越南战争中的东德钢盔:人类最伟大的十个科学发现（下）

人类最伟大的十个科学发现之六：电流
                       古希腊人已经发现用毛皮磨擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦杆等一些轻小的东西，他们把这种现象称作“电”。公元前585年，古希腊第一位自然哲学家泰勒斯（Thales,公元前625～公元前545年）（右图）已经注意到摩擦（带电）的琥珀能吸引细小的绒毛。这是西方世界关于电现象最早的观察记录。今天英语中“电（Electricity）”这个词在古希腊语中的意思就是“琥珀”。
英国物理学家、医生吉尔伯特（William Gilbert,1544～1603）（左图）做了多年的实验，发现了“电力”，“电吸引”等许多现象，并最先使用了“电力”、“电吸引”等专用术语，因此许多人称他是电学研究之父。他的主要著作为1600年出版的《论磁性、磁体和巨大地磁体》（右图）。全书分为6篇，这是他约17年的研究结晶，记录了600余个实验，叙述了磁的历史及五种磁运动。第二篇中有一章叙述了电的实验。这本书堪称物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。在吉尔伯特之后的200年中，又有很多人做过多次试验，不断地积累对电的现象的认识。
1734年法国人杜菲（Charles-Francois du Fay，1696～1739）（左图）在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。
1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(Ewald Georg von Kleist，1700-1748)在实验中克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。
1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（(Pieter von Musschen,1692～1761）（右图）在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”（右图）。因为他看到好不容易起得的电却很容易地在空气中逐渐消失，他想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将中另一只手与枪管碰上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。
“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无论如何也不要再重复这个实验。．．．．．．把容器放在右手上，我试图用另一只手从充电的铁柱上引出火花。突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了，……手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣。”
虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”，这个实验称为“莱顿瓶实验”。这种“电震”现象的发现，轰动一时，极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。
18世纪中叶，在大洋彼岸的美国科学家本杰明.富兰克林（Benjamin Franklin,1706～1790）(左图)又做了多次实验，进一步揭示了电的性质，并提出了电流这一术语。他认为电是一种没有重量的流体，存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电，它就被称之为带正电（或“阳电”）；如果一个物体少于它正常份量的电，它就被称之为带负电（或“阴电”）。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这一说法，在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象，但对于电的本质的认识与我们现在的“两个物体互相磨擦时，容易移动的恰恰是带负电的电子”的看法却相反。
富兰克林对电学的另一重大贡献，就是通过1752年著名的风筝实验，“捕捉天电”，证明天空的闪电和地面上的电是一回事（右图）。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去。金属丝的下端接了一段绳子，另在金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子，用另一手轻轻触及钥匙。他立即感到一阵猛烈的冲击（电击），同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花。这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间。这在当时是一件轰动一时的大事。一年后,富兰克林制造出了世界上第一个避雷针。
1780年，意大利科学家伽伐尼（Luigi Galvani,1737～1798)（左图）在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动（右图）。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，他的《关于电对肌肉运动的作用》论文于1791年发表。
1791年意大利物理学家亚历山德罗.伏打(Alessandro Volta，1745～1827)（左图）得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。
1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐尼关于动物生电的观点。他认为伽伐尼电在质上是一种物理的电现象，蛙腿本身不放电，是外来电使蛙腿神经兴奋而发生痉挛，蛙腿实际上只起电流指示计的作用。　 伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。伏打还发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”（右图）。他用30块、40块、60块或更多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，好食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革……。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。
伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。
人类最伟大的十个科学发现之七：物种进化
                         人们起初认为，地球上的每一种生命从一开始就是这样，没有新的物种诞生，也未发生过什么变化。直至19世纪英国博物学家达尔文（Charles Robert Darwin，1809～1882）（左图）提出了进化论，才揭示出地球上生命的动态性质。
达尔文1809年2月12日，出生于一个英国医生家庭。1831年，达尔文从剑桥大学毕业后热衷于自然科学研究。这年12月，英国政府组织了“贝格尔（Beagle）”军舰的环球考察（右图），达尔文以“博物学家”的身份自费搭船，开始了历时5年（1831－1836）的艰苦的环球考察活动。 达尔文每到一地总要进行认真的考察研究，采访当地的居民，有时请他们当向导，爬山涉水，采集矿物和动植物标本，挖掘生物化石，发现了许多没有记载的新物种。达尔文思考着一个问题：自然界的奇花异树，人类万物究意是怎么产生的？他们为什么会千变万化？彼此之间有什么联系？这些问题逐渐使他对神创论和物种不变论产生了怀疑。
1832年2月底，“贝格尔”舰到达巴西，达尔文上岸考察，向船长提出要攀登南美洲的安第斯山。达尔文意外地在海拔4000多米的高山顶上发现了贝壳化石，这使他非常吃惊。经过反复思索，他终于明白了地壳升降的道理。达尔文对自己的猜想有了更进一步的认识：“物种不是一成不变的，而是随着客观条件的不同而相应变异！”
达尔文随船横渡太平洋，经过澳大利亚，越过印度洋，绕过好望角（左图），于1836年10月回到英国。在历时五年的环球考察中，达尔文积累了大量的资料。回国之后，他在整理这些资料的过程中查阅了大量书籍，为他的生物进化理论寻找根据。1842年，他第一次写出《物种起源（On the Origin of Species）》的简要提纲。1859年11月达尔文经过20多年研究而写成的科学巨著《物种起源》终于出版了（右图）。在这部书里，达尔文旗帜鲜明地提出了以自然选择（Theoty of Natural Selection）为基础的进化学说，说明物种是在不断的变化之中，是由低级到高级、由简单到复杂的演变过程。
《物种起源》的出版，在欧洲乃至整个世界都引起轰动。它第一次把生物学建立在完全科学的基础上，以全新的生物进化思想，推翻了“神创论”和物种不变的理论，标志着进化论的正式确立。由于它沉重地打击了神权统治的根基，反动教会和封建御用文人群起攻之，诬蔑达尔文的学说“亵渎圣灵”，触犯“君权神授天理”，有失人类尊严。
以英国著名自然科学家、伦敦矿物学院地质学教授赫胥黎（ Thomas Henry Huxley，1825～1895）（左图）为代表的进步学者，积极宣传和捍卫达尔文主义，他们认为：进化论轰开了人们的思想禁锢，启发和教育人们从宗教迷信的束缚下解放出来。
达尔文在他的第二部巨著《动物和植物在家养下的变异》（The Variation of Animals and Plants Under Domestication ，1868）中，以不可争辩的事实和严谨的科学论断，进一步阐述他的进化论观点，提出物种的变异和遗传、生物的生存斗争和自然选择的重要论点。
晚年的达尔文，尽管体弱多病，但他以惊人的毅力，顽强地坚持进行科学研究和写作，连续出版了《人类的由来》（The Descent of Man ，1871）、《人类和动物的表情（The Expression of the Emotions in Animals and Man，1872） 》等很多著作，对人工选择作了系统的叙述，并提出性选择及人类起源的理论，进一步充实了进化学说的内容。1882年4月19日，这位伟大的科学家因病逝世，人们把他的遗体安葬在牛顿的墓旁，以表达对这位科学家的敬仰。
人类最伟大的十个科学发现之八：基因
现代遗传学之父，奥地利生物学家格雷戈尔·孟德尔（Johann Gregor Mendel，1822～1884）（左图）并未描述过基因，也没有观测到基因以及使用基因这个词。但这位奥地利传教士发现了遗传定律，他通过繁育豌豆，画出其结果图，就得出了卓越的结论。孟德尔发现，在预先可测知规律下控制的组合，父母可将其独特的特性传给子女。 20世纪初，科学家判定必然是某些实际的物质携带这种特性，创立了基因（gene）这个词，以后又证明了基因的化学本质是DNA分子。1953年，发现了DNA的双螺旋结构。
孟德尔出生在奥地利的一个贫寒的农民家庭里，受同为园艺家的父母的熏陶，他从小喜爱植物。他先在当地教会办的一所中学教自然科学，后来到维也纳大学深造，受到相当系统和严格的科学教育与训练，为后来的科学实践打下了坚实的基础。 孟德尔回到布鲁恩后弄来了34个品种的豌豆，从中挑选出22个品种用于实验。它们都具有某种可以相互区分的稳定性状，例如高茎或矮茎、圆料或皱科、灰色种皮或白色种皮等。孟德尔豌豆实验的初衷并不是有意为探索遗传规律而进行，他只是希望获得优良品种，在试验的过程中，逐步把重点转向了探索遗传规律。孟德尔开始进行豌豆实验时，达尔文进化论刚刚问世。他仔细研读了达尔文的著作，从中吸收丰富的营养，并对人工培植的不同代的豌豆的性状和数目进行细致入微的观察、计数和分析。运用这样的实验方法需要极大的耐心和严谨的态度。经过8个寒暑的辛勤劳作，孟德尔发现了生物遗传的基本规律，并得到了相应的数学关系式。人们分别称他的发现为“孟德尔第一定律——分离定律”和“孟德尔第二定律——独立分配定律”，它们揭示了生物遗传奥秘的基本规律。除了豌豆以外，孟德尔还对其它植物作了大量的类似研究，其中包括玉米、紫罗兰和紫茉莉等，以期证明他发现的遗传规律对大多数植物都是适用的。
从生物的整体形式和行为中很难观察并发现遗传规律，而从个别性状中却容易观察，这也是科学界长期困惑的原因。孟德尔不仅考察生物的整体，更着眼于生物的个别性状，这是他与前辈生物学家的重要区别之一。孟德尔选择的实验材料也非常科学。因为豌豆属于具有稳定品种的自花授粉植物，容易栽种，容易逐一分离计数，这对于他发现遗传规律提供了有利的条件。
孟德尔清楚自己的发现所具有的划时代意义，但他还是慎重地重复实验了多年，以期更加臻于完善。1865年，孟德尔总结出著名的遗传规律，在布尔诺（Brno）自然科学学会宣读了他的论文《植物杂交试验》（Experiments in Plant Hybridization），尽管与会者绝大多数是学会会员，其中既有化学家、地质学家和生物学家，也有生物学专业的植物学家、藻类学家。但听众对连篇累续的数字和繁复枯燥的沦证毫无兴趣，他们跟不上孟德尔的思维，因此无法估计孟德尔发现的重要性。第二年，孟德尔在学会的杂志上发表了他得到的试验结果，也没有引起科学界的注意。孟德尔的论文在此后30余年中未被科学界所知。
1881年，德国学者编了一本植物学杂交论文的目录，力求无所不包，孟德尔的论文很幸运地被列了进去，并最终导致了在1900年，被三位生物学家同时发现。1900年，成为遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年，来自三个国家的三位学者同时独立地“重新发现”孟德尔遗传定律，他们是荷兰的德弗里斯(Hugo De Vries，1848～1935)、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，1864～1933)和澳大利亚的契马克(Erich von Tschermak-Seysenegg，1871～1962)。从此，遗传学进人了孟德尔时代。
德弗里斯（左图）1877年曾到英国拜访达尔文并有过一次长谈，这使他专心致志于解决当时进化论所面临的最大的问题：遗传机理。象孟德尔一样，他以植物为研究材料，不过他用的是月见草。他种了二十年超过五万株的月见草，从中发现了新种。他认为这些新种是由于“突变”导致的，并认为突变是产生变异的原因。现在已知道，他所发现的这些新种并不是基因突变，而是染色体畸变所致，不过他仍然被视为发现基因突变的第一人。之后，他就转往研究性状的传递问题。1900年，德弗里斯认为自己已发现了遗传定律，写成论文，分寄法兰西科学院和德国植物学学会。法语版的论文先登了出来，柯灵斯读了以后，发觉实际上就是孟德尔所发现的定律，就给德弗里斯寄去了一份孟德尔的论文。德弗里斯赶在德语版论文出来之前，匆忙在论文中加注了孟德尔的论文，但声明“在实验就要全部完成并已得出结论后，才读到孟德尔的论文”。                柯灵斯（右图）也在做植物杂交的实验，在德弗里斯之后也赶紧发表了实验结果。他在论文中提到了孟德尔，但也象德弗里斯一样，声明是在自己独立地发现了遗传定律之后才读到孟德尔的论文的。                 契马克（左图）也在几星期后发表了论文，在论文中引用了孟德尔，但同样称自己独立地发现了遗传定律，然后才验证孟德尔的实验。不论他们发表论文的动机如何，这三位著名的生物学家在一年之内同时发表论文宣扬孟德尔，使孟德尔定律很快引起了生物学界的重视。生物学界掀起了验证孟德尔定律的热潮。                      1909年，丹麦生物学家约翰逊（Wilhelm Ludwig Johannsen，1857～1927）（右图）根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此，那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有具体涉及基因的物质概念。                美国遗传学家摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866～1945）（左图）对基因学说的建立作出了卓越的贡献。1915年至1928年，他和他的助手以果蝇（右图）作为实验材料，第一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体联系了起来，创立了遗传的染色体理论。随后遗传学家又应用当时发展的基因作图（gene mapping）技术，构筑了基因的连锁图，进一步揭示了在染色体载体上基因是按线性顺序排列的。                       首先用实验证明基因的化学本质就是DNA分子的是加拿大生物化学家艾弗里（Oswald Theodore Avery，1877～1955 ）（左图）。1945年，他和他的合作者在纽约进行细菌转化的研究（右图），实验材料是肺炎链球菌，结果说明，使细菌性状发生转化的因子是DNA（即脱氧核糖核酸），而不是蛋白质或RNA（即核糖核酸）。 这一重大的发现轰动了整个生物界。因为当时许多研究者都认为，只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传。而艾弗里等人的工作打破了这种信条，在遗传学理论上树起了全新的观点，即DNA分子是遗传信息的载体。                        当人们为艾弗里的实验而激烈争论时，美国微生物学家赫尔希（Alfred Day Hershey，1908～1997）（左图）等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA的作用呢？他们的实验材料是T2噬菌体（右图）。实验证实，进入细菌细胞的噬菌体是核酸；进而说明，携带遗传信息的是核酸，而不是蛋白质。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。1952年，赫尔希和他的学生共同发表报告，肯定了艾弗里的结论。此后，再也无人怀疑DNA是遗传物质了。                         英国生物物理学家阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898～1961)（右图）1938年曾通过X射线结晶衍射图发现DNA分子是多聚核苷酸分子的长链排列。然而阿斯特伯里所发现的DNA图片极其不清楚，无法真实反映DNA清晰的图像。                     1950年，爱尔兰科学家威尔金斯（Maurice Wilkins，1916～）（左图）的研究小组就测定了DNA在较高温度下的X射线衍射，得到的照片比阿斯特伯里的要精美得多。其中一个主要原因就是他们保持了DNA纤维的湿润状态。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横，提示DNA的整个结构为螺旋形，但证据并不充分。后来，威尔金斯似乎再也无法深入到更深层面了解DNA的真实结构。                      具有非凡才能的英国女科学家罗沙琳德·弗兰克林（Rosalind Franklin，1920～1958）（右图）加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了更能从多方面了解物质不同现象的实验方法，如获取在不同温度下的DNA的X射线衍射图。把这些各种局部的结构形状汇总，DNA的衍射图片越来越全面。1952年5月她获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。弗兰克林与威尔金斯提出DNA的结构可能是双螺旋。                      美国化学家鲍林(Linus Pauling，1901～1994)（左图）从1951年起就在用同样的X射线晶体衍射方法研究蛋白质的氨基酸和多肽链，最后发现了血红蛋白多肽链为α螺旋链，他成为X射线晶体衍射的权威。鲍林将注意力转到了DNA，并获得了一些DNA的X射线晶体衍射图片。也许是由于实验的问题，或是指导思想的问题，鲍林一直认为DNA是三螺旋结构，走入了误区。                                          1953年，最伟大的模型——DNA双螺旋结构模型被提出来了，两位创立者是美国生物化学家沃森（James Dewey Watson，1928～）（左图一）和英国生物物理学家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916～）（左图二）。
1951年，沃森前往意大利参加生物大分子结构会议。威尔金斯和弗兰克林关于DNA的X射线晶体衍射图分析报告吸引了沃森。博士毕业后沃森在英国的卡文迪什实验室与克里克相遇并共同研究DNA的结构。虽然受到自威尔金斯和弗兰克林的报告的启发，但是，DNA具体是一个什么样的螺旋结构，是双链、三链还是四链的，沃森和克里克心中并没有谱。
起初，沃森与克里克认为DNA的螺旋结构应该是三螺旋，并从鲍林那里获得启示开始了“搭积木”式的研究（右图）。因为鲍林发现血红蛋白的α螺旋链就是靠“搭积木”摆弄出来的。许多化学分子的结构模型都是这样被人们认识的。
沃森与克里克按照他们的理解搭出了DNA三螺旋的结构。他们认为，这个模型与威尔金斯和弗兰克林提供的X衍射图比较吻合，尽管弗兰克林当时并不知道DNA的精确结构应当是什么样的，但她指出这个模型过分模仿水分子，DNA结构不应当是三螺旋。
沃森和克里克对DNA螺旋结构的数种设想都被威尔金斯和弗兰克林否定。在1953年2月14日的讨论中，威尔金斯出示了一幅弗兰克林获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片。这张照片突然激发了沃森头脑中的思维，DNA链只能是双链的才会显示出这样漂亮而清晰的图。1953年2月28日沃森和克里克重新摆弄出了正确的DNA双螺旋结构。1953年4月25日《自然》杂志发表了沃森与克里克的DNA双螺旋结构假说的不到1000字短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，并配有威尔金斯和弗兰克林的两篇文章，以支持沃森和克里克的假说。后来鲍林和其他科学家的研究也从不同方面证明了DNA双螺旋结构。一个月后，沃森与克里克在《自然》杂志上又发表一篇论文，讨论了遗传物质复制的机制。
沃森和克里克在一封信中对弗兰克林说，她和威尔金斯的DNA双螺旋结构X衍射图片对他们启发很大。正是在这张图片和弗兰克林与威尔金斯的不断指引，他们才走上了正确的跑道，并最终完成了一项具有划时代意义的伟大工作。DNA双螺旋结构的发现标志着分子生物学从此诞生。它不仅说明了DNA为什么是遗传信息的携带者，而且说明了基因的复制和突变等机理。               随着研究的深入，人们已经了解到生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。某些病毒和噬菌体，它们遗传体系的基础是RNA，而不是DNA。1956年，德国科学家吉尔（Alfred Gierer）和施拉姆（G．Schramm） 在研究烟草花叶病毒时，首先发现了RNA分子能够传递遗传信息，同时他们还发现烟草花叶病毒的RNA成分在感染的植株叶片中能够诱导合成新的病毒颗粒。（左图显示了RNA与DNA的比较）                   最初由孟德尔提出的遗传因子（hereditary factor）的概念，通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克等数代科学家的研究，已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础之上。 科学家们围绕DNA的结构和作用，继续开展研究，取得了一系列重大进展。1961年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927～）（右图）等人成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。现在，基因已经是以一种真正的分子物质呈现在我们面前，再也不是一种神秘成分了。科学家可以像研究其它大分子一样，客观地探索基因的结构和功能，并已经开始向控制遗传机制、防治遗传疾病、合成生命等更大的造福于人类的工作方向前进。
人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律
18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。 热力学的四大定律简述如下：
热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。
热力学第二定律——力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 (热机不可得)。
热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。
法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）(左图)生于巴黎。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。
卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；1824年他发表了名著《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》（右图），书中写道：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作介质，也不论以什么方法来运转它们。”
卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。
卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。
1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来，其中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》，其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。
后来，卡诺的学术地位随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了。
热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。
德国物理学家、医生迈尔（Julius Robert Mayer，1814～1878）（左图）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但1842年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。
以后英国杰出的物理学家焦耳（James Prescort Joule,1818～1889）（右图）、德国物理学家亥姆霍兹（Hermannvon Helmholtz,1821～1894）等人又各自独立地发现了能量守恒定律。
1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他自己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重·米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。
1847年，亥姆霍兹（左图）发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。
将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。
热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探讨热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。
1834年，卡诺去世两年后，卡诺的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》才有了第一个认真的读者----克拉派隆（Benoit Paul Emile Clapeyron,1799-1864）（右图）。他比卡诺低几个年级。他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的注意。
英国物理学家开尔文（Lord Kelvin，1824-1907）（左图）在法国学习时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。实际上，他根据克拉派隆介绍卡诺理论写的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文在1848年发表。1849年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。1851年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法，不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。
德国物理学家克劳修斯（Rudolph Julius Emmanuel Clausius,1822-1888）（右图）一直没弄到卡诺原著，只是通过克拉派隆和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。1850年克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述：热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体，他还首先提出了熵的概念。

英国物理学家克拉克.麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879）（左图）是经典电磁理论的奠基人。但他兴趣广泛，才智过人，不但是建立各种模型来类比不同物理现象的能手，更是运用数学工具来分析物理问题的大师。他在热力学领域中也做出了贡献。1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。

1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann，1844～1906）（右图）发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。他在使科学界接受热力学理论、尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功劳。

1906年，德国物理化学家能斯特（Walther Hermann Nernst,1864～1941）（左图）根据对低温现象的研究，得出了热力学第三定律，人们称之为“能斯特热定理”，有效地解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题，因此获得了1920年诺贝尔化学奖。主要著作有：《新热定律的理论与实验基础》等。

德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858～1947)（右图）是量子物理学的开创者和奠基人，他早期的研究领域主要是热力学，他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。他在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。1911年普朗克也提出了对热力学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。
通常是将热力学第一定律及第二定律作为热力学的基本定律，但有时增加能斯特定理当作第三定律，又有时将温度存在定律当作第零定律。
热力学第零定律用来作为进行体系测量的基本依据，其重要性在于它说明了温度的定义和温度的测量方法。表述如下：
1.可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。
2.当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。
3.一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达；或者也可以通过第三个体系的温度来表达。
人类最伟大的十个科学发现之十：光的波粒二象性
人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间。正是这种争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就——量子力学的诞生。
战国初期伟大的思想家 、政治家，也是一位有卓越贡献的自然科学家墨子（生于公元前480-476年左右，卒于公元前420-390年左右）（左图）是墨家学派的创始人。墨家学派著作的总汇是《墨子》,其主要组成部分是《墨经》（右图），这是一部内容丰富、结构严谨的科学著作。《墨经》中记载了丰富的几何光学知识。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。
古希腊数学家欧几里德（Euclide,公元前330-公元前275）（左图）在他的《光学》著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测。那时的人们已经知道，在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线；当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相等。
古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密（Clandius Ptolemaeus，约90～168）（右图）最早做了光的折射实验。托勒密在他的最后一本重要著作《光学》中提出和说明了各种基本原理，他依靠经验发现了折射的规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表，但没有由此得出精确的折射定律。
英国科学家罗吉尔·培根（Roger Bacon,1214-1292）（左图）在物理学方面，特别是对于光学的研究极为深刻，他通过实验研究了凸透镜的放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。
意大利著名美术家、科学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)（右图）以博学多才著称，他在光学、力学、数学和解剖学等方面都有不少创见或发明。他描述了光是如何通过不同表面反射的，眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的眼睛是如何接受透视的，以及光投射在物体上是如何产生阴影的。
德国天文学家和数学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler,1571-1630）(左图)对光的折射现象进行了深入的研究，并于1611年出版了《折射光学》一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的媒质，小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3:2。他还表明，这个比对于大的入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系，但开普勒的研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了一定的启示作用。
荷兰数学家威里布里德．斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen 1591-1626）（右图）在总结托勒密、开普勒等前人的研究成果后做了进一步的实验。1621年，斯涅耳在实验中注意到了水中的物体看起来象漂浮的现象，由此引出了他对折射现象的研究，并发现了光的折射定律，也称斯涅耳定律，但当时未做任何理论推导，虽然正确，却未正式公布。
1637年，法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿(Rene Des cartes,1596—1650)（左图）在他的《屈光学》书中提出了著名的折射定律。他从一些假设出发，并从理论上进行了推导，即光的入射角与折射角的正弦之比为常数，由此而奠定了几何光学的基础。
十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利数学家格里马第（Francesco Maria Grimaldi，1618-1663）（右图）在实验中让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像，马上联想起了水波的衍射，于是格里马第提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。格里马第认为，物体颜色的不同，是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的。
格里马第的实验引起了英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）（左图）的兴趣。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。他判断，光必定是某种快速的脉冲，提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）一书中明确地支持波动说。这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，由于他的加入，波动说似乎也在一时占了上风。
英国物理学家、数学家和天文学家牛顿 (Isaac Newton,1642-1727)（右图）以极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光，由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现，牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象，揭开了物质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上。牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：物理光学。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。
荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）（左图）是与牛顿同一时代的科学家。惠更斯发展了光的波动学说，在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。
牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。因牛顿在学术界的权威和盛名，“微粒说”一直占据着主导地位。
英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young,1773-1829）（左图）对牛顿的光学理论产生了怀疑。杨氏在1800年写成的论文《关于光和声的实验和问题》中，把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起来。
1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，杨氏在《物理光学的实验和计算》论文中根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释。他认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的，虽然这种解释不完全正确，但在波动学说的发展史上有着重要意义。
杨氏的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。
1808年，法国著名的天文学家和数学家拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace,1749-1827）（左图）用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。 
1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）（右图）在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。
1811年，苏格兰物理学家布儒斯特（David Brewster,1781-1868）(左图)在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。
面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。
杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的法国科学家阿拉果(Dominique Francois Jean Arago,1786-1853)（右图）。 阿拉果早年遵循微粒说观点研究光学，认为光和热、电、磁一样，都是由无重量的微粒构成的流体，它们受物质分子的短程引力和斥力的作用，产生反射、折射、双折射等各种光学现象；对分子相同的物质，折射率将和密度成正比。
阿拉果在学习期间就与法国物理学家毕奥（Jean Baptiste Biot, 1774-1862）（左图）合作研究光在地球大气中的折射，以证明拉普拉斯在天体力学中提出的大气由氧和氮的同心环组成、密度随海拔变动的公式。阿拉果用实验证明，温度和压强影响大气折射，而空气温度及二氧化碳的含量可以忽略。马吕斯发现光的偏振现象后，阿拉果就用偏振光以不同的入射角度投向各气态、液态和晶态物质，结果发现了旋光现象。
1813年起阿拉果对微粒说的信仰发生了动摇，他参与测定了许多液体和固体折射率，发现根本不存在微粒说所述的和密度成正比的关系；此外，他还认识到杨氏1801年的干涉理论能更好地解释色偏振等实验事实。
法国物理学家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788～1827）（左图）1815年就试图复兴惠更斯的波动说，但他当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。后来阿拉果告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。在对光的传播方向进行定性实验之后，非涅耳与转向波动说的阿拉果一道建立了光波的横向传播理论。
1814年，德国天文学家夫琅和费（Joseph Von Fraunhofer,1787～1826）（右图）在重复做牛顿分解太阳光的实验时，在一间小黑屋子的窗板上开了一条狭缝，让太阳光通过这条缝射入屋子里，成为一条扁扁的光束，再让光束经过三棱镜，变成了宽大的扇形落到对面的白墙上，成为从红到紫的光带，他意外地发现了太阳光谱中的一些重要现象。1821年夫琅和费在波动学说的基础上导出了从衍射图形求波长的关系式。
新的波动学说牢固的建立起来了，微粒说开始转向劣势。
随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来，但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出。
菲涅耳在研究以太时发现，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后法国科学家泊松（Siméon Denis Poisson,1781～1840）（左图）也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。
为了解决各种问题，1839年法国数学家柯西（Augustin Cauchy,1789-1875）（右图）提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质，试图以此解决泊松提出的困难。
英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879）（左图）通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并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，从而确立了波动说的地位。这种理论预见后来得到了实验的证实。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书，具有划时代的意义。

1887年，德国科学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）（右图）用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。
德国物理学家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858-1947）（右图）早期从事热力学的研究，他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号h表示，其数值为6.626176×10-27尔格·秒，是微观现象量子特性的表征。他从理论上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，称为普朗克公式。量子假说的提出对现代物理学，特别是量子论的发展起了重大的作用。普朗克在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射，使人们认识到电磁波是某种粒子，既光量子。为了强调光的粒子属性，光量子被称之为“光子”。光子的质量在运动中显示出来。
但电磁学存在着巨大缺陷，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中的光速不同。光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家——爱因斯坦的出现。
德国科学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）（左图）坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。但是，根据麦克斯韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，而且波也不可能处于静止状态，也就是说，宇宙中不可能存在光在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探索和研究，1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，引起了物理学基本概念的重大变革，开创了物理学的新世纪；提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性，用分子运动论解决布朗运动问题；发现了质能之间的相当性，在理论上为原子能的释放和应用开辟道路。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美地结合在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。

1913年,丹麦物理学家玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）（右图）以《论原子构造和分子构造》为题发表了长篇论文,为20世纪原子物理学开辟了道路。他采用了当时已有的量子概念,提出了几条基本的“公设”,提出了至今仍很重要的原子定态、量子跃迁等概念，有力地冲击了经典理论,推动了量子力学的形成。玻尔认为,按照经典理论来描述的周期性体系的运动和该体系的实际量子运动之间存在着一定的对应关系，这一对应原理成为从经典理论通向量子理论的桥梁。玻尔对各种元素的光谱和X射线谱、光谱线的(正常)塞曼效应和斯塔克效应、原子中电子的分组和元素周期表,甚至还有分子的形成,都提出了相对合理的理论诠释。
1916年美国物理学家罗伯特·密立根(Robert Andrews Millikan,1868～1953)（左图）发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。
美国物理学家康普顿（Arthur Holly Compton，1892～1962）（右图）1921年在实验中证明了X射线的粒子性。1923年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应，这是近代物理学的一大发现。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性。
1924年，奥地利物理学家泡利(Wolfgang Ernst Pauli，1900～1958)（左图）发表了“不相容原理”：原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态．这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。
法国物理学家德布罗意(Louis Victor due de Broglie, 1892-1987)（右图）由光的波动和粒子两重性得到启发，他大胆地把这两重性推广到物质客体上去。他在1923年9～10月间，连续发表三篇短文：《辐射——波和量子》、《光学——光量子、衍射和干涉》、《物理学——量子、气体动理论及费马原理》。1924年，在他的博士论文《量子论研究》中，他全面论述了物质波理论，这一理论以后为薛定愕接受而导致了波动力学的建立。德布罗意把爱因斯坦关于光的波粒二象性的思想加以扩展。他认为实物粒子如电子也具有物质周期过程的频率，伴随物体的运动也有由相位来定义的相波即德布罗意波，后来薛定愕解释波函数的物理意义时称为“物质波”。德布罗意在并无实验证据的条件下提出的新理论在物理学界掀起了轩然大波。
1925年，德国物理学家海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）（左图）鉴于玻尔原子模型所存在的问题，抛弃了所有的原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。1927年，他阐述了著名的不确定关系，即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量，成为量子力学的一个基本原理。
1926年，奥地利理论物理学家薛定愕（Erwin Schrodinger，1887～1961）（右图）提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程——薛定愕方程，给出了量子论的另一个数学描述——波动力学。后来，物理学家把二者将矩阵力学与波动力学统一起来，统称量子力学。
1927年，美国贝尔实验室的戴维森（Clinton Joseph Davisson，1881～1958）、革未（Lester Halbert Germer，1896～1971）（左图）及英国的汤姆逊（George Paget Thomson，1892～1975）（右图）通过电子衍射实验，都证实了电子确实具有波动性。至此，德布罗意的理论作为大胆假设而成功的例子获得了普遍的赞赏。以后，人们通过实验又观察到原子、分子……等微观粒子都具有波动性。实验证明了物质具有波粒二象性，不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的，而且为物质波理论奠定了坚实基础。
光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，它是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学，是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。我们的现代文明，从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。