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美國趣味科學(xué)網(wǎng)站2月14日發(fā)表題為《20項改變世界的發(fā)明》的文章，作者是杰茜卡·萊格特,，文章編譯如下：

從我們最早的祖先在地上敲擊巖石制造出第一個鋒利的工具以來,，人類一直在不斷地創(chuàng)新,。從輪子的首次亮相到火星探測器的發(fā)射，這些關(guān)鍵進步中有一些特別具有革命性,，有些發(fā)明源于某個靈光乍現(xiàn)的時刻,，但大多數(shù)最具開拓性的發(fā)明是幾位富有創(chuàng)造力的思想家多年來不斷改進的成果。下面我們將探究20項有史以來最重要的發(fā)明,，這些發(fā)明背后的科學(xué)原理，以及它們是如何誕生的,。

用火是人類最強大的早期發(fā)明之一,，它徹底改變了我們古老祖先的生活方式。篝火可以溫暖和烹飪?nèi)忸惖仁澄�,，同時也是社交聚會場所,。火也為人類防范捕食者提供一定的保護,。

人類學(xué)會用火的確切日期始終是謎,。但有些研究表明，100萬年前,，肯尼亞的早期人類最先用火來烹飪?nèi)忸�,。其他證據(jù)表明，歐洲和亞洲的尼安德特人也會用火,，非洲的智人掌握了生火的技能,。最近,，以色列的考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)150萬至200萬年前古人類用火的證據(jù)。

在公元前3500年發(fā)明輪子之前,，人類在陸地上可以運輸貨物的數(shù)量和距離都極為有限,。輪子本身并不是“發(fā)明輪子”最難的部分。哈特威克學(xué)院人類學(xué)教授戴維·安東尼說,，把一個不動的平臺連接到滾動的圓柱體上,，事情就變得棘手了。

安東尼此前告訴趣味科學(xué)網(wǎng)站記者：“靈光乍現(xiàn)的想法是輪子與軸的概念,，但接下來的制作也很困難,。”他說,，例如,，輪子中心的孔和固定軸的末端必須是近乎完美的圓形而且光滑。軸的尺寸也是一個關(guān)鍵因素,，它要與孔完美貼合(不能太緊,，但也不能太松)。

努力獲得了巨大的回報,。有輪子的手推車促進了農(nóng)業(yè)和商業(yè)的發(fā)展,，使人們能運輸貨物往返于市場，也減輕了人們長途旅行的負擔�,，F(xiàn)在,，輪子對我們的生活方式至關(guān)重要，從鐘表到汽車再到渦輪機,，都少不了輪子,。

這項關(guān)鍵發(fā)明可以追溯到2000多年前的古羅馬時期，只有在人類發(fā)展出鑄造金屬的能力后才成為可能,。在此之前,，木結(jié)構(gòu)必須由相鄰的板材以幾何結(jié)構(gòu)相互鎖定，這是一個更加艱巨的制作過程,。

根據(jù)佛蒙特大學(xué)的說法,，直到18世紀90年代至19世紀初，釘子通常由手工鍛造,，鐵匠將一根方形鐵棒加熱,，然后四面錘打，形成一個尖,。制釘機在18世紀90年代至19世紀初問世,。制釘技術(shù)此后不斷進步。根據(jù)佛蒙特大學(xué)的說法,，在亨利·貝西默發(fā)明用鐵大規(guī)模生產(chǎn)鋼的工藝后,，昔日的鐵釘逐漸衰落,。到1886年，美國生產(chǎn)的釘子有10%用軟鋼絲制成,。到1913年,，美國生產(chǎn)的釘子有90%用鋼絲制成。

通常認為,，螺絲釘(一種更堅固但更難插入的緊固件)是公元前3世紀古希臘學(xué)者阿基米德發(fā)明的,，但據(jù)大衛(wèi)·布洛克利在其著作《工程學(xué)：極簡介紹》中所說，它可能由畢達哥拉斯學(xué)派哲學(xué)家阿契塔發(fā)明,。

古羅馬人被認為是最早在建筑中使用混凝土的社會之一,，古羅馬浴場、斗獸場和萬神殿穹頂?shù)葮酥拘越ㄖ加没鹕交�,、石灰和海水的混凝土建造,。令人難以置信的是，大約2000年后,，許多這些古建筑不僅屹立不倒,，而且保存完好，這證明古羅馬混凝土經(jīng)久耐用,。但是,，比古羅馬早得多的公元前3000年時，古埃及人就在建筑中使用混凝土的粗糙形式——把火山灰和咸水混合成灰漿,。一項研究認為,，吉薩大金字塔有一部分可能是用混凝土建造�,；炷量箟翰豢估�,，因此19世紀末法國發(fā)明了鋼筋混凝土，給混凝土增加鋼的抗力,，使混凝土在建筑中得到更廣泛的使用,。

第一個指南針可能是在公元前2世紀至公元1世紀的中國漢代發(fā)明的,。它由磁石制成,，磁石是一種自然磁化的鐵礦石。中國人研究磁石的誘人性能已有幾個世紀,，然而直到11世紀至12世紀的宋朝,，指南針才第一次應(yīng)用于航海。

不久,，這項技術(shù)通過航海傳到了西方,。指南針使水手能安全地在遠離陸地的地方航行,，為探索世界和隨后的全球貿(mào)易發(fā)展打開了大門。指南針是一種至今仍被廣泛使用的儀器,，它徹底改變了我們對地球的認識和理解,。

圣方濟各會教士、牛津大學(xué)學(xué)者羅杰·培根最早于1268年發(fā)明放大鏡,。培根有時被稱為“英國第一位科學(xué)家”,，他的這項發(fā)明以穆斯林學(xué)者的研究為基礎(chǔ)。

然而,，這種光學(xué)工具的使用可以追溯到更早,。有證據(jù)表明，早在公元前700年,，古埃及人就注意到他們可以透過晶體獲得更好的視覺,。

德國發(fā)明家約翰內(nèi)斯·古滕貝格在1440年至1450年期間發(fā)明了印刷機。這項發(fā)明的關(guān)鍵在于手工鑄模,，即一種新的成型技術(shù),，能快速創(chuàng)造大量金屬活字。在古滕貝格之前,，古代中國和朝鮮的發(fā)明家已經(jīng)發(fā)明了活字,，古滕貝格改進了機械化過程。

有了這種活字印刷技術(shù),，印刷機成倍地提高了印刷書籍的速度,，使知識在歷史上第一次得到迅速而廣泛的傳播。已故歷史學(xué)家伊麗莎白·艾森斯坦在她的著作《現(xiàn)代歐洲早期的印刷革命》中寫道：“到1500年,，在每個重要的市政中心都能看到印刷車間,。”據(jù)估計,，到1500年,，西歐印刷了多達2000萬冊書籍。

除此之外,，印刷機使更多人能接觸到《圣經(jīng)》,，這反過來又帶來對《圣經(jīng)》的不同解釋，包括馬丁·路德的《九十五條論綱》,，這一被印刷了數(shù)十萬份的文件引發(fā)了新教改革,。

15世紀標志著冒險家和海上商人偉大的發(fā)現(xiàn)之旅以及全球海洋貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的開端。商船裝著價值連城的絲綢,、香料,、鹽、葡萄酒和茶葉,，在常常危機四伏的海上連續(xù)航行數(shù)月,。1707年英國海軍在錫利群島海難中損失4艘艦船后,，航海家們意識到，看不到陸地的時候,，他們需要一種準確的方式確定經(jīng)度,。

1714年，英國議會懸賞兩萬英鎊尋找能解決這個問題的人,。木匠約翰·哈里森在1735年憑借他的航海天文鐘贏得這筆獎金,。更了不起的或許在于，哈里森是自學(xué)成才的鐘表匠,。他的巧妙計時裝置靠船體搖擺而非重力驅(qū)動,，水手可以利用它準確計算海上經(jīng)度。

據(jù)認為,，最早的初級疫苗接種可以追溯到古代中國,，當時人們通過在皮膚的擦傷處接種少量天花以預(yù)防這種傳染病。但在1796年,，英國醫(yī)生愛德華·詹納發(fā)現(xiàn),，擠奶女工很少感染或死于天花，因為她們感染過牛痘病毒,。于是,，他用牛痘研制出一種天花疫苗。他給一名8歲男童接種牛痘,，再接種天花,，這個男孩始終沒有染上這種致命的疾病。詹納的實驗帶來一種天花疫苗的問世,，他的工作也被視為免疫學(xué)的開端,。1980年，世衛(wèi)組織宣布天花被正式消滅,。但科學(xué)家們繼續(xù)研發(fā)新的救命疫苗——最引人注目的是在抗擊新冠疫情中發(fā)揮重要作用的新冠疫苗,。

第一塊電池可以追溯到1800年。意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔把一疊銅片和鋅片包裹在布里并沒在鹽水中后發(fā)現(xiàn)能導(dǎo)電,。1802年,，蘇格蘭教授威廉·克魯克尚克發(fā)明沃爾塔設(shè)計的槽式電池的變體：把50片銅和鋅放在裝滿鹽溶液的木盒里實現(xiàn)導(dǎo)電。不過,，第一塊實用的電池由法國物理學(xué)家加斯東·普朗泰在1859年發(fā)明。今天的汽車仍在使用普朗泰可充電式鉛酸蓄電池的現(xiàn)代版本,。

避孕藥,、避孕套和其他形式的避孕措施讓男性和女性可以為愉悅體驗而不是生育后代而發(fā)生性行為,，這不僅在發(fā)達國家引發(fā)了一場性革命，還在使用避孕措施的國家大幅降低了女性平均生育后代的數(shù)量,。由于要養(yǎng)活的人口越來越少,，現(xiàn)代家庭實現(xiàn)了更高的生活水平，可以為每個孩子提供更好的生活條件,。與此同時,，在全球范圍內(nèi)，避孕措施正在幫助人口逐漸趨于平穩(wěn),。到本世紀末,，我們的人口數(shù)量可能會穩(wěn)定下來。某些避孕措施,，如避孕套,，還可以抑制性傳播疾病的傳播。

自然和草藥避孕已經(jīng)使用了數(shù)千年,。學(xué)者杰西卡·博奇說,，自古以來，避孕套或“護套”就以這樣或那樣的形式存在,，橡膠避孕套是19世紀發(fā)明的,。喬納森·艾格在他的著作《避孕藥的誕生：四位先驅(qū)如何徹底改變性并掀起一場革命》中寫道，美國食品和藥物管理局于1960年批準了第一款口服避孕藥,。到1965年,，有超過650萬美國女性在服用避孕藥。

科學(xué)家在節(jié)育方面不斷取得進展,，一些實驗室甚至在研究男性服用的“避孕藥”,。2002年，美國食品和藥物管理局批準了一種名為“Essure”的永久性節(jié)育植入物,。但該機構(gòu)在2016年稱,，需要以更強烈的警告告知使用者這種植入物的嚴重風險。

在內(nèi)燃機中,，燃料燃燒釋放出高溫氣體,，氣體膨脹對活塞施加作用使其運動。因此,，內(nèi)燃機將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為機械能,。許多科學(xué)家花了幾十年時間設(shè)計內(nèi)燃機，它在19世紀下半葉基本具有了現(xiàn)代形式,。內(nèi)燃機開啟了工業(yè)時代,，并使包括現(xiàn)代汽車和飛機在內(nèi)的各種機器的發(fā)明成為可能。

四沖程內(nèi)燃機的工作步驟如下：進氣沖程——吸入空氣和汽化燃料、壓縮沖程——燃料蒸汽和空氣被壓縮并點燃,、動力沖程——燃料燃燒推動活塞向下為機器提供動力,、排氣沖程——排出廢氣。

一些發(fā)明家在電子語音傳輸方面做了開拓性的工作——后來,，當電話的使用激增時,，他們中的許多人提起了知識產(chǎn)權(quán)訴訟——但蘇格蘭發(fā)明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾是第一個在1876年3月7日獲得電話專利的人。3天后,，貝爾給他的助手托馬斯·沃森打了第一個電話,，他說：“沃森先生，請過來一下——我想見你,�,！�

貝爾發(fā)明電話的靈感源于他的家庭影響。據(jù)埃文森說,，貝爾的父親教授演講課程,，而且擅長教聾啞人說話；他的母親是一位卓有成就的音樂家,，晚年失去了聽力,；與貝爾在1877年結(jié)婚的梅布爾則從5歲起就失聰了。這項發(fā)明迅速流行起來,，并徹底改變了全球商業(yè)和通信,。1922年8月2日貝爾去世，美國和加拿大的所有電話服務(wù)都暫停一分鐘以紀念他,。

燈泡的發(fā)明改變了我們的世界,，讓我們擺脫了對自然光的依賴，使我們能在任何時間,，無論白天還是夜晚都保持高效,。整個19世紀，幾位發(fā)明家在發(fā)展這項革命性技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用,。托馬斯·愛迪生被認為是燈泡的主要發(fā)明者,，因為他在1879年創(chuàng)造了一套完整的照明系統(tǒng)，包括發(fā)電機,、電線以及碳絲燈泡,。

這項發(fā)明不僅使整個西方世界的家庭都用上了電，還出人意料地改變了人們的睡眠模式,。我們不再(因無事可做)在夜幕降臨時就上床睡覺,，也不再因中間醒來而將整晚睡眠分為幾段，而是分配給睡眠7至8個小時,，而且在理想情況下,，我們會一覺睡完,。

像許多偉大的發(fā)明一樣，X射線也是偶然發(fā)現(xiàn)的,。1895年,，德國工程師、物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴正在對核輻射的可能性進行為期兩個月的研究,。在一次測試陰極射線能否穿過玻璃的實驗中，他注意到輻射能夠穿過相當厚的屏障,，留下固體的陰影,。他很快發(fā)現(xiàn)，X射線可以通過人體組織,，顯示骨骼和器官的清晰圖像,。一年后，一組醫(yī)生對患者進行了最早的X射線檢查,。這些觀測結(jié)果推動我們今天所知道的放射學(xué)的發(fā)展,，并幫助醫(yī)學(xué)專業(yè)人診斷出骨折、腫瘤和器官衰竭等癥狀,。

數(shù)百年來,，如何能夠飛行讓發(fā)明家魂牽夢繞。1783年,，約瑟夫-米夏埃爾和雅克-埃蒂安·蒙戈爾菲耶兄弟乘坐熱氣球上天,，這是人類首次駕駛工具飛上天空。1853年英國工程師喬治·凱利設(shè)計的第一架滑翔機成功起飛,。但直到1903年,，奧維爾和威爾伯·萊特兄弟的飛機才成為第一架成功航行的飛機。它不僅利用自身動力從北卡羅來納州的基蒂霍克起飛,，而且與之前的發(fā)明不同,，在飛行和降落時都完好無損。萊特兄弟在觀察鳥類飛行時受到啟發(fā),。他們的滑翔機模仿鳥的翅膀,，但翼展達10米。

制冷在某種程度上已經(jīng)存在了數(shù)千年,。根據(jù)氣候的不同,，古代人用冰或冷水保持食物的低溫。但人工制冷直到1748年才出現(xiàn)：醫(yī)師威廉·卡倫在那年首先展示蒸發(fā)式制冷,。進一步的突破出現(xiàn)在1834年：美國工程師雅各布·珀金斯開發(fā)出壓縮式制冷系統(tǒng),。1876年，德國工程師卡爾·馮林德設(shè)計出氣體液化的方法,，開啟商業(yè)制冷時代,。1913年，美國工程師弗雷德·沃爾夫發(fā)明了第一臺家用冰箱。隨著對新鮮產(chǎn)品的需求增加,，擁有冰箱的家庭數(shù)量也不斷增加,。

這是歷史上最著名的發(fā)明故事之一。1928年,，蘇格蘭科學(xué)家亞歷山大·弗萊明在他的實驗室里注意到,，一個充滿細菌的培養(yǎng)皿的蓋子意外沒有蓋緊。樣品被霉菌污染了,，而有霉菌的地方細菌都死了,。這種抗菌的霉菌就是青霉菌，在接下來的20年里,，化學(xué)家對其進行了提純,，研發(fā)出了青霉素。這種藥物可以在不傷害人類自身的情況下對抗人體內(nèi)大量的細菌感染,。

根據(jù)2003年發(fā)表在《過敏與免疫學(xué)臨床綜述》雜志上的一項研究,，約有十分之一的人對這種抗生素有過敏反應(yīng)。研究人員說,，即便如此,，這些人中的大多數(shù)仍能使用這種藥物。

核能最早在上世紀30年代由意大利物理學(xué)家恩里科·費米發(fā)現(xiàn),，他發(fā)現(xiàn)用中子轟擊原子可以將其分裂并產(chǎn)生巨大的能量,。他后來在芝加哥大學(xué)建成第一個核反應(yīng)堆。這一成功實驗帶來20世紀50年代幾座核電站的開發(fā)建設(shè),，愛達荷州于1951年啟動第一座核電站,，并用原子能發(fā)電。1954年,，蘇聯(lián)境內(nèi)的奧布寧斯克核電站成為世界上第一座并網(wǎng)核電站,。1957年，賓夕法尼亞州希平港原子發(fā)電站成為第一座商用核電站,。

一個問題是,，現(xiàn)有核電站利用裂變來分裂原子,，這會產(chǎn)生衰變期極長的放射性物質(zhì)。切爾諾貝利和福島等核事故凸顯以裂變?yōu)榛A(chǔ)的核電構(gòu)成的風險挑戰(zhàn),。

因此,，科學(xué)家們正在致力于制造可用的核聚變反應(yīng)堆,。從理論上說，這種反應(yīng)堆可以產(chǎn)生清潔的,、無限的能源,。2022年，科學(xué)家報告了一個微小的突破：核聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量超過投入的能量,。不過,，專家指出，我們距離可用的核聚變反應(yīng)堆還有很長的路要走,。

互聯(lián)網(wǎng)是全球數(shù)十億人使用的計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的全球系統(tǒng),。上世紀60年代，為美國國防部高級研究計劃局工作的一個計算機科學(xué)家團隊建立了一個通信網(wǎng)絡(luò),，用以連接該機構(gòu)的計算機，這個網(wǎng)絡(luò)被稱為“阿帕網(wǎng)”,，即互聯(lián)網(wǎng)的前身,。它使用了名為“分組交換”的數(shù)據(jù)傳輸方法，這種方法是由團隊成員,、計算機科學(xué)家勞倫斯·羅伯茨在科學(xué)家此前工作的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,。

計算機科學(xué)家哈里·R·劉易斯說，科學(xué)家羅伯特·卡恩和文頓·瑟夫在上世紀70年代為互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了關(guān)鍵的通信協(xié)議,，即傳輸控制協(xié)議(TCP)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP),。因此，卡恩和瑟夫通常被認為是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明者,。

1989年,，計算機科學(xué)家蒂姆·伯納斯·李在歐洲核子研究中心工作時發(fā)明了萬維網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)得到進一步發(fā)展,。根據(jù)歐洲核子研究中心的說法,，萬維網(wǎng)的基本思路是將計算機、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和超文本不斷發(fā)展的技術(shù)融合在一起,，形成一個強大而易于使用的全球信息系統(tǒng),。萬維網(wǎng)的發(fā)展讓互聯(lián)網(wǎng)世界向每個人敞開大門，并以一種前所未有的方式將世界連接起來,。

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