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§一科学世纪的新发现（第1页）

§一、科学世纪的新发现

天体演化理论

1755年，德国科学家、哲学家康德（I。Kant，1724—1804）发表《宇宙发展史概论》，提出了太阳系起源的星云假说。这个假说所依据的科学事实是，科学家通过大量的天文观测，已经发现太阳系内行星公转轨道具有共面性，行星公转的方向具有同向性，行星公转轨道呈近圆性。为了回答太阳系行星公转时何以具有这样多的相似性，康德设想太阳系可能是从同一团原始星云演化而来。他的主要论点有：原始星云是由弥漫于宇宙空间的不停运动着的无数物质微粒组成；其密度不均匀；凭借万有引力，密度较大的部分可以从它周围吸引密度较小的物质微粒，以后它们自己又同所聚集的物质一起，聚集到密度更为巨大的地方，并如此一直继续下去。这样，星云中必有一处其密度比其他地方都大，就会形成整个星云的引力中心；当微粒物质向引力中心降落时，除受到引力作用外，同时还受到斥力作用。这样就有可能造成运动方向的偏离，使垂直的下落运动变成围绕降落中心的圆周运动；开始时圆周运动可能还很混乱，后来逐渐出现一个主要的运动方向，形成巨大的旋涡，使整个星云逐渐向垂直于转动轴的平面集中。在这个平面上，速度较小的团块继续落到中心团块，速度较大的团块则可以保持力的平衡形成各个行星；在形成行星的小团块中又会由类似的过程形成行星的卫星系统。

康德的这个假说能够解释行星的共面性、近圆性和同向性，也能解释行星的不同密度和质量的形成。但康德假说本身的思辨成分太多，有许多问题解释不清楚，加之当时许多科学家受形而上学、经验主义的影响，厌恶理论思维，因此这个假说发表以后没有引起什么反响，竟然埋没了半个世纪之久。直到18世纪未法国著名数学家、力学家拉普拉斯根据天文观测资料，对天体的形成从数学和力学方面作了论证，提出了类似的星云假说后，这一观点才为人们普遍接受。

拉普拉斯（P。S。Laplace，1749—1827）的星云假说体现在1796年出版的《宇宙体系概说》一书中。他也认为太阳系的所有天体都起源于同一原始星云。但和康德不同，他假设原始星云是炽热气体；假设炽热的球状气体星云从一开始就在缓慢转动。这样就回避了康德想用引力和斥力的矛盾加以解释，但并未解释清楚“星云是怎样开始旋转起来的”这个问题。按照拉普拉斯假说，气体状的炽热星云大致呈球形，它的直径很大，在宇宙中缓慢地旋转。同时向外散发热量渐渐变冷，其体积也在逐渐收缩。根据角动量守恒原理，其旋转速度将加大。按离心力规律，星云物质所受的惯性离心力也随之增大，而且在赤道处的星云物质所受惯性离心力最大。这使得星云的赤道部分向外突出，使球形星云变为扇球乃至扁平圆盘。当外缘部分受到的离心力增大到足以和星云对它的吸引力相抗衡时，这部分物质便不再随整个星云一起收缩而保留在原来的半径上旋转。重复上述过程就可以得到一个又一个的圆环，其中心部分最后收缩为太阳。分离出来的圆环经过相互吸引和凝聚，就形成了各个行星。

由于这个假说和康德的假说类似，人们就把这两个假说统称为“康德—拉普拉斯星云假说”。尽管康德—拉普拉斯假说仍有许多具体问题不能解决，但其形成和演化的思想逐渐被天文学发展所证实。尤其是1859年德国物理学家吉尔霍夫和德国化学家本生创造出光谱分析法以后，可以对恒星上存在的元素进行分析了。分析证明，各种不同的天体构成元素相同。而且通过光谱分析还可以比较出它们所处的不同发展阶段。天体形成和演化的观点从而被确立下来了。

地质进化理论

由于地貌的变化人们比较容易观测到，科学家就会常常由地貌的变化去猜测整个地球的变化，所以有关这方面的研究很早就有了。如1644年笛卡儿（R。P。Descartes，1596—1650）就在《哲学原理》一书中讨论了地球的形成过程。德国的莱布尼兹（G。W。Leibniz，1646—1716）1680年也出版了《原始地球》一书，猜想地球最初是高温发光物体，后逐渐冷却，表面形成皱褶，这就是山脉。最初的地壳是多孔结构，海水可由这些小孔流入地下，使海平面下降，山露出水面。但是这些早期猜测和研究，思辨性都比较强，而科学性不足。但以这些研究为基础，使后来的地质研究分成不同的学派，其中主要有水成派和火成派，灾变论和渐变论。

1。水火之争

17世纪时，西方地质学界对地球的形成就存在有水成派和火成派之争。1695年，英国地质学家伍德沃德（J。Woodward，1665—1728）发表《地球自然历史探讨》，主张地球的水成观点。认为是摩西洪水造成地球上原有生物的灭绝，并把它们变成化石。火成派的代表是莫罗（Mauro），他则相信岩石是由火山喷发造成的。到18世纪后，在对地球岩石圈历史演变的认识上两派斗争更加激烈，德国地质学家维尔纳（A。G。Werner，1749—1817）等人主张水成论，认为一切结晶岩都是在原始海洋中形成的，都是水成岩，后来由于全球水位突然下降，才使岩石的较高部分露出水面形成陆地和高山，但在这一过程中构成地壳的岩石圈本身并没有任何改变。水成派与圣经中的描述一致，所以一时之间占了上风。苏格兰地质学家赫顿（J。Hutton，1726—1797）坚持火成论，认为地球内部是熔融的岩浆，通过火山爆发在地面凝结成花岗岩，由于地下熔期岩浆的推动，还将引起已经形成的沉积岩倾斜变形。后来法国地质学家马列斯特在一个偶然机会中发现了玄武岩，他沿着玄武岩的分布一直追索到火山口，说明了玄武岩也是火成岩。在火成论的指导下，建立了地壳运动的观念。1787年，冰岛附近的海底玄武岩发生了一次火山大喷发，使火成派又抬了头。后来在英国苏格兰山上开会讨论时，两派互不相让，竟然发生地质史上的武斗事件。

水成论者提出两点反对火成论的论据：（1）熔融的岩浆凝固时只能形成玻璃体而不会结晶化；（2）有些岩石如石灰石受热后会被分解掉。对此，詹姆士·霍尔（J。Hall，1761—1832）在1790—1812年间还进行了一系列的实验。他在玻璃厂使熔融的玻璃非常缓慢地冷却，证明它可以结晶化形成不透明体；他又将从火山口弄来熔岩重新用炉子熔化，然后也使它慢慢冷却，结果也能结晶成玄武岩那样的岩石。他又通过实验证明，如果把石灰石放在密闭容器中加热，石灰石并不分解，而是形成像大理石一样的岩石。实验结果是有利于火成论的。

应该指出，这两派观点都有合理之处，因为岩石本来就分沉积岩和火成岩（花岗岩、玄武岩）。但又都不全对，因为从思维方法上看，两派都犯了绝对化的错误。

2。灾变论和渐变论之争

灾变论的代表是法国生物学家居维叶（G。Cuvier，1769—1832）。在对巴黎盆地地层的研究中，他发现老地层中化石少，而且化石生物原始；新地层中化石多，生物物种也较复杂。这本来可以看成生物不断进化的证据，但居维叶1765年认为，这些不同时代的物种之间毫无联系，地球表面的历次变动都是间断的，由于突然的巨大洪水造成的。他在《地球表面的革命》一书中写道：“这种洪水的反复进退不是以缓慢和渐进为特征；恰好相反，大多数激变是突变引起的……较老的地层的位错和倒转没有任何疑问地表明，置岩石于现在这样位置的过程是突然和强烈的……这可怕的洪水常会席卷地球上的生命，无数生物因激变而消失了。”这样，地球演变的历史就成了一堆前后无关的突变集合，而在各次突变之间，地球以及地球上的生物则没有任何演化和渐变。当时正值1765年意大利的一个火山爆发，似乎成了居维叶论点的一个佐证，所以居维叶灾变论的提出迎合了欧洲人对灾变的恐惧。居维叶在生物学上成就很大，他提出了“器官相关律。”根据这个规律，你只要找到一小块动物化石，他就能预言动物的原型。他的学生挖出来的化石可以和他预言的一点不差。我们至今猜不透是什么使他在地质理论上却持这么保守的观点。

另一派是渐变论者。英国业余科学家赫顿1795年出版了《地球理论》，主张应以现在仍起作用的地质力量去解释历史上发生的地壳变动。后来英国地质学家赖尔（C。Lyell，1797—1875）进一步发展了这一思想。他虽是水成论代表维尔纳的学生，但不信他老师的观点。他以“现在是认识过去的钥匙”这一思想作指导，1830—1833年间写成了《地质学原理》一书，这本书的副标题就是“以现在还在起作用的原因试释地球表面上以前的变化”。他在这部著作里以丰富的地质资料证明，江河海流、潮汐、风雨、冰雪、火山、地震等自然作用至今仍在持续缓慢地改变着地球的表面状况，地球的历史在时间上是连续的，现状是以前变迁的结果，是“长期一连串前后相继事变的结果”，而不是像灾变论者所说的彼此隔绝而无联系。而且，引起这种变化的原因，不是一两项原因单独作用的结果，更不是靠有限几次突然灾变造成的，而是诸种自然原因复合作用的结果。各种地质作用所产生的效果是由一系列微小的、缓慢的变化积累起来的，而不是突变式的。有人把赖尔的这些观点概括为连续性法则、均一性法则和积累法则。

赖尔的地质渐变论进而导致物种可变的思想。既然地壳是逐渐形成的、不断变化的，那么在它上面生活的一切生物也必定是进化发展的。正如赫胥黎（T。H。Huxley，1825—1829）所说：赖尔“铺平了达尔文的道路”。达尔文（，1809—1882）自己也在自传中承认，是《地质学原理》引导他得到物种进化的结论的。但赖尔本人是拥护物种不变观点的，还批评过拉马克（J。B。Lamarck，1744—1829）的进化论。可见赖尔在方法上还是陷入了绝对化，他过分强调渐变，否定了激变的可能；他绝对化了自然规律的古今一致性，认为在地球上起作用的各种力量也是从来不变的。然而，世界上的事物大都是非绝对的。

原子—分子论的确立

化学是在近代兴起的一门学科，无数的科学先驱者为这门学科奠定了理论基础。1789年，拉瓦锡（A。L。Lavoisier，1743—1794）根据大量的化学实验建立了质量不灭定律，从此化学中能够使用天平进行精确的研究，也使化学得以进入定量研究阶段。1791年德国化学家李斯特已能作出预言：“化学是应用数学的一个分支。”定量化的方法使李斯特发现了“定比定律”——相互化合的元素间有固定的质量比。1799年法国化学家普鲁斯特（J。L。Proust，1754—1826）发现“定组成定律”——各种化合物都有确定的组成，与制备方法无关。

自学成才的英国物理学家、化学家约翰·道尔顿在对原子的研究方面取得了非凡的成果，成为近代原子学说的奠基人。他既具有敏锐的理论思维头脑，又具有卓越的实验才能，他是从气体的物理性质的研究开始构建其原子论的。在这里牛顿的粒子说和拉瓦锡的元素概念成为他的原子概念的基础。由于经常发现气体在水中的溶解和气体体积可被压缩等一些重要的物理化学现象，道尔顿发现了“倍比定律”，并且逐渐形成了一个概念，即物质内部不可能是连续的，应该由一些质点所组成。由此，他于1803年提出了新的原子论，其主要内容包括：元素由非常微小的不可再分的物质微粒——原子组成；原子在化学变化中保持其本性不变；同一元素原子的各种性质和重量都完全相同，不同元素原子的性质和重量不同；原子的重量是每一化学元素的重要特征。1808年，道尔顿又在《化学哲学的新体系》这本书里更加系统和充分地阐述了他的原子论思想。其要点是：（1）元素的最终组成称为“简单原子”，它们不可见、不可创生、不可消灭、不可分割，其在一切化学反应中保持本性不变；（2）同一元素的原子其形状、质量等各种性质均相同，而不同元素的原子则各不相同。原子量是元素的最基本特征；（3）不同元素的原子以简单整数比相结合而形成化合物，化合物的原子称为复杂原子。他的这部著作与拉瓦锡的《化学大纲》一起成为经典化学的两大名著。

但是在原子论建立的初期，化学家们宁愿采用元素的概念，也不愿使用原子概念；宁愿仍然采用元素当量，也不愿采用原子量。这是由于当时还没有办法准确确定参与化学过程的各种元素的原子数目，所以原子量很难准确断定；另一方面，道尔顿忽视了原子和分子的区别。他认为单质只是简单原子的组合，不存在分子状态，只有化合物才是复杂原子，是由分子组成的。所以当1811年意大利化学物理学家阿佛加德罗（A。Avogadro，1776—1856）提出分子概念，并认为单质物质的分子是由相同原子组成的简单分子，化合物分子是由不同原子组成的复合分子，“分子是物质存在的独立单元”时，道尔顿坚持认为，相同的原子要互相排斥，不可能结合成一个分子。直到1860年于德国召开的国际会议上，意大利化学家康尼查罗（S。izzaro，1826—1910）才说服化学家接受分子概念，澄清了半个多世纪以来理论上的混乱，为分子论和原子论统一为原子—分子论做出了巨大贡献。这说明，一个正确的理论，尤其是一个新概念，其提出是一回事，能否为大家接受又是一回事。

元素周期表

在化学教科书中，都附有一张“元素周期表”。这张表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。这张表的发明，是近代化学史上的一个创举，对于促进化学的发展，起了巨大的作用。这张表的最早发明者就是杰出的俄国化学家门捷列夫。1834年，门捷列夫（D。I。Mendeleev，1834—1907）生于俄国西伯利亚的托波尔斯克市，在那儿，一个政治流放者指导门捷列夫学习科学并使他对化学产生了兴趣。当时，关于自然界到底有多少元素；元素之间有什么异同和存在什么内部联系；新的元素应该怎样去发现这些问题，化学界正处在探索阶段。各国的化学家们进行了顽强的努力，但由于他们都没有把所有元素作为整体来概括，所以没有找到元素的正确分类原则。年轻的门捷列夫勇敢地冲进了这个领域，开始了艰难的探索工作。他不分昼夜地研究着，探求元素的化学特性和它们的一般原子特性，然后将每个元素记在一张小纸卡上。上面记载着元素的原子量、化合价、物理性质和化学性质，等等。他企图在元素全部的复杂的特性里，捕捉元素的共同性。他的研究一次又一次地失败了，可他屡败屡战，坚持不懈。

1869年，门捷列夫编制了一份包括当时已知的全部63种元素的周期表。他的结论是，按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。1871年，他对周期表作了进一步的修改，使之基本具备了现代周期表的形式。在这份周期表中，门捷列夫大胆地修正了一些元素的原子量。如把铀的原子量从当时认为的116改为240；对周期表中四个空位元素的性质他也作了极为详尽的预言。到1875年，发现了他预言的类铝“镓”，1880年，发现了类硼“钪”，1886年，发现类硅“锗”。它们的性质都和门捷列夫的预言十分接近。

门捷列夫是如何发现周期律的？其中有许多传说。有人说这是他在玩扑克牌游戏时偶然发现的；也有人说是他连续工作三天三夜没有睡觉，终于在梦中发现的。事实上，门氏是在1869年俄历2月17日（公历3月1日）这一天内发现元素周期律的。当时他正在编写《化学原理》第二卷，在结束这卷的第二章之后，必须确定在碱金属之后应该紧跟着叙述哪一族金属元素的问题。在他看来，似应叙述碱土金属，但又拿不出根据。恰巧，这一天他收到了一封信，便信手在信的空白处对化学性质不相似的钠族和类锌族的原子量的差值进行了计算。然后他对比了紧密相连的若干元素族，先编成了一张包含31个元素的表格，指导思想是使常见的不相似的各元素族紧密相连而原子量又最大限度的靠近，以至使各元素族间再也放不进元素。接着又列了第二个表。其中原子量的排列按竖行，不像第一次按横行。这个表包括了42个元素，为了编制当时已知63个元素的总表，门氏采用了“化学牌阵”的方法（即用卡片写上元素名，性质，原子量），把63个元素按研究程度和原子量轻重分成四堆，最后剩下7个元素，门氏试着把它们放在适当的位置，终于编成了一个元素周期律的草表。

门氏时代，虽然已知63个元素，但只占天然元素总数（92个）的23，而且有11个元素的原子量测得不对。虽然有不少元素已组成了自然族，但已组成的这些自然族里还有不少疑问，而且有一些元素还无法安置。在这种情况下，要想揭示化学元素的内在联系和一般规律也是不容易的。这时，门氏的逐步综合法又帮了他的大忙。所谓逐步综合法是指不断综合、逐级综合的方法，即只有先小综合，才能大综合；只有先把元素小综合成自然族，才能大综合成体系，否则把单个元素直接排在某一个体系里显然是困难的。门氏采用的比较方法则使他容易把握元素的内在联系。他自己也说过：“要全面地把握，就需要有比较的方法。”门氏对元素分族时，首先就要对各个化学元素的性质进行比较分析，只有对各个族的性质进行比较研究才能综合考察。他通过比较不相似的两类元素原子量的差值，发现了元素性质的变化是由原子量的大小决定的；他应用比较法预言了应该有过渡元素存在，为建立包括所有元素在内的周期表作了准备。

实践证实了门捷列夫的论断，也证明了周期律的正确性。在化学的系统化过程中，周期律的发现是一个重要的里程碑。这个定律的重要性不仅仅是总结了前人的工作，将许多似乎毫不相干的事实用一个规律联系起来，并且指明了研究方向。元素周期律经过后人的不断完善和发展，在人们认识自然、改造自然、征服自然的斗争中，发挥着越来越大的作用。

有机化学的诞生

化学原子论的确立，使无机化学奠定在监视的理论基础上，也为有机化学提供了示范。“有机化学”这一名词1806年首次由瑞典化学家贝采利乌斯（Jos　Jacob　Berzelius，1779—1848）提出。当时只是作为“无机化学”的对立物而命名的。

早在18世纪末，化学家们就开始提纯和分析有机化合物。例如，氧的发现人之一、瑞典化学家席勒（1742—1786）分离出了酒石酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、草酸等，他还通过用硝酸氧化蔗糖的方法制得了草酸。其他一些化学家还从有机物中分离出尿素（1773）、马尿酸（1829）、胆固醇（1815）、吗啡（1805）等有机物。这一段时间，对有机元素的分析也得到了迅速的发展，如，泰纳（Thenard，1777—1857）等人成功地分析了蔗糖、乳糖、淀粉、蜡等有机物，确定了它们所含氮、氢、氧等元素的百分比。瑞典化学大师贝采利乌斯在1815年系统分析了柠檬酸、酒石酸、琥珀酸等有机物的成分，并在1830年发现葡萄糖与酒石酸的组成成分相同。1830年，德国化学家李比希（Liebig，1803—1873）还制成了有机分析仪器——燃烧仪，从而把有机分析提高到精确定量阶段。

有机化学之所以能产生和发展，是和维勒（F。Wohler，1800—1882）的工作是分不开的。维勒是瑞典化学大师贝采利乌斯的得意门生。他早年在德国求学，获博士学位之后，去瑞典留学，跟着贝采利乌斯继续深造。1825年从瑞典回国，专门从事化学教学和研究工作。他在1828年，成功地人工合成了尿素，并发表了《论尿素的人工合成》，从而填平了有机物与无机物之间的鸿沟，打破了“生命力”的学说，解放了人们的思想，开拓了有机合成的新道路。19世纪初，许多化学家相信，在生物体内由于存在所谓“生命力”，才能产生有机化合物，而在实验室里是不能由无机化合物合成的。维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击，此后，乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成，“生命力”学说才逐渐被人们抛弃。维勒以后，有机合成物不断增加。1845年，德国化学家柯尔柏（Kolbe，1818—1884）人工合成了醋酸；1854年，法国化学家贝特罗（Berthelot，1827—1907）合成了油脂类物质；1861年，俄国化学家布特列洛夫（A。M。Butlerov，1828—1886）合成了糖类物质。