量子电子航空 开启崭新世纪——世界科技一百年(二) 20世纪初10年

王渝生

量子电子航空 开启崭新世纪
——世界科技一百年(二) 20世纪初10年

王渝生

20世纪是新的科学技术革命的世纪，它发端于19世纪和20世纪交替时期开始的物理学革命。继16世纪中叶哥白尼的近代天文学革命（1543年）之后，19世纪末一系列新的科学发现，如伦琴发现X射线（1895年）、贝克勒尔发现放射性（1896年）、汤姆逊发现电子（1897年）、居里夫妇发现钋和镭（1898年）等，揭开了20世纪头30年物理学革命的序幕，在20世纪初10年则诞生了普朗克的量子论（1900年）和爱因斯坦的狭义相对论（1905年）。

继18世纪60年代开始以蒸汽机的广泛使用为主要标志的工业革命（又称第一次技术革命）之后，19世纪80年代开始以电力的广泛应用为主要标志的电力革命（又称第二次技术革命），到了20世纪初已进入后期，除电力工业和汽车工业仍蓬勃发展之外，电子技术和航空技术开始兴起。莱特兄弟发明了飞机（1903年），弗莱明发明了真空二极管（1904年），弗列斯特发明了真空三级管（1907年），福特制造了T型汽车（1908年）。一系列的科学发现和技术发明开启了崭新的20世纪。

20世纪的头10年，中国正处于封建社会的末期，清政府摇摇欲坠。可以一提的与科技有关的事是1898年创办的京师大学堂于1912年改名为北京大学，1903年周树人发表《中国地质略论》和1905－1909年詹天佑建造京张铁路。

普朗克创立量子论

1900年，德国物理学家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858.4.23－1947.10.3）创立量子论，提出辐射不是连续的、而只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。这不仅对古典物理理论“自然界无跳跃”是离经叛道，而且也为常识所不容，从而开启了持续20世纪头30年的物理学革命。

普朗克（1858-1947）

希尔伯特发表“23个数学问题”

据说诺贝尔生前不喜欢数学，所以他在遗嘱中没有设立数学奖。而如果有此奖项的话,首次荣获者很有可能是德国数学家希尔伯特（David Hilbert，1862.1.23—1943.2.14）。

1900年，38岁的希尔伯特在巴黎举行的国际数学家大会上，发表了“23个数学问题”的著名讲演，总结了19世纪数学的巨大发展。展望了20世纪数学的诱人前景，他像德国民间传说中具有神奇魔力的风笛手，吹奏着数学魔笛，将许许多多的数学家引上了数学的高峰。

20世纪许多数学成就，甚至于一些新的数学分支的发展，都与这23个数学问题相关，如中国数学家华罗庚关于华林问题的研究，陈景润关于哥德巴赫猜想的研究等。

希尔伯特（1862-1943)

齐柏林飞艇首次飞行

德国飞船设计家冯·齐柏林伯爵（Count Ferdinand von Zeppelin，1838－1917）在2000年以大卫·舒瓦兹（David Schwarz）所设计的飞艇为蓝本，进一步发展而来的硬式飞艇首次飞行成功。由于硬式飞艇技术的成熟，使大型化成为可能。后来一度其能力较同时期飞机优秀，可装载大型货物，在航空事业早期具有辉煌成绩。

齐柏林（1838-1917）

上：诺贝尔奖章下：1901年12月10日，诺贝尔奖首次颁奖仪式在斯德哥尔摩举行

诺贝尔（1833-1896）

伦琴（1845-1923）

范霍夫（1852-1911）

埃米尔·冯·贝林（1854-1917）

首次荣获诺贝尔化学奖的是荷兰的范霍夫（Jacobus He nricus Varrt Hoff，1852.8.30—1911.3.1），他在对碳原子结构及稀溶液中化学平衡的研究方面贡献卓著。

首次荣获诺贝尔生理学或医学奖的是德国的贝林（Emil Adolf von Behring，1854.3.15—1917），他发明了血清白喉抗毒素，创造了血清疗法。

马可尼无线电通讯横越大西洋

1901年12月，意大利无线电工程师，企业家，实用无线电报通信的创始人马可尼（Guglielmo Marchese Marconi，1874.4.25—1937），在英国与纽芬兰之间(3540公里)，实现横过大西洋的无线电通讯，使无线电达到实用阶段。1909年他与布劳恩一起获得诺贝尔物理学奖。

左为马可尼（1874-1937）

卢瑟福发现原子衰变

卢瑟福（Ernest Rutherford，1871.8.30—1937.10.19）是二十世纪最伟大的实验物理学家之一，在放射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献，被称为近代原子核物理学之父。他在1902年发现放射性元素能自发地释放射线和能量，最终转化为其他稳定元素，即原子衰变现象

卢瑟福（1871-1937）

原子衰变

汤姆逊提出原子模型

约瑟夫·约翰·汤姆逊（Thomson，Joseph John，1856—1940），英国物理学家。他从实验上发现了电子的存在。他把电子看成原子的组成部分，用原子内电子的数目和分布来解释元素的化学性质。1903年，汤姆逊提出了原子模型，把原子看成是一个带正电的球，电子在球内运动。他还进一步研究了原子的内部构造和阴极射线。1906年他因在气体导电研究方面的成就获得了诺贝尔物理学奖。

汤姆逊 （1856-1940）

汤姆逊原子模型

威尔逊发明雾室

英国物理学家威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson,1986.2.14—1959.11.15）一生的贡献很多，但是最主要的是发明了雾室。此事说来话长，那是由他的老师汤姆逊的一番谈话引起的。有一天汤姆逊向威尔逊提起，说他需要一种特别的仪器，这种仪器要能够显示出各个电子经由空气时所走路线的痕迹。威尔逊把老师的话牢牢记在心里，决心把这一设想变成现实。

经过多年的悉心研究，威尔逊终于从水蒸气凝结在离子上的现象中，发现了一种跟踪离子轨迹的方法即雾室，从而把幻想变成了现实。1911年，他亲自看到了带电粒子的轨迹。康普顿效应的理论发表后不久，威尔逊又进行了一系列的云迹观察，从实验上证实了这个理论，从而为爱因斯坦的光子学说提供了实验依据。1927年他和美国的阿瑟·荷里·康普顿共同荣获了诺贝尔物理学奖金。

威尔逊（1869-1959）

威尔逊雾室

维尔伯·莱特（1867－1912），奥维尔·莱特（1871－1948）兄弟发明飞机

莱特兄弟发明飞机

1903年12月17日，美国莱特兄弟［Brother Wright，维尔伯·莱特Wilbur Wright（1867.4.16—1912.5.12），奥维尔·莱特Orville Wright（1871.8.19—1948.1.30）］设计并制造成功用内燃机作为动力的，由人自主操纵驾驶的飞机试飞成功，虽然只飞行了59秒钟，行程852英尺，却是人类航空史上的创举。

齐奥尔科夫斯基提出火箭飞行和火箭发动机的原理

俄国齐奥尔科夫斯基（KonstntinE.Tsiolkovsky，1857.9.5—1935.9.19）出版《利用喷气工具研究宇宙空间》著作，提出火箭飞行和火箭发动机的原理，阐述将火箭用于星际航行的可能性，成为宇宙航行的先驱者。

齐奥尔科夫斯基（1857-1935）

齐奥尔科夫斯基建立的航天学理论

洛伦兹导出洛伦兹变换

由于爱因斯坦提出的假说否定了伽利略变换，因此需要寻找一个满足相对论基本原理的变换式，荷兰物理学家洛仑兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853.7.18—1928.2.4）用一套方程组创立了这一变换式。后来，爱因斯坦重新导出了这个变换式，一般仍称它为洛伦兹变换式。

洛伦兹（1853-1928）

洛伦兹变换式

弗莱明发明真空二极管

1904年，英国电气工程师弗莱明（Alexander Fleming，1881.8.6—1955.3.11）研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡——“热离子阀”，从而催生了世界上第一只电子管，也就是人们所说的真空二极管。

然而，直到1906年真空三极管的发明后，电子管才成为实用的器件。真空三极管的发明者是美国科学家德福雷斯特。

弗莱明 （1881-1955）

真空二级电子管

左：路易·卢米埃（1862—1954），奥古斯都·卢米埃（1864—1948）兄弟右：卢米埃兄弟放映《火车进站》

卢米埃兄弟实现了彩色摄影

1904年，法国卢米埃兄弟［Brother Lumière，路易·卢米埃Louis Lumière（1862—1954），奥古斯都·卢米埃Auguste Lumière（1864—1948）］发明出真正彩色底片，这是公认的彩色摄影的革命性大事。卢米埃兄弟，是世界上从未见到过的制造摄影器材的伟大发明家。兄弟俩未到二十岁，就创办一家制造摄影器材工厂，在公元1894年，已年产销了近二百万张底片。

爱因斯坦（1879-1955）

光量子

爱因斯坦提出光量子概念

第一个把量子概念推而广之的是犹太物理学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879.3.14—1955.4.18）。他在1905年提出了“光量子”的概念，认为光的本质对于统计的平均现象而言，表现为波动；而对于瞬时的涨落现象而言，则表现为粒子，从而在人类认识自然界的历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一，即“波粒二象性”。

爱因斯坦创立狭义相对论

爱因斯坦在1905年还创立了“狭义相对论”，提出了等速运动下的“相对性理论”和“四维空时”（三维空间+时间）的新概念，揭示了空间、时间、质量和物质运动之间的有机联系，从而引起了物理学理论基础的变革，具有开创科学新时代的意义。

作为对相对论的一个推论，爱因斯坦又提出了著名的质(m)能(E)关系式：E=mc2（此处光速c=30万公里／秒），即某个物体贮存的能量等于该物体的质量乘以光速的平方。这个数量大到令人难以想象的程度。我们不妨打个比方说，1克物质全部转化成的能量，相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能；或者说，l克质量可以相当于2500万度的电能。因此，这个公式在理论上为40年代以来原子能的应用开辟了道路。

爱因斯坦在量子论和相对论方面的杰出成就，奠定了他作为20世纪科学巨人的基础。而他当时年仅26岁。有人问他取得成功的秘诀时，他创立了一个公式作答：A=X+Y+Z。其中A表示成功，X表示艰苦劳动，Y表示正确方法，Z表示沉默寡言。

象征相对论效应的图

能斯特提出热力学第三定律

德国物理学家、物理化学家和化学史家能斯特（Walther Hermann Nernst，1864.6.25—1941.11.18），1887年毕业于维尔茨堡大学，并获博士学位。第二年，他得出了电极电势与溶液浓度的关系式，即能斯特方程。

1906年，能斯特创立了热力学第三定律。热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零，称为热力学第三定律。

能斯特（1864-1941）

德福雷斯特发明真空三极管

1906年美国德福雷斯特（Lee de Forest，1873.8.26—1961.6.30）发明世界上第一支真空三极管。三极电子管的发明是电子技术发展史上的一个重要里程碑，它使人们掌握了对电信号的放大能力，从而使无线电通信可以达到前所未有的的远距离；同时也开启了20世纪第二个十年出现的以电子管为中心的新器件、新电路、新仪器的发明热潮。

德福雷斯特（1873-1961）和他发明的真空三极管

贝克兰发明酚醛塑料生产方法

1907年，美籍比利时人贝克兰（Baekeland，Leo Hendrik，1863.11.14—1944.2.23）在美国发明酚醛塑料生产方法，生产出最早的人工合成塑料。

贝克兰（1863-1944）

闵可夫斯基提出四维时空结构

德国科学家闵可夫斯基（Hermann Minkowski，1864.6.22—1909.1.12）在波恩大学任职时，曾协助著名物理学家赫兹研究电磁波的理论。1905年以后，闵可夫斯基将几乎所有精力放在电动力学上。1907年，闵可夫斯基认识到可以用非欧空间来描述洛仑兹和爱因斯坦的工作，将过去被认为是独立的时间和空间结合到一个四维的时空结构中，即闵可夫斯基时空。闵可夫斯基时空为广义相对论的建立提供了框架。

四维时空结构

福特制造T型汽车

1908年10月1日，美国人亨利·福特（Henry Ford，1863.7.30—1947.4.8）创办的福特汽车公司推出了大众型的T型车。T型车以其低廉的价格使汽车作为一种实用工具走入了寻常百姓家，美国也自此成为了“车轮上的国度”。

在1908到1927年间生产了1500多万辆T型车，1927年公司停止了T型车的生产。

福特T型车

亨利·福特（1863-1947）

池田菊苗首次制造味精

1908年，日本帝国大学化学教授池田菊苗首次发现调味佐料——味精，他从海带中提取的化学物质谷氨酸钠具有鲜美的味道。他研究和生产了这种产品，并取得“味之素”专利。他的销售广告词是“家有味之素，白水变鸡汁”。目前，百年老店日本味之素集团公司已成为全球十大食品企业之一。

池田菊苗（1864-1936）

埃尔利希发明梅毒的一种有效疗法

德国免疫学家埃尔利希（Paul Ehrlich，1854.3.14—1915.8.20）晚年时专攻化学药物治疗传染病的研究，发明治疗梅毒的有效药606（砷凡纳明），“606”是一种新药的代号，即“洒尔佛散”（申凡纳明），据说是因为试制它到第606号有机砷化合物才获得成功而名。与E.梅契尼科夫共获1908年诺贝尔生理学或医学奖。先后获得世界各学术团体授予的81个荣誉称号。在免疫学方面创立的“侧链学说”，为诊断、治疗和预防传染病提供理论基础。

保罗·埃尔利希（1854-1915）正在做实验

布莱里奥的单翼飞机首次飞越英吉利海峡

1909年，法国飞行师布莱里奥（Louis Blériot，1872.7.1—1936.8.2）设计并制成单翼飞机，首次飞越英吉利海峡，飞行时间达37分钟。

驾机飞越英吉利海峡的布莱里奥（1872-1936）

统稿：本刊编辑夏炎