第7章：20世纪的科学技术与社会

考试说明

课件公共邮箱：kxjsysjwm@sohu;密码：111111按教学支配，本课程为2-11周，其中第11周为考试周。考试方式与留意事项：（1）开卷考试（允许带纸质材料，不允许带任何电子设备，如笔记本电脑等）（2）考试内容：课堂讲授内容（3）考试时间：11月24日，18:00-19:30（4）考试地点：平常上课的教室主M401（5）考题类型：简答，论述（6）在答题纸的右上角注明学号和姓名（7）自己带足考试用笔科学技术与世界文明20世纪主要科学技术成就其次个科学的世纪理论科学两大科学革命四大理论模型应用科学两大超级能量两大生活技术科学技术与世界文明19、20世纪之交的物理学革命：背景19世纪末20世纪初，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，经典物理学被誉为“一座庄重宏伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。三大发觉： （1）X-射线（1895，伦琴）（2）放射性（1896，贝克勒尔）（3）电子（1897，汤姆逊）科学技术与世界文明物理学新发觉1895年，伦琴（1845-1923）探讨阴极射线时意外发觉X射线；获得1901年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖人。通过X射线促进了或激励了一连串发觉。1896年，贝克勒耳（1852-1908）意外发觉放射线；1897年，汤姆逊证明白电子的存在；居里夫妇发觉放射线元素（钍、钋和镭）；证明元素的嬗变；促使元素嬗变理论建立（卢瑟福，1902年）；动摇了几千年原子和元素观念——认为原子不行分、是物质组成最小单元；认为元素不变。1896年李鸿章访问德国科学技术与世界文明洛伦兹：“在今日，人们提出了与昨天所说的截然相反的主见。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了。我真懊悔我未能在这些冲突出现前五年死去。”生活于19世纪末20世纪初的荷兰物理学家洛伦兹，创立了经典电子论，确定了电子在电磁场中所受的力(洛伦兹力)。预言了正常的塞曼效应，并在错误的以太学说的基础上提出了与相对论建立有关的高速运动的参考系与静止参考系之间时间、空间坐标的变换关系(洛伦兹变换)。像威廉·汤姆生一样，他认为当时“科学的大厦已经建成”。科学技术与世界文明物理学革命当时物理学家中的泰斗——开尔文勋爵在新年贺词中把物理学的19世纪发展和20世纪的前景比方为“物理学一片晴朗天空，只有两朵小小乌云”。它们是黑体辐射问题和以太问题，当时没有得到解决。科学技术与世界文明两朵小小乌云：（1）黑体辐射中的“紫外灾难” （2）迈克尔逊-莫雷所做的“以太漂移试验”理论拟合的曲线2理论拟合的曲线1试验曲线黑体辐射中的“紫外灾难”L1光源接收器L2运动方向以太迈克尔逊-莫雷所做的“以太漂移试验”科学技术与世界文明经典力学、热力学、经典电磁理论的矛盾和危机：（1）经典力学相对性与经典电磁理论的相对性不相容（2）热力学第二定律的不可逆性与牛顿力学可逆性的对立原子论的危机：电子的发现

演化方向上：生物学进化,热力学退化（熵增定律）力学与统计解释的矛盾：决定论（确定论）与统计论简单性与复杂性线性与非线性之间的关系全面危机科学技术与世界文明物理学革命以太漂移试验1905年，爱因斯坦（1879－1955）发表了三篇重要的论文。一篇关于光电效应（光的强度只与电子的多少有关而与电子的放射能量无关），一篇关于布朗运动，一篇关于狭义相对论，名“论动体的电动力学”。以同时性的相对性为突破口，给出了新的时间空间理论1916年，爱因斯坦提出广义相对论，把惯性质量与引力质量的等同性做了一个自然的说明1921年，获诺贝尔物理奖科学技术与世界文明（1）爱因斯坦（1879-1955）相对论相对性原理在全部惯性参照系中，物理学规律都是相同的，不存在一个优于其他惯性系的确定惯性系。光速不变原理在全部惯性参照系中，真空中的光线都是以确定的速度c运动的,不管这光线是由静止的还是运动的物体放射出来的。1905年6月，《论运动物体的电动力学》提出狭义相对论科学技术与世界文明“同时性”概念：“对于一个视察者来说是同时发生的两个事务， 对别的视察者来说，就不确定是同时的。”因 此，同时性只是相对的。爱因斯坦以相对性原理和光速不变原理作为公理前提，并利用同时性的相对性，导出了空间坐标和时间坐标在不同惯性参照系之间的变换关系式（在形式上与洛伦兹变换相同），从而最终把力学和电磁学在运动学水平上统一了起来。几个推论：

1、光速是运动速度极限

2、距离在运动方向上收缩

3、运动时钟变慢（双生子）

4、质量随速度增加而增大5、1907年，狭义相对论科学技术与世界文明广义相对论思想试验：爱因斯坦电梯1916年，《广义相对论的基础》建立完整的广义相对论理论，把惯性质量与引力质量的等同性做了一个自然的说明1919年，广义相对论理论被验证科学技术与世界文明科学意义经典力学实现了力学现象的综合，电磁学理论实现了磁、电、光现象的综合，狭义相对论的建立，使力学理论和电磁学理论在更高的层次上实现了综合。哲学意义1、从根本上否定了牛顿经典力学的绝对时空观。根据相对论，时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。2、揭示了时间与空间的统一性。狭义相对论证明了时间与空间存在着内在的、本质的联系，把三维空间扩展到四维。科学技术与世界文明牛忽然空与相对论时空（a）牛忽然间与空间分别，彷佛是一根在两个方向都无限延长的在铁轨上跑的火车头一样。（b）相对论时间与空间相互结合，当空间弯曲时，时间也有了形态，即铁轨是弯曲的，时间就如铁轨上的火车头一样。科学技术与世界文明量子力学革命1900年，普朗克提出能量子假说；

1905年，爱因斯坦提出光量子假说和理论；

20世纪初，卢瑟福提出原子的有核模型——太阳系模型；

1912-13年，玻尔建立（经典）量子论原子模型；

1923年，德布洛意提出物质波假说；

1925年，海森堡提出矩阵力学；1926年，薛定谔提出波动力学；1927年证明两者等价；1927年，海森堡提出“测不准原理”，玻尔提出“互补原理”。（2）量子论和量子力学建立科学技术与世界文明量子力学的自然图景

在微观领域引入概率随机性；波粒二象性：定域性；波是弥散的，

突现了量子现象的整体性以及伴随而来的主客体分界的模糊性。测不准原理：能量和时间、质量和动量；“黑屋子里的球”连续轨迹的概念不连续的量子跃迁概念严格确定论的概念概率确定论的概念定域的概念整体论的概念爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）就量子力学是否完备所发生的长达30年的争论。科学技术与世界文明四大理论模型宇宙学中的大爆炸模型数学模型视察证据（哈伯红移；爱丁顿；本底噪音-微波背景；）粒子物理学中的夸克模型一尺之捶，日取其半，万世不绝相对论效应-质能转换夸克禁闭：你敲击的能量越大，它禁闭的能量也越大分子生物学中的DNA双螺旋模型基因时代：基因复制、基因修补，基因重组DNA双螺旋模型得益于理论物理学的发展地球科学中的板块模型纵向运动-横向运动魏格纳冯·诺依曼模型科学技术与世界文明重要分支学科粒子物理学基本粒子、夸克物质的“可分性”：有限或无限相互作用的统一性：“物理学理论的终极”。现代宇宙学爱因斯坦开创现代宇宙学,建立静态宇宙模型。“一生中犯的最大错误”。动态宇宙模型：大爆炸宇宙理论，60年代得到观测支持。宇宙,我们的（观测）宇宙,开宇宙、闭宇宙和平宇宙,200亿光年,黑洞，有界无限。有限和无限。现代地学魏格纳的大陆漂移说赫斯的海底扩张说威尔逊的板块学说科学技术与世界文明50年代，发现DNA双螺旋结构

60年代，遗传密码破译,人工合成蛋白质70年代，生命起源新理论,人工合成核酸80年代，生物工程90年代，克隆、人类基因组工程

计算机科学技术、网络技术40年代出现计算机50年代晶体管计算机60年代集成电路计算机70年代大规模集成电路计算机,人工智能知识工程,ARPANet,计算机网络80年代神经网络计算机再兴,因特网

生物学（生命科学）伦理学问题法律问题道德问题等赛博空间Cyberspace新型人际关系人机关系新的伦理道德问题科学技术与世界文明生态和环境50年代，现代生态学60年代，环境问题、绿色运动70年代，全球问题，联合国《人类环境宣言》80年代，地球系统科学,可持续发展90年代，联合国《21世纪议程》,《中国21世纪议程》科技、经济、自然和社会的协调发展高新技术群计算机技术信息技术网络技术生物工程和科学技术新材料科学技术

新能源技术海洋科学技术空间科学技术先进制造技术科学技术与世界文明非线性科学革命系统科学、非线性科学：科学谱系40年代，系统工程，一般系统论、控制论、信息论60-70年代，耗散结构理论、突变论、协同论、超循环理论

80-90年代，混沌理论，分形理论，孤子理论当代，探索复杂性科学前沿整体和部分；结构和功能；线性和非线性，有序和无序；非线性世界与线性简化，非线性方法论。科学技术与世界文明系统科学60-70年头:“静态”阶段——耗散结构理论、协同学80-90年头:“动态”阶段——混沌学、分形学系统科学探讨的“系统范式”：从方法上反对立足于部分的分析还原方法系统科学揭示的世界图象：简洁性的世界→困难性的世界存在的世界→演化的世界确定性的世界→非确定性的世界科学技术与世界文明创始人为一群科学家，最著名的包括：气象学家洛仑兹（E.N.Lorenz）、数学家约克和李天岩、May，KAM（柯尔莫哥洛夫-阿诺德-莫什尔）等。混沌学J.Gleick:Chaos,makinganewscience“混沌”（Chaos），原意紊乱、无序和无规律。但在混沌理论中，它指的不是纯粹的无序。混沌理论探讨的是具有确定性的非线性系统，混沌“来源于确定论性方程的无规运动”。混沌是确定性的非线性动力学系统本身产生的不规则的宏观时空行为。科学技术与世界文明分形学曼德布罗特：大自然的分形几何学，彩图4创始人为曼德布罗特（B.B.Mandelbrort,1924-）他的《分形、形态、机遇和维数》及其修正本《自然界的分形几何学》是分形理论问世的重要标记。“分形”（fractal）意指不规则的、支离裂开的。该词由数学家曼德布罗特新造，用以描述自然界中极不规则、极不光滑的物体形体：曲曲折折的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、枝繁叶茂的树木、飘舞飞扬的雪花、变更无常的浮云和九曲回肠的河流等。分形是描述无标度性对象的概念，具有分形物体的特征是分数维数；分形和分维数是科学家视察、描述和说明世界的新视觉、新视角。科学技术与世界文明追求简洁性探究困难性关注本体和相识问题联系道德伦理与法律问题探讨无机界探讨生命、智能爱好驱动的小科学任务驱动的大科学相识导向的科学相识导向和应用导向并重的科学总体特点20世纪科学技术发展快速，发展更全面，留意整体，分析更深化科学技术与世界文明3、现代科学的哲学意义（1）现代科学的发展须要哲学爱因斯坦：物理学的当前困难，迫使物理学家比其前辈更深化地驾驭哲学问题。相识论要是不同科学接触，就会成为空架子。科学要是没有相识论——只要这真是可以想象的——就是原始的和混乱的。库恩：在公认的危机时期，科学家们必需转向哲学分析，作为解开他们的领域中的谜的工具。科学技术与世界文明（2）现代科学促进哲学的进步相对论牛顿绝对时空观：时间、空间、物质之间的绝对分割；狭义相对论时空观：四维时空，时间与空间不可分割；广义相对论时空观：时间、空间与物质之间不可分割。量子论机械决定论与统计决定论；对主体与客体之间关系的新认识；爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）长达30年的哲学争论。科学技术与世界文明20世纪应用科学两大超级能量核能的释放登月工程两大生活技术生物技术信息技术科学技术与世界文明20世纪100项新闻的科技部分（38）纯理论5项（DNA、相对论、量子论、弗洛伊德、进化论）核能利用4项（投弹、试爆、研制、核电站事故）航空3项（莱特兄弟、林白、喷气式）航天7项（登月、卫星、加加林、谢帕德、挑战者号、格伦、火星探究者）生物医药6项（盘尼西林、避孕丸、脊髓灰质炎疫苗、艾滋病、克隆羊、试管婴儿）通讯传媒10项（电视机、个人电脑、WWW、晶体管、电台节目、ENIAC、电视、晶片、马可尼、微软）科学技术与世界文明原子能的开发（1）1919年，英国卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，使其嬗变成氧原子。1932年，查得威克发觉中子1934年，法国约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正电子蜕变为硅。1933年，卢瑟福和爱因斯坦均没有意识到原子能的实际利用近在眼前。科学技术与世界文明原子能的开发（2）1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发觉通过石蜡减速之后的慢中子，裂核实力更强。费米因此获38年物理奖。1938年，德国哈恩发觉铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以说明铀试验。并称裂变过程要放出大量能量。费米提出链式反应概念。科学技术与世界文明原子能的开发（3）1933年，爱因斯坦移居美国1938年，费米逃往美国德国尚有普朗克、玻恩、海森堡、魏扎克、劳厄、哈恩、盖革1933年，匈牙利物理学家齐拉德（1898－1964）已经意识到核能的开发可能用于军事1935年，建议物理学家暂缓发表探讨成果1939年，玻尔认为核能利用为时尚早1939年，劝服美国政府抢在德国之前抓紧研制原子弹。爱因斯坦、萨克斯、罗斯福科学技术与世界文明原子能的开发（4）1940年，美国政府正式大量拨款，启动“曼哈顿工程”，格罗夫斯将军为行政首脑1941年12月－1942年12月，费米在芝加哥研制原子反应堆铀的提纯1943年1月－1945年7月。奥本海默在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯主持原子弹研制。7月16日凌晨5时30分，第一颗铀原子弹试爆成功。比一千个太阳都亮。曼哈顿工程：动员50万人，耗费22亿美元，占用全国三分之一的电力科学技术与世界文明原子能的开发（5）1944年底，盟军的特工小组已经发觉德国造不出原子弹科学家的迟疑：接着干吗？缺乏政治和道义上的支持不干吗？不符合现代科学技术的精神好的理由：应当让全人类知道它的威力齐拉德、爱因斯坦的看法1945年8月6日，铀弹小男孩投到广岛；8月9日，钚弹胖子投在长崎科学技术与世界文明原子能的开发（6）核军备竞赛：盟国之争45年8月，斯大林下令抓紧研制原子弹1949年8月，苏联成功地进行了核试验1952年11月1日，美国试爆第一颗氢弹1953年8月，苏联研制氢弹成功1952年10月3日，英国研制成功原子弹1960年2月13日，法国研制成功钚弹1964年10月16日，中国试爆成功原子弹科学技术与世界文明原子能的开发（7）1公斤核燃料相当于2500吨煤1954年，苏联建成第一座小型原子能电站；1956（英国），1957（美国）核电站：成本低、污染小、效率高，但事故太可怕1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号机组发生爆炸。人为造成三道平安措施无效1979年3月28日三里岛核电站二号堆事故，由于多重平安系统发挥作用，后果不严峻核聚变科学技术与世界文明航空技术气球与飞艇滑翔机，德国工程师李林塔尔（1848－1896）：要想学会飞行，就要做出牺牲。1903年12月17日，美国威尔伯.莱特和奥维尔.莱特制造的第一架动力飞行器“飞行者1号”飞上了天空，持续59秒，260米。1909年，法国人布雷里奥飞越英吉利海峡，36分钟飞行42公里1927年，美国人林白飞越大西洋飞行就是自由，飞行就是力气。如虎添翼科学技术与世界文明航天技术（1）从天空（sky)到太空（space)火箭：古代火箭与现代火箭俄国齐奥尔科夫斯基（1857－1935）的科幻小说《在地球之外》，系统完整地描述了宇宙航行的全过程。液体火箭、多级火箭、宇航服、失重、登月车1926年，美国高达德（1882－1945）成功放射第一枚液体火箭，飞行高度12米，距离56米1930年，德国冯布劳恩（1912－1977）独创液氧与煤油混合燃料。1942年制成A－4火箭，速度每秒2公里，射程190公里。科学技术与世界文明航天技术（2）1943年，布劳恩造出V－2导弹，重6吨，射程达300多公里，速度是音速的6倍1957年8月21日，苏联在科排列夫（1906－1966）领导下放射第一枚洲际弹道火箭，射程达8千公里1957年10月4日，苏联放射第一颗人造地球卫星。重83.6公斤，直径58厘米，能放射电码。1957年12月4日，苏联放射其次颗卫星，重500公斤，还装了一只小狗。1958年1月31日，由布劳恩设计的火箭将美国第一颗卫星送上轨道科学技术与世界文明航天技术（3）1959年1月2日放射了第一颗人造行星“幻想1号”1959年9月12日，苏联的“幻想2号”在月球硬着陆，使月球上第一次出现人造物1960年10月4日，幻想3号成为月球的卫星8月10日，美国成功的回收卫星8月15日，苏联也将载有两条狗的太空舱2号回收。1961年4月12日上午9时，加加林驾驶“东方1号”飞上太空，10时25分回到大气层科学技术与世界文明航天技术（4）1961年5月5日，美国的谢帕德在太空逗留了15分23秒，但不是真正