自然科學(xué)基礎(chǔ)知識課件第一章-自然科學(xué)的萌芽和發(fā)展

1、第一章 自然科學(xué)的萌芽和發(fā)展自然科學(xué)基礎(chǔ)知識目錄第一節(jié)古代自然科學(xué)第二節(jié)近代自然科學(xué)第三節(jié)現(xiàn)代自然科學(xué)本章導(dǎo)讀我們把研究自然界各種物質(zhì)和現(xiàn)象的科學(xué)，統(tǒng)稱為自然科學(xué)。一般來說，自然科學(xué)包括物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、植物學(xué)等學(xué)科。人類自然科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了一個數(shù)千年的漫長的過程。從人類的文明起源開始，自然科學(xué)的發(fā)展就始終推動著人類文明的進步。16世紀開始，西方開始誕生近代自然科學(xué)，20世紀起，自然科學(xué)開始進入現(xiàn)代階段。目標(biāo)透視1了解古代自然科學(xué)的發(fā)展過程。2了解近代自然科學(xué)的發(fā)展過程。3了解現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展趨勢。第一節(jié) 古代自然科學(xué)一、古代西方的自然科學(xué)西方自然科學(xué)發(fā)源于古希臘，當(dāng)時以阿基米德、

2、亞里士多德等古希臘科學(xué)家為代表的自然科學(xué)發(fā)展到一個相當(dāng)完善的高水平。當(dāng)時，古希臘的自然科學(xué)家對組成世界的物質(zhì)的本原持許多不同的觀點，相互之間進行了激烈的爭論。其中，影響最大的赫拉克利特派認為：萬物的本原是火，世界上的一切物質(zhì)都是由火衍生而來的，最后又都復(fù)歸于火。原子論派的代表德謨克利特等人則主張世界上的萬物都是由原子組成的。在力學(xué)和機械領(lǐng)域，阿基米德達到了相當(dāng)高的理論水平。當(dāng)時的歐洲，在工程和日常生活中，經(jīng)常使用一些簡單機械，如螺絲、滑車、杠桿、齒輪等，阿基米德花了許多時間去研究，發(fā)現(xiàn)了“杠桿原理”和“力矩”的觀念，對于經(jīng)常使用工具制作機械的阿基米德而言，將理論運用到實際的生活上是輕而易舉的。

3、他自己曾說：“給我一個支點，我可以撬起整個地球。” 阿基米德對于機械的研究源自于他在亞歷山大城求學(xué)時期。有一天阿基米德在久旱的尼羅河邊散步，看到農(nóng)民提水澆地相當(dāng)費力，經(jīng)過思考之后他發(fā)明了一種利用螺旋作用在水管里旋轉(zhuǎn)而把水吸上來的工具，后世的人叫它為“阿基米德螺旋提水器”，埃及一直到兩千年后的現(xiàn)在，還有人使用這種器械。這個工具成了后來螺旋推進器的先祖。在浮力的相關(guān)研究中，阿基米德也做出了出色的成就，浮力定律也因此被稱為阿基米德定律。說起浮力定律的來源，還有一個有趣的故事。相傳敘拉古赫農(nóng)王讓工匠替他做了一頂純金的王冠，做好后，國王疑心工匠在金冠中摻了假，但這頂金冠確與當(dāng)初交給金匠的純金一樣重，到底

4、工匠有沒有搗鬼呢？既想檢驗真假又不能破壞王冠，這個問題不僅難倒了國王，也使諸大臣們面面相覷。后來，國王請阿基米德來檢驗。最初，阿基米德也是冥思苦想而不得要領(lǐng)。一天，他在家洗澡，當(dāng)他坐進澡盆里時，看到水往外溢，同時感到身體被輕輕托起。他突然悟到可以用測定固體在水中排水量的辦法，來確定金冠的比重。他興奮地跳出澡盆，跑了出去，大聲喊著：“尤里卡(意思是“我知道了”)！尤里卡！”阿基米德經(jīng)過了進一步的試驗后來到王宮，他把王冠和同等重量的純金放在盛滿水的兩個盆里，比較兩盆溢出來的水，發(fā)現(xiàn)放王冠的盆里溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的體積比相同重量的純金的體積大，密度不相同。所以證明了王冠里摻進了其他金

5、屬。阿基米德從這次試驗中發(fā)現(xiàn)了浮力定律（阿基米德原理），并寫在他的浮體論著作里，也就是物體在液體中所獲得的浮力，等于它所排出液體的重量。一直到現(xiàn)代，人們還在利用這個原理計算物體比重和測定船舶載重量等。二、我國古代的自然科學(xué)從春秋戰(zhàn)國時期開始，我國的科學(xué)技術(shù)長期處于世界的前列，中國也因此名列世界四大文明古國之一。四大發(fā)明之一的指南針，是世界上最早利用磁性指示方向的發(fā)明記載。指南針的原型最初見于西漢典籍中的司南勺，后來直到北宋時期，經(jīng)過歷代人們的不斷實踐改良，逐漸發(fā)展成為指南針，并在人類歷史上第一次廣泛地應(yīng)用于航海。造紙術(shù)大約發(fā)明于公元前2世紀。當(dāng)時正是中國的東漢時期，人們已經(jīng)開始在紙上書寫文字。

6、東漢和帝時期，蔡倫任中常侍，掌管宮廷御用手工作坊，他系統(tǒng)地研究和總結(jié)了前人用麻織纖維造紙的經(jīng)驗，然后利用麻頭、碎布、樹皮等原料，采用改良的工藝造出了更加優(yōu)質(zhì)的紙張，受到漢和帝的贊揚，蔡倫的造紙術(shù)從此得以推廣，蔡倫也被后人尊為造紙術(shù)的發(fā)明人。到了公元600年前后的隋朝，中國人從印章技術(shù)中得到啟發(fā)，發(fā)明了雕版印刷術(shù)。北宋中期，畢昇為了克服雕版印刷制版時間長的弊端，系統(tǒng)研究和總結(jié)了雕版印刷術(shù)的經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)實驗改進，于宋仁宗慶歷年間(10411048)制成了膠泥活字，在人類歷史上第一次進行了排版印刷，完成了印刷史上的一次重大革命。在唐代的時候，史書就記載有用硫黃、硝酸鉀和木炭制成的火藥，到了宋代，火

7、藥已用于武器。中國的四大發(fā)明通過絲綢之路傳到阿拉伯，又通過阿拉伯人傳到歐洲，對人類文明的發(fā)展起到了巨大的推動作用。中國的古代科學(xué)技術(shù)取得了輝煌的成就。第二節(jié) 近代自然科學(xué)一、近代自然科學(xué)的誕生（一）哥白尼提出日心說在遠古年代，人們說，天是由站在地上的擎天神扛在肩上的?！吧w天說”由此形成了：地是平的，天是圓的，中間隆起，四周下垂，就像蓋在地上的一個半球形的大帳篷?？墒且院笕藗冇职l(fā)現(xiàn)，日月星辰的東升西落是“蓋天說”解釋不了的，只有在“蓋天說”的半個球殼下面再加上半個球殼才對。于是“渾天說”產(chǎn)生了，“渾天說”最初認為地球不是孤零零地懸在空中的，而是浮在水上；后來又有發(fā)展，認為地球浮在氣中，因此有可能

8、回旋浮動，這就是“地有四游”的樸素地動說的先河?！皽喬煺f”認為全天恒星都布于一個“天球”上，而日月五星則附麗于“天球”上運行。到公元前6世紀，古希臘學(xué)者畢達哥拉斯根據(jù)圓是最完美形狀的思想，第一次肯定了大地是球形的。接著，公元前4世紀的另一位學(xué)者柏拉圖提出，圓周是最完美的圖形，天上的物體都有神明，所以它們都應(yīng)該沿著最完美的圓周做勻速運動。隨后，他的學(xué)生亞里士多德進一步提出了大地是球形的無可辯駁的事實，首創(chuàng)了“地心說”。亞里士多德說：“宇宙是一個有限的球體，分為天地兩層，地球位于宇宙中心，所以日月圍繞地球運行，物體總是落向地面。地球之外有九個等距天層，由里到外的排列次序是月球天、水星天、金星天、太

9、陽天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原動力天。此外空無一物。各個天層自己都不會運動，是上帝推動了恒星天層，恒星天層才帶動了所有的天層。人居住的地球，巋然不動地居于宇宙中心?！蓖欣彰茏鳛楣畔ＥD最后一位大天文學(xué)家，全面承襲了亞里士多德的“地心說”。他把亞里士多德的九層天擴大為十一層，把原動力天改為晶瑩天，又往外添加了最高天、凈火天。他設(shè)想，各行星都繞著一個較小的圓周運動，而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動。他把繞地球的那個圓叫“均輪”，每個小圓叫“本輪”，他又設(shè)想地球并不恰好在均輪的中心，而偏開一定的距離，均輪是一些偏心圓：日、月、行星除做上述軌道運行外，還與眾恒星一起每天繞地球轉(zhuǎn)動一周

10、，從而使計算結(jié)果達到了與實測的一致，取得了航海的實用價值。1473年2月19日，哥白尼誕生于波蘭一個富裕商人的家庭。在他10歲那年，瘟疫奪去了他父親的生命。從那時起，哥白尼一家開始跟隨舅父務(wù)卡施生活。哥白尼18歲那年，舅父把他送進了克拉科夫的雅蓋隆大學(xué)。克拉科夫的大學(xué)是當(dāng)時東歐傳播資產(chǎn)階級思想文化的重要基地，這里的資產(chǎn)階級人文主義學(xué)派的教授，不滿經(jīng)院哲學(xué)的死板教條，在科學(xué)上有許多新的見解。在這樣的環(huán)境下，思想敏銳的哥白尼對天文學(xué)和數(shù)學(xué)產(chǎn)生了極大的興趣。他鉆研數(shù)學(xué)，閱讀了大量古代天文學(xué)書籍，鉆研了“地心說”和“日心說”，做了許多筆記和計算，并開始用儀器觀測天象，頭腦里孕育著新的天文體系。這時，正

11、在三年級讀書的哥白尼收到舅父的來信，要他到意大利學(xué)教會法。這對熱愛天文學(xué)、厭惡教會的哥白尼來說，無疑是晴天霹靂?？僧?dāng)他得知這是為了打擊十字騎士團對祖國的侵犯時，就毅然穿起袈裟前往意大利。從1496年秋天起，哥白尼在意大利留學(xué)10年。他曾在學(xué)術(shù)空氣更活躍的帕多瓦大學(xué)學(xué)習(xí)。該校天文學(xué)教授諾瓦拉對“地心說”表示懷疑，認為宇宙結(jié)構(gòu)可以通過更簡單的圖式表示出來。哥白尼從諾瓦拉那里進一步熟悉了“地心說”和“日心說”，產(chǎn)生了關(guān)于地球自轉(zhuǎn)及行星圍繞太陽公轉(zhuǎn)的見解。而且他還學(xué)習(xí)了醫(yī)學(xué)和解剖學(xué)，獲得了教會法博士學(xué)位。1506年，哥白尼回到波蘭。舅父把他留在自己身邊，協(xié)助反擊十字騎士團。6年后舅父務(wù)卡施逝世，哥白尼

12、來到波蘭東北部的弗隆堡，購置了城堡里七座箭樓中的一座，開始了進一步的天象觀測。通過長期天象觀測和研究，以及對地球大小的精確計算，哥白尼認定了大的太陽繞小的地球轉(zhuǎn)是根本不可能的，只能是小的地球圍繞大的太陽轉(zhuǎn)，太陽是宇宙的中心?；氐阶鎳?，他通過對木星和土星重合的觀察，以及對行星順行、逆行的研究，進一步認定了太陽是宇宙的中心。因為行星的順行、逆行是地球和其他行星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期不同造成的假象，表面上看起來好像太陽在繞地球轉(zhuǎn)，實際上則是地球和其他行星一起，在繞太陽旋轉(zhuǎn)。就像我們坐在船上，明明是船在走，而卻看到岸在走一樣。在務(wù)卡施身邊的日子里，哥白尼曾把他的“日心說”主要觀點寫成一篇淺說，抄贈給一些朋友

13、。他的觀點立即引起了歐洲各國的重視，可他不敢把它們?nèi)繉懗鰜戆l(fā)表，害怕招致教會的迫害。后來，他還是在躊躇中開始了天體運行論一書的寫作。一直到1543年，哥白尼終于鼓起了勇氣，決定反擊“地心說”。他堅定地表示：“我不會在任何人的責(zé)難面前退縮下來?！薄叭绻腥藢ξ业脑O(shè)想橫加指責(zé)，我將不予理睬。我認為他們的判斷是粗暴的，為此我完全蔑視?！彼讶藗冮L期期待的手稿拿到紐倫堡付印，經(jīng)過一番周折，天體運行論終于艱難地問世了?？僧?dāng)印好的書送到哥白尼手上時，他已經(jīng)處于生命的最后1個小時。（二）胡克發(fā)明顯微鏡公元前1世紀的時候，人們就已發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體去觀察微小物體時可以使其放大成像，后來逐漸對球形玻璃表面能

14、使物體放大成像的規(guī)律有了認識。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類似顯微鏡的放大儀器。1610年前后，意大利的伽利略和德國的開普勒在研究望遠鏡的同時，改變物鏡和目鏡之間的距離，得出合理的顯微鏡光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)時的光學(xué)工匠遂紛紛從事顯微鏡的制造、推廣和改進。17世紀中葉，英國的羅伯特胡克和荷蘭的列文虎克都對顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動和微動調(diào)焦機構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺。這些部件經(jīng)過不斷改進，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。列文虎克制成單組元放大鏡式的高倍顯微鏡,其中9臺保存至今。胡克的顯微鏡胡克和列文虎克利用自制的顯微鏡在動、植物機體微觀結(jié)構(gòu)

15、的研究方面取得了杰出的成就。1665年，胡克用他的顯微鏡觀察軟木切片的時候，驚奇地發(fā)現(xiàn)其中存在著一個一個“單元”結(jié)構(gòu)復(fù)合式顯微鏡。胡克把它們稱為“細胞”。19世紀，高質(zhì)量消色差浸液物鏡的出現(xiàn)使顯微鏡觀察微細結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1827年，阿米奇第一個采用浸液物鏡。19世紀70年代，德國人阿貝奠定了顯微鏡成像的理論基礎(chǔ)。這些都促進了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀后半葉包括科赫、巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細菌和微生物提供了有力的工具。在顯微鏡結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時，顯微觀察技術(shù)也在不斷創(chuàng)新：1850年出現(xiàn)了偏光顯微術(shù)，1893年出現(xiàn)了干涉顯微術(shù)，1935年荷蘭物理學(xué)家澤爾尼克創(chuàng)造

16、了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。復(fù)合式顯微鏡是詹森制造的第一臺復(fù)合式顯微鏡。使用兩個凸透鏡，一個凸透鏡把另外一個所成的像進一步放大，這就是復(fù)合式顯微鏡的基本原理。如果兩個凸透鏡一個能放大10倍，另一個能放大20倍，那么整個鏡片的放大倍數(shù)就是1020=200倍。不過，詹森時代的復(fù)合式顯微鏡并沒有真正顯示出它的威力，它們的放大倍數(shù)低得可憐，荷蘭人列文虎克制造的顯微鏡讓人們大開眼界。列文虎克自幼學(xué)習(xí)磨制眼鏡片的技術(shù)，熱衷于制造顯微鏡。他制造的顯微鏡其實就是一片凸透鏡，而不是復(fù)合式顯微鏡。不過，由于他的技藝精湛，磨制的單片顯微鏡的放大倍數(shù)將近300倍，超過了以往任何一種顯微鏡。光

17、學(xué)顯微鏡只是光學(xué)元件和精密機械元件的組合，它以人眼作為接收器來觀察放大的像。后來在顯微鏡中加入了攝影裝置，以感光膠片作為可以記錄和存儲的接收器。現(xiàn)代又普遍采用光電元件、電視攝像管和光電耦合器等作為顯微鏡的接收器，配以計算機后構(gòu)成完整的圖像信息采集和處理系統(tǒng)電腦圖像顯微成像系統(tǒng)。（三）哈維發(fā)現(xiàn)血液循環(huán)血液循環(huán)是指血液在心臟的推動下，循著心血管系統(tǒng)內(nèi)按一定方向周而復(fù)始地在全身循環(huán)流動，其主要功能是完成體內(nèi)的物質(zhì)運輸。血液循環(huán)一旦出現(xiàn)障礙，機體各器官組織就會因新陳代謝不暢而受損。古希臘醫(yī)生赫羅菲拉斯在解剖人體時最早發(fā)現(xiàn)了血管，并第一個區(qū)別了動脈和靜脈。而古羅馬醫(yī)學(xué)家蓋倫糾正了古希臘人認為動脈中充滿空

18、氣的錯誤看法，并最早提出了血液運動的理論。但蓋倫的理論認為，血液流動以肝臟為中心，在人體內(nèi)像潮水一樣流動之后，便逐漸被身體所吸收。此后1 000多年，人們都把這種錯誤的理論奉為真理。1543年，執(zhí)教于意大利帕多瓦大學(xué)的比利時醫(yī)生維薩里，編寫出版了人體構(gòu)造一書，指出人的心臟有四個房室，為血液循環(huán)理論奠定了基礎(chǔ)。在人體構(gòu)造發(fā)表10年后，塞爾維特發(fā)現(xiàn)了小循環(huán)(肺循環(huán))。1628年，英國醫(yī)生哈維出版了心血運動論一書。他根據(jù)對40種不同動物的解剖觀察和實驗，得出血液在體內(nèi)循環(huán)不息的結(jié)論，并證明心臟的收縮和舒張是血液循環(huán)的原動力。哈維還猜想在動脈和靜脈之間有一個肉眼看不見的起連接作用的血管網(wǎng)，但由于當(dāng)時沒

19、有顯微鏡，因此無法證實這一假說。1661年，在哈維去世4年后，意大利科學(xué)家馬爾比基用顯微鏡觀察到青蛙肺部動、靜脈之間的毛細血管，從而證明了哈維的正確推斷。哈維的發(fā)現(xiàn)不是靠思辨和先驗的推理，而是一系列的觀察與實驗，它為此后生理學(xué)的發(fā)展開辟了一條科學(xué)的道路。二、近代自然科學(xué)的發(fā)展（一）物理學(xué)的發(fā)展物理學(xué)是科學(xué)的基礎(chǔ)，因此，自然科學(xué)的每一次進步，都離不開物理學(xué)的進步，近代物理學(xué)先后在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域取得突破，給人類的自然科學(xué)奠定了發(fā)展的基石。1.開普勒行星運動三定律開普勒出生在一個德國小市民家庭。他一來到人世間就遭受了不幸，得了一場猩紅熱病而弄壞了他的雙眼。 17歲那年，開普勒進入連蒂

20、賓根大學(xué)學(xué)習(xí)，攻讀神學(xué)，1591年他獲得了神學(xué)碩士學(xué)位。由于他體弱多病，他的父母認為他只適合做一名牧師，因為這個職業(yè)輕松一些。可是開普勒的數(shù)學(xué)才華非常出眾，當(dāng)他了解到一些有關(guān)哥白尼的理論之后，就把當(dāng)牧師的想法拋得一干二凈，最終在奧地利的一所大學(xué)里教起了自然科學(xué)。1600年，30歲的開普勒貿(mào)然給素不相識的丹麥天文學(xué)家第谷寫信。他把自己研究天文學(xué)的成果和想法告訴了第谷。第谷看后，對開普勒的才華驚嘆不已，立即寫信邀請他來當(dāng)自己的助手。但是開普勒來到第谷的身邊僅10個月，第谷便去世了。開普勒繼承了這位老人留下的非常寶貴的資料，其中包括老人對火星運動的觀測。開普勒就以這些資料為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個天空體系。

21、1604年9月30日，他發(fā)現(xiàn)了一顆新星，命名為“開普勒星”。開普勒在研究行星正多面體理論的時候，碰到了許多難題：他想準(zhǔn)確地得到各行星和太陽之間的相對距離，他想找出行星的運動軌跡。他認為圓的軌跡不符合第谷的資料，蛋狀的卵形線也不符合，只有橢圓才符合。一個圓的直徑不論在任何位置長度是不變的，但橢圓的直徑的長度隨其位置的變化而變化。最長的直徑叫長軸，最短的直徑叫短軸，在長軸上有兩個點叫焦點，它們離中心的距離相等。焦點又有這樣一個特性：如果從兩個焦點向橢圓曲線上同一點各畫一條直線，那么這兩條直線的總和等于長軸的長度。不管這兩條直線畫到橢圓曲線上哪一點，這個特性總是成立的。開普勒發(fā)現(xiàn)，第谷觀測的火星位置

22、和橢圓軌道不僅符合，而且符合的精確度還很高。并且，太陽位于這橢圓的一個焦點上。他還發(fā)現(xiàn)其他行星的軌道也可以畫成橢圓，太陽總在一個焦點上。1609年，他在新天文學(xué)一書中公布了開普勒第一、第二定律，1619年又公布了開普勒第三定律。開普勒第一定律：所有的行星都分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽運動，太陽在這些橢圓的一個焦點上。這一定律指出了行星一切可能的位置，這些位置的集合便形成了其軌道線。開普勒第二定律：行星與太陽的連線在相等的時間里掃過相等的面積。該定律歸納了行星運行中速率改變的規(guī)律。根據(jù)這一定律，我們可以測定各個時刻行星所處的確切位置。開普勒第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它距太陽距離的立方成

23、正比。開普勒行星三定律的完成，宣布了開普勒天文學(xué)體系的成熟，使人們對于行星的運動規(guī)律有了一個較為全面的理解，他開創(chuàng)了天文學(xué)發(fā)展的新階段。橢圓徹底摧毀了神圣不可侵犯的圓運動，廢除了兩千多年來人們的舊觀念，從此，開普勒的天文學(xué)觀點被許多天文學(xué)家所接受。2.牛頓萬有引力定律和經(jīng)典力學(xué)的確立牛頓從對天體運動規(guī)律的具體分析中得出了普遍的萬有引力定律。這個定律的內(nèi)容是任何兩個質(zhì)點之間存在著相互吸引力，其大小和它們的質(zhì)量的乘積成正比，和它們之間的距離的平方成反比，其方向則沿兩個質(zhì)點的連線方向。根據(jù)萬有引力定律，牛頓不僅解釋了開普勒行星運動三定律，而且可以推出某些和開普勒定律不符的情況。例如，牛頓說明了月球運

24、動的重要特點，以及其他行星、彗星的運動特點。1685年，牛頓充分應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，采用質(zhì)點的概念，克服了計算上的困難，證明了一個由具有引力的物質(zhì)組成的球體吸引它外邊的物體時，就好像所有的質(zhì)量都集中在它的中心一樣。有了這個證明，把太陽、行星、地球、月球都當(dāng)成一個質(zhì)點看待的簡化方法就顯得很合理了。這一成就掃除了困難，于是他努力把天體的力和地球上的重力聯(lián)系起來，他利用皮卡爾測量地球大小所得的新的數(shù)值，再回到月球運動計算的老問題上。計算結(jié)果：月球的向心加速度與地面上物體的重力加速度之比正好等于地球半徑的平方與月球到地心距離的平方比，從而證實了萬有引力定律。在經(jīng)典力學(xué)方面，牛頓總結(jié)前人的經(jīng)驗，提出了“力”“

25、質(zhì)量”和“動量”的明確定義，并把他們與伽利略所提出的“加速度”聯(lián)系起來，概括總結(jié)出了機械運動的牛頓三定律。牛頓第一定律：每個物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線做等速運動的狀態(tài)，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態(tài)。牛頓第二定律：運動的改變和所加的動力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個直線方向上。牛頓第三定律：每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗，或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠相等，并且各自指向其對方。牛頓運動三定律構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，為經(jīng)典物理學(xué)的建立提供了基本定理。牛頓對萬有引力的發(fā)現(xiàn)、三大運動定律的提出和微積分的創(chuàng)立，使得他被稱為經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域最杰出的科學(xué)巨人。3.能量守恒和熱力學(xué)三大

26、定律的創(chuàng)立在18世紀末19世紀初，隨著蒸汽機在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，人們越來越關(guān)注熱和功的轉(zhuǎn)化問題。于是，熱力學(xué)應(yīng)運而生。1798年，湯普生通過實驗否定了熱質(zhì)的存在。德國醫(yī)生、物理學(xué)家邁爾在1841年至1843年間提出了熱與機械運動之間相互轉(zhuǎn)化的觀點，這是熱力學(xué)第一定律的第一次提出。焦耳設(shè)計實驗測定了電熱當(dāng)量和熱功當(dāng)量，用實驗確定了熱力學(xué)第一定律，補充了邁爾的論證。熱力學(xué)第一定律表述為：如果一個系統(tǒng)與環(huán)境孤立，那么它的內(nèi)能將不會發(fā)生變化。引申得到，體系的內(nèi)能變化等于它從環(huán)境吸收的熱量與環(huán)境在其之上做功的總和。1824年，法國陸軍工程師卡諾設(shè)想了一個既不向外做功又沒有摩擦的理想熱機。通過對熱和功在這

27、個熱機內(nèi)兩個溫度不同的熱源之間的簡單循環(huán)（即卡諾循環(huán)）的研究，得出結(jié)論：熱機必須在兩個熱源之間工作，熱機的效率只取決于熱源的溫差，熱機效率即使在理想狀態(tài)下也不可能達到100%，即熱量不能完全轉(zhuǎn)化為功。1850年，克勞修斯在卡諾的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律與卡諾原理，指出：一個自動運作的機器，不可能把熱從低溫物體移到高溫物體而不發(fā)生任何變化，這就是熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律有多種說法，最流行的有克勞修斯的表述：“熱量由低溫物體傳給高溫物體而不引起其他變化是不可能的?！边€有開爾文的表述：“從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其他變化是不可能的?！彪S著低溫技術(shù)的發(fā)展，人們不斷向低溫極限沖

28、擊，但越是接近絕對零度，溫度的降低越困難。1906年，德國物理化學(xué)家能斯特在觀察低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)熱定理，1912年，能斯特又將這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達到原理：“不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度?！边@就是熱力學(xué)第三定律。根據(jù)熱力學(xué)第三定律，在絕對零度下一切物質(zhì)皆停止運動。絕對零度雖然不能達到，但可以無限趨近。能量守恒和熱力學(xué)三大定律的創(chuàng)立，揭示了熱、力、電和化學(xué)等各種運動形式之間的轉(zhuǎn)化和統(tǒng)一性，使自然界的運動形式達到空前的綜合和統(tǒng)一。4.對光的波粒二象性的認識人類對光的認識，是從太陽光、火光等可見光開始的，人們從觀察日光照射物體成影的現(xiàn)象中得出：光的一種基本性質(zhì)是光的直線傳播。

29、表明光的直線傳播的另一個事實是針孔成像。關(guān)于針孔成像的記載，在我國先秦時代的墨經(jīng)上就有翔實的記載，比古希臘的歐幾里得的記載既早又詳細。光為什么直線傳播，光的本性怎樣?一直到17世紀后半葉，牛頓和惠更斯對光的本性作解釋時，發(fā)生了原則分歧。牛頓認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，均勻介質(zhì)內(nèi)按力學(xué)定律做等速直線運動，他以這種觀點解釋了反射定律，并以光在介質(zhì)中的傳播速度比在真空中快來解釋折射定律。微粒說很自然地解釋了光的直線傳播性。但是這種假說不能說明光線在相交時互不相擾的性質(zhì)，也不能說明由他自己發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)現(xiàn)象：把曲率半徑大的凸透鏡放在平玻璃板上，在透鏡與玻璃板接觸點處出現(xiàn)明暗相間的同心環(huán)，即牛頓

30、環(huán)?；莞故枪獾奈⒘Ｕf的反對者，他創(chuàng)立了波動說，于1690年在論光一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ模@種波同把石子投在平靜的水面上時所看到的波相似?！彼麖穆暚F(xiàn)象與光現(xiàn)象的許多類似出發(fā)，認為必須把光振動看成是在一種特殊的介質(zhì)以太中傳播的彈性脈動，而這種特殊的介質(zhì)充滿宇宙的全部空間?；莞沟牟▌诱f只是粗略地指出光的波動性，惠更斯關(guān)于光波的概念是很不完全的，他始終沒有提到光波在空間上的周期性。1860年，麥克斯韋在理論研究中發(fā)現(xiàn)，振動著的電荷或迅速交變的電流都會引起其周圍電磁場以波的形式向外傳播，而且傳播速度與光速相同，從而提出光是電磁波的假說。1888年德國物理學(xué)家赫茲用實驗證明了電磁

31、波的存在，從此奠定了光的電磁理論。這理論能夠說明光的傳播、干涉、衍射、偏振等許多現(xiàn)象。電磁波包括無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X光和光。它們所不同的是波長，或者說是頻率各不相同而已?？磥聿▌诱f已達到盡善盡美的境地但是，在19世紀末和20世紀初，當(dāng)人們研究深入到光與物質(zhì)的相互作用這一領(lǐng)域時，卻發(fā)現(xiàn)許多問題是無法用波動說加以解釋的，其中最著名的難點是黑體輻射能譜，所謂黑體，是能全部吸收外來電磁輻射而毫無反射的理想物體。例如，在一空腔表面上開一個小孔(或細縫)，則因任何輻射進入小孔后，在腔內(nèi)進行多次反射和吸收，很難再從小孔透出，猶如被小孔全部吸收，所以這個小孔十分近似于黑體的表面。黑體發(fā)出

32、的輻射就叫黑體輻射，一個溫度均勻的空腔表面上一小孔(如煉鋼爐上的小孔)發(fā)出的輻射，很接近于同溫度下的黑體輻射。在黑體輻射中存在各種波長的電磁波，能量按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。1905年，愛因斯坦假設(shè)：光是由一群光子組成，頻率為的光子，它的能量等于h，h為普朗克常數(shù)，當(dāng)每個光子的能量超過某一數(shù)值h0時，就能從被照金屬中釋放一個電子，所以光子能量越大(即波長越短)，電子的速度越大，而光子越多(即光越強)，電子數(shù)目就越多，光電效應(yīng)是光子與電子相碰，所以能即時放出電子，所有這些與實驗完全相符。愛因斯坦最早注意到了物質(zhì)的波粒二象性。由于波粒二象性被證明是自然界中一切物質(zhì)運動的最基本的量子特性，因此

33、，愛因斯坦的這一發(fā)現(xiàn)甚至比他的相對論更為重要。1909年，愛因斯坦嚴格證明了輻射，即光子具有波粒二象性，并指出了已被實驗驗證的普朗克輻射公式同時包含了輻射的這兩種對立的屬性。光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦對量子理論所作出的最大貢獻，它首次揭示了光的量子特性，即光不僅具有波動性，同時也具有粒子性。正是光的波粒二象性概念進一步引導(dǎo)德布羅意提出物質(zhì)波假說，將光子的波粒二象性賦予了所有物質(zhì)粒子，并最終促使薛定諤建立了量子理論的波動力學(xué)形式。5.電磁學(xué)的輝煌成就1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，揭示了電與磁聯(lián)系的一個方面之后，不少物理學(xué)家探索磁是否也能產(chǎn)生電，曾經(jīng)進行過很多實驗。1831年，英國科學(xué)家

34、法拉第發(fā)現(xiàn)第一塊磁鐵穿過一個閉合線路時，線路內(nèi)就會有電流產(chǎn)生，這個效應(yīng)叫電磁感應(yīng)。法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，不僅成為指導(dǎo)電機制造的理論，開辟了電力革命的軌跡，而且是現(xiàn)代電磁學(xué)的基礎(chǔ)。法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項最偉大的貢獻。1864年，英國的另一位科學(xué)家麥克斯韋提出“渦旋電場”和“位移電流”概念，從而統(tǒng)一了電場和磁場。隨后把電磁場普遍規(guī)律概括為四個方程，用麥克斯韋方程組概括了全部電磁現(xiàn)象。更進一步，麥克斯韋根據(jù)麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在，并且提出了光也是一種電磁波的假設(shè)，這些預(yù)言和假說后來均被一一證實。在麥克斯韋的努力下，電磁學(xué)的大廈完美地建立起來。6.愛因斯坦創(chuàng)立相對論相對論是關(guān)于

35、時空和引力的理論，由愛因斯坦創(chuàng)立，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，它們共同奠定了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識以其理論是否決定論來劃分經(jīng)典與非經(jīng)典的物理學(xué)，即“非經(jīng)典的量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經(jīng)典的理論。愛因斯坦在他1905年的論文論動體的電動力學(xué)中介紹了其狹義相對論。狹義相對論建立在狹義相對性原理和光速不變原理之上。在狹義相對論提出以前，人們認為時間和空間是各自獨

36、立的絕對的存在。而愛因斯坦的相對論首次提出了時空的概念，它認為時間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個它們的整體時空，在時空中運動的觀者可以建立“自己的”參照系，可以定義“自己的”時間和空間（即對四維時空做“31分解”），而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。在愛因斯坦以前，人們廣泛地關(guān)注于麥克斯韋方程組在伽利略變換下不協(xié)變的問題，也有人注意過愛因斯坦提出狹義相對論所基于的實驗（如光程差實驗等），也有人推導(dǎo)出了與愛因斯坦類似的數(shù)學(xué)表達式（如洛倫茲變換），但只有愛因斯坦將這些因素與經(jīng)典物理的時空觀結(jié)合起來提出了狹義相對論，并極大地改變了我們的時空觀。在這一點上，狹義相對論是革命性的。19

37、15年左右，愛因斯坦在發(fā)表的一系列論文中給出了廣義相對論最初的形式。廣義相對論原理：任何物理規(guī)律都應(yīng)該用與參考系無關(guān)的物理量表示出來。用幾何語言描述，即任何在物理規(guī)律中出現(xiàn)的時空量都應(yīng)當(dāng)為該時空的度規(guī)或者由其導(dǎo)出的物理量。如果說到了20世紀初，狹義相對論因為經(jīng)典物理原來固有的矛盾、大量的新實驗及廣泛的關(guān)注而呼之欲出的話，那么廣義相對論的提出則在某種意義上是“理論走在了實驗前面”的一次實踐。愛因斯坦的相對論直接和間接地催生了量子力學(xué)的誕生，也為研究微觀世界的高速運動確立了全新的數(shù)學(xué)模型。相對論的偉大意義在人類歷史上是革命性的，愛因斯坦也成為人類歷史上最偉大的科學(xué)家。（二）化學(xué)的發(fā)展從遠古時期對火

38、的探索，到古代的煉金術(shù)和煉丹術(shù)，再到近代門類繁多的化學(xué)工業(yè)，人類的化學(xué)知識得到迅速發(fā)展，化學(xué)作為一門獨立的學(xué)科也隨之誕生。1.探索燃燒的奧秘人類在原始社會便學(xué)會了用火，但在很長時間里卻不知道燃燒是怎么一回事。后來，德國醫(yī)生施塔爾提出“燃素論”，說物質(zhì)的燃燒是由于物質(zhì)在燃燒過程中放出“燃素”的緣故。燃素學(xué)說曾在化學(xué)史上統(tǒng)治了100多年。隨著氧氣的發(fā)現(xiàn)，燃素學(xué)說逐步被動搖并最終被推翻。1774年8月1日，英國化學(xué)家普利亞斯特把氧化汞放在試管內(nèi)用聚光鏡來加熱，得到一種氣體，蠟燭在里面的燃燒火焰比在空氣中明亮，而把將要熄滅的木片放到里面又重新燃燒發(fā)光。他把這種氣體叫做脫燃素空氣，實際上就是氧氣。普利亞

39、斯用新獲得的氣體對動物呼吸進行了實驗，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把一只老鼠放入一瓶新制備的脫燃素空氣中時，老鼠過得十分舒適。他又親自試驗，用玻璃管吸入這種氣體，感覺十分輕快舒暢，他想將來這也許會成為有益而時髦的奢侈品。差不多在同時，舍勒也獨自制備了這種使燃燒更旺的氣體。雖然普利斯特和舍勒同時發(fā)現(xiàn)了氧氣，但他們都沒有進一步揭開燃燒的秘密，最后揭開燃燒奧秘的是法國化學(xué)家拉瓦錫。1743年8月26日，拉瓦錫出生于法國巴黎，1761年進入索爾蓬納學(xué)院學(xué)習(xí)法律，同時對化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。他的重大貢獻是把天平引入化學(xué)研究，并證明：化學(xué)反應(yīng)前后，參加反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量一定等于產(chǎn)物的總質(zhì)量。這就是著名的質(zhì)量守恒定律。還有一個

40、最重要的科學(xué)貢獻是證明了空氣是混合物，氧氣占1/5，并證明了水、二氧化碳都不是元素，而是化合物。他研究了燃燒機理，從而確定了氧化燃燒的科學(xué)理論，推翻了統(tǒng)治化學(xué)理論達100多年的燃素學(xué)說。拉瓦錫認為：燃燒只是物質(zhì)與氧進行化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，根本不存在燃素，燃素只不過是人們對燃燒現(xiàn)象不了解而臆造出來的。2.道爾頓的原子論物質(zhì)是由原子構(gòu)成的這一猜想，雖然早就提出來了，但一直到了18世紀，尤其是18世紀后半期至19世紀中期，工業(yè)興起，科學(xué)迅速發(fā)展，人們通過生產(chǎn)實踐和大量化學(xué)、物理學(xué)實驗，才加深了對原子的認識。把原子學(xué)說第一次從推測轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念的，應(yīng)歸功于英國一個教會學(xué)校的化學(xué)教員，他就是道爾頓。道爾頓首

41、先研究了法國化學(xué)家普魯斯特于1806年發(fā)現(xiàn)的有趣結(jié)論：參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比(定比定律)。例如，1克氫和8克氧化合成9克水，假如不按這個一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。道爾頓自己又發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種元素所組成的化合物具有兩種以上時，在這些化合物中，如果一種元素的量是一定的，那么與它化合的另一種元素的量總是成倍數(shù)地變化的(倍比定律)。道爾頓把化學(xué)的質(zhì)量守恒定律、當(dāng)量定律、定組成定律、倍比定律和他發(fā)現(xiàn)的氣體分壓定律聯(lián)系起來思考。他想自然界為什么會有如此神奇的數(shù)量關(guān)系呢？是原子嗎？原子在自然界中存在嗎？如果確實存在，那就應(yīng)根據(jù)原子理論來解釋物質(zhì)的一切性質(zhì)和各種變化規(guī)律。在化學(xué)上，化

42、學(xué)原子理論應(yīng)當(dāng)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的真正理論。道爾頓為解開這個謎，全面地研究了在他之前有關(guān)原子的一切學(xué)說和資料，經(jīng)過頑強的努力，最后他得到這樣的結(jié)論：“同一種元素的原子（極小的、化學(xué)變化中不可再分的微粒）彼此之間是相同的，但不同元素的原子則不同。原子是有重量的，原子不可再分，也無法稱量，但我們可以求得它們的相對重量，即把最輕的原子氫的原子量規(guī)定為1，就可以求得其他元素的相對原子量。”道爾頓還公布了他的原子量表，這也是世界上第一張原子量表。由于道爾頓的原子論成功地解釋了質(zhì)量守恒定律、當(dāng)量定律、定組成定律、倍比定律和氣體分壓定律，全面深刻地說明各種化學(xué)現(xiàn)象，因此很快得到了科學(xué)界的確認。3.化學(xué)元素周期律的發(fā)

43、現(xiàn)18世紀，在拉瓦錫的化學(xué)教科書中已經(jīng)出現(xiàn)了第一張元素表，19世紀初由于引入原子量的概念，化學(xué)家們把主要注意力集中在確定各元素原子量之間相互關(guān)系的規(guī)律上。到19世紀中葉以后，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多種化學(xué)元素。如何才能把這些雜亂無章的化學(xué)元素理出個頭緒來呢？最早研究化學(xué)元素分類的是德貝萊納，他注意到每三種相似的化學(xué)元素可列為一類，同類中居中的元素的原子量約為其他兩種元素原子量的平均數(shù)，且性質(zhì)也介于兩種元素的性質(zhì)之間。這個發(fā)現(xiàn)是周期律發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)。1834年2月7日，門捷列夫誕生于西伯利亞的托波爾斯克。在擔(dān)任彼得堡大學(xué)教授時，為了講好無機化學(xué)課，他研究了世界上各種介紹化學(xué)元素的資料，對當(dāng)時已知的63種

44、化學(xué)元素的原子量、物理和化學(xué)性質(zhì)都有詳細的了解。他把元素的名稱、化學(xué)式、原子量、化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)及主要化合物都寫得清清楚楚，每個元素寫一張卡片，這樣只要拿起一張，該元素的一切情況就可一目了然。后來，他按原子量遞增順序把所有元素排成幾行，再把各行中性質(zhì)相似的元素上下對起來，這時各種元素之間的聯(lián)系就表現(xiàn)出來了。元素排成了縱橫交錯的行列，每一橫行元素也隨著原子量的增大而呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。有些元素原子量和它們的性質(zhì)不符，他大膽地修正了當(dāng)時測錯的原子量；有些元素之間性質(zhì)差別太大，他便大膽地預(yù)言可能是尚未發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素，并為這些元素留下空位。他在金屬鋅和非金屬砷之間留下兩個空位，分別把這兩種未發(fā)現(xiàn)的元

45、素起名“類鋁”和“類硅”；在鈣、鈦之間留了一個空位，起名叫“類硼”。所有這一切都是在1869年3月1日完成的，即所謂“偉大的一天”。門捷列夫認為，他預(yù)言中的元素只要有一種能被發(fā)現(xiàn)，就是周期律的偉大勝利。門捷列夫用周期律預(yù)言的3種元素，在他活著的時候就都一一被發(fā)現(xiàn)了。首先是法國化學(xué)家布瓦薩德朗在1874年2月從閃鋅礦中利用光譜法發(fā)現(xiàn)了預(yù)言的類鋁，為紀念他的法蘭西祖國而把這一新元素定名為鎵。沒過多久，瑞典化學(xué)家尼爾松發(fā)現(xiàn)了門捷列夫預(yù)言的類硼，定名為鈧。在1886年，德國化學(xué)家文克勒發(fā)現(xiàn)門捷列夫預(yù)言的第三種元素類硅并命名為鍺。這三種新元素的發(fā)現(xiàn)使周期律獲得了普遍的承認。元素周期律的發(fā)現(xiàn)是一個重要的里

46、程碑，它促使無機化學(xué)研究的興起，并對整個化學(xué)的發(fā)展起了推動作用，為以后的化學(xué)發(fā)展指出了研究方向，激發(fā)了人們探索新元素的熱情。但由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的局限，使得門捷列夫周期律也有一些不足，如周期表只能判斷元素性質(zhì)遞變的大體走向，它只是一個粗略的近似規(guī)律；又如，周期表是按元素原子量順序排列的，門捷列夫還對個別元素原子量作了修訂，但他當(dāng)時還未認識到造成元素性質(zhì)周期性變化的根本原因。（三）生物學(xué)的發(fā)展近代生物學(xué)中，影響最大的莫過于細胞學(xué)說、達爾文的進化論和基因?qū)W說。1.細胞學(xué)說的創(chuàng)立1665年，羅伯特胡克用顯微鏡觀察軟木片時，發(fā)現(xiàn)許多小室，他把這種小室稱為細胞。此后，荷蘭、意大利和英國的一些生物學(xué)家相繼發(fā)

47、現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。19世紀30年代，布朗在蘭科植物葉片表皮細胞中發(fā)現(xiàn)了細胞核，特別是1938年至1939年，德國人施萊登和施旺幾乎同時得出結(jié)論，提出了細胞學(xué)說。細胞學(xué)說的核心有4點： （1）所有的植物和動物組織由細胞構(gòu)成。 （2）所有的細胞來自其他的細胞，不是由于細胞分裂就是細胞融合。 （3）卵和精子是細胞。 （4）單個細胞可分裂而形成組織。只有在細胞學(xué)說提出后，才能明確細胞是生物有機體的結(jié)構(gòu)和生命活動的基本單位，又是生物個體發(fā)育與系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)。因此，細胞的發(fā)現(xiàn)在生物發(fā)展史上確實占有重要的地位，細胞學(xué)說也被認為是19世紀科學(xué)上三大發(fā)現(xiàn)之一。細胞學(xué)說的建立，證明了有機體在結(jié)構(gòu)和發(fā)育上的統(tǒng)一性，是生

48、物科學(xué)發(fā)展史上的重大綜合。2.達爾文的生物進化論19世紀中葉，達爾文創(chuàng)立了科學(xué)的生物進化學(xué)說，以自然選擇為核心的達爾文進化論，第一次對整個生物界的發(fā)生、發(fā)展，作出了唯物的、規(guī)律性的解釋，推翻了特創(chuàng)論等唯心主義形而上學(xué)在生物學(xué)中的統(tǒng)治地位，使生物學(xué)發(fā)生了一個革命變革。1809年2月12日，達爾文出生在英國的施魯斯伯里。祖父和父親都是當(dāng)?shù)氐拿t(yī)，家里希望他將來繼承祖業(yè)，16歲時便被父親送到愛丁堡大學(xué)學(xué)醫(yī)。但達爾文從小就熱愛大自然，尤其喜歡打獵、采集礦物和動植物標(biāo)本。進到醫(yī)學(xué)院后，他仍然經(jīng)常到野外采集動植物標(biāo)本。父親認為他“游手好閑”“不務(wù)正業(yè)”，一怒之下，于1828年又送他到劍橋大學(xué)，改學(xué)神學(xué)，希

49、望他將來成為一個“尊貴的牧師”。達爾文對神學(xué)院的神創(chuàng)論等謬說十分厭煩，他仍然把大部分時間用在聽自然科學(xué)講座，熱心于收集甲蟲等動植物標(biāo)本，對神秘的大自然充滿了濃厚的興趣。1831年底，達爾文隨貝格爾號揚帆起航，途經(jīng)大西洋、南美洲和太平洋，沿途考察地質(zhì)、植物和動物。一路上，達爾文做了大量的觀察筆記，采集了無數(shù)的標(biāo)本運回英國，為他以后的研究提供了第一手的資料。五年之后，貝格爾號繞地球一圈回到了英國。當(dāng)達爾文返回英格蘭時，沿途的考察經(jīng)歷使他成為不相信上帝存在的懷疑論者或理性主義者，并引發(fā)了他關(guān)于物種進化的思考并最終形成一個完整的體系物種起源。達爾文自己把物種起源稱為“一部長篇爭辯”，它論證了兩個問題：

50、第一，物種是可變的，生物是進化的。當(dāng)時絕大部分讀了物種起源的生物學(xué)家都很快地接受了這個事實，進化論從此取代神創(chuàng)論，成為生物學(xué)研究的基石。即使是在當(dāng)時，有關(guān)生物是否進化的辯論，也主要是在生物學(xué)家和基督教傳道士之間，而不是在生物學(xué)界內(nèi)部進行的。第二，自然選擇是生物進化的動力。他認為，生物之間存在著生存斗爭，適應(yīng)者生存下來，不適應(yīng)者則被淘汰，這就是自然的選擇。生物正是通過遺傳、變異和自然選擇，從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，種類由少到多地進化著、發(fā)展著。這就是我們常聽到的“物競天擇，適者生存”。進化論是人類歷史上第二次重大科學(xué)突破，第一次是日心說取代地心說，否定了人類位于宇宙中心的自大情結(jié)；第二次就是進

51、化論，把人類拉到了與普通生物同樣的層面，所有的地球生物，都與人類有了或遠或近的血緣關(guān)系，徹底打破了人類自高自大、“一神之下，眾生之上”的愚昧式自尊。細胞學(xué)說和達爾文的進化論是19世紀生物科學(xué)史上的偉大事件，它以無可辯駁的事實揭示了生物界的統(tǒng)一性及其發(fā)展規(guī)律。這是生物科學(xué)發(fā)展史上的一次空前綜合，是生物科學(xué)發(fā)展的里程碑。第三節(jié) 現(xiàn)代自然科學(xué)一、現(xiàn)代科學(xué)的重大課題近代以來，人類社會經(jīng)歷了自身發(fā)展進程中最為深刻和激蕩的變革。在這種變革中，科學(xué)技術(shù)的飛躍對于人類的思維方式、生活方式和社會發(fā)展進程的影響，從某種意義上講無疑是具有決定意義的。對于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)面臨的重大課題，人們有許多不同的看法，但大致可以劃

52、分為以下幾個方面： （1）基因工程和生命奧秘的破譯問題； （2）信息技術(shù)和信息社會的發(fā)展問題； （3）智力起源及人工智能的研究問題； （4）物質(zhì)基本構(gòu)造的認識和探索問題； （5）空間技術(shù)發(fā)展和宇宙起源的問題。這些現(xiàn)代科學(xué)面臨的課題，其研究發(fā)展都呈現(xiàn)出一些明顯的特征。首先，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和轉(zhuǎn)化速度將會迅速加快，規(guī)模會更加宏大。信息社會到來，經(jīng)濟迅猛發(fā)展，世界性競爭愈演愈烈，都成為強大的推動力，使得基礎(chǔ)科學(xué)研究會迅速地向應(yīng)用科學(xué)轉(zhuǎn)移，科技成果會迅速地向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，其速度和規(guī)模都可能是前所未有的。其次，人類的認識領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)向宏觀和微觀縱深兩個方向挺進，科學(xué)仍然延續(xù)著古老而又嶄新的課題：天文、物質(zhì)

53、結(jié)構(gòu)。再次，未來的科學(xué)和技術(shù)將會與社會發(fā)展更緊密地結(jié)合在一起，發(fā)展科學(xué)技術(shù)已經(jīng)直接成為一個國家或民族的最重要的目標(biāo)之一。二、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的趨勢（一）物理學(xué)發(fā)展趨勢在物理學(xué)的研究領(lǐng)域，從有序結(jié)構(gòu)到無序結(jié)構(gòu)，從無生命到有生命的體系的研究將是它和生命科學(xué)交叉的前沿；介于微觀和宏觀之間的表面和介于晶態(tài)和非晶態(tài)之間的準(zhǔn)晶態(tài)，已經(jīng)成為新的研究熱點；從平衡態(tài)向非平衡態(tài)、從均衡過程到不均衡過程，從相互作用的隨機性到可控性和選擇性的研究，將是基本的研究趨勢。高能物理學(xué)、核物理學(xué)、原子分子和光物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、聲學(xué)等物理學(xué)的各個分支都將得到全面發(fā)展，這些發(fā)展既受到社會需要的推動，又在實際上推動

54、著社會生活的飛速進步。比如，凝聚態(tài)物理中的超導(dǎo)體在20世紀末的發(fā)展，使之迅速成為世界范圍內(nèi)競相研究的對象，如果世界上產(chǎn)生了室溫下的超導(dǎo)體，整個世界技術(shù)將發(fā)生巨變。理論物理在未來的日子里將向微觀未知世界、宏觀宇宙方向以及物質(zhì)運動的復(fù)雜性和高級形式三個方面發(fā)展。物理學(xué)估計每隔三五年就會有變化和轉(zhuǎn)移，同時，數(shù)學(xué)物理、計算物理也將隨之而得到發(fā)展。（二）化學(xué)發(fā)展趨勢化學(xué)可能在一些方向上發(fā)生理論和技術(shù)上的突破。許多化學(xué)家認為，生物學(xué)將是化學(xué)首先沖擊的領(lǐng)域，化學(xué)家在21世紀的最大挑戰(zhàn)之一將是創(chuàng)造生命?；瘜W(xué)家們對有機化合物電子特性的研究，導(dǎo)致“有機電子工業(yè)”的誕生?；瘜W(xué)家們有可能在21世紀發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)食物的新方法

55、，遺傳工程的進步將會產(chǎn)生能夠容忍鹽水的農(nóng)作物，從而沙漠和鹽堿地就可以栽培植物。一旦化學(xué)實現(xiàn)了這一突破，必將對科學(xué)、經(jīng)濟和社會產(chǎn)生重大影響。另外，非平衡態(tài)熱力學(xué)和不可逆過程熱力學(xué)的突破可能對人們了解和控制生命過程發(fā)生重大影響；闡明化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)和過程機理細節(jié)的分子反應(yīng)動力學(xué)與動態(tài)學(xué)的發(fā)展，將對化學(xué)自身的發(fā)展起到重大推動作用；而量子化學(xué)的突破性進展對于整個自然科學(xué)的重要作用則更是不言而喻的。（三）生物學(xué)發(fā)展趨勢生命科學(xué)有可能成為自然科學(xué)的領(lǐng)頭學(xué)科，可能會因出現(xiàn)一系列石破天驚的重大突破而發(fā)展成為新的科學(xué)革命。與此相適應(yīng)，生物工程作為產(chǎn)業(yè)也將會是21世紀的最新、最大產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前人類已經(jīng)實現(xiàn)了對于個別基因的

56、分離、重組技術(shù)和細胞的克隆技術(shù)，某些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能也已經(jīng)探明，對于微生物光合作用的機制也已經(jīng)有所了解?？萍冀缯陂_始有計劃、大規(guī)模地對一些重要的生物體的全部基因進行測序和詮釋，如對于人類基因的測序。美國已組織2 000多名科學(xué)家，擬用15年的時間，弄清人類10萬個基因中30億個堿基對的全部序列。1998年，我國已經(jīng)開始對水稻基因DNA序列進行大規(guī)模測序，表明我國在這一領(lǐng)域保持國際領(lǐng)先地位，測序全部成功后，有可能最終在分子水平上揭開水稻的全部遺傳信息，從而找到培育高產(chǎn)水稻良種的途徑，將會引起新的綠色革命。20世紀，分子遺傳學(xué)的一系列重大成就促進了分子生物學(xué)的發(fā)展，發(fā)育和大腦是未來的主要發(fā)展方

57、向。在分子水平建立遺傳、發(fā)育和進化的統(tǒng)一理論和闡明功能活動的分子基礎(chǔ)將是未來生物學(xué)的主要理論任務(wù)。在物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)的新概念和新技術(shù)廣泛滲透的推動下，生物學(xué)的發(fā)展趨勢是對生命現(xiàn)象的研究不斷深入和擴大，向宏觀和微觀、最基本的和最復(fù)雜的兩極發(fā)展。反過來，現(xiàn)代生物學(xué)也面臨理論上的大綜合，它向數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)及工程學(xué)提出的許多問題，又產(chǎn)生了許多新的生長點和交叉科學(xué)，智能和人工智能、生物芯片等，都有著廣闊的前景?？寺〖夹g(shù)是20世紀末最熱門的話題，人們對它的熱心有時已經(jīng)超過了理智和常識。有人說1998年是克隆年，克隆牛、克隆鼠、克隆狗等一批克隆動物紛紛問世，令人目瞪口呆。就目前所知，克隆技術(shù)至少可以在五

58、個方面為人類謀福利：促進人類了解生物生長發(fā)育的機理，特別是發(fā)現(xiàn)影響生長和衰老的因素；為移植手術(shù)提供合適的器官；大批量生產(chǎn)制造某些藥物的生物原料；為科學(xué)實驗提供更適合的動物；培育家畜、家禽優(yōu)良品種。但是，問題遠非如此簡單和美好，1999年春，英國柳葉刀雜志發(fā)表了對于無性繁殖動物副本機體健康的首例試驗分析成果，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，克隆技術(shù)可能帶來致命的基因缺陷，自1997年初羅斯林研究所首次成功培育出無性繁殖副本小羊“多利”以后，科學(xué)家已經(jīng)進行了多次類似的實驗，但這些實驗中有70以無性繁殖副本動物死于胚胎狀態(tài)或剛出生幾天便死亡而告終，而且這種高死亡率的原因不明，可能與無性繁殖中細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)有關(guān)。雖然現(xiàn)

59、在還難以形成意義更為廣泛的推論，但可以肯定，科學(xué)界在這方面還面臨著大量的研究工作。（四）信息技術(shù)發(fā)展趨勢信息科學(xué)是研究各種物質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)中信息過程（產(chǎn)生、采集、存儲、變換、傳遞、處理、使用）的一般規(guī)律，并能動地加以利用的科學(xué)。一般來說，信息科學(xué)由三個方面的學(xué)科組成：第一是半導(dǎo)體科學(xué)和電子學(xué)，第二是計算機科學(xué)，第三是系統(tǒng)控制科學(xué)和人工智能學(xué)。系統(tǒng)科學(xué)中的系統(tǒng)、控制和管理已經(jīng)成為推動社會發(fā)展的強大動力，而人工智能則和原子能利用、空間技術(shù)一起成為現(xiàn)代科技在應(yīng)用領(lǐng)域里的三大重要標(biāo)志，它將開辟人類解放智力的道路。計算機技術(shù)下一個具有重大意義的進步將需要新的物質(zhì)或新的數(shù)據(jù)傳輸方法的出現(xiàn)。沒有什么物質(zhì)比光子運動得更快，利用光子傳輸數(shù)據(jù)可能會使計算機的運行速度出現(xiàn)指數(shù)級的提高。另外，量子計算機也已開始研究，未來何種計算機技術(shù)能滿足人類信息的爆炸式發(fā)展，將是值得期待的問題。（五）材料技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，材料技術(shù)也會發(fā)生巨大的變化：一方面，現(xiàn)有的大量材料將要向著更精、更好、更方便的方向發(fā)展；另一方面，許多具有特殊