第三章 艺术与科学（2 / 2）
19世纪的数学出现了许多新科目，这与物理学的应用有关。复变函数论与热传递技术，高斯（C.F.Gauss）的分析论与电学、微分方程与力学之间都有密切关联。数论、形论、群论、函数论的发展引人注目，凯利（Arthur Cayley）、克莱因（Felix Christian Klein）、怀特海（Alfred North Whitehead）对非欧几何有重大贡献。19世纪前30年的英国数学家，包括皮科克（Gee Peacock）和德摩根（Augustus De Man），致力于代数学的公理化，在此基础上哈密尔顿（William Rowan Hamilton）发现四元数。
英国的代数学以符号运算以及符号去处与数学事实的关系为研究方向，产生英国式的代数运动。皮科克的《代数学》（1830）把代数分成算术代数和符号代数，后者是一门“通过某种确定而又任意的方式处理符号和记号的组合的科学”。哈密尔顿是爱尔兰数学家和物理学家，他力图证明负数和虚数在代数运用中的合理性问题，他的四元数概念标志着量概念在物理学中的广泛运用。德摩根的贡献主要在分析学、代数学、数学史及逻辑学等方面，在代数学方面，他认为代数学实际上是一系列“运算”，这种运算能在任何符号的集合上，根据一定的公式来进行。在逻辑学方面，他发展了一套适合推理的符号，并首创关系逻辑的研究。他提出了论域概念，并以代数的方法研究逻辑的演算，建立了著名的德摩根定律。他更对关系的种类及性质加以分析，对关系命题及关系推理有所研究，从而推出一些逻辑的规律及定理。逻辑学家乔治·布尔则在另一个方向对代数自由性问题进行探讨，他是现代符号逻辑的重要人物。
在天文学方面，从古代直到18世纪，天文学家的主要工作是对天体运行规律进行数学描述，这项工作的顶峰是牛顿的运动定律。18世纪的英国天文学是天文观测学，赫歇尔兄妹（Friedrich Wilhelm Herschel,Caroline Lucretia Herschel）不断改善望远镜，以精确绘制恒星的位置与天体结构。19世纪初，赫歇尔主要进行星云研究；他的儿子约翰·赫歇尔（John Herschel）于1864年出版了包括5000多个星云与星团的天文总表，是现代星系图的基础。19世纪下半叶先进仪器的使用，导致天体物理学诞生，天文学家对棱镜光谱进行分析，理解其中包含的意义。威廉·哈金斯（Sir William Huggins）通过分光镜将气状星云和星状星云区分开，照相技术也改变了天文学的特点和天文观测的性质。天文学家不再受人眼观察的局限了，它和基本粒子及细胞研究一样，需要更精确的实验手段。
原子论是19世纪英国科学研究的重要成果，关于原子的猜想，早在古希腊时期就有了，但直到1801-1804年道尔顿以气体做实验时，原子的存在才被证实。19世纪以前，人们假定一切物质的原子都相同，道尔顿则指出不同物质的原子也不相同，同一性质的原子相互排斥，不同物质的原子相互不排斥；不同物质（元素）的原子其大小、重量、单位体积内的数目都有差异，当两种物质合成一种化合物时，但若两种元素生成两种或两种以上的化合物时，其中一个元素的质量固定，另一个元素的质量与之形成简单的整数比（倍比定律）。他还发现一个元素的原子可以与另一个元素的三个或更多的原子化合。他以氢原子的重量为单位，列出各个已知元素的当量重量，根据这些当量重量，可以推算出化合物中各个元素的原子量。
在化学方面，另一个进展是电离实验。从1801年起汉弗莱·戴维对盐液和固体化合物做电解实验，1807年他用250对锌片和铜片组成电堆，实现了对草木灰（碳酸钾）和苏打（碳酸钠）的电解，发现了两种重要的新元素钾和钠。1808年他又发现钙、钡、镁、锶四种元素，第二年解析出硼。他从这些研究中得出结论：使元素形成化合物的化学吸引力具有电的属性。结合柏齐力阿斯的实验，戴维提出化合物的二元说：化合物被电解时，氢、金属和碱类元素被吸引到电流的负极，它们是正电性族；氧、非金属和酸被吸引到正极，它们是负电性族；其他元素呈中性。60年代以后，随着原子量和化合价的确定，元素分类和寻找新元素主导了化学研究的方向。
在电磁学研究中有两个重要人物，即法拉第和麦克斯韦。法拉第出身于铁匠家庭，年幼即开始学徒生涯。1813年他担任皇家学会主席汉弗莱·戴维的助手，走上了科学研究的道路。1821年法拉第发明了第一台电动机，即利用电流使物体运动的装置。1831年他发现电磁感应现象：一个电流可以产生另一个电流，一个金属线圈中的电流强弱发生变化时，能在一个邻近的线圈中感应出一个瞬时电流；将一块永久磁铁在线圈附近移动，也会产生相似的现象。这样，磁、电和机械运动就联系在一起了。麦克斯韦将法拉第的实验结果概括成一组公式，对电磁学做了理论性的推导。
在热力学方面，焦耳（James Prescott Joule）推动了能量守恒定律的确立。焦耳深信能量具有不同的形式并保持不灭，相信热是粒子的运动，与机械能是一回事。他试图以实验证明上述观点，他测量各种能量转化为热的情况，1840年他测量电流通过电阻线时发出的热，发现电流通过导体时产生的热量，与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比。这就是所谓“焦耳定律”。自然界一切物体都有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一物体，在转化和传递过程中能量保持不变，这就是热力学第一定律，也称能量守恒定律。焦耳对这个定律的确立作出了贡献。
19世纪最伟大的科学成果是进化论，进化论完全改变了人对生命的看法，确立了人类起源的科学基础；它深刻影响了19世纪人的思维，影响了此后人们的一般思想方式。在达尔文出生之前，进化的思想就已经产生，解剖学家兼自然神论者贝尔（Charles Bell）曾论证：动物的本能、组织和手段与其对自然的适应相联系，每一个物种都在自然中有其位置，它是适应（即机体对环境的有益调整）的结果。达尔文的祖父伊拉斯谟·达尔文强调动物的生存竞争，主要是争夺雌性。梅森曾经说，进化论与各国的民族思潮有关，英国的竞争自由主义容易产生达尔文式的进化论。
查尔斯·达尔文（Charles Darwin）起先在爱丁堡学医，后到剑桥学习地质学和自然史。在剑桥他受到地质学家基季威克和植物学家亨斯洛的影响，1831年12月至1836年10月他随英国政府南太平洋远程考察船出行，进行博物学考察，途经南美洲和太平洋群岛。在考察中，达尔文采集了许多地质、植物和动物标本。1842年，他根据收集到的地质学资料发表《珊瑚礁的结构与分布》这本地质学著作。在远航过程中，他就形成生物进化的想法；从1837年起，20多年中他追随赖尔的地质学研究方法，对生物学资料进行整理。1859年他出版《物种起源》（完整的书名是《论通过自然选择或生存斗争保存良种的物种起源》），书中从灭绝物种的时间分布和活着物种的空间分布两个方面，提供生物进化的证据。系谱递传和自然选择是他的理论的两个关键，通过对地质学和古生物学的研究，他指出生物化石在地质上有连续性、在地理分布上有相关性，因此生物系谱是存在的，而个体的胚胎发育过程基本上是物种进化过程的复制。在进化过程中，那些具有优势变异的动物生存下来、并繁殖其种类，而具有不利变异的物种则灭绝了；生物对环境的适应产生物种变异，形成新的物种。但环境因素，如气候的变化或食物的改变等，对生物的影响是非常缓慢的，它的效应是累积的，这就是自然选择。
达尔文不认为生物体内有某种内驱力导致进化，也不认为进化朝着更高或更完善的方向发展，他强调生物进化的被动性质，这是他与法国的拉马克和德国的精神哲学不同的地方。恩格斯给达尔文的科学成就以非常高的评价，说它和能量守恒定律与细胞学说共同构成19世纪最伟大的三项科学发现。达尔文的进化论奠定了现代生物学的基础，为物种起源和生物演变提供了科学解释。进化论发表后在英国引起轩然大波，神学和教会尽全力反驳，甚至不惜采用人身攻击的手段，反对人猿进化说；保守主义思想家也大肆攻讦，对“进化”的思想予以反击。但科学界很快就接受了达尔文的理论，并将其作为生物学进一步发展的基础。社会学和政治学家中也有人接受进化论，把它演绎成社会达尔文主义。这种“主义”将人种、肤色和“进化”联系在一起，结果成了为白人至上、种族主义提供依据的学说，19世纪末和20世纪上半叶盛行的帝国主义、殖民主义理论，就经常以社会达尔文主义为出发点。20世纪30年代，德国纳粹党更是将社会达尔文主义奉为至宝，制造了惨绝人寰的种族大屠杀。至于在自然科学意义上的达尔文理论，后来经过科学家的发展与修正，到20世纪就变得越来越完善了，已为人类从整体上接受。
对英国而言，19世纪是最辉煌的世纪，英国完成了工业革命，成为世界上最富裕、也是最强大的国家。这使它引领了世界历史的潮流，欧洲国家以及后来整个世界，都以英国为项背，逐渐向工业社会靠拢。英国在19世纪30年代开始民主化进程，到世纪之末已实现了成年男子普选权，这在西方乃至世界都是引领风骚的。19世纪的英国为世界提供了许多思想，它的理论成果也举世瞩目。科学与文化竞相斗艳，呈现出一派欣欣向荣的景象。英国的贸易覆盖全球，它的工业品输往世界各地，为英国带来繁荣和富庶。为了能在全世界永远汲取财富，它构建了日不落的庞大帝国，这个帝国在人类历史上也是空前绝后的，以前没有，以后也不可能再出现了。总之，19世纪的英国展现出无比的辉煌。
但阴暗面也在弥散，工业革命给劳动者带来无穷的灾难，人们惊诧在这个世界最富裕的国家为什么会有这么多的贫穷，穷人甚至衣不蔽体、食不果腹。这个奇怪的现象是由英国工业化的执行方式造成的，亚当·斯密式的自由主义理论大行其道，人们普遍把贫困归咎于懒惰与笨拙，从而为社会开脱了它的责任。19世纪的英国是富裕的，却也是贫穷的，英国因此而动荡，社会经历着前所未有的阶级分裂，各阶级都为自己的利益而彼此对抗，运动和反抗生生不息。在这些抗争中，工会和社会主义政党形成和壮大了，政治参与权被迫扩大，一直扩大到工人阶级。传统的统治集团慢慢萎缩了，社会结构发生彻底的变化，而变化的趋势一直延续到20世纪。面对动荡的社会，英国被迫实行一系列改革，尽可能缓和社会冲突，由此便进入了“改革时代”。
帝国主义扩张也渐露危机，19世纪，英国的扩张至于顶峰，英帝国覆盖于全世界。但这种扩张也把英国带进激烈的国际冲突中，一方面是英国与其他欧洲国家的竞争，这样的竞争从来不曾停止过，即便在英国最强盛的维多利亚时代中期也是如此；另一方面，英国必须面对殖民地人民的不断反抗，以及被侵犯国家的间断战争。到19世纪末，这两种危机都接近临界点，终于在20世纪刚开始时就爆发了：第一种危机把英国推向世界大战，第二种危机让它在20世纪丢掉了所有的殖民地，大英帝国也轰然倒塌了。
物极必反，盛极而衰，中国古代哲人从冥冥中领悟的神秘历史踪迹，被19世纪的英国清楚地印证了。成功与失败都随着这条轨迹进入了20世纪，到20世纪，英国慢慢地失去了它的辉煌。