科学的世纪

科学的世纪图册(5)  电磁效应的发现

1820年七月二十一日丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。法国物理学界长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条，这个重大发现使他们受到极大的震动，以阿拉果(1786-1853)，安培等为代表的法国物理学家迅速作出反应。八月末阿拉果在瑞士听到奥斯特成功的消息，立即赶回法国，九月十一日就向法国科学院报告了奥斯特的实验细节.安搪听了报告之后，第二天就重复了奥斯特的实验，并于九月十八月向法国科学院报告了第一篇论文，提出了磁针转动方、向和电流方向的关系服从右手定则，以后这个定则被命名为安培定则。

安培对电磁学的贡献最主要的成就是1820～1827年对电磁作用的研究。1820年7月，H.C.奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，安培报告了他的实验结果：通电的线圈与磁铁相似；9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥；对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。他提出分子电流假说：电流从分子的一端流出，通过分子周围空间由另一端注入；非磁化的分子的电流呈均匀对称分布，对外不显示磁性；当受外界磁体或电流影响时，对称性受到破坏，显示出宏观磁性，这时分子就被磁化了。

欧姆定律

在同一电路中，通过导体的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是I=U/R。欧姆定律由乔治·西蒙·欧姆提出，为了纪念他对电磁学的贡献，物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号Ω表示。

从1820年起，乔治·西蒙·欧姆开始研究电磁学。欧姆的研究工作是在十分困难的条件下进行的。他不仅要忙于教学工作，而且图书资料和仪器都很缺乏，他只能利用业余时间，自己动手设计和制造仪器来进行有关的实验。1826年，欧姆发现了电学上的一个重要定律——欧姆定律，这是他最大的贡献。这个定律在我们今天看来很简单，然而它的发现过程却并非如一般人想象的那么简单。欧姆为此付出了十分艰巨的劳动。在那个年代，人们对电流强度、电压、电阻等概念都还不大清楚，特别是电阻的概念还没有，当然也就根本谈不上对它们进行精确测量了；况且欧姆本人在他的研究过程中，也几乎没有机会跟他那个时代的物理学家进行接触，他的这一发现是独立进行的。欧姆独创地运用库仑的方法制造了电流扭力秤，用来测量电流强度，引入和定义了电动势、电流强度和电阻的精确概念。

电磁感应定律

17世纪除，现代电和磁现象的鼻祖吉尔伯特在《论磁》中断定：电和磁是两种截然不同的现象，18世纪80年代末，库伦根据电荷可传导、磁荷不可传导的事实进一步肯定电和磁是不相同的实体。19世纪处的物理学家如安培等人，也认为电和磁不会有任何联系。19世纪20年代，这种“电磁老死不相往来”的陈旧观念首先被丹麦物理学家 奥斯特打破。从此拉开了电磁学大发展的帷幕。

1820年7月21日他发表了题为《关于磁针上电磁碰撞的实验》的论文，这篇论文简介地报告了他的实验，向科学界宣布了 电流的磁效应，它揭开了电磁学的序幕，标志着电磁时代的到来。

完成这一伟业的是法拉第，1831年8月，经过10年的努力，法拉第终于获得了成功，他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈，在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间，B组线圈中感生出电流，法拉第把这叫做“伏打电感应”。10月，又发现，磁铁和导线的闭合回路有相对运动，回路中会产生感生电磁，法拉第称之为“磁电效应”，随后，法拉第又提出“ 场”和“ 力线”的概念，用来描绘电磁作用的传递过程。

法拉第经过反复试验把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。

电磁感应定律：若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：式中n为线圈匝数，ΔΦ为磁通量变化量，单位Wb，Δt为发生变化所用时间，单位为s.ε为产生的感应电动势，单位为V.

麦克斯韦是电磁学的集大成者，他在总结法拉第等人的科学成果的基础上，建立了完整的电磁理论体系，是物理学的有一次大综合。1855年，他在精心研究法拉第提出的“力线”的基础上，发表了关于电磁理论的第一篇论文《论法拉第的力线》。这篇论文用严格的数学方式说明了法拉第的力线，使法拉第的力线严密化，形式化和数学化了。1862年，麦克斯韦发表了电磁研究的第二篇论文《论物理力线》，不仅进一步发展了法拉第的思想，而且得出了新的结果：电场与磁场的相互转化，并创造性地提出“位移电流”的概念，预言了电磁波的存在。1864年，麦克斯韦的第三篇论文《电磁场的动力学理论》发表，该文从几个基本事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论，著名的“ 麦克斯韦方程组”就是在该文中提出的。1873年，麦克斯韦出版了《电学和磁学论》一书，这本书全面地总结了19世纪以来的电磁学成就，建立了完整的电磁理论体系。除了电磁学领域的巨大贡献外，麦克斯韦还在气体分子运动论、统计物理学、热力学、天体物理学等领域做出过突出贡献。

电磁波

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。由德国物理学家鲁道夫·赫兹，于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。由此产生的光电效应，光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。

交叉的两种学说

波动说

惠更斯在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．惠更斯原理认为:对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．波动说认为，光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的．为了验证以太的存在，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验．结果证明，地球周围根本不存在什么机械以太．没有以太，光波和电磁波是怎样传播的呢？

微粒说

牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象．它的局限是无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象

托马斯·杨在物理学上作出的最大贡献是关于光学，特别是光的波动性质的研究。1801年他进行了著名的杨氏双缝实验，证明光以波动形式存在，而不是牛顿所想象的光颗粒（Corpuscles），该实验被评为“物理最美实验”之一。二十世纪初物理学家将杨的双缝实验结果和爱因斯坦的光量子假说结合起来，提出了光的波粒二象性，后来又被德布罗意利用量子力学引申到所有粒子上。同时提出的还有菲涅尔。1849年，法国物理学家菲索利用转动的齿轮方法，在实验室中测定了光速。数值虽然不太准确，但毕竟是在实验室里测定光速的第一次创举。此前的罗伊默和布拉德都是以天文观测为依据测量的。1850年，另一位法国物理学家傅科改进了菲索的方法，用旋转镜的方法准确的测定了光速，从而发现米戒质（水）中光的传播的速度较小。这就是实验上对微粒说和波动说之争支持波动说的实验证据。

光谱的研究

1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。

实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。光学和光谱学的发展带给我们就是照相术，丰富了生活的。

热的本质（热学和能量守恒定律）

热质说在18世纪一直占统治地位，尽管一些科学家根据摩擦生热，撞击生热等现象提出热是物质运动的一种表现的观点，但并没有真正推翻热质说。第一个对热的本质进行科学研究的是法国物理学家、工程师卡诺。

在19世纪初，蒸汽机已得到广泛应用，但效率很低。原因是对热机将热转变成机械运动的基础理论研究一直没有突破，工程师们无法找到提高热机效率的根本途径。1821年起，卡诺就从理论上对热机进行研究。1824年，卡诺发表了《关于火的动力的考察》一书，提出了“卡诺循环”理论，明确了热效率的界限，从而奠定了热力学的理论基础。

在热力学的框架内，热力学第一定律和 能量守恒定律是等价的。其实，热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的具体表现。第一个以论文形式阐述能量守恒和转化定律的是德国青年医生迈尔。1841年他写了一篇题为《论热的量和质的测定》的论文，但当时并未被发表。另一位对能量守恒定律做出重大贡献的是英国物理学家焦耳，他用了20多年的时间进行了大量的实验，并与1840年发表了《论伏打电池所产生的热》一文，文中提出，当电流沿金属导线流动时，所产生的热同导体中的电阻和电流强度的平方成正比，这就是著名的焦耳定律。焦耳在1843年还完成了热功当量的测定。此外，还有许多科学家对能量守恒定律的发现做出了贡献，或在各自领域对能量守恒研究，或对能量守恒思想进行总结，或对能量守恒定律提出不同的表述方式。

发现 热力学第二定律的是 开尔文和 克劳修斯，开尔文早期信奉热质说，直到1851年才改变立场，提出了热力学第二定律，他认为：不可能用无生命的机器，把物质的任何一部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功，这就是热二定律的“开尔文表述”。

对热力学第二定律进行了系统研究的是德国物理学家克劳修斯。1865年，克劳修斯把熵的概念引入了热力学，用以说明热力学第二定律，所以热二定律又称“ 熵增原理”。后来，克劳修斯把热二定律推向宇宙这个大系统，得出宇宙的“ 热寂说”。克劳修斯悲观的“热寂说”揭示熵增加的方向，指出了世界有自发地向着无序化的方向发展的趋势，而达尔文进化论则揭示了生物由简单到复杂，又低级向高级进化的方向发展的趋势，对于热二定律和进化论之间的矛盾，许多人设想各种方法试图调和它，最著名的是麦克斯韦设计的一个叫“麦克斯韦 妖”的“妖怪实验”。麦克斯韦设想有A、B两室，中间用隔板隔开，隔板上装有一个阀门。“麦克斯韦妖”是一个想像的能看见分子而又十分灵活的妖怪。这个妖怪操纵者把A、B两室隔开的阀门，当快分子来时，妖怪就打开阀门，令其通过；慢分子来时，妖怪就关上阀门，不准通行。这样，快分子就都进入B室，慢分子就都留在了A室。A、B室就出现了温度差。A室温度低，B室温度高。这样，麦克斯韦就克服了热了学第二定律揭示熵增加的方向。 但麦克斯韦的“妖怪实验”是经不住推敲的。

热力学三大定律

热力学第一定律也就是能量守恒定律。

一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。）

表达式：△E=-W+Q

△E=△U+△KE+△PE

第一类永动机

不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。其不可能存在，因为违背的能量守恒定律

热力学第二定律有几种表述方式：

克劳修斯表述　热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；

开尔文-普朗克表述　不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。

熵表述　随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。

第二类永动机（不可能制成）

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

第二类永动机效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违反了热力学第二定律。

热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K）不可达到。

R.H.否勒和E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0k,称为0K不能达到原理。

原子---分子时代的化学

原子论最早产生于古希腊，但那时只是一种思辨的猜测。到了近代，波义耳、牛顿也都曾提出过原子论观 点，但近代原子论的真正奠基者是道尔顿。 1808，道尔顿出版了《化学哲学的新体系》一书，该书是化学史上的奠基之作。在该书中，道尔顿系统地阐述了他的化学 原子论。道尔顿的原子论，从微观原子的层次把各种化学现象和化学规律统一起来，从而也说明了物质世界的统一性。 但是，道尔顿的原子论也有许多缺陷，例如，当时他并不明白分子概念，而将它理解成复杂原子，并说复杂原子可以分为简单原子，这在后来的阿弗加德罗的分子学说提出后得到了克服。从而建立了科学的原子---分子学说。

就在原子论风靡全球时，法国化学家盖-吕萨克突然给道尔顿的原子论提出了一道难题，使道尔顿陷入了困境。盖-吕萨克在一次实验中偶然发现：用二体积氢气和一体积氧气化合，得到的水蒸气竟然不是三体积，而是二体积，按照原子论的观点，这个关系也意味着粒子间的关系，应该是 2粒子氢+1粒子氧=2粒子水。如果粒子就是原子，那么1个氧原子怎能产生2粒子水呢？这必定假定有半个原子存在。原子不可分，而盖-吕萨克的发现又是事实，这使道尔顿原子论进退维谷。

就在这危急之际，意大利一位名叫阿伏伽德罗的年轻化学家，一举解决了这个难题，使道尔顿原子论走出了困境。阿伏伽德罗仔细研究了道尔顿原子论和 盖-吕萨克的发现，提出了原子分子学说，但是分子学说遇到了大多数化学家的反对，直到1860年9月在德国 卡尔斯鲁厄召开的首次国际化学会议上被意大利化学家 康尼查罗介绍给大家，使得原子-分子论得到了化学界的公认。

道尔顿的原子论提出后，人们对元素的概念更加清晰了，为了更深入地了解元素内部的关系，许多化学家尝试将这些元素排列成表来探究元素的性质。早在1789年，拉瓦锡就把当时所确认的32种元素分为气体、非金属、金属、土质四大类。1829年，德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”分类法。1864年，德国化学家迈尔提出了“六元素表”，已有了周期表的轮廓。1865年，英国化学家纽兰兹提出了“八音律”。在这些早期分类方法的基础上， 门捷列夫最终发现了 元素周期表。

1824年．贝采里乌斯的学生、德国青年化学家 维勒为了制取氰酸氨，把氰酸和氨水混合起来，观察其反应，但无论用什么方法都得不到氢化氨，但混合物经蒸发后却得到一种结晶体--- 尿素。尿素的合成具有重大意义。19世纪以前，化学界多有机化合物的生成问题普遍流传着“生命力说”，也称“活力说”，认为有机物和无机物不同，它的生成归根到底要靠动植物生命体，所以人们只能使有机物转变成无机物，而无法从单质元素出发合成有机物。维勒的尿素合成成功，第一次证明了有机物和无机物之间没有不可逾越的鸿沟，动摇了“生命力说。”对有机化学的理论开始逐步发展起来，1832年，维勒和李比希首先提出了“基因论”。1843年，日拉尔提出了“类型论”。1858年，德国著名化学家凯库勒提出了碳的四价学说，他还因发现苯的分子结构而著称于世。不久，俄国化学家布特列洛夫系统地提出了有机结构理论。这样，有机化学的基本理论已经确立，从而为后来有机化工以及高分子的快速发展奠定了坚实的基础。

他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，元素周期表的雏形。经过多年修订后才成为当代的周期表。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一列称为一个族。

原子半径由左到右依次减小，上到下依次增大。

按照元素在周期表中的顺序给元素编号，得到原子序数。原子序数跟元素的原子结构有如下关系：

质子数=原子序数=核外电子数=核电荷数

有机化学的诞生

弗里德里希·维勒（1800年7月31日－1882年9月23日），德国化学家。他因人工合成了尿素，打破了有机化合物的“生命力”学说而闻名。

1828年他发表了“论尿素的人工制成”一文，引起了化学界的震动。这被认为是第一次人工合成有机物，对当时流行的生命力学说是巨大的冲击，并开创了有机合成的新时代。他还曾研究苦杏仁油，发现了氢醌、尿酸，可卡因等。

在无机化学领域，他也有不少贡献。1827年和1828年发现了铝和铍两种元素。对硼、钛、硅的化合物进行了广泛研究并发现了硅的氢化物。

李比希作过大量的有机化合物的准确分析，改进了有机分析的若干方法，定出大批化合物的化学式，发现了同分异构现象发展了有机化学定量分析发。他在化学上的重要贡献还有：1829年发现并分析马尿酸；1831年发现并制得氯仿和氯醛；1832年与F.维勒共同发现安息香基并提出基团理论，为有机结构理论的发展作出贡献；1839年提出多元酸理论。1840年以后的30年里，他转而研究生物化学和农业化学。他用实验方法证明：植物生长需要碳酸、氨、氧化镁、磷、硝酸以及钾、钠和铁的化合物等无机物；人和动物的排泄物只有转变为碳酸、氨和硝酸等才能被植物吸收。这些观点是近代农业化学的基础。他大力提倡用无机肥料来提高收成。他还认为动物的食物不但需要一定的数量，还需要各种不同的种类，或有机物或无机物，而且须有相当的比例。他又证明糖类可生成脂肪。还提出发酵作用的原理。

李比希从巴黎回国担任了吉森大学的化学教授，立即着手实施一项前所未闻的计划，那就是改革德国的传统化学教育体制与教学方式，探索造就新一代化学家的方法。当时德国大学中的化学教育，通常是把化学知识混杂在自然哲学中讲授，而且没有专门的化学教学实验室，学生得不到实验操作的训练。李比希深知，作为一个真正的化学家仅有哲学思辨是不够的，化学知识只有从实验中获得。而这种实验训练在那时的德国大学中还得不到。于是李比希下决心借鉴国外化学实验室的经验，在吉森建立一个现代化的实验室，让一批又一批的青年人在那里得到训练，从中培养出一代化学家。吉森实验室是一座供化学教学使用的实验室，它向全体学生开放，并在化学实验过程的同时进行讲授。

恒星周年差的观测

望远镜和其他仪器为恒星周年视差的观测提供了可能。在19世纪30年代，德国天文学家贝塞尔使用了一种叫星云做量日仪的新仪器，因为这种仪器最初是想用来精密地测量太阳的直径的。但用它同样能够测量天体间的其他距离，贝塞尔就用它来测量两个恒星之间的距离。贝塞尔月复一月地注意这些距离的变化，终于成功地测出了一个恒星的视差。他选择的是天鹅座的一颗小星，叫做天鹅座61星。在贝塞尔成功后仅两个月，英国天文学家亨德森就算出了半人马座a星的距离。1840年，在德国出生的俄国天文学家斯特鲁维宣布了天空中第四颗最亮的星织女星的视差。

康德,拉普拉斯星云说

1754年，康德发表了论文《论地球自转是否变化和地球是否要衰老》，对“宇宙不变论”大胆提出怀疑。

1755年，康德发表《自然通史和天体论》一书，首先提出太阳系起源星云说。康德在书中指出：太阳系是由一团星云演变来的。这团星云由大小不等的固体微粒组成，“天体在吸引力最强的地方开始形成”，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒形成较大的团块，团块越来越大，引力最强的中心部分吸引的微粒最多，首先形成太阳。外面微粒的运动在太阳吸引下向中心体下落是于其他微粒碰撞而改变方向，成为绕太阳的圆周运动，这些绕太阳运转的微粒逐渐形成几个引力中心，最后凝聚成绕太阳运转的行星。卫星的形成过程与行星相似。

康德的星云说发表后并没有引起人们的注意，直到拉普拉斯的星云说发表以后，人们才想起了康德的星云说。

《太阳系起源》一假说，1796年拉普拉斯在《宇宙体系解说》附录中提出。他认为太阳系最初是一个灼热旋转的星云，因冷却凝缩，旋转速度加快，使星云呈扁平状，赤道部分突出。当离心力超过引力时逐次分裂出许多坏状物。现知土星、天王星、木星和海王星有这样的环状物便是证据，这种环叫拉普拉斯环。最后星云中心部分凝聚成太阳，各个环状物碎裂并凝结成为围绕太阳运行的地球和其他行星；月球和其他卫星以相同方式由行星分裂而成，这假说自然解释太阳系的形成和主特征，这按物质运动自身发展规律的观点是科学的唯物论的宇宙观。

居维叶的灾变说

水成伦，火成论转变成地质渐变说

1825年《地球表面的革命》,是他第一次把理性带进地质学中，他以地球的缓慢变化这一自然作用代替了由造物主一时兴发所引起的突然革命。恩格斯把啦尔的地质渐变论视为打破形而上学自然观的重要科学依据之一。赖尔用现实主义的方法，用自然界本身的力量阐明了地壳的演化过程。这就不仅推翻了上帝创世的谬论，而且把变化发展的思想引进到了地质学，把唯物主义和辩证法思想引进到了地质学，因而有重要的理论价值。

生物进化论，简称进化论，是生物学最基本的理论之一。进化（Evolution），是指生物在变异、遗传与自然选择作用下的演变发展，物种淘汰和物种产生过程。地球上原来无生命，大约在30多亿年前，在一定的条件下，形成了原始生命，其后，生物不断的进化，直至今天世界上存在着170多万个物种。生物进化论最早是由查尔斯·罗伯特·达尔文提出的，在其名著《物种起源》有详细的论述。

近代生物进化的思想是在18世纪中叶才开始萌芽的。18世纪中叶以前，人们受宗教神学或形而上学世界观束缚，普遍认为物种是不变的。18世纪中叶之后，随着地质学、比较解剖学，胚胎学的发展，生物物种是进化而来的思想是进化而来的思想才被人提出来，然而从进化思想的萌芽到达尔文进化论的确立，经历了100多年的时间。

法国科学家 布丰是进化论的先驱者之一，发表了不少的进化论观点。在《自然史》中，他试图描绘一个以恒星、太阳系到地球，再到地球上生物界和非生物届这样一个完整的自然发展史和现实的自然图景。布丰认为，物种是可变的，生物变异的原因在于环境的变化，环境变了，生物会发生相应的变异，而这些变异会遗传给后代。

法国科学家 拉马克在对动物和化石研究的基础上，认为今天的生物是与古代生物进化来的，并提出“ 用进废退”和“ 获得性遗传”学说。拉马克的进化论是法国进化思想发展的高峰，然而他的进化论在当时并没有被人们广泛接受，其中原因除了他拿不出更多事实证明他的学说，还因为他遇到了一个强有力的反对者---居维叶。

居维叶是法国著名的古生物学家，是古生物学和比较解剖学的创始人，提出了 器官相关律。在科学史上，居维叶以其 灾变论著称，1798年，居维叶对巴黎附近的许多化石进行了研究，发现了许多今天已经绝迹的植物和动物的化石，而且还发现，在不同的地层中，分布着不通过的动植物化石。地层时代越古老，化石就越简单，跟现代生物差别也越大。19世纪的最初几年，有人在西伯利亚的冻土层中发现了大批猛犸的遗体，皮肉还十分新鲜。有人认为，是西伯利亚气候的突然变冷造成了大量猛犸的死亡，以致尸体还未来得及腐烂便被冰冻封存起来。在对这些现象解释的基础上，居维叶提出了系统的灾变论。

居维叶的灾变论，在19世纪中叶之前影响是非常大的，连赖尔和达尔文早期都信奉灾变论的，虽然居维叶反对进化论，但他的研究成果在客观上为进化论的发展提供了证据。

1859年11月，英国博物学家 达尔文出版了《 物种起源》一书，在这本书中，他确立了具有划时代意义的进 化论，在《物种起源》中，达尔文用大量而丰富的资料系统全面地阐述了他的 进化论思想。《物种起源》的出版引起了人们的激烈争论，特别是在进化论着和宗教界的斗争更是如火如荼。1860年6月28日，在教会和一些保守科学家的策划下，英国科学协会在牛津大学召开了为期3天的讨论会，名为讨论达尔文的学说，实际则是攻击进化论，这场论战以教会的 特创论的失败、进化论的胜利而告终。

进化论有三大经典证据：比较解剖学、古生物学和胚胎发育重演律。

达尔文学说1858年7月1日C.R.达尔文与A.R.华莱士在伦敦林奈学会上宣读了关于物种起源的论文。后人称他们的自然选择学说为达尔文-华莱士学说。达尔文在1859年出版的《物种起源》一书中系统地阐述了他的进化学说。其核心自然选择原理的大意如下：生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和食物是有限的，所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着变异，那些具有能适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。由此可能导致亚种和新种的形成。

达尔文的进化理论，从生物与环境相互作用的观点出发，认为生物的变异、遗传和自然选择作用能导致生物的适应性改变。它由于有充分的科学事实作根据，所以能经受住时间的考验，百余年来在学术界产生了深远的影响。

不足：1是缺少过渡型化石

2是地球的年龄问题

3三个困难是最致命的：达尔文找不到一个合理的遗传机理来解释自然选择

现代遗传学之父。孟德尔通过豌豆实验，发现了遗传规律、分离规律及自由组合规律。

魏斯曼

对于达尔文的进化理论，魏斯曼只接受和强调生存斗争的原理，而根本改变了达尔文有关变异及其遗传的见解。魏斯曼坚决否定获得性状遗传，坚决反对拉马克主义与新拉马克主义。魏斯曼称自己的学说为新达尔文主义。魏斯曼曾同H.斯宾塞，病理学者R.C.菲尔肖和动物学者E.海克尔、R.西蒙、赫特维希兄弟等新拉马克主义者发生过激烈的争论。

各个时期进化与进化论的总结图

施莱登（M．J．Schleiden，1804—1881）和施旺（Th．Schwann，1810—1882）都是19世纪德国的动、植物学家。

施莱登生于汉堡，是著名医家后裔。他十分热衷于植物学，在研究中，他发现了细胞核核仁，并提出了细胞增殖是一种以核仁为起点的结晶化的假说。1838年，他发表报道，确认细胞是所有植物结构的基本生命单位，同时也是所有植物发展的最基本的个体。施莱登在实验观察及形成假说中，虽然有过谬误，但他对细胞深入的研究，为细胞学说的建立作出了贡献。

施旺，德国动植物学家。1839年发表《动植物构造及生长相似性之显微研究》，论述了细胞结构是一切动物所具有的共同特性。他将施莱登与自己的发现概括起来，论证了动植物均由细胞组成。他将细胞学说修正为：“所有生物都是由细胞组成。”他以“细胞质体”一词形容已定名为“原生质”之生命物质，并以“新陈代谢”一词表示细胞内进行的一切化学过程。施旺认为细胞不但是生物的结构单位，而且是生命单位。

微耳和在此基础上开创了细胞病理学。

路易斯·巴斯德（公元1822-1895年），法国微生物学家、化学家。他研究了微生物的类型、习性、营养、繁殖、作用等，奠定了工业微生物学和医学微生物学的基础，并开创了微生物生理学。循此前进，在战胜狂犬病、鸡霍乱、炭疽病、蚕病等方面都取得了成果。英国医生李斯特并据此解决了创口感染问题。从此，整个医学迈进了细菌学时代，得到了空前的发展。美国学者麦克·哈特所著的《影响人类历史进程的100名人排行榜》中，巴斯德名列第12位，可见其在人类历史上巨大的影响力。其发明的巴氏消毒法仍被应用。

.麦克﹒哈特，赵梅．影响人类历史进程的100名人排行榜：海南出版社，2008年．

培根-笛卡尔-伽利略

在15世纪以前，在自然知识中占主要地位的实用科学和自然哲学，以及那时的天文学和力学，基本上是对生产过程和自然过程的直接观察，是记录和整理生产经验和观测到的自然事实，专门以探索为目的的活动不多，也缺乏专门用于探索自然现象的工具和机器。在中世纪末期，随着生产力的进一步发展，知识的不断积累，人们要求更多地认识自然现象的奥秘，同时技术进步也给人们揭示自然规律提供了日益多样、复杂、强大的认识手段。

在哲学上充当近代实验科学发言人的是 培根，他的主要著作是在1620年出版的《学术的伟大复兴》，但这部巨著只完成了两部分，即《论科学的价值和发展》和《新工具论》，前者确立了科学研究的对象、意义，并对科学进行了分类；后者针对亚里士多德的《工具篇》，实际上是针对中世纪经院哲学的逻辑，阐明了自然研究的新方法---归纳逻辑。但是培根所主张的对经验加工主要是指以实验为基础的归纳，因而对数学和演绎的作用估计不足乃至采取不信任的态度。

与培根相同时代的法国哲学家和科学家 笛卡尔的思想也对近代实验科学的发展有重要影响。尽管他对经验的作用估计不足，但对数学的贡献和强调数学方法的意义却对后来的实验科学家有重要的帮助和启示。笛卡尔主张科学起始于怀疑，他认为必须怀疑被信以为真和一般被当作真理的东西，但这种怀疑并不是目的，而是为了保证认识的基础绝对可靠而没有错误。 笛卡尔倡导科学研究中的演绎法。他认为必须从几个不证自明的公里出发，一步一步推出其他原理，直至构成一个能够自圆其说的知识体系，而推理的每一步都要清楚明白，只有这样才能达到真理。笛卡尔强调演绎看轻归纳，这是片面的；但是实验科学家普遍重视归纳方法的条件下，使人们充分注意到运用演绎法论证进行科学研究又有着积极的意义。

近代实验科学大师 伽利略把培根所倡导的实验方法和笛卡尔所推崇的数学方法、逻辑演绎方法在自己的科学实践中有机地结合起来，在天文学、力学、物理学等学科的研究中，开创了科学实验与数学方法相结合的新的研究途径。这种新方法在为研究自然开辟了无限广阔的天地，而且成为日后自然科学研究中的典型方法，即设计适当的实验对自然过程进行研究，探寻规律性的联系，然后把所发现的规律用数学语言写下来，形成公式。

机械自然观的兴盛与衰落

在资本主义生产的推动下，16-18世纪自然科学摆脱了宗教神学的束缚，得到飞速发展并取得了巨大的成就。尤其是以力学运动三定律与万有引力定律为核心建立起来的完整力学理论体系，把地球上的物体运动规律和天体运动规律概括在一个统一的理论之中，实现了以力学为中心的物理科学的第一次理论大综合，从而排除了上帝创世说，并给予宗教神学自然观以致命的打击。然而与这一时期自然科学发展状况相适应，却形成了形而上学的机械自然观。

近代形而上学自然观以实验科学材料为基础，基本上克服了古代自然观中的直观性、思辨性、猜测性的缺陷，而力图用比较乘数的科学知识来解释自然现象，这无疑是一个进步。但近代自然观由于缺乏辩证法，把自然界看成是一成不变的，这比起古代自然观那种把自然界看成是不断发展变化的观点来，则又是一个退步。

18世纪下半叶以来，随着自然科学从经验领域进入理论领域，自然科学本身的辩证性质和机械自然观的形而上学性质的矛盾逐渐激化。自然科学的一系列重大成就，在机械自然观的壁垒上打开了一个又一个缺口，为辩证唯物主义自然观的产生准备了条件。 18世纪下半叶以来自然科学的巨大进展表明；过去被看作是孤立的、割裂的自然现象，被证明是统一的物质运动的不同形式。它们不仅在空间上展示出多样性，而且在时间上有其发生、发展和消亡的历史。

科学共同体的形成

早期的自然科学，是人们出于对大自然的敬畏和好奇而从事的一种自发的业余爱好和兴趣运动。尽管近代科学革命以后，科学从哲学的母体中分离开来，以经验为基础，以实验为手段走上了自身独立发展的逻辑轨道，但是在一个较长的历史时期，近代科学研究的范围和规模都比较窄小。科学家往往以单枪匹马、幽居独思的活动方式为主。

随着科学的进步，热心科学的人数迅速增加，科学家成为一种社会职业，科学共同体在这种背景下应运而生。科学共同体形成的标志，便是学会和学院的纷纷成立，会员常常聚会，讨论新问题并推进新学术。这类学会中最早的一个，1560年出现在那不勒斯，名叫“自然奥秘学院”。1603---1630年，“猞猁学院”成立于罗马，伽利略便是其中的一员。1651年梅迪奇贵族们在佛罗伦萨成立了“西芒托学院”。

19世纪开始，科学有了长足的进展，科学以其令人心悦诚服的成果、独一无二的价值和功能，吸引了为数众多的人踏上科学之路，科学研究呈现出职业化和结构化的特征。1826年，德国大化学家 李比希创建了吉森化学实验室，吉森实验室标志着科学家组织由学会型结构向专业型结构的过渡。1874年著名的英国剑桥大学 卡文迪许实验室的出现，不仅是近代科学向现代科学的肇始，也是科学研究传统和主体转换的标志。

意大利

近代科学技术在竞相发展过程中出现了三次大转移。17世纪中期科学家技术中心从意大利转移到英国；18世纪后半期科学技术中心从英国转移到法国；19世纪末科学技术中心从法国转移到德国。这三次转移揭示了近代科学技术的发展呈现出后浪推前浪、一浪高一浪的发展趋势。

从15世纪下半叶到17世纪初，资本主义关系首先在意大利萌生并得到迅速发展，工商业的繁荣促进了文化的繁荣，文艺复兴运动也首先在意大利兴起，从而为意大利近代科学技术的产生和发展奠定了基础。

16世纪以后欧洲的经济、政治、文化等发生了很大的变化。由于新航线的开通，贸易中心已经从地中海沿岸移向大西洋沿岸，意大利外贸经济急剧下降。又由于战争的破坏，意大利的国土四分五裂，经济上遭到破坏，政治上受西班牙控制，意大利的文化的科学技术收到严重摧残，科技人员流落他乡。从此，意大利失去科学技术中心继续存在、发展的条件。

英国曾是近代科学的主要策源地，牛顿的故乡。道尔顿对化学，戴维对电化学，托马斯，杨对波动光学，赖尔对地质学，焦耳，法拉第，麦克斯韦对电学，达尔文对生物学。

17世纪中叶英国发生了资产阶级革命。资产阶级政治统治的确立为资本主义生产方式的发展扫清了道路，这是英国科学技术得以兴起的根本原因。胜利了的英国资产阶级为了巩固自己的政治经济地位，加强自己的实力，获取更大利润，迫切需要借助科学技术的力量，科学技术作为资产阶级的宠儿，备受鼓励和提倡，英国政府采取了奖励科技发展的政策，具体有以下几个方面。

（1）引进技术，广招人才

英国十分注意提高技术水平，国家采取了有利于吸收国外先进技术的政策，大批由于政治动乱和宗教迫害而逃到英国来的工匠壮大了英国的技术力量。

为了加快技术引进的消化吸收，英国采取了许多措施，如为鼓励造船业吸收外国先进技术，国家决定给造船工业以财政补贴，并欢迎外国工匠、航海家和学者到英国工作，并给予优厚的待遇和更多的关照。

（2）兴办教育，创立学会

英国特别重视科学教育事业和对科学技术人才的培养奖励，大力兴办技术学院，完备大学教育体系。早在12-13世纪英国就建立起牛津大学和剑桥大学。早期它们受教会控制，为教会培养人才，算术、几何、天文等科目仍在沿袭中世纪经院学派的传统。到17世纪中叶，这些大学除了数学又陆续开设了物理学、植物学、天文学等科学讲座，培养了一批科技人才。

（3）注重科研，奖励发明

加速科技发展，最重要的是增强本国的科研实力。为此英国政府积极支持科研活动，奖励发明创造，给予科学家和发明家以极高的荣誉和社会地位。

法国几乎与英国同时开始了工业化进程。法国在技术创新方面、资金运用方面和工业化模式上都最大限度地借鉴了英国的经验，并有所创新，这就使法国从18世纪后半叶到19世纪前期成为继英国之后的近代科学技术中心。

启蒙运动与法国的革命为法国科学发展开辟了道路。大革命带来了法国科学院的改组，废除名誉院士制度，统一度量衡，创立了巴黎高等师范学校和巴黎综合工科学校。18世纪法国分析力学首屈一指，数学方面也有很多杰出人才，大革命后法国科学转向了实用性，技术性，卡诺关于热力学研究是这一时期最出色的物理研究19世纪科学衰落，首先是法国政局的动荡多变，拿破仑四处征战。另一个重要的原因是因为科学活动的高度集中性制约了科技大发展。科学管理集中也出现了军阀统治的现象

其次，法国大革命后，资产阶级政府采取了一系列措施扶持可续技术事业，包括：

（1）对科学家委以重任，使各项事业依靠科技进步的轨道

大革命期间和拿破仑时代，也即18世纪90年代和19世纪早期，一大批科学家被任命为革命政府的重要官员。如数学家蒙日担任过海军部长，数学家拉扎尔-卡诺担任过陆军部长，化学家克鲁阿担任过火药局长和教育部长。

（2）强化科研组织，发展科学教育

1794年法国国民议会决定实现国家工业化，并且改造旧的皇家科学机构，使之从宫廷走向整个社会。

科学的职业化使科学在社会中获得重要地位，也是法国在科学建制方面的一项创举，巴黎科学院的院士成了真正的职业科学家，享有丰厚的薪金和待遇，初步确立了一些制度，如科学教授职位、某些科学系科的设置等。法国人认为自由是每个公民的神圣权利，而改革后的科学和教育机构更为这种自由提供了充分的保证，如教师、科学家可以自由听课，同时拥有进行科学研究的自由权利，这是当时英国比不上的。

（3）大力引进技术，推行拿来主义

法国科学家技术发展起步较晚，特别是和英国相比有很大差距。为了迅速赶超英国，法国派出许多留学生出国深造，引进吸收外国的先进科学技术成果，同时主义引进机器，大量招聘外国技工。大革命以后，尽管英国政府禁止机器、图纸和熟练技工出国，但法国政府仍然采取种种办法将英国的新技术偷运回国。法国政府为了大量引进，还运用国家的力量来奖励机器入口和资助来法开业的英国人，为他们开业、办厂矿提供有利的条件，以优厚的条件招聘熟练的技术工人，充实和提高国内各个工业部门的技术水平。这使得法国在较短时间内完成了工业化进程。

1830年以后，法国由于政局的动荡多变及其他社会原因，作为科学中心的地位开始丧失，法国科学出现了相对停滞的局面。而这时的德国科学后来居上，出现了科学技术革命的高潮，涌现出一批世界著名的科学家。在19世纪40年代之前，德国还远比法国、英国落后，可是经过了19世纪前50年的基础科学发展之后，特别是在60年代和70年代的技术科学的兴盛之后，德国已在理论科学、技术科学、工业生产以及社会经济方面迅速崛起，1875年前后世界科学中心转移到德国。

尽管到18世纪末19世纪初，自然科学已经从哲学中分化出来，但是在德国，自然哲学家们如 谢林、 黑格尔仍然试图建立凌驾于自然科学之上的自然哲学体系，显然已经不合时宜。但是也应当看到，在德国的自然哲学中，包含有丰富的辩证法思想，这对于自然科学是有益的。

德国自然哲学在社会政治领域里主张“国家主义”，要求强化国家的权威，在公共事物领域实行政府管制，这一主张十分符合当时德国当局的立场。在这种理念指导下，德国政府动员国家资源支持科学技术和教育的发展，并采取了一系列发展额开学和教育的制度和措施。

（1）大力实行教育体质创新

1809年洪堡和其他人发起建立了柏林大学。大约19世纪20年代末30年代初，德国大学真正开始改革；1870年左后，德国科学研究和科学人才培训已取得卓越成就。德国的科学和教育中心分散在许多大小城镇，如萨克森弗莱堡的矿业学院、波恩大学、莱比锡大学、慕尼黑大学、海德堡大学、图宾根大学等，德国的实验室和研究所都由政府资助，德国科学与教育模式超过法、英和其他国家，被公认为19世纪最优越的制度。

（2）结合生产实践进行科学研究

德国为了深入持久地进行自主科学研究，根据生产发展的需要陆续建立了各种研究。1873年建立了国立物理研究所，1877年建立了各种研究所，1879年建立了国立机械研究所。在科学研究上，提倡科学家之间互相交流，取长补短，共同提高。

（3）有选择地引进国外先进科技

德国在发展自己科学技术的道路上十分注意吸取了英国、法国起飞的经验教训。德国比英、法科技落后很多年，要学习的东西很多，而一时又不可能都吸收过来。为迅速缩短差距、迎头赶上，德国采取抓住主要成果、最新成果有选择地引进的方法。选派留学生也是有目的、有针对性的，这样有利于调动留学生的学习积极性。在学习外国先进技术方面，也是有组织地进行的。德国还派人到英国学习钢铁技术，带回本国消化吸收，使钢铁工业在技术与产量上获得了飞速发展。德国在向外国学习时不墨守成规、生搬硬套，而是既有继承又有发展，吸收最好的适用的成果，促进本国的科研和生产。同时又根据本国的特点，建立自己的生产体系和管理制度，最大限度地发挥科学技术的效能。

年轻的国家偏重于实用科技发明，1861年爆发的南北战争，四年后美国工业迅猛发展，基础科学十分落后，知道二战以后，许多科学家的到来由联邦支持，才快速发展成头号科技强国。