19世纪末，不少人以为物理学上的基本现象与原理已全部被发现了，剩下的工作只是填补细节而已。然而， 19、20世纪之交的物理学革命，彻底改变了这一认识。1895年，德国科学家威·康·伦琴发现了一种穿透力极强而用肉眼又无法看见的射线，科学家誉之为“伦琴射线”，而伦琴自己则将此射线称为“X”射线。此后，1896年，法国科学家柏克勒耳发现了铀射线；1897年，英国物理学家汤姆生发现了电子。1898年法国科学家比埃尔·居里和居里夫人又发现了钋和镭的放射性，以及与它们有关的放射性蜕变现象。1899年前后，英国科学家厄·卢瑟福发现铀放射出来的射线可以分作三部分：α射线、β射线、γ射线。在理论物理学方面，量子论和相对论对后世科学技术的发展影响尤大。1895年前后，德国物理学家马克斯·普朗克根据实验数据，提出能量是不连续的、分散的、几乎是微粒性的概念。这不连续的、分散的、微粒性的、一份一份释放的能量，普朗克称之为能量子，简称量子。1905年爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》论文中提出了“狭义相对论”，揭示了空间和时间在本质上的统一性及空间、时间与物质运动间的关系。爱因斯坦还推导出一个重要的质能公式：E=mc2。其中，E为某一物体的能，m是该物体的质量，c是光速。狭义相对论发表后，1915年爱因斯坦又提出了“广义相对论”，提出时间和空间与引力场有关，而引力场又是由物质产生的。由此，在揭示四维空间同物质的统一关系的同时，狭义相对论和引力理论（广义相对论）亦得到了统一。相对论修正了牛顿的力学原理，成为现代物理的基本理论之一。
19、20世纪之交的物理学革命，以及“一战”后的社会变化，推动了20世纪二三十年代科学技术的迅速发展。1919年，卢瑟福和助手合作，用α粒子轰击某种轻元素，使它成为氢元素，第一次实现了元素的“嬗变”。1922年，其他物理学家用同样的实验方法，又进一步实现了元素的“嬗变”。 微观世界粒子运动方面的研究也取得重大进展，1925年左右，丹麦物理学家玻尔、法国物理学家德布罗意、德国物理学家海森堡、奥地利物理学家薛定谔和英国物理学家狄拉克等，在普朗克研究的基础上，建立了量子力学。1934年10月，意大利物理学家昂利克·费米发现用中子轰击铀，可造成铀的核裂变。1938年，奥地利女科学家丽莎·梅特内和德国科学家奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼进一步论证了核裂变的链式反应，为原子能的利用奠定了坚实的理论基础。
在化学、化工方面，化学理论出现重大突破。1932年德国高分子化学家施陶丁格发表了第一部高分子化学论著《高分子有机化合物》，标志着高分子化学形成。随着对高分子研究的深入和实验技术的改进，各种高分子化合物纷纷问世 ，其中合成纤维、合成橡胶和塑料发展尤快。1935年，美国杜邦公司合成了人造丝，并在1938年生产出尼龙。1934年，德国研制出丁苯橡胶，“二战”爆发后，橡胶成为具有重要战略意义的物资。有机化学方面的成就，对医药工业的发展产生了重要影响，如1935年，研究出磺胺可以用于治疗链球菌引起的疾病。1938年，用于治疗肺炎和其他疾病的新药磺胺吡啶问世。1940年，英国生物化学家钱恩和病理学家弗洛里将青霉素研制成抗生素。此后，其他一些抗生素也相继问世，如链霉素、氯霉素和金霉素等。生物学和医学取得了重大突破，1922年，加拿大生理学家、外科医师班廷和贝斯特从胰脏中分离出胰岛素，从而使成千上万的糖尿病人得到了拯救。1936年，美国生理化学家肯德尔从肾上腺分离出可的松，它可以用于风湿性关节炎等疾病的治疗。在遗传学方面，美国遗传学家摩尔根在1926年出版了《基因论》，发展了孟德尔的遗传说，荣获1933年诺贝尔生理医学奖。
20世纪20年代后，经济发展促使了电力生产部门的飞跃发展，催生了各种发明，如：20世纪20年代无线电设备、冰箱以及电力热水器等都相继在美国出现。电动车、空气净化器、洗衣机、洗碗机等都有了实际应用的可能。与此同时，汽车工业出现了高速发展，并带动了公路建设的发展。20世纪30年代末，德国开始修建高速公路。1939年，美国也开始修建高速公路。1919年以后，美国和欧洲大国都成立了航空公司，美国等国开辟了定期航线。
20世纪上半叶科学技术进步，产生了重大的社会影响。一是科技进步促进了世界经济的发展。20世纪上半叶，大工业确立了在全球的统治地位。1910年，英格兰一些城市约一半的人口从事制造业和采掘业。德国、法国、美国从事这些行业的人口则分别达到40%、33%、30%。在德国，煤炭、钢铁、机械工程、金属加工、电气、化工、采矿和造纸业有了长足发展；美国的电气公司、钢铁公司、汽车公司、轮胎橡胶公司、商用机器公司和矿产公司、航空公司等，在国民经济发展中举足轻重。二是科技进步推动了资本主义生产关系的调整，“自由资本主义”过渡到垄断资本主义阶段，使“生产的社会化有了巨大的发展，就连技术发明和技术改进的过程也社会化了”[1]。在垄断资本主义阶段，资本主义的基本矛盾并没有消失，当这些矛盾尖锐化时会产生严重的社会动荡，如席卷世界的1929—1933年的资本主义经济大危机。在社会主义制度的苏联，科学技术的进步进一步彰显了社会主义制度的优越性，30年代末40年代初，苏联已实现了工业化；第二次世界大战爆发前，苏联的工业总产值已跃居欧洲第一，世界第二，成为世界工业大国。三是科技进步促进了教育的发展，提高了人民文化素养，促进了人类文明的进步和发展。1918年，英国政府通过了推动义务教育和公费教育的新教育法；在美国，1920年实现了小学免费教育。妇女更广泛地享有教育的权利，如1920年牛津大学允许妇女作为正式生入学。十月革命前，军事封建帝国主义的沙皇俄国文盲众多，科学技术的发展，不仅使苏联实现了工业化，而且在全苏扫除了文盲。1933—1934年，苏联有高校714所，为十月革命前的7倍。1940—1941学年，苏联在校大学生为81.17万人，超过包括英、法等欧洲22个国家在校大学生的总和。
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