第二次科学革命：突破性发现与理论取代

19世纪末，古典理论科学处在巅峰状态，表现在牛顿力学概括了低速、宏观物体的运动规律，麦克斯韦方程组总结了电磁现象规律，热力学成为研究热现象的理论。人们坚信物理学大厦的基本框架已经建成。然而世纪之交的一系列新发现，使经典物理学面临严峻挑战。一些科学家产生危机感，他们感叹“质消失了”、“原理普遍毁灭了”。另一些科学家勇敢地向经典物理学提出了挑战，并开始酝酿第二次科学革命。这一场从经典科学向现代科学的飞跃，以物理学革命为先导，取得了X射线、电子和放射性元素的发现三大重要成果，相继诞生的相对论、量子力学取代了牛顿力学成为物理世界普适的基础理论。接下来，在天文学、地质学和生物学等领域里发生了重大的理论变革。天文学方面，对宇宙结构有了初步认识，代表性成果为大爆炸模型；地质学方面，代表性成果为板块模型；生物学方面，在遗传科学、生命科学等方面向前迈进了一大步，代表性成果为DNA双螺旋分子结构模型。科学上的进步，使人类的认识不仅深入到了微观世界，而且扩展至宇宙宏观领域。尤其在天体演化、基本粒子和生命起源三个重要方面取得了极大进展，推进了现代科学的发展。X射线、相对论和量子论是第二次革命最突出的科学成果。

X射线是德国物理学家伦琴（1845—1923年）于1895年在实验中发现的。“如果把手放在放电装置和纸屏之间，可以看到较黑的骨髓的影像”，伦琴发现了这种极具穿透性的射线。由于还不了解其性质，伦琴便用数学上的未知数X为其命名，即X射线。随后X射线被广泛应用于医疗领域。

伦琴的发现拉开了原子物理学研究的序幕。1896年，法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（1852—1908年）在研究荧光物质时，偶然发现能使照相底片感光的铀。这是人类对放射性认识的开始。铀也成为人们发现的第一种放射性物质。居里夫妇在放射性研究方面作出了更加卓越的贡献。他们通过潜心研究，先后发现了放射性元素钋（Polonium）和镭（Radium），成功地从废沥青铀矿中制得纯净的氯化镭，分离出了纯金属镭，并测定一些元素的半衰期，出版了《放射性通论》，两次获诺贝尔奖。1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（1856—1940年）发现了电子。1899年前后，α射线和β射线被英籍新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（1871—1937年）发现。

X射线、电子和放射性的发现，推动物理学从经典阶段向现代阶段转变。新的物理学革命爆发了。

相对论是20世纪关于物质运动与时间空间关系的新理论，由阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955年）于1904年提出。它取代了以牛顿为代表的经典物理学，成为现代物理学两大支柱之一，为20世纪科技的飞跃发展提供了理论基础。

爱因斯坦

1905年，爱因斯坦在德国物理学年鉴上发表《论运动物体的动力学》，提出了狭义相对论（只涉及两个做相对匀速运动的惯性系，没有考虑到加速运动而得名），突破了牛顿的绝对时空观。在同年发表的《物体的惯性同它所含的质量有关吗》论文中，提出著名的质能关系公式E=mc2，该公式在理论上把物理学中的质量与能量守恒的两个定律统一起来。法国另一物理学家郎之万（1872—1942年）也独立得出E=mc2的结论，表明创立相对论的时机已经成熟。爱因斯坦在1915年又完成广义相对论，从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。(www.xing528.com)

相对论的提出具有伟大的意义。它既适用于低速运动的物质，又适用于光速运动和接近光速运动的物质，从而达到牛顿以来新的理论高度。作为科学理论，它在自然科学各领域显示出巨大生命力。在微观领域，狭义相对论连同质能关系公式得到广泛应用，并成为高能加速器和原子能应用等现代技术领域的计算基础，为人类利用核能开辟了广阔前景。在宏观领域，广义相对论引发了天文学革命，开拓了现代宇宙学的新道路，形成了天体物理学的新分支学科“相对论天体物理学”。相对论还推动了数学的发展，非欧几何学被赋予物理学的内涵，从而获得了新的生命力。此外，相对论也丰富了哲学的基本内容。

量子论是研究微观粒子结构及其运动规律的理论，在国际物理学家的大合作中形成了严密的理论体系。它的创立经历了从早期量子论到量子力学诞生的近30年的历程。

早期量子论以电子运动的古典力学与量子假设的不自然结合为基础，主要内容为普朗克能量子假设、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。普朗克把能量不连续的新概念引入物理学，提出能量子概念，并创设了普朗克常数（值为h=6162606876（52）×10-34焦·秒）。爱因斯坦在其启发下，提出光量子假说，指出“光能是与波动数成比例的不连续的光量子构成的”，为创立量子力学和揭示光的波粒两重性的本质奠定了基础。随后的丹麦物理学家尼尔斯·亨里克·戴维·玻尔（1885—1962年）把量子假设用于研究原子内部的能量，并于1913年发表了原子结构理论。玻尔在解释光谱分布的经验规律方面获得意外成功，突破了经典理论的框架，因此扩大了量子论的影响。1916年，爱因斯坦用统计的方法，由玻尔理论导出普朗克辐射定律，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。

1923—1926年，量子力学循着两条相互排斥的道路发展。一条沿着波动力学前进，另一条沿着矩阵力学前进。1926年，薛定谔发表了题为“论海森堡—玻恩—约尔丹的量子力学和我的量子力学的关系”的论文，提出了波动力学和矩阵力学在数学上完全等价的结论。从此，两大理论统称量子力学，而薛定谔的波动方程成为量子力学的基本方程。

量子论的意义不亚于相对论。它不仅标志着人们对客观规律的认识深入到了微观世界，而且适用于宏观世界。它是当代科技发展的重要理论基础之一，促进了原子物理学、固体物理学、量子化学和原子能技术等新兴学科和新技术的产生与发展。20世纪20年代以后，经典电磁理论和电子理论开始与量子力学相结合发展为量子电动力学，用来研究微观电磁过程。量子论对分子生物学也起到了重要的启迪作用。此外，在哲学上提出了许多值得研究的问题，促进了哲学的变革，开辟了人类认识的新天地。