奇点小说

5 轮船的发明富尔顿1807年（第2页）

x射线的发现过程，是一个充满偶然性的故事。1895年，在德国中部的巴伐利亚，伦琴博士正在进行有关密封玻璃管里的发光现象的试验。这就是：在装有两个电极的真空玻璃管（雷钠管）电极上进行加上高电压的实验。这项实验本身并不新鲜，是当时的科学家都知道的，一加高电压，管内就要发光。但是为什么发光，当时还是一个谜。1895年11月8日下午，伦琴和夫人吃完了饭，回到实验室来，要再次观察雷钠管的发光现象。他从架子上拿了一只雷钠管，用黑色纸套把它严严实实地包了起来。接着，他关上门窗，把房间弄黑，然后给管子接通高压电源，让管子放电，以便检查黑色纸套是否漏光。正当他准备开始正式实验时，突然发现一种奇异的现象：附近的小工作台上有一块涂了氰亚铂酸钡的纸板发出一片明亮的荧光。切断电源，荧光也随之消失了。伦琴发现这一现象后，又仔细观察了产生这种现象的原因，他让一系列放电通过阴极射线管，结果纸板上出现了同样的闪光。他确信，纸板发出的荧光，不可能是阴极射线形成的，因为阴极射线的能量连几厘米以上的空气都穿不透，而雷钠管离小工作台有两米多远，阴极射线是无法穿越这样长的距离的。于是，伦琴又把纸板移开，换上照相胶板，结果胶板感光了。接着，他又在雷钠管和照相底板之间放上几种东西：钥匙、自己常用的猎枪。令人惊奇的是，就连钥匙和猎枪金属部分的细小之处都清清楚楚地照出来了。这真是一个惊人的发现。接着，伦琴又让他的夫人把手放在雷钠管和胶板中间，结果，夫人手上的每块骨头以及手上戴的戒指都照出来了。从那天起，伦琴就住在了实验室，夜以继日地进行着研究试验，终于在1895年12月28日发表了研究报告。1896年1月5日，关于x射线的重大报道在维也纳日报上刊出，立即引起全世界的注意。在美国报道此事4天之后，就有人用x射线发现了患者脚上的子弹。x射线很快就进入了医学领域。当时英国一位著名外科医生托马斯。亨利称之为“诊断史上的一个最大的里程碑”。1901年，伦琴由于发现x射线的贡献，获得了诺贝尔物理学奖金。

无线电技术就是利用无线电波传输信息的通信方式。能传输声音、文字、数据和图像等。与有线电通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性好，建立迅速；但传输质量不稳定，信号易受干扰或易被截获，保密性差。人类发明了电报和电话后，信息传播的速度不知比以往快了多少倍。电报、电话的出现缩短了各大陆、各国家人民之间的距离感。但是，当初的电报、电话都是靠电流在导线内传输信号的，这使通信受到很大的局限。譬如，要通信首先要有线路，而架设线路受到客观条件的限制。高山、大河、海洋均给线路的建造和维护带来很大的困难。况且，极需要通信联络的海上船舶，以及后来发明的飞机，因它们都是会移动的交通工具，所以是无法用有线方式与地面人们联络。19世纪发明的无线电通讯技术，使通信摆脱了依赖导线的方式，是通信技术上的一次飞跃，也是人类科技史上的一个重要成就。1894年，即赫兹去世的那年，马可尼刚满20岁，他在电气杂志上读到了赫兹的实验和洛奇的报告。从小就喜欢摆弄线圈、电铃的他，便一头钻进了电磁波的研究中。他想既然赫兹能在几米外测出电磁波，那么只要有足够灵敏的检波器，也一定能在更远的地方测出电磁波。经过多次的失败，他终于迈出了可喜的第一步。他在家中的楼上安装了发射电波的装置，楼下放置了检波器，检波器与电铃相接。他在楼上一接通电源，楼下的电铃就响了起来。晚上，当父亲看到了这个新奇的装置，把以前憋在肚子里的火气和不满都抛到九霄云外，再也不叫他“不切实际的空想家”了。并开始给儿子经济资助，让他一心搞实验。马可尼初次告捷后，信心增强了。他大量收集资料和文章，不管这些文章的作者是有名气的还是无名气的，只要对他有用，有所启发的文章，他都耐心阅读，仔细分析。他把各家的缺点分析清楚，把各人的长处集合起来，改进自己的机器。1895年夏天，马可尼又完成了一次非常成功的实验。到了秋天，实验又获得很大的进步。他把一只煤油桶展开，变成一块大铁板，作为发射的天线。把接收机的天线高挂在一棵大树上，用以增加接收的灵敏度。他还改进了洛奇的金属粉末检波器，在玻璃管中加入少量的银粉，与镍粉混合，再把玻璃管中的空气排除掉。这样一来，发射方增大了功率，接收方也增加了灵敏度。他把发射机放在一座山岗的一侧，接收机安放在山岗另一侧的家中。当给他当助手的同伴发送信号时，他守候着的接收机接收到了信号，带动电铃发出了清脆的响声。这响声对他来说比动人的交响乐更悦耳动听。这次实验的距离达到2。7公里。1937年，马可尼与世长辞，在意大利罗马有近万人为他送葬，同时，英国所有无线电报和无线电话，以及大不列颠广播协会的广播电台停止工作2分钟，向这位无线电领域的伟大人物致哀。马可尼以及其他为无线电通信领域作出过贡献的科学家虽然离开了人间，可是他们发明的无线电通信留给了后人，并将造福于人类的子子孙孙。

玛丽1867年出生于波兰的华沙，高中毕业后，曾患了一年的精神疾病。由于是女性的原因，她不能在俄罗斯或波兰的任何大学继续进修，所以她做了几年的家庭教师。最终，在她的姐姐的经济支持下移居巴黎，并在索邦（sor-bonne，巴黎大学的旧名）学习数学和物理学。经过四年的努力后，玛丽于巴黎大学取得物理及数学两个硕士学位。在那里，她成为了该校第一名女性讲师。玛丽亚在索邦结识了另一名讲师——皮埃尔·居里，就是她后来的丈夫。他们两个经常在一起进行以沥青铀矿石为主的放射性物质的研究，因为这种矿石的总放射性比其所含有的铀的放射性还要强。在研究过程中，她发现能放射出那种奇怪光线的不只有铀，还有钍。因此，她做出大胆判断：还有一种物质能够放射光线，这种新的物质，也就是还未发现的新元素，只是极少量地存在于矿物之中。居里夫人把它定名为“镭”，因为在拉丁文中，它的原意就是“放射”。当时很多科学家并不相信，认为居里夫妇只是一种假设，甚至有人说道：“如果真有那种元素，请提取出来，让我们瞧瞧!”要提炼镭元素，需要足够的沥青铀矿，而这种矿很稀少，价格又很昂贵，他们根本无法得到。这件事后来传到奥地利，迅速得到奥地利政府的支持，奥地利政府赠送他们一吨已提取过铀的沥青矿残渣，这才开始了提取纯镭的实验。经过3年多的艰苦工作，居里夫妇终于在1902年提炼出0。1克镭盐，接着又初步测定了镭的原子量。由于这种元素的放射性比铀强200万倍，因而它不用借助任何外力，就会自然发光发热。镭的发现，引起科学乃至哲学的巨大变革，为人类探索原子世界的奥秘打开了大门。可以说，它的发现，开辟了科学世界的新领域，并由此诞生了一门新兴的放射学，所以，镭被誉为“伟大的革命者”。正是因为居里夫妇为科学革命做出了巨大的贡献，第二年，他们便获得了诺贝尔物理奖金。过后不久，人们又发现镭在医学方面的价值，给癌症患者带来了福音，这使本来已经非常昂贵的镭，变得更加珍贵。有人劝说居里夫妇说：“您如果去申请专利，定会成为百万富翁!”“不，镭是一种元素，它应属于全世界!”居里夫妇毫不犹豫地回答。居里夫妇非常信奉“科学是无国界”的，也可以说，这是他们献身科学的共同宏愿。但不幸的是，1906年4月的一天，在一次车祸中彼埃尔·居里失去了自己宝贵的生命。居里夫人强忍悲痛，继续进行自己的科学研究。1910年，居里夫人成功地分离出纯镭，分析出镭元素的各种性质，精确地测定了它的原子量。在同年居里夫人出席的国际放射学理事会上，制定了以居里名字命名的放射性单位，同时采用了居里夫人提出的镭的国际标准。

相对论

狭义相对论的创立——早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光，只能看到在空间里振**着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空问的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳人牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速一车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?

19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深人思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作后发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。但经他研究发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以太作为绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：“谢谢你，我的问题解决了。”原来，爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是无意义的。光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速并非无限大，这样就产生一个新奇的结论：对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=me+2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。广义相对论的建立于1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文去申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平。1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广。对于他来说，有两个问题使他不安。第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》。在这篇文章中，爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文。在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，最靠近地球的大引力场是太阳引力场。爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食。经过认真的研究，得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物，他在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。相对论的意义狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。

燃气轮机的发明——莫斯（1918年）

燃气轮机是一种用燃气推动涡轮直接产生旋转运动的动力装置，可连续无振动地高速工作。中国古代的走马灯，古罗马时代的烟风车，都是早期出现的燃气涡轮雏形。据记载，1791年已提出“燃气轮机”的名称。19世纪上半叶达姆贝尔和本森曾分别制造过简陋的定容和定压热功循环的燃气轮机，但没有实用价值。1902年，美国人莫斯发表了有关燃气涡轮的论文。1918年，他用汽油机排出的燃气驱动涡轮，以带动增压器，受到军界的重视。1926年，英国的格里菲斯提出涡轮叶片的气动力理论，他和惠特尔分别于1927年和1928年发明燃气涡轮螺旋桨轴带动的轴向和径向增压器，促进了涡轮螺旋桨飞机的产生，从而解决了飞机高空飞行的性能问题。燃气涡轮是否被推广使用，在很大程度上取决于耐高温耐腐蚀的高强度材料及其加工技术。30年代后期，空气动力学和风洞实验的发展，为合理选择涡轮叶片的形状和尺寸创造了条件。瑞士的阿梅尔首次研制成工业上实用的4000千瓦定压热功循环的燃气轮机。美国最早的燃气轮机是在1937年为火车和轮船制造的。到1941年和1945年，瑞士和美国分别制成燃气轮机驱动的火车和汽车。第二次世界大战后，燃气轮机进入全面发展和使用时期。50年代初中国科学家吴仲华提出叶轮机械三元流动理论，对50年代以后的燃气涡轮及喷气发动机的发展起了很大作用。至60年代，轴流式压气机的增压比达23，超过离心式的4～5倍，大大提高了发动机的功率和热效率，而被广泛地使用。1970年世界燃气涡轮发电装置总容量达3200万千瓦。1971年它在舰船上的总功率达780万马力。此后最大燃气轮机的功率又达到10万千瓦级，热效率达30％。美国研制的20万千瓦级的燃气轮机，热效率达40％。

电视机的问世——法恩斯沃思（1927年）

我们几乎每天都会看电视，但是却几乎没有人知道菲洛·泰勒-法恩斯沃思是谁。但是，如果你在今年8月19日那天打开了家里的电视机的话，那么你事实上已经对他表达了最好的纪念。2006年8月19日是美国科学家菲洛·泰勒·法恩斯沃思诞辰百年的纪念日。他是全世界公认的电子电视的发明者，被称为“电视之父”。1927年，法恩斯沃思成功用电子技术把图像从摄像机传输到接收器上，这是公认的电视诞生标志。法恩斯沃思于1906年8月19日出生于美国犹他州的农家。幼年的法恩斯沃思就表现出早慧的迹象，他对见过的任何机械装置具有摄影般的记忆力和天生的理解力。法恩斯沃思的父母不断搬家以寻找较理想的居住地。当他们在爱达荷州定居下来之后，ll岁的法恩斯沃思得知他的新家装有输电线，欣喜若狂。他在家里的屋顶阁楼上发现了成捆的科技方面的旧杂志，开始自学并决心当个发明家。法恩斯沃思开始做试验，并在12岁时自制了一台电动车，后来又造出洗衣机供家人使用。后来，法恩斯沃思开始认真地考虑研制电视。他几乎是本能地意识到用机械装置传送图像是不可行的。这名年轻人还有一个直觉，即令他感到新奇的物理学领域——电子学的研究——有可能掌握着解决这一问题的答案。无论如何，电子能够以机械装置不可比拟的速度移动，这就可以使图像清晰得多，并且意味着不需要活动元件。他由此推理，如果一个画面能转换成电子流，那么就能像无线电波一样在空间传播，最后再由接收机重新聚合成图像。从本质上看这是个相当简单的主意，但如此简单的想法却似乎没有任何人想到。1921年，15岁的法恩斯沃思经常神不守舍地考虑着一个难题：怎样设计一个新颖的收音机，使它能够把移动的画面与声音一起传送?他产生了用电传输图像和声音的想法。不久后，他就画出一个传输器草图，并拿给老师贾斯廷·托尔曼看。这张简单草图，就是现代电视机和电视传输技术的雏形。但是，想继续搞研究的法恩斯沃思却面临许多现实问题。一方面，他没有足够资金；另一方面，没人会相信一个15岁孩子的话。法恩斯沃思只好暂时搁置自己的设计。高中毕业后，法恩斯沃思进入犹他州杨伯翰大学。但因父亲去世，他不得不中途退学。退学后，法恩斯沃思来到加州旧金山，创立了属于自己的简陋实验室，继续他的研究。1927年9月7日，年仅21岁的法恩斯沃思成功利用电子技术，把画着一条线的玻璃板图像从摄像机传送到接收器上。虽然当时图像很不清晰，但这套设备运行良好。几个月之内，不少投资者表示愿意向法恩斯沃思提供资金供他继续研究。1930年8月，美国政府授予法恩斯沃思专利权，使他的发明受到专利保护。法恩斯沃思并没有就此止步，而是继续专注于电视传输设备研究，并发明了100多种电视传输设备，为现代电视最终成型作出巨大贡献。法恩斯沃思发明电视后，不久，又有一些人宣布自己为电视发明者，其中包括美国无线电公司首席电视工程师弗拉基米尔·佐里金。第一次世界大战后，俄国人佐里金移居美国，开始研究电子电视摄像机，佐里金把它称为“光电摄像管”，并于1923年为这项发明申请了专利。后来佐里金进入美国无线电公司，使他的研究工作获得顺利进展，在1933年研制成功电视摄像管和电视接收器。法恩斯沃思的析像器与佐里金的光电摄像管虽然设计上有差别，但在概念上却很相近，由此引发了一场有关专利权的纠纷。美国无线电公司认为，佐里金优先于法恩斯沃思于1923年就为其发明申请了专利，但却拿不出一件实际的证据。而法恩斯沃思的老师拿着法恩斯沃思的析像器的设计图纸，为法恩斯沃思作证。1935年，法庭最后判定法恩斯沃思胜诉。但这没能阻止美国无线电公司在第二次世界大战结束后大量生产和售卖电视机，还把佐里金和公司总裁戴维·萨尔诺夫推举为“电视之父”。而且，美国无线电公司在败诉多年后才答应付专利使用费给法恩斯沃思。

我们今天看到一列长长的火车奔驰而过时，都知道各车厢之间是用自动挂钩连接起来的。但在19世纪中叶之前，这种挂钩还没有发明，那时连接各车厢的方法是用铁链子拴起来。这种办法很笨重，不仅费时费力，而且很不牢固，特别是一遇到列车爬坡，车厢容易脱节，往往导致翻车事故。发明火车自动挂钩的是美国人哈姆尔特·詹内。詹内原来是个铁路工人，他看到工人们为了连接或分开一列火车的车厢，总要爬上爬下，用铁链子缠来绕去，工作非常艰苦，还容易发生挤伤手脚的事故，便决心发明一种新的连接方法，以减轻工人的劳动强度。1867年的一天，詹内从一个货运站回家，他边走边在思考着火车挂钩的问题。突然，一群孩子挡住了他的去路，原来这些孩子正在做游戏。只见他们先是互相追逐，很快又变成两人一对，面对面，脚顶脚，胳膊伸直，手指弯曲着钩连在一起，身子向后倾斜着转圈，并不时发出阵阵欢快的笑声。詹内站在旁边看得着了迷，他从孩子们手拉手的方法中得到启示，他想：“要是能发明一种装置，像两只手一样勾连起来，问题不就解决了吗?”詹内忘了一天的疲劳，应即一哪脓新剞兀剐嘴回到家，动手用木头制作手的模型，使模型的手指弯曲着，能钩在一起，他想用这个办法解决车厢的连接问题。试验结果，因为木制的手不能活动而失败了。詹内并不气馁，他经过多次试验改进，最后终于发明了火车的自动挂钩。这种挂钩是用铁铸造的，像两只手，安装在每节车厢的两端。“铁手”的掌心有个机关，两只“铁手”一碰，撞动了机关，就紧紧地握在一起了。要想分开，就启动另外的机关，两只“铁手”就又分开了。火车自动挂钩的发明，使铁路工人从繁重的劳作中解放出来，为铁路运输提供了既安全又方便的条件。为了纪念这一发明，人们把火车自动挂钩称为“詹内挂钩”。

复印机的发明——卡尔森（1938年）

在当今“信息爆炸”的时代，复印机成了人们不可或缺的专用工具。人们在几秒钟的时间内，就能完成一份文件的复制，从而摆脱了繁重的抄写工作，并由此促进了信息的传播。然而，人们也许不知道，复印机的发明凝聚着一位杰出发明人20多年的光阴和心血。卡尔森是美国纽约市的一个发明爱好者。从1936年开始，他就注意到，当时的人们在需要文件复本时，往往通过成本较高的照相技术来完成。由此，他想发明一种能快速并经济地复制文件的机器。他跑遍了纽约的各个图书馆，搜寻有关这方面的技术书籍。最初他把研究重点定位于照相复制技术合成，然而，当他饱览群书之后，觉得在此方向很难有所突破。一天，他来到朋友的工厂里，一位来自匈牙利的工程师给他展示了一种当光线增强时能够产生导电性质的物质。卡尔林豁然开朗，意识到这种物质在他的发明中很有应用价值，并把研究重点转向了静电技术领域。卡尔森在纽约市的一个酒吧里租了一个房间作为实验室，并和他的助手——一个名叫奥特卡尼的德国物理学家开始静电复制技术的试验。1938年10月22日，奥特卡尼把一行数字和字母“10、22、38、ASTORIA”印在玻璃片上，又在一块锌板上涂了一层硫磺，然后在板上使劲地摩擦，使之产生静电。他又把玻璃板和这块锌板合在一起用强烈的光线扫描了一遍。几秒钟之后，他移开玻璃片，这时，锌板上的硫磺末近乎完美地组成了玻璃片上的那行数字和字母“10、22、38、ASTORIA”。静电复制技术终于有所突破，卡尔森将这项专利向许多家公司推荐。然而，从1939年到1944年的5年时间里，没有一家公司接受卡尔森的专利。这些公司认为，用硫磺末作为“介质”，从技术上看不够成熟。此外，他们还对生产复印机的市场前景并不看好。实际上，在那时需要复制的文件确实并不很多。卡尔森毫不气馁，继续钻研，完善他的静电复制技术。又经过几年的研究，他找到了更为理想的携带静电的“介质”。终于有一家公司采用了卡尔森的最新专利技术，生产出了第一台办公专用自动复印机。到了1959年，复印机正式被市场所接受，并且像雪球一样，市场越滚越大。今天，复印机已成为全球一项庞大的产业。卡尔森静电复印的过程本质上是一种光电过程，它所产生的潜像是一个由静电荷组成的静电像，其充电、显影和转印过程都是基于静电吸引原理来实现的。由于其静电潜像是在光照下光导层电阻降低而引起充电膜层上电荷放电形成的，所以卡尔森静电复印法对感光鼓有如下要求：具有非常高的暗电阻率。这种感光鼓在无光照的情况下，表面一旦有电荷存在，能较长时间地保存这些电荷；而在光照的情况上，感光鼓的电阻率应很快下降，即成为电的良导体，使得感鼓表面电荷很快释放而消失。卡尔逊静电复印法所使用的感光鼓主要由硒及硒合金、氧化锌、有机光电导材料等构成，一般是在导电基体上（如铝板或其它金属板）直接涂敷或蒸镀一薄层光电导材料。其结构是上面为光导层，下面为导电基体。卡尔森静电复印法大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电8个基本步骤。

曝光——曝光是利用感光鼓在暗处时电阻大，成绝缘体；在明处时电阻小，成导体的特性，对已充足的感光鼓用光像进行曝光，使光照区（原稿的反光产分）表面电荷因放电而消失；无光照的区域（原稿的线条和墨迹部分）电荷依旧保持，从而在感光鼓上形成表面电位随图像明暗变而起伏的静电潜像的过程。进行曝光时，原稿图像经光照射后，图像光信号经光学成像系统投射到感光鼓表面，光导层受光照射的部分称为“明区”，而没有受光照射的部分自然数“暗区”。在明区，光导层产生电子空穴对，即生成光生载流子，使得光导层的电阻率迅速降低，由绝缘体变成半导体，呈现导电状态，从而使感光鼓表面的电位因光导层表面电荷与界面处反极性电荷的中和而很快衰减。在睛区，光导层则依然呈现绝缘状态，使得感光鼓表面电位基本保持不变。感光鼓表面静电电位的高低随原稿图像浓淡的不同而不同，感光鼓上对应图像浓的部分表面电位高，图像淡的部分表面电位低。这样，就在感光鼓表面形成了一个与原稿图像浓淡相对应的表面电位起伏的静电潜像。

转印——转印就是用复印介质贴紧感光鼓，在复印介质的背面予与色粉图像相反极性的电荷，从而将感光鼓已形成的色粉图像转移到复印介质上的过程。目前静电复印机中通常采用电晕装置对感光鼓上的色粉图像进行转印。当复印纸（或其他介质）与已显影的感光鼓表面接触时，在纸张背面使用电晕装置对其放电，该电晕的极性与充电电晕相同，而与色粉所带电荷的极性相反。由于转印电晕的电场力比感光鼓吸附色粉的电场力强得多，因此在静电引力的作用下，感光鼓上的色粉图像就被吸附到复印纸上，从而完成了图像的转印。在静电复印机中为了易于转印和提高图像色粉的转印率，通常还采用预转印电极或预转印灯装置对感光鼓进行预转印处理。

分离——在前述的转印过程中，复印纸由于静电的吸附作用，将紧紧地贴在感光鼓上，分离就是将紧贴在感光鼓表面的复印纸从感光鼓上剥落（分离）下来的过程，静电复印机中一般采用分离电晕（交、直流）、分离爪或分离带等方法来进行纸张与感光鼓的分离。

定影——定影就是把复印纸上的不稳定、可抹掉的色粉图像固着的过程，通过转印、分离过程转移到复印纸上的色粉图像，并未与复印纸融合为一体，这时的色粉图像极易被擦掉，因此须经定影装置对其进行固化，以形成最终的复印品。目前的静电复印机多采用加热与加压相结合的方式，对热熔性色粉进行定影。定影装置加热的温度和时间，风及加压的压力大小，对色粉图像的粘附牢固度有一定的影响。其中，加热温度的控制，是图像定影质量好坏的关键。

清洁——清洁就是清除经转印后还残留在感光鼓表面色粉的过程。感光鼓表面的色粉图像由于受表面的电位、转印电压的高低、复印介质的干湿度及与感光鼓的接触时间、转印方式等的影响，其转印效率不可能达到100％，在大部分色粉经转印从感光鼓表面转移到复印介质上后，感光鼓表面仍残留有一部分色粉，如果不及时清除，将影响到后续复印品的质量。因此必须对感光鼓进行清洁，使之在进入下一复印循环前恢复到原来状态。静电复印机机中一般采用刮板、毛刷或清洁辊等装置对感光鼓表面的残留色粉进行清除。

卡尔森前后经历20余年的光阴，由“技术不成熟”、“市场潜力不看好”，到技术日趋成熟、市场日益扩大，终于使静电复印机走向了全世界。

原子反应堆的建立——费米（1942年）

原子能的和平利用标志着人类改造自然进入了一个新阶段。原子能是原子核发生变化时释放出来的能量，对同等质量的燃料来说，原子能要比化学能大几百万倍。早在1929年，科克罗夫特就利用质子成功地实现了原子核的变换。但是，用质子引起核反应需要消耗非常多的能量，使质子和目标的原子核碰撞命中的机会也非常之少。1938年，德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义，它不仅使铀原子简单地发生了分裂，而且裂变后总的质量减少，同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时，除裂变碎片之外还射出2至3个中子，这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变，从而发生连锁反应。1939年1月，用中子引起铀原子核裂变的消息传到费米的耳朵里，当时他已逃亡到美国哥伦比亚大学，费米不愧是个天才科学家，他一听到这个消息，马上就直观地设想了原子反应堆的可能性，开始为它的实现而努力。费米组织了一支研究队伍，对建立原子反应堆问题进行彻底的研究。费米与助手们一起，经常通宵不眠地进行理论计算，思考反应堆的形状设计，有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。1942年12月2日，费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学足球场的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号，紧接着从那座埋没在石墨之问的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里，控制棒缓慢地被拔了出来，随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声，到控制棒上升到一定程度，计数器的声音响成了一片，这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻。1954年苏联建成世界上第一座原子能发电站，利用浓缩铀作燃料，采用石墨水冷堆，电输出功率为5000千瓦。1956年，英国也建成了原子能电站。原子能电站的发展并非一帆风顺，不少人对核电站的放射性污染问题感到忧虑和恐惧，因此出现了反核电运动。其实，在严格的科学管理之下，原子能是安全的能源。原子能发电站周围的放射性水平，同天然本底的放射性水平实际并没有多大差别。1979年3月，美国三里岛原子能发电站，由于操作错误和设备失灵，造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而，由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥了作用，结果放射性外逸量微乎其微，人和环境没有受到什么影响，充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。

原子弹的出现，与其他科学技术上的发明一样，有着自己的发生和发展过程。早在19世纪初，人们就已经知道自然界的物质成千上万，性质千差万别，它们都是由一些有限的基本元素组成的，而每种元素又是由许多化学性质相同的微粒——原子组成的。1896年，法国物理学家贝克勒尔和波兰出生的年轻科学家居里夫人发现自然界有一些元素的原子核能自发地放出一些肉眼看不见的射线，这些射线可以使照相底片感光；元素在发出射线时，会释放出部分能量，同时它自身就转变成具有另一种性质的新元素。于是他们把元素的这种性质叫做天然放射性，把元素原子核的这种转变过程叫做核衰变。这不仅加深了人们对原子结构复杂性的认识，而且使人们意识到在原子核内蕴藏着巨大的能量。首先找到利用核能途径的人是费米。费米出生在意大利罗马一个铁路职工家庭，年轻的时候曾在德国学习。他25岁就当上了罗马大学第一任理论物理学教授，1938年底移居美国。1934年，法国物理学家约里奥-居里夫妇宣布，他们用a粒子轰击铝、硼的时候，产生了人工放射物质。费米得知这一消息后，决定试用中子产生人工放射现象。费米按照元素周期表的顺序，从氢开始，用中子顺序轰击，当试验第八号元素氟时，得到了人工放射性。在接下来的试验中，他又发现在中子轰击铀时，产生了从未见过的新元素。1934年6月他宣布了这个发现，但并没意识到在这个实验中可能引起了铀的裂变。1934年l0月，费米的助手发现，当用中子轰击金属银来产生人工放射性时，有一种奇怪的现象，就是放在银附近的铝可能影响银的放射性。助手把这个现象报告了费米。在费米指导下做了进一步的实验，确定在中子源和银之间的铝板可以增加银在中子照射以后产生的放射性。铝是重物质，费米提出把铝换成石蜡，重新做实验。没想到，在中子源和银中间放置石蜡以后，竞使银的放射强度提高了100倍。怎样解释这种现象呢?费米提出慢中子效应：中子含有大量氢的物质的时候，和氢原子核——质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。由于发现了中子效应，费米获得1938年诺贝尔物理奖金。在费米发现用中子轰击铀可以产生超铀元素后，在巴黎的约里奥‘居里夫妇和柏林的哈恩、梅特纳都认真研究了这个问题。1938年秋天，哈恩和斯特拉斯曼精确分析了中子轰击铀以后的产物，发现有钡存在，钡的原子量大约是铀的一半，这说明铀原子核在中子轰击下分裂成两半。哈恩把实验情况写信告诉了梅特纳。梅特纳立刻从数学上进行分析。她认为：每裂变一个原子可以放出大约两亿电子伏的能量。裂变反应的发现震惊了科学界，因为它说明铀分裂的时候可以放出两个中子，而这两个中子又可能引起两个铀核分裂，这样就能够从一个铀核裂变引起二、四、八、十六等等铀核裂变。这是连锁反应，它将释放出无比巨大的能量。裂变反应正好是在第二次世界大战的导火线已经点燃的时刻发现的。移居美国的匈牙利物理学家西拉德等人，意识到可能利用核裂变制成有空前破坏力的原子弹。1939年7月，他在拜访了罗斯福总统的好友和私人顾问、经济学家萨克斯以后，又和爱因斯坦会晤，请爱因斯坦在给罗斯福的信上签名，信由萨克斯交给罗斯福。这封信阐述了研制原子弹对美国安全的重要性。罗斯福被这封信打动了，决定支持研制原子弹的工作。1941年12月，美国政府决定大量拨款和充分利用科技力量研制原子弹。1942年，成立了美、英、加三国共同研制原子弹的委员会。同年8月，美国制定了研制原子弹的“曼哈顿计划”。“曼哈顿计划”大致有三方面的内容：生产钚，生产浓缩铀一235，研制炸弹。这三方面的工作由几支研究力量来完成。第一支研究力量由康普顿领导的芝加哥大学冶金实验室和杜邦公司组成，主要任务是生产足够数量的钚。第二支研究力量由劳伦斯领导的加利福尼亚实验室和几家公司组成，任务是用电磁法分离浓缩铀一235。第三支研究力量由尤里博士领导的哥伦比亚大学的代用合金实验室和几家公司组成，任务是用扩散方法生产浓缩铀一235。第四支研究力量是由奥本海默领导的洛斯·阿拉莫斯实验室，它的主要任务是一得到足够的裂变材料，立刻制成实战用的原子弹。1942年，关于怎样设计原子弹，它究竟应该有多大，谁都不知道。在研制过程中，设计出了两种炸弹型式：一种是“枪式”原子弹。它主要是通过增加核装药的数量达到超临界状态的。1945年美国投在日本的第一颗原子弹就是枪式原子弹。它的外形是个细长体，当量约为2万吨，核装药为铀一235，有效利用率为2％左右。因此，理论上只要裂变一公斤铀一235就够用，但实际上却用了50多公斤。虽然枪式原子弹效率低，但构造简单，容易制造。一种是“收聚式”原子弹。它是利用炸药的爆轰，形成一个向中心收缩聚拢的球面形状的压力波，从各个方向均匀地压缩核装药，并且越到中心压力越大，核装药受到强烈的压缩，密度大大增高，能够实现高度超临界现状，使比较多的核装药发生裂变反应，从而提高了它的有效利用率。美国投到日本的第二颗原子弹就是“收聚式”原子弹。原子弹在第二次世界大战末期首次用于实战。1945年的8月6日和9日，美国分别将一颗取名“小男孩”的铀弹和一颗取名“胖子”的钚弹投到日本的广岛和长崎，给这两个城市和居民造成巨大的破坏和伤亡，引起了世界各国的重视。1949年8月29日，苏联也进行了第一次核试验。此后，美苏两国展开了长时期的核军备竞赛。

晶体管是在人们对半导体材料进行深入研究的基础上发明的。半导体材料是导电性介于金属和绝缘体之间的材料，一般是固体，比如锗和硅等。半导体中杂质的含量和外界条件（如温度和光照）的改变会引起导电性能发生很大变化。半导体材料之间，或者半导体和某些金属材料之间相接触的地方，具有单向导电的性能，和二极电子管的性能相像。1928年，有人提议用半导体材料制作和电子管功能差不多的晶体管。但一方面由于当时还缺少研究半导体电子特性的固体物理学知识；另一方面由于按温度、压力、化学组成等宏观概念产生的半导体材料在微观结构上是混乱的，没有规律，它的电子性能具有很大的偶然性，因此晶体管没有研制成功。随着研究分子、原子和电子状态的固体物理学的发展，随着晶体生长理论和生长技术的发展，高纯度的晶体锗生产出来了，这就给晶体管的研制创造了条件。美国贝尔研究所的巴丁、肖克利、布拉顿等人合作研制成功了晶体管。巴丁原是大学教授，担任贝尔研究所所长，研究半导体理论，1947年他提出关于结晶表面的理论。布拉顿是实验物理学家，他对半导体表面进行实验研究，发展了半导体单晶的精制、成长等有关技术。巴丁和布拉顿两人，一个是理论家，一个是实验大师。1948年他们合作研制成功第一个点接触型晶体管。肖克利从1936年开始进行关于固体物理学、金属学、电子学等基础理论研究。从1945年起在贝尔研究所从事半导体理论研究，1949年他提出了P—N结理论（关于晶体中由于掺人杂质的不同所形成的P型和N型两种导电类型区域的理论）。不久，贝尔研究所研制成功第一个结型晶体三极管。由于研制成功晶体管，他们三人获得1956年诺贝尔物理奖。晶体管最初采用锗晶体做原料，后来由于硅的提纯和加工技术的发展，硅晶体比锗晶体的性能优越得多，因此硅晶体管取代了锗晶体管。晶体管具有小型、重量轻、性能可靠、省电等优点。正是由于具有这些优点，到50年代末和60年代初，晶体管逐渐代替了电子管。

计算机的发明——莫希莱（1945年）

说起电子计算机的历史，世界上公认中国的算盘是最早的手动计算机。算盘包含了现代计算机的基本功能：歌诀相当于控制运算的指令；拨动算盘珠相当于计算的进行；算盘珠的位置表示计算结果，起贮存和记忆的作用。1834年，英国数学家巴贝奇对计算机的发展作出了重要贡献。他提出用穿孔卡片携带计算指令控制计算过程，设计了包括控制部分、运算部分和存贮部分的机械式计算机。但由于缺少必要的技术基础，这种计算机没有造出来。1937年，美国人艾肯设计了和巴贝奇方案类似的计算机。艾肯是哈佛大学物理系的研究生，他的设计得到了国际商业机器公司的支持。1939年，这家公司派了4个有经验的工程师与年轻的艾肯合作。到1944年，这台使用继电器的机电式计算机研制成功并投入使用，每秒运算三次。差不多和艾肯同时代，德国人也试制成功类似的计算机。这些计算机的主要元件是普通电话里的继电器。而继电器开关速度大约是百分之一秒，这就大大限制了运算速度，注定了机电式计算机必然是短命的。第二次世界大战促进了电子计算机的发展。在二战中，美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院同阿伯丁弹道研究实验室共同负责，给陆军提供弹道表。这是一项十分困难的工作。每一张表都要计算几百条弹道，一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间为60秒的弹道，要花20个小时。显然，已有的运算工具难以保证战争需要。在此情况下，莫尔电工学院的莫希莱于1942年8月写了一份《高速电子管计算机装置使用》的备忘录，实际上提出了第一台电子计算机的初步方案。这个方案得到了军方代表格尔斯坦中尉的支持，还引起了研究生埃克特的兴趣。经过格尔斯坦向军方申请，得到了15万美元的研制经费。这样，研制小组正式成立并开始了工作。24岁的埃克特担任总工程师，30多岁的莫希莱提供了计算机的总体设想，格尔斯坦则是个精明强干的组织者。1945年底，这台计算机研制成功，第一台电子计算机出世了。这台计算机由控制、运算、存贮、输入、输出5部分组成，每秒钟运算5000次，比原来的计算机快一千多倍。制作这台计算机，共用1。8万个电子管，7万只电阻，lO万只电容，重30吨，耗电140千瓦，占地170平米，差不多有十间房子大小。它的实际造价约为48万美元。在这台计算机制造过程中，科学家们就已考虑设计更先进的计算机了。1944年夏季的一天，参加原子弹研制工作的冯·诺伊曼遇见了格尔斯坦，在交谈中了解到计算机的研制工作。冯·诺伊曼很感兴趣，几天后，他专程赶到莫尔，参加了对计算机的改进工作。1944年8月到1945年6月，在冯·诺伊曼的领导下，研制小组制定了新的改进方案。重大改进有三方面：一是把十进位制改成二进位制。二是利用包含水银柱的特殊电路做存贮器。三是把程序外插变做程序内存。按照这一新的设计，1949年英国首先研制出程序内存计算机，它有一个可以贮存一千多个数据的存贮器。后来，美国也研制、生产和使用了程序内存计算计。程序内存的电子管计算机常称做第一代电子计算机。它结构复杂，价格昂贵，调试困难，因此发展不快。1956年，用晶体管制成了电子计算机，这是第二代电子计算机，其运算速度成百倍地增长。60年代初，每秒运算几十万次的晶体管计算机问世。1964。年，每秒二三百万次的大型晶体管计算机研制成功，并且成批生产。60年代初期，集成电路取代了晶体管，出现了第三代计算机。60年代末期，每秒千万次的大型计算机投入使用。到70年代，大规模集成电路在计算机中取代集成电路，电子计算机进入了第四代。1978年每秒一亿五千万次的巨型计算机已经在运行。由于集成电路和大规模集成电路的发展，计算机出现了向小型化和微型化发展的趋势。到1977年，全世界已有微机800万台。目前计算机技术仍在发展之中，今后还会有什么新的突破，尚需拭目以待。

激光的出现是20世纪60年代最重大的科学技术成就之一。它以其高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等突出特点，得到了广泛的应用，并在科学技术的许多重大领域开辟了新的生长点，引起了革命性的变化。1916年，爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》一文，首次提出了受激辐射的概念。按照这个理论，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即两个光子的方向、频率、位相、偏振都完全相同。随着量子力学的建立和发展，人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的了解，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等也得到了更有力的证明，这就在客观上更加完善了爱因斯坦的辐射理论，为激光的产生奠定了理论基础。40年代末，出现了量子电子学，它主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并从而研制出相应的器件。这些理论和技术的进展，都为激光器的发明准备了条件。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在核感应实验中，把加在工作物质上的磁场突然反向，结果在核自旋体系中造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射，这是在激光史上有重大意义的实验。1954年，美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起，制成了第一台氨分子束微波激射器。这台微波激射器产生了1。25厘米波长的微波，功率很小，但它成功地开创了利用分子或原子体系作为微波辐射相干放大器或振**器的先例，因而具有重大意义。与此同时，苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯，也分别独立地提出了微波激射器的思想。由于微波激射器的成功，使人们进一步想到，如果把微波激射器的原理推广到光频波段，就有可能制成一种相干光辐射的振**器或放大器。生产和科学技术发展的需要，也推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，肖洛与汤斯将微波激射器与光学、光谱学的知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键建议，并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同一时期，巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。1960年7月，美国青年科学家梅曼成功地制造并运转了世界第一台激光器。工作物质用人造红宝石，激励源是强的脉冲氙灯，它获得了波长0。6943微米的红色脉冲激光。第一台激光器问世以后，激光发展很快，短短时间里就出现了许多不同类型的激光器。1961～1964年，先后制成钕玻璃激光器和掺钕钇铝石榴石激光器，它们和红宝石激光器都是迄今仍被大量应用的固体激光器。1960年底，贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年，又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等。由于激光器的种种突出特点，因而很快被运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工。激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业上取得良好的效果；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，各种激光武器、激光制导武器已投入实用。今后，随着激光技术的进一步发展，激光器的性能和成本进一步降低，其应用范围还将继续扩大，并将发挥出越来越重大的作用。

机器人是模拟人的四肢动作和部分感觉与思维能力的机械装置，它是用电器元件或电子仪器控制，通过液压传动元件操纵杠杆机构，实现预期目的。第一代机器人是一种只能进行固定的和变换工作程序的简单机械动作的装置，产生于1966年。当时一架载有氢弹的美国飞机在地中海失事，一颗氢弹落人地中海。为了防止射线对人体的危害，制造了一台有电视眼和机械手的简单机械人，把氢弹打捞了上来。同年，美国某医院安装放射线源时，有半支香烟头大小的放射性钴C60掉了出来，用这种简单的机械人拾起，并放入铅盒内。从此机器人引起人们广泛的注意和研究，仅在1967年美国就有75台机器人用于生产上。这一年，苏联的月球卫星就是用机器人挖取月岩和土壤试样的。第二代机器人具有触觉和视觉功能，能在“理解”周围环境的情况下进行工作，它是在60年代末小型电子计算机已推广使用和价格降低的条件下出现的。由电子计算机控制、存贮和处理周围环境反馈的信息，进行判断，然后按既定的要求进行操作。这种设想早在1958年就在美国提出来，1961年底研制出电子数字计算机控制的机械手模型，在60年代末才推广使用。1970年，丹麦人索伦森制成一个操纵挖掘机用的电子液压控制的机器人。美国也研制出模仿人的肩、肘、腕和手指动作的机器人，可以用几种速度连续行走。以后有某种感觉的机器人，如有触觉和重量感的机器人，也相继在美国、日本和英国问世。第三代机器人是具有人的简单智力和学习功能的机器人，它能满足两种基本要求：一种是具有较大的自由度和灵活性，在复杂条件下能完成多种处理物品的形状和相对位置的任务。另一种是具有识别环境及其变化，并做出正确判断和进行工作的能力，具有进行联系“思考”和学习的智能。早在70年代初，日本就制成了可看清图纸，并可在传送带上进行装配的机器人。接着又制成装有电脑、具有视力的电视摄像机、有触觉的传感器和相当于手腕的机械手的“智能机器人”。1973年7月，日本早稻田大学一研究组制成有腿的机器人，它有人造耳，可根据人的口头指令做出反应；有识别物品的人造眼和有触觉的手，以及可作出答复的人造口。这标志着机器人的发展进入了一个新阶段。1974年，美国航空航天局和加省理工学院又制成具有电视摄像机和激光器的人造眼和编入几千个指令的电脑，用于对月球表面进行科学考察。到1978年，“智能机器人”已具有某些视觉、触觉、温度感觉功能，能讲简单的语言和识别图纸和图像，并做出反应和进行操作。不同类型的机器人已大量应用于生产线上，在陆上、水下和月球上面等人难以或不可能进行工作的地方，机器人都可以发挥作用。目前，机器人的研制正向进一步模拟人的部分智能和感觉的方向发展。

陶器的发明——不详（26000年前）

陶器的发明，在制造技术上是一个重大的突破，它既能改变物件的性质，又能比较容易地塑造便于使用的物体的形状。既具有新的技术意义，又具有新的经济意义。因此，它一出现很快就成为人们生活和生产的必需品。世界上许多地方，陶器是由于在编制或木制的容器上涂上粘土以使之能够耐火而逐渐被发明的。在长期实践中，人们发现成型的粘土不要内部容器也可以烧成陶器，于是陶器就这样被发明出来。人们所知的最古老的陶器，是在捷克斯洛伐克摩拉维亚的多尔尼维斯托尼斯发掘出来的，年代约为26000年前。人们在那里发现了烧过的陶土的碎片，这些陶器做成各种动物的模样，制作十分粗糙，大多数陶器上还有戳出的印记。近来，在一些地区发掘出了约5600年前的陶罐，上面有用赭石装饰的几何图案。在美索不达米亚发现了约3600年前的一种原始的陶工旋盘。它是一个安在枢轴上的转盘，制作陶器时由一个助手转动，这样，陶工就可以把两只手腾出来了。当然，对于制陶来说，最重要的是陶器的烧制。最初陶器的泥胎是在太阳底下晒干的，或是在火里烧干的。但这两种方法都不理想，容易使陶器干裂，必须使它慢慢干燥才能保证质量。公元前4000年，在美索不达米亚和波斯出现了火焰不直接跟陶器接触的竖窑。这些竖窑有的一直保存至今。经竖窑烧制成的陶器，因火力均匀，不易变形龟裂，颜色也比较齐一。大约在公元前4000年左右，出现了陶工作坊仿制其他东西的一种工艺。为了用人工的方法产生深蓝颜色，美索不达米亚的陶工在陶罐的表面粘上铜矿砂，然后再进行烧制，产生闪光的表面。到公元14世纪末，莱因地区的人们研制出一种为陶器上釉的技术。美索不达米亚人已经知道在第二次烧制时用锡釉来产生不透明的白色釉面。这种方法在当时的欧洲十分流行，人们用金属颜料把釉面涂得非常好看。陶器中最有名的是意大利的花饰陶器，它非常坚硬，能用作室外装饰。

铁的制造技术——不详（约公元前2700年）

铁广泛存在于地球表面上的土、石当中，但都很分散，量也不大。它集中存在于铁矿石里。为了把铁从铁矿石里提炼出来，首先要把矿石用高温烧化。古时候的办法是在地上挖个坑，坑里装上矿石和木柴，然后点火燃烧使矿石熔化，矿石里的铁便熔化，而和石质分离流出。在叙利亚北部的特尔沙贾巴扎发现了约公元前2700年的这种熔铁，在特拉斯马尔发掘出了约公元前2400年的装在铜柄上的锈蚀的铁刀。在乌尔出土了一个约公元前2000年的锻冶场的遗址。但在这个时期，熟铁是非常昂贵的，它不是用来作日常用品，而是用来作装饰品和仪仗队的武器。比如，在著名的《荷马史诗》中，就是把黄金和铁相提并论的。熟铁是很软的，做武器容易卷刃，解决这个问题的办法是用钢。古人使熟铁变成钢的办法，是用“渗碳”的方法。这种方法也和炼制熟铁一样，把熟铁烧红，趁热锤打。这样反复加热，反复锤打，不断使碳从熟铁表面渗入里层，就成为一层坚硬的钢铁。在这个过程中，人们体验到了铁在什么情况下最坚固，以及如何使铁变得更加坚固的技术。在公元前1500年的亚美尼亚地区，已经实行了这种“渗碳”炼钢的方法。以后又有了叫做“淬火”的技术，就是把铁先用“渗碳”法炼成钢，再加热，紧接着把它投入到冷水中去。这样一来，钢就变得非常坚硬了。但经过“淬火”的钢会稍稍变脆，容易断裂。为解决这个问题，人们又发明了“回火”这项重要的技术。“回火”就是把经过“淬火”的钢再次加热到不太高的温度，然后使它缓慢地冷下来。这样，钢的脆性就大大降低，成为坚韧的材料了。这一系列的发明都是在漫长的岁月里，由很多不知名的人完成的。，他们也许从未获得过发明家的称号，但他们的确为人类文明做出了重要贡献。

关于玻璃——这一现代生活中司空见惯的建筑材料的发明过程，有一段颇富传奇色彩的故事：很久以前的一个阳光明媚的日子，有一艘腓尼基人的大商船来到地中海沿岸的贝鲁斯河河口，船上装了许多天然苏打的晶体。对于这里海水涨落的规律，船员们并不掌握。当大船走到离河口不远的一片美丽的沙洲时便搁浅了。被困在船上的腓尼基人，索性跳下大船，奔向这片美丽的沙洲，一边尽情嬉戏，一边等候涨潮后继续行船。中午到了，他们决定在沙洲上埋锅造饭。可是沙洲上到处是软软的细沙，竞找不到可以支锅的石块。有人突然想起船上装的天然结晶苏打，于是大家一起动手，搬来几十块垒起锅灶，然后架起木柴燃了起来。饭很快做好了。当他们吃完饭收拾餐具准备回船时，突然发现了一个奇妙的现象：只见锅下沙子上有种东西晶莹发光，十分可爱。大家都不知道这是什么东西，以为发现了宝贝，就把它收藏了起来。其实，这是在烧火做饭时，支着锅的苏打块在高温下和地上的石英砂发生了化学反应，形成了玻璃。聪明的腓尼基人意外地发现这个秘密后，很快就学会了制作方法。他们先把石英砂和天然苏打搅拌在一起，然后用特制的炉子把它们熔化，再把玻璃液制成大大小小的玻璃珠。这些好看的珠子很快就受到外国人的欢迎，一些有钱人甚至用黄金和珠宝来兑换，腓尼基人由此发了大财。当然，这个故事是否真实可信，已难以考查，但实际上，早在公元前2000年，美索不达米亚人就已开始生产简单的玻璃制品了，而真正的玻璃器皿则是于公元前1500年在埃及出现的。从公元前9世纪起，玻璃制造业日渐繁荣。到公元6世纪前，在罗得岛和塞浦路斯岛上已有玻璃制造厂。而建于公元前332年的亚历山大城，在当时就是一个生产玻璃的重要城市。从公元7世纪起，阿拉伯一些国家如美索不达米亚、波斯、埃及和叙利亚，其玻璃制造业也很繁荣。它们当时已能够用透明玻璃或彩色玻璃制造清真寺用的灯。在欧洲，玻璃制造业出现的时间比较晚。在大约18世纪之前，欧洲人都是从威尼斯购买高级玻璃器皿。一个伦敦商人于1669年9月17日寄给威尼斯玻璃制造商的一封信中写道：“我们特别需要平的玻璃板，请不要把包好的镜片玻璃放在装酒杯的箱子底下运输!最好用一两个牢固的箱子仔细包装。”这种情况随着18世纪欧洲人雷文斯克罗特发明一种透明性更好的铝玻璃逐步改变，玻璃生产业由此在欧洲兴盛起来。

造纸术发明——蔡伦（公元105年）

造纸术发明之前，人们都是把字写在竹简和丝帛上，由于承载的笨重和昂贵，制约了文化的传播。东汉宦官蔡伦造纸术的发明，对当时乃至后世都有极其重要的影响，造纸术与指南针、火药、印刷术并称为中国的四大发明，对世界文明的进步做出了巨大贡献。蔡伦，东汉桂阳（今湖南郴州）人。他出身低微，很小就入宫做了太监，服侍汉和帝。蔡伦聪明识字，人又谨慎好学。平时他不喜欢和人交往，经常把自己关在屋里读书思考。汉和帝即位后，蔡伦被提升为中常侍，出入宫廷内外，平时服侍皇帝，负责掌管文书，传达皇帝的命令。当时许多外官经常和宦官结交，但是蔡伦却能坚守原则，并不随便与人交往，因此汉和帝更加信任他。蔡伦敢于指出和帝不对的地方，因此也很受和帝的器重，经常参与朝政。蔡伦是一个喜欢思考和有所发明的人，汉和帝永元九年（公元97年），蔡伦升任尚方令，负责掌管皇帝的手工作坊，这个作坊是皇家的私人作坊，主要是为皇家服务。蔡伦在监管作坊期间，经常和匠人一起切磋制造器械的技术，由他监管制造的各类军械、宝剑非常精良、锋利，被天下人赞叹。他在这方面的才能也开始逐渐显露。东汉以前，人们通常都用竹简和丝帛作为记载文字的工具，有些很长的奏章要用许多竹简，翻阅起来非常不方便，也难于随身携带，而用丝帛作为书写的载体，虽然方便，但是很昂贵，普通人家根本承担不起这样的费用。蔡伦平常喜欢读书，对于书简带来的种种不便深有感触，如何制造出一种轻便的、价格低廉的书写工具，成为蔡伦的一个梦想，为了实现这个梦想，蔡伦翻阅了许多前人的资料。有一天，蔡伦看到宫女们在用蚕丝制造各种丝织品，从她们的制造过程中，蔡伦顿时有了灵感，他连忙赶回去，和匠人们共同研究，把树皮、麻头、破布、渔网等混合在一起，捣碎弄烂，然后将这些东西糅合在一起，拌匀后晾干，经过反复的实验和研究，蔡伦终于制造出了廉价和实用的纸张。东汉和帝元兴元年（公元105年），蔡伦把发明纸的过程详细地记录下来，连同自己制造的第一张纸，一起奉献给汉和帝，请他过目。汉和帝亲自实验后，非常满意，厚厚赏赐了蔡伦，并把制造纸的方法颁布天下，蔡伦的造纸术马上在各级社会阶层中传播开来，受到广泛的欢迎和喜爱。为了赞颂蔡伦的杰出贡献，当时人们把这种纸叫做“蔡侯纸”。蔡伦的名气越来越大。