现代科学技术

现代科学技术第四节现代科学技术19世纪末20世纪初,由于物理学的革命,开辟了科学认识的新领域,使自然科学进入到一个新的历史时期——现代科学时期。从本世纪40年代起,依靠自然科学的最新成就,一大批新兴技术不断涌现,汇成了新技术革命的洪流.由于新技术与现代科学理论的紧密结合,以及科学、技术各学科在发展过程中的不断分化与综合,现代科学与技术形成了一个各门类、各学科相互联系、相互渗透的统一的知识体系。现代科学技术的发展,既有以往科技发展的一般特征,也表现出与以往科技发展不同的新的趋势,主要有整体化趋势、数学化趋势,以及科学与技术的一体化趋势。一、现代科学技术的产生19世纪来,X射线、元素放射性和电子的发现,揭开了现代物理学革命的序幕。20世纪初创立的相对论和量子力学,是现代物理学革命的两大支柱,是促成20世纪自然科学各学科飞跃发展的理论基础。在理论自然科学的推动下,从20世纪40年代起,一系列新技术相继问世,导致了以信息技术为核心的新技术革命.它所包括的内容主要有信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、光电子与微光技术,以及传统产业技术的革新等。工业化大生产为现代科学技术的产生和发展奠定了物质基础,而各种社会需求则是促进现代科学技术产生和发展的强大外部动力,尤其是经济需求和军事需求,所起的作用最为显著。(一）物理学革命1、X射线、元素放射性和电子的发现1895年德国物理学家伦琴（1845～1923）偶然发现高真空的放电管会发射出一种未知的射线,使照相底片感光,他称这种射线为"X射线"。几年后通过实验人们认识到X射线是一种波长很短的电磁波。X射线后来在医疗、工业检测和科学研究上得到了广泛应用。1896年法国科学家贝克勒尔(1852～1908）在研究X射线时意外地发现了铀元素的放射性现象。法国的居里夫人（1867～1934）和英国的卢瑟福(1871～1937）等科学家深入研究了元素的放射性,揭示了放射性的本质是放射性元素的原子核自发地转变为另一种元素的原子核的过程。1897年英国物理学家汤姆逊(1856～1940）用实验证明高真壁放电管中放射出的所谓"阴极射线",实质上是一种带负电的粒子流,这种粒子是一切元素的原子的组成部分。这种粒子是人类认识的第一种基本粒子,它被命名为"电子气”。上述三大发现表明,原子并不是最小的、不可分割、不会变化的物质单元,传统的能量转化与守恒学说也无法解释元素放射性现象。经典物理学受到了严重的挑战,物理学革命由此拉开了序幕。2.相对论的创立根据麦克斯韦的电磁学理论,电磁波(包括光）的传播必须依靠一种尚未证实的介质──以太。这种假想的、绝对静止的以太,被看成是时空的绝对参考系。但经过精心设计,用以寻找以太的"迈克尔逊-莫雷实验"却得不出肯定的结论。德国科学家爱因斯坦(1879～1955)突破了以太说和牛顿力学绝对时空的观点,于1905年创立了揭示时间、空间的量度与物体的运动状态直接联系的狭义相对论。1915年爱因斯坦又将狭义相对论推广为广义相对论,采用非欧几何的数学形式,进一步揭示了时空、运动与物质分布的关系,并重新解释了引力的本质,从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。狭义和广义相对论都是作为一种科学假说提出的,之后,它们分别得到了多项科学实验的证实,因而成为了科学界普遍接受的理论。3.量子力学的建立19世纪末,热力学的发展、热机和电照明的应用推动了热辐射现象的研究.为了解决黑体辐射的实验结果与经典物理学中能量连续变化观念的矛盾,德国物理学家普朗克（1858～1947）于1900年提出了"能量子"或"量子"的假设。爱因斯坦也于1905年提出了"光量子"或"光子"概念。量子理论经过20多年的发展,终于导致了量子力学的建立。1924年,法国物理学家德布罗意（1892～?）提出了任何实物粒子都具有波动性,即"物质波"的概念,揭示了物质世界的一种普遍性质一一波粒二象性。在此基础上,德国的海森堡(1901～1976)和奥地利的薛定海(1887～1961)先后于1925年和1926年分别建立了各自以不同的数学形式表达,但本质上是一致的量子力学体系。量子力学的建立,使人类对自然界的认识由宏观领域深入到微观领域,揭示了微观粒子运动的特殊规律,从根本上改变了只承认连续性和机械决定论的经典物理学观念。物理学革命是现代自然科学的开端。相对论和量子力学的理论和方法从20世纪30年代起逐渐渗透到许多学科中,不仅促进了物理学的全面发展,而且也推进了自然科学诸多领域(如天文学、化学、生物学）的开拓性研究。以相对论和量子力学为主要理论基础的20世纪自然科学,在更深的层次上考察微观对象,又在更大尺度上探索宏观世界,并把这两者结合起来,各门学科相继取得了突破性进展。与此同时,还产生了系统论、信息论、控制论和自组织理论等新型横断学科,从而形成了现代科学全面深入发展的崭新局面。本书第三章将分学科介绍现代自然科学的基本内容。(二）新技术革命现代新技术革命发端于20世纪40年代。以三大发现和相对论、量子力学为中心内容的物理学革命,极大地推进了理论自然科学的司发展,许多新的学科,如原子核物理学、无线电电子学、凝聚态物理学、高分子化学、分子生物学等相继问世。由于现代科学已经走在了技术的前头,而且科学发现转化为技术发明的周期越来越短,所以上述新学科诞生后不久即有相应的新技术问世。从40年代至7O年代初,原子能技术、电子技术、空间技术、激光技术、新材料技术、生物技术等一系列新技术的产生,无不是现代科学的进步迅速地转化为强大的技术力量的例证。1942年建成第一座核反应堆,1945年爆炸了第一颗原子弹,1955年建成第一个民用核电站。从此开始了人类利用原子能的时代。1946年第一台电子计算机研制成功,1948年发明了晶体管,1971年出现大规模集成电路。电子元器件的更新带动着各种电器特别是电子计算机的迅速换代,并导致了70年代以后的信息革命。1957年第一颗人造卫星上天,1969年首次人类登月成功,1971年发射第一个空间站。从此人类活动越出了地球的限制,进入了宇宙空间。1960年第一台红宝石激光器诞生,70年代初激光通讯即开始迅速发展。人类由此在工业、医疗、测量、通讯等广泛领域获得了神奇的新工具和新手段。1940年研制出合成橡胶、涤纶,1955年出现了性能优良的压电陶瓷。各种新材料提供了优质的"产业粮食"。1973年第一次实现了对遗传物质DNA的剪接和重组,为实现人工定向地组建有特定遗传性状的生物体这一目标奠定了基础。在短短几十年里,出现了如此之多划时代的伟大发明和创造,与之相关的和由其带动的其他发明更是数不胜数,形成了新技术革命的燎原之势。20世纪70年代,新技术革命进入了以信息技术为主导的新的发展阶段。信息技术是微电子技术、电子计算机技术、遥感技术和光纤技术等组成的高技术群。信息技术在通讯、计算机化和自动控制方面发挥了巨大的功能,它在人类社会的应用领域已超过5000种,它的发展正在并将进一步彻底改变社会生产和生活的面貌。不仅如此,信息技术还有力地推动了当代其他高新技术的进展,空间技术、生物技术、新材料技术、新能源技术,以及传统产业技术的革新等,无不都是以信息技术为基础,或是借助于信息技术成果和手段,或是为了信息技术的需要才获得新的发展的,而这些新技术的发展同时也推动了信息技术的进步。因此,以信息技术为主导的现代技术革命,又被称为信息革命。本书第四章将介绍当代高新技术的发展状况。(三)现代科学技术产生和发展的社会背景科学技术研究过程中不断出现的不同理论之间的,以及实验结果与已有理论之间的新矛盾、新问题,是现代科学技术产生和发展的内在原因;而社会的物质生产和各种社会需求则是促成现代科学技术产生,并推动其发展的外部原因。19世纪末,特别是20世纪初的强大工业化生产,为现代科学技术的产生和发展奠定了雄厚的物质基础。这首先表现在由于工业化的发展,出现了大批用途广泛、计量精确的仪器和设备,为科学技术研究提供了优良的实验条件。如质谱仪、同位素测定仪、原子光谱仪等,都是鉴别物质成分、分析其结构的有力武器;电子示波器、电子显微镜成为了现代科学实验运用最普遍的仪器；超高压、超低温、超真空装置,都是现代科学技术研究不可缺少的手段。其次,为适应工业化大生产的需要,一些国家先后成立了大规模的科学技术研究机构,集中大批人才从事科学研究和技术开发工作。如西门子公司创办的德国物理工程学研究所,美国的贝尔研究所等,都是世界上著名的科研和开发机构。现代绝大多数新兴技术,都是在这类科技机构中诞生的。社会需求是促进现代科学技术的产生和发展的强大动力。社会需求是多方面的,它包括政治、经济、军事、文化教育、医疗卫生、社会生活等各个方面,其中对现代科学技术影响最大的是经济和军事方面的需求。20世纪初期,在机械技术、电力技术充分应用的基础上,怎样进一步挖掘新的科技资源,以获取更大的经济利益,一直驱使人们去探索和研究.与此同时,一些国家国内和国际市场的激烈竞争导致了两个必然结果:一是改进生产技术,改善产品质量,增加商品竞争能力；二是发明新的技术,以其为基础建立新的产业,以新产品抢占市场。这就使得正在进行的探索和研究工作获得了更大的动力,从而使新的科技成果不断涌现。军事上的需求,影响着自科学技术的研究方向,同时也大大加快了科技新成果的诞生和广泛应用的速度。现代科学技术的每一项重要成就,几乎都与军事需求相关,而且一般来说,最新科技成果往往总是首先在军事上得到应用。关于这方面,只要举出原子能、电子计算机和空间科学技术等的例子就能说明问题。此外,诸如控制论、信息论等新兴学科,也是第二次世界大战的军事需求的产物。社会的需求促进了现代科学技术的产生和发展,科技新成果也确实满足了现代社会的大量需求,于是社会更加重视科学技术,世界各国都不遗余力地进行科学研究和技术开发.发展现代科学技术已经不是个人或单个企业的事,而是成为了国家的重要事业。国家对科学技术事业进行领导、组织和规划,极大地推动了现代科学技术发展的进程。二、现代科学技术的结构现代科学技术已发展成为一个学科门类繁多、结构完整的庞大体系。为了揭示各类科学技术的联系,就必须对科学技术进行分类。在分类的基础上,弄清现代科学技术体系的结构,对于从整体上把握其发展趋势,具有重要意义。(一)现代科学技术分类现代科学技术虽然是多学科、多门类相互联系的整体,但科学和技术这两种社会活动,各自有不同的特点,它的发展也各具相对独立性。因此,现代科学技术的分类,宜分别对科学和技术来进行。1.现代科学分类科研活动一般可分为基础研究、应用研究和开发研究三阶段。与之相对应,现代自然科学分为基础科学、技术科学和工程科学三类。基础科学是对自然界基本运动规律的认识,包括物理学、化学、天文学、地学、生物学以及这些学科的各分支学科、交叉学科。作为各门学科的工具和方法的数学,常常也被看作是基础科学的一门学科。基础学科的一般表现形式是由概念、定理、定律等组成的理论体系,它们与生产实践的关系比较间接。基础科学研究的一些成果,必须通过应用研究和开发研究的一系列中间环节,才可能转化为物质生产力。基础科学是整个科学技术体系的基础部分,对文化教育和生产实践,都具有长远的、根本性的意义。技术科学是研究各门专业技术的基本原理的科学,它研究生产技术和工艺过程中带普遍性的问题。像材料力学、热工学、电工学、冶金物理化学、自动控制理论、作物栽培学、病理学等,均属于技术科学。技术科学既区别于最基础的理论,又不同于有确定应用对象的专业知识,是基础科学与工程科学的中介。工程科学是研究特定对象生产技术和工艺流程的原则和方法的应用性科学,它研究科学理论如何转化为技术,以供改造自然、进行生产之用。像矿山工程学、桥梁建筑学、电机制造学、炼钢工艺学、小麦栽培学、脑外科学等,均属工程科学。工程科学仍然是科学,但它与技术应用、与生产和工程实践有较直接的联系,研究目的是要解决生产技术中的具体理论问题。2.现代技术分类对应于现代科学的基础科学、技术科学和工程科学,现代技术大体上可分为实验技术、专业技术和工程技术三类。实验技术是根据现有科学理论和一定的目的,通过实验设计,利用科学仪器和设备,在人为的条件下,控制或模拟自然现象或过程的技能和方法。和基础科学的各门学科相对应,实验技术一般分为物理实验技术、化学实验技术:生物实验技术、天文观测实验技术和地学实验技术等。实验技术是基础科学赖以产生和发展的基础,同时又是检验基础科学理论真理性的唯一手段。专业技术是指运用一定的物质手段,将技术科学的理论应用于某类对象的创造、开发的技能和方法。像计算机技术、生物工程技术、能源技术、材料技术、空间技术、激光技术等,均属专业技术。专业技术是技术科学理论转化为生产力的中介,同时又是检验技术科学真理性的尺度。工程技术是与工程科学相对应的关于各种产业部门具体技术的总称。工程技术的功能在于把工程科学的原理和方法与一定的物质手段相结合,以达到使天然资源或其加工品变为预设的人工产品的目的。工程技术的构成方式是规划、设计、工艺、制造和施工等。像第一产业中的栽培技术、饲养技术、开采技术、第二产业中的机械技术、交通技术、建筑技术,第三产业中的电信技术、网络技术等,均属工程技术。(二)现代科学技术体系的结构现代科学技术日益发展成为学科和门类纵横交错、相互渗透、彼此贯通的网络体系。基于对科学和技术的系统分类,我们可以分析现代科学技术的整体结构和层次结构。1.现代科学技术的整体结构根据对现代科学和现代技术的分类,可以把现代科学技术的整体结构归结如图2-1。从此图可以看出,现代科学技术的整体具有以下结构：(1)研究过程结构。现代科学技术是通过基础研究阶段、应用研究阶段和开发研究阶段三个阶段联结成一个整体的。通过这三个阶段,完成科学向技术和技术向生产的转化,实现科学一技术一生产的统一。(2)科学理论结构。基础科学、技术科学和工程科学形成现代科学的三级结构。三者既相互独立,又相互联系、相互促进。基础科学是技术科学和工程科学的共同基础,起着指导作用。技术科学是将基础科学应用于研究实际问题的中间环节,它同时又为基础研究提供新的研究课题,从而推动基础科学的发展。工程科学的发展依靠基础科学和技术科学,科学理论通过工程科学的形态转化为技术,成为现实生产力。(3)技术实践结构。实验技术、专业技术和工程技术形成现代技术的三级结构,三者也是既相互区别,又相互联系、相互促进的。实验技术是专业技术和工程技术的基础,现代任何一项技术发明都是从实验技术开始,然后走向专业技术和工程技术而获得应用。专业技术既可为实验技术提供某些仪器设备,以促进其发展,又可通过在生产过程中的开发,促进工程技术的进步。工程技术以实验技术和专业技术为基础和来源,它作为现实的生产力推动着现代社会经济的发展。2.现代科学技术的层次结构从图2一1可看出,现代科学技术整体中存在三个明显的层次,即由基础科学和实验技术组成的基础性层次,由技术科学和专业技术组成的应用性层次,由工程科学和工程技术组成的开发性层次。它们各自具有相对独立的内在联系和运行机制。在了解现代科学技术的整体结构后,还需进一步探讨这三个层次结构。(1)基础性层次结构。基础性层次结构主要体现在基础科学与实验技术的相互关系上。现代基础科学研究,大部分以实验技术为条件和手段。通过实验技术,可将研究对象置于特殊的实验环境中,排除次要因素的牵连,实现精确的观察和测定,达到对研究对象的本质的认识,从而获得科学发现,或检验科学假说。基础科学也对实验技术的发展起着重要作用,选择实验方向、确定实验目的、制定实验方案等都离不开科学理论的指导。基础科学和实验技术的相互联系、相互作用推动了现代科学技术的基础性结构的形成和运行,当一项研究在基础性层次结构中发育成熟后,才可能进入应用性层次中。(2)应用性层次结构。应用性层次结构主要体现在技术科学与专业技术的相互关系上。技术科学研究生产过程中各类专业技术的基本原理,从而增强专业技术的理论基础。专业技术实践中产生的新问题、新矛盾,为技术科学研究提供课题和研究对象。一些专业技术的发明成果还可为技术科学研究提供实验设备或手段.可见在应用性层次中,技术科学和专业技术是相互联系相互促进的。(3)开发性层次结构。开发性层次结构主要体现在工程科学与工程技术的关系上。工程科学以生产中的具体技术问题为研究对象,是工程技术的指导,是为工程技术服务的。工程技术将工程科学直接应用于生产,并不断直接向工程科学提出新问题,从而推动其理论的发展.在现代科学技术中,工程科学与工程技术正在融合起来,特别是高新技术中,这一趋势表现十分明显。三、现代科学技术的发展趋势现代科学技术近一个世纪里,在社会经济各种因素的作用下,发生了巨大的变化。在这些变化的过程中,表现出了一定的发展趋势，主要有以下特征。(一）综合化趋势在近代科学技术的发展中,经历了一个学科和门类不断分化,各学科和门类都产生了许多分支的过程。从19世纪后期起,科学技术在继续分化的同时,逐渐出现了综合化趋势。到第二次世界大战后,这种综合化趋势越来越显著,并占据了主导地位。综合化趋势主要表现为以下两个方面。1.科学技术领域中各学科、各门类之间的相互综合近代科学技术以分门别类的研究为特征。随着科学技术的发展,研究对象之间相互联系的本质不断被揭示,因而学科、,门类之间的综合成为现代科学技术发展的必然。这首先表现在由不同学科的理论或方法相互渗透、相互交叉而形成的大量交叉学科,如物理化学、生物物理学、天体化学、地质力学等的出现。有些交叉学科是采用新技术发展起来的,如激光物理、激光化学等。其次,将多学科的理论和方法综合运用于某一研究对象,从而产生的综合学科的相继出现,也是学科综合化趋势的重要表现。新兴的综合学科主要有环境科学、海洋科学、空间科学等。再次,学科综合化趋势还表现在横断学科的出现。横断学科研究客观世界中一些普遍联系和共同属性,把自然、社会和思维的各个领域横向地贯通起来。已产生的横断学科主要有系统论、信息论、控制论和自组织理论等。2.科学技术与社会科学的综合现代社会经济的发展,打破了科学技术与社会科学两大知识领域的界限,形成了科学技术与社会科学综合的趋势。这首先表现在两大知识领域的一些重要概念、理论和方法正在相互移植和应用。如科学技术中的宏观、微观、控制、反馈、信息、结构、功能等概念,现在已被社会科学各领域大量吸收;原属科学技术的数学方法、系统方法、模拟方法和电子计算机等,现在已为社会科学所广泛应用。同时,原属于社会科学的一些概念和思想,如模糊性、目的性、发展战略、决策等,也被移植到科学技术的研究和管理中。其次,科学技术与社会科学的综合还表现在出现了一系列跨两大知识领域的,如计量经济学、科学社会学、医学伦理学、建筑美学等。（二）数学化趋势数学向科学技术的渗透从近代就开始并逐渐扩大。现代科学技术的发展,使数学方法在各学科、各门类中的应用范围迅速拓展和深化,从而形成了数学化趋势。科学技术数学化趋势首先表现在数学向其他学科领域的渗透。就基础科学而言,物理学、化学、生物学都相继实现了数学化,天文学、地学也都大量采用数学的研究成果。技术科学、工程科学也有很多学科实现了数学化。值得注意的是,一些新兴的横断学科与数学的关系尤为密切。其次,科学技术的数学化还表现在数学方法成为科学技术研究中的一种普遍方法.数学通过为科学技术研究提供简捷精确的形式化语言、计算方法和数学模型等,成为现代科学技术各学科、各门类研究的必不可少的一种手段。再次,电子计算机的广泛使用也是科学技术数学化的一项重要标志二电子计算机已经成为科学技术各学科、各门类研究和应用的必需工具,随着电子计算机的不断更新换代和各类专用软件的大量开发,它在科学技术各领域的使用更为广泛,这必将使科学技术的数学化水平更加提高。(三)科学与技术的一体化趋势从科学技术发展的历史看,科学与技术曾是不同的两类知识领域,并按照各自不同的方式发展。但这种状况自近代科学产生以后逐渐有