自然科学的全面发展

第四节　自然科学的全面发展

我始终努力保持自己思想的自由，我可以放弃任何假说，无论是如何心爱的，只要事实证明它是不符。

——达尔文（英国）

19世纪被誉为科学的世纪。在这个世纪里，自然科学的各个门类均相继成熟起来，形成了人类历史上空前严密和可靠的自然知识体系。

（一）热力学的研究和能量守恒与转化定律的发现

第一个对蒸汽机效率进行精密的物理与数学分析的是法国工程师卡诺（L.N.M.Carnot，1753～1832年）。1800年，意大利的伏特发明了电池，实现了化学能向电能的转化。同年，英国人尼尔科逊用电池电解水，实现了电能向化学能的转化。1819年丹麦的物理学家奥斯特（H.C.Oersted，1777～1851年）发现了电能向机械能的转化。英国科学家法拉第（M.Faraday，1791～1867年）等人发现了电磁感应现象，表明机械能也可向电能转化。德国医生迈尔（E.Mayr，1904～）最早公布能量守恒与转化定律。能量守恒与转化定律的发现，揭示了热、力学、电、化学等各种运动形式之间的统一性，使物理学达到空前的综合和统一。能量守恒与转化定律实际上就是热力学第一定律。

图2-10　法拉第

德国的克劳修斯（R.Clausius，1822～1888年）在重新研究卡诺的工作中，发现了热力学第二定律，这一定律揭示了热运动的过程是不可逆的，在此基础上他提出了“热寂说”，认为宇宙总会有这样一天，即那时所有的运动都变成了热运动，最后由于热量平衡，热虽然存在，但热运动没有了，宇宙就死亡，处于热寂状态。

（二）天学、地学、生物学的演化理论（1）康德——拉普拉斯的星云假设

1755年，德国哲学家康德（I.Kant，1724～1804年）提出了关于太阳系起源的星云假说，第一个把自然界看成是一个发展变化的过程。1796年，法国科学家拉普拉斯（P.M.Laplace，1749～1827年）也独立地提出了关于太阳系起源的星云假说。康德——拉普拉斯的星云假说尽管还有许多需要验证的地方，对许多地方还无法给出满意的解释，但它毕竟将发展的观点带到了天文学领域，为天体演化学说奠定了重要的科学基础。它第一次把自然界理解成为一种运动发展的过程，这是对十八世纪形而上学自然观的一个重大突破。

（2）地质演化理论

17世纪时，西方地质学界对地球的形成存在水成说和火成说及灾变论和渐变论之争。最先提出水成说的是英国人伍德沃德（J.Woodward，1665～1728年），他认为地层是由于水的沉积作用形成的。火成说最早以意大利的莫罗（A.L.Moro，1687～1764年）为代表，1740年，他在《论在山里发现的海洋生物》一文中指出，岩石是由一系列的火山爆发的熔岩流所造成的。后来英国人赫顿（J.Hut-ton，1726～1797年）进一步完善了这一学说，强调了地球内部作用和地壳运动变化的现实，建立起火成学派。法国生物学家居维叶（G.Cuvier，1769～1832年）系统地阐述了灾变说，他认为在地球历史上曾发生过多次巨大的自然环境灾变，由于灾变旧的生物被毁灭，新的生物被创造出来，从而引起地球的演变，奠定了古生物学的基础。而英国业余科学家赫顿（J.Hutton，1726～1797年）1795年出版了《地球理论》，主张以现在仍在起作用的地质力量去解释历史上发生的地壳变动。1830年，进一步阐述他的这一思想的英国地质学家赖尔（C.Lyell，1797～1875年）的《地质学原理》一书出版，提出了地球表面是连续地发生缓慢改变的理论，标志着近代地质学的系统化。

图2-11　达尔文

（3）生物进化论

第一个系统地提出生物进化论的人是法国动物学家拉马克（J.B.Lamarch，1744～1829年）。英国生物学家达尔文（C.Dar-win，1809～1882年）是近代进化论的奠基人。1859年达尔文在其著作《物种起源》一书中系统提出了生物物种进化论。他认为物种是连续变化的；进化过程是连续的；相似的生物都是相互联系的，由共同祖先进化而来；自然选择，适者生存，不适者淘汰。

图2-12　孟德尔

（三）遗传学研究与细胞学说的建立

19世纪50～60年代，奥地利牧师、业余科学家孟德尔（G.Mendel，1822～1884年）在捷克的一所修道院里，对于豌豆观察研究了8年，从而发现了生物遗传的规律，孟德尔的遗传定律包括显性定律、分离定律和独立分配定律。新达尔文主义的代表人物魏斯曼（A.Weismnan，1834～1914年）提出了以种质连续性为基本原理的种质选择论（简称种质论），这一理论虽然带有一定的思辨性质，但对20世纪的细胞遗传学的发展和综合进化论的形成，有着深刻的影响。1831年，英国植物学家布朗（R.Rrown，1773～1858年）发现了细胞核，此后德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden，1804～1881年）提出了细胞是一切植物的基本生命单位的观点，并认为一切新细胞皆起源于旧细胞，从而建立起低等植物与高等植物之间的联系。在此基础上，德国解剖学家施旺（T.A.H.Schwann，1810～1882年）将施莱登的观点推广到动物界，认为有机体都是从单一细胞开始有生命，并以其他细胞的形成而发育着，细胞是一切有机体的构造和发育的基础，从而把千差万别的动物和植物统一到细胞这个基本生命单位。施旺的学说在动物和植物之间架起一座桥梁，消除了动植物之间的严格界限。1858年，德国的生理学家微尔和（R.C.Virchow，1821～1902年）和将细胞学说应用于病理学，创立了细胞病理学。法国化学教授巴士德（L.Pasteur，1822～1895年）在细微的病菌和细菌的研究中，创立了细菌致病学说，开辟了医学研究病因的新途径。在此基础上他又开创了医学上的免疫学。他的关于消灭细菌的消毒方法，使手术真正成为拯救生命的手段。因此他被后人称为“细菌猎人”。

（四）物质结构的化学理论

图2-13　道尔顿

（1）原子——分子论

19世纪化学发展的最重要的成就之一，是科学的原子——分子论的提出。提出化学原子论的是英国化学家道尔顿（J.Dalton，1766～1844年）。道尔顿的原子论的建立是近代化学发展中的一次重要的理论综合。它把原子量作为区分化学元素的最本质的特征，这就为许多经验性的化学定律提供了明确的理论解释，使人们认识到一切化学现象内在的统一本质。1811年，意大利化学家阿弗加德罗（A.Avogadro，1776～1856年）提出了分子的概念，他认为分子是具有一定特征的物质组成的最小单位，而原子只是参加化学反应的最小质点，单质的分子由相同元素的原子组成，化合物的分子由不同元素的原子组成。半个世纪后，意大利化学家康尼扎罗（S.Can-nizzaro，1826～1912年）在其《化学哲理课程大纲》的讨论中，论述了分子和原子之间的区别和联系。提出只要接受阿费加德罗的分子论，就能把化学领域中的混乱一扫而清。他的观点得到各国化学家的赞同，从此，原子——分子论得到了普遍的承认和应用。

图2-14　门捷列夫

（2）元素周期律的发现

在前人研究的基础上，俄国化学家门捷列夫（D.I.Mendeleev，1834～1907年）在1869年，排出了他的第一张元素周期表，为化学元素周期律的发现作出了决定性的贡献。元素周期律的发现，揭示了各种元素之间的内在联系，实现了无机化学由经验到理论的飞跃，为元素的研究和新元素的寻找，提供了一个可供遵循的规律。

（3）有机化学结构理论的建立

原子价概念的形成是有机化合物结构理论建立的先决条件。1828年维勒（F.Wohler，1800～1882年）用无机物合成了有机物尿素，为有机物合成开辟了广阔的道路，彻底打破了无机物与有机物之间的绝对界限。

图2-15　麦克斯韦

（五）电磁理论的建立

电流是由意大利医生伽伐尼（L.Gal-vani，1737～1798年）发现的。1800年，意大利物理学家伏特发明了电池。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。1822年，法国物理学家安培（A.M.Ampère，1775～1836年）发现了电流产生磁力的基本定律，奠定了电动力学的基础。

电磁感应现象的发现者和近代电磁理论的创始人是英国实验科学家法拉第。他提出了电磁感应定律、“力线”和“场”的概念，是牛顿以来物理学基本概念的重大发展。

经典的电磁学说的总结是由麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831～1879年）完成的。1873年，麦克斯韦的巨著《电磁学通论》问世，标志着完整的电磁理论的确立，它的科学价值可与牛顿的《自然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》相媲美。

19世纪自然科学的发展，特别是能量守恒与转换定律、细胞学说和生物进化论等科学发现被誉为19世纪的三大发现，使人们形成了关于自然界处于永恒的产生和消灭中的辩证唯物主义自然观。

进一步了解近代自然科学的发展，请登陆：

http://www.kepu.gov.cn/kjsh/default.htm

【思考题】

简述19世纪自然科学的发展？