《回望人类发明之路》连载之十一近代科学诞生（下）

撰文 供图 张开逊

近代科学的诞生，成为人类发明活动的分水岭。

古往今来，人类渴望了解自己，这既出于治疗疾病的需要，又源于解开生命之谜的强烈内心需求。然而，了解人类自身比洞察身外的事物困难得多，因为生命过程极为隐秘复杂，而人类出于天性，不情愿解剖同类的遗体。在漫长的欧洲中世纪，尸体解剖被视作罪孽，只有在为救治伤员进行外科手术或为弄清事实真相进行尸检时，才可以获得关于人体的零星知识。长期以来，包括医生在内，人们对人体构造和器官组织的了解非常少。

14世纪，欧洲淋巴腺鼠疫流行，造成近1/3人口死亡。为了查清病因，教会第一次允许进行尸体解剖。1531年，教皇克莱门蒂七世正式批准：尸体解剖合法。从此，有关人体的解剖研究相继在意大利和法国巴黎的几所大学开展起来，意大利的博洛尼亚大学还专门建立了一座有数百个台位的露天环形解剖教室。

上图：17世纪意大利帕多瓦大学的露天解剖教室

下图：《尼古拉斯·杜尔博士的解剖学课》（荷兰画家伦勃朗绘于1632年）

1543年，出生在比利时的维萨留斯（1514－1564）出版了他的著作《人体结构》。这本书共分7卷，包括“骨骼系统”、“肌肉系统”、“血液系统”、“神经系统”、“消化系统”、“脑感觉器官”和“内脏系统”（无法归入上述系统的其他器官的统称）。

维萨留斯当过军医，处理过许多由火器造成的严重外伤（当时，欧洲的枪炮已经开始取代冷兵器），还担任过解剖学教授和宫廷御医，具有丰富的医学知识。他曾经说：“只有勤于思考才能拯救人类，否则一切事物都将面临死亡。”

文艺复兴时期著名画家提香的学生卡尔卡，也是一位造诣极深的解剖学家，他为《人体结构》一书画了所有插图。这部图文并茂的书为西方医学奠定了重要基础。

这一时期，从事解剖学研究的其他学者，也已不再局限于对人体器官组织的形态描述，而开始探究它们对人体生命活动的意义。

1553年，出生在西班牙的塞尔维特（1511－1553）发现，心脏右下方小室（医学上称为右心室）中的血液，通过与肺相连的动脉进入肺叶，而后通过肺静脉回流到心脏左上方的小空腔（医学上称为左心房），再流向全身。这种从心脏到心脏的血液流动过程，被称为“肺循环”。这一发现使人们第一次弄清肺和心脏的关系。塞尔维特在秘密出版的《基督教的复兴》一书中陈述了这一发现。然而，教会认为它与相关教义抵触，于1553年4月4日逮捕了塞尔维特。后来，塞尔维特逃出监狱，但又在日内瓦被新教的首领加尔文（1509－1564）抓住。加尔文操纵26人组成的法庭，秘密判决塞尔维特火刑。1553年10月27日，塞尔维特被押往日内瓦南面的尚贝尔山活活烧死，死前被残忍地用火烤了近半个小时。

1603年，意大利医生法布里修斯（1537－1619）发现，人体静脉壁有许多仅能单向打开的小瓣膜，它们使血液只能沿着回到心脏的方向流动。如果血液逆流，瓣膜就会立即关闭。

1616年，英国医生哈维（1578－1657）发现了血液循环的完整过程。他于1628年出版《心血运动论》一书，详细地论述了心脏功能和血液在人体中循环运动的规律，为医学奠定了最重要的生理学基础。

此前，人们一直相信罗马帝国的御医盖伦（130－200）关于人体血液的理论。盖伦出生在希腊，曾做过斗兽场的外科医生。他认为，人体肝脏产生的血液，通过静脉的潮汐运动到达心脏，心脏使血液进入动脉被人体吸收。1400年来，盖伦的学说一直被奉为医学经典。

然而，哈维通过对心脏的解剖研究，发现心脏是由四个小室构成的空腔，两侧上下腔之间由瓣膜相连，而左右腔互不相通。从静脉流入心脏的血液不可能直接进入动脉。他测量了人体心脏的实际体积，发现心脏可以容纳的血量最多只有0.5升左右。如果每次心脏搏动排出0.2升血液，以每分钟搏动72次计算，1小时排出的血液大约有864升，已经超过了普通成年人的体重，人体不可能在1小时内造出如此多的血液（人体全部血液大约为5升）。因此，他判断血液应该在人体中循环流动，而心脏的作用相当于一个泵。

哈维《心血运动论》一书插图

在《心血运动论》中，哈维陈述了这样的景象：人体的血液由静脉流入心脏右上方的小腔（现在称为右心房），通过下方的瓣膜进入右下方的小腔（右心室），右心室肌肉收缩时推动血液流入肺动脉进入肺部，这时上方的瓣膜关闭。从肺部回流的血液又进入心脏左上方的小腔（左心房），通过瓣膜进入左下方的小腔（左心室）。左心室肌肉收缩，推动血液通过主动脉流向全身，这时，上方的瓣膜关闭，防止血液回流到左心房。心脏就是这样周而复始地工作，实现人体的血液循环。

当时，哈维不能解释的是：在人体内，流入动脉的血液如何进入静脉？直到1660年，意大利医生马尔比基（1628－1694）在显微镜下发现，密布于人体的毛细血管把动脉的末梢与密如蛛网的静脉连接起来，才最终完整地阐释了人体血液循环的全部过程。血液循环的发现，标志着近代医学的诞生。基于这一重大发现，与人类健康相关的新药物与医疗技术新发明相继出现。

这时，一件科学仪器把医学和生命科学推向新的领域，它就是显微镜。显微镜帮助人们发现了从未见过的微小世界。在显微镜下，世界变得比望远镜里的星空更加复杂，更加不可思议。人眼的分辨极限大约是0.2毫米，最小只能看清发丝一般粗细的物体，而显微镜使人眼的分辨能力提高了数百倍。

最早的显微镜出现在1590年，与第一架望远镜问世的时间相近。但由于显微镜片的焦距很短，磨制极为困难，产生的光像常常严重变形，直到60多年以后显微镜才进入实用阶段。1665年，英国物理学家胡克发表其在显微镜下观察昆虫和植物组织的结果，并且首次使用了“细胞”一词。此后不久，荷兰科学家斯旺麦丹（1635－1703）采集了3000种昆虫标本，在显微镜下进行仔细观察，而且还在显微镜下进行昆虫解剖研究，为现代昆虫学奠定了基础。他利用显微镜还发现在以往被人们认为“生命自然产生的地方”其实都有肉眼看不见的小卵。他指出，生命不可能“无中生有”。

1675年，出生在荷兰的“业余”科学家列文虎克（1632－1723）用其磨制的单镜头显微镜在一滴雨水中看到了单细胞原生动物。他磨制镜片的技巧高超，磨制出的镜片能将物体放大280倍。1683年，列文虎克从自己的牙齿上随意取了一点食物残渣在显微镜下观察，发现了比原生动物还要小的细菌。1688年，他在显微镜下看到了人血和哺乳动物血液中的红血球。

细胞的发现使人类找到了生命活动的基本单元，细菌的发现则使人类看到了许多种隐形致病元凶的真身。显微镜的发明对生命科学和医学的进展，具有不可估量的意义。

图①早期的显微镜

图②软木塞细胞

图③虱

图④跳蚤

当人们专心研究地上事物的时候，有一个英国人却在沉思：天上的星星是否也遵循地上物体运动的规律？如果有普遍遵循的规律，这个规律是什么？这个人就是后来发现物体运动定律和万有引力定律的物理学家艾萨克·牛顿。

牛顿认真分析了意大利物理学家伽利略关于物体惯性和自由落体的研究结果，他想象月亮之所以不即不离周而复始绕地球运动，应该有一种来自地球的吸引力约束它。地球吸引一切物体落下的力量，会延伸到遥远的空间，作用于月球，就像用绳子一端系着一块小石头，手握绳子的另一端甩动绳子，石头就会做圆周运动一样。其实在牛顿之前，已经有很多人产生过类似的联想，但他们都没有回答这种力有多大，服从什么规律。他们的思考仅仅限于哲学的范畴。

牛顿注意到，伽利略曾经测量出在地球表面物体自由下落时，在重力作用下产生的加速度与高度有关，海拔愈高，重力产生的加速度愈小。这表明地球对物体的吸引力，随着物体到地心距离的增加而减少。在一部古希腊天文学文献中，牛顿注意到天文学家希帕恰斯（前190－前125）曾经根据月全食地球阴影掠过月面的时间，估算出月球到地球的距离是地球半径的60倍，地球的引力使月球产生的加速度，应该比在地球表面的重力加速度小得多。

牛顿的数学修养很深，尤其擅长运用几何与代数相结合的计算方法（今天人们称之为解析几何学）。他根据希帕恰斯得到的月地距离的数据和月球绕地球运动一周所需要的时间（27天7小时43分），计算出地球的引力使月球产生的加速度，正好是地球表面重力加速度的1/3600，3600正好是60的平方。这种巧合使牛顿作出一个大胆的假定：任何两个物体之间都存在相互吸引的力量，引力的大小与这两个物体距离的平方成反比。牛顿还提出另外一个假定：力是引起物体运动的原因。物体受力运动时遵循一条简单的规则，力等于质量乘以加速度。

根据这两条假定，牛顿运用自己创造的数学方法，成功地解释了被称为天体运行之谜的开普勒行星运动三定律。基于这两条假定，牛顿计算出的水星、金星、火星、木星和土星的运行轨道，与天文观测的结果完全符合。

牛顿的上述研究工作是从1666年开始的，20年之后他建立了自己的理论体系。1687年，牛顿《自然哲学的数学原理》一书出版，全面阐述了他所发现的关于宇宙间物体运动和相互作用力的规律，把早年的两条假定变成了四条定律。前三条说明力如何改变物体的运动状态，第四条以数学形式表述存在于一切物体之间的引力（简称万有引力）。

关于运动的三条定律是：

1. 物体在不受外力作用的情况下，保持匀速直线运动；

2. 外力引起物体运动状态改变，力等于物体质量与加速度的乘积；

3. 当物体相互作用时，作用力和反作用力分别施加在两个不同的物体上，大小相等，方向相反。

万有引力定律是：任何两个物体之间都存在相互吸引力，力的方向在这两个物体各自质量中心的连线上，力的大小与这两个物体质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。

运用牛顿理论，人们满意地解释了许多与运动和力相关的自然现象。然而，人们还是不相信自然界有如此简洁普遍的规律。

1727年，牛顿去世。后来发生了三件事，最终消除了人们对牛顿力学提出的天体运行规律的疑虑。

17世纪，人们已经注意到钟摆摆动的周期（摆动一次的时间）在接近地球赤道的地方会变长，而在靠近两极的地方会变短，就是说，地球的引力在赤道附近略有减少，而在两极附近略有增加。人们推断，如果牛顿万有引力定律是正确的，那么，地球的形状不应该是一个理想的球体，它应该更像一个橘子，赤道附近向外凸出。

1735年，法国科学院命两支考察队分别到秘鲁邻近赤道的地方和北极圈附近斯堪的那维亚半岛北部的科普兰，精确测量地球子午线上1度的弧长，因为它能够表明地球的形状变化。如果地球确实在赤道附近向外凸起，子午线1度的弧长就会减小；如果地球在两极附近变得扁平，子午线1度的弧长就会增大。1738年，北线考察队公布了在北极圈附近的测量结果，子午线上1度的弧长与其在巴黎的值相比，大约增加了7/1000；1745年，南线考察队公布了在赤道附近测量的结果，确实比巴黎的值小。两队的报告都证明地球确实是扁的。

牛顿在《自然哲学的数学原理》第三卷中曾经提到，有的彗星也按椭圆轨道运行，由于它们距离地球非常远，因而只有当它们距太阳最近时才能被人们看见（这样的位置称为“近日点”）。1705年，英国天文学家哈雷（1656－1742）用牛顿提出的理论分析几颗最亮的彗星的天文观测数据，发现1682年出现的一颗彗星与1607年、1531年出现的两颗彗星的轨道都是扁长的椭圆轨道。由此，他推断它们应该是同一颗星，并预言下一次它将在1758年出现。他说：“如果1758年它果然再现，后代人应该记住，发现它的功劳应当归功于牛顿。”

1742年，哈雷去世。曾经参加斯堪的那维亚半岛北部子午线长度测量的法国天文学家克莱罗，按照牛顿提出的方法精心计算，预测1705年哈雷预言过的这颗星，将于1759年4月中旬重新出现在天空（到达它的“近日点”）。1759年3月14日，人们在克莱罗预指的天空方位发现了这颗星，与这位天文学家预言的时间仅差一个月。后来，人们建议把这颗星称为“哈雷彗星”。1835年、1910年和1986年，哈雷彗星都准时再现，科学家预计它下次出现的时间将是2061年。

正确的科学理论不仅应该合理地解释已经观察到的自然现象，还应该预见未来将会发生的事情。1845年，牛顿的理论再一次经受科学的检验，科学家利用它预言一颗行星的存在，天文学家的观测结果证实了这一预言。

天文学家画出的1759年哈雷彗星回归时的两条可能的轨道

1781年3月13日，赫歇尔（1738－1822）用望远镜偶然发现了太阳系的第六颗行星——天王星。之后，人们用牛顿力学计算天王星的轨道，预报它的位置，但是总与实际观测不符。有两个人认真分析了理论计算值与天文观测数据的差异，然后各自独立地提出：可能存在另一颗行星，它的引力干扰了天王星的运动。他们还算出这颗想象中的行星的质量和轨道。两人中的一位是英国大学生亚当斯（1819－1892），一位是法国天文学家勒威耶（1811－1877）。勒威耶把他的计算结果告诉了柏林天文台。1846年9月23日夜间，柏林天文台在勒威耶预言的方位发现了一颗新行星。天文台的工作人员以平静的语气告诉勒威耶：“先生，您说的那颗星，它在那儿。”这是天文学史上第一颗通过理论计算发现的行星。天文学家以希腊神话中一位神的名字为它命名，称为“海王星”。海王星的发现，是牛顿力学和万有引力定律最有力的证据。这时，牛顿离开人世已经119年。

20世纪初，美国天文学家洛威耳根据类似的计算，预言海王星之外还应该有一颗行星，后来也被天文观测证实，这颗行星被称为“冥王星”。2006年，这颗绕太阳运行的星被称作“类行星”。

牛顿使人类对自然的认识达到前所未有的高度。人们惊奇地看到，地上的尘埃和天上的星星居然遵从共同的运动法则。科学通过细致的观察实验与严密的逻辑推理，揭示了自然界普遍存在的规律。科学不仅帮助人们理解自然现象，而且有可能预见自然界将会发生的现象，并赋予人们前所未有的解决实际问题的能力。

人们把1687年牛顿《自然哲学的数学原理》一书出版，作为近代科学诞生之年。近代科学的诞生，成为人类发明活动的分水岭。（未完待续）