科學思想引領下的新科學時代：X射線、鐳、電子等新發現

發現X射線

最先打破物理學界美好圖景的正是1895年X射線的發現。它像一聲春雷，引發了一系列重大發現，把人們的注意力引向更深入、更廣闊的天地，從而揭開了現代物理學革命的序幕。1901年，首屆諾貝爾物理學獎就授予了它的發現者德國物理學家倫琴(Wilhelm Conrad Rotgen，1845—1923)。倫琴1845年3月27日生於德國萊茵省的雷內普(Lennep)，他是紡織商人的獨生子，童年時代大部分是在母親的故鄉荷蘭渡過的。1868年倫琴畢業於瑞士蘇黎世聯邦工程學院，成為一名機械工程師。1869年，獲哲學博士學位。受老師昆特教授的影響，轉而從事物理學的研究。

倫琴發現X射線時，已經是五十歲的人了。當時他已擔任維爾茨堡大學校長和該校物理研究所所長，是一位造詣很深，有豐碩研究成果的物理學教授。在這之前，他已經發表了幾篇科學論文，其中包括熱電、壓電、電解質的電磁現象、介電常數、物性學以及晶體方面的研究。他治學嚴謹、觀察細緻，並有熟練的實驗技巧，儀器裝置多為自製，實驗工作很少靠助手。他對待實驗結果毫無偏見，作結論時謹慎周密。特別是他的正直、謙遜的態度，專心致志於科學工作的精神，深受同行和學生們的敬佩。19世紀末，陰極射線研究是物理學的熱門課題，許多物理實驗室都致力於這方面的研究，倫琴也對這個問題感興趣。

1895年11月8日，正當倫琴繼續在實驗室裡從事陰極射線的實驗工作，一個偶然事件引起了他的注意。當時，房間一片漆黑，放電管用黑紙包嚴。他突然發現在不超過一米遠的小桌上有一塊亞鉑氰化鋇做成的螢光屏發出閃光。他很奇怪，就移遠螢光屏繼續試驗。只見螢光屏的閃光，仍隨放電過程的節拍斷續出現。他取來各種不同的物品，包括書本、木板、鋁片等等，放在放電管和螢光屏之間，發現不同的物品效果很不一樣。有的擋不住，有的起到一定的阻擋作用。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到過的射線，它具有特別強的穿透力。於是立刻集中全部精力進行徹底的研究。他一連許多天把自己關在實驗室裡，連自己的助手和家人都沒告訴。他把密封在木盒中的砝碼放在這一射線的照射下拍照，得到了模糊的砝碼照片；他把指南針拿來拍照，得到金屬邊框的深跡；他把金屬片拿來拍照，拍出了金屬片內部不均勻的情況。他深深地沉浸在這一新奇現象的探討中，達到了廢寢忘食的地步。平時一直幫他工作的倫琴夫人感到他舉止反常，以為他有什麼事情瞞著自己，甚至產生了懷疑。六個星期過去了，倫琴已經確認這是一種新的射線。才告訴自己的親人。1895年12月22日，他邀請夫人來到實驗室，用他夫人的手拍下了第一張人手X射線照片。1895年年底，他以通信方式將這一發現公之於眾，題為《一種新射線(初步通信)》。因為他當時無法確定這一新射線的本質，倫琴在他的通信中把這一新射線稱為X射線。發現X射線的消息很快傳遍全球，並引起了人們極大的興趣。X射線迅速被醫學界廣泛利用，成為透視人體、檢查傷病的有力工具，後來又發展到用於金屬探傷，對工業技術也有一定的促進作用。X射線的發現對自然科學的發展更有極為重要的意義，它像一根導火線，引起了一連串的反應。許多科學家投身於X射線和陰極射線的研究，從而導致了放射性、電子以及α、β射線的發現，為原子科學的發展奠定了基礎。

倫琴對科學有著崇高的獻身精神。他無條件地把X射線的發現奉獻給全人類，自己沒有申請專利。倫琴還很謙虛，即使當首屆諾貝爾物理學獎授給他時，他也沒有在頒獎大會上發表演說。他不願在公共場合露面，更不願意接受人們的讚揚和吹捧。為了避開人們的訪問和慶賀，他多次遠離柏林，躲到鄉下去生活。

居裡夫人和鐳

X射線的發現，引起了更多的科學家投入到這項新發現的研究。不久，法國物理學家貝克勒爾發現了鈾的天然放射性，從根本上動搖了經典物理學的「原子學說」。而將放射性的研究推向一個高度的是女科學家居裡夫人，她發現了鐳。居裡夫人，原名瑪麗·斯可羅多夫斯卡(Marie Sklodowska，1867—1934)，生于波蘭華沙，她是家中最小的孩子。她的父親是一位收入十分有限的中學教師。她中學畢業時獲得金質獎章，已經掌握了英、德、俄、法、波蘭等五國語言。1891年、她進入巴黎大學理學院學習。1893年，她獲得了巴黎大學物理學碩士學位，次年，又獲得數學碩士學位。後來在巴黎與皮埃爾·居裡(Pierre Curie，1859—1906，法國著名物理學家)相識相愛而結合。

居裡夫人注意到法國物理學家貝克勒爾的研究工作，自從倫琴發現X射線之後，貝克勒爾在檢查一種稀有礦物質鈾鹽時，又發現了一種鈾射線，朋友們都叫它貝克勒爾射線。貝克勒爾發現的射線，引起了居裡夫人極大興趣，射線放射出來的力量是從哪裡來的？居裡夫人看到當時歐洲所有的實驗室還沒有人對鈾射線進行過深刻研究，於是博士研究階段即進入這個領域。居裡夫人進行博士論文答辯時，她的論文題目叫做《放射性物質的研究》。從1897年選定這個研究題目，到1903年完成論文並獲博士學位，一共花了5年多的時間。

鈾射線的研究工作開始後，居裡夫人細心地測試各種不同的化合物。在測量中，出現了一個十分意外的情況：在一種瀝青鈾礦中，居裡夫人測得的放射性強度，比預計的強度要大得多。經過反覆考慮，她認為這種反常現象只有一種合理的解釋，那就是：瀝青鈾礦石中，一定含有一種未知的放射性更強的元素。這時候，皮埃爾已經感覺到夫人的研究太重要了，他毅然停下自己關於結晶體的研究，和妻子一起研究這種新元素。1898年7月，他們終於發現了一種新的放射性元素。為了紀念居裡夫人的祖國波蘭，他們把這新發現的元索取名為「釙」。這年年底，他們又發現了一种放射性極強的未知元素，把它定名為「鐳」。

可是，當時誰也不能確認他們的發現，因為按化學界的傳統，一個科學家在宣布他發現新元素的時候，必須拿到實物，並精確地測定出它的原子量，而居裡夫人的報告中卻沒有釙和鐳的原子量，手頭也沒有鐳的樣品。居裡夫婦決定拿出實物來證明。當時藏有釙和鐳的瀝青鈾礦，是一種很昂貴的礦物，而且其中鐳的含量極微，許多噸礦石僅能艱難的分離出一克的極小分數的鐳鹽。後來他們想到從礦物殘渣中提取，這樣會經濟很多，經過無數次的周折，奧地利政府決定饋贈一噸廢礦渣給居裡夫婦，並答應若他們將來還需要大量的礦渣，可以在最優惠的條件下供應。經過夜以繼日的努力工作，1902年底，居裡夫人已經提煉出0.12克極純淨的氯化鐳。在光譜分析中，它清楚地顯示出鐳的特有的譜線，與已知的任何元素的譜線都不相同，居裡夫人還第一次測出它的原子量是225，放射性比鈾強200萬倍。

1903年，居裡夫人和丈夫及貝克勒爾共同分享了諾貝爾物理學獎。可是，他們夫婦太累了，沒有力氣親自去領獎。1911年，她因發現兩種新元素獲得諾貝爾化學獎。她成為第一位兩次獲得諾貝爾獎殊榮的人物。但是，巨大的榮譽並沒有改變她一貫的平易的作風。第一次世界大戰期間，她親自駕駛一輛戰地救護車，做人道主義救護工作。由於長期受放射性的照射，居裡夫人不幸染上了白血病，1934午7月4日在法國去世。居裡夫人給後人留下的不僅是科學上的偉大成就，她的高尚道德品質更值得人們永遠學習。

電子的發現

X射線的發現，導致了放射性物質的發現，使得陰極射線的本性問題在物理學界爭論已久。德國物理學家大多認為是一種以太波，英國人則認為是一種帶電粒子流，這就促進了電子的發現。

湯姆遜(Thomson，JosephJohn。1856—1940)出生於英國，14歲時進入曼徹斯特大學學習。1876年，20歲的湯姆遜被保送到劍橋大學深造，成為知名教授路茲的得意門生，27歲時被選為皇家物理學會會員，倫琴射線的發現吸引了湯姆遜。1897年，他在「克魯克斯管」的兩旁加了電場，發現陰極射線在電場和磁場作用下均可以發生偏轉、其偏轉方式與帶負電粒子相同，這就證明了陰極射線確實是一種帶負電的粒子流。湯姆遜還測出了這種粒子流的質量與電荷的比，其值只有氫離子的千分之一。1898年，湯姆遜又進一步證明了該粒子流所帶電荷與氧離子屬於同一量級，這就表明，其質量只有氫離子的千分之一。湯姆遜將之命名為「微粒」，後來又稱「電子」，意思是說它是電荷的最小單位。湯姆遜指出，電子比原子更小，是一切化學原子的共同組分。

1903年，湯姆遜提出原子結構模型好似實心小球的西瓜，電子是瓜子，帶負電；帶正電的物質是西瓜瓤，均勻地分布在原子內，帶正電的物質的體積幾乎是整個原子的體積。電子在球體中遊動，在靜電力的作用下，電子被吸收到中心，它們又互相排斥，從而達到穩定狀態。

湯姆遜一生兢兢業業，奮鬥不止。吉德勳爵夫婦的掌上明珠露絲小姐，早在劍橋上學時就愛上了湯姆遜，等了多年不見回音，就提筆給他寫了情書：「現在，你是年輕的皇家學會會員，最崇高的湯姆遜教授，親愛的，我們該結婚了吧？」湯姆遜壯志未酬是不願意結婚的，回信安慰心愛的人說：「再等一等，等我獲得亞當斯物理學獎時咱們再結婚，那樣，你不會覺得更光榮，更幸福嗎？」1890年元旦，湯姆遜獲得了亞當斯物理獎。獲獎的第二天，34歲的湯姆遜懷著勝利的喜悅與幸福的心情和露絲小姐結為百年之好，一時成為劍橋大學的美談。

電子的發現，揭示出了電的本質，打破了幾千年來人們認為原子不可再分的陳舊觀念，證實了原子還有其自身的結構，揭開了人類向原子世界進軍的序幕，也為以後的科學研究開闢了新的道路。世紀之交的另一革命理論電子力學就是在原子物理學的基礎上建立起來的。

愛因斯坦和相對論

牛頓力學和麥克斯韋電磁理論，是經典物理學最重要的內容和基礎。但是，這兩個學說卻在以太問題上遇到了根本性的困難。第一，按照麥克斯韋的理論，電磁作用(包括光)是靠以太為介質來傳遞的，以太無處不在，例如，太陽光之所以能傳到地球，就是因為在太陽到地球的空間充滿著以太；第二，按照牛頓力學，任何機械運動都是相對於一個參考系進行的，如果以太瀰漫於整個宇宙空間，它就是一個理想的參考系，各種物體的運動都可以看作是相對以太進行的，第三，從上面兩個理論得出結論，處於以太海洋中的地球要繞太陽運行，如果以太是靜止的而不能被地球帶動，那麼，地球就會在以太中以每秒30萬千米的速度運動，地球上的人會感到有每秒30萬千米的「以太風」迎面吹來。但是人們在日常生活中並沒有感受到以太風。「以太」是笛卡兒從古希臘哲學中引入科學的一個概念，用來代表一種充滿宇宙，能夠傳遞力的特殊的沒有重量的物質。但是「以太」到底是什麼，這一直是一個科學之謎。19世紀的物理學家們為了探索以太問題進行了大量的實驗和觀測。然而，所有這些實驗和觀測都不能證實以太和以太風的存在。

19世紀到20世紀之交的物理實驗和理論準備表明，建立新的時空理論和物質運動理論的條件已經具備。在這樣的條件下，愛因斯坦(1879—1955)創立了具有劃時代意義的相對論學說。

愛因斯坦(Albert Einstein，1879—1955)1879年生於德國，父母是猶太人。1933年，因受納粹政權迫害，遷居美國。他從小對音樂有著特別的愛好，6歲開始就迷上了小提琴。愛因斯坦性情孤僻，不喜歡同人交往，也並不顯得聰明，似乎沒有超人之處，從小學到大學沒有哪位老師特別寵愛他。他大學一畢業就失業了，做過家庭教師，後來才在伯爾尼瑞士專利局找到了技術員的固定職業。然而，愛因斯坦在年輕時就自學了幾何、微積分和康德的哲學著作，善於獨立思考，有強烈的批判精神。他在中學的時候就曾設想，倘若一個人以光的速度跟著光波跑是否會處於一個不隨時間而改變的波場中。在大學學習物理的4年中，他大部分時間花在實驗中並自學著名物理學家基爾霍夫、赫爾姆霍茨、赫茲、馬赫和麥克斯韋等人的著作。愛因斯坦熟知經典物理學遇到的困難和洛倫茲、彭加勒等人為擺脫困境所做的努力。

1905年，愛因斯坦經過不懈的努力在德國《物理學年鑑》上發表了創立狹義相對的30頁論文《論動體的電動力學》。同年，又在該雜誌上發表《物體的慣性同它所包含的能量有關嗎》，對相對論做了重要補充。

狹義相對論的兩條基本原理即相對性原理和光速不變原理。相對性原理指出，物理學定律在所有慣性系中的描述形式是相同的，即所有的慣性系是等價的，不存在特殊的慣性系。光速不變原理指出，在所有慣性系內，真空中的光速具有相同的定值。

從古至今，人們都認為空間就是容器裡面的虛空，時間跟流水一樣不停地流逝，時間和空間沒有任何關係。而從狹義相對論的角度來看，時間、空間、物質並不是相互獨立存在的，而是緊緊地聯繫在一起，離開了物質或時間談空間是沒有意義的；同樣地，離開了空間或物質談時間也是沒有意義的。狹義相對論認為，運動使時間變長，使空間變小。比如說，如果你坐上高速運動的宇宙飛船，飛行10年後回到地球，也許你會發現地球上已經過了20年；或者你去測量高速運動的物體，你會發現它比靜止的同樣物體小。這很像中國古代神話傳說裡的描寫，竟然在這裡得到了印證。

狹義相對論誕生之後，很少受到物理學界的重視，據說全世界只有12個人理解他的理論。在絕大多數物理學家還根本不能接受這個新理論時，愛因斯坦就已積極地把這一理論繼續向前推進了。1907年，他把研究的興趣從狹義相對論轉向它的推廣。因為狹義相對論的使用範圍僅局限於勻速直線運動體系，還不能解釋加速運動體系和萬有引力問題。

1912年，狹義相對論已經在科學界贏得聲譽，愛因斯坦回到母校蘇黎世工業專科學校任教後，在他的老同學、該校數學教授格羅斯曼的協助下，找到了「黎曼幾何」強有力的數學工具。1915年3月，愛因斯坦在普魯士學院宣布了他們找到的引力場方程。1916年正式發表了《廣義相對論原理》這篇著名論文，論證了空間的結構和性質取決於物質的分布，現實存在的空間不是平坦的歐幾裡得空間，而是彎曲的黎曼空間，空間的曲率體現著引力場的強度。1919年，愛因斯坦在介紹相對論時說：「相對論有點像兩層的建築，這兩層就是狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論適用於除了引力以外的一切物理現象；廣義相對論則提供了引力定律以及它與自然界別種力的關係。」

愛因斯坦根據新的科學實驗事實，對牛頓經典力學做了深刻的反思，吸收世紀之交的科學新思想，發揮創造天才，經過十年深思創立了狹義相對論，又經過十年鑽研創立了廣義相對論。他說：「相對論的興起是由於實際需要，是出於舊理論中的嚴重和深刻的矛盾已經無法避免了。新理論的力量在於僅用幾個非常令人信服的假定，就一致而簡單地解決了所有這些困難。」愛因斯坦成名後，得到了全世界的熱烈讚揚和尊重。對此，他深感不安，他說：「我的政治理想是民主主義。讓每一個人都作為個人而受到尊重，而不讓任何人成為被崇拜的偶像。我自己受到了人們過分的讚揚和尊敬，這不是由於我自己的過錯，也不是由於我自己的功勞，而實在是一種命運的嘲弄。」

愛因斯坦創立的相對論毫無疑問具有創時代的深遠意義，它引起了古老物理學的徹底革命，並進一步奠定了日後物理學發展的基石，更是人類思想史上最偉大的成就之一。愛因斯坦一生孤獨，有一次他和喜劇大師卓別林一道參加一個慶祝會，受到當地人民的熱烈歡迎。卓別林開玩笑地說：「他們歡迎我是因為他們能理解我，而他們歡迎你是由於他們不理解你。」

量子力學的建立

在19世紀中葉，就有一些物理學家開始關注熱輻射問題，由於各種物體輻射能量按波長的分布不僅與物體的溼度有關，而且也與物體表面材料的性質有關，為了簡化問題的處理，德國物理學家基爾霍夫(G.R.Kirchhoff，1824—1887)提出用絕對黑體(簡稱黑體)作為研究熱輻射的理想化對象。1893年，德國物理學家維恩(W.Wien，1864—1928)根據實驗數據，得出了以他名字命名的維恩位移定律。這個定律表明，隨著黑體溫度的升高，對應著它所發射的光線的最大亮度的波長將變短，即向光譜的紫色區移動。雖然維恩位移公式所表述的規律在短波部分與實驗曲線符合得比較好，但在長波部分卻低於實驗值。

1900年，英國物理學家瑞利(J.Rayleigh，1842—1919)從經典理論推導出一個與維恩公式不同的黑體輻射公式，這個公式的主體部分在長波段與實驗吻合較好，但在短波(即紫外線)段卻是發散的。瑞利當時為了克服這一缺陷，人為地設置了一個負指數項以消除這個效應。當年10月，富有創見的德國物理學家普朗克(Max.Planck，1858—1947)獲悉了瑞利的結果，他採用數學上的內插法，從維恩公式和瑞利公式得出了一個新的能量分布公式。這個公式與實驗結果符合得非常好。但令人不解的是，這個公式卻不能從經典理論中推導出來。普朗克為了尋求隱藏在這個公式後面的物理意義，進行了艱苦的理論研究工作，提出了量子概念。

然而，普朗克的量子概念在當時並沒有引起科學家們的太多注意，連他自己也沒有認識到這個概念深遠的革命意義，只是把它當成是一個不得已而為之的「形式上的假說」，甚至試圖把量子概念重新納入經典物理學的軌道。1905年，英國物理學家金斯(J.H.Jeans，1887—1946)仍然沿著瑞利的思路繼續研究，用經典物理學理論嚴格推導出了一個輻射能量密度分布公式，得出一個後來被稱為瑞利-金斯公式的表達式。這個公式在光譜的長波(紅光區)部分與實驗很符合，而在短波部分卻偏離實驗結果，以致在紫外光區域導致發散的結果，即據此求出的能量密度為無限大，這顯然是荒唐的，但這個結果開始引起一些物理學家對經典物理學理論解決黑體輻射問題能力的懷疑，這一實驗結果被稱為經典物理學的「紫外災難」。

普朗克的量子理論，還是得到了目光敏銳的科學家們的支持，首先就是愛因斯坦。他意識到量子論將帶來科學的根本變革。他在1905年3月在德國權威的物理學雜誌《物理學年鑑》上發表了一篇題為《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》的論文，全文共分9個部分，其中一個部分涉及到光電效應問題。他在這篇論文中成功地運用普朗克的量子概念解決了包括光電效應在內的一系列光的產生與轉化問題；而且首次提出了光既有波動性，又有粒子性的觀點，也即光具有「波粒二象性」。他指出：對於統計的平均現象，它表現為波動性；對於瞬時的漲落現象，它表現為粒子性。從而結束了從惠更斯和牛頓以來關於光的本性的長期爭論，把波動說與粒子說統一起來了。

愛因斯坦提出光量子理論以後，量子理論引起了越來越多物理學家的重視，並得到了廣泛的傳播。不僅有許多歐洲一流的物理學家和化學家轉而接受量子概念，而且還吸引了大批年輕的科學工作者投身於解開量子之謎和把量子理論應用到更多領域的研究，玻爾(N.Bohr，1885—1962)就用量子理論解決了盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937))模型的困難。從普朗克的量子假說到玻爾的原子結構理論，量子概念已經從一個僅僅說明與輻射問題有關的形式上的假說，發展成為說明微觀現象本質的必不可少的概念。因此，玻爾原子結構理論的建立，在量子論發展史上具有裡程碑的重要意義。

在量子理論中，做出劃時代貢獻的是德布羅依(L.De Broglie，1892—1987)。他出身貴族，承襲了公爵爵位，他的哥哥也是一位物理學家。德布羅依原來學習歷史，大學畢業後潛心研究物理學。在1923年想到，愛因斯坦在1905年的發現應當加以推廣。他把光的波粒二象性擴展到一切粒子，特別是電子，從而提出了「物質波」的假說。

德布羅依的工作不僅把過去認為是根本對立的波動性和粒子性協調地貫穿在一切微觀物理現象之中，揭示了物質的一個根本屬性，而且從理論上來說，他的工作的重要意義還在於揭示了狹義相對論和量子論在本質上的深刻聯繫。他自己也一直認為：「沒有相對論思想，特別是沒有相對論加速度原理和相應的動力學，光量子的特點是無法理解的，只有在相對論物理學中光子才能找到一席之地。」德布羅依的工作為量子論的進一步發展開闢了一條嶄新的道路，但對物質波的解釋，尤其是如何說明微觀世界普遍存在的波粒二象性的特徵，德布羅依卻遇到了許多困難。他的將波和粒子這兩個互不相容的概念，機械地結合在單一的形象中的嘗試沒有獲得成功。這就迫切需要從根本上建立一個完全拋棄經典觀點的新理論。

德布羅依的成果，被奧地利物理學家薛丁格(E.Schringer，1887—1961)、海森堡(W.K.Heisenberg，1901—1976)等人所發展，創立了量子力學。薛丁格和海森堡是沿著兩條完全不同的路線進行的：矩陣力學和波動力學。

矩陣力學和波動力學不僅在數學形式上不同，而且二者所描述物理圖景的出發點也不一致，矩陣力學從微觀世界的粒子圖景出發，波動力學則認為微觀世界都是波；同時如何協調二者之間的關係也是一個重要的問題。1926年，薛定鍔(E.Schringer，1887—1961)是從數學上證明了矩陣力學與波動力學是等價的，其實質應當一致。隨著玻恩提出對波函數的統計解釋，海森堡(W.K.Heisenberg，1901—1976)等人也接受了波動力學。後來，狄拉克(P.A.M.Dirac，1902—1984)又進一步提出了普遍變換理論，認為可以通過數學變換來達到矩陣力學和波動力學間的相互轉換，二者實際上只不過是一個統一的量子理論的不同表述形式而已。這才終於使二者殊途同歸。德布羅依、海森堡、薛丁格、狄拉克都是現代物理學的奠基人和開拓者，由於他們的出色工作，都分別獲得了諾貝爾物理學獎。

為了給量子力學的統計解釋找到更為基本的物理詮釋，海森堡和玻爾等人又做了更進一步的工作。1927年3月，海森堡發表了《關於量子論的運動學和力學的直覺內容》一文，從薛定鍔方程出發，推導出了著名的測不準關係，或稱不確定性關係，即微觀粒子位置的測量誤差和它動量的測量誤差的乘積大於或等於普朗克常數的一半。它表明微觀客體的位置和動量不能同時精確地測量。同時，能量和時間也存在類似的關係。

測不準關係是微觀世界特有的基本關係，它說明了用經典力學來描述微觀粒子的局限性，指出了經典力學的適用範圍，劃出了經典力學與量子力學的界限。只有當測量對象大到一定程度時，我們才可以同時精確測量物體的位置和動量，否則由於測量儀器對被測量對象的不可避免的幹擾，必然會改變微觀客體的原有狀態，測量對象不再與測量過程無關，而是與觀測本身密切相關。正因為如此，我們無法通過精確測量嚴格確定微觀事件本身，只能描述事件的機率。

玻爾則試圖從哲學上揭示微觀客體波粒二象性的本質，提出了著名的「互補原理」。他認為，波動和粒子是描述兩種宏觀現象的經典概念，二者在宏觀上不能相容，是相互矛盾的，但任何一個單獨的概念又都不足以完整地描述同一個微觀現象，必須將這兩種概念的描述結合在一起才能勾畫出所描述微觀現象的統一圖景，即二者互相排斥，但又互相補充。測不難關係和互補原理都表明，在微觀事件中，嚴格的因果決定論是不成立的。這就為量子力學非決定論的統計解釋提供了依據。

玻爾的互補原理不僅是玻爾對量子力學基礎的一種解釋，而且也是玻爾的哲學思想。他認為互補原理是一個普遍的認識論原理，不僅適用於對微觀世界的認識，也適用於我們對生命本質，對人類文化、藝術、社會關係，乃至對思維自身的研究。「包含在原子物理學發展中的認識論教益也使我們想到遠遠超出物理科學的經驗描述和理解方面，也有同樣的情況，而且，這種教益也使我們可以找到一些共同的特點以促進知識的統一。」玻爾提出互補原理不僅表達了科學家在研究科學前沿問題時對哲學的重視和哲學對科學的引導、詮釋作用，而且互補原理本身也確實對人們探討科學問題有一定的啟發作用，體現了辯證法的思想。

太陽也會老——對恆星世界的新認識

19世紀後半葉，照相技術、光度測量技術、光譜分析技術開始應用於天文學，使得天文學家能夠研究天體的物理狀態、化學成分和內部發展過程了，從此，天體物理學應運而生，對太陽乃至恆星世界都有了新的認識。

對人類來說，太陽是最重要的一個天體。日復一日，年復一年的東升西落，讓我們覺得它永遠充滿著活力，永遠不會老。其實不然，現代天文學告訴我們，太陽也不過是宇宙中千千萬萬顆恆星中的一員，所有的恆星都有其自身從生到死的過程，只是有的壽命長些，有的壽命短些。大體上，一顆恆星的一生要經歷以下幾個階段：

(1)引力收縮——恆星形成階段。由於彌散於星際間的物質分布不均勻，密度較大處便成為引力中心，星際物質逐漸向該處聚集形成星際雲。星際雲因引力作用而收縮，起初收縮得比較快，星際雲在收縮過程中轉化為恆星胚，後來收縮速度轉慢，恆星胚逐漸轉變為恆星。

(2)主序星階段。在恆星形成之後，恆星內部的氫核聚變成了它的主要能源，其後恆星的輻射壓力、氣體壓力與恆星的自吸引力趨於平衡，恆星基本上既不收縮也不膨脹，這是恆星一生中時間最長的相對穩定時期。不同質量的恆星穩定時期各不相同，質量越大的恆星時間越短，質量越小的恆星時間越長。

(3)紅巨星階段。氫核聚變反應主要在恆星的中心部分進行，隨著時間的推移，靠近中心部分的氫逐漸耗盡而形成為氦核，氦核的周圍則仍然是進行著氫核聚變的殼層。當氦核的質量達到恆星質量的10%—15％時，其核心部分又因引力而收縮，溫度隨之升高，至中心溫度達到1億度時，3個氦核聚合為1個碳核的核聚變就要發生。這時星體的內部膨脹，吸收熱量，而星體的表面積擴大，溫度降低，這就成了紅巨星。

(4)高密恆星——恆星演化的最後階段。當紅巨星內部能夠發生核反應的物質都耗盡時，它的末日也就來臨。其質量小於1.44個太陽的，就成為白矮星，現在已經觀測到的白矮星有1000顆以上。質量在1.44—2個太陽之間的，成為「中子星」。中子星的存在首先出自理論預言，人們認為現已發現的幾百顆脈衝星就都是中子星。有人運用廣義相對論研究中子星結構，認為它們的直徑一般只有幾十千米，而密度則大得驚人，它的外殼的密度約為1011—1014g/cm3 ，裡層密度約為1014—1015 g/cm3 ，內部密度則更達1016 g/cm3 。質量超過兩個太陽的將成為「黑洞」。黑洞也是廣義相對論所預言的一種天體。1939年美國理論物理學家奧本海默(J. Robert Oppenheimer，1904—1967)從廣義相對論推斷，當一個大質量天體的外向輻射壓力抵抗不住內向的引力時，它就要發生塌縮，塌縮到某一臨界大小時便因巨大的引力作用而形成一個被稱為「視界」的邊界，視界之外的物質和輻射可以進入視界之內，但視界之內的物質和輻射不可能逸出視界之外。因為對於任何探測手段來說它完全是「黑」的，所以把這種天體稱為黑洞。

太陽作為恆星世界的一員自然也符合上述規律。現代天文學研究表明，太陽已有約50億年的年齡，正處於壯年期，它的壽命大約為100億年左右，也就是說它還將停留在主星序階段照耀地球50億年。然後，它的半徑將增加100倍或更多，成為一顆紅巨星，吞沒包括地球在內的所有內行星。最後，太陽將變成一顆白矮星，那是它的歸宿。應該說，現代天文學的研究結果對人類的最終前途是悲觀的。因為，人類即使「無病無災」地一代一代繁衍下去，再過50億年，也會與太陽、地球一起毀滅。不過，50億年畢竟是一個極為漫長的過程，在這50億年裡什麼事情都可能發生，不可遽下斷語。

地學的新發展——從大陸漂移說到板塊結構說

18世紀中葉，康德提出關於天體演化的星雲假說，經拉普拉發展以後，在學術界產生很大影響。地球也是太陽系一員，當然也應該有其演化歷史。受星雲假說影響，19世紀，有地質學家提出「冷縮說」解釋地球歷史，並用以說明地球面貌和山脈的成因，從而推動了大地構造學的發展。

冷縮說認為地球在冷縮過程中會引起地殼的運動，但它強調的是地層的褶皺、斷裂和地殼的垂直升降運動，不曾談到地殼在水平方向上的大範圍運動。賴爾的《地質學原理》中提出了地殼發展的均變論和「以今論古「的研究方法，對地質學發展影響也很大，但他同樣不曾談到地殼的水平運動。大陸是固定的，海洋是不變的，這是19世紀地學中的一個基本觀點。關於地殼水平運動的學說，20世紀先是有大陸漂移說，而後發展為板塊結構說。

大陸漂移說從思想淵源上可以說是由來已久，但直到19世紀末一直未能成為科學學說。弗蘭西斯·培根在17世紀初就已指出，大西洋兩岸海岸線形狀的吻合不是偶然的。18和19世紀都有生物學家指出，大西洋兩岸的生物有親緣關係，表明兩岸過去可能是相連的。那時由於人們覺得大陸漂移是難以想像的，所以提出「陸橋說」——認為大西洋兩岸之間過去有狹長的陸地之橋相連，後來被海洋吞沒了。但是，隨著地質考察的發展，陸橋說漏洞越來越多，人們找不到陸橋的蹤跡，用陸橋說也難以說明大西洋兩岸生物、地層構造、巖石結構等許多方面的相似性。

20世紀初，相繼有地質學家提出大陸漂移說，其中影響最大的是魏格納(A.L.Wegener，1880—1930)。他認為，在地質史上的古生代，地球上只有一塊大陸——聯合古陸，其周圍是大洋。自中生代以來，它開始分裂，裂塊漂移開來，形成今天所見的幾塊大陸和無數島嶼，原先的大洋也被分割為幾個大洋和一些內海。按魏格納的說法，大陸漂移至今仍在繼續。為取得大陸漂移的直接證據，他先後4次赴格陵蘭重複測量經度。後在格陵蘭遇險，為科學獻出了生命。

雖然有許多事實用大陸漂移說才能給出合理的解釋，但在20世紀上半葉並沒有直接證據證明大陸在漂移，也無法解釋使大陸漂移的巨大力量究竟是什麼。隨著魏格納去世，大陸漂移說在20世紀30和40年代逐漸沉寂下去。大陸漂移說在50年代由於地磁測量工作的成果而復興。人們發現，在不同地質時期，地磁極的方位是不同的。在進一步對地磁極移動軌跡進行分析之後發現，只有把現在的北美洲相對於歐洲向東旋轉30°，也就是假定大西洋並不存在，歐洲與北美洲聯在一起，分別從歐洲和北美洲的巖石標本得出的地磁極移動軌跡才能一致起來。

第二次世界大戰後，以掠取海洋礦產資源為目的的海洋地質學發展起來，為大陸漂移說提供了更有力的證據。深海鑽探、海洋重力測量、地磁測量、地熱測量、聲納技術、同位素地質年代測量等現代科學技術，為海洋地質學發展提供了有力的手段，取得了豐富的科學成果。其中有許多出乎人們預料的重大科學發現，尤其重要的是以下幾項：

第一是發現洋底地層很年輕。原先人們認為先有海洋，後有大陸，洋底地層應比大陸地層更古老，但是實際上洋底沒有早於中生代的沉積物，而且巖石類型比大陸上少得多，表明洋底地層很年輕。

第二是發現洋中脊。原先認為洋底是沉積而成，應當非常平坦。實際上洋底也有山脈，有一種洋底山脈的形態是線狀延伸，長度數千千米以上，寬度只有數百千米，猶如洋底的脊梁，故名洋中脊。全世界大洋底部的洋中脊互相連接，構成了一個完整的體系。洋中脊兩側的地層是對稱的，越近洋中脊處地層越年輕。地磁測量發現洋中脊兩邊的地磁情況也是對稱的，地熱測量又發現洋中脊是洋底熱流量最大的地方。

根據海洋地質學的這些重大發現，有地質學家於20世紀60年代初提出了海底擴張說，認為洋中脊是由於地幔物質從地殼裂縫處上升而形成的；由于洋中脊處不斷形成新的地殼，使得兩邊的地殼受擠壓而不斷向外移動，海底是在不斷擴張之中。

海底擴張說是大陸漂移說的繼續與發展，到20世紀60年代未之後又發展為板塊構造學說。板塊構造學說認為，地球巖石圈是由若干板塊構成的，洋中脊與轉換斷層、俯衝帶和地縫合線是板塊的邊界，是構造運動最劇烈的地方，全球地殼構造運動的基本原因就是板塊的運動和板塊之間的相互作用。板塊構造學說是海洋地質學與大陸地質學研究的綜合成果，它告訴我們大陸不是固定的，大陸有分有合；海洋不是自古至今永遠不變的，海洋有生有滅。板塊構造學說給我們描繪的地球是一個不斷發展變化的地球，開創了人對地球認識的新階段，有人將之稱為地質學上的革命，猶如哥白尼日心說的提出對天文學的影響。

染色體的發現和分子遺傳學的建立

細胞學說為遺傳學的發展奠定了理論和實驗基礎，進化論也波及生命科學領域，孟德爾(Gregor Johann Mendel，1822—1884)提出了「遺傳因子」的概念，指出由於遺傳因子的作用，生物在進化過程中並不是連續地變異。

1909年，美國生物學家、哥倫比亞大學生物學教授摩爾根(Thomas Hunt Morgan，1866—1945)開始以果蠅為材料做遺傳學研究，真正解開了遺傳因子的奧秘。摩爾根就出生在孟德爾發表豌豆遺傳論文的1866年，青少年時代的摩爾根喜歡遊歷，多姿多彩的大自然吸引他走上了探索生物奧秘的道路。1886年，摩爾根考取霍普金斯大學研究院的研究生，主要從事生物形態學的研究，最終獲得博士學位。後來，因為發現了染色體的遺傳機制，創立了染色體遺傳理論，成為現代實驗生物學奠基人。1933年由於發現染色體在遺傳中的作用，贏得了諾貝爾生理學或醫學獎。

摩爾根在攻讀博士研究生期間和獲得博士學位後的10多年裡，主要從事實驗胚胎學的研究。1900年，孟德爾逝世16年後，他的遺傳學說才又被人們重新發現。摩爾根也逐漸將研究方向轉到了遺傳學領域。摩爾根起初很相信這些定律，因為它們是建立在堅實的實驗基礎上的。但後來，許多問題使摩爾根越來越懷疑孟德爾的理論，與此同時，德弗裡斯(Hugo Marie de Vrier，1848—1935)的突變論卻越來越使他感到滿意，他開始用果蠅進行誘發突變的實驗。他的實驗室被同事戲稱為「蠅室」，裡面除了幾張舊桌子外，就是培養了千千萬萬隻果蠅的幾千個牛奶罐。

1910年5月，在摩爾根的實驗室中誕生了一隻白眼雄果蠅。摩爾根把它帶回家中，把它放在床邊的一隻瓶子中，白天把它帶回實驗室，不久他把這隻果蠅與另一隻紅眼雌果蠅進行交配，在下一代果蠅中產生了全是紅眼的果蠅，一共是1240隻。後來摩爾根讓一隻白眼雌果蠅與一隻正常的雄果蠅交配。卻在其後代中得到一半是紅眼、一半是白眼的雄果蠅，而雌果蠅中卻沒有白眼，全部雌性都長有正常的紅眼睛。摩爾根對此現象解釋說：「眼睛的顏色基因(R)與性別決定的基因是結在一起的，即在X染色體上。」或者像我們現在所說那樣是連鎖的，那樣得到一條既帶有白眼基因的X染色體，又有一條Y染色體的話，即發育為白眼雄果蠅。這就是「伴性遺傳」。

摩爾根及其同事、學生用果蠅做實驗材料。到1925年已經在這個小生物身上發現它有4對染色體，並鑑定了約100個不同的基因。並且由交配試驗而確定連鎖的程度，可以用來測量染色體上基因間的距離。1911年他提出了「染色體遺傳理論」。果蠅給摩爾根的研究帶來如此巨大的成功，以致後來有人說這種果蠅是上帝專門為摩爾根創造的。摩爾根發現，代表生物遺傳秘密的基因的確存在於生殖細胞的染色體上。而且，他還發現，基因在每條染色體內是直線排列的。染色體可以自由組合，而排在一條染色體上的基因是不能自由組合的。摩爾根把這種特點稱為基因的「連鎖」。摩爾根在長期的試驗中發現，由於同源染色體的斷離與結合，而產生了基因的互相交換。不過交換的情況很少，只佔1%。連鎖和交換定律，是摩爾根發現的遺傳第三定律。他於20世紀20年代創立了著名的基因學說，揭示了基因是組成染色體的遺傳單位，它能控制遺傳性狀的發育，也是突變、重組、交換的基本單位。但基因到底是由什麼物質組成的，這在當時還是個謎。

摩爾根的基因學說建立以後，許多生物化學家致力於確定基因的物質基礎。「分子生物學」這一術語最早出現於20世紀30年代，但真正蓬勃發展起來是從20世紀50年代開始的，1953年DNA雙螺旋結構的建立是分子生物學誕生的標誌。20世紀40年代末，DNA結構與功能的研究越來越引起學術界的重視，有兩組科學家的研究工作特別引人注目。一組以鮑林(L.C.Pawling，1901—1994)為首，在美國加州理工學院；另一組以維爾金斯(M.Wilkins，1916—2004)和富蘭克林(R.Franklin，1920—1958，女)為首，在英國倫敦皇家學院。他們對DNA晶體做的X射線衍射分析卓有成效。然而最後提出DNA雙螺旋結構的是在英國劍橋大學合作研究的沃森(J.Watson，1928—)和克裡克(F.H.C.Crick，1916—2004)。他們綜合了各方面的實驗數據，再加上自己作出的深刻分析，取得了劃時代意義的成果。

按照雙螺旋結構模型，DNA分子是由兩條走向相反的多核苷酸鏈組成，鏈的主體是糖基和磷酸基，鹼基位於兩條鏈之間；兩條鏈上的鹼基之間靠氫鍵相互吸引，使兩條鏈結合成一體；兩條鏈又像轉圈樓梯扶手的上下邊一樣，圍繞著一個中心軸盤旋，形成雙螺旋結構。四種鹼基之間有固定的配對關係，否則無法形成氫鍵。所以一個DNA分子兩條鏈的鹼基順序有互補關係。在提出DNA雙螺旋結構模型後不久，沃森和克裡克又提出遺傳信息包含在DNA分子的鹼基順序之中，一個基因就是DNA分子的一段。他們還設想了DNA分子複製的方式：兩條鏈互相分開，各以自身為模板，按照鹼基互補關係形成一條新鏈，這樣，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，其結構與母體完全一樣。基因複製這樣一個複雜的生物學問題，就這樣以DNA的分子結構為基礎得到了解釋，生物學問題轉化成了物理與化學問題。

DNA雙螺旋結構模型的提出就像一劑發酵劑，使得以遺傳信息的複製與表達問題為中心的分子生物學研究空前活躍起來。在20世紀60年代，人們就基本闡明了遺傳信息複製、轉錄與指導蛋白質合成的全過程，破譯了全部遺傳密碼。

關於遺傳密碼，一個非常重要的發現是：從最簡單的生物——病毒，到最高等的生物——人，所使用的遺傳密碼是一樣的。這表明所有生物有共同的起源，為進化論提供了新的有力的證明。傳統生物學是以生物體、活細胞為研究對象，分子生物學是以生命大分子為研究對象，在分子水平上揭示生命之謎。分子生物學家的研究方式與研究手段，與傳統生物學家有根本性的不同。「生命科學」這一術語取代了傳統的「生物學」，成為對生命現象研究的最高概括。從技術方面來說，這是基因工程的客觀基礎，也為分子生物學的應用提供了廣闊天地。