九乡新闻网金刚镯练法:丹皮尔《科学史及其与哲学和宗教的关系》（三）
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科学时代——数学——不可秤量的流体——单位——原子论——电流——化学效应——电流的其他性质——光的波动说——电磁感应——电磁力场——电磁单位——热与能量不灭——气体运动说——热力学－－光谱分析——电波——化学作用——溶液理论
科学时代
如果我们有正当的理由把十九世纪看做是科学时代的开始的话，那么，原因并不仅仅在于，甚至主要不在于，我们对自然的认识在十九世纪中有了迅速的发展。自有人类以来，人们就在研究自然：原始的生活技术就是对物性的片段知识的运用，早期的神话与寓言就是根据当时已有的证据创立的世界和人类起源的理论。但在最近一百年或一百五十年中，人们对于自然的宇宙的整个观念改变了，因为我们认识到人类与其周围的世界，一样服从相同的物理定律与过程，不能与世界分开来考虑，而观察、归纳、演绎与实验的科学方法，不但可应用于纯科学原来的题材，而且在人类思想与行动的各种不同领域里差不多都可应用。
在以前时代的大发明中，我们看见实际生活的需要推动技术家取得进一步的成就：那就是说除了偶然发现所带来的发明之外，需要常在发明之先。但在十九世纪里，我们就看见为了追求纯粹的知识而进行的科学研究，开始走在实际的应用与发明的前面，并且启发了实际的应用和发明。发明出现之后，又为科学研究与工业发展开辟了新的领域。例如，法拉第（Faraday）的电磁实验促成了发电机和其他电磁机器的发明，这些发明又向科学家提出新问题并给予科学家解决这些问题的新力量。麦克斯韦对于电磁波的数学研究，五十年后带来了无线电报与无线电话，这些技术又给物理学家提出了一些新的问题。巴斯德发现发酵、腐朽以及许多疾病都是由于微生物的作用以后，工业、医药与外科方面都取得了极重要的成果。孟德尔（Mendel）在布吕恩修道院里所进行的豌豆遗传的实验带来了系统的植物栽培以及小麦和其他谷类的许多改良品种，并且促使人们认识到某些有关动植物某些特性的遗传的原理。这种知识在今后对人类的福利也许会产生不可计量的影响。总之，科学过去是躲在经验技术的隐蔽角落辛勤工作，当它走到前面传递而且高举火炬的时候，科学时代就可以说已经开始了。
本世纪所特有的各种思想有许多在十九世纪开始的时候就已存在了，因而要划出一个明确的历史界限是不可能的。而且在技术科学的应用上，至今仍在进行的伟大工业革命，也早已开始了。在1769年瓦特得到冷凝器原理专利权的时候，工业革命的主要工具之一蒸汽机已经到了可以应用的阶段。这是一个实用的发明，后来才应用科学的原理去改进它、发展它。但是，使得世界社会情况发生革命性变化的另一大发明：电报通信，却是纯粹科学研究的结果；这种研究的开端可以追溯到1786年伽伐尼（Galvani）的工作。反转过来，为了便利海底电信而发明出来的反射镜电流计，对于纯科学也有很大的好处。
有些人看来，科学的实际应用，代表它的主要成就。但这些活动对人类思想的影响虽然很大，却是间接、缓慢和积累的。人类控制物质资源的能力，逐渐地、显然不可避免地扩大开来，主要是靠了应用科学，因此，在一般人眼里，应用科学的重要远远超过于纯科学。事实上，在他们看来，科学的胜利一个接着一个，其结果，显然进展纵然缓慢却是所向无敌的。人类控制自然的能力的扩展似乎没有止境；人们都毫无理由地认为扩大控制自然的能力所用的机械原理，足可以解释整个宇宙的秘奥。
在我们要叙述的这一时期里，主要的倾向，是把动力学的实验与数学方法逐渐推广到物理学的其他学科中去，而且在可能的情形下，并应用到化学和生物学上去。科学的研究，至少在一时期里，和哲学探讨分了家。在整个十九世纪里，多数科学家都有意识地或无意识地抱有一种常识性的见解，以为科学所揭示的物质、它的性质及其间的关系，就是终极的实在，而人的身体就是机械结构，也许偶尔为心灵所控制或影响。许多物理学家在考虑科学的基本概念时，认识到这些意见是便利工作的假设，经不起严格的考察；但在实验室与实际生活中，人们却没有时间来从哲学的角度表示怀疑。
在牛顿与拉瓦锡所奠定的基础上，物理学与化学建立起一座不断发展与和谐一致的大厦。这个成就使人们感觉总的路线已经一劳永逸地规划好了，此后不会再有什么惊人的新发现了，剩下来的工作不过是把科学的度量弄得更加精密，把几个明显的空隙加以填补罢了。事实上，这就是十九世纪末革命性发展前夕以前人们的信念。
数学
在十九世纪里，出现了许多数学的新科目。其中我们必须提到数论、形论与群论，三角学发展成为多重周期的函数理论，以及一般的函数论。综合与分析的方法创造出一种新的几何学，而许多这样的方法被应用到物理学问题上去，这可能就是后来引导物理科学大踏步前进的推动力中最大的推动力。
数学史的细节不在本书范围之内，这里只想谈谈对物理学主要部门具有特别重要性的几个数学分支的轮廓。
傅立叶（Fourier）在1822年出版的讨论热传导理论的《热的分析理论》一书里，证明一个变数的函数，无论是否连续，都可以展开为那个变数的倍数的正弦级数；这个结果后来被应用到珀松（Poisson）所提出的分析方法上去。高斯（Gauss）发展了拉格朗日和拉普拉斯的研究成果，并把这种成果应用到电学上去。他并且建立了量度误差的理论。
拉格朗日列出运动的微分方程式，使动力学得到极大的进步，哈密顿（William Rowan Hamilton，1805－1865年）爵士又把这个工作推进了一步。哈密顿用一个系统中的动量与坐标去表示动能，并发现怎样把拉格朗日方程式转化为一组一阶微分方程式去决定运动。他还发明了四元数。
萨卡里（Saccheri）在1733年，洛巴捷夫斯基（Lobatchewski）在1825年和1840年，高斯在1831年和1846年，波约（Bolyai）在1832年分别对欧几里得几何学所依据的一些假定进行了讨论。1854年，黎曼（Riemann）促使人们普遍注意到非欧几里得几何学，以后凯利（Cayley）、贝尔特腊米（Beltrami）、赫尔姆霍茨（Helmholtz）、克莱因（Klein），怀德海等又做了不少工作。这些作者都指出，我们可以在数学上讨论非欧几里得空间的性质，不管这样的空间是否为感官所认识这个问题有怎样的答案。到爱因斯坦建立了现代的相对性理论的时候，他们的研究才在物理学上变得很重要。
不可秤量的流体
热的强度的概念是从人们的感官知觉而来的，温度计帮助我们去测量它。阿蒙顿（Amon- tons）利用水银改进了早期的温度计，华伦海特（Fahrenheit）、列奥弥尔（Reaumur）与摄尔絮斯（Celsius）各自确立了标度。热的传播及辐射、对流和传导三者的区别，以及热量的概念，都是后来的研究课题。虽然最敏锐的自然哲学家，如牛顿、波义耳与卡文迪什等倾向于认为热是物体质点的颤动，但在还没有同我们的能量观念相当的确定概念以前，他们的意见是不能发展的。要前进一步就需要把热看做是一种可测度的量，由一物体传到另一物体时，数量仍然维持不变。在这个观念的指导下去进行实验，就需要对热的性质给予确定而适合的表述。于是就有一种学说应运而起。这一学说认为热是微妙的，既不可见而又无重量的流体，在物体的质点间极其自由地流通。
布莱克（Joseph Black，1728－1799年）澄清了把热和温度两种概念混淆起来的看法，分别称之为热的分量与强度。他从蒸馏酒厂得到启发，研究了冰融为水及水化为汽的状态变化。他发现在这些变化里大量的热被吸收，而温度却不改变。他说这些热成了“潜热”。他以为热流体或“热质”与冰结合而成水，成为“准化合物”，热质再与水化合而成汽。他的量度说明，融解一定量的冰为水所需的热量与把同量的水加热到华氏140度所需的热量相等，但真正的数字是华氏143度。他还低估了汽化的潜热，把967度F误为810度。但这种测量要十分精确是很难的。布莱克又创立了比热的理论来解释为什么使不同物质发生相同的温度变化所需的热量是不同的，后来他的学生伊尔文（Irvine）详细地测定了一些物质的比热。这样他就创立了热量测定的方法，即量热术。热质说或热的流体说一直引导科学前进，到1840至1850年间，赫尔姆霍茨与焦耳才证明热动等价，确立了热是运动的一种方式的观念。
另一类似的流体说，或者说敌对的两流体说，引导了电的现象的研究者前进。要解释由于摩擦而带电的两个物体为什么彼此相引或相斥，可以假定电是与热相似的一种物质，是一种可加减的量。但在电的早期历史中，我们清楚地认识到有两种不同而且相反的电。玻璃与丝摩擦所生的电，可被硬橡胶与毛皮摩擦所生的电中和。为了解释这些结果，流体说假设有两种性质相反的流体或者有一种流体，它在比常量多或少时，就引起带电的状态。我们现在还在使用正电、负电等适合于单流质说的许多术语，虽然我们已经知道电不是连续的流体而是微粒的结构，这是我们在后面要说明的。当人们用起电机产生出比较大量的电，再贮蓄在来顿瓶（一个内外都贴上锡箔的玻璃瓶）一类电容器中的时候，就给实验带来很大方便。格雷（Stephen Gray，1729年）、杜费伊（du Fay，1733年）与普利斯特列（Priestley，1767年）首先分清了导电体与绝缘体，这两术语则是德扎古利埃（Desaguliers，1740年）所定出的。
人们一注意到电瓶放电的火花与声响，也就马上认识到它们与雷电相似，因而也就疑心这两种现象性质一样。怎样才能证明两行性质相同呢？怎样才能使天上的雷公服从物理学定律呢？富兰克休（BenjaminFranklin，1706－1790年）对这个问题似乎入了迷。他留下的许多信札里都描绘了不少来顿瓶放电的实验，并提到天电有熔化金属、撕破物质等效应。
在带电体尖端的放电作用的启发下，达利巴德（d’Alibard）与其他法国人产生了把闪电传导下来的念头。1752年，他们在马里地方装置了一根高40呎的铁竿，要“决定带有闪电的云是否带电的问题”。当电云在竿上经过时，竿下端即发生火花。这个实验在其他国家也重复做过，而且完全成功——事实上，圣彼得堡的里曼（Riehmann）教授竟因为在屋上装置铁竿引导雷电而当场被击毙！同时富兰克林则用风筝安全地进行了同样的实验。
在风筝主杆的顶端装上一根很尖的铁丝，约比风筝的木架高出一呎余。在麻绳的下端与手接近之处系上一根丝带，丝带与麻绳连接之处可系一把钥匙。当雷雨要来的时候，把风筝放出，执绳的人必须站在门或窗内，或在什么遮蔽下，免使丝带潮湿；同时须注意不让麻绳碰到门或窗的格子。雷云一经过风筝的上空，尖的铁丝就可从雷云吸引电火，使风筝和整根麻绳带电，麻绳另一端的纤维都向四周张开，若将手指接近，就会被其吸引。当风筝与麻绳都被雨湿，而能自由传导电火时，你若将手指接近，便会看见大量的电由钥匙流出。从这把钥匙那里可以给小瓶蓄电；由此得来的电火可使酒精燃烧，并用来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的，这样就完全证明这种电的物质和天空的闪电是同样的。
十八世纪时，人们进行了许多次加热于电气石等矿石与晶体而生电的实验，而且电鳗一类电鱼能给人以麻痹性打击的现象，也再度引起人们的注意。有人考察了它们的电器官，弄清它们给予人的打击的确是由于电的现象所致。
电力和磁力的研究开始于十八世纪末年。米歇尔和法国军事工程师库仑（Coulomb）先后在1750年左右和1784年发明了所谓扭秤，即一条轻的水平铁片，在中点上系上一根长铁丝，挂在一个玻璃匣内。库仑把一个带电的球放在铁片的一端，再拿一个带电的球与它接近，这铁片即会扭转。他又拿一块磁铁换替铁片，再用另一磁铁和它接近也可使磁铁的一极扭转。他用这个方法发现电力和磁力都随着距离平方的增加而减少，证明这些力量和牛顿证明的引力有同样的关系。他还发现电力与电荷量成正比，因而可以用电力来量度电荷。这个有关电力的定律还先后由普利斯特列和卡文迪什用另外的方法发现过。他们用实验证明任何形状的闭合带电导体里面都没有电力，所以球体内也没有电。牛顿过去用数学方法证明，如果平方反比的定律有效，一个由具有引力的物质构成的均匀球壳对于其内部的一个物体没有力的作用，而且任何别的力的定律都不会有这个结果；同样的研究也适用于电力。
力的定律既然成立，数学家就把静电学的课题拿过去，导出一系列周密的关系，在可以与观察结果比较的情况下，都证明与观察结果完全符合。导体表面电荷的分布，导体附近的电力与电位，导体与绝缘体的各种排列的电容量等，在高斯、珀松与格林的巧妙的手中，都证明可以用数学方法处理。
电是一种无重量、不可压缩的流体的学说和电是一个确定的量的观念是一致的，虽然在研究上并不是必不可少的，事实上却提出一个便于说明和研究这些现象的方便的画面。
更有历史意义的是人们的注意转向电力。与引力相同，电似乎也越过空间而作用于远处。数学家看来这不需要进一步的解释，但物理学家很快就开始推测这个空间的性质。因为这个空间竟然能传播两种表面上不同的力。我们以后会知道，这就引起了现今叫做“场物理学”的现代理论。
单位
重量与度量单位繁多，人们过去就感到十分不方便，至今仍然如此。法国人首先创立了合逻辑的、方便的十进制来代替这些繁多的单位。1791年，法国国民议会接受了一份专门委员会的报告，1799年完成了必需的量度标准，并决定采用；1812年决定自由使用，1820年强迫施行。
长度的基本单位是米，原来定为通过巴黎的地球经圈一象限的一千万分之一。但实际上，一米的长是等于摄氏零度时某一条金属棒两点间的距离。后来大地测量的精确度增高，知道米长并不恰好等于地球的经圈的一个象限的若干整分，但不加以改正。容量的单位是立特或升，应当是每边一分米（1/10米）的立方体，但以其不易量度，1901年规定为一公斤（千克）的纯水在一大气压及摄氏四度（在这温度下水的密度最大）下的容积。
质量的单位是千克或公斤，原来规定为每边一分米的纯水在摄氏四度下的质量，但现在则等于1799年勒费贝-纪诺（Lefebre－Ginneau）与法布隆尼（Fabbroni）所制定的铂铱合金标准衡器的质量。他们的工作的精确度可从吉洛姆（Guillaume）在1927年所定的最新立特值去判断，即一立特之值等于1000．028立方厘米。
时间的单位是砂，定为平均太阳日的1／86400，所谓平均太阳日是把太阳中心第一次过子午线和接连第二次过子午线之间的时间作为一年计算出来的平均时间。
1822年，傅立叶在他的《热的理论》里指出副量或导来量按基本量来表示时，有某些是纲。假设以L表长度，M表质量，T表时间，则速度u（即在单位时间内所经过的长度）的量纲为L/T或LT－1。加速度是单位时间内速度的变化，其量纲为v/T，即L／T2或LT－2。力是质量与加速度的乘积，或MLT－2；功是ML2T-2。高斯由这些动力单位导出电与磁的单位，以后还要提到。
约在1870年，达成一项国际协议，一致同意采用一项科学的量度系统，以厘米（1／100米）、克（1／1000公斤）和秒三者作为基本单位，这就是常说的厘米、克、秒（C．G．S）制。
原子论
前几章内，我们已将德谟克利特时代以来的原子哲学叙述过了。这个哲学经亚里斯多德驳斥后，在中世纪陷于停止状态，直到文艺复兴以后，才重新活跃起来。伽利略赞同这个哲学，伽桑狄用伊壁鸠鲁与卢克莱修的语言重新加以叙述；波义耳与牛顿在他们关于化学与物理学的思辨见解中也用了它。从那时以后它又被搁置，虽然它仍然渗透在科学思想中。
到了十九世纪初年，它被人重新提出，以解释固、液、气物质三态的物理性质，以及化学变化上的定量事实。
推翻燃素说以后，人们对物质的三态或三相有了更清楚的认识。物质虽然有三态，我们通常认识最清楚的总是其中一态，如我们认识最清楚的水经常是液体；但水可变为三态中的任何一态，如冷凝则为冰，蒸发则为汽。随着这种认识的进步，人们开始研究化学化合定律。气体的化合定律，最容易发现，因此，气体就不再是一种神秘的、半灵魂的实体，而与其他物体发生关系了。
根据精密分析的结果，人们，尤其是拉瓦锡、普鲁斯特（Proust）与李希特（Richter）等发现一个化合物始终丝毫不差地由同量的成分所组成（在当时达到的精度下），这个定量化合的观念，在新化学的体系中起了重要作用，虽然它和贝尔托莱（Berthollet）的有分量的见解是不相合的。水不论是怎样得来的，总是氢与氧按1与8的比例而合成的。因此我们得到化合重的观念，如以氢的化合重为1，则氧的化合重为8。两种元素以多种方式化合成多种化合物时，一化合物中两种成分的比例与另一化合物中两种成分的比例，常有简单的关系：在一化合物中14分氮与8分氧化合，在另一化合物中则与16分氧化合，恰为前者的两倍。可是在同位素发现后，这种定量化合的概念稍有改变，以后还要谈到。
约翰·道尔顿（J.Dalton，1766-1844年）是威斯特摩兰（West morland）一个手机织工的儿子，在他做小学教员的稀少闲暇里，学得一些数学与物理学的知识。他在曼彻斯特得着一个教书的位置，开始他对气体的实验。他看到气体的性质最好用原子论去解释，后来他把这种观念应用到化学上去，指出可以把化合的现象解释为具有确定重量的相异质点的结合，而每一元素的质点都有其特定的重量。他说：
物体有三种不同的区分或三态，特别引起哲学的化学家的注意，即弹性流体、液体与固体三词所代表的状态；我们所熟悉的很有名的例子是水，它在某些情况下，可以具有三种状态。在蒸汽，我们看见它是完全弹性的流体，在水，是完全的液体，在冰，是完全的固体。这些观察结果默默地引到一个似乎得到公认的结论：凡有相当大小的物体，不管它是液体式固体，都是由无数极微小的质点或原子所组成，他们为一种引力所束缚，这种引力因情况不同而有强弱的差异。……
化学的分解与合成不过是把这些质点分开或联合。物质的新创或毁灭是不在化学作用的能力范围之内的。我们要想创造或毁灭一个氢的质点，和在太阳系里增加一颗新的、或毁灭一颗固有的行星，一样的不可能。我们所能做到的改变，只是把粘着状态下或化合状态下的质点分开，以及把原来分离的质点联合起来而已。
在一切化学研究里，人们都正确地认为，弄清化合物中简单成分的相对重量，是一个重要的目标。不过，不幸的是，过去化学的研究就停止在这里；人们本来很可以从物质的相对重量，推出物体的终极质点或原子的相对重量，由此看出，它们在各种其他化合物中的数目与重量，用来帮助和指导我们未来的研究和改正研究的结果。因此，本书的一个重大目标，就是说明测定下列几个量的重要性和好处：单体与化合物中终极质点的相对重量，组成一个复杂质点的简单基本质点的数目，参与构成一个较复杂质点的比较不复杂的质点的数目。
如果有A与B两个可以化合的物体，以下为从最简的化合开始的各种化合的可能次序，有：
A的1原子＋B的1原子＝C的1原子，二元的。
A的1原子＋B的2原子＝D的1原子，三元的。
A的2原子＋B的1原子＝E的1原子，三元的。
A的1原子＋B的3原子＝F的1原子，四元的。
A的3原子＋B的1原子＝G的1原子，四元的。
我们可以采取以下的通则，作为一切关于化学化合的研究的指针：
1．如果两物体化合时只得出一种化合物，我们必须假定这种化合是二元的，除非有某种造成相反情况的原因出现。
2．如果发现有两种化合物，则必须假定它们一个是二元的，一个是三元的。
3．如果有三种化合物，则可预料一个是二元的，其他两个是三元的……等等。
把这些规则应用到已经查明的化学事实上去，我们得到以下的结论：1．水是氢与氧的二元化合物，这两种元素的原子的相对重量约为1：7；2．氨是氢与氮的工元化合物，这两种元素的原子的相对重量约为1：5；3．氧化氮的气体是氮与氧的二元化合物，它们的原子重量为5与7；4．氧化碳是由一个碳原子与一个氧原子构成的二元化合物，共重约为12；碳酸气是三元化合物（有时也是二元的），它有一个碳原子和两个氧原子，共重为19；等等。以上各种情形，都是以氢元素的原子为单位来表达其他元素的重量。
道尔顿的叙述，自然包含着当时难免的错误：例如他将热看做是一种微妙的流体；他的化合重量也不精确，如以氢为单位时，氧的重量应该是8，而他定为7。他假定，如两种元素的化合物只有一种，便应看做是一个原子与另一个原子的结合。这种假定也不是普遍适用的，因此，他对于水和氨的结构才有错误的观念。虽然这样，道尔顿把模糊的假说变成了确定的科学理论，的确取得科学史上的重大进步之一。
道尔顿在小圆圈中加上点、星和十字等记号来代表元素的原子。这个方法后来为瑞典化学家柏采留斯（Berzelius，1779－1848年）加以改进，形成我们现今所用的体系，即用字母为符号去代表同一个元素的原子量相当的该元素的相对质量。例如H不是模糊地代表氢元素，而是代表等于1（1克、1磅或其他单位）的氢的质量；O代表等于同一单位的16倍的氧元素的质量。
柏采留斯的主要实验工作，是在当时可能范围内，用最大的精确度来测定原子量，或者说等价的化合曼。他也发现了几个新元素，研究过许多化合物，更在矿物学的研究上，揭开了一个新的篇章。他与戴维（Davy）联合确立了电化学的基本定律，并且看到电极性与化学余合力之间的密切关系。他把这观念推广得太远，而为当时所难了解：他认为一切原子都含有阳电或阴电由于其相对力量，它们才化合。他认为每一化合物都是带异性电的两部分所组成。如果几个化合物互相化合，我们可以设想那是由于多余的异性电荷的作用。这个二元论的理论不够应付日益增进的知识，到有机化学兴盛时，就为基型说所代替了。现在我们明白化学和电两种现象有密切的关系，不过不如柏采留斯所想象的那样简单。
当人们对气体化合现象加以更广泛的研究时，道尔顿原来的原子观念，便表现出有缺陷。盖伊－吕萨克（Gay－Lussac，1778－1850年）表明气体化合时，其容积常有一定的简单比例，阿伏伽德罗伯爵（1776－1856年）在1813年指出：根据道尔顿的理论，和盖伊－吕萨克的观测，我们可以推断一切同容积的气体所含的原子数，必定彼此有简单的比例。安培于1814年独立得到相同的结论，但被人忘记或忽视了，到1858年，坎尼查罗（Cannizzaro）才再度澄清了这个问题。到那时，人们才从气体化合的事实以及从物理学的考虑看出，有必要把化学上的原子和物理学上的分子区别开来。化学上的原子是物质参加化合的最小部分；物理学上的分子，是能自由存在的最小质点。表达阿伏伽德罗假设的最简单方法，是假定同容积的气体含有同数的分子。以后我们还要说明这结果可用数学方法从物理学上的一个理论推导出来，这个理论假定气体的压力是由于它的分子常在不断地运动和碰撞而产生的。
但回到水的问题来，二容积（即二分子）的氢与一容积的氧化合，而得二容积（或二分子）的水汽。解释这些关系最简单的理论，是假定物理学上的氢分子与氧分子，每一分子都含两个化学原子，而水汽分子具有可以用H2O代表的化学结构，因而这变化可以下列方程式去表示：
2H2 ＋O2 ＝ 2H2O
（2容积）（1容积）（2容积）
这样，既然氧的化合量是8，而一个氧原子可以和两个氢原子化合，如果取氢的原子量为单位，则氧的原子量应是16而非8。所以在决定各元素的原子量以前，我们必须将道尔顿的化合量加以调整，使之合于后来实验所发现的事实。首先按照所有证据系统地进行了这番工作的就是坎尼查罗。
由于一个氧原子和两个氢原子化合，我们就说氧的原子价是2。原子价的观念，是以后许多年间大部分化学思想的基础。
已知的元素已经由道尔顿所认识的二十个增加到现在的九十多个。元素发现的工作，是夜间歇不定中进行的。当一个新的研究方法应用到化学问题的时候，就常常会发现一串新元素。电流的分解力使戴维爵士（1778－1829年）在1807年分离出碱金属的钾与纳。稍后光谱分析使我们发现铷、铯、铊、镓等物质。放射性的方法使我们发现了镭和它同族一类元素，阿斯顿的摄谱仪又使我们发现了许多同位的元素。
1815年，普劳特（Prout）就已经在研究元素的原子量与其物理性质之间的关系，随后纽兰兹（Newlands）与德·肖库土瓦（deChaucourtois）也研究了这个问题。1869年，迈耶尔（Lothar Meyer）与俄国化学家门得列耶夫（Mendeleeff，1834－1907年）成功地证实了这种关系。门得列耶夫把元素按其原子量的顺序，由轻到重排成一个表时，发现它们有一种周期性——象纽兰兹所指出过的那样，每第八个元素都有一些相同的性质，一切元素可以照这样排成一表，使同性质的元素归到一栏里去。利用这样制成的周期表，可以把正确的原子量给与原子价未定的元素，表中的空白由门得列耶夫根据假设加以填补，这样他就预言了一些未知元素的存在及其性质，其中一些后来竟被人发现了。
门得列耶夫认为他的周期表只是纯粹经验事实的叙述。但这样的关系却下可避免地使人回到物质有共同基础的老观念上去。许多人以为这个共同基础可能就是氢，他们想证明如以氢的原子量为单位，其他元素的原子量全都是整数。虽然许多元素的原子量接近整数，但有几个元素，例如氯（CI＝35．45）顽固地不遵从这个方案，斯塔斯（Stas）等人增加测定原子量的精确度以后，也不能消除这个偏差。要证明物质具有共同基础并把原子量归结为整数，还得等候半个世纪；这种工作是当时的实验和理论能力办不到的。
电流
我们在上面叙述的各种类型的起电仪器，都主要是用来把静电荷赋予某种绝缘体的。的确，如果使起电机接地，形成一个导电通路，则在这电路中就有一点电流通过。不过，就是在最优良的摩擦起电机中，每一秒钟通过的电量也都非常之少，以致要想在这电路上发现电流，那是很困难的，虽然，如果在导线中留一个空气间隙，则这起电机所生的高电位差，可以产生可见的火花。
十九世纪初，伽伐尼或伏特电池的发明，开辟了一个新的研究领域。这种电池引起了一系列现象，最初，称为伽伐尼流，经过许多人的努力，慢慢地和另外一系列以电得名的现象联系起来。我们终于明白所谓伽伐尼流，正是电的流动，只是和起电机所生的电量比起来，大很多，但其电位差却比电机所生的电位差小得不计其数。由于在电路的任何一点上都不能发现积存的电，我们也不妨把电流比做一种不可压缩的流体在不可伸长的刚性管内的流动。
伏特电池是由于偶然的观察而发现的。这个发现，最初似乎要引到另外一个方向去。1786年左右，意大利人伽伐尼发现蛙腿在起电机的放电的影响下发生收缩。在这次观察之后，他又发现：如果使神经和肌肉同两种不相类似的金属连接起来，而使金属互相接触，也可以得到同样的收缩。伽伐尼把这些效果归因于所谓“动物电”；后来，另外一个意大利人帕维亚的伏特（Voita of Pavia）出来，证明这种基本现象并不依赖于一种动物物质的存在。1800年，伏特发明了以他的姓得名的电池。在十九世纪初年，这种电池成为一种研究的工具，在伏特和他的同时代的别国人手中，产生了一些很有趣味的结果。当时的科学杂志登满了奇异的新发现的消息。当时的人都用极大的热情去研究这些发现，其热烈的程度，不亚于一世纪以后，人们阐释气体中的放电与放射现象时，所表现出的那种热忱。
伏特所制的电池，是用一串锌盘、铜盘以及为水或盐水浸湿的纸张，按下列次序相叠而成的：锌，铜，纸，锌，如此类推……最后是一个铜盘。这样一种组合，其实就是一个原始的原电池组。每一对小盘为浸湿的纸隔开，而成一个电池，造成少许电位差。这些小电池的电位差加在一起，便成了电池组铜锌两端的相当大的总电位差（或不恰当地叫做电动力）。另一种装置法是把若干装有盐水或稀酸的杯子集合在一起，每个杯子装置一块锌片和一块铜片。前一杯子的锌片与次一杯子的铜片相联，这样一直继续下去，留下最先一个锌片和最后一个铜片，作为电池组的两极。伏特以为效果的来源在金属的联接处；因此圆盘和两极的金属片的次序才如以上所述。这些金属片或圆盘不久便发现是无用的，虽然它们在这种仪器的早期图画中占有重要地位。
如果我们从伏特的电池取用电流，其强度便迅速地衰减，主要由于铜片的表面上生了一层氢气膜。这种电极化，可用硫酸铜溶液围绕铜片来阻止，这样生成的物质是铜而非氢；或用碳棒代替铜片，把它放在氧化剂如硝酸或重铅酸钾的溶液中，这样所产生的氢气就立刻变为水。
化学效应
当伏特的发现的消息在1800年传到英国时，立刻就有人进行广一些基本观察，促成了电化学的诞生。尼科尔森（Nicholson）与卡莱尔（Carlisle）在把伏特电池的原来装置加以改变时发现：如果用两条黄铜丝连结电池的两极，再将两线的他端浸在水中，并使其互相接近，一端有氢气发生，另一端的黄铜线被氧化。如用白金丝或黄金丝来代替黄铜丝，则不发生氧化，氧以气体状态出现。他们注意到氢气的容积约为氧气的二倍，这正是氢氧二气化合成水的比例。他们说明这种现象就是水的分解。他们还注意到使用原来的装置时，电池内也有类似的化学反应。
不久，克鲁克香克（Cruichshank）分解了氯化镁、碳酸钠（苏打）和氨（阿摩尼亚）溶液，并且从银和铜的溶液中，将这些金属沉淀出来。这一结果以后导致电镀的方法。他又发现在阳极周围的液体变成碱性，而阴极周围的液体变成酸性。
1806年，戴维爵士（1778-1829年）证明酸与碱的形成是由于水中的杂质的缘故。他在以前已经证明，即使将电极放在两个林中，水的分解也可进行，但须用植物或动物材料将两个杯子联接起来。同时他还证明电效应与电池内化学变化有密切关系。
伏特认为伽伐尼现象与电是同一现象。这个问题成了许多人研究的题目。到1801年，沃拉斯顿（Wollaston）证明两者发生相同的效果之后，才确定两者确是同一现象。1802年，埃尔曼（Erman）使用验电器测量了伏特电池所提供的电位差。这时，才明白老现象表现“紧张中的电”，而新现象表现“运动中的电”。
按照公认的惯例，我们一致同意假定电向所谓正电方向流动，即在电池内由锌版流到铜版（或碳棒），在电池外沿着导线由铜流到锌。根据这个惯例，铜版称为电池的正段，而锌版称为负极。
1804年希辛格尔（Nisinger）与柏采留斯宣布中性盐溶液可用电流分解，酸基出现于一极，金属出现于另一极，因而他们断定：新生性的氢元素并不象以前所假想的那样，是金属从溶液中分离的原因。在当时所知道的金属中，有许多都用这个方法制备出来了，1807年，戴维更分解了当时认为是元素的碳酸钾与碳酸钠。他让强电流通过含水的这两种物质，而分离出惊人的钾与纳金属。戴维是康沃尔城（Cornwall）人，聪明、能干而又会讲话，他做了那时新成立皇家学院的化学讲师，他的讲演趣味丰富，吸引了许多人士参加。
化学化合物可以用电的方法来分解，说明化学力与电力之间是有联系的。戴维“提出一个假设，说化学的吸力与电的吸力同生于一因，前者作用在质点上，后者作用在质量上”。柏采留斯更将这看法加以发展。我们已经说过，他认为每个化合物都由带相反的电的两份结合而成，这带电的部分可能是一个或一群原子。
一个可注意的事实是分解的产物只出现于两极。早期的实验者已经注意到这现象，并提出各种不同的解释。1806年，格罗撤斯（Grotthus）设想这是由于溶液中的物质不断地在那里分解与复合，在两极间，互相邻接的分子互换其相反的部分，在这条联链的两端，相反的原子就被释放出来。
在电化学方面的最初发现以后，中间停顿了一个时期，到后来，大实验家法拉第（Michael Faraday，1791－1867年）才重新拾起这问题来。法拉第是戴维在皇家学院实验室的助手与继承人。
1833年，法拉第在惠威尔的建议下，制定一套新名词，至今还在使用。他不用pole（极）这个字，因为它含有相引相斥的陈旧观念，而采用electrode（电极）（&&&s＝路径）一词，将电流进入溶液的一端叫做anode（阳极），出来的一端叫做Cathode（阴极）。化合物的两部分，循相反的方向在溶液中行动的，叫做ions（离子）（io＝我去）；走向阴极的叫cations（阴离子），走向阳极的叫ani－ons（阳离子）。他又用electrolysis（电解）（0。一分解）一词来代表整个过程。
经过一系列的巧妙的实验，法拉第将复杂的现象归纳成为两个简单的结论，即我们所说的法拉第定律。（1）不管电解质或电极的性质是什么，由电解所释出之物的质量与电流强度及通电时间成比例，换句话说即与通过溶液的总电流量成比例。（2）一定量的流量所释出之物的质量与这物质的化学当量成比例．即不与原子量，而与化合量成比例，亦即与原子价除原子量的数值成比例；例如释放1克氢元素，必出现16＋2即8克的氧元素。通过一单位电流所释出之物的质量叫做该物质的电化当量。例如1安培的电流（即C．G．S．单位的1／10）通过酸溶液1秒钟之后，即有1．044×10[－5]克的氢被释出来，如用银盐溶液即有0．00118克银分离出来。这样分离出来的银的重量很容易加以精确的秤量，所以后来竟把它作为电流的实用单位即安培的定义。
法拉第的定律似乎可以应用于一切电解情况；相同的一定电流量总是释放出单位当量的物质。电解必须看做是游动的离子在液体中带着相反的电到相反的方向去。每一离子带一定量的正电或负电，到电极时就释放离子，而失去电荷，只要电动力的强度可以胜过反对的极化力。后来赫尔姆霍茨说：法拉第的工作表明，“如果接受元素是由原子组成的假设，我们就不能不断定：电也分成一定的单元，其作用正和电的原子一样”。如此说来，法拉第的实验不但成为理论电化学及应用电化学以后的发展的基础，而且也是现代原子与电子科学的基础。
电流的其他性质
虽然早期实验者的注意主要集中在伽伐尼电流的化学效应上，他们也没有忽视其他现象。不久他们便发现；当电流通过任何导线时，就有热发生，多寡依照导线的性质而不同。这种热效应在现今的电灯、取暖等方面，有极大的实用价值。另一方面，1822年，塞贝克（Seebeck）发现两种不同金属联接成闭合线路时，在其接头处加热，便有电流发生。另外一个更有兴趣的现象是：电流具有使磁针偏转的力量。1820年，哥本哈根的奥斯特（Oersted）发现这一现象。他看见这效应穿过玻璃、金属和其他非磁性的物质而达到磁针。他还认识到，他或他的翻译者所谓的“电冲突”“形成圆圈”，按照我们现在的说法就是：在长而直的电流周围有圆形的磁力线。
人们，特别是安培（Andre Marie Ampere，1775－1836年）立刻认识到奥斯特的观察结果的重要性，安培指出，不但磁针受了电流周围的力的作用，电流自己也互相发生作用。他用活动的线圈进行实验，来研究这些力的定律，并据数学证明：一切观察到的现象都符合以下的假设：每一长度为dl的电流元，必在其外面的一点上产生cdlsin O／r2的磁力，式内c表电流的强度，r是电流元与这一点之间的距离，O是r与电流方向之间的角度。这样，由电流所生的力又归结到平方反比的定律，因此就同万有引力及磁极间、电荷间的力一致了。这又是走向“场物理学”的另一步。
自然，这种电流元不能用实验分离出来，但是按照安培的公式，将所有电流单元的效应都加合起来，我们就能计算出电流附近的磁场。
根据安培的公式，我们也能算出磁场内的电流所受的机械力。在空气中磁极强度m所造成的磁力为m／r2，所以m＝cdlsin θ。在磁场H中。所受的机械力是Hm，所以在空气中安培的电流元所受的力为Hcdl sinθ。从这个公式计算实际电路上的机械力，不过是数学问题而已。
远距通信是从眼睛看得见的信号开始的。散布乡间的许多“烽火台”，是久已废弃的信号岗位的遗迹。它们曾把拿破仑登陆的消息迅速地传达到了伦敦。电方面的每一个新发现都促使人们提出一些使用电报通信的意见，但在安培把他研究电磁所得的结果加以应用以前，这些意见都没有什么结果。在安培的成果发表以后，实际机器的发明与采用，就仅仅是机械师的技巧与金融界的信任问题了。
1827年左右，欧姆（Georg Simon ohm， 1781-1854年）做出很多贡献，帮助从电的现象中抽绎出几种能够确切规定的量来。他用电流强度与电动力的观念代替了当时流行的“电量”和“张力”等模棱的观念。电动力一词相当于静电学中已经使用的“电位”。当张力或压力很高的时候，要将电从一点运到他点，必需要较多的功，因此电位差或电动力可以定义为将一单位的电由一点搬到他点时为了反抗这个电力所作的功。
欧姆关于电的研究是以傅立叶关于热传导的研究（1800－1814年）为根据的。傅立叶假设热流量与温度的梯度成正比，然后用数学方法建立了热传导的定律。欧姆用电位代替温度，用电代替热，并且用实验证明这些观念的有用。他发现：如电流由伏特电池组或塞贝克温差电偶流出，通过一根均匀的导线，其电位的降落率是一个常数。欧姆定律一般写作：电流c与电动力E成比例，
c＝kE＝E/R，
式内k是一个常数，可名为传导率，而其倒数1／k或R，称为电阻。R只随导体的性质、温度与大小而异，它与导体的长度成正比，而与其横剖面的面积成反比。这后一事实表明电流是在导体的全部质量中均匀地通过。后来发现，在很高远的交流电的情形下，还须加一些修改。
经安培与欧姆的努力之后，电流的问题已经到了新物理学的重要阶段，因为适当的基本量已经选出，并有了确定的意义，因而给数学上的发展奠定了坚固的基础。
光的波动说
十九世纪初年，还有另外一个古老的观念复活起来和确立起来，这便是光的波动说。我们说过：光的波动说在十七世纪只有胡克等人模糊主张过，后来惠更斯才给予它一个比较确定的形式。牛顿根据两个理由加以挥斥。第一，它不能解释物影，因为牛顿以为如果光是波动的话，光波也如声波那样，会绕过阻碍之物。第二，冰洲石的双折射现象说明光线在不同的边上有不同的性质，而在传播方向上颤动的光波不能有这样的差异。托马斯·杨（ThomasYoung，1773－1829年）与弗雷内尔（Augustin Jean Fresnel，1788－1827年）对这个学说赋予近代形式，而克服了这两个困难。不过有一件事是值得回忆的：牛顿以为薄膜的颜色说明光线里的微粒使以太中产生附从波。这个学说与现今用来解释电子性质的理论，惊人地相似。
杨使一束极狭窄的白光通过屏上的两个针孔，再把一个屏放在第一个屏后面。当穿过两个针孔的光线在第二屏上互相重叠时，就有一串颜色鲜亮的光带出现。这些光带是由于从两个针孔光源而来的同类光波互相干涉而形成的。如果一个光波到达第二屏所走的路程和另一光波的路程的相差数恰为波长的一半，则这一光波的峰与另一光波的谷就恰好相遇，结果就产生黑暗。如果两个光波前进的路程恰恰相等，两者的波峰就恰好相遇，光亮也就加倍。我们实际所看见的光是由白光除掉一个波长的光所留下的多色光。如果我们不用多色混成的白光，而用单色光作实验，则所得的将是明暗相间而非彩色的光带。
由所用的仪器的尺寸以及光带的宽度，我们可以计算出各种单色光的波长。这些波长经证明是非常之短，其数量级为一时的五万分之一，或一毫米的二千分之一，和牛顿认为易反射和易透射的间歇长度恰相符合。由此可见，在光线的路径中，一般障碍物的大小比光波的长度大得很多，而且数学上的研究证明，如果我们假定一个前进的波阵面分解为无数同心圈，都环绕着与人目最接近的波阵面上的一点，那么，除了挨近那一点的同心圈之外，其余的同心圈必因干涉而相消，因而我们眼睛所看见的只有沿着直线而来的光。这样，光差不多只沿直线进行，遇着障碍物而弯曲的现象只限于微小的衍射效应。
牛顿的第二困难为弗雷内尔所克服。胡克偶尔提到光波的颤动，可能与光线的方向相正交，弗雷内尔指出这个提示说明一线光在各方向上可能有不同的性质。如果我们看看一个前进光的波阵面，它的线性颤动非上下的即左右的。这样的线颤动应产生所谓平面偏振光。如果一块晶体在一位置上只能让一个方向的颤动通过，第二块同样的晶体沿着晶轴旋转90度之后，必将通过第一晶体而来的光完全遮断。这正是光线通过冰晶石的现象。
弗雷内尔利用数学将光的波动说发展到很圆满的境界。虽然还有一些困难，但大体说来，他的完善的学说与观测到的事实异常符合。他和他以后的人如格林、麦克卡拉（MacCullagh）柯西（Cauchy）、斯托克斯（Stokes）、格莱兹布鲁克（Glazebrook）等人经历一个世纪，才把古典的光的波动说确立起来。
如果光波是与其前进的方向成正交的，则其媒质必须具有使这样的波能在其中传播的结构。气体与液体都不能具有这种结构。因此，如果光是机械式的波动，则传光的以太必定有与固体类似的性质：即它必定带有刚性。这就是把以太看做是有弹性的固体的许多学说的开端。怎样才能把光的媒质所必需的这种性质和行星的运动没有遇到可观的阻力的事实调和起来呢？十九世纪头七十年的许多聪明物理学家为此绞尽了脑汁。为了解释这种必要的刚性，后来甚至有人设想以太具有回转仪式的旋转运动。
正如爱因斯坦所指出的，光的波动说的成功，在牛顿物理学中打开了第一道缺口，虽然当时没人知道这个事实。牛顿把光看做是在空间中运行的微粒的学说，和他的别的哲学很相配合，可是这些微粒为什么只以一个不变的速度运动，很难了解。但等到人们开始把光看做是波动的时候，再要相信一切实在的东西都是由在绝对空间里运动的微粒所组成的，就已经不可能了。以太是为了保存机械观点而臆造出来的，只要可以把光看做是在类似刚体的煤质中传播的机械波动，以太就完成了这个任务，可是，如果假定以太无所不在，它已经在某种意义上与空间本身合而为一了。但法拉第指出空间也有电和磁的性质，到麦克斯韦证明光是电磁波时，以太就不必一定是机械的了。
光的波动说揭开了现今所谓场物理学的第一章。由法拉第和麦克斯韦的工作写成第二章，把光与电磁联系起来。在第三章里，爱因斯坦用几何学来解释万有引力。也许有一天，万有引力可能和光与电磁波在更大的综合里联系起来。爱丁顿就一直在作这样的努力。
电磁感应
由静电的感应而生的静电荷以及磁石对于软铁的类似作用，使早期实验者想到利用伏特电池发出的电流也许可得同样的效果。例如法拉第就用两根绝缘线按螺旋的形式缠绕在同一根圆木筒上，但是，当他使强电流不断地通过一根螺旋线时，他在另一螺旋线里的电流计上，没有发现有什么偏转。
他的第一个成功的实验，在电学史上打开了一个新纪元。1831年11月24日，他向皇家学会这样描写这次实验
把一根203呎长的铜丝缠在一个大木块上，再把一根长203呎的同样的钢丝缠绕在前一线圈每转的中间，两线间用绝缘线隔开，不让金属有一点接触。一根螺旋线上连接有一个电流计，另一根螺旋线则连接在一套电池组上，这电池组有100对极版，每版四时见方，而且是用双层铜版制造的，充分地充了电。当电路刚接通时，电流计上发生突然的极微小的效应；当电路忽断的时候，也发生同样的微弱效应。但当伏特电流不断地通过一根螺旋线时，电流计上没有什么表现，而在另一螺旋线上也没有类似感应的效应，虽然整个螺旋线的发热以及碳极上的放电，证明电池组的活动力是很大的。
用120对极版的电池组来重做这个实验，也未发现有别的效应，但从这两次实验，我们查明了一个事实：当电路忽通时，电流计指针的微小偏转常循一个方向；而当电路忽断时，同样的微小偏转则循另一方向。
到现在为止，我用磁石所得的结果，使我相信通过一根导线的电池电流。实际上在另一导线上因感应而产生了同样的电流，但它只出现于一瞬间。它更带有普通来顿瓶的电震产生的电浪的性质，而不象从伏特电池组而来的电流；所以它能使一根钢针磁化，而很难影响电流计。
这个预期的结果竟得到了证明。因为用缠绕在玻璃管上的中立的小螺旋线来代替电流计，又在这个螺旋线里安装一根钢针，再如前把感应线圈和电池组连结起来，在电路未断以前将钢针取出，我们发现它已经磁化了。
如先通了电，然后再把一根不曾磁化的钢针安放在小螺旋线内，最后再把电路切断，我们发现钢针的磁化度表面上和以前一样，但是它的两极却与以前相反。
用现今的灵敏电流计，我们很容易重做法拉第的实验。只须用一个伏特电池作为原电流，而使原电路与副电路作相对的移动，或用一个永磁铁和一个与电流计相联的线圈作相对移动，都可以证明有同样的暂时电流的发生。法拉第电磁感应的发现，为后来工业的大发展奠定了基础。差不多一切实用上重要的电力机器，都是根据感应电流的原理制成的。
电磁力场
安培发现电磁定律，用数学公式把它表达出来以后，就感到满足，没有再去探索这种力靠什么机制传播了。但承继他的法拉第，不是数学家，对于中介空间或电磁力场的物理性质与状态特别感到兴趣。如果把一块纸版放在磁捧之上，再拿一些铁屑散布在纸版上，这些铁屑将集合成许多线，表明磁力是沿这些线而起作用的。法拉第想象这样的力线或力管将磁极或电荷连结起来，真的存在于磁场或电场之中，它们也许是极化了的质点所组成的链。如果它们象橡皮条那样，处在紧张状态之下，向纵的方向拉长，而向横的方向压缩，那么它们会在煤质中伸展出去，而将磁极或电荷向一起拉拢，这样可以解释吸引的现象。不论实际是否这样，用法拉第的力线，来表示绝缘的媒质或电场中的应力与应变的现象，实在是一个便利的方法。
法拉第又从别的方面研究了电介质的问题。他发现在导体周围的空气为虫胶或硫一类绝缘体所代替时，导体的静电容量，即在一定电位或电压下它能负荷的电量，便有增加；这个增加的比例他叫做那个绝缘体的电容率。
法拉第的见解超过了他的时代，而且他用来表达这些见解的术语，也不是当时所熟习的。三十年后，麦克斯韦将这些见解翻译成数学的公式，并发展为电磁波的理论时，它们的重要性才被人认识（在英国立刻就被人认识，在其他国家比较慢）。这样，法拉第就奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚决主张电磁力场具有极大重要性，这也是现代场物理学理论有关电的方面的历史起点。
电磁单位
我们得感谢两位德国的数学物理学家高斯（1777－1855年）与韦伯（W．E．Weber，1804－1891年），因为他们发明了一套科学的磁与电的单位。这种单位不是根据和它们同类的量任意制定的，而是根据长度、质量与时间三种基本单位而制定的。
1839年，高斯发表了他的《按照距离平方反比而吸引的力的一般理论》一书。电荷、磁极以及万有引力都适合这个关系。这样，就可以给单位强度的电荷或磁极下这样的定义：同相等的类似电荷或磁极在空气中相距一单位（1厘米），而以一单位的力（1达因）对该电荷或磁极加以排斥的电荷或磁极。如果用另一介质来代替空气，这个力就按一定的比例减少，他用k来代表电力，u代表磁力。k就是法拉第的电容率，在这里成为介质常数，u这个量后来叫做介质的磁导率。在这个基础上高斯建立了一个宏伟的数学演绎的大厦。
安培与韦伯由实验证明带电流的线圈，与同大小同形式的磁铁的作用相同，一个圆圈电流与一个在正交向上磁化的圆盘等效，所以一面是指北极，另一面是指南极的。这样单位电流可定义为和单位磁力的磁盘等效的电流。根据这个定义，可以用数学方法导出如下结果：圆圈电流中心的磁场（即作用于单位磁极的力）等于2xc／r，这里c是电流的强度，r是圆圈的半径，这个算式自然与由安培公式所导出的结果相合。所以只要将一颗小磁针悬挂在一大圆线圈的中心（这种装置就是现今所说的正切电流计），再于电流通过线圈时，观测磁针的偏转，我们就可以以绝对单位或厘米一克-秒（C．G．S．）单位去测量电流。常用的电流单位（安培）按规定是上面所说的单位的十分之一，不过，多年以来为了实际应用与测量便利，一直是根据电解时析出银的重量来做电流单位的标准，如上面所谈到的。现在又有人提议重回到理论的定义上去。
热与能量守恒
在十八世纪和十九世纪中，由于蒸汽机的发展，热学成为一门具有非常重要的实际意义的科学，这反过来引起人们对于热学理论的重新注意。
我们以前说过，按照热质说，热是一种不可秤量的流体。这个学说在启发和解释测量热量的实验方面起过有益的作用。但作为物理的解释，分子激动说更合于敏锐的自然哲学家如波义耳和牛顿的口味。1738年，别尔努利（Daniel Bernouilli）指出，如果将气体想象为向四面八方运动的分子，那末这些分子对盛器的壁的冲击，便可解释气体的压力，这压力又必因气体被压缩与温度的增高而按比例增加，正如实验所要求的那样。
热质论者解释摩擦生热的现象时，假定摩擦生出的屑末或摩擦后最终态的主要物质的比热比摩擦以前的初态物质要小一些，因而热是被逼出而表现于外的。但在1798年，美国人汤普逊（Benja-min Thompson后来在巴伐利亚成了朗福德伯爵Count Rumforo）用钻炮膛的实验证明发热的量大致与所作的功的总量成正比，而与削片的量无关。可是热的流体说仍然存在了半个世纪。
不过，到1840年，人们就开始了解自然界里各种能量至少有一些是可以互相变换的。1842年，迈尔（J．R．Mayer）主张由热变功或由功变热均有可能。迈尔在空气被压缩的时候，所有的功都表现为热的假定下，算出了热的机械当量的数值。同年，英国裁判官兼科学家、以发明一种伏特电池著名的格罗夫（W．R．Grove）爵士，在一次讲演中说明了自然间能量相互关系的观念，并在1846年出版一本书《物理力的相互关系》中，阐述了这个观念。这本书和1847年德国大生理学家、物理学家与数学家赫尔姆霍茨（H.L．F
vonHelmholtz，1821－1894年）根据独立的研究写成的《论力的守恒》，是一般地论述现今所谓的“能量守恒”原理的最早著作。
1840至1850年间，焦耳（J.P.Joule，1818-1889年）以实验方法测量了用电和机械功所生的热量。他先证明电流通过导线所生的热量，与导线的电阻和电流的强度的平方成正比例。他压水通过窄管或压缩一定量的空气或使轮翼转动于液体中，而使液体生热。他发现不管用什么方式作功，同量的功常得同量的热，根据这个等值的原理，他断定热是能量的一种形式。虽是这样，“经过多年之后，科学界领袖才开始赞同这种看法”，虽然斯托克斯告诉威廉·汤姆生（William Thomson）：“他宁愿做焦耳的一个信徒”。 1853年，赫尔姆霍茨访问英国时就已经看见许多人对这个科学问题发生兴趣，他到法国时又看见雷尼奥（Regnaull）已经采取了新的观点。焦耳的最后结果表明：使
焦耳用热与功等价的明确的实验结果，给予格罗夫所主张的“力的相互关系”、和赫尔姆霍茨所倡导的“力的守恒”的观念以有力的支持。这个观念就这样发展成为物理学上以“能量守恒”得名的确定原理。能量作为一个确切的物理量，在那时的科学上还是新东西。这个名词所表示的观念，曾经用不准确的、具有双重意义的“力”一词来表达。托马斯·杨指出，这样就把“能量”和“力”混淆起来了。能量可以定义为“作功的力”，而且如果两者的转换是完全的，能量便可以用所作的功来测度。“能量”一词用于这种专门的意义应归功于兰金（Rankine）与汤姆生。汤姆生采用了托马斯·杨所提出的把力和能量区别开来的主张。
焦耳的实验证明在他所研究过的情况里，一个体系中能的总量是守恒的，功所耗失之量，即作为热而出现。一般的证据引导我们把这个结果推广到其他的变化上去，例如机械能变为电能，或化学能变为动物热之类。直到近年为止，一切已知的事实都适合于这句话：在一个孤立的体系中，总的能量是守恒的。
这样确立的能量守恒原理可以和较早的质量守恒原理相媲美。牛顿的动力学的基础就在于这样一种认识：有一个量，－－为了便利起见，称为一个物体的质量——经过一切运动而不变。在化学家手里，天秤证明：这个原理在化学变化中也一样地有效。在空气中燃烧的物体，它的质量并不消失。如果把所产生的物质收集起来，它们的总量必等于原物体与所耗的空气的份量的总和。
能量也是这样的：质量以外的另一个量出现在我们的意识里，主要是因为它经过一系列的转换仍然不变。我们觉得承认这个量的存在，把它当作一个科学的概念，并且给它起一个名字，是有种种便利的。我们称它为能或能量，用所作的动量或发生的热量来测量它的变化，并且费了许多工夫，经过许多疑惑，才发现它的守恒性。
十九世纪的物理学，没有一个方法可以创造或毁灭质与能。二十世纪出现了一些迹象，说明质本身就是能的一种形式，从质的形式转变为能的形式并非不可能的事，但直到近些年为止，质与能是截然不同的。
能量守恒的原则，约在1853年为汤姆森（Julius Thomsen）首先应用于化学。他认识到在化学反应里所发出的热是这个系统的合能量在反应前后的差异的衡量尺度。既然在一个闭合的系统中，最后的能量和最初的能量必然是相同的，因此，在某些情况下，我们就有可能预言这个系统的最后状态，而不必顾及中间的步骤，也就是一步跳到一个物理问题的解答，而不必探究达到目标的过程，象惠更斯对于某些比较有限的力学问题所做过的那样。由于这个实际的用途和它固有的意义，能量守恒原理可以看做是人类心灵的重大成就之一。
但是它有自己的哲学上的危险性。由于质量守恒原理和能量守恒原理在当时可以研究的一切情况下无不有效，这两个原理就很容易被引伸为普遍的定律。质量成了永恒而不灭的；宇宙里的能量，在一切情形下及一切时间内都成了守恒而不变的。这些原理不再是引导人们在知识领域内凭借经验逐渐前进的万无一失的响导，而成了有效性可疑的重要哲学教条了。
气体运动说
1845年，瓦特斯顿（J．J．Waterston）在一篇手稿备忘录中，进一步发展了由于热与能统一起来而显得更加重要的气体运动说。这篇备忘录在皇家学会的档案搁置多年而被人遗忘了。1848年，焦耳也研究了这个问题。这两位科学家把这个理论推进到别尔努利所没有达到的地步，并且各不相谋地算出分子运动的平均速度。1857年，克劳胥斯（Clausius）才首先发表了正确的物质运动说。
由于分子碰憧的机会很多，而这种碰撞又假定带有完全的弹性，所以在任何瞬间，所有的分子必定向一切方向，带着一切速度而运动。全部分子的平动总能量可以量废气体的总热量，而每一分子的平均能量可以量废温度。从这些前提，我们可以用数学方法推导出气体的压力P等于1/3nmV2，这里n是单位容积中的分子数，m是每个分子的质量，V2是气体速度平方的平均值。
但nm是单位容积中气体的总质量，即是它的密度，所以如果温度和V2不变，则气体的压力与其密度成正比例，或与其容积成反比例，这是波义耳由实验发现的定律。如果温度变化的话，由于p与V2成比例，压力必随温度而增加，这就是查理定律。如果我们有两种气体在同压与同温之下，从以上为方程式可知在单位容积中两气体的分子数相等，这是阿伏伽德罗从化学事实得到的定律。最后，就这两种气体来说，分子的速度V必定与密度nm的平方根成反比例，这关系可以解释气体渗透多孔间壁的速度，这正是1830年格雷厄姆（Thomas Graham）由实验所发现的定律。
从这些演绎可见别尔努利、焦耳和克劳胥斯等提出的初步的气体运动论和气体的比较简单的实验性质是符合的。而且如瓦特斯顿和焦耳所表明的，这个学说使我们可以近似地算出分子的速度。例如，在摄氏零度及水银柱760毫米标准大气压，或每平方厘米1．013×106达因的压力下，氢的单位质量的容积是11．16升或11.160立方厘米。因此从P＝1/3nmV2方程式得到V为每秒1844米，或每秒一英里多。氧元素的相应数字是每秒461米。这些数字是V2的平均值的平方根；V本身的平均值，即分子速度．稍小一些。1865年，劳施米特（Loschmidt）根据气体运动论，首先算出一立方厘米的气体在0”C和大气压下所有的分子数目为2．7×1019。
麦克斯韦与波尔茨曼（Boltzmann）将高斯由概率理论所导出的误差律应用到速度分配的问题上去，这个理论现时对许多研究部门都十分重要。它表明由于分子的偶然碰撞的机会极多，它们可分为几群，每一群在某一速度范围内运动，其分布如图5所示。横标代表速度，纵标代表以某一速度运动的分子数。如果以最可能的速度为单位，我们就可以看出，速度三倍于最可能速度的分子数差不多可以略而不计。人们还可以划出类似的曲线来表示靶上枪弹分布，物理量度中的误差分布，按身长、体重、寿命长短、或考试中表现出的能力等划分的人群的分布。不论在物理学、生物学或社会科学上，概率理论与误差曲线都有很大的重要性。预测一个人的寿命长短或一个分子在未来某时刻的速度，是不可能的；但如果有了足够数目的分子或人，我们就可用统计的方法来加以处理，我们可以在极窄狭的范围内，预测有好多分子在某一速度范围内运动，或好多人将死于某年。从哲学上来说，我们不妨说我们已经达到一种统计决定论，虽然在这个阶段里，个体的不确定仍然存在。
波尔茨曼与沃森（Watson）查明．原来以他种速度运动的分子有归于麦克斯韦－波尔茨曼分布的倾向；因为这是最可能的分布。他们证明这种倾向与热力学上一个名为“熵”的量趋于最大值的倾向相当。达到这种最可能的情况——即熵达于最大值，速度按误差定律分布的过程，和洗纸牌相似。这种现象在自然界里是随时间的推移自然出现的；现时在科学上和哲学上，都有极大重要性。
麦克斯韦还指出气体的粘滞度必依其平均自由程而定，所谓平均自由程即一分子在两次碰撞之间所经过的平均路程。氢的平均自由程约为17×10[－6]厘米，氧为8．7×10[-6]厘米。碰撞的频率约为每秒10[9]次，这个数字很大，说明为什么虽然分子的速度很大，气体的弥散仍然很慢。气体的粘滞度并不象一般人所想象的那样随密度而变小，而是随着气体的被抽出，始终保持不变，除非密度达到很低的水平。这些理论的结果为实验所证明，因此这个理论的比较高深的部分很早就得到人们的信任。
根据气体运动论，温度是用分子的平动的平均能量来度量的，但这些分子也可能具有由转动、振动等而来的能量。麦克斯韦和波尔茨曼表明总能量应与分子的“自由度的数目”，即决定一个分子的位置所需要的坐标数成比例。空间一点的位置决定于三个坐标，因此决定温度的分子整体的运动，含有三个自由度。设自由度的总数为n，当气体受热时，热能的一部分3／n变为平动的能量，以使温度增高，其余（n－3）／n则被分子用到其他运动上去。气体在容积守恒的情况下加热时，所有的热都用来增加分子的能量，但如压力不变，容积必增加，因此它必反抗大气的压力而作工。我们可以证明，从这里可以提出如下结论，在定压和定积的情况下，两种比热之比y可以表为1＋2／n。所以，如n＝3，Y＝1＋2/3＝1．67。在麦克斯韦进行这个计算的时候他还不知道有什么气体有这样的比值，但后来发现分子各单原子的气体，如汞蒸气、氩和氦都合于这个计算结果，因此，就热能的吸收而论，它们与简单的质点并无分别。平常的气体如氢与氧是双原子的分子。它们的γ等于1．4，表明这些分子有五个自由度。
如果将温度的改变一并加以考虑，波义耳定律－－pv＝常数——可扩张为pv＝RT，P是一个常数。分子间的吸引按密度的平方a／v2而变化，这里a是一个常数，所以，其效果将p增加到P＋a／v2。分子本身所占的容积，不能再加压缩，所以其效果将v缩减到v－b。因此，范·德·瓦尔斯（Van
der Waals）于1873年得到以下 的方程式：
（p＋a/v2）（v－b）＝RT
这个方程式用来表达某些“非理想气体”，同波义耳定律有出入的情况，颇为合适。
有几位物理学家，特别是安德鲁斯（Andrews），用实验方法对这种气体加以考察。安德鲁斯在1859年左右对气体与液体两种状态的连续性进行了研究。他指出每种气体都有其确定的临界温度，在这温度之上，无论压力怎样大，都不能使这种气体液化。因而气体液化的问题是一个怎样把温度降低到临界点以下的问题。
植物学家布朗（Robert Brown） 1827年在显微镜下看见极微质点的不规则运动，从而直接证明了分子的运动；1879年拉姆赛（William Ramsay）在解释这个现象时，认为这是由于液体分子冲击悬于液体中的质点而造成的。克鲁克斯（Crookes）注意到如将轻的风车翼一面涂黑，装置在高度真空管中的旋转轴上，再把它放在日光中，它必按光亮的一面的方向旋转。麦克斯韦在解释这种旋转时认为这是由于黑的一面吸收了较多的热而造成的。分子受热激动，以较高的速度跳跃，碰撞风车翼时，便将黑面向后推动。
热力学
1824年，“胜利的组织者”的儿子卡诺（SadiCarnot），指出每一热机（或热引擎）必须有一热体或热源与一冷体或冷凝器，当机器工作时，热即由较热的物体传到较冷的物体。卡诺在其手稿中谈到能量不灭的观念，但有很长时间，人们都按照热质说去了解他的研究成果，以为热经过机器后在量上不减，是靠温度的降低来作工的，正象水田高处降落，使水车工作一般。
卡诺认为要研究热机的定律，必须首先想象最简单的情形；热机全无摩擦，热不会因传导而散失。他还认识到在研究机器的工作时，我们必须假定热机通过一个完全的观察的循环，作工的物质，无论是蒸汽也好压缩空气也好或其他任何东西也好，经过工作之后仍然回复到原来状态。如果不是这样，机器可能从工作物质内部的能量中吸取动或热，全部的功可能就不全是经过机器的外部的热所做的了。
卡诺的循环说的现代形式是克劳胥斯与维廉·汤姆生（即后来的凯尔文男爵）完成的。当功变成热或热变成功的时候，其间的关系可以用焦耳的结果来表示。不过虽然永远有可能把一定量的功全部变成热，反过来要把一定量的热全部变成功，一般来说却是不可能的。在蒸汽机或其他热机里，所供应的热量只有一小部分变成机械能，其余的部分由机器中较热部分传到较冷部分，不能做有用的功。经验证明：热机开动时从热源取来一定量的热H，而把其中的一部分热量h传给冷凝器。这两个热量之差（H－h）就是可变为功W的最大热量，而实际完成的功与所吸收的热量之比W／H，可作为这个机器的效率E。
一个理论上完善的机器，既不会由传导失去热，也不会由摩擦失去功，所以
W＝H－h，
而E＝W/H＝[H－h]/H。
一切完善的机器具有相同的效率，否则，我们便可把两个机器连给在一起，从冷凝器的热能中得到功，或通过一种自动的机制，继续不断地把从冷体吸到热体中去，这两者都是同经验不合的。因此，效率以及由热体吸取的热与冷体放出的热之比，是与机器的形式或工作物质的性质无关的。和这些数量有关的只有热源的温度T和冷凝器的温度t；而吸收的热与放出的热之比，只要写成了T／t＝H／h；的形式时，便可用来做两个温度之比的定义，于是：
E＝(H－h)/H＝(T－t)/T。
这样，汤姆生就制定出一种热力学的温标。它是绝对的，因为它与机器的形式或工作物质的性质无关。如果一个完善机器的冷凝器的温度是零度，即t＝0，或E＝1，那就是说所有吸收都转变为功，没有热到冷凝器去，这时效率是1。任何机器不能作比它吸收的热当量更多的功，或者说任何机器的效率都不能大于1。因此这种温标的零度是绝对零度，即没有比这更冷的温度了。
这样规定的热力学的温标，纯粹是理论上的。实际上，我们根本无法测量一个完善机器所吸收的热量与所放出的热量之比，来比较这两个温度。单说一个理由：我们根本无法制造出一个完善的机器。因此我们必须把热力学的温标变成实用的东西。
焦耳在一个研究里，和他以前的迈尔一样，利用对空气进行压缩的办法来把功变为热。不过为了说明他采用这个办法的理由，焦耳重新进行了盖伊－吕萨克的被忘记了的实验，并且证明让空气膨胀而不作工，则温度没有可觉察的改变。由此可见当气体膨胀或收缩的时候，气体的分子状态没有什么变化，在压缩空气时，所作的功都变形为热。汤姆生与焦耳设计了一个更精细的实验方法，证明将气体压过一个多孔的基，然后任其自由膨胀，温度的改变实在有限，空气稍为变冷，氢气甚至稍稍变热。根据数学上的考虑可以知道，如果用空气或氢气制成温度计（零度接近－273℃），这种温度计差不多和绝对的或热力学的温标相合，其间的小小差异，可以从自由膨胀的热效果计算出来。
热力学上的推理所得出的推论，不但使工程师可以把热机理论放在坚实的基础之上，而且在许多别的方面大大推动了现代物理学和化学的进步。法拉第单单利用压力，就在一个简单仪器中将氯气液化了。但绝对温标的理论以及汤姆生和焦耳的多孔塞实验为现代的一系列研究开辟了道路。经过这一系列研究，终于使一切已如气体都液化，并且最后证明各种类型的物质都在三种状态下连续存在。多孔塞的效果在平常温度下固然很小，在把气体先行冷却以后，就变得很大。如果不断迫使一种冷气体通过一条管嘴，它会变得更冷，并且可以用来冷却后面流来的气体。这样，这个过程的效果就累积起来，气体最后就被冷却到临界温度而液化。杜瓦（James Dewar）爵士在1898年用这方法使氢液化，卡麦林-翁内斯（Kamerlingh－Onnes）在1908年把最后剩下来的氦气液化。杜瓦用来进行液化实验的真空玻璃瓶，就是现今人所熟习的温水瓶。
有不少人研究过这种极低温对于物体性质的效应。最显著的一种变化便是电的传导率的急剧增大；例如铅在液态氦的温度（－268．9℃）的导电率比在0℃时，约大十亿（109）倍。电流在这种低温的金属电路里，一经开始，使经历许多小时而不稍减。
要从热的供应得到有用的功，温差是必需的。但在自然界中，通过热的传导与其他方式，温差是不断变小的。因此在一个有不可逆的改变进行的孤立的系统中，可作有用的功的热能倾向于不断地变得愈来愈少，反之，克劳胥斯称为熵的数学函数（在可逆的系统中是常数），却倾向于增加。当可用的能达到最小限度或熵达到最大限度的时候，就再没有功可做了，这样就可以确定这个系统的平衡所必需的条件。同样，在一个等温（即温度不变）的系统中，当吉布斯（Willard Gibbs）所创立的另外一个数学函数：“热力学的位势”到了最小限度的时候，也可以达到平衡。这样，克劳胥斯、凯尔艾、赫尔姆霍茨、吉布斯与奈恩斯特（Nernst）等就创立了化学和物理学平衡的理论。现代的物理化学的很大一部分，以及许多工业上重要的技术应用都不过是吉布斯热力学方程式的一系列的实验例证而已。
最有用的结果之一就是所谓的相律。设想一系统里有n个不同的成分（例如水与盐两个成分）和r个相（例如两个团体、一个饱和溶液和一个蒸汽等四个相），根据吉布斯定理，自由度的数目F将是n－r，这上面还须加上温度与压力两个自由度。因此相律可表为下式：
f＝n－r＋2
以前发现的第二个方程式给出如下四个量——即任何物态变化的潜热L，绝对温度T，压力p与容积的变化u2－u1——之间的关系，即L＝T(dp/dT)（v2－v1）或dp/dT＝L/T（v2－v1）。
这个方程式的原理本来是詹姆斯·汤姆生（James Thomson）所创立的，1850年左右，由凯尔文男爵、兰金和克劳胥斯等人加以发展，以后再由勒·夏特利埃（Le Chatelier）应用到化学问题上。潜热方程与相律方程合在一起提供了不同的相的平衡的一般理论，以及系统不平衡时压力随温度的变化率。由此也可以知道，外界对系统的作用在系统内造成一种对抗的反作用。
在相律方程里，如r＝n＋2，则F＝0，这个系统便是“非变系”。例如，在只有一个成分的情况下，当水质的冰、木和汽三相集在一起的时候，它们只有在某一特殊温度才能达到平衡，而且只有在压力调整到某一特殊数值的时候，才能达到平衡。如果只有两相，例如水与汽，则r＝n＋1与F＝n＝1，因而系统只有一个自由度。在PT曲线上任何一点上，这两相都可以达到平衡，这曲线上每点的斜率都可由潜热方程测定。不只一个成分的系统自然更加复杂。
相律关系在科学与工业上极重要的一种应用，便是合金结构的研究。这一研究为人们提供了具有特殊性质、适合于特殊用途的许多金属。这方面的理论主要是利用三种实验方法创立起来的：（1）以适当的液体侵蚀金属，放在显微镜下研究其磨光的截面；在1863年，英国谢菲尔德（Sheffield）的索尔比（H C．Sorby）和德国夏罗腾堡（Charlottenburg）的马顿斯（Martens）创立了这种方法，主要是用来研究铁，其后，这个方法又有很大的改进。这个方法清楚地揭示了金属与合金的晶体结构。（2）热方法。让熔融的金属冷却，对时间和温度加以测量。当物态改变，例如由液态变成固态时，温度的降落变经，或有一段时间完全停顿。在这方面，可以举出鲁兹布姆（Roozeboom）关于吉布斯理论的研究（1900年）和海科克（Heycock）与内维尔（Neville）的实验为例。（3）X射线方法。这个方法是劳厄（Laue）与布拉格爵士父子创立的，它揭示了固体（不论其为盐类、金属或合金）的原子结构，并开辟了一般原子研究的新领域。
双金系的最简单的平衡可以用海科克和内维尔关于银与铜的研究为例来说明。纯银沿曲线AE（图6）从液态里凝冻，纯铜沿曲线BE从液态里凝冻。在交点E，银、铜两晶体同时出现，因而凝固是在不变的温度下进行的。在这种合金里，银占40％，铜占60％，其结构是有规则的，因而名叫“易熔合金”。
如果固体象液体一样可以改变其组成成分，我们将得着“和晶”或“固溶体”，与更复杂得多的现象。鲁兹布姆首先用吉布斯的理论，阐明了这些现象。在表示固溶体的图里，固体的溶度曲线的交点指明了一个极低的、以易熔点得名的温度。在这里，两个固态相一块从其他固态相结晶出来，而形成一种在结构上类似易熔合金的易熔质。图7是说明铁碳（碳少于6％）混合物的鲁兹布姆图的现代形式。这个图可以说明现已查明并且有了名称的各种化合物与固溶体，甚至说明了完全是固体的各种合金在确定的温度下的变化。这种金相图帮助我们探索组成成分、温度调节与物理性质之间的关系，以及铁和钢“回火”的结果。
近年来制出了许多具有各种特殊性质、适合各种用途的新合金，特别是铁的合金。供和平目的使用的合金如不锈钢，供制造武器使用的铁合金，都含有少量的镍、铬、锰、钨等金属。这些金属经过适当的热处理之后，可使铁的刚硬度或坚韧度增大或具有其他需要的性质。这些近年来的发展都是建立在上述理论与实验的基础之上的。以下举出几个这样的合金的例子：
将3％的镍加在锅内，增加强度而不减少延世。如果使用36％的镍的话，由于碳含量低，膨胀系数将变得很微小，这种合金可用于很多用途，称为“殷钢”或“因瓦（invar）合金”。铭能使碳化物稳定，加少许于钢内，所造成的合金能抗腐蚀。镍铬钢在机器制造上很重要，特别是含有少许钼的镍铬钢。锰也能使碳化物更加稳定，如果锰的成分很多则造成的合金易脆，锰的成分再多一些，最后就制成含碳12％的“高锰钢”。对这种合金的表面加工，可使其坚硬，获得极高的抗磨性，常用以制造碎石机的部件。钨原子量大，能减少固游体里的移动性，因而保持高度的抗蠕变能力，并延缓相变。钨钢与钴钢相同均可用以制造恒磁体。
在非铁合金里，铝的合金特别有趣，也特别有实用价值。1909年左右，维耳姆（Wilm）等人开始对于这种合金进行认真的研究。后来主要是由于航空工业需要质轻而强的金属，这一研究又有进一步的发展。铝合金里有一种名叫“硬铝”，含铜4％，镁0．5％和锰O．5％，其余95％为铝。为时间所硬化后，硬铝的强度可与软钢相比。还有许多别的铝合金与其他金属的合金，各具有特殊的性质。
热力学第一定律是能量守恒原理，第二定律是可用的能量愈来愈少。在把这些观念扩大应用到整个恒星宇宙上的时候，就有人认为，宇宙间的能量不断地通过摩擦转化为热而浪费了，同时，可用的热能又因温差减少而不断地减少起来。于是有些物理学家便想到在遥远的将来宇宙中所储蓄的一切可用的能量可能都要转化成热，平均分布到保持机械平衡的物质中，以后就永远不可能再有任何变化了。但这个结论建立在几个未经证明的假设上。（1）它假定根据有限的观察结果得出的结论，在大体上还没有弄清的更广泛的局面中同样有效；（2）它假定恒星宇宙是孤立的体系，没有能量可以进去；（3）它假定单个分子由于互相碰撞，速度不断地改变，我们不能追踪它们，把它们分为快速与慢速两类。
麦克斯韦想象有一个极小的生物或妖魔，有极微妙的感觉，可以跟踪每个分子的行动，负责管理墙壁上一扇无摩擦的滑动门，墙壁两边有两个装满气体的房间。当快速分子由左到右运动时，小妖立刻开门，当慢速分子来时，他立刻关门。于是快速分子聚集在右室，慢速分子聚集在左室。右室里的气体逐渐变热，左室里的气体逐渐变冷。这样，有了控制单个分子的能力就可以使弥散的能量重新集中起来。
在十九世纪所了解的自然界的情况下，在我们只能用统计的方法来处理分子的时候，能量耗散的原理原是不错的。人们生活与活动需要的能量的供应量好象不断地愈来愈少，而热力学上的衰变的过程也有慢慢消灭宇宙里的生命的危险。按照新近的知识，这个结论究竟在多大程度上得到修改或证实，我们将在后面的一章内再加论述。在这里，我们应该指出，当分子的速度按照麦克斯韦－波尔茨曼定律分配的时候，熵达到最大值——即能量的耗散达到最大限度——的热力学条件就达到了，而这种分配的概率却是一个最大值。这样，就把热力学同概率论的已知定律及物质运动论联系起来了。
光谱分析
那种把天和地区别开来的传统看法，经过整个中世纪，人们还是这样相信，但伽利略与牛顿却把这种看法打破了。他们用数学方法与观察方法证明，通过实验确立的落体定律在整个太阳系中一样适用。
可是要最后证明天地同一，不但需要天地在运动方面是类似的，而且还需要证明天地在结构上与组成成分上也是类似的，还需要证明构成地上物体的习见化学元素，在太阳、行星与恒星的物质中也一样的存在。这好象是一个无法解决的问题。可是在十九世纪中叶却找到了一个解决的办法。
牛顿已经证明日光通过棱镜所形成的彩色光带，是由于白光分析成物理上比较简单的成分的缘故。1802年沃拉斯顿发现太阳的光谱被许多暗线所截断；
1814年弗朗霍费（Joseph Fraunhofer）重新发现这些暗线，并用多个棱镜增加光谱的色散度，仔细地将暗线的位置描绘下来。另一方面，1752年，梅尔维尔（Melvil）首先观察到，金属或盐类的火焰所造成的光谱，在黑暗的背景上呈现特殊的彩色明线；1823年，约翰·赫舍尔（John Herschel）爵士又一次表示这些谱线可以用来检验金属的存在。这建议引起人们对于谱线位置进行观测，并加以描绘与记录。
1849年，弗科研究了炭极间的电弧光所生的光谱，发现在黄橙两色之间，有两条明线，恰在弗朗霍费称为D的两条暗线位置上。弗科更发现当日光通过电弧时，D线便比较平常为暗，若将一个炭极的光（它本身产生连续光谱而无暗线）通过电弧，则D线又会出现。弗科说：“可见，电弧光本身是发生D线的，但若D线从旁的光源而来，电弧光就加以吸收。”
弗朗霍费谱线的理论好象首先是由斯托克斯（George GabrielStokes，1819－1903年）在剑桥的讲演中加以阐明的，可是由于他特有的谦逊，他并没有将他的见解广泛宣传。任何机械体系都能吸收与自己的天然振动合拍的外来能量，正象只要对儿童秋千不断地给予和它的自然摆动周期一致的一系列小冲击，便能使它动荡不停一样。太阳外围的蒸气分子也必定能吸收从比较热的内部射出的特殊光线的能量，只要这些光线的振动周期同蒸气分子的振动周期一致。这样射来的光必定缺少了具有那种特殊振动周期的光（即某一色彩），结果太阳光谱中便产生一条暗线。
1855年，美国人奥尔特（David Alter）描述了氢和其他气体的光谱。1855至1863年间，本生（von Bunsen）在罗斯科（Roscoe）的合作下，进行了一系列的实验来研究光的化学作用，1859年，他与基尔霍夫（Kirchhoff）合作创立了最早的光谱分析的精确方法，于是化学元素，尽管只有微量，也可由它们的光谱检查出来。铯与铷两个新元素就是用这个方法发现的。
本生与基尔霍夫在事先不知道弗科实验的情况下，让发连续光谱的白热石灰光，通过含有食盐的酒精火焰，结果，看到了弗朗霍费的D谱线。他们又把锂放在本生煤气灯中重新进行了这个实验，找到一条在太阳光谱中找不到的暗线。他们断定太阳的大气中有纳，但没有锂，或者是含量太少，观察不到。
这样开始的天体光谱学，经过哈金斯（Huggins）、詹森（Jan－ssen）与洛克耶（Lockyer）等人的努力，有了很大的发展。1878年，洛克耶在太阳色球层的光谱的绿色部分看见一条暗线，和地上光谱中任何已知线都不符合。他和弗兰克兰（Frankland）共同预言，太阳里有一个可以说明这种现象的元素；他们并把这个元素命名为氦。1895年，拉姆赛在一种结晶铀旷里发现了这个元素。
1842年，多普勒（Doppler）指出，当一个波源与观测者作相对运动时，所观测到的波的频率便会发生改变。如果波源向观察者逼近时，每秒钟达到观察者的波数必定增多，结果是声或光的频率变高。反之，波源离观察者而去时，声或光的频率降低。在快车穿过车站时，汽笛声音由高而低，就充分说明了这种变化。如果一颗星向地球而来，其光谱线必向紫色一端移动，如果离地球而去，则向红色一端移动。这种多普勒效应虽然很小，却可以量度，经过哈金斯及以后许多人研究，使我们对恒星运动增长了不少知识，在近来还使我们对其他现象增长了不少知识。
同时光与辐射热具有相同的物理性质，也得到充分证明。1800年，威廉·赫舍尔（William Herschel）爵士指出，将温度计放在太阳光谱中就可以看出，在可见的红色光之外，仍有热效应。过后不久，利特尔（Ritter）发现可见的紫色光以外仍有射线，可使硝酸银变黑。1777年，舍勒（Scheele）就发现了这种摄影作用。
1830至1840年间，梅洛尼（Melloni）证明看不见的辐射热和光一样，有反射、折射偏振、干涉等性质。有许多物理学家，特别是基尔霍夫、丁铎尔（Tyndall）与鲍尔弗·斯特沃特（Balfour Stewart）把发射与吸收两种强度的等价原理，扩大应用到热辐射。他们发现，一个能吸收一切辐射的黑体，受热时也能发射一切波长的辐射。普雷沃斯特（Prevost）在其交换理论（1792年）中指出，一切物体都辐射热量，只是在平衡时，其所吸收之量恰等于所发射之量。
麦克斯韦从理论上证明辐射对它所照射的面施加一种压力，这压力虽然极其微小，但近年来已用实验方法加以证实。1875年，巴托利（Bartoli）指出这种压力的存在使我们想象一个充满辐射的空间，可以有理论上的热机的汽缸作用。1884年，波尔茨曼证明黑体的总辐射按其绝对温度的四乘方而增加，或H＝aT4。斯蒂芬（Stefan）在1879年就已经凭经验发现了这个定律。这个结果很有用，不但对于辐射理论很有用，而且可以利用这个结果，通过观察所放出的热能来测量火炉的温度，甚至太阳和恒星的表面温度。温度增加时，不但总辐射照这个方式增加，而且所发射能量的最大值，也向比较短的波长的方向移动。
最后，一个元素的不同谱线的频率之间的确定关系，虽然到二十世纪才在物理学上显出无比的重要，在十九世纪时就已开始引起人们的注意。1885年，巴尔默（Balmer）指出氢元素的可见光谱里的四条线，可用一个经验公式来代表。后来哈金斯指出，这个公式还可表达紫外谱线的频率以及星云谱线和全食时日冕光谱线的频率，因此，这些可能都是氢元素的谱线。由此，他断定星云和日冕之内有氢元素存在。
电波
上面说过，法拉第的许多电学实验工作应归功于他对电介质或绝缘质的重要性的本能的理解。当电流的作用越过空间使磁针偏转或在不相联的另一电路上产生感应电流时，我们要么就必须想象有一种未经解释的“超距作用”，要么就必须想象空间里有一种传达效应的桥梁。法拉第采纳了第二种想法。他假想在“电介极化”里有一些力线或一些质点链。他甚至想象它们离开来源后，可以在空间里自由行进。
麦克斯韦（1831-1879年）把法拉第的想法写成数学公式。他指出法拉第电介极化的改变即相当于电流。既然电流产生磁场，磁力与电流正交，而且磁场的改变又产生电动力，显然磁力与电力有相互的关系。因此，当电介极化的改变在绝缘介质中，四面传布时，它必作为电磁波而行进，电力与磁力则在前进的波阵面上相互正交。
麦克斯韦所发现的微分方程式说明，这种波的速度只随介质的电与磁的性质而不同（这也是很自然的），而这个速度可表为
式内μ代表介质的磁导率，κ代表介电常数或电容率。
由于两个电荷间的力与k成反比，两个磁极间的力与μ成反比，所以用这两种力来规定的电与磁的单位必含k与μ。而任何单位的静电值与电磁值之比，例如电量的单位，必含μ与k的乘积。所以只要通过实验比较两个这样的单位，便可测定电磁波的速度v的数值。
麦克斯韦和几位物理学家发现，这样测定的v的数值为每秒3×
但是我们怎样对待人们化费了那么多心血来研究的弹性固体以太呢？我们究竟应该把电磁波看作是“准固体”里的机械波呢还是应该按意义还不明白的电与磁来解释光呢？麦克斯韦的发现，第一次向世人提出了这个难题。可是他却加强了人们对于传光以太存在的信心。很明显，以太既能传光，也能执行电的作用。
麦克斯韦的研究成果在英国立刻得到承认，但在大陆上则没有得到应得的注意。到1887年，赫兹（Heinrich Hertz）才用感应圈上的电花所发生的振荡电流，在空间产生并检验到电波，而且用实验方法证明电波具有许多与光波相同的性质。如果真的有以太，它里面就挤满了“无线电波”，而这些波绝不是在空气里传播的。这一发现主要应该归功于麦克斯韦与赫兹的工作。
麦克斯韦要求物理学家集中注意绝缘的介质，以为这是带电系统中最重要的部分。很明显，电流的能量是在介质中通过的，而电流自己不过是这种能量耗散为热的路线，这条路线的主要功用是引导能量沿着有可能耗散的路径前进。在很迅速变化的交流电中，如在感应圈的电花的电流或闪电电花的电流中，能量刚进入导体，电流方向就改变了。因此，只有导线或避雷针的表皮可以有效地带电，电阻也就比在稳恒电流的情况下高得多。
麦克斯韦理论的主要困难是不能对电荷给予明白的说明，至少不能对法拉第的电解实验所指明的相异的原子电荷给予明白的说明。麦克斯韦死后不久，原子电荷的观念就成了极重要的问题，我们现在就必须加以论述。但是我们须得先离开本题，去作一点题外的叙述。
化学作用
很早以来，化学作用的原因与机制便成为臆度的题材，引起牛顿很多的注意。1777年，温策尔（C．FWenzel）进行了确定的测量，想通过观察化学变化的速度来估计酸类对于金属的化学亲合力。他发现化学反应的变化率与酸类的浓度，即试剂的有效质量成比例，贝尔托莱（Berthollet）也独立得到这个结果。
1850年，威廉米（Wilbelmy）研究了蔗糖加酸时的“反旋”，即蔗糖分子分解成为较简单的左旋糖和右旋糖的过程。他发现当蔗糖液的浓度在反应进行过程中减少的时候，变化率便与时间的几何级数成比例而减少。这就是说在任何瞬间离解的分子数与当时存在的分子数成比例——假定蔗糖分子的离解互不相干，这种结果是很自然的。不管什么时候，只要这个关系对于某一化学变化有效，我们便可推断分子是单个地在起作用，而这种变化便称为单分子反应。
另一方面，如果两个分子互相起作用（双分子反应），变化率显然决定于分子碰撞的频率，而这频率又与两种起作用的分子的浓度或有效质量的乘积成比例。如果分子的浓度相等，则此乘积将等于浓度的平方。
如果反应是可逆的，当两种化合物AB与CD互相作用而成AD与CB时，后二种同时也互相作用，而回到AB与CD；当相反的变化以同等变化率进行时，即当AB＋CD←→AD＋CB时，必成平衡状态。
这种动态平衡的观念是威廉森（A．W．Williamson）在1850年首先明白提出的。1864年，古德贝格（Guldberg）与瓦格（Waage）对化学作用的质量定律加以完满的表述；杰利特（Jellet）在1873年，范特－霍夫（Van’tHoff）在1877年又重新发现了这个定律。这个定律不但如上所述，可由分子运动理论推出，也可根据热力学原理从淡液体系的能量关系诱导出来。它在许多化学反应中得到实验上的证明。
上面说过，蔗糖的反旋在有酸类在场时进行得很快，否则进行得极慢。酸类并没什么变化，它好象只促进反应，自己并不参加反应。这一现象在1812年首先为基尔霍夫发现。他发现在淡硫酸溶液中，淀粉可变化为葡萄糖。戴维注意到铂能使醇蒸汽在空气中氧化。多贝赖纳（Dobereiner）更发现铂的粉末可使氢氧二气化合。1838年，德拉托尔（Cagniard de Latour）与施旺（Schwann）各不相谋地发现糖所以能发酵而成酒精与二氧化碳，是由于一种微生物的作用，柏采留斯更指出发酵与铂粉所促成的无机反应有相似性。柏采留斯把这种作用叫做“催化”，说促成化学反应的试剂具有“催化能力”。他指出在生物体中由普通物质、植物液汁或血而生成的无数种化合物，可能是由类似催化剂的有机体所制成的。1878年，库恩（Kuhne）把这些有机催化剂叫做“酶”或酵素。
1862年，拜特洛（Berthelot）与圣吉勒斯（Pean de St Gilles）发现，如按分子比例将乙基醋酸与水混合，经过几星期之后，乙基醋酸就部分水解而成乙醇与醋酸，变化的速度是递减的。如果从酒精与酸开始，则化学变化朝反方向进行，最后平衡时的比例是相同的。这些反应很慢，但如有矿酸在场，则几点钟内即可达到同样的平衡。这样酸就成了一种催化剂，而且可以看出，催化剂的功用在于促进两个方向中任何一个方向的化学反应。从某种意义上说，它的作用，好象滑润剂对机器所起的作用一样。1887年，阿累利乌斯（Arrhenius）发现酸类的催化作用与其导电率有关。
气体也有同样的现象。1880年，狄克逊（Dixon）发现如果氢氧二气很干燥，这两种气体就不能爆炸而成水气。1794年，富勒姆（Fulhame）夫人已早观察到这个现象。1902年，贝克（BreretonBaker）指出，如化合进行得很慢并且形成了水，就没有爆炸现象。阿姆斯特朗（Armstrong）表示，反应自身所形成的水过于纯粹，没有催化作用。据我们所知，还有一些时候，纯粹的化学物质也是不起作用的，似乎须有复杂的混合物在场，才能促进变化。有机催化剂或酶在生物比学上的重要性将在以后几章内叙述。
十九世纪最后几年发现了几个新的惰性元素。1895年，第三代雷利爵士（third Lord Rayleigh）注意到，从空气得来的氮比从其化合物得来的，密度要大一些，因而导引他和拉姆赛发现了一种惰气，命名为氩。跟着发现的还有氦（参看241页）、氪、氖与氙，这是四年间从空气里发现的五个新元素。氩现在用于炽热的充气电灯，氩与氖用于广告霓虹灯，氖因其红光具有穿透性，更用于灯塔。和别的天然气一道从加拿大和美国的某些土地里逐出的氦气，过去用来充填飞船上的气球。这些元素在门得列耶夫周期表内形成原子价为零的一族，而在以后要叙述的莫斯利的原子序数表里也有其适当的地位。阿斯顿等人后来对于原子量与同位素所进行的研究使得这些气体在理论上比以前更加重要。
溶液理论
物质在水中或其他液体中可以溶解，这是人所熟知的现象。有些液体，如酒精与水，按任何比例都可互相混合，而有些液体如油与水，一点也不能混合。固体如糖可在水里自由溶解，金属就不溶解；空气与类似的气体仅少许溶解于水，而氨气与氢氯酸气则大量溶解。
物理变化可与溶解同时发生。溶液的容积可能比溶质和溶剂相加的容积小，而且可能有吸热和放热现象。许多中性盐溶解于水时产生致冷效应，可是也有少数盐类如氯化铝溶解时发出热来。酸类与碱类也常发热。
这些反应，经过许多化学家研究。他们认识到这种反应的性质很复杂，其中有混合与化合两种情形，不过，它们的成分不断改变（与其他化合物之有一定比例不同）说明其间存在有一些特殊关系。但在十九世纪以前没有人将溶液现象当作特殊问题。
首先有系统地研究溶解物质的扩散的人是格雷厄姆（ThomasCraham，1805－1869年）。他对于气体扩散的实验，我们在前章已经说过了。格雷厄姆发现，晶体，如许多盐类，溶解于水时，常能自由地穿过薄膜，可以比较快地从溶液的一部分扩散到另一部分。但明胶一类不形成晶体的物质，溶解后扩散极其缓慢。格雷厄姆称第一类物体为凝晶体，第二类为胶体。起初以为胶体必定是有机物，但后来才知道许多无机物如硫化砷，甚至金属如黄金，经过特殊处理，也可以呈胶体状态。
伏特电池的发明以及立刻随之而来的关于溶液电解性质的研究，已经叙述过了。1833年，法拉第指出，使一定电量通过电解液时，总是有一定量的离子在电极上析出。如果我们把电流看作是靠离子的运动而传递的，这就意味着每一个原子价相同的离子必定带着同样的电荷，这样单价离子所带的电荷，就成了自然的单位或电原子。
1859年，希托夫（Hittorf）在这个问题上又前进了一步。他让电流通过两个不溶的电极，结果两个电极附近的溶液就程度不等地稀薄起来。希托夫看出，利用这个事实就可以用实验方法把异性离子运动的速度加以比较，因发放速度较大的离子的电极必失去较多的电解质。这样就可以测定两种异性离子的速度比。
1879年，科尔劳施（Kohlrausch）发明了一个测量电解液电阻的好方法。由于极化作用，直流电是不能使用的，但科尔劳施却克服了这个困难。他采用了交流电和大面积的海绵状电极，来减少沉淀物的表面密度。他不用电流计，而用对交流电有反应的电话机来作指示器。在这样避免了极化作用之后，他发现电解液也服从欧姆定律，即电流与电动力成比例。因此最小的电动力也可以使电解质中产生相应的电流；除了在电极附近之外，也没有极化的反作用。所以离子必定可以自由交换，象克劳胥斯所说的那样。
科尔劳施就这样测定了电解质的传导率，并且指出由于电流为反向离子流所传送，传导率一定可以用来测量反向离子速度的总和。再加上希托夫的测定离子速度之比的方法，我们就可以计算个别离子的速度了。在每厘米有1伏特电位差的梯度下，氢在水里运动的速度为每秒0．
荷兰物理学家范特-霍夫对于溶液有另外一种看法。我们早已知道，经过细胞膜而渗入植物细胞的水，可以产生一种压力，植物学家佩弗（Pfeffer）用人工薄膜，即在无釉陶器上用化学方法造成沉淀而制成的薄膜，量度过这种渗透压。范特-霍夫指出，佩弗的测量表明，渗透压和其他因素的关系很象气体的压力，即与容积成反比，并随绝对温度而增加。在溶液不能渗透的薄膜中，水或其他溶剂可以进行可逆的渗透的现象使我们可以设想具有渗透性的细胞就是一个理想机器的汽缸，因此，范特-霍夫可以把热力学的推理应用到溶液上去，从而开辟了一个新的研究领域。他将溶液的渗透压和其他物理性质如凝固点、汽压等联系起来，这样，通过测量凝固点（这是一项比较容易做的工作），就可以算出渗透压。他从理论上证明稀溶液的渗透压的绝对值必与同浓度的气体压力相同，然后他又用实验证明了这个结果。我们并不能象有些人所设想的那样因此就得出推论说；两种压力具有相同的原因，或溶解的物质保持着气体状态。热力学的推理并不涉及机制的问题，它表明有联系的量之间的关系，但却不涉及这种联系的性质。渗透压也许象气体的压力一样，是由于分子的碰撞而产生的；也许是由于溶质与溶剂之间的化学亲合力或化学化合而产生的。不管它的性质怎样，只要它存在，它就必定适合热力学原理，在稀溶液中，如范特－霍夫所证明的，它就必定遵循气体定律。可是它的原因未定，至少不是热力学所能确定的。
1887年，瑞典人阿累利乌斯证明渗透压与溶液的电解性有关．我们都知道，电解质的渗透压异常之大，例如氯化钾或任何类似的二元盐类的溶液，其压力为同分子浓度的糖溶液的压力的两倍。阿累利乌斯发现，这种特大的压力不但与电解的导电度有关，并且与化学的活动性，如酸类在糖发酵而变为酒精的过程中的催化能力也有关系。他的结论是这种压力说明电解质中离子互相离解，因此，举例来说，在氯化钾溶液中，虽然有若干中性的KCI分子存在，同时也有钾离子与氯离子各带着正电荷与负电荷，成为溶液导电度与化学活动性的来源。溶液越淡，离解的盐越多，到溶液淡到极度时，液中只有K＋离子和CI－离子。有人认为这两种离子彼此分开，是和溶剂化合在一起的。
科尔劳施、范特－霍夫、阿累利乌斯的工作成了物理化学的庞大的上层大厦的起点。在这座大厦里，热力学与电学结合起来，使理论的知识不断地增进，并且愈来愈广泛地实际应用于工业。不但如此，我们也不要忘记后来有一些伟大的物理学家研究了电在气体中的传导，建成了现代科学中最有特征性的一个分支，而他们的离子观念却是溶液理论给予他们的。
从实验的观点来看，直接测定渗透压是很困难的，但是，美国的莫尔斯（Morse）与怀特尼（Whitney），以及英国的贝克莱（Berke－ley）伯爵与哈特莱（E．G．J．Hartley），却先后在1901年和1906－1916年间，对高浓度的溶液中的渗透压进行了直接测定。莫尔斯与他的同事所用的测定方法基本上与佩弗的方法相同，只是在细节上大有改进。贝克莱与哈特莱并没有观察溶剂的流入在半渗透的小室里造成的压力，而是使溶液受到逐渐增长的压力，直到溶剂掉转运动的方向被排挤出去。他们把所得的结果和范·德·瓦尔斯方程式（见232页）加以比较；就蔗糖与葡萄糖而言，发现与下列公式最符合：
奥斯特瓦尔德（ostwald）把质量作用的化学定律（245页）应用于阿累利乌斯所想象的电解质的离解，找到一个稀化定律：
式内α代表电离度，V代表溶液的容积，K是常数。这个方程式对于弱的电解质有效，如轻度离解的酸和盐，这时上式变为
但此式对于高度离解的电解质无效，这一失败，有很长时间成为电离理论不能为人接受的一个障碍。
这个困难为最近的研究大体上克服。1923－1927年间，德拜（Debxe）、尤格尔（Huckel）与翁萨格（onsager）指出，由于离子间的作用力，离子周围形成一种异性的离子大气。离子运动时，它须在前面建起一个新的大气，而其背后的大气消散。这一作用形成一种阻挡的电拖曳，使它的运动，与其浓度的平方根成比例而减少。这样就导出一个相当复杂的方程式。如将离子的可能的缔合一并计入，这个方程式与实验而得的关系，即浓度与导电度的关系，大致符合，就是对强电解质浓溶液来说也是如此。
阿累利乌认为强电解质只有部分离解，而最近的研究却表明是全部电离。至于浓溶液里相对电离度的减少，那是由于离子速度的变缓的缘故。用X射线分析，表明原子就是在固态的晶体内，也是彼此离开，以后，也有人提出这样的看法（见384，427－8等页）。
第七章 十九世纪的生物学
生物学的意义——有机化学——生理学——微生物与细菌学——碳氮循环——自然地理学与科学探险——地质学——自然历史——达尔文以前的进化论——达尔文——进化论与自然选择——人类学
生物学的意义
在随着文艺复兴开始的科学时期里，天文学与物理学的进步所引起的思想上的革命是最大的一次革命。当哥白尼把地球从宇宙中心的高傲地位上推下来，牛顿把天体现象收服到日常习见的机械定律管制之下的时候，许多构成整个神意启示理论基础的默认假设，恰好也遭到了破坏。这样，人们的观点就发生了彻底的改变，可是还要经历相当长的岁月，效果才能表现出来。地是宇宙的中心，人乃创造万物的唯一目的和意义一类的流行看法，在一般人的信仰里虽然仍有其地位，可是有知识的人士早已把同这些看法有联系的一些天文学观念抛弃了。
在十九世纪的飞跃进步中，最有效地扩大了人们的心理视野，促成思想方式上的另一次大革命的既不是物理知识的大发展，更不是在这些知识基础上建筑起来的上层工业大厦。真正的兴趣，从天文学转移到了地质学，从物理学转移到了生物学和生命的现象。自然选择的假说，第一次给进化的旧观念提供了一个可以接受的基础，使人类思想在它的无尽旅途中走上下一段漫长的行程。在这个过程中，达尔文成为生物学中的牛顿——十九世纪思想界的中心人物。单是自然选择也许不能完全解释后来出现的许多事实，但进化论本身却建立在一个广博的基础上了。这个基础随着时间的推移，只是更加巩固。
要追溯进化哲学的历史和意义，我们必须从第五章谈到的地方，去考察生物知识的进步。在构成生物学的基础的各门科学当中，物理学与物理化学，已经叙述过了，但是有机化学在十九世纪才成为一个确定、独立的科学，须要在这里加以叙述。
有机化学
动植物体内复杂物质的化学，主要是那个奇特的碳元素的化学。碳原子有一个特殊的性质，既能自己互相结合，又能和别的元素结合，以构成很复杂的分子。我们说过，自古以来就有两种对立的学说，一种学说主张生命是一种特殊的生命原质，另一种学说认为在生命体中，和在外界的物质世界中一样，机械作用可以最终地解释一切现象。有很长时间，人们一直以为组成动植物组织的复杂物质只有在生命的过程里才能形成，因此有人认为，对于生命的灵魂说的信仰就是随着这种看法兴起和衰落的。1826年，亨内尔（Hennell）用人工的方法合成了乙醇，1828年，韦勒（FriedrichWohler）用氰酸与氨制成了尿素。这些事实说明以前仅仅存在在生物体内的东西，现在也可以在实验室内制造出来了。以后跟着又制造出许多人工合成物，1887年，费舍（Emil Fischer），由碳、氢、氧等元素合成了果糖与葡萄糖。二百年来有机物只能用干馏方法分析，分析的结果经过秤量，按份数记录下来，即气、液、油和碳滓各占若干份，可是到了十八世纪后期，就已经知道了许多有机化合物，舍勒（Scheele）就分离出几种有机酸。
有机化学的头一个基本问题是测定化合物中的元素与其组成的百分数。现今所用的方法是将要测定的化合物放在氧化铜放出的氧内燃烧，然后测量燃烧后的产物的数量。这种分析的方法主要是由拉瓦锡、柏采留斯、盖伊-吕萨克与泰纳尔（Thenard）等人发明出来的，又由李比希（Justus Liebig）加以极大的改进，到1830年，碳化合物的成分可根据经验得到相当精确的测定。一个惊人的结果便是发现了“同分异构体”（即有些化合物组成成分百分数相同而物理与化学性质不同），例如异氰酸银与雷酸银，尿素与氰酸铔，酒石酸与葡萄酸都是。柏采留斯认为这种现象是由于两种同分异构体的分子中原子的排列与联系不同的缘故。同样的现象也在元素中发现了，拉瓦锡证明木炭与金刚石在化学上是同一物质。
柏采留斯的见解，在弗兰克兰（1852年）、库珀（Couper）与凯库勒（Kekule，1858年）等人将原子价的观念阐明以后，得到进一步的发展。如常用酒精的经验式C2H6O可以写成构造式如下：
式中，凯库勒所指出的碳原子的四价，可用四条线表示，而每一条线可与别的原子如H或与别的原子团如羟基OH相连接。
1865年，凯库勒在讨论芳香化合物的文章中，把这些见解推广去解释这类化合物中最简单的苯（C6H6）的结构。凯库勒指出苯与乙醇不同，乙醇的碳链两端开放，而要解释苯的化学性质与反应，须将碳链的两端连结成一个合闭的环，如下图所示：
只要设想有一个或多个氢原子被其他原子或原子团所置换，便可以表达比较繁复的芳香化合物的结构。
这样，有机化学便理论化了。人们根据理论上可能的结构式，预言有某些新的化合物存在，而许多预期的新化合物也真的合成或分离出来了。这样，就有机化合物而言，结构式的理论就使我们可以把演绎的方法应用到化学上去。
米彻尔里希（Mitscherlich）本来早已指出原子结构与晶状有关，在1844年，他又促请人们注意一个事实：酒石酸的各同分异构物，虽然化学反应，组成成分及结构式都是一样，可是光学性质却不相同。1848年，巴斯德（Louts Pasteur，1822－1895年）使葡萄酸盐重结晶时，发现有两种晶体形成，它们的关系如右手与左手或实物与镜中的影像一样。如果将这两种晶体分别取出，再加溶解，一种溶液可使偏振光的偏振面旋转向右，另一种溶液则使偏振面旋转向左。第一种溶液后来证明含有一种普通酒石酸的化合物，第二种溶液则含有另一新盐，与第一种混合，即得葡萄酸盐。葡萄酸和类似物体的分解可以利用酵素一类有生命体的选择作用来实现。事实上，从有生命的物质中得出的许多产物在光学上都是活泼的，而在实验室中合成的同样的产物却是不活泼的。
1863年，维斯里辛努斯（Wislicenus）根据乳酸的类似现象断定，这两种不同的晶体一定是由于原子在空间的排列不同而造成的。
1874年，勒·贝尔（Le Bel）与范特-霍夫也各自独立地得到这个观念。他们推断说，一切在光学上活泼的碳化合物都具有不对称的原子结构。范特-霍夫以为碳原子C位置在四面体的中心，其四角上放有四个其他原子或原子团（图8）。如果这四个原子或原子团各不相同，就可得一种不对称的结构，这里可能有两种安排，彼此的关系和实物与镜中影像的关系一样。勒·贝尔、琼斯（H.OJones）、波普（Pope、基平（Kipping）等人又发现碳以外的其他元素，特别是氮的化合物也有同样的现象。
1832年，李比希与韦勒指出：在许多情况下，一个复杂的原子团（后来叫做“基”）通过化学作用在一系列化合物都是紧紧抱成一团的，就象一个元素的原子一般。
例如氢氧基OH，不但发现于水中，就是在一切苛性碱类与醇类中也一样存在。此外在有机化学与生物化学里还可找着无数的复杂的基，而且是有机化学和生物化学的反应所必需的。
从基的观念自然而然要走到构型的理论。这个理论是罗朗（Laurent）与杜马（Dumas）提出的：在1850年以后，又由威廉森（Williamson）与热拉尔（Gerhardt）加以发展。化合物可按照它们的构型分类，例如氧化物可以看做是在水型的基础上构成的，氢原子的一部或全部被同价的原子或原子团所置换。这种基与型的观念代替了柏采留斯的电性二元论。
构成生物机体的无数有机物逐渐被分离出来，在十九世纪后半期又按其元素用人工方法合成出来。它们都是以下三类比合物的某一类的成员或其衍生物：
（1）蛋白质，含碳、氢、氮、氧，有时还有硫与磷。
（2）脂肪，含碳、氢与氧。
（3）碳水化合物（糖类），合碳、氢、氧，氢和氧的比例和它们构成水的比例一样。
在这三类比合物中，蛋白质的化学结构最复杂，主要的基础是氮。它们容易分解为许多大致相同的成分，一般叫做氨基酸，含有氢、氮二元素结成的氨基NH2。这类酸中有许多在十九世纪里被分离出来，并加以化学的检验。它们的结构是多样的，但都具有一个或多个酸性碳氧基（COOH学名“羧基”）和一个或多个碱性的氨基，所以它们同时具有酸、碱两性。各种有机体中发现的各种蛋白质，即是许多氨基酸以不同的比例所构成的。
1883年，库尔蒂斯（Curtius）用人工造成一种物质，其化学反应与蛋白质产物相同。跟着，费舍研究了这种物质与类似化合物的结构。他发明了几个方法来使氨基酸结合成复杂的物体。这种物体同消比酶作用于蛋白质而造成的蛋白胨很相象，这些物质就叫做“多肽物”。这样，在十九世纪结束以前，在测定生物机体的组成成份的性质方面，甚至在合成这些成分方面，都有相当的进步，但对于更复杂的蛋白质，仍然了解得很少。
生理学
十九世纪生理学上最早的观念之一就是，身体的生命是组成身体的各个组织的生命的总和结果。比夏（Bichat，1771-1802年）提出了这个理论，并且在弄清这些组织的特性方面有很多贡献。他以为在生命中，生活力与物理和化学的力量经常在斗争之中，后两种力量在生物死后，就重新主宰一切而毁灭了生物的躯体。
有些个别的观察已经说明大脑的各种功能各有一定的部位。例如1558年，威尼斯的马萨（Massa）注意到左眼后面的部位受伤可以妨碍说话的功能。哈勒（Haller）以为神经在脑髓中有一个共同的会合点，但迟到1796年，有资格的解剖学家仍然把脑室里的流体与盖伦的“动物元气”和亚里斯多德的“感官交会所”或“灵魂的器宫”混为一谈。这种理论最后为先在巴黎、后在维也纳行医的加尔（F．J．Gall，1758－1828年）的解剖所驳倒。他把马萨的见解加以发扬光大，揭示了大脑的真正构造，并说“灰质是神经系统的活泼而必不可少的工具，白质只是联系的链条而已”。加尔被人指责为唯物主义者。他坚持遗传的重要，尤为人所不满，因为遗传一说和当时教会的道德责任观念是抵触的。他习惯于把无可置疑的事实与谬误丛生的学说混合在一起，这就给他招来更多的纠葛。他所辞退的助手斯珀茨海姆（Spurzheim）根据他对于大脑各部位功能的研究结果建立了荒唐的“脑相学”，因而使人以为加尔本人也不过是一个走江湖的骗子。但现代脑神经学仍然是建立在加尔的研究成果的坚实部分之上的。
比夏所主张的活力论，为另一位法国生理学家马让迪（Majen－die）所修改。他以为生物的某些现象是一种不可解的生命原质造成的。自1870年以后，马让迪对于他认为适于用实验方法研究的问题进行了辛勤的研究，有不少成就。他反对当时流行的理论观点，崇拜实验，甚至盲目的实验；当时采用培根的实验方法的人很少，他却是一个。他证明脊神经的前后根功能各异，正如贝尔（Charles Bell）爵士所推测的那样，——这是神经系统生理学上的一个基本发现。马让迪还创立了研究药物效应的实验药理学．而且证明血液在血管里流动的主要原因是心脏的抽唧作用。
笛卡尔与他的学生以为由神经纤维传达到中枢的刺激会自动地变成向外去的神经冲动，而激发适当的器官或肌肉，这样，人体便成了一副机器。医疗学派接受了这个观点。贝尔、马让迪与霍尔（Marshall Hall，1790-1857年）等人对这问题提供了不少的证据。霍尔把随意的反射作用与无意识的反射作用区别开来。许多生活中的寻常动作如咳嗽、喷嚏、行走、呼吸都可以看做是反射，另外还有许多动作，从前认为包含复杂的心理作用，到十九世纪末年，人们，特别是夏尔科（J.M．Charcot，1825-1893年）与他的学生才把这些动作划归到反射作用去。到了二十世纪，在这些问题上更积累了不少的证据。
十九世纪初年，德国最著名的生理学家是约翰内斯·弥勒（Johannes Muller）。在他的名著《生理学概论》中，他搜集了当时所有的生理知识。他对于神经功能也进行了不少研究。他有一个很有效果的发现：我们经验哪一种感觉，与刺激神经的方式无关，而只取决于感官器官的性质；例如光、压力或机械的刺激，作用于视神经与视网膜时，同样产生光亮的感觉。自从伽利略的时代以来，哲学界就相信，人们单凭感官是无法真正认识外界的。弥勒的发现给这一信念提供了生理学的根据。
不管这种研究多么成功，就是用物理与化学的实验方法来推进生理学的人们也往往感觉有许多问题是这些方法所不能奏效的。此外，还有一些人把主要兴趣放在形态学方面。他们采取更加彻底的活力论的观点。在法国特别是这样。在那里尽管有马让迪的实验工作，但科学界研究自然历史的气氛比研究生理学的气氛更浓一些。博物学家居维叶（Cuvier）的影响也有利于活力论。
马让迪的有名学生是克劳德·伯纳德（Claude Bernard，1813－1878年）。他在实验才能上不亚
在弥勒的书中，食物在胃里所经过的化学变化就仿佛是消化的全部过程。1833年，美国陆军外科医生博蒙特（Beaumont）发表了有关消化的许多新事实。这些事实都是他从一个受了枪伤、胃上留有一个孔穴的病人身上观察到的。伯纳德也在动物身上造成同样的情况，证明胰液可以把由胃进入十二指肠的脂肪分解为脂肪酸与甘油，把淀粉转化为糖，并溶化含氮物质或蛋白质。
杜马与布散果耳（Boussingault）认为植物与动物的功能完全相反。植物吸收无机物，制造有机物。动物本质上带寄生性，靠了把有机物变为无机物，至少是变为比较简单的残滓而生活。动物吸取有机食物，有时略加改变，但他们认为动物绝不能制出脂肪、碳水化合物或蛋白质。伯纳德用狗作实验，证明肝在神经控制的内分泌影响下，可从血液制成葡萄糖。1857年，他又用实验证明肝在活着时能生成一种类似淀粉的物质，他叫做肝淀粉或糖元，经过与生命无关的酵解后，即成葡萄糖。这样，他使人明了了糖尿病的性质，并指出动物也能制成某些有机物质。
伯纳德的第三个大发现便是所谓血管舒缩神经的功能。这种神经可以在感官冲动的刺激下产生不随意动作，以控制血管。他是由于研究一种神经的节引起的“动物热”，而发现这种功能的。后来事实证明，所谓动物热实际是由于血管的扩张而产生的。福斯特（Foster）说：“任何稍具广度的生理学讨论都迟早难免要遇到血管舒缩问题”；这些问题是由于伯纳德在一个活的动物身上进行一次简单实验而产生的。“假使伯纳德生在今天的英国，这个实验可能要遭到禁止，这样，他的工作成果……在出生前就要被扼杀了。”从历史上可以很明白地看出：有关重要器官与身体各种功能如循环、呼吸、消比的基本知识，现代生理学、现代医学与现代外科所依赖的知识，都是由于在动物身上进行实验而得来的。不准用这个方法增进知识的人，应负很大的道德责任，即令他们不了解事实或不了解这种实验牵涉多么重大的问题，他们的责任也丝毫不能减轻。
神经系统的研究为韦伯兄弟（E.H．and E．F．Weber）所推进。他们发现了抑制作用，如刺激迷走神经而使心跳停止之类。
1838年，马格纳斯（Magnus）对于呼吸获得进一步的知识。他指出动脉和静脉管中的血均含有氧与二氧化碳，但其比例不一样。他以为气体是溶解在血液中的，但在1857年迈耶尔证明这两种气体与血组成一种松弛的比合物。伯纳德指出一氧化碳的毒性作用是由于它从红血球的血红蛋白里将氧气不可回复地置换了，因此血红蛋白不起作用，再不能将氧气输送到身体的组织中去了。
哈维在1651年出版的《动物的生殖》一书中，已经把观察的胚胎学放在正确的基础之上，但真正开辟了现代发展的人是沃尔弗（Caspar Frederick Wolff，1733－1794年）。他生于柏林，死于圣彼得堡，应俄国女皇叶卡特林娜之召到了那里。在沃尔弗生前，他的研究成果被人怀疑与忽视，但事实上他却开创了现代一切结构理论的先河。他用显微镜研究过细胞，指出怎样从一个原来性质纯一的胚子逐渐分比而形成各种器官。
冯·贝尔（von Baer，1792－1876年）指出细胞的增殖与分裂是一切胚胎发展的共同过程，后来更认识在整个动物界里，发育都是按这个过程进行的。1827年，冯·贝尔再度发现克鲁克香克1797年所看见的哺乳动物的卵子，从而推翻了每一卵子都包含具体而微的小动物的旧说。我们可以说冯·贝尔创立了现代胚胎学。他批评了梅克尔（Meckel，1781－1833年）关于“个体历史是种族历史的重演”的理论；这个假说得到过早的承认，使胚胎学在十九世纪末年成了研究进化论者喜用的方法。当时，人们以为这个方法在个体历史中可以发现某些事实，而用另外的方法，只有经历无穷的困难，在动物界中进行广泛的比较调查，才能得到这些事实。
生物结构的细胞理论开始于十七世纪。胡克在显微镜里看见了“小匣或小室”，跟着雷汶胡克、马尔比基（Malpighi）、格鲁（Crew）等人也有同样的发现。但大进展发生于十九世纪初期，那时米尔伯（Mirbel）、杜特罗会（Dutrochet）与他们的追随者逐渐将细胞理论奠定成形，而且按照从有核胚胎中产生的细胞不断分裂过程研究了植物和动物组织的形成。细胞理论是很多研究者的集体成就。
杜宾根（Tubingen）的冯·莫尔（Hugo von Mohi）研究了细胞的内容，并将细胞膜内的粘性物叫做原形质。冯·耐格里（Karlvon Nageli）发现这种物质含有氮元素。舒尔茨（Max Schultz）把事实综合起来而形容细胞为“一团有核的原形质”并主张原形质是生命的物质基础。
柏林的微耳和（Rudolf Virchow，1821-1902年）将细胞理论应用于病理组织的研究，而在医学上展开了一个新的篇章。他在《细胞病理学》（1858）一书中指出，病态结构是由原有的细胞变化而来的细胞组成的。例如癌有赖于细胞的病理发育，如果能找到一种治疗的方法，它就必须建立在控制细胞活动的方法的基础之上。
与扩大化学范围把许多生命变化包括在内的同时，在把物理学的原理应用到生理学问题方面，也取得很大的进展。哈维在解释血液循环时认为，血液靠了心脏的机械作用，被压到动脉和静脉里去；这个学说赋予生理学的研究以自然主义的色彩。但到十八世纪的后半期，由于这个问题非常困难，活力论的假说又普遍地被人采用；法国学派的“超机械力”到十九世纪中期还维持着它的影响。以后，意见就开始改变。这种局面最初是有机化合物的合成和我们叙述过的生理学方面的研究成果促成的，后来又为物理学方面的研究成果所加强：路德维希（Karl Ludwig）在生理学中使用了物理仪器；迈尔与赫尔姆霍茨的工作表明，能量守恒的原理必定也适用于生物机体。
许多人认为这是非常可能的。没有证明的必要，但在许多年后，这一点才得到精确的实验证明。李比希的确说过动物热不是夭生的，而是燃烧的结果，但直到有人把各种食物放在量热器里燃烧测定其热值以后，才得到定量的证明。1885年，鲁布纳（Rubner）测定蛋白质与糖类的热值为每克4．1卡，脂肪为9．2卡。1899年，阿特沃特（Atwater）与布赖恩特（Bryant）发表了他们在美国所进行的更广泛的实验的结果。他们扣除了各种食物中不能消化部分，对鲁布纳的数字加以修正：蛋白质与糖类的热值为4．0卡，脂肪为8．9卡。一个从事重劳动的人每日所需的食物的燃料值为5，500卡，而不用肌肉工作的人，每日所需的食物的燃料值仅为2，450卡。伍德（T.B.Wood）等人新近对农场牲畜的研究，又把食物分为维持量（即动物存活所需的食物），与增加量（即为发育与产乳所需的食物）两类。
要研究能量不灭的问题，我们就必须测定从食物中输入的能量与肌肉作工发热及排泄时输出的能量。鲁布纳在1894年对狗身上的输入和支出作了估计，算出这两个量出入在0．47％之内。1901年，阿特沃特、罗莎（Rosa）与本尼迪克特（Benedict）在人体上进行实验。他们的结果说明，两数出入在千分之二以内。脑力活动与其他没有计入的活动，很可能也需要能量，但其数值必然很小。
这种大体上符合能量守恒原理的结果说明，人体的体力活动归根结蒂应溯源于所摄入的食物的化学能量与热能量。由此，我们可以得出一个即使不严格符合逻辑也是十分自然的结论：能量的总输出额既然符合物理定律，那末中间过程当然也可以完全用这些定律来描述。
这种自然主义的观点不但因为许多观察者的工作证实了细胞理论而进一步巩固下来，而且还由于其他研究而进一步巩固下来，其中包括关于细胞结构与功能的研究。人们很快就把与胶体物质有关的物理现象的知识应用到生理学的问题上去，同时还发现神经作用的现象总是伴有电的变化。
事实证明，有许多种以克汀病得名的先天白痴，是甲状腺功能衰退造成的。1884年，希夫（Schiff）发现，如果用甲状腺素饲喂动物，可以防止切除甲状腺的后果。这个结果不久就应用于人体，使许多从前本来会以白痴终身的儿童，都成长为快乐而有智慧的人。
由于用科学方法说明了许多人体的生理过程，十九世纪中叶机械哲学愈见盛行。于是人们就产生了这样一个信念：生理学不过是“胶体物理学和蛋白质化学”的一种特殊情况。不管整个生理学问题以及构成这个问题的基础的心理学和形而上学的问题的真相怎样，有一点是很明显的：为了促进孤立地研究自然界的个别部分或方面的科学，我们必须假定生理的过程，在细节上也是可以了解的。要增进知识，就必须应用已经确立的自然原则，而从科学的有限观点来看，物理学与化学的基本观念与定律实在是自然原则的最好的终极陈述。这种分析的方法与观念是否足以解决整个动物机体的综合问题，那是另外一个深奥得多的问题。举一个极端的例子：有一个学说，说人的心灵运用身体，就象音乐家运用乐器一样，即使乐器也不过是一种物质的结构而已。
在十九世纪的第三个季度里，人们已经由研究同无机化学里催化作用相似的催化作用，进而去研究在生物机体中进行的许多过程。到1878年，有机催化剂或酵素在生物化学上已经具有很大的重要性，那一年在阐明它们的作用方面有很大贡献的库恩（Kuhne），给它们起了一个特殊的名称：“酶”（希腊文EV&UUn“在酵母内”）。催化剂或酶的主要性质是，它象滑油之于机器那样，能促进化学反应，增加其速度，而自己却不作为一个组成成分加入最后平衡的物质。酶常是胶体物，并带有电荷，这也许是它们的作用的一个原因。事实上，1887年，阿累利乌斯已经指出离子自身便有催化作用，在蔗糖的旋转中就是这样。1904年和以后几年，柯尔（Cole）。米凯利斯（Michaelis）与索伦森（Sorensen）研究了离子对于胶状酶的影响。有机变化的过程常需特殊的酶。有些酶分量极微，只有凭它们的特殊反应才能把它们发现出来；另外一些可以分离出来加以研究。比较重要的酶有如下几类：分解淀粉的淀粉酶，在酸液中分解蛋白质的胃蛋白酶，在碱液中分解蛋白质的胰蛋白酶，以及分解酯类物的脂酶等。虽然在生物体内，酶的最明显的作用，是促进复杂的物体使其分解为比较简单的成分，可是它们的作用是可逆的。它们只在化学变化的进行方向上，促进其反应的速度。
微生物与细菌学
十九世纪生物学最惊人的发展之一，是人们对于动植物和人类的细菌性疾病的来源与原因的认识大大增进。这种认识由于能增加我们控制环境的能力，因而和其他科学的实际应用一样，也显著地影响了我们对于人与“自然”的相对地位的看法。1838年左右，德拉托尔和施旺发现发酵过程中的酵母是一些微小的植物细胞，而发酵液体中的化学变化在某种程度上是这些细胞的生活造成的。施旺还发现腐败也是一个类似的过程。他指出如果我们设法用加热的方法把所有与受检查的物体相接触的活细胞都毁灭净尽，并且以后只让它和经过赤热试管的空气接触，则发酵与腐败都不会发生。这样他就证明了发酵与腐败都是活着的微生物的作用造成的。
这些结果在1855年前后又由巴斯德加以证实与发挥。他认为每一个已知的自然发生的例子，都不是事实。他指出细菌的存在都是因为有细菌从外面进来，或者里面原来就有细菌，后来才发育起来。巴斯德证明某些疾病如炭疽、鸡霍乱与蚕病就是由特种微生物造成的。后来许多别的疾病所特有病菌也发现了，它们的生活史也考查出来了，其中有许多疾病是人类中间流行的疾病。
利斯特（Lister）在1865年听说巴斯德的实验，到1867年就把这一成果应用到外科手术上去。他先是用石碳酸（酚）作为防腐剂，以后又发现清洁是一种有效的防腐方法。由于利斯特把巴斯德的研究成果应用于外科，再加上戴维爵士、马萨诸塞（Massachusetts）的莫顿（W．T．G．Morton）与爱丁堡（Edinburgh）的辛普森（J．Y．Simpson）爵士以前所发现的麻醉剂，外科手术就达到前此所未能达到的安全地步。这些发现在卫生、内科与外科方面所产生的效果，极其明显地表现在城市居民死亡率的降低上。如伦敦在二百年前每年的死亡率是千分之八十，而1928年则降低到千分之十二。
1876年，科赫（Koch）发现炭疽杆菌的孢子的抵抗性比杆菌本身更强。1882年，科赫又发现了造成结核病的微生物。大大发展了细菌学的技术，使它成为公共卫生与预防医学所必不可少的一种艺术与科学的，就是科赫。特殊的微生物，一经分离之后就可以让它们在明胶或其他媒介物的纯粹的培养液里自行繁殖。然后就可以在动物身上测定这些细菌的病理效应。
人们发现，至少在有些情形下，与微生物细胞的生命有关的某些变化所以产生，是因为微生物细胞里有某种酶，或者是由于微生物细胞的活动而产生某种酶。1897年，毕希纳（Buchner）从酵母细胞内分离出了特种酶，并表明这种酶与活的酵母细胞相同能引起同样的发酵作用。这种酶的作用与一般的情况相同，反应完成之后，酶仍不变；单单它的存在就足以引起和促进化学反应。
1718年，蒙塔古（Mary Wortley Montagu）夫人从君士坦丁堡传入天花病的接种法。十八世纪末，杰斯提（Benjamin Jesty）根据一般人的信念，认为患过轻微牛痘的挤奶姑娘不会感染天花，英国柏克利乡间医生詹纳（Edward Jenner）用科学方法去研究这个问题，而发明了种痘的方法。他将病毒放在小牛体内，待其作用减弱时，再将痘浆注射于人身，使人得减轻或完全避免这种疾病的危害。这一发现开创了免疫学的研究。病原体产生有毒的物质或毒素。这种毒素是1876年首先在腐败物内发现的。1888年人们可用过滤培养液的方法，从细菌得到毒素。就白喉病而言，我们先从其细菌培养液取得毒素，然后把这种毒素逐渐加多地注射入马体内，马的组织内即制成一种抗毒素。由免疫的马血制成的血清，可以保护与病菌接触过的人和帮助已经患白喉病的人恢复健康，此外，用病菌的消毒培养法，我们可以制出各种疫苗，使人们对活的病菌所造成的各种疾病部分的或完全的免疫。1884年，梅契尼科夫（Metschnikoff）发现“食菌细胞”（白血球），具有消除致病性细菌的功能。
伯登-桑德森（Burdon－Sanderson）与巴斯德等把詹纳的毒素减弱的原理推广应用，去治疗其他疾病。巴斯德证明狂犬病或恐水病，就是在已经感染以后注射，一般也是有效的。这个可怕的、从前认为无法治疗的疾病，经注射后死亡率减少到百分之一左右。显微镜下看不见有细菌。这种病是一种比一般细菌小得很多的病毒所造成的。
病原微生物的生活史常常是很复杂的，有些病原微生物在不同的寄主里度过其生活的几个阶段。只有通过给活动物接种的极周密的实验，才有可能研究它们的性质。有些寄主有时并不感受侵入的微生物的影响，这就使我们在研究感染的来源时遇到极大困难。人们最后战胜疟疾的经过是研究传染病时所遇见的困难与危险的最好的例子。疟原虫是法国军医拉维兰（Laveran）在1880年左右发现的。五年后意大利人观察到人们感染疟疾是由于被蚊虫咬伤。1894-1897年间，曼森（Manson）与罗斯（Ross）证明一种特殊的蚊虫（Anopheles，疟蚁类）身上有一种寄生虫，这种寄生虫就是疟原虫的幼虫。因此，防治疟疾的正确方法就是毁灭蚊虫的幼虫。而要毁灭蚊虫的幼虫，就需要把沼泽地带的积水排清，或用油膜覆盖于静水的池沼上面，以防止其生长。
同样，人们也查明马尔他病或地中海热，是一种微生物的作用造成的。这种微生物的一段生命寄生在山羊体内，由羊乳传染到人，可是山羊却不生病。人们还发现黑死病（鼠疫）与鼠、蚤及其他传递疫菌于人的寄生虫有关。这是病菌通过间接途径进入人体的又一例子。只有明了这些病菌的生活史之后，防治的斗争才能收到最好的成效。
1893年，莱夫勒（Loffler）与弗罗施（Frosch）最先透彻地研究了超显微镜的病毒。他们指出患口蹄疫的动物的淋巴液经过可以隔离一般细菌的滤器后，仍然可以使其他动物感染疫病。他们断定所处理的对象，不是无生命的毒质而是能生殖的微小机体。我们至今还不能断定这些超显微镜的可滤过的、可以使动植物感染，很多疾病的病毒，究竟是不是粒子状的细菌。无论如何，它们的大小，必与分子接近，有人以为它们是一种非细胞的新型的有生命的物质。
碳氮循环
我们再来谈呼吸的问题。拉瓦锡与拉普拉斯证明动物的生命需要碳和氢经氧化而成二氧化碳与水。1774年，普利斯特列发现，如果把绿色植物放在小鼠“弄坏”过的空气停一个时候，这种空气就可以再一次恢复维持生命的功能。1780年，英根豪茨（Ingen－housz）证明植物的这种作用只有在日光下才能发生。1783年，塞尼比尔（Senebier）表明这种化学变化是把“固定下来的空气”变成“脱燃素的空气”，即由二氧化碳变成了氧。1804年，德·索热尔（deSaussure）对这个过程作了定量的研究。这些结果启发李比希进行研究，并提出一个概括的理论，说碳元素和氮元素在动植物交互生长与腐败的过程中，必经过循环的变化过程。
帮助植物增殖的活性物质是叶绿素。它的化学结构与在日光下的化学反应都很复杂，现在还不十分明瞭。但是它有一种能力，是地球上我们所看到的生命所必需的：它能利用日光的能量去分解空气中的二氧化碳，释出氧气，使之与植物组织的复杂有机分子里的碳相结合。在叶绿素的吸收光谱中，最大吸收量的位置恰与太阳光谱中最大能量的位置相合，这样一种手段与目的的适应，不管是怎样产生的，毕竟是很奇妙的。
有些动物靠食用植物过活，也有一些动物靠吃其他动物维生，因此，一切动物都是依赖叶绿素所收集到的太阳能量生活的。动物呼吸时，将碳化物氧化为有用的衍生物与排泄物，同时靠氧化所发出的其余能量维持体温。植物也慢慢放出二氧化碳，不过在日光中这种变化为具逆向的反应所掩蔽而已。植物与动物都把植物吸取的二氧化碳归还给空气中，无用的有机化合物就堆积在土中。在这里它们为无数土壤细菌所分解，变成无害的无机物，同时将更多的二氧化碳倾注于空气中。这样就完成了碳的循环。
与此相当的氮循环是较近的发现。罗马诗人味吉尔在其《农事诗》里，已经劝告在种麦之前须种黄豆、紫云英或羽扇豆。这种作法的好处是大家都知道的。但是其中道理直到1888年经过赫尔里奇尔（Hellriegel）与威尔法斯（Wilfarth）研究方才弄明白。豆科植物根上的瘤藏有一种细菌，能固定空气中的氮，用我们不知道的化学反应，把氮变成蛋白质，然后输送到植物里去。1895年，维诺格拉兹基（Vinogradsky）寻出另外一个过程：土中细菌直接由空气中得到氮，其所需要的能量大概是由死植物的纤维分解而来的。
植物可以从这两种来源得到氮。含氮的废物，主要是在土壤中适宜的细菌的帮助下，变成氨盐，最后变为硝酸盐。这是植物制造蛋白质所需要的氮的最好来源。土壤是物理的、化学的与生物的混合体，主要是胶体。为了维持它的平衡，它既需要从动植物腐败而来的有机盐，也需要从矿物而来的无机盐。
李比希说明了矿物盐在农业上的重要性，但他忽略了氮的极端重要性。十九世纪中叶，这个问题才由布散果耳（Boussingault）以及吉尔伯特（Gilbert）和劳斯（Lawes）在罗森斯特德（Rothams－ted）实验站加以研究；他们的研究成果成了现代人工施肥的基础。植物生命不可缺少的元素是氮、磷与钾，但这些元素通常只有极少量。如果这些元素的一种分量过少，农作物的收成必受限制。只有按照植物能利用的方式添加不足的元素，植物才会自由生长起来。微量的其他元素，如硼、锰与铜，也是植物所需要的。
人工施肥的科学研究使农民在耕作方法上得到更大的自由。当人们可以把农作物所吸取的元素还给土地来维持土地的肥沃性的时候，旧日的轮种和体种方法就可以大大改变了。
自然地理学与科学探险
在十八世纪后半期和整个十九世纪，系统的世界探险工作进行得很快，而且大部分是在真正科学精神下进行的。1784年，英国军需部在洪斯洛荒地（Hounslow Heath）测定基线，开始利用三角学进行测量。这样，法国地图学家丹维尔（d’Anvlle）所创始的精密地图和海洋图就都有可能给制出来了。
我们应当叙述一下普鲁士博物学家和旅行家洪堡男爵（vonHumboldt，1769－1859年）的工作。他最喜欢住在巴黎。在那里，他协助盖伊－吕萨克完成气体的研究（见211页）。他花了五年的时光在南美洲及墨西哥海湾的海上与岛上探险。根据这次旅行所得的观察结果，他认为应该把自然地理学与气象学当做是精确的科学。洪堡首先在地图上绘出等温线，因而得到一个比较各国气候的方法。他攀登过安第斯山脉的琴博腊索山（Chimborazo）与其他高峰，以观察温度随海拔增高而降低的比率。他研究了赤道带暴风与大气扰乱的起源；他研究了火山活动带的地位，认为火山活动带与地壳的裂缝是符合的。他调查了动植物在自然条件影响下的分布情况；他研究了从两极到赤道地磁强度的变化，并巳创造了“磁暴”这个名词来描述一个他首先加以记录的现象。
洪堡的劳动与人格引起人们很大兴趣，从而推动了欧洲各国的科学探险。1831年英国派出“猎犬号”（the Beagle，或音译为“贝格尔号”）进行了一次有名的航行，“完成了巴塔哥尼亚（Pata－gonia）与火地（Tierra del Fuego）的测量；又测量了智利、秘鲁的海岸和太平洋上一些海岛；并且进行了定期的环球联测”。当时宣布，这次航行“纯粹是为了科学的目的”，达尔文就以“博物学家”的身分，在这艘船上服务。
几年以后（1839年），有名的植物学家胡克（W．J．Hooker）爵士的儿子约瑟夫·胡克（Joseph Hooker，1817－1911年）加入了罗斯（James Koss）爵士的南极探险队，在那里花了三年时间研究植物。后来他又参加一个政府资助的远征队，到了印度的北边。1846年，赫胥黎（T．H．Huxley）离开英国，在“响尾蛇号”船上做外科医生，在澳大利亚海上进行了几年测量与制图工作。他生性热情，观察力锐敏，常常因为没有机会从事普遍感兴趣的精密科学研究而慨叹。这样，在十九世纪思想革命中起了重大作用的人物当中，就有三个在科学探险的航行中当过一个时期的学徒。有组织的发现与研究的最高潮是“挑战者号”（the Challenger）的远征。这艘船于1872年出发，在大西洋与太平洋上游弋几年，记录了有关海洋学、气象学及自然历史各个部门的资料。
海洋学尤其变得重要起来。美国海军部的莫里（Maury）研究了一个半世纪以前丹皮尔（Dampier）所留下来的有关风和洋流的问题，对于海上路线航行作了很大改进。海上的集群生物具有无数的形态，有显微镜下才看得见的、经亨森（Henson）命名的浮游生物、原生动物、变成海底软泥的放射虫的骸骨，还有各式各样大小的鱼类；它们的生活迁徒部分地以浮游生物为转移，因为有些鱼群以这些生物为饵料，常追随它们而游行。
地质学
拉普拉斯由于企图提出一个合理的学说来说明太阳系的起源，就促使人们注意到这个问题并激发了人们把地球当做太阳系的一部分加以研究的兴趣。不幸，在不顾教皇的无上权威，思想自由最为盛行的国家，《圣经》文字的权威也最为深入人心。所以在《创世记》以外任何有关地球起源的看法，必须经过一番新的斗争，才能得到一般的承认。就是在十九世纪中期，还有人认真地说化石是上帝（或魔鬼）埋藏在地下，以考验人们的信心的，但是我们都知道化石告诉我们的是另外一套故事。
从很早的时候以来，在开矿的过程中，人们就得到一些有关岩石、金属与矿物的知识。正象一些希腊哲学家那样，达·芬奇与帕利西（Palissy）已经认识到化石是动植物的遗体，但是一般人却以为化石是“造物的游戏”，是一种神秘的“溯形力”——自然界以各种方法创造所喜爱的形式的倾向——的产物。只有个别的观察者，如斯坦森（Niels Stensen，1669年），才认识到我们可以利用化石来探索地球的历史，但这种看法没有得到一般人的接受。伍德沃德（Johnwoodward，1665－1728年）赠给剑桥大学的大批化石大有助于证实化石来源于动植物的看法。1674年，佩劳尔（Perrault）证明地上的雨量足以解释泉水与河流的来源而有余，盖塔尔（Guettard，1715-1786年）说明风化怎样改变了地球的面貌。虽然如此，仍然有人对事实加以曲解，以附会圣经中关于天地开辟时有洪水或大火的说法，而有水成派与火成派的争论。
首先有系统地和这种观点作斗争的是在1785年发表《地球论》的赫顿（James Hutton，1726-1797年）。这一次又是对自然过程的实际认识，铺平了科学前进的道路。赫顿为了改进他在柏韦克郡（Berwickshire）的农场，先在诺尔福克（Norfolk）研究本国农业再到荷兰、比利时与法国北部学习外国的农业方法。他对人们所熟悉的沟、坑、河床等熟思了十四年，然后回到爱丁堡，奠定现代地质科学的基础。赫顿认为岩石的层化与化石的埋藏现今仍在海、河、湖沼之内进行。赫顿说：“不是地球固有的因素不予使用，而且不了解其原理的作用不予承认”——这是一句真正的科学格言，因为它力求避免一切不必要的假设。
一直到沃纳（Werner）指出地质岩层有规律地相继出现以后；一直到斯密斯（William Smith）根据化石的客藏算出岩层的相对年龄以后；一直到居维叶根据在巴黎附近发现的化石与骨骼、重新构成久已绝迹的哺乳动物以后；一直到拉马克（Jean Baptiste deLamarck）比较现今的介壳和化石的介壳，而加以分类以后；最后一直到赖尔（Charles Lyell）爵士把说明水、火山与地震等因素至今仍在改变地球的证据以及有关化石的事实，都收罗在他的《地质学原理》（1830-1833）之内以后，赫顿的“天律不变学说”才得到普遍的公认。长期不断的过程所积累的效果第一次为人类所充分把握；人们觉得利用岩石的记录，印证眼前仍在进行的自然作用进行推理，我们可以寻出地球的历史，至少可以寻出地球上有生物的一段时期的历史。
化石的生态说明生命在各确定的时期里有很大的改变。这与阿加西斯（Agassiz）与巴克兰德（Buckland）在1840年左右最先收罗到的关于冰河作用的地质证据是符合的。这些地质证据可以说明各个冰期。
人类的起源与年龄的问题是人类特别感兴趣的问题。由于发现原始人所用的石器，由于在现今欧洲已绝迹的动物遗骸附近发现兽骨和象牙雕刻，赖尔才得以在1863年确定人类在生物的长系列中的地位，而且指出人类在地球上存在的时期比公认的圣经年代学所说的年代要长得多。现在看来，很可能，我们的祖先摆脱比较原始的状态成为真正的人，约在距今百万至千万年之间，而文明不过是五千至六千年间的事。
自然历史
在布丰发表了他的巨著《动物的自然历史》以后，又有一位法国人对分类问题进行研究，把分类法放在坚实的基础之上。乔治·居维叶（Georges Cuvier，1769－1832年）是一新教教士的儿子。他父亲从朱拉（Jura）迁居符腾堡（Wurtemberg）保护国境内。在法国革命初期和恐怖时代，他在诺曼底（Normandy）安静地学习，随后到巴黎，即在法兰西学院得到一个重要的位置。他的特殊贡献在于，他在博物学家中最先对现在的动物的构造和古代化石的遗骼加以系统的比较，从而说明在研究生物发展的时候，过去与现在应当同样注意。居维叶站在科学发现的新时代的门口。他的主要著作《按其组织分布的动物界》（Le Regne Animal，distribued’apres son Organisation），是两派人的研究成果之间的桥梁。一派人把世界及其现象当做是静止的问题加以研究，一派人把世界及其现象当做是一出巨大的进化戏剧中一系列变动不已的场景加以研究。
不幸，科学家与从事实际工作的花匠和农民之间缺乏密切的联系，后者用杂交与选种的方法不断培育出许多动植物的新品种，或把已有的品种加以改良。十八世纪末，贝克韦尔（Bakewell）把长角羊改良为新的有用的勒斯特（Leicestor）种。科林（Colling）兄弟应用贝克韦尔的方法改良了提斯（Tees）山谷的短角种，这样就培育出最重要的英国羊种。
巨大变异的自发出现，是园艺家们都熟知的事实：
例如，一种变种梨会忽然生出一支结满优良水果的枝条来；山毛榉会莫名共妙地长出绿叶扶疏的枝干；山茶会开出意料不到的好花。如将它们从母树取下插枝或嫁接，这种变种可以长久维持下去。园圃中的许多花卉与果木的品种便是从这样得来的。
园艺家所培殖的新品种，多数是由不同品种甚至种的个体杂交而来。在后一情况下，我们晓得杂交的结果常比纯种生育不蕃，有时简直不能生殖。
达尔文以前的进化论
自然界处在进化过程中的观念至少可以上溯到希腊哲学家的时代。赫拉克利特认为万物皆在流动状态之中。恩培多克勒说生命的发展是一个逐渐的过程，不完善的形式慢慢地为较完善的形式所代替。到了亚里斯多德的时候，思辨好象更进一步，以为较完善的形式，不但在时间上来自不完善的形式，而且就是从不完善中发展而来。原子论者常被称为进化论者。他们好象认为每一物种都是重新出现的。但由于他们相信只有与环境适合的物种才能生存，他们在精神上已经接近自然选择说的实质，虽然他们的事实根据还不充足。有人说得对：“在科学中没有充分考虑到有关事实的意见，不能借口正确而固执不舍。”象在其他许多知识领域中一样，希腊哲学家所能做到的，只是提出问题，并对问题的解决办法进行一番思辨性的猜测。
事实上，花去了两千年时间，花费了无数沉静而不关心哲学的生理学家与博物学家的心血，才收集到足够的观察与实验证据，使得进化观念值得科学家加以考虑。博物学家大半都把进化观念留给哲学家去议论，而且在达尔文与华莱士（Wallace）发表他们同时提出的研究成果以前，科学界的意见就发麦出来的而言，倒是反对进化论的。这是在资料不确凿时暂不下判断的真正科学态度的很好例证。另一方面，哲学家也尽了他们的本分，因为他们对于一个还不能交给科学家处理的学说，不断地提出思辨性的见解。他们对一个极其重要的问题始终不作最后决定，然而又提出解诀的方案。到相当的时候，这种解决方案可以成为科学家的工作假设，他们让科学家去做最后的决定。当文艺复兴时期进化观念再度出现时，它主要出现在哲学家（如培根、笛卡尔、莱布尼茨与康德）的著作之中，就是这个道理。与此同时，科学家却在慢慢地研究事实。这些事实最后会经过哈维的胚胎学和约翰·雷（John Ray）的分类系统，引导他们朝同一方向前进。有些哲学家在考虑物种目前的易变性及用实验方法研究的可能性时，甚至达到完全现代的观念，但我们不要忘记另外一些称为进化论者的哲学家（达尔文的前驱）却是从理想的意义上，而不是从现实意义上看待进化的。歌德（Goethe）的有些见解属于这一类，谢林（Schelling）与黑格尔也是这样。在他们看来，物种间的关系在于在概念领域内表现这种关系的内在理念。黑格尔说：“变化只能归之于理念本身，因为只有理念才在进化。……把从一个天然的形式和领域到一个更高的形式和领域的变化，看做是外部的与实际的产物，那是一个蠢笨的念头。”
可是，哲学家对于进化论的贡献的价值，并不因为哲学家从理想观点来看进化而化为乌有。最有趣味而且引人注意的是，哲学家与博物学家之间的分工与见解的不同，一直维持到最后的一刻。斯宾塞（Herbert Spencer）虽也是一位合格的生物学家，基本上还是一位哲学家。他在达尔文的《物种起源》发表以前几年，已经在鼓吹一种成熟而具体的进化论学说，而当时大多数博物学家还不愿接受任何这样的学说。就连搜集过不少变异证据的植物学家戈德伦（Godron），到1859年，即《物种起源》出版的那一年，也还是反对进化观念。哲学家和博物学家都是对的，他们各遵循正当的途径。哲学家所处理的是一个哲学问题，还没有达到可以用科学方法加以考察的地步。博物学家不接受一种没有确凿证据，而且无法着手研究的见解，甚至不把它当作一项工作假设，也正是真正科学家的审慎态度。
虽然如此，在十八世纪，就已经渐渐地有一些博物学家不顾当时流行的科学意见，维护某种进化学说，到十九世纪前半期，这样的人更是愈来愈多了。摇摆于巴黎大学正统派与“生物联锁论”的信仰之间的布丰，提出了外界环境直接改变动物的学说。诗人、博物学家与哲学家伊拉兹马斯·达尔文（Erasmus Darwin），看到了一点启示。这一启示后来在他孙儿手中得到了圆满的发展、他说：“动物的变形，如由蝌蚪到蛙的变化……人工造成的改变，如人工培育的马、狗、羊的新品种，……气候与季节条件造成的改变，……一切温血动物结构的基本一致，……使我们不能不断定它们都是从一种同样的生命纤维产生出来的。”
最早的一个有条理的合于逻辑的学说是拉马克（Lamarck，1744－1829年）的学说。他想要在环境造成的改变的积累性的遗传中，寻找进化的原因。照布丰的见解，环境对于个体所起的改变影响，常常很小，拉马克却认为，如果习惯的必要改变变成是经常的和持续的，这就可能改变旧的器官，并在需要新器官时使新器官产生出来。例如长颈鹿的祖宗由于不断地伸长颈脖去吃高处的树叶而获得愈来愈长的颈，这样获得的结构的变化又通过遗传而得到发展和强化。虽然这样的遗传没有直接的证据可寻，但它却不失为一种合理而前后一贯的工作假设，可以供其他博物学家，如梅克尔（Meckel）加以使用与发挥。
人们既然注意到环境对于个体的影响以及可以正当地归之于外界环境的变比的范围，这自然要对人们的思想与行动产生很大的影响。我们很难相信，个体可以发生深刻的变化，而其种依然一成不变。因此在十九世纪，就有人把通过环境造成改变的学说当做默认的前提，而兴办了很多社会慈善事业。虽然如此，随着时间的推移，我们已经明了后天获得的性质，即使有，也很难发现。这个问题在今天还在讨论之中，始终没有定论。
十九世纪另外两位主张环境对于个体有直接作用的进化论者是至提雷尔（Etienne Geoffroy Saint－Hilaire）与钱伯斯（RobertChambers）。后者隐名出版的《创造的痕迹》（Vesttiges of Creation）一书，曾经风行一时，帮助人们在思想上做好准备便于接受达尔文的进化论。
但达尔文的工作的中心思想，是从一个人而来的。由于奇特的机遇，他还把同样的线索给予华莱士。此人便是马尔萨斯（Thomas Robert Malthus，1766-1834年）。有一时期他做过英国萨里（surrey）的阿耳伯里（Albury）副牧师。马尔萨斯是一位能干的经济学家。在他所生活的时代里，英国的人口增加极速。1798年，他的《人口论》第一版问世。他在这本书里宣布人口的增加常比食物的增加快，只有靠饥馑、瘟疫与战争除去过多的人口，才能使食物够用。在以后版本中，他又承认了节制生育的重要性，当时生育节制主要是通过迟婚来实行的。因此，就应用于人类来说，不免削弱了他的简单明了的主要论点。
达尔文谈到过这本书在他思想上所起的作用：“1838年10月，我为了消遣，偶然读了马尔萨斯的《人口论》。我长期不断地观察过动植物的生活情况，对于到处进行的生存竞争有深切的了解，我因此立刻就想到，在这些情况下，适于环境的变种将会保存下来，不适的必归消灭。其结果则为新种的形成。这样，在进行工作时，我就有了一个理论可以凭持。”
达尔文
得到这个启示的人，由于遗传与环境的缘故，也具有充分利用这个启示的条件。查理·达尔文（Charles Robert Darwin 1809-1882年）是施鲁斯伯里（Shrewsbury）乡间能干而有资财的医生罗伯特·达尔文（Robert Waring Darwin）的儿子。他的祖父是伊拉兹马斯·达尔文，上面已经讲过了。外祖父约瑟亚·威季伍德（Josiah Wedgwood）是埃鲁里亚（Etruria）的一个陶工，也是一位具有科学能力与智慧的人。威季伍德族是斯塔福德郡（Stafford－shire）的小地主世家，达尔文族也是地主，但来自林肯郡（Lincoln－shire）。查理·达尔文最初在爱丁堡攻读医学，后来改到剑桥大学基督学院，想成为牧师。他在“猎大号”船上做博物学家，在南美海面上航行五年，得到最好的训练。在热带与亚热带的地区里，生物繁茂。达尔文看到了各种生物互相依存的情况，归来后不到一年，便着手整理记载与物种变迁有关的事实的许多札记中的第一册。十五个月以后，他读了马尔萨斯的书，发现一个线索，结果便形成了新种通过什么方法产生的学说。
属于一个种族的个体，天赋性能各不相同。达尔文对于这些变异的原因不表示意见，只是把这种变异当做事实加以接受。如果生殖过多或追求配偶的竞争过大，任何在争取生存和争夺配偶的斗争中，有用的性能都具有“生存价值”，而使具有这种性能的个体占有优势，有更大机会延长生命或得到配偶，顺利地生产压倒多数的后裔以继承这一有益的变异性。由于不具有这种性能的个体逐渐被淘汰掉了，这一特殊性便有扩大到全种族之势。种族改变了，一个不同的永久的种别慢慢地确立起来。这是一个新观念。关于它在思想史上的重要意义，赫胥黎有过确当的说明。赫胥黎凭借他的阐释的天才、辩论的技巧与争辩的勇气，在促使一般人接受达尔文与华莱士的见解方面比任何人尽力都多。他说：“新种可由个体离开种的类型的变异，经过环境的选择作用而形成。这种意见，在1858年以前，不论科学思想历史家和生物学家都是闻所未闻的。我们把这种变异称为‘自然发生’，因为我们不知其中的原因。但这个意见却是《物种起源》的中心思想，它包含了达尔文主义的精髓。”
达尔文把这个观念当做工作假设，花了二十年的功夫搜集事实和进行实验。他博览群书，阅读旅行游记，阅读有关运动竞赛、自然历史、园艺种植和家畜培养的书籍。他进行了家鸽交配的实验，研究了种子的传播，以及动植物在地质与地理上的分布。在融汇事实、权衡事实与已产生的一切复杂问题的关系以及最后排比事实上，达尔文表现了无上的本领。他的坦率的诚挚，对真理的爱好以及心境的平静与公正，都是理想的博物学家的典范。他为了指导工作，形成许多假设，但他绝不让先入之见蒙蔽了事实。他说：“我不断地努力保持心无拘执，以期任何心爱的假设（我对每一问题都要成立一个），只要证明与事实不合，我都可以立刻放弃。”
达尔文到1844年已经相信物种并非不变，而物种起源的主要原因是自然选择，但他年复一年地继续工作，以期得到更可靠的证据。1856年，赖尔敦促他发表他的研究结果，达尔文觉得他的研究尚未圆满，没有听从。
进化论与自然选择
接着，达尔文就开始写作，把他多年辛劳的结果简略地写了出来，1859年11月24日，他的书命名为《物种起源》发表了。
我们已经探讨了进化思想的各个支流——宇宙理论的、解剖学的，地质学的与哲学的。这些支流，虽然为物种不变的成见所阻，但在堰闸后面愈聚愈深。达尔文所搜罗的自然选择的证据是一个巨流，它以不可抵抗的威力冲破了这个堰闸，于是汹涌的洪水便泛滥于整个思想领域。随着时间的进展，我们对事实的认识大有增加，现在我们已经可以看出，达尔文，尤其是他的门徒，和他们以前的希腊原子论者一样，低估了生命问题的复杂性。虽然从形态学与古生物学的事实来看，进化的一般进程现在是很明显了，但物种起源的详细情节，还没有阐明出来。单单自然选择似乎还不能充分解释。但是，后来的更审慎的精神，不能减少达尔文的原理在历史上的重要意义。到最后，它也许证明是不充分的，但在当时确是必需的假设。自然选择的观念，引导人们接受了一个更重要的东西——有机进化论。
最初许多人觉得接受这个理论就要把人类在哲学上和宗教上的各种重要成果一概推翻，摧毁的东西就未免太多了。我们决不可不加思索地斥责当时广泛流行的这一心理状态。今天，进化的观念已经成为我们的学术观点的一个熟悉的因素，我们很难想象它在那时具有怎样的革命意义，我们也很难想象当进化论的证据放在世人的面前的时候，有能力判断这种证据的价值的人又是多么寥寥无几。这些证据是详细考查了活着的生物和化石遗迹以后得来的，一般人是不熟悉的，事实上大多数人连知道也不知道。现在，他们却觉得自己被迫要作一抉择：要么否认所得出的结论的有效性，要么抛弃祖先世世代代传下来的信仰。在责备他们以前，让我们诚实地问问自己：从事物的表面来看，究竟是相信蛙与孔雀、鲑鱼与蜂鸟、象与小鼠有共同的祖先容易一些呢，还是相信它们是分别创造出来的容易一些。虽然如此，素来爱好郊野及其动植物的英国人，凡是能领会达尔文所提出的证据的，都还是乐于听从进化论。
可是，就连某些博物学家也对这个新观念有抵触。大解剖学家欧文（Richard Owen）爵士就在《爱丁堡评论》上发表了很凶猛的反驳文章，他的许多同事也附和他的意见。但胡克立刻表示赞同达尔文的意见，赫胥黎、格雷、拉伯克（Lubbock）与卡本特尔（W．B．Carpenter）接着也都表示赞同，赖尔也于1864年秋天在皇家学会的聚餐会上，宣布他接受这个信念。
从一开始，赫胥黎就是进化论者阵营的主角。他自称是“达尔文的看家狗”。他凭着极大的勇气、能力和明晰解说的本领，首当其冲地抵抗各方面对达尔文的著作的攻击，而且时时带头对狼狈的敌人展开成功的反击。
赫胥黎（Thomas Henry Huxley）于1825年生于伊林（Ealing），但其祖宗居住在考文垂（Coventry）及韦尔斯沼泽地区，所以他具有真正边境民族的斗争气质。他告诉我们：《物种起源》出版，对于当时科学家，好象黑暗中的一道电光。他写道：
“我们不愿相信这种或那种空想，而要抓住可以和事实对照、经过考验正确无误的明白确定的概念。《物种起源》把我们所需要的工作假设给予了我们。不但如此，它还有一个极大用处，那就是使我们脱离了一个进退两难的处境：你不愿承认上帝创造世界的假设，可是你又能提出什么学说，让任何小心慎思的人都能接受呢？1857年我不能回答这个问题，也不相信有什么人能够回答。一年以后，我们责怪自己为这样的问题难倒真是太愚蠢了。我记得当最初我把《物种起源》的中心思想抓住的时候，我的感想是‘真笨，连这个都没有想到！’”
1860年，赫胥黎与威尔伯福斯（Wilberforce）主教在英国科学协会牛津会议中展开的有名的争论是人们常常引述的。威尔伯福斯青年时代在牛津数学院得过头等奖，他的大学认为他对自然知识的各个部门无不精通，所以选定他来维护正统的教义。这位主教对于这个问题并无真正的了解，企图用讥笑来摧毁进化观念。赫胥黎对于地的论点给予有效的答辩之后，更对于他的愚昧的干涉给与严厉的抨击；同时拉伯克，即后来的艾夫伯里勋爵（LordAvebury），则说明了胚胎学上的进化证据。
到辩论与讥评不能阻止达尔文学说传播的时候，他的对手就采取了平常的步骤，说这个学说并不是他的创见。但对于这个问题最有裁判资格的人却有不同的见解。牛津会议之后两年，赫胥黎写信给赖尔说：
如果达尔文的内然选择说是对的，在我看来，这个“真实因”的发现，就使他处在和他一切先辈完全不同的地位。我不能说他的理论是拉马克的理论的修正，犹如我不能说牛顿的天体运动理论是托勒密的体系的修正一样。托勒密解释这些运动的办法是空想出来的。牛顿却根据定律和显然起作用的力来证明天体运动的必然性。我想，如其达尔文是对的，他将与哈维那样的人立于同等的地位，即使他错了，他的清醒而精确的思想也使拉马克不能和他同日而语。
赫胥黎指出了证据方面的一个缺陷。积累变异而成新种的观念忽视了这样一个事实：血缘相近而不同的物种杂交后往往在某种程度上生殖不蕃。如果物种有一个共同的来源，我们便看不出为什么竟有这样一个现象，而且我们也找不到明显的例证，说明确实生殖不蕃的杂种是在实验中从共同祖先传下来的多产亲体所养育出来的。
把自然选择当作主要决定力量的主张的确当姓，也就是在这一点上最有问题。“适者生存”，用来说明进化的轮廓是可称赞的，但应用在种的差异上就不行了。达尔文的哲学告诉我们：每一物种如要生存，必需在自然里繁盛起来，但没有人能说出我们所说的种的差异（常常是十分显著固定的）在事实上怎样使物种能够繁盛起来。
赫胥黎虽然指出这个困难，但当时没有人感觉这是一个严重的问题。人们以为进一步的研究会弄清楚这个问题，直到二十世纪大规模地进行科学的育种实验时，人们才感觉到这个问题的全部重要性。那时的生物学家，在最初的奇异感消除之后，便接受了进化论，并且认为自然选择是真实而充足的原因。
大陆上最有名的人种学家微耳和没有接受达尔文的理论，但进化通过自然选择与适者生存进行的学说在德国得到极热烈的欢迎。海克尔与其他博物学家以及跟在他们后面的条顿哲学家与政论家一块创立了所谓达尔文主义，使他们的许多信徒比达尔文自己还要达尔文些。
可是达尔文研究变异与遗传所用的观察与实验的方法，反陷于中止的状态。人们同意自然选择是进化与物种来源的经过证明的充分的原因。达尔文主义不再是初步的科学学说，而成了一种哲学，甚至一种宗教。实验生物学把注意力转向形态学与比较胚胎学，特别是鲍尔弗（F．M．Balfour）和赫特维希（O．Hertwig）所创立的形态学和比较胚胎学。由梅克尔提出，经海克尔加以发挥的一个假说，认为个体的发育追随、并表现种族的历史。这样一来，胚胎学就具有进化意义，迟缓而费力的研究方法也就更为人所忽视了。
在田野里系统地研究动植物的博物学家，在园圃农场上培育新植物和动物的育种家，日益扩大他们对于物种及品种的正确知识。在博物学家与育种家看来，物种的界限依然是分明的，新种不是由于感觉不到的逐渐变化而形成的，而是由于忽然的、常常是很大的突变而形成的；而且一开始就成了纯粹的种。但实验室里的形态学家并不征求实际工作者的意见，也不对他们的经验知识给予足够重视。贝特森（Bateson）说：“十九世纪八十年代的进化论者极其肯定地以为物种是分类学家胸中的一种虚构，不值得识者注意。”但是到了九十年代在实验室中工作的生物学家，在大陆上以德·弗里斯（de Vries）为领袖，在英国以贝特森为领袖，重新回去研究变异与遗传。
达尔文自己虽然相信自然选择是进化的重要原因，但并不排斥拉马克的意见，即由于用进废退的长期作用而获得的特性可以遗传。当时拥有的证据还不能解决这个问题。但在十九世纪快结束的时候，韦斯曼（August Weismann）在这个问题上揭开了新的一页。他指出体细胞与体内的生殖细胞必须截然分清。体细胞只能产生与自己相同的细胞，但生殖细胞不但产生新个体的生殖细胞，而且产生体内一切无数类型的细胞。因此组成生殖细胞的单元必须有足够多的数目，在种类与排列上必须有足够的差别，以形成自然界里的无数机体。生殖细胞由细胞质一脉相传，复制生殖细胞，但体细胞总是溯源于生殖细胞。因此，每一个体的身体，不过是亲体生殖细胞的比较不重要的副产品；它可以死去而不留下后裔。主要的传统是细胞质，它由细胞传到细胞，有一个不断的历史。
从这个观点看，身体所遭到的改变不大可能影响生殖细胞的产物。这样的影响好象一个人的伯叔父身上的改变，对他本人的影响那样。包含生殖细胞的身体可以损害生殖细胞，但却不能改变它的性质。于是韦斯曼就去严格地研究后天获得性质的遗传的证据，但他认为每个证据都不够充分而加以抛弃。自那时以后，人们通过观察与实验也发现在某些情况下，环境的长期的改变，可以产生一些效果，但这些好象都是例外，没有得到博物学家一致的承认。
在韦斯曼宣布他的结果以后，人们一度有些惊谔。因为，生物学家一直是用“用进废退”来解释没有解决的适应之谜的。进化论的哲学家，特别是斯宾塞，一直是把后天获得性质的遗传当做种族发展的重要因素的，而慈善家、教育家与政治家则默认这种说法为真理，而且将它看做是社会“进步”的根本基础。生物学家很快就接受了这种新的见解；斯宾塞却一直到死还和韦斯曼辩论；政治改革家就是到现在，还对和他们的先入之见相反的理论熟现无睹。如果承认后天获得性不能遗传，即等于说‘天性”（nature）重于“教养”（nurture），遗传重于环境。改善生活条件，个体当然会得到好处，但除了通过自然选择或人为选择的间接过程之外，这丝毫不能提高一个种族的天赋性质。
韦斯曼为了解释遗传而设想出来的特殊类型的机制，也许是一些聪明的交想，但足以指导他的许多追随者的研究工作，促使他们去考察生殖细胞究竟是通过什么过程形成的，体细胞又是通过什么过程从生殖细胞中发展出来的。这些新研究开始于十九世纪，但最显著的结果到后来才出现，所以这个问题留在第九章里讨论比较合适。
十九世纪末，开始了另一场围绕着新知识的争论。纯粹达尔文主义的维护者如韦斯曼，开始认为自然选择是一个可以充分解释适应和进化的原因。而且他们还以为自然选择所形成的变异是很微小的变异，例如人体身长便有一序列连续的差异。在相当多的数目中，我们可以发现在平均数的两边相当宽广的范围内，各人的身长相差不过百分之一英寸。他们以为，选择就在这样细微差异中进行，而且只要有相当长的时间，便可以产生新的品种和新种。
但在新世纪开始以前，有些博物学家，主要是德·弗里斯与贝特森，把育种家、饲鸟人与园艺家积累的经验当作起点而进行实验，发现以上的设想不符合事实。大的突变常常发生，特别是在杂交以后；新的品种可以立刻出现。到了1900年，久被遗忘的孟德尔的研究成果重新发现，因而又展开了新的一页。即令微小变异的选择不能解释进化，这些新的观念好象还可以解释。这个希望在多大程度上得到实现，我们将在以后讨论。
人类学
在由于达尔文的缘故而恢复生气的各种学术中，人类学，即人类的比较研究，得益最大。事实上，即使说现代人类学从《物种起源》而来也不为过。赫胥黎关于人类头骨的经典研究著作，是从达尔文学说的争论得到启发的，也是精确度量人体特点的开始。这种度量现在成为人类学的重要方法。自然选择的观念和进化的观念则成为后来的一切研究工作的基础。
在其他方面，创立人类学的条件也成熟了。爱好新奇的心理，热切的好奇心和收藏家的搜集癖好不但为欧洲的园圃与博物馆带来了异域的动物和植物，也带来了发展阶段不同的其他民族的美术、工艺产品以及其他宗教的法物祭器。
当人类学家开始工作的时候，大部分必要的材料已经齐备了、熟悉了或部分地分好类了，只待有人出来重新加以解释，以揭示其内在意义的另一方面。
达尔文在《物种起源》里，没有详细地研究人类，可是他指出他的关于一般物种的结论，对于这个问题有明显的关系。1863年，在彻底地研究了解剖学的证据之后，赫胥黎说人在身体与大脑方面与某些猿猴的差异比猿猴与猿猴间的差异还要小些。因此，他回到林耐的分类法，将人类列为灵长目的第一科。在心理方面，人与猿猴的距离要大些，但脊椎动物的心理过程与人类的心理过程是对应的，虽然不及人类的有力与复杂。布雷姆（Brehm）在其《动物的生命》中和达尔文在其较晚的著作中都指出了这一点。可是华莱士仍然认为不应当把人类与其他动物放在一起，因为“他不但是生物大系的首领与进化过程的顶点，在某种程度上还是一个新的截然不同的纲目”。
人类学把人类分为几个种族或人种时，主要是根据身体特点，不过，人们也始终认为身体特点和心理待点是相互关联着的。通常都按照肤色把人类分为白种、黄种、红种和黑种；很明显，这四个人种之间的实际差别不但包括肤色差别，而且也包括其他特点方面的差别，当然进一步的细分也是必要的。在重要性上仅次于肤色的是头骨的形状，一般用雷特修斯（Retsius）的方法来分类。从上面来看头颅时，由前到后的长径作为100。以此为准，短径或横径的长度就叫做“头骨指数”。如果指数小于80，头颅即列为长的一类，大于80，即列为短的一类。
我们可以对欧洲居民加以分析，作为例子，来说明这些方法及其结果。从身体方面来看，欧洲人的差别主要表现在三个特点上：身长、肤色与头形。按大数目平均来说，当我们由南到北向波罗的海前进时，身长逐渐加高，肤色变淡，如果转向南行，则身长变短，肤色变深。在中间的阿尔派恩区（Alpine），身长与肤色介乎两者之间。但头颅的形状则是另外一回事。北方与南方的人都是长头的，其头骨指数是75到79，而中间山区的人则是扁头的，头骨指数是85到89。
要说明这些事实，我们假定欧洲有三种本原种族：第一种是身高皮白的北方种族，在波罗的海周围可以找到，最为纯粹。第二是身短狭黑的南方种族，生长在地中海沿岸以至大西洋岸边。这两种种族都是长头的。但在地理上介乎这两个种族之间的是圆头的阿尔派恩种族，身长与肤色也介乎这两个种族之间，生长在中欧的山岳地带。从一个方面来说，欧洲的历史就是这三个种族的迁徙与互相作用的历史。人们还根据头发的组织等其他特点，运用同样的研究方法，研究了其他大陆上的人类的体质情况。在这些大陆上，可以找到更原始的居民。
自从赖尔描述了人类在地质记录中所留下的遗迹之后，已经发现许多证据，说明在遥远的史前时期已经出现了各种不同种族。在十九世纪里人们做了不少的工作。我们发现在几万年以前穴居的人已经用相当生动的野牛与野猪的形象来装饰他们的石壁。1856年在尼安德特（Neanderthal）地方，1886年在斯普伊（Spy）地方，发现更古的人骨，说明有更原始的人类存在；1893年杜布瓦（Dubois）在爪哇鲜新纪地层中发现了一些人骨，大多数权威学者认为这些人骨是介乎猿人与已知的最早期的人之间的一种原人的骸骨。
我们不能认为人类是现存的任何猿类的后裔。即使人类不是猿类的直接苗裔，至少也是它们的远亲。也许在现时的一切猿类以前，有一些更富于可变异性的种类是它们共同的祖宗。可以肯定，进化的过程比起初想到的更为复杂。有史以来，地面上可见的分枝别干是从一个复杂的根系生长出来的，而这个根系则深藏在地下——一去不复返的过去。
统计方法在人类学上的应用，可以说开始于十七世纪配第（William Petty）爵士与格龙特（John Graunt）关于死亡统计表的研究，后来又由比利时天文学家奎特勒（L．A．J．Quetelet，1796－1874年）加以恢复。1335及其以后若干年，奎特勒证明概率的理论可以应用于人类的问题。他发现苏格兰兵士的胸围量度或法国新兵的身长，围绕一个平均数而变化，其规律和枪弹围着靶子中心分布的规律或赌场上运气高低的规律一样。用图线表示（如图9）量度的变化曲线，除了两边差不多对称外，很象说明气体分子速度的曲线（230页）。
1869年，达尔文的表弟高尔顿（Francis Galton）把《物种起源》中的遗传观念应用于人类智力的遗传。他用受试人的考试分数的分布，证明在体质特点和分子速度方面有效的定律也适用于智力方面。大部分人都属于中等智力，由中等而上到达天才，或由中等而下到达愚钝，其数目都按照人所熟悉的方式减少。
在同一次数学考试里，一等优秀生的平均分数约三十倍于分数最低的优秀生，而后者的分数又可能比一般及格学生的分数还高，如果他们参加同一考试的话。因为有时间的限制，这些分数低估了智力的差别，这种差别显然是很巨大的。高尔顿认为，一百万人中，大约只有二百五十人的品质称得起是“优秀”，一百万人或一百多万人中，只有一人的品质称得起是“杰出”。另一方面，一百万人中，约有250人是无希望的白痴与低能。他们在一个方向上离开中等标准的距离，正如优秀的人在另一方向离开中等标准的距离一样。高尔顿研究了有关的参考书，发现优秀的人常比任意挑取同数量的一般人有较多的优秀亲属。例如，他说一个能干裁判官的儿子成功的机会比普通人要大五百倍。如果有人提出异议说，裁判官帮助他儿子成功的机会比大多数人多些，那末，我们可以回答说，高尔顿的数字也说明，一个裁判官常有一个能干的父亲正如有一个能干的儿子一样，而裁判官根本没有多少机会去教育或栽培他的父亲是显然的。用了这样的论据，高尔顿公平地驳回了对于他的著作的批评。我们不能过分重视他的数字，但一般的结论是明白而正确的。对于个人的预测虽不可能，但按大数目平均来说，才能的遗传是确定的；天赋才能的差别是很大的；“人人生而平等”的说法，如果是指才能而言，显然是错误的。
达尔文的自然选择学说使人们认识到法律、社会或经济环境的任何改变必定对于同一批居民的某些特点特别有利，因而可以改变人们的平均生物特性。高尔顿起初怀疑后天获得性能够遗传，等到韦斯曼的研究成果证明获得性遗传的证据，没有一个经得住严格考验时，高尔顿的原则便更加巩固了。很明显，环境的影响被人大大高估了，教育只能使已经存在的特点突出起来，而要提高一个种族的生物特性，唯一的办法就是给它的比较优秀的特点以发展的机会。育种所以非常重要的道理已经很明显了。
当然，我们必须把生物学上的遗传和文化上的遗传截然地分开，后者借语言或文字一代传给一代，而形成民族性。人们对遗传的这一意义已经有了清楚的认识；但生物学上的遗传的效果却常常遭到人们的忽视。
第八章 十九世纪的科学与哲学思想
科学思想的一般趋势——物质与力——能量的理论－心理学——生物学与唯物主义——科学与社会学－进化论与宗教——进化论与哲学
科学思想的一般趋势
十七与十八世纪中，取代了中世纪教会大一统主义的民族主义的影响开始明朗化，不但科学，就是一般的思想，也都具有了极显著的民族色彩，各国的学术活动各自分道扬镳，欧洲各国的国语也代替了拉丁文，成为科学写作的工具。知识分子的旅行，使重要的发现得以传播。如伏尔泰于1726年到英国，亚当·斯密（Adam
Smith）于1765年到法国，华滋华斯（Wordsworth）与科尔里奇（Coleridge）于1798年到德国，使牛顿的天文学，重农学派的经济学，康德与谢林的哲学，驰名于本国以外的国家。
十九世纪的初叶，世界科学的中心在巴黎。1793年法国革命政府把拉瓦锡、巴伊（Bailly）与库辛（Cousin）送上了断头台，迫使孔多塞（Condorcet）自杀，并且封闭了科学院。但不久它就发现它还需要科学人员的帮助。在“为了保卫国家一切都是需要的”口号下，科学成为一般社会的必需品，1795年科学院重开，成为法兰西学院的一部分。拉普拉斯、拉格朗日与蒙日（Monge）的数学，拉瓦锡所倡导的新化学，与阿雨（Hauy）创立的几何晶体学，合起来形成了物理科学的光辉星座。
帕斯卡尔与费马在十七世纪所发明的概率理论，由拉普拉斯发展成为一个体系，不但用来估计物理测量的误差，而且用来从理论上说明牵涉到大数目的人事问题，如保险，以及政府管理和商业管理的统计。居维叶对比较解剖学进行了精密的研究，并且以科学院常任秘书的身份，使科学精神在各学科中都保持着高度的标准。
十八世纪中，只有在法国，科学才渗透到文学中去，“其它国家当中，没有一个国家有象丰特列尔（Fontenelle）那样的人，象伏尔泰那样的人，与象布丰那样的人”。到十九世纪初叶，科学与文学的这一联系，仍然维持着高度的水平、主要是由于科学院成为法兰西学院的一部分的缘故。
法国科学的中心是科学院，而德国科学的中心在大学之中。在巴黎，人们早已经在采用精密科学的方法了，德国大学，虽然以古典学术和哲学研究著名，却依然在讲授一种混杂的“自然哲学”，这种自然哲学的结论，并不是靠耐心研究自然现象得来的，而是根据可疑的哲学理论得来的。1830年左右，这种影响才消逝了，一半应归功于高斯的数学与李比希的化学工作。李比希旅居巴黎，在盖伊-吕萨克（Gay－Lussac）手下受过训练，1826年在吉森（Gies－sen）建立了一个实验室。从那时到1914年，学术研究的有的系统组织工作，在德国异常发达，远非他国所及；德国关于世界科学研究成果的摘要与分析，也是很有名的。不但如此，德语中Wissen－schaft（科学）一词含义较广，包括一切有系统的知识，不论是我们所谓的科学也好，还是语言学、历史与哲学也好。这样就大有助于这几门学科互相保持接触，大有助于相应地扩大这几门学科的眼界。
英国科学最显著的特点，或许是它的个人主义的精神，光辉的天才的研究成果往往是非学院出身的人物——如波义耳、卡文迪什和达尔文——完成的。十九世纪前半期，牛津与剑桥两大学虽然已经是高等普通教育的不可比拟的学府，但仍然没有具备大陆上的研究精神。当时时常有人指责科学状况在英国甚为不振，后来靠了巴贝奇（Babbage），赫舍尔与皮科克（Peacock）所组织的学生团体的推动，才把大陆的数学介绍到剑桥大学中来。这种数学虽然是牛顿发明的，在大陆上反而得到很大的发展。
不过，十九世纪中叶牛津大学与剑桥大学都进行了改革，很快地不但在传统的古典学术研究方面卓有成效，而且在现代学术研究方面也卓有成效。所谓各门科学之冠的数理物理学，再度在剑桥得到温暖的孕育之所，其后，在麦克斯韦、雷利爵士与汤姆生（J．J．Thomson）、卢瑟福诸人的倡导下，又创立了驰名世界的卡文迪什实验室的实验学派。经福斯特、兰利（Lanyley）与贝特森诸人倡导又创立了生物学学科，这样剑桥就成为今天我们所知道的科学研究的重要中心。
因此，持续到十九世纪上半期为止的欧洲各国学术活动各自为政的现象，到下半期已不复存在。交通的便利增进了个人间的接触，科学期刊与学会会议，使一切研究者随时都可以得知新的成果，而科学也就再度国际化了。
另一方面，国际间的壁垒虽然打破了，但知识的分科愈渐专门，各部门间的隔阂又复增加。在十九世纪初期，德国各大学还能讲授百科全书式的课程，使人以为知识的统一与完整，可以在统一课程里找到。在康德、费希特（Fichte）与施莱尔马赫（Schleier－macher）诸人的影响下，哲学仍然把知识的各部门都包罗在内，而且还侵入科学思想中。
科学与哲学怎样一度失去了联系，我们将在后面叙述。这一过程无疑由于一门科学分为几门科学而加速起来。知识的进展非常迅速，以致无人能追踪其全部进程。所谓实验室，在过去只是个别自然哲学家的私人房间，这时却由各大学修建，或由别人出钱替各大学修建，结果，不但促使学术的研究者掌握了实验研究方法，就是初学者也懂得了这种方法。这样比较透彻研究每一学科的机会增多了，致力于一般性研究的时间减少了，科学家也便倾向于只见树木而忘却森林。近年来各科学间的相互关系日渐明朗化，而数学与物理学也正在指出创立一种新哲学的途径。但一般来说，这种各自为政的倾向一直持续到十九世纪末，只有少数概括性的结论是例外，如能量守恒的原理，在物理上有效，在化学上与生物学上也同样有效。
要探讨十九世纪科学的进步对于其它学术特别是对于哲学思想所产生的影响，我们不应忘记，数学与物理的进展所产生的影响，在这个时期要比以前三个世纪少得多。数学和物理学研究在数量上比以前多得多了，科学的观点在1800与1900年间的变化也是巨大的，然而从哲学的观点来说，十九世纪在物理学上却没有象哥白尼和牛顿的发现那样的革命性的发现。那些发现，曾经深深地改变人们对于人类世界与人本身在宇宙中的位置与重要性的观念。在十九世纪中，富有同样革命性的成果来自生物学方面：生理学与心理学研究了心与物的关系；达尔文在自然选择的基础上创立了进化论．
我们说过，在文艺复兴与牛顿时代，由于科学家创立了适宜于研究自然的新的归纳方法和实验方法，科学与哲学间的联系因而渐呈松懈。哲学家仍然企图维持他们对整个知识领域的法律上的宗主权，不过，他们已经丧失了他们对一大部分知识领域的事实上的主权。在康德的时代以前，哲学家仍然设法使他们的体系把物理科学的成果包括在内。
但是，在我们现在所谈到的时期中，主要是由于后期黑格尔派的影响（不是由于黑格尔本人的影响），哲学与科学的分离愈益明显。
赫尔姆霍茨对这一情况有很好的叙述。他在1862年写作时，离当代不远，因而了解当代的影响。他说：
近年来有人指责自然哲学，说它逐渐远离由共同的语文和历史研究联结起来的其他科学；而自辟蹊径。其实这种对抗很久以来就明朗化了，据我看来，这主要是在黑格尔派哲学的影响下发展起来的，至少是在黑格尔派哲学的衬托下，才更加明显起来。上一世纪末，康德哲学盛行的时候，这种分裂局面从未有所闻。相反地，康德哲学的基础，与物理科学的基础正复相同，这可以从康德自己的科学著作，特别是从他的天体演化理论中看出来。他的天体演化理论是在牛顿的引力定律的基础上建立起来的，其后以拉普拉斯的星云假说的名义为世所公认。康德的“批判哲学”的唯一目的，在于考验知识的来源与权威，并确定同其它科学相比的哲学研究的确定范围与标准。根据他的学说，由纯粹思想“先验地”发现的一条原则，是一条适用于纯粹思想方法的规则，而不及其它；它不可能包含任何真实的、确凿的知识。……黑格尔的“同一性哲学”（它所以叫作同一性哲学是因它不但主张主观与客观的同一，而且主张存在与非存在一类对立面也是同一的）要更果敢一些。这种哲学，从一种假说出发，以为不但精神现象，就是实际世界——自然与人——也是创造性的心灵的一个思想活动的结果，它认为这个创造性的心灵在种类上与人的心灵相似。根据这一假说，人的心灵，职使没有外界经验的引导，似乎也能够揣度造物者的思想，并通过它自己的内部的活动，重新发现这些思想。“同一性哲学”就是从这一观点出发，用先验的方法构造其他科学的成果。在神学、法律、政治、语言、艺术、历史问题上，总之在其题材的确是从我们的道德本性中产生出来，因而可以总称为道德科学的一切科学中，这个方法也许可以有或多或少的成就。但是，即令承认黑格尔用“先验方法”构造道德科学的重要结果大体上是成功的，仍然没有任何证据证明他所根据的“同一性假说”是正确的。本来自然界的事实才是检验的标准。我们敢说黑格尔的哲学正是在这一点上完全崩溃的。他的自然体系，至少在自然哲学家的眼里，乃是绝对的狂妄。和他同时代的有名的科学家，没有一个人拥护他的主张。因此，黑格尔自己觉得，在物理科学的领域里为他的哲学争得象他的哲学在其他领域中十分爽快地赢得的认可，是十分重要的。于是，他就异常猛烈而尖刻地对自然哲学家，特别是牛顿，大肆进行攻击，因为牛顿是物理研究的第一个和最伟大的代表。哲学家指责科学家眼界窄狭；科学家反唇相讥，说哲学家发疯了。其结果，科学家开始在某种程度上强调要在自己的工作中扫除一切哲学影响，其中有些科学家，包括最敏锐的科学家，甚至对整个哲学都加以非难，不但说哲学无用，而且说哲学是有害的梦幻。这样一来，我们必须承认，不但黑格尔体系要使一切其他学术都服从自己的非分妄想遭到唾弃，而且，哲学的正当要求，即对于认识来源的批判和智力的功能的定义，也没有人加以注意了。
这种科学和哲学互相分离的状况，历时约半个世纪，在德国尤其是这样。黑格尔派对实验家表示轻视，同希腊的哲学家有些相象。科学家则讨厌黑格尔派，最后干脆不理会他们。就连赫尔姆霍茨在对这种态度表示感叹时，也认为哲学的功能只限于它的批判功能——阐明认识论，它没有权利去解决其他更富于思辨性的问题，如实在的本性和宇宙的意义等更深奥的问题。
哲学家在自己方面也是同样地盲目。他们不择手段地攻击实验家。诗人歌德在动植物的比较解剖学领域做过一些有益的工作。在这个领域内，事实是摆在表面上的。但是，在需要更深刻的分析的领域中，如象在物理学中，歌德的方法就失败了。诗人的洞察力使他相信，白光一定比有色光更简单、更纯粹，因此，牛顿关于色彩的理论一定错了。他不愿考虑周密的实验所揭示出的事实，也不愿考虑由这些事实得出的推论。他以为感官一定可以马上揭示出自然的真相，而事物的内在本性，也能由直接的审美想象所展露。因此，他就创立了一种关于色彩的理论，以白光为基本色。这种理论经不起最简单的物理学的分析，支持这种理论的仅有歌德对于牛顿的辱骂与黑格尔派的调解援助而已。因此无怪乎科学家不屑读哲学家的著作。但科学和哲学完全分离的状况不能持久，而科学很快就开始再一次影响当代的一般思想了。
在英国发生了一场旧论战的新表演。论战的一方惠威尔，认为数学的性质是先验的，论战的另一方赫舍尔与约翰·穆勒（J．S．Mill），认为欧几里得的公理，例如二平行线无穷延长不能相交，是从经验中归纳出来的。康德象对于其他科学概念一样，把这些公理的有效性归因于我们的心灵的性质，而在今天，我们可以认为这些公理不过是我们的几何学里所要研究的那一种空间的定义罢了。我们还可以创立另一套公理来得出非欧几里得空间的几何学。事实上，洛巴捷夫斯基、波约、高斯与黎曼的研究成果，渐渐表明我们所谓的空间，只是一般可能的流形（可有四或四以上的维数）的一种特殊情况。我们的心灵可以创立另一套公理，而研究别的各种“空间”的性质。的确根据经验，我们所观察的空间近似是三维的，而且是欧几里得的，但经爱因斯坦的精密考查，证明它并不是分毫不差是这样的，只不过就目前的精确度而言，与许多可能空间中的一种相合而已。由此可见，惠威尔和穆勒的争论，亦如其它许多争论一样，已消失于一种新的解决方案，这种新方案要把原来的两个方案的精华都包括在内。
惠威尔认为数学的公理是必需的，而自然科学的假说，却是从经验中归纳出来的，仅仅是有可能而已，二者实有区别。不过，惠威尔又跟在康德的后面，以为在每一认识的活动里，都有一种形式的成分，即心理的成分，同直接由感觉而来的成分互相合作。穆勒的态度一半是由于当时的经验派还在有意无意地反对“内在理念”（innateideas）的旧日幽灵——柏拉图式的超感官世界的启示。看来，也正是这种残余的倾向，使宇伯威格（Ueberweg）在和康德论战时走上歧途。其实，经验不能引导我们直接达到事物的真相，经验只不过是事物的外现在我们的心灵中出现的一种过程，因此，我们所构造的自然界的画面，部分先验地取决于我们心灵的构造，部分取决于我们毕竟还有经验这一事实。十九世纪的经验论者，似乎没有看出这种看法的力量或影响。
事实上在十九世纪的大半时期中，多数科学家，特别是生物学家，都以为他们已经摆脱了形而上学，因而不加批判地接受了科学所构造的自然界的模型，而认为这种模型是终极的实在。但有些物理学家与哲学家则比较谨慎。就连把自己的工作建立在当代科学的基础上的斯宾塞，也以为物理学的根本概念，如时、空、原子之类包含有心理上的矛盾，清楚地说明现象背后的实在是不可知的。斯宾塞断言，在这里，科学就与宗教携起手来，因为除去一切可疑的成分以后，宗教其实只不过是一种信念，以为万物都是我们所无法认识的一种伟大力量的表现。
科学的哲学在英国还有以下诸人研究：布尔（G．Boole）在1854年把符号语言与记法介绍到逻辑学中去；杰文斯（W．StanleyJevons）在他的《科学原理》（Principles of Science，1874）中断言，在科学的发现方法中，直觉具有崇高的地位；克利福德（W．K．Clifford，1845－1879年）认为康德为了证明几何学的真理的普遍性和必然性而提出的论据是有力的，足以驳倒休谟的经验论，但洛巴捷夫斯基与黎曼的研究证明，虽然理想的空间可以用先验的方法加以规定和研究，我们所知的实际的空间及其几何学却是经验的产物。达尔文的自然选择的理论，对于这个问题不无关系。我们将在本章中重新加以论述。
但布尔、杰文斯、克利福德三人对于科学家的影响，却甚为微小。就连物理学家也和哲学完全失去联系。当1883年马赫请求人们注意力学的哲学基础的时候，一部分物理学家对他的工作不加理会，另一部分人认为他的学说想入非非而加以轻视，只有少数物理学家对他的见解加以研究，表示赞赏，但又对他的见解的独创性估计过高。
马赫写作力学方面的论著时，采取了当时人们很少用的历史方法。他对于牛顿的质量定义的批评，以及他对于已发现的动力学基本原理的论述，已在本书的第六章中叙述过了。
马赫遵守洛克、休谟与康德的传统，以为科学只能把我们通过感官所能了解的自然界构成模型，力学决不是象有些人所相信的那样当然是自然界的最后真理，而只是观察上述模型的一个角度。其它角度，如化学、生理学之类，也同样是基本的与重要的。我们无权假定我们对于绝对空间或时间有所认识，因为空与时仅仅是一种感觉，空间只能参照于恒星的间架，时间只能参照于天文运动。由于黎曼与其他数学家想象出别种空间或类空流形，我们所知的空间，只不过由经验得到的一种概念而已。“所谓物体乃是触觉与视觉感觉的相对不变的总和。”自然律乃是“简明扼要的规则”。它只能提供过去经验的结果，以指导将来的感官知觉。马赫的意见大多数都可以在过去的哲学家的著作中找到，但是，十九世纪后期的没有哲学头脑的科学家，却觉得这些见解十分新奇。
物质与力
或许从哲学的观点来看，物理科学新发展的最早的和唯一的重要影响，是拉瓦锡证明物质通过一切化学变化常住不灭以后所造成的影响。由触觉得来的物质概念，是常识给予科学的最早的概念之一，由这里又产生出形而上学的概念，把物质看作是在空间里延伸，在时间里延续的东西。在前面数章中，我们说过，在历史上的某些时期中，对于物质的刚性的经验，屡次引起唯物主义的哲学。拉瓦锡用科学方法证明物质经过化学作用，虽然在表面上有改变与消灭的现象，然由其重量测得，总质量恒定不变，这样他就大大加强了把物质看作是最后实在的常识性的看法，因为人们凭借常识觉得，历时不灭乃是实在的标志之一。
但在十九世纪前三分之二的时期中，对哲学思想影响最大的是物理科学的成功所造成的一般印象。道尔顿的原子理论，电磁现象归结为数学的定律，光的波动学说与实验相符合，通过光谱分析，揭示出太阳与恒星的组成成分，以构造式解释大群有机物的结构，新化合物甚至新元素的发现，而且在发现前就可以预言它们的存在——这一切成就，以及其它成就，都使人产生一种压倒一切的感觉，觉得人类解释自然与控制自然力的力量在不断地增加。人们很容易忘记，所谓打破一个谜团，其实不过是用另一谜团来解释它。最后分析起来，实在的基本问题仍如往昔，并无进展。但事实上，在十九世纪的前六七十年间，人们往往忘记这一事实，缺乏批判头脑的人最初愈来愈坚信物质与力是最后的解释，后来又愈来愈相信物质与运动是最后的解释。
人们所以在后来形成物质与力支配一切的观念，中间有一些思想上的演变线索，我们应该在这里更加仔细地加以探讨。牛顿本人在创立万有引力的假说时，从来没有承认引力是物质固有的终极本性，也没有把超距作用当作它的物理学上的解释。他说他对引力的原因不能有满意的说明，仅仅疑心它可能起因于以太，这种介质在自由空间内比在物质附近更密，所以能压迫有引力的物体互相接近。牛顿并没有强调这种见解，但是，他显然认为引力尚待解释，其原因须留给后人研究。
但在十八世纪与十九世纪初期，许多哲学家与少数物理学家以为牛顿的体系（伽利略的力的概念的推广）和超距作用有关，在这方面与起源于笛卡尔的另一学派有别。他们想用某种可了解的机械方式来解释物质间的相互作用，例如法国物理学家安培与柯西（Cauchy），根据牛顿的平方反比律用数学方法来研究电力，在英国，法拉第——其后有威廉·汤姆生与麦克斯韦——则研究了中间的介质的效应，企图断定电力所以可以在介质中传播是靠了一种机械作用。
在原子与分子的研究方面也有类似问题。古代的人认为，事实上，伽桑狄与波义耳，也以为原子只能靠冲撞与接触相互作用。他们假设原子有粗糙的表面，甚至有齿与钩，以解释物质的黏着与其他性质。但如果原子的相互作用可以是超距的，那么这些概念就都不必要了。的确，运动说只是在表面上回到原子或分子通过直接冲撞而相互作用的见解那里去。但这个学说必须假定分子在互相接近时才彼此起作用，而且由于它们在冲撞后能够跃回，因此必须把分子看作具有弹性，因而必须有结构，并由更细小的部分所组成。即使原子在实际上不可分割，在想象中却可以对原子作无限的分割，最后就可以得到一个无限小的质点，这个质点因为能影响别的类似的质点，必定是一种力的中心。十八世纪的一个耶稣会士波斯科维奇（Boscovitch）就根据这种推理，认为原子本身是非物质的力的中心；而十九世纪的具有逻辑头脑的法国物理学家，如安培与柯西，则认为，他们时代的原子，经过分析，已经成为没有广延性的力的承载者了，只是没有哲学头脑的人士，才会凭借他们唯物主义的本能，保留把原子看作是刚硬质点的看法。时至今日，原子已经不再是非广延的了，就连电子也表现出有更精微的结构，因此有人把它看作是一种辐射的来源，或一种没有具体形态的波系。当我们注视到电子之外时，我们似乎仍然需要在两种看法中选择其一：一种看法是，把物质的终极单位看作是非广延的力的中心；另一种看法是，把物质看作是一个无限序列的微细的结构，内外相含，愈在内部愈微细。
尽管波斯科维奇、安培和柯西把原子看作仅仅是一个力的中心；牛顿的科学，却是建筑在把物质看作是微粒的看法基础上，拉瓦锡也把类似观念应用到化学上去，这就使许多对于这类东西发生兴趣的人，得到一种相反的哲学，以为硬块的物质，乃是唯一的实在，而硬块物质之间的力则是它们的唯一作用方式。赫尔姆霍茨与其他物理学家，以为把问题归结到物质与力就充分解决了问题。在这方面他们是随牛顿亦步亦趋的。这是一种数学的解答，作为数学的解答是令人满意的，虽然不是物理学上的解释，但是，不熟悉物理学的人，就以为他们把数学上的解答，看作是最后的解释了。
十八世纪时，第五章所叙述过的唯物主义的哲学，在法国复生，十九世纪时，又在德国再起。早期的领袖，如摩莱肖特（Mole－schott），毕希纳（Buchner）与福格特（Vogt）都把他们的哲学建立在科学成果上，特别是生理学与心理学的成果上。毕希纳的书名《力与物质》（Kraft und Stoff，1855）就说明把力与物质看作是最终的实在的观念构成这个唯物主义运动的一个必要部分。在有些玄妙的黑格尔唯心主义盛行半世纪以后，有这样的唯物主义学派，促使人们注意自然科学的明晰成果，其影响究属良好，但是值得注意的是这种唯物主义哲学兴起之时，科学家已经用有确切定义的量“质量”代替了物质，并且指出“力”一词具有“力”或“能量”的双重含义，因此意义非常含混。而且这些德国作家，还把他们的唯物主义同感觉论和怀疑论混为一谈。历史上唯物主义的旧观点复活过来，因为同夸大的达尔文主义吻合无间，就被有些共产主义者看作是经济学和政治学的基础。
能量的理论
物质守恒的原理，经人公认以后，引起一种朴素的唯物主义，已如上节所述。与之对应的能量守恒的原理，也跟着确立起来。哲学上的唯物主义，虽然不能强行利用这一原理来为自己服务，但却可以把它当作哲学上的机械论与决定论的联合理论的证据。
第一，这一原则，使人对流行的生物学上的活力论产生怀疑。这种活力论以为在生物里有一种生命力，可以控制甚至停止物理和化学的定律，使机体适应环境，并决定机体的目的。到这时候，人们已经知道动物也象机器一样，只有在从外面取得能量——取得食物这种燃料以及空气中的氧——的时候，才能够运动和作功，如果有一种生命原质来进行控制，其方式当较以前的假定更为复杂。还可以设想用麦克斯韦假想的“鬼魔”的作用一类东西来规避热力学的第二定律（统计学定律），但是，第一定律（即能量守恒的原则）已经证实对于有生命的与无生命的体系都是有效的。
其次，如果宇宙间的能量有一定限量，我们就要遇到太阳活动有可能停止的问题，以及地球过去的年龄与将来的寿命等问题。人们已经知道，把太阳看作是一个缓慢冷却的热体的旧观念是不正确的；即令它是一团纯炭，它也很快会焚竭热尽，但这些新的物理学原理还证明，当原始的星云逐渐凝结，星云的几个部分聚集在一起形成太阳时，会有巨大的能量储藏转化为热。而且太阳的不断收缩，如果仍在进行的话，也会继续产生热量，或许会使太阳有充足的时间存在下去。据赫尔姆霍茨在1854年计算，太阳收缩其半径的万分之一所生的热量，足以供其辐射二千多年而有余。
威廉·汤姆生（即凯尔文爵士）根据同样的计算，估算了地球的年龄，用于补充别人根据下面的情况推算出的数字：（1）地壳对于热的传导，（2）使日夜延长的潮汐的摩擦效应。1862年，他估计在不到二亿（2×10[8]）年以前，地球还是一团溶液，1899年，他又把这一年限缩短为二千至四千万年之间。到这时，地质学家与生物学家又都要求把地球与地球上居住者的存在年限大大延长。于是发生一种争论，但物理计算的根据很快就发生问题，最初是因为发现放射物质而得到一种新的热源，后来是因为有了目前新的原子与宇宙的理论。现在人们认为，在太阳与恒星的高温下，物质可以发生擅变，即由一种元素变为另一种元素，物质甚至可以直接化为能量，因此，所供给的能量的储量就远远超过旧有理论的想象。研究宇宙与有机演化的史学家，无论需要如何悠久的时间，现在都不成问题了。
早期计算出的数字，并不重要。无论太阳与地球在过去的年龄如何悠久，能量守恒与散逸的原理，都说明它们是有始有终的，因而也就把这种研究纳于科学范围之内。
威廉·汤姆生还利用热力学的第二原理以另一种方式研究了这个问题。由热量而来的机械功，只有当热量由一热体传到冷体的时候才能得到。这一过程总是倾向于减少温度的差异，这种温差还因为热的传导、摩擦与其他不可逆的过程而减少。在不可逆的体系里，可用的能量总是愈来愈少，而其相反的量（克劳胥斯称之为熵）则总是倾向于达到一个最大值。所以在孤立的体系，以及人们这样设想的宇宙内能量渐渐转化为热，趋于平均分布，不能成为有用之功的来源。当时人们认为，由于这种能的逸散，最后宇宙必将变得静寂而无运动。
汤姆生的研究成果，象牛顿的研究成果一样，被那些把物理科学与机械哲学混为一谈、把我们所制定的自然模型与终结实在混为一谈的人们，加以利用。“宇宙的寂灭”被看作是无神论与哲学上的决定论的另一证据。但根据相反的有神论学说，如果世界是上帝创造出来的，看来就没有充分理由说明为什么上帝在厌恶这个世界的时候不能把它毁灭；而且，如果根据这一假说，人的灵魂是有灵性的和不朽的话，它当然可以对物质世界的更换无动于衷，因为老早就不能把它禁锢在这个物质世界中了。再者，至少根据十九世纪的证据来看，把热力学的原理应用于宇宙理论，其有效性是可疑的。把从这样有限的例证中推出来的结果，应用到宇宙上去，是没有道理的，即令过去利用这些结果去预言有限的独立的或等温的体系的情况很有成效。我们现在知道这个问题比最初提出时人们所了解的要复杂得多。不但如此，即使今天存在的太阳与地球的始末为科学所阐明，我们也必须指出，这一结果对于整个宇宙的起源、意义与目的这一形而上学问题，也没有很大关系。在探究太阳与地球，甚至全银河星系的生命时，我们或许可以从最初的星云起一直探索到最后的寂灭境界。但是，即令是这样，我们也仍然只是探究了宇宙演化历程的几个阶段，和以往一样仍然不能解决这个伟大存在的秘密。
心理学
人们的心灵可以凭理性与经验两种方法去研究。我们可以先接受某种形而上学的宇宙体系，如罗马教会体系或德国唯物主义哲学的体系，然后凭理性推出人的心灵在这个体系内的地位，以及人的心灵和这个体系的关系。另一方面，我们也可以不接受任何这样的体系，而通过经验的观测与实验，研究心灵的现象。这种凭借经验的研究，又可用两种方法进行，即我们自己心里的内省，以及对自己或别人的心灵加以客观地观察与实验。靠了这后一方法，心理学才变成自然科学的一个分支。
十九世纪初叶，理性的心理学是德国所特有的，在大学里，同宇宙论与神学结合成为一门广泛的形而上学的学问。经验的心理学早已在英格兰与苏格兰出现，并且采用内省的方法。这种方法在本世纪三分之二时间内盛行一时，尤其是在詹姆斯·穆勒（James Mill）与贝恩（Alexander Bain）的手中。在法国，人们开始把心理的外在表现当作生理的与病理的问题加以研究，并且开始研究心理的外部符号，如语言、文法与逻辑。
当科学方法推广到产生这种方法的学科以外的学科中去的时候，理性的心理学在各国就很快为经验的心理学所代替了。海尔巴特（Herbart）在德国利用经验的心理学来对抗当时流行的系统的唯心主义哲学，虽然他的心理学不但建立在经验基础上，而且建立在形而上学的基础上；另一方面，特别是在洛采（Lotze）的著作里，它却成为关于唯物主义的假说的讨论的基础，这种讨论比在福格特、摩莱肖特与毕希纳诺人的著作中可以找到的讨论更为深刻。德国人对于这种经验的“无灵魂的心理学”（心理学在德语为See－lcnlehre，原义本为灵魂学）即没有一个须定的形而上学体系的心理学，自不免有所惊异，因自莱布尼茨以来，德国思想界总想在研究宇宙的任何部分以前，就制定出一个关于宇宙的广泛理性理论。但是经验派的心理学，在英国人及苏格兰人的“常识”性的观点看来，是十分自然的。和过去常有的情况一样，他们可以孤立地遵循一条思路，只要它证明在实践上有用，而毫不顾及这种思路对其他学科的明显的逻辑影响。大部分英国心理学家，把神学留给神学家，把形而上学留给形而上学家，即令在他们所用的方法，带有内省的性质（虽然也是经验性）的时候，他们也是这样。当他们所用的方法变为实验的时候，这个态度自更鲜明。在法国，研究心理学的主要是生理学家与医生，因此，法国的心理学在科学实验方法方面自然走在前面，而没有受到形而上学体系的影响的危险。当心理学象自然科学一样变为国际性的时候，法国的贡献大概影响最大。
包括生理学与实验生理学在内的物理科学的态度是分析的，它对问题从各个不同角度——机械的、化学的或生理的——陆续加以考察，并且在每一角度都要把研究的题材分析为简单的概念，如细胞、原子、电子与其相互间的关系。但生物学说明每一个生物都是一个有机的整体，而且更显著的是每一个人都对自身存在的统一性有深切的意识。科学所处理的关系，可以由任何有能力的观察者加以验证，但各个人的心理的确只有本人方能完全达到。因此，科学方法无法对这种统一性的意识结于充分的研究。在生理学与实验心理学中，必须假定动物受制于物理学和化学的定律，并可以用这些定律去解释，至于人则必须假设他是一架机器，因为如果根据别的假定，便不能有任何进展。不过当大陆上的伪逻辑学家断言这一有用的假设可以代表实在，而人不过是一架机器时，英国人则凭他们通常的常识见解，以为这一主张虽然与一套事实相合，却与另一套事实相背；他们完全满足于在生理实验室中把人视为机器，在日常事务上把人视为具有自由意志与责任的个人，而在教堂礼拜，则把人视为一个不朽的灵魂。既然每一种看法都是适合它的特殊用途的良好的工作假设，为什么不能在适当的时间与地点，把这些假设一并采用？或许有朝一日按照将来的知识，这些假设可以调和起来，但现时这些假设却各有助于工作的进行。英国人的这种特殊心理态度，不但在牛顿的时代与现代心理学创始之际表现出来，而且也在十九世纪的与其后的许多科学与哲学问题上表现出来。此种态度在大陆的人看来，或许是不合逻辑的，但仍不失为真正科学的态度。他把某些理论当作工作假设，只要它们能产生有用的结果；而且只要它们能产生有用的结果，他们也毫不犹疑地同时采用在当时的知识情况下看起来互相矛盾的两种理论。如果其中之一正明与事实（或与信念）不符，他们可以立刻放弃不用。物理学一向被视为最富于理性的科学，现在却仍旧采用表面上看来有很大矛盾的两种基本理论，这或许可以证明英国人的心理习惯是有道理的。
亚力山大·贝恩（1818－1903年）是首先使用现代科学知识，以内省法对心理过程进行经验的研究的人士之一。他遵循洛克的理论，以为心理现象可以追溯到感觉，同时又采取从休谟到詹姆斯·穆勒的英国作家所主张的“联想心理学”，以为比较高级的和比较复杂的观念是简单元素靠联想所组成的。贝恩从生理学中引来证据，用以证明这些原理，不过他并没有充分领会法国人关于变态心理的研究对正常心理理论所产生的影响，在进化论的时代使人明白遗传与环境两种不同的因素的影响以前，他已经完成了他的主要的工作。
就是在心理学求助于自然科学的时候，在应用方式上，各国的心理学有一时期也各有各的特色。法英两国注重科学的方法——观察，假说，推论的演绎，并且把推论与进一步的观察及实验加以比较。在德国，黑格尔的唯心主义哲学虽然有些威信扫地，不再被人当作基础，心理学家仍然想在一个形而上学的体系的基础上有所建树。这时自然科学正在进展，弥勒与李比希把生理学与化学应用于医学与工业而大著成效，因此，心理学家不但采用了科学的方法，而且采用了科学的概念。他们企图“把自然科学中习用的所谓基本概念，如物质与力，抬高到心理科学的基本原则的地位，甚至抬高到新的信条的地位”。结果人们就“对于心理现象采取一种抽象和简单化的看法，匆遍地得出一些概括的结论，最后则作出一些纯粹言词一的区别”。
但大约就在这时候（十九世纪的中叶），由于采用从各方面借来的物理学方法，心理学中也发生一场革命。说也奇怪，心理物理学竟可以追溯到贝克莱主教。他在《视觉新论》（New Theory ofVision）一书中指出，我对于空间与物质的知觉，归根结蒂来源于触觉。心理学后来的发展是在伽伐尼发见用两种金属接触蛙腿时蛙腿发生痉挛现象的时候开始的。这一发现不但成为伟大的电流科学的肇始，而且在生理学与心理学方面也引起许多怪诞的玄想。没有科学素养的狂热者利用伽伐尼的发现与麦斯美（Mesmer）关于催眠现象的研究（他们说这种现象是“动物的磁性”），把关于电在生理学中的作用的研究庸俗化。直至一代以后，赫尔姆霍茨与杜·博瓦·雷蒙（du Bois Reymond）才重新采用了科学方法。
我们说过加尔关于感觉在大脑中的部位的研究成果，怎样在愚昧无知的人手里变成了荒唐的“骨相学”，而在比较细心的研究者手里，又怎样增进了关于大脑作用的知识。从物理方面研究特殊的感官的，有以下诺人：托马斯·杨修正和改进了牛顿关于色彩视觉有赖于三种原色感觉的理论，赫尔姆霍茨首倡生理声学，阐明了音乐与言语的生理基础；赫尔姆霍茨还研究了生理光学，不但增进了我们对于视觉和色彩感觉的知识，而且帮助分析了我们对于空间的知觉。在他所使用的方法中，就有惠斯通（Sir CharlesWheatstone）在这以前所发明的体视镜。
但现代实验心理学的创始者，当推来比锡的韦伯（E．H．Weber）。他的贡献在于他对于感觉极限的观察。例如，他用二针同时触刺皮肤的不同部分，在我们感觉有两处受到压力的时候，测量两点间的距离。他还研究了刺激必须增加多少，才能使感觉有所增加。在这里，他发现有一种确定的数学关系，即刺激应按每一步骤开始时的强度而增加，换言之，即按几何级数增加。
比较富于哲学头脑的人士，早已认识到这一新的观点。例如贝内克（Beneke）在1833年发表的《自然科学的心理学》（Psycholo－gie als Naturwissenschaft）中就认识到这一点，洛采在1852年承认数学的方法适用于心理学的几个部分，费希纳（Fechner）在1860年首先使用“心理物理学”一词。现代学派在冯特（Wundt）的著作中就已经明显地出现了。他进行了许多测量，如测量了我们对时间的感觉，而且还把许多研究的线索整理成一个条理分明的体系。冯特虽然充分认识到分析方法在特殊问题的研究中的用处，但他绝未忽略内心生活的基本统一性。在这个问题上，达尔文的研究成果也揭开了一个新的纪元。达尔文对于人与动物的情绪表现的研究，是现代比较心理学的先河，这种研究对于认识人的心理有不少的贡献。
十九世纪后期，对于心理学上的问题——即身与心的关系的问题——最富特色的贡献是心理物理学上的心身平行的理论。这个理论的萌芽可上溯到笛卡尔、斯宾诺莎、莱布尼茨、韦伯、洛采、费希纳与冯特。生理的现象与心理的现象显然是平行的，纵然没有联系也属同时。这个理论认为意识是伴随神经系统内虽然复杂却可以研究的变化而产生的外部现象。对心理物理学来说，这就够了，我们不需要追问这一外部现象是否有其独立的存在。但意识的生活具有不断发展的能力，它表现在语言、文学、科学、艺术与一切社会活动上——一个心理价值增长的过程。因此心理学不但和语言、科学、语文学、语音学等联系起来，而且给予这些科学以新的力量，并且通过这些科学由外面的世寻深入内心思想世界。
研究自觉生活的统一性的中心问题，现时还不在精密科学的方法的能力范围以内，因为它仍是形而上学的问题。对于统一性的感觉是一个实在反映吗？内部心灵（或称灵魂）有其独立的存在吗？另一方面，象“联想心理学”后期的学说所设想的那样，这仅仅是一种由感觉、知觉与记忆等组合而成的后天获得的心理状态吗？心灵控制着身体吗？它仅仅是大脑的外部现象吗？还是有某种更高级的统一性呢？卡巴尼斯（Cabanis）以为与思想相联系的大脑的功能，应该和其他身体器官的功能一样来加以研究。福格特更以粗俗的口吻，说大脑分泌思想，正象肝分泌胆汁一样。这种唯物主义的观点，不但浅薄，而且不能令人满意，但它使得人注意到心理学向哲学提出的最大的问题。
生物学与唯物主义
如果说物质与能量守恒原理的发现加上原子论被人当作唯物主义的根据的话，十九世纪前半期生理学与心理学的同时发展，就加强了机械论哲学的地位。当时人们把这种机械论哲学与唯物主义混为一谈，这虽然不合逻辑，却是不能避免的。著有《生理学手册》）（Handbuch der Physiologie，1833）的弥勒与韦伯是在德国首先把科学方法应用于生理学的开路先锋。以后就开始受到法国的影响，特别是在大脑与神经系统的生理学以及建立在大脑和神经系统生理学基础上的精神病的心理学和治疗上。再往后又有奎特勒出来把统计学应用到人的活动上。德国的福格特、摩莱肖特、毕希纳与其他唯物主义者都利用科学向新领域发展的事实来支持他们的形而上学的理论。一百年前在法国流行的论调，这时得到新的物理学、生理学、心理学的帮助，又复活过来，发展起来，在有些大陆国家中，教会的守旧派有效地抑制了这些见解，到后来争取政治自由的斗争就与争取学术自由的斗争结合起来，酿成了1848年的革命。
在后来的几年，在英国早有深入发展的工业改革开始扩张到大陆上来。科学，特别是化学，与日常生活发生密切的关系。在注重实际的英国，这一过程对于宗教信仰影响很小，但在讲究逻辑的法国与崇尚形而上学的德国，这个过程对于机械论哲学与唯物论哲学的方兴未艾的浪潮，肯定起了推波助澜的作用。此外，与唯心主义体系比较，唯物主义具有一种浅薄的简单性。毕希纳在《力与物质》（1855）一书中说：“凡是受过教育的人不能理解的论著，都是枉费纸墨，不值得印刷”，因此，在德国，“唯物主义的争论”就普及到广大阶层中去，这在其它国家是办不到的。正像朗格（Lange）所说：“在世界各国中，只有在德国，药剂师开处方时才不能不意识到他的活动同宇宙结构也是有关系的”。
我们拜读十九世纪中叶自称为唯物主义者的德国人的著作时，不能不注意到，他们的唯物主义并不是和笛卡尔的二元论的一面相象的、彻底的、合乎逻辑的唯物主义。摩莱肖特、福格特与毕希纳总是把唯物主义与自然主义、感觉论、甚至不可知论混淆起来。事实上，唯物主义一词差不多可以包括一切与流行的德国唯心主义和教会正统教义相反的见解。这是一种叛逆的哲学，手边有什么武器，他就使用什么武器，哲学上的唯物主义，认为终极的唯一实在只是成团的死物质。这种哲学不能解释意识，也经不起批判的分析。但在条顿民族的氛雾里与这种唯物主义混淆不分的许多哲学体系却不是一下就可以驳倒的，因此这场讨论就拖了很长时间，而且一般来说，并没有什么结果。
在这一思想领域中，特别是在德国，达尔文的研究成果是一条重要分界线。《物种起源》风行之后，德国哲学家在海克尔的领导下，把达尔文的学说发展成一种哲学信条。在这种达尔文主义基础上，他们建立了一种与唯物主义相关联的新的一元论，从此以后，各国这类争论就围绕着进化概念进行了。
达尔文在自然选择说基础上建立的进化论，经公认以后，不但使直接有关的科学发生深刻的变化，而且也在其它思想领域中引起深刻变化。现在论述于后。
科学与社会学
甚至在十九世纪的上半期，科学就已经开始影响人类的其他活动与哲学了。排除情感的科学研究方法，把观察、逻辑推理与实验有效地结合起来的科学方法，在其他学科中，也极合用。到十九世纪的中叶，人们就开始认识到这种趋势。赫尔姆霍茨说：
我以为我们的时代从物理科学学到不少的教训。绝对地无条件地尊重事实，抱着忠诚的态度来搜集事实，对表面现象表示相当怀疑；在一切情况下都努力探讨因果关系并假定其存在，这一切都是本世纪与以前几个世纪不同的地方，在我看来，都足以说明这样一种影响。
我们如果研究一下到今天为止的政治史，就会感到赫尔姆霍茨未免过于乐观。但是如果和以前的时代比较一下，就可以知道他的话是有相当道理的。在十九世纪人们才知道至少经济学问题有若干部分是适于用数学方法处理的，这种排除感情的专门的研究始终是有益的，其结果有时或不免于谬误，但至少是寻求真理的诚实尝试。
在统计学中，数学方法和物理学方法被明确应用于保险问题与社会学问题。前面讲过数学方法和物理学方法本来是先在人类学中加以应用的。配第与格龙特以及奎特勒先后在十七世纪和1835年以后进行了这番工作。奎特勒证明，在不同程度上具有某种特点——如身长——的人数环绕着一个平均值而分布，因此，可以应用概率理论。他所得的结果，与赌博的机遇或分子速度的分配相似，可以用类似的图解表示。社会统计学在英国由法尔（William Fars，1807－1883年）加以发展。他服务于登记局，对于医药与保险统计的改进颇有贡献，并且把人口统计放置在稳固根基之上。
在十九世纪末期，进化哲学深刻地改变了人们对于人类社会的看法。它在事实上永远摧毁了终极目的论的观念，不论在今天的国家中，或将来的乌托邦里都谈不上有终极的目的。政治制度亦如生物，必须适应其环境。两者都在变化之中，为了社会福利，它们必须按部就班地前进。在一个种族当中有成效的制度，在另一个种族当中可能遭到悲惨的失败。英国式的代议政府不一定适宜于每一国家。身心方面的先天的差异与不同，得到证明以后，就摧毁了从生物学上来说“人人生而平等”的见解。
经济学也发生了同样的变化。科学时代早期的重形式的政治经济学，想要找出一些普遍的、永恒的、超时间与空间、对于一切民族都有效的社会规律。经济学的历史学派早就怀疑有这种绝对定律。他们从各方面证明，每一社会都有它自己特殊的经济规律，而且这种规律的表现形态又随着变动不已的环境而异。
政治制度与经济情况的变化，不象生物学上的变化那样缓慢。然而就是在这种迅速的变化中，也没有办法通过捷径达到下一阶段，或预知下一阶段要把我们引到哪里去。旧时代的残余和新生事物的萌芽同时出现在我们眼前。正如形态学揭示出动物身上存在的有机演化以往阶段中有用的器官的痕迹一样，社会制度的研究也揭示了社会制度过去所经历的各阶段的痕迹。对这种痕迹加以正确的解释，常常可以推知它们的历史与起源。而弄清历史与起源，也就不难了解它们今天的意义和真正的重要性，甚至可以预测将来的前途。
如果人类演变至今所经历的过程与动物一样，人类今天也仍旧要同样地受制于变异与选择。1869年左右，高尔顿根据这一见解研究了人类生理的与心理的特点的遗传，断定必须让选择继续发挥作用，以便不但使种族朝着文明人一致认为是向上的方向前进，而且防止种族的退化。高尔顿把研究人类可遗传的天赋特点和运用这种知识来增进人类福利的学问，叫作优生学。
在现今文明的情况下，自然选择最有力的因素大概是疾病。凡是特别容易感染某种疾病的往往早死而无后，这样就从种族中消除了容易感染这种疾病的遗传特性。但第七章所说的环境变化，不管是法律造成的也好，风俗造成的也好，或经济压力造成的也好，在混合的种族中，必然对于某些特性特别有利，这样就改变了居民的平均生物特性。高尔顿的研究成果，可以帮助人们更清楚地了解社会问题：生物学的知识也适用于政治学、经济学与社会学。但他的见解与十九世纪的平等思想很不调协，一时不易产生很大效果，直到十九世纪末，才得到部分的承认。
至于达尔文的研究成果，对于政治学说的影响，意见很不一致。布尔热（Vacher de Bourget）、阿蒙（Ammon）与尼采（Nietzsche）等人利用适者生存的原理来重新提倡贵族主义的思想。但是，另一方面也有人以为恶劣的特性，在现在的情况下也未尝没有好处；贵族地位稳稳当当，就没有了竞争，因此也就没有了选择；而“机会均等”却是达尔文式进步的本质。社会主义者更指出动物为了互助而组成的社会，要求人们注意这种社会有巨大的生存价值，这样就在蜂与蚁的社会中找到了共产主义社会的论据。但这种社会引向发展的终极，最后结果是停滞不前。人们观察蜂的世界，已有两千年之久了，在这二千年间蜂的世界并没有任何进步的迹象。这种社会是刻板的，功利的和自给自足的——它是把人的欲望和主动性消灭无余的共同生活的模型。由达尔文理论导出的结果这样分歧，至少说明一个事实：把自然选择的原理应用到社会学上，是一个异常复杂的问题，几乎任何思想学派都可以从这里面为自己的特殊学说找到有力的根据。
不论是在研究家族的历史的时候，还是在思考人类的起源的时候，人们都喜欢想象他们的祖先要比自己高贵，不认为他们自己在社会水平上和种族质量上胜过祖先，这是一种奇怪的心理事实。这种对于遗传价值的信仰同其它先入之见一样，自有其价值，大概比十九世纪的人所愿相信的更有价值，我们应该予以尊重。所以在自然与纹章院没有给人们以高贵的祖先的时候，人们就自己给自己找一些高贵的祖先，是完全可以原谅的。原始种族相信自己是神的直系后裔或为神所特造，也和这种情况相仿佛。文明人又何尝不是这样呢？当他们被迫在《创世记》与《物种原始》之间作一决择时，他们最初也是随着迪斯累里（Disraeli）高喊：他是“站在天使方面的”。
但人与动物有亲属关系，证据非常确凿，不久即为有理性的少数人士所信服。正象哥白尼与伽利略把地球从宇宙中心的地位上谪贬下来一样，达尔文也把人类从堕落天使的冰冷而孤独的地位上拉下来，强迫他们认识他们与鸟兽有兄弟的亲属关系。正象牛顿证明地上力学可以应用于天空与宇宙的深处一样，达尔文也要证明我们用来改良家畜的习见的变异与选择方法，也可以说明物种怎样产生出来和人类怎样从低等动物演化出来。达尔文的自然选择假说或许不能说明今天的世界里一个物种到另一物种的变化。但是新近的知识却完全证明了进化的一般概念。有机世界正如无机世界一样，可以从这个观点出发当作一个整体看待，这是人类心灵所得到的崭新而伟大的启示。
进化论与宗教
如果说达尔文对社会学的影响十分巨大，那末他对宗教理论与神学当时为宗教而创立的教义的影响就更深刻了。上帝分别创造万物的粗糙的教义被摧毁了。在现在看来，这虽然是各种结果中最表面的结果，但也是最明显的结果，冲突也是首先在这个问题上展开的。
中世纪，常有人注意推想各种生命的起源。新教改革者注重圣经文义，因此人们对圣经就更加从字面上加以解释了。到十八世纪时，《创世纪》第一章所载的有机创造的细节，就被视为正统的看法。十九世纪，几乎整个基督教人士都有这样的信仰。地质学的研究，必定使人对厄谢尔主教（Archbishop Ussher）的年代学发生怀疑。他以为世界创造于公元前4004年，但是连一位有知识的人，在1857年还真的认为上帝是故意把化石放在岩石之内以考验人类的信仰的。从逻辑上来驳倒这种说法是不可能的；事实上，人们也未尝不可以说世界是上星期创造出来的，一切化石、记录、记忆应有尽有，但虽然如此，这一假说究属不可能。
1859年《物种起源》发表后所引起的争论，开始动摇一般人对于物种分别创造的普遍信仰。进化的证据逐渐增多，自然选择至少是进化的一个因素的证据逐渐增多，引起各国知识界的注意。而且，自然选择的原理似乎给予基督教旧教派的“天意说”以严重的打击。动植物身上表现出来的手段对目的的适应，经过一番自然科学的解释，虽然还不能对问题的奥秘给予完备的说明，至少有助于求得表面上的解决。这样就不再需要假设有一聪明善良的造物主，来说明身体构造的细节，或蝴蝶何以具有保护色了。如果还需要一位造物主的话，看来他早已离开这部巨大的机器，任其循变化的涂辙运转，不复加以注意了。
但是渐渐地人们就可以清楚地看出，进化论把难于成立的信条摧毁，实在是对神学的真正的贡献，不久神学家的领袖和胆怯的教士们，都先后认识到必须把世界的创造看作是一个连续不断的过程，而生命在本质上是一体的，比他们以前所设想的要更加奇妙和神秘。进化论虽然可以说明生物用什么方法从早期的形态进而发展到有复杂的生理与心理特点的物种，但对于生命的起源与基本意义，或意识、意志、道德情绪与审美情绪等现象，却不能有所说明。至于存在的大问题（为什么有物存在或无物存在），那就更没有谈到了。今天还有许多地方——事实上是整个宇宙——使人惊奇敬畏，使人虔诚探讨，使人崇敬不能目见之物。上帝在六日内创造天地万物一类幼稚故事虽然无人相信了，却产生了巨大惊人的“存在”问题。
当赫胥黎、阿盖尔公爵（Duke of Argyll）和主教们为了进化论与《创世纪》展开热烈的争论的时候，比他们所讨论的问题更重要、更根本的变化，却在一旁悄悄发生。我们今天的正统宗教信条与仪节，有一些是从原始的崇拜演变而来的。少数思想家如体谟与赫德（Herder）早有这种见解，但在达尔文的研究成果的推动下，这种看法就成为比较宗教学研究的有效的起点。这种研究最新的结果是二十世纪的事。但在十九世纪结束以前，就已经发现一些惊人的事实。最先进行这种研究的人类学家之一泰罗（Dr E．B Ty－lor），在1871年发表了一部讨论原始文化（Primitive Culture）的：著作。达尔文对于此书有以下的评论：
作者从低级种族的精灵崇拜一直探讨到高级种族的宗教信仰，真是了不起。从此；我就要用另一种眼光来看待宗教——对于灵魂等等的信仰了。
以后还有一些别的人从这面推进了人类学的研究。1887年弗雷泽（J．Frazer）发表了《图腾主义》（Totemism）一书，叙述图腾与婚俗，征引至为渊博。图腾信仰是由精灵崇拜而来的，不过礼节更加繁重，中心观念是图腾，所谓图腾就是一种神圣的动物，与按这种动物命名的部族或个人有密切而神秘的关系。野蛮人的生活异常危险，灾祸不时降临，而神秘不测的恶运更是他们力求避免的。因此，他们就形成一些他们认为可以帮助他们避免灾祸与恶运的风俗，谁违背这种习俗，灾祸就立降其身。
弗雷泽的《金枝集》（Golden Bough）第一版在1890年问世。作者叙述了意大利阿里恰（Aricia）附近奈米（Nemi）地方的礼节。在那里，从很早的时候起，一直到古典时代，始终有一个僧侣执政，俨如君王，然后由另一僧侣杀而代之。各原始或野蛮民族的类似风俗都起源于所谓交感巫术，这种巫术用各种仪式来表演，每年的季节循环的戏剧，包括收获时节万物的死亡，新春时节万物的欢乐复活等，以为这样才可以为人类祈得庄稼的丰收与家畜的兴旺。交感巫术还和对于死者的恐惧和其他因素混合起来，产生超人的神或魔鬼的观念，而膜拜自然的仪式，包括入教与通神的仪式，也就在新的意义下继续存在下去。最先采用进化观念的人类学家发现野蛮人的心理就是这样产生作用的，原始宗教的体系也就是这样形成的。他们的发现与文明种族的宗教早期历史的关系至为明显，但这种关系经过一定时期以后，才为大家所周知。这个问题或许不像万物分别创造的所争论的那样引人注意，但到二十世纪，它的影响却要大得多，今后更是这样。
这样，在自然选择的基础上建立起来的进化论，经人们承认以后，最初虽然在若干方面动摇了宗教的神学体系或教条体系（人们常把这个体系与宗教本身混为一谈），但是，后来又使这个神学体系受益不浅。基督教思想界除愚民主义派以外现已承认进化论，井且已经逐渐接受一般的现代观点。他们被迫重新讨论基督教思想的前提，已经有了一种虔城探讨和思想自由的新精神。宗教家明白了，一套刻板、完备、一劳永逸地传给圣徒的教义，很容易在历史上的发现的冲击下陷于紊乱，于是他们就采取另一种观点，认为宗教观念也在进化之中，上帝在不断地向世人启示，在一定的时候，才有至高无上的表露，但从来没有停止向世人解释神的旨意。不但如此，这种现代精神，还迫使他们在宗教的研究中不能不适当考虑在科学中证明十分必要的观察方法。由于采用这个方法，就不得不考虑各种宗教经验，并承认神秘性的洞察力的价值，因为这种个人经验对于团体崇拜的仪式与维持传统的权威都能有所补充。
在宗教的实际方面（伦理方面）进化观念首先使科学同道德的基础问题发生密切的联系。如果道德律真像圣经所载，是上帝在西乃山雷电中传授给人，而一成不变的话，便无话可说。人有充分理由自定其行为的理想，不但自身履行，并在自己能力范围内迫使他人遵循。
如果我们对圣经上西乃山的说法觉得没有把握，我们就不能不寻找较稳固的立足点。在这方面我们有两条道路可走：要么赞成康德的主张，把我们良心的道德律看作是天赋的一种“无上的命令”，人只能把它视为不可解释、不能怀疑的最后事实而加以接受。要么，我们就必须寻找某种自然科学的解释。
边沁（Bentham）、穆勒与功利主义者，认为谋求“最大多数人的最大幸福”就是这样一种自然科学的基础。他们以为如果从幼稚期开始就进行同类相亲的教育，像进行宗教教育那样，并且尽力给与实施的机会，这种利他行为的推动力的功效是无庸怀疑的。西奇威克（Henry Sidgwick）对直觉学派与功利学派相反的论点，加以批评和调和。他以为道德的过程就是把注意的中心从暂时的与个人的利益转移到比较长远和比较广泛的社会福利上的过程。
但功利主义的伦理，只是在根据进化哲学加以修改以后，才接触到根本原则。首先有系统的尝试修改功利主义伦理学的人是斯宾塞，但是更极端的进化派伦理学则出现在德国的达尔文主义的新发展中。
自然，主要的论点是说，道德的本能是经过自然选择而保存和探化起来的偶然的变异。具有这种本能的家族和种族能够团结一致，互相合作，因此胜过没有这种本能的家族和种族。这样经过遗传，道德的本能就在人类身上发展起来的。
这不过是一种说明而已。这只是根据自然选择的假说，说明道德的本能一旦存在，力量就不断增强。但生存竞争不但在种族之间进行，而且在个人之间进行，而生存竞争所必需的自私性，恰与道德律相反。大多数作家对于这种矛盾，比对于只有经过更深入的分析才能看出的社会团结，印象更深刻一些。他们以为“自然的齿爪上都染着鲜血”，道德成功的机会很小。例如，赫胥黎就以为宇宙的秩序与道德的秩序常在永恒冲突之中，而善良或美德，同可以使人在生存竞争中获得成功的特性，是截然相反的。
有一个时期，关于伦理学的内容，并没有争论。直觉派、功利派与进化派都不反对传统的道德，即基督教的道德，他们只是担心宗教教义这种推动力取消以后，传统道德也要垮台。在伦理学的实际方面，三派的意见完全一致；在思辩领域中则有不少纷争。
但当注重形而上学的德国与讲究逻辑的法国完全理解了自然选择的观念以后，就有人把生存竞争的教训加以极端化。如果全盘接受进化哲学的话，有利于适者生存的品质，不就是真正合于道德的品质吗？尼采尤其倡导说，基督教的道德是一种奴隶的道德，不但无用，而且过时了，世界应该要求“超人”来启发和管理他们，“超人”会完全摆脱这些桎梏的限制。这一学说为政客和军国主义者所利用，加上1866年与1870年两次战争的成功，就酿成德意志帝国的心理状态，惹出1914年与1939年的浩劫。这种影响在法国只及于个人，而不及于政治；但是“生存竞争”却变成各时代想要找到一个漂亮借口来蔑视传统道德的无耻之徒的口头禅了。
批评这一套特殊的观念是很容易的事情。如果只有暴力与自私才是具有生存价值的品质，那末，按照进化论的假设就无法解释多数人的胸中肯定存在着的道德感或良心；另一方面，如果把道德感的发展解释为人群间自然选择的结果，那也不能使道德感归于无效，只不过在少数人眼中，由于基础从天启宗教的武断戒律移到具有生存价值的社会本能上去，不免使这种道德感变弱一些而已。
自然主义伦理学的完备理论，在英国经许多学者，尤其是华德（James Ward）与索利（W．R．Sorley）加以批判的研究。这两位作家都断言自然主义的拥护者想要单单在进化论的基础上建立一种伦理理论是徒劳无功的，对于宇宙的唯心主义的解释，不但是理性的形而上学所必需的，也是稳当的伦理学所必需的。
达尔文对形而上学的影响，本来很可以在讨论宗教的本书中一并讨论，因为就武断性一面来说，宗教也是一种形而上学，但是由于所牵涉到的问题，有出乎宗教范围以外的，所以整个这个问题最好留在下节中讨论。
进化论与哲学
要想估计进化论的确立对哲学思想的影响，我们须回顾一下以上各节所叙述的历史。
随着人们的思想，从一个时代向另一个时代前进，在怎样解释宇宙的问题上，机械论与唯灵论此起彼伏，轮番更迭，有如脉搏的跳动。到现在为止，这种转换对于认识的建全发展似乎是必需的。每当科学有巨大的进展的时候，每当一新领域被置于自然律之下（人们现在是这样看待这种过程的）的时候，人类心灵由于不可避免地夸大了新方法的力量，总以为马上就可以对宇宙提出完备的机械解释了。希腊原子论者对于物质的构造，作了一种猜度。这种猜测恰好与现代的理论不谋而合，但从科学的观点来看，他们的证据实在薄弱。原子论哲学家在把他们的理论应用于无机世界以后，并不满足，还按照“原子的偶然集合”的观念，对生命和生命现象提出各种说明和解释。他们既不知道无机世界极其复杂，更不知道还需要探讨更多的新现象，然后才谈到去接近他们深信不疑地加以解决的生命问题。但原子论者毕竟有很大贡献，而且他们是在一种唯物主义哲学的启示下作出这种贡献的。他们的证据不足，早为柏拉图与亚里斯多德所指出。但是这两位哲学家也在可疑的基础上，建立了两种唯心主义的哲学，这两种哲学相继被基督教神学所采用，传到中世纪，被看作是足以表现古代希腊特色的思想。
至文艺复兴时代，知识的发展重新开始，见解的自然摆动再度明朗化。哥白尼的胜利，与牛顿解释天体现象的惊人成功，使人们夸大了他们的方法的力量。拉普拉斯以为只要知道组成宇宙的各质量的瞬刻构形与速度，一个头脑精细的人就可以算出宇宙整个过去与将来的历史。科学每前进一步，机械论的力量总是要被人过高估计，这已经成为当代思想的特色。其实当新知识完全消化后，人们就看出旧问题本质上依然未变；而诗人、先知和神秘主义者也就出来重整旗鼓，以新的言语从更优越的地位向人类宣布他们的永恒的启示。
大致说来，达尔文的成功的第一个主要结果就是机械论哲学浪潮的再起。我们不妨说：进化论的确立大大加强了自然界可以了解的感觉，并且增强了那些把他们的生命理论建立在科学基础上的人们的信心，我们这样说是完全正当的，而且毫无夸大之处。可以说进化论的确立，加上生理学与心理学，从生物学方面补充了在当代物理学中出现的一些趋势。这些趋势使人觉得很快就可以用永恒不变的质量及有限的数量和绝对常住不变的能量，来对无机世界给予完满的说明了。
由于可以把质量与能量守恒原理应用于生物现象，人们就产生了一种过分的信心，以为生物机体的各种活动，不论是物理的也好，生理的与心理的也好，都可以解释为分子运动的方式，及机械的或化学的能量的表现。进化论的流行，造成一种错觉，使人以为既然我们已经懂得进化通过什么方法进行，问题也就完全解决了；既然我们已经了解了人类的起源与历史，人的内在精神的性质与从外面所见的人体的结构也就揭露出来了。正是在德国，达尔文主义的这一发展，最为流行。
这种情况，在海克尔的《宇宙之谜》一书中表现得最为明显。达尔文不但证明动物与人的身体的进化，至少一部分可以用自然选择来说明，他并且证明动物的本能，如其它生命的过程一样，也要在选择的影响下发展；而人的心理机能是和动物的本能类似的，也要经历类似的变化。海克尔在达尔文的研究成果的基础上建立了一种完备而不调和的一元论哲学。他认为有机与无机世界是统一的。碳的化学性质是生命的运动的唯一原因，有生命的原形质的最简单的形态必然是从碳与氮的无机化合物，经过自然发全的过程，产生出来的（可惜这个结论并没有直接证据）。心灵的活动不过是一组完全决定于原形质的物质变化的生命现象。每个活的细胞都有心灵的特性，而由单细胞原生动物的简单“细胞心灵”演化而来的人类心灵的最高能力，只不过是脑细胞心灵功能的总和而已。
这种见解可与克利福德的见解比美。克利福德同意贝克莱的意见，也认为心灵是终极实在，但却持有一种唯心主义的一元论，以为意识由“心质”（mind-stuff）的原子所构成。
海克尔声称他自己的完备体系是建立在达尔文的理论基础之上的，而且附带地说明了达尔文直接影响这种类型的哲学的经过。
我们现在完全同意一种对于自然界的一元论的看法，即全宇宙，包括人类在内，作为一个奇妙的统一体，都被永恒不变的定律所支配……我已经努力说明这种纯粹的一元论是根基稳固的，而我们既然承认宇宙为同一进化原理的全能规律所支配，就不能不提出一个单一的最高的定律，即囊括一切的“物质定律”，或质量守恒与能量守恒的联合定律。假使这个真正的“一元哲学家”查理·达尔文当初没有创立用自然选择说明人类起源的学说，为我们铺平道路，并且在他毕生伟大工作之余还把他的学说和自然主义的人类学联系起来的话，我们绝不会达到这一最高的普遍的概念。
达尔文本人大概不会赞同他的有名的德国门生的意见。事实上达尔文本着谦逊的精神，对于他的研究成果的哲学意义，常默然不置一词。人类起源的问题，实在比达尔文的热烈信徒所设想的复杂得多。人的整个本性是一个更困难的问题，它是否可以在将来得到一个自然主义的解决，我们是无法断言的。但有一点是肯定的：这个问题至今尚未得到解决，并且在求得解决以前，还必须波浪式地经历许多回到机械论哲学和离开机械论哲学的反复过程。事实上进化论与十九世纪物理学结合起来所造成的一种特别思潮，已成过去。进化原理本身，就说明思想潮流永久在随时代而变动不已，而且过去的经验表明，这种发展过程不是稳定的和连续的，而是间歇与摆动的。
后期德国的唯物主义者与机械论者，主要是把他们的学说建立在生物学的基础之上。他们的教条受到柏林的生理学家雷蒙兄弟（Emil and Paul du Bois Reymond）的批评。他们说明即使生命的问题可以归结为物理学和化学的问题，物质与力也只是从现象中抽象出的概念，”并没有给与人以最终的解释。他们还断言有些问题是永远超出人类认识之外的。
这种认为人类智力有其限度的观点，与赫胥黎及斯宾塞的不可知论相似。然而毕尔生（Karl Pearson）以为对于认识加以这样的限制是危险的。他在《科学规范》（The Grammar of Science）中以为凡不是用科学方法得到的结果，都不能称为知识，但他引用伽利略的话问道：“谁愿给予人类的智力以限制呀？”他虽然承认尚有许多未知的事物，但却否认这些事物是永远不可知的，是超出科学研究能力之外的。
自然选择的原理，被斯宾塞与毕尔生应用于认识论。我们的基本概念，可以通过自然选择与遗传的过程得到，或至少通过那个过程发展。最适宜于表现和描写由感官得来的经验的各种观念和公理，将在世世代代的过程中确立起来，别的观念和公理却要遭到淘汰。因此，数学的基本概念，对于个人来说可以是“天赋观念”，对于种族来说却是经验材料。这是一个迷人的理论，不过，我们很难看出对于欧几里得几何公理或黎曼几何公理的天生的了解，何以能有很多“生存价值”或很多“配偶选择”的好处。或许他们认为这同其他更有吸引力的特性有关，也未可知。
就某种意义而言，自然选择理论获得公认是弗兰西斯·培根所开始和规划的哲学工作的完成，因为培根以为达到认识自然的唯一的道路是经验的实验方法。达尔文证明大自然自己在动植物世界所用的方法，也是经验的实验方法，正如德谟克利特与卢克莱修所猜测的一样。大自然尝试了一切可能的变异，经过无数试验，才在少数情况下成功地确立了生物与其环境之间的新的和更大的谐和，由此而进化不息。
如果从最充分的意义上加以接受，自然选择是对一切目的论的否定。看不到有什么终极的目的：只有个体与环境的不断的偶然的变化；有时二者之间偶然一致，这时从表面来看，暂时就好象有某种终极目的。
斯宾塞表述自然选择的用语是“适者生存”。孤立起来看这句话实在是一种循环论证：什么叫最适者？回答是：“最适者是指最能适应生存环境而言”。这种最适者可以是一种比以前的类型更高级的类型，也可以是一种较低级的类型。通过自然选择进行的演化，可以是进化，也可以是退化。诚如鲍尔弗伯爵（Earl Balfour）所说，按照极端的选择论哲学，适的证据为存——适者存而存者适。我们也许想打破循环论证说，就全体言，进化创造更高级的类型，人类比他们的猿猴的祖先要高级。但这样，我们就自己负起了权威地宣判，何者为高级，何者为低级的责任，而彻底的选择论者可以回答说，我们的判断本身就是通过自然选择形成的，因此，我们的判断会欣赏那些实际上只是具有生存价值的东西，并把它列为高级的东西——所谓生存价值事实上也就是使我们可以生存下去的东西。从纯粹自然主义的观点来看，出路似乎是没有的。如果我们想要寻找另一种观点，我们就必须接受根据某种别的高低善恶标准所得出的绝对判断。
事实上我们不妨指出，我们为天地万物规定的高低次序大半是一个种族问题和种族的宗教的问题。在东方佛教徒看来，生存便是祸患，意识是更大的祸患。在他们看来，从逻辑上来说，生命的最高形式是藏在沉静的海底的原形质的单细胞，其后，各时代的一切进化实际上都是从这种沉静的理想境界向下堕落，而这种境界同以前的无机物质相比又是一种堕落。
达尔文本人并不认为自然选择说可以充分解释进化的过程。自然选择说也并未涉及变异或突变的原因。这种变异或突变可能是机体内单元成分的偶然结合造成的。正是由于这种偶然的结合，个体才按照概率围绕一个平均数值而分布，如观察所见的。再不然变异或突变就是有其它隐秘的原因。自然选择不能使变异发生，而只能淘汰无用的变异。它也不能说明更深刻的生命问题：如生命为何存在，生命为何到处尽量繁殖，以致达到和超出给养的限度。
从分析生理学及生物物理学与生物化学的观点来看，人可以说是一种机器，为理化的原理所支配：新旧活力论都是没有在身余地的。但当作一个整体来看——如在自然历史中那样——任何机体都表现出一种综合的统一，作为它所特有的生命的表现；人类把在其它动物身上可以看到的特性加以发展而表现出他们的心灵和意识具有更高度的统一，这是生命的一个新方面。进化论把这一综合过程向前推进一步，揭露出整个有机创造的基本一致。生命是宇宙过程的一种表现。原形质单细胞的生命，同塑造得奇妙而惊人的无限复杂的结构——我们所谓的人——之间，在各个部分都有着进化的联系。这构成一个问题，这个问题不能完全用科学的分析方法来研究，因为科学的分析方法总是要连续地从不同角度对它加以研究，而且在每个角度上，都要设法把它归结为它的最简单的成分；这个问题还需要哲学上的综观全局的观点，利用这种观点，我们就可以“凝视生命，看到生命的整体”；我们如果能解答这个问题，其他附属的问题也就迎刃而解，我们也就可以了解真、善、美的内在意义，从而为伦理学、美学与形而上学找到一个稳固的基础。解答这个问题的一个线索，便是用达尔文的自然选择原理加以说明的进化理论。
第九章 生物学与人类学的进一步发展
生物学的地位——孟德尔与遗传——遗传的统计研究——人们后来对进化的看法——遗传与社会——生物物理学与生物化学——病毒——免疫——海洋学——遗传学——神经系统——心理学——人是机器吗？——体质人类学——社会人类学
生物学的地位
自十九世纪末以来，关于生命与其现象的知识大有进展，但指导人们取得这些进展的主要观念，却是在1901年以前形成的。二十世纪的数学与物理学，摆脱了牛顿的体系，在思想上引起一场实质上的革命，现在正在深刻地影响着哲学。二十世纪的生物学
仍然遵循着上一世纪所奠定的主要路线前进。
十九世纪末生物学家接受了达尔文的研究成果，奉为定论，差不多放弃了足以表现达尔文的特色的实验方法——对育种和遗传进行实验的方法。自然选择式的进化论，被人当作确定不移的科学原理加以接受，甚至可说是成了科学信条。当时以为进化的进一步细节，最好在胚胎学中去寻求。这个信念的根据是梅克尔与海克尔的一个假说：个体的历史乃是种的历史的重演。
自然也有例外。德·弗里斯那时已经在进行变异的实验，1890年贝特森（William Bateson，1861-1926年）批评了海克尔的所谓定律的证据的逻辑基础，提倡回到达尔文的方法。贝特森于是计划并进行了变异与遗传的实验，后来很有成就。当时流行的达尔文学说，在物种起源问题上遇到很多困难，以下列二点最为严重：
第一个困难是变异大到什么程度才发生新种。讨论进化论的较老的著作中，总是假定（虽然有时没有明白地说出）积累起来形成新种的变异是很小的。但如果变异很小，这种变异对于生物怎么能够具有充分的有用性以致使具有这种变异的生物优于它们的同类呢？这就是所谓变异太小的困难或起初的变异的困难。
第二个困难大略相似。假定有变异发生，而且假定这种变异能够存留持久并由此形成长久存在的新种，那么怎样才能使它们长久存在下去呢？变异的个体与其不变异的同类交配时，是否会把变异消灭掉？这第二个困难常称为“杂交的淹没效应”。
贝特森跟着指出，每一个植物或动物育种者都知道，与常态不同的小变异虽属常见，大的变异也是屡见不鲜之事。德·弗里斯与贝特森到1900年已经对于这个问题进行了不少的科学研究，足以证明大而不连续的突变绝非罕见，而且至少有一部分突变完整地传给后代。所以，新的品种可以很容易地迅速地确立起来，即令新的种还不能这样。当时还没有证据可以说明变异的原因；人们只是把变异的存在当做冷酷的事实接受下来。但是如果承认变异的存在的话，它们的不连续的现象，似乎很可以减少达尔文进化论的困难。而且就在同年（1900）又有一些新的事实（或者说久已遗忘的旧事实）被人发现出来。
孟德尔与遗传
与达尔文后期的工作同时（1865年），有人在布吕恩（Brunn）修道院进行了一系列研究。假使达尔文当初知道这件事，他的假说的历史可能就大不一样了。奥地利的西里西亚人、奥古斯丁教派的僧侣、最后担任康尼格克洛斯特（Konigskloster）修道院院长的孟德尔（G．J．Mendel），不相信单单达尔文自然选择的理论就足以说明新种的形成。他进行了一系列的豌豆杂交实验。他的研究成果在当地科学学会的丛书中发表，湮没无闻至四十年之久，1900年经德·弗里斯、科伦斯（Correns）与切玛克（Tschermak）等重新发现，并由这些生物学家以及贝特森等加以证实和扩充，才开始了现代遗传学的研究，使这门学问发展为精确的实验和实用科学。
孟德尔的发现的本质在于它揭示出，在遗传里，有某些特征可以看做是不可分割的和显然不变的单元，这样就把原子或量子的概念带到生物学中来。一个机体总是要么具有，要么不具有这些单元之一。具有或不具有这些单元构成一对相反的特征。例如以高茎或矮茎的豌豆和同类交配，则其后代也保存其特征。但如果使它们互相杂交，其后代杂种仍具高茎，貌似具有高茎的亲体。于是高茎称为“显性”特征，而矮茎称为“隐性”特征。但如果使这些高茎杂种以通常方式互相交配，它们的遗传情况却和它们所貌似的亲体有所不同。它们后代不是纯种，而是互相不同，3／4有高茎，1／4有矮茎。矮茎的仍产纯种，但高茎的只有1／3产高茎纯种，其余2／3，在下一代中重演第一代杂种的现象，又再产生具有纯的矮茎、纯的高茎与混种高茎三类。
如果我们假定原祖植物的生殖细胞各具有高茎和矮茎两相反特征之一，则上面所说的关系不难解释。高的与矮的杂交以后，所有的杂种虽外貌与高的亲休、即具有显性特征的亲体相似，但其生殖细胞有一半具有高茎特征，另一半具有潜伏的矮茎特征。每一个生殖细胞只有高或矮一种特征，而不能同时有两种特征。因此，当这些杂种的雄雌二细胞偶然配合产生新个体时，就高与矮两个特征而言，同类或异类细胞相配合的机遇相等；若为同类，则具有高茎特征的细胞互相配合的机遇和具有矮茎特征的细胞互相配合的机遇也是相等的。故第二代当有1／4为高的纯种，1／4为矮的纯种，其余一半则为杂种。但因高茎特征是显性，这些杂种在外貌上都和高的纯种相似，效就外貌而言，3／4是高茎的。
从物理学近来的趋势来看，这是饶富兴趣的事，因为这一理论把生物的特性简化为原子式的单元，而且这些单元的出现与组合又为概率定律所支配。单个机体内孟德尔单元的出现，正如单个原子或电子的运动，是我们不能预测的。但我们可以计算其所具的概率，因此，按大数目平均来说，我们的预言可以得到证实的。
我们以后还要说明在显性特征的情况下和在隐性特征的情况下，遗传方法有所不同。虽然某一个体在它本身具有某一显性特征时只能把这一显性特征传给它的后代，但在其世系里，可以料想不到地有一隐性特征出现。如果交配的两个个体在它们的生殖细胞内各具有表面上看不见的隐性特征，通常在它们的后代中大约有1／4表现这个特征。可是在多数情形下，遗传的条件，远比以上所说的豌豆里两个简单对照的特征复杂得多。例如特征之为显性或隐性，可因性别而异；特征也可相连成对，有的必须联袂出现，有的互不相容，从不同时出现。
在动植物中，有许多孟德尔式的特征已经发现出来；同时，人们运用这种方法来实际指导育种也收到很大成效，既可以设法把某些符合需要的特性聚集在一个新品种内，又可以把具有有害倾向的特性淘汰掉。动植物的育种者采用这些原理，已经用科学部分地代替了纯经验方法。例如比芬（Biffen）就以选种法得到一个优良的小麦新种，既能不患锈病，又能有很高的产量，而且还具有某些烘烤特性，这几种优点所以同具于一个新种之内，是根据孟德尔的遗传定律，经过长期实验得来的结果。
在孟德尔的研究成果重新发现的时候，人们在研究细胞构造的时候已经发现每一细胞核内有一定数目的丝状体，称为“染色体”。两个生殖细胞结合时，在最简单的情况下，受精的孕卵所含的染色体数目加倍，每种染色体都成双数，各从父母的细胞而来。孕卵分裂时，每个染色体复分为二，两个子细胞各有其一半。即每个新细胞从原来的每个染色体接收一个染色体。这种情形在每次分裂时都照样进行，所以植物或动物的每一细胞，各具有一组成双的染色体，相等地从父母两方而来。
生殖细胞起初也有一组成双的染色体，但在其变化为精子细胞或卵细胞的后期，染色体相联成对。那时的分殖法不同：染色体不分裂，而是每对的两成员互相分开，每一成员进入一个子细胞之中。因此每一成熟的生殖细胞接受每对染色体的一个成员，染色体数目减少一半。
细胞现象与孟德尔式的遗传事实之间的相似性引起好些人的注意。但最先对这个关系给予明确表述，而为人接受的是萨顿（Sutton）。他指出染色体与遗传因子都在分裂，在每一情况下，都是由各对遗传因子或染色体自行分裂，不与他对相干。
但由于遗传因子的数目比染色体的对数要多得多，按理应该有几个遗传因子与一个染色体相联系，从而结合在一起。1906年，贝特森与庞尼特（Punnett）在豌豆内发现这种相联的现象，例如颜色与花粉的形态等某些因子总是在一道遗传。洛克（Lock）说明了这一发现对于染色体理论的关系。
自1910年以来，摩尔根（T．H．Morgan）与其纽约同事，用繁殖迅速每十天一代的果蝇，对这些关系作了更详尽的研究。他们发现可遗传的特性的群数与染色体的对数，两者之间实在有数上的对应，即都是4。在通常的情况下，这个数字较大；豌豆为7，小麦8，鼠20，人24。
就是在有20对染色体的情况下，也可能有一百万种以上的生殖细胞，这样的两套可能的组合数目当更为巨大。由此我们很容易明白为什么在混种中没有两个个体完全相同。
遗传的统计研究
与孟德尔的研究同时，还有人按大数字进行统计，来研究遗传问题。奎特勒与高尔顿将概率理论与误差的统计定律应用于人体的变异。在二十世纪仍然有人继续进行这样的研究，特别是毕尔生和他的伦敦同事。
通常，只要对大数目进行一次统计就可以求得误差的常态曲线，或诸如此类的曲线，但德·弗里斯关于月见草的研究说明使用这种曲线有某些危险性。图10表示三个品种的果实长度的变化。横标代表长度，纵标代表具有某长度的个体的数目。A与C两品种具有特有的平均大小，其曲线与常态分配密切相似。但B曲线说明至少可以分为两群。如果将三个品种的种子放在一道测量，这三个曲线重合为一，而接近于常态形式。根据粗略数据常常很难判断材料究竟属于一类还是象在这个例子中一样由两群或多群所合成。
约翰森（Johannsen）发现：如果以一个单颗豆种作为一个自交世系的始祖，则这一“纯种”个体的变异（如种子的重量），准确地遵循误差定律。但这种变异不能遗传；如果将重的种子选出加以培植，后代的种子并不比平均值重。
除去这种同祖的纯系以外，通常的混种都有由于祖先特性混合而产生的变异，这种变异是可以遗传的。选择双方都具有某种特性的亲体，如快速的跑马，常能得到一种品种，使所需要的性质高于平均值。高尔顿指出，身材高的父母所生的子女平均来说，即使不象父母那样高，常常也比种族内的平均高度要高一些。毕尔生等对这现象作了更详密的研究。如一个种族的男人平均身材为5呎8时，则6呎的人较平均值高4时。按大数目平均来说，6呎高的人的儿子，其平均身材约为5呎10时，即较平均值高2时，而较其父矮2时。这一结果可以用统计术语即所谓“相关系数”来表达，为一半，或0．5。如果子与父身材同高，则此系数为1；如果儿子的身材回到其种族的一般高度，则无所谓关系，此系数为0。再如儿子的身材反较其种族的一般高度为矮，则此系数为负。植物与动物的他种特性都有与此相似的关系，而且就任一特性而言，亲子间的相关系数常在0．4与0．6之间。法国一位世代选种者德·维莫兰（R．L．de Vilmorin）继续进行了变异和遗传的研究。他的工作像孟德尔的工作一样，当时并没有引起生物学家的注意。他证明，在育种时，要想得到最好的结果，并不在于选择个别的单体作为亲体，而在于选择平均表现良好的一种植物世系。这个结果不能证明达尔文关于微小变异的遗传的看法。
有一时期，孟德尔派与根据达尔文的概念、使用了统计方法的“生物测量派”之间，颇有争执。其实在关于遗传的任何完备的研究中，这两派似乎都是需要的。
人们后来对进化的看法
随着古生物学上的证据愈积愈多，进化论作为对地上生命过程的一般说明，也愈巩固。例如，事实证明石碳纪并无被子植物，新种与新类的生物是后来才在地球上出现的。
有些生物学家仍然以为对小的变异起作用的自然选择如果时间延续很久，足可以解释进化。另一些生物学家以为在孟德尔的变异中肯定可以产生新的品种，所以新的物种是在孟德尔的变异中形成的。更有一些学者，其中还有一些现代思想界的领袖半信半疑，甚至抱怀疑的态度。例如贝特森在1922年说：
就其大体的轮廓而言，进化是很明显的。就事实而言，是必然的结论。但进化论中同物种的起源和本性有关的那一具体的根本的部分，仍然十分神秘。
系统论者仍然承认有界限分明的物种，无论达尔文的变异还是在遗传学的实验中所应用的孟德尔的突变，好象都不能说明物种的根本差异。也许早期的生物机体的可塑性较大，现在已经固定下来，因此仅仅有发生表面上的变化的可能。我们有证据表明就是在眼前，物种偶尔也有可能进入突变的阶段；人们认为，德·弗里斯所研究的月见草就发生了这种情况。
第七章所叙述的后天获得性能否遗传的问题，仍在争论之中，人们还没有普遍承认为了证明这种遗传而引证的事例是确凿无疑的。在动物身上发现的那种体细胞分裂而为生殖细胞的过程，在植物体内不能发生在那样早的阶段，所以后天性质的遗传，在植物内比较可能。关于最新的证据，我们可以提到鲍尔（F．O Bower）所搜集的一些证据。这些证据似乎说明长久连续存在的不同的环境可以在羊齿植物身上造成能够遗传的特性。
这里又产生了另外一个困难。变异的发生好象是由于失去一些因子而不是由于增加一些因子。贝特森说：
就是在果蝇身上，在数百个遗传因子中，很少发现新的显性特征，即新增加的正的因子，而且我相信这些特征没有一个属于在自然情况下可以存在下去的一类。……但我们并不是怀疑进化的实在性或真实性，而是怀疑物种的起源，这是一个技术的，甚至可以说是驯化的问题。这个秘密随时都可以解快。近二十五年的发现，使我们第一次有可能合理地在事实的基础上来讨论这个问题。综合将随分析而来，这是我们不怀疑、也不能怀疑的事。
同时古生物学家，特别是美国的古生物学家，搜集了许多成套的有机体的化石遗迹，数目远远超过以前，而且包括许多地质时期，证明生命以各种生命形态连绵不断；有几种生命的形态，似乎表明进化是遵循着一定路线进行的。这个问题的复杂与困难远远超过五十年前想象的程度。进化的大体趋势已经明瞭，但是要对进化的详细情况加以新的描述，还有待于更多的知识。
遗传与社会
遗传与变异的知识在人类身上的应用由于孟德尔的研究而大大扩大。许多缺乏病与疾病，如色盲，内特尔希普（Nettleship）所研究的先天白内障以及血友病，都是按孟德尔定律遗传的。有一种常态特性（眼中的棕色素），经赫斯特（C．C．Hurst）研究，肯定证明遵循孟德尔定律，但也有不少迹象说明，人身的许多其他可遗传的特征，也蒙许多植物与动物的可遗传的特征一样是孟德尔单元。事实上，男孩与女孩的出生数目几乎完全相等极其有力地说明性别也是这种单元特性。如果所有的雌性细胞都具雌性，而雄性细胞中半具雌性半具雄性，这一现象便可解释。
我们知道在动物与植物身上，常有成对的单元特性相连出现，不可分离；或彼此相斥，不能同时出现。在人类身上，实验既不可能，而观察所及，也仅限于数代。但研究的能力若能扩大，我们无疑地会发现人类也是许多单元特性的结合体；这些单元特性由双亲而来，互相有关，而且与内分泌腺体倾注于血浆内的各种分泌物的化学性质有关。这些孟德尔特性，究竟是构成人的基本结构呢，还是仅只是建筑在更深入的非孟德尔下层结构上面的表面型式，那就是一个有待将来研究的问题了。
1909年，有人企图使高尔顿的意见与1869年高尔顿发表他的著作以后积累的知识相适应。高尔顿本来十分重视遗传，孟德尔派的研究者，如赫斯特、内特尔希普等人的研究以及毕尔生与其门人的数学工作也都说明遗传十分重要，毕尔生和他的门生还把高尔顿的生物测量方法大加扩充。当时所有的证据似乎说明这样一个假定是值得研究的：现代国家里的混杂居民必然包含有一些具有各种不同先天特性的混合世系，它们受到了法律、社会、经济因素与变革所控制的自然选择的不断作用。因而居民里的各种世系的相对数目常在变化之中。虽然环境、训练与教育能使先天性格发展，并给予表现的机会，但却不能创造这种性格。有才能的人或天才是生就的，而不是造就的，一个民族所蓄的能力实在为自然所限制。
既然适者生存，如果适者的子孙不占很大的数目，则适者对于种族并无多大好处。因此人们就想到应该研究一下一个社会中各阶级的家庭的大小。根据有人对档案进行的统计研究，英国两代以上的世袭贵族，每一对可以生育的夫妇，自1830至1841年，平均生产7．1个子女，但自1881至1890年，这个数字已经降为3．13。其他能在《名人录》占，位置的有声望的人在1870年以前，每一对可生育的夫妇平均有5．2子女，但1870年以后，这个数字仪为3．08。在教士的家庭里与此相当的数字为4．99与4．2。就大尉以上的军人而言，这个数字为4．98与2．07。至于其他职业的人，详情虽有差别，但都有同样的趋势，有地产的阶级，自由职业者阶级，以及高等商人阶级的子女的生产数减少一半以上。根据技术工人所组织的友谊会的统计，他们所生育的子女数目的减少也大略相等。事实上每对可生育的配偶，平均须有子女四人始能维持人口的数目，可见就是在1909年，社会中最有效的部分，已经相对地与绝对地减少了。另一方面，信奉天主教的家庭、矿工、无技术的工人（更可惊的）低能的人们，仍维持其子女的出生数，而没有减少。
这种差别的后果的严重性，只要计算一下就可以看出。如果勤俭的家庭，每对可生育的配偶仅有子女3人，而1，000人中的死亡率为15，则在100年后原有的1，000人将变为687个后裔。另一方面，在奢惰的1，000人中，如果他们的出生率为33，而死亡率为20，则100年后将有3，600个后裔。假使在1870年出生率开始有显著差异时，双方人数相同，则到1970年，勤俭者仅存其原数的1／6，到了2070年，仅存1／30。这样，勤俭者就淹没在大量繁殖的奢惰者的大海中了。
在人们进行了这一研究以后的二十年间，出现两个较有希望的征象：“制裁低能的立法”，对于精神不健全者的出生，已稍加以控制（虽然还不够）。其次，伍兹（F．A．Woods）指出英美的上等社会中对社会作出贡献的人士，比较“隋富”有更多的子女，其平均数字的比率为2．44与1．95。这一结果也许说明了节制生育的好效果。凡是想要躲避生育几个孩子的责任、花费与烦恼的人，是自绝于其种族之外。1909年，英国政府宣告，生育许多子女是健康、贤良公民的责任，希望人人能够履行。
可是目前，展望仍然令人不安。在现今世界上，不断的进步，事实上还有一般生活标准的维持全靠了知识分子的工作。从事这种工作的一向只有少数人。他们大部分都出身于子孙日益减少的阶级，虽然他们的子女现在还没有减少到最低的水平。奖学金与其他、从各阶级选拔贤能的方法也许能暂时弥补这一缺陷，但一国的才智有限，而且愈到下层社会愈稀少。这些人既变为知识分子，其生育率又再降低，最后遗留的只是无知识的无产阶级而已。这样，国家的优秀分子将逐渐被淘汰，文明前途亦日益危险。由国家控制大部分生产工具的社会主义的政府，在一个独裁或官僚统治的帝国里，也许能行之有效，即令不能给人民带来幸福，但在民主主义的国家则将失败。社会主义与民主主义在流行的政治术语方面虽然比较接近，但在实践上却难相容。近来某些国家里所实行的独裁制共产主义，证明这一种看法是正确的。
出生率的不同，不是现时起作用的唯一选择因素，我们还可以找出许多别的因素。疾病大概仍然可以消灭易感染者，而保留免疫者。有些法律，虽然是为了他种目的而制订的，却也常常产生选择的效果：如遗产税就使有产的旧家族迅速地被淘汰，而这些家族却是国家赖以维持地方公益事业以及教会、海陆军中的公益事业的。英奇（Inge）认为近来的立法有毁灭中等知识阶级的趋势。由于纺织工厂有雇用女工的习惯，纺织工人的出生率总是很低，而矿工都是男子，其出生率仍高。至少在1925年不景气以前是这样的。我们必须放弃十九世纪的观念，以为国家是许许多多有同等潜在能力的个人，只等待受教育，只等待机会。我们应该把国家看做是具有各种天赋遗传特性的家系的交织网，这些家系在性格和价值上有很深刻的差别，它们的出现或消失决定于自然的选择或人为的选择。任何行动，不论是社会的、经济的或立法的，都要有利于其中某些家系而不利于其他家系，因而改变国家的平均生物特性。
这些一般的观念得到有名生物学家贝特森在1812与1919年所发表的论文的有力的证实。如果旧的出生率与新的死亡率同时并存，则数百年后地球上将充塞人口而无立足之地。因此，限制出生数是必要的，但是更重要的是限制一国内的低劣的家系，而不是限制优秀的家系。不但如此，竞争不但存在于个人之间，也存在于社会之间。既有劣等的家族，也有劣等的种族。贝特森说：
哲学家宣布人人生而平等。生物学家都知道这句话是不正确的。无论测量人的体力或智力，我们都发现有极端的差别。而且我们知道文明进步纯出于少数杰出者的工作，其余的人只不过是摹仿与劳动而已。这里所说的文明，不一定指社会的理想，而是指人类在控制自然方面的进步。国家之间也如个人之间，有同样的差别。……各国间名人分配的不均，是生物学上的一个事实。法、英、意、德与其他几个小国，自文艺复兴以来产生了许多学术界的闻人。在特殊的艺术与科学，如绘画、音乐、文学、天文、物理、化学、生物学或工程方面，他们各有千秋；但从大处看，这些国家并无优劣之分。
贝特森指出另外一些国家产生的大人物比较少；他把这一事实归因于它们的生物学特征。可是这个困难问题不能看做业已解决。有些国家所以貌似劣等可能是由于它们还没有工业化；它们之所以贫穷可能是因为没有得到历史发展的机会，目前又没有机会使有才能的人出现。环境不能创造才能，而却可以很容易地摧残才能。总之，迄今为止，生物学的因素，社会学家研究得过少，而政治家简直不予过问。
遗传学研究的结果说明，人类社会，如果愿意的话，是可以控制自己的成分的。这件事做起来并不象从前所想象的那样困难。我们可以采取措施来除去那些属于人口中不良成分的家系。
将来的希望在于种族中优秀分子的责任感。如果他们能多生子女（伍兹的研究结果告诉我们的，这正是眼前的趋势），则世界各国可以挽回近七十年来的不良选择的趋势，而逐渐提高他们的健康、美丽与才能的平均水平。
生物物理学与生物化学
二十世纪初的生理学的最显著的特色，是运用物理与化学的方法来研究生理的问题。事实上，差不多可以说生理学已经分成为生物物理学与生物化学两个分支。
胶体的物理学与化学对于生物学异常重要，因为组成生活细胞的内容的原形质是胶体，其核心较其他部分略为坚实。胶体对于农业科学也变得重要起来，因为过去以为土壤是岩石风化出来的固体粒子和腐败的动植物质料混合而成的，今天则认为土壤是有机体与无机胶体的复杂结构，其中的微生物也起了重要的作用。我们脚下的土地是活的，而不是死的；土壤与其中众多生物的功能在于分解其中所含的或从外界得来的原料，使之变为土壤上面的植物的食料。
格雷厄姆在1850年已经认识到晶体与胶体的区别，后来又认识到二者性质上的差异，至少有一个原因是胶体的分子比晶体的分子更大。晶体如糖或盐的溶液是均匀体，但胶体的溶液是双相系，在二相间有一个确定的分界面，而且有足够大的面积，显示出表面张力的现象。
有些胶体分子颇大，在显微镜里也可以看见。这些分子的奇异而不规则的振动，在1828年经布朗（Robert Brown）观测过，1908年贝兰（Perrin）证明这种布朗运动是邻近分子的碰撞造成的。如果是这样，胶体粒子应该和这些分子具有相同的功能。根据这些粒子的分布与运动，用三种方法求得的数字，同根据贝兰的假设所得的推论完全相合。
1903年西登托夫（Siedentopf）与席格蒙迪（Zsigmondy）发明“超显微镜”以后，就促进了对小的胶体粒子的性质的研究。可见光的波长在400与700毫微米（一毫微米即百万分之一毫米）之间，比这一波长更小的粒子无法清晰地看见。但是如果将一束强光射在这些粒子上，使发生散射现象，在观测者通过镜轴与光线正交的显微镜来看这些粒子时，粒子的大小和波长大致相等，粒子就在布朗运动中形成一些明亮的光轮；如果粒子大小比波长小得多，粒子就呈现一片朦胧不清的现象。先进的电子显微镜将在后面再加叙述。
胶体理论，由于研究了胶体的电荷性质而大有进步。胶体粒子在电力场里东奔西驰，说明这些粒子带有正的电荷或负的电荷，大概是由于对离子的选择吸附的缘故。哈迪（W．BHardy）爵士发现当周围的液体慢慢变化，由略带酸性而至略带硷性时，某些肢体的电荷发生逆转。在电荷为中性的“等电点”上，体系便不稳定，胶体即由溶液中沉淀而出。
由是可见粒子所带的电荷在胶体粒子的溶解中起了某种重要作用。试举一个大家所知道的例子：当牛乳变酸时，其中的乳酪即凝结。法拉第早已发现盐可以使胶体黄金的溶液凝结，格雷厄姆也研究过这个现象。1882年舒尔茨（Schultze）注意到凝结力随盐的离子的化学价而不同。1895年林德（Linder）与皮克顿（Picton）发现一、二、三价离子的平均凝结力之比，约为1：35：1023。1900年哈迪证明活跃的离子所具的电性与肢体粒子所具的电性相反。1899年，本书作者根据概率的理论研究了这个问题，当时是根据这样的假定：要中和胶体粒子所带的异性电荷，使其凝结，需要把最低限度数目的单位电荷同时带到一定空间之内。离子所带的电荷与其化学价成正比，所以必须使两个三份的、或三个两价的、或六个单价的离子结合起来，而后才能具相同的电荷。根据数学计算，凝结力之比应为1：x：x2，这里x是一未知数，视系统的性质而不同。设x＝32，则得1：32：1024，与上面说的观测的数值接近。这只是一个近似的理论，因为它把反号离子的稳定作用及其他扰乱因素都略而未论。但所用的方法似乎可以扩大应用于相似的现象，事实上还可以扩大应用于化学化合本身，类似的概率的考虑，现在也应用于化学的热力学，成为量子物理学的基础。
粘土内胶体的集合状况，决定重土壤的物理性质；当土壤的柔软成份凝聚时，这种土壤才能变得多孔而肥沃。而且由于原形厨具有胶体的结构，胶体的带电性与其他性质，对于生物学也有很大的关系。例如，化学价关系在生理学上的重要性，可以从迈因斯（Mines）在1912年所发现的一个例子中看出来：角鲛的心脏对于各种三价离子的作用的敏感度比对于二价离子（如镁）的作用的敏感度约强万倍。胶体凝结时通常会把包含这种胶体的组织毁坏，幸又可以设法保护这些胶体不受电解质的作用。
法拉第已经知道加入一点“胶冻”就可以防止盐类对于胶体黄金的沉淀效应。目那时以后，迈因斯（1912）与其他生理学家研究过许多这类自身形成乳胶的保护性的肢体。这种乳胶质似乎形成一种薄膜，覆蔽着胶状质点，不让它们与活动离子接触。
水的纯度经过反复蒸馏而增加，其导电度降落到一个极限值与每公升内大约10[-7]克分子的氢（H+）与羟（OH-）离子的浓度相当。如果在水里加酸，氢离子浓度自然增加，测量一种介质的酸度，常用这个量，不但在物理化学中常用，在土壤科学与生理学中尤其常用。例如在物理化学上，蔗糖的反转率（由葡萄糖变为果糖的变率）就与氢离子的浓度有关。在农业上，土壤的酸性程度乃是土壤是否需要用石灰处理的尺度。在生理学上，人血内适合于生命的氢离子浓度的最大范围似乎在10[－7.8]与10－[7.9]之间，常态界限为10[-7.5]与10[－7.3]。由常态反应改变到包含最大可能度的酸，只不过等于在五千万份水中加入一份盐酸而已。
动物体内包含有复杂的机制，以保持生命所必需的确切的调整。例如，霍尔丹（Haldane）与普利斯特列证明（1905年），呼吸神经中枢对于血内二氧化碳的稀微增加，感觉异常锐敏，这时呼吸作用骤然迅速，而排出多余的二氧化碳。后来更证明起控制作用的因素是受溶解的碳酸影响的血内氢离子浓度。此外还有直接的化学控制。血液与细胞组织内各种物质，如重碳酸盐、磷酸盐、氨基酸及蛋白质等与各种酸反应，而成中性的盐。这样，这些物质就保护细胞组织，免受酸的作用，而维持近似的中性，所以这些物质叫做“缓冲剂”。
营养问题的研究，在二十世纪头二十五年大有进步，特别是发现有一种饮食虽然足以供给所需要的全部能量却不能使发育保持下去。1902年，霍普金斯（Frederick Gowland Hopkins）爵士进行了他的标准的实验。他证明，如果饲以化学上纯净的食物，幼鼠停止发育，但如果加入少许新鲜牛奶，则发育又复开始。所以新鲜牛奶包含有霍普金斯所谓的“附属的食物因素”。这种因素是发育与健康所必需的。后来的研究者把这些物体分为几类，通常称为维生素。维生素A与D主要包含在动物脂肪，如乳酪与鱼肝油及绿色植物之内，但两者的分布略有不同。维生素A能防止感染，并能防止一种眼病，后来知道它与维生素D是两种东西。维生素D是正在成长的动物骨骼的钙化所必需的。以后又发现一种惊人的结果，证明：将紫外线照射于儿童身体或其食物之上，在避免佝偻病方面，效果与维生素D相同。1927年，有几个独立的研究者从食物中提取出可以造成这种效果的化合物，并研究了它怎样在紫外线的影响下变成维生素。这是一种复杂的醇类，叫做麦角醇，很快就从酵母中制造出来，能发光，从而提供一种“盛在瓶内的日光”。维生素B存在于各种谷类的外皮与酵母之内，可以防治神经炎和一种脚气病。东方吃精米的人多患这种病。维生素C存在于新鲜绿邑植物的组织和几种水果（特别是柠檬）内，可以防治坏血症。在美国近来还发现有第五种维生素，与维持生殖有关。差不多所有的维生素，只要有极少量，就可以产生特殊效果。这些维生素中有几种已经再分为两种或多种，因而增加了已知的维生素的总数。
内分泌器官对于动物机体的重要性，已经证明远远超出前人想象之上。除分泌肉眼可见的分泌物的腺体，如唾液腺之外，还有多种腺体倾注其分泌物于血液之内，向人体各部供应它们的健康与生长所必需的物质。
这些内分泌腺的机制与功能，一向视为神秘。1902年，贝利斯（Bayliss）与斯塔林（Starling）发现前人以为是神经反射作用造成的胰脏分泌是肠内酸质作用所产生、又由血液输送到胰脏的一种化合物诱导出来的。这种物质被他们命名为内分泌刺激物，平常是当胃内的酸性物进入肠内，需要胰液的作用时，才在消化过程中产生出来的。这一内分泌刺激物的发现，引起人们对于其他类似的内分泌物的注意。每一种内分泌物都在一个器官内产生，由血液输送至其它部分以显其功效。哈迪提议给予这些物质以“激素”的总名称。这个名称后来为贝利斯与斯塔林所采用，现在已经成为生理学上常用的名词了。
1922年初，班廷（Banting）与贝斯特（Best）从羊的胰脏中提取出一种物质，注射到割掉胰脏而患糖尿病的狗身上，可使其血液中糖的浓度减少，而恢复对于糖的消化能力。这种提取物是一种激素，名叫胰岛素。现时大量制造，用来减轻糖尿病，很有成效。
甲状腺激素对于身体与精神的健康都是必需的。幼年人缺少这种激素，发育便迟缓下来，而且可以形成一种叫做克汀病的白痴。患者的面貌呈特殊的形象。成年人缺少甲状腺激素，则发生所谓粘液性水肿。这种病可用甲状腺提取物医治，第七章内已经讲过了。另一方面，如果激素过多，则发生所谓格雷夫斯病，即突眼性甲状腺肿。甲状腺内的有效成分，叫做甲状腺素，1919年经肯德尔（Kendall）分析出来，其化学构造则在1926年经哈林顿（Ha－rington）测定。他还在实验室中把甲状腺素合成出来。甲状腺素含有大量的碘，食物中缺乏碘质可使人患病，只需服用碘盐，其效果有时与甲状腺提取物相同。饲养牛羊和其他牲畜的实验已经证明，动物的机体也需要碘和食物中的其他矿物质。
几百年来，人们已经知道割去性腺的某些效果，但直到近年才有人对这个问题进行精密的研究。这种工作可以说开始于1910年斯坦纳赫（Steinach）的实验。他证明阉割后的蛙所缺乏的特征，可以用注射别的青蛙睾丸物质的办法加以恢复。其后更有实验证明把生殖腺移植到阉割或衰老的动物身上，至少可暂时恢复青春的力量。
我们还可以举出一些别的例子来说明内分泌的作用。大脑垂体虽小，在过分活跃时，却可以使身体异常高大，容貌反常，称为肢端肥大病；另一方面，如果缺乏这种内分泌物，则身材矮小，而患侏儒症。还有一种激素名肾上腺素，藏于肾上腺中，当惊悸及失却知觉之时，便会分泌，注入血液，刺激所谓内脏神经。反之，如果注射肾上腺素，就会引起通常在激动或恐惧时发生的那些生理现象。这种激素已经分离出来，其化学构造也于1901年经日本人高峰（Takamine）测定。
过去生理学多研究生物化学方面的问题而少研究生物物理学方面的问题，今天物理学方法的使用则日益广泛。例如有人用测量渗透压和沉淀率的方法，来估算蛋白质的分子量（参看256与431页）。
布拉格爵士父子（Sir William and Sir Lawrence Bragg）研究晶体结构的方法（这个问题将在后一章内叙述），已经应用于纤维素、丝蛋白、发角质与肌凝蛋白等丝状体。阿斯特伯里（Astbury）等人发现，根据X射线的照相图，可以用分子来解释这些东西的丝状性质以及在延伸时肌蛋白与角质的可逆变化。兰格缪尔（Lang－muir）用有机物的结构式去说明它们的物理性质。这一方法又由亚当（N．K．Adam）加以发展。他发现原子在空间的排列足以说明表皮膜的各种分子的情况。
唐南（F．G．Donnan）在1911年发表了关于平衡膜的理论。他用薄膜将一个电解溶液系统分开，而这薄膜是离子中的一种——通常是一种胶体——渗透不过去的。根据这一理论，薄膜两边常有可扩散的离子作不均匀的分布，因而在两边的溶液之间，产生电位与渗透压的差异。这一理论在生物学上有许多应用。1924年，洛布（Loeb）用这一理论成功地说明了蛋白质的胶体性行，此后范·斯莱克（Van Slyke）与其合作者解释了血流里的离子事实。
血液的化学过程与物理过程近来更加明白。血红蛋白分子中的非蛋白部分（或血红素）经证明具有四个吡咯环，为一个铁原子联接，是许多生物的呼吸物质中所共有的。在许多脊椎动物和某些其他动物的血液里，它与血球蛋白相合，成为运载氧气的血红蛋白质。差不多在所有的活细胞里，它都出现在所谓细胞色素的呼吸酶系里。维尔斯塔特（Willstatter）证明，在植物里，叶绿素分子的核基本上与血红素相似，只是以镁原子代替了铁。他发现了两种成份稍微不同的叶绿素，1934年他写出其结构式。其他金属也可进入呼吸物质中；例如多肽类的铜化合物存在于软体动物与甲壳动物之内，而钒蛋白化合物存在于被囊类海生动物体内。
在研究血液里氧运输问题的同时，人们还研究了组织里氧化问题。这些变化的复杂程度各不相同，但每一变化部包合酶对于底物分子的作用，使氢分子可以脱离出来。维兰德（Wieland）查明这个过程受到许多存在于一切活组织中的特殊酶，即脱氢酶的影响。最简单的情形是一个分子受到一个脱氢酶的作用，放出氢，与氧直接化合。在这一过程里，通常有一个或多个氢载体参加进来。这些物质可以还原，又可以氧化，因而它们可以接收并传递氢原子。这些物质里有瓦尔堡（Otto Warburg）的组织氧化酶，与“黄酶”（这是维生素B2与蛋白质的化合物），还有辅脱氢酶，森特-乔尔吉（Szent－Gyorgyi）的琥珀酸（丁二酸），霍普金斯的谷胱甘肽与抗坏血酸（维生素C）等。
呼吸酶研究方面的主要进展，通常是在发现某种特殊毒物对于某种酶的作用的时候取得的。例如氰化物使氧化酶不起作用，麻醉剂使脱氢酶失效，而玻珀酸的氧化遇胡萝卜酸（丙二酸）则受到阻遏。
除了食物分子由于不断地脱氧而氧化之外，组织里还发生水解作用，这就要求分解时增加水分并要求氨基分裂。克雷布斯（Krehs）近来对这些化合物经过怎样的过程成为尿素被排除出去的问题，进行了研究。一向认为尿素是氨和二氧化碳简单凝结而成的。他发现这里实际存在着一个复杂的化学反应循环。至于经过这些过程剩下来的小碎块怎样氧化而产生其余可用的能量，还不明白。细胞里二氧化碳的产生好象是由于羧化酶把它们从-C－COOH群里释放出来的缘故；它们的活动需要有辅羧化酶（维生素B1的磷酸盐）在场。二氧化碳在血液里是作为重碳酸盐输送的。梅尔德伦（Meldrum）与拉夫顿（Rouzhton）从血红蛋白里分出碳酸酐酶，这种酶使肺内含重碳酸盐的血迅速地放出二氧化碳。
细胞可以不经过氧化，而靠了发酵——即分子的无氧分解——获得能量。巴斯德发现在酵母细胞里这两个过程是互相对抗的：发酵在无氧时发生，氧化出现时就停止。肌肉内糖原分解为乳酸的过程也是这一类型的反应。肌肉的收缩就是由这一过程造成的。这一情况是1907年霍普金斯与弗莱彻（Fletcher）两位爵士发现的。近年来这个过程被分析为八个化学阶段，需要有两种物质在场作为磷酸盐的载体，而且至少为十种酶所催化。迈耶霍夫（Meyerhof）、埃姆登（Embden）与帕纳斯（Parnas）是这一领域中的主要研究者。人们还研究了淀粉通过酵母的作用变为酒精的同样复杂的发酵过程，发现其中某些阶段与肌肉反应是一致的。
在呼吸载体与细胞酶当中；我们已经提到过维生素。这些物质当中某些物质的化学结构以及它们在细胞代谢的复杂过程中所起的作用，在1939年的战争以前，由于许多国家的许多研究者的辛勤工作，已经逐渐明白了。不过在发现这些维生素以后，有一个时期，只查明一种维生素的化学结构，那就是抗佝偻病的维生素D；至于这种维生素怎样发挥调节钙和磷的代谢的功能，仍然弄不清楚。冯·欧勒在1929年发现维生素A与植物里的葫萝卜色素有密切的关系。这是一种复杂的不饱和醇类，是维持某些组织，如中枢神经系、视网膜与皮肤的健康所必需的。夜盲是维生素A缺乏病的早期症状。瓦耳德（Wald）已经阐明了这种维生素通过怎样的化学反应造成视网膜的感光色蛋白。同哺乳动物的繁殖有关的维生素E的化学结构以及可以使血液凝结，防止出血的维生素K的化学结构也查明了；它们都是醌的衍生物。
“维生素B”已经证明是许多物质的混合体。维生素B1，也称抗神经炎素，存在于酵母和植物种子之内，许多研究者都分离出它的结晶，而认为它是嘧啶-噻唑类的化合物。上面讲过，它是脱羧酶的一部分，可以分解部分氧化了的碳水化合物。正是由于这些化合物在缺乏这种维生素的情况下累积起来，才产生多发性神经炎和脚气病的特有症状。有些病人需要纯化的B1，才能治愈。维生素B2在化学上叫做核黄素，对于细胞的氧化很有关系。复式维生素B的另外一个成分是烟草酸，很多年来即知其存在于烟草之内，是辅脱氢酶的一个组成部分，可以防治吃玉蜀黍的人常患的一种名叫陪拉格拉病（pellagra，亦名糙皮病）的缺乏症。一种吡啶化合物，维生素B6可以防治老鼠常患的类似陪拉格拉病的皮炎。还有B3、B4和B5尚在研究之中，一件有趣的物种差别是：雀鸟需要B3而哺乳动物却需要B4。
B1对于动物与植物同属必需之物，尤其储藏于植物种子之内。植物能自己制造B1，有些细菌、酵母与真菌，和动物一样，需从外面吸取B1。维生素C即抗坏血酸，好象在大多数动物体内都能合成。据现在所知，只有人、猴和豚鼠缺少了这种维生素才会患环血病。就化学结构论，C是最简单的一种维生素，极不稳定，具有高度还原能力的化合物，在结构上与精相关，结构式为C6H8O6（见253页），在细胞代谢里中大概充当氢递体。它在叶绿素和发芽种子里的胡萝卜素形成以前便形成了，因而维生素C可能是综合这些基本物质的机制的一个部分。在动物体内它大量存在于两种内分泌腺里，即垂体与肾上腺皮质里。
人们一向把维生素叫做是必需的微量食物。我们也可以把它们看做是机体不能自己制造的激素，因为激素与维生素相同，也是人体各部分健康与发育必需的微量物质。关于内分泌腺所制造的分泌物或激素的研究已经成为一种专门的学科，叫做内分泌学，是界于生理学与病理学之间的一种边沿学科。
我们对于性激素的了解近年来进步很快。在早期关于睾丸激素的研究（337页）之后，阿伦（Alien）与多伊西（Doisy）又发现了一些新方法，证明对割掉卵巢的老鼠注射卵巢提取物可以恢复其雌性周期。1927年，阿舍姆（Aschheim）与宗德克（Zondek）发现怀孕动物的尿是雌性激素的一种方便来源。人们已经把四种密切关联的雌激素分离出来，而且定出它们的化学的结构，还从卵巢提出第五种最活跃的雌二醇。在黄体内发现一种相关的物质，名叫孕酮，排卵后就在卵巢之内形成与妊娠的准备和维持有关。人们还定出四种化学性质类似的雄激素的结构。1930年，马里安（Marrian）指出，不论在雄性动物体内或雌性动物体内，雄雌两种激素都有，而且这种激素还存在于植物内；一种物质既可以充当雌性的激素，也可以充当雄性的激素，观条件而定。这些性激素都是甾醇，即菲的碳氢化合物的衍生物，与略带雌激素性质的维生素D有密切的关系，而且与肯纳韦（Kennaway）等人从煤焦油提出的致癌物质有关。但是甾醇结构并不是增进雌性性欲的活动所必需的，因为多兹（Dodds）和他的同事已经从一种简单得多的碳氢化合物合成了一些能够大大增进雌性性欲的物质。
性激素和脑垂体分泌的研究使我们了解到雌性周期的复杂的激素模式，因而开辟了有价值的治疗方法。有很大用处的妊娠试验就是靠在尿中寻找胎盘释放到血液里去的激素物质。
肾上腺皮质的激素近来被人制成很有效的药物，肯德尔发现这种药物是若干类似甾醇的物质混合而成的，皮质好象是这些物质的工厂与储蓄库。肾上腺皮质缺乏病叫做爱迪生病，如果在实验中将皮质割掉，几天后就会有死亡现象。
1924年，科利普（Collip）首先提出副甲状腺激素的有效成分，并发现它表面上具有蛋白质的性质。它调节钙与磷的代谢。如果缺少这种激素，血钙就会降低，而出现手足搐搦的现象，即神经系统的过度兴奋，肌肉痉挛的发作；在施行手术割除生病的甲状腺时，由于同时割掉了不认识的副甲状腺，常常发生这种痉挛现象。
激素研究方面最有兴趣的一件事也许就是人们认识到垂体具有控制与统一调节作用。垂体激素负责刺激性激素的分泌和黄体的形成，这样就决定了青春期的开始，女性的月经周期的维持和妊娠的过程。垂体主宰授乳的开始，我们可以在没有卵巢的雌性动物（甚至雄性动物）的乳腺上来证明它的作用。垂体分泌物还影响甲状腺与肾上腺皮质。垂体提取物（垂体素），往往能促进身体的代谢，增长脂肪的氧化，而降低碳水化合物的消耗。垂体激素的化学结构还不明白，但它们似乎具有蛋白的性质。
有些作者把激素类扩大到另一类所谓“神经分泌”的物质。它们以化学反应方式把刺激从神经末梢传到起反应的细胞。1867年便发现一种这样的物质，名叫乙酰胆碱。1906年更发现乙酰胆碱注入血循环内，能暂时扩张小动脉，所以有显著而短暂的降低血压作用。乙酰胆碱的这一和其他反应，与刺激迷走神经或副交感系统其他神经所引起的反应相仿。因此，洛伊（Loewi）与纳夫腊迪耳（Navratil）断定乙酰胆碱可能是神经冲动的化学传导物。由于一种特殊水解酶的作用，乙酰胆碱在组织里的时间异常短暂，长期不能从动物身上提取出来，到1929年，戴尔（Dale）与达德利（Dudley）才从脾内取得。正如乙酰胆碱似乎是从副交感神经系的末梢释放出来一样，刺激交感神经系统也能产生一种传导物质。对这方面的研究成果有很大贡献的坎农（Cannon）把这种物质命名为“交感素”。许多方面，它和肾上腺素（即肾上腺的髓质所分泌的激素）相象，例如升高血压与心率，但是人们以为这两种物质并不是一种物质，只不过彼此协作而已。
现代生理学和生物化学正在慢慢地闯入医学中。临床医学也不但提出问题，而且还为基础科学提供情报。我们可以以消化现象为例。现在我们对消化现象的了解，实在应归功于博蒙特（Willam Beaumont）对于一位胃上受了枪伤的人的消化过程所作的观察（1833），伯纳德（Bernard）关于消化道的研究以及巴甫洛夫后来关于消化腺的实验，这样就把生理学、病理学和治疗学结合在一起。由于放射学的出现，由于1897年坎农使用一种含钡的不透光食物，临床医学家现在已经能够观察消化道，这是从前所不能办到的事。
哈佛的迈诺特（Minot）的研究成果说明饮食具有治疗作用。他发现让病人食肝或注射肝提取物就可以洽愈从前认为不治的贫血症或阻止其继续发展。1928年，卡斯尔（Castle）发现用正常的胃制成的肉类产品也有类似的作用。1935年梅伦格拉奇（Melen－gracht）证明猪胃的幽门腺也包含有这种防治贫血的物质，这种物质在正常情况下是在胃里形成，从肠里吸收，而储蓄在肝内的。实践医学与理论生理学相互促进的另一个例子，是矿工痉挛病。在高温下从事沉重劳动的人出汗过多，由汗里失去过多的盐；如果他们只喝淡水，体液过度稀释，便发生痉挛而不能工作。矿工、火夫与冶炼工人自然爱吃重盐食物。近来根据生理学家的建议，发现让这些人饮用盐水，代替淡水，就可以避免这种痉挛病。
病毒
本书前几版发行以来，超显微镜的病毒研究大有进展。许多疾病如天花、麻疹、黄热病、流行性感冒和普通感冒经过长期研究，现在已经认识到都是由于病毒所致。牲畜的口蹄疫，大瘟热，植物的郁金香折断病，马铃薯卷叶病，烟草斑纹病等就是现在发现起因于病毒的感染的几个尽人皆知的例子。
用未涂釉的磁器或压实的浸溃的泥土过滤有细菌存在的液体，可以把细菌过滤出来，但病毒却能随液体通过这些滤器。1892年伊凡诺夫斯基（Ivanovski）用烟草斑纹病证明了这个事实，七年后贝兹林克（Beizerinck）又重新发现了这个事实。莱夫勒（Loeffler）与弗罗施（Frosch）证明口蹄疫也有同样的现象。不过，现在我们可以用火棉胶片制成特种滤器。这种胶片是用硝化纤维经过戊醇和丙酮处理后制成的，胶片上面有大小规律的微孔；微孔的大小可由水流穿过胶片上的一定面积的流速测定。
利用这种胶片我们就可以估计病毒粒子的大小，可是由于病毒形状不同，如有的是棒形，有的是球形，仍然有困难。别的几种方法是照相、紫外显微镜、高速离心机或让磁场对真空里的电子射线起作用的电子显微镜。用这些方法所得的结果大致相合。病毒的大小不等，大的接近小的细菌（300毫微米），小的如口蹄疫病毒仅10毫微米，而一毫微米是一毫米的百万分之一。
我们所面临的主要问题是病毒的本质。它是微小的生物抑或较大的化学分子？美国普林斯顿（Princeton）的斯坦利（Stanley用化学方法从烟草斑纹病病毒的悬浮液中得到一种高分子量的蛋白质，具有病毒的一切性质。这种蛋白质有晶体的亲合力，而有些病毒是有规则的晶体。同时它们又具有生物的某些性质；病毒所造成的病有传染性。病毒粒子可以在新寄主身上繁殖。戈特纳（Gortner）与莱德劳（Laidlaw）都主张病毒是寄生物的一种高度分化的形态。我们或许可以把病毒看做是一种利用寄主的原形质的无包被之核。
病毒的化学说和生物说都满有道理，因此，我们或许可以跟着肯尼思·斯密斯（KennethSmith）说：“现在还没有生物的确切定义或生命的确切衡量标准。在这里我们也只能引证一下亚里斯多德在二千多年前说过的一句话：‘从无生命王国到有生命王国，大自然是逐渐过渡的，其间的界限是不清晰的和暧昧的。’”现在让我们暂时放下这个未解决的问题，至少在还没有得到更多的证据以前，把病毒看做是介乎生命与无生命之间的模棱两可的实体吧。
病毒转移的方法有多种。在动物寄主身上病毒可以通过血液、神经或淋巴转移，视病毒的种类而定。至于由一个寄主身上转移到他一个寄主身上的方式，那常常是一个复杂的过程。要研究这个问题，可能就得进行大量实验，有时还会毫无结果。有些病毒在水中生活，有些在空气中生活。流行性感冒病毒浮悬在空气中的水滴里的时候，还可以保持其传染性达一小时之久。烟草斑纹病的病毒就是在空气内生活的一个例子。有时新寄主身上要有伤口，如动物身上的抓伤，植物根毛上的裂缝，病毒才能进去。有些病毒以昆虫为媒介，如靠吃玫瑰生活的蚜虫。大多数带病毒的昆虫都是在吸取花液时通过它们长长的吸嘴感染毒素的。番茄与观赏植物的病毒是靠牧草虫传播的，绵羊的狂跃病病毒和牲畜的红孢子病病毒，是由蜱传播的。斯密斯发现一种植物病，要有两种病毒才能引起这种疾病，其中一种由昆虫传播，另一种用别的方式传播。这里只举了几个例子说明其间的关系是怎样复杂而多样。
有许多动植物的疾病的传染方式还不清楚。口蹄疫向我们提出的问题尤其困难。某些传染病的一次流行与另一次流行之间似乎没有什么机械的联系。普通昆虫似乎不是媒介。病毒可以逆风传染，因此，病毒大概不是由风媒传染的。某些动物，如兔、鼠或猬有时可能是祸患的根源。也有人认为病毒是一种名叫欧椋的候鸟群，由大陆带到英国去的。有一事实是为佐证，那就是，这种候鸟不去的苏格兰，很少发生那些突如其来的流行病。
免疫
有关病毒的性质与其传播方式的实验，使人们能够更有效地防治和控制它们的危害，虽然某些早期的经验方法也是有成效的。本书第七章内已经讲过，天花病毒的移植和以后的牛痘的接种，是首先由杰斯提加以试验，后来又由詹纳加以更充分的研究的。人们常常发现病人得过一种传染病以后，就可以不再感染这种疾病。詹纳所用的牛痘或疫苗是一种微弱的天花病毒，可以引起一种和缓的局部病害，其所以能帮助身体抵抗病毒的感染，大概是由于形成了保护性的“抗体”（或“免疫体”），这种抗体和得过天花以后体内所产生的抗体一样。同样地，巴斯德利用感染狂犬病的家兔的脊髓制出了狂犬病的弱化病毒。如果将这些弱化病毒注射在刚得病的病人身上，在有毒的病毒还来不及分生的时候，病人身上就产生了防护性的抗体。
这种名叫“免疫”的复杂过程的性质还不很明白。1890年贝林（Behring），北里柴三郎（Kitasato）在打破伤风有免疫性的动物血清里发现了“抗毒素”，不久又通过观察了解到动物有制造抗毒素的能力，而且这是一个极普遍的现象。
化学家兼细菌学家欧立希（P．Ehrlich）对早期的免疫学有很多贡献。他在1891年证明植物蛋白，如蓖麻子和相思豆，注射在动物体内以后，都会促成特殊的抗毒素的产生。
十九世纪末，人们才认识到在细菌和许多蛋白性的物质注射体内后，身体的反应是产生一些新化合物，去中和注入体内的物质。这些出现在血液或组织里的新物质叫做“抗体”，而激发产生抗体的物质叫做“抗原”。
近来，兰德斯太纳（Landsteiner）又阐明了抗原的特殊性质的化学基础。他把重氮化的芳香胺与蛋白配合起来，制成了人造抗原，并且证明，这一特异性是重氮化胺造成的，而不是分子的蛋白部分造成的（1917）。1923年海德尔伯格（Heidelberger）与艾弗里（Avery）又前进一步。他们发现肺炎球菌的“可溶物”有抗原作用，按其化学结构来说是无氮的多糖。
抗原与抗体之间的反应还难于说明；至于免疫反应，有人说这是带相反电荷的胶体质点的组合，也有人说这是一种吸附现象。欧立希认为抗原与抗体按一定的比例而生化学变化。以后海德尔伯格与肯德尔的研究（1935）提供了有力的证据，说明抗原与抗体按倍数比例化合，因而海德尔伯格说这些化学反应很可能遵照经典的化学定律。
有些病毒疾病，如牲畜的口蹄疫，人的流行性感冒，可能是好几种不同品种的病毒造成的。对某一品种的病毒具有免疫性，也许并不能抵抗其他品种的病毒。在哥本哈根近来已经制出一种疫苗，人们希望它能够防治三种主要品种的口蹄疫病毒。
邓金（Dunkin）与莱德劳发现用甲醛使之弱化的犬瘟热的病毒仍然可以给人一些防疫能力，以后再注射活性病毒就可以证实这一点。另外还有一种双重注射法，即在动物体上，一迈注射活性病毒，另一边注射免疫血清。
海洋学
第七章内所讲的海洋学的研究有继续的发展，特别是鱼类的生态学。鱼类的环游在生物学上既值得研究，对水产的捕捞更有实际的意义。我们常常发现鱼类到一定的区域去产卵，通常是向上游游动，然后又分散到下游去觅食。例如北海的鳕鱼与板鱼的卵和鱼苗都在深海里，而鲑鱼则产卵在江河上游，幼鱼下游到海里去生活，等到成长以后再回到原来出生处去产卵，好象它们每个都具有很好的记忆力。
欧洲的鳗鱼，经施米特（Johannes Schmidt）证明，在淡水里度过其成年时代，然后迁居到几千英里外的马尾藻海的深水里去产卵。施米特还发现住在苏门答腊的另外四种鳗鱼，在西海岸的深海沟里产卵，因为在那里，海水具有适当的深度（五千米）与适当的盐度。
许多海鱼以硅藻和其他小生物为食物。我们在第七章讲过，这些小生物统称为浮游生物。我们研究一下浮游生物的聚集与飘荡，就可以了解食物的所在处，因而也是鱼类的所在处；自第七章写成以后，这方面的知识又积累了许多。哈尔的哈迪（ A．C．Hardyof Hull）教授等人对于北海上空昆虫的飞荡也进行了不少的研究。
遗传学
自从细胞学和染色体方面的早期发现以来，科学家做了很多工作，帮助推进了遗传学，并开始影响植物和动物育种家的实用技术。
负载遗传因子或“基因”的染色体，在细胞里成对出现，而且在细胞分裂时每个染色体分裂为二，以便在两个新细胞核里再造成同样的对数。但是当生殖细胞形成时，每对染色体的两个成员却分离开来，各到每个新细胞去，这种过程叫做减数分裂或成熟分裂。生殖细胞里染色体的数目是基本的，被称为“单倍体”数目。在受精时，两个单倍体数目由于两个细胞核的结合而合在一起，这样造成的新个体，就染色体的数目来说，称为“二倍体”。但是，染色体也有可能倍增，即出现多倍性，因而在新的营养细胞里就可能出现两套以上的单倍体。这样，当细胞包含的染色体数目三倍于、四倍于或多倍于单倍体染色体数目时，就可能出现三倍体、四倍体或多倍体。例如多倍性就出现于小麦、燕麦与栽培的水果中。樱花是二倍体，梅是六倍体，苹果可能是稍微复杂的二倍体或三倍体。多倍体的情况对不孕的问题大有影响；如果多倍体在其营养细胞里有奇数的染色体，当生殖细胞形成时不能做均等的对分，那么，染色体分配方面的不规律现象就一定要发生，一般就要导致不孕。例如，在桃属植物中具有奇数染色体的多倍体，常不孕，因而不能结果，仅因其有观赏价值而被栽培。果实的许多品种，如苹果的一个品种Cox’s Orange Pippin，各种桃与樱都不能自身受孕，需要附近有某种其他的品种才能结果。
在解决牵涉两个遗传因子和发育因子的性别决定问题方面，我们已经取得相当的进步。我们前面提到的对男女出生数差不多相等的解释，现在认为是正确的。在人身上和许多动物身上，雌性生殖细胞只具有雌性，而雄性生殖细胞，一半具雄性，一半具雌性。在另外一些动物身上，这种关系反转过来，雌性动物具有两类生殖细胞。决定性别的染色体，在有些情况下，已经在显微镜下认出来了。例如在研究遗传用得很多的果蝇身上，雄细胞里的性别染色体，可以看出有不相等的对数，其中一对是钩状的。
还有人，特别是克鲁（Crew）对性别决定方面的发育因子加以研究，他描述了家禽性别的颠倒。性激素在这里起了一定作用。我们不妨提一提同牡犊孪生而生殖器不完全的牝犊的例子——对这个未生犊的牧牛注射同胎的牡犊的性激素，就可以使它不孕。一种名叫后益（Bonellia）的海生物，其幼虫可以成长为雄性，也可以成为雌性，视它在发育时究竟是依附另一雌体还是依附海底而定。从化学上来说，和病毒一样，它们的染色体是核蛋白所构成的，而染色体内的基因，也象病毒一样，或者是自身生殖或者是劝诱细胞的其余部分生殖它们。
受到基因影响的代谢的确切的化学阶段，在某些例子里，已经明白。例如有人在鼠身上发现一种基因，是导致矮小的原因。矮小的老鼠缺少制造两种垂体激素的细胞，如果注射了这一种激素就能得到正常的发育。蒙克里夫（S．Moncrieff）小姐从生物化学的角度说明了造成花的颜色的35个基因的作用。造成白化病的基因可以使缺乏色素的动物的细胞里缺少色素酶。已经发现若干基因，有一些对机体有害，有一些阻止发育，还有一些造成早夭。例如有些植物就继承了抑制叶绿素形成的基因。
在这方面遗传学与生物化学相互为用。遗传学家帮助生物化学家把代谢的过程分为各种连续的阶段，生物化学家告诉遗传学家是什么基因在起作用。最后也许还能告诉他们这些基因究竟是什么。生物物理学家与生物化学家的职责在于尽量从物理学和化学的角度去描述生命现象，但是也还有许多别的领域，在那里，这些解释至少暂时仍然是不够的。例郊，谢林顿（Sherrington）就说：“在器官的功能起作用以前，身体的各种器官就开始在胚胎里发育。眼睛的复杂结构。在眼睛看东西以前已经形成。感觉与意识也是无法用物理学与化学解释的。”
人们研究生殖时发现受精有两个过程：即卵受刺激与卵和精核的结合。1875年，赫特维希（Oscar Hertwig）首先描述了这种过 程。他观察了海胆的精子进入卵中的情况，看到两个细胞核的并合。刺激有时可以造成单性生殖，生物学家对这一过程进行了不少研究。例如施佩曼（Spemann）就进行了人工双生。如果一个正在发育的卵一分为二，便形成“同样的双生”，如果两个卵同时受精，则形成“兄弟式双生”，即可能与同双亲的两个子女一样，不一定十分相似。
施佩曼为了进行这一研究，使用了显微镜下的外科手术来考察水蜥，因为要在哺乳动物身上进行这样的考察，技术上的困难很大。胚胎上某些特殊部分的几小块组织可以决定发育过程，施佩曼称之为“组织中心”。它们好象包含有可以提供必需刺激的活性化学物质。例如两栖类身上的一个“组织导体”，是一种象性激素，维生素D和某些致癌物质那样的甾醇。
苏黎世的福格特（Vogt）等人考察了胚胎的进一步发育。他将原肠胚染色而观察其着色细胞的变化。至于胚胎的食物供给情况，李约瑟（Needham）在《化学胚胎学》一书里，对已经获得的事实，作了简明扼要的叙述。
1900年左右，孟德尔的研究成果重新发现以后，跟着就发生了争论，一方面是贝特森所领导的孟德尔主义者，另一方面是毕尔生和韦尔登（Weldon）所领导的生物测量派。生物测量派持有严格的达尔文主义观点，以为进化是从连续的细小变异而来的。这两派敌对的意见，以后又综合起来，主要是靠了费希尔（R．A．Fisher）的工作。他用他在数理统计学上的研究成果提供了一种新的研究工具。要测验一组事实是否合于孟德尔的规律，我们现在使用毕尔生所发明的数学的判别标准。要找人身上的孟德尔式遗传的例子，我们便参考毕尔生所搜集的数据。诺顿（Norton）、霍尔丹、费希尔与赖特（Wright）运用数学方法在达尔文主义和孟德尔主义的基础上创立了一种多少带有诡辩性的进化学说，认为主要的遗传单元是基因而不是个体。由泽维里科夫（Tsetverikov）开创的关于自然群落的遗传的研究，证明各种族里可能存在着表面上同质的大数目的隐性基因。群落中品种愈多，自然选择的速度愈大，因为不适者被淘汰得更快；根据费希尔，适者的增长率与遗传性的差异度成正比例。
作为孟德尔式发育的基础的突变，在常态下也常出现，其中有一些可以用染色体的事实说明。但是弥勒发现，X射线对于果蝇的作用可以使突变的数目有所增加。
近来类人猿与类猿人的化石的发现给人类进化提供了证据。在爪哇与中国掘出的化石有很多相似之点，但是中国的北京猿人在发展上处于稍高的阶段。有关人科起源的其他古生物学证据还有新生代的中新世与鲜新世地层里的森林古猿化石。这些化石的某几种在特征上已接近现代的类人猿，由此可见，向人科发展的线索和向类人猿发展的线索必定是在鲜新世的早期分道扬镳的。
新近在南非洲发现的猿化石有力地说明森林古猿很有可能是人科的祖先，虽然中间还有一些空白有待古生物学家的发现加以填补。猿人化石的新材料足以说明猿人具有人科的身材，特别是它们的肢骨已经可以和现代人相比。猿人可能是后期各型人的发展的基础，其中一个旁支便是穆斯特期的尼安德塔型人。
在进而讨论一般化石时，我们注意到，虽然在寒武纪岩层（如在威尔士北部所发现的）里，已经有大多数主要类型的化石，但在寒武纪开始以前便寻不着化石的记录了。在寒武纪（也许在5亿年前）和最古的岩石（根据放射物证据大约在20亿年前）两个时期之间的某一个时候，地上已经出现了生物。生命起源的问题仍然没有解决。细菌与其他微生物的自然发生说已经为斯帕郎扎尼与巴斯德所否定（参看186，264页）。有人提出生命可能是由其他行星而来的。但是有生命的机体在宇宙空间的有强烈杀伤性的短波辐射里很难存活；人类为大气小的氧所蔽护，才得免于这些辐射的损害。因此生命必定起源于地球。比细菌更小而更简单的病毒——差不多和分子一样大的生物——的发现，重新提出一个老问题：“像病毒那样简单的物体需要什么样的环境？在原始的无机物里是不是也可以找着病毒？”电子显微镜或可对解答这问题有一点帮助，但是这问题现时还只好谈到这里为止。
神经系统
生理学最重要的分支之一是神经系统的研究。机体和国家一样，须单元间动作一致，才能有效率与进步，神经就是单元间的交通机构，因而是生理综合的主要因素。在这一领域中，谢林顿爵士在1906年以后的年份中进行了现代的开路先锋的工作。亚德里安（Adrian）博士为作者写了以了一节；
在最复杂的动物体内，神经细胞及由神经细胞延伸出来的纤细的原形质，形成一个中心团块，依靠周边的神经纤维与其他部分相互交通。这就是信息从感宫（接收器）传到中枢神经系统，再由那里传到肌肉和腺体的通道。神经纤维活动时，其表面常有电位差的微小改变。靠了研究这些改变（近年来还得到真空管放大装置的帮助），我们已经弄清纤维所传达的信息的种类。感觉信息与运动信息都是一串短促的“脉冲”，彼此差异很少，两者相距的远近，视刺激的强弱而定。但中枢神经系统里的变化情况究竟怎样，我们还是不得而知，有待解决的问题是发现进去的信息怎样在那里汇总而又怎样变成出去的信息使得动物以适当的动作去回答外界的刺激。
要彻底解决这个问题，就意味着从心理学的角度说明动物的全部行为，但谢林顿证明，只要研究一下简单反射与其相互作用就可以弄清神经系统的许多“整体性的作用”。例如，只有当一群肌肉的收缩伴有对抗的肌肉的松弛的时候，才有可能产生有秩序的运动，而这种情况的发生则是由于进入的信息产生了双重的作用，既使某些神经细胞兴奋起来，又“抑制了”其他神经细胞。他还证明，抑制与兴奋两种状态的时间关系可以说明为什么一个反射可以顺利而准确地继另一反射而起。在谢林顿创始这方面的研究以后，大家的注意都集中于反射，认为这是了解神经组织的钥匙，加上巴甫洛夫的工作，就造成了现代心理学机械论的趋势。
脑是中枢神经系统的最高部分，同视觉与听觉一块发展，这两个器官与远处物体相感应，谢林顿特称之为“超距接受器”。心理功能的位置在脑的一部分即大脑，而且特别是在大脑皮层。施刺激于大脑皮层的有限区域，四肢等部分便发生局部动作。弗里奇（Fritsch）与希齐格（Hitzig）在1870年首先对电刺激的效应进行了研究，后来又有些人绘出大脑皮层各区域图形并研究了各区域的反应。其中特别值得一提的有霍斯利（Horsley）、谢林顿、布朗（Graham Brown）与黑德（Head）等人。
小脑是脑的另一部分，经人证明与身体的平衡、姿势与运动以及三者所需要的复杂调节有关。小脑接受肌肉与内耳的刺激，而作出反应。
不随意神经系统控制身体的无意识的机能。首先对不随意神经系统进行透彻研究的是加斯克尔（Gaskell，1886－1889年）和兰利（Langley，1891年及以后），他们证明这一神经系统虽然有一定程度的补助的独立作用，本质上仍然是脑脊髓系统的支脉，并且受它的总的控制。
巴甫洛夫在1910年指出，在研究高级神经作用时，不必象通常那样，引入心理学的概念。较简单机能的确定的无条件反射，可以变为受其他因素约制的较复杂的反射，但观察刺激与反应的方法仍可使用。如果一种现象经常与食物联系在一起，单单这种现象本身就能导致食物所引起的反射动作，例如开饭的铃声可以使人垂涎。这个研究方法没有涉及居间的意识的终极本性问题。但却促成了一个心理学派的诞生：行为主义的心理学，象生理学一样；在自己的研究中，对意识是不加注意的。
心理学
在十九世纪，韦伯（Weber）等首先把实验方法应用于心理学。由于在心理学中采用实验方法，以后的研究者就创立了一种可以明确列入自然科学之列的心理学。视、味、嗅、触等感觉的灵敏度，可以用机械的方法测量。比较复杂的同类测验，可以估计记忆、注意、联想、推理与其他心理功能；还有一套测验可以用来研究疲乏，对于刺激的反应，手眼间动作的配合。例如芝加哥凯洛尔（Kellor）女士就进行了一些实验来研究情绪对呼吸所产生的影响。结果她发现黑种女人不象白种女人那样容易受到影响。在这种研究中，心理学都使用了自然科学的客观的与分析的方法。
纯粹生理学家研究肌肉收缩，内分泌，神经冲动的传递及神经冲动与中枢神经系统的联系的物理学与化学，心理学家从精神角度研究这些身体上的表现。例如黑德爵士对于失语症一类病症的研究就远不止具有医学上的意义。1914－1918年大战中，神经病学家由于研究局部创伤在心理上的影响，而得到许多心理学上的新事实。
海尔巴特、穆勒父子（Mills）与贝恩等联想学派，以为自我并不象以前的正统观点所设想的那样是心理表象的预先存在的源泉，而是相异的观念的联想关系所形成的。巴甫洛夫所倡导的“条件反射”的生理学更促进了这种想法，自然要导致所谓行为主义的心理学。行为主义的心理学是沃森在1914年和以后的年份中创立的。这个学派的基本观念，在1894与1914年就已经由英国心理学家摩尔根（Lloyd Morgan）提出。动物心理学的美国学派就是他创立的。
这些研究者摆脱了用意识去解释动物的行动的流行观点，而动物的行为和人的行为，象客观地观察物理与化学的事实那样。没有人能从外面探测到他人的意识、感觉、知觉或意志；在研究刺激与反应时必须把这些放在一边。人眼的角膜一被触及，就要眨眼，观察者对于刺激所引起的感觉，实一无所知。
新生的婴孩不学而能的反应为数甚少，仅仅有呼吸与啼哭等基本动作。只有高声或骤失支持能引起他的畏惧。但只要某种条件几次伴随这些事件发生，小孩不久就学会对这种条件产生畏惧，而不问其间是否有真实的联系。换言之，即条件反射已经建立。这种条件反射一经建立之后，就只有通过打破自动的联想的“非条件化”的缓慢过程才能废止。
据沃森说，思想是一种第二性的产物，它是通过语言的习惯缓慢地获得的，正象打网球与高尔夫球的技巧是通过肌肉活动得来的一样。小孩喃喃自语，是外来刺激引起的一种反射行动，心灵上的形象是以词为中心而建立起来的，以后小孩才逐渐知道不高声讲话要更好一些。但他以为，刺激总是要引起不完全或不发声的言语。如果我们真的要思想的话，实在是先说而后想。
这一理论的确有几分真理。凡是注意倾听茶余闲话或政治辩论的人都不能加以否认；从心理学的观点看，这一理论也有不少可以学习之处。可是它的哲学意义却不应给予过高的估价。如果说按照机械学的定义，人可以看做是一架机器的话，那么，在行为主义者眼里，人就仅仅是刺激与反应的关系，因为行为主义，从它的定义与定理来说，只是一门研究刺激与反应之间的关系的学问。就行为主义的成功方面而言，它证明它的假设导致与事实不相违背的结果，但这些假设的最后实在性的证据，不管它的价值如何，是形而上学的，而不是科学的。
现代心理学，在工业问题上有一个实际的用途。工业活动需要人来做，而人是有情绪、偏见与冲动的，大半很难服从理智或“开明的自我利益”。工业心理学家的职责就在于研究这些因素和更简单的因素，如疲乏之类，这样来调整工序活动，使工作不致引起过分的疲劳与厌倦。
每个人在活动中都有自己的自然的节奏与一定的周期活动速度；如果要想得到最好的结果，就必须顾及这种个人的特点。工厂里体力劳动的程序，都经过精密的研究，务使工人的动作简单化，或更有节奏，以避免疲劳，而增进其生产的效率，在美国尤其是这样。
同样，教育心理学也开始用观察和实验的方法对儿童心理进行研究。人们已经发明了测验儿童的心理活动与敏捷程度的方法，还有日益增多的迹象说明，可以想出一些办法来发现特殊才能以决定儿童的前途。
心理学在医学上也日益重要。过去一直有人想要发现与心理变化相应的脑内的物质变化，但很少成功，就是在疯狂病人的观念和情绪完全错乱的情况下，生理与病理的测验方法也发现不了丝毫异常的状况。随着每一心境或思想的变化，的确有物质变化，这是无可怀疑的事，但在还没有确切了解以前，我们只能从心理学的角度去解释心理与其错乱。现代精神病理学所涉及的范围较其名称为广，因为变态的研究有助于常态的了解。精神病理学的兴起主要应归功于弗洛伊德（Freud）的研究成果所引起的广泛的兴趣。他研究了无意识的行动与其原因。他所用的方法后来形成一种考察心理的方法叫做“心理分析”法。弗洛伊德的研究成果在现代心理学里加强了决定论的观念。他认为自细小的过失一直到最宝贵的信念，一切的一切都是由于强有力的本能的作用所致。这些本能随身体而成长；如果它们的发展受到阻挠或歪曲，它们就可能成为精神不健康的原因。
心理学的另一种应用，就是所谓灵魂的研究，我们还不能断定这种研究是否能产生有科学价值的结果。在“唯灵论”的现象中，有许多是出于自欺或有意的诈骗。但在合格的观察者眼里，即使把一切欺骗成分除去，仍有一些现象不能解释，值得加以科学的研究。要考察这些现象，研究者必须有特殊才能，对歇斯底里和邪术家的法术都要有一些经验。灵魂研究学会的刊物中载有许多精细的研究，但唯灵论的解释是否合理，有资格的人士尚无一致的意见。在获得更多用严格的方法检验过的知识以前，我们最好不下判断。
人是机器吗？
在最近三百年的生物学史上，活力论与机械论互为消长。笛卡尔的二元哲学认为，肉体与灵魂相反，纯粹是机械的，确实是唯物主义的。十八世纪中期和末期的法国百科全书派更进了一步。他们把自己的哲学建立在牛顿的动力学基础之上，以为人（肉体与灵魂）不过是一架机器。这种见解，不但受到正统派的神学家的批评，而且受到其他作家的科学上更有力的批评。十八世纪末，主要由于比夏的影响，活力论又复指头。以伯纳德为领袖的十九世纪的生理学，加上自然选择的进化论，引起一种向决定论方向发展的反动，在德国的哲学上的唯物主义学派与生物学家（如海克尔等）中，这种倾向尤为显著。
诺登许尔德（Nordenskiold）与李约瑟对这场争论的最近历史作了扼要的叙述。实验生理学家与心理学家根据力学物理学和化学定律也适用于有生命物质的含蓄假定，不断地扩大研究范围，以为在这种范围内机械论似乎足以充分解释生命现象。但有些生物学家，感觉未知的境界还很宽广，或者对有生命的机体的表面上的目的性深有所感，因此又以为只有把有生命的物体看做有机的整体，才能解释事实。
在这些研究者之中我们不妨试举几人：冯·于克斯屈尔（VonUexkull），1922年以为有生命的机体的特点，在于它们是时间中的单元，又是空间里的单元；霍尔丹（1913年）以为在外部和内部环境改变的当儿，动物常有守常不变的倾向；杜里舒（Driesch）以为胚胎的早期发展只能以一种非物质的导引力量去解释。他如汤姆生（J．A．Thomson）、罗素（E．S，Russell）与麦克布赖德（WMcBride）等都在生命的复杂现象中，举出了一个或几个无法给予机械解释的事例。
至于哲学家里格纳诺（E．Rignano）认为有生命的物质的本质就是有目的性——有一定目的，力求达到一个目标。这种目的性控制了身体与心灵的生长与功用，远不是机械与化学的盲目力量所能及的。例如他说：
有生命的物质从溶解在营养液里的极复杂的化学物质之中，丝毫不差地吸取可以重建其机体、保持其本来面貌的化合物或化学基。正因为是选择，这个过程才有显著的目的性。
新活力论者的许多论据，建立在现今生物物理学与生物化学知识的空白上面。依赖这种暂时的无知是危险的。这些论据已有一些为新近的研究所驳倒。其他论据，如上面所引的里格纳诺的话，在发表时就已经可以加以驳斥。我们只须指出：有生命的物质除了吸取重建其机体的化合物外，也能吸收毒害它的毒物。
洛采认为世界上的机械作用是有绝对普遍性的，也完全是附属性的。只有机械论的看法才为实验者提供了可用的工作假设。这只是“一种观点”，但在它的范围以内，它是至高无上的。物理科学从数与量度的角度去看自然，机械论的思想线索则由心灵的机杼织到它的基本结构中去。目的论的方面同科学是格格不入的，也必然是格格不入的，虽然它也可能是实在的精神方面的一部分或整个过程的意义的一部分。
韩德逊（L．Henderson）提供另外一种解答。他指出环境也象机体一样带有目的论的痕迹。生命，至少是我们所知的生命之所以能够存在，仅仅是由于碳、氢与氧的特殊化学性质以及水的物理性质的缘故。生命也只能出现于我们这个世界上的温度、湿度等情况相宜的窄狭的条件范围内。因此，有机目的论当包含于宇宙目的论之中。
尽管生物物理学家与生物化学家用物理学和化学的概念解释生命现象，十分成功，愈来愈成功，作为一种哲学看，机械论也还有错误。从笛卡尔以来，机械论者以为物理科学揭示了实在，其实它只是从一个角度来看实在的抽象概念。因此，人们才周期性地认识到机械论不是对于实在的完备解释，这就自然要导致活力论，而认为有一种暂时地或永久地与肉体联系着的精神或灵魂，可以控制或甚至停止物理定律，以达到某种预定的目的。
活力论者的谬误，似乎在于他们企图把目的的概念应用于生理学上的有限度的科学问题。这些问题，按其性质，只能用物理学的分析方法去解决，至于目的（如果有所谓目的的话）只能在整个机体之中起作用，而且或许只有在用形而上学的方法研究实在时才能把这种目的揭示出来，因为只有这种研究才与存在的全体有关。
我们还必须指出：从1925年开始的物理学的最近的变化，看来很可能削弱了机械决定论的论据。哲学给科学上的决定论找到的最有力的证据，一向是从物理学中得来的，因为人们以为在物理学中，存在着具有数学必然性的体系。但如后章所述，新的波动力学好象说明测不准原理乃是物质的基本单元即电子的基础，因此要同时精密测定电子的位置与速度，是绝不可能的事。于是有人说，哲学上的决定论的科学证据已经被打破了，另外一些人则认为测不准原理不过是我们的测量系统无力处理这类实体的表现而已。
体质人类学
正如对于化石记录的不断的研究增强了我们对于动植物进化的一般学说的确切性的信念一样，二十世纪早期的古生物学上的发现，也证实了赖尔、达尔文、赫胥黎诸人关于人在自然界的地位的一般结论的真实性。此外，关于猿人及各类人种的起源的许多新证据也出现了。我们渐渐明白猿与人可能早在第三纪的新生代中期就互相分化出来。同时他们的血液相似的新资料则提供了生理证据，说明他们目前有着密切的亲缘联系。
1901年，安德鲁斯（C．W．Andrews）在埃及法尤姆（Fayum）发现的化石也许可以代表现今哺乳动物的祖先，他还预言早期类型的类人猿也可以在那里发现。这个预言后来在1911年为施洛塞尔（Schlosser）证实。在喜马拉雅山麓，皮耳格林（Pilgrim）寻得猿化石，其结构的特点，说明它们是人科的祖先。1912年，道森（Daw－son）与伍德沃德（Woodward）在英国苏塞克斯郡（Sussex）的辟尔唐（Piltdown）地方发现类人的遗骸，埋藏在新生代第四纪岩石之中，且有粗笨的火石工具。（见书末编者注）
1856年，在德国尼安德塔（Neanderthal）山谷中第一次发现了尼安德塔人的骸骨。以后在其他地方又有同样的发现，因而大大增进了我们对尼安德塔人的了解。这些化石说明尼安德塔人头大而扁平，眉峰凸出，面孔粗糙，脑虽大但前部却不完全。尼安德塔人所代表的种类的年代当在包括现有一切种族的所谓智人以前，而且更为凶猛。
尼安德塔人以后，在欧洲有身材高大，头颅椭长的克罗马努（Cro－Magnon）人，实在是智人的一种。这种人的火石工具比较完善，其洞穴壁上的图画，颇有艺术意味。其他同时或继起的人种，和克罗马努人不同，分别命名为索鲁特里安（Solutrian）人，与马格德林尼安（Magdalenian）人等。这以后出现新石器时代的各族人民。他们在游荡中，把埃及和美索不达米亚的伟大文明传播到西欧。
二十世纪初，英法两国的人都普遍地相信相似的文化可以在世界各种族里独立发生，这信念反使人对于有启发性的相似之点熟视无睹。另一方面，有一个重要的德国的学派，为拉策尔（Ratzel）1886年所创立，其后又有施米特（Schmidt，1910年）与格雷布纳（Graebner，1911年）的研究加以支持。这个学派认为相似的艺术文化起源于各民族的混合。里弗斯（W．H．R．Rivers）对太平洋岛屿民族的各种关系、社会组织和语言，进行了足资楷模的研究，也得到相同的见解。里弗斯的早死是人类学上一大损失。他在1911年促请人们注意德国人的研究成果。这一理论后来也为研究他种艺术的人所采用。斯密斯（Elliot Smith）在研究以香料保存尸体的技术时，尤其是这样。事实上，到处都有建立独石碑柱和其他石结构的风俗，它们的方位与太阳和星星既有关系，而且又和埃及的模型相似，可见即使种族不一定同出一源，文化也是同出一源的。
社会人类学
二十世纪内，如果说体质人类学大体上遵循达尔文与赫胥黎所奠定的路线发展的话，那末社会人类学就开辟了新的途径。这有几个原因：第一，象里弗斯那样的人久居于原始民族中，对于原始民族的心理有了更亲切的认识；第二，哈里森（J．E．Harrison）与康福德（F．M Cornford）等人对希腊宗教进行了研究；第三，弗雷泽、里弗斯、马林诺夫斯基等人类学家搜集了遍及全世界的大量资料。里弗斯的工作所以重要，不仅是因为他搜集了不少关于原始生活的事实，而且因为他引起了一场方法上的革命。他发现以前探险家用来发问的概括性的话语，完全不是原始人所能了解的。例如问某人是否可以或为什么可以娶他的亡妻的妹妹，这是无用的话。你得先问；“你能娶那女人么？”然后再问：“你和她与她和你的关系怎样？”一般性的规则必须由个别的例子缓慢地综合而成。根据他在大洋洲的研究，里弗斯断言有一种敬畏和神秘的模糊感觉，一般叫做“马那”（mana），是巫术与宗教的来源，比泰罗所说的精灵崇拜更为原始。
经过长期研究野蛮地区至今仍然存在的原始形式的宗教，人们的观点完全改变了。过去，不论是信徒还是怀疑者，都以为宗教是一组教义，如果是他们所信仰的，便叫做神学，如果是其他民族的宗教，则叫做神话。就是在人们把仪式考虑在内的时候，人们也认为仪式只不过是公开表示已经规定和固定下来的信仰的一种形式。而从一个观点来看构成宗教的本质的“内在精神祈祷”却大半受到忽视，或者与教义混为一谈。不但如此，宗教信条，还形成一套完备而不可改异的教义，一劳永逸地照示世人，由一部神圣的经典和一个神圣的教会维护。人们的义务只是接受信条和遵循教规而已。
但哈里森女士说：
宗教总是包含两个因素：第一，理论的因素，即人对于不可见者的看法——他的神学或神话。第二，人对于不可见者的行为——他的宗教仪式。这两个因素很少完全分离，它们是以各种不同的比例混合起来的。上一世纪的人主要是从理论角度把宗教看做是教义。例如希腊宗教，在多数有教育的人看来，就是希腊神话。但一加粗略的考察，便知希腊人与罗马人都没有任何信条与教条，没有任何硬性的信仰条目。只有在希腊的祭仪里我们才能找到所谓“忏悔式”，可是并不是表白信仰，而是表白自己所举行的仪式。我们研究原始人的宗教时，很快就看到模糊的信仰虽多，确定的信条却几乎没有。仪式占有优势而且是强制性的。
我们是由于研究野蛮人才注意到仪式压倒信条和先于信条的现象，但这种现象马上就同现代心理学不谋而合。一般人的信念以为我思故我行；而现代科学的心理学则以为我行（或者不如说我对外界刺激有所反应）故我思。因此发生一串的循环现象：行动与思想又成为新的行动与新的思想的刺激。
真正“盲目的异教徒”并不向木石叩头，而只忙于施行巫术。他并不向神祈求晴天和阴雨；他跳一次“太阳舞”，或学作蛙鸣，希望大雨来临，因为他已经懂得把大雨和蛙鸣联系起来。在许多图腾信仰中，人认为自己与一种动物有密切的联系，而把它看作是神圣的。有时这种动物被看作“禁物”，而不可接触；有时野蛮人食了它的肉，就觉有勇气与有力量。有节奏的舞蹈，不论是否借助于酒力都可以引人达到狂欢的境界，使意志获得自由，使人觉得自己有一种超越平常限度的力量。野蛮人不知祷告，但有愿望。
巫术对宗教的关系和对科学的关系如何，仍然是一个争论的问题。巫术企图迫使外界事物服从人的意志。原始形态的宗教想依靠上帝和多神的帮助来影响外界的事物。科学比巫术有更清晰的洞察力，它谦卑地学习自然的法则，通过服从这些法则而取得控制自然的能力，这正是巫术误认为自己已经获得了的能力。无论这三者的实在关系为何，巫术好象终归是宗教与科学的摇篮。
野蛮人由于希望实现自己的意志，就创立了一种仪式，然后就利用这种仪式与他们的原始的观念形成一种神话。他们不能分别主观与客观；凡是他所经验之事：感觉、思想、梦幻或甚至记忆，他都以为是实在的、客观的，虽然实在的程度或许有差别。
斯宾塞说野蛮人因为梦见死了的父亲，想加以解释，就创造了一个灵魂世界。可是原始人并没有斯宾塞这种复杂的推理能力。梦境对于他是实在的，也许不象他现在还活着的母亲那样实在，但却不是假的。他并不寻求解释，而把梦境当做实在加以接受，他的父亲在某种意义上还活着。他感觉自身有一种生命力，他虽然摸不到它，它却是实在的，因而他已死的父亲也必定有这种生命力。父亲死后，这种生命力不再寄寓在他的肉体内，但它又在梦中回来：这是一种气息、形象、幻影或鬼魂。这是生命本质与可以分离的幽灵的混合体。
泰罗指出野蛮人力求把常见之物分类，以达到类的概念，因而他们深信同种之物属于一家，有一个部落守护神保护它们，并有一个名称，以某种神秘的方式，包含它们的共同的本质。在野蛮人看来，数也是超感觉世界的一部分，而且本质上是神秘的，也是宗教的。“我们能接触并看见七个苹果，但七自身是一奇异的东西，由此物移至彼物，赋予物以七的意义，因此，它应是上界的仙人。”
仪式、巫术与有节奏的舞蹈等神秘经验，就和这种梦、鬼、名、影、数等混乱的超感觉境界揉合在一起。这些因素相互作用，野蛮人或许就凭借这种交织在一起的感觉与行动形成一种神的概念。
弗雷泽的主要著作《金枝集》是最惊人的社会人类学资料汇编。这部书初版二卷，刊行于1890年，1900年再版，扩大成十二卷。在这部巨著中，弗雷泽描述了原始的风俗、仪式与信仰，其例证取自各种价值不等的来源，如石刻铭文，古代与中世纪的史籍，现代旅行家、传教士、人种学者与人类学家的记载。有些权威学者以为巫术是宗教与科学的共同来源，弗雷泽则认为它们是次第产生的。当巫术企图直接控制自然失败以后，人们就用崇拜与祈祷的方式，祈求神给与这种能力；在人们看到这样做也没有效力并且认识天津不变时，他们就踏入科学之门。
另一方面，马林诺夫斯基认为原始人把可以凭借经验性观察处理、可以因袭相传的简单活动，同需要祈诸巫术、仪式和神话的、他们所无法直接控制的无法预料的事件，截然地区别开来。马林诺夫斯基说：宗教的起源应当到人对于死亡的反应中去寻找，它的基本内容在于信仰一个伦理的神灵，在于希望复活。科学是从人们在各种生活技术和手艺中获得的逐渐增多的经验中产生出来的。但也有人认为原始人的心灵不能明确辨别自然与超自然的界限。人感觉自己有控制自己的思想的能力，野蛮人把这种能力扩大，以为自己也能控制外物。在他们梦见亡故的父母时，梦境中出现的朦胧的影子就上升成为朦胧的神。这些神想必也能控制万物，比较他自己的能力还大。在酒与舞蹈的刺激下，他感觉自己的能力扩大了，他的灵魂受了这些神的感召。还有受到更大神感的人；他们的君王与祭司，简直就是神了。
交感巫术企图用仿效自然现象或其效果的方式来复制自然现象，演变下去，就成为原始宗教的许多象征性的仪式。蔓延最广的仪式莫过于每年季节循环的戏剧：播种、生长、收获时节的毁灭、新春时节的万物复苏——这些都用无数的方式加以象征，流行于许多时代与许多地方。人们最初是举行仪式，诵念，符咒，以使雨落、日出、生物繁殖。后来，人们又感觉有某种更深刻而神秘的原因在幕后起作用，而且以为生长与凋谢必是神的力量涨落的影响。
这些神与把神的仪式特别流行干地中海东面各地，神的名称有沃西里斯（Osiris），塔穆兹（Tammuz），阿多尼斯（Adonis）与阿提斯（Attis）。巴比伦与叙利亚人的塔穆兹变成了希腊人的阿多尼斯。塔穆兹是伊什塔尔（Ishtar）的丈夫，她是司丰产的女神。阿多尼斯是阿斯塔尔特（Astarte）或阿弗罗代特（Aphrodite）的爱入。他们的结合对于大地丰产是必要的，因而有许多仪式和神秘剧在他们的庙中表演，庆祝他们的结合。阿提斯是众神之母西伯耳（Cybele）的儿子，这位女神从前住在弗里季亚（Phrigia）国，于公元204年前被带到罗马。举例来说，从在叙利亚的喇·香拉（RasShamra）地方发掘出来的古物中，就习以看出有这样一种祭仪。巴勒斯坦好象也受到这种影响。可是《创世记》的作者认为：既然上帝在天上放虹，这样的仪式是不需要的：“他还存留的时候，稼穑、寒暑、冬夏、昼夜就永不停息了”。
这些巫术祭仪的祀神仅节大同而小异。每年都要哀悼神的死去，杀一个人或一个牲畜，以为象征，并于次日或另一季节内欢呼其复活。在有些祭仪里，祭礼在冬至日举行，以庆祝新年、太阳或代表太阳的为处女所生的神的诞生。
普卢塔克与希罗多德关于埃及的神爱西斯（Isis）与沃西里斯的故事更加复杂，但其根本观念与象征意义则完全相同。在希腊化时代主要的埃及神有爱西斯，安努比斯（Anubisit）（导引灵魂至永生界之神）与塞拉皮斯（Serapis），这是“埃及王托勒密一世有意识创造的，是现代人造成功的唯一的神”。塞拉皮斯就是沃西里斯，加上希腊的色彩，目的在于把希腊人与埃及人联合于共同崇拜之中。埃及人不要他，于是他就成为亚历山大里亚的希腊神；他和他的妻子在地上的化身便是托勒密皇帝和皇后。
崇奉古波斯米思拉（Mithras）神的祭仪宗教，一方面与地中海边信奉西伯耳神的宗教极其相似，另一方面又与基督教相似；早期基督教神父很可能认为这种相似是妖魔以假乱真的诡计。当时，这个信奉米思拉的宗教是基督教的劲敌，它有隆重的仪式，又有道德的纯洁与不朽的希望。事实上，有一个时期，这两种宗教在争夺罗马世界的斗争中，似乎就旗鼓相当，不分上下。
基督诞生的前后几个世纪之内，对于古典神话的信仰已经衰微，帮助米思拉神教填补了这种衰微所留下的空隙的是同米思拉神教相似的其他祭仪宗教。这些宗教都企图通过入教与神交的仪式而与神合为一体。这种入教和通神的仪式，显然是由更原始的祭仪而来。弗雷泽爵士详细讨论了无数神交仪式的例子以及这种神交仪式与各地原始人民的图腾主义和崇拜自然的祭仪之间的联系。然后，他写了下面一段：
我们从这里很容易了解野蛮人为什么喜欢吃他们奉为神灵的人或兽的肉体。因为吃了神的身体，便可得到神的属性与能力。如为谷神，谷便是他的身体；如为酒神，葡萄汁便是他的血；所以信徒吃了面包与饮了酒，便取得神的真实肉体与血液。因此在把酒神〔如第沃力索斯（DionysOs）］的仪式里饮酒不是放纵行为而是严肃的圣礼。
信仰虽有变迁，古代的仪式依然存在，而且升华为高级宗教的圣礼。以后就出现了罗马哲学家或新教改革者的批判精神。西塞罗说：
当我们称谷为谷神，称酒为酒神的时候，我们只是使用一种譬喻手法，我们想象到会有什么人愚蠢得竟然相信他所吃的东西是神吗？
这种批评精神的谬误在于它以为人们的宗教信仰与其仪节只靠理智便可以成立，而不知人们的本能是百万年来信奉巫术和崇拜精灵的祖先的遗传。罗马教会在实践中，从来没有犯过这个错误，虽然在理论方面，它却把自己的哲学——中世纪后半期与十九世纪的——建立在阿奎那的唯理论的基础之上。
除公元第一世纪的正式的宗教与哲学之外，暗地里还普遍流行着这些更原始的异教仪节与信仰，而且其中还掺和着在这些信仰中和《旧约》所载的希伯来人的某些祭仪中都可以找到的那种牺牲观念。要想了解基督教发展初期一般人的心理情况，不应忽略这种原始的与东方的观念的暗流。
弗雷泽对于基督教里所混杂的东方因素，有如下的叙述：
被误认为是神灵附体的失神的疯癫，肢体的残毁重生的理论与流血赎罪，都起源于野蛮时代，自然能够吸引野性本能尚强的民族。……把粗暴的野蛮性和精神希冀奇妙地结合起来的崇奉大母（即地神）的宗教，只是许许多多类似的东方信仰的一种。这些信仰后来在异教盛行的时代，传播于罗马帝国，并把异教的生活理想贯注在欧洲民族心中渐渐摧毁了整个古代文明的大厦。希腊与罗马社会建立在个人服从集体、公民服从政府的概念上；国家的安全是个人行为的最高目的，远在个人安全之上，无论在现世或来世都是这样。……这一切都因为东方宗教的传播发生改变，因为这些宗教倡导灵魂与神交通与永远得救是生活的唯一目的，在这种目的的相形之下，国家的繁荣，甚至国家的存在，就变得无关紧要了……这种见解深入人心历时一千多年。直到中世纪末，罗马的法律、亚里斯多德的哲学与古代文艺复兴起来，欧洲才恢复其固有的生活与行为的理想，对于世界才有了更健全更合人性的见解。文明进展的长期停顿才告终止。东方侵略的潮流终被阻止。
持相反见解的人，也许可以满有理由指出这节论证欠圆满。如果神秘主义者的基本假设是正确的，则人的灵魂与神的交通实较政府与民族更为重要。不管人们在这两种相反的生活理想之间作怎样的选择，象弗雷泽这样一位对这门知识有很大贡献的专家的意见一定是值得注意与尊重的。
现代历史研究与人类学研究对基督教的起源与意义问题所产生的影响是一个更深刻而更重要的问题。这个问题至今仍在讨论之中。在这一讨论里，因袭的与先入为主的成见往往这样或那样地影响理性的运用。显然传统的基督教义有许多地方与以前或同时代的宗教的类似信仰相似，而且基督教的仪式也有许多地方与异教的祭仪相当。有人以为这些相似之点，说明基督教也应列入第一世纪祭仪宗教之内。又有人指出，近来的人类学的推论或许言过其实。祭仪宗教与早期更原始的祭礼间的关系现在肯定已更加明了，但是祭仪宗教的存在与性质，早为史学家与神学家所熟知。形式的相似并不一定表示来源与意义是相同的。
我们对于基督教，无论采取正统的见解与否，都必须承认现代人类学一方面帮助我们更好地了解到心理学与基本宗教（对于不可见的神力的直接的领悟）的联系，另一方面也帮助我们更好地了解到原始信仰与比较进步的神学的联系。