人类科学发展逾千年，成果蔚为壮观。如果把这些科学成果写成历史，即使仅写成编年史，也将是一部极其厚重的大书。本书选择了另外一种方式，即以时间为序，精选出365桩科学案例，其中有重要的发明、发现与科技成果约270件；科学世纪伟人、科技领域开拓者、学科创建者、课题领衔人与发明家190余位；重大科技事件、重要科学组织和著名的科学探索计划130余项。希望这些案例，能体现人类在近现代科学发展中的雄心壮志与成果。

在创造与发明中，科学人不仅常艰难地跋涉于一般人迹罕至的学科蛮荒之地，也常徘徊于学科发展中的困惑时刻。在学科的交叉与渗透间，在观念的争辩与撞击中，在意识调节与重组的整合里，他们推动着科学的进程。其间有天才的展现，有灵感的召唤，有好奇心和想象力的驱使，有科学的激情与长期的坚守，有清晰而严密的思维，也有敢于创新，甚至敢于做“颠覆性”创新的勇敢精神。成功与失败、辉煌与挫折共同凝结出一颗颗善果，成为长存于天下，永世不灭的科学精华。

首先，本书涉及的学科各异，信息庞杂，读起来可能并不轻松，加之各自独立，内容跳跃，可能使阅读不得要领，但只要你静下心来仔细品味就会发现，其中心思想是非常简单的，这就是发现和创新。其次，本书体现了科学的发展与人类社会的变革，体现了人类意识的进化，代表了人类精神的最高境界。它们以这种境界引导着人们在科学世界中徜徉，在开阔眼界的同时，使人们对自然乃至宇宙有更深刻的理解，因而将改变人们观察自身和世界的角度与方式，改变着人类的生活和生产方式，影响着社会发展的进程与走向，从而改变着整个世界。

品读《科学史上的365天》，你一定会为这365天所发生的事件所触动。天体的诞生与演化；地球生命的出现、生物的进化与发展；生命的诞生、成长、衰老与死亡；信息与网络技术的萌生与壮大；自然的变革与人类活动对环境的影响；在灾害与灾变面前人类所面临的挑战；为获得真理，科学人的奉献，科学人之间的争论与激辩，等等，这些事件都曾经使并正在使我们这个世界瞬息万变。面对这些变革，除了惊讶与敬佩之外，我们还应对这些事件的发生与发展做更深入的思考，从中悟出发人深省的东西。在深悟中，你会发现，每一次科学之声的鸣响都使你如同置身在一个自然与社会的大舞台，去聆听一部交响乐。在这部宏大乐曲的混响中，既有简单性与复杂性间的沟通与对话，又有看似风马牛不相及的因素彼此间的呼应，在令人回味无穷的逶迤混响中，将你的思想带入一个通天永恒、大彻大悟的佳境。

《科学史上的365天》是发明与发现的赞歌，它赞颂万物的生机，庆幸地球生命的存在，更赞颂那些对人类社会进步作出不懈努力、付出毕生精力的大师级人物。在这个世界上，他们绝不是仅有的天才，也绝不是仅有的智者；他们有哲人般的智慧与达观，坚定的信仰与淡泊精神，有失败与挫折中长期的坚守与积累，有灾难面前的坚韧与不屈，这些使他们成为学科发展中具有里程碑式意义的开创性人物，成为人类科学史发展长河中的佼佼者。

本书是为喜爱科学知识的读者，特别是为想要认真阅读的人而撰写的。现代人常有一种感觉，认为听广播或看电视在收效上强于阅读，或者认为前者的功能更为强大。这种想法有其部分道理，因为“倾听”和“阅读”也是重要的学习方式，尤其是在大数据的网络时代，在人们谋求高效率与快速发展的时候，似乎“倾听”的学习方式更为快捷。然而，也正是在这个时候，“阅读”这种学习方式才更能体现出特殊性。作为学习方式，“阅读”和“倾听”是有差异的，其差异在于思考的方式与深度有所不同。“阅读”是一种复杂的脑力劳动，阅读时的思考是主动的，在遇到不全懂或不了解之处时，恰是通过思考提升自己，尤其那些已经不在学校学习的人。这时，需要阅读者运用心智反复咀嚼，从朦胧不懂的思考中，在去伪存真的提炼中，透过“阅读”来提升自己，甚至通过“阅读”获得自我发现而实现超越。

一部好书，能增长见识，扩展视野，激发思考，拓宽思路，提高品位，甚至影响到人的一生。但是，写出一部好书，让所有人都感兴趣，特别是涉及众多科技领域的书，却是非常不容易的事。本书努力把震撼人心的激情传递给读者，但在撰写科技事件时，避免不了一些背景知识和专有名词，在必要处，虽然做了简要的说明，以使读者在阅读本书时无须特别深的专业知识，也不需要特殊的数学知识，尽量注意了“适应性”与“可读性”，但水平和篇幅所限一定难尽如人意。但这一障碍并非不可克服，纸媒恰恰给予了阅读者深入思考的空间与时间，这是与 “倾听学习”相比，“阅读学习”的最大优势。

16世纪法国大思想家蒙田曾经说：“初学者的无知在于未学，而学者的无知则在于学后。”这里的所谓“学后”，我们体会即指学习中的思考与自我发现。只有经过思考，所学才会有收获。阅读中的思考是主动的，而不是被动的，阅读中经过思考获得的东西是经过自己的劳动所得，而不是经过他人包装或咀嚼过的东西。任何有效的阅读都需要思考的活力，阅读越是主动，收获也就越大，探索的活力也就越强，这是一个不断正反馈的过程，而不断正反馈的过程恰是“阅读学习”的强项。

衷心地希望本书的读者能从“阅读学习”中获得更大的回报。正像爱因斯坦所说：“在书中找出可以把自己引向深处的东西。”在走向深处的过程中，追随科学精神的召唤，开启和充实自己关于物质、生命、自然、社会乃至宇宙的思考，参悟人生，参悟宇宙，使身心得到净化，充实着自己的能量，从而走向正悟与正觉。

为便于阅读，本书按照时间顺序分编成上、下卷。在成书之际，首先感谢清华大学出版社对本书给予的大力支持，感谢我的老同学、好朋友和我的儿女，他们为编写本书提供了有力的支持和非常宝贵的建议。

最后，祝愿云集了伟大发明和天才智者“点化”的本书，早日在你的心灵深处开启科学的悟性。

作者 

2018年3月

 作者把经过挑选的近现代科技重大发明、发现、重要事件、著名人物和具有影响力故事，以独特的365天的编排方式展示出来，图文并茂，力求完整地呈现出每一个科学事件的精彩瞬间，以及科学人物的质疑求真、坚持不懈的科学精神；让年轻读者从阅读中品味那些伟大的科学事件之初的弱小和过程之艰难，感受科学上的探索和发明发现的意义和价值。

书中内容不拘体系，不按学科，混合了数学、物理、天文、生物、环境、医学、航空航天、地质地理、动物植物、计算机和网络、工程灾难及少量的高技术企业产品；连贯阅读可以触发联想，极大增强阅读的兴趣和效果。

魏凤文 首都师范大学教授（退休），出版过《广义相对论基础》《20世纪物理学史》和《仰望量子众星》等著作。

武  轶   参加过中国大百科全书科技部分的内容整理和写作。

1月

01日 1885年数字世界中的发现 3

02日 1928年剑桥“第一飞人”——狄拉克 4

03日 2012年“砖厂危机”中的清醒者——大卫•温伯格 6

04日 1903年杀死了大象的“电流大战” 9

05日 2006年蜂群衰竭失调症 12

06日 2011年太阳帆船 14

07日 2008年生而不凡的石墨烯 16

08日 2014年绝路逢生——“黄色巨人”的兴衰 19

09日 2012年能吸收二氧化碳的“神奇树” 21

10日 2015年从大亚湾到江门——中国中微子研究 23

11日 1935年科学圣徒——钱德拉塞卡 25

12日 1967年蜜蜂摇摆舞 31

13日 2014年神奇的塑料细胞 33

14日 1901年量子论的诞生——普朗克 34

15日 2001年“维基”出世——威尔士 36

16日 1913年“印度之子”——数学奇才拉马努金 39

17日 1916年史瓦西和他的黑洞解 42

18日 2013年眼镜大战——谷歌和反谷歌眼镜 44

19日 1736年瓦特与蒸汽机 45

20日 2012年一把双刃剑——病毒突变研究 47

21日 2011年第三种古代智人——丹尼索瓦人 49

22日 2010年66只天空之眼——阿塔卡玛天线阵 51

23日 1995年地球的盔甲——臭氧层 52

24日 2007年走向世界的针灸学 54

25日 1999年虚拟天文台 57

26日 1926年波动方程的建立——薛定谔 59

27日 2012年数学王国中的错乱人生——纳什 62

28日 1978年颠倒因果的“惠勒猫” 64

29日 1886年轮子世界的开始——奔驰问世 67

30日 2010年虚拟革命——BBC的大型制作 69

31日 1958年火箭人传奇——布劳恩 71

上.卷

1885年 1月1日

数字世界中的发现

古希腊人崇尚和谐也推崇数字，认为“万物的和谐皆因以数学方式设计”，毕达哥拉斯申明“万物皆数也”，伽利略也曾说“大自然这部书就是用数学符号写成的”，认为“数”是万物之本，对自然现象只有通过数字才能得出真正的解释。自古以来，怀着对“数”的崇敬，人们开始建立支配自然现象的数学规律。在科学史上，最著名的就是天文学家开普勒的工作。在他人眼中，天文数字枯燥乏味，但他却视若珍宝，从纷繁庞杂的天文观测数字中，建立了行星运行的三大定律。之所以有如此成就，与他酷爱数字有关（参见本书5月18日“1618年长存于世的丰碑——开普勒三定律”）。

在科学史上，还有一位热爱数字的人，他就是瑞士巴塞尔一所女子中学的数学教师约翰·雅各布·巴耳末

（图1）。他有一个特殊的癖好，爱鼓捣数字，对数字情有独钟。他认为，在数字中藏有大自然的秘密，对他来说，在一堆看似杂乱无章的数字中“漫游”，从中翻找出大自然的秘密，得出一些有规律的东西来，是一件最令人欢欣鼓舞的事。

在巴耳末兼任巴塞尔大学讲师的时候，一位同事告诉他，有人从太阳光谱中发现了4条氢谱线的频率，但越反复测量，越提高精确度，就越找不到其中的规律。这件事引起了巴耳末的好奇，他想，既然这些谱线同出于氢元素，无论是从太阳光的氢谱线中，还是从实验室的氢气谱线中，都有一致的数据，那其中一定有着某种规律，他决定把这个秘密揭示出来。

他列出了这4条谱线的波长，一开始是想从这些数的公因子中找到突破口。他从前3条谱线的波长中，的确找到了一个公因子，但是无论如何不适用于第4条谱线的波长，花了很长时间毫无头绪，只好改弦易辙。巴耳末擅长投影几何，对建筑结构、几何投影都有过研究，受到几何图形透视关系的启发，他决定从几何方法入手。他巧妙地利用几何图形，设法从投影关系中寻找4个数据的共同因素。直到1884年底，巴耳末终于找到了这4条氢谱线的波长或频率之间的公式，此时他已经快60岁了。1885年1月1日，巴耳末把这个结果发表在当地的学术刊物《物理化学纪要》上，并于同年6月25日在巴塞尔自然科学协会演讲中公布了这个公式。

巴耳末不仅利用他的公式解释了这4条谱线之间的关系，并预言氢还有第5条谱线，如果这个预言被实验证明，巴耳末的公式就可能被确立下来。此后，他又陆续发表了关于氦光谱和锂光谱的谱线频率间的关系公式。果然，在1908年，巴耳末所预言的第5条氢谱线被德国物理学家弗里德里希·帕邢（图2）发现。

巴耳末的传记作家弗莱德里克·海金巴赫在提起巴耳末时说：“他既不是一个有灵感的数学家，也不是一个精巧的实验学家，对他来说，整个世界是自然艺术和谐的大统一，而他此生的目的就是要探索这个和谐中的数字关系。”

关于氢谱线，巴耳末一共发表了三篇论文，前两篇是在60岁以前完成的，这两篇已经使他成为举世皆知的不朽人物，而在第三篇关于氦和锂谱线论文正式发表时，他已经72岁了。巴耳末的公式取得了意想不到的成功，但是发表之后近30年，竟没有人能进一步破解为什么这个公式如此神奇。直到1913年，即公式发表近30年之后，另一位天才人物发现了它的重要价值，用它作为一把“金钥匙”，开启了原子世界的大门，也解开了巴耳末公式如此神奇的奥秘。这位天才就是原子结构的揭秘人——丹麦物理学家尼尔斯·玻尔。经此二人之手，人类揭开了原子和亚原子世界的奥秘，由此开启了近代原子物理学（参见本书7月12日“1913年原子理论的创建——玻尔”）。

为了纪念巴耳末，人们把氢光谱中符合巴耳末公式的谱线系命名为巴耳末系，后来，月球表面上的一个环形山也以他的名字命名。

关键词：约翰·雅各布·巴耳末，Johann Jakob Balmer

图1：https://en.wikipedia.org/?title=Johann_Jakob_Balmer

图2：https://en.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Paschen

1月2日 1928年

剑桥“第一飞人”——狄拉克

“他，个子很高，面容憔悴，手脚不那么灵巧，极度地沉默寡言。他把一切献给了自己的主要兴趣，在这个领域里，他是一位杰出的人物，是具有超级数学心智的典型，但对其他活动却不感兴趣，或者不具备能力。对于其他人，这种心智可能意味着多种受益，但狄拉克却将它全部用来完成一个伟大的使命，这就是建立一门新学科——量子力学。”以上是著名德国物理学家埃尔萨塞回忆英国著名物理学家保尔·狄拉克（图1）时所说的一席话。

无论是在剑桥还是在哥本哈根，凡是与狄拉克打过交道的人都知道，这是一位很奇特的人。他的寡言，部分缘于害羞，更主要的是他注重语言的逻辑缜密，追求效率，不喜欢唠叨。沉默寡言使他缺少人际交流，大多数时间沉浸在自己的世界里。他有着非常刻苦的阅读习惯，无论周围环境如何、自己的心境如何，他都能把全部心思投入到书本中。他有时表情彷徨，有时面带一丝微笑，熟知他的人都知道，这是他独自与书做着交流。在自己的世界里，他无须演戏，也不用应付他人的唠叨，可以独自漫游于纯真的科学世界中。

1923年9月，狄拉克来到剑桥。他很幸运，博士指导老师是福勒。福勒是卢瑟福的女婿，是剑桥近代物理学的主要倡导人和带头人，当量子力学在德国和丹麦风起云涌时，富勒又是剑桥当时唯一极力紧跟这一发展的人。

狄拉克大部分时间是在剑桥的图书馆中度过的，他研究福勒的论文，阅读索末菲的《原子结构与特征谱线》一书，也研究了玻尔和索末菲的原子理论。他预感到，玻尔原子理论显示出了量子论的生命力，但也不免带有遗憾，这一理论的一些说法模糊，附加的假设也太多，而有些假设，例如电子的量子化轨道又不是“不证自明的”。他更喜欢明确、简洁的理论陈述。

1925年5月初，他第一次读到了海森堡论文手稿的复印件“运动学和动力学关系的量子理论新释”，当时这篇论文尚未发表。狄拉克立刻意识到，它不是一篇普通的论文，同是探讨氢原子问题，海森堡处理问题的方式很合他的胃口，因为那不是为了维持经典物理学而拼凑出来的。他欣赏海森堡把“电子绕核运动”当成非线性谐振子的处理模式，更欣赏他把“氢原子的能级跃迁”处理为一系列振幅与频率分量值的办法，他还对海森堡把电子跃迁的几率组成阵列的方法感兴趣。在他人看来，这种方法非常古怪，却在狄拉克这里找到了知音（参见本书7月29日“1925年矩阵力学的诞生——海森堡”）。

他突然发现，海森堡为他指出了一条“明路”，也看到这篇论文暴露出来一个明显的“缺陷”。“明路”是表征电子的相关量间不符合乘法交换律，他意识到这个奇怪的性质是量子理论发展的关键；“缺陷”是海森堡在这条路上只走了一半，他并没有把理论框架构建好，也没有使他的理论与狭义相对论和谐一致。与海森堡不同，早在家乡布里斯托尔大学读书时，狄拉克就喜欢上了相对论，也熟悉了矩阵，学会了哈密顿四元数的处理方法。可以想象，狄拉克此时有多么兴奋，他立刻感到自己有很重要的事

要做。

晚上，他来到剑桥郊外散步，这是他每日作为休息的习惯。海森堡矩阵中的一些符号始终盘旋在他的脑海里，挥之不去。他想到，如果一个量A与另一个量B相乘，当A乘以B不等于B乘以A时，这两个乘积之差将意味着什么呢？突然，他想了起来，这样的事似乎过去在哪里见过。他猛然记起，这不是泊松括号吗？立刻，如拨开云雾见青天，他恍然意识到，泊松括号将把他引向一条通衢大道！

第二天一早，狄拉克冲入了图书馆，找了一个不被打搅的地方，一连忙了几周，终于在1928年1月2日这天，一个非常清晰而简洁的量子力学方程赫然地出现在眼前，这就是震惊世界的狄拉克方程！他立刻把手稿的副本寄给了海森堡，并以“电子的量子理论”为题写成论文，投寄到《伦敦皇家学会进展》杂志，这篇论文于1928年2月1日正式发表。

狄拉克方程优美而简单，

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/math/3/d/b/3db2dea95ae7c6d077d1b0bc543272a6.png

以这一方程为核心，狄拉克的量子理论以高屋建瓴之势闯入了量子力学领域。首先，它囊括了玻尔原子理论的精髓，这就是当电子从一个能级向另一个能级跃迁时，所释放出的光量子能量将是两个能级之差，但是它却奇妙地脱离了玻尔的“轨道”概念，取消了玻尔强加给氢原子的经典图像；它还纳入爱因斯坦的相对论，不仅具有非常完美的协变性质，同时还证明了电子的能量、动量等都是相对性量，而不是绝对量；同时它更有远见地纳入了牛顿经典力学。如果把海森堡的理论比作一把“大锯”，它砍断了应该赖以生存的经典物理学这棵大树的根，那么狄拉克所创建的新量子理论则是架起了一座“桥梁”，它把牛顿理论也囊括到了其中；更为重要的是，狄拉克方程将争论不休的两个量子理论，即海森堡的矩阵力学与薛定谔的波动力学统一了起来。

狄拉克方程在德国的哥廷根引起了不小的波澜。海森堡称这篇论文应该出自剑桥数学界“领衔人物”之手，而海森堡的老师玻恩更惊讶地说“狄拉克这个名字我怎么从来没听说过”。后来他又补充说，“这是我此生最惊讶的一件事……这种方法如此完美，是那么值得赞誉”。而在剑桥，这个古怪而孤僻的家伙，竟然能拿出如此漂亮的方程来，更是令同事们惊讶。

狄拉克的同事们是这样形容他的：“通常，他坐在图书馆的最后一间屋，以一种很不舒服的姿势，一坐就是一整天，整个人沉浸在思绪中。他没完没了地写，虽然写得很慢，但从来不被任何事所打乱。”狄拉克不惊动他人，而他人也很少注意到他。就在大家不经意的情况下，这位年仅25岁的年轻人却一鸣惊人，迸发出如此惊人的成果。有人给他起了一个绰号，叫他剑桥的“第一飞人”。“第一飞人”是英国皇家海军第一支舰队的名字，在人们心目中，这支舰队是敢于创造奇迹和必胜的象征。

1932年，狄拉克接替拉莫尔成为剑桥大学第15届卢卡斯数学教授。这是剑桥历史上最高科学荣誉称号之一，另一个是卡文迪许教授职位。获此殊荣时，狄拉克还不到30岁，比1669年牛顿接受此职位时仅大几个月。听到了这个消息后，狄拉克立刻离开了剑桥，以避开震耳欲聋的祝贺声。紧接着，更大的荣誉接踵而至。就在第二年，狄拉克与薛定谔一起分享当年的诺贝尔物理学奖。最初，他想拒绝这个奖，但他的老师福勒劝他，如果拒绝，将招致更多公众的注意。图2左起为狄拉克、海森堡和薛定谔，这幅照片是赴斯德哥尔摩领取诺贝尔奖时拍摄的。

无论是卢卡斯教授职位，还是诺贝尔物理学奖，狄拉克都是称职的。仅从1925年到1930年这5年间，他研究出量子力学的变换理论；与费米分别独立地创建立了具有半整数的费米-狄拉克统计；提出了二次量子化法，把量子论用于电磁场，得出了量子化的场模型，为量子场论的建立奠定了基础；他与海森堡合作，发现交换相互作用，引入交换力的重要概念；他建立了相对论电子理论，提出相对论的协变性的波动方程；由此找到方程的解，提出“空穴”理论，预言了正电子的存在。在这一系列壮举中，他为当代物理学建立了诸如正则量子化、变换理论、合时微扰、二次量子化、空穴理论、路径积分、多时理论、交换力、磁单极、弦模型、不定度规、引力场量子化等一系列带有革命性和创新性的重要概念和新方法。这些创造性的思想和方法为当代物理理论的发展开拓出一条全新的道路。后来一批获得重要成果甚至获得诺贝尔奖的杰出物理学家，都是在狄拉克思想的引导下，或是在狄拉克所开辟的道路上继续前行而获得丰硕成果的。图3是狄拉克在讲课。

科学家做出重大发明或发现的征途，犹如哥伦布的远航，出发之后，离开的是熟悉的土地，未来不知驶向哪里，将要面对什么。不善言辞的狄拉克，在私下里与亲人或朋友也很能聊，但很少说自己的事。有一次他与妻子的哥哥，著名物理学家尤金·维格纳罕见地倾诉过自己的感受，他说：“搞理论研究的人，常常不仅仅怀有希望，有时恐惧心理也支配着他们。他们发现，摆脱这种恐惧心理非常困难，他们害怕理论出现纰漏，怕走错方向，受到这种焦虑的干扰，常使他们的思考失去逻辑性。”接着他又说：“你可能以为，一个好的理论研究者，在思考时会是相当冷静地、没有感情地、非常有逻辑地，以非常理智的方式，得出什么新东西来。实际情况远非如此，做研究的也是人，如果怀着巨大的希望，也就怀着巨大的恐惧，其结果，使他们的工作受到很大的干扰，甚至不能在一条正确的路线上集中自己的精力。”狄拉克的这一席话道出了一个研究者的切身体会，这是一种兴奋与低迷、希望与失望、幸福与痛苦交织的心情。正是为追求科学真理，使狄拉克的一生充满了纯真，这也是他的传奇魅力所在。

著名物理学家、原子理论的缔造者尼尔斯·玻尔为狄拉克的一生做出了最好的总结，他说：“在所有物理学家中，狄拉克具有最纯洁的心灵。”

关键词：保尔·狄拉克，狄拉克方程，Paul Dirac, Dirac equation  

图1：http://whs-ap-physics.wikispaces.com/Paul + Dirac

图2：http://fisica.ehu.es/Estudios/

图3：http://www.europaquotidiano.it/2013/04/02/paul-dirac-e-lequazione-della-bellezza/