十六、十七世纪的科学革命，本文主要内容关键词为：科学论文,世纪论文,十六论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
从科学史来看，科学理论的发展有时呈现连续积累的形式，有时则表现为间断、跳跃和革命的形式。16、17世纪发生在欧洲的科学革命是科学史上为数不多的第一例。它是对古希腊和中世纪科学的一场革命。它为尔后的现代意义上的科学发展奠定了基础，成为科学史上的一座丰碑。这场革命在学科层面上是由下述天文学、化学、力学和生理学革命汇合而成的。
一、从哥白尼到开普勒：近代天文学革命
在欧洲文艺复兴运动的影响下，天文学界率先发生了一场理论革命，它推翻了在此之前统治人类思想长达1800多年的地心说，代之以日心地动说，从根本上改变了人们对宇宙结构的看法。
波兰天文学家哥白尼是这场天文学革命的发起者。在哥白尼之前，古希腊和中世纪留给人们关于宇宙结构的文化遗产是“水晶天球说”，它认为整个宇宙是一个十层的同心水晶天球体，它的中心是地球。在地球之外有十层天，其中每一层天都是一个环绕地球的透明的天球。一个环绕着一个。除了最外面的第九层天球外，每一层天球都携带着一个或多个天体在它的背面绕地球旋转。第一层天球距离地球最近，它携带的天体是月亮，第二层天球携带的是水星，以此类推依次携带的是金星、太阳、火星、木星、土星，第八层天球携带的是诸恒星，第九层天球上没有携带任何行星或恒星，它实际上是最后一层天球，这里是上帝的住所（注：赫伯特·巴特菲尔德，《近代科学的起源》，华夏出版社，1988年版，第18页。）。这个宇宙模型既深深打上了古希腊托勒密“地心说”的烙印，又厚厚蒙上了一层中世纪宗教神学的油彩。
哥白尼从1946年开始，曾两次去文艺复兴运动的中心意大利学习，并和达芬奇等杰出的学者讨论过当时天文学上的问题。他赞赏古希腊的宇宙和谐论，认为宇宙规律应具有数学美和简单性，并对托勒密地心说体系的繁琐与不和谐表示怀疑。回到波兰之后，通过长期的天象观测，特别是对行星运动的观测，哥白尼于1512年得出了一个革命性的结论，即行星运动的中心不是地球而是太阳。他抛弃了托勒密的错综复杂的本轮均轮体系，认为地球和行星都简单地绕太阳转动。迫于天主教会的淫威，哥白尼把书稿搁置了30多年之后才于1543年公开发表，这就是划时代的巨著《天体运行论》。该书一共六卷。第一卷概述哥白尼日心体系的基本观点和宇宙结构，论证地球为一行星；第二卷用球面三角学解释天体在天球上的视运动；第三、第四卷分别介绍太阳、月亮运动的计算方法；第五、第六卷讲述行星的视运动、经纬度计算方法。他在这部书中表述了日心地动说的基本观点：1.地球不是宇宙的中心，只是月亮运动的中心。太阳才是宇宙的中心，行星和地球都绕太阳旋转，按到太阳的距离由近及远依次为水星、金星、地球、火星、木星和土星。2.地球与太阳的距离和众恒星所在的天穹高度相比是微不足道的。3.天穹的周日旋围是由于地球绕轴自转每天一周所形成的。4.太阳周年的视运动不是本身的运动，而是地球绕太阳公转所造成的。其它行星的顺行、逆行等现象，可用地球和行星的共同绕日运动来解释。《天体运行论》一书的出版不仅是天文学史上的一件大事，而且在和宗教神学的斗争中产生了深远的影响，从此自然科学开始从中世纪神学中解放出来（注：耶日.岑特科夫斯基，《哥白尼传》，新华出版社，1988年版，第199-205页。）。
意大利哲学家布鲁诺是哥白尼学说的热情宣传和勇敢捍卫者，并进一步提出宇宙无限的观点，宇宙无限论彻底地摧毁了神学庙堂，使上帝无藏身之处；而且宇宙既为无限，那就无所谓宇宙的中心。后来布鲁诺于1600年被罗马教廷迫害致死。
1632年，意大利物理学家和天文学家伽利略发表了《关于托勒密和哥白尼两种宇宙体系的对话》一书，用自己制造的天文望远镜观测天象所获得的新的事实来确证哥白尼的学说。他还根据自己提出的惯性原理，设计了一个简单而灵巧的实验来论证地球在运动。
进一步发展哥白尼学说的则是德国天文学家开普勒，他通过对大量天文观测资料的整理和计算，提出了著名的行星运动三定律。1609年他在《天文学》一书中公布了最先发现的两条有关行星运动的定律：1.火星在一个椭圆轨道上绕太阳公转，太阳应于其一个焦点上；2.在同样时间里，火星同经在轨道平面内扫过的面积相等。开普勒指出，这两条定律也适用于其他行星绕太阳运动以及月亮绕地球运动。这一发现，打破了两千年来人们认为天体只能作匀速圆周运动的观念，从根本上取消了本轮均轮的繁琐结构，使日后地动说与观测结果更加符合。1619年，他又公布了第三定律，即行星轨道半径的立方与公转周期平方成正比。这条定律揭示了各行星的公转周期同它们到太阳的之间的关联（注：S.韦斯特福尔，《近代科学的建构》，复旦大学出版社，2000年版，第4-11页。）。
那末，行星为什么要绕太阳运行并且要按开普勒三定律所指出的那种方式运行呢？这是太阳系理论的一个核心问题。这个问题后来是由英国物理学家牛顿从万有引力理论上解决的。牛顿从1666年开始研究了太阳和行星在引力作用下如何运动的问题。他依据万有引力定律从理论上推导了开普勒这一定律。牛顿还依据万有引力定律，求得了开普勒第二、第三定律的准确形式。牛顿对行星运动规律理论证明，使哥白尼的日心地动说体系得以建立在稳固的理论基础上，科学的太阳系概念由此建立，经典宇宙学由此形成。
二、从帕拉塞尔苏斯到波义耳：17世纪的化学革命
17世纪的化学革命涉及到人们对自然界物质组成及其变化的知识与观点。在这之前，古希腊和中世纪留给人们关于自然界组成的文化遗产是亚里士多德的四元素论。他首先将自然界按月亮天层的轨道为分界，把整个自然界分为“月上区”和“月下区”，月上区即月亮天层及其之外的各个天层的区域，月下区即地球与月亮天层之间包括地球在内的区域。在他看来，月下区是一个世俗地区，每一种实际物质均由“土”、“水”、“气”、“火”这四种元素之一部或全部组成。这四种元素能按任何比例结合而生成荷蒙米利亚，它们是组成血、石头、肉的微粒。这些微粒再结合起来，形成安荷蒙米利亚，如脸、手等等。元素及其役粒结合的方式有三类：合成、化合和掺合。他用这种结合去解释他所知道的一切化学现象。为了说明四元素的存在状态和它们之间的相互转化，他提出了元素可以和一组“质”并存的设想。基本的质有四种，即热、冷、干和湿。它们可以组合成四对，即热和干，湿和热，冷和干以及冷和湿。这四对质分别隶属于四元素：火是热和干的，气是热和湿的，水是冷和湿的，而土则是冷和干的。他认为，由于这些质在程度上可以任意变化，于是一种元素完全可以变成另一种元素。例如，由于气和水都含有湿，所以只要以冷克热，即可变气为水（注：M.莱斯特.《化学的历史背景》，商务印书馆，1982年版，第28-31页。）。
近代化学革命的先驱可以追寻到十六世纪瑞士化学家和医生帕拉塞尔苏斯，他具有强烈的反传统精神，率先提出了“三元素论”的观点（注：G.杜布斯，《文艺复兴时期的人与自然》，浙江人民出版社，1988年版，第29-46页。）。他依据炼金术和化学实验中对各种物质提炼、分离、纯化和结合的经验事实，提出用“盐、硫磺和汞”三种“三素”来解释自然界物质组成及其变化的新观念。这与亚里士多德的“土、水、气、火”四元素论大相径庭。由于“三元素”论在当时对自然现象具有一定的解释能力，从而赢得了不少支持者。以前，人们总是以神来解释自然界的雷电现象，“三元素”论则认为是空气中的硫磺和硝酸钾（盐）化合导致雷鸣电闪，并将之与火枪筒里的硫磺和硝石化合产生爆炸相类比而使人信服。以前，人们用“地内火”来解释火山和温泉现象，认为火山喷发是岩石被地内火熔化后溢出的结果，温泉是地下水被地内火加热的结果，但人们又对地内火是否存在表示怀疑。“三元素”说则认为矿泉水的热量源自地球内部硫磺和硝酸钾的相互作用。“三元素”说还能应用于配制化学药物，并取得了一定的成效。所有这些，使当时愈来愈多的化学家、医生和市民接受了“三元素”说的新观念，也导致了一场反对传统的亚里士多德观念的化学哲学的争论，还导致了医学界中盖伦派与帕拉塞尔苏斯派的争论。争论实际上又成了迅速传播“三元素”说的催化剂。17世纪上半叶，范·赫尔蒙脱根据定量化学实验，进一步发展了“三元素”说。他认为，基本元素并不只有汞、硫、盐三种，“水”也很重要。以后，又有人认为“粘液”和“土”也很重要。这样便导致了“多元素”说的观念。这种观念后来又进一步发展为“微粒理论”。
英国化学家波义耳于1661年在其《怀疑的化学家》一书中，抨击了亚里士多德的“四元素”理论和帕拉塞尔苏塞的“汞、硫、盐三要素”理论，并于1666年在其《形式和质料的起源》一书中提出了“微粒理论”（注：S.韦斯特福尔，《近代科学的建构》，复旦大学出版社，2000年版，第79-84页。）。他认为，构成自然界的材料是一些细小致密、用物理方法不可分割的粒子；粒子结合成更大的粒子团，粒子团往往作为基本单位参加各种化学反应；粒子团的大小和形状决定物质的物理性质。粒子团的运动也很重要，运动的变化同样能引起物体的改变；吸引力与亲和力可解释为运动粒子相互匹配集聚的结果。这样，波义耳就把自然界的物质都看作是由微粒组成的，微粒之间的机械运动则导致物体的宏观运动以及物性的变化。后来，牛顿进一步认为粒子之间存在着引力。波义耳和牛顿这种将古原子论发展了的微粒观念在当时已为人们普遍接受。至此，关于自然界物质最终由什么组成的问题，便从帕拉塞尔苏斯的三元素说，发展到波义耳和牛顿的微粒论，最后完全取代了亚里士多德四元素说的传统观念，实现了在这个问题上的革命性更替。
三、从伽利略到牛顿：近代力学革命
在古布腊和中世纪，指导人们认知自然界物体运动现象一直是亚里士多德的物理学理论。对月上区，亚里士多德则认为它是一个完美的地区，它们中的一切如月亮、水星等天体，均由另一种元素“以太”组成。以太是完美的，由它构成的天体都是球体并作圆周运动，因为球和圆都是完美的。他假定神是宇宙万物各种原因的始点，神推动原动天后，运动经过恒星天依次传下来。对月下区，亚里士多德认为物体在受到外力的作用时便作“受迫运动”，在不受力时则作“天然运动”。所谓天然运动就是物体趋向组成它元素的“天然位置”的运动。土元素的最底层，即地球的中心是它的天然位置，土的天然位置之上依次是水、气和火的天然位置，后者已接近月亮天层。元素的这种趋向天然位置的意向是月下区物体作天然运动的原因。一物体的天然运动速度完全取决于组成该物体各元素所占的比例。于是他得出物体下落一定距离所需时间与其重量成反比的定理，例如一块大的石头要比一块小的石头下落的速度要快得多（注：G.Holton，《物理学的概念与理论导论》，人民教育出版社，1983年版，第120页。）。
第一个向这种传统发起有效冲击的是伽利略的运动理论。伽利略通过实验否证了亚里士多德的上述定理，他发现重物从塔上落下时，比轻物稍微先着地，他认为这种微小的差别是由于空气阻力以及重物体和轻物体克服阻力的能力造成的。他推论，在理想的情况如真空中，它们将同时落地。在此基础上，他进一步发现，自由落体运动是一种匀加速度运动，并于1609年得出其数量定律。其次，伽利略认为，如果力学定律在某个参考系是成立的，那么在相对于这一参考系作匀速直线运动的参考系都是等效的，这就是著名的伽利略相对性原理、它为近代物理学奠定了基础。再次，伽利略还提出了“惯性定律”和物体作匀加速直线运动的定量规律。此外，他还发现了单摆的摆动周期与振幅无关，第一个证明抛物体的路径是一条抛物线。如果说开普勒揭开了天上行星运动的力学规律，那么伽利略则揭开了地上物体运动的力学规律。伽利略于1590年代早期撰写了《论运动》一书；从1624年起开始撰写《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，总结他一系列新的科学发现，并于1632年出版；1638年又出版了《两种新科学的对话》。此外，法国科学家笛卡尔在机械论哲学和惯性原理、荷兰物理学家惠更斯在单摆运动和物体碰撞的研究方面都作出了自己的贡献。
近代力学革命最后是在英国科学家牛顿手上完成的。牛顿的主要工作之一是用万有引力的概念将天文学革命与力学革命综合起来。当时，在天文学和力学领域存在着一些急需解决的问题：如从伽利略的力学原理来看开普勒的宇宙结构图景，首先就需要解决下列动力学问题：是什么力量在维持地球以及其它行星的运动？为什么行星总是绕太阳作封闭曲线运动而不作直线运动跑到外部空间去？其次是重力问题：根据旧的宇宙理论，地球是宇宙的中心，因而地球上所有重物都有向地心坠落的趋势。但如果承认地球环绕太阳画出了一条空间轨道，这样的地球就再也不能被视为宇宙的中心了，那又如何解释重力的存在呢？正是牛顿成功地解决了这两个问题。他的思路是：他发现地球上物体的重力与月亮绕地球旋转的向心力（即地球对月亮的引力），以及各行星绕太阳旋转的向心力（即太阳对各行星的引力），在数学上都遵循平方反比定律，即它们在一定意义上是等价的。于是他采用“万有引力”的概念，将地球上的重力和天文学中各行星绕太阳运动的向心力统一起来。牛顿说，1666年“我开始考虑重力延伸到月球轨道的问题，找到了根据开普勒法则即行星周期与行星离其轨道中心之距离的三分之二次方成正比，计算一个天球中转动的一个星球对这天球表面的压力的方法。我用这方法推知，维持各行星在其轨道上的力必定是与行星离其转动中心之距离的平方的倒数成正比；因而我就将维持月球在其轨道上所必需的力和地球表面的重力相比较，发现它们极其接近”（注：亚·沃尔夫，《十六、十七世纪科学技术和哲学史》，商务印书馆，1985年版，第167页。），“所以既然这两种力，即重物的重力和月球的向心力，都是指向地球中心而且彼此之间又相似而相等，那末它们就必然是出于同一个原因。因此使月球保持在它轨道上的力就是我们通常称为‘重力’的那个力。”（注：H.塞耶编，《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社，1974年版，第128页。）牛顿还认为，由于行星绕太阳的运动以及卫星绕木星与土星的运动，和月亮绕地球的运动都属于同一类现象；又由于已经证明，正如月球的向心力指向地球的中心一样，行星的向心力指向太阳的中心，而卫星的向心力指向木星与土星的中心；再则，既然这些力都和到中心的距离的平方成反比，完全象月球的向心力与它到地球中心的距离的平方成反比一样；那末，我们当然必须作出结论说，一切天体的性质都相同。太阳和地球以及一切伴随太阳的天体都在相互吸引。所以每一这种天体所含的一切物质粒子，都必须象我们上面对地球上物体所指出的那样，各自具有与它们的物质量成正比的吸引力。对不同的距离，这些力也将与距离的平方成反比；因为数学上已经证明，按照这条定律，相吸引的球体是由按照同样的定理相吸引的粒子所组成。牛顿把这种吸引力称之为“万有引力”。1684年，牛顿进一步解决了“胡克问题”，即表明一个物体在平方反比定律的力的作用之下的运动轨道，乃是一个以吸引体为一个焦点的椭圆。这样，行星的椭圆轨道就得到了一个合理的解释。接着，牛顿又进一步证明该问题的逆问题，即围绕处于一个焦点的一个力的中心的椭圆轨道，必然意味着力的平方反比定律。这样，传统的地上与天上世界的分隔，以及与之相关的自然与超自然的划分都被抛弃或动摇了，整个物理世界都服从同一条万有引力定律和同一些运动定律。
牛顿于1687年出版了他的划时代巨著《自然哲学之数学原理》。其中，除了包括上述研究成果之外，它还发展了动力学的基本概念（质量、动量、力），整理了力学的原理（运动三定律），它发展了曲线运动的定律、摆的分析、受压迫的表面运动的本质，它论述了怎样去处理在不断变化的力场中粒子的运动。牛顿也指明了分析波运动的方法，他探讨了在各种对抗媒质中物体的运动方式，论述了彗星的轨迹和运动以及大海中潮汐的生成原因。可以说牛顿建立了经典力学的大厦。
四、从维萨留斯到哈维：近代人体生理学革命
古希腊之后到14世纪之前，西方人一直是以古罗马名医盖伦的学说来解释人体生理现象的。盖伦认为，人体的生理是人体内的肝脏、心脏和脑这三个重要器官共同工作的结果。人体的生理过程要靠体内产生的三种“灵气”来维持，它们是动物灵气、活力灵气和自然灵气。动物灵气分布在人体的大脑器官里，由于它的控制便造成人的各种思维活动。活力灵气分布在人体的心脏器官里，由于它的控制便造成人体的各种运动。自然灵气在人体的肝脏器官里生成，由于它的控制便引起人体的生长发育（注：戴维·林德伯格，《西方科学的起源》，中国对外翻译出版公司，2000年版，第133-138页。）。从历史上来看，盖伦的“灵气说”渊源于亚里士多德的“灵气说”。
那么，这三种灵气是怎样被人体精心地制作出来并合理地分布到全身的呢？盖伦认为，关键在于人体内的血液的流动。血液形成于肝脏，并从那里流出来，通过静脉而流布到全身各个部位。静脉血液含有丰富的自然灵气，具有滋养身体组织的功能，同时带走废物。被送出来的这部分静脉血最后流到了心房的右心室。其中的大部分血液首先流到肺部，在消除了积存起来的杂质之后到达肝脏。盖伦假设，还有极少量的静脉血液透过左右心室之间存在的毛孔，从右心室流到了左心室，在这里，这部分血液和来自肺部的空气混合在一起，就产生了颜色鲜红的动脉血和活力灵气，再通过动脉系统分布到全身。某些动脉血流到位于大脑基部叫作“迷网”的血管网中，在这里，活力灵气变成了动物灵气，然后通过中空的神经分布到全身。盖伦还认为，血液从心脏流入血管，在血管里像潮汐涨落那样，先朝一个方向，然后又朝相反方向往返流动，流动动力是血管本身的收缩。在盖伦的这个理论中，至关重要的是他假定心脏内左右心室中膈上存在毛孔，这样部分静脉血液才能通过这些毛孔从右心室流到左心室。如果这些毛孔实际上并不存在的话，那末盖伦的整个生理学的基础就会遇到严重的挑战。
16世纪之后，由于解剖学的发展，人们开始对心室中具有带孔洞的中膈结构这一说法表示异议。比利时医学家阿·维萨里于1543年在其《人体结构》一书中最先对此提出质疑。他告诫人们，应将生理学的知识建立在人体和动物体解剖的直接经验基础上。他根据解剖实验的事实，指出这种毛孔并不存在，这个事实揭示了盖伦生理学说的错误。在维萨里的这本书中还有许多与盖伦学说相矛盾之处，在世人看来是新颖且具有说服力的。维萨里同时也要求人们对动脉血液的形成进行新的解释。
这一工作是由英国生理学家威廉·哈维完成的。哈维受哥白尼日心说的启示，设想血液在体内形成一种循环运动应该是可能的。他非常重视实验，将自己大部分收入都用在解剖和实验研究上，饲养了各种各样的动物，并曾对80多种不同类型的动物进行解剖观察。他发现人的心脏有四腔，即左心房和左心室以及右心房和右心室，左右两边的心室和心房之间都有膈膜严实隔开，并不相通。左右两侧的心房和心室之间都各具活瓣，只允许血液从同侧的心房流入心室。心房和静脉相接，心室和动脉相连。在大量的观察实验和理性思维的基础上，哈维于1628年发表《论心脏和血液的运动》一书，提出了著名的血液循环学说。1649年他又出版了这本书的补充物《论血液循环》。
首先，哈维认为，心脏由于自身的收缩而造成血液的流动。心脏是一块中空的肌肉，它的特征运动是挛缩（收缩），继之以被动的扩张（舒张）。收缩把在心脏扩张期间进入心脏的血液从心脏排出。这种收缩规则的重复使血液保持在血管中运动。其次，哈维认为，人体内的血液是作连续循环的运动。他假设，左心室只能蕴存2盎司血液，而心脏每分钟收缩72次，那末在一个小时内，左心室会将约500磅血液压向主动脉。这样，心脏在一个小时内所推动的血液数量就将大大超过整个人体在任一时刻所包含的全部血液。如果不是设想从心脏排出的血液在相当短暂的时间里返回心脏，这一点就不可能得到合理的解释。于是，他假定，主动脉中的血液可能只有一个源头即静脉，血液是在一刻不停地作连续循环运动。再次，哈维认为，血液在血管系统中是沿着一定方向运动的。这是由于血管系统中的各种瓣膜保证血液运动沿一个方向进行。他的剖切和结扎的放血实验表明，动脉中的血液总是沿离开心脏的方向流动。
哈维的血液循环理论在历史上是对人体生理过程的第一个科学的说明，它为人们如何正确地看待以前被认为是神秘的生理现象指点了迷津。这个理论不需要特设什么神秘的灵气，就能很好地解释人体的生理现象，而且与众多的实验事实相符。起源于原始文化的神秘的“灵气说”，在科学的血液循环说面前，已显得过时和荒唐（注：科恩，《科学中的革命》，商务印书馆，1998年版，第237-246页。）。
上述四个学科革命实际上是相互影响、相互关联的。它们的总和是16、17世纪的科学革命。这场革命在西方文明史上有重要的地位，它为欧洲社会带来了全新的科学理论、全新的世界观和全新的思维方式，成为西方社会超越东方文明而一跃居于领衔地位的一个重要因素，成为揭开近代西方文明史新篇章的动因之一。
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