人类最伟大的十个科学发现

人类最伟大的十个科学发现人类最伟大的十个科学发现之一：勾股定理勾股定理是初等几何中的一个基本定理。所谓勾股定理，就是指在直角三角形中，两条直角边的平方和等于斜边的平方。这个定理有十分悠久的历史，几乎所有文明古国（希腊、中国、埃及、巴比伦、印度等）对此定理都有所研究。勾股定理在西方被称为毕达哥拉斯定理，相传是古希腊数学家兼哲学家毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前572?～公元前497?）于公元前550年首先发现的。但毕达哥拉斯对勾股定理的证明方法已经失传。著名的希腊数学家欧几里得（Euclid，公元前330～公元前275）在巨著《几何原本》（第Ⅰ卷，命题47）中给出一个很好的证明。（左图为欧几里得和他的证明图）中国古代对这一数学定理的发现和应用，远比毕达哥拉斯早得多。中国最早的一部数学著作——《周髀算经》的开头，记载着一段周公向商高请教数学知识的对话：周公问：我听说您对数学非常精通，我想请教一下：天没有梯子可以上去，地也没法用尺子去一段一段丈量，那么怎样才能得到关于天地得到数据呢？商高回答说：数的产生来源于对方和圆这些形体的认识。其中有一条原理：当直角三角形‘矩'得到的一条直角边‘勾'等于3，另一条直角边’股'等于4的时候，那么它的斜边'弦'就必定是5。这个原理是大禹在治水的时候就总结出来的呵。如果说大禹治水因年代久远而无法确切考证的话，那么周公与商高的对话则可以确定在公元前1100年左右的西周时期，比毕达哥拉斯要早了五百多年。其中所说的勾3股4弦5，正是勾股定理的一个应用特例。所以现在数学界把它称为勾股定理是非常恰当的。在稍后一点的《九章算术》一书中（约在公元50至100年间），勾股定理得到了更加规范的一般性表达。书中的《勾股章》说；“把勾和股分别自乘，然后把它们的积加起来，再进行开方，便可以得到弦。”。《九章算术》系统地总结了战国、秦、汉以来的数学成就，共收集了246个数学的应用问题和各个问题的解法，列为九章，可能是所有中国数学著作中影响最大的一部。中国古代的数学家们不仅很早就发现并应用勾股定理，而且很早就尝试对勾股定理作理论的证明。最早对勾股定理进行证明的，是三国时期吴国的数学家赵爽。赵爽创制了一幅“勾股圆方图”，用形数结合得到方法，给出了勾股定理的详细证明。在这幅“勾股圆方图”中，以弦为边长得到正方形ABDE是由4个相等的直角三角形再加上中间的那个小正方形组成的。每个直角三角形的面积为ab/2；中间的小正方形边长为b-a，则面积为（b-a）2。于是便可得如下的式子：4×（ab/2）+（b-a）2=c2化简后便可得：a2+b2=c2亦即：c=（a2+b2）(1/2)赵爽的这个证明可谓别具匠心，极富创新意识。他用几何图形的截、割、拼、补来证明代数式之间的恒等关系，既具严密性，又具直观性，为中国古代以形证数、形数统一、代数和几何紧密结合、互不可分的独特风格树立了一个典范。以后的数学家大多继承了这一风格并且有发展，只是具体图形的分合移补略有不同而已。例如稍后一点的刘徽在证明勾股定理时也是用以形证数的方法，刘徽用了“出入相补法”即剪貼证明法，他把勾股為边的正方形上的某些区域剪下來(出)，移到以弦為边的正方形的空白区域內(入)，結果刚好填滿，完全用图解法就解決了問題。中国古代数学家们对于勾股定理的发现和证明，在世界数学史上具有独特的贡献和地位。尤其是其中体现出来的“形数统一”的思想方法，更具有科学创新的重大意义。人类最伟大的十个科学发现发现之二：微生物的存在17世纪末，荷兰的透镜制造商列文•虎克从自己的牙齿刮下一些污物，并通过显微镜观看这些东西。他认为这里有“小微生物”在动。事实上，人肉眼是看不见这种“小微生物”的。约两个世纪后，对这种“不可见”微生物的了解，使法国科学家巴斯德提出了疾病的微生物理论，这一理论又使医生攻克了多种疾病：伤寒、小儿麻痹症及白喉等。之后，人类对从传染病、心脏病到癌症等死亡主要原因的认识发生了变化。世界上第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森（HansJanssen）在1604年发明的。1665年，英国的物理学家罗伯特•胡克（RobertHooke,1635～1703）用自己设计并制造的显微镜（右下图）观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为“cella”，这是人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是死的细胞壁。胡克的发现对细胞学的建立和发展具有开创性的意义，其后，生物学家就用“cell”一词来描述生物体的基本结构。1674年，荷兰布商列文•虎克(AntonievanLeeuwenhoek,1632～1723)为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（300倍左右），并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。列文•虎克把他的观察结果写信报告给了英国皇家学会，得到英国皇家学会的充分肯定，并很快成为世界知名人士。列文•虎克的一生致力于在微观世界中探索，发表论文402篇，其中《列文•虎克发现的自然界的秘密》是人类关于微生物研究的最早专著。法国微生物学家、化学家巴斯德（LouisPasteur，1822-1895）是近代微生物学的奠基人。像牛顿开辟经典力学一样，巴斯德开辟了微生物领域。巴斯德是19世纪最有成就的科学家之一，他一生进行了多项探索性的研究，证明了三个重要的科学问题：（1）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展，他发现用加热的方法可以杀灭那些让啤酒变苦的恼人的微生物。很快，“巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。（2）每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展：由于发现并根除了一种侵害蚕卵的细菌，巴斯德拯救了法国的丝绸工业。（3）传染疾病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，变成防病的药苗。他意识到许多疾病均由微生物引起，于是建立起了细菌理论。1889年巴斯德发明了狂犬病疫苗，可使人抵御可怕的狂犬病。其他科学家应用巴斯德的基本思想先后发展出抵御许多种严重疾病的疫苗，如预防斑疹伤寒和脊髓灰质炎等疾病的疫苗。虽然在他之前英国医生琴纳发明了牛痘接种法，但有意识地培养、制造成功免疫疫苗，并广泛应用于预防多种疾病，巴斯德堪称第一人。“意志、工作、成功，是人生的三大要素。意志将为你打开事业的大门；工作是入室的路径；这条路径的尽头，有个成功来庆贺你努力的结果……只要有坚强的意志，努力的工作，必定有成功的那一天”，这是巴斯德关于成功的一段至理名言。人类最伟大的十个科学发现之三：三大运动定律在牛顿以前，天文学是最显赫的学科。但是为什么行星一定按照一定规律围绕太阳运行？天文学家无法圆满解释这个问题。牛顿（IsaacNewton，1643～1727）是物理学家、天文学家和数学家，经典力学理论的集大成者。他系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作，提出了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。万有引力的发现说明，天上星体运动和地面上物体运动都受到同样的规律——力学规律的支配。在牛顿发现万有引力定律以前，已经有许多科学家严肃认真的考虑过这个问题。比如德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家约翰．开普勒（JohannsKepler,1571-1630）认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，他认为这种力类似磁力，就像磁石吸铁一样。1659年，荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安•惠更斯（ChristianHuygens1629-1695）从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。英国实验物理学家罗伯特．胡克（RobertHooke，1635～1703）等人认为是引力，并且试图推到引力和距离的关系。1664年，胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果；1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和英国天文学家、数学家哈雷（EdmondHalley，1656－1742）从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。1666年前后，牛顿在老家居住时考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，牛顿常常在花园里小坐片刻。有一次，象以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢？牛顿思索着。终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。1674年，胡克发表了《试证地球的运动》(AttempttoProvetheMotionoftheEarth)。胡克在这篇著作中，阐述了自己的行星运动理论:一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力；天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变；离吸引中心越近，吸引力越大；行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。胡克研究重力学的历史长达20年，但因他不擅长数学，计算不出行星的运行轨道。1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比，他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。1684年1月，哈雷、胡克、克里斯托弗•雷恩(ChristopherWren)等人在一起作了一次有意义的讨论。他们当时已认识到起吸引作用的向心力是和距离的平方成反比的，但还缺乏数学的论证。特别是无法证明服从此定律的天体的运动轨迹应为椭圆(更普遍地说，应为圆锥曲线)。哈雷由于这个问题得不到解决，于8月到剑桥大学去请教牛顿。他一开始就向牛顿提出问题：假定重力随距离的平方而减少，那么行星遵循的轨道应是什么样的曲线？牛顿立即回答说应是一个椭圆。使哈雷更惊奇的是，牛顿说他对这个问题已经作过计算，当时就开始找计算草稿，但没有找到，最后他答应把稿子找出来后再寄给哈雷。牛顿后来还是没有找到计算草稿，于是他重新作了计算，并进一步认真推敲了这个问题。1684年11月，牛顿给哈雷寄去了一篇《论运动》(Demotu)的论文手稿，并在1684-1685年间在剑桥作了一系列名为《论天体运动》的演讲。哈雷把牛顿寄给他的重要论文呈报皇家学会登记备案。在哈雷的敦促下，牛顿着手写《自然哲学的数学原理》(Principia)这一巨著，并于1686年4月把原稿交给皇家学会。由于经费问题以及牛顿和胡克间为万有引力定律发明权的争执，皇家学会未能安排该书的付印。最后，哈雷决定由自己出钱替牛顿出版此书。这样，牛顿的这一巨著才于1687年问世。牛顿在这部书中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。人类最伟大的十个科学发现之四：物质的结构1789年，法国化学家安图瓦•罗朗•拉瓦锡（Antoine-LaurentLavoisier，1743～1794）推翻“燃素”说，提出“元素”说。他说，这种“元素”物质不能被任何化学过程再分解。他提出的元素表是不完整的，且有一些错误，但是他对完整元素表的提出起到了重要作用。基于他的工作，科学家们提出近代的看法：即所有物质能被分解为109种元素，所有元素是由原子构成，所有原子由质子、中子和电子构成，等等……。英国化学家、物理学家罗伯特•波义耳（RobertBoy1e,1627～1691）曾对几种金属进行过煅烧实验。1673年波义耳发表的《使火与焰稳定并可称重的新实验》是一篇重要论文，波义耳认为金属在煅烧后增重是因为存在火微粒，在煅烧中，火微粒穿过器壁而与金属结合,即:金属+火微粒——金属灰。在这个实验中，波义耳使用了天平，把定量的手段带进了化学研究之中。1702年，德国化学家恩斯特•斯塔尔（GeorgErns