科学是人类文明的基础。不理解人类科学史，就不可能理解人类文明史。让我们顺着时间的长河小程序美工，看那些光辉的科学成就如何照亮人类的历史，塑造今天的世界。
上篇介绍了发生在科学革命期间的3项伟大成就，中篇介绍了发生在工业革命前后的3项伟大成就。下篇，时间进入20世纪。
相对论：重新理解时间空间
20世纪初，世界正处于科学和技术迅猛发展的时代，社会、经济和文化各方面都在经历巨大的变革。工业革命的持续推进、通信技术的进步、以及快速发展的交通运输，使得人们对世界的理解和体验发生了前所未有的改变。在科学领域，19世纪末和20世纪初是物理学的黄金时期，经典力学、热力学和电磁学等理论已经取得了巨大成功，科学家们普遍相信自然界的基本规律已经被掌握。然而，一些实验结果开始显示出现有理论的局限性，“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”。
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德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初期对物理学的多个领域做出了革命性的贡献。特别是在1905年，他发表了一篇题为《论动体的电动力学》的论文，提出了狭义相对论。提出了时间和空间是相对的概念，不是绝对不变的，而是取决于观察者的运动状态。狭义相对论基于两个主要假设：物理定律在所有惯性参考系中都是相同的，以及在任何惯性参考系中，光速在真空中是恒定的，不依赖于光源或观察者的运动。
想象力比知识更重要。因为知识是有限的，而想象力概括了世界上的一切，推动了进步，是知识进化的源泉。 ——爱因斯坦
基于这两个假设，爱因斯坦推翻了牛顿经典力学中的绝对时间和空间观念。他提出，时间和空间并不是独立存在的，而是相互关联的，形成一个四维时空结构。在狭义相对论中，时间和空间可以根据观察者的相对运动状态发生变化，这导致了一系列令人震惊的结论，包括时间膨胀（运动的观察者测量的时间比静止观察者慢）和长度收缩（运动物体的长度在运动方向上会缩短）。
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为了更好地理解相对论，我们可以举一个著名的案例：双生子佯谬。假设有一对双胞胎，其中一个乘坐高速飞船去太空旅行，而另一个留在地球上。当宇航员返回地球时，由于飞船的速度接近光速，根据狭义相对论，他的时间流逝得比地球上的慢，因此会显得比他的兄弟更年轻。
1915年，爱因斯坦进一步提出了广义相对论，重新定义了引力的本质，将其解释为质量对时空造成的弯曲，而不是牛顿力学中的一种力。这意味着，质量大的物体（如地球）会弯曲周围的时空结构，而其他物体（如卫星或光线）在这弯曲的时空中运动，就好像它们受到了引力的影响。例如，广义相对论预言了光线在太阳附近会弯曲的现象，这个预言在1919年的日全食观测中得到了证实，成为了广义相对论的重要验证。
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相对论最伟大的影响在于它彻底改变了人类对时间、空间和引力的理解。爱因斯坦的相对论打破了经典物理学中绝对时间和空间的观念，揭示了时间和空间是相对的，并且相互关联。特别是广义相对论中的时空弯曲概念，为人类理解引力提供了全新的视角。这一理论为现代物理学的许多领域奠定了基础，使得物理学进入了一个新的纪元。
相对论还对哲学和科学观念造成了深远的冲击。相对论挑战了传统的绝对性观念，引发了对现实本质的重新思考。时间和空间不再是固定的背景，而是相对的和动态的，这对物理学之外的哲学、文学和艺术等领域产生了深远影响。相对论不仅是物理学的重大突破，也是对人类世界观的一次深刻变革。
量子力学：揭示微观世界规律
20世纪初，随着对微观世界（如原子和光的行为）的研究不断深入，科学家们发现经典物理学无法解释某些实验结果，如黑体辐射、光电效应和氢原子光谱等现象。与此同时，社会正经历着快速的工业化进程和科学技术的迅猛发展，电气化和化学工业等新兴领域对微观物理现象的理解提出了更高的要求。物理学界逐渐意识到，必须发展一种全新的理论来解释这些在微观领域出现的反常现象。这种背景促使了量子力学的诞生，量子力学不仅挑战了经典物理学的基础，也带来了全新的科学观念。
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔是量子力学发展的先驱之一，他针对氢原子的光谱问题提出了解决方案。根据经典物理学，电子绕核旋转时应该不断辐射能量，最终导致电子掉入原子核中，但事实并非如此。为了解释这一现象，玻尔在1913年提出了著名的“玻尔模型”。在这一模型中，玻尔引入了量子化的轨道，认为电子只能在特定的能级轨道上运行，只有当电子从一个轨道跳跃到另一个轨道时，才会吸收或释放能量。这一理论成功解释了氢原子的发射光谱，为量子力学的进一步发展奠定了基础。玻尔的模型标志着对经典物理学的突破性进展，开启了对原子内部结构的量子化描述。
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奥地利物理学家埃尔温·薛定谔是量子力学波动力学的奠基人之一，他针对量子系统的波粒二象性提出了一种新的描述方式。1926年，薛定谔提出了著名的“薛定谔方程”，这是描述微观粒子波动行为的基本方程。薛定谔方程可以用来计算粒子在给定时间和空间点的存在概率，这一概念成为了量子力学的核心。薛定谔的工作为量子系统提供了一个完整的数学框架。
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详情页外包德国物理学家沃纳·海森堡在1927年引入了不确定性原理，这一原理指出，在量子尺度上，粒子的位置和动量不能同时被精确测量。例如，当科学家试图测量一个电子的精确位置时，他们必须照射光（或其他类型的辐射）到电子上。这个过程本身会改变电子的动量，小程序美工因为光的粒子（光子）与电子相互作用。这一原理直观地挑战了经典物理学的确定性，表明了自然界存在着一种根本的不确定性。不确定性原理不仅对量子力学的发展起到了关键作用，也对哲学和科学方法论产生了深远影响。
我们必须记住，我们观察到的不是自然本身，而是自然因我们的提问方式而暴露出的部分。 ——海森堡
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英国物理学家保罗·狄拉克是相对论性量子力学（量子场论）的奠基人之一，他在1928年提出了狄拉克方程。狄拉克的工作将量子力学与狭义相对论结合在一起，为微观粒子提供了一个统一的理论框架。狄拉克方程还预言了反物质的存在。通过对方程的解析，狄拉克发现，除了描述已知的电子外，方程还预测了一种具有相同质量但电荷相反的粒子，这就是后来被发现的正电子，成为了世界上第一个被识别的反物质粒子。
量子力学最伟大的影响在于它彻底改变了人类对自然界的理解。量子力学揭示了微观世界的基本规律，表明粒子行为具有波粒二象性，且在本质上是概率性的。这一理论推翻了经典物理学中关于确定性的观念，奠定了现代物理学的基础。量子力学不仅解释了大量无法用经典物理学解释的现象，还成为了化学、材料科学、纳米技术等领域的核心理论，对现代科技的发展具有决定性意义。
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量子力学还对科技创新产生了巨大推动。量子力学为许多现代技术的开发提供了理论基础，包括半导体技术、激光、超导体和核能等。这些技术已成为现代社会的支柱，推动了信息技术、能源技术、医疗技术等多个领域的进步。可以说，量子力学的理论奠定了信息时代的技术基础，极大地改变了人类的生活方式和社会结构。
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量子力学的影响还体现在哲学和科学方法论的变革上。量子力学的出现引发了对自然界本质的深刻思考，尤其是关于测量、客观现实和因果关系的讨论。量子力学的不确定性原理挑战了传统的确定性观念，提出了关于观测者在测量中的角色的全新问题。这些概念不仅对物理学家提出了新的挑战，也对哲学家和科学家引发了关于科学方法论、实在论和认识论的广泛讨论。
图灵机：计算机的理论基础
20世纪初期，数学和逻辑学领域正经历着巨大的变革。随着数学的发展，特别是对集合论和数理逻辑的深入研究，数学家们开始探索计算和算法的本质。与此同时，社会正处于工业化和现代化的高峰期，技术进步促使人们开始思考自动化和机械计算的可能性。
英国计算机科学家艾伦·图灵在1936年发表了著名的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》。提出了图灵机。这是一种抽象的计算模型，用以描述算法或计算过程如何在逻辑或数学上被执行。图灵机由一系列状态、一个无限长的纸带（用作存储介质）和一个读写头组成。纸带被分成连续的格子，每个格子可以写入一个符号。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态，输出信息到纸带的方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。
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图灵机的概念具有高度的抽象性，但它却极具普适性。图灵证明了，通用图灵机可以被编程来执行任何可计算的任务，这为现代计算机的设计提供了理论基础。
图灵通过这个模型证明了某些问题，比如停机问题，在原理上是不可解的。假设存在一个程序，可以判断任何其他程序在给定输入下是否最终停止运行。如果这样的程序存在，我们就可以构造一个“悖论程序”，当且仅当该程序判断自己会停止时才无限运行。这就形成了一个逻辑上的矛盾。
图灵机最伟大的影响在于它奠定了现代计算理论的基础。图灵机的概念提供了一种形式化的方式来定义“算法”和“计算”，使得计算科学成为了一门严谨的学科。图灵机不仅揭示了计算的本质，也为计算机科学的发展铺平了道路。随着电子计算机的发明，图灵机的抽象模型逐渐演变为实际的计算设备，计算机成为现代社会不可或缺的工具。图灵机的理论也成为计算机编程和算法设计的基础。
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DNA结构：分子生物学的诞生
20世纪中期，生物学领域正处于快速发展的关键时期，科学家们正在深入探索遗传学和分子生物学的基本原理。早在19世纪末，孟德尔的遗传定律揭示了遗传信息的存在，但遗传信息的物质基础仍然不为人知。随着生物化学的发展，科学家们开始怀疑DNA（脱氧核糖核酸）可能是遗传物质的载体，但当时对于DNA的具体结构和功能机制仍然知之甚少。
美国分子生物学家詹姆斯·沃森和英国生物学家弗朗西斯·克里克在20世纪50年代初期着手研究DNA的结构问题。沃森和克里克的研究受到当时其他科学家的工作启发，特别是罗莎琳·富兰克林的X射线衍射图像。
沃森和克里克利用富兰克林的X射线图像和已知的化学数据，结合模型构建的方法，最终在1953年提出了DNA的双螺旋结构模型。揭示了遗传信息如何在生物体内被存储、复制和传递。这个理论的核心在于DNA分子由两条互补的多脱氧核苷酸链组成，这两条链以螺旋形式相互缠绕。每条链由磷酸、脱氧核糖和四种不同的核苷酸组成，这些核苷酸的排列顺序构成了遗传编码。
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这种结构的发现阐明了DNA如何精确复制自身，即，复制过程中，双螺旋解开，每条单链作为模板生成对应的新链。还解释了DNA如何在蛋白质合成中传递遗传信息，即，通过转录过程将DNA上的遗传信息转换成mRNA，然后在翻译过程中将mRNA的信息用来合成特定的蛋白质。
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DNA双螺旋结构的发现最伟大的影响在于它为现代分子生物学的诞生奠定了基础。通过揭示DNA的结构，沃森和克里克为理解基因如何存储、复制和表达遗传信息提供了关键线索。这一发现直接推动了基因学、遗传学和生物化学的发展，使科学家能够深入研究基因的功能和调控机制。DNA结构的揭示是基因工程和生物技术的起点，使得科学家能够操纵和修改基因，从而推动了从医学到农业的诸多领域的革命性进步。
DNA结构的发现还影响了医学和人类健康领域。基因检测技术得以发展小程序美工，通过检测特定基因的突变或缺陷，医生能够提前预测某些遗传性疾病的风险，从而采取预防措施。此外，DNA研究还推动了个性化医学的发展，根据患者的基因组信息量身定制治疗方案，从而提高治疗的效果和精确度。基因治疗作为一种新兴的治疗手段，正是基于对DNA结构的深入理解，它为治愈许多难治性疾病带来了希望。
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