在十七世纪初胡克、马尔比基和列文霍克，都曾用显微镜看到了植物细胞，但是并没有被认为是植物世界的独立的、活的结构单位。在十七、十八世纪之际，植物学家对于植物的分类和整个植物的生理机能比对于植物结构的细节格外感到兴趣，但是在十九世纪初期，植物解剖的研究复活了，若干德国植物学家特别是特雷维拉努斯（Treviranus）和冯？莫尔（Von Mohl）认识到细胞是植物的结构单位。大概在同一时候，在十九世纪二十年代，意大利的亚米齐（Amici）和其他人制成了改进的消色差显微镜，使人们得以观察到有机细胞的详细情况。一个伦敦医生罗伯特？布朗（Robert Brown，公元1773－1858）于公元1831年观察到植物细胞一般具有一个核，不过他对自己的发现并不怎样重视。捷克人普金叶（Purkinje，公元1787－1869）在公元1835年用显微镜观察了一个母鸡卵中的胚核，并指出动物的组织，在胚胎中是由紧密裹在一起的细胞质块所组成，这些细胞质块与植物的组织很类似。
这些观察导致耶拿大学的植物学教授马提阿斯？施莱登（Mathias Schleiden，公元1804－1881）于公元1838年宣布，细胞是一切植物结构的基本的活的单位和一切植物借以发展的根本实体的学说。施莱登追随自然哲学的思潮，主张考察个别植物的发育；这比传统的植物分类研究和成体结构考察会导致对植物本性更多的了解。施莱登写道，在植物学中，植物胚胎学“一旦是许多新发现的唯一和最丰富的泉源，就继续下去好多年”。施莱登假定在植物的发育中，基本的过程是独立的活的细胞的形成，这些细胞一旦形成之后，便被安放在一个结构模式里，表现了整个植物的统一性，细胞是一个独立自足的单位，并且因此而有两个生命：一个生命是它自己的，这是首要的；另一个生命是属于有组织植物结构的部分，这是次要的。两个生命过程都是“成形力量”的表现，这种力量充满了整个自然界，形成了无机的晶体，构成有机的细胞，并组织这些细胞成为合成的活的生物。关于植物细胞之形成，施莱登要人们特别重视罗伯特？布朗关于细胞核的发现，认为一个新细胞起源于一个老细胞的核，最初形成老细胞的球体的一个裂片，然后分离出来自成一个完整的细胞。
卢万大学的解剖学教授泰奥多尔？施旺（Theodore Schwann，公元1810－1882）于公元1839年把细胞说扩大到动物界。和施莱登一样，施旺把细胞学说跟有机体的发育研究或胚胎研究联系起来。他以这样一句话概述了这个学说的内容：“有机体的基本部分不管怎样不同，总有一个普遍的发育原则，这个原则便是细胞的形成。”施旺倾向于这样的观点，即一切动物的受精卵都是单个细胞，胚胞就是核，不管这些细胞是大如鸡蛋或者小如哺乳类的卵，都是一样。因此，一切有机体都以单一细胞开始有生命，并以其他细胞的形成而发育着。施旺和施莱登一样，假定植物和动物受精卵中的新细胞在老细胞之内发展起来，但是他主张在动物发育的后期，从细胞间物质中形成新细胞。在施旺看来，细胞的形成中，有两种力量在起着作用。一种力量是有机细胞所特有的新陈代谢力，它把细胞间物质转变为适合细胞形成的物质。另一种力量是一种吸引力，通过浓缩和沉淀制成的细胞间物质而形成细胞，这一种力量在无机世界也发生作用，并引起晶体的形成。开头是细胞间物质通过晶体化形成细胞核仁，而围绕核仁沉淀出一层物质形成核。更浓缩的物质层产生细胞的浆，浆的外表再凝成细胞壁，这样细胞就完成了。吸引力和代谢力赋予细胞以自主性和它自身的生命。施旺写道：“生长不是植根在整个有机体内的一种力量所引起的，而是有机体每基本部分都有它自身的一种力量，你也不妨说有它自身的生命：这就是说，在每一基本部分内，许多分子的如此组合以释放出一种力量，使细胞得以吸引新的分子从而生长起来，而整个有机体只是通过各种基本部分的相互作用而存在的。在这种可能发生的事件上，形成营养上的积极因素的是那些基本部分。但根据上述观点，有机体的整体性实际上只能是一个条件，不可能是原因。”
施莱登和施旺关于新细胞由老细胞内部或外部有机物质晶体化而形成的见解，于十八世纪四十年代为许多研究者加以纠正，特别是植物学家冯？莫尔，耐格里和霍夫迈斯特（Hofmeister）以及动物学家克里克尔（Kolliker）、莱迪希（Leydig）和雷马克（Rimak），他们证明新细胞是靠分裂形成的，细胞核先在母细胞内分裂为二，然后是母细胞分裂为两个子细胞。
施旺将他的细胞学说用在毕夏的有机体未分化部分的分类上，在细胞的基础上区分了五类组织。他指出：第一种组织是独立和分离的细胞，例如血液细胞；第二种组织是独立而紧挨在一起的细胞，如皮肤细胞；第三种组织是骨和牙的细胞，具有发育得很好的接连在一起的坚固的壁；第四种是被拉成长纤维的细胞，如韧带和腱；第五种是神经和肌肉那样的细胞，施旺认为这里面的细胞壁和腔都已经连接起来了。伯林大学病理解剖学教授鲁道尔夫？微耳和（Rudolph Virchow，公元1821－1902）追随施旺，从医学方面发展了毕夏的组织学说。医疗化学家把疾病的部位从整个的身体缩小到特定器官的狭小范围之内，而毕夏又从一个器官缩小到特定的组织，现在微耳和于公元1858年又认为疾病是在细胞的内部引起，并在某一组织里因恶性细胞的形成使疾病扩散开来。微耳和采纳了施旺的观点，认为细胞是自主的活的实体；他把人体当作是“一个国家，其中每一个细胞是一个公民”，而疾病则是一种叛乱或内战。微耳和写道：“动物都是生命单位的总和，每单位都具有充分的生命特征。生命的性质和统一性，不能在高等组织的某一特定点上，例如在人脑中见到，而只能在每单独基本部分个别表现出来的具体的、经常反复的倾向性中见到。因此，主体即所谓个体的组成，必须比拟为一个社会组织或社会，其中若干个别的存在物都相互依存着，然而每一个单元都有它自己特殊的活动，并靠它本身的力量执行自己的任务。”
微耳和就这样排除了医疗化学家、哲学家认为有机体的生命单位是受赫尔蒙脱的“阿契厄斯”或者莱布尼茨的“中心单子”那样的中心力量支配的想法，以及自然哲学家和形态学家关于动物的理想方案赋予动物一种有机统一性的观点。他也不赞成医疗化学家关于疾病本身是有生命的实体并从外界侵入人体的观念，但这一观念却因巴斯德和柯赫的细菌发现而获得了支持。微耳和不承认疾病的细菌学说，到了八十年代他就转到古生物学和人类学方面去，因为这时候细菌在疾病起因上的作用已经了解得更多了。
施莱登、施旺和微耳和把有机体的细胞大体上是自主的有生命的实体这一观点引向极端。浪漫主义运动（德国的自然哲学就是它的一部分）把个人和自我运动抬高到一个尊严的地位，而有机体性质的基本单位大体上是独立自主和自足的学说，可能就是这个总观点在生物学上的特殊表现。这样一种学说受到了旧派的形态学家如赖歇特（Reichert）的批评，他主张有机体本身从它的构造方案可以看出是一个整体；也受到斯脱劳伯格那样细胞学家的批评，他指出细胞相互之间不可能完全独立，因为它们是由原生质的桥梁连接起来的；还受到谢灵顿（Sherrington）和巴甫洛夫（Pavlov）那样的生理学家和心理学家更为根本性的批评，他们在十九世纪末尾开始在高等动物中证明了神经系统的协调作用。
[英]梅森
第五部分 十九世纪的科学：工业和学术变革的促进者 第三十三章 地质学的发展
地质学在十八世纪开始成为一门独立的科学，并在十九世纪早期达到成熟阶段。在此以前，地质学的知识还很零星分散。关于这方面的知识，如从地中开采金属、粘土、煤和盐的一些知识，早已为矿工和有关的人们所知晓，而自然哲学家们则大都脱离这些实践，独立形成自己的思辨性的地质理论。一般说来，从地下开采出来的无机物被认为是有生命的，受一种内在的塑性力量的推动或日月星辰的外来影响而成长。举例说，当时矿山不时会停工，以便使新矿藏能够成长起来，代替开采了的矿物。普遍认为化石是自然界在产生动植物的过程中出的废品，或者是偶然和生物形态相似的“自然界游戏”。在历史上标志一个崭新时代开始的各个时期，也有一些人提出化石是生物遗体的说法：在苏格拉底前的古希腊人当中有可乐丰的色诺芬尼（Xenophanes of Colophon），在文艺复兴时期有达？芬奇、吉罗拉摩？法拉卡斯托罗和乔尔丹诺？布鲁诺。
但具有这种看法的人在十七世纪是不多的，因为人们指出，如果化石是现已绝迹的生物遗体，那末，构成生物等级的那条巨大链条就不可能是连续和完整的了；当某一物种灭绝以后，这个链条上就有了空档，这样整个世界也就变得不完善了。剑桥大学的牧师和自然科学家约翰？雷就反对化石是动植物遗体的说法，后来虽勉强接受，但还加上一条反对理由，那就是很难想象属于海中生物的贝壳化石会到了高山顶上。他认为这些深深埋藏在高山岩层中的化石，很难用某种地上暂时发生过的大灾难，如摩西洪水来解释它们。他还说，即使如此，洪水退落时，也会把这些化石动物冲下去。伦敦格雷山姆学院的医学教授约翰？伍德沃德（John Woodward，公元1665－1728）在公元1695年发表的《地球自然历史试探》中对约翰？雷作了答复。伍德沃德认为摩西洪水比约翰？雷所设想的灾难规模大得多。他写道：“那时整个地球被洪水冲得土崩瓦解，而我们现在看见的地层都是从混杂的东西沉积而成的，就象含土液体中的沉淀一样。”伍德沃德认为洪水不仅消灭了地上大部分生物，而且还粉碎了地球的表面，并使地面的无机物在水中漂起来。这样，通过沉积的过程，新的岩石层就形成了。动植物的遗体也被卷入这一过程，因此在地层的最深处找到化石。最重的物质如金属、矿物和比较重的骨头化石沉积在最低下的地层中，在它上面是白垩中较轻的海生动物化石，最后在最高地层的沙土和泥土中的就是人和高级动植物化石。伍德沃德就是这样认为化石是一度存在过的生物遗骸，并且声称化石是圣经中摩西洪水的最可靠的历史见证。接受这一看法的伍德沃德的同时代人，主要的有艾？哈雷和威廉？惠斯顿，但他们都不象他那样坚持神学的正统见解。他们提出摩西洪水无非是因哈雷彗星在其运行非常接近地球的时候引起的潮汐巨浪。
虽然如此，伍德沃德的创见在十八世纪还是比较普遍地为人们所接受，从而在整个这段时期引起人们收集化石的兴趣。甚至教堂墙壁上也挂起化石标本，用这些标本标志“圣经中提到的巨人的骨头”。
伍德沃德和他的那些追随者特别强调水，尤其是摩西洪水在形成岩层及形成岩层中化石的作用。但是当时还有与之相对立的、强调火和火山活动的作用的另一学派。约翰？雷在答复伍德沃德时就提出了山岳和干燥陆地是在上帝的命令下，通过地球内部的火的作用，从海里上升起来的。在那些有活火山的国家中，这种说法似乎比洪水说可能性更大些，所以在公元1749年威尼斯的一个修道院的院长安顿？莫罗（Anton Moro）就提出了地质形成纯粹是地球内部热力所致的理论。莫罗认为摩西洪水只是次要的，在地质学上也不是重要的事件。他认为所有岩层都是由一系列的火山爆发的熔岩流所造成的，每一次火山爆发都把当时的动植物埋葬在新形成的地层中，所以岩层内才有化石存在。
伍德沃德和莫罗两个观点的对立，标志着十八世纪末关于地质形成理论争论的开端，这场热烈的争论，一方是强调形成地层的水的作用的水成说派，另一方是强调火的作用的火成说派。在这次争论以前和以后，这两种观点都被看作是相辅而行的。但是在公元1790－1830年间，因为当时火成说和岩石层是逐渐定演化而来的理论结合在一起，而水成说则和地层是因突然的灾变而形成的理论结合在一起，双方争论尖锐起来，不过当时也有一些人主张火成说同时倾向于突变说。在争论过程中和在争论之前，人们倾向于用纯区域性或地方性的证据来支持这一种或那一种地质理论。如考察过活的或死的火山的地质学家就倾向火成说，而专门从事于沉积岩石研究的人则倾向水成说。
在发生争论之前关于地质学的一些演化论学说已经有人提了出来，便是没有能够引起普遍注意，主要是因为这些理论带有思辨性质。当时关于地球年龄的传统说法主要是根据《圣经》旧约中的人物世系，而作出地球年龄是六千年的估计，但也有一些人认为这段时期要长得多，布丰就是其中之一。巴黎皇家植物园的总管乔治？布丰，在公元1749年提出并在公元1778年加以仔细阐述过这样一种关于地球演化的理论。他假定地球年龄为八万年左右，并可分为七个发展时代。首先是由于太阳和一颗彗星相撞，一些物质从太阳中迸发出来而形成太阳系。地球和其他行星一样，开头也是半液体状态的熔融物，但由于绕轴自转，赤道凸出出来而两极则变为扁平，所以地球才成了它现在这样的扁球形状。后来地面形成一层坚硬的地壳，而且随着地球表面温度的逐渐下降，地壳起了褶皱，使地上出现山脉和海床。接着是大气中的水分凝结为浸没整个大地的海洋。地壳的最高部分受到海水的溃蚀，而碎岩的沉积就形成了泥土。化石就是埋藏在这样的沉积物中，它们原都是满布于海中的生物。后来地壳上出现了裂缝，许多水灌进地球内部，留出陆地来，并有植物在陆地上出现。随后又有了陆地动物，最后出现了人。
布丰的理论具有高度的思辨性，不过他也企图把经验的验证方法介绍到地质学中来，用一些铁球进行实验，来估计上述的那个发展过程所经历的时间。但是地质学在这个阶段采用实验室方法是受到限制的；它主要是一门野外的科学，需要从不同的地带把观察到的事实搜集起来。与布丰同时代的法国人，曾任奥良公爵的医生的詹？格塔尔（Jean Guettard，公元1715－1786）和曾任工业总监的尼古拉？德马雷（Nicolas Desmarest，公元1725－1815）就做过这种搜集工作。他们考察的范围遍及法国各地，特别在他们认为是许多死火山的奥汶地区作了大量观察。格塔尔倾向于水成说，在公元1770年提出构成爱尔兰的“巨人堤道”上的“石柱”的玄武岩石是在水中结晶而成的假说。但德马雷在年代悠久的火山的邻近也发现了玄武岩石的石柱，认为它们是由熔岩固化而来的。总的说来，格塔尔和德马雷都结合水成说和火成说，主张在岩石形成的早期阶段，热力和火山起的作用很大，但是后来水的作用就更重要了。
格塔尔也是最早从事于地质调查的一个人。他注意到地面上的矿物和岩石夹层总是并列存在，而从这些夹层的走向，他就得出结论，认为在法国海岸边陷入了英吉利海峡而似乎是消失了的夹层，应该在英国南部重新出现。进一步的考察证明他这个结论是正确的。后来在巴黎科学院的赞助下，他同化学家拉瓦锡合作调查了整个法国的岩石夹层的分布情况，于公元1780年出版一份大型的法国地质图。格塔尔没有看出地面上并列的岩石夹层，在地下是垂线层迭的，这或许是由于当时法国的开矿业还不十分发达，所以难以考察地壳的垂线切面。早在公元1719年，英国人约翰？斯特雷奇（John Strachey，公元1671－1743）对英国的门底普产煤区作了地质调查，弄清楚那里从煤到白垩的岩层情况，随后不久，柏林大学的地质学教授 约翰？勒曼（Johann Lehmann，卒于1767年）和医生格奥格？富克泽尔（Georg Fuchsel，公元1722－1773）也对哈尔茨山脉的产煤区进行了同样的地质调查。
勒曼和富克泽尔把岩石的垂直系列看成是历史的递续现象，每一层都是在下一层的上面逐渐形成的。他们根据年代的远近，把岩石主要分为三类。首先是不含有化石的原始岩层，它们构成山峦的核心；其次是第二层的沉积物，含有简单的海生物化石；最后是第三层的岩石，含有陆上动物和植物化石。勒曼和富克泽尔认为这些岩层都是由海里的沉积物形成的，由于地壳在冷却过程中产生了褶皱，这些岩层也就有了倾斜的情况。他们的观点得到在俄国女王喀德琳二世下面任事的德国人彼得？帕拉斯（Peter Pallas，公元1741－1811）的支持。帕拉斯于公元1768到公元1784年间在乌拉尔山脉一带进行过广泛的地质调查，观察过乌拉尔山区的岩层有显著的倾斜现象，较近的由于沉积形成的山顶岩石受了风化侵蚀，使得它下面的原始岩层露了出来。
下一个重要的德国地质学家是阿伯拉罕？维尔纳（Abraham Werner，公元1749－1817）建立了一个纯水成说的学派，上述的演化论观点并未受到他的注意。他出身于一个矿业家庭，三百年来都和采矿工业有着联系。他继承了家庭传统，从公元1775年直到逝世，都是弗赖堡矿业学院的校董。维尔纳没有发表过多少著作，但是他是一个很受欢迎的教师，从欧洲各地吸引了许多学生到弗赖堡学院来。事实上，他的见解是通过讲课而传开的，而他的许多学生则在十九世纪初期使水成说成了主要的地质学说。维尔纳的地质学理论是伍德沃德早期洪水说的一个通俗化了的增仃本。他认为地球最初为一片原始的海洋浸没着，所有岩层都在海中通过结晶化、化学沉淀和机械沉积而形成的。
维尔纳认为首先出现花冈石那样的原始岩石，这是在原始海洋中通过结晶化而形成的：原始岩石里完全没有化石。然后是所谓“过渡性”的岩石如石英、板岩等等，其中只有少数化石，这些是在海洋中由于沉淀而成的。其次是沉积岩，由水中沉积的固体形成，如煤和石灰岩，含有大量化石。最后是次积岩或导生岩，如沙石和粘土等，它们是其他岩石经过风化所产生的碎屑形成的。维尔纳认为火山是煤在地下着了火所导致的，它产生的热熔化了附近的岩石，因而不时爆发，喷出熔岩。因此，对维尔纳来说，热力并不是一种重要的地质力量：由于煤的燃烧而引起的火山爆发只是一种较晚的、辅助的岩石形成因素，是在主要岩层都已形成以后才出现的。
维尔纳在世是正处在德国“自然哲学”最昌盛的时期，看来也受到这种思想流派的影响。他关心的岩石的可能起源问题，认为他假定的原始海洋是所有岩层的共同来源。和维尔纳同时代的其他地质学家对岩石的终极来源并不关心，他们所关心的是今天还在起着作用的地质力量，并设想这些力量自有地球以来就已存在，并可用来解释岩层形成的原因。维尔纳也把他的四类岩石作为岩石的基本类型：所有岩石都可纳入四类中的一类，而无论是哪一类都是通过结晶化、沉淀或沉积的作用而形成的。同样地，当时德国的生物学家也把生物物种看作是来自一个来源，所有动物和植物只不过是少数原始类型的变形。在实用的问题上，维尔纳强烈地受到他在采矿方面的兴趣的影响，事实上在某些方面他的地质学是从属于矿物学的，因为他是根据岩石所含有的矿物而不是根据岩层中的化石来对岩石进行分类。后一种方法后来成为岩石分类的标准方法。维尔纳的实地观察主要局限于萨克森和波希米亚，这些都是采矿区域，矿藏特别丰富。维尔纳根据岩石含矿情况对岩石进行分类，因此很有用，但并不象根据化石进行分类的方法能指出岩层年代的顺序。不但如此，这种方法还不能随便用于萨克森和波希米亚以外的、含有不同种类的岩石和不同顺序的岩层。但是维尔纳学说的一个最重要的缺点，是它没有解释岩层形成以后原始海洋为何不见了。维尔纳的学生、爱丁堡大学的博物学教授罗伯特？詹姆逊（Robert Jameson，公元1774－1854），在公元1808年发表的《地质学纲要》一书中阐述了维尔纳的理论。詹姆逊在书中讲到原始海洋的消失问题：“虽然我们还不能很圆满地答复这个问题，但是水量减少和消退的说法还是一种可能性很大的解释。我们相信这是真理，而且事实上就是如此，虽则我们还不能解释它。根据观察知道一个重大现象曾经发生过，这同肯定它是怎样发生的，绝不是一回事。”
维尔纳的理论就是建立在这样的假定上。他把岩石的来源原则上归之于没有观察到的原始的海洋，并且假定原始海洋完成其作用以后，就由于某种莫名其妙的原因消失了。爱丁堡的一位业余科学家詹姆斯？赫顿就反对维尔纳理论，提出只能用现在还在起着作用的地质力量来解释岩石的形成过程。赫顿受过医学训练，但从未行医。他参加了当时的农业和工业活动，把他在诺福克郡学到的农业生产新方法用在贝里克郡自己的田产上，并开办一个制造铵盐的工厂；这使他获得足够的收入，能安心从事于科学和技术的研究。公元1785年，他在爱丁堡的皇家学会宣读了一篇论文，扼要地阐述了他的地质学理论；十年后他又出版了他的主要著作《地质学理论》，更加充分地发挥了他的论点。和维尔纳相反，赫顿强调了地球内热的地质作用，不过也承认水的地质形成作用。他在诺福克郡发现沿海岸许多含有石砾砂土和泥土的岩层，在地下一直伸到内陆的田地下面，这些都是河水把山上风化了的碎屑冲到海里积累而成的。他认为凡是沉积岩，都是通过地球的内热结合地面陆地和海洋的压力作用于这样积累起来的砂石和泥土而形成的。沉积岩是非晶质的，但他发现构成苏格兰山脉的岩石则是晶质的，因此他设想这些结晶岩是由于融岩的固化而直接形成，而不象维尔纳设想的那样，是矿物在水溶液中结晶的产物。
赫顿主张地球内部是熔融的岩石，地球的坚固表面就仿佛是作为它们的容器，容器封闭得很紧，只有一些火山算是安全的活门。他认为，熔融岩石时而从地下的裂缝中迸发出来，使上面的沉积层发生倾斜。熔融岩石接着就固化了，从而形成结晶岩层如玄武岩和花冈岩等，这样山岭就具有结晶层的核心和沉积层的表面。在有些山的脚下，他发现在倾斜的沉积层上面还有一些水平沉积层，于是得出结论，认为从倾斜岩层的形成到新的水平岩层的积累经过很长的一段时期。事实上赫顿不认为地球的地质形成过程有什么起点： 地球的年代无限长，而且一直都是由现在还起着作用的那些力量在形成、毁坏、再形成构成地壳的那些岩层。赫顿和那些认为人类不论在何时何地都非常相似，并从而得出进步观念的十八世纪法国机械论哲学家一样，也是从自然界的力总是守恒这一概念出发，引伸出他的地质发展论点。法国机械论哲学家认为人的生理和精神力量总是守恒的，因而人才能为人类积累经验并起着进步作用；赫顿和这些法国哲学家一样，也认为由于地质力量总是守恒和始终一样，所以才出现岩层的历史顺序。这时候太阳系是机械的稳定并能永远保持其自身运动的理论已经确立，赫顿就是根据这一理论来提出他的地球上岩石形成力量总是不变的观点的。他写道：“从行星的周转来看，人们可以得出结论说，行星还会按照一定的体系继续周转下去。但是如果在自然界体系中世界是周而复始的，那末要在地球起源之上再去寻找什么，就是白费了。因此，我们的研究结果表明，即无一个开始的迹象，也无一个结束的前景。”
赫顿的理论得到他的两个友人，爱丁堡大学的博物学教授约翰？普莱费尔和爱丁堡的一个业余科学家詹姆斯？霍尔爵士的支持，并由他们加以发展。普莱费尔在公元1802年出版了《赫顿学说的例证》，把赫顿的学说说得比赫顿本人还要清楚，并在书中提出了普莱弗尔自己的见解，认为冰川曾经是地质上的一个主要力量，因为冰川把大块岩石从一个地方带到另一个地方。霍尔在公元1790到公元1812年间进行了一些支持赫顿理论的重要实验。维尔纳的学生和追随者反对赫顿，他们认为：第一，熔融的岩石不会因固化而变得结晶化，只会象火山发出的熔岩那样，变为玻璃状的东西；第二，有砦岩石如石灰岩受热后就会分解。霍尔在利斯的一个玻璃工厂中看到，如果让熔融的玻璃非常缓慢地冷却，它就结晶化并变成不透明体，而如果让它很快地冷却，它就会变成透明的玻璃状态。他假定熔岩也应该是如此，于是从维苏威火山和埃特纳火山弄到了一些熔岩，放在铁厂的高炉中熔化。如他所料，如果让熔融岩石慢慢冷却，它就变成象玄武岩那样的结晶质，如果让它很快冷却，它就变成玻璃状的东西。霍尔还进一步表明，如果把石灰石放在一个封闭的容器中加热，它并不象水成说派所说的那样分解掉，而是象赫顿所提示过的那样，在冷却后变成大理石一类的东西。在另外一些实验中，霍尔发现如果把散沙放在一个装满海水的铁壶中加热，它就会变得象沙岩一样坚硬结实，而这也支持了赫顿的观点。
尽管霍尔作了许多实验，赫顿的理论开头并没有为人们普遍接受，因为这些理论被看作对传统宗教，甚至当时社会的一切传统秩序起破坏作用的。爱丁堡的约翰？威廉斯，一个曾对煤炭层作过重要研究的地质学家，在他公元1789年出版的《矿物界的自然史》一书中，就对赫顿进行攻击，说他是主张无神论的。威廉斯说：“赫顿关于地球的永恒性的狂妄和牵强的见解，首先把人引向怀疑论，最后把人引向十足的反正统信仰和无神论。如果我们一旦相信世界是永恒的，并能继续产生不断进步的万事万物，我们就会认为不需要有一个统治力量来干预一切；而且因为我们无从靠肉眼看到至高无上的主宰……我们就会把一切都归之于盲目的机会。”
他还以肯定的口气说，一切叛逆行为“都终久要陷入无政府状态、混乱和苦难，而学术性的背叛也必然会如此”。夏洛特皇后御用的《圣经》宣读员德鲁克也提出类似的批评。他在公元1809年出版的《地质学导论》一书中，说地质学的知识对当时的神学家们已经是少不了的了，因为“没有任何自然科学的结论，比牵涉到《创世纪》对于人们更加重要的了；因而把这样的书列入神话之类，就会使人们对他们所最需要的那一部分知识变得蒙昧无知；而这一部分知识就是关于人的由来、人的天职和人的命运的。”
诸如此类的批评使赫顿的理论在当时非常不受欢迎，直到三十年代才又一次被提出而被人们广泛地接受。在此之前地质学有了许多技术上的进展，从而为赫顿观点后来的复兴和扩充提供了经验基础。公元1807年成立了以发展地质学知识的英国地质学会。这个学会早期的大部分成员是水成说派，也就是维尔纳的追随者，但是一个苏格兰的会员麦卡洛克（MscCulloch）却支持赫顿学说的火成说观点。学会开会不时发生理论上的争执，不过在十八世纪三十年代以前，争论主要是环绕赫顿的进化说进行的。顺便提一下，地质学学会的成立说明了在十八世纪和十九世纪早期，英国自然科学界中的不信国教的人数是相当可观的：地质学学会十三个会员当中就有四个是公谊会教徒和一个一神教派的牧师。
公元1790至公元1830年这一段时期被称为“地质学的英雄时代”。在这个时期，在考察岩层顺序以及岩层所含矿物和化石上，人们做了大量工作。工作方法的一大进步表现在用根据化石内容来进行岩层分类。这种方法布丰早就提出过，但加以广泛应用的则是英国的土地测量工作者威廉？史密斯（William Smith，公元1769－1839）和法国的生物学家乔治？居维叶。史密斯被雇用来勘测索默塞特运煤的运河，为此他曾走遍英国去看别的运河是怎样建成的。在从事这项工作以及其他的排灌水利工程时，他发现英国的各种不同岩层，从煤层到白垩层，都可根据其所含化石的不同加以区别。史密斯设想，具有同样化石的不同地方的岩层都属于同一年代，虽则他对岩层的形成没有提出理论。他在公元1799年发表了他的岩石分类法，并在公元1815年绘制成份表明横贯整个英国地面的岩石夹层的地质图。接着在公元1817年，他又出版了一份表明英国地下岩石层的纵切面顺序图表。史密斯主要关心的是简单的海生动物的遗体，特别是贝壳化石，因为他的主要兴趣是对含有这种化石的岩层进行分类。居维叶更关心的则是陆上动物的遗体，因为他的兴趣在于根据这些遗体把现已绝迹的动物复制出来，而这个问题就脊椎动物来说比其他动物更容易解决些。他还很重视化石在地质学上的重要性，所以在公元1812年出版的、主要论述绝迹动物复原的《化石骨胳研究》的导言中，他提出了一个关于地球地质发展过程的理论纲要。
正如我们论及居维叶对拉马克主义的态度时所说的，居维叶非常反对生物学中的进化理论，同样对赫顿的地质演化说也表示反对。他认为自然界现在还在起作用的那些力量并不足以解释岩石的成因，因为岩层与岩层之间并不显示连续性。不同的岩石层之间有很明显的分界标志，而每一岩层也有其特殊的、别处找不到的化石遗体。这就表明每个岩层都是由某一种特殊的强大动力所造成的，而不是由现在还在起作用的微小力量所造成的。他认为造成岩层的主要力量是一系列的洪水灾变，这样的洪水的最后一次泛滥，就是五、六千年前出现的摩西洪水。每一次洪水泛滥都把地球上的生物几乎扫荡净尽，并冲蚀地球的表面，而当洪水退却之后，就通过沉积而出现了一个含有生物遗体的新岩层。这些灾变还动摇了以前所有洪水所产生的各个岩层，使它们产生歪曲和偏斜的现象，而这也就是早期的岩层比晚期的岩层更加弯曲和偏斜的缘故。居维叶的影响有几十年之久，他不但在法国反对地质的演化说思想，并且反对生物的演化说思想。居维叶本人是水成说者，但他的信徒们并不都认为形成地质岩层的灾变是由洪水所致。巴黎矿业学院教授爱理？德？博蒙特（Elie de Beaumont，公元1798－1874）在公元1829年提出一种火成说的理论，认为地质灾变是由地球内部的液体冷缩，而使坚实地壳突然发生裂缝所致。在德国，维尔纳的学生利奥玻尔德？冯？布赫（Leopold Von Buch，公元1774－1852）也持有类似的见解，不过他和博蒙特都不能接受地球地质的缓慢演变的发展说，因为这一观点代表了当时英国火成说的见解。
当时在英国，接受维尔纳和居维叶的地质学说的人很多，因为这些学说不象赫顿的理论那样和当时的神学有抵触。英国的两个地质学教授，剑桥大学的亚当？席基威克（Adam Sedgwick，公元1785－1873）和牛津大学的威廉？巴克兰（William Buckland，公元1784－1856）都是牧师，并且都是热心水成说的。巴克兰于公元1823年出版的《洪水遗迹》是企图把神学和地质学结合起来的最后一部书。他假定有一个“前亚当的时代”存在，这个时代从创造天地开始到《创世纪》的第一天为止，约有几百万年。在这段前亚当时期中，巴克兰认为，出现了维尔纳和居维叶设想的那些主要的地质变化。席基威克最初也属于水成说派。在公元1819年当他被任命为剑桥大学的地质学教授的时候（剑桥的地质学讲座是伍德沃德设立的），他写道，他“满脑子都是维尔纳的思想，甚至准备牺牲自己的见解，接受维尔纳所有的信条──做一个维尔纳的奴隶”。虽说如此，席基威克和他的一位乡绅友人罗德里克？麦其生（Roderick Murchison，公元1792－1871）一同进行地质学研究，最后却把维尔纳的地质学体系推翻了。威廉？史密斯曾经对含有化石的那些晚出的岩层进行研究，他研究的最下岩层是煤的岩层。席基威克和麦其生研究了在威尔斯地区发现的早期岩层，这些都是含极少量的完全不含有化石的原生岩层，其成因很难说是由于水的化学作用或机械作用。席基威克发现了寒武纪的地质层，麦其生发现了志留纪的地质系，他们两个人还一同发现了介于志留纪和煤岩层之间的泥盆岩。然后他们周游欧洲大陆去考察与这些岩层近似的其他地方的岩层，并在公元1829年得出结论，原生岩层不是象维尔纳设想的那样是在水中结晶而成的，而是熔融岩石的固化或凝固化的结果。席基威克声称他由于追随维尔纳，白费了两年的时间，不过他现在只准备接受赫顿的火成说，而不接受赫顿的进化理论。
但是，巴克兰的一个学生查理？赖尔（Charles Lyell，公元1797－1875）单独地得出了赫顿学说的部分结论，而且后来又对赫顿的著作进行了研究。赖尔本人在地质学上并未作过什么重大的实际发现，他的巨大贡献主要在于把许多分散的地质学知识联系起来。他的游踪甚广，考察了欧洲许多不同地区的岩层，能够运用赫顿所没有用过的大量事实来支持地质的进化理论。他的主要著作《地质学原理》出版于公元1830－1833年间，书的副标题是《以现在还在起作用的原因试释地球表面上以前的变化》。在书中，赖尔重述了赫顿的主要理论，即只能用现在还在起作用的地质力量去解释地球过去的发展，而且为了这一点，必须假定这段时期是极其漫长的。赖尔写道：“比起任何其他的先入之见来，认为过去的地质年代在时间上是有限的看法，对地质学的进展起着阻碍的作用；除非我们习惯于把过去的地质年代看作可能是无限漫长的……，否则我们在地质学上就有陷入极端错误观点的危险。”
维尔纳从一个具体的但是假设性的岩层成因，即从原始海洋出发，向前推论下去。赫顿和赖尔则从现在还在起作用的地质力量出发，往后追溯上去。赫顿和赖尔的理论被称为“不变说”，因为它假定以前起作用的地质力量和现在的地质力量一直是一样的。早期的机械论哲学家假定自然界是物质体系（包括太阳和生物体系）在整个地球历史时期是守恒的。现在的着重点改变了，认为守恒的不是自然界的物质体系而是自然界的那些力量。所以地球上的物质通过不变力量的作用改变着，因此只要把过去的那种非历史性的机械论世界观扩大一下，就可以推论出地质的进化论思想。
赖尔开头是一个坚定的均变说者，除了岩层的依次积累外，很不愿意承认地球的情况还有过什么重要变化。他承认地球历史上虽有过气候变化，并把其原因归之于陆地和海洋的分布情况不同；但是他开头拒绝承认地球的生物种类有过什么变化，正由于此，所以他在十九世纪二十年代拒绝接受拉马克的生物进化说。但是岩层中化石的顺序很明显地表明，如果有一个地质演化过程存在，那末生物也就必然有一个演化过程。因此，三十年代中赖尔在这个问题上就改变了他的原来见解。在公元1836年写给约翰？赫舍尔的一封信中，赖尔说道：“关于新物种的由来的问题，我很高兴听到你认为可能是由于居间原因的干预所致。这样的思辨性结论我宁可不讲明它而让读者自己去推论出来，因为我认为不值得因此而激怒一些人。”
在那些反对赖尔理论的老一辈地质学家看来，这里的涵义也是非常明显的。亚当？席基威克，老派地质学家当中最精明的一个，在公元1831年任地质学会会长的就职演说中指出，赖尔理论的一个主要困难就是它意味着生物物种的进化。席基威克说：“我可以提醒你们，在我们追溯地质历史的过程中，当我们跨出最初一步时，我们就碰上一大批现已绝迹的动物和植物形式。我现在要问，难道这些东西不是表明有一种变化和调节的力量存在，而且绝不同于我们通常所理解的自然规律。我们是追随上世纪的博物学家们，说这些东西只是自然界出的废品呢，还是采纳自然发生和物种变化的说法，并且接受上两种说法的各种荒唐的结论呢？”
当达尔文在公元1859年出版他的《物种起源》时，赖尔就是最先接受这一理论的一个。在公元1865年席基威克又说：“赖尔会把这种学说全部吃下去，我并不奇怪，因为没有这种学说，赖尔阐述的那套地质学理论就不合乎逻辑了。……不管他们怎样去粉饰这种理论，物种变化说十之八九总是论为荒唐的唯物论的。”
赖尔的理论为英国地质学会当时的一些主要成员如席基威克、巴克兰和麦其生所反对，这些人所提出的理由都是象上面所引的一段话那样，而不是什么认真的科学责难。不过赖尔遭到的反对不及十九世纪初赫顿学说的支持者所碰到的反对那样厉害。公元1831年赖尔被聘为伦敦皇家学院的地质学教授，皇家学院当时是英国国教所设立的一个新的学校。聘请赖尔的委员会都是由一些在美国圣公会任圣职的人所组成，其中兰达弗主教对赖尔的观点就表示担心，虽然如此，赖尔还是受了聘。可是，到了十九世纪三十年代，地质学的地位比在这个世纪初期有了很大的改变。关于世界各地，特别是欧洲，岩层的性质及其发展的历史，积累得越来越多了。不但如此，整个学术界的气氛也有了改变，人们对人类的历史进步这一概念有了较深刻的印象，这看来对演化理论的发展是有所推动的。事实上，赖尔就指出了在地质学考察和历史研究之间有些相似之处：据说赖尔的均变说老实说就是受到英国宪法的逐渐形成过程的启示的，正如法国人的灾变说理论可能是受到法国的动乱近代史的启发一样。赖尔还宣称，地质学的研究，严格说来和人类历史的考古学研究很相似，他后来也研究了这方面的问题，并在公元1863年发表了他的《古代人类遗迹》一书。
赖尔的学说并未广泛地为他同时代的科学家们所接受。明显的例外是，物理学家约翰？赫舍尔和做过国会议员的地质学家鲍勒特？斯克洛普（Poulett Scrope）。斯克洛普为《地质学原理》一书写了一篇书评，使赖尔的书大为畅销；在此以前，三个月内只销了三百五十册左右，书评一出，很快就销售了一千五百册。在下一代的科学家当中，赖尔的观点更被普遍地接受，席基威克和赖尔本人所预见到的这个学说所蕴涵的那种结论，就为这一代科学家中最杰出的代表查理？达尔文发展了。达尔文早期的研究就是在地质学方面，正如达尔文在他的《自传》中所说的，地质学诱导他去得出物种演化的理论，虽则他是从另一来源即马尔萨斯关于人口理论的论文那里，得出促进演化过程的原因的。在老一辈的地质学家们拒绝赖尔理论的同时，中产阶级的一些人对这种理论都表示热烈欢迎，而中产阶级对进步的信仰也正是最突出的。当时撰写通俗政治和历史文章的女作家哈里埃特？马蒂诺（Harriet Martineau）在十九世纪四十年代曾以夸大的口气写道：“中产阶级一般人士宁愿买五本价钱很贵的地质学书籍，而不愿买一本当时流行很广的小说。”狄士雷利（Disraeli）于公元1847年在他出版的小说《谈克雷特》中，也描述了在上层社会中地质学所起的影响，不过这些人看来是以较复杂的心情来接受这种新学说的。
[英]梅森
第三十四章 十九世纪时期的物种进化学说
十八世纪末，德国、法国和英国都出现了各种不同形式的生物进化学说。在德国有自然哲学派，认为“世界精神”通过内在自我运动走向人的注定目标，这种自我运动要经过若干各自分立而不相关联的阶段，而生物物种就是“世界精神”在各个阶段的物质体现。在法国有拉马克，他把动物物种看成是一个接一个递传下来的，动物凭借一种内部的扩张力和从环境获得的遗传下来的新特性而进化着。在英国有伊拉斯谟？达尔文，他提出了与拉马克类似的关于生物进化的见解，但又增加了一个古怪的具有英国气的、并且后来极有成果的观念，就是生物为了维持生存或者为了争夺雌性而发生进化。在十九世纪期间，生物学说上的这些民族差异，在很大程度上仍继续下去，不过也有一定的交叉和若干丰富的混合学说出现。每一个不同的学说，都是它自己的民族思潮的一部分：在德国，是把历史作为当务之急以及神秘主义的炼金术传统；在法国，是具有政治目标的关于进步的心理的和社会学的学说；在英国，是关于经济和社会进步的自由放任主义思想，主张在人与其他人的竞争中，应该让其自由追求自己的快乐和自己的个人目的。
伊拉斯谟？达尔文尽管把关于个人与个人之间竞争的典型英国观念应用到生物学上，但他象伯明翰太阴学会的其他成员一样，也受着十八世纪法国哲学家的影响。象早年的自由放任主义理想家如经济学家亚当？斯密和道德哲学家杰勒米？边沁（Jeremy Bentham）一样，老达尔文也相信进步。但是在他们之后却有罗伯特？马尔萨斯（Robert Malthus）同法国哲学家及其英国的信徒如威廉？葛德文（William Godwin）的学说相对立。马尔萨斯用个人之间相互竞争的观念证明人类进步是不可能的。马尔萨斯在公元1798年出版的著作《论影响未来社会改良的人口原理，兼评葛德文先生、孔多塞先生和其他作者们的臆说》里发表了他的观点。马尔萨斯在这部著作中写道：“我想我大致可以作出两假定。第一，对于人类的生存，食物是必需的。第二，两性之间的情欲是必需的，并且将以近于目前的状态而持续下去。”
事情既然是这样，他就论证说：“我以为人口的增长率比地球为人类生产食物的增长率要大上无限倍……（因为）人口如果不加限制，就会以几何的比率增加，而食物则仅仅以算术的比率增加。只要稍微熟悉一些数字，便可看出第一种增长率比较第二种增长率要巨大得多。”
因此对于全人类说来，从来就不可能有足够的食物，因为农业上的一点点进展会立即被大量活到成年的儿童所抵消掉，从而使生活水准始终一样。马尔萨斯写道：“所以，假如这些前提是正确的话，反对人类完善性的论据是完全站得住的。”
马尔萨斯持有人类的生活是整个有机世界不可分割的一部分的观点。他写道：“在整个动物界和植物界，大自然用最豪爽宽大的手到处散播生命的种子。在它们成长所必需的地面和养料方面，她却是相当吝啬的。植物的种类和动物的种类在这项巨大的限制法则下减缩了。人种也不可能依靠任何理性的努力逃脱这项法则。在动植物中间，其后果是种子的浪费、疾病和死亡。在人类中间，其后果是苦难和罪恶。”
就是这种概念为查理？达尔文（Charles Darwin，公元1809－1882）提供了他的生物进化过程：生物为了食物供应有限而相互竞争，只有那些具备有利的变异的生物得以生存下去并繁殖其种类。但是，达尔文从地质学的研究中深信，在他能用这一过程来说明物种进化之前，就已经有了物种的进化了。查理？达尔文是施鲁斯伯里地方一个医生的儿子，又是伊拉斯谟？达尔文的孙子和陶工乔赛亚？韦奇伍德的外孙，他们两人都和伯明翰太阴学会有关系。小达尔文于公元1825年到爱丁堡去学医。在那里，维尔纳的学生罗伯特？詹姆逊还在疯狂地攻击赫顿的地质学说和一般的岩石火成论者。他感到詹姆逊的讲课乏味到令人不能置信的程度，因而决定永远不再“读一本地质学的书，也决不去研究这门科学”。但是达尔文放弃了学医而跑到剑桥去，目的在于取得牧师的圣职。在剑桥，席基威克和亨斯洛（前者为地质学教授而后者为植物学教授）引起了他重新学习地质和自然历史的愿望，他还伴随着席基威克参加他的威尔斯地质考察队。达尔文很受老师们的赏识，他们推荐他在政府派遣到南太平洋远征航行中担任博物学家的职务，他接受了。亨斯洛劝达尔文带一批书在路上看，包括刚出版的赖尔的《地质学原理》，但是劝告达尔文“切切不要接受书中的观点”。
公元1831年12月远征队乘着“贝格尔”号军舰出发了，在广泛地考察了南美洲与太平洋群岛的海岸之后，于公元1836年10月回到英国。在航海期间，达尔文不仅接受了赖尔的观点，而且扩展了这些观点。他在家信说道：“我已成为赖尔先生在他的书中所发表的观点的一个热诚信徒了。在南美洲进行地质调查时，我总尝试把书中的部分观点比赖尔推到更大的范围中去。”
在五年的航海期间，达尔文采集了很多地质的、植物的和动物的标本，其中最重要的是地质方面的东西，因为他自认当时他在生物学方面的知识很少，不能够恰当地描述他看到的各种生物。达尔文回家后的最早著作是在地质学方面，特别是公元1842年出版的《珊瑚礁的结构和分布》。在这本书里他提出了一个学说，以为珊瑚礁和珊瑚环岛是由于大块陆地或岛屿逐渐下沉所致，珊瑚虫造礁是为了高出洋面以求生存。
但是，他在“贝格尔”号的航程中所观察到的生物现象，已经使他的心思转到生物物种进化的可能性方面来了。当他沿着美洲大陆南驶时，他看到物种是多么密切地互相联系着，并且看到加拉帕戈斯群岛上的物种和南美洲的物种非常相似，然而甚至在一个岛和另一个岛之间也有着轻微的差异。他在《自传》中写道：“象这样一些事实显然只能以这样假设来说明：物种逐渐起了变化。这个题目常常使我不能忘怀。但是同样明显的是，有无数事例说明每一种生物都很美妙地适应它们的生活习惯，而这些事例即不是周围环境的作用，也不是生物的意志（特别是植物）可以说明和了的。……在我回到英国以后，我想也许按照赖尔在地质学上的先例，以及搜集一切有关动植物在人工培养下或在自然状态下变异的事实，会对整个问题有所阐释。我的第一本笔记是于公元1837年开始的。我根据真正的培根原则进行工作，并且在没有任何学说偏见的情况下大规模地搜集了事实，尤其是关于人工培育的成品，通过书面同熟练的培育者和园丁交换意见，以及广泛的阅读，……我不久就看到选择是人造出有用的动物和植物种类的成功关键。但是选择怎样能用到生活在自然状态中的生物上，在相当长的时间内对于我依然是一个谜。”
达尔文就是这样把赖尔的方法和观点从地质学扩充到生物学上来，并得出这样的结论：生物物种是逐渐进化而来的。但是完成这个进化作用的过程，他却是从另一个来源得到的。他写道：“1838年10月间，也就是开始我的系统探索的十五个月之后，我为了消遣偶然读到了成尔萨斯的人口论，而我由于长期不断观察动植物的习惯，对这种到处都在进行着的生存斗争，思想上早就容易接受，现在读了这本书立刻使我想起，在这些情况下，有利的变异往往易于保存，而不利的变异则往往易于消灭。其结果就会形成新的物种。这样我终于得到了一个能说明进化作用的学说了。”
以后达尔文费了二十年的时间搜集资料，以充实他的物种通过自然选择进化的学说，并阐述其后果和意义。
与此同时，另一个英国自然学家阿尔弗勒德？拉塞尔？华莱士（Alfred Russel Wallace，公元1823－1913）独立地也得出了自然选择的结论。华莱士访问了马来半岛，在那里他观察到邻近岛上生息着亲缘很近的但是不同的物种，正象在他之前的达尔文在加拉帕戈斯群岛怕观察到的一样。就在这里华莱士想到自然选择的学说，正如达尔文从马尔萨斯那里引伸出这个观念一样。华莱士在自己的自传里记载道：“在公元1858年2月……我正盘算着（进化的）问题，而一些东西使我想到马尔萨斯在他的《人口论》中所描述的积极的制裁；这本书我在几年前读过，并在我心中留下一个深刻和永久的印象。这些制裁──战争、疾病、灾荒等等，我想一定既作用于人类，也作用于动物。于是我想起了动物的大量和迅速的繁殖，使得这些制裁在动物中间比在人类中间更加发生效力；而当我在模糊地思索着这个事实时，我脑子里突然掠过最适者生存的念头──即被这些制裁所消灭了的个体，总的说来，一定是比那些生存的个体为劣。我写出了我的论文草稿……并把它交给下一班信差送给达尔文先生。”
达尔文将华莱士的论文同他自己的一篇论文一起发表，并在次年，即公元1859年发表了他的伟大著作：《论通过自然选择或生存斗争中保存良种的物种起源》。
在这本著作里，达尔文为生物物种的进化学说，从两个个主要方面提出论据：第一，是已死绝物种在时间上的分布，这是他从地质学和古生物学方面搜集而来的；第二，是活着的物种在空间上的地理分布，这是他乘“贝格尔”号航行期间所接触到的，并从其他旅行家和地理学家特别是亚历山大？冯？洪保（Alexander von Humboldt，公元1769－1859）的著作中补充得来的。他在某种程度上也依赖于冯？贝尔的胚胎学研究，他把胚胎学理解为生物个体在它从单个细胞到成体动物的生长中经历了它的种族进化史。但是，达尔文总的说来很少从法国人和德国人那里引用证据。在《物种起源》的四百页篇幅里，只有十页用以讨论胚胎学，只用五页讨论动物的形态结构，而细胞学说则很少受到注意。达尔文不同于法国进化论者和德国自然哲学家，他不依赖于动植物的分类系统，也不依赖成体动物解剖结构的比较来拟定他的进化系列。再者，他不相信不同的生物形成一串动物的直线进化链条，象法国人所设想的那样：也不相信它们是从一个中心的理想原型向四面八方发生的变化，如德国人所假设的那样。
达尔文其实是第一个认为生物进化系列是由系谱树递传下来，并把这种想法彻底加以发挥的人；有关的动物种类从共同的亲体分支出去，有些种类已经灭亡，而别的种类则在地球上的不同地区留下活的后代。他从化石动物在地质上的连续性，草似出他的系谱递传树，并证明个体动物的胚胎发育往往大体上遵照化石遗骸所提揭示的种族进化发展的路线。动物和植物的地理分布事实支持了这样的进化系谱树。在为地理障碍所隔开的岛屿及其他地区，发现有长久以前曾经普遍存在的生物物种如澳洲的袋鼠和其他有袋动物；他们是由于隔离而保存下来的活化石。达尔文写道，如果我们假定过去曾有过生物进化的话，“我们就可以看出为什么生物在整个空间上的分布和生物在整个时间上的地质连贯性，会存在这样突出的类似关系：因为在这两种情况下，生物都是由普通生育的关系连接着，而导致变化的手段又是相同的。”
当他开始考虑生物进化的活动过程时，达尔文先是指出某一特定生物物种各个个体之间的变异是一个观察到的事实。一窝仔畜各自不同，有些比较突出地具有家畜饲养者意欲培育的那些特点；饲养者于是将这些动物挑出来，并用这种办法培育出我们熟悉的各种各样的家畜。在自然界，就由自然选择的过程来替代培育者：那些具有有利变异的动物生存下来并繁殖其种类，而那些具有不利变异的动物则灭亡了。达尔文认为通常不能相互受胎的动物，只不过是能够相互受胎的动物的变种。因此产生新的品种的自然选择或人工选择的过程，长时间之后就产生出新的物种，最终并产生生物的新的属和新的目来。作为生物界到处存在差异的进一步证据，达尔文指出一个事实，即多产的和散布较广的物种产生为数较多的变种。这些变种是处于形成中的新物种，变种分布得很广，而且中间状态的物种消失后，便发展成为新种。因此在新物种的形成过程中，隔开变种的地理障碍的出现，和变种经过漫长时间后的逐渐歧异性，是特别重要的因素。
达尔文的学说并不要求用任何作用来说明动植物变异的产生；差异可以认为是一个当然的经验事实。但是他在这件事情上作了臆测，设想气候变化、食物和其他环境原因，特别是影响生殖器官的原因，导致动物和植物的变异。他觉得这些变异很轻微而且更动不大，所以进化是逐渐的和持续的。他写道：“由于自然选择只是靠积累轻微、连贯、有利的变异而起作用，它就不能产生巨大的或突然的变化；它只能一点一点地而且缓慢地发生作用。”
当达尔文的思想有了发展之后，他开始接受拉马克的见解，认为器官的使用或不使用会产生遗传的变化。在《物种起源》第六版里，达尔文用以下的话总结了他的论点。他说进化“主要是通过对许许多多连续的轻微变异进行自然选择而发生效果的；还有些辅助因素：如身体各部分的使用和不使用通过遗传发生效果，这是个重要方式；另外则是就生物过去或现在的适应构造而言，外界条件的直接作用，和由于我们的无知而认为是自发性的变异，则都是不重要的方式。”
但是达尔文从来没有接受拉马克和他的祖父的学说，认为每一生物体内有一种内在的驱使力量，倾向于使生物朝着较高等和更加完善的形式发展。他声称拉马克的观点只使他感到惊异，而在他读了他祖父的著作以后也“不发生任何影响”。相反，达尔文却强调生物进化的被动性质：它是由于选择的外在作用发生的，不是由于向往较高级生命的内在努力。他设想人类的进步也是如此。公元1871年出版的《人类的由来》的结尾的一节里，达尔文写道：“人类对于自己上升到生物阶梯的顶峰（虽然不是通过他自己的努力）而感到有些骄傲，这是可以原谅的；而他已经上升到那里而不是最初被安置在那里的这件事实，可能使他希望在遥远的将来会更上一层楼。”
所以进步是客观事实，但是进步的出现是不管人的努力与否的。它是一个自主的过程，正象赫伯特？斯宾塞所说的那样，是受“最适者生存”的调节的。在这一信念上，达尔文、华莱士和斯宾塞完全是卷在早期维多利亚时代的“自由放任主义”思潮里面。他们都是在十九世纪第二个二十五年中达到成熟阶段的人，这时候，英国的政治经济学家和功利主义哲学家的学说，也和进步的观念、进化的观念一样，在英国人的舆论中变得根深蒂固了。马尔萨斯以最粗糙的最接近生物学的形式表达了竞争的观念，也许是由于这个原因。他对达尔文和华莱士是一种特殊的影响，而进步和进化的新感受则引导他们扭转马尔萨斯的悲观结论，并把有机世界以及人类世界的个体之间的生存斗争，看成是一种进步的而不是保守的力量。赫伯特？斯宾塞（Herbert Spencer，公元1820－1903）开头多少是一个拉马克主义者，但是和达尔文与华莱士一样，他受了马尔萨斯学说的影响，并从这些学说里引伸出进步的观念。在达尔文的著作出现之前，斯宾塞于公元1852年在他的《从动物能育性普遍法则推论人口学说》中写道：“从一开始，人口的压力就已经是进步的近因。全人类也多少受着上述的考验：人类可以在人口的压力下前进，也可以不前进，但是按照事物的性质来说，只有那些在人口压力下确实前进的人会最后获得生存。”
在达尔文的《物种起源》于公元1859年出版的时候，斯宾塞就将自然选择的学说扩大到人类社会， 把“最适者生存” 不仅看作是生物进化的过程，而且也是人类进步的方式。特别是，它使斯宾塞觉得这些是中期维多利亚时代的“自由放任主义”政策的一个例证，并为这种政策找到正当借口：自由贸易和经济竞争都不妨说是自然选择的社会形式，窜改它们便会干扰宇宙进化的过程，并将使人类进步的车轮发生故障。
这样一种用自由主义时代思潮有字眼去解释达尔文主义，有助于在中产阶级范围内树立起这个学说的威望。根据科学的、社会的和神学的理由，对达尔文学说提出批评的很多，但是这种学说在英国很快地就被接受了。在科学上提出反对的，最主要的是理查德？欧文，他是肯辛顿的自然历史博物馆馆长，也是英国第一流的比较解剖学和化石骨胳的学者。欧文是德国自然哲学家奥肯的学生，他把各种的生物物种看作是自然界的一种理想生命力作用的结果。他写道：这种力量“使属于相同物质和生物具有各式各样的形状，这种形式上的多样性是不能用任何已知的物质属性来加以说明的。”
公元1860年在一篇为《爱丁堡评论》写的不署名文章里，欧文严厉地批评了达尔文的《物种起源》。他重复了自己的观点，认为一种自我分化的生命力导致生物物种的产生，他提出的证据是：单细胞动物随时随刻都在自然地发生，既然如此，高等动物就不可能从单细胞动物沿一个单独系列递传下来。达尔文还认为，欧文也为牛津主教塞缪尔？威尔伯福斯（Samuel Wilberforce）在《每季评论》中以及在公元1860年“英国科学促进协会”牛津会议上对达尔文的书进行攻击时提供材料。在这次会议上，伦敦矿物学院的地质学教授托马斯？亨利？赫胥黎（Thomas Henry Huxley，公元1825－1895）为达尔文有力地进行辩护，并因为这次辩论为自己赢得“达尔文的斗犬”的称号。在这次辩论以后，达尔文主义在英国就为受过科学教育的人们所普遍接受，但是欧文和天主教徒动物学家圣乔治？米伐特（St.George Mivart，公元1827－1900），仍旧坚决反对，还有神学家威尔伯福斯和政治家乔治？坎贝尔（George Campbell）和威廉？格莱斯顿（William Gladstone）也是如此。
达尔文主义在英国仅得到了普遍的承认，而且也扩展到生物学以外的领域。进化思想被应用到化学、天文学、语言学和人类学上去，但是自然选择的完整学说则主要被用在社会哲学与伦理学上，产生了“社会达尔文主义者”的学派。这一学派的学说随着世界大事而变化着。第一个“社会达尔文主义者”赫伯特？斯宾塞从自然选择的学说引伸出中期维多利亚时代的价值说，这已见前述。后期维多利亚时代的发展，如在南非战争中所示的民族之间的斗争事例，使斯宾塞满怀厌恶，因为在他看来只有个人的和平勤劳的竞争才是社会进化的主要动力。但是新的发展也同样适当地可以用达尔文学说为之辩解，实际上历史学家兼经济学家华尔特？白高特（Walter Bagehot，公元1826－1877）在他的论文集里已经多少预料到这些新的发展。他的《物理与政治，关于应用自然选择和遗传原理于政治社会的我见》于公元1872年出版，在这部著作里白高特认为“最强的民族总是征服较弱的民族”，而使原始文明中所需要的最好的品质得以传播而保存，就是靠这些办法，因为“最好战的品质大抵倾向于成为良好的品质”。人类社会的进化，正如达尔文曾经设想物种的进化那样，是逐渐的、连续的而且实际上是同样自主的。“犹大改变了内心思想，正象罗马改变了外部权力一样”，白高特写道：“每一改变都是连续的、逐渐的并且是良好的”。卡尔？毕尔生（Karl Pearson，公元1857－1936）于公元1900年在伦敦大学学院写了一篇《从科学的观点论民族生活》的论文，在文中发表了类似有见解。毕尔生坚称，世界上始终存在着“一个人种反对另一个人种，一个民族反对另一个民族的斗争”。他断言：“那个告诉我们说他爱左道者，（穆斯林给基督教徒的称呼）如同他爱他的兄弟一样，或许在欺骗他自己，如果他不是欺骗的话，那末我们只能说，有着这样的人的一个民族……是不会维持多少代的：在民族的斗争中它不能生存下去。”
十九世纪末，这样对于达尔文主义的解释很流行，而且至今还没有完全失去它的吸引力。
一般说来，生物学家们自己并不赞成这样的解释。达尔文在他的，《人类的由来》里，从人类的进步和进化中看到了合作的本能对于自私的本能愈来愈占优势。他断言：较为持久的“社会的本能征服不那么持久的本能”。达尔文的信徒赫胥黎非常反对社会达尔文主义的结论，并在一系列的论文中和这种见解进行斗争。在公元1893年发表的《进化论与伦理学》的演讲中，赫胥黎主张人类的进步并不在于“模仿宇宙演化的过程，更不在于逃避它，而在于同它作斗争”。与达尔文无关而独自得出自然选择学说的华莱士，在公元1900年出版的《科学研究与社会研究》里，从自然选择学说引伸出“基督教社会主义者”的教义。他主张，在社会的生存斗争中，谁也不应该在财富或教育上享有不公平的优先权；我们大家必须平等地出发以求得人类的充分进步。他写道：“唯一对身体的、精神的和道德的品质同样都能发生作用的自然选择模式，将在一个给予人人在文化、教育、闲暇和快乐上以均等机会的社会制度下发挥作用。这种对通常在动物界起着作用的自然选择原理的扩充，我敢说是完全新的，也是我贡献给世界是最为重要的新观念。”
所以弄到后来，差不多任何一种人类进步的学说都可以从达尔文主义推论出来，不过在英国同在其他地方一样，比较有影响的解释还是那些强调人类社会中竞争因素的解释。
在英国以外，达尔文主义引起最广泛并且实际上最剧烈的争论是在德国。在法国和美国，自然选择的学说并没有得到很多公众或科学上的拥护。这些国家的科学家们最初大部分反对达尔文主义，而当进化的理论于十九世纪八十年出现时，这些理论在形式上总倾向于拉马克学说。在法国，居维叶的追随者爱理？德？博蒙特、米尔恩-爱德华（Milne-Edwards，公元1800－1885）以及其他人都反对达尔文的学说；生理学家克劳德？贝尔纳（Claude Bernard，公元1813－1878）和微生物学家路易？巴斯德（Louis Pastrur，公元1822－1895）也是如此。在美国，哈佛大学的地质学教授路易斯？阿加西斯（Louis Agassiz，公元1807－1873）非常反对达尔文主义，不过植物学教授阿沙？格雷（Asa Gray，公元1810－1888）是达尔文的朋友而且接受了他的观点。阿加西斯出身于瑞士的一个法国胡格诺教徒家庭，并受业于德国的好几个自然哲学家以及巴黎的居维叶。他对活的化石的鱼类，也对冰川的地质作用，做过一些重要的研究。所以他是一个有相当影响的人，而他就把这个影响用来反对达尔文主义者，认为物种是由上帝创造的而且永远固定不变，象在他之前的生物学中别的新教徒分类学家林耐和居维叶一样。
但是，下一代的科学家中间，却有了进化论的理论家，特别是法国的布朗-赛卡尔（Brown-sequard，公元1817－1894）和阿尔弗雷特？贾尔（Alfred Giard，公元1846－1908）以及美国的爱德华？科普（Edward Cope，公元1840－1894），他们全都倾向于拉马克的学说而不倾向于达尔文的学说。布朗-赛卡尔做了一些实验，他把一只豚鼠的脑损坏了，使足趾丧失感觉和双目混沌。这只豚鼠咬掉了丧失感觉的足趾，于是布朗-赛卡尔就宣称混沌的双目和足趾的丧失是遗传给后代了。这样的实验没有得到证实，关于断肢遗传的信念也被人抛弃了，实际上拉马克本人就否定这样获得的特征可以遗传的想法。布朗-赛卡尔只接受拉马克的获得性状遗传的学说；美国的科普也接受了拉马克认为每一有机体内有一种内在的驱使力量，使得有机体朝着高等动物发展这样的见解。科普没有象拉马克那样把这种力量说成是热和电，他主张这是一种与人的心理活动相类似的精神力量。在这一程度上，他的学说是法国的拉马克主义和德国的自然哲学的一个杂种体系。
在德国，达尔文的学说引起了很大的争论，一部分是因为它跟自然哲学家的观点相反，一部分则是因为它牵涉到这个时代的政治。十九世纪中期和后期的德国自由主义者本身就有分歧，一伙人要求同普鲁士贵族党合作以建立民族的统一，另一伙人则把推翻普鲁士贵族党作为他们的主要目的。达尔文主义的反对者以及一些拥护者把达尔文主义同自由主义者中的后面那一伙较为激进的人联系起来，而自然哲学就其后来较为唯物的和较为经验主义的形式而言，则倾向于同前面一伙人有关系，不过也有些自然哲学家、达尔文主义者和科学家想把两种学说合并起来，并置身于当时政治冲突之外。
当达尔文的《物种起源》于公元1860年传到德国时，他的学说受到了大多数老一辈科学家的排斥，这些人一般说来都是受早期自然哲学家影响的。这些人中间有胚胎学家冯？贝尔和克里克尔，动物学家莱迪希以及植物学家布朗（Braun），还有最早接受达尔文学说的细胞学理论家施莱登。年轻的生物学家们对于达尔文主义比较同情，而且力图把这个学说同胚胎学、比较解剖学等学科以及细胞学说结合起来；这些学科在德国自然哲学的影响下已经进行了很多研究，但没有被达尔文广泛讨论过。在这一发展中，第一个重要人物是卡尔？盖根鲍尔（Carl Gegenbaur，公元1826－1903），他是耶拿大学的一位教授；在十九世纪初奥肯也曾在耶拿大学教过书。奥肯曾经把各种不同的生物物种看成是少数理想的种类或原型的变化。盖根鲍尔现在则把这些理想的原型看作是真的祖先类型：它们是物种一个接一个地传递下来的几个阶段，而不是在大自然造物主的思想中的几个阶段。他特别注意脊椎动物手和足的骨胳的发展，坚称它们来源于原始鱼类的鳃裂器官，从这些器官进化成为高等鱼类的鳍和陆地动物的四肢。他想，在高等陆地动物的胚胎生长过程中也有一种类似的发展，这些动物经历了象鱼类那样具有鳃裂的阶段。
盖根鲍尔的最著名的学生是恩斯特？海克尔（Ernst Haeckel，公元1834－1919），也在耶拿大学任教授。海克尔属于自由主义者的急进派，特别是他使得达尔文主义成为德国哲学上急进主义的武器。他在生物学方面的主要的实验工作是关于放射虫目的研究，他描述了约一百五十种之多。这个研究发表于1862年，使他获得了耶拿大学 的教授职位。此后他就从事于传播一种改变形式的达尔文主义，发表了一系列的著作，在体裁上从最通俗的一直到经院式的都有。他的第一本主要著作是《普通形态学》于公元1866年出版，在书中他把达尔文主义同来自拉马克学说与自然哲学的成分结合起来，比达尔文更加强调了在环境影响下获得性状的遗传说，并且象自然哲学家一样，把自然界的多样性产物归之于单一宇宙力量的作用。海克尔酷爱分类，而且就象谢林、黑格尔以及奥肯一样，到处寻找自然界的三分法。他声称一切物体都具有三个属性：物质、形状和能量。所以有研究物质的化学科学，研究形状的形态学以及研究能量的物理学。这些科学每一门又可以再分为三个分支，例如，形态学可以再分为关于动物、植物以及简单单细胞动物、原生物的研究。他说形态学的目的在于给具有结构的生物找出原因上的说明，这些说明是一元论的，也就是对于自然界的一切等级，包括无机世界的以及有机世界的，全都是正确的。因此他认为盐的结晶同有机的细胞在其生长方式上，以及在其组成和形状的对称性上，是完全类似的，因为两者都是同一物质与同一宇宙力量的产物。这样一个观点意味着在自然界的心理的、生物的以及物理的等级之间并没有质的差别，而无机的自然界一定具有高等动物以及人类本身的性质，至少潜伏着这些性质。实际上，海克尔断言：“不能设想会有无精神的物质，也不能设想会有无物质的精神。”因此到最后，海克尔把早期自然哲学家的“世界精神”带回到生物学里来，不过他把这种精神看作是一元的宇宙力量或者能量本身。他写道：“每一个原子一定有一个灵魂，因为它具有某些能量。”这样一种思想使得海克尔能说明获得性状的遗传仅仅是由于组成后代种子的原子的记忆所致。其他倾向于拉马克主义的人特别是赫伯特？斯宾塞（当然还有伊拉斯谟？达尔文）也都赞成这种看法。
海克尔继续了盖根鲍尔把有机物种分类为进化系列的工作，草拟了好向个系谱树，以说明各种不同的属和种的遗传路线。他也把德国胚胎学家们的研究融汇到达尔文的体系里去，特别是在他的《人类的历史》（公元1874年）一书里。在这本著作中，海克尔恢复并扩大了迈克尔的生物发生原理，即认为个体生物在其胚胎发育过程中经历了它的种族进化的几个主要阶段。海克尔引用了许多材料去支持这个原理。他指出，人从一个单细胞的卵而开始生命，因此最早的动物一定是象单细胞的原生动物。卵发育成为一个球状的细胞群，如团藻属；它在进化的系列中一定是第二个出现的。细胞的球然后内陷进去而成为环状的双壁原肠胚，类似某些海绵的成体形状，因此出现在团藻属之后。原肠胚拉长了，它的里面形成肠腔的初始状态，并在细胞的外层即外胚层与内层即内胚层之间，产生了新的细胞层，即中胚层。这三个细胞层接着生出成年动物体的各种器官，内胚层形成肠管，中胚层形成肌肉，而外胚层则形成结缔组织和神经系统。生物发生原理规定个体生物重演其种族的历史，促进了胚胎学的的研究，不过海克尔陈述的这种形式，却不再为人们接受。壁如说，植物界就没有观察到有这样的一种重演。但是，海克尔和其他许多人作出了一件有价值的工作，即把德国人关于形态学、胚胎学以及细胞学说的研究融汇到达尔文体系中去，因为达尔文本人仅仅接触到这些学科，而他的许多见解主要是以死绝物种的地质分布以及活的物种的地理分布为根据的。
在十九世纪的著名的德国进化论者中间，海克尔也许是最接近达尔文原来的观点的一个。自然哲学当时在德国仍然很有力量，而且导致了其他进化学说的出现，其中有一个学说的影响很大。这个学说是由卡尔？耐格里（Carl Nageli，公元1817－1891）提出来的，他先后在弗赖堡、苏黎世和摹尼黑等大学担任植物学教授。他在奥肯和黑格尔门下学习过自然哲学，并在日内瓦跟德？堪多学习过植物学。耐格里虽然爱了达尔文主义的影响，但他从没有忘掉他早期老师们的一些观点──只不过给他们加上较为唯物主义的打扮。他于公元1884年出版了一本叫做《力学-生理学的进化论》的著作，把他早在公元1844年和公元1865年所提倡并发表过的观念加以发挥。耐格里主张植物和动物的细胞不是有机生命的一个基本单位，因为细胞具有一个已经分化了的结构。细胞由更小的单元即他叫做的“分子团”所组成，它们类似无机物的结晶体。无机物质与有机物质之间因此不存在有真正的差别。“分子团”通过物理的吸引力而聚在一起，并在有水存在时形成活的细胞。活的东西就是以这样的方式始终都在自然发生着，而且借一种具有机械性质的内在完善力时化成为高等动物。可是从一个物种到另一个物种之间并没有真正的过渡；猿在任何意义上都不是人类的亲属。人在很久以前就首先以一个简单的自然发生的单细胞动物开始。猿稍后一点也以同样方式开始，而猴则更加后些；今天的原生动物只不过是刚刚自然发生的。今天是猴子的动物将来就是人，而人到那时则会有更一步的发展。耐格里以这样的方式表达了自然哲学家们的观点，即认为生物物种具有一个共同的起源，但此外并无任何物质联系。一切生物起源于分子团，应该根据生物的内部历史发展离其起源的远近，而不应该根据其外表的相似，来对它们的特性进行判断。
耐格里认为达尔文没有圆满地说明，为什么具有一整套范围广泛和特征优良的高等动物会起源于低等动物。他觉得单独一连串的微小的有利变异还不够，有机体内部必须有某种内在的驱使力量才能产生这样显著的变化。耐格里并没有把这种内在驱使力量看成是生命的灵气，认为只是一种物理-化学的力，类似力学中的惯性。一个球将一直滚到它碰到障碍为止，而一个有机体也将以同样方式演化着，直到它碰到自然选择的障碍为止；自然选择砍掉了那些没有遵照进化的主要路线前进的物种。假如没有生存斗争的话，生物内部的自我分化力量将会产生大量的不同生物种类，使地球居住不下，但是通过自然选择的作用，只有那些能活命的生物种类才被保存下来。耐格里认为进化不是一个渐进的和连续的过程，生物的内在力量按照黑格尔辩证法的范畴运动着，它是在飞跃。所以进化是不连续的，它是一系列的突变。实际上十九世纪末荷兰植物学家雨果？德弗里斯（Hugo de Vries，公元1848－1935）就是从耐格里那里获得关于生物突变的概念的。
在遗传学研究的另一点上，耐格里提出了又一个重要的建议，他指出两个亲体对于它们的后代的贡献都是均等的，但是雌性的卵总是比雄性的精子为大。因此只有一部分的卵会是决定遗传的物质，他把它叫做“细胞种质”（idioplasm）。耐格里主张“细胞种质”由串成链索的分子团所构成，而且是成年生物所具形状的唯一决定因素。因此进化主要是有机体内部力量作用于细胞种质而产生的不连续性变化，自然选择将不能活命的物种淘汰了。奥地利的植物培育家格里哥？孟德尔（Gregor Mendel，公元1822－1884）发现他的关于豌豆遗传学研究支持了耐格里的遗传粒子说，并把他的研究结果送给耐格里。但是耐格里说孟德尔的公式似乎是“依靠经验而不是依靠理性的”，所以不予理会。耐格里虽然比早期的自然哲学家较接近唯物主义，但几乎同他们一样都富于思辩的倾向。他宣称他的学说是合理的和德国式的，而达尔文主义只不过是英国经验主义的一个事例而已。
耐格里的有别于普通体质组织的遗传物质或细胞种质的学说，由弗赖堡大学一位动物学教授奥古斯特？魏斯曼（August Weismann，公元1834－1914）继承下来并加以发展。公元1892年魏斯曼发表了《论遗传及有关生物学的问题》，在这篇著作里他严格地区分了他称之为负责传递遗传特性的种质（germplasm），也就是耐格里的细胞种质与体质之间的差别。他指出，简单的单细胞动物通过本身分裂为二以进行无性生殖，因此，除掉不测的事变而外，它们是不死的。在高等动物里，身体是要死的，而只有由一代传给另一代的种质是不死的。在魏斯曼看来，种质是有机体的重要部分，它决定体质的形状和特征，而体制则供给种质营养使它自行繁殖。可是驱体本身对于种质没有影响，因此驱体在环境影响下所获得的性状不能传给后代。魏斯曼试图用割断若干代老鼠的尾巴来证明这种情形，指出鼠的后代生下来时都有尾巴。他把这项实验来批驳拉马克的观点，虽然拉马克本人就说过断肢是不能遗传。
魏斯曼驳斥了耐格里关于有机体内部的生命力量愈来愈完善的变异理论。他认为变异是由两个不同的种质，一个来自母体，另一来自父体，结合而产生的。但是后代不可能有任何一个亲体双倍的种质，因此他早在公元1887年就主张每一个亲体的种质在形成卵或精子时分裂为两半。这样一个卵和一个精子的结合就给予后代与其任何一个亲体同样多的种质。这一种关于成熟分裂现象的预言，是在用显微镜从经验上充分考察出来之前许多年就作出的。魏斯曼还进一步主张种质是包含在性细胞核内的线状染色体里面的，种质由叫做定子的单元所构成，每一单元掌管有机体的一个特定特征。这一建议又是在染色体负责遗传特性获得不少证据之前若干年作出的。
魏斯曼的见解受到新拉马克学派特别是英国的赫伯特？斯宾塞反对，他们主张雄性和雌性种质的各种不同结合不会在后代产生重要的变异，尤其是不能产生新的质的变异。斯宾塞认为这种变异只可能由在环境变化影响下获得的新特征通过拉马克的遗传过程产生。我们已经看到，斯宾塞属于中期维多利亚时代，他对进步有着坚定的信念。魏斯曼则属于这个时代的晚期，而且属于另一个国家，在那里，进步信念并不那么显著。他的学说强调“种质的连续性”，完全是建立在有机体已经具有的特征的保存上面，而不是建立在斯宾塞感到兴趣的新的有利变异的起源上面。魏斯曼写道：“最可惨的一件事是，几乎没有一个例子可以使我们说某一种变异空间究竟是有用还是无用。看来我们没有一点指望能够做到这样。”
魏斯曼的学说在德国普遍得到承认，甚至这些学说在实验上没有得到许多支持之前就已如此；有些作者把这一事实归之于魏斯曼的见解同当时德国流行的种族学说正好合拍的缘故。生物学家帕特里克？格迪斯（Patrick Geddes，公元1854－1932）在他同另一个生物学家阿瑟？汤姆生（Arthur Thomson，公元1861－1933）合写的《进化》一书中，于总结十九世纪的发展时谈到，每一个关于生物进化的主要学说似乎都是“时代的社会变革”总体的一部分。他写道：“因此在法国政治革命达到顶峰，在英国工业革命达到全盛期，这两个事件通过拉马达和达尔文而表现出来，比这两位思想家中的任何一位所梦想的，或者他们各自的阐释者和信徒们所认识到的，都要更清楚些。……拉马克所解释的关于用与不用的效果，他之坚决强调有机体有实现其最大限度能力的内在自由，只不过是社会进步通过废除陈腐社会秩序所采取的新步骤，是开展在新社会秩序前的新自由。‘职业解放才能’（‘La carriere ouverte aux talents’）是纯粹的拉马克主义；拿破仑英雄诗篇中的光辉的过分自信就这样又出来了：”每个法国士兵在他的背包里都带有元帅的指挥棒‘[意指每一个士兵都具有将帅的才能]，但是典型的英国式思想里的那种比较冷静的实事求是观点，却克服了这种政治上和军事上的夸大；机械的效率，个人的成就，以及发财致富等理想，象他们经常做到的那样，超越了自由志愿和皇室勋绩之上，……既然’竞争是贸易的生命‘，为什么竞争不也是’生命‘的贸易呢？然而尽管进化具有这一切经济应用上的新鲜气息和生命力，人们对这些自然学者的发现的社会根源，大体上还普遍存在着，而且现在还存在着一种天真的忽视。这同样地存在在新达尔文的时代里。对于魏斯曼有着共同的以及真正的敬仰，我们两人中间的一个曾经一再充当他的著作的翻译者和编辑者，另一个则敢于提出了那位广博和公正的思想家从未料到的少数批评之一，即他自己的种质学说同他当时的德国思潮，也同普鲁士的胜利及霸权，同德国贵族新提出的要求，特别是普鲁士的从政治上和人类学上携手起来的种族学说，同这些之间存在着的平行关系。戈比脑伯爵（Count Gobineau）的广泛传播的学说，是有意识的和自供不讳的生物-社会学说；这个学说在普鲁士的凌驾一切的行动世界和魏斯曼在思辨倾向、生物学扶摇直上的地位之间采取了一种中间措施。所有这些运动全都在霍斯顿？斯图尔特？张伯伦（Houston Stewart Chamberlain）的文章里有其雄辩的但决不是科学的吐露；张伯伦的文章之所以在德国这样风行一时，就是这样获得并得到说明的。“
戈比脑伯爵是一个法国人，他于公元1853年发表了一篇《人种不平等论》。霍斯顿？斯图尔特？张伯伦是英国人，不过是在德国长大，并且用德文写了《十九世纪的原理》，于公元1899年出版。这两个人持有这样的意见；各个不同的人种是固定不变的类型，相互之间有很大的差异。他们相信雅利安人是最优秀的人种，是这个人种单独建立文明社会，他们是其余人类的天然统治者。他们主张，雅利安人种同低劣的人种的混种繁殖将导致人种的退化。这种观点被认为是得到魏斯曼学说的支持的，因为每一个人种的特性，据说都具备在其成员的不死种质之内永远存在下去。还有，魏斯曼强调达尔文学说中的竞争因素，即他称做的“自然选择万能”──这就使得强的民族和种族统治弱的民族，作为最适者生存的一个例子，就成为理所当然了。在魏斯曼的教导中很少强调进化和进步的，他主张，除非自然选择不断淘汰亲体种质的病弱结合，一个物种便将发生退化。在十九世纪的最后十年里，人们对于进步的信念开始普遍衰退，而皮特-里弗（Pitt-Rivers）将军早些时候的一句格言：“历史是进化，而科学是有组织的常识”，到今天仍然被我们以怀疑眼光来看待。达尔文并没有完全在他的那一代的思想范围内活动，特别是他曾经指出过：寄生虫和退化的动物同高等动物一样是进化的产物，它们对于它们的多少有限制的环境是完全适应的。这个观念现在被强调了。在英国，雷？兰克斯特（Pay Lankester）于公元1890年发表了一篇关于《退化，达尔文主义的一章》的论文，在荷兰则出版了樊迪文（Vandervelde）于公元1895年写的《机体的及社会的寄生状态》的著作，以及德莫尔（Demoor）和其他人于公元1894年所著的《生物学上和社会学上的萎缩进化》。
科学学说的社会根源在历史上具有很大兴趣与重要性，但是一个科学学说本身的价值，则依赖于它和经验知识的符合程度。拉马克利用了十八世纪法国心理学家和社会学家的一些观念，取得某些成绩，这是对拉马克重要性的一种衡量。他把人与动物世界之间形式上的类比，加进了一个真正经验主义的内容。耐格里和魏斯曼的思辨性学说的重要意义，在于他们的一些观点给遗传科学提供了一个知识体系。达尔文的天才引导他利用他当时的英国的思想，或者更加明确地说，用马尔萨斯的观念去解释比拉马克所知道的要多得多的大量事实，并且在思想上多多少少超越了他的时代局限。在这样做的时候，达尔文提出了一个更具有根本价值的学说，因为这个学说能够把在其他国土上所进行的研究，以及在以后时间内作出的发现，都融汇进来。
[英]梅森
第三十五章 十九世纪法国和英国的科学团体
在十八世纪，法国和英国的自然哲学家们站在科学界的前列。正如我们在上面讲过的，他们的活动是相互补充的；法国人倾向于自然界的理论探讨，英国人则倾向于实验研究方面。但到了十九世纪，这两个国家在科学方法论上的分野基本上已经消失了，虽然这种分野的遗迹还继续存在着。在十九世纪最初的几十年中，法国人是世界科学的领导者，但他们的努力没有能维持多久，到了十九世纪五十和六十年代，英国人又一次领先。只不过英国人也不能保持他们的领先地位，因为到了十九世纪末叶，德国在科学方面已经超过了法国和英国。
法国科学性质上所起的变化，以及它在十八世纪后半叶的迅速成长，和法国大革命所发生的一切关系极大。法国科学家们把他们的活动引向实际目标，这好象使他们对实验的兴趣比以前更大了，同时他们在十九世纪早期还创立了一些科学团体，使科学家的才能得以培养并发挥出来。法国革命家向法国科学家提出的第一个实际问题，是在法国全国范围内统一度量衡的问题。在十八世纪，法国的度量衡往往随地区的不同而不同，譬如说，一米在巴黎是100厘米，在马赛是98厘米，在利尔是102厘米，在波尔多是96厘米。由于塔列兰提出了要求，巴黎科学院在公元1790年成立了一个由拉普斯、拉格朗日、拉瓦锡、蒙日和其他人所组成的委员会研究这个问题。次年，这个委员会向法国国民议会提出了一份报告，建议米的自然标准是地球圆周四分之一的一千万分之一，而一克的重量应规定为一立方厘米的水在摄氏四度时的重量。于是国民议会设置了一个统一度量衡总局去实现这些建议，以便“结束度量衡的骇人听闻的混乱情况”。天文学家德朗布尔（Delambre，公元1749－1822）和梅尚（Mechain，公元1744－1804）用三角测量术测定了敦刻尔克和巴塞罗纳之间的距离，以便来量度地球圆周的四分之一的弧线，他们的测定完成于公元1799年。
吉伦特派被推翻而雅各宾派在公元1793年上台以后，法国大革命变得更激进了，旧的团体和组织，包括巴黎科学院在内，都被封闭。许多和旧政权有关的人或吉伦特派中人都被处死，特别象管理税局的拉瓦锡或反对雅各宾派的巴黎市长、天文学家巴伊（Bailly）那样的人。巴黎科学院秘书孔多塞，因反对国王和其他革命行动，本来也在被捕之列，但他在拘票未到来之前就自杀了。审判拉瓦锡的法院副院长柯芬荷尔声称“共和国不需要科学家”，而另一个法官杜朗？德？迈兰也认为在法国“学者已经太多了”。在离开现在一百五十年前的时候提出对科学这样的看法，已经不现实了，正如写法国科学院历史的莫里在公元1864年所写的：“当时，用于国防的一切资源和材料如火药、枪炮和战备物资等等都很缺乏。兵工厂是空的，钢材已停止进口，硝石好久没有从印度运来。而正是那些被禁止活动的科学家们，能为法国满足这种需要。”
也正因为这样，所以国民议会后来又重新向科学家们提出解决这种技术上的需要问题。盖帕德？蒙日（Gaspard Monge，公元1746－1818）在此之前已经发展了在纸上绘出立体图形的投影几何学，这时对大炮的铸炼和钻孔技术进行了研究，并被任命为海军部部长。蒙日的友人、数学家拉扎尔？卡诺（Lazare Carnot，公元1753－1823）当了陆军部部长，他在任内赢得了“胜利的组织者”的称号。化学家富克鲁阿（Fourcroy，公元1755－1809）做了火药制造局局长，继承了拉瓦锡从粪便中提出硝石的实验工作。经管国家印染业的拜特洛（Berthollet，公元1748－1822）用他发现的氯酸钠作为硝石的替代品，还和另一个化学家莫尔沃（Morveau，公元1737－1816）发现了用氨氧化的方法人工合成硝石。
上述的各种贡献表明科学能够解决当时科学上的技术问题；为了促进科学的发展，法国人就改组了老的团体，并创立新的团体。公元1794年旧的皇家植物园改组为自然博物馆，原来植物园中不同级别的职位改为等级相同的九个教授职。公元1795年巴黎科学院改组为法兰西学院所属的三个部门之一，其余两个部门是文学，以及政治和道德科学。原来科学院的院士会议是由在贵族中指定的十二个名誉会员组成，只有他们才能当选为院长或副院长；此外还有十八个由科学院雇用的会员，他们和名誉会员一起共同负责新会员的提名和科学院的一切事务。另外是十二个院长助理，他们和许许多多的业余会员、退休会员和外国籍会员，都各有不同的权利和义务。法兰西学院的自然科学部门由六十名院士组成，他们对院务同样有发言权，只不过和老的科学院会员一样，他们仍然由国家付给薪金。
国民会议在公元1794年开设了一些军事学院和医学院，以及一个技工学校，后者是一个技术学校和博物馆。同时，国民会议还创办了一个名为“多种工艺学院”和一个名为“高等师范学院”的学校，两者在整个十九世纪中成为科学教育和研究的最重要中心。高等师范学院成立了四个月之后就关了门，直到公元1808年拿破仑重新开办了它以后，才变成一个重要的高等学府。但多种工艺学院从开办后就一直没有停过。公元1794年创办时它有四百名学生和由当时一些知名科学家所组成的教师队伍。数学物理由拉普拉斯和拉格朗日任教，蒙日担任几何学，拜特洛担任化学。在这些人的学生和继承者当中有物理学家如马吕斯、阿拉戈、彭色列（Poncelet）、泊松、柯西、萨迪？卡诺和化学家如盖-吕萨克、泰那尔德（Thenard）、福克林（Vauquelin）、杜隆和珀替等。在拿破仑时代，化学家同时也是教育部部长的富克鲁阿还设立了一些不那么重要的军事、医学和技术学院。拿破仑本人对有用的发明也设立了奖金制度来鼓励实际应用科学。他对那些继承了早期唯物论传统的思辨科学家如心理学家卡巴尼斯却不加以鼓励，甚至于公元1803年把作为他们据点的法兰西学院的政治和道德科学部门也封闭了。在拿破仑时代，法国科学变得更加注意应用和实验，也正是在这个时代，法国工业的技术有了突飞猛进的发展。
随着公元1814年波旁王朝的复辟，法国政界和时髦人士中兴起了一股明显的反科学思潮。这股思潮特别反对法国科学的唯物的和数学的传统，从而使以数学物理学家出名并取得一定的革命声誉的多种工艺学院于公元1815年被政府停拨经费。德？斯塔尔（de Stael）夫人和夏托布里昂（Chateaubriand）都喊出了他们对“整个一大窝数学家”的厌恶。诗人拉马廷（Lamartine）也写道：“数学是束缚人的思想的锁链，但我只要呼一口气，锁链就断了。”德国唯心主义和浪漫主义的“自然哲学”在法国相当流行，但是除了在生物学方面，它对法国科学并没有什么重大影响。多种工艺学院及其数学物理学家在整个王朝复辟时期照旧活跃，而在十九世纪法国得以保持下去的正是他们的传统。
法国国民会议在公元1794年创立的科学组织，使法国科学全集中在首都巴黎的学校里。十八世纪时，法国外省已经兴起了一些科学研究的组织，但是在十九世纪，巴黎却成了首都及来自外省的青年科学家的圣地。这样一来，外省的科学人才就越来越贫乏，为了使科学不致集中在巴黎一个地方，人们采取了一些措施，特别是在公元1870年成立了全国性的“法国科学促进协会”。另一方面，英国外省地区的科学活动则越来越突出，这主要表现在十九世纪地方性科学研究团体的创立。正如我们在上面讲过的，英国第一个这样比较历史悠久的团体是曼彻斯特文哲学会，这个学会的会议记录是从公元1781年开始的。随着是法国大革命和拿破仑战争的动荡不安年代，伯明翰的太阴学会就在这个时期垮了。但到公元1812年又成立了利物浦文哲学会，同样名称的学会也于公元1818年在利兹成立。四年以后在谢菲尔德也成立一个学会，而一个名为约克郡哲学学会的重要科学团体也差不多在同时诞生，后者不是地方性的而是全约克郡的组织。自此以后，各地区的科学和哲学学会每十年就要增加五个、十个、十五个、甚至二十个；结果在十九世纪终了时，英国各地总拥有一百多个这样的科学社团，每一个主要城市都有它自己的科学组织。这些团体大部分是由一些业余科学家、工业家和自由职业者所组成，他们都热中于促进知识进展和科学应用，尤其是要借助科学来发展他们地区的经济和文化。
设立于英国各地的科学社团，都各自拥有一百至五百个会员，这和十七、十八世纪的皇家学会会员的数目差不多，在那些年代里，皇家学会会员不但包括大部分对科学感兴趣的英国人，也包括了其他的一些人。因此，我们可以说，到了十九世纪，英国对科学积极而感兴趣的人至少增加了一百倍。此外还有一些专业和科学学会，如成立于公元1788年的林耐学会，以及地质学会（公元1807年）和化学学会（公元1840年），这些专业学会的会员和一般性的科学学会的会员很可能是交叉的。皇家学会的一些领导人对这种新的专业学会的成立侧目而视。当公元1806年有人提出要组织一个首都化学学会时，皇家学会会长约瑟夫？班克斯（Joseph Banks）就不以为然。据说他曾经说过：“我看得很清楚，这些时髦的学会最后将要剥夺掉皇家学会的一切，使这个老太婆连一块布都没得穿的。”
英国当时虽不缺乏业余爱好者的组织，但在十九世纪上半叶，训练科学家的机构好象还不存在。十八世纪成立的一些由不信国教者创办的科学和技术学校，在这方面起了可贵的作用，但到了十九世纪，这些学校大部分都转向狭隘的神学教育和训练。直到十九世纪五十年代，由于皇家调查委员会在公元1850－1851年间的努力，国会才通过改革牛津和剑桥大学教育制度的法案，同时在另外一些地方也成立了一些新的大学，这些大学主要是由当地的文哲学会培植起来的。伦敦大学和达勒姆大学分别在公元1826－1828年间和公元1832年成立，但是那些年代在英国进行科学教育的重要组织看来却是一些“技工学校”。比牛津和剑桥成立较后的苏格兰的大学具有更新的传统，早在十八世纪后期（公元1760年起），科学教学和研究就在格拉斯哥大学和爱丁堡大学，特别由约瑟夫？布莱克和他的学生们开展起来。公元1817年格拉斯哥大学化学教授托马斯？汤姆生在格拉斯哥大学设立了第一个供教学实验用的化学实验室，而后来被封为凯尔文勋爵的威廉？汤姆生，则于公元1817年就任格斯多哥大学的自然哲学系教授时，建立了第一个为物理学教学之用的实验室。凯尔文实际上是为科学教学奠定了新的方向和方法的人；他把实验当做训练科学家工作的一个组成部分。“技工学校”也发源于苏格兰。格拉斯哥大学自然哲学教授约翰？安德森（John Anderson），约在公元1760年为一些技术工人开办了科学讲座，他在公元1796年逝世的时候，把一部分遗产捐赠出来建立一所技工学校。直到公元1804年，这个组织的物理学教授一直是乔治？伯克贝克（George Birkbeck）博士；公元1804年他去伦敦大学教授自然科学。并且在1823年成立了伦敦技工学校。同一年，格拉斯哥技工学校开学，这个学校的教师队伍是由脱离了格拉斯哥大学的一些教员所组成的。在公元1825年，伯明翰也成立了技工学校，其他一些技工学校也在其他一些大城市随即建立了起来，结果到公元1850年左右，全英国就有了六百个这样的学校，学员总数达十万以上。多数的技工学校教育水平都相当高，事实上有人甚至说“它们在自然科学教学方面远远超过了牛津和剑桥”。伦敦技工学校后来作为“伯克贝克学院”达到了大学地位，而多数的技工学校则变为技术学院，或为技术学院所代替。
法国在公元1794年也建立了一个规模颇大的类似于技工学校的机械学校，这个学校还获得“具有巴黎大学水平的工业学校”的称誉。一个出身于美国的科学家和军人，在美国独立战争后来到英国的伦福德伯爵，认为这样的学校值得提倡并推广。伦福德在英国成立了一个名为“鼓励工业发展并谋取穷人福利事业协会”的组织。公元1799年他向这个协会的理事会提出应建立一个“公共团体，来传布并介绍有用的机械发明和技术革新的知识，并通过科学讲演和实验来进行与生活的共同目的有关的应用科学的教学”。捐款募得后，他在公元1800年就在伦敦创办了大不列颠皇家学校。公元1801年康瓦尔的一个药剂师的学徒亨弗利？戴维被任命为这个学校的化学讲师。在这个学校的实验室里，戴维进行了他的有名的电学-化学实验。和巴黎技术和工业学校不同，大不列颠皇家学校是靠私人捐助维持的，这种捐款开始并不易筹得。但是戴维有意使他的讲课迎合那些捐款的富翁，还为一些有影响的团体进行一些实验工作，使这个学校终于办了下去。在公元1802年和公元1812年间，由于农业部（这个部是在法国大革命后英国为解决进口粮食和副食品减少的问题而于公元1793年设立的）部长阿瑟？杨（Arthur Young）的要求，戴维在这个学校中开了农业化学课并在这方面作了实验。在“研究和防止矿井爆炸事故协会”的请求下，戴维发明了矿工用的安全灯。这样一来，大不列颠皇家学校的性质就改变了。它不再是伦福德所计划的那样的学校，而成为一个专业的科学研究组织，它举行的讲演主要是为了普及科学而不是为了科学教学。伦福德坚持要贯彻他的原来计划，但是其他理事不同意他的意见，经过几次争吵之后，伦福德就离开英国，移居到法国，并终老在那里。
大不列颠皇家学校为英国的科学发展增添了一股泉源，但是规模不大，在它开办后的三十年中，只有两个科学家和他们的助手在工作。这时候科学已变得越来越复杂，不大容易为一般人所理解，而实验工作也开始需要使用一些价格昂贵的仪器。科学和工业发展过程的关系也更加密切了，人们开始感到需要为科学教育和科学研究多提供一些方便。最先引人注意到这个问题的是对科学上的有关问题都很敏感的苏格兰人。爱丁堡大学自然哲学教授约翰？普莱费尔在评论拉普拉斯于公元1808年写的《天体力学》一书中就说到，当时在英国能够阅读拉普拉斯这本著作的人还不到一打以上。他指出在过去六、七十年里，差不多没有什么英国人发展了天文学的理论，这方面的工作完全为法国人所垄断。他写道：“没有其他什么东西阻止英国数学家们去参预与航海事业密切相关的月球理论研究，只是人们都意识到，他们在高等几何知识方面赶不上他们大陆上的弟兄。”
在十九世纪早期，英国人教授的数学并没有怎样超出牛顿时代的成就。在微积分方面，英国人还是坚持用牛顿的那种笨拙记号，对莱布尼茨提出并由法国数学家们所改进了的记号法则弃置不顾。约翰？赫舍尔、查尔斯？巴伯奇（Charles Babbage）和其他一些人，在剑桥大学做学生时，为了把大地上的数学介绍到英国来而成立了一个数学分析学会，他们的意图就是要纠正这种情况。巴伯奇建议这个学会又可叫做“为反对‘点-主义’（点是牛顿用的符号）并拥护‘α-主义’（α是莱布尼茨用的符号）而奋斗的学会”。当赫舍尔和巴伯奇等人在剑桥大学毕业后，他们还继续做这种批判工作。约翰？赫舍尔是第一个对当时英国科学作出全面批评的人，戴维后来也加入了他的行列，他并且预备写一部书谈这个问题，但在公元1828年没有写完这本书就逝世了。可是他和赫舍尔的主张还是传播开来，并为当时已担任剑桥大学的数学教授的查尔斯？巴伯奇在公元1830年出版的《论英国科学的衰退》一书在加以支持。巴伯奇认为，问题的根源在于英国科学研究大部分还只是一种业余活动，既没有得到国家帮助，也没有成为一种专门职业。他写道：“和其他国家不同，科学研究在英国还没有成为一种特殊的职业”，因为“在英国最能吸引人才的职业是法律”，所以“人材就被糟蹋掉了，弄得我们把一个渊博的科学家换成一个勉强过得去的律师”。他认为这种陈旧的业余传统是非常不适应的，因为数学现在“要求人们对它付出所有的精力，只有那些闲暇不受任何别的事情干扰的人才能进行研究”。巴伯奇号召成立一个关心科学发展的人的组织，并要求政府也注意这件事情。
巴伯奇的书引起人们纷纷议论，并受到批评英国科学现状的苏格兰学者们所欢迎。这些批评者写了好几篇讨论这个问题的文章，寄到公元1830年的《爱丁堡科学杂志》上发表，文章要求改革大学教育制度，因为据说法兰西学院的十九个英国通讯院士就没有一个在大学里任职。人们指出法国内政部每年付出的约一百五十万法郎作为科学和文艺团体的经费，但是英国政府却一个钱也不花，甚至把以前给科学家们的少量养老金也停止了。为此，他们对英国政府极端不满，《爱丁堡科学杂志》的主编科学业余爱好者、后来并被任命为爱丁堡大学副校长的大卫？布儒斯特还重复了以前人们提出的建议，认为应该把对科学感兴趣的人组织起来，以促进英国科学的发展。
英国的内政大臣罗伯特？皮尔（Robert Peel）爵士对这种批评感到很尴尬。他在伯明翰为詹姆斯？瓦特树立雕像的揭幕典礼上，竭力否认英国科学有衰退的现象，并一再声明英国政府对科学的进展并不是漠不关心的。他说，皇室预备对业余科学家所进行的实验进行补贴。对天文学家詹姆斯？索斯（James South）爵士，英国政府已付出了三百镑奖金，表明“国家是愿意为詹姆斯？索斯爵士的科学研究分担一部分庞大的费用的”，同时还表明“政府并不是对科学事业漠不关心”。
虽然如此，人们都感到这样的补助只碰到问题的皮毛，对发展英国科学算不上是什么重要贡献。因此人们就采取步骤成立一个把全国科学家组织起来并发展科学的团体。在这方面的首倡者还是大卫？布儒斯特。他在公元1831年说服了英国当时最大和最有影响的地方性科学研究团体之一的约克郡哲学研究会的理事会，召开一个名为“科学之友”的全国性会议。这个会议于公元1831年9月在约克郡召开，在会上成立了一个名为英国科学促进协会的组织。这个组织的第一任书记是化学家和在约克郡大教堂担任牧师职的弗农？哈考特（Vernon Harcourt）。哈考特当时提出，这个协会的目的在于：“为科学研究工作提供更强大的推动力和有计划的指导，使国民更加重视科学的目标，并排除一切阻碍科学进步的绊脚石，同时使国内国外科学家的交流日益增进。”
成立这样一个协会的想法，部分地是受到一个德国全国性的科学家会议的启发；公元1822年在德国自然哲学家洛伦兹？奥肯的倡议下，一个每年轮流在德国各个城市集会讨论该年科学进展的组织成立了；巴伯奇于公元1828年在柏林列席了这次会议。在会上他就想到英国也应该有这样的集会组织。英国科学促进协会的另一些发起人似乎是受到弗兰西斯？培根著作的推动，因为在第一届会议上许多人都提到了培根。培根在公元1626年出版的《新大西岛》一书中，曾经建议成立一个促进科学和技术发展的国家团体，这个团体的成员应该“巡视王国的各个城市”，而英国科学促进协会后来就这样做了。十七世纪时英国皇家学会的建立也是受到培根提示的影响的，但皇家学会后来逐渐失去它早期的生气，以致于公元1831年弗农？哈考特就敢于说：“先生们，我们必须承认皇家学会已经不再象我们现在这样，用各种努力来促进自然科学的发展了。作为一个组织，皇家学会已经简直不工作了，也不想去指导别人的工作。”
英国科学促进协会每年在英国的主要城市集会，有时也在英国属地的一个城市开会，每一届会议平均有两千人出席。在会议期间各个专业性学术研究会以及各地区的科学团体的成员得以建立联系，许多专业性和地方性团体都成为协会的集体会员，协会每年的年会上都有这些团体的代表出席。这样，英国科学家们就能够在更广泛的范围内对科学发展的问题得出比较一致的意见。这些问题有的是关于科学本身进展的，有的是关于发展科学所急需的外部条件的，如扩大科学教育和为科学研究筹备经费等等。关于科学本身的进展的讨论，对每一年的科学发展的全貌作出分析，这在十九世纪是起了重大影响的，因为这种分析不但指出进一步科学研究的出发点，并且有时还指出最有成功希望的科学研究的新方向。关于发展科学的外部条件的问题，协会主要的努力在于呼吁改革高等教育制度，这在公元1850年以后是收到一定成效的，但在使政府补助科学研究计划的问题上，协会的成绩并不大。直到公元1914年－1918年第一次大战时，政府才对后一问题加以注意，于公元1917年成立了科学和工业研究部。
协会本身对科学研究工作也作了一些小规模的资助，资金大都来自会员的捐献。捐款数目当然有限，因而需要对资助的研究课题仔细进行选择。我们发现某些学科得到的资助比另外一些学科更多一些。由于协会最能代表十九世纪英国科学发展的倾向，我们不妨把分配给各个学科的补助金数目，看作是当时对各种学科兴趣高低的约略指数。在成立后的一百年中，协会对科学研究的补助金共付出92，000镑，其中36，000镑用在物理和数学问题的研究上，18，600镑用在植物学和动物学方面，10，000镑用在人类学方面，7，500镑用在地质学方面，化学和工业各得4，000镑，至于生理学、心理学、经济学、地理学、教育学和农业科学的补助金则更少了。大部分补助金是用在物理和数学上，这事情并不奇怪，因为这两门学科在十九世纪起过、并且在当时看来还会继续起最重要的实际作用。此外，这两门学科都是从技术的科学研究中发展出来的，它们的原理和理论往往对技术和工业革新起了决定性影响。譬如说，蒸汽机导致热力学的诞生，反过来，电的理论又使电气工业成为现实。生物学科所得到的补助金数目也很大，仅次于物理和数学，其主要课题是物种的分类和新物种的发现，以及对动植物的解剖学、生理学、生态学等方面的研究。在这里，兴趣几乎纯粹是在理论方面，当时的主要研究课题是物种是创造的呢，还是演化而来的。十九世纪不大注意系统生物学的应用，很少根据实际需要来推动生物学的发展。当然，医学、农业和发酵工业也刺激了生物学的有些部门，特别如人类生理学、生物化学和微生物学的发展。地质学和人类学一起，在补助金的清单上名列第三位，人们对于这两门学科感到兴趣，原因是多种多样的。在十九世纪中叶，地质学成为一门相当重要的科学，首先是由于有了地质学的研究，才奠定了进化论的基础；同时地质学在勘探煤矿、金属矿物以及其他工业用的无机物方面，用处也极大。为了这种目的并为了保护国家在矿区采掘权方面所享受的利益，英国早在公元1835年就建立了大不列颠地质调查机构。至于人类学，在当时已牵涉到进化论的问题，原始人类的社会组织被看做是文明社会以前的发展阶段，关于这些阶段的研究，还和关于石器时代人类发展的考古学所得到的资料结合了起来。但是到了二十世纪初期，一些人类学家却放弃了考古学的研究，他们在研究原始社会组织时把原始社会组织看成静态的不变的“社会结构”，而不看作是人类历史发展的一个阶段，因而心理学、而不是考古学，就成了人类学的辅助学科。在实用方面，人类学被利用来作为了解和控制殖民地人民的工具，特别是十八世纪八十年代以后，当对殖民地的投资数目越来越多时，更是如此。英国科学促进协会在公元1881年组织了一个专门研究人类学的部门，并且从公元1886年起对埃及、印度、澳大利亚以及其他地方的土著民族的研究进行了补助。比起物理学、生物学，甚至人类学来，协会对化学的补助并不算多。比起工程学来，协会对农学的补助更少。当协会在公元1831年成立时，它就设置了一个工程学研究的部门，在十九世纪，协会对它的补助金共付出4，000镑之多，但直到公元1912年协会才设置了一个农学部门，在此以前，协会在农学研究方面的补助金一共只付出5镑。这里的一个有趣事实是，直到二十世纪开始，英国农业以及需要进行连续不断的研究工作的精细化学工业是比较落后和薄弱的，譬如说，英国那时十分之九的染料都是从德国进口的，虽然在公元1856的年英国人珀金就第一次发现了人工合成染料。
最后，我们还可以指出，由于它自身的努力，皇家学会在十九世纪三十至四十年代中也有了一定的改进。在十八世纪，皇家学会越来越象一个社交俱乐部，非科学家的院士人数增加了，以致在十九世纪初期，皇家学会中的科学家和非科学家是一半对一半。不但如此，非科学家还控制了这个学会，这种情况一直继续到十九世纪二十年代中戴维被任命为会长并增加了科学家院士名额时为止。不过，接替戴维的是律师柯尔彻斯特（Colchester）勋爵，后来又为乔治三世的王子塞萨克斯（Sussex）公爵继任。直到公元1847年，皇家学会院士才以科学家为主。公元1874年起规定贵族不享受参加皇家学会的特权，公元1902年规定枢密院顾问不得享受入会的特权，最后到公元1945年皇家学会才开始接受女院士。
[英]梅森
第三十六章 化学和物质的原子论
拉瓦锡的《化学纲要》在公元1789年问世之后，化学科学割断了与古代炼金术所保留的联系，而以近代科学的面目出现了。拉瓦锡强调化学进行定量研究的重要性，并与之相关联地引入了物质不灭原理；这一原理声称在化学的过程中，物质既不丧失，也不多出来，化合物的重量和原料的重量相等。他还恢复了前人的那种见解，即化学原素就是不能用化学方法分解为更简单的东西的那种物质；他说元素是“化学分析所达到的真正终点”，并把自己知道的二十三种可信的元素列为一张表。
拉瓦锡的新观点导致人们努力地在化学上得出几条经验定律。第一条是当量比例定律，是杰里米亚？李希特（Jeremiah Richter，公元1762－1807）于公元1791年提出来的，他是波兰布雷斯劳采矿公司和柏林烧瓷厂的一个化学师。李希特是哲学家康德的学生；他和自己的老师一样，认为一切自然科学都是实用数学的分支。根据这条铭记于心的原则，他发现和一块已知数量的物质B化合的一块物质A的重量，如果完全和同等重量的物质C化合，那末物质C也将与同样已知数量的物质B化合。经过这一发现之后，人们就列出一个当量表，说明化学元素相互化合的相对数量。
第二条定律，定组成定律，是由法国人弗灵契曼？普鲁斯脱（Frenchman Proust，公元1755－1826）于公元1797年提出来的。普鲁斯脱是马德里大学的化学教授。他发现不管一种化合物是怎样形成的，它所含各种元素的重量比总是一样，其比例就是元素的当量。法国多种工艺学院的化学教授拜特洛对这条定律的正确性争执了好几年，他认为化学化合物的成分变化无穷，并不是固定的。拜特洛比较注意的是化学变化的过程，而不是化学变化的产物；在钻研他自己关心的项目上，他预见了十九世纪六十年代物理化学家的一些发现。他指出某些化学反应是可逆的，而另外一些反应的产物的产率则视化学反应中原来所用的反应物的数量，和反应物与产物的相对溶解度或挥发而定。根据这些事例，拜特洛就总结说，一种化合物的组成在化学反应的过程中是逐渐改变的。可是普鲁斯脱却能证明，在化学反应过程中逐渐改变的是化合物的数量，而不是化合物的组成；还有，拜物洛所指的组成变化无穷的化合物，实际上是混合物。普鲁斯脱事实上是第一个把混合物和化合物明确加以区别的人，混合物的成分可以用物理方法分离出来，化合物的成分只能用化学方法来分解。
这些定律使化学家得以鉴别许多新化合物和新元素，并使他们由此导致了原子论，因为原子论为如何服从这些自然定律提供了说明。原子论作为一种哲学臆测，从德谟克利特的时期起一直就很流行。这个学说在古代后期和中古世纪并不怎样受到欢迎，但在文艺复兴时期又复活了，并且被结合在牛顿的机械宇宙观里。可是在十九世纪以前，原子论并没有被人们怎样积极地加以应用。牛顿曾经假定气体原子一般地是静止的，并以一种与距离成反比的力相互排斥，以此来解释波义耳的气体体积与压力成反比的定律。瑞士数学家贝努利于公元1738年假定气体原子作不规则运动，气体的压力只不过是原子对盛器壁的冲击，为同一定律提供了现代的解释。可是在十九世纪以前，原子论并没有被应用到化学上来，因为一般都认为化学家所研究的各种各样物质，都是由各方面都很相同的原子组成；正如波义耳在十七世纪注意到的，这种观点说明不了化学 变化过程的高度特殊性。
为了适应化学的需要，教友派科学家约翰？道尔修改了原子论，他于公元1803年在曼彻斯特文哲学会宣读的一篇论文里，初步地提出了他的理论的纲要，又在公元1808年出版的《化学哲学的新体系》中充分阐述了他的理论。道尔顿是从牛顿的气体由原子组成而原子的相互排斥是随距离的增加而减弱的观念开始的。道尔顿和其他一些人认为这种斥力就是热或者是当时所谓的热素，因为他于公元1801年就已经发现气体的压力直接随气体加热时的温度而增加。法国的盖－吕萨克（Gay-Lussac，公元1778年－1850）于公元1802年也观察到同样现象，后来发现法国查理（Charles）于公元1787年在盖－吕萨克和道尔顿之前就已经先提出了，以后这条气体体积随温度膨胀的定律就象现在这样叫做查理定律。道尔顿很注意气象学的问题，特别是大气性质的问题；在十九世纪初人们已经知道大气是由几种成分组成的，主要是氧、氮和水气。大气是均匀的，但是在道尔顿看来，如果气体相互排斥，空气的各个组成成分就应该分离出来。为了解决这一困难，道尔顿提出不同化学物质的原子并不是一样的：它们形成不同的品种，同一物质的原子相互排斥，但不同物质的原子相互并不排斥。因此他于公元1802年写道：“当两种有弹性的流体A和B混合在一起时，它们的微粒之间并不相互排斥；A微粒之间相互排斥，但并不排斥B微粒。因此加在一个微粒上的压力或者重量，完全来处与它相同微粒。”
这样道尔顿就得到他的分压力定律，即一个混合气体的总压力是每一种气体各自压力的总和。换言之，混合在一起的同不气体相互没有影响，正如道尔顿的朋友亨利说的：“每一种气体对任何别的气体说来都是一种真空”。
道尔顿的见解对于化学家说来，其重要性在于原子现在有了不同的类型，任何一种元素的原子都是一样，并且都带有这种元素自身的特性，而不同元素的原子则互不相同。道尔顿认为不同元素的原子在大小、重量和每一单位体积内的数目都各自不同，而当两种元素合成一种化合物时，第一种元素的每一个原子和第二种元素的一个或小整数个的原子结合在一起。道尔顿提出后面假设的理由是，他发现当两种元素结合成不止一种化合物时，A元素和B元素化合的确定重量总是简单的整数比。以道尔顿亲自研究的氮的氧化合物为例，他发现氧和一定数量的氮的合成比例总是1∶2∶4.这就是道尔顿在公元1804年发表的倍比定律，它使原子论似乎可信了。它还表明一种元素的原子并不总是和另一种元素的一个原子化合；在某些情况下，也可以同两个、三个、四个或更多的原子化合。
道尔顿指出，鉴别不同元素原子的一个重要特征是它们的相对重量，所以他在公元1803年以氢元素单位列出第一张这样的重量表。各个元素的当量重量，即对于确定化合物化合时的重量，它们可以由直接测量业决定，而且如果在所有相应的事例里能知道一种元素有几个原子和另一种元素的一个原子化合，就可以从这种测算推出元素的原子量来。当时还没有一种方法能估计出这种化合的原子数目，所以道尔顿只假定“当两种物体只能有一种化合形式时，那就必须假定这里的化合是二元性的，除非存在着某种与之相矛盾的原因”。也就是说，应当假定这种化合物只含有每一种元素的一个原子；这个假说后来证明不能成立。
盖－吕萨克于公元1808年为原子的化合数目给出了一个提示。他发现两种气体化合时，这两种气体的体积形成简单的整数比，而且如果产物也是气体时，它们和产物的体积也是简单的整数比。道尔顿认为两种元素化合时，它们的原子数形成简单的整数比，所以，这样看来很可能两种化合气体体积的比，和组成它们的原子的结合比是一样的。意大利都灵大学的物理学教授阿伏伽德罗（Avogadro，公元1776－1856）于公元1811年更进一步设想同样体积的不同气体，在同样的温度和压力下，含有同等数目的微粒。安培（Ampère，公元1775－1836）于公元1814年也提出同样的假说。阿伏伽德罗的假说引起了一个困难，即一体积的氢和一体积的氯化合时，产生了两体积的氯化氢，这就意味着氢原子和氯原子在化合过程中都分裂为两半。为了克服这一困难，阿伏伽德罗于是假定氢、氯和其他气体的元素微粒都是含有两个元素原子的分子，而当两种气体化合时，这些元素分子就分裂开来，形成每种元素有一个原子存在在于其中的化合分子，就象氯化氢中的氢和氯那样。
阿伏伽德罗的假说很可以为决定元素原子的结合数提供一个普遍的方法，但是直到十九世纪六十年代以前，它并没有为人们广泛接受，因为这个假说要求同一元素的原子应当合成分子。道尔顿和其他一些人都反对这种见解，因为他们坚认同类原子必然相互排斥，而不能结合成分子。还有，道尔顿自己就认为，不同种类的原子不但原子量不同，而且大小以及处于气体状态时每单位体积内的数目也不同。盖－吕萨克的结合体积定律意味着同样体积的不同气体含有同样数目的微粒，但是道尔顿开头却不相信这条定律的正确性。后来实验的证据逼得他接受盖－吕萨克定律，可是他始终否定阿伏伽德罗假说的正确性。
早期的原子论认为自然界的基本粒子是一式一样的，这种思想仍继续存在，甚至通过假定各种化学元素的不同原子全是由同样的原始物质组成和新的原子学说结合起来。伦敦皇家学会的亨弗利？載维写道：“古代哲学家认为物质只有一种，物质的各种化学性质就象其机械形式一样，都是由物质微粒的不同排列所致，……这种思想是卓越的，而且得到牛顿的肯定。”
如果以氢的原子量作为一个单位。有若干元素的原子量都接近整数，所以一个伦敦的医生威廉？普劳特（William Prout，公元1785－1850）于公元1815年提出其他元素的原子也是由数目各自不同的氢原子组成。格拉斯哥大学的化学教授托马斯？汤姆生（Thomas Thomson，公元1773－1852）如此地被普劳特的这一假说吸引住，以致他把自己测定的原子量全都修改为整数。可是瑞典人雅各？柏齐力阿斯和比利时人詹？斯塔司（Jean Stas，公元1813－1891）的研究，表明元素的原子量并不精确地是氢原子量的整数倍，虽则有些原子量很接近整数。
大约从公元1820年到公元1860年止，原子论在化学上的地位并不怎样突出。因为绝大部分化学家都愿意采用直接测量出的元素当量，而不采用原子量，因为原子量牵涉到原子合成数不确定的估算。由于人们拒绝接受阿伏伽德罗的假说，化学家就没有一种测定元素原子化合数的普遍方法，可是有些特殊方法却被人们发展出来，而为那些对测定原子量仍旧感兴趣的化学家们所采用，主要是柏齐力阿斯和斯塔司。这些方法使用起来非常有效，柏齐力阿斯在十九世纪三十年代制定的原子量表，和我们今天使用的非常相似，只有银和碱金属算是例外。盖－吕萨克根据他的化合体积定律提出，碰到气体元素时（但不是它们的化合气体），相同体积应当含有相同数量的原子。柏齐力阿斯接受了盖－吕萨克的原则，并倚靠这条原则给若干化合物定出其化学式，如现在所采用的那样。他认为一个水分子含有两个氢原子和一个氧原子，因为两体积的氢和一体积的氧化合成水。另一方面，道尔顿则认为一个水分子含有一个氢原子和一个氧原子，他根据的原则是把一切化合物都规定为二元化合物，除非有某种好的理由才会出现矛盾。
公元1819年，柏齐力阿斯的一个学生米修里希（Mitscherlich，公元1794－1863）注意到化学式相同的化合物具有同样的结晶形。这就是他的同晶形定律；依靠这条定律，柏齐力阿斯能够决定许多盐类的化学式和它们组成元素的原子量，不过米修里希后来证明他这条定律有许多例外。同年，杜隆（Dulong，公元1785－1838）和珀替（Petit，公元1791－1820）在巴黎发现，就若干金属而言，它们的原子量和比热的乘积是一个常数 ；所谓比热是使单位重量的金属升高一度所需要的热量。杜隆－珀替定律，使人们得以大致定出金属的原子量数值，但是柏齐力阿斯没有采用这条定律，认为它并不普遍正确。正由于他拒绝接受杜隆－珀替定律，所以柏齐力阿斯规定的银原子量和碱金属原子量与现代的数值不同，因为他认为这些原子的化合数是二，而不是如今天所认为的是一。柏齐力阿斯象盖－吕萨克及道尔顿一样，也否定可以为他的研究提供普遍准则的阿伏伽德罗定律，理由是他认为同类原子相互排斥，因此不能结合成分子。道尔顿曾经设想每一个原子都被一层热气包围着，使原子排斥相同的原子，但不干扰不相同的原子。柏齐力阿斯主张一种类似的但比较发展了关于原子的相吸和相斥的电荷学说，因为这时候，电化学的新分支已经发展，并为化学的亲合力提供另一种理论。
在十八世纪，电对生物的作用，特别是电激作用，引起人们很大的兴趣；同样，生物所显示的电现象，例如电鯆的刺人，也使人感到兴趣。意大利波伦亚大学的解剖学教授伽伐尼（Galvani，公元1737－1798）于十八世纪八十年代也研究了这样的课题，注意到蛙腿放在两块不同金属之间时，其肌肉－神经部分就会扭动。他觉得这是生物学上的一种电现象，蛙腿象电鯆一样会发出电来。他的同时代人，意大利帕维亚大学的一个物理学教授伏打（Volta，公元1745－1827），设想这可能是一种物理的电现象，而蛙腿只是两块不同金属连接起来产生电的一种敏感的验电器。伏打用一对对不同的金属进行实验，发现有些金属搭配起来比别的金属的效应大，这就支持了他的想法。他发现，采用一系列这样的金属对可以产生相当大的电效应，比得上磨擦发电机所显示的电效应，特别是把每一交替的金属对用酸润湿之后，效应更加显著。最后于公元1799年伏打发现把两块不同的金属浸在酸液里并把外电路联结起来，就会产生相当大的电流。这样他就发明了靠金属溶解在酸液里的化学作用发电的伏打电池。
在有了伏打电池可以随意发电之后，人们就看出反过来电也可以引起化学作用。在公元1800年，两个英国人尼科尔森（Nicholson）和卡莱色尔（Carlisle）用两根金属丝浸在水里通电，发现水就分解为水的氢元素和氧元素。次年，新被聘任来主持皇家学会化学讲座的亨弗利？戴维，着手对盐液和固体化合物类似的电解进行了一系列的研究。公元1807年，他电解了苛性碱，获得碱金属钠和钾，后来又得到碱土金属钙、锶、钡，这些全都是新元素。这些和其他一些研究使戴维得出下列的理论，即促使元素形成化合物的化学吸引力主要属于电性的，这也就是柏齐力阿斯从公元1811年以来所发展的一种看法。说也凑巧，德国的浪漫派自然哲学家鉴于化学化合物必然是两种对立的实体的联合，也以臆测的方式发挥了同样的见解，认为这两种对立的实体就是带有正电荷和负电荷的物体。戴维的朋友柯勒里奇（Coleridge，公元1772－1834）于公元1798－1799年游历德国，把谢林的学说带到英国，并在皇家学会讲授。戴维本人也多少是一个浪漫派，写了不少的诗，在当时还相当流行。
可是使化学亲合力的电荷学说能支持一个时期的还是戴维和柏齐力阿斯的那些实验研究。柏齐力阿斯注意到，在化学化合物被电解时，一组元素或者化学族──主要是氢、金属和碱类──都跑到电流的负极一头去，而另一组元素氧、非金属元素和酸类则跑到正极的一头去。他称第一组为正电性元素或正电性族，设想它们都带有正电荷，所以被吸引到电解池的负极去，第二组他称为负电性元素，因为他假定这些都带有负电荷。柏齐力阿斯认为化合是一种正电性元素和一种负电性元素的相互电力吸引所致，两者结合之后，两种对立的电荷就有部分被中和了。余下的电荷使这个化学族和另一组类似但电荷相反的化学族形成一个比较复杂然而比较松弛的化合物，这种复杂的化合物比其组成的族更接近于中性。这就是称为化合物二元说的观点；由于它假定有两种基本上不同的元素类型和它们的组合，它和阿伏伽德罗的假说是不相容的；因为同一元素的原子具有同样电荷，并相互排斥，所以同样的原子就不能如阿伏伽德罗所设想的那样形成二元的分子。
化合物的二元说在无机化学领域内并不是不适用的，因为当时知道的矿物化合物都是相当简单的，可以理解为带有相反电荷的元素或者元素组合的结合。无机化学在公元1790－1830年间，即地质学的“英雄时代”，发展得非常之快，因为地质学家发现了许多矿物可供化学家去分析。柏齐力阿斯自己就描述了在公元1810－1820年的十年间所作的制备、提炼和分析两千种以上的无机化合物的情形。在有机化学的领域内，情形就有点两样了。矿物化合物可以从它们所含元素的相对数量进行鉴别，但是有机化合物从一开头就可以看出是少数几种元素的复杂编排，主要是碳、氢、氧、氮，所以定量分析在鉴别这些化合物上并不能有多大成果。实际上，有些叫做同分异构的化合物，其元素成分完全一样，但性质则非常不同；同分异构体的特性看来并不是由所含元素原子的数目，而是由元素原子的排列决定的。这个问题在原子论于公元1808年被人提出的一开始，就被英国化学家武拉斯顿（Wollaston，公元1766－1828）预见到，但是直到十九世纪三十年代有机化学兴起以前，都没有受到人们太多的注意。
有机化学的发展和德国化学的兴起正处在同一时候，两个德国人，弗里德里希？维勒（Friedrich Wohler，公元1800－1882）和尤斯托斯？冯？李比希（Justus von Liebig，公元1803－1873）对这门学科作出了一些早期的重要贡献。在十九世纪早期的一、二十年中，大陆上名列前茅的化学家是柏齐力阿斯和盖－吕萨克。阿比希去巴黎企图进多种工艺学院跟盖－吕萨克学习，维勒则去斯德哥尔摩大学跟柏齐力阿斯学习。李比希和维勒对当时的矿物化学都很熟悉，但是他们研究的问题却接触到有机化学的边缘。公元1824年李比希造出一种化合物雷酸银，和维勒制成的一种化合物氰酸银在成分上完全一样，但性质却迥然不同。这种现象在有机化学上发现非常普遍，柏齐力阿斯也碰到同样的事例，所以他于公元1830年创造了同分异性一詞来描述他在洒石酸盐和外消旋盐中所发现的相似的情况。
公元1828年维勒发现了同分异性的另一事例。他制成一种主要被认为属于无机性的化合物氰铵，但是发现氰酸铵放在水溶液里加热后，却经过重排成为一种熟知的有机化合物尿素。在这以前，有机化合物只能从生物中找到，可是现在看来它们也可以从无机原料中制造出来了；维勒的这一发现使得当时流行的有机化合物只能由生物的活力产生出来的见解变得无力了。柏齐力阿斯直到公元1819年还以为有机化合物不遵守定比定律，而不属于正规化学所固有的，因为它们是活力的产物。现在有机化学和无机化学变得更加接近了，所以化学家们变企图把化学化合的二元说扩大到有机的领域里来。公元1832年李比希和维勒证明用苦杏仁油可以造出一整个系列的有机化合物，这些化合物都含有一个共同的有机基团和不同的无机基团，这种系列从形式上看非常相似于由一种酸和各种碱形成的一组无机盐。可是，看上去这种有机基团或者有机基可以和带正电荷的氢或者带负电荷的氧同样地化合得很好。还有，法国多种工艺学院的杜马（Dumas，公元1800－1884）于公元1834年发现有机基内部带正电荷的氢可以用带负电荷的氯取代，而且基本上不改变有机基或其化合物的化学性质。
二元说在有机化学里推行得愈远，情况就变得愈加复杂和混乱。维勒于公元1835年写信给他的教师柏齐力阿斯说：“有机化学当前足够使人发狂。它给我的印象就好象是一片充满了最最神奇事物的原始热带森林；它是一片狰狞的无边无际的使人没法逃得出来的丛莽，也使人非常害怕走进去。”
维勒自己就放弃了有机化学的研究，而回到他在斯德哥尔摩学到的矿物分析上去。但是李比希则坚持研究有机化学，并且训练了帮助解决这门学科的许多问题的第二代学家，例如本生、霍夫曼、凯库勒和维尔茨等人；为了研究化学，霍夫曼放弃学习法律，凯库勒则放弃了建筑学。李比希还否定了柏齐力阿斯的电荷二元说，而接受和这种学说对立的结构类型理论；这种理论是杜马于公元1840年提出，而为热拉尔（Gerhardt，公元1816－1856）和罗朗（Laurent，公元1808－1853）发展起来的；罗朗为了进行教学，在巴黎办了一个小的化学实验室。杜马提出，有机化合物的化学性质是由它们的特殊结构排列或者类型决定的，而不是由于组成它们的元素的电荷特性。他坚持一切具有同样结构类型的化合物应当显示同样的性质：一种元素可以置换另一种元素，但是只要结构排列的完整性保持不变，化合物的性质就不会有很大改变。杜马发现醋酸里四分之三的氢都可以代之以一种很不同的元素氯，然而得出的化合物仍保留醋酸的属性。但是维勒仍旧坚持他教师的二元说，讽刺杜马的理论说，应当可以用氯把醋酸里所有的原子都换掉，既换掉氢，也换掉碳和氧，这样化合物全部成了氯，然而仍保留醋酸的特性。
有机化学家一般都接受类型说，而那些一心想提高化学理论的矿物化学家则接受二元说。总的说来，十九世纪第二个二十五年中的化学家都比较不侧重理论，特别是无机化学家。甚至杜马在发展他的类型说时，也只采用可以直接测量的当量概念，而不采用原子概念。公元1840年他写道，具有同样结构类型的化合物，是“那些含有同数当量以同样方式结合起来，并具有同样基本性质的化合物”。但是类型说却重新刺激了化学理论的发展，因为要发现一个化学分子的结构，就必须知道它的组成原子的结合数目。这样一来，决定一种元素的一个原子可以和另一种元素的多少原子结合的问题，又被提到日程上来了，而在十九世纪早期这个问题大体已被人们放弃了。随着这个问题的提出，原子论复活起来了，它在当时已经退居到化学理论的幕后去了。
计算原子的化合数或者如他们所称的原子价的问题，由李比希的两个学生作了研究，首先是爱德华？弗兰克兰德（Edward Frankland，公元1825－1899）；他在公元1851年被聘任为曼彻斯特新创办的欧文学院的化学教授；另一个则是奥古斯特？凯库勒（August Kekule，公元1829－1896）；他在海德贝尔格大学、根特大学和波恩大学先后都担任过教职。弗兰克兰德研究了金属和准金属的有机化合物，于公元1852年发现每一种金属原子只能和完全确定数目的有机基团化合，这个数目他称之为元素的原子价或价。他看出元素分为具有同样原子价的许多族，例如，锑、砷、磷、氮，一般的化合数都是三或五。有机化合物中最重要的元素是碳，约从公元1857年起凯库勒就提出，每一个碳原子可以和四个别的原子或者四个原子团化合。在这个基础上，凯库勒设计了一些有机化合物的结构模型，并用这些模型来解释这些化合物的反应。可是这种原子价和结构的概念并不是恰当的定义，因为迄今为止还没有一个普遍的标准可以用来定出一个原子的化合数。凯库勒在公元1861年谈到这个时期时写道：“除掉关于重量以及气体体积有所谓定比和倍比定律外，化学至今还没有发现什么精确定律……全部的所谓理论概念都只是含有可能性或方便性的一些观点。”
这时候有机化学却发展得相当地快，而这门学科愈来愈需要有一种关于分子结构的理论，所以决定元素的原子价问题就变得非常迫切。德国的化学家，特别是凯库勒，于公元1860年在卡尔斯鲁厄召开了一个化学家的会议，企图解决原子价的问题。大概有一百四十名的化学家出席了会议。从法国来了杜马和维尔茨，从英国来了弗兰克兰德和罗斯科，德国是全体出动，李比希、维勒，和他们的几个比较重要的学生，科尔比、本生、凯库勒，从俄国来的是门得列耶夫，从意大利来的是坎尼扎罗。坎尼扎罗（Cannizzaro，公元1826－1910）充满了当时的民族感，断言他的本国人阿伏伽德罗约在半世纪以前就已经解决了决定原子价和原子量的问题。与会的化学家并不相信他的话，一直到会议结束，问题仍旧没有解决。可是坎尼扎罗印发了一本小册子，充分阐明他的见解，这些小册子代表们都带了回去。坎尼扎罗指出，根据阿伏伽德罗的假说，一个化合物的分子量是化合物蒸汽密度的两倍，在测量时以氢作为相对单位，因为氢分子含有两个原子，而不同气体或蒸汽在同样体积中含有同等数目的分子。蒸气密度是很容易测量出来的，因此含有同样元素的若干化合物的分子量也可以测量出来。坎尼扎罗论证说，这样某一元素的原子量就是这一元素在其一系列化合物中的最低重量，也是这个元素在其一系列化合物中重量的最低公差。
坎尼扎罗的小册子和遵循小册子进行的研究工作，不久便使大多数化学家相信阿伏伽德罗的假说是普遍正确的。开头人们认为这个假说有些例外，如杜隆和珀替的原子热法则和米修里希的类质同晶定律，但是这些反常现象被发现是由于这些例外的化合物在气体状态时分裂所致。阿伏伽德罗的假说给予元素以确定的原子量；在原子量确定以后，通过元素原子量等于元素克当量和原子价乘积的关系，就很容易确定各个元素的化合数。几种元素原子价的值一旦解决，它们化合物的结构模型就可以构造出来了。这些化合物的化学反应对这些结构提供了验证，而反过来这些结构又指明了可能出现的新化学反应。由于受过建筑师的训练，凯库勒很善于辨识化合物的可能分子结构；苯是六个碳原子和六个氢原子组成的，对于这个困难的分子结构，凯库勒于公元1865年提出了六边形环式。公元1848年，巴斯德分离出洒石酸的两种同分异构形式，后来又有些其他的旋光异构化合物发现。为了说明这些，勒贝尔（Lebel，公元1847－1930）和范霍夫（Van't Hoff，公元1852－1911）于公元1874年同时提出碳原子的四个价在空间里指向一个正四面体的四个顶角，为古典的分子学说作了最后的补充。这些旋光异构的化合物的两种形式的化学性质完全相同，所不同的是一种使偏振光线的偏振面向右转，另一种则使偏振面向左转。勒贝尔和范霍夫指出，在所有这些事例里，一个中心的碳原子可以接上四个不同的基团，而如果碳原子的四个价是指向四面体的四个顶角的话，这些基团就可以有两种不同的排列，这样就说明了同分异构性。
接受了阿伏伽德罗的假设，随着确立了元素的确定的原子价和原子量以后；这不但影响了有机化学，对无机化学也产生了影响。看上去各种同价的元素都形成天然的族或者组，这一事实使化学家开始注意到元素的分类。人们早已知道有些元素相互之间有联系，并形成一类。德国耶拿大学的化学教授约翰？多培赖纳（Johann Dobereiner，公元1780－1849）于公元1817年证明钙、锶、钡的原子量大致形成一种算术级数，而巴黎大学的巴拉（Balard， 公元1802－1876）于1826年发现溴时，就根据溴的化学性质预言氯、溴、碘将形成另一个算术级数，后来柏齐力阿斯证明这近似是正确的。在十九世纪的三十年代和四十年代原子论还湮没不彰时，这种根据元素的原子量对元素进行分类的工作并不怎样引起人们太多的注意，只有杜马试行根据元素的性质和反应把元素分为天然的族；他把硼、碳、硅放在一组，把氮、磷、砷放在另一组。
当元素的原子量和原子价最后在十九世纪六十年代被固定下来之后，有好几个把元素分为若干有联系的组的新尝试；主要是法国的坎古杜瓦（Chancourtois）于公元1863年，伦敦的纽兰兹（Newlands）于公元1864年，特别是德国的洛特？迈耶尔（Lothar Meyer，公元1830－1895）和俄国的门得列耶夫（Mendeleef，公元1834－1907）于公元1869年发表的那些分类。迈耶尔和门得列耶夫提出了周期律，确定元素的性质随着它们的原子量以周期性的方式变化着；他们并且列出一张元素的周期表来说明这条定律。早期的化学家企图把已知的元素进行全面的分类，纽兰兹就是一个最突出的例子；在这样做时，他们不得不把一些元素硬扯在不规则的关系里。迈耶尔，特别是门得列耶夫，强调指出周期表应当有些空白地位留给未发现的元素，门得列耶夫并且高度准确地预测了这些还没有下落的元素的性质，后来它们全部都被发现了。
周期分类法为寻找新元素提供了第一个理论上的向导。拉瓦锡知道的二十三种元素是依靠用反复地试探研究其特殊化学反应而发现的。实用化学分析变得比较系统化，而在用来分析地质学家所提供的矿石样品时，在公元1790－1830年间就发现了三十一种新元素。在公元1830年到公元1860年间，除掉莫桑得尔（Mosander）部分地分离出一些稀土元素外，新元素的分离和鉴定很少取得什么成就；莫桑得尔是柏齐力阿斯在瑞典乌普萨拉大学的继任者。可是在公元1859年，化学家本生（Bunsen，公元1811-1899）和物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，公元1824-1887）两人都在海德尔贝格大学创制了分光镜。有了分光镜以后，从火焰的特殊颜色就可以检查和鉴别化学物质了。本生用这种分光镜于公元1860-1861年发现了新的碱金属铯和铷。在伦敦，威廉？克鲁克斯爵士（Sir William Crookes，公元1832-1919）于公元1861年用分光法发现了铊元素，弗赖堡矿业学院的费丁南？赖赫（Ferdinsnd Reich）则于公元1863年从同样方式发现碘。寻找周期表上空缺元素的尝试提供了下一步的发现。公元1874年，法国的布瓦博德朗（Boiabaudran）发现镓，即门得列耶夫预言的准铝；而斯堪的纳维亚的化学家尼尔逊（Nilson）则于公元1879年发现钪，或准硼；最后是弗赖堡 矿业学院的文克勒（Winkler）于公元1885年分离出锗，或准硅。
周期表上元素的有秩序排列提醒了某些化学家，各种不同元素可能存在着某种共同的东西；它们可能来自同一根源，或者由同一基本物质的单位组成。普劳特善于不同元素的原子都是由整数个氢原子构成的假说又复活了，而且在十九世纪的最后二十年中，正如威廉？克鲁克斯爵士说的：“在科学界甚嚣尘上”。克鲁克斯在英国科学促进协会公元1886年的会议上提出，元素是由他称作不可分单元的某种原始物质发展起来的。他说普劳特假说含有真理，但是这种真理却为“我们没有能够消除的某些剩余的或者附带的现象遮盖起来了”。在英国，科学促进协会于公元1894年又召开会议时，索尔兹伯里勋爵（Lord Salisbury）断言在元素里面“并列族的发现指明存在着一个共同的来源”。1901年雷利勋爵（Lord Rayleigh，公元1842-1919）指出元素的原子量趋向于更加接近整数，这比指望这些原子量作任意分配的可能性要大到一千倍以上，这使得上述观点更为加强。因此他说：“比起许多普遍认为有问题的历史性事件来，我们有许多强有力的理由相信普劳特假说稍加修改以后，是一项真理。”
为了考察普劳特假说的正确性，雷利勋爵从公元1890年起在剑桥大学对各种气体的密度作了一系列研究。在进行这些研究时，他于公元1892年发现大气里氮的密度比通过化学方法制得的氮的密度重。在所空气取样中的氮和其他活性气体除掉以后，雷利和伦敦的威廉？拉姆赛（William Ramsay，公元1852-1919）就得到一种少量的新气体；这种新气体在化学上呈惰性而且比氮要重，其比例是20：14.克鲁克斯检查这种气体的光谱，证明它和任何已知元素的光谱都不相同。所以它是一种新元素氩，是发现的第一种惰性气体。公元1895年，拉姆赛从铀矿石获得另一种惰性气体，被克鲁克斯又拿来作光谱检查。他证明这种惰性气体的光谱线和公元1868年日食时法国的詹森和英国的洛克耶两位天文学家在太阳的光球层所观察到的谱线是一样的；他们把这些谱线归之于太阳里的一种元素氦，当时在地球上还没有发现这种元素。最后在公元1898年，拉姆赛又从液体空气部分蒸发后的较重剩余部分里分离出另外三个惰气，氖、氪、氙；这种液体空气是英国的汉普森和德国的林德三年前首次制成的。
惰性气体被分离出来之后，化学元素的八个主要族或者类的发现就告一结束，不过由于这些族里有些元素尚未发现，所以仍留下一些空位。新元素的进一步发现，而且实际上化学的总发展，都愈来愈依靠物理学了。随着光谱学的进展，物理方法已经进入化学，而这门学科的一项发展，即亨利？莫塞莱（Henry Morseley，公元1888-1915）在曼彻斯特采用的Ⅹ射线光谱学，又最后廓清了一些关于稀土元素和其他重元素可能数目和剩余问题。元素的可见光谱就同它们的化学性质一样被发现为元素原子量的一种周期性函数，但元素的Ⅹ射线光谱线证明是和它们的原子量，或者毋宁说原子序数（即以氢作为一，元素在周期表上的序数），是线性相关的。公元1913-1914年，莫塞莱把元素直到铀为止的绝对数目定为九十二个，证明有十四种稀土金属，而且有七种比铀轻的元素还没有发现。
安东尼？贝克勒尔（Antoine Becquerel，公元1852-1909）于公元1896年在巴黎发现放射性，好象证实了化学家已经怀疑了有相当时期的一件事实，即元素都是派生地联系着的。新的放射性元素，诸如居里夫人（Mme Curie，公元1867-1934）在公元1900年分离出来的镭，就发现会自动分解为别的元素，而这些元素又会进一步衰变为更轻的元素。这些元素都被用化学分析方法分离和确定出来，这样就找出自然放射性衰变的三代元素族。可是，放射现象对物理学家说来更具有重大意义，实际上这种现象也主要是通过原子物理学冲击到化学理论上来的。从二十世纪的第二个十年起，理论化学在原子组成和化学化合这两个方面都变得愈来愈和原子物理学分不开了。在实用方面，原子物理学为化学家提供了新的素材，首先是普通元素的放射性形式，用来找出化学作用的变化过程，其次是比铀重的新元素，从而扩大了元素的周期表。
[英]梅森
第三十七章 光的波动说
在十八世纪，光学很少有什么发展。大部分人都接受牛顿关于光是由一道直线运动的粒子组成的观点，而对牛顿认为光的微粒的运动激起或者伴随着一种到处渗透的以太振动的看法却被人们遗弃了。由于拉格朗日和拉普拉斯全面地发展了牛顿体系，而光的微粒说又被认为是这个体系的不可分割的部分，所以到了十八世纪末，光的微粒说的正确性好象完全肯定了。可是就在这个时候，德国的自然哲学家开始攻击牛顿哲学，特别是反对牛顿的光学理论。那些自然哲学家认为各种光谱颜色并不合成白光。在他们看来，各种颜色都是光与暗冲突的结果。白光本身并不是由运动的粒子所组成，它不过是以太中的一种张力。这些自然哲学家的想法都带有高度的臆测性，对光学直接的影响很小，但它可能使光学研究从物理学角度转到生理学方面来，因为他们认为眼睛所产生的光学上的错觉和其他光学现象同样真实，而且同样值得研究。
这些自然哲学家的理论可能是牛顿哲学的一种更广泛反抗的征兆，因为惠更斯的光的波动说在公元1801年就被伦敦物理学家托马斯？杨重新提了出来，虽然当时并没有什么支持这个学说的新证据。托马斯？杨声称：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”
托马斯？杨和他同时代的科学家道尔顿一样，都出身于教友会会员的家庭。他学的是医，后来在外科医生约翰？亨特（John Hunter，公元1728－1793）下面在伦敦研究生理光学的问题，托马斯？杨证明眼睛适应不同距离的物体是靠改变眼球水晶体的曲度。他设想眼网膜有几种不同结构分别感受红、绿、紫的光线，并以此说明颜色的感觉和色盲现象。
托马斯？杨继续在爱丁堡、剑桥以及最后在德国的哥廷根从事医学研究，在德国他看出有理由恢复光的波动学说。他在哥廷根的博士论文里，提出一个关于声音和人的语言的论题。在这个题目下，他联系自己早期的光学研究，提出声和光都是波的振动，颜色和不同频率的音是一样的。人们都公认声音是沿着声音传播的方向的空气中的波动，而托马斯？杨假定光也是一种到处渗透的发光以太中类似的纵向振动，正如惠更斯在他以前所主张的那样。他指出一个弱的光源发出的光和一个强的光源发出的光，走得同样快，这一事实用光的波动说来解释要比用光的微粒说来解释容易。人都熟知两道声波或者水波可以相互干预，所以托马斯？杨就作了一项实验使两道光线互相重迭和干预，从而产生交替的黑白条纹，说明一道光线可以加强或者抵消另一道光线。根据波段的间距和仪器的大小，他可以算出光波振动的波长，得到波长约为一米的百万分之一。由于光的振动波长比照见的物体的尺寸小得多，所以他指出光将沿直线走动，并能投出清晰的影子。他知道光线确能在某种程度上绕过不透明物体的边缘，产生边缘带颜色的影子和相互干扰的效果，这些在十七世纪都曾经为格里马第和其他人研究过，托马斯？杨举出这些现象作为事例以证实光的波动说。在完成了用光的振动说解释当时知道的光学现象之后，托马斯？杨和武拉斯顿证实了惠更斯在冰洲石晶体中所看到的双折射现象的分析是正确的。
光的波动说在英国的复兴。刺激了法国的牛顿学派，并推动了法国对光学问题的研究。拉普拉斯在对托马斯？杨答辩时，于公元1808年用光的微粒说对双折射现象作了分析。同年，马吕斯（Malus，公元1775－1812）在法国多种工艺学院，发现光反射时的偏振现象。这种效应是在光束碰到透明介质如玻璃时发生的，这时光束部分地反射出去，部分地透进去。马吕斯发现被玻璃反射并通过冰洲石晶体所看到的两个太阳影象具有不同强度，而阿拉戈（Arago，公元1786－1851）在多种工艺学院以同样方式察看透过的光束，也发现同样现象。这个问题后来由大卫？布儒斯特（David Brewster，公元1781－1868）在爱丁堡作了进一步的探讨，他证明当反射光线和透入光线相互成直角时，两者都偏振得很充分，即是说，不论研究的是反射光线或者透入光线，我们通过冰洲石晶体所能看见的影象只有一个。另外，他还找到了一条普遍的经验定律，描写两种光束相互不成直角时的偏振强度。
光反射时的偏振现象的发现，开头好象对光的微粒说有利。牛顿曾经设想的光的微粒有“边”，以此来说明光束通过冰洲石晶体时分裂为二的现象。现在看起来，好象光的微粒不同的“边”使得有些光透进透明介质，另外一些则在透明体表面被反射出去，从而产生偏振光束。托马斯？杨有一个时期认为这种现象和光的波动说是矛盾的，但是在公元1817年他看出如果光的振动不是象声波那样沿着运动方向的纵向振动而是象水波或者拉紧的琴弦那样的垂直于运动方向的横向振动的话，这个问题说不定可以得到解释。相对于光束运动的方向，可能有两种形式的相互成直角的振动，这样光的偏振就可以归之于这两种振动方式在玻璃面处被分开的结果，一种振动方式成为透入光线，另一种成为反射光线。托马斯？杨在公元1817年写给阿拉戈的一封信中提到了这个假说。在同一年，巴黎科学院悬赏征求阐述光折射现象的最佳论文，参与竞赛的有一位土木工程师菲涅耳（Fresnel，公元1788－1827），他和托马斯？杨并无联系，单独地企图恢复旧的光纵向波动说。阿拉戈把托马斯？杨的最近假设告诉了菲涅耳，菲涅耳就以托马斯？杨的假设作为应征论文的基础，在论文中他指出所有已知的光学现象都可以根据光是横向振动的波这个假设予以解释。
新的光波说引起了关于发光的以太，即光振动借以产生的介质的许多问题。菲涅耳在公元1821年指出，纵向振动可以通过气状介质传播，如声波通过空气传播那样，但是横向振动，就象胶质的抖动一样，只能在具有固体物质许多特点的介质中才能产生。人们很难设想一种凝固得足以传播横向光波，同时又能容许天体自由运行的以太。还有，巴黎大学的泊松（Poisson，公元1781－1840）在公元1828年指出，如果发光的以太是一种类固体，那末光的横向振动就总会伴随着纵向振动，这样就又增加了一项困难，因为纵向振动和横向振动一样，都将把光源中的能量带走。
大部分固体对压缩、延伸、扭转和弯曲都是抗拒的，而且可以认为固体并不一定同时具备全部这些性质，因此有可能设想一种假想的固体以太，它可以很容易地被压缩或者延伸，以允许天体毫无阻碍地通过；它又对扭转或弯曲具有弹性，以容许它传播光波的振动。
公元1845年，剑桥大学的乔治？斯托克斯（George Stokes，公元1819－1903）指出有些众所周知的固体，如沥青和蜡，就硬得可以传播抖动或横向振动，然而又能压缩或延伸。发光的以太只要明显地具备这些综合性质就成了。他设想的另一个类比是一种溶在水里高度稀薄的胶质，这种溶液将容许物体通过，而且同时又能传播振动。公元1839年詹姆斯？麦古拉（James MacCullagh，公元1809－1847）在都柏林设想一种以太，这种以太的元素只抵抗旋转扭动的压力；据此，他就有可能根据力学定律解释一系列形形色色的光学现象。后来在公元1889年，凯尔文爵士（Lord Kelvin，公元1824－1907）在格拉斯哥对麦古拉以太的元素造了一个机械模型。他把四根棍子排成四面，每一个根棍子作为以对转向相反的回转仪飞轮的轴。这个模型可以抵御一切转动式的干扰，但抵御不了直向运动。
与此同时，法国多种工艺学院的奥古斯丁？柯西（Augustin Cauchy，公元1789－1857）提出了两种以太学说，企图根据以太在物体内改变密度或者弹性的假定，来说明光的反射和折射现象。在公元1839年，他又提出第三种以太学说，设想以太是易缩或滑动的，具有一种消极可压缩性，企图解决泊松在公元1828年指出的横向振动必然伴随振动的困难。柯西指出，在这种以太里，纵向振动的速度将是零，因此它不可能带走横向振动的任何能量。剑桥大学数学物理学派的创始人乔治？格林（George Green，公元1793－1841）指出这种以太将是不稳定的，它会不断地萎缩下去。凯尔文公元1888年重又考察了柯西的以太，设想它很象一种均匀的泡沫，没有空气，靠粘着在坚硬的容器壁上而不致坍下。这样一种以太，他认为，如果延伸到无限的空间，或者有一个坚硬的容器作边界，将不会是不稳定的。
到了十九世纪中叶，光的波动说已经取得很稳固的地位了；看来这个学说的最基本证据是由两个法国业余科学家，斐索（Fizesu，公元1819－1896）和傅科（Foucault，公元1819－1868）所提供的；他们在公元1849到公元1862这几年间测定了光在各种不同介质中的速度。在十七世纪，笛卡儿曾经表明，根据光的微粒说，光在密度高的透明介质中的速度就比在空气中快，而光的波动说则设想光在这种介质中应当走得慢些。斐索在公元1849年用一只旋转的齿轮测量光走过某一给定距离的时间，齿轮以一定的速度运动并让光通过某两齿之间的空隙，而在下一个间隙中回来。傅科在公元1850年和公元1862年用一只旋转的镜子，令镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。他们的实验结果都和布拉德雷在公元1728 年根据天文学所测量的光速值相符，而傅科的工作表明光在水中比在空气中走的慢，而且其比值等于水和空气的折射率之比，犹如光的波动说所预言的那样。
[英]梅森
第三十八章 电学和磁学的发展
与光学在十八世纪的缓慢发展形成对比的，是电学在这个时期的快速发展。十七世纪时，望远镜和显微镜的发明激发人们对光学问题进行很多研究人，但是在这以后不久就很少有什么新的推动力了。与此相反，电学却变得时髦起来，特别是在公元1745年发现了电震以及紧接着又弄清楚闪电就是放电之后。人们对电震所能起的活力作用作了过高的医学估价，有的人甚至认为电就是自然界的宇宙活力。例如，我们当还记得拉马克就把电和热看作是驱使生物进化的力量。美以美教派的创始人约翰？韦斯利（John Wesley，公元1703－1791）宣称“电是宇宙之灵魂”。德国的自然哲学家们也几乎持有这个观点，因为他们对电所显示出来的两极对立现象非常振奋。
电学的近代研究同磁学研究一样，可以说是都是从十六世纪科尔彻斯特的威廉？吉尔伯特的工作开始的。古希腊人已经知道琥珀显示电的性质，吉尔伯特则证明琥珀并不是唯一的这种物质，他发现玻璃、火漆、硫磺、宝石经过磨擦后，也能吸引纸屑和稻草。他指出电和磁是不同性质的力；磁力只对天然磁石和铁起作用，并使它们对着特定的方向；电力则能作用于许多种材料，并且没有一定的方向。在十七世纪，发明抽气机的奥托？冯？格里凯制造了一部可以产生大量电荷的起电机。他安装了一个能连续转动的硫磺球，用手或布片磨擦硫磺球来产生电荷。另一件重要的电学仪器是收集电荷的莱顿瓶，它和电震现象都是莱顿大学的皮得？范？马森布罗克（Pieter van Musschenbroek，公元1692－1761）在公元1745年发现的。马森布罗克将电荷从起电机中用金属线引出来，通到水瓶里，企图将电荷保留在瓶里而不消失。他一手握瓶，另一只手触到金属导线，当他这样做时他感觉到“手臂和身体产生一种无法形容的恐怖感觉，总之我以为我命休矣”。
美国费拉德尔菲亚的本杰明？富兰克林（Benjamin Franklin，公元1706－1790）利用这些仪器进行了一系列研究，证明闪电是一各电力性质。在公元1749年，他指出闪电和电火花两者事实上都是瞬时的，并且产生相似的光和声；它们都能使物体着火，都能熔解金属；它们都能流过导体，特别是金属，并且都集中在物体的尖端；它们都能破坏磁性，或使磁体的极性倒转过来，又都能杀死生物体。他在公元1752年进行了那个著名的风筝实验，将雷雨云层中的电荷收集到莱顿瓶里，并且证明了这种电荷同起电机所产生的电荷在效应上是一样的。为了解释他所知道的电现象，富兰克林设想有一种没有重量的电流质，渗透整个空间和一切物质实体之中，如果物体内部的电流质密度同外部的一样，这个物体的电特性就是中性的。如果电流质过多，物体就带正电；如果电流质少了，物体就带负电。富兰克林认为光是充溢整个空间的以太的振动，与支持波动说的其他科学家，如在他以前的利昂纳德？欧勒，和在他以后的托马斯？杨一样，也认为空间中的电流质说不定和光以太是相同的东西。
圣彼得堡科学院的弗兰茨？埃皮努斯（Franz Aepinus，公元1724－1802）在公元1759年指出富兰克理论中的一个弱点，即如果在空气电容器的两极之间有电流质的话，那末它就会自动放电。埃皮努斯宁愿将电的吸引力看作是一种超距作用，就象万有引力一样。另一种反对意见认为，电荷好象集中在物体的表面，而不是如富兰克林的理论所设想的渗透整个物体。卡尔特修道院的一位领养老金的斯蒂芬？格雷（Stephen Gray，卒于公元1736年）在公元1729年证明了同样大小的两个橡木方块，一个实心，一个空心，在用同样的办法充电时所显示的电学效应是一样的。这就表明电荷全部集中在木块的表面。约瑟夫？普利斯特列在公元1767年做了一个类似的实验，证明空心的带电体对于空腔内部的电荷没有作用力，在这以前牛顿已经证明，如果引力是随着到引力中心的距离平方而减弱的话，中空的球状体对于空腔内部的物体就没有引力作用。根据这样的类比，普利斯特列得出电的作用力也遵守平方反比律的结论。在公元1750年，剑桥大学的约翰？米歇尔（John Michell，公元1724－1793）就已发现，同性磁极之间的斥力遵守平方反比律。他把一块磁铁用线悬挂起来，再用另一块磁铁推拒它，从线的扭转程度来测定斥力的大小。法国的工程师库伦（Coulomb，公元1738－1806）重新发现了米歇尔的扭秤，并在公元1785年到公元1789年间用它证明电和磁的吸引力和排斥力都遵守平方反比律。至少对于法国物理学家来说，这些发现似乎已经证明电力和磁力，都是与万有引力同类的力，都能通过空虚空间进行超距作用，又都遵守平方反比律。
德国的自然哲学家则是从另一个角度对电与磁发生兴趣，即对极化现象感到兴趣，因为这个例子好象完全证明了他们所假定的两个对立极之间的辩证张力或者使杂乱变为有序的力。因为在他们的哲学中，推动自然界发展的力量只有一种，那就是世界精神，他们认为光、电、磁、化学力都是相互联系的，都是同一事物的不同侧面。谢林的门徒之一，哥本哈根大学的物理学教授汉斯？克利斯提安？奥斯忒（Hans Christian Oersted，公元1777－1851）在公元1807年宣称他正在研究电和磁的关系。富兰克林在公元1751年已证明用莱顿瓶中的电荷可以使铁针磁化或退磁。但是莱顿瓶只能供给瞬时的电流，在公元1799年伏打电池发明后才为连续电流提供了电源，正是用了这种电源，奥斯忒才得以在公元1820年这种电流的磁效应。他证明一根通电的导线会绕着磁极旋转，反之，一个磁铁有绕一根固定的通电导线旋转的趋势。奥斯忒用他的学派所特有的术语写道：“我们将在导体中和其周围空间中所发生的这种效应称之为电冲突。看来所有非磁性体都能为这种电冲突透过，但磁性体则抗拒它通过，因此它们就能在冲突力量的推动下运动。……从上述事实，我们还可以推出这种冲突呈现为圆形的，否则就不可能发生这样的情形：将闭合导线的一段放在磁极下面时，磁极被推向东方，而放在磁极上面时，就被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质，其相反部分的运动方向相反。”
奥斯忒的发现引起人们很大的兴趣，因为当时知道的主要的力都是直线推拉性质，例如引力、电和磁的吸引和排斥，而奥斯忒现在却发现了一种旋转力。这个现象使法国牛顿学派的物理学家特别迷惑不解，因为他们最坚决地认为一切作用都是推力和拉力的超距作用的结果，并且都服从平方反比律。可是法国多种工艺学院的安培于公元1820年末证明，通有电流的圆形线圈象普通磁铁一样，有推拉的吸引和排斥作用。根据这一发现，安培在公元1825年提出一种假说，认为磁化的微粒中存在着很小的无阻抗的圆形电流，由此而产生磁性。
德国学派的另一个成员托马斯？塞贝克（Thomas Seebeck，公元1770－1831）曾协助歌德做过科学研究，他致力于寻找热和电的关系。在公元1822年他发现，如果加热两种不同金属的接点时，就会产生电势，如果电路是闭合的，就会有电流流过。塞贝克的这个热电源与当时的伏打电池不同，热电源产生的电势很稳定。另一位德国人，后来是慕尼黑大学的物理学教授格奥尔格？欧姆（Georg Ohm，公元1787－1854）在公元1826－1827年间用这种电源研究电路中的电势、电流和电阻之间的关系。欧姆是在傅立叶于公元1822年所发表的关于热流过导热体的研究工作的影响下从事这项工作的。欧姆将电势比为温度，将电流的总量比为一定量的热，希望能对电的流动作出类似的分析。
将电效应同其他现象联系起来的最重要的研究是迈克尔？法拉第作出的。他是戴维在伦敦的皇家学会的助手和继承人。法拉第开始是继续戴维的化学研究，但后来就越来越多地进入到物理学的领域。公元1826年他在研究丁烯和丙烯时发现了同分异构体的事实。在公元1833年他确定了相同的电量可以分解相同当量的化学物质。这第二个发现表明，如果化学物质是由原子构成，那末电池也应当具有微粒的特性。可是法拉第对于这个前提和结论都否定了，他宁愿采取这样的看法：“物质到处存在，没有不被物质占有的中空地带。”
法拉第的物理研究还有更重要的意义。人们早就知道，磁铁能使邻近的铁块感应带磁，也知道电荷能在邻近的物体中感应出另一种电荷。法拉第认为电流也应当具有这种效应。他从公元1822年左右起开始寻找这种效应，他先写下在自然现象之间的一系列可能联系，然后进行侦察，有的确实被他找到了。在公元1831年他发现电磁感应现象，证明一个电流可以产生另一个电流，这个现象把机械运动、磁同电流的产生普遍地联系在一起。他发现当一个金属线圈中的电流强弱发生变化时，能在一个邻近的线圈中感应出一个瞬时电流。如果将通有恒定电流的线圈（或者同样用一个永久磁铁也行）在第二个线圈附近移动，也会产生同样的效应。正如奥斯忒发现了电动机的基本原理一样，法拉第也发现了发电机的基本原理。
为了解释当时所已知的电磁现象，法拉第发展了一种具有他个人特点的世界图象。前面已经讲过，他反对物质的原子说，因而也否认力可以通过空虚空间而起超距作用的观念。法拉第认为物质是无所不在的，是一种象以太那样的连续介质，这种介质也就是传递自然界的各种力的媒介。按照法拉第的设想，弥漫全空间的以太是由力的线或力的管子组成的，这些线或管子将相反的电荷或磁极连结起来。在磁场中用小罗盘，或在一张纸上洒上铁屑，就可看到联结相反两极的线，因此组成磁场的线可以标志出来。对法拉第来说，这些力线和力管具有实在的物理意义。每一条力线相应于一个单位的磁性或一个单位的电荷。许多力线组成一个力管，它联结相反两极或相反电荷，力管在任一点的方向就是磁场或电场在该点的方向。力线从它们的源泉──磁极或电荷──发出，力管沿力线伸长方向的横截面先是增加，然后缩小。力管横截面的大小是磁场或电场在这个截面上的强度的量度。沿着力管的伸长方向，场强同截面积的乘积是个常数，其大小是由组成力管的力线多少所决定。法拉第假设力管在伸长的方向有收缩的趋势，而在侧向有扩张的趋势，因此联结异性磁极或电极的力管就 有将它们拉在一起的趋势。同性磁极或电极的互相排斥是因为它们所发射出来的力管不能联接，而是相互排斥，这是它们的侧向扩张趋势所致。法拉第还对电磁的吸力和斥力遵从平方反比律提出了一种解释，认为这是因为磁力线和电力线发出后，在几何上随距离平方稀疏起来。在电磁感应的问题上，法拉第提出在一个导体中所感应出来的电荷量决定于所通过的磁力线数目，所产生的电动势则同切割磁力线的速率成正比。
在发现电磁感应后，法拉第又对物体如何影响电力场进行了研究。在公元1837年，他发现用两块由绝缘材料隔开的导体板组成的电容器，同一个维持恒定电势的电源联接起来，就能取得一定的电量，而电量的大小则视所用的特定绝缘材料而定。当两块板由真空隔开时，电容器获得的电荷量要比用绝缘材料隔开时小。法拉第把电容器在这两种情况下所获得的电荷量的比称为绝缘材料的电容率。为了解释这项发现，法拉第设想绝缘体中的电力线要比真空中的电力线稠密，其稠密程度同绝缘材料的电容率成正比，因此电容板就在电力线的尽头容纳较多的电荷。在公元1845年，法拉第发现物体和磁力场之间也存在类似的相互作用。他发现许多被称为抗磁的物质，在做成条状时，在磁场中的取向就倾向于同磁场交叉，并与磁力线成直角。这种取向不同于铁条和另几种被称为顺磁性物质，后者顺着磁场方向，和磁力线平行。为了解释这些效应，法拉第假定磁力线在抗磁物质中变稀，在铁与其他顺磁性物质中变密。
法拉第是在研究光、磁、电之间的关系时，偶然发现抗磁现象的。他把一块玻璃放在一个强电磁铁的两极之间，看到玻璃取向与磁场正交。在用一束偏掁光顺着磁力线透过玻璃时，他发现光的偏振面有了改变。这种磁与光的相互作用使他在公元1846年伸出一个假说，认为光可能是沿力线方向的波动。法拉第问道：“在某种学说中用来解释辐射和发射现象的振动，是否有可能在力线中发生呢？因为力线连接微粒，所以也就将物质连在一起。如果接受这种见解，那末另一种见解所假定的作为这些振动发生的介质即以太，就不再需要了。”
法拉第提出的问题是向光的电磁学说迈出的第一步。光的电磁说是克拉克？麦克斯韦（Clerk Maxwell，公元1831－1879）在公元1862年提出的。推动这一学说的发展的是一系列对静电和电流关系的研究，特别是对电流速度的估计。伦敦的物理学教授查理？惠斯通（Charles Wheatstone，公元1802－1875）在公元1834年用一个旋转镜研究了长电路两端之间的火花以测量电流的速度。他估计的结果是电的速度相当于光速的一倍半。法国的斐索在公元1850年得出电流的速度在铁线中是光速的三分之一，在铜线中是光速的三分之二。最后，海德尔贝格的基尔霍夫在公元1857年证明，静电和电流是以一个常数相联系，这个常数的量纲是速度。他将两个静电荷的吸引力与他们放电时所产生的磁力相比较，证实了这个常数同光速的数值相同。
克拉克？麦克斯韦先是伦敦大学的自然哲学教授，后来到剑桥大学任教。他努力想将法拉第对电磁现象所作的大体上是定性的解释，改为定量的和数学的形式。麦克斯韦首先发展了法拉第力线观念的定性描述，引进了光的波动说中的以太。麦克斯韦设想力线是绕着自身的轴旋转的以太管，这种旋转的离心力使以太管向侧面扩张，向纵的方向收缩，就同法拉第为了解释吸引和排斥时所设想的一样。但是朝相同方向旋转的两个相邻的以太管，在接触点上的转动将是相反的，这个观念在力学上是不可能出现的。麦克斯韦于是再假设以太管之间存在着微粒层，这些微粒的转动方向与以太管相反，就象滚珠轴承或游轮的情况那样。如果所有以太管都以同速旋转，微粒的位置就不变；否则就有某一个微粒做直线运动，其速度等于管子两侧圆周速度的平均值。这样一来，如何通过某种手段使一个以太管的转动速度发生变化，就会在整个系统中把扰动传播开来，而微粒就会以直线运动从一个以太管滚向另一个以太管。麦克斯韦认为这些微粒具有电的性质，因而设想微粒这样运动起来就成为电流。
相反，如果有一个微粒偏离其正常位置，那就会在邻管上起一种切向应力作用，由于这些管子具有弹性，它们就将帮助偏离的微粒恢复其正常位置。麦克斯韦设想两块电容板之间的静电场中存在这种应变状态，板上的电荷使电微粒移位，微粒反过来又对两极之间的以太管施加应力。根据他的以太模型中的振动应力和应变的各种可能性，麦克斯韦就从制约这个模型力学的动力学规律推出波动式扰动在以太中的传播速度等于光速。所以，看来光是一种电磁现象，或者象麦克斯韦所说的：“光是引起电磁现象的那种介质中的横向波动。”在其他不同于空虚空间以太介质的物质内部，麦克斯韦证明，电磁波的传播速度应当等于光速和该物质的电容率的平方根的乘积，由于光在透明物质中的速度依赖于其折射率，因此一种物质的电容率看来应当等于其折射率的平方。这个预见后来得到了证实。
麦克斯韦并没有作许多实验来证实从他的理论上引伸出来的各种预见，也没有进一步从定性方面发展电磁以太模型以及假想的电微粒或电子观念。在他的晚期著作中，他抛弃了以太模型，专门研究他为以太中的波动式的扰动所推论出的数学方程式，并将这些方程式应用于光学现象。其他一些科学家，尤其是格拉斯哥的凯尔文勋爵，则以力学模型为基础，用类比的来解释所研究的各种自然现象，他们看到理解麦克韦的数学工作中的某些困难，就想用其他的以太模型将光、电、磁等现象总括起来。凯尔文在公元1884年写道：“在我没有能给研究对象建立起一个力学模型之前，我是永远都不会满足的。如果我能成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能。因此我不能理解光的电磁说。我希望尽可能理解光是什么，而不引进使我对光理解得更差的东西。因此我坚持要用简单的动力学来解释光，因为在力学上，而不是在电磁理论上，我能找到一模型。”
因此，凯尔文在公元1890年就想用麦古拉的光以太来解释光、电、磁的现象，这种以太的元素被假定为能抗拒转动应力，而不抗拒线性位移。凯尔文假定电效应是由麦古拉元素──以太──的平动（translatory motions）引起，磁现象是由转动引起，光是波动式的振动引起。可是麦古拉模型暗示着对透明介质施加电场将会改变光在介质中的速度，而这并不符合实际情况。在十九世纪下半叶还出现了许多别的以太模型，它们在解释当时的光、电、磁的多种多样现象上各有程度不等的成功。某些人甚至想将物质的各种性质都装进以太模型里来，例如在公元1867年凯尔文设想物质的原子是以太中的涡环，就象是空气中的烟圈那样的东西，但是用这种说法来解释物质的重量和密度却很困难。最后所有的以太模型，包括为这种假想的介质所提供的绝对空间，都不得不抛弃掉，因为后来证明一个物体的绝对速度，即其相对于以太的速度，是一种毫无意义的观念。
从光的电磁说所作出的一个最重要的推论在公元1883年为都柏林的自然哲学教授菲茨杰拉德（Fitzgerald，公元1851－1901）所提出。他指出，如果麦克斯韦的学说是正确的，那末用纯粹的电学办法使电路中的电流作周期性的变化，就应当能产生出电磁辐射。在公元1853年，凯尔文曾证实莱顿瓶和其他电容器的放电具有振荡特性，电荷在衰退到零时有上下的起伏。因此菲茨杰拉德提出，放电的电容器可以作为产生麦克斯韦理论所预言的电磁波的一个很好的电源，并指出波长越短，所载能量就越大，也就越容易侦测。
这样的侦测电磁波的仪器由海因里希？赫兹（Heinrich Hertz，公元1857－1894）在公元1886年发明了，他后来当了波恩大学的物理学教授。他发现，如果将一个导线回路放在一只放电的莱顿瓶或一个正在工作的感应线圈附近，在回路两端的短隙之间就越过电火花。莱顿瓶或线圈中的电磁辐射为回路取得，辐射转为电流，它通过电火花产生间隙放电。赫兹接着利用这个简单仪器进一步证明这种辐射具有和光类似的特性。在公元1888年，他证明电磁波在实验室的墙壁上发生反射，在通过硬沥青的三角棱时能够发生折射。此外，电磁波能象光波一样有衍射、偏振现象，在直线传播时，其速度与光速是同一个数量级。赫兹就这样证实了麦克斯韦的光的电磁说中的最重要预见，他所提供的这些基本发现也为以后的无线电广播和雷达的发展奠定了基础。
[英]梅森
第三十九章 热力学：能量转换的科学
关于能的各种形式，如热、光、电、磁、化学能和机械能之间关系的科学，是因研究磨擦生热和热通过蒸汽产生机械能而兴起的。在十七世纪，一些自然哲学家，其中较著名的有培根、波义耳、胡克和牛顿，都认为热是物体微粒的机械运动，运动的速度随着温度而增高。随着十八世纪化学的发展，热结果被看作是一种没有重量的物质，称之为热素。固体的融化和液体的蒸发都被看作是热质和固体物质或液体物质之间的一种化学反应。
按照热素说，磨擦生热是由于磨擦的两个物体放出了和它们化学结合或机械混合的物质，由之得出热量和产生热的磨擦量应该成正比。公元1798年，从美国移居欧洲的科学家伦福德（Rumford‘公元1753－1814）在慕尼黑钻造炮筒时，观察到产生的热量和钻磨量或多或少是成反比的。钝钻头比锐利的钻头给出更多的热，但是切削反而少，这和热素说恰巧相反，因为根据热素说，锐利钻头应当更有效地磨削炮筒的金属，并从中放出更多的与金属结合的热质。伦福德发现一只简直不能切削的钝钻头，竟能在二小时四十五分种内使十八磅左右的水达到沸点。这样多的热完全是由机械能产生的，因此伦福德的结论是热本身是机械运动的一种形式。
热的唯动说在当时并没有为人们广泛接受，不过伦福德却找到一个信奉者，那就是后来在皇家学会的亨弗利？戴维。戴维在公元1799年做了一个实验，在真空中用一只钟表机件使两块冰相互磨擦，整个实验仪器都保持在水的冰点。他断言有一些冰因机械磨擦结果而融化了，因此戴维根据这个实验设想热是“一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的种振动”。托马斯？杨在公元1807年提出一个稍为不同的热之唯动说，他根据赤热物体给出的辐射热和光谱红外区的热效应的研究，设想热或许是象光一样的波动。可是热之唯动说在当时很少有人支持；直到十九世纪五十年代，人们多半普遍接受的是热的物质说，即热素说。
与此同时，法国人正在研究控制蒸汽机把热变为机械能的各种因素。这些因素在英国人那里并没有人进行过充分的研究，虽则那时在英国使用蒸汽机已经超过了一百年。瓦特曾经画过一张器示压容图，用图示形式说明蒸汽压力如何随蒸汽机中汽缸的有效容积而变动，但是不论瓦特或者其他的英国科学家，那时好象都没有从这张图推论出什么来。英国的工程师，如瓦特，大都是自学出来的，但是十九世纪早期的法国工程师则是在多种工艺学院和理论科学家一同受到训练的，所以倒是他们比较能够从事蒸汽机理论和一般机器理论的研究。
法国的理论科学家和实用工程师都研究了热的问题，而且一般说来，他们两者都采纳了热物质说，把热素看作是一种没有重量的流体。属于多种工艺学院理论物理学派的傅立叶（Joseph Fourier，公元1768－1830）在公元1822年了《分析理论》，处理了热在固体中的流动，这是一种新的数学分析方法，也处理了笛卡儿曾经建议过但没有加以发展的量纲理论。傅立叶主要关心的是热的传导现象，根本不管热的机械效应。傅立叶注意到物体受热而膨胀并产生机械力，“但是当我们研究热的传播定律时，我们计算的并不是这些膨胀现象。”傅立叶事实上认为研究热现象是有别于力学的一门科学。傅立叶写道：“存在着范围很广的各类现象”，“都不是由机械力产生的，而完全是由于热的存在和积聚的结果。这一部分的自然哲学不能放在力学理论的下面：它有其本身所特具的原则，而且它根据的方法和其他精密科学的方法是相似的。”
另一方面，法国的工程师主要关心的则是热效应和机械效应的关系。在公元1824年，一位法国陆军工程师萨迪？卡诺（Sadi Carnot，公元1796－1832）发表了《谈谈火的动力》，企图分析蒸汽机和一般热机决定热产生机械能的各种因素。卡诺引起人们注意这样的事实，即蒸汽机里的热是从高温部分，即锅炉，流向低温部分，即冷凝器；在这个过程中，通过汽缸和活塞产生了机械功。在这方面，卡诺认为蒸汽机和另一种原动机水车是相似的。卡诺写道：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热素的量和我们可以称之为热素的下落高度，即交换热素的物体之间的温度差。”
两者的类似以及这种类似所根据的热素说，使得卡诺得出一个不正确的结论，即在蒸汽机操作的过程中，热并没有损失或者变为机械能。他认为高温锅炉放出的热量，和低温冷凝器所接受到的热量是相等的。可是这种类似也使他获得有益的见解，即一部蒸汽机所产生的能量，在原则上，完全依赖于锅炉和冷凝器之间的温度差和由锅炉传到冷凝器的热量。这样看来，一切蒸汽机和一切热机，如果在同样温度之间工作，就会具有同样的效率。他指出如果这个结论不正确的话，永动机就将是可能的，以此证明这个结论人，即熟知的卡诺原理。如果两台完善的热机在同样温度之间操作，不具有同样效率，那末效率高的机器就可能驱使效率低的机器反转，把热从低温抽到高温，这一来就会使热的状态保持不变，然而却连续地产生出纯粹多余的机械能。卡诺认为永动机是不可能的，因此他假定一切热机在同样温度之间操作，不管它们的操作方式怎样，或者用来传热和工作的材料是什么，效率都是一样，这就是说，不论这些机器是涡轮机或者是汽缸发动机，也不管它们使用的是蒸汽，是空气或者其他操作材料，效率都是一样。
后来，卡诺在公元1830年，在意识到他把蒸汽机和水车相类似并不确切，有一些热在机器操作过程中转变为机械能，因而就丧失了。因此他就放弃了热素说，而采纳热只是各种物体中许多微粒运动的看法，热和机械能可以相互转化和等价的。可是卡诺在公元1832年霍乱瘟疫中病故，而他记在笔记本中的后期见解直到公元1878年方才发表。卡诺的早期根据热素说的研究工作由另一个法国工程师，巴黎桥梁道路学院教授克拉佩龙（Clapeyron，公元1799－1864），加以发展。公元1834年克拉佩龙恢复了或者重新发现瓦特的器示压容图，它表明蒸汽机一次操作循环中压力怎样随着汽缸的容积而变化。他指出压力-容积图的面积为一循环变化所作的功提供了估计，而且他提出可以由所作的功和这一循环中所供应的热量之比来给出一台热机效率的测量。
卡诺工作的重要性通过克拉佩龙才被人知悉，直到十九世纪五十年代才普遍被人意识到；在当时，人们的注意力重新转到从机械运动和其他能源产生热的问题上来。在德国，这个问题是通过化学和生物学的观点来趋近的。拉瓦锡曾经证明热量和动物呼出二氧化碳量之比，大致上等于烛焰产生的热和二氧化碳之比。由此可见，热血动物的热好象并非不可能是从它们吃的食物燃烧的化学能产生的。过去在巴黎受过教育的李比希则设想动物的机械能，以及它们的体热，可能来自它们食物的化学能。德国科学家在这个问题上的意见并不一致，有些主张有机体的活动力是与生物所特有的一种活力有关。李比希的一个学生弗里德里希？莫尔（Friedrich Mohr，公元1806－1879）则采取一种机械观；据此他推出所有各种不同形式的能都是机械力的表现的见解。莫尔在公元1837年写道：“除了已知的五十四种化学元素外，自然界还存在着一个动因，这被称之为力；在适当的条件下可以表现为运动，凝聚、电、光、热和磁……热因此并不是一种特殊的物质，而是各种物体中许多最小部分的一种振动。”
这样的见解在公元1842年又被罗伯特？迈尔（Robert Mayer，公元1814－1878）提了出来。罗伯特？迈尔是巴伐利亚省海尔布隆的一个医生，当他在热带的一艘船上作医生时，他注意到病人的静脉血比他在欧洲看见的颜色要红些。他把这种区别归之于在热带条件下静脉血含有较多的氧，而氧所以多出来是由于提供体热燃烧掉的食物减少的缘故。这种现象看来支持体热来自食物化学能的见解，而且迈尔假定肌肉的机械能也来自同一来源，机械能、热、化学能都是等价的，并能相互转化。在回到德国以后，迈尔又进一步研究了这个问题。从本世纪初开始人们就知道气体向真空中膨胀，并不发生热的变化，但是气体反抗压力膨胀，就要作机械功，就要吸热。迈尔看出在第二种情况下，机械功是由所吸收的热产生的，两者是等价的，并且根据已发表的关于伴随气体膨胀的热变化的资料，他计算了等价于一定数量的机械能的热量。
迈尔的论文和原先莫尔的论文一样，被德国主要物理学杂志的主编波根道夫退回了，理由是论文里没有实验工作。这是波根道夫和其他德国物理学家的一个确定不移的政策，因为他们要避免那个时期自然哲学空论的倾向。迈尔的论文终于在公元1842年由李比希和莫尔主编的一个化学杂志上发表了；从他的论文看来，迈尔是有点象个自然哲学家，尽管他的那些臆测取得了肯定的成就。他论证说，力本质上就是因，由于因是不可灭的和转化为果的，所以可以推论力同样也是不灭的和可以相互转化的。迈尔写道：“运动在许多情况下只不过产生热效应，因而热的来源只不过是由于运动。”
另一个德国人也是从生物学的现象出发，得出各种不同形式的能可以相互转化和守恒的思想的，是哥尼斯堡的生理学教授，后来是柏林大学生理学教授的赫尔曼？赫尔姆霍茨（Hermann Helmholtz，公元1821－1894）。为了反对那些活力派学说，赫尔姆霍茨论证说，活的机体如果除掉从饮食取得能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那末它们就会是永动机。永动机是不可能的，这条原理因而就表明动物完全是从食物获得能的，食物的化学能被转化为等价的热量和机械功。赫尔姆霍茨进一步论证说，如果热和其他类型的能，其本身都是机械运动的各种形式，那末根据十七世纪和十八世纪确立的机械能守恒的定律，就可以得出宇宙总能量是常数的原理。赫尔霍茨关于能量守恒原理的第一篇论文，象莫尔与迈尔的论文一样，也被波根道夫退回，但还是在别处发表了。
建立能量守恒原理的实验，在英国是由曼彻斯特的一个酿酒商兼业余科学家詹姆斯？普雷斯科特？焦耳（James Prescott Joule，公元1818－1889）进行的。焦耳象迈尔以及其他人一样，深信能是不灭的，并能表现为各种形式，但是他和德国科学家不同，竭力想从实验上证明是如此；他系统测量了可以转化为一定数量热的各种形式的能量。他并且有一个全面的机械的物质世界的图景，深信热是各种物体中许多粒子的运动 ，因此热基本上和机械能是一回事。他对迈尔的自然哲学家的观点感到不能容忍，因为迈尔强调热的机械当量是一个纯粹的数字，它表达了能从一种形式转为另一形式的性质转换，而与热的机械说或任何理论模型无关。
焦耳首先研究的是电。电的研究当时进步得很快，但是焦耳和其他的大电学家戴维和法拉第不同，只集中研究电流的热效应。在公元1840年，他测量了电流通过电阻线发出的热，发现在一定时间内发出的热量和电路的电阻和通过电阻线的电流的平方成正比，这种关系就是熟知的焦耳定律。焦耳根据这一实验设想电能因阻力而转化为热了，不过他并没有忘记热有可能是一种物质即热素，并且是由电流从电路的这一部分输送到另一部分去的。公元1843年，他通过一台发电机封在盛水器里操作时所耗费的机械功，并以水温的增高测定所产生的热量，从而否定了后一种可能性。在这里，电路是完全封闭的，因此水温的增高是由于机械能转化为电，电又转化为热的结果，而不是由于热素从电路这一部分被输送到另一部分所致。焦耳在确定各种形式的能可以定量地相互转化之后，就精确地测量了用桨轮搅水时机械产生的热量，发现772呎磅的机械功产生并等价于使一磅水升高华氏一度的热量。
焦耳的研究并没有立刻引起注意。皇家学会拒绝发表他的两篇论文；对这件事焦耳并不感到奇怪，因为他知道皇家学会那些绅士科学家和工业区曼彻斯特科学家之间，在兴趣和价值观念方面都是不同的。可是到了公元1847年英国科学促进协会开会时，威廉？汤姆生（William Thomson，公元1824－1907）即凯尔文爵士注意到焦耳工作的重要性；汤姆生指出，焦耳研究的结果和法国工程师们精心建立的热机理论是矛盾的。焦耳的实验表明机械能是定量地转化为热，而法国的热机理论则指出这种倒转的变化不会发生的，热在蒸汽机里并不转化为机械能，而只是从高温降落到低温。
凯尔文开头采纳法国人的观点，因为看上去这种观点比较有利。在公元1848年凯尔文证明绝对温标可以基于卡诺的完善热机的理论来制定。到那时为止，温度是靠固体、液体和气体加热后的膨胀来测量，用同等膨胀的增量来估计同等温度的增量。可是根据不同测温材料所定的温标相互间并不完全一致。水银温度计和气体温度计就稍有不同，而且显然没有什么理由可以认为这种温度计的测量比别的温度计的测量更加基本。卡诺的理论指出一切完善的热机在同样温差之间开动，不管使用的工作物质是蒸汽，是空气，等等，其效率都一样。凯尔文因此提出在绝对温标上的同等温度增量，可以定义为温度的范围，一台完善热机将在这个温度范围以同等效能操作。后来在公元1854年，当热素说普遍被人抛弃之后，凯尔文就建议另一种绝对温标，根据这种温标，同等温度增量是一台热机产生同量功的温度范围；他并且指出这种温标和气体温度计的温标十分密切地符合。
焦耳、迈尔和其他人的观点都被在格拉斯哥的凯尔文和在柏林的鲁道夫？克劳胥斯（Rudolph Clausius，公元1822－1888）融合在热机理论里。他们注意到，当气体和蒸汽反抗外力膨胀，并完成机械功时，它们损失了热，有些热转化为机械能并在蒸汽机的操作中这样地损失掉。不同形态的能的守恒和相互转变定律的主要障碍现在被克服了，所以在公元1851年由克劳胥斯和凯尔文把这条定律作为一个普遍原理提了出来。当卡诺的热机在操作循环中热量减少时，同时却可以看出有一个量在整个循环中保持常数。热机给出的热量小于得到的热量，但是得到的热量除以热源的温度和给出的热量除以散热装置的温度，两者具有同样的数值。克劳胥斯在公元1865年称这个量为熵（entropy） .克劳胥斯指出卡诺的完善热机，正确说来，只是一种抽象，因为在日常经验中，热的物体倾向于自发地冷却，同时冷的物体则会热起来，但是如果天然物体组成一对卡诺热机，一只驱使另一只逆转，那末热的物体将永远是热的，冷的物体将永远是冷的。而在自发的热过程中，例如热传导沿着一根金属棒而下，则热量保持不变，温度却降低了。熵即热量除以温度，因此在自发的自然过程中倾向于增加，而不会如在完善热机里保持不变。这就是热力学第二定律。正如克劳胥斯说的“宇宙的熵趋于一个极大值”，热力学第一定律就是现在熟悉的能量不灭原理，“宇宙的能量恒定不变”。
克劳胥斯和其他人根据物质的原子论，对热力学的定律作了动力学的解释。气体是由运动的分子组成，气体的压力是分子撞击容器壁的结果，这个学说在公元1857年被克劳胥斯重新复活。气体的热能归属于气体分子运动的动能，这些分子的速度随着温度的增加而增加。在伦敦，麦克斯韦进一步发展了气体动力论，于公元1866年指出气体中分子的偶然撞击，将使少些分子具有比平均能量较多的能，而使另一少些分子具有较少的能。他根据概率计算出这样分子系集中比平均能量超出一定数量的能的分子的分数，这个结果后来在许多情况研究中很重要，如在化学反应或从液面与固体面逸出的分子，少数高能的分子就被设想能越过能垒并发生变化。麦克斯韦指出，对于一个能控制个别气体分子的人来说，热力学第二定律就不再保持，因为这样一个“妖”能够把快速运动的分子和慢速运动的分子分开，从而创造一种温差而不费能。凯尔文认为动植物可能包含有这种“麦克斯韦妖”，但是麦克斯韦本人认为生物和无机物体同样都遵守热力学定律。
按照原子论，热力学第一定律可以看作和早先的物体碰撞时动能不灭原理相同，因为热能等于物质分子的机械能。热力学第二定律则被奥地利物理学家路德维希？波尔茨曼（Ludwig Boltzmann，公元1844－1906）解释为能在自发运动，例如机械能转变为热或热体变冷，所涉及体系的分子倾向把能作混乱分布或麦克斯韦分布。这种分布是取最可几分布，这是最混乱或者是最无序的，而其他比较有序分布的几率比较小。因此一个体系中熵的自发增加，可以和这个体系的分子能的分布几率的增加联系起来，波尔茨曼在公元1877年证明熵是和这种几率的对数成比例的。
热力学第二定律和它的分子解释，给予时间的流逝以物理意义和方向，而这是牛顿力学体系一直没有的。原则上牛顿宇宙的力学是可逆的。从理论上说，一颗炮弹在击中靶子之后可以弹回，并循着原路折回到炮筒里来。根据热力学第二定律，这种不测事件完全是不可能的。炮弹的有序、单向的运动将会不断地被空气的磨擦阻力转化为热，这就是说，转化为空气和炮弹分子的混乱和无序的运动，最后在炮弹击中靶子时，有序的直线运动的全部痕迹全被破坏了，有序的运动转化为炮弹和靶子的混乱热运动。这样的变化是不可逆的：机械能在转化为热并且当热消散之后，世界上就永远不再受它的影响了。
能的自发消散率，例如太阳通过持续发射逐渐冷却的过程，就给出时间流逝的测量。凯尔文在公元1854年说过：“至于太阳，我们现在可以根据牛顿和焦耳的那些原理追溯和预测它的历史。”法国的鲍伊莱和约翰？赫舍尔于公元1837年独立地在好望角测量了太阳每年发出的热量。两人得出的数字非常一致；赫舍尔计算了太阳一年发出的热足以融化几百呎厚包围地球的冰层。迈尔在海尔布隆于公元1848年指出，如果太阳是一大块煤的话，那末按照这个速度，它就会在五千年之内烧光；而且他提示落到太阳上面和许多流星和小行星所含的动能，或许会为太阳每年的输出提供足够的热。英国的沃特斯顿在公元1853年独立地提出同样的假设，但是也指出如果同样密集的流星落在地球上，流星对地球的撞击就会使地球永远处在赤热状态。赫尔姆霍茨在公元1854年提出一个比较满意的假设，他设想组成太阳的大量粒子间相互的引力吸引，会使太阳收缩，从而使粒子的势能，即相互之间的引力，转化为动能，也就是说，转化为热。只要每年收缩不多的几百呎就可以说明太阳每年发出的热能，但是这一来就确定了太阳的过去和未来可能的年限。根据这个设想计算表明，太阳已经存在了二三千万年，而且还将有一千万年左右的寿命。
根据地球的冷却率，对地球的年龄也可以作出相似的估计。凯尔文在公元1862年指出，地球适于居住的年龄至多不能超过两亿年；到了公元1899年，他又把年限缩短为二千万到四千万年。这样的估计和地质学家根据按历史顺序排列的水成岩地层的总厚度，和江河三角洲新形成的水成岩成泥的沉积率定出的地球年龄的数值是相反的。地质学家按此估计水成岩的形成至少有两亿年的期限，有些地质学的计算，包括前期水成岩的形成时间在内，总计要达到四亿年光景。有些热力学家觉得地质学家一定搞错了。公元1866年凯尔文在格拉斯哥地质学会一次会议上说：“地质学理论中一场重大的改革，现在看来变得必不可少的了，目前英国流行的地质学和自然哲学的原理是直接对立的。”
赫胥黎于公元1869年在伦敦矿物学院回答说，地质学的证据象物理学的证据一样有效，可能物理学家搞错了。在公元1900年，也就是凯尔文把地球年龄缩短估计为二千万到四千万年之后的一年，地质学家詹姆斯？盖基（James Geikie）指出把地壳的压缩归之于一亿年冷却的结果，不足以说明阿尔卑斯山褶皱岩石的厚度。公元1899年，另一个地质学家张伯伦设想物理学家的那些理论说不定是不完备的，因为原子很可能具有复杂的组织和巨大的能量，并在太阳内部的某些条件下释放出来。
贝克勒尔在公元1896年发现的放射现象，导致太阳能学说沿着张伯伦所预言的方向发展，并进一步提供了一些估计地球年龄的方法，这些方法充分证实了地质学家早先的估计。人们发现铀每六千六百万年裂变百分之一，最后成为轻的铅。岩石层的年龄因此可以从岩石层中所含的铀和轻铅的相对数量来决定，结果表明地质学家所估计的水成岩年龄，其数量级是正确的，而且某些矿石早在1.985亿年交就已经形成了。
另一个受到热力学影响的领域是科学的哲学。卡诺曾证明热机的操作和构成机器的特殊工作物质毫无关系，后来的物理学家也强调热力学并不需要任何涉及物质特性的猜测或假定，因为这门科学研究的只是能的变化。热力学定律是根据物质的原子物质论来解释的，但是这种解释对热力学说来并不是主要的。热力学没有一个物质本性的理论模型照样行，老实说它不需要假定物质客观存在也照样行。由于这个缘故，某些热力学家，特别是来比锡的化学教授威尔赫姆？奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald，公元1853－1932），设想自然界的各种现象只是能的各种表现和能的各种转变，建立了所谓“唯能论”思潮的学派。奥斯特瓦尔德写道：“我们听到的，来自空气振动对耳鼓和中耳所做的功。我们看见的，只是辐射能在眼膜上做的化学功，而被感觉为光……根据这个观点，整个自然界显现为一系列在时空中变化着的能；我们从冲击到我们身体的那些部分的能来获得知识，这特别依赖于对专为接受适当能而形成的感觉器官的冲击。”
关于物质本性的假说一旦被放弃以后，能的本性的假说显得也就没有什么理由可以保留了。自然界可以看作是一连串观察到的现象，而科学就只是联系这些现象的一种活动。迈尔指出热的机械当量只是一个联系不同现象的纯粹数字，它与热之唯动说、热素说或任何其他学说都无关；正因为如此，在他看来，这个数字比任何假说都更有价值。迈尔写道：“一个单独的数字比一座装了各种假说的奢华的图书馆具有更真实和更永久的价值；企图用假说来探究世界秩序的内在奥秘，这是象炼金士的努力一样的例子。”
这样一种见解在公元1872年被布拉格的物理学教授，后来又任维也纳的哲学教授的恩斯特？马赫（Ernst Mach，公元1838－1916）加以发展；马赫对当时科学家用理论的机械模型，例如化学中使用物质的原子论，和想出各种以太连续体来解释光、电、磁现象这种普遍趋势加以攻击。他指出在热力学里，并不使用自然的机械模型，观察到的现象可以直接相互联系。他因此设想一切科学的原型是热力学，而不是机械学，而且为了排除科学中的一切假说性的推测和理论结构，热力学的方法论应当用之于其他科学。
马赫认为科学主要由一大堆观察的事实和现象所组成，它们再由若干定律和法则约束在一起。自然规律实际上只是为了记忆事实的方便和经济起见而发展的一些人为措施，因为人的心力太弱了，记不了所有观察到的事情。马赫写道：一条科学定律“不比许多孤立的事实放在一起多出一点点的事实价值，它的价值只在于方便。它只有功利价值……如果一切独立的事实，一切分立的现象，都能象我们要求关于它们的知识那样，能直接而容易地为我们取得，那末科学就永远不会出现。”
在马赫看来，科学的任务就是根据一般的关系将观察的事实分门别类，这些关系把各领域内的所有特殊事例全都描述到，而不引进任何假说或者理论模型。马赫在公元1896年称之为唯象论的物理学的这种研究态度，对热力学领域的某些研究者来说，并不是没有吸引力的，虽则大多数科学家仍旧坚持着他们的理论和他们对自然的机械模型。
对马赫及其学派的最严肃的责难要留待那些原子论的拥护者来作，因为这些原子论者成功地冲进了热力学的领地。马赫声称原子论者曾经企图“造出一个概念来，它的绝对的素朴和粗糙就象在主张物质绝对不变是物理学的基本教义一样”。可是马赫本人也没有完全摆脱原子论的影响；事实上，原子观在某种意义上构成了他的思想体系的基础，因为他认为科学家的世界是一个许多个别观察事实或者作原子理解的河流。他的一个信徒，路德维希？维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）毫不隐讳地说：“现存的许多原子事实的总和就是世界”。这样一种见解所根据的是，现象作为许多独立元素而被感知的那种心理学，而这个学说曾是十七、十八世纪英法自然哲学家所发展的宇宙是原子－机械模型的产物。
