20世纪人类创造了哪些科技成果?

20世纪最耀眼的12科技成就。

王嵎生

20世纪是科学技术飞速发展的世纪。本世纪人类所创造的科技成果和物质财富超过了以往任何时代。它们是推动经济和社会可持续发展的决定性因素,已经并将继续改变世界的面貌。其中有些是科技界公认的伟大成就,将永远在人类历史上大放异彩。

20世纪初科学革命的两大成就。

20世纪的科学是在19世纪重大理论成果的基础上发展起来的,如热力学和电磁学、化学原子论、生物进化论、细胞理论等。19世纪的三大发现(X射线、放射性和电子)引发了20世纪前30年的物理学革命,诞生了相对论和量子力学,成为20世纪科学发展的先导和基础。

1,相对论

1905年,20世纪最伟大的科学天才爱因斯坦在26岁时创立了狭义相对论,提出了全新的时空概念和质量(m)能量(e) e = mc2(这里光速c = 3× 108m/s)的等价关系,为原子能在理论上的应用开辟了道路。

关于e = mc2,即物体储存的能量等于物体的质量乘以光速的平方,这是不可想象的。比如说,1克物质完全转化的能量,相当于正常情况下燃烧36000吨煤释放的全部热能;也就是说,1克的质量相当于2500万千瓦时的电能。

1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,深刻揭示了时间、空间、物质和运动的内在联系——时空随着物质的分布和运动的速度而变化。它已成为现代物理学的基本理论之一。

从1923开始,爱因斯坦的后半生致力于统一场论的探索,试图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场论。虽然失败了,但和米尔斯在20世纪50年代创立了“杨-米尔斯场方程”,发展了所谓的“规范场”理论,使爱因斯坦梦想中的统一场论在规范场的基础上得以实现。

2.量子力学

1900年,普朗克创立了量子理论,提出了能量不是无限可分的,能量的变化是不连续的新概念。1905年,爱因斯坦提出了光的量子理论,揭示了光的“波粒二象性”。1913年,玻尔将量子化的概念引入原子结构理论。1923年,德布罗意提出物质波理论。1925年,海森堡和薛定谔分别建立了矩阵力学和波动力学。1928年,26岁的狄拉克提出了电子在电磁场中的相对论运动方程和量子场论的原始形式,使包括矩阵力和波动力学在内的量子力学取得了重大进展。

20世纪末量子力学的建立,是继1905-1915相对论建立之后,经典物理学的又一次革命性突破。它成功地揭示了微观物质世界的基本规律,加速了原子物理学和固体物理学的发展,为核物理和粒子物理准备了理论基础,促进了化学键理论和分子生物学的产生。因此,量子力学可以说是20世纪最丰富的科学理论,至今仍具有强大的生命力。

20世纪中后期的五大科学成就

20世纪30年代以来,物质的基本结构、规范场、BIGBANG、遗传物质分子双螺旋结构、板块理论、信息论、控制论、系统论等理论相继建立,使人类的视野进一步拓展到更加全面、宏观和微观的领域,成为推动人类文明进步的巨大动力。

1,物质的基本结构

从古至今,人们一直在讨论物质是由什么组成的,是否存在公共的基本单位。直到19年底,人们都认为同一个本原是原子。1911年,卢瑟福发现原子内部有一个原子核;1913年,玻尔指出原子核内部发生放射性变化,于是产生了研究原子核的组成、变化规律和内部结合力的核物理。

1932年,查德威克发现了中子。此后,人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的,所以这三种粒子和光子被称为基本粒子。

但是,基本粒子不是“基本的”。一方面,正电子、中微子、介子等新的基本粒子相继被发现;另一方面,基本粒子也有它们的内部结构。20世纪60年代以来,基本粒子结构的夸克模型和层子模型相继出现,使得诞生于20世纪40年代末的一门新的独立学科——基本粒子物理(又称高能物理)仍然方兴未艾,硕果累累。

2.生活大爆炸理论

现代宇宙学的研究起源于爱因斯坦。他在1915年创立广义相对论后,用它来考察宇宙的结构,在1917年提出了有限和无限的宇宙模型。1922年,弗里德曼提出了非静态宇宙模型,认为宇宙可以膨胀。1929年,哈勃确定了星系的红移(即回归速度)与距离的线性关系,证实了宇宙膨胀理论。1932年,勒迈特提出了宇宙爆炸理论。

1948年,伽莫夫将核物理知识与宇宙膨胀理论相结合,发展了大爆炸理论,并用它来解释化学元素的起源。这个大爆炸理论得到了1965年发现的宇宙背景辐射现象和1998年哈勃望远镜探测到的星系的有力支持,这些星系距离地球12亿光年。

3.DNA分子双螺旋模型

1953年4月25日,英国《自然》杂志发表了——DNA双螺旋结构的分子模型,这是25岁的沃森和37岁的克里克合作研究的成果。这项成果后来被誉为20世纪生物学最伟大的发现,也被认为是分子生物学诞生的标志。

DNA是脱氧核糖核酸的缩写,是遗传基因的物质载体。在1915到1928期间,摩尔根通过果蝇的实验证明了位于细胞核内染色体上的基因决定了生物学特性,从而建立了基因学说。染色体由蛋白质和DNA组成。过去,生物学家一直认为蛋白质是遗传信息的载体。直到1944,艾弗里等人才证明遗传载体不是蛋白质,而是DNA。1953 DNA分子结构双螺旋模型的建立是解开遗传之谜的钥匙。20世纪60年代,尼伦·伯杰等人破解了遗传密码,证明地球上所有生物的遗传密码都是一样的——DNA的四个核苷酸碱基序列代表了基因的遗传信息,决定了蛋白质中20个氨基酸的组成和排列顺序。DNA作为基因的载体,是生命的后台指挥官,生命的所有性状都是由DNA决定的蛋白质来表现的。

4.构造板块理论。

1912年,魏格纳提出大陆漂移学说,认为在地质史上的古生代,世界上只有一个巨大的陆地,周围是一片海洋;从中生代开始,这片古老的土地开始分裂漂移,逐渐变成了几个大陆和数不清的岛屿。原来的海洋分为几个大洋和几个小海。

大陆漂移学说经过半个多世纪的发展,从地幔对流学说(1928)和海底扩张学说(191年)发展到1968年Rebichon等人提出的全球板块构造学说,将世界分为欧洲、亚洲、美洲、非洲、太平洋、澳大利亚和南极洲。

5、信息论、控制论、系统论

1948年,神农的《交流的数学理论》、《维纳的控制论:动物和机器中的控制与交流的科学》和贝塔朗菲的《生命问题》的出版,标志着交叉学科科学信息论、控制论和一般系统论的诞生。从65438年到0957年,古德等人的《系统工程》的出版奠定了系统工程理论的基础。自20世纪60年代以来,出现了新的交叉学科——突变理论、协同理论和耗散结构理论。

交叉科学不仅沟通了大量的自然科学学科,而且在方法论上沟通了自然科学和社会科学。它为人们提供了一种定量、准确、最优的认识世界的方式,对人类社会产生了深远的影响。

20世纪五大前沿科技成果。

在科学的指导和生产的推动下,20世纪发展了五大前沿技术:核技术、航天技术、信息技术、激光技术和生物技术,能源、材料、自动化、海洋、环境等高新技术取得了巨大进步。

1,核能与核技术

核的裂变和聚变反应将产生和释放的能量远远大于机械能和化学能所产生的能量。核能的和平利用为人类提供了一个安全、清洁、取之不尽的能源宝库。

1942年,美国建成世界上第一座原子反应堆,首次实现手动控制的链式核裂变反应。1945第一颗原子弹爆炸成功。1952第一颗轻型核聚变氢弹爆炸成功。1954年,苏联建成了世界上第一座原子能发电站。20世纪60年代后,核电站进入实用阶段,已成为重要的能源,约占全球总发电量的1/5。

核技术还广泛应用于农业、医疗、材料、考古和环保等领域。放射性同位素的大规模生产始于20世纪40年代,比利在1947年发明了C14的年代测定法。在1951中,放射性元素如Co60被用于治疗癌症。自20世纪70年代以来,计算机X线断层扫描(CT)在临床上得到广泛应用,并于80年代初发展为核磁共振扫描(MRI)。

2.航空航天和空间技术

1903-1914年,齐奥尔科夫斯基提出了以火箭为动力的航海理论,奠定了航天学的基础。1919年,戈达德提出了火箭飞行的数学原理,并于1926年成功发射了世界上第一枚液体燃料火箭。从65438年到0942年,布劳恩设计并发射的液体军用飞箭成为二战后各国火箭发展的蓝本。

1957年,苏联用洲际导弹的火箭装置发射了世界上第一颗人造地球卫星,“太空时代”开始了。1961年,苏联发射载人飞船,人类第一次飞上太空。1969年,美国阿波罗11号飞船登陆月球,人类在月球上留下了第一个脚印。1971年,苏联建成空间站,人类第一次在太空有了活动基地。1981年,美国成功发射航天飞机,从此人类可以自由出入太空。

从20世纪50年代末开始,人类开始探索月球、太阳系内的行星和遥远的行星际空间。到目前为止,已经发射了超过65,438+000个空间探测器,以揭示宇宙的形成和演化,探索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响。

3.信息技术

信息技术是20世纪发展最快的技术领域。对人类社会、经济、政治、文化产生了巨大而深远的影响。

1906年,三极管电子管的发明放大了电信号,从而使远距离无线电通信成为可能。1947年,第一个晶体管的诞生为电子电路的集成化和数字化提供了重要基础。1945问世的电子计算机,经历了第一代(电子管,从40年代中期到50年代后期)、第二代(晶体管,从50年代后期到60年代中期)、第三代(集成电路,从60年代中期到70年代初期)、第四代(大规模和超大规模集成电路,从70年代初期开始)的发展阶段。

随着大规模集成电路的出现,计算机正朝着巨型化和小型化的极端发展。70年代中期,超级计算机的向量运算速度超过每秒1亿次;微型计算机已进入千家万户,标志着个人电脑时代的到来。如今,超级计算机的计算速度已经达到每秒3.9万亿次,计算机互联网在两亿多网民的学习、研究、交流、贸易甚至娱乐中创造了一种全新的工作和生活方式。

4.激光技术

1917年,爱因斯坦在研究光的辐射过程中提出了“受激辐射”的概念,奠定了激光的理论基础。激光是1958年发现的。1960年,美国制造了世界上第一台激光器。它以红宝石晶体为发光材料,以高发光强度的脉冲氙灯为激发光源。这种受激辐射产生的超强光束就是激光。

继红宝石激光器之后,半导体激光器(1963),气体激光器(1964),自由电子激光器(1977),甚至原子激光器(1977)相继问世。

5.生物技术

基因重组技术(又称基因工程)是现代生物技术的前沿,在20世纪下半叶蓬勃发展。20世纪60年代末到70年代初,艾伯特和史密斯发现细胞中有两种“工具酶”,可以“切割”和“连接”DNA。内森首次使用工具酶切割并结合DNA。DNA的重组可以创造性地利用生物资源,实现人类改造生物遗传特征、生产人类需要的生物类型的意志。自20世纪80年代以来,已获得数百种转基因植物和动物,这对农业发展具有重要意义。转基因药物的开发和生产将给人类健康带来新的福音。

除了基因工程,生物技术(生物工程)还包括细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。1978年第一个试管婴儿路易的诞生,1996年克隆羊多莉的诞生,都是细胞工程的杰作。酵素洗衣粉、嫩肉粉都是酶工程的产物;现代发酵工业是从生产青霉素开始的,现在已经通过发酵工程大规模生产抗生素。至于需要改造天然蛋白质的基因,产生新的优质蛋白质,而这种蛋白质在自然界中是不存在的,越来越受到重视,被称为第二代基因工程。

20世纪科技发展给20世纪带来的遗产将包括科学的全球化和社会化,社会的科学化,科学的交叉性、复杂性和综合性,科技与社会的紧密结合和互动,科技对世界和平和人与自然协调发展的促进作用。有了这些基础,人类才能满怀信心地迎接全球知识经济的新时代!

(作者是中国科学院理学博士、中国科学院自然科学史研究所研究员、中国科学技术史学会秘书长。)