自然科学根据其发展的阶段性大致可分为古代自然科学、近代自然科学和现代自然科学。原始社会、奴隶社会和封建社会早期，朴素、萌芽状态的自然科学称为古代自然科学。

欧洲从13世纪中叶开始，技术的社会应用促进了生产力的发展，导致资本主义生产方式的出现和发展。十四五世纪,在最早产生资本主义生产方式的意大利,手工业技术已有较高水平,家庭手工业已转化为工场手工业。在14世纪,意大利的佛罗伦萨城已有毛织企业300多个,大约有3万多毛织工人。由于有了用水力驱动的动力锤,可以锻造较重的船锚,加上其他加工技术的进步,已能制造大型帆船,这更促进了海外贸易的发展。意大利威尼斯的各造船厂每年能制造上千艘船只。意大利有了往来于地中海的商业船队。十五六世纪,德国已有了用马力和水力驱动的抽水机,使深坑采矿成为可能。德、法、意等国在15世纪后半期已出现了高10英尺、直径5英尺的大型熔矿炉,实行了鼓风炼铁法。英国的纺织业则著称于欧洲。

技术的社会应用促进了生产力的发展,导致资本主义生产方式的出现和发展。指南针、印刷术与火药大约在十二三世纪之后,陆续传入欧洲。它们在欧洲的推广和应用,为欧洲资本主义生产方式的产生与发展提供了重要的技术手段。13世纪指南针已在欧洲遍应用。造纸术、雕版印刷和活字印刷12世纪传入欧洲,到1450年又有了德国人约翰·古腾堡的铅锡锑合金铸成的活字发明。廉价书籍的印刷出版,又使资产阶级思想革命运动有了文化武器。火药及火器的发明和使用,不仅改变了作战方法,而且成了资产阶级捣毁封建贵族统治的物质武器。所以马克思曾把火药、指南针、印刷术称之为“预告资产阶级社会到来的三大发明”。

资本主义生产方式的形成和发展,又促进了技术的社会应用。尽管各个阶级都可以利用以往的和新的技术发明,但新兴的资产阶级更了解技术的作用,因而也就更主动地利用技术为建立自己的统治服务。当然,对此不能作概念化的理解。资本主义生产方式之所以在欧洲得以发展,近代科学技术之所以能在欧洲产生,是与欧洲特定的社会经济条件相关的。恰如英国的贝尔纳所指出的:“中古时代末期的欧洲文化,在物质方面或即便在知识方面,都不见得高于亚洲几个大帝国的水平。至于欧洲所以能有较大希望,则只有用它的社会形式和经济形式都比较缺少固定性和一致性去说明。”欧洲各国是庄园领主制的封建国家,始终未建立起稳固而统一的帝国,这一点与东方的封建帝国不同。封建领主为求其生存和发展,有着发展经济的内在要求。这就给商人和手工业主的发展提供了生存和发展的余地。欧洲的基督教教会势力十分强大,教权几乎控制了王权,在教权、王权、封建领主之间始终充满矛盾。矛盾斗争的结果,使教权、王权削弱了,手工业主和商人反而从中获得了利益。从1096年开始的十字军东征是出于基督教扩张的目的发动的侵略战争,其结果以失败而告终,但由此却使欧洲人重新发现了希腊古典文化。它与神学的说教不同,有更大的世俗性,也更适应资产阶级的需要。十字军东征,还加速了海外贸易的发展,刺激了城市手工业和商业的兴起。

资本主义生产方式的形成和发展，又促进了技术的社会应用。随着资本主义生产方式的产生，在欧洲出现了航海探险运动，文艺复兴运动和宗教改革运动。这些由资产阶级发动的经济活动和文化运动，对近代自然科学的产生有着极为重要的影响。

航海运动与地理大发现

工商业的发展，使商人和工场主的经济实力日益雄厚。他们不仅极力扩大欧洲各国间的贸易，又再次想到东方去寻找市场和黄金。在此欲望的驱使下，开始了大规模的航海探险活动。这种航海探险活动首先在葡萄牙和西班牙兴起。1487年，葡萄牙人迪亚士率领船队，沿非洲西岸南行，到达非洲最南端，证明了由此继续航行可以到达印度。意大利人哥伦布得到西班牙国王的赞同和资助，于1490年8月经过70天的航行，到达美洲，并于1493年3月回到西班牙。15世纪末，意大利商人阿美利哥・味斯普奇再次前去美洲，后来使用他的名字将这块大陆命名为阿美利加洲。葡萄牙人达伽马沿迪亚士的航路于1497年绕过好望角，终于到达印度。麦哲伦又得到西班牙国王的支持，于1519年9月从西班牙出发渡过大西洋，绕过南美洲南端海峡，进入太平洋，到达印度，又绕过非洲，于1522年9月回到西班牙海岸，完成了人类历史上第一次环球航行。

伟大的航海活动对经济的影响是十分深远的，不仅使航海者直接受益，而且推进了海外贸易，开辟了新市场，开拓了殖民地，掠夺了海外的原料和奴隶劳动力，大大加速了西欧资本主义生产关系的形成和发展。

航海活动首先需要科学技术的支持，同时又对科学技术的发展具有决定性的影响。航海活动和地理大发现，使人们看到了一个新的地球，开阔了人们的视野，扩展了人们的活动范围和知识领域。这样不仅使科学特别是天文学，地理学有了现实的经济价值，而且使科学变成了大众的科学。航海活动为天文学，地理学，动物学，植物学等自然科学的研究提供了大量的经验事实，推动了科学观念上的突破和新学科的建立。

文艺复兴运动

近代自然科学的产生不仅需要有社会的政治条件和经济基础,而且要有文化条件。14世纪,发源于意大利的文艺复兴运动为近代自然科学的产生提供了一个良好的文化条件。文艺复兴运动是一次资产阶级新文化运动。它打着复兴古希腊文化的旗帜,倡导以人文主义为中心新思想,赞颂人的智慧和才能,提倡人性、个性解放和个性自由,批判宗教宣扬的来世思想和禁欲主义,肯定人是现实生活的创造者。它实际上用人性反对神性,崇尚理性,鄙薄信仰,歌颂世俗,蔑视天堂。人文主义者并不根本否定宗教,他们所反对的只是神权统治和封建教会的腐败。长期以来受到宗教神学、经院哲学禁锢的欧洲人,在这场运动中,获得了思想上的大解放,经历了观念上的一次大革命。文艺复兴运动之所以在世界史上占有重要地位,原因也就在这里,即它是人类历史上的一场空前伟大的思想解放运动。文艺复兴运动对科学发展的影响是多方面的。它破除了人们对神圣不可侵犯的信条的迷信,培育了自由研究的精神,引导了人们去观察和研究自然和现实世界。文艺复兴对科学的最重要的贡献,则是培育了一批富有新鲜活力并有所建树的自然科学家。他们在科学成果上也许不如后来的科学家,但正是他们开辟了科学史上的一个新时代。他们为科学而献身的精神,一直鼓舞着后来的科学家。

在早期文艺复兴的代表人物中间,最杰出的是意大利的达·芬奇(公元1482—1519)。他既是一位人文主义思想家、哲学家、艺术家,又是出色的工程师和科学家。高举天文学革命旗帜的哥白尼(公元1473—1543)、科学的殉道者维萨里(公元1514—1564)等人都出在文艺复兴运动中。正如恩格斯所指出的:“这是一次人类从来没有经历过的最伟大的、进步的变革,是一个需要巨人而且产生了巨人———在思维能力、热情和性格方面,在多才多艺和学识渊博方面的巨人的时代”。

宗教改革运动

资产阶级首先打起“文艺复兴”的旗帜,在思想文化领域里展开反封建的斗争,接着又以“宗教改革”的形式,掀起了反对教会特权的运动。由于教会在德国的统治最为残酷,社会矛盾也更加尖锐,宗教改革运动首先在德国开始。这次运动的代表人物马丁·路德(公元1483—1546)所提出的宗教改革学说,其核心就是“信仰可以获救”。路德主张,只要自己信仰上帝,灵魂就可以获救,人人有权读圣经,人人可以通上帝,不需要有教会和教士的特权,也无需奢侈的宗教仪式。他在《九十五条论纲》中揭露了教会僧侣们的虚伪和腐朽。他反对教会利用“赦罪符”骗取民财。路德的主张代表了市民对宗教改革的要求,符合新兴资产阶级的愿望,宗教改革运动很快在全国开展起来。继路德之后,法国人加尔文(公元1509—1564)又发展了新教。加尔文的新教提倡并拥护私有财产,认为发家致富是光荣的,强调人要实现上帝所赋予的使命。新教很快传播于欧洲各国。 中世纪的欧洲,科学变成了神学的附庸。宗教改革运动对科学从神学中解放出来有积极作用。宗教改革者反对神父的权威,认为研究万物是对上帝的爱戴,这些都是有利于自然科学发展的。近代欧洲的著名科学家中新教徒占很大的优势,就是很好的证明。但是宗教改革与自然科学的关系是很复杂的,新教尽管在某些方面允许科学活动的存在,但当科学发现与宗教教义相抵触的时候,新教徒照样把科学的殉道者送上了火刑场,甚至比旧教还残酷。自然科学为求得自己的生存和发展,必然还要经历同神学的激烈搏斗。

在自然科学为争取独立而同神学的斗争中, 有两个突出的事件: 一是哥白尼的 《天体运行论》 的发表, 二是血液循环理论的提出。前者在对大宇宙———天体结构的解释上, 把天地翻转过来, 用太阳中心说推翻了被宗教奉为神明的托勒密地球中心说, 被称之为近代科学史上的第一次科学革命———天文学革命; 后者在对小宇宙———人体结构的解释上, 冲破了神学所说的人体内部不会有循环运动的信条, 使生理学、解剖学、医学从神学中解放出来。这两个事件作为划时代的标志而载入史册。

哥白尼的太阳中心说

尼古拉·哥白尼于 1473 年 2 月 19 日出生在波兰的一个商人家庭里。他在读大学时就对数学和天文学发生了兴趣, 养成了用天文仪器观察天象的习惯。1496 年他到意大利留学, 学习法律和医学,但仍花大量时间研究天文学。受意大利文艺复兴思想的熏陶, 他立志改革天文学, 探讨改进托勒密体系的可能性, 逐渐形成了日心说的观点。回国之后, 到弗劳恩堡总教堂当牧师。在任牧师职务期间, 他建立了一座简陋的天文台, 持续几十年的天文观测, 对大量的计算进行整理工作, 使他的日心说体系逐渐完善。开始只是写了一个关于天体运动假设的 《短论》, 后来又发表了一个 《提纲》, 使更多的人了解了他的日心说的内容。在朋友们的再三鼓励支持下,他终于公开出版了 《天体运行论》 一书。当 1543 年第一册印好的书送到他的手中时, 他已处于弥留之际, 不久就逝世了。托勒密的地球中心说体系统治欧洲达 1000 年之久, 直到 14 世纪仍主宰着天文学。这个体系由于坚持地球不动的观念, 用本轮和均轮这些几何圆圈来调和与观测结果的矛盾, 已变得日益繁琐复杂。到哥白尼时代已增加到 77 个几何圆圈, 但仍与观测结果不符。哥白尼通过分析行星运动的资料, 发现每个行星都有自转、公转和轴的回旋运动。如果设想地球也是运动的, 是否就可以使对天体运动的解释变得简单呢 ? 正如他自己所说: “有人在我之前已自由地想像他们要用哪些圆圈以便解释天文现象。因此我想, 我不也可以尝试一下, 假定地球具有某种运动, 看看能不能为天体的转动比别人找到更加有效的论证。”一旦当他这样做了之后, 托勒密体系中的好多圆圈就变得毫无必要了。但是设想地球是运动的, 必须克服认识上的两个难题。这两个难题在古希腊时代就提出来了, 一是如果地球是运动的, 从地球上观测恒星, 就应该发现它在恒星背景上的位移差别, 但为什么观测不到恒星视差呢 ? 二是如果地球是运动的, 为什么地球上的人却感觉不到呢 ? 如果地球在运动, 地球上的一切东西就将飞散, 垂直上抛的物体将落在后面, 但事实又并非如此。托勒密就曾以此来反证地球是不动的。

为了解决第一个难题, 哥白尼进行过多年的观测, 但毫无结果。于是哥白尼提出, 这是由于恒星距离我们太远而视差太小的缘故。这种解释是对的。直到 1838 年人们才借助大型天文望远镜首次测得一个恒星的视差。对于第二个问题, 哥白尼的回答是: 地球上的东西之所以没有因地球旋转而飞散, 也没有使上抛的物体落到后面去, 那是因为地球的运动已分给了那些物体, 它们随地球一起运动。比如船只静静地驶去, 实际上是船动, 但船里的人却觉得自己是静止的, 船外的东西好像都在动。哥白尼在这里已有了运动相对性的明确概念了。哥白尼在 《天体运行论》 一书中, 系统地阐述了太阳中心说。其基本内容就是:(1) 太阳是宇宙的中心。从亚里士多德到托勒密, 都认为地球是宇宙的中心, 太阳绕地球运转, 哥白尼则把天地翻转过来; (2) 地球是运动的。地球不光绕太阳公转, 它自身又每昼夜自西向东旋转一周, 并用地球的自转来解释太阳和恒星的东升西落; (3) 月亮是地球的卫星。哥白尼认为, 地球带着月亮绕太阳旋转, 月亮是地球的“卫士”、“侍从”;(4) 金星、火星、木星、土星等各依自己的轨道绕太阳转动。从地球上看这些行星时而在接近的方向上顺行, 时而在相反的方向上逆行, 对于这种现象, 以往的天文学家一直认为是个谜, 哥白尼认为这是地球绕日运动与行星绕日运动复合反映的结果, 而不是因为别的行星动作奇特, 行踪诡秘。哥白尼对天文学作出了不可磨灭的伟大贡献。他通过精确的数学方法, 为人们提供了解释行星运动的简单方式。他把日心说的思想综合成一个完整的行星理论, 为后来的开普勒发现行星运动定律提供了必要前提, 也为牛顿解释行星运动定律开辟了道路。当然,哥白尼的日心说还存在着不少缺陷, 如继续采用了本轮和均轮概念, 保留了行星按正圆轨道运动的思想, 开始时与观测结果还不能完全一致, 但不能因此而降低哥白尼的日心说的历史作用。

《天体运行论》 的发表, 是科学史上的一个里程碑。这是科学写给神学的挑战书, 也是科学宣布自己独立的宣言书。哥白尼本人也深刻地意识到他的学说的革命性质, 预见到公开发表他的著作将给自己带来的后果 。因为长期以来, 科学与宗教迷信的斗争, 在宇宙结构问题上是最为敏感的地方。但是哥白尼经过几十年的观测和研究, 几经犹豫, 终于以科学家应有的勇气和信心, 发表了他的著作。正如他自己所说: “我深深地意识到, 由于人们因袭许多世纪以来的传统观念, 对于地球居于宇宙中心静止不动的见解深信不疑, 所以我把运动归之于地球的想法肯定会被他们看成是荒唐的行动。”他更预见到一些空谈家们肯定会摘引圣经的字句对他的著作加以曲解和攻击。对此, 哥白尼以对教会权威的蔑视态度和大无畏的精神, 郑重表示: “我鄙视他们, 把他们的议论视同痴人说梦,加以摒弃。”由于 《天体运行论》 刚发表, 哥白尼便与世长辞, 教会无法加害于他。围绕日心说而展开的科学反对宗教的斗争, 在哥白尼逝世之后便爆发了。

《天体运行论》 发表后, 没有立刻引起罗马教廷的注意, 但经过布鲁诺(公元 1548—1600)和伽利略(公元 1564—1642)的努力,不仅在知识界而且在群众中广为传播开来。这就使教会大为恐慌,并组织了对哥白尼学说的围剿。罗马教廷对哥白尼学说的继承者们实行了严酷的报复行动, 布鲁诺惨遭教会杀害, 伽利略被终身监禁。1616 年, 《天体运行论》 被列为禁书。布鲁诺是意大利的一位唯物主义哲学家。由于他接受哥白尼学说而被革除教籍, 不得不于 1576 年逃出意大利, 在国外过了 16 年的流亡生活。在这期间他不仅到处宣传哥白尼的学说, 猛烈抨击宗教的陈腐教条, 而且进一步发展了哥白尼的宇宙体系。布鲁诺认为, 宇宙是无边际的, 没有中心, 太阳只不过是太阳系的中心而已, 在宇宙中存在着无数个太阳系, 生命现象也不是地球上独有的, 有些行星上也可能像地球一样有生物存在。布鲁诺的无限宇宙思想, 集中反映在 《论无限性、宇宙及世界》 一书中。布鲁诺的无限宇宙是包罗一切的, 惟独没有给上帝留下任何位置, 因此教会也就不能容忍布鲁诺的存在。1592 年, 罗马教廷设圈套诱捕了布鲁诺, 逼迫他“当众悔罪”。但布鲁诺在宗教裁判所的 8 年监禁和折磨中, 始终不屈。在宗教法庭向他宣布死刑的时候,他说: “你们比我要更感到恐惧。”1600 年 2 月 17 日布鲁诺被烧死在罗马的鲜花广场上。由于害怕他在临刑前发表演说, 宗教法庭还在事前割掉了他的舌头。在科学反对宗教的斗争中, 科学家们曾用血和肉坚持了科学的真理, 这种精神一直为后人所景仰。

血液循环理论的发现

1543 年是科学史上值得记忆的一年。在这一年里不仅出版了《天体运行论》, 而且出版了维萨留斯的 《人体构造》 一书。维萨留斯出生于比利时, 18 岁进入巴黎大学学医。在大学期间就表现出他富有革新精神的个性。他对学校中医学教学的保守方法深为不满, 竟在深夜里偷回绞刑架上犯人的尸体, 进行解剖。这在宗教观念仍很盛行的 16 世纪, 确实是极其大胆的革命行动。因为“上帝厌恶流血”, 所以人体解剖在欧洲许多国家里是被禁止的。

维萨留斯在担任教授之后, 仍然坚持进行解剖, 他认为“注重实际的解剖结果胜于思辨”。根据他自己通过解剖进行观察研究的结果,指出了古希腊医学家盖仑学说的许多错误。在 《人体构造》 这本书里, 他详细地记叙了关于人体骨骼、肌肉、血液以及各种器官的解剖结果, 并附有 300 多张精巧的解剖图。他批判了盖仑所说的血液可以通过人的心脏中隔从右心室渗入左心室的错误结论。通过解剖实践证明, 人的心脏中隔很厚, 并由肌肉组成, 血液是不可能通过中隔从右心室流到左心室的。尽管他在当时还不能指明血液是怎样从右心室流到左心室的, 但他却开辟了通过解剖研究血液循环理论的道路, 并对盖仑医学的错误予以否定。正像托勒密地心说的错误被教会绝对化、宗教化一样, 教会也把盖仑学说的错误加以利用,为宗教目的服务。因此, 维萨留斯也遭到了教会的迫害。宗教裁判所以“巫师”、“盗尸”等罪名判处他死刑, 只因他是西班牙国王的御医而幸免, 但财产被全部没收。以后教会又逼迫他去耶路撒冷朝圣, 以“忏悔罪过”。在朝圣的归途中, 他困死在希腊的一个岛上。

西班牙医生塞尔维特(公元 1511—1553)继承了维萨留斯关于血液的研究成果。他在匿名出版的 《基督教的复兴》 一书中指出:人体内只有一种血液, 静脉血和动脉血在本质上是同一的。人的血液不是从右心室直接流向左心室, 而是经过肺部形成循环。即血液先从右心室被运到肺, 暗红色的静脉血在肺里摄取了吸入的空气,变成了鲜红色的血液, 再通过肺静脉到达左心室成为动脉血。塞尔维特主张, 在血液里只有一种灵气, 即神的惟一灵气, 并不存在盖仑所说的三种灵气, 这被宗教认为是否定圣父、圣子、圣灵的“三位一体”的宗教教义。特别是塞尔维特主张灵魂本身就是血液, 这就等于把超自然的神归结为自然物, 更遭到教会的反对。正当他要继续探索整个人体血液机制的时候, 宗教裁判所以异端罪将其逮捕, 1553 年被判处火刑, 临刑前还活活烤了他两个小时。

提出 整 个人 体 内血 液 循环 理 论的 人 是英 国 医生 哈 维 (公 元1578—1657)。当布鲁诺因支持哥白尼学说被烧死在罗马鲜花广场的时候, 哈维正在大学读书。得知这一消息, 他非常激动, 彻夜未眠。他深知在当时的条件下, 科学的结论如果违背宗教教义会给自己带来什么样的后果。但是他从读大学开始就要研究血液循环的机制问题的志向, 并没有因宗教的迫害而改变。他试图用机械的原理来解释人体的血液运动。1628 年发表了他的著作 《动物心脏与血液运动的解剖实习》, 论述了他的血液大循环理论。他通过逻辑证明和计算, 否定盖仑所说的血液是在静脉一端被制造出来, 又在动脉的末端被消耗干净的观念。哈维指出, 如果那样的话, 人的心脏一小时内要排出相当于人体三四倍的血液, 而肝脏是不可能在一小时之内造出这样多的血液的。他根据解剖的事实提出, 血液只能在人体中循环。在动脉血与静脉血之间应该有细小的血管 (毛细血管) , 使动脉血回到静脉, 再进入心脏。哈维还否定了由于心脏的内在灵气的冲击而推动着血液运动的观点, 第一个把血液循环的动因, 归结为心脏肌肉的机械收缩。这一观点大大加强了有机体是一种机器的观念。后来证明, 有机体比当时人们所想像的要复杂得多, 哈维关于毛细血管的假说, 于 1660 年被意大利人马尔比基在显微镜下观察到了, 得到了完全的证实。这一发现消除了哈维血液循环理论的最后一个疑点。血液循环理论的建立是近代医学、解剖学和生理学的新发现。在哈维以后, 比较解剖学、人体生理学、医学获得了进一步的发展。哈维的血液循环理论也曾遭到强烈的反对, 只是由于哈维又是国王的御医, 才没有受到人身摧残。哈维的血液循环理论与哥白尼的日心说, 是近代科学革命中的两颗光彩夺目的明珠。哈维曾把自己的理论同哥白尼的日心说作了类比, 指出: 正如众星绕太阳循环运行, 太阳是世界的心脏那样,人体的血液是通过“小太阳”———心脏作循环运动的。“心脏是生命的开始, 它是微型宇宙的太阳。”这就说明了地上和人间也存在着天上的运动, 进一步论证了世界的物质统一性。

科学实验是一种以认识自然为首要目的的实践活动。它作为认识自然的研究方法, 在很多方面优于一般的观察和生产实践活动。虽然在古代就已经出现了科学实验的萌芽和雏形, 但始终没有成为科学家们普遍应用的科学方法。伴随着自然科学同宗教神学、经院哲学的激烈斗争, 一批哲学家、科学家极力提倡科学实验, 并把科学实验作为科学战胜对手、壮大自己力量的有力武器。由于科学实验日益成为独立的社会实践方式, 不仅使近代自然知识有了特有的实践基础, 也促进了科学形态的变化, 出现了与古代实用科学、自然哲学不同的崭新的科学形态, 即实验科学。近代自然科学是建立在科学实验基础之上的实验科学。

伽利略的贡献

早在 13 世纪时, 罗吉尔·培根就曾提倡科学实验, 由于时代的限制没有产生多大影响。达·芬奇在反对教会和经院哲学的斗争中,主张向大自然请教, 提倡实验方法, 认为科学如果不是从实验中产生并以一种清晰实验结束, 便是毫无用处的, 充满荒谬的, 因为只有实验才是确实性之母。达·芬奇被称之为近代实验科学的开路先锋。近代实验科学的奠基人和主要代表则是伽利略, 他生在意大利的比萨, 父亲是个酷爱音乐和教学的贫困的贵族。父亲的爱好和性格都在儿子身上重现。伽利略开始学的是医学, 由于爱好数学, 转而学习数学和物理学。通过对物理现象的独立研究, 他发现了被奉为权威的亚里士多德的许多严重错误。尽管因此而遭到非议, 但他认为只要自己的观点同经验和理性相符合便是正确的, 至于是否和旁人观点一致则毫不在乎。他一生不仅宣传哥白尼的天文学说, 而且发展了日心说。他利用合成的镜片, 制成了天文望远镜, 通过观测到的新事实, 批驳了经院哲学的教条。经院哲学认为, 球状天体是绝对完备的, 太阳毫无瑕疵, 宇宙间只能有一个环绕中心。伽利略却用观测事实宣布, 太阳有黑子, 月球表面有山谷, 木星有四个卫星, 犹如一个小太阳系。伽利略因用新的发现支持了哥白尼的学说, 被教会当做异端分子, 遭到了经院哲学的攻击, 说他触犯了亚里士多德的权威。1615 年, 罗马教会传讯伽利略, 教皇保罗五世警告他不得“持有、传授或捍卫”哥白尼的理论。但是伽利略并没有放弃自己的观点, 他于 1632 年发表了轰动整个学术界的 《关于两大世界体系(托勒密的和哥白尼的)的对话》 一书。这部著作被称之为近代天文学的三部最伟大的杰作之一(另两部是哥白尼的 《天体运行论》 和牛顿的 《自然哲学的数学原理》)。1633 年伽利略因发表 《对话》 再次受到罗马教会的传讯, 遭到刑讯逼供。伽利略被迫宣布放弃信仰, 但仍被判处监禁。虽然如此, 他对科学的热忱仍不减当年。在被监禁和半监禁的情况下, 在他一生的最后 9 年中,他一直进行着艰苦的科学研究工作, 完成了 《关于两种新科学(力学和运动的位置)的谈话与数学证明》 一书。这部书被秘密偷运到荷兰于 1638 年出版。伽利略对天文学的贡献固然重要, 从对科学的发展看, 他对力学的贡献更为重要。由于伽利略的工作, 创立了动力学, 即关于运动物体的科学。亚里士多德认为物体下落的速度正比于物体的重量, 所以重物体要比轻物体降落得快。1586 年, 斯台文曾作过一次实验, 把两只重量不同的铅球从 30 英尺的高度同时落下, 发现它们几乎同时落到木板上, 重物体并不比轻物体下落得更快。

据说, 伽利略也曾在比萨斜塔上作过类似的实验。究竟伽利略是否作过这个实验, 科学技术史界至今仍有不同看法。其实伽利略的重要贡献并不在于作过一次实验, 而是在于他作了一系列巧妙的落体实验, 对实验作出了理论分析, 并用数学方法对实验结果定量地加以表示出来, 由此否定了亚里士多德的错误结论, 建立了自由落体运动的定量规律。为了弄清落体运动的过程和原因, 伽利略首先引入匀加速度的概念, 以区别于亚里士多德的匀速度。亚里士多德认为, 力是产生运动(速度)的原因; 伽利略通过实验及理论分析表明, 力是产生加速度的原因, 力所引起的“不是物体的运动, 而是运动的改变”。自由落体的速度与落体重量无关, 但却随时间的增加而增加。其定量关系是: 降落速度 V 与时间 t 成正比, 降落距离 S 与时间 t的平方成正比。这就是自由落体定律。伽利略通过斜面实验和摆的实验检验了上述的结论。由于自由落体运动得太快, 不能直接测量它通过的距离和所用的时间。伽利略便设计和制造了一个光滑的斜面和平面, 让黄铜小球沿斜面下滑到不同的预定距离, 再对其所用时间加以比较, 证明了所经距离之比与时间平方之比相等。通过斜面实验还发现了一些新的重要事实: 小球的末速度与斜面的倾角无关, 仅随垂直高度而变化; 获得一定的末速度的小球, 当进入到一个平面之后, 如果没有外力的作用, 且平面足够长, 它就将按原有速度作匀速直线运动, 一直运动下去。由此又引出来一个重要的力学原理, 即物体在不受外力作用的条件下, 其运动速度将保持不变。这就是惯性定律。在这之前,自亚里士多德以来, 人们却一直认为, 物体只有在不断受到力的作用时才能运动。惯性定律则彻底否定了这个错误的结论, 这也证明了力是产生加速度的原因。为了消除空气阻力对实验中的运动物体的影响, 消除运动物体和斜面接触时所产生的阻力(即摩擦力) , 伽利略又进行了单摆实验, 证明了媒质的阻力在摆的振动中没起多大作用, 同时证明了相同的摆摆动一次所花时间相同, 与摆的振幅大小无关。摆振动的同时性的发现, 使伽利略想到有可能制造摆钟。他曾指示他的儿子和学生动手研制单摆钟。在成功地把摆的振动和落体运动相类比之后, 伽利略又对抛射体的运动进行研究。按亚里士多德的冲力理论, 一个抛射体因获得冲力而直线上升, 然后当冲力耗尽之后, 再在引力作用下垂直下降。伽利略则证明了一个沿平面运动的物体, 当运动到平面的尽头时, 一方面按惯性原理则该物体应按同一方向匀速运动; 另一方面该物体因失去支撑, 按自由落体定律应垂直下落。这两组运动组合起来, 便使该物体的运动路径形成一个半抛物线。当把一个物体沿倾斜面上抛时, 它的路径则恰好是一条抛物线。这可以用力的平行四边形法则求出来。因此, 牛顿把伽利略说成是力的平行四边形法则的发现者。

伽利略作为近代实验科学的奠基人, 不仅以自己的实验成果启示人们如何去进行自然研究, 而且告诫人们必须用实验去获得物理学的基本原理和考核推理的结果, 而不能盲目相信书本。特别是伽利略还把实验的观测同数学的演绎结合起来, 而不是单纯依靠经验。伽利略的实验方法、数学方法和分析方法, 深刻地影响了与他同代和在他以后的科学家们, 成为以后科学研究的基本方法。在伽利略的时代, 还有一些科学家们积极提倡实验方法。英国的吉尔伯特(公元 1540—1605)就是其中之一。他赞赏工匠的经验技能, 反对盲目信仰权威。吉尔伯特对磁学进行了多方面的实验研究, 并把他写成的书“献给那些在实践中寻求知识的人”。由于吉尔伯特是个御医, 他曾在女皇伊丽莎白面前作过磁石实验, 因而吉尔伯特的实验活动和尊重科学实验的思想, 在当时也有较大的社会影响。

新哲学的激励

科学实验活动的兴起, 近代科学方法的建立, 还有赖于哲学的引导。在科学从中古时代向近代转变的关头, 有两位杰出的哲学家积极倡导近代科学方法, 并对推动科学的发展有重要作用。一个是英国的弗兰西斯·培根(公元 1561—1626); 一个是法国的笛卡儿(公元 1596—1650)。两人虽然在哲学的基本倾向上不同, 性格也各异, 但他们都是看到了新科学的未来前景的人, 并用一种新哲学激励人们去为新科学的发展而奋斗。培根是一位坚持唯物主义传统的哲学家, 在 17 世纪的哲学家中, 他以尊重工匠传统而著称。他认为, 当时学术上的弊端, 一方面是学者不和工匠的经验接触; 另一方面则是工匠没有学问, 他主张学者传统要和工匠传统结合起来, 从而形成“经验和理性职能的真正的合法的婚配”。这种结合将使工匠的手艺因运用科学方法变得更有成效; 学者们则从实际经验中获得教益, 并提高自己的水平。在他看来, 很多科学原理蕴藏在工匠的日常操作中, 这些操作经验是科学的可贵源泉。

培根继承了罗吉尔·培根、达·芬奇等人的思想, 强调了实验对科学的极端重要性, 同时重视理性的作用, 最后建立了实验归纳法。培根认为, 要得到正确的知识必须从事实出发, 通过实验收集大量资料, 然后进行对比分析, 排除无关因素, 找出个别事物中的普遍规律。在 《新工具》 一书中, 他不仅阐明了归纳法的重要性,而且提供了归纳逻辑中判明因果联系的求同法、差异法和共变法。

培根一生并没有作过一次实验, 没有提出一个自然科学概念,但不能因此而否定他对科学发展的贡献。他除了对建立实验科学方法论有贡献外, 在科学的重要社会功能的认识上, 提出了“要征服自然, 必须服从自然”的思想。由于人对自然的科学理解和对自然的技术控制是相辅相成的, 因而培根又提出了“知识就是力量”的口号。他在乌托邦 《新大西岛》 一书中, 勾画了建立学者们的合作团体的计划, 强调了学者们集体合作研究的重要性。在这种思想的倡导下, 17 世纪陆续建立了一批对后来科学发展有影响的科学组织。马克思和恩格斯在评价他的贡献时指出: “英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖是培根。”“按照他的学说, 感觉是完全可靠的, 是一切知识的泉源。科学是实验的科学, 科学就在于用理性方法去整理感性材料。归纳、分析、比较、观察和实验是理性方法的主要条件。”

笛卡儿则倡导科学研究中的演绎法, 强调数学方法的意义。笛卡儿是法国著名的数学家, 他把代数方程和几何学的曲线、曲面联系起来, 创立了解析几何学, 使辩证法进入了数学, 并奠定了近代数学———实验方法的基础。他继承了伽利略等人的思想, 认为科学与数学在本质上是同一的。在哲学上他是近代唯理论的代表, 强调理性在整个认识过程中的作用, 主张依靠人的理性来寻求可靠的知识。他认为科学始于怀疑, 倡导理性演绎法。他认为只有从不可怀疑的或不证自明的公理出发, 严格按照演绎法一步一步地进行推理, 才能推演出可靠的知识。他在一定程度上看到了单凭经验不能提供关于事物的本质的知识, 但认为理性是一切知识的泉源又是片面的。不过他并不排斥实验, 认为实验的功能在于确立演绎的结果与物理实验之间的一致性, 这又与培根的思想产生了共鸣。

笛卡尔致力于自然界观察，并意识到只有牵涉空间的“运动”可以用数学处理。作为解析几何的创始人，笛卡尔把数和几何学联系起来，从而表明空间或广延可以用代数公式表示。“他又引入现代数学符号以及运作方式，并且用x，y等字母代表未知线段，用a，b，c等字母代表已知数量，从而大大简化了代数问题的解决。这在数学的现代革命过程中是具有重大意义的决定性一步，从此数学思考的重心就从几何学的“形”转移到代数学的“计算”上去了。由此，笛卡尔把科学的统一性建立在研究方法——数学上，而数学的确定性就保证了知识的确定性，从而在数学角度为近代科学建立了形而上学的基础。

培根与笛卡儿的观点似乎是相互对立的, 其实他们是互相补充的。注重实验经验成为英国皇家学会和早期法国科学院的一项宗旨。18 世纪和以后的一些法国科学家奉行笛卡儿的原则, 在理论的创造上作出了贡献。培根和笛卡儿都对科学的前景给予充分估计, 相信自然科学将使人类成为自然界的统治者和占有者, 并将给人类带来更多的利益。

有组织的科学活动

由于伽利略、培根、笛卡儿所倡导的科学精神的传播, 使一批科学家受到了感染。为促进实验科学的发展, 一批有影响的由科学家组成的社团, 陆续在各国建立。13 世纪以来建立的大学本来应该在发扬新科学的精神方面作出贡献, 然而由于教会的控制, 不仅把哲学变成了神学的婢女, 大学也变成了希腊童话中的灰姑娘。在近代科学产生时, 近代科学的先驱者们完全脱离了大学。为了适应新时代的需要, 必须有新的脱离教会控制的新组织。科学社团正是在这种需要中建立起来的。

在最早建立的科学社团中, 最有影响的有佛罗伦萨的西芒托学院或称实验学会。这是由伽利略的两个杰出的学生维维安尼(公元1622—1703)、托里拆里(公元 1608—1647)发起建立的。在正式建立之前, 已经有了一个由贵族资助的实验室, 配备有就当时来说很完善的科学仪器。各方面的科学家为了进行实验和探讨问题经常到这里来聚会。西芒托学院是由这种非正式组织发展而来的。在这个实验学会里, 科学家们进行了许多实验, 如关于空气压力的实验,水和其液体的凝固实验, 还对固体和液体的热膨胀、电和磁的基本现象进行了研究。他们采用精密的实验方法, 依观察实验的证据提出结论, 而不靠思辨的遐想。由于这是一种合作研究, 彼此间可以相互批评, 为使别人接受自己的结论, 惟一有效的办法就是要提供实验观察和计算的结果。以至于后来英国的皇家学会也是这样对思辨加以限制的。牛顿之所以厌恶科学上的思辨假说也是出于类似的原因。西芒托学院完全是由科学家自发组成的学术团体, 因缺乏支持仅活动了 10 余年便中止了。

英国的皇家学会是由培根的实验哲学的追随者们的一个非正式团体发展而成的。大约从 1645 年开始, 以威尔金斯(公元 1614—1672)为首的一批年轻科学家每周在伦敦集会。在这个自称为“哲学学会”的组织里, 他们进行实验和讨论科学问题, 涉及领域极其广泛, 但其成员约定神学和政治不在他们讨论的范围之内。由于人员迁居和政治动乱, 哲学学会的活动曾中止一个时期, 到 1660 年,伦敦的科学家们又恢复集会, 并提出建立正式的科学机构, 目的在于探索实验知识。1662 年 7 月 15 日, 蒙英王查理二世之特许, 创立了皇家学会, 创办时成员大约有 100 人。皇家学会一开始就形成一种制度, 即在学会的会议上把具体的探索任务或研究项目分配给会员个人或小组, 并要求他们及时向学会汇报研究成果。因此, 在早期的学会会议上, 都是会员作报告或演说, 演示实验, 展览各种稀奇的东西, 并对由此而提出的各种问题进行讨论。随着时间的推移, 逐渐又建立了各种专门委员会, 用以推进各部门的活动。各学科委员会不仅进行关于天文学、生物学、化学等基础理论的研究,还重视各种技术原理与工艺实践的研究, 反映了这一时期英国科学与生产联系的特点。1633 年由学会干事胡克起草的学会章程中明确规定: “皇家学会的任务和宗旨是增进关于自然事物的知识和一切有用的技艺、制造业、机械作业、引擎和用实验从事发明。”英国皇家学会通过开展活动, 包括出版 《皇家学会哲学学报》,不仅吸引了当时英国的一大批杰出的科学家, 激发了他们的创造活动, 在各个领域作出贡献, 同时对各国的科学家也产生了深远影响。几乎与此同时, 在法国也有一批哲学家和科学家开始进行非正式的聚会活动, 到 1666 年经法国国王路易十四特许, 成立了皇家科学院, 有 12 位科学家被委任为院士, 院士由国王发给薪俸, 研究工作也得到国王的资助。17 世纪的德国也建立了许多社团, 诸如自然研究学会、实验研究学会等。但是真正能与英国皇家学会、法国科学院并驾齐驱的德国科学社团则是柏林学院。这所学院是由微积分的创始人之一莱布尼兹(公元 1646—1716) 经多年规划和不断鼓吹的结果。虽然直到 1700 年才正式建立, 但必须将其看做是17 世纪的产物。

在科学社团的支持下, 开始出现了学术交流和传播知识的新手段, 即科学期刊。如英国皇家学会的 《皇家学会哲学学报》, 法国科学院的 《皇家科学院史以及数学和物理的论文报告》、《外国学者论文报告集》, 柏林学院也创办了自己的杂志。

科学社团的建立, 促进了实验科学的发展, 随之也推动了科学仪器的进步。显微镜、望远镜、温度计、气压计、抽气机、摆钟和一些船用仪表都是在实验活动中, 由科学家们发明的。以前的工具是由工匠们在生产实践中创造出来的。科学工具是从实验室里创造出来的, 但同时它们也在人类的其他活动中加以应用。当然, 这时的科学工具相对来说,还是比较简陋的, 但毕竟有了一个新的开端。初期科学社团的建立, 标志着科学活动方式的转变, 即从科学家的个人自由研究转向有组织的集体研究。它使科学成为一种社会建制, 变成了一种广泛的社会活动。科学家们正是在这种有组织的社会活动中, 取得了杰出的科学成果。牛顿的力学体系也正是在这样的条件下诞生的。