世界科学技术史(第3版) 课件汇 第16-26章 工业时代的技术发展 - 现代主导技术的突破

近现代技术的发展

工业化是一项具有巨大历史威力并不断前进的过程。在此以前，从来没有另一件百年才逢一次的大事如此改变地球的面貌及其居民的生活。鲁道夫·吕贝尔特：《工业化史》

纺织机器的革命

哥伦布远航到牛顿去世时的235年时间里，英国成为头号世界殖民帝国，其海上贸易和扩张发展的前景十分光明，牛顿时代科学的昌明又给英国人增加了精神上的优越感。技术革命随之发生。

这场革命从纺织部门开始。自世界市场出现之后，纺织业的发展使农村出现圈地运动，大批无地农民不断地流入城市，成为工业后备军。TheIndustrialRevolutionstartedinEnglandaround1733withthefirstcottonmill.Amoremodernworldhadbegun.Asnewinventionswerebeingcreated,factoriesfollowedsoonthereafter.Englandwantedtokeepitsindustrializationasecret,sotheyprohibitedanyonewhohadworkedinafactorytoleavethecountry.Meanwhile,Americansofferedasignificantrewardtoanyonewhocouldbuildacotton-spinningmachineintheUnitedStates.SamuelSlater,whohadbeenanapprenticeinanEnglishcottonfactory,disguisedhimselfandcametoAmerica.Oncehere,hereconstructedacotton-spinningmachinefrommemory.Hethenproceededtobuildafactoryofhisown.

1733年，呢绒工人凯伊(1704-1774)发明飞梭，从此人可不再用手抛梭织布了，使手工纺纱供不应求。

Theflyingshuttle(markedasletter"I"above)wasthrownbyaleaverthatcouldbeoperatedbyoneweaver.Thespinningjennyusedeightspindlesofinsteadoftheonefoundonspinningwheels.

EngravingT.E.Nicholson5年后，约翰·怀特和刘易斯·保罗又发明滚轮式纺纱机，不用手指纺纱了。接着，1764年，哈格里沃斯(1720-1778)造成多绽纺车，实现纺纱机械操作，效率提高十几倍。他以自己女儿珍妮的名字称呼这个能纺出细纱的杰作。1768年，理发师阿克莱特(1733-1792)可能是剽窃了木匠海斯的设计，制成水力带动的滚筒纺纱机，它能纺出不够均匀但却坚实的纱。water_frame_2SpinningMule1774-1779年间，克伦普敦(1753-1827)综合了哈格里沃斯和阿克莱特机器的优点，制出了骡机--纺出既结实又均匀的纱。TheinventionofpowerloomsatthetimeoftheIndustrialRevolutiondramaticallyincreasedtheproductivityofthetextileindustry.

这样，在纺纱机面前，织布飞梭已嫌太慢。1785年，牧师卡特赖特(1743-1823)发明自动织布机。这些机器的应用使工厂生产能力和利润直线上升，机器成了摇钱树。尽管它因造成工人的失业而遭到反对，但仍在整个纺织业中推广。1800年英国纺织业已基本实现机械化。蒸汽机的发展。608年，荷兰人惠更斯、法国人帕平(1647-1712)试制过活塞蒸汽机。这是实验性的抽水装置。此后，英国的军事工程师萨弗里(1650-1716)设计出可用于矿井抽水的蒸汽机。这种机器没有活塞，靠蒸汽冷缩产生的负压抽水，需安装在井下，锅炉需3个大气压，容易产生爆炸。尽管萨弗里称它为矿工之友，但它既昂贵又危险。1712IllustrationofThomasNewcomen'sSteamEngine1705年，英国铁匠纽科门(1663-1729)制成有活塞的蒸汽机。纽科门知道帕平的发明。这种机器可安在矿井上面，靠冷凝气缸使活塞驱动连杆，是一种排水泵。

随着纺织部门的机械化，产生对动力的需求。人力不足以推动这些新机器，风车不够稳定，水车在冬季和旱季都可能停转，用马驱动日夜运转的机器显然既昂贵又麻烦。JamesWattinventedanefficientsteamengine.

1784年，曾在格拉斯哥大学当过仪器制造工人的瓦特(1736-1819)把纽科门的气压机变成工业的动力机，完成了在工业中将热能转化成机械能的勋业，他的名字成为工业革命的象征。

瓦特出生在苏格兰，祖父教数学，父亲当过市镇官，制造过望远镜和六分仪。瓦特小时候，家里墙上挂着耐普尔和牛顿画像，培养了他对科学的好奇心。在格拉斯哥大学，瓦特结识了热学家布莱克(提出比热概念，区分了温度和热量，研究了汽化热、溶解热、凝聚热和凝固热)，当布莱克讲课时瓦特就去听。瓦特懂法语、意大利语和德语，是一个博学和智力敏锐的人，对哲学、诗和音乐也有兴趣。1763年至1764年冬天，瓦特为大学物理实验课修理一台纽科门机器时，观察过它的运转，产生把汽缸和冷凝器隔离开的想法。这实际上是把气压机变成蒸汽机的想法。此后他便开始研究改进。蒸汽机这样一个巨大的发明是不能在实验室中进行的，建造和实验都需要齐全的设备和人员。因此，布莱克教授把瓦特介绍给了他的朋友--工厂主罗巴克。他们合伙研究和应用，后来罗巴克破产，他们的合同被转让给博尔顿。瓦特的蒸汽机终于在同后者的合伙中成功，成为工业中的动力机：具有曲轴连杆、飞轮和离心调速器的双向蒸汽机。蒸汽的膨胀力在这里被转化成了均匀的机械的圆周运动，可为所有工业提供动力。蒸汽使工业发展起飞了。AlbionMillfromtheriverfromtheEuropeanMagazine

ThiscornmillwaserectedbyMatthewBoultonwiththebackingofCityfinanciersatthefootofBlackfriarsBridgein1786.MatthewwasanentrepreneurandthebusinesspartnerofJamesWattandthismillprovidedanidealopportunitytousetheirsteamenginesforgrindingthecornandalltheassociatedhandlingofmaterials.Whenerecteditwasthebiggestandbest-equippedmillinthecountry.Inthisletter,confirmationisgiventhataBoulton&Wattssteamenginehasbeenpurchased,andordersaregivenforworktobeginonconstructingthefoundationsoftheenginehouse.GatheringtheJewelsref:GTJ27913

GlamorganRecordOfficeJamesWattssteamengineEachdouble-actingenginewas50horse-powerandtheyjointlydrove20pairsofmill-stones.Theenginesalsohoistedandloweredthecornandflourintoandoutofthebarges,theyfannedthecorntofreeitofimpuritiesandtheysiftedanddressedthemeal.Eachpairofstonesgroundninebushelsofcornanhour.Soby1790theoutputofthemillwasveryconsiderablefortheperiod.ThesalesofflourinaweekinJune1790amountedto?,800,butBoultonwasstillnotsatisfiedwiththestateofaffairsinrespectoffinanceandorganisation.BeforehecouldmakeanychangeshowevertheMillwasdestroyedbyfireonMarch2,1791.TherewerestrongsuspicionsoffoulplayandBoultoncalledforathoroughinvestigationbytheGovernmentasamatterofnationalimportance.Ontheotherhand,RennieandWyatt,themanageroftheMill,thoughtthatthefirewascausedbyaccidentduetoalackofgreaseofthelargecornmachineinfrontofthekiln.FireatAlbionMills

AWattsteamengineinMadrid.ThedevelopmentofthesteamenginestartedtheindustrialrevolutioninGreatBritain.Thesteamenginewascreatedtopumpwaterfromcoalmines,enablingthemtobedeepened.机器制造机器1782年，英国人威尔金森发明了蒸汽锤。1790年，蒸汽轧钢机诞生。这一时期，由蒸汽机带动的冲孔机、铆接机、蒸汽锤、离心式水泵等都被发明出来。Machinetools

TheIndustrialRevolutioncouldnothavedevelopedwithoutmachinetools,fortheyenabledmanufacturingmachinestobemade.Theyhavetheiroriginsinthetoolsdevelopedinthe18thcenturybymakersofclocksandwatches,andscientificinstrumentmakerstoenablethemtobatch-producesmallmechanisms.Themechanicalpartsofearlytextilemachinesweresometimescalled'clockwork'duetothemetalspindlesandgearstheyincorporated.Themanufactureoftextilemachinesdrewcraftsmenfromthesetradesandistheoriginofthemodernengineeringindustry.Machinemakersearlydevelopedspecialpurposemachinesformakingparts.Machineswerebuiltbyvariouscraftsmen--carpentersmadewoodenframings,andsmithsandturnersmademetalparts.Becauseofthedifficultyofmanipulatingmetal,andthelackofmachinetools,theuseofmetalwaskepttoaminimum.Woodframinghadthedisadvantageofchangingdimensionswithtemperatureandhumidity,andthevariousjointsusedtendedtorack(workloose)overtime.AstheIndustrialRevolutionprogressed,machineswithmetalframesbecamemorecommon,butrequiredmachinetoolstomakethemeconomically.Beforetheadventofmachinetoolsmetalwasworkedmanuallyusingthebasichandtoolsofhammers,files,scrapers,sawsandchisels.Smallmetalpartswerereadilymadebythismeans,butforlargemachineparts,suchascastingsforalathebed,wherecomponentshadtoslidetogether,theproductionofflatsurfacesbymeansofthehammerandchiselfollowedbyfiling,scrapingandperhapsgrindingwithemerypaste,wasverylaboriousandcostly.Apartfromworkshoplathesusedbycraftsmen,thefirstlargemachinetoolwasthecylinderboringmachine,usedforboringthelarge-diametercylindersonearlysteamengines.Theyweretobefoundatallsteam-enginemanufacturers.Theplaningmachine,theslottingmachineandtheshapingmachineweredevelopedinthefirstdecadesofthe19thcentury.Althoughthemillingmachinewasinventedatthistime,itwasnotdevelopedasaseriousworkshoptooluntilduringtheSecondIndustrialRevolution.Militaryproductionhadahandinthedevelopmentofmachinetools.HenryMaudslay,whotrainedaschoolofmachinetoolmakersearlyinthe19thcentury,wasemployedattheRoyalArsenal,Woolwich,asayoungmanwherehewouldhaveseenthelargehorse-drivenwoodenmachinesforcannonboringmadeandworkedbytheVerbruggans.HelaterworkedforJosephBramahontheproductionofmetallocks,andsoonafterhebeganworkingonhisownhewasengagedtobuildthemachineryformakingships'pulleyblocksfortheRoyalNavyinthePortsmouthBlockMills.Thesewereallmetal,andthefirstmachinesformassproductionandmakingcomponentswithadegreeofinterchangeability.ThelessonsMaudslaylearnedabouttheneedforstabilityandprecisionheadaptedtothedevelopmentofmachinetools,andinhisworkshopshetrainedagenerationofmentobuildonhiswork,suchasRichardRoberts,JosephClementandJosephWhitworth.Maudslaymadehisnameforhislathesandprecisionmeasurement.JamesFoxofDerbyhadahealthyexporttradeinmachinetoolsforthefirstthirdofthecentury,asdidMatthewMurrayofLeeds.Robertsmadehisnameasamakerofhigh-qualitymachinetools,andasapioneeroftheuseofjigsandgaugesforprecisionworkshopmeasurement.HenryMaudslay

最重要的要算英国机械师莫兹利(1771-1831)1794年发明的车床上的运动刀架了：原来人手握持的加工刀具被安装在一个可以沿车床中心轴线平行运动的机架上，可迅准加工直线、平面和圆柱、圆锥等多种几何形状的部件。人的手被解放出来了。这一原理被应用到加工炮筒的镗床、加工平面的刨床、刀具垂直运动的插床、加工孔的钻床和其他机床上。Maudslay'sscrew-cuttinglathe,c1800.

1800年，莫兹利基本完成机床的全套设计。1817年，英国人罗伯特又发明了牛头刨床。1850年，惠特沃斯发明的计量仪器使机械加工精度提高到了1／1000毫米。Heavyfacinglathe,1810.

个工作母机体系出现了，机器制造实现了专门化、标准化、精密化和机械化，为大工业奠定了用机器制造机器的技术基础。从此，包括蒸汽机在内的所有机器都不再由手工制造，而由机器迅速、精确、大批地制造出来，装备所有工业部门，工业革命的基础已不可动摇!

英国从1733年至1830年间基本完成工业革命。随后，荷兰、比利时也完成了工业革命。19世纪初，法国也开始了工业革命，德国、意大利继之。EliWhitney美国1776年宣布独立。惠特尼(1765-1825)1793年发明了剥棉花机，一台机器可完成50个人一天的工作，使南方的棉花生产大增，对奴隶需要量大增，大批奴隶被卖到南方，南方的奴隶制得到了强化和发展。Whitneyturnedtogunmakingin1797

1798年，惠特尼又在康涅狄格州的武器工厂发明了标准化生产枪支的方法。这种标准化方法推动了北方工业的发展。后来，美国南北发生战争，工业化的北方战胜了南方，最终消灭了奴隶制。美国内战后，工业革命加快了步伐。U.S.MusketModel1798TypeIIIContractFlintlock.69,SpringfieldArmory印刷的机械化中国人最先发明造纸和印刷。古腾堡1450年制成欧洲最早印刷机，是靠手工排字，造纸、印刷、装订都是手工。这种方法在欧洲持续了约350年。然而，工业革命改变了印刷工艺，实现了第二次印刷术革命。1798年，法国人尼古拉·路易·罗贝尔发明了长网造纸机，1803年展出第一台造纸机。机器造纸的时代开始。到1843年，英国纸价降低一半。

之后，德国人柯尼斯(1774-1833)在弗里德里希·鲍尔帮助下于1812年发明高速印刷机。1814年11月24日用高速印刷机印制的《泰晤士报》首次发行，这一年，柯尼斯又发明双面印刷机。高速印刷机的出现标志着印刷的机械化，是印刷的技术革新。

高速印刷机发明之后，德国人戈特罗普·克勒尔于1844年发明了用刨碎的木材造纸的技术，改变了用破布造纸产量不高的局面，为书刊的推广创造了条件。

1845年，美国纽约的理查德·霍(1812-1866)取得报纸轮转印刷机的专利，这种机器经过改进，在1881年已能在一小时内印出2.5万份8页的报纸来。它把平压的高速印刷机远远抛在后面，使报纸真正开始成为大宗工业产品。

到20世纪，轮转印刷机已能在每小时印出70万份4页的报纸，并出现胶印方法，在排字方面则出现电传排字机，70年代又出现了激光照排系统。印刷术的机械化使各种消息和文化媒介能够快速大量地传播，构成了现代文明的一部分，它的意义怎么估计都不会嫌高。交通工具的发展瓦特的蒸汽机出现后，正为动力发愁的工厂主买进蒸汽机，加快生产的节奏。工作母机的出现又使各种机器成批生产出来。这样便产生了一系列直接的后果：工业对蒸汽机燃料--煤的需要量大增，机器制造行业对作为机器材料的钢铁的需要量大增。于是，矿业和冶金工业开始扩张。这样，煤和铁以及其他生产原材料及产品的运输问题也变得突出了。

1814年，矿工出身的英国人史蒂文逊(1781-1848)制成第一台实用的蒸汽机车。1822年他建立机床车辆厂，3年后他建造的铁路正式通车。从此，铁路首先在英国，紧接着在欧美大陆乃至全世界延伸，成为工业的大动脉。古老的及新开的运河、弯曲的乡间小道和马车道，都不得不为这工业洪流的前锋浪潮让道或让它跨越。从此，火车和铁路开始把更大的地域席卷到商品生产和工业化的世界浪潮中。ROBERTFULTON

1803年，得到拿破仑(1769-1821)资助的美国人富尔顿(1765-1865)设计的蒸汽船在塞纳河上试航时断裂下沉，拿破仑似乎失去了对这项新发明的信心，看来这项技术发展的节奏还赶不上他在欧洲扩张的野心的膨胀速度。两年后，他的海军在特拉法角被英国人彻底击败。又过了三年，当他在俄国领土上遭到更大惨败的那一年，富尔顿的汽船“克利蒙梭号”在北美的哈得逊河上试航成功了。在瓦特去世的1819年，美国人制造的装有蒸汽动力的帆船“萨凡那号”满载棉花，用29天走完了哥伦布72天走过的航程。1838年，单用蒸汽机推动的“大西洋号”轮船把航程缩为15天。两年后，大西洋两岸利物浦和波士顿的定期航班开通。1850年，螺旋桨取代了击水明轮，钢铁船壳开始代替木结构船壳。自此，造船业在欧美各个港口和深水河流的城市兴盛起来。浩瀚的大西洋、太平洋和印度洋似乎不再像往日那么辽阔，海上航行已不再是冒险的事业。燃料动力船满载着工业原料和产品在各大洲之间穿梭，古老的帆船就永远退出了远航的行列。热机的发展及其影响19世纪，蒸汽机的效率迅速提高。但烧煤耗水的蒸汽机，体积也大，无法成为小型机器的动力.

戈特利伯·戴姆勒1832年，布朗发明了最早的内燃机--煤气机。1876年，德国人奥托(1832-1891)、戴姆勒(1834-1900)和他们的合作者在法国人德罗夏(1832-1891)的理论启示下制成了四冲程煤气机。1883年，奥托的合作者戴姆勒在自己独立开业后的工场里制成小巧轻便的汽油机。1885年，装有这种发动机的第一台摩托车出现。同时，比戴姆勒年轻10岁的卡尔·本茨(1844-1929)也制造出了他设计的三轮汽车，并于1890年开始生产四轮汽车。人类古老的理想--一种不用马拉、不用轨道的车辆实现了。戴姆勒四轮汽车"奔驰１号”世界上第一辆汽车福特-T型车(1908年)

此后，美国亨利·福特(1863-1947)1903年在底特律创立福特汽车公司，1913年开始用流水线生产汽车，一部分人的生活方式开始被这一发明大大改变。今天，马车在大城市、甚至在工业国家的乡村基本绝迹，巨大的公路网密布在各个大陆，和铁路干线一起，公路和汽车构成了现代世界交通运输的一部分。和火车相比，汽车甚至在更大的程度上改变了人类的生活方式。这里还不能忘了鲁道夫·狄塞尔(1858-1913)的天才发明。1897年，他在纽伦堡机械厂和弗里德里希·克虏伯合作，制成柴油发动机。这个伟大发明家由于对自己经济前景的悲观而投海自尽了，但他的发明却成了20世纪中的坦克、拖拉机、舰艇以及大多数重型机动车辆的动力心脏。同汽油发动机相比，柴油发动机不但功率大，压缩比高，而且利用了较为廉价的重油。

由内燃机燃料需要造成对石油的大量需要，以至于20世纪的石油井架和炼油塔在一切能发现石油的地方矗立起来，盛产石油的中东地区开始在世界经济和政治生活中扮演举足轻重的微妙角色。其次，由于汽车轮胎，还使橡胶成为具有世界经济意义的原料。由于天然橡胶的稀少，德国人在20世纪初首先开始着手研究合成橡胶，这种研究在1937年便取得了成果。以铁路和公路向全世界扩展为标志的交通运输革命，同时推动建筑业发展，导致了许多服务性行业的产生。公路、铁路和桥梁的修建和维修、汽车车库、加油站、停车场等出现了，它们也是现代社会不可缺少的一部分。与化学有关的工业

--煤。在英国，由于居民家用燃料、冶金、造船和其他行业对木材的需要，使森林几乎被砍光，1700年的伦敦已成为被迫烧煤的城市。煤

焦炭1735年，亚伯拉罕·达比发明焦炭，煤成了炼铁的燃料。蒸汽机出现后，煤成为工业动力机的燃料。世界采煤量自工业革命以来迅速上升，煤一直是城市和农村的家用燃料，并且由于化学的进步，使它成了化学工业的重要原料。酸碱工业纺织要用稀酸来加工纺织纤维。1746年，英国医生罗巴克发明用铅室法生产硫酸的方法，后来在伯明翰建立了首批硫酸工厂。纯碱是制造玻璃和肥皂不可缺少的东西，纯碱制造成了18世纪和19世纪相当重要的化学工业。路布兰制碱法1789年，化学家尼古拉·路布兰(1742-1806)发明了路布兰制碱法。经过法国大革命动荡，拿破仑帝国的第一批大型制碱厂建立起来后不久，陷入贫困的发明家路布兰便在贫民窟中自杀了。这种方法满足了其后几十年欧洲对纯碱及其副产品氯和盐酸的需要。索尔维制碱法1862年，比利时人索尔维(1838-1922)发明了更好的索尔维制碱法，逐步取代了路布兰的方法。随后，电解制碱法又补充了索尔维的方法。此时，在欧洲，三酸(硫酸、盐酸、硝酸)二碱(纯碱、烧碱)已能够大批生产了。化肥工厂德国人李比希把他的化学研究成果应用到化学工业中，使19世纪40年代的德国，紧接着是英、法两国，出现了第一批生产磷肥和钾肥的化肥工厂。

人工合成的染料

19世纪化学的发展，使新的化学工业出现了。1856年，年轻的英国化学家珀金(1837-1907)首次合成苯胺紫。这是第一个人工合成的染料。这在以前各种染料只有从植物和动物中才能提炼出来。19世纪后半叶，化学工业怀抱中也诞生了制药工业。安全炸药19世纪瑞典化学家和工业家阿尔弗雷德·诺贝尔(1833-1896)1863年发明安全炸药。专利和经营俄国巴库油田的利润给诺贝尔带来了万贯家产。诺贝尔通过在1895年11月27日立下的遗嘱，把他的3122万瑞典克朗捐献出来设立基金，以每年的利息作为奖金，授予“一年来对人类做出最大贡献的人”。按此遗嘱，瑞典政府设立了“诺贝尔基金会”，制定了评奖与颁奖办法。诺贝尔将自己的财富贡献给了20世纪在物理、化学、生理学及医学、文学与和平事业方面贡献突出的人们。

You'veprobablyheardofthesixfamousNobleprizes,awardedeveryyeartothepeoplewhohavemadeoutstandingcontributionstomedicine,physics,chemistry,literature,economicsandpeace.AlfredNoblewasmadefamousbecauseheinventeddynamitein1867.Itseemsalittleodd,doesn'tit?Apeaceprizebearingthenameoftheinventorofdynamite!诺贝尔物理和化学奖由瑞典皇家科学院每年负责评定，生理学及医学奖由瑞典卡罗琳外科医学研究院负责评定，文学奖由瑞典文学院评定，和平奖由挪威国会选出的五人委员会评定。每年12月10日诺贝尔逝世纪念日在斯德哥尔摩(和平奖在奥斯陆)举行颁奖仪式，一般由瑞典国王(和平奖由挪威国王)亲自授奖。第一次授奖时间是1901年。获得诺贝尔奖被视为科学家的最大荣誉。另外，为纪念诺贝尔，瑞典中央银行在1968年还提供基金，设立了诺贝尔经济学奖。19世纪后半叶，无论是军用火药，还是民用的炸药，都已经由化学工艺生产，而不再用人工方法配制了。--炼钢法的进步。18世纪的土法炼铁炼钢法已不能满足要求。

1855-1856年间，英国工程师贝塞麦(1813-1898)发明了转炉炼钢法。1861-1865年间，德国的威廉·西门子(1823-1883)和法国的马丁(1824-1915)又发明了平炉炼钢法。1878年，英国人托马斯发明碱性转炉炼钢法。电在工业中的应用奥斯特发现电可以转化为磁。

1825年，英国人斯特金(1783-1850)发明出第一个电磁铁，能提起9磅的重物。接着具有更大力量的电磁铁被造出来了。西门子发电机在法拉第、麦克斯韦等人进行电磁理论研究的同时，电的发明一直层出不穷，电力作为工业主动力的趋势逐步显示出来。1866年，德国人西门子(1816-1892，威廉·西门子的兄长)对发电机做了决定性的改进，电机抛开永久磁铁，开始成为工业动力机。Siemens,1816-1892

爱迪生发明灯泡1879年，美国大发明家爱迪生(1847-1931)发明了炭丝灯。1882年，在爱迪生所建立的世界上第一座直流发电厂中，6台发电机点燃着9000个15瓦的灯泡，第一个民用电照明系统诞生了。从此开始，电的光辉开始照亮太阳照不到的半个世界。高压输电线路就在这一年，为把电流输送到更遥远的地方，法国人德普勒(1843-1918)和德国人冯·米勒(1885-1934)分别在慕尼黑的电力博览会上展示远距离高压输电线路。恩格斯当时已看到，电力网的扩张将“使工业彻底摆脱几乎所有的地方条件的限制，并且使极遥远的水力的利用成为可能，如果在最初它只是对城市有利，那么到最后它将成为消除城乡对立的最强有力的杠杆”三相交流供电系统使电力作为最强大的动力进入工厂车间的决定性步骤是电动机和三相交流供电系统的发明。1873年，曾独立地发明了发电机的比利时人古拉姆在维也纳的展览会上由于工作人员的疏忽，误将别的发电机发出的电流通进自己的发电机，使之转动起来，从而发现了发电机也可以当电动机使用的原理。交流变压器此后，出生于南斯拉夫、于1884年移居美国并一度和爱迪生合作(实际上合不来)的特斯拉(1856-1943)等人发明了交流变压器。为推进交流电的应用，特斯拉还发明了著名的特斯拉电动机和特斯拉线圈。1889年，俄国人多布罗沃尔斯基(1862-1919)设计成了结构简单而安全的三相交流电动机。这样，发电机就不再需要把交流电用换向器转换成为直流电了。而且，交流远距离输电的能耗远小于直流电。19世纪末，包括、电动机、三相变压器、电站和变电所、输电线路在内的三相交流电力网便开始征服世界了。三相交流电系统20世纪，电成了人类工业和生活中所利用的最重要的中间能量形式，没有电，人类社会生活的运转便会立刻陷于瘫痪。停电了！2006年08月14日电在通信和生活中的应用19世纪，人们不仅在寻找电的规律，利用电的力量，同时也在利用当时认为速度无限大的电做通信手段，让电来为人类传递信息。这方面的发明对人类生活产生了深刻的影响。

1832年，美国画家莫尔斯(1791-1872)在从欧洲回美途中遇到一个电气工程师之后就放弃了绘画而醉心于实现电报通信的梦想。三年后他制出了电报机，又过了三年便发明了莫尔斯电码。1844年，他在政府资助下在华盛顿和巴尔的摩之间建成了40千米的电报线。第一句电文是从美国最高法院大庭上发出的由莫尔斯拟好的：“上帝创造奇迹!”1851年，他的电报系统应用于美国铁路线，并开始向北美和西欧普及。1858年，由于大西洋海底电缆的架设，英美两国首次用电缆通信。美国总统发出了“上帝保佑，愿电报成为同种民族之间和平与友谊的纽带”的文字。

但这个电缆的工作很快就中断了。直到1866年，由于美国实业家赛勒斯·菲尔德(1819-1892)和英国物理学家威廉·汤姆逊(即开尔文)的不断努力，新的可供稳定通信的大西洋海底电缆架成。1869年，从英国伦敦出发，经过欧洲大陆直到印度卡里卡特城的电缆建成。19世纪末，从印度到澳大利亚的海底电缆建成。1902年，电缆又将澳洲和加拿大联系起来。从此，全球各个大陆都可以用电报联系起来了。--电话。美国人贝尔(1847-1922)1867年发明了电话。这是比电报更方便、更直接的信息传递技术。10年后，贝尔创办了电话公司，并在3年内安装了5万多部电话机，使美国相距80千米的城市之间有了长途电话。由于爱迪生和英国人休斯发明了新的话筒，以及交换机和自动拨号机的问世，电话得到了改进。1969年，由贝尔创办的企业发展而来的美国电话电报公司已拥有1亿部电话分机。电话缩小了人类的语言空间，加快了社会信息流的传递和反馈速度。“AlexanderGrahamBellcirca1915”

“Dr.andMrs.BellinthegardenatBeinnBhreagh,1909”--留声机。

爱迪生于1877年所发明的留声机是用在锡箔或锡管上刻声迹(沟纹)的方法来保存和重显声音的装置。这一发明首先把音乐带进了家庭。后来，由于丹麦人波森在1898-1900年间发明了磁录音带，留声机便逐渐改进和发展成为现代录音机，和无线电广播一起，成为人们文化生活的一部分。由于录音设备能把声音保存下来，并在需要的时候重放，实际上它也和接着发明的摄像设备一起，成了保存人类历史片断的魔箱。FirstEdisonrecorder/player

--无线电通信。由于赫兹发现了电磁波，1895年，在英国取得专利的意大利人马可尼(1847-1937)和得到海军支持的俄国人波波夫(1856-1906)分别实现无线电的发送和接收。1901年马可尼在英国和加拿大之间实现了无线电通信。此后，无线电通信的技术和理论都取得了巨大进展。光化学照相术1725年，德国解剖学教授休采尔(1687-1744)在制造磷时发现，含有银的硝酸见到阳光后会变色。瑞典化学家雪勒(1742-1786)研究了这种现象后指出，光谱中最短的紫线在使银盐变黑的过程中起着主要作用。1826年，法国人尼普斯兄弟(1763-1823，1765-1833)最先发明了银板照相的方法。NIEPCEJosephNicephore(March,7,1765,Chalon-sur-Saone,France—July,5,1833,ibidem)isaFrenchinventor,oneofthecreatorsofphotography.Hewasthefirsttofindawaytofixanimageproducedbyacameraobscura(around1820s)usingbitumencutbackasphotosensitivesubstance(heliography).HecooperatedwithL.Daguerresince1829.银板照相1839年，曾跟尼普斯兄弟合作过的法国人达盖尔(1787-1851)的银板照相法获得专利。这种方法的原理是：含银的硝酸见光后变色，形成底片。洗印底片：溶液中的化学物质在光作用下以不同程度沉积在纸面上，形成照片。湿板1851年，英国人安彻尔(1813-1853)发明了涂火棉胶的玻璃板底片(湿板)。这种底片与银板底片相比，极鲜明又浓淡均匀，湿板的摄影开始被广泛应用。用这种底片摄影要先在玻璃板上涂乳剂，并乘乳剂未干时完成摄影，且必须当场显影、定影、清洗、干燥等。在野外摄影时还必须带上暗房，所以并不方便。英国1880年3英寸干湿板刻名相机A•LAVERNE，全手工（欧美国家博物馆精品）干板卷式底片1871年，英国医生麦道克斯发明了干板。接着，美国人乔治·伊士曼(1854-1932改进干板，并发明了卷式底片。在他的努力下，照相底片开始工业化生产。1888年，伊士曼将装卷式底片的柯达相机推上市场，从而打开了轻便摄影之门。用伊士曼做广告时的话说：“你只要按下，其余由我们来处理。”从此，摄影技术开始普及。柯达照相机

1888年，首批投放市场的乔治-伊斯曼发明的柯达照相机，是一种简单的手提方盒式照相机，装有一卷可拍100张的纸底片。拍完后要送回厂内进行显影、印像和重装底片。1889年，伊斯曼生产了透明胶片；1892年，将原企业改组为伊斯曼一柯达公司。8年后，生产了供儿童用的“白朗尼”照相机，每个售价1美元。到1927年，伊斯曼一柯达公司实际上已垄断了美国摄影工业，并且是美国摄影工业中最大的公司之一。伊斯曼赠给罗切斯特大学（伊斯曼音乐学校是该大学的一部分）和麻省理工学院等单位达7500万美元以上。他还是采用分发红利的办法来刺激工人的首创者。

1932年3月14日，伊斯曼自杀而死。

随着摄影技术改进，黑白照相能由光线把自然景物和人的形象一丝不差地在平面上复印出来，把陌生遥远地方自然景象逼真地呈现到人的面前，并使请不起肖像画家的普通人能通过摄影把本人的肖像留存于世。太阳做肖像画家遥远的风景最伟大的画家：太阳光摄影术影响了艺术发展摄影术的诞生也深刻影响了艺术发展。19世纪后期，肖像画家的生意已不如往昔兴隆。画家的作品从此只有艺术的意义了。当然，摄相机不但利用阳光体现了真实的影像，而且也可以进行艺术摄影。文森特·梵高VincentVanGogh，1853年3月30日－1890年7月29日荷兰人，后期印象画派代表人物彩色摄影术1935年，柯达彩色照相彩料公司成立。20世纪摄影技术还发展出了紫外线、红外线摄影(40年代)，这实际上是一种遥感技术。从电磁波谱角度看，摄影、雷达、遥感仪是同一类技术。彩色照相是通过胶片对红、绿、蓝三原色的特殊感光与洗印时的特殊处理来完成全色彩照的。1904年，法国的鲁米埃尔兄弟(1862-1954，1864-1948，右图)设计的彩色版获得了专利权。数码相机技术。复习思考题120.英国工业革命是从哪个部门开始的?这个部门当时出现了哪些重要技术发明?122.瓦特改进后的蒸汽机对工业发展产生了什么影响?123.为什么说用机器制造机器是近代机器大工业真正的技术基础?125.为什么说印刷机械化是印刷术的一次革命?127.什么是诺贝尔奖?129.了解电在照明、通信方面的应用及其意义。这方面有哪些发明?130.电力的应用对工业发展的意义如何?131.了解内燃机的发明和应用过程。132.光化学照相术的发明有什么意义?第十七章探幽索微的物理学革命

在我们这个时代里，知识以一种神奇的速度向前发展着，它每迈出新的一步都开辟了一个新的前景。古老的科学正焕发着第二个青春。物理学迈步在其他学科的前列，领先进入未知世界。

瑞德尼克：《量子力学史话》基本内容电子的发现X射线的发现放射性的发现黑体辐射的紫外灾难和量子假说爱因斯坦的光量子理论原子的结构德布罗意波量子力学的建立从狭义相对论到广义相对论原子核物理学的进展核武器的出现基本粒子物理学的进展探索终极理论寻找反物质电子的发现英国人克鲁克斯1879年发现阴极射线是一种高速带电粒子流。1881年，英国人汤姆生(1856-1940)发现，阴极射线是带负电的、沿直线前进的高速微粒子流。1897年他测量了这种粒子所带电荷与质量的比，发现它的荷质比与氢离子的荷质比相比，要大上千倍左右。后来，汤姆生采用了英国人斯通尼(1826-1911)的说法，将这种微粒称为电子。1906-1914年间，美国人密立根(1868-1953)证明电子的电量e是电荷的最基本单位，所有带电物质的电量都是e的整数倍。电子是人类发现的第一个基本粒子，它是古代原子论者和道尔顿都不曾想到过的东西，预示着物质元素的原子还存在着不同的成分。继电子之后，物理学家们后来又发现了400多种基本粒子。X射线的发现

1895年，德国人伦琴(1845-1923)研究阴极射线激发玻璃壁发生荧光时，偶然发现放电管附近用黑纸密封的照相底片感光了，这说明管内发出了一种能穿透底片封层的射线。当年12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了《一种新的射线--初步报告》的论文。当时他称这种新的射线为X射线。伦琴发现：阴极射线(电子流)打在固体上面便会产生X射线；固体元素越重，产生的X射线越强；X射线不能被电磁场偏转，不能被玻璃透镜聚焦；它穿透力极强，把手放在放电管和荧光屏之间，可以从淡淡的手影中见到透明度较差的骨影。这样，X射线很快被应用于医学上的体内异物诊断，并进而用于透视诊病和工业方面的检验分析。X射线的本质是什么?1912年德国人劳厄提出用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察X射线的衍射现象。弗里德里希和柯尼平两人按劳厄的建议做实验，发现了X射线透过晶格衍射的“劳厄斑”，表明X射线是波长很短的电磁波。1912年英国的布拉格父子(1862-1942，1890-1971)确立了计算X射线波长的新方法，后来，人们又反过来利用X射线的波长来研究晶体的结构和缺陷。自从赫兹发现电磁波以来，科学界已普遍承认光是一种电磁波。X射线亦是电磁波谱中的一部分。把当时已发现的自然界的电磁波以波长大小为序排列起来有：电力频率、无线电波(长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线。后来又发现了波长更短、能量更大的γ射线和宇宙射线。当然，其中电力频率和无线电波为相干电磁波，其余电磁波只有在成为激光的情况下才有相干性。放射性的发现

1896年2月，法国人柏克勒尔(1852-1908)把一种能产生荧光的铀盐放在用黑纸包严的照相底片上，在日光照射下铀盐发出荧光，并使照相底片感光。通过反复实验，柏克勒尔发现铀盐本身具有放射性质。法国人皮埃尔·居里(1859-1906)和他的波兰妻子玛丽·居里(1867-1934)在了解柏克勒尔的工作后，发现了新的放射性元素钍，接着又从沥青铀矿中分离出放射性比铀强400倍的钋。1902年，居里夫妇从几吨沥青铀矿渣中分离出0.12克的氯化镭，它的放射线是铀的200万倍!它几乎能穿透一切东西，能使许多物质发光，可使钻石生辉，会把细菌杀死。1903年，居里夫妇和柏克勒尔同获诺贝尔物理学奖。

1899年，出生于新西兰的英国物理学家卢瑟福(1871-1937)用强磁场使铀的射线发生偏转，从而发现了放射线中的α射线(带正电的离子流，实际上是氦核)和β射线(带负电的电子流)。1900年，法国人维拉德(1860-1934)发现，放射线中不受磁场作用的γ射线是光子流。至此，放射线的成分和性质被认识清楚了。放射性的发现给人类带来了原子核内部的信息，是原子核物理学和核化学的起点。黑体辐射的紫外灾难和量子假说

麦克斯韦的经典电磁学理论认为，能量是连续分布的。但夫琅合费已经发现太阳光谱中的暗线，这是经典理论解释不了的。1896年，德国人维恩(1864-1928)根据实验给出了一个描述黑体能量分布的半经验的理论公式，即维恩位移定律：随黑体温度(K)的升高，其发射中亮度最大的光线，波长随之变短(向光谱的紫区移动)。这个公式在高频辐射部分与实验一致，在低频辐射部分则与实验不一致。1900年，英国人瑞利(1842-1912)根据统计力学和经典电磁学理论，给出了另一个公式[1]，它在低频辐射部分与实验相符，在高频辐射(紫外光区)部分却与实验值相差甚远，而且随着频率向紫外光区的增加，黑体辐射的能量密度单调增加，趋向无穷。但实验测得的值是趋向于零。这显然是荒谬的。经典物理学的理论在这里遇到了“紫外灾难”。1900年10月，普朗克(1858-1947)用内插法建立了普朗克公式。这个公式在高频部分与维恩公式符合，在低频部分与瑞利公式符合，当时普朗克在论文《维恩辐射定律的改进》中宣布了这一公式。为了寻找这一侥幸揣测出来的内插公式的真正物理意义，普朗克考虑了玻尔兹曼阐述的熵与几率之间的关系。两个月后，普朗克放弃了经典的能量均分原理，提出了能量子假说。根据这个假说，黑体腔壁由无数能量不连续的带电谐振子组成，它们所带的能量是一个最小能量单元ε的整倍数。ε称为量子。这些带电谐振子通过吸收和辐射电磁波，与腔内辐射场交换能量。在数学关系上，ε=hν，其中h为普朗克常数，ν为电磁波的频率。普朗克的量子说打破了经典物理学中关于能量连续的概念，把能量不连续的概念引入了物理学，它摆脱了“黑体辐射的紫外灾难”这一经典物理学的个困境。但这一革命性的思想是当时的老一代物理学家难于接受的，甚至普朗克本人也只是在1915年才认识了量子理论的重大意义。爱因斯坦的光量子理论

爱因斯坦(1879-1955)1905年在瑞士发表了《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文，提出电磁辐射在传播过程中的能量也是不连续的，并称传播中的能量子为“光量子”，同时用光量子的理论解释了赫兹等人早已发现的光电效应。[1]

光电效应的实验表明，每一种金属材料都存在着一个确定的临界频率ν0。当入射光的频率低于ν0时，光强度再大也不能使金属表面的电子逸出。光电子的能量只与入射光的频率有关，而与光强无关。在临界频率以上，光强度便决定着逸出电子的数目。这一效应无法用麦克斯韦的理论来解释。爱因斯坦用光量子理论解释了这一现象：光照射到金属表面时，能量为hν的光子与电子交换了能量，电子吸收了光子的能量，一部分用来克服金属表面对它的吸引力，一部分变为离开金属表面的动能。当hν小于金属表面的电子逸出功时，电子便不会逸出。1916年，美国人密立根用实验支持了爱因斯坦的假设。1923年，美国人康普顿(1892-1962)做了X射线在金属中的散射实验，康普顿的实验被视为光量子存在的判决性实验，还证明在微观领域里能量和动量仍然遵循守恒定律。爱因斯坦的光量子理论把光的粒子性和波动性统一起来了，这种统一表现为光子的能量与光波的频率不可分割地联系在一起。至此，人们认识到光具有波粒二象性，在传播过程中表现为波动，在同物质相互作用的过程中则表现为光量子。原子的结构

1904年，发现电子的汤姆生提出了一个原子结构模型：正电荷像流质一样均匀分布于原子球中，带负电的电子嵌在球体的某些固定位置上，中和了正电荷，整个原子不显电性。这个模型也称为“葡萄干蛋糕模型”。1909年，卢瑟福与他的助手盖革(1882-1945)和学生马斯登(1889-1970)让α粒子穿透金箔实验，测定约有1/8000的粒子发生了大于90°角的散射。据此提出了原子的有核行星模型：带正电的原子核如太阳居于原子中心，电子如行星绕日那样绕核运行。但是，按经典电磁学理论，电子绕核运行时具有向心加速度，因而会以发射电磁波的形式放出能量，损失能量后电子的轨道将不断变小，最后会在极短的时间内落到核上。这样，“行星系统”就不存在了。按照卢瑟福的说法，就不会有稳定的原子。但实际上，原子是稳定的。另外，按照卢瑟福模型和经典辐射理论，不能解释原子分立的线状光谱。

丹麦人玻尔(1885-1962)1913年，把卢瑟福模型和氢原子光谱的巴尔末公式联系起来，从原子具有稳定性和分立的线状光谱这两个经验事实出发，提出了两个与经典理论相悖的概念：(1)原子中的电子只能在一些特定的轨道上绕核运转，在这些轨道上运动的电子不吸收也不辐射能量，处于稳定状态，即定态。(2)电子在受到扰动后会在两个不同的定态之间发生跳迁，这时会吸收或发射能量，吸收或发射的能量取决于两态之间的能量差(ΔE=hν)。

玻尔的氢原子模型解释了原子的稳定性和氢光谱规律。不过，玻尔理论的局限性在于仍然把电子看做经典物理学中具有完全确定轨道的粒子。随着量子力学理论的建立，人们进一步认识到：电子也具有波动性；根据不确定原理，电子的轨道只是一个电子出现几率较大的区域，这个电子几率分布的区域被形象地称为电子云。德布罗意波（物质波）

爱因斯坦的光量子理论被康普顿效应证实后，法国人德布罗意(1892-1987)受到了深刻的影响。他认为经典力学无法解释微观粒子的运动规律，因而有必要创立一种具有波动性质的新力学。1924年德布罗意在向巴黎大学提交的博士论文《关于量子理论的研究》中破天荒地提出：实物粒子也有波动性。据德布罗意假设，在空间自由运动的粒子的能量E=hν，动量P=hλ

。从关系可看出，动量P越大，波长λ越小。普朗克常数h很小，故实物粒子的波动性不易显出，可用经典力学来处理。但质量很小的微观粒子动量很小，波长就可能被观察到，波动性会显示出来。在1924年4月召开的第四届索尔维国际物理学会议上，爱因斯坦从法国人朗之万(1872-1946)处了解了德布罗意的思想，认为这揭开了自然界巨大面纱的一角。爱因斯坦提出光有粒子性，德布罗意提出实物粒子有波动性，这两种理论揭示了物理世界的对称性。1927年，美国人戴维逊(1881-1958)和革末(1896-1971)一起，按德布罗意曾提出的设想，做了镍单晶电子衍射实验，第一次确认了电子的波动性。此后，随着原子核物理学的发展，质子、中子、原子、分子的波动性都被逐步证实，波动性是物质粒子普遍具有的性质。德布罗意的思想，为量子力学中波动力学的产生奠定了基础。量子力学的建立

1925年，德国人海森堡(1901-1976)建立了量子力学的一种数学表达式--矩阵力学。在他看来，玻尔所描述的电子在原子核外轨道上的运动模型是不可观测的，量子力学方程中只应包括可观测的原子光谱线的频率和强度。[1]

矩阵力学就是用矩阵计算方法处理这类可观测量的数学方程。在完善这种矩阵力学的过程中，海森堡得到了玻恩(1882-1972)和约尔丹(1902-1980)的帮助。生于奥地利的瑞士人泡利(1900-1958)从海森堡的理论推导出了巴尔末关于氢原子光谱的公式。英国人狄拉克(1902-1984)在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后于1927年发表了《量子代数学》一文，使矩阵力学理论体系更加严密。1926年，奥地利人薛定谔(1887-1961)沿另一条途径建立了量子力学的又一种数学形式--波动力学。薛定谔是从了解德布罗意的思想开始的，但他试图找到一个更为普遍的理论。1926年1月至6月，薛定谔连续发表了四篇论文，提出了波函数Ψ的概念，给出了描述物质波的运动方程，从而创立了波动力学。[1]

原子轨道内电子的运动状况不可观测，但原子光谱线的频率和强度是可观测的，这种情况可比喻为：我们可以观察到钟的走动，但不能确定是怎样一套齿轮在推动着钟的指针转动。在薛定谔波动力学描述的原子模型中，电子可以位于周长等于其实物波波长整数倍的任何轨道上。这是一种驻波，电子在这个轨道上无须辐射能量。在两条可以存在的轨道之间，不允许有等于波长非整数倍的任何轨道存在。这样，薛定谔便用电子的属性说明了电子轨道为什么是分立的，也说明了原子谱线为什么是分立的。在此之前，人们只是由分立的原子谱线来推测电子轨道的分立性。从薛定谔的波动方程出发，可以通过波函数求得t时刻粒子在(x，y，z)处的状态。薛定谔的物质波运动方程提供了系统和定量处理原子结构问题的理论，除了物质的磁性及其相对论效应之外，它在原则上能解释所有原子现象，是原子物理学中应用最广泛的公式，它在量子力学中的地位与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似。1926年，薛定谔在认真研究了海森堡的矩阵力学后，证明了矩阵力学与波动力学的等价性，两种理论实际上是同一的。在这种情况下，玻恩对薛定谔的波函数作出了统计解释：粒子波函数在空间某点的强度(振幅的平方)与粒子在该处出现的几率成正比，物质波是一种几率波。实际上，后来的电子衍射实验表明，用大量电子做较短时间的实验和用少量电子做较长时间的实验，所得到的衍射图像都是一样的，这表明几率波就是大量电子运动的统计结果，波函数所表示的就是电子的运动轨道。1927年，海森堡在研究了微观粒子的波粒二象性后提出了著名的不确定原理。[2]

不确定原理表明，对粒子的动量测量得越精确，对它的位置就测量得越不精确，即它们不可能同时被精确测量。[3]

这种状况是由微观粒子的波粒二象性造成的，而不是由仪器的不精确造成的。为了精确测量粒子的位置要采用波长较短的光，这时光子会把较大的动量传递给粒子，这样虽然可以较精确地测定粒子的位置，却无法测定粒子的动量；反之，用较长的光波可以较小地干扰粒子的速度，从而较准确地测定粒子的动量，但它的位置就很不确定了。不确定原理的数学形式为：ΔP·ΔX≥h。根据这一关系式，我们如果知道粒子在这里，就不知道它的运动情况。如果知道它的运动情况，就不知道它的确切位置。[4]

[2]

由于“不确定原理”是针对测量而言的，所以，有时也翻译为“测不准原理”或“测不准关系”。[3]

在这里，动量和位置是一对共轭变量。另外，能量和时间也是一对共轭变量，它们也不可能被同时精确测量。[4]

海森堡1941年11月26日在莱比锡大学作的题为“自然科学世界图像的统一性”演讲中曾说道，电子本身已“不再具有哪怕是最简单的一些几何和力学的特性，而所谓它的特性，只是在它受到外界作用之后我们所能观察到的那些。这时，在所能观察到的原子的这些特性之间，存在着一个互补性，它的意义是，知道了原子的一些特性，就排除了同时知道它的另一个特性。”所以，在面对原子而思考自然科学世界图像统一性时，“必须用另一种比较广阔的想象来代替。”转引自：朱长超主编．世界著名科学家演说精粹，124～128页，南昌，百花洲文艺出版社，1994。1927年，玻尔通过对微观粒子波粒二象性及不确定原理的研究，提出了著名的互补原理(并协原理)。玻尔认为，量子力学在描述微观粒子的运动规律时仍然运用着经典力学中的概念--动量、质量、能量、频率、波长、几率等，这是自然科学的基础语言，不可能抛弃它们。但与宏观领域不同的是：为描述微观粒子运动规律而运用一类经典概念时，就会排斥另一类经典概念；但在换一种条件的情况下，又要运用那些在原来的条件下被排斥的概念。这两种描述中的任何一种都是不充分的，而且是彼此不相容的，但为了说明所有可能的实验又都是必要的。这两类彼此对立的概念在描述微观粒子性质所具有的二重性时是互补的。例如，设计了光的衍射实验，就抑制了其粒子性，这时用波的概念来描述它；反之，设计了光电效应实验，就抑制了其波动性，这时用粒子的概念来描述它。但光本身具有波粒二象性，只有用这两类相互对立的概念的两种描述，才能形成对光本性的较完整认识。[5][5]

由于物理学家不能像伽利略那样在观察自由落体的情况下发现自由落体定律，不能像牛顿那样在能眼见苹果和月亮的情况下感悟到万有引力定律，而只能在见不到电子、光子、质子和中子的情况下，通过对实验结果的分析来理解它们，而不同的实验设计会得出完全不同的结果。所以，人类运用量子力学理论描述微观世界时的处境，真是有点瞎子摸象的味道。在1927年10月于布鲁塞尔召开的第五次索尔维物理会议上，爱因斯坦认为互补原理对神圣的经典物理学的这种根本性的背离是完全不能接受的，“可爱的上帝不是在掷骰子”，量子理论的统计解释不是最终的解释，不确定原理是不能接受的，量子力学至多只是一个暂时的方案，因果性和连续性终将复归为物理学的基础。他相信完备的定律和秩序。但对以玻尔为首的哥本哈根学派来说，他们不但相信掷骰子的上帝，而且宁肯追问：上帝是怎样掷骰子的？是怎样通过掷骰子创造出了定律完备和秩序井然的宇宙万物？显然，爱因斯坦怀着对宇宙的简单性与和谐性的直觉信念，试图用决定论来解释量子力学。他同玻尔进行了激烈的辩论，但他的证据在当时均被对方一一驳倒了。不过，爱因斯坦此后仍然经常思考着这个问题，因为这场争论实际上也触及了人类对自然事物的认识能力有没有一个限度的问题。1931年爱因斯坦在他的《宇宙宗教以及其他见解和警句》中作过这样的比喻：假设二维平面上的一个扁臭虫有理智，能研究物理学和写书，它的世界是二维的，它在思想上和数学上能理解第三维，但却不能直觉想象第三维。人是三维的，在数学上人可以想象第四维，但在物理上却不能想象第四维。这里可以将爱因斯坦的比喻推而广之：假设微观粒子是一只从四维空间中伸向人类的手，那么，人类便不能同时看到这只手的手心和手背，甚至不能握住它。20世纪围绕着对量子力学的诠释，进行了科学和哲学层次的争论。根据有关学者的研究，尽管在不同学派之间和同一学派内部的个人之间存在着争议或观点上的差别，但当前大多数物理学家接受哥本哈根学派对量子力学的诠释：量子力学中的主体和客体是不可分辨的[6]；人们对自然界的认识存在一个以普朗克常数h为最小单元的极限；植根于经典物理学的因果律和决定论不复存在；微观粒子在实验中表现出来的粒子性和波动性即互斥又互补，而且这种互斥又互补的概念适用于整个物理学乃至一切知识领域，是一条有普遍意义的哲学原理。[7]显然，关于这个问题也许还可以争论[8]，但量子力学的理论目前在信息科学方面的应用并没有止步。

[6]

通俗的说法是，在同微观粒子对话的舞台上，我们既是演员，又是观众，可能还是剧本的作者。[7]

参阅：龚剑平，金尚年．量子力学诠释的世纪之争，上海：科学，1996(1)。[8]

美国人约翰·惠勒在思考这个问题时作了一个比喻：在万事万物最深处隐藏着的是一个问题，而不是一个答案。当我们费劲心机去窥视物质世界的最深之处和宇宙最远的边界之外时，我们最终所能看到的，只是自己那疑云密布的脸，也正在不解地回望着我们。参阅：约翰·霍根．科学的终结，119页，呼和浩特，远方出版社，1997。从狭义相对论到广义相对论

爱因斯坦对物理学的最大贡献是相对论。相对论提出了对宇宙的一种新观点，爱因斯坦也因此被公认为20世纪最伟大的科学家。当迈克尔逊-莫雷实验及其结果吸引着一批人的注意力的时候[1]，爱因斯坦经过10年的默默探索，于1905年提出了狭义相对论。狭义相对论假定：不论光源或光的测量者运动与否，真空中的光速永远是一个常数[2]；光是以量子的形式传播的，具有粒子的性质，而不需要“以太”的存在；由于没有“以太”的存在，宇宙中任何运动都不是一种绝对运动，一切运动都是相对于为方便起见所选择的某种参考系而言的，自然规律对所有这类参考系都是保持不变的。正是由于“一切运动都是相对的”这个概念，使爱因斯坦的理论被称为相对论。

[1]

这些人包括斐兹杰惹、洛仑兹，英国人拉摩(1857-1942)和法国人彭加莱(1854-1912)。拉摩曾于1900年提出抛弃“以太”观念，彭加莱在1904年9月的一次演讲中曾提到了运动