w88优德 - 胡翌霖 | 工业革命——理论与实验的结合

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梅奈海峡吊桥


作者 胡翌霖 (清华大学助理教授)

责编 许嘉芩 刘愈


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与此同时··|,理论、实验与技术的互相激励也开始渐入佳境了··|--。我们之前说到··|,事实上在18世纪··|,理论科学与工业革命的发展是脱节的··|,互相之间并没有直接的影响··|--。但这种说法非但现在的许多科普作家都不承认··|,当时的许多人也不承认··|--。在18世纪··|,许多人都相信科学研究能够推动技术发展··|,推动社会进步··|--。培根就说“知识就是力量”··|,这是当时的时代精神··|--。

比如在18世纪就流传有许多故事··|,例如钮可门曾经接受过胡克的指导··|,瓦特受到布莱克潜热理论启发等等··|,尽管这些说法往往缺乏依据··|,但人们愿意相信··|--。

下到民众··|,上到政府··|,都相信科学是能够实用的··|--。例如在1800年左右··|,英国计划建造一座跨度约180米的单跨铸铁桥··|--。议会就决定成立两个委员会··|,一方是数学家和自然科学家··|,另一方是有经验的建筑师··|,然后综合两方的意见来开展应用··|--。结果几乎是个闹剧··|,一些理论家的提议成为笑柄··|--。当时的剑桥大学卢卡斯教席米尔内感慨说:“也许[理论家们]看起来有学问··|,能够根据想象出来的假说进行冗长而复杂的计算··|,而且符号和数字也可能绝对正确··|,精确到了最小的小数··|,但是··|,大桥仍然不安全··|--。”

但是虽然理论科学家这一次没派上用场··|,人们确实对理论科学寄予厚望··|,这种愿望本身就是一种激励机制··|,这种愿望让理论科学家更注重实验研究和实践活动;也让工匠的社会地位提高··|,让工匠传统自觉地走向理论化··|--。

▲这座横跨梅奈海峡的铁桥最终采用特尔福德的设计··|,于1824年竣工··|,至今仍在使用··|--。图为1840年版画··|--。 

理论与实践相结合的美好愿望在19世纪成为现实··|--。

首先是对实验科学和技术经验的理论化··|,例如法国物理学家卡诺在1824发表《论火的原动力》··|,首次对蒸汽机的工作原理作科学分析··|--。提出“卡诺循环”··|,这是可以描述一切热机的理论模型··|--。

▲卡诺··|,法国物理学家、工程师

焦耳(1818-1889)在1840年左右发现电流的热效应··|,他还以很高的精度测量了热功当量··|,也就是一定重量的物体下落一定高度做的功相当于让一定的物质升高一定温度··|--。

▲焦耳(1818-1889)··|,在1840年左右发现电流的热效应

19世纪40年代··|,多位科学家各自独立提出能量守恒定律(也就是热力学第一定律)··|,现在一般认为最早提出者是德国医生迈尔··|,但系统地表述这一原理的是德国物理学家赫尔姆霍茨(1847年)··|--。

然后是德国物理学家克劳修斯19世纪50、60年代提出热力学第二定律··|--。热力学作为一门理论科学成熟起来了··|,其发展与实验研究··|,特别是高精度的测量技术密不可分··|--。

▲德国物理学家克劳修斯

其次··|,越来越精确的实验和观测开始为理论科学提供支持··|--。

例如三百来年之前就被哥白尼允诺的恒星周年视差终于发现了··|,德国天文学家贝塞尔在1838年测出天鹅座61的周年视差是0.31弧秒··|--。

天王星在18世纪末就被发现了··|,但它的运行与牛顿力学预计的轨道有误差··|--。当然很少有科学家会认为这是因为牛顿力学本身不准确··|,而是更倾向于认为还有一颗行星在干扰它··|,1846年··|,法国天文学家勒维烈计算出了对天王星形成摄动的新行星的轨道··|,他找到柏林天文台的朋友帮忙验证··|,很快就在相应的天区发现了它··|,也就是海王星··|--。英国的亚当斯更早进行了相似的演算··|,但他的观测请求被英国的天文台拒绝了··|--。

我们知道早期的实验更多都是演示性的··|,只是为已知的理论进行佐证··|,而不增加新的知识··|--。到了19世纪··|,我们注意到实验与理论的关系更加紧密··|,在理论中预言的结果要求实验的验证··|,而在实验中发现的异常现象则要求理论解释··|,理论与实验互相激励的情况越来越多··|--。

本文原载于《过时的智慧——科学通史十五讲》··|,上海教育出版社··|,2016年7月出版··|--。转载请联系作者获取授权··|,并注明出处··|--。





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