王嵎生
20世紀是科學技術飛速發展的世紀。本世紀人類所創造的科技成果和物質財富超過了以往任何時代。它們是推動經濟和社會可持續發展的決定性因素，已經並將繼續改變世界的面貌。其中有些是科技界公認的偉大成就，將永遠在人類歷史上大放異彩。
20世紀初科學革命的兩大成就。
20世紀的科學是在19世紀重大理論成果的基礎上發展起來的，如熱力學和電磁學、化學原子論、生物進化論、細胞理論等。19世紀的三大發現(X射線、放射性和電子)引發了20世紀前30年的物理學革命，誕生了相對論和量子力學，成為20世紀科學發展的先導和基礎。
1，相對論
1905年，20世紀最偉大的科學天才愛因斯坦在26歲時創立了狹義相對論，提出了全新的時空概念和質量(m)能量(e) e = mc2(這裏光速c = 3× 108m/s)的等價關系，為原子能在理論上的應用開辟了道路。
關於e = mc2，即物體儲存的能量等於物體的質量乘以光速的平方，這是不可想象的。比如說，1克物質完全轉化的能量，相當於正常情況下燃燒36000噸煤釋放的全部熱能；也就是說，1克的質量相當於2500萬千瓦時的電能。
1915年，愛因斯坦創立了廣義相對論，深刻揭示了時間、空間、物質和運動的內在聯系——時空隨著物質的分布和運動的速度而變化。它已成為現代物理學的基本理論之壹。
從1923開始，愛因斯坦的後半生致力於統壹場論的探索，試圖建立壹個既包括引力場又包括電磁場的統壹場論。雖然失敗了，但和米爾斯在20世紀50年代創立了“楊-米爾斯場方程”，發展了所謂的“規範場”理論，使愛因斯坦夢想中的統壹場論在規範場的基礎上得以實現。
2.量子力學
1900年，普朗克創立了量子理論，提出了能量不是無限可分的，能量的變化是不連續的新概念。1905年，愛因斯坦提出了光的量子理論，揭示了光的“波粒二象性”。1913年，玻爾將量子化的概念引入原子結構理論。1923年，德布羅意提出物質波理論。1925年，海森堡和薛定諤分別建立了矩陣力學和波動力學。1928年，26歲的狄拉克提出了電子在電磁場中的相對論運動方程和量子場論的原始形式，使包括矩陣力和波動力學在內的量子力學取得了重大進展。
20世紀末量子力學的建立，是繼1905-1915相對論建立之後，經典物理學的又壹次革命性突破。它成功地揭示了微觀物質世界的基本規律，加速了原子物理學和固體物理學的發展，為核物理和粒子物理準備了理論基礎，促進了化學鍵理論和分子生物學的產生。因此，量子力學可以說是20世紀最豐富的科學理論，至今仍具有強大的生命力。
20世紀中後期的五大科學成就
20世紀30年代以來，物質的基本結構、規範場、BIGBANG、遺傳物質分子雙螺旋結構、板塊理論、信息論、控制論、系統論等理論相繼建立，使人類的視野進壹步拓展到更加全面、宏觀和微觀的領域，成為推動人類文明進步的巨大動力。
1，物質的基本結構
從古至今，人們壹直在討論物質是由什麽組成的，是否存在公共的基本單位。直到19年底，人們都認為同壹個本原是原子。1911年，盧瑟福發現原子內部有壹個原子核；1913年，玻爾指出原子核內部發生放射性變化，於是產生了研究原子核的組成、變化規律和內部結合力的核物理。
1932年，查德威克發現了中子。此後，人們認識到各種原子都是由電子、質子和中子組成的，所以這三種粒子和光子被稱為基本粒子。
但是，基本粒子不是“基本的”。壹方面，正電子、中微子、介子等新的基本粒子相繼被發現；另壹方面，基本粒子也有它們的內部結構。20世紀60年代以來，基本粒子結構的誇克模型和層子模型相繼出現，使得誕生於20世紀40年代末的壹門新的獨立學科——基本粒子物理(又稱高能物理)仍然方興未艾，碩果累累。
2.生活大爆炸理論
現代宇宙學的研究起源於愛因斯坦。他在1915年創立廣義相對論後，用它來考察宇宙的結構，在1917年提出了有限和無限的宇宙模型。1922年，弗裏德曼提出了非靜態宇宙模型，認為宇宙可以膨脹。1929年，哈勃確定了星系的紅移(即回歸速度)與距離的線性關系，證實了宇宙膨脹理論。1932年，勒邁特提出了宇宙爆炸理論。
1948年，伽莫夫將核物理知識與宇宙膨脹理論相結合，發展了大爆炸理論，並用它來解釋化學元素的起源。這個大爆炸理論得到了1965年發現的宇宙背景輻射現象和1998年哈勃望遠鏡探測到的星系的有力支持，這些星系距離地球12億光年。
3.DNA分子雙螺旋模型
1953年4月25日，英國《自然》雜誌發表了——DNA雙螺旋結構的分子模型，這是25歲的沃森和37歲的克裏克合作研究的成果。這項成果後來被譽為20世紀生物學最偉大的發現，也被認為是分子生物學誕生的標誌。
DNA是脫氧核糖核酸的縮寫，是遺傳基因的物質載體。在1915到1928期間，摩爾根通過果蠅的實驗證明了位於細胞核內染色體上的基因決定了生物學特性，從而建立了基因學說。染色體由蛋白質和DNA組成。過去，生物學家壹直認為蛋白質是遺傳信息的載體。直到1944，艾弗裏等人才證明遺傳載體不是蛋白質，而是DNA。1953 DNA分子結構雙螺旋模型的建立是解開遺傳之謎的鑰匙。20世紀60年代，尼倫·伯傑等人破解了遺傳密碼，證明地球上所有生物的遺傳密碼都是壹樣的——DNA的四個核苷酸堿基序列代表了基因的遺傳信息，決定了蛋白質中20個氨基酸的組成和排列順序。DNA作為基因的載體，是生命的後臺指揮官，生命的所有性狀都是由DNA決定的蛋白質來表現的。
4.構造板塊理論。
1912年，魏格納提出大陸漂移學說，認為在地質史上的古生代，世界上只有壹個巨大的陸地，周圍是壹片海洋；從中生代開始，這片古老的土地開始分裂漂移，逐漸變成了幾個大陸和數不清的島嶼。原來的海洋分為幾個大洋和幾個小海。
大陸漂移學說經過半個多世紀的發展，從地幔對流學說(1928)和海底擴張學說(191年)發展到1968年Rebichon等人提出的全球板塊構造學說，將世界分為歐洲、亞洲、美洲、非洲、太平洋、澳大利亞和南極洲。
5、信息論、控制論、系統論
1948年，神農的《交流的數學理論》、《維納的控制論:動物和機器中的控制與交流的科學》和貝塔朗菲的《生命問題》的出版，標誌著交叉學科科學信息論、控制論和壹般系統論的誕生。從65438年到0957年，古德等人的《系統工程》的出版奠定了系統工程理論的基礎。自20世紀60年代以來，出現了新的交叉學科——突變理論、協同理論和耗散結構理論。
交叉科學不僅溝通了大量的自然科學學科，而且在方法論上溝通了自然科學和社會科學。它為人們提供了壹種定量、準確、最優的認識世界的方式，對人類社會產生了深遠的影響。
20世紀五大前沿科技成果。
在科學的指導和生產的推動下，20世紀發展了五大前沿技術:核技術、航天技術、信息技術、激光技術和生物技術，能源、材料、自動化、海洋、環境等高新技術取得了巨大進步。
1，核能與核技術
核的裂變和聚變反應將產生和釋放的能量遠遠大於機械能和化學能所產生的能量。核能的和平利用為人類提供了壹個安全、清潔、取之不盡的能源寶庫。
1942年，美國建成世界上第壹座原子反應堆，首次實現手動控制的鏈式核裂變反應。1945第壹顆原子彈爆炸成功。1952第壹顆輕型核聚變氫彈爆炸成功。1954年，蘇聯建成了世界上第壹座原子能發電站。20世紀60年代後，核電站進入實用階段，已成為重要的能源，約占全球總發電量的1/5。
核技術還廣泛應用於農業、醫療、材料、考古和環保等領域。放射性同位素的大規模生產始於20世紀40年代，比利在1947年發明了C14的年代測定法。在1951中，放射性元素如Co60被用於治療癌癥。自20世紀70年代以來，計算機X線斷層掃描(CT)在臨床上得到廣泛應用，並於80年代初發展為核磁共振掃描(MRI)。
2.航空航天和空間技術
1903-1914年，齊奧爾科夫斯基提出了以火箭為動力的航海理論，奠定了航天學的基礎。1919年，戈達德提出了火箭飛行的數學原理，並於1926年成功發射了世界上第壹枚液體燃料火箭。從65438年到0942年，布勞恩設計並發射的液體軍用飛箭成為二戰後各國火箭發展的藍本。
1957年，蘇聯用洲際導彈的火箭裝置發射了世界上第壹顆人造地球衛星，“太空時代”開始了。1961年，蘇聯發射載人飛船，人類第壹次飛上太空。1969年，美國阿波羅11號飛船登陸月球，人類在月球上留下了第壹個腳印。1971年，蘇聯建成空間站，人類第壹次在太空有了活動基地。1981年，美國成功發射航天飛機，從此人類可以自由出入太空。
從20世紀50年代末開始，人類開始探索月球、太陽系內的行星和遙遠的行星際空間。到目前為止，已經發射了超過65，438+000個空間探測器，以揭示宇宙的形成和演化，探索生命的起源以及空間環境對人類生存環境的影響。
3.信息技術
信息技術是20世紀發展最快的技術領域。對人類社會、經濟、政治、文化產生了巨大而深遠的影響。
1906年，三極管電子管的發明放大了電信號，從而使遠距離無線電通信成為可能。1947年，第壹個晶體管的誕生為電子電路的集成化和數字化提供了重要基礎。1945問世的電子計算機，經歷了第壹代(電子管，從40年代中期到50年代後期)、第二代(晶體管，從50年代後期到60年代中期)、第三代(集成電路，從60年代中期到70年代初期)、第四代(大規模和超大規模集成電路，從70年代初期開始)的發展階段。
隨著大規模集成電路的出現，計算機正朝著巨型化和小型化的極端發展。70年代中期，超級計算機的向量運算速度超過每秒1億次；微型計算機已進入千家萬戶，標誌著個人電腦時代的到來。如今，超級計算機的計算速度已經達到每秒3.9萬億次，計算機互聯網在兩億多網民的學習、研究、交流、貿易甚至娛樂中創造了壹種全新的工作和生活方式。
4.激光技術
1917年，愛因斯坦在研究光的輻射過程中提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎。激光是1958年發現的。1960年，美國制造了世界上第壹臺激光器。它以紅寶石晶體為發光材料，以高發光強度的脈沖氙燈為激發光源。這種受激輻射產生的超強光束就是激光。
繼紅寶石激光器之後，半導體激光器(1963)，氣體激光器(1964)，自由電子激光器(1977)，甚至原子激光器(1977)相繼問世。
5.生物技術
基因重組技術(又稱基因工程)是現代生物技術的前沿，在20世紀下半葉蓬勃發展。20世紀60年代末到70年代初，艾伯特和史密斯發現細胞中有兩種“工具酶”，可以“切割”和“連接”DNA。內森首次使用工具酶切割並結合DNA。DNA的重組可以創造性地利用生物資源，實現人類改造生物遺傳特征、生產人類需要的生物類型的意誌。自20世紀80年代以來，已獲得數百種轉基因植物和動物，這對農業發展具有重要意義。轉基因藥物的開發和生產將給人類健康帶來新的福音。
除了基因工程，生物技術(生物工程)還包括細胞工程、酶工程、發酵工程和蛋白質工程。1978年第壹個試管嬰兒路易的誕生，1996年克隆羊多莉的誕生，都是細胞工程的傑作。酵素洗衣粉、嫩肉粉都是酶工程的產物；現代發酵工業是從生產青黴素開始的，現在已經通過發酵工程大規模生產抗生素。至於需要改造天然蛋白質的基因，產生新的優質蛋白質，而這種蛋白質在自然界中是不存在的，越來越受到重視，被稱為第二代基因工程。
20世紀科技發展給20世紀帶來的遺產將包括科學的全球化和社會化，社會的科學化，科學的交叉性、復雜性和綜合性，科技與社會的緊密結合和互動，科技對世界和平和人與自然協調發展的促進作用。有了這些基礎，人類才能滿懷信心地迎接全球知識經濟的新時代！
(作者是中國科學院理學博士、中國科學院自然科學史研究所研究員、中國科學技術史學會秘書長。)