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全结晶体。
（2）粒子物理学的兴起
20世纪前半叶，诞生了许多物理分支学科，例如原子核物理学、粒子物
理学和宇宙射线研究等。
原子核物理学源于原子核反应的研究，开始于1919年，卢瑟福利用α
粒子从氦原子核中打出质子，首次实现了人工原子核反应。这方面研究的深
入与发展导致了量子力学的发展和后来放射性物理和放射性化学的发展以
及原子能科学的诞生。本书的第二部分和第六部分均有述及。
粒子物理学也称为基本粒子物理学。物理学的这一个分支学科同样源于
对原子核反应的研究。1897年至1937年，被认为是粒子物理学发展的第一
阶段。1897年，J．J．汤姆逊发现了电子；1909年至1911年，英国物理学
家卢瑟福和他的助手用高速飞行的α粒子做炮弹去轰击原子时，发现了原子
核；1932年，英国物理学家查德威克用放射源钋发射的α粒子来轰击铍金
属，发现了中子。于是，物质由中子、质子和电子这些基本结构单元构成的
统一世界图象形成了，同时也形成了基本粒子的概念。
这一期间，康普顿于1922年证实了爱因斯坦预言的光子的存在；泡利
从理论上预言了一种无静止质量的粒子——中微子；相对论量子力学又预言
了电子、中子、质子等粒子的反粒子的存在。电子的反粒子——正电子，是
第一个被发现的反粒子。1932年，安德森 （1905— ）利用放在强磁场中
的云室，记录宇宙线粒子时发现了正电子。以后又陆续发现了其他反粒子。
1934年，日本物理学家汤川秀树（1907—1981）为解释粒子之间的强作
用短程力，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种质量为电子的200
至300倍的基本粒子——介子而引起的。介子、电子和中微子等后来统称为
轻子。1936年至1937年，安德森和尼德迈耶（1907— ）发现了后来被称
为μ子的新粒子，这种不稳定粒子衰变后生成电子、中微子和反中微子。40
年代，证实了具有强相互作用的介子的存在。μ子和介子的发现，分别证实
了泡利和汤川秀树的预言。刺激了基本粒子的研究，粒子物理学进入了第二
个发展阶段，“基本粒子理论”正式成为一门学问而得到迅速发展。
历史上的概念，基本粒子是指构成物质的最基本的组成部分。在这一个
世纪中，这一概念经历了几次重大的变化。人们先是认为原子是物质的基本
组成部分；之后，中子、质子和电子被视为基本粒子；再后来，新发现的中
微子、介子和共振态粒子等也加入了基本粒子的行列。随着基本粒子队伍的
日益壮大，人们认识到，它们也不可能是物质的最基本组成部分，后来的“夸
克”粒子也证明了这一点。
后来，物理学界将称为基本粒子的物质，统称为粒子或亚原子粒子。粒
子物理学的研究使人们认识到，物质结构在不同的能量尺度上有不同的层
次，最终的层次可能不存在。
（3）宇宙射线的研究
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在高能粒子加速器问世之前，研究基本粒子的产生及其相互作用主要是
靠对宇宙射线的研究。
宇宙射线是在研究大气电导率时偶然发现的，这和许多新现象的发现有
相同之处。人们在屏蔽良好的静电计中，发现一种未知的辐射源导致了其中
空气的电离，而且这种辐射源比当时熟悉的放射性具有更大的穿透本领。
1911年至1912年，奥地利人赫斯（1883—1964）为了证实射线的来源，
便利用气球把高压电离室带到5000米以上高空。发现在700米左右的地方，
电离度因某种原因有所下降；但随着气球的继续上升，电离度却持续增加，
而且白天和黑夜都如此赫斯断定，这种辐射源来自宇宙空间。
1922年至1926年，R。A。密立根进一步证实，这种未知辐射源不在大气
层中。1927年，“云室”观察到了未知辐射线中带电粒子的径迹。由于这种
射线来自宇宙空间，因此便得名“宇宙射线”。之后的10年中，人们广泛
研究了宇宙射线的性质。
30年代，人们从宇宙射线中发现了正电子、μ子，以后又发现了更多的
高能粒子。宇宙射线成为发现新的基本粒子的来源和研究基本粒子的重要手
段。40年代，证实了具有强相互作用的介子的存在；1942年，日本人坂田
昌一（1911—1970）提出二介子论，宇宙射线的研究工作进一步深入。
第二次世界大战中，有关的实验技术和仪器得到迅速发展，更精密的云
室，升得更高的气球，新型计算器，新的电子仪器纷纷出现，也进一步推动
了宇宙射线的研究。
2．天文学的新成就
这一时期，天文学的发展一方面是运用爱因斯坦的广义相对论考察宇
宙，并提出宇宙的模型；另一方面是利用天文观测来验证广义相对论。
天文学在这一时期的发展还体现在射电天文学方面。1931年至1932年，
美国青年杨斯基（1905—1950）在研究引起高频无线电干扰因素时，观测到
波长为14。6米处有来历不明的电波信号。这种信号每天出现的时间有规律
地提早4分钟。他推断这一信号来自地球以外的天体。杨斯基的这一发现导
致了射电天文学这一新兴学科的诞生。在这以前，天文学是用光来观测、研
究天体，所以又称为光学天文学；现在，可以用电波来观测、研究天体，即
用接受天体无线电辐射的射电望远镜来观测和研究天体，因此，也称为射电
天文学。
1937年，美国人雷勃（1912— ）制成世界上第一架射电望远镜，其抛
物面天线的直径为9。5米，用它来接受来自空间的无线电信号，研究银河系
和宇宙无线电波的强度分布。1944年，用1。87米波长绘成第一张银河射电
图，证实了银河系中心有很强的射电辐射。不久，他又发现白虎星座附近有
发出无线电波的星体。1942年，英国学者研究发现，来自太阳的射电比太阳
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表面的黑体辐射还要强烈，而且与日面黑子、耀斑等的活动密切相关。
30年代，天文学方面还有不少重要发现，如冥王星的发现、超新星的发
现等。所谓超新星就是恒星爆炸后形成的光度突增1000万倍以上的新星。
星体核反应也是一重要发现。1940年，人们开始将星体分成两大类，并在第
二次世界大战后发展为“星体和宇宙的进化理论”。
3．现代地学理论的诞生
（1）魏格纳与大陆漂移学说
16世纪末，荷兰的墨卡托（1512—1594）在当时地理大发现的基础上，
利用他设计的等角正圆柱投影方法，绘制了第一张世界地图，把地球的表面
展现在了一个平面之上。地图上大西洋海岸线的相互吻合启发了早期大陆漂
移思想的产生。
18世纪法国博物学家布丰（1707—1788）等就曾先后推测过，大西洋是
因为大陆漂移而形成的。19世纪末，奥地利的休斯（1831—1914）认为，按
地层的相性，南半球各大陆可拼合为一个巨大的冈瓦纳古陆。
19世纪中期，研究海岸和海底地质、地貌的新学科——海洋地质学开始
出现，并随着军事和渔业、海底资源开发等的发展而迅速发展。19世纪70
年代，英国皇家舰队的“挑战者”号在环球航行期间开展了对三大洋有组织、
有计划地深海调查，行程7万海里，收集了海洋物理、化学、生物、地貌、
沉积物等方面的珍贵资料。这次环球航行提出了50份调查报告。之后，海
洋调查掀起了热潮，大批探险队和科学考察队的足迹遍布世界各地，海洋地
质学等大批地理地质的丰硕成果使基于陆地地质的传统地质学理论面临严
峻的挑战。随着大陆漂移说等新理论的出现，人们关于地球的自然观在 20
世纪中发生了巨大的变革。
①大陆漂移说的产生。在魏格纳