科學理論奠基 軍事技術(shù)崛起
——世界科技100年（三）20世紀10年代

王渝生

科學理論奠基 軍事技術(shù)崛起
——世界科技100年（三）20世紀10年代

王渝生

20世紀最初10年最為璀燦的科學明星是愛因斯坦，他在1905年創(chuàng)立了狹義相對論和光量子論。20世紀第2個10年最為璀燦的科學明星還是愛因斯坦，他在1915年把相對性理論從等速運動推廣到加速運動，創(chuàng)立了廣義相對論。除了廣義相對論，愛因斯坦還提出了受激輻射理論和有限無邊的宇宙模型。此外，魏格納提出了大陸漂移說，摩爾根開創(chuàng)了現(xiàn)代遺傳學，英國數(shù)學家B·羅素和懷特海奠定了數(shù)學基礎邏輯主義學派，美國天文學家H·羅素提出了恒星演化學說，路易斯則建立了化學共鍵假說等新科學理論。

20世紀10年代，爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)（1914-1918年），槍炮、坦克、潛艇、殲擊機等陸海空武器裝備和軍事技術(shù)在戰(zhàn)爭中得到了發(fā)展。事實證明，人類對科學技術(shù)的應用是柄雙刃劍，用于和平可造福人類，用于戰(zhàn)爭則使生靈涂炭。

這10年間，中國爆發(fā)了辛亥革命、五四運動，為近代科學發(fā)展奠定了思想基礎;中國科學社、中華醫(yī)學會、中華農(nóng)學會相繼成立，標志著中國民間科技社團的興起。

伍爾夫發(fā)現(xiàn)宇宙射線

1910年3月10日，巴黎春寒料峭，來自荷蘭發(fā)肯堡的耶穌會神甫兼物理學教師伍爾夫（F．T．Wulf）爬上高約300米的埃菲爾鐵塔（當時為世界最高建筑）頂端的氣象站，觀測平臺，利用自己新近發(fā)明的一種高靈敏度的靜電計測定此高度空氣的導電性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了宇宙射線。

索迪提出同位素假說

19世紀、20世紀之交發(fā)生的物理學革命，生長出一批富有活力的新學科，促成了一系列新技術(shù)和新的實驗手段的出現(xiàn)，揭開了現(xiàn)代自然科學的序幕，在這場偉大的科技革命中，一些化學家也建立了永載史冊的業(yè)績，盧瑟福、居里夫人、索迪就是其中的代表。索迪（Frederick Soddy，1877.9.2-1956.9.22）于1910年提出了同位素假說，1913年發(fā)現(xiàn)了放射性元素的位移規(guī)律，為放射化學、核物理學這兩門新學科的建立奠定了重要基礎。因此榮獲了1921年的諾貝爾化學獎。

羅素和懷特海奠定了數(shù)學基礎邏輯主義學派

1910年至1913年，英國數(shù)學家B·羅素（Bertrand Arthur William Russell，1872.5.18—1970.2.2） 與懷特海（Alfred North Whitehead，1861.2.15—1947.12.30）合著《數(shù)學原理》三卷本陸續(xù)出版，提出了數(shù)學基礎邏輯主義學派的基本理論。

盧瑟福建立原子模型

根據(jù)實驗結(jié)果，盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）提出了關(guān)于原子的微型太陽系結(jié)構(gòu)設想。他認為，如果既有帶正電的粒子不是如他的老師湯姆遜（Thomson，Joseph John，1856-1940）所設想的，像流體一樣分布于整個原子，而是集中在中心一個小區(qū)域內(nèi)，或者稱之為“核”，情況會怎樣呢？原子的大多數(shù)質(zhì)量也許集中在核內(nèi)，相等數(shù)量的帶負電子的電子，就在核外某些地方處于運動之中。于是，盧瑟福建立了原子的微型太陽系模型，它對應于我們?nèi)祟愃诘挠钪嬷械奶栂怠?/p>

居里夫人再度獲得諾貝爾獎

繼1903年法國物理學家居里夫婦因發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)和發(fā)現(xiàn)并提煉出鐳和釙，獲諾貝爾物理學獎之后，1911年瑪麗·居里又獲諾貝爾化學獎。

居里夫婦

從維他命到維生素

維生素的命名經(jīng)歷了1911—1920年間的整整10年。

1911年，波蘭生物化學家芬克（Casimir Funk，1884.2.23—1967.11.19）根據(jù)荷蘭醫(yī)院學家愛葉克曼對腳氣病病因的研究制出了能克制腳氣的物質(zhì)的純品—— 一種屬于胺類（Amine）的化學藥品，而且證明它是維持人類生命（Vite）的絕對必需品。這兩個英文聯(lián)起來便衍生出一個新字Vitqmine(維他命)。

1912年，英國生物化學家霍普金斯（Hopkins，F(xiàn)rederic Gowland，1861.6.20—1947.5.16）發(fā)現(xiàn)許多天然食物中也含有這種動物生長和代謝所必須的微量有機物，與脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物、無機鹽及水同等重要，是維持生命不可缺少的微量物質(zhì)。

其后發(fā)現(xiàn)了多種這樣的未知營養(yǎng)素，但并不都屬胺類，于是又有各種不同的命名法。

直到1920年統(tǒng)一命名時才將Vitamice一詞中的詞尾e去掉，表示沒有化學上的關(guān)系，稱為Vitamin，中文譯名“維他命”，后來改為“維生素”。

迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和合戌了幾十種維生素，林林總總，五花八門。不過，維生素類的藥作為健康補藥的說法現(xiàn)已受到許多醫(yī)藥專家的質(zhì)疑。

芬克

霍普金斯

美國飛行員駕駛雙翼飛機在裝甲巡洋艦上成功降落

1910年11月14日，美國海軍雇傭的民間飛行員尤金伊利駕機從“伯明翰”號輕巡洋艦起飛。1911年1月18日，他又駕機在“賓夕法尼亞”號重巡洋艦上降落。從此，人類開創(chuàng)了飛機上艦的先河。

英國湯姆遜第一次發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定同位素

穩(wěn)定同位素是指某元素中不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同位素。

1913年，J.J.湯姆遜（Thomson，Joseph John，1856-1940）和F.W.阿斯頓（Francis William Aston ，1877.9.1－1945.11.20）用磁分析器發(fā)現(xiàn)天然氖是由質(zhì)量數(shù)為20和22的兩種同位素所組成，第一次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素。1919年阿斯頓制成質(zhì)譜儀（見質(zhì)譜法），并在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種核素，絕大多數(shù)是穩(wěn)定的；后來又利用光譜等方法發(fā)現(xiàn)了氧、氮等元素的穩(wěn)定同位素。已知有81種元素有穩(wěn)定同位素，穩(wěn)定核素的總數(shù)為274種（包括半衰期＞1015年的放射性核素）。

德國合成甲基橡膠

在第一次世界大戰(zhàn)期間，迫于橡膠匾乏，德國人采用了二甲基丁二烯聚合而成甲基橡膠，這種橡膠可以大量生產(chǎn)，而且價格低廉。在第一次世界大戰(zhàn)期間，德國大約生產(chǎn)了2500噸甲基橡膠。盡管這種橡膠的耐壓性能不理想，戰(zhàn)后便被淘汰了，但它畢竟是第一種具有實用價值的合成橡膠。

德國建成世界上第一座潮汐發(fā)電站

世界各國已選定了相當數(shù)量的適宜開發(fā)潮汐能的站址。據(jù)最新的估算，有開發(fā)潛力的潮汐能量每年約200TW·h。1912年，世界上最早的潮汐發(fā)電站在德國的布斯姆建成。1966年，世界上最大容量的潮汐發(fā)電站在法國的朗斯建成。我國在1958年以來陸續(xù)在廣東省的順德和東灣、山東省的乳山、上海市的崇明等地，建立了潮汐能發(fā)電站。

玻爾建立量子原子理論

1913年，丹麥物理學家玻爾（Niels Bohr,1885—1962）借助原子模型和量子理論解釋氫的光譜，極大的加深了對原子理論和結(jié)構(gòu)的認識。

美國天文學家羅素提出恒星演化學說

丹麥天文學家赫茨伯龍（Hertzsprung，Ejnar，1873.10.8-1967.10.21.）和美國天文學家H·羅素（Henry Norris Russell，1877.10.25－1957.2.18）研究了大量恒星光譜型與光度的關(guān)系。將每顆恒星的光譜與光度的數(shù)值標在圖上，得到光譜一光度圖，這個圖就稱赫羅圖。赫羅圖對恒星起源演化的研究起著重要作用，同樣也是研究恒星起源和演化的工具，赫羅圖的出現(xiàn)宣告了初級階段的結(jié)束。

當時擔任美國普林斯頓大學天文臺臺長的H·羅素提出了一種恒星起源演化的假說。羅素認為恒星最初是體積較大、密度較小的紅巨星，依靠自身引力收縮，使其表面溫度升高、光譜型越來越早。當收縮所產(chǎn)生的熱量不能彌補輻射引起的能量損失時，表面溫度下降，恒星就沿赫羅圖主星序的右下方演化。

H·羅素的假說與現(xiàn)代恒星起源演化學說不相符。但是赫羅圖的繪制，為恒星起源演化的研究提供了方便。

赫茨伯龍

意大利建世界上第一座地熱發(fā)電站

地熱發(fā)電站是利用地下熱水、高溫巖體或蒸汽作一次能源的發(fā)電站。據(jù)估計，離地表5000米深度內(nèi)所有異常熱資源儲量約為1.45×10焦，相當于5×10億噸標準煤的熱值。

繼1913年意大利在拉德瑞羅地熱田首次試驗成功552瓦地熱發(fā)電裝置、1924年日本也開始試驗地熱蒸汽發(fā)電，功率為1千瓦。1966年日本在松川建成第一座商用地熱電站，功率2萬千瓦。1960年美國在加利福尼亞州蓋瑟爾斯地熱田,建成1.1萬千瓦地熱發(fā)電機組，1985年發(fā)展到179.2萬千瓦的電站，其最大機組為13.3萬千瓦,分別是世界上最大的地熱電站和機組。在世界能源短缺日益突出的情況下，地熱作為一種新能源越來越受到各國的重視。1985年,全世界地熱發(fā)電的總裝機容量達476.4萬千瓦。地熱發(fā)電裝機較多的國家有美國（202.2萬千瓦）、菲律賓（89.4萬千瓦）、日本（21.5萬千瓦）。中國自1970年在廣東豐順縣用91℃的地下熱水發(fā)電開始，已建成各級溫度不同的循環(huán)系統(tǒng)的電站多座，其中以西藏羊八井地熱電站最大。1981年臺灣省宜蘭縣清水地熱田建成一座地熱電站，安裝3000千瓦機組一臺。

德國貝爾吉烏斯首先提出煤的液化方法

德國貝爾吉烏斯（Friedrich Bergius，1884.10.11—1949.3.30）首先提出用高壓方法和催化劑來液化煤。

魯斯卡發(fā)明電子顯微機

德國物理學家魯斯卡（Ernst August Friedrich Ruska，1906.12.25.－1988.5.27），于1913年發(fā)明電子顯微鏡，1986年，他80歲時獲諾貝爾物理學獎。

1936年底至1937年初，他們在西門子公司的電子顯微鏡工業(yè)研發(fā)工作，在柏林設立了電子顯微鏡實驗室，并于1939年研發(fā)出了第一臺能夠批量生產(chǎn)的“西門子-超顯微鏡”。

法國洛蘭發(fā)明噴氣推進劑

1913年，法國工程師雷恩·洛蘭發(fā)明噴氣推進劑，但這是一種沖壓式噴氣發(fā)動機，在當時的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。17年后，弗蘭克·惠特爾取得了他使用燃氣渦輪發(fā)動機的第一個專利，但直到11年后，他的發(fā)動機才完成其首次飛行，惠特爾的這種發(fā)動機形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的基礎。

福特公司建成最早的汽車裝備流水線

1913年10月7日，福特公司創(chuàng)立汽車裝配流水線。在海蘭園設立了第一條總裝線，幾乎使裝配速度提高了8倍。最終使每工作日每隔10秒鐘就有一臺T型車駛下生產(chǎn)線。

軍事技術(shù)崛起

1914-1918年發(fā)生的第一次世界大戰(zhàn)，是帝國主義國家之間為了重新瓜分殖民地而發(fā)動的人類歷史上第一次世界規(guī)模的戰(zhàn)爭。在這次大戰(zhàn)前和大戰(zhàn)中，武器和軍事發(fā)展技術(shù)極為迅速。

自動步槍成為步兵的主要武器，火炮也向自動化方向發(fā)展。攻守兩用型的坦克在戰(zhàn)爭中起了舉足輕重的作用，1916年英國坦克投入索姆河戰(zhàn)役獲得戰(zhàn)果，英國人感到坦克是個寶貝，為了保密，用了“坦克”（tank，原意是大水桶）這個名稱。潛水艇以魚雷作為進攻武器進入實用階段。

1910年德國制造的u-9型先進潛艇，在1914年的北海戰(zhàn)役中使英國巡洋艦損失慘重。立體戰(zhàn)爭使龐大的軍事航空工業(yè)出現(xiàn)并發(fā)展。

殲擊機的首次空戰(zhàn)發(fā)生于1914年，次年德國便研制出全金屬飛機，在四年大戰(zhàn)期間發(fā)展出18種主要軍用飛機機型，交戰(zhàn)國雙方的作戰(zhàn)飛機共達十幾萬架。

1914年，第一個全生物凈化廠在曼徹斯特投入運行。

巴拿馬運河正式通航

巴拿馬運河位于美洲大陸中部，縱貫巴拿馬地峽，是一條溝通太平洋和大西洋的船閘式運河。運河全長81．3公里，最窄處為152米，最寬處為304米。從運河中線分別向兩側(cè)延伸16．09公里所包括的地帶，為巴拿馬運河區(qū)，總面積為1432平方公里。巴拿馬運河于1914年8月15日正式通航，是世界偉大的工程，1999年被評為20世紀世界十大建筑之一。

1915年在20世紀科學史上實在是一個重要的年份。這一年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，魏格納提出了大陸漂移說，摩爾根開創(chuàng)現(xiàn)代遺傳學。

如果說愛因斯坦在1905年創(chuàng)立的狹義相對論揭示了空間、時間、質(zhì)量和物質(zhì)運動之間的聯(lián)系，那么他在1915年創(chuàng)立的廣義相對論則建立了空間、時間是隨著物質(zhì)分布和運動速度的變化而變化的理論。有了廣義相對論，則狹義相對論便是廣義相對論在引力場很弱時的特殊情況，而牛頓力學可認為是相對論力學在低速情況下的近似。當今，廣義相對論同狹義相對論和量子力學一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學三大支柱。

魏格納提出大陸漂移說

德國地質(zhì)學家魏格納發(fā)表《海陸的起源》一書，系統(tǒng)地論述了他在1912年從大西洋兩岸的南美洲東海岸凸出部分，正好與非洲西海巖凹人部分相吻合的現(xiàn)象，而提出的大膽設想，即在地質(zhì)歷史上的古生代，全球只有一塊巨大陸地，名為聯(lián)合古陸，周圍是一片連續(xù)的大洋；中生代以來，聯(lián)合古陸開始分裂、漂移，逐漸成為現(xiàn)在東、西兩半球的幾個大陸和無數(shù)島嶼，原來連續(xù)的大洋則分割成幾個大洋和若干小海。這就是大地構(gòu)造學的新理論——大陸漂移說，它有力地沖擊了傳統(tǒng)的大陸固定觀念，在地質(zhì)學上具有劃時代的意義。

摩爾根開創(chuàng)現(xiàn)代遺傳學

美國生物學家摩爾根以發(fā)表《孟德爾遺傳機制》為標志，在孟德爾定律的基礎上發(fā)展了染色體遺傳學說，提出了基因理論，開創(chuàng)了現(xiàn)代遺傳學。摩爾根認為，基因是組成染色體的遺傳單位，而染色體是遺傳基因的載體；一定的基因在一定的條件下，控制著一定的代謝過程，從而表現(xiàn)出一定的遺傳特性和特征，但基因又是可以通過突變導致性狀的變異的。他在其后總結(jié)性的著作《基因論》中還預言了基因是一個有機化學的實體。摩爾根的基因?qū)W說是遺傳學發(fā)展史上的一個里程碑。

愛因斯坦提出受激輻射理論

愛因斯坦在1912年玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論的基礎上，于1916年提出“受激輻射理論”，成為以后60年代蓬勃發(fā)展起來的激光技術(shù)的理論基礎。

愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論

英國金斯提出太陽系起源潮汐說

早期的星云說，科學界統(tǒng)稱康德—拉普拉斯說，該學說在19世紀占據(jù)太陽系起源的統(tǒng)治地位。由于該學說不能解釋行星排列的質(zhì)量分布問題和太陽系角動量特殊分布問題，而遇到了困難。因此人們又轉(zhuǎn)向災變說。1900年張伯倫（T.C.Chamberlain）提出新的星子說，摩爾頓（F.R.Moulton）發(fā)展了這個學說。有一顆恒星曾經(jīng)運動到距離太陽幾百千米處，使太陽正、背面產(chǎn)生巨大潮汐，而拋射出大量物質(zhì)，凝集成小團塊質(zhì)點，稱為星子。星子是行星的胚胎，而后聚合成行星和衛(wèi)星。后來還有金斯（Jeans,SirJamesHopwood ，1877.9.11—1946.9.16）提出的“潮汐假說”與以上學說略同。

美國路易斯建立化學共價鍵假說

1916年，美國路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875.10.25—1946.3.23）和柯塞爾同時研究原子價的電子理論。柯塞爾主要研究電價鍵理論。路易斯主要研究共價鍵理論，該理論認為，兩個(或多個)原子可以相互“共有”一對或多對電子，以便達成惰性氣體原子的電子層結(jié)構(gòu)，而形成共價鍵。路易斯在1916年《原子和分子》和1928年《價鍵及原子和分子的結(jié)構(gòu)》中闡述了他的共價鍵電子理論的觀點，并列出無機物和有機物的電子結(jié)構(gòu)式。路易斯提出的共價鍵的電子理論，基本上解釋了共價鍵的飽和性，明確了共價鍵的特點。共價鍵理論和電價鍵理論的建立，使得19世紀中葉開始應用的兩元素間的短線(即表示原子間的相互作用力或稱“化學親和力”)開始有明確的物理意義。但還沒解決共價鍵的本性問題。

日本多光太郎發(fā)明KS鋼

隨著社會發(fā)展步入高度電氣化，對磁性材料的需求量也越來越大。1917年日本東北帝國大學的多光太郎博士發(fā)明的KS鋼，在1940年初上市。這是一種以鐵為基本材料含鋁(Al)、鎳(Ni)和鈷(Co)等成份的合金，這是最初的鋁鎳鈷磁鋼原型，隨后又于1933年發(fā)明了“新KS鋼”。

愛因斯坦提出有限無邊的宇宙模型

根據(jù)廣義相對論原理，愛因斯坦提出了有限無邊的宇宙模型，至40年代末發(fā)展成為著名的宇宙大爆炸理論。

美國首次使用飛機噴藥殺滅棉鈴蟲

貝爾研究所設計載波電話

電話發(fā)明后的幾十年里，圍繞著電話的經(jīng)營、技術(shù)等問題，大量的專利被申請，Strowger的“自動撥號系統(tǒng)”減少了人工接線帶來的種種問題，干電池的應用縮小了電話的體積，裝載線圈的應用減少了長距離傳輸?shù)男盘枔p失。1906年，Lee De發(fā)明了電子試管，它的擴音功能領導了電話服務的方向。后來貝爾電話實驗室據(jù)此制成了電子三極管，這項研究具有重大意義。1915年1月25日，第一條跨區(qū)電話線在紐約和舊金山之間開通。它使用了2500噸銅絲，13萬根電線桿和無數(shù)的裝載線圈，沿途使用了3部真空管擴音機來加強信號。1948年7月1日，貝爾實驗室的科學家發(fā)明了晶體管。這不僅僅對于電話發(fā)展有重大意義，對于人類生活的各個方面都有巨大的影響。其后幾十年里，又有大量新技術(shù)出現(xiàn)，例如集成電路的生產(chǎn)和光纖的應用，這些都對通信系統(tǒng)的發(fā)展起了非常重要的作用。

盧瑟福分裂原子

1919年，盧瑟福經(jīng)一系列試驗后，發(fā)現(xiàn)了釋放出氫原子核的方法，這實現(xiàn)了千百年來煉金術(shù)士欲變換元素的夢想。盧瑟福堪稱原子之父。

德國肖特基發(fā)明真空四極管

四極管種類很多，常見的有：束射四極管，直熱四極管和多子四極管等。四極管，有音色渾厚，具有速度感等特點，實際上純粹意義的四極管只是在電子管的發(fā)展史上作為驗證管出現(xiàn)過，而沒有進入實用，這是另一話題不去說它，下面就說前面提及的目前在商品功放里超過半數(shù)以上的機種用的這東西——束射四極管。它是由德國肖特基（Walter Hermann Schottky，1886.7.23—1976.3.4）發(fā)明的。

美國亨利發(fā)明不銹鋼

畢業(yè)于英國謝菲爾德大學的著名冶金科學家亨利·布雷爾利（Harry Brearley）于20世紀初期發(fā)明了不銹鋼。

不銹鋼的發(fā)明和使用，要追溯到第一次世界大戰(zhàn)時期。英國科學家布享利·布雷爾利受英國政府軍部兵工廠委托，研究武器的改進工作。那時，士兵用的步槍槍膛極易磨損，布雷爾利想發(fā)明一種不易磨損的合金鋼。布雷爾利發(fā)明的不銹鋼于1916年取得英國專利權(quán)并開始大量生產(chǎn)，至此，從垃圾堆中偶然發(fā)現(xiàn)的不銹鋼便風靡全球，亨利·布雷爾利也被譽為“不銹鋼之父”。

英國研制成全鋼焊接船

1919年，英國研制成功高質(zhì)量的全鋼焊接船。

統(tǒng)稿：本刊編輯夏炎