近代自然科学发展史

自然科学发展史是研究自然科学发展过程及其规律的科学.它依据历史事实,通过对科学发展历史过程的分析来总结科学发展的历史经验并揭示其规律.在漫长的自然科学发展史上,近代曾出现了三次严重的危机,并由此也带来了三次重大的突破,从而推动自然科学向前进一步发展.
近代自然科学是以天文学领域的革命为开端的.天文学是一门最古老的科学.在西方,通过毕达哥拉斯、柏拉图、喜帕恰斯、托勒密等人的研究,已经提出了几种不同的理论体系,成为一门最具理论色彩,又是提出理论模型最多的一门学科.同时,天文学与人们的生产和生活密切相关,人们种田靠天、畜牧靠天、航海靠天、观测时间也靠天,这就必然会有力推动天文学的发展.然而,天文学在当时又是一门十分敏感的学科.在天文学领域,两种宇宙观,新旧思想的斗争十分激烈.特别是到了中世纪后期,天主教会还别有用心地为托勒密的地心说披上了一层神密的面纱.硬说地球处于宇宙中心,证明了上帝的智慧,上帝把人派到地上来统治万物,就一定让人类的住所?地球处于宇宙中心.这种荒唐说法被当作权威加以崇信之后,托勒密的学说就成为不可怀疑的结果而严重阻碍着天文科学的进步.然而,地心说基础上产生的儒略历在325年被确定为基督教的历法后,它的微小误差经过长时间的积累已经到了不可忽视的地步,同观测资料大相径庭.葡萄牙一位亲王的船长曾说:“尽管我们对有名的托勒密十分敬仰,但我们发现,事事都和他说的相反.”托勒密体系的错误日益暴露,人们急需建立新的理论体系.当时,文艺复兴正蓬勃开展,它不仅大大解放了人们的思想,同时也推动了近代自然科学的产生.波兰天文学家哥白尼适应时代要求,他从1506年开始,在弗洛恩堡一所教堂的阁楼上对天象仔细观察了30年,从而创立了一种天文学的新理论--日心说.1543年,哥白尼公开发表《天体运行论》,这是近代自然科学诞生的主要标志.日心说的提出恢复了地球普通行星的本来面貌,猛烈地震撼了科学界和思想界,动摇了封建神学的理论基础,是天文学发展史上一个重要的里程碑.
这一时期,自然科学的发展成就辉煌,取得了一系列重大成果.但从宏观上看,科学发展是落在生产技术的后面.例如,钟表在实践中已广泛应用,但人们并不懂得由哪些因素决定着钟表运动的周期；在战争发射了无数的子弹和炮弹,却搞不清怎样才能把弹道计算出来,命中率如何提高.从微观上看,古典力学的发展比较完善.在天体力学中,开普勒发现了行星运动的三大定律（椭圆定律、面积定律、周期定律）；1632年,伽利略发现了自由落体定律；1687年,牛顿发表《自然哲学的数学原理》,系统论述了牛顿力学三定律（惯性定律、作用力反作用力定律、加速度定律）和万有引力定律.这些定律构成一个统一的体系,把天上的和地上的物体运动概括在一个理论之中.这是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合.但这一时期其他学科还很落后,主要是在收集材料,积累经验,进行分门别类的初步整理.例如,18世纪,瑞典生物学家林耐就曾致力于对植物的分类,他写了《自然系统》一书,使杂乱无章的关于植物方面的知识形成了完整的系统.在化学领域,英国科学家波义耳把严密的实验方法引入化学,他被称为近代化学的创始人.德国科学家斯塔尔提提出燃素说来解释化学反应,燃素说作为化学的理论成果统治了化学界近100年.
科学的发展不是凭空进行,而是必须以已有的科学成果为发展的起点.当时已有的天文学数学知识为力学的发展创造了前提,而力学发展较完善的状况又促成了哲学史上机械自然观的形成.因为,从人的认识规律来看,人类对客观事物的认识总是从认识简单事物进而深化认识复杂事物的,认识机械运动是科学认识的第一任务.在科学认识第一阶段,暂时把事物看成彼此无关的固定不变的东西进行研究是可以理解的,一旦科学家们把一切高级复杂运动都简单类比为机械运动,并且把力学中的外力照搬过来,就变成了否认事物内部矛盾的机械外因论.他们认为,自然界绝对不变,自然界只是在空间上扩张,展现其多样性,而在时间上没有变化,没有发展的历史.不变的行星一定始终不变地绕着不变的太阳运行,由于它不承认物质的发展,不能回答自然界的一切从何而来,最后只能搬用神的创造力来解释,自然科学又回到了神学之中.
1755年,德国著名哲学家康德出版了《宇宙发展史概论》,书中提出了著名的星云假说.康德的星云假说能较好解释太阳系的某些现象.他认为,太阳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渐聚集而成的.宇宙中的万事万物有生有死,而发展是永无止境的.恩格斯1875年为《自然辩证法》写的一篇导言中,给予康德的星云假说极高的评价.说它“包含着一切继续前进的起点.”因为既然地球是随着太阳系的形成而逐渐形成和发展起来的,那么,地球上的万物山川、动物和植物,自然也有它逐渐形成和发展的历史.“如果立即沿着这个方向坚决地继续研究下去,那么,自然科学现在就会进步得多.”康德的星云假说有力冲击了形而上学的机械自然观,是继哥白尼天文学革命后的又一次科学革命.
18世纪60年代,英国开始了工业革命,这也是近代以来的第一次技术革命.不过,在第一次工业革命期间,许多技术发明大都来源于工匠的实践经验,科学和技术尚未真正结合.总之,在18世纪中叶以前,自然科学研究主要是运用观察、实验、分析、归纳等经验方法达到记录、分类,积累现象知识的目的.在18世纪中叶以后,由于启蒙运动的发展,“自然科学便走进了理论的领域而在这里经验的方法就不中用了,在这里只有理性思维才能有所帮助.”理性思维就是对感性材料进行抽象和概括,建立概念,并运用概念进行判断和推理,提出科学假说,进而建立理论或理论体系.19世纪道尔顿的原子论,阿佛加德罗的分子学说,门捷列夫的元素周期律以及康德的星云假说开始都是以假说形式出现的.不过,康德的星云假说一开始没有得到人们的重视,直到19世纪,由于自然科学不断揭示出自然过程的辨证性质,才最终在哲学领域敲响了形而上学的丧钟.
19世纪是科学时代的开始.在天文学领域,科学家们开始论及太阳系的起源和演化.在地质学领域,英国的地质学家赖尔提出地质渐变理论.在生物学领域,细胞学说、生物进化论,孟德尔的遗传规律相继被发现.在化学领域,原子-分子论被科学肯定；拉瓦锡推翻了燃素说,并成为发现质量守恒定律的第一人； 1869年,俄国化学家门捷列夫发表了元素周期律的图表和《元素属性和原子量的关系》的论文.在文中,门捷列夫预言了十一种未知元素的存在,并在以后被一一证实.十九世纪最重大的科学成就是电磁学理论的建立和发展.在19世纪之前,人们基本上认为电与磁是两种不同现象,但人们也发现两者之间可能会存在某种联系,因为水手们不止一次看到,打雷时罗盘上的磁针会发生偏转.1820年7月,丹麦教授奥斯特通过实验证实了电与磁的相互作用,他指出磁针的指向同电流的方向有关.这说明自然界除了沿物体中心线起作用的力以外,还存在着旋转力,而这种旋转力是牛顿力学所无法解释的,这样,一门新学科?电磁学诞生了.
奥斯特的发现震动了物理学界,科学家们纷纷做各种实验,力求搞清电与磁的关系.法国的安培提出了电动力学理论.英国化学家、物理学家? ɡ 苡?831年总结出电磁感应定律,1845年他还发现了“磁光效应”,播下了电、磁、光统一理论的种子.但法拉弟的学说都是用直观的形式表达的,缺少精确的数学语言.后来,英国物理学家麦克斯韦克服了这一缺点,他于1865年根据库仑定律、安培力公式、电磁感应定律等经验规律,运用矢量分析的数学手段,提出了真空中的电磁场方程.以后,麦克斯韦又推导出电磁场的波动方程,还从波动方程中推论出电磁波的传播速度刚好等于光速,并预言光也是一种电磁波.这就把电、磁、光统一起来了,这是继牛顿力学以后又一次对自然规律的理论性概括和综合.
1888年,德国科学家赫兹证实了麦克斯韦电磁波的存在.利用赫兹的发现,意大利物理学家马可尼、俄国的波波夫先后分别实现了无线电的传播和接受,使有线电报逐渐发展成为无线电通讯.所有这些电器设备都需要大量的电,这远远不是微弱的电池所能提供的.1866年,第一台自激式发电机问世使电流强度大大提高.70年代,欧洲开始进入电力时代.80年代还建成了中心发电站,并解决了远距离输电问题.电力的广泛应用是继蒸汽机之后近代史上的第二次科技革命.电磁学的发展为这次科技革命提供了重要的理论准备.由于自然科学的新发现被迅速应用于生产,第二次工业革命在欧美国家蓬勃兴起.
19世纪,自然科学在多个领域取得了辉煌的成就.物理学中一切基本问题在牛顿力学的基础上都已基本上得到解决,科学家们给牛顿力学本来解释不了的电磁现象虚构了一个物质承担者--以太.把电磁现象归结为以太的机械运动,他们认为整个物理世界都可以归结为绝对不可分的原子和绝对禁止的以太这两种物质始原.
正当古典物理学达到顶峰,人们陶醉于“尽善尽美”的境界时,却出人意料发生了一系列震惊整个物理学界的重大事件.首先是迈克耳逊和莫雷为了寻找地球相对于绝对静止的以太运动进行了著名的以太漂移实验,但实验结果却同古典理论的预测相反；在对比热和热辐射的研究中又出现了“紫外灾难”等古典理论不可克服的矛盾.古典物理学再次受到严重的挑战,第三次面临重大的危机.
十九世纪未,德国物理学家伦琴发现了一种能穿透金属板使底片感光的X射线.不久,贝克勒尔发现了放射性现象.居里夫妇受贝克勒尔启发,发现了钋、镭的放射性,并在艰苦的条件下提炼出辐射强度比铀强200万倍的镭元素.1897年,汤姆生发现了电子,打破了原子不可分的传统观念,电子和元素放射性的发现,打开了原子的大门,使人们的认识得以深入到原子的内部,这就为量子论的创立奠定了基础.量子论是反映微观粒子结构及其运动规律的科学.与此同时,在对电磁效应和时空关系的研究中相对论产生了.相对论将力学和电磁学理论以及时间、空间和物质的运动联系了起来.这是继牛顿力学、麦克斯韦电磁学以后的又一次物理学史上的大综合.量子论和相对论是现代物理学的两大支柱,是促成20世纪科学技术飞跃发展的理论基础.
20世纪四五十年代,第三次科技革命兴起.电子计算机的发明和应用是科技发展史上一项划时代的成就.蒸汽时代和电气时代的技术发明大都是延长人的四肢与感官功能,解放人的体力,而电子计算机却是延长了人的脑的功能.它开始替代人的部分脑力劳动,在一定程度上物化并放大了人类的智力,极大地增强了人类认识和改造世界的能力,现在更是广泛渗透和影响到人类社会的各个领域.
当今时代,科技的发展日新月异,群体化、社会化、高速化的趋势和特征异常明显,我们随时可能面临新的危机,新的挑战,只要我们不断开拓、不断创新,科学的明天一定会更加美好.