20世纪的科学发展

科学史论文——20世纪的科学史发展、

20世纪的科学史发展

20世纪是科技迅速发展的100年，由于科学的各类学科的基础科学已发展较为成熟，基于这样坚实的基础上，再进行更深层次的探索，便有了更加丰富的研究材料和更加多样的研究工具。尤其到了二十世纪中后期，随着计算机的研发及应用，大大减少了庞大的计算量给人类科学发展带来的阻碍及负担。多学科之间的相互交流与相互渗透，为科学的探索带来更多可能性与机遇。此外，随着基础教育的不断普及，高等教育的不断升级，有更多怀揣对科学的理想与希望，并将自己的毕生事业奉献给科学的有志之士投身到这一领域，科学已从原本的贵族神坛，走向普罗大众。更多人投身科学，也有更多人切实的感受到科学对自己生活甚至命运的改变。

以下，本文就将从不同的科学角度列举20世纪的伟大科学进步。

波粒二象性

波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在量子力学里，微观粒子有时会显示出波动性（这时粒子性较不显著），有时又会显示出粒子性（这时波动性较不显著），在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。

相对论

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。

狭义相对论和广义相对的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。

物质的基本结构

从远古时代开始，人们就在探讨物质是由什么组成的，有没有公共的基本单元。直到19世纪末，人们都认为这种共同的基元就是原子。1911年，卢瑟福发现原子内部有一个核；1913年，玻尔指出放射性变化发生在原子核内部，于是研究原子核的组成、变化规律以及内部结合力的核物理学应运而生。

1932年，查德威克发现了中子。从此，人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的，于是把这三种粒子和光子称为基本粒子。

但是，基本粒子并不“基本”。一方面，正电子、中微子、介子等新的基本粒子相继发现；另一方面，基本粒子还有其内部结构。60年代以来，出现了基本粒子结构的“夸克模型”、“层子模型”等，使40年代末诞生的一门新的独立学科——基本粒子物理学（又称高能物理学）至今方兴未艾，成果累累。

大爆炸理论

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

这些观点起初是作为先验的公理被引入的，但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^(-5)。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已经被证实在10^(-5)的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。

计算机

冯•诺依曼计算机【von Neumann machine】使用冯诺依曼体系机构的电子数字计算机。1945年6月，冯•诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念（Stored Program Concept），这是所有现代电子计算机的模板，被称为“冯•诺依曼结构”，按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机（Stored Program Computer），又称为通用计算机。冯•诺依曼计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，它的的特点是：程序以二进制代码的形式存放在存储器中；所有的指令都是由操作码和地址码组成；指令在其存储过程中按照执行的顺序；以运算器和控制器作为计算机结构的中心等。冯诺依曼计算机广泛应用于数据的处理和控制方面，但是存在一定的局限性。

DNA分子双螺旋模型

1953年4月25日，英国《自然》杂志刊登了25岁的沃森和37岁的克里克合作研究的成果——DNA双螺旋结构的分子模型，这一成就后来被誉为20世纪生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。

DNA是遗传基因的物质载体——脱氧核糖核酸的英文简称。1915至1928年间，摩尔根通过果蝇实验，证明了坐落在细胞核内染色体上的基因决定着生物性状，从而创立了基因理论。染色体是由蛋白质和DNA组成的。过去生物学界一直认为蛋白质是遗传信息的载体，直到1944年埃弗里等人通过实验才证明了遗传载体不是蛋白质，而是DNA。1953年DNA 分子结构双螺旋模型的建立是打开遗传之谜的关键。60年代尼伦柏格等人破译了遗传密码，证明地球上所有生物的遗传密码都是相同的——DNA的4种核苷酸碱基的序列代表了基因的遗传信息，决定着蛋白质的20种氨基酸的组成和排列顺序。作为基因载体的DNA是生命

的后台指挥者，生命的一切性状通过受DNA决定的蛋白质来表现。

大地板块构造学说

1912年，魏格纳提出大陆漂移说，认为在地质历史上的古生代，全球只有一块巨大陆地，周围是一片大洋；中生代以来，这块古陆开始分裂、漂移，逐渐成为现在的几个大陆和无数岛屿，原来的大洋则分割成几个大洋和若干小海。

大陆漂移说经半个多世纪的发展，由地幔对流说（1928年）、海底扩张说（1961年）等阶段，到1968年勒比雄等提出了全球大地板块构造学说，建造了全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和若干小板块的结构模型，得到了越来越多的科学验证，特别是海洋地质学的有力支持。

信息论、控制论、系统论

1948年，申农《通讯的数学理论》、维纳《控制论：关于动物和机器中控制和通信的科学》、贝塔朗菲《生命问题》的出版，标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生；1957年，古德等《系统工程学》的出版为系统工程论奠定了基础。60年代以来，又出现了新的交叉科学——突变论、协同论和耗散结构理论。

交叉科学不仅沟通了为数众多的自然科学学科，而且在方法论上也沟通了自然科学与社会科学。它向人们提供了定量、精确和最优的认识世界的方法，对人类社会产生了深刻的影响。

航天和空间技术

1903-1914年，齐奥尔科夫斯基提出以火箭为动力的航行理论，奠定了航天学的基础。1919年，戈达德提出火箭飞行的数学原理，并于1926年成功地发射了世界上第一枚液体燃料的火箭。1942年，布劳恩主持设计发射的液体军用飞箭成为二战后各国火箭发展的蓝本。

1957年，苏联用洲际导弹的火箭装置发射了世界上第一颗人造地球卫星，“空间时代”从此开始。1961年，苏联发射载人宇宙飞船，人类首次飞向太空。1969年，美国“阿波罗”11号飞船登月，人类在月球上留下了第一个脚印。1971年，苏联建造空间站，人类首次在太空中有了活动基地。1981年，美国发射航天飞机成功，从此人类可以自由进出太空。

自50年代后期起，人类开始对月球和太阳系各大行星，以及遥远的行星际空间进行探测，至今已发射了100多颗空间探测器，去揭示宇宙的形成与演化，探索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响。

激光技术

1917年，爱因斯坦在研究光的辐射的过程中，提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年激光被发现。1960年美国制成了世界上第一台激光器，它用红宝石晶体做发光材料，用发光强度很高的脉冲氙灯做激发光源，在这种受激辐射作用下产生的一种超强光束就是激光。

继红宝石激光器之后，半导体激光器（1963年）、气体激光器（1964年）、自由电子激