量子力学建立 家用电器问世——世界科技一百年（四）20世纪20年代

王渝生

量子力学建立 家用电器问世
——世界科技一百年（四）20世纪20年代

王渝生

20世纪20年代首先是物理学的黄金时代，它是自本世纪初开始的历时30年之久的物理学革命的最后10年，其间量子力学的建立是最为引人注目的高潮。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重的打击，它对物理学乃至整个自然科学的冲击比相对论更为猛烈。相对论提供了新的时空观，量子力学则向人们提供了一种新的关于自然界的思考方法和表述形式。量子力学的一系列基本概念，如物质的波粒二象性、物理量的不可对易性、测不准关系、互补性等等，深刻地揭示了微观物质世界的基本规律，极大地加速了原子物理学和固态物理学的发展，也为核物理学和粒子物理学准备了理论基础，对结构化学和分子生物学等的产生也有启迪作用。因此，量子力学可以说是20世纪最多产的科学理论，它迄今仍具有强大的生命力。

在探索微观世界的同时，人类对宇宙世界的探索也从太阳系、银河系向更大的河外星系进军。河外星系的发现是20世纪天文学最重大的成就之一，它导致了星系天文学的诞生，掀开了人类探索大宇宙的新的一页。

在物理学家和天文学家探索物质世界和宇宙空间奥秘的同时，生物学家和医药学家也在探索人体自身的奥秘和寻求治疗疾病、延长寿命的方法。抗菌素的发现和免疫疫苗的研究有了突破性的进展。

科学技术的发展带来了众多的发明创造，丰富了人们的日常生活；家用电器的问世，具有特别重要的意义。

中国则是在1915年创立了中国科学社、创刊了《科学》杂志之后，又于1928年成立了中央研究院和北平研究院，标志着中国科学的发展进入了建制化阶段。

1920年

巴甫洛夫提出条件反射学说

俄国生理学家巴甫洛夫（Иван Петрович Павлов，1849.9.26-1936.2.27）创立了研究高级神经活动的学说。其核心思想是条件反射学说。巴甫洛夫把意识和行为看作“反射”，即机体通过中枢神经系统对作用于感受器的外界刺激所发生的规律性反应。包括无条件反射和条件反射。条件反射是外在世界和有机体之间形成联系的机制。巴甫洛夫认为，人的心理和精神，一切智力行为和随意运动，都是对信号的反应，都是在无条件反射的基础上所形成的条件反射。所以条件反射既是生理现象，也是心理现象。

巴甫洛夫发现不同的机体在形成条件反射时表现出的个别差异，是由神经过程的特性，即大脑皮层的兴奋和抑制过程的强度、平衡性和灵活性不同造成的。他进一步提出了神经类型学说，作为人类气质和性格的生理基础。

亨廷顿气候决定论代表作《人生地理学原理》出版

美国地理学家、美国耶鲁大学教授亨廷顿（Ellsworth Huntington，1876-1947）。长期担任美国生态学会会长、美国地理学会会长和美国优生学会会长。旅游考察过西南亚、中亚等地。他主张地理学研究地理环境诸因素对人类的影响和人类对地理环境的适应、利用和改变。主要研究气候与地貌、人类文明的关系，把气候视为社会发展、国家强弱、种族优劣、经济盛衰的决定性因素，代表作为《人生地理学原理》。晚年提出食物在影响人类活动方面与气候同样重要。著有《亚洲的脉搏》、《文明与气候》和《文明的主要动力》等。

1921年

卢瑟福预言中子存在

卢瑟福（ErnestRuther ford，1871.8.30-1937.10.19）在提出原子模型之后，他用阿尔法粒子轰击氮原子时，意外地发现一种射程很长的带正电的粒子，计算它的质量正好等于氢原子核。1914年，卢瑟福把这种粒子命名为质子。从这个实验中得知，质子是构成原子核的一类“砖”。

原子核是否由质子这一类砖建立的呢？

“不。”卢瑟福说，“根据计算，原子核还应该有另外一种微粒存在。并且，这种微粒不带电，它几乎和质子一样重，和质子结合共同形成原子核。”

1921年，美国的一位化学家威廉·哈金斯把这个粒子取名为中子。不过，这仅仅是一个设想，因为当时还没有在实验中找到它。

显微镜下的胰岛素

班丁发现胰岛素

加拿大多伦多大学医院医师班丁（F．G．Banting，1891-1941）发现糖尿病一定与胰腺有关。经过研究，他发现在健康人的胰腺上，分布着许多像岛屿一样的小暗点，而患糖尿病人的胰腺上，小暗点只是健康人的一半。

班丁作出了一个大胆的设想，只要想方设法增加胰腺上的小暗点，就能攻克糖尿病这个难关。他把增加的小暗点称为“胰岛素”。通过一段时间的研制，终于实现可以在胰腺不受破坏的情况下，进行正常的提取，并且在实验室里把胰岛素分离出来。

1922年

弗莱明发现溶菌酶

英国微生物学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming，1881.8.6-1955.3.11）13岁时随其兄（开业医师）去伦敦做工，由于意外地得到姑父的一笔遗产，进入伦敦大学圣玛丽医学院学习，1906年毕业后留在母校的研究室，帮助其师赖特博士进行免疫学研究。1918年弗莱明返回圣玛丽医学院，加紧进行细菌的研究工作。他在1922年发现了一种叫“溶菌酶”的物质存在于人的眼泪、唾液、血清、血浆中，含有抵御病菌的作用。根据发现，他发表了《皮肤组织和分泌物中所发现的奇特细菌》的报告。

维达尔《人文地理学原理》创立地理学上“或然派”理论

法国近代地理学创建人维达尔·白兰士（Vidal de la Blache ，1845-1918）发表《人文地理学原理》创立地理学上“或然派”理论。他长期任教，培养了许多地理学人才，如加卢瓦、白吕纳、马东、德芒戎和布朗夏尔等。在他的倡导下，法国地理学从十九世纪后半叶起走向新的发展阶段，形成一个有影响的法国地理学派。

贝尔德通过无线电波进行了电视广播

1922年贝尔德（J. L. Baird，1888-1946）开始试验电视。1926年他完成电视画面组合和播放；1928年他首次进行彩色电视实验。

1923年

康普顿

吴有训

康普顿效应

美国物理学家康普顿(Arthur Holly Compton ，1892.9.10-1962.3.15)在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长的x光外，还产生了波长比原波长大的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(compton effect)。在用经典电磁理论来解释康普顿效应遇到了困难的情况下，康普顿借助爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满的解释。我国物理学家吴有训（1897.4.26-1977.11.30）也曾对康普顿散射实验作出杰出的贡献。

兹沃雷金发明了电视摄相机

俄裔美国科学家兹沃雷金（Vladimir Kosma Zworykin，1889.7.30-1982.7.29），开辟了电子电视的时代。兹沃雷金曾经是俄国圣彼德堡技术研所的电气工程师。早在1912年，他就开始研究电子摄像技术。1919年兹沃雷金迁居美国，进入威斯汀豪森电气公司工作。他仍然不懈地进行电子电视的研究。1924年兹沃雷金的研究成果——电子电视模型出现。

维格诺德人工合成催产素

维格诺德(Vineent Du Vigneaud，1901.5.18－1978.12.11)人工合成了催产素、加压素和垂体后叶激素等多肽类激素，获得了1955年的诺贝尔奖。

1924年

德布罗意提出了物质波的概念

物质波，又称德布罗意(Louis Victor de Broglie，1892.8.15-1987.3.19)波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配。量子力学认为物质没有确定的位置，它表现出的宏观看起来的位置其实是对几率波函数的平均值，在不测量时，它出现在哪里都有可能，一旦测量，就得到它的平均值和确定的位置。

卡尔梅特和介兰试验成功了预防结核病的卡介苗

卡介苗是一种用来预防儿童结核病的预防接种疫苗，接种后可使儿童产生对结核病的特殊抵抗力。由于这一疫苗是由法国巴斯德研究所的两位学者卡尔梅特（Albert Calmette，1863.7.12－1933.10.29）与介兰（Camille Guerin，1872.12.22－1961.6.9）发明的，为了纪念发明者，将这一预防结核病的疫苗定名为“卡介苗”。目前，世界上多数国家都已将卡介苗列为计划免疫必须接种的疫苗之一。卡介苗接种的主要对象是新生婴幼儿，接种后可预防发生儿童结核病，特别是能防止那些严重类型的结核病，如结核性脑膜炎。

左：非洲阿尔法及伊萨（现称吉尔提）1972年发行了卡尔梅特（左）和介兰（右）邮票

右：医生给儿童接种疫苗

哈勃发现河外星系

35岁的美国天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889.11.20－1953.9.28）利用威文台台长海尔建造的当时世界上最大的2.5米口径望远镜，在仙女座大星云、三角座旋涡星云等中发现了一批造父变星，他用造父变星的周光关系作量天尺，测出了它们的距离，证明它们都是远在银河系外的恒星系统，即河外星系。河外星系的发现是20世纪天文学最重大的成就之一，它导致了星系天文学的诞生，掀开了人类探索大宇宙的新的一页。

1925年

哈勃创建星系分类系统

哈勃在取得大量观测资料的基础上，创建了第一个星系分类系统。

海森伯建立了矩阵力学

矩阵力学和波动力学的创立,是20世纪物理学发展史上的重要事件。其中，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901.12.5-1976.2.1）用数学方法建立了矩阵力学方程。

波恩提出了力学的算符表示法

沿着海森伯矩阵力学的道路，波恩(Max Born，1882.12.11-1970.1.5)提出了力学的算符表示法，以说明微观粒子的力学运动规律。

1926年

薛定锷建立了波动力学

1924年，法国物理学家德布罗意首先提出了物质波理论，即一切微观粒子，像光一样也都具有波粒二象性。在这一理论的基础上，薛定锷（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger，1887.8.12－1961.1.4）于1926年独立地创立了波动力学，提出了薛定锷方程，确定了波函数的变化规律。这与海森伯等人几乎同时创立的矩阵力学成为量子力学的双胞胎。这些理论现在已成为研究原子、分子等微观粒子的有力工具，并奠定了基本粒子相互作用的理论基础。薛定锷的理论与海森伯所发展的形式不同，这个理论的数学式子便于实际应用。尽管形式上好象两种完全不同的理论，但是薛定锷能够证明它们在数学上是等价的。薛定锷波动方程提出之后，在微观物理学中得到了广泛的应用。薛定锷的许多科学论著中，以1927年和1928年发表的《波动力学论文集》和《关于波动力学的四次演讲》最为著名。对于固体的比热、统计热力学、原子光谱、镭、时间与空间等方面，他都发表过研究论文。

1927年

海森伯提出测不准原理

测不准原理又名不确定关系,英文“Uncertainty principle”，是量子力学的一个基本原理，由创立矩阵力学的德国物理学家海森堡于1927年提出。本身为傅立叶变换导出的基本关系：若复函数f(x)与F(k)构成傅立叶变换对，且已由其幅度的平方归一化（即f*(x)f(x)相当于x的概率密度；F*(k)F(k)/2π相当于k的概率密度，*表示复共轭），则无论f(x)的形式如何，x与k标准差的乘积ΔxΔk不会小于某个常数（该常数的具体形式与f(x)的形式有关）。

玻尔提出互补原理

玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885.10.07-1962.11.18)的互补原理首先来自对波粒二象性的看法。光和粒子都有波粒二象性，而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现，那么，二者在描述微观粒子时就是互斥的；另一方面，二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象，解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”，或者“并协的”。

玻尔的原话是：“一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用，而这‘另一些经典概念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的；必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述”。

如果说海森伯的不确定关系从数学上表达了物质的波粒二象性。那么互补原理则从哲学高度概括了波粒二象性。互补原理与不确定关系是量子力学哥本哈根解释的两大支柱。

1927年，维格纳（Eugene Paul Wigner，1902.11.17－1995.1.1）指出，原子的两类不同的能级来自于描述原子的波函数在空间反射变换下具有的不变性。这种对称性很快在原子光谱分析中得到了利用。后来，这种对称性又被应用于原子核物理和粒子物理，并进一步发展成为一条普遍的规律——宇称守恒定律。

现在，人们知道，宇称守恒定律不仅在宏观领域中适用，而且在强相互作用和电磁相互作用中也适用。但在弱相互作用中，宇称守恒定律并不适用。

海特勒开创量子化学道路

英国理论物理学家海特勒(Walter Heinrich Heitler，1904.1.2-1981)于1927年与F.W.伦敦首先用量子力学处理氢分子，解释了氢分子中共价键的实质问题，为化学键的价键理论提供了理论基础，开创了量子化学这门学科。他曾获都柏林、格丁根和乌普萨拉等大学的荣誉博士学位，并曾获马克斯·普朗克等奖。海特勒的主要著作有《化学键理论》（与F.W.伦敦合著）、《辐射的量子理论》、《波动力学原理》和《人和科学》等。

全封闭式电冰箱在美国问世

1910年世界上第一台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世。1925年瑞典丽都公司开发了家用吸收式冰箱。1927年美国通用电气公司研制出全封闭式冰箱，但冷冻剂是有毒的物品，如氨或硫酸之类。

1928年

狄拉克把波动力学和矩阵力学统一起来，建立了量子力学

英国物理学家狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，1902.8.8-1984.10.20）是量子力学的创始人之一。狄拉克对物理学的主要贡献是发展了量子力学，提出了著名的狄拉克方程，并且从理论上预言了正电子的存在。狄拉克青年时代正好是原子物理学实验积累了大量材料、量子理论处于急剧变革的时代。

量子力学是从讨论原子结构入手的.它的发展有两条路线,一条路线是由德布罗意提出物质波,后来薛定锷引入波函数的概念,并提出薛定锷方程,建立了波动力学;另一条路线是海森堡提出了矩阵力学,玻恩(Max Born 1882-1970)等人提出了力学量算符表示法。从两条不同的道路解决了同一个问题,即微观粒子的力学方面的运动规律。二者的统一工作主要是由狄拉克完成,并加以推广,最后完成了相对论性的量子力学。

量子力学的创立者，法国的德布罗意和德国的薛定锷当时都只有30多岁，德国的海森伯和英国的狄拉克当时则只有20多岁。这说明科学家在二三十岁的年龄段，精力最充沛，最富有创造力，因而也最容易出成果。

弗莱明发现青霉素

英国细菌学家弗莱明(Alexander Fleming1881.8.6－1955.3.11)继1922年发现“溶菌酶”之后，于1928年偶然发现了能抑制葡萄球菌生长的青莓——他在冲洗被青霉菌污染了的葡萄球菌培养基标本时犹豫了一下，正是这一犹豫给全世界千百万病人带来了福音，因为这片刻的犹豫使他发现了靠近青霉菌的葡萄球菌菌落都不见了。他进一步用实验证明正是青霉菌的代谢产物青霉素具有杀菌作用，但对人或动物则毒性很小。青霉素的发现，开创了用抗菌素治疗疾病的新纪元。

继青霉素之后，链霉素、氯霉素、土霉素、四环素等等高效普适的抗菌素不断产生，成为治疗传染性疾病的强有力手段。

1929年

哈勃定律创立

哈勃创立了星系以极大速度远离银河系的退行速度V与距离D成正比的哈勃定律：V=HD，其中H被称为哈勃常数。哈勃定律的发现为现代宇宙学中占主导地位宇宙膨胀模型，和大爆炸理论提供了重要的观测证据，也标志着观测宇宙学的诞生，它是20世纪最重大的科学事件之一。

哈勃望远镜于1990年4月24日发射

免疫疫苗研究取得突破

20年代末，预防白喉和破伤风的疫苗也试验成功。人类预防传染病的工作取得了重大的进展。

破伤风杆菌（革兰染色）

白喉杆菌

家用电器进入人们的生活

除了电冰箱以外，20年代，电熨头、电暖器、电烤箱、空调器等也逐步进入了家庭。

石英钟表

当今市场上，石英钟表已经非常普遍，并且逐渐地取代了机械式钟表，而使用石英作为钟表振荡器的研究工作花了20年代的整整10年（1920-1929年）。这10年时间的代价换来的是高度精确的计时效果——天文台使用的石英钟其误差仅为每日万分之一秒或更少。

石英电子钟表中，以电池为能源，以石英振荡器为时间基准，以集成电路为核心通过指针或数字来显示时间的结构。

数字式石英手表不用指针而是用数字显示时间。显示方式有两种。一种是发光二极管显示（简称LED）,因耗电大,现已不再使用；另一种是液晶显示（简称LCD），为现在大多数数字式石英手表采用。它耗电小，结构简单，成本低。但液晶显示属于被动发光，在黑暗中要有表内照明才能看见数字，同时液晶视角较小。双显石英手表综合了以上两种石英手表的优点。它既有指针式石英手表的指针，又有数字显示，功能齐全。

统稿：本刊编辑夏炎