美國科學技術(shù)史概論

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ScienceandTechnology王大明中國科學院大學人文學院2015年3月11日北京美國科學技術(shù)史概論北美殖民地早期科學上的相對蠻荒狀況實用技術(shù)概況學校教育殖民地晚期到獨立戰(zhàn)爭時期第一個北美科學巨匠：富蘭克林新教倫理與資本主義精神科學上的相對蠻荒狀態(tài)17到18世紀，正是歐洲第一次科學革命的收獲時期。從哥白尼、開普勒、伽利略開啟的革命，到牛頓1668出版《自然哲學的數(shù)學原理》，完成了一次大綜合，從此確立了機械自然觀及其基本原理，歐洲人開始收獲這次科學革命的種種成果。而與此同時，從五月花號到達北美，到獨立戰(zhàn)爭的將近兩個世紀的大部分時間里，由于北美殖民地人數(shù)很少，而且人人都在為生存而斗爭，無暇顧及其他。因此在這近兩個世紀的時間里，北美幾乎與科學革命完全隔膜了。但科學的種子已經(jīng)播下五月花號上的大副，名叫托馬斯·克拉克，也是個逃難的新教徒，他便是后來美國的著名光學儀器制造商阿爾萬·克拉克的祖先。1640年，一個英國農(nóng)夫托馬斯·海耳，因宗教信仰的原因，賣掉了自己僅有的一點兒財物，離開英國來到馬薩諸塞。在他的后裔中，出現(xiàn)了開啟美國大科學歷史先河的天文學家喬治·埃勒理·海耳。而在1682年因不肯信奉英國國教而遭迫害，不得不從北安普敦逃難到波士頓的喬賽亞·本杰明，就是美國歷史上的第一個杰出科學家富蘭克林的父親?？茖W上的相對蠻荒狀態(tài)雖然北美殖民地在與歐洲的貿(mào)易中只是擔任了一個原材料提供者的角色，但還是從歐洲學習了一些，并在了解自己的獨特環(huán)境的過程中積累到了有用的基本知識。例如地質(zhì)、博物和一些實用技術(shù)等。但在科學上處于比較落后和相對蠻荒的狀態(tài)，主要是收集和積累了一些直接的觀察資料而已。殖民地時期的主要科學學科——博物學北美殖民地時期，被英國皇家學會吸收為會員的有45人，幾乎都是記錄了北美特殊植物和動物的一些醫(yī)生、牧師和官員，這些人可以稱為前美國的第一批科學研究人員。當然這些業(yè)余科學家所收集的資料也是很寶貴的，填補了歐洲人所不了解的新大陸的情況。瑞典博著名物學家林奈（CarlvonLinne，1707~1778）出版的世界植物和動物志（1735~1753）中，有三分之一的物種來自北美殖民地博物學研究者的記錄。實用技術(shù)概況除了從歐洲帶來的諸如建筑、日用手工業(yè)、造船、作物種植和牲畜養(yǎng)殖等方面的傳統(tǒng)技術(shù)之外，北美殖民地自己所發(fā)展的技術(shù)主要包括用當?shù)氐囊恍┲参镏谱魉幬?、改良玉米和棉花的種植等技術(shù)。還有其他一些諸如交通工具、槍械制造等，也有緩慢的發(fā)展。學校教育由于新教的教育傳統(tǒng)，使得北美殖民地各地廣泛興辦教會學校，幾乎每個教區(qū)都會創(chuàng)辦自己的學校。其中在馬薩諸塞的坎布里奇和康涅狄格的紐黑文創(chuàng)辦的兩所教會學校，它們后來成為美國最早的兩所著名私立大學，即哈佛大學和耶魯大學?！拔从忻绹扔泄稹?/p>

——美國的第一所大學1636年，后來美國第一所大學的前身——馬薩諸塞學校在波士頓附近的坎布里奇鎮(zhèn)成立，它比美國的歷史還早140年。該學校是由當時的馬薩諸塞海灣殖民地議會通過決議設立的。該校于1638年在馬薩諸塞的坎布里奇正式開學，但第一批學生只有可憐的4名，教師也只有一個人，是當?shù)氐囊晃荒翈煛９饘W院的來源1638年9月，當?shù)氐囊晃荒翈烰．哈佛病逝了，他生前立下遺囑，把自己的部分遺產(chǎn)和400余冊圖書捐贈給這所學校。于是，開始被稱為馬薩諸塞學院的這所學校，遂被命名為哈佛學院。建校百年時，畢業(yè)生捐贈哈佛銅像。哈佛銅坐像鑄于1736年哈佛大學簡史在建校的最初兩個世紀中，學校體制主要是仿照英國的大學（特別是牛津和劍橋大學）設立。以教授拉丁文、希臘文和神學等傳統(tǒng)科目為主。畢業(yè)生從到學校建立到1700年間的60多年中，總共只有500多名，每年平均不到9人。其中一半以上后來擔任了牧師。學校至1727年才開始設立數(shù)學和自然科學教職。1780年擴建成哈佛大學；1816年設立了第一個學院：神學院，1817年成立法學院，以后各學院相繼在19世紀建立。教育學院成立于1990年；1936年又成立了政治學院(1966年命名為J.F.肯尼迪政治學院)。美國大學改革CharlesWilliamEliot(1834-1926)哈佛第21任校長，任期1869-1909(longestpresidencyinHarvardhistory).他推行了豐富大學教學內(nèi)容的改革，使得科學技術(shù)在大學教育體系內(nèi)的比例大大提高。他也成為美國大學教育第一次跨越發(fā)展時期的代表性人物之一。從教士、紳士到實用技術(shù)人才獨立戰(zhàn)爭前，美國共創(chuàng)辦了九所學院，主要是仿效英國的模式。獨立戰(zhàn)爭后，美國開始出現(xiàn)專業(yè)學院。1802年開辦的西點軍校（WestPoint)是美國第一所設有技術(shù)學科的學校。1824年倫塞勒綜合技術(shù)學院(RensselaerPolytechnicInstitute)的建立，開啟了民間技術(shù)學校的先河。自此，各州也開始創(chuàng)辦一些州立學院，強調(diào)培養(yǎng)實用技術(shù)人才。從仿英到學德在德國新型大學，特別是1810年創(chuàng)辦的柏林大學的影響下,美國1876年建立了約翰.霍普金斯大學。創(chuàng)辦研究生院，設置和引入高水平研究生課程、提倡教師搞科研等措施。在它的帶動下，包括諸如哈佛、哥倫比亞、耶魯?shù)纫恍├鲜綄W校也相繼仿效，逐漸改造成真正意義上的現(xiàn)代大學。如今的哈佛大學1966年以來，哈佛大學共設10個研究生院，即文理、商業(yè)管理、設計、牙科醫(yī)學、神學、教育、法學、醫(yī)學、公共衛(wèi)生和肯尼迪政治學院。另有2個招收大學本科生的學院，即哈佛學院和拉德克利夫?qū)W院；并設繼續(xù)教育辦公室，專門負責暑期學校、附設課程和終身學習中心。除牙科醫(yī)學、醫(yī)學、公共衛(wèi)生等3個研究生院設立在波士頓外，其余各學院均集中于坎布里奇。哈佛傳統(tǒng)是各學院都具有相對的獨立性。推薦閱讀徐飛：《細看哈佛》，遼寧教育出版社，2005.戈鯤化（1838-1882）1879-1882任哈佛中文教授殖民地晚期到獨立戰(zhàn)爭時期第一個北美科學巨匠：富蘭克林新教倫理與資本主義精神本杰明·富蘭克林BENJAMINFRANKLIN（1706-1790）1706年1月6日，富蘭克林出生于波士頓一個新教加爾文派教徒家庭，兄弟姐妹有13個。他受到的家教是勤儉、刻苦、努力工作。小時候，去讀波士頓的拉丁學校讀書，10歲時輟學。他后來的學識大部分是靠閱讀自學得來。12歲時，他“離家出走”來到費城，在他的哥哥開的印刷店當學徒。在那里，他開始寫作，后來開了自己的印刷店?！白x書是我唯一的娛樂”他刻苦自學，說：“讀書是我唯一的娛樂?！彼３Ｈフ覄e人或書店借書，利用深夜讀書，清晨就去歸還。他不僅從書本上學習各種知識，還輾轉(zhuǎn)到紐約、倫敦、費城等地流浪，在社會生活中學習。21歲時，他在費城創(chuàng)辦了北美第一個青年自學團體“共讀社”，組織工人、技師、鞋匠、瓦匠、詩人等每周星期五來討論哲學、科學、技術(shù)、文藝問題。這個團體后來發(fā)展為1743年創(chuàng)立的美國哲學會。1769年他被選為該會的會長。25歲時他又在費城創(chuàng)辦了北美第一個公共圖書館，以后發(fā)展為北美公共圖書館。45歲時，他又創(chuàng)辦費城學院（即后來的賓夕法尼亞大學）?！皬谋┚帄Z得民權(quán)”1776～1785年他出使法國，他的科學聲譽和廣博的知識，十分有利于他的外交使命，在他的努力下，1778年締結(jié)了美法聯(lián)盟。1787年當選為制憲會議代表，擔任賓夕法尼亞州最高行政議長。1753年獲得英國皇家學會頒發(fā)的科普利獎章，同年獲得哈佛大學和耶魯大學的榮譽學位。1756年當選為英國皇家學會會員，1772年當選為法蘭西科學院的外國院士，1789年當選為彼得堡科學院的外國院土。參與起草《獨立宣言》和《美國憲法》科學貢獻富蘭克林在40歲前，因生活所迫，主要精力都放在經(jīng)營印刷所和社會活動方面。而真正開始從事一些科學研究，特別是電學實驗是在其將近40歲的時候。興趣的來源他的主要科學工作是在電學方面。這在他的一生中只占十年左右。1743～1744年間，富蘭克林在費城和波士頓看到了來自蘇格蘭的斯賓塞（A.SPence）博土利用玻璃管和萊頓瓶所做的簡單的電學實驗時，心中激起強烈的探求欲望。興趣的來源他買下了全部展品，一位他在倫敦英國皇家學會結(jié)識的朋友柯林森（PeterCdlinson）得知后，又給他寄來了大批書籍、電學著作和某些摩擦起電的設備。富蘭克林和費城哲學會的朋友們一起進行了許多電學實驗和理論探索。富蘭克林時代的電學知識概況從古代直到1600年前后，人們對于電的認識，基本只限于摩擦可以使琥珀等一些物體帶電，而帶電體可以吸引一些碎屑等。但在1600年之后，在包括吉伯、卡比奧、古里克、豪克斯比、牛頓等人的研究推動下，電學知識開始有了一些進展，其中最重要的就是發(fā)明了摩擦起電機，使電的來源有了保障，促進了關(guān)于電學的各種實驗研究。據(jù)說摩擦起電機曾成為風靡一時的暢銷產(chǎn)品，很多人都買回去玩。這就大大普及了電學知識，也推動了廣泛的電學研究。靜電起電機電學的進展之后，特別是與富蘭克林幾乎同時代的幾位科學家，包括英國的格雷（Gray，1666-1736）、法國的迪費（Dufay,1698-1739）、荷蘭萊頓的穆欣布羅克（Musschenbreok，1692-1761）和法國的諾勒（Nollet，1700-1770）等對于電學有了一些精湛的實驗研究。他們發(fā)現(xiàn)了絕緣體和導體的區(qū)別，也發(fā)現(xiàn)了電的傳播效應，特別是迪費發(fā)現(xiàn)了兩種不同類別的電，即他自己所稱的“玻璃電”和“樹脂電”。這即是我們今天所知的陽電和陰電。當然最重要的穆欣布羅克和諾勒所發(fā)明萊頓瓶，使得電可以被儲存起來了。萊頓瓶富蘭克林的電學研究總體而言，到了富蘭克林的時代，人類關(guān)于電學的知識有了很大進展，但仍然比較混亂。而富蘭克林對這些知識作了比較系統(tǒng)的清理。他曾把多個萊頓瓶聯(lián)結(jié)起來，儲存更多電火。他用實驗證明萊頓瓶內(nèi)外金屬箔所帶電荷數(shù)量相等，電性相反。1747年5月25日他在給柯林森的信中，提出了電的單流質(zhì)理論，并用數(shù)學上的正負來表示多余或缺少這種電流質(zhì)。他還認為摩擦起電只是使電火轉(zhuǎn)移而不是創(chuàng)生，所生電火的正負必須嚴格相等。這個思想后來發(fā)展為電學中的基本定律之一——電荷守恒定律。他自己則利用這一理論說明了帶介質(zhì)的電容器工作原理。電學研究的重要貢獻提出了“正電”和“負電”概念，以及同性相斥，異性相吸；接近提出電荷守恒定律；證明了人工電和自然雷電的同一性，并設計出避雷針。從蒼天處獲得雷電當時的人們認為摩擦產(chǎn)生的電和天上的雷電是不同的，普遍相信雷電是上帝發(fā)怒的說法。學術(shù)界比較流行的是認為雷電是“氣體爆炸”的觀點。富蘭克林從妻子不小心踫到了萊頓瓶被擊中倒地的意外事件中，想到了空中的雷電。他經(jīng)過反復思考，斷定雷電也是一種放電現(xiàn)象，它和在實驗室產(chǎn)生的電在本質(zhì)上是一樣的。于是，他寫了一篇名叫《論天空閃電和我們的電火相同》的論文，并決心用事實來證明。富蘭克林父子捕捉天電1752年6月的一天，陰云密布，電閃雷鳴，一場暴風雨就要來臨了。富蘭克林和他的兒子威廉，在費城做了舉世聞名的風箏實驗。證實了“天電”和“地電”的性質(zhì)是一樣的，統(tǒng)一了天電和地電。影響這些工作無疑是當時物理學所取得的最大成就，打開了18世紀電學的廣闊前景，特別是他對雷電的研究，使人類從對雷電的冥思苦想和畏懼中解放出來。19世紀德國著名科學家洪堡說：“從這個時代起，電學的發(fā)展由思辨物理學領域進入了對宇宙考慮的階段，從幽深的書齋走進了自由的大自然界”。電學的后續(xù)進展富蘭克林之后，最重要的進展是法國的庫倫做出的。在富蘭克林發(fā)現(xiàn)正電和負電，及其同性相斥，異性相吸的性質(zhì)基礎上，庫倫利用其自己發(fā)明的扭稱，定量的測定了電之間的作用力大小，并發(fā)現(xiàn)了庫倫定律，使電學進入了定量科學研究階段。此后，通過伽伐尼、伏打、奧斯特、安培、比奧和薩伐爾、歐姆、法拉第等偉大科學家的努力，最后由麥克斯韋全面總結(jié)，經(jīng)典電學理論和實驗的研究，達到了其最高境界。對富蘭克林實驗的懷疑據(jù)研究，第一個付諸于實踐的是法國科學家——他像圖中那樣觀察到了鐵棒上的火花，不過沒有用身體近距離去碰鐵棒。在傳說中的富蘭克林實驗的第二年7月26日，俄國科學家羅蒙諾索夫和他的朋友李赫曼重做這個實驗，李赫曼卻當場被閃電擊斃！富蘭克林能安然無恙的完成實驗，實在是天大的僥幸。其他科學興趣富蘭克林對大自然有著廣泛的興趣。他研究過物體（尤其是金屬）的熱傳導；聲音在水中的傳播；利用蒸發(fā)取得低溫的方法；他還研究過植物的移植；傳染病的防治；在橫渡大西洋時，他觀察了海灣暖流對氣候的影響，測量了海水的流速和溫度。等等。注重科學的實際效用富蘭克林的科學研究是十分講究效用的，他發(fā)明的避雷針、平行板電容器、雙焦距眼鏡、玻璃口琴，以及他發(fā)現(xiàn)的磁化鋼針，電的同一性實驗，他與哈特萊共同利用乙醚的蒸發(fā)得到低溫而創(chuàng)立的蒸發(fā)制冷理論等，都說明富蘭克林的科學研究是注重實際效用。100美元(1928之后)上的頭像就是本杰明·富蘭克林技術(shù)發(fā)明作為發(fā)明家，他發(fā)明了高架取書器；老年人使用的雙焦距眼鏡；三輪鐘；避雷針；新式火爐等幾十種新東西?！皬纳n天處取得雷電，從暴君處奪得民權(quán)”1790年4月17日，這位北美時期的偉大人物在美國費城病故，享年84歲。與其妻合葬在費城ChristChurch公墓之中。Hetorefromtheskiesthelightningandfromtyrantsthesceptre.

墓志銘的故事在他和妻子合葬的墓碑上，只有簡簡單單的兩排字：“BenjaminandDeborahFranklin,1790”。關(guān)于他的墓碑上刻著“印刷工富蘭克林”的傳說，來自他17歲時給自己寫的一個墓志銘。17歲的富蘭克林給自己寫的墓志銘

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B.Franklin

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