近代自然科學(xué)
自然科學(xué)發(fā)展史是研究自然科學(xué)發(fā)展過程及其規(guī)律的科學(xué).它依據(jù)歷史事實(shí),通過對科學(xué)發(fā)展歷史過程的分析來總結(jié)科學(xué)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)并揭示其規(guī)律.在漫長的自然科學(xué)發(fā)展史上,近代曾出現(xiàn)了三次嚴(yán)重的危機(jī),并由此也帶來了三次重大的突破,從而推動(dòng)自然科學(xué)向前進(jìn)一步發(fā)展.
近代自然科學(xué)是以天文學(xué)領(lǐng)域的革命為開端的.天文學(xué)是一門最古老的科學(xué).在西方,通過畢達(dá)哥拉斯、柏拉圖、 喜帕恰斯、托勒密等人的研究,已經(jīng)提出了幾種不同的理論體系,成為一門最具理論色彩,又是提出理論模型最多的一門學(xué)科.同時(shí),天文學(xué)與人們的生產(chǎn)和生活密切相關(guān),人們種田靠天、畜牧靠天、航?？刻?、觀測時(shí)間也靠天,這就必然會(huì)有力推動(dòng)天文學(xué)的發(fā)展.然而,天文學(xué)在當(dāng)時(shí)又是一門十分敏感的學(xué)科.在天文學(xué)領(lǐng)域,兩種宇宙觀,新舊思想的斗爭十分激烈.特別是到了中世紀(jì)后期,天主教會(huì)還別有用心地為托勒密的地心說披上了一層神秘的面紗.硬說地球處于宇宙中心,證明了上帝的智慧,上帝把人派到地上來統(tǒng)治萬物,就一定讓人類的住所?地球處于宇宙中心.這種荒唐說法被當(dāng)作權(quán)威加以崇信之后,托勒密的學(xué)說就成為不可懷疑的結(jié)果而嚴(yán)重阻礙著天文科學(xué)的進(jìn)步.然而,地心說基礎(chǔ)上產(chǎn)生的儒略歷在325年被確定為基督教的歷法后,它的微小誤差經(jīng)過長時(shí)間的積累已經(jīng)到了不可忽視的地步,同觀測資料大相徑庭.葡萄牙一位親王的船長曾說:“盡管我們對有名的托勒密十分敬仰,但我們發(fā)現(xiàn),事事都和他說的相反.”托勒密體系的錯(cuò)誤日益暴露,人們急需建立新的理論體系.當(dāng)時(shí),文藝復(fù)興正蓬勃開展,它不僅大大解放了人們的思想,同時(shí)也推動(dòng)了近代自然科學(xué)的產(chǎn)生.波蘭天文學(xué)家哥白尼適應(yīng)時(shí)代要求,他從1506年開始,在弗洛恩堡一所教堂的閣樓上對天象仔細(xì)觀察了30年,從而創(chuàng)立了一種天文學(xué)的新理論--日心說.1543年,哥白尼公開發(fā)表《天體運(yùn)行論》,這是近代自然科學(xué)誕生的主要標(biāo)志.日心說的提出恢復(fù)了地球普通行星的本來面貌,猛烈地震撼了科學(xué)界和思想界,動(dòng)搖了封建神學(xué)的理論基礎(chǔ),是天文學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑.
這一時(shí)期,自然科學(xué)的發(fā)展成就輝煌,取得了一系列重大成果.但從宏觀上看,科學(xué)發(fā)展是落在生產(chǎn)技術(shù)的后面.例如,鐘表在實(shí)踐中已廣泛應(yīng)用,但人們并不懂得由哪些因素決定著鐘表運(yùn)動(dòng)的周期；在戰(zhàn)爭發(fā)射了無數(shù)的子彈和炮彈,卻搞不清怎樣才能把彈道計(jì)算出來,命中率如何提高.從微觀上看,古典力學(xué)的發(fā)展比較完善.在天體力學(xué)中,開普勒發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律（橢圓定律、面積定律、周期定律）；1632年,伽利略發(fā)現(xiàn)了自由落體定律；1687年,牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,系統(tǒng)論述了牛頓力學(xué)三定律（慣性定律、作用力反作用力定律、加速度定律）和萬有引力定律.這些定律構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的體系,把天上的和地上的物體運(yùn)動(dòng)概括在一個(gè)理論之中.這是人類認(rèn)識史上對自然規(guī)律的第一次理論性的概括和綜合.但這一時(shí)期其他學(xué)科還很落后,主要是在收集材料,積累經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行分門別類的初步整理.例如,18世紀(jì),瑞典生物學(xué)家林耐就曾致力于對植物的分類,他寫了《自然系統(tǒng)》一書,使雜亂無章的關(guān)于植物方面的知識形成了完整的系統(tǒng).在化學(xué)領(lǐng)域,英國科學(xué)家波義耳把嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方法引入化學(xué),他被稱為近代化學(xué)的創(chuàng)始人.德國科學(xué)家斯塔爾提提出燃素說來解釋化學(xué)反應(yīng),燃素說作為化學(xué)的理論成果統(tǒng)治了化學(xué)界近100年.
科學(xué)的發(fā)展不是憑空進(jìn)行,而是必須以已有的科學(xué)成果為發(fā)展的起點(diǎn).當(dāng)時(shí)已有的天文學(xué)數(shù)學(xué)知識為力學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了前提,而力學(xué)發(fā)展較完善的狀況又促成了哲學(xué)史上機(jī)械自然觀的形成.因?yàn)?從人的認(rèn)識規(guī)律來看,人類對客觀事物的認(rèn)識總是從認(rèn)識簡單事物進(jìn)而深化認(rèn)識復(fù)雜事物的,認(rèn)識機(jī)械運(yùn)動(dòng)是科學(xué)認(rèn)識的第一任務(wù).在科學(xué)認(rèn)識第一階段,暫時(shí)把事物看成彼此無關(guān)的固定不變的東西進(jìn)行研究是可以理解的,一旦科學(xué)家們把一切高級復(fù)雜運(yùn)動(dòng)都簡單類比為機(jī)械運(yùn)動(dòng),并且把力學(xué)中的外力照搬過來,就變成了否認(rèn)事物內(nèi)部矛盾的機(jī)械外因論.他們認(rèn)為,自然界絕對不變,自然界只是在空間上擴(kuò)張,展現(xiàn)其多樣性,而在時(shí)間上沒有變化,沒有發(fā)展的歷史.不變的行星一定始終不變地繞著不變的太陽運(yùn)行,由于它不承認(rèn)物質(zhì)的發(fā)展,不能回答自然界的一切從何而來,最后只能搬用神的創(chuàng)造力來解釋,自然科學(xué)又回到了神學(xué)之中.
1755年,德國著名哲學(xué)家康德出版了《宇宙發(fā)展史概論》,書中提出了著名的星云假說.康德的星云假說能較好解釋太陽系的某些現(xiàn)象.他認(rèn)為,太陽系以及一切恒星都是由原始星云在引力和斥力的作用下逐漸聚集而成的.宇宙中的萬事萬物有生有死,而發(fā)展是永無止境的.恩格斯1875年為《自然辯證法》寫的一篇導(dǎo)言中,給予康德的星云假說極高的評價(jià).說它“包含著一切繼續(xù)前進(jìn)的起點(diǎn).”因?yàn)榧热坏厍蚴请S著太陽系的形成而逐漸形成和發(fā)展起來的,那么,地球上的萬物山川、動(dòng)物和植物,自然也有它逐漸形成和發(fā)展的歷史.“如果立即沿著這個(gè)方向堅(jiān)決地繼續(xù)研究下去,那么,自然科學(xué)現(xiàn)在就會(huì)進(jìn)步得多.”康德的星云假說有力沖擊了形而上學(xué)的機(jī)械自然觀,是繼哥白尼天文學(xué)革命后的又一次科學(xué)革命.
18世紀(jì)60年代,英國開始了工業(yè)革命,這也是近代以來的第一次技術(shù)革命.不過,在第一次工業(yè)革命期間,許多技術(shù)發(fā)明大都來源于工匠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),科學(xué)和技術(shù)尚未真正結(jié)合.總之,在18世紀(jì)中葉以前,自然科學(xué)研究主要是運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)、分析、歸納等經(jīng)驗(yàn)方法達(dá)到記錄、分類,積累現(xiàn)象知識的目的.在18世紀(jì)中葉以后,由于啟蒙運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,“自然科學(xué)便走進(jìn)了理論的領(lǐng)域而在這里經(jīng)驗(yàn)的方法就不中用了,在這里只有理性思維才能有所幫助.”理性思維就是對感性材料進(jìn)行抽象和概括,建立概念,并運(yùn)用概念進(jìn)行判斷和推理,提出科學(xué)假說,進(jìn)而建立理論或理論體系.19世紀(jì)道爾頓的原子論,阿佛加德羅的分子學(xué)說,門捷列夫的元素周期律以及康德的星云假說開始都是以假說形式出現(xiàn)的.不過,康德的星云假說一開始沒有得到人們的重視,直到19世紀(jì),由于自然科學(xué)不斷揭示出自然過程的辨證性質(zhì),才最終在哲學(xué)領(lǐng)域敲響了形而上學(xué)的喪鐘.
19世紀(jì)是科學(xué)時(shí)代的開始.在天文學(xué)領(lǐng)域,科學(xué)家們開始論及太陽系的起源和演化.在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域,英國的地質(zhì)學(xué)家賴爾提出地質(zhì)漸變理論.在生物學(xué)領(lǐng)域,細(xì)胞學(xué)說、生物進(jìn)化論,孟德爾的遺傳規(guī)律相繼被發(fā)現(xiàn).在化學(xué)領(lǐng)域,原子-分子論被科學(xué)肯定；拉瓦錫推翻了燃素說,并成為發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的第一人；1869年,俄國化學(xué)家門捷列夫發(fā)表了元素周期律的圖表和《元素屬性和原子量的關(guān)系》的論文.在文中,門捷列夫預(yù)言了十一種未知元素的存在,并在以后被一一證實(shí).十九世紀(jì)最重大的科學(xué)成就是電磁學(xué)理論的建立和發(fā)展.
在19世紀(jì)之前,人們基本上認(rèn)為電與磁是兩種不同現(xiàn)象,但人們也發(fā)現(xiàn)兩者之間可能會(huì)存在某種聯(lián)系,因?yàn)樗謧儾恢挂淮慰吹?打雷時(shí)羅盤上的磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).1820年7月,丹麥教授奧斯特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電與磁的相互作用,他指出磁針的指向同電流的方向有關(guān).這說明自然界除了沿物體中心線起作用的力以外,還存在著旋轉(zhuǎn)力,而這種旋轉(zhuǎn)力是牛頓力學(xué)所無法解釋的,這樣,一門新學(xué)科?電磁學(xué)誕生了.
奧斯特的發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了物理學(xué)界,科學(xué)家們紛紛做各種實(shí)驗(yàn),力求搞清電與磁的關(guān)系.法國的安培提出了電動(dòng)力學(xué)理論.英國化學(xué)家、物理學(xué)家? ɡ?苡?831年總結(jié)出電磁感應(yīng)定律,1845年他還發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”,播下了電、磁、光統(tǒng)一理論的種子.但法拉弟的學(xué)說都是用直觀的形式表達(dá)的,缺少精確的數(shù)學(xué)語言.后來,英國物理學(xué)家麥克斯韋克服了這一缺點(diǎn),他于1865年根據(jù)庫侖定律、安培力公式、電磁感應(yīng)定律等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,運(yùn)用矢量分析的數(shù)學(xué)手段,提出了真空中的電磁場方程.以后,麥克斯韋又推導(dǎo)出電磁場的波動(dòng)方程,還從波動(dòng)方程中推論出電磁波的傳播速度剛好等于光速,并預(yù)言光也是一種電磁波.這就把電、磁、光統(tǒng)一起來了,這是繼牛頓力學(xué)以后又一次對自然規(guī)律的理論性概括和綜合.
1888年,德國科學(xué)家赫茲證實(shí)了麥克斯韋電磁波的存在.利用赫茲的發(fā)現(xiàn),意大利物理學(xué)家馬可尼、俄國的波波夫先后分別實(shí)現(xiàn)了無線電的傳播和接受,使有線電報(bào)逐漸發(fā)展成為無線電通訊.所有這些電器設(shè)備都需要大量的電,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是微弱的電池所能提供的.1866年,第一臺(tái)自激式發(fā)電機(jī)問世使電流強(qiáng)度大大提高.70年代,歐洲開始進(jìn)入電力時(shí)代.80年代還建成了中心發(fā)電站,并解決了遠(yuǎn)距離輸電問題.電力的廣泛應(yīng)用是繼蒸汽機(jī)之后近代史上的第二次科技革命.電磁學(xué)的發(fā)展為這次科技革命提供了重要的理論準(zhǔn)備.由于自然科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)被迅速應(yīng)用于生產(chǎn),第二次工業(yè)革命在歐美國家蓬勃興起.
19世紀(jì),自然科學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域取得了輝煌的成就.物理學(xué)中一切基本問題在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上都已基本上得到解決,科學(xué)家們給牛頓力學(xué)本來解釋不了的電磁現(xiàn)象虛構(gòu)了一個(gè)物質(zhì)承擔(dān)者--以太.把電磁現(xiàn)象歸結(jié)為以太的機(jī)械運(yùn)動(dòng),他們認(rèn)為整個(gè)物理世界都可以歸結(jié)為絕對不可分的原子和絕對禁止的以太這兩種物質(zhì)始原.
正當(dāng)古典物理學(xué)達(dá)到頂峰,人們陶醉于“盡善盡美”的境界時(shí),卻出人意料發(fā)生了一系列震驚整個(gè)物理學(xué)界的重大事件.首先是邁克耳遜和莫雷為了尋找地球相對于絕對靜止的以太運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了著名的以太漂移實(shí)驗(yàn),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻同古典理論的預(yù)測相反；在對比熱和熱輻射的研究中又出現(xiàn)了“紫外災(zāi)難”等古典理論不可克服的矛盾.古典物理學(xué)再次受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn),第三次面臨重大的危機(jī).
十九世紀(jì)末,德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了一種能穿透金屬板使底片感光的X射線.不久,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象.居里夫婦受貝克勒爾啟發(fā),發(fā)現(xiàn)了釙、鐳的放射性,并在艱苦的條件下提煉出輻射強(qiáng)度比鈾強(qiáng)200萬倍的鐳元素.1897年,湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子,打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念,電子和元素放射性的發(fā)現(xiàn),打開了原子的大門,使人們的認(rèn)識得以深入到原子的內(nèi)部,這就為量子論的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ).量子論是反映微觀粒子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué).與此同時(shí),在對電磁效應(yīng)和時(shí)空關(guān)系的研究中相對論產(chǎn)生了.相對論將力學(xué)和電磁學(xué)理論以及時(shí)間、空間和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系了起來.這是繼牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁學(xué)以后的又一次物理學(xué)史上的大綜合.量子論和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱,是促成20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛躍發(fā)展的理論基礎(chǔ).
20世紀(jì)四五十年代,第三次科技革命興起.電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用是科技發(fā)展史上一項(xiàng)劃時(shí)代的成就.蒸汽時(shí)代和電氣時(shí)代的技術(shù)發(fā)明大都是延長人的四肢與感官功能,解放人的體力,而電子計(jì)算機(jī)卻是延長了人的腦的功能.它開始替代人的部分腦力勞動(dòng),在一定程度上物化并放大了人類的智力,極大地增強(qiáng)了人類認(rèn)識和改造世界的能力,現(xiàn)在更是廣泛滲透和影響到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域.
當(dāng)今時(shí)代,科技的發(fā)展日新月異,群體化、社會(huì)化、高速化的趨勢和特征異常明顯,我們隨時(shí)可能面臨新的危機(jī),新的挑戰(zhàn),只要我們不斷開拓、不斷創(chuàng)新,科學(xué)的明天一定會(huì)更加美好.