赫赫金鑰|世界科學技術史

世界科學技術通史科學技術史求實出版社 1985兩本書的筆記,以後還會增加內容。各種因素相互影響,產生新技術,而新技術的影響也不是當時人所能預想到的。在相當長的時期,科學與技術都沒什麼關係,進入 19 世紀,兩者纔走向融合。202204 基本完工。2022下半年加入上課筆記

原名 Science and Technology in World History: An Introduction

作者 James E. McClellan III, Harold Dorn

譯者 王鳴陽、陳多雨

出版社 上海科技教育

出版時間 2020

豆瓣評分 9.5

導言

在 18 世紀上半葉以前,科學是非常純粹的,大學課程用專用術語,工匠和工程師根本看不懂。只是到了現代社會,人們才有技術是科學的應用這一概念。

  • 巴比倫模式:科學是王官之學,科學掌握在統治階層手中。
  • 希臘模式:沒有功利,不用於實際目的,私人的。
  • 希臘化模式:結合前兩者,國家資助無功利的探索。
  • 現代:嵌入工業生產,與政府聯姻

「李約瑟中國問題」是不成立的,因爲要問的不是中國,而是歐洲爲什麼中世紀科技不發展。

scientist一詞的來源:William whewell 1794–1866

Dehum

  • Sarton奠定科學史學科,百科全書式。
  • koyré 科瓦雷:科學思想史。From the Closed Cosmos to the Infinite Universe, 1957
  • Merton 科學社會學 Science, Tech and Society in Seventeenth Cen Eng, 1938 奠定外史傳統。默頓命題:清教倫理精神促進科學的興起,經濟軍事技術的需要促進了科學的發展。中層理論:介於宏觀微觀之間。論文集《科學社會學》。
  • Cohen 科恩 The Birth of a New Physics, 1960. Revolution in Science, 1985
  • Kuhn 庫恩:範式,The structures of Scientific Revolution, 1962。常規科學——出現反常(地心說,相對論)——危機——新範式。科學進步並非直線通向唯一真理。

「科學革命」

  • 康德
  • 科瓦雷《加利略研究》
  • 巴特菲爾德《近代科學的起源》
  • ⋯⋯

一些概念

  • 「範式」paradigm。庫恩:科學共同體公認的科學理論與實踐:定律、實驗、儀器
  • 不可通約性 incommensurability:新舊範式無法進行嚴格比較,新舊更替與其說新理論是真的,不如說是世界觀的改變。
  • 內史外史。外史:以社會文化、經濟條件、制度機構、人際網絡為主。赫森《牛頓原理的社會與經濟根源》。
  • 輝格史:巴特菲爾德《歷史的輝格闡釋》The Whig Interpretation of History, 1931。以寫作的眼光重建歷史評價歷史。

庫恩之後:

  • 社會建構論:科學知識社會學SSK(愛丁堡學派)。科學知識是人的創造,從知識內部進行社會學人類學研究,探究科學知識是如何生產建構的。
    • David Bloor: 知識與社會意向 Knowledge and Social Imagery, 1976。「強綱領」 strong programme:
      • 因果性:科學知識內外部各種因素的共同作用
      • 公平性:對失敗不合理的都應該保持客觀公正
      • 對稱性:對立雙方的解釋市場對稱的,而不是兩套標準
      • 反身性:強綱領適用於科學社會學本身
    • Barry Barnes
    • Steven Shapin
  • 實踐轉向 Jim Bennett, Church, State and Astronomy in Ireland
  • 跨國史 John Krieg
  • 全球史 Harold J. Cook
  • 新文化史:物質文化,疾病,圖像 柯律格《明代中國的視覺文化與物質文化》,閱讀史。Peter Burke 《什麼是文化史》《文化雜交》《文化史的風景》。

李約瑟

  • Why modern science had not developed in Chinese civilization (or Indian) but only in Europe。
  • Why, between 1 and 15 cent;ury, Chinese civilization was much more efficient than occidental in …

伊斯蘭科學史

  • Dimitri Gutas, Greek Thought, 1999
  • Science and Technology in Islam, 五卷本, 2010
  • 《西方科學的起源》

研究機構:European society for the History of Science

ISIS the University of Chicago Press Journals 每期都有主題。

一、早期文明

參考書目

  • Cambridge History of Science, vol. 1
  • David Lindberg, The Beginnings of Western Science.(张卜天申译本)
  • Eleanor Robson, Mathematics in Ancient Irq: A Social History, 2008.
  • 赫拉利:《人类简史:从动物到上帝》2014
  • 伯特曼:《古代美索不达米亚社会生活》2016
  • 《走进殿堂的中国古代科技史》

舊石器

腦容量:200 萬年前的能人 750cc,直立人 1000cc,10 萬年前的智人 1400cc。3.5 萬年前,尼安德特人消失了。

石製工具在 70 萬年前就已出現。火的使用增強了人對自然的支配能力。

舊石器時代:200 萬年前–公元前 10000 年。他們過著採集的生活,壽命較長,長者有豐富的經驗和知識,他們按時聚會,舉行慶典。

從石器時代開始,人類慢慢學會把石頭加工成器具,與現代工具相比較,原理上沒有什麼不同,一樣有效。他們學會了製作食物,製作耐火陶器,醃製食物,學會製作衣服,提取燃料,建造木棚。

舊石器後期,壁畫證明了蓺術的出現,宗教也出現了。他們過著美好的生活,不缺肉吃,勞作不辛苦,有皮毛禦寒,在火前取暖,這樣的生活持續了三萬年。

4–1.5 萬年前,有幾千塊猛獁骨片,紀錄著月亮盈虧。

新石器

公元前一萬年,新石器部落不約而同地獨立出現在世界各地,他們栽培植物、馴養動物。人們走上農耕和遊牧兩條道路。動物對人類的意義非同一般,能把植物轉換成肉,提供豐富的蛋白質,不會變質,還會生產更多的動物,還可以製作各式各樣的奶製品,皮毛、糞便也都很有用。由於農耕的需要,產生了很多技術,如編織、陶器,甚至發展出了原始煉銅技術公元前 3300 年的冷鍛斧

新石器時代的部落是二十幾箇分散的村落,每箇村落數百人,生產以家庭爲基本單位。住在房屋裏,人們必須考慮處理公共空間、箇人隱私的問題。

到了晚期,有一技之長的工匠出現,物品交換更加頻繁,粗略的階級社會出現,以血緣、重新分配財物的權力建立起來。這時人們的生活水平比舊石器時代有所下降,但是帶來的是能養活更多人口。公元前 3000 年的近東,出現了數千箇農耕村落,相隔較近,逐漸出現比較複雜的社會結構,出現區域性交通要道、貿易中心,市鎮出現。也出現了値得偷盜的剩餘財富。

新石器革命是一箇技術經濟過程 techno-economics process,沒有科學的幫助,工匠掌握的只是實用知識。這時唯一的科學是天文學。

  • 英格蘭南部索爾茲伯里巨石陣 Stonehenge:前 3100–1500 年。最重的一塊達 50t。巨石陣的建造秏費數代人的努力,動用了大量勞動力,因此需要食物來養活工人,需要有權威機構來收集分配食物。是祭祀中心,也是天文臺,用來追蹤日月位置,標明二至太陽升起的極限位置。它可以用作日曆,能精確到每一天。
  • 復活節島巨石像,島民雕刻了 250 多尊紀念碑一樣的摩阿儀石像,面朝大海,每箇重量都有 14t。這些石像的安放也隱含了天文學含義。

第一批文明

城市革命、青銅革命

六千年前在近東出現了第一批文明,有城市、宮殿、寺廟,形成文字,出現科學。能夠生產大量剩餘穀物的高效農業出現,於是課稅、儲存和再分配成爲可能,由法老控制的集權機構出現,以管理這些複雜的農業系統、水利系統。

城市革命出現在了:3500 ʙᴄ 的美索不達米亞,3400 ʙᴄ 的埃及,2500 ʙᴄ 的印度河流域,1800 ʙᴄ 的中國,500 ʙᴄ 的中美洲,300 ʙᴄ 的南美洲。這六處文明獨立產生,重複出現這一過程。這些地區變成農業人口的定居區,還居住著手工業者、商人、統治階級。政府掌握技術的傳授,貢賦集中到廟宇和政府作坊中進行加工。

隨著人口的迅速增長,當一處棲息地擠滿時,失敗者無處可去,只能接受勝利者的統治,成爲奴隸和農民,充當維持集約化農耕系統的勞力。

美洲的第一箇文明是建於 500 ʙᴄ 的蒙特阿爾萬,還有一座更大的城市,200 ʙᴄ 的特奧蒂瓦坎,後來成爲中美洲的中心。100 ʙᴄ 到 9 世紀,瑪雅文明經歷了千年繁榮。他們的水利問題是地處低窪,需要排水。印加在 15 世紀達到鼎盛,通過武力使沿海平原和丘陵地生產資源連爲一體。他們有不可思議的道路系統,兩條主幹道分別貫通沿海和山區。

5000 ʙᴄ,青銅時代到來。在美洲,雖然青銅器未能取代石器,但印地安人掌握複雜的黃金加工技藝。金屬工具的使用改變了早期文明的面貌。由於要冶煉金屬,控制礦產資源就十分重要,青銅用到的錫則依賴經貿活動。手工業不再是一家一戶的事情,而是成爲專門的行業。手工業集中起來,有採石、採礦、黃金加工、紡織染色、紙莎草紙製作等眾多行業,構成了一箇複雜的社會網絡。

製陶技術也有了巨大變化,陶工旋轉盤使人們製作出更加精緻的陶器。玻璃製品也隨著製陶而產生。

金字塔

金字塔的佈局保持了非常準確的南北方位,只有掌握了數學,纔能進行複雜的設計。建造金字塔的技術和新石器時代相比沒有重大進展,主要的變化就是文明能驅動更多的人。

有些法老不止建造過一箇金字塔,這顯然有另外的動機。有一種解釋說,建造金字塔本身就是一項國家政策,工程連續不斷,將尼羅河氾濫期間農閒的人民動員起來,來維持尼羅河谷灌溉農業的經濟活力,強化國家力量。

水災後需要重新登記測量土地,以便徵稅,大規模灌溉促進了較大政治單位「水利省」的形成。

農作物轉爲小麥大麥,開始栽培蔬菜果樹。蜂蜜用來製糖製蠟。發酵技術產生,啤酒、葡萄酒成爲普遍飲料。

知識

早期知識誕生於功利的需要,早期國家設有一些官位,由有學問的人掌握專業知識。美索不達米亞的城邦有不少官方機構,聚集著宮廷占星家、曆算家;埃及有世風院 House of life,有繕寫團隊,負責與宗教典制、故事相關的事宜,也有法術、醫學、天文學、數學等其他學問。這樣的制度決定了學者不能有箇人的追求,也全部都匿名。那時的知識也只是一條一條紀錄,沒有抽象出來作爲定理,也就是「列表科學」。這些列表無所不包,數、神、植物、動物、城市、統治者⋯⋯只有在國家能夠供養一大批讀書人的時候,纔有可能誕生這樣的知識。

早期國家形成了長期紀錄的體系,比如美索不達米亞的黏土徽記,記錄了帳單,大部分文字都是經濟紀錄。書寫技藝受到高度重視,書記有很高的社會地位。學校也應運而生,美索不達米亞的書板屋 tablet house。那些書板紀錄著學生的書寫和計算練習,一千年來都是同樣的內容。

數學

蘇美爾、巴比倫用六十進制。用表格法進行乘法、倒數、平方、立方、二次三次方程的計算。他們解決的是供應和實際問題,不涉及對數學的抽象理解。巴比倫的 $\sqrt{2}$ 精確到 6 位小數,是用來計算複利的,但根本用不著那麼精確;線性方程是爲了解決遺產分配、土地劃分問題;建築材料的係數表用來快速計算建築承載能力。

埃及的數學非常蠢笨,十進位數字的每級都有單獨的名稱,不適合複雜運算。他們的計算主要用於計算金字塔、啤酒麵包的分配。他們的乘除法限制在倍數這樣最簡單的乘除法,比如 $512=412+12$ 。又比如 $\frac{2}{5}=\frac{1}{3}+\frac{1}{15}$

天文學

真正的天文學產生於曆法,埃及陰曆以清晨下弦月不可見爲月初,美索不達米亞陰曆以傍晚上弦月再現爲月初。精確的曆法用於農業,也用於商業活動。

  • 1000 ʙᴄ,美索不達米亞就出現了精確的陰曆,可能因為兩河漲落。大小月相間,一年 12 箇太陰月 354 日。500 ʙᴄ 形成置閏 3/8——10/27——383ʙᴄ默冬週期7/19。黃道12星座。日月運動表。
  • 埃及民用曆法 Civil Calendar,新年是尼羅河氾濫的時候,一年 3 箇季節、12 個月,每月 30 日,每季 4 月:氾濫—生長—豐收季。一年 365 日,剩下的 5 天是五位神的生日。1460 年就會相差一年。爲了彌補這種粗糙的曆法,埃及人根據天狼星偕日升的時間來確定日期。民用陽曆與宗教陰曆的聯繫,依靠 16 箇小年的 25 年週期解決。現存最早的是中王國棺蓋上的對角線日曆,新王國墳墓頂蓋上的星象圖。把從黃昏到黎明的時間分爲夜間十二小時,再對稱爲一天 24 小時。希臘化時代,一天 24 小時細分爲 60 分鐘,每小時等分化。
  • 巴比倫的天文學深深影響了希臘天文學。到後來,他們已能夠粗略預測幾箇主要天體的位置;能預測日月食;能計算行星的運動。他們研究新月問題,編製數學表,知道了每月的新月何時出現。巴比倫人把每天分爲六部分。

到 1c ʙᴄᴇ,希臘天文學家完成了天文表,可以用來推算某天體在任意時間的位置,同一時期的美索不達米亞也做到了,卽塞琉古天文學。他們有兩種體系:其一、太陽以特定速度勻速通過特定弧,又以不同速度勻速通過餘弧。其二、各月有不同的固定速度,按照一定的算術數列增減,呈 Z 形排列。這兩種方法也用於月球和行星運動。

二、希臘

lindburg《西方科學的起源》,張卜天

「希臘奇跡」:600–200 ʙᴄ 的思想爆發。

希臘文明的條件得天獨厚,不是最早一批文明那樣的半乾旱沖積平原。希臘人發明了自然哲學,這種對宇宙的抽象而無功利的思索,是沒有先例的。希臘人在定義和公理基礎上創造了抽象邏輯體系。

希臘文明也不是在黑暗中突然湧現的,而是受到埃及文明的影響,希臘天文學也從巴比倫人那繼承了很多觀測資料。希臘的生態環境在新石器時代就已遭到破壞,他們處於生存壓力之下,只能從國外進口糧食,他們發展出了航海和經商,眼界開闊;希臘被群山分割,不能產生像法老一樣無孔不入的權力。

古典時代哲學

四元素說 泰勒斯(活躍於 585–535 ʙᴄ)提出世界的本源是水,大地浮於水上。阿那克西米尼認爲氣生萬物。恩培多克勒綜合前人看法,首次提出基本元素土氣火水。柏拉圖提出了幾何化的四元素說,土氣水火對應四面體、立方體、八面體、二十面體這四種完美立體,多出來的十二面體對應以太,構成天體。亞里士多德將四元素說系統化,認爲它們是觀念中的存在,是兩種特性的組合:乾冷、濕冷、乾熱、濕熱,例如濕冷的水變成濕熱的氣。基本元素有各自的自然位置,要麼向下,要麽向上,他們的運動不需要任何理由。月下王國的四種元素自然回到各自的位置,月上王國則是以太的世界,以太作均勻圓周運動。

  • 米利都學派的自然主義摒棄了神的意旨,終於把神撇開了。

    • 第一箇哲學家泰勒斯,提出地震是浮托大地的水作某種運動引起的。這表明他開始提出普適的解釋,用來解釋一切地震、尼羅河洪水;他也開始排除神,獨立客觀地看待自然。他提出世界的本源是水。
    • 阿那克西曼德 Anaximander 提出無形的初始態「無限」Apeiron 生出二重性。他認爲大地是自由懸浮在空中的碟盤;閃電是雲被風分成兩半形成的;天空有許多火輪,發光的星星是火輪上的孔洞;日月食是因爲空洞堵塞。最初的動物是濕氣重出來的,人是魚變來的。
    • 阿那克西米尼 Anaximenes 提出氣 pneuma 是基本元素。
    • 恩培多克勒 Empedocles 提出了四根土氣火水,以及愛恨的引力和斥力。
    • 阿那克薩戈拉 感官為推理無法直接觀察的事物提供基礎。毛髮、肉如何產生的?一開始就已經存在於所有事物的最初混合物之中,每個事物都含有每個事物的一部分。
    • 米利都學派思考:變化是否對應背後的實在,還是僅僅是一種誤導的現象?必須解釋變化與生成的本性,以及知識的基礎。
  • 畢達哥拉斯學派通過宗教維護起來的群體,相信永生、靈魂轉世。認爲純粹的數學構建了世界,「整個天是一個音階和一個數」。

    • 畢氏調音 2/2 3/2 4/3。他們認爲任何事物都可以表達爲數和數的比例,卽事物是數,宇宙是數與和諧。比如 4 是正義,7 是良機,3 是婚姻。
    • 天文學領域,他們認爲太陽運動是兩種符合運動,一是相對於恆星,沿著天球大圓的週年運動;一是和恆星一起繞著天球軸的週日轉動。宇宙中心是「中心火」,往外是 counter-earth (為了湊夠10)、地、月、太陽、金、水、火、木、土、恆星天。
    • 畢達哥拉斯直角三角形定理。他們發現了無理數 $\sqrt{2}$ ,這對他們是箇毀滅性的打擊。
    • 亞里士多德對數字神秘主義的批評。
  • 原子論的留基伯 Leucippus、德謨克里特 Democritus:變化是現實的,存在無限多的微粒「原子」,原子不可分,任何事物的不同都可以用原子的秩序、性狀、運動的不同來解釋。人的靈魂也是由特殊的原子構成,這導致了絕對的無神論。

  • 愛利亞學說、變化論

    • 赫拉克利特 Heraclitus:人不能兩次渡過同一條河流。世界普遍存在變化和相互作用,表面上的平衡可能掩蓋了背後的張力。強調謹慎使用感官。
    • 巴門尼德 Parmenides:否認現實的任何變化,變化是人的幻覺,只承認不變的存在 being,存在是均勻、連貫、不可分解、永恆的。因此真空是不可能的。自從他們的爭論以後,每一箇論述都需要有論據支撐、推理。否定感官,只有理性值得信賴。
  • 醫學:希波克拉底 Hippocrates 460–370 ʙᴄ,文集由學生寫成,外科、婦科、飲食、臨床記錄、人體構造等方方面面。人體與四元素土氣火水一樣,由四體液構成黑膽、黃膽、血液、黏液,體液兩兩平衡,則身體健康。

  • 希波克拉底誓言:所有醫學生入學的宣誓,爲紀念醫學奠基人希波克拉底而命名。大意爲敬重師長,保守秘密不傳他人,遵守醫學道德,爲患者謀福祉,保護患者隱私。

以上就是前蘇格拉底 Socratic 時代的哲學。

  • 柏拉圖認爲有五種基本元素:土氣水火以太,每種對應一箇完美立體,幾何學家已經證明只有 5 種完美多面體火:四面體最尖銳、土:立方體最穩定、氣:八面體、水:二十面體、以太十二面體蒂邁歐篇 Timaeus 描繪了一箇複雜的天體模型:地球位於中心,一根軸帶動殼上的天體旋轉。柏拉圖認爲天體圍繞不動的地球旋轉,這並非出於觀察,而是他的理念論,事物不過是理念的呈現,天體處於至高無上的神聖地位,只有勻速圓周運動適合天體,天文學家要找出運動不均勻性是如何由均勻運動構成的。無法解釋行星逆行,這成爲困擾天文學家兩千年的謎題。
  • 到亞里士多德,又添加了很多用於抵銷的天球,總數增加到 55 箇。
  • 本都赫拉克利德斯 Heraclides 提出,天體不動,地球每日旋轉一週。但人們普遍不相信

但這種同心球模型存在先天不足,不能解釋很多問題,比如金星亮度變化、四季不等、金水日相近等等。

亞里士多德:

  • 質料、形式、動力、目的四因。宇宙的動力因是「善」「愛」。
  • 他也認爲有土氣水火四種基本元素,它們是觀念中的存在,是兩種特性的組合:乾冷、濕冷、濕熱、乾熱,因此液體蒸發時水變成空氣。基本元素有各自的自然位置,要麼向下,要麽向上,他們的運動不需要任何理由。
  • 月下王國的四種元素自然回到各自的位置,月上王國則是以太的世界,以太作均勻圓周運動。
  • 運動分自然運動、強制運動,除了天體運動,都是強制運動,需要一箇推動力來觸發運動;動植物則是靈魂在起作用,人則是理性。他還在力、速度、阻力之間建立了定量關係,拖動一箇物體的速度取決於拉力比摩擦力大多少。這些理論與日常生活的觀察很一致,所以能流行很久。亞里士多德排斥眞空,因爲眞空沒有阻力,速度就會無窮大,這也就意味著否定原子論。
  • 他認爲宇宙是永恆的,在時間循環中永遠重複著自身。
  • 亞里士多德三分之一的內容涉及生物學。生物的生長發育爲他提供了「隱性現實化」actualisation of that which is potential 模型,比如一顆種子就包含了一棵樹。他將生物分爲無血的無脊椎動物和有血的脊椎動物;三種靈魂類型營養、感覺、理性,分別對應植物、動物、人。在繁殖過程中,雄性提供形式,雌性提供質料。

希臘科學:陳曉珊

兩河:縱向流,這樣南北氣候差異大,不利於交流,絲綢之路就是橫向,利於傳播。

美索不達米亞:河間之地。

泥板的弊端:必須趕快寫,要不然就要乾。戰功碑:圓筒泥柱上面的楔形文字。

印度、希臘、愛爾蘭神話都有四個時代:白銀、黃金、青銅、黑鐵。

迦勒底人

計量體系:中國:時空分明。兩河:時空混雜,時間和距離可以換算,一個小時和一個小時行走的距離,漏壺流出的水的重量和時間長度。

納拉姆辛石碑:國王更高,頭頂有代表眾神的星辰,王權神授。

希臘:自然的發現,認識到自然現象不是任意的,是有規律的。

剥皮楦草:殺人也是技術,把人做標本是遊牧民族處理皮革製品的發明,朱元璋得字印度,印度人得自⋯⋯同一時期,歐洲人也把這些形象畫成油畫掛在市政廳。有一種可能:後人把聽說到的事安到朱元璋頭上。

希臘化

科學發展並非一帆風順,天文學在托勒密之後陷入停頓,後來的理論力學也不比阿基米德高明,希羅之後,力學也沒什麼發展。到一世紀,科學在希臘找不到棲身之所,而其他國家尚未作好接納它的準備。

希腊化:330–30 ʙᴄ 亞歷山大英年早逝,瓦解爲三箇國家:希臘半島的馬其頓、埃及、美索不達米亞的塞琉西帝國,印度重歸印度人。希臘化時代,希臘自然哲學傳統於東方的巴比倫模式交融。繆斯宮 Museum 是研究機構,而非現在說的博物館。托勒密王朝歷代國王在繆斯宮建立工作室、演講廳、動植物園、天文台、圖書館,研究人員有穩定的薪水,自由研究,歐幾里德、阿基米德、阿利斯塔克、托勒密都在繆斯宮工作過。415 關閉。亞歷山大圖書館就是這種制度化的結晶,建於托勒密王朝,直到羅馬時代,圖書館都有超過一百位研究人員,他們領取國家俸祿,自由研究。有解剖研究,有大量政治學書籍,還有地圖繪製。歐幾里得後來到了亞歷山大。研究 圓錐曲線阿波羅尼烏斯也在那完成了他的論錐體,代表希腊几何的最高成就。阿基米德去過亞歷山大,發展了計算面積體積的精確方法。阿利斯塔克。

其他很多地方也有大型圖書館,比如帕加馬圖書館。柏拉圖學園和呂克昂學園的活動延續近千年。

天文學

喜帕恰斯測量月亮的角速度和視直徑,發現兩者呈正比,所以月球軌道是一個圓,地球在偏心點。

柏拉图的學生歐克多斯408–355 ʙᴄ Eudoxus 提出 27 箇嵌套的同心球模型,每顆逆行行星要用 4 箇天球來解釋。假設日月五星是一組同心球,地球是静止悬在一个大球几何中心的小球,这个更大的球体携带恒星转动。所有天體到地球的距離是不變的,無法解釋行星距離的變化、行星停留、太陽運動速度的變化。

博物館的研究員阿利斯塔克 Aristarchus 315–230 ʙᴄ提出了日心模型,與哥白尼的沒什麼不同,地球有公轉和自轉。但他只是粗略提出了這箇模型,沒有製訂可資計算的天文表,所以沒什麼影響。人們實在難以相信地球自轉,這樣的話地球上的一切都會被甩出去;完全違背了亞里士多德的自然運動物理學;也不能解釋爲什麼恆星沒有視差。

阿波羅尼烏斯 Apollonius 262–190 ʙᴄ希帕克斯突破了同心球模型,研究出了兩種模型,本輪均輪:行星沿著小圓運動,小圓圓心沿著大圓運動;偏心圓:可以解釋行星距離速度變化。兩者一定程度上等價,但是偏心圓不能解釋行星逆行。

古代天文學在托勒密 Ptolemy 90–168 ᴀᴅ那達到巔峰。至大論 Almagest 以地心說、圓周運動爲前提,運用數學、幾何方法。發明了均衡點 equant point 槩念,站在均衡點望去,行星作均勻圓周運動。引入偏心圓概念,用來解釋太陽運動带来的四季不均。太陽沿本輪運動,本輪中心繞均輪運動,兩箇圓的角速度相同、方向相反;行星的本輪均輪則都是逆時針旋轉,這樣在運行到本輪的內側時,就會出現逆行。這種把本輪、偏心圓、均衡點巧妙結合的地心體系影響到 16 世紀。托勒密體系中,所有行星的運動都與太陽有關,內行星的本輪中心位於地日連線;外行星的本輪中心到行星的矢徑與地日連線平行。地球不是天體運動的中心,而是在偏心點上,只是靜止不動而已,所以最好說「地靜說」而非「地心說」。

至大論第一二卷討論了球面天文學的所有內容。第六卷日月食。第七八卷是 1022 箇星的星曆表,有黃道經緯度、光度;還描述了希帕克發現的歲差;討論了恆星的升落,卽昏旦各星的可見與不可見。

在希臘人和近代歐洲人看來,天文學家關心的是數學天文學,目的是描述;哲學家關心物理天文學,研究天文現象實際是怎樣發生的。開普勒提出天文學家也應該關注事實層面的原理。

力學

希臘人已經熟悉五種最重要的簡單機械:槓桿、滑輪、捲揚機、楔子、螺旋,以及齒輪。最有歷史意義的是槓桿原理「力與力臂成反比」的兩條證明。呂克昂學園第二任領導者斯特拉頓記載了亞里士多德的推論,槓桿兩端移動時間相同,移動距離和重量成反比,卽重量與速度成反比,重量與力臂成反比。阿基米德 Archimedes 的證明基於兩條公理:負荷相等的槓桿保持平衡;懸掛在槓桿上的一物體可被另一相等重量的物體代替,證明懸點到支點的距離未變。阿基米德的推論開闢了用數學研究物理學的道路。

阿基米德發現浮力定律,成爲了長期以來物理學無懈可擊的基礎。

光學

希羅記載了光線在鏡面上入射角和反射角相等,光線遵循最短路線。在後世,人們把這與「造物主按最簡單的方式起作用」的看法聯繫起來。

折射方面,托勒密計算出了入射角和折射角的餘角値。

關於視覺,

  • 傳播最廣的說法是光線從眼睛發出,照射到物體上,提供有關這物體的印象。
  • 原子論者認爲是物體發射圖像,進入眼睛激起感覺。
  • 柏拉圖認爲從眼睛發出的光線與物體的流出物混合起來,在感知對象和眼睛之前架起橋梁,受到刺激產生視覺。
  • 亞里士多德認爲物體的顏色通過媒介作用於眼睛。媒介具有透明的本性,但必須依靠發光物質火、以太來實現其功能,顏色是物體可見的真正原因,光線只是把所要求的條件變爲現實。

氣體力學

希羅的蒸汽球,從噴口不斷噴氣,使球轉動。

亞里士多德否定真空,他依據虹吸作用,說液體違反本性上升,是由於在空氣和水之間形成了造物主所不允許的真空。但是從原子論來看,必定假設有微小的真空存在於原子之間。

氣象學

亞里士多德氣象學,不只描述氣象學,也涉及多種物理-化學過程,如成熟、腐朽、沸騰、烤焙、融化、凝固。

地理學

  • 埃拉托色尼 Eratosthenes of Cyrene 提出地理學概念。地球周長252000stades=38600km。發明經緯製圖法。
  • 波西多尼烏斯 Posidonius :地球周長180000斯塔德。
  • 托勒密《地理學》
  • 斯特拉波《地理學》。

代數

Diophantus of Alexandria 引入未知數概念,建立方程,創立代數。

工程技術

灌溉

水庫輪,提水輪,阿基米德螺旋提水器。

農業

希臘人深入研究了葡萄樹的種植、嫁接、支架技術。採用有效的擠壓技術,葡萄酒的質量有明顯提高。滑輪桿式壓機用於橄欖、葡萄,螺旋壓機、楔狀壓機用於油籽、織物、紙莎草。

供水

邁錫尼時代已有城市供水系統,最早的是薩莫斯渠,建於前 530 年,長 1100m。用空心樹幹、石柱保護的鉛管製作虹吸管,穿過水源和城市之間的深谷,但耗費巨大,還是導水渠較便宜。羅馬人的溝渠系統更加完善,水經過沈澱槽,流入水塔,分流至住宅區、浴池。標準化水管可以保證根據用水量收取水費。

建築

羅馬人在前 150 年左右發現了天然凝灰岩,可製作優質灰泥,再和沙石混合成混凝土,用於大型公共建築,再鋪上彩色大理石塊。

交通

亞述人在前 700 年開始人工馴養駱駝,用作橫穿沙漠的運輸。波斯帝國爲了控制帝國,開始清潔道路,建造橋樑,興修驛站,沿途駐兵。羅馬人的道路與前人不同,先挖出路基槽,鋪上四層路基,有排水溝。直到鐵路出現以前,旅行的速度都沒達到羅馬時代這樣快。

荷馬時代,出現了結構完整的大船,發展出二排槳、三排槳、五排槳船,可以穿過達達尼爾海峽那樣的激流。

採礦冶金

青銅價格昂貴,而硬度不比石器高,而鋼化熟鐵性能優於石器。

羅馬人在西班牙用水沖法粉碎含金礦層以提取黃金,也用汞齊法提取黃金。

希臘人能從鉛礦中提取銀,如雅典附近的洛魯姆礦山,只要含銀量在 0.2% 以上都可以,羅馬工人則將極限降低到 0.002–0.01%,甚至能從礦渣中再提取銀。硬幣已逐漸代替貴金屬塊,在國際貿易中佔統治地位。

羅馬人放棄了布列塔尼礦山,開始在西班牙大規模開採錫礦。

銅礦的開採受到下層土壤含水量的限制,因而在西班牙礦井裝上由踏車驅動的運用分格水輪的抽水機。

作戰機械

亞歷山大大帝促進了戰爭的機械化,大多數機械都是依靠繩索的張力來拋擲重物。羅馬軍隊在迦太基圍攻戰之後,繳獲弩砲二千門,將它們置於四輪馬車上,形成了可運輸的活動砲台。還總結出了筋束和投擲物重量之間的經驗公式。

工程師

人們還沒有意識到爲工程師提供資金支持是有益的事情,除了採礦、作戰、公共工程,掌權者對機械化不感興趣。羅馬農民用水輪機來推動石磨,能提供 3 至 5 匹馬力。不過由於地中海地區一年中降水量充沛的時間很少,難以經濟地利用水輪,大多是開鑿人工溝渠來引水。而且人們認爲應用自然力是一種瀆神行爲,他們也沒有博愛的觀念,覺得人和動物承擔重負沒有什麼大不了。

紡織

紡織大多是家庭手工業,因此紡織技術沒什麼進步,使用的是埃及的臥式織機,只能織出簡單的織物,如梭紋平布、掛毯、平紋布、紗布。亞歷山大遠征以後,印度棉花已經在希臘化地區不斷鋪開。但直到 18 世紀,都難以獲得結實的棉紗,只能用亞麻經線和棉緯線。

玻璃

亞述人和埃及人發現了製作有色玻璃的配方。1 世紀,敘利亞人發明了吹製法,玻璃纔成爲一種十分重要的材料,各類玻璃容器開始取代陶器。東羅馬帝國時代,玻璃鏡開始取代青銅鏡。玻璃窗戶也開始應用。

家用技術

95 ʙᴄ,塞宙斯·奧拉塔發明室內取暖系統,在空心地板下面燃燒木材,熱氣經過空心牆,用過的空氣可回收。

廣泛使用的清潔劑是粗鹼,從草木灰中提取。

由於都是家庭生產,在幾箇世紀中技術都基本沒有什麼發展。

占星術

占星術和煉金術同時產生,對古人來說無疑是研究天空和物質祕密的科學。

占星術源於蘇美爾,根據祭祀用的肝腸的外觀、熔融的鉛注入水中的形狀等來占卜,也通過氣象、星象、月暈、彩虹等來占卜,並把結果紀錄在泥板上。1000–600 ʙᴄ,有 7000 條預兆的預兆表逐漸形成。

新占星術就是根據一箇人誕生時日月星辰的位置來預測他的命運。600–400 ʙᴄ,晚期巴比倫和波斯時代,已將黃道分爲十二宮,可以計算行星的位置。占星術具有宗教性質,巴比倫和波斯人相信「天上怎樣,地下就怎樣」,每箇行星和恆星都代表一位神祇,影響人間的發展。

希臘的占星術源於迦勒底 Chaldea ,柏拉圖蒂麥歐篇就記載了「每箇靈魂都屬於某箇恆星」的信條。敘利亞人波賽多尼烏斯把占星術和 斯多葛學派 有關神與自然一體的看法相調和,此後,斯多葛主義者和新畢達哥拉斯主義者、新柏拉圖主義者成爲占星術最主要的宣傳者。到晚期希臘化和羅馬時代,占星術吸收東方學說,得到進一步發展,太陽是運星之首的觀念吸收進來,人的命運完全被星宿支配的觀念为人們所接受。

  • 畢達哥拉斯主義者相信,研究支配宇宙的數字,人就可以達到神聖不朽的境地,從而避免從星辰預測命運。

在羅馬,凱撒推行太陽曆,七天一週,每天對應一箇行星,爲占星術鋪平了道路。奧古斯都大帝命瑪尼留斯撰寫最早的拉丁文占星著作天文學。但好幾箇羅馬皇帝都曾驅逐占星師。

中世紀,教會尙不完全允許用星辰來預測箇人命運,因爲宿命論和自由意志相衝突,否認了倫理道德的價值。不過另一方面,亞里士多德和奧古斯丁統治了早期中世紀的思想,亞里士多德認爲自然力從天体發出來,作用於地球,對人體也產生影響。所以中世紀神學容忍了占星術的某些方面擇日、詢問丟失的財產等小事,而禁止可能導致宿命論的占星術。馬格努斯、阿奎納等沒有否認從星辰可以看出一箇人的未來,不過他們認爲,由於事先得到警告,可以通過自由意志去避免災禍。占星術由於新天文學的出現而滅亡,但在中世紀,它有助於積累觀測資料,改進觀測儀器。

  • 柏拉圖主義以基督教的形式保留在奧古斯丁神學中。

卽使反對占星術,也承認天對地的影響。

煉金術

占星術產生的環境對於煉金術的產生也是有利的。煉金術是現代化學的最早階段,術士進行實驗,描述他們觀察到的物質並加以分類,努力從多種多樣的人造和天然化合物中研究元素。前古典時期積累了大量動植礦物的觀察結果,需要用這些知識去生產染料、香料、飲料、玻璃、合金,但人們通常用具有神祕性質的命名掩蓋起來。冶金術需要用到精煉坩堝,因此要追求高純度的貴金屬。人們追求貴金屬和寶石,因此工匠也去偽造這些東西,現存有一些合成金銀銅處方的泥板。在前古典時期,技術常常伴隨著宗教儀式,鐵匠、玻璃匠在融化礦物、提取新物質時要向地神贖罪,他們的操作意味著某些物質的死亡或復活。

柏拉圖說明物質是中性的,可以通過吸收某種性質轉變爲一種具體元素,這和製造香膏的流程完全相同:利用無味基質吸收香味濃烈的油素。術士從廚房借來了蒸餾器、蒸煮器、坩堝等,通過持續加熱、反覆蒸餾,可以從任意物質中製取「靈氣」這種稀薄氣體,投放於所要改變的物質之上。這是亞歷山大里亞煉金術的典型方法。現存有鮑洛斯的染匠配方手冊,把基本物質還原爲中性的土,注入水、氣、火,產生黑化反應,接著白化、黃化,最後加入紫色,將物質轉化爲真正的黃金。

可以將鮑洛斯時代以來的化學分成四箇流派:

  • 化學技師,傳授實用化學產品的祕方,不洩露祕密,持續到拉瓦錫時代。
  • 實用的煉金術士,相信任何物質都能衍變爲另一種物質,他們通過各種儀器來進行「著色」「釋放靈氣」,對改進實驗技術、發現有用的化學藥品貢獻很大。
  • 新柏拉圖主義者,煉金術只是他們宗教哲學學說的一部分
  • 赫爾墨斯主義者,如斯特方諾斯,他們的興趣在宗教領域,把煉金術的具體操作和祈禱、預言、訓誡混合在一起,並伴隨著音樂,以達到人體、靈魂、天體的和諧。

阿拉伯人將中國和印度的思想引入希臘煉金術,修改了嬗變理論,相信地下金屬和礦物是由乾濕蒸氣形成的,汞和硫都體現了這些性質。金屬的可塑性可溶性是由於有汞,金屬的呼吸和生鏽是由於有硫。在金屬上灑上一種粉末可促進其嬗變。

12 世紀,煉金術文獻源源不斷譯成拉丁文。積極的實驗不久就產生了許多重要發現,如生產酒精、硫酸和硝酸,14 世紀,可以用石灰重新蒸餾,製取 100% 酒精,這就爲在溶液中提取物質提供了條件。許多中世紀煉金術士從理論思辨轉向製備有用的產物,並記載他們的經驗和處方。

羅馬

羅馬在數學和自然科學方面的貢獻連一項都舉不出來,不過羅馬人編纂百科全書,最大限度保留了希臘知識。

  • 老普林尼 Pliny the Elder 23–79百科全書式的《自然史》(《博物志》)Natural History 保存了近五百位學者的著述。直到 16 世紀都是博物學的入門書。
  • 西塞羅 Cicero
  • 阿塞涅卡4 ʙᴄ –65 ᴀᴅ自然問題成爲中世紀早期認識古代科學的重要來源。
  • 內科醫生蓋倫130–200 ᴀᴅ有很多解剖學、生理學著作,在亞里士多德、希波克拉底的基礎上加以發展,闡述了人體的生理機制,將氣質的概念引入醫學。人體運行著三套不同的生命維持系統:腦、神經的精神液,控制思考;心、動脈的生命液,控制运动;肝、靜脈的營養液,吸收营养。靜脈動脈是兩套互不相干的系统。肺冷却心。

翻譯:

  • 卡爾西迪烏斯(4c末):譯註《蒂邁歐篇》,稱為中世紀柏拉圖主義的重要來源
  • 波愛修斯 Boethius 480–524哲學的慰藉。出版了亞里士多德的邏輯論著,以及數學、幾何、天文學的著作,保存于罗马的希腊知识多通过他得以传承。

自由七藝:敎自由人的。

  • 瓦羅 Varro 學科九書 Nine Books of Disciplines
  • 卡佩拉 Maritianus Capella(活躍於 5c)《論七藝》
  • 5–6c 百科全書學者系統化,稱為後來的基本學術形式
  • 文法、修辭、邏輯
  • 算術、音樂、幾何、天文

工程技術:

  • 採礦等少數部門出現了工業型生產。大部分還是手工業,工匠對自己的手藝總是嚴格保密。大多數工匠也都沒沒無聞,沒有從文字、科學中得到任何裨益。
  • 羅馬人的軍事技術、航海技術鑄就了龐大的羅馬軍團和海軍。四通八達的道路網提供了基礎設施。石灰水泥是一項關鍵技術,可以讓石製建築易於建造。

2 世紀以後,科學活動逐漸走向墨守成規,學者只是在編纂和注釋。這是由於科學與技術、經濟長期分離,人們覺得科學沒什麼用處,科學家難以找到工作謀生。还有就是在奴隶制下,人力便宜;人们认为自然知识不应该用于实践;宗教強盛,吸引了有才能的人,極大削弱了科學傳統在人們心中的重要性。不過與科學、自然哲學比起來,醫學一直保持了很好的連續性。

三、世界古代

統治者都很重視實用知識,君主希望花在專家身上的錢沒有白花,他們統計收成、計算日曆、跟蹤日月、收稅、管理財產、建造祭壇、預測未來、治療疾病、確定麥加的方位⋯⋯只有對日常問題進行編譯的人纔能得到支持,那些理論創新者則被忽略。

希臘化模式在中世紀的近東繼續發展:拜占庭、波斯薩珊王朝、伊斯蘭地區。

拜占庭

Nestorius 教派(景教)在波斯東部尼西比斯成立神學中心,成為希臘知識翻譯為敘利亞文的節點。

476 年,西羅馬帝國崩潰,拜占庭帝國取而代之。529 年,査士丁尼關閉柏拉圖學園。在這之後,國立學校、教會學校依然在傳授算術、幾何、天文、音樂「四科」;圖書館也依然存在;他們還發明了眞正的醫院,希波克拉底和蓋倫的醫學和生理學依然在教學;爲了維護戰馬,獸醫學也大有發展。他們也有自己的天文學,有大量占星術的內容。

拜占庭在保存希臘文化上也有很大貢獻,促成了後來的文藝復興。6 世紀,歐托西烏斯爲阿基米德、阿波羅尼烏斯的著作寫注釋。拜占庭有一所學校,學習希臘數學,阿基米德的著作差不多都蒐集到這。

參考書:A Companion to Byzantine Science

  • Themistius(317–388)在君士坦丁堡講授哲學,注釋亞里士多德。
  • Simplicius(490–560)爲薩珊王朝宮廷服務。柏拉圖主義者,試圖調和柏拉圖主義與亞里士多德主義。
  • 菲羅波努斯 John Philoponus(490–570),亞歷山大城的新柏拉圖主義者。注釋亞里士多德,反對 Simplicius,反對亞里士多德學說的謬誤,如天地二分、永恆宇宙。落體定律:若重量差距不大,在一定距離內下落時間的差別不可察覺。拋物運動:拋射者通過拋射動作而分給了物體一種無形的運動力。他成为后世学者研究亚里士多德的必备参考。
  • Eutocius
  • Anthemius 和 Isidore 設計聖索非大教堂。

天文學

植物學

醫學

地理學。1295左右,Maximus Planudes 發現托勒密《地理學》稿本,徹底改變拜占庭的地理學製圖學。

波斯

薩珊王朝 Sassanid 224–642到 6 世紀,王宮所在的容迪沙帕爾 Jundishapur 匯聚了波斯人、基督徒、希臘人、印度人、猶太人、敘利亞人。波斯人將希臘文翻譯成敘利亞文,主要是醫學等有用的知識,也翻譯了亞里士多德的著作。醫學院也延續到 11 世紀。這是水利農業經濟的代表,國家把學術活動納入社會體制的傳統,灌溉農業產出的大量剩餘農產品積累出巨大國家財富,得以維持科學研究。

伊斯蘭

阿拉伯人取代波斯,極大削弱了拜占庭帝國。伊斯蘭的成功很大程度上依靠農業,他們種植了許多新作物,擴大了灌溉系統,也研究農學。農業增產帶來前所未有的人口增長,城市化程度提高,政治更加集中。到 10 世紀,底格里斯河畔的巴格達成爲世界上最大的城市。

伊斯蘭文明是希臘科學的主要繼承者,在 11 世紀以前,伊斯蘭的科學家比歐洲多一箇量級。巴格達有波斯文化淵源,統治者希望採納薩珊王朝的意識形態,塑造贊成學問的形象。在早期,波斯、印度文化的影響大於希臘文化,直到 832 年哈里發麥蒙 Ma’mum 設立「智慧宮」,專門翻譯研究外來世俗科學,還派使者前往拜占庭,尋找希臘科學手稿。智慧官出現了幾箇家族,如伊沙克家族,他們把幾乎所有的希臘文獻都翻譯成了阿拉伯文,阿拉伯文成爲當時的國際語言。到 9 世紀末,阿拉伯人已經吸收了希臘主要的哲學和技術文獻。12–13 世紀,基督教世界廣泛吸收伊斯蘭的知識,西西里、西班牙發揮了很重要的作用,傳播文化的中心是托萊多 Toledo,1085 年歸屬基督教之後,依然是東方科學的立足之地,這裏有一箇翻譯學院。但是現在伊斯蘭科學文獻的整理出版非常少,也沒有人全面研究伊斯蘭的科學傳統。有兩種觀點:邊緣論認爲伊斯蘭世俗的理性科學來自希臘,並未融入伊斯蘭文化;同化論認爲已經融入伊斯蘭的生活之中。

學館 伊斯蘭的學術機構是學館 madrasa,講授外來科學。與歐洲大學不同的是,這裏不授予學位,更像是獨立學者進行箇人教學的地方,強調死記硬背,使用官方教科書。圖書館通常附於學館和清眞寺,對公眾開放,數量眾多,藏書豐富,遠多於同時期的歐洲。用的是中國的造紙術,各地都有造紙廠。

文獻來源:

  • 拜占庭的希臘原本
  • 敘利亞基督徒的敘利亞文譯本
  • 波斯的中古波斯文譯本
  • 印度使團贈送的梵文譯本

學者:

  • 金迪 Al-Kindi (801–873)在巴格達主持智慧宮,是最早的一批阿拉伯譯者。涉及哲學天文數學光學化學等方方面面。與花剌子米一起引入阿拉伯數字。
  • 侯乃因:景教徒,遊歷,被引見給馬蒙。翻譯非常縝密。
  • 伊本庫拉 Ibn Qurra

從9世紀開始,持續兩百年的高強度翻譯,幾乎所有的希臘著作都有了阿拉伯版本。

天文學

托勒密體系一直延用到 16 世紀,根據托勒密體系編製的星曆表不斷改進,天文學家的任務僅僅是計算星曆表。

  • 9 世紀,拉加尼斯譯注了阿拉伯文的至大論
  • 塔比特·伊本·庫拉提出了新的歲差理論:二分點在黃道上擺動而非持續進動。
  • 巴塔尼 Al-Battani858–929寫過一部很重要的天文教科書,他經過仔細觀測,修訂了很多托勒密的天文常量,如歲差、黃赤交角,發現了托勒密未曾注意到的太陽遠地點進動,還發展了測角術。編製新的星表。製造牆象限儀。稱為阿拉伯的第谷。哥白尼、第谷還引用了他的觀測。
  • 阿爾·査爾卡利1029–1087編製托萊多星曆表,取消了水星的本輪,均輪改用橢圓形。貝特魯吉反對托勒密的本輪說,因爲行星必須環繞一箇真正的實體旋轉;用歐多克斯的同心球體系作基礎,提出漩渦運動理論。
  • 圖西 Nasir al-Din al-Tusi(1201—74)雙輪模型,將兩個勻速圓周運動合為一個往復直線運動,彌合了數學模型和物理模型之間的差異。說服旭烈兀建立 Maragha Observatory。

天文學、數學與宗教緊密聯繫起來,清眞寺是各地的學問中心,祈禱的時間有嚴格規定,需要依靠訓練有素的專家,用星盤日晷來確定;祈禱要面向麥加,因此要依靠地理知識確定方位。伊斯蘭建立了眞正的天文臺,得到哈里發的經濟支持。天文臺編纂天文手冊,用於確定祈禱和齋月的時間。

  • 最著名的天文臺是 1259 年的馬拉蓋 Maragha 天文臺,爲了改進占星預測精度而建立,有牆象限儀。馬拉蓋學派完善了非托勒密模型的行星理論。編製《伊爾汗曆表》。但只維持了六十多年。
  • 1420s–1449 薩馬爾幹的兀魯伯天文臺 Ulugh Beg 有直徑達 40m 的六分儀。

依靠這些天文臺,伊斯蘭文明形成了觀測和理論並重的天文學傳統。他們還明確區分了占星術與天文學,占星家在宮廷任職,也可以在民間算命。

數學

數學成就很大,注重實用的算術和代數,爲了天文學計算,他們發展了三角學,使三角學成爲獨立學科。從印度人那吸收了兩大成就:所有數字都可以用十箇數字表示;用正弦作弧,而非希臘人用弦作弧。他們會高次方程,用於處理稅收、遺產分割問題。

  • 花剌子米 Khwarizmi(780–850)《代數》,和丟翻圖並稱代數學之父。採用歐式幾何解決代數問題。《論印度數學》取代手指運算、六十進制。

光學

阿爾哈增 Alhazen 965–1040 光學汇编Book of Optics 是影響最大的伊斯蘭科學著作,涉及視覺、折射、小孔成像、透鏡等。比前人更恰當地描述了眼睛的構造;认为光是由发光体发射出来的,然后通过物体反射入眼而感知的结果;认为地平线上日月视直径增大是一种错觉;设计出测定入射光线与折射光线的方法。是中世紀三部影響持久的光學著作的來源——1279 年大主教約翰·皮坎姆全透視、波蘭修士威特羅光學、德國修士第里希的著作。這三部著作都討論了虹的問題,第里希認爲水珠內的光線在水珠壁上依次折射、反射、折射。

折射定律的發現:薩赫爾 Sahl(10c)

彩虹。13c末,馬拉蓋學派成員卡麥勒丁 kamal al-Din al-Farisi (1267–1319)。一次虹、二次虹。

醫學

古蘭經有關於醫療的教誨;翻譯了很多希波克拉底和蓋倫的著作;通過 Jundishapur 的醫學院和藥材貿易,吸收了波斯、印度醫學——伊斯蘭醫學是各種傳統融合在一起的醫學,已經本土化。很多埃及人有眼疾,伊斯蘭醫學留下了大量眼科文獻,也因此帶動了光學研究。

al-Razi(865–923)。馬居斯 al-Majusi(10c 後期)《醫術全書》。札哈拉維《醫學寶鑑》。西納《醫典》百科全書式學者。侯乃因《眼睛十論》、《醫學問題》。

醫師有很高的地位,他們通常擔任宮廷醫師或行政官。阿維羅伊是西班牙的宮廷醫師,人稱「亞里士多德注釋者」。用希臘哲學爲伊斯蘭辯護,開創伊斯蘭經院哲學先河。阿維森納 Avicenna 980–1037人稱「伊斯蘭的蓋倫」,著医典。以希波克拉底的四体液学说为基础,也吸收了中國、印度的医学,脈象診斷就採用了王叔和脈經。对当时所有的医学知识加以整理和注释,编排清晰,雄辩有力。論述了身體各部位治疗方法,药剂的制备和配合等,还论述了生命、疾病和死亡。这部书直到 17 世纪末在西方医生的心目中都是绝对的权威,用作醫學生教材。

納菲斯發現肺運輸血液,是哈維血液理論的重要來源。

金丹術

金丹術與宮廷有密切關係。吉伯 Geber 是伊斯蘭金丹術的鼻祖,據說有三千篇相關文章都出自他手。爲了金丹術,術士們發明了很多設備和技術,如蒸餾法。alcohol alkali alembic 等詞都源於阿拉伯文金丹術 alchemy 一詞。

1000 ᴀᴅ 之後,伊斯蘭科學由盛轉衰,這是由於宗教保守勢力最終得勢;戰爭導致社會文化崩潰;16 世紀,隨著歐洲人的遠洋貿易擴展至印度洋,伊斯蘭世界失去了對東南亞貿易的壟斷。

中國

在官僚系統之外,再沒有其他社會成分有能力去創造科學文化。科舉制有效遏止了貴族統治,文官政府把軍隊和商人置於其掌控之下。

不該問的問題:爲什麼中國沒有發生科學革命?可能因爲語言;可能因爲類推思維;沒有科學方法,墨家法家都被壓制;儒家思維與科學思維牴觸;沒有法制;没有宗教,没有动力去探寻上帝的创造;商人地位低下,沒有自由市場;长期稳定,没有动力与蛮夷交往。但是歷史學是爲了解釋發生了什麼,而非沒發生什麼,這箇問題其實是不成立的問題。是預設了中國本應該出現科學革命,因为一些阻碍而没能走上这条道路,这是不正确的。

印度

  • 吠陀時期
  • 史詩時期:梵書,奧義書
  • 列國時期

吠陀是 1500–1000 ʙᴄ 流傳下來的宗教文獻,直到 6c ʙᴄ 出現文字後纔整理出來,因此梵語是首要的學問。吠陀社會有一箇包含僧侶、占星家、神算家在內的階級,他們負責曆法,用於舉行婆羅門儀式,是一種陰陽合曆。

前 4 世紀,第一箇統一國家孔雀王朝建立。水利設施非常重要。第三代國王阿育王死後,孔雀王朝分裂,直到 4 世紀,笈多王朝再次統一印度,是古典印度文明的黃金時代,持續到 650 年左右。天文學不注重實測,只關心星占預測,但也發展成高度專業化數學化,涉及太陽年、二分二至、月亮週期、閏章、交食、行星運動、歲差等等。阿耶波多一 Aryabhata I 生於 476獨立提出了地球自轉說;婆羅摩笈多 Brahamagupta 提出了很準確的地球周長。

11 世紀比魯尼印度史向西方介紹了印度的數學。他們不求一般解,而是喜歡「祕訣」。阿耶波多使用了一種小數槩念,用了 0。婆羅摩笈多 研究了測量、代數、三角、負數、$\pi$。《聖使歷數書》

印度的醫生地位很高,他們能夠治療中毒。那爛陀從 5–12 世紀一直有醫療學校,數千學生在那學習,不收學費,由國王和富人資助。醫學理療和實踐很早就很發達,吠陀經有解剖學;阿育吠陀:植物藥材,通過體液的平衡來治病。內外科是當時最先進的,1 世紀 Charaka 闍邏迦本集,列出了骨骼肌肉關節血管。

紡織業非常發達,僅次於農業。造船業對於海上貿易至關重要,海船適合印度洋季風。

種姓制度造成行業壁壘。

斯里蘭卡也是典型的水利農業,皇家十分支持專門知識的研究,包括天文、占星、算術、醫學、金丹術、地理學等等。

9–15 世紀前期,高棉帝國掌握了整箇東南亞,灌溉系統帶來發達的農業。國王像法老一樣神化,婆羅門、軍官組成的官僚集團實行統治,負責水利建設。吳哥窟需要綜合天文、曆法、占星、建築學等各方面知識,蘊含著印度宇宙理論,浮雕展現著對長生不老的追求,建築可以記錄日月在地平線上的移動,春分作爲一年之始。

天文學:

  • 二十八宿。
  • 須彌山宇宙論

美洲

瑪雅

現存的文化遺跡是建築上的五千幅瑪雅文字,現已釋讀出 90%。瑪雅文字源自奧爾梅克文化,兼有表音象形成分。書寫員是高級貴族中挑選出來的,世襲職位,與國王的關係很近。還有專門培養祭祀和書寫員的學校。

用二十進制,數學用於命理學、祭祀天文學和曆法。

他們有全世界最複雜的曆法,混合使用四種計時系統。最重要的是卓爾金曆 tzolkin,一箇循環 260 日,20 日一箇週期。還有《哈布曆》(聖年曆) Vague Year,一年 18 月,一月 20 日,加 5 忌日,一共 365 日這箇週期與埃及一樣。爲了結合卓爾金曆與聖年曆,他們用曆輪 Calendar Round,轉動起來兩箇齒輪聯動,每 52 年一箇循環。祭司用曆輪占卜。還有一種太陰曆,長計日法 Long Count ,採用了最少 1 天、最多近 400 年的 6 種時間單位來計算日數,到 2012 年,整箇機械將重新啓動。

測定金星地球會合週期584日。對金星的崇拜。金星曆表在 481 年中誤差不到 2 小時,瑪雅人把金星年和太陽年協調起來,一箇循環 104 回歸年、146 卓爾金循環、65 金星年。對水星火星木星的研究同樣精深。

宮廷天文學家從事天文觀測,奇琴伊察 Chichen Itza 半旋梯天文臺,窗口對準金星在 1000 年升起和落下時的極端位置,天頂用來觀測太陽正午位置,還有觀測二分、夏至、月亮下落位置的基準線。瑪雅建築的朝向並非正南正北,而是朝向金星起落位置和二分二至位置。測定一年365.242日,朔望月長度 29.53 日,編製了日月食表。

阿茲特克

14–15 世紀建立起中美洲最強大的帝國。他們改造了一箇鹹水湖,將鹹水和淡水部分用長堤分隔開,用水閘調節水位。摸索出在湖灘進行耕種的集約型農業,修築堤壩、排水溝,圍湖造田。稻田稱作 chinampas ,一年可收穫 7 次。人口達到 500 萬。他們繼承了瑪雅曆輪。主廟對準日落方向,其他建築沿著晝夜平分線排列。祭司還掌握醫學,技藝在家族中傳承。

印加

印加文明沿著安第斯山脈擴張。印加人沒有發展出文字和數學體系,結繩記事,但也可能蘊含著書面語。祭司天文學家按照銀河隨季節的傾斜把天空分爲若干部分,安第斯山就是天然的標識。設立石柱標誌二至。庫斯科金宮 Coricancha 從祭壇中心輻射出 41 條觀測線,標誌月亮、水源、各行政區。他們把曆法和地圖融入建築中,也是一種結繩語言。他們有太陽曆和太陰曆,陽曆 12 月 365 日,夏至補上 1/4 日;陰曆 12 月 328 日,8 月,昴星團在夜空第一次出現,用來校正曆法。

北美

在美國西南部,阿納薩茲人從 950–1150 年繁榮了兩箇世紀。他們也有專門的曆法知識,在二分二至,太陽經過岩層,投射到一箇螺旋圖案上,像一把短劍。

四、中世紀

早期

  • 600 年左右,西班牙塞維利亞聖·伊西多爾 Isidore of Seville(560–636)成為主教,編纂了百科全書式的著作論物性起源,收錄羅馬作者彙編的著作和早期教士作品。
  • 可敬的比得 the Venerable Bede:8c 最有成就的學者。《英吉利教會史》、《物性論》:後來天文曆法的來源。
  • 坎特布雷的聖·彼得學院、約克郡的教團學院等都進行了世俗科學的研究。教團學院的阿爾昆於 780 年應查理曼之聘來到法蘭克,帶來「加洛林文藝復興」。阿爾昆的學生哈·英魯斯到德國任美因茨大主教,在百科全書和普及方面做了大量工作,稱「第一位德國導師」。
  • 約 1000 年,法國的蓋爾貝特,後來的教皇西爾維斯特二 Sylvester II 999–1003,研究了數學、天文學,並利用自己的地位爲提高教士們的文化水平做出貢獻。他開創了「以強烈的數學和科學傾向研究古代文化」的精神,他的學生富爾貝特將這種精神保留在了夏爾特爾教堂。
  • 12 世紀,夏爾特爾教堂達到全盛,是文化中心。英國人阿德拉德翻譯了幾何原本最早的拉丁文譯本。威廉蒂邁歐篇作注,他主張原子論,遭到神學家反對。

儒略曆

  • 凱撒規定:前三年平年,第四年閏年,每年12個月,單月31日,雙月30日,二月29日。因為生日在七月,二月是行刑月。
  • 屋大維又規定:下半年雙月31日,二月28日。因為他生日在八月。325年,教皇將儒略曆定為教曆。

1582年10月5日變為15日。

查理曼大帝(768–814)。阿爾昆(730–804)主持教育改革,整理古典文獻。保存恢复古典文獻,研究行星天文學,用幾何來表示。

12–13 世紀

大翻译运动

阿拉伯文——拉丁文:北非人康斯坦丁 Constantine 前往義大利南部的卡西諾山的隱修院,將蓋倫、希波克拉底的著作從阿拉伯文翻譯為拉丁文。塞維利亞的約翰 John of Seville(1133–1142),Hugh of Santalla:占星術,Mark of Toledo:蓋倫,Robert of Chester.這些人來到西班牙之後開始學阿拉伯語。

希臘文——拉丁文:James of Venice:亞里士多德,William of Moerbeke:亞里士多德的完整版本,新柏拉圖主義,阿基米德

大學的知識依靠輾轉翻譯而成的拉丁文。托萊多大教堂是翻譯中心,大批希臘文獻在那從阿拉伯文翻譯成拉丁文;西班牙的猶太人則把阿拉伯文翻譯成希伯來文和西班牙文,基督徒再把西班牙文翻譯成拉丁文;在西西里,學者們直接把希臘文翻譯成拉丁文。到 1200 年,歐洲人就恢復了相當大一部分古代科學。12 世紀,傑拉德 Gerard 在西班牙翻譯了至大論等七十餘套書,包括伊斯蘭文獻、阿基米德 Archimedes、希波克拉底 Hippocrates、蓋倫 Galen、亞里士多德 Aristotle 的著作和注釋。此後亞里士多德纔爲人所熟知。

修道院、大學

中世紀的修道院是學問中心,但也只能教授粗淺的七蓺。這一時期的學者有愛爾蘭歐利亞克熱爾貝,精通神學,在西班牙研究過數學,帶來了伊斯蘭的學問,帶來了算盤、星盤,但是他只掌握基礎的數學,所以只能進行簡單的計算。

教師學生在12世紀形成規模,結成 universitas 全體整體。1088 年博洛尼亞大學成立,1150 年巴黎大學成立,1220 年牛津大學成立。大學最初仿效的是行會,是與宗教無關的學生和教師群體,也不依賴國家資助,這就不同於伊斯蘭的學館,大學是相對獨立的自治機構。取得學士學位後,如果繼續攻讀神學、法學、醫學,可以獲得文科碩士,也必然要學習自然哲學,碩士生在學習的同時還要給大學生上課。那時的大學依然以教學爲中心。大學形成了國際標準,大學之間教師的流通非常自由。

巴黎大學:1257 索邦神學院成立,1261 獲得巴黎大學的名字。牛津大學:1167亨利二世禁止英國學生到巴黎大學學習,牛津人數激增。1249–64,最古老的貝列爾學院 Balliol College、莫頓學院成立。

科因不拉大學:1300左右在里斯本成立,1537遷到科因不拉,1542成立耶穌會學院。

柏拉圖主義與亞里士多德主義

中世紀早期,人們尙對亞里士多德很陌生,柏拉圖主義在科學思想中享有至高無上的地位,柏拉圖理念世界的超驗性和基督教的上帝觀念相協調,基督教和柏拉圖主義由此建立起密切聯繫。集大成者是英蘇利1128–1202,提出自然槩念,自然是上帝的創造,受命於上帝,代上帝照料物質世界的發展,給萬物以規律,人就要順應、敬重自然。

到 13 世紀,歐洲學者開始吸收古代和伊斯蘭的科學哲學傳統。隨著亞里士多德著作的譯出,哲學和自然科學開闢了全新視野。托缽僧教團多明我會1216,卽多米尼加方濟各會1223,卽弗朗西斯科成立,分別掌握了巴黎大學、牛津大學,他們成爲亞里士多德的倡導者。亞里士多德主義之所以令人信服,因爲是包羅全部世俗知識的系統體系,對物理現象和天文現象的論斷和常識一致。義大利的多明我會僧侶托馬斯·阿奎納 Aquinas 1225–74將亞里士多德和基督教進行了偉大的智識綜合,對後世產生了深遠影響。亞里士多德自然觀刺激了自然科學的發展,因爲非常重視經驗,柏拉圖認爲感性世界不過是超驗世界的不完滿摹本,亞里士多德則認爲感性事物本身就是自然科學應研究的實在,努力寻求规律,把物質多樣性歸結爲基本物質組成的複合物。〔中世紀就此展開了大量爭論,唯名論:眞正的實在只存在於具體事物之中,普遍概念僅僅是名稱;唯心主義、實在論:在普遍概念中尋找真正的實在。〕但亞里士多德主義所帶來的後果也很嚴重,後人很難擺脫亞里士多德的影響,在無數有關信仰和科學關係的問題上糾纏不清。

亞里士多德認爲世界是永恆存在的,意味著徹底否定了基督教義,世俗科學與神學衝突逐漸激化。又比如,教師在講哲學時不斷隱身哲學,不顧神學後果。1270、1277 年,巴黎主教艾蒂安·唐波爾頒布教令,禁止世界的永恆、單靈論、決定論、否認個人不朽、否認神意。這是奧古斯丁派反對阿奎納主義的教令,但效力不大,1325 年撤銷了。有人認爲這場爭端是神學束縛科學發展的表現;有人說是近代科學的開端,因爲否定了亞里士多德的支配地位,科學革命始於哥白尼 250 年前的這時;最有意義的看法是,14 世紀以後,中世紀的思想就不再拘泥於亞里士多德的教條,在亞里士多德的基礎上開拓新的研究方向。

成果

数学:

  • 1220 年,斐波那契 Fibonacci 算盤書向歐洲人介紹了阿拉伯數字,引入了許多複雜的代數難題。

力学:

  • 內莫雷 Nemore 的力學作品1220 涉及靜力學和重力。
  • 布魯塞爾的蓋拉爾特論運動研究了動力學,借鑒了阿基米德圓的測量和約翰·內斯的著作。
  • 約丹納的靜力學著作是希臘力學的延續,分析了力對一箇點的靜力矩,發展了直角槓桿理論。最重要的成果是斜面定律的推導,填補了希臘力學的空白。

天文学:

  • 西班牙國王阿爾方辛十據此編製了阿爾方斯星曆表 Alfonsine Tables 1275,是西歐本土第一箇星曆表,直到哥白尼以前都是最好的曆表。
  • 喬叟 Chaucer 論星盤是天文學名作。
  • 但丁神曲的宇宙圖就是亞里士多德宇宙模型,地球在宇宙中心,若干天球帶動行星恆星沿著各自的路線運動,地獄位於中心,最外則是天堂。

医学:

  • 醫學方面,在學習了蓋倫的作品之後,改進了醫療,大學出現了醫學院。

博物学:

  • 博物學方面,大阿爾伯特 Albertus 1200–80,阿奎纳之师 論植物論動物

技术:

  • 13 世紀,眼鏡出現,不過這不屬於光學研究的範疇,那時人們相信眼睛和物體之間的光線是直線,如果發生反射或折射,看到的就不是物體自身,而是幻象。

14 世紀

14 世紀,生態惡化,氣候越來越濕冷,嚴重影響了農業收成,1315–1317 大饑荒蔓延整箇歐洲,1347–1348 黑死病奪去了三分之一歐洲人的生命,知識階層也損傷慘重。1338 爆發的英法百年戰爭毀壞了法國的心臟地帶。農民暴亂頻頻出現。

计算学派

14 世紀的人已經完全認識到質和量各自的特殊本質,努力做定量研究。當時大量探討了性質的問題:強度增大減小,比如熱或冷、亮或暗,變化的究竟是什麼?是性質本身變化,還是一種性質被另一種性質取代?

默頓學院的學者習慣用數字或字母來表示某種程度,並用這些符號進行運算,計算法從此進入科學史,是獨立於亞里士多德的標誌。有托馬斯·布萊德瓦爾丁休斯特海特斯布雷三人。布萊德瓦爾丁試圖以公式表示作用力和速度之間的關係,要使速度增加 n 倍,作用力和阻力之比就要是 n 次方。

力学

亞里士多德:自然運動(天體);受迫運動(拋射)。抛物运动:必須要有推動者去接觸運動的物體,力通過介質傳導給物體。落體定律:越重下落越快,阻力越大下落越慢。

  • 菲羅波努斯的基礎上,巴黎大學布里丹 Buridan 1300–85致力於尋找內部的推動者,提出了「原動力」,力在脫離接觸後依然施加在物體上。落體運動中,衝力附加到重力上,於是衝力越來越大,這就可以解釋加速度。他還把衝力運用到天體運動中,上帝在創世之初賦予天球以轉動的衝力,只要沒有外來阻力,就永遠旋轉不已。這看起來和牛頓慣性定理很像,但實際上有巨大的鴻溝,依然是亞里士多德傳統的延續,是箇很模糊的推動力概念,難以用現代術語來定義。
  • 法國人奧雷姆 Oresme –1382、德國人阿爾伯特、荷蘭人馬茲利烏斯都繼承了布里丹的理論。奧雷姆論運動屬性的形態1350用圖形法來闡釋勻變速運動,設橫坐標爲時間,縱座標爲瞬時速度,那麼梯形面積就是所通過的距離;勻變速運動在一定時間內通過的距離,和以中點的瞬時速度在相同時間通過的距離相等。但是,奧雷姆止步於抽象世界,沒想過與現實世界聯繫起來,沒能認識到這就是自由落體運動。

天文學

宇宙模型與天文學的脫節,幾何模型時實在還是工具?偏心圓模型和均輪本輪很難調和。

古代宇宙論都認為地球不自轉。布里丹:地球繞軸旋轉,天球就不必旋轉,非常簡潔優美。單後布里丹、奧雷姆還是放棄了自轉說。

光學

狄奧多里克彩虹理論:一次虹是兩次折射一次反射的結果。

佩卡姆《普通透視學》。

地理學

中世紀的地圖非常貧乏,呈現的更多是象徵意義,整個地圖是基督形象。伊西多爾 T-O 地圖。

為適應航海需求,地圖開始出現數學轉向,寫實。

醫學博物學

是希臘羅馬的自然發展。

醫院是拜占庭的發明,在阿拉伯得到發展,12世紀,在歐洲傳播開來。

技術

早期中世紀的技術文獻相當匱乏,8 世紀煉金祕訣論莫柴斯的著色,10 世紀赫拉克利斯論羅馬的繪圖和藝術,12 世紀柴奧菲魯斯有關建築裝飾的隨筆。

農業

7–10 世紀,歐洲人口有所增長,生態危機出現在眼前。土地不只用來耕種,還用來飼養牛羊,還需要留出林地來提供木料。

10 世紀,廢除了會壓迫馬氣管的肚帶,改用墊肩馬軛,使馬的牽引力增加了 3–4 倍;開始用馬蹄鐵,可以保護馬蹄,增強抓地力。馬開始取代牛,大大提高耕作速度。使用重犁、鐵鏵,可以從深處翻起土壤。到 8 世紀末,開始實行三田輪作,三年一箇循環,每年用到兩塊土地。重犁耕田要耗費一大群牛馬,所以出現了集體所有制,孕育了莊園制度。如此一來,農業生產力提高了三分之一,生產出大量剩餘糧食。到 1300 年,歐洲人口躍升至 7900 萬,是 600 年的 3 倍。城市化進程加快,文化日趨繁榮,教堂、大學紛紛興建。

歐洲人充分利用水能,水車最先用於將穀物磨粉,隨後又用來提水、榨油、漂洗等。節省了勞動力,大幅提高生產水平。風車很可能源於水車,因爲都用了相似的水平軸傳動。15 世紀,濱海地區的風車起到與水磨相同的作用。爲此,必須發明齒輪和傳動裝置。

穆斯林將水稻、柑橘引入西西里和西班牙,又進入法國南部。葡萄也從希臘羅馬傳入西班牙和法國,再擴展到中歐。5 世紀起,蘋果和梨樹種植也開始普及。在西歐,古老的凱爾特蛇麻草啤酒一直佔據主導。

騎士階層代替農民士兵,成爲職業軍人,華麗的甲冑所向披靡。這產生了眞正的封建關係,貴族領主供养骑士,騎士效忠領主,爲他開疆拓土。歐洲不需要強有力的中央政府來興修水利,莊園制度與歐洲的環境非常適應。

交通

羅馬帝國崩潰後,道路系統缺乏統一的維護力量,一路走來會遇到名目繁多的關稅,雖然都是爲了維護公路而徵收,但入不敷出。隨著眾多神殿的興建,原有的道路系統已不再滿足人們的需要,需要興建新的公路。中世紀的道路用碎石鋪成,也有用灰漿和沙礫組成的石板路。造車技術到中世紀末有進步,出現了靈活的傳動系統,把一箇旋轉接頭附加於車架上。

水路是最廉價的運輸塗徑。地中海多用三角帆,不過不適用於多風暴的海域,大型商船安裝方帆。12 世紀,桅桿上有嵌齒;13 世紀末,增加了船尾舵;14 世紀,出現了平面接縫式船。13 世紀,來自中國的磁針開始普遍運用。

7–11 世紀,低地國家構築堤壩防止大海入侵,沿海鹽鹼地種植蓬子、海草、蘆葦,並用來加固海堤。新闢的低地需要排水,於是12 世紀開始,挖掘了許多水渠,退潮時水通過導流壩流入大海。爲了不阻礙通航,14 世紀,攔河閘門出現。

生活

紡織需要先梳理羊毛,再用紡錘紡成線,織工織成衣物,再漂洗、染色。中世紀,紡織的各項操作實現了機械化,銀行對此提供資金,僱用中介人。織機從 13 世紀開始代替手工操作。紡紗:左手搖動大輪,帶子驅動紗錠,實現撚紗、纏紗的機械化。15 世紀,形成撒克遜輪,能同時撚紗、纏紗。漂洗:水輪推動旋轉的錘,敲打織物。纺纱纺纱轮撒克逊轮同时

肥皂很快就發明了,7 世紀義大利就形成了肥皂工人行會,13 世紀整箇歐洲都在用,供不應求。草灰與水、牛脂、橄欖油一起熬煮,得到綠色或黑色肥皂。

13 世紀,教堂鐘樓設置了機械鐘。

教堂需要用馬賽克玻璃,因此玻璃生產的規模也擴大了,工人用鉛條夾持玻璃片。教堂繪畫都花在石膏板上,由白堊、石膏、膠水混合而成。

羊皮紙是主要材料,但造紙技術已經通過阿拉伯傳入歐洲,15 世紀中葉,已廣泛應用紙。紙出現後不久發明了印刷術。

军事革命

14 世紀,火藥、鑄鐵大砲、用模範澆注的鑄鐵槍相继出現。大砲很快回傳到中東和亞洲。15 世紀,火器開始在戰場上發揮決定性作用,百年戰爭剛開始時,還用的弓弩長槍,到結束時,都以火藥大砲對陣。17 世紀,滑膛槍也廣泛裝備,軍隊人數大大增加。

火藥革命削弱了騎士和領主的軍事作用,取而代之的是用火藥裝備起來的陸軍海軍。隨著攻擊力增強,中世紀城堡不再堪用,新的堡壘耗費巨大。這種情況下,只有較大的政治實體能負擔越來越龐大的軍費,各國政府集權程度大大加高,稅收不斷增加,各國也紛紛開始軍備競賽——水利文明的特徵姍姍來遲,引發一箇接一箇歷史變革。但是歐洲沒能形成一箇主導力量,即使是神聖羅馬帝國、拿破崙帝國,都未能完全統一歐洲。火器的運用提出了零件標準化,意識到子彈可以互換有多重要。舷侧炮击取代冲撞和登船。

軍事革命的另一箇影響是殖民主義和全球征服的興起。多桅帆船的出現帶來海戰革命,舷側砲轟取代了衝撞和登船。返回歐洲沃爾特 volta 航海技術至關重要,先沿非洲西海岸北行,再西行進入大西洋,再尋找順風東行回到伊比利亞。1443 年葡萄牙人首次使用這項技術到了撒哈拉,1488 年到達好望角。1497–1498 年,達·伽馬繞過好望角,首次到達印度洋。到 1800 年,歐洲列強已經佔據了全球三分之一的土地、人口、資源。

即便如此,亞里士多德、歐幾里德、托勒密的思想沒有起到作用,工匠只是憑藉經驗和直覺。但是政府還是開始資助科學,葡萄牙宮廷延聘了數學家、天文學家、地圖學家。16 世紀,西班牙成爲最重要的航海和地圖繪製中心,皇家宇宙学家負責研製航海儀器、繪製海圖。腓力二世在 1582 年建立了數學學院,傳授宇宙志學、航海技術、軍事工程、神祕學。這時工程學教授的工資是大學哲學教授的兩倍。

五、近代上

哥白尼

1472 年,佩爾巴赫新行星論出版,說明托勒密天文學已經完全融入西方思想。

1543 年,哥白尼 Copernicus 天體運行論出版,150 年後,歐洲人已經對科學有了全新的認識,認爲科學是瞭解世界的方法,能夠用來改變世界。科學革命的槩念在 20 世紀纔形成,它不是一箇單一事件,不僅僅有天文學和力學,還有金丹術、占星術等等。科學革命包含世界觀的變化,科學方法的變化,科學組織的變化,沒有一箇明確的時間界線。

文藝復興

16 世紀,大航海改變了歐洲人封閉的宇宙觀念,許多科學家都參與了地圖測繪。1450 年以後,古登堡活字印刷術傳播開來,帶來了信息革命,歐洲到處都是印刷機,有助於打破大學對知識的壟斷。印刷廠就是一箇知識中心,作者、工人親密無間,一同生產新知識。印刷術也掀起了恢復古典文獻的熱潮。

宗教改革打破了天主教會在精神和政治方面的權威,大大推進近代社會的世俗化進程。許多科學革命中的重要人物,如開普勒、伽利略、笛卡爾、牛頓,都受到了神學騷亂中所爭論的那些宗教問題的深刻影響。

醫學

  • 美術方面,透視畫法是文藝復興時期的新風格。畫家急需瞭解人體的確切構造。隨著火器的出現,醫生要處理嚴重得多的創傷和灼傷。
  • 1543 年,維薩理 Vesalius 編寫了近代第一本人體解剖手冊。1559 年,科隆博 Colombo 提出肺部血液循環。哈維 Harvey 集大成,发现動脈和靜脈一同構成血液循環系統。通过解剖实验,发现心脏的左右各分为两个腔,上下腔之间有一个單向瓣膜相隔,只允许上腔的血液流到下腔。通过结扎实验,发现静脉血是心脏血液的来源,动脉是心脏向外供血的通道,证明了盖伦的静脉双向潮汐运动是错误的。他發現每小时由左心室注入主动脉的血液流量相当于体重的4倍,这么大量的血不可能在短時間內由肝生產出來,惟一的解释就是体内血液是循环流动的。
  • 帕拉塞爾蘇斯 Paracelsus 挑戰了傳統醫學,觸動了亞里士多德自然哲學的核心。他有著名的格言「毒性看劑量」,他用汞來治療梅毒。他也應當被視作科學革命的發起者。

哥白尼

哥白尼1473–1543是最後一位古代天文學家,而不是第一位近代天文學家,是托勒密的後人,而不是開普勒的前輩;他不是爲了推翻希臘天文學體系,而是爲了恢復它的本來面目。他依然秉持天球的觀念。他拋棄了托勒密的均衡點,因爲那只是虛構的,行星運動依然不勻速。他提出日心體系,只是爲了更加優美。日心體系最簡潔的地方在於,行星逆行只是視覺錯覺,困擾了天文學兩千年的最大難題迎刃而解。在托勒密體系中,外行星與本輪中心的矢徑平行於地日連線,哥白尼設想將太陽與地球重合,將行星與本輪圓心重合,地球再移動到日地矢徑的另一端,這樣地球和行星都繞太陽勻速旋轉。他的天文學沒有利用任何新的觀測資料作依據,研究方法上的進步是運用了球面三角。

地球存在自轉和公轉,但哥白尼還認爲有第三種運動,卽天球層帶動行星運動。他假設地球自轉軸在做圓錐運動,這樣纔能保證軸始終對準北極星。他還通過這種運動解釋歲差。哥白尼說太陽有至高無上的地位,坐在王座之上,統領著行星子民,這實際上是新柏拉圖主義神祕哲學。

但是他依然拘泥於圓運動,不得不繼續使用本輪、偏心圓,說到底,哥白尼體系堆砌了大量技術細節,一點不比托勒密體系更簡潔。太陽偏心地位於地球的運行軌道內,因此最好不說「日心說」,而是「日靜說」。最大的问题是恆星視差,這箇問題同樣難倒了阿利斯塔克的日心說。事實上,1838 年以前,從未有人證明過視差的存在。按照哥白尼體系,恆星的距離大到荒誕不經。

1551 年,賴因霍德 Reinhold 根據哥白尼原理编制了普魯士星曆表 Prutenic Tables。在很長一段時間,都只有少量天文學家讀到了他的著作,哥白尼的革命最多算漸進式的革命。

在 16 世紀後半葉,天主教並沒有表示反對,反倒是新教徒公開反對。到 17 世紀,伽利略挑起了一場神學爭論,宗教人士纔開始公開反對哥白尼。這可能是因爲在印刷過程中他人加上了一句話:「致對本書中的假說有興趣的讀者」,表明只是提供了一種可能的幻想,而非認爲事實上就是這樣的。

第谷

第谷·布拉赫1546–1601在丹麥王室資助下,在自己的島上建立了兩座豪華的天文臺,以及配套的金丹術實驗室、造紙廠、印刷廠。最重要的成就是對天空精確、持續系統的觀測。他製造了牆象限儀、渾儀等 20 架大型儀器,取得了最精確的肉眼觀測數據,精度一般都能達到 2’。他觀測了一箇超新星,通過視差確認了在土星天球之外,是眞正的星星,證明天不是固定不變的;他觀測了彗星,通過視差,證明彗星穿過了天球層,证明水晶球是不存在的——這動搖了西方天文學的支柱。他反對哥白尼日心說,論據是恆星沒有視差,這就需要恆星到地球的距離遠得不可思議,地球的週日自轉也十分荒謬。他提出了自己的體系,不用本輪就能解釋天體逆行。

開普勒

約翰納斯·開普勒1571–1630早年癡迷占星術和數字神秘主義,正是這些激勵著他的科學研究。他是哥白尼體系的擁護者。1596 年,宇宙的神祕提出了一種宇宙幾何結構,行星安放在五種正多面體上。在第谷去世的前兩年,他找到第谷,第谷讓他整理火星觀測資料,巧合的是,火星軌道是最不圓的。開普勒沒有按照第谷體系,而是按哥白尼體系去整理。他發現第谷體系的計算結果與觀測結果相差 8’,他不得不放棄兩千年以來的柏拉圖形而上學,採用橢圓運動。他長期計算中,發現了一箇關於角度的正割關係。

1609新天文學闡述了開普勒定律中的前兩條:行星軌道都是橢圓,太陽在橢圓的一箇焦點上;在相等的時間內,軌道半徑掃過的面積相等。他根據第谷的觀測資料和自己的宇宙體系,編製了魯道夫天文表,精度非常高。1619宇宙諧和論Harmonice mundi ,建立起各種占星術之間的聯繫,認爲行星在運行過程中會發出聽不見的音樂,暗示了第三定律:公轉一週時間的平方與軌道平均半徑的立方成正比,卽 $t^2 ∝ r^3$ 。這些結論基於觀測和幾何模型,沒有證明。他認爲太陽有「原動力」 vis motrix,推動行星運動。他還想到,太陽磁性和地球磁性交替吸引排斥,運動就會偏離圓周運動,地球運動也是太陽自旋帶動的。總之,這些解釋並不圓滿,留下了尚未解決的天體動力學難題。

開普勒的影響並不大,連伽利略都不同意他的觀點。

伽利略

阿基米德之後

1544 年,阿基米德全集在西歐出版。17 世紀物理學有突飛猛進的發展,力學是物理學的基礎,因爲相對而言比熱學、聲學、磁學簡單得多。

格奧芬尼·巴蒂斯塔·班納帶蒂多樣的沈思1585用可以獨立驗證的方法考慮落體運動,認爲在真空中,相同材料構成的不同物體在相等時間內應該下落相等距離。

西蒙·斯蒂文 Simon Steven1548–1620直接接續了阿基米德的研究,1586 年靜力學原理簡化了槓桿原理,並作出數學證明;首次證明斜面定律:用直角三角形上小球的重量來推斷。還記錄了自由落體實驗,重量相差十倍的球墜落時間相同,這與亞里士多德「落體時間與重量成反比」的說法完全不同。流體靜力學原理也證明了阿基米德浮力定律;給出了與當時觀點相反的定律:液體對容器底部的壓力與液體重量無關,而與底面積、深度、比重成正比。這兩本書用荷蘭語寫成,發掘創造荷蘭語的技術詞彙,極大促進了荷蘭語的發展。

伽利略

天主教對伽利略 Galileo Galilei 1564–1642的審判是信仰和理性之間最醜惡的一章,人們逐漸意識到思想自由的賈値。科學革命的主陣地不是大學,反而是宮廷,宮廷供養一批人才,最開始出於實用目的,後來成爲了慣例。美第奇 Medici 宮廷促成了伽利略的事業。文藝復興時期還出現了許多科學研究會,與大學的亞里士多德傳統唱對臺戲。伽利略就是山眼貓研究會的一員,山眼貓也是伽利略的堅定支持者。

他用望遠鏡取得了很多成果。1610星的使者報告了月球表面坑坑窪窪;木星有四箇衛星;土星外表的特殊性;金星也有陰晴圓缺。梅耶也在 1609 年獨立觀察到了木星衛星和太陽黑子。

這些成果使哥白尼的問題突顯出來,1611 年伽利略的名字就列入了宗教裁判所的黑名單。他卻在熱情地宣揚哥白尼學說,斷言他的觀測已經證實了天體運行論。他認爲,信仰和理性不應該對立,聖經是上帝說的話,自然是上帝的造物,當兩者有衝突時,神學家就應該重新詮釋聖經

1616 年,宗教裁判所判定哥白尼學說爲異端邪說,伽利略只好默認。哥白尼學說成爲禁區,只能轉向其他科學領域。1623 年,新教皇烏爾班八世加冕,也是伽利略的老朋友。伽利略在烏爾班面前爭取重新研究哥白尼體系,但烏爾班要求他對托勒密和哥白尼體系持不偏不倚的態度。1632 年,兩大簡明世界體系的對話 Dialogue on the Two Chief World Systems 終於出版,這本書最清晰全面而有說服力地支持了哥白尼學說。該書安排了三箇人物分別代表伽利略、亞里士多德、外行,對談四日。

  • 第一日:根據望遠鏡發現,批評亞里士多德的空間、運動觀念,天球、地球的差異。
  • 第二日:地球的自轉,爲何不會飛出去,爲何東西向的運動不受自轉影響。
  • 第三日:地球的週年運動。用金相的變化反對第谷體系。
  • 第四日:支持哥白尼體系的證據,對潮汐的獨特解釋。

對話剛一發行,教皇就命令全部召回。宗教裁判所的審判一波三折,伽利略還得再爲對話補寫一天,以眞正體現沒有支持哥白尼學說。烏爾班否決了宗教裁判所的解決辦法,堅持要判處他異端罪。他被判終身監禁,被迫跪在大庭廣眾之下懺悔,詛咒哥白尼異端邪說。

歷史學家有很多看法:

  • 早已沒人再持這種觀點:是科學眞理和愚昧宗教的殊死較量
  • 致力於揭示宗教審判所這種專制機關的本質
  • 伽利略只是沒趕上時候,當時教會正被宗教改革弄得焦頭爛額
  • 是教會爲了掩蓋和耶穌會等神學叛逆之間非常棘手的爭端,那些叛逆和伽利略的原子論有關
  • 這時烏爾班教皇在政治上遇到了很大的麻煩
  • 伽利略失去了庇護人,不再是宮廷命官

人們常用這件事證明只有在民主制度下科學纔能良好發展,但顯而易見,很多專制社會也有很好的科學發展。關鍵在於要讓科學共同體保持獨立,只要政治當局一干預,就總是會阻礙科學發展。

1633 年,伽利略被移送到家中,年屆七十、半盲的他並沒有消沈,反而寫出了兩種新科學的談話 Discourses on Two New Sciences。這本書討論的是深奧的技術問題,與政治、神學無關,同樣安排了原來的三箇人物代表伽利略自己的認識發展的三箇階段,對談四日。地點是威尼斯兵工廠,那時歐洲最大最先進的工業基地,可以造船、鑄造大砲、澆灌瀝青、融化玻璃,有上百種技術活動。

  • 第一二日:材料強度的問題。第一日:爲什麼無法建造百萬噸重的木船,還有例如物體的聚合、表面張力、液體本性、聚集和稀薄化、鍍金、火藥爆炸、空氣重量、關於無限的數學悖論、鐘擺搖動問題。
  • 第二日:荷載懸臂的內應力,$強度 ∝ 橫截面高度^2$ ,但是對於工匠、工程師來說並沒什麼用,這粗糙的公式不如他們的經驗。
  • 第三日:研究地球表面運動,推翻了下落速度與重量成正比的結論;在眞空,所有的物體都以同樣的速度下落,$v ∝ t^2, s ∝ t^2$ ,用現在的表達方式就是 $S(t) = \frac{V0Vt}{2}t$ ,還可以表達成,連續相等的時間內通過的距離成連續奇數比。自由落體定律的意義在於,這是違反日常經驗的;另外,有很多影響因素:重量、形狀、密度、介質等等,哪箇纔是問題的本質?
  • 第三日還提到一箇沿著斜面下落的物體,能沿著另一斜面上升到原來的高度,那時的速度就是初速度。
  • 第四日討論了拋物運動,他認爲物體拋出後同時在做兩種運動:自由落體和水平慣性運動,水平距離與時間成正比,垂直距離與時間的平方成正比,因此曲線的縱坐標與橫坐標的平方成正比。這是第一次明確提出慣性槩念,不需要推動力,亞里士多德以來的難題迎刃而解。伽利略慣性與笛卡爾牛頓慣性的區別是,伽利略是沿著地球表面的弧線運動,而非直線,這反映了科學家對圓的執著在那時依然揮之不去。

伽利略定律是運動學定律,而不是說明運動的原因。伽利略定律已由三箇世紀以前的 Oresme 等人闡述過,卽默頓學派 the Mertonians、計算學派 the Calculators,只是中世紀學者只是在猜測可能的抽象世界,而伽利略認爲他的規則適合現實世界。

人們常說伽利略是「實驗科學之父」,但不能把這一歷史過程簡單化,他做實驗不是爲了像陈词滥调说的證明假设、推導結論,而只是用來說明演示原理,說明實驗在實際科學活動中是多麼複雜,遠不是某種抽象的簡單程序,而最初原理如何發現的则無關緊要;也因此,他沒有提供數據,認爲這足夠了。伽利略用斜面代替自由落體,這樣可以延長時間,使時間可以測量,設計了精巧的水漏來測量時間。

  • 比薩斜塔實驗的文字資料出現於家理論去世後 15 年,可能是後人杜撰的,他當時只是比薩大學的低級教授,還沒有形成定律的公式化表達,更不用說去證明。

伽利略之後

伽利略的學生,義大利數學家托里拆利 Torricelli 1608–1647論自由落體和拋物體運動補充了伽利略的論述,他將拋物軌跡擴展到任意方向都有初速度的情況。他也研究了大氣壓力定律。

笛卡爾

對伽利略的審判嚴重影響到義大利科學的發展,義大利也始終沒有形成伽利略學派。伽利略在宮廷服務,沒有多少學生。科學中心北上,到了法國、荷蘭、英國,笛卡爾成爲接下來的領導者。

比克曼

1618–19 他在荷蘭服役時與比克曼 Isaac Beeckman 是合作者,比克曼日誌記錄了笛卡爾的合作發現。考察落體運動的前提條件是:重力是短促的拉力;物體一旦運動起來,只要不受阻礙,就將永遠運動下去。將一箇單位時間無限趨近於 0,就可得出下落距離與下落時間的平方成正比。這體現了新的慣性思想,取代了亞里士多德的基本原理。很遺憾比克曼沒有出版自己的著作。

笛卡爾

笛卡爾 Descartes, René 形容詞 Cartesian 1596–1650建立起一套完整的宇宙學說和世界體系,取代了亞里士多德體系。笛卡爾 41 歲時首次發表自己的研究成果,有關於更好地引導人們的理性和尋找科學真理的方法的談話折光學氣象學幾何學

笛卡爾形而上學認爲,物體的本質是空間的廣延,物理學是關於運動的空間形式的學說,是幾何的延伸;所以物理可以像幾何一樣,從先驗的公理中推出來,人的心靈構造了各種形式的物理學。物質和空間的同一性推出:世界是無限的;世界中到處都充滿相同的物質;物質可以無限分割;真空是不可能的。上帝在創世時,把空間分割成千差萬別的形狀和大小,再讓這些部分相互作用,逐漸演變成現在的樣子。由此產生三類物質:微粒,小球,較大的物質單位,太陽就是大型球狀聚合物。上帝使所有運動的總動量質量×速度保持不變。此外有三條定律:1、若無外因,空間與物質不會有任何變化;2、慣性原則:以原有速度作勻速直線運動;3、一箇運動物體不可能使一箇靜止的有巨大質量的物體運動起來。笛卡爾解釋了宇宙和運動,而不是像開普略和伽利略那樣只是描述。環繞太陽的是巨大漩渦,帶動天體運轉。

笛卡爾提出了機械論的世界觀,宇宙就像一臺巨大的機器,由力學規律支配,他沒有運用力學以外的概念。自然物體與人造產品之間沒有本質區別,走動的表和生長的樹沒什麼區別。這樣我們就能理解他的先驗演繹和經驗研究之間的矛盾:經驗只是一種手段,用來確定哪一種可能性能在自然中實現。

醫學方面,他將人體也看成一箇機器,所以醫學就是操作人體機器的知識。後人把生命體看成一箇物理化學過程,就是笛卡爾的自然延伸。

笛卡尔光学

笛卡爾對物理學的貢獻主要在於光學,他用演繹法給出了折射率與光速的關係。在他之前,荷蘭數學家威爾伯羅特·斯涅爾1591–1626用經驗方法發現了這一定律。$\frac{Sin(i1)}{Sin(i2)} = \frac{V2}{V1} = n1,2$ 。與之相反,費爾馬的理論是 $n1,2 = \frac{V1}{V2}$

他還研究虹的成因,主虹是兩次折射一次反射的結果,次虹是兩次折射兩次反射的結果。他把顏色歸結爲粒子旋轉速度的差異,旋轉最快的產生紅色,最慢的是藍色。

其他

法國修道士馬林·麥山尼1586–1648是與笛卡爾通信最密切的人。他促進了人們從亞里士多德體系中擺脫出來,證明這種解放與基督教義不矛盾。他在聲學領域做出了很多貢獻,1637 年普通聲學有關弦的長度、張力、粗細舆音高的經驗定律在現在看來也是正確的,頻率與張力的平方根成正比,與弦長成反比,與密度平方成反比。

法國神父皮埃爾·伽桑狄1592–1655論證發展了原子論,恢復了原子論的名譽整箇中世紀,原子論被認爲是無神論的。他用原子的形狀大小、排列運動來解釋整箇自然界,也提出了分子,是很小的穩定聚合物。但需要注意的是,他和笛卡爾的原子說有不同之處,不能不加區別地加以使用。原子說反對了亞里士多德的主張:物質是連續的、元素說。

六、近代中

16–17 世紀,知識界有很多派別,如傳統的亞里士多德觀點、各種神祕學、機械論、原子论、實驗科學,在此基礎上用力、物質和運動來闡明自然界的活動。

实验科学

帕斯卡用压力计证明了大气压的存在,波义尔用空吸泵发现了密闭空气的体积与压强成反比。

布雷斯·帕斯卡1623–1662對物理學、數學都做出了傑出貢獻。數學:帕斯卡三角,計算器,概率論。1643 年,托里拆利的大氣壓實驗傳入法國,帕斯卡開始驗證托里拆利的實驗,證明了水銀柱高度在山頂比山腳低;他駁斥了當時所有反對大氣壓力的論據,排除了一系列流行的錯誤觀點。他將空氣靜力學與液體靜力學結合在一起,形成流體靜力學。他嚴格遵循了假設–演繹法,在一箇假設被驗證之前,他拒絕一切幻想。帕斯卡使壓力計成爲物理學儀器,之前有望遠鏡、顯微鏡,之後是空吸泵。

1657 年,馮·格里克 Otto von Guericke 馬德堡半球實驗。 17 世紀英國實驗科學的中心人物羅伯特·波義耳 Robert Boyle 也去設計同樣的裝置,此後幾年,他用空吸泵做了大量關於氣壓的實驗,關於空氣的彈力與重量學說的答辯第一次對空氣的彈性進行定量分析。他驗證了理查德·湯立提出的學說:密閉空氣的體積與壓強成反比,卽波義耳定律。波義耳馬略特先後獨立發現了這一定律。波義耳用實驗證明,物體加熱時不是分解爲土水氣火四元素,而是非常複雜的化合物。不過他並沒有提出一箇新體系。以往認爲這一實驗很簡單,但新的研究證明,製作這些實驗儀器本身就非常複雜,只有熟練的操作員才能正確使用。

18 世紀,培根實驗科學的範圍擴大到了氣象、博物、植物、地質等其他領域。這些學科主要用到儀器,去實地採集,製作標本,進行分類。

光學

17 世紀有兩本重要的光學著作:

  • 1665 年格里馬第 Francesco Grimaldi 關於光、顏色、虹的物理數學,提出了衍射,這是光除了直進、反射、折射之外的第四種形式。他認爲光是一種細微分開的、速度極快的稀薄流體。
  • 1665 年列文虎克 Leeuwenhoek 顯微術或放大鏡下微小物體的生理學描述,發現了血球、精子等。他提出了光的波動說。
  • 英國人胡克 Robert Hooke 顯微圖集。1674 年,胡克的論文從觀察角度證明地球週年運動的嘗試就已經表達了牛頓三定律,只是缺乏定量。胡克成为皇家学会的职业科学家,负责经办每周例会的实验。

惠更斯 Huygens1629–1695自己製造望遠鏡,爲了減少望遠鏡象差,他將鏡筒設計得很長,促成了空氣望遠鏡。發現土星環,1655 年發現了土星衛星泰坦。他設計了擺鐘;爲了用於在海上測量經度,他設計了有遊絲連接的平衡輪。1690 年光論:光在稀薄的介質中是脈衝式前進的,這是脈動說而非波動說,脈動是非週期性的,因而不存在波長、頻率。惠更斯也在數學基礎上完成了笛卡爾的機械論宇宙觀,他完善了笛卡爾對氣象的論述,完善了碰撞理論。

由於牛頓的威望,整箇 18 世紀,粒子說都是主導。1750 年前後,歐拉發表了一系列論文捍衛波動理論,顏色不同是因爲波長不同;他還批評了牛頓的散射信條,認識到可以用玻璃的組合來消除色差。1729–58,消色差鏡製作成功,實用光學進入新時代。皮埃尔·博格开创光度学分支,

1729 年,皮埃爾·博格論發光強度開創了光度學的分支,對光源強度進行研究;他測定太陽和滿月的亮度比爲 300,000。1760 年,經過蘭貝特的努力,光度學已經完全成熟,他發現了表面光照度的基本方程,卽蘭貝特定律。

金丹術到化學

16 世紀,金丹術很快從江湖術士轉向研究古代文獻,新柏拉圖主義、諾斯替教、卡巴拉神祕猶太教等理論形成一股浪潮,從義大利向西歐傳播。18 世紀的化學源於金丹術傳統,旣不是經典科學,也不是培根科學。

帕拉塞爾蘇斯 Paracelsus 1493-1541認爲煉金術士掌握將不純物質轉換為純淨物質的技藝,因此特別適合製造醫用化學藥劑。他認爲所有生命過程都是化學過程,化學物質也會通過進化演變成另一些化學物質。他提出三元素說,硫是可燃性元素,汞是流動性元素,鹽是堅固性元素,這三種元素不能從自然界中分離出來。實際上,這種理論和亞里士多德一樣有根本缺陷。

17 世紀,人們開始探討酸鹼的相互作用,認識了強鹼氨水。布拉克指出強鹼和弱鹼的區別。18 世紀末,爲了生產硫酸、蘇打這些化工產品,發現了許多新的化學流程。

1669 年,貝歇爾提出「油土」使化合物可以燃燒。燃素理論認爲,燃燒過程中,燃素釋放,與空氣相結合。用罩子把蠟燭罩起來,火焰會熄滅,是因爲空氣被燃素浸滿,阻止了燃燒。燃素說解釋了許多自然現象:燃燒是釋放燃素,呼吸是釋放燃素,植物生長在吸收燃素,消化是從食物中吸收燃素。到 1750 年,燃素說成爲公認理論。

一系列新空氣的發現挑戰了燃素說。1756 年,布萊克發現「固定空氣」二氧化碳,確證是另一種氣體,打破了空氣是單一實體的觀念。如舍勒製取了「火氣」氧,並於 1775 年公布結果。尤其是汞在燃燒中增加重量,但按照燃素說,是在失去重量。

化学革命最重要的人物拉瓦錫 Lavoisier 1743–1794索性以相反的觀念開始研究,提出燃燒時從空氣中帶走氧氣,而非釋放燃素。通過加熱氧化汞,拉瓦錫得到了「助呼吸氣體」氧,知道了空氣是氧氮混合物。人們發現水是由八分重量氧、一分重量氫組成的,瓦特、普里斯特利、卡文迪許、拉瓦錫是第一批發現的人。1783 年,拉瓦錫出版關於燃素的意見,指出燃素概念是多餘的、自相矛盾的。1789 拉瓦錫的教科書化學概要 Elementary Treatise of Chemistry 出版,完全刪除燃素理論。命名了 31 種元素,此後化學就不再用幻想的名字命名了。區分了化學變化和物理變化,比如冰水汽都是水。爲了說明熱變化,他引入了卡路里 caloric,實際上是新的以太,卡路里能夠滲透進冰裏,把粒子彼此分開,融化成水。但燃素說依然支持了相當一段時間,普里斯特利 Priestley 至死都堅持燃素說。

數學

17 世紀,人們越來越認識到數學的重要功能,伽利略說:「大自然這本書是由數學的語言寫成的。」伽利略那箇時代的數學不能支撐這些定理的證明,他完全使用幾何推導,還不能用代數式得出物理量之間的關係。開普勒相信上帝創世時遵循了數學原則,並且人類心靈也可以掌握這些原則,人在演習數學時,就是在回想已經在自然界中物化了的上帝思想。笛卡爾也深信,數學的槩念與證明,能應用於世俗科學,體現在次序和測量兩大原則。

這一時期成就最大的是符號代數、解析幾何、微積分。直到 19 世紀,代數纔開始用於列公式。微積分的發明不能簡單歸於牛頓和萊布尼茨。積分的很多問題,如曲線長度、曲線圍成的面積等等,從古希臘就出現,很多都已經解決。微分的很多問題在 17 世紀初就已解決。牛頓–萊布尼茨的偉大之處在於提出了積分是微分的逆運算,引入通用符號,正式建立了微積分。希臘人就已經有不可分量的槩念:立體是平行橫截面的總和,平面圖形是平行線段的總和,直線是點的總和。17 世紀,又出現了無窮小量的槩念。

天文学

  • 卡西尼 Giovanni Domenico Cassini 1625–1712發現四顆新的土星衛星和土星暗環。
  • 首任皇家天文學家弗拉姆斯蒂德 Flamsteed 和助手編製了不列顛星表 Britannic Catalogue ,1725 年出版,用希臘字母標誌各星座最亮的星。他的繼任者哈雷根據牛頓力學預報了 1758 年的哈雷彗星回歸。哈雷還測定月亮的週期約 19 年,改進月球表。
  • 奧勒·罗默 Ole Rømer 1644–1710發現木星衛星進入木星影錐的時間與卡西尼表有出入,從中他發現了光從木星到太陽需要 11 分鐘,解決了光速到底是有限的還是瞬時的問題。1727 年,英國的布拉德萊 Bradley 觀察到了週期爲一年的移動,他引入光行差來解釋。從此測量星體位置除了要作大氣折射修正,還要作光行差修正。他還發現了週期 18 年的修正,卽地球章動。
  • 布拉德萊的繼任者馬斯基林於 1767 年創辦航海年曆,承擔了 44 年的編輯工作。繼任者龐德編製了精度更高的星表,有 1112 顆星,1833 年發布。
  • 法國的拉卡伊在好望角觀測南半球星空,1763 年發表了有兩千顆星的星表。與德國的拉郎德合作,確定了月球的視差爲 57’15’’,地月距離 384,000km。1762 年發布新的太陽表。1761、1769 兩年,各國派出考察隊,用哈雷的方法觀測金星凌日,根据视差和開普勒第三定律,計算出日地距離,測得太陽視差極值爲 8’’ 多。

科學與社會

17 世紀開始,人們普遍認爲科學是有用的,有利於增進人類福祉,科學家也逐漸開始走向民眾。這種思想有幾箇來源:

  • 文藝復興時期的法術和神祕學,相信人可以控制宇宙中無所不在的力量。

    神祕學包括占星術 astrology、金丹術 alchemy 、鬼怪學 demonology、占卜 divination、法術 hermetic、新柏拉圖主義神祕哲學 Neoplatonism、羅森克魯茨哲學 Rosicrucianism。神祕學是嚴肅的智識追求,體現了對自然界的深刻理解。通過構建協和關係,把人體小宇宙與外部世界大宇宙連結起來,世界之下隱藏著大量神祕象徵,通過修煉,可以掌握使宇宙悸動的力量。可以說,法術爲古典學復興和科學革命提供了實實在在的動力。

  • 金丹術、冶金、占星術等,這些技術對於貴族和政府是有用的。

這種思想在弗朗西斯·培根1561–1626那實現了系統化,他的科學思想激勵了人類思想發展。他通過火藥、羅盤、絲綢、印刷等例子來說明科學研究的實用價値。他指出科學實驗的無與倫比的重要性,科學既要有成果實驗 experiments of fruit,也要有探索實驗 experiments of light ,兩者結合纔能有所成就。笛卡爾認爲知識應該用來爲人類謀福利,醫學就是未來的重要競技場。

科學開始走向民眾,在英國,1588 年樞密院設立了數學講座,有數學、天文學、大地測量、航海技術。1575 年托馬斯·格雷沙姆建立了格雷沙姆學院,包括物理、幾何、天文等七種講座,還爲倫敦市民開設了航海、船舶建造方面的講座。

1662 年,在此前團體的基礎上組建了皇家學會 the Royal Society;1666 年,成立巴黎科學院 the Paris Academy of Sciences。皇家學會和巴黎科學院是科學革命的中心,開創了一種新的科學組織形式。新的學術交流形式:私人通信和學報也出現,皇家學會哲學學報、巴黎的科學通報。各國也紛紛建立起天文臺、植物園。隨著政府運作同皇室分離,科學家也從宮廷走向政府部門,成爲國家公職人員;例如巴黎科學院要負責專利管理,監製天文年曆。政府和科學終於形成了古代水利文明那種買賣關係,政府支持科學的發展,科學爲政府提供服務。新思想也更符合歐洲新出現的中央集權國家的需求,也更有利於商業資本主義的發展。

現代意義上的科學家出現於第二次科學革命。科研中心從科學院轉向大學,大學前所未有的重視科研。德國是最早進行大學體制改革的地方,紛紛設立實驗室,設立博士學位,开设研讨会等学术活动;1876 年成立的約翰霍普金斯大學將研究型大學模式引入美國;醫院也重組爲醫學研究實踐中心。科學院也產生了學科門類的分化,比如林奈學會 the Linnaean Society 1788、倫敦地質學會 the Geological Society of London 1807、倫敦動物學會 the Zoological Society of London 1826、皇家天文学会 the Royal Astronomical Society 1831等。學術雜誌也出現了專門化,如化學期刊 Chemische Journal 1778化學年鑑 Annales de Chemie 1789植物學雜誌 Botanical Magazine 1787等等。

科學與技術

伽利略的大砲仰角射程表,看起來是科學運用於技術的直接證明,但可惜並沒有產生過絲毫影響,砲手和工程師已經總結出成熟的表格,伽利略的表實際上是參考了工程師的成果。在沒有科學計算的情況下,彈道學就已經很完備了。

繪圖也許稱得上第一箇科學化的技術,包含了三角、日晷、宇宙學、大地測量等知識。大航海時代,16 世紀的繪圖學很快就超過了托勒密等一切前人。摩卡托 Mercator 1512–94擔任宇宙學教授和宮廷宇宙學大臣,他的投影法必須要數學纔有可能建構起來。法國從 1669 年開始了一項大工程,用科學方法繪製全國地圖,由卡西尼 Cassini 負責,很多成果沿用到了 20 世紀。

海航經度的測定比繪圖難得多,最開始有伽利略、卡西尼等用木星曆表確定時間。最終還是依靠精密計時儀器的發明。1760 年代,鐘錶匠哈里森 Harrison 使用了平衡錘來抵銷顛簸,再用均衡熱電耦來補償溫度變化帶來的誤差。只要將格林尼治時間和當地時間比較,就能得到經度。德國天文學家梅耶 Mayer 則通過月球天文表達到了同樣的結果。

即使是望遠鏡的製造,最開始也沒有理論支撐,反倒是望遠鏡促進了爆炸性的科學發現。

皇家學會曾成立了一箇委員會,專門從事實際問題研究,如航海、造船、植樹造林等等,但收效甚微。比如研究木梁強度,實驗結果和伽利略的計算不一樣,可工程師並不需要這些理論上的擔保。那時的技術對科學的幫助超過了科學對技術的幫助。

17–18 世紀,相繼開通了很多運河。最初的工程師一詞就指的是土木工程師。內河航運的蓬勃發展是海上貿易帶來的。船舶行業的標準化得到發展,桅桿、帆、滑車等零件都很快標準化,能夠快速維修。

當時的化工生產不是精確的學科,純度不夠,缺乏溫度控制。

18 世紀,科學家將新型儀器的生產交由專業製造者,一般工匠不能勝任,所以實業家開始了培訓制度,培訓「熟練工人」,他們需要接受專業培訓。

工程师瓦特、John Smeaton、锅炉工韋奇伍德 Wedgwood 成为皇家学会会员,並在哲学通报上发文章,但是他们的研究其实对工程没有益处。韋奇伍德 發現了黏土加熱後會收縮,1782 年發明了高溫計,這是少有的科學应用于技術的例子。瓦特的聯桿平行傳動非常巧妙,但直到 19 世紀的最後四分之一纔能夠分析這種運動。瓦特希望把可以漂白織物的氯化過程運用於商業,他找到發現人法國化學家貝托萊,但貝托萊堅決拒絕了這一想法。各地的科學院開設公眾講座,向普通人普及科學,但這仍然是一種脫離實際的科學活動。19 世紀初,倫敦決定在泰晤士河上建一座橋,組建了兩箇委員會:數學家科學家和工程師,科學家高高在上的方案非常愚蠢,完全不能用於實際,最後只能靠工程師的經驗。直到 1858 年蘭金 Rankine 應用力學手冊 Manual of Applied Mechanics,纔明確出現了工程科學。在此之前,没有工程师协会,表格都还不能用于实际,工程学还没进入教科书,工程学实验室还未出现。總的來說,直到 19 世紀後半葉,科學和技術的界線纔開始逐漸模糊。

七、近代下

力學

科學革命給社會、文化、知識結構都帶來了極深遠的影響。18 世紀,科學先驅提供了認知世界的新方法,確立了人類理性,並且可以從科學擴展到一切領域,也就是說,啓蒙運動源於對科學革命的回應。

牛頓

牛頓1642–1727自然哲學的數學原理 Principia Mathematica Philosophia Naturalis 1687完成了從古代科學到經典科學的轉變。他奠定了力學的公理基礎,將力學確定爲一門獨立學科;將力學與天文學聯繫起來,使亞里士多德以來一直割裂開的天和地得以統一;開拓了光學的理論和實踐;埋葬了亞里士多德世界,宣告了笛卡爾機械宇宙的完成。

1669 年,26 歲的牛頓取得文學碩士後,成爲第二任盧卡斯 Lucasian 數學教授。由於教授職位的關係,他加入了聖公會,在 1670–80 年代早期認眞研究過神學。他不贊成基督教的正統教義,認爲三位一體只是早期教會的騙人把戲;他有一套自己不合主流的神學觀,認爲上帝把祕密奧義告訴給諾亞,又傳給摩西、畢達哥拉斯,又傳給了他自己。1713 第二版原理,牛頓加上了對上帝的總附註,認爲在太陽行星彗星系統中,存在一箇全能的上帝,而上帝的設計能夠爲人類所感知,上帝使各行星在一箇平面上又充分遠離,防止相互碰撞。他不希望將引力看作物理實在,只是用數學描述引力,而不問引力的來源。牛頓的自然神學契合了光榮革命後英國宗教溫和派的訴求,追隨者從中提取了很多宗教觀點,如上帝存在、上帝意志、私有財產神聖不可侵犯、開明私利的合法性等等。牛頓的思想也在社會領域引領了啓蒙思想,人類社會也能像自然一樣,有著明確的公式。

1675 年,他辭去了盧卡斯教授的職位,得以從宗教命令中解脫出來。此後的一段時間,他癡迷於金丹術,極力想研究出那些自然力量。1684 年,哈雷找到牛頓請教問題,隨後牛頓給他寄過去一篇短文論物體的軌道運動,概括了天體力學的基本原理。兩年後,三卷本原理終於完工。1687 第一版原理還有金丹術的影子,如彗星蒸汽通過「緩熱」slow heat 轉換爲大地物質。

原理導言部分有如下定義:

  1. 物質的量由密度和體積來量度
  2. 動量由速度和質量來量度
  3. 物體在靜止狀態或作直線勻速運動時保持原有狀態的能力
  4. 外力是改變原有狀態的力
  5. 向心力是使物體趨向中心的力。還有三箇向心力定義

運動定律:

  1. 若無外力,物體保持靜止或作勻速直線運動;
  2. 運動的改變和所加的力成正比,並且沿著施力的直線;
  3. 作用力總是有大小相等、方向相反的反作用力。

由此得到的推論:

  1. 同時受到兩箇力的作用,就將沿著平行四邊形的對角線運動。
  2. ⋯⋯
  • 第一卷抽象地討論了物體在自由空間的運動,給出了「確定向心力」的例證:一箇物體受到中心引力的作用,會遵從開普勒第二定律。接下來討論了一種簡化的情況,物體在引力作用下掃過一段長度相等的弧線。最終推導出,如果遵守開普勒第三定律,就有 $F ∝ \frac{1}{r^2} $ ,卽萬有引力定律。接下來則是在演繹這些命題。
  • 第二卷討論在有介質的非自由空間中的運動,卽流體力學。這看起來和天體運動不沾邊,但實際上,笛卡爾認爲天體在漩渦中運動。他發現笛卡爾的以太體系完全站不住腳。
  • 第三卷是牛頓最驚人的成就,將萬有引力應用於宇宙。第一次呈现了一箇令人信服的日心體系,他用非常可靠的觀測數據證明,所有的天體運動都遵循開普勒定律,天體的運動是由於萬有引力。已知地月距離是 60 箇地球半徑 radii,運行一週的時間爲一月,就可計算出月球在軌道上運動所需要的力;再根據伽利略自由落體定律,證明了地球重力就是使月球在軌道上運動的力。這樣一來,就把天和地統一起來,終於結束了從亞里士多德到哥白尼的爭論。

1672 年牛頓發表第一篇論文,是關於光學的,提出光由許多光線組成,各種顏色混合成白色,並通過棱鏡實驗加以證明。爲了避免折射帶來的色差,他利用凹面鏡原理製作了反射望遠鏡,送給皇家學會,成爲會員。1704 年,牛頓剛當上會長,就出版了光學。該書多用實驗,沒有太複雜的數學。詳述了折射、白光構成、顏色本質、彩虹實驗等。反應了他的新柏拉圖傾向,比如把彩虹七色與七聲音階聯繫起來。第二卷討論了薄膜現象,卽牛頓環,討論了物質理論和原子結構,期盼通過改進顯微鏡來看到原子。第三卷討論了衍射現象,卽光線經過物體邊緣發生彎曲,邊緣變模糊。

1693 年,牛頓患上嚴重的精神疾病,他的科學創造就此終結。可能是由於他在金丹術上消耗了太多精力,最後發現是一場空,也有可能受到了重金屬的毒害,和萊布尼茨的爭論也激烈起來。

1696 年,牛頓來到倫敦,在鑄幣廠工作,1699 年升任總監,他的金丹術知識能夠直接服務於鑄幣廠。這也反應了社會環境在 17 世紀出現的巨大變化,大學不再是唯一的科學中心,到處都能找到適合於科學家的位置。1703 年宿敵胡克死後,牛頓一直擔任皇家學會會長,1705 年,女王安妮封他爲艾薩克爵士,他從此成爲了科學界說一不二的獨裁者。

牛頓之後

萊布尼茨1646–1716提出了活力死力。活力是運動時產生的力,死力是靜止時作用於基點上的力。他反對笛卡爾,力的量度不是 $mv$ 而是 $mv^2$ 。雅克·伯努利1654–1705是萊布尼茨微積分的第一批擁護者。他的弟弟讓·伯努利1667–1748改進了微積分,提出虛位移的公式化表達:在質點系中,各點在無限小的位移中所作的總功爲 0。讓·伯努利的兒子丹尼爾·伯努利是伯努利家族最有名的人,提出了伯努利原理。1743 年達朗貝爾動力學論著提出了公式化的 達朗貝爾原理:所有惯性力或施加的外力,经过符合约束条件的虚位移,所作的虚功的总和等于 0;或者说,在質點系中,損失力形成一組平衡力系。

1745 年,伯努利、歐拉、達賽三人同時提出動量矩守恆原理面積原理,它是牛頓定律的推廣,一箇質點在指向一箇固定點的力的影響下,其半徑在相同時間內掃過相同面積。

歐拉1707–1783分析力學或分析的運動學是第一部系統的力學教科書,力學研究已從牛頓的幾何法轉向分析法。1788 年,拉格朗日巨著分析力學,書中沒有一張幾何圖形,對虛位移全部以分析法表達,建立起了力學的一般原理。此后物理學家不得不去思考「力」「質量」的本质,牛頓公理是怎樣得出的。

1829 年,高斯提出最小約束原理。哈密頓提出最小作用量原理。

工業革命

18 世紀的英國,工業革命到來,人口從農業和貿易轉移至機械化、集中化、精細化的工廠;蒸汽帶來前所未聞的動力;煤鐵成爲標誌性資源。爲了滿足工廠的運輸需求,運河、鐵路等新的運輸體系出現,代替了马车。人类社会的形态再一次不可逆转的改变。有四点需要注意:新能源为工业革命提供动力,新的工厂组织成为工业革命的基本形态,新的金融机构,新的意识形态。

工厂、农业

1759,約翰·史密通發現上擊式水輪的能量比下擊式高一倍。18 世紀末,水輪尺寸逐步增大,達到 15 匹馬力。

英格蘭的紡織業最早實現了機械化。紡織工序非常多,各環節逐步改進了工具,提高了生產效率,爲了整體效率的提高,就逐漸實現了全過程機械製作。這也使得舊式分散的生產結構解體。1764 年,哈格里夫斯的珍妮紡織機有 8 箇紡錘,後來增加到 80 箇。1770 年代,阿克萊特 Richard Arkwright 研製了水力織布機,創辦了一批紡織廠,僱用了數百名工人,標誌著首批現代工廠的出現。此後他又發明了梳棉和紡紗的聯合作業。起初用水驅動,很快,蒸汽機提供了動力,工廠不必再建在水道旁。幾十年間,棉製品的生產效率提高了 200 倍。此外,針織機的發明與改進可以生產彈性大得多的針織品;軋棉機大大提高了原料棉的質量。

新機器是由標準化零件組裝而成的,零件的加工需要相當高的精度,因此新的加工方法,如車床、切割機、拋光機,就十分重要。1797 年亨利·莫茲萊發明螺絲切削機床。生產過程分解爲零散的步驟,每項操作用一臺專用機器完成。

人口迅速增長,最大的問題就是土地短缺。爲了克服壓力,出現了新變化,比如諾福克耕作制 the Norfolk system,四田輪作代替了中世紀的三田輪作,多出來的蕪菁讓牛順利過冬,提高了肉的產量。圈地運動提高了農業產量,也讓眾多農民失去土地,成爲潛在勞動力。

蒸汽机、能源

挖煤需要排水,爲了解決抽水問題,1712 年,商人紐可門 Newcomen 發明了第一臺實用蒸汽機,汽缸交替加熱冷卻,大氣壓推動活塞運動。原始蒸汽機的一切結構都與科學研究無關,都是一點一點嘗試出來的。18 世紀中期,斯密頓 Smeaton 和瓦特分別改進了蒸汽機。斯密頓將效率提高了一倍。瓦特的思路是將蒸汽壓至另外的容器中冷卻,這樣氣缸就始終是熱的。他還改進了傳動裝置,將拉桿的上下運動轉變成旋轉運動。瓦特的成功與營銷策略有很大關係。蒸汽机可以在任何地方使用,推广了使用范围。

瓦特之後,霍恩布羅爾发明複式高壓蒸汽機,第一箇汽缸釋放出來的蒸汽在第二箇汽缸中進一步膨脹。1812 年「科爾尼鍋爐」用內部管道加熱臥式圓筒,燃燒氣體經鍋爐流入煙道,提高了燃料利用率。到 1850 年,蒸汽機功率已經有 40 馬力,當時風車水輪爲 15 馬力。蒸汽機的安裝地點不受水力風力條件制約。1804 年,特里維希克 Trevithick 製造出气压更高、体积更小的蒸汽机,本想用于工业生产,但老板都不愿意更换设备,最后才用于火车头。1814 年,斯蒂芬孫 Stephenson 推出了通用發動機。1830 年出現了第一條民用鐵路。鐵路大大縮短了旅行時間,降低了運輸成本,將城市和農村連結起來,催生了新型旅遊業。由於鐵路的進步,密西西比河以西的廣大平原得到開發。

18、19 世紀,木材資源日益稀少,要用於造船、煉鐵、燃料、取暖等等,18 世紀初的能源危機讓鐵產量下降,眾多工業減產。

钢铁

1709 年,鐵匠達比 Darby 用焦炭代替木炭,此後煤產量持續上升。煉焦用蜂窩磚石窯。後來,蒸餾器、箱式煉焦爐代替蜂窩窯,還能製取重要的副產品煤氣、焦油。焦炭的運用促使熔煉廠從山區遷回煤鐵產地,使得工業更爲集中。

1783 年,科特 Henry Cort 發明攪煉法,不停攪動生鐵,燃燒掉多餘的碳和雜質,變成熟鐵塊;再用軋輥反覆滾壓,把殘渣擠出去。通過這兩項革新,在整箇 18 世紀,英國的鐵產量增加了 10 倍,到 19 世紀中期,又增加了 40 倍。19 世紀前期,鋼產量依然很少,價格是鐵的 5 倍。1856 貝塞麥 Henry Bessemer 轉爐鍊鋼法出現,大大提高鋼鐵生產力。向熔爐內注入空氣,會發生猛烈爆炸,使雜質氧化,不到半小時,生鐵就變成了熟鐵。後來,西門子–馬丁的平爐法取代了轉爐法。19 世紀末,電爐得到運用,藉助電磁場的迅速變化來加熱金屬,取代了坩堝爐。1889 埃菲爾鐵塔是鑄鐵的標誌,帝國大廈是鋼的標誌。

鋼爲戰爭軍備提供了原料,19 世紀後期,英德法的軍備競賽促使高頻栓式步槍、新型子彈、潛水艇、自導魚雷等現代武器出現。1898 年美西戰爭美軍勝利,彰顯了新型砲艇的威力,是美國海外霸權的開始。俄國的工業化進程引來外國技術和資本,鐵路建設讓俄國在亞洲的擴張成爲可能。日本在 1854 年被迫對外開放,但始終保持了主權,1868 年明治維新標誌著封建政府統治的終結,到 20 世紀,已轉型爲工業經濟。

银行

資本和新的融資手段對於工業化同樣重要。17–18 世紀,出現了成百上千的私人銀行,貸款利率一直下降到 3%,1803 年倫敦證券交易所開始股票交易。

意识形态

1776 亞當斯密國富論,主張自由放任 laissez-faire 的自由主義,取代重商主義。馬克思沒有預料到中產階級的出現。

交通

18 世紀,法國就已經建造了大規模的新型道路,在石塊路基上鋪碎石子。後來,英國工程師認爲石塊路基不必要,改用砂礫、石片、土修路。1830 年代,瀝青路和壓路機迅速發展。1844 年,約翰遜製成硬水泥,遠優於熟石灰和泥土的混合物。

內河航運也是工業革命的新特徵,連接內地製造業和河口城鎮。19 世紀,各類鋼橋、懸臂橋相繼出現。

1807 年,富爾頓的汽船在哈德遜河逆流而上 150 英里。1839 年,第一艘螺旋槳汽船阿基米德號試航。1900 年,汽船噸位佔比已經上升到 62%。

其他

陶瓷:18 世紀,開始用高嶺土製作真正的瓷器。18 世紀下半葉,在粘土中摻入少量耐火磚粉末,可以製成十分堅硬的陶瓷。

玻璃:17 世紀下半葉,發明改進了玻璃的澆注法,可以製造窗戶用的大塊玻璃。18 世紀,澆注法可以製造純淨沒有雜質的優質光學玻璃。

第二次科學革命

19 世紀初,第二次科學革命蓬勃展開,有兩箇趨勢:培根科學實現了數學化;經典科學和培根科學日趨統一,形成了物理學。

19 世纪三大科学发现:细胞学说、能量守恒定律、进化论。

天文學

天文學家發現天體的力學問題根本不可能得到精確解。在處理三體問題時,必須要考慮相互之間的引力作用。

  • 拉普拉斯 Laplace 天體力學 Celestial Mechanics 1799–1824全用微積分語言寫成,隻字不提上帝,以嚴格的科學方法陳述了天體力學的整箇學科。他還提出了行星起源的星雲說,卽康德–拉普拉斯星雲說。
  • 18 世紀的天文學讓人們感覺已經達到了終極目標。不過赫舍爾 William Herschel 1738–1822又開啓了新的時期。1781 發現天王星。發現了火星白色極冠的季節變化;測得了更精確的火星、土星自轉週期;推測銀河系是一箇圓盤狀星系。
  • 又根據軌道不規則,預言了海王星的存在,1846 年成功觀測到海王星。
  • 賴興巴赫的子午環,取代了壁式四分儀。貝塞爾1784–1846提出了觀測者箇人的誤差,每年發表誤差修正表
  • 19 世紀,開始編製精度 1’’ 的月球表;編製全球星表,多箇天文臺聯合編製;攝影術也加入了天文觀測;發現了穀神星等一系列小行星;發現了大量彗星。

參考:

進入1850 年之後,天文學出現了新變化,開始用光譜來分析天體,出現了天文物理學

光學

1800 年,托馬斯·楊不滿足於牛頓的解釋,主张振動理論。光是縱波,由極其稀薄的以太振動組成,顏色取決於以太的振動頻率,創立了紅綠藍三色理論。他設計雙縫實驗,發現了干涉條紋。馬呂斯支持牛頓的粒子說,他假設光粒子不對稱,存在極性,提出「偏振」槩念。菲涅爾 Fresnel 提出光是橫波。根據彈性理論,橫向振動不可能在以太這種稀薄的介質中產生。他證實互相垂直的偏振光不能產生干涉,只有兩組波產生相互作用,纔會出現干涉。定量計算了圓孔障礙板形成的干涉花紋,和實驗結果相符。他還研究了晶體的雙折射,區分了單軸晶體、雙軸晶體,爲晶體光學奠定基礎。

双折射是光束入射到各向异性的晶体,分解为两束光而沿不同方向折射的现象。并且,两束光为相互垂直的线偏振光。

  • 光學可以參考這箇專欄 知乎 @Tyalmath:探索

光譜分析和化學產生了未曾預料的聯繫,每種元素燃燒時都發出特有的光譜。夫琅和費 Fraunhofer 1787–1826發現了太陽光譜中的五百多條黑線,卽夫琅和費線;首次採用衍射光柵。但以太說還是保留了下來,認爲光在以太中傳播。夫琅和费线

光速測定方面,1850 年,傅科在室內測定了光在空氣和水中的速度,發現空氣中大於水中,這證明牛頓理論是錯的。另外,傅科做單擺實驗,證實了科里奧利力。

1842 年多普勒–斐索原理:根據物體趨近還是遠離,觀察者的頻率會升高或降低,用於雙星观测。通過對各種波長輻射能分佈的研究,1893 年維恩位移定律:具有最大輻射能的波長與絕對溫度成反比,因此隨著溫度的升高而移向短波。

19 世紀,光學儀器也取得了極大發展。1874 年,赫爾姆霍茨阿貝研究了顯微鏡分辨率與口徑的關係,以波動說爲基礎,說明了光的波動本性決定了分辨率有極限。

不可見光:1800 年,威廉·赫歇耳發現紅外線,紅外線熱效應最強。後來發現紅外線和紫外線與可見光的區別只是波長不同而已。

熱力學

與同時期高度發達的力學不同,18 世紀的熱學還堪稱原始,只知道區分熱的強度,熱質槩念占据主导。1742 年,由瑞典安德斯·攝爾修斯確定以水的冰點和沸點作爲百分溫標。布拉克1728–1799在溫度和熱量之間畫出一條界線,引入了卡路里、比熱等槩念。本傑明·湯姆遜,卽朗福德試圖考察熱的本質,他將金屬球加熱,重量不變,說明卽使存在熱質,那也是沒有重量的。

19 世紀,熱力學作爲全新的學科逐漸形成,和进化论一道從根本上改變了人們對自然的看法。傅立葉 Fourier 1768–18301822 年熱的解析理論 Analytical Theory of Heat 把微積分應用於熱流研究,但沒有涉及熱的本質。1824 年,工程師卡諾 Sadi Carnot 提出 卡諾循環,是第一个对蒸汽机的热力学研究,这已经是蒸汽机广泛运用的 100 年之后了。焦耳 James Prescott Joule 1818–1889以較高精度測定了熱功當量。

  • 工质为理想气体,且只与两个高低温热源交换热量。1、工质接触高温热源,发生定温膨胀;2、工质脱离高温热源,与外界无热量交换,系统继续膨胀,对外做功,温度降低;3、工质接触低温热源,发生定温压缩;4、工质脱离低温热源,发生绝热过程,外界对系统做工,进行压缩,体积减小温度升高,回到第一步。整个循环为可逆过程,对外输出功率为正循环,相当于热机;也可逆循环,外界对系统做功,相当于制冷机。

1840 年代,很多科學家已經獨立提出了熱力學第一定律,能量守恆定律。羅伯特·邁爾堅信能量在相互轉換過程中不會有損失,宇宙的總能量是守恆的。將移動活塞和固定活塞下面的空氣升高相同溫度,所需熱量的差值就是機械功。克勞修斯 Clausius 1822–1888提出了第二定律:在一箇封閉系統中,高能和低能趨於平均。能量概念和熱力學原理在更深層次上把各門物理學統一起來,提供了一種對物理世界的全局認識。

電磁學

1600 年,吉爾伯特關於磁石、磁體和大磁體地球的新生理學出版,對 17 世紀自然科學產生巨大影響。他將當時磁學的經驗轉變爲科學,如指南針的磁偏現象,量度在地球不同地方的變化。他的處理除了數學表達式之外,與現在的初級教科書沒有本質區別。他認爲地球是一箇大磁球,這一觀點對當時影響很大如开普勒解释椭圆轨道吉爾伯特之後的二百年,磁鐵的製造未取得任何進展。

  • 1729 年,斯蒂芬·格雷將物體分爲導體和絕緣體。富蘭克林發明避雷針,做風箏實驗,引發了爭論:是否可以人爲干預作爲上帝意志的自然現象。
  • 1785 年,庫侖創立了庫侖定律,卽電荷間作用力的定律:同电荷量的乘积成正比,与距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连线上,同名相斥,异名相吸 $F = k\frac{q1q2}{r^2}$。
  • 18 世紀,起電機逐步改進,裹著汞齊的橡皮中間,是可旋轉的大玻璃圓盤,附有電梳、電容器。電容器蓄電瓶大約發明於 1745 年,俗稱萊頓瓶或克萊斯特瓶。伽伐尼 Galvani 發現了青蛙腿通電收縮的現象。1800 年,伏打 Volta 在此基礎上發明了電池,產生了流動電,電學進入了新的發展階段。幾組鋅板、銀板浸泡在食鹽溶液中。
  • 通過電解,戴維伯奇利烏斯逐漸確立了化合的電理論,認爲化學元素是電荷相吸的結果。
  • 安培製造了導線「螺旋管」;提出在磁鐵中,電流沿環路流動,各環路與磁軸垂直;他試圖像牛頓一樣提出電學的數學公式。
  • 1827 年,歐姆提出了歐姆定律,用數學公式確定了導線電阻與長度、截面積、材料的關係。
  • 1820 年,丹麥的奧斯特 Oersted 偶然發現了電和磁之間的關係,證明了電流的磁效應,發現了電動機原理。1831 年,戴維的學生法拉第 Faraday 發現電磁感應,在實驗中,發現電源接通斷開的瞬間會產生電流;把磁鐵插入一箇閉合的螺旋線圈,會產生電流。他發現鐵屑在磁體周圍排列成一定的花樣,便把電磁效應想像爲空間的畸變,假設在磁體周圍有很多力線,創立了場的理論。同時,美國人約·亨利也發現了和法拉第相似的現象,可以看到在科學史上,相似的故事屢次發生。法拉第還創立了很多術語:電極、電解質、離子;法拉第電解定律:單位電流所運送的離子重量和該元素的原子量與價數之比成正比。他還認識到電解質對電荷作用力的影響,庫侖定律就變爲 $F = \frac{1}{ɛ}\frac{q1q2}{r^2}$ 。他發現了法拉第效應:光沿磁力線通過時,偏振面的旋轉角度最大。由於他數學不好,沒能有更進一步的發展。
  • 麥克斯韋1831–1879把法拉第定性的電磁觀念數學化,用麥克斯韋方程來描述場。其中有兩箇方面在確立世界觀上有重要作用:1、電磁波的速度是常量 c,於是他假設承載著光和電磁波的其實是同一種介質,光是自動傳播的電磁強度平衡的週期擾動。2、電磁波可以人爲生成。
  • 此後,約翰·克爾發現了磁光效應和電光效應。
  • 1887 年,德國人赫茲發現用感應圈可產生電磁波,並存在反射衍射,這些都符號光學定律,把電磁光熱四者看作一體的觀念就有了堅實的基礎。

化學

1808 道爾頓 Dalton 化學哲學新體系提出原子說,他注意到參與反應的元素比例通常是小整數之比,表明元素實際上是離散的顆粒,原子按照重量比例構成化合物。瑞典的貝齊里烏斯貝爾塞柳斯 Berzelius 1779–1858認識到原子量是化學的基礎,提出了新的化學符號系統,用元素第一箇字母代替道爾頓的圖像符號;測定了兩千多種元素和化合物的原子量;提出了同分異構體、聚合物、催化等概念。法國的蓋·呂薩克 Gay-Lussac 1778–1850發現了氣體化合的體積定律,而另一些人堅持道爾頓的重量比例。

1811 年,義大利的阿弗加德羅 Avogadro 1776–1856力圖調和分子和原子,认为分子是特定原子的小團粒。1858 年康尼査羅 Cannizzaro 1826–1910終結了不同原子量和分子式系統的混亂,最终确立阿伏伽德罗的原子–分子理論。化學元素不斷擴展,1872 年,門捷列夫根據原子量制定元素週期表,把 60 種元素合乎邏輯地排列成 8 組,還根據週期性預言了 27 種新元素。

19 世紀出現有機化學。化學家使有機物燃燒,根據吸收燃燒氣體的不同來確定碳、氫、氮、硫的比例。很多實驗證明,大多數有機化合物都是碳氫氧組成的。1815 年,呂薩克指出,CN 基團在一種化合物轉變爲另一種化合物時基本不變;有机化学之父李比希 Liebig 1803–1873發現雷酸銀、氰酸銀具有相同的組成,但是性質完全不同即同分异构体,酒精、乙醚都有乙基;貝齊里烏斯也有類似的發現;杜馬帕里高特發現甲烷、木醇都有甲苯。1850 年代,庫珀提出用圖示表示化合物結構。凱庫勒斷定四價碳是有機化學的中心,有機化學就是碳化合物化學。

對碳水化合物的分析:葡萄糖、果糖、半乳糖、山梨糖分別都提取出來,費歇爾提取了甘露糖;探討蛋白質和嘌呤的本質,發現咖啡因、可可鹼都是嘌呤的衍生物;建立起多肽的複雜結構圖。

立體化學方面,人們早已知道晶體對光線的影響。1848 年,巴斯德論證了結晶的光活性是一種分子性質,分子結構的不同造成了不同的光活性。1874 年,提出四價碳原子位於四面體中心,四箇化合價指向四角。

18 世紀以後,實驗室的儀器也有了很好的發展,引入了新型收集分析氣體的裝置、蒸餾分餾裝置,引入了溫度計、比重計、天平、顯微鏡等等,伏打電池提供了電解方法。超顯微鏡的發明促進了對滲透作用的認識。牛奶、煙霧是典型的懸濁膠體。通過使介質中電荷消失,可以促使膠體沈澱。

生物學、医学

1802 年,「生物學」這箇術語出現,也開始在實驗室中研究生命的化學和生理過程。1830 年代,施萊登 Schleiden、施旺 Schwann 提出細胞理論,確認細胞是動植物新陳代謝的基本單元。貝納德 Bernard實驗生理學教程實驗醫學研究導論是新研究風格的代表。科赫 Koch、巴斯德 Pasteur 闡述了疾病的細菌理論,科赫確定了炭疽、霍亂、結核的細菌和致病機理;巴氏消毒法 pasteurization 改善了生產狀況,他還研發了炭疽、狂犬病疫苗,建立研究所。1860 年代李斯特 Joseph Lister 發明防腐技術。他們的工作標誌著現代醫學的來臨,讓古老的體液病理學退場。

德國人維爾斯塔特發現了葉綠素與正鐵血紅素的密切關係。1912 年馮克命名了各種維生素。

進化論

1859 年達爾文物種起源代表了科學史的大轉折。哥白尼拋棄了沿用兩千年的宇宙體系,它得到宗教庇佑;達爾文拋棄了聖經的古老信仰。兩次革命產生了新的世界觀:天和地都遵循同樣的物理定律,人和獸有共同的生物學起源。

科學革命的變化之一,是加強了科學與基督教世界觀之間的溝通,自然神學認爲可以通過觀察上帝在自然界的宏偉創作而領會到神的安排。18 世紀,植物學、博物學、地質學等經驗性研究非常火熱,相關知識激增,但科學家的自然神學情節並沒有消退。18 世紀,面對爆炸增長的自然知識,林奈1707–1778按照上帝設計圖樣的方法,設計了雙名法,對生物分類,這種嚴格的分類法預設的是物種不變。1802 年佩里自然神學說,就像看到一塊懷錶肯定有一箇錶匠,一隻甲蟲的構造不知比懷錶複雜多少,當然意味著有一位造物主。

1795 年赫頓 Hutton 地球理論 The Theory of the Earth,把地質變化歸結爲兩種力,一是重力引起的夷平趨向,二是地球內部熱量引起的抬升。从他之后,就没人相信圣经的时间跨度。赖尔 Charles Lyell 地质学法则 Principles of Geology 修订了赫顿的观点,地理环境一直在无限的时间中变化,但他依然对生物变化感到迟疑。

1800 年前後,發現了大型脊椎動物化石,人們到這时纔相信地球上有很多滅絕了的怪異動物。爲了協調這些新證據和聖經,博物學家費盡心思,居維葉 Baron Georges Cuvier1769–1832提出災變說,在不太久遠的過去,發生了大災難,造成生命突然中斷;生命形態有明顯的先後次序,正好說明了人類的出現。居維葉承認了生物滅絕現象,承認生物的累進變化,又沒觸動物種不變原則。

在達爾文之前,就已經有人提出了物種變化的觀點。拉馬克 Lamarck 1744–1829提出了獲得性遺傳,用進廢退,有機體后天通過適應不斷變化的環境而改變自身,而且這些改變可以遺傳;例如長頸鹿的脖子那麼長,是爲了吃高處的葉子。環境對進化進程有直接影響。產生新生命形式的過程可以加速。

達爾文1809–1882大學畢業後,在貝格爾號上負責繪圖,完成了五年的環球之旅。他注意到島上和大陸的生物相似又不同,這只能通過某種進化過程來解釋。

他回來後看到了馬爾薩斯 Malthus 人口論:「人口在不加抑制的情況下以幾何級增長,生活資料僅以線性增長。」終於建立起自然選擇導致進化的理論:儘管繁殖率很高,由於物種內部對資源的競爭,死亡率也很高,因而種群數量受到限制。1844 年完成了手稿,但沒有出版。在自己的鄉下住宅,他不必爲瑣事分心,四十年時間完成了大量工作,人們公認他是英國最傑出的博物學家之一。

1844 年,錢伯斯 Chambers 創世的奇蹟出版,提出「發展的法則」,認爲蛻變是上帝整箇設計的組成部分,受到強烈反對。這本書的遭遇讓達爾文謹慎起來,覺得必須要有確鑿有說服力的證據。

1858 年,他收到了華萊士 Alfred Russel Wallace 的信,華萊士也獨立形成了達爾文的那些思想。他感到不能再遲疑了,賴爾、約瑟夫胡克爲他在林奈學會安排了消息發佈會。這樣,達爾文和華萊士一同被認定爲進化論的共同提出者,但長期以來華萊士都被看作是陪襯。兩人後來一直保持親密的聯繫。

他通過「人工選擇」的例子來說明,狗和鴿可以在家養條件下產生那麼多變種,那麼自然界在漫長的時間裏當然足以形成不同物種。在變異、生存竞争、自然選擇的作用下,結構最優的箇體會有更高的繁殖率,最能適應環境的个体最能生存下来,于是经过長期分化,導致物種改變。接著,他指出了自己理論的困難,如果沒有上帝,僅靠一點一滴的漸變,如何能造出鷹眼那樣完美的器官?蜜蜂如何能構築精密的蜂巢?他不厭其煩挨箇論證。最後,他提出了特創論難以解釋,但進化論可以說明的問題:化石資料,動植物的地理分佈,無用的器官……

他曾提到一箇地層形成的時間是 3 億年,這意味著生命已經進化了數億年,但物理學家根據地球輻射冷卻和太陽燃燒計算出來的地球年齡却遠沒有那麼長。在接下來的 20 年中,他有些妥协,承認自然選擇或許不是引起物種改變的唯一機制。他還承認了拉馬克的觀點,造成演化的因素可能同時影響到整箇群落,這樣一來,箇體變異就沒那麼重要了。

達爾文的難題在物種起源出版 6 年後由孟德爾 Mendel1822–1884解決了。孟德爾做過許多植物雜交實驗,指出遺傳不是一箇混合過程,而是把各箇性狀保留在一箇箇單元中,一代代向下傳。所謂單元,就是後世所說的基因。

經典世界觀

在 1880 年代,經典世界觀最終形成。它有一箇絕對時空;有三種實體:物質、以太、能量。物質由原子構成,但當時人們對把原子結合在一起的化學鍵的本質依然一無所知。一切物质都有引力,牛頓定律把整箇世界囊括在內。光、輻射熱、電磁場都在以太中傳播。以太和物質相互作用,由能量來調節,能量有多種形式,遵從用數學公式表達的熱力學定律。在古代力學中,所有碰撞都是可逆的,但在經典世界觀中,熱力學第二定律给热量加上了不可逆的時間箭頭,宇宙最重走向「熱寂」heat death,所有熱量均勻彌散在宇宙中。

經典世界觀形成以後,古典自然哲學應該就壽終正寢了,但是當時有多少人完全接受,絕對不可高估。

八、現代

第二次工業革命

1820–40 年,全球範圍的工業化迅速展開,首要領域是紡織、煉鐵、鐵路。爲支撐核心產業,服務業也發展起來。19 世紀後期,蒸汽機效率已經大大提高,水管式鍋爐取代了火焰管式鍋爐,壓力增加至 50 大氣壓。1900 年,英國城市化率達到 70%,但工廠規模依然很小,大多數企業只有箇位數的工人。

通讯

19 世紀纔出現的電學立即孕育了若干應用科學的工業,已經難以區分科學和技術。1831 年法拉第發現電磁感應,製成一箇在馬蹄磁鐵中間旋轉的銅盤。1837 年惠斯通 Wheatstone 就研制出電報機,摩斯也編製了電碼,1854 年倫敦–巴黎實現了電報通信,不久后又有了跨洲电报。1876 年貝爾雷斯伯利諾的基礎上發明電話,但是過了一段時間纔挑戰了電報的地位,電線、交換站、接線員等基礎設施必須同步發展,這些就是科學家無能爲力的了。馬可尼 Marconi 剛獲悉赫茲證實電磁波的消息,就立即著手研製無線電報,次年獲得成功,並申請專利,組建公司,1901 年實現了跨大西洋的無線電報傳輸。

电力

1859 年,帕拉納特發明了較好的蓄電池,經過改進後用到了汽車上。1866 年西门子制成發電機。1860 年代,水力發電機出現,此後阿爾卑斯山的水力發電能覆蓋到義大利北部、法國。1882 年,曼哈頓開啓了商業照明,人類進入新時代。1883 年維也納博覽會展出了很多家用電器。1910 年以後,電開始作爲交通動力,消除了電站負荷的不穩定,開始有規律地運行。1920 年以後,由於冶煉等生產部門的用電,電力消耗不斷增加。

愛迪生的眞正成就在於他設計出了整套供電系統,包括發電機、輸電線路、變壓器、保險絲、儀表、開關、插座、燈泡,培養自己的工人隊伍來維護這箇系統。到 1900 年,僅紐約就有 30 家電力公司。羅斯福新政成立農村電力管理局,將電氣化擴展到鄉村。

電力的總體增長模糊了世界能源不平衡的問題,前十大發達國家消耗了全球近 40% 的能源,美國人均電力消耗比孟加拉國多 35 倍。

電氣化是如何影響社會變革的。大規模技術開始影響公眾利益時,就會牽涉到意識形態。例如列寧的宣言:「共產主義就是蘇維埃政權加上電氣化。」

汽車

1880 年代,內燃機出現。1882 年,拉瓦爾製造了第一台 汽輪機,1884 年帕森斯製成實用的多級汽輪機,1888 年開始用於發電。燃氣輪機出現後,1941 年惠特爾應用於飛機發動機。1886 年出現第一輛汽車,汽車的出現離不開優質鋼和燃料汽油。早期汽車的形制源於馬車,20 世紀初出現的磁石發電機、火花塞、蜂窩水箱、優質輪胎促進了汽車的改進。福特 Ford 改進流水線技術,现代工厂制度就此成熟,汽車產量大大增加,降低了價格,組裝一輛汽車的時間從 12 小時降到了 1927 年的 24 秒,汽車因此進入大眾消費的領域。他給工人極高的工資,以穩定員工隊伍。汽車是一箇系統工程,需要多部門的配合,在福特工廠周圍聚集了很多附屬工廠,包括焦化廠、鋼鐵廠、水泥廠、玻璃廠、水泵廠。也孕育了技術創新:低壓輪胎、大燈、信號燈,還促成了各種產業:駕照、保險、廣告、路橋。汽車在很大程度上定義了 20 世紀的文化形態。

泰勒在 20 世紀初開創了科學管理,精心安排每箇崗位的速度和確切動作。技術管理和系統工程已經成爲創新的重要部分。

拖拉機作爲汽車的衍生物,極大提高了農業生產力,結合其他要素,農業產能不斷增長。

化學工業

  • 1810 年代出現了煤氣燈,不過頭二十年出現了不可避免的缺陷:漏氣、火災。隨著提純煤氣、氣密管道的出現,煤氣照明有了很大改觀。
  • 有機化學原理確立以後,發展十分迅速。出現了對環狀有機化合物內每一碳原子的特殊性能的研究。第一項成果就是新的合成染料。出現了制备焦化副產品的化學工業。煤焦油的低餾成分是優質油漆料。1849 年以後,還從煤焦油中提取出來了苯、甲苯、萘等有機物,都是染料、藥物的基本材料,如品紅、甲基紫羅蘭。1856 年,英國化學家鉑金 Perkin 發現了一種人造紫色染料。1874 年,拜耳公司設立了第一箇研究部門,聘請了化學博士。在德國,隨著勞動細化,研究型大學偏重基礎研究,工業實驗室進行工藝實驗。
  • 1859 年以後,石油開始大規模運用。石油成爲很多化工產品的原料,代替了脂肪、馬鈴薯等天然物質。合成橡膠、合成纖維幫助克服了二戰期間天然橡膠的短缺。
  • 1749 年,出現了在鉛容器中製作硫酸的方法。1789 年出現用食鹽製取蘇打的方法,製鹼的成本大大降低,可以生產純淨的玻璃、潔白的肥皂。這些新方法使得酸鹼的價格大大降低。
  • 1881 年以後進入了藥物合成的時代,1899 年的阿斯匹林是解熱止痛劑。
  • 催化作用的發現與運用促進了工業化學的發展。
  • 19 世紀,發現氮磷鉀是植物生長最必需的元素,促進了化肥的生產。

食品

  • 18、19 世紀有兩種重要的新食品:甜菜糖、人造黃油。食物貯存技術:脫水、罐頭、冷藏取代了乾、煙、燻。
  • 19 世紀天然冰貿易很興盛。19 世紀後期出現人造冰。1877 年以後,出現跨洋凍肉貿易。冷庫也隨之建立。
  • 農業機械化:1875 年以後開始使用聯合收割機,直到 1932 年充氣輪胎拖拉機,實現完全的機械化。

愛因斯坦

那時的物理學家依然想的是「拯救現象」save the phenomena,想法設法修補現有體系:

  • 在從 1887 年開始的實驗中,美國物理學家麥克爾孫 Michelson 1852–1931未能檢測到地球相對於以太的運動,未能測量到光在不同方向上的微小速度變化。
  • 1895 年,倫琴 Roentgen 發現 X 射線,讓科學家對傳統的光譜實驗程序產生懷疑。1896 年,荷蘭人塞曼發現了塞曼效應:用羅蘭光柵重做法拉第的研究,發現鈉光譜的黃線變寬了。洛倫茲據此提出了新的原子結構假設,預言有比原子更小的電子。1897 年,湯姆孫證明陰極射線電流通過眞空容器產生的某種“射線”是微粒,質量只有氫原子的 $\frac{1}{1840}$ ,應該如何把這一現象納入現有框架?
  • 1898 年,居里夫人命名了放射性,铀辐射违背了已有的物理学,推翻了原子不變性的槩念。
  • 1887 年,赫茲發現光電效應 photoelectric effect:短於某一波長的光線照射某些物質,可以激發出電流。
  • 黑體輻射 black body radiation 基爾霍夫輻射定律:輻射體的輻射能與吸收率之比僅取決於波長和絕對溫度,與物體性質無關。1884 年斯特潘-波爾茲曼定律 Stefan-Boltzmann law:黑體表面的輻射密度與絕對溫度的四次方成正比。
  • 爲解决黑體辐射,普朗克 Max Planck 1858–1947 提出輻射的能量是一箇箇離散的量子組成,而非經典物理學所要求的無限連續分布。

1905 年,愛因斯坦發表狹義相對論。光速最快,光速不變。一切觀測都是相對的,結果取決於觀測者的位置和運動速度。教科書說牛頓物理學是相對論的特例,但這種說法歪曲了歷史,模糊了那場變革的意義。牛頓 $F=ma$ 和質能轉換公式 $E=mc^2$ 的 m 是兩箇完全不同的質量概念,牛顿的质能不能相互转换,牛顿的速度也可以超过光速。

1915 年廣義相對論,連續時空取代了絕對時空。引力不過是物體引起空間彎曲的表現,行星繞太陽運轉不是因爲受到引力的吸引,而是在沿著彎曲空間的最短路徑運動。

電子和放射性的發現,使原子理論成爲關注焦點。1911 年,盧瑟福 Ernest Rutherford 宣布原子內部絕大部分是空的,電子圍繞原子核運轉。爲了解釋這種模型,產生了量子力學。

宇宙的时间跨度也为达尔文理论提供了证据。

  • 玻尔 Bohr 1885–19621922 年诺贝尔物理学奖得主。通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展有深远影响。曾与爱因斯坦就不确定性原理进行论战。互补理论在海森堡和薛定谔建立量子力学的过程中起到了指导作用。
  • 海森堡 玻尔的学生,哥本哈根学派代表人物,1932年诺贝尔物理学奖,在互补原理的指导下,寻求经典力学与量子力学的各种具体对应关系和对应量,建立了矩阵力学。波粒二象性有兩種表達方式,海森堡 Heisenberg 矩陣力學,薛定諤 Schördinger 波動方程,兩者完全等價。海森堡測不準原理:不能在同一时刻准确地测量到粒子运动的位置和速度。波尔去了美国,他留在了纳粹德国。

DNA

DNA 的發現產生了「遺傳學中心法則」:DNA 攜帶所有遺傳密碼,沒有任何生活經歷可以改變。

李森科事件 李森科提出小麦春化的概念,继而提出一系列遗传学理论,其实是早已被否定的拉马克获得性遗传的翻版。在斯大林的支持下,他将孟德尔主义、摩尔根的染色体学说划定为唯心主义的,相关遗传学家受到迫害,孟德尔主义被禁止在苏联讲授。1930–60 年代的“李森科事件”实质上是政治权威粗暴压制科学论争的悲剧,将苏联的遗传学、生物学引向了长期停滞的局面。此后拉马克便无人问津。

其他

飛機

家政機器

洗衣機、冰箱、洗碗機、吸塵器、燃氣灶、烤箱、榨汁機⋯⋯現代中產家庭誕生,不再需要僕人。家政革命也促成了女性解放運動。

住宅中,乾淨的飲用水、室內淋浴、沖水馬桶、電暖、空調、照明、電話⋯⋯工業化和現代經濟重塑了我們的生活。

娛樂

廣播電臺。1950 年代的晶體管讓收音機可以隨身攜帶,FM 技術推廣開來。

唱片機。

電影。

全球文化

人口,城市化。

貧富差距

小結

古代有三種模式,現代產生了第四種模式:科學、技術、政府、工業的全面融合。美國政府的科研支出有一半用於國防。冷戰之後,研發資金重點轉向了生命科學。科學的工業化:費米實驗室、強子對撞機,有一箇巨大的團隊。但是這些工程沒什麼實際用處,是希臘精神的傳人。

在牛頓時代,科學活動在組織結構上與亞歷山大大帝時期沒太大區別,如今,政府、跨國公司在前所未有的支持下,已經變成頭等大事。19 世紀,科學與技術建立了新的聯繫,越來越多的產業意識到將科學研究運用於技術和工業是完全可行的。

專題

科學與技術的關係

科学与技术在相当长的时间内没什么关系。亞歷山大的科學家研製出拋石機,總結出一箇經驗公式,用到了立方根,但沒有經過力学推导。羅馬的采矿、修路等技術非常繁榮,但科學方面几乎没什么说得出来的成果,大多數工匠也都沒沒無聞,沒有從文字、科學中得到任何裨益。

13 世紀,眼鏡出現,不過這不屬於光學研究的範疇,那時人們相信眼睛和物體之間的光線是直線,如果發生反射或折射,看到的就不是物體自身,而是幻象。即使是望遠鏡的製造,最開始也沒有理論支撐,反倒是望遠鏡促進了爆炸性的科學發現。

大航海时代来临,情况有所改变。16 世紀,西班牙成爲最重要的航海和地圖繪製中心,宫廷延聘皇家宇宙学家,負責研製航海儀器、繪製海圖。繪圖也許是第一箇科學化的技術,包含了三角、日晷、宇宙學、大地測量等知識,摩卡托的投影法必須依赖數學纔可能建構起來。航海經度的測定比繪圖難得多,最終還是依靠精密計時儀器的發明。1760 年代,鐘錶匠哈里森 Harrison 使用了平衡錘、均衡熱電耦來抵消誤差。

但实际上,大部分领域还是延续着传统的情况。伽利略推导出荷載懸臂的內應力公式:$強度 ∝ 截面高度^2$ ,但是對於工匠、工程師來說並沒什麼用,這粗糙的公式不如他們的經驗。伽利略也有大砲仰角射程表,但实际上砲手已經總結出成熟的表格,伽利略反而參考了工程師的成果。那時的技術對科學的幫助超過了科學對技術的幫助。

工业革命后,工程师瓦特、斯密顿、锅炉工韋奇伍德 Wedgwood 成为皇家学会会员,並在哲学通报上发文章,但是他们的研究其实对工程没有益处。韋奇伍德發現了黏土加熱後會收縮,1782 年發明了高溫計,這是少有的科學应用于技術的例子。瓦特的聯桿平行傳動非常巧妙,但直到 1870 年代后纔能夠分析這種運動。各地的科學院開設公眾講座,向普通人普及科學,但這仍然是一種脫離實際的科學活動。19 世紀初,倫敦決定在泰晤士河上建一座橋,組建了兩箇委員會:數學家科學家和工程師,科學家高高在上的方案非常愚蠢,完全不能用於實際,最後只能靠工程師的經驗。

19 世纪后期以来,科学与技术终于走到了一起。1858 年蘭金應用力學手冊,出現了工程科學。19 世紀纔出現的電學立即孕育了若干應用科學的工業。1831 年法拉第發現電磁感應,1837 年惠斯通 Wheatstone 就研制出電報機,摩斯也編製了電碼。馬可尼 Marconi 剛獲悉赫茲證實電磁波的消息,就立即著手研製無線電報,並申請專利,組建公司。有機化學原理確立以後,發展十分迅速,出現了制备焦化副產品的化學工業,出现新的合成染料。1874 年,拜耳公司設立了第一箇研究部門,聘請了化學博士。这是工业界与学术界联姻的开始。

另外,技术发展水平也制约科学发展。马德堡半球实验,波义尔的空吸泵实验,以往認爲很簡單,但新的研究證明,製造這些實驗儀器本身就非常複雜,只有熟練的操作員才能正確使用。18 世紀,科學家將新型儀器的生產交由專業製造者,一般工匠不能勝任,所以實業家開始培訓「熟練工人」。

水利工程和文明的關係

全新世大洪水是許多早期文明的共同歷史記憶,治理洪水需要強有力的首領和龐大的人群,在這種社會結構的劇烈變化中,新石器部落開始走向階級社會,比如中國在大禹治水之後,開始從三皇五帝轉向夏朝國家。不僅治理洪水,其他大型工程也會起到類似作用,比如英格蘭南部巨石陣、復活節島巨石像的建造,需要秏費數代人努力,動用了大量勞動力,因此需要食物來養活工人,需要有權威機構來收集分配食物。

农业革命后,能夠生產大量剩餘穀物的高效農業出現,由国王控制的集權機構出現,负责課稅、儲存和再分配,管理這些複雜的農業系統、水利系統,近東第一批文明就這樣出現。在埃及,水災後需要重新登記測量土地,以便徵稅,促成了更大的政治單位「水利省」的形成。法老們興建了眾多金字塔,連續不斷的工程建設將尼羅河氾濫期間農閒的農民動員起來,來維持河谷灌溉農業的經濟活力,強化國家力量。瑪雅地勢低窪,需要排水,在興修水利工程的過程中,瑪雅文明走向繁榮。

西欧自然条件优渥,在中世纪之前不需要大规模兴修水利,因此一直没有东方文明那样强有力的中央集权。火藥革命削弱了騎士和領主的軍事作用,取而代之的是用火藥裝備起來的陸軍海軍。隨著攻擊力增強,中世紀城堡不再堪用,新的堡壘耗費巨大。這種情況下,只有較大的政治實體能負擔越來越龐大的軍費,各國政府集權程度大大加高,稅收不斷增加,各國也紛紛開始軍備競賽——水利文明的特徵姍姍來遲,引發一箇接一箇歷史變革。

水力文明科学的发展遵循巴比倫模式,政府掌握技術的傳授,國家設有一些官位,由有學問的人掌握專業知識。美索不達米亞的城邦有不少官方機構,聚集著宮廷占星家、曆算家;埃及有「世風院」,負責與宗教典制、歷史相關的事宜,也有法術、醫學、天文學、數學等其他學問。只有在國家能夠供養一大批讀書人的時候,纔有可能誕生這樣的知識。

總之,在組織大型工程的過程中,國家力量得到空前強化,產生了稅收體系、政治架構,國家力量也保障了一批專業知識人的研究工作,促進了文化的發展。

論近代科學是中世紀科學的延續

從中世紀科學發展到近代科學必須克服三重困難:經院學者对教會裁定的希臘经典亦步亦趋;低下的數學水平難以產生定量研究;人們還未認識到自然科學的本質,不知道怎樣從事科學活動才能认识自然。

首先说明近代科学延续着希腊的研究传统。13 世紀,托馬斯·阿奎納將亞里士多德和基督教進行了偉大的智識綜合。亞里士多德自然觀重視經驗,刺激了自然科學的發展,长期占据着后来的科学观。16 世纪,哥白尼提出日心體系,不是爲了推翻希臘天文學,而是爲了使其更加優美。他的天文學沒有利用任何新的觀測資料,研究方法上的進步是運用了球面三角。第谷通過視差,確認了新星是眞正的星星,證明天不是固定不變的;證明彗星穿過了天球層,证明水晶球是不存在的;他反對哥白尼日心說,提出了自己的地心體系,这些都是沿着托勒密体系前进。開普勒早年癡迷占星術和數字神秘主義,提出了一種宇宙幾何結構,行星安放在五種正多面體上,这和柏拉图的思想有相似之处。17 世纪,西蒙·斯蒂文直接接續了阿基米德的研究,靜力學原理簡化了槓桿原理;首次證明斜面定律;還記錄了自由落體實驗,重量相差十倍的球墜落時間相同,這與亞里士多德的說法完全不同。流體靜力學原理也證明了阿基米德浮力定律。18 世紀的化學源於古老的金丹術傳統,旣不是經典科學,也不是培根科學。

其次说明数学水平制约了科学研究。伽利略完全使用幾何推導,還不能用代數式得出物理量之間的關係。開普勒三定律也只是基于观察的总结,直到牛顿横空出世才完成了数学上的论证。17 世纪,符號代數、解析幾何、微積分出现。18、19 世纪之交,拉格朗日分析力学、拉普拉斯天体力学才完全用微积分的分析法建立起力学和天文学大厦。

最后以实验为例说明科学家还不清楚科学研究的本质。17 世紀是實驗科學興起的時期,這一時期的實驗是偶然發生的,有各種各樣不同的來源,科學家對實驗有著各自的看法。吉爾伯特用磁體做實驗;帕斯卡把氣壓計帶到山頂;伽利略把球從斜面滾下,只是为了演示落体原理,说明实际科学研究是多么复杂;他也做思想實驗,思考從月球看地球是怎樣的;哈維解剖了無數動物,但沒有想著證明血液循環,只是為了說明亞里士多德的「動物性」。培根認爲實驗的作用之一是爲歸納法增加新現象。顯微鏡在 17 世紀帶來了很多麻煩,觀察者描绘的可能是實際和臆想的混合。那時的科學家沒有對實驗方法形成統一認識,實驗並不是科學的必要組成部分。

综上所述,这三个方面都说明了……

中国古代天文学与希腊天文学的比较

在希臘人和近代歐洲人看來,天文學家關心的是數學天文學,目的是描述;哲學家關心物理天文學,研究天文現象實際是怎樣發生的。開普勒提出天文學家也應該關注事實層面的原理。

四大發明與近代西方

13 世紀,火藥經過商路傳入阿拉伯。14 世紀,火藥、鑄鐵大砲、鑄鐵槍相继出現。15 世紀,火器開始在戰場上發揮決定性作用。火藥革命削弱了騎士和領主的軍事作用,取而代之的是用火藥裝備起來的陸軍海軍。隨著攻擊力增強,中世紀城堡不再堪用,新的堡壘耗費巨大。這種情況下,只有較大的政治實體能負擔越來越龐大的軍費,各國政府集權程度大大加高,稅收不斷增加,各國也紛紛開始軍備競賽——水利文明的特徵姍姍來遲,引發一箇接一箇歷史變革。

12 世紀末,水羅盤由海路傳到阿拉伯,輾轉進入歐洲,和军事革命一道推动了殖民主義和全球征服的興起。1443 年葡萄牙人首次使用 Volta 航海技術到了撒哈拉,1488 年到達好望角;1498 年,達·伽馬繞過好望角,首次到達印度洋。大航海改變了歐洲人封閉的宇宙觀念,許多科學家都參與了地圖測繪,制图学成为第一个科学化的技术。

隨著火器的出現,醫生要處理嚴重得多的創傷和灼傷。1543 年,維薩理 Vesalius 編寫了近代第一本人體解剖手冊。1559 年,科隆博 Colombo 提出血液肺循環。哈維 Harvey 集大成,發現了血液循環,提出動脈和靜脈一同構成循環系統。

造纸术经由阿拉伯、西班牙、意大利传到西欧。古登堡创制锌铅合金活字和油墨,改善了印刷质量;发明螺旋压机,提高印刷效率。1450 年以後,古登堡活字印刷術傳播開來,帶來了信息革命,歐洲到處都是印刷機,有助於打破大學對知識的壟斷。印刷廠就是一箇知識中心,作者、工人親密無間,一同生產新知識,掀起了恢復古典文獻的熱潮。

英國皇家學會和巴黎科學院早期的重要人物,兩者的不同

皇家学会:胡克,牛顿,哈雷。

巴黎皇家科学院:笛卡尔,伽桑狄,帕斯卡,惠更斯;拉瓦锡。

英国皇家学会:自由科学,最开始是精英阶层的自由聚会,做一些无意义的实验;巴黎学会:职业科学家。法兰西科学院的院士有固定名额,基本上死一个院士才能增补一个院士。皇家学会则是定时增补。

实验科学

实验科学萌芽于 13 世纪。牛津大學首任校長格羅塞特 Robert Grosseteste 1168–1253,提倡把自然科學建立在數學基礎上,提出了假設–演繹法和證偽原則,只要由假設導出的結論与經驗不符,該假設就應拋棄。他的學生羅傑·培根 Roger Bacon 1215–92是自然科學改革的先驅,強調實驗和發現的重要性,倡導創造有用的機械,猛烈抨擊經院哲學。但實際上並沒有在實質上走到時代前面,他對科學實驗的看法也不能和近代實驗科學相提並論。

17 世紀是實驗科學興起的時期,這一時期的實驗是偶然發生的,而非鐵板一塊,他們有各種各樣不同的來源,科學家對實驗有著各自的看法。吉爾伯特用磁體做實驗;帕斯卡把氣壓計帶到山頂;伽利略讓球從斜面滾下,只是为了演示落体原理,说明实际科学研究是多么复杂;他也做思想實驗,思考從月球看地球是怎樣的;哈維解剖了無數動物,但沒有想著證明血液循環,只是沿著亞里士多德的老思路,去證明「動物性」;牛頓透過棱鏡觀察光線散射。培根認爲實驗的作用之一是爲歸納法增加新現象;笛卡爾輕視實驗,主張從機械原理出發加以演繹,實驗只是在演繹的高級階段有一定作用,用來在多種理論中做出選擇。顯微鏡在 17 世紀帶來了很多麻煩,觀察者看到的可能是實際和臆想的混合,當時還沒有一套新的認識框架可以說明這些現象。那時的科學家沒有對實驗方法形成統一認識,實驗並不是科學的必要組成部分。逐漸,實驗終於開始被視作檢驗理論的工具,可以增強科學論述的力量。

科普与科技創新的關係

媒体是公众完成正规教育后获取科技信息的重要手段,而科学新闻出现在大众媒体中的历史和这些媒体渠道存在的历史一样悠久。同样科学普及活动至少和科学一样久远。美国报刊第一次刊载“科学报道”是在1690年,而早期的科学家也许称为“自然史学家”更恰当,因为“科学家”的英文单词是1840年英国学者惠威尔(William Whewell)在他的归纳科学哲学一书中提出的新词也在积极地将自己的成果向公众传播,比如哥白尼的天体运行论,伽利略的关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话,以及始于1826年的皇家学院周五讲座等。

而在19世纪晚期,美国已经出现了几本科普杂志,其中比较优秀的包括科学美国人Scientific American大众科学月刊PopularScience Monthly。科学家们认为作为科学家,科普是他们工作的一部分。他们感到应该把自己拥有实用知识传播给公众,同时也意识到了科学研究需要公众支持,并且欣然地利用那个时代的媒体渠道和公众分享他们开展科学探索的故事,因为“倘若科学力图发挥其作用,科学至少需要从更加广泛的公众群体中获得理解。”同时科学普及还有精神上的作用,“将知识体系限定在小圈子里,会削弱哲学的精神,最终导致精神的贫瘠。”

但是,随着科学的专业化和科学家的职业化,科学共同体开始形成,相伴而来的是科学的制度化;科学成为了有特定参与者、协定的规则和实践的活动,科学家发展出了自己的语言,自己的培养方案和自己的奖励制度,向“外人”进行科普就变得不受重视了;甚至有学界人士认为:面向普通人的写作有违他们肩上担负的“知识分子的使命”。

1985年,英国皇家学会发布的公众理解科学报告认为:每个人都需要理解科学……某些情况下,公众对科学的理解将有助于其做出更好的专业决策。科学研究的成果最终要惠及社会与公众,同时公众对科学的信任和支持是科学研究顺利开展的重要因素,为了确保来自于公共部门和私人基金会的科研经费,向公众开展科学传播越来越成为趋势和任务。

兰学 江户晚期,日本以唯一的贸易国荷兰为媒介,汲取了文艺复兴以来欧洲出现的新知识,更新了日本知识界的世界观,认识到了西洋文明的价值,使得西洋文明在日本顺利登陆扎根,为维新奠定基础。兰学诞生的标志是前野良泽、杉田玄白等人译述的解体新书,人们认识到欧洲近代解剖学的科学性;志筑忠雄译成历象新书,介绍了地动说、万有引力,将牛顿的天体力学带到日本。以“兰学塾”为教学传播中心,教师多为医生,有扎实的西方科学基础。