09年7月-现代科技概论第1讲

本课程拟从科学技术发展的基本概念出发，分析现代科学技术发展的基本特点、基本事实；阐述科学技术对社会经济和生产力发展的重要作用；介绍现代自然科学的几个前沿问题、当代高新技术及人类社会共同面临的环境和可持续发展问题。本课程的学术定位为科普类型。通过本课程的教学，使学生了解现代科学技术的一些基本知识，学习科学的思维方式，拓宽知识面，提高文科大学生的科学素质，以适应飞速发展的知识经济时代的需要。《现代科学与技术概论》课程介绍学习背景我们是现代科学技术成果的受益者国与国之间的核心竞争力在于科技进步学习本课程的意义为素质教育服务为科学发展服务为经济社会服务为素质教育服务沟通文理

培养历史感、加深对科学本身的理解，树立准确的科学形象，领悟科学精神科学史的颠覆意义科学史往往会打破通常教科书所教给学生的标准答案科学史往往鼓励对教条的东西进行怀疑，鼓励批判的态度科学史有可能诱导某些过份聪明的学生，不走正道，而试图通过非正常渠道达到科学前沿，取得突破性进展为科学发展服务促进理科教学，为科学知识包上糖衣从历史中为现实的科学难题寻找答案通常是科学家的科学史为经济社会服务科学史的意识形态功能认识到“科学技术是第一生产力”，认识“科教兴国”战略的伟大意义树立正确的世界观、人生观和方法论加强爱国主义教育科学史为现实科技政策服务研究科技的社会运行规律，帮助制定科技政策研究制约科技发展的社会文化背景第一章绪论

一、科学的基本内涵科学一词，英文为Science，源于拉丁文的Scio，后来演变为scientia，其本意是学问、知识。从以下三个层面来理解科学的基本含义：

(一)是人对客观世界的认识，是反映客观事实和规律的知识。

(二)是反映客观事实和规律的知识体系。

(三)是一种社会发展的实践力量。二、科学的特征和属性(一)科学知识的客观真理性(二)科学内容的无阶级性(三)科学劳动的探索性(四)科学认识形式的抽象性(五)科学理论的解释性和预见性三、现代科学四大基本理论相对论、量子力学、基因理论、系统理论

(一)相对论狭义相对论：这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物-速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。该理论解决了许多困扰了物理学家们很长时间的问题，这个理论形成了一个著名的公式：E=MC2，也就是能量（E）等于质量（M）乘以光速（C）的平方。广义相对论：解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，改变路径。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。广义相对论广义相对论是爱因斯坦(AlbertEinstein)在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10−12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。

(二)量子力学

量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。

1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。

1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。

1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。（三）基因理论

直到20世纪20年代才建立起决定性状遗传的基因理论，后来并进一步地证明了DNA是遗传信息的载体。甚至有些著名的遗传学家把遗传学堪称为基因学。基因携带的信息由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能而实现的，因此所有生命现象的机制追根到底都与基因的结构与功能相关。

(四)系统理论

20世纪以来，在科学系统中产生深远影响的横断科学如信息论（学）、控制论（学）和系统论等都得到了迅速的发展。这些与另一门典型的横断科学――数学科学，一起广泛地向其他学科渗透，从横断面上把众多分支学科联结为一体。系统论来源于生物学中机体论的思想，现在已发展成为系统科学中的基本理论部分。它是关于一般系统的本质、特点、运动规律的理论，还包括基于不同学科背景而形成的系统理论，如耗散结构理论、协同论等，都是基于实验和数学方法而建立起来的自组织理论。四、现代科学五大基本模型在20世纪，人们对自然系统的描述，建立了五大基本模型。（一）宇宙演化的热大爆炸模型在20世纪40年代末，美国物理学家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙理论，它认为宇宙起源于温度和密度极高的“原始火球”的一次大爆炸。大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙的开端，这时的温度高达100亿度以上，物质密度极大，整个宇宙体系达到平衡，宇宙间只有由中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态物质混合而成的“宇宙汤”，四种基本力，即引力、强力、弱力和电磁力，逐一地分化出来。后来，物质形态依次演化为原子、气态物质、各种恒星体系，最后发展成今天所看到的宇宙。（二）粒子物理的标准模型

已经发现夸克共有六种：上夸克，下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。上夸克，下夸克质量较轻,而其余4种夸克，质量较大。一般中子和质子都是由上夸克和下夸克组成的。物理学家们还发现所有的夸克粒子都有其对应的反粒子，如果用外力想强行分开它们，他们会各自迅速找到另外的伙伴。夸克和轻子是目前人们所认识的物质结构的新层次。因此在夸克一轻子模型的基础上形成了粒子物理的标准模型理论，即以夸克、轻子作为基本粒子，以电弱统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论起所构成的理论。（三）遗传物质DNA双螺旋结构模型

1953年，生物学家沃森和物理学家克里克合作，经过反复研究后提出了DNA双螺旋结构的分子模型：DNA有两股链，它们像旋转楼梯一样围绕一个中心轴盘旋，双螺旋结构内侧的碱基通过氢键而互相配对，即腺嘌呤与胸嘧啶配对（A－T），鸟嘌呤与胞嘧啶配对（G－C），使两条DNA长键之间存在“互补”关系。螺旋直径为20埃，沿主轴延伸方向每34埃完成1个螺距，每个螺距含有10个核苷酸。（四）智力活动的图灵计算模型

图灵计算是按某种规则将一组数值或符号串转换成另一组数值或符号串的操作过程。图灵在《计算机与智力》一文中提出计算机能思维的观点，并进行了检验：一个人在不接触对象的情况下，同对象进行一系列对话，如果他不能根据这些对话判断出对象是人还是机器，那么，就可以认为这台计算机具有与人相当的智能。符号处理学说有力地推动了人工智能的发展，人们用机器模拟人类智能，以至认为，神经元的基本功能是计算、思维。（五）地壳构造的板块模型

大陆漂移说大陆漂移说的创始人是魏格纳，他在《海陆的起源》一书中论述了南美和非洲大陆能拼合在一起的思想，大西洋两岸的许多生物有亲缘关系，以及在岩石、地层和皱褶构造等方面也相当吻合。

海底扩张说海底扩张说是在海洋地质的重大发现之后得到证据的。地球地幔上部分为岩石圈和软流圈，由于软流圈在高温物质地幔上部，地幔中有一个圆环形的对流体，驱使地幔的炽热物质从洋脊的裂谷中涌出，冷却后形成新的海底，并推动原来的海底向两侧扩张，像传送带一样连续运转，海底不断更新，大陆同海底一起在地幔对流体上漂移。岩石板块构造说

大陆漂移说和海底扩张说的基础上，岩石板块构造说成为新的全球构造理论。岩石圈被各种断裂分割成的块段称为板块，全球共分为七大板块，即太平洋、亚欧、印澳、非洲、北美、南美和南极板块。第二节技术一、技术的基本概念

最早给技术下定义的学者是18世纪法国百科全书派领袖狄德罗。在他主编的《百科全书》的“技术”词条中指出：技术“就是为了完成某种特定目标而协调动作的方法、手段和规则的完整系统”。

狭义的理解，只把技术限制在工程学的范围内，如机械技术、电子技术、化工技术、建筑技术等；广义的理解，则把技术概念扩展到社会、生活、思维的领域。我国学者给技术下的广义定义是：“人类在为自身生存和社会发展所进行的实践活动中，为了达到预期目的而根据客观规律对自然、社会进行调节、控制、改造的知识、技能、手段、规则方法的集合。”二、技术的特征和属性

(一)技术的“中介”性

(二)技术具有自然属性

(三)技术具有社会属性三、技术的三次革命

(一)第一次技术革命

18世纪，以英国钟表匠约翰·凯伊发明的飞梭为导火索，直到瓦特在他人研究基础上发明了普遍使用的蒸汽机.

(二)第二次技术革命

19世纪70年代，具有实用价值的电动机和发电机先后问世，继而在20世纪80年代又实现了电力的远距离传输。

(三)第三次技术革命

20世纪中叶以来，由于原子能、电子计算机和空间技术的发展，开始了第三次技术革命，也就是现代技术革命。四、现代技术的三大体系

现代技术已发展成为一个庞大的复杂系统，主要由三大基本技术，即物质变化技术、能量转换技术和信息控制技术组成。第三节科学与技术的关系

一、科学与技术的内在联系

1.古代社会中科学与技术的联系

2.近代社会中科学与技术的联系

3.现代社会中科学与技术的联系现代科学与技术是一个辩证统一的整体。科学离不开技术，技术也离不开科学，它们互为前提、互为基础。科学中有技术，技术中有科学。二、科学与技术的区别(一)科学与技术的构成要素不同科学的要素是概念、范畴、定律、原理、假说。技术的要素分为两类：一类是主体要素，即经验、理论、技能；另一类是客体要素，即工具、机器等装置。(二)科学与技术的任务不同科学的任务是有所发现，揭示自然界的新现象、新规律；技术的任务是利用自然、控制自然，创造人工自然物。(三)科学与技术所要解决的问题不同科学主要解决“是什么”和“为什么”的问题；技术主要解决“做什么”和“怎么做”的问题。

(四)科学与技术的研究过程不同科学研究的目标有较大不确定性，往往难以预见在未来会作出什么发现，也难以计算出作出某种新发现需要多少时间，付出多大代价；技术开发有既定的目标的，有较明确的步骤和经费预算，技术开发工作的计划性比较强。

(五)科学与技术的劳动特点不同科学研究的自由度要大些，个体性较强；技术开发活动虽然必须发挥个人的独创性，但是，其活动的集体性较强。

(六)科学与技术的成果的表现形式不同科学研究的成果主要表现为学术论文、学术专著；技术开发的成果主要表现为工艺流程、设计方案、技术装置。第四节科技发展阶段的划分根据科学技术整体在各发展阶段所展现出来的性质和特征，同时兼顾社会政治、经济文化等因素，科技界比较统一地把人类科技发展历程大致划分为古代、近代和现代科技三大历史时期。值得注意的是，科技史的分期与我们所学历史的分期并不一致。一、古代科学技术（16世纪以前统称之）1、涵盖阶段：（1）四大文明古国的科学技术；（2）古希腊古罗马的科学技术；（3）中世纪阿拉伯地区的科学技术（6～12世纪）；（4）中国封建时期的科学技术（BC221后，即秦始皇统一中国后的古代科技）。2、特点：（1）研究内容上：基本属于现象描述与经验的总结，一般还停留在经验定律阶段（如亚里斯多德的物理学体系）。往往是以一个个比较孤立的发明、发现、论断、定律等出现，属于比较零散的知识，尚未上升为理论。（2）研究方法上：直观观察；思辨性猜测（如毕达哥拉斯学派的宇宙模型，就是以上帝是完美的角度思辨出发，提出天体只有按正圆轨道、匀速地围绕中心运转，才符合上帝创造世界的完美性原则，因为正圆轨道、匀速才是完美的，该思辨性结果影响后世数千年）；形式逻辑的演绎（如欧几里德的几何学）。（3）科技结合上：古代科学与技术基本上是作为两个不同的传统独立地发展着，其一是科学――精神传统，主要体现者是学者；其二是技术――实践传统，主要为工匠所发扬。所以科技发展基本较少交融，相互离散，即使偶有结合，也较松散。科学从属于哲学，以自然哲学形态出现，故当时的知名学者不能称为科学家，而是自然哲学家。（4）自然观上：自发的唯物主义（如泰勒斯的“万物源于水”；中国的“五行说”等）；朴素的辩证法（如赫拉克里特的“人不能两次踏进同一条河流”；中国的“阴阳互补”等）。中世纪后，在西方则被神学自然观所替代。二、近代科学技术（16～19世纪）

1、涵盖阶段：（1）近代科学革命的序幕（16世纪）。在文艺复兴、宗教改革及地理大发现等推动下，1543年，以哥白尼《天体运行论》和维萨留斯《人体构造》的出版，拉开了近代科学与技术革命的序幕。（2）近代科学的诞生（17世纪）。近代自然科学理论的兴起和以伽利略、牛顿为代表的经典力学体系的形成。（3）技术革命与理性启蒙（18世纪）。英国的第一次技术革命和由此推动的热力学理论的发展；法国的大革命；理性启蒙则表现在两个层面上，一是以弗兰西斯·培根为代表的现实经验知识的理性启蒙，一个是以勒内·笛卡儿为代表的主体精神世界的理性启蒙。二者相互影响，完成了近代理性启蒙的历史使命。（4）古典科技的全面发展（19世纪）。技术――第二次技术革命（电气化）；科学――百花齐放，全面发展。物理学：热力学第一、二定律的发现；电磁理论实现了光、电、磁的统一。化学：原子论、元素周期表解开了化学元素的奥秘。天文学：走出太阳系，把视野投向了广袤的宇宙空间。进化论：自然观的巨大变革。生物学：细胞学说、微生物学、遗传学的大发展等。2、特点：（1）研究内容上：近代科技在广泛收集资料的基础上，科学研究开始从现象深入本质，从经验定律上升为科学理论；在形式上与哲学分离，走上独立发展的道路，达到了系统全面发展。（2）研究方法上：强调科学实验，是建立在观察实验基础上的实验科学；数学方法在近代自然科学中广泛运用，且数学方法和实验方法的结合是近代科学研究方法的最显著特征；同时发展了以实验事实为依据，以归纳推理为主要手段的分析和逻辑推理方法。（3）科技结合上：科学技术对生产实践的指导作用日显重要，“知识就是力量”――培根、“科技是生产力”――马克思，科技结合日益密切。（4）自然观上：16—18世纪科学思想的基本特征是以牛顿为代表的力学机械论(或叫牛顿纲领)；随后辩证唯物主义也开始萌芽。三、现代