近代自然科學
自然科學發(fā)展史是研究自然科學發(fā)展過程及其規(guī)律的科學.它依據(jù)歷史事實,通過對科學發(fā)展歷史過程的分析來總結科學發(fā)展的歷史經(jīng)驗并揭示其規(guī)律.在漫長的自然科學發(fā)展史上,近代曾出現(xiàn)了三次嚴重的危機,并由此也帶來了三次重大的突破,從而推動自然科學向前進一步發(fā)展.
近代自然科學是以天文學領域的革命為開端的.天文學是一門最古老的科學.在西方,通過畢達哥拉斯、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科.同時,天文學與人們的生產(chǎn)和生活密切相關,人們種田靠天、畜牧靠天、航?？刻?、觀測時間也靠天,這就必然會有力推動天文學的發(fā)展.然而,天文學在當時又是一門十分敏感的學科.在天文學領域,兩種宇宙觀,新舊思想的斗爭十分激烈.特別是到了中世紀后期,天主教會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.這種荒唐說法被當作權威加以崇信之后,托勒密的學說就成為不可懷疑的結果而嚴重阻礙著天文科學的進步.然而,地心說基礎上產(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.”托勒密體系的錯誤日益暴露,人們急需建立新的理論體系.當時,文藝復興正蓬勃開展,它不僅大大解放了人們的思想,同時也推動了近代自然科學的產(chǎn)生.波蘭天文學家哥白尼適應時代要求,他從1506年開始,在弗洛恩堡一所教堂的閣樓上對天象仔細觀察了30年,從而創(chuàng)立了一種天文學的新理論--日心說.1543年,哥白尼公開發(fā)表《天體運行論》,這是近代自然科學誕生的主要標志.日心說的提出恢復了地球普通行星的本來面貌,猛烈地震撼了科學界和思想界,動搖了封建神學的理論基礎,是天文學發(fā)展史上一個重要的里程碑.
這一時期,自然科學的發(fā)展成就輝煌,取得了一系列重大成果.但從宏觀上看,科學發(fā)展是落在生產(chǎn)技術的后面.例如,鐘表在實踐中已廣泛應用,但人們并不懂得由哪些因素決定著鐘表運動的周期；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算出來,命中率如何提高.從微觀上看,古典力學的發(fā)展比較完善.在天體力學中,開普勒發(fā)現(xiàn)了行星運動的三大定律（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《自然哲學的數(shù)學原理》,系統(tǒng)論述了牛頓力學三定律（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.這些定律構成一個統(tǒng)一的體系,把天上的和地上的物體運動概括在一個理論之中.這是人類認識史上對自然規(guī)律的第一次理論性的概括和綜合.但這一時期其他學科還很落后,主要是在收集材料,積累經(jīng)驗,進行分門別類的初步整理.例如,18世紀,瑞典生物學家林耐就曾致力于對植物的分類,他寫了《自然系統(tǒng)》一書,使雜亂無章的關于植物方面的知識形成了完整的系統(tǒng).在化學領域,英國科學家波義耳把嚴密的實驗方法引入化學,他被稱為近代化學的創(chuàng)始人.德國科學家斯塔爾提提出燃素說來解釋化學反應,燃素說作為化學的理論成果統(tǒng)治了化學界近100年.
科學的發(fā)展不是憑空進行,而是必須以已有的科學成果為發(fā)展的起點.當時已有的天文學數(shù)學知識為力學的發(fā)展創(chuàng)造了前提,而力學發(fā)展較完善的狀況又促成了哲學史上機械自然觀的形成.因為,從人的認識規(guī)律來看,人類對客觀事物的認識總是從認識簡單事物進而深化認識復雜事物的,認識機械運動是科學認識的第一任務.在科學認識第一階段,暫時把事物看成彼此無關的固定不變的東西進行研究是可以理解的,一旦科學家們把一切高級復雜運動都簡單類比為機械運動,并且把力學中的外力照搬過來,就變成了否認事物內(nèi)部矛盾的機械外因論.他們認為,自然界絕對不變,自然界只是在空間上擴張,展現(xiàn)其多樣性,而在時間上沒有變化,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行,由于它不承認物質(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,自然科學又回到了神學之中.
1755年,德國著名哲學家康德出版了《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》寫的一篇導言中,給予康德的星云假說極高的評價.說它“包含著一切繼續(xù)前進的起點.”因為既然地球是隨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.“如果立即沿著這個方向堅決地繼續(xù)研究下去,那么,自然科學現(xiàn)在就會進步得多.”康德的星云假說有力沖擊了形而上學的機械自然觀,是繼哥白尼天文學革命后的又一次科學革命.
18世紀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革命.不過,在第一次工業(yè)革命期間,許多技術發(fā)明大都來源于工匠的實踐經(jīng)驗,科學和技術尚未真正結合.總之,在18世紀中葉以前,自然科學研究主要是運用觀察、實驗、分析、歸納等經(jīng)驗方法達到記錄、分類,積累現(xiàn)象知識的目的.在18世紀中葉以后,由于啟蒙運動的發(fā)展,“自然科學便走進了理論的領域而在這里經(jīng)驗的方法就不中用了,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行抽象和概括,建立概念,并運用概念進行判斷和推理,提出科學假說,進而建立理論或理論體系.19世紀道爾頓的原子論,阿佛加德羅的分子學說,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,由于自然科學不斷揭示出自然過程的辨證性質(zhì),才最終在哲學領域敲響了形而上學的喪鐘.
19世紀是科學時代的開始.在天文學領域,科學家們開始論及太陽系的起源和演化.在地質(zhì)學領域,英國的地質(zhì)學家賴爾提出地質(zhì)漸變理論.在生物學領域,細胞學說、生物進化論,孟德爾的遺傳規(guī)律相繼被發(fā)現(xiàn).在化學領域,原子-分子論被科學肯定；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系》的論文.在文中,門捷列夫預言了十一種未知元素的存在,并在以后被一一證實.十九世紀最重大的科學成就是電磁學理論的建立和發(fā)展.
在19世紀之前,人們基本上認為電與磁是兩種不同現(xiàn)象,但人們也發(fā)現(xiàn)兩者之間可能會存在某種聯(lián)系,因為水手們不止一次看到,打雷時羅盤上的磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn).1820年7月,丹麥教授奧斯特通過實驗證實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.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)力是牛頓力學所無法解釋的,這樣,一門新學科?電磁學誕生了.
奧斯特的發(fā)現(xiàn)震動了物理學界,科學家們紛紛做各種實驗,力求搞清電與磁的關系.法國的安培提出了電動力學理論.英國化學家、物理學家? ɡ?苡?831年總結出電磁感應定律,1845年他還發(fā)現(xiàn)了“磁光效應”,播下了電、磁、光統(tǒng)一理論的種子.但法拉弟的學說都是用直觀的形式表達的,缺少精確的數(shù)學語言.后來,英國物理學家麥克斯韋克服了這一缺點,他于1865年根據(jù)庫侖定律、安培力公式、電磁感應定律等經(jīng)驗規(guī)律,運用矢量分析的數(shù)學手段,提出了真空中的電磁場方程.以后,麥克斯韋又推導出電磁場的波動方程,還從波動方程中推論出電磁波的傳播速度剛好等于光速,并預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,德國科學家赫茲證實了麥克斯韋電磁波的存在.利用赫茲的發(fā)現(xiàn),意大利物理學家馬可尼、俄國的波波夫先后分別實現(xiàn)了無線電的傳播和接受,使有線電報逐漸發(fā)展成為無線電通訊.所有這些電器設備都需要大量的電,這遠遠不是微弱的電池所能提供的.1866年,第一臺自激式發(fā)電機問世使電流強度大大提高.70年代,歐洲開始進入電力時代.80年代還建成了中心發(fā)電站,并解決了遠距離輸電問題.電力的廣泛應用是繼蒸汽機之后近代史上的第二次科技革命.電磁學的發(fā)展為這次科技革命提供了重要的理論準備.由于自然科學的新發(fā)現(xiàn)被迅速應用于生產(chǎn),第二次工業(yè)革命在歐美國家蓬勃興起.
19世紀,自然科學在多個領域取得了輝煌的成就.物理學中一切基本問題在牛頓力學的基礎上都已基本上得到解決,科學家們給牛頓力學本來解釋不了的電磁現(xiàn)象虛構了一個物質(zhì)承擔者--以太.把電磁現(xiàn)象歸結為以太的機械運動,他們認為整個物理世界都可以歸結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.
正當古典物理學達到頂峰,人們陶醉于“盡善盡美”的境界時,卻出人意料發(fā)生了一系列震驚整個物理學界的重大事件.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動進行了著名的以太漂移實驗,但實驗結果卻同古典理論的預測相反；在對比熱和熱輻射的研究中又出現(xiàn)了“紫外災難”等古典理論不可克服的矛盾.古典物理學再次受到嚴重的挑戰(zhàn),第三次面臨重大的危機.
十九世紀末,德國物理學家倫琴發(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度比鈾強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.量子論是反映微觀粒子結構及其運動規(guī)律的科學.與此同時,在對電磁效應和時空關系的研究中相對論產(chǎn)生了.相對論將力學和電磁學理論以及時間、空間和物質(zhì)的運動聯(lián)系了起來.這是繼牛頓力學、麥克斯韋電磁學以后的又一次物理學史上的大綜合.量子論和相對論是現(xiàn)代物理學的兩大支柱,是促成20世紀科學技術飛躍發(fā)展的理論基礎.
20世紀四五十年代,第三次科技革命興起.電子計算機的發(fā)明和應用是科技發(fā)展史上一項劃時代的成就.蒸汽時代和電氣時代的技術發(fā)明大都是延長人的四肢與感官功能,解放人的體力,而電子計算機卻是延長了人的腦的功能.它開始替代人的部分腦力勞動,在一定程度上物化并放大了人類的智力,極大地增強了人類認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的各個領域.
當今時代,科技的發(fā)展日新月異,群體化、社會化、高速化的趨勢和特征異常明顯,我們隨時可能面臨新的危機,新的挑戰(zhàn),只要我們不斷開拓、不斷創(chuàng)新,科學的明天一定會更加美好.