突飞猛进的现代科技
20世纪的物理学革命
▲一系列的新发现
英国人克鲁克斯(1832—1919)在1879年，发现阴极射线是一种高速带电粒子流。后来，汤姆生将这种微粒称为电子。1906～1914年间，美国人密立根，测出了精确的电子电量值。
电子是人类发现的第一个基本粒子，它是古代原子论者和道尔顿都不曾想到过的东西，预示着原子还存在着不同的成分。继电子之后，物理学家们至今已发现了400多种基本粒子。
1895年，德国人伦琴(1845～1923)研究阴极射线激发玻璃壁发生荧光时，偶然发现放电管附近用黑纸密封的照相底片感光了，这说明管内发出了一种能穿透底片封层的射线。他称这种新的射线为X射线。
X射线很快被应用于医学上的体内异物诊断，并进而用于透视诊病和工业方面的检验分析。
法国人柏克勒尔通过反复实验，发现铀盐本身具有放射性质。
法国人皮埃尔·居里(1859～1906)和他的波兰妻子玛丽·居里(1867～1834)在了解了柏克勒尔的工作后，发现了新的放射性元素钍，接着又从沥青铀矿中分离出了放射性比铀强400倍的钋(取此名以纪念居里夫人的祖国波兰)。经过45个月的艰苦努力，1902年，居里夫妇从几吨青铀矿渣中分离出0．12克的氯化镭，它的放射线是铀的200万倍!它几乎能穿透一切东西。德国犹太人爱因斯坦(1879～1955)于1905年在瑞士发表了《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文，提出辐射在传播过程中的能量也是不连续的，并称传播中的能量子为“光量子” (后来又称为光子)。爱因斯坦的光量子理论把光的粒子性和波动性统一起来了，这种统一表现在光子的能量与光波的频率不可分割地联系在一起。至此，人们认识到光具有波粒二象性，在传播过程中，光表现为波动，在同物质相互作用的过程中，光则表现为光量子。
▲量子力学的建立
1925年，德国人海森堡(1901～1976)建立了量子力学的一种数学表达式——矩阵力学。在他看来，玻尔所描述的电子在原子核外轨道上的运动模型是不可观测的，量子力学方程中只应包括可观测的原子光谱线的频率和强度。矩阵力学就是用矩阵计算方法处理这类可观测量的数学方程。在完善这种矩阵力学的过程中，海森堡得到了玻恩(1882~1972)和约尔丹的帮助。生于奥地利的瑞士人泡利(1900—1958)从海森堡的理论推导出了巴尔末关于氢原子光谱的公式。英国人狄拉克在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后于1927年发表了《量子代数学》一文，使矩阵力学理论体系更加严密。
1926年，奥地利人薛定谔(1887—1961)沿着另一条途径建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。
薛定谔的物质波运动方程提供了系统和定量处理原子结构问题的理论，除了物质的磁性及其相对论效应之外，它在原则上能解释所有原子现象，是原子物理学中应用最广泛的公式，它在量子力学中的地位与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似。
在此前后，泡利于1925年提出了电子自旋的概念，狄拉克得出了电子具有磁矩的结论，并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论，开创了相对论波动力学的研究。自第一个反粒子发现之后，物理学家们逐渐认识到，一切粒子都有反粒子，它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋，具有相反的电荷和磁矩。
1927年，玻尔通过对微观粒子波粒二象性及测不准关系的研究，提出了著名的互补原理(并协原理)。玻尔认为，量子力学在描述微观粒子的运动规律时仍然运用着经典力学中的概念一一动量、质量、能量、频率、波长、几率等，这是自然科学的基础语言，不可能抛弃它们，但与宏观领域不同的是：在描述微观粒子运动规律时运用一类经典概念时，就会排斥另一类经典概念；但在换一种条件的情况下，则又要运用那些在原来的条件下被排斥的概念来描述微观现象。这两种描述中的任何一种都是不充分的，而且是彼此不相容的，但为了说明所有可能的实验又都是必要的。这两类彼此排斥的概念在描述微观粒子性质所具有的二重性时是互补的。
▲原子核物理学
1939年1月6日，玻尔到美国出席一次物理学家会议，把原子核分裂的消息告诉了与会的科学家们，这些人兴奋无比，很多人立即着于研究，在数周内，一再证实了铀裂变的存在，并发现了铀裂变时原子核放出的巨大能量。毫无疑问，链式反应的实现，会在极短的时间内放出巨大的能量，从而为制造原子武器提供可能。
由于德国的科学家曾参与了核裂变研究，还由于当时美国的情报证实纳粹分子正在组织人力研究链式反应，在美国的物理学家中有人感到，有必要抢在德国之前尽快制造出原子弹。1939年8月，一封由西拉德谋划、由最有声望的科学家爱因斯坦签名的信，经一位与白宫关系密切的经济学家萨克斯交到了美国前总统罗斯福(1882～1945)手中。1940年，美国的物理学家们采取了共同保守有关核裂变和链式反应研究全部秘密的紧急措施。1941年12月，美国制造原子弹的“曼哈顿工程”正式上马。奥本海默(1904～1967)被任命为洛斯一阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制。1945年7月，世界上第一颗原子弹在美国西部沙漠上试验成功。同年8月，美国在日本的广岛和长崎共投下了两颗原子弹，它们的爆炸是人类历史上最惨烈的第二次世界大战的巨大尾声。
第二次世界大战后，前苏联于1949年2月、英国于1952年1月，都成功地爆炸了原子弹。1964年10月，中国加入了拥有核武器国家的行列。继中国之后，印度也于80年代拥有了原子弹。
1952年11月，美国试验成功了第一颗核聚变武器-氢弹，9个月后，前苏联的氢弹也爆炸成功。1967年，中国成功地爆炸了第一颗氢弹。
核能技术不仅被应用在武器方面。1954年1月，美国人制成了世界第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号，1954年6月，前苏联在奥布宁斯克建成了世界第一座核电站，1957年12月，美国人建成了希平港核电站，英、法、德等国也都相继发展了核电站。中国自行设计的第一座核电站一一浙江秦山核电站已经于1992年正式运行发电。
▲相对论
爱因斯坦对物理学的最大贡献是相对论。相对论提出了对宇宙的一种新观点，爱因斯坦也因此被公认为20世纪最伟大的科学家。
根据狭义相对论，爱因斯坦指出：物体相对于观察者运动时，沿相对运动的方向上，它的长度会缩短，速度越大，缩短越多，即运动的尺子要缩短；时钟相对于观察者运动时会走得慢些；光速是物质运动的极限速度；如果两个事件在一个惯性系中是同时但不是在同地发生的，那么它在相对于该惯性系匀速运动的另一个惯性系中则不会是同时发生的，即同时性也是相对的；在物体运动速度远小于光速的情况下，相对论力学就变成了牛顿力学。
在建立了狭义相对论之后，爱因斯坦又研究了引力问题。在牛顿力学中，物体有两种质量：牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质量。尽管牛顿推算出这两种质量是相等的，但却没有作出理论上的解释。匈牙利人厄缶(1848～1919)曾用实验证明这两种质量是相等的。以两种质量相等为基础，爱因斯坦在1913～1916年间提出了著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论——广义相对论。
现代天文学的发展
▲观测手段的进步
伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学研究进入了望远镜观测的时代。近代以来，望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。自19世纪照相术发明以来，照相方法逐步被应用到天文研究方面。由于光学的进步，分光方法在天文研究中得到了进一步的应用。分光方法是指让星光通过棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱进而研究的方法。牛顿用棱镜分解日光是分光方法的开始。50年代以来，随着航天技术的发展，人们已经不再局限于在大气层以内进行天文观测了，而开始了大气层外的天文观测活动。在这方面最著名的例子是1990年4月由美国人通过航天飞机送入太空的哈勃望远镜。
20世纪天文研究方面具有革命性意义的是射电天文学的出现。射电天文学使天文观测的范围从可见光频率扩展到了所有电磁波谱的频率范畴，开辟了对不可见天体的研究，在某种意义上导致了20世纪天文学的革命性进展。
▲宇宙有多大
现代天文学的进展最后趋向了可观测的宇宙有限的结论，而这一宇宙有限的观点正是随着天文学家所能观测到的宇宙范围越来越广而提出来的。1923。1924年间，美国人埃德温·哈勃(1889～1953)用当时世界上最大的反射式光学望远镜(口径为2．5米)确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星云，而是银河系以外的恒星系统。目前，用最大的反射式光学望远镜，可以看到30亿光年远的宇宙，但是，由于射电天文学的出现，光学望远镜所能达到的极限已不能作为人类认识宇宙广度的界限了。
目前用光学望远镜看到的30亿光年远的星系，已达到了可观测宇宙1／3的深度，而用射电望远镜所看到的100亿光年远的星系，已经达到可观测宇宙的边际了。
▲宇宙演化理论
爱因斯坦、德西特的宇宙与弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙开始引起天文学家们的广泛注意和研究。
弗里德曼和勒梅特的宇宙是一个膨胀着的宇宙，而膨胀总是从物质密度无穷大时开始的。1932年，勒梅特从他的模型出发，提出了一个宇宙演化学说，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。但他当时还没有完全足够的核物理学知识来描述宇宙蛋爆炸后宇宙演化的具体过程和细节。另外，勒梅特还低估了宇宙的年龄，这是因为当时哈勃所给出的宇宙尺度只有20亿光年。后来巴德研究河外星系时得到了新的结论，宇宙的尺度增加了20倍，宇宙的年龄也由勒梅特的20亿年增至50～60亿年。
尽管如此，大爆炸宇宙论还不是一个完善的理论，它还不能从物理学的观点说明宇宙初始点的条件，也不能有把握地预言宇宙的终结。
现代地学的发展
▲大陆漂移说和地幔对流说
近代欧洲人研究了岩石的成因。在这方面产生了两种主要的观点：水成论和火成论。
1893年，美国人威廉斯(1847～1918)提出了地质年代学的概念，企图按地质构造来确定地壳岩层的年龄。但这方面的认真研究是20世纪才开始的。由于放射性元素有一个固定的半衰期，在半衰期内、核数目会减少到原有数目的一半。所以，研究地壳岩石中元素的各种稳定和不稳定同位素的丰度和它们之间比值的变化，便可以确定矿物、岩石的地质年龄。
但一般来说，人们普遍认为地球表面的大陆是静止的，没有运动。近代的地质科学还没有关于大陆运动的思想。
1912年1月，德国人魏格纳(1880～1930)在马尔堡科学协进会作了题为《大陆的水平位移》的演讲，提出了关于大陆漂移的假说。1915年，魏格纳利用服兵役的病假期写成了《海陆的起源》一书，从地球物理学、地质学、古生物学和生物学、古气候学、大地测量学等5个方面详细论述了他的大陆漂移说。这是第一个关于大陆运动的系统学说。魏格纳认为，全世界的所有大陆原来是一个被整海(泛大洋)包围着的整陆(泛大陆)，由于潮汐和地球自转的作用，巨大的大陆岩体分裂成几块，慢慢分开，漂浮在玄武岩底的海洋上，向各个方向移动，经过几亿年的时间，这些移动形成了世界各大洋大洲今日的面貌。
1928年，英国人霍尔姆斯提出了著名的地幔对流说。霍尔姆斯认为，地壳下的地幔物质可以发生热对流，上升的地幔流遇到大陆屏障后，会向两边流去，产生的引张力将陆块扯裂，然后使之漂移，在陆面上形成裂谷；两股相向流动的地幔汇合起来向下流动时，挤压力和拉力造成了地槽和海渊。霍尔姆斯把地幔作为大陆漂移的传送带，从而较好地解决了大陆漂移的驱动力问题。当然，霍尔姆斯的说法也仍然是一种假说，当时的大陆地质学和海洋地质学都还不能提供地幔对流的足够证据。
▲海底扩张说和板块构造论
1960年是海洋地质学上有纪念意义的一年。这一年，瑞士人J．皮卡德和一位美国人乘坐奥古斯特·皮卡德(1884~1962)发明的“的里雅斯特”号深潜器，下潜到1万多米深的马里亚那海沟底部，使人类探测到了海洋的最深处。另外，美国普林斯顿大学的赫斯(1906—1969)在这一年提出了海底扩张说。赫斯认为，洋中脊是洋壳生成的地方，地幔对流环将地幔物质从这里挤出，形成新的洋底；对流环分离时携带新洋底背离洋脊运动，在海沟处重新返回地幔深部；陆块边界若与下降的对流环为邻，便会发生强烈的变形；另外，海底平顶山原是洋脊处的火山岛，后来被侵蚀作用削平，由于随洋底运动，逐渐离开洋脊，淹没在海洋中。1962年，赫斯以《海洋盆地的历史》为题正式发表了他的上述观点。
在大陆漂移、地幔对流、海底扩张等学说及古地磁学、地震学研究资料的基础上，英国剑桥大学的麦肯齐、R．L.帕克尔，美国普林斯顿大学的摩根、哈得逊河畔拉蒙特地质研究所的法国人勒比雄等人在1967～1968年间提出了板块构造理论。勒比雄在他的文章中将地球的岩石圈划分为欧亚、非洲、澳洲、南极洲、美洲、太平洋六大板块，详细讨论了它们的运动。摩根的论文还讨论了地幔物质在洋脊热点处涌出的情况。板块构造理论认为地壳板块是地幔软流圈上的刚性块体，板块的边界处是构造运动最活跃的地方，在这里存在着3种边界应力：由于两个板块相对运动而产生的挤压力(如造山带的隆起、海沟处一个板块俯冲到另一个下面时)；两个板块背离运动时的引张力(如东非裂谷和海底全球大裂谷的形成)；两个板块相互滑过时的剪切力(如转换断层的形成)。总之，板块之间的相对运动被视为全球地壳构造运动的基本原因。这样一个全新的地壳运动理论的诞生，表明了人类对脚下的大地和海底的构造运动规律有了超越日常经验的理论认识。在某种意义上，这是人类地球观的一次革命，它可以同哥白尼革命相媲美。
20世纪的生命科学
▲基因的发现
近代生物学是从维萨留斯研究人体结构开始的。其后，哈维发现了动物的血液循环。胡克发现了细胞之后，随着对生物生殖细胞的研究，在生物个体发生方面产生了预成论和渐成论，最后施莱登和施旺用细胞学说对个体生物学作了总结。从人体结构到动物的血液循环、再到细胞学说，显示了近代个体生物学进步的道路。从20世纪的观点看，这些成果都仅仅是最基本的生物学和生理学常识，生命的奥秘还隐藏在细胞之中。与达尔文同时代的奥地利人孟德尔(1822～1884)已开始了遗传学研究，并于1866年在奥地利的一个地方杂志上发表了《植物杂交的试验》一文。
孟德尔的发现并没有被他的同时代人接受，而是在1900年被生物学界重新发现的。1909年，丹麦人约翰逊将孟德尔文章中的遗传因子称为基因，于是，基因的概念便成了遗传学中的一个基本概念。
1908年，美国人摩尔根(1866～1945)开始做果蝇实验。果蝇有4对染色体，雌体和雄体有3对完全相同，1对则不同，雌的由两条x染色体组成，雄的由一条x染色体和一条Y染色体组成。摩尔根在实验中特别注意了这对不同的染色体(其中包含了性染色体)，并在1910年发表了关于果蝇性连锁遗传的论文，将一个基因和一个具体的染色体的行为联系起来了。
摩尔根的工作使孟德尔的遗传学进入了细胞学，染色体从此被认为是遗传基因的载体。
▲分子生物学和生命起源
生物大分子的基础是蛋白质和核酸。蛋白的名称是瑞典人柏采里乌斯于1836年提出的。1902年，德国人费舍尔(1852—1919)提出了蛋白质的多肽结构学说。其后，生物化学家们又发现生物催化剂——酶、内分泌激素等都是蛋白质。
核酸是瑞士人米歇尔(1844—1927)于1868年在德国做研究时从脓细胞中最先提取出来的。1929年还确定地认识到核酸有两种：DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)。
由于染色体是由蛋白质和核酸构成的，究竟是蛋白质还是核酸在遗传过程中起着主导作用呢?最初，由于人们认为蛋白质比核酸活跃，结构和种类比较多，核酸比较稳定，结构简单，故多把注意力放在蛋白质方面。然而，核酸中的DNA才是遗传的真正物质基础。
生命的物质基础是蛋白质和核酸，人工合成它们是生物化学家们多年的梦想。1955年，英国人桑格在费舍尔工作的基础上，弄清了分子量小、结构简单的蛋白质一胰岛素的51个氨基酸序列。1958年，由王应睐领导的一个中国生物化学家小组开始试探合成结晶牛胰岛素，并在1965年9月首次取得成功。目前合成含有大量氨基酸的蛋白质仍然是困难的。
1924．年，前苏联科学家奥巴林(1894～1980)在《生命起源》一书中认为地球上在有生命前存在着有机小分子物质，它们能在原始地球条件下形成复杂的有机化合物。生物化学家在这方面还做过一些新的模拟实验，提出过一些新的猜想，其中主要有生命起源于水溶液介质的海相起源派和与之相对的陆相起源派。
▲神经和脑科学
神经元理论。1838年捷克人普金叶观察到了神经胞体，并认为细胞相当于能量发生器，神经纤维相当于能量传输器。德国人盖拉赫(1820～1896)于1871年提出神经系统像一个复杂的网状结构。瑞士人希斯认为神经系统是由许多独立的细胞组成的。1891年，德国人哈茨(1836～1921)赞成神经细胞的假设，并建议称神经细胞为神经元。然而，这两种理论的争论一直持续着。直到1934年，西班牙组织解剖学家卡哈尔(1852～1934)在他的一本专著中提出了令人信服的论据，使神经元理论被人们普遍接受了。
反射学说。19世纪30年代，英国人霍尔(1790~1857)研究了一类如手碰到火立即缩回的不随意活动，将这类活动称为反射。1893年，英国人谢灵顿(1857～1952)在研究膝跳反射后得出结论：神经干不仅有传出运动的纤维，也有传入感觉的纤维。第一次世界大战以后，谢灵顿开始研究中枢神经抑制的本质，他的成果使生理学家认识到，兴奋和抑制之间的平衡是引起反射活动的决定性因素。
1902年前，巴甫洛夫是一个消化生理学专家，1902年后开始研究神经系统，建立了条件反射概念。
大脑功能区的定位。法国人弗卢伦斯(1794～1867)最先在他的著作中提出，高等动物的大脑主司感觉和思考，小脑协调运动，延髓为生命中枢。美国人斯佩雷和加扎尼加(M．s．Gazzaniga)在60年代对癫痫病人作脑两半球割裂治疗时观察到：两半球有不同的分工，但各自又为一个独立的脑；每一个脑都有高级智慧机能；但语言机能主要在左侧，动作机能主要在右侧。这个研究成果改变了以往认为脑两半球对称的概念。左脑长于数学、逻辑和语言功能等抽象思维；右脑长于综合、直觉、想象等形象思维。斯佩雷的研究成果不但使其获得了1981年的诺贝尔生理学及医学奖金，而且正在引起人类对脑科学和文明发展关系的重视。当前，重新认识和发挥右脑的功能和作用，正在引起人类教育方式的变化和思维方式的再一次革命——右脑革命。
现代数学的发展
第二次世界大战以来，由于技术和工业的迅速发展，带动了数学向应用方向的发展。运筹学的诞生是这方面最突出的例子，它包括以下4个主要分支。
对策论。1944年冯·诺依曼和摩根斯特恩(Oskar．Mot—genstern)合著的《对策论与经济行为》奠定了现代对策论的基础，把对策研究从古代的军事政治领域扩大到了社会经济生活领域。
规划论。它主要研究计划和管理工作中的安排与估值问题，用数学语言描述便是：研究某一目标函数在一定约束条件下的最大值和最小值问题。通俗的例子是：要去某地时，考虑有几条路可走，走哪一条最快最省力。它的内容包括线性规划、非线性规划、动态规划等。前苏联科学家康特洛维奇1939年出版的《生产组织与计划中的数学方法》是这方面的早期著作。50年代以来西方出版了许多规划论著作。
排队论。它的目的是解决“怎样才能使服务系统的效率最高”的问题。1908年出版的丹麦人爱尔朗(A．K．Erlang)的《排队论在丹麦电话系统中的使用》是这方面最早的著作。随着本世纪服务性行业的发展，排队论的研究和应用都有了新的进步。
最优化方法。F．约翰于1948年发表的《以不等式作附加条件的极值问题》一文是这方面最早的文献。最优化方法也就是寻找最好的方式，以达到最优的选择或目标。1953年，美国人J．基弗提出了优选法中的0．618法。中国数学家华罗庚(1911～1985)推动了优选法在工生产方面的应用。
突变论是法国人托姆于1968～1972年间创立的一种新的数学学科。英国人齐曼、前苏联科学家阿诺尔德等人都先后发表了一些突变论内容的文章。这些最早从事突变论研究的人原先都从事拓扑学研究(拓扑学是19世纪以来发展起来的一门数学学科。最初的拓扑学研究图形弯曲、变形、拉大、缩小后仍然保留的性质，现代拓扑学是研究微分流形的拓扑学)。传统的数学分析主要着眼于连续函数，对发散和间断的函数曲线无能为力，突变论试图对系统的不连续过程和状态跳迁进行数学分析。
模糊数学方面最早的文献是美国加州大学札德(L．A．Zadeh)于1965年发表的《模糊集合》一文。这是一个崭新的概念。传统的数学是精确的科学，所处理的是概率等于1的值或事件。模糊数学处理的值是一个连续的量，概率在1和0之间(最浅显的例子是仅仅根据人的声音来判断这个人是谁)。从某种意义上，模糊数学衬托出了传统数学的局限性，界定了传统数学的范围，提出了全新的数学概念，突破了原有的数学领域。目前模糊数学在模式识别中已有了成功的应用。
概率论是研究大量偶然现象的数学学科。卡当、塔塔利亚、帕斯卡、费尔玛、惠更斯等人最早研究了赌博中的概率。雅各·伯努利的《猜度术》、英国人德莫瓦佛的《机会的学说》和辛普生的《论机会的性质与规律》法国人布丰的《或然算术试验》和拉普拉斯的《分析概率论》等，都是概率论的早期著作。20世纪30年代，前苏联科学家柯尔莫果洛夫给出了影响很大的概率公理体系。
数理统计是概率在具体领域中的推广。它的中心任务是研究怎样合理地搜集资料，并利用这些资料对随机变量的数学特征、分布函数进行估计：分析和推断。英国人费歇尔(1890—1962)是数理统计学科的奠基人。