本书是“20世纪科学史丛书——在科学的入口处”之一，该书全面而系统地向少年儿童介绍了20世纪科技史。书中萃取了30位物理学领域科学家的杰出贡献与感人故事，将人类科学发展史上的成就、发展历程、科学家的献身精神一一呈现在孩子们面前，激励和打动着孩子们的心。

马克思说：“在科学的入口处，正像在地狱的入口处一样，必须提出这样的要求：‘这里必须根绝一切犹豫；这里任何怯懦都无济于事。’”

1900年，普朗克提出“能量子”概念，具有划时代的意义。小小的“能量子”的诞生，拉开了20世纪物理学发展的序幕；爱因斯坦提出的相对论，引发关于物质、时空与能量的革命，它把物理学扩展到高速运动的领域，极大地推动了人类文明的进程……

在20世纪物理学发展的历史长河里，涌现出30个作出了重大贡献的科学家或科学家群体。他们发现了鬼魅般的粒子，发明了电子显微镜以及克敌制胜的法宝——雷达……本书将带你来到20世纪科学的入口处，在这里回望20世纪物理学发展的历史，了解你想知道的20世纪物理学发展的一切。

1 世纪的序幕——量子诞生记

2 1905——创造奇迹的一年

3 原子核的发现

4 玻尔的原子模型

5 奇妙的光线弯曲

6 量子力学的建立

7 中子的发现

8 鬼魅般的粒子

9 正电子的发现

10 冗介子

11 反粒子的发现

12 夸克——宇宙的砖块

13 新型的中微子

14 寻找新的夸克

15 对称的破缺

16 来自宇宙的射线

17 云雾的启示

18 加速粒子的机器

19 从X射线到CT

20 天然放射性与人工放射性的发现

21 电子的传奇

22 驯服电子的发明

23 无线电广播的诞生

24 致胜的法宝——雷达

25 核磁共振

26 核裂变的发现

27 从“脉塞”到激光

28 光纤技术

29 电子显微镜

30 奇妙的超导体

1 世纪的序幕——量子诞生记

1800年，英籍德国科学家威廉·赫歇耳观察阳光热效应时，偶然发现了红外辐射。第二年，另一位科学家还发现了紫外辐射。1859年，德国物理学家基尔霍夫发现，在相同的温度下，物体的辐射本领与物体吸收热辐射的本领之间存在一个比值，这个比值与物体性质无关。1860年，基尔霍夫又引入了“绝对黑体”的概念。这种物体几乎是只吸收、不辐射。这样，研究理想的“绝对黑体”就成为物理学家解决热辐射问题面临的关键了，而基尔霍夫的研究成果可谓具有划时代意义。

19世纪下半叶，钢铁工业和化学工业正处于大发展时期，急需高温测量等方面的技术和光度计、辐射计等设备。为此要对辐射问题进行深入的研究。在研究辐射问题时，需要制定一个标准，而黑色物体对热辐射吸收得多、反射得少，因此容易加热到较高的温度。可是要将黑色物体作为一个辐射标准，还要对它进行改进。为此德国科学家威廉·维恩等人建议用一个空腔作辐射实验。

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“黑体”结构是这样的，在空腔内壁装上一条条肋状隔墙，整个内部都用煤黑涂一遍。整个空腔只留一个小孔让光线进入，而且一旦进入就无法出来。因此这是一个非常理想的“黑体”。

维恩一生最重要的贡献是在辐射研究上，他利用上好的“黑体”进行实验，发现了一个以他名字命名的定律，在推导一般的辐射公式时，还发现了旧理论的缺陷。由于维恩定律的建立使维恩获得了1911年的诺贝尔物理学奖。

在黑体辐射的研究中，德国物理学家维恩做出了很大的贡献，他不但与同事一起提出空腔的结构，而且对实验的数据进行了合理处理，得到了一个公式。但将公式同实验数据的曲线比较时，他发现它只部分符合曲线，即只在短波的部分相符合。此后，英国物理学家瑞利也注意到黑体辐射问题。看到维恩的文章后，瑞利试图找到一条新的定律来消除维恩辐射定律与实验之间的偏离。经过缜密的推导，他得到了一个公式。同样，在与实验数据的曲线对比时，也只是部分地符合实验曲线，即在长波的部分相符。但在短波部分严重不符，这时辐射的能量达到无穷大的程度，这是十分荒谬的。由于短波区是紫外线区域，因此瑞利公式的问题也被称作“紫外灾难”。

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瑞利，英国著名的物理学家，在光学上的造诣很深，曾解释过著名问题——天空为什么是蓝色的。在测量气体密度时发现了惰性元素“氩”，因此获得了1904年度的诺贝尔物理学奖。

从维恩的研究和瑞利的推导来看，他们得出的数据只是部分地符合实验曲线，但两个公式的冲突也是明显的。也许正是这冲突引起了人们的注意，一位德国物理学家这样评价维恩：“他的不朽业绩在于引导我们找到了量子物理学的大门。”

“拼凑”出的公式

当人们正在大门口徘徊时，打开这扇大门还不是一件易事，因为开门的“咒语”谁也不知道。这时德国物理学家马克斯·普朗克却为陷入困境的黑体辐射研究找到了一条出路。他好像是在什么地方“偷听”到“芝麻开门”的咒语。

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普朗克，德国物理学家。上大学时，普朗克从慕尼黑转到了柏林。在这里，他受到了一些名师的指导。他的主要研究工作是在热力学，以及在热力学理论基础上建立的化学平衡理论。到20世纪30年代，普朗克在科学界的声望仅次于爱因斯坦，当时的威廉皇帝科学学会也更名为马克斯·普朗克科学学会，由普朗克本人任主席。

像多数研究者一样，人们从维恩和瑞利的公式中无法找到错误，普朗克也是如此，但这两个公式都与实验数据有较大的偏差。为此，普朗克不放弃进行新的尝试。特别是在1899年底，他得知，维恩的定律只是在短波段内与实验数据相符，而在长波范围内则有明显的偏离。这说明维恩定律需要进一步的修改。

1900年10月，普朗克尝试用“内插法”去寻求新的辐射公式，试图使其在长波部分符合瑞利公式，在短波部分符合维恩公式，并于当天就得到了一个新的辐射公式。接着他又突发奇想，根据实验数据和反复推导后积累的经验，他竟然成功地“拼凑”出了一个公式。将实验数据代入公式后，他发现，维思公式和瑞利公式的困难都不见了。根据新公式画出的曲线也与实验数据非常吻合。令人难以置信的是，普朗克“拼凑”的公式竟是如此美妙！

普朗克很快向德国物理学会报告了他的公式(后来这个公式就被称为“普朗克公式”)，但公式中所包含的物理意义是什么呢？普朗克是无法回答的。下一步的研究就是为公式提出合理的解释。

打开量子的大门

普朗克以公式为出发点，找到了与频率有关的初始能量，可以写作：ε＝hv。式中的h即为普朗克常数，h＝6.626×10-34焦耳·秒。这就是说，能量变化是按初始能量值(hv)不连续地累积。这样，在表示这个能量值时，他提出了一个“无奈”的假设，即黑体辐射能量是一份一份地向外辐射的。这一份一份的能量就叫做“能量子”，因此，他把这个假设就叫做“能量子假设”或“量子假设”。

普朗克的量子假设是与传统物理学的理论相矛盾的。过去人们研究各种热现象，能量变化都是连续的，不是一份一份地变化的。如飞泻的瀑布，水流下来是连续的，谁也没有见过一段一段跳跃般地流下。这时，普朗克的心情是很矛盾的。一方面，自己的量子假设与传统的物理观念是那样的不相容；另一方面，它与实验数据又是符合得那样好。量子的假设是不会错的啊！

有一天，普朗克带着6岁的儿子到郊外散步，他喃喃自语，如果事实真像他设想的那样，那么，他的发现就会与牛顿的发现一样重要。为此，在1900年12月14日的物理学会会议上，普朗克大胆地宣布了他的量子假设，借此重新论证了他的辐射公式。普朗克的发现具有划时代的意义，人们就将1900年12月14日作为量子物理学的诞生日。P1-4

物理学是一门古老的学科，在遥远的古代，人们就开始缓慢地积累与物理学有关的经验，并逐渐形成了一些浅显的知识。经过上千年的发展，到今天，人类已经掌握了大量的物理学知识，这些知识在现代社会的发展中发挥着巨大的作用。物理学已经发展成为一个庞大的知识体系。一般来说，物理学各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人们对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。随着物理学各学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各学科之间互相渗透。物理学也因此逐渐地发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。

在20世纪的历史进程中，物理学这个名称与魔术近乎“相似”。物理学的神奇常常使人们想起无线电广播、电视、雷达、激光唱碟、原子弹、氢弹、核电站、X射线检测、放射性治疗，作为电子计算机基本器件的电子管、晶体管和集成电路，利用超导的磁悬浮技术、传输光电信息的光纤技术、庞大的粒子加速器，与脉冲星和黑洞等恒星研究相关的行星演化理论，几乎是家喻户晓的大爆炸理论等许多与日常生活和自然奥秘密切相关的事物。物理学知识的应用范围极其广泛，随着社会的发展，物理学还与一些人文科学联姻，形成了一些交叉学科，如经济物理学等学科就是这种产物。可以这样说，物理学的触角几乎进入社会的各个角落。

虽然物理学知识是高深的，但在研究和学习物理学时，人们是可以获得很大乐趣的。就现代物理学的发展来看，物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是没有穷尽的。

从社会的分工来看，从事物理学研究工作的毕竟是少数人，那为什么我们有那么多人要学习物理学呢？这有三个原因，一个原因是物理学是一个基础学科，许多其他领域的研究与物理学相关，他们要吸收物理学研究的成果。例如，20世纪中叶，生命科学最重要的成就，就是搞清楚了遗传物质的结构，即脱氧核糖核酸(DNA)。研究人员要拍摄出它的清晰照片，所利用的正是刚刚成熟的X射线成像技术。同时，他们将一些物理学的观念和方法引入其中，这是保证研究成功的一个因素。

另一个原因是通过物理学的学习，可使人们建立起科学的世界观。对周围世界的认识有赖于我们掌握的知识，在我们的知识中，物理学不是唯一的知识，但如果在这些知识中包含了物理学的观念和方法，也许这个系统会更合理。没有物理学的思维方法和基本知识，人们很难掌握事物的本质，也很容易走入歧途。比如，对曾经流行过“水变油”的“神话”，用物理学的基本知识分析，就可以发现它是谎言，原因很简单，它违反了能量守恒原理。这就是利用科学的世界观在分析具体问题时的作用。

第三个原因是在物理学的学习过程中，我们还可以发现许多物理学家在为之奋斗的事业中，不断克服困难，坚忍不拔地去探索，表现着他们对科学事业的热爱与追求。当然，他们也会不断地犯错误，但能在错误中增长见识，修正错误。他们的乐趣就在于发现物理世界中存在的和谐、秩序和规律，这种乐趣表现在他们对信念的一种追求的过程。学习他们对真理的执著追求的精神，更能激励我们去不断创新和探索。

让我们满怀希望地翻开此书，共同探寻物理的乐趣吧。

姜文汉院士

2007年12月