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20世紀人類的發現

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20世紀人類的發現


【20世紀人類的發現】1、相對論 1905年，20世紀最偉大的科學天才愛因斯坦在他26歲時創立了狹義相對論，提出了不同于經典物理學的嶄新的時空觀和質（m）能（E）相當關系式E＝mc2（此處光速C＝3×108米／秒），在理論上為原子能的應用開辟了道路 。關于E＝mc2，即物體貯藏的能量等于該物體的質量乘以光速的平方，這個數量大到令人難以想象的程度 。我們不妨打個比方說，1克物質全部轉化成的能量，相當于常規狀態下燃燒36000噸煤所釋放的全部熱能；或者說，1克質量相當于2500萬度的電能 。1915年，愛因斯坦又創立了廣義相對論，深刻揭示了時間、空間和物質、運動之間的內在聯系——空間和時間是隨著物質分布和運動速度的變化而變化的 。它成為了現代物理學的基礎理論之一 。從1923年開始，愛因斯坦用他的后半生致力于統一場論的探索，企圖建立一個既包括引力場又包括電磁場的統一場理論，雖然他沒有取得成功，但是楊振寧和米爾斯于50年代創立了“楊—米爾斯場方程”，發展了所謂“規范場”的理論，使愛因斯坦夢寐以求的統一場論可望在規范場的基礎上得以實現 。2、量子力學 1900年，普朗克創立了量子論，提出能量并非無限可分、能量的變化是不連續的新觀念 。1905年，愛因斯坦提出了光量子論，揭示了光的“波粒二象性” 。1913年，玻爾把量子化概念引進原子結構理論 。1923年，德布羅意提出物質波理論 。1925年，海森伯和薛定諤分別建立矩陣力學和波動力學 。1928年，26歲的狄拉克提出電磁場中相對論性電子運動方程和最初形式的量子場論，使包括矩陣力和波動力學在內的量子力學取得了重大的進展 。20代末量子力學的建立，是繼1905-1915年相對論建立之后對經典物理學的又一次革命性的突破，它成功地揭示了微觀物質世界的基本規律，加速了原子物理學和固態物理學的發展，為核物理學和粒子物理學準備了理論基礎，同時也促進了化學鍵理論和分子生物學等的產生 。因此，量子力學可以說是20世紀最多產的科學理論，迄今仍具有強大的生命力 。20世紀中后期5大科學成就 30年代以來，物質基本結構、規范場、宇宙大爆炸、遺傳物質分子雙螺旋結構、大地構造板塊學說以及信息論、控制論、系統論等理論的創建，使人類的視野進一步拓展到更為宇觀、宏觀和微觀的領域，成為人類文明進步的巨大推動力 。1、物質的基本結構 從遠古時代開始，人們就在探討物質是由什么組成的，有沒有公共的基本單元 。直到19世紀末，人們都認為這種共同的基元就是原子 。1911年，盧瑟福發現原子內部有一個核；1913年，玻爾指出放射性變化發生在原子核內部，于是研究原子核的組成、變化規律以及內部結合力的核物理學應運而生 。1932年，查德威克發現了中子 。從此，人們認識到各種原子都是由電子、質子和中子組成的，于是把這三種粒子和光子稱為基本粒子 。但是，基本粒子并不“基本” 。一方面，正電子、中微子、介子等新的基本粒子相繼發現；另一方面，基本粒子還有其內部結構 。60年代以來，出現了基本粒子結構的“夸克模型”、“層子模型”等，使40年代末誕生的一門新的獨立學科——基本粒子物理學（又稱高能物理學）至今方興未艾，成果累累 。2、宇宙大爆炸理論 現代宇宙學的研究發端于愛因斯坦 。他在1915年創立廣義相對論后，用它來考察宇宙的結構問題，于1917年提出有限無邊的宇宙模型 。1922年，弗里德曼提出的非靜態宇宙模型，認為宇宙是可能膨脹的 。1929年，哈勃確定了星系紅移（即退行速度）和距離之間的線性關系，證實了宇宙膨脹理論 。1932年，勒梅特提出了宇宙爆炸說 。1948年，伽莫夫把核物理學的知識同宇宙膨脹理論結合起來，發展了大爆炸理論，并用它來說明化學元素的起源 。這一宇宙大爆炸理論在1965年發現的宇宙背景輻射現象和1998年哈勃望遠鏡探測到距地球120億光年之遙的星系中得到了有力的支持 。3、DNA分子雙螺旋模型 1953年4月25日，英國《自然》雜志刊登了25歲的沃森和37歲的克里克合作研究的成果——DNA雙螺旋結構的分子模型，這一成就后來被譽為20世紀生物學方面最偉大的發現，也被認為是分子生物學誕生的標志 。DNA是遺傳基因的物質載體——脫氧核糖核酸的英文簡稱 。1915至1928年間，摩爾根通過果蠅實驗，證明了坐落在細胞核內染色體上的基因決定著生物性狀，從而創立了基因理論 。染色體是由蛋白質和DNA組成的 。過去生物學界一直認為蛋白質是遺傳信息的載體，直到1944年埃弗里等人通過實驗才證明了遺傳載體不是蛋白質，而是DNA 。1953年DNA分子結構雙螺旋模型的建立是打開遺傳之謎的關鍵 。60年代尼倫柏格等人破譯了遺傳密碼，證明地球上所有生物的遺傳密碼都是相同的——DNA的4種核苷酸堿基的序列代表了基因的遺傳信息，決定著蛋白質的20種氨基酸的組成和排列順序 。作為基因載體的DNA是生命的后臺指揮者，生命的一切性狀通過受DNA決定的蛋白質來表現 。4、大地板塊構造學說 1912年，魏格納提出大陸漂移說，認為在地質歷史上的古生代，全球只有一塊巨大陸地，周圍是一片大洋；中生代以來，這塊古陸開始分裂、漂移，逐漸成為現在的幾個大陸和無數島嶼，原來的大洋則分割成幾個大洋和若干小海 。大陸漂移說經半個多世紀的發展，由地幔對流說（1928年）、海底擴張說（1961年）等階段，到1968年勒比雄等提出了全球大地板塊構造學說，建造了全球被分為歐亞、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南極六大板塊和若干小板塊的結構模型，得到了越來越多的科學驗證，特別是海洋地質學的有力支持 。5、信息論、控制論、系統論 1948年，申農《通訊的數學理論》、維納《控制論：關于動物和機器中控制和通信的科學》、貝塔朗菲《生命問題》的出版，標志著交叉科學信息論、控制論、一般系統論的誕生；1957年，古德等《系統工程學》的出版為系統工程論奠定了基礎 。60年代以來，又出現了新的交叉科學——突變論、協同論和耗散結構理論 。交叉科學不僅溝通了為數眾多的自然科學學科，而且在方法論上也溝通了自然科學與社會科學 。它向人們提供了定量、精確和最優的認識世界的方法，對人類社會產生了深刻的影響 。20世紀的5大尖端技術成果 在科學的先導和生產的促進下，20世紀發展起來五大尖端技術：核技術、航天技術、信息技術、激光技術和生物技術，在能源、材料、自動化、海洋和環境等高新技術方面也有了長足的進步 。1、核能與核技術 原子核的裂變和聚變反應將產生和釋放出遠大于機械能、化學能等產生的能量 。核能的和平利用，為人類提供了一個既安全又清潔、取之不盡而用之不竭的能源寶庫 。1942年，美國建成了世界上第一座原子反應堆，首次實現了人工控制的鏈式核裂變反應 。1945年第一顆原子彈爆炸成功 。1952年第一顆輕核聚變的氫彈爆炸成功 。1954年，蘇聯建成世界上第一座原子能發電站 。60年代以后，核電站進入實用階段，發展至今已成為一種重要能源，約占全球發電總量的1／5 。核技術還廣泛應用于農業、醫療、材料、考古和環保等領域 。40年代放射性同位素開始大量生產，1947年比利發明了C14測定年代的方法，1951年開始使用Co60等放射性元素治療癌癥，70年代以來計算機x射線斷層掃描技術（CT）廣泛應用于臨床，80年代初發展到核磁共振掃描技術（MRI） 。2、航天和空間技術 1903-1914年，齊奧爾科夫斯基提出以火箭為動力的航行理論，奠定了航天學的基礎 。1919年，戈達德提出火箭飛行的數學原理，并于1926年成功地發射了世界上第一枚液體燃料的火箭 。1942年，布勞恩主持設計發射的液體軍用飛箭成為二戰后各國火箭發展的藍本 。1957年，蘇聯用洲際導彈的火箭裝置發射了世界上第一顆人造地球衛星，“空間時代”從此開始 。1961年，蘇聯發射載人宇宙飛船，人類首次飛向太空 。1969年，美國“阿波羅”11號飛船登月，人類在月球上留下了第一個腳印 。1971年，蘇聯建造空間站，人類首次在太空中有了活動基地 。1981年，美國發射航天飛機成功，從此人類可以自由進出太空 。自50年代后期起，人類開始對月球和太陽系各大行星，以及遙遠的行星際空間進行探測，至今已發射了100多顆空間探測器，去揭示宇宙的形成與演化，探索生命的起源以及空間環境對人類生存環境的影響 。3、信息技術 信息技術是20世紀發展最快的技術領域 。它對人類社會、經濟、政治、文化等產生了全方位的巨大而深遠的影響 。1906年，三極電子管的發明使電信號放大，從而使遠程無線電通信成為可能 。1947年，第一只晶體管的誕生為電子電路集成化和數字化提供了重要的基礎 。1945年問世的電子計算機，已經歷了第一代（電子管，40年代中至50年代末）、第二代（晶體管，50年代末至60年代中）、第三代（集成電路，60年代中至70年代初）和第四代（大規模和超大規模集成電路，70年代初開始）等發展階段，80年代開始對新一代的智能計算機、光學計算機和量子計算機的探索已取得初步成果 。隨著大規模集成電路的出現，計算機向巨型化和微型化兩極發展 。70年代中，巨型機的向量運算速度超過了每秒億次；微機則進入了千家萬戶，標志著個人電腦時代的來臨 。當今，巨型機的運算速度已達每秒3．9萬億次，而計算機互聯網絡則在2億多網民的學習、研究、交流、貿易甚至娛樂等方面創造了嶄新的工作和生活方式 。4、激光技術 1917年，愛因斯坦在研究光的輻射的過程中，提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎 。1958年激光被發現 。1960年美國制成了世界上第一臺激光器，它用紅寶石晶體做發光材料，用發光強度很高的脈沖氙燈做激發光源，在這種受激輻射作用下產生的一種超強光束就是激光 。繼紅寶石激光器之后，半導體激光器（1963年）、氣體激光器（1964年）、自由電子激光器（1977年）乃至原子激光器（1977年）等相繼問世 。5、生物技術 基因重組技術（又稱基因工程）是20世紀下半葉蓬勃興起和發展的現代生物技術的最前沿領域 。60年代末至70年代初，阿爾伯和史密斯發現細胞中有兩種“工具酶”，能對DNA進行“剪切”和“連接”；內森斯則使用工具酶首次實現了DNA切割和組合 。DNA的重組能創造性地利用生物資源，實現人類改造生物的遺傳特征、產生人類所需要的生物類型的意愿 。80年代以來，已獲得上百種轉基因動植物，對農業發展具有重要意義 。轉基因藥物的研制和生產則將為人類的健康帶來新的福音 。除基因工程外，生物技術（即生物工程）還包括細胞工程、酶工程、發酵工程和蛋白質工程等領域 。1978年首例試管嬰兒路易斯誕生、1996年克隆羊多莉的出現都是細胞工程的杰作；加酶洗衣粉和嫩肉粉等則是酶工程的產品；現代發酵工業始于青霉素的生產，現已大規模利用發酵工程生產抗生素等 。至于根據需要對天然蛋白質的基因進行改造，生產出新的、自然界原本不存在的優質蛋白質，更是日益受到重視，被譽為第二代基因工程 。20世紀科技發展帶給21世紀的遺產將包括科學的全球化、社會化，社會的科學化，科學的交叉性、復雜性和綜合性，科學、技術與社會的密切結合并相互作用，科學技術促進世界和平和人與自然的協調發展等等 。有了這些基礎，人類可以滿懷信心地去迎接全球化知識經濟的新時代

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