基础科学

源于古希腊人的自然科学萌芽

与古希腊人最早在几何学、代数学和天文学等领域取得成就一样，对自然进行研究的科学（即物理学）同样起源于古希腊。早期的自然哲学家对物质世界提出了质疑。物质世界是如何形成的？宇宙的主要物质是什么？是气、水、火还是一些由它们组合而成的物质形态？物质能够无中生有吗？究竟有没有一个造物主？生命是故意被创造出来的，还是所有的事物都是一种偶然机遇的产物？由物质组成的宇宙是一成不变的，还是会经常发生变化？在很多人看来，这些疑问都属于形而上学的问题，因此无法找到像数学一样精确的答案。

公元前7～前6世纪，一些早期的哲学家提出了他们的宇宙理论，主要是通过一种或者是几种重要的元素对宇宙的组成进行阐释。物质的形态是如此变化多端，既包括非生命形态，也包括生命形态，这就意味着这些元素必然处于持续不断的变化之中。然而，我们可以找到一个平衡点，而且这种平衡点介乎于将要形成和诞生以及即将消灭和死亡之间，如此循环往复。公元前5世纪之前，这些概念一直是理论争辩的核心。从那个时候开始，这个争论才开始分化为两个方向。

公元前515年出生的巴门尼德认为，物质不断形成和消亡的过程意味着在某一个时间点上必然存在着一种“非存在”的状态。既然存在是可能的，那么“非存在”应该是不可能的；而如果“非存在”确实存在，那么其本身就是一种客观存在。正如巴门尼德在他的一首诗《真理之路》中所描述的那样：“不要让不是真理的东西引导你，你要让自己的思想跳出那种思维方式。”

与巴门尼德同处于一个时代的恩培多克勒（可能还是巴门尼德的学生）认为，从诞生之日起，宇宙就不能发生变化，它始终保持着一种不变的状态。同时，他也认为我们生活于其中的世界的改变是有可能的，这些变化主要通过土、水、气和火这四种物质的“根”元素之间发生错综复杂的互相作用。那些“根”可以通过相爱与相恨的力量被拉开或者牵到一起，如此循环往复——相爱与相恨是他为吸引力和排斥力所起的另外一种名字。每一种“根”都有其独特性，而所有的物质都是由这些“根”的不同组合形成的，因此不久之后，这些“根”便被称为基本元素。

德谟克利特在这一争论中却持另外一种完全不同的观点。出生于公元前460年左右的德谟克利特因为对人类生存条件所持的乐观态度而被人们称为一位笑容可掬的哲学家。据传闻所说，他足足活了100岁。

德谟克利特找不到任何理由来解释为什么存在和非存在两者可以共存。“任何事物的存在都归于零。”他斥责了巴门尼德的所有信徒和拥护者。他把世界想象成一个莫大的虚空，在这个虚空中，持续不断地下着细微到根本无法察觉更无法辨认其形状和大小的原子雨。各个原子之间出于巧合的碰撞可以形成各种物体，而当原子分崩离析的时候，物体又开始分解。

在柏拉图指导其弟子去寻找那些潜藏在世界完美外表之后的永恒物质的时候，他最出名的弟子亚里士多德却对自然世界的直接观察给予了极大的关注和重视。亚里士多德不仅竭力研究那些在当时被柏拉图主义者和毕达哥拉斯学派奉为尊贵高尚的天体运动，而且也关注和考察那些从小毛虫到海洋生物等自然世界中极为平凡的具体事件。

从逻辑的角度出发，亚里士多德拒绝接受原子理论，而是采用了恩培多克勒的火、水、土和气四元素论，并且创立了一个非常详细的物质理论。按照亚里士多德的观点，这些元素同时塑造了生命物质和非生命物质。然而，他在根本信仰上与恩培多克勒有所不同，因为他认为元素是可以变动的。在亚里士多德看来，元素可以放弃或者获取潮湿与干燥、热与冷等属性，而且它们也能够从一种存在方式自动转变为另外一种存在方式。

对自然世界进行的观察使亚里士多德了解到，自然中的每一个事物都存在着某种设计原理或创造功能。他认为，生命体实际上都是按照从低级向高级进化的目的进行组织的：从最初开始的无生命物体上升到各种在生长发育机制上近乎完美的植物，然后是在觅食功能上几近完美的动物，最后是思考功能和幸福感相当完美的人类。

在亚里士多德看来，世界是运动着的，变化和运动是世界的基本特征。同时，他还认为在每一个物体背后存在着4种被他称之为“因子”的元素。一旦这些因子被人们所了解和掌握，那么物体本身就完全被人们所了解和掌握了。第1个因子是物质或者物质动因，即所有物体的组成元素。第2个是形式或者形式动因，即上述物质所呈现的外部形式。第3个是动力或者动力动因，也就是使这个物体成为可能的原因。第4个是亚里士多德世界观中最为重要的一个因子，这个因子被称为目的动因，它指出了一个事物的目的、目的的内容以及目的存在的原因等。

所有的自然事物（与人类双手所创造的人造物品有所不同）在其内部都存在着一种动力法则，而且就是这种法则推动着它们朝着自己的目的动因推进。

比如，橡树的果实不需要外界刺激就可以朝着其目的（生根发芽，从而茁壮成长为一颗成熟的橡树）前进。因此，在亚里士多德看来，物质一直处于变动之中，即从一种存在状态转变成另外一种存在状态，其驱动力要么是基于内在法则使它们朝着正当的目标变动，要么在外力作用下朝着其他目标变动。

在德谟克利特时代之后的一个多世纪，伊壁鸠鲁重新回归到他的原子理论，并开始思索由在一个没有灵魂、诸神和造物主的虚空世界里运动着的原子组成的唯物主义世界。伊壁鸠鲁的原子论与德谟克利特的原子论之间存在着区别：他的原子是有质量的，而且可以突然被转移和发生碰撞。此外，在它们被赋予某种形状的时候，它们能够唤起感官刺激。在伊壁鸠鲁看来，自然事件是没有任何目的的，所有的事情都是由原子的随机运动决定的。即使是人的思想也与源自原子结构的身体没有什么两样。当死亡降临的时候，思想和身体的原子都将散播到空气中去。

古希腊人留下了最基本的物理学概念：元素、原子或者其他物质是所有物质的基本构成要素；物质都有产生、成长、衰退和消亡的过程；由于物质都将经历转变的过程，因此物质的形态经常是暂时性的。这便是古希腊物理学思想的基本内容（在某些情况下，这些思想又是一个个的问题），这些思想一直激励着2500多年以后的科学家和哲学家。

阿基米德的发明与发现

一直以来，阿基米德都被认为是历史上最伟大的数学家之一，他提出的定理和哲学思想被世界各地的人们所熟知，而他的发明则使他至今仍为人们所景仰。

阿基米德（约公元前287～前212年）是古代世界最伟大的数学家和物理学家，他出生于今意大利西西里岛东部的锡拉库扎，是天文学家费迪亚斯的儿子。阿基米德家族与锡拉库扎国王希伦二世关系甚好，甚至可能是亲戚。阿基米德在埃及的亚历山大学习，他的导师是著名数学家欧几里得（约公元前300年在世）的学生。当学业完成后，他回到了锡拉库扎，并在那里度过余生。

尽管阿基米德并不是第一个使用杠杆的人，但他是第一个发现杠杆定理的人。他宣称，如果给他一个合适的地点，一个长度与强度足够的杠杆，他可以撬起地球。该“妄言”激起了希伦国王强烈的好奇心，他于是要求阿基米德移动非常沉重的物体。据说阿基米德用相互关连的一系列杠杆和几个滑轮做成了一个装置，让希伦国王自己一个人将载满乘客和货物的皇家轮船“锡拉库扎”放入海湾之中——该船从存放新制船的干船坞中被吊起，穿过陆地，拖至港口！

传说，阿基米德还独立设计了行星仪和灌溉庄稼的螺杆泵（尽管埃及人的螺杆泵可能早于他的发明）。这种螺杆泵是将一个螺杆装入一个圆柱体之中，当螺旋杆转动时，水就会上升。螺杆泵一直沿用至今。

阿基米德还发明了许多武器。据说在公元前215年，罗马人围攻锡拉库扎城时被阿基米德发明的新型武器打得落荒而逃。由于顾忌罗马人的进攻，于是国王任命阿基米德建造城市防卫系统。工程包括重建城墙以安放强力弹射器以及吊车，用以吊起大石块装入弹射器，将城下进攻的敌军砸死。此外，还有几样新式的武器。他的武器让罗马的军队束手无策，久攻不下，双方僵持了3年之久。罗马对锡拉库扎城的围攻到最后竟然演变成了罗马军队与阿基米德个人的较量。

“阿基米德之爪”也是阿基米德发明的令人心惊胆寒的众多武器之一。它可以从高处放下至任何攻击范围内的船只上，扣住船身后剧烈摇晃，将船高举到空中，然后猛烈地来回旋转摇动，一直到所有士兵被甩出船身，最后将船砸向岩石毁掉。没有人知道这个爪钩的工作原理，有人猜想这装置可能是由一台吊车牵引一个爪形大吊钩而成，大吊钩将船身举起，然后就在船几乎要垂直之前忽然将其释放。

还有传说描述了他将聚焦的镜子作为“打火玻璃”的事情。据说任何足够靠近“打火玻璃”的船只都会着火——它的打火弧度范围在锡拉库扎城墙之内。但是这种武器是否真正存在至今查无实证。

阿基米德被大众和他自己所接受的身份主要还是一个数学家。他计算的圆周率π已经相当接近于现在的值。它总结的计算一个有曲面的物体体积和表面积的方法也是两千年后出现的积分学的起源。

罗马人最后于公元前212年攻陷锡拉库扎城，马塞勒斯将军下令不要伤害阿基米德及其住宅。一个罗马士兵发现阿基米德时，他还在解决一个数学难题。当该士兵命令阿基米德跟他走时，阿基米德叫这个士兵不要弄坏了他画在沙上的圆，士兵很不耐烦，便杀死了阿基米德。

黄金分割律的发现

黄金分割律很早就被人们发现了。公元前6世纪古希腊数学家毕达哥拉斯对“如何在线段AB上选一点C，使得AB∶AC=AC∶CB”这样一个问题进行过深入细致的研究，最终发现了世界上赫赫有名的黄金分割律。

然而C点应设在何处呢？要解决这个问题，我们可以先设定线段AB的长度是1，C点到A点的长度是x，则C点到B点的长度是（1-x），于是

1∶x=x∶（1-x）

解得x=±

去掉负值，得

“0.618”就是唯一满足黄金分割律的点，叫作黄金分割点。

后来，人们慢慢地发现了更多黄金分割点深层而有趣的秘密。

100多年前，一位心理学家做了一个非常有趣的实验。他别出心裁地设计了许多不同的矩形，并邀请许多朋友前来参观，请他们从中挑选一个自认为最美的矩形。最后，592位来宾选出了4个公认为最美的矩形。

这4个矩形个个都协调、匀称，让人看了倍感舒适，确实能给人一种美的享受。大家不禁要问，这些矩形的美是从何而来的呢？

该心理学家亲自对矩形的边长进行了测量，结果发现它们的宽和长分别是：5,8;8，13;13,21;21,34。其比值，又都非常接近0.618。

5∶8=0.625;8∶13=0.615；

13∶21=0.619;21∶34=0.618。

这太令人惊讶了！

难道这些纯粹是一种巧合吗？

只要你留心观察，就不难发现“0.618”的美丽身影。一扇看上去匀称和谐的窗户、一册装帧精美的图书，它们宽与长的比值都接近0.618。经验丰富的报幕员，决不会走到舞台的正中央亮相，而是站在近乎舞台长度的0.618倍处，给观众一个美的享受。

哪里有“0.618”，哪里就有美的影子。我们如果去测量一下女神维纳斯雕像其躯干与身长的长度，就会发现二者的比值也接近0.618，难怪我们会觉得维纳斯奇美无比呢！

一般人的躯干与身长之比大约只有0.58，芭蕾舞演员在翩翩起舞时，不时地踮起脚尖，他们在人为地改变那个比值，以期接近那个完美的0.618。

所有这些都不是偶然的巧合，因为它们都在有意无意地遵循着数学上的黄金分割律。

人们珍视这一定律，故在其名上冠以“黄金”二字。黄金分割律在生活中的应用极为广泛。艺术家们发现，如果在设计人体形象时遵循黄金分割律，人体的身段就会达到最优美的效果；音乐家们发现，如果将手指放在琴弦的黄金分割点处，乐声就变得格外洪亮，音色就变得更加和谐；建筑师们发现，如果在设计殿堂时遵循黄金分割律，殿堂就显得更加雄伟壮观，在设计别墅时遵循黄金分割律，别墅将变得更加舒适；科学家们发现，如果在生产实践和科学实验中运用黄金分割律，就能够取得显著的经济效益……

黄金分割律的应用极为广泛，给人们的生产、生活带来了无穷的好处。

人类对圆周率的探索历程

在所有的几何图形中，圆是我们人类最早认识的几何图形之一，在这个简单而美丽的几何图形中却包含着一个神秘的数值，那就是圆周率π。为了探索这个奥秘，人类历经了数千年的努力。

圆周率指的就是圆的周长与其直径的比值，通常以“π”来表示。古人关于这个比值的看法莫衷一是：古埃及人认为这个比值应该是3.16，而古罗马人则认为是3.12……

公元前3世纪时，古希腊著名数学家阿基米德第一个研究圆周率。首先，他画了一个内接于圆的正三角形，然后又画了一个外切于圆的正三角形。众所周知，正多边形的边数越多，其周长就越接近于圆的周长，为此他不断地增加多边形的边数。

当阿基米德将正多边形的边数增加到96时，这样就得出π的近似值为22/7，取其值为3.14，这样将π值精确到小数点后2位，是世界上首次计算出来的圆周率值。为纪念阿基米德的这一伟大贡献，人们将3.14叫作“阿基米德数”。

在我国最早的几部数学著作中，凡涉及到圆周率的时候，一概采用了“径一周三”的方法，即认为圆的周长是直径的3倍，相当于π等于3。这一圆周率的数值是非常粗略的，后人遂将其称为“古率”。

公元3世纪时，我国数学家刘徽创造性地提出了“割圆术”，开启了我国古代圆周率研究史上的一个新纪元。刘徽最后计算出π的近似值为3927/1250，相当于取π等于3.1416。这个π的近似值在当时的世界上是处于领先地位的，后人称其为“徽率”。

刘徽之后200多年，我国著名数学家祖冲之立足于前人的研究成果，更进一步，从圆内接正六边形算起，一直算到圆内接正24567边形。

为了完成这项复杂的计算工程，并力求做到计算准确，祖冲之对至少9位数字反复进行了多达130次以上的运算，其中的开方运算和乘方运算就有近50次之多，有效数字多达18位，第一次将π值精确到了小数点后6位，并确定出圆周率值在3.141592 6和3.141592 7之间。

祖冲之用“约率”22/7和“密率”355/113这2个分数来表示圆周率。直到1573年，德国数学家奥托才重新得到355/113这个分数值，祖冲之为数学的发展作出了杰出的贡献，人们为了纪念他，便特意将355/113命名为“祖率”。

在西方，对圆周率的研究主要建立在阿基米德的研究成果之上。若干年来，许多数学家经过艰苦计算，使圆周率的数值越来越精确。

1596年，德国数学家鲁道夫将π的精确值推进到小数点后15位，从而创造了圆周率研究史上的一个奇迹。然而他并未就此罢手，后来又把π值精确到小数点后的35位。鲁道夫差不多将其生命都投入到了对圆周率的计算当中。鲁道夫去世后，人们为了纪念他，便将他呕心沥血算出的这一π值称为“鲁道夫数”，并铭刻在他的墓碑上。

1767年，德国数学家兰伯特提出“π是无理数”的假想，并对其进行了研究证明。他明确指出：π的小数部分一定是无限而又不循环的，这从理论上宣告了彻底解决π的精确值问题的所有努力的破产。

然而人们的积极性并未因兰伯特的断言而受到影响，反而更加热衷于对π的计算。1841年，英国的卢瑟福将π算到小数点后208位，其中正确的有152位。9年之后，他又重新计算π值，将π值推进到了小数点后第400位。

英国学者威廉·欣克采用无穷级数的方法，耗尽30年心血，终于在1873年将π算到小数点后的707位，这是在电子计算机问世之前人类计算π值的最高历史记录。

颇具戏剧性的是，76年后有人却发现欣克的π值因计算疏漏，将第528位小数5写成了4。这就意味着他后面的计算结果全部作废。

改写这一历史的是美国的几个年轻人。

1949年，世界上第一台计算机问世，这几个小伙子用它来计算π值，连续奋战了几十个小时，把π值计算到小数点后2037位。从此以后，由于计算机技术的飞速发展，在先进的计算手段的辅助下，人们求出了更加精确的圆周率。1984年，日本的计算机专家在超级电子计算机上连续工作一天一夜，将π值算到了1000万位小数。人类对π值的计算还将继续进行下去。

数学的进展

中世纪的欧洲学者们游历四方，其中的一部分人掌握了阿拉伯语。英国巴斯的哲学家阿德里亚地（约1080～1160年）就是诸多将阿拉伯语作品译为拉丁语的高产的翻译家中的一个。在1142年，他完成了古希腊数学家欧几里得《几何原本》的翻译，第一次把这部欧几里得的传世著作介绍给了欧洲人。他也翻译了阿拉伯数学家阿布·扎法·伊本缪萨·阿尔科瓦利兹米（约780～850年）绘制的天文图，复制了其使用的阿拉伯数字。在1145年，来自英国切斯特的学者罗伯特首次翻译了阿尔科瓦利兹米的《利用还原与对消运算的简明算书》，用音译法引入了“代数学”和“运算法则”这两个词语。

尽管阿德里亚地和罗伯特都使用新的数字，但真正对它们着迷的当数意大利数学家莱奥纳多·斐波纳契（约1170～1250年），斐波纳契出生在意大利中部的一个重要商业中心城市——比萨，致力于研究商业应用数学，在1202年发表的《算经》一书中，他解释了数字的使用规则。斐波纳契还概述了在数字体系中应用位值概念的优越性。正是他首先使用了分数线（用一斜杠来区分分子与分母，如1/4）。他也研究几何和数列，其中包括现在以他名字命名的斐波纳契数列：1,1,2,3, 5,8,13,21（在这个数列中，每个数值都等于它前面2个数字之和）。在1494年，被誉为会计学奠基人的意大利教士卢卡·帕西欧利发明了复式簿记的登记方法，并在其出版的《算法、几何及比率等运算中部分细节的探讨》一书中对该方法进行了介绍。

所有早期的数学作品都是面向学者或者商人的。第一本关于数学的英文普及读物是英国学者罗伯特·瑞克德（约1510～1558年）撰写的《艺术的基石》，这本书于1543年完稿及出版，并在此后的150年间被不断重印出版。1557年，罗伯特·瑞克德成为第一个使用等号（“=”）的人；加号和减号则是由德国学者首先使用的。数学家们使用代数等式。在拉丁文中未知数被称为“cosa”，德语则是“coss”。到了1591年，法国政治家兼律师弗朗斯瓦·维耶特撰写了《分析的艺术》一书，他用元音字母表示未知量，用辅音字母表示已知量，写出了现代数学家也能理解的第一个方程式，因此被称作“代数之父”。然而数学对维耶特而言不过是一项兴趣爱好，他最辉煌的成就是在法国与西班牙战争期间作为法国国王亨利四世的侍臣破译了西班牙菲利浦二世使用的密码。

与此同时，苏格兰莫切斯顿的男爵约翰·内皮尔正在紧张地发明一种骇人的武器，以保卫苏格兰免受西班牙的袭击。然而袭击事件并没有发生，许多人都因此认定内皮尔神经不正常。但不论其正常与否，内皮尔仍是杰出的数学家。在1594年，内皮尔发明了一种运算方法——所有数字都用指数函数表示，譬如4=22。乘法因此成了一项关于指数相加的运算，如22×23=25，而除法也仅需要将指数相减。他称指数表达式为“对数”，意指成比例的数字，并于1614年公布了以e（自然对数，是个无限小数——2.71828……）为底数的对数表。

内皮尔对数（又称自然对数）沿用至今。然而一位牛津大学的几何学教授，也是内皮尔的仰慕者——亨利·布瑞格斯指出，取10而不是e作底数将使运算更简便，因为这样log10=1，而log1=0。布瑞格斯发明了“常用”对数。在1624年，他公布了从1到100000的对数表。他还发明了应用于长除法的现代计算方法。

西蒙·史蒂文（约1548～1620年）是一位佛兰德物理学家、工程师和数学家。1585年，他首次提出了十进制记数法，但内容上并不完整。直至30年后约翰·内皮尔引入小数点这一符号，才使小数得到充分应用。

内皮尔极渴望能加快计算速率，1617年他带来了个人的第三个创新——“内皮尔骨”。它们是些笔直的棍子，每支都相应刻有乘法表。使用者按一定规则将它们排列组合后，任何繁冗的乘法计算即成为简单的加法。改进后的工具可旋转，其内部安放了12个圆柱体“骨头”。

大约在1622年，英国数学家威廉·奥特瑞德（1574～1660年）发明了“计算尺”。在20世纪后叶电子计算器被发明以前，数学家和工程师们一直使用计算尺来计算对数。奥特瑞德在两把尺身上标记了对数刻度，凭借另一把尺在计算时的机械移动来获取结果。在一本1631年出版的书中，奥特瑞德还引入“×”符号来标记乘法，用“:”标记比例。

万有引力定律的诞生

在英国北部林肯郡，有一个名叫乌尔斯索普的村庄。1642年12月25日清晨，艾撒克·牛顿就诞生在这个村庄里。牛顿从小就非常喜欢数学，并且注意观察周围的事物，他还喜欢动手制作各种各样的机械玩具。

牛顿勤奋好学，当他以优异的成绩考入著名的剑桥大学三一学院时，刚好19岁。学校强大的师资力量、浓厚的学术氛围及优良的硬件设施，为他提供了一个绝好的学习环境，使他受益匪浅。他在大学期间学习更加刻苦，悉心钻研数学、光学和天文学，这为他将来在物理学领域取得举世瞩目的成就奠定了坚实的基础。

牛顿于1665年毕业后，被剑桥大学的研究室留用，他的科研生涯也从此开始了。不久以后，为了躲避一场传染病，牛顿回到了家乡——林肯郡乌尔斯索普。一天，牛顿在一棵苹果树下专心思考问题，忽然一个苹果从树上掉下来，刚巧落在牛顿的脑袋上。苹果落地本来属于一种平常的自然现象，千百年来人们视为理所当然，从未想过其中的原因。而牛顿看着已滚落到一旁的苹果却陷入了深思。他想，苹果为什么不是向上飞去而是往下掉呢？如果说苹果往下掉是因为它有重量，那么重量又是如何产生的呢？他认为，也许有某种力量存在于地球上，能把一切东西都吸向它。每一件物体的重量，也许就是受这种地球引力而产生的。这说明地球和苹果之间互有引力，进一步来看，整个宇宙空间都可能存在这种引力。就这样，牛顿将思考的问题由一个落地的苹果引向了星体的运行。

此后，牛顿继续对这个问题进行深入的探索和思考，他进一步推测：太阳对各个行星必定也有吸引作用，不然各个行星不会围绕着太阳运转。

牛顿在经过反复思考和探索后，得出结论：宇宙的定律就是质量与质量间的相互吸引。从恒星到恒星，从行星到行星，这样相互吸引的交互作用遍及整个宇宙，使宇宙间的任何一种事物都在既定的时间，依照它既定的轨道，向着既定的位置运动。这种存在于整个宇宙空间的相互吸引作用，牛顿将其称为“万有引力”。

自1665年开始，牛顿就用严密的数学手段对物体运动的规律和理论来进行进一步的研究和论证。牛顿从力学的角度分析后认为，开普勒所提出的行星运动的3个定律的基础都在于万有引力的作用。于是，牛顿决定从这些定律入手，通过一系列严格的数学推论，用微积分证明：开普勒第一定律所表明的是，太阳作用于某一行星的力是吸引力，吸引力的大小与太阳中心到行星的距离的平方成反比；而开普勒第二定律则表明，作用于行星的力是沿着太阳和行星的连线方向，这个力只能起源于太阳；然而，太阳对于不同行星的吸引力都遵循平方反比关系，这则是开普勒第三定律要表明的。在这些论证的基础上，牛顿进一步分析研究天体运动，最终得出了万有引力定律。

无所不在的电

威廉·吉尔伯特把“电”这个字与一块摩擦过的琥珀所产生的磁效应联系起来，从而提出了大胆的设想。事实证明，这个设想是颇具预言性的。对吉尔伯特的研究颇感兴趣，并予以进一步提升的科学家之一就是德国人奥托·冯·格里克，他是在吉尔伯特公开出版其巨著《论磁》两年之后（1602年）出生的。格里克虽然是一位业余爱好者，但是却不乏创造才能。

冯·格里克对空间的本质表现出了深厚的兴趣。他曾经怀疑是否确实存在真空，即一个没有任何物质的空间。他之前的亚里士多德和笛卡儿对这一问题都持否定性的态度。

还有两个相关的问题是，行星如何在它们的运行轨道上运行？行星之间如何互相作用以及相互影响？针对这些问题，开普勒和吉尔伯特曾经提出了磁力动因说，而冯·格里克则开始对这一学说的真实性进行研究。在研究过程中，他研制出了一种能够创造出部分真空的办法。1650年，冯·格里克成功地发明了一种能够用来把容器中大量空气抽出的、非常具有实用意义的抽气泵。与此同时，冯·格里克还对真空的各种物理属性进行了研究。他曾经作出了如下的推断：在真空里不会发生燃烧现象，但是真空中的磁铁依然能够对金属物质产生吸附作用。

在1657年进行的马德堡实验中，冯·格里克把两个铜制的半球形物体合在一起从而形成了一个圆球体，然后证明在把该球体中的空气抽出之后，周围空气所形成的气压会使这个球体处于密封的状态。为了对气压所产生的强大力量进行进一步的证实，冯·格里克让两组各有8匹骏马组成的小队试图把这个圆球拉开，但是始终无法完成。另外，冯·格里克在维也纳和柏林的宫廷里也进行了这个非常生动的实验。

在证明了磁力可以穿越真空之后，冯·格里克开始试图了解天体是否也会受到这种力量的作用。在对吉尔伯特的实验进行考察之后，格里克对这一实验进行了模仿，并研制出了一个由很多物质材料（如硫磺）构成的更大的圆球体。

格里克发现，在把这颗圆球旋转起来，并用他的一只手对其进行摩擦之后，同样能够显现出那种被吉尔伯特认为是电的物理效应。这个圆球就这样获得了吸附属性，并会放出火花，而且即使在圆球不再转动之后，这种效应仍然能够持续下去。这激起了格里克的极大兴趣，他接着制造出了一部机器，并通过这部机器的一个转动的曲柄来转动圆球体；在此之后，他还设计出了一个能够使圆球转得更快的用皮带驱动的机器。最终，他还能够使这个硫磺圆球发热。格里克通过他所进行的第一个试验证明了“电引起的发光”现象的存在。作为一种娱乐方式，冯·格里克实验机器的复制品的受欢迎程度不亚于其严肃的科学研究。18世纪的上半期，静电机器几乎无处不在，同时还存在着很多由玻璃圆球或圆盘甚至是啤酒瓶制成的各种静电机器。

在英国，斯蒂芬·格雷发现了与静电有关的两件事情：第一，静电的无声放电或者无声倾泻能够沿着一条丝线被传播出去；第二，被带到“电源”附近的物体本身也会由于被电化而带电。

在法国，查理·弗朗索瓦·西斯特尼·杜菲发现，带电体能够互相吸引或者排斥，这个现象使他认为存在着两种形式的无声放电，并将它们命名为玻璃质的和树脂质的。

这些机器越来越成熟，并能够制造出大量的静电。然而如何把这些电能存储下来成为最大的难题。最后，这个问题由德国发明家埃瓦尔德·G．冯·克莱斯特和荷兰科学家皮埃特·凡·穆申布鲁克分别于1745年和1746年解决。这两位科学家分别发明了各自的设备，从而实现了对电能的储存。

此外，这两位科学家还发明了第一个电容器。他们首先用一个软木塞把装了半瓶水的瓶罐封闭起来，将一根金属丝线穿过软木塞并且使其能够伸到瓶内的水里。然后，通过把金属丝线靠近一个静电发电机的方式来使其通电。当这个瓶罐从这个静电发电机旁挪开的时候，那些电被留在了瓶罐内，这是任何碰到金属丝线的人都能感觉到的。1745年2月，一封信被公开刊登在《皇家学会哲学汇刊》上。这封信描述了那个碰到金属丝线的人的惨状：“他在开始的一瞬间完全没有了呼吸；然后，他感觉到右胳膊上剧痛，并就此落下了病根。”

冯·克莱斯特对这个系统进行了改善和提高。他在玻璃上涂了一层金属层，从而使静电可以直接穿越玻璃，进而直接抵达瓶罐内的水面。在这场早期的、显示谁的技术更高一筹的较量中，穆申布鲁克索性把这个简陋的玻璃装置的里里外外都涂满了金属层，从而使外部的金属可以给内部的金属直接施加电荷。在按照这个思路进行实验之后，他发现位于金属层中间的玻璃层越薄，瓶罐内所放射出的电火花就越剧烈。这个实验结果似乎说明，电流是一股流体而不是两股，而这个假设是被美国的发明家本杰明·富兰克林所证明的。穆申布鲁克的这个蓄电装置被命名为“莱顿瓶”，这个发明的某些版本一直沿用至今。

到了18世纪中期，电学已经逐渐成为了最流行的学科。人们发明了一连串带有电枢的设备。这种电枢围绕电负荷旋转，但是在通电的情况下则被排斥出去。“电不再是只属于知识分子的专利，也不再是一个神秘得让人神不守舍的新鲜事物，它很快便成为社会大众谈话中的一个话题。”科学历史学家帕特丽夏·法拉如是写道：“很多有钱人购进了他们自用的蓄电设备，而贵妇们则专心于制作能够握在她们手中从而照亮她们的鲸骨裙的小型照明手电，或者用一道很有感觉的（如有点痛）电流之吻使她们的仰慕者心潮澎湃。”本杰明·富兰克林发明了一口只要接触到静电就会鸣响的钟，而乱夸海口的吹牛家则吹嘘说静电荷可以起到治愈从头疼脚热到大病小灾在内的所有病痛。

随着更大量的电荷被莱顿瓶储存起来，以及许多莱顿瓶被连接起来用于储存实验研究中的大量电荷，人们越来越清楚地了解到了电的危险性。1750年，富兰克林证明，他能够在雷电交加的天气中通过放飞一只装有一个金属头和一根丝绸长线的风筝给莱顿瓶充电。由此，富兰克林证明闪电也是一种静电形式。另一个试图用闪电为蓄电池充电的人则因雷击身亡，这一惨烈的场面证明，地球上的电和天空中的电肯定都属于同一种无声放电现象。

1765年，启蒙运动中的自由主义者约瑟夫·普利斯特里与本杰明·富兰克林进行会面。在对政治问题进行讨论时，他们也就彼此的电力学研究成果与心得进行了交流。富兰克林积极鼓励普利斯特里将其研究成果公开发表。1767年，普利斯特里终于公开发表了《电学的古与今：以原创实验为视角》这部著作。除其他观点之外，他着重指出：两个电荷之间的吸引力和排斥力与两者之间的距离依照平方反比定律发生变化。这也正好是牛顿对万有引力问题的重要发现之一。

1785年，法国物理学家查尔斯·库仑发明了一种极为敏感的力学设备，从而对普利斯特里的假设性学说进行了证明。后来，这个证明被称为“库仑定律”，它的内容是：两个电荷之间所存在的作用力与这两个电荷所带的电量成正比，而与两个电荷之间的距离的平方成反比。同时，库仑发现，他的定律也适用于磁吸引现象中的作用力。

电究竟是什么东西呢？由于每个莱顿瓶都只能放一次电，因此这使所有的研究都变得相当困难。19世纪初期，这些不利条件发生了转变，而这一切都归功于意大利物理学家阿雷桑德罗·伏打的研究成果。伏打早就对电这种被冠以“动物之电”的神秘力量持一种无神论的客观立场。伏打的发现是他的朋友和同乡吕基·加法尼对外公开宣布的。加法尼早已用金属实验工具对青蛙的大腿进行过深入的研究，并在试验中发现青蛙的腿部肌肉在被触碰的时候会发生一阵自然抽动。于是，加法尼便猜想，这是因为金属工具把某种电流释放了出来。在重复进行了加法尼的实验之后，伏打便开始确信电并不是由青蛙的肌肉组织产生的，而是由潮湿的环境以及研究试验中不同的金属工具同时导致的。

为了找到答案，伏打实施了另外一个更为直截了当的实验：他把不同种类的金属的合金（如银和锡、铜和铁等）放在自己的舌头上，它们带来了一些苦苦的感觉。于是，伏特猜想这种感觉应该是电由一种金属通过舌头上的唾液流到另一种金属时所产生的。根据伏打所进行的详细记录，不同的金属合金会带来强度不一的苦味感觉。此后，他还设计出了他原来进行的实验的人造版模式，即把银盘和锌盘叠加在一起，然后在中间放一张浸泡过盐水的纸，从而把两个金属盘隔开。这个实验的结果是一股连续性电流的产生。

最早运用伏打的研究成果的科学家之一是英国化学家汉弗莱·戴维。戴维以其颇具创造性的气体实验闻名遐迩，而电堆的可能性研究激起了他极大的兴趣——如果化学反应能够发电，那么电本身能否与物质发生反应，从而把它们分离成这些物质的组成元素？

戴维建成了一个巨大无比的电堆，并为多种化合物（如碳酸钾）通上电流。他发现，在被连上电池电线的一块碳酸钾中，有很多发亮的金属滴状物开始形成，并爆向空气。他已经发现了一种新的化学元素——钾。同时，戴维也把其他化学元素分离出来，如钠、钙、锶、钡、镁、硼和硅等。他开始确信自己所说的：“化学和电力吸引现象是由同一个原因造成的。”

在戴维的众多科学遗产中，还有另外一个观点，即化合物中的原子是通过某种电力作用而结合在一起的。这个观点得到了法拉第的拥护和支持。在戴维因一次实验事故炸伤了脸从而造成暂时性失明之后，法拉第受聘担任其助手。

诞生于1791年的迈克尔·法拉第是一名铁匠的儿子。法拉第自幼体弱多病，13岁的时候被迫退学，成为一名装订商的学徒。在那个时候，他阅读了很多科学书籍。与此同时，他继续聆听由戴维主讲的一系列化学讲座。在整个讲座过程中，法拉第总是一直保持着全神贯注的状态，并作了非常详细和全面的笔记。

当戴维在实验事故中受伤而需要一名助手的时候，法拉第便被推荐去担任这一职务。考虑到法拉第所记的笔记颇能反映出他的机敏，戴维雇用了他。当时，戴维正要去欧洲大陆进行一次为期18个月的巡回演讲。于是，只有22岁的法拉第被他带在了身边。对于能够听到戴维的演讲以及对戴维的实验进行观察，法拉第感到非常荣幸。此外，他还能够与当时欧洲最伟大的科学家进行面对面的接触。

其间，法拉第开始着手对自己的研究项目进行研究，尤其是对电和磁之间的关联性的研究。1820年，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发表了一篇关于在磁铁旁的电流可以使磁铁与电流方向形成直角的论文。法国物理学家安德烈·玛丽·安培继续进行奥斯特的研究项目，并在1821～1825年期间的实验研究中发现了电与磁之间的基本关系原理。安培在实验中发现，两根通着同一方向电流的电线之间发生了磁力吸引，而当电流变成相反的方向时，两根电线则互相排斥。在把电线缠绕成线圈，并再次使其通电时，安培发现他已经做成了一个电磁铁，因为缠成线圈之后的磁力增加了很多。同时，把线圈缠在一块铁条上同样可以使这个磁体的磁性变得更强。于是，安培认为磁力来源于把所有原子在电线和铁块上排列起来的电流。

在奥斯特旋转罗盘的基础上，法拉第不由得提出了这样一个问题：既然电能够引起磁效应，那么磁能否用来发电呢？在给一根铁棒缠上电线线圈之后，法拉第把一对磁力很强的磁铁在电线线圈方向上进行移动。一个专门用来检测电流的检流计显示，电线圈中已经产生了电流。此后，法拉第对这个模型进行了改进，他把两块磁铁固定下来静止不动，在两块磁铁之间放置一个铜制圆盘，通过转动磁铁之间的铜制圆盘就能够产生电流。产生的电流被连到一端固定在离旋转圆盘边缘较近的地方，另一端则连接到圆盘旋转的轴心上的电线上。

于是，法拉第研制出了第一部电磁发电机。在19世纪的整个历史进程中，人们利用电磁感应原理发明了许多新的引擎和机器，而这些新发明给运输和通讯领域带来了革命性的变化。

那么，发电机是如何运作的呢？法拉第对这个问题进行了长达数年的研究。他当时并不知道电子的概念，而正是电子微粒的运动组成了电流本身。法拉第曾经进行了如下的猜想：当电流通过某种物体的时候，会使这些原子作用力场处于一种紧绷的压力状态；而在原子把电流传给下一个群簇之后，这种紧绷的压力状态就可以解除。电沿着紧绷的线路通过导电物质的道理，就好像水波纹在通过水面的时候总会保持其高峰状态一样，移向岸边的不是水本身，而是能量。因此，法拉第认为这种方式可能就是闪电发生的原理和静电产生的真实方式，同时也是电流通过电堆时的唯一方式。尽管法拉第对于电的本质没有一个非常清楚的概念，但是他的回答已经非常接近正确答案了。

热能的隐秘生活

当电磁辐射的科学研究和众多新发现悄然登上科学杂志的头版头条时，对另一种能量形式的研究也在向前迈进，这种能量形式就是热能。或许就是因为司空见惯，因此关于它的研究通常被人们认为没有什么新闻价值。毕竟，每个人都知道火是热的，要把水煮沸或者煮菜烧饭都需要耗费热能，想要烧出水蒸气也必须通过大量的热能才能实现。到了18世纪中期，热能使引擎转了起来，而且在不久之后，火车、轮船和许多机器也都是通过热能来推动了。

然而，在科学家看来，热能与电一样，也是一种神秘的能量。基于物质材料在变热之后会相应膨胀的事实，伽利略成功地设计出了一种温度计。他把一个装满水的瓶子颠倒过来，然后再把一些空气注入这个瓶子中。随着温度的高低变化，瓶子里面的空气也会发生膨胀或收缩，而这些变化带动了瓶中液体的上下变动。由于没有任何刻度来测量液体运动的精确变动值，这个简陋装置只能展示出相对粗略的温度变化。

设计出一种有固定值的温度计最终是在18世纪初期完成的。当时，曾经于1675年首次计算出光速的丹麦天文学家奥勒·雷默发明了一种以酒精为液体的温度计。他设定了0度作为水结冰的温度点，而60度被作为水煮沸时的温度点。

1708年，荷兰工具设备制造商丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特造访了雷默。回到荷兰之后，华伦海特便开始制造自己的温度计。他把零度作为啤酒结冰时的温度点，而100度作为人体体温的温度点。按照这个刻度系统，水在32度的时候结冰，在212度的时候沸腾。这与雷默所设定的温度点相对数值相差很大。最后，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯发明了一种水的冰冻点和沸点正好相差100度的温度计。摄尔修斯最初把0度作为水的沸点，而把100度作为水的冰点，但是在摄尔修斯于1744年离别人世之后，瑞典生物学家卡尔·林耐把这个刻度颠倒过来，成为今天我们所用的摄氏温度。但是，各式各样的温度计真正测量出的是什么呢？一些人认为，热能来源于某种物质所引起的振动现象，其他人则认为热能是一种没有重量的流体，它包含于物质内部，却可以从一个地方流向另外一个地方。18世纪末期，美国人本杰明·汤普森也加入到这个争论中。

美国独立战争初期，汤普森曾担任英国军队的指挥官和间谍。1779年，他被提名为英国皇家学会成员。

在他致力于慕尼黑军需用品研究的时候，汤普森注意到加农大炮发射之后，其金属层会变得非常烫手。于是，他作出推断：大炮所产生的热量要比金属本身所含有的热量大一些，否则，金属层自身所含有的热量就会使其熔化。这说明，把热能视为包含于金属之中的能量流体的观点是不能成立的。同时，他也注意到，摩擦是热能产生的原动力，因此运动才是热能产生的关键所在。汤普森甚至预测出某种数量的运动能够产生多少的热量。1798年，他把《受摩擦激励的热源的一个试验调查》提交给英国皇家学会。

汤普森是一位充满戏剧色彩的人物。在法国和英国爆发战争的时候，双方都把其视为间谍，而且双方都有可能是对的。他曾租下英国皇家研究院，并聘任汉弗莱·戴维担任这个研究院的讲师。他重新设计出能够更好地保存热量的壁炉和火炉；发明了中央加热系统，即一种无烟的烟囱以及一种灶式烘烤器；对丝绸物质和保暖内衣裤进行了很多实验。他曾经一夜暴富，也曾经倾家荡产，并与非常富有的法国著名化学家安托万·拉瓦锡的遗孀结婚。

汤普森的研究成果最终被英国曼彻斯特酿酒商的儿子詹姆斯·普雷斯科特·焦耳所吸收和继承。思想保守、信奉神明的焦耳认为，能量的所有形式都具有同一性，而且能够实现相互之间的转化。对于一个酿酒专家而言，要证明这样一个假设命题存在着一定难度，但是焦耳却始终坚持着。

以电为切入点，焦耳于1840年发现了这样一个比例关系，即一个电路所产生的热量与电流和电阻之间的乘积的平方成正比。然后，他试图找出电流和机械运动之间是否能够依照可以预测的数量关系来产生热能（汤姆逊曾设想过的这种数量关系只是一种粗略的估计）。和汤姆逊一样，焦耳也认为能量从一种形式向另一种形式转化，可以在不借助能量流体理论的条件下进行解释和说明。

由于所接受的数学教育和培训非常有限，焦耳很难通过数学公式把他的理论和思想表达出来。然而，其他研究者能够对他精细的实验进行复制，尤其是他于1847年发现需要多少机械力量才能使桨板把水的温度提高1度（以华氏温度为准）以后。焦耳证明，热引擎所做的功的总量与在把能量转化为功的过程中所丧失的热能数量成正比。如今，功的标准单位便被称为“焦耳”。

焦耳曾经与威廉·汤姆逊（后来的开尔文勋爵）开展合作，原因在于威廉·汤姆逊也认为热能学和电磁学的研究将会通往一个统一的能量理论形式。威廉·汤姆逊和焦耳对各自的研究成果进行交流，最终，汤姆逊重新考虑他对于热能理论的看法，并在热能、电力和磁力的数学研究上完成了大量的工作。

在焦耳还忙碌于他的实验研究时，由生理学家转行而来的德国物理学家赫尔曼·冯·赫尔姆霍茨已经开始形成一种最为深刻和有用的物理学理论，即能量守恒定律。能量守恒定律的内容是：自然界中包含的存在着固定值的能量不能被增加也不能被减少。这个定律适用于能量从一种形式转化为另一种形式的过程，即从热能转化为机械能、化学能转化为电能、动能转化为其他潜在能量等过程。同时，这个定律也适用于通过风车、水流以及燃烧燃料产生能量的过程。除此之外，能量守恒定律也适用于身体所产生的能量形式，以及重力能量、辐射能和核能等。

事实上，焦耳和德国医学家、物理学家裘力斯·梅耶早已表达过类似的说法，但是这个能量守恒定律在赫尔姆霍茨于1847年发表的著作《论力的守恒》中找到了最有价值的表述方式。他所提出的关于能量守恒的观点对于热力学的出现和诞生起到了关键性的作用，并成为其第一定律。由于对能量有了从一种形式转化为另一种形式的认识，很多无法解释的现象终于得到了合理的解释。

法国物理学家尼科拉斯·萨迪·卡诺也发现，蒸汽机的效率与其最高温度和最低温度之间的差值存在着极大的关联性。换句话说，一部热力引擎为你提供的做功总量依赖于热源（比如锅炉中的蒸汽）和冷源（热能最终被转至的地区）之间的温度差。这种关系后来被人们所了解和接受，但是仍然没有人真正知道其中的原因。卡诺通过热能理论作出了如下的假设：所有经过引擎的热能是不会发生变化的。德国物理学家鲁道夫·克劳修斯认为，如果确实是这样，那么热能便可以循环再使用，而且引擎也会永远不停地转动着。

克劳修斯想要得出的结论是，热能在本质上总是会自发地单向性流动，即从热到冷的单向流动，而且这个路径是不可逆转的。如果确实如此，那么一杯咖啡一整天都是热乎乎的，而咖啡周边的空气也会被其吸收了热量。此外，克劳修斯还观测到，随着时间的推移，一个系统中热能的某些部分总是会被发散掉，因此无法用于做功。这种无秩序现象在系统中逐渐积累起来，最终被称为“熵”。这些公理堆积到一起就构筑成热力学的第二大定律，而这个定律是由英国的开尔文勋爵独立发现和创建的。

通过一个灵巧的反向推理，开尔文勋爵对这个热力学第二定律进行了彻底的研究。最后他发现，如果炽热的气体能够产生机械动力和热的挥发，那么反过来也应该是完全可行的，即通过机械动力对一种气体进行压缩能够使热量从低温转变到高温状态。这一理论推动了19世纪早期冷藏工业的迅速发展。

对热力学第二定律进行寻根究底的，是维也纳物理学家路德维希·爱德华·玻耳兹曼。他作出了如下的猜想：如果能量是基于原子的运动，那么热力学应该能够通过数学来进行分析和论证。于是，玻耳兹曼创立了很多数学公式。这些数学公式既有关于分子中能量分布的，也有关于熵效应的。

玻耳兹曼认为，任一系统中的无秩序现象都可以被测量出来，即使不是最精确的，也是八九不离十的。通过在物质原子结构和能量的所有形式之间建立数学统计关系的研究成果，与麦克斯韦并肩作战的玻耳兹曼成为19世纪晚期阐释物质与能量的关系以及把这些研究整合起来的关键性人物。那段历史时期也见证了对物质原子理论的反对声。作为这一理论最为积极的提倡者和鼓吹者，玻耳兹曼发现自己也被卷入到这场学术激战之中。最终，筋疲力尽、悲观失望的玻尔兹曼在1906年上吊自杀。

光的性质

早期的科学家通过不断的研究逐步揭示了光的各种特点：光是如何被透镜折射的？光是如何投下阴影的？光的传播速度有多快？然而对于自然光本身的了解则是理解以上所有光学特性的基础。尤其是：光是由微小的粒子流——像机枪射出的子弹那样——组成的，还是由波纹——像涟漪一般穿过无限的真空——组成的？

我们可以明显地看到平行光线经过透镜后汇聚于一点，而集中的光线可以使得焦点处温度陡然升高，从而使得放大镜成为“取火镜”。放大镜的这一用途在古希腊时代便为人们所知晓。据说公元前212年，希腊科学家阿基米德使用取火镜击退来犯的罗马战船，保卫锡拉库扎。但是在这种情况下光线的光路是如何改变的？在其偏转的角度之间又存在着什么性质？这些问题一直没人能够解答，直到1621年，荷兰数学家威尔布罗德·斯奈尔（1580～1626年）才成为首位研究并测量光线偏转角度的科学家。他发现光线由空气进入玻璃中时，入射角（光线进入玻璃时的角度）与折射角（光线被扭曲偏转后的角度）的关系同玻璃的属性有关，称之为“折射率”。

另一位数学家、法国人皮埃尔·德·费马（1601～1665年）揭示光能投影的原理。1640年，费马指出由于光沿直线传播，因此不可能“绕过障碍物”照亮阴影，这就是“费马原理”。同时，费马也观察到光线在较为稠密的介质中传播速度较慢。

1675年，英国科学家牛顿认为光是以微小粒子流的方式传播的，因此提出了光的“粒子”理论。数年间，多位科学家均不同程度地质疑过这一理论，而罗伯特·胡克（1635～1703年）于1665年提出的光的“波”理论就直接挑战着“粒子”理论。胡克根据光线被玻璃折射的现象以及光在密度较大的介质中传播速度较慢的现象等，推断光必然以波的形式传播。1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773～1829年）发现光的干涉现象，这对“粒子”理论是最致命的一击。干涉现象即为白光透过狭缝时，被分成由各种色彩组成的虹，而在当时，只有“波”理论能够解释这一现象。1804，托马斯·杨将这一成果发表。

但是“粒子”理论与“波”理论的争论仍未停止，直至20世纪初德国物理学家普朗克提出量子理论之后，才最终将这场争论画上句号。量子理论认为包括光在内的所有形式的能量，在空间中均以有限“量子”（普朗克又称其为“小微粒”）的形式传播，这同牛顿的“粒子”理论非常接近。但随着现代物理的发展，1924年，路易斯·德·波尔（1892～1987年）年提出波尔量子理论，认为所有移动的微粒亦同时表现出“波”的性质，即“波粒二象性”，并证明了这一理论的正确性。因此，牛顿、胡克等人的理论均是正确的，科学上一个伟大的争议话题也最终画上了句号。

红外线与紫外线的发现

著名的大科学家牛顿曾做过一个实验，发现太阳的“白光”通过三棱镜可以被分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种有色光。在相当长的一段时间内，人们一直认为太阳光只能分解成这7种颜色。然而，英国物理学家、天文学家赫歇耳对此却提出了质疑：在这7种可见光的“外”面，也就是在那些看不见的领域中，果真什么“东西”都没有吗？为了证实这个疑问，1800年，赫歇耳做了下面这个实验：

他让阳光通过三棱镜折射到侧面的白色纸屏上，由此得到了七色彩带，这同牛顿的发现是一样的。不同的是，赫歇耳不仅在每种色区内都放了1支温度计，还在红光以“外”和紫光以“外”的附近区域各放了1支完全相同的温度计。

温度计显示：在七彩光的照射下，7个可见光区的温度都升高了；而紫光外区域的温度却没变。奇怪的是，红光外区域的温度不仅升高了，而且还略高于红光区的温度。

实验结果令赫歇耳大为吃惊，因为并没有光线照射在红光外区域，它的温度为什么也会升高呢？赫歇耳不禁联想到，在离红光区更远的区域，温度会不会升得更高呢？他又做了一个实验，将温度计移到离红光区更远的区域。令人不解的是，这时的温度非但没有增加，反而降到了室温。赫歇耳被搞迷糊了，他又做了许多实验，最终确认，在红光外附近区域确实存在红外线或者“红外辐射”，而且红外线也和可见光一样遵守反射、折射定律，但与可见光不同的是，红外线更容易被空气吸收。所以，红外线在刚发现时被称作“不可见辐射”。

赫歇耳发现红外线后，科学家们又开始了更深入的探索，以期发现紫光以外区域中的秘密。他们在想，紫光以外区域的温度计示值为何没有升高呢？这里会不会存在不可见光呢？许多科学家采用物理方法做了大量实验，可仍一无所获。而德国物理学家里特尔却独辟蹊径，他舍弃物理方法，采用化学方法来探测紫光外区域的情况。1810年，他将一张浸有氯化银溶液的纸片放在七色彩带的紫光区域以外附近的区域。没过多久，里特尔就发现纸片上的物质明显地变黑了。他又做了许多研究，最后确定纸片之所以变黑一定是受到一种看不见的射线的照射。他称这种射线为“去氧射线”，就是我们现在所熟知的“紫外线”。此外，他还研究了各种辐射对氧化银分解作用的大小，也就是各种辐射所产生的能量的大小，并据此判断出紫外线的能量比紫光的能量大。

任何一种科学发现，都要以造福人类为其最终目的，否则它就失去了存在的意义。红外线和紫外线的发现，同样也给人类带来了极大的福音。

和太阳一样，宇宙中的很多天体都会辐射出大量的红外线。科学家们发明了红外望远镜，利用此种望远镜对外层空间进行探测，从而更准确地探测到这些天体发出的红外线。红外线在人类生产和生活实践中的应用不胜枚举，如监视森林火情、估计农作物长势和收成、寻找地热和水源，以及金属探测、遥感、烘干、加热和“红外显微镜”等。

紫外线的主要应用在其化学作用方面。紫外线的荧光效应可用在照明的日光灯和能杀虫的黑光灯上。它的照射具有明察秋毫的能力，可以轻易地辨别出极其细微的差别来，比如紫外线能够清晰地分辨出留在纸上的指纹。另外，紫外线在治病和消毒方面也得到了广泛的应用。不过，人体吸收过多的紫外线会给身体带来伤害，因此，应该避免日光的强烈照射，避免在不穿戴防护用具的情况下进行电弧焊接等操作。

赫兹捕捉电磁波

电磁理论的建立是一项系统而又繁复的工程，它的完善几乎耗尽了几代科学家的心血。法拉第为其奠定了坚实的基础，麦克斯韦（英国物理学家，1831～1879年）最早预言世界上有电磁波的存在，而赫兹则是向世界推广麦克斯韦的理论并使其得到世界公认的科学家。

1857年2月，亨利希·赫兹诞生于德国汉堡一个中产阶级家庭里。中学毕业后，他继续在德累斯顿高等技术学校学习工程学。当时，他的理想是成为一名建筑工程师。1877年秋天，赫兹在柏林铁道兵团服役满一年退伍后，进入慕尼黑大学，继续攻读工程学。在此期间，赫兹选修了著名物理学家菲利浦·冯·约里的物理课和数学课。教授授课深入浅出，非常生动，使赫兹获益匪浅。从此以后，赫兹对物理和自然科学产生了浓厚的兴趣。

为了能听到著名的数学家亥姆霍兹和物理学家基尔霍夫的课，赫兹申请转入柏林大学学习。很快，这两位老师就将赫兹视为自己的得意门生，并决定从各方面对其进行培养。

1880年3月，赫兹获得了柏林大学博士学位，随后在亥姆霍兹研究所做了两年半助手。此时正值麦克斯韦发表了电磁场理论，下面介绍麦克斯韦的电磁场理论的主要内容。

1．变化的磁场产生电场。在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里将会产生感应电流（图1），这就是我们所说的电磁感应现象。麦克斯韦从场的观点研究了电磁感应现象，认为电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了一个电场，这个电场驱使导体中的自由电荷做定向的移动。麦克斯韦还把这种用场来描述电磁感应现象的观点，推广到不存在闭合电路的情形。他认为，在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关（图2）。

2．变化的电场产生磁场。既然变化的磁场可以产生电场，那么变化的电场是否也可以产生磁场呢？一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度将随着时间而变化。另一方面，运动的电荷在空间要产生磁场。用场的观点来分析这个问题，就可以说：这个磁场是由变化的电场产生的。例如在电容器充放电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化着的电场也产生磁场（图3）。

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，这是麦克斯韦理论的两大支柱。按照这个理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。

遗憾的是，该理论在当时并没有得到社会的承认，甚至遭到了一些人的公开非难。1879年，亥姆霍兹以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题，设置柏林科学院悬赏奖金，希望通过实验证明麦克斯韦的理论。

赫兹参与了这一课题，花费了几年的时间，对有关电磁波的各种不同的观点进行了深入研究与分析。为了深入研究“电火花实验”，赫兹做了大量的比较和鉴别工作，在此基础上他精心设计了一个电磁波发生器，想通过一系列实验证实麦克斯韦曲高和寡的电磁场理论。

赫兹首先在2块边长为0.4米的正方形锌板上分别接上2个0.3米长的铜棒，然后在铜棒的一端又焊上一个金属球，让铜棒与感应圈的电极相连。通上电后，只要2根铜棒的金属球相互靠近，就会有电火花产生，并从一个球跳到另一个球。这些火花说明电流是循环不止的，在金属球之间产生的高频电火花便是电磁波。根据麦克斯韦的理论，电磁波由此就能被送到空间去。

赫兹为证明该理论，又制作了一个电波环，以捕捉这些电波，确定它能否被送到空间。顾名思义，电波环是一个环状物，是用粗铜线弯成的，环的两端有2个小金属球，球的间距可以调整。赫兹就是用这个装置来接收莱顿瓶辐射的电磁波的。小金属球之间一旦产生火花，就表明接收到了电磁波。在实验中，只要改变金属球的间距，就可以调整接收天线的谐振波片，而谐振的时候，火花就产生了。赫兹把这个电波环放到离莱顿瓶10米远的地方，当莱顿瓶放电时，果然不出所料，铜丝线圈两端的铜球上产生了电火花。赫兹解释道，电磁波从莱顿瓶发出后，被电波环捕捉住，也就是说，电磁波不仅产生了，还传播了10米远。

1887年，赫兹完成了一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文。他在论文中对以往有关电磁波的研究成果进行了总结，并以实验的方法证明了麦克斯韦的电磁场理论。这篇论文很好地解答了亥姆霍兹提出的悬赏难题，并因此而荣获柏林学院的科学奖。赫兹用自制的简易仪器有力地证实了麦克斯韦深奥的电磁场理论。从此以后，再也没有人质疑麦克斯韦的电磁场理论和电磁波的存在。

自此以后，赫兹开始专门研究电磁波，还对电磁波的传播速度作了测量。实验时，他选择了一个特殊的教室，该教室长15米、高6米、宽14米。赫兹把一块4（米）×2（米）的锌板安装在了离波源13米处的墙面上，当电磁波从波源发射出来，经锌板反射后，便在空间形成了驻波。赫兹首先用检波器对电磁波的波长进行检测，接着根据直线振荡器的尺寸计算出电磁波的频率，最后通过驻波法计算出了电磁波的传播速度。赫兹于1888年发表《论电动效应的传播速度》一文，文中提出了电磁波在真空中的传播速度同光一样快。

接下来，赫兹又进行了电磁波的折射、反射、偏振等一系列实验。实验证明，同光波一样，电磁波同样具有折射、反射和偏振等物理性质。

赫兹不仅是一位严谨的科学家，还是一位极负责任感的老师。1893年12月，作为波恩大学的教授，赫兹抱病坚持上完了他一生中的最后一堂课。第二年元旦，年仅37岁的赫兹便因病去世了。

为了纪念这位年轻的科学家为人类作出的贡献，人们以他的名字来命名“赫兹矢量”、“赫兹波”、“赫兹函数”等物理学概念，并以“赫兹”作为频率的单位。

光速是如何测出来的

光与人类的生活息息相关。一直以来，科学家们都在致力于研究光的特性，探索光的奥秘，以期利用光来更好地为人类服务。

我们都知道，光是自然界中传播速度最快的一种物质，其速度可达30万千米/秒。那么，人类是如何测出这么快的光速的呢？从17世纪初开始，就有许许多多的科学家在努力寻找一种测量光速的有效方法，并为此做了大量实验。

第一个想出测量光速的方法的人是意大利科学家伽利略。1607年，他从光走直线的特性中受到启发，做了这样一个实验：他先让两个人手提一盏前面有盖的信号灯，分别站在两个山头上，两山相距1.5千米。然后，伽利略让第一个人先打开灯盖，让第二个人一看到灯光就立即打开自己的灯盖，将光作为信号传出来。伽利略原以为只要测出这段时间，就能计算出光速了。然而在实验中，此二人的动作衔接时间过长，因此测量出来的数据很不准确，不尽如人意，又加上光的传播速度实在太快，所以这一实验最后以失败而告终。

两个多世纪以后，30岁的法国物理学家斐索对伽利略测光速的实验进行了仔细的分析、研究，终于发现了这个实验失败的原因。

大家对镜子的反光现象一定都很熟悉吧！光一照射到镜面上便会立即被镜面反射，这样一来，一条光线从发射到返回就是一次连续的运动。这一现象启发了斐索。斐索认为只要能够准确地测量出光从发射到返回的时间差，就可以准确地计算出光的速度了。

斐索对实验装置做了一番改进。为了减少误差，他把伽利略实验中的第二个人换成了一面镜子，并用一只旋转的齿轮代替钟表计时。斐索改变了两山之间的间距，选择了两个相距7千米的山头，把旋转的齿轮和一面镜子分别放在山头上面。实验开始后，斐索首先让光通过齿轮的两个齿之间，照到另一个山头的镜子上；光线经过镜子反射后，又从齿轮的另外两个齿之间传回来。这样只要算出齿轮旋转的速度，那么光往返所用的时间就可以据此得到计算。斐索的试验得出的结果是，光的速度为每秒钟315000千米。为了纪念斐索的这一伟大贡献，人们称誉他为“第一个捕捉住光的人”。

人们探索光速的脚步并没有停止在斐索这里，到了19世纪，人们对光速的探求获得了更准确的结果。

美国历史上第一个获得诺贝尔奖的人是物理学家麦克尔逊。他在精密光学仪器改进以及利用这些光学仪器进行计量学和光谱学的研究等方面作出了卓越的贡献。麦克尔逊也曾测量过光速，并且，他的测量结果也是历史上最精确的。

麦克尔逊于1873年毕业于美国海军军官学校，因为学习成绩优异，他被留校工作。由于航海上的实际应用和理论研究方面的需要，麦克尔逊对测定光速也非常感兴趣。1879年，麦克尔逊得到岳父大人2000美元的资助，他用这笔钱对旋镜装置进行了改进。恰巧当时美国的航海历书局局长纽科姆对这项工作也很感兴趣，于是二人开始携手合作，幸运的是，该工作还得到了政府的援助。在此后整整50年的时间里，麦克尔逊和纽科姆对实验结果不断地进行改进和重复测量，终于确定光速为（299764±4）千米/秒。不幸的是，在一次光速测量中，麦克尔逊由于突发中风而去世，享年79岁。

门捷列夫与元素周期表

随着电解技术的发展以及光谱技术的应用，一大批新的化学元素被逐一发现，到1869年共发现63种化学元素。同年，德米特里·门捷列夫在此基础上制作了著名的元素周期表。

德米特里·门捷列夫（1834～1907年）出生于西伯利亚的托波尔斯克市的一个中产阶级家庭，是兄弟中最小的一个，父亲为小学教师，晚年失明，母亲不得不操持其家族开办的玻璃加工厂养家糊口。门捷列夫在13岁时，父亲去世，随后家族的玻璃加工厂也毁于一场大火。但是母亲毅然决定供门捷列夫继续读书，接受良好的教育。门捷列夫不负众望，进入圣彼得堡教育学院进修，并于1855年成为一名教师。不久，他又先后进入圣彼得堡大学以及德国海德堡大学学习化学，学成回国，在圣彼得堡大学谋得职位后，1869年开始专心编写化学（当时其研究无机化学）教科书。

为了从杂乱的化学元素中找到一些秩序，门捷列夫将每一种化学元素写在一张小纸片上，并写上元素符号、原子量、元素性质等，然后将它们进行排列，如同玩扑克牌一般。他按照原子量（该元素原子的平均质量）递增的顺序将这些元素排列后发现，如果每8个元素另起一行，则恰能将具有相似属性的元素排在同一列内。在每一行中，元素属性都会重复出现，由此他称这些属性为“周期性的”，于是将这一幅纵横排列的表格称之为“周期表”，也就是元素周期表。完成周期表后，门捷列夫甚至预见到元素周期表中“失踪”的元素还有待发现，同时预言了这些化学元素的化学性质与物理性质，如它们的原子量、熔点等。

1875年，法国化学家保罗·勒科克·德·布瓦博德朗发现“类铝”元素（位于元素周期表铝元素的下方），并将其命名为“镓”（元素符号“Ga”）。1879年，瑞典化学家拉尔斯·尼尔森发现“类硼”元素，其被命名为“钪”（元素符号“Sc”）。1886年，德国化学家克莱门斯·温克勒发现“类硅”元素（位于元素周期表硅元素的下方），并将其命名为“锗”（元素符号“Ge”）。门捷列夫的预言一一实现。到1914年，在92号元素之前只有7个位置空缺着。

原子序数为元素原子中的质子数量，现代元素周期表也采用按原子序数排列的方式进行排版。化学家引入中子数的概念（即原子核中的中子数量），并采用原子量作为原子相对质量表征原子属性。门捷列夫创造元素周期表后却无法解释元素性质的周期性排列问题，这仍有待于科学技术的发展，只有在科学家们理解原子结构，特别是理解了围绕原子核运行的电子的排列方式之后，才能解答这个问题。在20世纪中前期，化学家们逐渐意识到元素周期表事实上反映了元素的原子结构，以及电子是如何填充原子核外轨道的，因为所有的化学反应均有电子参与，特别是元素外层电子。于是元素周期表使得化学家们可以更加准确地预测哪些化学反应是可能存在的，而哪些化学反应是在实验室常态下根本就不存在的，哪些化学反应需要额外的条件例如高压、高温、催化剂等才能发生等。1955年，门捷列夫获得科学界最高荣誉，科学家将发现的第101号元素命名为“钔”（元素符号“Md”），以纪念门捷列夫为科学界所作出的伟大贡献。

伦琴发现X射线

提起X射线，人们都很熟悉。去医院看病、体检，常常要去照“X光”，也就是“拍片子”。“X光”又叫“X射线”，是一种电磁辐射，它的波长短，但具有极强的穿透能力，能穿透木头、纸张、硬橡胶、玻璃，以及各种金属薄片（铂、铅除外），并具有使照相底片感光、荧光物质发光、气体电离等特性。

100多年前，X射线被发现。如今，这种射线已经被人类充分应用，像金属探伤、晶体结构研究、医学和透视等。尤其值得一提的是，X射线在医学领域的应用，使诊断和治疗疾病有了突破性进展，为病患者带来了福音。此外，X射线摄影也被用于生物科学中，以帮助人们找寻生物界的新规律，对医学等科学和工业的发展起到了很好的促进作用。

那么，这种奇妙无比、多用途的X射线是由谁发现的？又是如何被发现的呢？

1895年，德国符茨堡大学的校长伦琴，开始着手研究一个物理课题——阴极射线，却意外地发现有一包用黑纸包得很好的照相底片全部感光了。这令他百思不得其解，于是，他反复实验，但结果却是一样的。伦琴想：为什么以前从未发生过这种情况？问题是不是出在刚装在实验室内的阴极射线上呢？

为了揭开这个谜底，年过五旬的伦琴决定将全部精力投入到阴极射线的实验中来。同年11月8日傍晚，伦琴像平时一样，独自来到实验室，接着，他紧闭起实验室里所有的门窗，然后接通电源，检验黑纸是否漏光。忽然，在伦琴眼前闪烁出一道绿色的荧光。伦琴打开电灯一看，发现光源是离放电管2米远处的一个工作台上的氰化钡荧光屏。当他关掉阴极射线管的电源后，荧光屏就暗淡下来；当再次接通阴极射线管电源时，荧光屏又发出了荧荧的绿光。

伦琴兴奋极了，那天夜里，他不知反复实验了多少次，答案都是相同的。但令他感到奇怪的是：为什么阴极射线在空气中只能通过几厘米，而将其包裹在厚厚的黑纸包里时却能使2米外的荧光屏发光呢？伦琴一边琢磨，一边自言自语道：“通电的是射线管，为什么荧光屏能发光呢？难道有某种未知的射线，射到荧光屏上，使荧光屏发光吗？”

于是，伦琴将手边的一本书挡在射线管和荧光屏之间，想看看这时的荧光屏会是什么样子。他往远一些的地方移动荧光屏，荧光屏依然光亮如前。看来，这种射线有能穿透固体物质的神奇本领。

当伦琴把手伸到射线管和荧光屏之间时，竟然看到自己的手影清晰地印在荧光屏上，更准确地说，是一只手的骨骼的黑影像。这是人类首次看到活人身体内部骨骼的影像。

一连6周，伦琴都独自在实验室里研究这种新的射线，夜以继日，废寝忘食。

他拿来了木头、玻璃、瓷器、硬橡胶等物体放在这种射线前进行实验，发现这种神秘的射线都能穿透这些物体。接着，伦琴又对各种金属进行实验，得出的结论是除了铅和铂以外，其他金属都能被这种射线穿透。他还把照相底片放在射线管和荧光屏之间，发现底片可以感光。

最后，伦琴得出一个结论：这种奇异的射线是一种极具穿透力的新射线。由于伦琴在当时还没有能完全解释清楚这种射线，所以就将它命名为“X射线”。

绝对零度的神奇世界

随着热能的本质问题得到解释，并被带入与电能和化学能交叉重合的学科之中，关于物质状态在什么时候才能被称为寒冷的问题不断地被提了出来。开尔文勋爵提出了绝对零度的概念（大约-470°F或者-273°C），即任何事物都无法继续变冷的温度临界点。此外，他还作出如下的预测：在接近这个如此之低的临界点温度时，所有物质的电阻性将会提高，最终几乎丧失所有的能量。

日渐兴起的热能和热力学的研究，把开尔文的这个猜想置于备受质疑的境地。运动似乎不仅仅只会产生热量，而且也会以类似的方式对液体和气体物质产生影响。荷兰物理学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（1837～1923年）通过实验证明，液体和气体的分子状态不仅依赖于温度，而且也依赖于气压和体积。随着温度的下降，能够产生热量的分子运动会逐渐减慢下来。

1877年，物理学家成功地把氧气冷却到90开。在这个温度点，气体可以被液化。19世纪和20世纪之交，氢气也被成功地液化，其温度点大约为20开；1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂尼斯成功地对氦气进行液化，温度点为4.2开。与此同时，卡末林·昂尼斯发现了一个与开尔文的猜想完全相反的事实，即在这些温度点的物质几乎失去了所有的电阻，从而成为我们今天所谓的超导体。其他物质则失去了黏滞性，从而成为我们今天所知道的超流体。比如，在2.19开的温度点，氦液体可以流向玻璃杯的一边，从而越过杯顶，也可以顺利地通过极为细小的裂缝。

为什么这种状态被称为“超导电性”呢？20世纪50年代晚期，美国的3位物理学家约翰·巴丁、约翰·施里弗和利昂·库珀认为，在非常低的温度下，原子会按照与众不同的几何序列进行排列，而电子（原子的主要组成元素）则形成了能够平等地发射和吸收能量的成对模式，从而没有任何事物能够破坏它们的运动。比如，在2.19K的状态下，原子都具有同样的动量。这有点像把参加赛跑的人都放到一起，也就是说，如果任何一个人跑动起来，那么其他人也会跟着动起来。热的传导速度如此之快，以至于其在通过物质时会形成一个波形。如果任何磁场接近一个超导体，超导体会在物质的最外层产生旋涡状的电流，并对这个磁场进行排斥。超导物质实际上能够使磁场漂浮在空中，这个物理属性被用来支撑飘浮于轨道之上的列车，从而使它们能够在没有轮子和轨道摩擦力的情况下向前移动。超导电性也激发了另外一个技术竞赛，那就是制造出能够在高温下获得超导电性的物质材料。如果这些物质材料被开发出来，那么超导现象就可以应用于各种日常设备和机器。

爱因斯坦与相对论

爱因斯坦提出的相对论是20世纪理论物理的顶峰。爱因斯坦曾就相对论解释说：狭义相对论适用于引力之外的物理现象，广义相对论则提供了引力定律以及它与自然界其他力之间的关系。

爱因斯坦是一位将怀疑权威同“相信世界在本质上是有秩序的和可认识的”这一信念结合在一起的科学工作者。他不盲目相信权威，只是充分利用前人的经验积累，然后再加上自己的独立研究，才得以迈向一个又一个的科学高峰。

爱因斯坦的相对论便是在牛顿力学的基础上提出来的。自17世纪以来，牛顿力学一直被人类视作全部物理学，甚至整个自然科学的基础，它可以被用来研究任何物体的运动。进入20世纪后，人们发现传统的理论体系无法解释在一些新的物理实验中产生的现象。对牛顿力学坚信不疑的科学家们陷入了迷茫，尽管他们无力调和旧理论和新发现之间的矛盾，但他们仍然不敢怀疑牛顿力学。就在这场物理学革命中，爱因斯坦选择了一条与其他科学家不同的道路，终于成功提出了狭义相对论。

爱因斯坦的狭义相对论包括两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。

狭义相对论可以推导出物体的质量与运动速度有着密切的关系，质量会随着运动速度的增加而增加，还推论出质量和能量可以互换。爱因斯坦得出的质能关系式为：E=mc2，其中m表示物体的质量，c表示光速，E是同m相当的能量。爱因斯坦的这个方程式对原子内部隐藏着巨大能量的秘密作了揭示，为原子能应用的主要理论基础，为原子核物理学家和高能物理学家的科学研究提供了便利。

根据狭义相对论的两条基本原理，还可以推导出前人无法想象的结论。比如，飞船上的一切过程都会比在地球上慢。假如飞船以每秒钟30000千米的速度飞行，那么飞船上的人过了1年，地球上的人就过了1.01年；假如飞船以每秒钟2999 000千米的速度飞行，那么飞船上的人过了1年，地球上的人就过了50年。这是多么神奇啊！

有一点需要说明，相对论的效应在低速运动时非常微小，很难被察觉，因此牛顿力学与相对论的结果非常接近。只有当速度大到能够和光速相比时，才可以改用相对论力学。因而，我们日常生活中所能接触到的各个领域，还必须都应用牛顿力学的原理和公式。

1912年10月，爱因斯坦在苏黎世大学任教。在此期间，他继续钻研，不断对狭义相对论的思想进行丰富和充实。1913年，爱因斯坦和他的老同学——数学教授格罗斯曼合作，写了一篇重要的论文《广义相对论和引力理论纲要》，为广义相对论的建立扫清了障碍。

1915年，爱因斯坦终于完成了创建广义相对论的工作。次年，他发表了自己的总结性论文《广义相对论的基础》。在这篇论文中，他提出了新的引力方程，这与200年来在科学界占垄断地位的牛顿引力方程不同。人们将这篇论文称为20世纪理论物理学的巅峰。

爱因斯坦后来又在广义相对论的基础上导出了一些重要结论，如光线在太阳引力场中发生弯曲；水星近日点的旋进规律；引力场中的光谱线向红端移动等。

1919年5月29日发生了一次日全食，由英国派出的两支天文考察队分别在两个地点进行了独立观测，并拍摄到清晰的日食方向的星光照片。观测结果证明爱因斯坦的预言是正确的。光线不但呈现弯曲，就连弯曲的程度和数值也同于爱因斯坦的计算结果。其他两项预言也在后来相继得到证实。

爱因斯坦被人们誉为“20世纪的牛顿”。他的广义相对论如今已成为现代物理学最主要的理论基础，标志着原子理论时代的到来。

亚原子粒子

到1920年，科学家已经知道每一个原子都是由原子核和电子组成，且带正电的原子核被带负电的电子云所包围。原子并不是“基本粒子”——构成物质的最基本的材料，不可再拆分成更小的微粒。不久，科学家们不断地发现了比原子更小的粒子，使人们对微观世界的认识更加深入。

新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（1871～1937年）用α粒子（氦核）轰击氮原子时，发现氢核被释放出来，也就是说，氮核中必定含有氢原子核。1920年，卢瑟福建议将释放出的氢原子核命名为“质子”（源自希腊语中的“protos”，意思是“第一”）。质子的质量是电子的1836.12倍。原子绝大部分的质量都被原子核占据。同年，卢瑟福提出了比氢原子质量大得多的原子核还包含了不带电荷的微粒。

自1919年起，卢瑟福一直担任剑桥大学的物理教授和卡文迪许实验室的主任。卢瑟福研究的重点仍然是用α粒子（氦核）轰击不同种类的原子核。1925年，英国物理学家帕特里克·布莱克特（1897～1974年）在卢瑟福的指导下，将云室——1911年苏格兰物理学家威尔森（1869～1959年）发明——改进为一种能记录原子的瓦解的装置。但是α粒子所具有的能量还不足以将质量较大的原子核轰击成碎片，因此，对质量较大的原子核需要用能量更强的粒子轰击。1932年，英国物理学家约翰·考克劳夫特（1897～1967年）和爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿（1903～1995年）在卡文迪许实验室建造了世界上第一台粒子加速器，利用电磁铁产生的强大磁场加速质子，然后直接轰击目标。

20世纪20年代，德国物理学家瓦尔特·波特（1891～1957年）在柏林领导一个科学家小组进行了一系列的科学实验，他们用α粒子轰击几种较轻元素的原子核，这些元素包括铍、硼和锂。1930年，他们发现轰击原子核时会产生高能穿透辐射，起初，这些科学家认为这是一种γ射线辐射，但是这种辐射的穿透力比任何见过的γ射线辐射都要强。

1932年，法国物理学家约里奥·居里夫妇——伊伦·约里奥·居里（1897～1956年）和弗雷德瑞克·约里奥·居里（1900～1958年）——发现用α粒子轰击石蜡或其他类似的碳氢化合物（由氢和碳元素组成）时，会发射出能量很高的质子。对这一现象的进一步研究使科学家对波特观察到的所谓γ射线推论产生了越来越多的质疑。英国物理学家詹姆斯·查德威克（1891～1974年）在卡文迪许实验室证实了轰击原子核所产生的射线不可能是γ射线，他还指出该辐射所含的粒子的质量与质子质量一样，但是不带电荷。查德威克认为这种新粒子是被束缚在一个电子（氢原子）内的质子，当他用α粒子轰击已知原子量的硼原子时，就能计算出这种粒子的质量——该粒子为1.008 7原子质量单位，略大于质子（1.007276质量单位）。因为该粒子不带电荷，所以被称为中子。在原子核内，中子很稳定，但到了原子核外，中子会衰变成一个质子、一个电子，以及一个反中微子。质子和中子构成了原子核，一起被称作核子。

沃尔夫冈·泡利（1900～1958年）是20世纪最伟大的物理学家之一，1930年，泡利对β射线进行研究——由不稳定的原子发射的电子流，这些电子看起来失去了一些能量，但是没有人能找出电子失去能量的原因，这与基础的物理定律之一——能量不能凭空创造和失去——是矛盾的。为了解开这个谜团，泡利提出β辐射还包含了一种以前不为人知的粒子，具有在静止时既不带电也没有质量的特性。意大利物理学家恩里克·费米（1901～1954年）在1934年证实了这种粒子的存在，并把它叫作中微子。

英国理论物理学家保罗·狄拉克（1902～1984年）对量子电动力学的发展作出了重要的贡献。19世纪20年代后期，理论物理学家对电子的研究非常感兴趣，狄拉克对德国物理学家沃纳·海森堡（1901～1976年）对电子作出的描述很不满意，于是提出了自己关于电子的表述——狄拉克方程，并提出电子有带上正电荷的可能性。1932年，美国物理学家卡尔·安德森（1805～1991年）发现了这种粒子的存在。1933年，帕特里克·布莱克特也独立地发现了该种粒子。后来，这种粒子被称为正电子。正电子是第一种被发现的反物质粒子。

1937年，安德森与研究生塞恩·尼德梅耶（1907～1988年）合作发现了μ子——与电子相似的极不稳定的粒子，但质量是电子的200多倍。

原子核裂变

20世纪早期，物理学家们一直致力于研究当原子受到亚原子粒子轰击后将会发生什么样的变化。一系列的实验使科学家认识到，在某些情况下，这种轰击能在核反应堆中通过原子核裂变释放出大量的能量，并可以用来发电。到2005年1月，已有439座可控原子核反应堆分布在世界各地，核电量已占总发电量的16%。

1932年，英国物理学家约翰·考克劳夫特和爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿开始在英国剑桥大学的粒子加速器中进行高能质子实验。1934年，法国物理学家伊伦·约里奥·居里和弗雷德瑞克·约里奥·居里发现质子轰击有时会产生靶原子的放射性同位素。两年后，意大利裔美国物理学家恩里科·费米在罗马发现用中子——1932年由英国物理学家查德威克发现——在撞击原子时，比质子更有效。

中子轰击通常会通过中子吸收产生更重的原子。但是，当费米轰击一些重元素——尤其是铀原子时，他发现会有更轻的原子核产生。1939年，德国物理学家奥托·哈恩和弗里兹·斯特拉斯曼确定轴轰击后的产物是只有原来一半质量的铀元素，他们由此证实了铀原子核已被打破，原子核裂变已经发生了。

同一年，瑞典斯德哥尔摩大学的奥地利女物理学家赖斯·梅特纳（1878～1968年）和她远在丹麦哥本哈根大学（当时与丹麦物理学家玻尔一起工作）的侄子奥托·弗瑞士（1904～1979年）共同解释了原子核裂变问题——铀原子核吸收了一个中子后发生剧烈摆动，然后分裂成两部分并释放出2×108电子伏（3.204×10-11焦耳）的能量。哈恩和斯特拉斯曼后来发现，除了产生大量能量之外，铀原子核裂变释放的中子会引发其他铀原子核裂变，由此引起的可能的链式反应将会释放出异常巨大的能量。这一结论后来被约里奥·居里夫妇和利奥·西拉德通过实验证明了。西拉德（1898～1964年）是匈牙利裔美国物理学家，当时和恩里科·费米一起研究可控核裂变反应，后来进入纽约哥伦比亚大学工作。

铀会自然产生3种同位素，并且总是占相同的比例：铀-238（238U）占99.28%，铀-235占0.71%，铀-234占0.006%。玻尔经过计算得出铀-235（235U）比其他两种同位素更易发生核裂变。这就意味着必须用一种方法分离出铀-235（235U）同位素，这种方法就是如今所知的“铀浓缩”技术。玻尔还指出，如果中子被减慢，核裂变效应会更显著。西拉德和恩里科·费米建议用一种“减速剂”，如重水或石墨物质围绕铀，用来减缓中子速度。

1939年第二次世界大战爆发前两天，玻尔和美国理论物理学家约翰·惠勒发表了一篇描述整个核裂变过程的论文。同样在1939年，法国物理学家弗朗西斯·佩兰提出，通过确保释放出足够多的中子撞击其他的铀核维持一个链式反应，就需要确定铀的“临界质量”。佩兰还认为，可以通过添加一种吸收中子（非减慢中子）的物质的方式来控制裂变的反应率。在英国工作的德裔物理学家鲁道夫·佩尔斯（1907～1995年）进一步发展了这些观点。1942年，恩里科·费米在芝加哥大学设计了世界上第一座原子核反应堆，12月2日开始运作。1951年，美国在爱达荷州瀑布附近的国家工程实验室建立了一座实验性增殖反应堆，并成为首座发电的核反应堆。

科学家已经意识到持续的核裂变反应可用于制造拥有巨大能量的炸弹。研制这种原子弹的工作已经在英国和美国悄然进行。1942年8月，这两个计划合并成著名的曼哈顿计划。1945年7月16日美国研制的第一颗原子弹在新墨西哥州试爆成功。

1940年，苏联科学家也已认识了核裂变原理并认识到链式反应的可能性。直到1942年，苏联一项由核物理学家伊格尔·库恰托夫领导的原子弹制造计划才正式启动。1948年，苏联第一座核反应堆开始运行，1949年8月，苏联第一颗原子弹试爆成功。

量子力学

早在20世纪20年代，美国化学家莱纳斯·鲍林已经发现，正如原子没有固定的结构一样，在化学合成物质中，原子的结合也存在于一种结构形式和另外一种结构形式之间的中间状态，这种现象被称为“共振”。1929年，鲍林终于制定出了一些规则，而通过这些规则，我们可以了解化学键中电子之间的相互关系。凭借着这些研究成果，鲍林也能够更好地了解它们所组成的各种化合物的属性。

最值得称道的，是鲍林所具有的把理论化学和实践化学结合到一起的独特能力，以及他对于化学键既稳定又多变的双重属性的透彻理解。这也促使他进一步考察和研究镰刀型细胞贫血病，并最终发现这种疾病源自于血色素分子的一个变种。他的论文《镰刀型细胞血红蛋白：一种分子疾病》极大地促进了人们对于疾病基因的诱因的兴趣。

鲍林曾经尝试构建一个DNA（脱氧核糖核酸）的分子结构模型。1953年，他和晶体学专家罗伯特·柯瑞共同发表了带有3条螺旋扭链的三维DNA的模型图以及相关的理论。1954年，鲍林由于在化学键课题上的研究成果而获得了当年的诺贝尔奖。1963年，因为在裁减军备方面所进行的不懈努力，他再度获得了诺贝尔奖——诺贝尔和平奖。假如鲍林的DNA分子螺旋扭链中只有2条，那么他很有可能获得第3座诺贝尔奖杯。但是，这座诺贝尔奖杯却落入了佛朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森的怀抱，原因在于他们最终发现了双链（而不是3链）螺旋才是DNA分子的结构模式。

美国物理学家理查德·费曼是另外一位被量子物理学所深深吸引的科学研究者。量子物理学的不可预测性似乎激发了他与生俱来的独立思考能力。在对量子力学的数学难题进行研究之后，费曼勾画出了存在于电磁辐射之中的各种亚原子作用力的相互关系，以及在原子的不确定结构之中，光子如何与电子以及恰好与它们相反的、带有正电荷的粒子（即正电子）发生互动关系。此外，费曼还阐释了作用力的兑换过程以及粒子的碰撞现象，他所用的就是后来被称为“费曼图”的图像手段。由于在量子电动力学领域所取得的具有地震效应的研究成果，费曼获得了诺贝尔物理学奖。

同时，理查德·费曼和物理学家默里·盖尔曼成功地描述出了在放射性衰变过程中，各种作用力的发生和作用机制。这种被称为“弱相互作用力”的现象的发现，使我们可以窥探到理论上属于原子结构中最小的粒子，即费密子、玻色子、W粒子和Z粒子。由于这些粒子经常只会作出非常缓慢的反应，因此它们能够在极为炽热和压力极高的环境下引发大规模的反应。

这两位物理学家发现，这些粒子就位于核聚变的核心位置。费曼用他那令人惊叹的天赋把自己塑造成一个故事演说家，他运用逻辑缜密的描述并以深入浅出的话语对高深物理研究娓娓道来，从而成功地吸引了科学家和公众的眼球。

英国物理学家史蒂芬·霍金致力于把量子物理学与爱因斯坦的广义相对论结合起来进行研究。霍金把这两个概念联系到了一起，首先所针对的是亚原子的科学领域，其次则针对具有庞大质量的物体，并且以这种智力整合方法对诸如宇宙的产生方式、强大到足以使光无法逃脱的黑洞之类的深不可测的难题进行探究。霍金对黑洞作出了这样的描述：一个原先具有几十亿吨重量的物质最后被压缩成只有单个光子体积大小的微粒。在这种状态下，粒子都会遵循量子理论的原理进行运作，也就是说，粒子会释放出辐射，然后逐渐消散，直到消失。

后来，霍金与来自欧洲粒子物理研究所的托马斯·赫尔泰格做出了一个异常大胆的假设。虽然我们不知道任何一个粒子在特定时刻的确切去向和位置，然而，如果早期宇宙的粒子遵循量子理论，那么宇宙本身必然也是量子理论的产物。如果事实果真如此，那么正如赫尔泰格所说的那样：“宇宙并不仅仅只有一种历史，而是存在着各种可能的历史，而且每一种历史都存在着属于其自身的高度可能性。”

当古代先人们抬头仰望天空的时候，他们总会对物质和能量充满了各种疑问。如今，即便有了广义相对论这一能够自圆其说的理论和量子力学高深莫测的原理，我们依然迷失在一个颇为熟悉的问号中。

神秘的电子

100多年前，一位英国物理学家发现了构成物质的极小粒子，从那时起，人们对微观世界的认识进一步加深了。学过现代科学的人都知道什么是电子，以及电子对我们理解电的本质和原子物理的重要性。

到19世纪末，随着物理学各种各样的发现的增多，许多无法解释的问题也随之出现了，比如：物体可以带上静电电荷，但是电荷是以何种方式存在的？沿着导体流动的电流电荷究竟是什么，与静电电荷不同吗？如果物质是由原子构成的，那么原子是由什么组成的？

德国吹玻璃工及实验室仪器制造商海因里希·盖斯勒（1815～1879年）首次在实验中使用了真空泵。大约1850年，盖斯勒将金属板密封在只含有痕量惰性气体（氮气或氩气）的真空玻璃管中，他将高压电连接到金属板上，结果产生了漂亮的闪光，就像管中的气体在发光一样。6年后，法国物理学家让·佩林（1870～1942年）用磁场和电场将产生闪光的阴极射线偏转，证明了射线是由带负电荷的粒子组成的。

英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（1856～1940年）揭开了电子的神秘面纱。汤姆生出生于英国曼彻斯特郊区，1880年，汤姆生进入剑桥大学三一学院，毕业后，进入卡文迪许实验室，在约翰·斯特列特和瑞利爵士（1842～1919年）的指导下进行电磁场理论的实验研究工作。

汤姆生通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，测得它们的速度（比光速慢得多）。他进一步测定了这种粒子的荷质比（e/m），与当时已知的电解中生成的氢离子荷质比相比较，得出其约比氢离子荷质比小1000倍的结论。于是汤姆生推测阴极射线是由微小的带负电的粒子构成的。1897年，汤姆生宣布了对这些首批亚原子粒子的发现，称之为“微粒”。两年后，汤姆生发现这些微粒的质量是氢原子质量的1/2000，将这些微小的粒子被命名为“电子”。电子成为了科学家们追寻已久的电的基本单位。由于电子是从不带电的真空管的阴极金属板激发产生的，所以电子必然是所有原子最基本的组成部分。

汤姆生继阴极射线的研究之后，开始对阳极射线（由不带电的真空管中的阳极激发产生的）进行实验研究。这项研究成果的重大意义就是借助电荷性质的差异，可以分离带有不同电荷的微粒。1919年，弗朗西斯·阿斯顿（1877～1945年）应用此原理发明了质谱仪。1919年，汤姆生退休后，由他的前任助手、新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福接替了他的位置。卢瑟福最后提出了包含原子核的原子结构。1906年，汤姆生获得了诺贝尔物理学奖，他的助手中有7位也获得了诺贝尔物理学奖。

新化学元素

直到1937年，在铀元素之前，在元素周期表中只有四个空缺的元素位置。这四个空缺的元素原子序数为43、61、85和87。于是化学家和物理学家开始利用粒子加速器——如美国科学家欧内斯特·劳伦斯（1901～1958年）在1932年发明的粒子回旋加速器——进行新元素的探测。

起初，科学家利用粒子加速器作为“原子对撞机”，将元素分成更小的组成部分。例如，在1937年，美国科学家在加利福尼亚利用粒子回旋加速器用氘核轰击金属钼原子。氘核是氘（重氢）原子的原子核，质量是中子的2倍，是质量最大的亚原子粒子。他们把轰击后的钼原子样品交给意大利巴勒莫大学的两位意裔美国物理学家艾米利奥·塞格雷（1905～1989年）和卡尔·皮埃尔（1886～1948年）进行分析。两位科学家发现，样品中包含有一种新的放射性元素，也就是空缺的43号元素。起初，他们将之命名为“”，后来将之更名为“锝”（源自希腊词technetos，意为“人工制造”）。

两年以后，也就是1939年，法国化学家玛格丽特·波里（1909～1975年）分析了锕同位素——锕-227的放射衰变产物，结果发现了另一种新的放射性元素，也就是空缺的第87号元素。起初她将其命名为锕-K，但为了纪念她的祖国，后来又更名为“钫”。

在1940年，塞格雷和他的同事在用α粒子（氦核）轰击铋原子时有了再一次的新发现，1947年，他们将新发现的非放射性元素称为“砹”，该名称源自希腊语“astatos”，意为“不稳定”。后来其他科学家发现了天然产生的质量更大的砹同位素，但是砹的同位素仍是地球上最少的天然产生的元素。直到1945年，化学元素周期表中最后一个空缺的元素，即61号元素，才被美国化学家雅各布·马里奥（1918～2005年）及同事在用中子轰击钕原子时发现。1949年，他们将之命名为“钷”，该名称源自希腊神话中的盗火者普罗米修斯的名字。粒子轰击原子不仅能够“击碎”原子，而且能够将轰击产生的碎片重组成新的原子。这个现象在1940年发生了两次。第一次是由美国物理化学学家埃德温·麦克米伦（1907～1991年）和菲利浦·艾贝尔森（1913～2004年）利用慢中子轰击铀-238得到了镎元素（名称源自海王星的英文单词），在元素周期表中，镎元素紧随铀元素之后。在加利福尼亚大学伯克利工厂实验室，格伦·西博格（1912～1999年）和麦克米伦领导的一个研究小组用用氘核轰击铀-238得到了钚元素，该名称源自冥王星的英文单词，在周期表中紧随镎元素之后。

镎和钚元素属于最先发现的超铀元素（比铀元素的原子序数大），在接下来的几年中，其他的超铀元素也很快相继产生，如锔元素（1944年）、镅元素（1944年）、锫元素（1949年）、锎元素（1950年）等。1974年得到的第106号元素以西博格的名字命名为“”。1982年，德国物理学家安布斯特（1931年～）和他的研究小组在达姆施塔特重离子研究所用铁-58原子核轰击铋-209发现了第109号元素。1997年，他们将之命名为，以纪念奥地利裔瑞典物理学家莉泽·迈特纳（1878～1968年）——最早将原子分裂开的科学家之一。1984年，该研究小组用铁-58原子核轰击铅-208又得到了第108号元素——。俄国科学家在莫斯科市郊外的杜布纳利用同样的方法也得到了元素。一年后，即1985年，一个俄-美联合研究小组在杜布纳用硫-34轰击铀-238时得到了的一种不同的同位素。元素是以德国达姆施塔特所在的黑森州命名的。

到现在为止，元素周期表中总共有116种化学元素，至少在目前，元素周期表中的元素没有继续增加。科学家只是制得了最重元素的少量原子，即使更重元素在理论上可能存在，但120号元素后面的任何元素都极不稳定，而且存在的时间十分短暂。

金属为何有“记忆”

金属没有大脑却有记忆，真是令人不可思议。这是为什么呢？

1963年的一天，由于实验的需要，一群工程技术人员正在美国海军的某个研究机构中为加工一批镍钛合金丝而紧张地忙碌着。由于他们手中的合金丝是弯曲的，使用起来很不方便，所以在做实验之前得先拉直它们。实验开始后，当实验温度升到一定值时，工程技术员发现他们费了不少功夫才拉直的合金丝竟然又全部变回了原来那种弯曲的形状。后来又多次做了这个实验，得到的结果都完全相同。

经过多次细致而深入的研究，人们终于发现，这些合金之所以具有恢复原有形状的特性，是因为随着环境的变化，这些合金内部原子的排列也会出现变化。如果温度回到原来的数值，合金内部原子的排列也会回到原来的排列方式，其晶体结构也会随之改变。这种具有记忆形状能力的合金被人们称作“形状记忆合金”。记忆合金不仅能重复恢复原态达几百万次，而且不会产生疲劳和断裂。这样的“记忆力”让人感到震惊。

让我们以镍钛合金为例，来看看形状记忆合金具有“记忆”的秘密吧。40℃是镍钛合金的“记忆温度”，也就是说，镍钛合金的晶体结构在40℃上下是不一样的，它的转变温度便是40℃。在转变温度以上，其晶体结构处于稳定状态；在转变温度以下，则处于不稳定状态。假如人们想让在转变温度以下、改变了形状的晶体结构再恢复到稳定状态，那么只要将其加热到转变温度以上，它的稳定状态就会得到恢复，它的形状也会随之恢复到原态。除此之外，镍钛合金的拉伸强度也非常惊人，可达1000兆帕，也就是说，即使在每平方毫米那么小的断面上，你也需要用1000多牛顿的力才能够把它拉断。

除了镍钛合金，人们还开发出了铜系合金和铁系合金等一系列的多种记忆合金。人们充分利用记忆合金的这种神奇的本领解决了航天、工业生产、医疗、电子器具等方面的诸多难题。如阿波罗登月舱的宇航员的形象和声音能通过电磁波从38万千米外的月球传送到地球上来，就是利用了记忆合金这种神奇的功能。阿波罗登月舱要在月亮上设置月面天线，而月面天线的直径便长达数米，科研人员就先用记忆合金制成半球形天线，然后降低温度将其压成一小团装入小巧的登月舱中。当天线随着登月舱到达月球表面时，由于太阳光的照射，其温度就会升到转变温度，天线便恢复了本来的形状。

耐腐蚀性也是记忆合金的一大特点，因此牙医便利用镍钛合金制成一种矫齿丝，借助于人的口腔温度，来为患者做牙齿矫正手术。在使用口腔矫齿丝之前，医生会先为准备矫正的牙齿做一个石膏模型，然后把口腔矫齿丝按照模型弯成牙齿的形状，并将其固定在牙齿上。为了让矫齿丝更加趋向于其原来的形状，每过一段时间便更换一次。牙齿就是在这个变形过程中慢慢得到矫正的。

我们在工业生产中进行铆接工作时，一般是从一边插入铆钉，再用气锤锤打铆钉另一边的头，但如果碰到开口很窄或封闭的容器，就会很难办。这时记忆合金便派上用场了，我们可以事先把铆钉做成两头都是扁的，然后在低温下将其中一端硬压成插孔大小的圆柱状。在铆接时，将铆钉从低温箱中取出来，迅速地插进插孔中，然后把铆钉加热到转变温度以上。这样，原来被压圆的一端就会自动恢复成扁平的形状，容器也就被牢牢地铆住了。