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19世紀(jì)是經(jīng)典物理學(xué)取得全面勝利的世紀(jì)。1846年海王星的發(fā)現(xiàn)使人們有足夠的信心認(rèn)為天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已被囊括在牛頓的法網(wǎng)之中。分子運(yùn)動(dòng)論亦借助牛頓的運(yùn)動(dòng)學(xué)觀念成功地解釋了聲和熱等宏觀現(xiàn)象。能量守恒原理把熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)等各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式連成一體，使物理學(xué)達(dá)到了空前的綜合與統(tǒng)一。到了19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)的力學(xué)、電磁學(xué)（光學(xué)）、熱力學(xué)都各自形成了完整的體系，物理學(xué)的基本原理為所有自然科學(xué)所遵循，經(jīng)典物理學(xué)的機(jī)械自然觀成為所有自然科學(xué)學(xué)科的主導(dǎo)思想。物理學(xué)的成就如此輝煌，以至于當(dāng)時(shí)優(yōu)秀的物理學(xué)家都感到科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)已經(jīng)到了盡頭，甚至斷言未來的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)只有到小數(shù)點(diǎn)的若干位以后去尋找了。但是人們不曾料到，正是在19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中卻飄來了兩朵烏云——“黑體輻射”和“以太漂移”，它們引發(fā)了從20世紀(jì)初開始的長達(dá)30余年的物理學(xué)革命。

1.　  量子論和量子力學(xué)

量子論、量子力學(xué)以及后來量子場論的發(fā)展，不僅揭開了物質(zhì)科學(xué)嶄新的一頁，也為核技術(shù)、微電子和光電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

對經(jīng)典物理學(xué)的突破是從黑體輻射問題開始的。黑體系指熱輻射研究中的一種理想物體，它能完全吸收電磁輻射而不產(chǎn)生反射與透射。19世紀(jì)末，黑體輻射問題吸引了許多實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家的注意：黑體輻射在紅外和紫外區(qū)域有不同的經(jīng)驗(yàn)公式，而經(jīng)典物理學(xué)無法將二者統(tǒng)一起來予以解釋。實(shí)驗(yàn)表明，黑體輻射的能量分布形式僅取決于黑體的溫度，而與其形狀和組成物質(zhì)無關(guān)。如何從理論上來解釋這一事實(shí)呢？1893年，德國物理學(xué)家維恩根據(jù)熱力學(xué)和麥克斯韋理論得出了位移定律（黑體溫度與最大能量的波長成反比），并于1896年建立了一個(gè)輻射分布公式。1900年，英國物理學(xué)家瑞利將能量均分定理用于以太振動(dòng)模型，導(dǎo)出了一個(gè)新的輻射公式。建立在經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ)上的瑞利公式在低頻端與實(shí)驗(yàn)吻合得較好，在高頻端計(jì)算出的能量則將趨于無窮大，這使當(dāng)時(shí)歐洲第一流的理論物理學(xué)家普遍感到困惑。荷蘭物理學(xué)家埃倫菲斯特稱之為“紫外災(zāi)難”。

1900年，42歲的德國物理學(xué)家普朗克在研究熱輻射問題時(shí)意識到熵這一熱力學(xué)概念的意義，他通過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算導(dǎo)出了一個(gè)新的公式，其在低頻部分與維恩公式符合較好，而在高頻部分與瑞利公式符合較好。為了解釋這一公式，他把空腔看成一個(gè)諧振子集合，回避了傳統(tǒng)的能量均分定理，而用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法來推導(dǎo)振子平衡時(shí)的能量分布。一個(gè)大膽的假說出現(xiàn)了，欲使理論推導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)公式相符，就必須假定物體在輻射和吸收輻射時(shí)，其能量不是連續(xù)變化，而是以某一數(shù)量值的整數(shù)倍跳躍式地變化的；換言之，能量不是無限可分的，存在著最小的能量單元，普朗克將其命名為“能量子”，它與輻射的頻率h有關(guān),數(shù)值為hυ。這就是量子理論的誕生。

能量的變化竟然是不連續(xù)的！大多數(shù)物理學(xué)家覺得難以接受，但愛因斯坦卻深信不疑。1905年，愛因斯坦提出，不僅光的發(fā)射和吸收是不連續(xù)的，光的傳播也是量子化的，光波只是統(tǒng)計(jì)平均現(xiàn)象。作為光量子論的推論，愛因斯坦成功地解釋了光電效應(yīng)和低溫固體比熱問題。

量子論的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致量子力學(xué)的建立，后者與原子結(jié)構(gòu)的研究密切相關(guān)。隨著19世紀(jì)中葉原子論的確立和分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展，原子的實(shí)在性已為大多數(shù)科學(xué)家所接受，它被看成是組成物質(zhì)的最小單元。但19世紀(jì)末x射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，卻向人們表明原子內(nèi)部仍有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福在α粒子大角散射試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了原子的有核模型，但根據(jù)電動(dòng)力學(xué)該模型是不穩(wěn)定的：繞核旋轉(zhuǎn)的高速電子很快就會(huì)因?yàn)檩椛鋼p失而陷落到原子核中。為了挽救這個(gè)模型，丹麥物理學(xué)家玻爾于1913年將普朗克的量子論推廣到原子結(jié)構(gòu)問題上，提出了電子角動(dòng)量的量子化理論。1923年，法國人德布羅意把愛因斯坦的光量子理論推廣到一切粒子，提出物質(zhì)的波粒二象性，量子論取得了又一個(gè)重大突破。這就為玻爾—索末菲的定態(tài)概念給出了一個(gè)自然的解釋。但玻爾理論盡管能對氫原子光譜作出很好的解釋，卻難以應(yīng)用到多于一個(gè)電子的原子。

革命性的突破發(fā)生在1925至1927年。1925年，年輕的德國物理學(xué)家海森堡借助玻爾的對應(yīng)原理，摒棄了軌道這類不可觀測的力學(xué)概念，代之以輻射頻率和強(qiáng)度這類光學(xué)量，并在玻恩和約爾丹的協(xié)助下建立了矩陣力學(xué)。1926年，奧地利人薛定諤循著德布羅意的物質(zhì)波設(shè)想，建立了波動(dòng)力學(xué)，并且證明波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上完全等價(jià)。繼而由德國人玻恩于1926年依據(jù)散射試驗(yàn)，提出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋。最后由英國人狄拉克在前人的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)概念完整、邏輯自洽的理論體系，至此建立了量子理論和量子力學(xué)。

2．狹義相對論和廣義相對論

狹義相對論和廣義相對論的創(chuàng)立，揭示了空間、時(shí)間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，帶來了整個(gè)物理學(xué)和人類認(rèn)知領(lǐng)域的革命。

19世紀(jì)末物理學(xué)上空的另一朵烏云“以太漂移”反映了經(jīng)典物理學(xué)的另一基礎(chǔ)性的矛盾，這一矛盾曾被馬赫和彭加勒所關(guān)注。

以太這個(gè)概念來源于古希臘，意即虛空。19世紀(jì)，由于統(tǒng)一電磁場理論的建立，光被確認(rèn)為電磁波，人們用以太命名真空中傳遞電磁波的介質(zhì)。因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)的觀念里，所有的波都是在介質(zhì)中傳播的。但以太的物質(zhì)屬性卻讓人困惑。按照經(jīng)典物理學(xué)觀念，介質(zhì)所傳遞的波的速度與介質(zhì)的硬度有關(guān)，速度越高，硬度應(yīng)該越大；既然電磁波的速度是人類已知的物質(zhì)傳遞的最高速度，其傳播介質(zhì)以太就應(yīng)該堅(jiān)硬無比。但是，天文觀測從來沒有發(fā)現(xiàn)過這種堅(jiān)硬的物質(zhì)，地球又怎樣在這種堅(jiān)硬的物質(zhì)中毫無阻礙地穿行也是個(gè)問題。以太引起的另一個(gè)問題是相對運(yùn)動(dòng)。如果地球在以太中穿行，那么地球上的觀測者應(yīng)該測量到“以太風(fēng)”的存在；換言之，地球上發(fā)出的光的傳播速度應(yīng)該與地球的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。然而1887年美國物理學(xué)邁克耳遜和莫雷的著名實(shí)驗(yàn)表明，無法觀測到地球與以太的相對運(yùn)動(dòng)。

許多物理學(xué)家對此提出了解釋。其中洛倫茲于1904年提出了洛倫茲變換，提出了關(guān)于相對運(yùn)動(dòng)的不同于伽利略變換的變換規(guī)則，用以解釋邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)。伽利略認(rèn)為，物理學(xué)規(guī)律對于所有的慣性參照系都是一致的，這就是相對性原理。在經(jīng)典物理學(xué)中，只要作一個(gè)伽利略變換，就可能把在一個(gè)慣性參照系中對一個(gè)物理事件的描述運(yùn)用到另一個(gè)慣性參照系之中。洛倫茲變換實(shí)際上已為后來的狹義相對論提供了必要的思維框架，只是由于經(jīng)典物理學(xué)思想的束縛，洛倫茲沒有進(jìn)一步走向相對論。法國數(shù)學(xué)家彭加勒意識到洛倫茲變換的重要性，在1904年9月預(yù)言將有一種新的力學(xué)誕生。

　　 9個(gè)月后，1905年6月，愛因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文通常被認(rèn)為是狹義相對論誕生的標(biāo)志。狹義相對論是20世紀(jì)物理學(xué)對人類思想產(chǎn)生的最令人震撼的沖擊之一，它打破了牛頓的絕對時(shí)空觀，認(rèn)為時(shí)間和空間都不是絕對的，對時(shí)間和空間的描述與觀察者有關(guān)；此外，時(shí)間和空間也不是毫無關(guān)聯(lián)的，它們都與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。愛因斯坦從同時(shí)性這一核心概念入手，指出在不同地點(diǎn)發(fā)生的兩件事是否同時(shí)發(fā)生，取決于觀察者所在的坐標(biāo)系。因而絕對時(shí)間是不存在的，絕對空間當(dāng)然也不存在，不同慣性參照系的觀察者所觀察到的同一物體的長度也是不同的，不同慣性系的時(shí)間量度也是不一樣的。不同的慣性系之間遵從洛倫茲變換。光速在真空中的速度恒定不變，與參照系無關(guān)。同時(shí)，真空中的光速也是物質(zhì)和信息傳遞的最高速度。而以太則是一個(gè)不必要的概念。

　  1907年，愛因斯坦在蘇黎世大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)的數(shù)學(xué)教授、著名數(shù)學(xué)家閔科夫斯基通過引進(jìn)四維“時(shí)空”概念，將相對論表達(dá)為現(xiàn)代張量的形式，有力地推動(dòng)了相對論的發(fā)展。

　  狹義相對論顛覆了傳統(tǒng)的時(shí)空觀，對建立在傳統(tǒng)時(shí)空觀基礎(chǔ)上的牛頓力學(xué)也進(jìn)行了改造，牛頓力學(xué)成了狹義相對論在速度極低的極限條件下的特例。當(dāng)然，在我們?nèi)粘Ｉ畹暮暧^世界中，相對論效應(yīng)是微弱得難以覺察的，而在大多數(shù)工程技術(shù)中，牛頓力學(xué)充分適用。但是在物理學(xué)革命的另一領(lǐng)域即微觀世界中，狹義相對論卻發(fā)揮了難以估量的作用，它的一個(gè)直接推論質(zhì)能關(guān)系解決了放射性元素的能量來源問題，從理論上預(yù)示了原子能時(shí)代的到來。

1915年，愛因斯坦又把相對性原理進(jìn)一步推廣到非慣性系，提出了廣義相對論。其核心概念是等效原理，認(rèn)為引力場相當(dāng)于加速度，因此慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量完全等價(jià)，可以用一個(gè)勻加速參照系代替一個(gè)均勻引力場。根據(jù)等效原理，可以預(yù)言引力場中的空間會(huì)發(fā)生彎曲，時(shí)鐘會(huì)變慢。愛因斯坦還提出了對任何坐標(biāo)變換都協(xié)變的引力方程，用空間的幾何結(jié)構(gòu)來解釋引力場，把幾何學(xué)與物理學(xué)統(tǒng)一起來，從而使非歐幾何獲得了實(shí)際的物理意義。在廣義相對論中，不僅時(shí)間和空間是統(tǒng)一的、相對的，物質(zhì)和時(shí)空之間也是相互聯(lián)系的。用愛因斯坦的話說，不是物理客體存在于空間之中，而是空間本身就是物理客體的廣延。在牛頓物理學(xué)中，如果宇宙中物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)消失，還會(huì)留下絕對的時(shí)空框架，可以填充新的物質(zhì)。但是在廣義相對論看來，如果物質(zhì)消失了，時(shí)空也隨之消失。

關(guān)于廣義相對論，愛因斯坦本人提出了三個(gè)可供實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的推論。其一，對于水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，牛頓引力理論的計(jì)算與觀測值有每百年43秒的誤差，而廣義相對論恰好找出了這43秒。其二，引力場中時(shí)鐘會(huì)變慢，因此從巨大的恒星上發(fā)出光線的光譜會(huì)向紅端移動(dòng)，即所謂引力紅移。引力紅移在1925年由美國天文學(xué)家亞當(dāng)斯給予了證實(shí)。第三，引力場中光線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。從遙遠(yuǎn)太空傳的地球的星光如果經(jīng)過太陽，會(huì)被太陽的引力場所彎曲，這一點(diǎn)可以通過在日食時(shí)候觀測對太陽所經(jīng)過的星體來檢驗(yàn)。1919年5月29日，英國天文學(xué)家愛丁頓率隊(duì)來到西非觀測當(dāng)日發(fā)生的日食，觀測結(jié)果證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言。廣義相對論一下子轟動(dòng)了整個(gè)世界，愛因斯坦的名字廣為人知。廣義相對論的創(chuàng)立實(shí)現(xiàn)了繼牛頓以來人類時(shí)空觀和物質(zhì)與能量統(tǒng)一性認(rèn)識的革命。

　  量子力學(xué)和相對論不僅是物理學(xué)的突破，也是人類思想的巨大飛躍，它們使人類的宇宙觀和自然觀發(fā)生了深刻的變化，堪稱20世紀(jì)最偉大的科學(xué)革命。相對論打破了牛頓力學(xué)的絕對時(shí)空觀，證明時(shí)間和空間是統(tǒng)一的，相對的。量子力學(xué)則把概率性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律引入物理學(xué)，提出了一種新的認(rèn)識自然界的方式。測不準(zhǔn)關(guān)系、波粒二象性、物理量的不可對易性以及互補(bǔ)性原理等，都與傳統(tǒng)的思維模式相異，甚至科學(xué)規(guī)律也不再是高高在上的神圣的真理，而是人類對自然的一種描述方式。廣義相對論是人類理性的產(chǎn)物，與量子力學(xué)和狹義相對論不同，它完全走在了實(shí)驗(yàn)的前面。它表明人類理性對自然的理解所能達(dá)到的深度。愛因斯坦統(tǒng)一引力相互作用與電磁相互作用的理想，由于相對論和量子理論的結(jié)合所導(dǎo)致的原子核和亞核層次強(qiáng)相互作用和弱相互作用的發(fā)現(xiàn)，而形成了關(guān)于四種基本相互作用統(tǒng)一的研究綱領(lǐng)。這一研究綱領(lǐng)的第一個(gè)重大成果是在強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型基礎(chǔ)上完成的弱相互作用與電磁相互作用統(tǒng)一的理論，但包括強(qiáng)相互作用在內(nèi)的大統(tǒng)一理論和包含引力于其中的超統(tǒng)一理論還在探索之中。相對論宇宙學(xué)的大爆炸模型則把物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)研究和宇宙起源的研究融合在一起。

3.　　 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和現(xiàn)代遺傳理論

分子生物學(xué)的發(fā)展，特別是從30年代初基因遺傳學(xué)說的提出到50年代初遺傳物質(zhì)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（1953年）的建立以及其后60年代末遺傳密碼的破譯，不但揭開了生命科學(xué)新的一頁，而且引發(fā)了生物技術(shù)的一場革命。

現(xiàn)代遺傳學(xué)經(jīng)歷了三個(gè)階段，首先是孟德爾的性狀遺傳學(xué)，隨之是摩爾根的細(xì)胞遺傳學(xué)，最后是在分子水平上探討遺傳的機(jī)制。從1900年到1939年是遺傳學(xué)建立初期，開始與細(xì)胞學(xué)相結(jié)合，在個(gè)體水平和細(xì)胞水平上進(jìn)行研究。早在1865年，奧地利一所修道院的院長孟德爾根據(jù)他對豌豆雜交的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的三個(gè)基本定律：顯形定律、分離定律和獨(dú)立分配定律。每一生物個(gè)體的一個(gè)性狀都由一對因子決定，其中一個(gè)來自父方，一個(gè)來自母方。這個(gè)因子在體細(xì)胞中成對存在，在性細(xì)胞中單個(gè)存在。雙親都把自己的一個(gè)因子傳給雜種第一代時(shí)，一個(gè)因子會(huì)遮蓋另一個(gè)因子，在生物個(gè)體中表現(xiàn)出自己的性狀，稱顯性因子。被遮蓋的因子的性狀只是被遮蓋，并未消失，稱隱性因子。雜種第二代交配時(shí)，雌雄配子中所攜帶的單個(gè)因子隨機(jī)組合，獨(dú)立分配到不同的個(gè)體中去，分配方式共有四種。從表現(xiàn)性狀看，顯性個(gè)體與隱性個(gè)體的比例為3比1。

1900年，由孟德爾最先總結(jié)出來的生物遺傳基本規(guī)律終于得到公認(rèn)。這一年，三位從事植物雜交試驗(yàn)的生物學(xué)家，荷蘭的德弗里斯、德國的科林斯和奧地利的切馬克，不約而同地重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾早已提出的遺傳規(guī)律。1901年，英國生物學(xué)家貝特森將孟德爾的論文譯成英文，并在英國大力宣傳，使孟德爾學(xué)說得到較廣泛的傳播。

　  1911年，以美國人摩爾根為首的一批科學(xué)家進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了孟德爾所假設(shè)的“遺傳因子”就是細(xì)胞內(nèi)染色體上有序排列的“基因”，確認(rèn)了“基因”是遺傳信息的載體。這一階段除了對孟德爾的工作進(jìn)行驗(yàn)證外，還統(tǒng)一了專有名詞，進(jìn)行學(xué)科建制，并提出了突變理論和純系理論。在遺傳學(xué)從個(gè)體水平向分子水平過渡中，美國遺傳學(xué)家摩爾根及其學(xué)派起了很大作用，摩爾根學(xué)派通過對果蠅的研究，將遺傳學(xué)建立在染色體的基礎(chǔ)上。

　  從1940年開始，遺傳學(xué)向分子水平過渡。遺傳學(xué)家與微生物學(xué)家和生物化學(xué)家結(jié)合起來，以微生物為材料，用生化的方法，探索了基因的原初功能、化學(xué)本質(zhì)以及基因重組的過程和機(jī)制。1943年，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定諤提出，必定存在著一種生物大分子晶體，其中包含著數(shù)量巨大的遺傳密碼的排列組合。1944年，艾弗里、麥克勞德和麥卡蒂通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，遺傳的物質(zhì)載體是脫氧核糖核酸DNA而不是蛋白質(zhì)。他們的發(fā)現(xiàn)于1952年被美國科學(xué)家赫爾希和他的學(xué)生蔡斯通過噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這一階段對遺傳的物質(zhì)載體和傳遞機(jī)制的認(rèn)識進(jìn)一步深化。

1953年，美國生物學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克提出了DNA雙螺旋模型。在倫敦國王學(xué)院從事X光晶體衍射研究的科學(xué)家維爾金斯和女科學(xué)家弗蘭克林，通過對DNA分子的X射線研究，證實(shí)了沃森和克里克提出的DNA結(jié)構(gòu)模型。DNA雙螺旋模型的問世，標(biāo)志著現(xiàn)代遺傳學(xué)的成熟與分子生物學(xué)的誕生。此時(shí)是無論研究方法，還是研究對象，都與傳統(tǒng)遺傳學(xué)有了很大不同。在實(shí)驗(yàn)室里，以電子顯微鏡為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子進(jìn)行研究，使得生物學(xué)家更像是化學(xué)家。遺傳學(xué)家已經(jīng)能夠打破種屬界限，在試管里操作基因了。當(dāng)然，進(jìn)入分子水平的遺傳學(xué)研究之后，個(gè)體水平、群體水平和細(xì)胞水平的遺傳學(xué)仍在繼續(xù)和發(fā)展。

　  DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)引起了各學(xué)科科學(xué)家的興趣，圍繞DNA結(jié)構(gòu)及其遺傳含義，產(chǎn)生出一系列新成果。

以提出大爆炸宇宙論而聞名于世的美國物理學(xué)家伽莫夫，把雙螺旋結(jié)構(gòu)中由于氫鍵生成而形成的空穴用氨基酸填補(bǔ)，就像鑰匙和鎖一樣，每一個(gè)空穴的四角是四個(gè)堿基，四種堿基的排列組合形成了遺傳密碼。伽莫夫認(rèn)為四種堿基每三個(gè)一組，構(gòu)成一個(gè)密碼，這樣一共有64個(gè)遺傳密碼。1961年，德國血統(tǒng)的美國生物化學(xué)家尼倫貝格和德國科學(xué)家馬太在美國發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的密碼是RNA上的尿嘧啶，證實(shí)了伽莫夫的假說。到1963年，已知的20種氨基酸的遺傳密碼全部被測出，到1969年，全部64個(gè)遺傳密碼的含義都得到了解答。

　  對DNA的深入研究使傳統(tǒng)的基因概念得到了微觀構(gòu)成上的意義?？梢源_認(rèn)，基因就是DNA大分子上的一段多核苷酸序列，而基因的突變和重組是在核苷酸堿基對上的變化。過去必須在活細(xì)胞中才能進(jìn)行的蛋白質(zhì)生物合成得以在試管中重現(xiàn)，用簡單明確的分子間具體的信息傳遞和結(jié)構(gòu)的變化，表達(dá)出一直被認(rèn)為神秘而復(fù)雜的遺傳現(xiàn)象。遺傳規(guī)律表現(xiàn)到所有生物上都是相同的。從最高等的生物人，到最微小的病毒，在蛋白質(zhì)生物合成密碼上幾乎完全一致。這意味著，遺傳密碼代表生命現(xiàn)象所必須具備的基本條件。

　  60年代，分子生物學(xué)家對遺傳物質(zhì)的生化過程有了逐漸深入的了解。到了70年代，找到了在能夠識別特定DNA片段的限制性內(nèi)切酶，能夠?qū)μ囟ǖ?/span>DNA片段進(jìn)行切割，這使得人類可以直接控制遺傳密碼的傳遞，直接對物種進(jìn)行改造。這種技術(shù)引起了倫理上的、政治上的以及科學(xué)上的一系列爭論，這個(gè)爭論一直延續(xù)到今天。目前，由DNA重組技術(shù)發(fā)展起來的生物工程在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域取得了廣泛的成就，但是潛在的危險(xiǎn)也十分巨大。有些國家在秘密地研究生物武器，它對人類的危害性比原子彈還要厲害。

　  進(jìn)入80年代，分子生物學(xué)家開始在分子水平上對人類基因的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究，提出了人類基因組計(jì)劃（HGP）。人類細(xì)胞核中含有23對46個(gè)染色體，約有5萬到10萬個(gè)基因，約30億對堿基。人類基因組計(jì)劃就是有把各條染色體上的基因全部定位，對全部堿基對的次序進(jìn)行測定。

　  人類基因組計(jì)劃的最早建議者是是美國科學(xué)家辛梅爾，他于1985年首先在一次會(huì)議上提出。接著杜爾貝克于1986年建議制定以闡明人類基因全部序列為目標(biāo)的人類基因組計(jì)劃，以便從整體上破譯人類遺傳信息，使得人類能夠在分子水平上全面地認(rèn)識自我。1990年10月，這一堪與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅登月計(jì)劃相媲美的計(jì)劃由美國政府正式啟動(dòng)，后有德、日、英、法、中等國正式參加，全世界近16個(gè)尖端實(shí)驗(yàn)室和1000多名科學(xué)家參與。

　  1993年7月，中國國家自然科學(xué)基金會(huì)將“中華民族基因若干位點(diǎn)的研究”作為人類基因組計(jì)劃的一部分列入國家重大項(xiàng)目。在有關(guān)人類基因組的這些擴(kuò)展研究方面，中國具有自己的一定優(yōu)勢，如我國人口眾多，有56個(gè)民族，并擁有眾多的遺傳病隔離群和豐富的疾病人群（家系和個(gè)體）資源。中國的人類基因組研究已在中華多民族基因組的保存、基因組研究新技術(shù)與白血病相關(guān)的基因技術(shù)的引進(jìn)和若干位點(diǎn)疾病基因的研究等方面取得了諸多進(jìn)展。

2000年6月，參與人類基因組計(jì)劃的各國政府幾乎同時(shí)向世界宣布基因草圖繪制工程已告完成，中國科學(xué)家完成了其中1％基因組的測序任務(wù)，繪成了3號染色體短臂3000萬對堿基的草圖。

4.　　 信息論、控制論和系統(tǒng)論

二次大戰(zhàn)后興起的信息、控制論和系統(tǒng)論在大科學(xué)時(shí)代大放異彩，為20世紀(jì)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器、公共工程、跨國公司經(jīng)營、全球金融、生態(tài)數(shù)字地球控制、生命與認(rèn)知行為的研究乃至現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)學(xué)研究等準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。

1948年，美國電報(bào)電話公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家申農(nóng)發(fā)表了《通信的數(shù)學(xué)理論》，這是信息領(lǐng)域?qū)д摰旎怨ぷ?。他把通訊的?shù)學(xué)理論建立在概率論的基礎(chǔ)上，將基本問題歸結(jié)為通信的一方以一定的概率重現(xiàn)另一方傳達(dá)的信息。文中精確定義了信源、信道、編碼、譯碼等概念，建立了通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了著名的信息編碼定理與編碼冗余度和消除傳遞過程中噪聲干擾的理論，奠定了現(xiàn)代信息論的理論基礎(chǔ)。

同年，美國科學(xué)家維納出版了《控制論》一書。書中闡述了一般通信和控制系統(tǒng)的共同特征，即通信和控制系統(tǒng)接受的信息具有一定的隨機(jī)性，其本身的構(gòu)造必須適應(yīng)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分布。維納將事物的運(yùn)動(dòng)看成不確定的隨機(jī)過程，因此采用統(tǒng)計(jì)和時(shí)間序列方法來處理信息和控制問題?？刂普摰睦碚摶A(chǔ)是用吉布斯的統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在方法上維納提出了著名的黑箱方法、反饋方法等?！犊刂普摗芬粫€對自動(dòng)機(jī)理論進(jìn)行了探討，將靈敏自動(dòng)機(jī)理論歸結(jié)為統(tǒng)計(jì)理論。

維納是一名數(shù)學(xué)家，控制論的思想是在他與從事電機(jī)工程和神經(jīng)心理學(xué)研究的同事們的合作中產(chǎn)生的。控制論的思想和方法很快就影響到自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生了諸如工程控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、社會(huì)控制論、人口控制論等分支學(xué)科。中國科學(xué)家錢學(xué)森于1954年出版了《工程控制論》，對現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的控制理論作出了重要貢獻(xiàn)。

系統(tǒng)論的思想源于關(guān)于生命現(xiàn)象的機(jī)體論。美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲認(rèn)識到傳統(tǒng)生物學(xué)中孤立的機(jī)械論模式不足以解決生物學(xué)中復(fù)雜的理論與現(xiàn)象，主張把有機(jī)體看作一種系統(tǒng)。1948年，貝塔朗菲出版了《生命問題》一書，標(biāo)志著系統(tǒng)論作為一門獨(dú)立的新興學(xué)科的創(chuàng)立。1957年，美國的古德和麥克霍爾合作出版了《系統(tǒng)工程學(xué)》。系統(tǒng)地引入了線性規(guī)劃、排隊(duì)論、決策論等數(shù)學(xué)的分支，為系統(tǒng)科學(xué)與工程奠定了數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)。1965年，麥克霍爾編寫出版了《系統(tǒng)工程手冊》，概括了系統(tǒng)工程學(xué)的各個(gè)方面，完善了這門學(xué)科的理論體系。1969年人類第一次踏上月球的美國阿波羅登月計(jì)劃就是系統(tǒng)工程實(shí)踐的成功范例。

5.　　 哥德爾不完備定理和其他數(shù)學(xué)成就

20世紀(jì)的數(shù)學(xué)大幕由希爾伯特的23個(gè)問題揭啟。數(shù)學(xué)變得更加抽象和復(fù)雜，但它發(fā)展出來的觀念和方法，為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)、認(rèn)知科學(xué)乃至社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)提供了大量的新工具。在令人眼花繚亂的眾多智力成果之中，最令從事數(shù)學(xué)這一智力體操的人們從心靈深處感到震撼的結(jié)果，就是哥德爾不完備定理的提出與證明。

1900年8月6日，第二屆國際數(shù)學(xué)家大會(huì)在巴黎召開，德國數(shù)學(xué)家希爾伯特在會(huì)上提出著名的23個(gè)問題，從而為20世紀(jì)的數(shù)學(xué)發(fā)展揭開了金色的大幕，這些問題也成為20世紀(jì)數(shù)學(xué)家攀登的目標(biāo)。一個(gè)世紀(jì)過去之后，這些問題中的約一半已被徹底解決，有一些取得了很大的進(jìn)展，有一些則仍然橫亙在我們面前，繼續(xù)向人類的智力發(fā)出挑戰(zhàn)。

在20世紀(jì)初，關(guān)于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)存在著三大主要流派，即以羅素和懷德海為代表的邏輯主義，以布勞威爾為代表的直覺主義和以希爾伯特為代表的形式主義，其中影響最大的就是希爾伯特的形式主義。在形式主義者看來，數(shù)學(xué)之所以是真理就在于沒有矛盾，而不在于能否構(gòu)造出來；他們主張：數(shù)學(xué)本身是形式系統(tǒng)的集合，每個(gè)形式系統(tǒng)都包含自己的邏輯、概念、公理及推理規(guī)則，數(shù)學(xué)的任務(wù)就是發(fā)展出這樣的演繹系統(tǒng)，在每一個(gè)這樣的系統(tǒng)中，基本概念沒有什麼意義，公理不過是一組符號，無所謂真?zhèn)?，定理通過一系列推理程序得到，只要這種推演過程不產(chǎn)生矛盾，該公理系統(tǒng)就代表一種真理。希爾伯特還是數(shù)學(xué)公理化運(yùn)動(dòng)的開創(chuàng)者。他與貝奈斯合寫的《數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》就是數(shù)學(xué)形式主義的經(jīng)典之作。

1931年，奧地利數(shù)學(xué)家哥德爾在希爾伯特理想的數(shù)學(xué)大廈的地基上發(fā)現(xiàn)了一條致命的裂縫，這就是大名鼎鼎的不完備定理。哥德爾首先把元數(shù)學(xué)表示為算術(shù)形式，借助原始遞歸函數(shù)理論，證明了對于初等算術(shù)這樣的形式系統(tǒng)，總存在既不能被證明、也不能被否證的命題，也就是說算術(shù)系統(tǒng)的無矛盾性不可證明。哥德爾的不完備定理對希爾伯特的形式主義綱領(lǐng)是一個(gè)沉重的打擊，因?yàn)樗貌豢刹蝗葜靡傻膰?yán)密邏輯說明：對于強(qiáng)到足以是一切有窮推理都可以被包容在內(nèi)加以形式化的邏輯系統(tǒng)而言，其有窮的相容性證明不可能在該系統(tǒng)內(nèi)得到。哥德爾的發(fā)現(xiàn)將代表科學(xué)理性最抽象形式的數(shù)學(xué)和邏輯中的矛盾揭示出來，被認(rèn)為是有史以來人類所認(rèn)識到的最深邃的真理。哥德爾對數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)堪與愛因斯坦對物理學(xué)的貢獻(xiàn)相媲美。

在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)得到發(fā)展的同時(shí)，其它數(shù)學(xué)分支也有長足的進(jìn)展，如來源于群論的抽象代數(shù)學(xué)、解析數(shù)論、拓?fù)鋵W(xué)、微分幾何學(xué)、泛函分析、概率論等等，構(gòu)成了20世紀(jì)數(shù)學(xué)的繁榮景象。數(shù)學(xué)的領(lǐng)域急速擴(kuò)大，出現(xiàn)了越來越多的新的分支，內(nèi)容也不斷深化，也顯示出統(tǒng)一化的趨向。30年代，法國一些青年數(shù)學(xué)家組成了布爾巴基學(xué)派，從1939年出版《數(shù)學(xué)原本》，以結(jié)構(gòu)的觀念統(tǒng)一數(shù)學(xué)。所謂數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是指一個(gè)集合元素之間的內(nèi)在關(guān)系，比如順序關(guān)系，代數(shù)運(yùn)算關(guān)系，相鄰關(guān)系等，通過公理描述成抽象的序結(jié)構(gòu)、代數(shù)結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成種種以過去的數(shù)學(xué)對象為模型的復(fù)雜體系。布爾巴基學(xué)派在純粹數(shù)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。它帶動(dòng)了代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)、代數(shù)幾何學(xué)、代數(shù)數(shù)論、群論、泛函分析等學(xué)科的發(fā)展，開拓了許多新的領(lǐng)域。

20世紀(jì)數(shù)學(xué)中最具轟動(dòng)效應(yīng)的成果是1976年美國數(shù)學(xué)家阿佩爾和哈肯對四色猜想的證明和1993年英國數(shù)學(xué)家懷爾斯對費(fèi)馬大定理的證明。

 中國數(shù)學(xué)家對20世紀(jì)數(shù)學(xué)的發(fā)展也作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。華羅庚在解析數(shù)論和典型域上多復(fù)變函數(shù)論的研究，吳文俊在代數(shù)拓?fù)渑c微分拓?fù)渲嘘P(guān)于示性類和示嵌類的研究，以及馮康關(guān)于哈密爾頓系統(tǒng)的辛幾何算法，都是國際公認(rèn)的一流成果。華裔的美籍?dāng)?shù)學(xué)家陳省身是現(xiàn)代微分幾何的奠基人。

6.混沌理論和非線性科學(xué)

耗散結(jié)構(gòu)理論開啟了非線性的開放系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)時(shí)從混沌向有序轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究，將19世紀(jì)以來化學(xué)和熱力學(xué)的成果拓展到整個(gè)物質(zhì)和生命世界，并開啟了復(fù)雜性問題研究的先河。

　  20世紀(jì)初，物理學(xué)家建立起來的熱力學(xué)第一定律和第二定律很快被化學(xué)家所利用，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上刻劃出了化學(xué)反應(yīng)中最一般的規(guī)律。1906年德國化學(xué)家能斯特提出了熱力學(xué)第三定律，認(rèn)為通過任何有限個(gè)步驟都不可能達(dá)到絕對零度。出生在加拿大的美國化學(xué)家吉奧克長期致力于對熱力第三定律和超低溫狀態(tài)下有關(guān)化學(xué)熵變的探索性研究，創(chuàng)造了非常接近于絕對零度的理想環(huán)境，為研究物質(zhì)在超低溫狀態(tài)下的性質(zhì)、反應(yīng)和制備各種新材料提供了重要條件。

比利時(shí)科學(xué)家普利高津從50年代開始研究非平衡態(tài)熱力學(xué)，提出了著名的耗散結(jié)構(gòu)理論。這一理論不但開拓了當(dāng)代熱力學(xué)研究的新方向，對數(shù)學(xué)中隨機(jī)過程理論、分支點(diǎn)理論的發(fā)展都是促進(jìn)，它的影響涉及化學(xué)、物理、生物學(xué)、社會(huì)科學(xué)等廣泛領(lǐng)域，尤其對于理解生命過程等復(fù)雜現(xiàn)象具有重要意義。

　  早在1903年，法國數(shù)學(xué)家龐加勒就認(rèn)識到，在一些特定環(huán)境中原始條件下微小的不確定因素可能被成倍放大，從而導(dǎo)致了結(jié)果上的巨大差異。1961年被美國氣象學(xué)和數(shù)學(xué)家借助一臺原始的計(jì)算機(jī)，著手制作一個(gè)刻劃大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在研究中他發(fā)現(xiàn)了這樣一種特殊的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。他的研究引起了其他領(lǐng)域的科學(xué)家的注意，從而導(dǎo)致了數(shù)學(xué)的一個(gè)新分支一混沌理論的發(fā)展。這些推論中最令人震驚的一點(diǎn)就是所謂的“蝴蝶效應(yīng)”，即在巴西某地一只蝴蝶的偶然煽動(dòng)數(shù)周后可能會(huì)在北美某地引起一場風(fēng)暴。

　  第一個(gè)混沌的預(yù)兆模型是由美國物理學(xué)家費(fèi)根鮑姆發(fā)現(xiàn)的。他在1976年提出，當(dāng)一個(gè)有序系統(tǒng)開始趨于混亂時(shí)，它總會(huì)以一種形式出現(xiàn)，其中某事件發(fā)生的頻率將成倍增加，這與分形幾何學(xué)所刻劃的對象完全類似。在分形幾何學(xué)中，圖形的任何一部分都是較大部分的縮小的復(fù)制。美國數(shù)學(xué)家芒德勃羅被稱為“分形之父”，他于1983年出版的《大自然的分形幾何學(xué)》是這一領(lǐng)域的代表作。　　　　 

　  如果說20世紀(jì)中葉誕生的信息論、控制論和系統(tǒng)論已經(jīng)觸及了復(fù)雜性問題，70年代前后先后出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論、混沌理論和分形理論，則代表著非線性科學(xué)發(fā)展的新趨勢。

7. 大陸漂移學(xué)說和地球板塊構(gòu)造理論

從大陸漂移說的提出，經(jīng)地幔對流說、海底擴(kuò)張說等階段到全球大地構(gòu)造的板塊結(jié)構(gòu)模型的建立，不僅為探索人類賴以生存的地球?yàn)檠芯繉ο蟮牡厍蛭锢韺W(xué)和地質(zhì)學(xué)創(chuàng)造了一體化的研究綱領(lǐng)，而且為認(rèn)識礦藏形成規(guī)律、災(zāi)害成因、大陸與海洋環(huán)境生態(tài)變遷等提供了新的理論基礎(chǔ)。

1912年，德國氣象學(xué)家魏格納發(fā)表了《大陸的生成》一書，提出了富有挑戰(zhàn)性的大陸漂移學(xué)說，1915年，他又出版了《海陸的起源》一書。魏格納從四個(gè)方面給出了大陸漂移的證據(jù)：一是南大西洋東西兩岸的海岸線十分吻合；二是大西洋兩岸的許多生物和古生物存在著明顯的親緣關(guān)系，包括運(yùn)動(dòng)十分緩慢的蚯蚓、蝸牛等，這不能通過跨洋“陸橋”遷徙擴(kuò)散來解釋；三是大西洋兩岸的巖石、地質(zhì)和皺褶構(gòu)造也是互相吻合的，而且紀(jì)年也相同；四是在古氣候研究中發(fā)現(xiàn)兩極地區(qū)存在著熱帶沙漠的痕跡，而在赤道附近的熱帶森林中發(fā)現(xiàn)了古代冰蓋的遺跡。對于這些現(xiàn)象，唯一可以解釋的是大陸曾經(jīng)漂移易位。但魏格納未能解釋大陸漂移的動(dòng)力學(xué)問題。

　  1928年，英國地質(zhì)學(xué)家霍姆斯提出了地幔對流學(xué)說。他認(rèn)為巖石中的放射性元素釋放的原子能使地幔保持塑性狀態(tài)，而溫度分布的不均勻又使地幔物質(zhì)產(chǎn)生緩慢的對流運(yùn)動(dòng)，從而牽動(dòng)大陸的漂移。50年代以來，隨著一系列大規(guī)模的國際考察，特別是對洋底的考察，大陸漂移說獲得了飛速的發(fā)展。60年代初，赫斯和迪茨根據(jù)全球裂谷系、海底熱流異常和海底磁條帶這三大海底發(fā)現(xiàn)，提出了海底擴(kuò)張學(xué)說。1967年法國人勒皮雄、美國人摩根和英國人麥肯齊等人在大陸漂移、地幔對流、海底擴(kuò)張等概念的基礎(chǔ)上，概括了當(dāng)時(shí)的洋底發(fā)現(xiàn)，建立了地球板塊構(gòu)造模型。他們將地球的巖石圈分為歐亞、美洲、非洲、太平洋、澳洲和南極洲等六大板塊和若干小板塊。板塊間的分界是大洋中脊、俯沖帶和轉(zhuǎn)換斷層，板塊在大洋中脊繼續(xù)增生擴(kuò)張，而在俯沖帶則下沉和消減。那正是構(gòu)造動(dòng)蕩激烈的部位，是地震、火山活動(dòng)的主要發(fā)生地。板塊構(gòu)造說誕生后，得到了越來越多的驗(yàn)證，特別是1968年以后的海洋地質(zhì)學(xué)的支持。北美圣安德列斯大斷層是說明板塊整體運(yùn)動(dòng)的最好例證，近期精確的大地測量表明，斷層兩側(cè)目前正以每年約5厘米的速度相對移動(dòng)著。

　  板塊構(gòu)造說使大陸漂移說得到了復(fù)活。目前，建立在板塊構(gòu)造說的大陸漂移理論盡管還存在不少爭論，但是大陸的巨大漂移、海底的不斷更新，已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)。過去的大地構(gòu)造理論，包括魏格納的大陸漂移說，都是從對大陸的研究推廣到海洋，對地球的了解并不完整。板塊構(gòu)造說則是在對海洋地殼和大陸地殼相結(jié)合的研究的基礎(chǔ)上提出的全新的地殼運(yùn)動(dòng)模式，開創(chuàng)了人類對地球認(rèn)識的新階段。大陸漂移學(xué)說與板塊構(gòu)造學(xué)說不僅可以解釋地球大陸的變遷歷史，而且可以預(yù)測未來的發(fā)展，是人類對固體地球運(yùn)動(dòng)模式整體性及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)認(rèn)識的深化，是現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)。它對地震學(xué)、礦床學(xué)、古生物地質(zhì)學(xué)、古氣候?qū)W具有重要的指導(dǎo)作用，堪稱 20世紀(jì)地球科學(xué)最偉大的成就。

　  8. 大爆炸理論和現(xiàn)代宇宙演化學(xué)說

以大爆炸理論為代表的現(xiàn)代宇宙演化學(xué)說，不僅深化了人類對物質(zhì)世界統(tǒng)一性的認(rèn)識，而且激發(fā)了人類對探索宇宙奧秘和地外生命、研究新的物質(zhì)和能源的巨大興趣，也帶動(dòng)了航天和空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，成為開拓人類智慧和創(chuàng)新開拓能力的重要?jiǎng)恿Α?/span>

　  宇宙學(xué)是研究宇宙的起源、結(jié)構(gòu)和未來演化結(jié)果的一門學(xué)問。廣義相對論問世以后，人們開始按照新的科學(xué)觀念建立宇宙模型。1917年愛因斯坦發(fā)表的《根據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考察》一文，標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生。他提出了一個(gè)有限、無邊、靜態(tài)的宇宙模型。這一模型克服了牛頓理論的無限、無邊宇宙模型存在的困難，但這個(gè)靜態(tài)的宇宙模型是不穩(wěn)定的。如果某個(gè)時(shí)刻宇宙受到了一個(gè)微擾，宇宙就將沿著微擾的方向發(fā)生變化。假如微擾使宇宙略微變小一點(diǎn)，所有物體之間的距離就會(huì)頃刻縮短，從而使引力增強(qiáng)，使宇宙繼續(xù)收縮，使引力更強(qiáng)，這種正反饋將使宇宙最終縮為一個(gè)點(diǎn)。反過來，如果這個(gè)微擾使宇宙略微脹大一點(diǎn)，宇宙也會(huì)一直膨脹下去。如果宇宙開始膨脹，就意味著它將一直膨脹下去，推論是這種膨脹有一個(gè)起點(diǎn)。

幾乎同時(shí)，荷蘭天文學(xué)家德西特根據(jù)廣義相對論建立了一個(gè)膨脹宇宙模型，該模型中物質(zhì)平均密度為零。1922年，弗里德曼、羅伯遜和沃克對愛因斯坦的宇宙模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，對愛因斯坦的引力方程重新求解，提出了三種可能的宇宙模型：開放模型、封閉模型和平坦模型。對于開放模型，宇宙是膨脹的，并且將一直膨脹下去。對于封閉模型，宇宙膨脹到一定程度，將會(huì)轉(zhuǎn)而收縮，然后再膨脹，再收縮。而平坦模型則是前兩種的臨界狀態(tài)?，F(xiàn)實(shí)宇宙究竟與哪一個(gè)模型更接近，還要由觀測的數(shù)據(jù)做最后的結(jié)論。但是，無論哪一個(gè)模型，都預(yù)示著，宇宙有一個(gè)起點(diǎn)。在時(shí)間為零時(shí)，宇宙半徑為零。也就是說，宇宙是從一個(gè)原始奇點(diǎn)發(fā)展起來的。奇點(diǎn)是一個(gè)很難想象的東西，但是在廣義相對論宇宙學(xué)中是不可避免的。1924年，美國天文學(xué)家哈勃以造父變星作為光度標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出仙女座星云距離地球超過70萬光年，終于證認(rèn)了河外星系的存在。1929年哈勃分析了河外星系光譜的紅移現(xiàn)象。按多普勒效應(yīng)解釋，這意味著此類星系正遠(yuǎn)離我們而去。他還發(fā)現(xiàn)退行速度與星系距離成正比，即星系距離越遠(yuǎn)，其退行速度越大。這就是哈勃定律。這一觀測事實(shí)有力地支持了宇宙膨脹模型。30年代，英國天文學(xué)家愛丁頓將哈勃發(fā)現(xiàn)的星系紅移與宇宙膨脹理論結(jié)合了起來，認(rèn)為哈勃的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了宇宙膨脹理論。

1932年中子發(fā)現(xiàn)后，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道指出，如果恒星的物質(zhì)壓縮到原子核的密度，電子將與質(zhì)子結(jié)合成中子，成為中子星。中子星的密度比白矮星還要高一億倍以上。1967年，英國射電天文學(xué)家休伊什的研究生貝爾發(fā)現(xiàn)了太空中的周期穩(wěn)定的微波脈沖信號，把這種射電源命名為脈沖星。后來證明，這就是高速自轉(zhuǎn)的中子星。中子星發(fā)現(xiàn)之后，黑洞又成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。恒星在核能耗盡之后，如果質(zhì)量超過兩個(gè)太陽質(zhì)量，則平衡態(tài)不復(fù)存在。恒星將不斷收縮，半徑越來越小，密度越來越大，最后，其引力將強(qiáng)到足以使一切物質(zhì)甚至輻射都不能逃脫。1939年，奧本海默等人根據(jù)廣義相對論推斷，當(dāng)大質(zhì)量天體坍縮到某一臨界值之后，會(huì)形成一個(gè)封閉的邊界，其外的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入邊界之內(nèi)，但是其內(nèi)的物質(zhì)包括光都無法逃逸出來。這一空間區(qū)域當(dāng)然無法被觀察到，故被稱為黑洞。