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第9章 古代人类的科学发现(5)

光学显微镜的种类很多,主要有荧光显微镜和暗视野显微镜两种。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍,分辨的最小极限达0.1微米。荧光显微镜是以紫外线为光源,使被照射的物体发出荧光的显微镜。暗视野显微镜使照明的光束不从中央部分射入,而从四周射向标本,从而具有暗视野聚光镜。

首先装配完成电子显微镜的是德国柏林的克诺尔和哈罗斯卡,这种显微镜用高速电子束代替光束。因为电子流的波长比光波短很多,所以电子显微镜分辨的最小极限达0.2纳米,放大倍数可达80万倍。电子显微镜是根据电子光学原理,用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。1963年开始使用的扫描电子显微镜更可使人看到物体表面的微小结构。现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍,所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

显微镜的构造

普通光学显微镜的构造主要分为机械、照明和光学三部分。光学显微镜的光学部位是显微镜的主要结构。物镜是决定显微镜性能的最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察的物体,故叫做物镜或接物镜。目镜安装在镜筒的上端,它靠近观察者的眼睛。光器位于标本下方的聚光器支架上,主要由聚光镜和可变光阑组成,也叫集光器。反光镜是一个可以随意转动的双面镜,直径为50毫米,一面为平面,一面为凹面,主要作用是将从任何方向射来的光线经通光孔反射出来。平面镜反射光线的能力较弱,是在光线较强的时候使用;凹面镜反射光线的能力较强,是在光线较弱的时候使用。

电子显微镜镜筒中最重要的部件是电子透镜。它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦,被称为电子透镜是因为其作用与玻璃凸透镜使光束聚焦的作用相似。现代电子显微镜大多采用电磁透镜,这样就由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场来使电子聚焦。这样一来,电子显微镜才能让我们看得更清楚。

人体的奥秘

人体解剖学是一门研究人体形态和构造的科学,隶属于生物科学的形态学范畴。在医学领域,它是一门重要的基础课程,其任务是揭示人体各系统器官的形态和结构特征,各器官、结构间的毗邻和联属,其对临床医学具有非常重要的意义。新解剖学的兴起,不仅让人类更清楚地了解自己的身体构造,更为挽救无数人的生命作出了重要贡献。可是现在,且不说是一般的人,即使是医科大学生,恐怕都很少有人详细了解人类解剖知识的艰难发展历程。

人体解剖学兴起的背景

在西方,由于长期受宗教思想和传统观念的影响,人体解剖一直被教会严厉禁止。直到文艺复兴期间,各种科学研究蓬勃开展,人们又一次开始审视自然界,而不是简单地接受以古代理论或迷信思想为基础的知识,人体解剖实践也日益受到人们的尊重。正是在这样的大背景下,新解剖学才有了发展的沃土。

安德烈·维萨里及新解剖学的创始

安德烈·维萨里与哥白尼齐名,是科学革命的两大代表人物之一,他是著名的医生和解剖学家,近代人体解剖学的创始人。1514年安德烈·维萨里生于尼德兰布鲁塞尔的一个医学世家。在幼年时代,他就喜欢阅读有关医学方面的书籍,在阅读医书的过程中他受到很大的启发,并立志当一名医生。青年时代的维萨里来到比利时布拉班特省的城市卢万,进入卢万大学深造,后又到法国巴黎大学求学,但是处在欧洲文艺复兴高潮时期的巴黎大学的医学教育却十分落后,学校仍将盖仑的著作奉为经典,宗教思想依旧统治着医学界。年轻的维萨里对这种状况感到极为不满。他勤奋好学,在自学过程中掌握了很多解剖学知识,而且积累了这方面的经验,所以他曾一针见血地指出了盖仑解剖学中的一些错误和教学过程中的缺陷,下定决心改变这种教育状况。于是他挺身而出,亲自动手做解剖实验。他的行动,得到了同学们的赞扬和支持。当时和他一起做实验的还有他的同学塞尔维特。他们经常用解剖过程中的事实材料针对盖仑的某些错误观点展开争论,并给予纠正。维萨里实在是通过异常艰苦的代价,才获得这一深切的感受和知识,并逐步完善了科学的解剖学理论。他建立的解剖学为血液循环的发现开辟了道路,成为人们铭记他的丰碑。

《人体构造》是新解剖学建立的标志

1543年,安德烈·维萨里在瑞士的巴塞尔出版了著作《人体构造》一书。在这部伟大的著作中,维萨里冲破了以盖仑为代表的旧权威们臆测的解剖学理论,以大量、丰富的解剖实践资料,对人体的结构进行了精确的描述。他在书中写道:“解剖学应该研究活的、而不是死的结构。人体的所有器官、骨骼、肌肉、血管和神经都是密切相互联系的,每一部分都是有活力的组织单位。”这部著作的出版,澄清了盖仑学派主观臆测的种种错误,从而使解剖学步入了正轨。可以说,《人体构造》一书是科学的解剖学建立的重要标志。

1564年,在一次航行途中维萨里不幸遇难,死于地中海的赞特岛。1565年,《人体构造》第二版印刷,不到半个世纪,这本书已经被人们广泛接受,成为欧洲医科学校的通用教材。

科学史把解剖学分成三个时期,在维萨里之前,解剖仅是为了解决例如疾病或者刑事案件上的某一个具体疑问而进行,维萨里使解剖成为了解人体正常生理机制的科学。在维萨里的宏观解剖以后,由于显微镜的发明,出现了微观解剖的新时期。

奠定力学基础的发现

在科学发展史上,伽利略被推崇为近代物理学的开山鼻祖,科学史学家们认为正是他和以后的惠更斯等人为牛顿建构力学大厦准备了材料,奠定了基础。科学史学家们都认为伽利略是那个时代最伟大的科学家,无怪乎他被当时的人们称为“当代的阿基米德”。

两个铁球同时落地

比萨是意大利北部一座美丽的海滨城市。1564年2月15日,在这座小城里诞生了一个男孩,他就是近代物理学的开山鼻祖——伽利略。

伽利略从小聪明好学。上学的时候,总爱向老师提各种各样的问题,老师们见了他实在是又喜欢,又害怕。因为他提出的种种问题,常常把老师问得张口结舌。

到了大学时期,伽利略成为一个善于思考、有独立见解的青年。那时候,在大学里,亚里士多德的思想被奉为金科玉律。如果学生对老师的说法有什么怀疑,老师只要一句话:“这是亚里士多德说的。”学生们便不敢再生怀疑。而伽利略却与众不同,凡事他都要弄个明白。伽利略家境贫寒,父亲见他读书这样不守“规矩”,就让他中途辍学了。

好在伽利略从小养成了独立思考和刻苦钻研的习惯,他被迫退学后,就在家里自学,研究他一心喜欢的数学和物理学。四年以后,由于他在数学和物理学方面的非凡造诣,被他的母校聘请回去当教授。这位25岁的教授,可不像其他教授只知道背诵亚里士多德的著作,他提出科学需要细心的观察和精确的实验。那时,物理学上有一条亚里士多德提出的经典定律,亚里士多德说,如果让两件东西同时从空中落下,必定是重的先落地,轻的后落地。可是伽利略却认为物体落下来的速度跟它自身的重量是没有关系的。当伽利略提出自己的想法时,别人都把他当做是个不知天高地厚的疯子。于是,他决定做一次实验,让人们来个亲眼目睹。

实验地点选在比萨城内有名的斜塔。那天,塔下人头攒动。伽利略身后跟着他的助手,两手各提着一个铁球,其中一个足足是另一个的10倍重。还有一位作为监督的教授,他们一起登上了塔的顶层。伽利略和助手各持一个铁球,从顶层的阳台上探出身去,而后由那位教授发令,两人同时撒手,让铁球落下。只见两球齐头并进,刹那间咣当一声,同时落地了。塔下的人们,一下子都懵住了。校长和许多教授都不敢相信眼前的事实,有人竟诬蔑说这是伽利略施的魔法。伽利略觉得没有必要与他们争辩,只是一字一句地说道:“我要告诉诸位:这个实验说明,物体从空中自由落下时不管轻重,都是同时落地。也就是说,物体无论轻重,它们的加速度是相同的。”

伽利略宣布的,是物理学上一条极重要的定律:自由落体定律。它导致了此后一系列重大的科学发现。

单摆等时性原理的发现

其实,在这个重大发现之前的五六年前,伽利略已经有了一项功不可没的伟大发现,并且创立了单摆定律。

摆的等时性原理指的是摆动的周期与摆的长度的平方根成正比,而与摆锤的重量无关。伽利略发现的这一规律,就是物理学上的单摆等时性原理。1667年,荷兰物理学家惠更斯运用这一定律,制造了世界上第一座有钟摆的时钟,开创了钟表科技这一新的领域。到了今天,摆的等时性原理不仅被运用到时钟上,还可以用于计数脉搏、计算日食和推算星辰的运动等方面。同时,还可以根据此周期公式,利用单摆定律测定各地的重力加速度。

关于伽利略创立单摆定律,还有一个小故事。

1582年,伽利略18岁,正在比萨城的一所学校学医学,准备将来有一天成为一名医生。这个职业也许不合他的意,他看起来学得并不是十分投入,而是迷恋着许多不可思议的自然现象,经常陷入各种各样的胡思乱想之中。又是一个礼拜天,伽利略像往常一样,随同学们一起去比萨大教堂做礼拜。

教堂里跪满了信徒,大家屏息静气地听着主教演讲,十分沉寂。突然,外面刮进一阵风,吹得教堂顶端悬挂的一盏吊灯来回摆动。摆动的吊灯链条发出嘀嘀嗒嗒的声音,在肃穆的教堂里显得格外清脆。伽利略不由地抬头看了一眼吊灯,这一看不要紧,引起了他的极大兴趣,他目不转睛地观察吊灯的摆动,早已忘记主教的演讲。伽利略究竟发现了什么呢?

原来,伽利略发现吊灯的摆动会随着风变小,而且越来越微弱。这是很正常的自然现象,然而,伽利略却看出了特别的东西。他觉得虽然吊灯摆动的振幅小了,但是所需时间似乎没有变化。这样想着,伽利略开始检验自己的观察结果,他用右手指按在左手腕的脉搏上,透过测量脉搏的跳动来观察吊灯的摆动次数。要知道脉搏跳动是十分规律的,据此,伽利略得出了一个令人惊奇的结果:不论吊灯摆动的幅度多大,每摆动一次所需用的时间的的确确是相同的。这个结果让伽利略大吃一惊,简直如遭雷击一般。多少年来,人们对于摆动一直尊奉一条规则,那就是亚里士多德提出的“摆动幅度小,则需要的时间少”这样的定律。现在,伽利略却意外发现摆动的振幅与时间之间没有这种关系,这是伟大的发现还是感觉的错误?伽利略一刻也坐不住了,他不等礼拜完毕,爬起来迅速跑回家。

回到家后,伽利略迫不及待地进行了试验。他找来一只沙钟,准备好笔、墨水、纸张,以备记录各种实验数据。为了精确地得到试验数据,他还请了自己的教父来帮忙。

伽利略对教父说:“我有一个伟大的发现,请您帮忙。”教父看到他准备的材料,以为他又要进行什么奇怪的试验,便说:“好吧,不知道这次你要试验什么?”

伽利略对教父说了自己在教堂里发现的问题,然后说想要证明摆动和时间的关系问题。教父听了,划着十字说:“伟大的亚里士多德已经对这个问题进行了明确的阐说,难道他错了吗?孩子,你要进行的可是一项太冒险的试验了。”伽利略自然清楚自己挑战的是什么,但他毫不迟疑,说服教父,开始了试验。他和教父拿着长度相同的绳子,每根绳子的一端都挂着相等重量的铅块,他们将绳子分别系在柱子上,然后伽利略手拿两个铅块,分别将绳子拉到离垂直线不同的位置上,同时放开手里的铅块。于是,绳索开始自由摆动,他和教父分别记录不同铅块的摆动情况,然后将结果进行比较。

经过反复多次试验,伽利略发现,两根绳索来回摆动的次数总数是一样的。也就是说,不管两根绳索的摆动幅度如何,它们需要的时间相同。由此,伽利略发现了摆动的规律,提出了著名的“摆的等时性原理”,推翻了一千多年来亚里士多德关于摆动的错误定论。

加速度

加速度是物理学中的一个物理量,是一个矢量,主要应用于经典物理中,一般用字母a表示,在国际单位制中的单位为米每二次方秒(m/s2)。加速度是速度变化量关于发生这一变化所用时间的比值,描述速度的方向和大小变化的快慢,是状态量。

为经典物理学奠基

伽利略的思想非常活跃,在他的青年时代,就表现出了非凡的学习能力和创造能力。伽利略勤奋好学,后来因为经济贫困离开了大学,之后就独立钻研古代的原子论、欧几里得几何学、阿基米德和亚里士多德的物理学名著。伽利略真正拉开近代科学序幕的是他的重物实验。

伽利略对运动的基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了深入的研究,并给出了严格的数学表达式,尤其是他提出了加速度的概念,这在力学史上是一个具有里程碑意义的成就。有了加速度的概念,力学中的动力学部分才能建立在科学的基础上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。

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