探索新的太阳系

    人们往往通过不同的途径获取知识，寻求解释和答案。他们还会运用自己智慧的头脑——想象力和信念，从杂乱无序的现象中理出头绪。最早他们讲的是神和超人的故事，据说是神和超人的力量推动世界运转，使太阳升起，天空下雨，庄稼丰收。由巫师和神职人员主持仪式，试图控制瘟疫和疾病，驱赶干旱。

    然而，就在一开始，人类也用自己的观察和计算能力。很早以前，世界上有一些地方，包括中国和美索不达米亚盆地，开始发展了数学、语言和书写工具。为了描述现象和作出解释，他们还发展了更为定量和客观的方法。到了公元前1800年，后起的中东闪族人和巴比伦人，对恒星和行星作了许多精确的观测，建立起数字系统和留下记录的方法。楔形文字和象形文字系统甚至起源更早，到了公元前1300年，腓尼基人在早先埃及人和巴比伦人文字系统的基础上又发明了字母。公元前最后的四或五个世纪，这时已是古希腊时代，分析方法、逻辑学和几何学已经相当完善。特别是，有一些希腊思想家已经开始探讨更多非神秘主义的解释。亚里士多德也许是希腊最伟大的思想家，他还提出过第一个综合的自然理论，讨论宇宙怎样运作，设想行星和恒星镶嵌于天球中，被天球带动而围绕地球旋转。他有好几位追随者，对这个理论作出了澄清和改进，其中有一位思想家，叫托勒密，几个世纪后生活在埃及的亚历山大城。

    希腊人的数学、哲学和科学思想一度处于领先地位，直至罗马帝国垮台才结束这一局面，因为此时许多手稿都毁于入侵的野蛮部落，他们经过的城市，无不被洗劫一空。不过，也有一些得到了保留，大部分是靠了阿拉伯学者，后来又转移到欧洲修道院里的修道士手中。部分可能是由于手稿得到了保存，部分也可能是从未有人对它提出过质疑，于是，亚里士多德关于宇宙的观念，即宇宙是由一些环绕地球旋转的同心球面组成的思想，在托勒密的论证下，历经14个世纪，一直是对宇宙的最好解释。

    后来，哥白尼大胆发挥想象力，在16世纪对这一理论进行重新审议，把太阳，而不是地球，放在旋转行星的中心。被称为哥白尼体系的日心说（在当时指的实际上就是宇宙）整个颠覆了传统的宇宙体系以及人在其中的位置。这时又有两位伟大的天文学家增加自己的观测和计算以验证哥白尼的思想，但大多数人都把他们看成是异端，这两位天文学家就是丹麦的观测家第谷和他的短时助手开普勒。当意大利天文学家伽利略在他1632年出版的著作《关于两大世界体系的对话》中捍卫这一思想时，受到了天主教会的审判，他的书也被查禁，直到1835年才正式开禁。尽管审慎的探讨和推理支持哥白尼的学说，但如果一个人仅以字面意义来解读圣经，他就无法从中读出任何有关日心说的暗示。神学家及其追随者意味深长地在旧约里找到这样一则故事，说的是上帝让太阳在天空中停止不动，这才使约书亚领导的人民赢得了决定性的胜利。于是，读者就会这样推理，太阳必须绕着地球旋转，而不是相反。为了解决观测到的事实和圣经权威之间的冲突，教会当局建议，宁可保持对圣经的忠贞，也不要信奉伽利略的观点，修改圣经中的解释。教义还认为，上帝是按照自己的形象创造人类，因此上帝不可能创造这样一个宇宙，其中地球不在宇宙的中心。于是在两派之间展开了激烈的争论，一派坚持认为，通过运用理智和感觉，人有能力去发现事物的机理；另一派则宁可依赖传统权威去寻求答案。

    今天，几乎每个人都理所当然地接受哥白尼关于地球围绕太阳旋转的思想。但是在当时，因这一思想而引起的骚动表明，要依照新事实来摆脱旧有观念是多么艰难。什么使得哥白尼体系在当时有如此强大的力量，甚至克服了来自宗教和传统方面的精神和政治压力？那就是新方法论的诞生，其中大部分来自伽利略的实验工作。科学家终于承认这种方法对于解决问题特别有效，不久人们普遍称之为“科学方法”。

    科学方法要求解释应该以观测、收集到的事实和测量结果作为基础，而不是基于推理、情绪反应、视觉、传闻或信念。科学方法只承认一再得到实验确证的解释。这些实验结果，经过理论总结，可以用来对尚未观测到的其他现象作出预言。然后，当有机会对这些预言之一进行检验时，检验的结果可以拿来跟预言进行比较。这样，实验和观测的结果总被用于修改现有的理论，这就是科学的“自我纠错”过程。人们看待世界方式的这一根本性转变，正是发生于本书首卷所提到的时期，通常就叫做科学革命。

    17世纪许多最重要的科学发现都集中在意大利。运动物理学和天文学成就斐然。这个时期在意大利研究生命科学的许多著名科学家中有：人体解剖学的创始人维萨留斯；英国医生哈维，他在血液循环领域里获得突破性的进展；意大利生理学家马尔比基，他在青蛙的肺里发现了毛细血管。

    然而到了17世纪末，中心已经开始向北转移到了法国和英国。特别是英国，由于它的经济依赖北美、非洲和亚洲等地的殖民地，因而急切需要有关航海的可靠知识。英国政府认识到有关恒星及其位置的知识是航海的关键，于是设立皇家天文学家这一职位，指定弗拉姆斯提德担任这个职务。1662年，哈雷、雷恩和胡克等人建立科学家社团，取名为皇家学会（它的座右铭：“不要听从别人而要亲自观察”）。英国伟大的科学家牛顿，于1671年成为皇家学会会员，1687年出版《自然哲学之数学原理》，该书综合了科学革命的思想，提出了宇宙的基本原理，自然界遵循的运动“定律”。

    到18世纪初，伽利略和牛顿等巨人的杰作已经彻底变革了科学和对知识的追求方式。这些思想家建立了认识自然的新方法，永远改变了人类对自身和宇宙的理解。

    科学有一种令人激动的特性，这就是，每一个新理论都会产生新问题，并对旧问题提供新的解释。理论越好，由此提出的问题越富有价值。牛顿的《自然哲学之数学原理》中所包含的理论也不例外。牛顿宣布引力可以普遍解释宇宙中和地面上万物的运动，但法国人却很怕接受引力概念。引力的本质是什么？牛顿自己没有说。它是物体固有的一种力吗？对于这个问题，牛顿回答：“恳求您不要把这一想法归之于我。”法国人认为，这像是中世纪的诡辩，于是，把牛顿的理论看成是“形而上学的怪物”。

    部分是为了解决这些问题，18世纪初的科学团体——特别是英国的皇家学会和新成立的法国科学院——完全卷入牛顿和科学革命提出的两个引人人胜的问题：（1）地球的真实形状是怎样的？（2）太阳有多远？这两个问题促成了一系列激动人心的探险，探险家们的科学热情史无前例。

    凸起之战

    牛顿根据他的引力理论曾经预言，地球的形状也许不像古希腊人所想象的那样是完全的球形。

    牛顿声明，由于受不同的引力作用，诸如太阳和月亮的拉力，我们的地球在赤道处会鼓起，而在两极处变得扁平。牛顿的预言不仅为检验其理论提供了一种途径，而且看似抽象的观念对当时人们的旅行还具有实际意义，特别是在海上航行的人们。如果牛顿是正确的，所有的世界地图就是错的。对于英国人而言，这尤为关键，一旦找到答案，不仅能够证明或者否定牛顿的理论，而且还可以改变或修订现行的航海程序。由此引起的对于航海和探险业的巨大震荡，在历史上只有哥伦布和麦哲伦（FerdinandMagellan，1480—1521）时代巡查印度群岛和发现美洲才能与之相比。事实上，这些科学问题引发了人们如此浓厚的兴趣，以至于历史学家戈尔兹曼（William H．Goetzmann，1803—1863）把这段时期称为“第二个大发现时期”。

    实际上，关于地球形状问题的争执由来已久，牛顿并不是第一个提到这一想法的人。在17世纪，“扁球”之争趋向白热化，成了英国和法国之间长期争执的一部分。一边是卡西尼（Giovanni Cassini，1625—1712），当时是巴黎天文台台长（受路易十四的召唤，离开家乡意大利投奔法国而来）。卡西尼在法国天文学充当了保守派代言人，他的保守主义和天文台的岗位还传给他的家族，先后共三代。他不仅反对哥白尼的日心宇宙说，而且还通过笛卡儿的宇宙观来施加自己的影响。笛卡儿是牛顿的对手，他认为地球被裹挟在一个漩转的漩涡中围绕太阳而转，组成漩涡的是一种精细物质。按照笛卡儿的说法，地球静止地处于旋涡的中心，因此是不动的，它在轨道上的运动是由漩涡带动的。对于很多人来说，这一说法比牛顿那无法解释的“神秘力”要实在得多，于是，在法国，笛卡儿的追随者，包括卡西尼，坚持认为，地球的形状应该像两极拉长的“扁长球体”（美式足球那样）。

    部分是为了证明这一观点，卡西尼的合作者里希尔（Jean Richer，1630—1696）在1671年启程去南美北海岸法属圭亚那地区的卡宴城，这个地方非常接近赤道。在那里他和巴黎的卡西尼配合，完成了一系列实验和观测，其中有一个是精确测量秒摆长度。令卡西尼惊讶的是，在卡宴，秒摆的长度比巴黎更短，而不是更长。他拒绝接受这个结果并因此疏远以前的朋友。然而，牛顿却主张，这些测量证明赤道处引力弱于两极，于是恰好可以引出这样的预测：地球在赤道处会有凸起。

    这时，与牛顿对立的笛卡儿的观点在法国科学家中间成为一种民族标志，证明它的真实性变成了一种荣誉。卡西尼和皮卡德（Jean Picard，1620—1682）根据扁长球体理论提出一种方法，用以确定纬度中1度的距离。以此作为出发点，他们开始描绘通过巴黎到“地球两极”的经度走向。同时，法国的制图师也在制作权威的、科学的法国地图。

    然而，到了18世纪30年代，通过伏尔泰的著作——伏尔泰过人的机智使他被迫流放英1736—1737年莫泊丢领导一组科学家和技师来到拉普兰，协助测量地球的形状，这是法国科学院组织的集体活动的一部分。国好几年——又由于伏尔泰的朋友和情人查特勒特把牛顿的著作从拉丁文译成法文，于是牛顿理论开始在法国流行。法国科学院决定一举解决地球形状问题，于是在相隔甚远的地方测量各地的地球曲率。选中的点尽可能靠近赤道和北极，因为按照牛顿的预言，这些地方差别最为明显。为此组织了两支探险队，一支1735年向南去秘鲁，另一支一年后向北起航去很远的拉普兰。

    拉普兰探险队由莫泊丢（Pierre de Maupertuis，1698—1759）领导，参加这支探险队的有好几位杰出科学家，其中摄尔修斯（AndersCelsius，1701—1744）是来自瑞典乌普萨拉的著名天文学家，克莱罗（Alexis-Claude Clairaut，1713—1765）是杰出的法国数学家，他10岁时就出版第一本关于数学的书，18岁入选法国科学院。莫泊丢则是一位杰出的法国物理学家，1728年，在牛顿死后不久访问英国。在那里，皇家学会选他为会员，他开始成为牛顿理论的热心支持者，回到法国后更狂热。他很高兴有机会领导这次科学考察，验证牛顿的万有引力理论。

    莫泊丢的队伍于1736年起程后，在北方冰冷的不毛之地中面临大量困难，有一次在波罗的海几乎遭遇海难。他们勇敢地面对寒流，垫着鹿皮睡在坚硬的岩石上，靠野果和捕鱼为生。克服害虫和迷雾的干扰，终于成功地完成了测量任务，于1737年胜利回到法国。测量结果在1738年发表，表明地球并不像希腊人所设想的那样是完全的球形，也不是如笛卡儿学派所坚持的那样，是扁长的球体。相反，它是离赤道处越远，则凸起越不明显。莫泊丢和他的同事们证明了牛顿是正确的。

    与此同时，前往秘鲁的探险队在南美洲安第斯高原上的丛林深处踏上探险之程。这支队伍由34岁的孔达米恩（Charles-Marie de La Condamine，1701—1774）领导，他是一位经验丰富的科学探险家，他所率领的这支探险队在秘鲁度过了14年的艰苦生活，其间他们穿越了茂密的丛林，勇敢地面对狂风呼啸的高原上温差极大的生活环境，正是自那次探险以来，这块高原就被称为厄瓜多尔。莫泊丢于一年后离开法国去北半球探险，完成任务后安全返回国内，要比孔达米恩的团队早回国十来年。但是他的测量较为粗糙，不够细致，仅仅只是完成而已，因此就这次探险对18世纪的知识所带来的全面影响而言，孔达米恩的探险队要远远超出他的同事。

    孔达米恩学过数学和测地学（关于地球形状和大小的科学），1730年由于测量和绘制非洲和亚洲海岸图的工作被选为法国科学院院士。1735年，他和他的团队从法国的拉罗切利港起程，驶向哥伦比亚和巴拿马，越过巴拿马地峡，向曼塔港进发。在这里，他的团队一分为二，一支由孔达米恩领头，其中还有水道测量家与数学家布格（Pierre Bouguer，1698—1758卡西尼学派的成员），他们向北前行70英里，沿着赤道勘测到了第一套数据。另一支，包括法国和西班牙的科学家，前往更南边的瓜亚基尔港，通向基多城的基地就设在这里，此地正处于赤道，安第斯山脉的高地。孔达米恩和布格完成测量任务后，布格重新加入另一支队伍前往基多，而孔达米恩则和埃斯梅拉达总督、测量员兼科学家马丹那多（Pedro Maldonado，1704—1748）继续在当地进行考察。他们靠独木舟航行，陪伴他们的是一伙从贩奴船逃出来的船夫。这两位科学家沿着人迹罕至的线路从埃斯梅拉达河来到基多。沿途是一片翠绿的丛林，其间还有爬藤植物以及各种奇异的植物和动物，孔达米恩详尽记录了沿途所见。他发现自己置身于一个声音和景色都极为丰富的世界之中：色彩艳丽的巨嘴鸟和鹦鹉，细小的蜂雀，吵吵嚷嚷的猴子与悄无声息的美洲虎，还有鳄鱼和貘。他遇上了使用吹箭筒的原住民，并带回一些原住民使用的毒药到欧洲。他看到丛林居民在橡胶树上引流汁液，注意到他们把这种柔软物质塑成有用的物体，于是收集了第一批橡胶样品带回欧洲。除了对数学、测地学和天文学的研究之外，他还涉猎了博物学和人类学，他那敏锐细腻的观察能力在这些学科中也派上了用场。

    等到孔达米恩和马丹那多抵达基多时，测量地球曲率的任务进展不顺。多疑的政治家们怀疑这个小组是为了搜寻印加财宝，对他们在勘测中留下作为记号的锥形石块产生误解。所以，孔达米恩不得不抽出时间到利马，以便为他们不受干扰地完成勘测任务而申请许可。最后他们成功地沿着高原绘出一条基线。然后，他们往南向昆卡附近进发，于1743年3月终于完成最后的测量。

    就在那里，孔达米恩再一次与马丹那多汇合，穿过安第斯去亚马逊河，沿路走了数百英里。孔达米恩是第一位对该地区进行详尽全面考察的欧洲人。沿路他收集了几百种植物标本，并且未曾中断他自赤道起就开始的观察。

    孔达米恩和他的小组又用了好几年才完成任务，但是他们的探险，对于地球形状的测量，不仅比拉普兰探险队更仔细更精确（这就为牛顿的理论提供了坚实的验证），而且还为大范围的科学探险建立了一个扎实的传统，这就是发扬坚韧不拔的精神，全面精确地采集每一种事实。

    金星凌日和库克船长

    日-地距离问题激励了第二波探险激情，它在数量上和强度上甚至超过上次对地球形状的测量。

    几乎从一开始，天文学家就试图测量太阳、月亮和恒星到地球的距离。但是由于没有直接的测量方法，要解决这个问题实在太难了。有两位古希腊人，阿里斯塔克斯和喜帕恰斯曾经试过，但是没有成功。（阿里斯塔克斯认为，太阳到地球的距离大约是月亮到地球距离的18至20倍，但实际上大概是340倍。喜帕恰斯的估计更正确些，但仍然相差甚远。）直到1800年后，开普勒对行星轨道有了关键性的发现，人们才找到更好的方法。开普勒意识到，行星以椭圆轨道围绕太阳运动，每个行星距太阳的平均距离，与行星运行一圈所需的时间有一定的数学关系。所以，如果能测定某颗行星到地球的距离，并且知道这颗行星绕太阳一圈的时间，就有可能测定地球到太阳的距离。通过运用三角测量法（基于三角法建立的测量系统），在理论上有可能测定地球到附近行星的距离。1672年，卡西尼曾经试图利用火星来做这项计算，他用望远镜测量小的角度。他得到的太阳距离——8600万英里，远比前人更接近我们现在知道的结果——9300万英里，但是过程和结果依然有不确定性并令人失望。

    后来，哈雷指出，金星也许是比火星更好的候选者，因为它比火星更接近地球。但是金星距地球的最近点，也是距太阳的最近点，这样它就难于被观察到，除非遇上一个罕见的时刻，就在它越过日轮那瞬间。从地球上看这一现象，就叫做凌日，有时也称之为掩始，因为对于观察者来说，行星好像隐藏在太阳那巨大的发光球体之中。1691年哈雷建议说，这样的凌日应当是地球上不同地方同时测量的极好机会，就从掩始现象开始发生那刻进行计时，此时在太阳光的映衬之下，金星显出轮廓，直至它在另一端消失为止。但是金星凌日并不经常发生。实际上在100多年期间，只发生两次（一对），两次间隔8年。从轨道计算得知，下一对将在1761年和1769年出现。1716年，哈雷向皇家学会提交报告，号召立即行动起来，在世界范围内进行合作观察。

    1769年库克船长在“奋进号”上正在考察新西兰。于是，各就各位。新闻媒体报道这一使人兴奋的事件。凌日之际观察金星的最佳位置被标示出来。来自世界各地的科学家聚集在一块。还有来自美国的科学家，其中包括梅森（CharlesMason，1728—1786）和狄克逊（Jeremiah Dixon，1733—1779）（他们是美国梅森·狄克逊线的勘测师，这条线标志着美国南北的分界）。梅森和狄克逊是坐船来到非洲的好望角。1761年，122位观测者，从62个不同的地点观察金星，观测点从纽芬兰到西伯利亚、从北京到加尔各答、从里斯本到罗马……这也许是第一次伟大的国际科学合作事件，人们热情高涨，但是尽管观测认真，准备充分，结果却不够明朗。

    这是因为金星被一层大气环绕着，它的边缘模糊不清。结果出现了一个所谓“黑点”或“黑线”效应，当金星已经完全进入日轮时，即使眼力最好的观察者也难以精确地辨别。和雨滴沾在雨伞上一样，金星的外沿似乎也沾于周围的天空。结果甚至在同一观测点，首席观察者用相同的望远镜来观测，得出的结果都不尽相同，实在令人失望。

    幸亏还有一个机会：1769年再次凌日。这次观测点增加为77个，观察者的人数达151位，许多观测点位于边远与世隔绝的地区，其中包括墨西哥的下加利福尼亚、西印度洋群岛、拉普兰和俄罗斯的北极地区。其间发生的最著名的事件是由伟大的科学家兼探险家库克（CaptainJames Cook，1728—1779）所率领的一支船队的航海经历，这艘船名为“奋进号”，目的地是南太平洋新发现的塔希提岛。

    这是库克第一次在太平洋里航行，整个航行期间，他们收集了大量知识，而欧洲从前对此一无所知。1768—1771年间，“奋进号”探险的初始目的当然是观察和测量金星凌日。库克本人就是一位能干的天文学家，他有依靠恒星导航的非凡才能。和他一起观察金星凌日的还有天文学家格林（CharlesGreen，1734—1771）。此外，这个科学团队还包括班克斯爵士（Sir Joseph Banks，1743—1820），他是一位富有的年轻探险家、艺术家，曾为“奋进号”上国际自然历史联合会的其他8位成员提供经费，购买科学供应和设备。团队中还有几位杰出的斯堪的纳维亚科学家。

    1769年4月，“奋进号”抵达塔希提，距6月3日的凌日还有大量时间，于是他们建造了观测站（这个站现在仍然叫做金星点）。但是凌日这一天令人失望。正如库克在他的航海日记中所写：

    星期六，3日。今天天气晴朗，正如我们所愿。整天看不到一片云彩，天高云淡，所以我们有足够的有利条件来观察金星越过日轮的全过程；我们清楚地看到，在金星周围有大气或尘埃阴影，大大干扰了对于相交时刻的观测，尤其是在两个内部相交点上。索伦德尔博士、格林先生以及我自己的观测数据，对于相交时刻的记录都有所不同，并且这种不同超过期望值。

    条件看来相当不错，但即使这样，仪器还不够灵敏，还不足以提供确定、精确的测量。

    一旦世界各地对1769年的金星凌日的测量结果得以汇总并且作出分析——大概经历了60年——就得到了结果，得到的平均值是9600万英里，比先前所有的数据都更接近正确值9300万英里。（我们今天公认的数据精确到小数点后好几位，是用雷达技术在20世纪中叶得到的。）基于1769年的测量，得知太阳系几乎等于托勒密所估计的整个宇宙大小的100倍，这对人们的世界观是一种极大的冲击。但是，18世纪的科学家并不满足于这一点，他们追求的是更精确的测量，就此而言，库克对自己的航行显然有所失望。

    库克1769年探险的另一项主要任务是向南航行，寻找尚未勘探过的澳洲大陆。对于这一任务他也没有成功。但是，正如科学上常常发生的那样，失败中不乏有成就，因为他是在从未有人探索过的水域里航行。他发现了70个岛屿，取名为社会群岛。他到达了新西兰的海岸，在大堡礁上停留，发现了植物湾和库克湾。他的博物学家们第一次看见袋鼠。班克斯和他的同事索伦德尔（DanielSolander，1733—1782）收集了17000种植物新物种、几百种鱼类和鸟类以及许多动物的皮毛。船上的艺术家回到欧洲，带回了具异国情调的各类绘画，素描作品，原住民风俗还有欧洲人根本无法想象的动植物品种。库克还曾两次到达太平洋，最后一次竟以悲剧告终。他被夏威夷人杀害，而就在几天之前，他们还把他当神来供奉。不过，库克船长的三次探险都带回大量发现，内容有关新大陆的人种、植物、动物及地块知识。

    库克代表了18世纪流行的那种兼容并收的科学家形象，当时，一位伟大的航海家可以对科学作出重大贡献：为天文学提供精确的测量和观测，为地理学提供地图和海图的编制，对植物学、动物学和人类学提供丰富的观察事实和比较描述。这是伟人可以在许多领域作出贡献的时代。实际上这个时期各个领域的界线尚未形成，独立的学科是后来的事——在这个时期，化学家可以既是物理学家也是生理学家，地质学家也可以是植物学家和动物学家，数学家和音乐家同时也可以是天文学家。

    恒星、星系和星云

    对于那些眺望太空，试图揭示其神秘性的人们来说，18世纪带来的是一批崭新的挑战。直到17世纪末，行星的复杂路径还始终吸引着权威天文学家的注意。记录可以追溯到公元前数千年，那时最早的占星术师注视着这些“漫游者”，把复杂的哲学和法术活动（诸如占星术）建筑在他们所见的现象基础上。相形之下，在天空稳定不动的恒星似乎更可预测，唯一的例外是现在解释成地球围绕太阳的运动。古人——即使机智的古希腊人和善于观察的古代中国人都相信恒星和行星不一样，它们是不动的。伟大的希腊哲学家亚里士多德和几个世纪以后的追随者托勒密都把宇宙想象成是由层层镶嵌的天球组成，其排列就像是一个围绕着地球的洋葱，不动的恒星镶嵌在外层球面上。17世纪哥白尼的新见解澄清了许多有关太阳系的混乱看法，意识到太阳处于中心位置。但即使这一新的革命性宇宙观，也把不动的恒星放在行星轨道之外。哥白尼、开普勒和牛顿以及牛顿定律解释了行星的运动。但是如果牛顿定律确实是“普遍”的，那么，恒星是不是也有可以预测的运动？牛顿没有提到这个问题。为此我们将目光转向牛顿的年轻信徒——哈雷。

    关于恒星和彗星

    哈雷生于1656年11月，是富有的伦敦肥皂制造商之子。就在成为牛津大学学生时，他对天文学发生了兴趣。就在19岁，还是一个学生时，他就出版了一本关于开普勒定律的书。这本小册子引起了弗拉姆斯提德的注意，同年弗拉姆斯提德就任英国第一任皇家天文学家，正开始收集北半球新恒星表。他对哈雷的书印象深刻，鼓励这位年轻人进一步做下去。

    到了17世纪70年代中期，望远镜和其他设备的改进表明旧的星表有许多不精确之处，急需新的星表。于是，正当弗拉姆斯提德等人忙于为北半球天空编制星表时，雄心勃勃的天文学家哈雷却想到南半球的天空尚无人问津。于是，他说服了父亲资助这一旅行，向牛津大学申请了休学，就登上了去南半球的航船，为那里的繁星制作星表。

    哈雷第一个根据牛顿运动定律计算彗星的轨道。在这一画面中我们看到哈雷彗星和欧洲航天局的太空船乔托。乔托在1986年访问过哈雷彗星。之后的一年半，从1676年到1678年，哈雷和全体船员呆在非洲西南海岸外面荒凉的圣海伦纳岛上，始终孤独地守着望远镜。气候极其恶劣，对天文观测极为不利，对年轻的哈雷也不例外。但是最终他起航回到英国，带回以前从未有过的南半球星空的星表，列出了不下于341颗以前从未在图中标注过的星星。如果气候更为有利的话，哈雷原本希望列出更多。但是1679年发表的《南半球恒星表》（Catalogus Stellarum Australium）已经足以使哈雷在伦敦的科学精英中名声大振。弗拉姆斯提德欢呼他是“南半球的第谷”。几年后，弗拉姆斯提德却和哈雷发生争执，为的是要匆忙出版弗拉姆斯提德自己的一部星表。但是这得哈雷说了算，他充分地利用了这一点，尽管做得极有礼貌和周到。由于巨大的成功，哈雷被邀加入享有盛名的皇家学会。这里的一切令人兴奋，年轻的哈雷突然发现自己置身于一群巨人当中，其中有牛顿、胡克、弗拉姆斯提德以及魅力超凡的雷恩。但是，聪明谦逊并讨人喜欢的哈雷很快就被接受了。出乎意料的是，他甚至和沉默寡言、经常发脾气的牛顿交上了朋友。第一件事情是《自然哲学之数学原理》的问世。哈雷不仅鼓励牛顿出版这一革命性的巨著，而且自己掏腰包资助出版，因为皇家学会的经费不足。对于哈雷来说，钱从来都不是问题，他父亲被神秘地谋杀后，他继承的遗产足以让他过上舒适的生活。

    求知心切的哈雷对安逸的生活毫不为所动，不久他再次投入艰苦的工作之中。在他远航去圣海伦纳的旅途中，他曾观察到船上的罗盘并不像通常相信的那样总是指向北极。也就是说，地球磁极和北极并不是一回事。尽管可以把这一差别看成是次要的，但是对于航海家和船长来说这却是一个重要的发现。17世纪后半叶的世界性贸易已经开发了许多新的海上通道，竞争十分激烈。正如需要新的星图一样，人们也需要新的和更好的海图，以供海员提高航海效率。1698年，在哈雷的指挥下，第一艘仅为科学目的而被委派和装备起来的船只离开伦敦起航。这艘船命名为“情人红”，虽小却坚固，在海上航行了两年，正是在此期间哈雷和他的团队测量了世界各地的磁偏差，编制了新的航海图表，并且试图测定几十处重要港口的精确纬度和经度。

    哈雷回到伦敦，已是一位熟练的海员，他急于开始另一类研究，这次是要钻研几百种古代天文学书籍和图表。在航行中，哈雷开始对古代星表与当代星表之间的许多分歧发生了兴趣。尽管古老的星表有许多明显的错误，有的甚至错得离谱，但他还是注意到，有许多正确标注的恒星位置与近代观测存在差别。经过仔细的研究，他证明至少有三颗主要的恒星：天狼星、南河三和大角星，自从希腊人标注之后，它们的位置已有变化。

    某些天文学家正开始怀疑的事，现在哈雷证明是真实的。恒星竟然也在运动。甚至在太阳系之外的天体看来也处于不断的运动之中，并且这种运动是可以预测的——这一推测其实已隐含于牛顿的引力定律中，现在由于哈雷的仔细研究终于证实了它。古代的宇宙观又一次被牛顿的万有引力和几何学观察所粉碎。这个新信息对以后的天文学具有巨大影响。

    这幅图标注了哈雷彗星上一次在夜空中出现以来沿着它的轨道运选择的情况但是哈雷的名声却来自于他对彗星的研究。长期以来人们对于彗星在夜空中神秘莫测的出现一直抱着敬畏和迷信的心态。在对古代记录深入思考后，哈雷发现其中存在某种规律。当他试图根据彗星在几个世纪里出现的记录，计算彗星轨道的形状时，他看到计算结果符合牛顿理论。但是，精确的信息实在太少，他不得不放弃自己的计划，直到作出有趣的发现。他的计算强烈地暗示，四个已知的彗星，分别在1456年、1531年、1607年和1682年出现，它们很可能就是同一个彗星，依据牛顿的引力定律，每76年沿自己的轨道返回太阳系内一次。哈雷预言，1758年它还会回来。尽管他在1742年去世，比他的预言实现的年份要早了16年，但今天已被称为哈雷彗星的这颗彗星，却是对这位最早认识其运动规律的天文学家的最好纪念。

    新宇宙观

    如果恒星和行星都在运动，那么太阳系之外的宇宙就再也没有必要像人们往常认为的那样是神圣、静止和完美的处所。同样，如果牛顿定律对于所有天体都是有效的，就像18世纪中叶的观测事实显示的那样，那么，建立总体宇宙的新模型和新推测就非常必要。

    18世纪中叶，一些学者提出各种理论，它们开始彻底改变人类的宇宙观和我们在宇宙中的地位。这些人中有法国作家和博物学家布丰（Georges Louis Leclere de Buffon，1707—1788），强烈宗教信仰的业余科学家莱特（Thomas Wright，1711—1786），年轻的哲学家康德（Immanuel Kant，1724—1804），还有一位是杰出的数学家拉普拉斯（Pierre-SimonLaplace，1749—1827）。

    莱特

    莱特是兴趣广泛的英国思想家。受过良好教育，并大量读过当时流行的哲学和科学著作。和18世纪许多思想家一样，他被科学观察与思考和宗教信仰之间的矛盾深深困扰。他的天文学观察和阅读引导他去思考：如果围绕太阳运动的行星成了一个轨道系统，那么，有了牛顿引力定律，很可能恒星本身也是某个或者许多类似轨道系统的一部分。然而，如果天空就是这样组成的，那么，在这个机械论和引力相互作用的新宇宙中，上帝的领地在哪里？莱特既不是训练有素的天文学家，也不是严格和系统的思想家，他只是提出了一系列不同的宇宙模型。其中最早的一个模型是，太阳、太阳系以及恒星都围绕着一个巨大的中心运转，这个中心也许是固体，也许不是固体，但无论如何，它是上帝的领地。

    在这一巨大系统的外围，远离太阳系和众恒星之处，则是一片神秘黑暗的“冥界”之地，它包围了所有。这是一个极其神秘的体系，但在精心修饰之后，则有某种可取之处。在1750年出版的《宇宙起源理论和新假说》（An Original Theory and New Hypothesis of the Universe）一书中，莱特提出另外一种可能性：宇宙可能实际上是一个旋转着的扁平圆盘，而不是众恒星和太阳系围绕共同的中心运动的壳形。他仍然坚持上帝或者某一神灵占据共同中心的思想，但是他也建议所谓的星云，天空中存在的神秘的雾状的白斑，既不是恒星，也不是行星，而是在远离圆盘之处。

    康德

    德国思想家康德，可能读过莱特的书，也可能是读过有关的评论，他以敏锐的心智迅疾抓住了莱特那结构松散的思想中的某些要点。

    1755年，康德在《自然通史与天体论》（Univeral Nature History and Theory of theHeavens）一书中提出了自己的思想。作为一部理论宇宙学和天文学的著作，它是一项真正意义上的巨大成就。沿着莱特开辟的道路，再加上他本人对牛顿物理学的钻研，康德指出，星际系统和太阳系一样，形状也像一个扁平圆盘。正如太阳系中的行星在黄道带的平面内以椭圆轨道围绕太阳旋转，康德提出，恒星也许也在围绕着一个公共的未知的中心旋转。

    遥远星系（NGC 4013）主盘的侧视图，是哈勃空间望远镜在2001年拍摄的。有证据证明围绕圆盘中心的暗带是星际尘埃区，在那里有可能形成新星。不像莱特，康德没有让神灵占据假想的中心位置。康德提出，可见的恒星构成了这一共同“星系”，但是由我们的太阳系以及其他恒星共同组成的，围绕某个未知中心旋转的系统，也许并不是宇宙中存在的独一无二的系统。实际上，宇宙也许是由许多这样的星系组成的。康德进一步指出，我们也许已经看到了那些其他的星系，事实上，它们也许就是天文学家观察到的、莱特提到的星云。康德指出，这些星云大多都是椭圆形或圆盘形，它们离我们是如此之遥远，于是，在所有恒星的映衬之下，它们看上去就像是乳白状的模糊一片。这是一个富有灵感和大胆的思想火花，尽管到20世纪才得以证实，却为宇宙学开辟了一个广阔的新天地：浩瀚无边的宇宙，充满了漂浮、旋转着的岛状星系，这是一个人类从未梦想过的更为宏大壮观的宇宙。

    然而必须提醒，康德的思想虽然以牛顿物理学作为基础，富有灵感，但仅是思辨。尽管他富有物理学和数学的修养，但是后来他更多还是以哲学家的身份引人关注，而不是一位真正意义上的物理学家或数学家。

    拉普拉斯

    1749年出生在法国诺曼底的拉普拉斯则不同于康德。他是一位才华横溢而又富有灵感的数学家，是18世纪最有影响的科学家之一。尽管今天大多数人不一定知道他，但他扎实的数学工作弥补了牛顿留下的某些缺口，并为康德的思辨提供了更为扎实的基础。

    1773年，拉普拉斯在考察木星轨道时，想要弄清为何当土星轨道扩张时，木星轨道会出现持续的收缩。在分别发表于1784和1786年之间的三篇论文中，他证明这一现象是周期性的，周期是929年。在详细解释这一现象的理由时，拉普拉斯的论文同时也解决了牛顿遗留下来的一个重要问题，那就是太阳系的稳定问题。牛顿曾经被太阳系各行星之间复杂的引力相互作用这个问题所困扰，并得出结论，为了保持整个系统的稳定，有时需要某种神力的干预。拉普拉斯在他的同事数学家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736—1813）的帮助下，从数学上证明，由于围绕太阳旋转的所有行星都沿同一方向，因此它们相互间的离心率和倾斜度总是足够的小，以至于无须外界的干预，就能保持长期的稳定。或者，如同拉普拉斯所写：

    “从整体考虑，行星和卫星的运动都是以接近圆形轨道运行，它们沿同一方向，所处平面相互间只有微不足道的倾斜，这样的系统就会围绕一个平均态振荡，偏移值非常之小。”

    拉普拉斯运用牛顿引力理论，成功地说明了所有行星运动。拉普拉斯的星云假说提供了理性和富有成效的方法，解决了恒星如何起源的问题。实际上，拉普拉斯说，太阳系本质上具有一种自我纠错机制，它不需要神力把它扳回原位。

    拉普拉斯写过许多重要论文，从数学的角度出发，讨论与牛顿理论及行星和卫星引力相互作用有关的大大小小各种问题。不过，他最通俗、最受读者欢迎的是1796年出版的《宇宙体系论》（Exposition du Syseme du monde），这是一本天文学通俗读物，就在它的后记中，提出了解释太阳系起源的理论。

    “星云假说”，拉普拉斯以此来命名自己的设想，但他也许不知道康德已经提出这一假说，只不过没他的严格，并略有不同。不管是谁的星云假说，这一思想很快流传开来，并且被19世纪里大多数天文学家接受。

    简单来说，这一假说的大意如下：最初太阳起源于巨大的旋转中的星云或气体云。随着星云旋转，气体收缩，此时其旋转速率不断增大，直到星云中最外面的物质无法靠引力维持为止。在这一过程中，这些气状物质就凝聚在一起，形成一颗行星，而中心星云则继续加快自旋速度并进一步收缩，此时又留下更松散的物质，形成另一颗行星。而中心星云则在中心处形成稳定的太阳。这一理论存在许多疑问和尚未回答的问题，但它却令人耳目一新，因为它是最早尝试运用科学和理性推理来解释太阳系的起源，而没有借助于神灵或超自然的力量。

    拉普拉斯知道，他的“理论”已经带有思辨的成分，但是他毫不怀疑，天体的所有奥秘以及其他种种都可以靠数学和牛顿定律的推理加以解决。他不够谦逊，也不够宽厚（他的同事对他往往又忌妒又羡慕），但他却是启蒙运动最虔诚的信徒，对机械论的宇宙观坚信不疑。这是理性时代许多科学家共同的信仰，但是很少有人像他那样进行强有力的表述，他写道：在牛顿的宇宙中，决无偶然现象，假设有这样一种情况，“在一个理智之士看来，只要给出宇宙初始时刻所有作用力的大小，以及所有物质的瞬时状况，就能推断出宇宙中各种最大物体的运动……一切都是确定的，过去和将来都等同于现在”。

    然而，并不是18世纪所有的牛顿追随者都是如此雄心勃勃的哲学家。尽管理论依然享有自己的地位，但许多天文学家，特别是在英国，宁可回避这种庞大的理论设想，转向更有效和更实际的研究，把科学革命的教训和牛顿的定律运用到日常的实用天文学之中。

    齐心协力：威廉·赫歇尔和凯洛琳·赫歇尔

    如果数学家拉普拉斯是18世纪最有影响的理论天文学家，那么，音乐家和业余天文学家威廉·赫歇尔则是启蒙运动最有影响的实干天文学家。赫歇尔1738年生于德国的汉诺威，1757年为了逃避军事服役来到英国。在德国他是一位有名的音乐家（双簧管、风琴、小提琴，样样都会，还当过音乐会主持人），到英国重操旧业，先是教授和翻制音乐。然而不久他就站住了脚，当上了军乐队指挥，成为有名的作曲家和风琴演奏家。1766年，他受雇成为贝斯的奥斯太岗（Octagon）礼拜堂的风琴演奏家。这是一个好职位，使他有时间教学、指挥和作曲。这一工作报酬丰厚，使他有足够的钱发展他在天文学方面的兴趣。1772年，他的妹妹凯洛琳（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848）来到英国和他一起工作，此时的赫歇尔对恒星和行星是如此入迷，以致他已读了数百本天文学、微积分和光学的书籍。他还购买了一台小型望远镜，开始把自己的夜晚时间用来凝视贝斯的天空。

    凯洛琳很快就被哥哥的热情吸引住了。她也是一位有造诣的音乐家和歌唱家，不久就帮助赫歇尔从事管弦乐作曲、复制他的音乐，同时还表现出对天文学和望远镜几乎同样浓厚的兴趣。就在妹妹来到身边不久，在妹妹的帮助下，赫歇尔建造了第一台小型望远镜。从那时起，就一发而不可收。很快建造了另一台稍大一些的望远镜，接着又添置了一台。

    威廉·赫歇尔是一位杰出的音乐家，开始做天文观测时是业余的。但由于发现天王星很快就被公认为18世纪最伟大的观测天文学家之一。这些望远镜都很有趣，要比通常相似长度的望远镜宽许多。当问到为什么他的望远镜与众不同时，他解释说，他不仅追求放大率，而且还注重采集光线的能力。望远镜镜面越大，捕捉到的光线就越多，可以看到的恒星和星云也就越多。赫歇尔早巳迷恋于太阳系以外的宇宙。在他漫长的生涯中，在凯洛琳的帮助下，他确立了星际天文学这一学科，使天文学家的眼界远远超出了太阳系的范围。不过有趣的是，正是有关太阳系内的一件发现使他声名鹊起，也使观测天文学再获生机，并且使他获得世界级知名度。

    尽管赫歇尔是一位很有耐性和细心的观测者（他曾测量过一百多个月亮上的环形山，并用三种不同的方法亲自校验了三遍），但他还是更感兴趣于发现而非计算。对于赫歇尔来说，夜空宛如是一个浩瀚隐秘的海洋，因为少有人勘探，因而充满了发现机会。为了能在夜间巡视星空，他设计了一套仔细“扫描”天空的方法。每天夜晚他只对天空的某一块小区域工作，一般仅为两度左右的一条带，在休息之前往往可以巡视两遍。第二天他再巡视临近的另一条，直到把他所在区域的可见夜空逐步扫描完毕。

    1781年3月，赫歇尔在一次仔细扫描中发现在土星之外很远处有一颗新行星（当时天文学家认为土星是最远的行星），这是一项著名的发现。其他天文学家曾经看到过这颗不久被命名为天王星的行星，但是他们总把它当成一颗恒星，因而毫不在意。然而，赫歇尔在夜空扫描中记住了数千恒星的位置，于是迅速意识到这一小光斑是一个“漫游者”，因为这个地方不应该有恒星。那它是彗星还是行星呢？赫歇尔向当时的皇家天文学家报告这一发现并等候回答。皇家天文学家在计算它的轨道之后回复说，这是一颗行星。确实是行星，由于它离得如此之远，于是，太阳系的大小几乎比人们公认的增加了一倍。赫歇尔一夜成名了。

    奇怪的是，在牛顿之后，天文学在所有人看来都已回归平常。毕竟，牛顿已经解释了每一件事情，该知道的都已经知道了。理论家正在对付不切实际的哲学，但是这些哲学大多是太难了而无法认真对待，而那些一线的天文学家忙于计算和编制星表。不时有新恒星公布，但是对于大多数人来说，一颗恒星就是一颗恒星而已。然而，一颗新的行星就不同了，这是以前所不知道的，却又离我们更近，甚至普通人也能实际去想象它的存在。更为激动人心的是，人们会想，也许太阳系里还有未被发现的东西吧，也许科学家并不是什么都知道。

    1772年，凯洛琳·赫歇尔来到英国加入她兄长的观测工作。这位音乐家和业余天文学家突然使天文学再度令人激动。但是对于赫歇尔来说，兴奋有点过头了。他被指定为皇家学会会员，有人请他喝酒，聚会，赴宴，并给乔治三世（GeorgeⅢ，1738—1820）当宫廷天文学家。正如凯洛琳很快认识到的那样，这最后一项荣誉对她兄长是一个巨大不利。有了它，虽然可以领到一笔年金，却必须辞退音乐家的工作，变成全职的天文学家。遗憾的是，年金远不及他当音乐家的收入。不过赫歇尔却认为，不可以拒绝国王的任命。必须寻找别的办法维持收入。他们是优秀的望远镜制造者，事实上，有人说，他们做的望远镜是世界上最好的。兄妹两人不得不制造并出售这些精制仪器，以换取额外收入。

    与此同时，因为有了更多的时间可以从事新的事业，赫歇尔致力于建造梦寐以求的大型仪器，使他能够看得更远。他写道：“我要比所有前人都看得更远。”天王星是他的骄傲。1787年，他又发现了天卫三和天卫四（天王星的两颗卫星），并且，在他结束工作之前，他又发现了土星的两颗卫星。但是赫歇尔的至爱依然是满天的繁星以及那些庞大的望远镜，正是它们使他有可能探望更远的星空。

    观测天文学家凯洛琳·赫歇尔是8颗彗星的独立发现者，也是她兄长的密切合作者。她活到98岁，把一生奉献给了天文学。他的望远镜并不都是成功的。有一台“巨人”望远镜，当赫歇尔爬上它的底座时，由于不堪承重而塌了下来。另一台，计划要安装一面直径3英尺的镜面，于是，他不得不用“一大堆马粪”作为镜片铸模，热心的凯洛琳加工制作了这些马粪。就在浇铸的那一天，过热的铸模熔化了，熔化的金属随之流到地板上，顿时作坊变成了一座恶臭熏人的小型维苏威火山，凯洛琳和赫歇尔只得拔腿就跑。

    在某些人看来，赫歇尔兄妹一定是全力以赴在建造望远镜，其实他们为观测挤出了足够的时间。1788年赫歇尔和一位有钱女子结婚，这使他们不用再忙于建造望远镜，于是才有可能专注于自己的望远镜和观测。

    哈雷证明过，恒星并不总是“固定”的，而是在天空中做“固有运动”。1783年威廉在观测中证明，太阳也在天空中运动，这是他作出的第一个“有关恒星的重大发现”。我们的太阳系确实在做整体运动。太阳、行星和月亮不仅彼此在做复杂的相对运动，而且这种运动的舞台本身也处于运动之中，因为整个系统在相对天空而移动。不仅太阳不再是宇宙静止的中心，而且现在看来，太阳系也不是。人类又再次发现自己在宇宙中并不占有优越地位，而只是栖居于一个小球上，这个小球也只不过是伟大的宇宙中的一个小小参与者。对于18世纪的思想家来说，越来越明显的是，整个宇宙就是一种永不停息的运动之舞。

    不仅是万物都在运动，而且“万物”要比人们所能想象的更多。

    赫歇尔总是着迷于天上神秘的片状星云物，有些思想家猜测，这些星云是大量恒星的集合，因为它们太远了，无法看清楚。用他那更大更精确的望远镜，赫歇尔就能看清它们中的许多，并且证明，它们确实是大量恒星的集合或者说就是星系。不过，他早期认为所有星云都是巨大星系的结论后来被证明是错的，因为许多星云不能再分解成确凿的恒星，他猜测，许多星云是某种“发光流体”组成的巨云，是形成“未来太阳的原始材料”。

    18世纪80年代，在和凯洛琳对所谓的双星作了一系列长期观测之后，他还证明牛顿定律确实是普遍的。许多双星不一定正好成对，而是相互靠得非常之近，以致于被引力锁住，在一个彼此共有的轨道上运转。这就进一步证明了，牛顿定律的有效性远远超过了太阳系，延伸到了整个浩瀚的太空。

    赫歇尔于1816年被封为爵士，他的观测几乎从未中断，直到1822年去世时为止。在启蒙运动时期的所有天文学家中，正是他的贡献更多地使天文学走向现代。他的望远镜观测使理性时代思想家的思辨变成了现实，这些思想家开始看到并且理解人类在宇宙中的地位——处在这一卑微的名为地球之行星上的我们，与那些游荡着的恒星和星系一起，只不过是浩瀚宇宙中的沧海一粟。

    对于有些人来说，这些知识是可怕的。人类和地球在科学家眼里变得越来越不重要，不再享有特权。然而，对于其他人，一个奇异的新世界正在展开。因为哈雷、赫歇尔和其他观测天文学家开始向我们揭示，那是什么？像康德、拉普拉斯那样的思想家则企图按宇宙的机械论特性理解它如何而来。所有的片段如何形成一个整体？如果宇宙确实充满了星系，星系又是怎样形成的？恒星和行星又是如何形成的？宇宙本身从何而来？它有开始吗？有结束吗？这些都是大问题，甚至需要许多年才能建立起一套严肃的理论，必须知道更多东西，需要发展许多新仪器和技术。还有更多基本的物理学有待理解。这一“控制”如此之多东西的神秘“引力”究竟是什么？什么是光？什么是热？恒星如何“发光”？

    这是一个费力和复杂的议程——它将会占用许多的科学家好几百年的时间。自从古希腊以来，没有人试图解释这么多问题。但是，牛顿已经给予他们一把钥匙——而且启蒙运动的思想家们相信，他们用那把钥匙就可以轻易解开所有的自然奥秘。这是他们的荣耀，因为这项任务远比他们想象的要复杂得多。

    新地质学的诞生

    正当18世纪天文学家继续关注宇宙深处和太阳系这一迷人领域时，另一些思想家开始把注意力转向地球自身的历史以及它的起源。如果天体可以被理解为一部按牛顿定律运行的巨型钟表机制，是不是也有一种机制可以解释地球各种特征的创生？为什么会有陆地和海洋？为什么会有山峦和低谷？为什么岩石有不同的种类？某些岩石看上去像是镶嵌有各种生物或物体，那些奇怪的特征意味着什么？

    古希腊哲学家曾经猜测过形成地球特征的原因。米利都的泰勒斯曾经注意到海浪冲击海岸造成的破坏力，但是蜿蜒的河流持续侵蚀河床的破坏力也不亚于海浪。泰勒斯说，显然水有改变地形的巨大能力。在泰勒斯看来，水是如此重要以致他相信水是地球上所有物体的本原，包括有生命的和无生命的。泰勒斯说，地球自身可以看成是一艘浮游在巨大海洋中的船，海洋中翻滚的波浪可能是地震的起因，我们的地球因此而颠来晃去。尽管泰勒斯以及其他希腊思想家的许多思想在今天看来天真得不可相信，但他认识到水的力量是塑造和形成地形的基本力量这一点却是一项重要的早期观察结果。当然，他的思辨仅仅只是思辨而已。伟大的希腊思想家都是哲学家，不是科学家，因为古希腊人并不想、也不打算科学地“证明”自己的思想，他们就没有办法比较，哪种猜想更正确。所有的参与者都有权利持有某种观点，假如他们的智力正常的话。

    大约公元前100年，世界上的文化、商业和政治权力中心转移到了罗马，罗马人不理思辨那一套。他们更注重实际而不是哲学，宁可把时间花在设计最好的方法来建造道路、桥梁、隧道和沟渠，以便扩展罗马的权力和声望。对于罗马人来说，操心为什么大山会矗立在那里，是无益之举，取而代之的是，他们更愿意找到最好的方法，以建造越过或绕过这些大山的道路。

    罗马衰败之后，西方世界大多数智力活动都局限于修道院，求知兴趣大多转向东方。在那里，在伊斯兰的学堂里，许多古希腊和古罗马的思想得以保留。然而，阿拉伯的知识分子，尽管他们借用、保留和补充希腊的知识，却很少对我们今天所谓的地质学感兴趣。伟大的阿拉伯哲学家阿维森纳（Avicenna，980～1037）虽然尝试建立一个算不上精致的系统，借用了古希腊的一些思想加以补充，但是仍有许多问题大多是出自他自己的解释。

    文艺复兴时期，当求知之风开始从东方缓慢地吹回西方世界时，在知识门类的清单中，地质学研究仍然处于末位。杰出艺术家达·芬奇兴趣广博，他于1508年就地质学问题提出了自己的思想。其中有些想法来自阿维森纳的思想，例如山脉是由高地侵蚀而成，不过达·芬奇也提出自己的看法，比如，河流的形成靠的是雨水和融雪，在意大利北部发现的奇异化石贝壳是曾经在此生存过的海底生物的遗骸，当陆地被海水淹没时，它们就已经死了。不过大体说来，相对于阿拉伯人或古希腊人，达·芬奇的地质学思想并未高明多少。

    由于基督教会的介入，情况变得更为复杂，整个中世纪，文明之薪火几乎受教会一手操纵，但是，一个强有力的单一权威力量的形成非一朝一夕之事。既然古人对于地质学问题兴趣不大，那么，当他们涉猎此领域并大胆提出自己的看法时，就不会面临任何正式或明确的反对意见。如果他们对此保持相对沉默或见解缺乏深度，那么，这种停滞更多与他们缺乏兴趣或训练有关，而与现有权威的干涉无关。

    然而，随着基督教教会的权力越来越大，情况有了很大变化。17世纪伽利略的天文学观测使他得出结论，是太阳而不是地球处于太阳系的中心，这一结论激起了教会的愤怒。它与当时的教义直接矛盾，而教义是基于圣经世界观和托勒密流传下来的天文学系统。对于教会来说，来自上帝的启示是神圣的，圣经是主宰一切的最终权威。基督教徒可以去询问地球的历史，但是他们只能转向圣经去找答案。

    1654年，有一位爱尔兰主教，名叫厄舍尔（James Ussher，1581—1656），根据圣经的年表仔细计算了地球的年龄，确定地球的第一天是公元前4004年的10月23日，也许是上午9点钟。他还为整个宇宙的创造过程建立了一个时间表，结果是一个礼拜，正如圣经所述。厄舍尔的计算在当时很受欢迎，因为大多数神学家都同意，地球的年龄在5000年和6000年之间。当早期学者开始涉猎地球及其形成这一领域时，面对的正是这一背景。

    当然，地球看来远不止几千年，任何一位有心的观察者显然都会看出这一问题。随处可见的断裂和风化现象，高耸的山脉、深谷和悬崖，这些事实都在强烈地暗示，地球曾经遭受过巨大的沧桑之变。实际上神学家一般也都同意，地球正处于严重的衰落中，也许维持不了多久了。然而，它怎么可能在这么短的时间内变化如此之大呢？

    另一个问题是，岩石中埋藏的化石。化石的知识可以追溯到古希腊，但是它们的存在一直令人困惑。在17世纪末，许多严肃的思想家逐渐接受化石是过去生物的有机遗骸。但是，依然有不少人死死守住更神秘的或者柏拉图的观点而不放。

    形成和化石（formations and fossils）这两个词其实具有内在的联系，它们正是17和18世纪地质学研究的焦点所在。

    斯蒂诺的化石

    第一位认真考察这两大重要问题的思想家是17世纪丹麦人斯蒂诺（Nicolas Steno，1638—1686）。斯蒂诺出生于哥本哈根，是一个富有的金匠的儿子。他和许多早期科学家一样接受过医学教育，并且幸运地成了托斯卡大公爵的私人医生。因为大公爵很健康也很慷慨，所以斯蒂诺没有后顾之忧，可以有足够的时间从事他感兴趣的工作，他的兴趣之一就是化石。

    当斯蒂诺解剖鲨鱼时，把鲨鱼的牙齿与所谓的舌状石比较，古人曾经认为这种舌状石是夜间从天上掉下来的。在确信舌状石确是石化的鲨鱼牙齿后，斯蒂诺成了化石的热心收集者，到处访问采石场，考察各种不同岩石的形成过程。

    仔细的研究使他确信，化石是保存在岩石中的生物残骸，这些生物曾经栖居于海中。1669年，他在一本书中提出了这一论点，这本书的题目很别扭，叫做《关于在固体中自然封存之固体的论文之序》（Prodrome to a Dissertation Concerning a Solid Naturally Enclosed Within a Solid）。斯蒂诺说，埋有化石的岩石是由泥浆水沉积而成，其中既有海水也有淡水。有些化石，例如鲨鱼牙齿和海生贝壳类显然就是海洋生物，因此发现这些化石的区域必定曾被海水覆盖过。他还指出，其他生活在淡水中的生物，也许是被诺亚洪水带到此地的，当时人们普遍相信这场洪水发生于大约4000年前。发现的大骨头和牙齿很可能是更近期的生物，诸如大象的遗骸，公元前218年，汉尼拔军队可能是骑着这些大象与罗马人作战的。

    他还提出一种言之有理的说法，浸没于水中的巨大岩层有可能坍塌，形成山峦和峡谷。但是，据斯蒂诺说，并不是所有的山峦都是这样形成的。有些显然是火山岩，是从地球深处燃烧着的火喷出的灰烬和岩浆。有些是流水侵蚀的结果，与激流冲出悬崖与峡谷的过程一样。

    斯蒂诺还对托斯卡纳地区的地质史提出了一些一般性理论，他认为，这一理论也许适用整个地球。总之，这是一项令人钦佩的成果，但是斯蒂诺却半途而废了，因为他是一位极端的路德教徒。由于常常陷入深深的不安之中，显然他有严重的心理危机。后来他失去对地质学的兴趣，皈依天主教，到德国当了一名神职人员，晚年在苦修中度过。

    若是撇开他所处的时代，就很难正确评价斯蒂诺的智力成果。还有一些人也曾试图提出类似的理论，例如涉猎广泛的英国皇家学会会员胡克。大多数17世纪后期关于地球创生及其形成的思辨，流传到了18世纪，然而它们不是带有深深的宗教烙印，就是企图把宗教故事与新科学观生硬地结合在一起。但是，其中有一个理论脱颖而出，这就是布丰伯爵提出的理论。

    布丰对地球的测试

    布丰伯爵的科学生涯涉猎广泛，成绩辉煌。他写了关于自然史的著作，他解释地球起源的自然主义理论是那个时代第一批没有与宗教紧密栓联的理论之一。图中显示他运用多个透镜检验阿基米德的说法是否正确（阿基米德声称可以把太阳光会聚在锡拉库拉港中的罗马舰队上使之起火）。他成功地使150～250英尺远处物体着火，据此，布丰认为阿基米德的说法应该是真的。布丰本质上是一位博物学家，他认为，他那于1749年开始出版的44卷巨著《自然史》（Histoire Naturelle），应该从头开始述说。他写道：“地球通史必须居于首位，其后才有地球上其他事物的历史。”他的思想大多只是对当时主要思想的重述，但是他对地球形状的讨论在保守的法国同代人中引起了震动。

    他写道：“事实上，现在是陆地而且有人居住的地方，以前确曾处于海水之下。这些水曾经淹没最高山脉的顶峰，因为我们发现在这些山上，甚至在它们的顶峰上，有海洋生物的遗骸，它们与现在的贝类没什么不同。无须怀疑，它们如此相似就是同一物种。”就我们今天所知，布丰的许多思想是不正确的。但是，布丰使它们成为一个整体（尽管非常笼统），这对于18世纪的思想家来说，本身就是一种极大的激励，由此他们明白，可以像布丰那样，对于有关宇宙的老问题试图给予新的、理性的回答。

    受哲学家莱布尼兹的启发，布丰说，由于一颗彗星撞击火热的太阳，从中带出了一些碎片，地球就源于这些碎片。他用铁球做了几个实验，把铁球加热，测量它们冷却的速率，从这些结果他估计出如地球这样大的球冷却的速率。再基于此算出冷却所需时间，由此得出结论，地球已是非常古老。他建议，地球也许有75000年或100000年。布丰的估计已经比厄舍尔1654年计算的6000年多了十倍以上。赫顿（James Hutton，1726—1797）后来得到了类似的结论（不过，他也大大低估了地球的年龄）。但是布丰是最早把这一思想传播给广大听众的。出于敏锐的政治直觉，布丰把自己的研究说成仅仅是假说，并且还在叙述中设法为宗教保留位置，这就避免了与教会发生重大冲突。

    根据布丰的假说，地球经过了七个漫长的阶段。这与圣经创世纪中的七天相当吻合。——但是这里的“天”要比我们通常理解的“天”长得多。经过最初阶段——地球的形成是由于彗星与太阳的碰撞——地球旋转并且冷却了3000年，在此期间演变成球形。第二阶段地球冷凝成为一个固体。根据布丰的计算，这大概经过了30000年。第三阶段，地球周围气体中的蒸汽形成巨大的海洋，覆盖了整个地球。他解释说，这个时期潮汐作用开始影响地球演变，并且把海洋生物带到地球各地。他计算这个过程大约持续了25000年。火山活动主宰了第四阶段，因为在以后的10000年中海洋开始消退，从而在高地上留下许多海洋生物的遗骸。随着陆地开始形成以及变冷，植物开始生长。在第五阶段，持续了近5000年，第一批陆地动物开始出现。在第六阶段，陆地继续演变，大陆开始相互分开，漂移了将近5000年，直到变成如今的格局。最后在第七阶段，布丰声明，人类出现在地球上，达到演变过程的顶峰。

    这是一个大胆有序并且简洁的思辨性理论，具有巨大的吸引力，尤其是它可以解释许多奥秘，诸如在高地和山顶上发现的海底化石。

    但是，布丰不得不在他的工作中尽力避免与宗教发生冲突，而地质学真正的进展只有等到启蒙运动的思想家对传统发起全面攻击，这样科学家才能摆脱束缚，关注他们在岩石中发现的线索。

    当更多的研究者开始探索这个领域时，一些情况很快就明朗了，某种岩石，叫做沉积岩，它们位于平行地层中，是由水下的沉积物而形成。埋于这些岩石中的化石有助于确证这一思想，但是一个棘手的问题依然存在——许多层积岩存在于山区，甚至是在最高的山峰被发现。显然，现在的大片陆地必定曾经处于海底，正是在那段时期，形成层积岩的物质被沉淀在那儿了。那么，在岩石形成之后，陆地又是怎样从海里出现的呢？就像许多在启蒙运动后兴盛起来的科学领域一样，地质学的早期岁月也是被机械论一统天下。

    两个相互对立的新理论迅速崛起，并且最终它们都不再流行。但是每一方面都对莱伊尔（Charles Lyell，1797—1875）的先驱性工作有所贡献。莱伊尔是一位富有钻研精神的苏格兰地质学家，他为现代地质学打下了基础。他还为地质学家和生物学家提供了新的钥匙，使他们能够透过表面现象去理解地球和人类的历史。

    魏尔纳和海神的遗迹

    魏尔纳（Abraham Gottlob Werner，1750—1817），他那个时代最有名的地质学家，出生地质学家魏尔纳提出了水成论，说的是在地球形成的过程中，地球上覆盖了浩瀚的海洋，所有岩石都是在沉积过程中形成的。于普鲁士。他的父亲是一家大型炼铁厂的检验员，魏尔纳的年轻时代大多花费在他对采矿和矿产的兴趣上。在福莱堡的矿产学院学习了两年（1769—1771）之后，他转到莱比锡大学继续学习。作为一个出色的学生，他全身心投入学业中，吸取每一项与采矿、矿产、岩石和矿物学有关的知识。

    1775年，魏尔纳回到福莱堡学院成为一名讲师，他在这里生活了近40年，成为当时最有名也是最受欢迎的教师。作为一名精力充沛、身体力行的“动手型”教师，他鼓励学生们走向野外，亲自研究岩石和矿产，而不是仅仅听从别人的意见。

    魏尔纳教的地球理论，后来被称为水成论（Neptunism）。这个名字得自罗马的海神（Neptunism），反映了魏尔纳的基本假定：地球起初完全被巨大的、泥泞的原始海洋所覆盖。海洋内悬浮着大量的物质，当海平面开始下降时，海底结晶出“原始的”岩石。魏尔纳解释说，这些岩石后来就覆盖了整个地球。魏尔纳并没有解释原始海洋是从哪里来的，或者它撤退的机理是什么。不过，据魏尔纳的说法，随着海水的持续消退，很久以后，第一块干燥的陆地（岩石的原始沉积）就露了出来。

    然后，渐渐形成了新岩石层，它不再是原始形成的一部分，而是由海洋中的物质进一步结晶而成，此外还包括从原始的地球表面侵蚀出来的沉积物。随着海水进一步退去，更大的陆地面积出现了，其中不仅包括这些“过渡”岩石，还有许多年前形成的原始岩石所形成的高山。

    魏尔纳继续说，后来大块的地表侵蚀物夹带巨量的沉积物返回海洋，在海洋里沉积并且形成“二次”岩石层。暴风和海面上的惊涛骇浪搅乱了这些沉积下来的“二次”岩石。然后，随着海水再度消退，这些“二次”岩石也露出水面，再度遭受侵蚀并沉积于海里，形成新的淤积。魏尔纳解释说，就在最近，海水还在消退过程中，于是，我们才能看见这些仅在最底层才能发现的岩石。

    火山，似乎让魏尔纳的某些同代人感到困惑（有人认为所有陆地起初都可能源于火山），但是按照魏尔纳的说法，它们对于地球表面的形成影响不大，他解释说，它们也许是由于地球表面附近燃烧的煤层引起的。

    在那些为火山感到困惑的人（但是并不认同所有陆地都源于火山的思想）中就有赫顿，魏尔纳的同代人和长者。尽管他在1788年以前并没有提出关于地球表面如何形成的思想，但是他的观点，后来人们称之为火成论，在18世纪后半叶引燃了一场最大的地质学争论。

    赫顿和冥王的怒火

    赫顿1726年生于爱丁堡，是一位注重实际的苏格兰人，在完成法律实习之后，1749年在莱顿大学取得了医学学位。不过他从未执过业，而是转向了农业。然后，经过一段节衣缩食的农民生活之后，他又成为制造商，建立了一座生产氯化铵的工厂，在这以后，他退休从事研究地质学。这可不是在人生旅途上兜圈子。他早期对化学的兴趣，使他转向医学，而当他开始研究农场里的岩石和土壤时，兴趣又移向了矿物学。

    1788年，赫顿那引起争议的新理论第一次发表在爱丁堡的《皇家学会学报》上，尽管他已经为此工作了20多年。赫顿并不关注魏尔纳的论据，即沉积岩位于水下，而是质疑这一主张，亦即形成这些岩石的所有物质，都曾经悬浮在覆盖整个地球的原始大海里。

    18世纪的火山爆发使许多地质学家把注意力聚焦在地球内部的热和它在形成地球外壳中的作用。赫顿的理论基于系统的观察和思考，他不仅提出与水成论不同的主张，而且还建立了一个重要原理，为此他被称为地质学的奠基人。这个原理叫做现实论（Actualism），它主张，地球的表面是由各种因素——侵蚀和火山——形成的，这些因素今天仍然在起作用，并且仍然可以观察到。这个原理与19世纪莱伊尔进一步发展的均变论有密切联系，通过使现实论与其他若干因素相结合，这就形成了现代地质学的许多基本前提。

    魏尔纳拒绝讨论地球和原始海洋的起源（尽管其他人，包括布丰，有所讨论）。他的理论只不过假设原始海洋存在过，其各种环境与今天大不相同。

    赫顿假设，大陆和海洋几乎同时形成，这样我们才能理解眼前的事实，亦即地球处于“持续的”过程之中，并把这一过程看成是一个无尽的循环，“没有开始的痕迹，也没有终止的迹象”。

    他解释说，陆地表面处于被风、水和冰冻缓慢侵蚀的过程中。碎片被河流带到海洋中，又沉积在海底。

    在海底，来自地球深处的压力和热量“烘烤”地层，使之变成沉积岩。不同的岩石层源于被侵蚀陆地的特性。后来，由于一系列地震，导致海底向上隆起，于是，沉积岩露出水面成为陆地。赫顿继续说，这种岩石在漫长而缓慢的过程中变形，岩石的裂缝允许熔岩从地球深处渗出，当到达地球表面时就形成了火山。由热而形成的火成岩还会进入沉积岩地层，在那里缓慢冷却，形成诸如花岗岩之类的结晶岩石。与此同时，稳定的侵蚀过程继续进行，开始磨损新形成的陆地表面。进一步的侵蚀还会磨损沉积岩和暴露花岗岩，于是新的沉积岩层在海底继续形成。这些岩石也许会由于地球内部的压力和运动被迫隆起，由此构成一个今天依然在持续的循环过程。

    赫顿明白，这一过程不仅是机械的，他还意识到，现在观察到的变化正是经长期演变后地表成为这个样子的原因。赫顿建议，这些长期循环在整个地球历史中，以同样缓慢的方式和同样缓慢的速率起作用。他还看出，地球历史一定非常之长——比大多数科学家设想的更长——所以，地球比人们相信的要古老得多。

    1795年，赫顿扩充了他的理论，出版了两卷本的著作《地球理论》（Theory of the Earth）。他的书很难读懂，并且还引起争议。魏尔纳的追随者把它看成是对魏尔纳水成论的直接攻击，保守的神学家认为它是对圣经中创世说的攻击。尽管如此，赫顿的火成论（Plutonism，出自Pluto，意即阴间的冥王，因为赫顿的循环变化所需的能量大部分来自地球的内部）还是吸引了一些热心的追随者。1802年又有更多的追随者加入，因为普莱费尔（John Playfair，1748—1819）写了一本名叫《赫顿理论说明》（Illustrations of the Huttonian Theory）的书，使得赫顿许多晦涩的表述更为通俗直白，从而令赫顿的理论更容易被人接受。

    如果就此能够得出结论，说赫顿是正确的，他的理论确已胜出，这当然不错。然而，历史和科学决不会如此简单。赫顿的基本前提——地球的地质变化是均匀和循环的，并且经历很长的时间——这些基本上正确，但是他对变化机制的解释却是错的。后来在19世纪，莱伊尔吸取了赫顿的均匀性原理，再经综合之后，给出了一个更真实的世界图景。

    居维叶和灾变论

    18世纪后半叶，水成论与火成论的争论成为当时地质学领域的主旋律——著名法国动物学家居维叶加入了这场争论，但他并未带来实质性突破。居维叶是当时最权威的科学家之一，他富有才华，善于把握机会，对自己的观点确信无疑。在广泛研究化石之后，他得出这一结论：仅当世界在其整个历史过程中，经历过一系列大洪水，各种化石的存在才能得到解释。居维叶论证说，每一场这样的大洪水都毁灭了地球上一切生物，只留下化石记录。每次洪水之后，生命又重被创造。这一观点迎合许多宗教思想家，特别是当居维叶解释说，最后一次大灾难（他的理论后来就叫灾变论）就是《圣经》第一篇《创世纪》中描写的那场洪水。居维叶解释说，在那次灾难中，上帝出面干预允许某些生物幸存下来，正如圣经描述的那样。显然居维叶是在宣布，地球并不像赫顿说的那样，经历一场缓慢和渐变的连续过程，而是一系列剧烈灾变的产物。

    居维叶是如此强大，以致他的灾变论很快就取代了魏尔纳那乏味的“原始海洋”理论，并且还把赫顿和他的火成论说得一无是处。魏尔纳和赫顿都是专家，不是通才，两人都试图把地质学当做一门科学来处理，他们相信自己提出的机制符合观察事实。事实证明，两人都行进在一条死胡同里，尽管赫顿为未来开辟了一条充满前景的道路。

    居维叶以其谨慎的方法和成熟的理论吸引了当时大多数科学家的想象力。但由此造成的巨大阴影却是严重压制了地质学中有益的争论，这一状况一直持续到19世纪。

    近代化学的诞生

    1794年5月8日，法国有史以来最伟大的科学家之一——拉瓦锡，在断头台上被处死。作为已被废黜的皇室政府税务官员之一，许多人把他看成是人民的公敌，“税农”（FermiersGeneraux）的一员——通过克扣底层穷人向不受欢迎的国王上交税款而获利。更要命的拉瓦锡和“税农”们站在革命法庭前接受审讯。尽管他的同代人承认他是大科学家，拉瓦锡还是被判决推上断头台。是，拉瓦锡曾经反对接纳马拉（Jean-Paul Marat，1743—1793）加入法国科学院，这一举动招来了灭顶之灾，因为马拉决忘不了他投的反对票。当马拉在法国革命政府掌权时，他看到了一条报仇的途径，于是把拉瓦锡逮捕、审讯和定罪。虽然马拉后来也遭到逮捕，竟在拉瓦锡之前上了断头台，但是革命法庭通过了判决，宣布“共和国不需要科学家”，拉瓦锡的处决按计划执行。

    这是科学史上恐怖的一天，因为就在几年之前，在其他四位伟大化学家的帮助下，拉瓦锡终于开始澄清自古以来禁锢化学的混乱局面。这四位化学家是舍勒（Karl William Scheele，1742—1786）、普里斯特利、布莱克（Joseph Black，1728—1799）和卡文迪什。5年之前的1789年，拉瓦锡出版了他的《化学基础论》（Elementary Treatise on Chemistry），从而在化学中引起一场科学革命。51岁，正是拉瓦锡能力的巅峰期。就在拉瓦锡受刑后的次日，拉格朗日说过这样的话：“砍下这样一颗头颅只要一瞬间，但要再长出一个这样的脑袋，也许要100年！”

    烹饪和神秘主义者

    苏格兰化学家布莱克爱对他的听众说：“化学和所有其他科学一样，源于聪明人对于日常生活不同技能中大量事实的反思。”化学，部分就因为它与日常生活密切相关，因而在所有的学科中，最慢摆脱传统的混乱局面。化学的自由发展，受制于这两大阻碍因素。一方面，它混迹于平凡的日常生活之中（希腊哲学家尤为鄙视任何动手的学科，而化学密切地与炊事、贸易和医药联系在一起）。另一方面，在炼金术士的摆弄之下，它还是一门秘传技艺，而这些炼金术士寻求的是如何把其他物质转化或者改变为金子。（有些炼金术士保持沉默，是因为他们天真地相信，他们就快接近成功了；还有人不作声，只是因为他们不愿在行骗时被人抓住。）在所有科学中，只有化学因为受早期实验家的控制而拒绝引入科学方法。物理学有牛顿发现的普遍运动定律，天文学有地球的转动及其围绕太阳而旋转这一发现，生物学有哈维在心血运动方面的工作。但是，化学抗拒任何类似的突破，这可以理解，因为直到20世纪，才有关于化合物组成和发生在分子水平上的复杂化学反应过程的理论。所有这些在18世纪都是完全不知道的，我们所知道的原子理论在当时根本就无法想象。

    结果就是，在18世纪初，那些对物质的混合和加热感兴趣的人们，在研究时毫无头绪。除非对空气和水、“气体”的存在以及燃烧过程等基本事实有所掌握，否则，科学家很难取得进展。18世纪科学家面临一系列棘手的难题，他们对此反复思量，燃烧、煅烧和呼吸等过程都被认为是至关重要和相互联系的现象，但又难以捉摸。许多优秀的脑袋为此花费大量时间，从波义耳和胡克的时代起，一直到18世纪末。

    燃素说的诞生

    不幸的是，为解释燃烧现象而建立一个完整理论的最初努力却把科学引到一条漫长的死胡同里。这个想法最初源于一个名叫贝克尔（Johann Joachim Becher，1635—1682）的人，他是一个近代炼金术士，曾向荷兰某些城市领导人推销炼金术，宣称他可以用银把沙子转变为金子。由于演示不成功，他逃到英国。他关于物质的想法也不太合理。他说，所有物体都由空气、水和三种土构成，他称这三种土为油脂土（terra pinguis）、水银土（terra mercurialis）和石头土（terra lapida）。

    17世纪后期，斯塔尔（Georg Ernst Stahl，1660—1734）把贝克尔的油脂泥土改称为燃素（phlogiston），并把它说成是一种强有力的——“火焰、炽热、自热、热的”——流体，当物体燃烧、煅烧或以其他形式氧化（尽管这个术语在当时还未使用）时，就会释放或者消耗这种流体。1697年，斯塔尔提出燃素说，在之后的90多年中，它成了化学的基本要义，成为解释一系列令人困惑的化学现象以及全部化学的框架。

    尽管燃素说后来被证明是一条死胡同，但它并不是一无是处，因为它引发了一系列的实验，去研究燃烧、氧化、呼吸和光合作用。

    但是这些实验很快就暴露出许多问题。首先，金属在氧化过程中，质量总是增加，而不是减少。如果在这一过程中物质损失了，正常的情况质量应该减少，而不是增加。为了既能解释这一点，又不致丢弃这个理论，许多化学家作出了更复杂的解释：既然人们不能真正看到燃素（看到的只是从燃烧物质中发出的火焰），因而它就不是普通的物质。也许它更像是18世纪化学家假设的“微妙的”或“没有重量的”流体，例如磁性、以太、热、光和电，并且和它们一样，都是没有重量的。也许，它甚至有负重量，所以，当出现在物质中时，实际上（莫名其妙地）使物质的重量减少了。所以，每当燃烧发生时，燃素释放出来，物质的重量反而增加。

    然而，尽管重量问题令人困惑，但18世纪大多数化学家还是继续相信燃素说，并不认为有不可抗拒的理由要抛弃它，无论如何，它毕竟对气体的研究作出过划时代的贡献。

    化学家开始发现，对于科学地探索化学组成来说，气体至关重要。该领域的突破为发现其他元素和化合物以及最后为19世纪原子论的建立奠定了基础。黑尔斯（Stephen Hales，1677—1761），英国的一位教区牧师和业余科学家，发明了一种收集气体的装置，叫做集气槽，从而使这些发现成为可能。集气槽把发生化学反应的烧瓶与收集气体的容器分开，从而有可能分离得到不同的气体。但是他和当时大多数化学家一样，并没有真正意识到它们是本质上不同的物质，而认为它们只不过是不同类型的空气。

    布莱克和“固定气体”

    布莱克是格拉斯哥大学和爱丁堡大学的化学教授，他的功绩不仅在于发现了二氧化碳，而且建立了定量分析方法。

    布莱克出生在波尔多，是一位葡萄酒商的儿子，1740年返回不列颠群岛接受教育。在格拉斯哥大学和爱丁堡大学完成医科学习后，回到格拉斯哥开业和教学。他很受学生们的尊敬［学生中有瓦特（James Watt，1736—1819）］，有一位学生这样形容他：“具有强烈而又训练有素的想象力、专心致志的注意力和严谨扎实的推理能力，它们完美地合成一体，成为科学研究的良好禀赋。”

    在他后来的岁月里，他的学生写道：“他的面容继续焕发出发自内心的满足感……安逸、真挚和优雅。”

    年轻的布莱克当时正在攻克的一项课题是，弄清“乔安娜夫人秘方”中的一个重要成分，该秘方用于处理膀胱结石，就在这一过程中他发现了“固定空气”。他在实验中运用了自己发明的定量方法，但他用来描述实验的许多名词今天都已不太熟悉。不过按现代的表述方法，布莱克那时发现，碳酸钙在加热时会转变为氧化钙，同时释放出一种气体，该气体可以和氧化钙重新组合，又形成碳酸钙。由于这种气体可以重新组合，或者固定于它原来所在的固体中，因此他称之为“固定空气”，今天我们更熟悉的名称是二氧化碳。

    实际上在此之前别人也对二氧化碳有过研究，但是，布莱克的研究更为全面。他证明了，二氧化碳可以从饮食、从矿物分解、燃烧以及发酵中获得。关于气体，他还有一项突破性工作，这就是证明气体也可以像液体和固体一样，可进行实验操作和测试。布莱克认识到，二氧化碳是空气的自然成分，人体呼出二氧化碳，在二氧化碳里蜡烛无法燃烧。这时他陷入了谜团。置于密闭容器中的蜡烛终将熄灭，这是符合逻辑的，因为燃烧的蜡烛会产生二氧化碳。但是当布莱克用化合物把二氧化碳吸收掉之后，蜡烛在密闭的容器中仍然不会燃烧。他把这个问题交给他的一个学生，让他作为博士论文来研究这个问题，这个学生名叫卢瑟福（Daniel Rutherford，1749—1819）。

    卢瑟福仔细地完成了这一受控实验并且发现，不仅蜡烛不能在某种气体中燃烧，而且老鼠也不能在这种气体里生活。就像他的老师，他也是燃素说的信奉者，相信这种气体已经吸足了燃素（燃素无法通过空气进入蜡烛使之燃烧，或者让老鼠呼吸）。他称之为“燃素化的空气”，今天我们称之为氮。卢瑟福因发现这一“有害”气体而获得声誉，尽管其中的细节是几年以后由拉瓦锡澄清的。

    布莱克的定量方法传给了他的学生和整个科学界，实践证明，这一方法和他对二氧化碳的发现一样重要。因为在对碳酸钙加热的原始实验中，布莱克仔细测量了损失的重量，他才有可能摸清反应情况，而在此之前的有关气体实验中，化学家对此却是一无所知。

    布莱克写道：一旦他发现了固定空气，“在我面前似乎打开了一个新的也许是无比宽广的领域。我们不知道大气中有多少种气体，也不知道它们各自的特性”。在这里，他似乎预见了与他同时代的卡文迪什和普里斯特利即将取得的发现，还有其他人后来的发现，例如瑞利男爵（Baron Rayleigh，1842—1919）和拉姆塞爵士（Nir William Ramsay，1852—1916）在1904年由于对大气成分的研究获得诺贝尔奖。布莱克在物理学领域里的工作同样重要，并且对工业革命有着深远影响。

    卡文迪什分解水

    卡文迪什无疑是18世纪最古怪的科学家。他出生于英国一个显赫而又富有的家庭，从来不用为钱财担忧。事实上，他曾经这样告诉银行，如果让他费心过问理财这样的俗事，那么，这家银行就会失去他这个价值数百万的客户。不必说，银行方面再也没有打扰过他。正当卡文迪什家族其他成员与国王亲近并参与重大政治策划时，卡文迪什的唯一兴趣却是纯粹的科学研究。

    卡文迪什孤独成癖，他不愿意见人，也不愿意与人谈话。有一天，偶尔撞见一位女仆在他的屋子里，以后他就造了一个专门的楼梯，供他独自使用，以免这种事情再发生。有一种说法，这个女仆被解雇了。遗憾的是，卡文迪什只挑选了小部分工作发表，因此他最先做出的若干成就未获承认。

    不过，他的某些工作还是被同代人知道了。1766年，他向皇家学会提交一篇关于“人工空气”的论文，证明存在一种先前从未研究过的显然可以燃烧的物质（后来拉瓦锡称之为氢）。他还研究了二氧化碳的特性，和布莱克一样，也称之为“固定空气”。

    他最重要的成就最终还是发表了。1784年1月15日，他演示了他的人工空气在燃烧时产生了水。这是一条令人震惊的新闻。亚里士多德曾经卡文迪什是一位性情古怪的人，他发现了氢，探讨了二氧化碳（当时叫做“固定空气”）的特性，并且证明水不是元素，这与亚里士多德的说法相反。认为，水是组成所有物质的四大元素之一。但是如果气体燃烧会产生水，唯一的解释只能是，水源于这两种气体的化合。这就对希腊的元素说敲响了丧钟。

    卡文迪什和布莱克一样，在物理学方面也有不少工作，而且他也用空气做实验。1785年，他让电火花通过空气，用今天的术语来解释这一实验，就是他迫使空气里的氮与氧结合，然后分解这种在水里得到的氧化物（在这个过程中他设法产生的是硝酸）。他不断增加氧气，希望最终能够把全部氮气消耗掉，但是总有很小的量——仅仅是一个气泡——残留着。他想了想，认为这种气体一定是某种以前没有遇到过的东西，对化学反应有极强的抗拒力。其实，这就是我们今天所谓的惰性气体。卡文迪什就这样发现了氩，尽管直到一个世纪以后才由拉姆塞进行确证。

    舍勒和普里斯特利发现氧

    普里斯特利是英国一位论派牧师和政治上的激进分子，最终为他惹来了麻烦。他公开支持美国殖民地居民反叛乔治三世，反对奴隶贸易和宗教偏见，还同情法国革命。他的大部分书涉及宗教和教育，其中有一本在1785年被公开焚烧。此外，他从事的气体研究似乎也有些反常：在他所居住的利兹城的一家酿酒厂开始做实验——发现布莱克的“固定空气”在与水混合时，会产生一种令人愉快的泡沫饮料，这就是碳酸水。实际上普里斯特利发明了苏打水。

    普里斯特利对实验充满了好奇和激情，但是他并不按部就班地选择实验类型或步骤或方法。（他迷信机遇的作用。他喜欢说：如果他懂得化学，他就永远做不出任何发现。）但是一旦他做上实验，就会非常仔细地观察。结果，正如19世纪化学家戴维（Humphry Davy，1778—1829）曾经说的那样：“没有人曾经发现过这么多新的和奇怪的物质”。其中包括氨、二氧化硫、一氧化碳、氯化氢、氧化氮和硫化氢。还有就是：氧气。1774年普里斯特用直径12英寸、焦距29英寸的一块透镜，从燃烧的氧化汞中提取到一种气体。这种新“空气”似乎比正常空气更纯，可以使蜡烛燃烧得更旺。他试验呼吸这种新空气的效应——让老鼠试、让植物试，甚至自己亲自试。他发现吸入它感觉“非常轻松”。按照燃素说，他称这种新空气为“缺乏燃素的空气”，它与布莱克发现的不支持生命的奇怪空气性质正好相反，于是得到了这样一个相反的名字。

    普里斯特利并不知道，与此同时，瑞典化学家舍勒也发现了同一种气体，但是他的发现还未公布。事实上，他们应该得到同样的荣誉，既然他们各自独立作出这一发现。

    普里斯特利是氧的两位发现者之一（另一位是舍勒），当时他们把氧称为“缺乏燃素的空气”。1780年，普里斯特利迁居到伯明翰，在那里他的神学理论招来当地居民的反对，但是他发现当时有一个叫做“月亮学会”的科学家团体却是对他格外支持。该组织，部分是由进化论者达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文组织，他们通过家庭聚餐的形式非正式集会，志趣相投地讨论科学。它就是后来在历史上出现的“智囊团”的前身之一，每个月满月的夜晚大家聚在一起，这样不至于在黑暗的伯明翰乡村里迷失回家的路。

    蒸汽机的发明者、布莱克的朋友瓦特经常出席该集会，伊拉兹马斯·达尔文也常常出席，不过他总是带来富有争议的话题。小组的中心人物是波尔顿，他的乐观主义、商业技巧和对蒸汽动力的热情，成为工业革命的动力之一。讨论往往在下午两点钟开始，一直持续到晚上八点钟。对于普里斯特利等人来说，对燃素和热、水的组成以及冶金学、电学和天文学等方面的问题进行生动广泛的讨论，是对他们工作的持续鞭策。

    普里斯特利在伯明翰建造了一个精致的实验室，被誉为是欧洲装备最好的实验室之一，里面所有的最新设备无疑是在咨询了他那些能力高超的新朋友后装备起来的。他投入地工作，然后在家里炉火边写实验结果，他的孩子们围在他身边，这也许不是集中注意力的好方法，但是他认为关起门来写作是一种孤僻的行为。他写道：“我的方式总是，先全力以赴针对一个课题，直到有令人满意的结果，然后就不再想它。我很少回头看我发表过的东西，当这样做时，有时它对我几乎又是新的一样……”

    具有讽刺意味的是，就在拉瓦锡被砍头的那一天，他因为同情法国的革命者，疯狂的反革命分子焚烧了他的房子，他启程前往美国避难。他早就是富兰克林的朋友，后来又成了杰弗逊（Thomas Jefferson，1743—1826）的朋友，在美国他找到了安身之地，在一位论教堂找到了一份工作，又在宾夕法尼亚大学担任教授职位，他的最后十年在平静的写作中度过。

    拉瓦锡和燃素说的灭亡

    19世纪德国化学家李比希（Justus von Liebig，1803—1873）曾经说过，拉瓦锡“没有发现前人不知道的新物体、新特性、新自然现象。他的不朽光辉在于他把一种新的精神注入了科学内部”。

    拉瓦锡被认为是近代化学的奠基人，他让他的同事们从一种崭新的角度来对待定量技术，这是化学领域所有进步的基础。当布莱克和卡文迪什专注于定量分析时，拉瓦锡则成功地说服其他化学家认识这一方法的重要性。他为化学做的事就像是伽利略为物理学做的事：引进严格的方法论、经验论和定量方法。

    就在演示定量方法的重要性时，1799年，普洛斯特（Joseph-LouisProust，1754—1826）发现了定比定律，内容是：在化学反应中，交换的是整个单元。这是不久后即将出现的原子论的早期暗示。例如，一个化合物也许含有两种元素，比例是41，但绝不会是3．91或4．21，等等。一种元素也许会以不同的比例与其他元素结合，产生不同的化合物，但是这些化合物仍然遵守定比定律。例如，二氧化碳是由碳和氧以38的重量比组成的，而一氧化碳（同样元素以不同比例组成）则是由碳和氧以34的重量比组成。事实证明，这一定量发现对于现代化学是一块重要基石。

    拉瓦锡是一位科学世界中的推动者，他的钱财固然是来自税农，却大量花费在科学事业上，他的私人实验室是欧洲主要科学人物的聚会场所。杰弗逊和富兰克林在那里都受到过热情款待。拉瓦锡的妻子玛丽·安妮（Maria—Anne Pierrette Paulze，1758—1836），14岁就嫁给了他，她积极出席这些聚会并且记录有关情况，为拉瓦锡的书制作描绘这些聚会的插图。她还将拉瓦锡书籍翻译成英文，添加注解，积极地参加科学活动。

    在1772年至1774年间，拉瓦锡进行了一系列实验，演示在受控条件下燃烧不同物质，其中有金刚石、磷、硫、锡和铅。他在密闭容器里燃烧金刚石、锡和铅，当这些物质加热时，人们早就知道，它们会改变颜色，产生的物质叫做“生石灰”或者“金属灰”，其重量要超过原来的金属。但是当拉瓦锡称量整个容器时，其中包括容器里的所有东西——空气、金属、生石灰和容器本身，他发现重量没有变化。这就表明，整个系统中必定有某一部分损失了重量，这一部分也许就是空气（他怀疑燃素有负重量的观点）。如果空气确实有所损失，那么，至少在密闭的容器里要产生部分真空。果然，当他打开容器时，空气冲了进去。当他再次称量容器和所含物质时，结果比原先重了。所以生石灰一定是空气和金属的生成物。因此可以断定，生锈（和燃烧）的过程并不涉及燃素的损失，而是从空气中获得了什么。

    拉瓦锡是一位有活力的实验家和能干的交流者，人们公认他是近代化学的奠基人。燃素说灭亡了。拉瓦锡夫妇组织了盛大的聚会，在隆重的庆典仪式上，夫人玛丽·安妮穿得像一位女祭司，他们焚烧了斯塔尔论述燃素的书，表明燃素说对化学的控制已告终结。

    从拉瓦锡的实验得出的另一个重要结果是：他还揭示了一条基本原理——质量守恒定律，这条定律在19世纪成了“化学的防护堤”。

    科学家常常参加拉瓦锡夫妇主办的集会，在集会上拉瓦锡做演示，玛丽·安妮对实验作详细记录。后来，在1774年10月，普里斯特利访问了拉瓦锡，并用缺乏燃素的空气解释他的实验。拉瓦锡很有兴趣地听了他的介绍，突然意识到，普里斯特利分离出了空气的一部分——空气大体上由两种气体组成，一种支持燃烧和呼吸，另一种则不能。而燃素说，正如他已经得出的结论，是一种引人误入歧途的理论。现在真相似乎已经明朗：普里斯特利分离出了空气中支持燃烧的气体，他发现的新气体与物体不能在其中燃烧的空气完全是两码事。1779年，拉瓦锡宣布，空气由两种气体组成，第一种支持燃烧的，他称为氧气（oxygen，希腊字根的原意是“产生酸”，因为拉瓦锡认为氧存在于所有的酸中），这个名词保留了下来。另一种气体他称为硝（azote，希腊文的意思是“无生命”），1790年有人重新命名为氮，这个名字沿用至今。

    有一段时间拉瓦锡试图掩饰这样的事实：正是普里斯特利才引出他的这些见解。他认为普里斯特利只不过是打杂工，并不知道自己在做什么。毕竟，普里斯特利不像他那样把毕生精力奉献给化学。也许他对普里斯特利有某种民族偏见，也可能有一些政治对立，但最可能的是，他希望人们记住自己是某个元素的发现者，不过他的意图从未成功。然而，他确实解释了普里斯特利作出的发现。他扮演的角色是理论家，是普里斯特利实验工作的解释者，他们的工作是某种实验和理论的合作，在实验结果变得越来越复杂时，这种合作对化学将变得越来越重要。

    拉瓦锡还澄清了卡文迪什的工作，重复了他的可燃气体实验。卡文迪什曾经在空气中发现这种可燃气体，燃烧后可形成水。拉瓦锡把这种气体称为氢，在希腊文中的意思是“产生水”。这与拉瓦锡为新化学描绘的图景相当一致。动物吃了含有碳和氢的食物，吸入氧，把它们结合在一起，形成二氧化碳和水，通过呼吸又把它们呼出。

    在巴黎皇家植物园演示的化学实验，特别是鲁埃尔做的表演。鲁埃尔最著名的学生之一就是拉瓦锡。拉瓦锡正在演示空气的成分。然而，新化学开始受到欢迎。尽管普里斯特利、卡文迪什和赫顿从未丢弃燃素说，但是，布莱克以及若干人还是转向了拉瓦锡的思路。

    有人要为一本百科全书写一篇关于化学史的文章，求助于拉瓦锡，拉瓦锡意识到，化学中面临这一问题，就是不同时代。不同国家对物质的命名不尽相同。化学需要有一个国际命名法，以便统一反映物质的成分——不要这里是用途，那里是颜色，甚至还有诗意的幻想。于是，拉瓦锡为化学做了类似于林奈为生物学做的事情：他建立了一个系统的命名法。和另外两位化学家一起，他在1787年出版了《化学命名法》（Methods of Chemical Nomenclature），建立起一个清晰合理、能够反映成分的命名系统，这个系统几乎立即就得到了称赞（个别坚持燃素说的人除外），直到今天仍在使用。

    在25年中，拉瓦锡使定量测量成为化学家的基本工具，结束了燃素说，建立了质量守恒定律，并且提出了一套化学命名的新系统。

    随着拉瓦锡在1794年去世，他所参与的化学大革命走向终结，但是化学的进展并未就此止步。在拉瓦锡、布莱克、舍勒、普里斯特利、卡文迪什，某种程度上甚至包括斯塔尔奠定的基础上，19世纪的化学家们得以更精确地理解化学元素、它们的特性、它们相互反应的机理，以及在反应中所发生的过程。道尔顿将以拉瓦锡和布莱克的定量分析为基础，再结合古希腊人德谟克利特的原子论，从而在1803年提出第一个定量原子理论。1869年门捷列夫（Dmitri lvanovich Mendeleev，1834—1907）把已知化学元素列在周期表中。到19世纪末，玛丽·居里（Marie Sklodowsk Curie，1867—1934）和皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906）发现放射性元素。这些过程将为电子和量子力学的理论奠定基础。

    与此同时，许多把化学带到新时代的人们，也在物理学中作出了激动人心的发现。

    热和电的奥秘

    牛顿对物理定律，特别是对引力的研究，在18世纪初由于对地球形状的测量活动而得到巨大推动。与此同时，物理学在两个领域出现巨大进展，继工业革命之后，不久就引发一场变革，这两个领域就是热学和看似神秘的电学。

    什么是热

    热向来是物理学的巨大奥秘之一，在18世纪以前，还无人接近于解决这个奥秘。古希腊人对它的特性曾经提出三种猜测——它是一种物质；它是一种性质；它是普通物质的一种偶然属性（粒子运动的结果）。类似第一种和第三种的说法在18世纪仍然在一争高低。这是很难掌握的概念，原因之一就是一直没有找到一种方法去测量热的量或者度。

    因此，第一道障碍就是要建立一种好的测量系统，以便对不同环境中的热进行定量比较。1708年，丹麦天文学家罗迈（Ole Christensen Roemer，1644—1710）最早认识到，温度计需要两个固定点，于是，他设定两个可观测的温度，作为一定范围内的顶端和底端——一端是雪融，另一端是水沸腾。荷兰的华伦海特在1714年对罗迈的刻度作了一些修改，并且在他设计的温度计中，酒精换成了汞。这就意味着水的沸点以上的温度也可以测量，因为汞的沸点比酒精高得多。与此同时，瑞典的天文学家摄尔修斯（Anders Celsius，1701—1744）利用同样的两个固定点，把其区间分成100个单位，这就是1742年他设计的所谓摄氏温标。他的同胞，生物学家林奈把他的温度计掉了一个头，让沸点为100，熔点为0，今天使用的就是这种摄氏温度计，全世界的科学家都在用它。

    18世纪，受到认可的热理论是由波尔哈夫（Hermann Boerhaave，1668—1738）建立的，他认为热是一种特殊物质。这一学说和燃素说极为吻合。就像光与电一样，燃素被认为是“没有重量的”的流体。尽管拉瓦锡粉碎了燃素说，不过他却继续认为，热是某种流体，可以从一种物质流到另一种物质，他称之为热质。拉瓦锡于1789年出版的《化学基础论》一书中就有这些内容。这个理论在18世纪表现不错，但到了18世纪末，拉普拉斯使热质概念成为一种新的复杂的一般物质观，他的数学分析又大大提高了这一理论的威望。

    布莱克博士和他的朋友瓦特

    18世纪60年代，苏格兰化学家布莱克教授也对热的本质很感兴趣。在工业化的格拉斯哥和爱丁堡，热这个问题尤为重要，因为苏格兰和英格兰在英国化学家布莱克第一个分离出二氧化碳并演示了二气化碳的特性（他称之为“固定空气”）。1707年的合并带来了富庶的经济，这就为当地威士忌酒工业开发了良好市场。大型酿酒厂用大量燃料，产生大量的热，把液体转变为蒸气，然后又不得不释放这些热量，使蒸汽凝聚成液体。为了经济地管理酿酒厂，绝对需要知道在这些过程中究竟涉及多少热量。实际上，需要从蒸汽中释放大量热，这直接影响了酿酒厂的收益。

    布莱克常常说，他不能理解为什么酿酒厂的经理们不更多关注有关的科学原理，这些原理显然对他们的生计有非常重要的影响。但是在传统上，纯粹科学和技术进步之间的联系却很少被意识到，也很少得到支持。甚至今天，每当生意需要紧缩开支时，研究和开发部门经常是首先被削减的对象，经济衰退时，大学也经常是缩减预算的对象。

    布莱克从未发表他的讲演稿，在讲演中他透彻地讨论了自己的思想，但是他的编辑罗比孙（John Robison，1739—1805）却发表了选自布莱克的笔记本和自己记录的材料：

    “鉴于阳光充足的冬日山峦上的积雪并不立即融化，严寒的夜晚也不是立刻使池塘水面覆盖厚冰，因此布莱克博士确信，大量热已经被吸收，并且固定在从雪花里缓慢融化的水滴中；另一方面，当水缓慢地转变成冰时，大量热从水里释放出来。因为，在解冻过程中，当温度计从空气移到融雪中时，温度计往往下降；在严寒中，把温度计插入结冰的水里，温度计往往上升。因此，在第一种情况里，雪获得了热；而在后一种情况里，水正在重新释放热。”

    1762年，在大学哲学俱乐部聚会期间，一些教授在格拉斯哥非正式相聚，布莱克进一步讨论了他的观点。他指出，冰在融化时并不改变温度，但是，冰附近的物质却变得更冷了，然而冰的温度并没有升高。这是怎么一回事？热消失了吗？华伦海特曾经观察到，水可以冷却到冰点之下而不结冰，不过此时对水不能有任何扰动，否则它立刻结冰。当发生这种情况时，实际上温度是上升了！所以，当水冻结，也就是说，它的状态从液态变成固态时，它放出热。布莱克看出，水仍然保持液态，因为它含有一定的热量；当热被释放，液态消失，液态的水变成了固态的冰。

    由于液态水中的热不会在温度计上显示，布莱克称之为“潜热”，表示它存在却不能用平常的方法来测量。

    布莱克还提出一种测量潜热的方法。他测量融化一定量的冰所需的热量，然后把这些热量用于冰融化后所得的水，发现它的温度上升了140°F。

    在1762年至1764年之间，布莱克把冰的潜热概念延伸到水转变为汽这一相似现象。他发现，用同样的火力把沸水转变为水蒸气，所需时间是把水从室温加热到沸点所需时间的5倍。

    此时，一位意想不到的新朋友加入了这一研究，这位新朋友就是为大学制作仪器的技师瓦特。瓦特设计了一种装置，用于演示布莱克在课堂上讨论的潜热概念并为之提供实验证据。一个意外的惊喜是，瓦特根据他从布莱克那里得到的理论启发，成功地为他正在修理的蒸汽机发明了一种新装置：分离凝聚器。结果这一发明成为提高蒸汽机效率，使之成为运输和工业获取足够经济的能源之关键。瓦特的蒸汽机以煤或焦炭为燃料，于是工厂可以在任何地方设立，可以远离河边，而靠水力开设的工厂必须就设在河边。蒸汽机不久就用于几乎所有的工业，从煤矿到冶炼厂，再到纺织厂，以及后来出现的火车和轮船。

    特勒维斯克设计的高压煤车发动机，这种发动机也许类似于1801年他根据瓦特的蒸汽机建造的蒸汽马车。布莱克对此非常满意，他乐于给学生们讲述瓦特的成就。当瓦特在1769年申请到专利时，他获得了应有的回报。罗比孙写道：“布莱克博士从未这样高兴过，就像这些收益是给他自己的一样。……两个朋友都认为这一段成功的研究是他们一生中最愉快的事情。”

    更早些时候，布莱克还证明过，不同物质的同样质量，需要不同的热量（比热）才能使它们升至同样的温度。或者，换一种说法，当两种重量相同、温度不同的不同物质放在一起时，其平衡温度并不是两个温度的中点。也就是说，同样的热量作用于两种不同的物质，产生的温度变化各不相同。布莱克信奉的是热的流体理论，因此当他得出不同物质具有不同的所谓“比热”时，他更加相信，培根的（以及后来伦福德重新制订的）热动说与比热的存在是矛盾的。遗憾的是，这一观点后来成为科学史的一个案例，说明正确的科学有时似乎也不支持一个有效的理论。

    伦福德伯爵与热作为运动

    伦福德伯爵原来的名字是汤普森（Benjamin Thompson，1753—1814），生于美国马萨诸塞州的沃本恩。他的生平有些离奇古怪，虽然不够高贵，但确实充满趣味。年轻时，为了庆祝废止印花税法案而制造烟火，他差点因此而丧命，那时他在塞伦一家零售店工作。康复后，他在波士顿另一间零售店又工作了一段时间。19岁时，汤普森与一个富有的寡妇结婚后就来到新罕布什尔州的伦福德（现在的康科德），在那里他的妻子继承了一处地产。但是，因为革命战争爆发，汤普森开始为英国人服务，暗中监视邻居，于是，局面变得复杂。也许呆在家乡不太愉快，他留下了妻儿，随英军撤离波士顿。

    在英国，汤普森为英国殖民地秘书处工作（他对美国的了解使他很受欣赏），后来与皇家学会主席班克斯爵士（Sir Joseph Banks，1743—1820）相识，通过班克斯，他见到了当时著名的科学家。

    在战争结束前，他以英军陆军中校的身份返回美国殖民地。然而不幸的是，英国输了。他被迫永久流放，只好重返英国。在英国，他的投机性格再次暴露，不但受贿，甚至还可能为法国人当过间谍，对付英国人。

    1783年，他得到乔治三世的允许前往欧洲大陆，在那里他为巴伐利亚的选帝侯。西奥多（Karl Theodor，1724—1799）效力。汤普森对付各种行政工作绰绰有余，当过战争大臣和国会议员。他为无家可归者建立贫民习艺所，引进瓦特蒸汽机和马铃薯，还做了其他一些好事。选帝侯很满意，于是汤普森在1791年成为神圣罗马帝国的伯爵，取名为伦福德，也许是出于怀念留在新罕布什尔州的地产的缘故。

    汤普森，后来被称为伦福德伯爵，过的是浪子生活，开始于美国，终结于英国和法国。他最出名的是对热的本质的探索。伦福德在巴伐利亚时，对科学极有兴趣，深深地关注热的本质问题。1798年，他在慕尼黑掌管大炮镗孔的工作，注意到当钻孔机钻孔时，金属会变得非常之热——热到必须用水冷却。对此，热质说的支持者会这样解释，在切削过程中，无重量的热质流体从金属中不断被释放。但是伦福德注意到，只要钻孔在继续，就会不停地释放热，并且如果测量在此过程中释放的热质数量，其总数足以熔化金属，假如（以某种方式）再把它灌回空弹壳的话。他还注意到，如果他用的钻孔机钝到无法切割金属，此时，金属反而会变得更热，至少不低于这一情况下所释放的热质——即如果正是切割过程引起热质释放的话。

    于是伦福德提出了热动说，也就是说，钻孔机的机械运动转变成了热。因此他说，热就是运动的一种形式。在他之前，培根、波义耳和胡克都曾经暗示过这一思想。

    伦福德的思想很快得到一些人的强烈支持，他们抛弃了热质说转而支持热动说。但是在18世纪末，热质说仍然受到大多数物理学家和化学家的青睐，他们无疑仍然受到拉瓦锡权威见解的影响并且相信数学对热质说的支持。直至焦耳（James Prescot Joule，1818—1889）提供了一种数学上的定量说明，即一定量的机械功会产生多少热，这才证明伦福德是正确的。

    用电做实验既有娱乐性——没有危险才行——也可受到教益。在巴伐利亚，他那投机取巧的性格终究不再表现。伦福德于1798年回到英国，鉴于他的成就，他在英国被接纳进入皇家学会，同年创建了皇家研究所。托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）和戴维，两位正在崭露头角的年轻物理学家，成了这个研究所的演讲者，特别是戴维，他对伦福德的理论充满热情，发表了一个由他亲手做的支持该理论的实验结果。但是大多数物理学家仍然没有被说服，直到1871年麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）最终建立分子运动论，这已是70年以后的事了。

    1804年，伦福德（他的第一位妻子已经去世）娶了拉瓦锡的遗孀玛丽-安妮，她很有钱，当然也很有名（在与伦福德结婚后。她仍然保留拉瓦锡的姓）。他50岁，她大约47岁。但是，他们的婚姻生活并不顺，一结婚就开始争吵，只在一起过了4年。伦福德私下认为，与自己相比拉瓦锡上了断头台还是幸运的。正如一位历史学家所说，伦福德算不上出类拔萃，但也做到仁至义尽了，至少在伦福德自己看来——他离开时只带走玛丽-安妮·拉瓦锡的一半财产。

    伦福德与第一个妻子所生的美国女儿在1811年来到他身边，照顾他的晚年生活。虽然他性格粗野，常常肆无忌惮，但是除了对科学的贡献外，他还作出了许多实用性的发明，其中包括双层蒸锅、滴注咖啡壶以及炊事套具。他有意不申请专利，以便人们可以免费使用。1814年去世时，他把大部分遗产留给了美国，还给哈佛大学捐赠了一个应用科学的教授职位。

    电学：大型室内游戏

    很长时间来，人们对电知之甚少。古希腊人和古中国人都知道，一块琥珀，如果经过摩擦，可以吸引诸如羽毛或布片之类轻盈的东西。希腊人把这一化石树脂物称为elektron，这就是电（electricity）这个字的由来，但是对电却知之甚少。

    1600年，吉尔伯特在他的《论磁》一本书里区分了磁和电，磁就是磁石吸铁的能力，电则是琥珀（和他发现的其他物质，如黑玉和硫黄）被摩擦后吸引物体的能力。他最早指出，这一特性并不是琥珀、黑玉和硫黄固有的，它是一种流体，经过摩擦产生或者转移。但是他对电没有作太多讨论，因为他认为这一现象不值一提。

    很长时间以来电都被认为不值一提。17世纪爱尔兰科学家波义耳与当时任何人一样欣赏一项愉快的娱乐，他这样记述：

    “……一绺绺假发，干燥到一定程度后，就会被人的肢体吸引。我通过让两位漂亮的女子戴上它们证明了这点。有时我观察到，她们无法阻止假发飘向面颊，或者贴在面颊上，尽管她们没有用胭脂。”

    波义耳的同代人，萨克森地区马德堡的盖里克（Otto Von Guericke，1602—1686），用一个旋转着的硫黄球当作起电机，做起电学实验。他把熔融的硫黄和其他矿物质注入一个当作模子的玻璃球中，然后撤除玻璃球，这一器械“与婴儿的头一般大”。为了使它能够绕轴旋转，盖里克穿过中心打了一个孔，插进一根带有把手的铁棍。然后一只手握住硫黄球，另一只手使它转动。摩擦使球带电，于是球就可以吸引其他物体。盖里克发现，他能把电传到其他物体，诸如另一个硫黄球。他还注意到另一件有趣的事情：原先会吸引硫黄球的物体，一旦与硫黄球接触后，就会被硫黄球排斥。

    到了18世纪，带电玻璃球和棍棒成为风靡欧洲的娱乐用具。聚会上，宾客们以这样的方式彼此逗乐：相互电击、吸引羽毛之类的轻盈物体、使对方头发竖立。

    当然，科学家感兴趣的是现象背后的原因。他们猜测，这可能是另一种“没有重量的”流体，尽管已知的流体大多可归入热和燃素，而燃素就是引起燃烧的物质。为了解释盖里克注意到的吸引／排斥现象，最流行的理论是二流体论。一种流体排斥，另一种流体吸引。用毛皮摩擦玻璃棒或玻璃球会转移一部分流体，产生电荷。而相反的流体彼此吸引（与磁铁中相反的磁极相互吸引一样）。

    1729年迎来一次突破性事件，格雷（StephenGray，1666—1736）发现，当他用软木使玻璃管的任一端带电时，不仅玻璃管，而且软木也带电在一个风雨交加的日子里，富兰克林用风筝和金属钥匙证明闪电是电的一种形式。幸运的是，他活着记录了实验结果。其他的实验者却没这么幸运。了。他发现了导电现象。还有一种叫做莱顿瓶的装置，因荷兰的莱顿市而得名，它的问世带来了更多富有成果的实验。1745年左右，荷兰与波美拉尼亚的发明家分别发明了这种莱顿瓶。这是一个玻璃瓶，里外两层分别被金属所覆盖，本质上是一个储电器［半个世纪后伏打（Alessandro Volta，1745—1827）称之为“电容器”］，可以储存由摩擦产生的大量静电荷。如果想让带电的莱顿瓶放电，只要把手靠近它的中心棒就行，在早期的电学研究中，许多研究者因此而遭受猛烈电击。当一片金属靠近莱顿瓶时，只见接缝处会迸出火花，同时还伴有噼啪声。

    像玻璃球及玻璃棒一样，莱顿瓶成了社交集会上的热议话题。但是它的发明也标志了对电的本质和特性进行认真研究的开始。

    富兰克林：电学行家

    美国科学家富兰克林生前以国家领导人、外交家、天才发明家和心灵手巧的织布工而赢得声誉。他还因其充满灵感和活力的心智而著称于世。他是许多欧洲科学家的朋友，包括普里斯特利和拉瓦锡。他的电学工作，有些甚至冒了极大的危险，更是闻名遐迩。

    42岁那年，他以一名富裕商人的身份退休，从此无牵无挂地投入早在1746年就已开始的电学研究。他提出了一种理论，认为摩擦电是“电流体”的转移，从而使表面带“正电”或“负电”。正电可能就是一种多余的流体，负电则是一种流体的缺乏。尽管流体理论本身在18世纪后就销声匿迹，但正电荷和负电荷的概念则一直沿用至今。这个“单流体理论”打破了被普遍接受的“二流体理论”。

    富兰克林还提出电荷守恒定律，这个定律是说：为了产生一个负电荷，一定会有等量的正电荷出现。还有，宇宙中所有的负电荷和正电荷必定完全平衡。所以，如果有人用羊毛衫摩擦气球，气球得到了负电荷，但把正电荷留在羊毛衫上。然后，如果把气球靠近墙面，它会吸在那里，因为它的负电荷吸引了墙上原有的正电荷。富兰克林的电荷守恒定律和单流体理论有助于解释刚刚发明的莱顿瓶背后的原理。

    莱顿瓶那大容量的电荷储存能力使得有可能用它来做各种类型的实验，派上不同的用场，进行各种表演。富兰克林对此十分欣赏（他曾经如此赞叹：“多么奇妙的瓶子……多么神奇的瓶子！”）。于是1749年，他和朋友们决定在苏基尔河岸上举行一场聚会。聚会的主题就是电及其应用和奇观。他们计划通过水来隔岸传递火花，用电击杀死火鸡（可以使鸡肉更嫩），并在由“电瓶”点燃的火上烘烤。但是，这一天以相当令人震惊的记录结束，富兰克林在给他的兄弟约翰的信中写道：

    “正准备用两个大玻璃瓶（其中的带电量相当于40个普通小瓶）放电杀死火鸡时，由于疏忽，电荷竟整个通过我自己的手臂和身体，这是因为当我的一只手握住一根使两个瓶子相连的电路时，另一只手刚好碰到了位于顶部的金属连线，于是产生了火花。据现场的同伴们（他们中有的正在与我说话，有的正在相互交谈，我想是我不小心导致了这一结果）说：闪光非常亮，噼啪声也非常响，如同枪声。然而，我立刻失去了知觉，既没有看到闪光，也没有听到响声，也没有感觉到双手受到的电击。……我无法描述我的感受，这是从头到脚对我全身的打击，似乎来自内部也来自外部。在这以后，我最先注意到的就是身体的急速摇晃，然后逐渐缓和，感觉也逐渐恢复。”

    噼噼啪啪的声响和火花的形状使富兰克林想到莱顿瓶中的静电与天空中的闪电之间的关系，由此导致他做了著名（也是危险）的实验。1752年的一个雷雨天里，他放飞了一个特制的风筝，牵着风筝的丝线连着一个尖尖的金属钥匙。他的思路是：丝线（丝绸导电性能很好）会把天空的电传到地面（假设天空有电）。他注视着天空，等候合适的时机，当看到云层中隐现闪电时，他立刻握住钥匙。只见一个火花顿时迸出，就像莱顿瓶放电一样。富兰克林还让闪电使莱顿瓶充电。他由此证明，闪电在本质上就是电，于是他被选为伦敦皇家学会会员。

    但是，富兰克林非常幸运。后来有两个人试图重复他的实验，都被电击身亡。

    富兰克林崇尚实用，总是把自己的知识立即付诸应用，他发明了第一支避雷针，到1782年，在他生活的费城，就有400户人家装了避雷针。他还在自己的家里装上铃，每当带电的云团在上空越过就会叮当作响，于是他就抓住机会收集电荷或进行实验。

    库仑定律

    1785年，库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736—1806）建立了另一条重大的电学定律。他决定用两个带电的软木球测量电力，软木球固定在一根棒上，棒又挂在一条金属丝下。在附近，他放了两个带相反电荷的软木球。他准确地知道每个球上带的电荷，从金属丝的扭曲量还可以计算两球之间的吸引力。结果使他和所有人大吃一惊。他发现两个电荷之间的电力取决于两个电荷的强度。也就是说，两个电荷的电量越大，它们之间的吸引力越强。他还发现，它们离得越远，吸引力越弱。如果距离加倍，吸引力只有原来的四分之一；如果距离是原来的三倍，吸引力将降到九分之一，等等。他把这些观测结果总结成库仑定律，说的是两个电荷之间的力正比于电量的乘积，反比于电荷间距离的平方。

    库仑和他的同事非常吃惊地认识到，这一平方反比关系正好和牛顿的万有引力定律类似。从库仑的工作可以明显看出，引力和电的作用方式非常类似。接着，他又对磁作了类似的研究，发现磁力也服从平方反比定律，这是非常令人兴奋的消息，因为它证明这三种基本力都服从类似的定律。宇宙，确实是按一套简洁、有序的原理运行。当18世纪行将结束时，物理学家一定有一种兴奋感，预期未来的发现，尤其会在电学领域，这门原来“不值一提”的学科，突然变得格外引人关注。

    18世纪的曙光照亮了新时代的黎明，在这个新时代里，电将被人类利用并产生效益。到了1800年，意大利物理学教授伏打发明了第一只电池，使科学家可以储存电，从而在实验室的条件下更有效地研究电。到了1831年，英国物理学家和化学家法拉第（Michael Faraday，1791—1867）通过磁铁在铜线圈里的运动产生了电，制成第一台发电机。

聚合中文网 阅读好时光 www.juhezwn.com