王渝生

量子電子航空 開啟嶄新世紀(jì)
——世界科技一百年(二) 20世紀(jì)初10年

王渝生

20世紀(jì)是新的科學(xué)技術(shù)革命的世紀(jì)，它發(fā)端于19世紀(jì)和20世紀(jì)交替時(shí)期開始的物理學(xué)革命。繼16世紀(jì)中葉哥白尼的近代天文學(xué)革命（1543年）之后，19世紀(jì)末一系列新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（1895年）、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性（1896年）、湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子（1897年）、居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳（1898年）等，揭開了20世紀(jì)頭30年物理學(xué)革命的序幕，在20世紀(jì)初10年則誕生了普朗克的量子論（1900年）和愛因斯坦的狹義相對論（1905年）。

繼18世紀(jì)60年代開始以蒸汽機(jī)的廣泛使用為主要標(biāo)志的工業(yè)革命（又稱第一次技術(shù)革命）之后，19世紀(jì)80年代開始以電力的廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志的電力革命（又稱第二次技術(shù)革命），到了20世紀(jì)初已進(jìn)入后期，除電力工業(yè)和汽車工業(yè)仍蓬勃發(fā)展之外，電子技術(shù)和航空技術(shù)開始興起。萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)（1903年），弗萊明發(fā)明了真空二極管（1904年），弗列斯特發(fā)明了真空三級管（1907年），福特制造了T型汽車（1908年）。一系列的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明開啟了嶄新的20世紀(jì)。

20世紀(jì)的頭10年，中國正處于封建社會(huì)的末期，清政府搖搖欲墜?？梢砸惶岬呐c科技有關(guān)的事是1898年創(chuàng)辦的京師大學(xué)堂于1912年改名為北京大學(xué)，1903年周樹人發(fā)表《中國地質(zhì)略論》和1905－1909年詹天佑建造京張鐵路。

普朗克創(chuàng)立量子論

1900年，德國物理學(xué)家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858.4.23－1947.10.3）創(chuàng)立量子論，提出輻射不是連續(xù)的、而只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說，即量子假說。這不僅對古典物理理論“自然界無跳躍”是離經(jīng)叛道，而且也為常識所不容，從而開啟了持續(xù)20世紀(jì)頭30年的物理學(xué)革命。

普朗克（1858-1947）

希爾伯特發(fā)表“23個(gè)數(shù)學(xué)問題”

據(jù)說諾貝爾生前不喜歡數(shù)學(xué)，所以他在遺囑中沒有設(shè)立數(shù)學(xué)獎(jiǎng)。而如果有此獎(jiǎng)項(xiàng)的話,首次榮獲者很有可能是德國數(shù)學(xué)家希爾伯特（David Hilbert，1862.1.23—1943.2.14）。

1900年，38歲的希爾伯特在巴黎舉行的國際數(shù)學(xué)家大會(huì)上，發(fā)表了“23個(gè)數(shù)學(xué)問題”的著名講演，總結(jié)了19世紀(jì)數(shù)學(xué)的巨大發(fā)展。展望了20世紀(jì)數(shù)學(xué)的誘人前景，他像德國民間傳說中具有神奇魔力的風(fēng)笛手，吹奏著數(shù)學(xué)魔笛，將許許多多的數(shù)學(xué)家引上了數(shù)學(xué)的高峰。

20世紀(jì)許多數(shù)學(xué)成就，甚至于一些新的數(shù)學(xué)分支的發(fā)展，都與這23個(gè)數(shù)學(xué)問題相關(guān)，如中國數(shù)學(xué)家華羅庚關(guān)于華林問題的研究，陳景潤關(guān)于哥德巴赫猜想的研究等。

希爾伯特（1862-1943)

齊柏林飛艇首次飛行

德國飛船設(shè)計(jì)家馮·齊柏林伯爵（Count Ferdinand von Zeppelin，1838－1917）在2000年以大衛(wèi)·舒瓦茲（David Schwarz）所設(shè)計(jì)的飛艇為藍(lán)本，進(jìn)一步發(fā)展而來的硬式飛艇首次飛行成功。由于硬式飛艇技術(shù)的成熟，使大型化成為可能。后來一度其能力較同時(shí)期飛機(jī)優(yōu)秀，可裝載大型貨物，在航空事業(yè)早期具有輝煌成績。

齊柏林（1838-1917）

上：諾貝爾獎(jiǎng)?wù)孪拢?901年12月10日，諾貝爾獎(jiǎng)首次頒獎(jiǎng)儀式在斯德哥爾摩舉行

諾貝爾（1833-1896）

倫琴（1845-1923）

范霍夫（1852-1911）

埃米爾·馮·貝林（1854-1917）

首次榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的是荷蘭的范霍夫（Jacobus He nricus Varrt Hoff，1852.8.30—1911.3.1），他在對碳原子結(jié)構(gòu)及稀溶液中化學(xué)平衡的研究方面貢獻(xiàn)卓著。

首次榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的是德國的貝林（Emil Adolf von Behring，1854.3.15—1917），他發(fā)明了血清白喉抗毒素，創(chuàng)造了血清療法。

馬可尼無線電通訊橫越大西洋

1901年12月，意大利無線電工程師，企業(yè)家，實(shí)用無線電報(bào)通信的創(chuàng)始人馬可尼（Guglielmo Marchese Marconi，1874.4.25—1937），在英國與紐芬蘭之間(3540公里)，實(shí)現(xiàn)橫過大西洋的無線電通訊，使無線電達(dá)到實(shí)用階段。1909年他與布勞恩一起獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

左為馬可尼（1874-1937）

盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子衰變

盧瑟福（Ernest Rutherford，1871.8.30—1937.10.19）是二十世紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一，在放射性和原子結(jié)構(gòu)等方面，都做出了重大的貢獻(xiàn)，被稱為近代原子核物理學(xué)之父。他在1902年發(fā)現(xiàn)放射性元素能自發(fā)地釋放射線和能量，最終轉(zhuǎn)化為其他穩(wěn)定元素，即原子衰變現(xiàn)象

盧瑟福（1871-1937）

原子衰變

湯姆遜提出原子模型

約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson，Joseph John，1856—1940），英國物理學(xué)家。他從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子的存在。他把電子看成原子的組成部分，用原子內(nèi)電子的數(shù)目和分布來解釋元素的化學(xué)性質(zhì)。1903年，湯姆遜提出了原子模型，把原子看成是一個(gè)帶正電的球，電子在球內(nèi)運(yùn)動(dòng)。他還進(jìn)一步研究了原子的內(nèi)部構(gòu)造和陰極射線。1906年他因在氣體導(dǎo)電研究方面的成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

湯姆遜 （1856-1940）

湯姆遜原子模型

威爾遜發(fā)明霧室

英國物理學(xué)家威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson,1986.2.14—1959.11.15）一生的貢獻(xiàn)很多，但是最主要的是發(fā)明了霧室。此事說來話長，那是由他的老師湯姆遜的一番談話引起的。有一天湯姆遜向威爾遜提起，說他需要一種特別的儀器，這種儀器要能夠顯示出各個(gè)電子經(jīng)由空氣時(shí)所走路線的痕跡。威爾遜把老師的話牢牢記在心里，決心把這一設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。

經(jīng)過多年的悉心研究，威爾遜終于從水蒸氣凝結(jié)在離子上的現(xiàn)象中，發(fā)現(xiàn)了一種跟蹤離子軌跡的方法即霧室，從而把幻想變成了現(xiàn)實(shí)。1911年，他親自看到了帶電粒子的軌跡?？灯疹D效應(yīng)的理論發(fā)表后不久，威爾遜又進(jìn)行了一系列的云跡觀察，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這個(gè)理論，從而為愛因斯坦的光子學(xué)說提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1927年他和美國的阿瑟·荷里·康普頓共同榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。

威爾遜（1869-1959）

威爾遜霧室

維爾伯·萊特（1867－1912），奧維爾·萊特（1871－1948）兄弟發(fā)明飛機(jī)

萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)

1903年12月17日，美國萊特兄弟［Brother Wright，維爾伯·萊特Wilbur Wright（1867.4.16—1912.5.12），奧維爾·萊特Orville Wright（1871.8.19—1948.1.30）］設(shè)計(jì)并制造成功用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的，由人自主操縱駕駛的飛機(jī)試飛成功，雖然只飛行了59秒鐘，行程852英尺，卻是人類航空史上的創(chuàng)舉。

齊奧爾科夫斯基提出火箭飛行和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理

俄國齊奧爾科夫斯基（KonstntinE.Tsiolkovsky，1857.9.5—1935.9.19）出版《利用噴氣工具研究宇宙空間》著作，提出火箭飛行和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，闡述將火箭用于星際航行的可能性，成為宇宙航行的先驅(qū)者。

齊奧爾科夫斯基（1857-1935）

齊奧爾科夫斯基建立的航天學(xué)理論

洛倫茲導(dǎo)出洛倫茲變換

由于愛因斯坦提出的假說否定了伽利略變換，因此需要尋找一個(gè)滿足相對論基本原理的變換式，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853.7.18—1928.2.4）用一套方程組創(chuàng)立了這一變換式。后來，愛因斯坦重新導(dǎo)出了這個(gè)變換式，一般仍稱它為洛倫茲變換式。

洛倫茲（1853-1928）

洛倫茲變換式

弗萊明發(fā)明真空二極管

1904年，英國電氣工程師弗萊明（Alexander Fleming，1881.8.6—1955.3.11）研制出一種能夠充當(dāng)交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——“熱離子閥”，從而催生了世界上第一只電子管，也就是人們所說的真空二極管。

然而，直到1906年真空三極管的發(fā)明后，電子管才成為實(shí)用的器件。真空三極管的發(fā)明者是美國科學(xué)家德福雷斯特。

弗萊明 （1881-1955）

真空二級電子管

左：路易·盧米埃（1862—1954），奧古斯都·盧米埃（1864—1948）兄弟右：盧米埃兄弟放映《火車進(jìn)站》

盧米埃兄弟實(shí)現(xiàn)了彩色攝影

1904年，法國盧米埃兄弟［Brother Lumière，路易·盧米埃Louis Lumière（1862—1954），奧古斯都·盧米埃Auguste Lumière（1864—1948）］發(fā)明出真正彩色底片，這是公認(rèn)的彩色攝影的革命性大事。盧米埃兄弟，是世界上從未見到過的制造攝影器材的偉大發(fā)明家。兄弟倆未到二十歲，就創(chuàng)辦一家制造攝影器材工廠，在公元1894年，已年產(chǎn)銷了近二百萬張底片。

愛因斯坦（1879-1955）

光量子

愛因斯坦提出光量子概念

第一個(gè)把量子概念推而廣之的是猶太物理學(xué)家愛因斯坦（Albert Einstein，1879.3.14—1955.4.18）。他在1905年提出了“光量子”的概念，認(rèn)為光的本質(zhì)對于統(tǒng)計(jì)的平均現(xiàn)象而言，表現(xiàn)為波動(dòng)；而對于瞬時(shí)的漲落現(xiàn)象而言，則表現(xiàn)為粒子，從而在人類認(rèn)識自然界的歷史上第一次揭示了微觀客體的波動(dòng)性和粒子性的對立統(tǒng)一，即“波粒二象性”。

愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論

愛因斯坦在1905年還創(chuàng)立了“狹義相對論”，提出了等速運(yùn)動(dòng)下的“相對性理論”和“四維空時(shí)”（三維空間+時(shí)間）的新概念，揭示了空間、時(shí)間、質(zhì)量和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間的有機(jī)聯(lián)系，從而引起了物理學(xué)理論基礎(chǔ)的變革，具有開創(chuàng)科學(xué)新時(shí)代的意義。

作為對相對論的一個(gè)推論，愛因斯坦又提出了著名的質(zhì)(m)能(E)關(guān)系式：E=mc2（此處光速c=30萬公里／秒），即某個(gè)物體貯存的能量等于該物體的質(zhì)量乘以光速的平方。這個(gè)數(shù)量大到令人難以想象的程度。我們不妨打個(gè)比方說，1克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化成的能量，相當(dāng)于常規(guī)狀態(tài)下燃燒36000噸煤所釋放的全部熱能；或者說，l克質(zhì)量可以相當(dāng)于2500萬度的電能。因此，這個(gè)公式在理論上為40年代以來原子能的應(yīng)用開辟了道路。

愛因斯坦在量子論和相對論方面的杰出成就，奠定了他作為20世紀(jì)科學(xué)巨人的基礎(chǔ)。而他當(dāng)時(shí)年僅26歲。有人問他取得成功的秘訣時(shí)，他創(chuàng)立了一個(gè)公式作答：A=X+Y+Z。其中A表示成功，X表示艱苦勞動(dòng)，Y表示正確方法，Z表示沉默寡言。

象征相對論效應(yīng)的圖

能斯特提出熱力學(xué)第三定律

德國物理學(xué)家、物理化學(xué)家和化學(xué)史家能斯特（Walther Hermann Nernst，1864.6.25—1941.11.18），1887年畢業(yè)于維爾茨堡大學(xué)，并獲博士學(xué)位。第二年，他得出了電極電勢與溶液濃度的關(guān)系式，即能斯特方程。

1906年，能斯特創(chuàng)立了熱力學(xué)第三定律。熱力學(xué)第三定律是對熵的論述，一般當(dāng)封閉系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，熵應(yīng)該為最大值，在任何過程中，熵總是增加，但理想氣體如果是絕熱可逆過程熵的變化為零，可是理想氣體實(shí)際并不存在，所以現(xiàn)實(shí)物質(zhì)中，即使是絕熱可逆過程，系統(tǒng)的熵也在增加，不過增加的少。 在絕對零度，任何完美晶體的熵為零，稱為熱力學(xué)第三定律。

能斯特（1864-1941）

德福雷斯特發(fā)明真空三極管

1906年美國德福雷斯特（Lee de Forest，1873.8.26—1961.6.30）發(fā)明世界上第一支真空三極管。三極電子管的發(fā)明是電子技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它使人們掌握了對電信號的放大能力，從而使無線電通信可以達(dá)到前所未有的的遠(yuǎn)距離；同時(shí)也開啟了20世紀(jì)第二個(gè)十年出現(xiàn)的以電子管為中心的新器件、新電路、新儀器的發(fā)明熱潮。

德福雷斯特（1873-1961）和他發(fā)明的真空三極管

貝克蘭發(fā)明酚醛塑料生產(chǎn)方法

1907年，美籍比利時(shí)人貝克蘭（Baekeland，Leo Hendrik，1863.11.14—1944.2.23）在美國發(fā)明酚醛塑料生產(chǎn)方法，生產(chǎn)出最早的人工合成塑料。

貝克蘭（1863-1944）

閔可夫斯基提出四維時(shí)空結(jié)構(gòu)

德國科學(xué)家閔可夫斯基（Hermann Minkowski，1864.6.22—1909.1.12）在波恩大學(xué)任職時(shí)，曾協(xié)助著名物理學(xué)家赫茲研究電磁波的理論。1905年以后，閔可夫斯基將幾乎所有精力放在電動(dòng)力學(xué)上。1907年，閔可夫斯基認(rèn)識到可以用非歐空間來描述洛侖茲和愛因斯坦的工作，將過去被認(rèn)為是獨(dú)立的時(shí)間和空間結(jié)合到一個(gè)四維的時(shí)空結(jié)構(gòu)中，即閔可夫斯基時(shí)空。閔可夫斯基時(shí)空為廣義相對論的建立提供了框架。

四維時(shí)空結(jié)構(gòu)

福特制造T型汽車

1908年10月1日，美國人亨利·福特（Henry Ford，1863.7.30—1947.4.8）創(chuàng)辦的福特汽車公司推出了大眾型的T型車。T型車以其低廉的價(jià)格使汽車作為一種實(shí)用工具走入了尋常百姓家，美國也自此成為了“車輪上的國度”。

在1908到1927年間生產(chǎn)了1500多萬輛T型車，1927年公司停止了T型車的生產(chǎn)。

福特T型車

亨利·福特（1863-1947）

池田菊苗首次制造味精

1908年，日本帝國大學(xué)化學(xué)教授池田菊苗首次發(fā)現(xiàn)調(diào)味佐料——味精，他從海帶中提取的化學(xué)物質(zhì)谷氨酸鈉具有鮮美的味道。他研究和生產(chǎn)了這種產(chǎn)品，并取得“味之素”專利。他的銷售廣告詞是“家有味之素，白水變雞汁”。目前，百年老店日本味之素集團(tuán)公司已成為全球十大食品企業(yè)之一。

池田菊苗（1864-1936）

埃爾利希發(fā)明梅毒的一種有效療法

德國免疫學(xué)家埃爾利希（Paul Ehrlich，1854.3.14—1915.8.20）晚年時(shí)專攻化學(xué)藥物治療傳染病的研究，發(fā)明治療梅毒的有效藥606（砷凡納明），“606”是一種新藥的代號，即“灑爾佛散”（申凡納明），據(jù)說是因?yàn)樵囍扑降?06號有機(jī)砷化合物才獲得成功而名。與E.梅契尼科夫共獲1908年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。先后獲得世界各學(xué)術(shù)團(tuán)體授予的81個(gè)榮譽(yù)稱號。在免疫學(xué)方面創(chuàng)立的“側(cè)鏈學(xué)說”，為診斷、治療和預(yù)防傳染病提供理論基礎(chǔ)。

保羅·埃爾利希（1854-1915）正在做實(shí)驗(yàn)

布萊里奧的單翼飛機(jī)首次飛越英吉利海峽

1909年，法國飛行師布萊里奧（Louis Blériot，1872.7.1—1936.8.2）設(shè)計(jì)并制成單翼飛機(jī)，首次飛越英吉利海峽，飛行時(shí)間達(dá)37分鐘。

駕機(jī)飛越英吉利海峽的布萊里奧（1872-1936）

統(tǒng)稿：本刊編輯夏炎