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蒸汽机的情况是一个重要的例外。1769年，詹姆斯·瓦特采用了一个始终保持低温的单独冷凝器，以后不久，又用曲轴将蒸汽机的往复运动变为旋转运动，这样，他利用技术独创性和科学知识的结合，将蒸汽机的效率提高到一个适当的水平。如果不是可得到蒸汽机的相对无限的动力，工业革命完全有可能在仅仅增加纺织品生产的速度后便渐渐消失，就象发生在中国那样；在中国，早几个世纪时曾取得类似的技术进步。
19世纪前半世纪中取得进步最多的一门科学是化学，这在一定程度上是因为化学与组织工业有密切联系，纺织工业在那数十年间经历了非常迅速的发展。化学可追溯到人类文明的最早阶段，追溯到出现烹调技艺和金属加工技术、出现药草的采集和药物的提取时。从一开始起，人们就因寻找把戏金属变为黄金的手段、寻找可以发现治愈人类一切病痛的长生不老药的方法而转移了化学的目标。虽然这些试图注定要失败，但它们仍然揭示了许多化学物质和化学反应。这些东西后来被传到西欧人那里，主要是从中国和穆斯林世界传去的。
那时以前，希腊人已提出一种理论体系，该体系认为有四种基本元素——土、火、气、水，它们以循环的方式依次转化18世纪期间，大部分注意力集中在燃烧问题上——物质燃烧时会发生些什么呢？由于物质消失在烟和火焰中、留下了灰烬，人们断定，无论如何，在燃烧过程中有某种东西释放出来。这种东西长期被称为硫，并被赋予燃素即火的要素的名称。在对气体的研究揭示出空气是一种较向来所想象的要复杂得多的物质以前，这观念一直支配着化学思想。科学家们被吸引到气体问题上，是由于矿井和沼泽中存在着能用气泡加以收集并能燃烧的易燃空气。早在1755年，爱丁堡的约瑟夫·布莱克就通过加热石灰石而成功地分离出二氧化碳。然后，1781年，亨利·卡文迪什证明水是由两份氢和一份氧组成。接着，约瑟夫·普里斯特利（1733－1804年）又取得重要进展；他分离出氧，并证明正是氧元素在燃烧和呼吸中被消耗。他还进一步证明，在日光下，绿色植物从它们吸收的二氧化碳中分解出氧。从而，他解决了由产氧的植物与产二氧化碳的动物的平衡引起的碳循环的问题。
从气体研究工作中引出完备结论的是杰出的化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（1743…1794年），他在法国革命期间牺牲于断头台。拉瓦锡的典型的氧化实验非常简单。他将汞放在一个装有空气的密封罐子里加热，发现他得到了氧化汞，并发现空气的量减少了五分之一，亦即失去了空气中氧的成分。然后，拉瓦锡加热氧化汞，再一次获得汞加氧。他极仔细地称其所有物质的重量，发现每道步骤后失去或获得的重量等于燃烧过程中增加或减去的氧的重量。因而，他能摒弃传统的燃索说，用其著名的平衡原理来取代。
我们可以规定这样一个无可否认的原理：在技术和自然界的全部活动中，没有什么东西被创造出来；在实验以前和实验以后，存在着同样分量的物质；种种元素的质量和分量正好依然如故；除了这些元素的结合方面的变化和改变以外，没产生什么东西。
这样，拉瓦锡使化学先前的所有混乱现象变为一条元素结合定律。他在自己于1789年出版的教科书《化学大纲》中，提供了至今仍被使用的全新的术语。拉瓦锡将化学安置在坚固的科学基础上，因此，他的后继者知道了他们正在做什么、正在朝哪里进发。
在拉瓦锡的后继者当中，杰出人物要数约翰·道尔顿（1766…1844年）和瑞典化学家乔恩斯。雅各布。贝采利乌斯（1779…1848年）。道尔顿正式提出了有关物质的原子论（氧原子与氢原子结合而形成水）；贝采利乌斯通过把电流应用于化合物、将它们电解（金属移向阴极，非金属移向阳极），分离出许多新元素。贝采利乌斯还将近代符号系统引入化学，从而极大地促进了化学工作。他利用诸元素的拉丁名字的第一个字母或前两个字母作为元素的符号。
19世纪的另一重要进步是出现了有机化学。原来，化学家们认为有机化合物——由生物产生的碳氢化合物——是由一种〃生命力〃以某种方式控制的。但是，随着化学家们发现有机化合物能用合成法合成，这一看法被抛弃了。1828年，弗里德里希·维勒取得了第一个成功，合成了见于尿中的有机物质尿素。他没有借助于肾，是通过普通的化学方法从无机化合物中获得尿素。他的朋友贾斯特斯·冯·李比希（1803…1873年）做了非常宝贵的工作，他证明植物从土壤中摄取的养料是由氮、磷酸盐和盐组成的。因而，他能制备出他曾用来使一块荒地肥沃并成为多产的园圃的化合物，为大规模的肥料工业的发展扫清了道路。
对工业的另一重要贡献由英国化学家威廉·亨利·珀金（1838－1907年）作出。1856年，他在寻找奎宁的代用品时，偶然发现了第一种人造苯胺染料——品红。他的发现在英国受到忽视；在英国，化学仍仅仅是少数人的业余消遣，化学行业以〃注重实际〃而自豪。然而，德国工业界较关心科学的厂长们看出，珀金的发现能为气体工业一向作为废品的煤焦油提供一条宝贵的出路。由于他们资助这项研究，许多合成染料给制造出来，提供了巨大的利润。到第一次世界大战时，德国人已拥有世界上最先进的化学工业，实际垄断了合成染料的生产。
对工业来说，同样重要的是法国杰出的化学家路易·巴斯德（1822…1895年）的工作。他在里尔大学工作期间，当地酒厂老板曾纷纷向他请求帮助，因为他们在从甜菜中提取乙醇时遇到了麻烦——果浆往往莫名其妙地变坏了。巴斯德没有找到化学上的解释，就用显微镜检查麦芽浆，发现上面满是奇怪的、伸长的生长物，而未受损害的麦芽浆上则是圆的小球。通过实验室证明，他指出了如何才能控制这些有害的生长物、阻止它们妨碍发酵。由于这一经历，他做了进一步的实验，使他能驳斥传统的生物自然发生说，提出现在公认的生源论——生物只能通过生物的繁殖产生——来取代。为了证实生源论，他指出，通过排除空气中看不见的微生物，能够使肉体物质和植物性物质不腐败。这一点后来成为大规模的罐头食品制造工业的基础。
1865年，巴斯德接受了一个更艰巨的任务。法国蒸蒸日上的丝绸工业由于蚕的一种神秘的疾病而正遭到毁灭的威胁。当巴斯德开始调查研究时，他并不知道蚕是什么东西，也不知道一条丑陋的毛虫以后会变成一只美丽的蛾。但是，经过一段时期的深入细致的探究，他发现疾病是由生活、成长在蚕体内的一种微生物引起的。他很快找到了治疗办法，丝绸工业得救了。巴斯德接着为家畜的炭疽病、特别惊人的是为人的狂犬病制备血清。此外，由于他的疾病病菌说的普及，人们采取了卫生预防措施，使有可能控制由来已久的灾祸——伤寒、白喉、霍乱、鼠疫和疟疾。这些医学上的进步产生了深远的影响，首先是在欧洲，然后是在全世界，导致人口迅速增长。
五、生物学革命，1850…1914年
正如牛顿因发现支配宇宙中的物体的定律而统治17世纪的科学那样，查尔斯·达尔文（1809…1882年）因发现支配人类本身进化的规律而统治19世纪的科学。
然而，进化的思想对达尔文来说，决不是新的：在他以前，这思想已被提出并应用于科学的各领域。让·德·拉马克（1744－1829年）较早时候就已向一种传统的观念挑战；这种观念认为，一度被创造出来、此后一直存在下去的物种具有不可改变的稳定性。拉马克想象有一种从蠕虫到人类的全面进化，并试图用获得性理论来解释这一进化过程。马由于需要迅跑而获得敏捷的腿，长颈鹿由于需要吃高处的树枝而获得长脖子。任何这类身体上的变化通过遗传过程被传下去，成为下一代的起点。
拉马克以后，还有查尔斯·赖统地出版了有名的《地质学原理，三卷（1830…1833年），普及了有关地球表面的形成的〃均变论〃或渐变论。以往，人们一向认为地球表面是由过去的灾变如火山、地震和洪水等造成的。存在于高山地区的海贝被简便地认为是挪亚时的洪水留下的。相反，赖尔认为，现在的地球表面是亿万年间诸如冰蚀、风和水的侵蚀、冰冻和融化之类的地质力量活动的产物。
当时，进化的思想不但在自然科学中，而且在社会科学中也是突出的。从19世纪40年代起，卡尔·马克思就写道，所有社会制度都处于不断的变化过程中。自人类有史以来，一种社会已让位于另一种社会——原始的部落制让位于古代的奴隶制、奴隶制让位封建农奴制、农奴制让位于现代资本主义制度，所以，他满怀信心地预言，资本主义制度将让位于未来的社会主义制度。那时，有影响得多的是赫伯特·斯宾塞（1820…1903年）提出的包括一切的进化学说。他将其学说应用于所有的事物，包括物质的、生物学的、文化的和社会的。斯宾塞在1857年发表的《进步：其规律及原因》一书中写道，〃无论是在社会的发展中还是在政治、制造业、商业、语言、文学、科学及艺术的发展中，这种由简单经过连续的变异而进入复杂的同样的进化始终保持着。〃
这就是达尔文创立其划时代的理论时的环境。达尔文出生于一个在他以前已有两代人显露科学才能机他起又有两代人显露科学才能）的家庭。他上剑桥大学时，将时间更多地不是用在学习上，而是花费在收集和研究动物及昆虫方面。有位教授认识到他的潜力，推荐他到政府的即将开始环球科学考察的〃比格尔号〃船上当不拿薪水的博物学家。这次远航从1830年持续到1836年；远航期间，达尔文对在个别物种身上观察到的许多变异印象极深。例如，在与世隔绝的加拉帕戈斯群岛上，他发现了一些显然是起源于在大陆的祖先但不知怎么地已渐渐变得不同的物种。这一点粉碎了古老的物种不变论，但是，变异是怎么发生以及为什么会发生的问题仍未得到解答。
考察回来的两年后，他认托马斯·马尔萨斯写的一本书中得到了启示；马尔萨斯在那本书中提出了一种理论：如果不消除过剩的人口，人口要比食物增长得快。
1838年10月，我为了消遣而偶然读到了马尔萨斯的人口论，而我由于长期不断观察动植物的习惯，对这种到处都在进行看的生存斗争，思想上早就容易接受，现在读了这本书立刻使我想起，在这些情况下，有利的变异常常容易保存，而不利的变异就常常容易消灭。它的结果就会形成新的物种。这样我终于得到一个能够说明进化作用的学说了。
达尔文以其通常的谨慎和不辞劳苦的细心发展这一学说。1839年，他开始拟草稿；3年后，它仍仅仅是一份用铅笔写成的35页的提纲。到1844年，他已将它扩展成230页的论文。那年，他给一位朋友写信说：
……我己阅读了大量的农艺和园艺方面的书，从未停止过搜集事实。终于来了一点光明，我几乎确信（和我开始对的看法完全相反）物种并不是（这就象供认一件谋杀罪似的）永远不变的。上帝不让我相信拉马克的一个〃进步的趋向〃、〃源于动物的缓慢的意欲的适应〃之类的废话。但是，我得出的结论并非全然不同于他的结论，只是更换的方法完全不同于他的。我想我已发现（这里是推测！）物种微妙地适应各种结局的简单方式。
然而，达尔文仍不能使自己发表其研究结果。他继续进一步按集证据，直到1858年收到另一位博物学家艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱土（1823…1913年）的一封惊人的信时。华莱士曾居住巴西和荷属东印度群岛多年，在那些地方吸收了极大量的动物学知识。1858年2月，当他在摩鹿加群岛的特尔纳特岛上患疟疾卧床休息时，他想到了他也读过的马尔萨斯的著作，突然，最适者生存是实现进化的途径这一念头在他脑子里掠过。华莱士的脾性和达尔文完全不同，他立即将自己的思想诉诸文字。当天夜里，尽管仍受着发烧的折磨，他还是起草了自己的新学说。以后两晚，他将它写成文章，然后寄给了达尔文；他与达尔文是经常通信的。
1858年6月，达尔文收到了这份手稿；他因读到的是一份他已写成的东西的概要，惊呆了。〃我从未见过比这更惊人的巧合〃，他给查尔斯·赖尔去信说，〃即使华莱士已得到我在1842年写下的手稿，他也不可能写出比这更好的简短提要！甚至他的话现在可放在我每章的上端。〃达尔文对于公布自己的研究成果一事不再犹豫了。1858年7月1日，他在伦敦向学会宣读他自己的论文和华莱土的论文，所谓达尔文的进化假说给提出来了。达尔文在他于1859年出版的主要著作《物种起源：借助于自然选择即生存斗争中的适者生存》中更详细地阐述了自己的思想。
达尔文的主要论点——他的进化学说——是，处于现在各种不同形式中的动植物种类不是作为单独的、特殊的创造行为的结果而固定不变的，而是有共同的原始起源的、不同的、变化中的自然结果。达尔文认为，变异借以发生的主要方式是〃自然选择〃。他将这一过程阐释如下：
因为所产生的每一物种的个体比可能生存的多的多，遂各生物间便经常不断地发生生存斗争，所以，任何生物如果能以任何方式发生纵然微小但有利于自己的变异，它在复杂的而且时常变化的生活条件下，将会获得较好的生存机会，因而它就自然地被选择了。由于强有力的遗传原理，任何被选择的变种，将会繁殖它的新的和变异了的类型。
也许很难把自然界中所有的变种都设想力似乎是象〃自然选择〃所提供的那样一个不规则的、缓慢的变化过程的产物。不过，统计学上的计算结果表明，即使一次突变仅仅导致百分之一的较好的生存机会，它也会使一个物种经历100世代以后有为数一半的个体发生了突变。换句话说，即使101个发生过突变的个体活下来后有100个失去了突变，突变仍会在生物学上所说的短时间内传遍该物种。一种具有浅颜色和深颜色的小蛾子为〃自然选择〃是如何起作用提供了一个具体例子。人们已注意到，在浅色的桦树林里，浅色种类的蛾通常是深色种类的蛾的6倍；相反，在深色的松树林，深色种类的蛾通常为浅色种类的蛾的16倍。从这两种树林中鸟类的身上遗留下来的蛾翅膀的颜色上，也可找到〃自然选择〃如何起作用的证据。
达尔文的学说虽然在后来的研究基础上得到了详细修改，但其要点实际上已为现在所有的科学家所接受。1958年7月1日，在庆祝达尔文发表其论文一百周年的大会上，英国杰出的科学家加文·德比尔爵士称赞道：〃进化的事实如今已普遍地为所有有资格发表意见的人所承认，进化的作用过程大体上已阐明。自然选择的理论已建立在非常坚固的基础上，因此，现代的工作只不过是进一步证实这一理论，尽管随着知识的增加而需对它作新的表述。〃
然而，达尔文的学说在他生前远没有被普遍接受。确实，它由于当时几位杰出的科学家的研究和著作而得到加强。地质学家查尔斯·赖尔在他于1863年发表的《人类的古代》一书中接受了达尔文主义。两位最主要的植物学家——英国基尤植物园的主任约瑟夫·胡克爵士和哈佛大学教授阿萨·格雷也成为达尔文主义者。在达尔文主义的最热烈的拥护者当中，还有两位著名的生物学家——德国人恩斯特·海克尔和英国人托马斯·赫胥黎，后者称自己为〃达尔文的斗犬〃。
但是，在某些方面，特别是在教士中间，却存在着激烈的反对。这是可理解的，因为正如以往哥白尼的天文学体系废除了地球在宇宙中的中心地位一样，达尔文主义似乎废黜了人类在地球历史上的中心地位。当达尔文于1871年发表另一部著作《人类的由来》时，教士们自然得出如此结论。达尔文在这部著作中安排了人类与整个动物生活有关的证据，断定〃如果有谁不愿意象野蛮人那样把自然界的各种现象看作是支离破碎的，那他就不再能相信人类是一个单独的创造行为的成果〃。也就是说，达尔文否认了神的创造材为。由于他说人类起源于猴子，损害了人类的尊严、道德和宗教，他受到了不公正的谴责。本杰明·迪斯累里曾在严宣告：如果要在猿和天使之间作选择，他将站在天使这一边。
尽管达尔文主义受到宗教界和其他集团的敌视，它还是对西方社会有着深远的影响。根本原因在于它对最适者生存和生存斗争的强调极妙地与时代倾向相适应。例如，政治上，这是俾斯麦以血和铁统一德国的时期。他在各国的民族主义赞美者认为达尔文主义给了他们支持和正当理由。他们认为在政治活动中和在自然界一样，最强有力者是得胜者，好战的品质决定谁将在国际〃生存斗争〃中获胜。经济生活中，这是自由经营和粗鲁的个人主义的时期。舒适的、心满意足的上、中层阶级激烈反对国家为促进较大的社会平等而作出的任何干预。他们论证说，他们应得到幸福和成功，因为他们已证明自己较无能的穷人更〃适合〃，而且，大公司对小公司的兼并是〃生存斗争〃的一部分。19世纪后期也是殖民地扩张的黄金时期，达尔文主义被用来为帝国主义辩护。有人争辩说，殖民地是强国的繁荣和生存所必需的；还有人争辩说，按照世间的成就判断，诸土著民族软弱、低劣，需要优越的、较强大的欧洲人的保护和指导。
这种将达尔文的学说应用到社会舞台的做法，称为社会达尔文主义。达尔文本人从没想到他的研究结果会以这一方式被利用，更不用说有这种打算了。然而，事实仍然是，它们被如此地利用了；原因在于，它们似乎为当时由于其他缘故而开始支配欧洲的唯物主义即现实政策提供了科学的支持。简言之，达尔文主义合宜地与吉