科学通史讲稿14:科学与工业革命【下周起换教室】

首先通知一下,我们之后还有两次课,这两次课将要换教室了,似乎是教八整个都被学校征用了,下周和下下周我们换到教九201上课

 

 

上次课我们提到,在18世纪,理论科学、实验科学和工业技术这三方面的发展还是相对独立的,理论科学并没有直接推动工业革命的发生,甚至理论与实验之间也是脱节的。

上次就有同学提出异议,找了一段《大国崛起》的视频和一篇学术论文给我看,大国崛起之类的纪录片第一它是中国人拍的,第二它没有请科技史方面的学者来参考,对科学与技术关系的理解还停留在较早的“常识”上面,我们应该有所甄别。至于那篇学术论文,仔细一看其实是支持我的说法的,大家有兴趣也可以自己去检索看看。

今天我们就要讲19世纪,到了这个世纪,理论、实验、工业才真正汇合到一起,互为基础,互相促进,人类正式进入一个科学爆炸的时代。

我们的通史课程本来就只求概览而不求面面俱到,讲19世纪科学更不可能面面俱到了,挨个列数各门科学中的新成就一方面时间不够,一方面也没有太大意思,所以我们准备从几个案例出发展示一下19世纪科学的一般特点。我们重点讲一下电磁学和进化论,电磁学标志着理论与实验的综合,也标志着科学与工业的结盟;而进化论则标志着科学与神学的决裂。

 

 

不过我们还是先来补充讲一讲工业革命,先讲一讲与理论科学汇合之前的技术传统。

如果说18世纪的技术革新还不是由理论科学推动的,那么它又是谁推动的呢?简单来说,主要就是社会需求。城市化和资本主义的兴起为工业革命奠定了基础,工业革命又反过来促进了城市化与资本主义,工业与资本之间进入正反馈的循环,最终一发而不可收。

 

 

 

 

15、16世纪,随着新航路的开辟和新大陆的发现,对外贸易的需求日益增长,在英国,羊毛织物就是一个重要的出口商品。对羊毛的需求导致对牧场的需求,于是就促进了所谓的“圈地运动”,贵族与资本家用各种手段圈占农民的土地,建立牧场驯养绵羊,导致大量农民失去土地,被迫背井离乡,这就是后来莫尔在《乌托邦》中痛斥的所谓“羊吃人”。

与此同时,英国的农业技术也有所革新,机械播种机的使用和四田轮作制等农业变革加强了农业生产。

最终的结果是农业人口日益减少,大量的失去土地的农民不得不变成“进城务工人员”,促进了城市人口的增加和工场手工业的发展,这也进一步促进了资本主义的发展。

 

 

 

随着城市人口的增长,人们的需求也日益增长了,其中有一个重要的需求越来越难以得到满足,那就是木材。英国的木材资源向来就不怎么丰富,在18世纪变得尤为紧缺。

那么什么事情需要木材呢?什么都需要。因为木材是当时最基本的燃料了,包括烤面包啊,酿酒啊,玻璃制造啊,各种商品的生产都需要它。

尽管当时人们早就知道利用煤矿了,但煤在大多数情境下是无法替代木炭的,因为煤燃烧时会产生大量有害的杂质,会对产品造成污染。比如我们说炭烧鸡排很好吃,但“煤烧鸡排”恐怕就不能吃了。

而在大多数产业里,当时还无法做到产品和燃烧物完全隔离的生产方式,包括炼铁工业。早期的炼铁工业普遍是把原料与燃料混合在一起加热的,这样才能达到足够的温度,因此用煤做燃料的话就会导致产出的钢铁杂质过多。

 

 

 

英国人率先在炼铁工业中用煤矿取代了木材,1709年达比(Abraham Darby)首创用焦炭代替木炭炼铁,焦炭炼铁的技术到18世纪30、40年代普及,于是从此对煤矿的需求大大增加了。

 

 

对煤矿的需求当然又促进了采矿技术的发展。在采煤工业中,一个很重要的工作是从矿井中排出地下水,这就需要使用抽水机。

早期的抽水机使用畜力驱动,到1698年,英国工程师萨弗里(Savery)发明了蒸汽泵,用蒸汽冷凝形成的真空抽水,再用蒸汽把水压出。萨弗里的蒸汽泵只是一个单纯的水泵,并没有把蒸汽转化为机械动力。

 

 

萨弗里蒸汽泵

 

 

1712年,纽可门发明第一台实用蒸汽机,他把汽缸和锅炉分开来,在汽缸中加入冷水喷射器,汽缸充满蒸汽后使之冷凝产生真空,让大气压做功,形成往复的机械运动。

钮可门蒸汽机真正把燃料转化为机械动力,但实际上主要还是被用于矿坑抽水。

 

File:Newcomen atmospheric engine animation.gif

 

 

 

 

18世纪中叶,随着对煤矿需求的增加,蒸汽机的改进也变得日益迫切。设法改良蒸汽机的不止瓦特(James Watt,1736-1819)一个人,比如斯米顿(John Smeaton)也在尝试改良,他的方法是不断调试,改变钮可门蒸汽机每一个部件的尺寸看看效果,最终他把钮可门蒸汽机的效率提高了一倍。但还是比不上瓦特的新设计。

瓦特是一个仪器修理员,我们上次提到18世纪形成一条仪器产业,这些实验仪器经常被使用总要损坏,于是就需要人去修理,瓦特就是一个专业的维修工。1764年,他应邀去一所大学修理那里的钮可门蒸汽机,他注意到钮可门蒸汽机效率低下的问题,到1765年,他灵机一动,想到了一种改进方式,1769年他就为他的发明申请到了专利。

瓦特蒸汽机的一个关键改进是把冷凝器独立出来,与汽缸相分离,这样就保证汽缸在运转过程中总是热的,而不是一下冷一下热,这就大大减少了能量损耗,增加了效率。

另外,他还把钮可门蒸汽机推动的往复运动转化轮轴的旋转,这就使得蒸汽机的应用领域大大扩展了,当然它最初还是在煤矿那里普及的。

瓦特蒸汽机的普及除了因为效率高之外,也得益于瓦特的营销手段,因为当时的矿场都用惯了钮可门蒸汽机,对于瓦特蒸汽机究竟有多好并没有明确的概念,而重新更换一台机器成本很高,怎么说服他们换机器呢?瓦特的办法是直接先把蒸汽机送给你用起来再说,然后按照新机器比原先使用钮可门蒸汽机节约下来的燃煤费用的一定百分比来收取租金。这样的话对矿场主而言更换机器完全没有风险也没有成本,对瓦特而言,长期收租金其实比直接卖机器更赚。这样一来,瓦特蒸汽机很快在英国普及,瓦特个人也是名利双收了。

 

Engine watt 瓦特蒸汽机原理

 

钮可门和瓦特的蒸汽机都是依靠大气做功,体积巨大,只适合于在固定的位置运转,或者驱动大型汽船,但难以驱动车辆。所以火车的出现还需要等1800年左右特里维西克(Richard Trevithick)发明小型高压蒸汽机。高压蒸汽机的体积大大缩小,但效率也不差,特里维西克最初设想他可以和瓦特竞争,给矿场主提供更好的选择。但他碰上的是营销大师瓦特,瓦特很快就营造舆论,说高压蒸汽机不安全,结果特里维西克的推销四处碰壁,没人敢买。

最后特里维西克只好另辟蹊径,在伦敦搞了个环形铁路,让一个蒸汽驱动的火车在里头跑,取名“谁能追上我”(Catch Me Who Can)。收费进场,进去以后可以坐几圈火车,也可以在下面追着火车跑。

在1814年蒸汽火车终于被实用化了,首先是被用于煤矿之内短途拉煤。到1830年,出现了第一条面向公众的铁路线(利物浦到曼彻斯特)。40年代开始铁路大流行,英国到处都在兴建铁路。

特里维西克门票上的宣传图

 

 

 

铁路工业本身又需要大量的钢铁,这反过来又推动了钢铁工业的发展。我们看到整个工业革命是一环扣一环,各方面的技术革新互相推动。

钢铁工业→需要煤→煤炭工业→需要抽水、运输→蒸汽机、铁路→需要钢铁→钢铁工业……

在纺织技术方面,纺纱技术与织布技术也是交替革新,互相推动,形成一种你追我赶的局面,这方面我就不多介绍了。

总之,工业革命是一系列自相激励的成果,农业、商业和工业互相刺激,各门技术之间互相刺激,一个日新月异的工业时代拉开帷幕。

 

 

理论、实验与技术的互相激励也开始渐入佳境了。我们说事实上在18世纪,理论科学与工业革命的发展是脱节的,互相之间并没有直接的影响,但这种说法非但现在的许多科普作家都不承认,当时的许多人也不承认。在18世纪,许多就相信科学研究能够推动技术发展从而推动社会进步,培根就说“知识就是力量”,这是当时的时代精神。

比如传说钮可门曾经接受过胡克的指导,瓦特受到布莱克潜热理论启发,这些说法是在18世纪就有人构建起来的,尽管缺乏依据,但人们宁愿相信这些。

下到民众,上到政府,都相信科学是能够实用的。例如在1800年左右,英国计划建造一座跨度约180米的单跨铸铁桥(398页)。议会就决定成立两个委员会,一方是数学家和自然科学家,另一方是有经验的建筑师,然后综合两方的意见来开展应用。结果几乎是个闹剧,一些理论家的提议成为笑柄。当时的剑桥大学卢卡斯教席米尔内感慨说:“也许[理论家们]看起来有学问,能够根据想象出来的假说进行冗长而复杂的计算,而且符号和数字也可能绝对正确,精确到了最小的小数,但是,大桥仍然不安全。”(400页)

但是虽然理论科学家这一次没派上用场,人们确实对理论科学寄予厚望,这种愿望本身就是一种激励机制,这种愿望让理论科学家更注重实验研究和实践活动;也让工匠的社会地位提高,让工匠传统自觉地走向理论化。

 

 

理论与实践相结合的愿望在19世纪成为现实,首先是实际经验的理论化,例如法国物理学家卡诺(Sadi Carnot)在1824发表《论火的原动力》,首次对蒸汽机的工作原理作科学分析。提出“卡诺循环”,这是可以描述一切热机的理论模型。

焦耳(James Prescott Joule,1818-1889)在1840年左右发现电流的热效应,他还以很高的精度测量了热功当量,也就是一定重量的物体下落一定高度做的功相当于让一定的物质升高一定温度。

19世纪40年代,多位科学家独立提出能量守恒定律(也就是热力学第一定律),现在一般把最早提出者认为是德国医生迈尔,但系统地表述这一原理的是1847年德国物理学家赫尔姆霍茨。

然后是德国物理学家克劳修斯19世纪50、60年代提出热力学第二定律。热力学作为一门理论科学成熟起来了,其发展与实验研究,特别是高精度的测量技术密不可分。

 

卡诺循环(等温吸热, 绝热膨胀,等温放热,绝热压缩。)

 

 

越来越精确的实验和观测开始为理论科学提供支持。

例如三百来年之前就被哥白尼允诺的恒星周年视差终于发现了,首先是1834年发现织女星的周年视差有0.25角秒,相当于在20公里外看一枚硬币。

天王星在18世纪末就被发现了,但它的运行与牛顿力学预计的轨道有误差。当然很少有科学家会认为这是因为牛顿力学本身不准确,而是更倾向于认为还有一颗行星在干扰它,1846年,法国天文学家勒维烈计算出了对天王星形成摄动的新行星的轨道,他找到柏林天文台的朋友帮忙验证,很快就在相应的天区发现了它,也就是海王星。(英国的亚当斯更早进行了相似的演算,但他的观测请求被英国的天文台拒绝了)

我们知道早期的实验更多都是演示性的,顶多是给理论科学锦上添花,理论预测到实验验证的关联并不很强。而到了19世纪,我们看到实验与理论的关系不再只是演示,而更多地是验证或预测了。

 

 

 

 

一方面是传统的理论科学走近实验,另一方面是实验传统不断地理论化。我们上次提到18世纪末的化学革命是一大标志,19世纪电磁学又是一个里程碑。

科学革命之后可以说形成了两条科学传统,理论科学和实验科学,或者也可以说是数理科学与培根科学。理论科学的传统主要是物理学和天文学之类,这些学科古已有之,但在科学革命时期被成功地数学化了。

另一条传统是科学革命之后新兴起的,库恩称之为“培根科学”,也就是弗朗西斯·培根所鼓吹的观察、归纳的研究方式。在18世纪,培根科学传统主要是通过观察和实验不断积累各种新奇现象,定性地记录并归纳其规律。

像摩擦起电、莱顿瓶、固定气体之类的各种新奇现象被不断发现和收集起来,但最初只满足于掌握观察和演示它们的方式,以及定性地描述和解释它们,而没有数学化。

拉瓦锡的化学革命是培根科学传统数学化的一大标志,但拉瓦锡化学的数学化还不够充分,到1808,英国学者道尔顿出版《化学哲学新体系》,系统提出了化学原子论,化学的理论体系就比较成熟了。因为原子论终于明确地阐明了化学反应中守恒的究竟是什么。我们说一个数学化(在现代意义上的数学)的理论体系一定要有守恒的概念,这样才能列出方程式。但光是质量守恒当然不够,化学原子论明确了反应前后分子结构变化,但每一种原子及其数量是守恒的。从此化学作为一门数理科学,就顺理成章了。

 

 

电学的理论化也是从18世纪末开始的,库仑就是当时的最高成就。但在库仑定律的提出方面,我们上次提到,实验扮演的角色还是相对有限的,而且当时的整个电学离一门系统的理论科学还很遥远。

电学和磁学在19世纪快速发展,实验与理论互相促进。

1820年,丹麦学者奥斯特(Hans Christian Oersted,1777-1851)在1820年发现电与磁的联系。他在一次上课后收拾演示仪器的时候,其中有电回路和指南针,他意外发现导线与磁针平行时,开关电流会影响磁针的指向(412页)。当然这不完全是一个意外发现,奥斯特一直都相信电与磁之间存在联系,也试过很多办法来找出这种联系,因此它看到磁针的扰动时立刻就意识到其意义。

File:Oersted experiment.png

 

 

听说奥斯特的发现后,法国学者安培(1775-1836)马上展开研究,明确了磁针转动方向和电流方向的关系,也就是右手定则或安培定则。他还提出了安培定律,来计算通电导线之间的相互作用力。设计了根据电的磁效应来测定电流大小的电流计。

另外德国学者欧姆(1789-1854)在1826年发表欧姆定律,也就是电流与电势差成正比,与电阻成反比。在此之前还没有电阻的概念,这一概念也是欧姆创立的。

这些发展都是源自培根科学传统,也就是通过反复尝试,对大量新奇现象进行记录、归纳。然而我们可以注意到对新奇现象的研究已经从定性走向定量,从简单的经验描述转向建立数学方程——最初的实验科学也是从经验观察里归纳出“规律”,比如说“用丝绸摩擦玻璃棒后能吸起纸屑”就是一条规律,19世纪的培根科学也在归纳规律,但现在的规律变成了诸如“I=U/R”这样的形式。

 

 

 

 

法拉第(1791-1867)是实验传统的一个巅峰。

法拉第出生于一个贫穷的铁匠家庭,13岁就辍学当了童工,他给一位书商打工,帮他装订书籍。他勤奋好学,在装订书籍过程中阅读了许多东西,包括大英百科全书中的关于电的文章,以及《化学对话》等科普书,对他影响很大。他的雇主对他也不错,鼓励他做了一些简单的化学实验,还经常爱好科学的青年朋友们互相交流。

1812年,他雇主开的书店里的一个老客户送给法拉第一张讲座的门票,可以去听著名化学家戴维(Humphry Davy)在王家研究院的系列讲座。上次我们提到18世纪这样的面向公众的以演示实验为主的讲座很流行,法拉第也是这一传统的受益者。

法拉第深深着迷于戴维的讲座,做了详尽的笔记,然后发动他的本行,把笔记整理翻印,配上插图,装订成册,寄给了戴维,表示想跟随他工作。戴维看到装订精美的笔记表示很感动,就招了法拉第到手下打工,一开始就是刷刷瓶子之类的,第二年开始成为正式的助手,戴维带着他去欧洲大陆游历,拜访了许多科学家。

从此法拉第卓越的实验才能显露出来,用一个词来说就是“心灵手巧”,做起实验来又快又准,而且富有创造力。

由于在电磁学方面的贡献太大了,以至于我们现在经常会忽略法拉第在其它方面的贡献,特别是化学方面,法拉第也有很多开拓,诸如有机化学和电化学等领域都有祖师爷级别的地位。

 

File:M Faraday Th Phillips oil 1842.jpg

 

 

我们知道1820年奥斯特发现电的磁效应,同年安培推进了研究,而到1821年年底,法拉第就在此基础上作出了一个新的设计,那就是“电磁旋转”的装置(如图):在一根静止的磁铁周围让一根通电的电线旋转起来,同时在一根静止的电线周围让一块磁铁旋转起来,这实质上也就是第一台电动机了(把电能转换为机械能)。

这个发明让法拉第获得了巨大的名声,但也让他和戴维的关系趋于紧张。因为关于电磁旋转的问题戴维曾经与他的好友沃拉斯顿一起讨论过,当时法拉第也在场,戴维认为法拉第剽窃了沃拉斯顿。事实上这一设计的确是法拉第自己想出来的,他也公开感谢了沃拉斯顿的贡献,但他没有和沃拉斯顿或戴维商量就急着发表论文,的确做得不够地道。

从此法拉第逐渐羽翼丰满,但和戴维关系变差,他在1824年当选王家学会成员,只有当时的主席戴维表示反对,之后戴维还利用职权为法拉第设置了一些麻烦,直到1829戴维去世,法拉第才彻底放开手脚。

 

File:Faraday magnetic rotation.jpg电磁旋转

 

 

早在1822年的笔记中,法拉第就表达了磁生电的想法,直到1831年,法拉第回到这一课题,发现并阐明了电磁感应现象。他发现把磁铁迅速插入闭合的线圈里会产生电流(如图)。

 

File:Induction experiment.png

 

 

幼年辍学的法拉第数学不好,他完全不会使用微积分,但他有天才的洞察力和理论直觉,他提出了“场”的概念来解释电磁力的传递,并用“力线”提供直观的图示。他甚至猜想过电磁力和光一样是某种波动,乃至于光波也是某种电磁振动的产物。

File:Magnet0873.png

 

 

法拉第数学上的缺陷很快就由麦克斯韦(James Clerk Maxwell。1831-1879)填补了。

麦克斯韦1855年写“论法拉第的力线”,开始系统地阐发并推进法拉第的电磁学思想。1864年发表“电磁场的动力理论”,给出了麦克斯韦方程,提出了电磁波的概念,提出了光的电磁理论。1873年出版的《电磁通论》,是电磁学的集大成之作。

《电磁通论》在科学史上的地位可以媲美牛顿的《原理》,我们可以把它看作是科学史的一个阶段性的总结,是一块里程碑。

虽然牛顿力学标志着机械论世界观的成功,但当时的力学世界毕竟还不够完整,电、磁、热、化学等许多现象还没有被纳入力学的疆域。而到了19世纪末,随着化学原子论、热力学和电磁学的相继建立,力学的世界终于得到了统一。物质、以太和能量能够解释一切现象。

 

File:James Clerk Maxwell.png

 

电磁学的发展也标志着科学与工业的结盟。首先是“应用科学”的兴起,科学开始成为“生产力”。法拉第1831年发现电磁感应现象,到1837年,惠斯通就根据电磁感应发明了电报机,加上同年发明的摩尔斯电码,电讯产业迅速兴起。1854年伦敦与巴黎开通电报,1857-1858年铺设了横跨大西洋的电缆,1861电缆已经横穿美国东海岸到西海岸。

麦克斯韦提出电磁波的理论之后,赫兹在1887年用实验证实了无线电的存在,马可尼在1894年听说之后,立刻就研制出通信的无线电系统并申请专利,1899年,无线电信号就跨越了英吉利海峡,1901年横跨大西洋。

一方面是科学研究被有意识地应用于技术和工业,另一方面是工业方面的需求有意识地推动科学研究活动。这方面在化工行业更加明显,最早是由染色领域推动的,到19世纪后半叶,石油化工产业更是对应用科学有了大量需求。

大型公司直接与大学产生联系,派学员到大学进修,跟进最新的基础研究进展,聘用科学家乃至建立专门的实验室,在基础研究之上展开应用研究。大学和科学院之外,工业实验室成为科学家的新据点,许多大公司都竞相设立自己的实验室,如:

拜耳实验室(1874)、爱迪生实验室(1876)、标准石油公司(1880)、通用电气公司(1901)、杜邦公司(1902)、帕克—戴维斯公司(1902)、康宁玻璃公司(1908)、贝尔实验室(1911)、柯达公司(1913)、通用汽车公司(1919)……(《世界科学技术通史》429页)

大学本身也继续变革,大量理工大学兴起,传统的综合性大学也强化了理工类学科。

科学家的社会地位突显,一些旨在为科学家谋求利益的协会出现了,例如德国自然科学家协会(1822)、英国科学促进会(1831)、美国科学促进会(1847)等,促进科学成为一项基本国策了。

 

 

 

 

最后我们简单讲一讲达尔文(1809-1882)的进化论。进化论(evolution)这个词或许更准确地应该翻译成“演化论”,因为达尔文主义的进化是没有方向的,因此不能说是前进。但我觉得用进化论也无伤大雅,因为进化论这个词并不是达尔文的专利,达尔文本人都不怎么用这个词,更多地是斯宾塞等人帮忙在鼓吹,而在当时的许多鼓吹者那里,进化论确实有进步的意思。

 

File:Charles Darwin by G. Richmond.png

 

进化论当然不是凭空出现的,它建立在18世纪以来的生物分类学和地质学的基础之上,我们之前没有讲,稍微补充一下。

在18世纪,瑞典植物学家林奈(1705-1778)提出了双名法,建立了植物分类体系。林奈的分类体系是人为分类,也就是说根据人所感知的外在性状来作分类,林奈是以果实、雄蕊、雌蕊部分的数量、状态、比例为基础进行分类的。

而同时代的法国学者布丰(1707-1788)反对林奈的分类法,提出自然分类,认为应该按照物种在自然史中的位置进行分类。他已经提出了物种演变的思想,他的演化思想是退化论的,认为一些不同的物种是由共同的祖先退化分化而成。

受到布丰提携的法国学者拉马克(1744-1829)在19世纪初阐发了生物进化的思想,也就是“用进废退”的获得性遗传思想。

在地质学方面,得益于培根科学注重实际考察和经验收集的传统,也有许多发现,包括地层和化石的现象。人们很早就发现化石的存在,但并未引起重视,而随着经验事例的不断积累,化石现象越来越成为有待解释的问题。人们有时能在高山上发现海洋生物的化石,这证明地球上似乎曾经发生过沧海桑田的剧变。更重要的是,人们发现了许多似乎已经不存在的生物化石,特别是1800年前后发现了许多大型动物的化石。而且人们发现一些地区的土地明显分为不同的地层,在每一地层有不同的生物化石,而越深的地层,其中的生物与现在的生物相差越远。

这种种证据让越来越多的人相信存在生物灭绝的现象。例如居维叶(1769-1832)提出灾变说,用洪水、天灾解释地层变化,他承认有生物灭绝,但没有认识到生物的演化。

赫顿(1726-1797)则提出均变说,认为地质现象由漫长的时间形成,不需要诉诸全局的大灾难。后来赖尔(Charles Lyell,1797-1875)发展了赫顿的学说,强调渐变。

在1831-1836达尔文著名的贝格尔号航行途中,就随身带着赖尔的《地质学原理》。

File:Lyell Principles frontispiece.jpg赖尔的《地质学原理》卷首插图

 

1831年达尔文跟随船长加入了贝格尔号的环球航行。他的职责其实是陪船长聊天,因为环球旅行非常枯燥,船长一般是贵族出身,有文化有修养,但一般的水手都是底层的苦力,和船长聊不到一块儿,所以船长就特别孤独,一个好的办法就是雇佣一个博物学家一起航行,一方面船长可以有一个层次比较高的同伴一起聊天,另一方面博物学家也可以有一个科学考察的机会。

航行的主要目的当然是经济方面的,但在航行过程中,也的确顺路做了许多科考活动,收集了许多动植物标本、挖掘古生物化石,观察了不同地域不同生物的生活样态。

File:Voyage of the Beagle-en.svg

 

 

贝格尔号的航行经历颠覆了达尔文早年曾经信奉的神创论思想,这种思想以1802年佩利出版的《自然神学》为代表。佩利讲到,如果你在路边捡到一块手表,观察到它的精巧结构,肯定会认为它是某个能工巧匠制造出来的,同样地,你看到一只蝴蝶,观察生物的结构,你更会感叹设计的精妙,因此背后也有一个设计者的存在。但贝格尔号航行之后,达尔文开始相信物种是自然演化而来的。

航行归来之后,他又读到了马尔萨斯的《人口论》,从中得到了“生存竞争”的观念,马尔萨斯指出人类的繁殖是以几何级数增加的,而粮食的生产是以算术级数增加的,而且终究受到土地的限制,最后人口的增殖不可能无限进行下去,大量的人口势必要在残酷的生存竞争中被淘汰掉。达尔文想到,每一个物种不都是这样的吗?繁殖总是指数级的,但环境也总是有限的,最后不也得靠生存竞争吗?如此一来,优胜劣汰、适者生存的概念就顺理成章了。

1842年,达尔文写下35页的进化论提纲,1844年写成230页的《物种起源问题的论著提纲》,进化论思想就已经大致形成了,但他还不急于发表文章,他和哥白尼有点像,都担心自己的学说太过新颖而遭人嘲笑,所以一开始只在小圈子内交流思想。达尔文准备收集更多证据再去发表,例如他通过亲自为鸽子育种,研究人工选择对物种的影响。一直拖到1858年,达尔文收到华莱士(1823-1913)的来信,他把新近的论文“论变种无限地离开其原始模式的倾向”,华莱士提出了相似的进化论学说,达尔文这才紧张了,拖延过头了,优先权眼看要被抢了。达尔文把华莱士的论文推荐到伦敦林奈学会公开宣讲,同时也附上了自己尚未完成的《物种起源》的摘要一并宣讲,在1859年年底终于出版了《物种起源》这部巨著,全名叫做《通过自然选择的物种起源,或在生存竞争中优势种类的保存》。

我们一般还是把优先权算在了达尔文头上,但也有人怀疑了,是不是达尔文从华莱士的论文里剽窃了什么核心观点,才得以完成其进化论学说的呢?根据手稿的研究表明不是这样,达尔文进化论的基本思想早就已经形成了,而且比华莱士更加全面、准确,也积累了更丰富的论证和依据,在成书之前也早就与圈内同行有所交流了,迟迟不发表的确只是拖延症或完美主义造成的。而华莱士在学术圈没什么地位,总的来说还是受到达尔文的提携而不是打压了。

 

 

华莱士的存在也印证了达尔文并非横空出世,进化论思想是时代思潮的产物,因此有许多不约而同的现象。当时英国正处于鼎盛的“维多利亚时代”(1837-1901),工业革命和资本主义正如火如荼,残酷竞争的观念深入人心,宗教神学也饱受抵制,达尔文主义可谓应运而生。尽管遭受许多反对,但提倡和鼓吹者也很多。和哥白尼的情形类似,很多人并没有充分理解进化论的科学内涵,出于某些政治观念等方面的因素,就高举进化论的旗帜,比如以进化论的名义宣扬优胜劣汰的生存竞争或鼓吹社会进步,或者借助进化论的资源反对宗教。

达尔文进化论的核心在于自然选择理论,即物种在繁殖过程中盲目地产生遗传变异,不同变异的后代在自然环境中优胜劣汰,胜出者具有更适应环境的遗传性状。

而同时代的进化论者,包括达尔文的支持者,基本都不支持自然选择学说。生物学家恩斯特·迈尔把达尔文主义分为五个理论环节,第一个是所有进化论者都共有的生物演变思想,即物种并非固定不变,而其它四个环节:共同由来、物种增殖、渐变理论和自然选择,不同学者都有不同程度的否认(如下表)

 

进化论《很长的论点》

 

 

最后顺便说一下,在达尔文的批评者中,有一个重要的方面来自物理学家,包括德高望重的开尔文勋爵。因为基于当时最新的热力学研究,根据地球的辐射冷却和太阳的燃烧推测出的地球寿命非常短,不支持漫长的随机选择造成的物种变迁的图景。

当然遗传理论方面的缺失也是达尔文的弱点。达尔文本人在晚年也有所退缩,走向了拉马克式的进化论。

达尔文进化论标志着科学与宗教的决裂,倒不是说进化论出来之后打击了宗教,而是说进化论本身就诞生于一个科学与宗教相决裂的时代背景下。

 

 

 

延伸阅读

麦克莱伦第三:《世界科学技术通史》——这本书是一开始就推荐的通史性佳作,它在古代科学方面不如林德伯格,但在工业革命方面写得很好。

鲍勒:《进化思想史

托马斯:《法拉第和皇家研究院

 

 

 

 

关于 古雴

胡翌霖,清华大学科学史系助理教授。本站文章在未注明转载的情况下均为我的原创文章。原则上允许任何媒体引用和转载,但必须注明作者并标注出处(原文链接),详情参考版权说明。本站为非营利性个人网站,欢迎比特币打赏:1YiLinDDwvBLT19CTUsNHdiQhXBENwURb

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