自然科学发展的革命与物理学和同位素发现

1．自然科学的发展

现代科学理论的革命，最先取得突破的是物理学。然后，在物理学革命的影响下，天文学、化学、地球物理学以及其他各门学科相继发生了革命，产生了新的学说。

（1）物理学

物理学革命的最大成就是爱因斯坦发现了相对论，提出对宇宙的新观点，引起了科学理论的大革命，从而爱因斯坦成为20世纪公认的最伟大的科学家。

（2）天文学

物理学革命对天文学领域产生了极大冲击。首先由于原子物理学的发展，使天文学家认识到原子发出的特定光与其电子在不同轨道之间的跳跃有关，光分法研究趋于成熟。所谓光分法，就是让星光通过多棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱，进行研究。这一方法最先由牛顿创立，他用棱镜来分解日光。后来由于电子的发现，天体物理学家基尔霍夫等人开始把光谱与星体上发光的元素联系起来，这样对光谱的分析精细得多。由于电子学说的运用，20世纪20年代诞生了射电天文学，即科学家利用从银河系中心方向发来的射电辐射的射电波来研究天体，极大地提高了人类研究宇宙的能力。根据射电天文学原理，科学家们制造了射电望远镜来观测宇宙。所谓射电望远镜，就是一种对空间无线电波辐射的接收、显示和分析装置。利用这一装置，可以接收到宇宙尘埃后面的天体辐射。目前射电望远镜已能看到100亿光年远的星系。

爱因斯坦在1906年提出了著名的公式E＝mc²，阐明了质量与能量的关系。天文学家利用这一公式对太阳能量进行解释，提出了太阳能量的氢燃烧理论。1938年美籍德国科学家贝特和德国科学家魏扎克分别提出，在太阳内部高温、高密和高压的条件下，氢核通过碳的催化作用或者直接聚变生成氦。在聚变过程中，有1%的氢转化为能量，这很少的质量损失却产生了巨大的能量。根据测算，太阳每秒要损失420吨物质。但是，由于太阳中氢的含量非常大，它在几百万年中这样损失的氢对其总体质量来说是可以忽略不计的，这就说明了太阳为什么可以进行绵绵无期的大规模能量辐射。贝特和魏扎克关于太阳能源的热核反应理论，促使了恒星演化理论的产生。这个理论解释了恒星在演化过程中能量与质量的变化，从而使天文学家能正确解释恒星的存在。

相对论还促使了宇宙演化论的产生。1917年爱因斯坦在《根据广义相对论对宇宙的考察》一文中，提出了一个体积有限但边界无限的宇宙模型，这个模型被称为“爱因斯坦宇宙”。在爱因斯坦发现的基础上，后来的科学家提出了宇宙膨胀说，即在符合一定的空间几何特性时，宇宙是不断膨胀的。根据爱因斯坦学说和宇宙膨胀说，1932年比利时科学家勒梅特提出宇宙演化说。这个学说认为整个宇宙的物质最初集中在一个超原子宇宙蛋里，后来发生猛烈爆炸，碎片向四面八方散开，形成了今天的宇宙。这一学说为1948年美籍苏联科学家盖莫夫提出系统的宇宙大爆炸学说奠定了基础。大爆炸宇宙说认为，宇宙蛋爆炸后，逐渐形成星系和星系团、恒星和恒星系。在太阳系形成后，它中间的一个行星地球，便成了生命的摇篮。这种学说虽然还不完善，甚至仍然可能是假说，但它从根本上扫除了上帝和神创造了世界的神话，扫除了近代哲学家关于宇宙的唯心主义说法的影响，有助于现代精神文明的培养。

（3）化学

受现代物理学的影响，现代化学有了突飞猛进的发展。

近代化学家波义耳提出了“元素”的概念，而俄国化学家门捷列夫发现了化学元素周期表。但是在门捷列夫元素周期表中，许多元素并没有被发现。现代原子物理学的发展，填补了这些空白。1902年原子物理学家卢瑟福和索第发现α射线就是氦离子，而放射性元素铀、钍、锕等在不断放出α粒子后，最终变成铅，于是他提出元素衰变理论，即元素是可变的。1909年瑞典科学家斯特龙霍姆与斯维德伯格建议把某些化学性质十分相似的元素排列在元素周期表中的同一个格子里，索第照做，并称它们为同位素。后来化学家在分析不同元素的X射线光谱后，把它们的光谱按波长顺序排列起来，其次序与元素周期表中的次序是一致的，于是他们把这一次序称为原子序数。这样，现代化学的基本理论就建立起来了。化学家们利用原子物理学的原理，用放射性方法创造出了新的元素。目前科学家已发现了489种各种元素的同位素和2000多种人工放射性元素。这些元素，可供化学家制造新物质与新材料。

化学上的另一成就是化学键理论的提出。量子力学产生后，化学家把它应用于分子微观结构的研究，从而创立了化学键理论。这种理论认为分子中电子云在不同原子核之间的集中形成了化学键，电子云的形状可以用波函数来描写。此后出现了不少理论来说明化学键如何构成，这些理论揭示了物质由什么构成，怎样构成，因此使新物质和新材料的合成成为可能。

化学中取得的最突出成就是20世纪20年代高分子化学理论的诞生。高分子化学理论认为小分子可以通过其价键联结成大分子。德国科学家施陶丁格是这一理论的创始人。美国科学家卡洛瑟斯根据这一理论在30年代发明了尼龙。与此同时，石油工业迅速发展，兴起了石油化工业。化学家们发现了以石油为原料生产乙二醇、环氧乙烷、甘油等物质的工艺，为化工合成材料提供了物质基础。在20世纪上半叶，由于高分子化学的发展和石化工业的发展，人类已能开始生产橡胶、塑料和合成纤维等三大合成材料。

（4）地球物理学(www.xing528.com)

物理学革命还影响到了地球物理学的发展。测定地壳岩层的年代，一直是地质年代学的难题。1902年反射性元素衰变理论提出后，1907年美国科学家波特伍德根据这一原理，取得了第一个矿物放射性铅年龄数据。1913年同位素原理提出后，又产生了同位素地质学。根据对地壳岩石中元素的各种稳定和不稳定的同位素的研究，就可以确定矿物、岩石的地质年龄。这些发现，对研究地球的年龄、生物的起源与进化等都具有重大意义。

物理学的原理还应用于对海洋地质的研究。例如在1925年至1927年间，德国一艘“流星号”科学考察船在南大西洋中，用回声法测定了海洋地壳的起伏情况。使用物理学的方法，20世纪30年代海洋地质学家还发现了海底石油。

地质学家还通过对古地磁学和地震学的研究，证实了各大陆在地级不断迁移的地质时期，发生过相对位置的移动，同时还发现了地震的原因。

（5）信息论　控制论　系统论

由于上述学科的发展，20世纪上半叶，还出现了一些综合性的科学，例如信息论、控制论和系统论。

信息论是用数学方法来描述信息传递基本规律的一门新学科，它是从人们最先研究利用电报、电话和无线电通讯技术的可靠性和效率问题开始的。20世纪上半叶，这门学科还处于起步阶段，二战后特别是60年代后得到迅速发展，被应用到生物学、物理学、化学、心理学、经济管理学、电子学、人工智能、控制论和系统论等一系列领域。

控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运动的一般规律，重点是对机器工业的流水线生产，对机械和电力系统的结构、功能和稳定性进行研究。在控制论中，科学家强调“反馈”这个概念，即把输出量的一部分回输到输入端来影响输入的方法。正反馈可以加大输入信号，但有可能破坏系统的稳定状态。负反馈是纠正偏差的调节方法，广泛地存在于工作稳定的控制系统中。这一结论是尼奎斯特1932年研究电子管振荡器时提出的。到1943年，美国犹太人科学家维纳把生物神经系统中的反馈作用与机械控制论结合起来，与罗森布吕特、毕格罗等人合写了《行为、目的和目的论》，从反馈的角度找出了神经系统和自动调节机器之间的一致性。1948年，维纳出版了《控制论》一书，将控制论定义为机器与生物的通讯和控制的科学，为控制论的诞生奠定了基础。

系统论则是研究一般系统论和系统工程学的科学。所谓一般系统论就是从研究生物有机体的角度来研究各种系统，而系统工程学则是从研究技术工程及劳动管理的角度来研究工程系统。20世纪上半叶，虽然一般系统论和系统工程学刚刚诞生，但已经显示出强大的社会功能。如1911年美国工程师泰勒提出了一种系统管理的制度“泰勒制”，这种管理方法对机械工作的程序及工人劳动的效率和时间进行分析，找到了提高工作效率的企业管理方法。战后系统论得到迅速的发展。

（6）生物学

在科技革命大发展的环境下，现代生物学也取得了重大突破。

19世纪末，大多数人已经接受了达尔文的进化论。但是，达尔文的进化论没有解决生物的遗传和变异问题。填补他学说中这个漏洞的是奥地利科学家孟德尔。孟德尔早在1866年发现了遗传因子在传递过程中存在着显性支配隐性、不同性状按比例分离和支配的定律。这一发现否定了原来的由“混合”来遗传的概念，具有划时代的意义，但在当时并没有被人们接受。1900年荷兰人德弗里斯、德国人考伦斯和奥地利人特彻马通过各自的研究都得出了与孟德尔同样的结论，证实了孟德尔的发现。1909年丹麦科学家约翰逊将孟德尔所谓的遗传因子称为基因，现代遗传学建立起来。

同时，美国科学家摩尔根用果蝇做杂交试验，发现了细胞的染色体，证实染色体是遗传基因的载体，基因是染色体的分立遗传单位，不同染色体搭配可以得到不同的后代。1944年美国科学家艾弗里证明了细胞中的脱氧核糖核酸（DN A）是染色体的重要组成部分。1953年英国生物学家弗朗西斯·克里克和美国生物学家沃森·威尔金斯发现了脱氧核糖核酸的分子结构及其在遗传中的作用，这种遗传细胞可使遗传性代代相传。遗传学得以迅速发展。

总之，20世纪上半叶自然科学领域出现了一系列重大革命和突破。这些革命与突破必然引发新的技术革命，推动生产力的巨大发展，推进人类文明的发展。