科學技術與社會進步(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ）創立了電磁學說，還推導出電磁場的 13 波動方程，預示了電磁波的存在，預言了光也是一種電磁波，把光、電、磁三種現象統一起來，使光學、電學、磁學形成一個具有統一理論基礎的知識體系。奠定了現代電力、電子和無線電技術及其產業的理論基礎，為近代第二次產業革命提供了理論的保證。 （ 3）化學新成就 a 國化學家拉瓦錫（ 1743~1794）通過實驗發現了氧，創立了“氧化學說”，推翻了“燃素說” b 原子 — 分子論的創立 英國化學家道爾頓（ 1766~1844）首先提出物質由原子組成的基本概念（ 1803~1808）；意大利物理學家阿弗加德羅提出了分子的概念（ 1811）使原子分子論得到初步確立，為化學奠定了重要的理論基礎，推動了 19 世紀中葉實現對原子量的測定和分子組成的研究。 C 元素周期律和元素周期表的創立 俄國化學家門捷列夫（ 1834~1907）在 1869 年發現周期律揭示了元素性質與原子量之間周期性關系，表明自然界存在著一個嚴整的元素自然序列體系。根據這個規律，不但可以有計劃有目的地尋找新元素或人工合成新元素。而且可以全面把握各種元素的性質；周期律不 但在化學領域具有重大意義，而且在物理學中對量子力學、原子物理以及核物理學中也具有重大意義，促成了原子能，核裂變理論與實踐的重大發現和應用，同時對進一步揭示微觀世界、微觀粒子的研究具有劃時代的意義。 D 有機合成與有機結構理論的建立 1828 年武勒人工合成尿素，此后一系列人工合成有機物獲得成功并促進了有機結構理論的創立，為石油化工工業、塑料、化肥、化纖、染料、制藥、炸藥等新材料、新產品、新技術的應用奠定了堅實的理論與實驗基礎。 現代科學的發展 19 世紀末物理學的三大發現 （ 1） X 射線的發現 德國物理學家倫琴（ 1945— 1923）于 1895 年在研究陰極射線的實驗中，意外地發現了一個穿透力很強的射線 — X 射線，孕育著新技術的誕生和廣泛應用。 （ 2）放射性的發現 法國物理學家貝可勒爾（ 1852— 1908）于 1896 年在研究 X 射線與熒光物質的關系時引導他發現了鈾原子的天然放射性。 1902 年盧瑟福（ 1871— 1937）又進一步闡明放射性的本質就是放射性元素的原子核自發地蛻變成另一種原子核的過程，與此同時放射出另一種能量很高的射線，隨著發現了釷、釙、鐳、等放射性元素。特別是鈾 235 的放射 14 性為原子能的利用奠定 基礎。 （ 3）電子的發現 英國物理學家湯姆生（ 1856— 1940）于 1897 年在研究陰極射線時證實陰極射線的本質是帶負電荷的一束粒子流、并測出了陰極射線粒子的質量約為氫原子質量的1/1837。他當時把這種組成原子的粒子稱為微粒，即后來被稱為“電子”。 電子的發現否定了 2020 多年來認為原子是組成一切物質的不可再分基元的傳統觀念，預示著原子內部有特殊結構，為原子結構理論的創立和電子學、電子技術的利用立下了不可磨滅的功勛。 相對論的建立 德國科學家愛因斯坦（ 1879— 1955）于 1905 年創立了狹意 相對論，主要論點： （ 1）同時性的相對性 即兩個事件是否同時，在不同的慣性系看來是不同的，同時性并不是絕對的而是相對的；（ 2）長度收縮 運動著的物體在其運動方向上的長度要比靜止時短；（ 3）時間延緩 運動著的時鐘要變慢；（ 4）動質量增大 運動著的物體的質量隨著速度的增大而增大；（ 5）光速是運動物體的極限速度，即任何物體的運動速度都不能超過光速；（ 6）物體的質量（ m），能量（ E）之間服從質能關系式： E=MC2（ C為光速 C=30179。 104 Km/S）。 狹意相對論揭示了時間、空間與物質不可分割，隨物質運動 狀態而改變。 相對論的核心是觀察物體運動的“四維”空間，即質量、速度、距離和時間，它們之間是相互聯系的。 相對論的理論依據是物體的運動速度極限是光速，光在真空中的速度始終保持不變，更重要的是，它與觀察者的速度無關（ 1光年（ ） =30179。 104179。 365179。 24179。 3600=179。 10 12Km）。 相對論的實驗依據是假設有兩個飛船，若飛船 A 以 的速度朝一個方向運動，飛船 B 從對面方向飛來，速度也是 ，按牛頓力學， A和 B 的相對速度 A+B=，但實際情況并不是 。而是必定小 于 1C（愛因斯坦計算應為 ） L AB的相對距離， H運動物體指示時間， h靜止物體時間。由此會得出驚人的結果： A A L 1H H= 15 如果人能夠以光速旅行，他最少會經歷三件事：時間變得停滯（變慢）；自身的體積縮到無限??；本身的質量卻變得無窮大。 為什么會產生這種現象，原因是速度極限 — 光速。 愛因斯坦的廣義相對論要點： 廣義相對論是一種引力場理論，在引力場中，現實的物質空間不是平直的歐幾里得幾何空間，而是黎曼幾何的彎曲空間，其彎曲度取決于物質在空間的分布情況，物質 密度大其空間引場的強度大，空間彎曲得越厲害，即空間取決于引力強度，引力強度大，時間也會變慢。 廣義相對論進一步揭示時空的性質不僅取決于物質的運動情況，而且也取決于物質本身的分布狀態。 廣義相對論的驗證 水星軌道近日點的進動；光譜線紅移；光線在引力場中的偏轉 狹義相對論研究的物體是恒速運動的觀察者。 廣義相對論研究的物體是加速運動的觀察者。 狹義相對論只考慮 了恒速運動的觀察。廣 義相對論是對加速運動 的觀察。 愛因斯坦設想一架 處于自由落體狀態下運 動的電梯。當一束光線進入墻上的一 個小孔，電梯里的人觀察到光線沿直線行進；但是對于電梯外面的觀察者來說，光卻是沿曲線進行。為什么會這樣？愛因斯坦指出，這一彎曲是由于電梯正在加速引起的。由于引力是一種形式的加速，光會因此而彎曲。 一張平鋪的橡皮墊 在中間放一重鐵球，墊 子被重球壓迫而變形。 同樣，時空在一個像恒 星這樣大質量的物體周 圍因受恒星大引力作用， 物體周圍會扭曲。 16 讓一顆小球在靠近重球的橡皮墊上滾動，它沿著一條曲線滾動，恰似恒星附近的光線一樣光會發生扭曲而偏轉，時間出會變慢； 光線在 重引力場中會發生偏軌； 水 星在近 日點加速 運動 —— 近日點進 動，也是廣義相對 論 所觀察的一種現象。 量子論的創立 所謂量子是指單個的，不連續的。 1900 年，德國物理學家普郎克（ 1858～ 1947）提出量子論學說，認為物體在輻射和吸收能量時，能量是不連續的，而是有一個最小能量單元，被稱“能量子”，簡稱量子，1905 年愛因斯坦認為光也是不連續的，提出了“光量子”，認為光是由不連續運動的光量子（粒子）組成。 玻爾（ 1885～ 1962）的原子結構的量子化理論 1913年丹麥物理學家把盧瑟福的原子核模型與普朗光的能量子學說結合起來，提出原子中的電子只能沿著一些特定的軌道上繞原子核運動，電子在這些軌道上運行時不吸收也不輻射能量，處于穩定狀態，若電子吸收外界能量則成激發態發生躍遷；若電子受某種擾動也可產生輻射現象，為量子論建立奠定基礎。 量子力學的建立沿著兩條不同途徑通過四位科學家的獨立研究共同創立的。 一條是 1924 年法國物理學家德布羅意（ 1892～ 1987）提出物質波理論，認為任何粒子（光子、電子）運動都縣有波動性，它的波長與它的動量成反比，并發展了波動方程的學說。 1926 年奧地利物理學家薛定諤（ 1887～ 1961）在他的導師德拜的指導和幫助下，發展了德布羅意量子力學波動說觀點，系統地描述原子核外電子運動的薛定鍔方程。 量子力學另一條道路是德國物理學家海森堡（ 1901～ 1976）等人創立矩陣力學的探索之路，他首先提出測不準原理，即電子運動的軌跡和某時刻的位置不是固定不變的，兩者不能準確的同時測量到。之后他和玻恩（ 1882～ 11970）、約爾丹（ 1902～）合作，共同建立了量子力學理論系統，即矩陣力學。 英國物理學家，狄克拉（ 1902～ 1984）運用數學計算使量子力學成為 更完整的體系。波動力學和矩陣力學兩者成為量子論堅強的支柱。 勻速 加速 水星 17 量子力學反映了微觀世界物質運動規律的特殊性，使人們對自然界的認識實現了從宏觀世界向微觀世界的飛躍。量子力學的建立大大促進了原子物理，粒子物理，凝聚態物理等物理學前沿的發展，促進了量子化學的產生，及激光技術，虛擬技術的研究和開發應用。 現代自然科學的全面發展 20 世紀以來，現代自然科學不僅在涉及全局性的科學基礎理論如相對論，量子論這樣新的革命性的突破，而且在各個傳統學科領域里也取得了革命性的進展。如地球科學中的板塊構造理論學說的建立，開創了 人類對地球史認識的新階段。 分子生物學的建立，實現了人類對遺傳物質基礎認識史上的一次劃時代的突破，開辟的生物技術，細胞工程，基因工程、酶工程和發酵工程，使人類對生命科學的認識向縱深方向發展；天文學領域，天體演化學說和宇宙學的誕生，使人類的視野推進到 200億光年的大尺度的空間范圍??。 現代自然科學一方面向微觀深層和宏觀廣度的縱向發展，另一方面又向綜合，橫向發展，出現了環境科學，能源科學，材料科學等綜合型科學；出現了信息論，控制論，系統論，協同論，耗散結構理論，混沌學等橫向型科學，邊緣科學，交叉科學，成為新世 紀自然科學基礎理論科學突破性發展的一個重要方面，其特點是既高度分化又高度綜合的全面發展中，對整個人類社會的各個方面也產生了極其廣泛而深刻的影響。 現代科學技術的發展趨勢和基本特點 科學技術迅速發展和急劇變革 （ 1）現代科學技術發展呈指數增長的趨勢 截至 1980 年，人類獲得的科學知識 90%是第二次世界大戰后的 30 多年中取得的，到 2020 年翻了一番，最近 50 年來人類所取得的科技成果、技術發明的數量遠遠超過以往 5000 年的總和。 （ 2）當代科學技術發展的新階段 20 世紀中葉以來，科學技術的發展 經歷了 5 次重大的變革 在第一個 10 年（ 1945~1955）以原子能的研究與利用為標志，人類開始了核能利用的新時代。 在第二個 10 年（ 1955~1965）以人造衛星的發射成功為標志，人類開始向外層空間進軍。 在第三個 10 年（ 1965~1975）以重組 DNA 成功為標志，基因工程正式踏上歷史舞臺，人類進入了可控制遺傳和生命過程的新階段。 18 在第 4 個 10 年（ 1975~1985）隨著微電子技術的迅速發展，以微處理機的大量生產和廣泛使用為標志，揭開了以電腦擴大人腦能力的新紀元。 在第五個 10 年（ 1985~1995）以軟件 的大規模開發與產業化為標志，人類邁入了知識經濟的新時代。 進入 21 世紀以計算機互聯網為標志，人類進入了一個可在虛擬空間里實現信息交換與信息共享的信息時代。 納米科技與人類基因組計劃的重大突破，預示人類將在進一步破譯生命秘密的基礎上展示神奇生命世界的誘人前景，預示著新一輪的科技革命即將到來。 現代科學的主要發展趨勢 物理學和生物學成為 20 世紀帶頭學科，基礎自然科學的體系以它們為核心形成了物質科學和生命科學兩大綜合科學。 自然科學發展的第一個主要趨勢 一方面物質科學繼續揭示自然界更深，更廣，更久遠的層 次和各種極限狀態下的物質運動規律；另一方面，系統科學與生命科學正逐步闡明與人類的關系更密切的各類復雜系統的行為規律，系統科學和生命科學將是 21 世紀的帶頭科學。 第二個主要趨勢 現代科學在高度分化的基礎上產生了高度的綜合，綜合表現為多層次，多維度的科學交叉與滲透，更表現為橫斷學科和綜合性的學科群不斷出現，各門學科之間的界限日益模糊，而普遍聯系日益強化。 現代技術的主要發展趨勢 第一，以基礎自然科學新成果為先導的高新技術成為現代技術體系的帶頭技術。 第二，各門技術相互滲透，相互促進圍繞某一大問題、大目 標的解決與實現形成龐大的綜合性技術群。 第三，綜合應用多種門類技術的復雜大系統的研制開發成為技術發展的主要途徑之 一。 第四，以軟科學為理論基礎的多種社會技術成為現代技術體系的新門類。 第五，大多數技術創新出現于新產品的研制過程中。 科學技術發展的綜合化趨勢 （ 1）科學的技術化，技術的科學化相對應領域的科學與技術的銜接后相互滲透，相互包含以至融合成連續的整體?？茖W的技術化，是指在總體的科學活動中包含著大量的技術科學研究、技術發展研究和技術應用研究工作等方面的內容；技術的科學化，包涵雙重含義，第一指已 有的技術上升到技術科學，第二指技術創造發明是根據已有的基 19 礎科研成果，即技術進步是以科學的成果為依據。 在 19 世紀中葉以前，科學與技術是分離的，它們各自獨立發揮社會作用，其發展往往是脫節的。技術的進步通常是依靠傳統技藝的提高和改進，只憑經驗摸索前進?？茖W理論也經常是跟在實踐之后來概括和總結人們在生產技術活動過程中積累起來的經驗材料。因此，經常會出現在科學上還未搞清的理論，在技術上卻可以實現，如發明用火卻是遠在燃燒說學之前；而科學上已發現了的某些規律，在技術上卻久久不能實現，如太陽熱核反應放出高能量的理論早已建 立，但太陽能的綜合利用至今仍步履艱難等。關鍵性的技術突破常常與科學理論沒有直接聯系，但科學技術發展到今天，科學與技術