欧洲科学革命与近代科学精神

欧洲科学革命与近代科学精神_欧洲科技文化史论

二、欧洲科学革命与近代科学精神

近代科学诞生的主要标志是建立了一套有别于古代和中世纪的自然观和科学方法论。科学方法论在科学认识中为我们确立了新的研究方向，探索了各个学科的新生长点，提示了科学思维的基本原理和形式，因而是科学精神的重要组成部分，是科学革命的根本。

1.哲学革命与科学方法论

16世纪似乎是一个充满矛盾的世纪，一方面，文艺复兴运动表现出对古希腊学术发展辉煌时代的敬重；另一方面，科学革命的巨匠们为了超越对自然界的天才的哲学猜想和混沌的整体论见解，为了达到对自然现象的具体规律的清晰认识，又不得不对被中世纪基督教神化了的古希腊学术权威以及统治了几个世纪的亚里士多德主义加以清算和批判。以经验论和唯理论为代表的新哲学正是在此基础上产生的。恩格斯曾经把这种新哲学叫做“重新觉醒的哲学”，目的就在于强调这种新哲学同古希腊罗马哲学的联系，并进一步阐明它同经院哲学的区别。从根本上来说，近代哲学革命的大师们所寻求的“新哲学”其本质是与中世纪哲学相背离的：第一，它从对上帝和圣经的研究转向了对自然的研究；第二，它从神秘的目的论转向根据事物产生的原因和条件来解释事物，这是近代“哲学的最高荣誉”；第三，它从对教条和权威的迷信转向尊重经验事实和强调人的理性批判精神；第四，它从推崇空洞的思辨和烦琐的论证转向强调科学实验在认识中的作用。⁽¹⁸⁾

要把这种“新哲学”的精神贯彻于自然研究领域中，当务之急乃是在对经院哲学和亚里士多德的三段论进行深刻批判的基础上，重建认识自然的新方法论。如果没有一整套面对自然的新方法，自然科学仍然不能从经院哲学或古代思辨的自然哲学中独立出来。在这方面作出最杰出贡献的当属弗兰西斯·培根、笛卡尔和伽利略。

（1）科学归纳法

弗兰西斯·培根（Francis Bacon，1561—1626年）在科学史上的地位是颇具争议的，因为他并不是一名科学家，他甚至无视开普勒和哈维的科学贡献，拒绝接受哥白尼学说，忽略伽利略的伟大科学发现。培根提倡“知识就是力量”，我们应当运用科学技术来改造世界。他还是归纳法的代言人，十分重视实验在科学发现中的作用。

人们通常认为，培根对科学的贡献主要有四个方面。⁽¹⁹⁾第一，他作为一名科学哲学家，“提倡了一种研究大自然的方法”。这就是我们这里将要详细描述的科学归纳法，它主要呈现于培根的《新工具》⁽²⁰⁾（1620年）一书中，是在实验基础上进行归纳的方法。培根认为，这种方法为科学提供了一种新工具，以取代亚里士多德的归纳逻辑法。第二，培根“集中地对科学（广义地讲，是对人类知识）进行了分类”。这主要体现在《学术的进展》（1605年）一书中。该书与《新工具》可以视做培根未完成的巨著《伟大的复兴》的前两部分。培根试图在这部巨著中描述人类的所有知识，计划分六部分介绍：重申知识现状，描述一种新的科学考察方法，汇集实验数据，解释说明新的科学工作方法，提出暂定结论，综述运用新方法获得的知识。第三，培根洞察到，“新科学的实际应用将会改进生活的质量和人类对大自然的控制”。第四，“他设想并组织了科学共同体（强调了科学院校和科学团体的重要性）”。在未完成的著作《新大西岛》（1627年）中，培根描述了太平洋上一个虚构岛屿中的乌托邦国家，该国的繁荣与幸福取决于而且来自于所进行的科学研究，是“知识就是力量”的详尽展示。培根在这个乌托邦国家中设立了一个中央科学研究所，并备有实验室、植物园、动物园、厨房、熔炉，甚至还有机械工场。英国皇家学会的创建被认为带有培根的烙印。他还宣称借助分工，科学知识的生产会更有效地进行。这一点广受赞誉，近现代科学中的学科分类正是培根这一思想的体现。

我们已经提到，培根是归纳法的代言人，而归纳法由于与大量的观察和实验相结合，构成了许多学科的基础。他对归纳法的强调，与帕拉塞尔苏斯等人一样，表现出文艺复兴精神。培根公开反对与基督教紧密结合在一起的亚里士多德主义，抨击经院哲学的贫乏，反对对希腊文献的盲目崇拜。培根在经验主义认识论的基础上，首创了科学中的排除—归纳法。他在《新工具》中多处批评了自亚里士多德以来，仅仅根据少数观察、用简单枚举法匆忙地从感觉和特殊中抽象出最普遍公理的传统做法，并指出这种抽象由于“没有采取对自然作排除和分解或分离的方法”，其所得出的概括必定“是不确定的和含混的”。因此，应当用科学归纳法取而代之，这种方法的基本思路是：

1）通过实验观察获得有关某类现象的一切事实知识，其中包括对该类现象的肯定事例、否定事例和该类现象所具物理性质的程度不同的表现；

2）然后将全部事例编制成肯定事例表、否定事例表和程度表（即比较表）；

3）借助逐步归纳和排除法，从事例中抽象出最低层次的公理（假说）；

4）运用同样的方法从低层次的公理（假说）中构造出较高层次的公理（假说），直至达到普遍性程度最高的公理（即“形式”）。

其中，最重要的方法是逐步归纳法和排除法。而归纳法与排除法乃是同一过程中相辅相成的两个方面。培根把事实之间以及低层次公理之间的相关，区分为偶然相关和必然相关（即本质相关）；不论是从系统的实验观察材料概括出普遍性有限的真理，还是从普遍性程度低的真理上升到内涵更丰富、概括性更强的真理，都要通过比较鉴别，以发现并排除偶然的非本质的相关，从而抽取出必然的本质的相关，作为进一步归纳概括的合适题材。唯有如此，才能牢固地建立起科学理论的“金字塔”。有人认为培根“否定抽象概念”，但事实上，培根仅仅反对简单枚举法，即只根据少数观察就贸然作出不恰当“抽象”的做法。而对于以系统观察为基础，以排除和舍弃偶然相关（即非本质相关）为关键程序的科学抽象，他是竭力主张的。科学抽象是培根科学归纳法的灵魂。

当然，在科学研究中具体应用培根科学归纳法的程序和规则十分困难，原因是三种表的编制既繁琐又不可能完全，因此，他的这些具体规则和方法对于科学家的研究与发现活动并没产生多少实际影响。但是，培根的三种表的制定毕竟为一些具体的归纳方法（如求同法、差异法、求同差异共用法和共变法等）的应用提供了必要的资料。也正是在这个意义上，我们说他是科学的指路人，而不是真正的科学家。

（2）直观—演绎法

尽管近代科学的产生与发展在很大程度上得益于实验观察和归纳方法，但要建立逻辑上完备而自洽的科学理论体系，单靠经验方法是无能为力的。勒内·笛卡尔（René Descartes，1596—1650年）最早注意到了这个问题，并在科学方法论上提出了以“普遍怀疑”为前奏、以“直观—演绎”法为核心、以事实验证为补充的科学发现与科学说明的逻辑模式。

笛卡尔出生于法国一个贵族家庭，信仰天主教，自小在拉·弗来施的耶稣英语会学校（它是当时欧洲最著名的学校）接受教育，受到良好的古典学科以及数学训练。后在大学学习医学和法学，同时对数学和科学保持着浓厚兴趣。笛卡尔是西方近代哲学的奠基人，第一个创立了一套完整的哲学体系。他认为人类可以使用数学的方法——即理性——来进行哲学思考，相信理性比感官更加可靠，开创了所谓理性主义传统。笛卡尔还是著名的数学家，因将几何坐标体系公式化而被认为是解析几何之父。

笛卡尔同弗兰西斯·培根一样，认为经院哲学错误的关键就在于认识方法不对。在他看来，要想使科学取代长期统治人们思想的经院哲学，就必须把科学知识大厦及其每一组成部分都建立在“理性”基础之上。为了重建知识，必须找到一个坚实可靠的基础，清理“地基”成为首要而必需的任务。“如果我想要在科学上建立起某种坚定可靠、经久不变的东西的话，我就非在我有生之日认真地把我历来信以为真的一切见解统统清除出去，再从根本上重新开始不可。”⁽²¹⁾因此，笛卡尔运用普遍怀疑的方法来寻求这种可靠基础。

笛卡尔的普遍怀疑包括这样三个步骤：对周围世界的怀疑，对人自身认识的怀疑，对数学这样一种我们一直以为确定无疑的东西的怀疑。首先，我们都有被感觉欺骗的经历，感觉之不可靠显而易见，而周围世界恰恰是经由我们的感官而感知到的现象，因此它是可疑的，我们关于周围世界的知识是不可靠的，不能作为知识的基础。其次，我们对于自身的感觉似乎确定无疑，但是在梦中我们同样对自身有感觉，我们无法区分梦中的感觉和清醒时的感觉。最为典型的例子是“庄周梦蝶”，“不知周之梦为胡蝶与？胡蝶之梦为周与”⁽²²⁾？庄周与蝴蝶必有所分，然而我们不能给出确切区分，因此，我们对于自身的认知也是不可靠的，不能作为知识的基础。最后，数学（如算术、几何以及类似性质的学科）所研究的对象是简单、清楚、明白的，与它们是否存在于自然界中无关，因而含有某种确定无疑的东西，“因为，不管我醒着还是睡着，二和三加在一起总是形成五的数目，正方形总不会有四个以上的边；像这样明显的一些真理，看来不会让人怀疑有什么错误或者不可靠的可能”⁽²³⁾。其实不然，数学对象和观念也是可怀疑的，笛卡尔为此设想了一个“邪恶的精灵”。这个邪恶的精灵“把一个根本不存在的对象置于我们的心灵之中，使之成为我们思想的对象，但这些对象不是思想的产物，而来自一个错误的根源”⁽²⁴⁾。因此，数学对象与观念也不能作为不可怀疑的知识的基础。

总之，一切凭感官得到的知识，一切先入之见与偏见，一切传统教条和信念，都应毫无例外地通通放到理性的法庭上加以审判。在笛卡尔那里，怀疑本身不是目的，而是手段；怀疑不是消极的、虚无主义的，而是积极和富于建设性的。因此他的怀疑论是一种方法论意义上的怀疑论，是构筑科学知识大厦的否定性准备。它不仅是每一个别科学认识发生的前奏，更是科学作为系统整体而发生的初始环节。

笛卡尔认为，科学的最高成就在于建构一个命题金字塔，其逻辑顺序应当是自上而下，由一般到个别，即从最一般原理即第一原理逐次推演出不同层次的原理、定理以至于已知或未知的事实命题（个别陈述）。然而，处于金字塔顶端的，作为科学理论体系大前提的最一般原理——公理（即亚里士多德的所谓“第一原理”）从何而来？笛卡尔的“天赋观念”论是对这个问题的唯心主义的、但又是相对成功的解决途径。笛卡尔认为，来自外界的关于事物的感觉观念是不可靠的，而由人的心灵自由虚构和臆想的观念是个别的和偶然的。只有来自理性本身的“天赋观念”才是一切普遍性、必然性知识的唯一可靠来源。这种观念作为真理性认识的标准，就在于其无可怀疑的确定性和自明性。由于它既不依赖于感觉经验，也不以人的自由意志为转移而具有客观实在性，因此，以这种观念作为最普遍原理，可以成功地解释一切自然现象。

在笛卡尔的科学方法论中，最核心的乃是作为其知识哲学中心内容的“直观—演绎”法。所谓直观，“既不是指感觉的易变表象，也不是虚假组合的想象所产生的错误判断”，而是靠人的认识普遍性、必然性知识的天赋能力而获得的对于基本的、清楚明白的、不证自明的真理的直接了解。所谓“演绎”，是指运用数学中严格的推理方法从直观得到的第一原理出发所进行的全部带必然性的推理。它相对于“直观”来说，是认识自然的“补充方法”。笛卡尔认为，传统的三段论只能说明已知的真理，而对于那些要发现真理的人来说则毫无价值。作为演绎推理大前提的第一原理是运用理性直观的力量而发现的，第一原理的创造性保证了由它所推演出的知识的新颖性。

笛卡尔接受了亚里士多德关于科学是演绎系统的思想，并试图用他的“直观—演绎”法建构一个庞大而包罗万象的人类知识金字塔。可惜，这一做法并未成功，因为仅仅根据一般定律的考虑，人们不可能确定物理过程。为了克服局限和困难，他不得不给实验观察和归纳方法以一席之地，运用这些方法对定律和推论进行事后的验证或经验批准。但同时他又认为，观察和归纳仅仅是科学研究中的辅助性的补充手段。笛卡尔的科学方法论模式可表达为下列图式：⁽²⁵⁾

（3）实验—数学法

在古代，数学方法和实验方法仅处于萌芽状态，并分别隶属于不同甚至对立的知识传统——学者传统和工匠传统，而且它们在自然研究中的地位并不等同。中世纪后期及文艺复兴时期很多著名学者都提倡这两种方法，但仍把两者孤立地看待。弗兰西斯·培根甚至反对数学方法的应用。在近代科学中，第一个将实验方法和数学方法完美地结合在一起的是伽利略，而数学与实验的结合则是新科学最重要的创新之处。伽利略借助这一方法将近代物理学乃至于近代科学引上了历史舞台。

伽利略所提出的实验—数学法的基本思想是：针对一个科学问题，必须以定量实验的观测结果作为出发点和判定理论真伪的标准，同时要运用数学抽象来描述关于客体的各种基本概念和基本关系，即用数学模型来表征物理实在及其运动规律。这种方法突出地体现在他的力学研究中。正如英国著名科学史家沃尔夫所指出的：“伽利略对于落体定律、摆和抛射体运动的研究，提供了科学地把定量实验与数学论证相结合的典范，它至今仍是精密科学的理想方法。”⁽²⁶⁾

以落体定律的发现为例，伽利略首先批评了亚里士多德通过思辨和常识所得出的关于落体运动的、颇带目的论色彩的自然哲学解释，并给自己规定了“要发现的不是物体为什么降落，而是怎样降落，即依照怎样的数学关系而降落”的任务。这是对落体研究的科学而非哲学的定位。经过一段艰难而曲折的探索，他首先发现自由落体在t时间内经过的距离s，同始终以末速度 v_t的一半（v_t/2）所行进的匀速运动在相同时间内经过的距离相等（即s＝tv_t/2）。然后，又根据下落物体的“（即时）速度与降落时间成正比”的假设导出了一个数学推论：物体坠落所经过的空间（即距离）按时间的平方而增加（即s∝t²）。把上述两项发现结合起来就是：s∝t²/2（后来惠更斯首次测得了把这个正比式变为等式而出现的比例系数g）。

为了验证借助假说而得出的这一数学推论，伽利略精心设计了斜面小球实验，目的是“冲淡重力”而便于观测与计算。在确认小球下落速度只与斜面垂直高度有关、与倾角无关，即证明了沿斜面下落与垂直下落的等效性之后，其落体定律得到证实。这个定律在伽利略所做的摆—钉实验中又得到进一步确证。

美国科学哲学家约翰·洛西认为，伽利略在方法论上继承了毕达哥拉斯主义的倾向。实则不然，因为尽管伽利略把注意力倾注于可量度的事物，并竭力寻找自然现象间的数学关系，但是“他所寻找的不是神秘的原因，而是要了解支配自然变化的永恒定律”⁽²⁷⁾，这是他同毕达哥拉斯主义以及中世纪“数学唯理主义”的本质区别。特别是他非但不鄙薄经验，不忽视实验，而且巧妙地设计实验，反复精确地测量，使自然定律的数学描述具备了强有力的经验支持，从而彻底摆脱了神秘主义的目的论。

但伽利略并不是一个经验主义者。为了揭示纷繁复杂的自然现象背后的本质，他在混乱的经验中发现不变的模式。在进行实验的同时，伽利略还广泛采用了科学抽象、实验和理想化方法。他似乎清楚地意识到科学定律与日常经验事实的本质区别，因此，尽管他深知在空气中发生的实际的落体运动和其他加速运动同他的数学描述并不完全吻合，但他并不因此而迁就日常经验。实际上，他的落体定律和单摆定律所描述的仅仅是“真空中的自由落体”和“理想摆”的运动规律。这里把当时已知的空气阻力、摩擦力以及当时尚不清楚的转动惯量导致的能量损耗等次要因素舍弃了，而研究了因素比较单一情况下的运动。伽利略对于经验的这种超越并非一种哲学上的自觉，而是由科学区别于常识的本质特征决定的一种科学家的自发意识。

伽利略实验—数学方法的上述特征使之成为牛顿力学建立的直接方法论基础，这一方法开实验科学摆脱自然哲学而向精密科学发展之先河。在伽利略的工作中，新的方法论别具一格的特征得到了清晰的阐述和富有成效的实践。爱因斯坦就评论说，“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端”⁽²⁸⁾。正因如此，我们可以说，伽利略的实验—数学方法就是代表近代科学的新的科学精神，伽利略本人也是当之无愧的近代科学精神之父。⁽²⁹⁾

不过，仅就伽利略的实验方法而言，他对其适用的正确范围的理解有所偏颇，这与他对物理学本质的理解相关联。在他看来，物理学是描述而不是说明，物理学相对于形而上学和神学而言是自主的，因此，实验只需对现象作出精确的抽象和“重现”，由此证明之前的理论假设即可。但是，“理论与观察的和谐一致，并不能把理论赖以立足的假设转化为已证明的真理。证明要求人们另外还要确定，没有其他假设的集合能够拯救现象”⁽³⁰⁾。因此，从逻辑上来说，假的前提可以演绎出真的结论，不同的原因可以产生等价的结果，这些都是可能的。⁽³¹⁾我们不可能从观察实验绝对地、一劳永逸地证明物理理论的真理性。

2.近代科学革命的进程

（1）天文学革命

1）哥白尼日心说的提出

天文学革命又称“哥白尼革命”，因为它是由波兰天文学家哥白尼（Copernicus，Nicholas，1473—1543年）首先发起的。哥白尼是一位数学家兼天文学家，他的父亲是波兰人，母亲是德国人。大学毕业后，哥白尼被送到意大利这个文艺复兴的圣地去留学，先后在几所大学接受全面教育。他学习了亚里士多德的著作、数学和天文学，并因此获得了确切的数学知识、敏锐的观察能力、严密的逻辑推理能力和简洁有力的表达能力。⁽³²⁾他曾利用当神父的业余时间，在佛伦堡天主教堂角楼的观测台上进行天文观测。29岁时，他的一本关于天体运行学说的手抄本《纲要》就已广为传播。他在这个纲要中提出了与托勒密的地心体系大相径庭的太阳中心说。但系统阐述其观点的《天体运行论》⁽³³⁾则在40年后，也即1543年才正式出版，这时哥白尼已不久于人世。

哥白尼之所以能提出太阳中心说的思想，基于两方面的原因。

一方面，由于托勒密地心体系与实践之间的矛盾日益突出，日益发展的人类生产活动与日益精确的天文观测，使在天文学领域统治1400年之久的托勒密地心体系越来越暴露出其不可解决的矛盾。比如，在航海中根据它所计算的地理方位不能正确地导航；在农业生产中，以其制定的历法也不适应对农时越来越精确的需要。正是社会实践的需要促进了新理论的提出。

另一方面，则是出于天文学家们对数学和美学等因素的考虑。因为地心说体系需用80多个圆周进行非常复杂的数学运算才能解释一些天文现象。当时一位数学家风趣地说，假如上帝当初在创造世界时，稍微向数学家请教一下，事情就不至于如此麻烦和矛盾百出了。这些矛盾促使当时的天文学家不得不重新考虑天文学体系的理论出发点。

哥白尼受到毕达哥拉斯“中央火团”和阿里斯塔克日心假说等古希腊自然哲学思想的启发，以全新的宇宙观为指导，经过长期观测，终于构建了以太阳中心理论为核心的天文学体系。这一学说的要点是：地球并非是一个静止不动的天体，它也不在宇宙的中心位置上；它是一颗普通的行星，既自转，又围绕着中心天体旋转。太阳处于宇宙的中心，它照亮整个宇宙，并控制着周围的行星。天体的视运动中包含着地球运动的因素，因为我们站在运动着的地球上观测天象，就像我们站在行驶的船上看岸上的事物一样。如果不考虑地球运动这一重要因素，就无法正确理解天体视运动（即表观运动）的复杂性。

在《天体运行论》这部划时代的著作中，哥白尼驳斥了托勒密的地心说和地静说，特别是逐一地驳斥了托勒密地静说的种种“论据”。他引用罗马诗人维尔吉尔（Virgil）史诗中的一句话来说明事物运动的相对性：“我们离开港口向前远航，陆地和城市悄悄退向后方。”⁽³⁴⁾并指出：“当船舶静静地行驶，船员们可看到船的运动的反映。而在另一方面，他们可以设想自己和船上一切东西都静止不动。与此相同，地球的运动无疑地会产生整个宇宙在旋转这样一种印象。”⁽³⁵⁾哥白尼有力地批驳了单凭直观经验去判断客观事物的错误观念。他还有一个很重要的思想：行星视运动的不均匀性和行星到地球距离有变化的事实，说明了地球并非所有行星旋转的中心。⁽³⁶⁾在此基础上，他提出了关于太阳系“天体序列”的主张。哥白尼形象地写道：“静居在宇宙中心处的是太阳。在这个最美丽的殿堂里，它能同时照耀一切。难道还有谁能把这盏明灯放到另一个更好的位置上吗……太阳似乎是坐在王位上管辖着绕它运转的行星家族。地球还有一个随从，即月亮。”⁽³⁷⁾

哥白尼的“天体序列”

但是，哥白尼学说也有其不可避免的、甚至是致命的弱点。哥白尼同托勒密一样继续沿用了天文学中的柏拉图原理，即把“正圆”和“匀速”作为其系统的基本原则，还延续了自柏拉图以来用简单而和谐的数学手段“拯球现象”的传统，深信用某些匀速运动的组合就能解释天体视运动的不规则性，因此，他不得不保留传统天文学中本轮、均轮的方法去描绘每个天体的实际运动。不过，受过良好的逻辑训练的哥白尼在系统观察的基础上，运用逻辑推理的方法设计出了比托勒密的数学模型更简单、更便于使用的数学模型，“34个圆周就足以解释世界的整个结构”⁽³⁸⁾。

综上所述，仅就哥白尼日心说的内容而言，它只不过是用日心、地动代替了托勒密体系的地心、地静，其所遵循的基本原理和解释系统未作任何改变。而后者恰恰是科学理论作为一个体系的最核心的东西，I.B.科恩由此认为哥白尼的日心说并不构成天文学史上的一场革命。但是，当代著名科学史家与科学哲学家托马斯·库恩（Thomas S.Kuhn，1922—1996年）则从思想史的角度得出与之相反的观点。他称哥白尼日心说的诞生是“西方人思想发展的划时代的转向”⁽³⁹⁾，因为它不仅是天文学基本概念的变革，而且是人们对自然理解的根本变革，甚至是西方人价值观念变革的一部分。

我们认为，尽管哥白尼体系有很多旧理论的痕迹和不完善之处，甚至在初期其观测精确度远远比不上托勒密理论，但它用日心地动说代替统治天文学界多年的地心地静说，是在重大理论问题上用正确的认识取代了谬误的认识。由此，哥白尼理论的意义至少有以下两个方面：

其一，它引起了整个宇宙观、世界观的巨大变革。长期以来，教会利用地心说来说明上帝创造世界，说明上帝创造一切都是为了地球上的人类，所以有意把地球摆在宇宙的中心。而现在，在宗教教义中被说成是宇宙中心的地球已沦为一个普通行星，于是，上帝这个不可动摇的偶像也就随之而倒台了。日心说动摇了宗教的自然观支柱，也就动摇了宗教世界观的基础。从社会文化心理层面讲，日心说对地心说的背叛也是对近千年形成的精神生活方式和浓厚宗教情结的挑战。

其二，它引起了人类认识史上的变革。哥白尼的著作宣布不服从权威和教条，不把宗教所尊奉的托勒密学说视为神圣的；同时，宣布了自然科学就是要按自然界的本来面目来认识自然，也就是说，凡是不符合自然界本来面目的东西，都要加以批判和修正。正因如此，恩格斯称哥白尼的《天体运行论》是自然科学从宗教下面解放出来的“独立宣言”。正是在其影响和带动下，自然科学其他各个领域都纷纷与宗教决裂，并大踏步地前进着。可以说，这部著作是近代自然科学思想革命的起点。

在一定意义上可以说，哥白尼日心理论在哲学世界观方面的价值大于其在科学上的价值，对于思想解放的意义大于其方法论的意义。也正因如此，教会对它极端仇视和恐惧，《天体运行论》在1616年被列为禁书，直到100多年后的1758年才开禁。

2）日心说的传播

尽管日心说遭到了天主教、路德教和加尔文教的反对，甚至连当时最著名的学者弗·培根也不接受这一理论，但它还是被广泛地传播到整个欧洲。最早传播这一学说的是英国科学界，如约翰·菲尔德（John Field）、迪杰斯（Thomas Digges，1543—1595年）、吉尔伯特等，他们都推崇太阳中心理论。在哥白尼之后对日心说的确立作出更大贡献的是开普勒、伽利略和牛顿。这里，我们先介绍一下布鲁诺、第谷和笛卡尔的工作。

虽然天文学史可以不涉及，但近代宇宙观史绝不能忘记为哥白尼理论的传播而献出生命的意大利哲学家布鲁诺（Giordano Bruno，1548—1600年）。布鲁诺年轻时就读过《天体运行论》，并成为哥白尼学说的传播者。但他走得更远，抛弃了恒星固定在以太阳为中心的最高天球的信念。在1584年出版的《论无限、宇宙和世界》中，布鲁诺详细阐述了宇宙无限、世界无限的观念，并作了哲学上的论证。他指出，宇宙是无边际的，因而没有中心。太阳是太阳系的中心而不是宇宙的中心，宇宙中存在着无数个像太阳系一样的天体，恒星就是散布在无限空间中的一个个太阳。布鲁诺关于类似太阳系这样的世界有无数多个的思想，先于牛顿关于天上、地上物体都遵守同一运动规律的发现。

布鲁诺一生云游欧洲，因传授所谓的异教思想而多次受到教会的迫害，几十年都过着颠沛流离的流亡生活，最终仍未逃脱教会的魔掌，于1600年2月17日在罗马的鲜花广场被处以火刑。临终时他对刽子手大声疾呼：“你们对我宣读判词，比我听判词还要感到害怕。后世的人将会理解我!”⁽⁴⁰⁾

与布鲁诺同时代的丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601年）基于神学的理由和观测不到恒星的周年视差而反对哥白尼的地动说，但他也不赞成托勒密关于地球是所有天体中心的看法。经过大量的天文观测，第谷终于接受了哥白尼关于行星绕日运行的思想，于1582年构造了一个折中的天文学体系。在该体系中，地球是宇宙的固定不动的中心，日、月和恒星围绕它运转，但其他行星则围绕太阳运转。

第谷于1577年对一颗大彗星的观测以及在此之前于1572年11月对仙后座一颗引人注目的新星的长达18个月的观察与测量，打破了自亚里士多德以来直到哥白尼所持的关于恒星区域里不可能发生变化以及各星体存在着肉眼看不见的旋转天球的错误观念。

虽然第谷一生中在理论天文学上成就不大，但他对太阳系各星球位置所作的经年累月的系统观察和运用自己亲手发明和制作的大量观测仪器所积累的极为精确丰富的天文观测资料，对于近代天文学的发展具有不可替代的重要作用。第谷对全年的太阳子午圈高度所作的系统观测改进了太阳视轨道的各个主要常数的公认数值，从而计算出精确的太阳表。他还对月球在其轨道各点上的位置作经常性的定期观测，从而把自托勒密以来一千多年的月球运动理论第一次向前推进了一大步。这些观测资料的获得与第谷不断发明或改进天文观测仪器的精确度有密切关系。例如，他改革了古代天文学的浑仪，发明了巨型象限仪、墙象限仪和经纬仪等仪器，改进了制造和使用方法。他甚至认识到不论仪器多么精密也难免有误差，因此采用反复观测和组合观测的办法来减小误差。正因如此，尽管第谷的天文观测全靠肉眼进行，但其精确度却是前人的5倍。但是，正如后来开普勒所说：“他是个富翁，但他不知道怎样正确地使用这些财富。”第谷不是一个卓越的数学家，再加上他去世过早，因而未能在对行星的大量观测基础上建立一个数值行星理论。

再来说说笛卡尔。一般科学史著作极少提及笛卡尔对哥白尼日心理论的贡献。笛卡尔为宣传哥白尼日心说曾撰写过《宇宙论》（即《论世界》），只是在听到伽利略于1633年被宗教裁判所传唤到罗马受审的消息后，才被迫放弃了公开出版的打算。为了避免与教会直接冲突，他提出了为哥白尼日心理论立足和传播提供论证依据的以太—旋涡理论。根据这一理论，充满以太的天空在太阳作圆周运动时就带着它所含有的所有天体（恒星、行星和地球）一起运动；但这些天体按各自的旋涡旋转，这样一来，每个天体（比如地球）相对于各自的局部旋涡而言是静止的，而局部旋涡则绕着太阳运转。笛卡尔以太—旋涡理论具有调和托勒密体系与哥白尼体系的特点。

应当指出，笛卡尔在宇宙观方面采取了与前人完全不同的发展的观点，他的以太—旋涡理论，先于康德200年就展示了包括地球、太阳在内的所有天体自然历史的演化全景。在这方面，与其说他完成了机械论宇宙观，不如说他已经超越了机械论宇宙观。

3）日心说的理论发展

尽管哥白尼体系从理论上否定了托勒密地心体系，但从前面的叙述中可以看出，在日心说诞生的数十年中，其命运是极不确定的。只是由于开普勒的工作才使日心说得到了长足的发展。

开普勒（Johannes Kepler，1571—1630年）是一位德国天文学家，他出生于一个家境贫困的军人家庭，靠宫廷资助读完了大学。在上学期间，开普勒就接受了哥白尼学说。他在宇宙论方面的最早著作《宇宙的秘密》于1596年出版，并寄给了第谷。该书不论书名和内容上都带有神秘性质。尽管第谷不同意开普勒所鼓吹的哥白尼体系，但十分欣赏他的数学天才，于是在1600年邀请开普勒与之合作。开普勒一方面对第谷的观测精确度抱以绝对的信任，另一方面第谷的折中体系与实际观测结果的差异又使他十分苦恼。在经过许多踌躇之后，开普勒毅然抛弃了作为哥白尼体系中致命赘疣的柏拉图原理，并在1609年出版的《新天文学——天体物理学》以及1619年出版的《宇宙和谐论》中提出了行星运动的三大定律。其主要内容如下：

第一定律：每一行星轨道不是一些运动的正圆联合的结果，而是一个椭圆，太阳在椭圆的焦点上。

第二定律：行星绕日公转的线速度不是均匀的，而是在相同时间内“太阳—行星矢径”所扫过的椭圆扇形面积相等。

第三定律：对于任一行星来说，其围绕太阳旋转一周的时间T的平方与该行星的平均半径R的立方之比恒为常数。

开普勒的行星运动定律

第谷对开普勒数学天才的赏识可说是天文学上的一件幸事：第谷为了从数学上构造他的折中体系而找了精通数学的开普勒，而后者却利用第谷的资料提出了自己的体系，从而在天文学上迈出了重要的一步。⁽⁴¹⁾

开普勒的发现把哥白尼学说推进了一大步，他突破了圆形轨道和本轮—均轮模型等传统天文学的理论和方法，使行星运动的不均匀性得到了合理的解释。正如M.克莱因所指出的：“开普勒的工作比哥白尼的工作要革命得多。他们在采用日心说上是同样的大胆，而开普勒采用椭圆（与采用圆运动相反）和非均匀运动则从根本上打破了权威和传统。”⁽⁴²⁾ 开普勒所以能获得天文学理论上的重大突破，是因为他坚持了科学应独立于一切哲学和神学，假说和它的推论必须经过实践来检验这样一个信念的结果。

某些科学史家把天文学革命的发端归功于开普勒而不是哥白尼，除了上述理由外，还在于哥白尼没有摆脱天体数学的模式，而开普勒则试图从物理上解释天文现象，从而将行星运动的动力问题提到日程上来。尽管他的努力未取得最终的成功，却为牛顿等人从引力角度说明天体运动的物理机制奠定了基础。

4）日心说的经验支撑

如果说开普勒推翻了2000年来在天文学中占统治地位的哲学理念——柏拉图原理，并提供了行星运动的现实轨道模型，从而使天文学革命真正成为革命，那么意大利科学家伽利略对近代天文学革命的贡献则在于他借助望远镜和力学（主要是动力学）思想证实和捍卫了哥白尼的体系。

在开普勒公布其第一和第二定律的同年（1609年），伽利略就根据他对光的折射的知识制作了可将物体直径放大30倍的望远镜，并于1610年在《星际使者》中公布了由此得到的若干重大发现：

其一，木星有四个较小的“行星”（后来被开普勒称为“卫星”）围绕它旋转，这就好像一个缩小了的太阳系模型。这四个卫星各有其可量度的周期。这就用科学事实推翻了地球之外只有7个天体（恒星除外）的传统观念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有天体绕之旋转的中心。

其二，月球表面并不是平坦、均匀的，而是凹凸不平和粗糙的，有的山脉高达4英里。这个发现加上他后来观测到的太阳黑子（记述于1613年发表的《关于太阳黑子的书信》一书中）存在的事实（其面积大于地球亚非两洲面积之和），打破了自柏拉图、亚里士多德以来关于天上事物是完美无瑕的神话，驳斥了“月上世界”与“月下世界”属于截然不同的两个世界和“天贵地贱”的神秘主义观点。

伽利略手绘的月面图

其三，银河在以往用肉眼看上去好像是延绵不绝的一片光区，而从望远镜中伽利略分辨出这不过是数以万计的单独恒星（其中包括用肉眼看不见的成千上万个恒星）分布较为集中的结果。这个发现使人们不禁要怀疑：如果上帝为人类利益而创造了宇宙，那为什么把如此之多不可见的东西放在天上？

尽管伽利略在理论上没有给哥白尼的宇宙体系增加什么内容，但上述发现因其为日心体系提供的强有力的证据而沉重地打击了经院哲学和传统教条。当时唯一公开支持伽利略的科学家只有开普勒。他在《同星际使者的对话》一书中指出，这些新发现同他本人的理论是一致的。但教会却把日心说视为洪水猛兽，1616年教会把哥白尼的著作列为禁书，并警告伽利略，让他放弃地动说。伽利略经过长期准备和精心构思，在16年之后的1632年发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。在这部著作中，他成功地分析了反对日心说的两个主要理由，即没有恒星视差和地上物体垂直坠落的问题，从而使哥白尼的日心体系得到进一步论证。由于伽利略不遗余力地宣传、论证和捍卫哥白尼体系，1633年他被押到罗马宗教法庭受审，在拘禁期间离开了人世。这位科学伟人的去世使得意大利从此失去了世界科学中心的地位。

5）日心说的确立

尽管开普勒和伽利略为日心说的发展和确立作出了重要的贡献，并且开启了物理天文学转向的大门，但他们相信他们的研究是在证明哥白尼的假设在事物的本性中是有基础的，并认为他们是在“恢复”亚里士多德，但实际上却为牛顿作了准备。“物理学的假设仅仅是为了拯救现象而设计的数学发明，但是，多亏开普勒和伽利略，我们现在要求它们共同拯救无生命的宇宙的一切现象。”⁽⁴³⁾

牛顿深入思考并解决了行星运动的动力问题，即解释行星为什么总是绕太阳做封闭曲线运动而不做直线运动跑到外部空间去。牛顿对天文学的伟大贡献正在于此，借助对该问题的解决而阐发了这种新的动力学的含义，从而使日心说理论得以最终确立。牛顿在同时代多位科学家的启发下，以精确的数学证明提出了天体力学理论。他指出，如果有一种与距离平方成反比的力起作用，那么物体就在以吸引体为一个焦点的椭圆轨道上运动。这合理地解释了行星的椭圆轨道问题。接着牛顿进一步证明，“围绕处于一个焦点的一个力的中心的椭圆轨道必然意味着力的平方反比定律”⁽⁴⁴⁾。这也就是说，引力必然导致行星运行的轨道成为椭圆，而圆形不过是极为特殊情况下的特例。⁽⁴⁵⁾

牛顿后来又成功地证明一条重要定理：一个所有与球心等距离的点上的密度均相等的球体在吸引一个外部质点时，形同其全部质量都集中在球心。这样一来，牛顿就完全有理由把太阳与行星、地球与月球之间相互的吸引化简为质点问题，并最终为开普勒提出的椭圆轨道提供了令人信服的理论依据，实现了开普勒从物理上解释天文现象的梦想。

（2）生理学革命

1）医学革命的发端

在近代初期的医学领域，由于希波克拉底的“四体液说”仍占重要地位，治疗人的疾病通常是试图重新调整人体中体液的比例，而对疾病的专门化研究还十分缺乏。然而到十六七世纪，思想领域中的经验主义已经取代了思辨哲学，在这种思潮的影响下，比较明智的医生开始密切注意各种疾病的差异及其不同要求，文献中也出现了对不同疾病仔细观察和详尽描述的记载。如吉罗拉摩·法拉卡斯托罗（Girolamo Fracstoro，1478—1553年）专门研究了斑疹伤寒，还研究过被称为“爱疫”（即梅毒）的病因和治疗方法。他在1546年发表的《论触染疾病》中最先明确指出三种传染病方式：直接接触传染、经媒介物感染和超距感染。他还指出，肺痨是传染性的，并对发烧的类型加以仔细地区分。还有些医学家对佝偻病、中风、感冒、鼠疫、痛风、绦虫、痨病、疟疾、黄热病、精神病等进行了研究与论述。这些表明观察试验传统在医学中的重新建立。

随着对各种疾病治疗方法的研究，医疗技术也有了突破。医学家桑克托留斯（Sanctorius，1561—1636年）发明了第一个体温计，还首创或推广过脉搏计，发明了称量椅、用于气管切开手术的新器械、取除膀胱结石的器械等。圣托里奥也曾对体温计和脉搏计进行了研究和制作。治疗眼疾的各种新的手术方式及治疗器械等也得以建立和完善。量化技术及精密器械的发展表明医学和近代科学其他领域一样，向精确化方向发展。

同中世纪相比，十六七世纪的医生一般都比较崇尚经验，注重观察事实，而不怎么崇尚纯粹书本知识，不注重抽象的理论。在这方面最典型的代表要算是第一个敢于起来批判盖伦学说的比利时医生、近代解剖学奠基人安法勒斯·维萨里，他所著的《人体结构》批评了盖伦在心脏构造上的错误见解，指出：心室间隔不能有缺损，心室壁是厚而密的组织，没有什么小的空隙（或小孔）（在第一版时还只是怀疑心室间有小孔存在，第二版则断定确实没有小孔）。此外，维萨里还敢于向中世纪被奉为绝对权威的亚里士多德提出异议，认为思维器官是脑和神经系统，而非心脏。

维萨里的《人体结构》是对盖伦等的传统医学和中世纪权威的挑战，同时标志着正确认识人体的第一步。正确认识人体是治愈疾病的前提，因而维萨里所迈出的这一步至关重要。但由于宗教的原因，人体解剖是被禁止的，维萨里的做法受到了教会和权威们的反对。然而，他说，他不能因为权威而怀疑自己的眼睛和自己的理性，这表达了十六七世纪科学家们的心声。

2）塞尔维特的“肺循环”理论

在人体生理学中，血液的运动规律具有重要的地位，因为血液贯穿全身，是联系身体各部分的渠道，对血液运行的正确认识有助于进一步了解人体的其他机能，因此，正确的血液运行规律的建立构成近代生理学革命的重要内容。

在发现血液循环的道路上迈出第一步的是西班牙的生理学家兼神学家塞尔维特（Michael Servetus，1511—1553年）。他曾在西班牙和法国的几所大学学习，后在巴黎大学攻读医学，在那里认识了维萨里，并结为至交。在1553年秘密出版的《基督教的复兴》一书中，塞尔维特阐述了血液的肺循环（即小循环）理论。这一理论的主要内容是：心脏是血液最初的本源。血液的再生过程为：血液从右心室经过肺动脉而流向肺部，在肺部同“吸入的空气”（即氧气）相混合，其中的“烟气”（即二氧化碳）通过呼吸被清除掉，吸收了新鲜空气，从而恢复鲜红颜色的血液再经过肺静脉流入左心房，并进入左心室。于是具有“活力灵气”的血液又向全身输送，这就是血液为何是生命之所在的原因。

由于塞尔维特的肺循环学说违反教义，加上他拥护非正统的唯一神教派而同加尔文新教和天主教正统派相冲突，因此，尽管他逃过了异端裁判所的迫害，却最终不幸落入加尔文教派的魔掌。在遭受两个多月惨无人道的刑讯后，塞尔维特于1553年10月27日在日内瓦被活活烧死。他被烤了两个小时之久，他的著作也被付之一炬。恩格斯曾经指出，“新教徒在迫害自然科学的自由研究上超过了天主教徒”⁽⁴⁶⁾。假如塞尔维特未遭迫害，系统的血液循环理论以及随之而产生的一切生理学进步或许会早半个世纪出现。

3）哈维的“体循环”理论

中世纪以来，亚里士多德和盖伦的理论统治着医学领域，一些根本性的错误被奉为经典和教条，从而束缚了近代医学的发展。其中，盖伦血液运行理论的主要错误在于：第一，他分不清人体的各个生理系统，而把它们搅和在一起。他把消化系统与血液循环系统混在一起，还把肺和肝脏等与血液循环系统搅在一起。第二，他的血液流动路线也是错误的。他认为肝脏造血之后先储存在静脉中，静脉血先流到右心室，然后穿过心室的隔膜（“小孔”）转入左心室；血液流动的路线没有回路，血液在血管中来回流动。

在哈维之前，有很多医学家先后批判过盖伦的理论，如维萨里就曾指出过盖伦关于心脏构造的错误见解，但他没有正面明确地论述和说明血液循环的途径；塞尔维特也仅仅解决了肺循环问题。与他们相比，哈维的工作要彻底得多，而且是建立在大量实验的基础上，在论述方法上也非常鲜明，从而最终推翻了盖伦关于血液运行的错误理论，科学地阐明了血液循环的基本原理。

哈维（W.Harvey，1578—1657年）是英国著名的生理学家，年轻时曾在意大利的帕多瓦大学进行深造，在那里受到文艺复兴时期进步思想的影响，认识到旧哲学对科学的束缚及实验方法对科学的意义。在《心血运动论》这部名著的献辞中哈维写道：“我认为，无论是学解剖学，还是教解剖学，都应以实验为据，不应以书籍为据；应以自然为师，而不以哲学家（指理论权威）为师。”正是这种尊重事实、不迷信传统的科学态度使哈维能够取得重大发现。

哈维通过严格的科学实验，在塞尔维特提出的“肺循环”理论的基础上，提出了“体循环”理论，从而建立了完整而正确的血液循环途经的理论。其主要内容为：血液从心脏的左心室出发，沿主动脉、动脉、小动脉到全身的毛细血管进行物质交换，再循着静脉、大静脉、腔静脉回到右心房而入右心室；接着再从右心室沿肺动脉进入肺，然后经过肺静脉，流入左心房，并且进一步又流入左心室。当然，他没有能够说明，在肺部血液是怎样从肺动脉流向肺静脉的。这个过程可表示为：左心室→主动脉→动脉→小动脉→全身的毛细血管→静脉→大静脉→腔静脉→右心房→右心室→肺动脉→肺→肺静脉→左心房→左心室。此外，他还提出血液运动的动力在于心肌的收缩，心脏起到推动血液流动的机械作用，从而指出了血液循环的真正动力。哈维猜想，在动脉和静脉之间一定有一个肉眼看不见的起连接作用的血管网。显微镜发明以后证实了这一假说。

哈维描绘的血液循环图

哈维在方法论上的创新主要体现为大力提倡科学实验方法和数学方法。哈维强调不应迷信书本和权威，而要尊重实验，尊重自然，代表了这个时期科学家的自发唯物主义倾向。他一生中活体解剖过80多种动物，亲自观察动物心脏的结构和功能，还经过整整12年的实验，达到了对血液流动的科学而完整的认识。在法布里修斯（Hieronymus Fabricius，1537—1619年）发现静脉瓣膜的基础上，哈维进一步发现，静脉瓣膜的作用在于使得血液只能往一个方向流动，而不可能是双向流动。他通过分解分析实验发现：结扎动脉时，近心端膨胀；而结扎静脉时，远心端膨胀，从而把血流的方向彻底搞清楚了。正是在这类分解、分析实验的基础上他实现了对血液循环的总体认识。此外，他还把数学用于生物学中，与科学实验相结合，通过简单而发人深省的计算，说明心脏跳动在每1小时中挤压到全身的血液总量相当于3个成年人的总血量，他的计算过程是：心脏每压缩一次所挤出的血有2英两，每分钟有72次脉搏，则一小时挤出的血量为：2×72×60=8640（英两）=540（磅）。这相当于三个成年人的总血量。显然，如果不是循环，这是不可想象的。他的这种数学方法的应用，使其获得了“生物数学创始人”的赞誉。由于确立了血液循环学说，盖伦的各种“元气”说被人们彻底地抛弃了；而随着越来越多的以分解、分析为特征的科学实验的出现，关于消化吸收、营养、生理化学等新陈代谢功能得到了研究，生理学从此也被确立为一门科学。由于这一光辉成就，哈维被誉为近代生理学之父。

伽利略的显微镜

4）毛细血管的发现

哈维曾经猜想，在动静脉之间有一个起连接作用的血管网，但由于技术所限，他未能证实这一假说。这种血管网发现的技术前提就是：复显微镜的发明。伽利略第一个将望远镜对准天空，发现了从未见过的天文现象，为日心说理论提供了有力的经验支持。同样，他也最早把显微镜用于科学工作，观察了昆虫的运动器官、感觉器官和复眼等。而真正用显微镜完善血液循环理论的是马尔比基和列文虎克。

第一架复式显微镜

最早的复显微镜是詹森（Z.Janssan，1580—1638年）于1590年制造的。⁽⁴⁷⁾它由若干会聚透镜组合而成，其中有一个短焦距透镜，在高倍率时它所成的像是有像差和色差的。后来，马尔比基和列文虎克对复显微镜进行了改造，并将之用于自己的科学研究。

马尔比基（Malpoghi，1628—1694年）是意大利人，他早期从事的工作就是用显微镜研究青蛙的肺。1660年，他发现青蛙的肺里布满了复杂的血管网，这种结构使血液在肺内很容易将空气带走，而且正是这种血管网连接了肺动脉和肺静脉。后来，他在蛙体的其他部位也发现了许多纤细的血管，这些就是我们现在所熟悉的毛细血管，正是它们将身体各处的静脉与动脉相连通。这就解决了哈维血液循环理论所遗留的问题。此外，马尔比基还用显微镜对动物的呼吸系统进行了研究，用显微镜仔细观察了小鸡在鸡蛋中的发育过程，进一步发展了胚胎学研究。这些成就使他成功加入英国皇家学会。

列文虎克（Antony Van Leenwenhoek，1632—1723年）生于荷兰代尔夫特的一个贫困家庭，未受过正规教育，主要依靠自学而掌握了许多科学知识。由于没有受过教育，缺乏光学知识，他没能制造出复式显微镜，但他心灵手巧，磨制的透镜放大倍率很高，因而只用一个透镜的单显微镜也取得了重大发现。列文虎克最先发现了单细胞有机体，即原生动物。他继续马尔比基的观察，在许多动物身上发现了血液循环现象。1688年，列文虎克用自制的显微镜观察蝌蚪的尾巴，发现了50多个血液循环方式。此外，他还用显微镜研究了肌肉纤维，明确指出了红血球的存在。他对人和动物的红血球也作过比较性研究。最重要的是他还发现了比原生动物更微小的细菌。列文虎克的这些观察结果最终为英国皇家学会认可，他也凭借这些成就被选为法国科学院院士。

这些科学家对毛细血管和血液循环方式的观测，使得哈维所创立的血液循环理论得到进一步完善，并最终确立了血液运行的方式，完成了近代生理学革命。显微镜的应用使生物学知识的范围在17世纪得到大大扩展，其最突出的功劳就是导致了细胞学和微生物学的创立，这两个学科在19世纪获得了迅速发展。同时，借助显微镜而开创的显微生物学成为生物学中一个非常重要的领域，这一领域直到19世纪还保持着无与伦比的地位。

（3）物理学革命

1）伽利略：近代力学的先驱

近代力学产生之前，亚里士多德关于运动学的理论在力学中占据主导地位，并严重阻碍了力学的发展。伽利略从落体问题下手，最先向亚里士多德运动学发起挑战。亚里士多德认为，在落体运动中重的物体必定先于轻的物体落到地面；体积相等而重量不同的两个物体从同一高度落下时，其速度比等于二者的重量之比。据传伽利略曾登上比萨斜塔做过落体实验，证实了所有物体均同时下落。但此传闻始终未得到科学史界的公认。其实，伽利略最终是运用思想实验和归谬法有力地批驳了亚氏的落体理论。他设想，若将两个重量不同的石头捆在一起，它们会以怎样的速度下落呢？按照亚里士多德的理论，由于两块石头的总重量均大于其中任何一块的重量，故捆在一起时下落速度比大石块单独下落时速度要快。但是，捆在一起的两块石头毕竟是两个物体，它们一轻一重，捆在一起下落时小石块会牵制大石块的下落速度，因此捆在一起时下落速度又会小于大石块单独下落时的速度。这两个大相径庭的结论都是从亚氏落体理论中推导出来的，利用归谬法就会得出亚氏落体理论不可靠的结论。

伽利略运用实验—数学法，通过分析相同比重物体在同一介质（如空气）中下落的种种情况和介质密度对物体下落的影响，以及经过“冲淡重力”斜面实验，最终得出三个结论：第一，比重相同而重量不同的物体在空气中以同样的速度运动（下落）；第二，在完全没有阻力的介质（即真空）中，所有物体以同样速度作自由落体运动；第三，物体均以匀加速运动自由下落，而下落距离与时间的平方成比例地增加。

伽利略的斜面实验

在这些实验分析中，伽利略发现了类似机械能守恒定律的思想，由此得出“惯性”概念，从而否定了亚里士多德“力是运动的原因”的错误观念，确立了“力是改变运动的原因”的思想。这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义共同为牛顿的运动第一和第二定律的最终确立奠定了基础。通过对单摆的研究，伽利略发现：单摆的摆动周期与振幅无关。在《关于两种新科学的对话》中，他详细描述了这些实验及其结果，证明单摆周期不依赖于摆的重量和材料，而与摆的长度的平方根成比例。对摆运动的研究也证明了伽利略落体运动理论的正确性。

由于伽利略想要发现的不是物体为什么运动（降落），而是怎样运动（降落），并通过实验揭示其中的数学关系，这就使得从他开始，时间与空间在物理科学中开始具有本原而根本的性质。不过，由于他认为惯性定律只在水平面上成立，因此他的力学仅停留在地面力学上，而未能扩展到天体力学，只有笛卡尔和牛顿才把惯性定律作为普遍的力学基本原理来把握。

2）笛卡尔：机械自然观的建立

笛卡尔所处的时代正是西欧各国从行会手工业向工场手工业过渡的时代。机器的复杂化要求使机械平衡定律普遍化，并能进行定量计算。1637年在寄给惠更斯（Huygens，1629—1695年）的一封信中，笛卡尔以“说明一种借助它可用很小力提起很重货物的机器”为主要内容阐述了他关于滑轮、斜面、楔形物、绞车、螺丝和杠杆的理论。他这样写道：“所有这些机器的发明都基于包括在其中的一条统一原则：同一个力能够把某一个比如100磅的重物提高2英尺，还能够把200磅的重物提高1英尺，或把50磅的货物提高4英尺，等等。”⁽⁴⁸⁾社会生产的机械化程度提高，这一点也反映在笛卡尔的思想中。

前文中已经提到笛卡尔的直观—演绎法，他运用普遍怀疑的方法得到“我思故我在”这个清楚明白的命题，由此出发而得到上帝、外在世界的存在，提出心灵—物质的二元论：物质的本质属性是广延，心灵的本质属性是思维。按照演绎推理的方法，笛卡尔描绘了他的世界图景。这个世界充满了物质，物质处于不断的运动之中，运动导致了连续性广延的局部不均匀性，即事物的离散状态。笛卡尔还直接演绎出运动的惯性定律：“一件物体，在它静止的时候，具有保持静止并抵抗每一件能使它变化的事物的能力。同样，一件物体，在它运动的时候，具有继续以同一速度和同一方向运动的能力。”⁽⁴⁹⁾这就是说，一件完全不受外力影响的物体便可不经历任何运动的变化。笛卡尔成为科学史上清晰地陈述惯性定律的第一人。在《哲学原理》中，笛卡尔把惯性定律分成两条“自然规律”。第一条规律确认，“任何物体总是尽可能地继续保留在同一位置上”；第二条规律的内容是“物体的每一部分都力求继续沿直线运动”⁽⁵⁰⁾。

在《谈谈方法》一书中，笛卡尔比较系统地阐述了机械自然观。“机械的”一词原义是“力学的”，笛卡尔赋予它另一层含义，即“可以用机械模型加以模仿的”。在第一种意义上，笛卡尔是彻底的机械论者，他认为宇宙中无论是天上还是地上处处充满着同样的广延物质和运动。他又将运动定义为位移运动，并提出运动守恒原理，使宇宙处在永恒的机械运动之中。 “神以他的全能创造了带有运动和静止的物质，并且现在以他的经常协助在宇宙中保持着与他创造宇宙时所放进去的同样量的运动和静止。因为运动只不过是运动的物质中的一种方式，然而物质却是一个一定的量的运动，这个量是从来不增加也从来不减少的，虽然在物质的某些部分中有时候多一点，有时候少一点。”倘若抛弃神学的外衣，这里得到最充分阐述的定律就成为经典力学的重要规律之一了。

在第二种意义上，笛卡尔也是一位很突出的机械论者。他认为人造的机器与自然界中的物体没有本质的差别，所不同的是，前者的每一部分都是被我们很明确地看到的。他相信，人体本质上是一架机器，它的机能均可以用力学加以解释。

笛卡尔还探讨了大量的碰撞问题，他认为违反惯性定律的唯一原因只可能是相撞，并用他命名的第三、第四自然规律阐述了相撞时物体动量的传递规律。此外，他还叙述了七条关于物体相撞的个别定理。笛卡尔不注重实验，他所得到的物理学原理仅依赖于天才的直觉和严密的数学推理。虽然他所构建的世界图景有许多荒谬之处，但其机械论哲学却影响深远，是近代科学诞生的主要标志之一。

3）伊萨克·牛顿：力学的集大成者

英国著名诗人波普曾有一首赞美牛顿的诗：“大自然和它的规律/隐藏在黑暗之中/上帝说：让牛顿去吧/于是一切便灿然明朗。”从这首诗中，不难窥见牛顿在科学史上的重要地位，他引导我们以理性把握了大自然及其规律。恩格斯曾经说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”⁽⁵¹⁾牛顿所取得的伟大成就使他成为科学史上难以逾越的一座高峰，他所构建的理论体系成为近代物理学得以建立的标志。

伊萨克·牛顿（Isaac Mewton，1642—1727年）出生在一个农民家庭，幼年时身体很弱。他12岁进入文科中学读书时，就显示出制造机械工具及模型的才能。1661年，牛顿进入剑桥大学三一学院深造。在攻读文学学士学位的过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光学的名著以及天文学和力学等方面的最新成果。正如恩格斯所总结的那样，牛顿称得上是一位全能的科学家：在力学上，他系统总结了力学中的三大运动定律，确立了完整的牛顿力学体系；在天文学上，他发现了万有引力定律；在光学上，他提出了对后世产生重大影响的“微粒说”，也由此引发了科学史上著名的波动说与微粒说之争；他还发现了太阳的光谱，并制作了反射式望远镜；在数学上，牛顿也是硕果累累，他于1665—1666年在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间，发明了二项式定理的流数法。尤其值得一提的是，牛顿和莱布尼兹各自独立发明了微积分的计算方法。当然，这一数学上的突破也引发了关于微积分的优先权之争，并导致了英国和欧洲大陆之间数学交流的一度中断。但不管怎样，微积分的创立与发展为物理学特别是经典力学体系的建立提供了直接而强有力的工具。牛顿还做过一些化学实验，可惜在1692年的一次大火中，他的化学手稿与光学手稿全部被焚毁了。加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝，却蕴涵了“反神创论”倾向，受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，加之胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发现权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经衰弱以致失常。以后从1703年当选皇家学会主席至去世，牛顿除了从事货币改革、研究炼金术和注释圣经，还做过一段时期的议员外，近40年当中，几乎没有什么突出的科学成就。牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学会会议时突然发病，两周之后去世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科学家。在安葬牛顿的威斯敏斯特教堂竖立的纪念碑上，刻着这样一首诗：“这里躺着牛顿爵士，他以超人的智力首先证明了行星的运动和图形、彗星的轨道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光线的各种折射率及其所产生颜色的种种性质，对于自然、考古和圣经是一位前所未有的勤奋、敏锐而忠实的诠释者。他的哲学中确认了上帝的尊严，他的行为中展现了真正的纯朴。让人类欢呼曾经生存过这样伟大的一位人类之光吧!”⁽⁵²⁾

《自然哲学的数学原理》（1687年，拉丁文版）

我们就从《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）这部巨著来看牛顿的力学体系，以及他的科学思想。在《原理》中，实验和观察、机械主义的哲学和先进的数学方法被糅合成一个完整的、能用实验加以证实的思想体系。这部于1687年完成的巨著谈的不是实验物理而是普遍适用的万有引力定律的推导，所达到的抽象数学的水平可以用来计算其他自然现象。牛顿在世时，《原理》一共出了三版。在纠正若干错误后，第二版由英国数学家R.科茨（Roger Cotes，1682—1716年）于1713年编辑出版，第三版于1726年出版。

《原理》第一编讨论了一系列奠定力学基础的定义和公理，对质量、动量、惯性、力和向心力下了定义。牛顿对“力”这个概念所下的定义——力是运动状态改变的原因，即产生加速度的原因。匀速直线运动只有在没有力的作用的情况下才能保持——标志着力学向近代物理的转变，并由此结束了古代和中世纪关于“力”的争论。牛顿还对“外加力”这个词作了解释：这种力只存在于推动之中，当作用过去以后，它就不再停留在物体之中。此外，牛顿对时间、空间、地点和运动的概念也作了透彻分析。他认为，绝对的、真正的和数学的时间是自身在那里流逝，而且其性质是等速的，与任何其他外界事物无关。“绝对的空间因其性质与外界任何事物无关而永远是相等的和不动的。”

在《原理》中，牛顿还阐明了他的三条运动定律：第一定律，每个物体可以继续保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有力加于其上，迫使它改变这种状态；第二定律，运动的改变和所加的致动力成比例，并且发生在所加力的那个直线方向上；第三定律，反作用与作用总是相等而相反，或者说，两物体间的相互作用总是大小相等，方向相反。

应当指出，牛顿的惯性原理是科学认识史道路上迈出的重要而非凡的一步。同时牛顿以一种具有深远影响的形式表达他的第二定律：

这种表达方式至少在思想上为运动状况变化时相对的质量变化提供了强有力的依据。最后，由于牛顿把第三定律概括为“作用”和“反作用”定律，从而得出月亮对地球的引力和地球对月亮的引力相等同的结论。它还为质点力学向质点组力学过渡提供了前提。

更为重要的是牛顿在第一编中提出天体力学理论，即如果有一种与距离平方成反比的力起作用，一个物体就呈圆锥曲线（椭圆、抛物线、双曲线）运动；引力的中心就在圆锥曲线的一个焦点上。此外，他还对三体问题即太阳、地球和月亮这个系统的运动问题作了初步解答。这是万有引力定律的一个具体应用。牛顿发现万有引力定律的过程前后历时20年之久。此间他受到当时一些著名物理学家（如哈雷和胡克）的帮助或启发，并借助了皮卡特1679年关于1纬度对应的地球表面长度的测定值等重要的天文观测结果，在伽利略地面力学和开普勒天体力学成就的基础上发现了万有引力定律。

牛顿有一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”事实也的确如此，作为万有引力定律概念基础之一的“离心力”、“向心力”思想早在1632年伽利略的《对话》中就已提出来了。不仅如此，伽利略的抛射体运动还使牛顿受到启发，并促使他去思考“月亮为什么不下落”等问题。而作为万有引力定律概念基础之二的“引力平方反比”思想，也早在1645年就为布里阿德所提出。在前人的基础上，牛顿开始了对万有引力的探索。首先，他于1665—1666年提出了离心力定律

这一定律在1673年也为惠更斯独立地得出。随后，他从这一定律和开普勒的第一、第三定律中推出圆形轨道上天体间的引力与距离的平方成反比关系。1669年他又把圆形轨道上的引力平方反比关系近似地用于对行星的椭圆轨道的研究中，但是这种研究尚存在一些困难：其一，缺乏关于地球半径的足够精确的数据；其二，天体是实体，怎样来计算所有物体的任何部分所产生的吸引力的联合作用？其三，牛顿当时还不能肯定是否应该由地心开始计算月地距离，因为这牵扯到地球对月球的引力是否正像它的全部质量都集中于地心。鉴于这些困难无法立即得到解决，牛顿就把主要精力放在光学研究上。但不久牛顿又重新回到引力问题的研究中。他于1684年借助向心力概念并运用微积分和极限理论，从离心力定律中得出了引力平方反比定律，并利用皮卡特的测定值成功验证了在平方反比于距离的力作用下，行星必定在椭圆形轨道上运动。随后，在发现运动第二定律的基础上，牛顿把它应用于解决万有引力问题，得出了万有引力与相互作用物体的质量乘积的正比关系。1685到1686年间，牛顿终于得出了关于重力或万有引力与质量乘积成正比而与距离的平方成反比的完整表述，并发表在《原理》的第三编中。

我们需要注意的是，《原理》第一编中给出的这些定义和原理并不是作为肯定某些超感觉的实在而给出的，“它们是普遍的法则，倘若从它们演绎出的特定结果与观察现象一致，那么它们便令人赞美地起了作用”⁽⁵³⁾。《原理》的第二编讨论的是物体在有阻力的介质中的运动。牛顿批驳了笛卡尔的以太—旋涡理论，并指出没有旋涡也可以计算出媒质中的运动。《原理》第三编运用运动普遍规律来解释现实自然界的实际问题，例如，根据测得的天文数据研究行星的运动、月球的运动、潮汐、二分点的岁差和彗星的运动。《原理》以“论宇宙体系”作为结尾。

牛顿以这一力学体系为基础构建了机械自然观。这一自然观的主要观点包括：自然界的所有运动都是或都可以归结为机械运动，宇宙就是一架机器；自然界的各种物体都由微粒构成，它们具有惯性、重量、坚硬性、不可入性等机械属性；时间与空间同物体的变化无关，它们的测量同参考系的选择无关；力的作用只发生在两个物体质点的连线上，力是超距作用，其传递不需要媒介；如果物体在某一时刻的状态给定，我们就可以应用力学定律计算出它在任一瞬间的状态，且这一计算结果唯一确定；自然界的所有现象都可以用机械力学解释，由机械力学可推导出所有自然科学知识。⁽⁵⁴⁾这一力学机械自然观进一步细化了笛卡尔的机械自然观，直到19世纪都被科学家奉为信条。

（4）化学革命

炼金术的实用化导致了医药化学和工艺化学的产生，而这种实用化的发展方向使得化学作为一门科学学科得以建立。化学最终借助燃素说彻底从炼金术中解放出来大约经历了三百年的时间，这段历史可以划分为：医化学与工艺化学时期、微素理论时期、燃素学说时期和氧化学说时期。

1）医化学与工艺化学

文艺复兴时期，炼金术分化为三个发展方向：第一，继续传统炼金术之路，以将贱金属转化为贵金属为目的；第二，将炼金术中获得的化学知识用于医药学，形成医化学学派，以帕拉塞尔苏斯和范·海尔蒙脱为代表；第三，将炼金术中的化学知识用于冶金和矿物学，形成工艺化学学派，以阿格利柯拉和毕林古修为代表。

我们在“文艺复兴运动中的科学文化”一节介绍了帕拉塞尔苏斯⁽⁵⁵⁾在医学上的改革，其著作在他逝世20多年后得以出版，并受到追捧。这里我们侧重于介绍他对化学发展作出的贡献。帕拉塞尔苏斯在制药过程中，总结了化学实验中标准反应的一般特征，在化学发展史上具有重要意义。尽管帕拉塞尔苏斯还没有从实践上完全摆脱炼金术，但他认为炼金术的目的是荒诞的。他给炼金术下了一个新定义——把天然原料转化为对人类有用的产品的科学。帕拉塞尔苏斯在炼金术的两元素（“硫”、“汞”）说基础上增加了“盐”而提出三元素说，以此作为他的理论观念来解释自然界的物质变化。他认为“硫”是可燃元素，“汞”是挥发性或可溶性液体元素，“盐”则是不挥发和不可燃元素。这三种元素在物质中所占的不同比例，决定了物质所具有的不同性质。帕拉塞尔苏斯做过制药、提纯和大量化学实验，区分了白矾和蓝矾，研究了二氧化硫的漂白作用，发现了醚类物质及其麻醉作用，并强调化学操作中定量的意义。他的工作为医药化学奠定了基础，其医化学学派在17世纪产生了很大影响。

比利时的范·海尔蒙脱（J. B. van. Helmont，1577—1644年）是医化学学派最后一位颇有影响的代表人物。他既不同意亚里士多德的五元素说，也不同意帕拉塞尔苏斯的三元素说。他认为火和土都不是物质的基本成分，因为火不具有物质的外形，而土则可由水生成；气虽然是一种元素，但它不能转化成其他形式的物质；只有水才是所有化学物质的基础，其他物质都是水的产物。可见，在海尔蒙脱看来，元素不能被生成，而能生成他物的只有水，这与古希腊学者的世界本原论相似。海尔蒙脱通过许多实验证明这一论点，其中最著名的就是“柳树实验”。他将200磅土壤烘干称重，种下5磅重的小柳树，收集雨水灌溉；5年后，柳树重163磅3盎司，土壤烘干称重只少了2盎司。由此得出结论：柳树的新物质由水转化而来。尽管他的实验构思和结论是错误的，但其定量研究的方法为现代化学奠定了方法论基础。同时他的“无不生有”的信念蕴涵着朴素的物质不灭思想。

柳树实验

海尔蒙脱还注重对气体化学的研究，他最早区分了空气、水蒸气和其他气体（gas），还区分了呼吸用的空气和使人中毒的一氧化碳以及可以灭火的二氧化碳等气体。他还研究了酸、碱等物质，并倡导化学教学应当用火的操作来证明，并自称为“火术哲学家”。海尔蒙脱对波义耳元素定义的形成有很大影响。他还提出过人体消化过程中的“酸素”理论，这一理论孕育了近代生理学中的酶学说。⁽⁵⁶⁾

除医化学外，工艺化学也是从炼金术向近代化学过渡的重要方向之一。代表人物主要有德国医生阿格利柯拉（G.Agricola，1494—1555年）和意大利的工匠毕林古修（V.Biringuccio，1480—1539年）等。阿格利柯拉写过很多冶金和矿物学著作，最著名的是1556年出版的《论金属》。它摆脱了炼金术的束缚，成为其后200年中采矿、冶金方面的重要指南。尽管该书侧重于应用方面，但已有部分金属化学以及地质现象的内容。毕林古修在其1540年出版的名著《火术》中，叙述了铸钟和铸炮等各种运用火的生产技术，并从矿物形成、采矿、提取、冶炼、化合物及其性质一直谈到火药和其他可燃、可爆的物品。针对传统炼金术，他直接提出了“金属不能转化”的思想。此书和《论金属》均体现了在化学方面学者传统和工匠传统的结合，是从炼金术通过工艺化学向近代化学发展的里程碑。

2）波义耳的“微素”理论

使化学从炼金术的影响下解放出来，从而真正成为一门科学的，乃是英国科学家波义耳（Robert Boyle，1627—1691年）。波义耳由于和马略特分别独立地发现了气体定律（vr=常数）而成为著名物理学家，但他在科学史上更重要的贡献是在化学方面。在其1661年出版的《怀疑派化学家》中，波义耳系统地批判了炼金术中“性质决定一切”、“性质组合而成为物质”等错误原则，并在古代原子论以及医化学家范·海尔蒙脱的影响下，提出了微素理论。此书标志着近代化学从炼金术中脱胎而出。

医化学家和工艺化学家们虽然在物质分类和定量实验方面做了许多工作，但他们的工作侧重于实用目的。从波义耳开始，化学被看做一门理论科学，它不只是制造贵金属、提炼有用药物和提取矿物质的经验技艺，而是自然哲学的一个分支，其目的是为物质现象提供理论解释。对化学学科的重新界定是波义耳的一个重要贡献。

他在化学方面的另一贡献是提出微素理论。这一理论认为构成自然界的材料是一些细小致密、用物理方法不可分割的微粒，正是物质的这些机械微粒决定着物质的性质及其变化，其中包括：它们的大小、位置、机械运动，以及当时人们所了解的一切物理、化学性质。物质的机械微粒结合成更大的粒子团，而这些大大小小的粒子团作为基本单位参加各种化学反应。也就是说，所谓化学变化就是这些粒子团的运动、组合、排列从而形成新物质的过程。

波义耳还批评了炼金术中的“同情”、“憎恶”、“亲和”等颇带感情色彩的概念。在他看来，化合反应中的吸引力或“亲和力”，可以解释为运动粒子相互匹配集聚的结果⁽⁵⁷⁾，而根本不是什么“相亲相爱”的结果。波义耳用微粒本身的特点来解释化学反应，是很有意义的。他的微粒说是燃素说的理论前身。比如他认为金属燃烧后，由于火的微粒（火素）穿过玻璃容器与金属化合，从而产生了金属灰，这是燃烧后重量增加的原因。尽管波义耳的“元素”不是后来斯塔尔的“燃素”，但波义耳的微素学说对燃烧现象的解释却是建立燃素说的基础。两者作为机械的微粒哲学，反映了那个时代人类认识自然的机械论特征。

波义耳不仅否定了古代的元素说，也否定了炼金术和霍亨海姆的元素说。他认为既然不能通过实验把元素从物体中提取出来，它们就不配作为构成物体的元素。他给元素下了一个较清楚的定义：元素是“指某种原始的、简单的、一点没有掺杂的物体，元素不能用任何其他物体造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所谓完全混合物的成分，也是完全混合物最终分解成的要素”⁽⁵⁸⁾。他认为化学的一个重要任务就是把复杂的物质分解为它的组成元素，并由此认识物质的本性。应当指出，波义耳所指的“元素”在多数情况下相当于现代化学中的“单质”概念，后来拉瓦锡正式使用“单质”概念，以区别于“元素”概念。

作为弗·培根的信徒，波义耳认为化学应建立在大量实验的基础上，应对化学进行定量研究。他首次使用“分析”一词，而元素概念的提出就是由“分析”而来。波义耳认为，化学不仅要指出自然是由复杂元素组成的，而且要指出到底由多少种元素组成。他一生中记录了很多定性分析的实验。由于确立了化学的独立性，给出了比较清楚的化学元素的定义，并进行了大量的化学实验，这些成就使波义耳成为了近代化学的奠基人。在西方文化史上，波义耳对于扬弃古代自然哲学的整体论思维，并过渡到近代科学的分析思维，无疑作出了巨大贡献。

3）斯塔尔的“燃素说”

完成化学学科统一的并不是波义耳的微素理论和元素定义，而是在他的“火素”概念基础上形成的燃素说。法国化学家贝歇尔（J. J. Becher，1635—1682年）不同意波义耳把燃烧现象解释为化合过程，而提出燃烧是一种分解过程即释放“燃烧性油土”的过程。所谓“油土”指的是炼金术中的“燃烧性硫”。后来，他的学生、德国御医斯塔尔（G. E. Stahl，1660—1734年）于1703年重新编辑出版了贝歇尔的著作，并增加了大量注释。他用“燃素”代替了波义耳的“火素”和贝歇尔的“油土”概念，并提出了系统的燃素说。

燃素说的基本观点是：第一，燃素是构成火的元素，当它们聚集在一起时就形成火焰，当它们弥散时只能给人以热的感觉。第二，燃素充塞于天地之间，大气中因为有它才会有闪电，生物体因含有它才富于生命活力，无生命物质因含有它才会燃烧。物体失去它就成为死的灰烬，而灰烬获得它就会得到复活。第三，燃素不会自动从物体中分离出来，只有在借助空气而发生燃烧时，燃素才能释放出来。火焰是自由的燃素，燃素是被禁锢的火。第四，所有燃烧现象都可归结为燃素的转移——吸收或释放。比如，金属燃烧时逸出（释放）燃素而成煅灰，而煅灰与木炭一起燃烧时又从木炭中吸收燃素，重新变为金属。

由于燃素说使包括燃烧现象在内的大多数化学反应在系统的理论基础上得到了说明，从而使化学摆脱了炼金术，结束了化学在18世纪中叶以前知识零散、解释混乱的局面，完成了化学学科的统一。燃素说传播日广，到18世纪中叶时，几乎被举世公认，很多著名化学家都成了它的信徒。

4）拉瓦锡的氧化学说

燃素说作为一种把化学现象统一起来的学说，被18世纪的科学家广为推崇，并统治了欧洲科学界百余年之久。但燃素说是一种有严重错误和重大困难的理论。其主要的错误是把煅灰说成是单质，却又把金属说成是化合物，并把金属的燃烧过程说成是分解反应。而它最大的困难是：如果确有“燃素”这种物质存在，它就应具有重量。然而，金属经煅烧释放燃素后重量非但没有减少，反而增加了。为了自圆其说，当时有人曾设想燃素具有负重量（即“轻量”），这实际上是向亚里士多德元素说的倒退；还有人设想燃素逸出后，有另一种较重的物质被吸收。另外，燃素与空气之间的依赖关系，以及找不到独立存在的燃素，也是燃素说的理论困难，这些困难使燃素论者之间产生了意见分歧。一批批新发现的事实不断要求对这些理论进行修改。正如化学史家莱斯特所说：“一旦有某种更加合理的学说可供利用，燃素说就不可避免地要一败涂地。”⁽⁵⁹⁾拉瓦锡（A. L. Lavoiaier，1743—1794年）的氧化学说在这种背景下应运而生。

在氧化学说诞生之前，实验化学在气体分离和发现方面均取得了重大进步。1755年英国的布莱克发现了被他称为“固定空气”的二氧化碳；1766年卡文迪什发现了被他误认做“燃素”的“可燃空气”——氢气；1772年丹尼尔·卢瑟福发现了被他称为“浊气”的氮气，不久卡文迪什和瑞典的舍勒也制得了这种气体；特别重要的是1773年舍勒制得了被他称为“火焰空气”和“活空气”的氧气，他认为燃烧是“活空气”与燃素结合的过程；1774年英国的普利斯特列在实验中也独立地发现了这种物质，他称之为“脱燃素气体”。他还用实验表明小鼠在充满这种气体的环境里存活时间最长，而人吸了它之后也很舒服，但他却至死也不愿放弃燃素说。舍勒和普利斯特列所发现的这种气体并没有使他们成为批判燃素说的革命家，这一事实说明，燃素说一方面促成了实验化学的新发现，另一方面又阻碍着理论化学的发展。

借助别人制造的武器并最终摧毁燃素说的是法国化学家拉瓦锡。拉瓦锡于1772—1775年在从事气体化学和燃烧理论研究时就对燃烧增重问题产生疑问。他不同意负重量的说法，也不同意波义耳的“火素”，他认为增重的原因是金属燃烧时从空气中吸收了某种物质。1774年，他重复了波义耳的煅烧金属（锡）实验。但与波义耳不同的是，拉瓦锡加盖了瓶塞，结果发现反应前后总重量不变，从而驳斥了增重是火素穿过瓶底进入锡的错误解释，并提出了灰烬是金属与空气中某种成分化合的全新解释。舍勒与普利斯特列的新发现则为这种解释提供了强有力的支持。拉瓦锡在严格定量的基础上重复了舍勒的燃烧磷实验和普利斯特列的加热氧化汞实验，使他的燃烧学说即氧化理论得以最终确立。在1780年出版的《燃烧通论》中，拉瓦锡提出了如下学说：

第一，燃烧时均有光和热放出；第二，物体只有在纯粹空气（氧气）存在时才能燃烧；第三，空气由可助燃的和不可助燃的两种成分组成，物质燃烧时由于吸收了空气中的纯粹空气而增重，增加的重量恰好等于吸收的纯粹空气的重量；第四，一般可燃物（非金属）燃烧后都变成酸，氧是酸的本质，金属燃烧后所变成的灰烬是金属的氧化物。

《化学大纲》

这就是化学史上著名的氧化理论。

到1785年以后，除普利斯特列等少数科学家外，拉瓦锡的氧化理论已被化学界普遍接受。1789年在他的《化学大纲》中，拉瓦锡正式把“纯粹空气”命名为氧气（gazoxyegène）。在这部标志着化学发展重要里程碑的划时代著作中，拉瓦锡阐明了“元素是化学分析所达到的真正的终点”，并列出了包括23个元素的第一张真正的化学元素表，还讨论了化学的对象、方法、仪器、化学物质的命名法，总结了前人和同时代有关气体化学和燃烧现象的实验成果。《化学大纲》以其前所未有的条理性和系统性对近代化学作出了巨大贡献，堪与牛顿的《自然哲学的数学原理》对物理学的贡献相媲美，它的问世也标志着化学作为一门科学已经正式形成。

可惜的是，在雅各宾专政的恐怖时期，拉瓦锡因涉嫌经济问题而受到指控，并于1794年5月8日被处死。法国著名数学家拉格朗日曾说过：“砍下拉瓦锡的头只需要一瞬间，而在法国再产生这样一个头颅恐怕一百年也不够。”法国科学界完全懂得拉瓦锡的价值，两年后为他树起了半身塑像，以缅怀这位杰出的化学家。

3.近代科学革命的实质

16—17世纪，欧洲发生了人类历史上一次伟大的科学革命。从1543年哥白尼发表《天体运行论》、维萨里发表《人体结构》开始，到开普勒、伽利略等人相继在科学领域中取得重大进展，直至牛顿完成《自然哲学的数学原理》，最终导致实验科学的诞生。它标志着一个全新时代的开端，以至“启蒙运动以来，人们就把科学等同于从传统和迷信中脱离出来的社会进步和道德解放，科学已被视为人类所有理性实践的典范”⁽⁶⁰⁾。

从社会学角度看，近代科学革命的实质是一场社会建制的变革，是科学社会化逐步实现的进程。所谓“科学的社会化”是指科学逐步与社会相适应，并发展成社会大系统中有机组成部分的融合过程。与当时科学革命几乎同步的科学社会化，其根本原因在于科学与社会的互动。一方面，“17世纪的欧洲科学革命，从整体上来看，与社会结构和经济结构中的封建主义到资本主义的转变是密切相关的”⁽⁶¹⁾；另一方面，社会价值观的变化促进了科学精神的形成和科学体制的逐步完善。著名科学社会学家默顿指出，当时在英国占主导地位的是清教主义，而清教主义的功利主义、理性主义和世俗主义的价值观念以及反传统主义，是与科学的价值观相一致的。正是“清教的精神气质所固有的种种社会价值是这样一些价值，它们（由于基本的用宗教术语表达并由宗教权威加以促进的功利主义倾向）导致了对科学的赞许”⁽⁶²⁾。17世纪以后，经验主义和功利主义逐渐成为科学、教育的主题，实验科学如物理、化学等逐渐进入大学乃至中学课堂。人们的职业兴趣也发生了巨大转移，据统计，诗人和教士的人数在17世纪的前70年减少了1.8倍，而医生和科学家的人数在同期却增长了1.4倍。这种功利主义倾向使科学成为“时尚”，神职人员也开始成为科学共同体的成员，科学著作甚至于出现在贵族夫人的梳妆台上。而科学与社会价值观的统一使科学的价值开始得到社会认同，科学的社会地位得到肯定，科学在社会结构中获得了合法地位和体制保证。

同时，社会化、体制化也是科学发展的内在需要。近代科学在本质上是实验科学，只有靠专业、社会集体力量才能获得合适的工作场所和必要的仪器设备。著名科学社会学家魏因伽特从历史学角度考察近代科学的社会化问题，认为科学建制的产生，是近代科学发展到一定程度与社会发生冲突后而采取的一种新形式。在这种新形式中，科学家们逐渐形成了共同的方法、信念、价值观、行为规范，科学奖励制度也成熟完善起来，通过社会机制实现科学的良性循环，正常运转。科学与其他社会建制开始相互作用、相互影响，增强了科学作为社会建制的影响力，并发展成为社会大系统的最核心部分。正是这种全新社会建制面貌的出现，才使得科学逐渐占据社会系统的核心，最终成为引导社会发展的决定性力量。

从自然观的角度看，近代科学革命的实质是机械论自然观的形成。早在古希腊亚里士多德那里就有“机器类比”的萌芽，不过它的真正形成是在希腊化时期和罗马时期，其代表人物是阿基米德、希罗和托勒密。他们把宇宙看成是一部机器，这种观念在欧洲中世纪被基督教保存和加强。⁽⁶³⁾特别是中世纪钟表的发明和普及（教堂和修道院率先使用了钟表），基督教思想家把宇宙比喻为由各种各样不同形状的齿轮连接起来，按照上帝制定的“自然法”运转的一座大钟。这是机械主义自然观形成的标志。与希腊化时期不同的是，基督教运用了统一的意识形态的力量，把这种机械主义的自然观连同数学理性主义自然观，强加给所有的人。这可能是近代力学之所以在西方能够率先得到发展的深层文化根源。

在工业革命爆发前，牛顿经典力学的成功进一步引发了科学思想界的机械论思潮。除了力学之外的其他学科，为了说明当时还不清楚的事物的结构、功能和运动机理，就创造出大量的莫须有的“素”（弹性素、磁素、火素、燃素）和“力”（电接触力、化学亲和力、生命力）等等。18世纪拉美特利在《人是机器》中甚至把人的勇敢、爱情等心理层面的现象，也用机械原理来解释。

应当说，机械论特别是科学家自发的、不自觉的机械论思潮，相对于神创论无疑是历史的伟大进步，但是一旦成为一种哲学，一种世界观，又会对科学思想的发展起到阻碍作用。