量子力學建立 家用電器問世——世界科技一百年（四）20世紀20年代

王渝生

量子力學建立 家用電器問世
——世界科技一百年（四）20世紀20年代

王渝生

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

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軍。河外星系的發現是20世紀天文學最重大的成就之一，它導致了星系天文學的誕生，掀開了人類探索大宇宙的新的一頁。

在物理學家和天文學家探索物質世界和宇宙空間奧秘的同時，生物學家和醫藥學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。抗菌素的發現和免疫疫苗的研究有了突破性的進展。

科學技術的發展帶來了眾多的發明創造，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年創立了中國科學社、創刊了《科學》雜志之后，又于1928年成立了中央研究院和北平研究院，標志著中國科學的發展進入了建制化階段。

1920年

巴甫洛夫提出條件反射學說

俄國生理學家巴甫洛夫（Иван Петрович Павлов，1849.9.26-1936.2.27）創立了研究高級神經活動的學說。其核心思想是條件反射學說。巴甫洛夫把意識和行為看作“反射”，即機體通過中樞神經系統對作用于感受器的外界刺激所發生的規律性反應。包括無條件反射和條件反射。條件反射是外在世界和有機體之間形成聯系的機制。巴甫洛夫認為，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，都是在無條件反射的基礎上所形成的條件反射。所以條件反射既是生理現象，也是心理現象。

巴甫洛夫發現不同的機體在形成條件反射時表現出的個別差異，是由神經過程的特性，即大腦皮層的興奮和抑制過程的強度、平衡性和靈活性不同造成的。他進一步提出了神經類型學說，作為人類氣質和性格的生理基礎。

亨廷頓氣候決定論代表作《人生地理學原理》出版

美國地理學家、美國耶魯大學教授亨廷頓（Ellsworth Huntington，1876-1947）。長期擔任美國生態學會會長、美國地理學會會長和美國優生學會會長。旅游考察過西南亞、中亞等地。他主張地理學研究地理環境諸因素對人類的影響和人類對地理環境的適應、利用和改變。主要研究氣候與地貌、人類文明的關系，把氣候視為社會發展、國家強弱、種族優劣、經濟盛衰的決定性因素，代表作為《人生地理學原理》。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，意外地發現一種射程很長的帶正電的粒子，計算它的質量正好等于氫原子核。1914年，盧瑟福把這種粒子命名為質子。從這個實驗中得知，質子是構成原子核的一類“磚”。

原子核是否由質子這一類磚建立的呢？

“不。”盧瑟福說，“根據計算，原子核還應該有另外一種微粒存在。并且，這種微粒不帶電，它幾乎和質子一樣重，和質子結合共同形成原子核。”

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

顯微鏡下的胰島素

班丁發現胰島素

加拿大多倫多大學醫院醫師班丁（F．G．Banting，1891-1941）發現糖尿病一定與胰腺有關。經過研究，他發現在健康人的胰腺上，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想，只要想方設法增加胰腺上的小暗點，就能攻克糖尿病這個難關。他把增加的小暗點稱為“胰島素”。通過一段時間的研制，終于實現可以在胰腺不受破壞的情況下，進行正常的提取，并且在實驗室里把胰島素分離出來。

1922年

弗萊明發現溶菌酶

英國微生物學家亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming，1881.8.6-1955.3.11）13歲時隨其兄（開業醫師）去倫敦做工，由于意外地得到姑父的一筆遺產，進入倫敦大學圣瑪麗醫學院學習，1906年畢業后留在母校的研究室，幫助其師賴特博士進行免疫學研究。1918年弗萊明返回圣瑪麗醫學院，加緊進行細菌的研究工作。他在1922年發現了一種叫“溶菌酶”的物質存在于人的眼淚、唾液、血清、血漿中，含有抵御病菌的作用。根據發現，他發表了《皮膚組織和分泌物中所發現的奇特細菌》的報告。

維達爾《人文地理學原理》創立地理學上“或然派”理論

法國近代地理學創建人維達爾·白蘭士（Vidal de la Blache ，1845-1918）發表《人文地理學原理》創立地理學上“或然派”理論。他長期任教，培養了許多地理學人才，如加盧瓦、白呂納、馬東、德芒戎和布朗夏爾等。在他的倡導下，法國地理學從十九世紀后半葉起走向新的發展階段，形成一個有影響的法國地理學派。

貝爾德通過無線電波進行了電視廣播

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年他首次進行彩色電視實驗。

1923年

康普頓

吳有訓

康普頓效應

美國物理學家康普頓(Arthur Holly Compton ，1892.9.10-1962.3.15)在研究x射線通過實物物質發生散射的實驗時，發現了一個新的現象，即散射光中除了有原波長的x光外，還產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。這種現象稱為康普頓效應(compton effect)。在用經典電磁理論來解釋康普頓效應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象進行了圓滿的解釋。我國物理學家吳有訓（1897.4.26-1977.11.30）也曾對康普頓散射實驗作出杰出的貢獻。

茲沃雷金發明了電視攝相機

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

維格諾德人工合成催產素

維格諾德(Vineent Du Vigneaud，1901.5.18－1978.12.11)人工合成了催產素、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波的概念

物質波，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的幾率，其中概率的大小受波動規律的支配。量子力學認為物質沒有確定的位置，它表現出的宏觀看起來的位置其實是對幾率波函數的平均值，在不測量時，它出現在哪里都有可能，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防結核病的卡介苗

卡介苗是一種用來預防兒童結核病的預防接種疫苗，接種后可使兒童產生對結核病的特殊抵抗力。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）發明的，為了紀念發明者，將這一預防結核病的疫苗定名為“卡介苗”。目前，世界上多數國家都已將卡介苗列為計劃免疫必須接種的疫苗之一。卡介苗接種的主要對象是新生嬰幼兒，接種后可預防發生兒童結核病，特別是能防止那些嚴重類型的結核病，如結核性腦膜炎。

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

右：醫生給兒童接種疫苗

哈勃發現河外星系

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

1925年

哈勃創建星系分類系統

哈勃在取得大量觀測資料的基礎上，創建了第一個星系分類系統。

海森伯建立了矩陣力學

矩陣力學和波動力學的創立,是20世紀物理學發展史上的重要事件。其中，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901.12.5-1976.2.1）用數學方法建立了矩陣力學方程。

波恩提出了力學的算符表示法

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

1926年

薛定鍔建立了波動力學

1924年，法國物理學家德布羅意首先提出了物質波理論，即一切微觀粒子，像光一樣也都具有波粒二象性。在這一理論的基礎上，薛定鍔（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger，1887.8.12－1961.1.4）于1926年獨立地創立了波動力學，提出了薛定鍔方程，確定了波函數的變化規律。這與海森伯等人幾乎同時創立的矩陣力學成為量子力學的雙胞胎。這些理論現在已成為研究原子、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。薛定鍔的理論與海森伯所發展的形式不同，這個理論的數學式子便于實際應用。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學上是等價的。薛定鍔波動方程提出之后，在微觀物理學中得到了廣泛的應用。薛定鍔的許多科學論著中，以1927年和1928年發表的《波動力學論文集》和《關于波動力學的四次演講》最為著名。對于固體的比熱、統計熱力學、原子光譜、鐳、時間與空間等方面，他都發表過研究論文。

1927年

海森伯提出測不準原理

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

玻爾提出互補原理

玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885.10.07-1962.11.18)的互補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，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象，解釋實驗時又是缺一不可的。因此二者是“互補的”，或者“并協的”。

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

如果說海森伯的不確定關系從數學上表達了物質的波粒二象性。那么互補原理則從哲學高度概括了波粒二象性。互補原理與不確定關系是量子力學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，這種對稱性又被應用于原子核物理和粒子物理，并進一步發展成為一條普遍的規律——宇稱守恒定律。

現在，人們知道，宇稱守恒定律不僅在宏觀領域中適用，而且在強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。

海特勒開創量子化學道路

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

狄拉克把波動力學和矩陣力學統一起來，建立了量子力學

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

量子力學是從討論原子結構入手的.它的發展有兩條路線,一條路線是由德布羅意提出物質波,后來薛定鍔引入波函數的概念,并提出薛定鍔方程,建立了波動力學;另一條路線是海森堡提出了矩陣力學,玻恩(Max Born 1882-1970)等人提出了力學量算符表示法。從兩條不同的道路解決了同一個問題,即微觀粒子的力學方面的運動規律。二者的統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。

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

弗萊明發現青霉素

英國細菌學家弗萊明(Alexander Fleming1881.8.6－1955.3.11)繼1922年發現“溶菌酶”之后，于1928年偶然發現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基標本時猶豫了一下，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現了靠近青霉菌的葡萄球菌菌落都不見了。他進一步用實驗證明正是青霉菌的代謝產物青霉素具有殺菌作用，但對人或動物則毒性很小。青霉素的發現，開創了用抗菌素治療疾病的新紀元。

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

1929年

哈勃定律創立

哈勃創立了星系以極大速度遠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。哈勃定律的發現為現代宇宙學中占主導地位宇宙膨脹模型，和大爆炸理論提供了重要的觀測證據，也標志著觀測宇宙學的誕生，它是20世紀最重大的科學事件之一。

哈勃望遠鏡于1990年4月24日發射

免疫疫苗研究取得突破

20年代末，預防白喉和破傷風的疫苗也試驗成功。人類預防傳染病的工作取得了重大的進展。

破傷風桿菌（革蘭染色）

白喉桿菌

家用電器進入人們的生活

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

石英鐘表

當今市場上，石英鐘表已經非常普遍，并且逐漸地取代了機械式鐘表，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，以集成電路為核心通過指針或數字來顯示時間的結構。

數字式石英手表不用指針而是用數字顯示時間。顯示方式有兩種。一種是發光二極管顯示（簡稱LED）,因耗電大,現已不再使用；另一種是液晶顯示（簡稱LCD），為現在大多數數字式石英手表采用。它耗電小，結構簡單，成本低。但液晶顯示屬于被動發光，在黑暗中要有表內照明才能看見數字，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點。它既有指針式石英手表的指針，又有數字顯示，功能齊全。

統稿：本刊編輯夏炎