实验传统的兴起

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1、第9讲 实验传统的兴起,吴国盛 http:/ 北大科学史与科学哲学 http:/,上讲回顾,什么是博物学 西方博物学传统 近代博物学的背景 进化论,本讲目录,实验传统的三大来源 从炼金术到化学：科学革命的化学论线索 培根科学 拉瓦锡化学革命,实验传统的三大来源,博物学传统与实验传统之区别 亚里士多德坚持观察，但观察不是实验 炼金术化学传统 人工可以促成或改变自然过程 数理传统本身要求实验 数理科学家的思想实验 实验作为演示 培根传统 干预自然、征服自然 新博物学：系统、精确地观察和发现新现象 仪器的大量使用,数理分析的实验演示,思想实验：“在内心中设想出潜在的实验条件，其结果可以根据以前的日常

2、经验可靠地预见到。”（库恩） 伽利略的自由落体实验 自由落体实验 斜面实验，研究运动距离与时间的数学关系。从静止状态下落，相等的时间间隔走过距离比值是以1开始的奇数序列 伽利略不是说“我做了这、做了那，这就是发生过的事情，由此我们可以得出结论” 伽利略是说“这就是要发生的事情”,帕斯卡的流体压力实验 大气压实验。来自亲戚的信 水压实验。波义耳表示并不相信。,科学革命的化学论线索,科学革命的数理科学线索：哥白尼开普勒伽利略牛顿，自然的数学化与机械自然观 科学革命的化学论神秘主义线索：自然法术（natural magic）；神秘主义（occultism）；数秘主义（number mysticism

3、）。神性和谐，大宇宙与小宇宙,帕拉塞尔苏斯(1),向自然学习而不是向书本学习 炼金术成为理解自然的基础学科，炼金术向医药化学转变。标志是帕拉塞尔苏斯 特奥弗拉斯特博姆巴斯特冯荷恩海姆（14931541）生于瑞士，父亲是来自德国的医生。1527年成为巴塞尔大学医学教授。 自负而又傲慢，自称“帕拉塞尔苏斯”，将盖仑和阿维森纳的著作连同硫磺和硝石一起放在黄铜盘子里烧掉。被迫离开巴塞尔，成为德奥等地的游医。 1541年死于萨尔茨堡。死后著作被大量印刷，帕拉塞尔苏斯学派活跃起来，与盖伦派作对,帕拉塞尔苏斯（2）,把炼金术定义成“将不纯净物质变为纯净物质的技艺”，改变了传统炼金术狭隘的功利目的，而将炼金术

4、上升为一种哲学行为，一种神学行为。创世是一个化学提取、分离、升华和结合的过程，是自然的一种化学展现。 改造亚里士多德元素理论，人体中实际起作用的三要素：硫、汞、盐（精神、灵魂、身体） 引进矿物质做药物，研究了许多金属的化学反应，引导人们注意化学对医药学的重要性 发现锌（称之为劣等金属），正式给酒精命名(alcohol),帕拉塞尔苏斯（3）,帕拉塞尔苏斯学派的特点： 反叛亚里士多德和盖伦的传统，否定体液学说，主张三要素理论 强调观察和实验，反对本本主义 重视化学胜过数学，重视实用化的定量，轻视抽象的几何证明,阿格里科拉,炼金术与矿物冶炼。阿格里科拉（14941555），德国医生，受帕拉塞尔苏斯影

5、响对矿物感兴趣 论金属（1556），精致的插图，完整的采矿和冶金技术 欧洲有悠久的采矿历史，和相当成熟的采矿冶炼技术，但由于行业保密和手艺人不识字，采矿和冶炼术没有文字传世。近代矿物学之父。,赫尔蒙特,从炼金术向化学的过渡 赫尔蒙特（15771644），比利时贵族出身，医学博士 着迷于化学实验，自称“火术哲学家” 区分了“空气”(air)与“气体”（gas)，但当时收集气体的实验技术尚未成熟，他只能给出粗略的气体分类。 用实验证明“土源于水”。烧瓶实验。 用实验证明“木源于水”。著名的柳树实验。 开辟了定量研究的思路,波义耳,波义耳（16271691），爱尔兰贵族后代，家庭富有，先是周游列国，

6、1644年回到英国，接受一大笔遗产。雇胡克为实验助手，胡克替他制造了抽气机。 1662年皇家学会成立，成为第一批重要会员。 1668年移居伦敦，建立了一家私人实验室 1661年怀疑的化学家，开始了近代化学的历程：脱去实用的改善金属或制备药物的目的，化学成为哲学的分支，是一门理论科学，是一种化学论的自然哲学,波义耳,确立化学元素概念：“我所说的元素是指某些原初的和单纯的即丝毫没混合过的物体，它们不由别的物体组成，而一切物体由它们所组成，而且最终分解成它们。”元素不会只有四个或三个。 区别混合与化合，正确评价“火”作为化学解析工具的作用，火不是如炼金术所说万能的 燃烧研究。在真空中做燃烧实验，发现

7、空气而且只是一部分空气对于燃烧是必要的。 他也意识到动物的生命靠空气来维持。可惜他没有意识到这两种情况本质上是一回事。但胡克意识到了。,培根传统,弗兰西斯培根（15611626）生于英国一个贵族家庭。1584年进入议院，1603年成为爵士，1607年任副检察长，1618年成为大法官，1621年被控受贿。 1605年发表学术的进展 征服自然、改造自然 知识就是力量 1620年出版新工具 观察归纳方法论：首先要不带偏见地搜集事实；其次是分类和鉴别；最后是归纳，形成科学研究的金字塔。 不相信数学，不相信 1625年出版新大西岛。所罗门宫无形学院（1644）皇家学会（1663）,培根科学,库恩：“物理

8、科学发展中数学传统和实验传统的对立”（必要的张力） 古典科学：哥白尼笛卡尔伽利略开普勒牛顿。天文学、静力学、光学；数学、和声学。数学 培根科学：吉尔伯特波义耳胡克富兰克林卡文迪许库仑拉瓦锡。电学、磁学、热学、化学。实验哲学 牛顿的特殊性：两大传统并存。原理与光学 直到19世纪，古典科学与培根科学是分离的。但培根科学大量引进了定量分析的思想,吉尔伯特的磁学研究,威廉吉尔伯特（15441603），医生，1600年任皇家医学院院长，1601年为宫廷御医 1600年出版论磁 发现磁倾角 地球是一个大磁石 提出质量概念，磁力强度与质量成正比 创造“电”（electricity），来自希腊文琥珀（elek

9、tron） 赞同哥白尼日心说,马格德堡半球实验,盖里克（16021686），留学荷兰、法国和英国，学习法律和数学。1646年出任马格德堡市市长 制造抽气机，制造出真空 1654年当众演示大气压力，使用16匹马,显微镜下的新世界,伽利略发现昆虫的复眼 意大利人马尔比基（16281694）发现毛细血管，解释了静脉的血是从哪里来的 荷兰人列文虎克（16321723）使用单显微镜（放大倍率很高的透镜）发现了大量的新生物：单细胞有机体（原生动物），证实了血液循环，发现红血球，细菌 胡克1665年显微图，首创细胞（cell)一词,18世纪培根科学的两大领域,火学与气学热闹非凡 火的研究 热学、光学、电学，

10、均是“火”学 定量“流”的研究 气的研究,18世纪的热学测温学,伽利略造出第一根温度计，以空气为测温物质 1702年，法国物理学家阿蒙顿（16631705）改进了伽利略的温度计 1714年，德国人华伦海（16861736）用水银代替酒精做为测温物质，扩展了测温范围。他把纯水的冰点定为32度，人体体温98.6度，建立了华氏温标。1724年，华伦海因发明温度计而当选皇家学会会员。 1742年，瑞典天文学家摄尔修斯（17011744）以水的沸点为0度，冰的溶点为100度，建立摄氏温标。,18世纪的热学热质说,1757年，苏格兰化学家布莱克（17281799）指出温度(热的强度)与热量（热的分量）的不

11、同。热容量、比热概念。 发现“潜热”：冰缓慢加热熔化时，温度不变 由伽桑狄的热原子理论到热质说 热质说可以解释热量守恒现象。“火”流的定量研究,18世纪的磨擦电研究（1）,电“火”花引起了最大的关注和兴趣 吉尔伯特发现带电体与非电体之区别 盖里克发明磨擦起电机 1729年，英国修道院的格雷（16751736）发现有些物质可以传导电，有些则不能。主张带电体不能导电，而非电体却可以。 法国皇家花园管家迪费（16981739）经过实验表明，带电体与非电体之间并无本质的区别，所有物体都可以带电。 1734年，迪费发现两类不同的电荷，一种称为玻璃电，一类称为树脂电。他实际上发现了正负电荷，但命名不确。,

12、18世纪的磨擦电研究（2）,1745年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（16921761）发现玻璃瓶可以储存大量电荷。此瓶被称为莱顿瓶。 整个欧洲全都在演示莱顿瓶的放电功能。法国人诺莱特在巴黎修道院门前调集700修道士，演出一场放电喜剧。路易十五亲自出场 1746年，美国独立战争的领袖本杰明富兰克林（17061790）开始研究电现象，他相继发现：天上的雷电与莱顿瓶中的电是一回事；发明避雷针；提出正电负电的概念。,18世纪的流电研究（1）,1752年，意大利人祖尔策将一片铅片和银片放在舌尖上，当它们两头相连时，他感觉舌尖上有奇怪的味道。 1780年，意大利波仑亚大学医学教授伽伐尼（17371

13、798）解剖青蛙时，发现用不同的金属与蛙腿接触可以使蛙腿抽动。伽伐尼主张，存在着动物电，它跟摩擦电完全一样。金属只起激发作用。 伽伐尼是错误的，但激励了流电研究,18世纪的流电研究（2）,意大利物理学家伏打（17451827）对伽伐尼的动物电理论深表怀疑。 1792年，伏打用实验证明了伽伐尼电是两种金属加导体造成，蛙腿只起验电器作用 1794年，伏打进一步表明没有蛙腿，伽伐尼电一样存在。 伏打序列：锌、锡、铅、铜、银、金前面的金属与后面的金属相接触，前者就带正电、后者就带负电；序列的距离越远，带电量越多。 1800年，伏打依照伏打序列制成伏打电堆。为动电研究打下基础，推动了电化学的发展。,电荷

14、力研究：卡文迪许与库仑,卡文迪许（17311810），英国贵族，终生未婚独居，献身于科学事业，只问耕耘，不问收获 用扭秤在实验室中测定万有引力常数G 1777年，提出电荷作用的平方反比律：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。” 法国物理学家库仑（17361806）运用扭秤测定电荷之间的相互作用，证明了电力与电荷量之积成正比，与距离平方成反比。,燃烧问题研究,燃烧问题研究。燃烧完的灰烬不再易燃，而且重量变轻。 燃素（phlogiston)：易燃的可分离的东西；燃烧是一种脱燃素的分解过程。 德国斯塔尔（16601734）在原子论基础上建立他的燃素学说：空气只起助燃作用，主要用处是带走

15、燃素。 燃素学说可以解释氧化还原反应，但正好相反：凡是氧化（化合）过程均被解释成分解过程。金属生锈与木材燃烧是同一类化学过程。 问题：燃素有没有重量？,气体研究（1）,赫尔蒙特区别“空气”（air）与“气体”(gas) 1727年，英国植物学家黑尔斯（16771761）出版植物静力学，给出了在实验室收集各种气体的方法（水面收集法）。他未意识到他所收集到的气体实际上是不同的气体。 布莱克发现石灰石加热放出某种气体而变成生石灰，称“固定空气”（包含在固体中的气体）；还发现，燃烧和呼吸时放出的气体里一定含有“固定空气”。,气体研究（2）,英国化学家普利斯特列（17331804）青年时期是位自由主义人

16、文学者，1766年遇富兰克林之后，对实验科学发生兴趣。 1767年出版电学史 发现啤酒发酵后产生的气体就是布莱克所发现的“固定空气”，它能溶于水。 1772年发明“苏打水”，是现代碳酸饮料的始祖 认识到，植物的生长需要“固定空气”，所以动物的呼吸损害大气，而植物则净化空气。,气体研究（3）,1774年，普利斯特列收集到一种新的气体，它使火焰剧烈燃烧，使老鼠活得更长，使人吸入后感到舒畅。但他相信燃素说，将该气体命名为“脱燃素空气”。 1775年向皇家学会报告“脱燃素空气”的发现。 瑞典药剂师舍勒（17421786）也在实验中制备出了这种气体，命名为“火空气”。他的发现于1775年付印，但印刷厂拖拖拉拉，著作直到1777年才问世，丧失了优先权。积劳成疾，药物中毒。,化学革命（1）,拉瓦锡（17431794）巴黎贵族出身，少年即热爱科学，先后对天文学、化学、矿物学着迷。 重视定量实验。反对赫尔蒙特的理论，用实验证明水不能变土。 发现燃烧之后的灰烬比以前要重，表明空气中有成分加入反应过程中。 1774年，密闭加热锡和铅，金属灰虽然重量增加了，但空气重量减少了。普利斯特列访问巴黎告发现“脱燃素空气”，拉瓦锡发现正是它加入了反应过程，称“最宜于呼吸的空气”。,