马赫的唯象论哲学并没有毫无争议地被通过。波尔茨曼在公元1899年抗议说，马赫已经抹杀了形而上学理论和科学理论的所有区别，而且以一维的许多个别观察事实的长流来代替时空概念的结构，使科学的概念变得贫乏了。在捍卫物质的原子论时，波尔茨曼坚持：“一个学说，能够独立地取得一些不能以别的方式取得和成就，而且，还有这么多的物理、化学和晶体学的事实替它说话，对这样的学说不应当攻击，而是应当进一步加以发展。”
在当时，原子论的确取得了显著的进展。为了说明电流通过盐溶液和通过低压气体的现象，人们提出有电子，即电的原子。液体中许多微粒的运动，首先是在公元1827年被英国植物学家布朗观察到的，使法国物理学家佩林得以确定阿伏伽德罗常数，即两克氢，或者任何其他物质克－分子量的分子的数目。所有这些和其他的发展使得马赫的拥护者奥斯特瓦尔德在公元1909年放弃了自己的主张，并接受物质的原子论。
那些以太论者也仍旧坚持他们的连续域模型，因为他们意识到和原子论一样，以太模型也是有用的。这些模型之所以有用，倒不是如马赫所强调的理由，即为了“记忆”观察的现象，而是因为它们导致人们发现新的现象，例如麦克斯韦的以太，从它所列出的方程式就导致辐射波的预言。曾发现麦克斯韦预言的辐射波的海因里希？赫兹，在公元1894年为利用理论模型说明自然过程进行了广泛的辩护。赫兹写道：“科学的首要的，而且在某种意义上是最重要的任务，就是使我们能够预言未来的经验，因而使我们能按照这个目标来指导我们目前的活动。为了从过去推出未来，并因此而获得所期望的预见，我们的步骤总是这样的：我们建立一些外界客体的主观图象或者符号，这些图象或者符号都属于这样的一种类型，即它们从理智角度推出的必然结果，也是在描述物体的本质中不变而重复的必然结果的符号，……我们一旦能够从过去的经验总和中推演出所期望的那类符号，就可以在短期内从这些符号，就象从模型出发一样，发展一些在自然世界中需要经过长时间才会出现的结果，或者能得到好象是我们亲手操作才能取得的结果。”
马赫在他同时代的卓越科学家中很少有什么信徒，但是他的哲学有一个方面在本世纪的某些地方却受到欣赏，那就是否定用理论的机械模型解释自然界的各种过程。理论物理学已经达到了采用数学模型代替机械模型，这个趋向也许可以认为从十九世纪六十年代开始的，即在麦克斯韦放弃他的以太模型，而集中精力去研究由这个模型给予他的方程式的时候开始的。特别是原子物理学家已经摒弃了为原子结构提出机械的模型。海森堡在公元1945年写道：“现代物理学的原子只能通过一个偏微分方程式在一个多维的抽象空间中来象征它。它的一切属性都是推论性的；我们不能直接赋予它任何物质的属性。这就是说，我们想象所能臆造的任何原子图景，正是由于这个缘故，都是有缺点的。按照这种直觉的方式来理解原子世界……是不可能的。”
[英]梅森
第四十章 科学与工程学
直到公元1850年左右，工程学和一般工业上的技术革新并不怎样依赖当时的科学知识。相反，科学却从某些工程问题的研究获得很多好处，如热力学的发展，一部分就是靠蒸汽机的研究。在公元1850年之后，把科学应用到工程技术上，就成了工业发展的一个日益重要的因素；到了本世纪，则大多数卓越的技术发明主要都来自科学研究了。在公元1850年前，虽然具体的科学知识没有对工业发展起很大影响，但科学的方法却对它产生了影响。前面已经讲过，以斯米顿和瓦特为代表的十八世纪工程师们，在改良机器时使用了小型的模型试验方法，并在蒸汽机的发展中取得了相当大成就。在十九世纪上半叶，法国的工程师卡诺和克拉佩龙研究了蒸汽机工作的科学原理，建立了热力学这门科学。与此同时，英国的工程师布拉默、亨利？莫兹利、约翰？克莱门特和惠特沃思等则继承了早期的英国实验工程学传统，致力于一般机器的技术改进。
英国的工程师们在十九世纪初叶的研究工作，使单台机器的工匠生产方式得以过渡到标准化机器的大规模生产方式面来。工业要实现大规模的生产，要求制造精密而可以互换的标准化机器部件，问题的中心就是精密工程学。改进制造机器的机器，即发动机和工具机，也取决于工程技术的精确程度。十八世纪的纽可门蒸汽机仍然是工匠工艺水平的产物，比中古时代的水平好不了多少。在十八世纪六十年代，斯米顿曾注意到在他的一部蒸汽机中，28英寸口径的汽缸和其活塞之间有半英寸左右的间隙。为了弥补纽可门蒸汽机的这个缺点，在活塞顶部浇一层水来加以封闭。这个措施使机器多少能够工作，但却降低了机器的效率，因为水使汽缸变冷，造成了一部分蒸汽的浪费。詹姆士？瓦特在改进蒸汽机时，要求汽缸始终保持高热状态，因而不能用水封闭活塞。瓦特的发明一直到汽缸的精密造型法问世之后方才实现；──是约翰？威尔金森解决的，他在公元1774年取得了发明精密炮筒镗床的专利权。
威尔金森的炮筒镗床使得瓦特的改良蒸汽机能大量制造和出售。这种镗床原是为了制造大炮而设计的，这一事实说明精密工程学发展的另一推动力，是适应大量生产标准产品的需要。这种需要首先出现在军事方面，因为军事最需要大量标准化的武器和其他东西。十八世纪末，法国首先实现了用可以互换的同样部件来大量生产步枪。美国的第三任总统杰斐逊记载他在公元1857年记曾访问制造商勒布朗，在访问时他自己随手拿了几个零件就装成了几支枪。在英国，大规模生产及其所要求的精密工程比较起来是为了民用的需要，不过军事方面的刺激当然也存在。发明家和工程师约瑟夫？布拉默（Joseph Bramah，公元1748－1814）在公元1784年发明了倒转锁，在公元1795年发明了水压机。他为了大量生产这种锁，就面临着大规模生产的问题。起初他雇了许多工人用手工方式生产锁的部件，使用的工具都是传统的手工工具，即锤子、凿子、锉刀、锯子等。后来布拉默同他的助手亨利？莫兹利（Henry Maudsley，公元1771－1831）引进了机械工具来协助手工工具，这样就大大地提高了部件的生产率和精密度。这个发展在后来使莫兹利进一步考虑，是否能制造一般的工具机来生产各种不同类型的标准化机件。
一般说来，机器的各个部分总是具有圆形、方形或圆柱形等特殊几何形状或其组合形状的金属部件。一根真正精密的转轴应当是个完美的圆柱体，理想的螺丝应当是在这种圆柱体表面刻上一条完美的螺旋线。因此如何大量生产标准机件的问题，可以分成分别制造几种工具机的问题；这些工具机要能在金属上加工出真正的圆柱面或平面，并在金属部件上切削出圆孔或方孔。莫兹利在公元1794年到公元1810年间将旧式车床改造成一种精密的工具机，解决了制造精密圆柱体和螺丝的问题。在这以前，车床与其他多数机器一样，主要都是用木头做的，只有重要的运动部件才用金属做。在工作时，待加工的材料用踏板带着转动，切削的刀具是用手拿着的。莫兹利将车床全部改成铁的，这就解决了由于木头太易变形而使工作件的定中心和校直受到破坏的问题。此外，他又发明了滑动刀架，使刀具同车床的中心轴线的距离保持不变。后来他更将滑动刀架同机器的转动相耦合，使刀架能和中心轴线平行地作直线运动。这样一来，车床上转动的任何材料就能自动地加工成为一只精密的圆柱体。它的大小取决于工具的最初位置，而且只要装置好了，车床就能生产出任何数量的同样的圆柱体来。再利用带动刀架平行于车床中心轴线运动的耦合器具，就能在圆柱体上刻出螺纹，实现标准螺丝的大规模生产。这种发展同军事的关系，可以从下一事实看出来，即莫兹利获得的第一批大量订货是由海军部在公元1800年给他的，因为海军部正需要用机械来大量生产船用索具的标准滑车。
除了圆柱体和螺丝以外，平面部件或真正的平面也是少不了的，在改良以前，生产平面的方法是将一个铸件或者锻件的面用凿子修成大体上是平的，然后再用另一个已判定为是平的面来磨它。这种方法会带来极不精密的结果，因为即使两个面在所有点上都接触，这两个面也不一定就是平面。同布拉默和莫兹利在一起工作过的约翰？克莱门特（John Clement）部分地解决了这个问题。他在公元1825年发明了加工金属的刨床，使待修平的材料作直线运动，这时固定刀具就会作平行的刨削。但为了使这个机器及其产品标准化，也需要有一个具有真正平面的部件。这种标准平面由同克莱门特和莫兹利一起工作过的约瑟夫？惠特沃思（Joseph Whitworth，公元1803－1887）造了出来。惠特沃思认识到，两个在所有点上紧贴的面并不一定是平面，但要是有三个面能两两紧贴的话，那它们就一定是真正平坦的。同样三根杆件中的每一对如果在一张平面上能完全贴合的话，它们的横截面就一定具有真正的直角。利用这些真正的圆柱体和平面，惠特沃思在公元1830－1850年间制成了能测量出一英寸百万分之一误差的标准螺旋规以及其他的精密车床、刨床、钻床、磨床和牛头刨床，这使他在公元1851年的世界博览会上赢得了闻名全世界的声誉。
有了这些工具机之后，标准化的织布机、纺纱机、蒸汽机和其他的重要机器设备，就能大量生产，同时又因为这些机器的机件和构造都精密得多了，运转速度就能提高许多。十八世纪的纽可门蒸汽机每一分钟最多只能作二十个冲程，但十九世纪下半叶的蒸汽机则可以每分钟作二百五十个以上的冲程。机器的精密化和高速度使得一种新的材料占据了重要的地位，这就是纲。生铁太硬太脆，熟铁又太软，都不宜用来制造高速运动的部件。只有钢才具有符合需要的强度和韧性。人们早就能用鼓风炉直接生产大量的含碳很高的生铁。公元1784年亨利？科特（Henry Cort）发明了反射炉，将生铁中的碳在炉中几乎全部烧尽，这样就可以大量生产熟铁。但是一直要到公元1856年贝默（Bessmer）发明了转炉、西门子发明了平炉炼钢法时，才有可能大量生产含碳很低的钢。
钢和工具机两者使十九世纪下半叶的工程学发展具有新的特点，即出现了大规模生产的标准机器，它们是用精密加工的钢制部件构造的，并能以高速度运转。同时热力学又为蒸汽机的改良和其他热机的发展提供了理论基础。在发展蒸汽机的热力学方面作出杰出贡献的，是格拉斯哥大学的工程学教授威廉？兰金（William Rankine， 公元1820－1872），他在公元1859年发表了《蒸汽机和其他热机手册》。此外还有德国的佐伊纳（Zeuner）和法国的伊恩（Hirn）。这些人使热力学在工程师中得到普及，但并不能对蒸汽机作很多改良，热力学并没有在这个领域中带来多少帮助，因为蒸汽机还远远够不上是理想的热机，而且多数的理论性建议都已经在实践中达到了。理论表明高压和大膨胀可以提高蒸汽机的效率，但是理查德？特里维雪克（Richard Trevithick）早在公元1802年就造成了高压蒸汽机，而乔纳森？霍恩布洛尔（Jonathan Hornblower）甚至更早就发明了大膨胀蒸汽机。
然而热力学理论在其他地方却找到了用武之地。这门科学包括了所有热机理论，无论是正向作用还是反向作用都能描述。凯尔文在五十年代曾经指出，如果将机械能施加到一部热机上，使它的工作向反向进行，那就会使低温处的热抽到高温处去，这样它在低温处就成为致冷机，而在高温处成为暖气机。所以致冷机就是热力学的一个应用；用压缩氨原理的现代型主要致冷机是慕尼黑的卡尔？林德（Carl Linde）在公元1873年发明的。但热力学的主要应用还是在正向作用的热机发展方面，从热产生机械能，其中特别重要的是内燃机和蒸汽涡轮机。
第一部有些特殊化的内燃机就是用火药发火的传统大炮，其中机械能来自气缸内部产生的热量。而不象蒸汽机那样来自外部。克利斯提安？惠更斯和他的助手但尼斯？帕潘在十七世纪八十年代曾企图用炸药做燃料制造内燃机，但没有取得进展。实际上，直到煤气工业的发展提供了适当燃料，同时工具机、钢的生产和热力学发展之后，人们才能制造内燃机。公元1862年比奥？德？罗克斯（Beau de Rochas）继承早期法国工程师的分析传统，发表了一本小册子，在热力学的基础上提出一种理论上的操作循环，企图制造一部高效率的内燃机。这就是著名的四冲程循环理论，后来被德国人奥托（Otto）采用来制造煤气机，在公元1876年取得专利。戴姆勒（Daimler）在公元1883年制成了汽油机，普里斯曼（Priestman）在公元1885年发明了重油机，但重油机中所引起的问题要到十年后才由鲁道尔夫？迪色儿（Rudolph Diesel）真正解决。
同样，蒸汽涡轮机的力学原理也是人们早就知道的。在古代，亚历山大里亚的希罗就曾经根据这个原理制造玩具。在十八世纪末，博尔顿曾担心已作出设计的蒸汽涡轮机可能成为蒸汽机制造业的有力竞争者。但是他的同伙詹姆士？瓦特安慰他说 ：“除非有上帝能使东西以每秒一千英尺的速度运动，蒸汽涡轮机就不会对我们有什么害处。”可是由于具备了钢和精密工程学两项条件，法国的拉瓦尔（Laval）在公元1889年造了一部涡轮机，其转子的边缘速度超过每秒1500英尺。人们已经知道，蒸汽从涡轮到真空的直接膨胀，可以产生每秒4000英尺左右的速度，而要获得高效率，就必须使涡轮机转子的速度相当于这个数字的一半。这样的转子速度仍然比较危险，而且也难以应用。这使机器的用途非常有限。在拉瓦尔的涡轮机中，蒸汽以单级膨胀的方式通过单个转子，这是产生上述不合要求的速度的原因。英国的查尔斯？帕森斯爵士（Charles Parsons，公元1854－1931）在公元1884年获得了一种涡轮机的发明专利；在他的机器中，蒸汽经过一系列分级膨胀并通过几个转子，这样产生的速度就比较便于控制。拉瓦尔涡轮机的转速由每分钟10，000转提高到30，000转，帕森斯涡轮机的转速则可以低得多，从每分钟750转提高到18，000转。
比起蒸汽机来，蒸汽涡轮机更接近于完善的热机，因此在设计涡轮机时，热力学也就起了更密切的作用。蒸汽机的效率不高，是由于受到往复式运动的本身限制。蒸汽的膨胀使汽缸变冷，当新的蒸汽再次进入汽缸时，就不可避免地要耗费一部分热量使汽缸再热。涡轮机中的蒸汽则是不断地从这一级到下级连续膨胀，并同时逐渐冷下来。每一级都有其本身的温度，并使蒸汽通过来保持这个温度不变。这就避免了在蒸汽机中由于热度的周期性变化而引起的损耗。因此在涡轮机中，热力学理论能得到更好的应用。
与此同时，发电机正在发展；蒸汽涡轮机的重要用途之一就是带动发电机，因为两者的转轴速度很容易调整为同一个值。同涡轮机相比，发电机更是应用科学和产物；实际上电气工业的大多数设备都在一定阶段上依赖于相应的科学进步。伏打电池的发明促进了电镀的发展，其发明专利为科尼希斯贝尔格的卡尔？雅各比（Karl Jacobi）和柏林的维尔纳？西门子（Werner Siemens）于公元1839年获得。伏打在公元1799年发明的原始电池不太可靠，直到供给恒稳电流的电池出现后，电的早期重要应用才能实现。这种电池是伦敦皇家学院的约翰？丹尼尔（John Daniel）在公元1836年发明的。他的同事查理？惠斯通应用丹尼尔电池为电源，又用了斯特金（Sturgeon）在公元1825年发明的电磁铁作为记录器，在下一年制成了一个可供实用的电报机。
陆路电报并没有引起多少新问题，但在公元1850年铺设连接多佛和加来的第一条海底电缆时，发现信号畸变，速度也很慢。格拉斯哥的凯尔文研究了这个问题。他在公元1855年指出，陆路电报和水路电报所处的环境条件有一个重要差别，海水是导体，空气则是很有效的绝缘体，因此绝缘层包着的海底电缆就同海水组成了电容器，这使发送信号时电缆的一端充电慢，另一端放电也慢。凯尔文指出，如果在具有很高导电率和大截面的电缆中使用小电流，并且用厚的绝缘材料来保护电缆，就能够使信号的延滞降低到最小限度。要使用小信号电流就要求用灵敏的记录仪来检测它，因此凯尔文在公元1858年设计了镜式电流计，在公元1867年设计了自动虹吸印码器。在公元1858年铺设的第一条大西洋海底电缆，由于使用强信号电流，只发送了七百次电报后就毁坏了；在公元1866年铺设第二条电缆时就采纳了凯尔文的建议。
电的进一步应用在德国和美国有突出的发展。这两个国家在一定程度上绕过了作为早期工业革命特征的蒸汽机动力和煤气照明的使用。它们比英国更直接地采用电气照明和电力输送。特别是美国当时人中稀疏，毗邻村镇之间的距离较远，用电作为通信手段就显得格外重要。美国的电报出现于公元1838年，比英国只迟一年。发明者是肖像画家莫尔斯（Morse）。他设计了以他命名的电码来传送信号。肯塔基州的一位音乐教师戴维？休斯（David Hrghes）于公元1854年发明了自动信号记录器和收报机。在公元1876年，贝尔（Bell）和爱迪生发明的电话则完全是美国的产物。
德国发展发电机主要是为电镀工业提供动力，美国则是为了供给电气照明。虽然丹尼尔电池所供给的少量电力对于电报通讯已经够用，但对于大量消耗电的电镀工业则是不够的。法拉第在公元1831年证明，使线圈在磁场中运动就能产生电。在公元1840－1865年间，人们按照这个原理制造了好几种电磁发电机，主要供电镀用电。这类机器是用一个绝缘导线绕成的线圈在一个永久磁钢的磁场中旋转，它的效率很低，因为最好的磁钢也只能提供弱磁场。公元1866年柏林的西门子改用强有力的电磁铁代替磁钢，并用机器本身产生的一部分电向电磁铁提供所需要的能量。从此以后，所有发电机都以西门子电机为原型，使用由发电机本身产生的电流供电的电磁铁，效率比早期的电磁机高得多。这就为电气工程的进一步发展开辟了道路。
亨弗利？戴维曾经发现，在两根碳棒之间通过电流时会产生强光。从五十年代起，在灯塔、剧院和其他场所使用了大支光的碳弧灯照明，其电源起先由电磁机供给，后来则由发电机供给。戴维还发现，当电流通过细的白金丝时会发出光度较弱的光，而白金丝则在空气中一会儿就烧掉了。在公元1879年，英国的约瑟夫？斯万（Joseph Swan，公元1828－1914）和美国的托马斯？爱迪生（Thomas Edison，公元1847－1931）根据戴维的原理，同时但各自独立地发明了电灯，他们将一根碳丝放在抽去空气的玻璃球泡内，可以点燃很多小时。爱迪生发明了更多的附加设备，使电灯照明得到广泛使用，因而能够比斯万更好地利用电灯的发明。爱迪生在靠近纽约的门罗公园实验室设计了一种电压恒定的发电机，保证在线路中电灯亮度稳定，不受其他电灯开闭的影响；他还创造了经济配电的三线制。公元1882年他在纽约建立了第一个发电站，向公众供电，同时生产电气照明所需的电灯。
爱迪生在公元1883年注意到有些电灯泡在使用后逐渐变黑了。他想这是由于从灯丝上放出了某种粒子的缘故。他将一块金属板封在灯泡里，发现当电灯点亮时，金属板带负电荷，如果将正电位与板相连，就有电流通过，但用负电位相连时就没有这个效应。这就是爱迪生效应，它在后来引起了电子管的出现。电子管的发明主要是由弗莱明在公元1904年和李？德？福雷斯特（Lee de Forest）在公元1906年实现的。在本世纪，电子管使得为麦克斯韦的预见和为赫兹发现的电磁波获得应用，先是用在无线电广播和电视上，最近又用于远距离客体进行无线电定位上。最后电子管还促进了许多复杂电子装置的发展，其中特别突出的是电子计算机。电子计算机具有人脑的某些属性，例如记忆、初等判断能力和计算能力。有人认为，在工业中采用电子计算机代替人来做那些要求比较简单判断动作的事，会引起一场第二次工业革命，使人类从比较机械和重复的脑力活动中解放出来。
[英]梅森
第四十一章 化学与微生物学的应用
化学科学过去主要应用于发展化学工业，而微生物则用于改进农业和医学的一些较老的实践。在所有这些领域中的进步，开头大部分是依靠经验，而且后来仍然如此，特别是在农业和医学上，依靠经验的程度远比机械工程及电力工程要大得多。土地革命的技术改革，特别是杰塞罗？托尔（Jethro Tull，公元1674－1741）所采用的新的农业机械和汤森德勋爵（Lord Townshend，公元1674－1738）所施行的农作物轮种的四作制，以及罗伯特？贝克韦尔（Robert Bakewell，公元1725－1795）的改良家畜饲养，都是完全不依赖当时所知道的科学知识。公共卫生措施也不以“各大镇状况调查委员会”所确定的污秽同传染病之间的联系为根据（这个委员会于公元1844年发表了它的调查结果）。同样，化学工业的早期的发展主要是一种反复试验的发明过程。
一直到十八世纪，主要的专门从事化学商品生产的是药商和明矾商，药商小规模地制造供应医药化合物品，明矾商则比较大规模地制造明矾供应皮革、纸张及织物的处理和着色之用。化学商业同纺织工业之间传统的关系，在工业革命期间得到了进一步的发展，这时候开始有了化学品的大规模制造。十八世纪期间，象凯（Kay）、哈格里夫斯（Hargreaves）、克朗普顿（Grompton）、阿克赖特（Arkwright）等人所采用的新纺纱机和新织布机使纺织品的产量以巨大幅度增加，从而使布匹的化学漂白以及后来的染色问题突出起来。纺织品漂白的传统办法是把纺织品轮流浸在酸牛奶的酸性溶液以及草木灰的碱性溶液中，然后放在“漂白场”上晒，这一过程占去一年中全部的夏季时间。首先感到缺乏的是天然酸即酸牛奶供应不足，因此人们就试用工业酸来漂白，其中以硫酸最容易得到。硫酸在过去一直就由药剂师在小量地制备着，公元1736年建立第一个商业上大规模制造硫酸工厂的，就是伦敦的一个药剂师乔舒亚？沃德（Joshua Ward），他在一个盛着少许水的大玻璃球瓶里把硫磺同一些硝石放在一起煅烧。一个伯明翰的医生约翰？罗巴克于公元1746年用铅室代替了又脆又贵的玻璃球，这一革新连同沃德的革新使得硫酸的价格从每磅两金镑跌到每磅六便士。
其次是天然碱的不足，这在英国有相当长的时间并不感觉到，因为苏打是由焚烧海藻大量制造的，而这各海藻在沿海一带，特别在北方都很多。在法国，天然碱的不足比较严重，所以巴黎科学院于公元1775年悬赏12，000法郎的奖金，征求从食盐制造苏打的方法。这种方法于公元1789年为尼古拉？路布兰（Nicolas Leblanc，公元1742－1806）发明，他是奥尔良公爵的医生。路布兰从食盐和硫酸里得到硫酸钠，又用木炭、石灰石和硫酸钠加热而获得苏打和硫化钙。另一个法国化学家拜特洛，是当时国家染料工业的管理人，发现席勒于公元1774年发现的氯气能迅速漂白棉织品。大约在公元1786年他这个发现通知了詹姆斯？瓦特，瓦特转告他的与格拉斯哥纺织业有关系的岳父。在格拉斯哥对这种方法进行了大规模的试验，发现用氯气漂白只需要以小时计算，而过去则要花费许多星期。使用有毒的氯气开头是相当危险的，但是格拉斯哥的约翰？坦能脱（John Tennant）在公元1799年将氯气同石灰化合得到一种较为安全而便利得多的试剂，这就是熟知的漂白粉。
在法国大革命期间，法国的政府要求法国化学家尽可能地研究并改进当时的几个化学工业。克莱门特和德索美（Desormes）研究了硫酸制造过程中发生的反应，于公元1806年发现把硝石加在燃烧着硫磺的铅室里会产生一种氧化亚氮的气体，从而大大加速了硫酸制造过程。氧化亚氮与空气中氧化合，产生二氧化氮，二氧化氮把它额外的氧给予由于硫磺的燃烧而形成的二氧化硫，这样产生的三氧化硫与水化合，便成为硫酸。克莱门特和德索美的研究减少了硝石的消耗量，使硫酸制造更经济了。燃烧的硫磺不加硅石而是分别地加酸处理以直接产生气体氧化亚氮。后来在公元1827年，盖－吕萨克证明氧化亚氮可以从铅室过程的废气中，通过浓硫酸液的吸收而回收。但是盖－吕萨克的研究并没有立即加以应用，直到公元1860年人们才找到从硫酸溶液再产生氧化亚氮的方法。在那一年，英国的造酸业主格洛弗（Glover）把燃烧硫磺（或者当时用的是黄铁矿）发出的热气体，通过含有氧化亚氮的酸，使硫酸增浓，并去掉氧化亚氮以供铅室的下一步使用。同样法国的工程师菲涅耳在公元1810年发明了一种制造苏打的方法，只用石灰石和普通食盐作为开始原料，而以氨作为中间体，但是由于一些实际困难，他的发现一直到比利时的索尔维（Solvay）兄弟在公元1865年建立了一个苏打工厂时才被采用。
法国的科学家还研究了植物生长的化学，不过他们的研究同样未能立即得到应用。德？索修尔（De Saussure，公元1767－1845）于公元1804年证明在封闭容器中生长的植物，从容器中混合气体的二氧化碳里取得其全部的碳含量，从而推翻了认为植物从所谓污泥腐植土中汲取其物质的陈旧学说。他也发见生长在清水中的植物象其种子烧掉时一样，产生同量的无机灰，这表明植物的无机物质既不产生也不消灭。公元1817年佩利蒂尔（Pelletier）和卡文多（Caventou）分离出植物的叶绿素，杜特罗歇（Dutrochet）于公元1837年证明二氧化碳仅为植物含有叶绿素的部分所吸收，并且只有这部分暴露在日光中时才会吸收。就这样发现了二氧化碳的自然循环：植物在日光中从空气中的二氧化碳组成它们的物质，而动物在食用植物之后，再吐出二氧化碳。布森戈（Boussingault，公元1802－1887）于公元1841年证明各种农作物所含的碳、氢、氧、氮数量总是比加给农作物的肥料所含的碳、氢、氧、氮数量为大，而无机盐的量则总要小些。他还进一步发见，良好的作物轮作之所以优越，是由于某些植物如苜和豌豆的含氮量，大大超过肥料所供给的氮量的缘故。
法国人的研究成果被人们应用到农业上去，特别是德国化学家李比希，他是法国多种工艺学院毕业的。李比希论证说，既然植物如德？索修尔证明的那样不能产生无机盐，它们一定是从土壤取得其无机的组成物质的，所以如果要保持土壤肥沃就必须把植物取去的还给土壤。他用化学方法分析了植物灰的无机物含量，并制造出与植物灰成分相同的人造化学肥料，主要是钾盐和磷酸盐。但是他的专利肥料并不成功，因为里面不含氮化合物，李比希相信植物全都是从空气中获得氮的。不过他在农业化学方面引起了人们巨大的兴趣，他的《化学及其在农业和生理学上的应用》的讲演，在公元1837年英国科学促进协会的利物浦大会上很受欢迎。
李比希于公元1842年重访英国，这一次他见到皮尔首相同好几个大地主，建议建立一所化学学院。维多利亚女王的御医詹姆斯？克拉克爵士为学院基金募集捐款，于公元1845年建立了皇家化学学院，以女王的丈夫任院长。李比希被邀请推荐一位化学学院的教授，他派了自己的一个相当能干的学生奥古斯特？冯？霍夫曼（August von Hofffmann）前往英国。霍夫曼的化学研究工作从一开始就偏向工业方面而不是农业方面，因为他调查了煤气工业的化学，起初是所产生气体的无机方面，然后是煤焦油成分的有机方面。皇家化学学院虽然进行了一些重要的化学研究，但大地主们对于这个学院的兴趣迅速下降，因为它的工作对他们很少有用，这个学院只是在公元1853年和皇家矿业学院合并后，才免遭解散。
一个大地主约翰？劳斯爵士（Sir John Lawes，公元1814－1900）同李比希的学生约瑟夫？吉尔伯特（Joseph Gilbert）一起，在他自己的洛沙姆斯太特产业所在地进行了农业化学的研究。他们共同考查了人造肥料在农业上的使用，于公元1855年左右发现了许多农业化学的基本事实。同李比希的见解相反，他们证明植物一般并不需要象植物灰里发现的同样比例的无机盐才能适宜地生长，而且大多数植物都需要含有氮化合物的肥料，如铵盐或硝酸盐，而只有豆科植物如豌豆和苜蓿可以不靠氮肥而发育茂盛。他们还进一步发现，如果让田地休息，土壤的含氮量便会逐渐增加，但只要在使用人造肥料的情况下继续耕作，地力不会受到损害。吉尔伯特和劳斯的研究引起了人们对自然经济中氮的独特地位的注意，即有些植物需要氮化合物，而其他的植物和泥土本身看来却能自己制造氮。这些事实由于微生物学的发展而得到阐明，过去没有弄清楚的自然界中氮循环的各个阶段终于揭露出来了。
微生物学的奠基人是路易？巴斯德，他先是斯特拉斯堡大学的化学教授而后来是巴黎大学教授。巴斯德最初研究酿酒工业，他考察一件人们久已知道的事实，即同一汁料的两个样品发酵后有时会产生两种不同的酒。他用显微镜证明发酵的酒液里存在着很小的酵母生物，并且发现不同种类的酵母产生不同的酒。公元1863年他发见酒的变酸是由于一种微生物所致，并且证明将酒加热到55℃便可把微生物杀死。第二年，法国农业部要求他去研究丝蚕病。在几个月内，他分离出两种使丝蚕致病的微生物，并且表明怎样去识别无病的蚕卵、蚕和蚕蛾，以便将它们分离出来从事繁殖。十年之后，他研究了牲口的炭疽热和鸡的霍乱病，最后于八十年代又研究了影响人类的某些疾病。
在巴斯德本人研究人类疾病问题的若干年前，他的研究工作的医学意义已经为英国的教友会外科医师李斯特勋爵（Lord Lister，公元1827－1912）所赏识。化学已经为外科医生提供了麻醉药，也减少了外科手术引起的痛苦，但并未减少手术后很高死亡率。亨弗利？戴维于公元1799年已经发现氧化二氮即所谓笑气，能引起动物迷醉然后丧失知觉。他建议氧化二氮不妨用于外科手术使病人失去知觉，这个提议于公元1844年第一次被霍勒斯？韦尔斯（Horace Wills）在美国采用，利用这个气体的麻醉性进行齿科手术。韦尔斯的一个朋友威廉？莫顿 （William Morton）发现乙醚是一种更好的麻醉药，并于公元1846年证明可以用在大手术上。第二年，爱丁堡大学的詹姆斯？辛普森爵士（Sir James Simpson）发现氯仿对某些病例特别是对分娩是一种优良的麻醉药。
但是外科病人得救复原的人数仍然很少，原因是外科手术过程中往往发生感染。李斯特在公元1864年作的统计表明，他的病人有百分之四十五于手术后死亡，当时其他的外科医生则在每五个病例中只有一个成功的记录。巴斯德关于发酵与发生腐烂的研究，使李斯特想到手术创伤的腐败是微生物引起的一种腐烂现象。他寻找杀死微生物的化学方法，在试验几种化合物之后，他发见从煤焦油提取的一种物质酚能起良好的防腐剂作用。李斯特用酸水溶液喷射了他的手术室和病人的创伤，发现手术后的败血症经这一来大为减少。他于公元1865年成功地进行了第一次用新防腐法的手术，到公元1868年时由他施行手术的病人的死亡率从百分之四十五下降到百分之十五。
同微生物在外科手术中应用相对应的，它在医学上的应用是由德国的罗伯特？柯赫（Robert Koch，公元1843－1910）和巴斯德本人在法国进行的。柯赫于公元1876年发现使牲口产生炭疽病的微生物，可以在牛体之外的肉汤冻培养体中生长。他用这些方法于公元1882年发现肺结核的杆菌，并在下一年分离出霍乱病菌。巴斯德重复并扩展了柯赫的工作。他发现有些细菌在动物体外培养会变得无活性，鸡瘟的培养剂经过相当长的时间后，注射在小鸡体内并不发生疾病。还有，同一的小鸡后来再用有毒的鸡霍乱菌注射在体内时，仍然保持健康状态，表明无活性微生物使动物对正常活性的细菌产生免疫性。巴斯德于公元1881年制造出一种无活性炭疽菌能使牲口抵抗活性的炭疽菌，确立了预防接种原理的另一个病例。
在细菌致病学说出现很久以前，预防接种普遍原理的一个特殊事例已是众所周知了。谨慎地使儿童传染上适度的天花以避免传染上致命的天花，自从玛丽？霍尔特莱？蒙塔古夫人于十八世纪二十年代里从中东把这个方法带回来以后，一直都为人们采用着。后来格洛斯特郡的一个乡村医生爱德华？琴纳（Edward Jenner）于公元1798年证明一种轻得多的疾病──牛痘，能使人对天花免疫，这是他从观察到挤牛奶的妇女很少患天花而发现的。现在，在十九世纪八十年代，接种的做法已经普遍化了，这就为细菌致病的学说找到了合理的依据。人们设想细菌产生化学毒或毒素，它对于疾病的症候来说是起主要作用的，而身体的防御机制则能产生抗毒素以抵抗细菌及其毒素的影响。因此看来注入体内的死菌应当产生这种疾病的缓和症状，并刺激抗毒素的产生，从而抵抗未来的感染。后来发现事实确是如此，并且进一步发现一个动物体所产生的抗毒素，在另外一只动物体内也能有效地抵抗其相应的细菌。
在农业上，微生物的发现有助于澄清自然界中氮的循环问题。劳斯在洛沙姆斯太特的一个助手沃林顿（Warrington）于公元1878年证明泥土中的微生物使含有铵化合物的氮肥最初转变为亚硝酸盐，然后又变为硝酸盐。他发现用氯仿可杀死微生物，而在这种情况下，即使对植物供给许多铵化合物形式的氮，植物也不能生长，这表明植物只能吸收硝酸盐形式的氮。公元1885年法国化学家拜特洛发现了一些其他类型的微生物，能直接利用大气中的氮使它转变为氨。这些微生物有的自由生活在泥土中，有的在豆科植物的根瘤里才找得到。如果后一类微生物被杀死，通常同它有关的植物便长不出根瘤，这就需要施加氮肥。豆科植物有了这些微生物就不依赖氮肥，根瘤的微生物能使大气中的氮转化为氨，再由其他泥土微生物把氨变为硝酸盐。有的土壤如加拿大和美国的处女地，缺乏某种硝化作用的微生物，在这些地方依靠豆科植物轮作结果失败了。但是到十九世纪末，同苜蓿、豌豆及其他豆科植物有关的固氮作用的微生物通常都可以得到了，于是把这些微生物接种到荒芜土壤中去，农作物的轮作就成为可能。
农业化学的应用促进了人造肥料工业的成长。早在公元1839年人们为了农业的用途就从秘鲁输入海鸟粪，即脱水鸟粪和海鸟的尸体。约翰？劳斯爵士于公元1843年在德普特福建立了一个制造过碳酸钙化肥工厂，将不溶性的磷酸盐加硫酸处理使之较易溶解。他最初利用动物的骨头作为磷酸盐的来源，然后从公元1847年起采用了塞福尔克、贝德福郡和其他地方发见的磷酸盐矿的沉积物。从公元1815年左右起，人们就用硫酸去掉煤气中的氨，因为氨是一种可厌的杂质，但这样获得的硫酸铵在公元1850年以后就被广泛地用作人造肥料。智利的硝酸盐沉积物以及德国斯特拉斯福特的硫酸钾沉积物于公元1852年起开采，粗盐被直接用作肥料，这样便完成了化肥发展的第一阶段。
伦敦皇家化学学院原是由大地主们创办的，他们希望化学研究会改良他们的土地产量，但是学院的研究成果对农业化学并无多大重要性，相反却导致了精细化学工业的建立。学院的霍夫曼教授象他的老师李比希一样，对于化学的应用，特别是医学方面的应用，十分关心，而且希望天然药物可以用人工制造出来。霍夫曼设想奎宁可能从煤焦油的衍生物中制造出来，公元1856年，他的一个学生威廉？珀金（William Pekin，公元1838－1907）试图通过氧化某些他当时恰巧在研究的苯胺衍生物的办法来制造奎宁。他没有得到奎宁，但却造出一种紫红的物质，后来证明是一种极好的染料。当时的有机化学家还没有发展分子结构的学说，也不了解有机化合物及其反应的性质。因此那些在今天看来是野心尝试的合成方法，也不乏人去搞，象珀金冒险制造的奎宁就是一例；其实奎宁直到公元1945年才实现了人工合成。
在珀金看来，他的发现具有重要的工业上的意义；他虽然不过是一个十八岁的青年，却建立了一所工厂，大量制造这种染料，从而奠定了一个精细化学工业基础。在法国，珀金的研究由吉拉德（Girard）和德莱尔（de Laire）加以扩展，他们用不同的氧化剂处理苯胺衍生物而制造出另一种染料，品红。他们又用更多的苯胺处理品红而得到了一整套叫做苯胺蓝的染料。霍夫曼在伦敦进一步研究了珀金和两个法国化学家制备的化合物，于公元1863年造出了另外一套叫做霍夫曼紫的染料来。两年后，霍夫曼离开皇家化学学院就任柏林大学有机化学教授，与此同时，在曼彻斯特一个化学工厂里工作的德国化学家罗卡（Caro）回到德国，担任一个新建的巴特苏打和苯胺化工厂的技术指导。从此以后，德国人在化学和化学工业，特别是精细化学工业方面的地位愈来愈突出。霍夫曼协助设计的波恩和柏林大学的巨大新实验室，于公元1869年建成，这些地方培养出来的许多化学家加强了德国的科学和工业力量。
十九世纪采用的两种较为重要的天然染料是从茜草提取的茜素和从木兰提取的靛蓝。到了十九世纪末，德国人把这两种染料都人工合成了，并且大量地生产。科学方面的一个重要人物是阿道尔夫？冯？拜耳（Adolf von Baeyer，公元1835－1917），他在公元1860年任柏林大学化学副教授。他和他的两个学生，格莱勃（Graebe）和李贝曼（Liebermann）于公元1866年证明茜素是煤焦油的一个普通成分蒽的微生物，而且不久以后，就在实验室内合成了茜素。他们的方法还不适用于大规模制造茜素，但是到了公元1869年格莱勃和李贝曼协同巴特苏打和苯胺化工厂的卡罗发展了另一个在商业上可以采用的方法。同年，珀金在英国发现了两种不同的制造茜素方法，但是德国人的工业力量雄厚，到了珀金辞退的那一年即1873年，巴特苏打和苯胺化工厂的茜素年产量达到一千吨，相形之下，珀金那里只生产四百三十五吨。最后拜耳（他现在继李比希任慕尼黑大学化学教授）于公元1878年合成了靛蓝，不过这里同样发生了技术上的困难，而这种染料直至公元1897年前还未能大规模地生产。到了这时候，德国人已经远远跑在前头，在公元1886－1900年期间，六所最大的德国化学公司一共取得了九百四十八项染料专利，而六所最大的英国化学公司只取得八十六项专利。
德国人仅仅在精细化学工业方面是卓越的，在这方面有机化学的发展和应用从一开始就是少不了的。英国的化学工业家对化学研究在发展商业上的重要性的了解是缓慢的，因此在精细化学工业方面他们落后了，但是他们在重化学品方面仍然保持着自己的地位，对这一方面的继续研究，直至本世纪才显得有必要。例如，公元1909年英国用的百分之九十的染料是德国制造的，但是英国的化学品出口，主要是重化学品，却超出了化学品进口644，000英镑。十九世纪中，重化学工业所采取的重要技术革新，实际上主要都是英国化学制造业主作出的。我们在上面已经看到，造酸厂主格洛弗于公元1860年把盖-吕萨克建议的方法付諸实施，使制造硫酸的铅室过程中用掉的氧化亚氮得以回收。
在法国发明的路布兰苏打生产法，当英国政府于公元1823年取消食盐税时便被采用了，以后这个方法又有了很大的改革。这个方法产生了两种重要的副产品，即氯化氢和硫化钙，与改进有关系的便是这些物质。斯托克-普莱亚地方的一个造碱业主威廉？戈赛奇（William Gossage）于公元1835年发明了把氯化氢吸收在水里的塔；当公元1863年禁止将氯化氢气释放到大气中的“碱法令”通过以后，这个方法便得到广泛采用。亨利？迪肯（Henry Deacon），圣海伦斯的一个玻璃厂经理，于公元1868年发明了从苏打工厂的氯化氢废气中生产的方法。氯化氢和空气通过加热的金属氧化物以产生氯和水蒸汽，然后用氯来制造漂白粉。在同年，化学家沃尔特？韦尔登（Walter Weldom）改进了从二氧化锰和盐酸制造氯的方法，用石灰和空气流再生二氧化锰。最后，奥尔德伯利的一个造碱厂主亚历山大？钱斯（Alexander Chance）于公元1887年发展了从苏打工厂的硫化钙废料中回收硫的方法。他使烟管中含有二氧化碳的气体通过硫化钙的悬浮液从而释放出硫化氢，硫化氢又同空气一起通过加热的金属氧化物以产生硫。
这些发展使得制造苏打的路布兰生产法合理而有效。与此同时，菲涅尔于公元1810年研究出来的另一种苏打制造法，于公元1865年也为比利时索尔维兄弟付诸实施。这个被称为索尔维法的苏打制造法生产一种比路布兰法更纯更便宜的产品，而且于公元1873年为英国的布鲁纳和孟德工厂采用了。布鲁纳和孟德工厂迅速领先，英国的其他四十个碱业工厂于公元1890年成立了联合碱公司。值得注意的是，制碱企业的重要人物布鲁纳和孟德，在英国是最早资助科学研究的著名化学工业家。布鲁纳于九十年代给利物浦大学捐款，而孟德则在公元1896年赠送了一座戴维－法拉第实验室给皇家学会。在化学工业一开始就具有较大规模的德国，企业家资助科学研究工作要早得多。
将近十九世纪末，德国化学家开始把新方法介绍到重化学工业中去，特别是应用新的物理化学来指明进行某一化学反应的最适宜条件。一种代替铅室法的叫做接触法的制造硫酸过程发展出来了，这个方法将二氧化硫和大气中的氧直接借一种催化剂如铂的作用而化合。接触法比铅室法生产浓缩得多的酸，特别是在公元1897年后制造靛蓝需要浓缩酸时，接触法就有了显著的发展。德国化学家所面临的一个更加重要的问题，乃是为了生产肥料和炸药而制造氮化合物的问题，因为德国的硝酸盐和铵化合物的供应大部分依赖进口，一旦碰到交战状态，供应便将中断。弗里兹？哈柏（Fritz Haber）采用物理化学方法研究氢和氮直接化合为氨，发现高压与适当的温度有利于产生这种反应。与此同时，奥斯特瓦尔德研究了氨转化为氮的氧化物，然后再转化为硝酸。这项研究工作于公元1912年完成并被巴特苏打和苯胺化工厂在工业规模上应用，在第一次世界大战期间为德国提供了充足的肥料与炸药。
应用这些物理化学方法来确定化学反应的最适宜条件，在本世纪已成为工业措施的一个特点。化学工业现在已有了许多分支。自从公元1862年瑞典的诺贝尔（Nobel）发明硝化甘油、达纳炸药和葛里炸药以后，炸药工业出现了一个转折点。从公元1883年起，约瑟夫？斯万用挤出法造出硝化纤维丝后，人造纤维丝就开始有了，这一过程被法国的化学家恰唐耐（Chardonnet）在商业上采用了。第一种热固性塑料、酚醛塑料（电木）是由哥伦比亚大学的李奥？贝克兰（Leo Bakeland）于公元1872年制出的，而第一种重要的热塑性物质赛珞璐是于公元1865年由伯明翰的亚历山大？帕克斯（Alexander Parkes）发明的。自从第一次世界大战结束后，德国人在寻找代用品时逐渐发展了一种可供使用的合成橡胶，费歇尔（Fischer）和特洛普希（Tropsch）在公元1925年从水煤气中制成一种代用汽油，而伯戈斯（Bergius）则于公元1935年使煤氢化，造出了另一种发动机燃料。在精细化学工业里，本世纪人们的注意力已经从染料转向药物和香料了。合成第一个染料的威廉？珀金是第一个造出一种叫做香豆素的天然香料的化学家，他是于公元1868年从煤焦油衍生物中制得的。药物的合成也和染料制造联系起来了。人们发现某些染料在作用上具有高度的选择性，如使羊毛染色但不使棉布染色，而且染在有机组织上时，会使某些部分染色而其他部分不染色。化学治疗学的奠基人欧立希（Ehrlich，公元1854－1915）认为既然有机染料被某些机体细胞吸收而不被其他细胞吸收，那末应能造出为寄生性微生物所摄取而不被感染体所摄取的有毒化合物。这样便会把微生物杀死而使被微生物引起疾病的病人痊愈。欧立希制备并试验了许多化合物，成功地发明了杀伐散（即606）药，在治疗梅毒、印度痘及其他螺旋体菌感染的疾病具有特效。德国染料工业的化学家后来又制成帕马奎宁（公元1926）和疟涤平（公元1930年），这些都对疟疾寄生虫有毒性，公元1935年又造出一种红色染料百浪多息，这是第一种磺胺类药物。现在医学上具有相当重要性的又一条化学研究途径，是合成自然界存在着的生物活性化合物，例如维生素、激素以及由活的有机体所产生的天然抗菌素如青霉素等等。
[英]梅森
第六部分 二十世纪的科学：新领域和新动力 第四十二章 近代生物学的几个方面
从十九世纪七十年代起，在实验生物学领域里，技术有了若干进展，可以更精细地观察细胞无性生殖和性细胞结合中发生的变化。由于采用了高倍浸没物镜和台底照明，使消色差显微镜得到进一步的发展，而发现的苯胺染料连同天然染料及某些无机盐，则能选择性地将有机细胞的某些部分染色，特别是细胞核。从十九世纪四十年代起，人们就知道有机细胞通过分裂发生无性生殖，而细胞核则最先分裂。七十年代里，柏林大学的赫脱维奇（Hertwig，公元1849－1922）和日内瓦大学的福尔（Fol，公元1845－1892）研究动物，波恩大学的斯脱劳伯格（Steasburger，公元1844－1912）研究植物，都证明有性生殖是雄性细胞核与雌性细胞核的结合；根据这一发现，赫脱维奇和斯脱劳伯格于公元1884年就提出细胞核是遗传的物质基础的主张。
新的技术表明，在普通休止细胞的核内有一种细的网状物质，基尔大学的弗莱明（Fleming，公元1843－1915）于公元1879年称之为染色质，因为它可以被碱性苯胺染料染成深色。在无性生殖中当细胞接近分裂时，人们发现染色质会自己形成若干条分离的丝，叫做染色体，每一条染色体都由两条长度相似的邻接的线状物所组成。染色体一般是成对的，某一动物或某一植物种的细胞里的染色体数目是恒定的。当染色体变成可以分辨的分开的丝时，人们发现核膜消失了，两个叫做中心体的点状体排列在核的两边。中心体向排列在细胞核赤道板上的染色体发出叫做星体的线，然后染色体发生分裂，每一条染色体的一半按相反方向沿着星体线向中心体移动，在那里形成两个子细胞的核。染色体于是在染色质的网内消失，只是在下一次细胞分裂时才重新出现。虽然染色体在染色质内是看不见的，但来比锡大学的拉布尔（Rabl，公元1853－1917）却于公元1895年设想染色体一定在网内保持其个性；当人们承认染色体是遗传的传递者时，这一假设就变得重要了。
在两个性细胞发生结合的情况下，人们发现了染色体的活动相当不一样。列日大学的范？贝纳登（Van Beneden，公元1845－1910）于公元1887年观察到在导致卵的形成的第一次细胞分裂中，染色体并象在无性细胞分裂中那样沿纵长一分为二，而是每一对染色体分离开来，形成两个细胞，每一细胞只具有通常染色体数目的一半。两个细胞然后按照正常无性生殖过程再次分裂，但是四个生成物中只有一个变为成熟的卵，其他三个形成小体并且往往退化了。在精子的形成中，也出现同样的变化，不过在这种情况下，第一次和第二次分裂的四个生成物全都变成成熟的精子。因此卵和精子只含有该物种细胞中染色体的半数，但在性细胞结合后，种的染色体数目又恢复了，其中的一半来自母体，另一半来自父体。斯脱劳伯格于公元1894年证明，某种植物含有通常染色体的半数的细胞，形成了一个分立的世代，这一发现说明了霍夫迈斯特于公元1851年在无花植物中所发现的世代交替现象。
在这时候理论生物学家已创立一种关于遗传的学说。假定有机体的遗传物质应当显示出性细胞形成期间染色体所表现的各种现象。继耐格里之后，魏斯曼主张每一有机体具有一种不同于体质的遗传物质或种质，种质由不同单元所组成每一单元决定生物的某一特定的性状。为了避免种质的单元在每一有性世代中增加一倍起见，魏斯曼于公元1887年假定在两性结合之前，雄性的种质和雌性的种质都分裂为二，每一个亲体的一半种质相互结合形成子代的种质。当染色体在卵和精子形成期间的行为得到阐明之后，魏斯曼就把种质与染色体等同起来，设想染色体沿着纵长分裂成单元。
耐格里的另一个推测，即认为有机体的种质里有一内在的力量可引起巨大的突变，这种想法被阿姆斯特丹大学的德弗里斯采纳了，以便使有机进化的历史适合于凯尔文那样的物理学家关于地球年龄还很年轻的估计。约从公元1885年起，德弗里斯开始在生物界寻找这种突变，他后来在美洲的樱草花的一个野生群内发现了。有些植株明显地不同于正常类型，几代以后德弗里斯从这些植株里得到了更明显的变种。英国的贝特森（Bateson，公元1861－1926）和丹麦的约翰逊（Johannsen，公元1857－1927）也在寻找突变的事例。约翰逊栽培了自花受精的菜豆，获得了纯系，这种纯系不管播下的是最重的或是最轻的豆种，总是产生平均重量相同的豆子。但有一次他却发见突变；豆的平均重量自发地改变了，而且在以后的世代里仍然保持这种变化。德弗里斯等人就查阅前人关于遗传和突变问题的著作，发现孟德尔于公元1866年和公元1869年发表的论文已经谈到了。
孟德尔是布尔诺的一个僧侣，约从公元1857至1868年在他寺院的园子里进行了豌豆杂交试验。豌豆通常是自花受精的，但是孟德尔人工地将一个高的同一个矮的品种进行杂交，获得了只产生高植株的种子。当这种种子自花受精时，它产生的高植株和矮植株是三与一之比。这样产生的矮植株总是繁育同样的后代，但是三个高植株中只有一个如此，其他两个仍是以三与一的比例生出高和矮的植株来。孟德尔把他的实验结果解释为每一植株都具有两个决定高度性状的因子，每一亲体赋予一个因子。高的因子是显性，而矮的因子是隐性，因此杂交后第一代的植株全都是高的。当这一代自花受精后，这些因子在子代中排列可以是两个高因子在一起，或者两个矮因子在一起，或者一高一矮，一矮一高。前两种组合将会繁育出同样的后代，各自生出全是高的或全是矮的植物，而后面的两种组合则将以三与一之比生出高的或矮的植物来。孟德尔的研究支持了遗传的颗粒说，他并且把研究结果送给提出颗粒说的耐格里。但是耐格里对孟德尔的发现不予重视，因为他认为这些发现是“依靠经验的而不是依靠理智的”，还可能由于他对使物种发生变化的进化因素，比对保持物种稳定性的遗传因素更感兴趣。孟德尔实际上否认了他所研究的植物特征有任何变异性，当时生物学中的进化思想对他来说是完全陌生的。到本世纪末，渐进与进化的观念已经不象早期那样风行，这时候孟德尔的研究成果才得到重视和取得地位，因为这时强调的是物种的稳定性，即“种质的连续性”，以及发生变化的不连续突变。
从公元1910至1904年，各个生物学家，特别是美国的萨顿（Sutton）和蒙哥马利（Montgomery）与欧洲大陆的德弗里斯和布维里（Boveri），指出孟德尔因子的行为相当于卵和精子的产生和结合期间染色体的行为。因此染色体似乎负载着孟德尔式单一致的。如果一对染色体中的每一个染色体含有一个孟德尔因子，那末一个有机体的有关性状将受两个因子的支配，就象孟德尔的发现所要求的那样。在性细胞形成期间，染色体对的分裂使卵或精子只保有决定该性状的一个因子，但是性细胞的结合使受精卵重又具有两个因子，一个来自父体，一个来自母体。假如双亲的因子不同，则两者中间的显性因子将决定子代的有关性状，而隐性因子潜伏着，但没有改变，在碰巧与它本身同样的因子结合时，便会在以后世代中出现。由于遗传因子的数目比染色体对的数目来得多，萨顿预料好几个因子可以在一个染色体内连锁起来。贝特森和庞尼特（Punnett）于公元1906年在豌豆中发现了这种因子的连锁现象，某种颜色往往和花粉的某些特征在一起遗传，表明它们之间有一种联带关系。
本世纪初兴起的美国遗传学派，特别是摩尔根（Morgan）、缪勒（Müller）、布里奇斯（Bridges）和斯特蒂文特（Sturtevant）发现果蝇是研究遗传的一种特别有用的动物。这种昆虫只有四个染色体，它从卵转化为成虫历时十二天。在研究果蝇时发现，通常遗传在一起的性状有时在生殖过程中会分离出来，摩尔根在公元1911年解释这件事实时，认为含有联带因子（现在被称为基因）的染色体，在决定那些性状的基因的局部位置之间某一点上断裂了，于是每一断片同来自另一个断裂染色体的类似断片结合。如果染色体上发生这样一种断裂的机会是均等的，那末我们根据决定有关性状的两个基因在生殖期间分开的频率，便可以测出两个基因之间的距离，并绘出染色体上的位置图。普劳（Plough）于公元1917年证明了两条染色体的这种重新排列或交换，并在这个基础上绘制出果蝇及其他生物的染色体图。
布里奇斯等人于公元1933年发现果蝇和其他昆虫的幼虫的唾腺细胞核内含有很大的染色体。沿着这些染色体的纵长，人们观察到一连串的横纹，因此染色体好象是由许多个圆盘状单元组成。开头人们认为这些单元就是真正的基因，但是染色体断裂所产生的结果表明基因要比染色体横纹小得多。然而，一个基因可以与一特定的横纹相联系，因为用显微镜可以观察到唾腺细胞的巨大染色体中由于交换而产生的一种新排列，而且可以证明巨大染色体上特定横纹的位置，就是染色体图上基因的位置。
染色体的交换和重新排列，有助于说明遗传组成的一个物种内的混合。同一个亲体的一条染色体相联系的一套性状，可能分布在两个子代里，并在以后的世代里进一步分离和扩散。因此自然选择有许多花色品种供它使用，去选择有利的组合。单靠这种机制并不能产生新的性状，虽则 隐性基因将会显示出来，而且与隐性基因相联系的那些性状如果有利的话，将在物种里成为普遍的性状。但是，正象早期的研究者在别的物种中发现的那样，在果蝇性状里也观察到自发变化的现象，认为这起因于基因结构上变化或突变。大多数的突变，可以说百分之九十的突变，都是致死的，其余为稳性的。缪勒于公元1927年发现X射线可以提高果蝇的突变率，次年，又发现提高温度也能做到这样。这些人工的突变与自发出现的突变是同一性质，所以自然突变很可能是由辐射产生的。但是，缪勒于公元1930年证明地球表面的天然辐射量，还需要增加到五百倍，才能说明自发突变率。
在近代遗传学的早期，人们以为孟德尔因子或基因是完全单个的和独立的实体，它的作用只受引起突变的那些因素的影响，而不受同一染色体上其他基因的直接环境的影响，也不受核、细胞、整个有机体的较大环境以及有机体本身所处的物质条件的影响。但是斯特蒂文特于公元1925年发现产生同一性状的两个基因，当它们处于同一条染色体上的邻近位置时所起的作用，比它们分开时要大得多。缪勒于公元1935年指出这样一种位置效应会产生某种不能察觉的染色体重新排列，例如一个小断片的倒位，而产生与基因突变相同的现象。因此，戈尔德施米特（Goldschmidt）于公元1938年设想，一切所谓基因突变实际上都是染色体的重新排列，并建议应当用整个染色体的排列决定某一特定性状的概念来代替基因决定的观念。他的主张没有为大家所采用。
孟德尔曾经把他的因子当作是有机体的成体性状的决定因子，例如他的豌豆植株所达到的最后高度。后来人们懂得，有机体的性状不仅取决于它们的遗传组成，而且也取决于它们所处的环境。布里奇斯于公元1928年证明巨型果蝇的幼虫如果没有充足的食物供给，它的卵也只能发育为正常大小的昆虫，这表明基因支配着发育过程而不是支配着最后特征。戈尔德施米特研究了这种过程，他测定了某种毛虫在同样的基因突变的控制下，其皮肤内色素的沉积速度。比德尔（Beadle）从大约公元1931年起也研究了真菌类红色面包霉突变体中为遗传所控制的生长与代谢的生化过程。与正常的真菌不同，由X射线产生的红色面包霉突变体，不能从简单的化学物质中组成它们的躯体物质，因为突变体丧失了正常红色面包霉代谢过程中的一个或几个合成阶段。因此必须对突变体提供这一合成阶段或这些合成阶段的通常产物；这样根据向丧失了前后相继的合成阶段的一系列突变体所提供物质的化学性质，就可以知道真菌正常进行的生化合成过程。
基因和染色体支配有机体的发育过程而不是支配成体性状的概念，为遗传学与胚胎学结合提供了一个大有可为的前景。但是至今为止这两门科学还是自立门户的，因为胚胎学者发现支配生物个体发育的因素位于受精卵细胞核外面的细胞物质、即细胞质之内，而不是如遗传学家所主张的，位于核的染色体之内。有一些胚胎学家，特别是布维里、洛布（Loeb）和詹金森（Jenkinson）约从公元1917年起实际都主张：决定一个有机体所属的门、纲、目、属或种的主要性状是由受精卵细胞质内的因子支配的，只有变种性状如孟德尔豌豆的高矮，也许还有种的性状是由核内的因子决定的。
这种见解是根据胚胎学的“发育力学”学派的发现。这一学派是在十九世纪末兴起的。海克尔的一个学生鲁（Roux，公元1850－1924）于十九世纪八十年代指出，包括他的老师在内的胚胎学家仅仅描述了胚胎发育的过程，并没有阐明其原因。为了揭示他所说的胚胎的发育力学，鲁提出胚胎学家应当走一条新的途径：离开描述而转向实验。在采取这一原则时，鲁本人发现两侧对称的动物的中央平面，受发育成该动物的受精卵第一次卵裂平面的支配。卵裂平面又受精子钻入卵内的进入线所决定，而进入线在受精作用发生之前就已经安排好了，那是因为卵的细胞质已集结在精子将要进入的那一点上。
在卵的发育过程中，鲁使卵朝各个方向倒转，他进一步证明重力对胚胎的生长不发生影响，所以一个卵的发育完全决定于它本身内部的机械力。继魏斯曼之后，鲁假定这种力量出自卵的种质，并于公元1888年作出了一个他以为是支持这个见解的实验。鲁用一枚灼热的针杀死了一个受精蛙卵第一次分裂所产生的两个细胞之一，并发见余下的那个活细胞发育成半个胚胎。鲁假定支配发育力量的因子随同卵的分裂而分开，因此一个子细胞只能发育为半个胚胎。但是赫脱维奇却证明如果小心地去掉那个死细胞，剩下的活细胞便发育成为正常的胚胎。此外，杜里舒（Driesch，公元1867－1941）于公元1891年发现一个受精的海胆卵一直到第五次分裂的全部细胞，如果相互分开，都会生出完整的胚胎，不过形状小些。因此杜里舒强烈反对鲁的机械观点，主张在每一个卵内都有一种内在的活力或目的，以保持胚胎的完整性并能使丧失的部分再生。
进一步的研究表明这两组发现都是对，受精卵可分为两大类，即嵌合型和调整型，并有各种不同程度的中间状态。嵌合卵的各个不同部分从一开始就发生分化，由卵的第一次分裂所形成的两个细胞分别产生半个胚胎。调整卵从一开始便不这样分化，第一次，第二次，甚至第五次分裂的单个细胞都形成完整的胚胎。在后一情况下，甚至在发育的后期，当卵分裂为一团节段细胞时，分开的细胞群也会形成完整的胚胎。只有当一团细胞从一个极到另一个极纵长地割开时才能形成完整的胚胎，其他割面都产生不正常的胚胎。含有一个极的细胞群可以再形成一团节段细胞，但不能发育到下一个阶段，即杯状的原肠胚。另一方面，含有另一个极的细胞群却产生一个大得反常的原肠胚，而含有两个极的细胞群则形成正常的原肠胚。
这些发现暗示在调整型卵的情况下，第一次形成的细胞团的两极会产生出组织胚胎往后发育的化学物质。德国的斯佩曼（Spemann，公元1869－1941）研究了这些化学组织物质。他在本世纪二十年代证明，在两栖类的卵内有一个产生组织物质的中心，它在细胞核之外并且显然与细胞核无关。斯佩曼用一种产生神经组织的物质──称之为神经唤起物──进行研究，发现其作用完全没有专一性，从蛙身上取得的唤起物可以在蝾螈里引起神经组织的形成。在这个事例中，形成的是蝾螈的神经组织而不是蛙的神经组织，表明唤起物仅仅促进一般神经组织的发育，而决定神经组织的特殊性质的则是其他因素。这些组织者被证明是无生命物质，因为非细胞提取物也能产生与组织者细胞相同的作用。尼达姆等人于公元1936年证明神经唤起物也许是一种甾醇类，一组包括性激素和和维生素D的有机化合物。在嵌合型卵内，如同在调整型卵内一样，发现组织胚胎发育的中心位于卵的细胞质之中，不过这种发育的特殊性看来是受其他因素支配的。
为了说明胚胎学者们的发现，美国的遗传学家摩尔根、布里奇斯和斯特蒂文特主张卵的细胞质是受核染色体的基因控制的，而细胞质本身对物种的遗传或进化都是不重要的。受细胞质因子支配的变异特征等事例，就以这样的遗传学说加以说明了。研究某种蜗牛的发育，发现蜗牛壳右旋或左旋是由雌性的细胞质所决定，根本不是由雄性精子所决定，而雄性精子几乎全部由核物质组成。斯特蒂文特于公元1923年指出，卵的细胞质依赖于卵所由发生的蜗牛的遗传组成，支配产生右旋壳的细胞质的基因乃是显性的。在涉及特殊的性状差异的情况下，例如在不同物种杂交时，雌性卵的细胞质好象对后代的特征具有很大的影响。戈尔德施米特研究昆虫，米凯利斯（Michaelis）研究植物，都于公元1937年证明杂交物种的差别愈大，细胞质的影响也愈大。这些事例又一次可用细胞核对于细胞质有一种遗传上的控制来加以说明。但是新近发现了一些明显不依赖于核控制的细胞质遗传的例子，这些通过细胞质一代代相传下来的性状决定因子就被叫作“细胞质基因”。
孟德尔遗传学虽然长期同胚胎学分道扬镳，但它在达尔文的有机进化学说里很早就占有地位。达尔文观察到自然选择对有机界的变异起着作用，保存那些具有新的适应特征的变种，淘汰那些没有这种特征的物种。但是达尔文没有对此进行分析。遗传学提供了这样一种分析，在生物的遗传里区分出好几种变异来源。变种的产生可以由突变出现新的基因，也可以由于现有基因的新组合，还可以由于染色体内部的变化，诸如缺失、重复、易位和倒位，或包括染色体组在内的变化，例如在生成性细胞的第一次细胞分裂中，由于染色体对不能分开而使染色体数目加倍，等等。不同类型的遗传变化，可能产生不同种类的进化变异。染色体数目的加倍可以在一代中产生一种新物种，因为新的生物的染色体数目不同于它原来的物种。另一方面。突变基因的作用会被其他基因的复合作用所缓冲，从而使基因突变所产生的进化会象达尔文所相信的物种变化那样地缓慢和微渐。戈尔德施米特于公元1944年主张基因突变只产生他称做的“微进化”，那就是使物种适应于一个变化环境的种内进化。“大进化”，即由一种物种变为另一种物种的进化，是由于染色体物质的完全重新排列，它改变了染色体的型式，从而改变了它们所支配的生化反应系统。
在科学家普遍接受达尔文主义进化学说的时候，拉马克主义也有一些拥护者。从公元1920年至公元1937年，麦克杜格尔（McDougall）接连好多代训练老鼠避开一条引向电击的途径而选择一条引向食物的途径，他发现训练所需的次数一代一代地减少下去。从细菌和原生动物生长的研究中，拉马克的观点获得更加显著的证据。詹宁斯（Jennings）从公元1930年起证明某种原生动物能改变自身以适应不习惯的环境条件，例如高温和有毒的化学制品，这种获得的变化是遗传的，因为这些原生动物回过来适应早先的条件时，如同它们适应新条件时的变化一样缓慢。欣谢尔伍德（Hinshelwood）从公元1938年起把细菌细胞的生长作为一种化学反应来对待，研究了这种过程的动力学，取得了类似的结果。
近年来抗药性菌株的出现已成为一个重要的问题，这种细菌的发生一般归因于偶然产生的一个突变有机体，它能在药物中生存，并通过自然选择而占优势。但是欣谢尔伍德却提出细菌自身能对药物发生适应性改变的理由，特别是因为在稀释的接种体里几乎全部细菌都生存下来了，并且在一个亚致死的药物培养基中产生了菌落，而不只是一两个突变体。批评者指出每一个细菌生存并繁殖到相当长的时期后，便可以形成一个抗药突变体，但是欣谢尔伍德却认为这个见解不能说明这种现象的量变特点，因为菌体细胞的分裂速度在药物培养基中大大降低了，虽然有机物质的产生速度是很大的。拉马克主义始终是具有相当异端色彩的一种少数派意见。公元1940年，由于在苏联发展了多少有点类似的米丘林学说，这种异端色彩就更明显了。
[英]梅森
第四十三章 相对论
古代和中古时期对世界有一个突出的看法，认为宇宙间有些优越的地点；从这些地点某些有特权的观察者可以观看并支配宇宙间的事件。早期的近代科学家在建立他们的学说时，总设法排除这类见解。他们努力证明月亮和行星是和地球一样的，而不是如古人假定它们是那样更加完善和更加有力的实体。过去认为推动天体运行，并观察和引导地上事件的是分为许多等级的天使；这些都被那些早期的近代科学家，和加尔文教派的人一起，从天上赶走了。最后，十七世纪的科学家把天界和地球看作是同样性质，并且有同样的力量控制着，用地球上事物所遵守的力学定律来解释天体的运动。但是十六、十七世纪的科学家仍旧保留一个见解，即宇宙内有一个进行特殊和优先观察和控制的地点，就象加尔文教派一样，在否定了天使等级统治宇宙的旧体系之后，仍旧保留了宇宙间有一个绝对统治者的见解。在哥白尼看来，太阳是太阳系物质的绝对君主，统治着他观察的一切。刻卜勒也有一个类似的看法，设想太阳是神的住所，从而把他的科学和神学联系起来。在牛顿的体系里，上帝也是宇宙间唯一的优先观察者和统治者。神，牛顿写道：“永远存在，到处存在，而且由于永远和到处在，形成了时间与空间。（他）没有身体，他是爱，是大智大慧，他无往而不在；他在无限的空间内，就如在他眼前一样，亲切地看见事物本身，彻底地感受到它们，并且由于它们直接呈现在他面前，整个儿理解它们。”
在牛顿看来，有绝对空间、绝对时间、绝对速度等这样一些量，以及整个绝对空间弥漫着一种以太介质，因而是和宇宙中有一个特权的观察者的见解联系在一起的。同样，在后来所有的以太学说里，在原则上总有一套享有特权的体系和观察者，它们在宇宙以太介质中静止不动，因为在理论上，他们能测量运动物体的绝对速度。甚至十八世纪的法国哲学家，尽管他们对世界和世界居民的机械一致性深信不疑，也摆脱不掉类似的想法，认为在原则上可以有一个享有特权的事件观察者。拉普拉斯按照牛顿思想体系的精神，设想有一个神圣的计算者，知道宇宙所有粒子在任何一个时刻的位置和速度，就能够知道过去发生过的一切，并预言未来将要发生什么。所以早期近代科学家所开创的哲学思潮并没有达到完备的地步；一直到了爱因斯坦才给物理学提出一个基本假说，就是宇宙间一切位置都是等价的，所有可能的观察者都能够获得关于对方的同样知识。
从公元1887年起，当迈克耳逊（Michelson，公元1852－1931）和莫雷（Morley，公元1838－1923）在美国测量了光在通过以太沿着地球运动的方向与地球方向成直角的速度以后，以太学说就走下坡路了。在这种情况下，发现光的速度都是一样的，迈克耳逊因此认为这个结果表明以太是随着地球运动的。可是公元1893年洛奇（Lodge，公元1851－1940）在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变，表明钢盘并不把以太带着转。恒星的光行差也显示以太并不随着地球转动，这一来，那种认为空间弥漫着一种物质以太，可以传递光波振动的见解，就因迈克耳逊和莫雷的实验结果而被人放弃了。
菲茨杰拉德在公元1892年对迈克耳逊－莫雷实验提出了一种解释。他指出如果物质是由带电荷的粒子组成，如当时看上去那样，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克耳逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值，但都没有成功。例如一根电线朝着地球运动的方向时，长度应当缩短，从而显出导电率增加，但是实验的结果表明并不是如此。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法决定他们体系内的绝对速度，光学的那些定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。
由此可见，一个物体的绝对速度是无法知道的，而且绝对空间和绝对时间的框架，包括组成这个框架的物质以太，都不是必需的。公元1905年爱因斯坦在伯尔尼大学时就设想，如果假定自然法则在一切以均匀的相对速度运动的体系内都是一样，而光速在真空中则永远不变，那末物理现象就可以更加简洁地加以概括。里茨（Ritz）在公元1908年设想光速是依赖于光源的速度的，企图以此解释迈克耳逊－莫雷实验，但是德？希特（W.de Sitter，公元1872－1934）于公元1931年在莱顿大学指出，如果是这样的话，那末一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动，而这种现象并没有观察到。爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响，这种见解因此看来是正确的，而且既然没有一种静止的以太传播光波振动，牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。
在爱因斯坦看来，任何速度和光速合在一起所产生的结果都是一样的，即光在真空中的速度不变。因此一个观察者所测量的物体相对速度，永远不会超过光速；一个想象中的比光走得更快的物体，在原则上无法用光的信号来察觉。牛顿的力学定律设想，加力会使物体的速度和动能无限增加，动能中的质量因子始终不变，而速度因子则会增加。爱因斯坦表明，当物体的运动接近光速时，不断加力会增加物体的质量；力以质量的形式把能赋予物体，因为趋近于光速的极限以后，力就不再能增加动能中的速度因子了。由此可见，能和质量是等值的。爱因斯坦把这种等值关系表现如下：一定量的能等于一定数量的质量乘光速平方的积。这个关系后来经过测量高速运动电子的质量后，得到了证实，测量的结果表明预计的质量增加和观察到的增加相等。
爱因斯坦假说进一步表明，菲茨杰拉德的缩短并不是物体的一种真正物理变化，而是由于物体间相对运动所产生的表象。如果许多观察者在一系列相对运动着的体系上配备一式一样的量尺和钟，那末一个观察者用光的信号所作的测量就会表明，别的观察者朝着相对运动方向上的量尺就显得比他自己的要短些，而他们的钟也比他自己的钟走得慢些。这些现象会被所有的观察者都注意到，然而自然规律在所有相对运动着的体系里看上去都是一样的。任何一对观察者所作的测量都将是完全对称的，特别是他们都会把同样的相对速度归之于对方。由此可见，既没有什么处于特殊地位的观察者，也没有什么绝对空间和绝对时间。一根量尺的长度视测量长度的观察者的相对速度而定，一只钟所计算的时间也是这样。还有，两个处在相对运动中的观察者在观察两个事件时，除非这两个事件发生在同一地点，就不会发现它们在同时间内发生。爱因斯坦的老师，闵可夫斯基（Minkowski，公元1864－1909）在公元1908年表明，虽则两个观察者在均匀的相对运动中不会给两个观察事件定出同样的空间距离和时间的间隔，他们却会给这两个事件之间的间隔（这是一种空间和时间的结合）找出同等的数值。闵可夫斯基发现，如果以光速乘时间，把时间当作一种距离看待，并标志为C， 那末如果两事件之间差异对某一特殊的观察者说来是T，而它们之间的距离是S，则S2-C？T2的值对所有观察者说来就是一样的。闵可夫斯基把S2-C？T2的平方根称作两事件之间的时空间隔，而且由于它对所有的观察者说来都是一样的，它就是一个四维时空中的绝对量，而空间和时间分开计算时则不是这样。
爱因斯坦在公元1905年出版的《狭义相对论》中，只研究均速相对运动的体系，但是在公元1915年他的《广义相对论》中进而研究了加速运动。他的出发点的牛顿力学中一个早为人们熟知的事实，即为研究物体在引力下降落，我们给物体的质量规定的值，和用来考察物体在机械力作用下的加速度的值是完全一样的。由此可见，引力场和加速度是等值的，而爱因斯坦的企图就是使这两者等值。他指出一个静止电梯中的观察者，根据物体以加速度落到地板上的事实，说不定会得出电梯以加速度上升的结论，就好象电梯是由机械力推动通过不受引力场影响的空间一样。同样，如果让电梯自由降落，电梯中的观察者说不定会认为自己处在真空中，不受到任何机械力或引力的影响，因为物体始终都悬在半空中。另一方面，一个在电梯外面的观察者在前一种情况下将会认为电梯处于静止状态，而在后一种情况下则认为它在以加速度运动降落。因此，对物体加速运动的判断是和相对观察者的立足点而言的；任何引力场都可以归之于一种相对的加速。
为了把引力场和相对加速度联系起来，爱因斯坦设想，如果闵可夫斯基的四维时空是弯曲的，这两者说不定都可以从几何学的角度加以说明。例如，一只弹子台在它的洞的周围造得低下去一点，则台上的弹子的运动就好象被吸向洞口，以加速度向洞口滚去。弹子的运动既可以根据弹子台做几何学解释，也可以根据假定这些洞是一种超距引力的中心来解释。同样，引力运动既可以用超距作用解释，也可以用时空的曲面几何学来解释。在公元1915年出版的《广义相对论》中，爱因斯坦作出这样的假说：自然规律对一切以任何方式相对运动着的观察者，都是一样的；时空的几何学是非欧几里得的；一切引力运动在时空中都走最短的路程；某一区域的时空曲率视该区域的物质数量而定。把这些假说合并起来，爱因斯坦选择了贝尔纳？黎曼（Bernard Riemann，公元1826－1866）发明的一种严格类型的非欧几里得几何学作为他的时空模型。爱因斯坦的时空模型是这样的：所有的模型中相对运动着的观察者都是对称的，而且相互之间是等值的；它提供的是最短线，即相当于欧几里得几何学中的直线轨迹，这个轨迹可以看作和引力场的运动是一回事情。
在发展他的理论时，爱因斯坦表明在时空中环绕一个有重量物质粒子的最短轨迹，将是一个椭圆。这个椭圆环绕物质自转；而牛顿的学说则表明这样一条轨迹应当是一个静止的椭圆。法国的天文学家勒维烈（Leverrier，公元1811－1877）曾经发现水星的椭圆轨道显出环绕太阳转动，而且观测到转动的数量和爱因斯坦所计算的数量非常接近。更重要的是爱因斯坦关于引力场对光的影响的预言。人们过去已经知道加速运动影响光的振动。但是现在引力场和相对加速联系起来之后，看来引力对光也有影响了。既然光具有能，它就应当也有质量，因此应当受引力场的影响而偏斜出去，或者毋宁说，光应当在有物质存在而弯曲的时空区域里走一条曲线轨道。公元1919年和公元1922年日食时所测量到的恒星光经受太阳影响的弯曲度，和爱因斯坦预言的理论数值相当接近，不过公元1929年和公元1947年日食时所测定的数值则表现了某些差异。可是公元1952年日食时所测量的结果和相对论非常吻合。爱因斯坦并且进一步预言，原子在强引力场中发射的光能在离开引力场时，将丧失一部分能量，使光变得红些。如果引力场被认为是一种相对的加速度，光源的加速后退应当产生同样的红移。这种红移从公元1923年到公元1928年在太阳表面铁、钛和氰所发出的光谱线中都观测到了。
到目前为止，广义相对论只涉及到上述的三种事例：水星轨道的进动，引力场里的光的弯曲和引力场中光的红移。不过这些事例本身都具有相当大的重要性，特别是后两个事例，是第一次把引力现象和电磁现象联系起来。曾经有人认为把相对论用来解释旋转运动有困难，但是爱因斯坦在公元1916年表明旋转在某种程度上可以合并在广义相对论里。地球在地轴上旋转的传统证据──地球在两极地区较为平坦，摆和回转器具有改变它们相对于地球的方向等等──可以在假定地球绕地轴自转或者假定整个宇宙绕地球转动而加以说明。第二个假定出现的困难是，鉴于物体的切线速度在它们离开地球愈远时，会变得愈来愈快，而且一直增加到接近光速。
[英]梅森
第四十四章 量子论与原子结构
在十九世纪快要结束时，若干科学领域里出现了涉及粒子和不连续变化的理论，而过去这些领域里则是由连续物质和连续变化的观念统治着的。这些学说主要是德国人发展起来的，德国人在整个十九世纪一贯倾向于粒子学说。细胞是一切生物的单位的理论，几乎完全是德国人发展起来的；同样，遗传是由自主种质的粒子机能所操纵的学说，至少在早期臆测阶段，也是由耐格里和魏斯曼发展的。德国的费希纳、韦伯、黎曼、基尔霍夫和克劳胥斯，都把电看作是带电荷的粒子，而英国的法拉第、凯尔文、麦克斯韦和菲茨杰拉德则认为电现象是连续的以太中的应变造成：如我们在前面看到的，麦克斯韦的以太模型就包含有电粒子的观念，但是他没有加以发挥。德国的赫尔姆霍茨在公元1881年论述法拉第的电解定律时说道：“法拉第定律的最可惊异的结果也许是这样：如果我们接受元素物质由原子组成的假说，我们就不可避免地要作出结论说，电，不论是阳电或阴电，也分为元素部分，其行为就象电原子一样。”
法拉第是领会到这里的含义的，但他把这种建议连同物质的原子学说一起否定掉，仍旧主张“物质到处存在，而且中间没有什么不被物质占据的空隙。”
除掉电的研究外，另一个发展了粒子学说的领域是对光、热和其他电磁辐射现象的研究；在这一方面连续波动说在十九世纪中曾经取得相当大的成就。问题的出发点是在研究黑体发射的光和热时碰到的，因为黑体产生辐射的连续光谱，和化学元素产生的线光谱相反。实验证明黑体加热到一定温度时发射出一种在特殊波长上最大能量的辐射；这种最大能量的波长随着温度的增加而下降。在实验室的温度下，这种最大能量的辐射在光谱上是看得见的，黑体先是发出红光，然后随着温度增加变为桔红、黄、白，最后变蓝。
这样一种现象是可能用光的波动说解释的。瑞利爵士在公元1900年表明，如果电磁辐射是由自然掁子发出的，那就不会有发出最大能量的波长：发出的能量应当随着辐射波长的下降而无限度地增长。一个自然掁子，如拉紧的弦，具有若干掁动的方式。弦的第一种振动方式是弦长等于波长的一半，而往后发生的振动方式则是弦长等于半波长的二、三、四、五倍，以至于无穷，因此单是一个短短的波长就可以有无限数的振动方式。根据能的均分原理，每一方式的振动应当具有同量的能，因此黑体辐射的大部分能应当由很短的波长发出来，即由光谱的紫外线和X射线部分发出，而不应由光谱的可见部分发出。其他关于黑体辐射的理论研究都没有取得多大成就，其中较著的有威恩（Wien，公元1864－1928）在公元1896年发表的解释，他不采用什么模型，而是根据纯热力学推理来进行分析。
这个问题的解决是由当时在柏林大学的麦克斯？普朗克（Max Planck，公元1858－1947）设想出来的。普朗克指出如果黑体辐射是由量子不连续地发射出来，而一个量子的能量是和辐射频率成比例的，那末低温度就有利于接近光谱红端的长波的发射，因为量子的能量较小，但在高温度时，由于有更多的能可用，就有利于发射短波长的较大量子。普朗克就是以这种方式说明了黑体在一定波长发射最大量的能，而随着温度的增加，这种最大值移到较短的波长。普朗克的量子论在公元1905年被爱因斯坦用来解释与杜隆和珀替的原子热守恒法则产生的差异，并说明了金属曝光时发出电子的现象。他还设想，光以及一般的电磁辐射，都是以粒子的形式，或者如后来称做的光子，通过空间传播的，这样一来，在某种程度上，就弥补了他在同年发表相对论时否定了以太之后所留下的漏洞。
量子论最重要的应用，是在原子结构研究方面，如我们已经看到的，电流通过盐溶液时所观察到的电解定律，使得赫尔姆霍茨在公元1881年设想电是粒子的形式，约翰斯东？斯通尼（Johnstone Stoney）在公元1891年称这些粒子为电子。电流通过低压气体进一步证明电是粒子性质，并为研究原子构造提供了一个方法。在一个装有低压气体的管子里两块金属板之间通电，就可以发现三种射线：一种是从阴极板到阳极的阴极射线，一种是走相反方向的阳极射线；还有X射线，这是阴极射线击中物质，诸如一个金属靶子时所形成的。
科学家最初集中研究的是阴极射线，发现阴极射线是走直线的，因为挡着光线去路的物体都被投出清晰的影子。而这种光线具有动量，能够使一只轻的叶轮转动。阴极射线因此就好象是一道直向运动的粒子流，而且这些粒子是荷电的，因为电场和磁场都能使它偏转。公元1897年约？约？汤姆生（J.J.Thomson，公元1856－1940）在剑桥大学，通过安排了一个电场和一个磁场以抵消电场和磁场所造成的粒子偏转，测量了这些粒子的速度。磁场对粒子施加的力是根据粒子的速度而定的，而电场对粒子施加的力则不是如此。在汤姆生的实验里，从电场和磁场的强度比值就得出粒子的速度，而速度一旦找到后，单靠磁偏转或者电偏转就可以测定电荷与粒子质量的比值。
汤姆生证明这此粒子都带有阴电荷，而且是一切物质的共同成分，因为任何气体放在他的放电管里都以同样的电荷对质量的比值发出阴极射线。他从酸液的电解发现电荷对氢离子质量的比值比起阴极射线的来小两千倍，汤姆生由此得出结论，认为氢离子的质量比一个阴极射线粒子，即电子的质量，大约要大两千倍，它们的电荷相等，但是符号则相反。汤姆生的推论在电子电荷测量出来以后，得到了证实；尤其是美国的罗伯特？密立根（Robert A？millikan）从公元1913年到公元1917年考察了荷电油滴在相反的静电场和引力场之间的运动。他发现一个油滴所载的最低电荷和这个油滴所能载的许多较高电荷的最小公倍值是一样的，而这个值他认为就是一个电子的电荷。这个电荷量和一个氢离子上的电荷量是一样的，虽则符号相反，表明氢比一个电子重1836倍。
在他所作实验的基础上，汤姆生在公元1904年设想化学元素的原子是由一个正电球的聚集在一起的许多电子所组成。他认为原子的质量全部来自电子，因此以氢原子为例，就含有1836个电子。可是放射现象的研究很快就使人们抛弃汤姆生的原子模型。人们发现放射性元素发出三种射线，和气体放电管发出的光线完全相似：先是同阳电荷的α射线，即是和阳极射线类似的有双倍电荷的氦离子，其次是β射线，是和阴极射线类似的电子，不过运动得稍微快一点；再就是不带电荷的γ射线，这是电磁辐射，就象X射线，不过波长要更短些。卢瑟福先在曼彻斯特大学，后来又在剑桥大学，证明α粒子大部分笔直地透过物质，但有少数，约摸两万个中有一个，却碰到很大的偏转，时常在轨道上折回去。由此看来，原子含有一种很强的偏转力或者核，但和整个原子比起来还是很小的。公元1911年卢瑟福提出原子包含有一个小的带正电荷的核，具有原子的大部分质量，它由许多电子沿着轨道环绕它转，就象行星环绕太阳一样。一定元素原子的核上面的正电荷数等于该元素在周期表上的序数，这也是沿轨道旋转的电子数，这样就使原子整个说来在电荷上是中性的。卢瑟福的原子模型还有以下事实作证，即重元素比轻元素散射的α粒子多得多，这很可能是由于重元素的核电荷和质量比较大的缘故。还有，人们发现当一种放射性元素放出一个α粒子，而且荷有双倍电荷时，这样形成的新元素在周期表上就要移后两位，根据卢瑟福的理论这表明它的核失掉两个正电荷；但是当这个元素放出一个β粒时，而β粒只具有一个阴电荷，这样形成的新元素在周期表上就移前一位，就是说，它的核多出了一个正电荷。由于一个元素的原子量大致是其原子序数或核电荷的双倍，所以可以设想一个原子核是由许多氢原子核或质子形成的，在数目上等于原子量和需要使核的总电荷恢复到原子序数的电子数目。
依照经典的观点，卢瑟福的原子模型本身就存在着缺点。那些轨道电子都是在核的静电场里运动的电荷，因此应当连续不断放出辐射。电子在这样做的过程中应当丧失其本身的动能，因此它们将会逐渐转进核里面去。当时和卢瑟福一起工作的尼尔斯？波尔（Kiels Bohr）在公元1913年指出这个模型可以用新的量子论加以补救。如果辐射不能连续发射，而只能以确定的量子发射，那就有理由设想原子结构里有某些确定的轨道，而电子可以沿轨道运动并不丧失能量，只有在电子从一个轨道跃迁到另一轨道时才会发出辐射。这样一设想，就可以解释元素的原子光谱是由清晰的线条组成而不是一条连续光带的事实。当一个电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，量子的能量以及因此而发出辐射的频率，将由电子在这两个轨道中动能的差决定。如果轨道是固定的，而原子光谱上的每一条线应当相当于两个这样轨道之间的一种特殊的电子转移。波尔依靠这个理论，定量地说明了氢原子的光谱，用一个量子数N代表主要轨道，电子可以在轨道间跃迁。N可以有1，2，3，4等数值，从第二轨道跃迁到第一轨道产生一条光谱线，从第三轨道跃迁到第二轨道又产生一条光谱线，如此等等。
用有较高分辨能力的仪器就看出原子的光谱线有精细的结构。为了解释这种现象，索末菲（Sommerfeld）于公元1915年在慕尼黑大学提出，量子数N的主要电子轨道可以细分为许多辅轨道，这些轨道的数由辅量子数K约束，K的值可以有1，2，3，4…N.索末菲把这些辅轨道设想为椭圆式，形状从正圆到扁长的椭圆都有。这些辅轨道的能量稍有差异，因为根据爱因斯坦的相对论，电子沿扁长椭圆轨道走到原子核附近时，速度和质量都会增加，并环绕着核显现一种进动，就象水星环绕太阳轨道一样。另外，公元1896年塞曼（Zeeman，公元1865－1943）在莱顿大学发现磁场使原子光谱线分裂的现象，为了解释这种现象，就还得引进另一种辅量子数M，具有──（K-1）…0…＋（K-1）等数值。最后，乌仑贝克（Uhlenbeck）和古兹米特（Goudsmit）在公元1925年根据电子可以绕轴以一个或两个相反方向自旋的假设，又提出一种自旋量子数S，它可以有两个相反值中的一个以解原子光谱线的更为复杂的性质。
公元1925年泡里在汉堡大学提出两个电子在同一原子内不能有同一套量子数的原理，这就限制和规定了元素原子可能有的电子结构。当主要的量子数N等于1时，这样规定的轨道就只能含有一个电子，或者两个向相反方向旋转的电子，因为辅数K和M都只能具有最小数值。因此第一主轨道把含有一个轨道电子的氢和含有两个轨道电子的氦的情况都包括在内了，这样第一主轨道或者壳层就装满了。当主量子数N等于2时，辅数K可以有1或者2的数值，而M在K等于1时可以是0，在K等于2时可以是－1，0，＋1.所以在第二主壳层内有四条辅轨道，每一轨道可以容纳两个相反旋转的电子，这样就把氢和氦后面八种元素锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖、都包括了。这样一来，从原子光谱研究所推算出来的量子数说明了元素的电子结构，给元素从电子数上作了分类，这种分类和早期的周期分类非常吻合。
元素的电子分类法使人注意到一件事实，即那些不大会或者不会形成化合物的惰性气体，是在一个电子壳层或次电子壳层完成时出现的，上述的氦和氖就是这种情况。这样看来，一个完满的壳层或次层是一种特别稳定的电子结构，所以化学的化合理论现在可以精确地说明了。美国的兰米尔从公元1919年－1921年发展了一种理论，他认为，化学元素化合成化合物时会获得惰性气体的稳定电子结构。他设想元素原子能以两种方式做到这点，或者靠给予和接受电子的方式，或者靠共同拥有电子的方式，这两种结合方式可以分别称为电价和共价。例如钠比惰性气体氖多一个电子，而氟比氖少一个电子。当它们化合为具有电价的氟化钠时，钠原子就把多余的一个电子给予氟原子，使两者都达到氖的稳定电子结构。核电荷始终保持不变，因此钠原子就得带阳电，氟原子变得带阴电，两个原子间的静电力把它们约束在一起。两个氟原子，由于每一个都比氖原子的电子结构少一个电子，可以通过共有对方的一个电子而形成不同的键，产生共价的氟分子。这里两个原子在电学上是中性的，因此被原子间互换的两个电子紧紧约束在固定的键距上，可是，电价化合物的两个带电离子，在某种情况下，则可以独立运动，如在水溶液中那样。后来人们体会到纯电价和纯共价都很少，多数键是两种类型的结合，因为许多共价化合物都具有偶极矩，表明在它们的键中有各自的电荷，而电价离子的电子壳层则发现变得极化或畸变了。
波尔的原子模型为化学家解释分子结构和化合过程提供了一个有用的模型，但在物理学家看来却是不大满意的，因为它只解释了类氢型原子的原子光谱，而且连这样解释也不能说明观察到的光谱线的相对强度。索夫菲的一个学生，维纳尔？海森堡（Werner Heisenberg，公元1901－1976）在公元1925年提出，一切象波尔那样的机械原子模型都应当放弃，而采用另一种研究方式，把可以直接测量到的量，诸如光谱线的频率和强度，都直接安排在数学方程里。根据这种做法，海森堡就能说明塞曼效应，而这是早期的波尔学说所不能解决的困难。可是根据这种预测又出现了另一种研究方法，这是路易？德？布罗意（Louis de Broglie），在公元1925年提出的；他认为物质以及辐射应当既具有粒子性质，又具有波动性质。后来发现电子、质子和α粒子都具有波动性质，产生象光和X射线那样的衍射图象，但是欧文？薛定锷（Erwin Schr？dinger）在公元1926年根据电子有波动形式的假定，和海森堡一样，能更直接概括同样的事实。波尔假定稳定的电子轨道要求电子一定具有一个等于整数乘h/2π的角动量，h 是普朗克常数，它是把一个辐射的能量子大小和量子的频率联系在一起的常数；根据薛定锷的看法，波尔的这个假定等于要求环绕一个稳定轨道上的电子波长应当是一个整数。
可是在薛定锷的体系里，电子不再沿固定的轨道运动了。他的那些方程式表明原子内的电荷密度以一种波状的形式从核向外变动着，波峰相当于早期的波尔式原子的轨道。薛定锷自己认为这些波动形式代表原子内电荷的实际分布，但是玻恩（Born）在公元1926年设想波动在任何一点的高度应当看作是在这个位置上找到一个电子的几率的量度。玻恩的这个见解表明一个电子的位置不能完全准确地测定下来；我们能够测定的只是在某一个特殊点找到一个电子的几率。海森堡在公元1927年表明一个电子的动量和能量同样不能确定，一个电子的动量和位置的乘积测不准到永远不能少于h/2π的程度，h 就是普朗克常数。这就是“测不准原理”；它所根据的是物质和辐射的波粒二象性和物体性质在实验过程中往往不可避免地要改变的事实。如果我们要准确测量一个电子的位置，就得使用波长很短的辐射。但是这种辐射就会含有高能量子，而由于碰撞就会改变电子的动量和能量；同样，要测量一个电子的动量，我们得使用低能量子：这类量子的波长较大，因此电子的位置就会相应地不准确。物质和辐射的波粒二象性这一观察到的事实，还牵涉到粒子性质和波动性质之间存在着某种联系的问题。普朗克指出，一个量子的能量等于量子辐射频率乘普朗克常数乘h.德？布罗意发现一个粒子的速度等于它的有关的波群的速度，一连串波群的速度小于个别波的速度，这种现象有时候可以从水波的情况看出，因为一片大的浪头常比旁边的一堆小浪头走得慢。后来在公元1927年，查理？达尔文爵士提出一个粒子的两种可能的自旋形态，相当于一个被偏掁分开的波振动的两个横波。
在发展他的原子模型时，薛定锷研究了三维空间中电子在核周围的分布，得以推算出决定原子结构的四个量子数中的三个数量。这样发展起来的量子力学取得很大成果，但是它是非相对论性质的，因为薛定锷没有考虑属于第四维的时间。狄拉克（Dirac）在公元1928年提出了一种相对论的量子力学；在这样做时，他找到了符合第四量子数的项值，包括电子自旋现象在内，而这在薛定锷的理论里并不出现。狄拉克还预言了有一种质量等于电子的粒子存在，但是电荷相反，这就是后来发现的阳电子。可是相对论的波动力学很复杂，所以狄拉克的学说到目前为止，不象薛定锷的理论那样广泛被人采用。
海森堡和薛定锷的波动力学旨在说明原子外包围电子的行为。与此同时，原子核也有人在集中研究，最后也企图把量子力学在这方面加以应用，但是碰上存在着很大困难的问题。由于核含有原子的大部分质量，所以原子核的研究，是从发展一种新方法来测定元素的原子量开始的。它根据的是考察电流通过低压气体所发射的阳射线。约？约？汤姆生在公元1912年发现不同的气体发射的阳射线，在受电场和磁场影响而偏斜出去时，表现出不同的行为，因此这些阳射线不象电子那样是一切物质的共同成分。他测定了电荷与阳射线粒子质量的比值，从而发现粒子的质量等于原子量，这就表明这些粒子是气体带阳电荷的原子。可是他发现氖气有两种不同的粒子，一种粒子的质量相对氢来说，是20，另一种的质量是22.两种形式的比值是10对1，因此它们的平均质量是20.2，这个数值和氖的已知原子量20.18相当吻合。由此看来，氖是由两种原子构成的，它们被叫做同位素，它们的质量不同，但核电荷一样，而且沿轨道运动的电子数也一样。
看来普劳特当初提出的一切元素的原子都是由若干氢原子构成的假说，也是不点道理的，因为氖的两个同位素的原子量都是氢原子量的整倍数。后来经阿斯顿（Aston，公元1877－1945）在剑桥大学研究，才发现元素的同位素一般地并不完全等于氢原子量的整倍数，而是质量数等于16的氧同位素的原子量的十六分之一的整倍数，它就被看作是标准的参照物质。总起来说，阿斯顿在公元1927年发现很轻的和很重的元素，诸如氢和铀，其质量比普劳特假说所预计的质量稍重，而处于铁区域的原子量中等的元素则比预计的要轻些。阿斯顿称这些偏离为元素的剑集率，他并且证明可以用图表形式求出一根敛集率对元素质量数的光滑曲线，即普劳特假说所预计的原子核含有的粒子数。剑集率被认为是对某一元素稳定性的测定，因为具有高剑集率的特重元素是放射性的，并自动分解为有较低剑集率的轻原子，而在这样变化的过程中以能的形式丧失质量。根据这种理论，铁区域的中等原子量元素是很稳定的，还有某些配合不进阿斯顿曲线的轻元素，主要是氦、碳和氧的同位素，它们的质量数是四的整倍数，表明α粒子是一个稳定单元，而且可能以这种形式留在较重的原子核里。
汤姆生和阿斯顿的研究最初被看作是原子核由质子和电子组成的证据。例如氖的两种同位素，一种含有22个质子和12个电子，一种含有20个质子和10个电子，因此它们的核电荷都是10，但是原子量则是22和20.卢瑟福根据他的α射线实验，在公元1920年指出原子太小了，容纳不了这么多的粒子，所以他建议如果原子核含有中子，即重量等于质子但不带电荷的粒子，那就可以放弃原子核含有电子的说法。他的学生查德威克（Chadwick）于公元1932年发现，在用α粒子轰击铍时，就会发射出射程特别长的粒子。他考察出这些粒子并不受电场或磁场影响而偏斜出去，因此是不带电荷的，然而它们都能从其他元素中把质子冲击出来，因此具有和质子同级的质量。在同一年，安德森（Anderson）在美国和布莱凯特（Blackett）在英国都发现宇宙射线和γ射线都产生正电子，即相当带阳电荷电子，正如狄拉克于公元1928年在剑桥时所预言的那样。海森堡随后就设想，原子核里的中子和质子说不定可以用一种正电子的交换过程保持在一起，质子失去一个正电子就变成中子，中子得到一个正电子就变成质子。这种过程同两个有共价化学键的原子之间交换两个循轨道运转的电子一样，海森堡以及狄拉克和泡里，还把这种想法应用于电场，他们假定，两个带电粒子之间的力是交换光子的结果，即一个粒子放出光子，另一个吸收光子，据此推算出静电力的库伦反比平方定律。可是在这种情况下，困难又来了，因为他们的计算表明应当还有别的力存在，而这些力在粒子的半径达到零时就会增长到无限大。
另一个根据电子交换假说说明原子核的结合力的尝试，是由于日本的汤川秀树（Hideki Yukawa，公元1907－）在公元1935年提出的。他设想核里面质子和中子是由交换介子而结合在一起的，介子是一种中性粒子，具有约比一个电子重二百倍的静质量。汤川秀树预言的介子于公元1947年为鲍威尔（Powell）在布里斯托尔发现了，而其他介子则是由安德森于公元1938年在帕萨迪纳作为宇宙线的次级产物而发现的。泡里在公元1931年曾假定有另一种粒子存在，叫做中微子或中性电子，用以说明放射性元素发射的电子具有不同能量的事实。他设想这些中微子是在同时发射的，带走一部分可变的补充能量，因此放射衰变中放出的总能量固定不变。迄今为止，这些粒子在实验中还没有被发现过。可是根据预料，中微子会具有巨大的贯穿能力，所以难于探测。泡里的原理假定，两个粒子在一个体系内不能有同一组量子数，这个假定已被用于原子核以及轨道上的电子。有人设想原子核里有两组能级，一组是中子，另一组是质子，两种粒子都遵守确定轨道电子能级的量子法则。在原子核里，第一级或壳层里，能容纳四个粒子，两个有相反自旋的质子。因此当第一个核壳层完成时，就产生α粒子即氦核，它是一个特别稳定的结构。其余壳层在完成时将含有8，20，50，82或126个质子或者中子，这就有助于说明各种不同原子的稳定性和丰度。例如铅有一个含有82质子的核，是所有三类天然放射性系的稳定末端产物，而最丰富的铅同位素则是含有126个中子的核。
本世纪因发现基本粒子而开辟的最动人视听的局面，可能是核反应的研究。重元素的放射性被看作是卢瑟福和索迪在公元1902年发现的自发原子变化的一个事例，而人工的原子蜕变的第一个事例则在公元1919年被卢瑟福用α粒子轰击氮并产生快速运动质子时发现了。从公元1921－1924年，卢瑟福和查德威克用α射线轰击所有到钙为止元素，都产生了质子，只有稳定元素氦、碳和氧除外，这些元素的原子量都是四的整倍数。布莱凯特在公元1925年指出重元素就是通过这个过程产生的，当氮受到α粒子轰击时，氧核以及氢核就形成了。
除掉用α粒子外，也有人研究用其他粒子轰击原子。公元1932年考克拉夫特（Cockcroft）和沃尔顿（Walton）把质子加速到高能，用以轰击锂，得到两个氦核。次年劳伦斯（Lawrence）和黎文斯顿（Livingston）发展了回旋加速器使带电粒子加速，并用这各加速器研究用由一个质子和一个中子形成的重氢核或氘轰击所产生的效应。公元1932年中子发现后，就有人研究用中子轰击的效应，主要是当时在罗马的费米（Fermi，公元1901－1954）。他发现中子通过含有多量氢的物质如石蜡或水而减慢之后，在引起核反应上特别有效。公元1934年在用中子轰击铀时，费米找到另一种他认为比铀还重的放射性元素。这种研究工作被哈恩（Hahn）在柏林大学承担起来；到公元1937年，他声称制成几种超铀元素，原子序数从93排到96.可是巴黎的约里奥？居里夫妇在公元1938年指出，用中子轰击铀所产生的物质，其放射特征和轻得多的放射性元素，特别是放射性镧很近似。哈恩和迈特纳（Meitner）在公元1939年重新考察这个问题时，发现镧和其他中等原子量的元素都会从轰击铀中产生，表明铀核已经分裂为两个。铀的高剑集率表明，当铀核分裂为较轻的碎块时，因质量丧失就会产生大量的能量，而铀的核电荷同质量数的高比值表明在分裂过程中可能放出几个中子。约里奥？居里在公元1939年证明铀蜕变产生中子，因此一个铀核的裂变在适当情况下会击破附近的其他铀核。这种情况可以控制，如在原子反应堆里，或者不受控制，如在原子弹里那样。费米这时在芝加哥于公元1942年创立了第一个原子反应堆，到了公元1945年其他的美国人制成了原子弹。氢和其他轻元素的高敛集率表明，把这些轻元素变为重元素也许能获得大量的能量，后来人们利用铀的核裂变发出所需要的高温，这样一种核聚变就在氢弹中实现了。
[英]梅森
第四十五章 天体物理学和宇宙结构学说
在十九世纪中，天文学的观测范围因技术上的一些进步而大大地扩大了；这些技术上进步主要是制造更大的反射望远镜，考察星体的光谱，和采用摄影技术。黑体辐射学说的应用，使得星体的表面温度可以测算出来，而原子物理学理论启发了人们用核反应来解释星体发出辐射时的温度和辐射速度。在另一方面，这些新方法所提供的知识，使威廉？赫舍尔在十八世纪末所提出的见解更加精确地得到证实，如银河是一个独立的恒星系，太阳只是其中一员，而那些小的白色星云则是更远得多的同样恒星系。恒星系的大小，它们的相对速度和相隔的距离，现在都可以测算出来，为已知宇宙的空间广度提供了数值，为宇宙的历史提供了一个时间尺度，不过特别在时间估计上，因计算者的理论观点不同而存在着很大的出入。
第一次对太阳系范围以外的空间测算，是根据最邻近一些恒星的视运动在地球绕日的周年运动中测算它们的距离。这种视差运动，除去光行差的影响，是由亨德森（Herderson）于公元1832年在南非洲第一次进行观测的，而且被贝塞尔（Bessel，公元1784－1846）在科尼希斯贝格和斯特鲁维（Struve，公元1794－1864）在普尔科沃用来测定恒星的距离。这种恒星视差的方法只能用来测定较近恒星的距离，但在公元1912年却发现另一种测定更远距离的方法。人们发现亮度经常变化的恒星分为两类：第一类是周期地互食的双星，第二类是脉动星，叫做造父变星，它们的特点是亮度以一种特殊方式随着时间变化。莱维脱女士（Miss Leavitt）于公元1912年在哈佛发现同周期的造父变星具有相同的亮度。因此，最邻近造父变星的距离一旦用恒星视差方法测定以后，所有其他同周期变星的距离，都可以根据它们的视亮度，运用光强度随距离平方减弱定律测算出来。另一个方法，原则上差不多，不久也被人发明了，所根据的是有同样光谱的恒星具有相同的本身亮度的假设，所以从它们的视亮度就可以测定它们和地球的相对距离。
公元1918年威尔孙山的100英寸反射望远镜装置起来了，沙普勒（Shapley）就用这具望远镜采用上述那些测算恒星距离的方法，来测量我们银河的形状和大小。他发现银河系是一个扁平的盘，它的切面就是银河的切面，它的直径约为光在一年中所走距离的300，000倍，或300，000光年，它的厚度约为10，000光年。公元1924年哈勃（Hubble）也在威尔逊山检查了那些白色小星云，发现这里面有许多都具有螺旋形结构，即罗斯爵士（Rosse） 公元1845年在爱尔兰第一次观察到的那一种，哈勃并且成功地把一些较近的旋涡星云分为许多个别的恒星，并在其中找到一些造父变星。他因此得以证明这些旋涡星云离开太阳系的距离约为1，000，000光年，刚好处在银河恒星系的外面。哈勃并且进一步证明邻近星云的亮度大致都是平均亮度的一半到两倍，比个别恒星的亮度分布集中得多。因此较暗淡的星云就可以根据它们的视亮度来测定它们的距离；哈勃就这样发现我们所能见到的最远星云离开我们约为五亿光年。
另一条重要的研究途径是根据奥地利物理学家多普勒（J.C.Doppler，公元1803－1853）在公元1845年所宣布的原理发展起来的，就是波动源的运动改变波的频率的原理一种相对于观察者的退行速度使波动频率降低，以光来说，辐射就会变得较红，而前进的速度则提高频率，使光的振动移向光谱的紫端。根据多普勒的原理，威廉？哈根斯（William Huggins， 公元1824－1910）于公元1868年在伦敦证明天狼星以每秒二十九哩的速度退离太阳系。公元1912年斯里弗尔（V.M.Slipher）在美国的洛韦尔天文台用同样方法发现仙女星云以每秒125哩的速度接近太阳系，但到了公元1917年他却发现这种情形是罕见的，多数的邻近星云都是以每秒400哩的视速度退行。公元1929年赫马森（M.L.Humason）在威尔逊山考察了较远星云的光谱，发现星云离太阳系愈远，它们的辐射在光谱上的红移就愈加厉害。公元1930年哈勃提出一个定律，即星云所发出光线的红移和星云退离太阳系的距离成正比。根据多普勒原理，哈勃的定律表明每个星云都以其和我们银河系距离成正比的速度向后退离，最远星云的退行达到光速七分之一的巨大速度。
如果我们假定星云已往的退行速度一直是不变的，那末星云在十八亿年前就是聚集在一起的了。在这以后，星云就相互离开，这一事件标志了宇宙的可测量时间的开始，并给宇宙的年龄定出一个限度。可是爱丁顿（Eddington）设想星云的退行速度是随着时间不断增加的，因此宇宙的过去年龄的最高限度当在一百亿到九百亿年之间。另外一些人则主张红移根本不是多普勒效应的结果，而星云是停止不动的。弗里兹？兹威基（Fritz Zwicky，公元1898）设想红移起源于星系间的物质在光线通过时的引力影响，而麦克米伦（E.M .MacMillan）也同样认为，星云的辐射在通过巨大的星系际空间逐渐丧失能量，这种效果正如哈勃定律所要求的那样，辐射源离观察者愈远就愈加显著。米尔恩（E.A .Milne，公元1896－1950）指出，辐射的发射定律可能随时间变动，因此遥远星云在五亿年前发射的光线，今天在地球上望去必然要比目前相应的辐射红些。根据恒星好象具有同等能量的事实，金斯（J.Jeans，公元1877－1946）早先曾经算出，宇宙过去年龄的最高限度是1012－1013年，他根据的假说是天体之间的能量分布在开头是不均匀的。
这类关于宇宙过去时间的估计，出入相当地大，因为它们在很大程度上都视所依据的特殊宇宙学说而定，视其假定宇宙空间是有限还是无限，是欧几里得几何性质还是非欧几里得几何性质，是膨胀的还是静止的而定，而如果宇宙在膨胀着，它在某一时期的膨胀率又是怎样。例如金斯的估计，由于是在广义相对论问世以前，所以估计的全部依据都值得怀疑。二十世纪的宇宙说，和十九世纪的以太学说一样的多、一样花色频繁，而且这些学说在某种意义上可以说是以太学说的历史继承者。这些宇宙学说和以太学说都属于一个传统，都是企图以一种宇宙连续区来解释自然现象，宇宙学说采用的是几何性的时空连续区，以太学说采用的是一种机械的弥漫空间的以太。爱因斯坦的研究工作也属于这个传统；他以自己的相对论杜绝了以太模型的臆造和发明，建立了本世纪的第一个宇宙模型。
公元1917年爱因斯坦考察了宇宙的空间和物质是限还是无限的问题。马赫曾经认为物体的质量是由宇宙内其余物质决定的；爱因斯坦采纳了马赫的看法，指出在无限量的物质里，每一物体当会具有无限的质量和惯性。另一方面，如果宇宙在欧几里得的空间内有一个有限的边界，宇宙内部的物质就不会和宇宙外部的空间保持平衡，而这样一个世界就不会形成一个稳定体系。为了克服这些困难，爱因斯坦就设想宇宙可能有一个有限的体积，但是没有固定的边界；这情形可以从设想三维空间就象一个二维空间的球面而领会出来，因为球面有固定的面积，但是没有边界，也就是说它的面积没有边缘。球面所有点的面积都是相互对称和等值的，而三维空间的情形也类似这样。由于这个缘故，球体空间内物质的单位体积将全都是一样的，而且不会象欧几里得空间的有限宇宙中的粒子有处于特殊边缘的情况。正因为没有特殊的边界，所以爱因斯坦宇宙里的所有观察者都是同等的，观察着同样现象并获得同样知识，正如狭义相对论所要求的那样。
根据广义相对论，一个物质集体是和一个局部的空间曲率联系着的，这种曲率本身就表现为一个引力场。因此空间曲率在爱因斯坦的宇宙的每一点上都有所不同，但是通过把那些曲率平滑化，或者换一种说法也是一样，通过求得宇宙内物质在整个宇宙空间的平均值以后，就有可能获得空间的总平均曲率。爱因斯坦宇宙的物质单位体积数因此是决定其球形空间曲率半径的，正如组成一个球面的单位面积数决定球面的半径一样的。爱因斯坦推导出有关空间平均曲率和宇宙中物质数量关系的表式，然后计算了宇宙的质量和宇宙空间的曲率。他所依据的假说是我们自己的局部星系团，银河系、仙女座和其他星系的物质密度，和宇宙其余部分的物质密度是一样的。
爱因斯坦是在遥远星云的巨大红移被观察到之前构造他的宇宙模型的。他假定宇宙中天体的速度比起光速来要慢得多，因此他的宇宙的空间结构并不随着时间变动。说实在话，时间在爱因斯坦的宇宙里是单独的一维，时－空是一个类似圆筒形的四维结构，是球形空间和直线时间的结合。爱因斯坦采纳马赫的说法，假定一个粒子在一个没有其他物质的宇宙里，就会不存在质量或惯性，但是德希特在公元1917年则指出，如果空间和时间合成一个类似球形的四维结构，就不一定会是这种情形。一个试验质点，诸如一个星云，放进爱因斯坦的宇宙里，如果对它的观察者没有相对的初始运动，就会始终处于静止状态，但在德希特的宇宙里，它就会立即以越来越快的速度退行。德希特的宇宙充满了运动，但是不含有物质，而爱因斯坦的宇宙则是充满了物质而没有运动。两种模型都各趋极端；后来人们认为这两种模型可能代表宇宙进化的开始或者终结，但不是当前的宇宙模型。
爱因斯坦的宇宙是充满物质的，其稳定性基于引力吸引和一种宇宙斥力之间的平衡，而德希特宇宙是空的，被宇宙斥力统治着。在哈勃定律发表以后，人们一般对这条定律的理解都认为这意味着宇宙在膨胀着；爱丁顿和他以前的学生勒梅特（Lemaitre，公元1895－1966）证明爱因斯坦的宇宙是不稳定的，如果受到扰动，就会膨胀或者收缩，这要看扰动有利于宇宙斥力抑或引力而定。如果爱因斯坦的宇宙在膨胀，那些星云相互就会退行，最后使宇宙的物质密度达到零，而出现德希特宇宙的那种情况。爱因斯坦和德希特在公元1932年表明，如果宇宙是如哈勃定律暗示的那样在膨胀着，宇宙的模型就可能是一个有限数量的物质在无限的欧几里得空间里膨胀着。哈勃本人赞成一种静止的欧几里得宇宙模型，因为根据膨胀模型所作的计算，表明宇宙间的物质数量比所有星云含有的物质数量加在一起，要大上一千倍光景。哈勃深信，这样多的物质，以星系际宇宙尘的形式存在着，所吸收的光线将会比星系际空间实际丧失的光线多得多。
还有人提出了几种别的宇宙模型，它们的分歧在于要确定一个宇宙模型需要三种量，其中只有两种可以通过观测决定。这三种未知量是宇宙的质量、空间的曲率和一个宇宙常数；这个常数是爱因斯坦为了适应马赫关于物体质量由宇宙其余物质决定的要求而提出的。爱因斯坦的宇宙斥力理论就是根据这个宇宙常数来的。那两个可以通过观测决定的量是宇宙的膨胀率，根据红移是多普勒效应的假说来测量。宇宙中物质的平均密度，根据这种平均密度和我们局部星系所观察到的物质平均密度一样的假说来确定。德希特在公元1932年举出宇宙模型可能有九种主要类型，根据宇宙常数和空间曲率可以是负数、零或者正数而定。
由于缺乏一个观测标准在各种可能的宇宙模型中作出抉择，有些宇宙学者，主要是爱丁顿，其次是米尔恩，就企图根据科学方法的基本程序推论出一个关于宇宙性质的理论体系。爱丁顿把科学家比作一个渔人，只能捕获不能穿过网眼的鱼，设想科学方法的特点是决定科学知识的内容和性质的因素。科学方法并不是一面反映宇宙性质的镜子，而是一只万花筒，靠它的构造决定我们看见的影象。有些批评家提出，科学方法的网不能决定所“捕获”和研究自然现象的定性特征，但是爱丁顿反驳这种论证说，科学只过问现象的定量和可测算方面，而不管其定性方面。
关于物理科学的方法，爱丁顿认为最基本的是长度的测量。他指出空间的测算涉及四种测定，观测一根标准量尺的两头，和观测所要测量的长度的两头。这样一种方法程序是物理科学的基础，爱丁顿并且认为这是和时－空有四维的基本观念分不开的。在发展他的体系时，爱丁顿企图不假定有任何在实验上决定了的数字，来算出属于纯数字的普适常数，诸如质子和电子质量的比率。他发现自然的纯数字普适常数主要分为三组，它们的数值是1080，1040和略低于2×103的数量级。爱丁顿表明第一组数值根据宇宙中粒子的总数值而定；第二组，N，根据N的平方根而定，而第三组则和N不发生关系。由于N是有限的，爱丁顿的计算是根据一个有限的宇宙模型，即爱因斯坦的静止模型的膨胀式样来进行的。他以质子质量来除爱因斯坦宇宙的质量，并且比较抽象地假定一个电子质量来自它的电荷和宇宙中存在的所有别的粒子；在这两种情况下，他得到的值都是1079数量级。
爱丁顿把长度的测量看作是物理学的基础，他注意的是有关宇宙结构形态的纯数值，而米尔恩则认为时间的测算是基本的，致力于研究宇宙过程的时间上运动。遵循着爱因斯坦，米尔恩采纳了宇宙内所有观察者都处于同等地位以及光速对这些观察者总是等效的见解。他然后表明长度的测定可以改为测定光走过这些长度的时间，从而取消掉爱因斯坦和爱丁顿在进行空间测量上认为不可缺少的刚性量杆。长度的测量因此是依时间的测量而定的，米尔恩并且指出，一般说来，关于宇宙空间结构的理论都离不开时间运动的理论。他指出，在观察遥远天体诸如星云时，我们必须承认一件事实，即它们的位置愈远，它们发出的光在宇宙的历史上的起程也就愈早。今天我们看见的较近星云的光约在1，000，000年前发出，而遥远星云的光则约摸在五亿年前发出，因此为要获得一幅宇宙在同时间内的图画，我们走得愈远，就愈来愈需要改正时间上的落后。但是所用的改正要看采用的时标而定，因此采用不同的时标就能够构成不同的宇宙模型。
米尔恩指出有两种时标是基本的。一种时标以光的振动作为时间单位，称为T时标，另一种接近于钟摆的时标，称为τ时标。如果采用T时标，来自星云的光的红移就表明星云以和我们银河系距离成正比的速度在退行，因为相对论要求，一个运动着的时间记录者所标志的时间单位，在星云的振动光源情况下，应当和时间记录者相对于观察者的速度按比例加长。为了说明退行现象，米尔恩在公元1932年指出，如果天体开头处在一个有限有空间内，任何以均速自由运动着的物体的集合，如我们会设想星云的运动那样，在一定时间后看上去将会以与它们之间距离成正比的速度相互退行，就象那些速度较快的星云在一定时间内一定会走得更远一样。这样一种效应将是热力学第二定律的一种体现，星云相互退行说象一堆气体分子在虚空的空间释放出去一样。根据T时标，哈勃定律因此表明星云过去是局限在一个小小的空间范围里的，只是约在二十亿前才开始相互退行的。
如果星云的数目是有限的，看来一个处在膨胀宇宙边缘的快速运动星云的观察者，他眼中看到的世界将会和一个处于在较慢星云上观察者看到的两样，因为运动慢的星云离开它们的发源的地区没有多远。这样看来，要保留宇宙间一切观察者都处于同等地位的原则，就得假定有无限数的星云，这样我们视力所能及的最远星云的观察者就能进一步望见我们望不到的星云。星云的数目既然无限，宇宙内所有的观察者都将看见一个显然具有CT 半径的球形世界，这里C是光速，而T 是星云开始退行后所经历的时间。
爱丁顿设想自然界的那些常数是从古到今不变的，它的数值为爱因斯坦宇宙模型的那些特征所决定，按照这个模型，宇宙是由膨胀而发展起来的。可是米尔恩表明，不管采用两种时标的哪一种，某些事物总要随时间产生一些变化。根据T时标的理论，引力常数和普朗克常数都随时间增加，因此物体会逐渐变重而亚原子事件就会更加测不准。根据τ时标，引力常数和普朗克常数始终不变，但是一个时间单位的光振动数在这种时标上就会逐渐增加，因此从一定光源发出的光的波长就随着时间变短了。从τ时标的角度看，过去的时间是无限的，而星云是稳定的，红移表明来自星云的光是在一定时间单位内光振动较少的那个时期产生的。
为了克服假定宇宙曾经有一个开端和只有约摸二十亿年年龄所造成的困难，剑桥大学的数学家邦迪（Bondi）和戈尔德（Gold） 于公元1948年，还有霍伊尔（Hoyle）稍后一点，都提出了另一个宇宙的无限存在的学说，即“连续创造”说。邦迪、戈尔德和霍伊尔把爱因斯坦的在空间中所有观察者都等效的原理，扩充到时间量纲里，假定宇宙对任何一个观察者看来都和过去任何时间看见的一样，而且在将来也是如此。这种被称作“完成的宇宙原理”，使他们设想在整个宇宙内物质以每秒每立方厘米10-43克的速率不断创造出来，企图以此来补充因星云退行所造成物质平均密度变得稀薄的趋向。这样一种创造率虽则小得无法觉察，但是可观察宇宙所产生的物质总量是很大的，它等于每秒产生出五百颗左右的恒星。
到目前为止，人们提出的关于宇宙空间和时间结构的形形色色学说，都是理论居多，观察较少；现在看来，这一领域的继续发展即使不随着经验知识增长前进，也会得到这方面的相当协助。例如美国于公元1949年在帕罗马山安装的200英寸反射望远镜就已经取得成果，表明宇宙的年龄一定是四十亿年的两倍，这就消除了“连续创造”说所要克服的一些困难。新的射电天文学比帕罗马山的望远镜更加深入空间，特别是剑桥大学的赖尔（M.Ryle）和他的同事的研究，证明在一定空间体积内的射电源的数目随着离开我们银河系距离的立方增长，和“稳定状态”论或“连续创造”说预言的结果都相反，表明在一定体积内的射电源数随着距离的增加应当不变，甚至下降。这类天文学技术的发展还可能冲击到天体物理学的其他部门，诸如恒星组成的研究，这对地球物质的实验研究也作出了贡献。
现代恒星组成学说是以观测为基础的；公元1913年亨？诺？罗素（H.N.Russell） 在普林斯顿大学观测到，一个大恒星群的亮度和它们的表面温度成比例。这些恒星形成一个单独的序次，罗素设想这种序次表现了星体演化总趋势的不同阶段。按照赫尔姆霍茨建议的引力收缩学说，罗素认为，恒星最初是由分散的星云状物质组成的，在引力影响下收缩，变得愈来愈热和愈来愈密，终于达到一种临界密度，使收缩不再能维持放出的辐射的量，于是恒星就逐渐冷下来。根据这种图式，恒星体积大的应当又红又热，在收缩后就变白，然后变蓝，最后在体积缩小而且冷下来时又变成红色。
可是亚当斯（W.S.Adams，公元1876－1956）于公元1914年在叶凯士天文台发现伴随天狼星的小星发出的光是白热体发射出来的那种光，而这颗星是一颗白矮星，而不是一颗红矮星，所以并不是所有小恒星符合罗素的分类。十年后，亚当斯发现天狼星的小伴星所发出的光显示出一种很大的引力红移，表明这颗星虽然体积很小，但是质量很大。亚当斯的发现支持了爱丁顿和金斯在几年前提出的假说，即一个原子的外电子壳层在恒星内部所获得的高温和高密度下电离了，使原子的体积大大缩小。恒星的引力收缩因此比以往想象的来得更加厉害，这样产生的物质密度比地球上所能遇到的密度大得不可以道里计。印度科学家科萨里（Kothari）和钱锥赛克哈（H.S.Chandrasekhar）表明比木星含有更多物质的星体就会产生足够压碎其内部原子的引力压力，因此这样一种星体的质量增加时，它的实际体积就会缩小。
爱丁顿和其他人都证明，多数恒星的密度并不很大，因此引力的收缩力被辐射的外向压力平衡了；这种外向压力随温度的四次方变化，在星体内部达到很高的数值。还有，星体内部从原子剥离的电子将象气体分子那样行动，在高温时产生一种压力，它和外层物质的引压力相对立。拿表面温度为六千度的太阳为例，爱丁顿计算出太阳内部的温度必须达到两千万度的高度，才能产生平衡引力收缩力的电子压力和辐射压力。他并且进一步表明，一颗恒星放出的辐射的总量取决于恒星的质量，而不取决于恒星的大小，因为有一定质量星体的收缩，将会引起温度的增高，以补偿放出辐射的表面区域温度的相应下降。根据这种理论，爱丁顿设法计算了太阳的理论发光度，假定太阳大部分是由中等原子量的元素组成，如铁及其在周期表上的邻近元素。这个理论数字超出实际数字约一百倍，爱丁顿由此而得出结论，太阳和其他恒星一定含有大量的氢。
随着原子物理学的发展，人们开始懂得在星体内部的高温下，剥去电子的那些原子的热速度，将是和实验室里用来研究核反应所用的人工加速粒子的速度属于同一数量级。因此看上去星体内部很可能就存在着核反应，而且就是这些核反应提供了辐射放出的能量。公元1938年贝蒂（Bethe）在康乃尔大学和魏扎克（Weizs？cker）在德国研究出一种核反应循环，把氢变为氦，这在太阳内部所获得的温度下是可以发生的。他们证明碳的质量为12的同位素能够接连和三个质子起反应，形成原子量愈来愈大的氮同位素，而氮的质量等于15的同位素和4个质子结合以后，就会产生一个氦原子并重新生出碳同位素。一个氦原子比四个质子稍微轻一点，这里丧失的质量就是在反应循环过程中转化为能的。某一恒星里面氢变为氦的比率，也就是辐射的发射率，依这个恒星所含的碳而定。根据太阳的光谱，可以估计出太阳含有百分之一的碳，贝蒂从这个数字证明，太阳内部碳－氮循环产生的能量的理论速率，是等于观测到太阳放出辐射的速率。
爱丁顿曾经根据他的恒星光度和质量的关系，估计太阳或者含有35%的氢，或者含有90%的氢。根据爱丁顿的低估计所作的计算，得出的太阳未来生命是350亿年，假定太阳目前放出能量的速率在整个时期中是平均的。公元1947年霍尔提出一些理由，赞成爱丁顿的高估计，并且设想太阳和恒星一般能从星际空间的物质补充它们的氢储备。
霍伊尔使人们注意到，星际空间和星系际空间存在高度分散物质的重要性。单以一件事为例，他曾经提出恒星在星际空间吸收的物体，可以导致形成双星系；两颗恒星所以形成这样一个体系是由它们向外的一面，而不是毗邻的一面，受到星际气体的大力冲击而推到一起的，因此这两个星就逐渐湊近，终于相互环绕起来。利特尔顿（R.A.Lyttleton）在公元1936年提出一个假说，认为太阳系说不定原是个双星系，后来从外空闯进一个恒星和太阳的伴侣撞上，太阳的引力场俘获了一些剩下碎块，这就形成了行星系。最近霍伊尔和利特尔顿在发展太阳系起源于双星的学说时，曾设想太阳的那个伴侣可能是一个体积小而密度大的星，它越是收缩就旋转的越快，终于分裂为许多碎块，其中有些就被太阳的引力场捕获了。支持这种理论的是，双星系两星之间的平均已知距离和太阳与行星物质总体之间的距离属于同一数量级。
[英]梅森
第四十六章 意大利与德国的科学和民族运动
德国和意大利科学的成长，象其他历史运动一样，在近代表现了一种不无类似的发展进程。德国人和意大利人曾经是近代科学的先驱，在十七世纪的头几十年中靠了刻卜勒和伽利略的研究成果各自达到他们的第一次最高成就。但是他们没有继续努力，差不多过了两个世纪才出了可以和他们相比较的科学家。在中世纪后期，德国的，尤其是意大利的国土是欧洲文化最发达的地区，特别在实用技术和理论学科方面都胜过其他国家，而这两者正是科学的两个根源。在近代早期，这些地区的人在发展科学上都处于优越的地位，成了先驱者，但当他们在别的方面推动领导地位之后，他们在科学上的领导地位也丧失了。比较充分利用了地理大发现而开辟的好机会的，是英国、法国和荷兰，这些国家因而在科学上和在其他方面一样，都成了欧洲发展的主要中心，英国和法国一直到十九世纪的中期或晚期都保持着科学上的领导地位。
在这一时期，德国人意大利人在生活的许多方面都墨守着十六世纪制订下来的传统。它们在政治上与英法统一的国家相反，仍然分为许多小公国，在科学上他们虽然保持积极的兴趣，但很少拿出什么新奇的东西。值得注意的是，公元1815年以前创刊的九十种左右科学杂志中，有五十三种是德国的，九种是意大利的，十五种是法国的，十一种是英国的，而美国、瑞士、瑞典、荷兰和比利时仅各有一种。既然创办了这么多的科学杂志，意大利人，特别是德国人对于科学照理一定具有相当大的兴趣，但是这种兴趣好象并不够活跃，因而不能使科学出现新的显著进展。当德国人和意大利人的科学在十八世纪后期显示出复兴的标志时，他们就好象是重新拾起这个世纪以前已经丢掉的科学线索似的。伽伐尼和伏打继续了佛罗伦萨实验学院的实验传统，而德国的自然哲学家出于传统感情和民族感情，则拿过哥白尼的思辨传统和刻卜勒的早期研究，并把刻卜勒捧到牛顿之上。
意大利人和德国人在十八世纪的荒芜时期，在一个重要方面，的确作出了一项贡献，他们发展了一种对历史发展的感情和理解，而这种理解对于把自然界和人类社会看成静止的和机械的英国人和法国人说来，是不大容易接受的。这种理解在意大利人维科（Vico，公元1668－1744）的《新科学》里表现得最突出，又为属于德国自然哲学的那一派思想家特别加以发展。我们前面已经看到，把自然界看作是一个普遍发展过程的产物，这一观点怎样使德国人在研究个体发育的胚胎学领域内取得突出的成就。可是这个观点开头并不促进经验科学的研究，因为德国人是高度唯心的，他们创造了一个丰富的观念世界以补偿他们物质世界的贫乏。德国学派的大师黑格尔很好地表述了这种感情，他写道：“灵魂托庇在思想领域里，它创造了一个观念的世界与真实世界相对立。哲学以真实世界的衰落开始：她以她的抽象出现时，在灰色上涂上灰色，青年和生命的朝气已经消逝了，而她的和谐一致并不在真实的世界里而是在一个理想的世界里。”
在他们的观念世界里，德国哲学家看到一种具有非常具体目标的历史过程──德国的生活方式。在黑格尔的体系里，绝对观念在它自身完成了辩证的逻辑并遍历自然界以后，就进入到人类历史，最终又在德国的原则里恢复它自身的缩影。他写道：“欧洲是一切历史的目标”，“德国的原则是一切矛盾的调和和解决”。黑格尔决不是唯一具有这种感情的人：德国的自然哲学家都是强烈的民族主义者，他们期望着有一天许多说德语的小公国会统一为一个强大祖国。他们对拿破仑征服德国感到莫大的耻辱，当拿破仑于公元1813年在来比锡战败时，一位有较大影响和实际思想的自然哲学家洛伦兹？奥肯（他的科学理论我们已经碰到过），发表了一部叫做《新法国，新德国》的著作；在这本著作里，他讨论了法国如何可以使其无害和德国怎样在政治上重建。要达到这个目的，他建议德国的各邦要联合起来。他写道：“说相同语言的人必须以同一的法律统一起来。”
公元1817年奥肯创办了名叫《伊西斯》的科学和文学杂志，这本杂志成为传播科学和民族主义感情的工具。同年稍后一点，他报道了耶拿在瓦尔特贝格节日的一次学生示威游行，这是为了纪念路德的改革运动和德国在来比锡的解放的。这次示威游行不仅是民族主义的性质，而且也是同情自由主义的，而奥肯由于报道了这次示威游行，被革除了他在耶拿大学的职位。可是他继续出版《伊西斯》杂志，并在公元1821年提出了召开说德语的科学家和医生代表会议的方案。他主张这个代表会议的目的是“有利于科学和祖国的美好和荣誉”。奥肯因此对大多数的科学家发出了邀请，但他发现组织代表会议非常困难，因为德国的知识分子，在当时德国人中可能最具有民族性，在观点和习惯上仍然非常狭隘。奥肯在收到一位戈德富斯教授的回信时所作的评语说：“在这封信里，你看到真正的德国人……他顾虑到钱袋，顾虑到路程，顾虑到陌生人，顾虑到住宿，顾虑到会议室，顾虑到政府。”
然而，公元1812年在来比锡举行了说德语的科学家和医生协会第一次会议，人们叫它做德国自然科学家会议。约有二十个发表过著作的科学家和六十位来宾出席了会议。随后每年在德国的主要城市举行了多次会议，人数也逐渐扩大；公元1828年在柏林举行的会议出席人数约六百人，公元1842年在美因茨的会议有一千人参加。奥肯声称这些会议是“德国人民团结的精神象征”。在第二次会议上，为了使会议更加通俗化，他主张会员应采用“一种生动的和即席的演说以代替费力地朗读书面原稿”。然而，“德国的学者仍然拘泥于他们的原稿”，奥肯的办法未能实现。的确一直到公元1832年，还有一个会员用拉丁语在会议上发表演说。
开头，德国各邦的统治者对科学代表会议抱有疑点，因为他们的言论都是自由主义的和民族主义的。在来比锡出席第一次会议的会员们为了害怕他们的政府会查出他们，都拒绝把他们的名字记录下来。奥地利的梅特涅向申请护照的维也纳科学家暗示，参加会议和他们的利益是违反的，结果一直到公元1832年在维也纳举行会议时才有奥地利科学家参加会议。可是普鲁士政府很早就看出科学代表会议对于德国的统一可以成为一种控制力量，并且从公元1828年起就扩大他们对会议的赞助。此后代表会议愈来愈在德国政府的控制之下，国家担任年会的主人，并任命那一年会议的主席和主持各次会议的秘书。公元1828年在柏林会议上，地理学家和探险家亚历山大？冯？洪保担任了主席。在他担任主席的演说中，他问道：“我们国家的统一还能比这个协会更有力地表达出来吗？……在尊贵的王公的保护下，这个组织已与年俱增地使人们对它感到兴趣及其重要意义了。一切因宗教或政府形式不同而引起的不团结的因素在这里都搁在一旁了。不妨说，德国在知识的统一上显示了自己，而且……这种统一的感情决不可能削弱我们任何一个人对我们国家的宗教、宪法和法律的热爱。”
剑桥大学数学教授查尔斯？巴伯奇出席了公元1828年德国科学家的柏林会议，回国后，就建议在英国成立相似的学会。他的建议使英国在公元1831年成立了英国科学促进协会。后来在公元1839年全意大利科学家协会成立，接着公元1848年美国科学促进协会成立，公元1872年法国科学协会成立。在英国、法国和美国不存在民族问题，英国和美国的协会是为了联系国内分散的科学活动而成立的，法国的协会则是为了把科学从巴黎推广到各省。但是，在意大利确实发生民族问题，所以全意大利的科学代表会议具有与德国那些会议相似的特点。
意大利在拿破仑征服时期也曾兴起过民族感，但是与德国相反，意大利的民族运动并不针对法国，因为在拿破仑和他弟弟统治下，意大利已经统一并进行了改革。意大利的民族运动旨在反对奥地利，因为奥地利控制和影响公元1815年重新建立起来的八个分立的意大利州邦，而且这个民族运动在科学方面的表现，是围绕着公元1837年从美国回到意大利的拿破仑的侄子卡洛？波拿巴而具体化的。象他的叔父一样，卡洛？波拿巴对科学很有兴趣，公元1832年出版过一本《美洲鸟类》的著作，十年后又出版了一本意大利动物志。公元1831年佛罗伦萨的文艺杂志《文选》曾建议召开意大利科学家代表会议，但直到公元1839年在比萨举行第一次会议时才成为现实。这次代表会议主要是由卡洛？波拿巴、比萨大学的自然史教授保拉？萨维、佛罗伦萨大学物理学院院长维申齐俄？安蒂罗雷和他的助手、无色显微镜的发明者之一齐奥凡尼？亚米齐召集的。
在比萨召开的第一次代表会议约有四百人出席，并在以后九年内每年举行年会，公元1847年在威尼斯举行的最后一次代表会议出席者越过一千七百人。正象在德国一样，这些科学代表会议是民族舆论的首次反映。伦巴第的自由主义杂志《评论》描写第一次代表会议为“一群优秀的人物、一批来自意大利美好国土各地学者的集会，相互讨论，相互熟悉，并在科学的光辉与进步中，在祖国的荣誉中进行兄弟般的协作”。和意大利科学的经验传统相一致的是，意大利的代表会议比德国的代表会议作出为取得国家统一的更加实际的建议。有人建议建筑铁路来“缝制意大利长靴”，甚至提出强制措施。卡洛？波拿巴在公元1844年米兰代表会议上说到“把伦巴第从奴役中解放出来”；在公元1847年最后一次代表会议上，历史学家依几？康杜在结束地理学和考古学小组时说，他要“用刀子戳进那些不肯建立意大利统一的人的心脏”。
下一年意大利的复兴运动遭到了失败；奥地利人镇压了起义运动，也镇压了科学代表会议。参加复兴运动的意大利科学家纷纷逃往国外，最著名的一个科学家是化学家是坎尼扎罗，他逃到巴黎。他后来于公元1860年出席了在卡尔鲁厄举行的欧洲化学家会议，这次会议的召集是决定测定原子量和原子价的根据的。在会议上，坎尼扎罗认为意大利的科学久已被人忽视，他的国人阿伏伽德罗约在五十年前就曾经提出一个假说，它所提供的正是今天全欧洲化学家在探寻的根据。会议一结束，坎尼扎罗就回到意大利加入加里波的和他的千人红衫志愿军在西西里复兴运动，这次复兴运动与意大利北部的一次类似运动，导致了公元1860年国家的统一。但是科学代表会议的年会并没有立即开始。公元1862年在锡耶纳举行了一次，另一次于公元1873年在罗马举行，第三次于公元1875年在巴勒莫举行，但是直到公元1907年，这些会议才在纯科学的立场上作为意大利的科学促进协会召开。
在这时候，德国和科学代表会议年会从公元1822年以来一直没有间断过。开头笼罩着历次代表会议的是一种民族主义和自由主义相结合的和睦感情，但当普鲁士的地主贵族集团容克于十九世纪六十年代开始从事德意志各邦的统一工作时，这两者就不再相容了。这样就分裂成两个阵营，民族主义者与容克联合起来努力建立德国国家的统一，而急进的自由主义者的主要目的则是以中产阶级民主代替容克的封建专制政府。当这种分裂在六十年代达到尖锐程度时，达尔文主义传到了德国并在科学代表会议年会上引起了辩论。许多急进自由派的生物学家，尤其是生物学家海克尔，以维护德国的达尔文主义为已任，而且他们的反对者也这样看他们；这一来达尔文的理论在德国比在别的国家掀起了一场更大的风潮。
公元1863年在什切青举行的德国科学家代表会议上，海克尔给达尔文主义的解释还是有人同情的，尽管他把人类社会也包括了进去。他在那次会议上说：进化“是自然的规律，人类的力量不论是暴君的武器还是神父的诅咒，都压制不了它”。然而，在俾斯麦统一德国和普法战争以后，人们对海克尔的看法有所不同了。公元1877年在慕尼黑举行的代表会议上，他受到自己从前一个老师微耳和的指摘，理由是他支持了一个在微耳和看来没有得到证实的错误理论。微耳和在他早年时期既是一个民族主义者，又是一个自由主义者，并且因为支持失败的公元1848年自由主义革命而被柏林沙里德医院开除职务。公元1860年时微耳和一度接受达尔文主义，但后来又改变了自己的观点。微耳和也稍稍放弃了自己早期的自由主义，而接受（即使不是支持的话）容克集团的盟主地位。公元1878年普鲁士教育部长禁止德国中学里讲授达尔文主义，微耳和以他在赖切斯塔格大学的地位支持了这一法令。在公元1877年慕尼黑举行的德国科学家代表会议上，微耳和宣称达尔文主义是一种社会主义学说，而且达尔文的理论在德国的确和社会主义联系起来，因为急进自由主义衰退了，而为社会主义取而代之。德国的社会主义者欢迎海克尔进化论的一元论，而且海克尔为了迎合公众的心情还写了解释自己观点的通俗著作，有如公元1899年的《宇宙之谜》；德国工人阶级广泛地阅读了这部书。
海克尔以后，自由的达尔文主义传统不绝如缕，德国科学的主要趋向是一种不断增长的民族主义。公元1914年九十三个著名德国科学家和学者包括拜耳、欧立希、哈柏、奥斯特瓦尔德和普朗克在内，签名发表一篇宣言，谴责现代英国和法国科学家的剽窃行为，并声称有许多科学发现是德国科学家首先发现的，但国外还没有得到承认。若干杰出的说德语的科学家并不参与这个宣言，特别是爱因斯坦，但他们是少数。第一次世界大战以后，某些德国科学家，尤其是勒纳（Lenard）和斯塔克（Stark）成了极端的民族主义者，鼓吹希特勒社党的典型理论，诸如德意志种族及其成就的先天优越性等等，甚至在国社党建立以前就这样说了。象斯塔克和勒纳那样走极端的科学家是极少数，但当国社党于公元1933年掌权时，多数学家都无视它的政策和行动而支持扩大德国疆土的号召，即使不赞成为达到上述目的所采取的一些方式。有些德国科学家，著名的如马克斯？冯？劳厄（Max von Laue）在整个第三帝国时期始终没有沾上民族主义，但他们仍然是少数。
从公元1933年起，德国民族主义开始削弱了德国的科学，但大部分都是无意造成的。国家社会主义者的观点与近代科学的精神之间存在着一种基本的矛盾：国家社会主义者认为有一个享有特权的种族，而且这个种族里有一种通过直觉而且有超越理解力的特权的人；近代科学则认为人大多数都是平等的，是自然的同等观测者，只要有仪器和适当的训练，就能观察到同样事物并达到同样结论。爱因斯坦相对论的一条基本假设是，宇宙里所有观测者都是同等的和对称的，因此特别受到斯塔克和其他人的谴责。这种对特权直觉的强调，并拿来和公有的观测和推理对立，导致了德国大学里学习科学科目的学生人数下降。这种下降在理论物理学方面最为显著，公元1932－1933年下学期，德国学习与数学有关的自然科学的学生人数是12，951人，而在公元1936－1937年同一学期里只有4，616人。比较实用的科目方面，如工程学下降虽然不很显著，但仍旧很大；这两个时期的相应学生人数是14，477人和7，649人。学生的教育质量也降低了，因为那些从政治上或人种上被认为不能接受的科学家都要被革职，而以那些主要是由于同情国社党而被挑选出来的人代替他们。
在第三帝国统治下，学习实用科学科目的学生人数下降得较少，是因为德国科学提倡一种经验主义。公元1937年斯塔克在《黑色军团》杂志上发表了一篇文章，也在英国杂志《自然》上发表过；在那篇文章里，他把他赞成的实用科学和他憎恶的教条的和理论的科学加以对照，认为理论科学大部分是犹太人的产物。在第三帝国统治下，经验主义受到德国科学的宠爱，因为它和歌颂行动的人相适应，而理论科学与国家社会主义的教义则往往是抵触的。在物理学上则有所有观察者都是同等的假设，而生物学家和人类学家的发现也并不总是同德国的种族理论相一致。
国家社会主义的精神逐渐传染德国科学家，他们开始把自己看作是伟大的人物和科学的领袖，而不是与别人处于同等地位和科学界成员。在国家水平与个人水平上都出现了自我颂扬的倾向。勒纳断言正是他而不是伦琴发现了X射线，同时，在原子研究上，盖拉赫（Gerlach）直到公元1944年12月还声称：“我确信我们现在仍然比美国领先”。一年前在给德国研究委员会挂名主席戈林的一篇关于核物理学的官方报告里，也表述了相同的观点。服从领袖的原则也不鼓励研究部门的头头采纳他们后辈的建议。在公元1941年，好象海森堡就没有理会豪特曼斯（Houtermans）提出的一项建议，即建立一个铀堆来制造比铀更重的元素以进行原子爆炸。
国家社会主义渗透德国科学导致了许多事情，如占星术预言的复活，如有些德国医生对人身进行无目的和残酷的试验，但是最重要的一条历史后果，是导致了德国基础研究工作及其应用的衰退，并从而导致了德国军事力量的衰落。德国工程师的技术和工艺发明能力在三十年代和四十年代仍然很高，这从他们的音响磁性水雷，V1和V2飞弹，以及他们的飞机，都可以看出，但其他依靠基础科学的事情则成就不大。直到第二次世界大战接近结束为止，除掉不被理会的豪特曼斯外，德国就没有一个人想到用一种比铀更重的元素来合成原子弹。发展一种由质量是235的轻铀同位素合成原子弹的可能性曾经有人建议过，但建议被放弃了，因为德国科学家认为铀同位素的分离是不可能的。但是这种分离在美国却做到了，而且通过铀反应堆，比铀更重的元素也制造出来了。德国科学家仅仅想到把铀反应堆用作一种能源，如果反应堆大的话，则用作炸弹。他们直到公元1945年过了一半时还没有造出这样的铀反应堆，那就是说，他们还没有达到公元1942年末美国已达到的地步。
在无线电定位方面，德国人还没有超过用普通无线电电子管的水平，即产生波长为一米的无线电波。在英国，磁控管的发展能产生波长为几厘米的无线电波；这在对客体定位方面提供了较大的准确性而且较少外来干扰。还有，德国人并不重视操作研究的价值，即运用科学方法来确定调度有限军事资源的最有效方式，而第二次世界大战中协约国在这方面的发展大大节约了人力和物力。在第二次世界大战期间德国人普遍低估了科学的价值，并把他们的年青科学家征调到军队里去。总而言之，德国经验得出的结论是，这是一个由与科学相对抗的价值观念所建立和维持的社会，在现代世界必将成为历史作用愈来愈少的社会。
[英]梅森
第四十七章 美国和苏联的科学概况
本世纪露头角的美国和苏联这两个国家的科学传统，在其形成时期显得差别非常之大。在苏维埃以前的时期，俄国人在科学上主要贡献是在理论方面──非欧几里得几何学、周期表的确定形式和条件反射理论；而美国人在同时期的科学活动则主要是实用的或应用的性质──麻醉药、电话和飞机。只有耶鲁大学的威拉德？吉布斯（Willard Gibbs，公元1839－1903）在这方面是个杰出的例外，但他的工作有一段时期在他的本国和欧洲都不受到重视。今天这两个国家的科学都比较平衡了，原来的那种显著差别简直不存在了。美国科学原有的那种经验色彩大部分已经消失，而哲学性质或意识形态性质的理论性争论作为一个特征而言，在苏联科学上也愈来愈不突出了。科学活动的大幅度增长，使民族特征不论在美国或者在苏联，都淹没掉了，并逼使这些国家采用统一的方式和概念。
美国科学的传统导源于英国的传统，有相当长的一个时期两国的传统非常相似。可是从一开头，美国就比英国更加强调科学的实用方面。在十七世纪，我们知道英国在清教和科学活动之间存在着一种联盟，而且我们发现美国信奉清教的几个州，在殖民时期曾经给英国皇家学会提供最多的会员。美国会员有十一个来自新英格兰，三个来自宾夕法尼亚，三个来自弗吉尼亚，一个来自卡罗来纳。清教本身就倾向于指引科学走向实际，科学的有效应用被视为“有益的工作”。第一个著名的美国科学团体从它的名称也可以看出新世界里科学的功利主义方向：它叫做“美国增进有用知识哲学协会”，它是由本杰明？富兰克林于公元1743年在费拉德尔菲亚建立的。
美国的独立运动于公元1775－1782年间达到顶峰时，出现了一个总的知识觉醒，特别是激发了科学活动。这个时期最重要的美国科学家是本杰明？富兰克林，他发现闪电是电的特性，并根据这个发现发明了避雷针。公元1780年在英国有一场关于制造避雷针是用尖棒好还是用圆球好的争论，这场争论看来和富兰克林是美国独立运动一个主要角色这一事实并非完全无关。独立运动的另一方面还耸立着另一个著名的美国科学家伦福德伯爵，不过他对科学感到很大兴趣好象在他移居欧洲以后。伦福德是伦敦皇家学会的主要创始人，而且说也奇怪，一个英国人詹姆斯？史密森（James Smithson， 公元1765－1828）却为在华盛顿建立一个与这个学会相应的史密森学会提供基金。史密森是诺森伯兰的第一代公爵的私生子；由于公爵不肯公开承认这种关系，使史密森对贵族普遍抱有反感，因而支持美国独立运动和法国革命。史密森于公元1828年逝世时，把他的财产遗赠给美国政府，以便使他们可以建立一个增进和传播人类知识的学会。美国政府于公元1838年得到了他的财产，约瑟夫？亨利（Joseph Henry，公元1799－1878）于公元1846年任史密森学会的第一任会长。亨利指出：在美国，“虽然许多人长于把科学应用于实际生活，但很少有人为了发现和发展新的真理的必要而进行辛勤的劳动和认真的思索。”
亨利因此力图把学会办成一个基础科学的研究中心，尽管他时常被指定去担任应用科学的研究工作，例如，在美国内战时期他被任命为北方政府在军事发明方面的总顾问。
一个对美国科学传统的形成具有相当影响的人是托马斯？爱迪生。亨利？福特讲到爱迪生时指出：他“明确地结束了理论科学家与实用科学家的区别，使我们今天想到科学的发现时，总联带想起这些发现可能在现在或将来应用于人类的需要。他以精密的科学知识代替工业上光凭老经验的方法，另一方面他又把科学的研究引入有用的渠道。”
公元1876年建立于门洛帕克的爱迪生的“发明工厂”，是美国许多巨大的工业研究实验室的原型；在第二次世界大战以前，美国用于科学研究工作的经费大部分都花在这些工业实验室里。这些实验室所雇用的人比爱迪生更通晓基础科学，他们所取得的进展相当重要，例如欧文？兰米尔 （Irving Langmuir）的科学研究就是这样，他从公元1909年到公元1950年都在通用电气公司的实验室里工作。
第二次世界大战以后，美国人对于美国科学的片面性非常关切。原子弹大部分是靠工艺技术和雄厚资源发展起来的，而关于原子弹的基本科学知识则主要是在欧洲发展的；而且德国的经验似乎表明了基础理论领域的失败会导致政治和军事上的失败。根据罗斯福总统的要求，科学发展和研究工作办公室主任万尼瓦尔？布什在大战期间起草了一份关于这个问题的官方报告，后于公元1945年发表。布写道：“我们国家在实用科学研究和工艺技术方面的卓越性，不应使我们看不见这一事实，即美国在纯科学的新的基础知识和基本科学原理的发现方面，是居第二位的……在下一代，技术进步和基本科学发现将是分不开的；而一个借助别的国家供应基本科学知识的国家，在革新的竞赛中将处于极端不利的地位。”
为了纠正这种状态，布什建议提出一笔国立科学研究基金，专门用于科学研究工作，两年后，斯蒂尔曼向美国总统提出了《科学与国家政策》的报告，附上一大堆文件阐述了与布什相同的观点。这个问题在美国国会里进行了辩论，公元1950年国会通过了国家科学基金法案，拨给了基础科学研究资金。但是就在这件事情上，美国的实用传统仍很突出，因为法案里有一项规定：基金可以根据国防部长的请求首先支持某些军事性质的实用研究。
美国直到最近还是人口比较稀少但又拥有丰富的自然资源的国家，美国科学传统的功利主义性质也许与这个事实有关。这样一种情形使人们特别重视节省劳力的办法和长途交通与旅行的方法，而科学探索的方向也是为了达到这些实用目的的。再者，在一个创业的社会里，一般说来，有用的技术总是受到重视，而一个主要属于理论家之流的人则被视为没有出息。例如在十九世纪的后期，耶鲁大学就有过一个撤换威拉德？吉布斯的运动，原因是他在热力学和统计力学方面的理论研究好象没有什么实际用处。今天，美国当然进行了大量的基础研究工作，但是功利主义的传统仍然存在，并使最抽象最有理论性的学科──哲学，染上了这种色彩和具有这种面貌。一个完全发源于美国的哲学学派是哲学的实用主义，主要是由查尔斯？皮尔斯（Charles Peirce，公元1839－1914）和威廉？詹姆斯（William James，公元1842－1910）提倡起来的。在科学的哲学领域里，实用主义者认为科学定义、概念或理论的意义不过是它所包括的一套操作。因此“长度”可以用一系列的实际操作，包括空间测量的操作，来给它下定义。这样给概念下定义的操作不一定是物质的：也可以是铅笔和纸的操作，或纯心理的操作，就象某些数学定义那样；但是这些操作主要是作为“活动”来看待的，和那种欧洲人静止的和沉思的研究方法截然不同，因为后者探索的是构成科学观念或定义的意义究竟是什么。总的说来，实用主义者倾向于这种看法，即詹姆斯所说的：“只要相信一个观念对我们的生活有益，它就是真的。”詹姆斯写道：“所谓真的只是我们的思维方式上方便的东西，当然所谓方便是指长期和整个而言。”这样一种哲学主要是创业者和实用家观点的一种明确而概括的表述，因为这些人主要关心的是观念的功利意义。
与十九世纪的美国相反，旧俄并不缺乏劳动力，而当时知道的自然资源则是由政府奖励的垄断企业严密控制的，相当于早期斯图亚特王朝的英国式十八世纪的法国那样。正如英法在早期年代一样，这样的情况激起了一种批判的和反抗的精神；十九世纪俄国的知识分子，就象一个世纪以前的法国哲学家那样，运用科学的理论去质问他们所生活的社会借以存在的信仰。他们特别运用了达尔文主义，强调了达尔文理论的一个方面──即一个物种的有机体之间的协作关系──这好象是支持他们的社会理论的。圣彼得堡的动物学家凯斯勒（Kessler）于公元1880年发表了一本《论互助规律》的著作，他的信徒们克鲁泡特金王子和诺维科夫则收集了许多材料说明内部特定的合作，这些材料二十年后都发表了。或许可以说，十九世纪的俄国科学具有一种理论的和思辨的性质，这和十八世纪的法国科学具有理论的和思辨的性质，其原因大致相同：技术企业和科学应用受到时代条件的限制，同时，这些情况激起了理论批判，也牵涉到科学，并形成那个时代的科学所具有的一些特点。十九世纪俄国科学和美国科学之间所存在的那种理论与实用的差异，实际上就象十八世纪法国科学与英国科学的差异一样。的确，正如美国科学的传统导源于英国一样，俄国的科学传统也源自法国。公元1724年彼得大帝建立的圣彼得堡科学院就是以巴黎科学院为蓝本的，许多法国的文人，其中最著名的是狄德罗，在十八世纪后期都曾到彼得堡旅行过。正如我们看到的，圣彼得堡学院一度曾任用科学家，最初是瑞士人欧勒和贝努利，然后是德国人，如胚胎学这沃尔弗和冯？贝尔。第一个著名的俄国院士是罗蒙诺索夫（Lomonosov，公元1711－1765），拉瓦锡曾经引用过他的反燃素说理论。后来，其他各地都建立了科学学会，往往与当地的大学联系在一起，如莫斯科、喀山、哈尔科夫、基辅等。出身于遥远喀山的罗巴切夫斯基（Lobachevsky， 公元1793－1865）于公元1830年发展了非欧几里得几何学的第一个综合系统。
在俄国革命期间，犹如法国革命期间一样，科学家的活动都针对实用的目的，同时设法培养更多的科学家，从而扩展这个国家的科学活动。随着俄国革命而来的混乱比法国革命时要大些，因而这些企图直到二十世纪三十年代方才获得成果。已故的苏维埃科学院院长瓦维洛夫（Vavilov）在他的《俄国科学简史》中说，苏联的学生在公元1920年后期达到了革命前的112，000人，分布在91个大学和学院里，而在公元1941年则达到667，000人，分布在约800个院校里。这样训练出来的学生究竟做了多少工作，可以由发表原始研究论文的俄国科学期刊的数字提供一个索引。瓦维洛夫说，在革命前物理科学领域只有一个定期刊物，其发行额为200份，而在公元1948年这样的定期刊物有五种，而每种的发行额约为5000份。
在旧俄时期和反抗精神密切结合在一起，而且今天影响着苏联科学的哲学，即辩证唯物主义，是卡尔？马克思（公元1818－1883）所创立，并为他的合作者弗里德里希？恩格斯在《自然辩证法》中第一次把它应用于科学问题。苏联科学家在二十年代拿起了恩格斯的这本著作，而且有一个时期，特别是公元1945－1955年，关于辩证唯物主义与科学理论的关系的争论是苏联科学的一个显著特征。辩证唯物主义者认为科学理论应以下列观点为基础：第一，关于物质世界的概念，这个物质世界在人类出现以前就已存在，而且在没有人类的时候，它仍将继续存在下去。第二，世界上的一切事物通过因果关系而相互联系着，人类通过科学方法能够无限制地研究并阐明这种关系，这样获得的知识将逐渐接近自然界的实际活动方式而不受任何限制。第三，通过探索自然的起源，自然的形成过程以及自然的历史的进化，能够深入洞察自然的各个体系。第四，这些过程由两个相互排斥而又相互联系的主要因素所构成，提供了那些过程的动力。第五，每个自然过程本身都是有限的，而且当它的内部矛盾消失或解决时，这个自然过程就完结了，但它自身或许为另一完全不同的过程开辟道路。换句话说，任何过程的量变最终将引起那个过程的质变。
尽管这些论点在一起是辩证唯物主义所特有的，但每一个论点本身并不是辩证唯物主义所特有的。德国的自然哲学家主张后三条，但否认前两条的正确性，因为他们断言心灵或精神是最终的实在，自然界是精神自我运动的外化表现，只是在精神的自我运动中存在着发展的因果关系。十九世纪机械论哲学家多数主张前三条，而不主张后两条，他们总的认为自然过程的动力是直线的因果链条所构成，而不是相互作用因素的复合，因为在这复合中因与果分不清楚。可是自然哲学在十九世纪被抛弃了，而机械论哲学的论点由在本世纪引起许多怀疑。由马赫开创的思想派别认为一个独立物质世界的假设是形而上学的多余物，因为只有感官知觉是直接为科学家掌握的；这些认识在组成定律或关系时，虽然有一种启发式的用途，但它们并不能给予我们关于假设的物质世界自身的知识，还有，海森堡的测不准原理意味着一个科学家能够获得的关于物质世界知识有一种明确的限制：在决定一个亚原子粒子的动量和位置方面总有一种不能消除的不确定性。最后，对于历史的研究也有人提出疑议，特别是某些西方的人类学家和社会学家，他们认为对原始社会和文明社会的静态结构的研究，比对它们可疑的历史进化的研究更有启示。
西方的正统科学家对于这些对十九世纪科学观点的批评不愿意接受，若干人对于那些涉及辩证唯物主义与机械论哲学所共有的教义的问题，则采取了苏联科学家共同的态度。例如美国的爱因斯坦与法国的德？布罗意，以及苏联的某些物理学家，都表示了同样的观点，即物理现象原则上是完全决定论的，测不准原理仅仅说明量子力学的目前形式还不完善。他们认为今天的量子力学主要是统计地处理含有大量物理系统集合的一种方法，主要是原子或亚原子粒子，所以在这种理论的基础上，对于个别系统或单个原子无法作出最后陈述。例如，一定数目的放射性原子，其半数衰变需要多久是能够定得比较准确的，但一个特定原子的衰变时刻就完全不能确定了，而且已经证明除非放弃量子力学理论的某些要点，这种知识障碍是无法克服的。因此，爱因斯坦与德？布罗意，以及某些苏联物理学家，主要是兰道（Landau），都声称量子力学是一种暂时的理论，它将会成为一种更广泛概括的极限情况，而在这种更广泛的概括下，单个原子的行为将是更加确定的和更可以说明的。为了给这种更广泛的理论提供基础，这些物理学家的学生曾经探索了一些概念模型；在这些概念模型里，粒子是作为电磁场的奇点出现的。
同样而且更大更复杂的一场争论是在苏联生物学界引起的，即关于有机体的遗传变化是决定论的还是非决定论的问题。大约从公元1930年起，苏联生物学家李森科（Lysenko）继续植物栽培家米丘林（Michurin） 的研究，发展了一种理论，主张植物的遗传素质在其早期的某些生长阶段是不稳定的或“可以动摇的”，植物受到环境对它引起的变化，使植物、植物的种子并从而使植物的后代能适应新的情况。十九世纪中叶以来，一般认为冬小麦春播通常不会结实，如将萌动的种子弄湿，并在播种前使其冷冻则可以结实。这种“春化”种子不能用通常农业的方法去播种，因为它们已经萌动，但是李森科在公元1930年表明，如果把弄湿和冷冻的程度减低，虽然种子还未萌动，但仍然被春化，所以能够用通常的方法播种，冬小麦如通常春化的那样，并没有起什么变化，它们产生的种子仍是冬小麦，如果在春季而不在冬季播种，就需要春化。可是经过许多实验之后，李森科声称在某种关键性的春化条件下，植物会永远变为春小麦，它的种子以后不再需要春化。
李森科和他的学派于是攻击孟德尔的遗传学理论，反驳他们所谓遗传变化一般不适应新环境条件的观点。遗传学的问题以及遗传学在农业上的应用，在苏联列宁农业科学院的主持下的一系列会议上，从公元1934年起广泛地进行了讨论；从公元1948年起米丘林学派短期获得优势，而苏联的孟德尔遗传学派则暂时解体了。
与此同时，其他领域里一般公认的理论，如天文学、化学、医学、心理学和人类学，在苏联也为科学家研究过，提出了批判，认为这些不符合辩证唯物主义，并在苏联和西方引起了争论。但是这些争论不久便丧失其原来的动力，因为人们普遍都领会到，经济上有成果的应用科学要能取得进展，要看在实验室和现场能否发展新的更准确的基本理论而定，而不靠哲学上的讨论决定，因为哲学已经有了充分发展，并且不再处在知识的前线了。
[英]梅森
第四十八章 科学和历史
如果我们要说明科学的过去情形和科学在历史上的成就，我们就会发现很难找到一种能简洁表示的适用于一切时间和地点的科学定义。青铜时代的科学和古希腊人的科学存在着显著的不同，而希腊的科学也仅在少数几点上可以和现代的很多方面的科学相比。当然，历代的科学虽然变化多端，但也有其连续性，因为每一时代的人们总是对他们所继承下来的科学遗产作了进一步的发展和补充。因此，我们或许可以说，科学就是人类在历史上积累起来的。有关自然界的相互联系着技术、经验和理论知识的不断发展活动。美国的科学史权威萨尔顿（Sarton），事实上就认为在这个意义上，科学可看作是“人类的真正有积累性和进步性的唯一活动”。但是，到目前为止，真正有积累性的只是科学中的一个部分，即科学的应用技术和它的经验事实及其规律。从长期来看，到今天为止的科学理论都是暂时的。古希腊人的杠杆原理和光的反射原理已成为科学永久遗产的一部分，但是古希腊人另外的一些理论，现在看来就只具有历史价值了。同样，只要现代科学的发展以目前的速度持续下去，我们就很难设想今天科学的任何理论会长期保持不变。
在青铜文化时期，数学和天文学大部分只不过用于记账、测量和制定历法等功利主义的技术。那时候的科学在性质上和工匠的技术没有多大不同，只是前者是通过文字记载而不是通过口头传授保存下来。古希腊人发现，经验上已知的同类特殊事实，可从理论上证明并适用于一切类似的情况，在科学前进道路上就迈出了重要的一步；在这里，毕达哥拉斯定理和杠杆原理都是例子。希腊人还用几何学来对他们的天文观察作理论性解释，因而使经验性材料开始赋于宇宙理论以一种定量的结构。但是，在希腊占统治地位的世界体系是受到天体的地位优于地球的地位的见解影响的；正由于此，古希腊人就赞成地球中心说，特别是同心圆体系和本轮体系的形式，这两种都是跟古代所知道的事实相矛盾的。不但如此，希腊人虽则有时也作了一些实验，但是他并没有发展一种有逻辑连贯性的实验方法。他们也没有把科学应用到新的领域中去，除了可能在军事工程和绘制世界地图方面有所采用。
继起的罗马、穆斯林世界和中世纪欧洲的文明，并没有超出古希腊文明的限度和水平；古希腊文明对它们的影响也不很大。但是在现代史时期，科学以及促使科学前进的一些力量，就发挥出一种越来越大的改变历史进程的力量。实验的探索方法，加上在十七世纪早期几十年中人们所讨论的定性归纳方法和定量演绎方法，逐渐在一切科学中找到其适当地位并得到应用。这些方法首先被应用到力学和天文学上面，从而说明了太阳系的结构和运动；然后运用到电学、化学、生物学以及其他科学上面，使这些学科更加精确并取得成果。诸如此类的发展有助于使人们的思想大大地世俗化，而摆脱宗教的藩篱。不管人们对科学抱有同情或反感，科学在人类的总思想体系中占有越来越重要的地位，而且在工业化的国家里，影响到人们对宇宙的性质和人在宇宙中的地位的看法。科学的应用也超出了古典时代测量土地和制订历法的范围，不但用有航海方面，也用到工业、农业、和医学方面。这样造成的变化对现代文明的形成起了很大的作用，摧毁了旧传统和旧的生活方式。因此当我们谈到现代文明在东方传播时，我们想到的主要也就是科学及科学应用的传播。
科学应用所产生的深远后果，在本世纪开头还没有普遍为人们觉察到。詹姆斯？瓦特简直不曾预见到工厂用了他的蒸汽机以后，会出现城市人口集中的情况；法拉第也没有预见到用他的电学研究成果协助解决公共交通和电力输送的问题，就会出现近郊城市，从而减轻了中心城市的拥挤。科学的长期发展会导致一些为人们最初料想不到的结果，一个突出的例子是产生科学的时代和社会原来看作是有价值的事情，后来却受到限制而并不能得到充分的实现。譬如说，近代人们认为人生的价值或意义在于个人奋斗和个性发展，而由于有这种动力，所以才有近代科学的发展；这种动力之产生，直接是出于探索自然界的个人欲望，间接是由于科学和人们表现上述人生价值的运动有关系，诸如地理大发现、农业上和工业上的革命。但除其他因素不计外，科学应用范围的扩大却使个人奋斗和个人发展受到越来越大的限制。蒸汽机和新型纺织机器结束了个体操作的手织机时代，后来的发展使工业技术单位变得更大了，把个体劳动者圈入了一个复合的组织之中，从而限制了他们的活动。代替若干小蒸汽机的发电站一开始时只是为一个大地区服务，但不久人们就发现把发电站变为一个全国性单位的一个部分，和其他地区的发电站通过发电网联成一气，操作起来就可以大大增进工作效率。最后，在发现了原子能之后，人们就认为这种新发展太宝贵了，力量太强大了，不能让私人利用，因此原子能的利用在各国都由国家经营，即使在那些私营企业最受重视和最根深蒂固的国家中也是如此。
在现代世界中，科学主要导致了思想的非宗教化或世俗化，和科学实际应用的发展，但是科学对于人生价值和人的判断的标准也起了一定的影响。有些科学家，特别是一些生物学家，企图从进化论中引伸出一套伦理准则；但是比起任何特殊的科学理论来，对人类的价值观影响更大的恐怕还是科学的方法论。科学方法依靠理性论证而不诉诸情感，它提出在不同观点中进行抉择时必须尊重经验的证明，这种做法现在比起一百年前好象更广泛地被运用到处理人与人的关系方面来了。值得注意的是用决斗来解决意见分歧，这种风尚在十九世纪初期已开始不流行了，而十九世纪正是当时人们所叫做的“科学世纪”；而且当时反对用决斗解决个人纠纷的人，多半也是最有科学头脑的英法中产阶级。人们受到科学态度的影响，而采取一种理性主义和人道主义观点，这种趋向可举下面一个例子来说明：十九世纪中叶的许多英国科学家都对牙买加总督艾（Eyre）用极其专制和野蛮的手段镇压当地人民的公元1863年暴动，提出严重的抗议。特里维廉（Trevelyan）在他的《约翰？布赖特传》中论及这件事时说：“除了迁德尔（Tyndal） 而外，当时有名的科学家如达尔文、赫胥黎、穆勒、莱斯利？斯蒂芬、查理？赖尔爵士，都站在法律和人道主义一边，但是那些一贯指责科学的人生观残酷无情的人，如卡莱尔、拉斯金、金斯莱、坦尼森，则通过他们的言行，表明感情用事的人只知道一味儿崇拜强权和强者。”
科学方法的另一特点是，科学总要发展，并有新的发现，这或许也影响到人们的价值观。科学方法主要是发现新现象、制定新理论的一种手段，因此不断地在扩大人类知识的体系；只要科学方法应用得上，旧的科学理论就必然会不断地为新的理论推翻。关于这一点，美国的科学史权威萨尔顿说过：“科学总是革命的和非正统的；这是它的本性；只有科学在睡大觉才不如此。”
受了科学的这种特性影响的人总是向前看，并且对保守力量很大的旧制度总是忍受不了。我们记得约瑟夫？普利斯特列就说过，他“在差不多一切问题上总看到有理由去支持一般被称为异端或不正统的方面”，在论及天主教会和科学的关系时，普利斯特列还说，天主教皇越是赞助科学和文学，他就是“在支持他的化装敌人，同时，英国各个不同等级的教会人士（如果他们的组织有什么缺点的话），在看到一架抽气机和发电机时，也有同样的理由发抖。”
虽说如此，科学方法对科学家所起的影响大体上还是不大的。科学家一般都接受他们所属社会对人生价值的看法，即使在这些价值对科学的发展有害，如在第三帝国统治下的德国情况那样，他们也仍然会这样做。
对于科学所产生的其他变化以及科学本身的发展，也可以采取以上类似的看法。即使科学有其自身的传统和动力，我们还是不能把科学看作是一种完全自动的历史现象，也不能把它看作完全是促进历史变化的一种独立自主的动力。许许多多的历史运动过程形成一个相互联系的复合体，而科学的发展只是这许多过程中的一个过程，而且直到最近时期以前，在这个复合体中也还是个次要的力量。一个给定时代的科学，不但隶属于这个时代的传统，包括其自身的方法、价值和积累的知识在内，而且隶属于它的那个历史时代；在这个时代中除科学而外，还有作用于这个时代的另外一些动力。在比较安定的历史时期（如欧洲中世纪那样），科学的进展是不大显著的，但是在那些扩张发展的历史时期，科学就蓬勃发展起来。不但如此，在一定时期中，科学发展过程也有赶时髦、迟疑不决、或者突然变化的情况，而且这些情况看来都不是由科学的内部原因所造成的。在现代史上，科学在十八世纪的上叶就古怪地出现过一个停滞时期，特别影响到化学和光学，在较小程度上也影响了电学。
这类的事件表明，科学的活动有时被引入一个渠道，然后又被引入另一渠道，而促进科学的力量有松弛下来，有时甚至把科学拖着后退。一般的情况是，我们不妨说某一历史时期的实际问题，对当时科学家所进行的经验性研究起了一定影响，同时，这个时代的思想潮流也影响当时科学理论的表达形式。譬如说，十六世纪的地理发现就刺激了人们去探索测定经度的方法，并促进了为这种方法所引起的天文学和力学问题的研究。同样，十九世纪英国放任主义思潮对自然选择的理论也起过一定的影响，这种影响达尔文也承认，因为他就说过自己受到马尔萨斯学说的启发，但是实际问题和理论问题的分野并不那样鲜明和严格。实际问题往往激发新理论的诞生，如热力学就部分地是由于对蒸汽机问题的研究而产生的；而理论思潮有时也把科学研究引向一些特殊的渠道，如德国的浪漫主义和历史主义的哲学，在十八世纪后期和十九世纪初期就促进了德国科学中胚胎学研究的发展。
在过去，促进科学发展的力量并不是有意识地朝一定方向前进的，只有这些力量所产生的结果会立即为人们看出来。科学家在十七世纪快完结时看出了“自然哲学当前的萎靡不振状态”，不过导致这种状态的原因是不十分清楚的。但是在现代，科学已经有意识地并直接地引向具体的领域，而且这些具体领域的选择已经越来越不操在科学家手里了。科学研究工作变行越来越复杂化，业余科学家的传统衰落了，而且除了大学和研究院而外，科学研究工作也越来越变得专业化，并受科学以外的机关或团体所控制，这也就是说为工业和政府部门所组织起来的研究机关或团体所控制。
这些机关或团体所关心的主要是科学的应用；几十年来，它们为科学研究提供了大量资金。起初他们着重于研究如何来改进工业、农业和医药，如英国就在公元1917年成立了科学和工业研究部，几年以后还成立了医学研究院。后来，科学研究工作就越来越着重军事科学种种问题的研究，民间和政府的统计数字表明在公元1936－1937年度至公元1950－1951年度，英国政府用在军事科学研究的经费已增加了六十七倍；在同一时期，工业科学研究的经费只增加了十倍，医药方面增加了九倍，农业科学研究方面只增加了八倍。比较起来，英国政府对仍在进行基础科学研究大学，所给予的补助经费在同一时期只增加了六倍。从这些数字分布的情况，可以看出近代科学发展的一般倾向，以及近代应用科学的活动的一些特点；一般说来，工业不大发达的国家总是在大力开展工业方面的科学研究，但工业比较发达的国家则把大部分拨款用在军事科学研究方面。
这样的发展情况在基础科学方面已经起了一定的影响，譬如说，现在感到需要大量的原子物理学家，并必须对核物理进行基础性的研究工作，这都是科学新发展的倾向所造成的。科学发展还使以上种种研究处在保密状态，这从旧的科学传统看来是跟科学交流的精神不符合的。再者，科学发展的倾向要求科学家服从他们社会中统治阶段所认为有价值的东西以及他们的一些观点，并加以奖励；这种倾向在本世纪中叶还使得科学的某些学说和两种对立的意识形态之一联系起来。
在整个历史过程中，人们对一些科学理论赞同或反对，除了根据科学方法的标准来考虑外，往往根据这些理论是否符合当时当地一般人所接受的信念来决定的。尤其是当两种比较势均力敌的力量相互对立的时候，判断和行动总是按照这样的标准来进行。譬如在宗教改革运动和天主教反宗教改革运动的时期，人们对哥白尼和托勒密的不同学说的判断，就往往以科学方法之外的标准作为依据。在二十世纪中叶，也出现了不无相似的情况：遗传学上两种对立理论的争论（虽然这两种理论都和宗教不沾边），引起了和十六、十七世纪的天文学说的争论近似的激烈情绪。但是，这恰恰说明了科学在现代历史中的重要地位。十五到十六世纪的科学革命对于宗教改革运动的力量或者反宗教改革运动的力量，影响都很小，甚至于没有什么影响；相反，现在一般人都承认，对二十世纪任何重大的历史运动的力量来说，科学已成为一种举足轻重的决定性因素了。
