——世界科技100年(三)20世紀(jì)10年代"/>
王渝生
科學(xué)理論奠基 軍事技術(shù)崛起
——世界科技100年(三)20世紀(jì)10年代
王渝生
20世紀(jì)最初10年最為璀燦的科學(xué)明星是愛因斯坦,他在1905年創(chuàng)立了狹義相對論和光量子論。20世紀(jì)第2個10年最為璀燦的科學(xué)明星還是愛因斯坦,他在1915年把相對性理論從等速運(yùn)動推廣到加速運(yùn)動,創(chuàng)立了廣義相對論。除了廣義相對論,愛因斯坦還提出了受激輻射理論和有限無邊的宇宙模型。此外,魏格納提出了大陸漂移說,摩爾根開創(chuàng)了現(xiàn)代遺傳學(xué),英國數(shù)學(xué)家B·羅素和懷特海奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)邏輯主義學(xué)派,美國天文學(xué)家H·羅素提出了恒星演化學(xué)說,路易斯則建立了化學(xué)共鍵假說等新科學(xué)理論。
20世紀(jì)10年代,爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)(1914-1918年),槍炮、坦克、潛艇、殲擊機(jī)等陸??瘴淦餮b備和軍事技術(shù)在戰(zhàn)爭中得到了發(fā)展。事實(shí)證明,人類對科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用是柄雙刃劍,用于和平可造福人類,用于戰(zhàn)爭則使生靈涂炭。
這10年間,中國爆發(fā)了辛亥革命、五四運(yùn)動,為近代科學(xué)發(fā)展奠定了思想基礎(chǔ);中國科學(xué)社、中華醫(yī)學(xué)會、中華農(nóng)學(xué)會相繼成立,標(biāo)志著中國民間科技社團(tuán)的興起。
1910年3月10日,巴黎春寒料峭,來自荷蘭發(fā)肯堡的耶穌會神甫兼物理學(xué)教師伍爾夫(F.T.Wulf)爬上高約300米的埃菲爾鐵塔(當(dāng)時(shí)為世界最高建筑)頂端的氣象站,觀測平臺,利用自己新近發(fā)明的一種高靈敏度的靜電計(jì)測定此高度空氣的導(dǎo)電性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)了宇宙射線。
19世紀(jì)、20世紀(jì)之交發(fā)生的物理學(xué)革命,生長出一批富有活力的新學(xué)科,促成了一系列新技術(shù)和新的實(shí)驗(yàn)手段的出現(xiàn),揭開了現(xiàn)代自然科學(xué)的序幕,在這場偉大的科技革命中,一些化學(xué)家也建立了永載史冊的業(yè)績,盧瑟福、居里夫人、索迪就是其中的代表。索迪(Frederick Soddy,1877.9.2-1956.9.22)于1910年提出了同位素假說,1913年發(fā)現(xiàn)了放射性元素的位移規(guī)律,為放射化學(xué)、核物理學(xué)這兩門新學(xué)科的建立奠定了重要基礎(chǔ)。因此榮獲了1921年的諾貝爾化學(xué)獎。
1910年至1913年,英國數(shù)學(xué)家B·羅素(Bertrand Arthur William Russell,1872.5.18—1970.2.2) 與懷特海(Alfred North Whitehead,1861.2.15—1947.12.30)合著《數(shù)學(xué)原理》三卷本陸續(xù)出版,提出了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)邏輯主義學(xué)派的基本理論。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,盧瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)提出了關(guān)于原子的微型太陽系結(jié)構(gòu)設(shè)想。他認(rèn)為,如果既有帶正電的粒子不是如他的老師湯姆遜(Thomson,Joseph John,1856-1940)所設(shè)想的,像流體一樣分布于整個原子,而是集中在中心一個小區(qū)域內(nèi),或者稱之為“核”,情況會怎樣呢?原子的大多數(shù)質(zhì)量也許集中在核內(nèi),相等數(shù)量的帶負(fù)電子的電子,就在核外某些地方處于運(yùn)動之中。于是,盧瑟福建立了原子的微型太陽系模型,它對應(yīng)于我們?nèi)祟愃诘挠钪嬷械奶栂怠?/p>
繼1903年法國物理學(xué)家居里夫婦因發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)和發(fā)現(xiàn)并提煉出鐳和釙,獲諾貝爾物理學(xué)獎之后,1911年瑪麗·居里又獲諾貝爾化學(xué)獎。
居里夫婦
維生素的命名經(jīng)歷了1911—1920年間的整整10年。
1911年,波蘭生物化學(xué)家芬克(Casimir Funk,1884.2.23—1967.11.19)根據(jù)荷蘭醫(yī)院學(xué)家愛葉克曼對腳氣病病因的研究制出了能克制腳氣的物質(zhì)的純品—— 一種屬于胺類(Amine)的化學(xué)藥品,而且證明它是維持人類生命(Vite)的絕對必需品。這兩個英文聯(lián)起來便衍生出一個新字Vitqmine(維他命)。
1912年,英國生物化學(xué)家霍普金斯(Hopkins,F(xiàn)rederic Gowland,1861.6.20—1947.5.16)發(fā)現(xiàn)許多天然食物中也含有這種動物生長和代謝所必須的微量有機(jī)物,與脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物、無機(jī)鹽及水同等重要,是維持生命不可缺少的微量物質(zhì)。
其后發(fā)現(xiàn)了多種這樣的未知營養(yǎng)素,但并不都屬胺類,于是又有各種不同的命名法。
直到1920年統(tǒng)一命名時(shí)才將Vitamice一詞中的詞尾e去掉,表示沒有化學(xué)上的關(guān)系,稱為Vitamin,中文譯名“維他命”,后來改為“維生素”。
迄今為止,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和合戌了幾十種維生素,林林總總,五花八門。不過,維生素類的藥作為健康補(bǔ)藥的說法現(xiàn)已受到許多醫(yī)藥專家的質(zhì)疑。
芬克
霍普金斯
1910年11月14日,美國海軍雇傭的民間飛行員尤金伊利駕機(jī)從“伯明翰”號輕巡洋艦起飛。1911年1月18日,他又駕機(jī)在“賓夕法尼亞”號重巡洋艦上降落。從此,人類開創(chuàng)了飛機(jī)上艦的先河。
穩(wěn)定同位素是指某元素中不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同位素。
1913年,J.J.湯姆遜(Thomson,Joseph John,1856-1940)和F.W.阿斯頓(Francis William Aston ,1877.9.1-1945.11.20)用磁分析器發(fā)現(xiàn)天然氖是由質(zhì)量數(shù)為20和22的兩種同位素所組成,第一次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素。1919年阿斯頓制成質(zhì)譜儀(見質(zhì)譜法),并在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種核素,絕大多數(shù)是穩(wěn)定的;后來又利用光譜等方法發(fā)現(xiàn)了氧、氮等元素的穩(wěn)定同位素。已知有81種元素有穩(wěn)定同位素,穩(wěn)定核素的總數(shù)為274種(包括半衰期>1015年的放射性核素)。
在第一次世界大戰(zhàn)期間,迫于橡膠匾乏,德國人采用了二甲基丁二烯聚合而成甲基橡膠,這種橡膠可以大量生產(chǎn),而且價(jià)格低廉。在第一次世界大戰(zhàn)期間,德國大約生產(chǎn)了2500噸甲基橡膠。盡管這種橡膠的耐壓性能不理想,戰(zhàn)后便被淘汰了,但它畢竟是第一種具有實(shí)用價(jià)值的合成橡膠。
世界各國已選定了相當(dāng)數(shù)量的適宜開發(fā)潮汐能的站址。據(jù)最新的估算,有開發(fā)潛力的潮汐能量每年約200TW·h。1912年,世界上最早的潮汐發(fā)電站在德國的布斯姆建成。1966年,世界上最大容量的潮汐發(fā)電站在法國的朗斯建成。我國在1958年以來陸續(xù)在廣東省的順德和東灣、山東省的乳山、上海市的崇明等地,建立了潮汐能發(fā)電站。
1913年,丹麥物理學(xué)家玻爾(Niels Bohr,1885—1962)借助原子模型和量子理論解釋氫的光譜,極大的加深了對原子理論和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。
丹麥天文學(xué)家赫茨伯龍(Hertzsprung,Ejnar,1873.10.8-1967.10.21.)和美國天文學(xué)家H·羅素(Henry Norris Russell,1877.10.25-1957.2.18)研究了大量恒星光譜型與光度的關(guān)系。將每顆恒星的光譜與光度的數(shù)值標(biāo)在圖上,得到光譜一光度圖,這個圖就稱赫羅圖。赫羅圖對恒星起源演化的研究起著重要作用,同樣也是研究恒星起源和演化的工具,赫羅圖的出現(xiàn)宣告了初級階段的結(jié)束。
當(dāng)時(shí)擔(dān)任美國普林斯頓大學(xué)天文臺臺長的H·羅素提出了一種恒星起源演化的假說。羅素認(rèn)為恒星最初是體積較大、密度較小的紅巨星,依靠自身引力收縮,使其表面溫度升高、光譜型越來越早。當(dāng)收縮所產(chǎn)生的熱量不能彌補(bǔ)輻射引起的能量損失時(shí),表面溫度下降,恒星就沿赫羅圖主星序的右下方演化。
H·羅素的假說與現(xiàn)代恒星起源演化學(xué)說不相符。但是赫羅圖的繪制,為恒星起源演化的研究提供了方便。
赫茨伯龍
地?zé)岚l(fā)電站是利用地下熱水、高溫巖體或蒸汽作一次能源的發(fā)電站。據(jù)估計(jì),離地表5000米深度內(nèi)所有異常熱資源儲量約為1.45×10焦,相當(dāng)于5×10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值。
繼1913年意大利在拉德瑞羅地?zé)崽锸状卧囼?yàn)成功552瓦地?zé)岚l(fā)電裝置、1924年日本也開始試驗(yàn)地?zé)嵴羝l(fā)電,功率為1千瓦。1966年日本在松川建成第一座商用地?zé)犭娬?,功?萬千瓦。1960年美國在加利福尼亞州蓋瑟爾斯地?zé)崽?建成1.1萬千瓦地?zé)岚l(fā)電機(jī)組,1985年發(fā)展到179.2萬千瓦的電站,其最大機(jī)組為13.3萬千瓦,分別是世界上最大的地?zé)犭娬竞蜋C(jī)組。在世界能源短缺日益突出的情況下,地?zé)嶙鳛橐环N新能源越來越受到各國的重視。1985年,全世界地?zé)岚l(fā)電的總裝機(jī)容量達(dá)476.4萬千瓦。地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)較多的國家有美國(202.2萬千瓦)、菲律賓(89.4萬千瓦)、日本(21.5萬千瓦)。中國自1970年在廣東豐順縣用91℃的地下熱水發(fā)電開始,已建成各級溫度不同的循環(huán)系統(tǒng)的電站多座,其中以西藏羊八井地?zé)犭娬咀畲蟆?981年臺灣省宜蘭縣清水地?zé)崽锝ǔ梢蛔責(zé)犭娬?,安裝3000千瓦機(jī)組一臺。
德國貝爾吉烏斯(Friedrich Bergius,1884.10.11—1949.3.30)首先提出用高壓方法和催化劑來液化煤。
德國物理學(xué)家魯斯卡(Ernst August Friedrich Ruska,1906.12.25.-1988.5.27),于1913年發(fā)明電子顯微鏡,1986年,他80歲時(shí)獲諾貝爾物理學(xué)獎。
1936年底至1937年初,他們在西門子公司的電子顯微鏡工業(yè)研發(fā)工作,在柏林設(shè)立了電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室,并于1939年研發(fā)出了第一臺能夠批量生產(chǎn)的“西門子-超顯微鏡”。
1913年,法國工程師雷恩·洛蘭發(fā)明噴氣推進(jìn)劑,但這是一種沖壓式噴氣發(fā)動機(jī),在當(dāng)時(shí)的低速下根本無法工作,而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。17年后,弗蘭克·惠特爾取得了他使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的第一個專利,但直到11年后,他的發(fā)動機(jī)才完成其首次飛行,惠特爾的這種發(fā)動機(jī)形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)。
1913年10月7日,福特公司創(chuàng)立汽車裝配流水線。在海蘭園設(shè)立了第一條總裝線,幾乎使裝配速度提高了8倍。最終使每工作日每隔10秒鐘就有一臺T型車駛下生產(chǎn)線。
1914-1918年發(fā)生的第一次世界大戰(zhàn),是帝國主義國家之間為了重新瓜分殖民地而發(fā)動的人類歷史上第一次世界規(guī)模的戰(zhàn)爭。在這次大戰(zhàn)前和大戰(zhàn)中,武器和軍事發(fā)展技術(shù)極為迅速。
自動步槍成為步兵的主要武器,火炮也向自動化方向發(fā)展。攻守兩用型的坦克在戰(zhàn)爭中起了舉足輕重的作用,1916年英國坦克投入索姆河戰(zhàn)役獲得戰(zhàn)果,英國人感到坦克是個寶貝,為了保密,用了“坦克”(tank,原意是大水桶)這個名稱。潛水艇以魚雷作為進(jìn)攻武器進(jìn)入實(shí)用階段。
1910年德國制造的u-9型先進(jìn)潛艇,在1914年的北海戰(zhàn)役中使英國巡洋艦損失慘重。立體戰(zhàn)爭使龐大的軍事航空工業(yè)出現(xiàn)并發(fā)展。
殲擊機(jī)的首次空戰(zhàn)發(fā)生于1914年,次年德國便研制出全金屬飛機(jī),在四年大戰(zhàn)期間發(fā)展出18種主要軍用飛機(jī)機(jī)型,交戰(zhàn)國雙方的作戰(zhàn)飛機(jī)共達(dá)十幾萬架。
1914年,第一個全生物凈化廠在曼徹斯特投入運(yùn)行。
巴拿馬運(yùn)河位于美洲大陸中部,縱貫巴拿馬地峽,是一條溝通太平洋和大西洋的船閘式運(yùn)河。運(yùn)河全長81.3公里,最窄處為152米,最寬處為304米。從運(yùn)河中線分別向兩側(cè)延伸16.09公里所包括的地帶,為巴拿馬運(yùn)河區(qū),總面積為1432平方公里。巴拿馬運(yùn)河于1914年8月15日正式通航,是世界偉大的工程,1999年被評為20世紀(jì)世界十大建筑之一。
1915年在20世紀(jì)科學(xué)史上實(shí)在是一個重要的年份。這一年,愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論,魏格納提出了大陸漂移說,摩爾根開創(chuàng)現(xiàn)代遺傳學(xué)。
如果說愛因斯坦在1905年創(chuàng)立的狹義相對論揭示了空間、時(shí)間、質(zhì)量和物質(zhì)運(yùn)動之間的聯(lián)系,那么他在1915年創(chuàng)立的廣義相對論則建立了空間、時(shí)間是隨著物質(zhì)分布和運(yùn)動速度的變化而變化的理論。有了廣義相對論,則狹義相對論便是廣義相對論在引力場很弱時(shí)的特殊情況,而牛頓力學(xué)可認(rèn)為是相對論力學(xué)在低速情況下的近似。當(dāng)今,廣義相對論同狹義相對論和量子力學(xué)一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)三大支柱。
德國地質(zhì)學(xué)家魏格納發(fā)表《海陸的起源》一書,系統(tǒng)地論述了他在1912年從大西洋兩岸的南美洲東海岸凸出部分,正好與非洲西海巖凹人部分相吻合的現(xiàn)象,而提出的大膽設(shè)想,即在地質(zhì)歷史上的古生代,全球只有一塊巨大陸地,名為聯(lián)合古陸,周圍是一片連續(xù)的大洋;中生代以來,聯(lián)合古陸開始分裂、漂移,逐漸成為現(xiàn)在東、西兩半球的幾個大陸和無數(shù)島嶼,原來連續(xù)的大洋則分割成幾個大洋和若干小海。這就是大地構(gòu)造學(xué)的新理論——大陸漂移說,它有力地沖擊了傳統(tǒng)的大陸固定觀念,在地質(zhì)學(xué)上具有劃時(shí)代的意義。
美國生物學(xué)家摩爾根以發(fā)表《孟德爾遺傳機(jī)制》為標(biāo)志,在孟德爾定律的基礎(chǔ)上發(fā)展了染色體遺傳學(xué)說,提出了基因理論,開創(chuàng)了現(xiàn)代遺傳學(xué)。摩爾根認(rèn)為,基因是組成染色體的遺傳單位,而染色體是遺傳基因的載體;一定的基因在一定的條件下,控制著一定的代謝過程,從而表現(xiàn)出一定的遺傳特性和特征,但基因又是可以通過突變導(dǎo)致性狀的變異的。他在其后總結(jié)性的著作《基因論》中還預(yù)言了基因是一個有機(jī)化學(xué)的實(shí)體。摩爾根的基因?qū)W說是遺傳學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑。
愛因斯坦在1912年玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上,于1916年提出“受激輻射理論”,成為以后60年代蓬勃發(fā)展起來的激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)。
早期的星云說,科學(xué)界統(tǒng)稱康德—拉普拉斯說,該學(xué)說在19世紀(jì)占據(jù)太陽系起源的統(tǒng)治地位。由于該學(xué)說不能解釋行星排列的質(zhì)量分布問題和太陽系角動量特殊分布問題,而遇到了困難。因此人們又轉(zhuǎn)向?yàn)?zāi)變說。1900年張伯倫(T.C.Chamberlain)提出新的星子說,摩爾頓(F.R.Moulton)發(fā)展了這個學(xué)說。有一顆恒星曾經(jīng)運(yùn)動到距離太陽幾百千米處,使太陽正、背面產(chǎn)生巨大潮汐,而拋射出大量物質(zhì),凝集成小團(tuán)塊質(zhì)點(diǎn),稱為星子。星子是行星的胚胎,而后聚合成行星和衛(wèi)星。后來還有金斯(Jeans,SirJamesHopwood ,1877.9.11—1946.9.16)提出的“潮汐假說”與以上學(xué)說略同。
1916年,美國路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875.10.25—1946.3.23)和柯塞爾同時(shí)研究原子價(jià)的電子理論??氯麪栔饕芯侩妰r(jià)鍵理論。路易斯主要研究共價(jià)鍵理論,該理論認(rèn)為,兩個(或多個)原子可以相互“共有”一對或多對電子,以便達(dá)成惰性氣體原子的電子層結(jié)構(gòu),而形成共價(jià)鍵。路易斯在1916年《原子和分子》和1928年《價(jià)鍵及原子和分子的結(jié)構(gòu)》中闡述了他的共價(jià)鍵電子理論的觀點(diǎn),并列出無機(jī)物和有機(jī)物的電子結(jié)構(gòu)式。路易斯提出的共價(jià)鍵的電子理論,基本上解釋了共價(jià)鍵的飽和性,明確了共價(jià)鍵的特點(diǎn)。共價(jià)鍵理論和電價(jià)鍵理論的建立,使得19世紀(jì)中葉開始應(yīng)用的兩元素間的短線(即表示原子間的相互作用力或稱“化學(xué)親和力”)開始有明確的物理意義。但還沒解決共價(jià)鍵的本性問題。
隨著社會發(fā)展步入高度電氣化,對磁性材料的需求量也越來越大。1917年日本東北帝國大學(xué)的多光太郎博士發(fā)明的KS鋼,在1940年初上市。這是一種以鐵為基本材料含鋁(Al)、鎳(Ni)和鈷(Co)等成份的合金,這是最初的鋁鎳鈷磁鋼原型,隨后又于1933年發(fā)明了“新KS鋼”。
根據(jù)廣義相對論原理,愛因斯坦提出了有限無邊的宇宙模型,至40年代末發(fā)展成為著名的宇宙大爆炸理論。
電話發(fā)明后的幾十年里,圍繞著電話的經(jīng)營、技術(shù)等問題,大量的專利被申請,Strowger的“自動撥號系統(tǒng)”減少了人工接線帶來的種種問題,干電池的應(yīng)用縮小了電話的體積,裝載線圈的應(yīng)用減少了長距離傳輸?shù)男盘枔p失。1906年,Lee De發(fā)明了電子試管,它的擴(kuò)音功能領(lǐng)導(dǎo)了電話服務(wù)的方向。后來貝爾電話實(shí)驗(yàn)室據(jù)此制成了電子三極管,這項(xiàng)研究具有重大意義。1915年1月25日,第一條跨區(qū)電話線在紐約和舊金山之間開通。它使用了2500噸銅絲,13萬根電線桿和無數(shù)的裝載線圈,沿途使用了3部真空管擴(kuò)音機(jī)來加強(qiáng)信號。1948年7月1日,貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明了晶體管。這不僅僅對于電話發(fā)展有重大意義,對于人類生活的各個方面都有巨大的影響。其后幾十年里,又有大量新技術(shù)出現(xiàn),例如集成電路的生產(chǎn)和光纖的應(yīng)用,這些都對通信系統(tǒng)的發(fā)展起了非常重要的作用。
1919年,盧瑟福經(jīng)一系列試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)了釋放出氫原子核的方法,這實(shí)現(xiàn)了千百年來煉金術(shù)士欲變換元素的夢想。盧瑟??胺Q原子之父。
四極管種類很多,常見的有:束射四極管,直熱四極管和多子四極管等。四極管,有音色渾厚,具有速度感等特點(diǎn),實(shí)際上純粹意義的四極管只是在電子管的發(fā)展史上作為驗(yàn)證管出現(xiàn)過,而沒有進(jìn)入實(shí)用,這是另一話題不去說它,下面就說前面提及的目前在商品功放里超過半數(shù)以上的機(jī)種用的這東西——束射四極管。它是由德國肖特基(Walter Hermann Schottky,1886.7.23—1976.3.4)發(fā)明的。
畢業(yè)于英國謝菲爾德大學(xué)的著名冶金科學(xué)家亨利·布雷爾利(Harry Brearley)于20世紀(jì)初期發(fā)明了不銹鋼。
不銹鋼的發(fā)明和使用,要追溯到第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期。英國科學(xué)家布享利·布雷爾利受英國政府軍部兵工廠委托,研究武器的改進(jìn)工作。那時(shí),士兵用的步槍槍膛極易磨損,布雷爾利想發(fā)明一種不易磨損的合金鋼。布雷爾利發(fā)明的不銹鋼于1916年取得英國專利權(quán)并開始大量生產(chǎn),至此,從垃圾堆中偶然發(fā)現(xiàn)的不銹鋼便風(fēng)靡全球,亨利·布雷爾利也被譽(yù)為“不銹鋼之父”。
英國研制成全鋼焊接船
1919年,英國研制成功高質(zhì)量的全鋼焊接船。
統(tǒng)稿:本刊編輯夏炎