教学工作- 校本选修- 物理发展简史(物理组校本教材)

物理发展简史(物理组校本教材)

  • 2019-06-12
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目录

科学发明.... 3

凹面镜聚光作用的妙用... 3

贝尔实验室... 4

电视的诞生与费罗.法恩斯沃斯... 5

电子显微镜的发明... 6

发电机史话... 7

发射光谱仪的发明... 8

核磁共振仪的发明... 9

火的利用纵横谈... 10

钻木取火... 11

火箭的诞生... 13

火星之旅... 13

激光器的发明... 13

科学史上的遗憾和悲剧... 14

人造卫星史... 16

摄影技术的发明... 16

剃刀的发明... 16

望远镜的发明... 16

望远镜小史... 18

物理实验室的典范——卡文迪什实验室... 19

物理学睛空的“两朵乌云”... 20

显微镜的发明... 22

蒸汽机的发明... 23

英刊评出有史以来最杰出的十位物理学家... 26

历史进程.... 27

公元前600年以前... 27

公元前600--1... 27

1—400... 27

401-1000... 27

1001-1500... 27

1501-1600... 28

1601-1650... 28

1651-1700... 28

1701-1750... 29

1751-1800... 29

1801-1850... 29

1851-1900... 31

1901-1910... 33

1911-1920... 34

1921-1930... 35

1931-1940... 36

1941-1950... 37

1951-1960... 39

关于诺贝尔物理奖的故事.... 41

诺贝尔物理学奖简介... 41

诺贝尔奖及其评选... 41

历年诺贝尔物理学奖... 42

中国物理史话.... 48

夏以前、夏、商、西周... 48

春秋、战国... 48

秦、汉... 49

隋、唐、五代... 49

宋、辽、金、元... 49

明、清(鸦片战争以前)... 50

中国古代的热学知识... 51

中国古代对磁的认识... 52

中国古代对电现象的认识... 54

中国古代对力学的研究... 55

中国古代在声学上的贡献... 57

中国的“两弹一星”(19641971... 58

北京正负电子对撞机(1988... 58

 

 


科学发明

凹面镜聚光作用的妙用

古希腊叙拉古王国与罗马帝国的交战中,聪明的阿基米德使用杠杆原理制造的兵器打败了罗马马赛拉斯的进攻,而罗马将领马赛拉斯作战一天,损兵折将,正在帐内闷坐,这时进来一人献策说,三天之内能使阿基米德束手就擒。他抬头一看,原来是一员副将。那人说:“将军,你怎么忘了,我们也有厉害的武器啊,这时不用,还待何时?"原来罗马人常年征战,攻城掠地,也发明了一些专门武器。不过他们还不能像阿基米德那样巧用科学,以智取胜,而是专靠役使大量的奴隶,以力取胜。现在这位副将说有厉害的武器,是指专门用来攻城的"攻城塔",就是立一座十分高大的木塔,下面装着轮子,攻城时推至城墙边,兵士从塔顶用弓箭封锁对方的城头,然后架上云梯强攻。马赛拉斯经部下这么一讲,才从沮丧中醒来,连忙召集会议,研究新的攻城方案。他又特别派人向海军统帅克劳狄乌斯送信,约定联合行动,务求一举攻下叙拉古。会议结束时,马赛拉斯特意宣布了一条军令:“抓住阿基米德者有重赏,但一定要保证他的安全,不得有任何伤害。”

第二天,战场上一片寂静,双方相安不动,各自秣马厉兵,期以死战。第三天早晨,从罗马军营里出来一座木楼房,缓缓地向叙拉古城靠近。那正是攻城塔,前有数百人拉着,后面又有许多人推着,渐渐逼近了护城河。这时叙拉古城中又飞出了大大小小的石块,但是,这些石块碰到攻城塔上裹着的几层厚厚的牛皮,嘭嘭有声,却又软软地落地。攻城塔很快接近了城墙,固定好塔脚,塔顶上排好射手,塔下的攻城槌,开始咚咚地捣城墙了。这下叙拉古城内一片惊慌。男子差不多都上了城头,到处是一片嘶喊,刀光剑影。这时,马赛拉斯骑着一匹带铁甲的马亲自督阵,脸上显出得意的神情:“啊,阿基米德,你这个老头子,看你今天不败在我的手下?"

真是屋漏偏遭连阴雨,船破又遇顶头风。正当城北罗马陆军架起攻城塔强攻硬上的时候,城南远处的海面上,克劳狄乌斯率领海军舰船,黑压压的一片,乘风破浪向城边压来。这时守城的士兵大都上了北城墙,南门上只有几个老兵放哨,见此情景就敲起钟来,并飞快地来向阿基米德告急。阿基米德正在大营里与将军们商量守城之策,接此报告,向人们吩咐了几句,便只身来到南城门楼上。他眯起那双已经挂上白眉毛的慧眼,向海面上凝视了片刻,又抬头望望天空,只见万里无云,骄阳喷火,便说道:“事情紧急,现在赶快叫全城所有的妇女带上自己的梳妆镜,到南门外集合!"

一些士兵飞快进城传令去了,阿基米德守候在海边。他站在高高的礁石上,凝望着蓝天碧海。他虽然裹着一身铁甲,但是难免又闪过一缕学者的情思。多么美丽的地中海啊,水天一色浩浩茫茫,清风徐来,鸥鹭点点。这个知识之海,和平之海,她那长长的海岸从希腊半岛到尼罗河口,产生了多少科学巨人:泰勒斯、毕达哥拉斯、欧几里得、亚里士多德;她那深深的碧波,从西西里岛到塞浦路斯,融会了多少东西方的文明:中国的丝绸,印度的象牙,埃及的纸草,希腊的工艺品。可是今天这和平之海上却燃起了火,飘起了血。他又极目远眺,仿佛看到了亚历山大港外的那座塑有海神波赛依顿大雕像的巨大灯塔,仿佛看见了塔顶那团炽燃着的火,火后边那面特别大的凹面铜镜。那团火正好处在凹面镜的焦点上,也就是说在镜面弧半径的中点上,于是那光射到镜面上,又都成平行光束集中反射出去,极强极亮。他永远也不会忘记这座划破黑暗,给远航者指路的灯塔,不会忘记他第一次横渡地中海去亚里山大里亚求学,还未见海岸就先见到那团智慧之火的情景。他想起了在那里学习的时候,正当青春年华,朝气蓬勃,可是,随着岁月的流逝,他已经是70岁的老人,还肩负着卫国的重任。他暗暗乞求海神波赛依顿保佑,今天也让我们用那团智慧之火把侵略者埋葬在地中海吧。

这时,罗马人的舰队已渐渐地逼近了叙拉古。克劳狄乌斯站在指挥船上,腰佩长剑,头戴铁盔。为了防备叙拉古城上那木头架子怪物再伸出魔爪,他命令将每八艘战舰锁在一起,连成一个巨大的海上战台,给士兵们配备了特制的大斧,准备砍断木架上伸出的魔手,然后就可以架着云梯登城。可是当他们的战舰接近叙拉古的时候,却看到城头上并没有那个怪物架子,也没有弯弓持枪的守兵,却看到城门大开着!这时城里走出三五成群的妇女穿着长长的白衣裙,飘飘然地走向海滩,有的爬上礁石,有的靠近水边,妇女群中还夹着少数老人、孩子--这是干什么呢?阿基米德这个怪老头子,又在玩什么诡计。克劳狄乌斯不觉犯了寻思,他忙令水手停桨,手搭冰棚仔细观察一番。不错,都是些妇女、老弱。对,一定是北面攻打得紧,城将失守,他们出城投降来了。想到这里克劳狄乌斯高兴起来,他好像看见了妇女们焦愁的面容,听到了她们乞怜求饶的柔语娇声。他哈哈大笑起来。传令水手们用快速前进,好抢头功。这时,分散在海边排成一个弧形的妇女们,每人从怀里掏出了一面镜子,如火的阳光照射镜面,立即反射出一束束强烈的光芒。克劳狄乌斯看着,以为那是一种别致的欢迎仪式,更加欣喜若狂。可是不一会儿,这些光束渐渐集中到船上,对准了桅杆,盯在那高大的白帆上。船随着海浪在起伏颠簸,光束随船帆上下移动,但却像吸住一样,总不离开那面布帆。这时满船将士才不安起来,莫非阿基米德又想出了什么怪点子。一会儿有人喊,船帆有点发黑了,有人又喊,闻到焦糊味了。话还没话完,那桅杆上的白色篷帆腾地变做一团烈火燃烧了起来。接着那浸了油的帆绳、木头桅杆都劈劈啪啪地着了火,火苗四散,继而浓烟大火,弥漫了整个船台。那些八只战舰拼起来的超级战台,因为互相连锁着,哪一个也不能逃脱。水手们心里一慌,桨法错乱,船台在波峰浪谷间只是滴溜溜地打转。不一会儿,其他的船台上也起了大火,可怜克劳锹乌斯辛苦经营的舰队,都化作了焦糊的木板漂散在地中海上,他自己幸得几只没有上锁的战舰搭救,率领残军仓惶驶向那浩渺的烟波里,逃命去了。

原来这阿基米德真是靠海神波赛依顿帮的忙。那灯塔是将火光平行反射出去,他现在是利用光线的可逆原理,将那平行的太阳光聚集起来。似火骄阳放射出的无数光束经这群娘子军手中的镜子一集中,其热度不亚于一团大火。骄傲而又对光学无知的克劳狄乌斯怎么会知道阿基米德指挥这群妇女将他置于这面大镜的焦点上呢?亏得他侥幸,不然这火将他烤熟也是毫不费力的。这样说来读者也许不信,但后人对此确曾作过验证。1747年,法国科学家布韦用360面边长15厘米的正方形镜拼成了一个大凹面镜,将阳光聚起来烧着了70米外的木柴堆,烧熔了30米外的铝和18米外的银。到20世纪70年代,在阿基米德的故乡西西里岛的阿拉诺镇,在这个当年曾经用镜子火烧战船的地方,欧洲九个国家决定联合建造一座太阳能电站。工程技术负责人说,这项工程的原理很简单,就是当年阿基米德指挥妇女们打败敌舰的原理。

贝尔实验室

将科学技术成果直接转化为生产力,是世界上诸多大公司内设研究机构的一大特色,贝尔实验室就是如此。贝尔实验室的全称是贝尔电话实验室,始建于1925年,总部在美国纽约。它是一个在全球享有极高声誉的研究开发机构。贝尔实验室对通信技术的研究成果为美国电报电话公司(前身为贝尔电话公司)所采用,在世界上占据重要地位。

贝尔实验室的科学家们从事着许多方面的探索研究,很多成果对我们的生活产生了重要的影响。有声电影就是1926年在贝尔实验室诞生的。1947年,贝尔实验室的巴丁、布喇顿、肖克莱研制成功晶体管,打破了电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性,使电子技术跃入一个新的阶段。他们也因此共同获得1956年诺贝尔物理学奖。1964年,贝尔实验室的科学家彭齐亚斯和威尔逊发现在广阔无边的宇宙空间,从各个方向都传来强度相同的微波辐射(后被称为3K宇宙背景辐射)。经过研究,认定这是宇宙最初起源时“大爆炸”的遗迹。由于这一发现有力地支持了“大爆炸”理论,因而被誉为20世纪60年代天文学的四大发现之一,它的两位发现者为此获1978年诺贝尔物理学奖。

贝尔实验室自成立以来,共获专利26000多项(平均每天一项),其中重大科研成果50多项,除以上所举外,还有如通讯数学理论(后称为信息论)、激光理论、可视电话、磁泡器件、光通信、UNIX、C/C++、数字计算机等的研究成果。在这里每年都要发表上千篇学术论文,造就了一大批优秀科学家,有7人获诺贝尔奖,7人获美国国家科学奖,9人获美国国家技术奖。正是由于贝尔实验室产生了许多科学研究的突出成就,人们把它看作世界上最具权威性的研究机构之一。

19975月,贝尔实验室总裁史德杨博士被上海交通大学授予名誉教授职位,同时他宣布在中国建立两个贝尔实验室分支机构,一个在北京,一个在上海,用于通信技术的研究和开发。

电视的诞生与费罗.法恩斯沃斯

1900年,电视——Television这个词首次出现。电视诞生是20世纪最伟大的事件之一,历史将记住它的发明者的名字——一位14岁的美国少年,名字叫费罗·T·法恩斯沃斯(PhiloT.Farnsworth)。在法恩斯沃斯之前,英国科学家约翰·洛吉·贝尔德(J.L.Baird,1888~1946)一直致力于用机械扫描法传输电视图像。1925年10月2日,他终于制造出了第一台能传输图像的机械式电视机,这就是电视的雏形。尽管画面上木偶面部很模糊,噪音也很大,但能在一个不起眼的黑盒子中看到栩栩如生的图像,仍引起了人们极大的兴趣。刚问世的电视被称为“神奇魔盒”。

贝尔德是主张以机械扫描方法研制电视的代表。1928年开发出第一台彩色电视机,1930年他的系统开始有声电视节目试播,让人们感同身临其境,使“秀才不出门,能知天下事”的古老寓言成为现实。因此,贝尔德被称为“电视之父”。他于1946年去世。

如果说20世纪20~30年代间电视领域曾一度是贝尔德的天下的话,那么在30年代,他遇到了强劲的对手——费罗·法恩斯沃斯。

早在20年代贝尔德沉溺于机械制造方法时,1921年有个正在家乡耕作土豆田的14岁少年神不守舍地考虑着一个难题:怎样设计一个新颖的收音机、使它能够把移动的画面与声音一起传送?

法恩斯沃斯阅读了所有他能找到的介绍“机械电视”成果的资料,构思着一个完全不同的途径。他设想把观看的屏幕划分成许多长条,就像耕田时的垄沟一样,让电流沿长条的各点形成黑白区域。当这些长条互相紧密叠加起来时,他认为就可以使它们“画”出一幅图像,犹如农户们有时候在他们培育的牧场上规划出的几何图形。令人惊奇的是,后来证明这一装置要比专家们搞出来的东西好得多;事实上,这种装置至今仍没有失去它的使用价值。

法恩斯沃斯于1906年8月19日出生于美国犹他州的农家,幼年的法恩斯沃斯就表现出早慧的迹象。他对见过的任何机械装置具有摄影般的记忆力和天生的理解力。

法恩斯沃斯的父母不断搬家以寻找较理想的土地居住。当他们在爱达荷州定居下来之后,11岁的费罗得知他的新家装有输电线后,欣喜若狂。他在家里的屋顶阁楼上发现了成捆的科技方面的旧杂志,开始了自学并决心当个发明家。

法恩斯沃斯开始认真地考虑研制电视。他几乎是从本能上意识到用机械装置传送图像是不可行的。这名年轻人还有一个直觉,即令他感到新奇的物理学领域——电子学的研究——有可能掌握着解决这一问题的答案。无论如何,电子能够以机械装置不可比拟的速度移动,这就可使图像清晰得多,并且意味着不需要活动元件。他由此推理,如果一个画面能转换成电子流,那么就能像无线电波一样在空间传播,最后再由接收机重新聚合成图像。从本质上看这是个相当简单的主意,但如此简单的想法却似乎没有任何人想到。

以美国科学家法恩斯沃斯为代表的一派,异于贝尔德而另树一帜,坚持只有采用最新发明的电子设备、光电管及阴极射线管才能获得成功。他于1927年成功地用电子技术传送图像,1928年发明了电子图像分解摄像机。1929年成立法恩斯沃斯电视股份有限公司,1937年他的电子电视系统成功地击败贝尔德、使贝尔德的机械扫描电视装置被淘汰,从而确定了电子电视系统的垄断地位。这时真正意义上的现代电视诞生了。

当美国专利局终于认定法恩斯沃斯应该是电视的所有主要专利的持有者时,已经到了30年代后期,这对法恩斯沃斯已太迟了,他的资金差不多耗尽了。随着第二次世界大战的逼近,联邦政府不久即宣布暂停发展电视工业。这样一来,不得不推延到1946年,电视才有可能合法地开始制造,到那时法恩斯沃斯的专利已超过了保护期限。

法恩斯沃斯历经艰辛发明了电视,自己在个人收益上却一无所获。1969年7月,已近高龄的法恩斯沃斯与妻子埃尔玛在他们缅因州家中看电视,屏幕上正播放着人类第一次踏上月球表面的实况。他平静地对妻子说道:“你知道,为了今天,这一切都是值得的。”

不久后,费罗·法恩斯沃斯患了肺炎,于19716月去世。《纽约时报》在讣闻中称他为世界上最伟大、最具魅力的发明家之一。

电子显微镜的发明

普通光学显微镜通过提高和改善透镜的性能,使放大率达到1000─1500倍左右,但一直末超过2000倍。这是由于普通光学显微镜的放大能力受光的波长的限制。光学显微镜是利用光线来看物体,为了看到物体,物体的尺寸就必须大于光的波长,否则光就会“绕”过去。理论研究结果表明,普通光学显微镜的分辨本领不超过200毫米,有人采用波长比可见光更短的紫外线,放大能力也不过再提高一倍左右。(图1)(巨大的电子显微镜)

要想看到组成物质的最小单位──原子,光学显微镜的分辨本领还差3─4个量级。为了从更高的层次上研究物质的结构,必须另辟蹊径,创造出功能更强的显微镜。

有人设想用波长比紫外线更短的X射线的透镜。

20世纪20年代法国科学家德布罗意发现电子流也具有波动性,其波长与能量有确定关系,能量越大波长越短,比如电子学1000伏特的电场加速后其波长是0.388埃,用10万伏电场加速后波长只有0.0387埃,于是科学家们就想到是否可以用电子束来代替光波?这是电子显微镜即将诞生的一个先兆。

用电子束来制造显微镜,关键是找到能使电子束聚焦的透镜,光学透镜是无法会聚电子束的。

1926年,德国科学家蒲许提出了关于电子在磁场中运动的理论。他指出:“具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。”这样,蒲许就从理论上解决了电子显微镜的透镜问题,因为电子束来说,磁场显示出透镜的作用,所以称为“磁透镜”。

德国柏林工科大学的年轻研究员卢斯卡,1932年制作了第一台电子显微镜──它是一台经过改进的阴极射线示波器,成功地得到了铜网的放大像──第一次由电子束形成的图像,加速电压为7万,最初放大率仅为12倍。尽管放大率微不足道,但它却证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像。

经过不断地改进,1933年卢斯卡制成了二级放大的电子显微镜,获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。(图2)(扫描式电子显微镜)

1937年应西门子公司的邀请,卢斯理建立了超显微镜学实验室。1939年西门子公司制造出分辨本领达到30埃的世界上最早的实用电子显微镜,并投入批量生产。

电子显微镜的出现使人类的洞察能力提高了好几百倍,不仅看到了病毒,而且看见了一些大分子,即使经过特殊制备的某些类型材料样品里的原子,也能够被看到。

但是,受电子显微镜本身的设计原理和现代加工技术手段的限制,目前它的分辨本领已经接近极限。要进一步研究比原子尺度更小的微观世界必须要有概念和原理上的根本突破。

1978年,一种新的物理探测系统──“扫描隧道显微镜已被德国学者宾尼格和瑞士学者罗雷尔系统地论证了,并于1982年制造成功。这种新型的显微镜,放大倍数可达3亿倍,最小可分辨的两点距离为原子直径的1/10,也就是说它的分辨率高达0.1埃。

扫描隧道显微镜采用了全新的工作原理,它利用一种电子隧道现象,将样品本身作为一具电极,另一个电极是一根非常尖锐的探针,把探针移近样品,并在两者之间加上电压,当探针和样品表面相距只有数十埃时,由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流,并保持不变,若表面有微小起伏,那怕只有原子大小的起伏,也将使穿电流发生成千上万倍的变化,这种携带原子结构的信息,输入电子计算机,经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图象。

鉴于卢斯卡发明电子显微镜的,宾尼格、罗雷尔设计制造扫描隧道显微镜的业绩,瑞典皇家科学院决定,将1986年诺贝尔物理奖授予他们三人。(图3)(透射式电子显微镜)

发电机史话

19世纪初期,科学家们研究的重要课题,是廉价地并能方便地获得电能的方法。

1820年,奥斯特成功地完成了通电导线能使磁针偏转的实验后,当时不少科学家又进行了进一步的研究:磁针的偏转是受到力的作用,这种机械力,来自于电荷流动的电力。那么,能否让机械力通过磁,转变成电力呢?著名科学家安培是这些研究者中的一个,他实验的方法很多,但犯了根本性错误,实验没有成功。

另一位科学家科拉顿,在1825年做了这样一个实验:把一块磁铁插入绕成圆筒状的线圈中,他想,这样或许能得到电流。为了防止磁铁对检测电流的电流表的影响,他用了很长的导线把电表接到隔壁的房间里。他没有助手,只好把磁铁插到线圈中以后,再跑到隔壁房间去看电流表指针是否偏转。现在看来,他的装置是完全正确的,实验的方法也是对头的,但是,他犯了一个实在令人遗憾的错误,这就是电表指针的偏转,只发生在磁铁插入线圈这一瞬间,一旦磁铁插进线圈后不动,电表指针又回到原来的位置。所以,等他插好磁铁再赶紧跑到隔壁房间里去看电表,无论怎样快也看不到电表指针的偏转现象。要是他有个助手,要是他把电表放在同一个房间里,他就是第一个实现变机械力为电力的人了。但是,他失去了这个好机会。

又过了整整6年,到了1831年8月29日,美国科学家法拉第获得了成功,使机械力转变为电力。他的实验装置与科拉顿的实验装置并没有什么两样,只不过是他把电流表放在自己身边,在磁铁插入线圈的一瞬间,指针明显地发生了偏转。他成功了。手使磁铁运动的机械力终于转变成了使电荷移动的电力。

法拉第迈出了最艰难的一步,他不断研究,两个月后,试制了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机。标志着人类从蒸汽时代进入了电气时代。

一百多年来,相继出现了很多现代的发电形式,有风力发电、水力发电、火力发电、原子能发电、热发电、潮汐发电等等,发电机的构造日臻完善,效率也越来越高,但基本原理仍与法拉第的实验一样:少不了运动着的闭合导体,少不了磁铁。

发射光谱仪的发明

著名的英国科学家牛顿在1666年用三棱镜观察光谱,可以说是最早的光谱实验。此后不少科学家从事光谱学方面的研究。1800年,英国天文学家赫歇尔测量太阳光谱中各部分的热效应,在世界上首次发现了红外线。1801年里特发现了紫外线。1802年沃拉斯顿观察到太阳光谱的不连续性,发现中间有多条黑线,这本来是很重要的发现,他却误认为是颜色的分界线。1803年英国物理学家托马斯·杨进行了光的干涉的实验,第一次提供了测定波长的方法。(图1)(光束经过分光镜后产生光谱示意图)

德国物理学家夫琅和费,重新发现和编绘了太阳光谱图,内有多条黑线(700多条),并对其中的重要黑线用从A到H等字母标记(人称“夫琅和费线”),这些黑线后来成为比较不同玻璃材料色散率的标准。这些成果在1814年至1815年间陆续发表。夫琅和费还发明了衍射光栅。开始他用银丝缠在两根螺杆上,做成光栅,后来建造了刻纹机,用金钢石在玻璃上刻痕,做成透射光栅。

光谱分析的应用研究是从基尔霍夫和本生开始的。本生是德国汉堡的化学教授。他发明了本生灯,对各种物质在高温火焰中发生的变化很有研究,基尔霍夫是汉堡的物理学教授,对光学熟悉。他们两位合作制成了第一台梭镜光谱仪(分光镜)。该仪器利用了牛顿1666年首创技术,使光通过三棱镜中,展开成为一道彩虹光带(光谱)。他们用透镜把物质在本生灯燃烧时发出的光线集成一束平行光,通过一条窄缝,再通过三棱镜,用望远镜放大观察所成的光谱。

基尔霍夫和本生发现,每种化学元素燃烧时发出的火焰都有独特的颜色,可以据此加以鉴别。1860年及1861年他们用光谱仪发现铯和铷。此后借助光谱分析方法研究目光,发现地球上许多元素太阳上也有。1868年法国天文学家詹森和英国天文学家罗克耶分别用光谱法发现了当时地球上还没有发现的一种元素,他们认为这是太阳大气中特有的元素,取名氦,即“太阳”的意思。这样光谱方法也应用到了天文学方面。

光谱方法研究工作急速的发展,也出现了新的问题,主要问题之一是缺乏足够精度的波长标准,致使观测结果混乱,无法相互交流。

1868年埃斯特朗发表“标准太阳光谱”图表,记有上千条夫琅和费线的小波长,以10-8厘米为单位,精确到6位数,为光谱工作者提供了极其有用的资料。为纪念他的,10-8厘米后来就埃斯特朗单位,简写作埃(A)。十几年后被更为精确的罗兰数据表所代替。

现代光谱仪不用三棱镜而用衍射光栅。这是一种上面刻有千条线的板,把光分开,然后把光谱拍摄或记录下来,再用电子仪器进行分析。

光谱仪广泛应用于冶金、地质、环境等各领域。(图2)(一种用于进行光谱分析的光谱仪)

核磁共振仪的发明

核磁共振仪广泛用于有机物质的研究,化学反应动力学,高分子化学以及医学,药学和生物学等领域。20年来,由于这一技术的飞速发展,它已经成为化学领域最重要的分析技术之一。

早在1924年,奥地利物理学家泡里就提出了某些核可能有自旋和磁矩。“自旋”一词起源于带电粒子,如质子、电子绕自身轴线旋转的经典图像。这种运动必然产生角动量和磁偶极矩,因为旋转的电荷相当于一个电流线圈,由经典电磁理论可知它们要产生磁场。当然这样的解释只是比较形象的比拟,实际情况要比这复杂得多。

原子核自旋的情况可用自旋量子数I表示。自旋量子获得,质量数的原子序数之间有以下关系:

质量数原子序数自旋量子数(I)

奇数奇数或偶数1/2,3/2,5/2……

偶数偶数0

偶数奇数1,2,3……

1>0的原子核在自旋时会产生磁场;I为1/2的核,其电荷分布是球状;而I≥1的核,其电荷分布不是球状,因此有磁极矩。

I为0的原子核置于强大的磁场中,在强磁场的作用下,就会发生能级分裂,如果用一个与其能级相适应的频率的电磁辐射时,就会发生共振吸收,核磁共振的名称就是来源于此。

斯特恩和盖拉赫1924年在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转,并测量了未成对电子引起的原子磁矩。

1933年斯特恩等人测量了质子的磁矩。1939年比拉第一次进行了核磁共振的实验。1946年美国的普西尔和布少赫同时提出质子核磁共振的实验报告,他们首先用核磁共振的方法研究了固体物质、原子核的性质、原子核之间及核周围环境能量交换等问题。为此他们两位获得了1952年诺贝尔物理奖。50年代核磁共振方法开始应用于化学领域,1950年斯坦福大学的两位物理学家普罗克特和虞以NH4NO3水溶液作为氮原子核源,在测定14N的磁矩时,发现两个性质截然不同的共振信号,从而发现了同一种原子核可随其化学环境的不同吸收能量的共振条件也不同,即核磁共振频率不同。这种现象称为“化学位移”。这是由于原子核外电子形成的磁场与外加磁场相互作用的结果。化学位移是鉴别官能团的重要依据。因为化学位移的大小与键的性质和键合的元素种类等有密切的关系。此外,各组原子核之间的磁相互作用构成自旋──自旋耦合。这种作用常常使得化学位移不同的各组原子核在共振吸收图上显示的不是单峰而是多重峰,这种情况是由分子中邻近原子核的数目,距离用对称性等因素决定,因此它有助于提示整个分子的。

由于上述成果高分辨核磁共振仪得以问世。开始测量的核主要是氢核,这是由于它的核磁共振信号较强。随着仪器性能的提高,13C31P15N等的核也能测量,仪器使用的磁场也越来越强。50年代制造出IT(特拉斯)磁场,60年代制造出2T的磁场,并利用起导现象制造出5T的起导磁体。70年代造出8T磁场。现在核磁共振仪已经被应用到从小分子到蛋白质和核酸的各种各样化学系统中。

火的利用纵横谈

火的利用,从纵向来说,是最早影响人类历史进程的一个伟大的事件。远古时代自然界的大火,既给人类始祖带来毁灭性的灾难,也使人类始祖从灾难中认识了火和利用火,进而人工造火,标志着人类首次驾驭了一种伟大的自然力并替自己服务。从横向去看,由于人类始祖发现了火,因而不断认识和掌握了火,进一步发挥火的威力,有力地促进了人类对于热与冷现象的本质的追求。

用火探源

1994年7月9日黄昏,一架波音747客机飞往美国国境上空,目的地是华盛顿。

坐在机舱靠窗地方的是中国一位对考古颇感兴趣的中学教师。此刻,他那张黝黑的面孔贴近窗玻璃,一双炯炯有神的眼睛望着色彩斑谰的晚霞,不时俯视着机下美国的大地,陷入沉思之中。

这是他第二次出国。下午,他刚刚离开云南,在云南,他对已发现的元谋人化石的相应地层进行了考察。根据所发现的灰烬以及炭层,他作了这样判断:由于元谋猿人的绝对年代距今有170万年,如果这些发现确实是古人类用火的遗址,那么我们的祖先在170万年前已开始进入了人类的用火时期。

根据一些学者研究,人类和火的关系,大体上经历了"无火时期"、"用火时期"、以及"造火时期"。

在无火时期,古人类吃着生冷的食物,忍受着寒冷的侵袭。在没有月光和星夜的黑夜,被黑幕包围而充满着恐惧。然而,即使在无火时期,大自然也总是给地球送来火种--诸如由于火山、雷电等作用而引起大火。这种大火往往是毁灭性的,古人类在大火中,不是被烧死,就是被烧伤,也有一些幸运者惊恐万状,死里逃生。

但是,在大火过后,却使古人类寻到了更好的食物,那就是被烧死、烧焦的动植物变得很好吃。尽管那时,根本还没有词汇,可是这些古人类已有愉悦的感受,也使他们萌生了对大火的一种十分惊异的喜爱之情,因为正是大火赐给他们最美好的食物。所以,与其说大火给古人类惨痛的灾难,倒不如说正是这种灾难使古人类受到了磨炼,获得了新生的力量,从而进入尝试着去引取和保存火种,用火来改善自己的生活的这样一个新时期。

根据古人类遗址中发现的被烧过的灰烬和兽骨,可以判明亚洲、欧洲和非洲的古人类很早就进入了用火时期。

现有的考古资料表明,北京周口店北京猿人居住的洞穴中发现的灰烬,是确凿无疑的人类用火的最早遗迹之一。在这里,考古学家发现有很厚的灰层,其中还有被火烧过的兽骨和石块,燃烧后的兽骨呈现不规则的裂纹和黑、灰、绿、蓝等不同的颜色,那些燃烧过的石块被火烧裂或被烟熏黑。用现代方法对几十万年前留下的灰土进行化学分析,结果证实有单质炭存在。特别令人惊讶的是,考古学家在名叫鸽子堂的洞穴的底部灰层中,还发现过一块木炭。这些都说明,在50万年前的北京猿人时期,我们的祖先已学会了用火。......

"飞机已抵达华盛顿,请各位旅客作好下机准备。"机上空中小姐这一清脆悦耳的声音,打断了中学教师的沉思。他一下飞机,前来接他的一位朋友领他到自己的家里。不料这位中学教师却驻足不前,又引起他的沉思。原来,就在这位华盛顿朋友家附近的一个大建筑物前面,刻着下面几行字:火:一切发现中的最伟大的发现使人类能够生存于不同气候之中造出很多的食品并迫使自然的力量为他们工作。

钻木取火

人类从用火时期进入造火时期,其间又隔了几十万年。据我国古籍记载,《路史》注引的《拾遗记》中就写道:"遂明国不识四时昼夜,有火树名遂木,屈盘万顷。有鸟名枭,啄树则灿然火出,圣人感焉,因取其枝以钻火,号燧人。"在《庄子》的"外物篇"中也有"燧人氏钻木出火,造火者燧人也,因以为名"的说法。

这则带有神话色彩的故事告诉人们,在太阳和月亮都照不到的西方荒远之地,有一个遂明国,不见天日,不识昼夜。那里有一棵根干枝叶屈盘达万顷的大树名叫"遂木"。一个圣人来到这里,看到一些名叫枭的鸟,用它们短而硬的尖嘴去啄那树干,引发出灿烂的火光。圣人受这种景象的启示,领悟到取火的方法,就从遂木上折一根树枝,对它钻搓,从而引出火花。这位圣人就被后人称为"燧人氏",燧人就是"取火者"的意思。

我国的文化源远流长,如果从原始人--元谋猿人算起,已有170万年的历史。就是从北京猿人、山顶洞人开始,后来进入仰韶文化时期和龙山文化时期也经历了几十万年漫长的与自然界搏斗的艰难生活。直到新石器时期,我们的祖先进行人工造火开始普遍起来,因为已发现的新石器时期的地下或半地下居址中,几乎无一没有一个小小的灶坑,这在利用天然火的时期是决不可能出现的。

那么人类究竟用什么具体的操作方法来人工造火呢?看来,直接从考古发掘中一时还难以找到解决这个问题的充分可靠的证据,所以目前公认的科学方法之一,就是根据近代社会中还处于较原始状态的民族的生活方式,结合文化较高的民族中的文献记载,探求出比较合理的答案。

我国是一个多民族的历史悠久的国家,也就具有解决这个问题的优越条件。根据《文物》1960年第6期"海南岛黎族人民古代的取火工具"一文的记载,黎族人民在解放前有些地区就使用钻木取火这种非常古老的方法。它的操作大体上是这样的:用一根木头(如山麻木)弄成扁平形,在上面挖一小的凹穴,把它放在地上固定好(如用双脚压住);再用一根一端稍尖的木棒,插在小穴上,手掌用力把木棒来回搓摩,棒端与凹穴接触处就会由于剧烈磨擦而生热,并在周围产生一些木屑粉末。在不断磨擦的作用下,最后就会因热而产生烟火,点燃了木屑粉末。把冒烟的木屑粉末放到事先备好的干茅草等引火物里,并用嘴吹气,就会燃起火焰。这种方法不断改进,就可用绳索或皮条缠绕木棒,绳索的两端系在弓的两端,把弓往返拉动来转动木棒。于是,从黎族人民的取火方法中就可以对古代钻木取火的操作过程略知一二。这样古老的方法,就连资本主义发展最早的英国,直到19世纪还被人采用来为家畜治病。

阳遂取火

钻木取火是一种费力的原始方法。随着生产的发展,在铁器出现后,大约在春秋战国时期,一种利用火镰石的取火方法随之生。它是利用铁制火镰敲击坚硬的燧石,铁屑剥落时因磨擦、敲击而变热,表面因氧化而生成火星,火星落到易燃的纤维(如艾绒)上,即可取火。

丰富的历史记载表明,我国古代人民早就开始利用凹面镜对着太阳取火了。史籍中常见的"夫燧"或"阳燧",就是古人对凹面镜的称谓。如《周礼·秋官司寇》:"司煊氏,掌以夫燧,取明火于日。"

由于当时大部分阳燧是用金属制成的,所以又称做"金燧",如《礼记》中就有"左佩金燧"、"右佩木燧"的记载。就是说,古时人们行军、打猎,总是随身带着取火器,晴天用凹面镜取火于日,阴天则钻木取火,可见我国古代阳燧的制作和使用还是比较早的。

《庄子》中进一步指出:"阳燧见日,则燃而为火。"《淮南子》注中则详细介绍了阳燧的使用方法,"阳燧金也,取金杯无缘者,熟摩令热,日中时以当日下,以艾承之则燃得火也。"即取去掉边缘的金属杯,用力擦亮,中午对着太阳,艾绒放在光线聚合的地方,可燃烧取火。王充在《论衡》中的"率性"、"定贤"、"乱龙"诸篇中都提到阳燧,如"率性"篇中写道:"阳燧取火于天,五月丙午日中之时,消炼五石,铸以为器,磨砺生光,仰以向日,则火来至,此真取火之道也。"有人认为,这可能中国典籍中第一次对玻璃透镜取火的描述。阳燧取火,即导致人工造火和人造光源,又是人类利用光学仪器会聚太阳能的先驱,是我国古代科技史上的突出成就之一。

观察"火候"

我国古代火的利用,除了满足生活需要外,还相当早地应用到生产中去,如将粘土烧制成陶器在五千多年前的仰韶文化时期已有彩陶(陕西省西安半坡村出土)。与此同时,利用火来冶炼金属,制成金属工具、武器及各种器皿,在河北省唐山大城龙山文化遗址中发现了红铜制造的铜器,说明四千多年前的冶炼技术(包括火候的观察、控制、淬火、退火等),已达到了一定水平。

我们知道,金属加热时,由于蒸发、分解、化合等作用会生成有不同焰色的气体。黑浊之气主要是初炼时掺在矿石中的炭粉不完全燃烧所致。锡焰白,铜焰青,黄白之气是温度不够的象征。至于青白之气说明铜未全部溶化。直到全部青气时(铜含量远大于锡,全部溶化后铜焰掩却锡焰,就显得只有青气了)青铜炼成。

以火灭火

火的发现和利用,使人类认识到火能替自身服务,也能带来祸害,特别是火灾。如何与火灾作斗争,人类又创造了许多方法。其中,你也许听到过,最好的、有时也是唯一的跟森林或草原上的火灾作斗争的方法,是迎着大火的来向放火。

美洲草原发生大火的时候,人们就曾经使用过这种方法来扑灭大火。关于这件事在库帕斯所写的长篇小说《草原》中有如下专门的描述:

老猎人突然采取了断然的措施。

"是行动的时刻了,"他说。

"你想行动已经太迟了,可怜的老头子!"米德里顿叫道,"大火离开我们只有四分之五英里了,风又是用这样可怕的速度向我们这里吹!"

"是吗?火,我也不怎么怕它。好,孩子们,别尽站着!现在马上动手割掉这一片干草,清出一块地面来。"

在很短的时间里就清出了一块直径大约20英尺的地面。老猎人吩咐妇女们,说她们可以用被褥把自己那些容易着火的衣服盖起来,然后就领她们走到这块不大的空地的另一边去,做了这些预防措施以后,老猎人走就走到这块空地的另一边,那里大火已经像个高而危险的环墙,把旅客们包围了。他拿了一束非常干的草放在枪架上点起来。容易燃烧的干草立刻融融地烧着了。老猎人把烧着的干草扔到高树丛里,然后走到圈子中央,耐心地等待着自己行动的结果。

他放的这一把火贪婪地扑向新的燃料,一会儿功夫草地烧着了。

"现在你们可以看火怎样跟火作战了,"老猎人说。

"这不是更危险了吗?"吃惊的米德里顿大声叫道,"你不但没有把敌人赶走,反而把它引到身边来了。"

老猎人放的这把火越烧越大,同时向三方面蔓延开来。但是在第四方向却因缺少燃料,熄灭了。随着火势的越来越大,在火前面出现的空地也越来越大。这片刚出现的黑色发烟的空地,要比用镰刀割的草地光得多。他们刚才清除出来的这块地方就随着从其他几面包围着它的火焰而扩大开去,要不是这样的话,那避难者的处境是会变得很危险的。几分钟后,各方面的火焰都后退了,只有烟还包围着人们,但是这对于人已经没有危险了,大火已经疯狂地向前面奔去了。

但是这种跟草原和森林大火作斗争的方法,并不像初看的时候那样简单。只有极有经验的人才能利用迎火燃烧的方法来扑灭火,否则就会引起更大的灾祸。那么这位老猎人到底有没有什么秘诀呢?

秘诀就在普通的物理知识里。因为不管什么时候,火焰总是顺着风的方向的。以蜡烛的火焰为例来说吧。火焰中的空气受了热(参与燃烧),体积膨胀,比重减小,于是上升;别处的空气立刻来补充。这样就形成了向上的微弱的风,火焰自然也就向上晃动。

在草原上的大火燃烧时,风虽然是从燃烧着的草原那边向旅客吹来,但在火焰前离火很近的地方,是有相反气流向火焰吹的。正像蜡烛燃烧时,空气即从左边吹来,又从右边吹来(实际是从四面吹来)一样。这种情况使得老猎人巧妙地挽救了自己和其他人。老猎人的具体作法是:他先仔细地观察和考虑,等到发现有相反的气流向大火流去时,才动手顺风放火,使自己放的火顺风向大火扑去。这种作法成败的关键在于:掌握好时机。放火太早了,相反气流没再现,放的火自然是烧向自己,就会造成更大的灾祸。放火太晚了,放的火还没有扑向火墙去,火墙就已经烧着了自己。放火必须不早不迟。

 

火箭的诞生

火箭的诞生火箭的历史非常久远,约700年前就有了,但是开始迅速发展是20世纪以来的事。火箭为什么会飞将气球膨胀之后再放手,气球就会趁势喷出空气而飞出。喷气的力量使得气球呈反方向弹飞,这种弹飞的力量和喷出空气的力量相等。火箭的飞行就是利用此原理。但火箭使用的不是空气,而是燃料。火箭燃烧储存的燃料之后,从后面喷出气体,利用反作用力飞行。

火星之旅

在太阳系的九大行星当中,火星是最接近地球的星球。1977年,无人火星探测器旅行者1号和2号登陆火星成功;接下去,人类去火星探险旅行的日子,应该为期不远了吧!去火星的行星火箭需在地球的太空站中组合,并自太空站出发,大约要经过170天才能到达。

【火星旅行的顺序】①将行星火箭的材料运送到太空站。②组合行星火箭。③借助行星火箭朝火星出发。④抵达火星的太空站。⑤乘坐航天飞机飞向火星的基地。

人类到太空旅行的梦想,已随人造卫星和航天飞机的相继升空而实现了,相信在不久的将来,任何人都能随心所欲地到月球或火星去旅行了。

激光器的发明

物理学家在研究原子结构时发现了激光。激光器问世以来,激光的应用已经遍及工、农、科研、国防各个领域,激光科学技术成为当代发展最快的科技领域之一。

(图1)(中国山东大学研制的可用于信息处理、激光打印、光盘的绿光固体激光器)

1913年,丹麦物理学家玻尔提出,原子能够以一系列能级不同的状态存在,并且只能从一个能级跳跃到另一个能级。一个低能级的原子吸收能量之后可以变成高能级;高能级的原子变为低能级时,会以辐射的形式把多余的能量放出来(自发辐射)。

1917年爱因斯坦提出,原子从较高的能级跳跃到低能级时可以通过自发辐射或受激辐射两种不同的方式来实现。普通光源的发光主要就是自发辐射;处在激发态的原子在其他某种作用之下,例如光照,引起原子跃迁,原子受迫发光,原子的这种发光方式称为受激辐射。

受激辐射理论提出来之后,并不受人重视,30年之后,直到1951年,美国物理学家汤斯对此发生兴趣。一天他散步之后,坐在长凳上默默思考这一问题,突然间他产生一种新的想法:在正常情况下,物质的多数分子均处于低能态,能否改变这一状况,数分子处于高能态,然后用微波照射这些分子,使其受激而发射能量,这就产生了放大作用。这种使一个容器里的原子或分子大部分转入高能量的过程叫作粒子数反转,它是量子放大器和激光器必要条件。他当即在一个信封的背面勾画出一些基本的设计要求,经过3年的多次实验,微波受激放大器(量子放大器)终于研制成功。早期的微波受激放大器是一个金属小盒,盒里充进处于激发态的氨分子。当微波射入这个充满了受激态氨分子的盒子时,就发出一束纯而强的高频微波射束。

苏联科学家巴索夫和普罗克哈罗大也独立地进行过类似的工作,并取得成功。1964年,汤斯、巴索夫、曾罗克哈罗夫同获诺贝尔物理学奖。

随着量子放大器的发展,人们开始考虑将这些原理从微波波段扩展到光波波段的可能性。

1958年汤斯和肖洛提出了激光器的第一个理论方案。他们建议,用具有放大作用的物质制成一根细长的柱体,它的两端有互相平等的反射镜。其中一面反射镜为全反射镜,另一面为部分反射镜,光就沿着柱体来回地反射,形成一个光频共振腔。

世界上第一台激光器是1960年由美国的梅曼博士研制成功的。他用红宝石单品作为工作物质,两个端面磨平并镀银。红宝石的主要成分是氧化铝,其晶格中有一小部分铝原子被铬原子所替代,当作为激励源的氙灯发出强光照射红宝石时,红宝石中的铬原子吸收绿光和蓝光,由基态跃迁到激发态,造成粒子数反转。第一台激光器,输出功率为10000瓦,其晶棒十分纯净,是用人工方法生产的,发出的激光强度为阳光的1000万倍。(图2)(在外科说书中使用激光器可部分代替手术刀)

科学史上的遗憾和悲剧

科研成果不为世人理解英国天文学家、物理学家和数学家爱丁顿,一直希望他的理论像爱因斯坦和狄拉克那样受到人们的尊敬。但同时代的人对他的著作不感兴趣,觉得太深奥晦涩,无法理解。爱丁顿倍感孤独、灰心和失望。他在死前几个月说:“我不断地试图发现为什么这个程序竟使人们感到深奥晦涩。但我要指出的是,尽管爱因斯坦的理论被认为是深奥晦涩,但是成百上千的人认为把这种理论解释清楚是有必要的。我不相信我的理论比狄拉克的理论更深奥晦涩。但是对于爱因斯坦和狄拉克,人们认揭示这种深奥晦涩是值得的。我相信,当人们不得不用同样的态度对待我的时候,他们将完全理解我——到那时,‘把爱丁顿的理论解释清楚’将变得很时髦。”权威不识天才真面目被后人称为集合论的创始人乔治·康托尔,当他的集合论一提出,便招来一些权威们的极力反对,尤其甚者竟是他的老师利奥波德·克罗内克。这位著名的数学家年长康托尔22岁,却用十分刻薄的语言侮辱康托尔达10年之久。康托尔的学术论文不能发表,连在柏林一所大学任教也未能如愿。最后他的身体受到摧残,精神失常,晚年只能在精神病院中度过,并且在那里死去。

19世纪20年代,挪威青年阿贝尔创立了被后人命名的阿贝尔积分。尽管这一著名积分解决了法国著名数学家勒让德苦苦思索40年未曾解决的命题,却得不到当时的数学权威高勒、柯西甚至勒让德本人的支持。在这些权威们看来,像阿贝尔这样名不见经传的小人物,怎能闯进他们的世袭领地,他们必然将阿贝尔的发现打入冷宫。命运对阿贝尔实在不公平,他在贫困中病殁。

与此相同的事情还有很多。英国青年亚当斯数次求见格林威治天文台台长艾里,结果到拒绝,使他失去了预言太阳系存在新行星——海王星的优先权。苏联物理学家朗道对下属提出的宇称不守恒见解给予嘲笑,结果使他们失去了重大发现的机遇。当拉瓦锡发现氧之后,信奉燃素说的权威们竟长期不愿接受“氧”这个新名词,尽管他们无时不在呼吸赖以生存的氧气。欧姆发现了电阻定律,德国一些权威们长期不给予承认,原因是欧姆不过是科基督学校的一位普通数学教师。孟德尔的遗传定律公开发表后,被一些权威抵制34年之久。除了他那数学统计研究方法不被人理解外,主要原因是孟德尔是一个修道院的教士。巴斯德提出细菌理论,遭到医学界的强烈反对。原来巴斯德是位化学家,怎能闯入医学家的世袭之地?李斯特发现消毒法无人问津,原因是在众多头面人物看来,他只不过是不值一提的“土包子”。

欺世盗名奥地利科学家埃伦哈夫特在测定电子电荷实验中,将自己的全部数据一同发表,而另一位美国科学家密立根,从140次观察数据中挑选出他认为“漂亮”的58次数据公布于众。结果,在科学竞争中前者失败,以至于精神崩溃;后者获得世人承认,荣获1923年度诺贝尔物理学奖。

1912年,英国不列颠自然历史博物馆地质部鱼类化石权威伍德华德,贸然相信所谓“皮尔塘人”原始头骨化石,还将它在伦敦地质学会上展出,并宣称最早的人类是英国人。之后,一些英国科学家认为皮尔塘人是从猿到人这一达尔文设想的过渡形态。其实,所谓“到40多年后才将这一骗局公布于众。

1986年4月,诺贝尔生理学或医学奖获得者美国病毒学家巴尔的摩及其助手,在美国《细胞》杂志发表了令人震惊的成果,说他们的发现解决了分子免疫学的一个重要问题。1个月后,有人披露他们在动物基因实验中对一些关键实验从未做过,后经美国国会组成的专门委员会历时5年的调查,才彻底了解这一被后人称为“巴尔的摩事件”的真相并在英国《自然》杂志公开揭露。

公元2世纪埃及亚历山大的托勒密,从罗得岛的伊巴谷那里偷来一大批科学资料与科学发现,提出了原属于伊巴谷的预报行星方位的系统。这种地球静止不动的思想,曾支配人类的宇宙观达1500年之久,直到今天,许多教科书还在肯定托勒密的这一所谓贡献,却很少提到罗得岛那位天才的伊巴谷了。一旦熬成婆便把媳来整曾经是小人物,后来成了权威,却反过来压制后来的小人物,成为他们的婆婆,最典型的莫过于赫尔姆霍茨了。当他还是一位不知名的青年生理学家时,他的第一篇关于能量守恒原理的论文被老资格的主编波根道夫退回,理由是缺乏实验依据。正因为有此经历,赫尔姆霍茨曾对法拉第的不幸表示过同情。然而,当德国物理学家普朗克于1878年向慕尼黑大学提交博士论文时,赫尔姆霍茨同其他人一起,对普朗克关于热力学第二定律的新思想加以反对、嘲笑与抵制。普朗克后来说,赫尔姆霍茨、克劳胥斯等人都对我的论文不感兴趣,与他们通信联系也无结果。对此,普朗克发表了被后人戏称为“普朗克原理”的痛苦结论:“新的科学理论不是靠通过说服反对者而获胜的,它最后的胜利是由于反对者们终于死去而赞同它的年轻一代成长了起来。”

人造卫星史

1957年,前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星后,人类开始了探索宇宙的新时代,数以百计的人造卫星陆续发射。人造地球卫星的用途很多,可用于通讯、探测等许多领域。

旅行者二号于本世纪70年代从地球上发射,开始了探索宇宙的漫漫旅程。它于1979年飞跃了木星,1981年飞跃了土星,1986年探索天王星。3年后,旅行者二号在告别太阳系之前,访问了海王星。这之后,它就向着更遥远的宇宙进发。旅行者二号的使命不仅在于探索宇宙,它还肩负着寻找外星生命的重任。在它的上面,存储了许多地球和人类活动的信息。

我国于1970424日成功发射了第一颗人造地球卫星。从第一颗人造地球卫星发射以来,我们发射的卫星主要有:科学实验卫星、返回式遥感卫星、通讯卫星、气象卫星等。

摄影技术的发明

摄影技术是法国物理学家达盖尔发明的。

1838年,这位法国物理学家正在研究令影像保留在胶片上的方法,但研究多时,仍不得要领。突然有一天,他发现有一个影像留在了胶片上。他于是将附近的化学物品逐一挪开,看看究竟是什么东西造成了这个现象,最后,他发现,大功臣原来是一支温度计打破后遗下的水银。摄影技术便从此诞生了,真可谓踏破铁鞋无觅处,得来全不费功夫

剃刀的发明

男人胡子长了,就得把它刮掉,否则会很不方便。古代男人的剃刀有用燧石、青铜和黄金制成的。公元3世纪时,丹麦人开始用铁制造剃刀。1680年,英国人发明钢刃的“割喉”剃刀。折叠式剃刀则在1814年制成。1895年,美国一位推销员吉利偶遇发明家佩因特。佩因特希望赚大钱,想发明一种人人用过一次就得更换的东西。一天,吉利刮胡子时,发现剃刀的刀刃正适合这种构想。他设计出了一种安全剃刀夹持柄,但找不到一家钢铁厂能制造适用的薄刀片。到1901年,他遇见机械师尼卡森,才解决了技术问题。1901年,他们申请了专利,3年后开始生产。到1906年,终于打开了销路。可替换的刀片既便宜又方便,刮胡子于是成为时尚。1971年,吉利公司制出湿刮用的轻塑胶剃刀,有双重刀刃,可刮得更干净。不到3年,制造成本便低廉到整把剃刀都能用过即丢,吉利的理想至此完全实现。

电动剃刀是美国退休军官希克在1928年发明的,售价25美元。剃刀里装有小电动机,来回推动着有缝护罩后面的一排刀片。1960年美国雷明顿公司又制造出了第一把使用干电池的剃刀。

望远镜的发明

1590年伽利略在比萨成功的做完著名的自由落体运动实验,极大的刺激了亚里士多德的信徒们,他们恨死了伽利略,欲除之而后快。过了不久,他们终于找了一个机会。

这比萨城所在的佛罗萨公国公爵是柯斯摩,他有一个私生子,学识不深,却好出风头。有一天,这人花巨资制成了一架挖泥机槭,要去疏通海港。伽利略看了他的机器,说:“这怕是行不通的。”这一句话得罪了公爵,别人又乘机说了许多坏话,于是伽利略被赶出了比萨大学,教授的饭碗也没了。

伽利略有不少朋友,靠着大家的帮忙,他来到了威尼斯的帕多瓦大学任教。而威尼斯早被教会摒弃,不受什么宗教裁判所的限制。意大利不少学者都逃来这里,自由地讨论学问。伽利略一来便广招门徒,积极社交。他从父亲那里学来的一手好琵琶常常成了晚会上最吸引人的节目。这伽利略风流倜傥,才华横溢,在他周围很快形成一个热闹活跃的圈子。这时期,他进行了关于地球磁力的研究,发明了复杂的指南针,还有温度计。成果累累,多不胜数。我们现在印象最深的是伽利略发现的那些基本定律,实际上当时人们最崇拜的是他的那些小发明。他玩弄这些东西有如变魔术一般,直把那些凡夫俗子弄的神魂颠倒,叹为观止。他爱吃喝,好交际,要搞试验,常感钱不够花。于是他又开了一个小铺子,出售自己发明的天秤、脚规、摆锤等,生意极好。他真是名满威尼斯。

1609年8月21日上午,天气晴朗,海风习习。伽利略拿着一个一尺来长的圆筒,身后簇拥着一群人,登上威尼斯城的钟楼。跟在后面的人们都知道十九年前伽利略登高做了一个有名的斜塔实验,今天大约又要出奇,所以谁也不说话,只是拾级而上。这时他们已到楼顶,极目望去,只见亚德里亚海湾里碧波万顷,水天一色,这正是观海的好天气。伽利略将那圆筒架在眼上说:"诸位,可曾看到海上有什么船只?"大家齐声说:"海上干开净净,并无一帆一船。"伽利略说:"天边正有两只三桅大商船向我们驶来。"说着他将那筒递给大家。果然,人们从筒中望见两艘大商船鼓满风帆,破浪而来,把那些人都惊呆了。他们又将圆筒转向西边的市区,透过开着的窗户,一般人家正在吃饭、下棋、干活,都看得清清楚楚。一个跟随伽利略前来的小官僚看此情景,忙将圆筒放下,大叫道:"这个可怕的魔筒,威尼斯城有了它真不可设想,我要回去告诉我的妻子,叫她千万不要到阳台上去洗澡了。"大家一阵哄笑。说话间,刚才在筒里看到的那两只商船已渐渐在海天之际显示出来,人们又是惊叹一番。原来,前些日子,伽利略听说荷兰一个眼镜商将两片凸凹镜片叠在一起,制成了一个能放大三倍的望远镜,他很快便明白了这其中的道理,又重新作了改进,现在这个望远镜已能望远30倍了,今天他特地到钟楼上来,向人们演示一番。演示完后,他将这宝物献给了威尼斯公爵。公爵大喜,随即下令聘请他为帕多瓦大学的终身教授,年薪五千元。

其实,伽利略发明望远镜绝不是为了玩玩新奇。在暗地里,他早就是一个哥白尼学说的拥护者,只是他还没有得到更多的观察数据。现在他发明了望远镜后,便可把镜头直指天空,好去验证哥白尼讲的是否正确。1610年1月10日晚上,天气格外晴朗,他又架起望远镜观察月亮。有好半天,他的眼睛没有离开望远镜筒。他发现如明镜般的月亮根本不是我们肉眼所见的那样光洁,上面竟是山峦起伏,沟壑纵横。"原来天上地下一个样啊!"他失声地大叫起来。幽默的伽利略当即将他观察到的最高的山用阿尔卑斯山来命名他再将镜口转向木星,发现木星也和地球一样,有月亮似的卫星,而且居然有四个之多。按照传统的托勒密天文学的观点和圣经所讲,那"天"是一个环绕地球的,里三层外三层晶莹透亮的天壳。天空是星就分别镶在各层的壳子里。可是现在看到的这些星还能绕着别的星转动,哪里还有什么固定的天壳?他再将望远镜指向银河,哪里有什么何,原来是无数的星座,多得数也数不清。伽利略发狂了,他推开望远镜大声喊着:"发现了,发现了,哥白尼是对的,布鲁诺是对的,群星在动,地球在动,太阳在动,天上原来并没有什么天啊。那些星球上的人看我们地球也是天上,他们要信上帝的话,一定以为我们这里的人便是上帝。"和他一起观天的朋友吓得不知所措,忙上去堵住他的嘴说:"哎呀!我的老友,你疯了,你忘了十年前烧死的那个人吗?你不想活了?看在你儿女的份上,你也少惹点祸吧!"

但是伽利略今天是真正激动了。他更大声地嚷着:“哥白尼是靠假设,布鲁诺是靠计算,而我们有了这个望远镜,可以直接观察,也可以让那些不相信事实的人来观察。要知道,他们的亚里士多德、托勒玫当初并没有望远镜啊,可是现在我有了,我有了,看他们还有什么话说。”可是那些迂腐的教授还是有话可说。他们道:“这些卫星既是肉眼看不见的,当然对我们没有什么影响,既没有影响便没有用处,因此它也就不存在。”这可真是掩耳盗铃,伽利略也不再理他们了。

伽利略关于星空的大发现又一次轰动了威尼斯城。连日来他到处作报告,到处被人邀请,但是他也没忘记偷闲参加一些舞会、宴会。这天,几个好友为他举办一次宴会,他一进门,大家就起生欢迎,连声问道:“伽利略先生,这几日又有什么新的想法吗?”伽利略将手套摘下,神秘地说:“我有一个新的发现,就是我突然觉得,我应该回佛罗伦萨去。”满座宾册顿时愕然。原来当初把伽利略赶出比萨大学的那个科斯摩公爵已经死去,现在是科斯摩二世即位,于是伽利略动了还乡之念。他当即掏出一封给公爵写好的信,向大家念道:“我请求回到您的身边,我将用您可贵的姓氏为新发现的星球命名。我是您忠诚恭顺的仆人,作为您的臣民降生,乃是我最高的荣耀。我万分渴望亲近您,您是初升的太阳啊,把这个时代照亮。”朋友们听了这封信很不高兴,有的窃窃议论,说这在有点近于阿谀了。有的大声喊道:“您为什么不继续留在自己的威尼斯,而要去自投罗网呢?”伽利略说:“我不会忘记,当年我是被赶出来的。现在和那时相比,我已大不一样,何不回到自己的家乡,去出出那口恶气?公爵已经答应我做他的宫廷数学家,那是多么荣耀的地位,我怎么能在这里屈身一辈子呢?”

几天之后,伽利略不听朋友们的劝告,收拾行囊,踏上了通往佛罗伦萨的归程。这是他一生中干的第一件蠢事。从此他就开始大祸临头了。

望远镜小史

17世纪初的一天,荷兰密特尔堡镇一家眼镜店的主人科比斯赫,他为检查磨制出来的透镜质量,把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线,通过透镜看过去,发现远处的教堂的塔好象变大而且拉近了,于是在无意中发现了望远镜原理。1608年他为自己制作的望远镜申请专利,并遵从当局的要求,造了一个双筒望远镜。据说密特尔堡镇好几十个眼镜匠都声称发明了望远镜,不过一般都认为利比赫是望远镜的发明者。

(图1)(现代双筒望远镜结构示意图。图中红线表示景物光线经望远镜传入人眼的过程)

望远镜发明的消息很快在欧洲各国流传开了,意大利科学家伽利略得知这个消息之后,就自制了一个。第一架望远镜只能把物体放大3倍。一个月之后,他制作的第二架望远镜可以放大8倍,第三架望远镜可以放大到20倍。1609年10月他作出了能放大30倍的望远镜。

伽里略用自制的望远镜观察夜空,第一次发现了月球表面高低不平,覆盖着山脉并有火山口的裂痕。此后又发现了木星的4个卫星、太阳的黑子运动,并作出了太阳在转动的结论。

几乎同时,德国的天文学家开普勒也开始研究望远镜,他在《屈光学》里提出了另一种天文望远镜,这种望远镜由两个凸透镜组成,与伽利略的望远镜不同,比伽利略望远镜视野宽阔。但开普勒没有制造他所介绍的望远镜。沙伊纳于1613年─1617年间首次制作出了这种望远镜,他还遵照开普勒的建议制造了有第三个凸透镜的望远镜,把二个凸透镜做的望远镜的倒像变成了正像。沙伊纳做了8台望远镜,一台一台地云观察太阳,无论哪一台都能看到相同形状的太阳黑子。因此,他打消了不少人认为黑子可能是透镜上的尘埃引起的错觉,证明了黑子确实是观察到的真实存在。在观察太阳时沙伊纳装上特殊遮光玻璃,伽利略则没有加此保护装置,结果伤了眼睛,最后几乎失明。

荷兰的惠更斯为了提高望远镜的精度在1665年做了一台筒长近6米的望远镜,来探查土星的光环,后来又做了一台将近41米长的望远镜。

使用物镜和目镜的望远镜称为折射望远镜,即使加长镜筒,精密加工透镜,也不能消除色象差,1668年英国科学家反射式望远镜,斛决了色象差的问题。第一台反望远镜非常小,望远镜内的反射镜口径只有2.5厘米,但是已经能清楚地看到木星的卫星、金星的盈亏等。1672年牛顿做了一台更大的反射望远镜,送给了英国皇家学会,至今还俣存在皇家学会的图书馆里。

牛顿曾认为折色象差不可救药,后来,证明过分悲观。1733年英国人哈尔制成一台消色差折射望远镜。1758年伦敦的宝兰德也制成同样的望远镜,他采用了折光原则不同的玻璃分别制造凸透镜和凹透镜,把各自形成的有色边缘相互抵消。

但是要制造很大透镜不容易,目前世界上最大的一台折射式望远镜直径为102厘米,安装在雅弟斯天文台。

反射式望远镜存在天文观测中发展很快,1793年英国赫瑟尔制做了反射式望远镜,反射镜直径为130米,用铜锡合金制成,重达1吨。1845年英国的洛斯制造的反射望远镜,反射镜直径为1.82米。1913年在威尔逊山天文台反望远镜,直径为254米。1950年在帕洛玛山上安装了一台直径5.08米反射镜的反射式望远镜。1969年在苏联高加索北部的帕斯土霍夫山上装设了直径为6米的反射镜,它是当时世界上最大的反射式望远镜,现在大型天文台大都使用反射式望远镜。

物理实验室的典范——卡文迪什实验室

在现代物理学的发展中,实验室的建设更具有重要意义。卡文迪什实验室作为20世纪物理学的发源地之一,它的经验具有特殊的意义。

卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学的物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,与牛津大学遥相对应。卡文迪什实验室创建于1871年,1874年建成,是当时剑桥大学校长W.卡文迪什(WilliamCavendish)私人捐款兴建的(他是H.卡文迪什的近亲),这个实验室就取名为卡文迪什实验室。当时用了捐款8450英镑,除盖成一座实验室楼馆外,还采购了一些仪器设备。

英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。把物理实验室从科学家私人住宅中扩展为研究单位,适应了19世纪后半叶工业技术对科学发展的要求,促进了科学技术的开展。随着科学技术的发展,科学研究工作的规模越来越大,社会化和专业化是必然趋势。剑桥大学校长的这一做法是有远见的。

当时委任著名物理学家麦克斯韦负责筹建这所实验室。1874年建成后他当了第一任实验室主任,直到他1879年因病去世。在他的主持下,卡文迪什实验室开展了教学和科学研究,工作初具规模。按照麦克斯韦的主张,物理教学在系统讲授的同时,还辅以表演实验,并要求学生自己动手。表演实验要求结构简单,学生易于掌握。麦克斯韦说过:“这些实验的教育价值,往往与仪器的复杂性成反比,学生用自制仪器,虽然经常出毛病,但他们却会比用仔细调整好的仪器,学到更多的东西。仔细调整好的仪器学生易于依赖,而不敢拆成零件。”从那时起,使用自制仪器就形成了卡文迪什实验室的传统。实验室附有工间,可以制作很精密的仪器。麦克斯韦很重视科学方法的训练,也很注意前人的经验。例如:他在整理一百年前H.卡文迪什留下的有关电学的论著之后,亲自重复并改进卡文迪什做过的一些实验。同时,卡文迪什实验室还进行了多种实验研究,例如:地磁、电磁波的传播速度、电学常数的精密测量、欧姆定律、光谱、双轴晶体等等,这些工作为后来的发展奠定了基础。

麦克斯韦去世后,瑞利(即J.W.斯特拉特)继任卡文迪什实验室主任。瑞利在声学和电学方面很有造诣。在他的主持下,卡文迪什实验室系统地开设了学生实验。1884年,瑞利因被选为皇家学院教授而辞职,由28岁的J.J.汤姆生继任。

J.J.汤姆生对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。在他的建议下,从1895年开始,卡文迪什实验室实行吸收外校及国外的大学毕业生当研究生的制度,一批批优秀的年轻学者陆续来到这里,在J.J.汤姆生的指导下进行学习和研究。卡文迪什实验室建立了一整套培养研究生的管理体制,树立了良好的学风。他培养的研究生中,有许多后来成了著名科学家,例如卢瑟福、朗之万、W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、里查森、巴克拉等人,其中多人获得了诺贝尔奖,对科学的发展有重大贡献,有的成了各研究机构的学术带头人。

J.J.汤姆生领导的35年中间,卡文迪什实验室的研究工作取得了如下成果:进行了气体导电的研究,从而导致了电子的发现;放射性的研究,导致了α、β射线的发现;进行了正射线的研究,发明了质谱仪,从而导致了同位素的研究;膨胀云室的发明,为核物理和基本粒子的研究准备了条件;电磁波和热电子的研究导致了真空管的发明和改善,促进了无线电电子学的发展和应用。这些引人注目的成就使卡文迪什实验室成了物理学的圣地,世界各地的物理学家纷纷来访,把这里的经验带回去,对各地实验室的建设起了很好的指导作用。1919年J.J.汤姆生的职位由卢瑟福继任。卢瑟福更重视对年轻人的培养。在他的带领下,查德威克发现了中子;考克拉夫特和沃尔顿发明了静电加速器;布拉开特观测到核反应;奥里法特发现氚;卡皮查在高电压技术、强磁场和低温等方面取得硕果。

1937年卢瑟福去世,由WL.布拉格继任卡文迪什实验室教授。在他的领导下,卡文迪什实验室的主攻方向由核物理改为晶体物理学、生物物理学和天体物理学,在新的形势下实现了战略转折。以后是固体物理学家莫特和皮帕德主持。70年代以后,古老的卡文迪计实验室大大扩建,仍不失为世界著名实验室之一。

物理学睛空的“两朵乌云”

“完美”的经典物理学

19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,英国著名物理学家W.汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,”“第一朵乌云出现在光的波动理论上,”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”W.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云,主要是指A.迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾;他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家,是一位颇有影响的物理学权威,他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况,反映了当时物理学界的主要思潮。

物理学发展到19世纪末期,可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如,一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释,牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场统一理论,这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象,也已经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能够作出合理的说明。总之,以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成,而且基础牢固,宏伟壮观!在这种形势下,难怪物理学家会感到陶醉,会感到物理学已大功告成,因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在,而且由来已久。

普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中,他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时,物理老师P.约里(PhilippvonJolly,1809-1884)曾劝他不要学纯理论,因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”,现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许,在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡,对它们可以去进行研究和分类,但是,作为一个完整的体系,那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”普朗克的另一位名师,柏林大学的G·基尔霍夫(GustayRobertKirchhoff,1824-1887)也说过类似的话,他说“物理学已经无所作为,往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激,但他能够在此万晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡,足见他富有远见。物理学发展的历史表明,正是这两朵小小的乌云,终于酿成了一场大风暴。

第一朵乌云——迈克耳逊-莫雷实验与“以太”说破灭

人们知道,水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质―“以太”。

最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成;上界加第五元素,“以太”。牛顿在发现了万有引力之后,碰上了难题:在宇宙真空中,引力由什么介质传播呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样,是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”,“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时,麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量,可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者,又具有机械力学的性质,它是绝对静止的参考系,一切运动都相对于它进行。这样,电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学”。

但是,肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否。

为了观测“以太风”是否存在,1887年,迈克耳逊(A.A.Michalson,1852-1931)与美国化学家、物理学家莫雷(E.W.Morley,1838-1923)合作,在克利夫兰进行了一个著名的实验:“迈克耳逊-莫雷实验”,即“以太漂移”实验。实验结果证明,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而,根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂,方法上精确可靠,所以,实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。

迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太,那末,他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前,真是一筹莫展。

第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”

在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强,比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射,吸收率是100%的理想物体。真正的黑体并不存在,但是,一个表面开有一个小孔的空腔,则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射,在腔里经过多次反射和吸收以后,不会再从小孔透出。

19世纪末,卢梅尔(Lummer1860-1925)等人的著名实验―黑体辐射实验,发现黑体辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来,这个实验的结果是不可思议的。

怎样解释黑体辐射实验的结果呢?当时,人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确,最后都导致了失败的结果。例如,德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是,从瑞利一金斯公式推出,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和实验数据相差十万八千里,是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败,所以这也是整个经典物理学的“灾难”。

显微镜的发明

只有一个短焦距的单显微镜有着漫长的历史,古罗马作家幸尼加(公元前4年─公元65年)曾提到,透过充水的玻璃球可以看到物体被放大了。古希腊和中世纪阿拉伯人都很了解放大镜和取火镜。公元11世纪中国人应用凸透镜的放大作用,制造远视眼镜。

(图1)(列文虎克所使用的显微镜观察到的木塞构造)

最早的复式显微镜,是荷兰德尔堡的眼镜匠詹生在1590年前后发明的,他的显微镜由一个双凸透镜和一个双凹透镜组成,前者为物镜,后者为目镜,这台显微镜,镜筒大约长40厘米,直径约5厘米。放在显微镜支座上的小物体,当从镜筒看去时,显得大了许多。据称,至今保存在米德尔堡科学协会的一台显微镜是詹生制造的。

伽利略可能是最早把复式显微镜用于科学研究的人。1610年前后,他用显微镜研究了昆虫,观察了昆虫的运动器官、感觉器官和复眼。

胡克制造的复式显微镜是早期最出色的显微镜,他的《显微术》(1665年)是最早论述显微观察的专著。胡克的复式显微镜用一个半球形单透镜作为物镜,一个平凸透镜作为目镜,镜筒长15厘米,可以拉长,底下还有一只灯用来照明、灯上附装有一个球形聚光器,胡无用这台显微镜发现了软木的细胞,并且清楚发观察到了蜜蜂的小针。鸟小羽毛的部分构造等。

荷兰的列文虎克,研制成功高质量,高倍数的透镜,据说其中有270倍率的。他制作的单透镜显微镜,可观察到泥土中的微生物、生存在牙齿上食物残滓中的生物及蝌蚪体内的血液循环。1683年他在英国皇家学会的《哲学学报》上,发表了第一批细菌图,当时他并不知道这些东西是细菌,只知道它们是活的,因而称之为“小动物”。

此后100多年间,显微镜的研究没有多大进展,这是由于色差的影响,色差现象是不同颜色(波长)的光线通过透镜的折射角度不同而引起的。1812年意大利的阿米其造出了消色差透镜的显微镜,1820年法国的休巴里埃作了进一步改进。1830年英国的利斯特做出了既无色差又无球面像差的显微镜。

1880年德国物理学家阿贝发明了油浸物镜,放大倍数可达2000。

1904年德国蔡司光学仪器厂制成超倍显微镜,其原理是把胶体放在目镜正下方,从侧面加光照射,胶体粒子把光散射,这样用显微镜就可以看到耀眼的反射。

在生物和医学领域内,显微镜的用处最大,冶金学家、地质学家,侦破人员及许多研究物质微小结构的科学家,也用显微镜作研究工具。有了显微镜人们就可以更深入到微观世界去认识物质的本质了。

(图2)(意大利科学家戈尔吉因对神经系统的研究而荣获1906年的诺贝尔生理和医学奖。图为戈尔吉研究神经所使用的显微镜和神经切片)

蒸汽机的发明

英国在18世纪开始的几十年间确实集中了当时世界上最优秀的科学家,又最先完成了资产阶级革命,所以来一场工业革命是势在必行了。

这技术上的改进是先从纺织行业开始的。原来英国的纺织品向来质量不高,平时市场上的货全靠从中国和印度输入。为了保护本国资本主义发展,1700年英国国会专门通过一项法令,禁止从中、印进口棉纺织品,逼着本国纺织业快快赶上去。真是有问题就有解决问题的人。到1733年,终于出来一个叫凯伊的穷织工,发明了一种"飞梭"。那原来靠手臂一下一下来回穿的木梭,现在用脚一踏便如流星般地来去,这样一来纺纱倒供不上织布了。

公元1764年在英国的一个小镇上住着一对夫妻,男的叫哈格里沃斯,女的叫珍妮,他们都是被剥夺了土地后从乡下流入城镇的。小夫妻女纺男织,惨淡经营,维持着艰苦的生活。可是哈格里沃斯用的飞梭织机,珍妮用的手摇纺车,一快一慢,两天纺出的线不用半天就已织完。纺不出线就织不成布,就换不来钱,也就买不来面包。珍妮终日不停地摇着纺车,腰酸臂痛还是出不了几磅纱。哈格里沃斯呢?闲着没事,看着家中生活这般拮据,织完布后就腰插一把斧头到外面去给人家做木匠活,以求一点微薄的补贴。这天他出去后还不到半个上午便回到家里,脸色阴得难看,也不搭话。便坐在织机上喊着要纱。珍妮见状知道是又没有揽到活,明天的面包还不知哪里去寻,也不敢多问,只是将昨天纺出的纱一起抱上。哈格里沃斯就闷着头啪啪地织了起来。不消两个时辰,这堆纱就已织完,他先叫声妻子,没有应声,便自己走下织机到院里去讨纱。只见珍妮还在吃力地摇着纺车轮,那只纱锭上才刚薄薄地裹了一层纱线,这时已日过中午,他腹中早就饿火中烧,便没好气地喊道:"珍妮,你这样摇法,就是把我们的肠子都纺成线,也不够换一块面包充饥。"珍妮却好像不知道他来到身后,头也不回,只是把那纺车疯也似的摇着,嗡嗡直响。哈格里沃斯心里更加烦躁,便抢上一步,一把按住她的右手,说:"从明天起你就在家做饭管孩子好了,我到外面去干活。这样一天纺几根线还不够织根裤腰带呢。"没想到珍妮突然转过来头来嘶喊道:"这能怪我吗?有本事你来纺,你摇断胳臂也不会在一个锭上转出两个纱团啊!"哈格里沃斯这才看到珍妮眼里已饱饱地含着两汪泪水。是的,这哪能怪她,家家不都是这个样子吗?他心早软了一半,但口里还不肯就软下来,说:“不怪你,不怪你,怪这个劳什子纺车,要它有什么用,不如劈了烧火。”说着顺手抄起斧子便要砍下去。珍妮知他是个火暴脾气,真要砍了这车,一家人眼下就只有喝西北风了,忙上去抱住他的胳臂不肯松手。哈格里沃斯的胳臂让妻子抱住,举不起斧头,浑身的气憋得无处发泄,便就势飞起一脚将那纺车踢出六七步远,将斧子扔到地下,重重地叹了口气。珍妮这时早趴在他的肩上嘤嘤的啜泣不止。一场夫妻冲突也就这样渐渐地缓解下来。再说珍妮见哈格里沃斯的火已渐渐消下,她的委屈才真正地翻了上来,便索性紧紧地搂住丈夫的肩膀一把鼻涕一把泪地不肯停歇,非要等他道个歉不可。

但是,珍妮这样真哭假怨,好半天却好像搂了一节木头一般,不见哈格里沃斯有一点反应,她觉得无趣,也就松开双手,抬起泪眼。谁知这一松不要紧,丈夫却嗖地一下冲向那辆纺车,她一把没有拉住,哈格里沃斯却大喊起来:“亲爱的,你看,你看!"珍妮见他突然又像孩子一般,却赌着气偏不去看,撩起围裙抹一把眼泪准备去收拾午饭。丈夫却过来一把拉住她的手说:"亲爱的,办法有了。你一看就会明白。"原来那辆纺车挨了哈格里沃斯这狠狠地一脚,这时正仰面朝天,那本来平躺着的纱锭已经垂直立起,还被车轮带着旋转。哈格里沃斯说:"你看我们就照这个样子把纺车改造一下,纱锭立起来,一个车上就可以并排放两个、三个,不就可以多出纱了吗?"他这时早已喜得忘了肚中的饥饿,转身在珍妮挂着泪珠的腮上吻了一下,便去摸斧子干活,珍妮也忙到厨房里去备饭。这哈格里沃斯何等聪明,他本是一个木匠,又是一个织工,只要脑子里得了这个主意,制作起来并不困难。他很快做了一个大木框,上面横列了八个纱锭,旁边装上一个木轮,一试就成。以后又不断改进,纱锭加到十六个、三十个、一百个,效率提高到一百倍。这时再摇起这种车来,倒是纺线人将织布人累得气喘嘘嘘了。

哈格里沃斯得了这种发明不敢忘记这纺织机实际是那天与妻子吵架所得,所以就将它命名为“珍妮纺织机”。珍妮机很快在英国纺织业中得到推广,以后又有人不断改进用上新的动力,英国纺织业遂来了一场大革命。所以马克思后来论及此事时说,“18世纪的产业革命就由此开始了"。

纺织机的改革随之带来一个问题,就是劳力。机器效率提高后人力当然不够用了。有人发明用风力,但很不保险,有人发明用水力,但那必须到远离城市的山乡去,于是人们便想到一种全新的动力——那就是蒸汽。

说到蒸汽这便又引出一个科学史上大名鼎鼎的人物——瓦特(1736~1819)。

瓦特生于英国的格林诺克,他好像生来就与蒸汽有缘。他还是五六岁的孩童时就常守着火炉看那开水壶上的壶盖给汽顶得一上一下地跳动,经常问这是为什么?后来由于家穷他没有机会念书,先是到一家钟表店里去当学徒,后又到格拉斯哥大学去当仪器修理工。这时社会上已开始有简单的蒸汽机,而当时的科学发展,正如我们前几回说过的,托利拆里实验,马德堡半球实验,也都从理论上解决了"壶盖为什么会上下动"的问题。瓦特聪明好学,又在这样一个大学的环境里,常抽空旁听教授们讲课,又终日亲手摆弄那些仪器,学识也就积累得不浅了。

话说1764年,格拉斯哥大学收到一台纽可门蒸汽机,请求修理,任务交给了瓦特。这种机器是苏格兰铁匠纽可门1705年发明的,又大又笨。机器的汽缸下方有三个活门,汽从中间活门进入,将活塞推上去,人工将汽门关死,再从右边活门里注入冷水,热汽遇冷收缩,缸内形成真空,活塞自然下落,这时又要手忙脚乱地关上进水活门,打开左边的退水活门。这样活塞才能上下一次,连杆带动汲水工具也上下抽水一次。瓦特将这台机器修好后看着它这样吃力地工作,就如一个老人在喘着粗气,颤颤巍巍地负重行走一般,觉得实在应将它改进一下才好。他注意到毛病主要在缸体随着蒸汽每次热了又冷,冷了又热,白白浪费许多热量。能不能让它一直保持不冷而活塞又照常工作呢?

瓦特从小学徒出身,既能吃苦,又很顽强。他一有这个想法便立即自己出钱租了一个地窖,收集了几台报废的蒸汽机,决心要造出一个新式机器来。他自己也告别妻儿,一卷行李搬到地下,整日摆弄着竹筒、木轴,左比右试,这样有两年时间总算弄出个新机样子。可是点火一试,那汽缸倒像吴牛喘月一般四处漏汽。瓦特想尽办法,用毡子包,用油布裹,几个月过去了,还是治不了这个毛病。连这第一步也迈不出去,以后还不知有多少险阻呢。

瓦特原以为他的革新方案很快就能实现的,就去向一个叫罗巴克的工厂主借债,两人签定合同,如果新机器试验成功,工厂主将要分享三分之二的利润作为偿还。现在瓦特这样一直拖下去毫无进展,罗巴克宣布再不对他资助,这样瓦特反倒负债如山。他骑虎难下,心烦意乱,不知该怎样收拾这个局面。一天他又趴在汽缸前观察漏气的原因,不小心一股热气冲出,他急忙躲闪,右肩上已是红肿一片,就像被一把热刀削过一般,辣辣地疼了起来。晚上他回到家左手捂住右膀,躺在床上不言不语。钱无着落,试验又不知何时才有个完。再这样下去真怕连妻儿也要搭进去了。他想这事也许压根儿就不该他自己去干,格拉斯哥大学有多个教授,这城里有多少工厂主,有学问的有学问,有钱的有钱,谁也不敢去碰这个难题,我这个穷工人为什么要去讨这份儿苦吃?"罢,罢,罢!"他越想越觉得后悔,嘴里这么说着就翻身坐起,将桌上的图纸卷作一团,几炉子里塞去。这时瓦特的妻子正好进来,见状忙一把抢过,正色说道:"亏你还是个男子汉,就这样没有出息!这两年满城里谁不知你在发明什么新蒸汽机,今天就这样打了退堂鼓,我看你怎样上街见人。你不记得那年你要开个小钟表修理铺,行会里的人都说你学徒期不够,不许开,后来这个大学不讲资格,破例收留了你,连那么大的机器都让你修,你修好了又不满足,自吹还要造个更好的。今天,我看你要么真的造出个新机器,要么就摔掉饭碗,我跟你沿街要饭去!"这瓦特夫人是个受过教育的人,知书识礼,极有志气。今天她见丈夫要打退堂鼓,一进门就劈头盖脸地说出这般言语,把瓦特羞臊得半天抬不起头来。过了好一会儿他才说:"亲爱的,你知道我们现在就要揭不开锅了。再这样借债,借到何时?"夫人忽地站起,伸手摘下脖子上的项链,又退下手上的结婚戒指说:"能变卖的先卖掉,咬咬牙过下去。"瓦特见妻子越说越绝,更羞愧难当,起身下地,随手抓过桌上的一把木尺,一折两半,说:"我瓦特要造不出新蒸汽机来,就算我这双手白白摆弄了十几年机器,到时我就这样扯断自己的手指。"说完头也不回地又向他那个地窖跑去。

引起世界第一次工业革命的两大新机器虽是两个男子发明的,但都实实在在得力于他们的妻子。尤其是瓦特的妻子,在瓦特自己都已没有信心时,反而忍饥挨饿,咬着牙支持丈夫再坚持一下。这不是说书人编故事,而是确实如此。只可惜瓦特不像哈格里沃斯那样多情,用自己夫人的名字来给蒸汽机取了雅号。所以后人只记住了珍妮,很多人反不知道瓦特是不是有个妻子。

瓦特回到地下实验室里,将过去的资料重新翻检一番,打起精神又干起来。干累了时就守着炉子烧一壶水喝茶。一天,他正这样闷头喝着苦茶,有着那个儿时就引起兴趣的一动一动的壶盖。也是苦修必有果,功到自然成,活该今天瓦特开窍。他看看炉子上的壶又看看手中的杯子猛然喊到:“茶水要凉,倒在杯里;蒸气要冷,何不把它从汽缸里也‘倒’出来呢?瓦特这么一想,便立即设计了一个和汽缸分开的冷凝器,这下热效率提高了三倍,用的煤只有原来的四分之一。这关键的地方一突破瓦特顿然觉得前程光明。他又到大学里向布莱克教授请教了一些理论问题,教授又介始他认识了发明镗床的威尔金技师,这位技师立即用镗炮筒的方法为瓦特镗制了汽缸和活塞,解决了那个最头痛的漏气问题。这时早有另一位慧眼识英雄的工厂主博耳顿开始向瓦特投资,瓦特有了资金接济如虎添翼,到1784年他的蒸汽机已装上曲轴、飞轮,活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动,再不用靠人力去调节活门,所以这才是世界上第一台真正的蒸汽机。但这时距瓦特接手修理那台纽可门蒸汽机已经整整有20个年头过去了。瓦特终于完成了这个划时代的发明。以后他又与人合办了一个蒸汽机制造厂,他这一生再也没有离开过蒸汽机,直到1819年他以83岁高龄离开这个因他的发明已经变得很热闹的人世。

或许我们今天看来一台纺纱机、蒸汽机不值几个钱。但科学的进步重在突破,有第一步,就有第二步;有昨日之粗之低;才有今日之精之高。譬如孩童走路,别看初时东倒西歪,明日也许是个“飞毛腿”。再者,科学原理的发现与具体技术的发明是整个自然科学进步的两条左右腿。用一根木棍撬石头,多么简单的发明,但它导致了杠杆原理的发现;而有了这杠杆原理才会有瓦特蒸汽机上的那些曲柄、拉杆,又有了真空的发现,才会有活塞的来去。现在这个蒸汽机比那撬石头的木棍自然不知要高级多少倍,它所提出的问题也自然要引起这新时代的阿基米德们的联想。

英刊评出有史以来最杰出的十位物理学家

新华社伦敦11月29日电(记者毛磊)英国《物理世界》杂志新推出一期千年特刊,评选出了有史以来10名最杰出的物理学家,其中名列榜首的是“相对论之父”爱因斯坦。

该杂志在世界范围内对100余名一流物理学家进行了问卷调查。根据投票结果,十大物理学家中名列二至七位的分别为英国的牛顿和麦克斯韦、丹麦的玻尔、德国的海森伯格、意大利的伽利略和美国的费曼。英国的狄拉克和奥地利的薛定谔以同样的票数并列第八位,紧随其后的是新西兰籍物理学家卢瑟福。

在当代物理学家眼中,爱因斯坦的狭义和广义相对论、牛顿的运动和引力定律再加上量子力学理论,是有史以来最重要的三项物理学发现。接受调查的物理学家们还列举了下个千年有待解决的一些主要物理学难题,如量子引力、聚变能、高温超导体和太阳磁场等。大多数物理学家在调查中都认为,在可预见的将来,并不存在所谓理论物理学的终结。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

历史进程

公元前600年以前

公元前650-前550年,古希腊人发现摩擦琥珀可使之吸引轻物体,发现磁石吸铁。

公元前600--1年

公元前480-前380年间战国时期,《墨经》中记有通过对平面镜、凹面镜和凸面镜的实验研究,发现物像位置和大小与镜面曲率之间的经验关系(中国墨子和墨子学派)。公元前480-前380年间战国时期,《墨经》中记载了杠杆平衡的现象(中国墨子学派)。公元前480-前380年间战国时期,研究筑城防御之术,发明云梯(中国墨子学派)。公元前四世纪,柏拉图学派已认识到光的直线传播和光反射时入射角等于反射角。公元前350年左右,认识到声音由空气运动产生,并发现管长一倍,振动周期长一倍的规律(古希腊亚里士多德)。公元前三世纪,实验发现斜面、杠杆、滑轮的规律以及浮力原理,奠定了静力学的基础(古希腊阿基米德)。公元前三世纪,发明举水的螺旋,至今仍见用于埃及(古希腊阿基米德)。公元前250年左右,战国末年的《韩非子·有度篇》中,有“先王立司南以端朝夕”的记载,“司南”大约是古人用来识别南北的器械(或为指南车,或为磁石指南勺)。《论衡》叙述司南形同水勺,磁勺柄自动指南,它是后来指南针发明的先驱。公元前221年,秦始皇统一中国度、量、衡,其进位体制沿用到二十世纪。公元前二世纪,中国西汉记载用漏壶(刻漏)计时,水钟使用更早。公元前二世纪,发明水钟、水风琴、压缩空气抛弹机(用于战争)(埃及悌西比阿斯)。公元前一世纪,最先记载过磁铁石的排斥作用和铁屑实验(罗马卢克莱修)。公元前31年,中国西汉时创用平向水轮,通过滑轮和皮带推动风箱,用于炼铁炉的鼓风。

1—400年

一世纪左右,发明蒸汽转动器和热空气推动的转动机,这是蒸汽涡轮机和热气涡轮机的萌芽(古希腊希隆)。一世纪,发现盛水的球状玻璃器具有放大作用(罗马塞涅卡)。300年至400年,中国史载晋代已有指南船,可能是航海罗盘的最早发明。

401-1000年

根据敦煌等地出土文物,在公元七、八世纪,中国唐朝已采用刻板印书,是世界上最早的印刷术。十世纪,中国发明了使用火药的火箭。十世纪左右,著《光学》,明确光的反射定律并研究了球面镜和抛物面镜(阿拉伯阿尔·哈赛姆)。

1001-1500年

据《梦溪笔谈》,约公元1041─1048年间,中国宋朝毕昇发明活字印刷术,早于西方四百年。约1200年至1300年,欧洲人开始使用眼镜。1231年,中国宋朝人发明“震天雷”是一种充有火药、备有导火线的铁器,可用投射器射出,是火炮的雏型。1241年,蒙古人使用火箭作武器,西方认为这是战争中首次使用火箭。1259年,中国宋朝抗击金兵时,使用一种用竹筒射出子弹的火器,是火枪的雏型。十三世纪中叶,根据实验观察,描述凹镜和透镜的焦点位置及其散度(英国罗杰·培根)。十三世纪,用空气运动解释星光的闪烁(意大利维塔罗)。十三世纪,指出虹霓是由日光的反射和折射作用所造成的(意大利维塔罗)。

1501-1600年

1583年,用自身的脉搏作时间单位,发现单摆周期和振幅无关,创用单摆周期作为时间量度的单位(意大利伽利略)。1590年,做自由落体的科学实验,发现落体加速度与重量无关,否定了亚里士多德关于降落加速度决定于重量的臆断,引起了一些人的强烈反对(意大利伽利略)。1590年,发现投射物的运行路线是抛物线(意大利伽利略)。1590年,认识到物体自由降落所达到的速度能够使它回到原高度,但不能超过(意大利伽利略)。1590年,用凸物镜和凹目镜创造第一个复显微镜(荷兰詹森)。1593年,发明空气温度计,由于受大气压影响尚不够准确(意大利伽利略)。1600年,《磁铁》出版,用铁磁体来说明地球的磁现象,认识到磁极不能孤立存在,必须成对出现(英国吉尔伯特)。

1601-1650年

1605年,发现分解力的平行四边形原理(比利时斯台文)。1610─1650年,提出太阳系起源的旋涡假说,认为宇宙充满“以太”。把热看作一种运动形式,与莱布尼茨争论运动的功效问题近五十年,后来恩格斯对这一争论作了科学的总结(法国笛卡儿)。1620年,从实际观察中归纳出光线的反射和折射定律(荷兰斯涅耳)。1628年,用两块凸透镜制成复显微镜,是近代显微镜的原型(德国衰纳)。1629年,发现同电相斥现象(意大利卡毕奥)。1629─1639年,提出光线传播的最小时间原理(法国费尔玛)。1634年,认识到音调和振动频率有关,提出弦的振动频率和弦长的关系(意大利伽利略)。1636年,首次测量振动频率和空气传声速度,发现振弦的倍频音,提出早期的音乐和乐器理论(法国默森)。1637年,提出光的粒子假说,并用以推出光的折射定律(法国笛卡儿)。1638年,提出一种无所不在的“以太”假说,拒绝接受超距作用的解释,坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播,把热和光看成是“以太”中瞬时传播的压力(法国笛卡儿)。1643年,发明水银气压计(意大利托里切利、维维安尼)。1640─1690年,观察到气压对沸腾和凝结的影响(英国波义耳)。1650年左右,创制摩擦起电机,发现地磁场能使铁屑磁化(德国格里凯)。1650年,发明空气泵,用以获得真空,从而证实了空气的存在(德国格里凯)。

1651-1700年

1653年,发现对静止液体的任一部分所加的压强不变地向各个方向传递的巴斯噶定律(法国巴斯噶)。1654年,证实抽去空气的空间不能传播声音(德国格里凯)。1654年,用十六匹马拉开组成抽空球器的两个半球,直接证明大气压的巨大压强(德国格里凯)。1656年,发明摆钟(荷兰惠更斯)。1660年,用光束做实验,发现杆、小孔、栅等引起的影放宽并呈现彩色带的现象,取名“衍射”(意大利格里马第)。1666年,从刻卜勒行星运动三定律推出万有引力定律,创立了天文学(英国牛顿)。1666年,通过三棱镜发现了光的色散现象(英国牛顿)。1667年,指出笛卡儿光学说不能解释颜色,提出光是“以太”的纵向振动,振动频率决定光色(英国胡克)。1668年,发明放大40倍的反射型望远镜(英国牛顿)。1669年,发现光线通过方解石时,产生双折射现象(丹麦巴塞林那斯)。1672年,研究光色来源,和胡克展开争论,认为光基本上是粒子流,但未完全拒绝“以太”说,认为高速度光粒子有可能和“以太”相互作用而产生波(英国牛顿)。1676年,发现形变和应力之间成正比的固体弹性定律(英国胡克)。1676年,根据木星的周期性卫星被木星掩食现象的观测,算出了光在太空中传播的速度(丹麦雷默)。1678年,向巴黎学院提出《光论》,假定光是纵向波动,推出光的直线传播和反射折射定律。用光的波动说解释双折射现象(荷兰惠更斯)。1686年,《论水和其他流体的运动》出版,是流体力学理论的第一部著作(法国马里奥特)。1687年,推导出流体传声速度决定于压缩性和密度的关系(英国牛顿)。1687年,发表《自然哲学的数学原理》,第一次阐述牛顿力学三定律,奠定了经典力学的基础(英国牛顿)。1695年,把力分为死力和活力两种,死力与静力完全相同,认为力乘路程等于活力(visviva)的增加(德国莱布尼茨)。

1701-1750年

1701年,物体冷却速度正比于温差(英国牛顿)。1704年,《光学》一书出版。随着天文学、力学和光学的出现,物理学在十八世纪开始成为科学(英国牛顿)。1705年,制成第一个能供实用的蒸汽机(英国纽可门)。1709年,首次创立温标,即后来的华氏温标(德国华仑海特)。1724年,提出“传递的运动”即活力守恒观念,认为当它发生变化时能够做功的能力并没有失掉,不过变成其他形式了(瑞士约·贝努利)。1728年,根据光行差求算出光速(英国布拉德雷)。1731年,发现导电体和电绝缘体的差别(英国格雷)。1734年,明确电荷仅有两种,异电相吸,同电相斥(法国杜菲)。1738年,发现流线速度和压力间关系的流线运动方程(瑞士丹·贝努利)。1740年,用摆测出万有引力常数(法国布盖)。1742年,《枪炮术原理》一书出版,成为后来研究枪炮术理论和实践的基础(英国罗宾斯)。1742年,创制百分温标,即后来的摄氏温标(瑞典摄尔西斯)。1743年,用变分法得出能概括牛顿力学的普适数学形式,即后人所称的欧勒-拉格朗日方程(瑞士欧勒)。1745年,各自发现蓄电池的最早形式─莱顿瓶(荷兰马森布罗克,德国克莱斯特)。1747年,提出天然运动的最小作用量原理(法国莫泊丢)。1750年,发现磁力的平方反比定律(英国米歇尔)。

1751-1800年

1752年,得到暴雨带电性质的实验证据(美国本·富兰克林)。1756年,提出比热概念,发现熔化、沸腾的“潜热”形成量热学的基础(英国约·布莱克)。1767年,根据富兰克林证明带电导体里面静电力不存在的实验,推得静电力的平方反比定律(英国普列斯特列)。1768年,近代蒸汽机出现(英国瓦特)。1769年,制成第一辆蒸汽推动的三轮汽车(法国柯格诺特)。1771年,发表《用弹性流体试图解释电》(英国卡文迪许)。1775年,发明起电盘(意大利伏打)。1777年,引出重力势函数概念(法国拉格朗日)。1780年,偶然发现火花放电或雷雨能使蛙腿筋肉收缩(意大利伽伐尼)。1782年,发明热空气气球(法国蒙高飞兄弟)。1783年,首次使用氢气作气球飞行(法国雅·查理)。1785年,实验证明静电力的平方反比定律(法国库仑)。1798年,从钻造炮筒发出巨量的热而环境没有发生冷却的现象出发,认为能够连续不断产生出来的热,不可能是物质,反对热素说,主张热之唯动说(英国本·汤普森)。1798年,用扭秤法测定万有引力强度,即牛顿万有引力定律中的比例常数,从而算出地球的质量(英国卡文迪许)。1800年,使用固体推动剂,制造火箭弹,后被用于战争(英国康格瑞夫)。

1801-1850年

1801年,观察到太阳光谱中的暗线,错认为是单纯颜色的分界线(英国武拉斯顿)。1801年,提出光波的干涉概念,用以解释牛顿的彩色光环以及衍射现象,第一次近似测定光波波长。提出视觉理论,认为人眼网膜有三种神经纤维分别对红、黄、蓝三色敏感(英国托.杨)。1802年,《声学》出版,总结对弦、杆、板振动的实验研究,发现弦、杆的纵振动和扭转振动,测定声在各种气体、固体中传播的速度(德国舒拉德尼)。1807年,首次把活力叫作能量(英国托.杨)。1809年,发现在两炭棒间大电流放电发出弧形强光,后被用作强光源(英国戴维)。1809年,发现双折射的两束光线的相对强度和晶体的位置有关从而发现光的偏振现象,并认识到这与惠更斯的纵波理论不合(法国马吕斯)。1810年,创制回旋器(德国博能堡格)。1811年,发现反射光呈全偏振时,反射折射两方向成直角,反射角的正切等于折射率(苏格兰布儒斯特)。1811年,发现偏振光通过晶体时产生的丰富彩色现象。后人据此发现用偏振光观测透明体中弹性应变的技术(法国阿拉戈)。1811年,把引力势理论移植到静电学中,建立了计算电势的方程(法国波阿松)。1815年,提出光衍射的带构造理论,把干涉概念和惠更斯的波迹原理结合起来(法国菲涅耳)。1816年,发现玻璃变形会产生光的双折射现象,为光测弹性学的开端(英国布儒斯特)。1819年,发现电流可使磁针偏转的磁效应,因而反过来又发现磁铁能使电流偏转,开始揭示电和磁之间的关系(丹麦奥斯忒)。发现常温下,固体的比热按每克原子计算时,都约为每度六卡。这一结果后来得到分子运动论的解释(法国杜隆、阿.珀替)。证实相互垂直的偏振光不能干涉,从而肯定了光波的横向振动理论,并建立晶体光学(法国菲涅耳、阿拉戈)。1820年,发明电流计(德国许外格)。1821年,发表气体分子运动论(英国赫拉帕斯)。1821年,发现温差电偶现象,即温差电效应(俄国塞贝克)。1822年,发明电磁铁,即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化(法国阿拉戈、盖.吕萨克)。发现方向相同的两平行电流相吸,反之相斥。提出“电动力学”中电流产生磁场的基本定律。用分子电流解释物体的磁性,为把电和磁归结为同一作用奠定基础(法国安培)。从实验结果归纳出直线电流元的磁力定律(法国比奥、萨伐尔)。创用光栅,用以研究光的衍射现象(德国夫琅和费)。推得流体流动的基本方程,即纳维尔-史托克斯方程(法国纳维尔)。1824年,提出热机的循环和可逆的概念,认识到实际热机的效率不可能大于理想可逆热机,理想效率与工质无关,与冷热源的温度有关,热在高温向低温传递时作功等,这是势力学第二定律的萌芽。并据此设想高压缩型自燃热机(法国卡诺)。1826年,修改牛顿声速公式,等温压缩系数换为绝热压缩系数,消除理论和实验的差异(法国拉普拉斯)。实验发现导线中电流和电势差之间的正比关系,即欧姆定律;证明导线电阻正比于其长度,反比于其截面积(德国欧姆)。观察到液体中的悬浮微粒作无规则的起伏运动即所谓布郎运动,是分子热运动的实证(英国罗.布朗)。1830年,利用温差电效应,发明温差电堆,用以测量热辐射能量(意大利诺比利)。1831年,各自发现电磁感应现象(英国法拉第,美国约.亨利)。1832年,用永久磁铁创制发电机(法国皮克希)。1833年,提出天然运动的变分原理(英国哈密顿)。发明电报(德国威.韦伯、高斯)。在法拉第发现电磁感应的基础上,提出感应电流方向的定律,即所谓楞次定律(德国楞次)。1834年,发现温差电效应的逆效应,用电流产生温差,后楞次用此效应使水结冰(法国珀耳悌)。在热辐射红外线的反射、折射、吸收诸实验中发现红外线本质上和光类似(意大利梅伦尼)。提出热的可逆循环过程,并以解析形式表达卡诺循环,用来近似地说明蒸汽机的性能(法国克拉珀龙)。提出动力学的普适方程,即哈密顿正则方程(英国哈密顿)。1835年,推出地球转动造成的正比于并垂直速度的偏向加速度,即科里奥利力(法国科里奥利)。根据波动理论解释光通过光栅的衍射现象(德国薛沃德)。1838年,推出关于多体体系运动状态分布变化的普适定理,后成为统计力学的基础之一(法国刘维叶)。1842年,发现热功当量,建立起热效应中的能量守恒原理进而论证这是宇宙普适的一条原理(德国迈尔)。推知光源走向观测者时收到的光振动频率增大,离开时频率减小的多普勒效应。后在天体观察方向得到证实(奥地利多普勒)。1843年,发明电桥,用以精确测量电阻(英国惠斯通)。创用冰桶实验,证明电荷守恒定律(英国法拉第)。测量证明,用伽伐尼电池通过电流于导线中发出的热量等于电池中化学反应的热效应(英国焦耳)。1845年,发现固体和液体在磁场中的旋光性,即强磁场使透明体中光的偏振面旋转的效应(英国法拉第)。1843-1845年,分别用机械功,电能和气体压缩能的转化,测定热功当量,以实验支持能量守恒原理(英国焦耳)。1845年,推得滞流方程及流体中作慢速运动的物体所受的曳力正比于物体的速度(英国斯托克斯)。发展气体分子运动论,指出赫拉帕斯分子运动论的基本错误(英国华特斯顿)。1846年,认为两电荷之间的力不但和距离有关,也和其运动速度和加速度有关,而电流就是运动着的电荷所组成(德国威.韦伯)。认识到抗磁性的普遍性和顺磁性的特殊性(英国法拉第)。证实并延伸梅伦尼关于热辐射的工作;通过衍射、干涉、偏振诸现象的实验,证明红外辐射和可见光的区别仅在于红外波长比可见光的波长长(德国诺布劳赫)。1847年,提出力学中的“位能”和“势能”概念,给出万有引力场、静力学、电场和磁场的位能表示。明确能量守恒原理的普适意义(德国赫尔姆霍茨)。发现细管道中流体的粘滞流动定律(法国泊肃叶)。1848年,用卡诺循环确立绝对温标。并提出绝对零度是温度的下限的观点(英国汤姆生)。1849年,用转动齿轮,首次实验测定光的传播速度(法国斐索)。1850年,创制稀薄气体放电用玻璃管,呈现放电发光(德国盖斯勒)。试图通过实验建立重力(万有引力)和电之间的关系,但无所得(英国法拉第)。利用旋转镜,证实不同媒质中光的传播速度与媒质的折射率成反比(法国傅科)。发现热力学第二定律,并表述为:热量不能从一个较冷的物体自行传递到一个较热的物体(德国克劳胥斯)。

1851-1900年

1850年,总结热力学第二定律为:通过无生命物质的作用,不可能把物质的任何部分冷到它周围最冷客体的温度以下,以产生机械效应(英国汤姆生)。用单摆振动面的转动,证明地球在旋转(法国傅科)。提出气体扩散速度与其密度相关的扩散定律(英国格累姆)。1852年,用回转器证明地球在旋转,提出回转罗盘的设想(法国傅科)。发现气体受压通过狭窄注口后膨胀引起的冷却效应,称为焦汤效应(英国焦耳、汤姆生)。发现能发萤光的液体、固体所发萤光恒比激发光波长为长(英国斯托克斯)。1853年,第一次用玻璃管作低气压放电实验(法国马松)。计算电容器放电的振荡特征(英国汤姆生)。1854年,发明潜水电报(海底电报),并提出其信号的传递衰减理论(英国汤姆生)。1856年,用数学语言表达出法拉第电磁场的力线概念(英国詹.麦克斯韦)。提出气体分子在相继碰撞时刻之间作直线运动的假说(德国克雷尼希)。1857年,发明自激电磁铁型发电机(英国惠斯通)。提出听觉的共鸣理论,认为耳蜗有一系列调谐共振子(耳底膜的横纤维),从而实现按声波频谱的共振(德国赫尔姆霍茨)。证明沿导线传播的电信号传播速度等于电流的静电单位和电磁单位之比值,并等于光速,认为这个相合并非偶然,这是光理论和电磁理论统一的先兆(德国基尔霍夫)。提出理想气体的定义(德国克劳修斯)。1858年,改进低压放电管,后人称之为盖斯勒管(德国盖斯勒)。从流体动力学原理推出理想液体的涡旋运动定律,即涡旋强度守恒定理(德国赫尔姆霍茨)。在低压放电管中,发现阴极射线(德国普吕克)。1859年,发现水星近日点绕太阳进动速度和牛顿力学的估计每百年差四十秒(法国勒维烈)。证明黑体辐射的性质只由温度决定,而与物体质料无关(德国基尔霍夫)。1860年,推出平衡态气体分子速度的分布律,以及提出气体粘滞性的分子理论,估算出气体分子的平均自由程(英国詹.麦克斯韦)。1862年,提出近代四冲程内燃机工作原理(法国德罗夏)。提出位移电流概念,用以完成电流的闭合性(英国詹.麦克斯韦)。1863年,提出乐音谐和理论(德国赫尔姆霍茨)。1865年,从电磁理论中,推断电磁波的存在,它以光速传播并断定光就是一种电磁波(英国詹.麦克斯韦)。提出熵即“转变含量”的概念和自发转变的熵增加原理用以说明热力学第二定律。又提出“世界的能量恒定不变,世界的熵趋于极大值”,由此得出宇宙“热寂论”(德国克劳修斯)。1867年,发明自馈发电机(德国西门子)。1868年,提出用弹性切应力的弛豫过程解释气体粘滞性的理论(英国詹.麦克斯韦)。推广麦克斯韦的分子分布率,提出平衡态气体分子的能量分布定律(奥地利波尔茨曼)。1869年,发现阴极射线的主要性质(德国希托夫)。研究液体二氧化碳时,发现临界温度现象,为相图上的气-液分相的临界点(英国安德鲁斯)。1870年,首次提出激震波面层前后的绝热突变条件(英国兰金)。1871年,提出通过控制个别粒子的运动,有可能实现违背热力学第二定律的假想实验(英国詹.麦克斯韦)。1872年,提出H定理,用以证明气体趋于平衡分布,从而提出熵的统计几率解释,建立了热力学第二定律的统计基础(奥地利波尔茨曼)。1873年,发现(晶体)硒在光照射下电阻减小的光导电效应,即内光电效应,随后德国人西门子用此制成光导电管(英国施密斯)。《电和磁》问世,完成了经典电磁理论基础(英国詹.麦克斯韦)。1874年,提出显微镜理论,明确显微镜分辨本领的极限(德国阿贝)。1875年,发现各向同性的透明介质置于强电场中呈现双折射的电光效应,后被用于快速光闸,称克尔盒(苏格兰克尔)。1876年,根据德罗夏原理,制成第一台四冲程内燃机,被广泛采用(德国奥托)。提出气体分子输运过程的积分微分方程(奥地利波尔茨曼)。发明留声机,是实用录音技术的开始(美国爱迪生)。1877年,发现(晶体)硒和金属接触处在光照射下产生电动势的光生伏打效应,后美国人弗里兹于1883年用此制成光伏打电池(英国沃.亚当斯)。《声的理论》出版,基本上完成声音的数学理论(英国瑞利)。1879年,发现通电流的金属中,在磁场的作用下产生横向电动势的效应(美国爱.霍尔)。发现黑体辐射率与绝对温度的经验律(奥地利斯忒藩)。以实验说明阴极射线是带电粒子,为电子的发现奠定基础(英国克鲁克斯)。1880年,研究晶体的对称性,发现了晶体的压电效应(法国居里兄弟)。发明白炽电灯泡(美国爱迪生)。利用焦耳-汤姆森的狭口膨胀效应,发展了气体液化的技术(德国林德)。在麦克斯韦电磁理论的基础上,开始发展介质的分子论,推出折射率和介质密度之间的关系(荷兰罗伦兹)。1881年,根据光的电磁理论,推出电介质球微粒密度起伏的光散射定律,用以解释天空呈蓝色,天光呈偏振等大气中光现象(英国瑞利)。首次摄得超声子弹引起的压缩激震波锥面的照片,并推得锥角和超声速倍数的关系(奥地利马赫)。各自提出有基本单位的电荷存在,斯通尼名之为电子(德国黎凯、赫尔姆霍茨,英国斯通尼)。1883年,《力学科学》出版,反对牛顿力学中时空、质量等绝对观念,主张从相对关系上来理解这些概念(奥地利马赫)。发现在真空玻璃泡中可从金属板极通电流到热灯丝极,但反之不能。这可以说是热电发射现象的第一次发现,实质上也是二极真空管整流作用的最早发现(美国爱迪生)。提出从层流到湍流的无量纲比数,把理论流体力学和工程水力学接连起来(英国奥.雷诺)。1884年,理论上证明黑体表面辐射率定律(奥地利波耳茨曼)。1885-1890年,相继制成并使用三轮及四轮汽油内燃机汽车(德国本茨)。1885年,发现氢原子光谱的14条谱线的波长可用一个式子表示,后人称之为巴尔默公式(瑞士巴尔默)。全面提出激震波波面层前后的绝热的突变条件(法国休冈诺)。1886年,在气体放电管中发现穿过阴极孔的极隧射线(英国戈尔德斯坦)。怀疑耳蜗有分析频率的功能,提出耳蜗的电话说(英国维.卢瑟福)。1887年,发现紫外光照在火花隙的负极上容易引起放电,是光电效应的早期征兆(德国亨.赫兹)。第一次精确地安排实验,试图测量由于地球在“以太”中运动而引起的光干涉效应,但所得结果未超过期待值的百分之一(美国迈克耳逊、莫雷)。提出“以太”是旋涡海绵质的数学理论(英国汤姆生)。1888年,研究赫庇发现的光电效应,发现清洁而绝缘的锌板在紫外光照射下获得正电荷,而带负电的板在光照射下失掉其负电荷,在真空中也如此(德国霍尔瓦希斯)。在用莱顿瓶放电的实验中,发现电磁波,并证明它呈现光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质,特别是从其频率和波长直接确定其传播速度等于光速。至此,麦克斯韦的电磁波理论得到全部验证(德国亨.赫兹)。1890年,用紫外光照射锌板产生连续光电流,是最早的光电装置(俄国斯托莱托夫)。发现表示碱金属和氢原子光谱谱线波长的通用公式(瑞典里得堡)。提出燃烧和爆炸波的传播理论(俄国米海里逊)。维纳根据干涉原理,利用反射面作光驻波的实验。次年,李普曼在这基础上发明初步的天然彩色照相法(德国渥.维纳,法国盖.李普曼)。发现赫兹辐射电波能使装在玻管中的松铁屑电阻减小,并利用这一效应制成赫兹电波接受器(法国布冉利)。1892年,由电磁理论推出磁场和电场对运动电荷(密度)的作用力表示(荷兰罗伦兹)。用分子束方法证实麦克斯韦尔的气体分子速度分布律(德国斯特恩)。1893年,按热力学研究黑体辐射理论,推出温度升高使强度分布移向短波的位移定律(德国威恩)。1894年,改进布冉利的赫兹波接受器,成为无线电检波器的先驱(英国洛奇)。1895年,实验确定阴极射线由带负电的粒子组成(法国贝林)。发现X射线,舒斯特(英)认为它是波长非常短的“以太”横波(德国伦琴)。提出湍流判据的同比理论(英国奥.雷诺)。1894-1895年,首次进行一哩的无线电传播,1898年开始进入实用(意大利马可尼)。1896年,发现铀的放射性(法国昂.贝克勒尔)。发现磁场能使光谱线分裂的效应(荷兰塞曼)。发展物质的带电粒子理论,假定原子中有电子在静态“以太”中运动,用以解释塞曼效应(荷兰罗伦兹)。1894-1896年,用洛奇接受器,首次应用天线,实现了三百码的无线电传播(俄国波波夫)。1896年,发现过饱和汽体能在离子上凝成液滴,据此发明云雾室装置,可观察到电离辐射的径迹(英国查.威尔逊)。1897年,制成高压缩型自动点火内燃机,使用低级油代替汽油,成为工业上主要动力机(德国狄塞耳)。发现电子;利用阴极射线在静电场中的偏转,测定电子的质量和电荷的比值(英国汤姆逊)。创制用荧光屏观测电子及用电场控制电子束的阴极射线管,后人在这个基础上于二十世纪三十年代发展出阴极射线示波器,在近代科学技术上有广泛应用(德国卡.布朗)。1898年,发明用磁性钢丝记录电讯号的装置(丹麦鲍尔森)。1899年,发现α射线和β射线(英籍新西兰人厄.卢瑟福)。实验证实电磁辐射的压强(俄国彼.列别捷夫)。用经典统计力学推出空腔辐射能量密度的频率分布正比于频率的平方,因而在短波极限发散,这一困难史称“紫外灾难”。进一步提出大气分子散射光的定律,以解释天空颜色(英国瑞利)。1900年,发现电磁辐射的经验定律,为求“绝对熵”提出能量量子化假说,解释了辐射定律,是量子论的开始(德国普朗克)。提出物质中电子的“以太”结构理论,及原子中运动电子在磁场中的进动理论(英国拉摩)。提出金属的电和热性质的自由电子理论(德国德鲁德)。提出不可能观测到绝对运动的观点,相信“以太”不存在,物理现象的定律对于相对作匀速运动的各观察者来说必然是一样的。于1904年称这一观点为相对性原理。可以说是相对论的开始(法国彭加勒)。1900年,发现第一种放射性气体---钍射气(英籍新西兰人厄.卢瑟福)。实验证明金属在紫外光照射下发射电子,解释了霍尔瓦希斯效应(德国林纳)。发现γ射线(法国维拉德)。根据电磁波理论,暗示电磁场能量可能具有质量,其密度数值应为能量密度除以光速平方,并指出电磁振子定向发射电磁波时应受到反冲(法国彭加勒)。

1901-1910年

提出经典统计力学基础的系统理论(美国吉布斯)。发现β射线的质量随速度而增加,试图据此区分电子的固有质量和随速度改变的电磁质量(德国考夫曼)。各自证实1873年麦克斯韦电磁波理论所预见的辐射压强关系(俄国彼.列别捷夫,美国尼科尔斯、基.哈尔)。1900-1902年,发展滑翔飞行技术(美国赖特兄弟)。1901年,试图观测地球相对于“以太”的运动使充电电容器转动的效应,但无结果(英国特鲁顿)。发现光电效应的经验规则,波动说不能解释(德国勒纳)。发现金属发射热电子的经验定律,为热离子学的基础,并于次年用自由电子理论作出解释(英国理查森)。1903年,自制轻便内燃机,第一次成功实现用螺旋桨飞机飞行。于1907年,越过英伦海峡,1927年由林德堡单飞越过大西洋,飞机开始成为战争和交通的工具(美国赖特兄弟)。证实α粒子是带正电的氦原子,β射线是近于光速的电子(英籍新西兰人厄.卢瑟福)。提出放射元素的蜕变理论,打破原子不可改变的旧观念(英籍新西兰人厄.卢瑟福)。提出运动电子的刚球模型理论,推得电子质量随速度而变的公式,后来同相对论公式存在长期的争论(德国阿勃拉罕)。提出气体中电子碰撞的电离理论和气体放电的击穿理论(爱尔兰汤逊德)。1904年,提出电子浸于均匀正电球中的原子模型(英国汤姆逊)。提出围绕核心转动的电子环的原子模型(日本长冈半太郎)。提出时空坐标的罗伦兹变换,试图解释电磁作用和观察者在“以太”中的运动无关(荷兰罗伦兹)。首次应用经典统计学发展金属自由电子理论(荷兰罗伦兹)。提出电动力学的相对性原理,并根据观测记录认为速度不能超越光速(法国彭加勒)。发明热电子二极真空管,用于整流(英国约.弗莱明)。提出物体运动于粘滞流体中的边界层理论(德国普兰特耳)。1905年,提出光量子假说,并用以解释光电效应(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。各自提出布朗运动的理论解释,这是涨落的统计理论的开始,后经实验证实。使分子运动论得到直观的证明(瑞士、美籍德国人爱因斯坦,波兰斯莫卢曹斯基)。提出狭义相对论(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。提出磁性的电子理论(法国郎之万)。发明一万大气压的超高压装置,用以研究物性(美国布里奇曼)。提出飞翼举力的环流和涡旋理论(英国兰彻斯特)。提出宇宙起伏说,认为宇宙中存在着偶然出现的地区,那里发生着违背热力学第二定律的过程(奥地利波尔茨曼)。1906年,用量子概念初步解释固体比热在温度趋于绝对零度时也趋于零(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。各自提出飞机翼举力的环流理论(俄国儒可夫斯基,德国库塔)。发展波尔茨曼统计,确定热力学几率和“绝对熵”表示式(德国普朗克)。实验研究交混回响现象,创立早期建筑声学理论(美国萨拜恩)。发现硅晶体的整流作用,用以作无线电检波器(美国皮卡德)。首次实现调制无线电波收发音乐和讲演,无线电由之诞生,1910年开始用于广播(美国费森登)。确定狭义相对论的质能关系是体系(包括电磁在内)的重心运动守恒定律成立的必要与充分条件(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。发明热电子三极管,用以检测无线电波,是真空管技术的先驱(美国德福雷斯特)。1906-1913年,从低温化学反应的研究,提出热力学第三定律,即绝对零度不能达到原理(德国能斯脱)。1907年,提出铁磁性的原子理论(法国韦斯)。各自提出用阴极射线接收无线电传像原理,是近代电视技术的理论基础(俄国罗申克,英国坎普贝尔.史文顿)。1908年,实验证实电子质量随速度增加的罗伦兹关系式(德国布克瑞)。提出狭义相对论的四维空间形式表示法(德国闵可夫斯基)。人工液化氦,达到接近绝对零度(荷兰卡茂林.翁纳斯)。发明探测α粒子的气体放电计数管(德国盖革)。提出的动量统一定义,奠定相对论性力学,肯定质能关系普遍成立(德国普朗克)。发明回转罗盘,不受钢、铁影响,是指向技术的重大改进(德国舒勒等人)。1908-1912年,通过观察树脂粒子在重力场中的分布,证实满足爱因斯坦方程,是道尔顿以来首次通过观察求得阿佛加德罗常数和原子、分子的近似大小,打击了唯能论(法国贝林)。1908年,根据统计力学中流体密度起伏理论,解释了临界点附近大起伏导致的光散射增强的乳光现象(波兰斯莫卢曹斯基)。创制T型汽车,使汽车开始成为人类交通的常用工具(美国福特)。根据原子光谱数据,提出谱线频率的并合原则,是巴尔默发现的推广(瑞士里兹)。1909年,首次观测α粒子束透过金属薄膜后在各方向的散射分布情况,促使卢瑟福于次年提出α散射理论(德国盖革,英国马斯登)。提出光量子的动量公式,指出辐射基元过程有一定方向(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。发明用钨丝作白炽灯、电子管及X光管,促成了它们的工业发展(美国柯里奇)。发明油封转动抽气机(德国盖达)。发明精确测定电子电荷的油滴法,证明电荷有最小单位(美国米立根)。

1911-1920年

1911年,用光散射法验证流体临界点附近的密度起伏公式(荷兰刻松)。提出了原子有核的模型,原子中的正电荷集中在核上,对粒子散射实验作出解释,否定了汤姆逊的均匀模型(英藉新西兰人厄.卢瑟福)。发明记录α、β等带电粒子轨迹的云雾室照相装置,证实X射线的电离作用(英国查.威尔逊)。发现宇宙射线(奥地利维.赫斯)。发现汞、铅、锡等金属的超导电现象(荷兰卡茂林.翁纳斯)。由分子运输理论预见气体中的热扩散规律(瑞典恩斯考克)。1912年,提出流体流过阻碍物在尾流中形成两列交错涡旋(即涡旋街)的稳定性理论,后被用于飞机和火箭的设计中(匈牙利冯.卡门)。发现氖的同位素,为首次发现非放射性元素的同位素(英国约.汤姆逊)。固体比热的量子理论首次成功,发现低温比热的温度立方律。提出用有极分子解释介电常数和温度有关的统计理论(荷兰德拜)。

1921-1930年

1921年发明利用原子束在不均匀磁场中偏转的方法测量原子的磁矩,为量子论中空间方向量子化原理提供了证据(德国斯特恩、盖拉赫)。首次发现类似于铁磁现象的所谓铁电现象(美国瓦拉塞克)。1922年实验第一次精确证实重力加速度和落体成分无关(德国厄缶)。提出液体中密度热起伏引起光散射的理论,后被用到液体声测量中(法国布里渊)。提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率(美国卡第)。1923年提出物质粒子的波粒二象性概念,标志着新量子论的开始(法国德布罗意)。提出经典统计力学中的准备态历经假说,用以代替不能成立的各态历经假说(意大利费米)。用旧量子论研究原子谱线的反常塞曼效应,发现角动量决定谱线分裂的g因子公式(德国朗德)。在X射线散射实验中发现波长改变的效应,提出自由电子散射光子的量子理论(美国康普顿)。提出空间周期性引起粒子动量改变的量子规则,用以解释光栅对一束辐射的衍射效应(美国杜安)。1924年首次用德拜-体克耳电解质理论研究电离化气体(英国罗斯兰德)。发现光量子(光子)服从的统计法则,据此用统计方法推出普朗克的辐射公式(印度玻色)。发现服从玻色统计法则的体系在温度为绝对零度附近时,其粒子都迅速降到基态上的现象,即所谓爱因斯坦凝结(瑞士、美籍德国人爱因斯坦)。推出光折射率的量子论公式,即克雷默兹-海森堡色散公式(荷兰克雷默兹,德国海森堡)。各自发现磁控电子管能自动发生高频电磁振荡,随着性能良好的磁控管问世,引出微波技术的发展(德国哈邦,捷克查契克)。1925年在气体放电研究中发现等离子体静电振荡,引起的电子反常散射现象(美国兰米尔)。提出矩阵力学,一种强调可观察量的不连续性的新量子论(德国海森堡)。提出电子自己有自旋角动量和磁矩的概念,用以解释光谱线的精细结构(荷兰乌仑贝克、古兹米特)。提出两个电子不能共处于同一量子状态上的不相容原理,用以解释光谱线在强磁场中的反常分裂(奥地利泡里)。发明符合计数法,用以确定宇宙射线的方向和性质,用符合计数法,证实光子电子碰撞过程中能量守恒律、动量守恒律都成立(德国玻蒂)。发明光电显像管,是近代电视照像术的先驱(美籍苏联人兹渥里金)。提出铁磁性的短程作用模型,假定影响磁化的仅是最邻近原子之间的相互作用(美国伊兴)。1926年提出物质波的波动力学,一种强调物质波性的新量子论,把电子看成一团电荷分布,即所谓电子云(奥地利薛定锷)。提出薛定锷波动力学中波函数的统计解释(德国玻恩)。提出受泡里不相容原理限制的粒子所服从的统计法则(意大利费米)。指出电场和磁场对带电粒子运动路线的透镜聚焦作用,是电子光学研究的开始(德国布希)。用狭义相对论力学说明为什么电子磁矩是一个波尔磁子而不是半个(美国托马斯)。精确地测定了光的传播速度(美国迈克耳逊)。提出飞行体后湍流的尾流理论(德国普兰特耳)。设计并发射以液态氧和汽油为推进剂的火箭,首次携带简单仪器进行高空研究,随后提出多级火箭理论,企图射到月亮(美国戈达德)。1927年根据质谱仪测量结果,揭示出同位素质量偏离整数规则的变化趋势,后人据此指出释放原子能的可能性(英国阿斯顿)。提出所谓“双重解理论”,作为薛定锷波动力学的决定论因果解释(法国德布罗意)。分别用晶面反射法、薄膜透射法观察到电子束的衍射效应,证实电子的德布罗意波性(美国戴维森、杰默,英国汤姆森)。根据波粒二象性,推出测不准关系,即所谓不确定性原理(德国海森堡)。提出波粒两观点互相补充的并协原理,成为哥本哈根学派的基本观点(丹麦尼·波尔)。提出电磁辐射场的(二次)量子化理论,以及辐射的吸收和发射的初步理论,进一步体现光的波粒二象性(英国狄拉克)。提出空间宇称(左右对称性)守恒的概念,用以解释光谱(美籍匈牙利人维格纳)。发现电离层上层(150哩高处)反射无线电短波。澄清在大气电离层的等离子体中无线电波传播的理论,即“磁离子理论”(英国阿普尔顿)。提出固体量子论中的能带概念(德国斯特拉特)。发现宇宙射线的纬度效应(荷兰克雷)。在云雾室中发现几乎不受磁场偏转的高能量带电粒子,为数足以解释宇宙射线引起的电离作用(苏联史考贝尔金)。用磁粉溶液涂于纸带上,干后用作电信号记录,后即发展成磁带录音机(美国奥尼尔)。1928年提出强电场下金属发射带电粒于的量子力学隧道效应理论(英国佛勒、诺德海姆)。发现透明物质散射的光中有频率改变的效应(印度钱·拉曼)。提出符合狭义相对论要求的电子的量子论,成功地得出电子的自旋和磁矩(英国狄拉克)。应用量子力学中粒子穿透位垒的隧道效应,解释原子核的α衰变现象,取得和盖革-纳托尔经验公式形式上的符合(美籍俄国人伽莫夫,美国康登、格尼)。应用费米和狄拉克的量子统计法发展金属的自由电子理论(德国索末菲)。提出韦斯铁磁性理论的量子力学解释(德国海森堡)。提出决定一体系占有某量子状态几率的时间变化率的基本方程(奥地利泡里)。1929年把电磁场看作动力学体系,提出电子和电磁场相互作用的相对论性量子力学,是量子场论的先驱(德国海森堡,奥地利泡里)。提出超声波在气体中被反常吸收的理论(美籍奥地利人赫茨菲,美国弗·赖斯)。首次实现彩色电视的试验(美国伊夫斯)。提出等离子体的高频率静电振荡理论,用以解释放电管中反常电子散射(美国汤克斯、兰米尔)。发明高频直线加速器,成为后来共振型加速器的先驱(挪威维德罗)。各自发明油扩散真空泵,可得千万分之一乇。,(10-7毫米汞柱)的真空(英国伯奇,美国希克曼)。提出极性分子理论,确定分子的偶极矩,对测定分子中原子间实际距离提供了可能,井可以预测分子的介电性能及电介质在交变电场中引起功率损耗的弛豫(荷兰德拜)。1930年提出未被电子占有的负能态,其行为如带正电粒子的假说,即狄拉克空穴理论(英国狄拉克)。发现第二种液态氦的超流动性(荷兰刻松、凡登安德)。在固体能带论中提出所谓“布里渊区”概念(法国布里渊)。发明回旋加速器(美国劳伦斯)。发现相差衬托方法能观察到光通过厚薄交替的透明体后的相位效应(荷兰泽尼凯)。

1931-1940年

1931年发现宇宙射线中存在正电子,证实狄拉克空穴理论的预见,这是首次发现的反粒于(美国安德森)。提出铁磁性的“自旋波”量子力学理论,并预言铁磁体的低温磁性质(美籍瑞士人布洛赫)。提出半导体的能带模型的量子力学理论(美籍英国人哈·威尔逊)。提出半导体中的“激子”概念,用以解释吸收光后可不发生光致导电的现象(苏联弗朗克尔)。用统计力学论点推得不可逆过程的倒易关系,成为后来“不可逆过程热力学”的基础(美国盎萨格)。发明静电加速器(美国范德格拉夫)。1932年在人工核反应中发现中子(英国查德威克)。发明用负反馈法改善电子管放大器的频率响应性能,用以减小失真(美国尼奎斯特、哈·布莱克)。提出两核子间的吸力是“交换力”,引入同位旋概念,用以强调此交换力和电荷无关(德国海森堡)。发现宇宙射线中的“簇射”现象(意大利饶希)。发现字宙射线中有正、负电子对产生,及由它们构成的电子“簇射”(英国布莱凯特,意大利奥查林尼)。提出和电磁场相互作用的电子的相对论性量子力学(英国狄拉克)。指出狄拉克量子电动力学和海森堡、泡里的量子电动力学在数学结构上等效(比利时罗森菲)。发明高电压倍加器,用以加速质子,实现人工核蜕变(英国考克拉夫特、沃尔顿)。利用回旋加速器使原子核发生蜕变(美国劳伦斯、黎文斯顿、密·怀特)。发明驻声波光栅的衍射法,测定液体中超声的波长和速度(荷兰德拜,美国西尔斯,法国卢卡斯、毕伽)。1933年实验证实原子在发射和吸收光子时,发生按爱因斯坦公式所示的动量改变(奥地利弗里什)。提出中微子假说,用以维护β衰变的总能量守恒(奥地利泡里)。发现超导电体有理想的抗磁作用(荷兰迈斯纳、奥申菲)。提出电磁场量子化理论的互补原理解释(丹麦尼·波尔,比利时罗森菲)。实验证实正负电子相遇可转化(所谓湮没)成电磁辐射,其发生几率符合狄拉克1930年电子论公式(法国季保德)。1934年用中微子概念,提出原子核β衰变的量子理论(美籍意大利人费米)。用中子轰击法制成多种人工β放射元素。发现原子核吸收慢中子与中子速率成反比的规律(美籍意大利人费米、埃·塞格勒,意大利阿玛尔第、达戈斯蒂纳、拉萨悌,苏籍意大利人庞悌考尔沃)。提出核子力的介子场论,预言介子的存在(日本汤川秀树)。发现在γ射线照射下液体发光现象(苏联切仑柯夫)。提出强电流自聚焦理论,发现强电流放电的“箍缩效应”,后人于五十年代曾试图用此实现受控热核反应(美国贝内特)。澄清天体磁场的磁流体动力学理论,并提出磁力线冻结在理想导电流体上的基本概念(英国考玲)。提出超导电体的二流体模型理论(美籍荷兰人戈特,荷兰卡西默)。对费米用中子轰击铀的结果提出是裂变的建议,而费米用当时不准确的核质量数估算而反对(德国依·诺台克)。1935年从核液滴模型出发,提出原子核质量的半经验公式(德国冯·韦茨萨克)。提出超导电现象的宏观电动力学理论,并建议其量子论的能隙解释(美籍德国人伦敦兄弟)。提出量子力学对物理实在的描述不完备的论据,引起波尔的反击(瑞士、美籍德国人爱因斯但,以色列罗森等)。发明相差衬托而显色的新显微镜技术(荷兰泽尼凯)。提出固体中光致导电现象的理论(苏联弗朗克尔)。1936年提出宇宙射线簇射现象的级联理论(美国卡尔森、奥本海默,印度巴巴,英国海特勒)。提出原子核反应的复合核模型理论(丹麦尼·波尔)。发现宇宙射线中的μ介子(美国卡·安德森、尼德迈那)。提出核反应的共振公式(美国布莱特,美籍匈牙利人维格纳)。美国制成长微波“雷达”。1937年发明干式静电复印机,是静电技术的重要应用(美国卡尔森)。提出切仑柯夫辐射的电磁理论解释,预言任何带电粒子在透明体中以超光速速度穿过时就发出偏振蓝光(苏联塔姆、依·弗朗克)。提出粒子相互作用的散射矩阵概念(美国惠勒)。1938年提出湍流速度的关联理论(美籍匈牙利人冯·卡门等)。发明利用原子束或分子束的射频共振磁谱仪,精确测定核自旋和核磁矩(美国拉比、扎卡赖亚斯、米尔曼、库什)。实验核证第二种液氦的超流动性(苏联卡皮查)。提出第二种液氦的超流动性是由服从玻色统计的爱因斯坦凝结所引起的假说(美国弗·伦敦)。提出第二种液氦的二流体宏观理论,预见温度波即第二声的存在(美籍法国人佛斯查)。先后各自发展出半导体的接触整流理论(苏联达维道夫,英国茅特,德国肖特基)。1939年用中子轰击重元素铀的实验中,发现有中间质量的元素产生(德国哈恩、史特拉斯曼)。提出用铀原子核分裂成两半的产物解释哈恩-史特拉斯曼的实验结果,从而导致重核裂变的发现(奥地利弗里什、迈特纳)。提出重原子核裂变的液滴模型理论(丹麦尼·波尔,美国惠勒,苏联弗朗克尔)。发现每次核裂变释放二、三个中子,为链反应的可能性提供必要的条件(英国冯·哈尔班,法国弗·约里奥、考瓦尔斯基)。利用磁共振法量得中子磁矩(美籍瑞士人布洛赫,美国阿尔瓦雷斯)。发现自旋为2、静止质量为0的相对论性场方程,暗示存在万有引力场量子(奥地利泡里,瑞士菲尔兹)。指出量子电动力学中电子质量的发散困难(美籍奥地利人韦斯考夫)。1940年首次发现铀原子核的自发裂变(苏联弗略罗夫、皮尔查克)。分别制成环形多腔磁控电子管,是高功率高效率的微波源,促成了近代雷达技术的发展(英国布特、杰·兰道,苏联阿列克谢耶夫、马略罗夫)。证明自旋为整数的粒子服从玻色统计,而自旋是半整数的粒子服从费米统计,使量子场论得到巩固(奥地利泡里)。提出用级数法处理非平衡态现象的统计理论(苏联玻哥留玻夫)。

1941-1950年

1941年,提出局部各向同性的湍流理论,和试验结果大多所符合(苏联柯尔莫哥洛夫)。1941年,提出第二种液态氦的量子力学理论(苏联列.兰道)。1942年,利用铀核裂变释放中子及能量的性质,发明热中子链式反应堆,是大规模利用原子能的开始(美籍意大利人费米,美国哈.安德森、津恩,美籍匈牙利人西拉德、维格纳等)。1942年,理论研究预见,在磁场中的导电流体中,应有流体随磁力线振动的波存在,后来得到证实(瑞典阿尔芬)。1943年,提出粒子相互作用的散射矩阵理论(德国海森堡)。1944年,研制远程火箭,于1944年使用V-2型火箭于战争(美籍德国人布劳恩)。1944年,在第二种液态氦中产生温度波(第二声)获得成功(苏联佩希考夫)。1944年,美国芝加哥大学冶金实验室用化学方法从U238反应堆中提取Pu239获得成功。1944年,严格解出统计力学中的二维伊兴模型问题,得出临界点附近性质与晶体结构细节无关(美国盎萨格)。1944年,美国由劳伦斯领导使用电磁法大规模生产U235,效果不佳。1944年,美国由尤里领导采用气体扩散法大规模生产裂变物质U235。1944年,美国由艾贝尔森领导使用液体热扩散法大规模生产U235,效果不佳。1945年,各自提出使环形加速器维持共振加速的调频稳相原理(苏联维克斯勒,美国麦柯米伦)。1945年,发明探测带电粒子的照相乳胶记录法(英国塞.鲍威尔)。1945年,美国洛斯阿拉莫斯实验室用U235和Pu239制成快中子链式反应爆炸装置——原子弹,用于战争(负责人为奥本海默等)。1945年,广泛研究非金属的磁化物质,发展焙烧法,首先制成铁淦氧磁体(荷兰斯诺克)。1946年,提出液体的分子运动论(苏联佛朗克尔)。1946年,在理论上预言了等离子体静电振荡中,由非碰撞引起的耗散机构存在,后为实验证实(苏联列.兰道)。1946年,提出量子电动力学的“重整化”概念(日本朝永振一郎)。1946年,苏联建成第一个原子核链式反应堆(苏联柯查托夫等)。1946年,发展稀薄气体动力学理论(中国钱学森)。1947年,用照相乳胶记录法,发现宇宙射线中的两种介子(π,μ)及其转化现象。一般认为介子是汤川理论所预言的核力场量子(英国鲍威尔,米尔赫德,意大利奥查林尼,巴西拉蒂斯)。1947年,在宇宙中发现底一种超子——λ粒子,这也是第一次发现所谓奇异粒子(英国罗彻斯特、克.巴特勒)。1947年,提出不可逆过程热力学中的最小熵产生原理(比利时普利皋金)。1947年,发明探测和辐射的闪烁计数器(美籍德国人卡尔曼)。1947年,精确测定电子磁矩,发现电子的反常磁矩(美国库什、弗利)。1947年,发展了分子束磁共振法,用以研究氢原子能级结构,发现荻拉克电子论中两个重合的能级实际上是分开的,这种能级位移今称拉姆位移(美国威.拉姆、雷瑟福)。1947年,用质量重整化概念修补量子电动力学,把拉姆、雷瑟福发现的能级位移现象解释为辐射反作用的效应(美籍德国人贝特)。1948年,发现特别稳定原子核的中子或质子数的规律,这些数叫幼数(美籍德国人玛.迈耶尔)。1948年,以电子质量的重整化概念为基础,揭示了库什发现的电子反常磁矩(美国施温格)。1948年,用质量和电荷的重整化概念,发展量子电动力学(美国费恩曼)。1948年,发明双点接触式半导体晶体三极管(美国巴丁、布拉顿)。1948年,美国加州大学用同步回旋加速器人工产生π介子。1948年,提出大雷诺数湍流的速度谱定律(德国魏扎克)。1948年,提出大雷诺数湍流的统计理论(德国海森堡)。1948年,提出铁淦氧磁性理论(法国尼尔)。1949年,提出原子核壳层结构模型理论(美籍德国人玛.迈耶尔,德国简森)。1949年,在理论上预见了等离子体在磁场中的反常扩散(巴西玻姆)。1949年,提出在半导体单晶内制成n-p结的可能性(苏联肖克利等)。1949年,苏联发展了原子弹(苏联柯查托夫等)。1949年,发现用高度相干光的干涉作用得到的综合衍射图含有重现物体形象的全部信息,发明全息照相术(英国加博尔)。1949年,实验证实了负电子和正电子可束缚成偶素的理论预言(美国多伊奇、希勒)。1949年,提出原子核半透明光学模型理论(美国佛恩巴赫、塞帕,美籍墨西哥人西.泰勒)。1950年,用单晶锗制成n-p-n结晶体三极管,促成了电子技术小型化的发展,推动了固体物理和电子学的研究(美国肖克利、斯帕克斯、蒂尔)。1950年,提出超导电性的二流体模型唯象理论,成功地预见了强磁场渗透特征(苏联列.兰道、金兹伯格)。1950年,试图用导电电子和声子的相互作用解释超导电性,预言了同位素效应(美籍德国人弗茹里赫)。1950年,分别在实验观测中发现超导性的同位素效应(美国爱.爱克斯韦、西.雷诺等)。1950年,提出了利用外加磁场干扰γ-γ角关联的办法,测量原子核激发态的磁矩,以后成为测量短寿命磁矩的主要方法,(美国布拉第、多伊其)。1950年,根据狭义相对论,提出理想导电流体在磁场中的冲击波唯象理论(美籍匈牙利人特勒,美籍奥地利人德霍夫曼)。1950年,发现慢中子核反应的巨共振现象,复合核概念不能说明,经用光学模型得到解释(美国福特,巴西玻姆)。1950年,提出使原子核定向排列并探测核共振信号的光泵技术,据此发明光泵磁强计,后人用以精确测量微弱磁场(法籍德国人卡斯特勒)。1950年,开创原子核直接反映机制的理论研究,预言剥裂反应的存在特征(英国斯.巴特勒)。

1951-1960年

1951年,建设第一个“增殖性核反应堆”,在U235裂变放出能量的过程中,还转变U238为U235,以产生更多的核燃料(美籍加拿大人津恩等)。1951年,提出解释量子力学的隐变量理论,力图维护由精确因果律决定的连续运动描述(巴西玻姆)。1951年,从分析彗星尾的运动和电离性质,发现太阳经常射出氢等离子体,即所谓“太阳风”(德国比尔曼)。1951年,首次实现晶体中核自旋转体系的所谓负绝对温度(美国珀塞尔、庞德)。1952年,发明过热液体(氢)的汽泡室装置,比云雾室更灵敏地记录高能带电粒子的径迹(美国格拉塞)。1952年,提出原子核结构的集体模型理论(丹麦阿.波尔)。1952年,提出快速带电粒子在梯度交变磁场中的强聚焦原理,使建造特大加速器(能量十亿电子伏以上)提供了依据(美国黎文斯顿、斯奈德、伊.柯朗)。1952年,发明氢弹,实现氢元素的热核爆炸(美国由特勒等负责)。1953年,首次利用高能电子研究原子核内部电磁分布,发现质子有大小和电磁结构(美国霍夫施塔特)。1953年,实现氢弹的爆炸(苏联萨哈罗夫、塔姆等)。1953年,分别提出在强作用下守恒的奇异量子数概念,用以归纳奇异粒子之间关系(美国盖尔曼,日本西岛)。1954年,利用氨气分子来制成微波激射器(即“脉塞”),实现用受激发射产生放大的、频率单纯的微波,是“量子电子学”的先驱(美国汤斯、高尔登、柴格尔)。1954年,提出超导电性的经验规则,发现数百种超导物质,为产生特强磁场提供原材料(美籍德国人马蒂阿斯)。1954年,提出自然规律必须符合物质、空间、时间三种宇称联合守恒定律,即C.P.T.定律(德国吕德斯)。1954年,建成第一个原子能发电站(苏联负责者布洛欣采夫等)。1955年,提出磁流体湍流理论,是海森堡理论的推广(美籍印度人钱锥赛克哈)。1955年,利用高能加速器发现反质子(美籍意大利人埃.塞格里,美国钱伯林)。1955年,提出强作用“基本粒子”结构的模型,认为所有强作用粒子都由质子、中子、λ超子及其反粒子所组成(日本坂田昌一)。1955年,对1951—1953年期间反对哥本哈根学派量子论解释的各种意见进行反驳(德国海森堡)。1955年,提出原子核大变形的壳层模型理论(瑞典斯.尼尔森)。1956年,首次观测到中微子存在的可靠证据(美国莱恩斯、科恩)。1956年,提出弱相互作用下宇称不守恒(美籍中国人李政道、杨振宁)。1956年,发现正反质子对的电荷交换反应,从而证实反中子的存在(美国考尔克、温策尔,意大利皮奇昂尼等)。1956年,利用延迟符合计数光子的办法,首次观测到两个相干光束中光子间的起伏关联性(英国儿.布朗、特威斯)。1956年,成功产生并分析非稳定的自由基分子的光谱(加拿大籍德国人赫茨伯格)。1957年,中国科学院、第一机械工业部有关单位制成锗半导体电子学器件,是中国电子技术晶体管化的开端。1957年,苏联发射第一颗人造地球卫星,重83.6公斤,倾角65度。1957年,观测到弱相互作用下的空间宇称不守恒(美籍中国人吴健雄,美国安布勒、海沃德、霍普斯,美籍英国人哈德森)。1957年,提出强磁场在超导电体中渗透通量丝理论,预言第二型超导电体(苏联阿布里考索夫)。1957年,开始发展“几何动力学”,把万有引力、电磁场、质量、电荷都当作弯曲的空虚空间的性质来解说,企图把物理学完全几何化(美国惠勒、米斯纳)。1957年,提出超导电性的量子力学微观理论(美国巴丁、施里佛、库波)。1957年,在空间和物质两种宇称不分别守恒基础上,分别提出中微子二分量理论,得出中微子左旋,反中微子右旋的结论(美籍中国人李正道、杨振宁,以色列萨拉姆,苏联列.兰道)。1957年,发现弱作用下物质宇称(正反对称性)也不守恒(英国卡利根)。1957年,提出费米液体的量子理论(苏联列.兰道)。1958年,中国科学院原子能研究所建成回旋加速器并制成亚洲最大的(一万千瓦)重水型原子反应堆。1958年,提出利用受激发射产生特强光束的单色光放大器(即“莱塞”、“光脉塞”、“激光”等)设计原理,引致六十年代激光技术的发展(美国肖楼、汤斯)。1958年,实现γ射线的无反冲共振吸收,为探测微小偏差提供可能(德国穆斯保尔)。1958—1960年,发射地球卫星和月球探头,发现环绕地球有内外两个辐射带(美国范阿兰)。1958年,在第二次和平利用原子能国际会议上,公开讨论人工控制热核反应问题和超高温氢等离子体研究的结果,促进了等离子体物理学的发展(日内瓦,联合国)。1958年,提出弱相互作用的普适矢量-轴矢量费米相互作用及矢量流守恒理论,后被证实(美国费恩曼、盖尔曼)。1958年,研究用几万度高温的等离子体快速通过磁场的办法,来实现法拉第早就提出的磁流体发电机(美国罗萨、坎仇维兹)。1959年,中国科学院光学精密机械研究所制成大型电子显微镜,放大十万倍,分辨率25埃。1959年,提出计算散射波振幅的新方法——复数角动量分析的极点留数法(意大利雷杰)。1960年,试验证明赫尔姆霍茨共振子不存在,耳底膜从底到顶弹性强度可差百倍,足供频率分析之用,发现耳蜗内部刺激的机制(美国冯.贝克西)。1960年,美国泰克沙斯仪器公司、费尔柴德半导体公司创制半导体“集成”电路(固体电路),为电子技术微型化开辟道路。1960年,首次用红宝石制成光激射器,即“莱塞”(美国梅曼)。1960年,首次实现用人造地球卫星EchoI号作无线电波反射器,到1962年,实现北美与欧洲电视讯号的放大与转播(美国皮尔斯等)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

关于诺贝尔物理奖的故事

诺贝尔物理学奖简介

诺贝尔物理学奖是火药发明人--阿尔弗雷德-诺贝尔遗嘱中提到的五大奖励领域之一,但诺贝尔的遗嘱陈述并不十分明确,他在遗嘱中说奖金的一部分应颁给“在物理学领域有最重要的发现或发明的人”。

诺贝尔指定由瑞典皇家科学院颁发物理学奖,他特别指出在决定获奖者时“不必考虑候选者的国籍,他可以不是斯堪的纳维亚人,但他必须是最有资格获得该奖的人。”

诺贝尔奖及其评选

阿尔费里德·伯恩纳德·诺贝尔,1833年10月21日生于瑞典首都斯德哥尔摩。他没有妻子、儿女,连亲兄弟也去世了。诺贝尔发明了炸药,取得了成千上万的科研成果,成功地开办了许多工厂,积聚了巨大的财富。在即将辞世之际,诺贝尔立下了遗嘱:“请将我的财产变做基金,每年用这个基金的利息作为奖金,奖励那些在前一年为人类做出卓越贡献的人。”根据他的这个遗嘱,从1901年开始,具有国际性的诺贝尔创立了。诺贝尔在遗嘱中还写道:“把奖金分为5份:一、奖给在物理学方面有最重要发现或发明的人;二、奖给在化学方面有最重要发现或新改进的人;三、奖给在生理学和医学方面有最重要发现的人;四、奖给在文学方面表现出了理想主义的倾向并有最优秀作品的人;五、奖给为国与国之间的友好、废除使用武力与贡献的人。”为此,诺贝尔分设了5个奖。1969年,诺贝尔奖新设了5个奖。1969年,诺贝尔新设了第6个奖----诺贝尔经济学奖。

以上各奖的评选工作,是这样分工的:由瑞典皇家科学院负责诺贝尔物理学奖、诺贝尔化学奖和诺贝尔经济学奖的评选;由瑞典文学院负责诺贝尔文学奖的评选;由挪威议会选出的5人小组负责诺贝尔和平奖的评选。诺贝尔还在遗嘱中强调:“不分国籍、肤色以及宗教信仰,必须要把奖金授予那些最合格的获奖者。”因此,由各奖的诺贝尔委员会和全世界的主要大学等机构,还有著名专家、科学家独立自主地、秘密地推选出获奖候选人名单,最后的获奖者以从这个名单中产生出来。评选诺贝尔文学奖据说有一些语言上的问题,需要法国国家文学院协助,而且那些曾获得过诺贝尔奖的人以及欧洲的王室成员,他们的意见都对诺贝尔奖的评选工作有一定的影响。这些情况是每一位希望获奖的人所必须知道的。还有一个必须重视的问题以是,你的研究成果要使非专业的人也能理解。诺贝尔奖获得者一旦被确定下来,马上就用电报通知本人,不过在大多数场合,获奖者是从收音机或电视里得知获奖消息的。获奖者名单在每年的10月中旬公布,授奖仪式于诺贝尔的逝世日12月10日在斯德哥尔摩音乐厅举行。瑞典国王亲自出席大会并授奖。授奖仪式后,还要在市政大厅举行晚宴和舞会。诺贝尔和平奖的仪式比较简单,也是和其他奖在同一时间在挪威的奥斯陆大学的讲演厅中举行。诺贝尔奖获得者在授奖仪式上接受奖状、金质奖章和奖金支票,还要在晚宴上作3分钟的即席演讲。1994年,大江健三郎在获奖后的晚宴上作了题为《暖昧的日本与我》的即席演讲。这个演讲用持一般的语言表达了他自己的文学之根。每个诺贝尔奖可以由两个研究领域的人共同获得,最多可以有3个人共同获得,不过必须是仍活着的人。围绕着获得诺贝尔奖演出了许多人间的悲喜剧。但是从获奖者被确定时开始到授奖仪式结束,获奖者即使逝世或无法出席授奖仪式,也不会失去领奖资格。如果超过一年仍不去领奖,就被视为自动放弃或失去获奖资格。历史上由于德国纳粹的威胁,德国的库恩、布迪南特、多马克曾被放弃诺贝尔奖,到战争结束后才撤回放弃。至今为止真正放弃诺贝尔奖的只有获文学奖的帕斯捷尔纳克和萨特,还有获和平奖的黎德寿。可以说,诺贝尔科学奖对有志者来说是梦寐以求的。由于瑞典和挪威的不断努力,诺贝尔奖已成为世界瞩目的权威的国际大奖。

历年诺贝尔物理学奖

年份

获奖者

国籍

获奖原因

1901

W.C.伦琴

德国

发现伦琴射线(X射线)

1902

H.A.洛伦兹

荷兰

塞曼效应的发现和研究

P.塞曼

荷兰

1903

H.A.贝克勒尔

法国

发现天然铀元素的放射性

P.居里

法国

放射性物质的研究,发现放射性元素钋与镭并发现钍也有放射性

M.S.居里

法国

1904

L.瑞利

英国

在气体密度的研究中发现氩

1905

P.勒钠德

德国

阴极射线的研究

1906

J.J汤姆孙

英国

通过气体电传导性的研究,测出电子的电荷与质量的比值

1907

A.A迈克耳孙

美国

创造精密的光学仪器和用以进行光谱学度量学的研究,并精确测出光速

1908

G.里普曼

法国

发明应用干涉现象的天然彩色摄影技术

1909

G.马可尼

意大利

发明无线电极及其对发展无线电通讯的贡献

C.F.布劳恩

德国

1910

J.D.范德瓦耳斯

荷兰

对气体和液体状态方程的研究

1911

W.维恩

德国

热辐射定律的导出和研究

1912

N.G.达伦

瑞典

发明点燃航标灯和浮标灯的瓦斯自动调节器

1913

H.K.昂尼斯

荷兰

在低温下研究物质的性质并制成液态氦

1914

M.V.劳厄

德国

发现伦琴射线通过晶体时的衍射,既用于决定X射线的波长又证明了晶体的原子点阵结构

1915

W.H.布拉格

英国

用伦琴射线分析晶体结构

W.L.布拉格

英国

1917

C.G.巴克拉

英国

发现标识元素的次级伦琴辐射

1918

M.V.普朗克

德国

研究辐射的量子理论,发现基本量子,提出能量量子化的假设,解释了电磁辐射的经验定律

1919

J.斯塔克

德国

发现阴极射线中的多普勒效应和原子光谱线在电场中的分裂

1920

C.E.吉洛姆

法国

发现镍钢合金的反常性以及在精密仪器中的应用

1921

A.爱因斯坦

德国

对现物理方面的贡献,特别是阐明光电效应的定律

1922

N.玻尔

丹麦

研究原子结构和原子辐射,提出他的原子

结构模型

1923

R.A.密立根

美国

研究元电荷和光电效应,通过油滴实验证明电荷有最小单位

1924

K.M.G.西格班

瑞典

伦琴射线光谱学方面的发现和研究

1925

J.弗兰克

德国

发现电子撞击原子时出现的规律性

G.L.赫兹

德国

1926

J.B.佩林

法国

研究物质分裂结构,并发现沉积作用的平衡

1927

A.H.康普顿

美国

发现康普顿效应

C.T.R.威尔孙

英国

发明用云雾室观察带电粒子,使带电粒子的轧迹变为可见

1928

O.W.里查孙

英国

热离子现象的研究,并发现里查孙定律

1929

L.V.德布罗意

法国

电子波动性的理论研究

1930

C.V.拉曼

印度

研究光的散射并发现拉曼效应

1932

W.海森堡

德国

创立量子力学,并导致氢的同素异形的发现

1933

E.薛定谔

奥地利

量子力学的广泛发展

P.A.M.狄立克

英国

量子力学的广泛发展,并预言正电子的存在

1935

J.查德威克

英国

发现中子

1936

V.F赫斯

奥地利

发现宇宙射线

C.D.安德孙

美国

发现正电子

1937

J.P.汤姆孙

英国

通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象

C.J.戴维孙

美国

通过实验发现晶体对电子的衍射作用

1938

E.费米

意大利

发现新放射性元素和慢中子引起的核反应

1939

F.O.劳伦斯

美国

研制回旋加速器以及利用它所取得的成果,特别是有关人工放射性元素的研究

1943

O.斯特恩

美国

测定质子磁矩

1944

I.I.拉比

美国

用共振方法测量原子核的磁性

1945

W.泡利

奥地利

发现泡利不相容原理

1946

P.W.布里奇曼

美国

研制高压装置并创立了高压物理

1947

E.V.阿普顿

英国

发现电离层中反射无线电波的阿普顿层

1948

P.M.S.布莱克特

英国

改进威尔孙云雾室及在核物理和宇宙线方面的发现

1949

汤川秀树

日本

用数学方法预见介子的存在

1950

C.F.鲍威尔

英国

研究核过程的摄影法并发现介子

1951

J.D.科克罗夫特

英国

首先利用人工所加速的粒子开展原子核

E.T.S.瓦尔顿

爱尔兰

蜕变的研究

1952

E.M.珀塞尔

美国

核磁精密测量新方法的发展及有关的发现

F.布洛赫

美国

1953

F.塞尔尼克

荷兰

论证相衬法,特别是研制相差显微镜

1954

M.玻恩

德国

对量子力学的基础研究,特别是量子力学中波函数的统计解释

W.W.G.玻特

德国

符合法的提出及分析宇宙辐射

1955

P.库什

美国

精密测定电子磁矩

W.E.拉姆

美国

发现氢光谱的精细结构

1956

W.肖克莱

美国

研究半导体并发明晶体管

W.H.布拉顿

美国

J.巴丁

美国

1957

李政道

美国

否定弱相互作用下宇称守恒定律,使基本粒子研究获重大发现

杨振宁

美国

1958

P.A.切连柯夫

前苏联

发现并解释切连柯夫效应(高速带电粒子在透明物质中传递时放出蓝光的现象)

I.M.弗兰克

前苏联

I.Y.塔姆

前苏联

1959

E.萨克雷

美国

发现反质子

O.张伯伦

美国

1960

D.A.格拉塞尔

美国

发明气泡室

1961

R.霍夫斯塔特

美国

由高能电子散射研究原子核的结构

R.L.穆斯堡

德国

研究r射线的无反冲共振吸收和发现穆斯堡效应

1962

L.D.朗道

前苏联

研究凝聚态物质的理论,特别是液氦的研究

1963

E.P.维格纳

美国

原子核和基本粒子理论的研究,特别是发现和应用对称性基本原理方面的贡献

M.G.迈耶

美国

发现原子核结构壳层模型理论,成功地解释原子核的长周期和其它幻数性质的问题

J.H.D.詹森

德国

1964

C.H.汤斯

美国

在量子电子学领域中的基础研究导致了根据微波激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器

N.G.巴索夫

前苏联

用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作

A.M.普洛霍罗夫

前苏联

在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作

1965

R.P.费曼

美国

量子电动力学的研究,包括对基本粒子物理学的意义深远的结果

J.S.施温格

美国

朝永振一郎

日本

1966

A.卡斯特莱

法国

发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献

1967

H.A.贝特

美国

恒星能量的产生方面的理论

1968

L.W.阿尔瓦雷斯

美国

对基本粒子物理学的决定性的贡献,特别是通过发展氢气泡室和数据分析技术而发现许多共振态

1969

M.盖尔曼

美国

关于基本粒子的分类和相互作用的发现,提出“夸克”粒子理论

1970

H.O.G.阿尔文

瑞典

磁流体力学的基础研究和发现并在等离子体物理中找到广泛应用

L.E.F.尼尔

法国

反铁磁性和铁氧体磁性的基本研究和发现,这在固体物理中具有重要的应用

1971

D.加波

英国

全息摄影术的发明及发展

1972

J.巴丁

美国

提出所谓BCS理论的超导性理论

L.N.库珀

美国

J.R.斯莱弗

美国

1973

B.D.约瑟夫森

英国

关于固体中隧道现象的发现,从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)

江崎岭于奈

日本

从实验上发现半导体中的隧道效应

I.迦埃弗

美国

从实验上发现超导体中的隧道效应

1974

M.赖尔

英国

研究射电天文学,尤其是孔径综合技术方面的创造与发展

A.赫威期

英国

射电天文学方面的先驱性研究,在发现脉冲星方面起决定性角色

1975

A.N.玻尔

丹麦

发现原子核中集体运动与粒子运动之间的联系,并在此基础上发展了原子核结构理论

B.R.莫特尔孙

丹麦

原子核内部结构的研究工作

L.J.雷恩瓦特

美国

1976

B.里克特

美国

分别独立地发现了新粒子J/Ψ,其质量约为质子质量的三倍,寿命比共振态的寿命长上万倍

丁肇中

美国

1977

P.W.安德孙

美国

对晶态与非晶态固体的电子结构作了基本的理论研究,提出“固态”物理理论

J.H.范弗莱克

美国

对磁性与不规则系统的电子结构作了基本研究

N.F.莫特

英国

1978

A.A.彭齐亚斯

美国

3K宇宙微波背景的发现

R.W.威尔孙

美国

P.L.卡皮查

前苏联

建成液化氮的新装置,证实氮亚超流低温物理学

1979

S.L.格拉肖

美国

建立弱电统一理论,特别是预言弱电流的存在

S.温伯格

美国

A.L.萨拉姆

巴基斯坦

1980

J.W.克罗宁

美国

CP不对称性的发现

V.L.菲奇

美国

1981

N.布洛姆伯根

美国

激光光谱学与非线性光学的研究

A.L.肖洛

美国

K.M.瑟巴

瑞典

高分辨电子能谱的研究

1982

K.威尔孙

美国

关于相变的临界现象

1983

S.钱德拉塞卡尔

美国

恒星结构和演化方面的理论研究

W.福勒

美国

宇宙间化学元素形成方面的核反应的理论研究和实验

1984

C.鲁比亚

意大利

由于他们的努力导致了中间玻色子的发现

S.范德梅尔

荷兰

1985

K.V.克利青

德国

量子霍耳效应

1986

E.鲁斯卡

德国

电子物理领域的基础研究工作,设计出世界上第1架电子显微镜

G.宾尼

瑞士

设计出扫描式隧道效应显微镜

H.罗雷尔

瑞士

1987

J.G.柏诺兹

美国

发现新的超导材料

K.A.穆勒

美国

1988

L.M.莱德曼

美国

从事中微子波束工作及通过发现μ介子中微子从而对轻粒子对称结构进行论证

M.施瓦茨

美国

J.斯坦伯格

英国

1989

N.F.拉姆齐

美国

发明原子铯钟及提出氢微波激射技术

W.保罗

德国

创造捕集原子的方法以达到能极其精确地研究一个电子或离子

H.G.德梅尔特

美国

1990

J.杰罗姆

美国

发现夸克存在的第一个实验证明

H.肯德尔

美国

R.泰勒

加拿大

1991

P.G.德燃纳

法国

液晶基础研究

1992

J.夏帕克

法国

对粒子探测器特别是多丝正比室的发明和发展

1993

J.泰勒

美国

发现一对脉冲星,质量为两个太阳的质量,而直径仅10-30km,故引力场极强,为引力波的存在提供了间接证据

L.赫尔斯

美国

1994

C.沙尔

美国

发展中子散射技术

B.布罗克豪斯

加拿大

1995

M.L.珀尔

美国

珀尔及其合作者发现了τ轻子雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电子反中微子他们在轻子研究方面的先驱性工作,为建立轻子-夸克层次上的物质结构图像作出了重大贡献

F.雷恩斯

美国

1996

戴维.李

美国

发现氦-3中的超流动性

奥谢罗夫

美国

R.C.里查森

美国

1997

朱棣文

美国

激光冷却和陷俘原子

K.塔诺季

法国

菲利浦斯

美国

1998

劳克林

美国

分数量子霍尔效应的发现

斯特默

美国

崔琦

美国

1999

H.霍夫特

荷兰


M.韦尔特曼

荷兰

中国物理史话

夏以前、夏、商、西周

(——公元前771年)

西安半坡村等仰韶文化遗址出土了许多尖底汲水陶罐。这种陶罐两侧系绳,空时倾斜,将满时直立,水盛满时自动倾覆,表明当时在实践中对于物体的重心与平衡已有一些初步的认识。商代我国人民已能制造石磬和成套的铜铙等乐器,经过对河南安阳大司空村出土的商代后期的铜铙的研究,推测当时已具有十二音律中的九律,并已有了五度谐和的观念。

商周间我国已有"五行说"和"阴阳说"。"五行说"认为世界万物都是由金、木、水、火、土五种基本物质元素所组成,"阴阳说"认为万物发展变化的原因是"阴"、"阳"两种相对抗的力量,这是我国古代具有朴素唯物主义和朴素辩证法因素的关于物质构成和变化学说。

周代我国人民已使用"阳燧"(亦称"夫燧",即凹面镜)聚焦阳光取火,这是人类最早利用太阳能的一种方法。

春秋、战国

(公元前770年——公元前221年)

《管子·地数》载:"山上有慈石(即磁石)者,其下有铜金。"这是世界上有关磁石的最早记载之一,说明春秋战国时我国人民对磁石的性质已有了一些了解。

《管子·地员》记载了我国古代人民在音乐实践中创造的计算音程以确定五音的"三分损益法",这是我国古代乐律史上的重要成就。

公元前四世纪,战国时名家提出了朴素的极限概念和物质无限可分的思想:"一尺之棰(chui,短棍),日取其半,万世不竭。"名家还提出关于运动的物体又动又不动的辩证关系的看法。

公元前四一前三世纪,墨家的著作《墨子》在物理学方面有许多重要成就。《墨经》中有关于力、力系的平衡和杠杆、斜面等简单机械的论述;记载了关于小孔成象和平面镜、凹面镜、凸面镜成象的观察研究,首先提出光是直线前进的观点,是世界上最早的几何光学著作之一;《墨子·备穴》还载有固体传声和共鸣现象的应用等声学知识。

《墨经》中提出了我国古代的朴素的原子("端")的概念以及朴素的时间("久",即宙)和空间("宇")的概念。

战国时的《庄子·徐无鬼》中有关于声音共振现象的记载。

春秋末年我国人民已使用天平和砝码。湖南长沙春秋末至战国间的楚墓中出土了大量天平和砝码。

春秋战国时期我国出现了一些朴素唯物主义的关于世界物质具有统一的本源的思想。《管子·水地》提出水是万物之源。荀况认为世界万物的总根源是"气"。关于物质性的"气"的学说对我国古代自然观的发展有很大的影响。荀况还提出了"天行有常"(即自然界的运动都有它的客观规律)的观点和"制天命而用之"的光辉思想,尖锐地批判了天命论。

战国末期,《韩非子·有度》中载有"先王立司南端朝夕",这是关于"司南"的最早记载。《鬼谷子·谋》中也有"郑人之取玉也,载司南之车,为其不惑也"的记载。"司南"是指示方向的器具。

公元前239年我国有关于磁石吸铁的记载:"慈石召铁,或引之也。"这是世界上关于磁石吸铁的最早记载之一。

秦、汉

(公元前221年——公元220年)

秦始皇统一全国度量衡,对我国古代的生产和科学技术的发展起了重要作用。当时采用商鞅方升作为标准量器,标准量器的制作和检定已相当精确,对现存的量器的测定表明,误差在1%以内。

我国人民很早就把度量衡和音律联系起来。《汉书·律历志》载有以固定音调的竹管乐器的管长为长度标准以及以管的容积和管内所能盛的粟的重量作为容量和重量的标准。

公元前二世纪的《淮南万毕术》中载有我国关于透镜聚焦的最早记载。《淮南万毕术》中还有关于人造磁体的最早记载以及磁体同性相斥的记载。

西汉时我国已有原始的潜望镜的记载。西汉时我国人民对运动的相对性原理已有一定的认识,西汉末的《尚书纬·考灵曜》中载:"地恒动不止而人不知,譬如人在大舟中闭牖(音有,窗)而坐,舟行而人不觉也。"

西汉末年,我国已有关于摩擦生电和尖端放电现象的记载。《春秋纬·考异邮》中载有,经过摩擦的玳瑁能够吸引细小的物体,《汉书·西域传》中载有:金属制的矛的尖端放电的现象。

东汉王充的《论衡·是应》中有司南勺的记载。河南南阳东汉墓出土的石刻上有司南勺的图画。司南勺是指南针的前身。磁性指示方向器具的发明是我国古代人民的重大贡献。

王充对声音的产生和传播已有了初步的认识,他在《论衡》中提出人声在气中的传播和在水波相似的观点。

王充在《论衡》中发挥了关于物质性的"气"的学说,他认为,天地万物都是由物质性的阴阳二气交感变化而产生的。他还提出"天地不生故不死,阴阳不生故不死",这已包含了朴素的物质不灭思想和时间无限的思想。王充的唯物主义自然观对东汉以后自然科学的发展有一定的影响。

东汉王符(生卒年代不详)明确地指出人的眼睛能看见物体是由于物体受到光的照射。

东汉时我国人民已应用虹吸管引水。

隋、唐、五代

(公元589年——公元960年)

唐初,孔颖达(公元574-648年)在《礼记注疏·月令》中说明了虹的成因。他说:"若云薄漏日,日照雨滴则虹生。"唐代中叶的张志和(生卒年代不详)在《玄真子》卷下中说:"雨色映日而为虹。""背日喷乎(呼)水成虹霓之状。"

唐代柳宗元(公元773-819年)和刘禹锡发展了唯物主义的自然观。柳宗元在《天对》中说:"东西南北,其极无方。""无中无旁。"在《非国语·三川震》中说;"天地之无倪(无边),阴阳之无穷。"即宇宙既没有边界也没有中心,是充满着矛盾,变化无穷的整体。刘禹锡在《天论》中说:"万物之所以为无穷者,交相胜而已矣,还相用而已矣。"即万物的无穷的运动变化是由于万物之间的相互矛盾和相互依存的朴素辩证法观点。他还提出"空者,形之希微者也。"即认为空间充满着物质,不存在没有物质的"虚空"的朴素唯物主义空间观。

宋、辽、金、元

(公元前960年——公元1368年)

北宋初年杨亿(公元974一1020年)的《杨文公谈苑》中记载了天然晶体的色散现象:“嘉州峨嵋山有菩萨石,人多收之,色莹白如玉,如上饶水晶之类,日射之有五色,……”(《杨文公谈苑》已佚)

公元1044年,北宋曾公亮(公元998一1078年)主编的《武经总要》前集卷15中所记载的“指南鱼”的制作方法,是世界上关于利用地磁场进行人工磁化的最早记载,记载表明当时在实践中已知道利用地磁的倾角。欧洲到公元1544年德国人哈特曼(GeorgeHartmann)才发现地磁倾角。

北宋张载在《正蒙·太和》中说:“太虚不能无气,气不能不聚为万物,万物不能不散而为太虚。”他的“虚空即气”的学说发展了朴素唯物主义的空间观并且包含了朴素唯物主义的物质不灭思想。张载在《正蒙·参两》中说:“凡圆转之物,动必有机,既谓之机,则动非自外也。”即认为万物运动的原因在于它的自身。他还认为万物的变化是阴阳二气“相兼相制,欲一之而不能”的结果。公元1070年,北宋王安石(公元1021一1086年)在《洪范传》中发展了唯物主义的“气”的学说,他不仅认为“气”构成万物(“生物者,气也。”),万物的发展变化是无穷的(“往来乎天地之间而不穷者也。”),他还认为万物发展变化的原因是“其中有耦”(耦即偶,对立面),并且“耦之中又有耦焉,万物之变遂至于无穷”。

北宋沈括的《梦溪笔谈》中载:“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”这是关于利用天然磁体进行人工磁化以及地磁偏角的最早记载。西方到公元1205年法国人古约(Guyotdeprovins)才记载了用同样方法制造指南针,公元1492年意大利人哥伦布(ChristopherColumbus)才发现地磁偏角。在《梦溪笔谈》卷24中,沈括还记载了指南针的四种装置方法。

《梦溪笔谈》中载有:“阳燧面洼,向日照之,光皆聚向内。离镜一、二寸,光聚为一点大如麻菽,著物则火发,此即腰鼓最细处也。”这是关于凹面镜焦点的最早的明确描述。欧洲到公元1267年英国人培根(RogerBacon)才发现凹面镜的焦点。

公元1119年,北宋朱彧(yu)在《萍洲可谈》中第一次记载了指南针用于航海:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”我国是世界上最早应用指南针于航海的国家,西方公元1190年英国人纳肯(AlexanderNeckam)才有指南针用于航海的记载。

南宋赵友钦(生卒年代不详)著的《革象新书》“小罅光景”中记载了他所作的光学实验,对视角、光的直线传播和照度有所研究,通过实验得出小孔成象的规律等的正确结论。他采取改变各种条件的方法来观察物理现象以寻找规律,这在当时是很可贵的。

明、清(鸦片战争以前)

(公元前1368年——公元1840年)

公元1584年,明代朱载(yu)(公元1536-1614年)的《律吕精义》出版。这是世界乐律史上的重要著作。朱载经过精密计算和科学实验,创造了"新法密律",用等比级数平均划分音律,即近代乐器上通用的"十二等程律"。欧洲1636年法国人默森(MarieMersenne)才提出十二等程律。公元1637年,明末宋应星(约公元1578年-?)在《论气·气声》中对声音的产生和传播作出了合乎科学的解释,他认为声音是由于物体振动或急速运动冲击空气而产生的,声音是通过空气来传播的,同水波相类似。

宋应星在《论气·形气化》中论述了朴素的物质不灭思想,他认为一粒种子长成一棵树以至树被烧成灰烬,即是物质从"气"化成"形"而又从"形"化为"气"的过程,并不是无中生有和有归于无。明末清初,王夫之进一步发展了唯物主义的"气"的学说,更加明确地论述了物质不灭的思想。他认为象柴燃烧后,水蒸发后,都转化成为其他物质形态,物质本身并没有消灭。他还提出万物"方动即静,方静旋动,静即含动,动不舍静"(《思问录·外篇》)的观点,即是说因为构成万物的"气"永远处于运动之中,所以万物的静止状态只是相对的,静止只是运动的一种形态。

公元1652年左右,明末清初的方以智(公元1611-1671年)在《物理小识》卷2中说:"宙(时间)轮于宇(空间),则宇中有宙,宙中有宇。"也就是提出了时间和空间不能彼此独立存在的时空观。方以智在《物理小识》卷1中正确地解释了蒙气差(即大气折射)现象。

清初民间光学仪器制造家孙云球(约公元1628-1662年)曾制造过放大镜、显微镜等几十种光学仪器,并著有《镜史》(已佚)。清代黄履庄也曾制造过探照灯("瑞光镜")(清·戴榕:《黄履庄小传》,载张潮编:《虞初新志》卷6)。欧洲公元1779年俄国人才制成探照灯。

公元1695年,清初刘献庭的《广阳杂记》卷1中写道:"磁石吸铁,隔碍潜通,……唯铁可以隔之耳。"这是我国关于磁屏蔽的最早记载。

约公元1835年,清代郑复光(生卒年代不详)著《镜镜(ling)痴》。这是我国古代一部较有系统的光学著作,对物体的颜色、透镜原理以及三棱镜、望远镜等光学仪器的制造有所论述。

公元1796-1820年间,清代女科学家黄履(生卒年代不详)曾制造"寒暑表"和"千里镜"。"千里镜于方匣上布镜四,就日中照之,能摄数里之外之影,平列其上,历历如绘。"即一种望远镜与取景器相结合的装置,也就是现代照相机的前身。

中国古代的热学知识

我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少,还有待于进一步发掘。

火的利用和控制,使人类第一次支配了自然力,使人类文明大大前进了一步,同时,它也是古人对热现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址,说明大约180万年前人类已经开始使用火。

对冷热的认识。约在公元前2000年,我国已有气温反常的记载,在两周初期,人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载,当时已设专人司贮冰事,冬季凿冰加以贮藏,到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。我国冶炼业的发展较早,高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁,经科学分析,它是一块生铁,生铁的冶炼温度比熟铁高,需达摄氏千度以上。生铁的出土,说明在那时的高温技术已达到一定水平。

温度计还没有发明以前,古人在冶炼金属的实践中,创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载,在铸铜与锡时,随温度的升高,火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色,然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析,不同物质有不同的汽化点,因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质,从而判断温度的高低。对同一种物质,随着温度的升高,其颜色也先后有所变化。“火候”(包括火色)成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。

除制陶和冶炼金属之外,我国古代还在农业中采用了控温技术。据《汉书·召信巨传》记载,西汉末年,我国己利用冬季栽培蔬菜,其方法是“覆以屋庑,昼夜蕴火,待温气乃生。”北魏时期,还利用熏烟的方法防止霜冻。

对冷热问题,东汉王充还曾从理论上加以探讨,在他的著作《论衡·寒温篇》中写道:“夫近水则寒,近火则温,远之渐微,何则?气之所加,远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者,还指出距离变远,“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题,但它只是思辩性的,是我国“元气说”的一种应用。

对热是什么这一问题,我国古代也已注意到,南北朝成书的《关尹子》中认为:“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的《刘子·崇学篇》,则从“五行”观念出发,猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质,它类似于18世纪"燃素"和"热素"的观念。

热胀冷缩是重要的热现象之一,在我国古代对它已有所研究和利用。汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象:把盛水铜瓮加热,直到水沸腾时密闭其口,急沉人井中,铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂,破裂声由井内传出,这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验,他把带孔的物体加热以后,使另一个物体进入孔洞,从而这两个物体如“辘轳旋转,无分毫缝罅”。他明确指出,这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。据《华阳国志》记载,李冰父子修建都江堰时,发现用火烧巨石,然后浇水其上,就容易凿开山石。这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验,在我国历代水利工程中不断为人们采用。

对水的物态变化,在我国古代也早有认识,例如对雨和雪形成的探讨,认为是由于“积水上腾”而造成。《论衡》中对此有明确的表述:“云雾,雨之微也,夏则为露,冬则为霜,温则为雨,寒则为雪。雨露冰凝者,皆由地发,不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成,它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中,对雨、露、雪、霜成因的讨论更多,说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发,解释雨、露、雪、霜成因的道理是:水受日光照射,蒸发成水汽,再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来,这些分析也基本上是正确的。

我国古代,在生产和生活实践中,创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”,在“灯盏一端作小窍,注清冷水于其中”,据说这种灯能“省油几半”。现在分析,文中所说加入冷水,目的是降低温度,避免油被灯火加热后急速蒸发,其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识;据《淮南子》记载:“取鸡子,去其汁,然(燃)艾火纳空卵中,疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想,也是空气受热上升的具体应用。五代时期,据说还利用这一原理制成信号灯,所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。关于走马灯我国古代有较多记载,有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代《武林旧事》在记述各种元宵彩灯时写道:“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞……”,这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。

在我国古代,很早就出现了对热动力的认识和利用,唐代出现了烟火玩物,“烟火起轮,走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭,这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理,属热动力的应用,它是近代火箭的始祖,被世界所公认。

中国古代对磁的认识

1.磁石的吸铁性及其应用

我国是对磁现象认识最早的国家之一,公元前4世纪左右成书的《管子》中就有"上有慈石者,其下有铜金"的记载,这是关于磁的最早记载。类似的记载,在其后的《吕氏春秋》中也可以找到:"慈石召铁,或引之也"。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到:"石,铁之母也。以有慈石,故能引其子。石之不慈者,亦不能引也"。在东汉以前的古籍中,一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。

我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅书》说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”;而《椎南万毕术》(西汉刘安)还有“取鸡血与针磨捣之,以和磁石,用涂棋头,曝干之,置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝(512~518年)的《水经注》(郦道元)和另一本《三辅黄图》都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门,"有隐甲怀刃人门"者就会被查出的记载。《晋书·马隆传》的故事可供参考:相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中,命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住,而马隆的兵将身穿犀甲,行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵,故而大败("夹道累磁石,贼负铁镗,行不得前,隆卒悉被犀甲,无所溜碍")。

古代,还常常将磁石用于医疗。《史记》中有用“五石散”内服治病的记载,磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代,有人把磁石放在耳内,口含铁块,因而治愈耳聋。

磁石只能吸铁,而不能吸金、银、铜等其他金属,也早为我国古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸铁,及其于铜则不通矣”,“慈石之能连铁也,而求其引瓦,则难矣”。

2.磁石的指向性及其应用

在我国很早就发现了磁石的指向性,并制出了指向仪器司南。《鬼谷子》中有“郑子取玉,必载司南,为其不惑也”的记载。稍后的《韩非子》中有“故先王立司南,以端朝夕”的记载。东汉王充在《论衡》中记有“司南之杓(勺子),投之于地(中央光滑的地盘),其柢(勺的长柄)指南”。

不言而喻,司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度(990~1053)编撰的《武经总要》(1044年)在前集卷十五记载了指南鱼的使用及其制作方法:"若遇天景噎(阴暗)霾,夜色瞑黑,又不能辨方向......出指南车或指南鱼,以辨所向......鱼法,用薄铁叶剪裁,长二寸阔五分,首尾锐如鱼形,置炭中烧之,候通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也"。需要特别指出的是,这里极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时,温度超过居里点,磁畴瓦解,这时成为顺磁体。再用水冷却,磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位(北方),在地磁场作用下,磁畴排列具有方向性,因而被磁化。还应注意到,"钤鱼首出火"时"没尾数分",鱼呈倾斜状,此举使鱼体更接近地磁场方向,磁化效果会更好。从司南到指南鱼,无疑是一个重大进步,但在使用上仍多有不便。

我国古籍中,关于指南针的最早记载,始见于沈括的《梦溪笔谈》。该书介绍了指南针的四种用法:水法,用指南针穿过灯芯草而浮于水面;指法,将指南针搁在指甲上;碗法,将指南针放在碗沿;丝悬法,将独股蚕丝用蜡粘于针腰处,在无风处悬挂。磁针的制作,采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现,沈括最先发现了磁偏现象,“常微偏东,不全南也”。

南宋时,陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑,对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进,为将指南针用于航海提供了方便条件。

指南针用于航海的记录,最早见于宋代朱彧(yù)的《萍洲可谈》:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针”。以后,关于指南针的记载极丰。到了明代,遂有郑和下西洋,远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载,是在1207年英国纳肯(A.Neckam,1157~1217)的《论器具》中。

3.其他与磁有关的自然现象

极光源于宇宙中的高能荷电粒子,它们在地磁场作用下折向南北极地区,与高空中的气体分子、原子碰撞,使分子、原子激发而发光。我国研究人员在历代古籍中业已发现,自公元前2000年到公元1751年,有关极光记载达474次。在公元1~10世纪的180余次记载中,有确切日期的达140次之多。在西方最早记载极光的,当推亚里士多德,他称极光为"天上的裂缝"。"极光"这一名称,始于法国哲学家伽桑迪。

太阳黑子,也是一种磁现象。在欧洲人还一直认为太阳是完美无缺的天体时,我国先人早已发现了太阳黑子。根据我国研究人员搜集与整理,自前165年~1643年(明崇祯十六年)史书中观测黑子记录为127次。这些古代观测资料为今人研究太阳活动提供了极为珍贵、翔实可靠的资料。

遗憾的是,关于磁的认识尽管极为丰富,而关于磁现象的本质及解释,往往又是含糊的,缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括,对磁现象也认为,“莫可原其理”,“未深考耳”,致使在我国历史上,一直未能产生可与英国吉尔伯特《论磁》比美的著作。

中国古代对电现象的认识

我国古代对电的认识,是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期,甲骨文中就有了"雷"及"电"的形声字。西周初期,在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的"電"字。

王充在《论衡·雷虚篇》中写道:“云雨至则雷电击”,明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中,关于雷电及其灾害的记述十分丰富,其中尤以明代张居正(1525~1582)关于球形闪电的记载最为精彩,他在细致入微的观察的基础上,详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等,留下了可靠而宝贵的文字资料。

在细致观察的同时,人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为,“阴阳相薄为雷,激扬为电”,即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基(1311~1375)说得更为明确:"雷者,天气之郁而激而发也。阳气困于阴,必迫,迫极而迸,迸而声为雷,光为电"。可见,当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。

尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟,而矛、戟锋刃尖利,常常可导致尖端放电发生,因这一现象多有记述。如《汉书·西域记》中就有“元始中(公元3年)......矛端生火",晋代《搜神记》中也有相同记述:"戟锋皆有火光,遥望如悬烛"。避雷针是尖端放电的具体应用,我国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金,高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设,都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿,至今已有500多年历史,虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑,顶部设计十分精巧。除脊饰之外,曲率均不太大,这样的脊饰就起到了避雷针作用。每当雷雨时节,云层与金殿之间存在巨大电势差,通过脊饰放电产生电弧,电弧使空气急剧膨胀,电弧变形如硕大火球。其时雷声惊天动地,闪电激绕如金蛇狂舞,硕大火球在金殿顶部激跃翻滚,蔚为壮观。雷雨过后,金殿经过水与火的洗炼,变得更为金光灿灿。如此巧妙的避雷措施,令人叹为观止。

我国古人还通过仔细观察,准确地记述了雷电对不同物质的作用。《南齐书》中有对雷击的详细记述:“雷震会稽山阴恒山保林寺,刹上四破,电火烧塔下佛面,而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜,全属被融化。而窗户为木制,仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对类似现象叙述更为详尽:“内侍李舜举家,曾为暴雷所震。其堂之西室,雷火自窗间出,赫然出檐。人以为堂屋已焚,皆出避之。及雷止,共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银者,银悉熔流在地,漆器曾不焦灼。有一宝刀,极坚钢(刚),就刀室中熔为汁,而室亦俨然。人必谓火当先焚草木,然后流金石。今乃金石皆铄,而草木无一毁者,非人情所测也。”其实,只因漆器、刀室是绝缘体,宝刀、银扣是导体,才有这一现象发生。

在我国,摩擦起电现象的记述颇丰,其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉,《春秋纬》中就载有“瑇瑁(玳瑁)吸衤若(细小物体)”。《论衡》中也有“顿牟掇芥”,这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻,少年时曾听说“虎魄不取腐芥”。腐芥因含水分,已成为导体,所以不被带电琥珀吸引。琥珀价格昂贵,常有人鱼目混珠。南朝陶弘景则知道“惟以手心摩热拾芥为真”,以此作为识别真假琥珀的标准。南北朝时的雷敩在《炮炙论》中有“琥珀如血色,以布拭热,吸得芥子者真也”。他一改别人以手摩擦为用布摩擦,静电吸引力大大增加。西晋张华(232~300)记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象:"今人梳头,脱著衣时,有随梳、解结有光者,亦有咤声"。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电:"猫黑者,暗中逆循其毛,即若火星"。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载:孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑(可制香料的有机化合物碎屑)."皇宫中每幸诸阁,掷龙脑以辟(避)秽。过则以翠羽扫之,皆聚,无有遗者"。关于摩擦起电的记载还很多。

近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的,我国古代学者对电的研究,大大地丰富了人们对电的认识。

中国古代对力学的研究

力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验,并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理,这在东西方古代都是如此。

在我国古代,手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多,这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看,大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。

1)春秋战国时期(公元前770~前221年)

公元前316年,蜀守李冰修建都江堰,"正面取水,侧面排沙",其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流,说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平,成都平原二千多年来始终受益。

传为齐人著的《考工记》,是记录我国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著,现存版本中如《裘氏》、《筐氏》、《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述["马力既竭,輈(zhōu,指车辕)犹能一取焉"],车轮大小与拉力的关系(轮太低,马总是像上坡一样费劲),箭羽影响箭飞行速度的关系("后弱则翔,中强则扬,羽丰则迟"),检验木料强度的经验方法[如"置而摇之,以视其蜎(yuān,蠕动程度)],"横两墙间,以视其桡之均","横而摇之,以视其劲"),以及堤坝设计的经验尺寸等,都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水平。

与《考工记》几乎同时的《墨经》,则进一步得出一些初步的力学哲理(如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等),给力下了比较科学的定义:“力,刑(形)之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。这一时期是以记录与积累生产经验为主,也形成了初步哲理。

2)两汉到五代时期(前206960

简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械,如张衡的水运浑天仪、候风地动仪,西汉未巧工丁缓(公元1世纪)的"被中香炉"是世界上已知最早的常平支架,祖冲之(429~500年)的水磨等等。

隋代造船业已很发达,如隋炀帝的龙舟已高40尺,宽50尺,长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥(公元595~605年),跨度最大(37.02米),弧度最浅(拱矢高7.23米),至今1300多年,下沉水平差只有5厘米,说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多,如:浮桥的建造[唐李吉甫:"以船为脚,竹篾亘(gèn,横贯。)之","架黄河为之"];东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具:"取铜叶制器,状如莲花,置盆水之上,孔底漏水,半之则沉",即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉,"每一昼夜十二沉",非常巧妙。还有著名的曹冲称象故事,在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。

上述种种成就,集之于书的不多,北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”,但已散失。

这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的《论衡》,在他的著作中对于运动的疾舒(快慢)、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。其次是运动的相对性概念,晋天文学家束皙(261~303年)说过:"乘船以涉水,水去而船不徙矣"(《隋书·天文志》);晋葛洪(283~363年),号抱朴子,在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说:"游云西行,而谓月之东驰。"《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行:"天旁转如推磨而左行,日月右行,随天左转,故日月实东行,而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。"有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》(著者不详,收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》),该书在提出"地有四游,冬至地上行北而西三万里,夏至地下行南而东三万里,春秋二分是其中矣"的同时,提出了著名论断:"地恒动而人不知,譬如闭舟而行,不觉舟之运也。"这种对运动相对性的观点,《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想达到过的高度。

这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃,但时物理现象很少作定量叙述。

3)宋元明时期(9601644

我国古代技术成就极为丰富,但往往著述不详或流散失传,只知其名而不知其详,因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器,“虚则攲,中则正,满则覆”(《苟子·宥坐》),是由于重心由高变低而又变高而致的,晋人杜预、南北朝祖冲之,魏、隋、唐、宋都有多人试制,指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造,郭未成但妒嫉,见马岳垂成,便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时,出门“见车驰门动而得其法”(宋陈师道《后山丛谈卷一》),这也是从机械原理中悟出的。可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记里鼓车也是利用传动,使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明我国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟,但直到宋代才记载较详。

苏颂(1020~1101)和韩公廉1092年建成了我国古代最大型的先进天文钟楼"水运仪象台",其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中,它涉及天文、力学、机械制造,其中有相当于钟表擒纵器的"天衡",是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬(1231~1316)在天文仪器制造的种类(简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种)、结构和精度方面达到很高水平。

宋代曾公亮(997~1087)在《武经总要》这一军事著作中除记载兵工机械、枪炮、军用油泵("猛火油柜")等外,还在《寻水泉法》中详载了虹吸管("渴乌"),它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载,包括"取大竹去节","油灰黄蜡固封"竹首插入水中五尺",烧火使"火气潜通"入水,"则水自中逆上"等。

河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋,人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动,这实际上是动量矩原理的应用。

宋应星(1587~1644(?))的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书,在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法:"凡试弓力,以足踏弦就地,秤钩搭挂弓腰,弦满之时,推移秤锤所压,则知多少",方法十分巧妙。该书在我国失传300年,于1926年才由日本找回翻印本。

总的来说,我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分,但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视,致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力,科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失,缺乏系统整理,一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩(如“气”、“道”、“理”),缺乏数学的定量引用和系统实验的基础,因此经典力学理论只能等待西方传入。

中国古代在声学上的贡献

在中国古代物理学中,声学的成就可以说是一技独秀,有特别加以记述的必要。

1)乐器制作与乐律理论

中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛,是公元前5000~前6000年新石器时代的遗物,这是迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期,见于《诗经》记载的乐器就有29种,其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、(革兆)(摇鼓)等,调频弹拨乐器有琴、瑟,管类乐器有箫、管、埙、笙等。《汉书·律历志》已将当时的乐器品种按质料分为八种:"土曰埙,鲍(木瓜)曰笙,皮日鼓,竹曰管,石日馨,金日钟,木日祝,丝曰瑟。"从众多出土的古乐器中,引人注目的是编馨和编钟。编馨是用特殊石头(如玉石)制成的具有若干固定音列的组合馨。1950年在安阳武官村出土的殷代大理石馨,82厘米×42厘米×2.5厘米,音色浑厚如铜;1970年在湖北江陵出土的楚国编馨25只,其形状已颇为规则,音域达三个八度。编钟是由一系列铜制的钟挂在木架上的组合钟。1978年在陕西扶风曾出土了西周的青铜编钟,1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟,一套共65件,总重2500余斤,总音域跨五个八度,12个半音齐全,音色优美,效果极佳,充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。

由于重视“礼、乐、术、数”,我国古代研究乐音数学规律的律学相当发达,《二十四史》有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声,西周编钟已刻有十二律(由于对乐音成组的认识,而产生十二律,其名称为:黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟,黄钟为十二律中的第一律)中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首,逐次按半音降低,就形成了十二律。最早的乐律计算法见于《管子·地员篇》中的“三分损益法”,约产生于公元前7~3世纪间,即将主音律的弦(或管)长三等分,取其两份(全管长的2/3,为损一),或增加一份(全管长的4/3,为益一),依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法,与欧洲当时以频率为准的"五度相生法"是成倒数关系的。16世纪末,朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是我国对音乐声学的重大贡献。

2)声的传播与发声原理的探讨

据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载:陈遵在造江陵金堤(公元512~518)时,曾利用鼓声推算高地的高度,可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。

对于发声原理,东汉王充在《论衡·论死篇》中先说明人的语言是由于“气括口喉之中,动摇其舌,张合其口”而生的,然后推广到“箫笙之管,犹人之口喉也,手弄其孔,犹人之动舌也”。宋代张载(1020~1077)及明代王夫之(1619~1692)进一步形成"形"(物体)与"气"相冲突而发声的观点:"声者,形气相轧而成"。可以是"两气"相碰,如"谷响雷声之类","两形"相碰,"桴鼓所击之类","形轧气,羽扇敲矢(指羽扇生风、飞矢鸣镝)之类......气轧形,人声笙箫之类"(《张子正蒙注》)。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况:"冲"("飞矢"),"界"("跃鞭"),"振"("弹弦"),"辟"("裂缯",即撕丝织品),"合"(鼓掌),"击"(挥椎)。他认为发声第一必须有气:"气而后有声","气本浑沦之物,分寸之间,亦具生声之理,然而不能自生";第二必须是"以形破气","气之一动","急冲急破,其声方起",例如"击物"就是"气随所持之物而逼及于所击之物有声焉"(《论气·气声》)。

关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在《论衡·变虚篇》中将鱼“动于水中,振旁侧之水”与人的“操行”(行动)引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也,如其激水然。气与水,同一易动之物。以石投水,水面迎石之位,一拳而止,而其文浪以次而开,至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉,特微渺而不得闻耳。”(《论气·气声七》)。他们明确指出:“气”被“冲”如同“水”被“激”,“荡气”与水的“文浪”相似,可从“一拳”依次“开”至“纵横寻(古8尺)丈"犹未止,只是"荡气"微小到听不见而已,这就是"气声"。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟,在我国古代物理学中是很突出的。

关于共鸣现象的趣闻,庄子调瑟时发现共振现象,沈括在弦共振时作纸人试验,喷水鱼洗的研究等,文献记载相当丰富。

3)古代建筑中的声学效应

利用声学效应的建筑在我国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”(《墨子·备穴篇》)等,用陶瓮口向内砌墙可以隔音,在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔,四川潼南县大佛寺的石琴等。

近年来深入研究了山西永济县普救寺莺莺塔的蛙声。《西厢记》中“日午当庭塔影圆”,就是指此塔。该塔初建于隋唐,现存的塔重修于1564年明嘉靖年间,是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔,高36.7米,建于陡坡的高处,周围空旷,整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成,这些青砖的声反射系数达0.95~0.98,是声音的良反射体。塔身成空筒形,对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合,对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用,因而"于地击石,有声如吠蛙"。同样,远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近,使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声,犹如塔内有戏台。

我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库,还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合,这也是我国古代物理学发展的根本特点之一。

中国的“两弹一星”(1964~1971)

1964年10月16日,中国自行研制的第一颗原子弹爆炸成功。

1966年10月27日,我国首次进行导弹核武器实验成功。

1967年6月17日,我国又成功爆炸了第一颗氢弹。

1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星在酒泉卫星发射中心顺利升空,“东方红”乐曲声响彻寰宇,宣告中国进入了航天时代。

“两弹一星”是在困难的时期、困难的地点、困难的条件下取得成功的。它在我国政治上和社会上的影响更为广泛和深刻。

北京正负电子对撞机(1988)

为了探索物质的微观奥秘,了解物质的基本性质,为无线电、半导体、电视、雷达、激光、X光以及核能的利用等奠定理论基础,我国自198410月开始建设高能物理研究装置——北京正负电子对撞机,198810月建成并首次对撞成功。