实验传统的兴起

实验传统的兴起第一页，共三十四页，2022年，8月28日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第二页，共三十四页，2022年，8月28日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第三页，共三十四页，2022年，8月28日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第四页，共三十四页，2022年，8月28日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”第五页，共三十四页，2022年，8月28日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。第六页，共三十四页，2022年，8月28日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（naturalmagic）；神秘主义（occultism）；数秘主义（numbermysticism）。神性和谐，大宇宙与小宇宙第七页，共三十四页，2022年，8月28日帕拉塞尔苏斯(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（1493－1541）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，与盖伦派作对第八页，共三十四页，2022年，8月28日帕拉塞尔苏斯（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)第九页，共三十四页，2022年，8月28日帕拉塞尔苏斯（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第十页，共三十四页，2022年，8月28日阿格里科拉炼金术与矿物冶炼。阿格里科拉（1494－1555），德国医生，受帕拉塞尔苏斯影响对矿物感兴趣《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。第十一页，共三十四页，2022年，8月28日赫尔蒙特从炼金术向化学的过渡赫尔蒙特（1577－1644），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第十二页，共三十四页，2022年，8月28日波义耳波义耳（1627－1691），爱尔兰贵族后代，家庭富有，先是周游列国，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第十三页，共三十四页，2022年，8月28日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。第十四页，共三十四页，2022年，8月28日培根传统弗兰西斯·培根（1561－1626）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）第十五页，共三十四页，2022年，8月28日培根科学库恩：“物理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第十六页，共三十四页，2022年，8月28日吉尔伯特的磁学研究威廉·吉尔伯特（1544－1603），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（elektron）赞同哥白尼日心说第十七页，共三十四页，2022年，8月28日马格德堡半球实验盖里克（1602－1686），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匹马第十八页，共三十四页，2022年，8月28日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（1628－1694）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（1632－1723）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)一词第十九页，共三十四页，2022年，8月28日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，均是“火”学定量“流”的研究气的研究第二十页，共三十四页，2022年，8月28日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（1663－1705）改进了伽利略的温度计1714年，德国人华伦海（1686－1736）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（1701－1744）以水的沸点为0度，冰的溶点为100度，建立摄氏温标。第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日18世纪的热学·热质说1757年，苏格兰化学家布莱克（1728－1799）指出温度(热的强度)与热量（热的分量）的不同。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”流的定量研究第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日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（1675－1736）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（1698－1739）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。第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日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（1692－1761）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（1706－1790）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。第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日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（1737－1798）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，但激励了流电研究第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日18世纪的流电研究（2）意大利物理学家伏打（1745－1827）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。第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日电荷力研究：卡文迪许与库仑卡文迪许（1731－1810），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G1777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（1736－1806）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。第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日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（1660－1734）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？第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日气体研究（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（1677－1761）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”。第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日气体研究（2）英国化学家普利斯特列（1733－1804）青年时期是位自由主义人文学者，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。第三十页，共三十四页，2022年，8月28日气体研究（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（1742－1786）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。第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日化学革命（1）拉瓦锡（1743－17