20世纪科学发展综述

20世纪科学发展综述

到20世纪末，科学技术的进步使社会生产力发展到前所未有的水平，人类对物质世界和生命现象的认识也提高到前所未有的程度。过去一百年，科学所取得的成就，已经远远大于之前所有历史的总和。回顾百年，我们发现20世纪中影响最为深远的科学发现和技术成就是：量子论、相对论的提出、五大模型的建立和在科学理论指导下的五项尖端技术。

科学上的成就

量子论德国物理学家维恩发现随着辐射体温度的升高，辐射的峰值会向短

波方向移动，即所谓的“位移定律”。1896年，他依据热力学，用半经验半理论的方法找到了“维恩公式”，用以说明黑体辐射谱。发现这个公式在短波段（高频辐射部分）同实验吻合，但在长波段（低频辐射部分）却系统地低于实验值。以后，英国物理学家瑞利根据经典统计物理学推出另一公式，它在长波段（低频辐射部分）与实验相符合，但在短波段（高频辐射部分——紫外光区）完全不能适用。按公式计算的预测值，在紫外一端辐射应趋向无穷大，而实验数据的结果却趋于零。这显然是荒谬的。经典物理学的理论在这里陷入困境和危机。

由于黑体辐射能谱的实验难以用经典物理学理论解释，于是普朗克于1900年提出了能量子(E=hv)的概念，这标志着量子理论的诞生。爱因斯坦(Albert Einstein于1905年提出光量子理论，玻尔又把它运用于原子内部而于1914

年提出量子化的原子结构理论，经过海森伯Werner Karl Heisenberg和薛定谔等几位科学家的工作，在20年代发展成量子力学。

量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。

相对论在相对论诞生的历程中，洛伦兹和彭加勒等人发现电磁场理论与以太漂移实验结果相矛盾，暴露了牛顿-伽利略时空观的局限性，为相对论的诞生作了准备。爱因斯坦1905年发表了论文《论动体的电动学》，创立了狭义相对论。1916年他又进一步发表题为"广义相对论的基础"的论文，创立了广义相对论，从而实现了继牛顿以来人类时空观和物质与能量统一性认识的革命。

相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。

粒子物理夸克-轻子模型是以量子力学和相对论结合而形成的量子场论

为基础，将四种相互作用(电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用、引力相互作用)统一的理论模型。

从1803年英国科学家道尔顿认为元素原子是参加化学反应的最小单元，到1869年俄国科学家门捷列夫（1834－l907）提出原子排布的元素周期律，原子作为科学的概念被普遍接受经历了半个多世纪。 19世纪末X射线的发现、放射性的发现和电子的发现，导致了20世纪初的原子结构研究。

1903年，汤姆逊发展了他前一年提出的原子构造模型：原子是一个半径大约为10—10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。1911年，卢瑟福借助于α粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10－15米的范围内，而原子半径却有10-10米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明汤姆逊的模型更接近于物理真实。

大爆炸宇宙模型科学的宇宙学是从牛顿开始的，而开创现代宇宙学的先

驱者则是爱因斯坦。现代宇宙学研究是以能直接或间接观测到的整个天区上的大尺度特征为其基础的，它的最重要的成果是由星系光谱红移、微波背景辐射和轻元素丰度三大观测实验支持的大爆炸宇宙模型。大爆炸宇宙模型的理论基础是广义相对论和粒子物理学，前者用来解释宇宙的膨胀，后者用来说明大爆炸之后由热到冷、由密到稀的演化过程中元素和天体的生成。

计算机冯诺依曼模型说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺

依曼。从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC 到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

地质构造的板块模型板块模型的建立经历了大陆漂移假说、海底扩张假

说和板块构造学说三个阶段。1912年魏格纳先发表了《根据地球物理学论地壳轮廓（大陆和海洋）的形成和《大陆的水平位移》两篇论文，1915年又出版专著《海陆的起源》，系统地论述了著名的“大陆漂移说”。他运用取自地球物理学、地质学、古生物学、古气候学以及大地测量学等方面的论据，

技术上的进步

核技术核物理学和相对论质能关系式为核能利用奠定了理论基础。1945年

原子弹的诞生、1952年氢弹的诞生、1954年第一座核电站的建成以及各种核辐射技术显示了核技术的前景，这些技术的进步使核聚变成为人类未来最有希望的新能源；

航天技术1957年第一颗人造卫星的上天，自此航天技术就成了大国技术竞

争的一个重要领域。1961年载人航天飞船绕地球一周、1969年阿波罗登月成功、1977年载人航天飞机试飞成功等一系列重大进展，标志航天技术日趋成熟。

电子计算机技术1946年第一台电子计算机诞生到1971年第一台通用微机

出现，显示了电子计算机技术的长足发展；其硬件系统从电子管再到集成电路和大规模集成，都是以物理学的理论和实验成果为基础的；其软件系统的发展则是以数学和逻辑学为基础的。电子计算机的发展的巨大意义在于，它将使得人的脑力机械化成为可能。

激光技术爱因斯坦的光发射和吸收理论与固体物理学结合，导致第一台激光

器-红宝石激光器于1960年诞生，1963年出现半导体激光器，1964年出现气体激光器，1977年自由电子激光器问世。良好的光学性能，使它们在加工、医疗、通信等许多领域广泛应用。

基因重组技术1973年基因重组的实现开辟了基因工程这一新技术领域的广

阔前景。它对于增进人类健康和食物不足可能提供了最有力的手段。在药物方面，1978年实现了使大肠杆菌产生人的胰岛素，1989年外源基因安全转移到患者体内，使人类基因治疗成为可能。在农业方面，运用基因导入创造新物种的探索可望有重大收获。

可以这样好不夸张的说，到20世纪末，科学到达了一个时代的终点，突出标志是揭示了原子的秘密，解开了生命分子的秘密，创造了电子计算机。这三大基础的发现，引发了原子革命，脱氧核糖核酸（DNA）革命和计算机革命，至此，物质、生命和计算机的大部分基本法则被揭示了。这段科学史诗现在画上了句号，一个时代结束了，另一个时代刚刚开始。

1129132 常成飞2011海环1班