《人類科學技術史-348》20世紀20-40年代科學技術概述

20世紀20-40年代科學技術概述

在人類的歷史長河中，20世紀20-40年代是一個短暫而又非同尋常的時期。在這一段時間里，人類尚未撫平第一次世界大戰的創口，又經歷了另一場規模更大、更為殘酷的世界大戰。歷史上僅有的兩次有眾多國家卷入的戰爭，給我們的星球，給愛好和平的人們帶來了深重的災難，但也從另一角度促進、加速了科學技術的發展。

這又是一段創造奇跡的時期，科學和技術的許多方面在第一次世界大戰結束到第二次世界大戰爆發之間的20年時間里獲得奇跡般的發展。作為現代數學基礎理論三大支柱的抽象代數、拓撲學、泛函分析，溯源于19世紀末，奠基于20世紀初，而形成于兩次世界大戰之間。微觀領域的物理學革命，也是在這一歷史時期中，突破了舊量子論的10年徘徊，建立起了真正反映微觀領域物質運動規律的量子力學理論體系，使人類對自然界的認識真正從宏觀世界深入到微觀世界。

相對論和量子力學理論的創立是20世紀上半葉物理學革命的兩大戰場。由科學巨匠愛因斯坦在世紀之初創立的相對論，使人類的認識由低速領域擴大到高速領域；由宏觀領域延伸到宇觀范圍；從我們生存的三維空間到時間、空間共同構成的四維時空，人們第一次深刻認識到時間和空間的相互依賴；認識到時間和空間的相對意義；認識到時間、空間與物質運動的相互依賴，而且，這種依賴關系不僅表現在時間、空間對物質運動的依賴，還表現在對物質分布的依賴。廣義相對論則在更深的層次上揭示了這種依賴關系。

相對論所揭示的高速領域物質運動的規律，為全面描述處于高速運動狀態的微觀粒子的運動規律打下了基礎。它所揭示的質量、能量關系，還從理論上預言了物質內部蘊涵著的極大能量，預示了核能開發的可能性。

在愛因斯坦創立相對論的過程中，量子理論的革命也已奏響了序曲。

19世紀末20世紀初，自然科學有了一系列新的重大發現。1887年，赫茲發現了一種無法用經典理論解釋的"光電效應"現象。1897年，電子的存在得到J.J.湯姆遜等人的確證，這是人類認識到的第一個基本粒子，是構成原子的要素之一。電子的發現動搖了原子不可分的經典觀念，說明原子中還包含著更小的物質微粒。1895年，倫琴發現X射線--發自原子內部的高頻電磁波，進一步向人們提供了來自原子內部的信息，而且，這種射線的發現還直接導致了次年物質放射性的發現。在不斷深入探究物質的放射性，發現更多放射性元素的過程中，盧瑟福與皮埃爾.居里夫婦等科學家作出了杰出的貢獻。

實驗向人們證實：

①一些物質自發放射出的射線中，有α射線、β射線和γ射線，其中，α射線是帶正電的二價氦離子，貫穿本領較小；β射線是高速運動的電子流，貫穿本領大；γ射線則是一種貫穿本領極強、不被磁場偏轉的電磁波輻射。

②在放射性衰變過程中，一種元素的原子可以轉變為另一種元素。到此，"原子不變"、"原子是不可再分"的經典結論已被徹底否定。新的發現引導人們去研究這些現象的本質，去揭開原子內部結構的秘密。新的發現也在呼喚著反映微觀世界結構和描述微觀世界運動規律的新的科學理論的誕生。

然而，早期量子理論的出現并不直接源于這幾個重大發現，而是源于對黑體輻射問題的研究，具體他說是源于"絕對黑體輻射能量分布密度的公式與實驗結果不符"的事實。在解決上述矛盾的過程中，普朗克提出了一個能與實驗相符的公式，然而，根據舊有的理論卻無法對這個與實驗相符的公式作出令人滿意的解釋。于是，他不得不于1900年提出了一個革命性的"能量子"的假說。

五年之后，愛因斯坦發展了"能量子"概念，提出"光量子"理論(這一年，愛因斯坦同時創立了"狹義相對論")，對"光電效應"作出了滿意的理論解釋，而且，第一次提出了"光具有波動性和粒子性這兩重性質"。普朗克和愛因斯坦的工作為量子力學奠定了重要的基石。約20年后，愛因斯坦關于"光的二重性"觀點啟發了德布羅意，后者對"光的二重性"的拓廣，直接推動了量子理論的發展。

另一方面，在前面所述的重大發現的基礎上，人們提出了關于原子結構的各種模型和設想，如1902年，W.湯姆遜即開耳芬勛爵的"面包葡萄干"模型；1911年，盧瑟福的"太陽系模型"等。但是，這些模型都先后被否定了。1913年，玻爾在盧瑟福模型的基礎上，結合普朗克的量子概念，提出了"原子結構的量子化軌道理論"。這一理論雖然突破了經典理論的許多框框，成功地解決了盧瑟福模型的困難，而且還解釋了許多微觀實驗事實，但是，這一實際上還是基于經典理論基礎上的模型，仍然面對許多無法解釋的難題。

1923年后，早期量子理論的困難才有了突破性進展。首先是德布羅意，在愛因斯坦"光量子"論的啟發下，提出了實物粒子的"波粒二重性"，使量子理論由"早期階段"而轉入新的量子理論——量子力學的形成階段。作為反映微觀世界運動規律正確理論的量子力學是沿著兩條不同道路發展的。一條是源于德布羅意的"物質波"，并由薛定諤完成的"波動力學"；一條是海森堡等通過對玻爾的"對應性原理"等理論進行深入的、批判性的研究后面形成的"矩陣力學"。后來證明，這兩種描述微觀世界的理論是完全等價的，只是形式不同，因此合稱量子力學。1928年，狄拉克相對論性波動方程的導出，標志著量子力學的最終建成，并實現了量子理論和相對論的統一。

之后，圍繞量子力學理論的物理解釋，科學界展開了一場規模和深度空前的爭論，對壘雙方的代表分別是科學巨匠愛因斯坦和哥本哈根學派的領袖玻爾。這一場曠日持久、至今仍未平息的學術論爭，將人們對自然界的認識不斷引向深化。

作為現代物理學兩大支柱的量子力學和相對論的建立，是發生在20世紀的最深刻的科學革命。這兩個理論的共同之處是，對經典物理理論的突破，對傳統的錯誤或狹隘觀念的否定，擴大了人類所認識的自然界的領域，并極大豐富了人類的思想寶庫。它們的誕生帶來了物理學及其他學科領域的革命性變化，導致一系列新學科和邊緣學科的出現，如核物理學、物性物理學、基本粒子物理、天體物理、宇宙學、量子化學、量子生物學等，為新的技術革命奠定了堅實的理論基礎，對20世紀乃至今后幾個世紀的科學和技術的進步，都是極大的推動。

而量子理論發展與相對論創立的一個明顯不同之處在于它的研究的群體性，至今生命力不減當年的相對論基本上是由愛因斯坦獨自闖關過隘創立的，而量子理論則先后有許多科學巨人為之獻出了畢生精力。這種科學研究的群體性特點在20世紀后來的科學和技術研究中，均表現得十分突出。例如，在核能的開發和利用過程中，在第一批原子彈的研制過程和第一臺電子計算機的研制過程中。

1905年，愛因斯坦在創立狹義相對論時，提出了著名的質量能量關系式E＝MC2，從理論上預言了物質內部蘊涵著極大的能量。但從理論預見到30年代末真正為打開核能庫的大門作好準備，這中間凝聚了許多科學家和技術人員的心血。

在物理學一系列重大發現和量子力學理論的推動下，30年代核物理學的研究蓬蓬勃勃，正是這種研究直接導致了核能的開發。1932年2月，盧瑟福的學生查德威克宣布發現中子；1934年，費米領導的研究小組成功地利用中子轟擊原子核，創造了一系列新的放射性同位素并發現了"慢中子效應"。這一效應的發現被譽為"核時代的實際起點"。1938年，哈恩和斯特拉斯曼經過對有關實驗結果的慎密分析后指出，利用中子轟擊鈾核將產生"重核裂變現象"。1939年2月，麥特納與弗瑞士撰文解釋哈恩的重核裂變實驗，并指出，重核裂變的同時發生了"質量虧損"的現象，根據愛因斯坦質能關系式，核分裂必然伴隨著巨大的能量釋放。同年，費米和其他科學家發現了重要的"鏈式反應"的原理，證明在極短的時間原子內部可以釋放出極大的能量。

核物理學的研究成果為核能的開發和利用、為研制原子武器奠定了基礎，但從理論到工程實踐，從科學家的實驗室到制出實物還需要進行大量的應用研究、工程研究和生產工藝等方面的研究，要解決許多極為復雜的技術問題，而且，需要大規模有組織的協作和投入大量的人力、物力和財力。所有這些在和平時期是很難想象的。第二次世界大戰的形勢促成美國下決心研制原子武器，希特勒在歐洲的法西斯暴行迫使當時世界上許多最優秀的科學家云集到美國，這些都構成了原子彈研制成功的先決條件。

1941年12月6日，在珍珠港事件的前一天，美國科學研究發展總局局長宣布了全力以赴地制造原子彈的決定。1942年，盟國的原子能計劃進入一個嶄新的階段，美國原子能研究的最高控制權也轉移到了軍政委員會。同年8月13日，研制原子彈的全部計劃為保密起見而取名為"曼哈頓工程"。為實現這一"工程"，美國動員了50余萬人，其中有15萬科技人員，耗資22億美元，動用了全國1／3的電力，在不到四年的時間里制造了三顆原子彈。

原子彈的制成充分表現出了科學研究的群體性特點，同時表明，任何一項重大的發明和技術成果的取得，都是科學技術歷史發展的必然，但是，除了理論成熟、技術條件具備之外，社會需要也是不可或缺的重要條件。第一臺電子計算機的研制也充分證明了這一點。

計算工具經歷了人工計算工具、機械計算機、機電計算機、繼電器計算機等的千百年革新演進，到20世紀30年代，在程序自動控制、系統結構、數據的輸入輸出以及數據存儲等方面為現代電子計算機的產生奠定了非常成熟的技術基礎。其實，電子管在20世紀初(1906年）已經問世，邏輯電路的理論早在19世紀末也已建立，現代計算機的基本設計思想和完整的藍圖在她誕生之前100多年，已經由英國數學家巴貝吉給予了天才的描繪。也就是說，電子計算機的研制更早些時候已經具備了必要的理論和技術條件，但是，第一臺電子計算機ENIAC于四十年代才誕生。對此，ENIAC設計方案的提出者莫希萊曾回答說："一部分原因是在此之前還沒有這種迫切的需要。需要是個奇怪的東西，人們往往需要某種事物，但又不知道他們需要它。"美籍保加利亞學者阿塔納索夫和德國工程師朱斯等分別在30年代末和40年代初對電子計算機的研制作了饒有成效的探索，但他們都因缺乏經費，得不到政府的支持而未成功。他們研制計劃的夭折和后來第一臺電子計算機ENIAC的成功再次說明了現代科學技術發展的鮮明社會化特征。制造電子計算機不可能再象帕斯卡加法機、萊布尼茲計算機和巴貝吉差分機那樣，可以靠某個杰出的科學家個人的努力來實現，它需要雄厚的技術基礎，需要大量的資金投入，需要多學科的科學家、工程技術人員和科技管理人員的密切配合，更需要國家財政的全面支持。

第二次世界大戰中，由于戰時彈道研究實驗室火力表計算和研究的需要，美國軍械部和莫爾學院于1943年6月簽定合同，投入40萬美元，實施ENIAC的研制計劃。1945年底，第一臺電子計算機的研制工作全部完成，實際耗資48萬美元。可以說，戰爭的需要是第一臺電子計算機誕生的直接動因。

20世紀的兩次世界大戰對科學和技術發展的影響是深遠、巨大而復雜的。特別是第二次世界大戰對相關應用技術和應用學科的促進，不僅僅表現在核技術和計算機技術方面，構成我們現代文明的許多中樞技術，如廣播和電視使用的超短波技術、雷達技術、自動控制技術、噴氣機技術、火箭技術等，也都是在前人科學研究的基礎上，于20年代開始萌芽、成長，30年代先后進入了成熟階段，第二次世界大戰中開花結果的。戰爭還根本改變了科學技術在人類社會中所處的地位，并使其出現了一系列嶄新的特點。

這一歷史時期中得到發展的科學和技術，大大推進了20世紀人類社會的發展和科技的進步。人類的許多夢想，對能源的渴求，探索太空、探索微觀物質的奧秘的希冀，真正解放智力、運籌信息的愿望，……，已經變成現實或正在變成現實。