【正文】 第五章：現(xiàn)代科學(xué)的大發(fā)展第一節(jié) 物理學(xué)的全面發(fā)展 在牛頓《原理》出版后的近半個(gè)世紀(jì)中，除了流體力學(xué)和彈性理論之外，沒有人提出過新的力學(xué)原理，萬有引力理論乃至理論天文學(xué)本身也沒有什么重要進(jìn)展。這也許是因?yàn)橄环N造成自然科學(xué)革命的理論需要時(shí)間的緣故。力學(xué)由“革命時(shí)期”的質(zhì)變而轉(zhuǎn)入“常規(guī)時(shí)期”的量變，這是理論自身不斷完善的過程，它主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，是力學(xué)“在牛頓定律基礎(chǔ)上的一種演繹的、形式的和數(shù)學(xué)的發(fā)展其二，是牛頓力學(xué)的外展式應(yīng)用。 有人講牛頓的威望反而使英國此后的科學(xué)毫無成果，這是英國人的保守態(tài)度所致。從歷史來看，牛頓的《原理》沒有用他發(fā)明的數(shù)學(xué)分析方法——微積分方法，而是用幾何方法表述與論證的；加之他的流數(shù)法在符號(hào)上的不方便，不僅使得他的分析法甚至在英國都沒有很好地普及，同時(shí)也使他的《原理》本身的傳播和普及受到阻礙。英國著名哲學(xué)家G．貝克萊(G．Berkeley，1685～1753)就是激烈攻擊牛頓數(shù)學(xué)分析的代表人物之一。不過，他的批判后來卻在法國刺激了達(dá)蘭貝爾(d’Alembert，1717～1783)和柯西(A．LCauchy，1789—1857)等人，使之在發(fā)展微積分和極限理論的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了牛頓力學(xué)的形式化發(fā)展。18世紀(jì)中葉以后，達(dá)蘭貝爾的《力學(xué)原理》(1743)、歐拉(Leonhard Euler，1707—1783)的剛體和流體運(yùn)動(dòng)方程(1759，1761)、拉格朗日(J．L．La—grange，1736～1813)的《解析力學(xué)》(1788)和拉普拉斯(Laplace，1749～1827)的《天體力學(xué)》等相繼問世，這些著作高度的展開并完善了牛頓理論，其中數(shù)學(xué)分析方法成了理性向自然界逼近的銳不可擋的武器。 自《原理》發(fā)表以后，如此眾多的現(xiàn)象通過經(jīng)典力學(xué)、特別是引力理論的應(yīng)用而被解釋。牛頓理論證明了為什么物體在不同高度和緯度，其下落速率會(huì)發(fā)生變化。它還解釋了月球的規(guī)則運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則運(yùn)動(dòng)問題。它提供了理解和預(yù)報(bào)潮汐現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)，并揭示了地球的歲差率現(xiàn)象是月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鹛幬慕Y(jié)果。對(duì)牛頓理論的最成功的應(yīng)用，是哈雷彗星的預(yù)言。哈雷(，1656～1742)通過對(duì)1682年大彗星的觀測(cè)與研究認(rèn)為，不僅是行星，而且彗星同樣在萬有引力作用下運(yùn)動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)1531年、1607年、1682年的三個(gè)彗星的軌道非常相似，而推斷它們是同一個(gè)彗星，并計(jì)算出其接近地球的周期為75～76年，因此預(yù)言下一次彗星出現(xiàn)在1758年。盡管在此之后的1740年他以87歲的高齡去世了，但后來以他的名字命名的這顆大彗星于1758年圣誕之夜如期地光臨地球上空。然而，比哈雷彗星的成功預(yù)言更加輝煌和振奮人心的還是海王星的發(fā)現(xiàn)。英國青年亞當(dāng)斯和法國青年勒維列分別獨(dú)立地根據(jù)萬有引力定律和攝動(dòng)理論研究推導(dǎo)出未知行星的位置。在計(jì)算結(jié)果送給柏林的加勒(1812—1910)的當(dāng)天晚上，就在預(yù)測(cè)的位置上找到了這顆后來被命名為海王星的行星。這一事件宣告了牛頓力學(xué)的最終勝利，使它成為所有科學(xué)的模式；而在科學(xué)外部，則逐漸表現(xiàn)出牛頓的革命意識(shí)。 經(jīng)典力學(xué)作為形而上學(xué)模式牛頓和他的同時(shí)代人約翰?洛克(JohnLocke，1632～1704)是偉大的新思想的象征。這種新思想孕育了在思想信仰和習(xí)慣勢(shì)力領(lǐng)域中的革命，它標(biāo)志著以啟蒙運(yùn)動(dòng)為起點(diǎn)的新時(shí)代的到來。正如一位學(xué)者所說：“牛頓思想的影響是巨大的。整個(gè)啟蒙運(yùn)動(dòng)的綱領(lǐng)(尤其是在法國)是自覺地建立在牛頓的原理和方法的基礎(chǔ)上的，這在后來則轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞣浆F(xiàn)代文化。道德、政治、技術(shù)、歷史、社會(huì)等等的某些中心概念和發(fā)展方向，沒有哪一個(gè)思想和生活地域能夠逃脫這種文化轉(zhuǎn)變的影響?！薄Ｒ话阏f來，牛頓的經(jīng)典力學(xué)的形而上學(xué)模式有三個(gè)特點(diǎn)：首先，牛頓模式中包含一種依靠一個(gè)個(gè)事實(shí)的實(shí)證與歸納達(dá)到原理方法，這種方法的實(shí)質(zhì)是只能問“怎么樣”(How)，而不能問“為什么Why)。因?yàn)閱栐驓w根結(jié)底就是問第一原理，那就等于探索創(chuàng)造的神秘。正如法國啟蒙運(yùn)動(dòng)領(lǐng)袖之一伏爾泰所說：“任何第一原理，我們也可能認(rèn)識(shí)。”盡管牛頓晚年為了解釋造成行星橢圓軌道的切向力來源，曾提出“上帝的第一推動(dòng)”的神學(xué)思想，但他認(rèn)為創(chuàng)造后的宇宙不再受神的任何統(tǒng)制。因此牛頓模式的形成客觀上有助于啟蒙運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)袖們切斷神學(xué)與自然科學(xué)聯(lián)結(jié)的紐帶。除了實(shí)證與歸納之外，牛頓模式的又一精髓則是把數(shù)學(xué)作為開啟宇宙秘密的鑰匙，因?yàn)閿?shù)學(xué)結(jié)論的優(yōu)點(diǎn)在于它的普遍性。在這種模式看來，整個(gè)自然界的符合機(jī)械原理的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)完全可用數(shù)學(xué)來描述，空間與幾何學(xué)領(lǐng)域變成了一個(gè)東西，時(shí)間則與數(shù)的連續(xù)變成了一個(gè)東西。外部世界于是成為一個(gè)量的世界，一個(gè)可用數(shù)學(xué)計(jì)算的運(yùn)動(dòng)的世界。這種由伽利略奠基而由牛頓完成的模式統(tǒng)治自然科學(xué)達(dá)三個(gè)世紀(jì)之久。最后，由于牛頓經(jīng)典力學(xué)是當(dāng)時(shí)自然科學(xué)惟一上升為理論層次的學(xué)科，加之它所取得的輝煌成功，使力的概念以及由波義耳開始到牛頓完成的關(guān)于物質(zhì)理論的微粒(素)學(xué)說被眾多學(xué)科所運(yùn)用，“力”和“素”的概念超出了力學(xué)、光學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域而被賦予一般方法論意義。比如，用熱素來解釋熱的本質(zhì)，用燃素來解釋燃燒的本質(zhì)，以及用彈性素、磁素等莫須有的“素”來解釋振動(dòng)和磁等各種現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)；又比如，在運(yùn)動(dòng)的原因問題上，以各種不存在的“力”(化學(xué)親和力、電接觸力、生命力等)來解釋各種運(yùn)動(dòng)過程的本質(zhì)，這是統(tǒng)治一個(gè)時(shí)代的形而上學(xué)自然觀的機(jī)械論特征。 真空與流體力學(xué)除了剛體力學(xué)外，近代力學(xué)的又一分支是流體力學(xué)。在流體力學(xué)方面作出貢獻(xiàn)的主要代表人物有西蒙?斯臺(tái)文、托里拆利(，1608—1647)、帕斯卡、蓋里克(O．Guericke，1602—1686)和波義耳(R．Boyle，1627—1691)等人。斯臺(tái)文作為近代力學(xué)先驅(qū)曾發(fā)現(xiàn)過若干重要的流體靜力學(xué)定律。例如，他用實(shí)驗(yàn)演示了所謂“流體靜力學(xué)悖論”：液體對(duì)盛放液體的容器的底所施的力只取決于承受壓力的面積大小和它上面的液柱的高度，而與容器的形狀無關(guān)。此外，他還隱含地假設(shè)了后來由帕斯卡提出的原理：流體中任何一點(diǎn)處的壓強(qiáng)各向相等。最后，他還研究了浮動(dòng)物體的平衡條件，他發(fā)現(xiàn)這種物體的重心必定和所排開的流體的重心(即“浮心”)在同一垂直線上。這個(gè)時(shí)期的流體力學(xué)與技術(shù)發(fā)展聯(lián)系密切。伽利略在1638年注意到，在超過18腕尺(約10米)的深井里，泵就不能起作用了。他說這里顯現(xiàn)了對(duì)自然真空的抵抗力的限度，從中不難看出亞里士多德關(guān)于“大自然厭惡真空”的觀點(diǎn)的痕跡。對(duì)這種現(xiàn)象第一個(gè)作出科學(xué)解釋的是伽利略的學(xué)生托里拆利。他拋棄了亞里士多德的學(xué)說，也沒有依靠與其相對(duì)立的同樣形而上學(xué)的原子論解釋。他與伽利略的另一學(xué)生維維安尼(V．Viviani，1622～1703)一起于1643年使用比水的比重大13．6倍的水銀，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，說明管內(nèi)水銀柱上部形成的真空是大氣壓力起作用的緣故。托里拆利認(rèn)為，汞柱高度日常的微小變動(dòng)是大氣壓變化的結(jié)果。這個(gè)假設(shè)由于他的早逝而未能證實(shí)。他們用來做實(shí)驗(yàn)的設(shè)備后來稱為“托里拆利氣壓計(jì)”或“托里拆利管”，管子頂部留下的空間被稱為“托里拆利真空”。托里拆利還創(chuàng)立了流體動(dòng)力學(xué)。他在1644年《幾何學(xué)著作》一書中證明了，從一個(gè)充滿水的容器側(cè)壁的一個(gè)孔噴出的水柱的路徑呈拋物線狀，射流的速度及單位時(shí)間流量和一個(gè)物體從水面高度自由落到孔的高度時(shí)所達(dá)到的速度成正比，因而也和水柱在孔上面的高度的平方根成正比。帕斯卡在托里拆利逝世不久，不僅用汞和水重復(fù)做了托里拆利實(shí)驗(yàn)，而且于1648年即托里拆利逝世后的第二年在其姻弟佩里埃的幫助下沿著海拔1 648米的多姆山的山坡從山腳到山頂設(shè)置若干觀測(cè)站，每站安裝一個(gè)托里拆利氣壓計(jì)。他們發(fā)現(xiàn)，汞柱的高度隨著站的高度的增加而遞減，同時(shí)，即使在山腳下的氣壓計(jì)也不時(shí)有微小變化。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有力地證實(shí)了托里拆利的假設(shè)。佩里埃建議用數(shù)字列表表明氣壓計(jì)汞柱高隨著海拔高度的變化。帕斯卡提出把氣壓汁作為測(cè)量高度的儀器，此外，帕斯卡對(duì)流體力學(xué)的主要貢獻(xiàn)是提出了著名的“帕斯卡定律”，即：流體中任何點(diǎn)上的壓強(qiáng)必然按原來的大小向各方向傳遞。在同一時(shí)期，法國馬德堡市市長蓋里克嘗試了用泵排除空氣形成真空的實(shí)驗(yàn)。他先后發(fā)明了三種抽氣機(jī)，其中最后設(shè)計(jì)的改良抽氣機(jī)同波義耳發(fā)明的抽氣機(jī)之間有相互啟發(fā)的關(guān)系。抽氣機(jī)的發(fā)明與改進(jìn)，對(duì)于氣體物理性質(zhì)的研究具有至關(guān)重要的意義。1654年蓋里克公開表演了用16匹馬拉開排除了空氣的兩個(gè)銅半球(被命名為“馬德堡半球”)。波義耳得知此實(shí)驗(yàn)后利用自制的抽氣泵進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，從而創(chuàng)立了“空氣的收縮與壓縮的力成正比”的波義耳定律。哈雷以這一定律為根據(jù)終于實(shí)現(xiàn)了佩里埃的建議，列出了第一個(gè)氣壓對(duì)高度關(guān)系表；而牛頓把氣體粒子假定為靜止的彈簧從而推導(dǎo)出了波義耳定律。此外，蓋里克還制造了高達(dá)四層樓左右的水氣壓計(jì)。他還根據(jù)氣壓變化同天氣變化之間的關(guān)系，預(yù)報(bào)了1660年的一次嚴(yán)重風(fēng)暴。 熱學(xué)的起步在近代，對(duì)熱現(xiàn)象的研究是從測(cè)量“熱度”開始的。在科學(xué)地定義溫度概念以前，人們往往將溫度的變化和物體所含熱量的多少混為——談，均用“熱度”來表示。為了能精確地測(cè)量熱度，許多科學(xué)家都致力于溫度計(jì)的研制。我們?cè)谫だ詴r(shí)代的測(cè)溫器中看到了溫度汁的原始形式，與之相比較，法國的吉永?阿蒙頓大約在1700年發(fā)明的空氣溫度計(jì)，是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)步。德國人丹尼爾?加比爾?華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit．1686—1736)是華氏溫度計(jì)的制造者。以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為固定點(diǎn)的百分溫標(biāo)，是1742年由瑞典人安德斯?攝爾絮斯(AndersCelsius，1701—1744)采用的。至于在0和100之間插入數(shù)值的精確性問題，1 9世紀(jì)才被提出和加以研究。直到18世紀(jì)，自然科學(xué)才區(qū)分開熱量和溫度；而“冷”這個(gè)術(shù)語，直到19世紀(jì)才從科學(xué)的詞匯中最后消失。力學(xué)已經(jīng)達(dá)到能夠計(jì)算行星運(yùn)動(dòng)的階段時(shí)熱學(xué)理論仍然處在原始的水平。對(duì)于熱的本質(zhì)問題，整個(gè)17世紀(jì)相當(dāng)普遍地認(rèn)為是由物體的最小粒子的運(yùn)動(dòng)而形成的。培根在《新工具》中正確地指出：“熱是向外擴(kuò)張而又受了限制的一種運(yùn)動(dòng)，熱的精英和本質(zhì)就是運(yùn)動(dòng)，并不是別的?！奔s翰?洛克也說明：“熱是物體中各部分難以察覺的非常活潑的攪動(dòng)，我們所感覺的熱，除了物體中的運(yùn)動(dòng)以外，別無其他。”，這個(gè)熱的概念是非?，F(xiàn)代化的但又是思辨的，因此不難理解它為什么會(huì)在18世紀(jì)被熱質(zhì)說所代替。在對(duì)熱現(xiàn)象進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上，英國化學(xué)家布萊克等人提出了熱質(zhì)(素)說。這種學(xué)說認(rèn)為：熱是一種流體，它可以滲透到物體中去并在熱交換中從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體；加熱就是給一定物體增加熱質(zhì)，而冷卻則是從該物體放出熱質(zhì)；盡管在熱交換前后，物體中的含量有所改變，但它們的總量是守恒的。熱質(zhì)說能解釋許多已知的熱現(xiàn)象，因而在18世紀(jì)成為一種主流的理論，它的確立和當(dāng)時(shí)的科學(xué)發(fā)展水平和機(jī)械自然觀有很大的關(guān)系。直到19世紀(jì)，熱質(zhì)說才讓位于熱是能的一種形式的觀念。今天已成為熱力學(xué)的基本課題—一一熱的定量測(cè)定，直到19世紀(jì)才開始。蘇格蘭的約瑟夫?布萊克(JosephBlack，1728—1799)在溫度和熱量之間，畫出一條明顯的界限；他引入了卡路里、比熱、熱容量、熔解熱和潛熱等術(shù)語。他的研究是按照熱質(zhì)說進(jìn)行的，并使熱質(zhì)說幾乎得到完全普遍的承認(rèn)。與此同時(shí)，熱的唯動(dòng)說還沒有完全被放棄。丹尼爾。伯努利(Danier Bernouli，1700—1782)的《流體動(dòng)力學(xué)》(1738)與當(dāng)時(shí)流行的觀點(diǎn)相反，它把熱歸結(jié)為分子的相互排斥。他利用數(shù)學(xué)推理，成功地推導(dǎo)了波義耳和馬略特定律，論證了壓強(qiáng)和分子速度的平方成比例，證實(shí)了阿蒙頓實(shí)驗(yàn)：當(dāng)密閉的定量氣體的溫度增加某—數(shù)值時(shí)，氣體壓強(qiáng)的增加和密度成比例?？墒钱?dāng)時(shí)熱質(zhì)說占優(yōu)勢(shì)，擁護(hù)者中包括權(quán)威拉瓦錫，他甚至把卡路里納入化學(xué)元素表。拉瓦錫、皮埃爾?西蒙和拉普拉斯由于用冰量熱器進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)量熱術(shù)作出了貢獻(xiàn)。18世紀(jì)末，美國人本杰明?湯姆遜即倫福德(Bejamin Thomp—son，即Rumford，1753—1814)批判了熱質(zhì)說。為此，他對(duì)摩擦所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行了廣泛的測(cè)量。焦耳從這些測(cè)量數(shù)據(jù)中，推導(dǎo)出熱功當(dāng)量的數(shù)值。倫福德證明，加熱金屬球時(shí)，其重量不變。他推論，如果熱全然是一種物質(zhì)，那么無論如何，它必是沒有重量的一種物質(zhì)。漢弗萊?戴維支持倫福德對(duì)熱質(zhì)說的批判，他認(rèn)為熱素是不存在的，熱現(xiàn)象的直接原因是運(yùn)動(dòng)。直至19世紀(jì)前10年，熱質(zhì)說和熱的唯動(dòng)說的爭(zhēng)論仍未停止，熱質(zhì)說仍占優(yōu)勢(shì)。提出“卡諾循環(huán)”概念的卡諾在研究熱機(jī)效率問題時(shí)還用熱素的撞擊來解釋熱機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但后來(1S27—1830年左右)他終于放棄了熱質(zhì)論，認(rèn)為熱是動(dòng)力(能量)，是改變丁形式的運(yùn)動(dòng)。直至克勞修斯證明理想氣體的絕對(duì)溫度是由分子的平均動(dòng)能所決定，焦耳確立了熱功當(dāng)量，以及能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的提出，才牢固地確立了熱的唯動(dòng)說。 從靜電到動(dòng)電的研究古代人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)摩擦生電的現(xiàn)象，但直至17世紀(jì)上半葉對(duì)電的認(rèn)識(shí)仍無新的進(jìn)展。1672年奧?馮?蓋里克在一本書中描述了一臺(tái)早期的摩擦起電機(jī)；1709年弗?豪克斯貝（,16871763）在《物理數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)》中談到摩擦旋轉(zhuǎn)著的玻璃球、封蠟或硫磺球會(huì)產(chǎn)生火花的實(shí)驗(yàn)。1729年英國的斯蒂芬?格雷（Stephen Gray,16701736）對(duì)這些觀察結(jié)果作出了解釋，并把物體分為導(dǎo)體和絕緣體。1746年荷蘭萊頓大學(xué)教授馬森布羅克（16921761）在18世紀(jì)起電機(jī)和法國杜菲（,16981739）發(fā)明驗(yàn)電計(jì)的基礎(chǔ)上，制造了能蓄電的工具萊頓瓶，為靜電學(xué)的研究創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)條件。18世紀(jì)對(duì)電現(xiàn)象的研究中更值得一提的是曾作為美國《獨(dú)立宣言》起草人之一的弗蘭克林（Benjamin Frankin,17061790）。他提出了關(guān)于單電流體的一元論，認(rèn)為所有物體都包含有一種電流體，這種電流體超量則物體帶正電，這種電流體不足則物體帶負(fù)電。他于1749年向英國皇家學(xué)會(huì)送交了《論天空閃電與地下電火花相同》一文，并在1752年5月一次著名的“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”中證實(shí)，閃電同實(shí)驗(yàn)室的電火花是本質(zhì)相同的放電現(xiàn)象。弗蘭克林因此而獲得英國皇家學(xué)會(huì)授予的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆４撕笏盅兄屏吮芾揍?。這種新技術(shù)以其顯效的事實(shí)駁斥了教會(huì)的蠱惑宣傳，很快在歐洲流行，最終甚至連教堂的屋頂也高高聳立起避雷針。雖然18世紀(jì)電學(xué)理論僅局限于靜電學(xué)，但畢竟比力學(xué)之外的其他學(xué)科要先進(jìn)。值得注意的是，近代科學(xué)史上最早的科學(xué)史著作正是介紹電學(xué)領(lǐng)域的，這就是英國的普里斯特列（Joseph Priestley，1733180