高中物理校本课程-国外物理发展史

高中物理校本课程-国外物理发展史1.1物理史话1.1.1世界物理史话1.1.1.1科学发明凹面镜聚光作用的妙用古希腊叙拉古王国与罗马帝国的交战中，聪明的阿基米德使用杠杆原理制造的兵器打败了罗马马赛拉斯的进攻，而罗马将领马赛拉斯作战一天，损兵折将，正在帐内闷坐，这时进来一人献策说，三天之内能使阿基米德束手就擒。他抬头一看，原来是一员副将。那人说：“将军，你怎么忘了，我们也有厉害的武器啊，这时不用，还待何时?"原来罗马人常年征战，攻城掠地，也发明了一些专门武器。不过他们还不能像阿基米德那样巧用科学，以智取胜，而是专靠役使大量的奴隶，以力取胜。现在这位副将说有厉害的武器，是指专门用来攻城的"攻城塔"，就是立一座十分高大的木塔，下面装着轮子，攻城时推至城墙边，兵士从塔顶用弓箭封锁对方的城头，然后架上云梯强攻。马赛拉斯经部下这么一讲，才从沮丧中醒来，连忙召集会议，研究新的攻城方案。他又特别派人向海军统帅克劳狄乌斯送信，约定联合行动，务求一举攻下叙拉古。会议结束时，马赛拉斯特意宣布了一条军令：“抓住阿基米德者有重赏，但一定要保证他的安全，不得有任何伤害。”第二天，战场上一片寂静，双方相安不动，各自秣马厉兵，期以死战。第三天早晨，从罗马军营里出来一座木楼房，缓缓地向叙拉古城靠近。那正是攻城塔，前有数百人拉着，后面又有许多人推着，渐渐逼近了护城河。这时叙拉古城中又飞出了大大小小的石块，但是，这些石块碰到攻城塔上裹着的几层厚厚的牛皮，嘭嘭有声，却又软软地落地。攻城塔很快接近了城墙，固定好塔脚，塔顶上排好射手，塔下的攻城槌，开始咚咚地捣城墙了。这下叙拉古城内一片惊慌。男子差不多都上了城头，到处是一片嘶喊，刀光剑影。这时，马赛拉斯骑着一匹带铁甲的马亲自督阵，脸上显出得意的神情：“啊，阿基米德，你这个老头子，看你今天不败在我的手下?"真是屋漏偏遭连阴雨，船破又遇顶头风。正当城北罗马陆军架起攻城塔强攻硬上的时候，城南远处的海面上，克劳狄乌斯率领海军舰船，黑压压的一片，乘风破浪向城边压来。这时守城的士兵大都上了北城墙，南门上只有几个老兵放哨，见此情景就敲起钟来，并飞快地来向阿基米德告急。阿基米德正在大营里与将军们商量守城之策，接此报告，向人们吩咐了几句，便只身来到南城门楼上。他眯起那双已经挂上白眉毛的慧眼，向海面上凝视了片刻，又抬头望望天空，只见万里无云，骄阳喷火，便说道：“事情紧急，现在赶快叫全城所有的妇女带上自己的梳妆镜，到南门外集合!"一些士兵飞快进城传令去了，阿基米德守候在海边。他站在高高的礁石上，凝望着蓝天碧海。他虽然裹着一身铁甲，但是难免又闪过一缕学者的情思。多么美丽的地中海啊，水天一色浩浩茫茫，清风徐来，鸥鹭点点。这个知识之海，和平之海，她那长长的海岸从希腊半岛到尼罗河口，产生了多少科学巨人：泰勒斯、毕达哥拉斯、欧几里得、亚里士多德；她那深深的碧波，从西西里岛到塞浦路斯，融会了多少东西方的文明：中国的丝绸，印度的象牙，埃及的纸草，希腊的工艺品。可是今天这和平之海上却燃起了火，飘起了血。他又极目远眺，仿佛看到了亚历山大港外的那座塑有海神波赛依顿大雕像的巨大灯塔，仿佛看见了塔顶那团炽燃着的火，火后边那面特别大的凹面铜镜。那团火正好处在凹面镜的焦点上，也就是说在镜面弧半径的中点上，于是那光射到镜面上，又都成平行光束集中反射出去，极强极亮。他永远也不会忘记这座划破黑暗，给远航者指路的灯塔，不会忘记他第一次横渡地中海去亚里山大里亚求学，还未见海岸就先见到那团智慧之火的情景。他想起了在那里学习的时候，正当青春年华，朝气蓬勃，可是，随着岁月的流逝，他已经是70岁的老人，还肩负着卫国的重任。他暗暗乞求海神波赛依顿保佑，今天也让我们用那团智慧之火把侵略者埋葬在地中海吧。这时，罗马人的舰队已渐渐地逼近了叙拉古。克劳狄乌斯站在指挥船上，腰佩长剑，头戴铁盔。为了防备叙拉古城上那木头架子怪物再伸出魔爪，他命令将每八艘战舰锁在一起，连成一个巨大的海上战台，给士兵们配备了特制的大斧，准备砍断木架上伸出的魔手，然后就可以架着云梯登城。可是当他们的战舰接近叙拉古的时候，却看到城头上并没有那个怪物架子，也没有弯弓持枪的守兵，却看到城门大开着!这时城里走出三五成群的妇女穿着长长的白衣裙，飘飘然地走向海滩，有的爬上礁石，有的靠近水边，妇女群中还夹着少数老人、孩子--这是干什么呢?阿基米德这个怪老头子，又在玩什么诡计。克劳狄乌斯不觉犯了寻思，他忙令水手停桨，手搭冰棚仔细观察一番。不错，都是些妇女、老弱。对，一定是北面攻打得紧，城将失守，他们出城投降来了。想到这里克劳狄乌斯高兴起来，他好像看见了妇女们焦愁的面容，听到了她们乞怜求饶的柔语娇声。他哈哈大笑起来。传令水手们用快速前进，好抢头功。这时，分散在海边排成一个弧形的妇女们，每人从怀里掏出了一面镜子，如火的阳光照射镜面，立即反射出一束束强烈的光芒。克劳狄乌斯看着，以为那是一种别致的欢迎仪式，更加欣喜若狂。可是不一会儿，这些光束渐渐集中到船上，对准了桅杆，盯在那高大的白帆上。船随着海浪在起伏颠簸，光束随船帆上下移动，但却像吸住一样，总不离开那面布帆。这时满船将士才不安起来，莫非阿基米德又想出了什么怪点子。一会儿有人喊，船帆有点发黑了，有人又喊，闻到焦糊味了。话还没话完，那桅杆上的白色篷帆腾地变做一团烈火燃烧了起来。接着那浸了油的帆绳、木头桅杆都劈劈啪啪地着了火，火苗四散，继而浓烟大火，弥漫了整个船台。那些八只战舰拼起来的超级战台，因为互相连锁着，哪一个也不能逃脱。水手们心里一慌，桨法错乱，船台在波峰浪谷间只是滴溜溜地打转。不一会儿，其他的船台上也起了大火，可怜克劳锹乌斯辛苦经营的舰队，都化作了焦糊的木板漂散在地中海上，他自己幸得几只没有上锁的战舰搭救，率领残军仓惶驶向那浩渺的烟波里，逃命去了。原来这阿基米德真是靠海神波赛依顿帮的忙。那灯塔是将火光平行反射出去，他现在是利用光线的可逆原理，将那平行的太阳光聚集起来。似火骄阳放射出的无数光束经这群娘子军手中的镜子一集中，其热度不亚于一团大火。骄傲而又对光学无知的克劳狄乌斯怎么会知道阿基米德指挥这群妇女将他置于这面大镜的焦点上呢?亏得他侥幸，不然这火将他烤熟也是毫不费力的。这样说来读者也许不信，但后人对此确曾作过验证。1747年，法国科学家布韦用360面边长15厘米的正方形镜拼成了一个大凹面镜，将阳光聚起来烧着了70米外的木柴堆，烧熔了30米外的铝和18米外的银。到20世纪70年代，在阿基米德的故乡西西里岛的阿拉诺镇，在这个当年曾经用镜子火烧战船的地方，欧洲九个国家决定联合建造一座太阳能电站。工程技术负责人说，这项工程的原理很简单，就是当年阿基米德指挥妇女们打败敌舰的原理。贝尔实验室将科学技术成果直接转化为生产力，是世界上诸多大公司内设研究机构的一大特色，贝尔实验室就是如此。贝尔实验室的全称是贝尔电话实验室，始建于1925年，总部在美国纽约。它是一个在全球享有极高声誉的研究开发机构。贝尔实验室对通信技术的研究成果为美国电报电话公司(前身为贝尔电话公司)所采用，在世界上占据重要地位。贝尔实验室的科学家们从事着许多方面的探索研究，很多成果对我们的生活产生了重要的影响。有声电影就是1926年在贝尔实验室诞生的。1947年，贝尔实验室的巴丁、布喇顿、肖克莱研制成功晶体管，打破了电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性，使电子技术跃入一个新的阶段。他们也因此共同获得1956年诺贝尔物理学奖。1964年，贝尔实验室的科学家彭齐亚斯和威尔逊发现在广阔无边的宇宙空间，从各个方向都传来强度相同的微波辐射(后被称为3K宇宙背景辐射)。经过研究，认定这是宇宙最初起源时“大爆炸”的遗迹。由于这一发现有力地支持了“大爆炸”理论，因而被誉为20世纪60年代天文学的四大发现之一，它的两位发现者为此获1978年诺贝尔物理学奖。贝尔实验室自成立以来，共获专利26000多项(平均每天一项)，其中重大科研成果50多项，除以上所举外，还有如通讯数学理论(后称为信息论)、激光理论、可视电话、磁泡器件、光通信、UNIX、C/C++、数字计算机等的研究成果。在这里每年都要发表上千篇学术论文，造就了一大批优秀科学家，有7人获诺贝尔奖，7人获美国国家科学奖，9人获美国国家技术奖。正是由于贝尔实验室产生了许多科学研究的突出成就，人们把它看作世界上最具权威性的研究机构之一。1997年5月，贝尔实验室总裁史德杨博士被上海交通大学授予名誉教授职位，同时他宣布在中国建立两个贝尔实验室分支机构，一个在北京，一个在上海，用于通信技术的研究和开发。电视的诞生与费罗.法恩斯沃斯1900年，电视——Television这个词首次出现。电视诞生是20世纪最伟大的事件之一，历史将记住它的发明者的名字——一位14岁的美国少年，名字叫费罗·T·法恩斯沃斯（PhiloT.Farnsworth）。在法恩斯沃斯之前，英国科学家约翰·洛吉·贝尔德（J.L.Baird,1888～1946）一直致力于用机械扫描法传输电视图像。1925年10月2日，他终于制造出了第一台能传输图像的机械式电视机，这就是电视的雏形。尽管画面上木偶面部很模糊，噪音也很大，但能在一个不起眼的黑盒子中看到栩栩如生的图像，仍引起了人们极大的兴趣。刚问世的电视被称为“神奇魔盒”。贝尔德是主张以机械扫描方法研制电视的代表。1928年开发出第一台彩色电视机，1930年他的系统开始有声电视节目试播，让人们感同身临其境，使“秀才不出门，能知天下事”的古老寓言成为现实。因此，贝尔德被称为“电视之父”。他于1946年去世。如果说20世纪20～30年代间电视领域曾一度是贝尔德的天下的话，那么在30年代，他遇到了强劲的对手——费罗·法恩斯沃斯。早在20年代贝尔德沉溺于机械制造方法时，1921年有个正在家乡耕作土豆田的14岁少年神不守舍地考虑着一个难题：怎样设计一个新颖的收音机、使它能够把移动的画面与声音一起传送？法恩斯沃斯阅读了所有他能找到的介绍“机械电视”成果的资料，构思着一个完全不同的途径。他设想把观看的屏幕划分成许多长条，就像耕田时的垄沟一样，让电流沿长条的各点形成黑白区域。当这些长条互相紧密叠加起来时，他认为就可以使它们“画”出一幅图像，犹如农户们有时候在他们培育的牧场上规划出的几何图形。令人惊奇的是，后来证明这一装置要比专家们搞出来的东西好得多；事实上，这种装置至今仍没有失去它的使用价值。法恩斯沃斯于1906年8月19日出生于美国犹他州的农家，幼年的法恩斯沃斯就表现出早慧的迹象。他对见过的任何机械装置具有摄影般的记忆力和天生的理解力。法恩斯沃斯的父母不断搬家以寻找较理想的土地居住。当他们在爱达荷州定居下来之后，11岁的费罗得知他的新家装有输电线后，欣喜若狂。他在家里的屋顶阁楼上发现了成捆的科技方面的旧杂志，开始了自学并决心当个发明家。法恩斯沃斯开始认真地考虑研制电视。他几乎是从本能上意识到用机械装置传送图像是不可行的。这名年轻人还有一个直觉，即令他感到新奇的物理学领域——电子学的研究——有可能掌握着解决这一问题的答案。无论如何，电子能够以机械装置不可比拟的速度移动，这就可使图像清晰得多，并且意味着不需要活动元件。他由此推理，如果一个画面能转换成电子流，那么就能像无线电波一样在空间传播，最后再由接收机重新聚合成图像。从本质上看这是个相当简单的主意，但如此简单的想法却似乎没有任何人想到。以美国科学家法恩斯沃斯为代表的一派，异于贝尔德而另树一帜，坚持只有采用最新发明的电子设备、光电管及阴极射线管才能获得成功。他于1927年成功地用电子技术传送图像，1928年发明了电子图像分解摄像机。1929年成立法恩斯沃斯电视股份有限公司，1937年他的电子电视系统成功地击败贝尔德、使贝尔德的机械扫描电视装置被淘汰，从而确定了电子电视系统的垄断地位。这时真正意义上的现代电视诞生了。当美国专利局终于认定法恩斯沃斯应该是电视的所有主要专利的持有者时，已经到了30年代后期，这对法恩斯沃斯已太迟了，他的资金差不多耗尽了。随着第二次世界大战的逼近，联邦政府不久即宣布暂停发展电视工业。这样一来，不得不推延到1946年，电视才有可能合法地开始制造，到那时法恩斯沃斯的专利已超过了保护期限。法恩斯沃斯历经艰辛发明了电视，自己在个人收益上却一无所获。1969年7月，已近高龄的法恩斯沃斯与妻子埃尔玛在他们缅因州家中看电视，屏幕上正播放着人类第一次踏上月球表面的实况。他平静地对妻子说道：“你知道，为了今天，这一切都是值得的。”不久后，费罗·法恩斯沃斯患了肺炎，于1971年6月去世。《纽约时报》在讣闻中称他为世界上最伟大、最具魅力的发明家之一。电子显微镜的发明普通光学显微镜通过提高和改善透镜的性能，使放大率达到1000─1500倍左右，但一直末超过2000倍。这是由于普通光学显微镜的放大能力受光的波长的限制。光学显微镜是利用光线来看物体，为了看到物体，物体的尺寸就必须大于光的波长，否则光就会“绕”过去。理论研究结果表明，普通光学显微镜的分辨本领不超过200毫米，有人采用波长比可见光更短的紫外线，放大能力也不过再提高一倍左右。（图1）（巨大的电子显微镜）要想看到组成物质的最小单位──原子，光学显微镜的分辨本领还差3─4个量级。为了从更高的层次上研究物质的结构，必须另辟蹊径，创造出功能更强的显微镜。有人设想用波长比紫外线更短的X射线的透镜。20世纪20年代法国科学家德布罗意发现电子流也具有波动性，其波长与能量有确定关系，能量越大波长越短，比如电子学1000伏特的电场加速后其波长是0.388埃，用10万伏电场加速后波长只有0.0387埃，于是科学家们就想到是否可以用电子束来代替光波？这是电子显微镜即将诞生的一个先兆。用电子束来制造显微镜，关键是找到能使电子束聚焦的透镜，光学透镜是无法会聚电子束的。1926年，德国科学家蒲许提出了关于电子在磁场中运动的理论。他指出：“具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。”这样，蒲许就从理论上解决了电子显微镜的透镜问题，因为电子束来说，磁场显示出透镜的作用，所以称为“磁透镜”。德国柏林工科大学的年轻研究员卢斯卡，1932年制作了第一台电子显微镜──它是一台经过改进的阴极射线示波器，成功地得到了铜网的放大像──第一次由电子束形成的图像，加速电压为7万，最初放大率仅为12倍。尽管放大率微不足道，但它却证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像。经过不断地改进，1933年卢斯卡制成了二级放大的电子显微镜，获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。（图2）（扫描式电子显微镜）1937年应西门子公司的邀请，卢斯理建立了超显微镜学实验室。1939年西门子公司制造出分辨本领达到30埃的世界上最早的实用电子显微镜，并投入批量生产。电子显微镜的出现使人类的洞察能力提高了好几百倍，不仅看到了病毒，而且看见了一些大分子，即使经过特殊制备的某些类型材料样品里的原子，也能够被看到。但是，受电子显微镜本身的设计原理和现代加工技术手段的限制，目前它的分辨本领已经接近极限。要进一步研究比原子尺度更小的微观世界必须要有概念和原理上的根本突破。1978年，一种新的物理探测系统──“扫描隧道显微镜已被德国学者宾尼格和瑞士学者罗雷尔系统地论证了，并于1982年制造成功。这种新型的显微镜，放大倍数可达3亿倍，最小可分辨的两点距离为原子直径的1/10，也就是说它的分辨率高达0.1埃。扫描隧道显微镜采用了全新的工作原理，它利用一种电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针，把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并保持不变，若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万倍的变化，这种携带原子结构的信息，输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图象。鉴于卢斯卡发明电子显微镜的，宾尼格、罗雷尔设计制造扫描隧道显微镜的业绩，瑞典皇家科学院决定，将1986年诺贝尔物理奖授予他们三人。（图3）（透射式电子显微镜）发电机史话19世纪初期，科学家们研究的重要课题，是廉价地并能方便地获得电能的方法。1820年，奥斯特成功地完成了通电导线能使磁针偏转的实验后，当时不少科学家又进行了进一步的研究：磁针的偏转是受到力的作用，这种机械力，来自于电荷流动的电力。那么，能否让机械力通过磁，转变成电力呢？著名科学家安培是这些研究者中的一个，他实验的方法很多，但犯了根本性错误，实验没有成功。另一位科学家科拉顿，在1825年做了这样一个实验：把一块磁铁插入绕成圆筒状的线圈中，他想，这样或许能得到电流。为了防止磁铁对检测电流的电流表的影响，他用了很长的导线把电表接到隔壁的房间里。他没有助手，只好把磁铁插到线圈中以后，再跑到隔壁房间去看电流表指针是否偏转。现在看来，他的装置是完全正确的，实验的方法也是对头的，但是，他犯了一个实在令人遗憾的错误，这就是电表指针的偏转，只发生在磁铁插入线圈这一瞬间，一旦磁铁插进线圈后不动，电表指针又回到原来的位置。所以，等他插好磁铁再赶紧跑到隔壁房间里去看电表，无论怎样快也看不到电表指针的偏转现象。要是他有个助手，要是他把电表放在同一个房间里，他就是第一个实现变机械力为电力的人了。但是，他失去了这个好机会。又过了整整6年，到了1831年8月29日，美国科学家法拉第获得了成功，使机械力转变为电力。他的实验装置与科拉顿的实验装置并没有什么两样，只不过是他把电流表放在自己身边，在磁铁插入线圈的一瞬间，指针明显地发生了偏转。他成功了。手使磁铁运动的机械力终于转变成了使电荷移动的电力。法拉第迈出了最艰难的一步，他不断研究，两个月后，试制了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机。标志着人类从蒸汽时代进入了电气时代。一百多年来，相继出现了很多现代的发电形式，有风力发电、水力发电、火力发电、原子能发电、热发电、潮汐发电等等，发电机的构造日臻完善，效率也越来越高，但基本原理仍与法拉第的实验一样：少不了运动着的闭合导体，少不了磁铁。发射光谱仪的发明著名的英国科学家牛顿在1666年用三棱镜观察光谱，可以说是最早的光谱实验。此后不少科学家从事光谱学方面的研究。1800年，英国天文学家赫歇尔测量太阳光谱中各部分的热效应，在世界上首次发现了红外线。1801年里特发现了紫外线。1802年沃拉斯顿观察到太阳光谱的不连续性，发现中间有多条黑线，这本来是很重要的发现，他却误认为是颜色的分界线。1803年英国物理学家托马斯·杨进行了光的干涉的实验，第一次提供了测定波长的方法。（图1）（光束经过分光镜后产生光谱示意图）德国物理学家夫琅和费，重新发现和编绘了太阳光谱图，内有多条黑线（700多条），并对其中的重要黑线用从A到H等字母标记（人称“夫琅和费线”），这些黑线后来成为比较不同玻璃材料色散率的标准。这些成果在1814年至1815年间陆续发表。夫琅和费还发明了衍射光栅。开始他用银丝缠在两根螺杆上，做成光栅，后来建造了刻纹机，用金钢石在玻璃上刻痕，做成透射光栅。光谱分析的应用研究是从基尔霍夫和本生开始的。本生是德国汉堡的化学教授。他发明了本生灯，对各种物质在高温火焰中发生的变化很有研究，基尔霍夫是汉堡的物理学教授，对光学熟悉。他们两位合作制成了第一台梭镜光谱仪（分光镜）。该仪器利用了牛顿1666年首创技术，使光通过三棱镜中，展开成为一道彩虹光带（光谱）。他们用透镜把物质在本生灯燃烧时发出的光线集成一束平行光，通过一条窄缝，再通过三棱镜，用望远镜放大观察所成的光谱。基尔霍夫和本生发现，每种化学元素燃烧时发出的火焰都有独特的颜色，可以据此加以鉴别。1860年及1861年他们用光谱仪发现铯和铷。此后借助光谱分析方法研究目光，发现地球上许多元素太阳上也有。1868年法国天文学家詹森和英国天文学家罗克耶分别用光谱法发现了当时地球上还没有发现的一种元素，他们认为这是太阳大气中特有的元素，取名氦，即“太阳”的意思。这样光谱方法也应用到了天文学方面。光谱方法研究工作急速的发展，也出现了新的问题，主要问题之一是缺乏足够精度的波长标准，致使观测结果混乱，无法相互交流。1868年埃斯特朗发表“标准太阳光谱”图表，记有上千条夫琅和费线的小波长，以10-8厘米为单位，精确到6位数，为光谱工作者提供了极其有用的资料。为纪念他的，10-8厘米后来就埃斯特朗单位，简写作埃（A）。十几年后被更为精确的罗兰数据表所代替。现代光谱仪不用三棱镜而用衍射光栅。这是一种上面刻有千条线的板，把光分开，然后把光谱拍摄或记录下来，再用电子仪器进行分析。光谱仪广泛应用于冶金、地质、环境等各领域。（图2）（一种用于进行光谱分析的光谱仪）核磁共振仪的发明核磁共振仪广泛用于有机物质的研究，化学反应动力学，高分子化学以及医学，药学和生物学等领域。20年来，由于这一技术的飞速发展，它已经成为化学领域最重要的分析技术之一。早在1924年，奥地利物理学家泡里就提出了某些核可能有自旋和磁矩。“自旋”一词起源于带电粒子，如质子、电子绕自身轴线旋转的经典图像。这种运动必然产生角动量和磁偶极矩，因为旋转的电荷相当于一个电流线圈，由经典电磁理论可知它们要产生磁场。当然这样的解释只是比较形象的比拟，实际情况要比这复杂得多。原子核自旋的情况可用自旋量子数I表示。自旋量子获得，质量数的原子序数之间有以下关系：质量数原子序数自旋量子数（I）奇数奇数或偶数1/2,3/2,5/2……偶数偶数0偶数奇数1，2，3……1>0的原子核在自旋时会产生磁场；I为1/2的核，其电荷分布是球状；而I≥1的核，其电荷分布不是球状，因此有磁极矩。I为0的原子核置于强大的磁场中，在强磁场的作用下，就会发生能级分裂，如果用一个与其能级相适应的频率的电磁辐射时，就会发生共振吸收，核磁共振的名称就是来源于此。斯特恩和盖拉赫1924年在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转，并测量了未成对电子引起的原子磁矩。1933年斯特恩等人测量了质子的磁矩。1939年比拉第一次进行了核磁共振的实验。1946年美国的普西尔和布少赫同时提出质子核磁共振的实验报告，他们首先用核磁共振的方法研究了固体物质、原子核的性质、原子核之间及核周围环境能量交换等问题。为此他们两位获得了1952年诺贝尔物理奖。50年代核磁共振方法开始应用于化学领域，1950年斯坦福大学的两位物理学家普罗克特和虞以NH4NO3水溶液作为氮原子核源，在测定14N的磁矩时，发现两个性质截然不同的共振信号，从而发现了同一种原子核可随其化学环境的不同吸收能量的共振条件也不同，即核磁共振频率不同。这种现象称为“化学位移”。这是由于原子核外电子形成的磁场与外加磁场相互作用的结果。化学位移是鉴别官能团的重要依据。因为化学位移的大小与键的性质和键合的元素种类等有密切的关系。此外，各组原子核之间的磁相互作用构成自旋──自旋耦合。这种作用常常使得化学位移不同的各组原子核在共振吸收图上显示的不是单峰而是多重峰，这种情况是由分子中邻近原子核的数目，距离用对称性等因素决定，因此它有助于提示整个分子的。由于上述成果高分辨核磁共振仪得以问世。开始测量的核主要是氢核，这是由于它的核磁共振信号较强。随着仪器性能的提高，13C，31P，15N等的核也能测量，仪器使用的磁场也越来越强。50年代制造出IT（特拉斯）磁场，60年代制造出2T的磁场，并利用起导现象制造出5T的起导磁体。70年代造出8T磁场。现在核磁共振仪已经被应用到从小分子到蛋白质和核酸的各种各样化学系统中。火的利用纵横谈火的利用，从纵向来说，是最早影响人类历史进程的一个伟大的事件。远古时代自然界的大火，既给人类始祖带来毁灭性的灾难，也使人类始祖从灾难中认识了火和利用火，进而人工造火，标志着人类首次驾驭了一种伟大的自然力并替自己服务。从横向去看，由于人类始祖发现了火，因而不断认识和掌握了火，进一步发挥火的威力，有力地促进了人类对于热与冷现象的本质的追求。用火探源1994年7月9日黄昏，一架波音747客机飞往美国国境上空，目的地是华盛顿。坐在机舱靠窗地方的是中国一位对考古颇感兴趣的中学教师。此刻，他那张黝黑的面孔贴近窗玻璃，一双炯炯有神的眼睛望着色彩斑谰的晚霞，不时俯视着机下美国的大地，陷入沉思之中。这是他第二次出国。下午，他刚刚离开云南，在云南，他对已发现的元谋人化石的相应地层进行了考察。根据所发现的灰烬以及炭层，他作了这样判断：由于元谋猿人的绝对年代距今有170万年，如果这些发现确实是古人类用火的遗址，那么我们的祖先在170万年前已开始进入了人类的用火时期。根据一些学者研究，人类和火的关系，大体上经历了"无火时期"、"用火时期"、以及"造火时期"。在无火时期，古人类吃着生冷的食物，忍受着寒冷的侵袭。在没有月光和星夜的黑夜，被黑幕包围而充满着恐惧。然而，即使在无火时期，大自然也总是给地球送来火种--诸如由于火山、雷电等作用而引起大火。这种大火往往是毁灭性的，古人类在大火中，不是被烧死，就是被烧伤，也有一些幸运者惊恐万状，死里逃生。但是，在大火过后，却使古人类寻到了更好的食物，那就是被烧死、烧焦的动植物变得很好吃。尽管那时，根本还没有词汇，可是这些古人类已有愉悦的感受，也使他们萌生了对大火的一种十分惊异的喜爱之情，因为正是大火赐给他们最美好的食物。所以，与其说大火给古人类惨痛的灾难，倒不如说正是这种灾难使古人类受到了磨炼，获得了新生的力量，从而进入尝试着去引取和保存火种，用火来改善自己的生活的这样一个新时期。根据古人类遗址中发现的被烧过的灰烬和兽骨，可以判明亚洲、欧洲和非洲的古人类很早就进入了用火时期。现有的考古资料表明，北京周口店北京猿人居住的洞穴中发现的灰烬，是确凿无疑的人类用火的最早遗迹之一。在这里，考古学家发现有很厚的灰层，其中还有被火烧过的兽骨和石块，燃烧后的兽骨呈现不规则的裂纹和黑、灰、绿、蓝等不同的颜色，那些燃烧过的石块被火烧裂或被烟熏黑。用现代方法对几十万年前留下的灰土进行化学分析，结果证实有单质炭存在。特别令人惊讶的是，考古学家在名叫鸽子堂的洞穴的底部灰层中，还发现过一块木炭。这些都说明，在50万年前的北京猿人时期，我们的祖先已学会了用火。......"飞机已抵达华盛顿，请各位旅客作好下机准备。"机上空中小姐这一清脆悦耳的声音，打断了中学教师的沉思。他一下飞机，前来接他的一位朋友领他到自己的家里。不料这位中学教师却驻足不前，又引起他的沉思。原来，就在这位华盛顿朋友家附近的一个大建筑物前面，刻着下面几行字：火：一切发现中的最伟大的发现使人类能够生存于不同气候之中造出很多的食品并迫使自然的力量为他们工作。钻木取火人类从用火时期进入造火时期，其间又隔了几十万年。据我国古籍记载，《路史》注引的《拾遗记》中就写道："遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷。有鸟名枭，啄树则灿然火出，圣人感焉，因取其枝以钻火，号燧人。"在《庄子》的"外物篇"中也有"燧人氏钻木出火，造火者燧人也，因以为名"的说法。这则带有神话色彩的故事告诉人们，在太阳和月亮都照不到的西方荒远之地，有一个遂明国，不见天日，不识昼夜。那里有一棵根干枝叶屈盘达万顷的大树名叫"遂木"。一个圣人来到这里，看到一些名叫枭的鸟，用它们短而硬的尖嘴去啄那树干，引发出灿烂的火光。圣人受这种景象的启示，领悟到取火的方法，就从遂木上折一根树枝，对它钻搓，从而引出火花。这位圣人就被后人称为"燧人氏"，燧人就是"取火者"的意思。我国的文化源远流长，如果从原始人--元谋猿人算起，已有170万年的历史。就是从北京猿人、山顶洞人开始，后来进入仰韶文化时期和龙山文化时期也经历了几十万年漫长的与自然界搏斗的艰难生活。直到新石器时期，我们的祖先进行人工造火开始普遍起来，因为已发现的新石器时期的地下或半地下居址中，几乎无一没有一个小小的灶坑，这在利用天然火的时期是决不可能出现的。那么人类究竟用什么具体的操作方法来人工造火呢？看来，直接从考古发掘中一时还难以找到解决这个问题的充分可靠的证据，所以目前公认的科学方法之一，就是根据近代社会中还处于较原始状态的民族的生活方式，结合文化较高的民族中的文献记载，探求出比较合理的答案。我国是一个多民族的历史悠久的国家，也就具有解决这个问题的优越条件。根据《文物》1960年第6期"海南岛黎族人民古代的取火工具"一文的记载，黎族人民在解放前有些地区就使用钻木取火这种非常古老的方法。它的操作大体上是这样的：用一根木头（如山麻木）弄成扁平形，在上面挖一小的凹穴，把它放在地上固定好（如用双脚压住）；再用一根一端稍尖的木棒，插在小穴上，手掌用力把木棒来回搓摩，棒端与凹穴接触处就会由于剧烈磨擦而生热，并在周围产生一些木屑粉末。在不断磨擦的作用下，最后就会因热而产生烟火，点燃了木屑粉末。把冒烟的木屑粉末放到事先备好的干茅草等引火物里，并用嘴吹气，就会燃起火焰。这种方法不断改进，就可用绳索或皮条缠绕木棒，绳索的两端系在弓的两端，把弓往返拉动来转动木棒。于是，从黎族人民的取火方法中就可以对古代钻木取火的操作过程略知一二。这样古老的方法，就连资本主义发展最早的英国，直到19世纪还被人采用来为家畜治病。阳遂取火钻木取火是一种费力的原始方法。随着生产的发展，在铁器出现后，大约在春秋战国时期，一种利用火镰石的取火方法随之生。它是利用铁制火镰敲击坚硬的燧石，铁屑剥落时因磨擦、敲击而变热，表面因氧化而生成火星，火星落到易燃的纤维（如艾绒）上，即可取火。丰富的历史记载表明，我国古代人民早就开始利用凹面镜对着太阳取火了。史籍中常见的"夫燧"或"阳燧"，就是古人对凹面镜的称谓。如《周礼·秋官司寇》："司煊氏，掌以夫燧，取明火于日。"由于当时大部分阳燧是用金属制成的，所以又称做"金燧"，如《礼记》中就有"左佩金燧"、"右佩木燧"的记载。就是说，古时人们行军、打猎，总是随身带着取火器，晴天用凹面镜取火于日，阴天则钻木取火，可见我国古代阳燧的制作和使用还是比较早的。《庄子》中进一步指出："阳燧见日，则燃而为火。"《淮南子》注中则详细介绍了阳燧的使用方法，"阳燧金也，取金杯无缘者，熟摩令热，日中时以当日下，以艾承之则燃得火也。"即取去掉边缘的金属杯，用力擦亮，中午对着太阳，艾绒放在光线聚合的地方，可燃烧取火。王充在《论衡》中的"率性"、"定贤"、"乱龙"诸篇中都提到阳燧，如"率性"篇中写道："阳燧取火于天，五月丙午日中之时，消炼五石，铸以为器，磨砺生光，仰以向日，则火来至，此真取火之道也。"有人认为，这可能中国典籍中第一次对玻璃透镜取火的描述。阳燧取火，即导致人工造火和人造光源，又是人类利用光学仪器会聚太阳能的先驱，是我国古代科技史上的突出成就之一。观察"火候"我国古代火的利用，除了满足生活需要外，还相当早地应用到生产中去，如将粘土烧制成陶器在五千多年前的仰韶文化时期已有彩陶（陕西省西安半坡村出土）。与此同时，利用火来冶炼金属，制成金属工具、武器及各种器皿，在河北省唐山大城龙山文化遗址中发现了红铜制造的铜器，说明四千多年前的冶炼技术（包括火候的观察、控制、淬火、退火等），已达到了一定水平。我们知道，金属加热时，由于蒸发、分解、化合等作用会生成有不同焰色的气体。黑浊之气主要是初炼时掺在矿石中的炭粉不完全燃烧所致。锡焰白，铜焰青，黄白之气是温度不够的象征。至于青白之气说明铜未全部溶化。直到全部青气时（铜含量远大于锡，全部溶化后铜焰掩却锡焰，就显得只有青气了）青铜炼成。以火灭火火的发现和利用，使人类认识到火能替自身服务，也能带来祸害，特别是火灾。如何与火灾作斗争，人类又创造了许多方法。其中，你也许听到过，最好的、有时也是唯一的跟森林或草原上的火灾作斗争的方法，是迎着大火的来向放火。美洲草原发生大火的时候，人们就曾经使用过这种方法来扑灭大火。关于这件事在库帕斯所写的长篇小说《草原》中有如下专门的描述：老猎人突然采取了断然的措施。"是行动的时刻了，"他说。"你想行动已经太迟了，可怜的老头子！"米德里顿叫道，"大火离开我们只有四分之五英里了，风又是用这样可怕的速度向我们这里吹！""是吗？火，我也不怎么怕它。好，孩子们，别尽站着！现在马上动手割掉这一片干草，清出一块地面来。"在很短的时间里就清出了一块直径大约20英尺的地面。老猎人吩咐妇女们，说她们可以用被褥把自己那些容易着火的衣服盖起来，然后就领她们走到这块不大的空地的另一边去，做了这些预防措施以后，老猎人走就走到这块空地的另一边，那里大火已经像个高而危险的环墙，把旅客们包围了。他拿了一束非常干的草放在枪架上点起来。容易燃烧的干草立刻融融地烧着了。老猎人把烧着的干草扔到高树丛里，然后走到圈子中央，耐心地等待着自己行动的结果。他放的这一把火贪婪地扑向新的燃料，一会儿功夫草地烧着了。"现在你们可以看火怎样跟火作战了，"老猎人说。"这不是更危险了吗？"吃惊的米德里顿大声叫道，"你不但没有把敌人赶走，反而把它引到身边来了。"老猎人放的这把火越烧越大，同时向三方面蔓延开来。但是在第四方向却因缺少燃料，熄灭了。随着火势的越来越大，在火前面出现的空地也越来越大。这片刚出现的黑色发烟的空地，要比用镰刀割的草地光得多。他们刚才清除出来的这块地方就随着从其他几面包围着它的火焰而扩大开去，要不是这样的话，那避难者的处境是会变得很危险的。几分钟后，各方面的火焰都后退了，只有烟还包围着人们，但是这对于人已经没有危险了，大火已经疯狂地向前面奔去了。但是这种跟草原和森林大火作斗争的方法，并不像初看的时候那样简单。只有极有经验的人才能利用迎火燃烧的方法来扑灭火，否则就会引起更大的灾祸。那么这位老猎人到底有没有什么秘诀呢？秘诀就在普通的物理知识里。因为不管什么时候，火焰总是顺着风的方向的。以蜡烛的火焰为例来说吧。火焰中的空气受了热（参与燃烧），体积膨胀，比重减小，于是上升；别处的空气立刻来补充。这样就形成了向上的微弱的风，火焰自然也就向上晃动。在草原上的大火燃烧时，风虽然是从燃烧着的草原那边向旅客吹来，但在火焰前离火很近的地方，是有相反气流向火焰吹的。正像蜡烛燃烧时，空气即从左边吹来，又从右边吹来（实际是从四面吹来）一样。这种情况使得老猎人巧妙地挽救了自己和其他人。老猎人的具体作法是：他先仔细地观察和考虑，等到发现有相反的气流向大火流去时，才动手顺风放火，使自己放的火顺风向大火扑去。这种作法成败的关键在于：掌握好时机。放火太早了，相反气流没再现，放的火自然是烧向自己，就会造成更大的灾祸。放火太晚了，放的火还没有扑向火墙去，火墙就已经烧着了自己。放火必须不早不迟。火箭的诞生火箭的诞生火箭的历史非常久远，约700年前就有了，但是开始迅速发展是20世纪以来的事。火箭为什么会飞将气球膨胀之后再放手，气球就会趁势喷出空气而飞出。喷气的力量使得气球呈反方向弹飞，这种弹飞的力量和喷出空气的力量相等。火箭的飞行就是利用此原理。但火箭使用的不是空气，而是燃料。火箭燃烧储存的燃料之后，从后面喷出气体，利用反作用力飞行。火星之旅在太阳系的九大行星当中，火星是最接近地球的星球。1977年，无人火星探测器旅行者1号和2号登陆火星成功；接下去，人类去火星探险旅行的日子，应该为期不远了吧！去火星的行星火箭需在地球的太空站中组合，并自太空站出发，大约要经过170天才能到达。【火星旅行的顺序】①将行星火箭的材料运送到太空站。②组合行星火箭。③借助行星火箭朝火星出发。④抵达火星的太空站。⑤乘坐航天飞机飞向火星的基地。人类到太空旅行的梦想，已随人造卫星和航天飞机的相继升空而实现了，相信在不久的将来，任何人都能随心所欲地到月球或火星去旅行了。激光器的发明物理学家在研究原子结构时发现了激光。激光器问世以来，激光的应用已经遍及工、农、科研、国防各个领域，激光科学技术成为当代发展最快的科技领域之一。（图1）（中国山东大学研制的可用于信息处理、激光打印、光盘的绿光固体激光器）1913年，丹麦物理学家玻尔提出，原子能够以一系列能级不同的状态存在，并且只能从一个能级跳跃到另一个能级。一个低能级的原子吸收能量之后可以变成高能级；高能级的原子变为低能级时，会以辐射的形式把多余的能量放出来（自发辐射）。1917年爱因斯坦提出，原子从较高的能级跳跃到低能级时可以通过自发辐射或受激辐射两种不同的方式来实现。普通光源的发光主要就是自发辐射；处在激发态的原子在其他某种作用之下，例如光照，引起原子跃迁，原子受迫发光，原子的这种发光方式称为受激辐射。受激辐射理论提出来之后，并不受人重视，30年之后，直到1951年，美国物理学家汤斯对此发生兴趣。一天他散步之后，坐在长凳上默默思考这一问题，突然间他产生一种新的想法：在正常情况下，物质的多数分子均处于低能态，能否改变这一状况，数分子处于高能态，然后用微波照射这些分子，使其受激而发射能量，这就产生了放大作用。这种使一个容器里的原子或分子大部分转入高能量的过程叫作粒子数反转，它是量子放大器和激光器必要条件。他当即在一个信封的背面勾画出一些基本的设计要求，经过3年的多次实验，微波受激放大器（量子放大器）终于研制成功。早期的微波受激放大器是一个金属小盒，盒里充进处于激发态的氨分子。当微波射入这个充满了受激态氨分子的盒子时，就发出一束纯而强的高频微波射束。苏联科学家巴索夫和普罗克哈罗大也独立地进行过类似的工作，并取得成功。1964年，汤斯、巴索夫、曾罗克哈罗夫同获诺贝尔物理学奖。随着量子放大器的发展，人们开始考虑将这些原理从微波波段扩展到光波波段的可能性。1958年汤斯和肖洛提出了激光器的第一个理论方案。他们建议，用具有放大作用的物质制成一根细长的柱体，它的两端有互相平等的反射镜。其中一面反射镜为全反射镜，另一面为部分反射镜，光就沿着柱体来回地反射，形成一个光频共振腔。世界上第一台激光器是1960年由美国的梅曼博士研制成功的。他用红宝石单品作为工作物质，两个端面磨平并镀银。红宝石的主要成分是氧化铝，其晶格中有一小部分铝原子被铬原子所替代，当作为激励源的氙灯发出强光照射红宝石时，红宝石中的铬原子吸收绿光和蓝光，由基态跃迁到激发态，造成粒子数反转。第一台激光器，输出功率为10000瓦，其晶棒十分纯净，是用人工方法生产的，发出的激光强度为阳光的1000万倍。（图2）（在外科说书中使用激光器可部分代替手术刀）科学史上的遗憾和悲剧科研成果不为世人理解英国天文学家、物理学家和数学家爱丁顿，一直希望他的理论像爱因斯坦和狄拉克那样受到人们的尊敬。但同时代的人对他的著作不感兴趣，觉得太深奥晦涩，无法理解。爱丁顿倍感孤独、灰心和失望。他在死前几个月说：“我不断地试图发现为什么这个程序竟使人们感到深奥晦涩。但我要指出的是，尽管爱因斯坦的理论被认为是深奥晦涩，但是成百上千的人认为把这种理论解释清楚是有必要的。我不相信我的理论比狄拉克的理论更深奥晦涩。但是对于爱因斯坦和狄拉克，人们认揭示这种深奥晦涩是值得的。我相信，当人们不得不用同样的态度对待我的时候，他们将完全理解我——到那时，‘把爱丁顿的理论解释清楚’将变得很时髦。”权威不识天才真面目被后人称为集合论的创始人乔治·康托尔，当他的集合论一提出，便招来一些权威们的极力反对，尤其甚者竟是他的老师利奥波德·克罗内克。这位著名的数学家年长康托尔22岁，却用十分刻薄的语言侮辱康托尔达10年之久。康托尔的学术论文不能发表，连在柏林一所大学任教也未能如愿。最后他的身体受到摧残，精神失常，晚年只能在精神病院中度过，并且在那里死去。19世纪20年代，挪威青年阿贝尔创立了被后人命名的阿贝尔积分。尽管这一著名积分解决了法国著名数学家勒让德苦苦思索40年未曾解决的命题，却得不到当时的数学权威高勒、柯西甚至勒让德本人的支持。在这些权威们看来，像阿贝尔这样名不见经传的小人物，怎能闯进他们的世袭领地，他们必然将阿贝尔的发现打入冷宫。命运对阿贝尔实在不公平，他在贫困中病殁。与此相同的事情还有很多。英国青年亚当斯数次求见格林威治天文台台长艾里，结果到拒绝，使他失去了预言太阳系存在新行星——海王星的优先权。苏联物理学家朗道对下属提出的宇称不守恒见解给予嘲笑，结果使他们失去了重大发现的机遇。当拉瓦锡发现氧之后，信奉燃素说的权威们竟长期不愿接受“氧”这个新名词，尽管他们无时不在呼吸赖以生存的氧气。欧姆发现了电阻定律，德国一些权威们长期不给予承认，原因是欧姆不过是科基督学校的一位普通数学教师。孟德尔的遗传定律公开发表后，被一些权威抵制34年之久。除了他那数学统计研究方法不被人理解外，主要原因是孟德尔是一个修道院的教士。巴斯德提出细菌理论，遭到医学界的强烈反对。原来巴斯德是位化学家，怎能闯入医学家的世袭之地?李斯特发现消毒法无人问津，原因是在众多头面人物看来，他只不过是不值一提的“土包子”。欺世盗名奥地利科学家埃伦哈夫特在测定电子电荷实验中，将自己的全部数据一同发表，而另一位美国科学家密立根，从140次观察数据中挑选出他认为“漂亮”的58次数据公布于众。结果，在科学竞争中前者失败，以至于精神崩溃；后者获得世人承认，荣获1923年度诺贝尔物理学奖。1912年，英国不列颠自然历史博物馆地质部鱼类化石权威伍德华德，贸然相信所谓“皮尔塘人”原始头骨化石，还将它在伦敦地质学会上展出，并宣称最早的人类是英国人。之后，一些英国科学家认为皮尔塘人是从猿到人这一达尔文设想的过渡形态。其实，所谓“到40多年后才将这一骗局公布于众。1986年4月，诺贝尔生理学或医学奖获得者美国病毒学家巴尔的摩及其助手，在美国《细胞》杂志发表了令人震惊的成果，说他们的发现解决了分子免疫学的一个重要问题。1个月后，有人披露他们在动物基因实验中对一些关键实验从未做过，后经美国国会组成的专门委员会历时5年的调查，才彻底了解这一被后人称为“巴尔的摩事件”的真相并在英国《自然》杂志公开揭露。公元2世纪埃及亚历山大的托勒密，从罗得岛的伊巴谷那里偷来一大批科学资料与科学发现，提出了原属于伊巴谷的预报行星方位的系统。这种地球静止不动的思想，曾支配人类的宇宙观达1500年之久，直到今天，许多教科书还在肯定托勒密的这一所谓贡献，却很少提到罗得岛那位天才的伊巴谷了。一旦熬成婆便把媳来整曾经是小人物，后来成了权威，却反过来压制后来的小人物，成为他们的“婆婆”，最典型的莫过于赫尔姆霍茨了。当他还是一位不知名的青年生理学家时，他的第一篇关于能量守恒原理的论文被老资格的主编波根道夫退回，理由是缺乏实验依据。正因为有此经历，赫尔姆霍茨曾对法拉第的不幸表示过同情。然而，当德国物理学家普朗克于1878年向慕尼黑大学提交博士论文时，赫尔姆霍茨同其他人一起，对普朗克关于热力学第二定律的新思想加以反对、嘲笑与抵制。普朗克后来说，赫尔姆霍茨、克劳胥斯等人都对我的论文不感兴趣，与他们通信联系也无结果。对此，普朗克发表了被后人戏称为“普朗克原理”的痛苦结论：“新的科学理论不是靠通过说服反对者而获胜的，它最后的胜利是由于反对者们终于死去而赞同它的年轻一代成长了起来。”人造卫星史1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人类开始了探索宇宙的新时代，数以百计的人造卫星陆续发射。人造地球卫星的用途很多，可用于通讯、探测等许多领域。旅行者二号于本世纪70年代从地球上发射，开始了探索宇宙的漫漫旅程。它于1979年飞跃了木星，1981年飞跃了土星，1986年探索天王星。3年后，旅行者二号在告别太阳系之前，访问了海王星。这之后，它就向着更遥远的宇宙进发。旅行者二号的使命不仅在于探索宇宙，它还肩负着寻找外星生命的重任。在它的上面，存储了许多地球和人类活动的信息。我国于1970年4月24日成功发射了第一颗人造地球卫星。从第一颗人造地球卫星发射以来，我们发射的卫星主要有：科学实验卫星、返回式遥感卫星、通讯卫星、气象卫星等。摄影技术的发明摄影技术是法国物理学家达盖尔发明的。1838年，这位法国物理学家正在研究令影像保留在胶片上的方法，但研究多时，仍不得要领。突然有一天，他发现有一个影像留在了胶片上。他于是将附近的化学物品逐一挪开，看看究竟是什么东西造成了这个现象，最后，他发现，大功臣原来是一支温度计打破后遗下的水银。摄影技术便从此诞生了，真可谓“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”。剃刀的发明男人胡子长了，就得把它刮掉，否则会很不方便。古代男人的剃刀有用燧石、青铜和黄金制成的。公元3世纪时，丹麦人开始用铁制造剃刀。1680年，英国人发明钢刃的“割喉”剃刀。折叠式剃刀则在1814年制成。1895年，美国一位推销员吉利偶遇发明家佩因特。佩因特希望赚大钱，想发明一种人人用过一次就得更换的东西。一天，吉利刮胡子时，发现剃刀的刀刃正适合这种构想。他设计出了一种安全剃刀夹持柄，但找不到一家钢铁厂能制造适用的薄刀片。到1901年，他遇见机械师尼卡森，才解决了技术问题。1901年，他们申请了专利，3年后开始生产。到1906年，终于打开了销路。可替换的刀片既便宜又方便，刮胡子于是成为时尚。1971年，吉利公司制出湿刮用的轻塑胶剃刀，有双重刀刃，可刮得更干净。不到3年，制造成本便低廉到整把剃刀都能用过即丢，吉利的理想至此完全实现。电动剃刀是美国退休军官希克在1928年发明的，售价25美元。剃刀里装有小电动机，来回推动着有缝护罩后面的一排刀片。1960年美国雷明顿公司又制造出了第一把使用干电池的剃刀。望远镜的发明1590年伽利略在比萨成功的做完著名的自由落体运动实验，极大的刺激了亚里士多德的信徒们，他们恨死了伽利略，欲除之而后快。过了不久，他们终于找了一个机会。这比萨城所在的佛罗萨公国公爵是柯斯摩，他有一个私生子，学识不深，却好出风头。有一天，这人花巨资制成了一架挖泥机槭，要去疏通海港。伽利略看了他的机器，说：“这怕是行不通的。”这一句话得罪了公爵，别人又乘机说了许多坏话，于是伽利略被赶出了比萨大学，教授的饭碗也没了。伽利略有不少朋友，靠着大家的帮忙，他来到了威尼斯的帕多瓦大学任教。而威尼斯早被教会摒弃，不受什么宗教裁判所的限制。意大利不少学者都逃来这里，自由地讨论学问。伽利略一来便广招门徒，积极社交。他从父亲那里学来的一手好琵琶常常成了晚会上最吸引人的节目。这伽利略风流倜傥，才华横溢，在他周围很快形成一个热闹活跃的圈子。这时期，他进行了关于地球磁力的研究，发明了复杂的指南针，还有温度计。成果累累，多不胜数。我们现在印象最深的是伽利略发现的那些基本定律，实际上当时人们最崇拜的是他的那些小发明。他玩弄这些东西有如变魔术一般，直把那些凡夫俗子弄的神魂颠倒，叹为观止。他爱吃喝，好交际，要搞试验，常感钱不够花。于是他又开了一个小铺子，出售自己发明的天秤、脚规、摆锤等，生意极好。他真是名满威尼斯。1609年8月21日上午，天气晴朗，海风习习。伽利略拿着一个一尺来长的圆筒，身后簇拥着一群人，登上威尼斯城的钟楼。跟在后面的人们都知道十九年前伽利略登高做了一个有名的斜塔实验，今天大约又要出奇，所以谁也不说话，只是拾级而上。这时他们已到楼顶，极目望去，只见亚德里亚海湾里碧波万顷，水天一色，这正是观海的好天气。伽利略将那圆筒架在眼上说："诸位，可曾看到海上有什么船只？"大家齐声说："海上干开净净，并无一帆一船。"伽利略说："天边正有两只三桅大商船向我们驶来。"说着他将那筒递给大家。果然，人们从筒中望见两艘大商船鼓满风帆，破浪而来，把那些人都惊呆了。他们又将圆筒转向西边的市区，透过开着的窗户，一般人家正在吃饭、下棋、干活，都看得清清楚楚。一个跟随伽利略前来的小官僚看此情景，忙将圆筒放下，大叫道："这个可怕的魔筒，威尼斯城有了它真不可设想，我要回去告诉我的妻子，叫她千万不要到阳台上去洗澡了。"大家一阵哄笑。说话间，刚才在筒里看到的那两只商船已渐渐在海天之际显示出来，人们又是惊叹一番。原来，前些日子，伽利略听说荷兰一个眼镜商将两片凸凹镜片叠在一起，制成了一个能放大三倍的望远镜，他很快便明白了这其中的道理，又重新作了改进，现在这个望远镜已能望远30倍了，今天他特地到钟楼上来，向人们演示一番。演示完后，他将这宝物献给了威尼斯公爵。公爵大喜，随即下令聘请他为帕多瓦大学的终身教授，年薪五千元。其实，伽利略发明望远镜绝不是为了玩玩新奇。在暗地里，他早就是一个哥白尼学说的拥护者，只是他还没有得到更多的观察数据。现在他发明了望远镜后，便可把镜头直指天空，好去验证哥白尼讲的是否正确。1610年1月10日晚上，天气格外晴朗，他又架起望远镜观察月亮。有好半天，他的眼睛没有离开望远镜筒。他发现如明镜般的月亮根本不是我们肉眼所见的那样光洁，上面竟是山峦起伏，沟壑纵横。"原来天上地下一个样啊！"他失声地大叫起来。幽默的伽利略当即将他观察到的最高的山用阿尔卑斯山来命名他再将镜口转向木星，发现木星也和地球一样，有月亮似的卫星，而且居然有四个之多。按照传统的托勒密天文学的观点和圣经所讲，那"天"是一个环绕地球的，里三层外三层晶莹透亮的天壳。天空是星就分别镶在各层的壳子里。可是现在看到的这些星还能绕着别的星转动，哪里还有什么固定的天壳？他再将望远镜指向银河，哪里有什么何，原来是无数的星座，多得数也数不清。伽利略发狂了，他推开望远镜大声喊着："发现了，发现了，哥白尼是对的，布鲁诺是对的，群星在动，地球在动，太阳在动，天上原来并没有什么天啊。那些星球上的人看我们地球也是天上，他们要信上帝的话，一定以为我们这里的人便是上帝。"和他一起观天的朋友吓得不知所措，忙上去堵住他的嘴说："哎呀！我的老友，你疯了，你忘了十年前烧死的那个人吗？你不想活了？看在你儿女的份上，你也少惹点祸吧！"但是伽利略今天是真正激动了。他更大声地嚷着：“哥白尼是靠假设，布鲁诺是靠计算，而我们有了这个望远镜，可以直接观察，也可以让那些不相信事实的人来观察。要知道，他们的亚里士多德、托勒玫当初并没有望远镜啊，可是现在我有了，我有了，看他们还有什么话说。”可是那些迂腐的教授还是有话可说。他们道：“这些卫星既是肉眼看不见的，当然对我们没有什么影响，既没有影响便没有用处，因此它也就不存在。”这可真是掩耳盗铃，伽利略也不再理他们了。伽利略关于星空的大发现又一次轰动了威尼斯城。连日来他到处作报告，到处被人邀请，但是他也没忘记偷闲参加一些舞会、宴会。这天，几个好友为他举办一次宴会，他一进门，大家就起生欢迎，连声问道：“伽利略先生，这几日又有什么新的想法吗？”伽利略将手套摘下，神秘地说：“我有一个新的发现，就是我突然觉得，我应该回佛罗伦萨去。”满座宾册顿时愕然。原来当初把伽利略赶出比萨大学的那个科斯摩公爵已经死去，现在是科斯摩二世即位，于是伽利略动了还乡之念。他当即掏出一封给公爵写好的信，向大家念道：“我请求回到您的身边，我将用您可贵的姓氏为新发现的星球命名。我是您忠诚恭顺的仆人，作为您的臣民降生，乃是我最高的荣耀。我万分渴望亲近您，您是初升的太阳啊，把这个时代照亮。”朋友们听了这封信很不高兴，有的窃窃议论，说这在有点近于阿谀了。有的大声喊道：“您为什么不继续留在自己的威尼斯，而要去自投罗网呢？”伽利略说：“我不会忘记，当年我是被赶出来的。现在和那时相比，我已大不一样，何不回到自己的家乡，去出出那口恶气？公爵已经答应我做他的宫廷数学家，那是多么荣耀的地位，我怎么能在这里屈身一辈子呢？”几天之后，伽利略不听朋友们的劝告，收拾行囊，踏上了通往佛罗伦萨的归程。这是他一生中干的第一件蠢事。从此他就开始大祸临头了。望远镜小史17世纪初的一天，荷兰密特尔堡镇一家眼镜店的主人科比斯赫，他为检查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处的教堂的塔好象变大而且拉近了，于是在无意中发现了望远镜原理。1608年他为自己制作的望远镜申请专利，并遵从当局的要求，造了一个双筒望远镜。据说密特尔堡镇好几十个眼镜匠都声称发明了望远镜，不过一般都认为利比赫是望远镜的发明者。（图1）（现代双筒望远镜结构示意图。图中红线表示景物光线经望远镜传入人眼的过程）望远镜发明的消息很快在欧洲各国流传开了，意大利科学家伽利略得知这个消息之后，就自制了一个。第一架望远镜只能把物体放大3倍。一个月之后，他制作的第二架望远镜可以放大8倍，第三架望远镜可以放大到20倍。1609年10月他作出了能放大30倍的望远镜。伽里略用自制的望远镜观察夜空，第一次发现了月球表面高低不平，覆盖着山脉并有火山口的裂痕。此后又发现了木星的4个卫星、太阳的黑子运动，并作出了太阳在转动的结论。几乎同时，德国的天文学家开普勒也开始研究望远镜，他在《屈光学》里提出了另一种天文望远镜，这种望远镜由两个凸透镜组成，与伽利略的望远镜不同，比伽利略望远镜视野宽阔。但开普勒没有制造他所介绍的望远镜。沙伊纳于1613年─1617年间首次制作出了这种望远镜，他还遵照开普勒的建议制造了有第三个凸透镜的望远镜，把二个凸透镜做的望远镜的倒像变成了正像。沙伊纳做了8台望远镜，一台一台地云观察太阳，无论哪一台都能看到相同形状的太阳黑子。因此，他打消了不少人认为黑子可能是透镜上的尘埃引起的错觉，证明了黑子确实是观察到的真实存在。在观察太阳时沙伊纳装上特殊遮光玻璃，伽利略则没有加此保护装置，结果伤了眼睛，最后几乎失明。荷兰的惠更斯为了提高望远镜的精度在1665年做了一台筒长近6米的望远镜，来探查土星的光环，后来又做了一台将近41米长的望远镜。使用物镜和目镜的望远镜称为折射望远镜，即使加长镜筒，精密加工透镜，也不能消除色象差，1668年英国科学家反射式望远镜，斛决了色象差的问题。第一台反望远镜非常小，望远镜内的反射镜口径只有2.5厘米，但是已经能清楚地看到木星的卫星、金星的盈亏等。1672年牛顿做了一台更大的反射望远镜，送给了英国皇家学会，至今还俣存在皇家学会的图书馆里。牛顿曾认为折色象差不可救药，后来，证明过分悲观。1733年英国人哈尔制成一台消色差折射望远镜。1758年伦敦的宝兰德也制成同样的望远镜，他采用了折光原则不同的玻璃分别制造凸透镜和凹透镜，把各自形成的有色边缘相互抵消。但是要制造很大透镜不容易，目前世界上最大的一台折射式望远镜直径为102厘米，安装在雅弟斯天文台。反射式望远镜存在天文观测中发展很快，1793年英国赫瑟尔制做了反射式望远镜，反射镜直径为130米，用铜锡合金制成，重达1吨。1845年英国的洛斯制造的反射望远镜，反射镜直径为1.82米。1913年在威尔逊山天文台反望远镜，直径为254米。1950年在帕洛玛山上安装了一台直径5.08米反射镜的反射式望远镜。1969年在苏联高加索北部的帕斯土霍夫山上装设了直径为6米的反射镜，它是当时世界上最大的反射式望远镜，现在大型天文台大都使用反射式望远镜。物理实验室的典范——卡文迪什实验室在现代物理学的发展中，实验室的建设更具有重要意义。卡文迪什实验室作为20世纪物理学的发源地之一，它的经验具有特殊的意义。卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学的物理系。剑桥大学建于1209年，历史悠久，与牛津大学遥相对应。卡文迪什实验室创建于1871年，1874年建成，是当时剑桥大学校长W．卡文迪什（WilliamCavendish）私人捐款兴建的（他是H．卡文迪什的近亲），这个实验室就取名为卡文迪什实验室。当时用了捐款8450英镑，除盖成一座实验室楼馆外，还采购了一些仪器设备。英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。把物理实验室从科学家私人住宅中扩展为研究单位，适应了19世纪后半叶工业技术对科学发展的要求，促进了科学技术的开展。随着科学技术的发展，科学研究工作的规模越来越大，社会化和专业化是必然趋势。剑桥大学校长的这一做法是有远见的。当时委任著名物理学家麦克斯韦负责筹建这所实验室。1874年建成后他当了第一任实验室主任，直到他1879年因病去世。在他的主持下，卡文迪什实验室开展了教学和科学研究，工作初具规模。按照麦克斯韦的主张，物理教学在系统讲授的同时，还辅以表演实验，并要求学生自己动手。表演实验要求结构简单，学生易于掌握。麦克斯韦说过：“这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制仪器，虽然经常出毛病，但他们却会比用仔细调整好的仪器，学到更多的东西。仔细调整好的仪器学生易于依赖，而不敢拆成零件。”从那时起，使用自制仪器就形成了卡文迪什实验室的传统。实验室附有工间，可以制作很精密的仪器。麦克斯韦很重视科学方法的训练，也很注意前人的经验。例如：他在整理一百年前H．卡文迪什留下的有关电学的论著之后，亲自重复并改进卡文迪什做过的一些实验。同时，卡文迪什实验室还进行了多种实验研究，例如：地磁、电磁波的传播速度、电学常数的精密测量、欧姆定律、光谱、双轴晶体等等，这些工作为后来的发展奠定了基础。麦克斯韦去世后，瑞利（即J．W．斯特拉特）继任卡文迪什实验室主任。瑞利在声学和电学方面很有造诣。在他的主持下，卡文迪什实验室系统地开设了学生实验。1884年，瑞利因被选为皇家学院教授而辞职，由28岁的J．J．汤姆生继任。J．J．汤姆生对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。在他的建议下，从1895年开始，卡文迪什实验室实行吸收外校及国外的大学毕业生当研究生的制度，一批批优秀的年轻学者陆续来到这里，在J．J．汤姆生的指导下进行学习和研究。卡文迪什实验室建立了一整套培养研究生的管理体制，树立了良好的学风。他培养的研究生中，有许多后来成了著名科学家，例如卢瑟福、朗之万、W．L．布拉格、C．T．R．威尔逊、里查森、巴克拉等人，其中多人获得了诺贝尔奖，对科学的发展有重大贡献，有的成了各研究机构的学术带头人。J．J．汤姆生领导的35年中间，卡文迪什实验室的研究工作取得了如下成果：进行了气体导电的研究，从而导致了电子的发现；放射性的研究，导致了α、β射线的发现；进行了正射线的研究，发明了质谱仪，从而导致了同位素的研究；膨胀云室的发明，为核物理和基本粒子的研究准备了条件；电磁波和热电子的研究导致了真空管的发明和改善，促进了无线电电子学的发展和应用。这些引人注目的成就使卡文迪什实验室成了物理学的圣地，世界各地的物理学家纷纷来访，把这里的经验带回去，对各地实验室的建设起了很好的指导作用。1919年J．J．汤姆生的职位由卢瑟福继任。卢瑟福更重视对年轻人的培养。在他的带领下，查德威克发现了中子；考克拉夫特和沃尔顿发明了静电加速器；布拉开特观测到核反应；奥里法特发现氚；卡皮查在高电压技术、强磁场和低温等方面取得硕果。1937年卢瑟福去世，由W．L．布拉格继任卡文迪什实验室教授。在他的领导下，卡文迪什实验室的主攻方向由核物理改为晶体物理学、生物物理学和天体物理学，在新的形势下实现了战略转折。以后是固体物理学家莫特和皮帕德主持。70年代以后，古老的卡文迪计实验室大大扩建，仍不失为世界著名实验室之一。物理学睛空的“两朵乌云”“完美”的经典物理学19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W．汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”W．汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指A．迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够作出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中，他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P．约里（PhilippvonJolly,1809-1884）曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”普朗克的另一位名师，柏林大学的G·基尔霍夫（GustayRobertKirchhoff,1824-1887）也说过类似的话，他说“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激，但他能够在此万晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”。最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（A．A．Michalson，1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。19世纪末，卢梅尔（Lummer1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学