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钢铁的数量和质量的要求以空前速度增长。矿山的规模在日益扩大，矿山设
备在日益更新，18 世纪的土法炼铁炼钢法已大大不能满足要求了。
1855～1865 年间，英国工程师贝塞麦（1813～1898）发明了转炉炼钢法。
这种方法在熔化了的生铁中吹入空气并加入高锰铁水，去除了杂质，并控制
了含碳量，炼钢的新纪元开始了。当转炉同传统的高炉在欧洲冶炼厂同时矗
立起来之时，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。这一方法提高了炉内的温度。
至此，高炭钨锰钢、钨铬钢和高速工具钢等，都先后被炼制出来。1878 年，
英国人托马斯发明了具有良好脱磷效果的碱性转炉炼钢法。这样，就为机械
加工中的刀具和机械制造提供了更多可供选择的材料。即使是在 20 世纪，钢
铁工业也依然盘踞在最庞大的重工业前列。
通讯
美国人贝尔（1847～1922）在实验中实现了用电传递声波，于 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 公里的城市
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，由贝尔集团发展而来的美
国电话电报公司已拥有 1 亿部电话分机。今天，美国人每 2 人平均一台电话
机，而全球每个主要地区的人都可以通过电话直接对话。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。
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。它和无线电广播一起，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，实际上它也和现代摄像
设备一起，成了保存人类历史片断的魔箱。
照相术
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）改进了干板，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：“你只要按下快门，其余
由我们来处理。”从此，摄影技术开始普及。
随着摄影器材、底片材料和洗印技术的改进，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，开始把陌生遥远地方的自然
景象逼真地呈现到人的面前，并使那些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间。摄影术的诞生也深刻地影响了艺术的发展。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。
突飞猛进的现代科技
20 世纪的物理学革命
一系列的新发现
英国人克鲁克斯（1832～1919）在 1879 年，发现阴极射线是一种高速带
电粒子流。后来，汤姆生将这种微粒称为电子。1906～1914 年间，美国人密
立根，测出了精确的电子电量值。
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，预示着原子还存在着不同的成分。继电子之后，物理学家们
至今已发现了 400 多种基本粒子。
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。他称这种新的射线为 X 射线。
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。
法国人柏克勒尔通过反复实验，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～
1834）在了解了柏克勒尔的工作后，发现了新的放射性元素钍，接着又从沥
青铀矿中分离出了放射性比铀强 400 倍的钋（取此名以纪念居里夫人的祖国
波兰）。经过 45 个月的艰苦努力，1902 年，居里夫妇从几吨青铀矿渣中分
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。
德国犹太人爱因斯坦（1879～1955）于 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”（后来又称为光子）。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，这种统一表现在光子的能
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，光表现为波动，在同物质相互作用的过程中，光则表现
为光量子。
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。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）沿着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。
在此前后，泡利于 1925 年提出了电子自旋的概念，狄拉克得出了电子具
有磁矩的结论，并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论，开创了相对论
波动力学的研究。自第一个反粒子发现之后，物理学家们逐渐认识到，一切
粒子都有反粒子，它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋，具有相反的电荷
和磁矩。
1927 年，玻尔通过对微观粒子波粒二象性及测不准关系的研究，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—一动量、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：在描述微观粒子运动规律时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，则又要运用那些在原来的条件下被排斥的
概念来描述微观现象。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。这两类彼此排斥的概
念在描述微观粒子性质所具有的二重性时是互补的。
原子核物理学
1939 年 1 月 6 日，玻尔到美国出席一次物理学家会议，把原子核分裂的
消息告诉了与会的科学家们，这些人兴奋无比，很多人立即着于研究，在数
周内，一再证实了铀裂变的存在，并发现了铀裂变时原子核放出的巨大能量。
毫无疑问，链式反应的实现，会在极短的时间内放出巨大的能量，从而为制
造原子武器提供可能。
由于德国的科学家曾参与了核裂变研究，还由于当时美国的情报证实纳
粹分子正在组织人力研究链式反应，在美国的物理学家中有人感到，有必要
抢在德国之前尽快制造出原子弹。1939 年 8 月，一封由西拉德谋划、由最有
声望的科学家爱因斯坦签名的信，经一位与白宫关系密切的经济学家萨克斯
交到了美国前总统罗斯福（1882～1945）手中。1940 年，美国的物理学家们
采取了共同保守有关核裂变和链式反应研究全部秘密的紧急措施。1941 年 12
月，美国制造原子弹的“曼哈顿工程”正式上马。奥本海默（1904～1967）
被任命为洛斯—阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制。1945 年 7
月，世界上第一颗原子弹在美国西部沙漠上试验成功。同年 8 月，美国在日
本的广岛和长崎共投下了两颗原子弹，它们的爆炸是人类历史上最惨烈的第
二次世界大战的巨大尾声。
第二次世界大战后，前苏联于 1949 年 2 月、英国于 1952 年 1 月，都成
功地爆炸了原子弹。1964 年 10 月，中国加入了拥有核武器国家的行列。继
中国之后，印度也于 80 年代拥有了原子弹。
1952 年 11 月，美国试验成功了第一颗核聚变武器——氢弹，9 个月后，
前苏联的氢弹也爆炸成功。1967 年，中国成功地爆炸了第一颗氢弹。
核能技术不仅被应用在武器方面。1954 年 1 月，美国人制成了世界第一
艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号，1954 年 6 月，前苏联在奥布宁斯克建成了世界
第一座核电站，1957 年 12 月，美国人建成了希平港核电站，英、法、德等
国也都相继发展了核电站。中国自行设计的第一座核电站—一浙江秦山核电
站已经于 1992 年正式运行发电。
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。
根据狭义相对论，爱因斯坦指出：物体相对于观察者运动时，沿相对运
动的方向上，它的长度会缩短，速度越大，缩短越多，即运动的尺子要缩短；
时钟相对于观察者运动时会走得慢些；光速是物质运动的极限速度；如果两
个事件在一个惯性系中是同时但不是在同地发生的，那么它在相对于该惯性
系匀速运动的另一个惯性系中则不会是同时发生的，即同时性也是相对的；
在物体运动速度远小于光速的情况下，相对论力学就变成了牛顿力学。
在建立了狭义相对论之后，爱因斯坦又研究了引力问题。在牛顿力学中，
物体有两种质量：牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质
量。尽管牛顿推算出这两种质量是相等的，但却没有作出理论上的解释。匈
牙利人厄缶（1848～1919）曾用实验证明这两种质量是相等的。以两种质量
相等为基础，爱因斯坦在 1913～1916 年间提出了著名的等效原理和广义协变
原理，建立了新的引力理论——广义相对论。
现代天文学的发展
观测手段的进步
伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学研究进入了望远镜观测的时
代。近代以来，望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。自
19 世纪照相术发明以来，照相方法逐步被应用到天文研究方面。由于光学的
进步，分光方法在天文研究中得到了进一步的应用。分光方法是指让星光通
过棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱进而研究的方法。牛顿用棱
镜分解日光是分光方法的开始。50 年代以来，随着航天技术的发展，人们已
经不再局限于在大气层以内进行天文观测了，而开始了大气层外的天文观测
活动。在这方面最著名的例子是 1990 年 4 月由美国人通过航天飞机送入太空
的哈勃望远镜。
20 世纪天文研究方面具有革命性意义的是射电天文学的出现。射电天文
学使天文观测的范围从可见光频率扩展到了所有电磁波谱的频率范畴，开辟
了对不可见天体的研究，在某种意义上导致了 20 世纪天文学的革命性进展。
宇宙有多大
现代天文学的进展最后趋向了可观测的宇宙有限的结论，而这一宇宙有
限的观点正是随着天文学家所能观测到的宇宙范围越来越广而提出来的。
1923～1924 年间，美国人埃德温·哈勃（1889～1953）用当时世界上最大的
反射式光学望远镜（口径为 2．5 米）确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星
云，而是银河系以外的恒星系统。目前，用最大的反射式光学望远镜，可以
看到 30 亿光年远的宇宙，但是，由于射电天文学的出现，光学望远镜所能达
到的极限已不能作为人类认识宇宙广度的界限了。
目前用光学望远镜看到的 30 亿光年远的星系，已达到了可观测宇宙 1／3
的深度，而用射电望远镜所看到的 100 亿光年远的星系，已经达到可观测宇
宙的边际了。
宇宙演化理论
爱因斯坦、德西特的宇宙与弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙开始引起天文
学家们的广泛注意和研究。
弗里德曼和勒梅特的宇宙是一个膨胀着的宇宙，而膨胀总是从物质密度
无穷大时开始的。1932 年，勒梅特从他的模型出发，提出了一个宇宙演化学
说，认为整个宇宙的物质最初集中在一个超原子宇宙蛋里，后来发生猛烈爆
炸，碎片向四面八方散开，形成了今天的宇宙。但他当时还没有完全足够的
核物理学知识来描述宇宙蛋爆炸后宇宙演化的具体过程和细节。另外，勒梅
特还低估了宇宙的年龄，这是因为当时哈勃所给出的宇宙尺度只有 20 亿光
年。后来巴德研究河外星系时得到了新的结论，宇宙的尺度增加了 20 倍，宇
宙的年龄也由勒梅特的 20 亿年增至 50～60 亿年。
尽管如此，大爆炸宇宙论还不是一个完善的理论，它还不能从物理学的
观点说明宇宙初始点的条件，也不能有把握地预言宇宙的终结。
现代地学的发展
大陆漂移说和地幔对流说
近代欧洲人研究了岩石的成因。在这方面产生了两种主要的观点：水成
论和火成论。
1893 年，美国人威廉斯（1847～1918）提出了地质年代学的概念，企图
按地质构造来确定地壳岩层的年龄。但这方面的认真研究是 20 世纪才开始
的。由于放射性元素有一个固定的半衰期，在半衰期内、核数目会减少到原
有数目的一半。所以，研究地壳岩石中元素的各种稳定和不稳定同位素的丰
度和它们之间比值的变化，便可以确定矿物、岩石的地质年龄。
但一般来说，人们普遍认为地球表面的大陆是静止的，没有运动。近代
的地质科学还没有关于大陆运动的思想。
1912 年 1 月，德国人魏格纳（1880～1930）在马尔堡科学协进会作了题
为《大陆的水平位移》的演讲，提出了关于大陆漂移的假说。1915 年，魏格
纳利用服兵役的病假期写成了《海陆的起源》一书，从地球物理学、地质学、
古生物学和生物学、古气候学、大地测量学等 5 个方面详细论述了他的大陆
漂移说。这是第一个关于大陆运动的系统学说。魏格纳认为，全世界的所有
大陆原来是一个被整海（泛大洋）包围着的整陆（泛大陆），由于潮汐和地
球自转的作用，巨大的大陆岩体分裂成几块，慢慢分开，漂浮在玄武岩底的
海洋上，向各个方向移动，经过几亿年的时间，这些移动形成了世界各大洋
大洲今日的面貌。
1928 年，英国人霍尔姆斯提出了著名的地幔对流说。霍尔姆斯认为，地
壳下的地幔物质可以发生热对流，上升的地幔流遇到大陆屏障后，会向两边
流去，产生的引张力将陆块扯裂，然后使之漂移，在陆面上形成裂谷；两股
相向流动的地幔汇合起来向下流动时，挤压力和拉力造成了地槽和海渊。霍
尔姆斯把地幔作为大陆漂移的传送带，从而较好地解决了大陆漂移的驱动力
问题。当然，霍尔姆斯的说法也仍然是一种假说，当时的大陆地质学和海洋
地质学都还不能提供地幔对流的足够证据。
海底扩张说和板块构造论
1960 年是海洋地质学上有纪念意义的一年。这一年，瑞士人 J．皮卡德和
一位美国人乘坐奥古斯特·皮卡德（1884～1962）发明的“的里雅斯特”号
深潜器，下潜到 1 万多米深的马里亚那海沟底部，使人类探测到了海洋的最
深处。另外，美国普林斯顿大学的赫斯（19O6～1969）在�