《回望人類發明之路》連載之十一近代科學誕生（下）

撰文 供圖 張開遜

近代科學的誕生，成為人類發明活動的分水嶺。

古往今來，人類渴望了解自己，這既出于治療疾病的需要，又源于解開生命之謎的強烈內心需求。然而，了解人類自身比洞察身外的事物困難得多，因為生命過程極為隱秘復雜，而人類出于天性，不情愿解剖同類的遺體。在漫長的歐洲中世紀，尸體解剖被視作罪孽，只有在為救治傷員進行外科手術或為弄清事實真相進行尸檢時，才可以獲得關于人體的零星知識。長期以來，包括醫生在內，人們對人體構造和器官組織的了解非常少。

14世紀，歐洲淋巴腺鼠疫流行，造成近1/3人口死亡。為了查清病因，教會第一次允許進行尸體解剖。1531年，教皇克萊門蒂七世正式批準：尸體解剖合法。從此，有關人體的解剖研究相繼在意大利和法國巴黎的幾所大學開展起來，意大利的博洛尼亞大學還專門建立了一座有數百個臺位的露天環形解剖教室。

上圖：17世紀意大利帕多瓦大學的露天解剖教室

下圖：《尼古拉斯·杜爾博士的解剖學課》（荷蘭畫家倫勃朗繪于1632年）

1543年，出生在比利時的維薩留斯（1514－1564）出版了他的著作《人體結構》。這本書共分7卷，包括“骨骼系統”、“肌肉系統”、“血液系統”、“神經系統”、“消化系統”、“腦感覺器官”和“內臟系統”（無法歸入上述系統的其他器官的統稱）。

維薩留斯當過軍醫，處理過許多由火器造成的嚴重外傷（當時，歐洲的槍炮已經開始取代冷兵器），還擔任過解剖學教授和宮廷御醫，具有豐富的醫學知識。他曾經說：“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>

文藝復興時期著名畫家提香的學生卡爾卡，也是一位造詣極深的解剖學家，他為《人體結構》一書畫了所有插圖。這部圖文并茂的書為西方醫學奠定了重要基礎。

這一時期，從事解剖學研究的其他學者，也已不再局限于對人體器官組織的形態描述，而開始探究它們對人體生命活動的意義。

1553年，出生在西班牙的塞爾維特（1511－1553）發現，心臟右下方小室（醫學上稱為右心室）中的血液，通過與肺相連的動脈進入肺葉，而后通過肺靜脈回流到心臟左上方的小空腔（醫學上稱為左心房），再流向全身。這種從心臟到心臟的血液流動過程，被稱為“肺循環”。這一發現使人們第一次弄清肺和心臟的關系。塞爾維特在秘密出版的《基督教的復興》一書中陳述了這一發現。然而，教會認為它與相關教義抵觸，于1553年4月4日逮捕了塞爾維特。后來，塞爾維特逃出監獄，但又在日內瓦被新教的首領加爾文（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小時。

1603年，意大利醫生法布里修斯（1537－1619）發現，人體靜脈壁有許多僅能單向打開的小瓣膜，它們使血液只能沿著回到心臟的方向流動。如果血液逆流，瓣膜就會立即關閉。

1616年，英國醫生哈維（1578－1657）發現了血液循環的完整過程。他于1628年出版《心血運動論》一書，詳細地論述了心臟功能和血液在人體中循環運動的規律，為醫學奠定了最重要的生理學基礎。

此前，人們一直相信羅馬帝國的御醫蓋倫（130－200）關于人體血液的理論。蓋倫出生在希臘，曾做過斗獸場的外科醫生。他認為，人體肝臟產生的血液，通過靜脈的潮汐運動到達心臟，心臟使血液進入動脈被人體吸收。1400年來，蓋倫的學說一直被奉為醫學經典。

然而，哈維通過對心臟的解剖研究，發現心臟是由四個小室構成的空腔，兩側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入動脈。他測量了人體心臟的實際體積，發現心臟可以容納的血量最多只有0.5升左右。如果每次心臟搏動排出0.2升血液，以每分鐘搏動72次計算，1小時排出的血液大約有864升，已經超過了普通成年人的體重，人體不可能在1小時內造出如此多的血液（人體全部血液大約為5升）。因此，他判斷血液應該在人體中循環流動，而心臟的作用相當于一個泵。

哈維《心血運動論》一書插圖

在《心血運動論》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（現在稱為右心房），通過下方的瓣膜進入右下方的小腔（右心室），右心室肌肉收縮時推動血液流入肺動脈進入肺部，這時上方的瓣膜關閉。從肺部回流的血液又進入心臟左上方的小腔（左心房），通過瓣膜進入左下方的小腔（左心室）。左心室肌肉收縮，推動血液通過主動脈流向全身，這時，上方的瓣膜關閉，防止血液回流到左心房。心臟就是這樣周而復始地工作，實現人體的血液循環。

當時，哈維不能解釋的是：在人體內，流入動脈的血液如何進入靜脈？直到1660年，意大利醫生馬爾比基（1628－1694）在顯微鏡下發現，密布于人體的毛細血管把動脈的末梢與密如蛛網的靜脈連接起來，才最終完整地闡釋了人體血液循環的全部過程。血液循環的發現，標志著近代醫學的誕生。基于這一重大發現，與人類健康相關的新藥物與醫療技術新發明相繼出現。

這時，一件科學儀器把醫學和生命科學推向新的領域，它就是顯微鏡。顯微鏡幫助人們發現了從未見過的微小世界。在顯微鏡下，世界變得比望遠鏡里的星空更加復雜，更加不可思議。人眼的分辨極限大約是0.2毫米，最小只能看清發絲一般粗細的物體，而顯微鏡使人眼的分辨能力提高了數百倍。

最早的顯微鏡出現在1590年，與第一架望遠鏡問世的時間相近。但由于顯微鏡片的焦距很短，磨制極為困難，產生的光像常常嚴重變形，直到60多年以后顯微鏡才進入實用階段。1665年，英國物理學家胡克發表其在顯微鏡下觀察昆蟲和植物組織的結果，并且首次使用了“細胞”一詞。此后不久，荷蘭科學家斯旺麥丹（1635－1703）采集了3000種昆蟲標本，在顯微鏡下進行仔細觀察，而且還在顯微鏡下進行昆蟲解剖研究，為現代昆蟲學奠定了基礎。他利用顯微鏡還發現在以往被人們認為“生命自然產生的地方”其實都有肉眼看不見的小卵。他指出，生命不可能“無中生有”。

1675年，出生在荷蘭的“業余”科學家列文虎克（1632－1723）用其磨制的單鏡頭顯微鏡在一滴雨水中看到了單細胞原生動物。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食物殘渣在顯微鏡下觀察，發現了比原生動物還要小的細菌。1688年，他在顯微鏡下看到了人血和哺乳動物血液中的紅血球。

細胞的發現使人類找到了生命活動的基本單元，細菌的發現則使人類看到了許多種隱形致病元兇的真身。顯微鏡的發明對生命科學和醫學的進展，具有不可估量的意義。

圖①早期的顯微鏡

圖②軟木塞細胞

圖③虱

圖④跳蚤

當人們專心研究地上事物的時候，有一個英國人卻在沉思：天上的星星是否也遵循地上物體運動的規律？如果有普遍遵循的規律，這個規律是什么？這個人就是后來發現物體運動定律和萬有引力定律的物理學家艾薩克·牛頓。

牛頓認真分析了意大利物理學家伽利略關于物體慣性和自由落體的研究結果，他想象月亮之所以不即不離周而復始繞地球運動，應該有一種來自地球的吸引力約束它。地球吸引一切物體落下的力量，會延伸到遙遠的空間，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繩子，石頭就會做圓周運動一樣。其實在牛頓之前，已經有很多人產生過類似的聯想，但他們都沒有回答這種力有多大，服從什么規律。他們的思考僅僅限于哲學的范疇。

牛頓注意到，伽利略曾經測量出在地球表面物體自由下落時，在重力作用下產生的加速度與高度有關，海拔愈高，重力產生的加速度愈小。這表明地球對物體的吸引力，隨著物體到地心距離的增加而減少。在一部古希臘天文學文獻中，牛頓注意到天文學家希帕恰斯（前190－前125）曾經根據月全食地球陰影掠過月面的時間，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生的加速度，應該比在地球表面的重力加速度小得多。

牛頓的數學修養很深，尤其擅長運用幾何與代數相結合的計算方法（今天人們稱之為解析幾何學）。他根據希帕恰斯得到的月地距離的數據和月球繞地球運動一周所需要的時間（27天7小時43分），計算出地球的引力使月球產生的加速度，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大膽的假定：任何兩個物體之間都存在相互吸引的力量，引力的大小與這兩個物體距離的平方成反比。牛頓還提出另外一個假定：力是引起物體運動的原因。物體受力運動時遵循一條簡單的規則，力等于質量乘以加速度。

根據這兩條假定，牛頓運用自己創造的數學方法，成功地解釋了被稱為天體運行之謎的開普勒行星運動三定律?；谶@兩條假定，牛頓計算出的水星、金星、火星、木星和土星的運行軌道，與天文觀測的結果完全符合。

牛頓的上述研究工作是從1666年開始的，20年之后他建立了自己的理論體系。1687年，牛頓《自然哲學的數學原理》一書出版，全面闡述了他所發現的關于宇宙間物體運動和相互作用力的規律，把早年的兩條假定變成了四條定律。前三條說明力如何改變物體的運動狀態，第四條以數學形式表述存在于一切物體之間的引力（簡稱萬有引力）。

關于運動的三條定律是：

1. 物體在不受外力作用的情況下，保持勻速直線運動；

2. 外力引起物體運動狀態改變，力等于物體質量與加速度的乘積；

3. 當物體相互作用時，作用力和反作用力分別施加在兩個不同的物體上，大小相等，方向相反。

萬有引力定律是：任何兩個物體之間都存在相互吸引力，力的方向在這兩個物體各自質量中心的連線上，力的大小與這兩個物體質量的乘積成正比，與距離的平方成反比。

運用牛頓理論，人們滿意地解釋了許多與運動和力相關的自然現象。然而，人們還是不相信自然界有如此簡潔普遍的規律。

1727年，牛頓去世。后來發生了三件事，最終消除了人們對牛頓力學提出的天體運行規律的疑慮。

17世紀，人們已經注意到鐘擺擺動的周期（擺動一次的時間）在接近地球赤道的地方會變長，而在靠近兩極的地方會變短，就是說，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，如果牛頓萬有引力定律是正確的，那么，地球的形狀不應該是一個理想的球體，它應該更像一個橘子，赤道附近向外凸出。

1735年，法國科學院命兩支考察隊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，精確測量地球子午線上1度的弧長，因為它能夠表明地球的形狀變化。如果地球確實在赤道附近向外凸起，子午線1度的弧長就會減小；如果地球在兩極附近變得扁平，子午線1度的弧長就會增大。1738年，北線考察隊公布了在北極圈附近的測量結果，子午線上1度的弧長與其在巴黎的值相比，大約增加了7/1000；1745年，南線考察隊公布了在赤道附近測量的結果，確實比巴黎的值小。兩隊的報告都證明地球確實是扁的。

牛頓在《自然哲學的數學原理》第三卷中曾經提到，有的彗星也按橢圓軌道運行，由于它們距離地球非常遠，因而只有當它們距太陽最近時才能被人們看見（這樣的位置稱為“近日點”）。1705年，英國天文學家哈雷（1656－1742）用牛頓提出的理論分析幾顆最亮的彗星的天文觀測數據，發現1682年出現的一顆彗星與1607年、1531年出現的兩顆彗星的軌道都是扁長的橢圓軌道。由此，他推斷它們應該是同一顆星，并預言下一次它將在1758年出現。他說：“如果1758年它果然再現，后代人應該記住，發現它的功勞應當歸功于牛頓?！?/p>

1742年，哈雷去世。曾經參加斯堪的那維亞半島北部子午線長度測量的法國天文學家克萊羅，按照牛頓提出的方法精心計算，預測1705年哈雷預言過的這顆星，將于1759年4月中旬重新出現在天空（到達它的“近日點”）。1759年3月14日，人們在克萊羅預指的天空方位發現了這顆星，與這位天文學家預言的時間僅差一個月。后來，人們建議把這顆星稱為“哈雷彗星”。1835年、1910年和1986年，哈雷彗星都準時再現，科學家預計它下次出現的時間將是2061年。

正確的科學理論不僅應該合理地解釋已經觀察到的自然現象，還應該預見未來將會發生的事情。1845年，牛頓的理論再一次經受科學的檢驗，科學家利用它預言一顆行星的存在，天文學家的觀測結果證實了這一預言。

天文學家畫出的1759年哈雷彗星回歸時的兩條可能的軌道

1781年3月13日，赫歇爾（1738－1822）用望遠鏡偶然發現了太陽系的第六顆行星——天王星。之后，人們用牛頓力學計算天王星的軌道，預報它的位置，但是總與實際觀測不符。有兩個人認真分析了理論計算值與天文觀測數據的差異，然后各自獨立地提出：可能存在另一顆行星，它的引力干擾了天王星的運動。他們還算出這顆想象中的行星的質量和軌道。兩人中的一位是英國大學生亞當斯（1819－1892），一位是法國天文學家勒威耶（1811－1877）。勒威耶把他的計算結果告訴了柏林天文臺。1846年9月23日夜間，柏林天文臺在勒威耶預言的方位發現了一顆新行星。天文臺的工作人員以平靜的語氣告訴勒威耶：“先生，您說的那顆星，它在那兒?！边@是天文學史上第一顆通過理論計算發現的行星。天文學家以希臘神話中一位神的名字為它命名，稱為“海王星”。海王星的發現，是牛頓力學和萬有引力定律最有力的證據。這時，牛頓離開人世已經119年。

20世紀初，美國天文學家洛威耳根據類似的計算，預言海王星之外還應該有一顆行星，后來也被天文觀測證實，這顆行星被稱為“冥王星”。2006年，這顆繞太陽運行的星被稱作“類行星”。

牛頓使人類對自然的認識達到前所未有的高度。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動法則。科學通過細致的觀察實驗與嚴密的邏輯推理，揭示了自然界普遍存在的規律。科學不僅幫助人們理解自然現象，而且有可能預見自然界將會發生的現象，并賦予人們前所未有的解決實際問題的能力。

人們把1687年牛頓《自然哲學的數學原理》一書出版，作為近代科學誕生之年。近代科學的誕生，成為人類發明活動的分水嶺。（未完待續）