【近代科学技术】近代科学技术大事年表资料文化介绍

　　变量数学的产生

　　变量的引进，解析几何的创立，尤其是微积分的发明，是数学的突破性进展之一，为科学技术的突飞猛进提供了重要条件。法国哲学家、数学家笛卡儿(Rene Descartes， 1596—1650)第一次把数学上的两个研究对象“形”和“数”统一起来，引入“变量”，从而完成了数学发展过程中一次划时代的变革。1637年，笛卡儿在他的专著《几何》一书中阐述了关于解析几何的基本思想，使代数与几何结合在一起，为微积分的发明铺平了道路。微积分的建立，主要是为处理17世纪时面临的四个科学问题引起的，即：已知物体移动的距离与时间的关系，求物体在任意时刻的速度和加速度;求曲线的切线;求函数的极大值和极小值;求曲线长度和曲线围成的面积以及物体的重心、两物体间的引力等。这些问题直接导致了微积分的发明。牛顿把两个变量的无穷小增量作为求流数或导数的手段，当增量减小时，流数实际就是两增量比的极限。他是从变化率出发来解决变速运动所经过的距离，基础是物理问题。其工作方式是经验的、具体的，对他来说，微分是出发点。法国数学家莱布尼兹(Gott-fried Wilhelm Leibniz，1646—1716) 则首先想到的是无穷小量的求积，然后再求其逆运算，对他来说，积分是出发点。同时莱布尼兹还创造了一套简便易行、沿用至今的微分和积分符号。尽管牛顿和莱布尼兹的工作有着明显的差别，但其本质是相同的，两人共同发明了微积分。微积分的发明对科学技术的进步已经取得并继续起着巨大作用。

　　经典力学

　　英国科学家牛顿(Isaac Newton， 1642—1727)在意大利物理学家伽利略(GalileoGalilei， 1564—1642)等人工作的基础上建立，在17世纪以后发展起来的关于速度远小于光速的宏观物体机械运动规律及其应用的学科。作为经典力学、几何光学的奠基人、微积分的发明者之一，牛顿曾主持过剑桥大学的讲座，并长期担任英国皇家学会会长。1687年出版的《自然哲学中的数学原理》为其重要的代表作。该书序言指出，研究物理学的目的和方法是：“从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其他现象。”全书分为三编。前两编定义了惯性、质量、力、时间、空间等基本力学概念，提出了三条运动的基本定律，即第一定律：任何物体都始终保持其原来的静止或等速直线运动状态，只有受到外力作用，才被迫改变这种状态;第二定律：物体的加速度与所受的外力成正比，与物体的质量成反比，加速度方向与外力方向相同;第三定律：两物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。还用演绎方法推演出万有引力定律，即任何两物质的质点都相互吸引，引力大小与两个质点的质量的乘积成正比，与其距离的平方成反比。第三编则是用已发现的力学规律去解释世界体系、潮汐的成因、岁差现象和彗星轨道等。《原理》正确地反映了低速宏观物体的运动规律，建立了经典力学的基本体系。人们常将经典力学称为牛顿力学。它是经典物理学和许多工程技术的重要基础。它发展了从经验事实概括为自然科学理论的方法，对许多学科的研究起了典范作用。经典力学认为质量和能量各自独立存在和变化，并各自守恒。它只适用于物体运动速度远小于光速度的范围。在物体运动速度很大，可以和光速相比拟时，须用爱因斯坦(AlbertEinstein， 1879—1955)所建立的相对论力学。此外，对于各种微观粒子如电子、质子、中子等，经典力学也往往不适用，须用薛定格(Erwin Schrodinger，1887—1961)海森堡(Werner Heisenberg，1901—1976)等人建立的量子力学。

　　光的微粒说与波动说

　　关于光本质的两种学说。由于观察主要依靠光来进行，所以随着16世纪和17世纪实验科学的成长，光学得到了发展。17世纪时，关于光的本质的认识， 出现了两种观点和两大派别，即“微粒说”和“波动说”。笛卡儿和牛顿等人主张微粒说，他们认为光是由亿万个“微粒”组成的，它们沿直线高速运动，向四面八方射出。笛卡儿据此解释了折射现象，并得出光在光密介质中的速率大于光疏介质中的速率。意大利数学家格里马第(Francesco Maria， Grimaldi，1618—1663)是波动说的首创者。他发现光并不走直线，根据是影子比光走直线时所应有的位置大些，且影子边缘有好看的色彩。他由此设想光是作波浪式运动的流体。1678—1690年荷兰物理学家惠更斯(Christian Huygens， 1629—1695)曾两次发表文章支持光的波动说。在其所著《光论》中明确提出：光是传光流体或静止以太这种介质传播的纵波。并在解释折射现象时得到光在光密介质中的速率小于光疏介质中的速率。由于微粒说除了和波动说一样能够解释光的反射、折射之外，还能较好地解释光的直线传播等现象，因此为当时较多的人所接受，使微粒说占了很大优势。到了19世纪，人们发现了光的干涉、衍射和偏振等现象，对此微粒说无法加以解释。特别是英国物理学家托马斯·扬(Thomas.Young，1773—1829)作出了两束光互相重迭的所谓扬氏双缝干涉实验，并用波动说进行了计算，得到良好的结果，从而使波动说处于优势地位。1851年法国物理学家傅科(Jean Leon Foucault， 1819—1868)成功地设计了测定光速的一种实验室方法，即旋转平面镜法。用这种方法首先测出了光在介质(水)中的速率小于光在空气中的速率，支持了波动说，成为微粒说和波动说两者间带有判决性质的实验。麦克斯韦的光的电磁波理论更进一步加强了光的波动理论，使之大大地向前推进。但随着光电效应的一些现象出现，波动说也遇到了严重困难，对其无法解释。1905年爱因斯坦提出了与经典微粒说本质不同的光子理论，圆满地解释了光电效应。使人们认识到光具有“波粒二象性”。人对光本质的认识是逐步深入的，目前这种认识并未完结，还在不断地发展和深化。

　　康德—拉普拉斯星云学说

　　关于太阳系起源的一种学说。1755年，德国资产阶级哲学家康德(Im-manuel Kant，1724—1804) 在其所著《自然通史和天体论》中提出，太阳系是由弥漫的星云通过万有引力的作用而逐渐形成的。他假定，该原始星云内有各种大小和运动方式的物质微粒，其中密度较大的部分凭借万有引力“从它周围的一个天空区域里把密度较小的所有物质聚集起来，它们又同聚集的物质一起，聚集到密度更大的质点所在的地方。……”那些密度、引力比其他地方大的部分将形成星云的引力中心，并象胚芽一样“迅速生长，它吸引的下落物体愈多，对周围物质的吸引力就愈大，生长也愈快”，最后聚集为太阳。并指出，微粒向引力中心降落时会相互碰撞，“使垂直下落运动变成围绕降落中心的圆运动”，使星云逐渐向一个垂直于转轴的平面，形成圆盘式结构。其中速度较大的团块，又各自形成小的引力中心而聚集成行星。1796年，法国数学家、天文学家拉普拉斯(Pierre Simon Laplace，1749—1827)在其所著《宇宙体系说》中独立地提出了类似的星云假说。其与康德学说的不同点为：原始星云非弥漫的固体微粒，而是炽热气体，且从开始便缓慢地旋转着。拉普拉斯还用力学和数学方法对该观点作出了较严格的论证。指出，直径比太阳系大得多的原始炽热球状星云，由于不断放热，将逐渐收缩。根据角动量守恒原理。该星云的旋转速度必不断加快，并逐渐变为扁平状。当扁平星云外缘物质所受惯性离心力与星云收缩力平衡时，便保留在该半径处旋转，形成与主体分离的圆环。星云体继续收缩会分离出一个个圆环，星云体的中心收缩为太阳，其他各圆环物质经吸引凝聚而成为分布于各轨道，且在同一平面并沿同一方向旋转的行星。这些行星的卫星也以同样的方式形成，人们常把拉普拉斯与康德二者的学说合称为“康德一拉普拉斯星云学说”。该学说把太阳系的形成看作是物质按其客观规律运动发展的过程，是哥白尼以后天文学所取得的一项最大进步，在人类认识自然的过程中起了重大历史作用。

　　原子一分子论的确立

　　即物质结构微粒学说的确位。古代的“原子说”由于缺乏系统的科学实验作为依据，所以带有明显的思辩性质，是一种朴素的微粒学说。1803年，英国化学家道尔顿(John Dal-ton， 1766—1844)根据当时化学上已证实的事实，提出化学元素由非常微小的、不可再分的微粒一原子组成。不同元素原子的形状、质量、性质都不一样，两种元素的化合物，其原子数总呈简单的整数比，并规定氢元素原子量为1。1811年，意大利物理学家阿佛加德罗(Amedeo Avogadro，1776-1856)进一步提出分子的存在，指出原子是参加化学反应的最小粒子，分子则是游离状态下单质或化合物能独立存在的最小粒子。分子由原子组成。化合物分子由不同元素的原子组成，单质的分子由相同元素的原子组成，从而完成了原子一分子论。归纳其要点为：①一切物质都是由分子组成的。分子是保持物质原有一切化学性质的最小颗粒;②分子用一般物理方法不能再分割，化学过程可以使它分解为原子。分子是由原子组成的。原子是化学方法不能再分割的最小微粒;③元素或化合物的原子或分子种类不同，其性质、重量、大小也不同;④原子、分子处于永恒的运动状态中。原子一分子论是物质结构的最基本理论，为化学及物理学的迅速发展奠定了重要的理论基础，使元素、化合物、单质等概念更为明确，促进许多新元素及其性质相继为人们所认识。

　　地质渐变论

　　英国地质学家赖尔(Charles Lyell， 1797—1876)所提，与“地质灾变论”相对立的地质构造的形成理论。18世纪时，随着采矿规模的迅速扩大，推动了对地质状况的考察和认识。法国生物学家居维叶(Georges Cuvier，1769—1832)等人先后提出了灾变论。他们认为：在地球的历史上曾发生多次巨大的灾变，每经历一次灾变，旧的生物被毁灭，新的生物又被创造出来。灾变都是突发的，且在相邻的两次灾变之间，地球及地球上的生物没有任何演化和渐变，并把灾变归因于上帝的创造行动。19世纪20年代，随着地质勘探、采矿和修筑运河等活动的不断深入和扩大，收集到的地质资料越来越多，灾变论等学说远远不能如实地反映地层构造形成的真正原因，因而一种新的地球演化理论逐渐地产生了出来。赖尔最初是一位法律学者，但对地质学有着浓厚兴趣，后得到地质学教授的指导成了一名地质学家。通过自己对已有的地质资料的分析与综合，特别是对欧洲许多地区不同岩层的亲自考察，赖尔独立地形成了自己的关于地质运动的科学见解。1830—1833年间出版了他所著的《地质学原理》一至三卷。赖尔在书中首先强调：岩石形成、地层变迁的根本原因，是自然力长期缓慢地作用结果。他主张在分析地壳变动的原因时，必须把现存的多种作用力综合起来考虑，才能很好地解释已知的各种地质现象。其另一个重要思想是，通过分析地层上升、下降，找到其根本的原因不是上帝或神的特殊创造，而是地球内力和外部因素综合影响。赖尔的地质学理论被称为地质“渐变论”。它开创了地质学发展的新时代。恩格斯在《自然辩证法》中指出：“只有赖尔才第一次把理性带进地质学中，因为他以地球的缓慢的变化这样一种渐进作用，代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然革命。”地质渐变论的提出对古生物学、生物地质学、岩石学、矿床学，以及大地构造学等学科的发展产生了一定的思想影响。赖尔的地质渐变说的缺点是，只承认渐变，而否定质变和飞跃。

　　能量转换守恒定律的发现

　　能量转换守恒定律是自然科学中关于物质运动的最重要、最普遍的定律之一。可表述为：物质的任何一种运动形式，如机械、热、光、电、磁、化学等运动，在一定条件下，都能够而且必然地以直接或间接的方式，转化为其他任何运动形式，在转化前后，作为物质运动度量的能量，恒保持不变。在发生能量传递的同时，按照爱因斯坦的质能关系式，还相应地存在质量的传递。早在17世纪，莱布尼兹等人的研究便涉及到机械能守恒的问题。但是揭示出各种运动形式间的能量转换与守恒性，却是在19世纪30年代以后。能量转换与守恒定律同细胞学说、进化论一起，被恩格斯称为19世纪自然科学的三大发现。它是经历了十几年，分别在四、五个国家，由七、八种不同职业的十几位科学家，从各个侧面发现的。第一位发现者，可说是法国青年工程师卡诺(Sadi Carrnot， 1796—1832)。在他死后四十六年被找到的遗稿记有：“在自然界中，动力在量上是不变的。准确地说，它是不生不灭的。”此后，1837年，德国化学家莫尔(Friedrich Mohr， 1806—1879)从化学上;1839年，法国工程师塞甘(M·Seguin)从蒸汽机车运行上;1942年，德国医生迈尔(Robert Mayer， 1814—1878) 从体热来源于食物的化学能上;1846年，英国律师出身的电化学家格罗夫，(William Robert Grove， 1811-1896)从电池化学反应前后化学能与电能的关系上;1847年，英国物理学家、热功当量的测定者焦耳(James Prescott Joule， 1818-1889)从电流的热效应以及生活在俄国的瑞士科学家赫斯(Hess，1802—1850)于1840年;德国物理学家霍耳兹曼(Holtzmann)于1845年;丹麦工程师柯耳丁(Col-ding)于1847年;德国医生、 生理学家、物理学家亥姆霍兹(Her-mann Helmholtz， 1821—1894)于1847年，都曾独立地发表过有关的论文。此外，法国科学院已于1775年宣布不再受理任何关于永动机的设计。能量转换守恒定律的发现，是自然科学各方面研究的综合结果，是生产力发展到一定阶段的人类认识的必然。

　　电报的发明

　　电报是电磁学的最早应用之一。现代有线电报的发明主要应归功于美国发明家莫尔斯(Samuel Finley Broese Morse，1791—1872)。19世纪30年代，当英国还在致力于改进科克(Cooke，1806—1879)和惠斯通 (CharlesWheatstone， 1802—1875)发明的但并不实用的磁针式电信机时，美国的莫尔斯却在亨利(JosephHenry，1797—1878)发明的电磁铁的基础上，在电报通讯上完成了一项重大突破。莫尔斯原为画家，1832年乘船回国途中，受到科学家杰克逊博士(Jackson)在船上所做的实验和演讲的启发和鼓舞，决心改行去设计新的长距离电信通讯。在亨利和盖勒(Gale)的帮助下，他终于研制成功一种电报设备，并在1837年进行了公开表演。1838年以后，在新泽西州工厂主威尔(Vail， 1807—1859)的资助下，莫尔斯又对其电报系统完成了一系列改进工作：在远距离通讯中采用继电器并使用中继电源补充能量，制定了用“点”和“划”表示的“莫尔斯电码”，还发明了同时能发出有声信息的音响器。1843年，美国国会通过了资助三万美元在华盛顿和巴尔的摩间敷设实验电报线路的提案，并于次年建成。1858年，横贯大西洋的海底电缆铺设成功，完成了欧美之间的电报通讯体系。这一新技术对当时资本主义的发展以及整个人类生活都起到了积极的作用。

　　细胞学说的提出

　　细胞学说是关于动植物体均由细胞构成的学说，为19世纪自然科学的三大发现之一。1838年，德国植物学家施莱登(Mathias Schleiden，1804—1881)发表了《植物发生论》一文，提出细胞是构成植物体的单位。翌年，德国动物学家施旺(TheodoreSchwann， 1810—1882) 发表了《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》一文，明确提出动植物都是由细胞组成的，指出：“细胞是有机体，动植物都是这些有机体的集合物，它们按照一定法则排列在动植物体内。”他们建立的细胞学说有力地推动了组织和器官的显微构造及其发育的研究，奠定了研究卵裂、胚叶形成及器官发生等过程的基础。

　　贝塞麦转炉炼钢法

　　1856年，英国冶金学家贝塞麦所发明的最早的大规模炼钢方法。19世纪中叶，陈旧的焦炭炉和精炼铁的手工业搅拌法生产的钢材质劣量少，远远满足不了工业革命中迅速增长的社会需求。1856年，贝塞麦(HenryBessemey，1813—1898) 在英国科学会会议上发表的“不使用燃料，只吹入空气就可变铁水为钢”的讲演，引起了欧洲炼铁业的普遍关注。他提出的方法是：把熔化了的生铁注入炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳等氧化、燃烧掉，同时利用氧化反应所产生的热能来提高炉温以达到炼钢的目的。这是一种速度快、效率高、成本低的炼钢法，很快便被引入法国、德国和美国。几年后，用他发明的梨形可动式转炉，每八至十分钟即可将十至十五吨铁水炼成钢。但该炉只适用于低磷低硫铁水，是一种酸性炉。而欧洲除瑞典、奥地利以外，所产的铁矿石百分之九十都含磷。铁水中的磷在1300℃左右的温度下，即已变为气体，但在转炉冶炼过程中，铁水可达1600℃的高温，使得气化了的磷重新被铁水所吸收。脱磷不佳的钢材，质地太脆，无法应用。因此，贝塞麦转炉炼钢法不适于冶炼欧洲大部分地区所产的铁矿石，必须寻找更好的炼钢途径。在此基础上又出现了托马斯炼钢法。

　　平炉炼钢法

　　德裔英国发明家西门子(Charles Wilhelm Sie-mens， 1823—1883)和法国炼钢专家马丁 (Pierre Emile Martin，1824—1915)所发明的炼钢法，为重要的炼钢方法之一。1861年，西门子发明煤气发生炉，用煤气代替焦炭作燃料。1864年，在西门子指导下，马丁改造了炉体，用废气预热的蓄热炉将空气和燃料进行预热以提高炉温，将生铁和废钢炼成了优质钢。1868年，西门子进一步用此法将生铁和铁矿石炼成了钢。此外，若在用此法冶炼的同时加入少量碱性物质，还可解决脱磷问题，适合在欧洲推广。由于其炉体形状低平，又有一个比较平展的熔池，故常被称为“平炉”，亦称“西门子—马丁炉”或“马丁炉”。此法冶炼时间较长，每炉约需24小时，但因熔池大，每炉可产上百吨钢水，故产量高。此外，它所用原料既可用生铁、铁水，也可用废钢、铁屑、熟铁和矿石，便于废钢铁的回收，加之炼出的钢均匀，质量稳定，可生产优质钢，所以，以平炉为主，转炉为辅的炼钢体系在世界各地迅速得到发展，并且沿用至今。

　　门捷列夫元素周期律

　　1869年前后，俄国化学家门捷列夫(Ди-митрий Иванович Менделеев，1834—1907)等发现的重要自然规律。它指出元素的性质随元素原子量的增加而周期性地变化。在认识到原子结构之后，其准确的说法应为：元素的性质随元素的原子序数，即原子核外电子数或核电荷数的增加而周期性变化。1864年，德国化学家迈尔(Julius Lothar Me-yer， 1830—1895)按原子量递增顺序排列出了“六组元素表”，初步形成了周期和族的轮廓。1869年，门捷列夫以《根据元素的原子量和化学性质相似性的元素系统的尝试》为题，编制了一份包括当时已知的全部63种元素的周期表，并以《元素性质和原子量的关系》为题发表论文，明确提出和阐明了“按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”的“化学元素周期律”。门捷列夫还曾根据元素周期律大胆地预言了当时尚未发现的元素，如钪、锗、镓等的存在，并在1886年以前先后被实验所证实。元素周期律是化学的基本规律之一。它的发现对化学的发展起了重大的推动作用，指导了对元素及其化合物性质的系统研究。恩格斯指出：“门捷列夫不自觉地使用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业”(《自然辩证法》第51页)。

　　经典电磁理论

　　在实验的基础上，由麦克斯韦建立的关于电磁现象的基本理论。18世纪以后，人类对电现象和磁现象的认识逐步加深，并总结出了一些基本规律。1785年法国物理学家库仑(Charles Au-gustin Coulomb， 1736—1806)通过扭秤实验测定了两个静止电荷间相互作用的规律，确立了库仑定律。这是电学中发现的第一个定量的规律。1808年，意大利物理学家伏打(Alessandro Volta， 1745—1827)发明了电池组(即伏打电堆)，为电学研究的广泛开展，创造了条件。1819年，丹麦物理学家、化学家奥斯特(Hans ChristianOersted， 1777—1851)从实验中发现，通有电流的导线可使其附近的磁针发生偏转，即电流具有磁效应。该实验使人类第一次认识到电和磁这两种现象之间的联系。法国物理学家安培(Andre Marie Am-pere， 1775—1836) 于1820年发现，不仅电流与磁针，而且电流与电流之间也有相互作用。1831年英国物理学家法拉第(Michael Fa-raday， 1791—1867)通过十年的实验，终于发现：变化的磁场可以在导体中产生感应电流，并确定了电磁感应定律。他还第一次改变了自牛顿以来认为力可以通过空间超距作用的观点，引入了“场”的概念。1873年，英国物理学家、经典电磁理论的创立人麦克斯韦(Ja-mes Clerk Maxwell， 1831—1879)出版了《电磁学通论》一书。他用严谨、简单的一组数学公式，即麦克斯韦方程组，系统地概括了19世纪中叶前后有关电磁现象的研究成果，揭示了电磁现象的本质和规律，为整个经典电磁理论奠定了牢固的科学基础。按照该理论，不仅传导电流产生磁场，而且空间电场变化也会产生磁场。另外，变化的磁场不仅能在导体中感应出电流，而且能在空间内产生电场。因此，电磁过程的实质是电场与磁场的相互转化。在这种转化过程中，变化的电场产生磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，从而使一个变化的场或称扰动可以形成由近及远，以有限速度传播的过程，这种过程表现出波动的特性，被称为电磁波。麦克斯韦还证明，光也是一种电磁波，从而把电、磁、光统一起来，实现了经典物理学继牛顿之后在理论上的又一次综合。1887年，德国物理学家赫兹(Hein-rich Rudolf Hertz，1857—1894)用实验证实了电磁波的存在，并证明它具有光的一切性质：折射、反射、干涉、衍射、偏振，以及按光速传播等，使经典电磁理论不仅从理论而且从实验中得到确立。

　　电话的发明

　　电话为现代重要通信方式之一，19世纪70年代问世。19世纪40年代已广泛使用的电报是划时代的信息传递方式，但它必须运用编码，多有不便。可是，资本主义工业以及与之相适应的城市的迅速发展，迫切需要迅速而且简便的通信工具。电话就是在这种情况下发明和发展起来的。美国发明家贝尔(Alexander GrahamBell，1847—1922)曾继承父业，从事聋哑语言的教学与研究。由于受到物理学家亥姆霍兹(HermannHelmholtz， 1821—1894)关于电磁铁能引起音叉振动的实验的启发，贝尔开始考虑利用电传递声音的可能性。他曾专程去华盛顿向物理学家亨利 (Joseph Henry，1797—1878)求教。经过多次实验，贝尔终于研制出第一台电话机，并于1876年在纪念美国独立一百周年的费城博览会上展出，进行了相距一百五十公尺的通话表演。一年后，爱迪生改进了电话设备。他在送话器中增加了一对线圈，使通话距离大大增加，并将原来互逆使用的听筒和话筒分开，发明了效率高的碳粒话筒，使得通话的声音更加清晰、逼真，从而克服了贝尔电话原有的电流小、受线路电阻影响大、不能远传的缺点，使电话系统更趋实用。1877年正式成立了贝尔电话公司，开始了电话机的商业生产。1878年1月，在美国又建成了第一个电话交换台，开始了电话的普及阶段。

　　内燃机的出现

　　内燃机是指燃料直接在发动机气缸内燃烧而产生动力的热力发动机，是19世纪后期“第二次技术革命”中较大的一项技术成就。针对蒸汽机“外燃”的弱点，在1876年，德国人奥托(Nikolans Bugust Otto， 1832—1891)在前人工作的基础上试制成功了以煤气为燃料，小巧、运转平稳、热效率可达百分之十二至十四的四冲程内燃机，并得到迅速推广。1883年，奥托的协作者戴姆勒(Daimler， 1833—1900)用热值高的汽油代替煤气，制成了体积更小、重量更轻、马力大、效率高的汽油内燃机。后来人们常称汽油机为奥托机。1885年，戴姆勒和德国的本茨(Karl Friedrich Benz，1844—1929，也译为“奔驰”)分别试制生产了世界上第一批汽车。1892年，美国的福特(Henry Ford，1863—1947)也开始制成汽车并建立了自己的汽车工业。1897年德国的狄塞尔(Rudolph Diecel，1858—1913)又试制成功一种结构简单、效率高、功率大，完全靠压缩点火的柴油机。后来人们常称之为狄塞尔机。这种柴油机广泛应用于大功率的运输工具，如卡车、拖拉机、船舰和机车等，作为发动机用。

　　托马斯炼钢法

　　托马斯发明的碱性转炉的炼钢方法。贝塞麦的酸性转炉不适于冶炼欧洲大部分地区所产的铁矿石。因此，解决含磷铁矿石的炼钢问题成了19世纪中叶以后冶金技术的一大难题。1878年，英国年仅二十九岁的托马斯(Sidney Gilchrist Thomas，1850—1885)发明的碱性转炉炼钢法，使这一难题得到解决。托马斯在法院担任职员时接受了夜校教育。从夜校化学课上得知贝塞麦法存在的问题之后，他便利用业余时间钻研有关理论并进行实验。他首先用白云石在高温下烧成的熟料，混合焦油制成碱性耐火砖，代替原来用粘土烧成的酸性硅酸质耐火砖，改造了炉衬。同时，在冶炼鼓风过程中添加石灰石，使整个反应在碱性条件下进行，使高温中被氧化的磷与石灰结合起来，残留在渣内，解决了脱磷问题。1878年8月，他向英国钢铁协会正式作了报告，其碱性转炉炼钢法被称之为托马斯法。这种方法的创造，为转炉的大量推广排除了障碍，使钢产量有了较大的提高。

　　最早的电站

　　1882年，爱迪生等人建立的直流电站。19世纪前期，关于电流磁效应和电磁感应定律的发现，为发电机的发明和制造提供了科学的基本原理。19世纪中叶，生产的需要使发电机的研制得到了迅速的发展。最初的发电机都使用永久磁铁，它们无法产生强大而稳定的电流，实用价值不大。1866年，德国电工学家、实业家西门子(Werner Siemens， 1816—1892)发明并制成现代发电机的雏形——自激式发电机，即用其本身发出的电能的一部分去为其电磁铁励磁的发电机。1867年，他还发表了题为《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》的论文，阐明了自激式发电机原理，使建造大容量电机，获取强大电力成为可能。西门子电机和瓦特蒸汽机的出现，几乎具有同样的重要意义。1881年，美国发明家爱迪生(ThomasAlva Edison， 1847—1937)制成的发电机在巴黎博览会上展出。该机被命名为“巨象”，可为一千五百只十六烛光的灯泡供电。1882年1月24日，爱迪生电气照明公司的约翰逊在伦敦所建装有三台“巨象”机，可同时为三千个灯泡提供用电的第一台发电站开始发电。同年9月4日纽约珍珠街的“中央发电站”也投产运行。在该电站中，爱迪生又发展了'三线输电法’，即：一条为+100V，一条为-100V，一条为中性的三线连结的直流输电法。同时，爱迪生还为许多工厂、商店，以至轮船建造了上百个小型发电站。从而开始了电力照明的时代。

　　X射线的发现

　　19世纪中叶以后，电力工业的发展出现了高压输电漏电问题，同时，寻求新的光源促使人们研究气体放电现象，并发现了阴极射线，从而导致X射线、天然放射性和电子等一系列新发现。1895年12月28日，德国维尔茨堡大学物理学教授伦琴(Wil-helm Konrad Rontgen， 1845—1923)宣布了他的发现：密不漏光的真空放电管能发射出一种可穿透书籍、木板、人体，乃至十五毫米厚的铝板，使远处的铂氰化钡屏幕发出荧光的未知射线，伦琴称之为X射线。他还用此射线为夫人拍摄了清晰的手骨像。这一发现使伦琴于1901年成为诺贝尔物理学奖的第一位获得者。X射线、天然放射性和电子的发现，否定了原子不可分的传统观念，纠正了由于经典物理学的巨大成就，使科学界产生的物理理论已达顶峰的错觉，揭开了物理学革命的序幕，被称为19世纪到20世纪之交的物理学三大发现。1911年，德国物理学家劳厄(Max Laue， 1879—1960)提出设想，1912年实验加以证实： X射线通过晶体时将发出波动所特有的衍射现象，从而认识到X射线的本质是波长很短的电磁波。

　　天然放射性的发现

　　天然放射性是天然存在的不稳定原子核放射出α、β、γ射线的现象。1896年，法国物理学家贝克勒尔(HenriBecquerel，1852—1908)研究硫酸双氧铀钾的荧光辐射中是否含有X射线时，发现了一种来自铀元素本身的辐射现象。波兰科学家居里夫人(Marie Curie，1867—1934)将其命名为放射性，测量了铀的辐射强度，并大胆预言铀矿中存有比铀的放射性强得多的未知元素。1896年7月，彼埃尔·居里(pierreCurie，1859—1906)夫妇经过艰苦劳动，从大量沥青矿渣中提炼出一种新的放射性元素。为纪念居里夫人的祖国，他们将其命名为钋。同年底，他们又发现了一种新的放射性元素镭。天然放射性元素的原子能放射出α(氦核流)、β(电子流)和γ(比X射线波长更短的电磁波)三种射线，从而彻底否定了原子不可分的观念。1902年，英国物理学家卢瑟福(Ernst Rutherford，1871—1937)和化学家索迪(Fre-derick Soddy，1877—1956)通过实验发现，放射性元素在放出放射线时将自发地转变成其他放射性元素，最后成为没有放射性的元素铝，从而证明了元素是可以转化的。

　　无线电通讯的出现

　　19世纪末，利用电磁波传递信号的发明。1873年，英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell， 1831—1879)总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了电磁场基本方程，即麦克斯韦方程组，从理论上提出，电磁过程以光速在空间内传播，预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹(Hein-rich Rudolf Hertz， 1857—1894)通过实验证实了电磁波的存在，并研究了电磁波的反射、折射和偏振等性质。在此基础上，意大利青年发明家马可尼(Gugliel moMarconi，1874—1937)和俄国水雷学校教官波波夫(АлександрСтепанович Попов，1859—1906)分别发明了利用电磁波传递信号的无线电通讯。1895年，可马尼利用多路火花放电器、感应圈和莫尔斯键制成了简陋的发射机，用他改进的金属屑检波器制成了接收机，并发明了天、地线以增加发射机、接收机的能力，成功地实现了无线电信号的传递。1896年，因得不到意大利政府的支持，马可尼携机赴英。在英国邮政总局总工程师柏利斯(preece， 1834—1913)支持下，完成了一系列实验，并于18977月获“电冲击及传播信号的改良和设备”的专利，还组建了马可尼无线电信公司。与此同时，波波夫于1895年5月7日在彼得堡演示了他发明的无线电接收机——雷电指示器。1896年8月，他又做了相距二百五十米的无线电报公开表演。1897年俄国海军正式建立了无线电报局。1901年12月12日，马可尼进一步实现了横越大西洋的无线电联系，标志着无线电远距离通讯实用阶段的开始，完成了通讯技术的一次重大飞跃。

　　电子的发现

　　用实验方法证实电子的存在。1833年，英国科学家法拉第(M. Faraday， 1791—1867)发现的电解定律表明，电量不是连续地，而是以确定的一定电量的整数倍发生着变化，预示了基本电荷的存在。1878年，荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928)根据麦克斯韦的电磁理论和原子论观点，提出了物质结构的电子学说。1881年，英国学者斯通尼(Johnstone Stoney，1826—1911)用电子一词来称谓基本电荷的量值。但作为组成物质的实物粒子，电子的存在则首先是由英国剑桥大学卡文迪什实验室主任汤姆逊(Joseph John Thomson， 1856—1940)通过实验证实的。1897年，汤姆逊证实阴极射线不仅能被磁场而且能被电场偏转，并确定了阴极射线是带负电的粒子流。他用巧妙的方法测出了这种粒子的荷质比，即其电荷量与其质量之比。此值约为氢离子的二千倍，且其荷质比与所用材料种类无关，从而断定这种粒子是材料的基本组成部分，并命名其为电子。自此，作为一种客观存在的实物粒子，电子被科学界正式承认，再次否定了原子不可分的观念。1910年，美国物理学家密立根(Robert Andrews Millikan，1868—1953)通过油滴实验，精确测定了电子所带的电量，即基本电荷值，常用e表示。此值为自然界的基本常数之一。据最新测定e=1.602189×10-19库仑。电子是人类发现的第一个“基本粒子”。

　　量子论的创立

　　量子论是探索微观粒子运动所遵从的量子规律的初步理论，是量子力学的先驱。19世纪末，钢铁工业的发展迫切要求对热辐射问题深入研究。根据经典物理学推导出的热辐射定律，在长波部分与实验曲线比较一致，但在短波(紫外)部分却相差极大，而且物体发射的辐射能量在辐射波长趋于零时，从理论上得出的数据要趋于无穷大，而实验结果却趋于零。这表明经典物理学对这一基本问题的解释是失败的。这一事实曾被称为是“紫外灾难”、19世纪末物理学天空的两朵“乌云”之一。1900年12月14日，德国物理学家普朗克(Max Planck，1858—1947)向德国物理学会报告了他的假说。他提出，要使理论与实验相一致，物体在发射和吸收辐射时，其能量不可以连续改变，而必定以一定数值的整数倍跳跃式变化，即在发射和吸收辐射过程中，能量不是无限可分，而是有一最小的能量单元。普朗克将此最小能量单元称为“能量子”或“量子”，其数值与辐射频率ν成正比，等于hν。其中h为一普适常数，称为作用量子或普朗克常数(h=6.626×10-34焦耳·秒)。量子论打破了过去的所谓连续性是一切自然过程的基本性质的概念，标志着20世纪科学观念巨大变革的开始。第一个坚持量子观点，认识到量子论重要性的是爱因斯坦。他在1905年指出，不仅在辐射的发射和吸收过程，而且在空间的传播过程中，能量也是不连续的，是以光量子的形式运动着的。他成功地解释了光电现象，使人类首先认识到光子具有“波粒二象性”，为对一切微观粒子具有波粒二象性的认识奠定了基础。量子论的最重要应用是对原子结构的研究。1913年， 玻尔 (Niels Bohr，1885—1962)用它较为成功地解释了氢原子，使量子论得到了进一步的发展。量子论虽与能量可以无限细分、连续改变的经典观念严重对立，但它仍然是以经典物理学的规律为基础，附加了一些反映微观运动量子特性条件的半经典理论。按照它推导出的结果在定量方面往往与实验不能相符，加之它自身还包含着很大矛盾，因此在解释许多实验时也遇到了严重困难，从而导致了一门崭新的学科——量子力学的诞生。量子论现在已被量子力学所代替。但由于量子论的直观性强，所以它的一些方法还常被用来解释某些例如复杂光谱等现象。为了区分二者，习惯上常把普朗克等人所建立的量子论称之为旧量子论。

　　爱因斯坦相对论

　　关于物质运动与时间、空间关系的理论，为现代物理学的理论基础之一，由爱因斯坦(Albert Einstein， 1879—1955)于本世纪初，在总结实验事实，即不同惯性参考系内和不同方向上，真空中光速都相同的基础上，为解释此事实与经典时空观之间的尖锐矛盾而建立和发展的一种新的时空观和可与光速相比拟的高速物体的运动规律。它对整个科学的发展起了重大作用。它可分为两部分。①狭义相对论，为爱因斯坦1905年创立。其基本原理为： 1.相对性理原理，即物理规律在任何惯性系中都相同，不存在任何特殊的惯性系; 2.光速不变原理，即在任何惯性系中，光速c都相同。因这部分只涉及相互作匀速直线运动的参考系即惯性系，故称狭义相对论。由以上原理出发可得出与经典观念完全不同的重要结论： (1)两件事情的发生，其先后，或是否“同时”，在不同参考系的观察者看来，并不相同;(2)运动物体在运动方向上的长度要比静止时缩短。运动的时钟，要比静止的时钟慢; (3)物体质量m随其运动速度v增大而增大，其关系为：

　　式中m0为物体静止质量，c为光速; (4)任何物体的速度不能超过光速c; (5)物体的能量E与质量m之间满足质能关系式： E= mc2。根据狭义相对论，时间、空间和质量随物体匀速运动而改变。它们失去了绝对性，成为相对性的量，而且时间和空间也不再彼此独立：空间变短，其时间变长。又，当物体运动速度比光速小得多的时候，它们的变化很小，可以忽略不计，相对论公式可简化为牛顿力学公式。因此相对论包括了经典力学所得到的结论。它已广泛应用于原子能、高能物理和基本粒子物理的研究领域。②广义相对论。为爱因斯坦1916年创立。其基本原理： 1.广义相对性原理，即物理定律在一切参考系中成立;2.等价原理，即某一加速运动系中的惯性力与在一个小体积范围内的万有引力是等效的。由此可以得出： (1)水星轨道近日点的进动规律，此规律已为天文观测证实; (2)光线在穿过强引力场后弯曲， 日全食的观测结果已证实了这一结论;(3)强引力场中发射出的光谱向红端移动，即“红移”等。广义相对论已成为现代宇宙学中的重要理论。但是，仍有许多问题尚待解决。