第一章：古代科学技术的产生和发展

教学目的和要求

概略了解原始时代的技术创造和科学知识的起源，大体把握四大文明古国早期的主要科学技术成就和欧洲中世纪的科学技术，重点掌握古希腊的自然哲学和中国封建时代的实用科学技术。比较中西方科学技术及其社会环境的异同，认识中国明代中期以后科学技术落后的原因。

1. 原始时代的技术创造

2. 四大文明古国的科学技术

3. 古希腊罗马的科学技术

4. 中国封建时代的科学技术

5. 欧洲中世纪的科学技术

本章要点

第一节：原始时代的科学技术创造

一、原始时代的技术创造

二、原始技术创造的意义

三、原始科学思想的萌芽

1.1制造工具

人猿揖别始于工具的制造和使用。原始社会人类改造自然和认识自然的发展首先表现在工具的演进方面，原始社会最主要的工具是石的器。原始人制造工具经历了从打制石器的旧石器时代到磨制石器的新石器时代的发展。

新石器时代

1.2火的使用

完成从猿到人转换的另一个标志性的关键步骤是火的使用，这是人类诞生过程当中所征服和利用的第一种自然力。原始人使用火经历了三个时期：偶然的利用天然火的时期、有意识地保存天然火种的时期和能动地人工取火的时期。

旧石器时代中期，早期智人发明了人工取火的方法：燧石相击生火、钻木取火。摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，最终把人从动物界分开。

1.3 农业技术与社会分工

原始农业经历了从刀耕火种的农业发展到锄耕农业，原始畜牧业的出现导致人类社会的第一次大分工。

1.4 制陶技术

制陶技术的发展促成了人类社会的第二次大分工。

二、原始技术创造的意义

原始技术创造是人类社会得以产生和发展的根本前提，体现了改造自然和认识自然是同一过程的两个方面，为人类文明的发展奠定了坚实的基础。

三、原始科学思想的萌芽

科学起源问题

科学始于何时? 何地?缺少实物证据，对已有的实物证据也难以正确解释。我们只能推断在很早的时候，人类就已经观测和记录某些自然现象了。但是他们是否想解释它们以及怎样解释它们，我们不得而知。

三、原始科学思想的萌芽

通过对自然现象的观测而得出的结论，形成了原始人世界图景里的重要组成部分。这些结论被包含在原始部落占统治地位的宗教和哲学教条中，而不是如现代的科学一样是一个独立的思维领域。

人类学研究法：人类学家在对现代地球上某些偏僻角落找到的原始部落进行研究，从中得到一些关于原始人思维活动的暗示，但我们还须警惕不要轻易相信这些证据，因为后来证明这些部落中有些不是原始的，而是退化了的部落

思考题

1. 原始人有哪些重要的技术创造？

2. 怎样看待原始时代科学与技术的起源？

3. 原始时代的技术创造在人类发展史上有何重要意义？

本节主要参考书

1. 丹皮尔著《科学史》科学史第一章（商务印书馆）

2. 宋兆麟《中国原始社会史》（文物出版社）

3. 吴国盛著《科学的历程》第一章（北京大学出版社）

4. 李建珊主编《科技文化的起源与发展》第一章（南开大学出版社）

第二节：四大文明古国的科学技术

一、古代两河流域和古埃及的科学技术

二、古印度的科学知识

三、中国远古时代的科技萌芽

（本节着重介绍古代两河流域和古埃及的科学技术，简略介绍古印度的科学知识和中国远古时代的科技萌芽）

教学目的和要求

大体把握四大文明古国早期的主要科学技术成就，重点了解两河流域的数学、天文学成就和古埃及的医学、建筑技术成就，正确认识早期科学与宗教之间的关系。

文明古国

流域文明

尼罗河流域、两河流域

印度河流域、黄河流域

巴比伦与埃及

古代两河流域和古埃及的科学技术

一.古代两河流域和古埃及的科学技术

两河流域和古埃及地区出现了建立在农业基础之上的早期奴隶制社会。

1.信息技术的萌芽——文字的发明：

公元前3500年左右两河流域的苏美尔人（Sumerians）使用一种楔形文字（cuneiform），写在潮湿的泥版上，然后晒干，这就是泥版文书。

古代两河流域和古埃及的科学技术

2.水利灌溉技术

3.青铜冶炼技术的发明和青铜器的广泛应用;铁的发现和早期炼铁技术

4.公元前2000年西亚地区率先迎来铁器时代，成为农业文明发展的关键，标志着人类真正进入了有史的文明时期。

5.建筑技术

古埃及人公元前（27—16)世纪期间建立的金字塔堪称世界建筑奇迹。

金字塔的朝向

斯芬克斯像面朝正东

6.早期的数学、天文和医学知识

6.1数学

古巴比伦人的数学

古巴比伦人是首先对数学作出贡献的。发明了数的记法，采用60进制和10进制。1/2、1/3等分数有专门的记法。在巴比伦人的碑石中发现过乘法表、平方表和立方表。在巴比伦人有关土地测量的基本公式和数量关系中可以找到几何学的开端。现存的巴比伦楔形泥版文书：大都是关于经济问题的，涉及钱币兑换、商品交换、利税计算、粮食分配、遗产划分，等等。挖运河、修堤坝，以及其他水利工程都需要用到计算。谷仓和房屋的容积以及田地面积的计算，使他们接触了初步的几何学知识。

6.早期的数学、天文和医学知识

古埃及的数学

与两河流域统治民族频繁更替、外来文化不断进入的情形相反，尼罗河流域的古埃及文明是在相对孤立的状态下形成的。

古埃及人在数学上也取得了相当高的成就。他们用数学来管理国家和教会的事务，确定付给劳役者的报酬，求谷仓的容积和田地的面积，征收按土地面积算出的地税，计算建筑物所需的砖数，计算酿造一定量啤酒所需的谷物数量——出酒率，等等。

埃及数学问题

建筑物和金字塔坡度容积的计算；啤酒、面包等的数量分配等，是埃及数学问题的中心问题。

数学纸草书

从这些纸草书中可以知道古埃及人的算术、几何及代数知识。两批纸草书中都含有数学问题和解答。阿默士纸草书中有85题。莫斯科纸草书中有25题。这些问题很可能是被作为一些典型问题和典型解法的示范例子而记来的。两批纸草文书的撰写年代在公元前1700左右，但其中所含的数学是埃及人早在公元前3500年就已经知道。从那时起直到希腊人征服他们以前，他们几乎没有增加什么新的知识。

6.2天文学

6.2.1 两河流域（巴比伦）的天文学：

1.亚述人（Assyrians）:公元前700年左右，对天象的数学描述、系统的记录。

2.公元前的最末三个世纪里，即所谓的塞琉古时期（Seleucid period）：两类天文泥主版文书:

1)星历表文书，给出天体在不同时刻所在的位置；

2)程式文书，说明怎样计算星历表。

6.2.1 巴比伦天文学

3. 记录日、月食发生的时间和位置

4. 回归年的长度：12+22/60+8/602个月

5. 月的定义：从新月出现到下次新月出现之间的间隔

6. 黄道十二宫的全部名称在公元前419的一份文件中首次出现。

黄道十二宫

6.2.2 古埃及天文学

1.带有他们鲜明的地方特色。

2.尼罗河是埃及人的生命源泉。

3.一年的开始：每年当天狼星和太阳一起从东方升起时，尼罗河就开始泛滥

4.两次天狼星偕日升的时间间隔大约为365.25天，以365天为一年。一年十二个月，每月30天，年末外加5天。

5.因为埃及人没有每隔四年闰一天。历法的岁首慢慢落后于季节，经过1460年后，岁首和季节的对应关系又恢复如初。这个周期叫做索特周期（Sothic cycle），因为埃及人称天狼星为索特。

Dendera神庙中的天文屋顶

1.内圈有黄道星座，间杂着行星。

2.外圈（靠近支撑天球的众女神之手）是36旬星（decans），它们可能既是参与神圣仪典的神祗，同时又是夜间时刻的指示者

古巴比伦人知道了很多疾病，如不同种类的发热、中风和瘟疫；一些泥板书上还描述了眼、耳、皮肤和心脏的疾病，以及风湿和性病。古巴比伦医学是宗教巫师的特权，他们向天神负责；普通医生对他们所做的手术成功与否负责。

6.3医学

巴比伦外科手术工具，约制于公元前2300年。汉谟拉比（前1948－前1905）法典第

古埃及医学主要通过三种纸草书获得了解：The Edwin Smith Papyrus、The Ebers Papyrus、Kahun Gynecological Papyrus

6.早期的数学、天文和医学知识

古埃及人的十进制计数法、两河流域的占星术成为天文知识的一个来源、医巫分化，这些大都与祭司的巫术活动有关，表明人类早期的自然知识往往与宗教迷信活动扰在一起。

二、古印度的科学知识

1. 数学：十进制位值法技术、零的符号、三角学的应用和最早的三角函数表

2. 古印度的炼丹术

三、中国远古时代的科技萌芽

1. 自然知识：远古时代的先祖在动植物学、天文学和医药学等领域积累了丰富知识。

2. 技术创造：中国原始社会晚期的制陶工艺已掌握了氧化焰、还原焰和渗透法等不同的化学方法

思考题

1. 两河流域的天文学和数学取得了哪些重要成就？

2. 古埃及在医学和建筑技术方面作出了哪些具有深远影响的成就？

3. 如何看待文明初期科学与宗教的关系？

本节主要参考书

1.丹皮尔著《科学史》科学史第二、三章（商务印书馆）

2.茅左本《我们祖先的创造发明》（上海人民出版社）

3.吴国盛著《科学的历程》第二、三章（北京大学出版社）

4.王玉仓《科学技术史》第二、十二章（中国人民大学出版社）

第三节：古希腊罗马的科学技术

一、古希腊的自然哲学

二、古希腊的科学知识

三、古罗马科学技术

四、关于古希腊科学技术的几点结论

教学目的和要求

1.了解古希腊科学发端的社会背景及其与四大文明古国科学社会背景的差异；

2.重点掌握雅典时期的自然哲学成就及其自然观意义；

3.着重理解希腊化时期数理自然知识成就及其方法论意义。

希腊文明的发祥地

古希腊的自然哲学

1.米利都学派

2.毕达哥拉斯学派

3.原子论思想

4.亚里士多德主义

1.米利都学派

泰勒斯关于世界万物本原是“水”的主张

泰勒斯（Thales，约前624—546）断言所有的事物都起源于水，因此他被尊为希腊科学和哲学的鼻祖。

1）泰勒斯的命题中没有神话因素;

2）泰勒斯用这个假说解释了其它自然现象。如回答了大地靠什么支持这个古老问题。

3）现代科学正是从泰勒斯和其同时代人的思想持续不断地传下来的。

米利都学派

阿拉克西米尼认为万物的本原是空气；阿拉克西曼德则认为万物来源于“未规定的物质”。赫拉克利特认为组成世界的基本元素是“火”，恩培多克勒提出了关于水、火、土、气的“四根说”

毕达哥拉斯学派

以萨摩斯岛的毕达哥拉斯（Pythagoras，约前570—497/6）命名的这个学派最典型的特征就是对数最感兴趣，把数作为一个形而上学原则。万物皆数，宇宙万物的结构及其运行服从数的和谐，意义深远。传说毕达哥拉斯发现了2:1 、3:2 、4:3 这几个数字比率跟最和谐的音程八度音、五度音和四度音一致。在天文学上，设想数字之比存在于世界中心到各天体的距离之间，由于这些比率也指音乐的音程，所以认为音程也存在于天体中。由此又引出了关于天体和谐的更广泛的思辩学说

其意义在于：1)是关于地球运行的第一个猜测，2)启迪后世学者追求体现宇宙和谐的规律

原子论思想

原子论是古希腊自然哲学的最大的成就之一。这个派别的创始人是留基伯，主要阐述者是德谟克利特和伊壁鸠鲁，该派别认为世界万物都是由原子组成的，原子是肉眼所不能看见的物质微粒，永恒运动是原子的本性，自然界变化的实质是原子的聚散及其运动，整个世界由原子和虚空所构成。古代原子论是欧洲最早最完备最接近于近代自然科学的物质结构的哲学猜测。

亚里士多德主义

亚里士多德是古希腊哲学的集大成者，是一位承上启下的人物，在他的哲学中，哲学和自然科学已开始分化。

1)在世界本源问题上，提出了两种“实体”说，并用“四因说”加以论证；

2)在宇宙结构问题上，主张地心说，建立了同心球宇宙模型，第一次把几何学和天文学结合起来；

3)在物体运动问题上，认为物体只有在外力推动下才能运动，重物坠落的速度较轻物快。

亚里士多德主义：天地有别

与地球上物体的上升和下落的自然运动不同，还有一种天体所特有的永恒的均匀的圆周运动。天体不是由地球上的四种元素组成，而是由第五种元素构成。匀速圆周运动是第五元素的性质所固有的。

由此导致两个推论：（1）世界结构本质上是以地球为中心，沉重的地球由于它特别的性质，正好静止于世界的中心。（2）把适用于地球上的科学概念和推理运用到天体上去，这在逻辑上是不可能的。特别是把地球也看作是个天体，这是荒谬的思想。

地球在宇宙中心的论证

亚里士多德对地球处于宇宙中心的论证之一：因为我们时时刻刻正好看到半个天球，所以地球必然位于宇宙的中心。

亚里士多德的动力学

任何运动物体都是由与它相联的外界物体所推动。这是地球上无生命物体运动的基础。由此得出：

（1）一个脱离了所有外部影响的物体处于静止状态；

（2）对每种强迫运动，必须寻找与物体有关的动因。

动力学基本规律：由外力推动的物体运动的速度与推力成正比，与反对运动的阻力成反比。

亚里士多德和其他希腊思想家的最大功绩就是把自然作为科学研究的对象。

古希腊的科学知识

1. 数学知识

2. 天文知识

3. 物理知识

4. 生物和医学知识

数学知识

古希腊的数学成就与毕达哥拉斯学派的几何学成就及其数理思想直接相关。欧几里德的《几何原本》全面总结了前人的几何学知识，从公理出发运用演绎方法证明了包括467个命题的几何学全部定理。几何学从此成为一门科学和古代最成熟的学科。

欧几里德

约公元前300年，欧几里德提出了对数学作系统阐述的权威性形式，此后许多世纪，这种形式被公认为是数学方法的典范。他的集大成之作《几何原本》至今还是几何学的权威著作。

2.天文学

日心说：阿利斯塔克最早提出日心说

Aristarchus（前310-230年左右），太阳到地球的距离大于地球到月球距离的18倍，但小于20倍；太阳与月球的直径比大于18，小于20；太阳与地球的直径之比大于19:3，小于43:6

恒星的周年视差

阿利斯塔克根据得到的日、月、地大小和距离数据，提出地球绕着太阳转动的地动说。对于因此而应该产生的但没有被观测到的恒星周年视差，他假定地球轨道半径与地球到恒星的距离相比是微不足道的。这一学说富有革命性但缺乏经验事实的支持。

地心说

欧多克斯（Eudoxus，约409-356BC）在柏拉图关于天体作匀速圆周运动的原则指导下提出了天体的同心球理论。他一共设置了27个同心球：恒星一个，五颗行星每颗四个，太阳和月亮各占三个。

同心球理论

阿波罗尼乌斯Apollonius（约262-190BC）的两个数学发明偏心圆运动和本轮、均轮模型为天文学家解决行星视运动问题提供了基础。本轮和均轮的运动可以从数学上解释行星的各种运动状态：留、逆行等。

喜帕恰斯（Hipparchus，约190-127BC）

阿波罗尼乌斯的发明被喜帕恰斯用来描述天文现象。希腊天文学走上了一条康庄大道。喜帕恰斯在构建日月和行星运动几何模型时采用了巴比伦几个世纪以来保存的观测数据。喜帕恰斯的另一项重要发现就是春分点的退行即岁差现象。这个模型很好地解决了四季长度不等与匀速圆周运动之间的矛盾。

物理知识

阿基米德把观察和数学推理、理论研究和实际应用相结合，发现了杠杆原理和浮力定律，给出了求解复尽杂物体重心的方法。他的研究方法已接近现代的研究方法，被誉为“力学之父”。

阿基米德

阿基米德的名言：给我一个支点，我将推动地球

从阿基米德的著作中还能找到理论力学的萌芽：他从预设的一些公理出发，从数学上证明了杠杆原理——力与力臂成反比。

阿基米德的著作

传记作家普鲁塔克这样评论阿基米德的著作：在整个几何学上不可能找到更困难更错综复杂的问题，也不可能找到更简单更清晰的解说。

1)论平面图形的平衡I 2)求抛物线的面积 3)论平面图形的平衡II 4)论球和圆柱 I， II 5)论螺线 6)论锥体和球 7)论浮体 I，II 8)圆的度量

9)数沙者 10)方法 11)引理集

球和圆柱

在《论球和圆柱》中，他证明了：

1.（命题13）任一正圆柱（不记上下底）的表面积等于一圆的面积，该圆半径是圆柱高与底直径的比例中项。

2.（命题33）任一球面积等于其大圆面积的四倍。

3.（命题34推论）以球的大圆为底以球直径为高的圆柱，其体积是球体积的3/2。其包括上下底在内的表面积是球面积的3/2。他对这条定理非常喜爱，以致遗言把它刻在墓碑上。

4.生物和医学知识

希腊医学中许多知识是直接来自埃及和两河流域的。符咒和驱邪曾是流行的治疗方法。大约在公元前五世纪，出现了以行医为业的医生，并逐渐形成一些医学派别。希波克拉底被认为是古希腊的医学之父，有全集59篇，集古希腊医学之大成。该派的理论和医术走在了现代以前任何时代的见解前面。

生物和医学知识

希波克拉底认为疾病是人体的自然过程，主张用观察和实验方法研究疾病并创立了“四体液说”。

赫罗菲拉斯是第一个公开进行人体解剖的医生，揭示了人脑是智慧之府，而不是亚里士多德所认为的是心。

关于古希腊科学技术的几点结论

1. 古希腊自然哲学的基本特征及其历史地位

2. 古希腊人的方法

3. 古希腊科学与社会的关系

古希腊自然哲学的基本特征及其历史地位

古希腊科学是哲学的一个方面，所以它一开始就有重视理论思维、重视理性探索的特征，具有朴素辩证法的思想和物活论的色彩由于毕达哥拉斯主义和柏拉图主义的影响，古希腊科学中含有特别重的数学尤其几何学的成分。公理化和演绎推理的方法被运用到各门学科中去。在科学研究方法上，在希腊化时代的阿基米德那里，也已经达到了相当高的水平。逻辑推理的方法、严格定量的数学方法都已趋成熟，实验的方法也初露端倪。这些都为近代自然科学的形成做好了准备。近代自然科学就是从古希腊自然科学演进而生。

古希腊人的方法

1)古希腊人自然哲学的方法特点是以大胆的思索、巧妙的猜测和聪明的直观来把握自然界；

2)古希腊人科学研究的方法的特点是重视数学的和逻辑的论证；以天才的直观为主，以初步的观察实验为辅。

古希腊科学与社会的关系

1) 海岸文明基础上发展起来的工商业经济是天文学、历学和数学发达的根本动力。

2)工商奴隶主民主政治体制为学术繁荣提供了制度保障；

3)多元的文化开放系统促进了学术交流的频繁和科学研究的进步。

三、古罗马科学技术

古罗马科学

古希腊科学在古罗马时期走向衰落，但在天文学和医学仍有重要进展。托勒密的《至大论》集古代天文学之大成，运用数学模型方法建立了地心说体系。盖伦医生提出了“灵气论”学说。托勒密地心说和盖伦医学统治西方科学长达1500年之久。

托勒密Ptolemy 约100-170AD进一步精炼和发挥了喜帕恰斯的行星理论，并写入了它的集大成之作《至大论》(约145AD)中。

《至大论》Almagest

如果要数那些本书对世界历史产生了巨大影响，《至大论》毫无疑问就是其中一本。直到十六世纪，天文学家的思想实际上还一直受这本书的支配。

《至大论》的地静观点

《至大论》开篇就强调：不能把地球看作是运动着的星体。从数学上可以把星空的周日运动看作是地球绕自转轴的周日运动的反映，但这在物理上来说是荒谬的。如果地球从西向东旋转，应该可以看到地球上所有的东西向西移动，而不应与地球紧紧相随。这个反驳在以后的许多世纪里不断地被提出来反对地动说。站在亚里士多德错误的“惯性定律”基础上。直到伽利略提出他的惯性定律之后，这条反对地动说的论据才被反驳回去。

《至大论》

1)第一卷的最后几章论述了希腊测量学和三角学原理。

2)在准备了必要的数学工具后，托勒密在第一卷和第二卷的其余部分论述了球面天文学的所有内容。

3)第三卷论述太阳的运动。使用偏心圆运动的模型，用来解释四季长短不一。

4)第四、第五卷讨论月球运动。

5)第六卷描述日食和月食。

6)第七、第八卷给出了包括有1022颗恒星的星表，给出了每颗星的黄经和黄纬及亮度。还讨论了喜帕恰斯发现的岁差。

7)第九到第十三论述了五颗行星的运动。

托勒密的独创：

对点（Equant Point）。为解释火星、木星和土星的运动，托勒密引入了一个地球的“镜象”对点，设定C相对于E在圆周上做匀速运动，则相对圆心M做非匀速运动。牺牲了自古希腊以来一直坚持的信念：行星作完美的匀速圆周运动。行星依次充满宇宙空间，内行星本轮中心位于日地联线上，外行星初级本轮半径与日地联线平行。更高的精度、更多的本轮

托勒密体系：地静说

需要说明的是：

（1）在托勒密体系中，地球不是天体运动的中心，但静止不动。因此称这个体系为“地静说”比“地心说”更为恰当。

（2）并非所有的希腊天文学体系都是“地静说”。萨摩斯的阿利斯塔克提出过一个日心宇宙体系。

（3）数学天文学的唯一目的是对天体运动作运动学描述。此外还有物理天文学，其目的是研究说明人们所看到的天文现象实际上是怎样发生的。《至大论》描述的应该被看做是一种数学体系。

罗马医学

公元一世纪塞尔苏斯的百科全书中的医学部分被保存下来，他深信希波克拉底的病理学观点，并有所进步。详细叙述了对外伤、骨折的治疗，总结了炎症的四个主要症状：红、肿、热、痛。

自然学家普林尼（23-79）也是医药百科学家，他记录了包括从蔬菜到动物、矿物制成的药品，提供了那个年代的公共卫生方面的资料。

以弗所的索拉纽斯（98-138）是第一位产科学家，被称为产科学之父，所著《妇科疾病》成为以后1500年的教科书。

盖伦(Galen，129-199)是古罗马时期最著名最有影响的医学大师，被认为是仅次于希波克拉底的第二个医学权威。盖伦是最著名的医生和解剖学家。一生专心致力于医疗实践解剖研究（罗马人统治时期严禁人体解剖，盖伦通过解剖动物来了解人体）、写作和各类学术活动。一生写了131部著作，其中《论解剖过程》、《论身体各部器官功能》两书阐述了他自己在人体解剖生理上的许多发现。

2.古罗马技术

罗马人不是好的科学家，但确实是称职的行政官员。在建筑方面体现罗马人管理水平的是大量公共设施建筑的修建。他们的标志性建筑：大角斗场(内、外)（建于公元70—82年）；潘提翁神庙（120—124年）等，经历近两千年的风雨，如今仍让人们遥想罗马帝国的鼎盛时期。古罗马在社会公共建筑方面的成就把世界古代奴隶制建筑推到最高峰；古罗马大兴道路工程，故谚语云：条条道路通罗马。

建筑学理论也达到了一个很高的水平。维特鲁维奥是罗马著名建筑师，著有《建筑学》10卷，涉及建筑的一般理论、设计原理、建筑师的教育以及建筑施工和施工设备等多方面的问题，是现存最早的建筑学著作。

罗马学术的衰落

罗马人建立起了一个政治上、军事上空前强盛的帝国，经济繁荣、技术先进。但是罗马人太讲究实际，他们重技术而轻科学、重政治而轻艺术、重国家而轻个性。这种罗马性格不合适培育在希腊本土萌发的科学幼芽。古希腊的自由民可以有思索的闲暇。罗马的奴隶主虽然也有闲暇，但是他们把闲暇用在消耗从新征服土地上掠夺来的巨额财富，观看角斗表演。他们驱使着一群比他们自己的知识程度还要高的奴隶。自然科学家被当作奴隶驱使。 当然，罗马人中间也并不是没有可与希腊天才比肩的科学家和技术家。我们可以看到有自然哲学家卢克莱修、博物学家普林尼、建筑学家维特鲁维奥、农业学家瓦罗和医学家盖伦等。但与古希腊群星璀璨、百家争鸣的局面相比，毕竟大大逊色。

思考题

1. 雅典时期自然哲学的重要成就及其自然观意义？

2. 希腊化时期数理科学的重要成果及其对后世科学研究的方法论意义？

3. 为什么说古希腊人创造了人类奴隶社会科学发展的高峰？

本节主要参考书

1.丹皮尔著《科学史》科学史第五章（商务印书馆）

2.吴国盛著《科学的历程》第四章（北京大学出版社）

3.王玉仓《科学技术史》第十四章（中国人民大学出版社）

4.李建珊《科技文化的起源与发展》第二章（南开大学出版社）

第四节：中国封建时代的科学技术(上)

一、科学技术的社会环境

二、科学技术的发展阶段

三、自然观

四、技术创造与重大工程

教学目的和要求

1. 了解中国封建时代科学技术的社会背景及其与古希腊科学社会背景的差异；

2. 重点掌握三大独创技术和四大发明及其在人类文明史上的重大意义；

3. 着重认识中国封建时代天文学、数学、医学和农学的重要成就及其相对于古希腊科学的特征；

4. 深入理解“李约瑟悖论”的涵义及其探讨这一命题的重大现实意义。

中国历史概览

夏（前2070－前1600）

商（前1600－前1046）

周（前1046－前256）

秦（前221－前206）

汉（前206－220）

三国（220－280）

晋（265-420）

隋（581-618）

唐（618-907）

宋（960-1279）

元（1206-1368）

明（1368-1644）

清（1616－1911）

科学技术的社会环境

1. 高度的中央集权封建政治体制，保障了科学技术延绵不断地发展

2. 自给自足的农业经济推动了实用科学技术发达

3. 以儒学为主体的封建人伦文化制约了经验科学向理论的升华

科学技术的发展阶段

1. 先秦时期的学术繁荣

2. 秦汉时期科学技术发展模式的形成

3. 三国两晋南北隋时期科学技术水平的提高

4. 唐宋时期科学技术发展的颠峰

5. 元至明中叶时期科学技术的持继发展

6. 明中叶至清时期科学技术的衰落

自然观

先秦时期阴阳说和五行说的提出

元气说的提出和发展：战国时期的荀况、东汉的王充、唐朝的刘禹锡和柳宗元、北宋的王安石和张载、清代的王夫之相继推动了元气说的发展

秦汉时期“阴阳”、“五行”学说特点的转变

阴阳学说：注重“循环” →注重“对立”

五行学说：注重“分类” →注重“循环”

元气说：《正蒙》和《正蒙注》

宋代张载(1020—1077)在元气自然论的基础上，提出了“元气本体论”，认为宇宙万物的本源是物质性的“气”，并进而引入了“聚”和“散”的概念，以说明客观世界不同物质形态的存在和它们的运动变化。明代王夫之(1619—1692)又进一步确立了自然界物质不可创造、不可消灭的守恒思想。

在中国古代“元气论”的发展过程中，从一开始就坚持了物质的统一性，并按从一般到个别的模式，去考察各种具体的规律和作用。 “元气论”中的“元气”，要聚而成“形”，而“形”这种不连续的物质，要散而为“气”。这种元气聚散、气形相互转换的思想，较之古希腊的“原子论”所揭露和描绘的自然界的客观变化要深刻得多。

技术创造与重大工程

1. 水利工程技术

2. 建筑工程技术

3. 冶金技术

4. 三大独创技术

5. 四大发明

6. 航海造船技术

水利工程技术

1)春秋战国时期的芍陂、漳水十二渠、都江堰、郑国渠。2)汉代的龙首渠。3)隋代的大运河

上述工程从设计、施工到管理大都体现了系统工程方法的应用。

建筑工程技术

1)道路桥梁工程：万里长城、丝绸之路、赵州桥

2)宫殿建筑与都市建设：阿房宫、秦都咸阳、长安城、明故宫，体现了以木结构为核心的砖木建筑特色

冶金技术

中国冶金技术后来居上，春秋战国时期率先掌握铸铁技术。生铁炼铁技术是我国人民的重大发明。汉代炒钢技术的发明、百炼钢工艺品成熟、铸铁脱碳钢技术的进步，形成不同于欧洲块炼铁渗炭钢的钢铁冶炼体系，与现代钢铁生产工艺相一致

4.三大独创技术

制茶、丝织和制瓷是中国的三大独创技术

1)丝织（silk），商周以来丝织技术延绵不断地发展，6世纪传到东罗马帝国，中国被誉为“产丝之国”。丝织技术12世纪末传到意大利，14世纪法国人开始养蚕，16世纪末传到英国。

2)陶瓷（China)，中国是瓷的故乡，自古制陶技术发达，东汉发明烧制青瓷技术，唐代形成南方青瓷和北方白瓷两大瓷系，宋代形成八大窑系。制瓷技术通过丝绸之路传到西方，11世纪传到波斯和阿拉伯，1470年传到意大利。

3)茶（tea），中国是茶的原产地，唐代的蒸青制法工艺、宋代的炒青绿茶工艺、元代的花茶制作工艺、明代的红茶制作工艺。

5.四大发明（造纸术）

纸的发明：茧丝做丝绵的过程中剩余下来一层薄薄的絮片，是为原始的絮纸。制作麻料的副产品是植物纤维纸，约前140－87年间，陕西灞桥即已出版大麻纤维纸。东汉太监蔡伦在皇宫中用普通原料（树皮、麻头、破布和鱼网等）于105年造出蔡侯纸，自此，造纸业成为我国一大产业。751年，唐与阿拉伯在怛罗斯城（今吉尔吉斯）开战，大败，俘虏中有大批造纸工匠，中国的造纸术先传到巴格达，继而欧洲。

5.四大发明 （印刷术）

隋朝已有雕版印刷术，593年，有史记载。唐代，刻书成风，敦煌发现唐刻《金刚经》，标明是868年。宋代雕版印刷术达到高峰，971年，成都完成5048卷的《大藏经》，雕版达13万块，费时12年。宋庆历年间（1041－1048），毕升发明活字印刷术，原材料是胶泥。《王帧农书》中专有一节谈“造活字印书法”。1450年，德国古登堡发明金属活字印刷术

5.四大发明（火药）

炼丹家与火药的发明：硫磺与硝石相配制。唐代道家炼丹家孙思邈（581－682）《丹经》中第一次提到火药的配方。宋代曾公亮1040年发明炸药，北宋年间，火药大量用于战争。在12、13世纪，火药首先传入阿拉伯国家，称“中国雪”，波斯人称“中国盐”。14世纪，阿拉伯人将火药技术传入欧洲。火药是中国四大发明之一。火药它的起源与炼丹术有着密切的关系，是古代炼丹士在炼丹时无意中配制出来，对人类社会的文明进步，对经济和科学文化的发展，起了推动作用。

5.四大发明 （指南针）

前3世纪，《韩非子》中提到“先王立司南以端朝夕”。1世纪初东汉王充《论衡》“司南之杓，投之于地，其柢指南”。1044年，北宋曾公亮和丁度《武经总要》提到指南鱼。沈括《梦溪笔谈》有系统的指南针制造技术说明，同时发现磁偏角。

罗盘针

据考证，公元十一世纪末，指南针就开始作为定向仪器用于航海了。大约在十二世纪末到十三世纪初，指南针由海路传入阿拉伯，然后由阿拉伯传入欧洲。

四大发明的意义

马克思：“这是预告资产阶级社会到来的三大发明，火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成新教的工具，总的说来变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”

航海造船技术

造船技术：汉武帝时期的楼船、东汉时期船尾舵的发明、唐李皋始造车船、宋代的海船、元代的尖底远海福船和窄底近海广船。明初郑和七下西洋，是古代规模最大的航海活动，“宝船”长约150米，张帆9—12面，是古代世界上最大的船舶。

思考题

1. 中国封建时代科学技术的社会背景及其与古希腊科学社会背景有何差异？

2. 中华民族的三大独创技术和四大发明在人类文明史上有何重大意义？

3. 试比较中国封建时代科学与古希腊科学的异同

4. 如何理解“李约瑟悖论”的涵义，并思考探讨这一命题的重大现实意义。

本节主要参考书

1.李约瑟著《中国科学技术史》（科学出版社）

2.杜石然等编著《中国科学技术史稿》（科学出版社）

3.王玉仓《科学技术史》第一至十章（中国人民大学出版社）

4.李建珊《科技文化的起源与发展》第二、三章（南开大学出版社）

第四节：中国封建时代的科学技术(下)

四、实用科学

五、西学东渐

六、李约瑟问题

七、中国古代科学技术的特点

教学目的和要求

1. 了解中国封建时代科学技术的社会背景及其与古希腊科学社会背景的差异；

2. 重点掌握三大独创技术和四大发明及其在人类文明史上的重大意义；

3. 着重认识中国封建时代天文学、数学、医学和农学的重要成就及其相对于古希腊科学的特征；

4. 深入理解“李约瑟悖论”的涵义及其探讨这一命题的重大现实意义。

四. 实用科学

天文学 数学 中医药学 农学

1.天文学

皇家的需要，农业社会的需要。不以宇宙理论见长，而以积累观测为主。皇家垄断天学，禁止民间私习。天学享有很高的地位，不仅敬授人时，而且揭示天行之道。

1.1精确、系统的天象观测记录：中国史记中保存有2000多年来关于日蚀、月蚀、彗星、新星、太阳黑子等丰富的天象观测记录；对恒星的观测成果反映在历代的星表和星图中。

对日食和月食详细的记载，从汉初到1785年，日食925次，月食574次

异常天象的记录，如太阳黑子（前28年）、极光、彗星（前613年－1621年包括哈雷彗星）、新星、超新星（前352－1604共75次）

月蚀 日蚀

1.2 独特、优秀的历法体系

1) 商代的阴阳历

2) 战国的四分历

3) 汉代的太初历

4) 唐大衍历

5) 元代授时历

6) 此外，宋代沈括的十二气历、明末的崇祯历

阴阳合历：日、气、朔三要素。公元前4世纪，已测出太阳年为365.25天。

元朝著名天文学家和水利专家郭守敬编成《授时历》，一年的周期和现行公历相差无几，但比现行公历的确定早300年。

1.2 独特、优秀的历法体系

1.3 先进、精密的天文仪器

浑仪、漏壶和圭表

1) 浑仪：东汉张衡（38—139）的水运浑天仪、元代郭守敬（1231—1316）的简仪

2) 漏壶：汉丞相府漏壶、宋代漏壶

3) 圭表：《周礼-考工记》和《元史》中的有关记载

这台地震仪安放在阳，曾于138年测出千里之外的陇西所发生的一次地震，朝野上下，颇为震动。但由于当时朝堂上谶讳迷信劫力很盛，张衡的一重要发明没有得到应有的重视，候风地动仪也没有被保存下来。张衡的地动仪比外国同类仪器早诞生近一千年。古波斯直到公元十一世纪才有类似地震仪器。近代的地震仪在公元1880年才制成，它的原理和张衡地动仪基本相似，但时间却晚了一千七百年。

浑天说认为天是一个圆球，把地包在球中，圆球不停转动。

1.4 宇宙结构学说

盖天说、浑天说和宣夜说。张衡的浑天说是一种以地球为中心的宇宙理论，在中国古代论天学说中占统治地位。

宇宙结构学说

宇宙理论：盖天说，浑天说，宣夜说

1)盖天说—天圆如张盖，地方如棋局

—天似盖笠，地法覆盘

2)浑天说—天圆如弹丸，地如卵中黄

3)宣夜说—天了无质，日月众星，浮于虚空之中

2.数学

实用数学而非演绎数学；私人的爱好而非国家的事业，因此没有自主而连续的发展

算筹、10进位位置制记数法、纵式筹码、 横式筹码

记数规则

“凡算之法，先识其位。一纵十横，百立千僵；千十相望，万百相当” （《孙子算经》）

“满六以上，五在上方，六不积算，五不单张”（《夏侯阳算经》）

例如：752836

用空位符号“口”表示零，后演变为“○”。

意义 “用十个记号来表示一切的数，每个记号不但有绝对的值，而且有位置的值，这种巧妙的方法出自印度。这是一个深远而又重要的思想，它今天看来如此简单，以致我们忽视了它的真正伟绩。但恰恰是它的简单性以及对一切计算都提供了极大的方便，才使我们的算术在一切有用的发明中列在首位；而当我们想到它竟逃过了古代最伟大的两位人物阿基米德和阿波罗尼斯的天才思想的关注时，我们更感到这成就的伟大了。” ——拉普拉斯

西汉《九章算术》（1世纪）共讲述了246个问题的解法，根据所要解决的测量和计算问题分为九章即九大类， 涉及丈量农田、不同等级谷物的兑换、建筑结构计算、分配计算等，是中国古代数学体系的奠基作，标志着中国以计算和解决实际问题见长的实用数学体系的形成，但在理论和演绎推理方面远不及欧氏几何学。

《九章算术》 刘徽（魏晋时人）的“割圆术”—— “割之弥细，所失弥少。割之又割，以至于不可割，则与圆合体而无所失矣”。刘徽计算到192边形，求得3.1416，含有极限思想。

2.数学

1) 南北朝祖冲之（429－500）及其子祖暅计算了圆内接正6144边形和正12288边形的面积，得出π＝3.1415926～3.1415927求出精确到第七位有效数字的圆周率，领先世界达千年之久。

2) 魏晋南北朝时期出现了一批算经

3)唐代出现珠算

4)宋元之际，古代世界数学的高峰

5)秦九韶（1202－1261）《数书九章》（1247）

6)李冶（1192－1279）《测圆海镜》（1248）

7)杨辉（13世纪中后期）《杨辉算法》，速算法

8)朱世杰（13、14世纪之间）《算学启蒙》（1299）、《四元玉鉴》（1303），讨论了高次开方和高次方程组的解法。

宋元数学四大家

1) 秦九韶的“大衍求一术”

2) 李冶的“天元术”

3) 朱世杰的“四元术”

4) 杨辉的高阶等差级数公式，这些成就领先于欧洲400至600年

3.中医药学

战国时期的《黄帝内经》包括《素问》、《灵枢》两部分，18卷，162篇。主要论述人体解剖，生理，病理、病因、诊断等基础理论，兼述针灸、经络、卫生保健。

《黄帝内经》

1)《黄帝内经》以阴阳说和五行说为据，强调人体的有机整体性，提出了研究人体生理和病理的脏腑学说和经络学说。该书是中医现存最早的理论著作，是中医理论体系形成的标志。

2) 东汉末年张仲景（约150－219）《伤寒杂病论》提出中医诊断学中的“六经辩证”（太阳、阳明、少明、太阴、少阴、厥阴）和“八纲原理”（阴、阳、表、里、虚、实、寒、热）其“辨证施治” 原则为中医临床医学奠定基础。《金匮要略》

3)西汉的《神农本草经》是我国现存最早的药物学专著，收录药物365种，其中植物药252种，动物药67种，矿物药46种。

4)中国古代医籍

中国古代医籍为古代世界各学科之冠，据统计有近8000种。重要的有：魏晋王叔和的《脉经》和皇甫谧的《针灸甲乙经》；晋代葛洪的《肘后方》，唐代孙思邈的《千金方》；明代李时珍的《本草纲目》。孙思邈《千金方》—“人命至重，有贵千金”。医德垂训：“胆欲大而心欲小，智欲圆而行欲方”，“不为利回，不为义疚。”李时珍（1518-1593）湖北蕲春人，医生世家。14岁考取秀才，三次乡试未中，放弃科举，专心研究医药学。1552年开始编写《本草纲目》，1578完稿。历时20余年，共52卷，190万字。《本草纲目》，中国古代药学之集大成，52卷，190万字，分16部（水、火、土、金石、草、谷、菜、果、木、服器、虫、鳞、介、禽、兽、人），也是一部博物学大全，“虽名医书，实该物理”。 万历年传至日本，后致欧洲，被译成德、法、英、拉丁、俄等文字，达尔文的《物种起源》引用过该书。

4、农学

农业是中国社会的基础，历代统治者天大要事就是稳定人心。农业立国。政府官员重视农业实践和农业生产知识的积累。中国农学重视天时、地利和人力的综合运用。

《汜胜之书》（公元元年左右，汉代），论及北方特别是关中地区的耕作经验。贾思勰《齐民要术》（533－544，北魏）10卷92篇，反映黄河中下游地区的农业生产状况。《齐民要术》是我国现存最早的完整的农书，率先提出了因时制宜、因地制宜、精耕细作、合理经营的思想，在我国古代农业生产中产生了深远的影响。《王帧农书》（元代）综合黄河流域旱田耕作和江南水田耕作经验。

徐光启（1562--1633），生于上海。《农政全书》集我国古代农学成就之大成，60卷，50多万字，分农本、田制、农事、水利、农器、树艺、蚕桑、蚕桑广类、种植、牧养、制造和荒政12项

5、物理学知识

5.1《考工记》

《考工记》是春秋战国时期齐国人的一部科技著作，是手工技术规范的汇集。全书阐述了手工技术中包含一些的物理知识，其中主要是力学和热学方面。《考工记·轮人篇》在论述车轮制造时，以受力、运动和不同接触地面的影响等因素出发，研究轮子的形状与运动快慢之间的关系。此外，还分析了与弹道有关的技术，并且最早作出了关于物体惯性的论述。《考工记》中论述的热学知识，指出了冶炼金属时加热后先呈暗红色，温度渐高，依次是呈橙色、黄色、白色、最后是青色。这是因为金属里含有碳、钠一类的杂质，不同物质有不同的汽化点，所以可以根据汽化物质的颜色作为判断火候或温度高低的标准，最后达到“炉火纯青”，就可以浇铸了。

5.2《墨经》

《墨经》是墨家学派的著作，是私学教育的教材。《墨经》中有关物理知识的内容，主要是在力学和光学方面。

（1）力学。《墨经》中对时间和空间概念分别作了正确的定义，对力的概念提出了初步的论述，墨家还叙述了斜面上的物体失去平衡的道理，以及利用斜面来提升重物的方法。

（2）光学。《墨经》从早为人们认识的光的直线传播原理出发，首先提出了影与光、物之间的关系。《墨经》还介绍了平面镜成像，叙述了凹面镜、凸面镜成像的规律 。

5.3《论衡》

《论衡》是东汉王充所著。

（1）力学方面：指出了人的视觉在观察物体的运动快慢时会造成错觉的原因和如何量度物体运动的快慢。关于力和运动的关系，在外力的作用下，若外力大小一定，则物体越重，要它开始运动，或使之运动状态发生变化就越难。这是牛顿第二运动定律的萌芽，还认识到内力不能改变物体运动状态这一事实。

（2）声学方面：王充认识到人发声是使空气振动而产生的，并将声音在空气中的传播用可见的水波的传播来作了比喻，实际上已指出了振动的传播要通过媒质。

（3）热学方面：王充不仅用“气”来解释热现象，指出热传递与距离远近的关系，而且对自然界中雨、露、霜、雪的成因也进行了研究，指出了它们都是地面上的水蒸发所致，所以实质上他已进入了物态与温度之间的关系的研究。

（4）电磁方面：关于摩擦起电的现象，西周末年已有“玳瑁吸褡”的记载。在《论衡》中，对这现象作了进一步的解释。王充用性质相同来解释上述相互吸引的现象，和性质不同来解释别类物体不能“感动”的原因。对于“雷电”现象：认为是不同的气相互激发出来的。可见，王充认识到雷电也是物质的，也是自然界的一种变化现象。

5.4《梦笔溪谈》

《梦溪笔谈》是北宋中期的政治家和科学家沈括（1031—1195）所著，这是中国科学史上一部重要的著作，英国科技史家李约瑟把它称为“中国科技史上的座标”。这部举世闻名的科学巨著涉及物理领域的内容包括磁学、光学和声学知识。《梦溪笔谈》成书于11世纪末，是沈括晚年的科学巨著，因写于润州梦溪园而得名。以笔记体写成，共30卷。全书共十七目609条，内容涉及天文、气象、历法、数学、地质、物理、生物、化学、医药、文学、史事、音乐、美术等。其中自然科学部分总结了我国古代，特别是北宋时期科学技术成就，诸多方面有精湛研究、独到见解。

（1）磁学方面：早在春秋战国时期，我国发现磁石具有吸铁和指南的性质。沈括对指南针的使用作了多种试验。例如，他作了把指南针设法放在水面上（水浮法），碗边上（碗唇法），手指甲上和把指南针悬挂起来等试验，并且进行比较，指出了它们各自的特点，这可以说是世界上关于指南针的最早实验记录。并且沈括在实验中已发现了磁偏角。

（2）光学方面：《梦溪笔谈》中有许多光学方面的观察和实验的记录及其分析。如对日蚀、月蚀的成因作了理论总结，并第一次用类比演示实验来验证月亮圆缺的科学道理。该书中除了讲凹面镜成像和针孔成像的道理，对光的直线传播、光的折射现象和虹的形成进行研究和解释以外，还作过凹面镜成像的实验，指出物在凹面镜焦点之内时得正像，在焦点和中心之间看不到像，而在中心之外时得倒像。 还对我国的一种古铜镜——透光镜的透光原理作了解释。

（3）声学方面：《梦溪笔谈》中阐述了关于乐律、古乐钟的发声、古琴的制作和传声、共鸣等声学知识，并记载了一个作者精心设计的共振实验。除了上述把声学知识广泛应用于乐器的调、制以外，还用来科学地解释生活中与此有关的种种现象。

5.5《草象新书》

《草象新书》是实验物理学家赵友钦（1279—1368）所著。他在书中深入地研究了光学现象，并做了小孔成像实验，指出了小孔成像的规律。从实验知道，光通过小孔时，不论孔的形状如何，屏上得到的光斑总是发光物的像。当孔相当大时，则屏上得到的光斑形状随孔的形状而定，孔方则方，孔圆则圆。他对这个现象的解释是“罅小则不足容日月之体，是以随日、月之形而圆，及其缺则皆缺。”“罅大而可容日、月之体也。”说明了小孔成像与孔的大小有关。

5.6声学效应在乐律上的运用——十二平均律

近代乐器上用的新律制——十二平均律，是明代乐律理论家朱载堉(公元1536—1610)提出和创造的。十二平均律的提出，在我国物理学的研究和音乐教学中，具有特别重要的意义，这就是从物理现象的定性讨论进入定量的数学计算。

6.其他成就

徐霞客（1586－1641），生于江苏江阴。22岁起游历江苏、浙江、山西、河北、山东、河南、安徽、江西、福建、陕西、广东、广西、湖南、湖北、贵州、云南16省，北京、天津、上海3地，写成《徐霞客游记》，记载所到之处的山川地貌、物产风情；宋应星（1587－？），江西奉新人。 47岁开始编写《天工开物》，3年乃成，分上中下三部分共18卷，包括农作物栽培、农产品加工、制盐、制糖、陶瓷、冶炼、养蚕、纺织、染色、造纸等，是一部手工业生产技术的百科全书

六、西学东渐

意大利人利马窦（1552－1610），1583年来华，与徐光启合作译《几何原本》前6卷

比利时人南怀仁（1623－1688），1659年来华，主持皇家天文历法工作

德国人汤若望（1591－1666），1662年来华，引入光学知识和望远镜的制造原理和技术

传教士带来的科学并未被中国化，只有有限的高度选择的引进，带来了西方的科学技术：自鸣钟、比例规、地球仪、世界地图

对待西学的态度之一： “中西会通”

“欲求超胜，必须会通；会通之前，必须翻译。”——徐光启

对待西学的态度之二： 排斥抵制

“宁可使中夏无好历法，不可使中夏有西洋人。”—杨光先

对待西学态度之三： “西学中源”

“西洋算法亦善，原系中国算法，彼称为阿尔巴朱尔—阿尔巴朱尔者，自东方之谓也。”——康熙与赵洪燮论数（1711年）

对待西学态度之四： “中体西用”

“中学为体，西学为用”—张之洞（1837-1909）《劝学篇》（1898）；“师夷之长而治夷”

“洋务运动” 19世纪60年代： “自强”、“求富”；练新军、办工厂、修铁路、设学堂；出洋考察、派遣留学生

七、李约瑟问题

1.李约瑟悖论

“从公元1世纪至公元15世纪的漫长岁月中，中国人在应用自然科学知识满足于人的需要方面，曾经胜过欧洲人，那么，为什么近代科学革命没有在中国发生呢？为什么近代以来中国在科学技术方面突然落后了？”中国古代有着辉煌的科技成就，为什么近代落后了？

落后的概念解析

问题解析：为什么中国传统科技没有加速发展；为什么欧洲科学能够如此突飞猛进；为什么近代中国没有产生欧洲科学

2. 学术界对“李约瑟悖论”的探讨

1)从社会经济发展上找原因，认为导致中国近代科技落后的根本原因在于封建自然经济的阻碍，没有确立资本主义生产方式。

2)从观念上层建筑找原因，认为儒学文化对科学的排斥是近代科学末在中国发展起来的深层次原因。

3)从政治上层建筑找原因，认为明清封建大一统政治体制的专制统治阻碍了近代科学在中国的兴起。

4)从理论和实践的关系进行探讨，认为中国古人重思辨轻实践，理论与实践的相互分离导致近代科学在中国不发达。

中国科技：

道与万物相辅相成灵活多变，不同于绝对理性之至高无上的逻辑，有机自然观而非机械自然观，重博物类比轻数学实验，直接的实用性和经验性

八、中国古代科学技术的特点

1. 中国封建时代形成了实用科学技术体系

2. 大一统技术和手工业技术在科学技术体系结构中占主导地位

3. 科学研究成果大多处在经验形态，理论知识相对不足

4. 科学研究受大一统的社会环境制约

思考题

1. 中国封建时代科学技术的社会背景及其与古希腊科学社会背景有何差异？

2. 中华民族的三大独创技术和四大发明在人类文明史上有何重大意义？

3. 试比较中国封建时代科学与古希腊科学的异同

4. 如何理解“李约瑟悖论”的涵义，并思考探讨这一命题的重大现实意义。

本节参考书目

1.李约瑟著《中国科学技术史》（科学出版社）

2.杜石然等编著《中国科学技术史稿》（科学出版社）科学出版社2003年出版

3.坦普尔：《中国：发明与发现的国度》，陈养正等译，21世纪出版社1995年版

4.王玉仓《科学技术史》第一至十章（中国人民大学出版社）

5.李建珊《科技文化的起源与发展》第二、三章（南开大学出版社）

6.吴国盛：《科学的历程》第9－11章

7.罗南改编《中华科学文明史》，五卷本，江晓原等译，上海人民出版社2001年出版

第五节：古代阿拉伯与欧洲中世纪的科学技术

一、古代阿拉伯的科学技术

二、欧洲中世纪科学技术的窒息状态及其复苏

三、中世纪西方科学技术的发展

四、对基督教和中世纪的评价问题

教学目的和要求

1. 掌握阿拉伯人在数学、天文学和医学方面的主要成就

2. 认识阿拉伯人迅速崛起的原因及其在科学技术史上的特殊地位和作用；

3. 了解欧洲中世纪基督教文化对科学文化的影响，正确认识科学与宗教的关系；

4. 把握欧洲中世纪后期科学技术的主要成就及其对近代科学产生的影响。

一、古代阿拉伯的科学技术

1、阿拉伯科学技术进步的政治经济背景

(1)公元七世纪形成统一国家

(2)农业、畜牧业和手工业超越欧洲

(3)贸易和航海的发达

2、阿拉伯科学技术发展的特点

(1)开明的文化政策

(2)发达的文化设施

(3)自由的学术交流

2、阿拉伯人的科学贡献

2.1 发现隐藏起来并且被忘记的希腊知识的宝藏

开始：注重医学和物理学著作的翻译，很快转向了天文学、数学和哲学著作。欧几里德的《几何原本》、托勒密的《至大论》(Almagest，现所用书名就是阿拉伯人定下的)

希腊文化并不是阿拉伯文化汲取的唯一源泉。

2.2 阿拉伯人还借取了印度人的成就。有两项印度人的数学成就经过阿拉伯人的转达而被现代科学吸收：

1）位值制和0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个符号。由于阿拉伯人的转述，印度人发明的这十个数字结果被称做阿拉伯数字。

2）用正弦作弧的计量单位，而不象希腊人那样用弦作弧的计量单位。

2.3 阿拉伯人在数学、天文学和化学领域内取得的成就，无疑使阿拉伯科学成为那个时代世界科学的主流。

从现在还通用的科学术语中我们可以看到阿拉伯科学的一些遗迹：

化学名词：碱（alkali）、酒精（alcohol）、糖（sugar）；

天文名词天鹅座β（albireo）、天鹰座α（altair）、金牛座α（aldebaran）。

3、阿拉伯科学阿拉伯科学反销西欧

经历了黑暗的西欧在一些地方重新建立起了秩序，人们渴求知识的热情高涨起来。这时阿拉伯人继承和创造的知识再次显示了其特殊的历史地位。阿拉伯人建立的环绕地中海的庞大帝国，使得他们与欧洲有多条接触和交流的途径。东边的叙利亚过去是连接希腊和阿拉伯的纽带，这时又成为拉丁世界从阿拉伯人那里获取希腊知识的主要窗口之一。意大利南部和西西里是阿拉伯文化向欧洲传播的另一个重要窗口。这里同君士坦丁堡有外交和商务上的关系，而且还居住着一些阿拉伯人和希腊人。在这些地方有不少著作从阿拉伯语和希腊语翻译成拉丁语：托勒密的《光学》、亚里士多德的《动物学》、《形而上学》和《物理学》等。

阿拉伯知识通过前述各条途径流向欧洲的各个主要城市，在一些地方甚至形成了阿拉伯学术的研究中心。这时阿拉伯语被公认为学术研究的经典语言，凡用阿拉伯语写成的著作都被认为是权威的。一些学术界的精英人物都从事阿拉伯学术的介绍、翻译和研究工作。西班牙一度被纳入阿拉伯帝国版图的西班牙更是阿拉伯与欧洲交流的最重要、最活跃的地区。文化交流和传播中心：托莱多。该地在1085年被基督徒从阿拉伯人手里夺回，但依然是东方科学的立足之地。这里居住着许多翻译家，他们在许多领域里孜孜不倦地工作着。亚里士多德、托勒密、欧几里德和阿维森纳、阿维罗伊以及其他阿拉伯天文学家与数学家的著作，还有一大堆星占学和炼金术书籍，被介绍给欧洲人。

阿拉伯人在科学史上的地位和作用

有人把阿拉伯人建立的科学文化说成是无意中造了一个“冷藏库”，在黑暗的中世纪保持和维护了古代科学的巨大躯体。在阿拉伯科学的许多方面，并非仅仅处于旁支地位，而是在从希腊到阿拉伯、再到近代欧洲这三大阶段中占据着第二段的高级位置。阿拉伯人对世界科学技术发展的独特贡献在于：在时间上沟通了欧洲的古代与近代；在空间上沟通了东方与西方

二、欧洲中世纪科学技术的窒息状态及其复苏

1. 基督教对希腊文明的扫荡

2. 基督教会的思想统治和对它的反抗

中世纪原指古代文化衰落（五世纪）到意大利文艺复兴（十五世纪）之间漫长的一千年。后来专指“黑暗时期”以后、文艺复兴以前的约四百年时间。从科学史角度来看，在这段时期内，人类从希腊科学文明和罗马统治的高峰跌落，再沿着现代知识的斜坡挣扎向上。

希腊科学衰落的历史背景

395年罗马帝国分裂成东西两部分，410年8月24日西哥特人对罗马进行了三天掠夺，公元476年日耳曼的雇佣军首领灭亡了西罗马帝国。此后到公元800年查理大帝即位的300年里，战争频仍、强盗横行、饥谨瘟疫猖獗，毫无秩序，被称为欧洲历史上最黑暗的时代。529年东罗马皇帝查士丁尼封闭雅典柏拉图学院641年阿拉伯人攻陷了亚历山大城

亚里士多德主义之前的基督教神学

圣保罗把基督教当作一个世界性的宗教加以宣传。在基督教成长并传播开来的时候，与希腊哲学发生了接触，早期教会神父们的主要工作，就是把希腊哲学与基督教义结合起来。圣奥古斯丁354-430AD对基督教思想影响最深远最长久的一位。

摩尼（Mani，216.4.14－约274）教徒 新柏拉图派 基督教徒

把柏拉图哲学与保罗《使徒行传》的学说结合起来，形成了基督教对知识的第一次大综合的基础。

新柏拉图主义和早期基督教神学同时成长，相互作用。

发现亚里士多德

在新柏拉图主义时代，人们也知道亚里士多德的名字：一位逻辑学家。约1200到1225年间，亚里士多德的全集被发现，他的许多经典著作——《形而上学》、《物理学》、《论灵魂》等被翻译成了拉丁文。与其他希腊著作一样，亚里士多德的著作起也是从阿拉伯文译出，后来才从希腊文直接译出。

亚里士多德的影响

亚里士多德的著作为中世纪的思想界展开了一个新的世界：更富于理性、更科学、与新柏拉图主义大有差别。亚里士多德的知识领域，无论在哲学方面还是自然科学方面，都比当时所知道的宽广得多。要吸收这些新材料并且使其合于中世纪基督教的思想，是一件很不容易的工作，而且在从事这件工作时也不能没有疑虑和恐惧。

真正大胆的努力

人们已经深信教会作为天启的接受者与解释者，在学术上是至高无上的。因此要接受新发现的亚里士多德的著作以及这些著作里包含的科学的和准科学的知识，并且把这些知识与基督教的教义调和起来，在学术上需要真正大胆的努力。中世纪基督教世界观吸收亚里士多德主义的过程并不是一帆风顺的。很多教皇都禁止大学研究亚里士多德的思想。

罗伯特·格罗塞特Robert Grosseteste 1170-1253在介绍和传播亚里士多德主义过程中，出力最大、影响最深的应数罗伯特·格罗塞特。牛津大学的第一任校长，林肯郡主教。邀请希腊人到英国，输入希腊书籍。为研究希腊辩护。

假设-演绎法

罗伯特·格罗塞特论证了把自然科学建立在数学上的必要性。他还引人注目地在近代自然科学还没有产生之前，就提出了一种合理的科学研究方法，即假设-演绎推理方法：在经验基础上提出假设，然后对由此推出的结论用经验证实或证伪。他明确地表述了证伪原则：如果从一个假设中导出的结论与经验不符，则该假设应该被摒弃。

三、中世纪西方科学技术的发展

（1）伟大的实验科学的预言家罗吉尔·培根

（2）大学的出现

（3）冲力理论的问世

中世纪大学

罗吉尔·培根（Ronger Bacon 1214-1294）罗伯特·格罗塞特的学生罗吉尔·培根一直以来被人们看成是改革自然科学的先驱、远远走在时代的前面而得不到别人理解的人物。他积极主张并且从事科学实验活动。认为观察和实验才是获得真知的唯一方法。他对经院哲学和教会权威的批判加速了经院哲学的没落，但本人因为“异端思想”而被囚禁。1266－1268年间发表《大著作》、《小著作》与《第三著作》

欧洲学术的复兴——大翻译运动

查理曼帝国（加洛林王朝）时期，英国学者阿尔昆（732－804）的启蒙工作。基督教重新夺回西班牙（1085），使西班牙的托莱多成为翻译运动的中心之一。杰拉德（1114－1187），主持翻译托勒密的《至大论》以及亚里士多德、希波克拉底、盖伦的著作。南意大利的西西里成为翻译运动的另一中心，它与拜占廷的商务交往一直十分密切。1207年，亚里士多德的著作全部被译成拉丁文

欧洲学术的复兴——阿奎那

经院哲学的亚里士多德化：把理性用于神学

亚里士多德三次被禁：1210、1219、1230

大阿尔伯特（约1193－1280），西方基督教世界第一个对亚里士多德哲学作出全面的综合解释的人

托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas，1225-1274AD，协调信仰与理性的关系

托马斯·阿奎那对亚里士多德主义的改造

托马斯·阿奎那仿照亚里士多德的逻辑学和科学创造了一个介于基督教教义和亚里士多德主义之间的体系。主要包含在他的两大著作《神学大全》和《箴俗哲学大全》中。

地球中心说

托马斯·阿奎那吸收了托勒密的天文学。但值得注意的是他仅仅把它当作假设。

然而托马斯的这一警惕被人忽略了，地球中心说竟成了托马斯派哲学的一部分。

唐波尔教令

由于教派之间的冲突，托马斯·阿奎那倡导的体系并没有立即被基督教世界接受。

在托马斯死后数年，即1277年，圣奥古斯丁派反对托马斯主义的思想在巴黎主教艾蒂安·唐波尔颁发的著名教令中鲜明地表现出来。该教令谴责了3219个哲学和科学的观点，其中有20个是托马斯公开倡导的。

欧洲学术的复兴——培根

格罗塞特（1168－1253）直接从希腊语翻译亚里士多德的作品，在光学方面从事实验活动，将阿拉伯物理学家阿尔哈曾的工作大大推进，他主张，宇宙由物质和光组成

罗吉尔·培根（1220－1292）主张以实验代替书本和权威

重视数学教育

发现儒略历的微小缺陷（每130年就会多出一天）

欧洲第一次关于火药的记载见于培根的信

奥卡姆剃刀Occam's Razor ：“不应无必要地增加实体”（Pluralitas non est ponenda sine neccesitate Plurality should not be posited without necessity ＝ keep things simple）

英国哲学家、方济各修士 William of Ockham (ca. 1285-1349)

取代柏拉图主义

亚里士多德关于自然的思想最终能占统治地位，除了前述一些圣徒的宣传外，主要因为它自身具有令人信服的力量。十三世纪的亚里士多德自然观思潮取代流行于十二世纪的柏拉图的自然观，一定程度上会刺激自然科学的发展。因为从根本上说，亚里士多德重视经验远远超过柏拉图。

从权威到桎梏

按照柏拉图的思想，我们周围世界的感性事物不过是超验世界的真实实在的不完美摹本；而根据亚里士多德的思想，感性事物自身就是自然科学应该研究的实在。关于这些实在的真知只能从感性知觉中获得：存在于思想中的东西，无一不首先存在于感性之中。等到亚里士多德的权威至高无上，经院思想僵化成一种传统和成规的时候，亚里士多德主义才真正成为难以忍受的桎梏。

四、对基督教和中世纪的评价问题

1.对基督教的评价

2.对中世纪的评价

黑暗的中世纪

1.对基督教的评价

(1)基督教神学的的精神禁锢扼杀了科学，使科学发展趋于停滞

(2)教会的存在导致西欧中世纪政治力量多元化

(3)知识的保存、延续作用

(4)为了论证教义，宗教也要借助逻辑的力量

2.对中世纪的评价

(1)中世纪并非全是黑暗时代，11世纪后开始进入复苏时期

(2)复苏时期的农业、手工业技术进步和城市经济兴起为近代科学在欧洲的诞生奠定了基础

思考题

1. 阿拉伯人在数学、天文学和医学方面取得了哪些主要成就？

2. 阿拉伯人在科学技术史上起了怎样的作用？

3. 如何看待欧洲中世纪基督教文化对科学文化的影响，怎样认识科学与宗教之间的关系？

本节主要参考书

1.[日]大沼正则《科学的历史》第六章（求实出版社）

2.李思孟主编《科学技术史》第四、五章（华中科技大学出版社）

3.李建珊《科技文化的起源与发展》第三章（南开大学出版社）

本章教学目的和要求

了解近代自然科学诞生的社会历史背景，掌握近代科学革命的标志性成就及其意义，弄清牛顿力学的历史必然性及其在科学史上的地位和影响，全面把握19世纪科学的重大理论成就及其意义，认识科学共同体的形成及其对科学发展的重要作用。

1. 近代科学革命

2. 经典力学体系的建立

3. 经典物理学的全面发展

4. 化学的确立和长足进步

5. 地质学的建立

6. 生物学的重大突破

7. 数学的全面繁荣

8. 科学共同体的形成

本章要点

第一节：近代科学的诞生

近代自然科学产生的社会历史背景

1. 欧洲资本主义生产方式的兴起是近代科学的原动力

2.文艺复兴运动

3.宗教改革

近代科学革命

1.天文学革命

2.医学革命

2.科学方法革命

本节教学目的和要求

1. 了解近代科学诞生的社会历史背景，重点认识欧洲资本主义生产方式对近代科学产生的决定作用；

2. 掌握哥白尼日心说的基本观点，深入理解哥白尼学说在近代科学革命中的划时代意义；

3. 了解医学领域中血液循环学说的建立过程及其这一学说在科学革命中的意义；

4. 明确科学实验方法的确立在近代科学发展中的深远影响。

1. 欧洲资本主义生产方式的兴起是近代科学的原动力

(1)手工工场的出现和手工业技术进步推动了近代科学的兴起

(2)远航探险是近代科学的直接推动力：1487年迪亚士到达非洲南端的好望角、1492年哥伦布发现美洲新大陆、1497年达·伽马开辟通往印度的新航路、1519—1522年麦哲伦船队的环球航行。

(3)预告资产阶级社会到来的中国四大发明传入欧洲：造纸术和印刷术成为新教的工具，推动了文艺复兴运动的蓬勃发展；火药武装了资产阶级，把骑士阶层炸得粉碎；指南针使远航探险和地理大发现成为可能，开辟了资本主义世界市场。

航行的意义

(1)导致地理上大发现的探险航行，大大增加了人类的知识；

(2)哥伦布发现了新人种、新植物和各种其他新现象；首先注意到指南针指向随着地点的变化而变化；

(3)麦哲伦在南天发现了麦哲伦星云；

(4)这样的航行还带动了其他学科比如航海天文学等的发展，并繁荣了经济。

航行的象征意义

(1)在增加具体知识的同时，探险航行更重要的是拓宽了当时人们的眼界。

(2)亚里士多德和托勒密对存在着的如此广阔的世界一无所知，致使这样的航行有了一种象征意义：让有识之士摆脱圣经和亚里士多德的约束，探索未知的知识海洋，为即将发生的科学革命扫除了心理障碍。

2.文艺复兴运动

文艺复兴的先驱彼特拉克（1304-1374）倡导恢复良好的古典拉丁语，代替经院哲学派的非正规拉丁语。尤其是恢复古典思想中追求理想和自由的真精神。彼特拉克走在了时代的前面。到十五世纪初，人们对古典文献的兴趣不断增加，有许多希腊人从东方来到意大利，他们能用现代语教授古语。

重新认识希腊精神

居住在东罗马帝国首都的大批学者带着手稿来到意大利定居。古代哲学和科学的语言在经历了八九百年之后，又重新被西方学者所熟悉。尤其重要的是人们重新认识到了包含在这些希腊古籍中的自由探讨的精神。

雷纪奥蒙塔拉斯

最早把科学和文艺复兴的人文主义结合起来的是约翰·米勒（Johann Muller，1436－1476），在科学史上他以雷纪奥蒙塔拉斯这一名字著称。把托勒密的著作翻译成拉丁语。1471年在纽伦堡建立了一座天文台。他的天文年历是现代航海年鉴的前驱，曾为西班牙和葡萄牙的探险家所使用。

达·芬奇(1452-1519)

文艺复兴大师达·芬奇则从事过多方面的科学研究，他和许多文艺复兴时代的人不同，即不是经院哲学家，也不是古典作家的盲目信徒。

他认为对自然界的观察与实验，是科学研究独一无二的真方法。

实验

达·芬奇为了满足各种技艺的需要，才做实验。作为画家，他研究光学的定律、眼睛的构造、人体的解剖细节以及鸟类的飞翔。作为民用和军事工程师，他去了解动力学和静力学的原理。从达·芬奇的札记和一些其他记载得知，在伽利略出生以前一个世纪的意大利，与达·芬奇一起有一批志同道合的人。他们对事物比对书本的兴趣更大，对实验的研究比对亚里士多德的意见看得更重。他们认识到需要有一个知识的新基础：亚里士多德或托马斯·阿奎那的演绎，必须代之于从自然界而来的归纳。

文艺复兴运动营造了近代科学的文化氛围

（1）文艺复兴运动是一场以复兴古希腊文化为旗帜，旨在创造资产阶级新文化的思想解放运动，对封建势力和基督教思想统治的反叛，为科学的解放扫除了精神障碍

（2）文艺复兴重现了古希腊文化的优秀遗产，尤其是理性主义的复归为近代科学提供了宝贵的精神支柱

3.宗教改革

宗教改革的导火索：“免罪符”事件。

德国马格德堡主教又当上了美因兹大主教，违反教规的兼职。该主教以修缮圣彼得大教堂的名义送给教皇Leo十世一大笔钱，以换取教皇不过问此事。而钱是向银行家借来的，因此主教又与教皇商议，靠贩卖免罪符来凑齐一笔钱，一半用来还债，一半交给教皇。“只要买主的钱落入钱箱丁当一响，他已死家属的灵魂马上就从炼狱飞升天堂。”——《九十五条论纲》

贩卖免罪符骗了不少钱财，但也招来非难。在维登堡兜售活动受到阻挠。

1517年10月31日，维登堡大学神学教授马丁·路德在维登堡教堂门上贴出了《九十五条论纲》，就免罪符问题提出异议。这就是德国宗教改革运动的开始，以后瑞士、法国各自有自己的宗教改革运动。

马丁· 路德

宗教改革的作用和影响

宗教改革家有三个主要目标：

（1）整顿由于有人滥用罗马会议、由于许多僧侣生活放荡而遭破坏的教律。

（2）按照先前遭镇压的某些运动的方针改革教义，并返回原始的质朴状态。

（3）放松教义控制，准许个人在一定程度上可以自由地根据圣经作出自己的判断。

思想自由

同科学有关的是宗教改革家的第三个目标。这是文艺复兴运动中人文主义因素推动的结果。但在宗教改革中，学术问题被搁置一边。而且加尔文对自由思想的迫害并不亚于罗马的宗教法庭。宗教改革最终造成了基督教世界的分崩离析的局面。这从许多方面来说是一件可悲的事，但还是间接地帮助实现了思想自由的目标。

宗教改革的作用和影响

（1）马丁·路德的宗教改革打击了传统的天主教会，促成了依赖于世俗政权的廉价教会的建立。

（2）宗教改革动摇了传统教会的根基，导致社会承认信仰自由，使理性主义在宗教的外衣下重新点燃起来。

近代科学革命

1.天文学革命

1.1哥白尼的日心地动说

1.2布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说

2.医学革命

3.科学方法革命

3.1伽利略开创实验方法

3.2经验论与唯理论

哥白尼

哈维

伽利略

1.天文学革命

1.1哥白尼和他的《天体运行论》

批评托勒密学说

学者们讨论托勒密学说的错误和改进它的可能性，越来越多的本轮，大大背离了毕达哥拉斯派的柏拉图主义所追求的数学上的简单性和完美性。哥白尼在思想上倾向于毕达哥拉斯派，认为天体应该有简单完美的运动，也应该有简单完美的数学描述。在哥白尼看来，托勒密体系在这一点上还不能算“合格”。所以他想到如果宇宙的中心是太阳而不是地球，那么对天体运行的理解和描述就可能会简单得多。

1530年左右哥白尼将他的学说写成概论，以手稿的形式在欧洲学者间广泛流传。在数学家雷梯库斯（Rheticus）的强烈要求下，哥白尼同意出版他的全书，敬献给罗马教皇保罗三世。第一本书送到哥白尼手里几小时之后，他就与世长辞了，那是1543年5月24日。

《天球运行论》

初版名称《托伦的尼古拉·哥白尼论天体运行轨道（共六册）》后来一般简称为《天球运行论》 ON THE REVOLUTIONS

革新内容

哥白尼学说的革新内容主要在《天体运行论》的第一册中得到描述。

哥白尼描绘了他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，水星、金星、地球带着月亮、火星、木星和土星依次绕着太阳运行，最外围是静止的恒星天层。

简洁的解释

根据日心说，哥白尼可以很简洁地解释行星视运动中的“留”、“逆行”等现象，以及水星和金星的大距。而在托勒密体系中，为了解释同样的现象，需要引入许多特设的假定，从而破坏理论的完整性。

先驱者们的业绩

《天体运行论》的核心观点是：

（1）太阳是宇宙的中心，行星绕日公转；

（2）地球是一颗普通的行星，既有自转又有绕日公转。哥白尼学说纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说的错误。

《天体运行论》标志着近代科学的诞生。

优越性

哥白尼声称他的宇宙体系比托勒密体系优越，是因为他的体系更简单和完美。这点在《天体运行论》的第一册中得到了淋漓尽致的体现。本轮数：34对80

但从第二册开始到第六册中的论述却在简单和完美性方面打了折扣。哥白尼共引入34个本轮来推算行星的运动，这比托勒密体系最多时的80个本轮少多了，但是推算工作仍不能称简单。

简单性的另一种理解

对哥白尼声称的其学说的简单性可以这样来理解：只有在对行星运动进行定性描述时，它才是简洁的、和谐的。

从托勒密处获益

采用《至大论》的观测数据和几何方法，以及编制星表的资料；有些问题的处理完全因袭《至大论》。比托勒密还接近古希腊的天文学家和哲学家，坚持用匀速圆周运动这种天体所应有的“完美运动”来描述行星的运动。《天体运行论》与其说是在解释宇宙，还不如说是在解释托勒密。

只是数学模型？

《天体运行论》初版的序言称该书只是提供了一种解释行星运动的数学方法。此非哥白尼原意，由路德派教士奥西安德擅自加入，把哥白尼体系看成是一种数学模型，还是一种宇宙的真实图景，这将直接影响教会对《天体运行论》的态度。影响有限，《天体运行论》出版之后，有少数数学家接受了哥白尼的学说，而一些著名学者如弗朗西斯·培根等则明确表示反对地动说。因此哥白尼学说的影响还很有限，并未构成对纳入经院学派的托勒密学说的冲击。

“合理”的责难

按照当时的物理学和天文学知识还无法理解地球在运动这一事实。哥白尼学说遭受着各种“合理”的责难。如果地球在绕太阳运动，那么：恒星的位置应该有一个周年的变化，上抛的物体不该掉到原地，地球有被瓦解的危险，等等……对这些问题的解答确实要等到物理学和天文学进一步发展之后。

成为禁书

伽利略满腔热忱的宣传使得亚里士多德派占多数的学术界催促教会采取措施。1616年伽利略被禁止说话，并由红衣主教柏拉明宣布：哥白尼学说是“错谬的和完全违背圣经的”，《天体运行论》在未改正之前不许发行，哥白尼学说可以当作一个数学假说来讲授。

不理会教廷的裁决

科学界对哥白尼学说的接受不必理会教廷的裁决，也不必等到证明地球是在绕日运动的直接证据的发现。伽利略如此，开普勒如此，后来的笛卡尔和牛顿也是如此。正是这些科学巨匠的权威确立了哥白尼学说的地位。

迟到的证据

事实上，1822年教庭正式裁定太阳是行星系的中心的时候，直接证明地球在绕太阳运动的证据并没有被发现。1835年白塞尔用精密的仪器发现了恒星周年视差，这是盼望已久的证据。可以直接证明地球确实是在绕太阳运动。

1.2布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说

布鲁诺捍卫和宣传日心说

乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600)，生于意大利那不勒斯，死于罗马鲜花广场1583写作《论原因、本原和太一》、《论无限的宇宙和多世界》。1592年在意大利威尼斯被捕 “我愿做烈士而牺牲”

伽利略生平

1564.2.15生于意大利的比萨，新时代的阿基米德，1589年，比萨大学数学教，1592年，帕多瓦大学，1610年回到佛罗伦萨，1624－1630写作《两大世界体系的对话》，1632年出版，1633年监禁，1638年出版《两门新科学的对话》，1642年1月9日去世，次年牛顿出生（新历）

望远镜天文学

望远镜的诞生，荷兰眼镜商利帕希1608。1609年伽利略造出第一台望远镜，20倍，发现了月亮上的环型山，1610年发现木星的四颗卫星，轰动一时，1612年发现太阳黑子

为哥白尼辩护（直到1579年才开始相信），与教会冲突

《对话》

1632年，伽利略把他的研究成果发表在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中。该书采用对话体的形式，对话的双方有三个人，萨而维阿蒂和沙格列陀是伽利略的朋友和拥护者，辛普利丘是公元六世纪时亚里士多德著作的注释者，在书中扮演了传统和权威的捍卫者。三个人在四天里作了四次内容广泛的谈话。第一天论证了地球和行星一样，是一个运动的天体；第二天讨论了周日运动；第三天讨论了周年运动；第四天讨论了潮汐问题。

《对话》被禁

《对话》是近代天文学史上的三部最伟大杰作之一。伽利略在1616年就因信仰哥白尼学说而受到教会警告，这时《对话》的出版轰动了整个学术界。有人向教皇进谗言说书中那个愚笨的地心说捍卫者辛普利丘就是影射教皇本人。于是《对话》被查禁，伽利略被传召到罗马宗教法庭受审，伽利略宣布放弃信仰，被判处监禁。传说伽利略在公开放弃信仰之后喃喃自语说：“可是，它还是在运动的呀。”《对话》直到1835年才被从天主教的禁书录中去掉。

《关于两种新科学的谈话》

在被监禁几个月之后，伽利略被获准到佛罗伦萨附近的阿切特里过隐居生活。这时它对科学的热忱仍不减当年，只是不再涉及可能引起与教会发生冲突的问题。

1636年他完成了另一本重要的科学著作《关于两种新科学的谈话》，该书于1638年在荷兰出版。《谈话》仍采用对话的形式，人物与《对话》中的完全相同。在这本书中伽利略把他创立的动力学系统地介绍给了读者。他对落体定律、钟摆和抛射体运动的研究，树立了把定量实验与数学论证相结合的典范，至今仍是精密科学的理想方法。

教会的判词

大家一致认为，根据《圣经》经文和神父、神学博士的一般解释，“太阳是宇宙的中心”这个命题在哲学上是愚蠢和荒谬的，它在许多地方与《圣经》所表达的意见相抵触，因此在形式上是异端；大家一致认为，“地球既非宇宙中心也非不动，而是作周日和周年运动”这个命题在哲学上也是愚蠢和荒谬的，考虑到神学的真实性，它至少在信仰上是错误的。

伽利略的历史地位

爱因斯坦：“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。”1980年，罗马教会正式为伽利略平反。

2.医学革命——血液循环学说的发现

比利时医生维萨里1543年发表《人体的构造》，纠正盖伦医学的一些错误；西班牙医生塞尔维特1553年发现了人体血液的小循环；英国医生哈维在1628年阐述了人体血液运动的大循环理论，彻底推翻了盖伦的观点，给教会的神学说教以沉重打击。

3.科学方法革命

3.1伽利略开创科学实验方法

（1）发明光学望远镜，用大量天文观测事实论证哥白尼日心地动说；

（2）开创实验力学，标志着科学实验方法的诞生

3.2经验论与唯理论

英国弗兰西斯·培根的《新工具论》倡导归纳法，成为近代科学的主要方法。

法国笛卡尔《方法论》主张理性的普遍怀疑，其演绎法为近代科学建立理论体系提供了方法论。

思考题

1. 为什么说欧洲近代资本主义生产方式的兴起对近代科学的产生具有决定作用?

2. 试述哥白尼日心说的基本观点及其在近代科学革命中的划时代意义?

3. 科学实验方法的确立对近代科学发展产生了怎样的影响?

本节主要参考书

1.[波]哥白尼《天体运行论》（科学出版社）

2.[意]伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（上海人民出版社）

3.李建珊《科技文化的起源与发展》第四章（南开大学出版社）

第二节：力学体系的建立

近代力学知识的积累

1.伽利略的力学贡献

2.开普勒三定律的发现

3.惠更斯、胡克等人的贡献

牛顿力学体系的建立

1.近代最伟大的科学家——牛顿

2.牛顿经典力学体系的创立

本节教学目的和要求

1. 了解近代资本主义工场手工业技术进步对近代力学的推动作用；

2. 把握牛顿之前近代力学发展的基本线索，重点掌握伽利略的力学成就和实验方法的意义；

3. 深入认识牛顿在力学上的重大成就及其意义；

4. 全面理解牛顿力学产生的历史必然性，尤其是牛顿力学的社会经济根源。

一、近代力学知识的积累

1.伽利略的力学贡献

落体规律

伽利略还证明了，在从静止开始的匀加速运动中，运动物体走过的距离是它在整个时间内以不变的速度运动时所应走过距离的一半。因此这种从现象中抽出物理规律，并用数学公式表述之的研究方法成为近代以后科学的基本特征。

平抛物体之运动合成

伽利略对动力学的另一个重要贡献，是关于运动合成的观念。

对于水平抛出的石头，伽利略认为这块石头参与了两个独立的运动：

1）速度恒定的水平运动，这个速度是抛石头的手给它的；

2）速度与时间成正比的自由落体运动。

运动的船

伽利略的运动合成观念具有深刻的物理意义。

伽利略的力学贡献总结

(1)伽利略的斜面实验，开创了以可控性实验为基础的近代科学的新时代。

(2)伽利略的力学成就：匀加速运动定律；自由落体定律；惯性原理；抛射体运动定律。

(3)将实验研究和数学推理有机结合起来，为近代科学理论的建构提供了基本范式。

2.开普勒三定律的发现

2.1星学之王——第谷

第谷（Tycho Brahe 1546-1601）建立了基督教欧洲第一个重要的天文台。第谷的天文学工作主要在实测方面，他研究了精密天文学的大多数问题，包括研制建造高精度的天文仪器，获得精确而系统的观测资料，以很高的精度测定了许多重要的天文常数。

宇宙学的考虑

每个天文学家都是潜在的宇宙学家，第谷也不例外。对我们来说，第谷在观测方面的改革是他最大的成就，因为它给天文学带来了对事实的尊重，这在我们看来是具有现代科学特征的。但对于他自己，最自豪的也许是提出了被称为“第谷体系”的宇宙论，这个体系很快取代了托勒密成为最流行的地心宇宙图象。第谷虽然颇能欣赏哥白尼宇宙学说的优点，但他是个传统主义者，他认为哥白尼那样做的代价太高了。

第谷体系

地球静止，位于中心。周围环绕着月亮和太阳。五颗行星是太阳的卫星，并且在太阳的带动下绕地球旋转。在最远的行星到达的地方之外是一层很薄的空间外壳，这个外壳以地球为中心，恒星就在这个外壳上。第谷的宇宙显得令人安心地紧凑，其半径相当于地球半径的14，000倍。即使是托勒密的宇宙半径也比它大一半。

2.开普勒发现行星运动三定律

开普勒（Johannes Kepler 1751-1630 ）1600年初他应邀到布拉格拜访第谷；年末在格拉茨受到宗教迫害之后回到布拉格成为第谷的助手，并于1601年成为第谷的接班人。

遗嘱

第谷积累了大量的行星观测资料，一直试图根据这些观测结果建立一个数值行星理论，以满足星历表的简便编算，但是他的早逝使得他没有实现愿望。第谷在病榻上把这项工作托付给开普勒。据说他嘱咐开普勒要按照第谷体系，而不是按照哥白尼的体系构建新理论。

三大遗产

开普勒最终能在行星运动理论上取得突破性的成就，获益于他能获得的三大遗产：

(1)哥白尼的日心体系。

(2)第谷的精确观测资料――火星的位置资料。

(3)威廉·吉尔伯特（William Gilbert，1544－1603）的《论磁》（On the Magnet 1600 ），在书中他认为地球是一个巨大的球形磁体。

偏差

根据开普勒的正多面体模型计算出来的行星距离与观测所得并不完全一致。但开普勒在当时简单地把这种偏差归咎于观测的误差。直到他得到第谷的那些无可争议的精确观测资料之后，开普勒对行星的距离和运动进行了更细致的研究。

抛弃圆

开普勒能够用单个圆构成的模型生成火星的黄经运动；但是当他研究这个圆是否也能说明行星的黄纬运动时，他发现有8′的误差。这误差对于任何一个第谷的前辈，都是可以接受的，但是第谷观测的精确性高于8′，要作为一个理想的解决方法，圆不得不被放弃。

行星运动速度不均匀

为了寻找替代理论，开普勒暂时放开火星，开始研究地球的运动。刚开始研究地球运动，开普勒就发现，依然需要偏心圆。只是地球的偏心率比火星的更小。这样，为了搞清楚偏心问题，开普勒转而注意起行星的运动速度不均匀这一现象。

行星速度与离开太阳的距离成反比

开普勒证实了行星在远日点和近日点的速度大致与行星到太阳的距离成反比。于是他把这个结论加以推广。认为行星的速度与离开太阳的距离成反比。事实上这个结论是错误的。

行星绕日运动的物理原因：力

开普勒不把哥白尼体系当成纯粹的数学虚构，而是把它作为实在的东西接受，并进而考察行星绕日运动的物理原因。起先，开普勒怀着神秘的想法，认为行星具有灵魂或意志，它们有意识地使行星运动。等到发现行星的速度与到太阳的距离成反比这一结果，开普勒抛弃了灵魂的想法，提出了力（vis）作用于行星的见解。

对亚里士多德的反叛和继承

开普勒体现了一种对亚里士多德物理学的反叛和继承。在亚里士多德那里，天体运动是自然运动，没有必要作出更详细的说明。把天体运动看做是有力引起的，意味着抛弃以“固有位置”为根基的运动论。但是，这里开普勒只是把地上的亚里士多德力学推广到了天上。行星的速度和所受力都与到太阳的距离成反比，完全符合运动速度与所受力成正比的亚里士多德运动学规律。

抛弃柏拉图以来的信条

开普勒找到了计算给定时刻的行星位置的方法。据此，从给定的三个位置就能计算出该行星的远日点位置、偏心率。开普勒挑选了火星的几组三个位置进行计算，发现结果互相不一致。于是开普勒抛弃了从柏拉图以来把天体看做沿圆形轨道运动的信条，并得出结论说：火星轨道不可能是圆形。

开普勒第一定律

为了找到正确的轨道形状，开普勒起先考虑卵形轨道，但计算结果难以与面积定律符合。后来他尝试椭圆，经过冗长的计算和“简直发疯似的思索”，最后他确认，唯有椭圆才是火星的轨道。开普勒再次大胆地把从火星得来的规律推广到所有行星。

《新天文学》 New Astronomy 在1609年出版的《新天文学》中，开普勒发表了行星运动的第一定律和第二定律。这是一本令人望而生畏的巨著，从概念上说，它在数学和作为基础的物理学两方面都是可疑的。它所表达的革命显示在书的全名：《新天文学：基于原因或天体的物理学，关于火星运动的有注释的论述》。开普勒把作为几何学一个分支的天文学转变成了物理学的一个分支。

开普勒第一定律：椭圆定律

行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳是位于椭圆的一个焦点上（1609《新天文学》）

开普勒第二定律：面积定律

从太阳到行星的矢径在相等时间里扫过相等的面积（1609《新天文学》）

天体音乐

开普勒寻求在几何学和天文学的各个方面可以发现的算术比例中的和谐，在《宇宙和谐论》第五卷中，他研究了行星在轨道上的加速和减速等问题，他相信能够从中得出天体音乐的真正音符。

开普勒的“第三定律”

开普勒还在《宇宙和谐论》中寻求能揭示行星轨道大小和周期数学模型；他不知何故发现了如下事实：行星周期的平方和其轨道半径的立方成固定比例。哥白尼曾很高兴地发现，一个行星离太阳越远，它的旋转周期越长。开普勒现在知道了确证这个事实的数学规律。

开普勒第三定律：周期定律

各行星公转周期的平方与轨道半长径的立方成正比（1619《宇宙和谐论》）

开普勒行星运动三定律

（1）轨道定律

（2）面积定律（速率v近日>v远日） (SAB=SCD=SEK)

（3）周期定律 (R3/T2=K)

3.惠更斯、胡克等人的贡献

惠更斯的向心力定律F=mv²/r

胡克的平方反比定律：天体间的引力与两天体之间的距离平方成反比

二、牛顿力学体系的建立

1.、近代最伟大的科学家——牛顿

2.、牛顿经典力学体系的创立

3.、牛顿力学的重大历史意义与局限性

4.、牛顿经典力学体系产生的历史必然性

5、牛顿力学的应用与完善

1、近代最伟大的科学家—牛顿

伊萨克·牛顿(Isaac Newton，1642～1727) 1665-1666年牛顿因伦敦闹瘟疫回故乡躲避。这是他科学创造精力最为旺盛、科学成绩最大的时期。

1667年，牛顿回到剑桥，当先为三一学院的研究员。1669年巴罗鉴于牛顿的数学天才，毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授职位而让年仅27岁的牛顿接替。1669-1687年，牛顿制造了反射式望远镜，提出了光微粒说，发展了流数法，系统研究了理论力学，并以1687年7月《自然哲学的数学原理》的出版而达到高潮。

牛顿的《自然哲学的数学原理》

恩格斯高度评价牛顿

对近代自然科学的巨大贡献

“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而创立了科学的数学，由于认识了力的本性创立了科学的力学。”（《马克思恩格斯全集》第1卷，人民出版社1956年版第657页） 正因为牛顿在近代自然科学的诸多领域做出了开创性的贡献，以至人们将十七、十八世纪称为 “牛顿时代”。

1.3.彷徨于科学与宗教之间的神学家

《原理》出版以后，牛顿还做过一些化学实验，手稿不幸被焚毁；由于《原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对；胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发现权问题。 上述原因使性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经衰弱以致失常。牛顿在1669年被任命为造币厂厂长，1703年当选皇家学会主席，1705年被封为贵族，还做过议员，终身末婚。在其后半生的近40年中，他除了从事学术领导、货币改革、研究炼金术和注释圣经外几乎没有什么突出的科学成就。牛顿于1727年3月20日凌晨在睡梦中去世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科学家。

牛顿晚年热衷于宗教事务，不能简单地斥之为搞宗教迷信和唯心主义。其实，科学与宗教的关系是极其复杂的。科学与宗教是牛顿学术生涯的两翼，对它们的研作为清教徒的牛顿对神学的研究具有明显的异教倾向，他把上帝理性化了，认识上帝被看作是追求真理。其结果是使牛顿既可以发现真理，也可能走入死胡同。

牛顿经典力学体系，是以绝对化的四个基本概念空间、时间、质量、力为基础，以著名的三大定律为核心，以万有引力定律为最高的综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结构严谨、逻辑严密、以实验和观察对结果进行验证的科学体系。《原理》就是这个体系的集中表现。

2、牛顿经典

力学体系的创立

2.1力学三大定律的建立

牛顿以哥白尼体系为力学运动规律的参考系，利用古希腊哲学关于物质的原子结构的思想，以自然科学唯物主义为出发点，根据他自己建立的同物质运动状态无关的时间、空间、力和质量等概念，结合伽利略对自由落体研究所发现的惯性运动和在重力作用下的匀加速运动等成果，提出了力学的三大定律。

第一定律:“每一个物体都始终维持在静止或匀速直线运动的状态，只有受了外加的力，才被改变其状态”。

A.第一定律

第一定律也叫惯性定律，最早由伽利略发现。对于惯性定律，伽利略的认识是不彻底的。他没有完全摆脱亚里士多德的影响，不能把物体保持惯性运动的属性作为一个普遍的自然规律来加以认识。牛顿从伽利略的发现中看到了这一性质的普遍意义并把它表述为一个自然规律。

B.第二定律

第二定律：“运动的改变和所加的外力成正比，并且发生在所加的力的那个直线方向上”。运动的改变是指动量对于时间的微商。经典公式：F=ma

牛顿的第二定律

为了衡量物体运动状态的变化，牛顿总结了笛卡儿和惠更斯对物体碰撞的研究成果，利用伽利略等人提出的加速度的概念，与他自己提出的力、质量、动量等概念相结合，提出了第二定律。牛顿规定，物体的动量以它们的速度和质量的乘积来度量。外力的变化与动量的变化成正比。

C.第三定律

第三定律：“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。”第三定律提高了第二定律的适用性。第三定律使质点力学向质点组力学过渡。

自行星运动的正圆轨道被打破后，天文学家开始关注行星为什么总是绕太阳作封闭曲线运动，而不是作直线运动离开太阳的问题。

2.2万有引力定律的发现

1684年1月，胡克声称发现了天体在与距离平方反比的力作用下的轨道运行规律。但他未能做出数学证明。1684年，哈雷请教牛顿在与距离平方反比的力作用下行星作何运动，牛顿肯定运动轨道是椭圆，并于当年11月就行星运动轨道与按距离平方反比的作用力之关系作了透彻的数学证明。牛顿当时面临的主要困难是，他不能肯定是否应该由地心开始计算月地距离，因为这牵涉到地球对月亮的引力是否正像它的全部质量都集中在中心点上那样，这一点足以使谨慎过人的牛顿放弃这种本来十分卓越的思想。1685年，牛顿运用他自己发明的微积分证明了，地球吸引外部物体时，如同全部的质量集中在球心一样。在哈雷的鼓励下，牛顿系统总结他关于动力学和引力问题的研究，于1686年撰成《原理》。皇家学会当时资金不足，不能资助出版此书，哈雷便决定自己出资出版这部著作。 1687年7月，牛顿的《自然哲学的数学原理》以拉丁文初版问世，立刻轰动全欧学术界。

2.3牛顿力学的重大历史意义与局限性

牛顿力学的重大历史意义

第一、实现了第一次物理学大综合。牛顿地球上的物体运动与天上的天体运动都统一到万有引力定律基础之上，从而达到物理学上第一次理论大综合；牛顿三大定律和万有引力定律揭示了自然界最基本的宏观物体低速机械运动的客观规律性，实现了人类对自然界的认识的“第一次大飞跃”。

第二、导致了力学科学的革命。牛顿在建立力学体系的过程中的确继承了前辈和同时代科学家的诸多科学成果，但并不是像通常有些学者所认为的只是对前辈和同时代科学家的思想或原理的汇集或综合，而应该既是科学大综合，更是科学革命。

第三、推动了力学和其他学科的全面发展。它使天文学、力学的分支得以产生，对地质、机械等学科都有深远的影响。到了十八世纪和十九世纪上半叶，形成了“分析力学”、“固体力学”、“弹性力学”、“流体力学”等多种力学分支。

第四、开创了理性新时代。它是文艺复兴以来科学革命的伟大成果，标志着古代人从对自然界的感性直观的认识进入到近代人的抽象理性认识的阶段，十八世纪法国哲学家伏尔泰把牛顿的《原理》巨著带到法国，法国百科全书派把牛顿力学作为唯物主义的自然科学基础。

牛顿力学体系有巨大的方法论意义，其数学方法，逻辑推导给后人留下深刻印象，为后三百年的科研奠定了基础。科恩指出:“牛顿革命也成了意识形态的一个重大的组成部分，唯一可与之相提并论的则是另一场科学革命，即达尔文革命。艾塞亚·伯林(1980，144)对牛顿的影响作了总结:牛顿思想的冲击是巨大的;无论对它们的理解正确与否，启蒙运动的整个纲领，尤其是在法国，是有意识地以牛顿的原理和方法为基础的，同时，它从他那惊人的成果中获得了信心并由此产生了深远的影响。

牛顿力学的局限性

第一、绝对时空观。“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；“绝对的真正的和数学上的时间自自身在流逝着、而且由于其本性而在均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着”。牛顿把时间看作是与物质运动无关的绵延，空间则是与物质状态无关的空架子，这是没有科学根据的。

第二、超距作用力。对于物体之间的相互吸引，牛顿是用某种“超距作用”来解释的，也就是把物体间的引力传递看作是既不需要介质又不需要时间的过程，无论多么遥远的物体或物体之间的空间多么真空，引力一下子就会由此物体达到彼物体。

第三、上帝是宇宙运动的“第一推动者”。 牛顿认为：“各行星周日转动不可能由重力而得来，而需要有神力在它们轨道的切线方向上给以推动。……，就需要有神力在它们轨道的切线方向上给以推动。”

第四、机械的自然观。牛顿力学的运动三定律将自然界的一切力学事件连结起来而形成一个统一的因果锁链，整个自然界被认为像一架机器一样有秩序地按照力学规律运动着。这种信念导致了指导物理学发展甚至影响整个自然科学达数百年之久的机械的自然观。

2.4 牛顿经典力学体系产生的历史必然性

第一、牛顿力学产生的根源在于资本主义经济发展的强大动力。

进入十七世纪，意大利逐渐没落，英国在欧洲兴起。英国通过几百年的资本原始积累，争得海上霸主，取得了资产阶级革命的胜利。欧洲的政治、经济、科学的中心由意大利转移到英国。尤其是资产阶级夺取政权后，比以往更加重视发展数学和自然科学。资本主义工场手工业的工作机的改革，机器的间或应用，为近代力学的建立，提供了实际的支点和刺激力。

第二、牛顿力学是科学发展的必然结果。

牛顿力学体系是牛顿经过二十多年的实验和研究才取得的，也是他的先辈们所领导的科学革命的继续和完成。正如牛顿自己所说“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”这些巨人就是哥白尼、伽利略、开普勒、惠更斯、费尔马、波义耳，以及他尊敬的老师巴罗。尤其是伽利略和开普勒的成就直接为牛顿经典力学体系的建立奠定了自然科学基础。

第三、英国良好的文化氛围十分有利于科学的发展。

英国资产阶级革命的成功，为营造科学发展的文化氛围提供了强大的政治保障。英国的国王和大臣都支持发展自然科学。培根“知识就是力量”的名言已深入人心，热心科学的人迅速增加。在英国伦敦大商人格列沙姆创办了以讲授新的科学技术知识为主，有别于旧式大学的格列沙姆学院。民间组织“哲学学会”于1662年被国王批准命名为“皇家学会”而成为交流和推广科研成果的中心。在这种有良好的科学研究和学术活动的国度里，十分有利于牛顿等科学家的成长。

第四、牛顿卓越的科学素质使他成为经典力学的集大成者。

（1）牛顿善于继承和吸收前人及同代人的思想精华和科学成果。这一点在《原理》中得到充分体现。

（2）牛顿踏实严谨的科学态度。

（3）牛顿具有先进的哲学思想和科学方法。对此，哲学界和科学史界颇有争议。多数人贬低和蔑视牛顿的哲学思想，以致把牛顿说成是“伟大的科学家、渺小的哲学家”。其实，牛顿是站在当时哲学思潮前列的，他接受了培根开创的英国经验论哲学传统，但没有囿于培根的经验论，主张将归纳——演绎、观察实验——数学推理结合运用

牛顿谦虚的美德

“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”

“我不知道世人对我怎么看，但我自己看来我就好象只是一个在海滨嬉戏的孩子，不时地为比别人找到一块更光滑的卵石或一只更美丽的贝壳而感到高兴，而在我面前的浩瀚的真理海洋，却还完全是个谜。”

2.5牛顿力学的应用与完善

《原理》出版以后，尽管人们以很大的兴趣关心这本书特别是万有引力的理论，但并非都表示赞同，有人怀疑，也有人反对，以至牛顿力学的可靠性在这之后的半个世纪里未得到公认。18世纪哈雷彗星的发现、地球形状的判明、行星摄动的确认、引力常数的测定和海王星的发现证实了万有引力定律和牛顿力学。

A.哈雷彗星的发现

哈雷根据万有引力定律，对某个彗星的运动轨道进行计算，认为在1531年、1670年、1682年它曾三次出现过，必将在1758或1759年再次出现。1758年12月25日，这颗彗星真的又回到地球附近，证实了万有引力学说的正确性。

B.地球形状的判明

地球的南北极直径同赤道直径究竟是一样长还是前者长于或短于后者的问题，牛顿根据万有引力和惯性离心力的概念推断，地球应当在两极扁平，赤道突出。巴黎天文台台长的卡西尼根据他的不准确的测量断言地球的形状是两极凸出，赤道较平。巴黎科学院在1735、1736两年先后派出了两支远征队对地球形状进行实测，结果表明地球确实是扁平的，其扁平率是1/334，证实了牛顿的见解。

C.行星摄动的确认

按照牛顿的引力理论，行星与太阳之间摄动。但是，牛顿在世时，天文观测却没有测量出这种摄动的存在，直到1781年，著名英国天文家赫舍尔发现了天王星，并首先发现了天王星的摄动现象。以后，又发现了其他行星的摄动，证实了万有引力定律的正确性。

D.引力常数的测定

测定引力常数对于证实引力定律有重大意义。由于物体之间的引力太小 (两个质量各一克的物体相距一厘米时它们间的引力，大约只有一亿分之七克)，科学家们一直未能直接测出G值。直到1798年，英国科学家卡文迪什才以精巧的实验设计，用钮秤法测出了G值为6.717X10-8厘米³·克-1·秒-2。

E.海王星的发现

在牛顿的摄动理论得到初步验证以后，许多天文学家都对行星的摄动进行观测和研究。在1843一1845年间，英国数学家亚当斯和法国天文学家勒维烈分别运用万有引力定律对天王星的摄动现象进行复杂的数学运算，他们发现，海王星。海王星的发现，是对万有引力定律的有力证明。

思考题

1. 伽利略在力学上取得哪些成就？其力学成就和实验方法在科学发展史上有何重要意义?

2. 牛顿在力学上的重大成就及其意义?

3. 为什么说牛顿力学的产生具有历史必然性?

本节主要参考书

1.[英]牛顿《自然哲学之数学原理》（商务印书馆）

2.阎康年《牛顿的科学发现与科学思想》（湖南教育出版社）

3.[美]科恩《科学中的革命》（商务印书馆）

4.张三慧《从伽利略到牛顿》（北京出版社）

第三节：经典物理学的全面发展

光学的进展

热学的成就

电磁学的建立

本节教学目的和要求

1. 了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用；

2. 把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；

3. 理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌握热力学第二定律的自然观意义；

4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要地位和作用。

光学的进展

1. 几何光学：1621年荷兰斯涅尔发现光的折射定律

2. 波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论

3. 光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的运动形式—波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说在18世纪占据统治地位。

4. 波动说的胜利：19世纪初英国托马斯·杨的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象”和“衍射现象”。法国的菲涅尔以数学形式证明了波动说。

菲涅尔

托马斯·杨

菲涅尔的波带法

衍射现象

折射定律

干涉现象

波动说与微粒说的交锋

惠更斯与光的波动说

波动说

二、热学的成就

2.1热的本质

在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。拉瓦锡在1789年的《初等化学概论》中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。

热质说

拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。这种物质实体－－热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。

热机：从技术到理论

蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于1824年出版《关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察》一书而改变。

热机的效率

瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。

热质守恒

卡诺在《关于火的动力》一书中是立足于热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。

卡诺循环：理想热机

卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。

热力学的奠基人

卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。

他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。

热动说

伦福德(1753-1814) 纠正了热是一种无质流体的说法。

伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。

热运动说的处境

伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。

2.2能量守恒定律的发现

能量守恒定律提出的背景

(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。

(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。

2.2能量守恒定律的发现

德国人迈尔（1814-1878）作为随船医生在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。 1841年他完成《关于无机界各种力的意见》一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的《化学和药学年鉴》上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。

2.2能量守恒定律的发现

英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行热测量。1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比－－焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：41，450，000尔格的功产生1卡的热量。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。

焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。

能量守恒定律的发现

对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。

《论“力”的守恒》

1847年赫姆霍兹独立完成《论“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读。1854年赫姆霍兹在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为‘力的守恒原理’”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。

意义

能量守恒与转化定律被认为是物理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯），恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。

2.3热力学第一、第二定律的建立

热力学第一定律的建立

热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。

第一定律的克劳修斯表述

1850年4月克劳修斯在《物理和化学年鉴》上发表了《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。”

第一定律的开尔文表述

1851年开尔文发表《以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论》一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量”。 这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。

热力学第二定律的建立

热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。

事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。

第二定律的克氏表述

在1854年《物理和化学年鉴》上发表的《论机械热理论第二基本定律的一个改变形式》一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的“克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。”

熵

1865年4月克劳修斯在《关于热的动力理论的主要方程的各种应用的方便形式》中提出了一个与变化途径无关的状态函数S。定义dS=dQ/T，S表示物体的热转变含量，并用了一个与能量的德文字（Energie）相近的从希腊文转写过来的词Entropie来命名S。1923年普朗克到南京东南大学作热力学第二定律方面的讲学，胡复刚为之翻译，首次把Entropie译作熵。

“克氏表述”的精练形式

在1865年的论文中，克劳修斯把热力学第二定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于0；对于不可逆过程而言，熵总是大于0。1875年在《热的动力理论》中又提出了热力学第二定律“克氏表述”的更为精炼的形式：“热不可能自发地从一冷体传到一热体”。

“宇宙热寂说”

1867年在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：

(1)宇宙的总能量是一个常数；

(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。

这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说”的正式提出。

第二类永动机不存在

在1856年的《论动力的起源和转变》中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。

热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。

热力学第三定律

热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，1848年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，1906年德国人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝对零度。

电磁学的建立

3.1从静电到动电的研究：

18世纪静电学研究最重要的成就是美国富兰克林提出的关于单电流体的一元论，并用著名风筝实验加以证明；

18世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利伽伐尼发现动物电流、伏打在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理论。

3.2奥斯特的发现

1819年丹麦物理学家奥斯特（Oersted， Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现：让一个罗盘靠近通电导线，罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与磁之间的联系的第一次实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。

3.3 法拉第的电磁学研究

法拉第（Michael Faraday 1791-1867）1813年22岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。

实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。

让磁力产生电流？

法拉第在1821年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。

读不到电流

实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。他用安培(Ampère， André 1775-1836)发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在第二个线圈中读不到电流。没有轻易放过的现象，在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一下。据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。但法拉第没有轻易放过这一现象。

电磁感应

经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。

磁力线

法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。

磁感应发电机

一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。

3.4麦克斯韦的数学升华

麦克斯韦（ James Clerk Maxwell 1831-1879）法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。是数学天才麦克斯韦完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而奠定了电磁场理论的基础。

《论法拉第的力线》

1856年2月他发表了电磁学的第一篇论文《论法拉第的力线》，文章的目标首先放在用数学表示法拉第的见解上。

《论物理的力线》

1862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文《论物理的力线》。这篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，从而巩固了电磁理论的基础。在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现象等问题。

磁力管

按照法拉第的思想，整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着的液体，由于收到离心力的作用，相对转轴横向扩展，在纵向收缩。麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而且都在作旋转运动，整个空间就被这样的以太漩涡充满。

麦克斯韦的“机械”电磁场模型

但是这样挤得满满的以太漩涡自身不能很好地同时在同一方向旋转，因此麦克斯韦设想各漩涡之间夹有像滚珠轴承那样的粒子。在这样的模型中，磁场强度相当于漩涡的角速度；电场强度相当于漩涡发生形变时所产生的弹性力；电流强度相当于滚珠轴承粒子的流动。

位移电流

在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。

麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。

《电磁场的动力学理论》

麦克斯韦在1864年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程组。在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为电磁场理论。麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电磁作用。

《电磁通论》

1873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作《电磁通论》。他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起的来研究。在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某种力学状态。

麦克斯韦的理论表明：电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有电。电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度c向外辐射电磁波。麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所以也是一种电磁辐射。电粒子可以以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。

意义

麦克斯韦电磁理论作为宏观电磁学的完整理论，第一次揭示了光、电、磁的统一性，是近代以来物理学第三次理论大综合，标志着经典物理学已发展到巅峰。

预言的证实

他的预言在不久的将来（1888）得到了证实，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到五十岁（1879）就去世了。如果他有正常人的寿数，是能够活着看到自己的一个一个科学预言被证实。他作出的比他知道的还要好然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。

他的电磁场方程组不依赖他对以太的解释。麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个“经典物理学”，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧适用。

思考题

1. 资本主义工厂大工业的建立对近代物理学的发展产生了怎样的推动作用？

2. 怎样看待光的微粒说与光的波动说之争？

3. 热力学第二定律的涵义是什么？该定律在自然观上有何意义？

4. 如何理解电磁学的建立在物理学史和技术史上的地位和作用？

本节主要参考书

1.[美]弗·卡约里著《物理学史》（广西师范大学出版社）

2.[美]乔治·伽莫夫《物理学发展史》（商务印书馆）

3.李建珊《科技文化的起源与发展》第七章（南开大学出版社）

4.[德]劳厄著《物理学史》（商务印书馆）

第四节:化学的确立和长足进步

一、科学化学的形成

二、原子——分子学说的诞生

三、有机化学与结构化学的起步

四、元素周期律的发现

本节教学目的和要求

1. 了解近代资本主义大工业的建立对近代化学的推动作用；

2. 把握近代以来关于物质结构认识的发展线索，弄清道尔顿原子学说与阿伏伽德罗分子学说之争的来龙去脉；

3. 了解有机化学建立的基本过程及其对近代有机合成工业产生的重要意义；

4. 把握化学元素周期律发现的基本过程，重点掌握门捷列夫元素周期律在化学史上的重要地位和影响。

一、科学化学的形成

1.从炼金术向化学的过渡

赫尔蒙特（1577－1644），比利时贵族出身，医学博士，自称“火术哲学家”

（1）区分了“空气”(air)与“气体”（gas) 给出粗略的气体分类。

（2）用实验证明“土源于水”。烧瓶实验。

（3）用实验证明“木源于水”。

（4）开辟了定量研究的思路

2.波义尔把化学确立为科学

波义尔（1627－1691），爱尔兰贵族后代，周游列国，1644年回到英国，接受一大笔遗产1668年移居伦敦，建立了一家私人实验室，1661年《怀疑的化学家》，开始了近代化学的历程

化学元素概念：“我所说的元素是指某些原初的和单纯的即丝毫没混合过的物体，它们不由别的物体组成，而一切物体由它们所组成，而且最终分解成它们。

燃烧研究。在真空中做燃烧实验，发现空气而且只是一部分空气对于燃烧是必要的。

3.燃素说

近代化学是从研究燃烧现象开始的。波义耳等英国化学家进行了大量的燃烧、焙烧实验，积累了大量实验资料。但是对燃烧现象的解释还不够成功。燃素说对燃烧现象的解释：一切可燃物质都包含一种可燃元素，它在燃烧、焙烧和呼吸过程中被释放出，并为周围空气吸收。

燃素说的持有者

奠基人：德国化学家柏克尔和斯塔耳

支持者：舍勒、普利斯特列、马凯、卡文迪许、迈耶尔

布莱克也曾一度相信燃素说

燃素说解释金属的焙烧和冶炼。当金属焙烧时，它们释出所包含的燃素，被周围空气吸收。当用木炭加热矿石使之变为金属时，它们吸收木炭所释出的燃素。木炭被认为是几乎纯粹的燃素。

自由空气的作用

为进行燃烧过程，必须导入自由空气，但空气只是为了吸收燃烧过程中释出的燃素，因为不排除燃素，就不可能进行燃烧过程，而没有自由空气来吸收燃素，燃素就不可能离开物体。

燃素具有负重量？

问题：在焙烧过程中燃素损失了，可为什么事实上金属灰比原来的金属还重？

一些化学家给出解释说，因为燃素具有负重量。凡是包含燃素的物质重量都会减轻，当燃素由于加热而被排出时，这种物质变重了。但是这种解释也是含糊不清的，不能对所有的燃烧现象作出一致的解释。

英国化学家普利斯特列（1733－1804）青年时期是位自由主义人文学者，1766年遇富兰克林之后，对实验科学发生兴趣。1767年出版《电学史》，1774年，普利斯特列收集到一种新的气体，它使火焰剧烈燃烧，使老鼠活得更长，使人吸入后感到舒畅。但他相信燃素说，将该气体命名为“脱燃素空气”。

4.氧化燃烧学说 拉瓦锡

水与土

当时一些人认为水和土是两种元素，并且可以相互转化。原因是长时间加热水之后，水可以变成土。1768年拉瓦锡用精确测量的实验证实水不会转变成土。1774年拉瓦锡为了证实上述想法，进行一系列实验。他在有一定限量空气的密闭容器中加热锡和铅。两种金属的表面都生长了一层金属灰。

人们已经知道这些金属灰比它们所置换的金属重。容器的总重量在加热前后并没有变化。这就意味着，金属如果获得重量，容器里的别处必然失去重量。拉瓦锡证明，金属灰虽然重量增加了，但空气重量减少了。普利斯特列访问巴黎报告发现“脱燃素空气”。拉瓦锡发现正是它加入了反应过程，称“最宜于呼吸的空气”。英国普利斯特列和瑞典舍勒痛失发现氧化学说的重大机遇；燃素说被推翻，一门真正现代意义上的化学学科建立了。

质量守恒定律

拉瓦锡还证明在化学变化过程中，质量不会增加和消失，只是从一个地方转移到另一个地方。这就是质量守恒定律，是整个十九世纪化学的基石。

空气由两种气体组成

1778年拉瓦锡第一个宣告空气由两种气体组成，其中一种气体能维持燃烧，而另一种不能。1779年他将前者称为“氧”（希腊语是“产生酸”的意思），后者为“硝”，1790年夏普塔尔改为氮，即现用名。

《化学命名法》

1787年拉瓦锡和另外几位化学家合作出版了《化学命名法》确立了对每一种物质用组成它们的元素而定名的原则，其宗旨是名称应该表明其成分，这个命名体系是如此清晰和具有逻辑性，很快就被接受了，并一直成为化学命名法的基础。

《初等化学概论》

1789年拉瓦锡出版《初等化学概论》，（Traité élémentaire de chemie）这是第一本现代化学教科书。书中拉叙述了质量守恒定律，列出了当时已知的所有元素的表。这个表的大部分是正确的，但拉瓦锡把热和光也列为元素

拉瓦锡的贡献

(1)建立化学研究中准确测量的规范

(2)推翻燃素说

(3)发现化学变化中质量守恒

(4)确立化学命名法

原子——分子学说的诞生

1.道尔顿原子论

英国化学家道尔顿（1766－1844）在前人的定组成定律、当量定律和他自己发现的倍比定律的基础上，于1803年公布了《原子论和原子量计算》一文，提出了原子论思想。道尔顿在1808年出版的《化学哲学新体系》中进一步系统地阐述原子论：

(1)化学元素由原子组成

(2)原子不可改变

(3)化合物由分子组成，分子由原子化合而成

(4)同一元素的原子相同，不同元素的原子重量不同

(5)只有以整数比的元素的原子相结合时，才会化合

(6)在化学反应中，原子只是重新排列，不会生灭

(7)明确地提出了原子量是元素的本质特征，开创了近代化学发展的新时代。

道尔顿原子论的最主要缺陷是没有分清原子和分子，由此引发了与提出气体定律的法国化学家盖·吕萨克之间的争论。

分子学说的创立者：意大利化学家阿伏加德罗于1811年提出分子学说使问题得以解决，但分子学说在道尔顿的压制下被埋没，直到1860年经意大利化学家康尼查罗的努力才得以重见天日。

三、有机化学与结构化学的起步

合成尿素

1828年德国化学家沃勒（Fredrich Wöhler 1800-1882）首次用无机物合成了一种有机物尿素后，人们认识到形形式式的有机物质与无机物质并没有本质上的差别。

有机化学与结构化学的起步

有机结构理论的建立

19世纪初德国李比希和维勒提出“基团论”；法国化学家杜马1834年提出“类型论”；德国化学家凯库勒1857年提出“原子价”的概念和苯的六边形环式结构学说；俄国化学家布特列诺夫1861年提出了系统的有机化学理论。

李比希 Justus von Liebig 1803-1873被称为有机化学之父的李比希确立了一套卓有成效的有机化合物的分析法，使得有机化学迅速发展。

四、元素周期律的发现

1789年拉瓦锡制定最初的元素表。1815年英国人普劳特提出氢是基本元素的观点。他注意到很多元素的原子量都是氢原子的整数倍。这是最早试图把所有的元素用一定的秩序统一起来。

三兄弟元素说

1829年德国人杜伯莱纳提出元素组学说。他的三兄弟元素说，如氯、溴、碘；锂、钠、钾；钙、锶、钡等等；指出性质十分相近的三个元素的原子量之间，存在以下关系式：1/2（Cl+I）=Br等等。

“螺旋图”、“八音律”

1850年培吞柯菲尔指出相似元素的原子量具有算术级数的关系。

1862年法国人尚库图瓦提出“螺旋图”，在圆柱的螺旋形上排列元素。

1864年英国人纽兰兹提出元素的八音律。从某一个元素开始数到第八个元素，它与最初的元素具有相同的性质。依次他制成8个竖列7个横列的周期表。

门捷列夫元素周期律的发现

1869年俄国人门捷列夫（Dimitri Ivanovitch Mendeleev 1834-1907）发表《元素属性和原子量的关系》的论文，1871年提出元素周期律。把已知的63种元素排列为8个竖列12个横列。

门捷列夫元素周期律的发现

门捷列夫在1869年发表的《元素属性和原子量的关系》一文中，抓住原子量这个化学元素的基本特征，将元素按原子量大小顺序排列，阐明了元素周期律的基本观点，在元素周期律的确立上作出了决定性的贡献。化学元素周期律的发现，把原先彼此孤立的各种化学元素的知识综合起来，形成为有内在联系的统一体系，完成了人类关于自然界知识的一次伟大综合。

空格元素

当时人们试图从杂乱无章的元素中理出个头绪来，但这种尝试普遍受到怀疑。门捷列夫发表了他的元素周期表后，也没有引起人们的重视。他的周期表跟前人不同的地方是，在他的表中留有一些空格，门捷列夫宣称这些空格代表没有发现的元素。

三个空格

门捷列夫挑选了其中三个空格，根据它们在表中上下方元素的特性来推断和描述了这些暂告缺如的元素应有的特性。这一预言也受到相当大的怀疑。

预言的证实

(1)1875年法国化学家布瓦博德兰发现一种新元素（镓），其性质完全与门捷列夫预言中的一种空格元素相同；

(2)1879年瑞典化学家尼尔森发现的一种元素（钪）与门捷列夫的另一种空格元素的性质相同；

(3)1885年德国化学家温克勒尔发现的一种新元素（锗）再次填补了门捷列夫预言的第三个空格。

钔

门捷列夫在政治上是个自由派，他反对政府迫害学生，因此不止一次受到申斥。并因而未能当选为俄罗斯帝国科学院院士。

1906年他以一票之差没有获得诺贝尔奖。

1955年新发现的第101号元素被命名为钔，就是追认门捷列夫在研究元素方面作出的重大贡献。

思考题

1. 道尔顿原子学说与阿伏伽德罗分子学说之争说明了什么？

2. 有机化学的建立对近代有机合成工业的产生有何重要意义？

3. 门捷列夫元素周期律的发现在化学史上的产生了怎样的作用和影响？

本节主要参考书

1.李建珊《科技文化的起源与发展》第七章（南开大学出版社）

2.匡华编著《107种元素的发现》（北京出版社）

3.郭保章等编著《化学史简明教程》（北京师范大学出版社）

第五节：生物学的重大突破与地质学的建立

分类学的进展

细胞学说的建立

进化论的建立

地质学的建立

本节教学目的和要求

1. 了解近代资本主义大工业的建立对近代生物学和地质学的推动作用；

2. 把握细胞学说的基本内容及其意义；

3. 全面掌握进化论的发展线索，重点理解达尔文进化论的基本观点及其在科学史上的划时代意义；

4. 了解近代地质学的建立过程，重点掌握赖尔地质渐变论的基本观点及其在地质学史上的重要意义。

一、分类学的进展

1.1 近代生物分类学的两个派别

人为分类法：以意大利解剖学家切萨皮诺和马尔皮基为代表的一派认为物种是不连续的，因此可以用一个或少数几个认为选择的标准，把生物区分成界限分明的群类，例如根据花的形状或子叶的数目来给植物分类。

1.1 近代生物分类学的两个派别

自然分类法：以法国植物学家洛贝尔和瑞士植物学家鲍欣为代表的一派认为，物种是连续的，应根据动植物某一个种内各亚种的亲缘关系进行分类。鲍欣是双名法的创始者，他用属名和种名并用的方法为植物命名，对避免植物的同物异名和同名异物有重要意义。

1.2 林奈的生物分类法

瑞典著名科学家林奈1735年出版了《自然系统》，主张人为分类法。他把生物分为植物和动物两结，相似的植物或动物归并成种，相似的种归并属，相似的属归并成目，相似的目归并成纲，于是形成了界→纲→目→属→种这样的分类系统。林奈发展了鲍欣的双名法，把它推广到动物界并一律采用拉丁文，使双名法更为规范。林奈被誉为“分类学之父”，其分类学得到学术界广泛承认。

分类等级

二、细胞学说的发展

2.1 施莱登的植物细胞学说

德国植物学家施莱登于1838年提出：细胞是一切植物结构的基本单元，它是植物赖以发展的根本实体。

2.2 施旺的细胞学说

德国动物学家施旺把施莱登的观点扩大到动物界，认为细胞是一切有机体构造和 发育的基本单位。细胞学说揭示了多样化的生物界在细胞层次上的统一性，使生物进化论的形成成为不可避免的事情。

三、进化论的建立

3. 1 达尔文以前的进化论

自然界处在进化过程中的观念至少可以上溯到希腊哲学家的时代。亚里士多德:较为完善的形式是从不完善中发展而来的。希腊哲学家只能做到提出问题，对问题的解决办法进行一番思辩性的猜测

成为值得考虑的问题。事实上，花去了两千年时间，花费了无数沉默而不关心哲学的生理学家与博物学家的心血，才收集到足够的观察与实验证据，使得进化观念值得科学家加以考虑。在达尔文提出进化学说以前，一个有趣的现象是，凡是持审慎态度的博物学家大多反对进化的观点，而是哲学家们从他们的概念出发提出了进化的思想，如歌德、谢林、黑格尔等。

3.2 法国的物种进化论与物种不变论之争

圣·蒂莱尔发现了动物的“同源器官”证明了生物体在构造上具有某种统一性，但他得出了“只有一种动物”的极端观点。

居维叶与动物解剖

法国比较解剖学权威居维叶反对圣·蒂莱尔的观点所说的动物体结构只有一种原型方案的观点，主张动物是按四种原型方案构造出来的。动物的变化不是渐变的过程，而是经过灾变之后造物主的重新创造，因此是一种突变。居维叶取得了论战的胜利。

3.3拉马克的进化论

法国生物学家拉马克 (Jean-Baptiste Lamarck 1744-1829) 1809年出版《动物哲学》。他指出：生物都是按直线系列进化而来的；存在两种促成生物进化的动力，一是生物先天具有向上发展的内倾力，二是环境对生物的影响；生物适应环境的演化机制可以概括为“用进废退”和“获得性遗传”。

用进废退学说

拉马克的用进废退学说在环境造成的改变的积累性中寻找进化的原因。照布丰的观点，环境对个体所起的改变，影响很小。而拉马克认为，如果习惯的改变变成是经常的持续的，这就可能改变旧的器官，并且长出所需要的新器官。

拉马克没有找到支持他学说的证据，但仍不失为一个自恰的工作假设。

3.4达尔文和他的生物进化论

达尔文（Charles Darwin 1809-1882）

1831年“贝格尔号”启航做一次科学考察旅行，达尔文被推荐担任随船的博物学家，开始了一次历时5年的环球旅行。这次航行是他走向成功的桥梁。

赖尔的书

航行之前达尔文读过赖尔（Charles Lyell 1797-1875 英国著名地质学家）的一些书。介绍他读这些书的人本希望达尔文跟他一起嘲笑赖尔的观点，但达尔文没有嘲笑，反而相信了赖尔的观点。他认识到地球是古老的，生命的发展经历了漫长的过程。在“比格尔号”上他对这些问题的观念得到了明朗化、深刻化的机会。

加拉帕戈斯群岛上的一群燕雀沿着南美洲海岸行使时，达尔文觉察到了物种是怎样一点点地发生着变化的。特别引起他注意的是距离厄瓜多尔海岸大约650英里处的由十二个左右的小岛组成的加拉帕戈斯群岛上的一群燕雀。现在它们被命名为达尔文燕雀。

不同的燕雀种类

他发现这些燕雀在很多方面都彼此相似，但至少可以分为14个不同的种。

其中没有一种出现在邻近的大陆上，而且就当时所知也不存在于世界上其他地方。达尔文相信邻近大陆上的原始燕雀种在很久很久以前必定来到了这岛上，它们的后代后来逐渐分化为不同的种类。有些只吃某一种种子，有些吃另一种，有一些还只吃昆虫。

变异

一个特定的种因为其不同的生活方式就会发育出特殊的鸟喙，特殊大小的躯体，特殊的组织系统。大陆上的原始燕雀没有经历这些变化。它们在其他鸟类的竞争下生存，而在群岛上原始燕雀的竞争对手比较少。

一时没有答案

然而什么原因引起了这些燕雀在进化中的变异呢？

拉马克认为是获得性状遗传，生物是有意地力图按着有利于自己的方式发生变化。达尔文不接受这个观点。

1836年回到英国时，并没有带回答案。他被选进地质学会，忙于写作旅行和考察结果。《比格尔轮上一个博物学家的旅行》1839年出版，此书获得巨大成功，使达尔文一举成名。达尔文致力于文体的清晰流畅，相信文章可以写得透彻晶莹。

达尔文还发表了关于珊瑚礁是由于珊瑚残骸逐渐堆积而成的观点，此说与赖尔的学说正好相反，但赖尔为达尔文的著作感到由衷喜悦，以至两人成了至交好友。

马尔萨斯《人口论》的启发

1838年达尔文读到马尔萨斯的《人口论》。他马上想到书中的观点也同样适用于其他生命形式，在过剩部分中，首先被淘汰的将是争夺食物的过程中处于不利地位的那一部分。

“自然选择”

迫于环境的压力，生物会使它们自己适应不同的生活方式。往往会出现某一群生物可以更适合于某一小环境的变化，自然界这样选择某一群而淘汰另一群。通过这种“自然选择”，生命将扩增出无限的品种，在各个特定的小环境里，适者生存，劣者淘汰。

变异是如何发生的？

但是，一只吃种子的燕雀，是怎样做到突然学会其他燕雀做不到的改吃昆虫的呢？这里达尔文没有提出坚实的论证。但他知道，变异肯定是发生了的，他养鸽子的业余爱好使他有亲身体验。

长颈鹿的脖子

按照达尔文的理论，长颈鹿有这么长的脖子不是因为象拉马克所说的那样它要争取长出一个长脖子来的，而是有一些长颈鹿生来脖子就长一些，它们因此可以吃到更多的树叶，生活的更好，繁衍更多的子孙，来通过遗传继承这个自然生成的较长的脖子。自然变异和自然选择使得脖子继续慢慢地长起来。

长颈鹿的斑纹

对长颈鹿身上的斑纹拉马克无法解释，而达尔文可以解释。

一头由于变异而产生斑纹的长颈鹿，因为这些斑纹与树林背景交织在一起，能够更容易躲过捕食者，因而它就会留下更多的后代来继承它有斑纹的特征。

精益求精的写作

达尔文不断地收集证据，试图完善他理论中的薄弱环节。1844年他开始写一部书，由于太想精益求精了，直到1858年书还未脱稿。他的朋友们了解他的内情。特别是赖尔，地敦促他尽快出版，不然就会被别人抢先发表同样的观点。

华莱士

达尔文不听劝告，而赖尔的话果然应验。另一位博物学家华莱士（Russel Wallace 1823-1913）写了一篇论文，其中的观点与达尔文的几乎达到字吻句合的地步。

华莱士还寄了一个副本给达尔文征求意见。达尔文收到文稿时如闻晴天霹雳，但他没有匆忙出版他的书来夺回荣誉。他大度地把华莱士的文章转送其他科学家。

合作发表

赖尔坚持要达尔文提出与华莱士合作发表两人的共同结论。华莱士也不失为慷慨君子，两人合作得很好。1858年两人的著作发表在林奈学会的学报上。（林奈以分类学著名，曾极力反对进化的思想。）

《物种起源》

1859年达尔文出版了他的书。这本已经很厚的书还只是原计划的五分之一。

全名称作：论通过自然选择的物种起源，或生活斗争中适者生存。通常简称《物种起源》。对这本书学术界已经等候多时，首版1250册在第一天就被抢购一空。以后一次又一次地再版。

3.5《物种起源》的主要观点

(1)生物界与生物界普遍存在着激烈的生存竞争。

(2)自然选择是推动生物进化的外部力量。

(3)变异和遗传是促进生物进化的内在根据。

3.6 生物进化论的意义

(1)生物学史上划时代的成就。基础的生物进化论，从而完成了近代生物学理论的大综合。基础的生物进化论，从而完成了近代生物学理论的大综合。

(2)进化论的确立。学术界内部极其与宗教界之间围绕进化论问题的争论以达尔文主义的胜利而告终，有力地批判了目的论，神创论，给予形而上学自然观以沉重的打击。

6.7 围绕《物种起源》持久的争论

《物种起源》引起了持久的争论。一些人认为这书叛离了圣经教义，很多人则相信它将摧毁宗教。即使在科学家之间也争论得热火朝天。达尔文太过温文尔雅，其秉性很不适于争辩。幸而有赫胥黎挺身而出为捍卫达尔文的学说进行战斗，它自称“达尔文的斗犬”。在德国和美国也各有人为达尔文学说与反对派争论。

赫胥黎（Thomas Henry Huxley 1825-1895）

《古老的人类》

《物种起源》一书回避一个爆炸性的问题：即达尔文的学说是否也适用于人类自身？在这一点上，赖尔做出了热烈的反应，他在1863年出版的《古老的人类》一书中，坚定地支持达尔文学说，并就人类或类人的生物在地球上必曾走过千万年漫长的历程进行了讨论。作为证据他引用了当时在古老地层中发现的石制工具。没有多久，至少科学界被说服了，到达尔文死时自然选择进化的概念已经赢得彻底的胜利。剩下的反对派已经不是科学家。

达尔文在死时获得了崇高的评价，他被安葬在威斯敏斯特大教堂，离牛顿、法拉第和他的朋友赖尔不远的地方。

四、地质学的建立

4.1关于岩石成因的水成论与火成论之争

英国约翰·伍德沃德1695年提出水成论，认为在诺亚时代，集积的大洪水暴发，把整个地球淹没，沉积物按不同重量形成不同地层。

意大利莫罗批评水成论，并系统提出火成论；

英国赫顿在《地球的理论》一书中进一步提出均变论和火成论，其“将今论古”的方法对后世地质学研究具有重要意义，赫顿被誉为“近代地质学之父”。

4.2地壳运动变化的灾变论与渐变论之争

灾变论的代表人物是法国居维叶，其在1812年提出，地球历史上曾发生多次巨大的灾变（如洪水灾害、地震、火灾等）从而造成了地球表层地质、地貌的现有状况，进而把地球演化过程归结于超自然力作用的结果。

英国赖尔1830年出版了《地质学原理》一书，提出渐变论。他认为地球上的一切变化都是一种缓慢进化，不是超自然力引起的，而是一直在起作用的地质营力（地震、火山爆发等内力和风雨、潮汐、冰川等外力）长期作用的产物。恩格斯评价赖尔第一次“把理性带进了地质学”，使地质学成为科学。

思考题

1. 简述细胞学说的基本内容及其意义？

2. 达尔文进化论有哪些基本观点？《物种起源》在科学史上有何重大意义？

3. 居维叶“灾变论”与赖尔“地质渐变论”之争的实质是什么？

4. 为什么说赖尔“地质渐变论”在地质学史上具有重要意义？

本节主要参考书

1.[英]达尔文著《物种起源》（三联书店）

2.[英]达尔文著《人类的由来及性选择》（科学出版社）

3.[美]玛格纳著《生命科学史》（科中工学院出版社）

4.莱伊尔著《地质学原理》（科学出版社）

第六节：数学的全面繁荣

一、解析几何的创立

二、微积分的诞生

三、概率论的建立

四、非欧几何学的出现

本节教学目的和要求

1. 了解近代资本主义大工业的建立对近代数学的推动作用；

2. 了解解析几何的创立在数学史上的划时代意义；

3. 全面认识微积分的发展线索，重点了解牛顿和莱布尼兹各自建立微积分的过程和特点；

4. 深入把握非欧几何学的创立过程，着重理解科学发展的内在逻辑。

近代变量数学发展线索

解析几何 非欧几何-----拓扑学

微积分（牛顿、莱布尼兹）-----分析类的分支

概率统计

变量数学的兴起

数学中的转折点是笛卡儿的变数.有了变数，运动进入了数学，有了变数，辩证法进入了数学有了变数，微分和积分也就立刻成为必要的了… …在一切理论成就中，未必再有什么像17世纪下半叶微积分的发现那样被看作人类精神的最高胜利了，如果在某个地方我们看到人类精神的纯粹的和唯一的功绩，那正是在这里。——恩格斯

一、解析几何的创立

在17世纪，数学科学发生了根本性的转折，这种转折实质上是由社会生产力的急速发展所引起的。数学根本性的转折之一是解析几何的诞生。解析几何的创始人是笛卡儿和费马.他们都对欧氏几何的局限性表示不满:古代的几何过于抽象，过多地依赖于图形.他们代数也批评代数过于受法则和公式的约束，缺乏直观.同时，他们都认识到几何学提供了有关真实世界的知识和真理，而代数学能用来对抽象的未知量进行推理，代数学是一门潜在的方法科学.因此，把代数学和几何学中一切精华的东西结合起来，可以取长补短.这样一来，一门新的科学诞生了。

一、解析几何的创立

解析几何学是由法国的费马（1601－1665）和笛卡尔（1596—1650）各自独立创立的。费马把代数学运用于几何学，采用在一个坐标系中以一系列的数字表示一条曲线轨迹的方法。费马的成就在其去世后才发表。

笛卡儿的理论

笛卡儿的解析几何学成就体现在其1637年发表的《方法论》中，以两个思想为基础:一个是坐标思想；另一个是方程与曲线的思想，即两个未知数表示的某个代数方程可以看成平面上的一条曲线；反之，一条曲线可以用曲线上任意点（x ， y）坐标之间的方程关系来表示。笛卡儿对几何问题应用了代数方法:研究几何轨迹问题，提出在由两条直线构成的平面坐标系里的几何图形都可以转化成一个二元方程，这样平面几何学的问题就都可以用代数学的方法加以处理。解析几何的精华在于把几何曲线用代数方程来表示，同时又用代数的研究方法来研究几何。

殊途同归

费马从代数方程出发来寻找其轨迹，笛卡尔则从轨迹出发来寻找其代数方程，是数学发展的殊途同归。过去的数学只能描写一些确定的、不变化的量，解析几何学使得变量的描述成为可能， 这是数学发展史上的一次质的飞跃。

解析几何出现后不久，微积分也被发现了。可以说，微积分不仅是数学的伟大发现，也为近代科学开辟了光明的道路；微积分不仅是17世纪的伟大发现，而且是世界人类文明史上最为光辉灿烂的发现。

二、微积分的诞生

十六、十七世纪科学和生产中面临的大量重要问题，促进了微积分的诞生与发展。微积分的来源是科学发展对数学要求的必然：速度、距离、重心；切线、长度、面积、体积；极值问题等等。

微积分发展的历史足迹

古希腊时代伟大的数学家、力学家阿基米德，我国古代著名数学家刘徽，祖冲之、祖暅父子等为积分思想的形成和发展做出了重要的贡献，他们的工作领先了欧洲数学家的工作一千多年。16，17世纪是微积分思想发展最为活跃的时期，其杰出的代表有伽利略、开普勒、卡瓦列里、费马、巴罗，等。他们的工作为牛顿、莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz 1646-1716， )创立微积分理论奠定了基础。

牛顿的微积分

牛顿在17世纪60年代创立了微积分，他称之为《流数术》，其基本原理是把数学中的量看作是由连续轨迹运动产生的，不再看作是由无穷小元素构成的。牛顿使用了无穷小增量，但对这个概念没有给出明确的规定和严格的数学的证明。

莱布尼兹的微积分

莱布尼兹于1684年发表了微积分成果，他称之为求差的方法和求和的方法。其基本思想是把一条曲线下面的面积分割成许多小矩形，矩形与曲线之间微小的直角三角形的两边分别是曲线的相邻两点的纵坐标和横坐标之差，当这两个差无限减小时，曲线上相邻两点便无限接近。连接这样的两点就得出曲线在该点的切线，就是求差的方法。求差的反面就是求和。

微积分发明权之争

牛顿和莱布尼兹关于微积分发明权之争导致英国数学家与大陆数学家之间的对峙，学术上形成门户之见，严重地妨碍了科学的进步，应引以为鉴。

牛顿和莱布尼兹的方法都是建立在一个未加严格定义的无穷小增量的基础之上， 尽管该方法在应用中非常有效，但其数学基础并不牢固，直到19世纪法国柯西（1789—1857）和德国维尔斯特拉斯（1815—1897）等人给出 “极限”概念，才为微积分奠定了严格的基础。

微积分的伟大意义

1、微积分改变了数学的研究对象、方式和方法，带来了数学空前和持久的繁荣昌盛！显示了数学内部的辨证统一的深刻哲理。

2、推动了科学技术的发展。有了微积分，它就成为了物理学的基本语言。其他如力学、天文学、化学等学科都得到了无限的推动力。

3、对人类物质文明作出了巨大贡献。数学方法的应用和更新，通过其他学科对人类的进步产生了前所未有的作用。

三、概率论的建立

概率论的建立首先是费马和他同时代的帕斯卡的功绩，他们通过对游戏和赌博中掷骰子的考察，从大量的偶然性事件中寻求其统计上的必然性，从而创立了概率论。

四、非欧几何学的出现

为了消除欧氏几何学第五公设的“疵点”，英国高斯、俄国人罗巴切夫斯基、匈牙利人波耶、德国人黎曼分别创立了非欧几何学，打破了欧氏几何的一统天下，拓宽和深化了人们对空间的认识。

公理体系

一组公理体系应当具有以下三个性质：

（1）完备性：就是说使整个学说中要用的一切事物都完全可归结到公理，使之不存在任何默许的其他假定。

（2）相容性：从公理不能推出两个互相矛盾的定理。

（3）独立性：任何一个公理都不是另一个公理的推论。

欧氏几何的公理体系出现在欧几里德的《集合原本》中，在2200年之后，希尔伯特在《几何基础》加以完善。其间，许多数学家作了许多公理体系的完备性工作。然而，令人放心不下的是该公理体系中的第五公理，即平行公理的独立性问题。因为人们发现即使欧几里德本人也尽量避免使用它。所以人们开始从三个方面研究平行公理：

（1）试图给出新的平行线定义以绕开这个困难；

（2）试图用比平行公理缺点更少的其他公理取代它；（等价或包含）

（3）试图用其他公里推出它。

第三个问题得到的最多的研究，但是毫无结果。

第五公设的证明：非欧几何的萌芽

在公设、公理基础上建立起来的欧几里德几何学被公认为是数学严格性的典范。但是数学家们同时也感到欧氏几何中存在着某种瑕疵。其中最让数学家们感到不大舒服的是第五公设。第五公设所说明的事实不象其他几条那样显而易见，缺少作为一条公设所必须有的自明性。人们不怀疑其真实性，但怀疑其作为公设的资格。因此许多人试图来证明第五公设。

非欧几何的创立

1792年高斯（Carl Friedrich Gauss 1777-1855）十五岁时就开始考虑第五公设问题。1816年左右他已获得了非欧几何的基本思想，确信存在一种与欧氏几何不同的几何学。但是高斯有一个习惯，在任何情况下，他都把他的结果保密一段时间。所以数学史上认为首先确立非欧几何的是另外两位数学家罗巴切夫斯基和波耶。高斯这样做或许还出于别的考虑，主要是为了少招徕愚蠢的偏见。因为他说过，“它的公开将引起愚人的叫喊”。第一个公开发表非欧几何论文的罗巴切夫斯基的确付出了相当大的代价。

罗巴切夫斯基 Nikolai Ivanovich Lobachevskii（1793-1856）大约在1815年开始研究第五公设问题。罗巴切夫斯基以深刻的洞察力提出了导致几何学革命的新思想。他大胆预言，由第五公设的否命题出发而得到的结果代表着一种新的几何学。

非欧几何的诞生及其阻力

1826年2月11日罗巴切夫斯基在喀山大学物理数学系会议上宣读了题为《几何学原理简述及平行线定律的严格证明》的论文。在否定第五公理的同时，假设其反面之一：“过已知直线外一点，可作多于一条的直线与已知直线平行”，建立了一门新的几何学。这是过去2000年以来的重大突破。但是在一般人心目中，甚至数学家的心目中，欧几里德堡垒是如此坚固。罗巴切夫斯基的工作得到的是许多数学大家的嘲笑、讽刺。

波耶（1802-1860，János Bolyai）非欧几何的另一位创始人是匈牙利数学家波耶。就读于维也纳工学院的波耶醉心于第五公设问题。在1820年左右他相信建立一套新几何学是完全可能的。

波耶和罗巴切夫斯基所描述的非欧几何习惯上称为罗巴切夫斯基几何或双曲几何。

罗巴切夫斯基几何的基本特征

（1）承认空间是弯曲的，任何直线都是曲线，任何平面都是曲面；

（2）其所描述的空间曲率处处等于一个非零常数；就是说空间处处一样弯，并且是均匀的；

（3）认为平面上过一点可以作无数条直线和一已知直线不相交，它们和已知直线都不能保持同一距离；

（4）三角形三内角之和小于180度；

（5）圆的周长与半径不成比例，而是比半径增长得快。

黎曼Bernhard Riemann1826-1866非欧几何在创立后三、四十年间完全被学术界忽视，直到十九世纪中期，黎曼的工作导致了突破。

黎曼空间

黎曼在高斯的指导下进行研究。黎曼认为，非欧几何不仅仅只有一种。他推广了曲面的高斯曲率，建立起黎曼空间的曲率概念。在一般黎曼空间中，空间每一点的曲率是不同的，也就是说黎曼空间本质上是不均匀的。

黎曼曲率为常数

在黎曼曲率为常数的特殊情况下，空间分为三种类型：

（1）零曲率空间，即欧氏几何空间；

（2）负曲率空间，即罗氏几何空间；

（3）正曲率空间，即狭义的黎曼几何空间或称椭圆几何空间。

欧氏几何和罗氏几何成了更为一般的黎曼几何的特例。

黎曼几何的特征

在黎曼几何中欧几里德的第五公设被替换为：通过已知直线外一点，不能画一条直线与已知直线平行。作为推论，在黎曼空间中，通过两点可以画无穷多条直线；

不存在无限长直线的概念；三角形三内角之和总大于180度。

非欧几何地位的确立

同一年(1868)意大利数学家贝尔特拉米（Beltrami，1835-1899）给出了罗氏几何的一个欧几里德解释；克莱因（Klein，1849-1925）在1870年给出了另一个更直观的模型，使得原来似乎复杂和难以接受的思想变得易于理解了。

以贝尔特拉米和克莱因的工作为契机，非欧几何在数学领域的地位才牢固地确立起来。

1、解决了平行公理的独立性问题。推动了一般公理体系的独立性、相容性、完备性问题的研究，促进了数学基础这一更为深刻的数学分支的形成与发展。

2、证明了对公理方法本身的研究能推动数学的发展，理性思维和对严谨、逻辑和完美的追求，推动了科学的进步。在数学内部，各分支纷纷建立了自己的公理体系，包括被公认为最困难的概率论也在20世纪30年代建立自己的公理体系。实际上公理化的研究又孕育了元数学的产生和发展。

非欧几何的产生的重大意义

3、非欧几何实际上预示了相对论的产生，就象微积分预示了人造卫星一样。非欧几何与相对论和汇合是科学史上划时代的事件。人们都认为是爱因斯坦创立了相对论，但是，也许爱因斯坦更清楚，是他和一批数学家等共同的工作。出现动钟延缓，动尺缩短，时空弯曲等现象。这些都是非欧几何与相对论的科学发现。

思考题

1. 解析几何的创立在数学史上有何重大意义？

2. 牛顿和莱布尼兹各自在建立微积分的过程中分别有什么特点？共同的局限是什么？

3. 非欧几何学的创立过程中有哪些学者作出了重要贡献？

4. 从非欧几何学的发展中说明科学发展的内在逻辑。

本节主要参考书

1.[美]克莱因著《古今数学思想》（上海科学技术出版社）

2.亚历山大洛夫著《数学——它的内容、方法和意义》（科学出版社）

3.波耶著《微积分概念——对导数与积分的历史性评述》（上海人民出版社）

4.杜石然、孔国平《世界数学史》（吉林教育出版社）

第七节：科学社会建制的形成与发展

学术交流和社团的产生与兴盛

1 .1科学研究社会组织的雏形

1. 2科学研究社团的体制化

大学职能的转换

2.1 科学教育的萌芽

2.2 科学教育的蓬勃发展

本节教学目的和要求

1. 了解近代科学社团发展的概况；

2. 了解大学中科学教育的兴起对近代科学的重要作用；

3. 认识资本主义社会建制对近代科学发展的重要作用。

一、学术交流和社团的产生与兴盛

1.1 科学研究社会组织的雏形

意大利那不勒斯“自然奥秘协会” 和“山猫学会”的出现

2. 科学研究社团的体制化

英国皇家学会是1662年经英王特许，翌年查理二世赐该学会以纹章，标志着世界上第一个有影响的科学家组织的诞生，表明科学活动的初步体制化。但学会并末得到政府经济赞助，它起到了凝聚科学爱好者的作用。

2.1 科学教育的萌芽

从17世纪到18世纪上半叶，大学教育受宗教势力影响而相当保守陈旧，所传授的是古典的传统知识体系，严重脱离科学技术的发展。英国1796年苏格兰率先开办技工学校，到1850年各类技工学校发展到600多所，学生达10万人以上，后来许多技工学校发展为技术学院，成为科学教育的开端。

2.2 科学教育的蓬勃发展

法国大革命后致力于教育改革，1792年创办了欧洲最早一批技术专科学校，特别是“综合技术学校”和“高等师范学校”的建立，培养了一大批杰出的科学家。为法国成为世界科学活动中心奠定了基础。德国汲取法国兴办教育的经验，以1809年开办柏林大学为契机，废除了旧的职业系科（神学、法学和医学）的特权地位，强调科学在教学内容中的地位，赋予教授自主权，并在大学设立实验室，使大学在教学与研究制度上走向现代化，科学开始真正成为一种专门的职业。

思考题

1. 近代科学社团对科学交流活动的发展产生了怎样的影响？

2. 大学中科学教育的兴起对近代科学有何重要作用？

3. 如何看待科学体制化在近代科学发展中的作用？

本节主要参考书

1.丹皮尔著《科学史》科学史第八章（商务印书馆）

2.吴国盛著《科学的历程》第十章（北京大学出版社）

3.李建珊《科技文化的起源与发展》第五章（南开大学出版社）

第一章：古代科学技术的产生和发展

教学目的和要求

了解近代第一次技术革命和第二次技术革命的兴起和发展过程，掌握近代两次技术革命的主要标志性成就及其意义，弄清科学、技术与生产之间关系的演变过程，深入理解科学技术是生产力的命题，全面把握科学技术的社会功能及其在社会现代化进程中的重大作用。

第一节：近代第一次技术革命

近代第一次技术革命兴起的原因

近代第一次技术革命的孕育阶段

技术革命的发展过程

蒸汽机时代技术的发展

近代第一次技术革命的特点和意义

本节教学目的和要求

1. 了解近代第一次技术革命的社会背景；

2. 了解近代第一次技术革命的发展过程及重要技术创造，重点掌握瓦特蒸汽机在技术革命中的重大意义；

3. 正确理解技术革命中科学、技术与生产之间的关系；

4. 正确认识技术革命在社会现代化中的作用。

一、近代第一次技术革命兴起的原因

1.资本主义生产发展的必然产物

1.1 资本的原始积累使资产者获取了大量金钱，以及资本主义大工业所必需的大批自由劳动者。

1.2 英国资产者对外的殖民掠夺开辟了广阔的海外原料来源和对外贸易市场。

1.3 资本主义工厂手工业的长期发展导致了分工日益发达和生产技术进步，为向大机器过渡准备了物质技术条件。

2.资产阶级革命的必然产物

2.1 英、法、美、德等国资产阶级革命的相继取得胜利，资产阶级统治地位的确立为资本主义生产方式的发展扫清了道路。

2.2. 欧美各国工业化初期相继实行专利制度，保护技术发明，促进了技术进步与变革。

3.近代科学发展的必然产物

3.1 近代科学革命开启了学者传 统与工匠传统结合的新时代，为科学在生产上的应用开辟了道路。

3.2 牛顿力学等科学成就的取得，为科学在技术发明和生产中的应用奠定了基础。

近代第一次技术革命的孕育阶段

技术革命的直接诱因

1.1英国新兴的棉纺织业兴起面临两方面的挑战，一是在国内市场受到对棉纺织品日益增长的需求的挑战，二是受到品质优良的印度棉布的强烈竞争。

1.2工作机的发展对新动力的需求

近代第一次技术革命的孕育阶段

2.纺织技术革命

1733年钟表匠约翰·凯伊发明飞梭织布提高织布效率一倍；“纱荒”导致1765年织工哈格里夫斯

发明了手摇纺纱机（珍妮机）；1768年阿克莱特发明水力纺纱机；康普敦1779年发明走锭纺纱机（骡机），标志着纺织机技术革新的完成；牧师卡特莱特1785年发明水力织布机，使织布能力提高10倍，纺织技术革新拉开了技术革命的序幕。

一、早期蒸汽机的发展

蒸汽动力

早在公元1世纪，希腊工程师希罗就已经认识到了可以将蒸汽的动力化为运动。当时蒸汽动力被用来使门户和神像自动转动，僧侣们借此骗取教徒的信任。1500多年之后，蒸汽的动力又被人们认识到，这次却要发挥革命性的力量。

技术革命的发展过程

早期蒸汽机的发展

1.巴本蒸汽机：法国人巴本1690年发明了第一部活塞式蒸汽机，但不能满足实用。

2.塞维利蒸汽机：英国工程师塞维利1698年制造了一种无活塞式蒸汽机用于排除矿井中的积水。

纽可门的空气蒸汽机

英国托马斯·纽可门（小五金商和铁匠）约翰·卡利（管子工和玻璃工）共同发明了最早的蒸汽机，以满足当时对机动水泵的紧迫需要。约1702年，纽可门曾就帕潘关于依据抽气机原理获得动力的思想同胡克通信。

纽可门蒸汽机：英国铁匠纽可门于1705年制成了较为实用的蒸汽机，他综合了巴本的汽缸活塞和塞维利能形成真空的凝气器装置的优点，研制了第一台包括工作机、动力机和传动机构的以三环节、分立性为特征的机器，比塞维利机的效率提高了5倍。

蒸汽机的原理：蒸汽冷凝产生真空；活塞在汽缸中的运动产生动力。

纽可门的发明解决了当时急需解决的深矿井排水难题，但使用代价太大1763年，瓦特应邀修理格拉斯哥大学的一具纽可门式蒸汽机。他成功地使之工作起来了，但是他对所产生的蒸汽量之大和工作汽缸尺寸之小，感到吃惊。

2、瓦特蒸汽机

布莱克

瓦特同格拉斯哥大学约瑟夫·布莱克一起讨论了蒸汽性质问题。思索如何提高蒸汽机的工作效率。

布莱克是潜热的发现者。据说在一次星期天的散步中，瓦特突然悟到了纽可门式的蒸汽机效率低下的结症所在。为了冷凝蒸汽和形成真空，纽可门式蒸汽机的工作汽缸必须冷却到水的沸点以下，一个冲程过后，又再次冲满蒸气时，因为汽缸已经冷却，就需要大量的蒸汽来加热汽缸，而这些蒸汽是白白浪费掉的。

单独冷凝室

继续钻研两年之后，瓦特终于想出了一个解决办法。采用一个能将蒸汽引入的第二室，叫作冷凝室。冷凝室持续保持冷却，工作汽缸一直保持高热。据此造出的一具实验模型工作十分良好高效率的蒸汽机，这台蒸汽机由于消除了每一个循环中因加热蒸汽室而造成的长时间停顿，所以作功更快。

布莱克对此印象深刻，以致借给瓦特一大笔钱使这项工作得以继续进行。

分离冷凝器的发明，对蒸汽机的发展起了关键性作用；其改进使蒸汽机的效率由纽可门机的1%提高以3%，耗煤量仅为纽可门机的1/4。瓦特采用了另外几项独创性的改进，比如让蒸汽在活塞两边交替进入和冷凝，这样就可以在两个方向交替驱动活塞。

旋转式蒸汽机

1781年，瓦特又发明了一些附加装置，巧妙地使活塞的往返运动转变为轮子的旋转运动。这样蒸汽机的动力可以大大灵活地被用于各种目的。

早期蒸汽机

瓦特蒸汽机技术新发明的意义

1. 1782年瓦特获得两项专利的意义，第一、使发动机从单动变为双动，这样从同一气缸容积可以产生两倍的功率；第二、使活塞在运动到1/2冲程时停止输入蒸汽，以后的1/2冲程完全利用输入蒸汽的膨胀力作功，大大节约了蒸汽的消耗。

2. 1787年瓦特研制的具有连杆、飞轮和离心调速器的双动旋转式蒸汽机的意义，使蒸汽机可以把直线的往复运动变为连续而均匀的圆周运动，可以经过传动装置带动一切机器运转，而成为“万能动力机”。

也正好在这个时候，阿克莱等人正在力求纺织工业的机械化，而蒸汽机成了一项适合时宜的发明。

机器代替手工操作

1. 纺织机的动力：蓄力→水力→蒸汽机

2. 阿克莱在纺织机械方面作了一些改进，使得许多工序可以用机器代替手工操作

3. 机器代替手工操作之后，产生的高效率使得手工劳动者永远失去了工作。

4. 愤怒的下岗工人们砸毁机器和工厂来出气。

不可估量的后果

1. 动力的产生不再受地方的限制

2. 以蒸汽机为动力的机械化劳动带来工厂内的大规模生产，工厂工人取代了手艺工人。

3. 围绕工厂的人口聚居，形成大量新兴的城市，平民窟急剧增加，农业萎靡不振。

4. 工业革命开始了。

蒸汽机的发明人

1.到1790年，瓦特的蒸汽机完全取代了老式的纽可门蒸汽机。

2.瓦特的蒸汽机如此优越，以致人们几乎遗忘了纽可门蒸汽机的存在。

3.瓦特开始被看作是蒸汽机的发明人。

4.瓦特是首次使蒸汽机的用途超过水泵。

蒸汽机时代技术的发展

1.迅速发展的机器制造业

1.1 1797年英国人享利·莫兹利发明带有移动刀架的车床，减轻了车工们繁重的体力劳动，提高了加工精度。

1.2 英国工程师惠特沃斯倡导机器零件螺纹标准化，为机器零件的标准化生产开辟了道路

2.钢铁工业的诞生与发展

2.1 英国人达比1709年首次采用焦炭炼铁并辅以鼓风设备，标志着大规模冶铁业的开端；

2.2 享利·科特1783年发明精煅法，使冶铁生产率提高15倍；

2.3 英国工程师贝塞墨发明转炉炼钢法，开辟了炼钢的新纪元；法国工程师马丁开创平炉炼钢法，确立了高炉、转炉、平炉的钢铁冶金生产体系。

蒸汽机时代技术的发展

3.蓬勃发展的运输工业

3.1 船舶技术

进入19世纪以后，在船舶的建造技术方面产生了两个根本性的变革：

一个就是蒸汽机作为船的动力；

另一个就是钢铁取代木材成为造船的主要材料。

富尔顿 Robert Fulton

真正使蒸汽船投入实际运用并获得商业上的成功的是美国人富尔顿（1765-1815）。1806年富尔顿回美国后建造了一条100吨的平底船，装备了一台20匹马力的蒸汽机。第二年这条叫“克勒蒙特”的蒸汽船在哈德逊河逆流从纽约驶到奥尔巴尼，32小时航行了240公里。以后“克勒蒙特”就成了哈德逊河上的定期航班。

明轮及其缺点

当时的蒸汽船采用船侧明轮推进方式。明轮有很大的缺点：

一是入水部分随船的吃水深浅而变化，影响拨水效果；

二是在风浪中行进时两侧明轮拨水的效果不一样，影响对行使方向的操纵

螺旋桨的发明

人们受到风车的启发，发明了螺旋桨。由于从风车借过来的，所以最初的螺旋桨叶都窄而长。1837年英国人史密斯（1809-1874）在试验螺旋桨汽船时，由于意外的事故把螺旋桨叶打断了半截，结果反而使船速提高了。于是人们认识到船用螺旋桨应该采用阔而短的桨叶。

3.2蒸汽机车的诞生

1804年崔威西克开始在道路上试验他的高压蒸汽机车，在一次试验中他的机车拉动5辆四轮货车，载着10吨铁、70个人，时速5英里（8.05公里）。19世纪头10年，崔威西克的高压蒸汽机应用于铁路机车。

蒸汽机车的大量推广则还归功于斯蒂芬森(George Stephenson 1781-1848)在机械方面的才能和商业上的聪明才智。1829年10月在利物浦到曼彻斯特的试验性比赛中，斯蒂芬森的火箭号机车以时速18英里（29公里）获得胜利。铁路时代开始了，人们对于机械牵引力的疑虑消除了，真正的铁路时代开始了。接下来的岁月里，蒸汽机车在使用中还要不断发展和完善。

近代第一次技术革命的特点和意义

特点

1. 以纺织革命为先导，导致了动力革命

2.以蒸汽动力为核心，形成了以三环节、分立性为特征的大机器体系。

3. 蒸汽动力革命是近代第一次技术革命的主要标志，动力技术取代古代的材料技术而成为技术革命的主角。

4.技术革命中的主要发明大多是工匠们长期实践经验的结晶，科学在技术发明中起了一定的作用。

意义

1. 技术革命导致了工业革命，在欧美掀起了工业革命的浪潮；

2. 技术革命不仅造成了生产力的巨大进步，而且从根本上摧毁了整个封建关系；

3. 技术革命使生产过程变成了科学的应用，成为19世纪科学走向全面繁荣的根本动力。

4. 技术革命导致的工业革命引起了社会阶级结构的大变动，使最革命、最先进的社会力量——无产阶级登上了历史舞台。

思考题

1. 近代第一次技术革命中有哪些重要的技术创造？

2. 瓦特在蒸汽机发展过程中作出了哪些重大贡献？其在技术史上起了怎样的划时代作用？

3. 如何认识技术革命在社会现代化中的作用？

本节主要参考书

1.关士续编著《科学技术史简编》第五章（黑龙江科学技术出版社）

2.李少白主编《科学技术史》第四章（华中工学院出版社）

3.王玉仓著《科技技术史》第二十章（中国人民大学出版社）

第二节：近代第二次技术革命

近代第二次技术革命的动因

电力技术的发展

内燃机技术的发展

电信技术的勃兴

近代第二次技术革命的意义

本节教学目的和要求

1. 了解近代第二次技术革命的社会背景和科学背景；

2. 了解近代第二次技术革命的发展过程及重要技术创造，重点掌握电力、内燃机和电信技术的发展过程及其重要意义；

3. 正确理解第二次技术革命中科学、技术与生产之间关系的新变化；

4. 正确认识近代两次技术革命及其影响的异同。

第二节：近代第二次技术革命

近代第二次技术革命的动因

1. 资本主义自由竞争全面发展的必然产物

2. 19世纪自然科学全面繁荣为新的技术革命奠定了科学基础

3. 以蒸汽机技术为标志的生产技术体系不能满足生产进一步发展的需求，迫切要求新的动力革命

电力技术的发展

1.发电机的发明与改进

1.1交流发电机：

皮克西和西门子分别于1832年和1850年研制了单向交流发电机；俄国雅布洛契柯夫制成多向交流发电机；意大利法拉里于1885年发明旋转磁场式电机，使交流发电机初具现代实用形。

直流发电机：法拉弟圆盘发电机

电动机的发明与改进

法拉第率先制成二相异步电动机模型，美国特斯拉1886年制成二相异步电动机，俄国多里沃1889年发明三相异步电动机、三相变压器和三相制输电，其鼠笼式异部电动机构造简单、经济、可靠。

输电技术的发展

3.1直流输电技术的初期发展

1882年法国德普勒建造了世界上第一条远距离直流输电实验线路，其中直流发电机发出1.5千瓦电力，输电线路长57千米；由于高电压大容量发电机制造困难，所以远距离输电所需的高压电不可能从直流发电机直接获得，尽管瑞典瑟雷等人做过技术上的改进，但直流系统的装置和运行方式仍十分复杂，造价昂贵。

3.2交流输电技术

1883——1885年，德国的高拉德和吉布斯、美国的威斯汀豪继发明和改进变压器；1890——1891年从法国劳芬到德国法兰克福架起了世界上第一条三相交流输电线路，全场170千米，在此基础上，欧美各国相继建立起远距离交流输电线路，三相交流的发电、变电、输送、分配和使用上的安全、经济、可靠和方便性，为发展电力工业开辟了广阔的前影。

内燃机技术的发展

内燃机的最初发明

蒸汽机的局限性：蒸汽机是一种外燃机，以外燃方式工作导致热效率低下，锅炉要承受高压，所以必须要用结实而厚重的材料制造，因而结构笨重、体积大，运行也不安全且操作复杂，不能随意启动和停止。内燃机作为一种使燃料直接在工作容器内燃烧放出热能并把它转化为机械功的动力机械，能克服蒸汽机的上述局限。

为内燃机准备

1. 17世纪下半叶，惠更斯设计过一种用火药为燃料的内燃动力机。但内燃的概念在当时还是早产儿。

2. 经过蒸汽机一个多世纪的实践，积累了大量的技术经验和理论知识。

3. 活塞、气门、轴承等机械结构；冶金、铸造、轧制、焊接等加工技术；

4. 卡诺等人对热机做功效率的理论研究，都为内燃机的产生做好了准备。

许多人的探索

1. 内燃机的发明经过了许多人的探索：

2. 1794年英国人斯特里特发明一种燃气发动机；1820年英国人塞西尔的燃气发动机初次运转成功，但为正蓬勃发展的蒸汽机所压制；1823年英国人布郎发明最初的实用内燃机； 1833年英国人莱特设计出实用的内燃机；1838年英国人巴尼特发明压缩式内燃机；1860年法国人雷诺制造出最初商品化的内燃机。

内燃机

法国发明家雷诺于1860年制成了第一台实用的内燃机，这是一台二冲程、无压缩、电点火的煤气机，它的效率不高，每马力需要100立方英尺煤气，热效率仅4%，电点火也不可靠，但毕竟平稳运行了，导致了内燃机实现了批量生产。

2.内燃机的重大技术突破

四冲程原理

1862年法国人德罗夏提出内燃机的等容燃烧四冲程（吸气、压缩、做功、排气）循环原理；为制造高效率内燃机奠定了科学基础。

第一台四冲程内燃机

1876年德国人奥托发明奥托循环机。他率先依据该原理研制成功第一台四冲程往复式活塞内燃机，这是第一台单缸卧式、4马力等容燃烧的煤气机。此机小巧紧凑，热效率高达12%—14%，这种内燃机得到大量推广，性能也不断提高。热效率在1894年达到20%以上。这是内燃机技术的一次跨跃，摆脱了对蒸汽机的模仿，获得了更高的机械效率；

3.内燃机的重大技术改进

1. 1883年德国人戴姆勒发明用于汽车的燃油发动机。在内燃机中首次使用汽化器；

2. 1890年英国人阿克罗特发明热球式内燃机；

3. 1892年德国人狄塞尔发明柴油机，发明压燃法。

3.内燃机的重大技术改进

狄塞尔——柴油发动机之父

1892年德国狄塞尔发明了柴油机。柴油机结构更简单，燃料更便宜，热效率更高，在20世纪20年代后被广泛应用于卡车、拖拉机、公共汽车、船舶和机车。

4.内燃机的广泛应用

内燃机特别是汽油机和柴油机的出现，得到广泛应用，对农业和交通运输业的发展来说，内燃机的重要性甚至于超过了电机。内燃机的发明导致了一系列新兴交通运输方式的诞生：导致了汽车工业的崛起；铁路运输技术的革新；1912年第一艘柴油机驱动的远洋轮船的建成；1903年美国莱特兄弟驾驶内燃机驱动的飞机首次飞上天空。

“第一辆”汽车

1826年英国的布朗制造出一台4马力的真空式煤气发动机，并把它装在一辆车上，驱动这辆车爬上了肯特郡的一个小山坡。但这辆车没有达到实际使用的水平，也没有引起人们的注意。不过美国《吉尼斯世界记录大全》还是把布朗的车列为世界上第一辆汽车。

戴姆勒 Gottlieb Daimler 1834-1900

1885戴姆勒研制成比当时一般内燃机转速高4倍的汽油机。他先把这台汽油机装在一辆自行车上，1886年他又把它装在一辆马车上，车辕改装成一套转向机构，这样就制成了一辆汽车。

本茨 Karl Benz 1844-1929

德国人本茨于1885年研制成三轮汽车，这辆三轮车由一个水平单缸的汽油机驱动，因为这台汽油机转速较低，这辆车的时速只有12公里。本茨对这种车型不断改进，于1888年出售。1893年本茨开始生产四轮汽车，汽车工业从此兴起。

本茨－戴勒姆公司

从此戴勒姆的事业开始兴旺发达，他不仅生产汽车，还生产大批汽油机出售，英国和法国汽车的发展就是从使用戴勒姆的发动机起步的。后来本茨公司和戴勒姆公司从竞争走向合并，建立了历史最悠久的汽车公司。

福特Henry Ford (1863-1947)

进入二十世纪后，各种零部件的改进使得汽车的优越性越来越明显。汽车开始投入大量的生产，1913年美国人福特开办的汽车厂采用惠特沃斯生产标准化零件的方法建立了装配线，日产1000辆汽车。福特被誉为“汽车大王”。

四、电信技术的勃兴

物质基础：大量电磁学实验和理论成果。

对无线电通讯来说，理论基础由麦克斯韦奠定，亨利·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz

1857-1894）使得人工产生电磁波产生可能。

三个方面的成果：有线电报、有线电话、无线通讯。

四、电信技术的勃兴

1、有线电报的三个阶段

作为电学在通讯领域的运用，电报是人们最早尝试的一种形式，它大概经历了三个阶段：静电电报、电化学电报和电磁电报。

只有电磁电报才具有实际应用价值，主要归功于英国的科克（William Cook）、惠斯通（Charles Wheatstone）和美国的莫尔斯（Samuel Morse 1791-1872）的推广。

莫尔斯电码

莫尔斯发明的精华部分是他的电码。发报机送出的电流可以是短的或长的，它给磁铁以相应的作用力，并推动钢笔在纸带上自动记录。1837年11月莫尔斯传送电报到十英里远的地方。1843在华盛顿和巴尔的摩之间架设了最早的电报线。1844年5月24日在华盛顿最高法院首次用有线电报进行了公开通讯，电文内容取自《圣经》“上帝说要有什么，就有什么。”1845年组建了磁电报公司。到1848年，除佛罗里达州以外，密西西比和以东各州都入了电报网。

有线电话

电话的发明者是美国人贝尔（ Alexander Graham Bell 1847-1922）和他的助手华生。他们在1876年2月14日向美国政府递交电话专利申请。

贝尔电话的基本原理

贝尔想到，要传送人的语声，必须造出一种能随语言的音调而振动的连续电流。就是说，必须用电波来代替传递声音的空气波。1876年3月10日这是人类第一次用电话机传送的语言。

有线通信的局限性：

（1）只限于定点之间的通信，无法做到移动目标之间的通信；

（2）金属导线消耗的金属量巨大。敷设一公里电缆需要半吨铜，2吨铅；敷设海底电缆工程浩大，更需巨额投资；

（3）一般来说有线通信有可靠性高、保密性好的特点，但是自然和人为的原因也常造成线路故障。

这些局限性促使人们来思考是否可以不用导线来传输信息。

电磁波的预言和证实

麦克斯韦关于电磁波的预言和赫兹（1857-1894）的证实（1888），为无线通信作了理论和实践上的准备。但是赫兹没有预见到无线电通讯的现实可能性。

“无线电导体”

赫兹的实验鼓舞了其他科学家，他们尝试各种办法来通过无线电波传输信号。1890年法国人布兰利发现：封在玻璃管内的金属粉末（铜、铁、铝或镍粉），对一般直流电有很高电阻，因而不导电；但当电磁波通过这些金属粉末时，它们会凝集在一起，电导率大大增加，从绝缘体变为导体。

根据这一现象他制成了他称之为“无线电导体”的接收机。

粉末验波器

1894年利物浦大学教授洛奇改进了布兰利的“无线电导体”，并改称为粉末验波器，提高了它的灵敏度；还在相隔180英尺（约54米）的地方成功地接收到了电磁波。作为教授的洛奇没有意识到他的工作的实用价值，也没有申请专利。最后是意大利发明家马可尼（1874-1937）把一种无线电报投入到实用阶段。

马可尼（Guglielmo Marconi 1874-1937）1894年夏天，马可尼在阿尔卑斯山度假时读到一则年初去世的赫兹的工作报道，受到启发。

电报专利

1894年12月第一次获得成功的实验把信号传送至30英尺（9.15米）远。到1896年2月他能把信号传送到1.75英里（2.82公里）远。他向意大利政府请求资助而未获准，于是带着发报机和收报机来到英国，1896年6月2日，马可尼向英国政府提出了电报专利申请，并获准。

马可尼无线电报公司

1897年马可尼的收发报距离已经达到10英里。同年，以马可尼为主要股东组建了“无线电报和信号”公司。1899年在美国成立子公司，1900年更名为“马可尼无线电报公司”。无线电报使海上航行的安全得到保障。

诺贝尔物理学奖

1899年马可尼实现了横跨英吉利海峡的无线电通信。1901年12月12日马可尼引人注目地完成了横渡大西洋的无线电通讯。虽然当时只用莫尔斯电码发送和接收了一个英文字母“S”，但这一试验的成功标志着无线电报开始进入远距离通信的实用阶段。马可尼和另一位电报技术和阴极射线示波管发明者德国人布劳恩共同分享了1909年的诺贝尔物理学奖。

近代第二次技术革命的意义

1.极大地促进了社会生产力的发展

第二次技术革命中的电动机、发电机、内燃机和电信技术等新兴技术的广泛应用，极大地提高了劳动生产率，改善了劳动条件，使社会生产力呈直线上升趋势。19世纪最后30年里，世界工业生产总产值增加了两倍多。

2.加速了垄断资本主义的形成，引发了生产关系的变革

新技术使电力、通讯、冶金等生产部门和业务部门朝着垄断化方向发展。美国通用电气公司，贝尔电报电话公司、德国西门子电气公司等一批大型公司应运而生，加速了垄断资本主义的形成，加剧了资产阶级和无产阶级的矛盾，为爆发无产阶级革命，建立新兴的社会主义生产关系作了准备。

3.使科学、技术、生产之间的关系更加密切

第二次技术革命中的重大技术发明都是科学应用的成果，充分显示了科学已经成为重要的社会生产力，促使欧美各国更加重视发展科学技术，逐渐形成了“科学→技术→生产”的逻辑关系。

思考题

1. 近代第二次技术革命中电力、内燃机和电信技术有哪些重大技术发明确？

2. 电力技术在人类技术史上具有怎样的划时代作用？

3. 第二次技术革命中科学、技术与生产之间关系发生了什么新的变化？

4. 试比较近代两次技术革命及其影响的异同。

本节主要参考书

1. 关士续编著《科学技术史简编》第八章（黑龙江科学技术出版社）

2. 李少白主编《科学技术史》第五章（华中工学院出版社）

3. 王玉仓著《科技技术史》第二十二章（中国人民大学出版社）

第三节：科学技术革命

与欧美社会现代化

科学文化在欧美的传播

欧美各国科学体制的建立

近代科学技术革命与欧美各国的崛起

欧美各国现代化的启示

本节教学目的和要求

1. 了解近代科学文化在欧美传播的发展过程；

2. 理解欧美科学技术体制化对科学技术的重要作用；

3. 正确认识近代两次技术革命对欧美各国社会现代化的重大作用。

一、科学文化在欧美的传播

文艺复兴时期的意大利

16、17世纪的英国

18世纪的法国

19世纪的德国－美国－俄国

从意大利开始的科学复兴

文艺复兴的先驱彼特拉克（1304-1374）倡导恢复良好的古典拉丁语，代替经院哲学派的非正规拉丁语。尤其是恢复古典思想中追求理想和自由的真精神。彼特拉克走在了时代的前面。到十五世纪初，人们对古典文献的兴趣不断增加，有许多希腊人从东方来到意大利，他们能用现代语教授古语。

从意大利开始的科学复兴

重新认识希腊精神

居住在东罗马帝国首都的大批学者带着手稿来到意大利定居。古代哲学和科学的语言在经历了八九百年之后，又重新被西方学者所熟悉。尤其重要的是人们重新认识到了包含在这些希腊古籍中的自由探讨的精神。

始于英国的“启蒙运动”

首“启蒙运动”诞生于17世纪的英国，导致一个国王身分离（查理一世于1649年）和一个国王被废黜（詹姆斯二世于1688年）。猛烈批判教会的权威，批判国王及其宠臣的“神授权力”尽力谋求思想和言论的自由，“启蒙”人民，引导他们为自己的合法权益而斗争，反对任何剥削和压迫

法国的《百科全书》派

启蒙运动从英国传播到法国，又传播到德国和其他国家。这中间伏尔泰起到了极大的作用。伏尔泰（François-Marie Arouet，1694-1778 )1726年到英国，在那里逗留了三年，结交了一些学术界的朋友，学习了牛顿的理论，参加了牛顿的葬礼。回法国后他极力宣传牛顿的理论，在1737年为牛顿的《原理》写了一篇评论

“伏尔泰时代”——“民主”与“科学”

1.伏尔泰更加有效地使牛顿的学说在非科学家中间流传开来。

2.他宣传宽容，同压迫进行持久而有效的斗争，以致有人认为十八世纪是“伏尔泰时代”。

3.他宣扬人本主义和博爱主义，公开反对狭隘爱国主义的自私和种种有害倾向。

知识的传播：法国《百科全书》

十八世纪里拉丁语迅速被各国国语取代。整个著作家队伍把普及知识包括科学知识作为自己的使命，以推动启蒙运动这一事业。其中百科全书的编撰是传播知识的重要手段。今天人们公认，十八世纪出版的著作中，最有影响的是法国的《百科全书》。约在1746年，狄德罗被委以规划一部新的《百科全书》的任务。

《百科全书》派主编：狄德罗、达朗贝尔。辞条撰写人：伏尔泰、卢梭、布丰、霍尔巴赫、欧勒、米拉波、孟德斯鸠等等，狄德罗是最多产的撰稿人和编者。《百科全书》把大量的篇幅用于科学和技术

启蒙运动的局限性

知识所传授的对象只限于上层和中层阶级，而没有也不可能普及到劳工阶级，在启蒙运动中赞同劳工阶级受教育的也寥若晨星：米拉波、亚当·斯密、朗福尔德。大众教育被完全疏忽了

二、欧美各国科学体制的建立

1. 英国科学体制：民间业余科学传统，科研机构遍布全国，科研社会化程度高，政府冷漠。道尔顿、戴维、杨、赖尔、焦耳、法拉第、麦克斯韦、达尔文

2. 法国科学体制：高度集中的科学管理体制，外省科研条件十分恶劣

3. 德国科学体制：面向工业发展科技，有机化学之父李比希，施旺、施莱登、微耳和、耐格里、魏斯曼，欧姆、楞次、赫尔姆荷兹。电力技术与内燃技术。

4.美国科学体制：实用主义传统，解决实际问题，技术发明，菲奇、富尔顿、莫尔斯电码、爱迪生，吉布斯、迈克尔逊。20世纪二战之后，成为基础科学的大国

5.俄国：罗巴切夫斯、门捷列夫

三、近代科学技术革命与欧美各国的崛起

1. 英国独占熬头

英国是近代第一次技术革命的发源地，以纺织业的机械化为开端，以蒸汽机的广泛应用为标志，带动了纺织工业、冶金工业、煤炭工业、交通运输业、机器制造业的飞跃发展。工业革命使英国率先成为世界上工业最先进的国家，获得了世界性的优势地位。

2. 法国异军突起

法国继英国之后成为近代科学技术的活动中心。法国借鉴英国的经验，采取提高科学在社会中的地位、发展科学教育和组建科学机构等方式，使科学中心从英国转移到法国，进而引进英国先进技术，迅速实现了工业化、现代化。

3.德国后来居上

直到19世纪40年代之前，德国还远比英国和法国落后。德国通过改革大学教育和建立工业实验室等方式促进了基础科学，尤其是技术科学的全面兴盛，内燃机技术、有机合成技术的推广应用，实现了工业生产和社会经济的迅速崛起，后来居上，成为世界科学技术新的中心。

4. 美国全面兴盛

美国直到独立战争以前科学技术和经济的水平都比较低下，独立战争后，美国通过法律形式和科技政策刺激科学技术进步，重视轻纺机械技术革命，优先发展交通新兴技术，建立大托拉斯组织，创办工业实验室，积极引进欧洲先进技术，鼓励技术创新，强化企业科学管理，使美国在20世纪20年代一举超越欧洲工业发达国家，成为世界新的科学技术中心和头号经济强国。

二.欧美各国现代化的启示

1.科学技术革命是现代化的前提条件

欧美各国工业化、现代化无一例外地以科学技术中心转移为前提，近代以来英、法、德、美等国的现代化历程展现了一个合乎理性的逻辑规律：科学兴盛→技术革命→工业增长→经济起飞→社会现代化。这就说明一个国家能否实现现代化关键取决于科学技术发达与否。只有依靠科学技术的进步才能推动国家的现代化。

2. 科学要发展，教育必须先行

综观欧美各国的现代化历程，无一例外地致力于发展教育事业。英国技工教育事业的兴起为工业革命培养了必不可少的技术人才；法国和德国的高等教育改革，为法国和德国后来居上培养了大量的优秀科技人才；美国大力发展集教育与研究于一体的新型高等教育体制，培养了一代又一代杰出的创新人才。科学技术的竞争归根到底是人才的竞争。只有大力发展科学教育事业，才能立于世界先进民族之林。

思考题

1. 近代科学文化在欧美是如何传播的？

2. 欧美科学技术体制化对科学技术的发展产生了怎样的作用；

3. 近代两次技术革命对欧美各国社会现代化产生了哪些重大作用？

本节主要参考书

1. 关士续编著《科学技术史简编》第四章（黑龙江科学技术出版社）

2. 李少白主编《科学技术史》第五章（华中工学院出版社）

3. 王玉仓著《科技技术史》第二十、二十二章（中国人民大学出版社）

第四章物理学革命

教学目的和要求

1. 了解19世纪末物理学三大实验发现的内容及其意义；

2. 掌握相对论和量子论的基本概念和原理；

3. 把握相对论和量子论在现代物理学和整个自然科学乃至哲学发展史上的重要地位及其深远影响；

4. 正确理解科学发展的内在矛盾运动规律以及科学与哲学的关系；

第四章 物理学革命

第一节：经典物理学的顶峰与危机

第二节：相对论的诞生

第三节：量子物理学的建立

第四节：物理学革命与哲学

世纪之交科学家眼中的物理学

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（W. Thomson， 1824-1907）发表新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。

两朵乌云

1. 但在展望20世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。

2. 正是这“两朵乌云”和“三大实验发现”引起了“物理学革命”。

第一节：经典物理学的顶峰与危机

19世纪末物理学的三大发现：X射线的发现、放射性的发现、电子的发现

三大实验发现诱发了经典物理学危机

本节教学目的和要求

1. 了解19世纪末物理学家的科学观；

2. 把握19世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容；

3. 重点理解19世纪末物理学三大实验发现与经典物理学理论的冲突及其诱发的“物理学危机”。

关于阴极射线本性的争论

1. X射线的发现起源于对阴极射线的研究，1856年德国盖斯勒放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为“阴极射线”。

2. 围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。

1.X射线的发现

1895年11月10日，德国物理学家伦琴（Wilhelm Konrad Rontgen 1854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做X射线。

偶然性？

X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然性开辟道路的典型例证。在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因疏忽而与重大发现擦肩而过。伦琴因发现X射线荣获1901年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。

2.放射性的发现

伦琴发现的X射线引起法国物理学家贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel ，1852 -1908）的兴趣。因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X射线。贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物——硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。居里夫人在1898年把这种现象命名为放射性。

居里夫人

1. X射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Curie，1867-1934）对放射线的研究兴趣。

2. 在对铀矿物放射性的研究中，她发现某些铀矿物的放射性特别强，并断定这额外的放射性是由未知的放射性元素造成的。

3. 为了寻找这种未知元素，她的丈夫居里（1859-1906）也加入到了她的工作中来。

钋和镭

1. 1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新元素的粉末，这种新元素被命名为钋，放射性比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀矿石强烈的放射现象。

2. 1898年12月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。 1902年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出十分之一克的镭。

两个诺贝尔奖

1. 1903年居里夫人因对放射线的研究与贝克勒尔和她的丈夫分享了该年度的诺贝尔物理学奖；

2. 1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。

放射性物质发现的重要意义

给科学家提出了新的课题

一是要判明放出的射线是什么？

二是查清物质放出射线以后变成了什么？

1899年卢瑟福等人通过实验发现，天然放射线是由带正电的射线α和带负电的射线β组成的。

3.电子的发现

英国物理学家汤姆逊（ Joseph Thomson1856-1940）在1897证实阴极射线在电场中偏转，从而断定阴极射线是一种带电粒子。他进而测定了阴极射线粒子的荷质比，发现这种粒子的质量只有氢原子质量的一个很小的分数值（现在值为1/1837）。

3.电子的发现

1. 汤姆逊就这样打破了原子不可再分的传统观念，打开了亚原子的大门。

2. 后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做电子。

3. Thomson被认为是电子的发现者，并因此获得1906年诺贝尔物理学奖。

4. 此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。

三大实验发现诱发了经典物理学危机

1. 三大实验发现打开了经典物理学的缺口：

第一，原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了电子、X射线和γ射线；

第二，原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可蜕变为另一种元素；

第三，原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动速度变化而变化，质量似乎不守恒了；

第四，原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；

第五，原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释放，质量也不断减小。

2. 三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，唯心主义趁虚而入。

思考题

1. 19世纪末物理学家普遍是怎样看待物理学及其发展前景的？

2. 简述19世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容。

3. 为什么说19世纪末物理学三大实验发现诱发了“物理学危机”？应该如何看待这场危机？

本节主要参考书

1. [德]劳厄著《物理学史》（商务印书馆）

2. [美]乔治·伽莫夫著《物理学发展史》（商务印书馆）

3. [美]弗·卡约里著《物理学史》（广西师范大学出版社）

4. 王玉仓著《科学技术史》（中国人民大学出版社）

第二节：相对论的诞生

相对论产生的科学背景

1.“以太风”测定的零结果

2.洛仑兹的理论

3.彭伽勒的思想

爱因斯坦生平及主要贡献

1. 生平

2. 主要科学贡献

狭义相对论

1.狭义相对论的创立

2. 时空观的变革

3. 狭义相对论的局限性

广义相对论及其验证

1. 广义相对论的提出

2. 验证广义相对论的三大效应

本节教学目的和要求

1. 了解相对论产生的科学背景；

2. 了解爱因斯坦的主要科学贡献与思想方法；

3. 掌握狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要结论；

4. 深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。

一、相对论产生的科学背景

1. “以太风”测定的零结果

17世纪到19世纪末，科学家们为了寻找一种力学模型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了大部分光学现象。某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验的证实。

寻找以太

1. 1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。

2. 以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。

3. 1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的运动速度的一个方案。

迈克耳逊（A．A．Michelson，1852-1931）看到公开发表的麦克斯韦的信之后，尝试去做这个实验。

迈克耳逊先单独做了一个实验来测量地球穿过以太的效应，1881年他发表结果说没有发现地球相对于以太的可以检测的运动。几年后他又与一名化学教授莫雷（1838-1923）合作，以更高的精度重复了这个实验，1887年他们公布实验结果，仍然没有发现地球相对于以太的运动。在以太这个参考系中光速是均匀的，所以通过测量不同方向上光的视速度，比较它们的差异，就可以确定地球相对于以太的速度。

光程差

1. 假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风，那么相对实验室的光速，从A到C为c-v，从C到A为c+v，

2. 在AB和BA方向光速为(c2-v2)1/2。

3. 如果AB=AC=L，那么光在AB、AC间往返所需的时间分别为：

4. t1=2L/(c(1-v2/c2)1/2)和t2=t1/(1-v2/c2)1/2

5. 两者之差△t，忽略高阶小项后，为Lv2/c3。相应的光程差为Lv2/c2。

条纹移动数0.37

1. 实验仪器转动90度，使得以太风从A到B，于是光程差为- lv2/c2，转动前后的总变化为2lv2/c2。

2. 设λ为实验所用光的波长，那么光程差的改变相应于条纹移动数n为2lv2/(λc2)。

3. 迈克耳逊-莫雷的实验长度为11米，波长等于5.9×10-7米。以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒30公里，那么n约等于0.37。

4. 0.37个条纹的移动在当时已经足够被观测到了。

无法观察到预期结果

1. 为了保证精确，迈克耳逊和莫雷把实验仪器浮在水银上面，当仪器缓慢转动时连续读数。他们发现最大的位移不超过1%个条纹。

2. 实验无法观察到预期的0.37个条纹的移动。

3. 他们还在一天的不同时间和相隔六个月后重复做这个实验，均未发现任何条纹移动。

对零结果的可能解释

以太随着地球一起运动，但这将使以太变得毫无意义。或者，地球相当于以太静止，但这几乎是要倒退到中世纪以前的地心宇宙说。或者，根本没有以太这种东西，但是光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。

“大失败”

1. 迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。

2. 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基。

3. 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。

迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西，为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验的零结果。

其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。

兹杰拉德

1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901）对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生一定比例的收缩，既(1-v2/c2)1/2的比例收缩（v为物体与以太的相对速度，c为光速）。收缩的量随物体运动速率的增加而增加。按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在内，都要以同样的方式相应地收缩。

洛仑兹的理论

荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz 1853-1928）在1904年发表的《以小于光速的任何速度运动着的体系中的电磁现象》中把长度收缩归结为一种特殊的动力学过程：相对于以太运动的物体在运动方向上发生收缩；相对于以太静止的物体长度不会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。这就是绝对收缩理论，是以太理论面临严重威胁时为了维护旧传统运动观念而作出的最后一次尝试。

彭伽勒的思想

1895年，法国彭伽勒对用“长度收缩”假说来解释麦克尔逊实验进行批评；促使洛仑兹1904提出“电子论方程”，彭伽勒1904年提出相对性原理这一名称，认为无论对固定的观察者还是对作匀速运动的观察者，物理定律师是相同的。彭伽勒弥补了洛仑兹公式形式上的缺陷，第一次提出了“洛仑兹变换”的名称，为相对论的发展奠定了良好的数学基础。彭伽勒于1898年猜测到光速不变且各向同性，这与爱因斯坦对同时性的定义相当接近，但彭伽勒未考虑到同时性的相对性问题，没有对时间的绝对性问题提出异议。

二、爱因斯坦（Albert Einstein 1879-1955）

主要科学贡献

1905年被称作爱因斯坦的“奇迹年”，这一年爱因斯坦在《德国物理学年鉴》上发表了4篇论文，包括物理学方面三项重要的发展，《一个关于光的产生和转化的启发性观点》、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》、《论动体的电动力学》、《物体的惯性是否与它所含的能量有关？》。这一年他还完成了博士论文“分子大小的新测定方法”，获得博士学位。

主要科学贡献

1. 在第一篇文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出的量子论，首次提出光量子的概念。

2. 1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为他在光电效应方面的杰出贡献。

3. 在两个月后的第二篇论文中，爱因斯坦给出了布朗运动的数学分析。

4. 根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。

《论动体的电动力学》

1. 这一年对以后世界影响最大的一篇论文是《论动体的电动力学》，这篇后来被称为狭义相对论的论文，突破了牛顿的绝对时空观，把时间、空间和运动联系起来，建立了物理世界四维时空统一的理论；

2. 1916年建立广义相对论，把时间、空间和物质统一起来；

3. 1916年提出受激辐射理论；

4. 他晚年致力于引力场和电磁场统一起来的研究。

三、狭义相对论

1.狭义相对论的创立

爱因斯坦在《论动体的电动力学》中指出：“企图证实地球相对于‘光媒质’运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。

把猜想提升为公设

我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在虚空空间里总是以一确定的速度传播着，这速度与发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。‘光以太’的引用将被证明是多余的。

以上这一段话提出了狭义相对论的两条基本原理：

相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中是等价的；

光速不变性原理：光在真空中的传播速度为一常数c，与光源和观测者的运动状态无关。

抛弃了被认为是充满空间的以太和绝对的时空观。

洛伦兹变换

设惯性系K相对惯性系K′的运动速度为v（沿x轴），c为真空中的光速。则两个系统之间的长度和时间的洛伦兹变换公式为：

(1) x′= (x+vt)/(1-v2/c2)1/2

(2) y′= y

(3) z′= z

(4) t′= (t+(v/c2)x)/(1-v2/c2)1/2

爱因斯坦从相对性的基本原理和洛仑兹变换得出了狭义相对论的一系列结论：

1. 同时性的相对性2. 时钟变慢3. 长度收缩4. 物体的质量随速度变换5. 质能相关

6. 能量、动量的统一

时间的相对性（同时的相对性）：

考虑永久放在K′的原点上的一个按秒报时的时钟。t′= 0和t′= 1对应于该钟接连两声滴答。

洛伦兹变换的第一、第四方程给出t=0和t=1/(1-v2/c2)1/2。就是说从K来判断K′的1秒，实际上比1秒要长，因而该时钟走得慢了（钟慢效应）。这就是运动系的时间膨胀。显然当v = c时，时间停止了，但这是不可能的。这就是一般被称为的“时钟悖论”。

“双生子悖论”

“时钟悖论”后来转换更富戏剧色彩的“双生子悖论”，由法国物理学家朗之万提出。朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。如果双胞胎兄弟中的一个留在地球，另一个去作星际旅行，飞船速度足够大，直线飞向一颗恒星再飞回地球，最后旅行者发现在他出门的两年时间里，地球已经度过了两个世纪。哲学家伯格森说，他正是听了朗之万1911年4月关于相对论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。

长度的相对性（运动的长度缩短）

沿K′的x′轴放置一根米尺，令其一端与点x′= 0重合，另一端与点x′= 1重合。问米尺相对于K系的长度为何？由洛伦兹变换易知，在t=0时两点间的距离在K系中是(1-v2/c2)1/2，就是说以速度v运动着的米尺的长度是(1-v2/c2)1/2米。（尺缩效应）可见，当v = c时米尺的长度为零；v > c 时，平方根是虚数。

因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到也不能超过光速。

狭义相对论中质能关系（质能相关）

狭义相对论能量E =（m02c4+P2c2)1/2，动量P很小时，E≈m0c2+ P2/（2m0）。这样低速粒子的相对论能量为经典力学的动能加上常数项m0c2。如果粒子静止，则动量P等于0，则E=m*c2。质量是能量的一种存在形式E=m*c2把质量守恒与能量守恒联系了起来，质量也可以看作是能量的一种存在形式。也正是这个公式在理论上预言了使得原子弹的可能性。1克煤全部燃烧大约产生7000卡热量，如果把一克煤的全部原子彻底崩裂，根据质能关系式，大约会产生2×1013卡热量，是燃烧产能的30亿倍。

闵科夫斯基对狭义相对论的重构

闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱因斯坦数学。

闵科夫斯基发表论文，引进四维时空的概念，取代了孤立的三维空间加一维时间的不相容概念，

还把相对论转化为现代张量形式，在相对论中引进专用术语，并明确指出：以相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了。

“多余的技巧”？

一开始爱因斯坦没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论改写成张量形式是“多余的技巧”。但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来了，1916年他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。后来爱因斯坦强调说，如果没有闵科夫斯基，广义相对论也许还在襁褓中。

2. 时空观的变革

其一，创立了相对论的时空观

在牛顿的绝对时空观中，整个宇宙都有一个统一的时间。但狭义相对论否定了绝对时空，也就否定了绝对同时的观念。在狭义相对论中，同一个惯性系有统一的时间，可以确定两个事件的同时性，但在不同的惯性系中没有统一的同时性。

其二，论证了物质运动同时间、空间的相互联系、相互转化的辩证关系。

1. 时间和空间是统一的、客观的

2. 物质运动状况决定了时空的状况，因而时间与空间是可变的

3. 时间和空间互相依赖，在一定条件下相互转化

狭义相对论的时空观并不是对牛顿时空观的绝对否定，当物体的速度v＜＜c时，洛仑兹变换回到伽利略变换。

3. 狭义相对论的局限性

1. 狭义相对论未能解决经典力学的一个古老难题：为什么惯性系在物理上比其它坐标系都特殊、都优越？这一局限促使爱因斯坦作出扩大狭义相对论原理的物理内容的选择。

2. 狭义相对论与引力现象存在着矛盾，这一矛盾推动爱因斯坦为把引力现象纳入相对论而建立更广泛、更普遍的物理理论。

四、广义相对论及其验证

爱因斯坦从1907年着手建立广义相对论，到1913年发表《广义相对论和引力理论纲要》一文，进而于1916年发表《广义相对论的基础》，标志着广义相对论的最终建立。

1. 广义相对论两条基本原理的提出

2. 引力场的度规理论和引力场方程的建立

3. 广义相对论的意义

你为什么还要招惹其它一些事呢？

1. 当时的物理学家们正在慢慢领悟狭义相对论的精深含义时，广义相对论再一次把他们抛在后面。

2. 普朗克曾经以极大的热情欢迎狭义相对论，并成为爱因斯坦最早的支持者之一，他对爱因斯坦说：“现在一切都要解决了，你为什么还要招惹其它一些事呢？”

3. 爱因斯坦之所以这么做是因为他是一个天才，远远走在同代人的前面。他明白狭义相对论是不完满的，未能解决加速度和引力问题。

三个主要问题

1. 广义相对论理论的建立基于三个主要问题的处理。

2. 引力问题、等效原理、几何学和物理学的关系。

3. 理论的核心就是新的引力场定律和引力场方程。

1. 广义相对论两条基本原理的提出

1.1 爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等这一实验事实出发，通过理想升降机实验，提出了“等效原理”的假设：引力场同参考系的相当的加速度在物理上完全等价。

1.2. 同时，他把相对性原理从匀速运动系统推广到加速运动系统，提出“广义协变原理”：自然规律同参考系的状况无关，相对性运动原理对于作加速运动的参考系也同样成立。

2. 引力场的度规理论和引力场方程的建立

爱因斯坦以等效原理和广义协变原理为基础，借助张量分析和黎曼几何，提出了引力场的度规理论和引力场方程，建立起广义相对论的理论大厦。在他的场方程中把包括加速系统的空间几何结构和引力场视为一体，成为几何的结果。广义相对论所用的几何就是非欧几何的黎曼几何。

1. 广义相对论表明，在有引力场存在时，时空不再是平直的的闵可夫斯基空间，而是弯曲的黎曼空间，它的弯曲程度取决行物质的分布，在物质密度越大的地方，引力场就越强，时空就弯曲得越厉害，而在物质分布稀疏的地方，引力场就弱，时空也就弯曲得平缓一些；

2. 物质的分布决定了绝对时空的曲率，物体的动力学方程包含在场方程之中：所有物体都沿短程线运动，光线的路径就是短程路线。

验证广义相对论的三项预言

广义相对论提出了三项可供检验的预言，这就是：水星近日点进动、引力红移、光线弯曲

水星近日点进动

水星近日点发生着缓慢移动，这点早已被观测到，并且比较精确地确定了其进动速率为每100年1°33′20″。发生进动的主要原因是除了太阳的引力外，还存在其它行星的引力摄动。根据牛顿万有引力定律可以推算出水星的进动速率是每100年1°32′37″，这个数值与观测结果的差为每100年43″。在爱因斯坦之前，这一直是不解之谜。

预言跟观测结果符合

1916年爱因斯坦把这一现象解释为空间弯曲和光速变慢的结果。根据广义相对论，把太阳引力场看成是弯曲的空间，行星在此弯曲空间中的运动规律跟平方反比规律得到的结果有所差异，即使没有其它因素，行星公转一周，它的近日点也会进动6πK2m2/h2弧度 ，用水星的数值代入，结果正好是43″！预言跟观测结果符合，从而合理地解释了一直得不到解释的水星近日点43″的进动，同时也验证了广义相对论。

引力红移

根据广义相对论，光在引力场中前进时频率会发生改变，向红端移动。

这是因为光子具有引力质量，受到恒星的牵引，它在引力场中升高，就要消耗一定的能量，

光子的能量与频率成正比，如果能量损失，频率也就降低，频率降低就是波长加长，也就是谱线向红端移动。

强天体引力场的光线红移

1925年天文学家亚当斯发现了天狼星伴星的红移现象。该恒星是颗大质量天体，引力场很强，其引起的红移量是太阳引力场中的20倍。亚当斯对天狼星伴星和波江座40双星中的白矮星的红移现象的观测值与广义相对论的预言值符合得很好。本世纪60年代在地球引力场中证实了引力红移效应。

光线弯曲

按照广义相对论，在强引力场附近，空间是弯曲的，光线在弯曲空间里走的最短路线不是一般意义上的直线，光的路径随着空间的弯曲而弯曲。在牛顿力学中，认为光子也有重量，那么光线通过太阳附近是也会发生偏折，根据牛顿力学计算出来的偏折角是0.87″，而广义相对论预言的结果是1.75″，正好比牛顿力学所得出的大一倍。太阳系引力场最强的地方莫过于太阳附近了，所以验证这一点的最好机会是观测太阳边上的恒星位置，然后在太阳不在这个天区时再观测恒星的位置，前后比较后，就可以确定结果了。而太阳附近的恒星只有在发生日全食的时候才能观测到。

爱丁顿

爱因斯坦提出广义相对论的1915年，第一次世界大战刚进入第二个年头，科学家们也无暇去做天文实测。英国科学家爱丁顿在战时就通过荷兰人了解到德国人爱因斯坦的工作。等到1918年大战一结束，1919年5月29日有一次绝好的日全食机会。爱丁顿组织了两支考察队，一支到巴西北部，另一支他亲自率领到几内亚湾的普林西比岛。两支考察队都拍摄了太阳附近星空的照片，过了两个月后，再拍摄同一星空的对比照片。在该年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上，天文学家罗伊尔宣布：“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折”。

“科学革命”

第二天即1919年11月7日，历来谨慎的英国《泰晤士报》赫然出现醒目的标题文章：“科学革命”，两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”。11月8日《泰晤士报》接着刊登了题为“科学革命：爱因斯坦战胜了牛顿、杰出物理学家的观点”的文章，文中说“这件事成了下议院热烈讨论的话题”；物理学家、皇家学会会员、剑桥大学教授约瑟夫·拉摩“受到围攻，要求对牛顿是否被击败了、剑桥大学是否垮台了作出答复”。

爱因斯坦成了传奇人物

这项验证的公布引起了强烈反响，爱因斯坦成了传奇人物。《柏林画报》周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片。科学家、哲学家和历史学家们也纷纷就相对论发表评论。1921年爱因斯坦去伦敦，负责接待的霍尔丹勋爵在皇家学院以一次热情洋溢的演讲来把爱因斯坦介绍给英国科学家，并事先强调说“爱因斯坦已经到过威斯敏斯特大教堂瞻仰了牛顿墓地”。

理解他理论的人了了无几

人们都知道了爱因斯坦是个伟大的科学家，但是真正理解他的理论的人了了无几，事实表明，广义相对论的发展史比狭义相对论还要艰难曲折。很长一个时期，只有天文学家，而且只是那些研究宇宙学的天文学家对广义相对论感兴趣，物理学家则不然。1920年关于是否存在河外星系的“大辩论”组织者Abbot拒绝相对论作为一个可能的话题：“我向上帝祈祷，科学进步会把相对论送到第四维空间之外的某个地方，从此它永远不会回来折磨我们了。

3. 广义相对论的意义

广义相对论从物理和几何的角度揭示了时间、空间与物质之间的内在联系，彻底否定了绝对时空观，时空不再是可以离开物质而独立存在的实在客体，它不但由物质运动决定，更要决定于物质本身。

思考题

1. 相对论是在怎样的科学背景下诞生的？

2. 简述狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要结论。

3. 相对论时空观在科学上和哲学上有什么意义？

4. 从爱因斯坦的科学与哲学思想中受到哪些启迪？

本节主要参考书

[美]爱因斯坦著《爱因斯坦文集》（商务印书馆）

[美]伯恩斯坦著《阿尔伯特·爱因斯坦》（科学出版社）

[美]乔治·伽莫夫著《物理学发展史》（商务印书馆）

[德]劳厄著《物理学史》（商务印书馆）

[美]爱因斯坦、英费尔德著《物理学的进化》（上海科学技术出版社）

第三节：量子物理学的建立

黑体辐射与紫外灾变

普朗克的能量子假说

爱因斯坦的光量子假说

关于原子结构问题的探索

德布罗意的物质波

量子力学的建立

本节教学目的和要求

1. 了解量子论产生的科学背景；

2. 掌握量子物理学发展的基本线索及其主要理论的思想内涵；

3. 深刻理解量子力学的建立在物理学史上的重大意义。

一、黑体辐射与紫外灾变

1. 黑体是一种能全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物体。带有一微孔的空心金属球，非常接近于黑体，进入金属球小孔的辐射，经过多次吸收、反射、使射入的辐射实际上全部被吸收。当空腔受热时，空腔壁会发出辐射，极小部分通过小孔逸出。黑体是理想的吸收体，也是理想的发射体。

2. 任何物体只要高于绝对零度，就会以电磁波的形式向外辐射能量，在总辐射中各种波长所占的百分比是不同的。

黑体辐射研究

1859年基尔霍夫物体热辐射的发射本领e(v，T)和吸收本领a(v，T)的比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的辐射度。1879年斯特潘根据实验总结出黑体辐射总能量与黑体温度四次方成正比的关系

维恩公式

1893年维恩（Wien）得到“维恩位移定律”。维恩发现黑体的温度同辐射能量密度最大处的波长成反比。维恩公式在波长较短、温度较低时同实验结果很符合，但在长波部分却偏离很大。

瑞利——金斯定律：

1900年英国物理学家瑞利导出另一个辐射定律，辐射时强度正比于它的绝对温度而反比于所发光线波长的平方。瑞利公式在长波区和实验结果符合，而在短波区不符。而且当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大!理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾变”。

困扰物理学界的“紫外灾变”

对于由于总辐射本领在紫外部分趋向无穷大而形成的“紫外灾变”，一位叫琼斯的物理学家提出了“琼斯立方体”形象地表达了这一佯谬。“紫外灾变”困扰了当时的物理学界多年。

普朗克

德国物理学家普朗克（Max Planck 1858－1947）从考虑理想反射壁空腔内电磁辐射的平衡问题入手，引入一个谐振子的熵的定义，从该定义可以得到维恩辐射公式。

该定义中出现一个常数h，普朗克于1899年5月给出它的值为6.885×10-27，普朗克认识到这个常数的普遍意义。

二、普朗克的能量子假说

普朗克黑体辐射公式

为了解决“紫外灾变”带来的困难，德国物理学家普朗克（Max Planck 1858－1947）利用内插法，将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接起来。普朗克于1900年10月19日在柏林的德国物理学会会议上，给出了他导出的黑体辐射公式。这个辐射公式与当时的实验数据符合得非常好。并且消除了“紫外灾变”的矛盾。

熵的几率解释

普朗克原本非常反感热力学第二定律的几率解释。但为了解释那个辐射公式，他采取了他称之为的“孤注一掷”的行动。“一个理论上的解释必须给出，不管以任何代价。”这样，他开始接受玻耳兹曼的思想，考虑熵和几率之间的关系。根据玻耳兹曼，任意物理系统的任一状态的熵S＝k·lnW，W是这种状态出现的几率。ε= hν最后普朗克发现，辐射能量必须是一份一份的，每一份能量ε等于频率乘以常数h，即

ε= hν普朗克把这样的ε称作能量元或能量子。h后来便称为普朗克常数，它是宇宙的基本常数之一。1918年普朗克因提出能量子概念而获得诺贝尔物理学奖。

数学游戏？

1.普朗克“孤注一掷”提到的这个理论太具有革命性了，物理学家们不能马上接受。甚至也超出了普朗克本人的接受能力。

2.在接下来数年里他几次动摇对自己理论的信念。普朗克有时把它称作只不过是一种数学游戏。

3.1905年爱因斯坦提出光量子假说，支持普朗克的能量子理论。普朗克非但没有支持，甚至到了1909年还在反对光量子假说。

三、爱因斯坦的光量子假说

1905年爱因斯坦有一篇论文是关于光电效应的。光电效应是在此之前人们发现的一种现象：照射到金属表面上的光（特别是紫外光）能使金属带正电荷。发现电子以后，人们证明了这个效应是由于有电子从被照射的表面发射出来。

光电效应的两条实验规律：

对于给定的入射光频率，发射出的电子能量不变，但电子数目与光强成正比。

对某一种金属材料，存在一种临界频率；当入射光频率没有达到这个临界频率时，金属表面不会有电子发射出来；在入射光超过临界频率时，电子的能量与所用频率跟临界频率之差成正比。

3. 这两条实验结果与经典电磁理论的预言完全不符合。

光量子

爱因斯坦提出，发射出的电子能量由公式：E = hν- W 决定。W是与金属有关的功函数，hν是入射光量子的能量，是能量交换的最小单位。当一个光量子击中金属表面并与其中一个电子发生作用时，把它的全部能量都传给了电子。E = hν- W如果hν< W，电子从从光量子那里得不到足够的能量穿出金属表面，因而不会发生光电效应。而当hν> W时，就开始发射电子，而且电子能量随ν线性增加。这样，爱因斯坦一下子就解释了光电效应的神秘现象，并有力地支持了普朗克关于辐射量子的观念。

爱因斯坦的光量子假说深刻地揭示了光的波粒二象性。

诺贝尔奖

1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为他在光电效应方面的杰出贡献。然而，爱因斯坦在量子论这片池塘里投下一块石头后就转身他去。后来他更多地考虑用广义相对论来探索宇宙的本质，对量子力学方面的新进展他拒不接受。

四、关于原子结构问题的探索

4.1汤姆逊模型

电子发现后，英国的汤姆逊于1903年提出了著名的葡萄干蛋糕模型，认为均匀分布的正电荷球中嵌有带负电的电子，电子在平衡位置附近振动而发出一定的光谱线。这是一个充满错误的成功，他肯定了原子有结构，给以后的原子研究指明了方向。

4.2有核模型

作为汤姆逊的学生，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）却不喜欢汤姆逊的原子模型。卢瑟福知道一种叫做 粒子的新粒子是从不稳定的原子发射出来的具有极高能量的氦离子束，他决定这种新粒子当作炮弹来轰击原子，以探索原子的内部结构。

粒子散射

粒子在与原子带电部分发生相互作用时，会偏离原来的路径，由此产生的 粒子散射，可以揭示原子内部电荷分布的情况。卢瑟福让粒子流射到不同的金属薄片上，并对穿过薄片后向不同方向散射的 粒子的数目进行计数。散射结果与汤姆逊模型不符，根据记数结果，卢瑟福发现粒子穿过金属薄片后的散射是相当显著的。虽然多数粒子保持原来的运动方向，但有不少粒子偏转了很大角度，有的甚至被撞回来了。这个结果与汤姆逊原子模型预言的结果完全不符。按照汤姆逊的原子模型，原子的质量和电荷几乎是均匀地分布在整个原子中。入射粒子的电荷与原子内部的电荷之间的相互作用绝不会强到能使 粒子离开其原来的运动方向发生大角度的偏折，更不用说能把它撞回去了。

原子的核式模型

唯一可能的解释是原子的中心含有一个很小的核，这个核带有正电并且拥有原子的所有质子，所以也几乎拥有原子的所有质量。1911年，卢瑟福根据 粒子散射实验，发表了原子的核式结构模型：原子有一个小而重的带电的核，在它周围是一群在库仑吸力作用下绕核转动的电子。卢瑟福原子模型是对德谟克利特原子观——即认为原子是不可分割的无特征球体的观点的彻底取代。

4.3玻尔的原子模型

按照卢瑟福的原子模型，原子象一个微型的行星系，电子在库仑力的作用下绕原子核转动。在玻尔（Niels Bohr，1885-1962）看来，这样一个原子在经典力学下是不稳定的。一个绕原子核快速转动的电子相当于一个电振子，它会发射出电磁波，从而很快失去能量。不难算出，电子会沿螺旋线在一亿分之一秒的时间内落到原子核上。

电子动能的量子化

当然，事实并非如此，原子是完全稳定的结构。这里玻尔面临的是类似于“紫外灾害”这样的佯谬。解决的办法也是类似的。如果辐射能量只能取一定的最小数量或者是其倍数，那么为什么不能作同样的假设呢？

原子中电子的运动和它们所发射的光都是量子化的，电子从原子的高量子态跃迁到低量子态时就会发射光量子hν，其能量等于两能态之间的能量差。反之，如果有一入射光量子hν等于给定一原子的基态与激发态之间的能量差，此光量子就会被吸收，电子就能从低能级运动到高能级。

能态跃迁

1913年玻尔发表了他的能级原子模型。

玻尔理论的局限

玻尔是明确地把量子假说应用于原子模型并取得辉煌成就的第一位科学家。

在以后几年里，玻尔的原子结构理论一直在顺利发展。但玻尔理论在达到顶点之后，它所包含的矛盾也开始暴露出来。玻尔的氢原子模型过于简单，无法解释谱线的精细结构，对比氢复杂的元素，玻尔没有能够给出满意的原子模型。

五、德布罗意的物质波

法国物理学家德布罗意（Louis de Broglie 1892-1987）考虑到既然光作为一种物质客体具有波粒二象性，那么其它物质客体如电子、原子等是否也具有这样的性质呢？1923年他在博士论文《关于量子理论的研究》大胆地提出微观实物粒子也具有二象性的假说，并用类比法将表示光的波动性与粒子性的关系的公式用于实物粒子，得到了德布罗依公式。

德布罗意引入物质波的概念，指出电子不仅是粒子，也是波。λ＝h/p， p=mv为动量。把动量（粒子性）和波长（波动性）联结了起来。1924年他建立了波动力学基础。德布罗意认为物质粒子的运动伴随着某种引导波，这些波伴随粒子一起在空间传播。

德布罗依假说解释了玻尔理论中不能完满解决的问题，经爱因斯坦认同和应用，而引起物理学界的重视。其光辉预见于1927年经实验证实。

六、量子力学的建立

正当作为前期量子论（1900-1925）主干的玻尔理论面临严重障碍而处于停滞状态时，一批年轻的物理学家建立了一种新的量子力学。1925年24岁的德国物理学家海森堡（Werner Karl Heisenberg 1901－1976）在德国物理学家43岁的波恩（Max Born 1882-1970）和23岁的约尔丹的帮助下创立矩阵量子力学，对运动学和力学的各个方面给出量子论的解释。

5.1矩阵力学

海森堡的矩阵力学

海森堡认为，对于原子我们确切知道的只是它们发出的光谱频率、强度这些可观察的量，而没有任何实验可以证实电子是按一定轨道在运行。因此，玻尔的电子轨道概念很可能是一种虚构，应以原则上可观察的量之间的关系来建立原子新理论。

海森堡认为n是原子定态的量子数，光谱频率ω和振幅A是原子现象的可观察量，海森堡用频率和振幅表示了坐标。

泡利成功地把这种力学应用到了氢原子上。这种力学包含了一些新的思想，提供了扬弃轨道概念的可能性，只使用一些可观察到的量。哥廷根大学物理系主任玻恩和海森伯、约尔丹等人用矩阵这一数学工具，研究原子系统的规律，创立了矩阵力学，这个理论解决了旧量子论不能解决的有关原子理论的问题。

5.2波动力学

奥地利物理学界薛定谔（Erwin Schroinger 1887-1961）在从事原子光谱的研究时注意到，在原子光谙的复杂现象中，隐藏着一些简单的量子数，但它们不应像玻尔理论的那样直接从外部注入，而应运用一种数学方法由原子内部按自然方式产生。他设想正如几何光学是波动光学的近似一样，经典力学可能是波动力学的近似，即两者构成象征性比例式。

（经典力学：波动力学=几何光学：波动光学）

薛定谔根据这种类比，把德布罗依波推广到非自由态粒子上，于1926年创立了波动力学，提出了量子力学的波函数形式。指出电子并不是在环绕原子核公转，而仅仅是在核周围形成的一种“驻波”，所以位于某特定轨道上的电子并没有加速运动，因而也就不会辐射能量。

5.3殊途同归

矩阵力学与波动力学建立之初创立者之间的争论。1926年，薛定愕证明自己的波动力学与海森伯等所建立的矩阵力学在数学上是等价的。 海森堡的矩阵量子力学需要繁难的数学，而薛定鄂的波动方程在数学上与经典的波动力学没有什么不同，所以很快被人们接受。

5.4量子力学理论体系的完成

1. 量子力学建立以后，1926年玻恩等人提出了波函数的概率解释；1927年海森堡发现了不确定原理；1928年狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac 1902-1984）得出相对论波动方程；后来泡利（Wolfgang Pauli 1900-1958）提出不相容原理等，从而使量子力学发展为比较完善的理论体系

2. 狄拉克提出的狄拉克波动方程还预言了正电子的存在。

5.5量子理论的意义

1. 量子理论体系的建立从根本上改变了只承认联系性和机械力学决定论的传统观念，揭示出物质世界中统计决定论的因果观。

2. 1927年在意大利科莫为纪念伏打逝世100周年而举行的国际物理学讨论会上，玻尔作了关于量子力学的报告，被看做是量子力学的正式成立仪式。

思考题

1. 简述普朗克能量子假说、爱因斯坦光量子假说、波尔原子结构假说的基本思想及其共同点？

2. 简述德布罗依物质波假说的基本思想及其意义。

3. 简述矩阵力学与波动力学的异同。

4. 概述量子力学的建立在物理学史上的重大意义。

本节主要参考书

[美]伯恩斯坦著《阿尔伯特·爱因斯坦》（科学出版社）

[美]乔治·伽莫夫著《物理学发展史》（商务印书馆）

[德]劳厄著《物理学史》（商务印书馆）

[俄]瑞德尼克著《量子力学史话》（科学出版社）

[德]赫尔曼著《量子论初期史（1899-1913》（商务印书馆）

[丹]玻尔著《量子力学的出现》（科学出版社）

第四节：物理学革命与哲学

一场国际性的大论战

哥本哈根解释

统计解释

关于哥本哈根学派与爱因斯坦之争的评述

本节教学目的和要求

1. 了解量子力学的“波函数的统计解释”和“测不准关系”的涵义；

2. 了解哥本哈根学派与爱因斯坦等人之争的概况及其实质；

3. 深刻理解哥本哈根学派与爱因斯坦等人之争在物理学史乃至人类认识史上的重大意义。

一、一场国际性的大论战

1. 量子力学虽然建立了，但关于它的物理解释却众说纷坛，莫衷一是。

2. 波动方程中的所谓波究竞是什么?

3. 如何认识微观领域里的测不准关系?

4. 围绕上述问题哥本哈根学派与爱因斯坦等物理学家之间进行了旷日持久的论战。

1.1波函数的统计解释及其争论

1. 波动方程中的所谓波究竞是什么?

2. 薛定谔本人认为，它就是一种物质波，而其粒子性只是波的某种密集，即‘波包”。

3. 玻恩则认为，电子的粒子性是基本的，它的波函数表征的是电子这种粒子在某时某地出现的几率。

波函数的统计解释

某一时刻出现在某点附近体积元dV中的粒子的概率，与波函数模的平方成正比。

概率密度

波函数Ψ(x，y，z，t)的统计解释(哥本哈根解释)：波函数模的平方代表某时刻t在空间某点(x，y，z)附近单位体积内发现粒子的概率，即|Ψ| 2 代表概率密度。波函数的统计意义是波恩于1926年提出的。由于波恩在量子力学所作的基础研究，特别是波函数的统计解释，他与博特共享了1954年的诺贝尔物理学奖。

关于“波函数的统计解释”的不同理解

1926年，玻恩提出波函数服从统计原理，其哲学思想与哥本哈根学派一致，但两者对量子力学的解释有差异，尽管他们都承认几率的概念，但哥本哈根学派认为几率可以描述单个事件，而统计解释者则认为不能。爱因斯坦是统计解释的积极倡导者和宣传者，认为正是由于这种统计性质，才使得量子力学对微观系统的描述是不完备的。

波函数统计诠释涉及对世界本质的认识观念