世界现代前期科技史- 第7部分

这种通讯形式，最初都是靠电流的有线传导来传递信息的，因此必然要受到　

通讯线路的限制。无线电通讯的成功则打破了线路的局限，实现了通讯技术　

的又一次重大飞跃。无线电通讯的发明是科学向技术转化的又一成果，也是　

19世纪末最主要的技术成就之一。　

　　　　　无线电通讯的理论先驱是著名英国物理学家麦克斯韦（1831—1879）。　

麦克斯韦在理论研究中，以实验事实为基础，他把全部电磁现象归结为两组　

偏微分方程，即电磁场基本方程式　（亦称麦克斯韦方程）。他的理论证实了　

电磁过程是在空间的一定速度（相当于光速）传播的，从而预见了电磁波的　

存在。1873年麦克斯韦在他所著的《电磁学》一书中曾经预言：由于电磁波　

的存在，特别是电磁波以每秒30万公里的速度传播，不久的将来，在相距遥　

远的两地之间，建立起瞬时可达的通讯联络，已经不再是一种梦想。1888年　

德国物理学家赫兹　（1857—1894）发现了电磁波，从而证实了麦克斯韦的预　

言。赫兹在研究过程中，证明了电磁波具有和光相类似的特性。如电磁波和　

光波一样，也具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质，特别是从它的频　

率和波长直接确定了其传播速度等于光速。为了纪念赫兹在电磁波研究中的　

贡献，电磁波又被命名为“赫兹波”。电磁波的发现有着非同寻常的意义，　

它的发现导致了科学技术的又一次重大变革。特别是为有线电报向无线电报　

的发展开辟了道路。　

　　　　　电磁波的发现展示了极为诱人的前景，此后不少科学家、发明家把眼光　

投向了电磁波，把研究的方向转向了无线电。赫兹验证电磁波存在的实验说　

明，使用快速振荡的电火花产生极高频率的电磁波，可以使在远处的导线回　

路产生相同的电振荡。这一原理显示，无线电通讯的成功近在咫尺了。法国　

物理学家布朗利（1844—1940），1890年改进了赫兹的电波接收装置，可在　

140米外接收到赫兹电波。英国物理学家洛奇（1851—1940）对接收器又做　

了进一步改进，在800米外成功地接收到莫尔斯电码发送来的信号。在无线　

电接收器的改进过程中，检波器曾一度成了科学家们着力攻克的关键部件。　

然而攻克这一难关，在技术上取得突破，真正使无线电进入实用阶段的重要　

人物——意大利人马可尼　（1874—1937）——当时仅是个名不见经传的20　

岁的年轻人。1894年马可尼在意大利的电气杂志上读到赫兹的实验和洛奇的　

报告以后，便立志献身于无线电技术的开拓事业。他把自己家里的阁楼作为　

实验室，带着不顾一切的执着投入了忘我的实验工作。父亲不理解马可尼的　

行动，更没有领悟到儿子“工作”的意义，他认为马可尼是在做一种毫无意　

义的游戏，盛怒之下，粗暴地毁坏了马可尼的实验设备。幸运的是，马可尼　

的哥哥亚比索给了弟弟极大的支持，才使马可尼的研究得以继续。马可尼在　


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实验中发现如果将发送器和接收器的一端接地，另一端接到天线上，就能有　

效地改进电波的发送和接收。1895年9月，马可尼在哥哥亚比索的协助下，　

终于成功地进行了第一次无线电传播实验。马可尼将一块铁皮用作发射机的　

天线，在密封的玻璃管中装入镍粉和少量银粉，并排除其中的空气，制成了　

较为理想的检波器。1896年，马可尼用功率较大的发送器成功地将电波信号　

传送到2—5英里的地方，当年便获得了发明专利权。马可尼无线电实验的成　

功，使他的父亲深受感动。父亲亲自陪伴他拜访意大利邮政部长，希望获得　

对这项发明的承认和支持，但他们得到的却是鄙视与冷落。因此马可尼又和　

母亲一起来到英国，在英国他得到了邮政部的热心支持，马可尼在索尔贝林　

平原上成功地进行了相距15公里的无线电通讯。1897年7月，马可尼获得　

了伦敦专利局批准的专利。同年又在伦敦建立了马可尼无线电信公司。由于　

马可尼在英国的成功和影响，意大利政府向他发出了回国工作的邀清。马可　

尼高兴地接受了邀请，并将自己的公司更名为“意大利无线电公司”。　

　　　　对无线电通讯做出重要贡献的还有俄国物理学家波波夫（1859—1906）。　

他于1895年5月7日在彼得堡物理化学协会物理学部年会上，用他制成的世　

界上第一台无线电接收机成功地进行了无线电通讯的公开实验。波波夫曾任　

俄国水雷学校教官。在对无线电通讯系统的改进中，他也设置了天线。1896　

年波波夫又实现了海上船舶间的无线电联系。1897年俄国海军在克朗施塔得　

建立了无线电报局，波波夫所创造的无线电报设备在俄国军舰上获得了应　

用。1898年马可尼成功地实现了跨越英吉利海峡的无线电通讯。1901年12　

月12日，马可尼又将无线电讯号发射到大西洋彼岸，即从英国的康瓦尔传播　

到加拿大的纽芬兰，其间相距2700公里，终于实现了越过大西洋的无线电联　

系。从此，无线电通讯进入实用阶段，使世界通讯事业出现了新的面貌。此　

后马可尼又研制出一套高效能的接收系统，进一步改进和完善了无线电通　

讯。由于他对无线电通讯的杰出贡献，在　1909年和德国物理学家布劳恩共同　

获得诺贝尔物理学奖。　

　　　　　无线电报的发明和应用，引发了一系列重大的技术突破，开辟了无线电　

技术的新时代。继无线电报成功之后，无线电广播、雷达、电视等新技术相　

继出现、纷纷登场。　

　　　　　无线电能够准确地传播莫尔斯电码，自然人们就想到了能否用无线电直　

接传播人的声音。美国物理学家费辛登　（1866—1932）早就萌生了这样的念　

头，并且成为率先实现传声无线电的科学家。费辛登原在爱迪生实验室工作，　

1900年又到美国气象局从事无线电实验。1902年他建立了专门的实验室，开　

始进行传声无线电的研究。费辛登历经4年顽强的奋斗，终于成功的设计制　

造了一套传播声音的无线电装置——人类历史上第一个无线电广播电台。在　

1906年圣诞节前进行了第一次播音。这一天，有些报务员从耳机中破天荒地　

听到了空中传来的节日祝福。　

　　　　传声无线电的播音成功，又刺激了收音装置的迅速发展。1904年英国电　

气工程师弗莱明　（1849—1945）发明了具有检波作用的二极管；美国的设计　

师浮来斯特（1873—1961）又于1907年发明了具有放大作用的三极管。后来　

美国电气工程师阿姆斯特朗又发明了超外差装置。于是收音机得以发展和推　

广的条件趋于成熟。　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　四、物理学革命与相对论的创立　



　　　　　19世纪末到20世纪初是物理学发生巨大变革的年代，相对论（包括狭　

义相对论及广义相对论）和量子力学在这个世纪之交先后诞生，这一场对经　

典物理学的深刻革命使人们对自然界的认识深入到微观，扩大到字观，并大　

大推进了20世纪人类社会和科学的进步。考虑到两个理论之主要成果产生的　

时间，相对论的创立将在本书中叙述，而量子理论的建立留待世界现代后期　

科技史中介绍。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1。狭义相对论的创立　



　　　　　　（1）经典物理学的内在矛盾和麦克尔逊—莫雷实验的“零结果”　

　　　　　1687年夏，牛顿（1643—1727）《自然科学的数学原理》的出版标志着　

物理学的第一次大综合。该著述集中了作者多年来潜心研究的成果，他天才　

地统一了伽利略　（1564—1642）的力学成就和开普勒（1571—1630）等所揭　

示的星体运动规律，提出运动三定律和万有引力定律，形成了经典力学（也　

称牛顿力学或古典力学）的理论体系。后人为这个体系的进一步发展和完善　

又作了许多出色的工作，拉格朗日　（1736—1813）的《分析力学》和拉普拉　

斯（1749—1827）的《天体力学》堪称经典力学的颠峰。到19世纪初，经典　

力学大厦几乎是“尽善尽美”、“坚不可摧”了。经典力学在各方面取得的　

举世公认的巨大成功使“所有的物理学家，都把古典力学看作是全部物理学　

的、甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础”。　

　　　　　19世纪60年代，麦克斯韦　（1831—1879）运用数学分析的方法，类比　

流体力学方程，建立了一组偏微分方程，概括了从库仑　（1736—1806）、高　

斯（1777—1855）、奥斯特（H。C。Oersted，1777—1851）、安培（A。M。Ampere，　

1775—1836）到法拉第（M。Faraday，1791—1867）的工作，把电磁运动的一　

系列基本规律统一在包含以下四个方程的麦克斯韦方程组中：　



　　　　　　　　　　　　　　　　　
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可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”约里的话代表了当时物理学　

界许多人的看法，即物理学是一个有才华的年轻人已经不可能有所作为的领　

域了。　

　　　　　19世纪物理学界的元老，声名显赫的威廉·汤姆生（1824—1907）即开　

尔文勋爵当时也认为，未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻　

找，也就是说，未来的物理学研究者只能做一些修修补补工作了。然而，随　

着20世纪的破晓而降临的物理学革命很快便否定了这种说法。这场革命的产　

生是由于与经典物理学矛盾的实验事实的出现，更由于经典物理学内部所存　

在的矛盾，即不统一性。　

　　　　　我们知道，任何自然过程总是发生在空间中的一定地点，并经历一定的　

时间。因此，表达物理规律必须有时间和空间的变量，时间和空间的概念则　

一直是物理学最根本和最重要的概念。　

　　　　　在牛顿力学中，时间和空间被视为是脱离物质运动而独立存在的框架，　

空间是绝对不变、不动的，时间则是绝对均匀的。这种绝对的时空观符合人　

们的日常经验，也被认为是天经地义的。　

　　　　　牛顿在他的名著《自然科学的数学原理》中写道：“绝对的、真的、数　

学的时间，是自身在那里流逝，它是匀速的，不与外界任何对象发生关系的”，　

　“绝对的空间本身与任何客体无关，永远保持不变、且不动。”　

　　　　　牛顿的这种绝对时空概念似乎表明存在一个独特的、绝对的参考系。而　

伽利略则指出，一切取作机械运动的惯性参考系都是等价的，根据力学规律　

无法判断惯性系的优劣。所谓惯性参考系，是指牛顿第一定律（惯性定律）　

在其中成立的参考系。例如，地球就是一个近似程度很高的惯性参考系。相　

对地球作匀速直线运动的车船也是惯性系，在任何一个惯性系内的观察者不　

可能用力学方法来测定此惯性系的运动状态。这就是力学的相对性原理，也　

称伽利略相对性原理。伽利略把这种相对性原理用数学的方法表达出来，即　

给出了两个惯性系之间时间和空间坐标的如下变换关系式：　

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在真空中传播。力学几乎可以解释声学的一切现象，那么对光的现象呢？　

　　　　　光的波动说最早由胡克（1635—1703）提出，并为惠更斯（1629—1695）　

进一步发展。在很长的时间里（直到20世纪初）人们对波的理解只局限于某　

种媒质的力学振动。这种媒质就称为波的荷载体或载体。如水波的荷载体是　

水，声波的荷载体是气体、液体、固体等传声媒质。光与声音不同，它可以　

在真空中传播，那么，光波的荷载物是什么呢？惠更斯最早想到了“以太”。　

在古希腊，“以太”指青天或上层大气；在古宇宙学中，“以太”用来表示　

占据天体空间的物质。17世纪，笛卡儿（1596—1650）赋予它某种力学性质，　

用来解释任何物体之间相互作用力的传递媒质。惠更斯设想“以太”为荷载　

光波的媒介物质，并认为它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到　

通常的物质中。　

　　　　　随着麦克斯韦电磁理论的日臻完善和光、电、磁现象的统一，“以太”　

便自然地成为电磁作用的载体。　

　　　　　研究发现，在伽利略变换下，电磁理论的数学表达式——麦克斯韦方程　

组中的方程不再具有协变性。由麦克斯韦方程确定的真空中电磁波的传播速　

度为光速C，在另外的惯性参考系中，速度将不再是C。也就是说，伽利略协　

变性不适合于电磁理论。这似乎意味着，力学满足相对性原理而电磁学规律　

不满足相对性原理，对麦克斯韦方程而言，似乎存在一个特殊的惯性参考系，　

在这个优越的惯性参考系中，光的传播速度为C，而且，这个特殊参考系即　

绝对静止的坐标系，看来是非“以太”参考系莫属。　

　　　　　经典力学体系的内在矛盾竟促使人们把寻找绝对优越之惯性参考系的希　

望寄托在经典物理理论的内部矛盾上，寄托在力学现象以外的物理现象上，　

比如电磁现象，光的现象等。“以太”参考系显然给苦苦寻求绝对静止参考　

系的人们带来了希望。证实“以太”和“以太”参考系的存在，在物理学理　

论上便具有十分重要的意义。为此，许多物理学家设计了各种各样的实验，　

其中最著名的是麦克尔逊　（1852—1931）—莫雷（1838—1923）实验。他们　

试图利用光学的方法借助灵敏的干涉仪来测定地球相对以太的绝对运动。　

　　　　　地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着