科学思想史(第十讲-工业革命和应用科学的兴起)

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（industrialrevolution）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。”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。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）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”。“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。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。”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）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。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。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、波波夫光之波动说的复兴牛顿的微粒说：光的直线传播现象惠更斯的波动说：光的反射和折射，但误认为光是纵波英国医生托马斯杨（1773－1829）提出：第一，强光与弱光速度相同，用微粒说不好解释；第二，光线穿过不同介质时，部分反射，部分折射，不好解释。杨发现光不是纵波而是横波，解释了偏振现象菲涅尔：独立提出波动说。未发生纠纷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。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。机械能、化学能、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