十、生儿育女：科学成为分科之学

1.化学

在瓦特前后，化学仍是一个界限并不清晰的学科，纵向而言，化学与炼金术藕断丝连；横向而言，化学与物理学界限模糊。

不过，在工业革命初期，化学研究既是科学界的前沿热点，同时也是产业界的焦点问题。

在工业领域，化学制剂是最早工业化生产的商品之一，在18世纪上半叶，就有人改良炼金术士制备硫酸的方法，使之适合大规模生产，后来与瓦特合伙的罗巴克就是用开设硫酸工厂起家的。随后被工业化的重要产品是纯碱，碱被广泛用于造纸、火药、玻璃、食品等各门工艺领域，纯碱的工业化生产推动了全行业的发展。另外，纺织业的发展也催生了对漂白剂的需求，瓦特也曾参与过漂白剂的研制，他发明的漂白剂效果不错，被用于岳父的纺织工厂。

就科学领域来说，这一时期化学的主要热点是燃烧现象。从炼金术时代开始，炼金术士自称火术哲学家，就可以看出“火”在炼金实验中的地位。炼金术蜕变为化学之后，火的地位仍然至关重要，许多化学实验都需要用火。但“火”究竟是什么？各式各样的燃烧现象究竟遵循怎样的规律？这些问题始终没有清晰的解答。

在瓦特前后，主流的化学理论是燃素说和热质说（也可视为燃素说的一个变种），顾名思义，燃素说认为存在某种与燃烧有关的要素，这种“燃素”的吸取或释放，构成了燃烧等化学现象的本质。火焰正是燃素聚集时呈现的现象，物质蕴含燃素的多寡决定了它的可燃性，燃素从物质中大量释放出来就构成了燃烧现象，燃素分散到空气中就导致了热的现象……

燃素说在现在看来是错误的，但燃素说的产生其实是化学这门科学专业走向独立的一个标志。

炼金术传统一直有独立的传承，但这不意味着化学作为一门现代科学天然就是独立的。化学首先需要被纳入现代“数理实验科学”的体系之内，然后在这一体系中确定一个有明确边界的研究领域，然后才可能成为一门独立的科学专业。

在今天，我们认为化学主要研究“分子”层面的变化问题，在分子的变化中，原子本身是不变的，各元素的原子量是守恒的。如果原子本身变化了，那么就不是化学问题，而属于原子物理学的问题；但如果分子没有发生变化，而是更大的尺度上发生变化，那么也不是化学问题，是生物学或物理学的问题。

我们看到，是“变化与不变的界线”决定了专业学科的界线。在水的气化过程中，水分子没有变化，只是水分子的运动速度发生了变化，那么气化现象就不是化学问题，而是物理学问题。而氢气和氧气燃烧生成水，这个变化过程中分子发生了变化（原本没有水分子，反应产生了水分子），但氢原子和氧原子没有发生变化（水分子中仍然包含同样数量的氢原子和氧原子），所以这个燃烧过程属于化学的领域。

因此，找到一个“不变”的东西，找到“守恒物”，是确立一门科学的必要基础。今天的化学而言，这个守恒物就是“原子”。但在原子论被确立之前，“元素”更早被认为是化学反应中的守恒物。元素的概念来自古希腊，但究竟有哪些元素，元素究竟会不会嬗变，如何测量元素的含量等等，这些问题都争议颇多、莫衷一是。

燃素理论正是试图在燃烧现象中确定某种守恒物，燃素化学家不满足于提出燃素概念本身，更是试图通过定量实验，测算燃素的重量与性质。

拉瓦锡在1770年代集中研究金属煅烧现象。和一般木头之类的燃烧过程不同，金属在煅烧过程中重量增加。之前的化学家也知道这件事，他们提出了各种解释来说明金属煅烧的特殊性，比如煅烧不仅释放燃素同时还从空气中吸收了别的东西。但在拉瓦锡看来，这就是否定燃素学说的一个例证。拉瓦锡认为燃烧和煅烧都是空气被固体所固定并以光和热的形式释放其热量的过程，因此火焰不是燃素的标志而是热量的标志。

拉瓦锡认为燃烧或煅烧过程是可逆的，他把金属灰（一氧化铅）与木炭一起加热还原了铅金属。燃素说认为木炭富含燃素，所以也能解释这一还原，即金属=金属灰+燃素。之后拉瓦锡又听说了普里斯特利加热汞金属灰的实验并重复了它，汞金属灰只要加热就会变回汞，并且释放一种气体。这一还原反应不需要木炭的参与，那么这一反应中燃素是哪里来的呢？

更早做出这一实验的普里斯特利至死都一直坚持燃素说，他相信金属的煅烧过程会释放燃素并吸收更多空气，所以重量增加，所以汞金属灰被还原为汞的过程就会把吸取的空气重新释放回去，这种被重新释放出来的空气不再含有燃素，所以被普利斯特利称作“脱燃素气体”。

而拉瓦锡却把同一个实验认作对燃素说的致命一击。接着，拉瓦锡也发现，这种所谓的气体也恰好是煅烧或燃烧过程中从空气中吸收的那一部分，因此，拉瓦锡认为燃烧过程正是燃烧物与这种气体的化合，而还原反应则是这种空气从化合物中被分解出来。

就上述认识而言，拉瓦锡才是正确的。不过拉瓦锡对这一气体的判断其实也有错误，他以为这种空气存在于一切酸里头，因此把它命名为“酸素”，这就是西方文字中氧气的字面意思（oxygen），现在的日语里就是这么叫的，而中文取滋养生命之意翻译成了氧气。

氧气的发现究竟应该归功于谁是一桩科学史的公案，从制备出这一气体来说，还有人比普里斯特利更早；但普里斯特利的研究直接影响拉瓦锡从而推动了科学发展。可惜普里斯特利基于燃素说，错误地理解了这一气体的性质；拉瓦锡也在一定程度上误解了氧气的性质，但他以氧化还原学说，更明确地定位了发现氧气的意义。

拉瓦锡的成就不止于发现氧气，更重要的是提出了系统的“氧化还原反应”的学说，氧化与还原这一对互逆的反应都可以通过定量的、可重复的实验来验证。通过互逆关系，我们就可以建立出“等式”，找到属于化学的守恒物。

拉瓦锡重新定义“元素”的概念，把元素视作化学反应中的守恒物。他还和其他几位化学家一道，提出了“化学命名法”，用元素及其氧化程度来命名化合物，例如硫酸盐、亚硫酸盐等。他总结出有33种元素，现在看来其中大部分其实都是化合物，但无论如何，拉瓦锡确立了化学学科的发展方向。

拉瓦锡曾经投资过一家包税公司，包税公司被认为是路易王朝的腐败产物，剥削人民，革命者对之恨之入骨。虽然拉瓦锡本人并没有实际参与运营，但作为包税公司的股东，他被法国大革命的革命党人判处死刑。许多知名人士都为他求情，但可能是由于拉瓦锡当年得罪过马拉（马拉曾经写过关于燃烧的论文提交给科学院审议，被拉瓦锡鄙夷），已成为革命党领袖的马拉坚持把他送上了断头台。当时的革命法庭副长官说出了“共和国不需要学者”的名言，而拉格朗日痛心疾首，说“你们砍下他的脑袋只要一瞬间，但他这样的脑袋一百年也长不出一个来。”

2.电磁学

电磁学也是在18世纪末到19世纪逐渐成为一门成熟学科的，在此之前，我们提过，电现象和磁现象是当时非常流行的表演实验内容，也是科学家探索的前沿热点。但在18世纪，关于电与磁的知识主要还停留在经验积累阶段，尚未形成“数理—实验”相结合的理论体系。

已经成熟的牛顿力学体系对电学的理论化提供了启发，18世纪末，库仑认为带电物体的吸引力和万有引力类似，也遵循“平方反比律”，即相互作用力的强度与距离的平方呈反比。库仑设计了精密的扭秤实验验证了这一猜想。

库仑定律的发现标志着电学研究逐渐成为一门“数理实验科学”，不过单个定律离完整的电学体系还很远。电学以及磁学在19世纪快速发展，理论与实验相互促进，最终在麦克斯韦那里集为大成。

1820年，丹麦学者奥斯特发现电与磁的联系。他在一次讲课后收拾演示仪器，其中有电回路和指南针，他意外发现导线与磁针平行时，开关电流会影响磁针的指向。当然这一发现不完全是运气使然，因为奥斯特一直都相信电与磁之间存在联系，也试过很多办法来找出这种联系，因此他没有忽略磁针的微小扰动，立刻就意识到其意义。

听说奥斯特的发现后，法国学者安培马上展开研究，明确了磁针转动方向和电流方向的关系，也就是右手定则或安培定则。他还提出了安培定律，来计算通电导线之间的相互作用力，设计了根据电的磁效应来测定电流大小的电流计。电流计的原理和奥斯特的发现没什么区别，但重要的是，奥斯特和同时期的其他学者只注意到“电的磁效应”这一定性的结论，而安培定义了电流并且以其磁效应作为电流大小的定量标准，这种数学与实验的结合是最关键的一步。所以后世以“安培”作为电流大小的单位以示纪念。

安培不仅关注电学理论的发展，也立刻想到通过电流计有可能建立远距离的即时通信装置，这也是后来电报的雏形。

德国学者欧姆在1826年发表欧姆定律，也就是电流与电势差成正比，与电阻成反比。在此之前还没有电阻的概念，这一概念也是欧姆创立的。

同样是从实验中总结“规律”，我们注意到，在17、18世纪，电学家总结出的是诸如“用丝绸摩擦玻璃棒后能吸起纸屑”、“瞬时大量放电会激发电火花”、“电的传播速度非常快”等等定性的规律，但在19世纪，电学家总结出的是诸如“平方反比律”、“I=U/R”等数学化的、可定量测算的的规律。

法拉第（1791—1867）或许是最后一个不擅长数学，而是在定性的实验设计和概念构造方面贡献卓著的电磁学家。

法拉第出生于一个贫穷的铁匠家庭，13岁就辍学当了童工，帮一位书商装订书籍。好在这位雇主善良开明，允许法拉第在装订书籍之余读书学习，也鼓励法拉第与其他爱好科学的年轻朋友多交流。法拉第对电和化学相关的新奇实验最感兴趣，雇主也提供条件让他做一些化学实验。

1812年，法拉第打工的书店有一个老客户送给法拉第一张讲座门票，可以去听著名化学家戴维在皇家研究院的系列讲座。我们提到过，这类讲座经常面向公众，风靡一时。法拉第听讲之后非常兴奋，成为戴维的粉丝。他做了详细的笔记，然后发挥本行，把笔记翻印成册，配上精美插图，寄给戴维，希望追随他工作。戴维为法拉第的好学和细心所打动，就把法拉第招为学徒工了。一开始也就是刷刷烧瓶打打下手之类的，但很快法拉第心灵手巧的才能展露出来，成为戴维的得力助手，经常跟随戴维在欧洲大陆游历，拜访了许多科学家。

【图：法拉第听戴维讲座并记笔记】

法拉第在化学领域也做出了许多成果，不过最重要的成就还是电磁学实验的领域。

了解到奥斯特和安培的突破之后，在1821年底，法拉第就在他们发现的基础上设计了一个巧妙的装置，被称作“电磁旋转”，在一根静止的磁铁周围让一根通电的电线旋转起来，同时在一根静止的电线周围让一块磁铁旋转起来，这实质上也就是电动机的原型——把电能转换为机械能。

这个装置的发明让法拉第获得了巨大的名声，但也让他和戴维的关系趋于紧张。因为关于电磁旋转的设想戴维曾经与他的好友沃拉斯顿一起讨论过，当时法拉第也在场，戴维认为法拉第剽窃了沃拉斯顿。事实上沃拉斯顿应该只是在理论上讨论了一些设想，实际装置的设计的确是法拉第的原创。法拉第也公开感谢了沃拉斯顿的启发，争议之处在于他没有知会沃拉斯顿或戴维就急着发表论文，这也的确不够地道。当时的学术发表规范并不像今天这样严谨，许多默认的规矩基于绅士的体面而不是明确的规则，贫民出身的法拉第也许不太了解，所以不能说法拉第做错了，但戴维的恼怒或许也情有可原。

法拉第在1824年当选皇家学会成员，只有当时的主席戴维一个人表示反对，直到1829年戴维去世，法拉第才彻底放开手脚，继续推进电磁学实验研究。1831年，法拉第发现把磁铁迅速插入闭合的线圈里会产生电流，如此非但电能生磁，磁也能生电，“电磁感应”的概念被完整地阐发了。

虽然与戴维闹僵，但法拉第没有忘记优秀的公众讲座对他的影响，他发起并主持了皇家科学院的“圣诞讲座”，邀请最著名的科学家针对普通大众进行生动有趣的科普讲座，圣诞科学讲座的传统从1825年延续至今。

幼年辍学的法拉第数学不好，他完全不会使用微积分，但他有天才的洞察力和理论直觉，他提出了“场”的概念来解释电磁力的传递，并用“力线”提供直观的图示。他甚至猜想过电磁力和光一样是某种波动，乃至于光波也是某种电磁振动的产物。

法拉第数学上的缺陷最终由麦克斯韦（1831—1879）填补了。麦克斯韦1855年写出《论法拉第的力线》，开始系统地阐发并推进法拉第的电磁学思想；1864年发表《电磁场的动力理论》，给出了麦克斯韦方程，提出了电磁波的概念，提出了光的电磁理论；1873年出版的《电磁通论》，是电磁学的集大成之作。

3.达尔文进化论

在19世纪，现代科学的各门新兴学科中最重大的一场革命也许发生于生物学领域，那就是达尔文进化论的提出。

对自然界各种动物、植物进行分类，并总结他们的特征，这类“博物知识”可能是人类最古老的知识类型了，哪怕茹毛饮血的原始人也需要对野果和野兽有丰富的了解，知道哪些能吃、哪些危险，否则就难以生存。

但在古代，博物知识通常并没有成为系统的学科，也没有形成理论与实践相结合的科学方法。古老的博物学被纳入到现代科学的架构之内，对动植物进行系统分类并总结规律，这也是主要发生在18、19世纪的事情了。

不过早在文艺复兴时期，欧洲学者对于博物知识的兴趣就已经空前高涨起来了。一方面是印刷术大大促进了博物知识传播的有效性，图文并茂的印刷术一方面吸引更多人购买收藏，同时印刷也保证了图文信息能够准确有效地传达，有利于建立标准化的分类和命名体系。另一方面，远洋航海带回了世界各地的各种珍奇异宝，其中各种稀奇动植物标本是最受欢迎的，为了收藏与交流这些新奇物种，也亟待建立系统的分类方法。

到了18世纪，许多热衷于收集珍奇标本的收藏家去世后，与其让自己的藏品被不懂珍惜的后代瓜分变卖，干脆选择把藏品捐赠给大学或公共博物馆，阿什莫尔博物馆、大英博物馆等最初都是如此发起的。大量丰富的标本成为学者们共同交流研讨的公共资源，加速了博物学的发展。

在18世纪，瑞典植物学家林奈（1705—1778）提出了双名法，开创了沿用至今的植物分类标准。当然，沿用至今的是以“属名和种加词”来命名动植物的这命名规范，但具体的分类法则并没有完全沿用林奈的方法。林奈的分类体系是人为分类，也就是说根据人所感知的外在性状来做分类，林奈是以果实、雄蕊、雌蕊部分的数量、状态、比例为基础进行分类的。

而同时代的法国学者布丰（1707—1788）反对林奈的分类法，支持自然分类体系，认为应该按照物种在自然史中的位置进行分类。他已经提出了物种演变的思想，不过他的物种演化思想是“退化论”，认为一些不同的物种是由共同的祖先退化分化而成。

受到布丰提携的法国学者拉马克（1744—1829）在19世纪初阐发了生物进化的思想，也就是“用进废退”的获得性遗传思想，认为动物越多使用某些能力，这些能力就会代代进化。

这时候，有待生物学家分类和研究的，除了世界各地的标本之外，还多了一类特殊的对象，那就是化石。

人类很早就发现化石的存在，例如中国古代叫做“龙骨”的东西很多都是古代动物的化石。但科学家顶多是讨论它们的药用价值之类，很少从动物分类学的角度去研究它们。

在西方的18、19世纪，一方面是来自世界各地的地质学考察和化石标本越来越多，另一方面是动物学、解剖学等学科的逐渐成熟，科学家们越来越严肃地讨论化石现象。关键在于，除了许多已知的动物会留下化石之外，人们还发现了许多从未见过的巨大动物的化石。同时，地质学家发现一些地区的土地明显分为许多个地层，每个地层中出土的化石有不同的特点，越是浅层的化石与今天的动物越接近，而越是深层的化石越不像今天能见到的动物。

【图：1824年发现的蛇颈龙化石】

如此种种证据让越来越多的人相信存在生物灭绝的现象。例如居维叶提出灾变说，用洪水、天灾解释地层变化，他承认有生物灭绝，但没有认识到生物的演化。

赫顿则提出均变说，认为地质现象由漫长的时间形成，不需要诉诸全局的大灾难。后来地质学家赖尔（1797—1875）发展了赫顿的学说，强调渐变。在1831—1836年著名的“贝格尔号”航行途中，达尔文就随身带着赖尔的《地质学原理》。

达尔文（1809—1882）的祖父伊拉斯谟·达尔文和外祖父韦奇伍德都是月光社主要成员，一位是博物学者，另一位是大企业家。

达尔文1825年进入爱丁堡医学院，在学校加入爱好博物的普林尼学社，接触到拉马克进化思想，与祖父的笔记相印证，对这一领域充满兴趣。于是达尔文荒废了医学学业，醉心于课外社团，学习解剖、标本制作，自愿给学校的博物馆打工以学习知识。后来他又进入剑桥大学基督学院上学，依旧不爱主业，而是自学了昆虫学、地质学、自然神学等领域。

达尔文立志在毕业后进行博物学和地质学考察，他的父亲很生气，可能是不愿意看到自己孩子从事这种辛苦和危险的事业吧。但他有一个舅舅很开明，这位来自韦奇伍德家族的舅舅也财力雄厚，为达尔文提供了经济赞助，支持他从事博物学事业。

1831年12月，达尔文有机会登上小猎犬号参与远航。小猎犬号的远航目的是绘制南美洲海岸线，历时五年（1831-1836）。而达尔文是以“船长陪伴”的身份随船旅行的。因为当时这类科研考察船的船长通常是博学的文化人，而一般来说水手大多都文化水平不高，和船长缺乏共同语言，在漫长而枯燥的航行中，为了避免孤独烦闷，船长一般也乐意带几个同样博学有文化的绅士同行，平时可以高谈阔论，让枯燥的旅行多些乐趣。同时，随船的学者也可以顺便进行自己的考察。

达尔文航行时随身携带着赖尔的《地质学原理》，关注于对物种演化的考察，积累了大量笔记和思考。在航行过程中和欧洲本土也时有通信，其中一些通信被私下传阅，达尔文在返航之前就已经在剑桥小有名气了。

回家之后，看到达尔文确实坚定自己的理想，也成功完成了科考，父亲也就不再反对，而是筹措资金，继续支持达尔文的科学事业——相比于其它学科，当时的生物考察往往需要更多资金，以供旅行、购买标本以及育种实验等等。

从南美返航之后，达尔文常年受怪病折磨，现在推断可能是在考察途中感染了南美锥虫病，达尔文在整理了一些提纲之后就立下遗嘱，请友人在他意外死亡时就帮忙出版自己的手稿。好在病痛虽然难忍，但并不致命。

达尔文加入赖尔的社交圈，之后在地质学会任职，期间发表过地质学的著作。但关于生物演化的课题，达尔文非常谨慎，虽然在1842年就已经写下提纲，但没有急于出版，而是继续做人工育种实验、做藤壶研究等等，不断积累证据。

直到1856到1858年之间，达尔文注意到了一位年轻的学者华莱士的信件，他提出了与达尔文类似的“自然选择”思想，达尔文与华莱士保持通信交流，了解到华莱士的思想与自己雷同，感觉自己要被“抢先”了，于是达尔文把华莱士的信和自己在1844年写好的论文摘要推荐给林奈学会同时宣读。达尔文抓紧赶稿，最后在1859年完成了《物种起源》，出版后引起轰动并多次再版。

有人认为达尔文在与华莱士通信时剽窃了华莱士的思想，这显然不是事实。达尔文的著作虽然直到1859年才出版，但他的思想提要早就已经在当地地质学家和博物学家的圈子里公开了，华莱士虽然在“自然选择”等关键概念上与达尔文趋同，但是达尔文的学说更具体系性，也有更多实验和资料支持。达尔文坚持把华莱士的论文与自己并列宣读，帮助了原本没有名气的华莱士获得名誉，华莱士之后也一直对达尔文的慷慨表示感谢。

《物种起源》的第一版其实并没有使用“进化”（evolution）这个词词，直到1872年的第6版才加入。这是因为在著作出版之后经过许多论战，达尔文在许多方面和其他学者相互妥协了。事后看来，或许是第一第二版的《物种起源》更加正确，反而是妥协之后的修正不那么准确了。

现在经常被我们归结为“达尔文主义”的某些观念，其实有很多都是达尔文之外其他人牵强附会的想法，例如“弱肉强食”、“优胜劣汰”，弱者就是要服从强者等等，这些观念其实都是不科学的。

达尔文确实发现了“适者生存”的规律，但所谓的适者并不是“强者”。比如恐龙强大凶猛但还是会灭绝，蜗牛弱小迟钝，但就是能生存。生存与否是由是否“适应环境”决定的，而所谓适应环境并不是对弱者赶尽杀绝，更善于合群善于共生共荣的物种，也更能够适应环境。

达尔文的进化论奠定了现代生物学的理论基础，不过还没有完成“数理—实验”的整合。一直到20世纪中叶，达尔文的进化论加上被重新发现的孟德尔遗传学，再加上发现DNA结构的分子生物学，这三者的综合才形成了更成熟和更系统的进化论学说。

小结 专注

这一章讲了化学、电磁学和进化论的发展，大致都在18世纪末到19世纪中叶这段时间，这些学科各自孕育、各自发展，从笼统的“科学”之下独立出来。

“科学”开枝散叶，形成今天我们熟悉的分科体制。甚至我们今天汉语中“科学”一词，最早也是日本人译出的。19世纪后半叶，明治维新时期的日本学者西周注意到西方的“science”与东方传统学问不同，是按照研究领域不同分成无数科目，因此取“分科的专门之学”之意，就取汉字“科学”来翻译“science”了，其实这种分科专业化的特色在西方也是刚刚形成不久。

现今我们所说的“科学”更像一个“大家族”，其中有许多小家庭，如物、理、化、天、地、生……小家庭之下还有许多各自独立的专业，比如同样属于“物理学”，传统上有力学、热学、声学、光学、电学等科目，原子物理学、地球物理学、天体物理学、凝聚态物理学等专业，不同的专业领域之间都有各自独立的研究方向乃至于研究方法。

现代科学家往往专注于某一个特定的学科领域，而亚里士多德、达芬奇、牛顿那样的通才不再可能出现了。但这并不是一件坏事，而恰恰是科学发展壮大的结果。

一个人的能力和时间是有限的，如果样样兼顾，每件事情都想做好，那么结果恐怕是一事无成，或者都只能停留在很初步的阶段。正因为人类能够分工合作，各司其职、各展所长，所以人类的各项事业可以不断积累、蒸蒸日上。

原始社会的智者一定是通才，一个大巫师可能通晓这个部落所知的一切。社会越是发展，学问越是进步，人类的知识必然会远远超出一个人或少数人所能掌握的限度，这就必须要分工合作才能够继续积累了。

但也并不是说分工就能分工的，所谓“三个和尚没水喝”，参与的人越多未必就一定做得越好，有时候反而陷入混乱。如果互相之间不能划分清晰的界线，各自不能找到恰当的专注方向，那就很难形成稳定而有效的分工模式。现代科学确立了“数理实验科学”的基本范式之后，逐渐找到了有效分工的方法，最终在19世纪实现了“分科之学”的基本体制。