世界现代后期科技史-第17章
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20世纪20年代，人们还认识到另一种能源，即核聚变能。核聚变是轻
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元素的原子核在极高的温度下接近并聚合，形成新的原子核，同时释放出比
核裂变还大的能量，例如，一克氢在高温下聚变放出的能量大约是一克铀裂
变放出能量的15倍。这种在高温下实现的反应也称热核反应。能进行裂变
的元素在地球上的储量十分稀有，而氢元素却是取之不尽的。
1931年底，美国的尤里发现并得到氢的同位素氘。氘聚变要求的温度比
氢聚变低。自然界中氘的含量虽远低于氢，但仍然是十分丰富的。1934年，
卢瑟福等发现了氢的另一种同位素氚，而且这种元素的聚变温度更低些。美
籍德国人贝蒂、美国人克里齐菲尔德、德国人冯·韦茨萨克等人在1938年
几乎同时指出：太阳和一切恒星的光和热是以氢为燃料的热核反应的结果。
1942年，人们开始研制原子弹时，也着手研究利用热核聚变理论于威力
更大的战争武器——氢弹的可能性。美国、苏联分别于1952年和1953年研
制成氢弹。1967年，我国也成功地爆炸了第一颗氢弹。
但是要象在反应堆中控制裂变那样控制聚变，是非常困难的。聚变反应
除了要控制几千万度的高温外，还要使高温保持足够长的时间，才能“点火”
开始反应。实现受控热核反应，解决核聚变能用于和平的问题，仍是目前科
学技术研究的前沿课题之一。
这一时期，在研究核能的开发和利用的同时，人们还对其他能源技术进
行了研究。作为矿物资源的煤，只有实现气化和液化，才能使其利用率发生
质的变化。在19世纪煤气完全气化研究的基础上，20世纪30年代有了工业
规模的煤气发生炉。1930年，德国首先创造了加压气化的鲁奇法。第二次世
界大战期间，德国、日本研究成功了高压直接加氢液化煤的技术，得到烷烃
类的气体燃料和环烷类、芳香烃类的液体燃料。虽然这些技术的生产能力都
很低，也存在不少缺点，但对煤的气化和液化技术的发展都有所推动。
20年代，德国还试验用煤作内燃机的燃料，将煤粉与水或石油混合，加
进1—3％的稳定剂，开始了胶态燃料的研究。
社会的发展对能源的数量和质量提出了越来越高的要求，人们在探索新
能源的道路上也在不懈的努力。
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七、其他领域的科学技术成就及发展
1．物理学其他一些领域的研究进展
世纪之交的物理学革命给物理学中的许多研究领域都带来了深刻的影
响。这里，我们只简略列举其中的几个方面。
（1）物性物理学的形成
基于量子力学、量子统计力学和普通力学的物性物理学，在20世纪30
年代成为物理学中一个独特的涉及范围很广的研究领域。
①磁性与低温物理特性。磁性是物质最普遍的属性之一。1928年，德国
人海森堡发现，在铁、钴等强磁性物质中，由于电子相互作用，相邻两个原
子的自旋是平行的，他进而从量子力学的理论出发来说明磁性的本质，解开
了长期以来关于磁性的许多不解之谜。磁学的研究从此开始受到各方面的重
视。
低温物理是研究低温下物质的性质。这一时期，有两个方面的发现特别
引人瞩目。其一是关于液态氦的。1927年，人们发现了低温下试管中的液体
氦有不可思议的自逸出现象。1937年，苏联的卡皮查（1894—1984）验证了
液态氦的超流动性。他发现，当温度低于2。17K时，流过狭缝的液态氦的流
速与压差无关，也就是说，液体内部以及液体与器壁之间无摩擦力。1941年，
他还发现了卡皮查热阻现象，即热流经过固体和超流氦的界面时，温度在界
面上有一跃变。1941年，苏联物理学家朗道（1908—1968）利用量子力学解
释低温液态氦的这种奇妙现象，并取得成功。该理论被称为第二种液体氦的
量子力学理论，也称作“二流体模型”理论。其二是，1933年，迈斯纳发现
超导体有非常理想的抗磁作用。
②金属学与结晶学。1928年，德国物理学家索末菲应用费米和狄拉克的
量子统计力学方法发展了金属的自由电子理论，创立了新的、量子机制的金
属电子论，说明了古典统计力学所不能解释的种种现象，成为量子统计最早
的应用成果。
同年，美籍瑞士人布洛克（1905— ）发表了固体“能带理论”。他
认为，晶体中原子的周期性排列，形成对自由电子运动发生影响的周期性势
场。在周期性势场中，电子占据的可能能级形成能带，能带间有一定间隙。
这种能带理论可说明导体、半导体和绝缘体产生的原因，可说明为什么金属
是导体，而其他一些物质却不能导电。建立在量子力学基础上的物性物理学
可解释物质的光学性质、热传导性质以及物质的电、磁等许多性质形成的根
源。
20年代末到30年代前期，人们应用量子力学，对完整结晶的本质以及
不完整结晶 （结晶的缺陷）问题也开展了研究，根据结晶的位错或晶格扭曲
程度来确定物质的强度或性质。研究表明，任何具体的现实的物质都不是完
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全结晶体。
（2）粒子物理学的兴起
20世纪前半叶，诞生了许多物理分支学科，例如原子核物理学、粒子物
理学和宇宙射线研究等。
原子核物理学源于原子核反应的研究，开始于1919年，卢瑟福利用α
粒子从氦原子核中打出质子，首次实现了人工原子核反应。这方面研究的深
入与发展导致了量子力学的发展和后来放射性物理和放射性化学的发展以
及原子能科学的诞生。本书的第二部分和第六部分均有述及。
粒子物理学也称为基本粒子物理学。物理学的这一个分支学科同样源于
对原子核反应的研究。1897年至1937年，被认为是粒子物理学发展的第一
阶段。1897年，J．J．汤姆逊发现了电子；1909年至1911年，英国物理学
家卢瑟福和他的助手用高速飞行的α粒子做炮弹去轰击原子时，发现了原子
核；1932年，英国物理学家查德威克用放射源钋发射的α粒子来轰击铍金
属，发现了中子。于是，物质由中子、质子和电子这些基本结构单元构成的
统一世界图象形成了，同时也形成了基本粒子的概念。
这一期间，康普顿于1922年证实了爱因斯坦预言的光子的存在；泡利
从理论上预言了一种无静止质量的粒子——中微子；相对论量子力学又预言
了电子、中子、质子等粒子的反粒子的存在。电子的反粒子——正电子，是
第一个被发现的反粒子。1932年，安德森 （1905— ）利用放在强磁场中
的云室，记录宇宙线粒子时发现了正电子。以后又陆续发现了其他反粒子。
1934年，日本物理学家汤川秀树（1907—1981）为解释粒子之间的强作
用短程力，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种质量为电子的200
至300倍的基本粒子——介子而引起的。介子、电子和中微子等后来统称为
轻子。1936年至1937年，安德森和尼德迈耶（1907— ）发现了后来被称
为μ子的新粒子，这种不稳定粒子衰变后生成电子、中微子和反中微子。40
年代，证实了具有强相互作用的介子的存在。μ子和介子的发现，分别证实
了泡利和汤川秀树的预言。刺激了基本粒子的研究，粒子物理学进入了第二
个发展阶段，“基本粒子理论”正式成为一门学问而得到迅速发展。
历史上的概念，基本粒子是指构成物质的最基本的组成部分。在这一个
世纪中，这一概念经历了几次重大的变化。人们先是认为原子是物质的基本
组成部分；之后，中子、质子和电子被视为基本粒子；再后来，新发现的中
微子、介子和共振态粒子等也加入了基本粒子的行列。随着基本粒子队伍的
日益壮大，人们认识到，它们也不可能是物质的最基本组成部分，后来的“夸
克”粒子也证明了这一点。
后来，物理学界将称为基本粒子的物质，统称为粒子或亚原子粒子。粒
子物理学的研究使人们认识到，物质结构在不同的能量尺度上有不同的层
次，最终的层次可能不存在。
（3）宇宙射线的研究
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在高能粒子加速器问世之前，研究基本粒子的产生及其相互作用主要是
靠对宇宙射线的研究。
宇宙射线是在研究大气电导率时偶然发现的，这和许多新现象的发现有
相同之处。人们在屏蔽良好的静电计中，发现一种未知的辐射源导致了其中
空气的电离，而且这种辐射源比当时熟悉的放射性具有更大的穿透本领。
1911年至1912年，奥地利人赫斯（1883—1964）为了证实射线的来源，
便利用气球把高压电离室带到5000米以上高空。发现在700米左右的地方，
电离度因某种原因有所下降；但随着气球的继续上升，电离度却持续增加，
而且白天和黑夜都如此赫斯断定，这种辐射源来自宇宙空间。
1922年至1926年，R。A。密立根进一步证实，这种未知辐射源不在大气
层中。1927年，“云室”观察到了未知辐射线中带电粒子的径迹。由于这种
射线来自宇宙空间，因此便得名“宇宙射线”。之后的10年中，人们广泛
研究了宇宙射线的性质。
30年代，人们从宇宙射线中发现了正电子、μ子，以后又发现了更多的
高能粒子。宇宙射线成为发现新的基本粒子的来源和研究基本粒子的重要手
段。40年代，证实了具有强相互作用的介子的存在；1942年，日本人坂田
昌一（1911—1970）提出二介子论，宇宙射线的研究工作进一步深入。
第二次世界大战中，有关的实验技术和仪器得到迅速发展，更精密的云
室，升得更高的气球，新型计算器，新的电子仪器纷纷出现，也进一步推动
了宇宙射线的研究。
2．天文学的新成就
这一时期，天文学的发展一方面是运用爱因斯坦的广义相对论考察宇
宙，并提出宇宙的模型；另一方面是利用天文观测来验证广义相对论。
天文学在这一时期的发展还体现在射电天文学方面。1931年至1932年，
美国青年杨斯基（1905—1950）在研究引起高频无线电干扰因素时，观测到
波长为14。6米处有来历不明的电波信号。这种信号每天出现的时间有规律
地提早4分钟。他推断这一信号来自地球以外的天体。杨斯基的这一发现导
致了射电天文学这一新兴学科的诞生。在这以前，天文学是用光来观测、研
究天体，所以又称为光学天文学；现在，可以用电波来观测、研究天体，即
用接受天体无线电辐射的射电望远镜来观测和研究天体，因此，也称为射电
天文学。
1937年，美国人雷勃（1912— ）制成世界上第一架射电望远镜，其抛
物面天线的直径为9。5米，用它来接受来自空间的无线电信号，研究银河系
和宇宙无线电波的强度分布。1944年，用1。87米波长绘成第一张银河射电
图，证实了银河系中心有很强的射电辐射。不久，他又发现白虎星座附近有
发出无线电波的星体。1942年，英国学者研究发现，来自太阳的射电比太阳
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表面的黑体辐射还要强烈，而且与日面黑子、耀斑等的活动密切相关。
30年代，天文学方面还有不少重要发现，如冥王星的发现、超新星的发
现等。所谓超新星就是恒星爆炸后形成的光度突增1000万倍以上的新星。
星体核反应也是一重要发现。1940年，人们开始将星体分成两大类，并在第
二次世界大战后发展为“星体和宇宙的进化理论”。
3．现代地学理论的诞生
（1）魏格纳与大陆漂移学说
16世纪末，荷兰的墨卡托（1512—1594）在当时地理大发现的基础上，
利用他设计的等角正圆柱投影方法，绘制了第一张世界地图，把地球的表面
展现在了一个平面之上。地图上大西洋海岸线的相互吻合启发了早期大陆漂
移思想的产生。
18世纪法国博物学家布丰（1707—1788）等就曾先后推测过，大西洋是
因为大陆漂移而形成的。19世纪末，奥地利的休斯（1831—1914）认为，按
地层的相性，南半球各大陆可拼合为一个巨大的冈瓦纳古陆。
19世纪中期，研究海岸和海底地质、地貌的新学科——海洋地质学开始
出现，并随着军事和渔业、海底资源开发等的发展而迅速发展。19世纪70
年代，英国皇家舰队的“挑战者”号在环球航行期间开展了对三大洋有组织、
有计划地深海调查，行程7万海里，收集了海洋物理、化学、生物、地貌、
沉积物等方面的珍贵资料。这次环球航行提出了50份调查报告。之后，海
洋调查掀起了热潮，大批探险队和科学考察队的足迹遍布世界各地，海洋地
质学等大批地理地质的丰硕成果使基于陆地地质的传统地质学理论面临严
峻的挑战。随着大陆漂移说等新理论的出现，人们关于地球的自然观在 20
世纪中发生了巨大的变革。
①大陆漂移说的产生。在魏格纳 （1880—1930）提出大陆漂移说之前，
关于地壳运动和大地构造已有各种学说，如冷缩说、大陆永存说、陆桥说等。
例如冷缩说认为：象一个内部水分蒸发而干缩的苹果一样，地球因冷却而收
缩，表面皱褶而形成山脉。
大陆永存说和陆桥说等都属于固定论观点。这种理论以美国地质学家丹
纳 （1813—1895）为代表。从19世纪到20世纪上半叶，固定论在地学各分
支学科中占有统治地位。固定论的主要观点是，大陆固定，海洋永存，认为
在地质历史中，虽然大陆与海洋曾有过变化，但只是原地垂直运动的结果，
即陆地可以隆起为高山，也可沉降为深谷，大陆块可以沉降为洋底，洋底也
可上升为陆地，但是，大陆块没有发生过大规模的水平运动。固定论为了解
释各大陆之间在陆生生物分布方面有极为密切的关系，提出了陆桥假说。
陆桥说认为，在地质历史时期，互相远离的大陆之间曾有过狭长的陆地
连接，即通过“陆桥”而连接。一些被海洋相隔的大陆上，生物和古生物之
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所以有着亲缘关系，是生物通过陆桥迁移和传播的结果。后来陆桥沉没、断
开，两大陆才被海洋分隔。但现代海洋地质的研究事实表明，海
