留声机和电灯的发明
电报和电话的发明，这是电磁学的两项实际应用，对人类文明的发展有极大影响。在改进电话机的过程中，有一位大发明家做出了又一件极有意义的发明，发明了留声机。他就是妇孺皆知的爱迪生（T。A。Edison）。爱迪生出生于美国俄亥俄州小镇上一个农民的家里，青年时期就是聋子。他一生中共完成了2000多项发明，被人们称为“发明大王”。
爱迪生从小爱动脑筋，有强烈的好奇心，遇事总要刨根问底。他喜欢亲自动手，做各种科学实验，特别是物理和化学方面。他甚至把自己家里的地窖也变成了自己的化学实验室，12岁，小爱迪生到火车上卖报，竟把行李车当成了实验室。他利用一切条件和所有空余时间投入发明创造。1873年发明双重发报机和四重发报机，1877年发明留声机，1879年发明白炽电灯，为了使电灯能广泛使用，他研究出了并联电路、保险丝、绝缘材料、输电网络，制成了当时容量最大的发电机。他还发明了铁镍蓄电池、吸音器、水雷检测器、活动影片，等等。1883年，他在研制电灯的过程中，还发现了金属表面的热电子发射现象。这一现象通称“爱迪生效应”。
在爱迪生众多的发明中，留声机和白炽电灯的发明也许对人类生活产生的影响最大。1875年美国人贝尔发明电话，爱迪生在改进电话的过程中，发明了炭精话筒。在调试话筒时，他把一根细针触到话筒的膜片上，用来检测膜片的振动情况。他发现，当人说话的时候，人的声音使细针按同样的节奏振动。这时爱迪生想，如果使细针带动膜片振动，不就可以使声音复原了吗？经过好几天的试验，终于找到了贮存声音的办法。他拿一张蜡纸当膜片，针尖对准急速旋转的蜡纸，在蜡纸上出现深浅不同的痕迹，这样就把声音的振动记录在蜡纸上了。后来他请技师按他的设计做了一台会说话的机器。这台机器有一根固定在膜片上的小针，小针下面有一个能转动的圆筒，圆筒上铺有锡箔。声音使膜片振动，再带动小针上下颤动，小针的颤动就在锡箔上刻出有深有浅的刻槽。爱迪生用这台机器把歌声记录在锡箔上，接着再重新把小针放在刻槽上，转动圆筒，小针在刻槽里上下颤动，又带动膜片振动。结果，刚才唱的歌又重新放了出来。这就是最早的留声机。这台会说话的机器刚一问世就轰动了美国。
1878年9月，爱迪生在一个博览会上看到一种能产生耀眼光芒的电灯。不过，这种电灯并不是今天人们普遍使用的白炽灯，而是通过强大电流的弧光灯。电弧虽然光芒四射，非常引人注目，但却不能持久，而且耗费极大，需要昂贵的化学电池多个串接，实在是既不经济，又不实用。爱迪生和大家一样，深知社会上迫切需要光线柔和、价格便宜、安全耐用的电光源，他立志要解决这个问题。在这之前，英国人斯旺已经展示过一种碳丝电灯。遗憾的是，斯旺并不能保持碳丝长时间发光。困难在于他没有找到适当的方法使碳丝处于高真空的环境中，所以碳丝很快就烧掉了。
爱迪生一方面寻找合适的通电灯丝，一方面努力改进真空的抽取工艺。他先采用最贵重的金属——铂做成灯丝，经过反复试验，证明铂丝并不符合要求。为此他花了5万美金和整整一年时间。为了选用理想的灯丝材料，他几乎用遍了各种金属，对1600多种耐热材料做了几千次试验。最后，在1879年10月他用碳化棉丝做成白炽电灯泡，通电点燃，连续点燃了40多小时。这是第一个可供使用的白炽电灯。次年1月27日爱迪生获得了有关电灯的专利。
1880年除夕夜晚，美国新泽西州的门洛帕克市的主要街道用爱迪生发明的电灯照耀得如同白昼，这是爱迪生手下的人向参观者作公开表演。人们赞不绝口，纷纷认为，这将对社会文明和人类生活起到不可估量的影响。一个世纪的进程表明，这一评价一点也没有过分。
爱迪生是最了不起的发明家。他把科学成果率先运用于生产技术和社会经济。他建立了第一所工业研究实验室，请了8位科学家协助他工作。这所实验室名符其实地是一个发明工厂，几乎每5天就有一项新发明在这里问世。
爱迪生是一位非常讲究实际的科学家。他认为满足人类的需要就是他工作的目标。他的座右铭是：“我探求人类需要什么，然后我就迈步向前，努力去把它发明出来。”也许有人会说，爱迪生是个天才，他做出这么多发明是命运的结果。可是爱迪生却说：“天才，百分之一是灵感，百分之九十九是汗水！”爱迪生的勤奋可以从他留下的工作日志看出。他一生共写下了3400本详细记录发明设想、实验情况的笔记！
爱迪生以异乎常人的毅力从事工作。一旦有新的想法，他就会全力以赴、风驰电掣般地突击，务求实现预定目标。为了实现一种新蓄电池的设计方案，爱迪生竟连续试验8000多次。
伟大的发明家爱迪生为人类作出了巨大贡献，值得后人永志不忘。
无线电报的发明
电报是人类社会发展到资本主义，迫切要求能进行远距离快速通讯的产物。在19世纪上半叶就有许多科学家从事这方面的发明创造。莫尔斯在1837年成功地发明了电码，很快就建立了长距离的通讯网和横跨大西洋的电缆。但是架电线、铺电缆都是很费事的事情。如果能不经电线、电缆而直接传递信息，岂不是更为方便？于是无线电报应运而生。应该说，在赫兹发现和证实电磁波的时代就已经有可能发明无线电报了。但是，一件新生事物的出现并不总是一帆风顺的。在这以后，有多起利用电磁波传递信息的尝试：例如，法国的布朗利（E。Blanly）、英国的洛奇（O。Lodge）、新西兰的卢瑟福（E。Rutherford）、美国的忒斯拉（M。Tesla）都对无线电通讯做过有益的尝试。俄国的波波夫还公开表演过他的无线电收发报机，却没有得到应有的支持。而马可尼（Guglielmo Marconi）1895年在自家的花园里成功地进行了无线电波传递实验，次年即获得了专利。
马可尼是意大利人，1874年4月25日出生在波伦那（Bologna）。父亲是一位乡绅，母亲是爱尔兰人，因此他从小会说英语。马可尼虽然没有进过大学，但由于他家境富裕，延请了意大利的著名学者作为家庭教师在家里给他上课。还在少年时期，他就对物理和电学有很浓厚的兴趣，读过麦克斯韦、赫兹、里希（Righi）、洛奇（Lodge）等人的著作。1894年，马可尼偶然读到一篇记述8年前赫兹发现电磁波的文章，很受启发。他想：是不是可以用电磁波传递信号呢？于是，他采用赫兹的方法产生电磁波，在远处用粉屑检波器来检测。粉屑检波器实际上是一只松散的放有金属粉屑的容器，它平时几乎不导电，一旦电磁波通过，在电磁波的作用下，物质状态发生了变化，就变成能够导电的良导体，这样就显示出无线电信号。无线电波就这样转换成了易于检测的电流。马可尼逐步改进自己的装置，将发射机和接收机都接地，再用一根与大地绝缘的金属线作天线，这样，就可以使发送和接收都变得更有效。天线的利用并不是马可尼开创的，波波夫比他先用上了天线，但是马可尼比较幸运，他的发明及时地得到了英国官方的支持，这大概是因为有不列颠血统的缘故。1896年由于意大利对他的工作不感兴趣，马可尼便携带自己的装置到了英国，在那里他被介绍给邮政总局的总工程师普利斯（William Preece）。这年年末马可尼取得了无线电报系统世界上第一个专利。他在伦敦、萨里斯堡（Salisburg）平原以及跨越布里斯托尔湾成功地演示了他的通讯装置，信号传递的距离增加到了14.48千米。1897年7月成立了“无线电报及电信有限公司”（后来改名为“马可尼无线电报有限公司”）。
1897年马可尼回到意大利，在斯佩西亚（Spezia）向意大利政府演示了19.31千米的无线电信号发送。1898年，他再次来到英国，把发送距离加大到28.97千米。1899年他建立起了跨越英吉利海峡的法国和英国之间的无线电通信。他在许多地方建立了永久性的无线电台。英国著名物理学家开尔文勋爵十分欣赏他的工作，特意付费请马可尼发送一份电报，向年迈的斯托克斯致意，这成了世界上第一次使用无线电报的业务。那一年，在金斯顿举行的赛艇会上，马可尼成功地用自己的信号机报道赛艇比赛的消息。
1900年马可尼为其“调谐式无线电报”取得了著名的第7777号专利。他的事业发展得很顺利。但是当时人们对这项新发明难免有所疑虑，最大的疑虑是无线电波应该走直线，而地球表面却是圆球形，怎么可能远距离传送到地球的其他地方呢？可是马可尼根据自己的实际经验认为，无线电波会沿地表传送，假如把发送台和接收台都接地，更应该沿地表传送。他决定用他的发报系统证明无线电波不受地球表面弯曲的影响。他精心设计了实验方案，用气球把天线尽可能吊高，试图让无线电信号从英国的西南端（康沃尔郡的波特休）发送到加拿大纽芬兰省的圣约翰斯，跨过大西洋，距离为3379.53千米。1901年12月12日，这是具有历史意义的一天，马可尼试验获得了成功。爱迪生对此给予公开赞扬。马可尼的大胆试验打破了传统的看法，引起公众极大的兴趣。第二年他的实验结果就得到了解释。肯涅利（A。E。Kenelly）和亥维赛（O。Heaviside）提出，可能是在地球外层空间存在能使电波反射的电离层。这一论点直到20世纪20年代才由英国物理学家阿普顿（E。V。Appleton）用无线电实验得到证实。
1903年开始，从美国用无线电向英国《泰晤士报》传递新闻，当天见报。到了1909年无线电报已经在通讯事业上大显身手。在这以后许多国家的军事要塞、海港船舰大都装备有无线电设备，无线电报成了全球性的事业，因此，马可尼在1909年和布劳恩（Karl Braun）一起获得了诺贝尔物理学奖。
布劳恩是德国人，1850年6月6日出生于德国的富尔达（Fulda）。他在此地接受了地方普通中学的教育。他曾在马尔堡大学、柏林大学学习过，1872年毕业，他的毕业论文是关于弹性弦的振动。后来他在维尔茨堡大学担任过昆开（Quincke）教授的助手，1874年受聘到莱比锡的圣托马斯中学任教。两年后他受聘为马尔堡大学的理论物理学编外教授，1880年又被聘请到斯特拉斯堡大学担任同样的职务。1883年布劳恩成了卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）工业大学的物理学教授，并于1885年受聘到杜宾根大学任教。他到这里的任务之一是建立一所新的物理研究所。
布劳恩的第一项研究工作是关于弦的振动和弹性棒的振动，特别是棒的振动幅度和周围环境对振动的影响。其他研究工作是以热力学原理为基础的，例如压力对于固体的溶解度的影响。
布劳恩的最重要的研究工作是在电学方面。他发表过关于欧姆定律的偏差问题，以及关于从热源计算可逆伽伐尼电池的电动势问题的文章。他的实验使他发明了以他的名字命名的静电计和阴极射线示波器。
1898年他开始从事无线电报的研究，试图以高频电流将莫尔斯信号经过水的传播发送。后来他又把闭合振荡电路应用于无线电报，而且是第一个使电波沿确定方向发射的试验者之一。1902年他成功地用定向天线系统接收到了定向发射的信号。
布劳恩的关于无线电报的论文以小册子的形式发表于1901年，题目是《通过水和空气的无线电报》。
第一次世界大战爆发以后，布劳恩曾被派往纽约，作为一名见证人去参加一项专利索赔的诉讼。由于他离开了自己的实验室以及身体有病，所以他没有可能继续进行科学研究工作。布劳恩的晚年是在美国安静地度过的，他于1918年4月20日逝世于美国。
油滴仪的发明
电子电荷的测定，实际上从1896年就开始了。汤姆生有一位研究生，名叫汤森德（J。S。E。Townsend），创造了电解法。氧气从电解池E中产生后，经过A滤去臭氧，经B瓶的水发泡产生云雾，穿越绝缘的石蜡块P进入浓硫酸容器c、d、e，气体中的水分及所带电量全部被硫酸吸收，干燥气体进入D瓶，用象限静电计Q分别测容器G和D的电量。他让电解产生的带有电荷的氧气，从水中发泡产生云雾，测量云雾下降的速度，借速度与雾滴半径的关系求出雾滴的平均重量，再根据水分的总重量求出雾滴的个数。另一方面，他收集这些氧气所带电量，用静电计进行测量，所得电量被雾滴个数除，即得每颗雾滴的电荷。他认为这就是电子的电荷。1897年发表的结果是e≈10-19库，这个结果虽然很粗略，对确定电子的存在还是很有意义的。不过，汤森德的方法非常烦琐，得到的结果仅仅是平均值。
第二年，汤姆生改进了利用云雾的实验方法。密闭容器A中充有水气和空气，容器上方是一只X射线管，X射线照射容器，使里面的空气电离。下方有一活塞P，当它突然下降时，会使容器中的气体迅速膨胀而产生过饱和蒸气，然后以离子为核心形成云雾。这个方法比汤森德的电解法略有改善，得到的平均结果是e=1.1×10-19库。
过了几年，汤姆生的另一名研究生H。A。威尔逊又将汤姆生的方法做了改进。他在密闭容器中加了两块水平极板n、p，并加上电压，使极板中产生电场，然后用显微镜T（短焦距望远镜，当显微镜用）观察带电云雾在电场作用下的运动情况。他先观测不加电压时，云层顶端在重力单独作用下下降的速度；再观测加电压后，云层顶端在重力和电场力共同作用下加快了的下降速度。比较这两种速度，经过计算，他得到的平均电子电荷值e=1×10-19库。
汤姆生的学生花了很大力气，希望从实验直接测定电子的电荷值，但是始终只能得到平均结果，没有能够证明电的分立性，这就给反对者留下了借口，继续挑起论战。他们否认电的分立性，不承认有基本电荷，实际上也就是否认电子的存在。
关键是要能精确地测定单个电子的电荷值。这项任务落到了美国物理学家密立根（R。A。Millikan）的肩上。密立根是芝加哥大学教授。他和以测量光速著称的迈克耳逊是同事。1906年，这时密立根已38岁，有一天在学校的讨论会上他给师生们做了关于汤姆生发现电子的介绍性报告，为了准备这篇报告，他仔细读了汤姆生1897年的论文，深深地被这项工作所吸引。报告会后他就和研究生一起重复H。A。威尔逊的平板电极法实验，由于密立根采用镭作为电离剂，代替了X射线，电离的效果比较好，得到e=1.34×10——19库。这个结果受到物理学家卢瑟福的赞许，卢瑟福向他指出，如果能防止水的蒸发，也许e值还可增大。
为了研究云层蒸发的情况，密立根打算把云层稳定在某一高度，以便连续进行观察。这件事很容易办到，只要改换电场方向，使云层所受电力和重力方向相反，并适当加大电压即可达到目的。
1909年夏，密立根将电压加到1万伏，当他合上电闸时，奇迹出现了。云层哪里稳定得住，竟立即消散离析，带电雾粒以不同速度散开，偶而有几滴水珠留在视场中闪闪发光，好像天上的星星一样。
他立刻领悟到这几滴水珠之所以停在空中不动，是因为它们所受的电场力正好与重力平衡。既然如此，为什么不可以从平衡的带电水珠求电子的电量呢？
于是，密立根就创造了水珠平衡法。
密立根用水珠平衡法测得了大量数据，证明重量不同的水珠所带的电量，几乎都是某一常数的整数倍，这个常数就是基本电荷值。他的结果是e=1.55×10——19库，跟当时其他方法所得结果符合得很好。
1909年8月，密立根到加拿大参加科学会议，他报告了自己的工作，受到与会代表的称赞，他也从会议上了解到测量电子电荷的重大意义。就在他乘火车从加拿大返回美国的途中，他正向窗外眺望，突然灵感上心，钟表油是几乎一点也不蒸发的，何不用钟表油来试试呢？于是，当他回到芝加哥后，就立即安排研究生用钟表油做试验。
由于使用不易蒸发的钟表油，液滴用喷雾器由开口喷入即可，实验装置大大简化，操作也方便多了。密立根请技师做两块22厘米直径的圆铜盘，边上垫三块小小的石英片作为绝缘，这就组成了平板电容器。上极板中心钻半毫米的小孔，让喷雾器由此喷进油滴，少数油滴在喷嘴上摩擦，即可带上电荷。平板间加上万伏的电压，用显微镜对准油滴，确定使油滴处于平衡所需电压，由此即可计算油滴所带电量。
1910年以后，密立根又进一步改进实验方法。他让油滴在电场力和重力的共同作用下，上上下下地运动。从上下运动的时间求出速度，然后用X射线或镭照射油滴，使油滴所带电量增多或减小。这时，实验者从显微镜中会观察到油滴运动的速度突然发生了改变，从速度改变的差值就可求出电荷量改变的差值。
实验结果表明，油滴上电荷量的变化总是基本电荷值的倍数。密立根用这个方法得到了精确的基本电荷值为e=（1.591±0.003）×10——19库。就这样，密立根以大量实验无可辩驳地证实了电的分立性，为近代物理学的发展奠定了重要基础。
密立根是一位作风严谨、技艺精巧的实验物理学家。他钻研电子电荷的测量工作历经十几年，积累了上千次实验数据。他不断地改进实验方法，结果越做越精。据说，当年好奇的新闻记者登门采访，要求密立根展示他做出惊人成果的仪器设备，密立根再三推托，无奈记者百般恳求，只好照办。他叫实验员用托盘端上一个用圆铜盘做的平板电容器，诙谐地指着电容器对记者说：“秘密全在这里。”装置如此简单，使记者惊讶不已。
密立根在1923年荣获诺贝尔物理学奖，奖励他发明了油滴仪，从而精确地测定了电子电荷，确定了基本电荷的存在，并且还对他另一项工作予以奖励，这项工作是他在光电效应方面的研究。
质谱仪的发明
阿斯顿（F。W。Aston）是卡文迪什实验室的一名工作人员，曾经协助J。J。汤姆生研究正射线，经过长期实践，发明了质谱仪，从而获得1922年诺贝尔化学奖。
1877年9月1日阿斯顿出生在英国产业革命的发源地——伯明翰，他的外祖父是枪支制造者，因此他从小就有机会接触金工和手工艺，培养了技艺方面的才能。小时候他就爱做机械玩具，他在自己家里设有金工间，搞过不少工具革新，甚至还自己做成了摩托车。他也很喜爱做化学和真空实验。伦琴发现X射线的消息，激励他自己尝试做X射线管。为了抽取真空，他发明了一种新型的斯普伦格真空泵，并用以研究放电管中的克鲁克斯暗区。在1903年他发现了一个特殊的暗区，人称为阿斯顿暗区。1909年阿斯顿任伯明翰大学物理讲师。
正当这时，J。J。汤姆生在卡文迪什实验室的正射线研究取得一定成果。这个实验技术相当复杂，极需有经验的技师协助工作。于是J。J。汤姆生向好友坡印廷（J。H。Pointing）要人，坡印廷把自己的学生阿斯顿推荐给他。1910年，阿斯顿来到卡文迪什实验室，当了J。J。汤姆生的一名助手。
J。J。汤姆生的正射线研究已经进行了好几年，并且前后发表了8篇论文，这项工作原来是维恩（W。Wien）在1898年做过的极隧射线研究的继续，但J。J。汤姆生又做了相当多的改进。实验的基本方法是用磁场和电场使正射线偏转，在屏上或照片上显示出抛物线轨迹，从而粗略地计算其荷质比与速度。然而图像很差，有时甚至无法辨认不同成分的轨迹。
阿斯顿参加正射线的工作后，对实验装置做了多项改进。他用大玻璃球壳做低压放电管，设计并制备了一种适于拍摄抛物线径迹的专用照相机，还做了一台非常灵敏的石英微量秤以测量气体分离后的密度。1912年夏他制成了一台改进的正射线测量仪，把球壳中的空气抽走后，可以从照片上看到一系列的抛物线，这些抛物线分别为C、O、CO、CO2、H、H2和Hg离子的径迹。虽然仪器的分辨率不高，但质量数相差10%的抛物线可以分开。
这时，汤姆生从他的皇家研究所同事杜瓦（J。Dewar）那里要到了做氖管的氖气。当他将氖气充入放电球壳时，出乎意料，原子量为20.2的氖气竟出现了两条抛物线，一条粗的相当于20个原子质量单位，另外一条相当于22个原子质量单位，非常暗淡。
实验者没有放过这个异常情况，后来知道，这实际上是氖的同位素20Ne与22Ne，可是1913年索迪（F。Soddy）还没有完成同位素的工作，甚至连同位素这个名词还没有出现，J。J。汤姆生做了一个初步估计，认为可能是一种特殊的分子Ne H2，它的分子量正好是22.
但是，阿斯顿不肯接受这个判断，他希望通过事实作出结论。于是他找来最纯的氖气进行试验，结果仍然是两条抛物线，和先前完全一样，这使阿斯顿增强了信心，相信是两种不同的氖。
阿斯顿想从各种不同的途径来证明两种氖的存在，一是分离出这两种不同质量的物质，二是进一步改进正射线偏转法。他先用液态空气冷却的活性炭对氖气进行分馏，没有成功。后又用多孔陶管扩散方法进行分馏，也不见显著效果。1914年开始，他改用自动连续扩散的方法，可惜没有采用低温冷却，效果仍然不大。
不久，战争爆发了，阿斯顿进入伐波鲁（Farnborough）的皇家飞机工厂当化学技术员。他虽然离开了实验室，可是脑子里还经常想分离氖气的问题。他对物理学懂得不多，平常难得有机会跟大科学家们讨论问题。这时正值战争期间，飞机工厂集中了一批物理学家，他利用茶余饭后，和这些物理学家讨论正射线的问题，从他们那里学到了不少的理论知识，甚至包括量子理论。
由于科学家们的鼓励，加上他自己不断地思考，1919年当他回到卡文迪什实验室后，就马上着手用电磁聚焦的方法来分离两种不同的氖，后来果然获得了成功。阿斯顿把他的仪器称为质谱仪。
J。J。汤姆生在这个问题上显然不如他的助手敏锐，他虽然对Ne H2的说法并不太坚持，但也不承认两个成分是氖的同位素。他认为同位素的概念只能用在放射性元素上，直到1921年在皇家学会讨论这个问题的时候还持反对态度。
随后，阿斯顿继续用质谱仪分析其他元素，找到了许多元素的同位素，J。J。汤姆生不久也就接受了阿斯顿的观点。
敢于坚持自己的观点，不迷信权威。这可以说是卡文迪什实验室的科学传统。而J。J。汤姆生虽然曾经持有错误观点，但一旦认识到自己错了，就不再坚持。在实践面前人人平等，在真理面前人人平等，不分高低贵贱，这就是科学工作的基本准则。
电子显微镜的发明
1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院的恩斯特鲁斯卡（Ernst Ruska），以表彰他在30年代初发明了第一台电子显微镜。
研制电子显微镜的历史实际上可以追溯到19世纪末。人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。1987年布劳恩设计并制成了最初的示波管。这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。1926年布什（H。Busch）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。这为电子显微镜做了理论上的准备。限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。由于电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜得到比光学显微镜高得多的分辨率。
恩斯特鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。他的父亲是柏林大学历史学教授。1925～1927年，鲁斯卡上中学时就喜欢工程，并在慕尼黑两家公司学习电机工程。后随父到了柏林，1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研究。从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔（M。Knoll）的指导下进行电子透镜实验。这对鲁斯卡的成长很有益处。
1928～1929年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究，证实电子束照射下直径为0.3毫米的光缆可以产生低倍（1.3倍）的像，并验证了透镜成像公式。这就为创制电子显微镜奠定了基础。1931年，克诺尔和鲁斯卡开始研制电子显微镜，他们用实验证明了为要获得同样的焦距，使用包铁壳的线圈，其安装的线圈匝数要比不包铁壳的线圈小得多。1931年4～6月，他们采用二级磁透镜放大的电子显微镜获得了16倍的放大率。通过计算他们认识到，根据德布罗意的物质波理论，电子波长比光波波长短5个数量级，电子显微镜可能实现更高的分辨率。他们预测未来的电子显微镜，当加速电压为7.5万伏，孔径角为2×10-2弧度时，衍射限制的分辨率将是0.22纳米。
1932～1933年间，鲁斯卡和合作者波里斯（Borries）进一步研制了全金属镜体的电子显微镜，采用包有铁壳的磁线圈作为磁透镜。为了使磁场更加集中，他们在磁线圈铁壳空气间隙中镶嵌非磁导体铜环，并将铁磁上、下壳体内腔的端部做成漏斗形（磁极靴），使极靴孔径和间隙均减小到2毫米，而且焦距减小到3毫米。1932年3月，波里斯和鲁斯卡将此项磁透镜成果申请了德国专利。
1933年，鲁斯卡在加速电压7.5万伏下，运用焦距为3毫米的磁透镜获得12000倍放大率，还安装了聚光镜可以在高放大率下调节电子束亮度。他拍摄了分辨率优于光学显微镜的铝箔和棉丝的照片，并试验采用薄试样使电子束透射而形成电子放大像。
1934年鲁斯卡以题为《电子显微镜的磁物镜》的学位论文获得柏林技术大学工学博士学位。1934～1936年，鲁斯卡继续进行改进电子显微镜的实验研究。他采用了聚光镜以产生高电流密度电子束来实现高倍放大率成像，采用物镜和投影镜二级放大成像系统。可是，当时他们的发明并未立即获得学术界和有关部门承认，鲁斯卡和波里斯努力地说服人们，使他们相信可以研制出性能超过光学显微镜的电子显微镜。他们多次到政府和工业研究部门以争取财政支持。经过3年的奔走，1937年春西门子-哈斯克公司终于同意出资建立电子光学和电子显微学实验室。许多青年学者纷纷前来参加研究工作。
恩斯特鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜，1938年制成两台电子显微镜，且带有聚光镜，配以具有极靴的物镜及投影镜，备有更换样品、底片的装置，可获得30000倍放大率的图像。恩斯特鲁斯卡的弟弟哈尔墨特鲁斯卡（Helmut Ruska）和其他医学家立刻用来研究噬菌体等，获得很大的成功。1939年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世。同年，电子显微镜首次在莱比锡国际博览会上展出，引起广泛注意。1940年，在恩斯特鲁斯卡提议下，西门子-哈斯克公司将上述实验室发展为第一个电子显微镜开放实验室，由哈尔墨特鲁斯卡任主任。实验室装备了4台电子显微镜，接纳各国学者前来做研究工作，推动了电子显微镜在金属、生物、医学等各个领域的应用与发展。在鲁斯卡工作的影响下，欧洲各国科学家先后也开始了电子显微镜的研究和制造工作。
恩斯特鲁斯卡及其合作者几十年来孜孜不倦地为改进电子显微镜辛勤工作，为现代科学的发展做出了重要贡献。电子显微镜为人们观察物质微观世界开辟了新的途径。在50年代中期制成的中、高分辨率电子显微镜，能够观察晶体缺陷，促进了固体物理、金属物理和材料科学的发展。在70年代出现的超高分辨率电子显微镜使人们能够直接观察原子。这对于固体物理、固体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物学和分子生物学的发展起了巨大的推动作用。
恩斯特鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖一年多后于1988年5月27日在德国柏林去世，他的一生完全贡献于电子显微镜事业。继他之后，不仅有高压电镜和扫描电镜问世，而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜，这就是1982年发明的扫描隧道显微镜。扫描隧道显微镜是通向微观世界的又一项有力武器。
回旋加速器的发明
粒子物理学的诞生揭开了物理学发展史中崭新的一页，它不但标志了人类对物质结构的认识进入了更深的一个层次，而且还意味着人类开始以更积极的方式变革自然、探索自然、开发自然和更充分地利用大自然的潜力。
各种加速器的发明对粒子物理学的发展起了很大的促进作用，美国物理学家劳伦斯（E。Lawrence）顺应这一形势，走在时代的前列。他以天才的设计思想、惊人的毅力和高超的组织才能，为加速器的发展作出了重大贡献。
劳伦斯1901年出生于美国南达科他州南部的坎顿，父母都是教师，早年就对科学有浓厚兴趣，喜欢做无线电通讯实验，在活动中表现出非凡的才能。他聪慧博学，善于思考，原想学医，却于1922年以化学学士学位毕业于南达科他大学，后转明尼苏达大学当研究生。导师斯旺对劳伦斯有很深影响，使他对电磁场理论进行了深入的学习。
劳伦斯在耶鲁大学继续研究两年之后，于1927年当了助理教授。1928年转到伯克利加州大学任副教授。两年后晋升，是最年轻的教授。在这里他一直工作到晚年，使伯克利加州大学由一所新学校成为粒子物理的研究基地。
1928年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器、整流器、冲击发生器、静电发生器和特斯拉线圈，等等。这些方法全都要靠高电压。可是电压越高，对绝缘的要求也越高，否则仪器就会被击穿。正当劳伦斯苦思解决方案之际，一篇文献引起了他的注意，使他领悟到用一种巧妙的方法来解决这个矛盾。他后来在诺贝尔物理学奖的领奖演说中讲到：
“1929年初的一个晚上，当我正在大学图书馆浏览期刊时，我无意中发现在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗的论文，讨论正离子的多级加速问题。我读德文不太容易，只是看看插图和仪器照片。从文章中列出的各项数据，我就明确了他处理这个问题的一般方法……在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压，以使正离子得到多次加速。这一新思想立即使我感到找着了真正的答案，解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步地阅读这篇文章，就停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样的。简单的计算表明，加速器的管道要好几米长，这样的长度在当时作为实验室之用已是过于庞大了。于是我就问自己这样的问题：不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让正离子一次一次地来往于两电极之间？再稍加分析，证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场谐振，在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。”
劳伦斯不仅提出了切实可行的方案，更重要的是以不懈的努力实现了自己的方案。
1930年春，劳伦斯让他的一名研究生爱德勒夫森（N。Edleson）做了两个结构简陋的回旋加速器模型。真空室的直径大约只有10厘米。其中的一个还真的显示了能工作的迹象。随后，劳伦斯又让另一名研究生利文斯顿（M。S。Livingston）用黄铜和封蜡作真空室，直径也只有11.43厘米，但这个“小玩意”已具有正式回旋加速器的一切主要特征。1931年1月2日，在这微型回旋加速器上加不到1000伏的电压，可使质子加速到80000电子伏，也就是说，不到1000伏的电压达到了8万伏的加速效果。
1932年，劳伦斯又做了22.86厘米和27.94厘米的同类仪器，可把质子加速到1.25兆电子伏（Me V）。正好这时，英国卡文迪什实验室的科克饶夫（J。D。Cockcroft）和瓦尔顿（E。T。S。Walton）用高压倍加器做出了锂（Li）蜕变实验。消息传来，人心振奋，劳伦斯看到了加速器的光明前景，更加紧工作。不久他就用27.94厘米回旋加速器轻而易举地实现了锂蜕变实验，验证了科克饶夫和瓦尔顿的结果。这次实验的成功，显示了回旋加速器的优越性，使科学界认识到它的意义，同时也大大增强了劳伦斯等人对工作的信心。
于是他和利文斯顿以更大的规模设计了一台D形电极、直径为68.58厘米的机器，准备把质子加速到5Me V能量。这时氘已经被尤里（Urey）发现了，劳伦斯可以用氘核作为轰击粒子，以获得更佳效果。因为氘核是由一个质子和一个中子组成的复合核，氘核在静电场作用下有可能解体，变成质子和中子。而中子的穿透能力特别强，这样就可以利用回旋加速器产生许多重要的人工核反应。
68.58厘米回旋加速器的运行带来了丰硕成果。许多放射性同位素陆续在伯克利发现。伯克利加州大学成了核物理的研究中心，他们把生产出来的放射性同位素提供给医生、生物化学家、农业和工程科学家，广泛应用在医疗、生物、农业等领域。
1936年，在劳伦斯主持下，他们将68.58厘米回旋加速器改装成93.98厘米的，使粒子能量达到6Me V。用它测量了中子的磁矩，并且产生出了第一个人造元素——锝（Tc）。
为了表彰劳伦斯发明的回旋加速器的功绩，1939年诺贝尔物理学奖授给了劳伦斯。
然而，劳伦斯仍不愿加速器停留在这个水平。他认为，在这个水平上工作，还远不足以发现微观世界的奥秘。所以新的一代回旋加速器又在设计之中。
一台大型的回旋加速器，从设计、制作、安装、调试直到进行各项实验活动，都需要各种人才的分工协作、互相配合。劳伦斯在诺贝尔奖颁奖会上的演说词中讲到：“从工作一开始就要靠许多实验室的众多能干而积极的合作者的集体努力”，“各方面的人才都参加到这项工作中来，不论从哪个方面来衡量，取得的成功都依赖于密切和有效的合作。”
1958年劳伦斯因病去世，终年57岁。为了纪念他，伯克利加州大学辐射实验室改名为劳伦斯辐射实验室。他的一生为回旋加速器奋斗不息，虽然他自己没有直接做出科学发现或者创立科学理论，但是在他的领导和培养下或者在跟他协作的过程中，许多人做出了重大贡献。在他的实验室里，先后有8人获得诺贝尔奖。由于加速器的应用，物理学进入了一个新阶段，“大科学”从此开始了。
核乳胶的发明
1950年诺贝尔物理学奖授予英国布里斯托尔大学的鲍威尔（C。F。Powell），表彰他发展了研究核过程的光学方法，和他用这一方法做出的有关介子的发现。
所谓研究核过程的光学方法，指的是运用特制的照相乳胶记录核反应和粒子径迹的方法，这种特制的乳胶就叫做核乳胶。
鲍威尔1903年12月5日生于英格兰肯特（Kent）的汤布里奇（Tonbridge）。他父亲是一位枪炮制造商，长期从事这方面的贸易。他的祖父曾创建一所私立学校。家庭的影响使他从小就有崇尚实践和重视学术的素养。他11岁时就在当地的学校取得了奖学金，后来又在社会上赢得了公开奖学金到剑桥大学的西尼塞索克斯（Sidney Sussex）学院学习。1924～1925年以头等成绩通过了自然科学学位考试，1925年毕业。1925～1927年鲍威尔作为卢瑟福和C。T。R。威尔逊的研究生在卡文迪什实验室做研究工作，1927年获博士学位。他的第一项研究是与云室有关的凝聚现象，其结果间接地解释了经喷嘴的蒸汽会产生高度电离这一反常现象。他证明了这是由于在快速膨胀的蒸汽中存在过饱和现象。他的结论关系到蒸汽涡轮机的设计和运转。1928年鲍威尔去布里斯托尔大学威尔斯物理实验室工作，当丁铎尔（A。M。Tyndall）的助手，后来晋升为讲师。1936年他参加地震考察队访问西印度群岛，研究火山活动。第二年回以布里斯托尔，1948年升任教授。他在这里长年耐心地工作于发展一种测量正离子迁移率的精确技术，从而掌握了大多数普通气体中的离子特性。在旅居加勒比海之后，他又回过来从事建造一台用于加速质子和氘核的科克饶夫高压加速器，把加速器与威尔逊云室结合起来，可以研究中子-质子散射。1938年他在从事宇宙射线实验中采用各种照相乳胶直接记录粒子的径迹。当科克饶夫高压加速器开始运转时，鲍威尔用同样的方法观测反冲质子的径迹，测量中子的能量，他和合作者发现乳胶中带电粒子的径迹长度可以对带电粒子的射程给出精确的计量，不久就明确这一方法在核物理实验中有非常大的好处。这一发现把他引向研究高能氘核束所产生的散射和蜕变过程。
后来鲍威尔又回过来从事宇宙射线的研究并研制出了灵敏度更高的照相乳胶。1947年他和奥恰利尼在海拔3000米的山顶上，用这种新乳胶直接记录宇宙射线的辐射，并通过分析乳胶中射线的径迹，证实了π±介子的存在，并且观测到了π介子衰变成μ介子和中微子的过程。1949年鲍威尔又用这种方法发现了K介子的衰变方式。
鲍威尔所用的照相法是基于这样的原理：带电粒子穿过照相乳胶时，所经之处溴化银颗粒会被带电粒子电离，因而留下轨迹；一系列变黑的颗粒以一定间隔分布，其距离视粒子速率而定；粒子速率越大，则间距也越大。这是因为快速粒子比慢速粒子具有更小的电离能力。
这一方法其实并不新颖，早在20世纪初期就已用做显示放射性辐射的手段。因为要在核过程的研究中运用这一方法，首先需要有一种对各种带电粒子特别是快速粒子都很灵敏的乳胶。在30年代初期，这个问题似乎已经接近于解决，因为有人发现，可以用敏化乳胶片的办法使之能对快速质子发生作用。不过这一方法用起来很困难，所以未能广泛使用。
不需要事先敏化的乳胶在1935年就由列宁格勒的兹达诺夫和依尔福德（ILFORD）实验室各自独立地生产出来了。但是在核物理研究中，即使到了30年代照相法仍未得到普遍采用，只有在宇宙射线的研究上还有一些人用到这种方法。许多核物理学家对这种方法还持怀疑态度，因为从测量到的径迹长度计算粒子能量往往会得到很分散的结果。大家那个时候更相信的是威尔逊云室。
鲍威尔的功绩就在于驱散了对照相法的怀疑，他使照相法不仅对宇宙射线和结合核现象，而且在研究某些核过程中也能成为非常有效的手段。鲍威尔用新的依尔福德中间色调底片，研究了在核过程研究中照相法的用途和可靠性。从1939年至1945年他和他的合作者一方面做了各种试验，另一方面不断地改进材料的处理方法，研究有关技术，创制分析粒子径迹的光学设备。他们的工作令人信服地证明了：在核物理的研究中，照相法和云室及计数器是同样有效的，有时照相法比云室和计数器更为有效。照相法节省时间，节省材料。例如，用威尔逊云室在20000张立体照片中可供测量的粒子径迹只有1600条，而鲍威尔和他的合作者在3平方厘米的照相底片中就找到了3000条可用的粒子径迹。1946年在他们为改进和发展照相法的努力中作出了重要的一步，这就是他们用到了一种新型的名叫“C2”的乳胶，其特性在各方面都超过了原来的乳胶。粒子的径迹更为清晰，看不到干扰本底，这就大大地提高测量的可靠性。后来还可以用照相法来发现罕见过程，可以在乳胶中掺某种原子以供特殊研究。改进的照相法对宇宙射线的研究就更为有效。乳胶可以连续记录，而威尔逊云室只能记录仪器操作的短暂时间间隙里所通过的粒子和所发生的过程，因而显得十分局限。可见，照相法在这些研究中大大优越于云室法。在法国南部有一个高于海平面2800米的观测站用到了这种新型乳胶。后来又在高5500米处进行测量，测量结果在乳胶中找到了大量的孤立粒子径迹，同时也有记录蜕变的分叉，这些分叉就像一颗一颗的星。在乳胶中可以找到分叉数各不相等的“星”，从这些星可以判定，有一些是小质量的粒子闯进了乳胶，打到乳胶中的某些原子核上，引起这些原子核发生蜕变。然而是宇宙射线的什么成分引起了原子核的蜕变？经过深入的研究，他们证明，这一活跃的粒子是介子，其质量比电子大几百倍，带的是负电。有些蜕变还可以观察到慢速介子从原子核里抛出来。1947年鲍威尔和他的合作者报告说，发现了一种介子，在其运动过程中又产生了另一介子。分析初始介子和二次介子的径迹表明有可能存在两类具有不同质量的介子。后来的实验证实了这一理论。初始介子叫做π介子，二次介子叫做μ介子。初步测量表明π介子的质量大于μ介子的质量，而它们的电荷都等于基本电荷。
鲍威尔在进一步的实验中确定π介子的质量是μ介子的1.35倍。这个关系与美国伯克利辐射实验室的研究者们用467.36厘米的回旋加速器所测定的结果——1.33倍符合甚好。他们还确定，π介子的质量比电子大285倍，而μ介子的质量比电子大216倍。两种介子都可带正电，也可带负电。μ介子的寿命约为百万分之一秒，而π介子还要短百倍。π介子是不稳定的，会自发地蜕变为μ介子。负π介子易于和原子核相互作用，所以在乳胶中它们在径迹末端被原子俘获，既可引起轻原子核的蜕变，也可引起重原子核的蜕变。由于鲍威尔用上一种对电子敏感的乳胶，他在1949年证明了μ介子会在其路程的末端蜕变为一个带电的轻粒子和两个以上的中性粒子。接着，鲍威尔又研究了π介子（现在叫做π子），其质量为电子的1000倍。这一介子是别人发现的，但鲍威尔对之做了更加详尽的探讨。
鲍威尔研究核乳胶的成功使布里斯托尔大学成了核物理研究的重要基地。他在1949年当选为英国皇家学会会员，1950年，也即核乳胶诞生的几年之后就获得了诺贝尔物理学奖。
晶体管的发明
首先要指出，晶体管的发明不是哪一位科学家拍脑袋想出来的，而是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。
早在19世纪中叶，半导体的某些特性就受到科学家们的注意。法拉第观察到硫化银的电阻具有负的温度系数，与金属正好相反。史密斯用光照射在硒的表面，发现硒的电阻变小。1874年，布劳恩第一次在金属和硫化物的接触处观察到整流特性。1876年，亚当斯和戴依发现硒的表面会产生光生电动势。1879年，霍耳发现霍耳效应。对于金属，载流子是带负电的电子，这从金属中的电流方向、所加磁场的方向以及霍耳电势差的正负可以作出判断。可是，也有一些材料显示出正载流子而且其迁移率远大于正离子，这正是某些半导体的特性。可是，所有这些特性——电阻的负温度系数、光电导、整流、光生电动势以及正电荷载流子，都无法做出合理的解释。在19世纪物理学家面前，半导体的各种特性都是一些难解之谜。然而，在没有揭示其导电机理之前，半导体的某些应用却已经开始了，而且应用得还相当广泛。1883年，弗立兹制成了第一个实用的硒整流器。无线电报出现后，天然矿石被广泛用作检波器。1911年，梅里特制成了硅检波器，用于无线电检波。1926年左右，锗也用于制作半导体整流器件。这时，半导体整流器和光电池都已成为商品。人们迫切要求掌握这些器件的机理。然而，作为微观机制理论基础的量子力学，这时才刚刚诞生。
电子管问世之后，获得了广泛的应用。但是电子管体积大、耗电多、价格昂贵、寿命短、易破碎等缺点，促使人们设法寻找能代替它的新器件。早在1925年前后，已经有人在积极试探有没有可能做成像电子管一样，在电路中起放大作用和振荡作用的固体器件。
人们设想，如果在半导体整流器内“插入”栅极，岂不就能跟三极真空管一样，做成三极半导体管了吗？可是，如何在只有万分之几厘米的表面层内安放栅极呢？1938年，德国的希尔胥和R。W。玻尔在一片溴化钾晶体内成功地安放了一个栅极。可惜，他们的“晶体三极管”工作频率极低，只能对周期长达1秒以上的信号起作用。
在美国贝尔实验室工作的布拉坦（W。H。Brattain）和贝克尔（J。A。Becker）于1939年和1940年也曾多次试探实现固体三极管的可能性，都以失败告终。成功的希望在哪里呢？有远见的人们指望固体物理学给予理论指导。
正好在这期间，量子力学诞生了，A。H。威尔逊在1931年提出了固体导电的量子力学模型，用能带理论能够解释绝缘体、半导体和导体之间的导电性能的差别。接着，他在1932年，又在这一基础上提出杂质（及缺陷）能级的概念，这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。1939年，苏联的达维多夫、英国的莫特、德国的肖特基各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。
至此，晶体管的理论基础已经准备就绪，关键在于如何把理论和实践结合在一起。1945年1月在美国贝尔实验室成立的固体物理研究组出色地做到了这一点。上面提到的布拉坦就是这个组的成员之一。他是实验专家，从1929年起就在贝尔实验室工作。另有一位叫肖克利（B。Shockley），是理论物理学家，1936年进入贝尔实验室。
1945年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组，其宗旨就是要在固体物理理论的指导下，“寻找物理和化学方法，以控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质”。这个组共有7人，组长是肖克利，另外还有半导体专家皮尔逊（G。L。Pearson）、物理化学专家吉布尼（R。B。Gibney）、电子线路专家摩尔（H。R。Moore）。最关键的一位是巴丁（J。Bardeen），他也是理论物理学家，1945年刚来到贝尔实验室，是他提出的半导体表面态和表面能级的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作得以走上正确的方向。
贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯并研究成功生长大单晶锗的工艺，使固体物理研究组有可能利用新的半导体材料进行实验。肖克利根据莫特-肖特基的整流理论，并且在自己的实验结果之基础上，做出了重要的预言。他认为，假如半导体片的厚度与表面空间电荷层厚度相差不多，就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面的电流也受到调制。这就是所谓的“场效应”，是以后的场效应管的理论基础。
可是，当人们按照肖克利的理论设想进行实验时，却得不到明显的效果。后来才认识到，除了材料的备制还有缺陷之外，肖克利的场效应理论也还不够成熟。表面态的引入，使固体物理研究组的工作登上了一个新的台阶。他们测量了一系列杂质浓度不同的p型和n型硅的表面接触电势，发现经过不同表面处理或在不同的气氛中，接触电势也不同，还发现当光照射硅的表面时，其接触电势会发生变化。接着，他们准备进一步测量锗、硅的接触电势跟温度的关系。就在为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他们把样品和参考电极浸在液体（例如可导电的水）中时意外的情况出现了。他们发现，光生电动势大大增加，改变电压的大小和极性，光生电动势也随之改变大小和符号。经过讨论，他们认识到，这正是肖克利预言的“场效应”。
巴丁提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖，再把针尖压进已经处理成n型和p型硅的表面，在针尖周围加一滴水，水与硅表面接触。带有蜡层的针同水是绝缘的。正如他们所预期的那样，加在水和硅之间的电压，会改变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了功率放大。后来，他们改用n型锗做实验，效果更好。然而，这样的装置没有实用价值，因为水滴会很快蒸发掉。由于电解液的动作太慢，这种装置只能在8赫以下的频率才能有效地工作。
他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，如果在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，有可能达到同样的目的，然而，这一方案实现起来也有困难。
最后，他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到大约5×10——3厘米的样子，而最细的导线直径都有10×10——3厘米。实验能手布拉坦想出一条妙计。他剪了一片三角形塑料片，并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，然后用刀片从三角形塑料片的顶端把金箔割成两半。再用弹簧加压的办法，把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是，他做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器。他们命名为晶体管（transistor）。这一天是1947年12月23日。接触型晶体管诞生了。
接着，肖克利又想出了一个方案。他把n型半导体夹在两层p型半导体之间。1950年4月他们根据这一方案做成了结型晶体管。
亲爱的朋友们，以上讲了晶体管的发明经过，从这段史实中，你能否指出，是谁发明了晶体管？谁又是最主要的发明者？是巴丁？是肖克利？还是布拉坦？应该说，他们都是。功劳应归于他们这个集体，他们所在的固体物理学小组。晶体管是他们的集体创造。我们不必纠缠于争论谁的功劳大，但至少可以由此得到一条信念：科学是人类集体的事业，是人们以各种方式，包括有形的和无形的，进行协作的产物。
原子钟的发明
大家知道，在计量单位制中，除了长度和质量外，还有一个基本物理量，那就是时间。
微波激射器发明后，人们已经认识到可以利用其极为精确的计时功能制造原子钟。原子钟的发明是在新长度基准之外又一件量子计量技术的成果。它使计时技术发生了革命性的变化。要知道，时间的计量对人类的生活有着不可估量的意义。
日出而作，日入而息，铜壶滴漏，日晷影移，这是原始的时间计量。古人就据此建立了各种可靠的计时标准。
在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地自古以来人们就以地球自转周期作为时间的量度基准，这就是所谓的太阳日。最初秒的定义就是1秒=1/86400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义在1900年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的1/31556925.9747.这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。
然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展，1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。”
这么精确的数据是从哪里来的？应该说：这是原子物理学工作者长期研究的成果，是40年代、50年代发明原子钟的重大收获。
大家知道，对于一个周期性系统来说，其周期与频率是互为倒数的。以周期作为时间计量单位实际上就是以频率作为计算时间的依据。原子在能量差为ΔE的两个能级之间跃迁时，将会放出或吸收电磁波，其频率ν=ΔE/h（h即普朗克常数）。如果能够控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率。如果这一频率非常稳定，就有可能被选定充当原子频率标准。
我们从光谱仪就可以测出原子光谱每一根谱线的频率，不过，原子光谱的谱线往往不是一根线，而是由若干更细的线组成。只要光谱仪的分辨率提高就可以观察到，这叫做光谱的精细结构。实际上精细结构还可以再分解，如果有分辨率更高的光谱仪，特别是在磁场的作用下，可以进一步观察到精细结构里还有更精细的结构，这叫做超精细结构。原子光谱的超精细结构早在1928年就有人观察到了。实验表明，基态的超精细结构跃迁频率不易受外界磁场的影响，相当稳定，以之作为频率标准是适宜的。
早在1940年，美国物理学家拉比就预见到铯133的超精细结构有可能作为频率计量的基准。铯133有三个特点：一是超精细结构的裂距量大，达9.2GHz，测量的精确度也很高，可达10——5.二是碱金属原子结构都很简单，属于单电子原子，和氢原子有类似性质，原子光谱的规律最明显，而铯是碱金属稳定元素中最重要的一员，原子质量大，则多谱勒频移小，谱线宽度随之减小，因此可得更高的精确度。三是铯在自然界中仅有一种同位素，即铯133（133Cs），这是最有利的条件。所以拉比首选铯作为原子钟的工作物质。
美国物理学家拉姆齐（N。F。Ramsey）当时正好在哥伦比亚大学随拉比做博士论文，题目是《用原子束方法研究分子的旋转磁矩》。他记得在拉比小组中曾讨论过用铯133的超精细结构测量频率的可能性。拉比还建议美国国家标准技术局研制原子钟，后因条件尚不成熟而搁置。
第二次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子技术有了长足进展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的时代已经不远了。
原子束实验装置素以结构复杂、设备庞大著称，因为它既需要加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射，聚焦、选场、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率计量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。
拉姆齐和大家一样，也在为这个问题做各种探讨。他当时正在哈佛大学教物理光学课，正当他在为谱线增宽的问题苦思之际，迈克耳逊的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的方法。
迈克耳逊的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项成果。他在加州威尔逊山天文台的2.54米天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6米，利用两翼的光束互相干涉，从而测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直没有解决的问题。相距6米的反射镜相当于把望远镜的口径加大6米，实际上即使成了这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学时当然会涉及这个问题。
可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过计算，证明在振荡场的两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同相位，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。这一设计思想立即使铯原子钟获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准技术局问世，频率宽度是原来的方法的十分之一，接着，英国国家物理实验室也于1955年建立了原子钟，3年后他们发表了精确的结果：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9192.631770MHz。这一频率后来在1967年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。秒的新定义就是这样产生的。
激光器的发明
这里指的是20世纪的一项重要发明——微波激射器。另一个新名词大家也许早就熟悉，所谓镭射，就是我们常常说到的激光。
晶体管的发明，它是第二次世界大战后最激动人心的科技产物，对20世纪后半叶人类社会的发展和物质文明的进步有极大的推进作用。然而，无独有偶，就在这个时期，又孕育了另一项重大的科技发明，那就是脉泽和激光。在脉泽和激光的发明中，运用了20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学和固体物理学的丰硕成果，也凝聚了一大批物理学家的心血。这些物理学家很多是在贝尔实验室工作的，其中最为突出的一位是美国的物理学家汤斯（C。H。Townes）。
汤斯是美国南卡罗林纳人，1939年在加州理工学院获博士学位后进入贝尔实验室。二次大战期间从事雷达工作。他非常喜爱理论物理，但军事需要强制他置身于实验工作之中，使他对微波等技术逐渐熟悉。当时，人们力图提高雷达的工作频率以改善测量精度。美国空军要求他所在的贝尔实验室研制频率为24000MHz的雷达，实验室把这个任务交给了汤斯。
汤斯对这项工作有自己的看法，他认为这样高的频率对雷达是不适宜的，因为他观察的这一频率的辐射极易被大气中的水蒸气吸收，因此雷达信号无法在空间传播，但是美国空军当局坚持要他做下去。结果仪器做出来了，军事上毫无价值，却成了汤斯手中极为有利的实验装置，达到当时从未有过的高频率和高分辨率，汤斯从此对微波波谱学产生了兴趣，成了这方面的专家。他用这台设备积极地研究微波和分子之间的相互作用，取得了一些成果。
1948年汤斯遇到哥伦比亚大学教授拉比（I。I。Rabi）。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正合汤斯的心愿，遂进入哥伦比亚大学物理系。1950年起在那里就任正教授。雷达技术涉及到微波的发射和接收，而微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。在哥伦比亚大学，汤斯继续孜孜不倦地致力于微波和分子相互作用这一重要课题。
汤斯渴望有一种能产生高强度微波的器件。通常的器件只能产生波长较长的无线电波，若打算用这种器件来产生微波，器件结构的尺寸就必需极小，以至于实际上没有实现的可能性。
1951年的一个早晨，汤斯坐在华盛顿市一个公园的长凳上，等待饭店开门，以便去进早餐。这时他突然想到，如果用分子，而不用电子线路，不是就可以得到波长足够小的无线电波吗？分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说，在适当的条件下，它每秒振动2.4×1010次，因此有可能发射波长为114厘米的微波。
他设想通过热或电的方法，把能量送进氨分子中，使氨分子处于“激发”状态。然后，再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中，氨分子受到这一微波束的作用，以同样波长的微波形式放出它的能量，这一能量又继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起着对一场雪崩的触发作用，最后就会产生一个很强的微波束。这样就有可能实现微波束的放大。
汤斯在公园的长凳上思考了所有这一切，并把一些要点记录在一只用过的信封的反面。汤斯小组历经两年的试验，花费了近3万美元。1953年的一天，汤斯正在出席波谱学会议，他的助手戈登急切地奔入会议室，大声呼叫道：“它运转了。”这就是第一台微波激射器。汤斯和大家商议，给这种方法取了一个名字，叫“受激辐射微波放大”，英文名为“Microwave Amplificationby Stimulated Emissionof Radiation”，简称MASER（中文音译为脉泽，意译为微波激射器）。
脉泽有许多有趣的用途。氨分子的振动稳定而精确，用它那稳定精确的微波频率，可用来测定时间。这样，脉泽实际上就是一种“原子钟”，它的精度远高于以往所有的机械计时器。
1957年，汤斯开始思索设计一种能产生红外或可见光——而不是微波——脉泽的可能性。他和他的姻弟肖洛（A。L。Schawlow）在1958年发表了有关这方面的论文，论文的题目叫《红外区和光学脉泽》，主要是论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。
肖洛1921年生于美国纽约，在加拿大多伦多大学毕业后又获硕士和博士学位。第二次世界大战后，肖洛在拉比的建议下，到汤斯手下当博士后，研究微波波谱学在有机化学中的应用。他们两人1955年合写过一本《微波波谱学》，是这个领域里的权威著作。当时，肖洛是贝尔实验室的研究员，汤斯正在那里当顾问。
1957年，正当肖洛开始思考怎样做成红外脉泽器时，汤斯来到贝尔实验室。有一天，两人共进午餐，汤斯谈到他对红外和可见光脉泽器很感兴趣，有没有可能越过远红外，直接进入近红外区或可见光区。近红外区比较容易实现，因为当时已经掌握了许多材料的特性。肖洛说，他也正在研究这个问题，并且建议用法布里-珀罗标准具作为谐振腔。两人谈得十分投机，相约共同攻关。汤斯把自己关于光脉泽器的笔记交给肖洛，里面记有一些思考和初步计算。肖洛和汤斯的论文于1958年12月在《物理评论》上发表后，引起强烈反响。这是激光发展史上具有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理学奖，肖洛也于1981年获诺贝尔物理学奖。
在肖洛和汤斯的理论指引下，许多实验室开始研究如何实现光学脉泽，纷纷致力于寻找合适的材料和方法。他们的思想启示梅曼（T。Maiman）做出了第一台激光器。
梅曼用一根红宝石棒产生间断的红光脉冲。这种光是相干的，在传播时不会漫散开，几乎始终保持成一窄束光。即使将这样的光束射到32万千米之外的月球上，光点也只扩展到两三千米的范围。它的能量耗损很小，这样，人们就自然想到向月球表面发射光脉泽束，以绘制月面地形图，这种方法远比以往的望远镜有效得多。
大量的能量聚集在很窄的光束中，使它还能用于医学（例如在某些眼科手术中）和化学分析，它能使物体的一小点汽化，从而进行光谱研究。
这种光比以往产生的任何光具有更强的单色性。光束中的所有光都具有相同的波长，这就意味着这种光束经调制后可用来传送信息，和普通无线电通信中被调制的无线电载波几乎完全一样。由于光的频率很高，在给定的频带上，它的信息容量远大于频率较低的无线电波，这就是用光作载波的优点。
可见光脉泽就是现在大家熟悉的激光，激光的英文名字也可音译为镭射（laser），laser是“Light Amplificationby Stimulated Emissionof Radiation”（受激辐射光放大）的缩写。
梅曼是美国休斯研究实验室量子电子部年轻的负责人。他于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学，在休斯实验室做脉泽的研究工作，并发展了红宝石脉泽，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行脉泽的经验多年，他预感到用红宝石做激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却，等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率。没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1.梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。
通过计算，他认识到最重要的是要有高色温（大约5000K）的激烈光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无须连续运行，脉冲即可，于是他决定利用氙（Xe）灯。梅曼查询商品目录，根据商品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，它是用于航空摄影的，有足够的亮度，但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把红宝石棒插在螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为1厘米、长为2厘米，正好塞在灯管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出。孔径的大小，通过实验决定。
就这样，梅曼经过9个月的奋斗，花了5万美元，做出了第一台激光器。可是当梅曼将论文投到《物理评论快报》时，竟遭拒绝。该刊主编误认为这仍是脉泽，而脉泽发展到这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。梅曼只好在《纽约时报》上宣布这一消息，并寄到英国的《自然》杂志去发表。
梅曼发明红宝石激光器的消息立即传遍全球。接着又诞生了氦氖激光器。
氦氖激光器是这三四十年中广泛使用的一种激光器。它是紧接着固体激光出现的一种以气体为工作介质的激光。它的诞生首先应归功于多年对气体能级进行测试分析的实验和从事这方面研究的理论工作者。到60年代，所有这些稀有气体都已经被光谱学家做了详细研究。
不过，氦氖激光器要应用到激光领域，还需要这个领域的专家进行有目的的探索。又是汤斯的学派开创了这一事业。他的另一名研究生，来自伊朗的贾万（Javan）有自己的想法。贾万的基本思路就是利用气体放电来实现粒子数反转。
贾万首选氦、氖气体作为工作介质是一极为成功的选择。最初得到的激光光束是红外谱线1.15微米。氖有许多谱线，后来通用的是6328埃，为什么贾万不选6328埃，反而选1.15微米呢？这也是贾万高明的一着。他根据计算，了解到6328埃的增益比较低，所以宁可选更有把握的1.15微米。如果一上来就取红线6328埃，肯定会落空的。
贾万和他的合作者在直径为1.5厘米、长为80厘米的石英管两端贴有13层的蒸发介质膜的平面镜片，放在放电管中，用无线电频率进行激发。为了调整两块平面镜的取向，竟花费了6～8个月的时间。1960年12月12日终于获得了红外辐射。
1962年，贾万的同事怀特和里奇获得了6328埃的激光光束。这时激光的调整已积累了丰富经验。里格罗德等人改进了氦氖激光器。他们把反射镜从放电管内部移到外部，避免了复杂的工艺。窗口做成按布鲁斯特角固定，再把反射镜做成半径相等的共焦凹面镜。
氦氖激光器一直到现在还在应用，在种类繁多的各种激光器中，氦氖激光器也许是最普及、应用最广泛的一种。在红宝石激光器和氦氖激光器之后，接踵而至的是效率更高、功率更大的激光器——二氧化氮激光器和经久耐用、灵巧方便的半导体激光器，它们像雨后春笋一般涌现了出来，成了现代高科技的重要组成部分。
光导纤维的发明
光通信是一门既古老又年轻的科学技术。说它古老，是因为早在古代就有利用光传递信息的记录。我国的周朝，就曾经用“烽燧”来传递敌人入侵的信息，距今已三千余年。航行中利用旗语和灯光传递信息，也有几百年了。1880年发明电话的贝尔就曾经进行过光通信的实验。
可见，用光传递信息远比用电传递信息的历史来得悠久，当然所有这些都只是在空气中传递光的信息。说它年轻，是因为光通信真正成为现实，还是近三十多年的事情，只是在激光器出现之后，电缆通信和无线电通信已显示出许多不足，采用光学方法代替电学方法传递信息才成为当务之急。于是，以光导纤维（简称光纤）为核心的光纤通信技术就应运而生。
作为一门高新科技，光纤通信可以说是物理学、化学、电子学、材料科学等学科的综合产物，在当代高新科技中具有特殊的地位。我国国家科学发展规划，把光纤通信和计算机、生物工程等项目并列为技术革命的重点，就可见其重要性。
光纤通信是现代信息传输的重要方法之一。它的特点是：容量大，保密特性好，抗干扰性能强，中继距离大，节省铜材等。
光纤一般是由同心圆柱形的双层透明介质，主要是石英玻璃之类的介质组成，石英玻璃实际上就是二氧化硅（Si O2）。介质的内层叫纤芯，外层叫包层，纤芯的折射率高于包层，光纤拉成细丝，其直径约为数微米，包层直径为125微米。多根光纤组成光缆，结构与电缆差不多，其制造方法和环境要求也与电缆类似。
值得特别向读者介绍的是，英籍华裔科学家高锟（Charles Kao）的开创性工作对这项重大课题的解决具有决定性的意义。
1966年，高锟和他的合作者霍克汉（G。A。Hockham）在进行一系列理论和实验研究之后，发表了一篇著名论文，提出用光纤进行长距离通信的建议。他们预言光波导材料的衰减率有可能从当时的每千米1000分贝（即1000d B/km）降低到每千米20分贝（即20d B/km），他们证明单模光纤每秒有可能传送10亿位数字信号，并论证了单模光纤的要求和特性。这两位科学家以敏锐的洞察力，勾画出了尚未出现的技术蓝图。他们认为最艰难的任务是研制损耗低于20d B/km的光纤材料。这一指标在1966年实在难以实现，但是在高锟的激励下，仅仅过了4年，就有人宣布达到了这个指标。从此，光纤通信技术蓬勃发展，而高锟和霍克汉的这篇著名论文就成了光纤通信领域的里程碑。
高锟1933年生于上海，1957年获伦敦大学物理学士学位，1965年获博士学位，1957～1960年任英国标准电话和电缆公司工程师，1960～1970年转到英国标准电信实验室（STL）任职。就在这里，他和霍克汉在微波技术专家卡博瓦克（T。Karbowiak）的领导下，对微波波导开展研究，并在卡博瓦克引导下，转向光波波导的研究。
应该说明，纤维光学并非他们首创。大家知道，光从光密媒质（折射率大）射向光疏媒质（折射率小）时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射。光导纤维就是根据这个原理。早在1910年，著名物理学家德拜（P。Debye）和他的合作者洪德罗斯（Hondros）就对介质波导做了详尽的理论分析。到了50年代，用玻璃做成可弯曲的光束管道，可以使医生能够看到人体内部，这就是所谓的内窥镜，直到现在还有广泛应用。然而，内窥镜采用的光纤是玻璃制品，其衰减率大于1000d B/km，只适用于长度不超过1～2米的仪器传光传像，根本不能用于长距离通信。即使在1960年发明了激光器之后，用激光器作光源，由于光纤的衰减率如此之大，也无法利用光纤进行长距离通信。
激光器的发明使人们对历史悠久的光学刮目相看。完全有理由相信，以激光为主体的光通信时代即将到来，这一认识促使人们加强对光通信的研究。当时微波已经是远距离通信，包括电视和电话的重要媒介。而微波既可经空气传送，也可经波导传输。人们很自然地想到激光也应该能够像微波那样，经空气直接传送或经空腔光学波导传输。人们普遍认为，只要把微波技术扩展到光传输，就可实现远距离光通信。例如，美国贝尔电话公司的贝尔实验室就在致力于这方面的研究，当时高容量电话系统是靠微波在一系列塔架之间从空气中传送，就像多年来一直在用的微波电视传送一样，贝尔实验室的科学家用激光器做了一个模拟器，建在新泽西州的赫尔姆戴尔（Helmdel）的主实验室和附近的克罗福德山实验室的屋顶之间，经过多次试验，没有取得预期效果。他们很快发现，空气并不像看起来那样纯净，雨、雪或浓雾都能使信号强度大大衰减，例如：经过2.6km的路程信号竟衰减了60d B以上。显然，从空中直接传送光信号很难满足高容量通信的需要。
贝尔实验室同时还在进行另一套试验方案。从1950年开始，微波工程师米勒（S。E。Miller）就带领一个小组在克罗福德山研制一种空腔波导，专门用于60GHz的微波（频率为60GHz的微波，其波长约为5毫米，所以也叫毫米波），这种微波在空气中衰减很快，因此采用波导管进行传输。他们的毫米波导管内径是5cm，传输的是单模，以毫米波为载体，把语言数字化，并通过毫米波导管传输，其能力为160Mbit/s（兆比特/秒）。米勒小组相信，把空腔波导概念推广到光波领域，有可能形成下一代新的通信技术。许多有名望的通信工程师也都是这样想的。
然而，问题并不像人们想象的那样简单。大家知道，光波波长约为1微米，比毫米波波长小千倍，如果光波波导按比例缩小，就必须把空腔波导管的直径做成10微米以下，而这个要求是难以实现的。如果波导管的直径过大，传送的光波只能是多模的，这样就很不利于光的传播。但米勒小组并不把这当成障碍，理论上讲，他们只需要在波导管中增加许多透镜，周期性地让激光束沿着波导管重新聚焦，就可以克服这一困难。为了消除固体透镜表面不可避免的反射，贝尔实验室试验成功了气体透镜，用波导管中心冷空气和管壁热空气折射率的不同进行聚焦，虽然仍有一些工程问题，但是基本概念已经很清楚了。于是，美国的贝尔实验室就准备在条件成熟后推出以空腔波导为传输手段的光通信技术。这时已是60年代中期了。
英国的标准电信实验室（STL）的里弗斯（A。H。Reeves）对通信技术的发展途径有独特的见解。他由于在1937年发明了脉码调制而闻名于世。里弗斯在激光出现时已经是58岁的人了。他富有远见和创造性，在梅曼发明第一台激光器之前就对光通信发生了兴趣，并向正在领导STL微波波导研究的工程师卡博瓦克提出光学研究任务。上面我们提到的高锟和霍克汉就在卡博瓦克的小组中工作。开始他们也是跟美国同行那样，把透镜放在空腔光波导管中进行实验，他们用柔性塑料制成固体介质波导管。这种固体介质波导管在微波系统中可以使用。如果它们的直径按波长的比例缩小，应该也能在光波长范围内工作。然而，用比头发丝还要细的塑料棒传送光波实际上会遇到许多难以解决的问题。
1963年卡博瓦克安排高锟和霍克汉研究介质光波导，当时30岁的高锟正在写关于波导研究的博士论文，霍克汉刚大学毕业两年，卡博瓦克认为光导纤维是有前途的，但是他担心材料损耗，所以他鼓励高锟和霍克汉研究他自己设计的一种新颖的平面波导，在这种平面波导中光大体上是沿着外侧传播。高锟和霍克汉测试了卡博瓦克的波导，发现它对弯曲非常敏感，而这正是毫米波导管和空腔光波导管都无法避免的问题。
1964年末，新南威尔士大学授予卡博瓦克电气工程的教授职位，这是晋升的大好机会，于是卡博瓦克离开了英国的标准电信实验室，把光学研究课题交给高锟。高锟和霍克汉并没有拘泥于原有的方案，而是把注意力转向光导纤维。他们知道，玻璃纤维细小而且宜于弯曲，比起贝尔实验室的空腔光导管来有很多优越的地方。
高锟和霍克汉吸取了斯尼彻（E。Snitzer）的意见，认识到如果包层的折射率比纤芯正好小1%，就可以在较大的光纤中进行单模传输，包层不仅增加了纤维的直径，而且改变了波导的特性，使单模有可能在直径10倍于波长的纤芯中传送。
高锟集中精力于难以解决的光学损耗问题，他向光学专家请教，发现杂质导致绝大部分吸收，如果使玻璃变纯将大大减少损耗，剩下的就是约1d B/km的散射损耗，这个数字是缪勒（C。Maurer）在一篇文章中导出的，缪勒后来领导康宁（Corning）玻璃公司做出了首批低耗纤维。霍克汉则致力于研究光纤所需的均匀性。大多数波导系统对直径的微小变化极为敏感，而这变化在真正制造过程中几乎不可避免，但是霍克汉证明机械公差10%足以给出大约1GHz的带宽。
1965年11月他们向在伦敦的电气工程师协会（IEE）递交了共同署名的论文，略加修改后，发表在1966年7月的IEE会刊上。论文题名为《用于光频的介质纤维表面波导》。他们在结论中明确地提出了用光导纤维的方案。在高锟两人的论文激励下，美国康宁公司在1970年率先研制出了衰减率低于20d B/km的石英光导纤维，恰好这一年适合于光纤通信之用的光源——双异质结半导体激光器问世。这两项技术的突破立即掀起了研制和使用光纤通信的高潮。此后，光纤的衰减率不断降低，1974年为2d B/km，1979年最低达到了0.2d B/km，而半导体激光器的寿命则大大增加，刚开始只有几小时，1975年为10万小时，1979年则达100万小时。1977年贝尔实验室首先完成了光纤通信的现场试验，全面制备了光纤通信的配套器件，完善了生产工艺，从此光纤通信进入了实用阶段。
80年代初，世界各地开通的光纤通信线路已达上千条，除用作电话通信外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制、监测以及军事目的。1988年第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光纤开通。1989年4月，从美国西海岸经夏威夷及关岛，联结日本及菲律宾的跨太平洋海底光缆开通了服务，后来又有第二条跨大西洋海底光缆投入使用。在陆地上的推广应用更是日新月异。许多国家相继宣布，干线大容量通信线路以后不再新建同轴电缆，完全铺设光缆。我国干线系统中比较著名的有南沿海工程，沪宁汉干线，芜湖至九江，京汉广干线等。短距离系统更是不计其数。在武汉、上海、西安、北京、天津等地建立了几家规模较大，水平较高的光纤、光缆制造厂，另外还有一批与之配套的光电子器件工厂及研究所，为光纤通信在我国广泛推广应用打下了基础。
时至今日，无线电外差通信正向光外差通信发展，通信设备技术正由微电子集成向光电子集成发展，单频、单波长、单通道正向多波长、多通道、微波负载、波密集光通信发展，电缆通信正在被光缆通信取代。
射电天文望远镜的发明
物理学和天文学的结合产生了天体物理学，在19世纪末达到了鼎盛时期，当时人们广泛使用天文望远镜观测从天体发来的光谱信息。人们分析这些光谱从而大大扩展了对天体的认识。进入20世纪，无线电开始得到了应用。出乎科学家的预料，无线电工程刚刚发展，就成了天文学的重要工具。到了20世纪中叶，以射电天文望远镜为主要工具的射电天文学已经成为天文学的一个重要分支学科，许多重要天文发现由此产生。一座座射电天文望远镜不分昼夜，在世界各地指向太空，不停地捕捉来自宇宙的信息，其本领远远超过光学望远镜！我们现在就来对射电天文学的发展做些简单的介绍。从中可以看到有关的一些物理学家为射电天文学的发展所做的多项创造性贡献。首先要提到的是宇宙无线电波的发现者，他名叫央斯基（K。G。Jansky）。
央斯基是美国人，1928年大学毕业后来到贝尔实验室工作。他当时的任务是研究短波通信的干扰问题。1931年的一天央斯基在研究短波通信干扰时注意到了一种非常微弱的吱吱声。虽然这样微弱的干扰对无线电通信没有实际影响，他完全可以对其置之不理。但是，央斯基本着对宇宙的好奇心，没有放弃这一异常现象。起初，他以为这种噪声可能与太阳有关系。经过反复考察，他发现这些噪声每天总是提前4分钟发生。他一时不明白这一现象的起因。正好央斯基有一位从事天文学的朋友，他在和这位朋友的交往中学到了许多天文知识。他知道：恒星日比太阳日要短4分钟。这使央斯基想起，这个按时出现但却总要晚4分钟的宇宙无线电波不是来自太阳，一定是同某个恒星有关系。央斯基锲而不舍地紧紧地跟踪这微弱的噪声。经过一年的监测，终于找到了这个射电源的方位。他绘出了射电源在宇宙上的坐标。原来，这个射电源在银河系中心附近。
这是人类第一次探测到来自太空的无线电波。从此，人类打开了探测宇宙奥妙的又一个窗口……射电天文学从此诞生了。在这之后，射电天文学迅速发展，先后发现了宇宙背景辐射、星际分子、脉冲星和类星体。人们利用射电天文望远镜把自己的视野扩展到100亿光年以外的深远宇宙空间。
提起射电天文学的创建和发展，不能不说到英国剑桥大学卡文迪什实验室和在那里工作的两位著名物理学家，他们是赖尔（Martin Ryle）和休伊什（Antony Hewish）。赖尔在射电天文学方面做出了先驱性工作，特别是发明了所谓的综合孔径技术，休伊什则是在发现脉冲星的过程中起了决定性的作用，他们共同获得了1974年诺贝尔物理学奖。
赖尔1918年9月27日生于英格兰的一个书香门第的家庭里，很小就对天文学有特殊的爱好。他喜欢独自思考，善于动手，学过木工手艺，长大后参加过制造帆船和航海活动。赖尔的祖父是一位业余天文爱好者，拥有一架10厘米的折光望远镜。据说赖尔小时候曾因思考广袤空间为什么能永恒存在而夜不入寐。在中学时代，他对无线电非常感兴趣，自己动手制造发射机，参加业余无线电爱好者活动站。1936年赖尔进入牛津大学基督教会学院学习物理。他对卡文迪什实验室阿普顿（E。V。Appleton）教授的电离层研究很感兴趣，立志要进到卡文迪什实验室参加电离层研究。1939年，他一毕业就被阿普顿的合作者拉特克列夫（J。A。Ratcliffe）教授招到卡文迪什实验室的电离层无线电研究小组，准备跟随拉特克列夫做博士论文。可是还没有开始就爆发了第二次世界大战。这时战争的需要压倒一切，而雷达和天线的研制又是最急迫的任务。于是，赖尔发挥他对无线电的特长为加强国防出力。在卡文迪什实验室，他开始接触到雷达天线的工作，做了许多模拟试验，还进行过新式天线的设计。不久赖尔应征加入英国空军部研究所，后转电讯研究所工作，他先是从事波长1.5米机载拦截雷达天线系统的研制，并发展了机载定向天线。还参与用于鉴别敌我飞机的机载雷达应答器的研制。1941年初，赖尔负责一个小组，研制厘米波雷达的测试设备，制造了原型的厘米波信号发生器、波长计、功率计和脉冲监视器。
1942年赖尔曾参与研制对付德军监视英国飞机的预警雷达系统的机载干扰发射机和对付德军机载通讯系统的干扰发射机。赖尔还设计了一种非常有效的机载预警接收机，帮助轰炸机及早躲避敌机的拦截雷达的追踪。
1944年，赖尔和他的小组参加了一个复杂的电子欺骗行动，以掩护盟军在诺曼底登陆，他们设计了应答器，模拟舰队的回波雷达信号。这个行动获得了成功。
赖尔还发现德国初期V2火箭的制导是靠地面发射信号来控制火箭最后飞行速度和熄火时刻的秘密，发射信号是隐没在宽带的一大堆混淆信号中的一对频率。为此他设计了一种新型接收机，专门用于搜索这对频率，并用机载的大功率干扰发射机进行干扰，从而达到了破坏V2火箭命中率的目的。
1942年2月12日两艘德国军舰在干扰掩护下逃离英吉利海峡之后两周，英国防空雷达又遇到了一次大干扰。这一干扰曾经使4米防空雷达的回波经常出现消失。人们甚至猜测是不是德国人发明了一种新的干扰器件。但是也有人认为，这一消失可能是来自太阳的射电电波造成的。负责调查这次事件的海伊（J。S。Hey）发现，引起这次干扰的是太阳上一个大黑子群中产生的大耀斑。如果这一不期而遇的现象是真实的，太阳射电就大有研究的价值了。但是由于这个问题涉及军事秘密，没有公开，只有少数人接触到，而知道这个战时军事秘密的正是拉特克列夫。拉特克列夫认为，这是一个极富挑战性的课题。战争期间由于军事问题优先，不可能对这类现象做深入研究。现在战争结束了，由于无线电接收机的灵敏度和信噪比大大提高，使得观测来自太阳的无线电波变成容易得多，有可能做出判决性的结论。因此他就建议刚刚从军队返回卡文迪什实验室的赖尔针对这个问题进行研究。
赖尔和他的同事从1945年12月开始检验来自太阳的米波射电。1947年斯密士（F。G。Smith）加入，1948年休伊什也加入进来了。
1948年太阳黑子周期接近最大，这是一次极好的观测机会，可以全时连续记录来自太阳的射电辐射。以前的观测表明，来自太阳的厘米波辐射是非常明显的，任何时候都可以观测到，然而米波辐射则很少记录，只有在太阳黑子活动较为频繁的期间才能观测到。这是什么原因？是不是在其他时间里太阳就没有米波辐射？或者这一辐射的强度极低，以至仪器的灵敏度无法检测到？
为了回答这个问题，赖尔等人建造了一台设备，可以获得比战时米波雷达高大约100倍的角分辨率，从而探测到比过去所见弱得多的信号。他们发现，太阳米波辐射在所有时间里都可以测到，而且比预想的强得多。
1949年赖尔和翁伯格（D。D。Vonberg）按照自己的方案设计了一台独特的干涉射电天文望远镜。这台仪器由两组天线阵构成，指向子午线，这样就可以当地球旋转时，接收角扫过太阳，从两组天线分别得到的电流在电学仪器上产生干涉图像。天线之间的距离大约为250米，可以随意改变，从干涉图像的变化可以计算出产生射电波的太阳那块表面面积的直径。计算的原理和迈克耳逊干涉望远镜的干涉条纹计算星体直径的原理是一样的。由此赖尔和翁伯格发现，在太阳活动期，射电源是非常密集的，它的大小比太阳本身要小得多。
干涉射电天文望远镜的发展是卡文迪什实验室在射电天文学方面的主要特色。这类望远镜越做越大，角度分辨率越来越高，于是就有越来越多的射电源得以确证，其形状也一一被描绘出来。望远镜的灵敏度增大了，足以探测更弱的、更遥远的射电源。同时，他们也相应地研制出了各种与之有关的电学仪器。
在赖尔的领导下，剑桥大学先后建立了一系列通用和特殊的射电天文望远镜，到了1972年又新开设了5千米的射电天文望远镜，这是相当宏伟的工程。
与这些设备的改进相伴的是，这里用上了更有效的方法。这就是所谓“孔径综合”技术。只要用小的天线，连续地移动到和巨型射电天文望远镜各部分相应的位置，再把信号送到计算机里加以综合，就可以获得跟巨型射电天文望远镜同样的效果。
赖尔是射电天文学的主要创建者之一，他发明的综合孔径射电天文望远镜成为世界各国射电天文学家仿效的典范。他创建的卡文迪什射电天文学基地成为国际上最重要的射电天文研究中心之一。他在射电天文观测技术、射电宇宙学和射电源物理学等方面做出了大量的创造性贡献和发现，使英国的射电天文学研究长期处在领先地位。他培养了大批优秀的射电天文学家，这些人才又在射电天文学中做出了大量成果。休伊什发现脉冲星就是其中最有价值的贡献之一。
超导体的发现
超导体，作为固体物理学的一个活跃分支，它的历史只有短短的几十年，而作为一门新技术应用于各个领域，那还是近三十年的事情。但是，不足百年的发展历史，就使它发展成为一门完整的科学，并以极大的优越性应用于电机、输电、磁流体发电、高能物理等方面，在电子技术、空间技术、受控热核反应，甚至与人们生活密切相关的交通运输和医疗等方面，都展示了乐观的前景。
1987年2月25日，国内各大报刊纷纷以大字标题登出了头条新闻：我国超导研究取得重大突破！新闻中讲到，中国科学院物理研究所近日获得起始转变温度在绝对100度以上的高临界温度超导体，“这项研究成果居于国际领先地位”。从此以后，报纸、电视、广播中不断传来世界各国科学家和中国科学家在超导研究中取得重大进展的消息。一时间，像一阵旋风一样，“超导热”席卷了全世界。
当一位平素并不太为人们所了解的演员突然间走红成为明星时，人们会以极大的兴趣来关注这位明星。对于当前科学舞台上超导体这位“明星”来说，大多数人还不够熟悉。那么，到底什么是超导体？超导体的研究有什么用处？超导研究的历史中有哪些重要的里程碑？科学家又为什么会对超导的研究如此重视呢？
物体的电磁性
看看我们的周围，如今多种电器已经在家庭中普遍得到应用。当你在漆黑的夜晚坐在白炽灯明亮的光线下读书时，当你在寒冷的冬季打开了电炉取暖时，你是否想到过白炽灯的光和电炉的热是怎样产生的？
物理学的发展，使我们对带电现象的本质了解得越来越深入了。我们都知道，组成物质的原子是由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子构成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷相等。这时，原子是中性的，整个物体也不显电性，一旦物体得到或失去一些电子，使得原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷不相等，物体就表现出了带电性。而物体按照导电能力的强弱，可以分为导体、半导体和绝缘体。导体能够导电，是因为导体内部存在着可以自由移动的电荷。比如说，金属是导体，在金属内部所有的原子都按一定的秩序整齐地排列起来，成为所谓的晶格点阵。这些原子只能在规定的位置附近作微小的振动。原子中离核较远的一些电子，容易摆脱原子核的束缚，在晶格点阵之间自由地跑来跑去，这类电子叫自由电子。如果我们把晶格点阵比做一个大的果园，原子比做果树，那么晶格中的自由电子就好像一群在果树园中随意玩耍的天真活泼的孩子。当有外力作用时，自由电子便按一定的方向移动，形成电流。这就好像一声铃响，果树园中自由玩耍的孩子们，都向着一个方向跑去时一样。
玻璃、橡胶、塑料等不容易导电，我们称为绝缘体。在它们内部，绝大部分电荷都只能在一个原子或分子的范围内作微小移动，这种电荷叫束缚电荷。由于缺少自由移动的电荷，所以，绝缘体的导电能力差。
还有一类物体，像锗、硅以及大多数的金属氧化物、硫化物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们把这类物体叫半导体。
磁铁是我们日常生活中并不罕见的物体，在磁铁的周围存在着磁场。拿一块磁铁来，这个磁铁的两端就是它的两个极——南极（S极）和北极（N极），这两个极间的相互作用是通过磁场来进行的，磁场虽然看不见摸不着，但我们可以用磁力线来描绘它。在一根条形磁铁的上面放一块玻璃板，玻璃板上撒一层铁屑，轻轻敲打玻璃板，铁屑就会按一定的规则排列，将这些铁屑连成线条，我们叫它磁力线。它的疏密程度能反应磁场的强与弱，磁力线上面的每一点的切线方向，表示了这一点的磁场方向。电与磁是相互联系、相互转化的。我们知道，电流通过导线时，周围就会产生磁场。根据电流可产生磁场的道理，人们把导线绕成线圈，做成了电磁体，广泛应用在生产和日常生活中。
近代物理学的知识告诉我们，无论磁现象还是电现象，它们的本源都是一个，即电荷的运动。物体原子中的电子，不停地绕核旋转，同时也有自转，电子的这些运动便是物体磁性的主要来源。也就是说，一切磁现象都起源于电荷的运动，而磁场就是运动电荷的场。
不仅电流能够产生磁场，而且磁场的变化也可以产生电流，这叫电磁感应现象。电磁感应的发现，为工农业生产的电气化创造了条件。
温度是反映物体冷热程度的物理量，我们常用温度计来测量温度。人们还规定了在一个标准大气压下，冰溶解时的温度为零度，水沸腾时的温度为100℃，在0℃～100℃之间分成100等份，每1份就叫1℃。这种标定温度的方法叫摄氏温标。用摄氏温标表示温度时，应在数字后面写上符号“℃”。
在热力学理论和科学研究中，还常用另一种温标叫绝对温标，这种温标不是以冰水混合物的温度为零度，而是以-273.15℃作为0℃，叫绝对零度。绝对温度的1度叫1开，用字母“K”表示。同一个温度可以用摄氏温标表示，也可以用绝对温标表示，它们之间的关系为：T=t+273.15（K），这里T为绝对温度，t为摄氏温度。
水蒸气遇冷可以凝结成水，但要让空气凝结成液体，却不是件容易的事。经过长期的实践，人们发现，在一个大气压下，空气要在81K（约为-192℃）以下，才可以液化。换句话说，液态空气在一个大气压下的沸点为81K，这样，人们便把低于81K以下的温度称为低温。至于氢气和一些惰性气体的液化温度，那就更低了。如果我们能用特殊技术使这些气体液化，并把它们置于特殊的容器中保存起来，这样就可以获得极低的温度。这些温度和我们的生活环境差距如此之大，许多物质在这样低的温度里显示了从未有过的奇异的特殊规律。研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，就叫低温物理。
19世纪末，随着工农业生产的迅速发展，低温技术也日益提高，一个个曾被认为不能液化的“永久气体”相继被液化，使人们获得了越来越低的温度，为探索未知世界的奥秘提供了强有力的武器。终于在20世纪初叶，揭开了超导体研究的序幕。
奇异的低温世界
提起低温，我们往往会联想到千里冰封、万里雪飘的北国风光，在我国北方度过了童年时代的人们更会浮想起许多愉快的儿时往事：玻璃窗上美丽的冰花图案、雪球激战、白雪老人……居住在北方的少年朋友，你们对这些场景一定不会感到陌生吧！除此之外，我们也会想到人类的老祖先曾经和漫长严寒的冰期作过多少万年的艰苦斗争，更会想到南、北极那终年不融的冰山。经过漫长的历史岁月，人们早已战胜了普通的冰雪低温。在现代，除了探索地球南北极大自然的奥秘外，摆在科学工作者面前的一个任务便是向更低的温度进军了。
1784年，英国的化学家拉瓦锡曾预言：假如地球突然进到极冷地区，空气无疑将不再以看不见的流体形式存在，它将回到液态，这就会产生一种我们迄今未知的新液体。他的伟大预言一直激励着人们试图实验气体的液化，或者尝试达到极低的温度。
法拉第是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家。他生于伦敦近郊的一个小村子里，父亲是个铁匠，家境十分贫寒，所以法拉第的青少年时期没有机会受到正规的学校教育，只是学了一点读、写、算的基本知识。但他勤奋自强，自学成才，完全凭借自己的努力、胆略和智慧，从一个书店报童到装订书的学徒再到皇家研究院实验室的助理实验员，最后成为一名著名的实验物理学家。
1823年，法拉第开始了气体液化的实验研究。当时，他正在皇家学院的实验室做戴维的助手。有一天，法拉第正在研究氯化物的气体性质，他用一根较长的弯形玻璃管进行他的实验：把一种氯化物装在管子的较长端，然后密封玻璃管的两端，加热管子的较长端，他突然发现在玻璃管的冷端出现了一些油状的液滴，法拉第马上就意识到，这液滴是氯。由于加热，密封管中的压强必然增大，但只有冷端收集到液态的氯，这说明影响气体液化的因素不只是压强，除了压强之外，还有温度。1826年，法拉第又做了一个实验，这次他将管子的短端放在冰冻混合物中，结果收集到的液氯更多了。从这以后，法拉第开始对其他气体进行研究，他用这种方法陆续液化了硫化氢、氯化氢、二氧化硫、乙炔等气体。到了1845年，大多数的已知气体都已经被液化了，而氢、氧、氮等气体却丝毫没有被液化的迹象。当时有许多科学家认为，它们永远也不会被液化了，它们就是真正的“永久气体”。
然而，实验家们并没有就此罢休，他们设法改进高压技术，试图用增大压强的方法来使这些“永久气体”液化。有人将氧和氮封在特制的圆筒中，再沉入海洋约1.6千米深处，使压强大于200个大气压；维也纳的一位医师纳特勒在19世纪中叶曾选出能耐300大气压的容器来做实验，但最终都未成功，空气始终未能被液化。
法国物理学家卡尼承德托尔，在1822年曾做过一个实验，他把酒精装在一个密闭的枪管中，由于看不见枪管中发生的现象，他就设法利用听觉来帮助自己。他将一个石英球随酒精一起封进枪管内，利用石英球在液体中滚动和在气体中滚动所发出的不同声音来辨别枪管内的酒精是液态还是气态。他发现在足够高的温度时，酒精完全变成了气态。
为了搞清楚这个过程是怎样发生的，他改用密封的玻璃管进行实验，在管内充入部分酒精，一边加热一边观察。然而，尽管玻璃管很坚固，每当液体只剩一半时，玻璃管就会突然爆炸。这到底是为什么呢？他再一次进行上述实验，结果玻璃管还是毫不例外地发生了爆炸。经过多次反复的实验，托尔最后得出结论：当酒精加热到某一温度时，将突然全部转变成气体，这时的压强将达到119个大气压。当然，在这样大的压强下，什么样的玻璃管也将会发生爆炸的。
托尔对酒精汽化现象的研究，引起了人们的重视，人们纷纷开始对其他液体进行研究，发现任何一种液体，只要是给它不断地加热，在某一温度下，它都会转变成气体，这时容器内部由气体产生的压强将显著增大。就这样，托尔对气液转变现象的研究，使他成了临界点的发现者。然而，遗憾的是，当时托尔对之并不能解释，直到1869年，安德鲁斯全面地研究了这一现象，才搞清楚了气液转变的全过程。
安德鲁斯是爱尔兰的化学家，见伐斯特大学化学教授。1861年，他用了比别人优良得多的设备从事气液转变的实验。他从托尔的工作中吸取了经验，托尔用酒精做的实验是相当成功的。后来安德鲁斯换用水来做这个实验，但由于水的沸点太高，压强要大到容器无法支持的地步，因此没有做成这个实验。于是，安德鲁斯就选了二氧化碳（CO2）作为工作物质。他把装有液态和气态的二氧化碳的玻璃容器加热到30.92℃时，液气的分界面变得模糊不清，失去了液面的曲率，而温度高于30.92℃时，则全部处于气态。当温度高于这个数值时，即使压力增大到300或400个大气压，也不能使CO2液化，他把这种气液融合状态叫临界态，这个温度值叫临界温度。在这些实验的启示下，人们进而设想每种气体都有自己的临界温度，所谓的“永久气体”可能是因为它们的临界温度比已获得的最低温度还要低得多，只要能够实现更低的温度，它们也是可以被液化的。问题的关键在于寻找获得更低温度的方法。
在“永久气体”中，首先被液化的是氧。1877年，几乎同时有两位物理学家分别实现了氧的液化。一位是法国人盖勒德，一位是瑞士人毕克特。
盖勒德早先是矿业工程师，他最初也是试图通过施加高压强来使气体液化。他用的工作物质是乙炔，乙炔在常温下，大约加到60个标准大气压就足以液化。可是盖勒德的仪器不够坚固，不到60个标准大气压就突然破裂了，被压缩的气体迅速跑出去，就在容器破裂的瞬间，他注意到器壁上形成了一层薄雾，很快就又消失了。他立即醒悟到，这是因为在压强消失之际，乙炔突然冷却，所看到的雾是某种气体的短暂凝结，不过当时盖勒德却把它误认为是乙炔不纯，含有水汽所凝结成的水雾。于是，他从化学家贝索勒特的实验室里要了一些纯乙炔，再进行试验。实验的结果还是出现了雾，这样，他才断定这雾原来就是乙炔的液滴。盖勒德的乙炔实验虽然走了一点小弯路，但却找到了一种使气体液化的特殊方法。
接着，他尝试使空气液化，以氧作为他的第一个目标。他之所以首选氧，是因为纯氧比较容易制备。他将氧气压缩到300个标准大气压，再把盛有压缩氧气的玻璃管放到二氧化硫的蒸气中，这时温度大约为-29℃，然后再让压强突然降低，果然在管壁上又有薄雾出现，他重复做了这个实验很多次，结果都是一样，最后盖勒德肯定，这薄雾就是液态氧。
有趣的是，正当盖勒德在法国科学院报告这一成果时，会议秘书宣布了不久前接到的毕克特的电报，电报说他在320个标准大气压和-140℃下联合使用硫酸和碳酸，液化氧取得了成功。
虽然盖勒德的实验只是目睹了氧的雾滴，并没有把液态氧收集到一起保存下来，然而他的方法却在后来其他气体的液化中得到了应用。
1895年以后，低温物理学在工业上的应用与日俱增，主要用途是为炼钢工业提供纯氧。正在这个时候，英国皇家学院的杜瓦为研究绝对零度附近的物质的性质，也在致力于解决低温的技术问题。1885年，他改进了前人的实验方法，获得了大量的液态空气和液氧，并在1891年发现了液态氧和液态臭氧都有磁性。1898年，杜瓦发明了一种特殊的绝热器，当时叫做低温恒热器，后来也称为杜瓦瓶。他将两个玻璃容器套在一起，联成一体，容器之间抽成真空，这样的瓶就可以盛大量液氧了。1893年1月20日杜瓦宣布了他的这项发明。1898年，杜瓦用自己的新型量热器实现了氢的液化，达到了20.4K的低温，第二年实现了氢的固化，靠抽出固体氢表面的蒸气达到了12K的低温。
杜瓦以为液化氢的成功开启了通过绝对零度的最后一道关卡，谁知道他的残余气体中竟还有氦存在。他和助手们想了很多办法，经过数年的努力，但终未能实现氦的液化。
正当世界上几个低温研究中心致力于低温物理研究时，从事低温领域研究的最出色的是荷兰物理学家卡默林翁尼斯。他以大规模的工程来建筑他的低温实验室——莱登实验室。他的实验室的特点是：把科学研究和工程技术密切结合起来，把实验室的研究人员和技师组织起来，围绕一个专题，分工负责，集中攻关。相比之下，他的低温设备规模之大，使同时代以及早于他的著名实验室的设备简直变成了“小玩具”。这样，翁尼斯领导的低温实验室——莱登实验室成了国际上研究低温的基地。
1908年的一天，历史性的日子终于到来了，这一天的实验室工作是从早晨五点半开始一直工作到夜间九点半。全体实验室工作人员都坚守在各自的工作岗位上，他们正在进行氦的液化实验，他们是多么渴望看到人类从没有看到过的液化氦啊！可是，氦气能够液化吗？大家都在担心着。墙上的挂钟“滴嗒滴嗒”地响个不停，时间在一秒一秒地消逝。人们屏住了呼吸，全神贯注地注视着液化器。他们先把氦预冷到液氢的温度，然后让它绝热膨胀降温，当温度低于氦的转变温度后，再让它节流膨胀，然后再降温，这一系列的过程在液化器中反复多次地进行着。终于在下午六点半，人类第一次看到了它——氦气被液化了！初看时还有点令人不敢相信是真的，液氦开始流进容器时不太容易观察到，直到液氦已经装满了容器，事情就完全肯定了。当时测定在一个大气压下，氦的沸点是4.25K。莱登实验室的所有人都异常兴奋，奔走相告，互相祝贺，欢笑的声浪传向全世界。
莱登实验室的全体工作人员并没有满足于已取得的成绩，在翁尼斯的指挥下，他们快马加鞭，乘胜前进，继续夜以继日地工作着。他们了解，如果降低液氦上的蒸气压，那么随着蒸气压的下降，液氦的沸点也会相应降低。他们这样做了，并且在当时获得了4.25K～1.15K的低温。
当然，在无边无际的宇宙里，按我们的标准来看许多物质是处于极低温状态的，但是在地球上，人类以自己的智慧和劳动踏入了从未进入的奇异低温世界。自1908年以来，人类经过了93年的研究，在这个奇异世界里，人们发现了许多奇异的现象，其令人神往之处不亚于南北极的冰天雪地，胜过宇宙中的低温，因为在这里人们可以控制实验室条件，细心地观察新的事物。在现代，液氦制冷的低温技术仍是低温领域中的重要手段，大量的实验工作离不开氦液化器……人们有理由为此感到自豪，同时也期待着，在这个低温世界里会看到怎样更新天地啊！
揭开超导研究的序幕
事物都是一分为二的，导体的一方面有善于导电的性质，另一方面又对电流有阻碍作用。这是因为自由电子在定向运动中，还不时地和处于晶格点阵上的正离子相互作用而产生碰撞，从而阻碍自由电子的运动。这种对运动电荷的阻碍作用称为电阻。在一般情况下，所有导电的物体，即使导电性能最好的银，也有电阻，电流通过时，仍然会发热，选成损耗。这是在常温下物体的性质，那么在温度为4.2K，乃至更低的温度下，物体的性质有什么变化呢？
1911年，翁尼斯和他的助手们在实验中发现了一个特殊的现象：当金属导体的温度降到10K以下时，其电阻会明显下降，特别是当温度低于该金属的特性转变点以下时，电阻会突然下降到10——9欧姆以下。这种现象是以前没有发现的，大家对此都非常感兴趣，于是他们取水银作为研究对象。一天，当他们正在观察低温下水银电阻的变化的时候，在4.2K附近突然发现：水银的电阻消失了！这是真的吗？他们简单不敢相信自己的眼睛了。他们在水银线上通上几毫安的电流，并测量它两端的电压，以验证水银线上的电阻是否真的为零。结果他们发现，当温度稍低于-269℃（4.2K）时，水银的电阻确实突然消失了。毫无疑问，水银在4.2K附近，进入了一个新的物态。在这一状态下，其电阻实际变为零。
翁尼斯和他的助手们反复研究了这一现象，他们把这种在某一温度下，电阻突然消失的现象叫超导电现象，把具有超导电现象性质的物质叫做超导体，把物质所处的这种以零电阻为特征的状态，叫做超导态。尽管翁尼斯等人已经明确给出了超导体的一些明确定义，但是要识别零电阻现象并不是很容易做到的。在当时的实验条件下，用仪表直接测量来证明水银的电阻为零，实际上是很难做到的。于是翁尼斯又设计了一个更精密的实验：他将以前的装置进行了简化和改进，把一个铅制的圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却变成超导体，这时如果将瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内便产生感应电流。如果这个圆铅环的电阻确实为零，这个电流就应当没有任何损失地长期流下去，这就是著名的持续电流实验。实际上，在1954年，人们在一次实验中开始观察，这个电流从1954年3月26日开始，一直持续到1956年9月5日，在长达二年半的时间里，持续电流未见减弱的迹象。最后，由于液氦供应中断才使实验中止。这就是说，圆环里面的电子，好像坐上了没有任何摩擦的转椅，一旦转动起来，就一直转下去，几年停不下来，永远也停不下来了。
直到目前为止，还没有任何证据表明超导体在超导态时具有直流电阻。最近，根据超导重力仪的观测表明，超导体即使有电阻，电阻率也小于10——25欧姆米，和良导体铜相比，它们的电阻至少相差1016倍，这个差别就好像用一粒直径比针尖还要小的细砂去和地球与太阳之间的距离相比，这真是天壤之别了。可以认为，超导体的直流电阻就是零，或者说，它就是一个具有完全导电性的理想导体。
低温技术的发展，使人们获得了比液氦温度更低得多的温度。对大量金属材料在低温下检验的结果表明，超导电性的存在是相当普遍的。目前已发现二十多种金属元素和上千种的合金化合物具有超导电性。从元素周期表中，我们可以看到：金、银、铜、钾、钠等金属良导体是不超导的；铁、钴、镍等强铁磁性或强反铁磁性物质也是不超导的，而那些导电性能差的金属，如钛、锆、铌、铅等都是超导体。
为什么金属良导体反而不是超导体？为什么超导体对直流电是完全导电的理想导体，对交流电却有电阻呢？人们在更进一步探索新事物本质的过程中，这些问题逐一得到了解答。
1911年翁尼斯在发现超导电性的同时，还发现，超导电性能够被足够强的磁场所破坏，但是人们的注意力当时集中在零电阻现象上，一直认为零电阻是超导体的惟一特性。一直到20世纪30年代，荷兰人迈斯纳和奥森菲尔德按照翁尼斯的发现，对围绕球形导体（单晶锡）的磁场分布进行了细心的实验测量。他们惊奇地发现：对于超导体来说，不论是先对其降温后再加磁场，还是先加磁场后再降温，只要是对它施加磁场，而且锡球渡过了超导态，在锡球周围的磁场都突然发生了变化，当锡球从非超导态转入超导态时，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外，这就是说，超导体内部的磁感应强度总是零。这个现象叫超导体的完全抗磁效应，由于是迈斯纳等人具体操作发现的，所以也叫迈斯纳效应。为了观察和了解超导体的完全抗磁性，迈斯纳等人又设计了一个简单易观察的实验，让我们来了解这个效应。
在一个长圆柱形超导体样品表面绕一个探测线圈，沿着样品的轴线方向加一个磁场。这时，长圆柱形样品的磁通量增加，线圈中就出现瞬时电流，这时电流计指针就向正方向转过一个角度。然后慢慢冷却样品，当温度经过转变温度点时，电流计指针突然出现一个反方向转角，偏角的大小与正向偏角相等。然后无论是撤出或是增加外磁场，电流计的指针再也没有丝毫偏转。为什么会出现这样的实验现象呢？原来，当圆柱形样品被降温经过临界温度时，探测线圈内出现了一个和当初加上外磁场时大小相等、方向相反的瞬时电流。根据电磁感应定律，我们可以知道，产生这个电流的原因，是因为磁通量的减少。
这就告诉我们，在物体进入超导态的那一瞬间，穿过样品的磁通量突然全部被排出去了。这以后人们也进行了很多实验，所有的实验结果都表明：只要样品处于超导态，它就始终保持内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥到体外，无论如何也无法穿透它。
人们常常喜欢用流体的流线来比喻磁场的磁力线，我们也可以这样来比喻超导体的完全抗磁性。在临界温度以上，处于外磁场中的超导体和普通金属导体一样，好像一只浸泡在河水中的竹篮子，河水可以自由地从篮子里面穿过。而当温度一旦降低到临界温度以下时，竹篮子的器壁突然变得致密起来，变成了一只滴水不透的木桶了，河水只能从它周围流过。为什么会有这种情况出现呢？原来在超导体的表面产生了一个无损耗的抗磁超导电流，正是这个抗磁超导电流产生的磁场恰好将超导体的内部磁场抵消了。
既然超导体可以无损耗地传输直流电流，可是任何电流都必然要产生磁场，而超导体的完全抗磁性又不允许内部有任何磁场存在，那么这个矛盾怎样解决呢？
当电流沿着一个圆筒形的空心导线流过时，它产生磁场的情形是我们大家都熟悉的。这时候电流只是均匀地分布在圆筒的各个部分，圆筒的心部（空心部分）没有电流。由于圆筒的对称性，它的各部分上的电流在心部所产生的磁场彼此恰好抵消，因此心部合磁场为零。电流的磁场只分布在圆筒及其外部空间上。超导体传输直流超导电流时的情形也是这样，超导电流只存在于超导体表面的薄薄的一层，叫做穿透层，超导体内部不允许有任何宏观电流流过，就好像一个薄薄的圆筒形导线一样。超导电流的磁场只分布在穿透层及其外部空间上。这样既完成了传输超导电流的任务，又不会在超导体内产生任何磁场。
超导体和正常金属中，电流的分布是不同的。假如一根超导线两端和铜线相连，那么在铜线中流过的是正常电流，它均匀地分布在整个铜线的横截面上，在超导线中流过的是超导电流，它分布在超导体表面的薄薄的穿透层中。我们可以把铜线比做宽阔平坦的公路，超导体就可以说是一条有街心公园的大街，车辆只能从两侧驶过。在两端的接头处，发生了正常电流和超导电流之间的转化。
超导体的完全抗磁性是无法用超导体所具有的完全导电性来解释的。因为一个电阻为零的单纯的完全导体，它只能保证自己内部的磁通量不再发生任何变化，原有的磁通量不会失去，新增的磁通量也不能进来。内部磁场是否为零，取决于超导体原来的状况，就是要由它的历史状态来决定。但是实验中所观察到的超导体的性质却不是这样。由于超导体的完全抗磁性，不管原来内部有没有磁通量，一旦变成超导态，立即将全部磁通量都排斥出去，内部磁场永远为零，和历史状态无关。可见，完全抗磁性和完全导电性是超导体的两个基本特性，它们彼此之间不能由一个推导出另一个。因此，我们不能说超导体是单纯的理想导体，或单纯的理想抗磁体。
解开超导之谜
科学的任务要求我们不断地发现新事物并为它的应用开辟道路，不仅要发现新现象，还要揭示它的本质。超导体既不是单纯的理想导体，又不是单纯的理想抗磁体，那它到底是什么呢？
在探索超导体本质的科学实验过程中，随着它的性质一个又一个地被揭示出来，人们的认识也一层又一层地逐步深化。有这样一个实验现象引起了人们的极大兴趣：我们将超导体在转变过程中不和外界发生热量交换，将超导体放入一个绝热器中，给它加一个非常大的磁场，这样超导体在大磁场的作用下将转变为正常态，这个磁场叫超导体的临界磁场。这时候，转变为正常态的超导体，它的温度将下降；相反，还是在这个绝热器中，撤掉外加磁场，使它回到超导态，它的温度又将升高。如果我们设法保持温度不变，即在等温条件下转变，我们发现当外加磁场超过临界磁场，超导体由超导态转变为正常态时要吸收热量，反之则要放热。这种伴随着热量变化的状态改变，使人们想到了相变。
相变对我们大家来讲并不陌生。春天来了，和煦的阳光照着大地，冰雪消融，化作涓涓细流，汇入江河湖海。这是水从固相变成了液相，也叫固态变成了液态。根据日常的经验，我们知道，冰雪化成水时，要吸收许多热量，常常造成气温下降。“下雪不冷化雪冷，春天冻人不冻地”这一句俗语说的就是这个道理。固体受热变成液体，所吸收的热量叫熔解热。盛在敞口容器里的水会慢慢地枯竭，晾在院子里的湿衣服会逐渐变干，开水壶里的水越烧越少，这都是因为水变成水蒸气跑到空气中去了，这时水从液态就成了气态。手沾水后感到凉；水在沸腾时尽管在火炉上继续加热，但温度并不升高。这些现象都说明液体在汽化时要吸收热量，这个势量叫做汽化热。
自然界许多物质都是以固、液、气三种形态存在着的，并且这三种形态可以互相转变。物质的这种形态叫做相（或者态），不同形态之间的转变叫相变。伴随着相变而吸收或放出的热量叫物质的潜热。
对于有些物质来说，固态的存在形式往往有很多种。许多固体在不同的温度和压强下，内部的粒子（分子、原子等）有各自不同的规则排列，即各种不同的点阵结构，不同的点阵结构的固体也属于不同的相。因为固体从一种点阵结构变为另一种点阵结构的过程，也是一种相变，称为同素异晶转变。固体的这种相变，也伴随着热量的变化。
超导体由正常态到超导态的转变过程中，有潜热发生，因此也是一种相变，也就是说，超导态是固体的一种新的状态。处于超导态的超导体既不是简单的理想导体，也不是简单的理想抗磁体，它与导体、半导体和绝缘体有着本质的区别。当我们认识了超导态与正常态之间的新的相变过程之后，可以说，我们对超导体的研究已经更加深入了一步。由于近半个世纪许多物理学家的辛勤劳动成果的积累，揭开超导之谜的时机已经逐渐酝酿成熟，应该是瓜熟蒂落的时候了。
自然界中的所有相变，虽然彼此是不同的，各有它们自己的特殊性，但是在微观上看来，却都具有一个共同的地方，就是物质在发生相变的时候，都伴随着组成物体的微粒的分布秩序的变化。
用X光对超导体内部结构的检验表明，在正常态向超导态转变前后，物质的晶格结构并没有变化，超导态物质的原子和正常金属原子一样，整齐地排列在晶格上。事实上，超导体内部秩序的改变并不是发生在原子之间，而是发生在更小的微粒——电子之间。
超导体在正常态时，它的原子失去部分电子而以离子形式排列在晶格上，脱离原子的自由电子弥散在整个导体内部，形成了“电子气”，这时的电子是全然没有秩序的。进入超导态以后，自由电子不再是完全没有秩序的气体，而是同具有一定秩序的液体分子很相似了。其中一部分电子俩俩携起手来，结成了有秩序的电子对。随着温度的降低，结成电子对的电子越来越多，从而秩序越来越好。当温度无限接近于绝对零度的时候，所有可能结成对的电子都成为有秩序的电子对了。这时，电子就从漫无秩序变成井然有序了。所以超导态和正常态的最基本的区别就在于超导态中存在着有秩序的电子对，它的完全导电性，完全抗磁性，全都是由这种有秩序的电子对引起的。
电子都带有负电荷，同性电荷互相排斥，但超导体内的电子却能互相结合，形成电子对，这是为什么呢？原来在他们之间除了静电斥力之外，还有一种通过晶格振动的间接作用而引起的吸引力。间接作用是一种相当普遍的现象，在日常生活中我们经常会看到这样的情形：在一座铁索桥上，相隔一定的距离走着甲、乙两个人，当甲行走时，使铁索摇晃，因而乙也随着摇晃起来，这就是甲和乙之间的间接作用现象。在超导体内，组成晶格的离子，以一定的作用力相互作用着，每个离子的运动都是彼此关联的，它们的运动是作为不可分割的整体进行的集体运动。这种集体运动的结果，形成了一个以声速在晶格上传播的叫做格波的波动。当一个电子和晶格发生了作用，电子的动量发生了改变，晶格的运动也发生了改变；下一时刻另一个电子也可能和晶格发生了作用，恰好使晶格恢复了原来的格波运动。这样，通过电子—晶格作用，晶格的运动没有改变，两个电子的动量却发生了变化，这就是它们之间的间接作用。
通过大量的计算，人们得知，由晶格引起的这种间接作用是吸引力。很显然，这种作用越强，吸引力就越大。处于正常态的超导体，随着温度的降低，电子热运动逐渐减弱，当温度达到临界温度时，电子间的间接作用力大于静电斥力，电子间的总作用力是吸引力，这样电子便俩俩结合成为有秩序的电子对。物体由正常态转变为超导态时，温度越低，电子间的吸引力越强，结成的电子对就越多。反之，处于超导态的超导体，随着温度的升高，由于热激发，有些电子对吸收了一定能量，便拆开为单个电子。温度越高，拆开的单个电子越多，电子对就越少。当温度超过临界温度时，电子对全部拆开成为单个电子，超导电性消失，物体便处于正常态了。
就是这样，当一切问题在物理学家的手里一一得以解决之后，超导之谜也就大白于天下了！1972年，全世界许多人都以尊敬的目光注视着美国科学家巴丁在这一年再度获得诺贝尔奖金，成了世界上惟一的两次获得诺贝尔物理奖的人。这次，他是和两名年轻的物理学家库柏和徐瑞弗共同获得的。他们终于成功地用电子对阐明了物理学上长期的疑难问题——超导电现象，建立了微观超导理论，现在通常把他们所建立的超导微观理论称为BCS理论。有了科学的理论，也就找到了解决种种疑难问题的钥匙。
从历史学家的眼光看来，21世纪已经来临，而科学家们在回顾20世纪已度过的时光和展望未来时，对超导电的发现、发展感到欢欣鼓舞，一派春光在前。在短短的几十年里，数以千计的超导磁体在工作着。各种大规模的磁体正广泛应用在各个领域，装备着许多现代化的实验室，用于一系列的尖端科学研究。
超导发电机的诞生，使得发电机的输出功率一下子提高了几十倍、几百倍，使得电子技术的发展进入了一个崭新的历史阶段。磁流体发电已应用于军事上的大功率脉冲电源和舰艇电力推进的技术上。
利用超导磁体实现磁悬浮，使我们的列车像插上了神奇的翅膀，车一开动，很快就可以加速到时速50千米，跑过五六十米的一段距离之后，便在轨道上悬浮起来。当时速超过550千米时，前进的阻力只是空气的阻力了，如需要再进一步减少阻力，可以设想在真空管道中运行，时速可以提高到1600千米，可以想像，奔向21世纪的超导列车将是怎样的风驰电掣啊！据报道，日本国铁公司超导电磁悬浮实验车，于1979年底创造了时速504千米的记录。看来，这种给交通运输带来革命的新式交通工具的诞生，已不是遥远的事情了。
