现代科学革命的发展历程

现代科学革命的发展历程

现代科学技术革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治领域的变革，也影响了人类生活方式、思维方式的发展。

一、现代科学革命的产生

（一）科学革命的含义

科学的任务是不断探求和系统总结关于客观世界的知识。科学的发展表现为渐进与飞跃两种基本形式的辩证统一。科学发展的渐进形式是科学进化，即人类对客观世界规律性的认识没有突破原有科学的规范和框架。如某些新规律的发现，原有理论的局部修正或者拓宽和深化。科学发展的飞跃形式是科学革命。科学革命是指人类对客观世界规律性的认识发生具有划朝代意义的飞跃，从而引起科学观念、科学研究模式以及科学研究活动方式的根本变革。

科学革命这一概念是由英国剑桥大学教授H·巴特菲尔德在《近代科学的起源》一书中第一次在一般性意义上加以使用的。（H·巴特菲尔德，张丽萍等译。《近代科学的起源》华夏出版社，1988年，第157~159页。）他把“科学革命“看作是比文艺复兴和宗教改革更为重要的决定近代特征的划时代事件。从这以后，无论是科学家还是哲学家，都很重视从理论上来研究科学革命及其在历史上的作用。

对于自然科学，人们可以理解为关于自然的系统知识，也可以理解为探索自然的方法，还可以理解为人类社会活动的一个特定领域。就科学作为系统知识来说，任何一门学科的概念、结构、范式的变化都可以视为该学科的一场革命；就科学作为人类活动来说，任何研究活动组织方式的变革也都可以看作是科学革命。因此，由于角度的不同，人们对自然科学史上所发生的科学革命有二次说、三次说、四次说和多次说等不同认识，以主张三次说的较为普遍。实际上，科学革命的实质，是指包括科学事实、科学理论、科学观念三个基本要素组成的科学知识结构体系的根本变革，其中作为体系硬核的科学观念居于最高层次，它代表着一个时代科学思想的精华，为科学理论活动和实践活动提供基本准则和框架。因此，只有相对稳定的科学观念发生根本变革，并在科学共同体中得到确认，才能构成科学革命。著名科学史和科学学家J·D·贝尔纳认为：“许多科学观念的改变就总合成为一场科学革命。”（贝尔纳。《历史上的科学》，科学出版社，1981年，第210页。）

从科学发展史来看，科学革命的发生往往从个别学科首先突破，产生新的、能更全面更正确地说明自然界规律性的、反传统的科学观念。它一旦成立，便迅速向其他科学知识体系全面渗透，使旧的知识体系被逐步改造而向新的知识体系过渡，最后的科学共同体中得到确认。因此，具有崭新科学观念的理论的提出并被科学共同体所容纳是科学革命发生的标志。

（二）科学革命的历史反思

在人类历史的长河中，曾发生过多次科学技术变革。但古代的科学尚处在萌芽状态，比较原始和零散，还未形成相对完备的理论体系。只是到了近代，科学才真正达到系统而全面的发展。因此，第一次科学革命是指从哥白尼天文学革命开始，以牛顿、伽利略为代表的经典力学体系的建立为标志的科学革命。

1.第一次科学革命

1543年，哥白尼发表了巨著《天体运行论》，提出太阳中心说。与此同时，A·维萨留斯及其同学M·塞尔维特提出了以心脏为中心的血液循环理论。它们真实地反映了客观世界运动规律，无论在内容上还是在方法上都与中世纪的科学有着本质的区别。在内容上建立了“日心说”、“心心说”，否定了“地心说”、“肝心说”；在方法上用重视观测实验的方法代替了单纯思辩、推理演绎的方法，把科学建立在实验、观测的基础上。这是第一次科学革命的开始。

哥白尼学说是向神学发出的挑战书，是自然科学的独立宣言。当时占统治地位的、作为神学宇宙观支柱的托勒密地心说，受到随地理大发现和航海探险而积累起来的新的观测资料的挑战，客观上要求有新的理论来代替它。托勒密地心说早先受到都会的禁止。到13 世纪，亚里士多德著作开禁以后，教会的态度发生变化，他们歪曲地心说，把地球说成是上帝安排的“地上的世界”，上帝使人类居于这个世界

的中心，地球之外是由诸神掌管的行星，上帝则居于“天上的世界”。这种被宗教化了的“托勒密体系”，同托勒密原来的学说有着明显区别。哥白尼受人文主义思想的影响，对托勒密的体系产生怀疑，认为地球静止不动的观点是不能成立的。1512年以前，他写了一个太阳

中心说提纲《试论天体运行的假说》，从1516年开始撰写《天体运行论》，1525年完成，但一直到1543年才在朋友帮助下出版。从科学的角度讲，哥白尼的体系有其缺陷，但基本思想是正确的。在他的著作中不仅有理论，还有证实理论的观测和计算，可以说他完成了天文学学科的一场革命。更重要的是，哥白尼断言宇宙是统一的，“天”和“地”受同一规律支配。他用天文观测资料去说明太阳系结构，向宗教神学挑战。这种精神解除了人们的思想禁锢，推动了科学的发展，被称之为“哥白尼革命”。

1543年，还出版了另一部重要的科学著作——近代解剖学奠基人、比利时医生维萨留斯的《人体的构造》。维萨留斯精通医书，但不拘泥于书本。他打破学者不执刀解剖、因循守旧的风气，亲自执刀解剖，讲解人体的构造。这种别开生面的教学引起了众人的兴趣。他在校译盖仑著作时，指出盖仑书中有200多处错误。例如：他纠正了盖仑关于左右心室相通的说法；通过解剖，他发现男人和女人的肋骨一样多，否定了上帝用男人肋骨创造女人的说法，等等。但维萨留斯并没有找到血液是怎样从右心室流向左心室的途径。发现这条血液通首的是西班牙医生塞尔维特。1553年他匿名出版了《基督教的复兴》一书，

提出了血液在心室之间的小循环学说。塞尔维特正确地解释了肺循环，

把盖仑的两个独立的血流系统（动脉系统和静脉系统）统一了起来，这就为发现全身的血液循环铺平了道路。正当他的著作刚刚发表并继续进行探索时，就被教会逮捕，并于当年10月23日被处火刑。近代解剖学和生理学就是在这种与宗教神学的殊死斗争中奠定基础和继续前进的。

天文学革命之后，近代自然科学迅速发展起来，在伽利略、牛顿等一大批科学家的不懈努力下，经典力学终于确立了。经典力学是物理学史上的第一次大综合，它不仅带动了当时和以后的自学科学的发展，而且还促使近代机械自然观的产生。16世纪以前，亚里士多德的“力学理论”是至高无上的权威。他的某些错误观念：如“物体愈重，落得愈快”，“推一个物体的力不再推它时，物体便归于静止”，成为力学发展的障碍。伽利略用实验事实和严密的逻辑论证，推翻了这些传统的错误观念，为力学的发展作出了重要贡献。伽利略是太阳中心说的热心宣传者和忠实捍卫者。1609年他亲自制做一架望远镜，巡视天空，结果发现了大量新事实：月亮和地球同样有山有谷，木星有4个小卫星，土星有环，金星也有月亮那样的盈亏圆缺，这就证明它们确实运行在地求和太阳之间。他还发现了太阳黑子，这些黑子逐渐地移动到太阳的边沿而消失，从中推断出太阳有自转。伽利略的这些发现无疑是说，天体没有贵贱之分，这同教会坚持的天地不平等观点相冲突。1610~1613年他被判处终生监禁。350年之后，到了1983年，罗马教廷在重新审理伽利略的“案件”后不得不宣布这位杰出的科学家无罪。象开普勒证明了天上物体的运动服从力学规律，可以用

数学公式表达一样，伽利略则证明了地上物体的运动也服从力学规律，也可以用数学公式表达。这为牛顿经典力学的产生奠定了基础。

牛顿科学创造的顶峰是《自然哲学之数学原理》。他首先对力学的一些基本概念，如质量、动量、惯性、外力、向心力等给出定义，然后又阐述了时间和空间的概念，接着便叙述了运动三定律。牛顿对科学的最大贡献是万有引力定律。这一定律把地上和天上的物体运动规律统一了起来，形成了一个完整的力学体系。

这次科学革命，开头是自然科学为争取生存权利而反对宗教的斗争，而后在天文学、力学、数学、解剖学、生理学等学科领域，以力学为带头学科，实现了第一次科学革命。这两方面的相互联系、相互促进，构成了这次科学革命的基本内容，从而标志着以实验为基础的近代科学的真诞生。

2.第二次科学革命

18世纪下半叶到19世纪初，在第一次科学革命的基础上发生了

第一次技术革命，它是从纺织机、蒸汽机的发明和应用开始的。蒸汽机的广泛应用，改变了整个工业的面貌。反之，生产技术的变革又推动了近代科学的全面发展，引发了19世纪中叶的第二次科学革命。这次科学革命以电磁理论、化学原子论和生物进化论的提出为主要内容，以热力学、电磁学、化学、生物学等一组学科为带头学科，推动了近代化学、生物学、地质学、数学、电磁学、热力学、光学、生理

学、地理学、人类学和物理学等学科的诞生或发展。现今许多学科领域的重要成果和思想渊源都可以从19世纪的科学历史中找到依据。所以，人们曾把19世纪称为“科学的世纪”。

19世纪所以称为“科学的世纪”，还由于人们的自然观、宇宙观发生了根本性改变。各个领域的科学成就猛烈地向形而上学自然观发动进攻，人们开始认识到人类周围的一切都毫无例外地服从科学定律，并把自然科学研究中所使用的方法，诸如观察、实验、归纳和演绎等，应用到其他领域。科学精神、科学方法开始深入人心，科学理论走向统一。最早开创天体演化学研究新领域的是1755年康德的《宇宙发展史概论》和1796年拉斯的《宇宙系统论》。他们以鲜明的历史自然观和宇宙发展论思想，阐明了太阳系是由原始星云演化而来的观点。由于工矿业的发展，地质学的研究空前繁荣。1830～1833年英国地

质学家赖尔发表了重要著作《地质学原理》。他用大量事实阐述了地质进化论，批判居维叶的灾变论，并提出了“现在是认识过去的钥匙”这种“将今论古”的地质学研究方法。恩格斯高度评价赖尔“第一次把理性带进地质学中，因为他以地球的缓慢的变化这样一种渐进作用，代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然变命。”（恩格斯。《自然辩证法》，人民出版社，1984年，第12页。）

19世纪在物理学领域中出现了两个统一的理论：能量守恒与转化定律和电磁场理论。它们都是从解释局部现象进一步扩展来解释更为广泛的自然发展过程，是继牛顿力学之后自然科学史上出现的第二次、

第三次理论大综合。能量守恒与转化定律的发现,先是在19世纪初，卡诺用抽象的方法，构思了一台“理想蒸汽机”，阐述热能与机械能（功）之间的变换关系，说明热能转换为机械能是守恒的。1850年德国克劳修斯把卡诺提出的这一思想表述为热力学第二定律。19世纪40年代德国青年医生迈尔在医治病人时受到启发，通过研究发现能量守恒与转化定律。同时，1840～1850年英国焦耳分别是用机械能、电能和气体压缩能相互转化的大量实验，测定了热功当量，提出了热与功之间的关系式。在此期间，1847年德国赫尔姆霍兹在《论力的守恒》一书中提出了完整的能量守恒原理，揭示了机械运动、热、电、化学等各种运动形式之间的统一性。

1864年麦克斯韦提出了统一电磁场理论，建立了电磁场的基本方程式，从理论上推断出电磁波的存在。1871年又断定光波、热波都是电磁波中的一种，本质上是相同的，从而奠定了电磁学的理论基础。于是，古典物理学的基本理论到此完成了。人们认为在物理学领域遗留下来的工作只是提高测量精度的问题了。

研究物质性质及其变化规律的化学，自波义耳提出化学元素、拉瓦锡得出燃烧理论之后，在19世纪也取得了巨大成就。1803年道尔顿提出原子论。在这基础上，1811年阿伏加德罗又提出分子论，后来合称为原子分子论。这使整个化学有了坚实的理论基础。1824年，德国有机化学家维勒首先从无机物人工合成了有机物——尿素，突破了无机物和有机物之间的绝对界限，动摇了生命力论的基础，起到了

解放思想的作用。1865年法国凯库勒发现苯的结构以后，1866年进

入了“合成化学的年代”。化学元素周期律的发现，揭示了各种元素之间的内在联系，为元素的研究、新元素的寻找、新材料的探索，提供了一条客观规律。1869年门捷列夫发表了第一个周期表。与此同时，德国化学家J·迈耶尔也分别制做了一个化学元素周期表，明确提出元素的性质是它们原子量的函数。门捷列夫于1871年又发表了

第二个化学元素周期表，果断地修正了一些元素的原子量和预言了一些未知元素的存在及性质。从此化学成为一门有着严密系统的科学。

细胞学说和生物进化论的创立是19世纪生物学的伟大成就。德国植物学家施莱登在1838年发表了《植物发生论》一文，提出细胞是

一切植物结构的基本单位，是一切植物赖以发展的基本实体。他把植物的多样性统一于单一细胞，从而建立了低等植物和高等植物之间的联系。德国解剖学家施旺受施莱登的启发，在1839年发表《关于动

植物的结构和生长的一致性的显微研究》，把施莱登的见解扩大到动物界，认为细胞也是一切动物结构的基本单位和一切动物赖以发展的基本实体，细胞学说揭示了生物有机体的构造和发育的统一性，填平了动植物间不可逾越的鸿沟，推动了生物学许多新分支的形成，并为物种进化论的形成打下了基础。

生物进化论的最早著作是1809年法国拉马克所写的《动物的哲学》一书。书中虽有不少错误，但已具有进化论的基本观点。1859年11月，达尔文的《物种起源》一书公开出版。达尔文在赖尔的地质进化

论思想影响下，总结了细胞学、比较自然地理学、比较解剖学、比较胚胎学、地质古生物学等方面的成就，经过20多年的实地考察，并应用多种研究方法（其中最主要的是历史方法和归纳方法），在系统研究基础上提出了自己的理论。达尔文进化论的核心思想是自然选择学说，认为生物普遍存在生存斗争和变异现象，在不同自然条件下能保存和积累器官、性状的微小变异，使后代性状偏离祖先愈来愈远，通过性状分歧和中间类型的绝灭而逐渐形成新的物种。自然选择经常在生物与环境的相互关系中改造生物体。《物种起源》一书的出版，不仅开创了生物科学的新时代，而且对整个科学和哲学都有深远影响。它从自然界物质自身来说明生物物种发生、发展的历史，从而给神创论和形而上学的物种不变论以沉重打击，为辩证唯物主义自然观的产生奠定了重要的科学基础。

19世纪科学革命的结果，使科学由落后于技术与生产的局面一路而处于领先地位，并对技术和生产起着重要的指导作用。改变了过去科学与经验技术相脱节的现象，使它们之间发生紧密的连锁反应，即科学起到了指导和推动生产和技术的作用，如麦克斯韦电磁理论对电磁波的预言，导致了50年后无线电报和无线电话的发明。反过来生产和技术也向科学提出问题，从而进一步推动科学的发展。

（三）现代科学革命产生的背景

19世纪末，物理学领域连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性现象和电子的发现。这三大发现，使人类的认识第一次深

入到了原子内部，彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动这一时期科学发展的重要机制。

牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，在以太问题上都遇到了根本性的困难。在牛顿力学中，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种运动都可以看作是相对于以太进行的。在麦克斯韦电磁理论中，电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太无所不在。为了验证以太的存在，物理学家进行了大量的实验和观测。1887年美国物理学家迈克耳逊

和化学家莫协进行了一项搜索以太风的著名实验，但是没有找到以太风或地球与以太的相对运动。这个实验被许多人所重复，所得到的是否定以太风存在的“负结果”。1905年，爱因斯坦针对经典物理学

同新的实验事实之间的矛盾，在《论动体的电动力学》一文中提出了相对性原理和光速不变原理，作为狭义相对论的两条基本原理，从而导出一系列重要结论：同时性的相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物体的质速关系式和质能关系式等。狭义相对论的建立以及1915年广义相对论的建立，从根本上突破了牛顿绝对时空的旧框框，把空间、时间和物质的运动联系了起来，引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。

“紫外灾难”是在研究黑体辐射的能量分布问题中产生的。1879年玻耳兹曼发现黑体辐射第一个经验定律，1893年维恩发现第二个经验定律。1900年，英国物理学家瑞利推算出一个不同的能量分布公式，后经英国物理学家金斯加以修正，合称瑞利—金斯公式：热物体的辐射强度正比于它的绝对温度，而反比于这个发射光线波长的平方。这个公式与维恩定律相反，只在长波部分才能很好地与实验符合，当波长变短时，这个公式就失效了。由于这一公式在紫区出了问题，故被称为“紫外灾难”。1900年，普朗克在玻耳兹曼统计观点启发下，大胆地提出了一个与经典物理学的连续性观念根本不同的能量子假说，认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续发生变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化，即能量的变化是一份一份的进行的。他把一份一份的能量称为“能量子”或“量子”。其数学表达式为：E=hv，E为量子，h为普朗克常数，v为频率。从能量子假说出发，普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡，但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代，经过德布罗意、薛定谔、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和

机械力学决定论的经典观念，揭示了连接与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客观统计性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。

肇始于19世纪末20世纪初的现代科学革命，是以相对论和量子力学的诞生为主要标志。这次革命初期主要在物理学领域发生，到20世纪中叶在各个领域得到迅速发展。其发生发展有着复杂的背景。

（1） 19世纪60年代以后，资本主义大工业开始建立，自然科学在工业生产中有了广泛应用的必要和可能。电力技

术的发展，明显地表现出技术对科学的依赖性、科学理论对

技术的指导作用。经过第二次技术革命以后，人类仍然面临

着生产过程和工艺复杂，操作繁重，难以控制掌握，材料有

限，动力和能源紧张，生产和经营中经验性的组织管理日益

失灵等种种矛盾，迫切需要加以解决。

（2）科学在日益分化和深化的基础上，趋向综合化、理论化、系统化和技术化方面发展。

（3）发达资本主义国家国内各垄断集团之间、发达国家之间争夺地国内外市场加剧，科学技术成为竞争的最重要的

商品。为了战胜对手，围绕尖端技术，展开了激烈角逐。超

级大国为了争夺世界霸权，以图夺取优势；发展中国家为求

独立和经济的发展，要求提出高科学技术，进行综合国力的

较量。

这些都是现代科学革命产生的社会经济、政治和科学的广阔背景。

二、现代科学革命的主要内容

现代科学革命是以物理学革命为先导，以现代宇宙学、分子生物学、系统科学、软科学的产生为重要内容，以自然科学、社会科学和思维科学相互渗透形成交叉学科为特征的一次新的科学革命。

（一）物理学革命的扩展

现代物理学革命在产生了研究高速（接近光速）物理现象的相对论和研究微观现象的量子力学两大基础理论之后，迅速向宏观、宇观和微观的更深层次扩展，并向着大统一的方向推进。天体物理学、原子核物理学、粒子物理学、凝聚态物理学和统一场论都是现代物理学中十分活跃的学科。尤其在第二次世界大战以后，从宇宙天体物理的探索到物质结构之谜的揭示，都取得了飞速发展。现代物理学的每一个重大突破和发展都广泛而深远地影响其他学科的发展，极大地推动着生产和技术革命，使人类进入到能源、信息、材料、生物工程等高新技术的时代。

1.宇宙射线的新发现

1945年，宇宙射线正式成为宇宙线物理学一个分支学科的研究对象。它使用无线电电子学的技术方法，通过对宇宙天体所发射和反射电波的观测研究，来进一步揭露宇宙天体的奥秘。1940年以前，人

们对来自地球以外的宇宙射线开始有所认识。40年代末，发现混有氦、碳、氮、铁等元素的宇宙射线在银河系内慢慢加速，推测这些能量很高的宇宙射线是超新星爆炸时的飞散物，它们是在银河磁场中加速的。人们观测到太阳磁暴后地球上宇宙射线增加，说明低能宇宙射线来自太阳。英国鲍威尔、意大利奥查林尼、巴西拉蒂斯等科学家观察到了宇宙射线的运动轨迹。60年代以来，由于科学技术的飞速发展，高灵敏度和高分辩率的巨型射电望远镜日益增多，发现并研究了许多新颖奇特的宇宙射电辐射，如微波背景辐射、类星体、脉冲星等。1963至1974年相继发现星际分子30多种，其中包括多种组成生命结构的有机分子，如羟基（OH）、水分子、氨分子（NH3）、甲醛分子（CH2O）、甲酸分子（HCOOH）等，为探索生命的起源开辟了新的途径。这些新成果，为天体演化、生命起源和基本粒子这三大基础理论的研究，提供了极其重要的资料，促进了诸如X射线天文学、红外天文学、中微子天文学等许多新学科的产生，使天文学的发展进入一个重要转折时期，从而打破了对浩瀚宇宙的狭小视野，由原来的几十亿光年一下子扩展到100亿光年、150亿光年甚至更远，为人们进一步认识无限的宇宙提供了新的科学证明。

2.粒子物理学的发展

第二次世界大战以后，粒子物理学得到迅速发展，使人们对微观物质的性质、结构、基本相互作用和运动规律的认识进入到新的阶级。

1932年以前，人们对物质微观结构的认识，已经历了原子结构和原子核结构两个阶级。

30年代后期发现了μ子，50年代发现中微子。电子、μ子、中微子和它们的反粒子统称为轻子。40年代末50年代初，陆续发现了一批质量超过质子和中子的基本粒子，称为超子。如Λ超子、Σ超子、Ξ超子，又称为重子。40年代末还发现一类质量介于重子和轻子之间的介子，如π介子、K介子等。60年代前期，小型高能加速器的建成又发现了200多种寿命极短的共振态粒子，平均寿命只有10-24～10-23秒，它们都是强子。1974年，丁肇中和美国物理学家里赫特几乎同时发现质量比质子重3倍多，而寿命比普通介子长约1000倍的新介子，后来合称为J/ψ粒子，至今，已发现的基本粒子有300多种。根据它们的性质不同可分为：普通粒子、奇异粒子、共振粒子和新粒子。各种基本粒子在相互作用的条件下，遵循一定的对称性和守恒定律，可以相互转化。这些基本粒子的发现，把对物质微观结构的认识推进到第三个阶段。

基本粒子是不是物质微观结构的最后一个层次？“基本”粒子能否再分？近20年来不少物理实验说明基本粒子有其内在结构，基本粒子之间存在着某种内在联系。人们曾先后提出多种关于重子和介子内部结构的模型。主要有：1949年的费米-杨振宁模型，1956年日本的坂田模型。这些模型能够说明一些情况，但是在系统地解释重子的性质方面遇到了困难。1964年盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，提出了“夸克（Quark）模型”。他们提出了三种类型的夸克（u、d、s）和反夸克（ū、d、S ）。这一模型能很好地解释重子和介子的性质，预言Ω一超子的存在。1970年格拉肖等人又提出第4种夸克-粲夸克（c、）。1977年莱德曼发现一种比质子重10倍的中性介子γ，是由第5种夸克-底夸克（b、）所组成。为了形象和方便，

人们又从量子规范理论来描述，把u、d、s、c、b称为5种味夸克，每种味又分红、黄、蓝三“色”。“色”和“味”都代表不同的量子态。这样，正、反夸克的数目就成了30种。

与夸克理论的提出差不多同时，1965年中国北京基本粒子理论组提出“层子模型”，从结构的角度来研究重子和介子的衰变和转化现象。认为重子、介子都是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的相互作用归结为它们内部的层子的相互作用。还提出组成重子、介子的层子的波函数，并假定量子场论对层子也适用。这一模型对重子、介子的各种相互作用，特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大量的计算，提出了一些预言，其中绝大部分计算和预言同当时实验结果相吻合。夸克模型和层子模型的提出，标志对微观物质结构认识的第四阶段的到来。可是，夸克（或层子）曾长时间没有获得实验上的支持，出现了所谓“夸克禁闭”现象。70年代，丁肇中等

科学家在实验室发现了胶子存在的迹象，为夸克层次的存在提供了间接证明。1994年4月26日美国费米国家加速器实验室宣布：科学家们已发现了在物质理论中迄今尚未找到的亚原子结构单元—顶夸克

的证据。他们用质子与反质子对撞的独特方式，找到的“顶夸克”约174GeV，质量是质子的180多倍。粒子物理学使人类的认识已深入到亚原子（或亚原子核）阶段，了解到物质构成的单元已小到夸克和轻子，其尺度都小于10-17 cm，认识的尺度缩小到原子的十亿分之一。

在基本粒子领域中，量子电动力学、量子味动力学和量子色动力学的建立，极大地简化了自然界相互作用的描述。但人们希望求得把

所有已知的基本相互作用都包括进来的理论，即所谓大统一理论和超大统一理论。这一理论既能说明各种力的区别，又能揭示它们之间的深刻联系。近年来已取得一些进展。如1961年美国物理学家格拉肖首先提出电、弱相互作用统一的模型。1967、1968年，美物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆独立地在量子规范理论基础上把这一模型发展完善后统称为GWS理论，已得到实验的支持。现在人们正在进一步探讨三种相互作用甚至四种相互作用统一起来的可能性。根据大统一理论，在低能量下，强、弱、电作用分别满足SUc(3)和SU(2) ×U(1对称性；当能量高到1014～1016GeV时，强、弱、电三种作用统一为一种相互作用，满足统一的SU（5）的对称性。目前正在孕育着的物理学上的超弦论。超弦的尺度比基本粒子还小1019，而且所用的时空是10维的。如果这一理论一旦建立，就能把目前发现的一百多种基本粒子统一起来，还能把强力、弱力、电磁力、引力这四种基本作用力统一起来。（中国科协学会工作部编。《学科发展与科技进步学术研讨会简报》第1期，1994年4月28日）

3.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学是研究物质凝聚态（主要是液体和固体）的物理性质、结构及其内部规律的学科。对物质凝聚态的研究发现，固态有晶态和非晶态之分；液态有液晶和非晶液态之分。固体的非晶态和液晶具有许多优异特性。由于几乎一切材料都是凝聚态，因而对凝聚态物理的研究具有重要意义。

1945年以后，固体物理学进入一个新阶段。固体物理学中最重要的是结晶问题、超低温问题和磁性问题。由于电子显微镜、电子衍射、中子衍射等技术的迅速发展，对于不完整晶体，进行各种晶体缺陷（诸如空位、杂质原子和位错）的研究取得了很大进展，而这些同很多工业领域关系密切。1957年，J·巴丁、J·施里佛、L·库波三个人共同发表了超导电性的量子力学微观理论，即有名的BCS理论。同时前苏联柏哥留包夫用不同方法成功地说明了超导现象。1986年以来，瑞士的G·贝德诺兹和A·缪勒发现了更有前途的氧化物超导体：超导转变温度在40K左右的陶瓷化合物—镧钡铜氧化物系列。美籍中国物理学家朱经武和中国物理学家赵忠贤等在寻找更高转变温度材料方面有突出贡献，1988年发现了转变温度高于90K的钇钡铜氧化物系列。近年来，人们越来越重视研究无序固态材料，如无序合金、非晶材料、陶瓷材料等；也注意研究缺陷态、杂质态、表面态、界面态的性质。这些研究已深入到量子层次，已导致无序固态物理学的产生。总之，凝聚态物理学的每一步发展，都在不断深化人们对物质客体的有序结构和无序结构以及各种材料理化性质的认识，丰富了辩证唯物主义的自然观，并极大地推动了新技术革命的发展。

4. 量子化学的产生

应用量子力学的原理和方法研究分子的微观结构的量子化学，是现代化学的重要理论基础。它主要研究原子、分子和晶体的电子结构，分子间的相互作用，分子与分子间的相互碰撞及相互反应，以及微观

结构与宏观性质的相互关系等。自1927年用量子力学原理研究氢分子获得成功以来，量子化学发展极其迅速，使化学也由经验性科学转化为一门理论科学。目前已建立了比较健全的理论体系，发展了各种计算方法，并在各个领域中发挥重要作用。它和其他学科相互渗透形成一些边缘学科，如量子生物化学、量子药物化学，表面量子化学和固体量子化学等。

（二）现代宇宙学的发展

现代宇宙学的任务是探索比星系更高的宇宙层次，研究目前观测所及的大尺度宇宙的时空特性、物质及其运动规律。近几十年来，科学家们提出了一些较有价值的宇宙理论。主要有：爱因斯坦的静态宇宙模型、稳恒态宇宙学、膨胀宇宙模型、物质—反物质宇宙模型、大爆炸宇宙学和暴胀宇宙论。静态宇宙模型已被天文观测所否定。稳恒态宇宙学未被广泛接受。

1927年比利时天文学家勒梅特根据河外星系都有谱线红移现象，提出大尺度空间随时间膨胀的概念。1929年美国哈勃和英国爱丁顿提出膨胀宇宙的假说。40年代末美国伽莫夫根据太阳能源是来自热核反应的发现，提出了大爆炸宇宙说，认为宇宙是约在100亿年前由高温、高密度的“原始火球”的一次大爆炸形成的。并于1954年预言，大爆炸以后存在“宇宙灰烬”，它产生弥漫于整个空间的、相应于绝对温度5度的辐射。1965年，美国A·桑德奇提出，宇宙以大约820亿年为一周期进行脉动（膨胀和收缩）。大爆炸宇宙学由于得到