量子力學(xué)建立 家用電器問世——世界科技一百年（四）20世紀(jì)20年代

王渝生

量子力學(xué)建立 家用電器問世
——世界科技一百年（四）20世紀(jì)20年代

王渝生

20世紀(jì)20年代首先是物理學(xué)的黃金時代，它是自本世紀(jì)初開始的歷時30年之久的物理學(xué)革命的最后10年，其間量子力學(xué)的建立是最為引人注目的高潮。量子力學(xué)的建立，是繼相對論之后對古典物理學(xué)的又一次嚴(yán)重的打擊，它對物理學(xué)乃至整個自然科學(xué)的沖擊比相對論更為猛烈。相對論提供了新的時空觀，量子力學(xué)則向人們提供了一種新的關(guān)于自然界的思考方法和表述形式。量子力學(xué)的一系列基本概念，如物質(zhì)的波粒二象性、物理量的不可對易性、測不準(zhǔn)關(guān)系、互補(bǔ)性等等，深刻地揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，極大地加速了原子物理學(xué)和固態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，也為核物理學(xué)和粒子物理學(xué)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)化學(xué)和分子生物學(xué)等的產(chǎn)生也有啟迪作用。因此，量子力學(xué)可以說是20世紀(jì)最多產(chǎn)的科學(xué)理論，它迄今仍具有強(qiáng)大的生命力。

在探索微觀世界的同時，人類對宇宙世界的探索也從太陽系、銀河系向更大的河外星系進(jìn)軍。河外星系的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)天文學(xué)最重大的成就之一，它導(dǎo)致了星系天文學(xué)的誕生，掀開了人類探索大宇宙的新的一頁。

在物理學(xué)家和天文學(xué)家探索物質(zhì)世界和宇宙空間奧秘的同時，生物學(xué)家和醫(yī)藥學(xué)家也在探索人體自身的奧秘和尋求治療疾病、延長壽命的方法?？咕氐陌l(fā)現(xiàn)和免疫疫苗的研究有了突破性的進(jìn)展。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來了眾多的發(fā)明創(chuàng)造，豐富了人們的日常生活；家用電器的問世，具有特別重要的意義。

中國則是在1915年創(chuàng)立了中國科學(xué)社、創(chuàng)刊了《科學(xué)》雜志之后，又于1928年成立了中央研究院和北平研究院，標(biāo)志著中國科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了建制化階段。

1920年

巴甫洛夫提出條件反射學(xué)說

俄國生理學(xué)家巴甫洛夫（Иван Петрович Павлов，1849.9.26-1936.2.27）創(chuàng)立了研究高級神經(jīng)活動的學(xué)說。其核心思想是條件反射學(xué)說。巴甫洛夫把意識和行為看作“反射”，即機(jī)體通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)對作用于感受器的外界刺激所發(fā)生的規(guī)律性反應(yīng)。包括無條件反射和條件反射。條件反射是外在世界和有機(jī)體之間形成聯(lián)系的機(jī)制。巴甫洛夫認(rèn)為，人的心理和精神，一切智力行為和隨意運動，都是對信號的反應(yīng)，都是在無條件反射的基礎(chǔ)上所形成的條件反射。所以條件反射既是生理現(xiàn)象，也是心理現(xiàn)象。

巴甫洛夫發(fā)現(xiàn)不同的機(jī)體在形成條件反射時表現(xiàn)出的個別差異，是由神經(jīng)過程的特性，即大腦皮層的興奮和抑制過程的強(qiáng)度、平衡性和靈活性不同造成的。他進(jìn)一步提出了神經(jīng)類型學(xué)說，作為人類氣質(zhì)和性格的生理基礎(chǔ)。

亨廷頓氣候決定論代表作《人生地理學(xué)原理》出版

美國地理學(xué)家、美國耶魯大學(xué)教授亨廷頓（Ellsworth Huntington，1876-1947）。長期擔(dān)任美國生態(tài)學(xué)會會長、美國地理學(xué)會會長和美國優(yōu)生學(xué)會會長。旅游考察過西南亞、中亞等地。他主張地理學(xué)研究地理環(huán)境諸因素對人類的影響和人類對地理環(huán)境的適應(yīng)、利用和改變。主要研究氣候與地貌、人類文明的關(guān)系，把氣候視為社會發(fā)展、國家強(qiáng)弱、種族優(yōu)劣、經(jīng)濟(jì)盛衰的決定性因素，代表作為《人生地理學(xué)原理》。晚年提出食物在影響人類活動方面與氣候同樣重要。著有《亞洲的脈搏》、《文明與氣候》和《文明的主要動力》等。

1921年

盧瑟福預(yù)言中子存在

盧瑟福（ErnestRuther ford，1871.8.30-1937.10.19）在提出原子模型之后，他用阿爾法粒子轟擊氮原子時，意外地發(fā)現(xiàn)一種射程很長的帶正電的粒子，計算它的質(zhì)量正好等于氫原子核。1914年，盧瑟福把這種粒子命名為質(zhì)子。從這個實驗中得知，質(zhì)子是構(gòu)成原子核的一類“磚”。

原子核是否由質(zhì)子這一類磚建立的呢？

“不?！北R瑟福說，“根據(jù)計算，原子核還應(yīng)該有另外一種微粒存在。并且，這種微粒不帶電，它幾乎和質(zhì)子一樣重，和質(zhì)子結(jié)合共同形成原子核?！?/p>

1921年，美國的一位化學(xué)家威廉·哈金斯把這個粒子取名為中子。不過，這僅僅是一個設(shè)想，因為當(dāng)時還沒有在實驗中找到它。

顯微鏡下的胰島素

班丁發(fā)現(xiàn)胰島素

加拿大多倫多大學(xué)醫(yī)院醫(yī)師班?。‵．G．Banting，1891-1941）發(fā)現(xiàn)糖尿病一定與胰腺有關(guān)。經(jīng)過研究，他發(fā)現(xiàn)在健康人的胰腺上，分布著許多像島嶼一樣的小暗點，而患糖尿病人的胰腺上，小暗點只是健康人的一半。

班丁作出了一個大膽的設(shè)想，只要想方設(shè)法增加胰腺上的小暗點，就能攻克糖尿病這個難關(guān)。他把增加的小暗點稱為“胰島素”。通過一段時間的研制，終于實現(xiàn)可以在胰腺不受破壞的情況下，進(jìn)行正常的提取，并且在實驗室里把胰島素分離出來。

1922年

弗萊明發(fā)現(xiàn)溶菌酶

英國微生物學(xué)家亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming，1881.8.6-1955.3.11）13歲時隨其兄（開業(yè)醫(yī)師）去倫敦做工，由于意外地得到姑父的一筆遺產(chǎn)，進(jìn)入倫敦大學(xué)圣瑪麗醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)，1906年畢業(yè)后留在母校的研究室，幫助其師賴特博士進(jìn)行免疫學(xué)研究。1918年弗萊明返回圣瑪麗醫(yī)學(xué)院，加緊進(jìn)行細(xì)菌的研究工作。他在1922年發(fā)現(xiàn)了一種叫“溶菌酶”的物質(zhì)存在于人的眼淚、唾液、血清、血漿中，含有抵御病菌的作用。根據(jù)發(fā)現(xiàn)，他發(fā)表了《皮膚組織和分泌物中所發(fā)現(xiàn)的奇特細(xì)菌》的報告。

維達(dá)爾《人文地理學(xué)原理》創(chuàng)立地理學(xué)上“或然派”理論

法國近代地理學(xué)創(chuàng)建人維達(dá)爾·白蘭士（Vidal de la Blache ，1845-1918）發(fā)表《人文地理學(xué)原理》創(chuàng)立地理學(xué)上“或然派”理論。他長期任教，培養(yǎng)了許多地理學(xué)人才，如加盧瓦、白呂納、馬東、德芒戎和布朗夏爾等。在他的倡導(dǎo)下，法國地理學(xué)從十九世紀(jì)后半葉起走向新的發(fā)展階段，形成一個有影響的法國地理學(xué)派。

貝爾德通過無線電波進(jìn)行了電視廣播

1922年貝爾德（J. L. Baird，1888-1946）開始試驗電視。1926年他完成電視畫面組合和播放；1928年他首次進(jìn)行彩色電視實驗。

1923年

康普頓

吳有訓(xùn)

康普頓效應(yīng)

美國物理學(xué)家康普頓(Arthur Holly Compton ，1892.9.10-1962.3.15)在研究x射線通過實物物質(zhì)發(fā)生散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長的x光外，還產(chǎn)生了波長比原波長大的x光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)(compton effect)。在用經(jīng)典電磁理論來解釋康普頓效應(yīng)遇到了困難的情況下，康普頓借助愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對此實驗現(xiàn)象進(jìn)行了圓滿的解釋。我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)（1897.4.26-1977.11.30）也曾對康普頓散射實驗作出杰出的貢獻(xiàn)。

茲沃雷金發(fā)明了電視攝相機(jī)

俄裔美國科學(xué)家茲沃雷金（Vladimir Kosma Zworykin，1889.7.30-1982.7.29），開辟了電子電視的時代。茲沃雷金曾經(jīng)是俄國圣彼德堡技術(shù)研所的電氣工程師。早在1912年，他就開始研究電子攝像技術(shù)。1919年茲沃雷金遷居美國，進(jìn)入威斯汀豪森電氣公司工作。他仍然不懈地進(jìn)行電子電視的研究。1924年茲沃雷金的研究成果——電子電視模型出現(xiàn)。

維格諾德人工合成催產(chǎn)素

維格諾德(Vineent Du Vigneaud，1901.5.18－1978.12.11)人工合成了催產(chǎn)素、加壓素和垂體后葉激素等多肽類激素，獲得了1955年的諾貝爾獎。

1924年

德布羅意提出了物質(zhì)波的概念

物質(zhì)波，又稱德布羅意(Louis Victor de Broglie，1892.8.15-1987.3.19)波，是概率波，指空間中某點某時刻可能出現(xiàn)的幾率，其中概率的大小受波動規(guī)律的支配。量子力學(xué)認(rèn)為物質(zhì)沒有確定的位置，它表現(xiàn)出的宏觀看起來的位置其實是對幾率波函數(shù)的平均值，在不測量時，它出現(xiàn)在哪里都有可能，一旦測量，就得到它的平均值和確定的位置。

卡爾梅特和介蘭試驗成功了預(yù)防結(jié)核病的卡介苗

卡介苗是一種用來預(yù)防兒童結(jié)核病的預(yù)防接種疫苗，接種后可使兒童產(chǎn)生對結(jié)核病的特殊抵抗力。由于這一疫苗是由法國巴斯德研究所的兩位學(xué)者卡爾梅特（Albert Calmette，1863.7.12－1933.10.29）與介蘭（Camille Guerin，1872.12.22－1961.6.9）發(fā)明的，為了紀(jì)念發(fā)明者，將這一預(yù)防結(jié)核病的疫苗定名為“卡介苗”。目前，世界上多數(shù)國家都已將卡介苗列為計劃免疫必須接種的疫苗之一?？ń槊缃臃N的主要對象是新生嬰幼兒，接種后可預(yù)防發(fā)生兒童結(jié)核病，特別是能防止那些嚴(yán)重類型的結(jié)核病，如結(jié)核性腦膜炎。

左：非洲阿爾法及伊薩（現(xiàn)稱吉爾提）1972年發(fā)行了卡爾梅特（左）和介蘭（右）郵票

右：醫(yī)生給兒童接種疫苗

哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系

35歲的美國天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889.11.20－1953.9.28）利用威文臺臺長海爾建造的當(dāng)時世界上最大的2.5米口徑望遠(yuǎn)鏡，在仙女座大星云、三角座旋渦星云等中發(fā)現(xiàn)了一批造父變星，他用造父變星的周光關(guān)系作量天尺，測出了它們的距離，證明它們都是遠(yuǎn)在銀河系外的恒星系統(tǒng)，即河外星系。河外星系的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)天文學(xué)最重大的成就之一，它導(dǎo)致了星系天文學(xué)的誕生，掀開了人類探索大宇宙的新的一頁。

1925年

哈勃創(chuàng)建星系分類系統(tǒng)

哈勃在取得大量觀測資料的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了第一個星系分類系統(tǒng)。

海森伯建立了矩陣力學(xué)

矩陣力學(xué)和波動力學(xué)的創(chuàng)立,是20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展史上的重要事件。其中，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901.12.5-1976.2.1）用數(shù)學(xué)方法建立了矩陣力學(xué)方程。

波恩提出了力學(xué)的算符表示法

沿著海森伯矩陣力學(xué)的道路，波恩(Max Born，1882.12.11-1970.1.5)提出了力學(xué)的算符表示法，以說明微觀粒子的力學(xué)運動規(guī)律。

1926年

薛定鍔建立了波動力學(xué)

1924年，法國物理學(xué)家德布羅意首先提出了物質(zhì)波理論，即一切微觀粒子，像光一樣也都具有波粒二象性。在這一理論的基礎(chǔ)上，薛定鍔（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger，1887.8.12－1961.1.4）于1926年獨立地創(chuàng)立了波動力學(xué)，提出了薛定鍔方程，確定了波函數(shù)的變化規(guī)律。這與海森伯等人幾乎同時創(chuàng)立的矩陣力學(xué)成為量子力學(xué)的雙胞胎。這些理論現(xiàn)在已成為研究原子、分子等微觀粒子的有力工具，并奠定了基本粒子相互作用的理論基礎(chǔ)。薛定鍔的理論與海森伯所發(fā)展的形式不同，這個理論的數(shù)學(xué)式子便于實際應(yīng)用。盡管形式上好象兩種完全不同的理論，但是薛定鍔能夠證明它們在數(shù)學(xué)上是等價的。薛定鍔波動方程提出之后，在微觀物理學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。薛定鍔的許多科學(xué)論著中，以1927年和1928年發(fā)表的《波動力學(xué)論文集》和《關(guān)于波動力學(xué)的四次演講》最為著名。對于固體的比熱、統(tǒng)計熱力學(xué)、原子光譜、鐳、時間與空間等方面，他都發(fā)表過研究論文。

1927年

海森伯提出測不準(zhǔn)原理

測不準(zhǔn)原理又名不確定關(guān)系,英文“Uncertainty principle”，是量子力學(xué)的一個基本原理，由創(chuàng)立矩陣力學(xué)的德國物理學(xué)家海森堡于1927年提出。本身為傅立葉變換導(dǎo)出的基本關(guān)系：若復(fù)函數(shù)f(x)與F(k)構(gòu)成傅立葉變換對，且已由其幅度的平方歸一化（即f*(x)f(x)相當(dāng)于x的概率密度；F*(k)F(k)/2π相當(dāng)于k的概率密度，*表示復(fù)共軛），則無論f(x)的形式如何，x與k標(biāo)準(zhǔn)差的乘積ΔxΔk不會小于某個常數(shù)（該常數(shù)的具體形式與f(x)的形式有關(guān)）。

玻爾提出互補(bǔ)原理

玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885.10.07-1962.11.18)的互補(bǔ)原理首先來自對波粒二象性的看法。光和粒子都有波粒二象性，而波動性與粒子性又不會在同一次測量中出現(xiàn)，那么，二者在描述微觀粒子時就是互斥的；另一方面，二者不同時出現(xiàn)就說明二者不會在實驗中直接沖突。同時二者在描述微觀現(xiàn)象，解釋實驗時又是缺一不可的。因此二者是“互補(bǔ)的”，或者“并協(xié)的”。

玻爾的原話是：“一些經(jīng)典概念的應(yīng)用不可避免的排除另一些經(jīng)典概念的應(yīng)用，而這‘另一些經(jīng)典概念’在另一條件下又是描述現(xiàn)象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補(bǔ)的概念匯集在一起，才能而且定能形成對現(xiàn)象的詳盡無遺的描述”。

如果說海森伯的不確定關(guān)系從數(shù)學(xué)上表達(dá)了物質(zhì)的波粒二象性。那么互補(bǔ)原理則從哲學(xué)高度概括了波粒二象性?；パa(bǔ)原理與不確定關(guān)系是量子力學(xué)哥本哈根解釋的兩大支柱。

1927年，維格納（Eugene Paul Wigner，1902.11.17－1995.1.1）指出，原子的兩類不同的能級來自于描述原子的波函數(shù)在空間反射變換下具有的不變性。這種對稱性很快在原子光譜分析中得到了利用。后來，這種對稱性又被應(yīng)用于原子核物理和粒子物理，并進(jìn)一步發(fā)展成為一條普遍的規(guī)律——宇稱守恒定律。

現(xiàn)在，人們知道，宇稱守恒定律不僅在宏觀領(lǐng)域中適用，而且在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中也適用。但在弱相互作用中，宇稱守恒定律并不適用。

海特勒開創(chuàng)量子化學(xué)道路

英國理論物理學(xué)家海特勒(Walter Heinrich Heitler，1904.1.2-1981)于1927年與F.W.倫敦首先用量子力學(xué)處理氫分子，解釋了氫分子中共價鍵的實質(zhì)問題，為化學(xué)鍵的價鍵理論提供了理論基礎(chǔ)，開創(chuàng)了量子化學(xué)這門學(xué)科。他曾獲都柏林、格丁根和烏普薩拉等大學(xué)的榮譽(yù)博士學(xué)位，并曾獲馬克斯·普朗克等獎。海特勒的主要著作有《化學(xué)鍵理論》（與F.W.倫敦合著）、《輻射的量子理論》、《波動力學(xué)原理》和《人和科學(xué)》等。

全封閉式電冰箱在美國問世

1910年世界上第一臺壓縮式制冷的家用冰箱在美國問世。1925年瑞典麗都公司開發(fā)了家用吸收式冰箱。1927年美國通用電氣公司研制出全封閉式冰箱，但冷凍劑是有毒的物品，如氨或硫酸之類。

1928年

狄拉克把波動力學(xué)和矩陣力學(xué)統(tǒng)一起來，建立了量子力學(xué)

英國物理學(xué)家狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，1902.8.8-1984.10.20）是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一。狄拉克對物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是發(fā)展了量子力學(xué)，提出了著名的狄拉克方程，并且從理論上預(yù)言了正電子的存在。狄拉克青年時代正好是原子物理學(xué)實驗積累了大量材料、量子理論處于急劇變革的時代。

量子力學(xué)是從討論原子結(jié)構(gòu)入手的.它的發(fā)展有兩條路線,一條路線是由德布羅意提出物質(zhì)波,后來薛定鍔引入波函數(shù)的概念,并提出薛定鍔方程,建立了波動力學(xué);另一條路線是海森堡提出了矩陣力學(xué),玻恩(Max Born 1882-1970)等人提出了力學(xué)量算符表示法。從兩條不同的道路解決了同一個問題,即微觀粒子的力學(xué)方面的運動規(guī)律。二者的統(tǒng)一工作主要是由狄拉克完成,并加以推廣,最后完成了相對論性的量子力學(xué)。

量子力學(xué)的創(chuàng)立者，法國的德布羅意和德國的薛定鍔當(dāng)時都只有30多歲，德國的海森伯和英國的狄拉克當(dāng)時則只有20多歲。這說明科學(xué)家在二三十歲的年齡段，精力最充沛，最富有創(chuàng)造力，因而也最容易出成果。

弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素

英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明(Alexander Fleming1881.8.6－1955.3.11)繼1922年發(fā)現(xiàn)“溶菌酶”之后，于1928年偶然發(fā)現(xiàn)了能抑制葡萄球菌生長的青莓——他在沖洗被青霉菌污染了的葡萄球菌培養(yǎng)基標(biāo)本時猶豫了一下，正是這一猶豫給全世界千百萬病人帶來了福音，因為這片刻的猶豫使他發(fā)現(xiàn)了靠近青霉菌的葡萄球菌菌落都不見了。他進(jìn)一步用實驗證明正是青霉菌的代謝產(chǎn)物青霉素具有殺菌作用，但對人或動物則毒性很小。青霉素的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了用抗菌素治療疾病的新紀(jì)元。

繼青霉素之后，鏈霉素、氯霉素、土霉素、四環(huán)素等等高效普適的抗菌素不斷產(chǎn)生，成為治療傳染性疾病的強(qiáng)有力手段。

1929年

哈勃定律創(chuàng)立

哈勃創(chuàng)立了星系以極大速度遠(yuǎn)離銀河系的退行速度V與距離D成正比的哈勃定律：V=HD，其中H被稱為哈勃常數(shù)。哈勃定律的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代宇宙學(xué)中占主導(dǎo)地位宇宙膨脹模型，和大爆炸理論提供了重要的觀測證據(jù)，也標(biāo)志著觀測宇宙學(xué)的誕生，它是20世紀(jì)最重大的科學(xué)事件之一。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于1990年4月24日發(fā)射

免疫疫苗研究取得突破

20年代末，預(yù)防白喉和破傷風(fēng)的疫苗也試驗成功。人類預(yù)防傳染病的工作取得了重大的進(jìn)展。

破傷風(fēng)桿菌（革蘭染色）

白喉桿菌

家用電器進(jìn)入人們的生活

除了電冰箱以外，20年代，電熨頭、電暖器、電烤箱、空調(diào)器等也逐步進(jìn)入了家庭。

石英鐘表

當(dāng)今市場上，石英鐘表已經(jīng)非常普遍，并且逐漸地取代了機(jī)械式鐘表，而使用石英作為鐘表振蕩器的研究工作花了20年代的整整10年（1920-1929年）。這10年時間的代價換來的是高度精確的計時效果——天文臺使用的石英鐘其誤差僅為每日萬分之一秒或更少。

石英電子鐘表中，以電池為能源，以石英振蕩器為時間基準(zhǔn)，以集成電路為核心通過指針或數(shù)字來顯示時間的結(jié)構(gòu)。

數(shù)字式石英手表不用指針而是用數(shù)字顯示時間。顯示方式有兩種。一種是發(fā)光二極管顯示（簡稱LED）,因耗電大,現(xiàn)已不再使用；另一種是液晶顯示（簡稱LCD），為現(xiàn)在大多數(shù)數(shù)字式石英手表采用。它耗電小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但液晶顯示屬于被動發(fā)光，在黑暗中要有表內(nèi)照明才能看見數(shù)字，同時液晶視角較小。雙顯石英手表綜合了以上兩種石英手表的優(yōu)點。它既有指針式石英手表的指針，又有數(shù)字顯示，功能齊全。

統(tǒng)稿：本刊編輯夏炎