经典回眸:20世纪“新四大发明”

作者: 黎德明

中国古代“四大发明”(指南针、造纸术、火药、印刷术)为世界科技的进步谱写了光辉的篇章,20世纪的世界“新四大发明”(原子能、半导体、计算机、激光器),则为人类科技发展史添上了浓墨重彩的一笔。

回顾世界科技发展史的经典瞬间,我们不能不感叹人类的聪明才智,这种灵性与创造力的充分结合,给人类的生活带来了无法描述的便利与愉悦,更给我们描绘了一幅人类更加精彩的蓝图……

原子能 威力无穷

1911年,物理学家发现电子的中心是带正电的原子核,1913年,玻尔提出电子在不同轨道上绕原子核运动。1919年,英国物理学家卢瑟福用带正电的粒子冲击氮和氢,从而发现了质子。1932年,卢瑟福的学生和助手——查德威克发现中子,进而提出原子核由质子和中子组成的论断。

1938年,物理学家发现重原子核裂变。核能的威力首先被用于战争。1942年6月,美国政府启动了代号为“曼哈顿工程”的原子武器制造计划。1945年7月16日,世界上第一颗原子弹在美国新墨西哥州的荒漠上试爆成功。此后,前苏联于1949年、英国于1952年、法国于1960年、中国于1964年10月分别成功地研制、爆炸了原子弹。

原子弹一诞生,就曾被作为威力显赫的战争武器而大开杀戒。第二次世界大战中,美国向日本的广岛、长畸投放了两颗原子弹,数十万居民在一瞬间被化为焦炭……

和平利用原子能,成为整个世界的呼声。1942年,世界上第一座裂变反应堆在美国建成;1954年,莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行;1991年,中国的第一座核电站——秦山 核电站正式启用,继之大亚湾核电站投产。这标志着人类已经进入了和平利用原子能的时代。

有容乃大 半导体

1947年,美国电报电话公司贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克利在研究半导体材料锗和硅的物理性质时,意外地发现了锗晶体具有放大性能。经过反复研究,他们用半导体材料制成了放大倍数达100量级的放大器,这便是世界上第一个固体放大器——晶体三极管。

晶体管出现后,迅速替代电子管占领了世界电子领域。随后,晶体管电路不断向微型化方向发展。1957年,美国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中”的大胆的技术设想,这就是半导体集成电路的制作思路。1958年,美国德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比在一块半导体硅晶片上置入电阻、电容等分立元件,制成第一批集成电路。1959年,美国仙童公司的诺伊斯用一种平面工艺制成半导体集成电路,使之“点石成金”,集成电路很快成了比黄金还诱人的产品。1971年11月,英特尔(Intel)公司的霍夫将计算机的线路加以改进,把中央处理器的全部功能集成在一块芯片上,另外再加上存储器,制成世界上第一个微处理器。

随着硅片上元件集成度的增加,集成电路的发展经历了小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路(VLSI)阶段。1978年研制成的超大规模集成电路,集成度达10万单位以上,电子技术进入微电子时代。20世纪80年代末,芯片上集成的元件数突破1000万单位大关。

计算机独领风骚

1946年,世界上第一台电子数字积分计算机——埃尼克(ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生。ENIAC犹如一个庞然大物,重达30吨,占地170平方米,内装18000个电子管,但它运算速度却比当时最好的机电式计算机快1000倍。ENIAC的问世,犹如石破天惊,开辟了信息科技新时代。

1949年,第一台存储程序计算机——EDSAC在剑桥大学投入运行,ENIAC和EDSAC均属于第一代计算机。

1954年,美国贝尔实验室制成第一台晶体管计算机——TRADIC,使计算机体积大大缩小。1958年,美国IBM公司制成全部使用晶体管的计算机,第二代计算机诞生了。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。

20世纪60年代中期,随着集成电路的问世,第三代计算机横空出世,其标志产品是1964年由美国IBM公司生产的IBM360系列机。

第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器,使计算机向着微型化和巨型化方向发展。计算机的微处理器从早期的8086,发展到80286、80386、80486、奔腾(Pentium)、奔腾二代(Pentium Ⅱ )和奔腾三代(Pentium Ⅲ )。当前,第五代计算机——智能计算机的研究正渐入佳境。智能计算机的主要特征是具备人工智能,并且运算速度极快,它不仅具有一种能够支持高度并行和推理的硬件系统,还具有处理知识信息的软件系统。

世纪之交,计算机科技的前沿领域包括神经网络计算机、超导计算机、生物计算机和光计算机等。

无所不能 激光器

1958年,贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文,奠定了激光发展的基础。1960年,美国人梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。1965年,第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。1967年,第一台X射线激光器研制成功。1997年,美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

激光器的出现,大大改变了人类的生产与生活:

在通信技术领域,光通信依赖的基础器件便是激光器,用于存储信息的CD -ROM光盘,可存储数百兆比特的信息;光计算机的研究也正日益深入。

在能源领域,激光可用于工业、军事上的能量源,大功率激光器被用于受控核聚变研究。

在医学领域,激光治疗已在外科、内科、妇科、牙科、五官科、肿瘤科得到应用,可治疗数百种疾病;激光针灸可以无痛、无菌地穿透皮肤,从而达到治疗目的。此外,激光在军事、生物工程等领域也崭露头角,应用范围日益拓宽。由此,激光被人们誉为20世纪的“世纪之光”。