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大科学的提出是在本世纪60年代初。美国的一些科学家认为，当代科学
发生了极大的变化，从小科学时代发展到了大科学时代。一般认为，大科学
产生于40年代，美国制造原子弹的“曼哈顿工程”是大科学开始形成的标志。
大科学这一特征表现在三个方面。第一，科学研究已不再是个人或少数人在
实验室里的活动，而成为一项社会事业，成为国家的一个重要部门。科学家
人数成倍地增加。科研组织规模日益扩大并出现了空前的国际合作。科研经
费以惊人的幅度增长。各国政府都加强了对科学研究的规划、管理和经费投
入。除“曼哈顿工程”外，第一台电子计算机的研制、“阿波罗登月计划”
等都是这种大科学的典型事例。此外，由于当代科学研究活动艰巨复杂，规
模庞大，耗资很高，往往是一个国家力所不支。因此，科研活动的国际化成
为必然，并从早期的跨国公司发展到若干国家的联合。“曼哈顿工程”就是
美国、英国、加拿大等国共同完成的。第二次世界大战后，欧洲一些国家成
立了欧洲原子能委员会和欧洲空间局，以从事原子能的开发和空间技术的研
究。 1985年，由法国倡导的“尤里卡计划”，更是举世瞩目的国际合作。
到1988年，参加该计划的有23个国家、800多家科研机构和企业，已经确
立的项目达213个，包括了所有的高新科学技术领域，总投资约80亿欧洲货
币单位。当代科学研究的社会化和国际化，是大科学最突出的表现。第二，
当代科学形成了分层次的、立体网络式的、开放的大系统。一方面，原有的
传统学科不断分化，分支学科越来越多、越分越细，专业化越来越强。另一
方面，各学科又相互渗透、交叉、融合，学科之间的界限越来越不明显，出
现了许多交叉学科、边缘学科、横断学科。自然科学与社会科学相互交叉，
出现了科学社会学、环境科学、社会数学、决策科学等一大群交叉学科。第
三，众多学科的协同作战成为科学研究的一种重要形式。随着科学研究的深
入，面临的课题越来越复杂，单一学科的研究已无法胜任。因此，多学科的
联合攻关顺理成章地发展起来。例如，电子计算机的出现就是电子学与数学
的结晶，分子生物学则是化学、生物学等学科杂交的果实。对于全球生态环
境这样复杂的大问题，没有数、理、化、天、地、生及相关学科和相关技术
的共同参与，是难以展开全面深入的研究的。可以说，当代大科学的形成，
既是社会的需要，也是历史的必然。
高技术的概念起源于美国，目前尚无统一定义。美国的经济界认为：“凡
是知识和技术在这类产品中所占比重大大高于材料和劳动力成本的产品称为
高技术产品、高技术产业或企业”。显然，这是从产品和产业来定义高技术
的，而不是仅指高级技术或先进技术。也有人认为：“高技术是指那些对一
个国家军事、经济有重大影响，具有较大社会意义或能形成产业的新技术或
尖端技术”。中国通常将信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术、
空间技术和海洋技术列为高技术。高技术主要表现为“三高”。第一，高智
力。高技术是以高深的科学理论和最新科学成就为基础发展起来的，是当代
水平最高、最为先进的技术。知识的高度密集是高技术发展的先决条件。高
技术产业也大多集中在科研机构、高等院校聚集的地区。第二，高投入。高
技术的发展需要投入巨额经费和大量的人力、物力，需要强大的国力和坚实
的经济基础作为支撑。“阿波罗登月计划”、“星球大战计划”、航天飞机
和巨型电子计算机的研制等，都是在这种高投入的条件下进行的。第三，高
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增殖性。高技术成果用于生产，可以获得巨大的经济效益。据估计，美国在
空间计划方面，每花费10美元，生产率可提高0。1％，仅此一项，美国国民
生产总值每年可增加30亿美元。据日本的统计，到1990年，全世界生物工
程生产总值已达270亿美元。用1000升基因工程菌发酵液所生产的胰岛素可
达200克，相当于1600公斤猪或牛胰腺的提取量，其收益率是极其可观的。
（2）科学技术整体化
当代科学技术的另一个特征是科学技术整体化，表现为科学的技术化和
技术的科学化。当代科学研究往往需要复杂先进的手段，而且研究活动也具
有工程技术的特点。没有粒子加速器和射电望远镜，高能物理和天体物理的
研究就寸步难行。电子计算机则更是当代大多数科学研究须臾难离的重要工
具。同时当代技术的发展也更加依赖于科学；科学革命成为新技术革命的先
导。有了受激辐射理论，才有了激光；原子核物理的发展，才导致了原子能
技术的产生；分子生物学的出现，才孕育了生物技术。今天，科学研究往往
依靠各种先进技术及其提供的先进仪器设备；工程技术则需采用一切可能的
科学成果。科学与技术之间的联系是如此紧密，相互促进作用是如此巨大，
各学科与各门工程技术之间的相互渗透又如此广泛深入，以致形成了一个极
其庞大复杂的科学技术系统。
（3）科学技术发展速度加快
近代以来，科学技术一直在加速发展。恩格斯在19世纪中期就提出了科
学技术发展的加速规律。本世纪40年代，美国科学社会学家普赖斯通过大量
统计工作，提出了科学发展的指数增长规律。当代科学技术的加速发展趋势
更为显著，犹如万丈悬崖上的瀑布越冲越快，又如冰山雪崩的雪团越滚越大。
“信息爆炸”、知识更新加快，科研成果从发明到应用的周期大大缩短，高
新技术产品不断更新。据粗略统计，20世纪上半叶所取得的科学技术成果，
远远超过了19世纪，本世纪60年代以来的成果竟超过了以往2000年的总
和。目前，科学技术仍在继续加速发展，并在许多领域不断掀起一个又一个
科学研究和技术开发的热潮。
（4）国际科技竞争加剧
当代科学技术对经济、军事、政治的影响十分巨大，与国家的兴衰存亡
息息相关。国家之间科技能力的竞争成为国家实力竞争的关键。谁掌握了当
今先进的科学技术，谁就占据有利地位，掌握了主动权，就可以使国力大增，
占领国际市场。从世界第一颗原子弹开始，到空间技术、高速电子计算机、
生物技术、高温超导等，40多年来，一些发达国家展开了一场又一场没有炮
火硝烟的激战。它们不惜代价，志在夺取科学技术的领先地位。这种国际科
技竞争的加剧，对当代科学技术的发展起到了强大的刺激作用。临近世纪之
尾，国际科技竞争将会愈演愈烈。
当代科学技术的发展，虽然只有短短的40多年，但它的历程却是波澜壮
阔。各个学科、各门技术犹如条条小溪，逐渐形成大江大河，然后又彼此交
汇，不断分流，一浪推着一浪奔腾向前。对于这数以千计的学科和技术门类，
要想一一追溯源头，描绘出每一流脉，是很难做到的。我们只能沿着几条主
要的大江大河逆流而上，勾画出它们的大致风貌，并从中撷取几朵美丽的浪
花献给读者。
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二、当代物理学和当代化学的发展
在本世纪初物理学革命中诞生的相对论、量子力学，犹如两块巨石投在
物理学的湖水中，激起朵朵壮丽的浪花，又荡开道道涟漪，不断向周围和深
处扩展。从30年代起，物理学家借助于新的科学实验手段，将相对论、量子
力学的理论和方法运用于物质深层结构的研究，并不断向更广阔的领域开
拓，创立了原子核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等分支学科。40年代中
期以后，随着科学实验技术的不断进步和电子计算机的应用，这些新分支学
科迅猛发展，成为当代物理学进展最快的重点领域。
现代物理学革命也对化学的发展产生了巨大影响。30年代以后，人们应
用量子力学理论，已能比较准确地描述原子中电子的运动规律，而且进一步
阐明了化学现象的一些本质问题。40年代后，一门新学科量子化学逐步形
成。传统的无机化学与有机化学出现了综合趋势，形成金属有机化学。分析
化学、物理化学等也取得长足进展。化学与其他学科相互渗透、融合，产生
了生物化学、天体化学、辐射化学、地球化学等交叉学科。近年来，分子设
计开始萌芽，在化学应用方面展现出美好的前景。
1。原子核物理和基本粒子物理的进展
在原子核物理学和基本粒子物理学形成的初期，二者是密切联系、交织
在一起的。本世纪30—40年代，它们才逐步发展成彼此独立的学科。40年
代中期以来，核物理和粒子物理的研究蓬勃发展，呈现一派繁荣景象。
（1）原子核物理
岁月的车轮刚刚驶入当代，人类历史上第一颗原子弹就以其惊天动地的
巨响震撼了世界。原子能的释放，是当代原子核物理学第一项重大成就，也
是20世纪最伟大的、具有划时代意义的科学成就。这一成就的取得，是建立
在30年代中期后对重核裂变研究的基础上的，是在现代发芽生长，在当代开
花结果的。
世界上第一颗氢弹的爆炸成功，是当代核物理取得的第二项重大成就。
它是在研究氢核聚变的基础上实现的。早在20年代末，人们已认识到，太阳
的能量来自其内部氢核的聚变。由于氢核聚变需要10亿度以上的高温，在地
球上难以达到这个条件，所以人们考虑用聚变温度相对较低的氘或氚来代替
氢。1944年，费米（1901—1954）计算出氘—氚混合核燃料的聚变点火温度
为5000万度。但这样的温度当时也无法达到，而且尚无条件建立生产这两种
同位素的工厂。因此制造氢弹似乎还是不可能的。然而，物理学家泰勒（1908
—）和他的小组却坚持进行研究。早在1942年泰勒就已想到，利用原子弹爆
炸产生的高温可能引发氢核的聚变。按照这种设想，在原子弹周围包上一层
聚变燃料，就可以制成氢弹。但如何使氘和氚保存在裂变弹周围，还没有找
到有效方法。加之得不到支持，研究工作受到了阻碍。1949年8月，原苏联
爆炸了原子弹。美国为了保持核武器的领先地位，加紧了氢弹的研制。到1949
年底，泰勒小组完成了氢弹的全部理论研究。1950年1月，美国总统杜鲁门
下达了制造氢弹的命令。1952年11月，美国在太平洋的马绍尔群岛比基尼
环礁上试爆成功了世界上第一枚氢弹。其爆炸力相当于300万吨TNT，把海
底炸成一个深500米、直径2000米的大坑。仅过了9个月，原苏联也成功地
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爆炸了一颗氢弹。热核聚变虽然以氢弹爆炸的形式实现了，但受控核聚变的
研究仍是一个长期而艰巨的任务。
在早期原子核模型和大量实验事实的基础上，原子核模型理论在当代进
一步发展，1949年，迈耶夫人和简森各自提出了壳层模型。早在1930年，
就有人想到原子核的结构可借鉴原子壳层的结构。因为自然界中存在一系列
幻数核，即当质子数或中子数为2、8、20、28、50、82及中子数为126时，
原子核特别稳定。人们当时对这些数感到莫名其妙，因此称之为“幻数”。
但当时人们从核子的运动求解薛定谔 （1887—1961）方程时，得不到与实验
相等的幻数。此外，当时液滴模型已取得相当成功，所以人们对壳层模型持
否定态度。后来支持幻数核存在的实验事实不断增加，已有的模型无法解释。
迈耶夫人和简森在势阱中加入了自旋一轨道耦合项，终于成功地解释了幻
数，并且计算结果与实验正好相符。壳层模型可以相当好地解释大多数基态
的自旋和宇称，对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果，但对电四
极矩的预计与实验值相差很大，对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于
实验值。
1953年，N。玻尔 （1885—1962）的儿子A·玻尔（1922—）和莫特尔逊
提出了集体模型（也称综合模型）。他们指出，不仅要考虑核子的单个运动，
也要考虑核子的集体运动。根据这一模型，当核内的质子或中子数等于或接
近于“幻数”时，壳表现出壳层模型，否则就要象液滴一样活动；当已填满
的密封壳层之外的粒子数目达到下一壳层粒子总数的2／3左右时，核的液滴
特 性表现得特别突出。集体模型预言的原子核的电力、磁力等都与实验结果
符合很好。
除壳层模型和集体模型之外，还有人建立了其他一些原子核结构模型。
所有这些模型都各有千秋，但又都存在缺陷，有待进一步探索。
（2）基本粒子新发现
1935年，汤川秀树（1907—）提出介子场理论。1937年，安德逊（1905
—）、尼德迈耶尔 （1907—）在宇宙射线中发现了一种新粒子。当时人们认
为，它就是汤川理论预言的介子，故称它μ介子。后来发现这种介子与原子
核的相互作用很弱，寿命也比预言的长许多倍，不可能是汤川预言的介子。
1947年，英国的鲍威尔（1903—1969）小组利用他们自己发展的核乳胶技术
探测宇宙射线，发现了另外一种粒子，其质量是电子的273倍，被称作π介
子。这才是汤川预言的粒子。而μ介子与核力无关，后来就把它改叫做μ子。
到1947年时，科学家们已经认识到了14种基本粒子，有光子、轻子（包
括正负电子、正负μ子和预言中的中微子、反中微子）、3种π介子、重子
（包括中子、质子和预言中的反中子、反质子）。已发现的基本粒子许多是
在解决原子核结构问题时首先在理论上预言尔后在宇宙射线或实验中证实
的。这是基本粒子研究的第一阶段。
1947年，宇宙射线专家、英国的罗彻斯特（1908—）和巴特勒（1922—）
发现，在宇宙射线的云雾室照片中，有两种呈V字形的径迹。从能量与动量
守恒定律分析判断，这是质量约为电子质量1000倍的两种粒子。这类粒子最
初被称为V粒子，后来又称为⊙粒子，最后称为K介子。1949年，鲍威尔小
组又发现了一个带电粒子分裂成3个π介子的事例。起初称之为T粒子，后
来命名为K介子。这些发现使物理学家大感意外，促使他们大力改进实验技
术。结果接二连三地发现了另外一些新粒子。这些新粒子可分为两类。一类
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是K介子，另一类是超子。超子的质量比质子和中子重。它们是1951年发现
的Λ超子、Σ超子和1954年发现的Ξ超子。K介子和超子都有一些奇特的性
…23 …10
质。它们都产生得快（10秒），衰变得慢（10秒）；在产生过程中是强
相互作用起作用，在衰变中是弱相互作用起作用。所以人们把它们统称为奇
异粒子。到50年代末，人们认识到的基本粒子已达30种。它们大多数是从
宇宙射线中发现的。这是基本粒子研究的第二阶段。
与此同期，美籍意大利物理学家塞格雷（1905—）等人于1955年发现了
反质子。此后又有人发现了反中子。对费米提出的中微子 （实际上是反中微
子）的验证也取得突破性进展。中国物理学家王淦昌 （1907—）对此作出了
突出贡献。由于中微子不带电，不参与电磁相互作用和强相互作用，所以很
难测到它的踪迹。直到40年代初，还没有任何实验能够验证它的存在。1941
年，王淦昌从抗战时期非常困难而又闭塞的中国后方，向《物理评论》寄了
一篇“关于探测中微子的建议”的论文，明确指出用K俘获的办法可以较容
7
易地发现中微子。1942年�