人类天生具有好奇心和创造力，这两种特质使我们的物种取得了许多科学和技术突破。自从我们最早的祖先在地面上敲击岩石以制造第一个锋利的工具以来，人类就一直在不断创新。从车轮的首次亮相到火星探测器的发射，其中一些关键进步尤其具有革命性。有些发明归功于灵光一现，但我们大多数最具开创性的发明都是几位创新思想家多年来不断改进的成果。在这里，我们探索 22 项有史以来最重要的发明，以及这些发明背后的科学原理以及它们是如何产生的。
1. 全球定位系统
全球导航曾经是一项艰巨的任务。指南针、地图、航海天文钟和星星帮助人类几乎遍布地球的每一个角落，但这些方法对于精确导航飞机或徒步未知的景观来说远没有那么有用。
输入全球定位系统 (GPS)，这是一个不断传输信号的卫星网络，地球上的任何人都可以使用信号来确定自己的精确位置——只要他们拥有一个简单的 GPS 接收器。它彻底改变了交通方式，并允许使用 Google 地图和 Waze 等导航应用程序。
今天，有31 个可用的 GPS地球轨道上的卫星数量从 1978 年至 1993 年间美国国防部 (DOD) 最初发射的 24 颗增加，还不包括仍在轨道上退役的 42 颗卫星。这些卫星导航星座与其他三个卫星导航星座一起运行：俄罗斯的卫星导航星座格洛纳斯,中国的北斗，以及欧盟的伽利略。
GPS 每天都在拯救生命：紧急救援人员用它进行荒野救援，警察用它追踪嫌疑人，那些不走寻常路的人用它返回文明世界。
GPS 的一个不寻常之处是它由美国政府免费运营，这一点促成了它的迅速采用。这次推出是在 1983 年发生一起悲惨事件之后发生的，当时一架韩国客机被击落误入苏联领空后。作为回应，时任总统罗纳德·里根决定该系统应该向公众开放，以防止类似事件发生。
2. 智能手机
尽管电话已经出现在这个列表中，但智能手机自过去几十年发明以来，已经推动了个人便携式计算领域的一场革命。
手机跨越智能手机障碍的确切时刻很难定义。一款名副其实的早期设备是 1994 年的 IBM Simon，这是一款多功能手机，还可以发送电子邮件并包含个人记事本。然而，几乎没有人使用它。其他值得注意的条目包括黑莓，2000年揭幕彻底改变了移动网络浏览方式，当然还有第一代 iPhone，它于 2007 年引入了当今无处不在的触摸屏设计。
智能手机一直是社交媒体和即时通讯应用程序的启动板，并将多种形式的技术组合到一个小型设备中。大多数人将智能手机用作手机、电脑、相机和记事本的组合，但这些移动设备也可以充当智能传感器、导航设备、麦克风、钱包等。
3. 轮子
在公元前 3500 年轮子发明之前，人类在陆地上可以运输的物品数量和距离受到严重限制。轮子本身并不是“发明轮子”中最困难的部分。哈特威克学院人类学名誉教授大卫·安东尼表示，当需要将一个不动的平台连接到滚动的圆柱体时，事情就变得棘手了。
“轮轴概念是最精彩的一笔。”安东尼此前曾告诉《生活科学》。 “但后来制作起来也很困难。”例如，车轮中心和固定轴末端的孔必须几乎完美圆形和光滑，他说。轴的尺寸也是一个关键因素，它在孔内的舒适度也是一个关键因素（不要太紧，但也不要太松）。
辛苦的付出得到了回报，收获颇丰。轮式手推车通过实现货物往返市场的运输，促进了农业和商业的发展，并减轻了人们长途旅行的负担。现在，轮子对我们的生活方式至关重要，从时钟到车辆再到涡轮机，轮子无处不在。
4.印刷机
德国发明家约翰内斯·古腾堡发明了印刷机大约在 1440 年至 1450 年之间。其发展的关键是手工模具，这是一种新的成型技术，可以快速制作大量金属活字。尽管在他之前的其他人——包括中国和韩国的发明家——已经开发出了由金属制成的活字印刷术，但古腾堡是第一个创造出将墨水（由亚麻籽油和烟灰制成）从活字印刷术转移到纸张上的机械化工艺的人。
通过这种活字印刷工艺，印刷机成倍地提高了书籍复制的速度，从而在历史上第一次导致了知识的快速和广泛传播。在她的书中“近代早期欧洲的印刷革命”（剑桥大学出版社，2012 年），已故历史学家伊丽莎白·L·爱森斯坦 (Elizabeth L. Eisenstein) 写道，“到 1500 年，印刷厂将遍布每个重要的市政中心。”据估计，到 1500 年，西欧印刷了多达 2000 万册，而爱森斯坦估计约为 800 万册。
除其他外，印刷机允许更广泛地接触《圣经》，这反过来又导致了不同的解释，包括马丁·路德的解释，他的“95条论纲”是一份由十万人印刷的文件，引发了新教改革。
5.青霉素
这是历史上最著名的发现故事之一。 1928 年，苏格兰科学家亚历山大·弗莱明 (Alexander Fleming) 注意到他的实验室里有一个充满细菌的培养皿，但盖子意外地半开着。样品被霉菌污染了，霉菌所在的地方细菌都死了。这种抗生素霉菌原来是真菌青霉菌，在接下来的二十年里，化学家纯化了它并开发了这种药物青霉素，它可以对抗人类体内的大量细菌感染，而不伤害人类本身。
1944 年，青霉素开始大量生产并进行广告宣传。路边邮箱上贴着这张海报，建议二战军人服用这种药物来摆脱性病。
大约十分之一的人有对抗生素的过敏反应，根据 2003 年发表在《过敏与免疫学临床评论》杂志上的一项研究。研究人员表示，即便如此，大多数人仍然能够耐受这种药物。
有关的：是什么原因导致过敏？
6. 指南针
古代水手利用星星进行导航，但这种方法在白天或阴天的夜晚不起作用，使得远离陆地的航行很危险。
第一个指南针是在公元前2世纪至公元1世纪的中国汉代发明的；它是由磁石制成的，磁石是一种自然磁化的铁矿石，他们几个世纪以来一直在研究这种铁矿石的迷人特性。然而，它首次用于航海是在宋代，即11世纪至12世纪之间，
不久之后，这项技术通过航海接触传到了西方。指南针使水手能够在远离陆地的地方安全航行，为探索和随后的全球贸易发展开辟了世界。指南针是一种至今仍在广泛使用的仪器，它永远改变了我们对地球的认识和理解。
7. 灯泡
这灯泡的发明通过消除我们对自然光的依赖，改变了我们的世界，使我们能够在白天或晚上随时保持高效工作。整个 1800 年代，几位发明家在开发这项革命性技术方面发挥了重要作用。托马斯·爱迪生被认为是主要发明家，因为他于 1879 年创造了一个功能齐全的照明系统，包括发电机和电线以及如上所述的碳丝灯泡。
除了在整个西方世界的家庭中引入电力之外，这项发明还产生了一个相当意想不到的结果：改变人们的睡眠模式。现在，我们不再在夜幕降临时上床睡觉（无事可做），也不再是在整个晚上分段睡眠，中间有清醒的时段。一试。
8. 电话
几位发明家在电子语音传输方面做出了开创性的工作，其中许多人后来在电话使用激增时提起了知识产权诉讼，但苏格兰发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell) 在 1876 年 3 月 7 日第一个获得了电话专利（他的专利图如上图所示）。三天后，贝尔第一次打电话给他的助手托马斯·沃森，说：“沃森先生，过来——我想见你，”作家爱德华·埃文森在他的书中写道，“1876 年的电话专利阴谋：伊莱莎·格雷-亚历山大·贝尔之争及其众多参与者”（麦克法兰，2015）。
贝尔对电话的灵感受到了他的家庭的影响。据埃文森介绍，他的父亲教授言语演讲，专门教授聋人说话；他的母亲是一位多才多艺的音乐家，在晚年失去了听力；他于 1877 年结婚的妻子梅布尔从五岁起就聋了。这项发明迅速起飞并彻底改变了全球商业和通信。 1922 年 8 月 2 日贝尔去世后，美国和加拿大的所有电话服务暂停一分钟以纪念他。
9. 内燃机
在这些发动机中，燃料燃烧释放出高温气体，该气体在膨胀时向活塞施加力，使其移动。因此，内燃机将化学能转化为机械功。许多科学家花费数十年的时间设计内燃机，在 19 世纪下半叶形成了（本质上）现代的形式。发动机开创了工业时代，并促进了各种机器的发明，包括现代汽车和飞机。
图为四冲程内燃机的操作步骤。冲程如下： 1) 进气冲程 — 空气和汽化燃料被吸入。 2) 压缩冲程 — 燃料蒸汽和空气被压缩并点燃。 3) 动力冲程——燃料燃烧，活塞被向下推动，为机器提供动力。 4）排气冲程——排气被排出。
10. 避孕药具
避孕药、避孕套和其他形式的避孕方法不仅允许男人和女人为了休闲而不是为了生育而进行性行为，从而在发达国家引发了一场性革命，而且还大大减少了发达国家每名妇女平均生育的后代数量。他们被使用了。由于需要养活的人口减少，现代家庭已经实现了更高的生活水平，可以为每个孩子提供更好的生活。与此同时，在全球范围内，避孕药具正在帮助人口数量逐渐趋于平稳；到本世纪末，我们的人数可能会稳定下来。某些避孕药具，例如避孕套，也能抑制性传播疾病的传播。
天然和草药避孕法已经使用了数千年。学者杰西卡·博尔格 (Jessica Borge) 在她的书中表示，自古以来，避孕套或“套”就以某种形式存在“保护措施：伦敦橡胶公司和安全套业务的历史”（麦吉尔女王大学出版社，2020），橡胶避孕套是在 19 世纪开发的。与此同时，FDA 于 1960 年在美国批准了第一种口服避孕药，据作者乔纳森·艾格 (Jonathan Eig) 在其著作《避孕药的诞生：四位先驱者如何服用避孕药》中所述，到 1965 年，已有超过 650 万美国女性服用了避孕药。重塑性并发起一场革命”（WW Norton & Company，2015）。
科学家们在节育方面不断取得进展，一些实验室甚至在追求“药丸”的男性形式。一种名为 Essure 的永久性节育植入物于 2002 年获得美国食品和药物管理局的批准，但在 2016 年，FDA 警告该植入物需要更强的警告，以告诉用户使用 Essure 的严重风险。
11. 互联网
互联网是一个由互连计算机网络组成的全球系统，全世界有数十亿人使用。 20世纪60年代，为美国国防部ARPA（高级研究计划局）工作的一组计算机科学家建立了一个通信网络来连接该机构内的计算机，称为阿帕网（ARPANET），即互联网的前身。它使用了一种称为“数据包交换”的数据传输方法，该方法由计算机科学家和团队成员劳伦斯·罗伯茨（Lawrence Roberts）基于其他计算机科学家之前的工作而开发。
计算机科学家 Harry R. Lewis 在他的论文中指出，这项技术是由科学家 Robert Kahn 和 Vinton Cerf 在 20 世纪 70 年代取得进展的，他们开发了互联网的关键通信协议：传输控制协议 (TCP) 和互联网协议 (IP)。书 ”创造未来的想法：计算机科学经典论文”（麻省理工学院出版社，2021 年）。为此，卡恩和瑟夫经常被认为是互联网的发明者”。
1989 年，由于计算机科学家 Tim Berners-Lee 在 CERN（欧洲核研究组织）工作期间发明了万维网，互联网进一步发展。根据欧洲核子研究中心，“万维网的基本思想是将不断发展的计算机、数据网络和超文本技术合并成一个强大且易于使用的全球信息系统。”万维网的发展向所有人开放了互联网世界，并以前所未有的方式连接了世界。
12. 指甲
这项关键发明可以追溯到 2000 多年前的古罗马时期，直到人类发展出铸造和塑造金属的能力后才成为可能。以前，木结构必须通过将相邻的木板在几何上互锁来建造，这是一个更加艰巨的施工过程。
直到 1790 年代和 1800 年代初，手工制作的钉子才成为常态，铁匠加热一根方形铁棒，然后在四个侧面锤击以形成一个点。佛蒙特大学。制钉机在 1790 年代至 1800 年代初问世。制作指甲的技术不断进步；根据佛蒙特大学的数据，在亨利·贝塞默 (Henry Bessemer) 开发出一种用铁大规模生产钢的工艺后，过去的铁钉慢慢衰落，到 1886 年，美国 10% 的钉子是用软钢丝制成的。到 1913 年，美国生产的钉子 90% 是钢丝。
与此同时，根据大卫·布洛克利（David Blockley）在他的著作中的说法，螺钉——一种更坚固但更难插入的紧固件——的发明通常被认为是公元前三世纪的希腊学者阿基米德，但很可能是由塔伦图姆的毕达哥拉斯哲学家阿基塔斯发明的。书 ”工程：非常简短的介绍”（牛津大学出版社，2012）。
13. 使用火
火的使用是人类最强大的早期发明之一，它从根本上改变了我们古代祖先的生活方式。篝火提供温暖并能够烹饪肉类等食物，也是一个社交聚会场所。火还提供了一些针对掠食者的保护。
发现火的确切日期长期以来一直是个谜，一些研究表明，它是古人类首次使用的肯尼亚100万年之前煮肉。其他证据表明尼安德特人在欧洲和亚洲驾驭火， 尽管一个聪明人 在非洲不断进化，掌握了生火的技能。最近，以色列考古学家发现了 150 万至 200 万年前古人类使用火的证据。
14.混凝土
古罗马被认为是最早在建筑中使用混凝土的社会之一，罗马浴室和标志性遗址（例如罗马斗兽场和万神殿圆顶）都是使用与火山灰、石灰和海水混合的混凝土建造的。令人难以置信的是，这些古老建筑中的许多不仅屹立不倒，而且在大约 2000 年后仍保持良好状态——这证明了罗马混凝土的寿命。然而，早在公元前 3000 年，古埃及人就在他们的建筑中使用了一种粗糙的混凝土形式，将混凝土与灰烬和盐水混合来制造砂浆。一项研究得出的结论是，大金字塔的一部分吉萨可能是用混凝土建造的。混凝土抗压能力强，但受拉容易断裂，因此钢筋混凝土的发明19世纪末的法国，混凝土赋予了钢材一定的抗拉强度，使混凝土在建筑中得到了更广泛的应用。
15. 放大镜
方济会修道士和牛津大学学者罗杰·培根于 1268 年首次发明了放大镜。培根的放大镜有时被称为“英国第一位科学家”。穆斯林学者。
然而，光学工具的使用可以追溯到更早的时候。有证据表明，早在公元前 700 年，人们就古埃及注意到他们可以透过晶体来改善视力。
16. 电池
第一个电池的历史可以追溯到 1800 年，当时意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔用布包裹堆叠的铜和锌圆盘，将其浸入盐水中，发现它可以传导能量。 1802 年，苏格兰教授 William Cruickshank 发明了 Volta 设计的一种变体，称为槽式电池，它由 50 个铜和锌圆盘组成，装在一个木箱里，里面装满了盐溶液以传导能量。然而，法国物理学家加斯顿·普兰特 (Gaston Planté) 于 1859 年发明了第一个实用电池。普兰特电池的现代版本可充电铅酸电池至今仍在汽车中使用。
17.航海天文台表
15 世纪标志着冒险家和海上商人伟大发现之旅的开始，以及人类文明的发展。全球海洋贸易网络。商船连续数月在险恶的海洋上运送珍贵的丝绸、香料、盐、酒和茶叶。在海上损失四艘船后1707 年锡利海难，海员意识到他们需要一种准确的方法来确定远离陆地时的经度。
1714年，英国议会提供奖品20,000英镑奖励给任何能够解决这个问题的人。木匠约翰·哈里森1735 年，他凭借航海天文钟赢得了赏金。也许更引人注目的是哈里森是一位自学成才的钟表匠。他巧妙的计时装置由船舶的摇摆运动而不是重力提供动力，水手可以用它来准确计算海上的经度。
18. 飞机
几个世纪以来，人类飞行的能力一直吸引着发明家的想象力，首次人工飞行故事发生在 1783 年，当时 Joseph-Michael 和 Jacques-Ètienne Montgolfier 乘坐热气球升上天空。 1853年英国工程师乔治·凯利设计了第一架滑翔机并成功飞行，但直到1903年奥维尔和威尔伯·赖特的这架飞机成为第一架成功航行的飞机。它不仅利用自己的动力从北卡罗来纳州基蒂霍克起飞；与许多早期的飞机发明不同，它飞行和着陆时都没有损坏。这莱特兄弟受到观看飞行中的鸟类的启发。这款滑翔机借鉴了鸟类的翅膀，但翼展却达到了 32 英尺（10 米）。
19. 冰箱
某种形式的制冷已经存在了数千年。根据气候，古代使用冰或冷水来冷藏食物。但直到 1748 年，人工制冷才出现，当时医生威廉·卡伦首先展示了蒸发冷却。 1834 年，进一步的突破出现了，当时蒸汽压缩系统由美国工程师雅各布·帕金斯。 1876年，德国工程师卡尔·冯·林德提出了液化气体的工艺，开创了商业制冷时代。 1913年，美国工程师弗雷德·沃尔夫发明了第一台家用冰箱随着对新鲜农产品的需求增长，拥有冰箱的家庭数量也在增加。
20.核能
核能最早于20世纪30年代由意大利物理学家发现恩里科·费米，他发现用中子轰击原子可以使原子分裂，产生大量能量。他继续在芝加哥大学开发了第一个核链式反应。这一成功的实验导致了 20 世纪 50 年代多个核电站的发展，爱达荷州1951 年，第一座核电站在其实验增殖反应堆 I 场址启动，利用原子能产生电力。奥布宁斯克前苏联的核电站于1954年成为世界上第一座并网核电站，而宾夕法尼亚州的希奇波特核电站则于1957年成为世界上第一座商业核电站。
核电如今在世界范围内仍然广泛使用，产生了约 10% 的电力全球能源。
一个问题是现有的核电站使用裂变来分裂原子，这会产生需要很长时间才能衰变的放射性物质。以及核灾难的风险，例如核灾难的风险切尔诺贝利和福岛第一核电站，凸显了裂变核电的挑战。
因此，科学家们正在努力制造可用的核聚变反应堆，理论上它可以产生清洁、无限的能源。 2022 年，科学家报告了一项小小的突破：聚变反应堆产生的能量比投入的能量还要多。然而，我们距离可用的聚变反应堆还有很长的路要走，专家说。
21. 疫苗
世界卫生组织（WHO）估计，大约200万到300万条生命由于接种了针对白喉、破伤风和麻疹等传染病的疫苗，每年都可以挽救生命。
最早的基本疫苗接种被认为可以追溯到 10 世纪的中国，当时人们在皮肤的小划痕上接种小剂量的天花，以预防疾病。但在 1796 年，英国医生爱德华·詹纳发现挤奶女工很少感染或死于天花，因为她们之前曾感染过天花牛痘病毒，也称为牛痘。于是他用了牛痘开发天花疫苗。他给一个8岁的男孩接种了牛痘疫苗，然后又接种了天花疫苗，但这个男孩从未感染过这种致命的祸害。詹纳的实验导致了一种天花疫苗他的工作被认为是免疫学的开端。 1980年，天花被宣布正式消灭由世界卫生组织。但科学家们仍在继续开发新的拯救生命的疫苗——最值得注意的是，在对抗新冠病毒方面发挥了重要作用的冠状病毒疫苗大流行。
22.X光检查
和许多著名的发明一样，X 射线也是偶然发现的。 1895年，德国工程师、物理学家威廉·康拉德·伦琴正在对辐射的潜力进行为期两个月的研究。在一次测试阴极射线能否穿过玻璃的实验中，他注意到辐射能够穿过相当厚度的屏幕，留下固体物体的阴影。他很快发现X射线可以穿过人体组织，清晰地显示骨骼和器官的图像。一年后，一群医生采取了最早对病人进行X光检查。这些观察结果促进了我们今天所知的放射学的发展，并帮助医疗专业人员诊断骨折、肿瘤、器官衰竭等。
编者注：这个故事已更新，以更正爱迪生实验室的位置。那是新泽西州的门洛帕克，而不是加利福尼亚州的门洛帕克。
