量子電子航空 開啟嶄新世紀
——世界科技一百年(二) 20世紀初10年

王渝生

量子電子航空 開啟嶄新世紀
——世界科技一百年(二) 20世紀初10年

王渝生

20世紀是新的科學技術革命的世紀，它發端于19世紀和20世紀交替時期開始的物理學革命。繼16世紀中葉哥白尼的近代天文學革命（1543年）之后，19世紀末一系列新的科學發現，如倫琴發現X射線（1895年）、貝克勒爾發現放射性（1896年）、湯姆遜發現電子（1897年）、居里夫婦發現釙和鐳（1898年）等，揭開了20世紀頭30年物理學革命的序幕，在20世紀初10年則誕生了普朗克的量子論（1900年）和愛因斯坦的狹義相對論（1905年）。

繼18世紀60年代開始以蒸汽機的廣泛使用為主要標志的工業革命（又稱第一次技術革命）之后，19世紀80年代開始以電力的廣泛應用為主要標志的電力革命（又稱第二次技術革命），到了20世紀初已進入后期，除電力工業和汽車工業仍蓬勃發展之外，電子技術和航空技術開始興起。萊特兄弟發明了飛機（1903年），弗萊明發明了真空二極管（1904年），弗列斯特發明了真空三級管（1907年），福特制造了T型汽車（1908年）。一系列的科學發現和技術發明開啟了嶄新的20世紀。

20世紀的頭10年，中國正處于封建社會的末期，清政府搖搖欲墜。可以一提的與科技有關的事是1898年創辦的京師大學堂于1912年改名為北京大學，1903年周樹人發表《中國地質略論》和1905－1909年詹天佑建造京張鐵路。

普朗克創立量子論

1900年，德國物理學家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858.4.23－1947.10.3）創立量子論，提出輻射不是連續的、而只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數倍的假說，即量子假說。這不僅對古典物理理論“自然界無跳躍”是離經叛道，而且也為常識所不容，從而開啟了持續20世紀頭30年的物理學革命。

普朗克（1858-1947）

希爾伯特發表“23個數學問題”

據說諾貝爾生前不喜歡數學，所以他在遺囑中沒有設立數學獎。而如果有此獎項的話,首次榮獲者很有可能是德國數學家希爾伯特（David Hilbert，1862.1.23—1943.2.14）。

1900年，38歲的希爾伯特在巴黎舉行的國際數學家大會上，發表了“23個數學問題”的著名講演，總結了19世紀數學的巨大發展。展望了20世紀數學的誘人前景，他像德國民間傳說中具有神奇魔力的風笛手，吹奏著數學魔笛，將許許多多的數學家引上了數學的高峰。

20世紀許多數學成就，甚至于一些新的數學分支的發展，都與這23個數學問題相關，如中國數學家華羅庚關于華林問題的研究，陳景潤關于哥德巴赫猜想的研究等。

希爾伯特（1862-1943)

齊柏林飛艇首次飛行

德國飛船設計家馮·齊柏林伯爵（Count Ferdinand von Zeppelin，1838－1917）在2000年以大衛·舒瓦茲（David Schwarz）所設計的飛艇為藍本，進一步發展而來的硬式飛艇首次飛行成功。由于硬式飛艇技術的成熟，使大型化成為可能。后來一度其能力較同時期飛機優秀，可裝載大型貨物，在航空事業早期具有輝煌成績。

齊柏林（1838-1917）

上：諾貝爾獎章下：1901年12月10日，諾貝爾獎首次頒獎儀式在斯德哥爾摩舉行

諾貝爾（1833-1896）

倫琴（1845-1923）

范霍夫（1852-1911）

埃米爾·馮·貝林（1854-1917）

首次榮獲諾貝爾化學獎的是荷蘭的范霍夫（Jacobus He nricus Varrt Hoff，1852.8.30—1911.3.1），他在對碳原子結構及稀溶液中化學平衡的研究方面貢獻卓著。

首次榮獲諾貝爾生理學或醫學獎的是德國的貝林（Emil Adolf von Behring，1854.3.15—1917），他發明了血清白喉抗毒素，創造了血清療法。

馬可尼無線電通訊橫越大西洋

1901年12月，意大利無線電工程師，企業家，實用無線電報通信的創始人馬可尼（Guglielmo Marchese Marconi，1874.4.25—1937），在英國與紐芬蘭之間(3540公里)，實現橫過大西洋的無線電通訊，使無線電達到實用階段。1909年他與布勞恩一起獲得諾貝爾物理學獎。

左為馬可尼（1874-1937）

盧瑟福發現原子衰變

盧瑟福（Ernest Rutherford，1871.8.30—1937.10.19）是二十世紀最偉大的實驗物理學家之一，在放射性和原子結構等方面，都做出了重大的貢獻，被稱為近代原子核物理學之父。他在1902年發現放射性元素能自發地釋放射線和能量，最終轉化為其他穩定元素，即原子衰變現象

盧瑟福（1871-1937）

原子衰變

湯姆遜提出原子模型

約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson，Joseph John，1856—1940），英國物理學家。他從實驗上發現了電子的存在。他把電子看成原子的組成部分，用原子內電子的數目和分布來解釋元素的化學性質。1903年，湯姆遜提出了原子模型，把原子看成是一個帶正電的球，電子在球內運動。他還進一步研究了原子的內部構造和陰極射線。1906年他因在氣體導電研究方面的成就獲得了諾貝爾物理學獎。

湯姆遜 （1856-1940）

湯姆遜原子模型

威爾遜發明霧室

英國物理學家威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson,1986.2.14—1959.11.15）一生的貢獻很多，但是最主要的是發明了霧室。此事說來話長，那是由他的老師湯姆遜的一番談話引起的。有一天湯姆遜向威爾遜提起，說他需要一種特別的儀器，這種儀器要能夠顯示出各個電子經由空氣時所走路線的痕跡。威爾遜把老師的話牢牢記在心里，決心把這一設想變成現實。

經過多年的悉心研究，威爾遜終于從水蒸氣凝結在離子上的現象中，發現了一種跟蹤離子軌跡的方法即霧室，從而把幻想變成了現實。1911年，他親自看到了帶電粒子的軌跡。康普頓效應的理論發表后不久，威爾遜又進行了一系列的云跡觀察，從實驗上證實了這個理論，從而為愛因斯坦的光子學說提供了實驗依據。1927年他和美國的阿瑟·荷里·康普頓共同榮獲了諾貝爾物理學獎金。

威爾遜（1869-1959）

威爾遜霧室

維爾伯·萊特（1867－1912），奧維爾·萊特（1871－1948）兄弟發明飛機

萊特兄弟發明飛機

1903年12月17日，美國萊特兄弟［Brother Wright，維爾伯·萊特Wilbur Wright（1867.4.16—1912.5.12），奧維爾·萊特Orville Wright（1871.8.19—1948.1.30）］設計并制造成功用內燃機作為動力的，由人自主操縱駕駛的飛機試飛成功，雖然只飛行了59秒鐘，行程852英尺，卻是人類航空史上的創舉。

齊奧爾科夫斯基提出火箭飛行和火箭發動機的原理

俄國齊奧爾科夫斯基（KonstntinE.Tsiolkovsky，1857.9.5—1935.9.19）出版《利用噴氣工具研究宇宙空間》著作，提出火箭飛行和火箭發動機的原理，闡述將火箭用于星際航行的可能性，成為宇宙航行的先驅者。

齊奧爾科夫斯基（1857-1935）

齊奧爾科夫斯基建立的航天學理論

洛倫茲導出洛倫茲變換

由于愛因斯坦提出的假說否定了伽利略變換，因此需要尋找一個滿足相對論基本原理的變換式，荷蘭物理學家洛侖茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853.7.18—1928.2.4）用一套方程組創立了這一變換式。后來，愛因斯坦重新導出了這個變換式，一般仍稱它為洛倫茲變換式。

洛倫茲（1853-1928）

洛倫茲變換式

弗萊明發明真空二極管

1904年，英國電氣工程師弗萊明（Alexander Fleming，1881.8.6—1955.3.11）研制出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——“熱離子閥”，從而催生了世界上第一只電子管，也就是人們所說的真空二極管。

然而，直到1906年真空三極管的發明后，電子管才成為實用的器件。真空三極管的發明者是美國科學家德福雷斯特。

弗萊明 （1881-1955）

真空二級電子管

左：路易·盧米埃（1862—1954），奧古斯都·盧米埃（1864—1948）兄弟右：盧米埃兄弟放映《火車進站》

盧米埃兄弟實現了彩色攝影

1904年，法國盧米埃兄弟［Brother Lumière，路易·盧米埃Louis Lumière（1862—1954），奧古斯都·盧米埃Auguste Lumière（1864—1948）］發明出真正彩色底片，這是公認的彩色攝影的革命性大事。盧米埃兄弟，是世界上從未見到過的制造攝影器材的偉大發明家。兄弟倆未到二十歲，就創辦一家制造攝影器材工廠，在公元1894年，已年產銷了近二百萬張底片。

愛因斯坦（1879-1955）

光量子

愛因斯坦提出光量子概念

第一個把量子概念推而廣之的是猶太物理學家愛因斯坦（Albert Einstein，1879.3.14—1955.4.18）。他在1905年提出了“光量子”的概念，認為光的本質對于統計的平均現象而言，表現為波動；而對于瞬時的漲落現象而言，則表現為粒子，從而在人類認識自然界的歷史上第一次揭示了微觀客體的波動性和粒子性的對立統一，即“波粒二象性”。

愛因斯坦創立狹義相對論

愛因斯坦在1905年還創立了“狹義相對論”，提出了等速運動下的“相對性理論”和“四維空時”（三維空間+時間）的新概念，揭示了空間、時間、質量和物質運動之間的有機聯系，從而引起了物理學理論基礎的變革，具有開創科學新時代的意義。

作為對相對論的一個推論，愛因斯坦又提出了著名的質(m)能(E)關系式：E=mc2（此處光速c=30萬公里／秒），即某個物體貯存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，l克質量可以相當于2500萬度的電能。因此，這個公式在理論上為40年代以來原子能的應用開辟了道路。

愛因斯坦在量子論和相對論方面的杰出成就，奠定了他作為20世紀科學巨人的基礎。而他當時年僅26歲。有人問他取得成功的秘訣時，他創立了一個公式作答：A=X+Y+Z。其中A表示成功，X表示艱苦勞動，Y表示正確方法，Z表示沉默寡言。

象征相對論效應的圖

能斯特提出熱力學第三定律

德國物理學家、物理化學家和化學史家能斯特（Walther Hermann Nernst，1864.6.25—1941.11.18），1887年畢業于維爾茨堡大學，并獲博士學位。第二年，他得出了電極電勢與溶液濃度的關系式，即能斯特方程。

1906年，能斯特創立了熱力學第三定律。熱力學第三定律是對熵的論述，一般當封閉系統達到穩定平衡時，熵應該為最大值，在任何過程中，熵總是增加，但理想氣體如果是絕熱可逆過程熵的變化為零，可是理想氣體實際并不存在，所以現實物質中，即使是絕熱可逆過程，系統的熵也在增加，不過增加的少。 在絕對零度，任何完美晶體的熵為零，稱為熱力學第三定律。

能斯特（1864-1941）

德福雷斯特發明真空三極管

1906年美國德福雷斯特（Lee de Forest，1873.8.26—1961.6.30）發明世界上第一支真空三極管。三極電子管的發明是電子技術發展史上的一個重要里程碑，它使人們掌握了對電信號的放大能力，從而使無線電通信可以達到前所未有的的遠距離；同時也開啟了20世紀第二個十年出現的以電子管為中心的新器件、新電路、新儀器的發明熱潮。

德福雷斯特（1873-1961）和他發明的真空三極管

貝克蘭發明酚醛塑料生產方法

1907年，美籍比利時人貝克蘭（Baekeland，Leo Hendrik，1863.11.14—1944.2.23）在美國發明酚醛塑料生產方法，生產出最早的人工合成塑料。

貝克蘭（1863-1944）

閔可夫斯基提出四維時空結構

德國科學家閔可夫斯基（Hermann Minkowski，1864.6.22—1909.1.12）在波恩大學任職時，曾協助著名物理學家赫茲研究電磁波的理論。1905年以后，閔可夫斯基將幾乎所有精力放在電動力學上。1907年，閔可夫斯基認識到可以用非歐空間來描述洛侖茲和愛因斯坦的工作，將過去被認為是獨立的時間和空間結合到一個四維的時空結構中，即閔可夫斯基時空。閔可夫斯基時空為廣義相對論的建立提供了框架。

四維時空結構

福特制造T型汽車

1908年10月1日，美國人亨利·福特（Henry Ford，1863.7.30—1947.4.8）創辦的福特汽車公司推出了大眾型的T型車。T型車以其低廉的價格使汽車作為一種實用工具走入了尋常百姓家，美國也自此成為了“車輪上的國度”。

在1908到1927年間生產了1500多萬輛T型車，1927年公司停止了T型車的生產。

福特T型車

亨利·福特（1863-1947）

池田菊苗首次制造味精

1908年，日本帝國大學化學教授池田菊苗首次發現調味佐料——味精，他從海帶中提取的化學物質谷氨酸鈉具有鮮美的味道。他研究和生產了這種產品，并取得“味之素”專利。他的銷售廣告詞是“家有味之素，白水變雞汁”。目前，百年老店日本味之素集團公司已成為全球十大食品企業之一。

池田菊苗（1864-1936）

埃爾利希發明梅毒的一種有效療法

德國免疫學家埃爾利希（Paul Ehrlich，1854.3.14—1915.8.20）晚年時專攻化學藥物治療傳染病的研究，發明治療梅毒的有效藥606（砷凡納明），“606”是一種新藥的代號，即“灑爾佛散”（申凡納明），據說是因為試制它到第606號有機砷化合物才獲得成功而名。與E.梅契尼科夫共獲1908年諾貝爾生理學或醫學獎。先后獲得世界各學術團體授予的81個榮譽稱號。在免疫學方面創立的“側鏈學說”，為診斷、治療和預防傳染病提供理論基礎。

保羅·埃爾利希（1854-1915）正在做實驗

布萊里奧的單翼飛機首次飛越英吉利海峽

1909年，法國飛行師布萊里奧（Louis Blériot，1872.7.1—1936.8.2）設計并制成單翼飛機，首次飛越英吉利海峽，飛行時間達37分鐘。

駕機飛越英吉利海峽的布萊里奧（1872-1936）

統稿：本刊編輯夏炎