书城科普读物科学伴你行——科学征程
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第13章 近代前期的科学(2)

哈维经过认真的思索,认为惟一的可能是血液在全身沿着一条闭合的路线作循环运动。这条循环的路线是从右心室输出的静脉血经过肺部变成动脉血,然后通过左心室进入右心室。从左心室搏出的动脉血沿动脉到达全身,然后再沿静脉回到心脏。

哈维还预言,在动脉和静脉的末端必定有一种微小的通道把二者联结起来。这种微小的通道其实就是毛细血管。

1660年,意大利解剖学家马尔比基(1628~1694年)发现了毛细血管,从而证实了哈维的预言。

哈维在1616年公布了他的发现,1628年出版了《心血运动论》一书。

正是这本具有重大的研究价值和历史意义的科学内容的书籍问世,才彻底推翻了统治医学达1400多年之久的盖仑的理论。

哈维的成就与他早年留学意大利有十分密切的关系,同时也与他勇往直前不怕牺牲的性格密不可分。

他的前辈维萨里被赶跑了,塞尔维特被烧死了。这些学者都是在解剖学、生理学的研究中说了真话,受到宗教法庭的迫害。

哈维并不畏惧邪恶势力,所以,他在《心血运动论》的序言中写道:

“所有世人将和我作对,因为习惯是人的第二天性……。不过,现在我的赌注已经下定,一切都寄托于爱真理的热情和思想。”

果然,一切都像哈维所料到的那样,他的这一里程碑式的著作一出版,给哈维带来的是精神上的灾难。

最初,哈维受到嘲笑,随之而来的是他诊所的病人急剧地减少,医业开始衰落。那些反对者极力贬低他,而患者们则认为他是精神失常的医生。

哈维甚至被讥讽为“循环的人”,这一绰号在拉丁文中相当于“庸医”,即那些在大街上卖药的小贩子,以此来羞辱哈维。

但哈维的科学成就并未因这些人的攻击而一钱不值。他的伟大发现,在他死后不仅得到科学界和学术界的公认,而且得到了极高的评价。

哈维在《心血运动论》中,用大量实验材料论证了血液循环运动。他特别强调心脏在血液循环中的重要作用。

他把心脏比作水泵,并认为心脏在人体中的地位就像宇宙中的太阳,而太阳也就是宇宙的心脏。这个类比说明,哈维把自己的学说和哥白尼的学说联系在了一起。

事实上,血液循环的发现确实给生理学中的传统观念以致命的打击。正如太阳中心说给天文学中的传统观念以致命的打击一样,它们是科学的双胞胎。

从此,血液的运动不再需要灵气来帮忙,只要以心脏的机械运动(收缩和舒张),就足以使这个问题得到合理的证明。

血液循环的发现使生理学发展为科学,哈维也因这一成就被誉为近代生理学之父。他被选为英国皇家医学院院长,还在他健世时,就为他树立了塑像。

1657年6月3日,伟大的科学家哈维的心脏停止了跳动,血液停止了循环,终年80岁。

费尔马猜想

笛卡尔创立了解析几何,而法国另一位数学家费尔马不但在解析几何中做出了实质性的贡献,还讨论了空间解析几何学的部分内容,并第一次把三元方程应用于空间解析几何学。

提起费尔马,至今还有一道难题,有待科学家们去解决,这就是费尔马猜想。

1908年,德国哥庭根科学院按照德国数学家俄尔夫斯开耳的遗嘱,把他的10万马克作为“费尔马大定律”的证明奖金,向全世界征答。

证明解答“费尔马大定律”的期限是100年,直到公元2007年均有效。

一时间,数学界空前活跃起来,科学家、工程师及各种人等纷纷投入证明中去。

“费尔马大定律”就是历史上有名的费尔马猜想。

这一猜想是费尔马在阅读古希腊大数学家丢番图的《算术》一书时,在书页边的空白处写下的一段话。历史上戏称这个定理叫做“书页边上的定理”,即:

“任何一个数的立方不能分解为两个立方之和;任何一个数的四次方不能分解为两个四次方之和;更一般的,除二次幂外,两个数的任何次幂的和都不可能等于第三个具有同次幂的数。”

最后,费尔马还写道:“我已找到了这个断语的绝妙证明,但是,这书的页边太窄,不容我把证明写出来。”

费尔马的这段笔记,用数学语言表达,就是:

形如an+bn=cn的方程,当n>2时,不可能有正整数解。这就是有名的“费尔马大定理”或“费尔马猜想”。

费尔马是怎样证明的,人们找遍了所有他的文稿和笔记,均未寻到。所以,这成为数学上的历史难题。

许多数学家如欧拉、勒让德、高斯、阿尔贝、狄利克雷、拉梅、柯西、范迪维尔、林德曼等为研究这个问题,甚至献出了毕生的精力,但至今尚未获得解决。

费尔马于1601年8年20日生于法国,自幼就受到良好的教育。他少年时代,聪明好学、才思敏捷,尤其对数学表现出了极其浓厚的兴趣。

但是由于家庭关系,费尔马在大学里攻读的是法律,毕业后当上了律师,后来做了官。他为官清正廉明,恪守公职,业余时间博识广闻、饱览群书,由于他精通数学,因而被誉为“业余数学家之王”。

费尔马十分热爱科学、迷恋数学,他经常提出许多数学问题和猜想,与当时著名的数学家们磋商。他还时常和笛卡尔、巴斯嘉、惠更斯等科学上的友人,通信交流数学研究工作的信息。

费尔马有个“不动笔墨不读书”的习惯,读书时爱在书上勾勾画画,圈点批注,抒发见解与议论。直到他逝世,也没有完整的著作问世,这是他的独特之处。

虽然他没有学术著作,但他对数学上的贡献是巨大的。如他对笛卡尔的解析几何提出许多建设性的修改意见,并和笛卡尔成为感情至深的朋友。

在数学分析方面,当时微积分还没有形成,但费尔马却开了先河,他从几何学的角度出发,第一次获得求函数极值的法则。

因而,微积分的发明人牛顿坦率地说:“我从费尔马的切线作法中得到了这种方法的启示,我推广了它,把它直接地并且反过来应用于抽象方程上。”

可以这样说,费尔马是在牛顿、莱布尼茨之前,为微积分做出最多贡献之人。

费尔马最喜欢研究整数论,所以他在数论方面的科学发现显得更加伟大。

1640年,费尔马给朋友写信(请读者注意,若有兴趣,不妨小试身手):

“如果整数a不能被素数p整除,那么ap-1-1必定能被素数p整除。”

这就是初等数论中有名的定理之一,即费尔马小定理。

例如:我们要研究7这个数能否被3整除,根据费尔马小定理,得:

73-1-1=49-1=48故知48能被3整除。

在费尔马一生的大量成就中,有两个著名的猜想,下面分别给以介绍。

一是他的素数公式,即形如P=22t+1(当t逐一用整数代替时),P一定是一个素数。然而1732年25岁的数学家欧拉发现:

225+1=4,294,967,297=641×6,700,417。所以这个数不是素数,而是一个合数,从而推翻了费尔马的猜想。

另外一个就是前文所述的用10万马克来奖励证明的“费尔马大定理”。

到目前为止,对于n<106,猜想已获得证明,据说,最大的奇数已接近41000000左右。

1665年1月12日,这位卓越的数学家在图鲁斯逝世。后来由他的儿子萨缪尔·费尔马将父亲的笔记、批注及书信加以整理汇成了费尔马的第一部论著《数学论集》。

费尔马,科学的猜想者。

帕斯卡的贡献

在费尔马之后,在科学界又出现了一位天才,他就是年轻的数学家、物理学家布莱斯·帕斯卡。

帕斯卡对科学的贡献是巨大的,他不仅发明了密闭流体传递压强的定理——帕斯卡定律,还开创了射影几何学与概率论的研究,为微积分的诞生创造了预备条件。

不但如此,他还确立了数学归纳法在数学证明中的地位。由于他创造机械计算机,而成为近代计算技术的拓荒者。

帕斯卡于1623年生于法国的克莱蒙费朗市,他的父亲是一位博学多才的数学家。良好的家庭环境为帕斯卡的成长提供了不可多得的条件。

由于帕斯卡自幼身体瘦弱,他的父亲不让儿子过早地钻研数学。

在帕斯卡12岁的那年,他竟独自琢磨几何学,并推出了“三角形的内角和等于两个直角之和”的定理。

他的父亲知道后,惊喜不已,立即给帕斯卡开了绿灯,让帕斯卡尽情地畅游在数学的海洋中。每当法国的科学家组织、讨论数学与科学问题时,也总是带着儿子旁听。

经过3年多的不懈努力和刻苦钻研,16岁的帕斯卡完成了他的一本关于圆锥曲线的著作。1640年,它发现了“神秘六边形”的“帕斯卡定理”,它是射影几何学的基本定理。

帕斯卡的发现,轰动了数学界,当解析几何的创立人笛卡尔看到后,竟不敢相信这个奇妙的定理出自这位少年之手。

1642年,帕斯卡制成了世界上第一台进行6位数加减法运算的手摇机械计算机。这部机器的研制成功,直接影响着后来的科学家莱布尼茨从事自动机的研究。

帕斯卡无愧于光辉的世纪,他的身体状况很坏,然而病魔阻挡不住他那追求真理、热爱科学的激情。

1648年,帕斯卡已是疾病缠身,但他一工作起来,竟忘记自己是个多病虚弱之人。有一次,他一连钻研了8个昼夜,取得了重要成果。在这年,他撰写了《几何学精神》等论文,研究了摆线等数学论题。

1660年,费尔马写信约帕斯卡相会,但帕斯卡回信说,自己步行须持杖,骑马坐不稳,身体虚弱,难以赴约。那年,他才37岁,为了科学,他过早地垮下了。

1662年8月19日,帕斯卡病逝在巴黎,葬于巴黎的圣爱基纳教堂。

在这里,值得一提的是帕斯卡的科学贡献还表现在物理学上,他的论文《论液体平衡》,提出了密闭流体传递压强的定律:加在密闭流体任何一部分的压强,必然按其原来的大小由流体向各个方向传递。这是液体静力学的一个基本定律。

后来的人们为了纪念这位伟大的科学家,便把这个定律命名为“帕斯卡定律”。

帕斯卡还是第一个产生了借助气压表可以测量两个地方的不同高度的想法,他还注意到水银柱的高度受空气的湿度和温度的影响,因此水银柱还可以起到预报天气的作用。

然而,这位伟大的科学家,为了科学事业,39岁时就献出了宝贵的生命,但他那顽强的精神和辉煌的成就,使后来的科学家更加奋发,走出更宽广的路。

迎接辉煌的时代

从哥白尼开始的科学革命,波及的范围非常广大,经过开普勒、伽利略、哈维、笛卡尔等科学家的努力,天文学、数学、生物学等都相继发展起来了,从而为科学的进一步发展奠定了牢固的基础。

从哥白尼到伽利略,人们在对自然奥秘进行探索时,形成了一定的科学思想。这种思想无疑会反作用于科学的发展。

代表这一时期科学思想的除了笛卡尔、布鲁诺、伽利略之外,还有弗兰西斯·培根、洛克等。

他们的科学思想对近代自然科学的发展曾经产生过重要的推动作用,但因受时代的局限,他们的思想也有很大的局限性。

弗兰西斯·培根被看成是近代实验科学和唯物主义的始祖。他承袭和发展了他的同姓罗吉尔·培根的思想,把科学实验捧上了王者宝座。

尽管培根在自然科学方面没有什么突出的具体成果,但他是一位科学上的“摇动铃铛人”,通过摇铃把其他有才能的人召唤起来。

培根提倡科学精神,他的名言是:“知识就是力量,力量就是知识。”

培根提议,人类为了征服自然,要建立四项事业。

1.建立图书馆;

2.建立生物园;

3.建立自然博物馆;

4.建立实验室。

培根认为,要发展科学就应按自然界的本来面目去认识自然界,防止被假相所蒙蔽。他说,在人们认识自然时存在着四种虚幻的假相,即:

1.洞穴的假相。由于人们的信仰,教育程度、环境、性格、爱好不同,在观察事物、认识事物时会带有偏见,而偏见会妨碍人们认识自然的本来面目。

2.市场的假相。人在认识世界接受知识时,由于语言混乱,咬文嚼字,玩弄概念、文字游戏,有人会以假乱真,从而妨碍人们认识真理。

3.剧场的假相。这里是指对权威人士的迷信和崇拜,不能进一步认识真理。

4.种族性的假相。由于人类在认识自然时,总是以自身为尺度为出发点,从而会使人们认识不到真理。

培根说,要认识自然获得真理,就要从感觉经验开始,而感觉不到的东西,要借助实验机器加以感觉。

但培根的唯物论还是不够彻底,他还承认上帝和灵魂的存在,接受了“两重真理论”,把神的世界和人的世界加以区分。可是,培根的主导思想对自然科学的发展还是有利的。

在培根之后,托马斯·霍布斯又进一步发展了唯物主义的经验论,从而奠定了机械唯物主义的基础。

霍布斯的哲学分为两部分:

第一部分是物理学也就是自然哲学,研究的对象是“自然物体”,即自然界;第二部分是公民哲学,这是研究“人造物体”。“人造物体”是指根据契约所建立的国家。

霍布斯在认识发生方面强调感觉,但也重视理性作用。他认为感觉经验只能回答客观事物“是什么”,而理性思维活动才能口答“为什么”。

但霍布斯在推理问题上和培根一样,把分析理解为简单机械分割。尽管他的思想不尽合理,但在反对神学,推动科学的发展方面还是有积极意义的。

最后,再来说说洛克的科学思想。

洛克是唯物主义经验论集大成者,他把文艺复兴和科学革命中形成的有价值的思想系统化了,通过自然科学的发展,冲破神学而建立起来的形而上学自然观,到洛克这里,基本上形成了。

洛克坚持唯物主义,反对神学和信仰主义,提倡发展实验自然科学,特别是他的认识论,对自然科学的发展有很大的影响。

洛克的科学思想和哲学见解是很复杂的,他系统地论证了唯物主义的经验论,提出了许多有价值的思想,但也掺杂了许多唯心主义、不可知论、二元论的糟粕。

从培根到洛克,科学研究中的分析方法,归纳方法形成了。从此,西方的学者把分析和归纳作为科学研究的主导方法。这些方法与数学方法、实验方法结合起来,构成了近代科学的基本手段。

总而言之,从培根到洛克,从哥白尼到伽利略,在促进科学发展中,每前进一步都要克服神学的阻碍。

在这一时期,科学上取得了重大进步,但是,许多自然的奥秘还使人们感到迷惑不解,如霍乱,天花等疾病的流行,使医学不知所措,这就不可避免地为宗教、迷信提供了存在的土壤。

但历史总是发展的,科学总是进步的,辉煌的科学时代就要降临了。