科学思想史(第十讲 工业革命和应用科学的兴起)

化学的建立
• 生于瑞士，父亲 是来自德国的医 生。1527年成为 巴塞尔大学医学 教授。 • 炼金术向医药化 学转变。标志是 帕拉塞尔苏斯
• 波义尔（1627－1691）
• 1661年《怀疑的化 学家》，开始了近 代化学的历程：脱 去实用的改善金属 或制备药物的目的， 化学成为哲学的分 支，是一门理论科 学，是一种化学论 的自然哲学
电磁学研究
• 1820年，丹麦物理学家奥斯特（1777－ 1851）发现电流的磁效应。 • 同年，法国物理学家安培（1775－1836） 提出安培定律（载流导线之间的相互作用 力定律），奠定了电动力学的基础。 • 欧姆（1789－1854），1826年发表欧姆定 律（电流与电势差成正比与电阻成反比）
热力学第二定律
• 热总是不可避免的要从高温流向低温，虽然能量 总量没有丧失，但却丧失做功能力。 • 热二定律：从单一热源吸取热量使之完全变为有 用的功而不产生其它影响是不可能的。永动机的 不可能。 • 德国物理学家克劳修斯（1822－1888）给出的表 述：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热 的物体。 • 熵增定律：一个系统热含量与其绝对温度之比在 系统孤立时总是增大。熵：能量转化为有用功的 量度。 • 宇宙热寂说。与进化论形成对照。
• 促进了社会的变革：人口的迁移，工 厂制度的建立，阶级冲突 • 工业革命使全体人民受到教育，客观 上推进了“平等”的观念。
工业革命前的欧洲
• • • • 中世纪的“技术革命” 人口的压力 土地、木材紧缺 炼铁和采矿业的发展
蒸气机的改进
• 蒸汽动力机的发明将 工业革命推向深入 • 纽可门的蒸气机
科学的社会化和技术化
• 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 • 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
• 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。 • 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
科学的作用
• • • • 逻辑思考 观念上影响 全新的观察方式 作为文化因素起作用
• • • • • •
工程师与科学界也有联系 瓦特发表“人造气体的药用价值” 专业学校也开始讲授牛顿的微积分 实验科学的兴起 有利于技术和科学的结合 鸿沟依然存在
• 瓦特希望把漂白织物的氯化过程用于商业 • 发明者贝托莱以纯粹科学的态度进行研究 • “一个人要是爱科学，就不需要财富”。
• 机械能、化学能பைடு நூலகம்电能、磁能、光能 • 彼此转化
应用生物学
• 巴斯德（1822－1895）： • 在细菌学说和微生物观念的启发下，研究 发酵过程 • 巴斯德灭菌法 • 接种免疫法
应用化学
• • • • 德国有机化学研究 染色和从煤焦油中提取染料 工业实验室的建立 德国大学改革：教学和科研并重
• 飞梭、骡机 • 纺织业的机械化和工业学宣告了英国工业 革命的到来。 • 各个产业相互促进 • 钢铁、煤炭、蒸气机、铁路
工业文明的建立
• 为工业革命提供动力的新型能源 – 自然力－机械力 – 可再生能源－不可再生能源 • 工厂化生产体系中的新型劳动组织形式 – 手工作坊－大生产 – 标准化、流水线
• 瓦特（1736－1819）对蒸气机改进 • 1，为了使汽缸保持温度，单独增加一个冷 凝器（事先抽成真空以引入高温蒸汽） • 2，将活塞的直线往复运动转化成轮轴的旋 转运动
• 瓦特蒸汽机的出现掀起了一场动力革 命 • 纺织业、采矿业、冶金业在瓦特机的 带动下迅猛发展。 • 瓦特的营销法。
• • • •
“无用”的科学家
• 泰晤士河铁桥的修建 • 科学家还没有准备好为技术提供帮助
三、应用科学的兴起
古典科学与培根科学
• 库恩：“物理科学发展中数学传统和实验传统的 对立”（《必要的张力》） • 古典科学：哥白尼－笛卡尔－伽利略－开普勒－ 牛顿。天文学、静力学、光学；数学、和声学 • 培根科学：吉尔伯特－波义耳－胡克－富兰克林 －卡文迪许－库仑－拉瓦锡。电学、磁学、热学、 化学。气象学、博物学、植物学、地质学 • 直到19世纪，古典科学与培根科学是分离的。
• 确立化学元素概念：“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。”
从燃素说到氧化说
• 斯塔尔（1660－1734）：燃素说 • 普利斯特列（1733－1804）：发现氧 气，但坚持燃素说。 • 拉瓦锡（1743－1794）：氧化说
• 1832年的一封信中实际上提出了电磁波的 概念：“我认为，磁力从磁极出发的传播 类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子 的声振动。也就是说，我打算把振动理论 应用于磁现象，就像对声音所作的那样， 而且这也是光现象最可能的解释。” • 1845年发现磁的旋光效应（法拉第效应） • 1846年提出光的本性是电力线和磁力线的 振动
• 德国物理学家赫兹（1857－1894） • 1886年赫兹在放电实验中，发现近处的线 圈也发出火花，证实了电磁波的存在 • 意大利青年物理学家马可尼（1874－1937） 于1894年实现无线电通讯
电力革命
• • • • • • • • 法拉第，电动机 1850年，美国佩奇制造一台10马力的电动机 1857年，英国惠斯特发明自激式发电机 1867年，德国的西门子发明自馈式发电机 爱迪生：电灯的发明 电报：莫尔斯 电话：贝尔、爱迪生 无线电：马可尼、波波夫
• • • • • •
孟德尔（1822－1884）：遗传学说 20世纪之前，根本谈不上达尔文革命。 对地球年龄的估算： 20世纪40年代：达尔文学说得到普遍承认 1953年：DNA双螺旋分子结构 沃森和克里克
• 化学革命中，辩才和说服力起到了关键作 用。
古典科学与培根科学的综合与统一
• 培根科学的数学化，古典科学的实验化 • 理论科学的潜在的应用性，很快被显现出 来。电磁学、热力学、工业化学 • 科学体制进一步健全，学院传统与工匠传 统进一步融合。 • 博物学传统中出现了空前伟大的成就：进 化论。“自达尔文以后，世界就不同了。”
• 从哲学层面上揭示了电、磁和机械运动三 者之间的相互联系 • 科学理论和技术应用初步融合
• 英国物理学家麦克斯 韦（1831－1879）
法拉第的天才思想需要一个数学上的综合 1855年“论法拉第的力线” 1862年“论物理学的力线” 1864年“电磁场的动力理论”，给出了麦 克斯韦方程，提出了电磁波的概念，提出 了光的电磁理论 • 1873年《电磁通论》，一个世纪来电磁学 的集大成。 • • • •
• 为工业发展提供资金的新型融资手段： 货币经济的出现 • 伴随工业化在思想观念上发生的变化： 重商主义－自由经济
1851年万国博览会
二、科学与工业革命
• 工业革命的技术创新主体：工匠、技师、 工程师 • 科学革命时期理论创新推动了工业革命时 期技术进步的神话 • 纽可门受胡克指导？ • 瓦特受布莱克指导？ • 卡诺1824年才出版《论火的原动力》，首 次对蒸气机的工作原理作出了科学分析。
科学思想史
韩连庆
北京航空航天大学人文社会科学学院 Email：Hanlq@
第十讲
工业革命和应用科学的兴起
一、工业革命和工业文明的建立
工业革命
• 工业革命（industrial revolution）表现 在：以机器取代人力、以大规模的工 厂生产取代个体工场手工生产、以技 术革新带来经济无限制的增长。 • 恩格斯：“工业革命对于英国的意义， 就好象哲学革命对于德国，政治革命 对法国一样。”
达尔文的进化论
• 布丰（1707－1788）：物种在发生演变 • 拉马克（1744－1829）：获得性遗传：有 机体通过努力适应它周围不断变化的环境 而改变自身，通过遗传形成新的物种 • 达尔文的祖父：生物的有用特性通过遗传， 演变出多种形式；从无生命物质演变出生 命
• 达尔文（1809－1882）： • 贝格尔号航行：发现物种随空间、时间而 变化 • 马尔萨斯：人口以几何级数增长 • 物种竞争： • 华莱士（1823－1913）： • 1859年出版《物种起源》：
热力学第一定律
• 德国医生迈尔（1814－1878），从思考动物热问 题出发，演绎推理出能量守恒的思想，过于抽象 和思辩，不被人理解，晚年精神失常。 • 英国物理学家焦耳（1818－1889）家境富有，有 自己的实验室，是位业余科学家。1840年，测定 电流的热效应，得出焦尔定律（发热与电阻成正 比，与电流的平方成正比） • 热功当量（每千卡热量＝460千克米） • 1847年，德国物理学家赫尔姆霍茨发表“论力的 守恒”，系统地表述了能量守恒原理。
1800年特里维西克的小型高压蒸气机。 用于推动机车。 1814年斯蒂文森推出第一台蒸汽机车。 1839年迎来铁路时代。
纺织业革命
• 纺织业的新发明规定了工厂制度的发展方 向： • 大机器价格昂贵（只能为少数大资本家所 有） • 体积庞大（只能安装在固定的大建筑即车 间里） • 需要许多人维护（这些人就是工人）
• 英国物理学家麦克 尔·法拉第（1791－ 1867）
• 电流有磁效应，磁有没有电流效应呢？ • 1831年，法拉第发现运动的磁铁会导致电流，而 静止的磁铁却没有电流效应。这个电流称为感生 电流。模型发电机与电动机。 • 数学能力的欠缺被天才的物理洞察力所弥补 • 建立“场”的概念（用来传递电磁作用的连续介 质）、“力线”概念（场的直观图象）。破除了 牛顿的超距作用概念。 • 建立电磁感应定律：只要导线垂直地切害磁力线， 导线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁 力线数成正比。