第三講：近代科學(xué)革命和現(xiàn)代科學(xué)革命(二)

第三講：近代科學(xué)革命和現(xiàn)代科學(xué)革命近代第一次科學(xué)革命：經(jīng)典力學(xué)革命近代第二次科學(xué)革命：化學(xué)革命近代第三次科學(xué)革命：電磁學(xué)革命等現(xiàn)代科學(xué)革命近代第二次科學(xué)革命18世紀(jì)，科學(xué)出現(xiàn)了一個(gè)發(fā)展緩慢，甚至在某些方面近乎停滯的時(shí)期，物理學(xué)和天文學(xué)都沒有突出的進(jìn)展，生物學(xué)、地學(xué)等依然停留在搜集和整理材料的階段。在生物學(xué)領(lǐng)域最突出的成就是瑞典科學(xué)家林耐創(chuàng)立的植物分類體系。以牛頓力學(xué)為代表的科學(xué)精神和方法的傳播，導(dǎo)致了18世紀(jì)英國(guó)的工業(yè)革命、法國(guó)的政治革命和德國(guó)的哲學(xué)革命，從而形成了“技術(shù)機(jī)械化和人類理性化”的時(shí)代。近代第二次科學(xué)革命工業(yè)革命初期的發(fā)明——紡織機(jī)器——主要?dú)w功于傳統(tǒng)的工匠，但一舉解決了關(guān)鍵性的動(dòng)力問(wèn)題

的偉大發(fā)明蒸汽機(jī)卻至少可以部分地歸功于科學(xué)。同中世紀(jì)封建專制制度的思想統(tǒng)制完全相反，資產(chǎn)階級(jí)保護(hù)科學(xué)的政策中一條最根本的原則是

“寬容”：在不觸犯法律的前提下，一切思想言論都允許自由發(fā)表，不因見解的不同而受壓制或迫害。同時(shí)，資產(chǎn)階級(jí)還為科學(xué)研究提供必要的物質(zhì)資料，特別是通過(guò)實(shí)行專利制度和頒發(fā)獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明成果。近代第二次科學(xué)革命受牛頓力學(xué)成功的影響，18世紀(jì)哲學(xué)的指導(dǎo)思想是：人類單憑理性和計(jì)算就可以解決一切問(wèn)題?？茖W(xué)第一次成為重要的文化因素，甚至對(duì)政治也產(chǎn)生了影響；并使虔誠(chéng)而保守的牛頓成了法國(guó)大革命的先驅(qū)。法國(guó)大革命導(dǎo)源于啟蒙運(yùn)動(dòng)，中心內(nèi)容是科學(xué)和民主。普及以牛頓力學(xué)為代表的科學(xué)知識(shí)和以法國(guó)百科全書派為代表的唯物論思想；宣傳自由、平等、民主和法制，鼓吹

“天賦人權(quán)”、“主權(quán)在民”、“法律面前人人平等”等先進(jìn)理念。全世界通用的科學(xué)的計(jì)量制度（公制），以及各國(guó)實(shí)行的現(xiàn)代科學(xué)教育制度，都是法國(guó)大革命的產(chǎn)物。借助于革命的推動(dòng)力，18-19交替的半個(gè)世紀(jì)中，法國(guó)科學(xué)居于領(lǐng)先的地位（科學(xué)和民主是現(xiàn)代社會(huì)賴以發(fā)展、現(xiàn)代國(guó)家賴于生存的內(nèi)在動(dòng)力）。近代第二次科學(xué)革命英國(guó)工業(yè)革命和法國(guó)大革命，顯示了科學(xué)對(duì)社會(huì)的巨大影響，也為科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)和有利的社會(huì)保證。1690-1750年是科學(xué)史上相對(duì)的空白階段。很快，一個(gè)由小制造商組成的新階級(jí)開始利用他們?cè)谫Q(mào)易戰(zhàn)爭(zhēng)中奪得的新市場(chǎng)、發(fā)現(xiàn)的新需求竭力推進(jìn)新產(chǎn)品和制造新產(chǎn)品的新方法。18世紀(jì)的科學(xué)研究是和工業(yè)革命聯(lián)系在一起的。近代第二次科學(xué)革命18世紀(jì)80年代，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫提出氧化說(shuō)，從根本上推翻了燃素說(shuō)，完成了一次“化學(xué)革命”。燃素說(shuō)認(rèn)為，火是物體的分解，這是一種對(duì)日常生活的直觀認(rèn)識(shí)。氧化說(shuō)確立了關(guān)于化學(xué)元素、化合物以及化學(xué)變化的新觀點(diǎn)。就科學(xué)思維史的意義上講，氧化說(shuō)強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于科學(xué)思維的建構(gòu)作用，其特點(diǎn)是使人類認(rèn)識(shí)離開直接的外觀，進(jìn)入到現(xiàn)象后面的本質(zhì)。透過(guò)自然現(xiàn)象的可見外觀探究我們不能直接看到的方面，并以之為依據(jù)，對(duì)原先看到的東西做出正確地解釋，讓明顯的易于認(rèn)識(shí)的東西被某種新的、陌生的概念來(lái)取代，這是16-18世紀(jì)科學(xué)革命的實(shí)質(zhì)所在，它確立了科學(xué)實(shí)驗(yàn)和

抽象思維的重大的決定性的作用。沒有抽象思維，就不可能對(duì)直接觀察的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)作出正確地說(shuō)明。近代第二次科學(xué)革命貝爾納在《科學(xué)的社會(huì)功能》中指出：18世紀(jì)的偉大成就就在于把化學(xué)從一種傳統(tǒng)的技術(shù)變成一門像力學(xué)一樣可以用數(shù)學(xué)來(lái)計(jì)算的科學(xué)。拉瓦錫和道爾頓把主要是從氣體的性質(zhì)中推導(dǎo)出來(lái)的物理概念帶入傳統(tǒng)的化學(xué)之中，從而實(shí)現(xiàn)了一場(chǎng)科學(xué)革命。

在19世紀(jì)，隨著重化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，這個(gè)“氣體革命”的成果就在堿、漂白粉和氣體的制造上顯示出來(lái)?？死耍褐挥挟?dāng)釀酒、制革、印染、漂白等不再是一家一戶的或小規(guī)模經(jīng)營(yíng)的事業(yè)，而大規(guī)模經(jīng)營(yíng)值得人們理智地考慮怎樣加以改進(jìn)的時(shí)候才需要有所發(fā)現(xiàn)。近代第三次科學(xué)革命19世紀(jì)是真正成為“科學(xué)的世紀(jì)”。人類研究自然的視野不斷拓寬，從太陽(yáng)系拓展到銀河系，從生物的整體深入到組成生物的基本單元細(xì)胞，從動(dòng)植物到人類，從體表到體內(nèi)，從物體到組成物體的基本單元分子和原子，創(chuàng)建理論體系的科學(xué)時(shí)代。涌現(xiàn)出一大批影響至今的科學(xué)理論：細(xì)胞學(xué)說(shuō)，原子學(xué)說(shuō)，進(jìn)化學(xué)說(shuō)，地質(zhì)均變論，人類起源學(xué)說(shuō)，電磁轉(zhuǎn)換學(xué)說(shuō)，能量守恒學(xué)說(shuō)。科學(xué)推動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的世紀(jì)?；瘜W(xué)理論的應(yīng)用產(chǎn)生出化工產(chǎn)業(yè)，電磁理論的外延誕生出電力產(chǎn)業(yè)?？茖W(xué)對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用真正開始出現(xiàn)，科學(xué)思想、科學(xué)精神和科學(xué)方法深入社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)自然的探索也更多地轉(zhuǎn)移到對(duì)人類理性的研究，科學(xué)在公民心中樹立了良好的形象。近代第三次科學(xué)革命1831年，英國(guó)促進(jìn)科學(xué)協(xié)會(huì)替代皇家學(xué)會(huì)逐漸成為官方的喉舌。許多分門別類的學(xué)會(huì)，如化學(xué)學(xué)會(huì)、地質(zhì)學(xué)會(huì)等紛紛成立，各類出版刊物也開始出現(xiàn)。一個(gè)由大學(xué)教授、工業(yè)試驗(yàn)室工作人員和業(yè)余愛好者組成的科學(xué)界/科學(xué)共同體開始出現(xiàn)。與17世紀(jì)不同，科學(xué)界稱自己的職能是了解客觀事實(shí)而不是參加實(shí)際行動(dòng)?？茖W(xué)家不參與管理國(guó)家或企業(yè)的大事，他們只關(guān)心純粹的認(rèn)識(shí)。工業(yè)家通過(guò)付酬的方式利用科學(xué)家的成果，科學(xué)家則通過(guò)對(duì)知識(shí)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)而無(wú)需接受審查，滿足于純科學(xué)的理想。近代第三次科學(xué)革命這次革命以電磁理論、化學(xué)原子論和生物進(jìn)化論的提出為主要內(nèi)容，以熱力學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等一組學(xué)科為帶頭學(xué)科，推動(dòng)近代化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)、生理學(xué)、地理學(xué)、人類學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的誕生或發(fā)展?，F(xiàn)今許多學(xué)科領(lǐng)域的重要成果和思想淵源都可以從19世紀(jì)的科學(xué)歷史中找到依據(jù)。在物理科學(xué)領(lǐng)域，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)統(tǒng)一了聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)，有效地支配著小到微小粒

子、大到宇宙天體的物理世界。在生命科學(xué)領(lǐng)域，以細(xì)胞學(xué)說(shuō)和生物進(jìn)化論為基礎(chǔ)，統(tǒng)一了生物學(xué)的諸分支，乃至確立了人在自然界中的位置。19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)關(guān)于自然界普遍聯(lián)系和永恒發(fā)展的辯證法思想成為可接受的主流觀念。近代第三次科學(xué)革命天體演化學(xué)：康德的《宇宙發(fā)展史概論》（1755）和拉普拉斯的《宇宙系統(tǒng)論》（1796），以鮮明

的歷史自然觀和宇宙發(fā)展論思想闡明了太陽(yáng)系由

原始星云演化而來(lái)的觀點(diǎn)；地質(zhì)進(jìn)化論：賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》（1833）用大量事實(shí)否定了居維葉的災(zāi)變論，提出“現(xiàn)在是認(rèn)識(shí)過(guò)去的鑰匙”的地質(zhì)學(xué)研究方法（將今論

古）。恩格斯說(shuō)，賴爾“第一次把理性帶進(jìn)了地質(zhì)學(xué)中，因?yàn)樗缘厍虻木徛淖兓@樣一種漸進(jìn)作用代替了由于造物主的一時(shí)興發(fā)所引起的突然革命。”近代第三次科學(xué)革命能量守恒與轉(zhuǎn)化定律法國(guó)科學(xué)家卡諾用抽象方法，構(gòu)思出一臺(tái)“理想蒸汽機(jī)”，闡述熱能與機(jī)械能（功）之間的變換關(guān)系，說(shuō)明熱能轉(zhuǎn)換

為機(jī)械能是守恒的。40年代，德國(guó)醫(yī)生邁爾在醫(yī)治病人時(shí)受到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了能量守恒與轉(zhuǎn)化定律；1840-1850年，英國(guó)的焦?fàn)柗謩e用機(jī)械能、電能和氣體壓縮能相互轉(zhuǎn)化的大量試驗(yàn)測(cè)定了熱功當(dāng)量，提出了熱和功之間的關(guān)系式。1847年，德國(guó)的赫爾姆霍茲在《論力的守恒》一書中提出了完整的能量守恒原理，揭示了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱、電、化學(xué)等各種運(yùn)動(dòng)形式之間的統(tǒng)一性。1850年，德國(guó)克勞修斯把卡諾提出的熱效率思想表述為熱力學(xué)第二定律。近代第三次科學(xué)革命1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)磁鐵同導(dǎo)線相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線中有電流產(chǎn)生，提出電磁感應(yīng)定律，奠定發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)，電力時(shí)代的大門由此開啟。1864年，麥克斯韋利用當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家們?cè)诶碚摿W(xué)方面的研究成果，用一組偏微分方程來(lái)概括全部

電磁現(xiàn)象，把法拉第的思想用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述出來(lái)，建立了電磁場(chǎng)的基本方程式，從理論上推斷出電

磁波的存在。1871年，預(yù)言光波、熱波都是電磁

場(chǎng)中的一種，本質(zhì)上是相同的，奠定了電磁學(xué)的

理論基礎(chǔ)。電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)融合成一體，古典

物理學(xué)的理論大廈到此完成。近代第三次科學(xué)革命1803年，道爾頓提出原子論。1811年，阿伏加德羅提出分子論，原子——分子論為整個(gè)化學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。

1824年，德國(guó)有機(jī)化學(xué)家維勒首先用無(wú)機(jī)物合成了有機(jī)物——尿素，突破了無(wú)機(jī)物和有機(jī)物之間的絕對(duì)界限，動(dòng)搖了生命力論的基礎(chǔ)，起到了思想解放作用。1865年，法國(guó)凱庫(kù)勒發(fā)現(xiàn)苯的結(jié)構(gòu)，“合成化學(xué)的年代”開始。1869年，門捷列夫發(fā)表了第一個(gè)化學(xué)元素周期表；1871年，門捷列夫修改并預(yù)言了一些未知元素的存在及性質(zhì)。化學(xué)元素周期律的發(fā)現(xiàn)揭示了各種元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為元素的研究、新元素的尋找、新材料的探索提供了一條客觀規(guī)律，它標(biāo)志著化學(xué)已成為一門嚴(yán)密系統(tǒng)的科學(xué)。近代第三次科學(xué)革命細(xì)胞學(xué)說(shuō)：1838年，德國(guó)植物學(xué)家施萊登發(fā)表《植物發(fā)生論》一文，提出細(xì)胞是一切植物結(jié)構(gòu)的基本單位，是一切植物賴以發(fā)展的基本實(shí)體；1839年，德國(guó)解剖學(xué)家施旺發(fā)表《關(guān)于動(dòng)植物的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)一致性的顯微研究》，將施萊登的觀點(diǎn)拓展到動(dòng)物界，提出細(xì)胞也是一切動(dòng)物結(jié)構(gòu)的基本單位及其賴以發(fā)展的基本實(shí)體。細(xì)胞學(xué)說(shuō)揭示了生物有機(jī)體的構(gòu)造和發(fā)育的統(tǒng)一性，推動(dòng)了生物學(xué)許多紡織的形成。生物進(jìn)化論：1859年前后，英國(guó)科學(xué)家達(dá)爾文在賴爾地質(zhì)進(jìn)化論思想影響下，總結(jié)了細(xì)胞學(xué)、比

較自然地理學(xué)、比較解剖學(xué)、比較坯胎學(xué)、地質(zhì)

古生物學(xué)等領(lǐng)域的成果，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)地考察，

應(yīng)用多種研究方法（主要是歷史方法和歸納方法）提出了生物進(jìn)化的理論。自然選擇的原則：生物界普遍存在生存斗爭(zhēng)和變異現(xiàn)象，在不同的自然條件下能保存和積累器官、性狀的微小變異，使后代性狀偏離祖先越來(lái)越遠(yuǎn)，通過(guò)性狀分歧和中間類型的絕滅而逐漸形成新的

物種。自然選擇經(jīng)常在生物與環(huán)境的相互作用中

改造生物體。近代第三次科學(xué)革命細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)：化學(xué)家、生物家巴斯德通過(guò)精心的研究，揭示出微生物細(xì)菌導(dǎo)致牛奶、葡萄酒、啤酒和許多食品變質(zhì)。發(fā)明的滅菌法推廣到手術(shù)等治療過(guò)程，使手術(shù)病人的死亡比例下降至15％。著名英國(guó)物理學(xué)家丁鐸爾曾致信巴氏：“在科學(xué)史上，我們首次有理由抱有確定的希望，就流行

性疾病來(lái)說(shuō)，醫(yī)學(xué)不久將從庸醫(yī)的醫(yī)術(shù)中解放出

來(lái)，而置于真正科學(xué)的基礎(chǔ)上。當(dāng)這一天到來(lái)時(shí)，我認(rèn)為，人類將會(huì)知道，正是是您才應(yīng)得到人類

最大的贊揚(yáng)和感謝?！苯谌慰茖W(xué)革命巴斯德象限：應(yīng)用引起的基礎(chǔ)研究玻爾：純基礎(chǔ)研究愛迪生：純應(yīng)用研究系統(tǒng)的探索特殊現(xiàn)象的研究，既不考慮一般的解釋目的，也不考慮其結(jié)果會(huì)有什么實(shí)際應(yīng)用；好奇心驅(qū)使；《皮特森北美鳥類指南》、昆蟲標(biāo)記和發(fā)病率的系統(tǒng)化研究；皮特森象限現(xiàn)代科學(xué)革命現(xiàn)代物理學(xué)革命現(xiàn)代生物學(xué)革命主要的科學(xué)理論模型：粒子物理學(xué)中的夸克模型、宇宙學(xué)中的大爆炸模型、分子生物學(xué)中的DNA雙螺旋模型和地質(zhì)學(xué)中的板塊模型，被認(rèn)為是20世紀(jì)古典理論科學(xué)中最重要的四大模型，它們代表了古典理論自然科學(xué)領(lǐng)域中一系列新的理論建樹?，F(xiàn)代科學(xué)革命20世紀(jì)十大科學(xué)事件1900年：普朗克提出解釋光與如何活動(dòng)的量子理論；1905年：愛因斯坦提出相對(duì)論；1910年：托馬斯.摩爾根證實(shí)基因是遺傳單元，并沿著染色體的細(xì)胞組織順序排列；1913年：尼爾斯.玻爾應(yīng)用量子理論解釋電子的行為，制作了原子基本模型；1942年：恩里科.費(fèi)米完成第一個(gè)受控核反應(yīng)。3年以后，美國(guó)在日本投擲原子彈炸；1946年：制造出第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)；1953年：英國(guó)的詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克制作成功脫氧核糖核酸模型；1969年：人類第一次在月球上行走；美國(guó)五角大樓創(chuàng)建因特網(wǎng)；1978年：酶被用于基因重組，遺傳工程誕生。世界上第一個(gè)健康的“試管嬰兒”路易絲出世；

1996年：英國(guó)研究人員基思.坎貝爾和伊恩.維爾穆特第一次成功克隆哺乳動(dòng)物——“多莉”綿羊?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（1）1905年，愛因斯坦發(fā)表了五篇論文，其中三篇具有劃時(shí)代的影響：其中一篇是關(guān)于光電效應(yīng)的。愛因斯坦將德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出的量子觀點(diǎn)大膽推廣，解釋了光電效應(yīng)。另一篇是關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的。布朗運(yùn)動(dòng)是1827年英國(guó)植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的：顯微鏡下花粉顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)期以來(lái)得不到解釋，分子運(yùn)動(dòng)論建立之后曾有人從大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋布朗運(yùn)動(dòng)，但是愛因斯坦第一個(gè)從數(shù)學(xué)上詳盡地解決了這一問(wèn)題。第三篇論文是“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”。愛因斯坦他以“同時(shí)性的相對(duì)性”作為突破口，建立全新的時(shí)間和空間理論，并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)以完整的形式，證明所謂的以太漂移根本就是虛幻的。相對(duì)論的關(guān)鍵：“同時(shí)的相對(duì)性”問(wèn)題*麥克爾遜1887年發(fā)表實(shí)驗(yàn)報(bào)告“關(guān)于地球和光以太的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”：在牛頓力學(xué)領(lǐng)域中普遍成立的相對(duì)性原理在麥克斯韋電磁場(chǎng)理論中不成立“以太”：電磁波假想載體/理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的不一致*洛倫茲和彭加勒想在保留“以太”假設(shè)的基礎(chǔ)上解決這一問(wèn)題：洛倫茲通過(guò)引入“長(zhǎng)度收縮”、

“局部時(shí)間”和新的變換關(guān)系，證明在以及近似

的情況下，地球系統(tǒng)與“以太”服從相同的規(guī)律；彭加勒提出相對(duì)性原理、洛倫茲提出變換群，強(qiáng)

調(diào)相對(duì)性原理的普遍有效性。愛因斯坦：把電磁波看作是獨(dú)立的物理存在，認(rèn)為“以太”假設(shè)是多余的；提出“同時(shí)的相對(duì)性”問(wèn)題*同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)時(shí)間的同時(shí)性是不依賴于觀察者的，而異地發(fā)生的兩個(gè)時(shí)間的同時(shí)性則是依賴于觀察者的，只有指明相對(duì)那個(gè)觀察而言才有意義；同時(shí)相對(duì)性只有在觀察者的運(yùn)動(dòng)速度接近光速才能意識(shí)到。*光速恒定、同時(shí)相對(duì)性，形成狹義相對(duì)論?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（2）1913年，愛因斯坦應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授，并開始考慮將相對(duì)論體系加以推廣。原先的理論只涉及慣性參考系，沒有考慮到加速運(yùn)動(dòng)，因而被稱為狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論很難解釋雙生子佯謬。1916年，在格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦完成了廣義相對(duì)論。在這個(gè)理論中，引力是被考慮的主要問(wèn)題。廣義相對(duì)論認(rèn)為，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，而引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)了繼牛頓以來(lái)人類時(shí)空觀和物質(zhì)與能量統(tǒng)一性認(rèn)識(shí)的革命。普朗克認(rèn)為，愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（3）解釋了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。這個(gè)進(jìn)動(dòng)曾經(jīng)被勒維烈用行星攝動(dòng)方法加以解釋，但誰(shuí)也沒有發(fā)現(xiàn)有

“火神星”在那里攝動(dòng)。愛因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中無(wú)法解釋的43秒差。預(yù)言引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜應(yīng)向紅端移動(dòng)，20世紀(jì)20年代，天文觀測(cè)證實(shí)了這一點(diǎn)。

預(yù)言引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)。最靠近地球的大引力場(chǎng)是太陽(yáng)引力場(chǎng)，愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過(guò)太陽(yáng)的表面，將會(huì)發(fā)生1.7秒的偏轉(zhuǎn)。現(xiàn)代物理學(xué)革命（4）1919年5月29日，英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓率領(lǐng)一支遠(yuǎn)征隊(duì)到非洲西部的普林西比島，克勞姆林率領(lǐng)一支到南美的索布臘爾，帶回了日全食時(shí)太陽(yáng)照片，經(jīng)過(guò)反復(fù)核對(duì)和比較，最終結(jié)論是，星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了1.7秒的偏轉(zhuǎn)。1919年11月6日，皇家學(xué)會(huì)和天文學(xué)會(huì)正式宣讀了兩支隊(duì)伍的觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)了廣義相對(duì)論的正確性。當(dāng)時(shí)的會(huì)長(zhǎng)湯姆遜致詞：“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想史上最偉大的成就之一，也許就是最偉大的成就，它不是發(fā)現(xiàn)一個(gè)孤島，而是發(fā)現(xiàn)了新的科學(xué)思想的新大陸?！毕鄬?duì)論合理地解釋了時(shí)間和空間的關(guān)系、空間與物質(zhì)分布的關(guān)系、物質(zhì)和能量的關(guān)系，改變了牛頓以來(lái)的經(jīng)典物理學(xué)知識(shí)體系，不僅與量子力學(xué)一起構(gòu)成了20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，催生了核能等現(xiàn)代物理技術(shù)，而且把人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)提升到一個(gè)全新的水準(zhǔn)，深刻地影響了人們的思維方式和世界觀。1917年，“根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考察”，提出的宇宙模型盡管沿襲了牛頓的靜態(tài)宇宙觀，但其給出的場(chǎng)方程卻允許宇宙動(dòng)態(tài)解的存在；標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（五）1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在做陰極射線實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)一種新的射線，它具有極強(qiáng)的穿透力。由于X射線可以穿透皮肉透視骨骼，在醫(yī)療上很有用處，因而引起轟動(dòng)。1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾鹽的放射性；瑪麗婭·居里意識(shí)到新射線發(fā)現(xiàn)的重要性，當(dāng)即將“放射性物質(zhì)的研究”作為博士論文。

1898年，發(fā)現(xiàn)釷、釙、鐳的放射性，并確定了兩

種新元素。（1903年物理獎(jiǎng)和1911年化學(xué)獎(jiǎng)）1897年，J·J·湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。古典熱力學(xué)難題：黑體輻射問(wèn)題。英國(guó)物理學(xué)家瑞利根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分布公式。該理論在長(zhǎng)波

部分與實(shí)驗(yàn)比較符合，但在短波部分卻出現(xiàn)了無(wú)

窮值，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是趨于零。這部分的嚴(yán)重背

離，被稱之為“紫外災(zāi)難”。1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克采用拼湊的辦法，得出了一個(gè)在長(zhǎng)波和短波部分均與實(shí)驗(yàn)相吻合的共識(shí)，但該公式的理論依據(jù)上不清楚。普朗克發(fā)現(xiàn)，只要假定物體的輻射能不是連續(xù)變化，而是以一定的整數(shù)倍跳躍式的變化，就可以對(duì)該公式做出合理的解釋。他將最小的不可再分的能量單元稱為“能量子”或“量子”提出一個(gè)大膽的假設(shè)：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過(guò)程中能量是以hν為最小單位，一份一份交換的。當(dāng)年12月14日，他將這一假說(shuō)報(bào)告給德國(guó)物理學(xué)會(huì)。這個(gè)能量量子化的假設(shè)不僅強(qiáng)調(diào)了熱輻射能量的不連續(xù)性，而且與輻射能量和頻率無(wú)關(guān)由振幅確定的基本概念直接相

矛盾，無(wú)法納入任何一個(gè)經(jīng)典范疇。當(dāng)時(shí)只有少數(shù)科學(xué)家

認(rèn)真研究這個(gè)問(wèn)題。普朗克本人也非常動(dòng)搖，甚至放棄了量子論繼續(xù)用能量的連續(xù)變化來(lái)解決輻射問(wèn)題?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（8）20世紀(jì)科學(xué)的新進(jìn)展多數(shù)是以大膽的假設(shè)為先導(dǎo)的。第一個(gè)意識(shí)到量子概念的普遍意義，并將其運(yùn)用于其他問(wèn)題解釋上的是愛因斯坦。1905年，他提出了光量子說(shuō)以解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。1916年美國(guó)物理學(xué)家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了愛因斯坦的光量子說(shuō)?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（9）量子力學(xué)起源于原子結(jié)構(gòu)的研究。開爾芬的布丁模型（即面包之中嵌有葡萄等物）盧瑟福的原子有核模型（1908年的化學(xué)獎(jiǎng)；根據(jù)

經(jīng)典電磁理論，旋轉(zhuǎn)的電子必定向外發(fā)射電磁波，從而損失能量，使電子最終落入原子核中，因而該模型具有不穩(wěn)定性）玻爾的量子化的原子結(jié)構(gòu)理論（電子只在一些特定的圓形軌道上繞核運(yùn)行，在這些特定的軌道上運(yùn)行時(shí)并不發(fā)射能量，只當(dāng)它從一個(gè)較高能量的軌道上像一個(gè)較低能量的軌道躍遷時(shí)才發(fā)出輻

射）?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（10）玻爾的理論不僅在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上解決了原子的穩(wěn)定性問(wèn)題，而且用于氫原子時(shí)，與光譜分析所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合，引起物理學(xué)界的震動(dòng)。玻爾的量子化的原子結(jié)構(gòu)理論明顯違背古典理論，但在解釋光譜分布的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律方面意外地成功。不過(guò)玻爾的理論只能用于氫原子那樣比較簡(jiǎn)單的情形，對(duì)于多電子的原子光譜便無(wú)法解釋。進(jìn)一步的探索就導(dǎo)致了一系列量子力學(xué)成果的產(chǎn)生。由于量子論的深刻內(nèi)涵，以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，他們對(duì)對(duì)應(yīng)原理、矩陣力學(xué)、不相容原理、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、互補(bǔ)原理。量子力學(xué)的幾率解釋等都做出了貢獻(xiàn)。現(xiàn)代物理學(xué)革命（11）1923年4月，美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)。使光量子說(shuō)得到了實(shí)驗(yàn)的證明：光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動(dòng)量的粒子。1924年美籍奧地利物理學(xué)家泡利發(fā)表了“不相容原理”：原子中不能有兩個(gè)電子同時(shí)處于同一量子態(tài)。解釋了原子中電子的殼層結(jié)構(gòu)。這個(gè)原理對(duì)所有實(shí)體物質(zhì)的基本粒子（通常稱之為費(fèi)米子，如質(zhì)子、中子、夸克等）都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)———費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的基點(diǎn)。為解釋光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)與反常塞曼效應(yīng)，泡利建議對(duì)于原于中的電子軌道態(tài)，除了已有的與經(jīng)典力學(xué)量（能量、角動(dòng)量及其分量）對(duì)應(yīng)的三個(gè)量子數(shù)之外應(yīng)引進(jìn)第四個(gè)量子數(shù)。這個(gè)量子數(shù)后來(lái)稱為“自旋”，是表述基本粒子一種內(nèi)在性質(zhì)的物理量?，F(xiàn)代物理學(xué)革命（12）1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波理論：E＝hν，p＝h／λ，將表征粒子性的物理量能量、動(dòng)量與表征波性的頻率、波長(zhǎng)通過(guò)一個(gè)常數(shù)h相等。將量子論發(fā)展到一個(gè)新的高度。1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森伯和玻爾，建立了量子理論第一個(gè)數(shù)學(xué)描述———矩陣力學(xué)。1926年，奧地利科學(xué)家提出了描述物質(zhì)波連續(xù)時(shí)空演化的

偏微分方程———薛定愕方程，給出了量子論的

另一個(gè)數(shù)學(xué)描述——波動(dòng)力學(xué)。后來(lái)，物理學(xué)家

把二者將矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，統(tǒng)稱量

子力學(xué)。量子理論和相對(duì)論不僅成為近代原子、分子物理和天體物理的基礎(chǔ)，成為物理與化學(xué)及生物學(xué)交叉的重要理論基礎(chǔ)，也成為現(xiàn)代核技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子與光電子技術(shù)發(fā)

展的重要理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)，是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物

理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理

論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自然實(shí)現(xiàn)

了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引

發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的

進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。量子論和相對(duì)論的產(chǎn)生直接或間接的導(dǎo)致粒子物理的夸克模型、宇宙學(xué)的大爆炸模型、DNA雙螺旋模型、計(jì)算機(jī)馮諾依曼模型、地質(zhì)構(gòu)造的板塊模型等代表20世紀(jì)下半葉科學(xué)成就的五大模型的建立。粒子物理夸克模型，是以量子力學(xué)和相對(duì)論結(jié)合而形成的量子場(chǎng)論為基礎(chǔ)，將四種相互作用（電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用、引力相互作用）統(tǒng)一的理論模型；現(xiàn)代宇宙學(xué)是愛因斯坦開創(chuàng)的，作為標(biāo)準(zhǔn)模型的大爆炸宇宙模型，是以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)，結(jié)合粒子物理學(xué)的主要結(jié)論而提出的?，F(xiàn)代物理學(xué)革命1953年沃森和克里克提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型，使在分子水平上研究生命的分子生物學(xué)取得了重大突破；馮·諾依曼（John

von

Neumann,

1903-1957）的存貯程序－邏輯推演模型是四代數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)；全球大地構(gòu)造的板塊結(jié)構(gòu)模型是建立在魏格納（1880-1936）1912年提出的大陸漂移說(shuō)基礎(chǔ)上的，在60年代經(jīng)地幔對(duì)流說(shuō)、海底擴(kuò)張說(shuō)等階段創(chuàng)立的。它的建立，引發(fā)了地質(zhì)學(xué)的革命?，F(xiàn)代生物學(xué)革命20世紀(jì)生物學(xué)最重大的成就是分子生物學(xué)的誕生，它將人類認(rèn)識(shí)生物界的水平深入到分子層次。借助于先進(jìn)的物理

和化學(xué)方法，重新找到了生命現(xiàn)象的統(tǒng)一基礎(chǔ)，并逐步揭

示了生命遺傳、進(jìn)化的奧秘。遺傳學(xué)既孕育了分子生物學(xué)，又是分子生物學(xué)中最核心的學(xué)科。孟德爾的再發(fā)現(xiàn)摩爾根與染色體——基因遺傳理論艾弗里：DNA是遺傳物質(zhì)/基因就是DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立、遺傳密碼破譯和中心法則確立沃納·阿爾伯：限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)/DNA重組技術(shù)誕生人類基因組計(jì)劃現(xiàn)代生物學(xué)革命（1）1866年，孟德爾發(fā)表了他的“植物的雜交實(shí)驗(yàn)”疑問(wèn)，首次闡明了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象。20世紀(jì)初，3位互不相識(shí)的生物學(xué)家各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了孟德爾的意義，他們是荷蘭的德弗里斯（1848-1935）、德國(guó)德柯林斯（1864-1933）和奧地利的切馬克（1871-

1962）。1900年，德弗里斯第一個(gè)發(fā)表了關(guān)于雜種的兩篇文章。三位植物學(xué)家同時(shí)發(fā)現(xiàn)了孟德爾曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)的遺傳定律，這個(gè)戲劇性的事件被歷史學(xué)家稱為孟德爾德再發(fā)現(xiàn)。1901年，孟德爾的兩篇論文“植物雜交實(shí)驗(yàn)”和“人工授粉得到的山柳菊屬的雜種”重新以德文發(fā)表，當(dāng)年，英國(guó)生物學(xué)家貝特森將至譯成英文，并向英國(guó)科學(xué)界傳播孟德爾的學(xué)說(shuō)。孟德爾理論的再發(fā)現(xiàn)，開辟了遺傳學(xué)的新紀(jì)元?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（2）孟德爾學(xué)說(shuō)的核心概念是“遺傳因子”，它揭示出生物進(jìn)化過(guò)程中的不連續(xù)性的變異現(xiàn)象，這與達(dá)爾文的連續(xù)變異的進(jìn)化思想不一致。1879年，德國(guó)解剖學(xué)家弗萊明用一種染色的方法觀察細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的有些部分能吸收某些染料，有些則不吸收。

在細(xì)胞核中，有一些物質(zhì)大量吸收他當(dāng)時(shí)所用的堿性苯胺

染料，他稱這些物質(zhì)為染色質(zhì)。1882年，在觀察細(xì)胞分裂過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)扮演著一個(gè)十分特殊的角色。分裂一開始，染色質(zhì)縮成短短的線狀體（后來(lái)稱為染色體），在分裂的過(guò)程中，染色體的數(shù)目增加一倍，分裂完畢后，兩個(gè)子細(xì)胞各分得與母細(xì)胞相同數(shù)目的染色質(zhì)?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（3）1904年，美國(guó)生物學(xué)家薩頓證明染色體總是成對(duì)存在的，并猜想，每條染色體上帶有多個(gè)遺傳因子。1906年，貝森特發(fā)現(xiàn)，豌豆的某些特征確實(shí)總是與另一些特征一起遺傳，薩頓的猜想有道理。

1909年，丹麥植物學(xué)家約翰遜提議用原意為“發(fā)生”的希臘詞“基因”代替孟德爾的遺傳因子。1908年，美國(guó)生物學(xué)家摩爾根讀了德弗里斯的《突變論》一書，很受震動(dòng)，開始用果蠅做有關(guān)遺傳問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)連鎖遺傳定律，發(fā)明測(cè)定基因相對(duì)位置的方法，給出第一個(gè)果蠅染色體的連鎖圖。1933年獲諾貝爾獎(jiǎng)?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（4）分子生物學(xué)起源于細(xì)胞化學(xué)的研究。1836年，瑞典化學(xué)家柏采留斯提出“蛋白質(zhì)”的概念；1842年，李比希證實(shí)蛋白質(zhì)是生命的基本構(gòu)成物質(zhì)。1869年，瑞士生物化學(xué)家米歇爾發(fā)現(xiàn)核酸。1911年，俄裔美國(guó)化學(xué)家列文查明有兩種核酸，并建立了核酸的結(jié)構(gòu)模型。1928年，英國(guó)生物學(xué)家格利菲斯發(fā)現(xiàn)有一種轉(zhuǎn)化因子能使有膜病菌變?yōu)闊o(wú)膜病菌，稱為格利菲斯之謎。1944年，美國(guó)細(xì)菌學(xué)家艾弗里證明這種轉(zhuǎn)化因子是DNA，首次證明DNA是遺傳信息的載體。德爾布呂克關(guān)于噬菌體的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)有力地支持了艾弗里的結(jié)論。理論物理學(xué)家，玻爾的學(xué)生，薛定諤的好友，由于對(duì)

生命本質(zhì)感興趣于1938年轉(zhuǎn)行到美國(guó)從事專門的基因研究。他研究噬菌體的繁殖過(guò)程，證明傳遞遺傳物質(zhì)的事DNA而不是蛋白質(zhì)?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（5）1944年，著名的量子物理學(xué)家薛定諤出版《生命是什么》一書，提出遺傳密碼的思想。他認(rèn)為，莫爾斯電碼只用了點(diǎn)和劃兩種符號(hào)，通過(guò)排列組合就可以產(chǎn)生幾十種代號(hào)，基因分子一定也可以以如此方式進(jìn)行編碼。1954年，曾經(jīng)提出大爆炸模型的物理學(xué)家伽莫夫提出，DNA的4種堿基可能就是最基本的密碼符號(hào)，如果只用2個(gè)堿基進(jìn)行組合，四種堿基只能得到16種可能性，比氨基酸的數(shù)目少。如果用3個(gè)堿基進(jìn)行組合，則能得到64種可能性，又比氨基酸的數(shù)目多。于是，他假定有些氨基酸可以對(duì)應(yīng)幾種堿基密碼，提出著名的三連密碼假說(shuō)。這是由一個(gè)業(yè)余的生物愛好者提出的，但后來(lái)證明是最有價(jià)值的科學(xué)假說(shuō)?，F(xiàn)代生物學(xué)革命1952年，奧地利生物學(xué)家查哥夫通過(guò)精密測(cè)定，發(fā)現(xiàn)4種堿基的含量不相等，推翻了列文模型。這就為DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)以及它在蛋白質(zhì)合成中作用的

研究開辟了道路。1959年，克里克申明支持伽莫夫的假說(shuō)。他認(rèn)為，

DNA通過(guò)信使RNA將遺傳信息由細(xì)胞核傳送到細(xì)胞質(zhì)，再在細(xì)胞質(zhì)中決定蛋白質(zhì)的合成。這個(gè)假說(shuō)被后來(lái)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人類已經(jīng)能夠破譯許多遺傳密碼，并排出一張遺傳密碼圖?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（7）1952年，奧地利生物學(xué)家查哥夫通過(guò)精密測(cè)定，發(fā)現(xiàn)4種堿基的含量不相等，推翻了列文模型。這就為DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)以及它在蛋白質(zhì)合成中作用的研究開辟了道路。1951年11月，沃森（美國(guó)艾弗里噬菌體研究小組）和克里克（英國(guó)結(jié)構(gòu)學(xué)派）在劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室相遇，決定合作研究。當(dāng)時(shí)有好幾個(gè)研究小組在做類似的工作：英國(guó)的維爾金森和生物物理學(xué)家富蘭克林已經(jīng)拍下了非常清晰地X射線衍射圖，運(yùn)用X射線等先進(jìn)物理方法研究生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)開始取得重大突破；美國(guó)的化學(xué)家鮑林已經(jīng)搞清了DNA的螺旋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代生物學(xué)革命（8）1951年，第一個(gè)模型時(shí)有三股鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)，失??；1952年7月，克里克從查哥夫處得知DNA所含4種堿基含量不相等，提出堿基配對(duì)的思想；

1953年2月，得到維爾金斯和富蘭克林的新照片

和新數(shù)據(jù)，開始建立一個(gè)二鏈對(duì)的DNA雙螺旋模

型。最終完成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工作。1953年美國(guó)沃森和克里克提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該模型。現(xiàn)代生物學(xué)革命DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立，宣告人類在揭示生命遺傳奧秘方面邁出了具有里程碑意義的一步，標(biāo)志著現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生，揭示了世界上千差萬(wàn)別的生命種群和個(gè)體在分子結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制上的統(tǒng)一性，并為后來(lái)的以DNA重組為主要手段的基因工程奠定了基礎(chǔ)，對(duì)當(dāng)代醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。[美]G·E·艾倫著，譚茜等譯，20世紀(jì)的生命科學(xué)，北京師范大學(xué)出版社，1985年。現(xiàn)代生物學(xué)革命（9）傳統(tǒng)觀念認(rèn)為：三類最重要的生物高分子化合物中，DNA攜帶遺傳信息，蛋白質(zhì)是生物功能分子，RNA在這兩者之間其傳遞遺傳信息功能（參與蛋白質(zhì)的生物合成）。20世紀(jì)80年代初，T.Cech發(fā)現(xiàn)RNA可以成為生物催化劑，稱之為核酶。這在酶學(xué)領(lǐng)域中打破了“酶的化學(xué)本質(zhì)就是蛋白”的傳統(tǒng)觀念，并使人們認(rèn)識(shí)到，RNA的生物功能