德布罗意的工作，说它“揭开了巨大面纱的一角”。1925年1
月，
爱因斯坦在一篇论文中指出，
德布罗意的工作不仅仅是关于光的波粒二象性的简单类比，而且包含了对量子规则的非常卓越的几何解释，他吁请物理学界注意
德布罗意的观点。
1927年，美国贝尔实验室的http://www.almaz.com/nobel/physics/1937a.html
戴维逊
(Clinton Joseph Davisson
，1881-1958)和英国物理学家小
汤姆生
(Sir George Paget Thomson,
1892-1975).)分别获得了电子衍射的证明，而衍射是波所特有的性质，由此证明了电子波的存在。电子作为一种波，电子束可以像可见光一样进行聚焦，而且由于波长比可见光短得多，可以分辨更小的东西，依据这个原理制成的电子显微镜，可以看到
5至10倍原子直径大小的东西。
德布罗意荣获1929年诺贝尔物理学奖。戴维逊和小
汤姆生
分享了1937年诺贝尔物理学奖。
奥地利数学物理学家
薛定谔(Erwin
Schr?dinger，
1887-1961)
开始对
德布罗意新观点的评价是“胡说”，读了
爱因斯坦的文章后，他重新思考这个问题，发现果然是自己错了。他利用自己的数学才干，研究
德布罗意的观点。1926年，
薛定谔发表了关于物质波传播的普遍理论，即著名的
薛定谔方程，把
德布罗意波的一维波发展为空间的三维波，用三维驻波解释了原子中的电子轨道。很自然，电子在原子核周围的状态就是核周围的由几率决定的电子云了。
薛定谔方程使量子力学获得了明确而自洽的表现形式。
差不多同时，25岁的
海森堡(Werner
Karl Heisenberg，1901-1976)从德国到达哥本哈根。他提出一个新办法，用矩阵力学体系表达量子化的电子振动。在三个星期的时间里，
海森堡、波恩和约当写出了一篇重要论文，奠定了被称为“量子力学”理论的基础。
海森堡同时阐述了著名的测不准原理。
1927年，在布鲁塞尔举行第五次索尔维会议，理论物理学界群贤毕至，少长咸集。
普朗克、
爱因斯坦、
玻尔、
泡利（
Wolfgang Pauli
，1900-1958）、
海森堡、玻恩、
居里夫人
、
狄拉克、
德布罗意、
薛定谔、
洛伦兹、朗之万都出席了这个会议。量子力学体系正式确立。
薛定谔方程不能满足相对论提出的方程形式应该对任何观测者都是一样的要求，由于这一原因，也不能对付电子自旋问题。英国数学物理学家
狄拉克(Paul
Adrien Maurice Dirac，1902-1984)1928年用相对论性量子力学理论克服了这个困难。
狄拉克理论精确描述了具有大能量和极高速度的电子的运动，
狄拉克方程能产生出
薛定谔理论中所有的量子数，还预言了存在质量与电子相同而电荷相反的粒子。1933年，卡尔.
安德森在用金属薄板研究宇宙射线的过程中发现了这种粒子，它具有
狄拉克理论所预言的一切特征。人们称它为正电子。
海森堡获得
1932年诺贝尔奖，
薛定谔、
狄拉克和安德森分享了1933年诺贝尔奖。
在大约三十年的时间中，放弃
牛顿的绝对时空观念，建立相对论，打开原子，引入量子概念，发现光的波粒二象性，得到质能转换公式，更进一步又认识了物质波，再加上测不准原理，这些发现和发明，彻底动摇了传统的物质世界观念，确立了全新的世界图像。这是科学和人类历史上最激动人心的时代。
奥本海默(J.Robert Oppeheimer，1904-1967)后来谈到这个时代，用了一个字眼:开天辟地。
量子力学再经过哈恩(Otto Hahn，1789-1968)、
费米(Enrico Fermi，1901-1954)及其他一些人的工作，最终导致了对于核结构和核反应、固体的电性质与热性质、超导性、物质的基本粒子的产生与湮灭、反物质存在的预言、恒星生命历史等等过程做出了满意的说明，促成了包括电子显微镜、激光和晶体管在内的技术发展。几十年来，量子力学以科学上史无前例的精确程度正确地描述了物理世界，到现在为止未发现任何否定量子力学的实验预言。
微观粒子世界表现出一些令人吃惊的特点。譬如在光线透过偏振片时，如果光线的偏振面平行于该材料的偏振面，光线将全部通过偏振材料。当入射光的偏振面与该材料的偏振面垂直时，入射光不能从该材料通过。如果两者之间的夹角为
45°时，透射光强度为入射光强度的一半。问题就出在这里
，如果入射的只有一个光子，光子不能够再分割，不可能有半个光子通过偏振材料，另外半个被留下来，在这种情况下的结论就只能是
:光子通过偏振材料的概率是1/2，换句话说，光子能否通过偏振材料纯粹是一个随机事件，根本不可能在事前确定。世界在微观上就是几率的，根本不可以预言，常用的说法是上帝也在掷骰子。
微观世界的这种特征深刻地改变了人们头脑中留下来的牛顿力学的决定论观点，从此概率、随机性和非决定性的思想方法被人们广泛采用。
知识的进步是人类文明发展的主要动力。生产方式、生活方式，乃至于社会形态，归根结底是由社会的文化和科学技术水平决定的。从牛顿体系向相对论
-量子力学体系的转变，是20世纪历史发展的主线，而信息社会的科学基础就是相对论与量子力学。
8.11
遗传科学
近代遗传科学研究始于奥地利遗传学家
孟德尔
(Gregor Johann Mendel
， 1822-1884)的开创性工作。孟德尔出身于西里西亚一个贫苦农民家庭，自幼对自然科学有浓厚的兴趣，在中学阶段接受了良好的教育。由于贫困，
孟德尔没有读完大学。1843年，他成为布尔诺修道院的见习修道士，1847年任神父。
1851年-1853年他到维也纳大学进修，在那里学了数学、物理、化学、生理学、植物学。他在学校里受到进化论学说的影响，意识到研究变种是解决物种起源问题的关键。他冒着危险购买和阅读
达尔文
的著作(当时属于禁书)。由于他的一些看法与植物学教授相左，没能通过植物学考试。他想当教师的愿望落了空，毕业后仍然回到修道院。他在修道院的花园中得到一块二百平方米的实验田，自己做植物杂交实验。一个植物学考试不及格的学生，在这里发动了重建植物学的革命。
孟德尔改变传统的以单个个体为对象的功能分析法，采用了一种全新的方法──种群分析法，他认为“必须毫无例外地观察每一世代中一系列后代的所有成员。”
孟德尔首先从市场上买到34个多少有些不同的豌豆变种，经过两年的自花授粉培养检验，发现其中有22个变种保持不变。孟德尔从这
22个变种中挑选出7对对比性状
(character)
进行杂交试验检验，这7对性状为:
成熟种子形状
:圆润的还是起皱的;
子叶的颜色
:黄色还是绿色;
种皮颜色
:白的还是灰褐色的;
成熟豆荚形状
:光滑饱满的还是发生收缩并起皱的;
未成熟豆荚颜色
:绿色还是鲜黄色;
花位
:延豆藤向上开花还是只开顶花;
茎长
:长茎(6-7英尺)还是短茎
(3/4-1.5
英尺
)。
孟德尔发现第一代杂种种群(F1)中，
7个对比性状中各只有一个表现出来，与双亲之一的性状一致，即对比性状中有一种占优势，他对这个性状采用的术语叫做“显性”
(dominant)
，在F1中没有表现出来的性状他称为“隐性”(recessive)。在这7
对性状中，显性为圆的种子，黄色种子，灰色种皮，未成熟豆荚为绿色，长茎等等。
孟德尔用
F1代自花授粉得到F2代，他发现在
F2代中，隐性性状重新出现。
孟德尔得到如下的数据：
性状
显性
隐性
F2
的比例
种子形状
5474
圆
1850
皱
2.96:1
子叶颜色
6022
黄
2001
绿
3.01:1
种皮颜色
705
灰
224
白
3.15:1
豆荚形状
822
饱满
299
瘪粒
2.95:1
未成熟豆荚颜色
428
绿
152
黄
2.82:1
花位
651
腋花
207
顶花
3.14:1
茎高
787
高
277
矮
2.84:1
孟德尔对此进行归纳总结:“在这一代中伴随着显性性状隐性性状也重新出现并完全表达出来，它们的出现肯定是一般按
3:1的比例，因此在这一代的每四个植株中，三株是显性，一株是隐性性状。”
孟德尔再将
F2代植株大量自花授粉产生F3，在对成熟种子形状进行的实验中，他发现从皱种子培育出来的所有植株在这一形状上是纯一传代，从圆种子长出的植株在
F3代出现分离。由圆形种子培育出的565个植株中，193个只产生圆形种子，对这一形状稳定不变，另外372个植株既产生圆形种子又有皱种子，即圆形这一性状有三分之一是纯一传代。
孟德尔大多数实验经过四代到六代，结果都相同。
孟德尔认为这些比例虽然简单，但它必然表现着某种根本的结构特征。他推断在植物的胚株或花粉中必定含有某种在杂交后代中仍然独立存在的东西。植物要么表现出父本的性状，要么表现出母本的性状。
在
孟德尔之前，人们普遍认为，如果双亲有不同的性状，那么后代的性状将介于两者之间，即为融合遗传，
达尔文
也持这种观点。按照融合遗传观点推论，每过一代，遗传差异将减少一半，
孟德尔却指出这种观点站不住，因为“每次实验都没有观察到过渡形态。”
1865年，他总结自己进行豌豆杂交试验的结果，在布尔诺自然科学学会宣读了题为《植物杂交试验》的论文，提出了遗传单位的概念，并且阐明了其遗传规律。他指出，决定性状的遗传因子
(factor)
成对出现，而交配时父本和母本双方各提供其中之一，它们彼此分离，相互不发生影响。这就是分离定律
(孟德尔第一定律)。遗传因子有显性和隐性之分，显性因子和隐性因子相遇时，只表现出显性性状，而隐性性状只有当两个隐性因子相遇时才可能表现出来，成对因子在形成配子中自由组合，这就是遗传因子的自由组合定律
(孟德尔第二定律)。用他自己的话来说:“使两个植株能互相区别的性状归根结底只能由因子的不同组成和不同组合决定
;这些因子是以动态的互相作用的方式存在于他们的起源细胞中。”
孟德尔够幸运了！他刚好选中豌豆作为研究对象。豌豆这七对性状，正好由七对基因控制，每一对都表现出显隐性现象，于是他才能简洁地总结出某种规律，开创出一门新科学。这种机会并不很多。
孟德尔也够不幸了！他把论文印发到120所大学和科研机构，但没有人给他复信。他远远超越了时代，以致于无人懂得他在说些什么。他把文章寄给著名植物学家内格里（
(Karl von Nageli
），内格里告诉他不能轻易下结论，并建议他再用山柳菊重复这些实验。
孟德尔在山柳菊上花了几年时间，毫无收获。遭此冷遇以后，他再也没有积极地对外建立联系，介绍自己的工作。他在与世隔绝的状况下继续进行实验，研究了
30000个以上的植株。1868年，
孟德尔被选为修道院院长，1874年，因反对奥地利政府颁布的新税法，他拒绝交税，并为此与政府打了数年官司，最后失败。
1884年，心力憔悴的孟德尔去世，新上任的修道院长把他剩下的手稿统统烧掉了。
孟德尔几乎被人们忽略和遗忘。直到1900年春天，德国植物学家科伦斯(Carl Correns，1864-1933)、奥地利植物学家切尔马克(Erich Tschermark Von Seysenegg，1871-1962)、荷兰植物学家德弗里斯(Hugo
de Vries，
1848-1935)
发表文章，声称他们分别独立发现了重要的遗传定律，而核查文献时才发现
孟德尔已经领先他们35年发现了这一定律。
孟德尔的理论重见天日，
孟德尔被尊为经典遗传学的奠基人。
1911年，丹麦学者威尔海姆.约翰森将遗传因子命名为基因。
遗传科学下一个里程碑式的人物是美国遗传学家
托马斯
.洪特.
摩尔根
(Thomas Hunt Morgan
，1866-1954)。摩尔根于
1866年出生于肯塔基州，他却宣称自己的生命起源于1865年。作为一个遗传学家，
摩尔根
不仅是指受之父母的生命起源，而且更是指精神生命的起源，因为
孟德尔在这一年提出了遗传的基本定律。
摩尔根
1886年进入霍布金斯大学
。这个大学十年前开办时，聘请了著名的英国进化论“斗犬”赫胥黎前来发表演讲，校园中带着浓厚的进化论氛围。在它最初的二十年时间中，为美国培养了一代生物学家，使美国的生物科学研究在世界上的地位突出起来。
1890年，摩尔根获得
霍布金斯大学博士学位和布鲁斯科研奖学金。他利用这笔钱出去考察，参观了那不勒斯动物实验站。1903年，摩尔根到哥伦比亚大学出任全国第一位实验动物学教授。学校给出的待遇十分优厚:上课不多，主要从事研究工作。
摩尔根
在哥伦比亚大学做了大量的动物实验，他经常安排几十个实验同时进行。
首先被选用来作遗传学实验的动物是大鼠和小鼠。后来他受哈佛学者卡尔斯等人的启发，改用果蝇进行实验。
放弃哺乳动物而采用果蝇进行研究是一个有决定性意义的转折，因为哺乳动物的世代时间长、管理费用高、容易生病，而果蝇用废瓶子装点香蕉就可以培养，几乎完全不受病害侵袭，每两、三个星期就可以繁殖一代。另外一个优点是果蝇只有
4对染色体，而哺乳动物要多得多， 以果蝇为对象研究染色体的表现更为容易。
到1909年，
摩尔根
还激烈批评
孟德尔的学说， 他相信拉马克（
Jean Baptistene
Lamarck,1744-1829）关于用进废退、获得性遗传的理论，并希望通过实验验证这个理论。
摩尔根
让手下的一名研究生佩恩在黑暗的环境中饲养果蝇，希图培养出由于长期不用眼而导致眼睛萎缩，最后眼睛终于消失了的果蝇。到第
69代果蝇羽化出来，一时睁不开眼睛，佩恩连忙叫
摩尔根
来看，好象成功了。然而这些果蝇很快就恢复常态，向窗口飞去。
摩尔根
1910年告诉同行说，两年的辛苦白费了。后来他还自嘲说，我做了三类实验
:一类是愚蠢的实验，一类是蠢得要命的实验，还有一类实验比第二类更糟糕。
然而就在这年5月，
摩尔根
的“蝇室”里发现了一只奇特的雄果蝇，它的眼睛不象同胞那样是红色，而是白色。这只白眼雄蝇成为了生物学史上最著名的昆虫，引发了一场“雪崩式的研究热潮”
(E.迈尔的说法)。当时，哥伦比亚大学的学生成群地提着装有果蝇的牛奶罐，带回家去计数。
摩尔根
如得爱子一般，每天晚上他用广口瓶把这只希罕的果蝇捧回家去，放在床头上，第二天又带回实验室。他将这只白眼雄果蝇与同一代的雌果蝇交配，得到
1240只后代(F1代
)，它们都是红眼果蝇。用F1代相互交配产生的F2代又出现白眼雄蝇，这表示白眼的遗传因子是隐性。
摩尔根
采用等位基因的概念对此进行了解释。表现一组性状的可能有两个以上的等位基因
(在
摩尔根
以前就已经被肯定)，一个基因可以突变成另一个等位基因，后者又能够突变为第三、第四个等位基因。这些突变是可逆的，白眼基因偶尔也能产生红眼后代。
把F1代果蝇杂交后，
F2代果蝇中红眼与白眼的比值为3:1，符合孟德尔理论。但是
摩尔根
发现一个新现象:所有白眼都是雄果蝇，而在所有红眼果蝇中雌雄比例为2:1，即白眼果蝇中性别和眼睛颜色并不自由组合。白眼雄果蝇与正常红眼雌果蝇杂交时，所有雄性后代都是白眼，而雌性后代都是红眼。这就不但再次重现了在
孟德尔之后，人们在大量杂交实验中发现的与自由组合定律不相符合的现象，而且发现了与性别相关联的遗传现象──伴性遗传。
1910年7
月27日， 摩尔根发表了关于果蝇研究的第一篇文章，在接下来的两年中他发表了13篇关于果蝇伴性遗传方面的研究论文。1926年他发表了《基因学说》，肯定基因确实存在， 肯定基因是功能、重组和突变单位，是染色体的一个特定的区段。他假定基因在染色体上呈线性排列，在同一条染色体上的基因，不能自由组合，
因此会有两个或更多性状同时表现出来的现象。同一条染色体上，两个基因距离越近，相互关联
(连锁)
的程度越高。通过测定基因连锁程度的高低，他为染色体上的基因排了顺序，作了基因连接图，即遗传图。
这个成就令人惊叹。
摩尔根
由此获得1924年达尔文奖、1933年诺贝尔生理或医学奖、1934年科普利奖，成为美国科学院院士和院长。
如果和分子生物学比较起来，以前的遗传学研究只能算是一种“黑箱”式的研究，人们只是通过生命体的某些表现来推断它内部的情况，这些工作大体是由生物学家进行的。分子生物学则打开这个“黑箱”，研究表现为生命遗传现象的微观机制，这类工作就离不开训练有素的化学家和物理学家在交叉领域的研究能力了。
1879年，德国人弗莱明（W.Flemming，1843-1915）创用了“染色质”这个术语，用来表示细胞核中可以染色的物质。弗莱明还首次详细描述细胞分裂过程。
19世纪80年代，人们一般认为染色质是真正的遗传物质。而染色质是不是蛋白质呢?
不是，染色质不是蛋白质。更早一点，1869年，瑞士巴塞尔(Basel)
大学年轻的生理学家和有机化学家
米歇尔(Johann
Friedich Miescher)在研究“淋巴细胞的组成”的课题时，用高度稀释的盐酸水解完整的脓细胞，得到了核蛋白
(后来查明是核酸与蛋白质的复合体)。米歇尔发现这些物质一个突出的特点含有大量的磷，它不同于已知的有机物质，
米歇尔将它称为“核素”（nuclein），核素呈酸性，其主要成分就是核酸（nucleic acid）。1869年秋末，
米歇尔完成了研究报告，经过反复提纯并严格核实数据以后，1871年春公开发表。
实际上，
米歇尔几近发现了DNA，这是他勤奋努力的结果，也是他颇有独创性的研究方法的收获。极为可惜的是，
米歇尔从来不把核素看作是遗传信息的载体，尽管后来他了解到核素就是细胞学家所说的染色质。他更关注的是生物学和纯粹化学方面的问题。这样一位出类拔萃的人物就此停了下来，没有获得更大的成就。此后
50年中，人们对核酸的结构和功能了解仍然很少。
科学史家谈到
米歇尔时，非常遗憾地指出，他提出的问题往往是循规蹈矩的而不是开拓性的，他研究的目的似乎是由机会决定的而不是考虑到科学上的重要性。到了晚年，当他又回到
DNA研究并且提出正确的问题时，已经为时太晚，不久后就因肺结核而去世了。
1888年，德国人瓦尔德尔(W.von
Waldeyer)首先用“染色体”命名“染色质”。
1889年，阿特曼(Altmann)对核素进行提纯，得到不含蛋白质的细胞核物质，并命名为核酸。1907年，德国人费歇尔(E.Fischer，1852-1919)人工合成含有8个氨基酸的多肽，并证明蛋白质由简单的氨基酸连结而成。1929年到
1930年，美国生物化学家勒温尼(P.A.T.Levene，1860-1940)分离并命名了核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。
尽管已经明白了DNA的化学组成，但直到20世纪
30年代，对DNA的生物学功能仍然一无所知。为了获取DNA组分，往往采用十分剧烈的水解方法(譬如使用熔融烧碱和浓硫酸等等)，这就打断了
DNA的链条，因此DNA被看作是很小的分子(分子量约为
1500)。人们还没从结构和信息的角度来探索生命现象，而是希望从物质组分的角度来理解生命活动。当时普遍认为核酸不可能在生物发育的控制中具有重要作用，似乎它的主要功能是作为
PH缓冲剂或者协助能量转移。
20世纪20
年代，德国化学家
Robert
Feulgen发明了
DNA特异紫色染料，发现DNA无例外地定位在染色体上，同时弄清染色体由三种成分组成:蛋白质、
DNA和RNA。这时候大多数生物化学家并没有把寻找遗传物质的注意力集中在DNA上面，人们还普遍相信染色体上一些小的，尚未被充分了解的蛋白质成分可能是真正的遗传物质。
30年代，瑞典物理化学家根据DNA在溶液中的行为，证明了DNA的不对称性
;30年代到40年代之间，由于采用了新的制取方法，人们意外地发现DNA的分子量为
