美国科学技术史概论2

美国科学技术史概论

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ScienceandTechnology王大明中国科学院大学人文学院2015年3月11日北京美国科学技术史概论北美殖民地早期科学上的相对蛮荒状况实用技术概况学校教育殖民地晚期到独立战争时期第一个北美科学巨匠：富兰克林新教伦理与资本主义精神科学上的相对蛮荒状态17到18世纪，正是欧洲第一次科学革命的收获时期。从哥白尼、开普勒、伽利略开启的革命，到牛顿1668出版《自然哲学的数学原理》，完成了一次大综合，从此确立了机械自然观及其基本原理，欧洲人开始收获这次科学革命的种种成果。而与此同时，从五月花号到达北美，到独立战争的将近两个世纪的大部分时间里，由于北美殖民地人数很少，而且人人都在为生存而斗争，无暇顾及其他。因此在这近两个世纪的时间里，北美几乎与科学革命完全隔膜了。但科学的种子已经播下五月花号上的大副，名叫托马斯·克拉克，也是个逃难的新教徒，他便是后来美国的著名光学仪器制造商阿尔万·克拉克的祖先。1640年，一个英国农夫托马斯·海耳，因宗教信仰的原因，卖掉了自己仅有的一点儿财物，离开英国来到马萨诸塞。在他的后裔中，出现了开启美国大科学历史先河的天文学家乔治·埃勒理·海耳。而在1682年因不肯信奉英国国教而遭迫害，不得不从北安普敦逃难到波士顿的乔赛亚·本杰明，就是美国历史上的第一个杰出科学家富兰克林的父亲。科学上的相对蛮荒状态虽然北美殖民地在与欧洲的贸易中只是担任了一个原材料提供者的角色，但还是从欧洲学习了一些，并在了解自己的独特环境的过程中积累到了有用的基本知识。例如地质、博物和一些实用技术等。但在科学上处于比较落后和相对蛮荒的状态，主要是收集和积累了一些直接的观察资料而已。殖民地时期的主要科学学科——博物学北美殖民地时期，被英国皇家学会吸收为会员的有45人，几乎都是记录了北美特殊植物和动物的一些医生、牧师和官员，这些人可以称为前美国的第一批科学研究人员。当然这些业余科学家所收集的资料也是很宝贵的，填补了欧洲人所不了解的新大陆的情况。瑞典博著名物学家林奈（CarlvonLinne，1707~1778）出版的世界植物和动物志（1735~1753）中，有三分之一的物种来自北美殖民地博物学研究者的记录。实用技术概况除了从欧洲带来的诸如建筑、日用手工业、造船、作物种植和牲畜养殖等方面的传统技术之外，北美殖民地自己所发展的技术主要包括用当地的一些植物制作药物、改良玉米和棉花的种植等技术。还有其他一些诸如交通工具、枪械制造等，也有缓慢的发展。学校教育由于新教的教育传统，使得北美殖民地各地广泛兴办教会学校，几乎每个教区都会创办自己的学校。其中在马萨诸塞的坎布里奇和康涅狄格的纽黑文创办的两所教会学校，它们后来成为美国最早的两所著名私立大学，即哈佛大学和耶鲁大学。“未有美国，先有哈佛”

——美国的第一所大学1636年，后来美国第一所大学的前身——马萨诸塞学校在波士顿附近的坎布里奇镇成立，它比美国的历史还早140年。该学校是由当时的马萨诸塞海湾殖民地议会通过决议设立的。该校于1638年在马萨诸塞的坎布里奇正式开学，但第一批学生只有可怜的4名，教师也只有一个人，是当地的一位牧师。哈佛学院的来源1638年9月，当地的一位牧师J．哈佛病逝了，他生前立下遗嘱，把自己的部分遗产和400余册图书捐赠给这所学校。于是，开始被称为马萨诸塞学院的这所学校，遂被命名为哈佛学院。建校百年时，毕业生捐赠哈佛铜像。哈佛铜坐像铸于1736年哈佛大学简史在建校的最初两个世纪中，学校体制主要是仿照英国的大学（特别是牛津和剑桥大学）设立。以教授拉丁文、希腊文和神学等传统科目为主。毕业生从到学校建立到1700年间的60多年中，总共只有500多名，每年平均不到9人。其中一半以上后来担任了牧师。学校至1727年才开始设立数学和自然科学教职。1780年扩建成哈佛大学；1816年设立了第一个学院：神学院，1817年成立法学院，以后各学院相继在19世纪建立。教育学院成立于1990年；1936年又成立了政治学院(1966年命名为J.F.肯尼迪政治学院)。美国大学改革CharlesWilliamEliot(1834-1926)哈佛第21任校长，任期1869-1909(longestpresidencyinHarvardhistory).他推行了丰富大学教学内容的改革，使得科学技术在大学教育体系内的比例大大提高。他也成为美国大学教育第一次跨越发展时期的代表性人物之一。从教士、绅士到实用技术人才独立战争前，美国共创办了九所学院，主要是仿效英国的模式。独立战争后，美国开始出现专业学院。1802年开办的西点军校（WestPoint)是美国第一所设有技术学科的学校。1824年伦塞勒综合技术学院(RensselaerPolytechnicInstitute)的建立，开启了民间技术学校的先河。自此，各州也开始创办一些州立学院，强调培养实用技术人才。从仿英到学德在德国新型大学，特别是1810年创办的柏林大学的影响下,美国1876年建立了约翰.霍普金斯大学。创办研究生院，设置和引入高水平研究生课程、提倡教师搞科研等措施。在它的带动下，包括诸如哈佛、哥伦比亚、耶鲁等一些老式学校也相继仿效，逐渐改造成真正意义上的现代大学。如今的哈佛大学1966年以来，哈佛大学共设10个研究生院，即文理、商业管理、设计、牙科医学、神学、教育、法学、医学、公共卫生和肯尼迪政治学院。另有2个招收大学本科生的学院，即哈佛学院和拉德克利夫学院；并设继续教育办公室，专门负责暑期学校、附设课程和终身学习中心。除牙科医学、医学、公共卫生等3个研究生院设立在波士顿外，其余各学院均集中于坎布里奇。哈佛传统是各学院都具有相对的独立性。推荐阅读徐飞：《细看哈佛》，辽宁教育出版社，2005.戈鲲化（1838-1882）1879-1882任哈佛中文教授殖民地晚期到独立战争时期第一个北美科学巨匠：富兰克林新教伦理与资本主义精神本杰明·富兰克林BENJAMINFRANKLIN（1706-1790）1706年1月6日，富兰克林出生于波士顿一个新教加尔文派教徒家庭，兄弟姐妹有13个。他受到的家教是勤俭、刻苦、努力工作。小时候，去读波士顿的拉丁学校读书，10岁时辍学。他后来的学识大部分是靠阅读自学得来。12岁时，他“离家出走”来到费城，在他的哥哥开的印刷店当学徒。在那里，他开始写作，后来开了自己的印刷店。“读书是我唯一的娱乐”他刻苦自学，说：“读书是我唯一的娱乐。”他常常去找别人或书店借书，利用深夜读书，清晨就去归还。他不仅从书本上学习各种知识，还辗转到纽约、伦敦、费城等地流浪，在社会生活中学习。21岁时，他在费城创办了北美第一个青年自学团体“共读社”，组织工人、技师、鞋匠、瓦匠、诗人等每周星期五来讨论哲学、科学、技术、文艺问题。这个团体后来发展为1743年创立的美国哲学会。1769年他被选为该会的会长。25岁时他又在费城创办了北美第一个公共图书馆，以后发展为北美公共图书馆。45岁时，他又创办费城学院（即后来的宾夕法尼亚大学）。“从暴君处夺得民权”1776～1785年他出使法国，他的科学声誉和广博的知识，十分有利于他的外交使命，在他的努力下，1778年缔结了美法联盟。1787年当选为制宪会议代表，担任宾夕法尼亚州最高行政议长。1753年获得英国皇家学会颁发的科普利奖章，同年获得哈佛大学和耶鲁大学的荣誉学位。1756年当选为英国皇家学会会员，1772年当选为法兰西科学院的外国院士，1789年当选为彼得堡科学院的外国院土。参与起草《独立宣言》和《美国宪法》科学贡献富兰克林在40岁前，因生活所迫，主要精力都放在经营印刷所和社会活动方面。而真正开始从事一些科学研究，特别是电学实验是在其将近40岁的时候。兴趣的来源他的主要科学工作是在电学方面。这在他的一生中只占十年左右。1743～1744年间，富兰克林在费城和波士顿看到了来自苏格兰的斯宾塞（A.SPence）博土利用玻璃管和莱顿瓶所做的简单的电学实验时，心中激起强烈的探求欲望。兴趣的来源他买下了全部展品，一位他在伦敦英国皇家学会结识的朋友柯林森（PeterCdlinson）得知后，又给他寄来了大批书籍、电学著作和某些摩擦起电的设备。富兰克林和费城哲学会的朋友们一起进行了许多电学实验和理论探索。富兰克林时代的电学知识概况从古代直到1600年前后，人们对于电的认识，基本只限于摩擦可以使琥珀等一些物体带电，而带电体可以吸引一些碎屑等。但在1600年之后，在包括吉伯、卡比奥、古里克、豪克斯比、牛顿等人的研究推动下，电学知识开始有了一些进展，其中最重要的就是发明了摩擦起电机，使电的来源有了保障，促进了关于电学的各种实验研究。据说摩擦起电机曾成为风靡一时的畅销产品，很多人都买回去玩。这就大大普及了电学知识，也推动了广泛的电学研究。静电起电机电学的进展之后，特别是与富兰克林几乎同时代的几位科学家，包括英国的格雷（Gray，1666-1736）、法国的迪费（Dufay,1698-1739）、荷兰莱顿的穆欣布罗克（Musschenbreok，1692-1761）和法国的诺勒（Nollet，1700-1770）等对于电学有了一些精湛的实验研究。他们发现了绝缘体和导体的区别，也发现了电的传播效应，特别是迪费发现了两种不同类别的电，即他自己所称的“玻璃电”和“树脂电”。这即是我们今天所知的阳电和阴电。当然最重要的穆欣布罗克和诺勒所发明莱顿瓶，使得电可以被储存起来了。莱顿瓶富兰克林的电学研究总体而言，到了富兰克林的时代，人类关于电学的知识有了很大进展，但仍然比较混乱。而富兰克林对这些知识作了比较系统的清理。他曾把多个莱顿瓶联结起来，储存更多电火。他用实验证明莱顿瓶内外金属箔所带电荷数量相等，电性相反。1747年5月25日他在给柯林森的信中，提出了电的单流质理论，并用数学上的正负来表示多余或缺少这种电流质。他还认为摩擦起电只是使电火转移而不是创生，所生电火的正负必须严格相等。这个思想后来发展为电学中的基本定律之一——电荷守恒定律。他自己则利用这一理论说明了带介质的电容器工作原理。电学研究的重要贡献提出了“正电”和“负电”概念，以及同性相斥，异性相吸；接近提出电荷守恒定律；证明了人工电和自然雷电的同一性，并设计出避雷针。从苍天处获得雷电当时的人们认为摩擦产生的电和天上的雷电是不同的，普遍相信雷电是上帝发怒的说法。学术界比较流行的是认为雷电是“气体爆炸”的观点。富兰克林从妻子不小心踫到了莱顿瓶被击中倒地的意外事件中，想到了空中的雷电。他经过反复思考，断定雷电也是一种放电现象，它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他写了一篇名叫《论天空闪电和我们的电火相同》的论文，并决心用事实来证明。富兰克林父子捕捉天电1752年6月的一天，阴云密布，电闪雷鸣，一场暴风雨就要来临了。富兰克林和他的儿子威廉，在费城做了举世闻名的风筝实验。证实了“天电”和“地电”的性质是一样的，统一了天电和地电。影响这些工作无疑是当时物理学所取得的最大成就，打开了18世纪电学的广阔前景，特别是他对雷电的研究，使人类从对雷电的冥思苦想和畏惧中解放出来。19世纪德国著名科学家洪堡说：“从这个时代起，电学的发展由思辨物理学领域进入了对宇宙考虑的阶段，从幽深的书斋走进了自由的大自然界”。电学的后续进展富兰克林之后，最重要的进展是法国的库伦做出的。在富兰克林发现正电和负电，及其同性相斥，异性相吸的性质基础上，库伦利用其自己发明的扭称，定量的测定了电之间的作用力大小，并发现了库伦定律，使电学进入了定量科学研究阶段。此后，通过伽伐尼、伏打、奥斯特、安培、比奥和萨伐尔、欧姆、法拉第等伟大科学家的努力，最后由麦克斯韦全面总结，经典电学理论和实验的研究，达到了其最高境界。对富兰克林实验的怀疑据研究，第一个付诸于实践的是法国科学家——他像图中那样观察到了铁棒上的火花，不过没有用身体近距离去碰铁棒。在传说中的富兰克林实验的第二年7月26日，俄国科学家罗蒙诺索夫和他的朋友李赫曼重做这个实验，李赫曼却当场被闪电击毙！富兰克林能安然无恙的完成实验，实在是天大的侥幸。其他科学兴趣富兰克林对大自然有着广泛的兴趣。他研究过物体（尤其是金属）的热传导；声音在水中的传播；利用蒸发取得低温的方法；他还研究过植物的移植；传染病的防治；在横渡大西洋时，他观察了海湾暖流对气候的影响，测量了海水的流速和温度。等等。注重科学的实际效用富兰克林的科学研究是十分讲究效用的，他发明的避雷针、平行板电容器、双焦距眼镜、玻璃口琴，以及他发现的磁化钢针，电的同一性实验，他与哈特莱共同利用乙醚的蒸发得到低温而创立的蒸发制冷理论等，都说明富兰克林的科学研究是注重实际效用。100美元(1928之后)上的头像就是本杰明·富兰克林技术发明作为发明家，他发明了高架取书器；老年人使用的双焦距眼镜；三轮钟；避雷针；新式火炉等几十种新东西。“从苍天处取得雷电，从暴君处夺得民权”1790年4月17日，这位北美时期的伟大人物在美国费城病故，享年84岁。与其妻合葬在费城ChristChurch公墓之中。Hetorefromtheskiesthelightningandfromtyrantsthesceptre.

墓志铭的故事在他和妻子合葬的墓碑上，只有简简单单的两排字：“BenjaminandDeborahFranklin,1790”。关于他的墓碑上刻着“印刷工富兰克林”的传说，来自他17岁时给自己写的一个墓志铭。17岁的富兰克林给自己写的墓志铭

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