第十一章《一本书读完科学发现的历史》（4）

第三篇近代科学发现17世纪至18世纪，欧洲的自然科学取得了突飞猛进的发展，一场科学革命正在蕴育，从而引起了知识、思维方式乃至社会的跟本变革。在近代世界科学发展史上，发生了一系列有重大影响的科学革命事件，对世界科学的发展产生了深远而有意义的影响。

关于地球的发现

1452年4月15日，在意大利佛罗伦萨城附近的芬奇小镇上，一个男婴呱呱坠地了，他就是15世纪欧洲文艺复兴时期的代表人物，伟大的画家、自然科学家、工程师、建筑师、雕塑家达·芬奇。时代需要伟人，时代也造就了伟人。达·芬奇就是这样的一个伟人，他不仅给人类贡献了诸如《最后的晚餐》、《蒙娜丽莎》一类的稀世绘画珍品，而且还在一个完全不同的自然科学领域里显示出非凡的才华。达·芬奇对地层里的发现，对后人研究地球形成的过程起到了很大的帮助。

达·芬奇的地质思想

达·芬奇在反复研究了阿尔卑斯山脉中流水的侵蚀破坏作用，认为砾石是河流巨大挖掘作用的产物，山是水作用于地表形成的。他还指出从山上冲刷下来的泥土被河流搬运到海中，会使海底升高，海水退却。达芬奇这些对侵蚀、搬运、沉积作用的描述，记载在他1508年出版的《笔记》中。尽管这些见解我国科学家早在四五百年以前就已经提出，但在当时的欧洲却还是第一次见到。达·芬奇还认为，海陆的轮廓是慢慢地变化着的，正像我们现在看到的那样，现在的变化可以用来了解和说明以前的变化。达·芬奇是地质学研究中最初提出现实主义方法的人。

更重要的是，1517年，达·芬奇从意大利北部一项运河工程中挖出来的层状岩石中，发现了许多海洋生物的贝壳。他正确地认识到，“当贝壳还在海岸附近的海底时，来自河流的泥沙将贝壳覆盖并渗入贝壳的内部，在泥沙变成岩石的过程中，这些海洋生物的遗体也就变成为贝壳化石了。”他驳斥了化石是由于星星的影响而在山丘上形成的说法。他得出的结论是：“化石是过去生物的遗体与海底堆积物一起石化了的东西，以后由于地壳的运动而被带到了高处。”

达·芬奇还注意到，上面岩层和下面岩层中所含的化石种类是不完全一样的。这一发现非常重要，可以说这是达·芬奇的地质思想中最可贵的一点。因为按照这种思想推测下去，就能比较容易认识到上面的岩层和下面的岩层是在不同的时代生成的，而它们所含化石的差别也正说明生物的种类是随时代的不同而不断变化的。

多才多艺的斯坦诺

一个多世纪以后，丹麦又出了位多才多艺的人物，他叫斯坦诺，1638年生于哥本哈根，1664年获得医学博士学位。后来，他长期居住在当时文艺复兴运动的中心意大利，先后担任过帕多瓦大学的教授、托斯卡纳省督军的私人医师、佛罗伦萨玛丽亚诺瓦医院的解剖学专家、罗马天主教堂的牧师等。

斯坦诺在科学研究上的成就是多方面的。当然，我们最感兴趣的是斯坦诺在地质学方面的贡献。他对大自然有浓厚的兴趣，经常同几位知己到意大利的托斯卡纳地区进行地质考察。他研究过这个地区成层状沉积岩的形成、变化和性质，观察到山脉可能是由火山活动、断层出现、地壳褶皱、高地侵蚀等原因引起。1669年，他把他的观察研究成果写成了一篇论文《天然固体中的坚硬物》。

▲斯坦诺

斯坦诺根据岩石的性质和成因把它们分成两类，一类是“初始岩石”，另一类岩石由初始岩石变来，是初始岩石经过日晒雨淋、流水冲刷等破坏作用变成泥沙，泥沙再经搬运、沉积而形成。此外，他还通过地质考察认识到，每一个岩层都有上下两个层面，这两个层面的初始状态应该是水平的。如果我们现在看到的层面是倾斜的，那就说明这个岩层在形成之后已经发生过变动。其次，他还认为每一个岩层本来都应该有范围相当广的延伸面，若是我们今天看到的岩层由于受到地形的阻隔而中断，那就可以认为它在形成之后遭到过破坏。所有这些今天看来似乎是顺理成章的事，在当时来说却是超越时代的地质思想。

斯坦诺把意大利托斯卡纳地区的地质发展历史分成了六个阶段。

第一个阶段是这个地区被海水淹没，沉积而生成不含化石的初始岩石；第二个阶段海水退去，该地区变成陆地，在这块古陆下面，由于水和地下火的作用，出现了若干空洞；接着是第三个阶段，地下空洞由于承受不了上面的压力而崩坍，于是造成地表面高低不平，初始岩层产生倾斜；第四个阶段是这个地区又遭海水入侵，这次沉积的结果是形成了含有化石的岩层；第五个阶段，该区再次成为干燥的陆地，地表广泛受到河流的侵蚀，地下再次出现一个个空洞。第六个阶段，地下空洞照例发生崩坍，地表终于成了现在这样的山河面貌。

在上述六个阶段地壳变动和山脉形成的过程中，斯坦诺特别强调了流水的侵蚀作用，以及由于这种侵蚀作用形成的地下空洞崩坍所造成的影响。从现在的观点来看，地下岩洞是确实存在的，它们的崩坍也确实会对上面岩层的形状乃至地面的地形地貌产生影响，但是这种现象不很普遍，影响也没有那么大，所以它不是发生地壳变动的根本原因。

但是，我们仍然应当对期坦诺的工作给予高度评价，感谢他给我们带来了“地层层序论”。他首先通过观察确定了现在地下岩层的情况，然后根据所掌握的有关这些岩层的具体事实（如上下层序、含化石与否、产状变化等），按照从新到老的顺序（在层状岩石未发生褶皱或断裂的情况下，总是先形成的岩石在下，时代较老，后形成的岩石在上，时代较新）确定了托斯卡纳地区的地质演变历史，在叙述时则按照从老到新的顺序进行。毫无疑问，这是对一个区域的地质历史所做的科学分析，这是前无古人的。

布丰提出最可贵的“第一个”

说到这里，我们不能不提一下布丰。他是18世纪法国的一位大博物学家，同达·芬奇和斯坦诺一样，地理、地质也不是布丰的“本行”，布丰曾任法国皇家植物园园长，他的最大兴趣是研究自然博物史。他每天都要在植物园的帐篷里工作几个小时，数十年如一日。他是进化思想的先驱，主张生物物种可变，倡导生物转变理论，提出“生物的变异基于环境的影响”原理。他还提出“缓慢起因”的主张，认为可用已知的现在解释未知的过去。

博物学家布丰

布丰（1707—1788年）法国博物学家，生于蒙巴尔，先后学过法律和数学，曾在英国学习过一年数学、物理学和植物生理学。回国后，他翻译出版了牛顿的《流数》和黑尔斯的《植物静力学》。1739年，他被任命为皇家植物园主任。1753年，他当选为法国科学院院士，此后又先后被选为英国皇家学会会员、德国和俄国的科学院院士。

在布丰生活的时代，波兰天文学家哥白尼的日心说早已提出并得到普遍承认，德国哲学家康德和法国科学家拉晋拉斯提出了关于太阳系起源的星云假说，德国学者莱布尼兹又在《原始地球》一书中提出地球形成的冷却说，这就使当时的科学家们有可能对地球的形成和演变作出某些科学的推论。布丰在1749年发表了《地球的理论》，认为地球起源于太阳与彗星碰撞出来的炽热碎块，以后这个碎块在做旋转运动中变成为球形，这就是地球。30年后他又发表《自然世代》，书中描述了地球的演化历史。他把地球的演化历史划分成7个代：地球和其他行星形成；随着冷却固结，形成地球内部的岩石和地表的玻璃质物质；大洋普遍出现，贝类动物随之出现；海水退却，出现植物和鱼类，火山活动频繁；大型兽类出现；大陆塌陷，造成大陆块分离；人类出现。他从初始地球是炽热的熔融岩浆状态的假说出发，推算出地球冷却到今天的状态需要经历75000年。

现在，我们的地球科学家已经普遍放弃了初始的地球是熔融状态的说法，地球的演化历史也不是7个代，它的年龄远远不止75000年。但是，我们仍然不能忘记，布丰正是第一个提出地球具有自己的形成过程和演化历史的科学家。

大气压力的发现

我们生活在地球上，地球的四周包围着厚厚的大气。这些大气具有重量，并且向我们施加压力，这是一件显而易见的现象。然而，人们却感觉不到，因为气压已经成为生活中的一部分。只有了解了气压，才能对我们生活的环境有更清楚的了解。

气压概述

气压是指大气对浸在它里面的物体产生的压强，也就是从地球表面延伸至高空的空气重量，使地球表面附近的物体单位面积上所受的力。地面上空气的范围极广，常称为“大气”。离地面200千米以上，仍有空气存在。这层厚厚的空气主要是由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和氦、氖、氩等气体混合组成的。它的密度很不均匀，上疏下密地分布在地球的周围。所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强，就像浸在水中的物体都要受到水的压强一样。尽管大气的平均密度很小，但如此高的大气柱作用于地面上的压强仍然很大。人体在大气内对受到的气压压迫毫无感觉，这是因为人体的内外部同时受到气压的作用，而且恰好相等。

▲测量气压的水银气压计

那么如此强大且与人类生存密不可分的气压到底是怎样产生的呢？大气压强产生的原因主要有以下两种解释。第一种解释认为，由于地球对空气的吸引作用，空气压在地面上，要靠地面或地面上的其他物体来支撑，支持着大气的物体和地面受到大气压力的作用。单位面积上受到的大气压力，就是大气压强。第二种解释认为，从分子动理论可知，气体的压强是大量分子频繁地碰撞容器壁而产生的。单个分子对容器壁的碰撞时间极短，作用是不连续的，但大量分子频繁地碰撞器壁，对器壁的作用力是持续的、均匀的，这个压力就是大气压强。

气压并不是一成不变的，它会随着诸多因素的改变而改变。气压的大小主要与海拔高度、大气温度、大气密度等有关。气压大小与高度成反比，它随着高度的提升而下降，其关系为每提高12m，大气压就下降1mmhg（1毫升水银柱）或者每上升9m，大气压降低100pa。除以上因素外，气压也有日变化和年变化。气压日变化幅度较小，一般为0.1千帕至0.4千帕，并随纬度增高而减小。一天中，气压有一个最高值和一个最低值，分别出现在9时至10时和15时至16时，还有一个次高值和一个次低值，分别出现在21时至22时和3时至4时。一年之中，冬季比夏季的气压高。我们通常把1.01325x105pa的大气压强叫做标准大气压强，它相当于760mm水银柱所产生的压强。

气压的发现

气压的发现主要归功于两个实验：托里拆利实验和马德堡半球实验。

托里拆利实验测出了大气压的大小。他一只手握住玻璃管中部，在管内灌满水银，排出空气，用另一只手的食指紧紧堵住玻璃管开口端，把玻璃管小心地倒插在盛有水银的槽里，待开口端全部浸入水银槽内时放开手指，将管子竖直固定，当管内外的水银液面的高度差约为76厘米时，它就停止下降，这时读出水银柱的竖直高度，即为一个大气压的压强。

其后的马德堡半球实验说明，空气不仅是有压力的，而且这个压力还很大。在三个世纪以前，德国的马德堡市曾公开做了一个实验，发明抽气机的奥托·格里克将两个直径为37厘米的空心铜半球合起来，使之密不漏气，然后用抽气机把铜球里的空气抽掉。在每个半球的环上各拴上四匹壮马，同时向相反的方向拉铜球，两个半球无法分开。最后，用了20匹大马，随着一声巨响铜球才一分为二。

托里拆利简介

托里拆利，意大利物理学家、数学家。1608年10月15日出生于贵族家庭，幼年时就表现出卓越的数学才能，20岁时到罗马，在伽利略早年的学生卡斯提利指导下学习数学，毕业后成为他的秘书。1641年他写了第一篇论文《论自由坠落物体的运动》，发展了伽利略关于运动的想法。经卡斯提利推荐做了伽利略的助手，伽利略去世后接替伽利略作了宫廷数学家，1647年10月25日，39岁的他过早去世。

酸碱指示剂的发现

波义耳的一生是实验的一生，他牢牢地把握实验这种基本方法，深入到化学的内在实质研究中，使化学确立成为一门学科。由于波义耳在科学上的卓越成就，被人们称为“英国科学界的明星”。

实验决定一切

波义耳是英国化学家、物理学家，1627年1月25日出生于爱尔兰的利斯莫尔的贵族家庭。幼年的波义耳就聪慧过人，接受了非常好的教育。17岁的时候，他的父亲被共和派的军队杀死。波义耳不喜欢空谈，主张“实验决定一切”。父亲去世以后，在姐姐的资助下，波义耳在斯泰尔桥办了一个堪称世界一流的实验室，这个实验是一座大楼，楼上是卧室和图书室，图书室每周都有从伦敦送来的新书；楼下是大小不等的实验室，陈放着加热炉、天平、玻璃仪器等。波义耳实验室开始主要是研究空气的性质，所以被人戏称为“无形学院”。

波义耳对空气的物理性质作了系统的研究。他用实验论证了空气是有重量和弹性（当时波义耳称之为弹力）的物质；论证了压强对水的沸点的影响，指出当使周围的空气稀薄时热水就能沸腾起来；论证了细管中液体的上升是和大气压力无关的，这与当时的观点截然相反；论证了真空中虹吸失效；还研究了空气的比重、折射率等等。波义耳还发现了气体的体积与压强的反比关系，在历史上建立起力学运动以外的第一个定量的自然定律，即著名的波义耳定律，现称为波义耳—马略特定律，这是波义耳对物理学作出的杰出贡献。

▲化学家波义耳

波义耳对化学的最大贡献是在理论上。化学主要来源于炼金术，到15、16世纪化学才摆脱了炼金术的束缚，但是依然从属于医学和冶金，并没有独立成为一门学科。波义耳根据自己的试验经验总结提出，化学应该成为一门独立的科学。

当时欧洲盛行燃素说，波义耳也开始探索燃烧的奥秘。他在一个容器中抽去空气，将硫磺洒在一块烧红的铁板上，硫磺熔化后冒烟，如果这时再导入空气就会产生蓝色的火焰。同时，他还将点燃的蜡烛放进没有空气的容器中，发现蜡烛会立即熄灭。于是，波义耳就认为空气的存在是燃烧所必需的条件。他还发现如果把金属放在空气中加热会使重量增加，这跟传统的燃素说所说的燃烧是物质放出燃素不相符合。波义耳的这些通过实验得出的结论，为后来拉瓦锡推翻燃素说、创立氧化说，奠定了坚实的基础。

在历史上早有所谓的四元素说，那是古希腊哲学家亚里士多德提出来的。亚里士多德认为万物都是由土、水、气和火四种元素组成的，它们既不能产生，也不能消灭，永恒地存在着。而所谓的元素性质则是人们感觉到冷、热、干、湿等。后来，帕拉切尔苏斯提出所谓的三要素说，认为万物由盐、硫和汞以不同的比例组成，但这只是对亚里士多德的四元素说作出的修补罢了。

通过实验，波义耳认为物质是由无数细小致密、不能用物理方法分割的微粒构成，粒子运动的分离和结合导致了各种化学变化。波义耳还一针见血地指出，无论四元素说还是三要素说都是错误的，应是自己所指出的那样，即“元素乃是具有确定的性质，实在的、可观察到的实物，是不能用一般化学方法再分解的实物”。现在看来，波义耳的元素定义与单质的定义相近，元素的正确定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。波义耳在当时能勇于批判四元素说和三要素说，并提出元素的微粒说和较为确切的元素定义已属难得。这是认识上的一个突破，使化学第一次明确了自己的研究对象。

波义耳的元素定义的提出，激发了人们寻找元素的热情。虽然现在我们回过头去看波义耳对元素的定义不过是单质，他认为盐、水根本不是元素，反之炼金术士们认为不是元素的铜、铁、锌、碳倒是真正的元素。这在很大的程度上启迪了后来的化学家们，因此这个概念在整个科学史上都具有里程碑的意义，标志着人类对物质的认识进入了一个新阶段。

正因为波义耳不喜欢空谈，主张“实验决定一切”，他经常用实验的方法探索学术问题，所以波义耳被称为分析化学的鼻祖。

有一天，波义耳正在蒸馏硫酸亚铁制备硫酸，一不小心硫酸溅到了紫罗兰花上，他赶忙用水冲洗，但令人惊讶的是紫罗兰竟变成了通红色。难道酸真的会使紫罗兰变色吗？

通过实验，波义耳找到了答案，酸不仅会使紫罗兰变色，而且姜黄、石蕊浸液等遇到酸碱都会变色，利用这一点就可以区分溶液的酸碱性。波义耳把姜黄、石蕊这类东西称为酸碱指示剂，迄今300年来人们还在应用这一发现。

酸碱指示剂