近代自然科学是如何发展的？

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近代科学发轫于16世纪，17世纪以来随着资本主义生产方式的产生和确立，自然科学“开始从神学中解放出来”。17、18世纪在西欧不仅是资本主义经济发展、政治变革的重要历史时期，也是自然科学取得辉煌成就的时期。随着资本主义经济的发展，人们迫切要求认识现实、认识自然，要求发展科学技术。在生产实践的强大推动下，17、18世纪自然科学和技术获得蓬勃发展，特别是数学、天文学和物理学的成就非常突出。

进入19世纪，科学研究已从搜集和积累材料为主的阶段，逐渐过渡到以整理和综合材料为主，形成假说，建立和完善理论体系的阶段。自然科学各个领域里的许多规律性认识和重要原理都在这一时期展现出来，其拓展的深度和广度大大超过了17、18世纪。各门经典科学目益走向成熟，达到几近完美的水平，形成了人类历史上空前精密和可靠的自然科学体系。

近代数学的建立1637年，法国学者笛卡尔（1596—165年）发表了他用代数学方法解决几何问题的研究成果，创立了解析几何学。这一成果突破了过去数学的界限，生动说明了自然事物的形状和数量是相互联系的，实现了几何和代数的结合，即形和数的结合。笛卡尔实际上是把变量引进了数学，这为物理学研究运动、变化提供了有力的数学工具，实现了数学的转折。随后，德国数学家莱布尼茨（1646—1716年）和英国科学家牛顿（1642—1727年）各自创立了微积分学，完成了数学中的革命，从而使精密的测量和变量计算有了可能。现在国际上通用的微积分符号，就是莱布尼茨发明的。解析几何学和微积分学的建立是17世纪数学最重要的成就，从此，数学由传统的常量计算进入一个新的以变数为主的领域，“高等数学”产生了。

18世纪时，数学家们通过多年研究，认识到传统的欧几里得几何是从一组自身不导致逻辑矛盾的假设基础上演绎出的几何学体系，因此设想，如果有另外一组不会导致逻辑矛盾的假设，也可能演绎出另外一种几何学体系。1854年，德国数学家黎曼在前人研究的基础上提出了一种更为广泛的非欧几何学，提示了空间特性的可变性。黎氏几何学为后来爱因斯坦创立广义相对论提供了重要的数学工具。

物理学的巨大成就经典物理学包括力学、光学、热学、电磁学、分子物理学等许多部门和分支。17、18世纪时，只有经典力学比较成熟，到19世纪，经典物理学的各分支都取得了巨大进展，科学体系走向成熟。

1687年，牛顿出版了他的科学巨著《自然哲学的数学原理》。这部著作是这一时期自然科学的最重要的代表作，包括自然科学多个领域的内容，但最主要是力学方面的内容。在这部著作中，牛顿提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律。这些定律构成了一个统一的体系，把天上和地上的物体运动概括在一个理论之中。人们把牛顿提出的这些力学理论称为牛顿力学体系，它的建立成为近代科学形成的标志。这是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。牛顿在科学上的贡献是多方面的，他还发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜，推动了光学研究的发展。

牛顿的物体机械运动三大定律包括惯性定律、加速度定律和作用与反作用定律。简单地说，惯性定律指除非受到外力的影响，每一物体始终维持其静止或匀速直线运动状态；加速度定律指物体的加速度与力成正比；作用与反作用定律指作用力与反作用力总是大小相等方向相反。所谓万有引力定律，则是指宇宙间物质的每一粒子都是和其他的每一粒子互相吸引，它们之间互相吸引的力量和它们之间距离的平方成反比，和它们质量的乘积成正比。

牛顿让太阳光通过一个三棱镜，映出彩虹一样的颜色，呈现为赤、橙、黄、绿。青、蓝、紫七色彩带；把一个三棱镜放在这个彩色光谱里，虹的色彩立刻还原为一道白光。这一发现为光谱学的创立开辟了道路。

科学的威力在于预见，1846年法国天文学家勒维耶运用经典力学的理论计算出一颗未知行星可能出现的位置，德国天文学家加勒根据这一推算结果立即组织观测，发现了海王星，证明了经典力学的正确性。

17世纪初，英国人吉尔伯特发现了天然磁石的性质，并把“电”这个词引入英语中。但是长时间里，人们一直把电和磁看作是两种不相关的现象。直到19世纪初，丹麦教授奥斯特观察到通电的导线附近发生的磁针转动现象，人们才认识到，电和磁是存在着一定联系的。三十年代，英国科学家法拉第用实验证明，导体在磁场中运动时可以产生电流，机械能可以转化为电能。后来，麦克斯韦在总结前人研究的基础上，把电、磁和光的研究结合起来，创立了光的电磁波学说。1873年，英国科学家麦克斯韦发表《电磁通论》一书，确立了电磁学理论的基本框架。电磁感应现象的发现是19世纪电磁学的辉煌成就，为制造发电机和进而制造电动机创造了可能，从而开辟了人类生活中的新时代——电气时代。电磁场理论是科学认识史上的一次重大飞跃，它标志着经典物理学理论已达到高峰，因此，麦克斯韦也被誉为“牛顿之后最伟大的数学物理学家”。

1895年，德国物理学家伦琴在做实验时，意外地发现了一种具有极强穿透力的射线。由于当时不了解这种射线的本性，伦琴暂时称它为X射线。X射线可以穿透皮肉透视骨骼，在医疗上很快得到广泛使用。几年后，科学家居里夫妇在法国发现了钋和镭等放射性元素。居里夫人（1867—1934年）首先在她的论文中使用“放射性”一词。在此基础上，英国科学家卢瑟福等人经过研究发现：放射性原子在自身放出射线和能量的同时，本身也衰变为另一种放射性原子，直到成为稳定的原子为止。同时，科学家们在研究过程中还发现了电子的存在，打破了传统的“原子不可再分”观念。X射线、放射性和电子的发现，为人们打开了一个奇妙的微观世界。

18世纪末到19世纪早期，人们相继发现了许多不同的物质形式相互转化的事例。这表明某些不同的物质运动形式之间必定存在着某种内在联系。德国医生迈尔（1814—1878年）从人的新陈代谢角度，认识到生物体内能量的输人和输出是平衡的。食物中所含化学能和机械能一样，可以转化为热能。迈尔是第一个发表能量守恒和转化定律的人。紧接着，英国业余物理学家焦尔（1818—1889年）率先用科学实验确立能量守恒和转化定律。1847年，德国物理学家赫尔姆霍茨（1821—1894年）对能量守恒与转化的原理进行了系统而严密的阐述，并对这一定律作出了数学的表示。到六十年代，能量守恒与转化定律已得到科学界的公认。

这一定律表明：自然界的各种能量形式，如机械能、热能、电磁能、化学能以及20世纪发现的原子能等，在一定条件下，可以按固定的等量关系相互转化。在转化过程中，能量不能凭空被创造或消灭。能量守恒和转化定律不仅为提高机械效能提供了理论依据，而且还为物质运动不灭原理和运动形式统一性等哲学命题提供了科学论证。恩格斯也因此称其为19世纪自然科学三大发现之首。

化学的发展17世纪下半期，英国科学家波义耳首先提出了化学元素的科学概念，主张以科学实验作为化学研究的基本方法，成为近代化学的奠基人。17、18世纪，由于“燃素说”盛行于科学界，人们长期未能揭示出燃烧现象的本质。18世纪末，法国科学家拉瓦锡指出“燃素说”的错误，明确提出根本不存在燃素这样的物质，说明燃烧是燃烧的物质和空气中的氧进行化合的过程。燃烧氧化学说使近代化学发生了革命性的飞跃。从此，化学研究步人正轨，并在19世纪取得了一系列重大成就。拉瓦锡还是通过化学反应提出能量守恒定律的第一人。

1803年，法国科学家道尔顿发表了他的原子论，指出：化学元素是由非常微小、不可再分、性质不变的原子组成的；不同元素的原子在形状、质量和性质上不同，原子量是各种元素的基本特征；不同元素的原子按简单数目的比例相结合形成化合物。原子学说解释了各种化学现象和化学定律之间的内在联系，很快成为当时化学研究的统一理论，从而开创了近代化学的新时代。1811年，意大利科学家阿伏伽德罗又提出了分子的概念，认为单质的分子是由相同元素的原子组成的，化合物的分子则是由不同元素的原子组成的。

自从波义耳提出化学元素的概念，拉瓦锡认识氧以来，人们对于寻找元素越来越感兴趣。地球上到底有多少元素？它们之间有什么联系？这些问题吸引人们不断地思考。1869年，俄国化学家门捷列夫提出元素的性质与元素的原子量之间存在着周期性变化的规律，这就是后来众所周知的元素周期律。门捷列夫还制定了第一张化学元素周期表，在这张表中，他除了列出当时已知的所有元素之外，并预言了6个未知元素及其性质。不久这些科学预见就被实验所证实。元素周期律的发现，奠定了无机化学的基础。它说明自然界的元素不是孤立存在的，而是有着内在联系的统一体。

诺贝尔是瑞典著名的化学家、工程师和实业家，他在科学上的贡献主要在炸药的研制方面。19世纪六七十年代，诺贝尔在炸药和与炸药有关的雷管等方面的研究取得了重大进展，制造出了使用更加安全、爆炸力更强的炸药，获得了一系列专利。诺贝尔利用自己的专利在欧洲各地设立了许多炸药工厂，还投资油田，获得了巨额财富。1896年，诺贝尔在意大利逝世，其遗嘱要求将遗产的绝大部分设立一个基金，用于奖励在科学和和平方面作出贡献的杰出入物。1900年，诺贝尔奖金首次颁奖。诺贝尔奖分为物理学、化学、生物学、医学、文学及和平奖；1969年，又设立了经济学奖。诺贝尔奖是目前世界上最著名的大奖，它对于促进科学的进步和人类的和平有着积极的作用。

生物学的长足进步1628年英国医生哈维以大量事实为依据，发表了血液循环学说，奠定了近代生理学的基础。18世纪三十年代，瑞典科学家林奈在总结前人成果的基础上制定了动植物分类法，建立了“界→纲→目→属→种”的分类系统，并迅速得到学术界的广泛承认。

在英国科学家胡克1665年首次发现细胞后的100多年里，人们对细胞的认识没有多大进展。1838年，德国植物学家施莱登发表文章指出，细胞是一切植物结构的基本单位，植物发育过程就是新细胞形成的过程。1839年，德国动物学家施旺把施莱登的观点扩大到动物界，从而正式确立了完整的细胞学说。早在17世纪，荷兰生物学家列文虎克用显微镜观察到各种微生物，并发表了最早的细菌图。这一发现开辟了生物学研究的新领域。但到19世纪上半期，人们仍无法说明微生物是怎样产生的。1860年，法国生物化学家巴斯德以一系列精确的实验证明了营养物质不能自然产生微生物，生命只能由生命来繁殖的结论。这一发现奠定了微生物学的基础。

19世纪初，法国博物学家拉马克最先提出了生物进化的观点，引起人们长期的激烈争论。1859年，英国生物学家达尔文经过20多年研究写成的《物种起源》一书出版。达尔文认为，生物母体生出的众多后代，为攫取生活的必需条件而斗争。众多的后代不会绝对相同，其中优秀的物种在生存竞争中取胜了，其他的被淘汰了，这就是优胜劣汰。达尔文把变异和自然选择看作新物种起源的首要因素。《物种起源》的出版标志着生物进化论的诞生。1871年，达尔文又出版了《人类的由来》一书，明确提出人类的祖先与大猩猩、黑猩猩有亲缘关系。达尔文的生物进化论彻底动摇了上帝创造人的说法，还将“变化”、“发展”等观念引入科学领域，不仅引起生物学、人类学思想的一场革命，而且还影响了社会学、历史学，产生了社会达尔文主义的思潮。

19世纪六十年代。奥地利人孟德尔首次阐明了生物界有规律的遗传现象。1910年前后，美国生物学家摩尔根经过多年的研究，建立了基因遗传学说。基因遗传学说认为，染色体是基因的物质载体，基因在染色体上作直线排列；不同染色体上的基因可以自由组合，但同一染色体上的基因却不能自由组合，要遵守连锁遗传的法则。

孟德尔是现代遗传学的奠基人，他的最主要贡献是建立了孟德尔定律。孟德尔定律包括分离定律和独立分配定律，它表明，生物的每一性状是由一个遗传因子负责传递的，遗传下来的不是具体性状。而是遗传因子。1909年，一位荷兰遗传学家用“基因”这个术语来表达孟德尔所说的“遗传因子”。此后，“基因”这一概念逐渐为生物学界普遍接受和使用。

天文学的新进展1755年德国哲学家康德提出“星云论”解释太阳系的形成和运动，以后法国科学家拉普拉斯又提出类似的假说，并从数学上作了论证。康德一拉普拉斯星云论，是把太阳系的形成看成物质世界自身的历史及发展过程。18、19世纪天文学家还陆续发现了天王星、海王星，进一步完善了对太阳系的认识。

18世纪，英国天文学家W·赫歇尔提出了银河系的概念，认为银河系是由一层恒星组成的，形状有如一块边缘有裂缝的透镜，太阳就位于银河系之中。19世纪上半期，他的儿子J·赫歇尔出版了《天文学纲要》一书，最终确立了银河系的概念。