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实现这一“工程”，美国动员了50余万人，其中有15万科技人员，耗资22
亿美元，动用了全国1/3的电力，在不到四年的时间里制造了三颗原子弹。
原子弹的制成充分表现出了科学研究的群体性特点，同时表明，任何一
项重大的发明和技术成果的取得，都是科学技术历史发展的必然，但是，除
了理论成熟、技术条件具备之外，社会需要也是不可或缺的重要条件。第一
台电子计算机的研制也充分证明了这一点。
计算工具经历了人工计算工具、机械计算机、机电计算机、继电器计算
机等的千百年革新演进，到20世纪30年代，在程序自动控制、系统结构、
数据的输入输出以及数据存储等方面为现代电子计算机的产生奠定了非常
成熟的技术基础。其实，电子管在20世纪初（1906年）已经问世，逻辑电
路的理论早在19世纪末也已建立，现代计算机的基本设计思想和完整的蓝
图在她诞生之前100多年，已经由英国数学家巴贝吉给予了天才的描绘。也
就是说，电子计算机的研制更早些时候已经具备了必要的理论和技术条件，
但是，第一台电子计算机ENIAC于四十年代才诞生。对此，ENIAC设计方案
的提出者莫希莱曾回答说：“一部分原因是在此之前还没有这种迫切的需
要。需要是个奇怪的东西，人们往往需要某种事物，但又不知道他们需要
它。”
美籍保加利亚学者阿塔纳索夫和德国工程师朱斯等分别在30年代末和
40年代初对电子计算机的研制作了饶有成效的探索，但他们都因缺乏经费，
得不到政府的支持而未成功。他们研制计划的夭折和后来第一台电子计算机
ENIAC的成功再次说明了现代科学技术发展的鲜明社会化特征。制造电子计
算机不可能再象帕斯卡加法机、莱布尼兹计算机和巴贝吉差分机那样，可以
靠某个杰出的科学家个人的努力来实现，它需要雄厚的技术基础，需要大量
的资金投入，需要多学科的科学家、工程技术人员和科技管理人员的密切配
合，更需要国家财政的全面支持。
第二次世界大战中，由于战时弹道研究实验室火力表计算和研究的需
要，美国军械部和莫尔学院于1943年6月签定合同，投入40万美元，实施
ENIAC的研制计划。1945年底，第一台电子计算机的研制工作全部完成，实
际耗资48万美元。可以说，战争的需要是第一台电子计算机诞生的直接动
因。
20世纪的两次世界大战对科学和技术发展的影响是深远、巨大而复杂
的。特别是第二次世界大战对相关应用技术和应用学科的促进，不仅仅表现
在核技术和计算机技术方面，构成我们现代文明的许多中枢技术，如广播和
电视使用的超短波技术、雷达技术、自动控制技术、喷气机技术、火箭技术
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等，也都是在前人科学研究的基础上，于20年代开始萌芽、成长，30年代
先后进入了成熟阶段，第二次世界大战中开花结果的。战争还根本改变了科
学技术在人类社会中所处的地位，并使其出现了一系列崭新的特点。
这一历史时期中得到发展的科学和技术，大大推进了20世纪人类社会
的发展和科技的进步。人类的许多梦想，对能源的渴求，探索太空、探索微
观物质的奥秘的希冀，真正解放智力、运筹信息的愿望，……，已经变成现
实或正在变成现实。
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二、从量子论到量子力学的物理学革命
不论在物理学史还是在科学技术史上，19世纪末至20世纪初都是一个
非常重要的时代，是一个“科学时刻在活跃、在跳动”的时代，是一个不断
有新的发现、有新的理论突破的时代。在这个时代诞生的革命性理论——相
对论和量子理论，成为现代科学、特别是现代物理学的两大支柱。相对论源
于对“静止以太”存在的研究，或者更确切地说是源于对经典物理学内在矛
盾的研究；而量子力学则主要源于新的实验事实、新的物理发现与现存理论
的矛盾，描述黑体辐射能量密度分布的公式与实验结果不符导致“能量子”
假说的诞生；电子、X射线及放射性等微观领域的一些重要发现，与人们固
有的原子理论相悖，促使人们对原子结构作深入的探究。两个似乎不相干的
领域中展开的物理学革命，最终诞生了与相对论并驾齐驱的另一理论体系—
—量子力学，一种反映微观粒子结构及其运动规律的科学理论。随着量子理
论的建立和发展，原子结构理论成为它的一个分支，而最终得到了明确、透
彻的理论阐述。
1．物理学的几项重要发现
早在19世纪初，就有人对原子不可分的千古定论提出过挑战，但直到
19世纪末，物理学的几项重大发现才揭开原子内部之谜，并进一步引导人们
去探索原子的内部结构，并揭开微观物理学革命的序幕。
（1）电子的发现
电子的发现是科学家们对“阴极射线”长期探究的结果。早在1836年，
法拉第 （1791—1867）就注意到低压气体中的放电现象，并预言这种放电现
象将给以后的电学研究带来很大影响。
1855年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815—1879）利用托里拆利真空原理
制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵，并制成了低压气体放电管——盖斯
勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现象及其本质创造了条件。1857
年，普吕克尔（1801—1868）利用改进了的盖斯勒管和盖斯勒泵研究气体放
电效应时发现，当管中的气压足够低并在封入管内的两极间加上高电压时，
就有一束射线从管中的阴极发生，在对面的管壁上留下了绿色的荧光。之后
的实验证明，这种射线能被磁场偏转，而且是直线传播的。
德国物理学家戈尔茨坦 （1850—1930）于1876年证实了普吕尔发现的
现象，并把这种射线称为“阴极射线”。德国的物理学家赫兹（1857—1894）
等认为，阴极射线是一种电磁辐射现象。
1879年，英国物理学家克鲁克斯（1832—1919）亲自改进了真空泵，提
高了放电管的真空度，制成“克鲁克斯管”。实验发现，阴极射线能推动放
入管中的云母风车转动，克鲁克斯认为，阴极射线实际上是一种高速带电的
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粒子流。
1892年，人们发现，阴级射线能够穿透金属片而发生漫射现象。德国物
理学家勒纳德 （1862—1974）于1894年设计制作了一种带有小窗的新型盖
斯勒管，小窗是用很薄的铝箔做成的，阴极射线可以通过小窗漫射。他研究
了从小窗飞出的射线（也称勒纳德射线）的性质，证明了阴极射线漫射的说
法，还发现其能使照相底片感光的作用。勒纳德的实验被看作是以太振动说
的证据。
“阴极射线”是“粒子流”还是“电磁辐射”？两种观点在一段时间里
相持不下。英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人J．J．汤姆
逊 （1856—1940）从1881年就开始研究阴极射线，他赞成“粒子流”的观
点。1894年，汤姆逊用实验测得阴极射线速度要比光速小得多，进一步确信，
阴极射线不是一种电磁辐射。1897年，他通过对勒纳德实验的分析认为，这
个实验恰恰证明了：阴极射线是粒子流，而且组成射线的粒子比原子小。之
后，他用实验证实了佩兰 （1870—1942）于1895年得出的关于“组成阴极
射线的粒子是带负电荷”的结论。
为了进一步搞清这种粒子的本质，汤姆逊于这一年对这种粒子的荷质比
（e/m）即粒子所带电荷e和质量m的比值，进行了一系列的测量。他分别
利用了热学的方法和电、磁场偏转法。利用电、磁场偏转法时，他重新设计
了真空管，对管中由阴极发出的射线分别施加磁场和电场的作用，通过对粒
子在电场、磁场中偏转情况的测定，计算出粒子的荷质比。实验中他还发现，
粒子的荷质比并不因为电极材料和管内气体的改变而有所变化，因此证明，
不同物质发出的阴极射线粒子是相同的。和在电解过程中测定的氢离子的荷
质比相比，阴极射线中粒子的荷质比要大得多，说明新粒子和氢原子比，要
么电荷量很大，要么质量很小，或两者兼是。但由电磁场可使阴极射线强烈
致偏来分析，新粒子的质量应比氢离子小得多。汤姆逊最后采用了英国物理
学家斯通尼（1826—1911）于1891年提出的说法，称阴极射线粒子为“电
子”。
1883年，爱迪生（1847—1931）在研究白炽灯时发现，灯泡中与灯丝相
对的金属片的表面会发出淡蓝色的亮光，即炽热的灯丝有带电粒子发出，这
种现象称为爱迪生效应。汤姆逊研究了爱迪生效应，测量了由炽热灯丝发出
的带电粒子的荷质比，发现其数值与阴极射线粒子的数值相同。
1896年，塞曼（1865—1943）和洛伦兹（1853—1928）根据洛伦兹的电
子论，对“塞曼效应”作了进一步的理论分析，并计算出电子的荷质比值，
与汤姆逊的实验测定是基本一致的。因此可以说，到1897年，电子的存在
得到了确证，汤姆逊因此获得1906年诺贝尔物理奖。
但是，电子的电荷和质量仍有待进一步确定。汤姆逊的学生汤森（1868
—1957）、汤姆逊本人以及威尔逊（1869—1959）分别对电子的电荷进行了
…10
测定。1898年，汤姆逊测得电子的电荷值e为3。3×10静电单位。
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美国物理学家密立根（1868—1953）分析了前人测定电子电荷实验存在
的问题，提出克服误差的若干措施，设计了著名的“密立根油滴实验”。从
1906年至1917年，他多次改进实验，以提高精度，最后测得的电子电荷值
…10 …10
为4。774（±0。005）×10静电单位。 （目前的精确值是4。083×10静
电单位。）
密立根的油滴实验，是让带电小油滴在两个水平放置相距一定距离的金
属平板间上下运动，板间有空气。首先观察测定小油滴在重力作用下，自上
而下运动的速度。然后，在两板间加上恒定电场，小油滴将在重力和电场力
的合力的作用下徐徐上升，可再测得油滴上升的速度。利用测得的两种速
度、油滴与板间空气的粘滞系数以及油滴荷电数、空气密度和重力加速度等
可以计算出电子电荷e的值。密立根还证明了，电子的电荷值e是电荷的最