三、近代自然科学的崛起和经典力学的成熟
(一)近代航海史上的三大发现及其对自然科学的影响
远洋航海和探险热潮，在不到一百年的时间里取得了三项重大成就：
1．1492年哥伦布到达了美洲大陆；
2．1497年达·伽马开辟了通往印度的新航路；
3，1519—1522年麦哲伦率领船队完成了环球航行(他本人死于途中)。
航海和探险活动对自然科学的影响是：
1．大大开拓了欧洲人的眼界，未曾见闻的自然现象丰富了他们的头脑。
2．航海中所积累的经验以及人们在观天、测地、使用风帆和监制火炮中遇到的困难，都为自然科学提供了可供借鉴的资料和需要深究的问题。
3．航海和通商所带来的巨额利润以及随之而来的开拓殖民地所掠夺的财富，使得欧社会变得富裕起来。这一切，都有利于文化教育事业的发展。
(二)文艺复兴运动及其对近代科学的影响
伴随着欧洲新的生产关系的出现，在思想文化领域中也展开了一场以复兴古希腊文化旗帜的“文艺复兴运动”。这场运动的主旨在于摆脱封建制度及其意识形态的束缚，提倡个性解放、尊重人格、爱人和人性至上的人文主义思想。文艺复兴运动是对封建势力和基督教会思想统治的公开反叛，为自然科学的解放扫除了精神障碍；在文艺复兴运动中重现于欧洲的古希腊文化的优秀遗产，特别是其中的理性主义精髓又给近代自然科学提供了至为宝贵的学术营养。
(三)哥白尼学说及其意义
波兰天文学家哥白尼于1543年发表了《天体运行论》一书，全面地阐述了他的日心地动学说。这一学说的要点是：太阳是宇宙的中心，所有行星在以太阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并与其他行星一样绕太阳公转。根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳的东升西落不是太阳绕地球旋转，而是地球自转的表现；天球上恒星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太阳公转的结果。以现代的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说的错误。当哥白尼的学说为世人所接受之后，它就不可避免地动摇了教会的权威，从而解放了人们的思想。1616年教会宣布哥白尼学说为“异端”并禁止其传播。
(四)伽利略的科学思想和科学贡献
意大利学者伽利略是哥白尼学说的积极支持者和不懈的宣传者。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了一系列前所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表面上的山岳和湖海；太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。这些发现证明了天界并非如亚里士多德所说的那样圣洁无瑕，宇宙中也并非只有一个中。
伽利略研究了大量力学问题，并无情地批判了亚里士多德的许多错误。
1．通过实验，伽利略发现了自由落体定律。这一定律的推论表明，自由下落的物体其速度变化与物体的重量无关。因此证明了亚里士多德关于重物先落地的说法是错误的。
2．在研究落体运动的基础上，伽利略又进一步实验，从而发现了惯性运动。惯性运动指出，运动的物体在不受外力作用的情况下，具有维持原有运动状态的特性，这就是说，亚里士多德认为必须有外力才能维持物体运动的观点也是站不住脚的。
3．伽利略通过观察匀速前进的船舱内，舱顶水滴下落和舱内苍蝇飞行的状况，提出了运动的相对性原理。即在匀速运动系统内的力学现象与静止系统内的力学现象并无区别。这个原理告诉我们，不能根据地面上的力学运动来判断地球是处在静止状态还是在作惯性运动。根据地面上的力学现象而否定地球运动的论点是没有根据的。
(五)牛顿的科学思想和对经典力学的贡献
牛顿发现了万有引力定律，总结、表述了运动三定律。在此基础上，牛顿仿效古希腊人的作法，把力学知识整理成为一个演绎知识体系。牛顿在1687年出版的《自然哲学之数学原理》这部名著，标志着经典力学的成熟。在这部著作里，他首先阐述了一系列力学的基本概念，随后讨论了他所发明的微积分方法。牛顿的《自然哲学之数学原理》是自然科学史上最伟大的杰作之一。当时人们所接触到的各种力学问题，基本上都可以在这个框架内得到解决。
(六)经典力学的意义
1．经典力学彻底打破了亚里士多德学派严格区分月亮以上和月亮以下两个世界的旧观念，把天上和地上的运动统一了起来，证明了万有引力定律和运动三定律是宇宙间一切机械运动(即物体位置的变化)的普遍规律，从力学的角度论证了自然界的统一性，实现了人类对自然界认识的一次伟大的综合。
2．经典力学把人们对机械运动的研究从运动学提高到动力学的水平。运动学只考虑物体运动的速度、加速度、时间、距离等因素及其关系，只能描述物体运动的过程和状态。动力学的任务则在于揭示物体运动的力学原因及其力学后果。在历史上，虽然亚里士多德曾经探讨过动力学的问题，但他走人了歧途。牛顿成功地完成了建造动力学的任务，从而使人们能够全面地把握机械运动的规律。
3．经典力学把对物体机械运动状态的描述与研究提高到瞬时状态的水平。过去人们只能把握运动的某一个过程，这对于处理匀速运动、匀加速运动(如自由落体运动)或加速度的大小不变而方向均匀变化的运动(如圆周运动)这类比较简单的运动尚可，对于加速度复杂变化的运动便无能为力。如今牛顿引进了微积分的方法，原则上便可处理任何复杂机械运动的过程与瞬时状态的问题。
4．经典力学把原来只能孤立地研究的力学事件联系了起来，使它们成为因果的链条。运用经典力学，只要我们知道某物体的运动状态以及它在某时刻所受的力，就可以得知这个物体的运动状态所要发生的变化。反之，如果我们发现某物体的运动状态发生变化以及它的变化状况，我们也就知道它受到一个力并且知道它受到的是什么样的力(包括它的大小和方向)，而且也知道它必定对外界施加了一个什么样的力(包括它的大小和方向)。力与运动组成了一个无穷无尽的因果链条，这就大大地提高了我们对物体运动前因后果的认识，提高了我们的预见与推想的能力。
5.以往的自然知识都包容于自然哲学之中。虽然牛顿仍然把他的著作称为《自然哲学之数学原理》，但实际上它表明自然科学不仅已摆脱了神学的束缚，而且已经从哲学中分化出来，开始建构自己的知识体系、科学思想和科学方法，表明自然科学已经成熟。
(七)经典力学与机械自然观
经典力学经过一系列事实的验证，得到了前所未有的荣耀，使人们认识和理解了科学理论的威力。不过经典力学的成就使许多人(包括牛顿本人在内)产生一种错觉，以为运用经典力学的知识、理论和方法便可以解释和处理自然界中的一切问题，由此而产生了在一个时期内影响着人们头脑的机械自然观。这一自然观表现在以下方面：
1．由运动现象去研究自然力，再由这些力去推演其他现象。牛顿说：“我希望其他的自然现象也同样能由力学原理推导出来”。他以为他说明了力就解决一切问题，即对于每一种自然现象，如果找到在其后的某种力，就可以用以说明有关这种现象的种种问题。
2．实体论的思想方法。牛顿的科学思想和科学方法都带有原子论的色彩。在他看来，任何物体都是许多极为细小的、实实在在物质单元的集合，所有力学过程都是这些物质单元共同作用的结果，牛顿运用这样的方法顺利地解决了力学的问题，这也使得一些人以为这是认识和理解所有自然现象的唯一正确的方法。因此在他之后许多人在研究各种自然现象时总是要寻找它们的实体，于是出现了形形色色的“实体说”。如在研究热现象时出现了“热质说”，研究燃烧现象时出现了“燃素说”等等。由于一些人过分地迷恋这种思维方式，也往往使他们在真理面前却步。
3．经典力学的原理和定律给事物的因果性提供了很好的说明。这又使得一些人以为所有自然事物都具有如同机械运动一样的因果关系，都像力学事件那样具有十分精确的必然性，以为必须找到这样的必然性才算认识了客观规律。其实自然事物的因果关系往往比机械运动的因果关系复杂得多。有不少事物我们不能把握它的单个现象的状态而只能把握它们的统计规律等等。机械决定论的思想也曾阻碍许多人接近科学的真理。
经典力学所产生的这些影响并非它自身的过错。历史上常有这样的情形，当一种理论被证明是正确的时候，人们会以为那就是唯一正确的东西，因此而把自己的思想封闭起来。其实，牛顿力学和其他任何一种理论一样，它揭示了真理但没有穷尽真理。它也和其他任何一种理论一样都有自己的认识上的和历史上的局限性，在一定条件、一定范围之内它是正确的，超越了这些条件和范围它就不一定正确或者需要作某些修正。
四、经典物理学体系的形成
(一)能量守恒和转化定律及其意义
1．运动守恒的思想，早在近代物理学出现之前，就已从哲学上提出来了。19世纪物理学家从实验上寻找证据，终于揭示了能量守恒和转化定律。
2．能量守恒与转化定律通常的表述是：在任何孤立的物质系统中，不论发生何种变化，无论能量从一种形式转化为另一种形式，或从一部分物质传递给另一部分物质，系统的总能量守恒。
3．能量守恒与转化定律的确立，给了科学家们很大鼓舞。它被称为物理学的：“最高定律”，“宇宙的普遍的基本定律”。恩格斯称之为19世纪的三大发现之一。运用这个定律研究物质运动的问题时，常常可以只从起始状态和终结状态的能量变化上作总体的把握，不必考虑变化的具体过程和细节，这就给了人们很大的方便。在哲学上，它为人们认识物质运动形式的多样性和统一性、物质运动在量上和质上的守恒性，都提供了科学上的依据。
(二)热力学第二定律的基本思想
1．热力学第二定律阐述的是，热这种物理现象在与其他运动形式转化时具有的特殊性：这种转化虽然服从能量守恒这个法则，但却具有不可逆性(除非由外界不断供给能量)。
2．热力学第二定律的基本思想是：在没有任何力消耗或其他变化的情况下，热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。热力学第二定律告诉我们，热总是从高温物体传向低温物体，要改变这个传向必须有外界的作用。在封闭系统内(即无外界作用的情况下)这个过程是不可逆的。在封闭系统内总是存在着热耗散(熵增加)的过程，其结果将是该系统内部的热平衡。
(三)气体分子运动论说明了什么
1．气体分子运动论是对热现象给予微观解释的理论，它以气体分子的运动为理想模型来说明气体的温度、压强、扩散等宏观热现象。这一理论的一个极其重要的思想就是以大量气体分子的随机运动来说明在宏观上具有稳定性的热现象。这种方法后来发展为统计物理学，它表明了偶然性与必然性的统一。
2．气体分子运动论说明：热是大量气体分子无规则运动的宏观表征；大量微观客体的运动遵循着统计规律，这与牛顿力学所描写的物体运动的确定性完全不同。但是，这种描写微观客体的统计方法却在宏观与微观、确定性与随机性之间架起了桥梁，它在物理学中有着广泛的应用。
(四)近代早期关子光的本性的争论
1．近代早期关于光的本性的争论存在着两种学说，一种是笛卡儿主张并得到牛顿支持的微粒说。这种学说认为，光是一种粒子，类似弹性的小球；这种粒子可在不同介质的介面上被反射，或因与介质的作用而改变运动速度，产生折射。这种解释意味着，光在较密介质中的速度比在较疏介质中的速度反而更快。这是违反常识的，也是这一学说的致命的弱点。后来的
实验证明，这种微粒说是错误的。
2.另一种学说是惠更斯倡导的波动说。他认为光是由发光体发出而在媒质以太中传播的波，光以球面波的形式向四面传播。在光波的传播过程中，波阵面上的每一个点都是子波的中心，这些子波的包络便形成新的波阵面。他据此成功地解释了反射和折射定律。他认为光波在光密介质如水中的传播速度比在光疏介质如空气中的传播速度慢，这是日后波动说战胜微粒说的重要论据。
(五)19世纪光的波动说的兴起及其实验依据
1．近代早期关于微粒说与波动说的争论中，微粒说曾一度占有优势。其部分原因是由于古代原子论的影响，另一个原因便是人们过于看重牛顿的权威，因为微粒说得到了牛顿的支持。
2，到了19世纪，关于光学的一系列实验证明了光是一种波动，但这种波动并非是类似于声波的纵波，而是一种在以太媒质中振动的横波。证明波动说的实验很多，其中有：关于光的干涉实验和通过实验发现的光的偏振现象等等。这些实验中有决定意义的是对光速的测定。法国科学家傅科测定了光在空气中的速度与在水中的速度之比接近于4比3，这一结果证明了光在光密介质中的传播速度比光疏介质中的传播速度要慢。这是对微粒说的致命打击。傅科的实验成了科学史上著名的判决性的实验，它宣告了波动说的胜利和微粒说的失败。
(六)电和磁的相互转化的发现及其意义
1．近代早期人们根据静电和天然磁石的性质认为，电和磁是两种完全不同的东西。19世纪初关于不同运动形式相互转化的思想影响着某些物理学家，推动着他们研究电和磁的内在联系和相互转化。
2．丹麦科学家奥斯特经多年的努力，于1820年发现，若在通电导线近旁放置一磁针，磁针会因电流通过而发生偏转，这就表明，电流具有某种磁效应。
3。法拉第又从另一个角度来思考，既然电流有磁效应，那么磁会不会也有电效应?磁能不能产生电?经过10年的努力，他终于有了答案。他发现，如果在一块软铁上缠绕两个线圈，当其中一个线圈上的电流发生变化时(即接通或断开电路时或电流大小发生变化时)，另一个线圈就会出现瞬间电流；要是设法使电流或磁场持续地变化，我们就能得到持续的感生电流，这正是发电机的工作原理。发电机研制成功后，有人依据奥斯特的发现又制成了电动机。
4．电和磁的相互转化，在理论上证明了它们是统一运动的不同形式。在实践上为发电机和电动机的研制开辟了道路。
(七)电磁场理论的建立及其意义
场的概念是为了说明有关电、磁效应的各种实验而提出的。这些实验成果虽然有着很大的实际意义，但并未涉及其中的机理。法拉第经过多年的思索，于1851年提出了场和力线的概念对此加以解释。早年牛顿提出万有引力的概念时，他想象引力是一种超距作用力，就是说引力的作用并不需要媒质的传递，并且是即时发生的，这与牛顿崇尚古希腊原子论思想直接相关。对电学和磁学作出过重要贡献的富兰克林、库仑、安培等人与牛顿的思路一致，也都深信电力和磁力是超距作用力。但是法拉第的思路不同，他认为宇宙间应当充满介质，电和磁的作用是通过介质在空间里传递而发生的，他把电和磁发生作用的空间称为“场”。电有电场，磁有磁场。他更想象电场和磁场都由“力线”所组成。他说场的作用是沿着力线的方向发生的。法拉第还以场和力线的概念成功地描述了电磁感应定律。他认为，感生电流的产生在于该导线切割磁力线，感应电流的强度正比于该导线单位时间内切割磁力线的数目。
场的概念的建立有重要的意义，最直接后果就是导致电磁波的发现。后来的科学实验证明，场的确是一种物理实在。法拉第所说的力线虽然事实上并不存在，不过它也不失为一种可供使用的模型，利用它来考察电和磁的作用也有许多方便之处。过去人们只知道实物是物质存在的形式，现在又知道场也是物质存在的一种形式。这是关于物质观念的重大突破。现代科学表明，自然界中不仅有电场、磁场，还存在着引力场等等许多与实物相联系的场。
(八)电磁波的概念及其被实验证明后的意义
1．19世纪，人们对电流的研究确立了一系列电的规律。电和磁的转化发现后，电场和磁场的概念诞生了。在此基础上，麦克斯韦着手对电学的成果加以推广，即把稳恒电流的定律推广到变化的电场和磁场，建立了电磁场的理论和场的运动方程并提出了电磁波的概念。
2．麦克斯韦提出的电磁波的概念是：如果空间某处存在一个变化的电场，它将在周围激发出一个变化的磁场；这个变化的磁场又在周围激发出一个变化的电场；这样一来，就会出现一连串交替产生，相互激发，连续出现的电场和磁场的振动，这个振动以原先变化的电场为中心向四面八方传播，这就是电磁波。
3．德国人赫兹在1888年初证实了电磁波的存在，表明麦克斯韦的理论完全正确。他的工作使电、磁和光这些从前看来相异的现象得到了理论上的统一，实现了人类知识的又一次伟大的综合。麦克斯韦因此被誉为牛顿以后最伟大的数学物理学家。电磁场理论的建立和电磁波的发现为无线电技术奠定了坚实的基础，使人类社会生活的各个方面都进入了一个新的时代。
(九)科学争论对科学发展的意义
科学争论是科学史上频频发生的现象，它表明人类认识自然界的过程是曲折的、复杂的。由于客观条件的限制或科学家本人的观点、方法的不同，对同一问题出现不同的观点、学派，是很自然的事情。然而，科学争论不仅与人们的认识活动有关，而且常常涉及争论者的社会地位、人际关系、发明权等等，这就使科学争论带上了某些非自然的色彩。这些情况虽然是不可避免的，但是运用行政手段或人为地干预科学争论(例如某个权威无意地施加影响或有意地指手画脚)，非但与事无补，反而会使科学争论脱离正确的轨道。在这方面前苏联有着深刻的教训，50年代，我国在遗传学领域中也曾出现过类似的情况。这是我们今后应该力争避免的
科学争论是促进科学发展的催化剂，它有利于不同观点的相互借鉴和补充，有利于研究工作的深入和纠错，使不同的认识在争论中互相补充、互相促进、相得益彰。但是，如果科学争论受到过多的社会因素和人为因素的干扰，就会阻碍科学争论的正常发展。
五、近代化学的历史轨迹和科学
(一)玻意耳把化学确立为科学
化学科学的任务在于揭示和研究客观世界物质的组成、结构、性质及其变化的规律。古人从生产技术中和炼金(丹)术里已经得到一些化学知识，但是化学作为独立的知识体系而存在，化学之成为科学，则是近代的事情，这是和资本主义社会的萌芽、兴起和发展联系在一起的，也是与近代科学思想和科学方法的形成分不开的。资本主义生产方式在欧洲兴起，社会生产有了新的动力。这时，金属冶炼、制药以及其他一些生产领域接触到了有关化学方面的种种问题，大量新发现的事实迫切需要人们加以研究和说明。这一工作是由玻意耳开始的，拉瓦锡完成了集大成的工作。
为把化学确立为科学，玻意耳的贡献有以下三个方面：
1，他为化学提出了明确的研究目标和研究方法。过去人们只是把化学当作一种“炼金”或者制药和冶金的工艺技术。玻意耳指出，化学应当是一门理性科学，其目标在于发现化学变化的一般原理。他还认为，科学化学的基础是实验和观察，“空谈无济于事，实验决定一切”，这是他的名言。既重视理性思维，又强调科学实验，正是那个时代的科学精神。
2．他提出了自己的关于物质构成的学说，并对元素概念进行了最早的科学表述。玻意耳深受古希腊原子论思想的影响，相信世界上所有物质都由一种细小致密的、不可分割的“原初物体”组成，这些“原初物体”结合成各种“微粒”，微粒的运动、形状和配置的状况决定物质的物理和化学性质，微粒是这些物质参加化学反应的基本单位。他在《怀疑派的化学家》一书中所表述的元素概念对于化学成为科学起了重要的作用，他写道：“我现在所谈的元素，是指某些原始的、简单的物体，或者说完全没有混杂的物体，它们由于既不能由其他任何物体混成，也不能由它们自身相互混成，所以它们只能是我们所说的完全结合物的组分，是它们直接复合成完全结合物，而完全结合物最终也将分解成它们。”(这里需要注意的是，当时人们还没有“化合”的概念，玻意耳把“化合”称为“复合”或者“混合”，把“化合作用”称为“混成”，把“化合物”称为“复合物”或“完全结合物”)尽管玻意耳的说法有些含混也不完全正确，但这是第一次以比较明确的语言区分了化合物和构成化合物的单质，因此被认为是化学元素概念的最早的科学表述。
3．他亲身实践，成为化学中定性分析方法的奠基人。玻意耳既反对把化学当作纯粹的工艺技术来对待，又反对以纯粹思辨的方式研究化学，他强调要以科学实验作为研究化学的手段，而且身体力行。他改进了许多当时常用的化学仪器，一生设计和亲自傲了成百上千个化学实验。他试验过多种动植物浸液对酸碱的颜色反应，由此，他引进了用有机试剂作为化学定性分析的重要手段。他描述了许多检验物质的方法，除了过去常用的火法检验之外，他更注重以物质的水溶液来检验的方法，这就使化学分析以利用物质的物理性质为主向以利用物质的化学性质为主转变。
(二)燃素说的要点 ，
古人普遍把火看作是一种物，但那不过是人们的猜测。经典力学取得巨大的成功之后，微粒说在欧洲十分盛行。玻意耳又通过他的实验“证实”了“火微粒”的存在。因此，“燃素说”在17世纪下半叶至 18世纪中叶在欧洲盛行。然而，化学作为一门科学却正是从突破燃素说而迈开大步的。
燃素说起源于曾经随同玻意耳研究燃烧现象的德国化学家贝歇尔。贝歇尔的学生，德国化学家施塔尔大大发挥了他的老师的观点，形成了系统的燃素说。这一学说的要点是：
1.所有可燃物质和金属都含燃素；
2．燃素是火的原质和火的要素；
3．燃烧过程即燃素从可燃物或金属里逸出，同时发出光和热的过程；
4．含燃素越多的物质燃烧时火就越旺。
施塔尔不仅以燃素说来解释燃烧现象，还力图以燃素说来说明一切物质的化学性质以及各种化学变化。
(三)关子燃烧的氧化学说及拉瓦锡在化学史上的贡献 ·
揭示燃烧现象的机理，并使燃素说最终退出历史舞台的是法国著名科学家拉瓦锡。拉瓦锡在研究化学现象时非常注意量的测定。他以准确的实验证实物质的燃烧是该物质与氧化合的过程。拉瓦锡虽然不是第一个发现氧的人，但他是第一个真正理解这个发现的人。他使人们知道氧是具有确定性质的、可采集的、可度量的气体物质，氧与神秘莫测的燃素毫无共同之处。拉瓦锡对建立自己的学说十分谨慎，他继续做了大量燃烧实验以验证他的想法，直至1777年他才在题为《燃烧通论》的著名论文中提出了他的燃烧氧化学说。
1．这一学说的要点是：
A．物体只有在氧存在时才能燃烧；
B．燃烧是可燃物与氧化合的过程；
C．燃烧中放出光和热；
D．燃烧后的生成物(非金属氧化物)通常变为酸；
E．氧是酸的本原，被称为成酸元素。
2．拉瓦锡在化学史上的贡献是：
A．他以准确的定量方法从事化学实验，发现了物质守恒定律。
B．建立了关于燃烧的氧化学说。
C．给出了元素的定义：元素是化学分析所达到的终点。这与现代的定义十分接近。
D．提出了化合物的命名原则。
E．把当时已在知的33种元素排列成表(第一张元素表)。
F．出版了《化学基础论》一书。这是当时全部化学研究成果的总结，是经典化学时期最重要的典籍，其地位可与牛顿的《自然哲学之数学原理》相媲美。
(四)道尔顿原子论的要点及其意义
化学定组分定律表明所有化合物都有确定的组分，化学反应当量定律和化学倍比定律又指出化学反应中元素间存在着简单的量的比例关系，气体膨胀定律和气体分压定律也向人们暗示了气体可能都是一些粒子。此时，物质微粒的思想又正流行于欧洲。近代原子学说的出现已是顺理成章的事了。
1．道尔顿经过深思熟虑，把元素说与物质微粒的思想结合起来，建立了近代原子学说。道尔顿原子论的要点是：
A．化学元素由非常微小的、不可再分割的物质粒子——原子所组成，原子在所有化学变化中均保持自己的性质不变；
D.同一种元素原子的形状、性质、质量都完全相同，不同元素的原子质量不同，原子量是每一种元素的特征性质；
C．不同元素的原子以简单数目的比例相结合形成化合物。化合物的“复杂原子”(当时还没有“分子”的概念，道尔顿把化合物的分子称作“复杂原子”)的质量为所含各种元素的原子质量的总和。
2．道尔顿原子论的意义：化学作为自然科学的基础学科，它所要说明的自然现象的本质就是原子的化合和化分，道尔顿的原子学说正是抓住了化学的核心和最本质的问题，它在化学发展史上的意义无论从深度上还是从广度上都超过了燃烧的氧化学说。可以认为，化学的新时代是随着原子论的建立才正式开始的。不过，道尔顿的学说也是有缺陷的，它还需要进一步完善。
(五)门捷列夫的元素周期律及其意义
化学作为一门科学确立之后，即以前所未有的速度向前发展。人们通过对各种物质和元素的分析测定，不仅对已知元素有了进一步的认识，许多前所未知的元素及其性质也相继为人们所知。到1869年人们已知的元素达到了63种，对这些元素的物理和化学性质的研究亦已积累了相当丰富的资料。虽然这些材料还很零散和杂乱，但却促使人们思考：各种元素之间是否存在着一定的内在联系?地球上究竟有多少种元素?怎样去寻找那些未知的元素?为了解决这些问题，化学家们开始对已知的元素进行分类。19世纪以后，原子量已被公认为元素最重要的特征之一，不少科学家都试图以元素的原子量和它们的性质为依据而进行分类。英国化学家发表了一个按原子量顺序排列的元素表，他也注意到了元素的性质随原子量的递增而出现周期性变化的现象，因此他在表格的适当地方留下空格给一些尚未发现的元素。但是由于当时的一些原子量测定的不够准确，所以人们在按原子量顺序将元素排列起来时，常常会遇到困难，因而使一些人在真理的门口停下脚步。
1．俄国化学家门捷列夫的工作在元素周期律的确立上起了决定性的作用。 1869年他发表论文，展示了他的第一个化学元素周期表并论述了他的元素周期律的基本观点：
A．“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”。
B．“原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样”。
C．“元素的某些同类元素，将按它们的原子量大小而被发现”。
D．“当我们知道了某元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量”。 2．元素周期律的意义：化学元素周期律的发现，是人类关于自然界的知识的又一个层次的伟大综合。它把原先彼此孤立的各种元素的知识综合起来，形成为有内在联系的统一的体系，为研究化学元素和化学变化过程提供了重要的依据，是化学发展史上的重大事件。元素周期律更使人们意识到原子必有内部结构，为日后人们进一步揭开原子内部的秘密作了必要的准备。
(六)维勒合成尿素及其意义
有机化学的真正起步是从人工合成尿素开始的。1824年，德国化学家维勒在研究氰作用于氨水时，发现除了生成草酸外，还有一种白色的结晶物，经过实验研究，证明它是有机物尿素。后来维勒又分别用不同的无机物通过不同方法合成了尿素。维勒在1828年发表的论文中认为，人工合成尿素的重大意义在于“它提供了一个从无机物人工制成有机物并确实是所谓动物体上的实物的例证”。尿素的人工合成，表明无机物与有机物之间并没有不可逾越的鸿沟，从此开始了对有机物的广泛研究，同时也为有机物的合成开辟了广阔的前景。
六、近代生物学及其发展
(一)人为分类法与自然分类法
1．以意大利解剖学家为代表的一派认为，物种是不连续的，因此可以用一个或少数几个人为选择的标准，把生物区分成界限分明的类群。例如，根据花的形状或子叶的数目，对植物加以分类。这种分类法称之为“人为分法”。
2．另一派以法国植物学家和瑞士解剖学家为代表，这一派认为物种是连续的，人们所应当做的事情，是把生物物种分为“自然的种”，为此要尽力对一切能够找到的动植物的特征进行研究，从而确认某一个种内各亚种的亲缘关系，然后据此分类。这种分类法叫做“自然分类法”。
3．两种分类方法的比较。自然分类法能够反映出物种之间的内在联系，所以从理论上看来自然分类法比人为分类法优越。但是从分类工作的实际情况上来看，人为分类法则更为方便和实用。分类的目的首先在于区别和鉴定物种，因此以固定的、唯一的和明显的特征作为依据来分类最为方便，而自然分类法则必须事先弄清楚物种之间的内在联系才有可能进行分类，这并不是很容易做到的事。所以，自林奈以来，生物学界所通行的仍然是人为分类法。不过，后来生物学家在选取一些界限分明和稳定不变的特征作为类别标准时，都注意到不把这些特征绝对化，既承认生物物种间非此即彼的界限，又看到它们亦此亦彼的联系，既承认分类标准的稳定性，又看到随着自然界的进化和人类认识的进步，分类标准也必须不断地更新。
4．随着生物分类学的发展，探索新的分类标准，如何使分类更为合理，这至今仍然是生物分类学者为之奋斗的目标。如今生物分类的方法已经有了很大的变化。生物学家们所选取的分类标准已越来越接近生物的本质属性。人们除了从形态上选取分类标准之外，还从构造上、生活习性上找出一些更具本质性的标准，例如根据生物的生殖行为，把杂交不育(或称生殖隔离)作为分类的标准等等，这就比单从形态上分类更能反映生物的亲缘关系。至于现代分子生物学把生物体某种蛋白质(如细胞色素C)的组成作为分类的标准，就有可能在更深层次上揭示物种的亲缘关系了。
(二)林奈的分类学思想及其贡献
人为分类法为瑞典著名博物学家林奈所继承和发展。他分类的目的只在于认识事物，所着眼的是分类的可行性和实用性。他把生物分为植物和动物两界，相似的植物或动物归并成种，相似的种归并成属，相似的属归并成目，相似的目归并成纲，于是形成了界—纲—目—属—种这样的分类系统。林奈发展了鲍欣的双名法，把它推广到动物界，并且一律采用拉丁文，使双名法更为规范。林奈的功绩是巨大的。他在世时就被誉为“分类学之父”。
(三)拉马克的生物进化思想
拉马克是布丰的学生，他的生物进化思想是从他的分类学研究工作衍生出来的。通过对当时已知的无脊椎动物化石的比较和分类，他发现，无脊椎动物的十个纲在构造和组织的复杂程度上，表现出一定的等级和次序。从此他想到动物界是一个由低级到高级、由简单到复杂的进化序列。 1802年他将这个序列排列成一个线性进化阶梯，每一阶梯代表构造程度相似的一类生物，整个阶梯表示从最简单的物种一直上升到高等动物。拉马克的想法过于简单，但他毕竟是第一个描写生物进化自然序列的人，生物进化思想在他那里获得了早期的科学形态。
(四)进化论与物种不变论之争
拉马克之后，生物进化学说既得到一些学者的支持，也遭到一些学者的反对。 19世纪20—30年代，在法国出现了一场物种进化论与物种不变论的论战。
18世纪末到19世纪初，法国在比较解剖学方面取得了一些成就。通过对成年生物体结构的比较，科学家们发现脊椎动物这一大类在结构上有很大的相似性。于是一些人以为大自然似乎是按照一个总体方案来构造不同物种的。但是在比较解剖学方面享有盛誉的科学家居维叶不同意这种看法，他提出了动物是按四种原型方案构造的，认为这样比较容易说明物种的多样性。他还认为，在地球的历史上，地壳曾发生过几次大的灾难性变化，每次灾变都使某些动物物种灭绝，自然界重新创造物种时仍然遵守这四种方案，所以虽然再次创造出来的物种与原来的物种不同，而它们的类型则是相同的。例如，地壳经过四次大灾变，先后创造出鱼类、爬虫类、鸟类和哺乳类的不同物种，但它们都是按照脊椎动物的方案构造起来的。居维叶的这些观点与生物进化论相对立，但是在解释动物界构造上的多样性和统一性之间的关系上有合理之处，并且在当时易为人们所接受。进化论与物种不变论之争以后者的暂时胜利而告终。
(五)达尔文进化论思想的形成
正当进化论思想在法国遭受打击而趋于沉寂的时候，它却在英国悄然兴起。 1830-1833年，英国地质学家赖尔发表了《地质学原理》一书，论述了地壳缓慢变动的历史。这部著作给了当时还很年轻的英国博物学家达尔文深刻的影响。达尔文曾在剑桥大学神学院学习神学，他相信包括物种在内的整个世界都是神创造的，物种是不变的。1831—1836年间，达尔文随英国海军测量舰贝格尔号环游南半球以考察那里的生物和地质状况。旅途中他读到赖尔的著作，这使他想到，变动不居的地壳难道能够容许不变的物种存在么?考察中所得到的大量材料更彻底改变了他原来的信仰，他从此深信物种是可变的。使达尔文思想转变的主要事实是：
1．在南美地层中发现一种体形巨大的哺乳类动物化石，这种已经灭绝的动物与现存南美的体形较小的犰狳非常相似，使他想到古今动物存在着某种联系。
2、南美大陆一些非常相近的物种在地理分布上呈现由南到北逐次代替的状况。例如有一种家鼠共有27个品种，将它们由北而南逐种排列，可以看出相邻两个地区家鼠品种的差异很小，但南北两端品种的差异就十分明显以至于可以认为是完全不同的品种。这就使达尔文联想到，在漫长的历史过程中，不同物种之间也会有同样的连续更替和间断后形成新种的情况。
3．加拉帕戈斯群岛上的生物大都具有南美生物的性状，而群岛中各岛屿上的物种彼此又有微小的差异。这又使达尔文想到，这些生物的祖先可能来自南美的同一物种，而它们的差异同它所生活的环境之间必有内在联系。
达尔文把这些事实综合起来，产生了这样的看法：物种不是不变的，不是分别创造出来的，而是逐渐变异的，一个物种只能由原有的一个物种演变而来。但是，要说明生物界存在着如此巧妙地适应环境的能力和说明物种变化的原因，他还缺乏充分的证据和完整的理论。其后经过20多年的努力，在研究了大量资料并经过深思熟虑之后，达尔文写成《论通过自然选择或生存斗争保存良种的物种起源》(简称《物种起源》)一书，该书于1859年出版，书中详细地论述了他的进化论观点。 (六)达尔文进化论的要点及其意义 1．生物界与生物界、生物界与自然环境之间普遍存在着生存斗争。其原因在于生物为了生存和繁殖都需要争取食物、阳光和生存空间，因此在同种生物的不同个体之间，不同物种的个体之间都存在着激烈的斗争；生物体与生存环境也有适应或者不适应的问题，这也可以看作是生物与环境之间的斗争，这些斗争的结果导致大量生物个体被淘汰，使生物个体维持相对稳定的数量。
2．生物界普遍存在着变异。同种生物的不同个体之间总是存在着这样或那样的差异。例如长颈鹿就存在着高矮、大小参差不齐的个体，这就是变异。变异在生物体中具有普遍性。
3．变异和生存斗争导致自然选择。由于个体存在着差异，在生存斗争中，那些具有有利变异的个体将有更多机会保存下来并容易繁衍自己的后代，而那些具有不利变异的个体则容易被淘汰，不容易繁衍自己的后代。自然界的这种留优汰劣的作用就是自然选择。
4．被保存下来的个体将其特征遗传给下一代。这些特征经过长期的积累、巩固和发展，从而形成了稳定的有别于原来物种的新的亚种。这种积累是一个缓慢的过程，经过很长时间就能看到一个物种演变成另一个物种。
(六)细胞学说的建立及其意义
1．德国植物学家施莱登提出了这样的看法：细胞是一切植物结构的基本单位，它是植物赖以发展的根本实体。德国动物学家施旺把施莱登的观点扩大到动物界，从而正式建立了细胞学说。细胞学说认为：细胞是一切有机体构造和发育的基本单位。
2．细胞学说的建立实现了生物学知识的又一个层次的综合。证明了生物在构造和发育上的统一性。
(七)胚胎学中的预成论和渐成论
1．预成论：持此说的学者认为，在动物的生殖细胞里包容着所有它的后代的微型个体，个体的一切特征和构造都预先存在于生殖细胞之中，胚胎发育不过是这些微型个体在量上的扩大。所谓精于里的“微型人”似乎就是此说的证据。
2．德国生物学家沃尔夫在观察鸡的胚胎发育时，发现鸡卵原是没有任何结构的透明的质体，在发育过程中，这些同质成分逐渐出现腔和管，然后又逐渐形成鸡的各种内脏。他认为，动物的器官不是预先就存在于生殖细胞里面，而是在胚胎发育的过程中才逐渐形成的。
七、近代天文学和地质学的进步
(一)海王星的发现说明了什么
海王星是太阳系中的一颗普通行星。但是它的发现，却有一段奇特的历史。天王星被确认为行星以后，人们通常要从天体力学的角度给出它的运动轨道参数(即描写天体运动轨迹的一些数据)。但是，在观察它的运动时，却发现前后几十年间的资料不能统一起来。在排除了观测中可能出现的失误之后，仍然有些奇异之处。这种奇特的现象使天文学家和数学家们大为困惑。过去运用经典力学计算各行星的运行轨道，都与实测数据相符，唯独天王星出现了这种不寻常的情况。究竟是经典力学的定律不适用于天王星，还是天王星的怪异行为另有原因?天王星的行径向天体力学的基础理论提出了严重挑战。在这种情况下，有人提出一种猜想，即认为这种异常的运动状态，可能是由于存在一颗未知的行星，它的引力干扰了天王星的运动。沿着这个思路并根据经典力学的规律，天文学家们预言了那颗未知行星的位置。后来，果然有人在预言位置的附近找到了那颗行星，它就是海王星。
海王星的发现说明了：
1．牛顿力学即万有引力定律的普适性，因为人们是依据这一定律来推算那颗未知行星的位置的。
2．科学理论对天文观察的指导意义，即理论预见的重要性。因为人们是根据已知的理论来预言未知的事物，如果没有理论的指导，人们的认识将会走很多弯路。
(二)关子岩石成因的火成论与水成论之争
1．水成论：最早提出水成论假说的是英国学者伍德沃德。他发表论文，以《圣经》里的记载为据，认为地球在历史上曾经出现过大规模的洪水，导致地球上的生物大部分死亡；洪水还带走了地表上的大量砂石和泥土，死亡的生物和砂土等物在洪水中混杂，重者下沉，轻者上浮，缓慢地沉积成地层，形成岩石，其中的生物遗骸也渐渐地变成化石。
2．火成论：意大利地质学家莫罗提出了与水成论完全相反的假说。他发表论文表明了他的火成论观点。他认为，高山上存在水生动物化石的事．实绝对不可能用远古的洪水来解释，只能表明那是火山的作用。他设想，原始地球有一个光滑的石质表面，其上覆盖着一层不深的淡水。由于地下火山的作用使陆地隆起并升出水面，同时把地球内部的物质如粘土、泥沙、盐等排放到地面上来。经过长时期的地质作用，泥沙等物与被埋藏的生物遗骸一起石化，这便是在高山上看到水生动物化石的
原因。
3．争论：水成论和火成论是地质学史上最早出现的相互对立的理论。这两个学派曾经达到“水火不相容”的地步，据说18世纪末，在英国举行的一次辩论中，持这两种不同观点的学者竟然大打出手，不欢而散。时至今日，虽然关于岩石成因的许多问题已经逐步弄清，但主要是水成还是火成的问题还是没有答案，两派争论并没有结束，不过所持的论据和争论的内容已经大不相同了。
(三)关子地壳运动变化的灾变论与渐变论之争
1．灾变论：灾变论的主要代表人物是法国古生物学家、比较解剖学家居维叶。他在巴黎附近的不同地层里看到不同的脊椎动物化石，地层越深，那里的动物化石与现代动物的差异就越大。居维叶认为，这不是环境的缓慢变化所造成的，而是表明地球在历史上必定发生过突发的灾变，并且发生过不只一次。每当海底上升转变为陆地时，那里的海生动物因海水干涸而死；陆地下沉为海洋时，那里的陆生动物则被海水淹没而亡，发生这些灾变的地区的物种因此而灭绝。后来，其他地区的生物逐渐向那里迁移，于是那里又出现了与原先的生物完全不同的生物。因灾变而死亡的生物遗骸经过沉积、石化过程，产生了含有化石的地层。因为每次灾变死亡的生物物种不同，所以不同地层所含的生物化石也就不同。
2．渐变论：渐变论的代表人物是英国地质学家赖尔。他坚持，只用现在已知的自然法则来解释自然现象，认为地质营力古今是一致的。他的地质学思想被后人总结为一句话，就是：“现在是认识过去的钥匙”。他说，通过化石所反映出来的物种变化是环境变化所造成的，环境变化的原因则是地壳的运动变化。地壳的运动变化不是突发的，而是十分缓慢地发生的，微小变化积累的结果就是全球面貌的明显的、巨大的变化。地壳缓慢变化是各种自然力长期作用的结果。赖尔的某些观点过于简单，他不承认地球历史上出现过灾变性的地质现象，他把地质营力看作是“始终如一的均匀地起作用的力”的观点也是片面的。
3．争论：灾变论与渐变论之争到现在也没有结束。当代许多科学家都承认地球的渐变过程，但也认为地球在历史上很可能出现过突发性的巨大的灾变，灾变的结果使得许多生物灭绝。有人推测恐龙的灭绝便与灾变有关。地球的存在已有约46亿年的历史，比较起来，人类的存在只不过是短暂的瞬间，很难说地球在几十亿年里所发生的变化及其原因与人类自身所经历过的自然环境的变化和原因完全相同，反而应当认为人类所直接经历过和已经认识的事物是十分有限的。对有关的问题，科学家们仍然在探讨之中。
(四)近代天文学的主要成就
除了上面已经提到的关于海王星的发现以外，近代天文学的成就还有以下几点：
1．小行星的发现。通过对太阳系各行星轨道的比较，人们发现从金星向外，各行星与太阳的平均距离遵循一个经验公式，这就是提丢斯—波德定则。根据这个公式，人们推算出在火星和木星之间存在空缺，应该有一颗未知的行星存在。为了寻找这个天体，人们对这一天区进行搜索，结果发现了许多小行星，人们据此认识到在那里存在着一个小行星带。现在已准确判明轨道参数并编号的小行星超过了 6000颗，其中有6颗是以中国科学家的名
字命名的，如1802号命名为张衡，1888号命名为祖冲之，2012号命名为郭守敬， 2027号命名为沈括，3463号命名为周光召等。在寻找小行星的工作中，我国南京紫金山天文台也作出了自己的贡献，先后发现了多颗小行星。现在人们估算小行星大约有50万颗之多，它们的质量都很小，总质量仅及地球的万分之四。导致小行星发现的提丢斯一波德定则是一个纯粹经验公式，没有任何理论作为依据。事实表明，这类经验公式在科学探索中有时也能发挥重要的作用。
2．对恒星的观测研究。这方面的工作大多是由天文学家赫歇耳完成的。
丸他发现银河系是由一层恒星组成的，这个恒星层的形状有如一块边缘有裂缝的透镜，太阳系位于银河系中心的附近。根据现代数据所描绘的银河系侧面图，银河系是一个漩涡星系，太阳位于其右方的一个旋臂上。
B．在赫歇耳之前，人们已经知道恒星在宇宙中有自己的固有的运动，即恒星的“自行”，它表现为恒星在天球上相对位置的变化。赫歇耳仔细地比较太阳和其他恒星相对于银河系中心的位置变化，发现太阳也有自行。
C.17世纪中叶以来，天文学家便注意到有一些恒星肉眼看去是一颗星，而在望远镜中看到的则是两颗靠得很近的星，人们称这种星为“双星”。起先大家以为双星只不过是看起来靠得很近的两颗星，它们之间并无实际的联系。赫歇耳经过长期观测，发现许多双星是围绕着它们的共同质心而旋转的两颗星，这就表明这两个星体之间存在着引力作用。后来人们把只是由于视位置靠近而形成的双星称为“光学双星”，把因引力作用而联结起来的双星称为“物理双星”。物理双星的发现，说明在太阳系以外的空间里万有引力定律也起作用，从而扩展了万有引力的适用范围。
3．光谱分析方法的应用。光谱分析方法是在研究太阳光谱中的暗线和火焰光谱的基础上产生的。它的出现立即引起了天文学家的注意。运用光谱分析的方法，人们很容易就知道太阳上有在地球上常见的钠、铁、钙等元素，第一次证实丁天体具有与地球同样的化学组成。特别值得一提的是，氦这种元素是1868年首先在太阳光谱上发现，直到1895年才从地球上找到的。
光谱分析被认为是研究天体的一种有效手段之后，在天文学家当中掀起了运用这一方法研究恒星的热潮，并且按照恒星光谱对恒星加以分类。
4．关于太阳系起源和演化的研究。古人对地球、太阳以至宇宙的起源和演化就作过种种猜测。近代第一个提出具有科学价值的天体起源假说的是德国哲学家康德。康德认为，太阳系中的天体，包括太阳在内，都是从原始星云演化而来的，形成太阳系的原始星云由许许多多粒子所组成，这些细小的粒子不均匀地分布于宇宙空间之中，并且不停地运动着。由于引力作用，密度较大的微粒把周围密度较小的物质聚集起来，于是在引力最强的地方逐渐凝聚成中心天体，这就是太阳。其余较轻的粒子在向中心天体聚集的过程中会发生偏斜，当某个方向的运动占了优势的时候，它们便在中心天体周围形成一个大漩涡并逐渐聚集成为大致在同一平面上旋转的大大小小的粒子团，粒子团最后凝聚成为各个行星。康德更进一步把他的原始星云假说推广到恒星世界，并且认为宇宙间的天体既不断地生成，又不断地毁灭，整个宇宙处于生生不息的发展变化之中。稍后，法国著名数学家和天文学家拉普拉斯
也于1796年提出了他的星云假说。他的观点与康德类似，只是在说明星云形成太阳系的具体过程上与康德的假说有所不同。
星云假说的和核心思想是承认包括太阳系在内的宇宙间的一切天体都有其产生、演化和消亡的历史。不过这个历史很长，人类的历史与其相比，只不过是短暂的一瞬。星云假说的这一思想是应该把握的，其他内容不做具体要求。
(五)地层学和地槽学说。
1．地层学是从研究化石开始的，化石的存在早就为人所知，但化石究竟是什么东西却长期没有公认的答案。直到17世纪后期，人们才普遍承认化石是由古代生物体遗骸变化而成的看法，这主要应归功于丹麦医生斯蒂诺。他通过解剖现代动物与化石相比较，以确凿的事实证明了化石是远古动物的遗迹。他更进一步指出：化石生物与现代生物的生存方式应当是相似的。他认为，若发现某地层的化石生物与现代海洋生物相似，就足以证明该地层为海洋沉积，若与现代陆地生物相似就是陆地沉积。这就是说，地壳里包藏着地质事件的编年史，只要细心地研究地层和化石，就可以把这部历史解读出来。被后人誉为“英国地质学之父”的史密斯经过多年的野外考察研究，认识到地层的“每一层都含有独特的生物化石”，他提出了从化石判断地层并确认它们的顺序的见解。地层学的建立标志着地质学已经逐渐发展成为一门科学。
2．地槽学说是在探讨山脉的成因及其变化的历史这一问题时由美国地质学家达纳提出来的。他推测地球生成以后逐渐冷却，地壳便是在这一过程中形成的；由冷却收缩而产生的侧压力使地壳弯曲，下弯处形成沉积盆地，上弯处则成为山脉。地槽原是巨大而窄长的沉积盆地，后来沉积层因侧压力的作用而折皱、破碎和断裂，地壳内部的岩浆乘虚而人，同时发生区域性隆起。这样的过程持续地进行，就是地壳上的造陆运动和造山运动。地槽学说发表之后迅速为地质学家们所接受。后来又经过一些人的发展，成为大地构造理论中很有影响的学说。
