二十世纪物理学的主要理论成果

二十世纪物理学的主要理论成果

及在其基础上发展起来的技术成果

作者：***

作者单位：中山大学物理科学与工程技术学院10届本科

内容摘要：本文主要阐述二十世纪物理学最具变革意义的两大理论成果——相对论和量子力学，论述它们对科技的贡献。并列举了二十世纪发展起来的五大尖端技术。

关键词：相对论，量子力学，技术成果

二十世纪，是世界物理学发展的黄金时期，在各国科学家的共同努力下，人类在物理

学上取得了空前的成果。大大推动了社会的发展和人类文明的进步。下面简述最具影响力

的相对论和量子力学及在其基础上发展起来的一些尖端技术。

1相对论

说到二十世纪物理学的成果，首先要说的就是相对论。

1905年，20世纪最伟大的科学天才爱因斯坦在他26岁时创立了狭义相对论，提出了不同于经典物理学的崭新的时空观和质（m）能（E）相当关系式E

＝mc2（此处光速C＝3×108米／秒），在理论上为原子能的应用开辟了道路。

关于E＝mc2，即物体贮藏的能量等于该物体的质量乘以光速的平方，这个

数量大到令人难以想象的程度。我们不妨打个比方说，1克物质全部转化成的

能量，相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能；或者说，1克质

量相当于2500万度的电能。

1915年，爱因斯坦又创立了广义相对论，深刻揭示了时间、空间和物质、

运动之间的内在联系——空间和时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的。它成为了现代物理学的基础理论之一。

从1923年开始，爱因斯坦用他的后半生致力于统一场论的探索，企图建

立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，虽然他没有取得成功，但是

杨振宁和米尔斯于50年代创立了“杨—米尔斯场方程”，发展了所谓“规范场”的理论，使爱因斯坦梦寐以求的统一场论可望在规范场的基础上得以实现。

2 量子力学

二十世纪物理学另一个可以与相对论相提并论的理论成果就是量子力学。1900年，普朗克创立了量子论，提出能量并非无限可分、能量的变化是不连续

的新观念。1905年，爱因斯坦提出了光量子论，揭示了光的“波粒二象性”。1913年，玻尔把量子化概念引进原子结构理论。1923年，德布罗意提出物质

波理论。1925年，海森伯和薛定谔分别建立矩阵力学和波动力学。1928年，

26岁的狄拉克提出电磁场中相对论性电子运动方程和最初形式的量子场论，使

包括矩阵力和波动力学在内的量子力学取得了重大的进展。

20年代末量子力学的建立，是继1905-1915年相对论建立之后对经典物

理学的又一次革命性的突破，它成功地揭示了微观物质世界的基本规律，加速

了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和粒子物理学准备了理论基础，同时也促进了化学键理论和分子生物学等的产生。因此，量子力学可以说是20

世纪最多产的科学理论，迄今仍具有强大的生命力。

20世纪的5大尖端技术成果

在上述两大科学理论的先导和生产的促进下，20世纪发展起来五大尖端技术：

核技术、航天技术、信息技术、激光技术和生物技术，在能源、材料、自动化、海洋和环境等高新技术方面也有了长足的进步。

1、主要以相对论为理论基础发展起来的核能与核技术

原子核的裂变和聚变反应将产生和释放出远大于机械能、化学能等产生的能量。核能的和平利用，为人类提供了一个既安全又清洁、取之不尽而用之不竭的能

源宝库。

1942年，美国建成了世界上第一座原子反应堆，首次实现了人工控制的链

式核裂变反应。1945年第一颗原子弹爆炸成功。1952年第一颗轻核聚变的氢弹爆炸成功。1954年，苏联建成世界上第一座原子能发电站。60年代以后，核电站进入实用阶段，发展至今已成为一种重要能源，约占全球发电总量的1／5。

核技术还广泛应用于农业、医疗、材料、考古和环保等领域。40年代放射性同

位素开始大量生产，1947年比利发明了C14测定年代的方法，1951年开始使用Co60等放射性元素治疗癌症，70年代以来计算机x射线断层扫描技术（CT）广泛应用于临床，80年代初发展到核磁共振扫描技术（MRI）。

2、航天和空间技术

1903-1914年，齐奥尔科夫斯基提出以火箭为动力的航行理论，奠定了航

天学的基础。1919年，戈达德提出火箭飞行的数学原理，并于1926年成功地

发射了世界上第一枚液体燃料的火箭。1942年，布劳恩主持设计发射的液体军

用飞箭成为二战后各国火箭发展的蓝本。

1957年，苏联用洲际导弹的火箭装置发射了世界上第一颗人造地球卫星，“空间时代”从此开始。1961年，苏联发射载人宇宙飞船，人类首次飞向太空。1969年，美国“阿波罗”11号飞船登月，人类在月球上留下了第一个脚印。1971年，苏联建造空间站，人类首次在太空中有了活动基地。1981年，美国发

射航天飞机成功，从此人类可以自由进出太空。

自50年代后期起，人类开始对月球和太阳系各大行星，以及遥远的行星际空间进行探测，至今已发射了100多颗空间探测器，去揭示宇宙的形成与演化，探

索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响。

3、信息技术

信息技术是20世纪发展最快的技术领域。它对人类社会、经济、政治、文化等产生了全方位的巨大而深远的影响。

1906年，三极电子管的发明使电信号放大，从而使远程无线电通信成为可能。1947年，第一只晶体管的诞生为电子电路集成化和数字化提供了重要的基础。1945年问世的电子计算机，已经历了第一代（电子管，40年代中至50年

代末）、第二代（晶体管，50年代末至60年代中）、第三代（集成电路，60年

代中至70年代初）和第四代（大规模和超大规模集成电路，70年代初开始）

等发展阶段，80年代开始对新一代的智能计算机、光学计算机和量子计算机的

探索已取得初步成果。

随着大规模集成电路的出现，计算机向巨型化和微型化两极发展。70年代中，

巨型机的向量运算速度超过了每秒亿次；微机则进入了千家万户，标志着个人

电脑时代的来临。当今，巨型机的运算速度已达每秒3．9万亿次，而计算机互联网络则在2亿多网民的学习、研究、交流、贸易甚至娱乐等方面创造了崭新

的工作和生活方式。

4、激光技术

1917年，爱因斯坦在研究光的辐射的过程中，提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年激光被发现。1960年美国制成了世界上第一台激光器，它用红宝石晶体做发光材料，用发光强度很高的脉冲氙灯做激发光源，在这种受激辐射作用下产生的一种超强光束就是激光。

继红宝石激光器之后，半导体激光器（1963年）、气体激光器（1964年）、自由电子激光器（1977年）乃至原子激光器（1977年）等相继问世。

5、生物技术

基因重组技术（又称基因工程）是20世纪下半叶蓬勃兴起和发展的现代生物技术的最前沿领域。60年代末至70年代初，阿尔伯和史密斯发现细胞中有两种“工具酶”，能对DNA进行“剪切”和“连接”；内森斯则使用工具酶首次实

现了DNA切割和组合。DNA的重组能创造性地利用生物资源，实现人类改造生

物的遗传特征、产生人类所需要的生物类型的意愿。80年代以来，已获得上百