第五章 17世纪至20世纪初的自然科学和文学艺术
第一节自然科学
素材
一、近代数学的建立
解析几何学的创立
解析几何学由法国数学家笛卡尔（1596—1650）和费尔玛（1601—1665）分别创立。
几何学是研究空间的形式和关系的学科，如长度、面积、体积的测量等。解析几何学是它的一个分支。解析几何的基本思想是：把一个图形看成是由点构成，把点和有序数组（坐标）对应起来，图形的几何性质就可表示为这些点的坐标之间的关系。这样，欧几里德几何学的直线在解析几何中不过是一次方程式：ax+by+c=0，曲线不过是二次方程式，圆不过是一个特殊的二次方程式。因此，解析几何学又称坐标几何学。解析几何学的所谓“解析的”，其意义实际是“代数的”，它实现了几何和代数的结合，即形和数的结合。
笛卡尔创造了由两条互相垂直的直线建立的坐标系统，分别用x和y表示，用坐标来描述空间。这样，他创立了解析几何学，把变量引入了数学。
和笛卡尔同时代的法国数学家费尔玛，在解析几何学的创立上也有一份荣誉。在笛卡尔的著作《几何学》问世前，费尔玛已经尝试过把代数应用于几何学。但是，费尔玛发表的东西很少，他的大部分发现都在书信中告诉巴黎的数学家。他的著作和书信一直到他逝世后才发表。
微积分学的发明
微积分学是微分学和积分学的统称，数学的一个重要分支。在微积分中最重要的基本概念是“极限”。微积分学在其建立初期遇到的最大麻烦，是曾经把无穷小量看成是一个很小很小的数。但不管这个数多么小，只要它是个固定的数，无限多个这样的“无限小”之和只能是无限大。可是在定积分的运算中，无限多个无限小之和却可以是个有限的量。这个无限小到底是怎么回事?当时无法做出一个从逻辑上令人满意的解释，只有“极限”的概念确立之后，才能做出解答。无限小不是个静止的量，也不是零，是在无限的变化的过程中以零为极限的量。恩格斯认为：微积分“本质上不外是辩证法在数学方面的运用”。
微积分的发明者是英国的牛顿和德国的莱布尼茨（1646—1716）。
二、牛顿力学体系的建立
牛顿
牛顿（1642—1727）是英国物理学家、天文学家、数学家。他对科学的贡献是多方面的。除发明微积分外，牛顿对光学也很有研究。他认为光是从发光体发射出来的微粒，这可以解释光的直进现象和反射定律。当时另有科学家提出了光的波动说。因此，17世纪时，关于光的本性的两种学说（微粒说和波动说）都已经被提出来了。牛顿对光学的另一个贡献是：他发现白光经过玻璃棱镜分成从红到紫等不同颜色的光，而不同颜色的光又可以经过棱镜合成为白光。这就揭开了物质的颜色之谜，原来物质的颜色是不同颜色的光在不同物体上有不同的反射率和折射率造成的。牛顿的发现对制成分光镜，建立光谱学起了重要作用。
牛顿的力学体系
牛顿最重要的科学贡献是建立经典力学的完整体系，被称为牛顿力学。1685～1686年牛顿写成了科学巨著《自然哲学的数学原理》，它在天文学家哈雷资助下于1687年出版。他在这一著作中，系统地阐述了运动三大定律和万有引力定律，概括了物体机械运动的基本规律。
牛顿第一定律，又称惯性定律：一切物体在不受外力作用时，总是保持匀速直线运动或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第二定律，又称加速度定律：物体运动的加速度与作用于物体上所有外力的合力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与外合力的方向相同。
牛顿第三定律，又称作用反作用定律：两个物体间的作用力和反作用力总是在同一直线上，大小相等，方向相反。
万有引力定律是自然界最普遍的定律之一。它是牛顿在当时天文学和力学成就的基础上，主要是根据开普勒三定律、落体运动规律和牛顿第二定律等，对天体的运动和地面上物体的运动，进行长期观察和研究所得出的成果。
三、电磁学的成就
吉尔伯特
近代磁学和电学的发展在很大程度上要归功于英国实验家吉尔伯特（1540—1603）。他把他17年研究的成果写入他的伟大著作《论磁石、磁体和地球这个大磁石；一种新生物学》，它于1600年出版。这部著作是他按照弗兰西斯·培根的教导，始终依靠实验的结果。它主要研究磁学，只有一章论述电学。以前，人们对磁效应和电效应一直混淆不清，吉尔伯特第一次明确地区分了电的吸引和磁的吸引。但他还没有摆脱中世纪的影响，以为磁石是一种具有灵魂那样的东西。他的重要贡献在于，把地球看成是个大磁石。他还推想，其他天体，尤其是太阳和月亮也有磁性。
奥斯特
奥斯特（1777—1851）是丹麦科学家。1820年，他在一次讲课时发现讲台上通电的导线可以引起旁边磁针的偏转。他的进一步研究表明，电流对磁针的影响可以穿过玻璃、金属和其他物质。奥斯特发现了电流的磁效应，把电学和磁学结合在一起。
法拉第
法拉第（1791—1867）是英国物理学家。出身于伦敦贫穷的铁匠家庭，没有机会接受良好的教育。14岁到一个书商家当装订书籍的学徒。他刻苦好学，在7年的学徒生涯中，废寝忘食地阅读了许多有关自然科学方面的书，终于自学成才，在科学研究上取得杰出成果，成为英国皇家学会会员。
在奥斯特发现电生磁以后，科学家面临的任务是用实验证明磁力对电的反作用。1821年，法拉第在日记中写下一个设想：用磁生电。但他的许多次实验失败了。经过10年时间的努力，到1831年他终于发现：当磁力作用发生变化的时候，线圈中就有电流产生。法拉第终于发现了机械能借助于电磁感应转化为电能的途径，确立了电磁感应基本定律，并创制成第一台感应发电机。
四、化学的进步
波义耳
波义耳（1627—1691）是英国化学家、物理学家，曾任英国皇家学会会长。他是培根的信徒，提倡把化学建立在大量实验的基础上。他给化学元素下了一个比较科学的定义：“元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或者是完全纯净的物质”，即不能再分解的物质。他主要的贡献是发现了“波义耳定律”：气体的体积在温度不变的条件下跟它所受的压力成反比。他还证明声音是由空气传播的，生命和燃烧都离不开空气。
燃素说
在人们的生活和生产活动中，火是历史最悠久、最普遍、最重要、又是最奇妙的化学现象。研究化学，自然首先从研究火开始。波义耳提出了火的微粒说。德国化学家斯塔尔（1660—1734）吸取了火的微粒说观点，提出燃素说。燃素说认为，火的微粒能够和其他元素结合而形成化合物，也能够用游离方式存在，由火的微粒构成的元素是燃素。物质燃烧时放出燃素，不燃烧的物质是因为缺少燃素。木柴等燃料不能自动放出燃素，要空气把燃素吸出来才能燃烧。由于燃素说能够解释当时知道的一些化学现象，炼金术逐渐被人们抛弃，化学从炼金术中解放出来。燃素说统治化学界达百年之久。
拉瓦锡
拉瓦锡（1743—1794）是法国化学家，法国科学院院士、英国皇家学会会员。
从18世纪中期起，欧洲科学家们相继发现各种气体，如二氧化碳、氢气、氮气。18世纪70年代，英国化学家普利斯特列先后发现了如氨、一氧化碳等多种气体，还发现了比空气的助燃性强好多倍的一种气体，即氧气。但是，他信仰燃素说，没有认识到自己这个发现的重要性。他访问巴黎时，把这个发现告诉了拉瓦锡。拉瓦锡敏感地认识到它的重要性，马上动手重复做这个实验。他把定量的汞和定量的空气一起加热，发现反应后剩余的气体不能助燃和维持生命，这是氮气；再把氧化汞加热，发现分解出来的气体能够强烈助燃，这就是氧气。1777年，他向巴黎科学院提交了《燃烧概论》的报告，其要点是：燃烧能够放出光和热；有氧气存在，物质才能燃烧；物质燃烧的时候吸收了氧气，所以燃烧后的产物变重了，增加的重量等于氧气的重量。拉瓦锡指出燃烧是一种氧化作用，揭开了燃烧之谜，给燃素说以致命的打击。
拉瓦锡还证明了动物呼吸也是一种氧化作用。他用实验证明水是由氢和氧两种元素组成的，改变了水是一种元素的传统观念。在定量分析化学反应前后的物质重量的时候，拉瓦锡发现物质反应前后的总量不变，这样就确立了化学反应中的质量守恒定律。
道尔顿
道尔顿（1766—1844）是英国物理学家、化学家、气象学家。他最大的贡献是创立了新的原子理论即道尔顿原子学说，奠定了近代化学和原子物理学的基础。
阿伏加德罗
阿伏加德罗（1776—1856）是意大利科学家。他在1811年的一篇论文中提出了分子的概念，把原子和分子区分开来。他指出，分子是由原子组成的，是具有物质特性的最小单位。
门捷列夫
门捷列夫（1834—1907）是俄国化学家。他曾任圣彼得堡大学化学教授。1869年，他发表了化学元素周期表，并科学地预言了当时未发现的一些元素及其性质。
五、生物学的巨大进步
哈维
哈维（1578—1657）是英国生理学家，实验生物学的先驱。1628年，他首次正确解释人的血液循环系统及心脏对血液循环的作用，为近代生理学奠定了基础。
林耐
林耐（1707—1778）是瑞典植物分类学家。在一度研究神学之后，他转向注意生物学和医学。他还出于对生物学的兴趣而周游列国，为后来撰写论著收集材料。林耐继承和发展了前人用生殖器官当做分类标准的办法，把植物分为纲、目、属、种。他根据植物的花来分类，把已经知道的植物分做24个纲；用一个名称代表植物的属，用另一个代表种。林耐的分类法是按照人为选定的标准（如生殖器官），而不是按照自然进化的亲缘关系来划分的，所以称为人为分类法。他的分类法在当时被广泛采用，到19世纪中期进化论建立以后才为自然分类法所代替。同分类法密切相关的是命名法。林耐创立了简便的拉丁文“双名制”命名法，又称双名法，即每种植物均用属名和种名的结合来命名。这使过去紊乱的植物名称归于统一，改变了世界上自古以来生物命名的混乱现象。后来，林耐的双名法被国际植物学会采纳，作为全世界统一采用的命名法。
细胞学说
细胞学说是德国植物学家施莱登（1804—1881）和动物学家施旺（1810—1882）于1839年创立的。它认为一切动植物都由细胞组成，每个细胞不仅能独立地活动，而且能作为整个机体的组成单位而行使其功能。1855年，德国细胞病理学家微尔和（1821—1902）提出，细胞只能由既存的细胞分裂产生。动植物的生长和繁殖是细胞分裂的结果。细胞学说被恩格斯认为是19世纪自然科学三大发现之一（其他两大发现是能量转化和进化论）。
达尔文及其进化论
达尔文（1809—1882）是英国博物学家，进化论的奠基人。他早年在剑桥大学学习神学。1831年起，他随“贝格尔号”考察舰进行环球考察5年。在整理考察资料和实物标本的基础上，经长期研究，于1859年出版了《物种起源》一书，确立了生物的进化论。他还通过《人类的由来及性选择》和《动物和植物在家养下的变异》等著作，提出性选择及人类起源的理论。他的学说是人类对生物界认识的伟大成就。
达尔文的进化理论认为，生物的进化主要是自然选择的结果。生物由于繁殖过剩，不可避免地存在种内和种间的生存竞争。生物经常发生的微小变异，在生存竞争中，有利于个体生存和后代繁殖的变异被保留，不利于个体生存和后代繁殖的变异被淘汰，这就是自然选择。由于自然选择的长期作用，有利的变异逐代积累，便形成新种。在不同的自然条件下，自然选择的方向不同，一个原始的物种会发生性状分歧，演变为多数物种。
达尔文的学说是生物科学的一次理论综合，对生物学的发展起了重大的作用。生物进化论的提出，也是人类思想史上划时代的大事。17世纪的牛顿把“造物主”（神）从无生命现象的研究领域驱逐出去了（虽然牛顿承认了上帝的第一推动力），19世纪的达尔文又把“造物主”从有生命现象的研究领域驱逐出去了。
巴斯德
巴斯德（1822—1895）是法国微生物家、化学家，近代微生物学奠基人。微生物是指一大类种类繁多的微小生物，包括细菌、酵母菌、霉菌、病毒等。巴斯德证明传染病是病源微生物引起的，开创了应用疫苗接种以预防狂犬病等传染病的方法。他证明发酵和食物腐败也是微生物的作用，发明加温灭菌法，解决了酒类、牛奶等食物在生产、储存和运输过程中变质的问题。
六、物理学的新时代
伦琴
伦琴（1845—1923）是德国物理学家。在电磁学兴起以后，科学家们对气体放射现象进行了深入研究。1879年，英国科学家克鲁克斯创制了一种高真空管，被称为克鲁克斯管。在这种管中，从阴极发射出的一种射线，称做阴极射线，碰到玻璃管壁等物质会发出荧光。伦琴对阴极射线作了研究。1895年，伦琴把一个克鲁克斯管放在纸盒里，又把纸盒放进暗室。在他给克鲁克斯管通电的时候，纸盒外的一块荧光板突然亮起来。这种类似现象，以前就有人观察到，但没有被重视。伦琴却敏锐地抓住这个现象。他想到一定有某种看不见的射线穿过纸盒，使荧光板发光。通过进一步的实验，他还发现，这种射线甚至可以透过黑纸使照相底片感光。他把这种奇妙的还不了解的射线称做X射线。这一年的12月，他发表了研究报告。科学界把发现X射线归功于伦琴，把X射线也叫做伦琴射线。
X射线很快被用于医疗工作；它在科学领域，把人们引向一个新的王国──微观世界。
居里夫妇
居里夫妇是法国科学家。丈夫叫皮埃尔·居里（1859—1906），是法国的物理学家。夫人叫玛丽·居里（1867—1934），是法国的物理学家、化学家。玛丽出生于波兰华沙一个教师的家庭，本姓斯克罗多夫斯卡。她家境贫困，但艰苦的生活磨炼出玛丽的坚强意志。她中学毕业时，因成绩优异而获得金质奖章。为了攒足学费上大学，她当了几年家庭教师。1891年，她考上法国巴黎大学。1895年大学毕业。同年，她和皮埃尔·居里结婚。居里夫人在研究工作中，发现沥青铀矿的放射性比放射性元素铀和钍强得多，她相信其中必定含有一种放射性更强的新元素。居里放下手头原有工作参加他妻子的实验。1898年，居里夫妇发现了新的放射性元素，为纪念居里夫人的祖国──波兰，取名叫“钋”。后来，他们又发现铀矿中还有一种放射性极强的未知元素，把它定名为“镭”。镭的拉丁文原意为“放射”。他们用沥青铀矿的废渣做原料，开始在一个破棚屋里提取纯镭盐。这是一个在极端困难条件下的工作，他们既是学者，又是技师、工人。繁重的劳动使他们筋疲力尽。但是，居里夫人的意志坚强，不达目的决不罢休。经过将近四年的艰苦奋斗，居里夫妇终于在1902年提取出氯化镭。1903年，居里夫妇等科学家获得了诺贝尔物理学奖。1906年，皮埃尔·居里因车祸不幸去世。居里夫人用超人的毅力克服各种困难，继续前进。1910年，她成功地提炼出纯金属镭；第二年，她又荣获诺贝尔化学奖。
爱因斯坦
爱因斯坦（1879—1955）是美籍德国物理学家。他出生于德国一个犹太人家庭，1933年因受纳粹政权迫害，迁居美国。爱因斯坦的科学成就具有划时代的意义。他的科学贡献可分为分子运动论、量子论和相对论三个方面，但最重要的是相对论。1905年他建立了狭义相对论，1916年又建立了广义相对论，从而揭示了空间和时间的辩证关系，加深了人们对物质和运动的认识，在科学上、哲学上都具有重要意义。