的递增而出现周期性变化的现象，因此他在表格的适当地方留下空格给一些尚未

发现的元素。他认为，“在表中出现的某种算术上的关系可能纯属偶然”，但也“可能依赖于某

一迄今尚不知道的规律。”同年，德国化学家J．J．迈尔也发表了一个“六元素表”，他的看法

比较明确，“在原子量的数值上具有一种规律性，这是无疑的。”也是在同一年，英国工业化学

家纽兰兹(JohnAlexanderReinaNewlands，1837～1898)同样把已知元素按原子量大小顺序排

列，他发现从任一种元素算起，每到第八种元素，它的性质就与第一种元素相近。熟识音乐的

纽兰兹借用音乐上的术语，把他所发现的规律叫做“八音律”。但是当时的化学家并不都赏识他

的工作。当纽兰兹在伦敦化学学会上展示他的表格时，就有人嘲讽地问他有没有试过按元素名

称的字母顺序来排列他的表格。事实上，纽兰兹的工作表明，这个时候发现化学元素周期律的

时机已经成熟。二十多年后，即到了1887年，纽兰兹终于因他的发现而受到英国皇家学会的奖

励。门捷列夫确立元素周期律俄国化学家门捷列夫(ДмитрийИвановичМен

лелеев，1834～1907)的工作在元素周期律的确立上起到了决定性的作用。他认真地考察

了前人的工作之后，紧紧地抓住原子量这个元素的基本特征，将元素按原子量大小顺序排列，

既注意到元素的性质经过一定周期所显示的明显的周期性，还注意到每一周期元素性质的变化

也显示一定的规律性。经过反复的思考和核实，门捷列夫于1869年发表了《元素属性和原子量

的关系》一文，展示了他第一个化学元素周期表并论述了他的元素周期律的基本观点：

(1)“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”。

(2)“原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样”。

(3)“元素的某些同类元素，将按它们的原子量大小而被发现”。

(4)“当我们知道了某元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量”。

1871年，门捷列夫又以《化学元素的周期性依赖关系》为题。发表了他的第二个化学元素

周期表。他：再次明确指出，元素(以及由元素形成的单质或化合物)的性质与元素的原子量有

周期性的依赖关系，元素的性质是元素原子量的周期的函数。他认为，元素在周期表上的位置

应当体现元素特性的总和以及该元素同其他元素的联系，门捷列夫按元素周期律大胆地修正了

一些元素的原子量，并为未知元素留下了空位。根据未知元素在周期表中的位置及其上下左右

元素的性质，门捷列夫预言了它们的物理和化学性质。他留有空位的未知元素有“类硼”、“类

铝”，“类硅”等6种。

随后几年，门捷列夫依据他的周期律所作的许多预言得到了证实。1875年，法国化学家布

瓦博德朗(PaulEmilelecoqdcBois-baudran，1838～1912)在研究闪锌矿时用光谱分析法发现

了镓(Ga)，并测定和公布了他所得到的镓的各种数据。远在俄国的门捷列夫得知后，立即致信

巴黎科学院说镓就是他所预言的类铝，它的原子量接近68，比重是5.9上下而不是4.7，请再

加以检验，布瓦博德朗重新测定数据后，果然得出镓的原子量是69.9，比重为5.7。事后他敬

佩地说：“我以为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了。”后，1879年瑞典化学家

尼尔松(LarsFredNilson，1840～1899)发现钪(Sc)，1885年德国化学家温克勒尔(Clemens

A1exanderWinkler，1838～1904)发现锗(Ge)，他们所测定的这两种元素的原子量和比重，与当

年门捷列夫所预言的“类硼”、“类硅”几乎完全符合。从此，门捷列夫的化学元素周期律得到

了世界的公认。

化学元素周期律的发现，是人类关于自然界的知识的又一个层次的伟大综合。它把原先彼

此孤立的各种元素的知识综合起来，形成为有内在联系的统一的体系，为研究化学元素和化学

变化过程提供了重要的依据，是化学发展史上的重大事件。元素周期律更使人们意识到原子必

有内部结构，为日后人们进一步揭开原子内部的秘密作了必要的准备。不过需要指出的是，门

捷列夫建立元素周期律只是以往人们关于元素的知识综合的结果。并没有理论上的依据，而纯

粹以原子量来确定元素的排列顺序也是有问题的，20世纪以后这一切才得以彻底澄清。

第五节生物学的重大突破

在自然界中，生命现象远比其他现象复杂。虽然人类自远古时代起便时时刻刻与各种植物

和动物(包括人类自身)打交道，然而对于生命现象的认识至为肤浅，而且还经常蒙上种种神秘

的色彩。上文已经说过，在近代的早期，欧洲解剖学逐渐复兴，曾经在人体生理学上长期占居

统治地位的，以盖伦为代表的人体生理模型在大量实验事实面前崩溃了。人体血液循环的发现

不仅是对盖伦学说的冲击，而且对于吹散那些笼罩着生命现象的迷雾有重要的作用，科学精神

从此进入生命科学领域，使人们对生命现象的研究有了转机。近代生命科学的起步，应当说是

从解剖学的复兴和生理学的突破开始的。

5.1生物分类学的进展

世界上的动物和植物种类繁多，性状各异。如何辨认和区分它们早就是人们所关注的事情，

种植业和畜牧业也都有这方面的实际需要。古代两河流域的人们就曾对动物作过粗略的分类。

亚里士多德及其后继者对动物和植物的分类堪称古代伟大的尝试。我国明代李时珍的名著《本

草纲目》虽是一部药学著作，但他对生物药物的分类排列也反映了他对生物界类别的看法。古

代欧洲也有不少类似的药物学著作，其中也表现了一些生物分类的思想。在一定程度上可以说，

古人在生物学方面的工作主要就是分类工作。不过，真正的、科学的分类只是到了近代才形成

的。

一.近代生物分类学的两个派别

资本主义制度在欧洲兴起之后，远洋航行和探险活动使人们的眼界大开，更多的生物物种

展现在人们的面前。生物分类便成了16～17世纪间生物学家们的重要课题。由于生物分类原则

上的分歧，这时在生物学家里形成了两个相互对立的派别。以意大利解剖学家切萨皮诺(Andrea

Cesalpino，1519～1603)和马尔皮基(MareelloMalpighi，1628～1694)为代表的一派认为物种

是不连续的，因此可以用一个或少数几个人为选择的标准把生物区分成界限分明的类群，例如

根据花的形状或者子叶的数目来给植物分类。这种分类法叫做“人为分类法”，自亚里士多德以

来的许多生物分类所用的都是这种方法。另一派以法国植物学家洛贝尔(MatthiasdeL'Obel，

1538～1616)和瑞士解剖学家、植物学家鲍欣(GaspardBauhin，1560～1624)为代表。这一派认

为物种是连续的，人们所应当做的事情，是把生物物种分为“自然的种”，为此要尽力对一切能

够找到的动植物的特征进行研究，从而确认某一个种内各亚种的亲缘关系，然后据此分类。这

种分类法叫做“自然分类法”。鲍欣除了积极主张自然分类法之外，他还是给生物命名的“双名

法”的始创者，他用属名和种名并用的方法为植物命名，以避免植物的同物异名和同名异物的

混乱现象，这对于分类学有重要的意义。

到18世纪，人为分类法为瑞典著名科学家林奈(CarlvonLinné，1707～1778)所继承和发

展。林奈是一位知识广博的学者，曾担任过许多重要的学术职务。1735年他出版了《自然系统》

的第一版，他在世时此书总共出了十二版。他在书中写道：“知识的第一步，就是要了解事物本

身。„„通过有条理的分类和确切的命名，我们可以区分并认识客观物体。„„分类和命名是

科学的基础。”他的这些意见在当时无疑是十分重要的。林奈是人为分类法的集大成者。他分类

的目的只在于认识事物，所着眼的是分类的可行性和实用性。他的分类不能充分揭示物种的内

在联系，这是他自己也意识到的。他把生物分为植物和动物两界，相似的植物或动物归并成种，

相似的种归并成属，相似的属归并成目，相似的目归并成纲，于是形成了界→纲→目→属→种

这样的分类系统。对于植物界，他以花为分类的依据，用花的雄蕊数目区别纲，雌蕊的数目区

别目，花果的性质区别属，叶的特征区别种。对于动物界，他则根据动物的心脏、血液、呼吸、

生殖器的形态和状况来分类。林奈发展了鲍欣的双名法，把它推广到动物界，并且一律采用拉

丁文，使双名法更为规范。他给8000种植物和4200多种动物定了名。林奈的分类不可避免地

存在着许多问题，如他根据雄蕊数目相同把单子叶植物纲的禾本科植物春茅与双子叶植物纲的

木樨科植物紫丁香归入了同一纲，根据牙齿的特点把穿山甲、树獭、海象列为同一目等等。尽

管如此，林奈的功绩是巨大的。他在世时就被誉为“分类学之父”，他的分类学说得到了当时学

术界的广泛承认。

虽然林奈的分类法为多数生物学家所认许，但不同意他的观点的人也不少。与他同年出生

的法国皇家植物园园长、博物学家布丰(Georges-LouisLeclercdeBuffon，1707～1788)就是

其中之一。布丰子1749～1804年间陆续出版了共有44卷的巨著《自然史》，论述的范围涉及自

然界所有领域，包括宇宙、太阳系、地球以及地球上的非生物和生物。布丰的文笔优美，所表

述的思想表明他是当时的激进派。虽然他的语言巧妙而隐晦，但还是触动了基督教会，1751年

他被警告犯了教规，主要指的是他认为真理只能从科学中得出等等。他虽然不与教会正面对抗，

却仍然坚持他的观点。布丰把生物发展的历史和地球演变的历史联系起来，对后人是重要的启

示。他注意到不同物种杂交一般是不育的，由此他接受了一个物种是一群可以相互受胎的生物

的见解。布丰认为人为分类法不能揭示自然界的真实过程，是人们从头脑中想出来然后强加给

自然界一些框框。他说自然过程是循序渐进的，我们可以看到不同物种之间有许多中间物种，

还有些一半属于这一类，一半属于那一类的物种。依据物种连续变化的观点，布丰和他的助手

以比较解剖学的方法研究动物的亲缘关系。他把他所知道的200种四足兽类按解剖构造的相似

性分为40种原始类型，由此推断所有四足兽大约都是从这40种原始类型变化而来的。他想，

既然大自然能够从40种原始类型中产生出200种四足兽，只要有足够的时间，大自然也完全有

可能从一对亲体中发展出一切动物。这里需要注意的是，布丰虽然主张物种变化，但是他并不

是主张生物进化，甚至有生物退化的思想。他说生物的变种是因迁徙和隔离造成的，所有物种

都是从同一祖先退化而来的。例如骡子是马的退化，猿猴是人类的退化等等。

二.生物分类学的发展

因为自然分类法能够反映出物种之间的内在联系，所以从理论上看来自然分类法比人为分

类法优越。但是从分类工作的实际上来说，人为分类法则更为方便和实用。分类的目的首先在

于区别和鉴定物种，因此以固定的、唯一的和明显的特征作为依据来分类最为方便，而自然分

类法则必须事先弄清楚某种蛋白质(如细胞色素c)的组成作为分类的标准，就有可能在更深层

次上揭示物种的亲缘关系了。

5.2生物进化学说的形成与达尔文的进化论

古希腊学者阿那克西曼德(AnaximenesofMiletus，约公元前610～前545)曾经说过人是

从鱼变来的。这是对生物进化的模糊的看法。不过后来生物退化的思想在学术界中占了上风。

从亚里土多德到18世纪的布丰都是生物退化论者。随着人们关于生物的知识越来越丰富，反映

自然界历史真实面貌的生物进化学说经历了一场复杂的斗争之后，才逐渐为学术界所认同。

一.近代生物进化论与物种不变论之争

近代第一个提出生物进化学说的是法国生物学家拉马克(JeanBaptistedcMonet，

chevalerdelamarck，1744～1829)。拉马克是布丰的学生，他的生物进化思想是从他的分类学

研究工作衍生出来的。他50岁那年应法国国立自然博物馆之请负责无脊椎动物馆的工作，使他

有机会深入地从事脊椎动物的研究。通过对当时已知的无脊椎动物化石的比较和分类。他发现

无脊椎动物的十个纲在构造和组织的复杂程度上表现出一定的等级和次序。从此他想到动物界

是一个由低级到高级、由简单到复杂的进化序列。1802年他将这个序列排列成一个线性进化阶

梯，每一阶梯代表构造程度相似的一类生物，整个阶梯表示从最简单的物种一直上升到高等动

物，拉马克的想法过于简单，但他毕竟是第一个描写生物进化自然序列纳入，生物进化思想在

他那里获得了早期的科学形态。为了解释生物进化的原因，拉马克提出两点看法：其一是生物

自身有一种内在的、主动的、向上的要求，它使生物为适应环境而改变自己的生活习性，由此

发生物种的变异；其二是生活习性的改变使生物的某些器官被较多地使用，另一些器官则较少

慢用，于是出现了“用进虚退”的现象。他认为．生物体因生活环境改变而引起的后天获得的

习性或器官的变异都是能够遗传给后代的，称为“获得性遗传”。拉马克的生物进化思想是对的，

但是他关于生物进化动因的解释则缺乏根据．生物都有适应环境的能力，但并非出于生物的内

在的自我适应．生物的变异对于环境也不是天然适应的，事实上常有不适应的情况。用进废退

是生物进化过程的客观事实，但在这一事实背后起作用的因素是“自然选择”。至于获得性遗传，

至今也没有找到令人信服的证据．

拉马克之后，生物进化学说既得到一些学者的支持，也遭到一些学者的反对。19世纪20~30

年代，在法国出现了，一场物种进化论与物种不变论的论战，其结果是后者占了上风。

18世纪末到19世纪初，法国在比较解剖学方面取得了一些成就。通过对成年生物体结构

的比较，科学家们发现脊椎动物这一大类动物在结构上有很大的相似性。于是一些人以为大自

然似乎是按照一个总体方案来构造不同物种的，其中影响最大的是若弗鲁瓦·圣—蒂莱尔

(EtienneGeoffroySaint-Hilaire，1772~1844)。他经过解剖比较，发现了动物的“同源器官”。

例如脊椎动物的前肢有不同的功能，有的能跑，有的只能爬，有的可用于游泳，有的则便于飞

翔，但是这些器官在骨酪构造以及在身体中的部位相似，它们与脊骨相连接的部位也相同，这

就是同源器官。同源器官的发现，证明了生物体在构造上具有某种统一性。但是若弗鲁瓦·圣

—蒂莱尔把这种统一性推向了极端．他写道：“从哲学上说，只有一种动物。”他认为环境可以

直接诱导生物体结构的变化，发生有害变化的那些动物“将不再存在，而铰其他的、形态结构

发生了适合于新环境的变化的动物代替。”

若弗鲁瓦·圣—蒂莱尔的观点遭到他的同胞比较解剖学权威居维叶(GeorgesLeopold

ChreeienFrédéricPagobertBaronCuvi-er，1769～1832)的激烈反对。居维叶熟知脊椎动物

的构造，以他的“生物器官相关律”闻名于世。他认为，动物要求具备与它的习性和机能相适

应的身体构造，因此依据动物的一部分器官就能得知它的其他器官以至它的全貌。例如有自我

运动能力的动物要求有一个能装载食物的胃和能收集、捕捉食物的器官以及能消化食物的器官，

不能运动的植物就不需要胃而由根来代替；动物除了要有消化器官，还要求有分配养分的循环

系统，而循环系统又要求有呼吸系统，如此等等。据说他从器官相关律出发，根据一块骨头化

石就能复原整个动物。居维叶认为，既然器官之间的功能相互关联，显然不是所有器官都具有

同等重要的意义。因此自然分类法不必考察所有器官，只需考察执行动物躯体基本机能的器官

就行。根据动物的循环系统和神经系统，居维叶把动物分为四种类型：脊椎动物型、软体动物

型、有关节动物型和辐射状动物型。他认为这四种类型彼此毫无关联。他反对若弗鲁瓦·圣—

蒂莱尔所说动物体结构只有一种原型方案的观点，主张动物是按四种原型方案构造起来的。尽

管同一类型中的各个物种有所不同，但它们都是同一原型方案的个别变化，方案本身则有其规

定性和保守性，它确定了物种变化的限度。他又认为，在地球的历史上，地壳曾发生过几次大

的灾难性变化，每次灾变都使某些动物物种灭绝，但自然界重新创造物种时仍然遵守这四种方

案，所以虽然再次创造出来的物种与原来的物种不同，而它们的类型则是相同的。例如，地壳

经过四次大灾变，先后创造出鱼类、爬虫类、鸟类和哺乳类的不同物种，但它们都是按照脊椎

动物的方案构造起来的。在他看来，物种的变化不是渐变的过程，而是经过灾变之后的重新创

造，因此是一种突变。居维叶的这些观点与生物进化论相对立，但是在解释动物界构造上的多

样性和统一性之间的关系上有合理之处，并且在当时易为人们所接受。1830年，若弗鲁瓦·圣

—蒂莱尔与居维叶就上述问题在巴黎科学院进行公开论战，其结果是居维叶取得了胜利。

二.达尔文和他的生物进化论

正当进化论思想在法国遭受打击而趋沉寂的时候，它却在英国悄然兴起。1830～1833年，

英国地质学家赖尔(CharlesLyell，1797～1875)发表了《地质学原理》一书，论述了地壳缓慢

变动的历史。这部著作给了当时还很年轻的英国博物学家达尔文(CharlesRobertDarwin，

1809～1882)深刻的影响。达尔文曾在剑桥大学神学院学习神学，他相信包括物种在内的整个世

界都是神创造的，物种是不变的。1831～1836年间达尔文随英国海军测量舰贝格尔号环游南半

球以考察那里的生物和地质状况，当他登上贝格尔舰时仍旧是一个神创论者。旅途中他读到赖

尔的著作使他想到，变动不居的地壳表面难道能够容许不变的物种存在么?考察中所得到的大量

材料更彻底改变了他原来的信仰，他从此深信物种是可变的。

促使达尔文思想转变的主要事实是：(1)在南美地层中发现一种体形巨大的哺乳类动物化

石，这种已经灭绝的动物与现存南美的体形较小的犰狳非常相似，使他想到古今动物存在着某

种联系；(2)南美大陆一些非常相近的物种在地理分布上呈现由南到北逐次代替的状况。例如有

一种家鼠共有2了个品种，将它们由北而南逐种排列，可以看出相邻两个地区家鼠品种的差异

很小，但南北两端品种的差异就十分明显以至于可以认为是完全不同的品种。这就使达尔文联

想到，在漫长的历史过程中，不同物种之间也会有同样的连续更替和间断后形成新种的情况。

(3)加拉帕戈斯群岛上的生物大都具有南美生物的性状，而群岛中各岛屿上的物种彼此又有微小

的差异。这又使达尔文想到物种的差异同它所生活的环境之间必有内在联系。达尔文把这些事

实综合起来，产生了这样的看法：物种不是不变的，不是分别创造出来的，而是逐渐变异的，

一个物种只能由原有的一个物种演变而来。但是，要说明生物界存在着如此巧妙地适应环境的

能力和说明物种变化的原因，他还缺乏充分的证据和完整的理论。其后经过20多年的努力，在

研究了大量资料并经过深思熟虑之后，达尔文写成《论通过自然选择或生存斗争保存良种的物

种起源》(简称《物种起源》)一书，该书于1859年出版，详细地论述了他的观点：

(1)生物界与生物界、生物界与自然环境之间普遍存在着生存斗争。在自然状态下生物的繁

殖能力十分惊人，但在一定的环境里保存下来的个体数量却是相对稳定的，这就是说生物有大

量繁殖而少量生存的现象。其原因在于生物为了生存和繁殖都需要争取食物、阳光和生存空间，

因此在同种生物的不同个体之间，不同物种的个体之间都存在着激烈的斗争；生物体与生存环

境也有适应或者不适应的问题，这也可以看作是生物与环境之间的斗争，亦即生物界与自然界

的斗争，这些斗争的结果导致大量生物个体淘汰，使生物个体维持相对稳定的数量。

(2)生物界普遍存在着变异。同种生物的不同个体之间总是存在着这样或那样的差异。例如

长颈鹿就存在着高矮、大小参差不齐的个体，这就是变异。变异在生物体中具有普遍性。

(3)变异和生存斗争导致自然选择。由于个体存在着差异，在生存斗争中，那些具有有利变

异的个体将有更多机会保存下来并繁衍自己的后代，而那些具有不利变异的个体则容易被淘汰，

不容易繁衍自己的后代。自然界的这种留优汰劣作用就是自然选择。

达尔文举出了许多事例来阐明他的学说。例如：北大西洋东北的马德拉群岛共有500多种

甲虫，其中有约200种的翅膀发育不全，不会飞。当风暴来临时，它们隐匿得相当好，直到风

和日丽时又再出来活动。另外300多种甲虫的翅膀则特别强劲，抵御大风的能力特别强。达尔

文解释说，本来生活在这个岛上的甲虫有的善于飞翔，也有的翅膀发育不全或者习性怠惰很少

飞翔，每当风暴骤起时，那些善于飞翔但翅膀不特别强劲的甲虫便被刮入海中，而那些不善于

飞翔以及翅膀特别强劲的甲虫则保存了下来。经过世世代代的传递，每次通过选择的大都是那

些不会飞的和翅膀特别强劲的甲虫。不使用自己翅膀以及翅膀特别强劲都成了保存下来的有利

条件。被保存下来的那些甲虫将其特征遗传给下一代，这些征的长期积累、巩固和发展，于是

形成了上述那种状况。关于长颈鹿的长颈．拉马克曾以用进废退来解释，说是由于长颈鹿需要

不断伸长脖子去吃树上越来越少的叶子，它自身所具有的适应自然的本性就使得它们的脖子长

得越来越长。达尔文不同意这种说法。他认为，当环境发生变化，树上的叶子越来越稀少的时

候，那些肢体和脖子都较长的个体能够吃到高处的树叶而被保存了下来，而那些个子矮小的个

体则被淘汰，因此逐渐形成了现在的长颈鹿。达尔文说，自然每日每时都在检查着生物体的最

细微的变异，排斥坏的，保留好的并把它们积累起来。这个积累是个缓慢的过程，经过很长时

间就能看到一个物种演变成另一个物种。那些通过选择而形成的新种必然与它生活的环境相适

应。适应是选择的结果，不是变异的原因，环境的变化通过选择对物种的进化产生影响。至于

生物为什么会发生变异，达尔文讨论得很少。他只把变异作为出发点，力图找出使变异固定下

来并获得久远意义的合理形式。那时人们对遗传和变异的规律还很不清楚，达尔文所做的也只

能如此。

《物种起源》第一版印行了1250册，很快就销售一空。1871年他又出版了《人类的由来》

一书。在这部著作里，达尔文更直截了当的宣称人类的祖先与大猩猩、黑猩猩有亲缘关系。由

于他的生物进化学说与神创论的教义相悖，立即遭到基督教会的积累反对，不少科学家和哲学

家对他的学说也持异议，但是支持达尔文观点的大有人在。19世纪后半期，围绕着生物进化和

人类起源的问题在许多国家都发生过激烈的争论。

在英国，自学成才的青年学者赫胥黎(ThomasHenryHLxley,1825～1895)挺身而出，于1860

年同以名声显赫的大主教韦伯费斯(SamuelWilberforce)为代表的教会势力展开了一场激烈的

论战以他的才华和辩智使达尔文学说赢得了许多青年学者的同情

德国博物学家海克尔(ErnstHeinrichPhilioppAugustHaeckel，1843～1919)的一生都

在宣传和发展达尔文学说。当他刚接触到达尔文的学说时便为之倾倒。他说达尔文“用一个伟

大的统一的观点来解释有机界的一切现象，并且用可以理解的自然规律来代替不可理解的奇

迹”。1877年，在德国慕尼黑的德国自然科学家和医生代表大会上，海克尔与著名病理解剖学

家、医生菲尔绍(RudolfCarlVirchow，1821～1902)展开了严肃的辩论，会后海克尔还发表了

轰动一时的小册子《自由的科学和自由的讲授》，抨击菲尔绍禁止在学校内讲授进化论的错误立

场。海克尔还把分类学、胚胎学和形态学的成就与进化论结合起来，论述了生物个体如何从一

个受精卵发展成成体，以及整个生物界如何从低级的、简单的生物发展到高等动物的过程。他

认为，个体发育(胚胎发育)过程重演了系统发育(物种演化)的过程，前者是后者的缩影。当然，

这种说法也过于简单化了。海克尔把已知的动植物按进化关系编排成一个树状系统，即“进化

谱系树”。这个系统较好地体现了生物的亲缘关系。

在俄国、美国也有过类似的论争。经过许多人的努力，达尔文的生物进化学说终于为学术界

所广泛接受。达尔文进化论的确立，实现了生物学知识的一次大综合，表明生物学已经提高到

了一个新的水平。它以自然界本身的作用说明生物进化的事实和生物适应环境的原因，这是对

生物学中的目的论、物种不变论和神创论的沉重打击，在哲学上也有重大意义。生物进化的观

点虽已为学术界所普遍接受，但是达尔文的进化论也还需要完善和发展，并且它也不是无懈可

击的，一些学者从不同的角度对它提出了种种批评，许多问题至今仍在研讨之中。

5.3微生物学、细胞学说和胚胎学的建立与发展

如果说分类学和进化学说是从人的肉眼所及的范围内研究生物的话，那么，微生物学、细

胞学说和胚胎学便是从人的肉眼所不及的层次上来研究生物学，它们的出观表明了生物学研究

领域的开拓。微生物学、细胞学说和胚胎学的建立都与显微镜在生物学上的应用分不开。l7世

纪60年代初，英国物理学家胡克用显微镜看到了软木的细胞，开始把显微镜用于生物学研究。

其后，意大利人马尔皮基、荷兰人列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，1632～1723)和斯旺麦

丹(JanSwammerdam，1637～1680)、英国人格鲁(NehemiahGrew，1641～1712)等人的一系列工

作都为显微生物学打下了基础。

一.微生物学的兴起

远在原始社会时期人们就会酿酒和制醋，制作面包至少也有几千年的历史，这些都在实际

上利用了微生物，不过那时人们还不知道微生物的存在。

早期显微生物学中成就最突出的是列文虎克。他的观察范围非常广泛，使人们获得了不少

关于微生物的知识。1675年他从积水中看到了单细胞生物，他当时称之为“活原子”。1681年

他发现了人的牙垢中的细菌，还仔细地描述了它们的形状、大小和活动方式，他还在1688年观

察到蝌蚪尾巴上的微血管，证实了哈维所预言的沟通动脉和静脉的通道的存在，使血液循环学

说得以完全确认。

此时，学术界里围绕着生命起源的问题进行着一场争论。一些学者持“自然发生说”，认为

生物能从非生命物质中突然地产生出来，腐肉生蛆似乎就是此说的最有力的证据。微生物的发

现更好像给了此说以新的事实证据。人们在显微镜下看到微生物以惊人的速度繁殖，有些微生

物在不到48小时里竟能产生出100万个后代，一些人相信这些微生物就是从非生命物质中自然

地产生出来的。自然发生说受到另外一些学者的反对。这些学者认为有生命的东西只能从有生

命的东西中产生，无生命的物质不能产生生命。两派都作过一些实验研究，各持己理，争论不

休，谁也说服不了谁，重要原因之一是他们对微生物都还缺乏深刻的认识。

法国科学家巴斯德原先主要从事化学研究，后来才转向微生物学方面。巴斯德既精于实验，

也长于思考。他曾说：“在观察领域内，机遇只偏爱那些已有所准备的头脑。”1860年，他以一

系列精心设计的实验和令人信服的证据证明，空气中微生物的存在是引起腐败的原因。他最著

名的是这样——个实验：他使经过高温处理的肉汁与空气严格隔绝，这样的肉汁并不会腐败变

质，也就是说没有微生物在肉汁里生长。巴斯德的工作给了自然发生说以沉重的打击。1862年

他因此而获巴黎科学院的奖金。但是，争论并没有就此而结束。有人在实验中发现有些微生物

具有耐热性，它们的孢子在沸水中浸泡1小时后仍能存活，他们认为也许巴斯德经过高温处理

的肉汁还是有细菌的，只是由于某些未知的原因肉汁才没有腐败。又有一些持自然发生说的学

者认为。既然地球上的生命不是从来就有的，所以它必定是在某种情况下自然地产生的，亦即

提出了地球上生命起源的问题。巴斯德也认识到他的实验只证明了经过灭菌的有机体汁液不会

自然产生生命，但不能说明地球上生命起源的机理。巴斯德的微生物研究很快就取得了很好的

社会效益。1864年他应法国农业部之邀研究蚕病，随后他找到了两种令蚕致病的微生物，发明

了使蚕防止感染的方法。后来他继续寻找使高等动物(包括人)致病的微生物，并且研究出包括

狂犬病疫苗在内的多种防疫疫苗。

为微生物学奠定基础的另一位重要人物是德国医学博士科赫(HeinrichHermannRobert

Koch，1843～1910)。科赫的主要工作是在病源菌学说的研究和微生物学基本研究技术方面。那

时炭疽病在法国流行，造成大批牲畜死亡并且殃及人类。人们虽把病亡的动物尸体埋于地下还

是未能完全阻止炭疽病的蔓延。科赫经过研究发现，患炭疽病死亡的牲畜虽埋于地下，但它所

带的病源体——炭疽杆菌转化为孢子而长期保持着生命力，一旦这些孢子进入牲畜体内，炭疽

杆菌又能大量繁殖。结核病曾长期被认为是一种遗传病，1882年科赫找到了结核病菌，从而揭

开了结核病的秘密。1883年科赫又找到了霍乱病的病源体，使这种可怕的流行病得到控制。在

他的妻子的协助下，科赫发明了用海藻提炼而成的琼胶作细菌培养基的方法，此法沿用至今。

他还于1884年建立了确定病源体与非病源体的方法，被称为“科赫准则”。科赫因他的一系列

成就于1905年荣获诺贝尔生理学医学奖。

二.细胞学说的建立

1665年胡克用自制的显微镜观察软木的切片时，看到上面有许多蜂巢状的小孔，他把这些

小孔称为“细胞”(原文为cell，即小孔之意)。随后也有几位科学家在显微镜里看到了细胞。

不过那时人们都还不理解这种显微结构的意义。直到1805年，德国生物学家特雷维拉努斯

(GottfriedReinholdTreviranus，1776～1837)经过对植物的解剖研究，才认识到细胞是植物

构造的基本单位。1824年法国生理学家杜特罗歇(ReneJoachim-HenriDutrochet，1776～1847)

指出，细胞是有独立生命活动的单位，有些生物只有一个细胞，较大的生物则由许多细胞互相

协作而构成。他更进一步说，“所有的组织，所有的动植物器官，实际上只是经过不同修改的细

胞组织”。1831年英国植物学家布朗(RobertBrown，1773～1858)在显微镜下观察到植物的细

胞核。接着，捷克生理学家普金叶(JanEvangelistaPurkinjě，1787～1869)又于1835年观察

到动物的细胞核。其后不久，普金叶和其他生物学家相继发现了细胞中存在着有生命的质块，

这种质块(现在称为细胞质)把细胞核裹在当中。

在上述发现的基础上，德国植物学家施莱登(JacobMathiasSchleiden，1804～1881)于

1838年提出了这样的看法：细胞是一切植物结构的基本单位，它是植物赖以发展的根本实体。

1839年，德国动物学家施旺(TheodorAmbroHubentSchwann，1810～1882)把施莱登的观点

扩大到动物界，从而正式建立了细胞学说。细胞学说认为：细胞是一切有机体构造和发育的基

本单位。细胞学说的建立实现了生物学知识的又一个层次的综合。

三.胚胎学的探索

1677年，荷兰一位医学院学生首次在显微镜里看到了入的精子。随后，列文虎克于是年发

表论文，宣称他看到了两种精子，它们分别代表“微型男孩”和“微型女孩”。荷兰物理学家哈

特索克(NicoiaasHartsoecker，1656～1725)也紧跟着宣称他看到了精子里面的“微型小人”，

并且画出了一张“微型小人”图。类似的说法在那个时候还有一些。那时显微镜的质量不太好，

透镜所造成的像差和色差相当严重，这些人所公布的观察结果，一方面是出于他们的主观想象，

另一方面也是由于他们看不大清楚而强作猜测的缘故，

哺乳动物的卵的发现要晚得多。虽然早在1651年哈维就提出了一切动物来自卵的观点，但

并无事实依据。细胞发现之后，人们便力图在显微镜下看到哺乳动物的卵。直到一百多年之后

人们才真正找到哺乳动物的卵细胞。

17世纪在欧洲出现了胚胎学的“预成论”。持此说的学者认为，在动物的生殖细胞里包容

着所有它的后代的微型个体，个体的一切特征和构造都预先存在于生殖细胞之中，胚胎发育不

过是这些微型个体的量上的扩大。所谓精子里的“微型人”似乎就是此说的证据，昆虫的生活

史似乎也是很好的证明，因为人们很容易发现蝴蝶的蛹已具有蝴蝶的雏形。后来这些学者又分

成两派，一派持“精源说”，一派持“卵源说”，前者主张那些微型个体在精子里，后者则主张

在卵子里。预成论其实是物种不变论和神创论的一种表现，也是机械论思潮在生物学中的反映。

到18世纪下半叶，正当预成论者在拼凑他们以为无可辩驳的理论证据时，出现了与其相反

的观点——“渐成论”。德国生物学家沃尔夫(CasparFriedrichWolff，1734～1794)通过观察

鸡的胚胎发育时发现，鸡卵原是没有任何结构的透明的质体，在发育过程中这些同质成分逐渐

出现腔和管，然后又逐渐形成鸡的各种内脏。他认为，动物的器官不是预先就存在于生殖细胞

里面，而是在胚胎发育的过程中才逐渐形成的。沃尔夫明确地指出，一个科学家唯一追求的是

真理，他不应以神学为根据预先判断材料的正确程度，而应由科学为根据来作出判断。1759年

沃尔夫完成了他的博士论文《发生理论》，系统地阐明他的观点。这篇著名的论文被后人认为是

胚胎学史上的里程碑。不过他在世时他的工作并未得到学术界的承认。

直到19世纪初争论仍在继续。这既因为那时还没有建立起细胞理论，也因为人们的思想还

深受机械论的束缚。使渐成论取得最后胜利的是爱沙尼亚人贝尔(KarlErnstvonBaer，1792～

1876)。1827年贝尔第一次确认了哺乳动物的卵，从此便开始研究由卵发育成为一个完整的机

体的过程和方式，形成了他的胚层理论。他认为：动物的相似器官都由胚胎上相似的胚层所形

成，完全不同的器官则是由不同的胚层所形成的。例如，中枢神经系统是由卷曲成管状的外胚

层形成的，皮肤和肌肉是由外胚层和中胚层形成的，肠道则是由内胚层形成的等等。贝尔比较

了不同的脊椎动物的胚胎发育过程，提出了著名的“生物发生律”：高等动物的胚胎发育要经过

与低等动物的胚胎发育相似的阶段。所有脊椎动物的胚胎都有一定程度的相似性，亲缘关系越

近，相似程度越大。在胚胎发育的过程中，首先出现的是门的特征，其后相继出现纲、目、属

的特征，然后才出现种的特征。例如在猕猴胚胎的发育过程中，最早出现的是脊椎动物门的特

征，这时猕猴的胚胎与鱼、蛙等脊椎动物的胚胎十分相似，随后相继出现哺乳动物纲的特征，

灵长目的特征、猴科的特征，猕猴的胚胎才逐渐与其他哺乳动物区别开来。

贝尔的胚胎学工作基本上是描述性的。在他之后，实验胚胎学取得了不少进展，科学家们在

探索胚胎发育的机理方面继续作了许多工作。胚胎学的进展对于遗传学以及生物进化学说的研

究都有密切的关系。

第六节地质学的建立

6.1关于岩石成因的水成论与火成论之争

在地质学史上，关于地球表层演化及其成因问题曾发生过多次不同学派之间的论争。其中

发生在18世纪末的水成论与火成论之争尤为激烈。最早提出水成论的是英国的物理学家约

翰·伍德沃德(JohnWoodward，1665—1728)。他在1695年发表的一文中认为，在诺亚时代，

集积的大洪水爆发，把整个地球淹没，万物被洪水冲走并同水相混，后来的沉积物以它们的重

量为序：重的物体在最低层，轻的物体则在上层。他与基督教经典相一致的正统观点是那个时

代的典型代表思想。

首先对具有宗教内涵的水成论提出批评并系统提出火成论思想的是意大利人安东·拉札

罗·莫罗(AntenMoro，1687—1740)。他经过对维特纳火山和维苏威火山以及希腊群岛中1707

年出现的新火山岛的研究和考察，认为地球表面原先是光滑的岩石，上面全部覆盖着水，后来

地下火使地表裂解，陆地、岛屿和山岭升出水面，同时地球内部的泥沙、沥青、硫、盐等排放

出来，从而在原始岩石表面形成新地层。类似这样的多次火山爆发所形成的每一新岩层由于所

含物质种类的不同而相区别。

对水成论进行批评的还有英国人赫顿(J．Hutton，1726—1797)。他由于使地质学说摆脱神

学而被称为近代地质学之父。他在其代表作《地球的理论》(1795)一书中提出：地球的历史不

是在人类历史的记录中，而是在自然界的记录中，它在时间上是无限的，从而批判了“地球只

有4000年历史”的宗教教义。他在此书中认为，地心是熔融的岩石，坚固的地壳将它们紧束其

中。它们不时地有一部分从地球内部被挤入地壳，从下面侵入各种地层，使其上面的岩层发生

倾斜，并产生新的岩层——侵入岩。粗玄岩(包括玄武岩)、斑岩和花岗岩就是这种侵入岩，而

不是如水成论所说的由上面的海洋沉淀所生成。赫顿是个均变论和火成论者，但他也承认水在

地质演变中所起的作用。然而，由于教会的反对以及信奉神学的地质学家的猛烈批评，使火成

论思想长期被埋没，后来，在赫顿去世当年出生的赖尔(C．lyell，1797～1875)才继承和发展

了他的思想。

水成论所以在19世纪初以前长期占统治地位，除了教会的因素外，还由于它的主要代表人

物德国矿物学家维尔纳(Werner，1749—1817)的影响。维尔纳是一位出色的教育家，他以其十

足的教条主义以及善于思辨和极富魅力的演讲征服了他的听众，热衷于他的观点的生充当他的

地质学信条的门徒和传教土云游四方，他所在的弗赖堡矿业学校也因此而成为世界闻名的地质

学校。他一生著述很少，其观点的完整阐述只能从他的门徒的著作中去寻觅。维尔纳仅仅根据

对他的家乡萨克森地区的有限观察，就片面地作出一般结论，断定绝大多数岩层系都是在海水

中通过沉淀、结晶而形成的，惟独火山岩例外，但它也不是由地下熔岩喷发所生成，而是因地

壳中积聚的煤燃烧所致。弗赖堡学派成员的能言善辩和赫顿的不善表达，使得维尔纳及其门徒

在两派争论中可以轻易地占上风，尽管火成论包含有更多的真理因素。作为两派多年唇枪舌剑

的插曲，有一次甚至在英国爱丁堡会议上双方年轻学者发生了争执，甚至动了拳头。尽管维尔

纳派很顽固，但这次会议结束不久即宣告瓦解。在科学史上这恐怕也是惟一的一次武斗。不过

它相对于本世纪某些国家把学术上的少数派逮捕入狱乃至迫害致死而言，毕竟性质极不相同。

6.2地壳运动变化的灾变论与渐变论之争

19世纪的前30年被科学史家称为地质学的英雄时代。这个时代不仅争论很多，而且硕果

累累。英国地质学家赖尔的名著《地质学原理》(1831)不愧是对这个英雄时代的总结。他提出

了关于地壳缓慢进化的学说，也叫渐变论或均变论。他根据前人和本身的地质考察结果，提出

一个很重要的思想：即地球表面以及地层的种种现状，是长期的地质年代中缓慢变化的结果。

这是针对宗教宣扬的所谓地球只有四千年历史的说法，而特别是针对法国古生物学家居维叶的

“激变论”提出的。

古生物学家、比较解剖学家居维叶在1812年根据自己对古生物和地层情况的研究，提出了

与布丰灾变论在哲学思想上一脉相承的“激变学说”。他根据地层之间质的不连续性，特别是不

同地层中古生物化石之间的不连续性，认为在地球历史上曾发生过多次巨大的灾变(如洪水灾

害、地震、大的火灾等)，从而造成地球表层地质、地貌的现有状况。

与居维叶用“激变论”来概括古生物学的研究成果和大量事实材料不同，赖尔认为，地球上一

切变化都是一种缓慢进化(当然他还没涉及生物物种)。他全面地考察了各种地质作用(包括水成

作用和火成作用)如何经过长期缓慢变化的结果而造成海陆变迁以及如何会出现各种地质地貌

现象的。比如他专门考察了世界上某些大河的三角洲(即冲击洲)，说明它们就是由于水的搬运

力量而造出了陆地。他还考察了地震、火山爆发和雨水的长期冲刷对地壳和地质的影响，如阿

尔卑斯山山区由于长期的雨水冲刷而形成的石林等。他的结论是，地壳的逐渐变化，是自然力

量本身作用(包括现实存在的各种水成作用和火成作用)的结果。这就用科学代替了地质学中的

宗教神话传说。正如恩格斯所说，“只有赖尔才第一次把理性带进地质学中，因为他以地球的缓

慢的变化这样一种渐进作用，代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然革命”。可以说，地质

学从此不再处于胚胎阶段(即矿物学阶段)，而作为成熟的学科出现了。

第七节数学的全面繁荣

古人在算术、代数和几何学等方面已经积累了相当的知识，尤其是初等几何学已形成了比较

完整的学科体系。不过欧洲自罗马人统治到中世纪时期数学衰落了。中国古代数学在宋元后也

进入了低潮。数学作为一门科学重新起步是在经过文艺复兴运动冲击以后的欧洲。文艺复兴的

浪潮涤荡着人们的思想，许多欧洲人逐新认识到基督教神学并不就是真理。重新展现的古希腊

的数学成就和数理思想给了人们很大的启发，东方数学(主要是阿拉伯人的数学)的传入又打开

了人们的眼界。于是，在一些人看来，似乎只有数学和数理才是亘古不变的，才是最可靠的。

虽然大多数人并不放弃对上帝的信仰，但是与其信仰神学的说教不如相信上帝以数理来构造世

界更有说服力。当然，揭开数学史新篇章的主要动力来自欧洲经济的发展与社会的进步。来自

自然科学发展的需求，特别是天文学、力学这些当时的前沿学科的迫切需求。在古希腊人那里，

研究数学主要是追求理性上的满足，这时的欧洲人却在很大程度上是为了描述客观现象和规律

以及其他实用上的需要。因此在近代初期，欧洲数学的实用色彩强烈，经过一个时期的发展之

后，人们又把注意力转向理论方面。16～19世纪是数学发展史上的重要时期，从对数的发明到

代数学、解析几何学、数学归纳法、微积分学、概率论、非欧几何学、逻辑代数学等的建立和

发展，展现了十分绚丽多彩的画面，现摘其要略述于后。

7.1代数学的成熟

东方的代数学传入欧洲之后，它的实用价值引起了一些务实的学者的注意，从此代数学作为

数学的一个分支使在欧洲迈开了前进的步伐。上文已经述及，古代阿拉伯人已经能解一般的一

无二次代数方程，这些知识随着阿拉伯人的数学传入了欧洲，而中国古人解代数方程的许多技

巧欧洲人尚无所知。

古代东方的代数学注重实用，在数理方面没有作太多的探讨，因而在解二次方程出现负根和

含有无理数或虚数(即负数的平方根)的根时或接受或舍弃，不曾存在什么障碍。欧洲人则深受

到古希腊人对于数的理解的束缚，只承认那些一个一个数得出来的数，他们不懂得负数，对于

无理数作为一个数也大多不能接受，至于虚数就更难接受。他们曾为此伤透了脑筋。直到16世

纪，意大利人篷贝利(RafaelBombelli，1526～1572)给出了负数的定义承认它是一个数，其后

荷兰人斯蒂文(SimonStevin，1548～1620)才表明接受负根的存在。斯蒂文也是最早承认无理

数是数的人。负根和含有无理数的根，到这时才算取得了“合法”的地位。至于含有虚数的根，

是首先为意大利人卡尔达诺(GirolamoCardano，1501～1576)所确认的。到了这个时候，解二

次方程的问题才算是完全解决了。

古人已经能够解一些特殊形式的三次和四次方程，那么一般的三次和四次方程是不是也都能

解呢?直到15世纪末人们还认为这是不可能做到的事情，但在现实中又常常会出现三次、四次

甚至更高次的方程。于是，三次和三次以上方程求解的问题就成了此时数学家们所关注的课题。

卡尔达诺，还有意大利人塔尔塔利亚(NiccoloTartalea，1499～1557)和法国人维埃特

(FrancoisViete，1540～1603)对三次方程进行了比较深入的研究，他们弄清楚了三次方程应

当有三个根，同时也解了更多类型的三次方程。对四次方程的研究也取得了类似的成绩。但是

对于一般的三次方程和四次方程还是束手无策，四次以上方程更是毫无头绪。这种状况促使数

学家们更加着力研究三次以上一般方程的解法，于是产生了代数方程论这一研究领域。

法国数学家吉拉尔(AlbertGirard，1595～1632)于1629年和笛卡儿于1637年先后提出n

次方程有n个根的猜想，后来经过许多数学家的努力，才在1799年由德国科学家高斯(Carl

FriedrichGauss，1777～1855)作出了证明，被称为代数学的基本原理。16～17世纪期间，

卡尔达诺、笛卡儿和牛顿等人对一般代数方程的各项系数与该方程的根的关系作了大量的研究。

卡尔达诺发现，n次方程各个根之和等于这个方程的xn-1项的系数的负值。笛卡儿和牛顿又弄清

楚了一个方程的正根、负根和复根(即含有虚数的根)的个数与这个方程各项系数的正负号的关

系。又经过许多人工作，到了18世纪70年代，法国数学家拉格朗日找到了一种方法，这种方

法对解一般的二次、三次和四次方程都很有效，但是对于解一般的五次和五次以上方程还是无

能为力。高斯在1801年发表的一篇文章中宣称，一般的五次和五次以上方程求根式解的问题也

许是永远不可能解决的了。不过，高斯又证明了某些形式的n次方程求解的可能性。其后挪威

数学家阿贝耳(NielsHenrikAbel，1802～1829)继续研究这个问题，他终于证明了高于四次的

一般方程是不可能用根式来求解的。紧跟着，法国数学家伽罗瓦(EvaristeGalois，1811～1832)

又着手研究可以用根式求解的n次方程的类型问题，他的工作卓有成效。伽罗瓦还由此开辟了

代数学的一个新的领域——群论的研究。

一般高次方程求根式解已被证明是不可能的事，但是对于一般的实际问题，常常只要求得实

根的近似值即可满足，并不需要求得所有的根和它们的准确值。于是数学家们又朝这个方向努

力。这个任务于1819年由英国数学家霍纳(WilliamGeorgeHorner，1786～1837)完成了。他

所发明的方法被称为“霍纳方法”，有很高的实用价值。其实，霍纳方法与我国13世纪的秦九

韶所运用的方法是相同的，不过那时欧洲人并不知道秦九韶已经走在他们的前头。

以解方程为基本任务的古典代数学到19世纪上半叶已大体完成，此后代数学的发展进入了

抽象代数学(或称近世代数学)的阶段，群论的出现就是重要的标志。这时人们更加关心的是代

数结构的问题。除了群论之外，代数数论、超复数系、线性代数、环论、域论等等许多新的分

支相继出现，代数学的研究领域更加宽阔。这个时代之始，代数学以其解决实际问题的效能吸

引着人们，现在它又向着比较抽象的理论的方向发展了。

7.2解析几何学的创立和变量数学的兴起

几何学是古希腊的“数学之王”，那时一些代数上的问题实际上都是用几何学的方法来解决

的。到了近代，当代数学取得了很大成功的时候，人们又反其道而行，试图用代数学的方法来

解决几何学的问题，再加上描述变量关系的需要，由此便产生了解析几何学。前已述及，法国

人奥勒姆在研究运动学的问题时采用了坐标的方法，预示了解析几何学的诞生。解析几何学的

创立则应归功于奥勒姆的同胞费马(PierredeFormat，1601～1665)和笛卡儿。

费马在代数学上很有成就，他在研究曲线轨迹的问题时，想到把代数学运用到几何学里，采

用了在一个坐标系中以一系列的数值表示一条曲线轨迹的方法。不过他关于这个问题的著作是

在他去世以后才公开发表的。

笛卡儿是一位学识渊博的学者。他在不知道费马的工作的情况下写成了《几何学》，这是作

为他的重要哲学著作《方法谈》的一篇附录于1637年发表的，这部著作的副标题是“更好地指

导推理和寻求科学真理的方法”，所述的是认识方法，可见他是把解析几何学作为一种认识方法

来看待的。我们知道，古希腊人习惯于用线条和图形来表示数。在他们那里，如果一条直线的

长度代表某数a，那么以这条直线为边长所构成的正方形便代表a2，以这条直线构成的立方体

便代表a3，至于更高次的变量他们便无能为力了。笛卡儿打破了这个既定的框框，他改为，a2

也可以用一条长度为a2的直线来表示，同样，a3、a4、a5„„以至任何一个数都可以用线段的

长度来表示。这样，在由两条直线构成的平面坐标系里的几何图形都可以转化成一个二元方程，

或者说任何一个二元方程都可以在这个坐标系里描绘成一个图形。由于有了这种方法，平面几

何学的问题就都可以用代数学的方法来处理了。

笛卡儿的《几何学》问世后，费马声称该项工作他在七年前就已完成了，两人曾为发明权而

发生争执。其实他们两人都作出了贡献。费马从代数方程出发来寻找其轨迹，笛卡儿则从轨迹

出发来寻找其代数方程，是殊途而同归。他们的解析几何也都未臻完善，如他们的坐标系都还

没有负数等等。解析几何学出现的时机成熟了，它是数学发展的必然产物。

解析几何学所带来的好处，一方面是使得一些代数问题形象化，另一方面是几何学的问题从

此可以用代数学的方法来解决。过去人们解决几何学上的难题，主要是通过逻辑推理，凭借的

是智慧和技巧，如今只要用比较容易掌握的、简单得多的代数运算就行。更为重要的是解析几

何学为物理学提供了一种非常有用的数学工具。那个时候物理学研究的主要领域是力学和光学，

探讨运动学和几何光学的问题都离不开几何学，而物理学的研究总是要以获得某些物理量间相

互关系的代数式为目标。解析几何学的发明给了物理学一种描述运动变化的极好的手段。过去

的数学所能做到的只是描写一些确定的、不变化的量，解析几何学使得变量韵描述成为可能，

这是数学发展史上的一次质的飞跃。

7.3微积分与数学分析学的产生

微积分是微分和积分的合称，这是牛顿和德国科学家莱布尼兹（GottfriedWilhelm

Leibniz,1646～1716）几乎在同一个时候建立的，他们和他们的门徒也曾为发明权的问题而争

吵，对数学的发展产生了不利的影响，实应为后人训。其实，这时微积分学出现的条件已经成

熟，前人已经为此做了很多工作，即使不是牛顿或者莱布尼兹，其他学者也是必定会完成这个

任务的。

在物理现象中，物理量变化的情形十分复杂。比如在自由落体运动中物体下落的速度时时刻

刻都在变化，不过它的加速度g是恒定的，我们要知道其中某一时刻该物体的运动速度，以往

的数学工具也还够用。但是，如果某物体运动中的加速度的大小和方向也时刻发生复杂的变化，

我们要知道这个物体某一时刻的速度(一般称为“瞬时速度”或“即时速度”)，原先的数学工

具就大多不能处理了，这时就得借助于微分的方法。

积分方法是微分方法的逆运算，它的发明也是出自实际的需要。以往人们用于计算一已知曲

线所围面积的穷竭法是一种很麻烦的方法，并且难于得到准确的数值。运用积分方法事情就变

得简单了。

微积分在物理学和天体力学上的应用取得了极大的成功，它很快就成为普遍应用的处理变量

的数学工具。随后，在微积分的基础上逐渐形成了包括许多分支的数学分析学，其中主要有微

分方程、积分方程、无穷级数、变分法、实变函数论、复变函数论等等，它们在物理学和工程

技术中都有重要的用途。

7.4概率论的建立

概率论的思想在古代已有端倪，但它正式形成为数学科学的一个分支，则是近代的事。现实

中存在的量，有时候并不表现为精确的数值而只有统计的意义，概率论就是研究这类问题的一

个数学分支。

概率论的建立，首先是费马和与他同时代的帕斯卡(BlaiPascal，1623～1662)的功绩。

人们研究概率论是从考察一些有关游戏和赌博的问题开始的。以骰子作游戏至少已经有三四千

年的历史，后来它也是一种赌博用具。骰子有六个面，上面分别标示一至六个点。如果抛掷一

颗骰子，要是只掷一次，出现一至六点的可能性是完全相等的，至于实际上出现那一个点数就

完全是偶然的了。要是抛掷的次数很多，出现某一个点数的次数就将接近言，抛掷的次数越多

越是接近这个数值，表现为一种统计上的必然性。在大量具有偶然性的事物中寻找其统计上的

必然性，或者说寻找其中出现某事件的概率，这时就需要运用概率论。

概率论的应用范围十分广阔，它不仅在自然科学上有重要的效用，而且已经渗透到国民经济、

生产技术、商品流通等等许多领域，成为描述内含众多事件和存在着偶然性的客观现象的有效

工具。例如在对热现象的研究中，我们知道热现象实际上是大量分子运动的表现，我们不可能

弄清楚其中每一个分子的运动状态，因为对每一个分子来说，它的运动状态都具有偶然性，但

是我们可以运用概率论的方法弄清楚在某——种情况下有多大比例的分子的速率处于某一个数

值范围之内，这就表现为必然性。又如我们说吸烟可能导致肺癌，但是我们不能说某个吸烟的

人必定得肺癌或者必定不得肺癌，我们只能通过统计的方法计算出吸烟的人得肺癌的可能性，

即计算出吸烟的人得肺癌的概率，或者更具体一点，计算出平均每天吸多少支烟的人得肺癌的

概率，通常以一个百分数来表示。

7.5非欧几何学的出现

欧几里得在总结和整理古希腊几何学的时候，首先列出他认为不证自明的五条公理和五条公

设。所谓公理是适用于一切科学的真理，公设则是几何学中的真理。他从这些公理和公设出发，

经过一系列逻辑推理和演算，得出各个具体的定理和推论，从而构成整个几何学体系。

欧几里得几何学在逻辑上的完美一向为人们所欣赏，不过很早就有人注意到他的第五公设存

在着一点问题。第五公设是这样说的：“若一直线与两直线相交，且若同侧所交两内角之和小于

两直角，则两直线无限延长后必相交于该侧的一点。”这条公设也被称为平行线公设。那时人们

并没有怀疑这条公设的真理性，只是觉得这条公设不像其他公理和公设那样具有明显的说服力，

问题在于是否可以假定物质空间中存在能够无限延长的直线。人们还注意到第五公设在表述上

不如其他公理和公设那样明了和简洁。为了消除欧几里得几何学这个“疵点”，从托勒密开始，

不少数学家都曾设法以其他公理和公设来证明第五公设，在经历了无数次失败之后，人们才不

得不怀疑证明第五公设的可能性。既然这条公设不那么“不证自明”而又无法证明，它的真理

性也就动摇了。人们终于弄明白第五公设不过是纯粹经验性的假设，第五公设发生了问题，欧

几里得几何学作为一个整体也就有了问题。这是到18世纪数学家们才想到的。既然欧几里得几

何学是从一组自身不导致逻辑矛盾的假设的基础之上而演绎出的几何学体系，那么，如果有另

外一组也不会导致逻辑上的矛盾的假设，是否也有可能演绎出另外一种几何学体系呢?

循此思路，1817年高斯就试图建立一种新的几何学，他还相信这种新的几何学也必有其实

用价值。可是，高斯对于发表他这方面的工作成果过于谨慎，创建非欧几何学的荣誉落到了受

到过他影响的另外两个人身上，他们是俄国人罗巴切夫斯基(НиколайИванови

чЛобачевский，1792～1856)和匈牙利人博耶(JanosBolyai，1802～1860)。

罗巴切夫斯基从1826年开始发表了一系列论文。他考虑，欧几里得的平行线公设实际上是

说通过一直线外的一点在一平面上只能作一条平行线，如果把它改为可以作无数条平行线，其

他公理和公设则仍旧，那将又如何呢?他发现，从这样一组更改过的公理和公设出发，经过演绎

推理，同样能够建立一个几何学体系，在这个体系内并没有发生逻辑上的矛盾。于是，一种与

欧几里德几何学不相同的非欧几何学便诞生了。这样的几何学纯粹是由假设和逻辑推理构成的，

没有任何实践经验作为基础，是不是一种数学游戏?罗巴切夫斯基不这样想，他认为在尺度很大

的空间里，有可能满足他的平行线假设的条件。在1829～1830年间发表的文章中，他提出他的

非欧几何学在比地球半径大50万倍的空间里有可能适用。罗巴切夫斯基的创新在当时没有引起

人们太多的关注，他本人曾为此而沮丧。那时，博耶也在独自研究同样的问题，大约在1825年

左右也建立了他的非欧几何学，他的成果与罗巴切夫靳基所完成的工作十分相似。

当博耶读到罗巴切夫斯基的著作时非常恼火，以为那是抄袭了他的成果。而在高斯知道博耶

的非欧几何学时也十分生气，说那不过是他的工作的翻版。其实他们三人都各自作出了贡献，

罗巴切夫斯基和博耶受到过高斯以及其他一些学者的启迪也是事实。几何学发展到了这一步，

非欧几何的出现也是瓜熟蒂落的事情了。非欧几何学的出现是数学史上的一件大事，但当它诞

生之时并不为人们所赏识。一般人仍然相信欧几里得几何学是物质空间的唯一真实的描写，非

欧几何学不过是出于猎奇而主观构造出来的玩意儿，没有任何实在的意义。

过了多年后，德国数学家黎曼(GeorgFriedrichBernhardRiemann，1826～1866)重新研

究这个问题，他认为也可以假定在一平面上的任何两条直线延长必定相交，即不存在无限延长

而不相交的平行线。据此他又创立了另外一种非欧几何学。1854年黎曼发表了他的研究成果。

我们在下文将要说到爱因斯坦(AlbertEinstein，1879～1955)创立广义相对论，而广义相对论

适用的数学工具正是黎曼的非欧几何。到了那个时候，非欧几何学的意义和它的实用价值也才

为人们所真正认识。

第八节科学共同体的形成

8.1科学交流与社团的产生

在近代科学刚刚起步的16世纪，科学研究的社会组织形式还处于低级阶段。由于学科尚未

分化、研究课题及其规模较小、也无需复杂和昂贵的仪器设备等原因，当时主要以个人研究为

主要形式。很少有科学家之间的合作研究，更谈不上企业和国家对科学研究的支持乃至拨款资

助。但是，学者之间的大量通信、互访以及人员与时间均不定的聚会，却早已存在。前面提到

的意大利那不勒斯“自然奥秘协会”就是这种聚会的一例。

进入17世纪，由于所研究问题的深入、领域的扩大、学科的分化与独立以及研究视角的多

样化，使得及时的交流成为迫切需要。这种交流只靠少数人之间的通信、互访已经不够了，而

且即使是间隔较长时间的聚会也已不能适应。于是科学交流开始向人员相对不变、方向相对确

定、时间相对固定(且周期缩短)的有组织的方向发展。同时，居住地区接近而又志同道合的科

学家、哲学家和社会上层人士的聚会也不再局限于交流研究动态和阶段性成果，而且在经费获

得资助的前提下逐步出现了某些在实验研究或技术开发方面的合作。以伽利略为首的猞猁学院

就是带有某种合作研究性质的最早的科学社团之一。

在意大利猞猁学院(即山猫学会)因伽利略和学院赞助人的先后去世而停止活动后不久，17

世纪中叶又出现了以各种不同形式进行科学交流乃至科学研究的社团。这表明罗马教会虽然可

以监禁和迫害伽利略的身体，却阻挡不住他的科学精神的传播。甚至可以说，神学对科学的围

剿从反面加强了科学精神的影响。在—个相当短的时间内，在伽利略为实验科学献身的热忱感

染下，一批有影响的科学社团陆续成立。这种新社团中最有影响的有西芒托学院、英国哲学学

会以及国家特许乃至拨专款建立的官方科学组织(如皇家学会、法兰西科学院、柏林科学院等)。

科学社团在17世纪的形成不仪由于前一时期—些献身科学的科学家的巨大感召力的影响，

而且与这—时代特有的那种时代精神密切相关。这是一个开拓者的黄金时代。在经过近千年传

统和权威的禁锢之后，人们强烈要求冲破经院哲学和神学教条的柬缚，兴资产阶级的代表人物

冒险远洋航行去发现未曾认识的海洋与大陆，他们以探险者的开拓精神，借助实验科学的于段

去认识与改造自然以发挥知识的巨大力量。这种批判、开拓和探索的精神在大多数旧大学中根

本找不到，而弗兰西斯·墙根在《新大西岛》中设想的学术机构却成厂人们培养新的时代精神

的理想大地．在这里人们可以自由地交流思想、研究自然、追求真理。这正是科学社团涎生的

背景。意大利西芒托学院的建立就反映了这种交流与探求的社会需要。

8.2“无形学院”

尽管猞猁学院因伽利略受迫害等因素而关闭，在他的学生维维安尼和托里拆利的倡导和亲

自参与以及美迪奇家族的资助厂，1657年在佛罗伦萨创立了西芒托学院。这个学院的建立表明

科学的圣火是扑不灭的。西芒托学院的口号是“实验，再实验”。在其从1651年开始的筹备期

间，已经有各领域科学家在美迪奇家族创办的实验室里定期聚会，进行实验和对各种科学问题

进行探讨交流。这些科学家中包括解剖学家波雷里、博物学家斯特诺(N．Steno，1635—1686)、

胚胎学家雷迪(F．Redi，1626—1698)和天文学家卡西尼(G．D．Cassini，1625～1712)等。该

学院在被迫解散前于1667年发表了《西芒托学院自然实验文集》。该学院的成员在相互批评与

合作中形成一些自我约束的原则，如必须采用精密的实验方法，所得结论要严格限制在有观察

证据支持的前提之下，而不试图作思辨的遐想。科学社团的这种不成文规定对英国皇家学会乃

至后来的科学共同体有着重要影响。由于西芒托学院资助人之一与罗马教皇之间用金钱换取红

衣主教头衔的肮脏交易，该学院的活动于1667年宣告中止。这似乎可看成是意大利最终失去世

界科学中心地位的标志，但西芒托的精神已在欧洲最先进的地区发扬光大。

17世纪中叶世界科学中心从意大利向英国转移。究其原因，一是意大利封建教会的势力过

于强大，二是英国资本主义经济由于欧洲海上商路的逐渐西移而获得了很大的外部刺激，三是

英国资产阶级革命的成功极大地打击了阻碍科学发展的封建专制的桎梏，四是由于科学自身社

会文化功能的变迁，它早已不像哥白尼和伽利略时代那样仅仅是反对封建阶级意识形态的精神

武器，而是更多地展示了它为资产阶级获取经济价值服务的诱人前景。这个时期的英国不但出

现了哈维、波义耳和牛顿这样的利：学巨人，而且科学研究活动得到了社会的认可与重视，甚

至科学成了社会上层人士的兴趣和业余爱好。这些社会因素促进英国科学领先于各西方国家实

现了初步的体制化。其标志就是作为英国皇家学会前身的非正式社团“哲学学会”的建立。该

学会约从1645年开始，每周在伦敦的格雷山姆学院举行星期聚会，讨论自然问题。与会成员多

为弗兰西斯·培根的实验哲学的追随者，如著名数学家约翰·沃利斯(JohnWallis，1616一1703)、

医学家约翰·威尔金斯(J．Wilkins，1614～1672)、天文学家塞缪尔·福斯特等。当时年仅20

岁的波义耳曾参加这种星期聚会，并在私人信件中谑称这种组织为“无形学院”。

1649年因部分成员迁居牛津，哲学学会遂一分为二。在牛津的社团成员中曾有天文学家塞

思·沃德(1617—1689)以及经济学家威廉·配第(S．W．Pctty，1623—1687)。波义耳也参加过

牛津小组的活动。参加两地聚会的成员在—起观察日蚀、月球及做测定大气压力等实验。他们

之中很多人后来成为皇家学会的第一批成员。

当代科学社会学家借用波义耳提出的“无形学院”一词，用来泛指在国家兴办的组织定型、

章程明确、分工具体、活动记录完整的正式科学机构建立之前进行频繁交流与研究的科学社团。

这种团体在组织上不明确，成员不限于科学家，没有正式的章程、活动场所和分工，比较自由

松散，其活动历史无法确凿考察。显然，英国哲学学会即属于这种非正式的民间社团。此外，

上述猞猁学院、西芒托学院，以及法兰西科学院成立前—群哲学家和数学家(笛卡儿、巴斯卡、

伽桑狄、费尔玛等人)的非正式聚会，以及柏林学院建立之前德国的自然研究学会、实验研究学

会等均属于这种无形学院。它们对西欧各国正式科学机构的建立以及对欧洲各国自然科学的研

究与交流发挥过重要的历史作用。

8.3英国皇家学会

英国哲学学会在牛津和伦敦格雷山姆学院的聚会，由于人员的迁居以及政治动乱等因素，

于1658年一度中断。直至1660年，在原有成员的基础上，筹建了致力于探索实验知识的正式

科学机构——英国皇家学会。1662年7月15日该学会得到英王的特许状，翌年4月22日查理

二世赐该学会以纹章，上面写道：“我不必追随任何权势，我不必要求上帝保佑，我不必遵从大

师的格言。”1663年正式公布了皇家学会会章。世界上第一个有影响的科学家组织从此开始了

自己的历史。英国皇家学会的成立不仅宣布了科学活动在英国社会中正式得到承认，而且宣布

了科学活动的初步体制化。

皇家学会会章指明了科学活动区别于宗教、政治等社会活动的特点，即它是以探索自然规

律为目的的实验观察活动和精确性研究，其社会功能与价值在于发展工业、造福人类。会章还

规定学会会员要定期交纳会费，每周定期集会，交流实验情况和有关信息。1664年皇家学会建

立了机械发明、贸易史、农业和天文学等专业委员会，其中的贸易史委员会从事各种手工业技

术原理研究。更为重要的是1665年出版了《皇家学会哲学会刊》，作为交流科学思想和实验结

果的重要杂志。它开辟了科学团体出版学术杂志之先河。

英国皇家学会虽然得到英王特许而成立，但没有从政府那里得到任何经济赞助。与此相关，

也就不存在以科学为谋生手段的职业科学家。皇家学会仅仅是业余科学家聚会的场所．它从—

开始就不是纯粹的科学家组织。会员中有相当—部分人不是科学家，而只是科学的业余爱好者

或代言人，其中有社会活动家、诗人、文学家乃至政治家等。皇家学会早期会员除了波义耳、

胡克、哈维、弗兰西斯·培根等人作出了重要贡献之外，大多数成员由于研究的网撒得过宽，

其科学研究充其量局限于博物学的水平。与其说它对科学知识的积累作出了贡献，不如说它起

到了凝聚科学爱好者的作用。

始建于1666年的法国科学院与英国皇家学会不同，它是专门家的专门科学机构。科学院院

士可从国家得到丰厚的年薪和助手配备，它还承担行政与管理的职能，甚至在18世纪该科学院

一度还管理公众事务。处理市政、军事、教育以及工农业中涉及的科学技术问题等，如1750—

1780年间法国科学院还主持编写了多卷本《工艺及商业纪实》。科学院还负责审查发明和颁发

奖励，可见它相当于政府的专门管理科学技术的部门。法国科学院的建立与发展标志着“专家

科学”的产生．它对欧美各国科学的建制化过程产生了很大影响。后来德国、俄国均按照它的

模式建立了国家级科学院——柏林学院和彼得堡科学院。