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人类天生具有好奇心和创造力，这让我们取得了许多科技突破。自我们的祖先在地上敲击岩石制造出第一个锋利的工具以来，人类一直在不断创新。从车轮的首次亮相到火星探测器的发射，在这些重要的进步中，有几个特别具有革命性。虽然有的发明出自某个灵光乍现的时刻，但大多数最具开拓性的发明，都是思想者、实践者和科学家多年不断累积和改进的成果。在这里，我们将探索有史以来20个最重要的发明，讲述其背后的原理及诞生的过程。
车轮
■车轮的演变。车轮大约在公元前3500年发明，并迅速传遍了东半球。James Steidl / Shutterstock)
在公元前3500年车轮发明之前，人类在陆地上能运输的物品数量和距离都极为有限。轮子本身并不是“发明车轮”最难的点。哈特威克学院的人类学教授戴维·安东尼说，把一个稳定平台连接到滚动的圆柱体上才是棘手问题。
安东尼说：“车轮+轴的概念是最大的亮点，但制作很难。” 例如，车轮中心的孔和固定轴的末端必须是近乎完美的圆，并且要很光滑。车轴的尺寸也很关键，因为要保证它在孔内的“舒适度”，不能太紧，也不能太松。
攻克这个难关之后，人类获得了巨大的回报。带轮子的手推车促进了农业和商业的高速发展，货物能够往返于市场，也减轻了人们长途旅行的负担。轮子对我们今天的生活方式依然至关重要，从钟表到汽车再到涡轮机，几乎处处都少不了它。
印刷机
■19世纪，德国发明家古腾堡印刷的圣经首页（版画） / 盖蒂图片社
德国发明家约翰内斯·古腾堡在1440年到1450年之间发明了印刷机。发明的关键是铸模，这种新的成型技术让高速创造大量的金属活字成为可能。尽管在他之前，中国和朝鲜的发明家已经发明了活字印刷术，但古腾堡第一个发明了现代印刷术，即将墨水（他用亚麻籽油和烟灰制成）从活字印刷转移到纸面印刷的工艺。
这种技术成倍地提高了书籍印刷的速度，让知识在历史上首次得以迅速广泛地传播。已故历史学家伊丽莎白·爱森斯坦在《早期现代欧洲的印刷革命》(剑桥大学出版社，2012年)中写道：“到1500年，每个重要的市政中心都将出现印刷车间。” 据估计，到1500年，西欧印刷了多达2000多万册图书，而爱森斯坦估计这一数字约为800万册。
除此之外，印刷术使人更容易接触到《圣经》，这又引发了对圣经的不同解释，包括马丁·路德的《九十五条论纲》，这份被印刷了十万份的文件引发了新教改革。
青霉素
■亚历山大·弗莱明在实验室
这是历史上最著名的发现之一。1928年，苏格兰科学家亚历山大·弗莱明在实验室注意到一个装满细菌的培养皿的盖子不小心半开了。样品被一种霉菌污染，凡是有这种霉菌的地方，细菌都死了。这就是有杀菌作用的“青霉菌”。在接下来的二十年里，化学家将其纯化并开发出了青霉素药物，这种药物可以在不伤害人体的情况下对抗细菌感染。
1944年，青霉素开始量产并做了广告。一张贴在路边邮箱上的海报，建议投入二战的军人服用这种药物以摆脱性病的困扰。
据2003年发表在《过敏与免疫学临床评论》杂志上的一项研究，大约十分之一的人对这种抗生素过敏。研究人员说，即便如此，这些人中的大多数还是能耐受这种药物。
指南针
■世界上第一个指南针的复制品 / 盖蒂图片社
古代水手利用星星来导航，但这种方法在白天或多云的夜晚都行不通，所以远离陆地航行极为危险。
第一个指南针是在公元前2世纪到公元1世纪的汉代在中国发明的。它由磁石制成，这是一种自然磁化的铁矿石，几个世纪以来，中国人一直在研究磁石的迷人性能。然而，直到11世纪到12世纪之间的宋朝，才第一次被用于航海。
不久，这项技术通过航海传到了西方。指南针使水手们能够安全地在远离陆地的地方航行，为探索世界和随后的全球贸易发展打开了大门。指南针是一种至今仍被广泛使用的仪器，它彻底改变了我们对地球的认识和理解。
灯泡
■1879年的爱迪生灯泡 / Terren / Creative Commons
灯泡的发明改变了世界，让我们摆脱了对自然光的依赖，使我们能够在任何时间，无论白天还是晚上，都能保持高效的生活。19世纪，几位发明家在开发这项革命性技术的路上发挥了接力作用。托马斯·爱迪生被认为是灯泡最重要的发明者，因为他在1879年创造了一套功能齐全的照明系统，包括发电机和电线，以及上图所示的碳丝灯泡。
这项发明不仅使整个西方世界的家庭都用上了电，还出人意料地改变了人们的睡眠模式。我们不必在夜幕降临时分就上床睡觉（因为无事可做)，也不用将整晚分出几个时段睡觉，而得以在分配给睡眠的7、8个小时之外，充分活动。而且，理想情况下，我们会一次将这7、8个小时睡够。
电话
■亚历山大·格雷厄姆·贝尔1876年的电话专利图
数位发明家在电子语音传输方面做了开拓性的工作，所以当电话流行起来时，其中几位提起了知识产权诉讼。但苏格兰发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔是第一个在1876年3月7日获得了电话发明专利的人（专利图纸见上图）。三天后，贝尔给他的助手托马斯·沃森打了第一个电话：“沃森先生，过来一下，我想见你。” ——A·爱德华·艾文森在他的书《1876年电话专利阴谋：以利沙·格雷和亚历山大·贝尔的争议及其众多参与者》(麦克法兰，2015)中这样写道。
贝尔发明电话的灵感受到了家庭的影响。据艾文森说，贝尔的父亲教人演讲，尤其是教聋人说话，贝尔的母亲则是一位颇有成就的音乐家，但晚年丧失了听力。贝尔在1877年娶的妻子梅布尔，5岁就失聪了。电话这项发明迅速流行起来，并彻底改变了全球商业和通信的面貌。贝尔在1922年8月2日去世时，美国和加拿大的所有电话都停止服务了一分钟来纪念他。
内燃机
■四冲程内燃机 / Zephyris / Creative Commons
在这些发动机中，燃料燃烧释放出的高温气体迅速膨胀，推动活塞移动。内燃机将化学能转化为了动能。许多科学家花了几十年的时间设计了内燃机并在19世纪下半叶获得了现代化的基本形态。这一发明开启了工业时代，使得包括现代汽车和飞机在内的各种机器的发明成为可能。
上图展示了四冲程内燃机的工作步骤：1)进气冲程：吸入空气和汽化燃料；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，活塞向下移动，为机器提供动力；4)排气冲程：废气被排出。
避孕药
■早期使用的避孕药盒，1960年 / 盖蒂图片社
避孕药、避孕套和其他形式的避孕措施让人可以不再仅仅为了生育而发生性行为，这不仅在发达国家引发了一场性革命，而且在使用了这些避孕工具的国家，大幅降低了每个女性的平均后代数量。由于需要养活的人越来越少，现代家庭有了更高的生活水平，能为每个孩子提供更好的物质条件。与此同时，全球范围内，避孕措施正在帮助人口增长逐渐趋于平稳。到本世纪末，世界人口数量可能会稳定下来。某些避孕措施，如避孕套，还可以预防性传播疾病。
自然和草药避孕方式已经使用了几千年。据学者杰西卡·博尔奇在《保护措施：伦敦橡胶公司和避孕套业务的历史》(麦吉尔-女王大学出版社，2020年)一书中所说，避孕套，自古以来就以某种形式存在着，直到19世纪，橡胶避孕套诞生。美国FDA于1960年批准了第一款口服避孕药。到了1965年，超过650万美国女性在服用避孕药（乔纳森·艾格《避孕药的诞生：四位先驱如何重新发明了‘性’并发起了一场革命》(W. W. Norton & Company, 2015)一书提供的数据）。
科学家们在节育方面不断取得进展，一些实验室甚至在研究男用避孕药。2002年，美国FDA批准了一款名为Essure的永久性节育植入产品。但在2016年，FDA警告称，要小心使用这种植入产品，Essure可能有严重的健康风险。
互联网
■据2005年1月15日的数据绘制的互联网地图，每个节点代表一个IP地址。Creative Commons / The Opte Project
互联网是全球数十亿人使用的计算机网络全球系统。上世纪60年代，为美国国防部高级研究计划局（ARPA）工作的一个计算机科学家小组建立了一个通信网络以连接机构的计算机，称为阿帕网（ARPANET），这就是互联网的前身。它使用了一种名为“分组交换”（packet switching）的数据传输法，这种方法由计算机科学家和团队成员劳伦斯·罗伯茨在此前其他科学家的工作基础上开发而来。
计算机科学家哈里·R·刘易斯在《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)中说，网络技术是在20世纪70年代，由科学家罗伯特·卡恩和文顿·瑟夫开发，他们为互联网开发了关键的通信协议、传输控制协议（TCP）和互联网协议（IP）。因此，卡恩和瑟夫通常被认为是互联网的发明者。
1989年，计算机科学家蒂姆·伯纳斯·李在欧洲核研究组织（CERN）工作时发明了万维网（www），互联网得到了进一步发展。根据欧洲核研究组织的说法，“万维网的基本思想是将计算机、数据网络和超文本这三个不断发展的技术融合在一起，形成一个强大而易于使用的全球信息系统。” 万维网的发展为每个人打开了互联网的世界，并以一种前所未有的方式将世界连接了起来。
钉子
■在俄罗斯西伯利亚发现的三枚古老的手工钉子 Alexcoolok / Shutterstock
这一重要发明可以追溯到2000多年前的古罗马时期，只有在人类发展出铸造金属的能力后才成为了可能。在此之前，木制结构的建筑，必须依靠能相互咬合的木板才能搭建起来，而这是个特别艰难的施工过程。
据佛蒙特大学的说法，到18世纪90年代和19世纪初，钉子基本都是手工打造的，铁匠把一根方形铁棒加热，然后在四面锤打，形成钉子的尖头。制钉机在18世纪90年代到19世纪初才开始使用。其后，钉子制作技术不断进步。在亨利·贝塞麦发明了用铁大规模炼钢的工艺后，昔日的铁钉逐渐没落。据佛蒙特大学的数据，1886年，美国10%的钉子由软钢丝制成。到了1913年，美国生产的钉子90%都是钢丝制造的了。
与此同时，螺丝钉（更坚固也更难以插入的紧固件）的发明通常被认为是公元前3世纪的希腊学者阿基米德的杰作，但据大卫·博克利在《工程简介》(牛津大学出版社，2012年)中所说，螺丝钉可能是由毕达哥拉斯哲学家阿基塔斯发明的。
用火
■烤火的男人 / 盖蒂图片社
火的使用是人类最强大的早期发明之一，从根本上改变了我们远古祖先的生活方式。火不仅带来了温暖，还给人类提供了烹饪肉类等食物的能力。篝火成了新的社交聚会的方式，同时还能抵御野兽的袭击。
人类发现火的确切日期一直是个谜。有研究表明，100万年前，肯尼亚的古人类首次使用了火来烹饪肉食。其他证据表明，欧洲和亚洲的尼安德特人使用了火，而在非洲进化的智人掌握了造火技能。最近，以色列的考古学家还发现了150万至200万年前古人类用火的证据。
混凝土
■斗兽场内部的全景照片/盖蒂图片社
古罗马被认为是最早在建筑中使用混凝土的先驱之一，罗马的浴室和标志性景点，如斗兽场和万神殿圆顶，都是用混凝土与火山灰、石灰和海水混合建造的。令人难以置信的是，这些古建筑，很多至今屹立不倒，而且过了2000多年，依然保持着良好的状态——这就是古罗马混凝土“长寿”的证明。然而，早在公元前3000年，古埃及人就在建筑中使用了一种原始混凝土，并将这种混凝土与灰和盐水混合制成砂浆。一项研究称，吉萨大金字塔的一部分可能就是用混凝土建造的。混凝土抗压能力强，但受力时也容易断裂，因此，19世纪末法国发明的钢筋混凝土让混凝土具有了钢的强度，使其在建筑中得到了更广泛的应用。
放大镜
■旧式放大镜，泛黄的笔迹 / 盖蒂图片社
方济会修士、牛津大学学者罗杰·培根于1268年第一个发明了放大镜。培根被称为“英国第一个科学家”，但他发明的放大镜是建立在穆斯林学者的研究基础上的。不过，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，古埃及人就发现他们可以透过水晶来改善视力。
电池
■亚历山德罗·伏特发明的第一款电池。它本质上是一堆浸泡在盐水中的铜和锌圆盘。
第一款电池可以追溯到1800年，意大利的物理学家亚历山德罗·伏特将一堆铜和锌圆盘裹在一块布里并将其浸入盐水中，发现这可以导电。1802年，苏格兰教授威廉·克鲁克改进了伏特的设计，发明了“槽式电池”，由50个铜和锌圆盘组成，装在一个盛满盐溶液的木盒中用于导电。法国物理学家加斯顿·普朗特在1859年发明了第一款可实际使用的电池。普朗特发明的可充电铅酸电池的现代版，仍然在今天的汽车中使用。
航海天文钟
■自学成才的英国钟表匠约翰·哈里森发明的第一个航海天文钟（1735年）/ 盖蒂图片社
从15世纪开始，探险家和航海商人开启了伟大的发现之旅，全球海洋贸易由此迎来了大发展的时代。贸易船只携带着珍贵的丝绸、香料、盐、葡萄酒和茶叶，在变幻莫测的海面上航行数月。1707年的锡利海难损失了四艘战舰，船员们更急切地意识到需要一种精确的方法，在看不见陆地的情况下确定经度。
1714年，英国议会为能解决这个问题的人设置了2万英镑的悬赏。钟表匠约翰·哈里森在1735年凭借他发明的航海天文钟赢得了赏金。更了不起的是，哈里森是自学成才的乡村钟表匠。他设计的巧妙的计时装置由船的摇摆运动而非重力驱动，水手们可以用它来准确计算海上的经度。
飞机
■莱特兄弟发明的飞机
几个世纪以来，展翅飞翔一直是发明家的梦想。第一次载人飞行发生在1783年，当时约瑟夫·迈克尔和雅克-埃蒂安·蒙戈菲尔乘坐热气球飞上了天。1853年，英国工程师乔治·凯利设计了第一架能飞起来的滑翔机。但直到1903年，奥维尔和威尔伯·莱特兄弟才制造出了第一架成功飞行的飞机。它不仅凭借自身的动力从北卡罗来纳州的基蒂·霍克起飞，而且，与许多早期制造的飞机不同，它在飞行和降落时都没有损坏。莱特兄弟的灵感来自对飞行中的鸟的观察。他们的飞机设计借鉴了鸟类翅膀的样子，而机翼展开足足有32英尺（10米）。
冰箱
■冰箱是一项相对现代的发明，但古人发现了其他保存食物的方法 / 盖蒂图片社
制冷方法已经存在了数千年。古代的人会根据天气选用冰或冰水来冷藏食物。但人工制冷法直到1748年才出现。当时，威廉·卡伦医生首次证明了蒸发冷却技术。1834年，美国工程师雅各布·帕金斯发明了蒸汽压缩系统，进一步取得了突破。1876年，德国工程师卡尔·冯·林德提出了一种液化气体的方法，开启了商业制冷的时代。1913年，美国工程师弗雷德·沃尔夫发明了第一台家用冰箱，随着对新鲜农产品需求的增长，拥有冰箱的家庭数量也急剧增加。
核能
■法国罗纳的一座核电站里正在冒烟的冷却塔 / 盖蒂图片社
意大利物理学家恩里科·费米在20世纪30年代发现了核能：用中子轰击原子可以分裂原子并产生巨大的能量。接着，他在芝加哥大学开发了第一个核连锁反应。这个成功的实验促成了20世纪50年代几座核电站的发展。爱达荷州在1951年启动了第一个核电站，在其实验增殖反应堆I号站点使用了原子能发电。前苏联的奥布宁斯克于1954年成为世界上第一个并网的核电站，而宾夕法尼亚州的希平波特核电站于1957年成为世界上第一个商业核电站。
核能，在今天依然在世界各地被广泛使用，提供了约10%的全球能源。
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。切尔诺贝利和福岛第一核电站等核灾难的风险凸显了裂变核电的挑战。
因此，科学家们正致力于创造可用的核聚变反应堆，理论上这可以产生清洁、无限的能源。2022年，科学家们报告了一项小突破：一个聚变反应堆产生的能量比投入的要多。然而，专家称，我们离一个可用的聚变反应堆还有很长的路要走。
疫苗
■戴着手套的医务工作者从药瓶中取出疫苗 / Shutterstock
据世卫组织估计，由于接种了预防白喉、破伤风和麻疹等传染病的疫苗，每年约有200万至300万人的生命得以挽救。
最早的疫苗接种可以追溯到10世纪的中国，当时的人发现，如果在皮肤上的小划痕上接触低剂量的天花病毒，就能获得对抗天花的保护力。1796年，英国医生爱德华·詹纳发现挤奶女工很少感染天花或死于天花，因为她们之前都感染过牛痘病毒。于是他开始使用牛痘来开发天花疫苗。他给一个8岁的男孩接种了牛痘，然后让他接触天花病毒，结果这个男孩并未感染致命的天花。詹纳的实验促成了天花疫苗，他的工作也被认为是免疫学的开始。1980年，世卫组织正式宣布根除了天花。但科学家们还在继续开发新的救命疫苗——最引人注目的就是在抗击新冠大流行中发挥了重要作用的新冠疫苗。
X射线
■布尔战争, 在伦敦医院进行X光检查的军人 / 盖蒂图片社
像许多伟大的发明一样，X射线是偶然被发现的。1895年，德国工程师和物理学家威廉·康拉德·伦琴对辐射的潜力进行了为期两个月的研究。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的屏幕并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并显示出骨骼和器官的清晰图像。一年后，一组医生为患者拍摄了最早的X光片。这些观察为我们今天熟悉的放射学奠定了基础，并从此开始帮助医疗专业人员诊断骨折、肿瘤、器官衰竭等问题。
本文译自livescience.com刊载的文章：20 inventions that changed the world
作者：Natalie Wolchover, Jessica Leggett
2、改变世界的发明，世界十项重大发明
1，薯片。毫无疑问，世界上最受喜爱的小吃之一是薯片。薯片也是一个偶然的发明，但它更像是一个恶作剧，由美国当地一家餐馆的厨师发明。客人不满该厨师做的薯片又厚又没味道而三次退回厨房，使该厨师即沮丧又愤怒，因此他将马铃薯切得很薄，油炸得很脆，并在上面撒了很多盐。令他惊讶的是，竟然得到很多客人的好评，成了该厨师的特色，现在我们把它们当作各种薯片吃。
2，冰淇淋甜筒。改变世界的最有趣和偶然的发明之一是冰淇淋甜筒。尽管冰淇淋在甜筒发明之前就已经成为最受欢迎的，但是用华夫饼锥做甜筒的想法是全新的。在1904年的一个展览会上，一个冰淇淋摊位卖得很好，但他们用完了盘子。邻近的华夫饼摊做的不好吃，剩下很多的华夫饼，所以两个摊主就商量打造了一个卷起的华夫饼干，里面放着冰淇淋，这就是我们现在所说的冰淇淋甜筒，我们一定很喜欢它。
3，可口可乐，几乎整个世界都沉迷于这种饮料，它已经像风暴一样接管了饮料行业。可口可乐最初创建于1880年，是作为药物使用的，是酒精和古柯提取物的混合物。John Pemberton是发明它的药剂师，但后来由于亚特兰大州禁酒，他后来不得不改变药用饮料中使用的成分。成分变化后，它变成了一种碳酸饮料，从那时起，它就是全球最受欢迎的饮品。
4，塑料。塑料已成为制造其他产品最重要的材料之一，让它成为器具，玩具，家具等等。即使世界上已经制造出不同形式的塑料，但现在塑料的形式，即合成形式是1907年创造的。塑料的创造者意外的发明了一种叫bakelite的材料，这种材料后来被转化为精致版合成塑料。这种材料在高温下不会融化的聚合物是该材料独特的原因，现在全世界都充斥着塑料。
5，抗生素。想一下，如果没有抗生素，我们的生活将会怎样，也许无法生存。 大多数的抗生素是一个非常偶然的发现，1928年，英国细菌学家亚历山大弗莱明在实验室中无意发现，培养皿中的葡萄球菌被污染而长了一大团霉，重要的是霉团周围的葡萄球菌都被杀死了，而离霉团较远的葡萄球菌仍然存活。通过鉴定，弗莱明知道了这是青霉素的一种，经过一系列的实验和研究弗莱明认为这是一种适应于全身的抗菌药物，可以说，抗菌素的应用拯救了亿万人的性命，人类的寿命也得以延长。
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