1．变换概念和不变性概念

每一条物理定律，诸如开普勒行星运动定律或牛顿万有引力定律，都是物理概念之间的一种关系。在上面提到的诸定律中，包含的概念是空间、时间和质量等概念。一个定律不应该依赖于空间坐标系的特殊选择，或时间坐标的特定初始时刻的选择。现在人们能直接思考下面这些空间和时间坐标的变换：

（1）空间坐标系的平移，

r→r’，r’=r+d

这里的d是一种恒常位移（constantdisplacement）

（2）空间坐标系的转动，

r→r’，r’=Rr

这里的R是一个“算符”，它可以表达成一个矩阵，即：

并有

（3）空间坐标的反演，

r→r’，r’=P，r=－r

这里的P被叫做宇称算符。

（4）时间坐标的平移，

t→t’，t’=t+t0，t0是常数

（5）时间坐标的反演，

t→t’，t’=－t

物理定律应独立于像这些坐标系选择的情况是用“变换下的不变性”概念来表达的。与物理定律在某种变换下的不变性相联系，有一个守恒定律，它是不变性性质的一个推论。下表列出其中的一些关联。

变换和不变性概念并不是新概念，但它的重要性也许只有在相对论发展后才充分体现出来。

2．洛伦兹变换和相对性概念

在经典动力学中，很容易看出，当我们相对于另一个参考系变换运动方程，这个参考系相对于原来的参考系作恒速运动时，运动方程（牛顿第二定律）保持不变，即：

x’=x－vt，ν=常数

在这种所谓伽利略变换下运动方程的不变性构成了一个相对性原理。它意味着经典动力学在彼此作匀速相对运动的参考系中并无区别。

试图将这个相对性原理扩展到电磁现象并不成功，即麦克斯韦电磁场方程在空间、时间坐标的伽利略变换下并不是不变的，而牛顿方程在这种变换下则是不变的。这种形式的、数学的问题的解就是洛伦兹变换

这里的β=v/c,c是光速，它是一个常数，v是最初的参考系相对于其后的系的恒定速度。在爱因斯坦1905年相对论论文发表之前的1902-1903年，这种变换已经发现。然而，这些变换方程的意义并不清楚，虽则在极限情况β→0时，这些变换的确可以简化为伽利略变换。奥秘就在t’；因为在牛顿力学时代，事实上在自然哲学发展的所有时代，只有一种时间，那就是绝对时间。按照牛顿的理论，在宇宙中，时间是均匀地并与其他任何东西无关地流逝着。不难发现，这样的一种时间概念确有不能令人满意之处，因为没有参考物，均匀流逝的概念是不清楚的。牛顿和其他哲学家已经意识到了这一点；但事实上依然是始终找不出关于物理学中时间概念的更好表述，直到爱因斯坦！

洛伦兹的形式变换，当它满足电磁的不变性要求时，就不再使牛顿的动力学方程保持不变了。因此，就有了以下的情形：

这种局面确实是令人非常不满意的。

3．爱因斯坦的空间、时间“操作”定义和相对性原理

爱因斯坦通过重新考察物理学中空间和时间的基本概念本身的性质来处理前面提出的问题。他强调了早先由恩斯特·马赫所表达的这样一个观点，即：在物理学中概念必须基于它的测量才有意义。爱因斯坦由此作了如下分析：

（1）为了测量相对于观察者的一个静止物体的长度，读出一根米尺上的终端标记这种通常程序是清晰明了的。为了测量对一个静止的观察者来说发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔，读出在那同一地点上一只钟的时间差（time off）这种通常程序也是清晰明了的。

（2）测量在两个不同地点两个事件发生的时间要求有一个确定的约定以安置或校正两地的时钟。校正时钟的一个方便的程序如下。从A点在时间tA（A点时钟上的时间）送出一束光给B点，在时间tB（B点时钟上的时间）到达B点，而在B点通过一面镜将光束返回A点，到达A点的时间是t’A。A点和B点的时钟都加以“校正”，使其读数有这样的关系

因此，在A和B两个事件的“同时性”就由在A和B的时钟读数使tA=tB来加以定义。

（3）现在，为了测量相对于观察者以速度v运动的物体的长度，我们制定这样的标准，即在米尺上的客体（客体是静止的）的两个终端标记的读数必须按照相对于观察者校正的A和B两点上的时钟同时读出，即tA=tB。这个同时性只是对那个观察者而言的；对于身处物体之中的观察者来说，按照他自己使用相同的标准校正过的时钟，上面所述的两个终端标记的读数并不是同时的。因此，同时性概念是“相对的”概念，它不具有绝对的意义。

（4）从上面的分析可以看出：①经典的绝对时间在物理学中是没有意义的；空间和时间概念不是独立的，它们通过它们的测量定义彼此联系在一起。

与空间和时间这些概念一起，爱因斯坦引入了相对性以下的问题，如：

（Ⅰ）斐兹杰惹“收缩”和迈克耳孙-莫雷实验；

（Ⅱ）时间膨胀，多普勒效应；

（Ⅲ）速度相加；

（Ⅳ）麦克斯韦方程在洛伦兹变换下的不变性；

（Ⅴ）相对论性动力学，等等。

以上都是洛伦兹变换的一些简单而直接的推论。它们现在对每个物理系的学生都是熟悉的。对这些内容我们就不再在这里作深入论述了。

相对性原理，即物理定律对所有作匀速运动的参考系都具有相同形式，确切地说，并不是新的，它在此前已为H．庞加莱猜测到了。洛伦兹变换的数学公式当然也在不久前为洛伦兹建立了。但是，对空间和时间概念的分析以及它们的操作定义乃是关键性的步骤，它们给了形式的洛伦兹变换以物理意义，在这些方面，爱因斯坦的贡献是巨大的。不幸的是，这一点并没有被广泛地理解。例如，著名的应用数学家E．T．惠塔克，在他的《以太和电的理论的历史》一书中，写到了洛伦兹和庞加莱的相对性理论。在差不多50页的篇幅中，只有无关紧要的三处提到爱因斯坦的名字。它只采纳了洛伦兹本人所承认的爱因斯坦对这个问题的关键性贡献。

相对论的哲学方面，即强调对物理学中基本概念的批判分析，以及这些概念定义的操作观点，其影响是非常巨大的。正像我们在下面将要看到的，这种态度正是海森伯新量子力学出发点的指导精神，而且事实上在量子力学的哥本哈根哲学中起了重要的作用。但是，出乎意料的是，正是这种量子力学中的哲学后来成了爱因斯坦本人所不能接受的了。

4．广义相对论

概而言之，广义相对论就是使相对性原理从惯性系（即匀速相对运动的系，其中力学定律均适用）推广到任意运动的系。这意味着在任意的时空坐标变换下物理定律保持不变。以数学形式表达，用洛伦兹变换描述的狭义相对论使四维空间间隔ds2保持不变，即，

其中x1=x，x2=y，x3=z，x4=ict。这是对普通三维空间的一种普遍化，三维空间间隔为

ds2+dx2+dy2+dz2

现在在微分几何学中，我们已有了一种普遍的非欧（黎曼）空间，对于这种空间，我们已讨论过全等性（congruence）概念是不适用的。ds2一般地由以下公式给出：

这里的gμν是x’s的函数。张量gμν被称做度规张量，由它定义空间几何学。一个ds2能够通过坐标变换而变换成对所有的点xμ有形式

的空间被说成是平直空间。欧氏空间就是一种平直空间。如果ds2不能被变换成这种形式，那么这种空间就可以被说成是弯曲空间。如果从这些定义中得出空间的平直或弯曲性质是空间本身的一种固有属性，那么也就能得出，不存在能够把一个弯曲空间变换成一个平直空间或者反过来也一样的坐标变换。用数学语言来说，一空间的曲率是由一张量描述的。如果曲率张量在一个坐标系中是恒等地非零的，那么它在坐标变换中依然是恒等地非零的。

在物理学中，用张量方程的形式表达的定律是按定义张量的坐标变换从一个参考系变换到另一个参考系的。这些变换把相同空间中的不同参考系联系起来。洛伦兹变换把赝欧氏四维空间中的不同惯性系联系了起来。但从一个惯性系出发，对于平直空间中的被加速的系，至少存在一个参数变换群（这是由C．莫勒、吴大猷和李荣章发现的）。因此，在平直空间有“广义相对论”是可能的，虽然对于任意被加速的系来说涉及弯曲空间。

爱因斯坦广义相对论认为物理定律在所有任意运动系中都是不变的（即具有相同的数学形式）。这个陈述的分量在于“相同数学形式”一词。为此目的所用的合适数学工具是张量微分。

一个张量的变换性质（其中矢量是一特例）是由坐标的变换定律定义的。一个物理量必须具有在坐标变换下的变换性质，并且总能用张量形式加以表达。一条物理定律是物理量之间的一种关系，它能被铸成一个张量方程的形式。一旦这样做了，它在坐标变换下的不变性（为此需首先定义张量的量）就自动地得到保证（一个基本的例子是麦克斯韦场方程的洛伦兹不变性，方程都能以张量形式表达，所有场量都是按照洛伦兹变换的张量变换）。在某种意义上，狭义相对论普遍化达到任意运动系是一个大胆的，但却是十分自然的步骤。

向量代数是吉布斯在相对论之前发明的，张量在电磁学理论和连续介质物理学中已被应用。甚至张量演算--所谓绝对微积分--也已在广义相对论之前的微分几何中得到发展了。但是张量在物理学中使用的充分重要性只有到了相对论才被充分认识。在相对论中，它不是单纯的优美形式体系的问题；它是处理与广义坐标变换有关的协变性概念的自然数学语言。

5．爱因斯坦的引力理论

爱因斯坦引力理论的根源可以说基于他这样的认识：对于观察到的物理现象来说，参考系的加速度效应是与引力场的效应相同的。伽利略对教堂里的单摆和比萨斜塔上的自由落体的观察已经给出一个暗示，即一个物体的“惯性质量”与“引力质量”是等价的；而厄缶1890年和1909年的精确测量确立这种等价值达1/108的精度。R．迪克1961年的更近期的测量确立这种等价值达5/1012。1905年，爱因斯坦提出了“等价原理”，即对在一个被加速的参考系中的物理现象的描述与对在引力场中的一个惯性系内的物理现象的描述是等价的。从这一点出发，就产生了这样的思想，即按照牛顿理论在一个引力场中的运动可以被看做是在一个适当的加速系中的“自由运动”（即无引力场）。第二步就是用一个四维弯曲空间来描述这个加速系，四维弯曲空间的度规

代表任意时空变换（即洛伦兹变换不再限制在平直空间）。

在深入讨论爱因斯坦引力理论以前，让我们先来回忆一下经典物理学基础中的空间概念。在那里，三维空间直观上被当作是欧氏空间（即“平直的”），而时间是绝对的。甚至当时间与空间合并成狭义相对论中的四维空间时，这四维空间依然是平直的（或是赝欧几里得的，因为在ds2=dx2+dy2+dz2－c2dt2中的符号不同）。在经典动力学中，为了描述平直时空中的行星（和其他）运动，设定一个引力场是必需的；因为若无各种引力，运动就将直线进行。这就是牛顿理论。

爱因斯坦提出了一个新观点。为了代替欧氏空间是物理空间这一先验假定，爱因斯坦提出，物理空间不是一种抽象空间，而是受物质（能量）所制约的，即物理空间有一种为度规张量gμν所规定的几何，它本身受宇宙中物质（能量）的分布所支配。这种几何学可以说已经包含了物质分布的性质，而且空间在微分（或仿射）几何学的意义上是被弯曲了的。在这种空间中的自由运动就取代了“在欧氏空间中的引力场中的运动”。

我们将对爱因斯坦引力理论和牛顿理论中的相应思想作一个最简单和最清晰的对比。

有时，人们把爱因斯坦的引力理论说成是几何化的理论，即用一种几何学理论（在弯曲时空中的自由运动）代替牛顿的动力学理论（在平直欧氏时空中引力场下的运动）。人们还认为，爱因斯坦理论始终是一种对描述的纯形式改变，理论是有意义的，但并不真正深奥。然而，爱因斯坦理论并非对描述的纯形式的改变；它导致了三个著名的问题，并对其作出了与牛顿理论不同的预言，这就是引力红移，太阳（或任何大质量的物体）引起光的弯曲，以及水星近日点的进动。所有观察似乎都与爱因斯坦理论的预言相一致。

6．评论

（1）对太阳光谱的光谱线红移的早期测量与实验室光谱

因为要把其他扰动因素，诸如斯塔克效应和湍流分离开来尚有困难。通过极其灵敏的穆斯堡尔效应对引力红移（与狭义相对论效应相区别的效应）所作的更新近的测量表明几乎与理论完全相符（邦迪和里布卡，《物理评论》1960年第4期第337页）。

众所周知的如时钟佯谬或双生子佯谬这一效应，是与等价原理连在一起的。这个在平直时空中的广义相对性问题已由C．莫勒（Danske Vid．Sel．Mat-Fys．Med．XX，No.19，1943）和吴大猷、李荣章（国际理论物理学杂志，1972年第5期第307页）给出了精确的论述。

（2）对通过太阳边缘附近的（遥远星体的）光的弯曲的早期测量是在日全食期间用感光板做的，这些测量做起来非常困难，但整个结果表明与理论符合得极好。新近的测量是用雷达波通过太阳的边缘并从太阳以远的一个物体反射回来。结果看来与理论相符。

（3）水星近日点进动的观察数据为每百年43．11〃±0．45〃，与理论的预言43．03〃相符。然而，这个观察值是在对许多扰动效应作了校正以后从一个大数值5160〃那里得到的小剩余数。近几年来，对这个小进动已提出了其他的解释（迪克等人）。

（4）对称度规张量gμν=gνμ只有十个独立的组元。自1928年起的许多年中，爱因斯坦，后来还有薛定谔，做了许多尝试，力图将电磁现象合并到爱因斯坦的引力理论中去，但没有成功，因为那需要另外六个独立的参数，才能与电磁场相对应。M．萨克斯1968年在台湾夏季科学讨论班的讲演中提出了一个理论，他在该理论中保留了爱因斯坦所有的基本思想，但用两个四元数的乘积代替每个gμν，使得度规张量具有16个独立的数。这一理论能给出爱因斯坦最初的理论所能给出的一切结果，并且还更多一些。我相信这个理论应比已被接受的理论更值得重视。

十九世纪末物理学三大发现是X射线、放射性、电子，他拉开了新物理学革命序幕。
狭义相对论最重要的结论是（质量）和（能量）的统一性和相对性，（质）量和（能）量可以相互转化

1、相对论

1905年，20世纪最伟大的科学天才爱因斯坦在他26岁时创立了狭义相对论，提出了不同于经典物理学的崭新的时空观和质（m）能（E）相当关系式E＝mc2（此处光速C＝3×108米／秒），在理论上为原子能的应用开辟了道路。

关于E＝mc2，即物体贮藏的能量等于该物体的质量乘以光速的平方，这个数量大到令人难以想象的程度。我们不妨打个比方说，1克物质全部转化成的能量，相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能；或者说，1克质量相当于2500万度的电能。

1915年，爱因斯坦又创立了广义相对论，深刻揭示了时间、空间和物质、运动之间的内在联系——空间和时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的。它成为了现代物理学的基础理论之一。

从1923年开始，爱因斯坦用他的后半生致力于统一场论的探索，企图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，虽然他没有取得成功，但是杨振宁和米尔斯于50年代创立了“杨—米尔斯场方程”，发展了所谓“规范场”的理论，使爱因斯坦梦寐以求的统一场论可望在规范场的基础上得以实现。

2、量子力学

1900年，普朗克创立了量子论，提出能量并非无限可分、能量的变化是不连续的新观念。1905年，爱因斯坦提出了光量子论，揭示了光的“波粒二象性”。1913年，玻尔把量子化概念引进原子结构理论。1923年，德布罗意提出物质波理论。1925年，海森伯和薛定谔分别建立矩阵力学和波动力学。1928年，26岁的狄拉克提出电磁场中相对论性电子运动方程和最初形式的量子场论，使包括矩阵力和波动力学在内的量子力学取得了重大的进展。

20代末量子力学的建立，是继1905-1915年相对论建立之后对经典物理学的又一次革命性的突破，它成功地揭示了微观物质世界的基本规律，加速了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和粒子物理学准备了理论基础，同时也促进了化学键理论和分子生物学等的产生。因此，量子力学可以说是20世纪最多产的科学理论，迄今仍具有强大的生命力。

20世纪中后期5大科学成就

30年代以来，物质基本结构、规范场、宇宙大爆炸、遗传物质分子双螺旋结构、大地构造板块学说以及信息论、控制论、系统论等理论的创建，使人类的视野进一步拓展到更为宇观、宏观和微观的领域，成为人类文明进步的巨大推动力。

1、物质的基本结构

从远古时代开始，人们就在探讨物质是由什么组成的，有没有公共的基本单元。直到19世纪末，人们都认为这种共同的基元就是原子。1911年，卢瑟福发现原子内部有一个核；1913年，玻尔指出放射性变化发生在原子核内部，于是研究原子核的组成、变化规律以及内部结合力的核物理学应运而生。

1932年，查德威克发现了中子。从此，人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的，于是把这三种粒子和光子称为基本粒子。

但是，基本粒子并不“基本”。一方面，正电子、中微子、介子等新的基本粒子相继发现；另一方面，基本粒子还有其内部结构。60年代以来，出现了基本粒子结构的“夸克模型”、“层子模型”等，使40年代末诞生的一门新的独立学科——基本粒子物理学（又称高能物理学）至今方兴未艾，成果累累。

2、宇宙大爆炸理论

现代宇宙学的研究发端于爱因斯坦。他在1915年创立广义相对论后，用它来考察宇宙的结构问题，于1917年提出有限无边的宇宙模型。1922年，弗里德曼提出的非静态宇宙模型，认为宇宙是可能膨胀的。1929年，哈勃确定了星系红移（即退行速度）和距离之间的线性关系，证实了宇宙膨胀理论。1932年，勒梅特提出了宇宙爆炸说。

1948年，伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来，发展了大爆炸理论，并用它来说明化学元素的起源。这一宇宙大爆炸理论在1965年发现的宇宙背景辐射现象和1998年哈勃望远镜探测到距地球120亿光年之遥的星系中得到了有力的支持。

3、DNA分子双螺旋模型

1953年4月25日，英国《自然》杂志刊登了25岁的沃森和37岁的克里克合作研究的成果——DNA双螺旋结构的分子模型，这一成就后来被誉为20世纪生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。

DNA是遗传基因的物质载体——脱氧核糖核酸的英文简称。1915至1928年间，摩尔根通过果蝇实验，证明了坐落在细胞核内染色体上的基因决定着生物性状，从而创立了基因理论。染色体是由蛋白质和DNA组成的。过去生物学界一直认为蛋白质是遗传信息的载体，直到1944年埃弗里等人通过实验才证明了遗传载体不是蛋白质，而是DNA。1953年DNA分子结构双螺旋模型的建立是打开遗传之谜的关键。60年代尼伦柏格等人破译了遗传密码，证明地球上所有生物的遗传密码都是相同的——DNA的4种核苷酸碱基的序列代表了基因的遗传信息，决定着蛋白质的20种氨基酸的组成和排列顺序。作为基因载体的DNA是生命的后台指挥者，生命的一切性状通过受DNA决定的蛋白质来表现。
4、大地板块构造学说
1912年，魏格纳提出大陆漂移说，认为在地质历史上的古生代，全球只有一块巨大陆地，周围是一片大洋；中生代以来，这块古陆开始分裂、漂移，逐渐成为现在的几个大陆和无数岛屿，原来的大洋则分割成几个大洋和若干小海。
大陆漂移说经半个多世纪的发展，由地幔对流说（1928年）、海底扩张说（1961年）等阶段，到1968年勒比雄等提出了全球大地板块构造学说，建造了全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和若干小板块的结构模型，得到了越来越多的科学验证，特别是海洋地质学的有力支持。
5、信息论、控制论、系统论
1948年，申农《通讯的数学理论》、维纳《控制论：关于动物和机器中控制和通信的科学》、贝塔朗菲《生命问题》的出版，标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生；1957年，古德等《系统工程学》的出版为系统工程论奠定了基础。60年代以来，又出现了新的交叉科学——突变论、协同论和耗散结构理论。
交叉科学不仅沟通了为数众多的自然科学学科，而且在方法论上也沟通了自然科学与社会科学。它向人们提供了定量、精确和最优的认识世界的方法，对人类社会产生了深刻的影响。
20世纪的5大尖端技术成果
在科学的先导和生产的促进下，20世纪发展起来五大尖端技术：核技术、航天技术、信息技术、激光技术和生物技术，在能源、材料、自动化、海洋和环境等高新技术方面也有了长足的进步。
1、核能与核技术
原子核的裂变和聚变反应将产生和释放出远大于机械能、化学能等产生的能量。核能的和平利用，为人类提供了一个既安全又清洁、取之不尽而用之不竭的能源宝库。
1942年，美国建成了世界上第一座原子反应堆，首次实现了人工控制的链式核裂变反应。1945年第一颗原子弹爆炸成功。1952年第一颗轻核聚变的氢弹爆炸成功。1954年，苏联建成世界上第一座原子能发电站。60年代以后，核电站进入实用阶段，发展至今已成为一种重要能源，约占全球发电总量的1／5。
核技术还广泛应用于农业、医疗、材料、考古和环保等领域。40年代放射性同位素开始大量生产，1947年比利发明了C14测定年代的方法，1951年开始使用Co60等放射性元素治疗癌症，70年代以来计算机x射线断层扫描技术（CT）广泛应用于临床，80年代初发展到核磁共振扫描技术（MRI）。
2、航天和空间技术
1903-1914年，齐奥尔科夫斯基提出以火箭为动力的航行理论，奠定了航天学的基础。1919年，戈达德提出火箭飞行的数学原理，并于1926年成功地发射了世界上第一枚液体燃料的火箭。1942年，布劳恩主持设计发射的液体军用飞箭成为二战后各国火箭发展的蓝本。
1957年，苏联用洲际导弹的火箭装置发射了世界上第一颗人造地球卫星，“空间时代”从此开始。1961年，苏联发射载人宇宙飞船，人类首次飞向太空。1969年，美国“阿波罗”11号飞船登月，人类在月球上留下了第一个脚印。1971年，苏联建造空间站，人类首次在太空中有了活动基地。1981年，美国发射航天飞机成功，从此人类可以自由进出太空。
自50年代后期起，人类开始对月球和太阳系各大行星，以及遥远的行星际空间进行探测，至今已发射了100多颗空间探测器，去揭示宇宙的形成与演化，探索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响。
3、信息技术
信息技术是20世纪发展最快的技术领域。它对人类社会、经济、政治、文化等产生了全方位的巨大而深远的影响。
1906年，三极电子管的发明使电信号放大，从而使远程无线电通信成为可能。1947年，第一只晶体管的诞生为电子电路集成化和数字化提供了重要的基础。1945年问世的电子计算机，已经历了第一代（电子管，40年代中至50年代末）、第二代（晶体管，50年代末至60年代中）、第三代（集成电路，60年代中至70年代初）和第四代（大规模和超大规模集成电路，70年代初开始）等发展阶段，80年代开始对新一代的智能计算机、光学计算机和量子计算机的探索已取得初步成果。
随着大规模集成电路的出现，计算机向巨型化和微型化两极发展。70年代中，巨型机的向量运算速度超过了每秒亿次；微机则进入了千家万户，标志着个人电脑时代的来临。当今，巨型机的运算速度已达每秒3．9万亿次，而计算机互联网络则在2亿多网民的学习、研究、交流、贸易甚至娱乐等方面创造了崭新的工作和生活方式。
4、激光技术
1917年，爱因斯坦在研究光的辐射的过程中，提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年激光被发现。1960年美国制成了世界上第一台激光器，它用红宝石晶体做发光材料，用发光强度很高的脉冲氙灯做激发光源，在这种受激辐射作用下产生的一种超强光束就是激光。
继红宝石激光器之后，半导体激光器（1963年）、气体激光器（1964年）、自由电子激光器（1977年）乃至原子激光器（1977年）等相继问世。
5、生物技术
基因重组技术（又称基因工程）是20世纪下半叶蓬勃兴起和发展的现代生物技术的最前沿领域。60年代末至70年代初，阿尔伯和史密斯发现细胞中有两种“工具酶”，能对DNA进行“剪切”和“连接”；内森斯则使用工具酶首次实现了DNA切割和组合。DNA的重组能创造性地利用生物资源，实现人类改造生物的遗传特征、产生人类所需要的生物类型的意愿。80年代以来，已获得上百种转基因动植物，对农业发展具有重要意义。转基因药物的研制和生产则将为人类的健康带来新的福音。
除基因工程外，生物技术（即生物工程）还包括细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等领域。1978年首例试管婴儿路易斯诞生、1996年克隆羊多莉的出现都是细胞工程的杰作；加酶洗衣粉和嫩肉粉等则是酶工程的产品；现代发酵工业始于青霉素的生产，现已大规模利用发酵工程生产抗生素等。至于根据需要对天然蛋白质的基因进行改造，生产出新的、自然界原本不存在的优质蛋白质，更是日益受到重视，被誉为第二代基因工程。

20世纪物理学发展的历史回顾

http://www.nen.com.cn 2003-06-30 22:08:11 中小学教师网

记 者：可以想象一下，今天何院士的谈话面对的是全国1000万中小学教师，网络课堂的魅力正在于此。我们要谈的是21世纪的物理前沿，而20世纪才刚刚过去，所以其实物理更多的是在继续着20世纪的精彩。而说到20世纪的物理学，自然而然会想到当时发生的重大事件是如何驱散物理学天空的两朵乌云的，我们就从这里谈起吧。

何祚庥：在19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很有名的话，就是“19世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。这两朵乌云指什么呢，一个是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问；另外一个是关于黑体辐射的，谱形没有得到很好的解释。这两个理论问题都没有很好的解决，所以说在晴朗的天空上还留有两朵乌云。

这是19世纪物理学家说的话，没有想到这就成为了20世纪物理学发展的序幕。第一朵乌云的驱散，导致了狭义相对论的诞生，另外一朵乌云的澄清。导致了量子力学诞生。这两朵乌云一澄清以后，物理学就有飞速发展。我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。狭义相对论之所以提出来，是针对光速测量产生的。当时有好多实验，有的证明了以太是静止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太是随着物质的运动而部分地带运动的。所以这个以太就成为了一个“谜”。爱因斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光源的速度是多少，观察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在运行。根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱因斯坦就提出了狭义相对论，这是人们对事件空间的观念的一个转变。在狭义相对论中发现，牛顿力学需要有修正。牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候，运动规律就有很大的修改。同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现，比如钟慢尺缩。

20世纪另外一个重大的发现是量子力学，量子力学的发现是由于黑体辐射问题很难得到一个统一的解决而产生出的问题。这一件事情，当时有一个大物理学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态来出现，这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光的频率。这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外，还具有动量，这个动量就是普朗克常数h乘以振动频率再除以光速c。光子就不再简单看作电磁波的振动，也看作是粒子，这个粒子既有能量又有动量。后来康普顿和吴有训先生在实验上证明了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子；而普通称为粒子的电子，中子，质子，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的波粒二象性。这就是德布洛意波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成量子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。

我觉得这两件事情就是20世纪物理的重大发现.

记 者：20世纪三大发现中，这两大发现都是物理学的。

何祚庥：是的。我可以这样来评价一下物理学的大发现。物理学的大发现，在历史上有三次。第一次是牛顿力学。牛顿力学以及当时跟牛顿力学有关系的科学所发现的物理学定律是宏观的低速运动的规律。因为牛顿力学讨论象地球，太阳，月球这些天体运动，即讨论对象的运动速度是慢的，物体是宏观的。

记 者：所以说牛顿力学勾画的是经典物理学的图景。

何祚庥：对。到后来，人们研究了电磁相互作用的定律。电磁相互作用定律的一个重要特点就是以光速而运动。电磁波的运动可以说是一种宏观而高速的运动。到了爱因斯坦的相对论，就把宏观低速运动和高速运动有机的联系在一起，其中，描写光的高速运动的麦克斯韦方程却自然而然的满足狭义相对论。这就是物理学的第二次突破，爱因斯坦，包括他的前人麦克斯韦就发现了宏观高速运动的规律。第三次突破是量子力学。量子力学回答的是微观粒子的运动规律，而薛定鄂，海森堡的量子力学是涉及微观低速作用下的规律。这三次突破都引起了生产技术的重大变革。牛顿力学奠定的是机械工程等方面的基础，麦克斯韦方程，狭义相对论是我们现代电气化的支撑，至于第三次大突破的量子力学的出现，就涉及化学运动的规律，半导体的规律，原子核运动的规律等。我们现在面临的原子能时代，电脑时代的技术，都是量子力学的贡献。物理学每一次划时代的发现都带来了划时代技术的进展。

20世纪物理学最重要的成就就是我以上说的这些。