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◆突飞猛进的现代科技（第1页）

◆突飞猛进的现代科技

★20世纪的物理学革命

▲一系列的新发现

英国人克鲁克斯（1832—1919）在1879年，发现阴极射线是一种高速带电粒子流。后来，汤姆生将这种微粒称为电子。1906～1914年间，美国人密立根，测出了精确的电子电量值。

电子是人类发现的第一个基本粒子，它是古代原子论者和道尔顿都不曾想到过的东西，预示着原子还存在着不同的成分。继电子之后，物理学家们至今已发现了400多种基本粒子。

1895年，德国人伦琴（1845～1923）研究阴极射线激发玻璃壁发生荧光时，偶然发现放电管附近用黑纸密封的照相底片感光了，这说明管内发出了一种能穿透底片封层的射线。他称这种新的射线为X射线。

X射线很快被应用于医学上的体内异物诊断，并进而用于透视诊病和工业方面的检验分析。

法国人柏克勒尔通过反复实验，发现铀盐本身具有放射性质。

法国人皮埃尔·居里（1859～1906）和他的波兰妻子玛丽·居里（1867～1834）在了解了柏克勒尔的工作后，发现了新的放射性元素钍，接着又从沥青铀矿中分离出了放射性比铀强400倍的钋（取此名以纪念居里夫人的祖国波兰）。经过45个月的艰苦努力，1902年，居里夫妇从几吨青铀矿渣中分离出0．12克的氯化镭，它的放射线是铀的200万倍!它几乎能穿透一切东西。德国犹太人爱因斯坦（1879～1955）于1905年在瑞士发表了《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文，提出辐射在传播过程中的能量也是不连续的，并称传播中的能量子为“光量子”（后来又称为光子）。爱因斯坦的光量子理论把光的粒子性和波动性统一起来了，这种统一表现在光子的能量与光波的频率不可分割地联系在一起。至此，人们认识到光具有波粒二象性，在传播过程中，光表现为波动，在同物质相互作用的过程中，光则表现为光量子。

▲量子力学的建立

1925年，德国人海森堡（1901～1976）建立了量子力学的一种数学表达式——矩阵力学。在他看来，玻尔所描述的电子在原子核外轨道上的运动模型是不可观测的，量子力学方程中只应包括可观测的原子光谱线的频率和强度。矩阵力学就是用矩阵计算方法处理这类可观测量的数学方程。在完善这种矩阵力学的过程中，海森堡得到了玻恩（1882~1972）和约尔丹的帮助。生于奥地利的瑞士人泡利（1900—1958）从海森堡的理论推导出了巴尔末关于氢原子光谱的公式。英国人狄拉克在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后于1927年发表了《量子代数学》一文，使矩阵力学理论体系更加严密。

1926年，奥地利人薛定谔（1887—1961）沿着另一条途径建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。

薛定谔的物质波运动方程提供了系统和定量处理原子结构问题的理论，除了物质的磁性及其相对论效应之外，它在原则上能解释所有原子现象，是原子物理学中应用最广泛的公式，它在量子力学中的地位与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似。

在此前后，泡利于1925年提出了电子自旋的概念，狄拉克得出了电子具有磁矩的结论，并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论，开创了相对论波动力学的研究。自第一个反粒子发现之后，物理学家们逐渐认识到，一切粒子都有反粒子，它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋，具有相反的电荷和磁矩。

1927年，玻尔通过对微观粒子波粒二象性及测不准关系的研究，提出了著名的互补原理（并协原理）。玻尔认为，量子力学在描述微观粒子的运动规律时仍然运用着经典力学中的概念一一动量、质量、能量、频率、波长、几率等，这是自然科学的基础语言，不可能抛弃它们，但与宏观领域不同的是：在描述微观粒子运动规律时运用一类经典概念时，就会排斥另一类经典概念；但在换一种条件的情况下，则又要运用那些在原来的条件下被排斥的概念来描述微观现象。这两种描述中的任何一种都是不充分的，而且是彼此不相容的，但为了说明所有可能的实验又都是必要的。这两类彼此排斥的概念在描述微观粒子性质所具有的二重性时是互补的。

▲原子核物理学

1939年1月6日，玻尔到美国出席一次物理学家会议，把原子核分裂的消息告诉了与会的科学家们，这些人兴奋无比，很多人立即着于研究，在数周内，一再证实了铀裂变的存在，并发现了铀裂变时原子核放出的巨大能量。毫无疑问，链式反应的实现，会在极短的时间内放出巨大的能量，从而为制造原子武器提供可能。

由于德国的科学家曾参与了核裂变研究，还由于当时美国的情报证实纳粹分子正在组织人力研究链式反应，在美国的物理学家中有人感到，有必要抢在德国之前尽快制造出原子弹。1939年8月，一封由西拉德谋划、由最有声望的科学家爱因斯坦签名的信，经一位与白宫关系密切的经济学家萨克斯交到了美国前总统罗斯福（1882～1945）手中。1940年，美国的物理学家们采取了共同保守有关核裂变和链式反应研究全部秘密的紧急措施。1941年12月，美国制造原子弹的“曼哈顿工程”正式上马。奥本海默（1904～1967）被任命为洛斯一阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制。1945年7月，世界上第一颗原子弹在美国西部沙漠上试验成功。同年8月，美国在日本的广岛和长崎共投下了两颗原子弹，它们的爆炸是人类历史上最惨烈的第二次世界大战的巨大尾声。

第二次世界大战后，前苏联于1949年2月、英国于1952年1月，都成功地爆炸了原子弹。1964年10月，中国加入了拥有核武器国家的行列。继中国之后，印度也于80年代拥有了原子弹。

1952年11月，美国试验成功了第一颗核聚变武器-氢弹，9个月后，前苏联的氢弹也爆炸成功。1967年，中国成功地爆炸了第一颗氢弹。

核能技术不仅被应用在武器方面。1954年1月，美国人制成了世界第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号，1954年6月，前苏联在奥布宁斯克建成了世界第一座核电站，1957年12月，美国人建成了希平港核电站，英、法、德等国也都相继发展了核电站。中国自行设计的第一座核电站一一浙江秦山核电站已经于1992年正式运行发电。

▲相对论

爱因斯坦对物理学的最大贡献是相对论。相对论提出了对宇宙的一种新观点，爱因斯坦也因此被公认为20世纪最伟大的科学家。

根据狭义相对论，爱因斯坦指出：物体相对于观察者运动时，沿相对运动的方向上，它的长度会缩短，速度越大，缩短越多，即运动的尺子要缩短；时钟相对于观察者运动时会走得慢些；光速是物质运动的极限速度；如果两个事件在一个惯性系中是同时但不是在同地发生的，那么它在相对于该惯性系匀速运动的另一个惯性系中则不会是同时发生的，即同时性也是相对的；在物体运动速度远小于光速的情况下，相对论力学就变成了牛顿力学。

在建立了狭义相对论之后，爱因斯坦又研究了引力问题。在牛顿力学中，物体有两种质量：牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质量。尽管牛顿推算出这两种质量是相等的，但却没有作出理论上的解释。匈牙利人厄缶（1848～1919）曾用实验证明这两种质量是相等的。以两种质量相等为基础，爱因斯坦在1913～1916年间提出了著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论——广义相对论。

★现代天文学的发展

▲观测手段的进步

伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学研究进入了望远镜观测的时代。近代以来，望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。自19世纪照相术发明以来，照相方法逐步被应用到天文研究方面。由于光学的进步，分光方法在天文研究中得到了进一步的应用。分光方法是指让星光通过棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱进而研究的方法。牛顿用棱镜分解日光是分光方法的开始。50年代以来，随着航天技术的发展，人们已经不再局限于在大气层以内进行天文观测了，而开始了大气层外的天文观测活动。在这方面最著名的例子是1990年4月由美国人通过航天飞机送入太空的哈勃望远镜。

20世纪天文研究方面具有革命性意义的是射电天文学的出现。射电天文学使天文观测的范围从可见光频率扩展到了所有电磁波谱的频率范畴，开辟了对不可见天体的研究，在某种意义上导致了20世纪天文学的革命性进展。

▲宇宙有多大

现代天文学的进展最后趋向了可观测的宇宙有限的结论，而这一宇宙有限的观点正是随着天文学家所能观测到的宇宙范围越来越广而提出来的。1923。1924年间，美国人埃德温·哈勃（1889～1953）用当时世界上最大的反射式光学望远镜（口径为2．5米）确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星云，而是银河系以外的恒星系统。目前，用最大的反射式光学望远镜，可以看到30亿光年远的宇宙，但是，由于射电天文学的出现，光学望远镜所能达到的极限已不能作为人类认识宇宙广度的界限了。

目前用光学望远镜看到的30亿光年远的星系，已达到了可观测宇宙1／3的深度，而用射电望远镜所看到的100亿光年远的星系，已经达到可观测宇宙的边际了。

▲宇宙演化理论

爱因斯坦、德西特的宇宙与弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙开始引起天文学家们的广泛注意和研究。

弗里德曼和勒梅特的宇宙是一个膨胀着的宇宙，而膨胀总是从物质密度无穷大时开始的。1932年，勒梅特从他的模型出发，提出了一个宇宙演化学说，认为整个宇宙的物质最初集中在一个超原子宇宙蛋里，后来发生猛烈爆炸，碎片向四面八方散开，形成了今天的宇宙。但他当时还没有完全足够的核物理学知识来描述宇宙蛋爆炸后宇宙演化的具体过程和细节。另外，勒梅特还低估了宇宙的年龄，这是因为当时哈勃所给出的宇宙尺度只有20亿光年。后来巴德研究河外星系时得到了新的结论，宇宙的尺度增加了20倍，宇宙的年龄也由勒梅特的20亿年增至50～60亿年。

尽管如此，大爆炸宇宙论还不是一个完善的理论，它还不能从物理学的观点说明宇宙初始点的条件，也不能有把握地预言宇宙的终结。

★现代地学的发展