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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 （1880—1930）提出大陆漂移说之前，
关于地壳运动和大地构造已有各种学说，如冷缩说、大陆永存说、陆桥说等。
例如冷缩说认为：象一个内部水分蒸发而干缩的苹果一样，地球因冷却而收
缩，表面皱褶而形成山脉。
大陆永存说和陆桥说等都属于固定论观点。这种理论以美国地质学家丹
纳 （1813—1895）为代表。从19世纪到20世纪上半叶，固定论在地学各分
支学科中占有统治地位。固定论的主要观点是，大陆固定，海洋永存，认为
在地质历史中，虽然大陆与海洋曾有过变化，但只是原地垂直运动的结果，
即陆地可以隆起为高山，也可沉降为深谷，大陆块可以沉降为洋底，洋底也
可上升为陆地，但是，大陆块没有发生过大规模的水平运动。固定论为了解
释各大陆之间在陆生生物分布方面有极为密切的关系，提出了陆桥假说。
陆桥说认为，在地质历史时期，互相远离的大陆之间曾有过狭长的陆地
连接，即通过“陆桥”而连接。一些被海洋相隔的大陆上，生物和古生物之
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所以有着亲缘关系，是生物通过陆桥迁移和传播的结果。后来陆桥沉没、断
开，两大陆才被海洋分隔。但现代海洋地质的研究事实表明，海洋中不存在
大陆桥沉没为海底的痕迹，因为大洋盆底没有发现构成大陆的硅铝盐。
但是随着地学研究的进展和地学研究资料的不断积累，旧有的学说和理
论暴露出越来越多的矛盾。固定论已经不能对海陆的起源和分布作出圆满的
解释。
美国的泰勒（1860—1938）根据欧亚大陆第三纪山脉多呈弧形并向南弯
曲的现象，于1910年提出了地球旋转产生的离极力导致大陆向南挤压和运
移的思想。
活动论正是在这个时代开始兴起，其主要观点是，在地质历史中，大陆
的位置相对于地极以及其他各大陆都发生过大规模位移。活动论和固定论的
争论成为20世纪地质学界的重要事件。
大陆漂移说是活动论中一个比较有代表性的假说。它的创始人是德国气
象学家、地球物理学家魏格纳 （1880—1930）。他出生于柏林，大学曾专修
天文和气象学，学问渊博，视野广阔，兴趣广泛，富有想象力，善于从全局
和整体的角度综合考虑问题，具有科学探险的性格和为科学献身的精神。
1910年，魏格纳在观察地图时，就注意到大西洋两岸海岸线的相似性。
1911年秋，他从一篇论文中了解到，根据对古生物的研究表明，巴西与非洲
间曾经有过陆地的连接。这一事实给了他很大启发，并促使他把地质学和古
生物学的有关事实联系起来初步形成了大陆漂移的思想。在这之后，他把研
究兴趣由气象学转到地学方面，决心探索大地构造和地壳运动的规律。他知
道，这是一个他自己不熟悉的、需要涉及到多学科知识的新领域，但他义无
反顾地认准了这一方向。
魏格纳综合了地质学、地球物理学、古生物学、近代生物学、古气象学
和大地测量学方面的成就，进行了较为系统和深入的探讨。
他否定了冷缩说，批判地吸收了陆桥说和海陆永存说的合理成分，将地
壳均衡论关于陆、海物质成分不同、比重不同的观点加以引伸，提出了大陆
漂移的观点。地球重力测量的结果以及地震波波速的测定均证实了海、陆性
质的不同。
1912年1月6日，魏格纳在法兰克福地质学上作了题为《从地球物理学
的基础上论地壳的轮廓（大陆和海洋）》的演讲。同年1月10日，他又以
《大陆的水平位移》为题在马尔堡科学协进会作了第二次演讲，介绍了他的
大陆漂移理论。
第一次世界大战期间，魏格纳应征入伍，一度中断了这一方面的研究。
受重伤后，他请长假对自己的大陆漂移说作了深入的探讨和详细的论证。
1915年，魏格纳出版了大陆漂移说的研究专著《海陆的起源》。
②大陆漂移说的基本观点。魏格纳指出，大陆与海底岩石圈的性质是不
同的，大陆块是较轻的花岗岩层即硅铝层，在大陆底下及洋底是一圈较重而
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粘性又很大的玄武岩即硅镁层。大陆块就漂浮在硅镁层上。在距今约3。5亿
年的古生代石炭纪以前，地球上只有一块巨大的名为联合古陆的超级大陆，
世界上的海洋也是一个连续的整体。可能由于潮汐力和地球离心力的影响，
从距今2亿年前的中生代，超级大陆开始分裂。破裂后的大陆块就象漂浮在
水面上的冰山一样彼此缓慢分离，发生了相对洋盆的水平移动，即所谓的大
陆漂移，逐渐形成为现在的几个大陆和无数岛屿，原来连续一体的大洋，则
分割成几个大洋和若干个小海。
魏格纳认为，南美与非洲原先是连在一起的，到中生代才分裂成两部
分，逐渐远离，并形成大西洋。北美、欧洲和格陵兰原先也在一个大陆块上，
到白垩纪末才开始分离；南极大陆、大洋洲、印度、南非洲和南美洲过去也
曾连接在一起，后来才分裂开来逐渐分离并形成印度洋。魏格纳认为，漂移
的大陆块前缘遇到洋底的阻力将发生挤压和褶皱，形成山脉。现在这些大陆
块仍在继续漂移，例如美洲仍在向西漂移，大西洋面积不断扩大而太平洋却
处在收缩中，将来有一天，中国的东部将和美洲直接相连，向北漂移的澳大
利亚将同中国的南部连接。
③大陆漂移说的证据。大陆两岸边缘的吻合是大陆漂移说的出发点。魏
格纳作了一个此喻来说明这种吻合。他说，如果把一张印刷品撕成两半，那
么，当撕成的两半合在一起时，不仅边缘是吻合的，而且边缘各对应处的印
刷内容也应该是吻合的。
魏格纳从多方面寻找证据，证明大陆两岸这种“印刷内容”的吻合。他
对大西洋两岸的地质构造进行仔细的比较，发现大西洋两岸的岩石地层和褶
皱构造确实可以对得起来。非洲南端从东到西横着一条开普山脉，而在南美
的布宜诺斯艾利斯南部可以找到这条山脉向西延伸部分，非洲陆地巨大的片
麻岩高原，也与巴西的片麻岩遥相对应，其地质构成及褶皱延伸方向都非常
一致。北欧和北美洲之间也发现了类似的地质一致性。
大陆漂移说还从古生物的分布事实中获取证据。因为古生物化石可以反
映过去年代的地理环境条件。例如古珊瑚礁的分布说明，3。5亿年以前北美
中部和欧洲西部曾有过完全相同的环境。而且，两大陆的珊瑚礁中，不但含
有完全相同的珊瑚种，还含有种类完全相同的其它海滨生物和江河生物，说
明它们的浅海区在过去是直接相连的。
早在19世纪末，博物学家们就已经发现大量各大洲具有相同的化石种
属的实例，并据此作出结论，认为在南美洲、非洲、印度、大洋洲和南极洲
之间，在很长的地质时期中存在过非常广阔的陆地联系。
他们用印度的一个区的名称把这个相互联系的陆块命名为冈瓦纳古
陆。北美洲和欧洲也曾经被认为是连在一起而形成的另一个古陆。根据生物
化石可知，正当不很茂盛的植物在冈瓦纳古陆生长的时候，劳亚古陆则生长
着浓密而茂盛的热带森林；正是这些森林后来形成了北美和欧洲的大煤层。
根据这些事实，绝大多数古生物学家们都肯定各大洲在过去曾经有过陆
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地的联系，因而赞成陆桥说。然而，他们中没有一个人敢于想到大陆的直接
连接和大陆漂移。实际上只有大陆漂移说才能圆满地解释古生物化石的分
布，而陆桥说却不能。例如在相距甚远的陆块的边缘发现相同年代的相同生
物化石，而相距很近的陆块上的生物化石却截然不同，这个现象只能用大陆
发生过漂移的假说来说明，而陆桥说却无论如何也解释不通。陆桥说对现存
生物分布情况就�