《人类科学技术史-315》现代前期科学技术概述（上）

现代前期科学技术概述（上）

1870年-1918年，总算起来不过48年时间，可这48年时间却非同寻常。它在世界历史上占有重要的地位；它在人类的文明史上留下了辉煌灿烂的篇章。有人把这一时期称作发明的英雄时代，绝非评价过高，在这近半个世纪的时间里，继英国、法国之后，德国、美国和日本也实现了产业革命，完成了工业化的历史任务，成为工业发达的国家。这段时间，恰处世纪之交，偏于此时爆发了第一次世界大战，后又发生了俄国十月革命，这些重大的历史事件和社会变革，自然会对世界范围内的科学技术发展产生影响。

1900年，在19世纪终结，20世纪开启之际，有两位科学巨人，在世界科学讲坛，分别作了关于物理学和数学发展前景的演讲，颇有辞旧迎新之感，昭示后人之意。他们一位是物理学泰斗开尔文勋爵(威廉.汤姆生），另一位是数学大师希尔伯特。开尔文勋爵总结了19世纪物理学取得的巨大成就，同时也忧心忡忡地指出了物理学上空出现的两朵乌云。恰恰是这两朵乌云形成了巨大的风暴，酿就了20世纪初物理学领域的革命。天才的爱因斯坦以其所创立的相对论，不仅包容了牛顿的经典力学体系，而且为以后物理学的发展指明了方向。希尔伯特值此世纪之交的当口归纳提出了数学领域有重大意义然而又尚未解决的23个问题，以期引起数学界的重视和研讨。孰不知这些问题竟对20世纪的数学研究发挥了巨大的指导作用。在解决这些问题的过程中，还获得了一系列与此相关的重大研究成果。其意义或许远远超过了这些问题本身。

关于物理学的情况，在此不妨作一点历史的回顾。在19世纪60年代，物理学的发展在当时说来，可谓达到了辉煌的顶点。经典物理学已经形成十分完备的理论体系。它所包含的经典力学和经典电磁学理论已达到"尽善尽美"的地步。牛顿以其创立的第一、第二、第三三条运动定律和万有引力定律构建了"坚不可摧"的经典力学大厦。麦克斯韦运用数学分析法建立了麦克斯韦方程组，从而把光、电、磁现象统一了起来。至此，很多人认为，经典物理学已经达到了顶峰，人类对自然的认识也已达到了尽头。因此，物理学从19世纪70年代起直至19世纪末，再没有取得显著进展(孕育着巨大变革）。当物理学家们送别19世纪，迎接20世纪的时候，英国享有盛名的科学家威廉.汤姆生(开尔文勋爵）于1900年4月27日发表了一篇历史总结性演讲。他概括了19世纪物理学取得的巨大成就。也指出了在古典物理学万里长空中还漂荡着两朵"乌云"。其中之一是同比热和热辐射有关的理论问题。汤姆生认为它还可望"在20世纪开头获得解决"；而另外一朵乌云即"以太漂移"实验的否定结果则看不到任何可解决的途径。汤姆生说"恐怕我们仍然必须把这一朵乌云看作是非常稠密的"。乌云本是不祥之兆。处在世纪之交的物理学家们，以此坦露了他们感到的困惑。因为"以太漂移"实验的否定结果，预示着经典物理学的理论根基发生了动摇。

然而，正是这两朵乌云引发了20世纪的物理学革命，解除了人们的困惑，使经典物理学从山重水复疑无路，走进了柳暗花明又一村。在物理学这场伟大的变革中，科学巨匠爱因斯坦以其超人的智慧和独特的思维，创立了狭义相对论和广义相对论，其理论不仅囊括了经典物理学的理论体系，而且把物理学推进到现代科学的新阶段。狭义相对论以惯性参考系中的"相对性原理"和"光速不变原理"否定了牛顿的绝对时空观，指出了仅仅在低速运动状态下经典力学的合理性，从而化解了以太之谜。在爱因斯坦完成狭义相对论之后，又向新的目标展开了进攻。他将相对性原理由惯性参考系进一步扩大到任意参考系，并把牛顿的引力理论作为一级近似包容其中，从而又创立了广义相对论。爱因斯坦在许多研究领域都取得了突破性的成果，在科学上为全人类作出了划时代的巨大贡献。

1880年以后，一场新的技术革命在世界范围内迅速展开。在这场革命中有三大技术发明带动了整个工业的发展。它们是法拉第发现电磁感应而导致的电力技术的发展和应用；贝塞麦炼钢法的成功奠定了钢铁工业大发展的基础；焦油化学理论的突破带来了有机化学工业的繁荣。

1820年奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应。这些看似微不足道的发现却孕育着第二次技术革命的兴起，以电能为主要动力的电力革命从此揭开了序幕，使20世纪成为"电气化世纪"。发电机的研制成功，迅速形成了一个以汽轮机、水轮机等为原动力，以交流发电机为核心，以变压器等电器的输配电系统为动脉的变压输电网。电，可以为电报、电话、电灯提供能源，亦可通过电动机将电能转变成机械能以带动其他机械做功。

电的发现和利用是人类自觉应用电学知识的伟大成果。从此，电取代了蒸汽，它所创造的生产力是蒸汽时代所不可比拟的。蒸汽机利用机械力代替人的体力，是扩展人类肢体功能的一次革命；电的应用，尤其是电报、电话、无线电的应用是扩展人类感官功能的一次革命。电的应用，是科学转化为技术、技术转化为社会生产力的最好证明。随着科学技术的发展，电的应用逐渐深入到人类生活、生产的各个领域，它不仅给经济生活带来了前所未有的大发展，而且给人们的文化生活增添了丰富多彩的新内容。

蒸汽机技术的发明和应用，引发了18世纪的产业革命。从此机器大生产逐渐代替了手工业的生产方式，生产效率十倍、百倍地增长，产品质量其精细和准确程度使手工制品望尘莫及，达到了近乎完美的地步。蒸汽机在其发明后的一百多年中，形成了极大的生产力，建立了极其宏伟的业绩。然而，随着时代的发展和科学技术的进步，蒸汽机不可克服的缺点(笨重、热效率低、不安全等），促使人们去研制新的动力装置。于是在蒸汽机不断改进的同时，在热力学等科学理论的指导下，一种新型热机——内燃机诞生了，作为内燃机产生的前提条件，当然是燃料的变革。在18世纪末英国人默多克(1754-1839)发现了用煤在炼制焦炭的过程中，同时有煤气生成，很快，这种可燃气体便在19世纪初被欧洲一些国家用于照明。1859年美国人德莱克(1819-1880)用顿钻成功地打出了石油，到19世纪70年代石油生产进入了工业化时期。在煤气和石油能够充分供应的情况下，内燃机的发明才成为可能。法国人雷诺(1822-1900)发明了第一台二冲程煤气机，后由德国人奥托(1832-1891)、戴姆勒(1834-1900)和狄赛尔(1858-1913）对内燃机进行了重要改进，于是出现了四冲程煤气机、汽油机和柴油机。以后又出现了蒸汽涡轮机和燃汽轮机。这一系列内燃机的改进、发展和应用，促进了交通事业的发展。其后出现了汽车、轮船、飞机等现代化的交通工具。

在这一时期，化学理论取得了重大进步，因而推动了化学工业的前进。

俄国科学家门捷列夫关于元素周期律的发现和周期表的提出，是化学理论研究的巨大成果。从此，人们利用周期律和周期表可以掌握元素的基本化学性质，从而把握化学反应的过程，预见化学反应的结果，并可据此预见未知元素的存在及其性质，在门捷列夫工作的基础上，英国的莫斯莱(1887-1915)和德国的柯塞尔(1888-1956)对元素周期律进行了科学的阐述，进一步完善了周期律理论。此后，一些新元素陆续被发现，如惰性气体、放射性元素、稀土元素等。当时，门捷列夫制出的周期表，列出了66个位置，找到了63种元素，而到1945年元素周期表列出的92个元素均已找到。在20世纪40年代，科学家们在寻找新元素的过程中，又发现了一系列超铀元素。于是突破了92号元素的界限，使元素周期表又一次得到修正和完善。科学家们在研究中发现，有些元素化学性质十分相似，它们总是紧密地相聚在一起，很难使它们分离。英国的索第(1877-1956）由此提出了"同位素"的概念，进一步丰富了元素周期律，完善了元素周期表。后来，物理化学、电化学、结构化学等一系列新的理论相继产生，对化学工业的发展产生了巨大的指导作用。

化学工业，包括无机化学工业和有机化学工业两部分。首先发展起来的是无机化学工业。无机化学工业的主要产品是酸和碱。在19世纪初期，酸、碱的制取都有了较为成熟的方法并逐渐形成一定的规模。而克尼奇的接触法制酸，和索尔维的氨碱法制碱，使酸、碱生产都进入现代化阶段。

有机化学工业的兴起始自维勒和李比希。维勒不仅合成了尿素打破了生命力论，而且和李比希一起提出了基团理论，开创了合成化学的新时代。在他们的带动下，德国出现了一大批杰出的科学家，如凯库勒、霍夫曼等。他们以煤焦油作原料，合成了一系列苯胺染料，其中最主要的是茜素和靛蓝，从而结束了由植物中提取茜素和靛蓝的历史。后来合成香料、合成药品、合成炸药均获成功。从此使煤化学成为化学的一个重要分支。合成化学取得的一系列巨大成就，使德国开始成为世界科学的中心。

电力技术的发展，化工技术的兴起，炼钢法的出现——这是第二次技术革命的重要成果和显著标志。