20世紀(jì)人類取得了哪些科學(xué)技術(shù)成就

【專家解說(shuō)】：20世紀(jì)最耀眼的12組科技成果 王渝生 20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)的世紀(jì)，人類在本世紀(jì)所取得的科技成就和創(chuàng)造的物質(zhì)財(cái)富超過(guò)了以往任何一個(gè)時(shí)代。它們是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的決定性因素，改變了并將繼續(xù)改變世界的面貌。它們中有一些為科技界公認(rèn)的重大成就，將在人類歷史上永遠(yuǎn)閃耀著奪目的光輝。 20世紀(jì)初科學(xué)革命兩大成就 20世紀(jì)的科學(xué)是在19世紀(jì)的重大理論成果如熱力學(xué)與電磁學(xué)理論、化學(xué)原子論、生物進(jìn)化論與細(xì)胞學(xué)說(shuō)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線、放射性、電子）導(dǎo)致了20世紀(jì)前30年的物理學(xué)革命，誕生了相對(duì)論和量子力學(xué)，成為20世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。 1、相對(duì)論 1905年，20世紀(jì)最偉大的科學(xué)天才愛因斯坦在他26歲時(shí)創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，提出了不同于經(jīng)典物理學(xué)的嶄新的時(shí)空觀和質(zhì)（m）能（E）相當(dāng)關(guān)系式E＝mc2（此處光速C＝3×108米／秒），在理論上為原子能的應(yīng)用開辟了道路。 關(guān)于E＝mc2，即物體貯藏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(shuō)，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(shuō)，1克質(zhì)量相當(dāng)于2500萬(wàn)度的電能。 1915年，愛因斯坦又創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，深刻揭示了時(shí)間、空間和物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系——空間和時(shí)間是隨著物質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化的。它成為了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一。 從1923年開始，愛因斯坦用他的后半生致力于統(tǒng)一場(chǎng)論的探索，企圖建立一個(gè)既包括引力場(chǎng)又包括電磁場(chǎng)的統(tǒng)一場(chǎng)理論，雖然他沒(méi)有取得成功，但是楊振寧和米爾斯于50年代創(chuàng)立了“楊—米爾斯場(chǎng)方程”，發(fā)展了所謂“規(guī)范場(chǎng)”的理論，使愛因斯坦夢(mèng)寐以求的統(tǒng)一場(chǎng)論可望在規(guī)范場(chǎng)的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)。 2、量子力學(xué) 1900年，普朗克創(chuàng)立了量子論，提出能量并非無(wú)限可分、能量的變化是不連續(xù)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(jìn)原子結(jié)構(gòu)理論。1923年，德布羅意提出物質(zhì)波理論。1925年，海森伯和薛定諤分別建立矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)。1928年，26歲的狄拉克提出電磁場(chǎng)中相對(duì)論性電子運(yùn)動(dòng)方程和最初形式的量子場(chǎng)論，使包括矩陣力和波動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的量子力學(xué)取得了重大的進(jìn)展。 20代末量子力學(xué)的建立，是繼1905-1915年相對(duì)論建立之后對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的又一次革命性的突破，它成功地揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，加速了原子物理學(xué)和固態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，為核物理學(xué)和粒子物理學(xué)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也促進(jìn)了化學(xué)鍵理論和分子生物學(xué)等的產(chǎn)生。因此，量子力學(xué)可以說(shuō)是20世紀(jì)最多產(chǎn)的科學(xué)理論，迄今仍具有強(qiáng)大的生命力。 20世紀(jì)中后期5大科學(xué)成就 30年代以來(lái)，物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、規(guī)范場(chǎng)、宇宙大爆炸、遺傳物質(zhì)分子雙螺旋結(jié)構(gòu)、大地構(gòu)造板塊學(xué)說(shuō)以及信息論、控制論、系統(tǒng)論等理論的創(chuàng)建，使人類的視野進(jìn)一步拓展到更為宇觀、宏觀和微觀的領(lǐng)域，成為人類文明進(jìn)步的巨大推動(dòng)力。 1、物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) 從遠(yuǎn)古時(shí)代開始，人們就在探討物質(zhì)是由什么組成的，有沒(méi)有公共的基本單元。直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為這種共同的基元就是原子。1911年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部有一個(gè)核；1913年，玻爾指出放射性變化發(fā)生在原子核內(nèi)部，于是研究原子核的組成、變化規(guī)律以及內(nèi)部結(jié)合力的核物理學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。從此，人們認(rèn)識(shí)到各種原子都是由電子、質(zhì)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(fā)現(xiàn)；另一方面，基本粒子還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。60年代以來(lái)，出現(xiàn)了基本粒子結(jié)構(gòu)的“夸克模型”、“層子模型”等，使40年代末誕生的一門新的獨(dú)立學(xué)科——基本粒子物理學(xué)（又稱高能物理學(xué)）至今方興未艾，成果累累。 2、宇宙大爆炸理論 現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究發(fā)端于愛因斯坦。他在1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論后，用它來(lái)考察宇宙的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，于1917年提出有限無(wú)邊的宇宙模型。1922年，弗里德曼提出的非靜態(tài)宇宙模型，認(rèn)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(guān)系，證實(shí)了宇宙膨脹理論。1932年，勒梅特提出了宇宙爆炸說(shuō)。 1948年，伽莫夫把核物理學(xué)的知識(shí)同宇宙膨脹理論結(jié)合起來(lái)，發(fā)展了大爆炸理論，并用它來(lái)說(shuō)明化學(xué)元素的起源。這一宇宙大爆炸理論在1965年發(fā)現(xiàn)的宇宙背景輻射現(xiàn)象和1998年哈勃望遠(yuǎn)鏡探測(cè)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(guó)《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(jié)構(gòu)的分子模型，這一成就后來(lái)被譽(yù)為20世紀(jì)生物學(xué)方面最偉大的發(fā)現(xiàn)，也被認(rèn)為是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。 DNA是遺傳基因的物質(zhì)載體——脫氧核糖核酸的英文簡(jiǎn)稱。1915至1928年間，摩爾根通過(guò)果蠅實(shí)驗(yàn)，證明了坐落在細(xì)胞核內(nèi)染色體上的基因決定著生物性狀，從而創(chuàng)立了基因理論。染色體是由蛋白質(zhì)和DNA組成的。過(guò)去生物學(xué)界一直認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體，直到1944年埃弗里等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)才證明了遺傳載體不是蛋白質(zhì)，而是DNA。1953年DNA分子結(jié)構(gòu)雙螺旋模型的建立是打開遺傳之謎的關(guān)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(zhì)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(tái)指揮者，生命的一切性狀通過(guò)受DNA決定的蛋白質(zhì)來(lái)表現(xiàn)。 4、大地板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō) 1912年，魏格納提出大陸漂移說(shuō)，認(rèn)為在地質(zhì)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(lái)，這塊古陸開始分裂、漂移，逐漸成為現(xiàn)在的幾個(gè)大陸和無(wú)數(shù)島嶼，原來(lái)的大洋則分割成幾個(gè)大洋和若干小海。 大陸漂移說(shuō)經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，由地幔對(duì)流說(shuō)（1928年）、海底擴(kuò)張說(shuō)（1961年）等階段，到1968年勒比雄等提出了全球大地板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，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(jié)構(gòu)模型，得到了越來(lái)越多的科學(xué)驗(yàn)證，特別是海洋地質(zhì)學(xué)的有力支持。 5、信息論、控制論、系統(tǒng)論 1948年，申農(nóng)《通訊的數(shù)學(xué)理論》、維納《控制論：關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》、貝塔朗菲《生命問(wèn)題》的出版，標(biāo)志著交叉科學(xué)信息論、控制論、一般系統(tǒng)論的誕生；1957年，古德等《系統(tǒng)工程學(xué)》的出版為系統(tǒng)工程論奠定了基礎(chǔ)。60年代以來(lái)，又出現(xiàn)了新的交叉科學(xué)——突變論、協(xié)同論和耗散結(jié)構(gòu)理論。 交叉科學(xué)不僅溝通了為數(shù)眾多的自然科學(xué)學(xué)科，而且在方法論上也溝通了自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)。它向人們提供了定量、精確和最優(yōu)的認(rèn)識(shí)世界的方法，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了深刻的影響。 20世紀(jì)的5大尖端技術(shù)成果 在科學(xué)的先導(dǎo)和生產(chǎn)的促進(jìn)下，20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)五大尖端技術(shù)：核技術(shù)、航天技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)和生物技術(shù)，在能源、材料、自動(dòng)化、海洋和環(huán)境等高新技術(shù)方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 1、核能與核技術(shù) 原子核的裂變和聚變反應(yīng)將產(chǎn)生和釋放出遠(yuǎn)大于機(jī)械能、化學(xué)能等產(chǎn)生的能量。核能的和平利用，為人類提供了一個(gè)既安全又清潔、取之不盡而用之不竭的能源寶庫(kù)。 1942年，美國(guó)建成了世界上第一座原子反應(yīng)堆，首次實(shí)現(xiàn)了人工控制的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)。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(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站。60年代以后，核電站進(jìn)入實(shí)用階段，發(fā)展至今已成為一種重要能源，約占全球發(fā)電總量的1／5。 核技術(shù)還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、材料、考古和環(huán)保等領(lǐng)域。40年代放射性同位素開始大量生產(chǎn)，1947年比利發(fā)明了C14測(cè)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(lái)計(jì)算機(jī)x射線斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于臨床，80年代初發(fā)展到核磁共振掃描技術(shù)（MRI）。 2、航天和空間技術(shù) 1903-1914年，齊奧爾科夫斯基提出以火箭為動(dòng)力的航行理論，奠定了航天學(xué)的基礎(chǔ)。1919年，戈達(dá)德提出火箭飛行的數(shù)學(xué)原理，并于1926年成功地發(fā)射了世界上第一枚液體燃料的火箭。1942年，布勞恩主持設(shè)計(jì)發(fā)射的液體軍用飛箭成為二戰(zhàn)后各國(guó)火箭發(fā)展的藍(lán)本。 1957年，蘇聯(lián)用洲際導(dǎo)彈的火箭裝置發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，“空間時(shí)代”從此開始。1961年，蘇聯(lián)發(fā)射載人宇宙飛船，人類首次飛向太空。1969年，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)飛船登月，人類在月球上留下了第一個(gè)腳印。1971年，蘇聯(lián)建造空間站，人類首次在太空中有了活動(dòng)基地。1981年，美國(guó)發(fā)射航天飛機(jī)成功，從此人類可以自由進(jìn)出太空。 自50年代后期起，人類開始對(duì)月球和太陽(yáng)系各大行星，以及遙遠(yuǎn)的行星際空間進(jìn)行探測(cè)，至今已發(fā)射了100多顆空間探測(cè)器，去揭示宇宙的形成與演化，探索生命的起源以及空間環(huán)境對(duì)人類生存環(huán)境的影響。 3、信息技術(shù) 信息技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域。它對(duì)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、文化等產(chǎn)生了全方位的巨大而深遠(yuǎn)的影響。 1906年，三極電子管的發(fā)明使電信號(hào)放大，從而使遠(yuǎn)程無(wú)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(shù)字化提供了重要的基礎(chǔ)。1945年問(wèn)世的電子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)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(guī)模和超大規(guī)模集成電路，70年代初開始）等發(fā)展階段，80年代開始對(duì)新一代的智能計(jì)算機(jī)、光學(xué)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的探索已取得初步成果。 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)向巨型化和微型化兩極發(fā)展。70年代中，巨型機(jī)的向量運(yùn)算速度超過(guò)了每秒億次；微機(jī)則進(jìn)入了千家萬(wàn)戶，標(biāo)志著個(gè)人電腦時(shí)代的來(lái)臨。當(dāng)今，巨型機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)每秒3．9萬(wàn)億次，而計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則在2億多網(wǎng)民的學(xué)習(xí)、研究、交流、貿(mào)易甚至娛樂(lè)等方面創(chuàng)造了嶄新的工作和生活方式。 4、激光技術(shù) 1917年，愛因斯坦在研究光的輻射的過(guò)程中，提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1958年激光被發(fā)現(xiàn)。1960年美國(guó)制成了世界上第一臺(tái)激光器，它用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光強(qiáng)度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，在這種受激輻射作用下產(chǎn)生的一種超強(qiáng)光束就是激光。 繼紅寶石激光器之后，半導(dǎo)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(wèn)世。 5、生物技術(shù) 基因重組技術(shù)（又稱基因工程）是20世紀(jì)下半葉蓬勃興起和發(fā)展的現(xiàn)代生物技術(shù)的最前沿領(lǐng)域。60年代末至70年代初，阿爾伯和史密斯發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中有兩種“工具酶”，能對(duì)DNA進(jìn)行“剪切”和“連接”；內(nèi)森斯則使用工具酶首次實(shí)現(xiàn)了DNA切割和組合。DNA的重組能創(chuàng)造性地利用生物資源，實(shí)現(xiàn)人類改造生物的遺傳特征、產(chǎn)生人類所需要的生物類型的意愿。80年代以來(lái)，已獲得上百種轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。轉(zhuǎn)基因藥物的研制和生產(chǎn)則將為人類的健康帶來(lái)新的福音。 除基因工程外，生物技術(shù)（即生物工程）還包括細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程等領(lǐng)域。1978年首例試管嬰兒路易斯誕生、1996年克隆羊多莉的出現(xiàn)都是細(xì)胞工程的杰作；加酶洗衣粉和嫩肉粉等則是酶工程的產(chǎn)品；現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)始于青霉素的生產(chǎn)，現(xiàn)已大規(guī)模利用發(fā)酵工程生產(chǎn)抗生素等。至于根據(jù)需要對(duì)天然蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，生產(chǎn)出新的、自然界原本不存在的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，更是日益受到重視，被譽(yù)為第二代基因工程。 20世紀(jì)科技發(fā)展帶給21世紀(jì)的遺產(chǎn)將包括科學(xué)的全球化、社會(huì)化，社會(huì)的科學(xué)化，科學(xué)的交叉性、復(fù)雜性和綜合性，科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的密切結(jié)合并相互作用，科學(xué)技術(shù)促進(jìn)世界和平和人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展等等。有了這些基礎(chǔ)，人類可以滿懷信心地去迎接全球化知識(shí)經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代！ （本文作者系中國(guó)科學(xué)院理學(xué)博士、中科院自然科學(xué)史所研究員、中國(guó)科技史學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)）