《回望人類發(fā)明之路》連載之十一近代科學(xué)誕生（下）

撰文 供圖 張開(kāi)遜

近代科學(xué)的誕生，成為人類發(fā)明活動(dòng)的分水嶺。

古往今來(lái)，人類渴望了解自己，這既出于治療疾病的需要，又源于解開(kāi)生命之謎的強(qiáng)烈內(nèi)心需求。然而，了解人類自身比洞察身外的事物困難得多，因?yàn)樯^(guò)程極為隱秘復(fù)雜，而人類出于天性，不情愿解剖同類的遺體。在漫長(zhǎng)的歐洲中世紀(jì)，尸體解剖被視作罪孽，只有在為救治傷員進(jìn)行外科手術(shù)或?yàn)榕迨聦?shí)真相進(jìn)行尸檢時(shí)，才可以獲得關(guān)于人體的零星知識(shí)。長(zhǎng)期以來(lái)，包括醫(yī)生在內(nèi)，人們對(duì)人體構(gòu)造和器官組織的了解非常少。

14世紀(jì)，歐洲淋巴腺鼠疫流行，造成近1/3人口死亡。為了查清病因，教會(huì)第一次允許進(jìn)行尸體解剖。1531年，教皇克萊門蒂七世正式批準(zhǔn)：尸體解剖合法。從此，有關(guān)人體的解剖研究相繼在意大利和法國(guó)巴黎的幾所大學(xué)開(kāi)展起來(lái)，意大利的博洛尼亞大學(xué)還專門建立了一座有數(shù)百個(gè)臺(tái)位的露天環(huán)形解剖教室。

上圖：17世紀(jì)意大利帕多瓦大學(xué)的露天解剖教室

下圖：《尼古拉斯·杜爾博士的解剖學(xué)課》（荷蘭畫家倫勃朗繪于1632年）

1543年，出生在比利時(shí)的維薩留斯（1514－1564）出版了他的著作《人體結(jié)構(gòu)》。這本書共分7卷，包括“骨骼系統(tǒng)”、“肌肉系統(tǒng)”、“血液系統(tǒng)”、“神經(jīng)系統(tǒng)”、“消化系統(tǒng)”、“腦感覺(jué)器官”和“內(nèi)臟系統(tǒng)”（無(wú)法歸入上述系統(tǒng)的其他器官的統(tǒng)稱）。

維薩留斯當(dāng)過(guò)軍醫(yī)，處理過(guò)許多由火器造成的嚴(yán)重外傷（當(dāng)時(shí)，歐洲的槍炮已經(jīng)開(kāi)始取代冷兵器），還擔(dān)任過(guò)解剖學(xué)教授和宮廷御醫(yī)，具有豐富的醫(yī)學(xué)知識(shí)。他曾經(jīng)說(shuō)：“只有勤于思考才能拯救人類，否則一切事物都將面臨死亡?！?/p>

文藝復(fù)興時(shí)期著名畫家提香的學(xué)生卡爾卡，也是一位造詣極深的解剖學(xué)家，他為《人體結(jié)構(gòu)》一書畫了所有插圖。這部圖文并茂的書為西方醫(yī)學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。

這一時(shí)期，從事解剖學(xué)研究的其他學(xué)者，也已不再局限于對(duì)人體器官組織的形態(tài)描述，而開(kāi)始探究它們對(duì)人體生命活動(dòng)的意義。

1553年，出生在西班牙的塞爾維特（1511－1553）發(fā)現(xiàn)，心臟右下方小室（醫(yī)學(xué)上稱為右心室）中的血液，通過(guò)與肺相連的動(dòng)脈進(jìn)入肺葉，而后通過(guò)肺靜脈回流到心臟左上方的小空腔（醫(yī)學(xué)上稱為左心房），再流向全身。這種從心臟到心臟的血液流動(dòng)過(guò)程，被稱為“肺循環(huán)”。這一發(fā)現(xiàn)使人們第一次弄清肺和心臟的關(guān)系。塞爾維特在秘密出版的《基督教的復(fù)興》一書中陳述了這一發(fā)現(xiàn)。然而，教會(huì)認(rèn)為它與相關(guān)教義抵觸，于1553年4月4日逮捕了塞爾維特。后來(lái)，塞爾維特逃出監(jiān)獄，但又在日內(nèi)瓦被新教的首領(lǐng)加爾文（1509－1564）抓住。加爾文操縱26人組成的法庭，秘密判決塞爾維特火刑。1553年10月27日，塞爾維特被押往日內(nèi)瓦南面的尚貝爾山活活燒死，死前被殘忍地用火烤了近半個(gè)小時(shí)。

1603年，意大利醫(yī)生法布里修斯（1537－1619）發(fā)現(xiàn)，人體靜脈壁有許多僅能單向打開(kāi)的小瓣膜，它們使血液只能沿著回到心臟的方向流動(dòng)。如果血液逆流，瓣膜就會(huì)立即關(guān)閉。

1616年，英國(guó)醫(yī)生哈維（1578－1657）發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)的完整過(guò)程。他于1628年出版《心血運(yùn)動(dòng)論》一書，詳細(xì)地論述了心臟功能和血液在人體中循環(huán)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，為醫(yī)學(xué)奠定了最重要的生理學(xué)基礎(chǔ)。

此前，人們一直相信羅馬帝國(guó)的御醫(yī)蓋倫（130－200）關(guān)于人體血液的理論。蓋倫出生在希臘，曾做過(guò)斗獸場(chǎng)的外科醫(yī)生。他認(rèn)為，人體肝臟產(chǎn)生的血液，通過(guò)靜脈的潮汐運(yùn)動(dòng)到達(dá)心臟，心臟使血液進(jìn)入動(dòng)脈被人體吸收。1400年來(lái)，蓋倫的學(xué)說(shuō)一直被奉為醫(yī)學(xué)經(jīng)典。

然而，哈維通過(guò)對(duì)心臟的解剖研究，發(fā)現(xiàn)心臟是由四個(gè)小室構(gòu)成的空腔，兩側(cè)上下腔之間由瓣膜相連，而左右腔互不相通。從靜脈流入心臟的血液不可能直接進(jìn)入動(dòng)脈。他測(cè)量了人體心臟的實(shí)際體積，發(fā)現(xiàn)心臟可以容納的血量最多只有0.5升左右。如果每次心臟搏動(dòng)排出0.2升血液，以每分鐘搏動(dòng)72次計(jì)算，1小時(shí)排出的血液大約有864升，已經(jīng)超過(guò)了普通成年人的體重，人體不可能在1小時(shí)內(nèi)造出如此多的血液（人體全部血液大約為5升）。因此，他判斷血液應(yīng)該在人體中循環(huán)流動(dòng)，而心臟的作用相當(dāng)于一個(gè)泵。

哈維《心血運(yùn)動(dòng)論》一書插圖

在《心血運(yùn)動(dòng)論》中，哈維陳述了這樣的景象：人體的血液由靜脈流入心臟右上方的小腔（現(xiàn)在稱為右心房），通過(guò)下方的瓣膜進(jìn)入右下方的小腔（右心室），右心室肌肉收縮時(shí)推動(dòng)血液流入肺動(dòng)脈進(jìn)入肺部，這時(shí)上方的瓣膜關(guān)閉。從肺部回流的血液又進(jìn)入心臟左上方的小腔（左心房），通過(guò)瓣膜進(jìn)入左下方的小腔（左心室）。左心室肌肉收縮，推動(dòng)血液通過(guò)主動(dòng)脈流向全身，這時(shí)，上方的瓣膜關(guān)閉，防止血液回流到左心房。心臟就是這樣周而復(fù)始地工作，實(shí)現(xiàn)人體的血液循環(huán)。

當(dāng)時(shí)，哈維不能解釋的是：在人體內(nèi)，流入動(dòng)脈的血液如何進(jìn)入靜脈？直到1660年，意大利醫(yī)生馬爾比基（1628－1694）在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，密布于人體的毛細(xì)血管把動(dòng)脈的末梢與密如蛛網(wǎng)的靜脈連接起來(lái)，才最終完整地闡釋了人體血液循環(huán)的全部過(guò)程。血液循環(huán)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著近代醫(yī)學(xué)的誕生。基于這一重大發(fā)現(xiàn)，與人類健康相關(guān)的新藥物與醫(yī)療技術(shù)新發(fā)明相繼出現(xiàn)。

這時(shí)，一件科學(xué)儀器把醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)推向新的領(lǐng)域，它就是顯微鏡。顯微鏡幫助人們發(fā)現(xiàn)了從未見(jiàn)過(guò)的微小世界。在顯微鏡下，世界變得比望遠(yuǎn)鏡里的星空更加復(fù)雜，更加不可思議。人眼的分辨極限大約是0.2毫米，最小只能看清發(fā)絲一般粗細(xì)的物體，而顯微鏡使人眼的分辨能力提高了數(shù)百倍。

最早的顯微鏡出現(xiàn)在1590年，與第一架望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世的時(shí)間相近。但由于顯微鏡片的焦距很短，磨制極為困難，產(chǎn)生的光像常常嚴(yán)重變形，直到60多年以后顯微鏡才進(jìn)入實(shí)用階段。1665年，英國(guó)物理學(xué)家胡克發(fā)表其在顯微鏡下觀察昆蟲(chóng)和植物組織的結(jié)果，并且首次使用了“細(xì)胞”一詞。此后不久，荷蘭科學(xué)家斯旺麥丹（1635－1703）采集了3000種昆蟲(chóng)標(biāo)本，在顯微鏡下進(jìn)行仔細(xì)觀察，而且還在顯微鏡下進(jìn)行昆蟲(chóng)解剖研究，為現(xiàn)代昆蟲(chóng)學(xué)奠定了基礎(chǔ)。他利用顯微鏡還發(fā)現(xiàn)在以往被人們認(rèn)為“生命自然產(chǎn)生的地方”其實(shí)都有肉眼看不見(jiàn)的小卵。他指出，生命不可能“無(wú)中生有”。

1675年，出生在荷蘭的“業(yè)余”科學(xué)家列文虎克（1632－1723）用其磨制的單鏡頭顯微鏡在一滴雨水中看到了單細(xì)胞原生動(dòng)物。他磨制鏡片的技巧高超，磨制出的鏡片能將物體放大280倍。1683年，列文虎克從自己的牙齒上隨意取了一點(diǎn)食物殘?jiān)陲@微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)了比原生動(dòng)物還要小的細(xì)菌。1688年，他在顯微鏡下看到了人血和哺乳動(dòng)物血液中的紅血球。

細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)使人類找到了生命活動(dòng)的基本單元，細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)則使人類看到了許多種隱形致病元兇的真身。顯微鏡的發(fā)明對(duì)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的進(jìn)展，具有不可估量的意義。

圖①早期的顯微鏡

圖②軟木塞細(xì)胞

圖③虱

圖④跳蚤

當(dāng)人們專心研究地上事物的時(shí)候，有一個(gè)英國(guó)人卻在沉思：天上的星星是否也遵循地上物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？如果有普遍遵循的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律是什么？這個(gè)人就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律的物理學(xué)家艾薩克·牛頓。

牛頓認(rèn)真分析了意大利物理學(xué)家伽利略關(guān)于物體慣性和自由落體的研究結(jié)果，他想象月亮之所以不即不離周而復(fù)始繞地球運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該有一種來(lái)自地球的吸引力約束它。地球吸引一切物體落下的力量，會(huì)延伸到遙遠(yuǎn)的空間，作用于月球，就像用繩子一端系著一塊小石頭，手握繩子的另一端甩動(dòng)繩子，石頭就會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)一樣。其實(shí)在牛頓之前，已經(jīng)有很多人產(chǎn)生過(guò)類似的聯(lián)想，但他們都沒(méi)有回答這種力有多大，服從什么規(guī)律。他們的思考僅僅限于哲學(xué)的范疇。

牛頓注意到，伽利略曾經(jīng)測(cè)量出在地球表面物體自由下落時(shí)，在重力作用下產(chǎn)生的加速度與高度有關(guān)，海拔愈高，重力產(chǎn)生的加速度愈小。這表明地球?qū)ξ矬w的吸引力，隨著物體到地心距離的增加而減少。在一部古希臘天文學(xué)文獻(xiàn)中，牛頓注意到天文學(xué)家希帕恰斯（前190－前125）曾經(jīng)根據(jù)月全食地球陰影掠過(guò)月面的時(shí)間，估算出月球到地球的距離是地球半徑的60倍，地球的引力使月球產(chǎn)生的加速度，應(yīng)該比在地球表面的重力加速度小得多。

牛頓的數(shù)學(xué)修養(yǎng)很深，尤其擅長(zhǎng)運(yùn)用幾何與代數(shù)相結(jié)合的計(jì)算方法（今天人們稱之為解析幾何學(xué)）。他根據(jù)希帕恰斯得到的月地距離的數(shù)據(jù)和月球繞地球運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間（27天7小時(shí)43分），計(jì)算出地球的引力使月球產(chǎn)生的加速度，正好是地球表面重力加速度的1/3600，3600正好是60的平方。這種巧合使牛頓作出一個(gè)大膽的假定：任何兩個(gè)物體之間都存在相互吸引的力量，引力的大小與這兩個(gè)物體距離的平方成反比。牛頓還提出另外一個(gè)假定：力是引起物體運(yùn)動(dòng)的原因。物體受力運(yùn)動(dòng)時(shí)遵循一條簡(jiǎn)單的規(guī)則，力等于質(zhì)量乘以加速度。

根據(jù)這兩條假定，牛頓運(yùn)用自己創(chuàng)造的數(shù)學(xué)方法，成功地解釋了被稱為天體運(yùn)行之謎的開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律?；谶@兩條假定，牛頓計(jì)算出的水星、金星、火星、木星和土星的運(yùn)行軌道，與天文觀測(cè)的結(jié)果完全符合。

牛頓的上述研究工作是從1666年開(kāi)始的，20年之后他建立了自己的理論體系。1687年，牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書出版，全面闡述了他所發(fā)現(xiàn)的關(guān)于宇宙間物體運(yùn)動(dòng)和相互作用力的規(guī)律，把早年的兩條假定變成了四條定律。前三條說(shuō)明力如何改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，第四條以數(shù)學(xué)形式表述存在于一切物體之間的引力（簡(jiǎn)稱萬(wàn)有引力）。

關(guān)于運(yùn)動(dòng)的三條定律是：

1. 物體在不受外力作用的情況下，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)；

2. 外力引起物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，力等于物體質(zhì)量與加速度的乘積；

3. 當(dāng)物體相互作用時(shí)，作用力和反作用力分別施加在兩個(gè)不同的物體上，大小相等，方向相反。

萬(wàn)有引力定律是：任何兩個(gè)物體之間都存在相互吸引力，力的方向在這兩個(gè)物體各自質(zhì)量中心的連線上，力的大小與這兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與距離的平方成反比。

運(yùn)用牛頓理論，人們滿意地解釋了許多與運(yùn)動(dòng)和力相關(guān)的自然現(xiàn)象。然而，人們還是不相信自然界有如此簡(jiǎn)潔普遍的規(guī)律。

1727年，牛頓去世。后來(lái)發(fā)生了三件事，最終消除了人們對(duì)牛頓力學(xué)提出的天體運(yùn)行規(guī)律的疑慮。

17世紀(jì)，人們已經(jīng)注意到鐘擺擺動(dòng)的周期（擺動(dòng)一次的時(shí)間）在接近地球赤道的地方會(huì)變長(zhǎng)，而在靠近兩極的地方會(huì)變短，就是說(shuō)，地球的引力在赤道附近略有減少，而在兩極附近略有增加。人們推斷，如果牛頓萬(wàn)有引力定律是正確的，那么，地球的形狀不應(yīng)該是一個(gè)理想的球體，它應(yīng)該更像一個(gè)橘子，赤道附近向外凸出。

1735年，法國(guó)科學(xué)院命兩支考察隊(duì)分別到秘魯鄰近赤道的地方和北極圈附近斯堪的那維亞半島北部的科普蘭，精確測(cè)量地球子午線上1度的弧長(zhǎng)，因?yàn)樗軌虮砻鞯厍虻男螤钭兓?。如果地球確實(shí)在赤道附近向外凸起，子午線1度的弧長(zhǎng)就會(huì)減??；如果地球在兩極附近變得扁平，子午線1度的弧長(zhǎng)就會(huì)增大。1738年，北線考察隊(duì)公布了在北極圈附近的測(cè)量結(jié)果，子午線上1度的弧長(zhǎng)與其在巴黎的值相比，大約增加了7/1000；1745年，南線考察隊(duì)公布了在赤道附近測(cè)量的結(jié)果，確實(shí)比巴黎的值小。兩隊(duì)的報(bào)告都證明地球確實(shí)是扁的。

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第三卷中曾經(jīng)提到，有的彗星也按橢圓軌道運(yùn)行，由于它們距離地球非常遠(yuǎn)，因而只有當(dāng)它們距太陽(yáng)最近時(shí)才能被人們看見(jiàn)（這樣的位置稱為“近日點(diǎn)”）。1705年，英國(guó)天文學(xué)家哈雷（1656－1742）用牛頓提出的理論分析幾顆最亮的彗星的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1682年出現(xiàn)的一顆彗星與1607年、1531年出現(xiàn)的兩顆彗星的軌道都是扁長(zhǎng)的橢圓軌道。由此，他推斷它們應(yīng)該是同一顆星，并預(yù)言下一次它將在1758年出現(xiàn)。他說(shuō)：“如果1758年它果然再現(xiàn)，后代人應(yīng)該記住，發(fā)現(xiàn)它的功勞應(yīng)當(dāng)歸功于牛頓?！?/p>

1742年，哈雷去世。曾經(jīng)參加斯堪的那維亞半島北部子午線長(zhǎng)度測(cè)量的法國(guó)天文學(xué)家克萊羅，按照牛頓提出的方法精心計(jì)算，預(yù)測(cè)1705年哈雷預(yù)言過(guò)的這顆星，將于1759年4月中旬重新出現(xiàn)在天空（到達(dá)它的“近日點(diǎn)”）。1759年3月14日，人們?cè)诳巳R羅預(yù)指的天空方位發(fā)現(xiàn)了這顆星，與這位天文學(xué)家預(yù)言的時(shí)間僅差一個(gè)月。后來(lái)，人們建議把這顆星稱為“哈雷彗星”。1835年、1910年和1986年，哈雷彗星都準(zhǔn)時(shí)再現(xiàn)，科學(xué)家預(yù)計(jì)它下次出現(xiàn)的時(shí)間將是2061年。

正確的科學(xué)理論不僅應(yīng)該合理地解釋已經(jīng)觀察到的自然現(xiàn)象，還應(yīng)該預(yù)見(jiàn)未來(lái)將會(huì)發(fā)生的事情。1845年，牛頓的理論再一次經(jīng)受科學(xué)的檢驗(yàn)，科學(xué)家利用它預(yù)言一顆行星的存在，天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言。

天文學(xué)家畫出的1759年哈雷彗星回歸時(shí)的兩條可能的軌道

1781年3月13日，赫歇爾（1738－1822）用望遠(yuǎn)鏡偶然發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系的第六顆行星——天王星。之后，人們用牛頓力學(xué)計(jì)算天王星的軌道，預(yù)報(bào)它的位置，但是總與實(shí)際觀測(cè)不符。有兩個(gè)人認(rèn)真分析了理論計(jì)算值與天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異，然后各自獨(dú)立地提出：可能存在另一顆行星，它的引力干擾了天王星的運(yùn)動(dòng)。他們還算出這顆想象中的行星的質(zhì)量和軌道。兩人中的一位是英國(guó)大學(xué)生亞當(dāng)斯（1819－1892），一位是法國(guó)天文學(xué)家勒威耶（1811－1877）。勒威耶把他的計(jì)算結(jié)果告訴了柏林天文臺(tái)。1846年9月23日夜間，柏林天文臺(tái)在勒威耶預(yù)言的方位發(fā)現(xiàn)了一顆新行星。天文臺(tái)的工作人員以平靜的語(yǔ)氣告訴勒威耶：“先生，您說(shuō)的那顆星，它在那兒。”這是天文學(xué)史上第一顆通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)的行星。天文學(xué)家以希臘神話中一位神的名字為它命名，稱為“海王星”。海王星的發(fā)現(xiàn)，是牛頓力學(xué)和萬(wàn)有引力定律最有力的證據(jù)。這時(shí)，牛頓離開(kāi)人世已經(jīng)119年。

20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家洛威耳根據(jù)類似的計(jì)算，預(yù)言海王星之外還應(yīng)該有一顆行星，后來(lái)也被天文觀測(cè)證實(shí)，這顆行星被稱為“冥王星”。2006年，這顆繞太陽(yáng)運(yùn)行的星被稱作“類行星”。

牛頓使人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)達(dá)到前所未有的高度。人們驚奇地看到，地上的塵埃和天上的星星居然遵從共同的運(yùn)動(dòng)法則。科學(xué)通過(guò)細(xì)致的觀察實(shí)驗(yàn)與嚴(yán)密的邏輯推理，揭示了自然界普遍存在的規(guī)律?？茖W(xué)不僅幫助人們理解自然現(xiàn)象，而且有可能預(yù)見(jiàn)自然界將會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，并賦予人們前所未有的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

人們把1687年牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書出版，作為近代科學(xué)誕生之年。近代科學(xué)的誕生，成為人類發(fā)明活動(dòng)的分水嶺。（未完待續(xù)）