現(xiàn)代科學(xué)的大發(fā)展.doc

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1.1經(jīng)典力學(xué)形式的發(fā)展及外展式應(yīng)用 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(GBerkeley，16851753)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(dAlembert，17171783)和柯西(ALCauchy，17891857)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，17071783)的剛體和流體運(yùn)動(dòng)方程(1759，1761)、拉格朗日(JLLagrange，17361813)的解析力學(xué)(1788)和拉普拉斯(Laplace，17491827)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(E.Halley，16561742)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7576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(18121910)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)。 1.2 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，16321704)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?！?。一般說來，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)?！北M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。1.3 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(E.Tofricelli，16081647)、帕斯卡、蓋里克(OGuericke，16021686)和波義耳(RBoyle，16271691)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(VViviani，16221703)一起于1643年使用比水的比重大136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。1.4 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 Fahrenheit16861736)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，17011744)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。”約翰洛克也說明：“熱是物體中各部分難以察覺的非?；顫姷臄噭?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，17281799)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，17001782)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 Thompson，即Rumford，17531814)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(1S271830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。1.5 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（F.Hauksbee,1687-1763）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,1670-1736）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（1692-1761）在18世紀(jì)起電機(jī)和法國杜菲（C.F.Dufay,1698-1739）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,1706-1790）。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，1733-1804）所著的電學(xué)的歷史和現(xiàn)狀及最初的實(shí)驗(yàn)（1776）18世紀(jì)末葉，電學(xué)從靜電研究向流電研究發(fā)展。其中最重要的是意大利動(dòng)物學(xué)家伽法尼（Galvani,1737-1789）于1780年在解剖青蛙時(shí)發(fā)現(xiàn)的動(dòng)物電流。但把這個(gè)物理現(xiàn)象從生理學(xué)范疇中分離出來并做出物理學(xué)解釋的是伏打（1745-1827）。他在電堆實(shí)驗(yàn)和發(fā)明原電池的基礎(chǔ)上，提出了接觸理論，認(rèn)為任何物體中都含有電流質(zhì)，只是其緊張程度不同；當(dāng)兩種不同金屬接觸時(shí)，電流質(zhì)就可從一種金屬流向另一種金屬。盡管這種解釋逐漸取代了伽伐尼的動(dòng)物電觀點(diǎn)，但這兩種解釋均未觸及到電流產(chǎn)生的真正本質(zhì)。然而這兩種解釋之間的爭(zhēng)論，客觀上促進(jìn)了電化學(xué)的發(fā)展。不管怎樣，從靜電到流電的研究畢竟標(biāo)志著電學(xué)認(rèn)識(shí)上的一次飛躍。1.6 1 718世紀(jì)的聲學(xué)人類對(duì)聲學(xué)的研究起源于音樂。從古代到17世紀(jì)，主要從算術(shù)(比例)的角度對(duì)諧音的音程進(jìn)行研究。17世紀(jì)科學(xué)家中不少人提出過音程的汁算原則。如伽利略、笛卡兒、默森(Marin Mcrscnne，1588-1648)、胡克等人均證明了個(gè)律音的音調(diào)由產(chǎn)生它的振動(dòng)之頻率所決定。特別是伽利略的法國學(xué)生默森在1636年著的普通聲學(xué)中提出弦的律音的頻率和弦的張力的平方根成正比，而和弦的長度及單位長度上的質(zhì)量成反比的定律。繼伽利略之后，默森、沃利斯(16161703)、W諾布爾和丁皮戈特等人研究了伽利略提出的“和應(yīng)振動(dòng)”及其規(guī)律。法國物理學(xué)家J索維爾(JOseph SauvcLit，16531716)對(duì)共鳴進(jìn)行了觀察，對(duì)弦的諧音作了研究，進(jìn)行過振動(dòng)頻率的測(cè)量，并且第一次在駐波理淪中引入了科學(xué)術(shù)語“波節(jié)”與“波腹”。牛頓在計(jì)算空氣中所產(chǎn)生聲波的波長時(shí)曾利用了索維爾的測(cè)定頻率裝置。18世紀(jì)的許多數(shù)學(xué)大師如達(dá)蘭貝、丹尼爾伯努利、布魯克泰勒(Brook Taylor，16851731)、歐拉(1 7071783)、拉格朗日和拉普拉斯等都曾對(duì)弦振動(dòng)的數(shù)學(xué)處理做出了貢獻(xiàn)。其中歐拉于1739年根據(jù)泰勒1713年的研究結(jié)果提出了更為精確的確定音調(diào)的方法，即一根弦的振動(dòng)頻率（n）與其長度（l）和單位長度質(zhì)量（m）之間的關(guān)系。此外，拉普拉斯在牛頓研究的基礎(chǔ)上引入了拉普拉斯因子，從而精確地解釋了聲速與氣體溫度變化的關(guān)系。關(guān)于聲音的傳播媒質(zhì)，在亞里斯多德時(shí)代人們就已猜到空氣是聲音的通常媒質(zhì)。音的通常媒質(zhì)。但在抽氣機(jī)發(fā)明之前，這僅僅是猜測(cè)。17世紀(jì)中葉，作為抽氣機(jī)發(fā)明人的蓋里克最早進(jìn)行了關(guān)于空氣和我們對(duì)聲音的感知兩者間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。他將一容器中放人可用時(shí)鐘機(jī)構(gòu)敲響的鈴，并用抽氣機(jī)抽去容器中的空氣。隨著容器中空氣的稀薄，鈴聲越來越小。而18世紀(jì)初，F(xiàn)豪克斯貝則沿著相反的思路改進(jìn)了上述實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)容器中的空氣為一個(gè)大氣壓時(shí)，鈴聲可傳到30碼以外；兩個(gè)大氣壓時(shí)，鈴聲可傳到60碼以外；三個(gè)大氣壓時(shí)則可傳到90碼以外。在做這一實(shí)驗(yàn)的1705年，他還用實(shí)驗(yàn)證明了聲音可在水中傳播。后來普利斯特列證明聲音可在空氣之外的其他氣體中傳播。18世紀(jì)末由于德國科學(xué)家恩斯特克拉尼(Ernst Chladni，1756 1827)所進(jìn)行的對(duì)弦、桿、薄膜和板的振動(dòng)研究，使聲學(xué)從數(shù)學(xué)的或音樂的研究方法上升到物理聲學(xué)的高度。他于1802年發(fā)表的聲學(xué)中記載了他在1785年前后的一些重要實(shí)驗(yàn)。拿破侖看了他的聲圖實(shí)驗(yàn)后，說：“克拉尼使聲音變得可以看見了?！贝送?，克拉尼還研究過縱波，以及聲音在不同氣體中的傳播速度比等問題。1.7 光學(xué)古希臘時(shí)期已知道光的直進(jìn)和反射規(guī)律；托勒密在光折射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出入射角與折射角成正比的思想；而關(guān)于視覺的本質(zhì)，伊壁鳩魯和亞里士多德等提出過一些哲學(xué)猜測(cè)。中世紀(jì)偉大的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家伊本海賽姆用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了折射率。但總的來說，古代與中世紀(jì)的光學(xué)知識(shí)是極其有限的。因此近代光學(xué)基本是從零開始的。開普勒是近代光學(xué)的奠基人，其地位如伽利略之于力學(xué)和吉爾伯特之于磁學(xué)。他在1611年出版的屈光學(xué)中解釋了荷蘭望遠(yuǎn)鏡或伽利略望遠(yuǎn)鏡及顯微鏡所涉及的光學(xué)原理，并提出了改良望遠(yuǎn)鏡的建議，他的建議在近代導(dǎo)致遠(yuǎn)距照相透鏡組合的發(fā)明。開普勒第一次明確提出光度學(xué)基本定律，即光強(qiáng)與離光源的距離平方成反比地變化。他還研究了球面像差一類復(fù)雜現(xiàn)象，為巴羅等后人的幾何光學(xué)研究提供了基礎(chǔ)。關(guān)于視覺理論，他還提出視網(wǎng)膜上的成像本身不構(gòu)成整個(gè)視覺行為的正確思想。他對(duì)折射規(guī)律的研究雖方法正確但未獲成功。第一位提出精確的折射定律的是荷蘭人斯涅爾(WSncll，15911626)。根據(jù)他于1621年的結(jié)果，可容易地推出現(xiàn)代形式的折射定律。不過是笛卡兒于1637年第個(gè)發(fā)表了折射定律，并嘗試給它一個(gè)物理證明，但是否與斯涅爾獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)該定律則尚存疑問。在發(fā)表有關(guān)折射定律的這本屈光學(xué)中，笛卡兒還提出丁關(guān)于光的本性的微粒假說。他在氣象學(xué)中對(duì)虹霓理論的研究成為牛頓對(duì)虹霓解釋的前提。關(guān)于光的本性的波動(dòng)說，在達(dá)芬奇的著作和伽利略書信中已有跡象。但正式認(rèn)真地提出光具有周期性的是意大利數(shù)學(xué)家格里馬力迪(FFGrimaldi，16181663)。他從波動(dòng)觀點(diǎn)出發(fā)解釋了似乎同光的直線傳播定律相悖的衍射現(xiàn)象。他還指出，顏色的不同乃是眼睛受到速度不同的光振動(dòng)刺激的結(jié)果，這個(gè)思想對(duì)后來的光學(xué)發(fā)展具有根本性意義。他的光學(xué)著作，在他死后兩年被發(fā)表。在同一年(1665)，胡克的科學(xué)著作顯微術(shù)問世，其中光學(xué)部分對(duì)多種透明薄膜的閃光顏色現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論的探討。他注意到，在一定的厚度范圍內(nèi)，云母薄片里會(huì)出現(xiàn)虹霓的色彩，不同厚度的部位顏色不同。雖然他未能確定厚度與顏色之間的精確關(guān)系，卻為牛頓對(duì)“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的研究奠定廠基礎(chǔ)。胡克認(rèn)為光是一種振動(dòng)，發(fā)光體的每次振動(dòng)或脈動(dòng)必將以球面向外傳播。不過，比較系統(tǒng)地提出光的波動(dòng)理論的還是荷蘭物理學(xué)家惠更斯(16291695)。他認(rèn)為，構(gòu)成一個(gè)發(fā)光體的微粒把脈沖傳送給鄰近的 種彌漫媒質(zhì)的微粒，每個(gè)受激微粒都變成一個(gè)球形子波(即次波)的中心。這就是1678年提出的著名的惠更斯原理。用微分幾何的語言來表述，即：波陣面所及的任意點(diǎn)均可看做是新的次波源(即子波中心)，而新的波陣面則是所有次波源向外發(fā)出的半球面次波的包跡。牛頓在大學(xué)時(shí)期就對(duì)光學(xué)有濃厚興趣，為了制造一種能消除色差的望遠(yuǎn)鏡而開始研究顏色理淪。1672年在哲學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表的他對(duì)色散現(xiàn)象的研究成果，是他第一次公開發(fā)表的科學(xué)論文。他對(duì)色散的解釋立即引起他與胡克等人的爭(zhēng)論。牛頓最初吸取了胡克的波動(dòng)思想，傾向于把微粒說和波動(dòng)說結(jié)合起來，1675年他提出彈性以太的思想以解決微粒說的困難。但他拒絕純粹的波動(dòng)理論。而在1704年他的光學(xué)中，牛頓則徹底主張光的微粒假說。由于他在科學(xué)界的巨大影響，而使惠更斯提出的較系統(tǒng)的波動(dòng)說被埋沒百年之久，以致整個(gè)18世紀(jì)光學(xué)處于停頓狀態(tài)。直至1 9世紀(jì)初由于偏振、于涉等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究，才使波動(dòng)說占據(jù)了統(tǒng)治地位。第二節(jié) 化學(xué)的重要進(jìn)展2.1醫(yī)化學(xué)與工藝化學(xué)化學(xué)燃素說從煉金術(shù)中的解放經(jīng)歷了約300多年，其中主要經(jīng)過醫(yī)化學(xué)與工藝化學(xué)時(shí)期、燃素說時(shí)期和氧化說時(shí)期。醫(yī)化學(xué)即醫(yī)藥化學(xué)。盡管它與煉金術(shù)有千絲萬縷的聯(lián)系，但其實(shí)際工作為化學(xué)發(fā)展開辟了新的方向。主要代表人物是帕拉塞爾蘇斯和范海爾蒙脫(LUvail Helmont，15771644)。 前面提到的帕拉塞爾蘇斯不僅是醫(yī)學(xué)史上的改革家，而且對(duì)化學(xué)發(fā)展也做出了貢獻(xiàn)。盡管他沒有從實(shí)踐上完全擺脫煉金術(shù)，但他認(rèn)為煉金術(shù)的目的是荒誕的。他給煉金術(shù)下了一個(gè)新定義一把天然原料轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的產(chǎn)品的科學(xué)。他在煉金術(shù)的兩元素(“硫”、“汞”)說基礎(chǔ)上增加了“鹽”而提出三元素說，以此作為他的理論觀念來解釋自然界的物質(zhì)變化。他認(rèn)為“硫”是可燃元素，“汞”是揮發(fā)性或可溶性液體兀素，“鹽”則是不揮發(fā)和不可燃元素。這三元素在物質(zhì)中所占的不同比例，決定了物質(zhì)所具有的不同性質(zhì)。他做過制藥、提純等大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)，區(qū)分了白礬和藍(lán)礬，研究了二氧化硫的漂白作用，發(fā)現(xiàn)了醚類物質(zhì)及其麻醉作用，并強(qiáng)調(diào)化學(xué)操作中定量的意義。帕拉塞爾蘇斯的醫(yī)化學(xué)學(xué)派在17世紀(jì)產(chǎn)生了很大影響。比利時(shí)的范海爾蒙脫就是這個(gè)學(xué)派的最后一位有影響的代表人物。他不同意帕拉塞爾蘇斯的三元素說，認(rèn)為水和氣才配稱為元素，因?yàn)樗鼈兪窃俨荒鼙贿€原為更基本的東西，且兩者不能互變?yōu)閷?duì)方。他通過著名的柳樹實(shí)驗(yàn)論證樹的所有新物質(zhì)幾乎都是由水轉(zhuǎn)化來的。盡管實(shí)驗(yàn)構(gòu)思和結(jié)論是錯(cuò)誤的，但他的定量研究方法為現(xiàn)代化學(xué)奠定了方法論基礎(chǔ)，同時(shí)他的無不生有的信念蘊(yùn)涵著樸素的物質(zhì)不滅思想。海爾蒙脫還注重氣體化學(xué)的研究，他最早區(qū)分了空氣、水蒸氣和其他氣體還區(qū)分了呼吸用的空氣和使人中毒的一氧化碳以及可以滅火的二氧化碳等氣體。他還研究了酸、堿等物質(zhì)。他倡導(dǎo)化學(xué)教學(xué)應(yīng)當(dāng)用火的操作來證明，并自稱為“火術(shù)哲學(xué)家”。海爾蒙脫對(duì)波義耳元素定義的形成有很大影響。他還提出過人體消化過程中的“酸素”理論，這已經(jīng)孕育了近代生理學(xué)中的酶學(xué)說。16、17世紀(jì)除醫(yī)化學(xué)外，工藝化學(xué)也是從煉金術(shù)向近代化學(xué)過渡的重要方向之一。這方面的代表人物主要有德國醫(yī)生阿格利柯拉(G，Agricola，14941555)、意大利工匠畢林古修(V。Biringuccio，14801539)等。阿格利柯拉寫過很多的冶金和礦物學(xué)著作，最著名的是1556年初版的論金屬。它擺脫了煉金術(shù)的束縛，成為其后200年中采礦、冶金方面的指南。盡管此書側(cè)重于應(yīng)用方面，但已有部分金屬化學(xué)以及地質(zhì)現(xiàn)象的內(nèi)容。畢林古修在其名著火術(shù)(1540)中，敘述了鑄鐘和鑄炮等各種運(yùn)用火的生產(chǎn)技術(shù)，并從礦物形成、采礦、提取、冶煉、化合物及其性質(zhì)，一直講到火藥和其他可燃的和可爆的物品。他針對(duì)煉金術(shù)，直接提出了“金屬不能轉(zhuǎn)化”的思想。此書和論金屬一書均體現(xiàn)了在化學(xué)方面學(xué)者傳統(tǒng)和工匠傳統(tǒng)的結(jié)合，是從煉金術(shù)通過工藝化學(xué)向近代化學(xué)發(fā)展的里程碑。2.2 微素理論17世紀(jì)化學(xué)史上的重要人物之一波義耳是一位神職人員，兼科學(xué)家。他由于與馬略特分別地發(fā)現(xiàn)了氣體定律而成為著名物理學(xué)家。但他再科學(xué)史上更主要的貢獻(xiàn)是在化學(xué)方面。他在其代表作懷疑派化學(xué)家(1661)中系統(tǒng)地批判了煉金術(shù)化學(xué)認(rèn)為“性質(zhì)決定一切”、“性質(zhì)組合而成為物質(zhì)”的錯(cuò)誤原則，并在古代原子論以及醫(yī)化學(xué)家范海爾蒙脫的影響下，提出他的微素理論。微素理論認(rèn)為構(gòu)成自然界的材料是一些細(xì)小致密、用物理方法不可分割的微粒，正是物質(zhì)的這些機(jī)械微粒決定著物質(zhì)的性質(zhì)及其變化，其中包括：它們的大小、位置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以及當(dāng)時(shí)人們所了解的一切物理、化學(xué)性質(zhì)。物質(zhì)的機(jī)械微粒結(jié)合成更大的粒子團(tuán)，而這些大大小小的粒子團(tuán)作為基本單位參加各種化學(xué)反應(yīng)。也就是說，所謂化學(xué)變化就是這些粒子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)、組合、排列從而形成新物質(zhì)的過程。波義耳還批評(píng)煉金術(shù)中的“同情”、“憎惡”、“親和”等不科學(xué)的、帶感情色彩的概念。他認(rèn)為化合反應(yīng)中的吸引力或“親和力”，可以解釋為運(yùn)動(dòng)粒子相互匹配集聚的結(jié)果，而根本不是什么“相親相愛”的結(jié)果。他用微粒本身的特點(diǎn)來解釋化學(xué)反應(yīng)，是很有意義的。他的微粒說是燃素說的理論前身。比如，從他對(duì)燃燒現(xiàn)象的解釋，就可以看出這點(diǎn)。他認(rèn)為金屬燃燒后，由于火的微粒(火素)穿過玻璃容器與金屬化合，從而產(chǎn)生金屬灰。這是燃燒后重量增加的原因。盡管波義耳的“火素”不是后來斯塔爾(16601734)的“燃素”，但波義耳的微素學(xué)說對(duì)燃燒現(xiàn)象的解釋卻是建立燃素說的基礎(chǔ)。兩者作為機(jī)械的微粒哲學(xué)，反映了那個(gè)時(shí)代人類認(rèn)識(shí)自然的機(jī)械論特征。波義耳不僅否定古代的元素說，也否定煉金術(shù)和霍亨海姆的元素說。他認(rèn)為既然不能通過實(shí)驗(yàn)把元素從物體中提取出來，它們就不配作為構(gòu)成物體的元素。他給元素下了一個(gè)較清楚的定義：元素是“指某種原始的、簡(jiǎn)單的、一點(diǎn)沒有摻雜的物體，元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全?昆合物的成分，也是完全混合物最終分解成的要素?！彼J(rèn)為化學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)就是把復(fù)雜的物質(zhì)分解為它的組成元素，并由此認(rèn)識(shí)物質(zhì)的本性。應(yīng)當(dāng)指出，波義耳的“元素”在多數(shù)情況下相當(dāng)于現(xiàn)代化學(xué)中的“單質(zhì)”概念，后來拉瓦錫正式使用“單質(zhì)”概念，以區(qū)別于“元素”概念。 作為弗培根的信徒，波義耳認(rèn)為化學(xué)要建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，要對(duì)化學(xué)進(jìn)行定量研究。他第一次使用“分析”一詞，元素概念的提出就是由“分析”而來。他說，現(xiàn)在不僅要指出自然是由復(fù)雜元素組成的，而且要指出到底由多少種元素組成。他一生中記錄了很多定性分析的實(shí)驗(yàn)。由于波義耳確立了化學(xué)的獨(dú)立性，給出了比較清楚的化學(xué)元素的定義，并進(jìn)行了大量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而成為近代化學(xué)的奠基人。在西方文化史上，波義耳對(duì)于揚(yáng)棄古代自然哲學(xué)的整體論思維，并過渡到近代科學(xué)的分析思維，無疑是做出了巨大貢獻(xiàn)的。2.3 燃素說完成化學(xué)學(xué)科統(tǒng)一的并不是波義耳的元素定義，而是在他的“火素”概念基礎(chǔ)上形成的燃素說。法國化學(xué)家貝歇爾(JBecher，16351682)不同意波義耳把燃燒現(xiàn)象解釋為化合過程，而提出燃燒是一種分解過程即釋放“燃燒性油土”的過程。所謂“油土”不過是煉金術(shù)中的“燃燒性硫”。后來，他的學(xué)生、德國御醫(yī)斯塔爾(GEStahl，16601734)于1703年重新編輯出版了貝歇爾著作，并增加大量注釋。他用“燃素”代替波義耳的“火素”和貝歇爾的“油土”，提出了系統(tǒng)的燃素說。燃素說的基本觀點(diǎn)是： (1)燃素是構(gòu)成火的元素，當(dāng)它們聚集在一起時(shí)就形成火焰，當(dāng)它們彌散時(shí)只能給人以熱的感覺。 (2)燃素充塞于天地之間，大氣中因?yàn)橛兴艜?huì)有閃電，生物體因含有它才富于生命活力，無生命物質(zhì)因含有它才會(huì)燃燒。物體失去它就成為死的灰燼，而灰燼獲得它就會(huì)得到復(fù)活。 (3)燃素不會(huì)自動(dòng)從物體中分離出來，只有在借助空氣而發(fā)生燃燒時(shí)，燃素才能釋放出來?；鹧媸亲杂傻娜妓?，燃素是被禁錮的火。 (4)所有燃燒現(xiàn)象都可歸結(jié)為燃素的轉(zhuǎn)移一吸收或釋放。比如，金屬燃燒時(shí)逸出(釋放)燃素而成鍛灰，而煅灰與木炭一起燃燒時(shí)又從木炭中吸收燃素，重新變?yōu)榻饘?。由于燃素說使包括燃燒現(xiàn)象在內(nèi)的大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)在系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上得到了說明，從而使化學(xué)擺脫了煉金術(shù)，結(jié)束了化學(xué)在18世紀(jì)中葉以前知識(shí)零散、解釋混亂的局面，完成了化學(xué)學(xué)科的統(tǒng)一。燃素說傳播日廣，到18世紀(jì)中葉時(shí)，幾乎被舉世公認(rèn)，很多著名化學(xué)家都成了它的信徒。2.4 拉瓦錫的氧化學(xué)說燃素說是一種有嚴(yán)重錯(cuò)誤和重大困難的理論。其主要錯(cuò)誤是把煅灰說成是單質(zhì)，卻又把金屬說成化合物，并把金屬的燃燒過程說成是分解反應(yīng)。而它最大的困難是，如果確有“燃素”這種物質(zhì)存在，它就應(yīng)具有重量，然而，金屬經(jīng)煅燒釋放燃素后重量非但沒有減少，反而增加。為了自圓其說，有人設(shè)想燃素具有負(fù)重量(“輕量”)，這實(shí)際上是向亞里士多德元素說的倒退；還有人設(shè)想燃素逸出后，有另一種較重的物質(zhì)被吸收。此外，燃素與空氣之間的依賴關(guān)系，以及找不到獨(dú)立存在的燃素，也是燃素說的理論困難，它們使燃素論者之間產(chǎn)生意見分歧。一批批新發(fā)現(xiàn)的事實(shí)不斷要求對(duì)這些理論進(jìn)行修改。正如化學(xué)史家萊斯特所說：“一旦有某種更加合理的學(xué)說可供利用，燃素說就不可避免地要一敗涂地?！崩咤a(A1Lavcisier，17431794)的氧化學(xué)說正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的新學(xué)說。在氧化學(xué)說誕生之前，實(shí)驗(yàn)化學(xué)在氣體分離和發(fā)現(xiàn)方面取得了重大進(jìn)步。1755年英國布萊克發(fā)現(xiàn)了被他稱為“固定空氣”的二氧化碳：1766年卡文迪什(HCavendish，311810)發(fā)現(xiàn)了他誤認(rèn)作“燃素”的“可燃空氣”一氫氣；1772年丹尼爾盧瑟福(Danier Rutherford，17491819)發(fā)現(xiàn)了他稱為“濁氣”的氮?dú)猓痪每ㄎ牡鲜埠腿鸬涞纳崂?KWScheele，17421786)也制得了這種氣體；特別重要的是1773年舍勒制得了被他稱為“火焰空氣”和“活空氣”的氧氣，他認(rèn)為燃燒是“活空氣”與燃素結(jié)合的過程。1774年英國的普利斯特列在實(shí)驗(yàn)中也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì)，他稱之為“脫燃素氣體”。他用實(shí)驗(yàn)表明小鼠在充滿這種氣體的環(huán)境里存活時(shí)間最長，而人吸了它之后也很舒服。但他仍堅(jiān)持燃素說直至去世為止。舍勒和普利斯特列所發(fā)現(xiàn)的這種氣體并沒有使他們成為批判燃素說的革命家，這一事實(shí)說明：燃素說一方面促成了實(shí)驗(yàn)化學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，另一方面又阻礙著理論化學(xué)的發(fā)展。借助別人制造的武器最終摧毀燃素說的是法國化學(xué)家拉瓦錫。拉瓦錫于17721775年從事氣體化學(xué)和燃燒理論研究時(shí)就對(duì)燃燒增重問題產(chǎn)生疑問，他不同意負(fù)重量的說法，也不同意波義耳的“火素”，而認(rèn)為增重的原因是金屬燃燒時(shí)從空氣中吸收廠某種物質(zhì)。1774年他重復(fù)了波義耳的煅燒金屬(錫)實(shí)驗(yàn)。但與波義耳不同的是拉瓦錫加蓋了瓶塞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后總重量不變，從而駁斥了增重是火素穿過瓶底進(jìn)入錫的錯(cuò)誤解釋，提出了灰燼是金屬與空氣中某種成分化合的新解釋。而舍勒與普利斯特列的新發(fā)現(xiàn)為這種解釋提供了強(qiáng)有力的支持。拉瓦錫在嚴(yán)格定量的基礎(chǔ)上重復(fù)了舍勒的燃燒磷實(shí)驗(yàn)和普利斯特列加熱氧化汞實(shí)驗(yàn)，使他的燃燒學(xué)說即氧化理論得以確立。在1777年9月；日完成、1780年出版的燃燒通論中，他提出了如下的學(xué)說：（1）燃燒時(shí)均有光和熱放出； (2)物體只有在純粹空氣(氧氣)存在時(shí)才能燃燒； (3)空氣由可助燃的和不可助燃的兩種成分組成，物質(zhì)燃燒時(shí)由于吸收了空氣中的純粹空氣而增重，增加的重量恰好等于吸收的純粹空氣的重量； (4)般可燃物(非金屬)燃燒后都變成酸，氧是酸的本質(zhì)；金屬燃燒后所變成的灰燼是金屬的氧化物。 這就是化學(xué)史上著名的氧化理論。到1785年以后，他的氧化理論除普利斯特列等少數(shù)科學(xué)家外已被化學(xué)界普遍接受。1789年在他的化學(xué)大綱中正式把“純粹空氣”命名為氧氣(gaz oxygene)。這部標(biāo)志著化學(xué)發(fā)展重要里程碑的劃時(shí)代著作給化學(xué)帶來了前所未有的條理性和系統(tǒng)性，它對(duì)化學(xué)的貢獻(xiàn)完全可以與牛頓的原理對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)相媲美。它闡明了“元素是化學(xué)分析所達(dá)到的真正的終點(diǎn)”，并列出了包括23個(gè)元素的第張真正的化學(xué)元素表，還討論了化學(xué)的對(duì)象、方法、儀器、化學(xué)物質(zhì)的命名法，總結(jié)廠前人和同時(shí)代有關(guān)氣體化學(xué)和燃燒現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)成果。在雅各賓派專政時(shí)期，拉瓦錫因涉嫌經(jīng)濟(jì)問題而受到指控，于1794年5月8日被處死。盡管兩個(gè)月后雅各賓派被推翻，但拉瓦錫已經(jīng)死了。正如拉格朗日所說：“砍下拉瓦錫的頭只需要一瞬間，而在法國再產(chǎn)生這樣一個(gè)頭顱恐怕一百年也不夠。”法國科學(xué)界完全懂得他的價(jià)值，兩年后在巴黎立起了拉瓦錫的塑像。第三節(jié) 天文學(xué)的豐碩成果現(xiàn)代天文學(xué)的進(jìn)步與物理學(xué)的進(jìn)步直接相關(guān)，無論是觀測(cè)手段的更新還是各種假說的建立都離不開物理學(xué)的知識(shí)和理論。20世紀(jì)以來天文學(xué)的發(fā)展更為迅速，全心的觀測(cè)手段使天文考察達(dá)到前所未有的程度，理論上的進(jìn)展也大大超過以往的年代。天文學(xué)再次成為自然科學(xué)最活躍的前言之一。3.1恒星研究的再深入恒星研究是天文學(xué)的永恒課題。本世紀(jì)以來人們又得到了更多的知識(shí)。賞識(shí)機(jī)就有人利用恒星視差來測(cè)算恒星與我們的距離，測(cè)得太陽之外離我們最近的恒星半人馬座星距離地球約43光年。不過這種方法有很大局限性，因?yàn)槌^300光年的恒星視差已小于001，很難測(cè)得準(zhǔn)確的數(shù)值。后來又有人利用測(cè)量恒星亮度的方法來測(cè)算它們的距離，測(cè)距范圍有所擴(kuò)大。上文曾說及上個(gè)世紀(jì)天文學(xué)家已利用多普勒效應(yīng)測(cè)算恒星遠(yuǎn)離我們的速度。多普勒效應(yīng)告訴我們，當(dāng)光源背離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們所觀測(cè)到的它的光譜線便有向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象，光源離開我們的速度越大它的紅移量越大。1929年美國天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble，18891953)等人發(fā)現(xiàn)星系的光譜線紅移與它們和地球的距離存在著粗略的正比關(guān)系，現(xiàn)在人們稱之為“哈勃關(guān)系”。這樣，根據(jù)恒星光譜的紅移量以及哈勃關(guān)系，就能夠大略地測(cè)定所有發(fā)光天體與我們的距離了?，F(xiàn)時(shí)已知離我們最遠(yuǎn)的天體達(dá)150億光年，這當(dāng)然只是我們目前“視線”所及的距離，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)距離還會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展。以往的天文學(xué)家對(duì)恒星的光度已多所研究。本世紀(jì)初發(fā)明了更好的儀器，測(cè)量比過去更為精確。但是恒星與我們的距離差異極大，在地面上所測(cè)得的光度與恒星的真實(shí)光度也就存在著差異。不過人們已能測(cè)定恒星的距離，據(jù)此以求出它的真實(shí)光度也就不是難事了。天文學(xué)家亦已找到測(cè)算恒星體積和質(zhì)量的方法。數(shù)據(jù)表明，恒星體積相差極遠(yuǎn)，有些半徑不過l0公里，有些卻是太陽半徑的1000多倍。恒星質(zhì)量的差異也很大?，F(xiàn)在已知的數(shù)據(jù)是：質(zhì)量最小只有太陽質(zhì)量的百分之幾，最大的為太陽的100多倍，多數(shù)在太陽質(zhì)量的01l0倍之間。由恒星的體積和質(zhì)量就可以知道它們的密度。恒星密度的差異更大得驚人。一些溫度較低、顏色偏紅而體積巨大的“紅巨星”，其密度只有水的幾十萬到幾百萬分之一，這在地球上就被認(rèn)為是“真空”。一些溫度較高、顏色偏白而體積較小的“白矮星”的密度則可達(dá)水的幾千萬倍，一立方厘米這樣的物質(zhì)的重量就有好幾十噸，不過大多數(shù)恒星的密度均在水的密度的1/10010倍之間。恒星時(shí)時(shí)刻刻向外界輻射的能量究竟從何而來?現(xiàn)代天文學(xué)家認(rèn)為：其一是引力收縮。天體都是大量物質(zhì)的凝聚，引力使天體收縮的時(shí)候就要釋放出能量；其二是核反應(yīng)。以太陽為例，在它的內(nèi)核里高溫、高密和高壓的條件下，四個(gè)氫原子核要聚合為一個(gè)氦原子核，這時(shí)出現(xiàn)了質(zhì)量虧損并釋放出能量。按質(zhì)能關(guān)系式Emc2可以算出，1克氘聚合為氦時(shí)所釋放的能量約相當(dāng)于11噸煤的熱值。天文學(xué)家推算，太陽剛形成時(shí)氫約占其質(zhì)量的78，這就是說太陽若以氫為“燃料”，它可以保持目前的輻射能量約100億年，現(xiàn)在一般認(rèn)為太陽的年齡約50億年。3.2射電天文學(xué)的興起本世紀(jì)以來，各國競(jìng)相研制大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，一臺(tái)口徑為8米的巨型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡正在智利的高山上建造之中。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)于天文觀測(cè)固然十分重要，但是可見光只占電磁輻射很小的一部分，大型光學(xué)透鏡或反射鏡的制造工藝也十分困難。本世紀(jì)初，人們?cè)跓o線電實(shí)驗(yàn)中注意到，在接收遠(yuǎn)處傳來的無線電波時(shí)總是伴隨著一種無法排除的微弱干擾。1931年美國電信工程師央斯基(Karl Guthe Jansky，19051950)終于弄清楚這種干擾來自太空，次年他又?jǐn)喽ㄟ@是來自銀河系中心方向的電磁輻射。他的發(fā)現(xiàn)使人想到，除了光波波段之外，其他波段也有可能用于探測(cè)太空，從此開辟了利用射電波研究太空的新紀(jì)元，人們制成了接收宇宙空間電磁輻射的射電望遠(yuǎn)鏡，打開了人類認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)很大的“窗口”，一門嶄新的學(xué)科射電天文學(xué)從此誕生。射電望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)的范圍十分寬闊，大型射電望遠(yuǎn)鏡的制造相對(duì)于大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也容易得多，因此射電天文學(xué)幾十年來發(fā)展極為迅速。70年代德國人建成廠直徑為100米的射電望遠(yuǎn)鏡，它的短波觀測(cè)范圍可至厘米波。后來美國入更建成了直徑達(dá)305米的射電望遠(yuǎn)鏡，其性能更為優(yōu)越。由于射電望遠(yuǎn)鏡所接收的是波長范圍很寬的無線電波，所以它無論晝夜都可以工作，既不受地球上火氣的影響。(如厚密的云層)，也不會(huì)被宇宙中的塵埃所遮擋，利用無線電電子技術(shù)也可以使它的靈敏度非常高，能夠接收到極為微弱的無線電波。自從射電天文學(xué)誕生以來，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中發(fā)射電磁波的射電源已3萬多個(gè)，使人們“看”到了距離地球100多億光年的星系，發(fā)現(xiàn)了一系列前所未知的現(xiàn)象。3.3現(xiàn)代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)本世紀(jì)60年代，天文學(xué)家們利用各種觀測(cè)手段先后取得了四項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。1960年美國天文學(xué)家桑德奇(Allan Rex Sandage，1926 )等人首次探測(cè)的一種前所未知的天體。1963年荷蘭天文學(xué)家施密特(Maarten Schmidt，1929 ）判明了這種天體的譜線，確認(rèn)這是一種具有很大紅移量的天體，定名為“類星體”。多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為這是現(xiàn)時(shí)已知的離開我們最遙遠(yuǎn)的天體?，F(xiàn)在有記錄的類星體已超過1000個(gè)。類星體的許多性質(zhì)天文學(xué)家們?nèi)圆簧趺靼?，多種說法尚在探討之中。“星際分子”是指存在于銀河系或銀河系之外星際空間里的無機(jī)分子和有機(jī)分子，首次發(fā)現(xiàn)于1963年，現(xiàn)已知有50多種，其中大部分是有機(jī)分子。質(zhì)量最大的是由11個(gè)原子組成的氰基辛四炔(HC9N)。關(guān)于星際分子的形成及其演化過程現(xiàn)在還不明了，但是際分子的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)于進(jìn)一步探索天體的演化有著重要的意義，并且亦必將有助于揭開地球上生命起源的奧秘?！拔⒉ū尘拜椛洹笔侵复嬖谟谡麄€(gè)宇宙空間的、各向同性的、在微波波段的電磁輻射，這是美國射電天文學(xué)家彭齊亞斯(ArnoPenzias，1933 )和威爾遜(Robert Woodrow Wilson，1936 ）于1964年偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)日寸他們建立了一個(gè)靈敏度極高的定向接收系統(tǒng)來探測(cè)宇宙，發(fā)現(xiàn)從天空中任何方向都接收到一種強(qiáng)度完全相同的微波波段電磁輻射，他們認(rèn)定這種輻射并非來自任何星系，而是存在于整個(gè)宇宙背景之中，因此稱它為宇宙背景輻射。后來，他們又確認(rèn)這種輻射相當(dāng)于溫度為27K的輻射。彭齊亞斯和威爾遜因此而獲1978年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。“脈沖星”是不斷地向外發(fā)射短周期脈沖輻射的恒星，這是英國天文學(xué)家休伊什(Antony Hewish，1924 )等人于1967年首次發(fā)現(xiàn)的，后來的十余年里天文學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)了好幾百顆這種天體，它們的射電脈沖周期在00343秒之間。天文學(xué)家們認(rèn)為，脈沖星是具有很強(qiáng)磁場(chǎng)的、密度極高的、其外部由中子組成的星體，它們的自轉(zhuǎn)速度與射電脈沖周期相對(duì)應(yīng)。脈沖星的發(fā)現(xiàn)為星體演化和高能天體物理學(xué)的研究開辟了新的途徑。休伊什因他的發(fā)現(xiàn)而榮獲1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3.4太陽系的新知識(shí)由于探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是空間技術(shù)的應(yīng)用，本世紀(jì)以來人們對(duì)太陽系各成員也得到了許多前所未知的知識(shí)。1959年蘇聯(lián)人發(fā)射了月球探測(cè)器，成功地拍攝了在地球上永遠(yuǎn)看不到的月球背面的照片。1969年美國的阿波羅11號(hào)宇宙飛船更直接把人送上了月球，取回了月面巖石和土壤，并在月面上裝置了多種探測(cè)儀器。其后美國人又五次登上月球。月面結(jié)構(gòu)特征、月面物質(zhì)的化學(xué)組成及其物理特性等等都已相當(dāng)詳細(xì)地暴露在人們的眼前?，F(xiàn)在已經(jīng)確證月球是一個(gè)沒有大氣、沒有水和沒有生命的世界。自1974年起，美國人發(fā)射的探測(cè)器多次飛越水星?，F(xiàn)已得知，水星的外貌與月球相似，其上布滿了環(huán)形山。水星上有極為稀薄的大氣，有一個(gè)與地球類似的內(nèi)核，其中含有約7080的鐵。水星表面上白晝和黑夜的溫差極大，白晝可達(dá)350，而黑夜則為274。金星是距離地球最近的行星。蘇聯(lián)和美國自1961年以來相繼發(fā)射了十多個(gè)探測(cè)器飛向金星，有些探測(cè)器還實(shí)現(xiàn)了在金星表面上軟著陸?，F(xiàn)已探明金星上有濃密的大氣層，其中二氧化碳含量在97以上，氧的含量極少，大氣壓約為地球的90倍。由于“溫室效應(yīng)”，金星表面溫度達(dá)482。金星上沒有任何類似生活在地球上的動(dòng)物和植物的存在。 火星也是與地球鄰近的行星。19641977年美國人接連向火星發(fā)射了八個(gè)探測(cè)器，也有多個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了在火星表面上的軟著陸?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，火星上的大氣十分稀薄，主要成分為二氧化碳，還有少量的一氧化碳和水汽?；鹦潜砻鏁円沟臏囟葹?7111?；鹦且彩且粋€(gè)十分荒涼的世界，沒有植物和動(dòng)物，生命現(xiàn)象存在的可能性極小。70年代美國人發(fā)射的探測(cè)器對(duì)木星進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)在地球上觀察不到的光環(huán)，已確認(rèn)的衛(wèi)星有16顆之多。木星也有濃密的大氣，其中含氫約10，還有氦、氨、甲烷、水和硫化氨以及多種有機(jī)化合物和復(fù)雜的無機(jī)聚合物，厚度達(dá)1000公里。木星的表面是流體，內(nèi)部則有一個(gè)由鐵和硅構(gòu)成的固體核。它的大氣外層溫度約240，底層約27，中心溫度大約是30000。不久前美國伽利略號(hào)航天器發(fā)射的探測(cè)器進(jìn)入木星的大氣層，成功地發(fā)回了許多數(shù)據(jù)，對(duì)木星必將有更為準(zhǔn)確和深入的認(rèn)識(shí)。 土星早就以它美麗的光環(huán)引起天文學(xué)家的興趣。70年代后期美國的宇宙探測(cè)器對(duì)它作了廣泛的考察?，F(xiàn)在已知它有2123個(gè)衛(wèi)星，實(shí)際數(shù)目可能還要多一些，其中最大的一顆衛(wèi)星的大小與地球相當(dāng)。土星有一個(gè)不大的固體的核，它的大氣以氫、氦為主要成分，還含有甲烷和其他氣體。土星的一些衛(wèi)星也有大氣，由甲烷、乙烷、乙炔等組成。此外，對(duì)天王星、海王星和冥王星的觀測(cè)也獲得了不少有價(jià)值的資料，對(duì)太陽系其他家族成員如彗星、流星和隕星的研究也有許多成果。3.5現(xiàn)代恒星演化理論恒星演化研究首先涉及到恒星的分類。19051907年丹麥天文學(xué)家赫茨普龍(Ejnar Herzsprung，18731967)連續(xù)發(fā)表文章討論恒星的顏色與其光度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。1913年美國天文學(xué)家H.N.羅素也獨(dú)立地提出了同樣的看法。他們以恒星的光度為縱坐標(biāo)，以其顏色(反映其表面溫度)為橫坐標(biāo)，把已知恒星描繪在一個(gè)圖上，后來人們把這種圖稱為“赫羅圖”。1958