第二次科学革命

第二次科学革命

在18和19世纪之交，“第二次”科学革命又蓬勃展开。这场对于科学发展至关重要的历史性变革有两个基本趋势：一个是原来比较倾向定性的培根科学实现了数学化，另一个是经典科学和培根科学两者在理论和概念上都趋于统一。也就是说，原来的两个分离的科学传统结合成为一个新的科学整体，即我们今天所熟悉的“物理学”。随着第二次科学革命的展开和上述数学化和统一过程的深入，最后展现在人们面前的是一组统一的宇宙定律和一个十分统一协调的科学的世界图景。那样一个世界图景被称为经典世界观，它似乎在一瞬之间就把物理科学的所有领域整合为一体，到19世纪的最后几十年，更使科学家们对物理世界和物理学自身的目标有了一个完整的了解。

在19世纪科学的许多不同专业和研究领域都能够看到数学化和统一过程的进行。电学及其涉及磁学和化学的那些分支迅速发展，为我们展示了一个非常突出的例子。在整个18世纪，对电学现象的科学研究还只局限于静电。流动的电的偶然发现，一下就打开了通向一个全新研究领域的大门。在18世纪80年代用蛙腿所做的著名实验中，意大利科学家伽伐尼（Luigi Galvani，1737—1798年）虽然没有立即扩大电学的研究范围，但是，他着手认真地研究了很可能是在动物身体内“流动”的那种难以捉摸的“动物电”。他的同胞伏打（Alessandro Volta，1745—1827年）在这些工作的基础上继续研究，于1800年宣布发明了能够产生那种流电的电池。伏打发明的电池，以及不久以后又出现的更大的电池，表明电和化学之间有着以前所不知道的深刻联系。伏打电池是把一些金属板和厚纸板层叠起来放在盐（后来是酸）溶液池里做成的，它本身就是一件化学仪器，因此，电流的产生显然同化学存在着某种基本的联系。不仅如此，通过电解，也就是利用电池使电通过化学溶液，科学家们——其中以戴维（Humphry Davy，1778—1829年）最为突出——很快就发现了几种新的化学元素，如钠和钾，它们都是在电池的电极上发现的。这样一来，在19世纪的前几十年就在化学中确立了化学化合的电理论——化学元素通过电荷结合在一起——的主流地位。

在电化学领域作出的这些发现，总体上支持了从19世纪一开始就打下了一定基础的化学原子论。拉瓦锡心甘情愿地追随玻意耳，只满足于把化学元素描述为化学分解的最后产物，只字不提这些元素的结构——不论原子结构还是其他结构。1803年，由原来搞气象学和气体化学的道尔顿（John Dalton，1766—1844年）提出原子假说，从而成为第一位提出化学原子假说的近代科学家。道尔顿认为原子是真实存在的看不见的粒子，于是，原子就代替了相当模糊的化学元素概念。在前四分之一世纪里，原子学说并没有立即被普遍接受，但是到了19世纪中期，原子学说就已成为当时化学的一个基本组成部分。在积极提倡化学原子论的过程中，道尔顿及其追随者还把它同“哲学”原子论联系起来，而后者曾是17世纪那种新科学的一个突出特征。

科学家们一直猜想电和磁具有某种统一性，但直到1820年，才由丹麦自然哲学教授奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851年）偶然发现了两者之间存在的联系。当时，奥斯特在一间教室里刚上完课，正在收拾演示用的仪器，其中有一个电回路和一只指南针。他意外地发现，如果导线与指南针的磁针平行（而不是如原来以为的那样要垂直于磁针），这时接通或者断开电路，就会出现一种磁效应。通过进一步研究，奥斯特证明了电流的磁效应是运动。这样，他就发现了后来被应用于电动机的那个原理。此后又接着出现了一系列的新发现，其中包括电磁铁和通电导线的吸引及排斥。

在电与磁联系方面的积极研究到1831年时由于法拉第（Michael Faraday，1791—1867年）发现电磁感应（或者由磁产生电）而达到高潮。法拉第是英格兰皇家研究院的一位自学成才的实验高手，他在实验中把一块磁铁迅速插入一个闭合的螺旋线圈使之产生出电流。法拉第的发现有可能被应用来制造发电机，而且同奥斯特发现电产生磁效应相对应的磁产生电效应，其重大意义不言而喻。不仅如此，法拉第的发现其实是在更深的哲学层面上揭示了电、磁和机械运动三者之间的相互联系。在法拉第之后，因为已经知道了自然界三种力中的两种，科学家们就不难再找到第三种力了。

法拉第对电磁现象的解释最初虽然具有很强的个人风格，但其影响是极其深远的。法拉第数学不行，他把电和磁的效应具体想象为空间发生的机械畸变。铁屑会在一个磁体周围排列成一定的花样，这一实验事实使法拉第相信，真实存在着从磁体和电流向外散发出来的电磁场和“力线”。于是，法拉第就把注意力从磁体和导线转向了它们周围的空间，从而创立了关于场的理论。随着关于电的新科学和各种新奇的电学装置的相互促进与发展，毫无疑问，在所有这些工作中，科学理论和技术应用已经初步融合在一起了。关于这一点，我们在后面还会谈到。

光学在第二次科学革命时期使自己得到完善的那些发展，构成了那场革命的一项主要内容。在18世纪，牛顿的威望很高，科学家们虽然知道与牛顿同时代的惠更斯另外提出过一种关于光的波动说，但是占主导地位的还是牛顿的粒子说。在这种情况下，牛顿的影响反而造成了思想僵化，使得18世纪光学方面的工作一直不是太多。到了19世纪初，托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829年）和菲涅耳（Augustin Fresnel，1788—1827年）的工作出现以后，情况才大为改观。杨不满意牛顿粒子说对衍射现象（即光线绕过物体边缘发生微小弯折的现象）的解释，于1800年提出了他的波动解释。他把光想象为一种像声波那样的压缩纵波。在法国，年轻的菲涅耳的工作又在科学界掀起了轩然大波，他提出，光是由横波组成，就像海洋里的波浪。菲涅耳的理论更好地解释了全部光学现象，包括只有当一组波和另一组波发生相互作用时才会出现的光的干涉现象。不久，菲涅耳理论更预言了一个非常奇特的现象，那就是，在合适的实验条件下，在一个圆盘遮挡光线所投下的阴影的中心应当出现一个白色光点。在一个十分引人注目的实验中，菲涅耳证明了实际情形果真如此。1819年，菲涅耳获得了巴黎科学院设立的一个奖项。

随着光的波动说为越来越多的人所接受，科学家们开始重新考虑以前一直难以解释的那些老的光学问题，譬如说光的偏振。这样就开辟了许多新的研究领域，如确定光的波长和分析光束通过分光计所形成的光谱，等等。（光谱研究还意外地揭示出光与化学之间未曾料到的联系，即每一种化学元素都发出它所特有的光谱。）波动说还使科学家面临着一个很大的理论难题：光波在什么介质中传播？当时的回答是：光是由弥漫在整个宇宙中的一种以太里的波动所组成。在第二次科学革命中，在18世纪的培根传统中被赋予了各自不同微妙性质的那些五花八门的流体全都遭到淘汰，惟有这样一种构成世界的以太留了下来。

在第二次科学革命中，导致科学概念发生变化从而改变了19世纪科学的智识面貌的因素，还有对热的研究。由于拉瓦锡把卡路里视为一种真实的物质，他就开创了一条测量热量的硕果累累的研究思路。傅里叶（Joseph Fourier，1768—1830年）在他于1822年出版的《热的解析理论》（Analytical Theory of Heat）中，把微积分应用于研究各种各样的热流类型，但没有涉及热的本质是什么。1824年，年轻的法国理论物理学家卡诺（1796—1832年）出版了一本划时代的小册子，书名叫《论火的原动力》。在那本书中，卡诺分析了蒸汽机的工作过程，从中抽象出我们今天所说的卡诺循环，那是可以用来描述一切热机的一个理论模型。卡诺的小册子《论火的原动力》对于我们还有另一层意义，需要在这里强调一下。我们应该知道，卡诺的工作是对蒸汽机进行的最早的科学研究。在卡诺写他那本书的时候，蒸汽机已经使用了100多年，而且在很大程度上正是受到使用蒸汽动力的推动，工业革命才得以在欧洲蓬蓬勃勃地展开。这件事情又是直接否定了把技术当成应用科学的那种陈腐看法。事实是，正是技术向科学提出了需要加以研究的课题，卡诺对蒸汽机的分析就是一个很好的范例。(https://www.daowen.com)

在关于热的研究中，甚至可以说在19世纪所有物理科学的研究中，最值得注意的成就要算是产生了一门全新的理论学科——热力学。这门学科使原来关于热和运动的两门科学实现了统一。在1847年以前的许多年里，不少科学家根据方方面面的事实早就已经意识到，自然界的那些力——热、光、化学、电和运动——很可能不仅仅是彼此相互作用，也许实际上还能够相互转化。在19世纪40年代，有不少科学家都独立提出过热力学第一定律，即能量守恒定律。这个定律说，自然界的各种力能够从一种形式转化成另一种形式，而且在转化过程中被称为能量的一种不可破坏的实体保持不变。例如对于蒸汽机车来说，储藏在煤炭里的化学能被释放出来，其中一部分会转化为热、光和机械运动，后者推动活塞，然后再驱动机车前进，并使铁轨变热。热力学第一定律仅仅是一个抽象的原理（即使是关于自然界统一性的抽象原理，也可以使对自然界的表述更加简洁），要使它具体化，就需要定量化，其根据是能量在从一种形式转化为另一种形式中，转化率总是一定的。英国实验物理学家焦耳（James Prescott Joule，1818—1889年）以比较高的精确度测出了热功当量，证明一个标准重物下落一定高度总是正好能够升高一个确定的温度。德国物理学家克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888年）在前人工作的基础上于19世纪50和60年代发表了一系列重要论文，提出了热力学第二定律。该定律涉及能量随时间的变化。具体说来，这个定律指出：在一个不受干扰的封闭系统中，能量高的地方和能量低的地方总在趋于平均化，直至系统中不再存在温度差。第二定律的意思是，能量就像水，要自发地从高处流向低处，而且若不做外功，绝不会自发地发生逆过程。

热力学是在19世纪产生的从根本上改变了人们对自然界看法的两个全新学科中的一个，另一个学科是进化论（将在下一章讨论）。能量概念和热力学原理在更深的层次上以前所未有的成功把各门物理科学统一起来，而且为在19世纪末最后定形的那种具有统一概念的世界观提供了科学基础。

就物理科学而言，19世纪下半叶的那种经典世界观（或者说经典综合）至少提供了一种对物理世界的全局认识，给出了一幅关于这个世界的统一的智识图景，而那是中世纪乃至亚里士多德全盛时期以来在历史上曾经出现过的几种世界观绝对无法比拟的。那种统一的经典世界观的核心是麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879年）的工作。麦克斯韦把法拉第的比较定性的电磁场观念加以数学化，用非常漂亮的数学形式来表述自然世界，以波动方程（即麦克斯韦方程）来描述电磁场。后来的事实表明，麦克斯韦的工作有两个方面在确立经典世界观上起到了关键性作用。首先，电磁波具有有限的速度，也就是出现在麦克斯韦方程中的那个常量c；后来确认出那就是光速。在明白了这一点之后，似乎就可以肯定电磁学（靠法拉第和麦克斯韦的工作）和光学（靠菲涅耳的工作）之间存在着很深的联系。第二点，按照麦克斯韦方程所包含的物理涵义，那么，在一定条件下就应该有可能人为地产生并传输电磁波。在1887—1888年，赫兹（Heinrich Hertz，1854—1894年）果然用实验证实了这种电磁波的存在，我们平常称它为无线电波。如此一来，麦克斯韦方程以及把电、磁、光和辐射热四者看成一个统一体的观点似乎就有了坚实的基础而被确证。

基本思想来自牛顿和德国哲学家康德（Immanuel Kant，1724—1804年）的这种经典世界观，不难想见，其前提是绝对时空的观念——空间是均匀一致的欧几里得空间，而时间是绝不会停止的恒定流动的时间。于是，围绕着麦克斯韦的工作而形成的观点则是我们这个世界中存在着3种实在，那就是：物质、宇宙以太，以及能量。物质是由再无内部结构的化学原子组成，同一种化学元素的原子完全相同，而不同元素的原子则不相同。按照这种观点，例如，所有的氧原子都是一样的，但与所有的氢原子则毫无共同之处。俄国化学家门捷列夫（D.I.Mendeleev，1834—1907年）把化学元素分类排列成一张化学表，表中给每一种元素附上一个原子序号并给出该种原子的重量（即原子量）。尽管原子可以进行化学结合，从而产生出世界上许许多多的化学物质，然而当时人们对于把原子结合在一起的化学键的本质仍然一无所知。原子、分子和更大的物体都具有机械能，在不停地运动，而且正是原子和分子的动力学运动决定了物体的冷热程度。对于气体，上述的这类运动，后来是由一门新学科统计力学进行分析的。

世界上的一切物体，连同它们所包含的原子和分子，无一例外地都具有万有引力，而那种引力可以把分散的粒子聚积起来形成越来越大的物体。而且，正是那种产生吸引的万有引力，提供了一座把看不见的原子世界同力学和天文学所研究的这个已知的宏观世界连通起来的桥梁。在19世纪末，科学家对引力的了解并不比牛顿时代更多一些，但是，所有的经验都证明确实存在着这样一种力。科学家发现，在宇宙尺度上，如地球、月球、行星和彗星这样一些运动的天体全都遵从经典物理学定律，于是，经典世界观就把由牛顿提出并在随后两个世纪通过解决难题的研究而得到完善的经典科学传统囊括在内。

除了世界以太，还存在着普通物质。那种无所不在的以太，如前面所介绍的，是光、辐射热和电磁场这些辐射在其中传播的基质，而所有这些辐射都表现为能量。普通物质、以太和能量三者相互联系在一起，全都遵从热力学定律。因此，机械能、化学能、电能、磁能和光能能够彼此转化。尤其是热力学第二定律又规定了可称之为“时间箭头”的转化方向，成为支撑起经典世界观的稳固基石。在17世纪的力学中，譬如说碰撞定律，就是完全可逆的——理论上讲，无论在一个方向还是在相反的方向击打撞球，所做的功都是一样的。热力学第二定律就与此不同，它为时间和能量流动规定了一个不可逆的方向。这样一来，在第二定律的非常抽象和数学化的表述里面就隐藏着一个结论，即宇宙最终会走向“热寂”。到那时，所有的能量会均匀一致地弥散在整个宇宙之中，一切原子和分子便永远地只以刚高过绝对零度一点的热度在作振动。

我们在这里勾勒出来的这种经典世界观是在19世纪80年代最后形成的。这样一种世界观具有内在的一致性，数学表述严谨，对于宇宙的物理面貌和各种自然现象之间相互联系的观察相当深刻。在那种经典世界观形成以后，早在古希腊时代就出现的那种有着悠久传统的自然哲学研究似乎就该寿终正寝了，至少，在物理科学领域，它应该是毫无立足之地的。然而，对于经典世界观在当时得到普遍接受的程度，或者说对于当时科学的那些复杂而深奥难懂的说明实际上有多少人完全同意，绝不可估计过高。事实上，在科学家和哲学家当中，关于经典世界观是否就真的反映了自然界深藏着的真实，一直是有争议的，而且有时争论还相当激烈。此后不久出现的一系列料想不到的发现，使人们再也不敢以为事情就此完结，于是，一场新的革命又在酝酿之中。进入20世纪，一场由爱因斯坦（Albert Einstein）发动的物理学革命又开始了。

我们在前面着重讨论的是物理科学，但也不应忽略生命科学的发展在19世纪科学史中的重要性。生物学（或者说生命科学）这个术语是拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）在1802年才创造出来的，这件事情本身就意味着生物学在19世纪是一个多么活跃的领域。尤其重要的是，在19世纪，又开始了在实验室里对生命的化学过程和生理过程用实验方法来进行研究的传统。尽管胡克在17世纪就提出了“细胞”这个名词，但是细胞理论是到19世纪30年代才出现的。当时，德国的两位科学家施莱登（M.J.Schleiden，1804—1881年）和施旺（Theodor Schwann，1810—1882年）通过显微镜看见了细胞，并确认细胞是植物和动物组织及新陈代谢的基本单元。此后，又有贝纳尔（Claude Bernard）的《实验生理学教程》（Lessons in Experimental Physiology，1855年）和《实验医学研究导论》（Introduction to the Study of Experimental Medicine，1865年）的出版，成为体现新的研究风格的代表。在此基础上，科赫（Robert Koch）和巴斯德（Louis Pasteur）两人在19世纪70年代又建立起疾病的细菌理论。细菌学说一经建立，不论是古代所有的人体病理学观点还是当时流行的关于疾病成因的环境解释，很快就被人们所摒弃。实验生物学在那样一个时期诞生，当然也与组织机构和专业条件的改善有关。