近代自然科學:近代自然科學產生的社會基礎和條件,航海運動與地理大發現,文藝復興運動

自然科學根據其發展的階段性大致可分為古代自然科學、近代自然科學和現代自然科學。原始社會、奴隸社會和封建社會早期，樸素、萌芽狀態的自然科學稱為古代自然科學。

近代自然科學則是指從16～19世紀這一時期的自然科學，又稱為近代實驗自然科學。19世紀末和20世紀是現代自然科學發展的時期。

從15世紀始，出現了全新的自然觀念。人是世界的中心，人高於自然。人類藉助科學發現和發明，掌握自然規律，就能夠合理利用自然，讓自然界為人類造福。近代自然科學在古代自然科學的基礎上產生，但又不同於古代自然科學。從古代自然科學發展到近代自然科學，這是人類對自然界認識的一次大飛躍，標誌著人類認識和改造自然的能力的提高。

15世紀中葉，資本主義政權陸續在歐洲各國建立，資產階級革命為近代自然科學的誕生提供了社會條件。在這同時，科學本身為爭得自己的獨立地位，擺脫宗教的桎梏，也進行了不屈不撓的鬥爭。許多科學家為堅持真理而獻身的精神，在科學史上寫下了壯麗的篇章，實驗科學的興起，更使自然科學有了獨立的實踐基礎。從此，近代自然科學開始了它的相對獨立發展的新時代。

基本介紹

中文名：近代自然科學
屬性：學術概念
社會基礎：資本主義生產方式的出現和發展
代表學科：天文，地理，物理，生物等
代表人物：達爾文，牛頓

近代自然科學產生的社會基礎和條件,航海運動與地理大發現,文藝復興運動,宗教改革運動,自然科學爭取獨立的偉大鬥爭,哥白尼的太陽中心說,血液循環理論的發現,科學實驗與實驗科學的興起,伽利略的貢獻,新哲學的激勵,有組織的科學活動,

近代自然科學產生的社會基礎和條件

歐洲從13世紀中葉開始，技術的社會套用促進了生產力的發展，導致資本主義生產方式的出現和發展。十四五世紀,在最早產生資本主義生產方式的義大利,手工業技術已有較高水平,家庭手工業已轉化為工場手工業。在14世紀,義大利的佛羅倫斯城已有毛織企業300多個,大約有3萬多毛織工人。由於有了用水力驅動的動力錘,可以鍛造較重的船錨,加上其他加工技術的進步,已能製造大型帆船,這更促進了海外貿易的發展。義大利威尼斯的各造船廠每年能製造上千艘船隻。義大利有了往來於地中海的商業船隊。十五六世紀,德國已有了用馬力和水力驅動的抽水機,使深坑採礦成為可能。德、法、意等國在15世紀後半期已出現了高10英尺、直徑5英尺的大型熔礦爐,實行了鼓風煉鐵法。英國的紡織業則著稱於歐洲。

技術的社會套用促進了生產力的發展,導致資本主義生產方式的出現和發展。指南針、印刷術與火藥大約在十二三世紀之後,陸續傳入歐洲。它們在歐洲的推廣和套用,為歐洲資本主義生產方式的產生與發展提供了重要的技術手段。13世紀指南針已在歐洲遍套用。造紙術、雕版印刷和活字印刷12世紀傳入歐洲,到1450年又有了德國人約翰·古騰堡的鉛錫銻合金鑄成的活字發明。廉價書籍的印刷出版,又使資產階級思想革命運動有了文化武器。火藥及火器的發明和使用,不僅改變了作戰方法,而且成了資產階級搗毀封建貴族統治的物質武器。所以馬克思曾把火藥、指南針、印刷術稱之為“預告資產階級社會到來的三大發明”。

資本主義生產方式的形成和發展,又促進了技術的社會套用。儘管各個階級都可以利用以往的和新的技術發明,但新興的資產階級更了解技術的作用,因而也就更主動地利用技術為建立自己的統治服務。當然,對此不能作概念化的理解。資本主義生產方式之所以在歐洲得以發展,近代科學技術之所以能在歐洲產生,是與歐洲特定的社會經濟條件相關的。恰如英國的貝爾納所指出的:“中古時代末期的歐洲文化,在物質方面或即便在知識方面,都不見得高於亞洲幾個大帝國的水平。至於歐洲所以能有較大希望,則只有用它的社會形式和經濟形式都比較缺少固定性和一致性去說明。”歐洲各國是莊園領主制的封建國家,始終未建立起穩固而統一的帝國,這一點與東方的封建帝國不同。封建領主為求其生存和發展,有著發展經濟的內在要求。這就給商人和手工業主的發展提供了生存和發展的餘地。歐洲的基督教教會勢力十分強大,教權幾乎控制了王權,在教權、王權、封建領主之間始終充滿矛盾。矛盾鬥爭的結果,使教權、王權削弱了,手工業主和商人反而從中獲得了利益。從1096年開始的十字軍東征是出於基督教擴張的目的發動的侵略戰爭,其結果以失敗而告終,但由此卻使歐洲人重新發現了希臘古典文化。它與神學的說教不同,有更大的世俗性,也更適應資產階級的需要。十字軍東征,還加速了海外貿易的發展,刺激了城市手工業和商業的興起。

資本主義生產方式的形成和發展，又促進了技術的社會套用。隨著資本主義生產方的產生，在歐洲出現了航海探險運動，文藝復興運動和宗教改革運動。這些由資產階級發動的經濟活動和文化運動，對近代自然科學的產生有著極為重要的影響。

航海運動與地理大發現

工商業的發展，使商人和工場主的經濟實力日益雄厚。他們不僅極力擴大歐洲各國間的貿易，又再次想到東方去尋找市場和黃金。在此欲望的驅使下，開始了大規模的航海探險活動。這種航海探險活動首先在葡萄牙和西班牙興起。1487年，葡萄牙人迪亞士率領船隊，沿非洲西岸南行，到達非洲最南端，證明了由此繼續航行可以到達印度。義大利人哥倫布得到西班牙國王的贊同和資助，於1490年8月經過70天的航行，到達美洲，並於1493年3月回到西班牙。15世紀末，義大利商人阿美利哥・味斯普奇再次前去美洲，後來使用他的名字將這塊大陸命名為阿美利加洲。葡萄牙人達伽馬沿迪亞士的航路於1497年繞過好望角，終於到達印度。麥哲倫又得到西班牙國王的支持，於1519年9月從西班牙出發渡過大西洋，繞過南美洲南端海峽，進入太平洋，到達印度，又繞過非洲，於1522年9月回到西班牙海岸，完成了人類歷史上第一次環球航行。

偉大的航海活動對經濟的影響是十分深遠的，不僅使航海者直接受益，而且推進了海外貿易，開闢了新市場，開拓了殖民地，掠奪了海外的原料和奴隸勞動力，大大加速了西歐資本主義生產關係的形成和發展。

航海活動首先需要科學技術的支持，同時又對科學技術的發展具有決定性的影響。航海活動和地理大發現，使人們看到了一個新的地球，開闊了人們的視野，擴展了人們的活動範圍和知識領域。這樣不僅使科學特別是天文學，地理學有了現實的經濟價值，而且使科學變成了大眾的科學。航海活動為天文學，地理學，動物學，植物學等自然科學的研究提供了大量的經驗事實，推動了科學觀念上的突破和新學科的建立。

文藝復興運動

近代自然科學的產生不僅需要有社會的政治條件和經濟基礎,而且要有文化條件。14世紀,發源於義大利的文藝復興運動為近代自然科學的產生提供了一個良好的文化條件。文藝復興運動是一次資產階級新文化運動。它打著復興古希臘文化的旗幟,倡導以人文主義為中心新思想,讚頌人的智慧和才能,提倡人性、個性解放和個性自由,批判宗教宣揚的來世思想和禁慾主義,肯定人是現實生活的創造者。它實際上用人性反對神性,崇尚理性,鄙薄信仰,歌頌世俗,蔑視天堂。人文主義者並不根本否定宗教,他們所反對的只是神權統治和封建教會的腐敗。長期以來受到宗教神學、經院哲學禁錮的歐洲人,在這場運動中,獲得了思想上的大解放,經歷了觀念上的一次大革命。文藝復興運動之所以在世界史上占有重要地位,原因也就在這裡,即它是人類歷史上的一場空前偉大的思想解放運動。文藝復興運動對科學發展的影響是多方面的。它破除了人們對神聖不可侵犯的信條的迷信,培育了自由研究的精神,引導了人們去觀察和研究自然和現實世界。文藝復興對科學的最重要的貢獻,則是培育了一批富有新鮮活力並有所建樹的自然科學家。他們在科學成果上也許不如後來的科學家,但正是他們開闢了科學史上的一個新時代。他們為科學而獻身的精神,一直鼓舞著後來的科學家。

在早期文藝復興的代表人物中間,最傑出的是義大利的達·文西(公元1482—1519)。他既是一位人文主義思想家、哲學家、藝術家,又是出色的工程師和科學家。高舉天文學革命旗幟的哥白尼(公元1473—1543)、科學的殉道者維薩里(公元1514—1564)等人都出在文藝復興運動中。正如恩格斯所指出的:“這是一次人類從來沒有經歷過的最偉大的、進步的變革,是一個需要巨人而且產生了巨人———在思維能力、熱情和性格方面,在多才多藝和學識淵博方面的巨人的時代”。

宗教改革運動

資產階級首先打起“文藝復興”的旗幟,在思想文化領域裡展開反封建的鬥爭,接著又以“宗教改革”的形式,掀起了反對教會特權的運動。由於教會在德國的統治最為殘酷,社會矛盾也更加尖銳,宗教改革運動首先在德國開始。這次運動的代表人物馬丁·路德(公元1483—1546)所提出的宗教改革學說,其核心就是“信仰可以獲救”。路德主張,只要自己信仰上帝,靈魂就可以獲救,人人有權讀聖經,人人可以通上帝,不需要有教會和教士的特權,也無需奢侈的宗教儀式。他在《九十五條論綱》中揭露了教會僧侶們的虛偽和腐朽。他反對教會利用“赦罪符”騙取民財。路德的主張代表了市民對宗教改革的要求,符合新興資產階級的願望,宗教改革運動很快在全國開展起來。繼路德之後,法國人加爾文(公元1509—1564)又發展了新教。加爾文的新教提倡並擁護私有財產,認為發家致富是光榮的,強調人要實現上帝所賦予的使命。新教很快傳播於歐洲各國。中世紀的歐洲,科學變成了神學的附庸。宗教改革運動對科學從神學中解放出來有積極作用。宗教改革者反對神父的權威,認為研究萬物是對上帝的愛戴,這些都是有利於自然科學發展的。近代歐洲的著名科學家中新教徒占很大的優勢,就是很好的證明。但是宗教改革與自然科學的關係是很複雜的,新教儘管在某些方面允許科學活動的存在,但當科學發現與宗教教義相牴觸的時候,新教徒照樣把科學的殉道者送上了火刑場,甚至比舊教還殘酷。自然科學為求得自己的生存和發展,必然還要經歷同神學的激烈搏鬥。

自然科學爭取獨立的偉大鬥爭

在自然科學為爭取獨立而同神學的鬥爭中, 有兩個突出的事件: 一是哥白尼的《天體運行論》的發表, 二是血液循環理論的提出。前者在對大宇宙———天體結構的解釋上, 把天地翻轉過來, 用太陽中心說推翻了被宗教奉為神明的托勒密地球中心說, 被稱之為近代科學史上的第一次科學革命———天文學革命; 後者在對小宇宙———人體結構的解釋上, 衝破了神學所說的人體內部不會有循環運動的信條, 使生理學、解剖學、醫學從神學中解放出來。這兩個事件作為劃時代的標誌而載入史冊。

哥白尼的太陽中心說

尼古拉·哥白尼於 1473 年 2 月 19 日出生在波蘭的一個商人家庭里。他在讀大學時就對數學和天文學發生了興趣, 養成了用天文儀器觀察天象的習慣。1496 年他到義大利留學, 學習法律和醫學,但仍花大量時間研究天文學。受義大利文藝復興思想的薰陶, 他立志改革天文學, 探討改進托勒密體系的可能性, 逐漸形成了日心說的觀點。回國之後, 到弗勞恩堡總教堂當牧師。在任牧師職務期間, 他建立了一座簡陋的天文台, 持續幾十年的天文觀測, 對大量的計算進行整理工作, 使他的日心說體系逐漸完善。開始只是寫了一個關於天體運動假設的《短論》, 後來又發表了一個《提綱》, 使更多的人了解了他的日心說的內容。在朋友們的再三鼓勵支持下,他終於公開出版了《天體運行論》一書。當 1543 年第一冊印好的書送到他的手中時, 他已處於彌留之際, 不久就逝世了。托勒密的地球中心說體系統治歐洲達 1000 年之久, 直到 14 世紀仍主宰著天文學。這個體系由於堅持地球不動的觀念, 用本輪和均輪這些幾何圓圈來調和與觀測結果的矛盾, 已變得日益繁瑣複雜。到哥白尼時代已增加到 77 個幾何圓圈, 但仍與觀測結果不符。哥白尼通過分析行星運動的資料, 發現每個行星都有自轉、公轉和軸的迴旋運動。如果構想地球也是運動的, 是否就可以使對天體運動的解釋變得簡單呢 ? 正如他自己所說: “有人在我之前已自由地想像他們要用哪些圓圈以便解釋天文現象。因此我想, 我不也可以嘗試一下, 假定地球具有某種運動, 看看能不能為天體的轉動比別人找到更加有效的論證。”一旦當他這樣做了之後, 托勒密體系中的好多圓圈就變得毫無必要了。但是構想地球是運動的, 必須克服認識上的兩個難題。這兩個難題在古希臘時代就提出來了, 一是如果地球是運動的, 從地球上觀測恆星, 就應該發現它在恆星背景上的位移差別, 但為什麼觀測不到恆星視差呢 ? 二是如果地球是運動的, 為什麼地球上的人卻感覺不到呢 ? 如果地球在運動, 地球上的一切東西就將飛散, 垂直上拋的物體將落在後面, 但事實又並非如此。托勒密就曾以此來反證地球是不動的。

為了解決第一個難題, 哥白尼進行過多年的觀測, 但毫無結果。於是哥白尼提出, 這是由於恆星距離我們太遠而視差太小的緣故。這種解釋是對的。直到 1838 年人們才藉助大型天文望遠鏡首次測得一個恆星的視差。對於第二個問題, 哥白尼的回答是: 地球上的東西之所以沒有因地球旋轉而飛散, 也沒有使上拋的物體落到後面去, 那是因為地球的運動已分給了那些物體, 它們隨地球一起運動。比如船隻靜靜地駛去, 實際上是船動, 但船里的人卻覺得自己是靜止的, 船外的東西好像都在動。哥白尼在這裡已有了運動相對性的明確概念了。哥白尼在《天體運行論》一書中, 系統地闡述了太陽中心說。其基本內容就是:(1) 太陽是宇宙的中心。從亞里士多德到托勒密, 都認為地球是宇宙的中心, 太陽繞地球運轉, 哥白尼則把天地翻轉過來; (2) 地球是運動的。地球不光繞太陽公轉, 它自身又每晝夜自西向東旋轉一周, 並用地球的自轉來解釋太陽和恆星的東升西落; (3) 月亮是地球的衛星。哥白尼認為, 地球帶著月亮繞太陽旋轉, 月亮是地球的“衛士”、“侍從”;(4) 金星、火星、木星、土星等各依自己的軌道繞太陽轉動。從地球上看這些行星時而在接近的方向上順行, 時而在相反的方向上逆行, 對於這種現象, 以往的天文學家一直認為是個謎, 哥白尼認為這是地球繞日運動與行星繞日運動複合反映的結果, 而不是因為別的行星動作奇特, 行蹤詭秘。哥白尼對天文學作出了不可磨滅的偉大貢獻。他通過精確的數學方法, 為人們提供了解釋行星運動的簡單方式。他把日心說的思想綜合成一個完整的行星理論, 為後來的克卜勒發現行星運動定律提供了必要前提, 也為牛頓解釋行星運動定律開闢了道路。當然,哥白尼的日心說還存在著不少缺陷, 如繼續採用了本輪和均輪概念, 保留了行星按正圓軌道運動的思想, 開始時與觀測結果還不能完全一致, 但不能因此而降低哥白尼的日心說的歷史作用。

《天體運行論》的發表, 是科學史上的一個里程碑。這是科學寫給神學的挑戰書, 也是科學宣布自己獨立的宣言書。哥白尼本人也深刻地意識到他的學說的革命性質, 預見到公開發表他的著作將給自己帶來的後果。因為長期以來, 科學與宗教迷信的鬥爭, 在宇宙結構問題上是最為敏感的地方。但是哥白尼經過幾十年的觀測和研究, 幾經猶豫, 終於以科學家應有的勇氣和信心, 發表了他的著作。正如他自己所說: “我深深地意識到, 由於人們因襲許多世紀以來的傳統觀念, 對於地球居於宇宙中心靜止不動的見解深信不疑, 所以我把運動歸之於地球的想法肯定會被他們看成是荒唐的行動。”他更預見到一些空談家們肯定會摘引聖經的字句對他的著作加以曲解和攻擊。對此, 哥白尼以對教會權威的蔑視態度和大無畏的精神, 鄭重表示: “我鄙視他們, 把他們的議論視同痴人說夢,加以摒棄。”由於《天體運行論》剛發表, 哥白尼便與世長辭, 教會無法加害於他。圍繞日心說而展開的科學反對宗教的鬥爭, 在哥白尼逝世之後便爆發了。

《天體運行論》發表後, 沒有立刻引起羅馬教廷的注意, 但經過布魯諾(公元 1548—1600)和伽利略(公元 1564—1642)的努力,不僅在知識界而且在民眾中廣為傳播開來。這就使教會大為恐慌,並組織了對哥白尼學說的圍剿。羅馬教廷對哥白尼學說的繼承者們實行了嚴酷的報復行動, 布魯諾慘遭教會殺害, 伽利略被終身監禁。1616 年, 《天體運行論》被列為禁書。布魯諾是義大利的一位唯物主義哲學家。由於他接受哥白尼學說而被革除教籍, 不得不於 1576 年逃出義大利, 在國外過了 16 年的流亡生活。在這期間他不僅到處宣傳哥白尼的學說, 猛烈抨擊宗教的陳腐教條, 而且進一步發展了哥白尼的宇宙體系。布魯諾認為, 宇宙是無邊際的, 沒有中心, 太陽只不過是太陽系的中心而已, 在宇宙中存在著無數個太陽系, 生命現象也不是地球上獨有的, 有些行星上也可能像地球一樣有生物存在。布魯諾的無限宇宙思想, 集中反映在《論無限性、宇宙及世界》一書中。布魯諾的無限宇宙是包羅一切的, 惟獨沒有給上帝留下任何位置, 因此教會也就不能容忍布魯諾的存在。1592 年, 羅馬教廷設圈套誘捕了布魯諾, 逼迫他“當眾悔罪”。但布魯諾在宗教裁判所的 8 年監禁和折磨中, 始終不屈。在宗教法庭向他宣布死刑的時候,他說: “你們比我要更感到恐懼。”1600 年 2 月 17 日布魯諾被燒死在羅馬的鮮花廣場上。由於害怕他在臨刑前發表演說, 宗教法庭還在事前割掉了他的舌頭。在科學反對宗教的鬥爭中, 科學家們曾用血和肉堅持了科學的真理, 這種精神一直為後人所景仰。

血液循環理論的發現

1543 年是科學史上值得記憶的一年。在這一年裡不僅出版了《天體運行論》, 而且出版了維薩留斯的《人體構造》一書。維薩留斯出生於比利時, 18 歲進入巴黎大學學醫。在大學期間就表現出他富有革新精神的個性。他對學校中醫學教學的保守方法深為不滿, 竟在深夜裡偷回絞刑架上犯人的屍體, 進行解剖。這在宗教觀念仍很盛行的 16 世紀, 確實是極其大膽的革命行動。因為“上帝厭惡流血”, 所以人體解剖在歐洲許多國家裡是被禁止的。

維薩留斯在擔任教授之後, 仍然堅持進行解剖, 他認為“注重實際的解剖結果勝於思辨”。根據他自己通過解剖進行觀察研究的結果,指出了古希臘醫學家蓋侖學說的許多錯誤。在《人體構造》這本書里, 他詳細地記敘了關於人體骨骼、肌肉、血液以及各種器官的解剖結果, 並附有 300 多張精巧的解剖圖。他批判了蓋侖所說的血液可以通過人的心臟中隔從右心室滲入左心室的錯誤結論。通過解剖實踐證明, 人的心臟中隔很厚, 並由肌肉組成, 血液是不可能通過中隔從右心室流到左心室的。儘管他在當時還不能指明血液是怎樣從右心室流到左心室的, 但他卻開闢了通過解剖研究血液循環理論的道路, 並對蓋侖醫學的錯誤予以否定。正像托勒密地心說的錯誤被教會絕對化、宗教化一樣, 教會也把蓋侖學說的錯誤加以利用,為宗教目的服務。因此, 維薩留斯也遭到了教會的迫害。宗教裁判所以“巫師”、“盜屍”等罪名判處他死刑, 只因他是西班牙國王的御醫而倖免, 但財產被全部沒收。以後教會又逼迫他去耶路撒冷朝聖, 以“懺悔罪過”。在朝聖的歸途中, 他困死在希臘的一個島上。

西班牙醫生塞爾維特(公元 1511—1553)繼承了維薩留斯關於血液的研究成果。他在匿名出版的《基督教的復興》一書中指出:人體內只有一種血液, 靜脈血和動脈血在本質上是同一的。人的血液不是從右心室直接流向左心室, 而是經過肺部形成循環。即血液先從右心室被運到肺, 暗紅色的靜脈血在肺里攝取了吸入的空氣,變成了鮮紅色的血液, 再通過肺靜脈到達左心室成為動脈血。塞爾維特主張, 在血液里只有一種靈氣, 即神的惟一靈氣, 並不存在蓋侖所說的三種靈氣, 這被宗教認為是否定聖父、聖子、聖靈的“三位一體”的宗教教義。特別是塞爾維特主張靈魂本身就是血液, 這就等於把超自然的神歸結為自然物, 更遭到教會的反對。正當他要繼續探索整個人體血液機制的時候, 宗教裁判所以異端罪將其逮捕, 1553 年被判處火刑, 臨刑前還活活烤了他兩個小時。

提出整個人體內血液循環理論的人是英國醫生哈維 (公元1578—1657)。當布魯諾因支持哥白尼學說被燒死在羅馬鮮花廣場的時候, 哈維正在大學讀書。得知這一訊息, 他非常激動, 徹夜未眠。他深知在當時的條件下, 科學的結論如果違背宗教教義會給自己帶來什麼樣的後果。但是他從讀大學開始就要研究血液循環的機制問題的志向, 並沒有因宗教的迫害而改變。他試圖用機械的原理來解釋人體的血液運動。1628 年發表了他的著作《動物心臟與血液運動的解剖實習》, 論述了他的血液大循環理論。他通過邏輯證明和計算, 否定蓋侖所說的血液是在靜脈一端被製造出來, 又在動脈的末端被消耗乾淨的觀念。哈維指出, 如果那樣的話, 人的心臟一小時內要排出相當於人體三四倍的血液, 而肝臟是不可能在一小時之內造出這樣多的血液的。他根據解剖的事實提出, 血液只能在人體中循環。在動脈血與靜脈血之間應該有細小的血管 (毛細血管) , 使動脈血回到靜脈, 再進入心臟。哈維還否定了由於心臟的內在靈氣的衝擊而推動著血液運動的觀點, 第一個把血液循環的動因, 歸結為心臟肌肉的機械收縮。這一觀點大大加強了有機體是一種機器的觀念。後來證明, 有機體比當時人們所想像的要複雜得多, 哈維關於毛細血管的假說, 於 1660 年被義大利人馬爾比基在顯微鏡下觀察到了, 得到了完全的證實。這一發現消除了哈維血液循環理論的最後一個疑點。血液循環理論的建立是近代醫學、解剖學和生理學的新發現。在哈維以後, 比較解剖學、人體生理學、醫學獲得了進一步的發展。哈維的血液循環理論也曾遭到強烈的反對, 只是由於哈維又是國王的御醫, 才沒有受到人身摧殘。哈維的血液循環理論與哥白尼的日心說, 是近代科學革命中的兩顆光彩奪目的明珠。哈維曾把自己的理論同哥白尼的日心說作了類比, 指出: 正如眾星繞太陽循環運行, 太陽是世界的心臟那樣,人體的血液是通過“小太陽”———心臟作循環運動的。“心臟是生命的開始, 它是微型宇宙的太陽。”這就說明了地上和人間也存在著天上的運動, 進一步論證了世界的物質統一性。

科學實驗與實驗科學的興起

科學實驗是一種以認識自然為首要目的的實踐活動。它作為認識自然的研究方法, 在很多方面優於一般的觀察和生產實踐活動。雖然在古代就已經出現了科學實驗的萌芽和雛形, 但始終沒有成為科學家們普遍套用的科學方法。伴隨著自然科學同宗教神學、經院哲學的激烈鬥爭, 一批哲學家、科學家極力提倡科學實驗, 並把科學實驗作為科學戰勝對手、壯大自己力量的有力武器。由於科學實驗日益成為獨立的社會實踐方式, 不僅使近代自然知識有了特有的實踐基礎, 也促進了科學形態的變化, 出現了與古代實用科學、自然哲學不同的嶄新的科學形態, 即實驗科學。近代自然科學是建立在科學實驗基礎之上的實驗科學。

伽利略的貢獻

早在 13 世紀時, 羅吉爾·培根就曾提倡科學實驗, 由於時代的限制沒有產生多大影響。達·文西在反對教會和經院哲學的鬥爭中,主張向大自然請教, 提倡實驗方法, 認為科學如果不是從實驗中產生並以一種清晰實驗結束, 便是毫無用處的, 充滿荒謬的, 因為只有實驗才是確實性之母。達·文西被稱之為近代實驗科學的開路先鋒。近代實驗科學的奠基人和主要代表則是伽利略, 他生在義大利的比薩, 父親是個酷愛音樂和教學的貧困的貴族。父親的愛好和性格都在兒子身上重現。伽利略開始學的是醫學, 由於愛好數學, 轉而學習數學和物理學。通過對物理現象的獨立研究, 他發現了被奉為權威的亞里士多德的許多嚴重錯誤。儘管因此而遭到非議, 但他認為只要自己的觀點同經驗和理性相符合便是正確的, 至於是否和旁人觀點一致則毫不在乎。他一生不僅宣傳哥白尼的天文學說, 而且發展了日心說。他利用合成的鏡片, 製成了天文望遠鏡, 通過觀測到的新事實, 批駁了經院哲學的教條。經院哲學認為, 球狀天體是絕對完備的, 太陽毫無瑕疵, 宇宙間只能有一個環繞中心。伽利略卻用觀測事實宣布, 太陽有黑子, 月球表面有山谷, 木星有四個衛星, 猶如一個小太陽系。伽利略因用新的發現支持了哥白尼的學說, 被教會當做異端分子, 遭到了經院哲學的攻擊, 說他觸犯了亞里士多德的權威。1615 年, 羅馬教會傳訊伽利略, 教皇保羅五世警告他不得“持有、傳授或捍衛”哥白尼的理論。但是伽利略並沒有放棄自己的觀點, 他於 1632 年發表了轟動整個學術界的《關於兩大世界體系(托勒密的和哥白尼的)的對話》一書。這部著作被稱之為近代天文學的三部最偉大的傑作之一(另兩部是哥白尼的《天體運行論》和牛頓的《自然哲學的數學原理》)。1633 年伽利略因發表《對話》再次受到羅馬教會的傳訊, 遭到刑訊逼供。伽利略被迫宣布放棄信仰, 但仍被判處監禁。雖然如此, 他對科學的熱忱仍不減當年。在被監禁和半監禁的情況下, 在他一生的最後 9 年中,他一直進行著艱苦的科學研究工作, 完成了《關於兩種新科學(力學和運動的位置)的談話與數學證明》一書。這部書被秘密偷運到荷蘭於 1638 年出版。伽利略對天文學的貢獻固然重要, 從對科學的發展看, 他對力學的貢獻更為重要。由於伽利略的工作, 創立了動力學, 即關於運動物體的科學。亞里士多德認為物體下落的速度正比於物體的重量, 所以重物體要比輕物體降落得快。1586 年, 斯台文曾作過一次實驗, 把兩隻重量不同的鉛球從 30 英尺的高度同時落下, 發現它們幾乎同時落到木板上, 重物體並不比輕物體下落得更快。

據說, 伽利略也曾在比薩斜塔上作過類似的實驗。究竟伽利略是否作過這個實驗, 科學技術史界至今仍有不同看法。其實伽利略的重要貢獻並不在於作過一次實驗, 而是在於他作了一系列巧妙的落體實驗, 對實驗作出了理論分析, 並用數學方法對實驗結果定量地加以表示出來, 由此否定了亞里士多德的錯誤結論, 建立了自由落體運動的定量規律。為了弄清落體運動的過程和原因, 伽利略首先引入勻加速度的概念, 以區別於亞里士多德的勻速度。亞里士多德認為, 力是產生運動(速度)的原因; 伽利略通過實驗及理論分析表明, 力是產生加速度的原因, 力所引起的“不是物體的運動, 而是運動的改變”。自由落體的速度與落體重量無關, 但卻隨時間的增加而增加。其定量關係是: 降落速度 V 與時間 t 成正比, 降落距離 S 與時間 t的平方成正比。這就是自由落體定律。伽利略通過斜面實驗和擺的實驗檢驗了上述的結論。由於自由落體運動得太快, 不能直接測量它通過的距離和所用的時間。伽利略便設計和製造了一個光滑的斜面和平面, 讓黃銅小球沿斜面下滑到不同的預定距離, 再對其所用時間加以比較, 證明了所經距離之比與時間平方之比相等。通過斜面實驗還發現了一些新的重要事實: 小球的末速度與斜面的傾角無關, 僅隨垂直高度而變化; 獲得一定的末速度的小球, 當進入到一個平面之後, 如果沒有外力的作用, 且平面足夠長, 它就將按原有速度作勻速直線運動, 一直運動下去。由此又引出來一個重要的力學原理, 即物體在不受外力作用的條件下, 其運動速度將保持不變。這就是慣性定律。在這之前,自亞里士多德以來, 人們卻一直認為, 物體只有在不斷受到力的作用時才能運動。慣性定律則徹底否定了這個錯誤的結論, 這也證明了力是產生加速度的原因。為了消除空氣阻力對實驗中的運動物體的影響, 消除運動物體和斜面接觸時所產生的阻力(即摩擦力) , 伽利略又進行了單擺實驗, 證明了媒質的阻力在擺的振動中沒起多大作用, 同時證明了相同的擺擺動一次所花時間相同, 與擺的振幅大小無關。擺振動的同時性的發現, 使伽利略想到有可能製造擺鐘。他曾指示他的兒子和學生動手研製單擺鐘。在成功地把擺的振動和落體運動相類比之後, 伽利略又對拋射體的運動進行研究。按亞里士多德的衝力理論, 一個拋射體因獲得衝力而直線上升, 然後當衝力耗盡之後, 再在引力作用下垂直下降。伽利略則證明了一個沿平面運動的物體, 當運動到平面的盡頭時, 一方面按慣性原理則該物體應按同一方向勻速運動; 另一方面該物體因失去支撐, 按自由落體定律應垂直下落。這兩組運動組合起來, 便使該物體的運動路徑形成一個半拋物線。當把一個物體沿傾斜面上拋時, 它的路徑則恰好是一條拋物線。這可以用力的平行四邊形法則求出來。因此, 牛頓把伽利略說成是力的平行四邊形法則的發現者。

伽利略作為近代實驗科學的奠基人, 不僅以自己的實驗成果啟示人們如何去進行自然研究, 而且告誡人們必須用實驗去獲得物理學的基本原理和考核推理的結果, 而不能盲目相信書本。特別是伽利略還把實驗的觀測同數學的演繹結合起來, 而不是單純依靠經驗。伽利略的實驗方法、數學方法和分析方法, 深刻地影響了與他同代和在他以後的科學家們, 成為以後科學研究的基本方法。在伽利略的時代, 還有一些科學家們積極提倡實驗方法。英國的吉爾伯特(公元 1540—1605)就是其中之一。他讚賞工匠的經驗技能, 反對盲目信仰權威。吉爾伯特對磁學進行了多方面的實驗研究, 並把他寫成的書“獻給那些在實踐中尋求知識的人”。由於吉爾伯特是個御醫, 他曾在女皇伊莉莎白面前作過磁石實驗, 因而吉爾伯特的實驗活動和尊重科學實驗的思想, 在當時也有較大的社會影響。

新哲學的激勵

科學實驗活動的興起, 近代科學方法的建立, 還有賴於哲學的引導。在科學從中古時代向近代轉變的關頭, 有兩位傑出的哲學家積極倡導近代科學方法, 並對推動科學的發展有重要作用。一個是英國的弗蘭西斯·培根(公元 1561—1626); 一個是法國的笛卡兒(公元 1596—1650)。兩人雖然在哲學的基本傾向上不同, 性格也各異, 但他們都是看到了新科學的未來前景的人, 並用一種新哲學激勵人們去為新科學的發展而奮鬥。培根是一位堅持唯物主義傳統的哲學家, 在 17 世紀的哲學家中, 他以尊重工匠傳統而著稱。他認為, 當時學術上的弊端, 一方面是學者不和工匠的經驗接觸; 另一方面則是工匠沒有學問, 他主張學者傳統要和工匠傳統結合起來, 從而形成“經驗和理性職能的真正的合法的婚配”。這種結合將使工匠的手藝因運用科學方法變得更有成效; 學者們則從實際經驗中獲得教益, 並提高自己的水平。在他看來, 很多科學原理蘊藏在工匠的日常操作中, 這些操作經驗是科學的可貴源泉。

培根繼承了羅吉爾·培根、達·文西等人的思想, 強調了實驗對科學的極端重要性, 同時重視理性的作用, 最後建立了實驗歸納法。培根認為, 要得到正確的知識必須從事實出發, 通過實驗收集大量資料, 然後進行對比分析, 排除無關因素, 找出個別事物中的普遍規律。在《新工具》一書中, 他不僅闡明了歸納法的重要性,而且提供了歸納邏輯中判明因果聯繫的求同法、差異法和共變法。

培根一生並沒有作過一次實驗, 沒有提出一個自然科學概念,但不能因此而否定他對科學發展的貢獻。他除了對建立實驗科學方法論有貢獻外, 在科學的重要社會功能的認識上, 提出了“要征服自然, 必須服從自然”的思想。由於人對自然的科學理解和對自然的技術控制是相輔相成的, 因而培根又提出了“知識就是力量”的口號。他在烏托邦《新大西島》一書中, 勾畫了建立學者們的合作團體的計畫, 強調了學者們集體合作研究的重要性。在這種思想的倡導下, 17 世紀陸續建立了一批對後來科學發展有影響的科學組織。馬克思和恩格斯在評價他的貢獻時指出: “英國唯物主義和整個現代實驗科學的真正始祖是培根。”“按照他的學說, 感覺是完全可靠的, 是一切知識的泉源。科學是實驗的科學, 科學就在於用理性方法去整理感性材料。歸納、分析、比較、觀察和實驗是理性方法的主要條件。”

笛卡兒則倡導科學研究中的演繹法, 強調數學方法的意義。笛卡兒是法國著名的數學家, 他把代數方程和幾何學的曲線、曲面聯繫起來, 創立了解析幾何學, 使辯證法進入了數學, 並奠定了近代數學———實驗方法的基礎。他繼承了伽利略等人的思想, 認為科學與數學在本質上是同一的。在哲學上他是近代唯理論的代表, 強調理性在整個認識過程中的作用, 主張依靠人的理性來尋求可靠的知識。他認為科學始於懷疑, 倡導理性演繹法。他認為只有從不可懷疑的或不證自明的公理出發, 嚴格按照演繹法一步一步地進行推理, 才能推演出可靠的知識。他在一定程度上看到了單憑經驗不能提供關於事物的本質的知識, 但認為理性是一切知識的泉源又是片面的。不過他並不排斥實驗, 認為實驗的功能在於確立演繹的結果與物理實驗之間的一致性, 這又與培根的思想產生了共鳴。

笛卡爾致力於自然界觀察，並意識到只有牽涉空間的“運動”可以用數學處理。作為解析幾何的創始人，笛卡爾把數和幾何學聯繫起來，從而表明空間或廣延可以用代數公式表示。“他又引入現代數學符號以及運作方式，並且用x，y等字母代表未知線段，用a，b，c等字母代表已知數量，從而大大簡化了代數問題的解決。這在數學的現代革命過程中是具有重大意義的決定性一步，從此數學思考的重心就從幾何學的“形”轉移到代數學的“計算”上去了。由此，笛卡爾把科學的統一性建立在研究方法——數學上，而數學的確定性就保證了知識的確定性，從而在數學角度為近代科學建立了形上學的基礎。

培根與笛卡兒的觀點似乎是相互對立的, 其實他們是互相補充的。注重實驗經驗成為英國皇家學會和早期法國科學院的一項宗旨。18 世紀和以後的一些法國科學家奉行笛卡兒的原則, 在理論的創造上作出了貢獻。培根和笛卡兒都對科學的前景給予充分估計, 相信自然科學將使人類成為自然界的統治者和占有者, 並將給人類帶來更多的利益。

有組織的科學活動

由於伽利略、培根、笛卡兒所倡導的科學精神的傳播, 使一批科學家受到了感染。為促進實驗科學的發展, 一批有影響的由科學家組成的社團, 陸續在各國建立。13 世紀以來建立的大學本來應該在發揚新科學的精神方面作出貢獻, 然而由於教會的控制, 不僅把哲學變成了神學的婢女, 大學也變成了希臘童話中的灰姑娘。在近代科學產生時, 近代科學的先驅者們完全脫離了大學。為了適應新時代的需要, 必須有新的脫離教會控制的新組織。科學社團正是在這種需要中建立起來的。

在最早建立的科學社團中, 最有影響的有佛羅倫斯的西芒托學院或稱實驗學會。這是由伽利略的兩個傑出的學生維維安尼(公元1622—1703)、托里拆里(公元 1608—1647)發起建立的。在正式建立之前, 已經有了一個由貴族資助的實驗室, 配備有就當時來說很完善的科學儀器。各方面的科學家為了進行實驗和探討問題經常到這裡來聚會。西芒托學院是由這種非正式組織發展而來的。在這個實驗學會裡, 科學家們進行了許多實驗, 如關於空氣壓力的實驗,水和其液體的凝固實驗, 還對固體和液體的熱膨脹、電和磁的基本現象進行了研究。他們採用精密的實驗方法, 依觀察實驗的證據提出結論, 而不靠思辨的遐想。由於這是一種合作研究, 彼此間可以相互批評, 為使別人接受自己的結論, 惟一有效的辦法就是要提供實驗觀察和計算的結果。以至於後來英國的皇家學會也是這樣對思辨加以限制的。牛頓之所以厭惡科學上的思辨假說也是出於類似的原因。西芒托學院完全是由科學家自發組成的學術團體, 因缺乏支持僅活動了 10 餘年便中止了。

英國的皇家學會是由培根的實驗哲學的追隨者們的一個非正式團體發展而成的。大約從 1645 年開始, 以威爾金斯(公元 1614—1672)為首的一批年輕科學家每周在倫敦集會。在這個自稱為“哲學學會”的組織里, 他們進行實驗和討論科學問題, 涉及領域極其廣泛, 但其成員約定神學和政治不在他們討論的範圍之內。由於人員遷居和政治動亂, 哲學學會的活動曾中止一個時期, 到 1660 年,倫敦的科學家們又恢復集會, 並提出建立正式的科學機構, 目的在於探索實驗知識。1662 年 7 月 15 日, 蒙英王查理二世之特許, 創立了皇家學會, 創辦時成員大約有 100 人。皇家學會一開始就形成一種制度, 即在學會的會議上把具體的探索任務或研究項目分配給會員個人或小組, 並要求他們及時向學會匯報研究成果。因此, 在早期的學會會議上, 都是會員作報告或演說, 演示實驗, 展覽各種稀奇的東西, 並對由此而提出的各種問題進行討論。隨著時間的推移, 逐漸又建立了各種專門委員會, 用以推進各部門的活動。各學科委員會不僅進行關於天文學、生物學、化學等基礎理論的研究,還重視各種技術原理與工藝實踐的研究, 反映了這一時期英國科學與生產聯繫的特點。1633 年由學會幹事胡克起草的學會章程中明確規定: “皇家學會的任務和宗旨是增進關於自然事物的知識和一切有用的技藝、製造業、機械作業、引擎和用實驗從事發明。”英國皇家學會通過開展活動, 包括出版《皇家學會哲學學報》,不僅吸引了當時英國的一大批傑出的科學家, 激發了他們的創造活動, 在各個領域作出貢獻, 同時對各國的科學家也產生了深遠影響。幾乎與此同時, 在法國也有一批哲學家和科學家開始進行非正式的聚會活動, 到 1666 年經法國國王路易十四特許, 成立了皇家科學院, 有 12 位科學家被委任為院士, 院士由國王發給薪俸, 研究工作也得到國王的資助。17 世紀的德國也建立了許多社團, 諸如自然研究學會、實驗研究學會等。但是真正能與英國皇家學會、法國科學院並駕齊驅的德國科學社團則是柏林學院。這所學院是由微積分的創始人之一萊布尼茲(公元 1646—1716) 經多年規劃和不斷鼓吹的結果。雖然直到 1700 年才正式建立, 但必須將其看做是17 世紀的產物。

在科學社團的支持下, 開始出現了學術交流和傳播知識的新手段, 即科學期刊。如英國皇家學會的《皇家學會哲學學報》, 法國科學院的《皇家科學院史以及數學和物理的論文報告》、《外國學者論文報告集》, 柏林學院也創辦了自己的雜誌。

科學社團的建立, 促進了實驗科學的發展, 隨之也推動了科學儀器的進步。顯微鏡、望遠鏡、溫度計、氣壓計、抽氣機、擺鐘和一些船用儀表都是在實驗活動中, 由科學家們發明的。以前的工具是由工匠們在生產實踐中創造出來的。科學工具是從實驗室里創造出來的, 但同時它們也在人類的其他活動中加以套用。當然, 這時的科學工具相對來說,還是比較簡陋的, 但畢竟有了一個新的開端。初期科學社團的建立, 標誌著科學活動方式的轉變, 即從科學家的個人自由研究轉向有組織的集體研究。它使科學成為一種社會建制, 變成了一種廣泛的社會活動。科學家們正是在這種有組織的社會活動中, 取得了傑出的科學成果。牛頓的力學體系也正是在這樣的條件下誕生的。

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