第四章近代科学的全面繁荣与机械论自然观的衰落.ppt

第四章第四章近代科学的全面繁荣与机械近代科学的全面繁荣与机械论自然观的衰落论自然观的衰落 （18世纪下半叶世纪下半叶19世纪）世纪）第一节蒸汽动力和工业革命第一节蒸汽动力和工业革命v一、工业革命的兴起一、工业革命的兴起v欧洲各国在十八世纪时已先后取得了资产阶级革命的欧洲各国在十八世纪时已先后取得了资产阶级革命的胜利。资本原始积累使资产者获得了大量金钱，成千胜利。资本原始积累使资产者获得了大量金钱，成千上万依附土地的农民成了上万依附土地的农民成了“自由的自由的”劳动者。工场手劳动者。工场手工业的发展和分工的扩大造成了一大批熟练工人，使工业的发展和分工的扩大造成了一大批熟练工人，使机器大生产成为可能。十七十八世纪的科学技术，为机器大生产成为可能。十七十八世纪的科学技术，为生产的发展提供了许多发现和发明。在这种情况下，生产的发展提供了许多发现和发明。在这种情况下，在这些备件具备得更充分的英国和相继而起的其他一在这些备件具备得更充分的英国和相继而起的其他一些国家，开始了对人类社会产生巨大影响的工业革命。些国家，开始了对人类社会产生巨大影响的工业革命。v工业革命是以技术革命为中心内容的一场社会工业革命是以技术革命为中心内容的一场社会变革，是人类历史上生产力空前发展的巨大转变革，是人类历史上生产力空前发展的巨大转折。这次革命的主要特点是在工业部门中发明折。这次革命的主要特点是在工业部门中发明和普遍应用了专门的工作机和动力机。由手工和普遍应用了专门的工作机和动力机。由手工技术过渡到机械技术，由工厂手工业过渡到大技术过渡到机械技术，由工厂手工业过渡到大机器生产的工业技术体系。机器生产的工业技术体系。v工业革命首先是从工作机或工具机开始的。这工业革命首先是从工作机或工具机开始的。这时的机器系统由三个部分组成，它们是工作机、时的机器系统由三个部分组成，它们是工作机、动力机和传动机构。工作机直接作用于劳动对动力机和传动机构。工作机直接作用于劳动对象并使之变为产品，从技术进化的历史看，人象并使之变为产品，从技术进化的历史看，人们首先是把加工劳动对象的过程机械化，然后们首先是把加工劳动对象的过程机械化，然后再根据机械的性质和大小采用适当的动力去推再根据机械的性质和大小采用适当的动力去推动它。纺织业在很长时期里是英国工业的最重动它。纺织业在很长时期里是英国工业的最重要部门，纺织工作机的发明、改进和推广是英要部门，纺织工作机的发明、改进和推广是英国工业革命的起点。国工业革命的起点。v十十八八世世纪纪英英国国的的纺纺织织业业发发展展迅迅速速，纺纺织织技技术术不不断断改改进进。先先后后发发明明了了“飞飞梭梭”、珍珍妮妮机机、滚滚筒筒纺纺纱纱机机、骡骡机机（），自自动动织织布布机机。在在十十八八世世纪纪未未，英英国国的的纺纺织织业业已已基基本本上上用用机机器器代代替手工操作。替手工操作。v纺纺织织技技术术的的改改革革引引起起了了一一系系列列的的连连锁锁反反应应。机机械械化化的的净净棉棉、梳梳棉棉、机机械械化化的的漂漂白白、印印染染、机机械械化化的的起起重重、运运输输相相应应而而生生。这这就就要要求求有有生生产产各各种种机机械械化化装装置置的的原原料料和和加加工工技技术术，要要求求有有力学、机械工艺学、化学等方面的研究。力学、机械工艺学、化学等方面的研究。v由由蒸蒸汽汽驱驱动动的的工工业业上上通通用用的的动动力力机机的的发发明明和和应应用用，是是十十八八世世纪纪工工业业革革命命的的第第二二阶阶段段。工工业业革革命命起起源源于于工工作作机机的的改改变变，发发展展于于动动力力机机的更新。的更新。v动动力力技技术术的的变变革革首首先先发发生生于于矿矿井井排排水水的的需需要要。在在十十八八世世纪纪后后半半叶叶，英英国国的的各各矿矿井井中中已已普普遍遍使使用用了了纽纽可可门门蒸蒸汽汽抽抽水水机机。在在这这时时也也有有了了对对蒸汽机结构和效率的实验研究。蒸汽机结构和效率的实验研究。v瓦瓦特特（1736-1819）发发明明新新蒸蒸汽汽动动力力机机，是是工工业业革革命命中中最最重重大大的的事事件件。经经过过多多年年研研究究，瓦瓦特特1782年年研研制制成成功功了了具具有有连连杆杆、飞飞轮轮和和离离心心调调整整器器的的双双向向蒸蒸汽汽机机，使使蒸蒸汽汽机机可可以以把把直直线线运运动动变变为为连连续续而而均均匀匀的的圆圆周周运运动动，因因而而可可以以经经过过传传动动装装置置带带动动一一切切机机器器运运转转，给给整整个个工工业业和和交交通通运运输业提供了一种可靠的通用动力机。输业提供了一种可靠的通用动力机。v机机器器制制造造机机器器，是是工工业业革革命命的的第第三三阶阶段段。这这主主要要与与刀刀架架的的发发明明有有关关。早早先先的的机机械械装装置置得得用用手手工工方方法法生生产产。纺纺织织机机以以木木料料为为主主，靠靠木木匠匠、钟钟表表匠匠、纺纺织织工工匠匠的的经经验验制制成成；早早期期的的蒸蒸汽汽机机是是工工匠匠在在简简陋陋的的小小作作坊坊里里制制作作出出来来的的。固固然然不不乏乏精精湛湛之之作作，但但终终究究速速度度慢慢，产产量量低低、成成本本高高、精度也差强人意。精度也差强人意。v1794年，英国机械师莫兹利发明了车床上的移年，英国机械师莫兹利发明了车床上的移动刀架，这种自动刀架车床可以方便、迅速、动刀架，这种自动刀架车床可以方便、迅速、准确地加工直线、平面、圆柱形、圆锥形等多准确地加工直线、平面、圆柱形、圆锥形等多种几何形状的部件，真正成了机器制造业自身种几何形状的部件，真正成了机器制造业自身的工作机。同时推动机械制造实现了多样化、的工作机。同时推动机械制造实现了多样化、专门化和标准化。专门化和标准化。v滑动刀架是机械技术史上的重大创造，在十九滑动刀架是机械技术史上的重大创造，在十九世纪中英国出版的全国的工业一书中认为，世纪中英国出版的全国的工业一书中认为，滑动刀架滑动刀架“对机器使用的改良和推广所产生的对机器使用的改良和推广所产生的影响，不下于瓦特对蒸汽机的改良所产生的影影响，不下于瓦特对蒸汽机的改良所产生的影响。采用这种附件的结果是，各种机器很快就响。采用这种附件的结果是，各种机器很快就完善和便宜了，而且推动了新的发明和改良。完善和便宜了，而且推动了新的发明和改良。”这是真正的机器制造机器的母机。这是真正的机器制造机器的母机。二、蒸汽动力的普遍应用二、蒸汽动力的普遍应用v蒸蒸汽汽机机带带动动各各种种机机械械迅迅速速发发展展，创创造造出出人人们们以以前前无无法法想想象象的的技技术术奇奇迹迹。例例如如，1836-1837年年间间，荷荷兰兰人人用用大大型型蒸蒸汽汽机机带带动动十十一一台台水水泵泵，竟竟然然抽抽干了哈勒姆湖约干了哈勒姆湖约10亿吨湖水。亿吨湖水。v蒸汽动力的应用，改造了交通运输技术的面貌，蒸汽动力的应用，改造了交通运输技术的面貌，直接导致了轮船、火车的发明。直接导致了轮船、火车的发明。1807年，美国年，美国人富尔顿建成的汽船航行成功。人富尔顿建成的汽船航行成功。1819年带有风年带有风帆和蒸汽动力的帆和蒸汽动力的“萨凡纳萨凡纳”号汽船，满载棉花，号汽船，满载棉花，用用26天走完了当年哥伦布用木帆船行走了天走完了当年哥伦布用木帆船行走了70天天的路程。的路程。v1814年，英国煤矿工人出身的斯蒂芬逊制成了年，英国煤矿工人出身的斯蒂芬逊制成了牵引用的蒸汽机车。但最初的机车由于易出轨、牵引用的蒸汽机车。但最初的机车由于易出轨、速度慢等缺陷，而受到私人马车运输公司和水速度慢等缺陷，而受到私人马车运输公司和水上运输公司的强烈反对和竞争。上运输公司的强烈反对和竞争。1829年英皇还年英皇还明文批准过禁止正式使用机车牵引。但试验并明文批准过禁止正式使用机车牵引。但试验并没停止。没停止。1829年年10月，斯蒂芬逊驾驶的机车在月，斯蒂芬逊驾驶的机车在火车比赛中获得第一，引起了更多人的重视，火车比赛中获得第一，引起了更多人的重视，从此火车正式登上历史舞台，开辟了陆上运输从此火车正式登上历史舞台，开辟了陆上运输的新纪元。的新纪元。三、工业体系的形成三、工业体系的形成v十九世纪的工业革命是机械、冶金、采矿、化十九世纪的工业革命是机械、冶金、采矿、化工、建筑、交通运输等各个部门全面改造以至工、建筑、交通运输等各个部门全面改造以至整个工业体系的形成。冶金业出现了高炉、转整个工业体系的形成。冶金业出现了高炉、转炉、平炉等技术装备。采煤业上，戴维发明了炉、平炉等技术装备。采煤业上，戴维发明了防爆安全灯，诺贝尔发明了防爆安全灯，诺贝尔发明了“安全炸药安全炸药”黄色炸药，提高了采煤效率。黄色炸药，提高了采煤效率。v这时还出现了以煤气、煤油、石油为动力机的这时还出现了以煤气、煤油、石油为动力机的能源。能源。1823年，英国的布朗发明了最早的内燃年，英国的布朗发明了最早的内燃机机煤气机。德国人奥托煤气机。德国人奥托1876年制成了年制成了四冲煤气机。但旧式煤气机是模仿蒸汽机的样四冲煤气机。但旧式煤气机是模仿蒸汽机的样式制作的，转速不够高，且体积和重量都效大。式制作的，转速不够高，且体积和重量都效大。v1883年，奥托的协作者、德国的戴勒姆制成了年，奥托的协作者、德国的戴勒姆制成了汽油机。汽油机。1895-1897年德国的狄赛尔试制成功了年德国的狄赛尔试制成功了采用压燃点火的柴油机，使内燃机进入到实用采用压燃点火的柴油机，使内燃机进入到实用阶段。内燃机虽然在本质上优越于阶段。内燃机虽然在本质上优越于“外燃式外燃式”的蒸汽机，但由于热效率问题及传统观念影响，的蒸汽机，但由于热效率问题及传统观念影响，二十世纪后才广泛应用。二十世纪后才广泛应用。v农农业业化化学学在在这这一一时时期期也也获获得得迅迅速速发发展展。德德国国著著名名化化学学家家“德德国国化化学学之之父父”李李比比希希确确立立了了恢恢复复土土壤壤肥肥力力的的化化学学原原理理。他他分分析析了了植植物物灰灰，发发现现其其中中含含有有钾钾盐盐和和磷磷酸酸盐盐，他他认认为为，既既然然植植物物的的无无机机物物质质取取自自土土壤壤，那那就就应应该该给给土土壤壤补补充充被被消消耗耗掉掉的的无无机机盐盐，据据此此造造出出了了与与植植物物灰灰成成分分相相同同的人造肥料。的人造肥料。v与人类日常生活有关的化工如酸、碱、煤气、与人类日常生活有关的化工如酸、碱、煤气、水泥、染料、药品等都有飞速发展。水泥、染料、药品等都有飞速发展。v在建筑方面，钢筋混凝土结构代替传统的砖石在建筑方面，钢筋混凝土结构代替传统的砖石结构。结构。四、工业革命对科学技术的促进作用四、工业革命对科学技术的促进作用v十八世纪以来的工业革命是资本主义生产方式十八世纪以来的工业革命是资本主义生产方式上升时期兴起的。资产阶级对这场革命以及对上升时期兴起的。资产阶级对这场革命以及对工业革命中科学技术的发展，起了积极的推动工业革命中科学技术的发展，起了积极的推动作用。资本家、资产阶级政府不仅关心科技的作用。资本家、资产阶级政府不仅关心科技的进步，而且还采取了一些促进科学技术进步的进步，而且还采取了一些促进科学技术进步的措施，直接干预科技活动和科技事业。措施，直接干预科技活动和科技事业。1科学社团的兴起科学社团的兴起v在在18世世纪纪中中叶叶以以前前，科科技技活活动动基基本本上上靠靠个个别别学学者者、工工匠匠分分散散进进行行，实实验验与与研研究究经经费费往往往往是是自自己己筹筹措措，政政府府一一般般不不予予资资助助。所所以以，能能够够从从事事科科研研活活动动的的大大多多者者是是富富有有阶阶级级，或或者者是是能能找找到到私私人人赞赞助助的的人人，这这样样，很很多多有有才才华华的的年年青青人人因因为为没没有有经经费费而而放放弃弃了了科科学学生生涯涯，改改作作经经济济收收益益较较好好的的律律师师或或牧牧师师。那那时时缺缺乏乏促促进进技技术术进进步步的的社会组织，科学学会也为寥寥。社会组织，科学学会也为寥寥。v在在工工业业革革命命中中，情情况况发发生生了了变变化化，出出现现了了由由地地方方企企业业赞赞助助的的科科学学技技术术团团体体，其其中中最最早早的的是是1766年年在在伯伯明明翰翰成成立立的的太太阴阴学学会会，每每月月的的月月圆圆之之夜夜聚聚会会，讨讨论论本本地地区区的的工工艺艺和和科科学学问问题题。之之后后，英英国国由由成成立立了了植植物物学学会会、地地质质学学会会、化化学学学学会会等等。1831年年，英英国国成成立立了了全全国国性性的的科科学学促促进进会会，主主要要任任务务是是分分析析科科学学发发展展的的全全貌貌，指指出出研研究究中中最最有有成成功功希希望望的的新新方方向向。这这个个协协会会对对十十九世纪英国科学的发展有重要影响。九世纪英国科学的发展有重要影响。v其它工业化国家也成立了各种各样的科学社团。其它工业化国家也成立了各种各样的科学社团。2专利制度的完善专利制度的完善v欧洲的专利制度起源于中世纪，开始是经营手欧洲的专利制度起源于中世纪，开始是经营手工业和商业的特许权。工业和商业的特许权。v资本主义兴起后，对新的技术发明给以专利，资本主义兴起后，对新的技术发明给以专利，但旧的专利制度手续繁杂，申请一个专利耗资但旧的专利制度手续繁杂，申请一个专利耗资不菲，出身寒微的发明家一般负担不起，所以不菲，出身寒微的发明家一般负担不起，所以很多人如纽可门都没有获得专利权。很多人如纽可门都没有获得专利权。v1852年修订的英国专利法中否定了贵族特权，年修订的英国专利法中否定了贵族特权，简化了申请手续，才使专利制度真正地成了促简化了申请手续，才使专利制度真正地成了促进了创造发明的制度化保证。进了创造发明的制度化保证。3科学教育科学教育v一批以科技研究为主要目的的学校和大学大一批以科技研究为主要目的的学校和大学大量开办。英国量开办。英国1850年时已经发展出六百所。年时已经发展出六百所。v牛津和剑桥大学也受命改造旧的体制。牛津和剑桥大学也受命改造旧的体制。v法国在法国在1794年成立了法国理工学院，在招生年成立了法国理工学院，在招生备件、考试制度、课程设置等方面实行改革，备件、考试制度、课程设置等方面实行改革，在十九世纪里成了科学技术教育和研究的中在十九世纪里成了科学技术教育和研究的中心，培养一大批作出开拓性发现和发明的著心，培养一大批作出开拓性发现和发明的著名人才。名人才。v德国、奥地利、瑞士、俄国等国家也在开办工德国、奥地利、瑞士、俄国等国家也在开办工艺学校或技术学校的同时，开始兴办理工科大艺学校或技术学校的同时，开始兴办理工科大学或学院。德国的科学技术教育后来居上，搞学或学院。德国的科学技术教育后来居上，搞得更为出色。得更为出色。v美国也很重视科技教育，美国也很重视科技教育，1861年靠私人联合公年靠私人联合公司的资金建立了麻省理工学院。司的资金建立了麻省理工学院。v澳大利亚澳大利亚1850年建立悉尼大学。年建立悉尼大学。4其他其他v开始了科学和工业以技术为中介的结合开始了科学和工业以技术为中介的结合v提出了许多研究课题以及解决这些课题的大量提出了许多研究课题以及解决这些课题的大量研究材料研究材料v为科学研究提供了大量先进的仪器和设备为科学研究提供了大量先进的仪器和设备。v总之，工业革命中的技术进步，为自然科学的总之，工业革命中的技术进步，为自然科学的发展和运用开辟了广阔的道路。在工业革命以发展和运用开辟了广阔的道路。在工业革命以前，尽管自然科学特别是力学已有相当的发展，前，尽管自然科学特别是力学已有相当的发展，但整个来说，自然知识不够广博和深刻，工匠但整个来说，自然知识不够广博和深刻，工匠的丰富经验还没有同直接劳动相分离，工业革的丰富经验还没有同直接劳动相分离，工业革命使科学和技术成为生产过程必不可少的因素，命使科学和技术成为生产过程必不可少的因素，生产过程变为科学的应用，又使科学成为同劳生产过程变为科学的应用，又使科学成为同劳动相分离的独立的力量，技术发明成为一种职动相分离的独立的力量，技术发明成为一种职业。业。第二节热力学研究与能量守恒定律第二节热力学研究与能量守恒定律一、热机效率的理论探索一、热机效率的理论探索v法法国国工工程程师师卡卡诺诺（1796-1832）是是热热机机理理论论的的奠奠基基人人。他他看看到到在在蒸蒸汽汽机机中中决决定定热热产产生生机机械械能能的的因因素素十十分分复复杂杂，于于是是用用科科学学抽抽象象方方法法，舍舍弃弃了了与与热热机机工工作作过过程程无无关关紧紧要要的的辅辅助助的的、次次要要的的因因素素，构构思思设设计计了了“理理想想蒸蒸汽汽机机”。他他发发现现，热热机机必必须须工工作作于于两两个个热热源源之之间间，热热量量只只有有从从高高温温热热源源转转移移到到低低温温热热源源时时才才能能作作功功，热热机机作作功的大小只决定于两个热源之间的温度差。功的大小只决定于两个热源之间的温度差。v这样便可计算出热机效率为：这样便可计算出热机效率为：(T1-T2)/T1v它为改善蒸汽机效率了最根本的理论原则，并它为改善蒸汽机效率了最根本的理论原则，并且接近于能量守恒和转化定律（热力学第一定且接近于能量守恒和转化定律（热力学第一定律）和热力学第二定律。律）和热力学第二定律。二、能量守恒和转化定律的发现二、能量守恒和转化定律的发现v能能量量守守恒恒和和转转化化定定律律是是许许多多人人同同时时发发现现的的。最最早早公公布布能能量量守守恒恒和和转转化化定定律律的的德德国国医医生生迈迈尔尔，其其后后英英国国业业余余物物理理学学家家焦焦尔尔、德德国国生生理理学学家家兼兼物物理理物物理理学学家家赫赫尔尔姆姆霍霍茨茨、英英国国律律师师、业业余余科科学家格罗夫等都彼此独立地发现了这一定律。学家格罗夫等都彼此独立地发现了这一定律。v这这一一自自然然界界最最基基本本的的规规律律为为人人类类认认识识自自然然提提供供了理论武器。了理论武器。三、热力学的发展三、热力学的发展v1850年，德国物理学家克劳胥斯，研究了卡诺年，德国物理学家克劳胥斯，研究了卡诺的工作并用能量转化的观点揭示了它的意义，的工作并用能量转化的观点揭示了它的意义，同时提出了热力学第二定律，即同时提出了热力学第二定律，即“一个自行动一个自行动作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物体去。体去。”v1851年，凯尔文也独立地发现了热力学第二定年，凯尔文也独立地发现了热力学第二定律，他的说法是：功可以全部转化为热，但任律，他的说法是：功可以全部转化为热，但任何循环工作的热机都不可能从单一热源使之全何循环工作的热机都不可能从单一热源使之全部变为有用功，也就是说，制造第二种永动机部变为有用功，也就是说，制造第二种永动机是不可能的。它揭示了热运动的自然过程是不是不可能的。它揭示了热运动的自然过程是不可逆的。除非由外界作功，才可以使热量从低可逆的。除非由外界作功，才可以使热量从低温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。v克劳胥斯克劳胥斯1865年由提出熵的概念。如果物体的年由提出熵的概念。如果物体的温度为，它的热量为，则熵温度为，它的热量为，则熵S=Q/T。很显很显然，同样大小的能量，如果其温度较高，则熵然，同样大小的能量，如果其温度较高，则熵较小；温度较低，则熵较大，由于热量总是要较小；温度较低，则熵较大，由于热量总是要从高温物体传到低温物体，因此，一个相对独从高温物体传到低温物体，因此，一个相对独立的系统总是要从高温物体传到低温物体，即立的系统总是要从高温物体传到低温物体，即沿着熵增大的方向运动；或者说，一定的能量沿着熵增大的方向运动；或者说，一定的能量以高温状态出现的可能性，相对来说要少于它以高温状态出现的可能性，相对来说要少于它以低温状态出现的可能。热机的工作也是熵增以低温状态出现的可能。热机的工作也是熵增加的过程。热力学第二定律也可表述为熵增大加的过程。热力学第二定律也可表述为熵增大原理。原理。热寂说热寂说v克劳胥斯还将此推广到无限的宇宙，得出了克劳胥斯还将此推广到无限的宇宙，得出了“热寂说热寂说”：整个宇宙中运动都要转化为热热又：整个宇宙中运动都要转化为热热又只能由高温状态变为低温状态，宇宙的熵趋于只能由高温状态变为低温状态，宇宙的熵趋于极大，总有一天宇宙将会达到热的平衡，不再极大，总有一天宇宙将会达到热的平衡，不再发生任何任何变动，进入某种惰性的死的状态。发生任何任何变动，进入某种惰性的死的状态。v这种观点是不正确的。热力学第二定律是表述这种观点是不正确的。热力学第二定律是表述特定封闭系统宏观状态的规律，没有理由把它特定封闭系统宏观状态的规律，没有理由把它推广应用于非孤立系统的宇宙，也不能把它应推广应用于非孤立系统的宇宙，也不能把它应用于微观客体。就整个宇宙中的运动而言，既用于微观客体。就整个宇宙中的运动而言，既有物质运动由高能状态到低能状态的分散，又有物质运动由高能状态到低能状态的分散，又有低能状态到高能状态的聚集如弥散的星际物有低能状态到高能状态的聚集如弥散的星际物质相互吸引形成新的天体，生物吸收外界的物质相互吸引形成新的天体，生物吸收外界的物质万分而成长、进化。质万分而成长、进化。第三节物质结构与化学第三节物质结构与化学一、原子分子学说的建立一、原子分子学说的建立v英英国国小小学学教教师师于于1803年年提提出出了了原原子子学学说说，即即当当代的原子论。代的原子论。v1811年，意大利物理学家阿佛伽德罗提出了分年，意大利物理学家阿佛伽德罗提出了分子概念。子概念。二、元素周期律二、元素周期律v法国地质学家尚古多法国地质学家尚古多1863年将已发现的年将已发现的62个元个元素进行比较排列，提出了元素性质周期变化的素进行比较排列，提出了元素性质周期变化的概念。概念。v1864年英国的纽兰兹，德国的化学家迈耶尔画年英国的纽兰兹，德国的化学家迈耶尔画出了早期的元素周期表。出了早期的元素周期表。v最后是俄国化学家门捷列夫完善了周期律，作最后是俄国化学家门捷列夫完善了周期律，作出了决定性贡献。出了决定性贡献。三、有机结构理论三、有机结构理论早早期期有有一一种种活活力力论论，即即有有机机物物与与无无机机物物质质有有原原则则的区别，有机物不能从无机物产生或合成。的区别，有机物不能从无机物产生或合成。1828年年德德国国化化学学家家维维勒勒在在他他的的论论文文中中宣宣布布从从无无机机物物合合成成了了有有机机物物尿尿素素。冲冲破破了了活活力力论论，连通了无机与有机的桥梁。连通了无机与有机的桥梁。第四节地质演化、生物进化论和第四节地质演化、生物进化论和细胞学说细胞学说一、绵延数千年的悬疑难题一、绵延数千年的悬疑难题v人类从古代就开始了采矿、采煤等活动，接触人类从古代就开始了采矿、采煤等活动，接触到各种各样的矿物、岩石和化石。但受认识能到各种各样的矿物、岩石和化石。但受认识能力的限制，对这些东西是怎样形成的，却一直力的限制，对这些东西是怎样形成的，却一直难以给出满意解释而令人疑惑。尤其是呈现出难以给出满意解释而令人疑惑。尤其是呈现出动物或植物形态的石质的化石，更让人惊奇、动物或植物形态的石质的化石，更让人惊奇、迷惘而不免产生诸多猜想。迷惘而不免产生诸多猜想。v在在19世纪以前，尚无专业的地质学家，研究地质世纪以前，尚无专业的地质学家，研究地质现象的自然哲学家和博物学家大都脱离实际，各现象的自然哲学家和博物学家大都脱离实际，各自形成一些缺乏可观察事实支持的思辨性的地质自形成一些缺乏可观察事实支持的思辨性的地质理论，并且总是和神学上的解释混在一起。理论，并且总是和神学上的解释混在一起。v譬如，从地下开采出来的无机物被认为是有生命譬如，从地下开采出来的无机物被认为是有生命的，并受一种内在力量的推动或日月星辰的外来的，并受一种内在力量的推动或日月星辰的外来影响而成长。当时的矿山会不时地停工，以便使影响而成长。当时的矿山会不时地停工，以便使新的矿藏能够重新成长起来，代替开采了的矿物。新的矿藏能够重新成长起来，代替开采了的矿物。至于化石，则普遍认为是自然界或神在产生动植至于化石，则普遍认为是自然界或神在产生动植物时伴生出来的废品，或者是物时伴生出来的废品，或者是“造物的游戏造物的游戏”。v虽然历史上也有一些人，如前苏格拉底时期的虽然历史上也有一些人，如前苏格拉底时期的古希腊哲人色诺芬尼（古希腊哲人色诺芬尼（Xenophanes）、）、文艺复文艺复兴时期的达兴时期的达芬奇（芬奇（Lda,Vinci,1452-119）和布鲁诺（和布鲁诺（GBruno,1548-1600）等，曾经猜等，曾经猜测化石就是生物遗体。然而，这种在今天看起测化石就是生物遗体。然而，这种在今天看起来不同凡响的观点，在来不同凡响的观点，在18世纪之前并不流行，世纪之前并不流行，也难以为人们所接受。也难以为人们所接受。v这是因为，一方面他们这种洞见在当时还不能这是因为，一方面他们这种洞见在当时还不能找到足够的观察证据，对某些现实中的现象也找到足够的观察证据，对某些现实中的现象也难以给出合理解释，如很难想象属于海中生物难以给出合理解释，如很难想象属于海中生物的贝壳化石会到了山顶上，这些深深埋藏在高的贝壳化石会到了山顶上，这些深深埋藏在高山岩层中的化石，怎能用某种地上暂时发生过山岩层中的化石，怎能用某种地上暂时发生过的灾难如摩西洪水来解释呢。的灾难如摩西洪水来解释呢。v另一方面，根据传统的（通常是受神学影响的）另一方面，根据传统的（通常是受神学影响的）观念，如果化石是现已绝迹的生物遗体，那么观念，如果化石是现已绝迹的生物遗体，那么当一物种灭绝以后，构成生物等级的那条巨大当一物种灭绝以后，构成生物等级的那条巨大链条就有了空档，这样自然的发展就不可能是链条就有了空档，这样自然的发展就不可能是连续和完整的了，整个世界也就变得不完善了。连续和完整的了，整个世界也就变得不完善了。这是与传统的理念格格不如的。这是与传统的理念格格不如的。二、两种对立的解释二、两种对立的解释v1695年，英国医学教授约翰伍德沃德（年，英国医学教授约翰伍德沃德（JWoodward，1666-1728）发表了地球自然历发表了地球自然历史试探，再度论证了化石是一度存在过的生史试探，再度论证了化石是一度存在过的生物遗骸。他认为，历史上曾经发生过的洪水，物遗骸。他认为，历史上曾经发生过的洪水，不仅消灭了地上大部分生物，而且还粉碎了地不仅消灭了地上大部分生物，而且还粉碎了地球的表面，并使地面上的无机物在水中漂起来。球的表面，并使地面上的无机物在水中漂起来。这样通过沉积的过程，新的岩石层就形成了。这样通过沉积的过程，新的岩石层就形成了。v动植物的遗体也被卷入这一过程，因此在地层动植物的遗体也被卷入这一过程，因此在地层的最深处变成化石。最重的物质如金属、矿物的最深处变成化石。最重的物质如金属、矿物和比较重的骨头化石沉积在最低下的地层中，和比较重的骨头化石沉积在最低下的地层中，在它上面是白垩中较轻的海生动物化石，最后在它上面是白垩中较轻的海生动物化石，最后在最高地层的沙土和泥土中的就是人和高级动在最高地层的沙土和泥土中的就是人和高级动植物。这可以看作植物。这可以看作“水成说水成说”的雏形。的雏形。v但伍德沃德却并未摆脱神学了解释，声称化石但伍德沃德却并未摆脱神学了解释，声称化石是圣经中摩西洪水的历史见证，而且解释过程是圣经中摩西洪水的历史见证，而且解释过程也是思辨的。尽管如此，伍德沃德的创见在也是思辨的。尽管如此，伍德沃德的创见在18世纪还是比较普遍地为人们所接受，从而在整世纪还是比较普遍地为人们所接受，从而在整个这段时期引起人们收集化石的兴趣。甚至教个这段时期引起人们收集化石的兴趣。甚至教堂墙壁上也挂起化石标本，用以标志堂墙壁上也挂起化石标本，用以标志“圣经中圣经中提到的巨人骨头提到的巨人骨头”。v与与强强调调水水在在地地质质形形成成中中的的作作用用的的水水成成说说相相对对应应的的，还还存存在在着着一一个个强强调调火火和和火火山山活活动动的的火火成成论论学学派派。公公元元1740年年威威尼尼斯斯的的一一个个修修道道院院的的院院长长安安顿顿莫莫罗罗（AMoro）就就提提出出，地地质质形形成成纯纯粹粹是是地地球球内内部部热热力力所所致致的的理理论论。莫莫罗罗认认为为摩摩西西洪洪水水只只是是次次要要的的，在在地地质质学学上上也也是是不不重重要要的的事事件件。他他认认为为所所有有岩岩层层都都是是由由一一系系列列的的火火山山爆爆发发的的熔熔岩岩流流所所造造成成的的，每每一一次次火火山山爆爆发发都都把把当当时时的的动动植植物物埋埋葬葬在在新新形形成成的的地地层层中中，所所以以岩岩层层内内才才有有化化石存在。石存在。v这两种对立的解释模式，经过一百多年的演变，这两种对立的解释模式，经过一百多年的演变，到到18世纪末期终于引发了关于地质形成理论的世纪末期终于引发了关于地质形成理论的激烈论论，并成为地质学史上划时代的事件，激烈论论，并成为地质学史上划时代的事件，以至历史上将以至历史上将1790年到年到1830年称作年称作“地质学的地质学的英雄时代英雄时代”。三、水成论与火成论之争三、水成论与火成论之争v随着资本主义经济的迅速发展和工业革命的暴随着资本主义经济的迅速发展和工业革命的暴发，开发矿山、挖掘运河的社会实践日益普遍，发，开发矿山、挖掘运河的社会实践日益普遍，在此过程中获得的岩石和化石的资料越来越多，在此过程中获得的岩石和化石的资料越来越多，为地质学提供了大量可观察证据，同时由于牛为地质学提供了大量可观察证据，同时由于牛顿力学的建立和完善，依据经验证据和严格因顿力学的建立和完善，依据经验证据和严格因果模式解释自然现象的机械论的盛行，理性的果模式解释自然现象的机械论的盛行，理性的批判超越和取代了神学的权威，地质学也开始批判超越和取代了神学的权威，地质学也开始由思辨走向诉诸经验的观察。由思辨走向诉诸经验的观察。v这样，水成说与火成说的争论在这样，水成说与火成说的争论在18世纪末期衍世纪末期衍变成了一场建立在确定的地质观察基础之上的变成了一场建立在确定的地质观察基础之上的科学争论，出现了以德国矿物学维尔纳（科学争论，出现了以德国矿物学维尔纳（AWerner,1750-1817）为代表的水成说学派，和为代表的水成说学派，和以英国的赫顿（以英国的赫顿（JHutton1726-1797）为代表为代表的火成说学派。的火成说学派。v维尔纳对矿物的形态、成份、分类和用途作了大量研维尔纳对矿物的形态、成份、分类和用途作了大量研究，在究，在1791年系统地发挥了水成说。他认为，地球生年系统地发挥了水成说。他认为，地球生成的初期，表面被原始海洋所掩盖，溶解在其中的矿成的初期，表面被原始海洋所掩盖，溶解在其中的矿物质通过结晶、逐渐形成了岩层。首先形成的是完全物质通过结晶、逐渐形成了岩层。首先形成的是完全没有化石的花岗岩，然后是只有少量化石的板岩、石没有化石的花岗岩，然后是只有少量化石的板岩、石英岩，接着是含有大量化石的石灰岩和煤，最后是沙英岩，接着是含有大量化石的石灰岩和煤，最后是沙石和粘土。维尔纳并不否定热力的作用，但他认为地石和粘土。维尔纳并不否定热力的作用，但他认为地下的热如火山是煤的燃烧引起的，因而只是一种较晚下的热如火山是煤的燃烧引起的，因而只是一种较晚的、辅助的地质力量。的、辅助的地质力量。v英国地质学家赫顿在英国地质学家赫顿在1795年则系统论述了火成年则系统论述了火成说。他认为地球内部是熔融的岩浆，它通过火说。他认为地球内部是熔融的岩浆，它通过火山迸发出来固化为岩石。山迸发出来固化为岩石。v他并不完全否定水的作用，但他认为河水只是他并不完全否定水的作用，但他认为河水只是把风化了的岩石碎屑冲到海里才逐渐积累，形把风化了的岩石碎屑冲到海里才逐渐积累，形成石砾砂土和泥土。成石砾砂土和泥土。v赫顿认为地球既没有开始，也没有结束；维尔赫顿认为地球既没有开始，也没有结束；维尔纳的原始海洋的观点没有根据。纳的原始海洋的观点没有根据。v赫顿还认为不能用设想的原始海洋来解释地质赫顿还认为不能用设想的原始海洋来解释地质形成的过程，而要用形成的过程，而要用“现在还在起作用现在还在起作用”的地的地质力量来解释。质力量来解释。v由于赫顿的地球永恒性观点违反了传统宗教观由于赫顿的地球永恒性观点违反了传统宗教观念，开始并不为人们所接受，甚至受到一些人念，开始并不为人们所接受，甚至受到一些人的强烈攻击。的强烈攻击。v水成说和火成说各执一端，争论热烈。在争论过水成说和火成说各执一端，争论热烈。在争论过程中，人们倾向于用区域性或地方性的证据来支程中，人们倾向于用区域性或地方性的证据来支持各自的地质理论。持各自的地质理论。v大凡居住于沉积岩地区或专门从事沉积岩研究的大凡居住于沉积岩地区或专门从事沉积岩研究的人倾向于水成说；而居住于火山地区和专门考究人倾向于水成说；而居住于火山地区和专门考究火山的人则倾向于火成说。火山的人则倾向于火成说。v水成说在初始时占据上风，水成说在初始时占据上风，19世纪初的英国地质世纪初的英国地质学会大部分会员赞成维尔纳的观点。学会大部分会员赞成维尔纳的观点。v但由于火成说不断得到观察和实验的证实、补充，但由于火成说不断得到观察和实验的证实、补充，到到1830年赖尔的地质学原理出版以后，人们年赖尔的地质学原理出版以后，人们普遍转而支持火成说。普遍转而支持火成说。四、灾变论与均变论之争四、灾变论与均变论之争在在地地质质学学开开始始形形成成的的时时候候，许许多多人人认认为为，由由于于地地质质学学所所研研究究的的对对象象是是我我们们现现在在没没有有经经历历过过的的，也也是是过过去去任任何何人人都都没没有有经经历历过过的的过过程程，准准确确地地解解释释地地质质现现象象是是不不可可能能的的，地地质质学学永永远远不不会会成成为为精精确确可可靠靠的的科科学学。但但这这并并没没有有阻阻止止探探索索地地质质作作用用过过程程的的步步伐伐。在在水水成成说说和和火火成成说说争争论论的的同同时时，特特别别是是在在1790到到1830年年之之间间，出出现现了了与与地地质质力力的的作作用用方方式式有有关关的的灾灾变变论论与与均均变变论论（也也有有人人称称之之为为渐渐变变论论）的的争争论论。不不过过这这个个争争论论是是与与火火成成说说和和水成说的联系在一起的。水成说的联系在一起的。v灾变论通常与水成论联系在一起。灾变论通常与水成论联系在一起。v所谓灾变论，就是相信在造成现在这种地质构造与地所谓灾变论，就是相信在造成现在这种地质构造与地貌形态的力是一种突然性的灾难，如圣经中的摩西洪貌形态的力是一种突然性的灾难，如圣经中的摩西洪水。即使不涉及神学的因素，那么当前能够看到的巨水。即使不涉及神学的因素，那么当前能够看到的巨大山脉和江河，也必然是由某种巨大的突发性的自然大山脉和江河，也必然是由某种巨大的突发性的自然力塑造而成的，且连续的灾变引起了物种的灭绝。力塑造而成的，且连续的灾变引起了物种的灭绝。v法国的居维叶（法国的居维叶（GCuvier,1769-1832）是灾变论的代是灾变论的代表人物，他的门徒博蒙（表人物，他的门徒博蒙（EBeaumont,1798-1874）则光大了灾变论，将其用于解释造山运动。则光大了灾变论，将其用于解释造山运动。v火成论的先驱赫顿是个均变论者，他认为，没有什么火成论的先驱赫顿是个均变论者，他认为，没有什么证据可以证明历史上曾经发生过所谓的引起巨大地质证据可以证明历史上曾经发生过所谓的引起巨大地质变动的灾变。而更可能的是，过去与现在并没有两样；变动的灾变。而更可能的是，过去与现在并没有两样；地质作用是一种逐渐、缓慢的过程如同我们今天看到地质作用是一种逐渐、缓慢的过程如同我们今天看到的那样。相应地，他还创立的地质学研究的历史比较的那样。相应地，他还创立的地质学研究的历史比较法，即由观察现今正在进行的地质作用过程，如现代法，即由观察现今正在进行的地质作用过程，如现代风化、剥蚀、搬远、沉积等外动力地质作用，推知过风化、剥蚀、搬远、沉积等外动力地质作用，推知过去亿万年前发生的、现在无法观察的沉积地层形成的去亿万年前发生的、现在无法观察的沉积地层形成的地质作用过程。这种地质作用过程。这种“