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世界科技发展史 本文的目的是帮助了解科技发展史，熟悉科学家研究科学的心路历程，学习科学家的思维方式，培养科学现象的洞察力，以及增强分析问题和解决问题的能力。像牛顿那样站在科学“巨人”的肩膀上，开拓创新；像爱因斯坦那样追求真理，超凡脱俗；像居里夫人那样坚定执著，无私奉献；像霍金那样挑战自我，挑战生命，挑战宇宙。在西方历史上重要的科学家及其主要贡献叙述如下。 1.公元前的科技发展 公元前的科学研究，对后世影响深远的应属亚里士多德（Aristotle）、欧几里得（Euclid）及阿基米德（Archimedes）。亚里士多德发表《动物自然史》、《动物结构学》、《动物发生学》及《论灵魂》等书，记载了500多种动物。现代科学可说是建立于阿基米德的研究之上。阿基米德是历史上的一位工程师与伟大的数学家，也是对力学有着明显、直接贡献的古代希腊人。今日科学是建立在阿基米德对科学的钟爱以及对基础理论的认知，这些基础理论可以直接用数学或是一种物理现象描述。历史上的一些知名科学家，如牛顿、伽利略等人都是强烈
受到阿基米德及欧几里得等人的影响。 1.1欧几里得和数学基础 几世纪以来欧几里得（公元前330－公元前275）的几 何已是教导学童进入物理世界的第一个且是最基本的数学 工具，但其中几个公理的简单特性可能被误导。早期牛顿 曾略读欧几里得的陈述，根据他的一个学生提到：“怀疑为 何有人为自娱而写出其演证”，但牛顿很快发现自己的错 误，再回去仔细阅读《几何学原理》，终于得出他的流数理 论，或称为微积分。 欧几里得的生平事迹几乎不为人所知，仅知生活于古希腊末期，比亚里士多德年青一代，和阿基米德同一时期。他于柏拉图学院上过课，此学院创立于一世纪前，是当时最重要的数学学校。在亚历山大大帝死后，普驼列迈一世于埃及掌权时，欧几里得于亚历山大城成立他自己的学校。传说普驼列迈曾问欧几里得是否有简单的方法不读《几何学原理》而能了解几何，欧几里得回答说：“没有通几何学的皇家道路。”《几何学原理》由13本书组成，前六本以精美的方式介绍平面几何定理；第一本包括重要的毕达哥拉斯定理，它可说是以几何解 释自然的基本原理。接下来的三本是关于数字理论及欧几里得有关全数及质数的讨论，第十本是有关欧都斯讨论过的无理数，最后三本则讨论固体几何。 在西方文化的发展中，欧几里得的几何在物理世界的重要性，可说是非常特别、难以估计的。欧几里得几何只有在非常大的量及距离下，才会感到误差，它是一种普通感觉世界的数学，而其限制也是近两个世纪以来才明显。爱因斯坦就是把欧几里得概念作为开始，探讨众所周知的相对论的。 1.2阿基米德与科学的兴起
阿基米德（公元前287－公元前212）生长于西西里 岛的西那库斯城市，这是个位于爱奥尼亚海滨的城市， 他在这里度过大半辈子。直到今日仍可在那里见到城墙、 防御工事、沟渠等古代都市遗迹。阿基米德的父亲菲狄 亚斯是一位天文学家，阿基米德是当时国王亥厄洛二世 的朋友，他们之间很可能有亲属关系。阿基米德曾经游 历埃及，并求学于当时希腊的文化及学术中心——亚历 山大城。 阿基米德的成就包含他的数学研究论文及特殊发明。部分有关阿基米德在力学方面的书籍已遗失了，但是有关几何的数学推理过程却全都记载留存下来。《平面的平衡》一书中详细记载阿基米德对于杠杆原理的证明，以及对物体重心的研究。在《球体与圆柱》一书中，阿基米德发现球体表面积及球体体积的计算方式。同时阿基米德对于数学的研究也已接近到微积分理论，这些研究工作后来成为17世纪时牛顿及莱布尼兹等人研究工作的基础。在《数砂器》一书中，阿基米德几乎完成对数理论的研究，同时他也用科学记数法记录天文数字，在此书中阿基米德估算约用1063个沙子可以填满宇宙！ 阿基米德之《浮体》一书记载他最著名的有关浮力的阿基米德定律，此定律叙述当一物体浸入水中时，此物体所受之浮力等于物体排开水的重量。石头比水重，所以当石头浸入水中后，虽然受到浮力，但仍然下沉，但大艘船浸在水面下的船身排开水的重量等于整艘大船的重量，所以船会浮在水上。阿基米德叙述了浮力的原理，同时也是后来流体静力学的基础。 另外一个是有关阿基米德定律，但是典故无法考证的逸事，就是亥厄洛国王花圈（一般数据均误载为王冠）的故事，一个并非完全纯金的花圈，其中成分含有部分的银。亥厄洛国王希望在不破坏这花圈的情况下查证花圈的成分，因为这是亵渎神圣的行为。阿基米德完成 了这项检验工作。在阿基米德死后200多年，罗马建筑师马克斯记载如下：当阿基米德坐在公共澡堂浴盆内洗澡时，注意到浴盆内水位上升的幅度等于他身体浸在水下的体积，因此他找到了解答。阿基米德马上从浴盆中跳出，裸身冲回家中并高兴的得大喊大叫。据说从此以后，阿基米德的妻子不许他在公共澡堂洗澡。阿基米德因此发现了一种可以轻易算出任何不规则形状物体体积的方法。他将国王的花圈浸在水中并计算水面上升幅度，再将一块等重的纯金浸在水中，同样计算水面上升幅度，发现二者上升幅度不一样，因此清楚判定花圈的成分不是纯金。 阿基米德有一些实用的发明，最有名的就是阿基米德螺旋，一种长而长得像螺旋的管子，可以将地下或河流中的水汲取到岸上。另外，他发明一种球体，构造像太阳系的星球，是一种天体运转的模型，运用水力来驱动，构造十分精密。还有一项发明是利用折亮度以量测太阳直径的装置。蒲鲁塔克描述阿基米德为专注于数学而忽略健康的人：“阿基米德常在火灰上描绘几何图形，或者用油在自己身上画图，完全是一种全神贯注的状态，他爱科学，即从科学上得到的愉悦如同信奉宗教之一般。” 阿基米德于公元前212年被罗马士兵所杀。根据历史记载，阿基米德当时正在协助防御城池，他发明一种弹道装置可以将石头抛向远方并击毁敌船，又发明一种装置可将敌军小船从水面上举起。另有一个叙述阿基米德发明一种大镜子可将阳光聚焦以烧毁敌船则是属于误传，但是罗马军队确实被阿基米德的发明所击退，最后只好采取长期围城的战术。虽然罗马大将马赛罗斯希望不要杀死阿基米德，但是阿基米德仍然被其攻入城的士兵杀害了，马赛罗斯因此几乎生气的发狂。 在阿基米德著名的数学几何证明中，其中一项是有关圆锥、球体及圆柱之间的关系，他证明了如果上述三项均具有相同的半径，且其高度等于直径的情况下，圆锥、球体及圆柱的体积比为1:2:3；另外，球体的表面积等于圆柱表面积的三分之二。这个结果使阿基米德非常着迷，所以在阿基米德的墓碑上就刻画这个结果。约一个世纪之后，西西里的管理者西赛罗在一堆杂草矮树丛中找到了阿基米德的墓地，西赛罗写到“我注意到一个圆柱立在矮树丛中，在他的上面有球体及圆锥的图形。” 阿基米德并非第一个发现杠杆原理的人，但他却是第一个将杠杆及滑轮组合在一起的人。阿基米德说过一句著名的话：“给我一个支点，我可以将地球举起。” 2.公元后至黑暗时代的科技发展 中世纪（公元476－公元1453年），随着罗马帝国的衰落，西欧进入黑暗时代。这个名 称算是颇为贴切，因为大部分的罗马文明在这段期间受到破坏，并且被所谓蛮族文化所取代，造成随后的10个世纪变成昏昏沉沉的时期。这个时期的欧洲没有一个强有力的统治政权，封建割据带来频繁的战争，造成科技和生产力发展停滞，人民生活在毫无希望的痛苦中。这个名称的使用，也是因为从这个时代开始，只有少数的历史文献流传下来，让人们仅能借由微光一窥当时发生的种种事件。西罗马帝国崩溃后，北方蛮族入主欧洲大陆，文化发展为之中断，少数的学术思想仅在教会中流传，一般人民生活在庄园制度下，形同农奴，终日但求温饱。整个社会呈现封闭保守的状态，科学和艺术停滞不前。有人统计，黑暗时代欧洲只出版了1000本书。在这么长时间内，西方文明的进展非常少，只有在医学方面有比较突出的研究成果，这是因为医学是属于实用的科学，统治者一般不会去干预。这时候最为著名的医学发展，有二世纪的罗马医学家盖仑（Galen）在解剖、生理、胚胎、病理、医疗、药物等领域均有新发现，著述也很多；十世纪的阿拉伯阿维森纳（Avicenna）发表《医典》一书，对以后六个世纪影响很深。 3.文艺复兴时代的科技发展 文艺复兴是十四至十六世纪在欧洲兴起的思想文化运动，同时带来科学与艺术的革命，揭开了现代欧洲历史的序幕，被认为是中古时代和近代的分界。现在普遍认为文艺复兴发端于十四世纪的意大利，文艺复兴一词就源于意大利语Rinascimento，意为再生或复兴，以后扩展到西欧各国，十六世纪达到鼎盛。当时，以地球为宇宙中心的观念，是源自于二世纪杰出的希腊天文学家托勒密（Ptolemy）的数学系统。托勒密的系统深具说服力，且持续了数百年之久，他的系统被用来解释自由落体以及星和云的移动。在神学上，托勒密系统则是用来阐述人类在宇宙中地位的中心理论。 然而到了十六世纪，人类探索世界的发现之旅为多元的世界带来更多的证据，而罗马教会的权威日渐微弱，使得托勒密系统出现裂隙，1543年哥白尼的身故后之作《天体的革命》，终于使托勒密系统崩溃。哥白尼写道：“地球带着月球循着周年的大轨道在群星之间绕着太阳旋转。”虽然这不完整的事实维持了将近100年，但是哥白尼的革命已然开始，再加上伽
利略及克卜勒等人的努力，带动现代天文学的发展； 牛顿的运动理论亦是根基于他们的基础之上。这些伟 大科学家的生平简介见下文。 3.1哥白尼与太阳为中心的宇宙 尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus）1473年 出生在波兰王国托兰的一个富有家庭，父亲尼可拉是商人，母亲芭芭拉来自于富裕的家庭。哥白尼10岁时，父亲就过世了，从此哥白尼便交由舅舅抚养。 他的舅舅是一个有学识的牧师，在1479年成为尔姆兰的主教。哥白尼接受了严谨的教育，1491年就读于克雷坷大学，此校是当时自然哲学的学术重镇。1496年哥白尼转学到波隆纳大学继续学习希腊文、数学、哲学和天文学。在那个时期，哥白尼曾经受到天文学教授多门尼可罗维拉的影响，罗维拉教授是早期托勒密系统的批评者，1497年哥白尼曾和他一起目击月食。 很少人知道哥白尼思想的起源和发展过程，而他也不急着发表。他早在1514年就开始传布他宇宙观的摘要手稿，他伟大的研究则在1530年完成。哥白尼强烈且持续地反驳托勒密有关地球不动的理论，他以自然为本，偏见的谐调为由，批判托勒密认为地球是宇宙中心的学说。例如哥白尼指出星星并非总是与地球等距，若以圆形轨道来解释这个现象，不但不合理，还会引起更多繁琐且混乱的问题。哥白尼的著作《天体的革命》流入欧洲有学之士的手中，早期读者对此书的数学部分不甚满意，但却更加深了他们对托勒密天文学说的不完整的不满。教会并未反对此书，因为当时适值宗教改革，教会有更重要的事要处理。直到1616年，因为伽利略的成功，哥白尼的《天体的革命》遭禁。 哥白尼的生平鲜为人知。他的朋友雷堤可斯虽保留有哥白尼大部分的信件，但其中的传记部分却已遗失。据说哥白尼在死前的病床上才收到《天体的革命》一书。由于罹患中风，无法亲自订正，不过至少在死前能握着自己的著作。哥白尼在1543年5月24日逝世。 3.2伽利略与新的科学观
伽利略·伽利略（Galileo Galilei，名字与姓氏重 复是塔斯卡尼地区的风俗习惯）1564年2月15日 出生于意大利的比萨。他的父亲文森兹欧·伽利略是 一位音乐家也是贸易商，母亲是葛拉安曼·纳提，家 境并不富裕。在他还是孩童时，举家迁移至佛罗伦 萨，并进入耶稣修道学院就读。当他15岁成为见 习修士时，父亲则强迫他退学。1581年进入比萨大 学，原本计划攻读药学，但伽利略并不喜欢该门学 科，而获得了喜好争论的名声。很快的他便转移兴 趣至数学，并在1585年未获得学位前离开了大学， 回到佛罗伦萨教书。1592年他父亲死后，搬往博德继续教书以及研发军用罗盘等其他事物。 1609年伽利略发明望远镜，将他带入生涯中更新更重要的阶段。他重新制作自己的望远镜，使其可看见比肉眼所见还要近1000倍的物体，并用来观察月球。依照旧的宇宙科学，天体的外形应该是完美无瑕的，但是伽利略却发现这颗地球的卫星有许多麻点。他看见了山峰及河谷，还有他所谓的海，也发现银河似乎是由许多星星所组成的。这与原来托勒密天文学的夜空迥然不同。 这些发现于1610年的《星夜先知》发表后造成了轰动。历史学家罗芬兹将这本小册子喻为“大概是至今通俗科学中最经典的，也是宣扬哥白尼系统中最精湛的杰作。”各地的学者纷纷购买与阅读，五年后甚至有传教士将其翻译成中文版。伽利略的发现中最有趣也最引人注目的就是四个似乎在绕着木星旋转的物体，并一夜又一夜地变换他们的位置。对他而言这些就是卫星以及一个类似哥白尼结构的缩影。 《星夜先知》的成功，将伽利略推向更进一步的发现，同样的也将他卷入与天主教教廷的冲突中。他成为名人后，受到教宗的接见，并获得鼓励与支持。之后又获得曾经受教于他数学与哲学的学生塔斯卡尼公爵寇莫斯二世的资助。1612年伽利略的漂浮物体论创立了流体静力学，并于次年发表一系列讨论他观察太阳黑子的文章，公开地承认哥白尼的学说，并且为惯性原理做初步的公式化。此时的伽利略已激怒了教廷人士。 1616年当他访问罗马时，教廷发布反对他的正式教令，警告伽利略不可以教授哥白尼太阳中心说的观念。伽利略并没有被判定为异端邪说，并为这个处境做出特有的乐观评价。评论家将此事记载为众多纷争的源头。 1623年伽利略发表了一篇讨论彗星性质的《分析者》，并将其献给早期曾经支持他的新教宗厄班八世。伽利略希望教宗能解除1616年的禁令，但他的资助者寇莫斯二世却又在此时过世了，使得伽利略处境更加的困难了。1632年伽利略发表《两大世界观的对话》。由这项科学杰作不难看出，伽利略强烈的想要与其父亲的著作《古典与新潮音乐的对话》看齐，这种心理因素也让他忽略思考他真正的工作重心。1633年三月《两大世界观的对话》发表后获得了相当大的成功。但六个月后却被教廷裁判长介入干预，《两大世界观的对话》被取缔，稍后伽利略再被传唤到罗马并被监禁。他曾对教宗以及审问他的裁判长提出许多讨论的理由作为申辩，但最后还是宣判他不服从1616年的教令。1637年完成了他最后的科学发现“月球的摇晃”。虽然《两大世界观的对话》被查禁，但却很快地就传遍了整个欧洲的新教徒。伽利略晚年因白内障而失明，于1642年1月9日去世。 伽利略死后三个半世纪，1992年教宗约翰保罗二世愿意承认教廷在“哥白尼法规”的错 误，这代表伽利略曾遭受过天主教教廷不合理的对待，但似乎只是为了公共关系。为此《纽约时报》给予了一个讽刺的标题：“350年后梵蒂冈才表明伽利略是正确的：他们终于行动了”。1989年10月以伽利略命名的太空探测器由美国亚特兰大号航天飞机运载送入385年前伽利略发现有四颗卫星的木星。 3.3克卜勒与行星运动定律 乔汉尼斯·克卜勒（Johannes Kepler）1571年12月
27日生于德国威尔。他的父亲是一个行为异常的军人， 克卜勒从小体弱多病，成年时又有忧郁症的倾向。他于 土宾恩上大学，成为梅斯特林的学生，是哥白尼的崇拜 者。 克卜勒于1597年公开出版了他《神秘的宇宙结构》 的理论，支持哥白尼的宇宙太阳中心论。为了躲避路德 教派反教改势力的迫害，克卜勒于1600年从葛瑞兹逃到 了布拉格。对克卜勒而言，在那里是一个短暂但重要的 时期，他担任了伟大的天文学家第谷·布拉赫的助手。在 布拉赫死后的次年，克卜勒继承了他庞大的观测资料，包括不少有关火星的资料。克卜勒利用这些数据，以及传承布拉赫注重精确的态度，在接下来的八年有了些重要的发现。 克卜勒和传统天文学思想的差异，是以力学的观念提出可以解释行星运动的法则。这是天文学史中自哥白尼以来所没有的概念，而且相当精准地预测行星的运行。克卜勒认知火星的轨道都无法套入托勒密或哥白尼的架构，他最后舍弃这两种长期被获得支持的构想：古老的概念认为行星轨道是圆形。同时，他放弃行星以等速运动的假设。他的数据告诉他所有的行星在靠近太阳的地方运行的速度较快，反之速度较慢。经过不断的实验和错误，克卜勒发现行星运动的法则：连接太阳到行星的向量半径，在相等时间内扫过相等的面积。这就是人们所熟知的克卜勒第二定律。 在哥白尼架构下的第二定律被发现后，接着行星运行轨道的真实形状尚待确立。在相当多的研究后，克卜勒领悟到椭圆形的用处，一个古代时就已知道的形状。它符合精密弧形的预测，遂成为克卜勒第一定律：行星轨道为椭圆形，而太阳正位于其中之一的焦点上。克卜勒将第一、第二定律写在他1609年出版的《天文学新星》内。和伽利略一样，他没有发现有关宇宙重力的定律，但他已经很接近了。他先猜测行星间的作用力与质量成正比，但他认 为那是磁力的作用。然而《天文学新星》最重要的是开启了对天文学的目标和方法基础性的再教育。克卜勒定律的发现和被了解使得天文几何学已附属于新兴的天文物理学的一部分，可由定律所运算、发现与理解。 1619年，当《世界的和音》出版时，克卜勒认为这是他的杰作。这本书充满了图解和音乐的例子，每个行星有它自己发声的范围。这本书包括了一项基本的科学发现：克卜勒第三定律，说明行星运动，行星绕行太阳的周期的平方和行星与太阳的平均距离的立方成正比，以后便能以行星周期计算行星与太阳的距离。除了天文学方面的理论，他发表有关两项光学的重要的论文。《天文缩影》是1619到1621年间出版的，但很快被教会列入禁书的黑名单。1627年他出版以布拉赫的数据为基础的已知星球的表格，名为《罗多菲表》。该表之后被使用了一个世纪。 所有的证据显示，克卜勒的晚年生活在反教改的欧洲并不容易。他的妻子与儿子相继于1611年去世。1612年，他的赞助人鲁道国王夫因遭叛变被迫下台，所以克卜勒失去了他主任天文学家的职位。不久，克卜勒到了林兹，1625年又到乌尔蒙，只为逃避宗教迫害。1627年他回到布拉格，被沙根公爵赏识并聘为占星家。这样的工作有可能使他遭到怀疑，所以他最后离开了去寻找其他的工作。克卜勒于1630年11月15日死于巴伐利亚。 3.4牛顿与运动定律
艾萨克·牛顿（Isaac Newton）是西方科学历史中最 有影响力的人物。在其一生中一直被认为是位具有高 智慧的英雄，300多年来在科学界一直是美誉永垂，未 曾逊色。牛顿并不是科学革命的开创者，然而他的贡 献是提供具体可行的模式，并注入基本的知识给现代 人了解物理科学。凭牛顿所发现的三个运动定律和地 心引力定律，对地球上以及宇宙的天体所发生的所有 物理现象，都可以得到有规则的预测，并通过科技的 运用，得以合理的修改与延伸。直到20世纪科学家开始研究最小单位的原子性能，而提出量子力学时，牛顿定律的广泛性才受质疑。 1642年12月25日牛顿出生于英国林肯乡的一个小房子，父亲在他出生时就已去世，三岁时他的母亲将他交给祖母照顾，而自己离家再嫁给一位牧师史密斯。 孩提时的牛顿充满好奇心，并展现数学与机械能力。1661年进入剑桥的三一学院。这 所大学的课程偏重于亚里士多德派的哲学，因此两年后牛顿就对尼可马克式的伦理失去兴趣。他就以自己的喜好，阅读培根、笛卡儿及早期科学家的一些著作，因此孕育了他对数学及天文现象的热忱。有一次在他的笔记簿上记着：“Amicus plato amicus aristoteles magis amicu veritus”，意思是他虽然喜欢柏拉图和亚里士多德这些人，但是他最好的朋友却是真理。 1664年他被选为三一学院的学者，使他在获得学士学位后一年就可以自由从事自己喜欢的研究工作。但是当年的大瘟疫阻止了他的机会，该大学于1665年关闭，他不得不回家和他再度成为寡妇的母亲同住了两年。后来他回忆说：“那是我发挥我的发明潜力，启蒙我的数学与哲学造诣最重要的时期。”他就在当年根据笛卡特的几何学发明一套基础微积分，是数学中用以计算运动变化率的工具。在亚里士多德派物理衰退以来100多年中，牛顿的流量理论是第一次成为解决流量问题不可或缺的方法。也在那一段时间中，牛顿孕育了万有地心引力的构想的一部分重要架构。他虽然小心翼翼地整理他的写作，但也不停地修改他的资料，因此多年来都未发表其发现。 1667年牛顿回到三一学院被选为剑桥大学的院士。1669年，他的天才被肯定，而任职数学教授。他制造首座反射望远镜，轰动当时社会，并于1672年被推选入皇家社团。但是当他向皇家社团提出“光线与颜色的新理论”时，却被闻名的虎克攻击，牛顿受此伤害后独自隐居继续他的研究工作。1684年，伟大的天文及数学家哈雷拜访牛顿，讨论行星运动的问题。例如虎克曾提倡行星运动能以平方倒数定律解释，但未说明理由。而牛顿其实在早几年前就以的微积分学算出行星是沿着椭圆形轨道运动。1684年再论及此问题时，他出版了《De motus Corporum》，数年后完成了更复杂的著作Philosophiae Natural is Principia Mathematica。在此著作中，牛顿依据更多的观察建立了三个运动定律及宇宙引力定律，分别是惯性定律，运动体除非受外力影响，保持其等速；静止体也保持静止，除非受到外力。加速定律，力量等于质量乘以加速度。反作用力定律，作用力等于反作用力，或每一个力都会引发其反作用力。牛顿最得意的著作《原理》（Principia）于1687年由哈雷出版，代表牛顿科学成就的最高峰，也是他科学改革的最终点。 如达尔文所述：“牛顿揭发了自然现象的发生与结果，而且完全解开了自然界的潜在的定律。”最值得可贵的是牛顿死后由亚历山大铭刻在教宗曼诺（Woolsthorpe Manor）房间上的题字：“自然与自然法规全归于他的光，上帝说，让牛顿一身是光。” 4.工业革命时期的科技发展
瓦特（James Watt）发明蒸汽机后，造就了工业革命。 这是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工 厂手工生产的一场生产与科技革命。一般认为，蒸汽机、 焦炭、铁和钢是促成工业革命技术加速发展的四项主要 因素。此时期西方科技快速进步，也使得欧洲国家侵略 及殖民其他国家。1628年，英国哈维（William Harvery） 发表“心血运动论”，发现血液循环。1665年，英国虎克 （Robert Hooke）制成显微镜，观察到植物细胞，首次提 出细胞的概念。1771年，英国普利斯特利（Joseph Priestley）首次观察到老鼠在有绿色植物的密闭钟罩内可延长生命，发现植物呼出氧气的现象。1863年，英国赫胥黎（Thomas Huxley）发表《人类在自然界的位置》一书，明确论证了人是猿猴进化而来的观点。1864年，法国巴斯德（Louis Pasteur）确立消毒灭菌方法；1881年，他采用病原菌毒素的接种法，防治一些疾病，开创了医学上的免疫学。此时期代表性的重要科学家有瓦特，提出进化论的达尔文，及研究遗传学的孟德尔，生平略叙于后。 4.1瓦特与蒸汽机 瓦特（James Watt）1736年1月19日生于苏格兰西部格里诺克一个工人家庭，从小饱受贫穷和疾病的折磨，十几岁即到伦敦当学徒，学习机械制造。1756年，瓦特回到苏格兰的格拉斯哥，在格拉斯哥大学谋得了一个机修工的职位。在大学里，他认识了著名的物理学家布莱克，从他那里学到了许多热学知识。同时，他在思考如何改进纽可门（Newcomen）蒸汽机。 1763年，他受命修理格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机，得以仔细研究纽可门机的结构。他发现纽可门机的热量浪费太大，每一次蒸汽进入汽缸后，为了得到真空都要用冷水冷却，下一次蒸汽先得将已经冷却的汽缸加热才能推动汽缸，使汽缸充满高温蒸汽。在这一冷一热的过程中，热量损失太大。虽然煤矿里有大量质量较低的煤可供纽可门机用，但是其他场合根本不可能使用这么消耗燃料的动力机。但是如何改变这一缺点呢？ 1765年，瓦特终于想出了在汽缸之后再加一个冷凝器的主意。瓦特自述说：“那是一个晴朗的星期天下午，我出去散步。从察罗托街尽头的城门来到了草原，走过旧洗衣店。那时我正在继续考虑蒸汽机的事情。然后来到了牧人的茅舍，这时我突然想到因为蒸汽是具有弹性的物质，所以能够冲进真空中，如果把汽缸和排气的容器连接的话，那么蒸汽猛然冲入容 器里，就可以在不使汽缸冷却的情况，使蒸汽在容器中凝结了吧！当这些在我的脑里考虑成熟的时候，我还没有走到高尔夫球场。” 冷凝器与汽缸之间用一个可调节阀门相连，高温蒸汽注入汽缸时阀门关上，做功后打开阀门，蒸汽则马上被引入冷凝器冷却，此冷凝器已事先用一台抽气机抽成真空，之后在冷凝器和汽缸内均形成真空。活塞在大气压力下作功，然后关上阀门，重新将冷凝器抽成真空，重复前一过程。瓦特于1769年造出了第一台原型机，并获得发明冷凝器的专利。在汽缸外加冷凝器后，蒸汽机的效率加倍地提高。但瓦特并不满足于此，他继续改进自己的蒸汽机。1781年，他改变了蒸汽机只能直线做功的状态，用一个齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴的旋转运动。1782年，他进一步设计出了双向汽缸，使蒸汽轮流从活塞的两端进入，使热效率又增加了一倍。经过进一步改进后的瓦特蒸汽机，成了效率显著、可用于一切动力机械的万能“原动机”。蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。 到1790年，瓦特机几乎全部取代了老式的纽可门机，瓦特因而受到尊崇。瓦特机的广泛利用使工业革命进入新的高潮，古老的人力、畜力和水力被蒸汽动力所代替，工厂不必再建在水流湍急的地方。纺织业、采矿业和冶金业在瓦特机的带动下迅速发展，而为了制造瓦特机又使机械制造业繁荣起来。瓦特后来又发明了离心调节器，它使输入的蒸汽不致太多或太少。蒸汽驱使一个调节杆转动，转得越快，调节杆上的两个金属球就相互飞离得越远，它使蒸汽出口变小，蒸汽输出减少后，调节杆转动就慢了，两个金属球就离得近了，它又使蒸汽出口变大。 1800年，瓦特被选入皇家学会，格拉斯哥大学授予他名誉博士学位。瓦特于1819年8月25日在伯明翰逝世。 4.2达尔文与进化论 查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin）出生
于1809年2月12日，是医生罗伯特·瓦瑞·达尔文与苏珊 娜·魏得渥的第五个孩子，也是他们的第二个儿子。达尔 文八岁时，母亲死于胃肠方面的疾病。他的姐姐们禁止 他谈论有关母亲的事情，因此他只记得部分关于母亲的 片段。后来他进入由山缪巴德勒主持的斯鲁巴瑞学校就 读，这是一所极负盛名的私立学校，但达尔文并不喜欢 这所学校注重古典主义的课程，且他在学习语言方面也 并不积极，却在课余培养了博物学及搜集植物的兴趣。 当达尔文忆起他的父亲，这位什罗普郡首席的医生时，他是相当敬佩的，即使有人说他像个专横却又仁慈的暴君。达尔文在1825年进入爱丁堡大学学医，一如他的父亲，之后他加入普林尼博物学会并受到著名医生及动物学家罗伯特·格兰特的影响。他一点都不喜欢医学功课，尤其是解剖学，但他后来后悔当初没学好如何解剖。他最不喜欢的就是观察手术的进行，因为那个时候没有麻醉药，这件事使他对人类痛苦的感受更加明显。 达尔文在选择执业时的矛盾情感，却在科学史上造成一个不寻常且重要的结果。当达尔文的父亲得知他将暂停医科的学业时，建议他去当牧师，达尔文也听从建议，在1827年进入剑桥大学的基督学院就读。他后来说，在那里是浪费时间，不过，他跟着植物学家约翰·斯蒂芬·韩斯洛求学，收集甲虫类昆虫，在1831年毕业。没多久，他得到了一份到世界各地旅行的工作。猎犬号（Beagle）的年轻船长罗伯特·费兹罗伊征求一位年轻、具有良好教养并能承受寂寞与沉闷旅程的同伴。这趟旅行的目的是测量智利和秘鲁的海岸，以及探访南太平洋诸岛与西印度群岛。达尔文的老师韩斯洛推荐他，并说他有绝对的资格去收集、观察及纪录。达尔文在得到父亲的同意后便在1831年的12月27日登上猎犬号出发，并将在五年后返回。达尔文这次与猎犬号的旅行在科学文献上占有一个特殊的地位。 最初他的兴趣在地质学上，而影响他最深的是旅途中所读的书——查尔斯·莱尔的《地质学原则》。达尔文也收集动物与植物，并保持做纪录的习惯，他注意到加拉巴哥群岛上的鸟类及龟和邻近岛屿的有微小的差异。他之后写到：“我觉得我该感谢这趟远行，他是我的心灵第一次真正的训练。他让我注意到植物学的一些分支，并增进我的观察力，即使我已有不错的能力。” 猎犬号在1836年10月2日返回英格兰。1837年，在对旅程仍记忆犹新之时，达尔文开始由大量的纪录中描述出理论性的部分，1838当他读到马尔萨斯的学说时，开始有了他的天择说，也就是生物为了活命而留下有益生存的特色的想法。然而在当时他并没有发表他的理论，而是继续地累积更多资料。之后出版了三部有关他观察珊瑚礁、火山岛及其他地质现象的作品，这些作品更确立达尔文的专业声望。后来又陆续出版了《物种原始》、《适者生存》，及数本和天择论有关的书，其有1871年的《进化论》、1872年的《人类、动物的情感表达》，以及1880的《植物变动力量》。 达尔文死于1882年4月19日年，享年73岁，葬于西敏寺寺院。 4.3孟德尔与遗传定律 葛内格·孟德尔（Gregor Mendel）生于1822年7
月22日，出生时名为乔安（Johann）。他的父母亲是 来自西里西亚海任都夫的富农，该地原属奥匈帝国， 后成为捷克斯拉夫的一部分，现在捷克共和国境内。 他的才智被发现后，被送到车帕高校，之后就读于欧 慕兹大学。21岁时进入布诺的奥各斯汀尼修道院。 1844年至1848年间学习完神学、农业及植物学后， 他被安排神职，并取名为葛内格。1851至1853年孟 德尔在维也纳大学学数学和自然科学，回到修道院 后，自1854年开始，在一所学校任教达14年。 1856年孟德尔开始用菜豆做一连串的实验。在两年的期间内，他培植豆子以产生有七种特性的纯种，这些特性是选取看得见的性质，如大小、颜色、形状、及结构等，然后他交叉培植有不同特性的豆子，如高的和矮的、光滑的和皱的等等，期望一个混合的结果。但是，结果却显示出不同的特性能各自遗传，有些植物高高的，有的矮矮的，有些豆子光滑，有的皱的。独立分离定律成为三个孟德尔遗传定律中的第一个。孟德尔也发现个别的特性而非全部的性质在复制过程中传下去，七种特性中任何一对各自独立影响。这理论的许多方面在基因的结构建立后有些误差，但孟德尔幸运地使用了豆子，它的外在特性属于不同的分类，这成为孟德尔的第二定律——独立支配定律。孟德尔的第三定律——显性定律，述说在一对遗传特性中，一个多是显性，而另一个是隐性，这个定律是有一定比例的作用，但今日已知其可利用性范围很小。 1865年孟德尔把实验的结果送至布诺自然历史学会，并于次年出版，这篇论文没引起注意。1900年，即孟德尔死后16年，他的论文被荷兰德弗里斯（Hugo De Vries）、德国柯伦斯（Carl Correns）及奥地利丘歇马克（Erich Tscherm enegg）三位植物学家重新发现。创造基因名称的剑桥科学家贝替森（William Bateson）把孟德尔的定律引用到他的遗传研究方面，贝替森舍弃达尔文的逐渐形成品种的学说，而孟德尔的实验可用来解释他的突变设计。在20世纪30年代，新一代的基因科学家的研究，使有关孟德尔的贡献的困扰得以进一步理清。结果孟德尔的理论被认为解释了特性遗传的基本过程，现成为自然选择的一部分，并因染色体遗传的发现而更受到支持。孟德尔于1884年1月6日过世。 5.近现代的科技发展 因两次世界大战的军事科技需求，和近代计算机科技的辅助，现代科技的发展在20世纪以后日新月异、突飞猛进。奥地利兰斯坦纳（Karl La ndsteiner）发现人类的A型、B型、O型血型，建立了血液分类学的基础；英国萨顿（W alter Sutton）确立了孟德尔法则的细胞学基础；波兰居里夫人（Marie Curie）发现放射性物质；爱因斯坦（Albert Einstein）提出相对论促成后来核能科技的发展；威格纳（Alfred Lothar Wegener）提出地壳板块移动的理论，说明地质及生物的分布关联。在现代，科技的研究已经是群体的工作，大规模的人力及物力投入及分工精细，使得科技的发展更加快速。此时期的重要科学家叙述于后。 5.1玛丽·居里与放射性物质 玛丽·居里（Marie Curie）1867年11月7日生于华沙的玛亚，她的父亲是物理教师，母亲是公立学校校长，在玛丽10岁时死于肺结核。 玛丽·居里的教育过程可以说是一个用意志力克服各
种困难的故事。当时波兰不是独立国家而是俄罗斯帝国的 一个省，极力压制波兰文化。玛丽·居里在这种环境中成 长，在念高中时也受到压制，虽然她的学业成绩相当优秀， 但不允许接受更高的教育。1883年高中毕业后她参与了 一个具有反抗性的秘密的女性流动大学。1886年18岁时， 和她姐姐布琅妮取得协议，开始当女家庭教师并在巴黎完 成教育。1891年在巴黎大学修学位，1893以杰出成绩毕 业，是索邦大学第一位拿到物理学位的女性，一年后她又 取得数学的学位。虽然她最初的愿望是学成后回波兰，但 于1894年一次短暂的回乡后，她相信光有爱国心仍无法改变她的国家，决定留在法国。这时她遇到了比她大八岁的皮埃尔·居里（Pierre Curie），1895年他们结婚，举行一个非宗教性婚礼，蜜月旅行是骑脚踏车逛法国乡村。 1896年伦琴发现X射线及贝尔革勒对铀之奇特性质的探讨，戏剧性地影响了物理学发展的路径及玛丽·居里的一生。1897年她决定以贝尔革勒的放射线研究作为博士论文的题目。她计划测量铀的物性及各种不同含铀的矿物，一个在德国杰契斯札地区已开采一世纪的铀矿样本，经证实意外地比贝尔革勒的铀活性更强，居里发现钍元素也具放射性，更加深了它的神秘性。1898年4月居里首次提出她的研究报告，7月发表另一篇论文，居里夫妇报告新发 现的元素，他们建议称之为钋，较贝尔革勒的放射线由某些物质产生，显然具有深一层的意义，是一种广泛自然界现象之一，居里夫妇称之为放射性。 由于他们的研究，居里夫妇和贝尔革勒共同分享了1903年的诺贝尔奖，这也归功于皮埃尔积极替他太太游说，本来他单独被考虑得此奖。夫妇两人一夜之间成为名人。1906年，皮埃尔于巴黎一次意外事件中死亡。在一个下雨的午后，他被一只烈马踢倒在地，头被马车左后轮碾过，头颅当场破裂。遭此重击，玛丽还是接替皮埃尔在索邦大学的教职，成为该大学第一位女性教授。 在居里夫妇进行研究时，尚不知放射线的危险性，因此他们并未小心处理他们发现的新元素。皮埃尔曾把含有镭之溶液的试管放在口袋，接触部分受到灼伤，他注意到复原得很慢，玛丽把放射性物质放在床边，发着亮光，两人的症状即今日所知的辐射症。玛丽晚年受到健康问题的困扰，但她将之保密，她实验室的记事本，到今天仍具有高度的放射性。1934年7月4日玛丽·居里死于和放射线中毒有关的白血球症，葬于使西斯（Sceaux）坟场，和皮埃尔同一墓穴。 5.2爱因斯坦与相对论 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）生于1879
年3月14日德国的乌姆，是哈尔门·爱因斯坦及保琳 柯基之子，出生后第二年全家搬至慕尼黑。幼时的爱 因斯坦沉默寡言，被认为是不寻常而非天才，他不喜 欢德国的严厉教条，也不热衷拉丁文与希腊文。他从 数学开始进入科学领域，主要是受其工程师叔父杰考 柏·爱因斯坦的激发。12岁时爱因斯坦就自学几何学， 他少年时不寻常的梦想就是决心要揭发宇宙奥妙之 谜。 爱因斯坦的中学教育与他的初等教育一样不顺 利。1894年爱因斯坦一家因父亲要重振事业而迁至意大利米兰。一年后他第一次入学考试失败，17岁时进入瑞士科技学院。此时他相信物理学是比数学更适合他的研究领域，就开始研究荷曼、马克斯威尔及其他学者的著作。他并非理想的乖学生，在校期间感觉受压抑。后来他写到所谓现代教育方法毫无奇迹可言，完全无法启发一个人神圣的好奇心和追求欲望。1900年毕业。1902年爱因斯坦在瑞士专利公司当一名初级专利员，工作中他细审清理 各种申请专利的经验，激发他对太空及时间的想法。这段时间虽然与物理学界孤立，却也是他发觉物理界现代思想发展的一段重要时期。1905年于物理期刊Annalen der Physik，volunce XVII中发表三篇重要文章。 他的文才被埃米力·西格（Emilio Segre）大师喻为无法超越的火光，每一篇文章有不同的论题。在《布朗运动》一文中，爱因斯坦指出液体中锯齿形跳跃之分子可以测量及预测其分子动能，这种分子存在的说法困扰了20多年，但终于在实验数年后证实爱因斯坦的计算。在量子理论上，他的贡献是提出数年前就已发表的数学程序计算自然界过程，而解决数年来所争论的“黑体辐射性的问题”。他提出光是可以用普朗克常数（h）计算出来的一串能量分子来表达（photon一词后来被定为光子）。10年内的实验确定可见光及光子的存在，这篇论文使他获得1921年诺贝尔奖。这两篇文章都具革命性，但都没有第三篇令人震撼。第三篇文章《运动体的电动力学》包含有关爱因斯坦的相对论，是不朽的杰作。相对论具有物理机械性，但在某些方面，则与我们一般直觉的空间与时间概念相反，具体地说，光的速度在太空中运行可设定是一定值，即不受其他光源或测光器的影响或干扰，也就是说光速并不因观察者的速度而改变。如果这是确定的，则没有两个观察者以不同速度行动时可以获得事件发生的时间。光速是不变的常数时，则时间和空间是参考坐标。爱因斯坦提出相对论显而易见地具有革命性，这在当时不可思议地获得物理学家的认可。 另外，相对论成功的重要理由是1900年诞生量子理论学。相对论可以被使用于预测次原子的某些作用，而牛顿物理法则却无法做到。量子理论创始人之一的马克斯·普朗克（Max Planck）很快的认同相对论。爱因斯坦解释相对论中个体质量可由它测出所含的能量，他随后发表更详细解说，而提出有名的方程式，能量等于质量乘光速平方。 当他的文章被物理界认知后，爱因斯坦1909年离开瑞士专利公司，转入祖力克大学任教。l911年进入布拉格大学，1912年回到祖力克大学，1914年转任柏林大学，此后有更多时间致力于研究。 1933年爱因斯坦的书籍被德国纳粹烧掉，财产也被没收。爱因斯坦当时在美国任教，从此再未回过德国，后接受普林斯顿高等研究院的终生职位。他曾受希特勒主义的影响而放弃和平主义的信念，1939年他勉强参加签署一封信给罗斯福总统，建议发展原子弹，但他并未进一步参与原子弹研发工作。战后，爱因斯坦成为一位主张解除原子武器的抗议者。他并未被公认为美国爱国者，他反对国会审问20世纪50年代所谓的“非美国人运动”。1952年他拒绝受邀当以色列总统。 1955年4月11日，爱因斯坦签署一项和平主义者反原子能的宣言，由哲学家卢塞尔 （Bertrand Russell）送出传阅。数天后，他动脉瘤破裂，但拒绝手术，而说“当我要离去时我就去，以人工法延长的生命是无谓的。”1955年4月18日爱因斯坦平静地在新泽西普林斯顿去世。 5.3巴登与超导现象 约翰·巴登（John Bardeen）1908年5月23日出生于
威斯康星州的麦迪逊。他的父亲查尔斯罗塞尔·巴登，是 威斯康星大学医学院的解剖学教授，后来成为系主任。 他的母亲西巴哈玛巴哈，是老师兼艺术家。由于他父母 亲的鼓励，巴登在学校的表现极为优秀，10岁时便学会 了代数，并且越级好几次。他在1923年15岁时便进入 威斯康星大学就读，受保罗狄拉克的影响，对数学、物 理学感兴趣。1928年他拿到了工程学学位，更在1929 年获得硕士学位。1936年拿到了数学物理学的博士学 位。他的研究指导教授是维格那，是匈牙利著名的物理 学家之一，专攻固态物理学。巴登后来继续到哈佛大学的研究所研究，在取得博士学位后，任教于明尼苏达大学，并在第二次世界大战期间在美国海军军火实验室工作，在那时他利用他早期的工作经验去发展对抗鱼雷的对策。 巴登在1945年回到贝尔实验室做固态物理研究。1948年，巴登和布莱登使用锗结晶发明了能扩大音频信号的“点接触”装置。集成电路和硅芯片的发展，及它们对工业技术的重大影响都是根基于此。1956年巴登、夏克里和布莱登共同获得诺贝尔奖。 当荷兰物理学家欧尼斯于1911年发现在很低的温度下水银突然失去对电流的阻力，当时欧尼斯并不了解这是超导现象，此后40年都没有进步。巴登的同事赫林写道：透过约翰充满热情刻意追求努力解释超导电性的秘密。1951年巴登在伊利诺大学担任物理学和工程的教授，后因与夏克里有冲突而离开贝尔实验室。 BCS理论于1950年开始有进展，巴登研究以不同温度制造某些超导性元素的同位素，或者不同形式者。巴登与纽约的科学家寇柏（巴登称之为“从东方来的机械士”）和研究生休里夫继续研究早期已出版的不完全理论，1957年他们共同发表解释超导电性的一般理论。 BCS理论显示超导电性是受电子和振动总能量的声子影响，声子帮助破坏电子的运动并借此造成金属传导的阻力。在低温时，这些振动被减少，这影响电子间的相互关系，它们 形成反向的旋转和两个电子的动量被联合“成对”的移动，这即是物理学中著名的“寇柏对”（Cooper pairs）。当提供电流时，这些成对的电子透过超冷固体而运动，有相同的动量而没有阻力，也就是零电阻的形成原因。因为BCS理论，1972年巴登、寇柏和休里夫获得诺贝尔物理奖，巴登成为第一位在相同的领域得到两次诺贝尔奖的科学家。由于必须在低温状态下方能产生超导电性，故不具立即的适用性，但是发现高温超导的材料成为一个实用的目标。 约翰·巴登从1959年一直到他1975年退休为止，都在伊利诺大学高级研究所任教。巴登是一位沉默但和蔼可亲的人，他与马克斯·韦尔珍妮结婚，他有两个女儿和一个儿子，他儿子威廉后来成为基本粒子理论家。约翰巴登在1991年1月30日死于心脏衰竭。 5.4华生与脱氧核糖核酸的结构 詹姆士·华生（James Watson）1928年4月6日出生
于伊利诺伊州的芝加哥。1943年进入芝加哥大学主修动 物学，1947年获得学士学位。当他在高年级时，被薛丁 格1945年所著的《何谓生命？》一书深深打动，开始对 遗传学感兴趣。华生后来说：“我变得很想去发现基因的 秘密”。 1950年华生在印第安纳州获得博士学位，华生到哥 本哈根在国际研究会议做他的博士后研究。在1951年意 大利那普勒斯的一个会议，他参加维尔金斯（已经转向生物学的核子物理学家）以X光结晶学研究DNA的复杂分子结构的一场演讲，华生立刻对此感到兴奋。在维尔金斯的演讲之前，华生就已经开始担忧基因或许有可能是不规则的，现在知道基因可以被具体化的，所以它们必定有一定规则的结构，可用一个简单的方式来解释。这项研究的关键是当维尔金斯带着华生到卡文迪许实验室时，他遇见英国物理学家弗朗西斯·克里克，并且开始和他合作。当时已经有好几个小组在做DNA研究的工作，一是英国的维尔金斯和生物物理学家弗兰克林，他们已经拍下非常清晰的X射线干涉图；一是美国著名化学家鲍林。这二个小组实际上已经搞清楚了DNA的螺旋结构。华生和克里克抓紧时间研究已经获得的数据，于1951年底提出了第一个模型。这个模型是一个由三股链组成的螺旋结构，但后来发现由于少算了DNA的含水量而设想的三股链是不对的，第一个模型失败了。 1952年7月克里克从查哥夫处得知DNA所含四种碱基含量并不相等，提出了碱基配对的思想。1953年2月他们又得到维尔金斯和弗兰克林关于DNA结构的新照片和新数据。华 生决定建立一个二链成对的DNA双螺旋模型。1953年4月，他们终于将新的DNA结构模型在《自然》杂志上公之于世。这是一个成功的DNA分子结构模型，它由二条右旋但反向的链绕同一个轴盘而成，像一个螺旋形的梯子，生命的遗传密码就刻在梯子的横档上。DNA 双螺旋结构模型的提出是生物学史上划时代的事件，他宣告了分子生物学的诞生，生物学已经进入了分子水平。以此为开端，生物学各个领域均发生了巨大的变化。华生、克里克和维尔金斯因此获得1962年的诺贝尔医学与生理学奖。华生1965年第一次发表基因的分子生物学，接着在1983年发表微分子生物学。在20世纪60年代，华生的影响遍及分子生物学的领域。1968年他接受冷泉港实验室领导职位。在此后8年里，他供职于哈佛大学和实验室之间。1976年他离开哈佛大学，将所有时间投入到冷泉港实验室，在他的领导下，研究焦点着重于癌症的遗传学。1981年实验室的科学家们第一次分离出引起癌症的致癌基因，因此冷泉港实验室在生物化学和形成肿瘤的基因上的研究，如同其他研究主题一样，成为国家领导研究机构之一。华生从1988年10月开始致力于人类基因的研究，直到1992年4月辞职为止。 1968年华生和他的实验室助手，比他年轻20岁的伊丽莎白刘易斯结婚，他们有两个儿子，鲁法斯和杜坎。1993年庆祝发现DNA结构的第四十周年，华生带着130位同仁，包括法兰西斯·克里克在内，到长岛的冷泉港，回忆他第一次参观这间实验室时，“因为这里有一群极优秀的人们在这，使我得到完全的解放，他们的野心不是赚钱，而是想知道'什么是遗传基因？’” 参考文献： 1.曾少潜.世界著名科学家简介.上海：科学技术文献出版社,1981. 2.中国文化大学科技发展与人物编委会.科技发展与人物.中国文化大学出版部，2000. 3.陈宽仁译.自然科学发展史.广文出版社，1969. 4.程光裕.欧洲史.香港：友联出版社，1964. 5.林成滔.科学简史.北京：中国友谊出版公司，2004. （完） |
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