书城科普读物科学伴你行——科学征程
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第12章 近代前期的科学(1)

开普勒的“三大定律”

17世纪初期,正当伽利略使哥白尼学说声威大振之时,欧洲大地上传出了一条特大新闻:德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动的“三大定律”,使哥白尼创立的日心说,从科学上向前前进了一步。

开普勒于1571年12月27日生于德国符腾堡的小城魏尔。幼年时,由于家境贫寒,他一直靠奖学金上学。

后来,开普勒进人图宾根神学院后,在老师迈克尔的指导下,开始研究哥白尼的天文学。1594年,开普勒成为奥地利格拉茨新教神学院的数学教师。

在这一时期,开普勒孜孜不倦地研究天文学的三个问题,即“行星轨道的数目、大小与运动。”

1595年,他终于得到了伟大的发现:“可用地球来量度所有其他轨道。”

他马上着手阐明这一想法,写成了《宇宙的奥秘》初稿。

为了出版这本书,他费尽心机。于是他求救于他的老师。在老师的帮助下,他这本书终于在1596年面世了,并载入法兰克福书目之中,但署的名却是“勒普劳斯”。

1598年,由于弗迪南德反对新教教师,开普勒被迫辞去教职。祸不单行,他的小女儿也不幸夭折。开普勒处于极度的悲愤痛苦之中,于是他只身来到布拉格。

1600年,开普勒在布拉格结识了天文学家第谷·布拉赫。这是开普勒一生中最关键的时刻。正是第谷·布拉赫,使开普勒走出逆境,在科学上矗立起一座丰碑。

由于第谷如此之重要,这里不得不介绍一下第谷的生平。

第谷于1546年生于丹麦斯科纳的一个贵族家庭。13岁时随叔父到哥本哈根,1562年,他又来到莱比锡。这两个城市的学习为第谷在天文学上的成就打下了牢固的基础。

第谷被称为是近代天文学的始祖,他的最大贡献是1572年12月11日发现了仙后星座中的一颗新星,并于1573年发表了题为《新星》的重要科学论文。

为了完成庞大的天体观测计划,第谷把丹麦国王赠与他的全部补助金,在费恩岛上建立了有名的福堡天文观象台。

该观象台规模宏大,仪器齐全。这些仪器都是第谷自己设计制造的,有木制的、铁制的和铜制的。其中最大的是一台精度较高的象限仪,称为第谷象限仪。

由于第谷不断改进仪器的设计和测量的方法,他所进行的大量的天体方位的测量,其精确度是比较高的,一般能达到半弧分。

第谷在弗恩岛上一直工作了20年之久,除了天体方位的测量外,还发现了许多新的现象,如黄赤交角的变化、月球的运行的二均差,以及岁差的测定等。

1597年,第谷离开丹麦到汉堡。1599年定居布拉格,并将弗恩岛上的仪器运到布拉格。1600年,第谷与开普勒会面,从此二人合作开始了新的工作计划。

开普勒与第谷的会面,乃是欧洲科学史上最重大的事件,这两位个性殊异人物的相会,标志着近代自然科学两大基础——经验观察和数学理论的有机结合。

也正是这次会合,使开普勒奠定了天体力学的基础和发现行星运动的三大定律。

1601年,第谷在短期重病后突然离开了人世。第谷临终前对开普勒说:

“我一生都在观察星表,我要得到一种准确的星表,我的目标是1000颗星,……我希望你能把我的工作继续下去。我把我的一切资料全部交给你,愿你把我观察的结果发表出来,你不会使我失望吧!”

开普勒含泪站在第谷的病床前,沉痛地说:“放心吧,我的老师,我会的!”

开普勒没有使第谷失望,1627年,《鲁道尔夫星行表》便在乌尔姆出版,第谷的名字永远地载人科学史册。

第谷死后,开普勒运用他的大量的观测资料进行细心地研究。当时,不论是地心说,还是日心说,都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒经过深思熟虑,终于否定了这种长期以来的观点。

他发现火星的轨道是椭圆形的,于是得出开普勒第一定律,即椭圆轨道定律:

“火星沿椭圆轨道绕太阳运行,而太阳则处于两焦点之一的位置。”

随着火星椭圆形轨道的发现,火星运动的计算也全面展开。开普勒经过计算,又得出了开普勒第二定律,即相等面积定律:

“火星运动的速度是不均匀的,当它离太阳较近时,运动得较快;反之,则较慢。但从任何一点开始,向经(太阳中心到行星中心的连线)在相等时间内,所扫过的面积是全部相等的。”

1609年,开普勒的关于火星运动的著作《新天文学》出版。该书还指出两定律同样适用于其他行星和月球的运动。这本著作是现代天文学的奠基石。

但开普勒的著作遭到许多人的轻视和误解,开普勒把一切希望都寄托在国外一个追求真理的人身上,这个人的评价是至关重要的。他就是帕多瓦大学的教授伽利略。

伽利略没有使开普勒失望,他把开普勒视为是哥白尼宇宙体系的信徒和保卫者,认为开普勒是“探寻真理的一位朋友”。

1619年,正当世界历史迈出不可抗拒的一步的时候,科学也向前推进了一个阶段。宗教战争一直持续着,科学和神学的斗争从未停止过纷争。

也正是这年,开普勒著成了《宇宙和谐论》。这部著作凝聚着他10多年的心血,以及长期繁杂的计算和无数次失败。它不仅是第一次系统地论述了近代科学的法则,而且也完成了古典科学的复兴。它标志着欧洲天文学的发展,已达到了新的科学高峰。

1630年11月15日,这位伟大的科学家在贫困交加中死去。

盗尸解剖

在近代科学革命中,与哥白尼齐名、被誉为这一革命的两大代表人物之一的就是比利时的医生和解剖学家维萨里。

他以自己的成就对医学中的传统观念给了致命的一击,为近代解剖学奠定了基础,为血液循环的发现开辟了道路。

这是一个漆黑的夜晚。

巴黎郊外。在离法国总监狱不远的一片荒地上,是官方处决犯人的刑场。高高的绞刑架上,悬挂着一具具犯人的尸体,野狗在四周窜来窜去,空气中弥漫着令人作呕的尸臭,使人感到阴森而恐怖。

正在这时,一辆马车急速向刑场驶来,马车上坐着几位年轻人。当马车刚一停下,几位年轻人一起从马车里窜出。

他们用棍棒驱走野狗,爬上绞架敏捷地放下尸体,装进带来的布袋里,然后扛起,放在马车上,不一会,马车返回城里。

这几个盗尸人到底是谁?他们为什么深夜盗尸?为钱?为义气?还是……事情是这样的:

在公元2世纪,古罗马有个名叫盖仑的著名医生,做过罗马皇帝的御医。

他曾经解剖过猪、狗等许多动物,并写下了131部医学著作,为当时的医学发展作出了积极的贡献。

但是由于历史条件的限制,盖仑不能进行人体解剖。因此有关人体的构造只能从动物的解剖中想象推论出来。

盖仑的理论被奉为经典,统治了西方医学1000多年。可是到了16世纪,堂堂的巴黎医学院的课堂上仍是这么一幅可笑的情景:

高高的讲台上,神情古板的教授在台上照本宣科,宣读的全是盖仑的著作的遗训;台下一名助手在解剖动物,学生们则围在动物四周观看。

这种枯燥乏味、谬误百出的说教,引起了学生们的不满,特别是一位浓眉大眼,留着络绸胡子的青年,常常提出疑问,叫教授也解释不清。

这位青年,名叫维萨里,来自布鲁塞尔,1533年考进巴黎医学院,渴望得到更多的知识,立志献身于医学事业。

但是,一连串的问题令维萨里疑惑不解:难道人的胸骨也分成七节吗?

人的腿骨也是弯曲的吗?这可能是从动物的解剖中看到的,它也适用于人吗?

他百思不得其解。维萨里多么想亲自动手,从人的尸体解剖中,解开人体之谜呀!可是在当时,解剖人体被认为是大逆不道,冒犯神明。但为了探求科学真理,维萨里决定冒险去刑场盗尸。这就出现了开头的那幕情景。

维萨里,1541年出生于比利时布鲁塞尔的一个医生世家。父亲给西班牙国王查理五世皇帝当药剂师。他从小就接触到许多医学知识,并产生了强烈的好奇心。

所以刑场盗尸也是预料之中的事了。

当维萨里和几个同学把尸体背进密室,他们顾不得休息,就在烛光下开始了解剖工作。锋利的解剖刀打开了尸体的胸腔和腹腔,揭开了千百年来蒙在人体解剖学上的神秘帷幕,展示了一幅幅人体构造的真实画面。

1543年是自然科学史上值得大书特书的一年。那一年,波兰天文学家哥白尼发表了日心说,从根本上动摇了神学的宇宙体系。

也是这一年,29岁的维萨里写出第一部科学的解剖学巨著:《人体的构造》。这部书以大量精确、生动的插图,描绘出人体骨骼、肌肉、血管和内脏各部位的结构,指出了流传1000多年的盖仑学说中200多处错误。

维萨里的《人体的构造》后来成了医学解剖学的经典著作。

维萨里通过对男女骨骼系统的比较研究后指出:男人的肋骨和妇人的肋骨是一样的,不存在上帝用亚当的肋骨去造夏娃的事。

他还指出:在人的骨骼系统中,没有《圣经》故事传说的“复活骨”,因此,也决不会像传说的那样,死后的耶稣基督还可以通过复活骨复活。

正当维萨里满怀信心,准备对人体进行新的探索研究时,他的叛逆行为招致教俗两界的攻击,他被迫离开了大学。

1563年,罪恶的旧势力设计暗算他,诬告他有故意杀人之罪,责令他到圣地耶路撒冷朝拜赎罪,作为免于杀身之祸的条件。可是,维萨里在归途中身染重疾而死,当时,维萨里年仅50岁。

《人体的构造》虽没有彻底解决人体血液流动的方向、通道和作用等问题,但维萨里纠正了盖仑关于左右心室相通的说法,指出左右心室之间没有可见的孔道使血液沟通。这为血液循环运动的发现奠定了重要的基础。

残暴的一页

对人体血液运动的研究始终是医学领域中引人注意的问题。对这这个问题,维萨里的同学塞尔维特把对它的研究推进了一步。

塞尔维特(1511~1553年)生于西班牙的图德拉。年轻时写过一部《论三位一体的错误》批判神学的荒谬,为此几乎被捕。

1536年,塞尔维特在巴黎医学院学习,但时间不长,便因反对作为天意的“占星术”而被教会驱出巴黎。

但塞尔维特并未因此而消沉,他更加刻苦地研究解剖学,发现了心肺循环(小循环)。并著有《论糖浆》的药物学专著。1553年,塞尔维特又写出了《论基督教的复活》一书。在这部书中,他阐明了人体的结构和功能,说明了血液小循环的机制,并批判了盖仑的三种灵气说。

盖仑说:人体中只有一种灵气,这种灵气本来存在于空气之中,通过呼吸进入肺脏,在那里与来自右心室的血液相遇,然后进入左心室,这时血液就带上了活力灵气,并得以被运送至全身。

在谈到静脉血变为动脉血的这一过程时,他明确地指出:这两种血液并不像人们所认为的那样,是通过心脏的隔膜沟通的,而是借助于一种特殊的方式,经过肺中的一长段路程实现的。

塞尔维特的这些叙述正确地解释了血液的心肺循环,把盖仑原来所说的动脉系统和静脉系统这两个独立的血液系统,统一起来,这为发现全身的血液循环铺平了道路。

最后值得一提的是,这部书以对神学和神学家加尔文的批判为结束,因而受到告发,被宗教裁判所逮捕入狱。

塞尔维特巧妙地逃出了监狱,宗教裁判所对他进行了缺席审判,判处他死刑,并决定连同他的著作一起“用大火慢慢烧成灰”。

塞尔维特死里逃生之后,不到4个月,就在日内瓦再次被捕,再次被判处火刑,而且要用大火慢慢烧死。

有人劝说宗教裁判所把火刑减轻为剑刑,或是火刑前将其勒死再烧,但都没有成功。神学家加尔文坚持要用大火慢慢烤,直至烤成灰为止。

1553年,这是最残酷的日子。塞尔维特被牢牢地锁在火刑柱上,被点燃的木柴竟然活活地烤了他两个多小时,他惨不忍睹地被烧死了。他的著作也被付之一炬,只有《基督教的复原》一书,幸存下三本手抄本。

塞尔维特以血的代价举起了科学这面旗帜。

在塞尔维特之后,生理学上发现了有利于承认血液循环的事实。

1559年,塞尔维特的学生科伦布门(1516~1559年)重新发表了心肺循环的思想,并且指出心脏中隔膜确是坚实无孔的,不能使静脉血和动脉血在这里沟通。

哈维的发现

1603年,哈维的老师法布里克(1560~1634年)在他的论文中,叙述了静脉瓣。证明血液在脉管中,只能沿单一方向流动。这些成就为哈维最后发现血液循环做好了准备。

哈维,英国著名医生、牛津大学教授、生理学家和实验生理学的先驱。

著有《心血运动论》、《论动物的生殖》等书,对动物生理学和胚胎学的发展,起了很大推动作用。

哈维于1578年4月1日出生在英国福克斯顿的农民家中,他自幼性格文静,思想敏捷。据说,哈维在小的时候,就观察过从屠宰场买回来的动物心脏。

哈维在16岁时,就以优异的成绩,考入了英国著名的剑桥大学的冈维尔一凯厄斯学院,并获得了马太·帕克奖学金。19岁时,哈维又获得了文学士学位。

1600年,哈维离开英国,途经德国和法国,来到了以解剖学闻名的意大利帕多瓦大学医学院,开始了新的学习生活。

哈维在意大利留学期间,接受了先进的思想,并培养了实验科学的兴趣。

1602年,哈维获得了意大利的医学博士学位。他的博士证书上写道:“威廉·哈维以突出的学习成绩和不平凡的才能引人注目,并获得杰出教授的高度赞扬。”

哈维回到英国后,名声大作,成了有名望的医生。但他并没有止步,继续朝着科学的高峰攀登着。

他经过多次的细心实验发现,当用丝带扎紧人的上臂时,丝带下方的静脉膨胀起来,而动脉却变得扁平;而在丝带上方的动脉膨胀,静脉扁平。这表明动脉和静脉中血液流动的方向相反:一个从心脏流向肢端,一个从肢端流回心脏。

他通过观察动物的心脏得知,心脏每收缩一次,便有若干血液从中流出;人的心脏约含有2英两(约合57克)血液,每博动一次大约输出半英两到一英两血,按每分钟心脏搏动72次,那么每小时的血量将超过2160英两到4320英两。

这么多的血是不可能在1小时之内由肝脏制造出来的,也不可能在肢体的末端这么快地被吸收掉。那么是怎么回事呢?