科學(xué)技術(shù)與社會進(jìn)步

PAGE科學(xué)技術(shù)與社會進(jìn)步概論第一章科學(xué)與技術(shù)的的基本內(nèi)涵1.1科學(xué)技術(shù)的性質(zhì)1.1.1科學(xué)概念的內(nèi)涵和本質(zhì)屬性(1)科學(xué)是反映客觀事實和規(guī)律的知識體系科學(xué)的詞原來自拉丁文scientia（知道）。后來演化成英文sciential（有知識的）和science（科學(xué)）一詞?？茖W(xué)是反映客觀事實和規(guī)律，關(guān)于自然、社會和思維的知識體系相關(guān)活動的事業(yè)。所以科學(xué)研究是一種神圣的事業(yè)，其最顯著的特點是嚴(yán)肅性、嚴(yán)謹(jǐn)性、客觀性?？茖W(xué)的發(fā)現(xiàn)都是依據(jù)客觀事實而總結(jié)出來的反映自然運動、變化的規(guī)律、定律，有的是為全人類所確認(rèn)的公理。科學(xué)另一個顯著的特點是要經(jīng)得住歷史的考驗，這就要求科學(xué)的發(fā)明、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、定律的確立和公理的傳世要經(jīng)過一代一代人的繼承、實踐與發(fā)展，并將它記錄下來?？茖W(xué)研究的新成果、工藝技術(shù)的新成就，為解決生產(chǎn)中的問題研究出來的新產(chǎn)品、新工藝、新材料以及基礎(chǔ)理論的重大突破，不僅要在當(dāng)代推廣應(yīng)用、造福人民、服務(wù)社會、為人類創(chuàng)造文明和財富，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展和社會進(jìn)步，而且還要通過科技檔案、文獻(xiàn)、資料、信息網(wǎng)的儲存、歸檔傳給后世。所以，迄今為止的科學(xué)技術(shù)都是在前人開展科學(xué)活動所提供的各種資料、信息的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如果沒有科技檔案提供各種科技信息，科學(xué)技術(shù)要發(fā)展是根本不可能的。（2）科學(xué)是探索真理、產(chǎn)生知識的一種社會活動——主要內(nèi)容是實驗和思維科學(xué)是知識加工的過程，是產(chǎn)生知識的一種社會活動，而科學(xué)活動的主要內(nèi)容是實驗和思維。科學(xué)通過實驗、實踐活動獲取各種信息又運用思維處理加工所獲得的信息，從而產(chǎn)生新的知識。因此科學(xué)活動的過程就是一個產(chǎn)生新知識、發(fā)現(xiàn)新事物、揭示新規(guī)律的過程。（3）科學(xué)是一種特定的社會建制科學(xué)的社會建制的真正形成是在17世紀(jì)下半葉，當(dāng)時已有“科學(xué)協(xié)會”出版科學(xué)雜志，進(jìn)行科學(xué)傳播和交流活動；19世紀(jì)末有了實驗室、研究所、科學(xué)院等形式；20世紀(jì)，由于社會發(fā)展需要大型儀器、設(shè)備，各種專題研究實驗相繼建立，專業(yè)化人才迅速增長、專題研究費和嚴(yán)密的組織管理機構(gòu)也不斷建立，發(fā)展成現(xiàn)代科學(xué)。它不僅與全部社會建制相聯(lián)系，滲透于社會的政治、經(jīng)濟、文化、軍事、教育等領(lǐng)域，而且本身還具有相對的獨立性，有著自己特定的社會結(jié)構(gòu)和社會規(guī)范。成?？茖W(xué)研究體系包括各級各類科學(xué)研究組織以及所從事的基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用技術(shù)研究和開發(fā)研究等不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的研究?？茖W(xué)研究的管理是反映一個國家科學(xué)研究水平的重要標(biāo)志，如我國設(shè)立了國家和省、市、縣的各級科學(xué)技術(shù)委員會、科技廳、局或科學(xué)技術(shù)協(xié)會，還相應(yīng)設(shè)立情報資料、出版、網(wǎng)絡(luò)中心，建立儀器、設(shè)備、材料等專業(yè)制造廠、標(biāo)準(zhǔn)計量單位、人才培訓(xùn)、生活服務(wù)等多種科研后勤服務(wù)部門。上述各類系統(tǒng)和各級機構(gòu)相互聯(lián)結(jié)，形成了比較嚴(yán)密的社會結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出一個國家和社會的科學(xué)研究體制。20世紀(jì)后期隨著世界多極化、經(jīng)濟全球化的格局出現(xiàn)，科技——經(jīng)濟全球化的國際合作也得到一定的發(fā)展，許多跨國公司、集團公司相繼建立，科學(xué)成為一項國際事業(yè)或產(chǎn)業(yè)。早在1981年，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森就提出，科學(xué)是一種新的產(chǎn)業(yè)，并提出“第四產(chǎn)業(yè)”的概念將“科學(xué)、文化、教育、衛(wèi)生、出版等創(chuàng)造精神財富的行業(yè)”定位為第四產(chǎn)業(yè)。（4）科學(xué)是特殊的社會生產(chǎn)力“科學(xué)技術(shù)是生產(chǎn)力”是馬克思主義的觀點，他指出“生產(chǎn)力也包括科學(xué)”并進(jìn)一步闡明“社會勞動生產(chǎn)力，首先是科學(xué)的力量”的論斷。鄧小平創(chuàng)造性地提出：“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”這是對馬克思主義理論的重大發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)是特殊的生產(chǎn)力?？茖W(xué)在未與生產(chǎn)結(jié)合之前，它是以知識形態(tài)存在的一般生產(chǎn)力；科學(xué)一旦應(yīng)用于生產(chǎn)，便物化為直接的生產(chǎn)力。（5）科學(xué)是社會文化的基本形態(tài)科學(xué)這一特殊的社會現(xiàn)象，不僅是理論知識體系，是一種社會活動、社會建制和社會生產(chǎn)力，而且與人類的文化密切聯(lián)系。科學(xué)文化和人文文化一起，共同構(gòu)成社會文化的基本形態(tài)。文化一詞源于拉丁文的cultura，英文culture，把文化作為專用術(shù)語最早引入社會科學(xué)的是英國人泰勒。他在1871年《原始文化》一書中將“文化”的內(nèi)涵界定為：包括人類的知識、信仰、藝術(shù)、道德、法律、習(xí)慣以及其余從社會上學(xué)到的能力和習(xí)慣在內(nèi)的復(fù)合體。一百多年來，各國眾多的學(xué)者對文化概念下的定義有200多種，綜合許多學(xué)者對文化的概念：人類在改造客觀世界的社會實踐過程中創(chuàng)造的各種各樣形態(tài)的事物所組成的有機復(fù)合體。它標(biāo)志著一定社會區(qū)域的物質(zhì)和精神的發(fā)展水平，并融化為人們的價值觀念和行為規(guī)范，從而形成這一社會區(qū)域的特定組織結(jié)構(gòu)和生活方式。所以文化是有形態(tài)、有層次、有結(jié)構(gòu)的有機復(fù)合體。科學(xué)文化形態(tài)分為四個層次第一是科學(xué)器物層次包括人們因從事科學(xué)研究、科學(xué)教育、科學(xué)實驗等的需要而制造并使用的各種特定的工具，器物和物品。器物層次的科學(xué)文化形態(tài)，能夠較明顯和較全面地體現(xiàn)出一定社會的科學(xué)發(fā)展水平和一定社會群體才智的高低。第二層次是科學(xué)制度層次它包括一切制度化的科研組織形式和科研活動、交流方式以及人才培養(yǎng)等。制度層次的科學(xué)文化形態(tài)對科學(xué)的發(fā)展能起到促進(jìn)或延緩作用。第三層次是科學(xué)精神層次包括人們的科學(xué)思想、科學(xué)意識以及關(guān)于自然界、社會和思維現(xiàn)象的經(jīng)驗和理論。其實質(zhì)就是關(guān)于人的科學(xué)思想、科學(xué)情感，科學(xué)意識和科學(xué)觀念的綜合表現(xiàn)?？茖W(xué)器物層次和科學(xué)制度層次都是科學(xué)精神層次的對象化或物化，或者說是它的“外化”。第四層次是科學(xué)價值規(guī)范層次主要是指人們的科學(xué)價值觀念和科學(xué)行為規(guī)范。這是科學(xué)精神層次長期作用形成的人們對科學(xué)的心理積淀，或者說是“內(nèi)化”，是科學(xué)文化形態(tài)的深層結(jié)構(gòu)，是最不易變更的成分?？茖W(xué)不僅包含認(rèn)識自然、社會、思維現(xiàn)象和對這些方面進(jìn)行改造而總結(jié)出來的眾多的知識，以及由此而建立起來的知識體系和理論體系，而且還包括在科學(xué)研究活動中所形成的一整套科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)方法、科學(xué)制度和科學(xué)道德規(guī)范，以及由此而建立起來的科學(xué)價值觀念、科學(xué)價值標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)活動行為準(zhǔn)則。此外，還包括由科學(xué)轉(zhuǎn)化而成的技術(shù)，從技術(shù)物化而成的技術(shù)設(shè)備和物質(zhì)產(chǎn)品。1.1.2技術(shù)概念和本質(zhì)特征(1)技術(shù)概念簡單地說，技術(shù)是將科學(xué)理論轉(zhuǎn)換成社會生產(chǎn)力的工藝方法或工藝過程，它是人類利用自然能力的標(biāo)志。技術(shù)是依據(jù)自然規(guī)律，運用一定的科學(xué)手段、方法，特別是以機械、設(shè)備、儀表、網(wǎng)絡(luò)為中介，對物料、能源、信息進(jìn)行加工和轉(zhuǎn)換，以滿足人類需要的實踐活動，成為反映知識經(jīng)驗、科學(xué)理論和物質(zhì)設(shè)備三方面的技術(shù)理論、物質(zhì)手段和工藝方法的總和。技術(shù)的概念隨著時代的變遷而不斷發(fā)展。(2)技術(shù)的本質(zhì)特征第一個特征是技術(shù)是客觀的物質(zhì)因素和主觀的精神因素相互作用的產(chǎn)物第二個特征是技術(shù)是直接的生產(chǎn)力第三個特征是技術(shù)是人們改造、控制、利用和保護自然的一種動態(tài)過程。1.1.3科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系(1)科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別首先，表現(xiàn)在兩者的目的和任務(wù)的不同科學(xué)的直接目的是認(rèn)識世界，探索和揭示未知事物規(guī)律，增進(jìn)人類的知識財富。它側(cè)重回答客觀事物“是什么”、“為什么”以及“能不能”的問題。而技術(shù)的目的和任務(wù)是利用客觀規(guī)律，更有效地控制和改造客觀世界，協(xié)調(diào)人和自然的關(guān)系，為人類創(chuàng)造和增進(jìn)物質(zhì)財富或為實現(xiàn)一定的目的提供方法和物質(zhì)手段。它側(cè)重回答社會實踐中“做什么”、“怎么做”以及“做出來有什么用”等問題。第二，科學(xué)和技術(shù)各自與生產(chǎn)關(guān)系不同。人類的生存直接與生產(chǎn)相關(guān)，而生產(chǎn)又與技術(shù)直接相關(guān)，任何生產(chǎn)都離不開技術(shù)。而科學(xué)的出現(xiàn)比技術(shù)要晚得多，科學(xué)是在生產(chǎn)技術(shù)有了較大的發(fā)展，在階級社會形成之后，有一部分成員有可能脫離生產(chǎn)勞動，專門從事科學(xué)研究時，才在總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗中發(fā)展起來的。自19世紀(jì)后半期以來，隨著近代科學(xué)實驗的奠基，科學(xué)技術(shù)對生產(chǎn)發(fā)展所起的主導(dǎo)作用逐漸加強。三次產(chǎn)業(yè)革命（煤作能源發(fā)明蒸汽機；電磁感應(yīng)定律發(fā)明了電動機、發(fā)電機；量子論、信息論、控制論開發(fā)出來的計算機）之后，科學(xué)通過技術(shù)推動生產(chǎn)發(fā)展的作用更加明顯，形成科學(xué)技術(shù)走在生產(chǎn)前面，以科學(xué)為主導(dǎo)，技術(shù)為中介，生產(chǎn)為目標(biāo)的新關(guān)系。即由早期的生產(chǎn)—技術(shù)—科學(xué)的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代的科學(xué)—技術(shù)—生產(chǎn)的關(guān)系。這一轉(zhuǎn)變從主流方向上反映了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的重要規(guī)律性。第三科學(xué)和技術(shù)的社會功能和價值標(biāo)準(zhǔn)不同科學(xué)具有廣泛的社會作用，具有認(rèn)識、文化、教育和哲學(xué)等多方面的理論價值和學(xué)術(shù)價值；而技術(shù)是社會目的性和客觀規(guī)律性的直接統(tǒng)一，它直接追求經(jīng)濟的、社會的或軍事的實際效益。第四科學(xué)和技術(shù)的研究過程和勞動特點各異科學(xué)研究是創(chuàng)造知識的探索性活動，其目標(biāo)相對不確定，自由度較大，選擇余地大；而技術(shù)是綜合利用知識于需要的研究，具有相對確定的目標(biāo)、方向和步驟，計劃性強。第五科學(xué)和技術(shù)的成果形式不同科學(xué)成果是新現(xiàn)象，新事物、新規(guī)律、新法則的發(fā)現(xiàn)；技術(shù)成果還是新工具、新設(shè)備、新工藝、新方法的發(fā)明和創(chuàng)造等。（2）科學(xué)技術(shù)的相互聯(lián)系首先，科學(xué)與技術(shù)所追求的最終目標(biāo)都是創(chuàng)建締造物質(zhì)文明和精神文明，科學(xué)與技術(shù)是世界是在認(rèn)識世界和建設(shè)社會的共同基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來的。第二，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展互為前提，相互促進(jìn)，相互滲透，融為一體?？茖W(xué)中有技術(shù)，科學(xué)靠技術(shù)去開發(fā)應(yīng)用，通過實踐去驗證，如化學(xué)中的能源技術(shù)；技術(shù)中有科學(xué)，技術(shù)要科學(xué)作后盾，技術(shù)發(fā)明要科學(xué)作理論依據(jù)，如計算機中的電子學(xué)和信息論；技術(shù)產(chǎn)生科學(xué)，如發(fā)酵釀酒發(fā)展了生物科學(xué)；科學(xué)也產(chǎn)生技術(shù)，如天文學(xué)促進(jìn)發(fā)展了火箭技術(shù)和航天飛機。第三近代科學(xué)的發(fā)展促使科學(xué)與技術(shù)進(jìn)一步融合逐漸走向一體化，即科學(xué)技術(shù)化和技術(shù)科學(xué)化。重大科學(xué)研究離不開先進(jìn)、復(fù)雜的技術(shù)手段，如人類登月，開發(fā)火星離不開機械、電子、材料、信息、控制、能源、監(jiān)測、導(dǎo)航、電子計算機等各類技術(shù)，而且科學(xué)研究工作本身也越來越帶有工程技術(shù)的特點，表現(xiàn)科學(xué)技術(shù)化的特點。技術(shù)的科學(xué)化主要表現(xiàn)在：（Ⅰ）許多傳統(tǒng)技術(shù)日益轉(zhuǎn)移到新科學(xué)理論基礎(chǔ)上而推陳出新。如傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)日益轉(zhuǎn)移到機電一體化、使用等離子體、激光技術(shù)、電火花等加工技術(shù)。（Ⅱ）當(dāng)代的重大技術(shù)創(chuàng)造如核能技術(shù)、太陽能技術(shù)、激光技術(shù)、微電子技術(shù)，基因工程等都是在現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。沒有科學(xué)的超前發(fā)展就沒有新技術(shù)革化。第四現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一體化形成大科學(xué)系統(tǒng)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可表征為由各門基礎(chǔ)科學(xué)及其技術(shù)科學(xué)、工程技術(shù)（工程科學(xué)）構(gòu)成，并由各層次，各學(xué)科的邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科、橫斷學(xué)科，綜合學(xué)科的聯(lián)系和過渡而結(jié)成大科學(xué)系統(tǒng)。所謂橫斷科學(xué)是指某個科學(xué)分支中的一個側(cè)面，而這個分支中的一個側(cè)面又對某一科學(xué)起著關(guān)鍵的作用。如人類登月或開發(fā)火星其中太陽能電池和和機器人的機械手，就是半導(dǎo)體硅谷和遙控技術(shù)的橫斷學(xué)科?？茖W(xué)和技術(shù)的融合和統(tǒng)一是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要特征之一。1.2科學(xué)技術(shù)與社會的融合（整合）現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命性的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的社會功能全面擴展和充分發(fā)揮，科學(xué)技術(shù)對社會的發(fā)展越來越顯示出戰(zhàn)略性的作用。但科學(xué)技術(shù)在社會應(yīng)用中的負(fù)面效應(yīng)也日益嚴(yán)重和惡化，人類面臨種種全球性危機。因此科學(xué)技術(shù)與社會關(guān)系的融合就成了當(dāng)今普遍關(guān)注的重大課題。1.2.1科學(xué)的社會化（1）科學(xué)研究規(guī)模的日益擴大國際上用“研究與開發(fā)”（R&D）來表示科學(xué)研究，：“R&D”是research（科學(xué)研究）與develop（開發(fā)、發(fā)展）的組合?？茖W(xué)研究是創(chuàng)造、整理、擴充、開拓知識開辟新用途的探索工作。現(xiàn)代科學(xué)產(chǎn)生于上世紀(jì)，其發(fā)展速度之快令人驚嘆，進(jìn)入新世紀(jì)科學(xué)在高度分化基礎(chǔ)上的高度綜合趨勢日益加強。各科學(xué)之間出現(xiàn)了大量新科學(xué)和新專方式。許多重大的科研項目并非一國所能獨立承擔(dān)而日益走向國際化。例如歐洲航天計劃、美國開發(fā)月球和火星計劃、人類基因組計劃（HGP）等都由美、英、日、德、法、意、俄等參加。（2）科學(xué)技術(shù)不斷向社會各個領(lǐng)域滲透科學(xué)技術(shù)尤其是高新技術(shù)的飛速發(fā)展，正在改變著整個社會面貌，影響著人類的前途和命運，對一個國家的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)甚至世界的政治、經(jīng)濟、文化，外交，教育，人民生活，國民心理，思想方法，倫理道德和宗教領(lǐng)域，產(chǎn)生重大影響，成為影響綜合國力的核心要素。1.2.2技術(shù)社會化技術(shù)是人類在物質(zhì)文明與精神文明建設(shè)過程中各種物質(zhì)與非物質(zhì)手段和方法的總和，它在現(xiàn)實社會中起到科學(xué)轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力的中介作用。技術(shù)的發(fā)展與社會進(jìn)步密切相關(guān)，滲透到社會的各個方面，其實質(zhì)就是技術(shù)發(fā)展的社會化問題。（1）技術(shù)發(fā)展的社會化對社會的影響和作用技術(shù)發(fā)展對社會起著推動歷史前進(jìn)強有力的杠桿作用。技術(shù)在當(dāng)今社會中是勞動生產(chǎn)率迅速增長的重要決定因素，它在科學(xué)研究與社會生現(xiàn)。技術(shù)對現(xiàn)代社會的發(fā)展起到越來越重要的作用，它不但對生產(chǎn)力的發(fā)展和勞動生產(chǎn)率的增長起著決定性作用，而且已滲透到上層建筑，意識形態(tài)和生產(chǎn)生活的各個方面，并作為現(xiàn)代教育、文化、宣傳、體育、衛(wèi)生、藝術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。技術(shù)對國家和社會的科學(xué)管理、領(lǐng)導(dǎo)決策、重大軍事行動、政治經(jīng)濟問題決斷、重大工程項目的立項、資金、人力、設(shè)備、生產(chǎn)資料的調(diào)撥與調(diào)濟都要借助于技術(shù)手段才能實現(xiàn)。技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，技術(shù)成果的商品化、市場化是技術(shù)社會化的集中表現(xiàn)。（2）技術(shù)發(fā)展社會化的規(guī)模越來越大從1876年發(fā)明大王愛迪生組建了世界上第一個研究機構(gòu)“發(fā)明工廠”，1887年電話發(fā)明家貝爾在美國組建了電話研究所開始，到現(xiàn)在已發(fā)展成為規(guī)模龐大的科學(xué)技術(shù)綜合研究機構(gòu)，培養(yǎng)出了許多諾貝爾獎獲得者，促進(jìn)了近代科學(xué)體系的建立。特別是到了20世紀(jì)的30年代出現(xiàn)了國家規(guī)模的科學(xué)技術(shù)研究機構(gòu)，如火箭技術(shù)、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等。隨著科學(xué)技術(shù)研究的深度和廣度的發(fā)展，越來越多的專業(yè)結(jié)合的跨國研究項目的出現(xiàn)，需要國際性技術(shù)合作才能開展研究活動。如國際上的太陽觀察研究、高能加速器的建造、核聚變能的研究、深海油氣田的采鉆研究、太空探勢。（3）現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展社會化趨勢加速科學(xué)技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)、新發(fā)明、新成果不斷涌現(xiàn)，技術(shù)發(fā)展的速度愈來愈快；科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的速度加快，從科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明到實際應(yīng)用的周期愈來愈短；新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料更新的速度愈來愈快、技術(shù)競爭性愈演愈激烈。所以，伴隨著社會生產(chǎn)力高速度發(fā)展的需要，新舊技術(shù)更新速度的加快以及技術(shù)人才素質(zhì)的不斷提高，技術(shù)科學(xué)研究、技術(shù)基礎(chǔ)教育、技術(shù)轉(zhuǎn)移過程、技術(shù)體系改造等方面都需要增加技術(shù)的投資，創(chuàng)造技術(shù)發(fā)展的內(nèi)外條件都要求技術(shù)發(fā)展的社會化。1.2.3人化自然的社會人化自然或自然的人化，是指社會化的人為了從自然獲得更多的物質(zhì)產(chǎn)品和更舒適的生活條件及物質(zhì)享受，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)和各種手段，在干預(yù)和改造自然的過程中所創(chuàng)造的屬于人的自然。包括人改造自然，控制自然的手段以及人工創(chuàng)造的自然產(chǎn)品，也包括人類活動影響而改變的自然環(huán)境，同時還包括人類對自身的改造。在自然人化的進(jìn)程中全球生態(tài)危機，生態(tài)惡化的趨勢難于逆轉(zhuǎn)，引起關(guān)注。當(dāng)人類干預(yù)自然超出了自然界本身再生能力和自我調(diào)節(jié)能力，自然界不能及時地吸收、凈化、修復(fù)人類對環(huán)境生態(tài)所造成的破壞而造成的影響時，就會造成生態(tài)平衡失調(diào)，給人類的健康及生存發(fā)展造成重大影響?，F(xiàn)代科技革命所帶來的人對自然的巨大干涉能力，超過了自然自我修復(fù)的極限，環(huán)境污染和自然生態(tài)的破壞達(dá)到空前尖銳的程度。從而導(dǎo)致了生態(tài)問題的全球化。這個問題要靠人類理智地協(xié)同解決，否則會給人類帶來災(zāi)難性的后果。1.3《科學(xué)技術(shù)與社會進(jìn)步》研究和學(xué)習(xí)方法1.3.1 STS研究STS是科學(xué)技術(shù)與社會的英文縮寫（sciencetechnologysociety），是20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)“大科學(xué)”觀念的同時興起的一門多元關(guān)聯(lián)、交叉、綜合性的新科學(xué)。STS研究目前已發(fā)展為把自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、管理科學(xué)、人文科學(xué)、社會科學(xué)、思維科學(xué)相結(jié)合的一大類新科學(xué)群。包括科學(xué)社會學(xué)、科學(xué)文化學(xué)、科學(xué)學(xué)、科學(xué)認(rèn)識論、科學(xué)價值論、科學(xué)文化學(xué)、科學(xué)倫理學(xué)、技術(shù)社會學(xué)、知識社會學(xué)、網(wǎng)絡(luò)社會學(xué)、環(huán)境社會學(xué)、知識經(jīng)濟學(xué)、技術(shù)哲學(xué)、技術(shù)文化學(xué)、科學(xué)社會史、技術(shù)史、創(chuàng)造學(xué)、未來學(xué)、科學(xué)方法論、科技與管理學(xué)、科學(xué)與公共政策等眾多學(xué)科。1.3.2學(xué)習(xí)方法理論聯(lián)系實際，增加信息量，擴大知識面介紹科技發(fā)展前沿。開展多視角、多層次、多形式和多學(xué)科交叉、融合的關(guān)聯(lián)性、綜合性的理論研究及政策性的應(yīng)用研究。介紹天文、地理、歷史、生物、環(huán)境、健康、生態(tài)等方面的相關(guān)知識，聯(lián)系社會歷史事件和倫理道德觀念得到啟迪與思考。第二章科學(xué)與技術(shù)的社會功能2.1科學(xué)技術(shù)的起源與發(fā)展人類的歷史還不到地球發(fā)展史的幾十億年的千分之一，而人類歷史的99%以上的時間又是漫長的原始社會。人類創(chuàng)造自己的文明史只有五六千年，但是真正把科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)上，并引起社會生產(chǎn)、生活的巨大變革還不到300年。而現(xiàn)代科學(xué)的建立并普遍認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)是生產(chǎn)力對人類社會進(jìn)步所起的推動作用，則是近50年的事。人類遠(yuǎn)祖在前肢從爬行中進(jìn)化成雙手之后學(xué)會制造工具，不斷地尋求勞動工具與勞動對象的客觀規(guī)律，在體力勞動過程中尋求規(guī)律的思考就產(chǎn)生腦力勞動，也就是科學(xué)技術(shù)的開端。認(rèn)識事物、尋求事物發(fā)展變化的規(guī)律，這是由個別到一般、由局部到整體、由實踐到理論、由現(xiàn)實到規(guī)律的思考過程，就是這個過程推動了人類社會的進(jìn)步。2.1.1早期科學(xué)技術(shù)萌芽（1）主要的技術(shù)成就人類歷史大約可追溯至200~300萬年之前。舊石器時代—工具—狩獵，發(fā)明弓箭，發(fā)明用火；新石器時代——制陶術(shù)，冶煉銅、紅銅、青銅（合金）；鐵器時代—制造工具、開始農(nóng)業(yè)為產(chǎn)生科學(xué)文化準(zhǔn)備物質(zhì)基礎(chǔ)。（2）主要科學(xué)成就探索世界本原的元素論和經(jīng)典原子論，古代自然哲學(xué)原于古希臘。水論——泰勒斯（公元前624~547）認(rèn)為世界的本原是水，即萬物起源于水又復(fù)歸于水?；鹫摗绽颂兀ㄇ?00~480）認(rèn)為火是生成萬物的元素。原子論——留基伯（前500~440）和德謨克里特（前460~370）認(rèn)為世界萬物都是由最小的不可分的原子和原子間的虛空構(gòu)成。發(fā)明幾何學(xué)，早期幾何學(xué)代表人物畢達(dá)哥拉斯（前580~500）。主要成就是證明了直角三角形定律(勾股弦定律)。歐幾羅得(公元前450~374)全面系統(tǒng)總結(jié)了古希臘幾何學(xué)的成果寫成了《幾何原本》不朽著作，是建立邏輯推理的最早典范。樸素的宇宙論和不斷完善的地心說，托密勒(公元90~168)繼承發(fā)展了亞里士多德(前384~前322)地心說幾何模型，在歐洲天文學(xué)中占統(tǒng)治地位。力學(xué)\生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的創(chuàng)立公元323、古希臘科學(xué)文化中心由雅典轉(zhuǎn)移到意大利亞歷山大城進(jìn)入羅馬時代，阿基米德（前287~212）創(chuàng)立物理發(fā)現(xiàn)了杠桿原理和浮力定理，奠定了靜力學(xué)基礎(chǔ)。亞里士多德創(chuàng)立生物學(xué)，特別是在動物學(xué)方面，記述了約500種動物，并對其中的50種解剖記述和插圖對生物進(jìn)行初步分類。希波克拉底（前460~前377）創(chuàng)立醫(yī)學(xué)形成學(xué)派，堅持把疾病看作是一種要服從自然法則過程強，調(diào)用細(xì)致的觀察來研究疾病，因而對許多疾病進(jìn)行了描述，并提出了適當(dāng)?shù)闹委煼椒?，是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的開端。人類奴隸社會科學(xué)文化高峰發(fā)生在古希臘和羅馬時代，而封建社會科學(xué)文化高峰則發(fā)生在中國。中國古代數(shù)學(xué)體系在秦漢時期形成了《周髀算經(jīng)》和《九章算術(shù)》發(fā)明了當(dāng)時世界最先進(jìn)的十進(jìn)位記數(shù)系統(tǒng)。食。秦漢時期已建立醫(yī)學(xué)，以華佗為代表的醫(yī)學(xué)，在宋、元時期已形成生理病理學(xué)，臨床診斷學(xué)，藥物學(xué)，針灸學(xué)，推拿技術(shù)等。戰(zhàn)國時期的冶金、紡織、建筑、造船、制漆等手工作坊的生產(chǎn)已很發(fā)達(dá)。美國科技史專家李約瑟博士在《中國科學(xué)技術(shù)史》中說：“中國古代的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)往往是超過同時代的歐洲，特別是15世紀(jì)以前還是如此?！薄霸?~13世紀(jì)，中國保持一個讓西方人望塵莫及的科學(xué)知識水平?！?.2近代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)生2.2.1近代自然科學(xué)的產(chǎn)生（1）近代自然科學(xué)是文藝復(fù)興運動的產(chǎn)物文藝復(fù)興運動是14世紀(jì)至17世紀(jì)初，首先從意大利開始席卷歐洲，提倡思想解放，追求真理的科學(xué)精神，從根本上動搖了宗教神學(xué)強加于科學(xué)的沉重枷鎖，為近代唯物主義哲學(xué)和實驗科學(xué)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。這一時期的代表人物有達(dá)·芬奇、伽利略、哥白尼等一大批人類思想史和科學(xué)史的巨人，其中作為新的科學(xué)方法論的首創(chuàng)者——培根（1561~1626）積極倡導(dǎo)觀察、實驗、歸納、分析、比較、發(fā)現(xiàn)真理、驗證真理的新三段思想方法，主張“學(xué)者深入實際”實現(xiàn)“學(xué)者與工匠的結(jié)合”，“知識與力量的結(jié)合”的學(xué)問大革新。（2）近代自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來哥白尼的天文學(xué)革命。在此前1300多年里，人類對宇宙的認(rèn)識始終被禁錮在神學(xué)劃定的“地球中心說”。1543年哥白尼（1473～1543）出版了劃時代意義的《天體運行》一書，用數(shù)學(xué)計算和實際觀察，完整地提出“太陽中心說”，解釋了晝夜和四季交替，確定了太陽系中幾大行星排列次序，指明月亮是地球的衛(wèi)星。在這場科學(xué)真理與宗教迷信的殊死搏斗中，布魯諾、伽利略，開普勒等人都作出了悲壯與卓越的貢獻(xiàn)。布魯諾（1548~1600）宣傳日心說，指出宇宙存在無數(shù)星系，太陽只是太陽系的中心，而不是宇宙的中心，還認(rèn)為科學(xué)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實驗，不應(yīng)該根據(jù)定義，因而只有一種真理，而沒有宗教的“真理”，由于布魯諾違反教義，在經(jīng)歷了16年流亡生涯后被羅馬教皇活活燒死。伽利略（1564~1642）意大利著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家，1610年他用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星有4顆衛(wèi)星、金星盈虧、太陽黑子等現(xiàn)象。由于支持、宣揚哥白尼學(xué)說，受到長年監(jiān)禁，他的“罪名”直到350年后的20世紀(jì)80年代才得到徹底的“平反”。科學(xué)真理戰(zhàn)勝迷信的道路是多么曲折而漫長！開普勒（1571~1630）著名天文學(xué)家，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了行星運動三大定律——開普勒定律：1、行星在通過太陽的平面內(nèi)沿橢圓軌道運動，太陽位于焦點之一。2、行星繞太陽運動時，它的向徑在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等，即面積速度為—常數(shù)。3、太陽系內(nèi)所有行星公轉(zhuǎn)周期T的平方與行星軌道半長徑a的立方之比為一常數(shù)。GM4π2T12＝＝T2GM4π2T12＝＝T22a23a13G為萬有引力常數(shù)M為太陽質(zhì)量糾正了“一切天體運動是園運動”的偏見。2.2.2開創(chuàng)近代實驗科學(xué)近代自然科學(xué)就是在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，沒有科學(xué)實驗就沒有真正意義下的近代科學(xué)和現(xiàn)代自然科學(xué)。實驗物理學(xué)的創(chuàng)始人是伽利略，開創(chuàng)了通過實驗總結(jié)物體運動的規(guī)律和定律，成為近代力學(xué)的創(chuàng)始人?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的創(chuàng)始人是英國醫(yī)師哈維（1578～1657）。通過實驗論證了心臟運動的作用和血液循環(huán)的學(xué)說，在醫(yī)學(xué)科學(xué)方面發(fā)動了一場革命，醫(yī)學(xué)實驗方法的成功為生物學(xué)和生命科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。2.2.3牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的形成牛頓（I·Newton，1643~1727）是人類認(rèn)識自然的第一位理論大師，在他的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，牛頓對質(zhì)量、動量、慣性、力以及時間、空間等基本物理概念予以嚴(yán)格的定義，根據(jù)實驗和數(shù)學(xué)計算，系統(tǒng)地論述了著名的牛頓力學(xué)三大定律。運用演繹法推導(dǎo)出萬有引力定律以及固體力學(xué)，流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)的各種定律。用已確立的力學(xué)規(guī)律對潮汐，歲差，彗星軌道等進(jìn)行了科學(xué)的分析。牛頓力學(xué)是整個近代物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代一切機械、土木建筑、交通運輸?shù)裙こ碳夹g(shù)的理論基礎(chǔ)。2.２.４近代自然科學(xué)的發(fā)展18世紀(jì)下半葉到19世紀(jì)下半葉，近代自然科學(xué)進(jìn)入了理論綜合發(fā)展的階段，揭示自然界中普遍存在的聯(lián)系與自身運動成為自然科學(xué)研究的中心任務(wù)，近代自然科學(xué)取得了一系列重大成就，獲得了全面發(fā)展。（一）天體演化和地球演化（1）康德—拉普拉斯太陽系星云形成說的客觀性（1755～1796）。（2）賴爾的地質(zhì)演化學(xué)說揭示地球地質(zhì)演化進(jìn)程（1838）。（二）生命世界的觀察生命科學(xué)的誕生（1）細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立德國植物學(xué)家萊登首次創(chuàng)立了植物細(xì)胞學(xué)說（1838）。德國動物學(xué)家施旺把施萊登的學(xué)說擴展到動物界形成了適用于整體生物界的細(xì)胞學(xué)說。細(xì)胞學(xué)說的建立，表明動植物之間沒有絕對的區(qū)別，因為這兩類有機體都是由細(xì)胞分裂，增殖和發(fā)展后形成的，揭示出有有機體起源的共同性，從而從細(xì)胞層次上論證了整個生命世界的內(nèi)在聯(lián)系和有機統(tǒng)一。（2）生物進(jìn)化論的確立長期以來，物種不變論和神創(chuàng)論在生物學(xué)界占統(tǒng)治地位，第一個提出生物進(jìn)化學(xué)說的是法國科學(xué)家馬克（19世紀(jì)初）。他認(rèn)為物種不是一成不變的，也不是上帝創(chuàng)造的，而是在環(huán)境影響下發(fā)生變異，并在逐漸演變，由一個類型演變成另一個類型。系統(tǒng)地建立科學(xué)進(jìn)化論的博物學(xué)家是達(dá)爾文（Ch.R.Darwin）（1809～1882）他提出以自然選擇為核心的生物進(jìn)化學(xué)說（1859），其要點：a生物包括人在內(nèi)都是在自然條件作用下，從簡單到復(fù)雜，從低等到高等逐漸進(jìn)化的。b環(huán)境的變異可引起生物物種的變異，變異是生物所具有的普遍現(xiàn)象。c在生物界進(jìn)行激烈的生存斗爭，變異后的物種，適于生存便保留下來并產(chǎn)生新的后代；不適應(yīng)者則逐漸滅亡。即生存競爭，適者生存，不適者淘汰，這種過程稱為“自然選擇”法則。物種在生存斗爭中經(jīng)過自然選擇，逐漸產(chǎn)生新的物種，實現(xiàn)生物的進(jìn)化。（三）物理學(xué)的長足發(fā)展（1）能量守恒和轉(zhuǎn)換定律19世紀(jì)30~40年代間在五個國家由六、七種不同職業(yè)的十幾位科學(xué)家，分別從不同側(cè)面獨立地提出了能量守恒和轉(zhuǎn)換定律。其中最著名的是英國物理學(xué)家焦耳（J·P·Joule1818~1887），他經(jīng)過近40年的努力（1840~1878）確立了能量守恒定律：自然界中一切物質(zhì)都具有能量，能量不能消滅，也不能創(chuàng)生，只能由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換和傳遞中，各種形式能量的總和不變。（2）經(jīng)典電磁學(xué)1831年英國科學(xué)家法拉弟（1791~1867）發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，為發(fā)電機的發(fā)明提供了理論基礎(chǔ)。1865年英國物理學(xué)家麥克斯韋（1831~1879）創(chuàng)立了電磁學(xué)說，還推導(dǎo)出電磁場的波動方程，預(yù)示了電磁波的存在，預(yù)言了光也是一種電磁波，把光、電、磁三種現(xiàn)象統(tǒng)一起來，使光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)形成一個具有統(tǒng)一理論基礎(chǔ)的知識體系。奠定了現(xiàn)代電力、電子和無線電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的理論基礎(chǔ)，為近代第二次產(chǎn)業(yè)革命提供了理論的保證。（3）化學(xué)新成就a國化學(xué)家拉瓦錫（1743~1794）通過實驗發(fā)現(xiàn)了氧，創(chuàng)立了“氧化學(xué)說”，推翻了“燃素說”b原子—分子論的創(chuàng)立英國化學(xué)家道爾頓（1766~1844）首先提出物質(zhì)由原子組成的基本概念（1803~1808）；意大利物理學(xué)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(xué)奠定了重要的理論基礎(chǔ)，推動了19世紀(jì)中葉實現(xiàn)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(chuàng)立俄國化學(xué)家門捷列夫（1834~1907）在1869年發(fā)現(xiàn)周期律揭示了元素性質(zhì)與原子量之間周期性關(guān)系，表明自然界存在著一個嚴(yán)整的元素自然序列體系。根據(jù)這個規(guī)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(zhì)；周期律不但在化學(xué)領(lǐng)域具有重大意義，而且在物理學(xué)中對量子力學(xué)、原子物理以及核物理學(xué)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(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，同時對進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)了有機結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立，為石油化工工業(yè)、塑料、化肥、化纖、染料、制藥、炸藥等新材料、新產(chǎn)品、新技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅實的理論與實驗基礎(chǔ)。2.3現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展2.3.119世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（1）X射線的發(fā)現(xiàn)德國物理學(xué)家倫琴（1945—1923）于1895年在研究陰極射線的實驗中，意外地發(fā)現(xiàn)了一個穿透力很強的射線—X射線，孕育著新技術(shù)的誕生和廣泛應(yīng)用。（2）放射性的發(fā)現(xiàn)法國物理學(xué)家貝可勒爾（1852—1908）于1896年在研究X射線與熒光物質(zhì)的關(guān)系時引導(dǎo)他發(fā)現(xiàn)了鈾原子的天然放射性。1902年盧瑟福（1871—1937）又進(jìn)一步闡明放射性的本質(zhì)就是放射性元素的原子核自發(fā)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(fā)現(xiàn)了釷、釙、鐳、等放射性元素。特別是鈾235的放射性為原子能的利用奠定基礎(chǔ)。（3）電子的發(fā)現(xiàn)英國物理學(xué)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(zhì)是帶負(fù)電荷的一束粒子流、并測出了陰極射線粒子的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/1837。他當(dāng)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(fā)現(xiàn)否定了2000多年來認(rèn)為原子是組成一切物質(zhì)的不可再分基元的傳統(tǒng)觀念，預(yù)示著原子內(nèi)部有特殊結(jié)構(gòu)，為原子結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立和電子學(xué)、電子技術(shù)的利用立下了不可磨滅的功勛。2.3.2相對論的建立德國科學(xué)家愛因斯坦（1879—1955）于1905年創(chuàng)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(zhì)量增大運動著的物體的質(zhì)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(zhì)量（m），能量（E）之間服從質(zhì)能關(guān)系式：E=MC2（C為光速C=30×104Km/S）。狹意相對論揭示了時間、空間與物質(zhì)不可分割，隨物質(zhì)運動狀態(tài)而改變。相對論的核心是觀察物體運動的“四維”空間，即質(zhì)量、速度、距離和時間，它們之間是相互聯(lián)系的。相對論的理論依據(jù)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(guān)（1光年（1.Y）=30×104×365×24×3600=9.4608×1012Km）。相對論的實驗依據(jù)是假設(shè)有兩個飛船，若飛船A以0.75C的速度朝一個方向運動，飛船B從對面方向飛來，速度也是0.75C，按牛頓力學(xué)，A和B的相對速度A+B=1.5C，但實際情況并不是1.5C。而是必定小于1C（愛因斯坦計算應(yīng)為0.96C）A0.75CA0.75CA0.75CA0.75CLL0.96L0.96L1H1HH=0.96HH=0.96HLA-B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(jié)果：如果人能夠以光速旅行，他最少會經(jīng)歷三件事：時間變得停滯（變慢）；自身的體積縮到無限?。槐旧淼馁|(zhì)量卻變得無窮大。為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)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(xiàn)實的物質(zhì)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(zhì)在空間的分布情況，物質(zhì)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(jìn)一步揭示時空的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運動情況，而且也取決于物質(zhì)本身的分布狀態(tài)。廣義相對論的驗證水星軌道近日點的進(jìn)動；光譜線紅移；光線在引力場中的偏轉(zhuǎn)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(shè)想一架處于自由落體狀態(tài)下運動的電梯。當(dāng)一束光線進(jìn)入墻上的一個小孔，電梯里的人觀察到光線沿直線行進(jìn)；但是對于電梯外面的觀察者來說，光卻是沿曲線進(jìn)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(zhì)量的物體周圍因受恒星大引力作用，物體周圍會扭曲。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(fā)生扭曲而偏轉(zhuǎn)，時間出會變慢；光線在重引力場中會發(fā)生偏軌；水星在近勻速日點加速勻速加速水星運動——近日點進(jìn)加速水星動，也是廣義相對論所觀察的一種現(xiàn)象。2.3.3量子論的創(chuàng)立所謂量子是指單個的，不連續(xù)的。1900年，德國物理學(xué)家普郎克（1858～1947）提出量子論學(xué)說，認(rèn)為物體在輻射和吸收能量時，能量是不連續(xù)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(rèn)為光也是不連續(xù)的，提出了“光量子”，認(rèn)為光是由不連續(xù)運動的光量子（粒子）組成。玻爾（1885～1962）的原子結(jié)構(gòu)的量子化理論1913年丹麥物理學(xué)家把盧瑟福的原子核模型與普朗光的能量子學(xué)說結(jié)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(wěn)定狀態(tài)，若電子吸收外界能量則成激發(fā)態(tài)發(fā)生躍遷；若電子受某種擾動也可產(chǎn)生輻射現(xiàn)象，為量子論建立奠定基礎(chǔ)。量子力學(xué)的建立沿著兩條不同途徑通過四位科學(xué)家的獨立研究共同創(chuàng)立的。一條是1924年法國物理學(xué)家德布羅意（1892～1987）提出物質(zhì)波理論，認(rèn)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(fā)展了波動方程的學(xué)說。1926年奧地利物理學(xué)家薛定諤（1887～1961）在他的導(dǎo)師德拜的指導(dǎo)和幫助下，發(fā)展了德布羅意量子力學(xué)波動說觀點，系統(tǒng)地描述原子核外電子運動的薛定鍔方程。量子力學(xué)另一條道路是德國物理學(xué)家海森堡（1901～1976）等人創(chuàng)立矩陣力學(xué)的探索之路，他首先提出測不準(zhǔn)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(zhǔn)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(xué)理論系統(tǒng)，即矩陣力學(xué)。英國物理學(xué)家，狄克拉（1902～1984）運用數(shù)學(xué)計算使量子力學(xué)成為更完整的體系。波動力學(xué)和矩陣力學(xué)兩者成為量子論堅強的支柱。量子力學(xué)反映了微觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的特殊性，使人們對自然界的認(rèn)識實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的飛躍。量子力學(xué)的建立大大促進(jìn)了原子物理，粒子物理，凝聚態(tài)物理等物理學(xué)前沿的發(fā)展，促進(jìn)了量子化學(xué)的產(chǎn)生，及激光技術(shù)，虛擬技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用。2.3.4現(xiàn)代自然科學(xué)的全面發(fā)展20世紀(jì)以來，現(xiàn)代自然科學(xué)不僅在涉及全局性的科學(xué)基礎(chǔ)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(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域里也取得了革命性的進(jìn)展。如地球科學(xué)中的板塊構(gòu)造理論學(xué)說的建立，開創(chuàng)了人類對地球史認(rèn)識的新階段。分子生物學(xué)的建立，實現(xiàn)了人類對遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)認(rèn)識史上的一次劃時代的突破，開辟的生物技術(shù)，細(xì)胞工程，基因工程、酶工程和發(fā)酵工程，使人類對生命科學(xué)的認(rèn)識向縱深方向發(fā)展；天文學(xué)領(lǐng)域，天體演化學(xué)說和宇宙學(xué)的誕生，使人類的視野推進(jìn)到200億光年的大尺度的空間范圍……?，F(xiàn)代自然科學(xué)一方面向微觀深層和宏觀廣度的縱向發(fā)展，另一方面又向綜合，橫向發(fā)展，出現(xiàn)了環(huán)境科學(xué)，能源科學(xué)，材料科學(xué)等綜合型科學(xué)；出現(xiàn)了信息論，控制論，系統(tǒng)論，協(xié)同論，耗散結(jié)構(gòu)理論，混沌學(xué)等橫向型科學(xué)，邊緣科學(xué)，交叉科學(xué)，成為新世紀(jì)自然科學(xué)基礎(chǔ)理論科學(xué)突破性發(fā)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(fā)展中，對整個人類社會的各個方面也產(chǎn)生了極其廣泛而深刻的影響。2.4現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢和基本特點2.4.1科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和急劇變革（1）現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展呈指數(shù)增長的趨勢截至1980年，人類獲得的科學(xué)知識90%是第二次世界大戰(zhàn)后的30多年中取得的，到2000年翻了一番，最近50年來人類所取得的科技成果、技術(shù)發(fā)明的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往5000年的總和。（2）當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新階段20世紀(jì)中葉以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)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(biāo)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(wèi)星的發(fā)射成功為標(biāo)志，人類開始向外層空間進(jìn)軍。在第三個10年（1965~1975）以重組DNA成功為標(biāo)志，基因工程正式踏上歷史舞臺，人類進(jìn)入了可控制遺傳和生命過程的新階段。在第4個10年（1975~1985）隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理機的大量生產(chǎn)和廣泛使用為標(biāo)志，揭開了以電腦擴大人腦能力的新紀(jì)元。在第五個10年（1985~1995）以軟件的大規(guī)模開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化為標(biāo)志，人類邁入了知識經(jīng)濟的新時代。進(jìn)入21世紀(jì)以計算機互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志，人類進(jìn)入了一個可在虛擬空間里實現(xiàn)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(yù)示人類將在進(jìn)一步破譯生命秘密的基礎(chǔ)上展示神奇生命世界的誘人前景，預(yù)示著新一輪的科技革命即將到來。2.4.2現(xiàn)代科學(xué)的主要發(fā)展趨勢物理學(xué)和生物學(xué)成為20世紀(jì)帶頭學(xué)科，基礎(chǔ)自然科學(xué)的體系以它們?yōu)楹诵男纬闪宋镔|(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)兩大綜合科學(xué)。自然科學(xué)發(fā)展的第一個主要趨勢一方面物質(zhì)科學(xué)繼續(xù)揭示自然界更深，更廣，更久遠(yuǎn)的層次和各種極限狀態(tài)下的物質(zhì)運動規(guī)律；另一方面，系統(tǒng)科學(xué)與生命科學(xué)正逐步闡明與人類的關(guān)系更密切的各類復(fù)雜系統(tǒng)的行為規(guī)律，系統(tǒng)科學(xué)和生命科學(xué)將是21世紀(jì)的帶頭科學(xué)。第二個主要趨勢現(xiàn)代科學(xué)在高度分化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了高度的綜合，綜合表現(xiàn)為多層次，多維度的科學(xué)交叉與滲透，更表現(xiàn)為橫斷學(xué)科和綜合性的學(xué)科群不斷出現(xiàn)，各門學(xué)科之間的界限日益模糊，而普遍聯(lián)系日益強化。2.4.3現(xiàn)代技術(shù)的主要發(fā)展趨勢第一，以基礎(chǔ)自然科學(xué)新成果為先導(dǎo)的高新技術(shù)成為現(xiàn)代技術(shù)體系的帶頭技術(shù)。第二，各門技術(shù)相互滲透，相互促進(jìn)圍繞某一大問題、大目標(biāo)的解決與實現(xiàn)形成龐大的綜合性技術(shù)群。一。第四，以軟科學(xué)為理論基礎(chǔ)的多種社會技術(shù)成為現(xiàn)代技術(shù)體系的新門類。第五，大多數(shù)技術(shù)創(chuàng)新出現(xiàn)于新產(chǎn)品的研制過程中。2.4.4科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合化趨勢（1）科學(xué)的技術(shù)化，技術(shù)的科學(xué)化相對應(yīng)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)的銜接后相互滲透，相互包含以至融合成連續(xù)的整體。科學(xué)的技術(shù)化，是指在總體的科學(xué)活動中包含著大量的技術(shù)科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)展研究和技術(shù)應(yīng)用研究工作等方面的內(nèi)容；技術(shù)的科學(xué)化，包涵雙重含義，第一指已有的技術(shù)上升到技術(shù)科學(xué)，第二指技術(shù)創(chuàng)造發(fā)明是根據(jù)已有的基礎(chǔ)科研成果，即技術(shù)進(jìn)步是以科學(xué)的成果為依據(jù)。在19世紀(jì)中葉以前，科學(xué)與技術(shù)是分離的，它們各自獨立發(fā)揮社會作用，其發(fā)展往往是脫節(jié)的。技術(shù)的進(jìn)步通常是依靠傳統(tǒng)技藝的提高和改進(jìn)，只憑經(jīng)驗摸索前進(jìn)。科學(xué)理論也經(jīng)常是跟在實踐之后來概括和總結(jié)人們在生產(chǎn)技術(shù)活動過程中積累起來的經(jīng)驗材料。因此，經(jīng)常會出現(xiàn)在科學(xué)上還未搞清的理論，在技術(shù)上卻可以實現(xiàn)，如發(fā)明用火卻是遠(yuǎn)在燃燒說學(xué)之前；而科學(xué)上已發(fā)現(xiàn)了的某些規(guī)律，在技術(shù)上卻久久不能實現(xiàn)，如太陽熱核反應(yīng)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(guān)鍵性的技術(shù)突破常常與科學(xué)理論沒有直接聯(lián)系，但科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系已密不可分，現(xiàn)代的技術(shù)發(fā)明越來越依靠科學(xué)的趨勢又不容忽視?，F(xiàn)代的技術(shù)完全是建立在科學(xué)理論的基礎(chǔ)之上，現(xiàn)代科學(xué)也裝備了復(fù)雜的技術(shù)設(shè)施。科學(xué)技術(shù)化和技術(shù)科學(xué)化就是現(xiàn)代科技術(shù)的顯著特征。在一定程度上，科學(xué)正在變成技術(shù)，越是新技術(shù)，包含的科學(xué)知識越密集。高技術(shù)就是包含密集科學(xué)知識的技術(shù)，現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步就是依賴最新的復(fù)雜裝備的支持才得長足的發(fā)展。（2）當(dāng)代科技發(fā)展的兩種形式，當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展有兩種形式：一是突破，二是融合。突破是以研究開發(fā)新一代科技成果取代原有的一代科技成果；融合是組合多種專業(yè)不同領(lǐng)域的科技成果發(fā)展成為新技術(shù)。科技的突破與融合既相互聯(lián)系又有區(qū)別，第一，科技突破是從實驗室開始，科技融合則是以市場需求開始，以市場為主導(dǎo)，主導(dǎo)研究與發(fā)展，而不是由研究開發(fā)引導(dǎo)市場；第二，科技突破可來源某一專業(yè)領(lǐng)域的信息，而科技的融合則是來源于各行業(yè)、各專業(yè)領(lǐng)域廣泛的信息；第三，科技突破可以是本門學(xué)科、專業(yè)范圍內(nèi)、某一科技領(lǐng)域的最新發(fā)現(xiàn)或發(fā)明創(chuàng)造，而科技融合需不同學(xué)科、不同專業(yè)、不同技術(shù)領(lǐng)域和不同產(chǎn)業(yè)之間的通力合作，參與跨行業(yè)的開發(fā)研究。現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)形成了科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)一體系，導(dǎo)致了新的跨學(xué)科研究領(lǐng)域的出現(xiàn)，促成了具有確定的特有概念和方法論的新科學(xué)和新領(lǐng)域的誕生，開辟了一個全新的研究系列。（3）科學(xué)技術(shù)綜合化趨勢中的現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展特征Ⅰ研究的完整性現(xiàn)代科學(xué)研究正在向微觀世界各層次和宏觀世界各層次兩個方面延伸。對自然的認(rèn)識深入到過程的動力學(xué)機制和與此相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)功能。從層次、過程、結(jié)構(gòu)和功能諸多方向揭示自然界的規(guī)律。Ⅱ研究對象的多科學(xué)性 現(xiàn)代科學(xué)研究的方法從比較單一的方法轉(zhuǎn)向多種科學(xué)的研究方法。綜合運用各種科學(xué)方法研究某一特定對象，這是當(dāng)代科學(xué)研究的一大特點，特別是在高科技領(lǐng)域，研究的對象和課題大都具有多學(xué)科性。組織多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)是高科技研究取得突破性進(jìn)展的主要形式。Ⅲ學(xué)科的多對象性 現(xiàn)代科學(xué)研究的領(lǐng)域和研究方向與橫向和縱向科學(xué)的聯(lián)系越來起緊密。特別是在高科技領(lǐng)域，各門科學(xué)的研究需要緊密配合。如航天技術(shù)離不開計算機科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機械、電子等多種學(xué)科的配合，當(dāng)代科學(xué)研究是有高度的綜合性，必須是學(xué)科配套、同步前進(jìn)、整體突破。Ⅳ科學(xué)研究的信息化 現(xiàn)代科學(xué)研究從立項到實施的整個過程信息處理技術(shù)系統(tǒng)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)領(lǐng)域。信息處理系統(tǒng)的進(jìn)步和急劇換代是當(dāng)代科學(xué)革命過程的核心。（4）科學(xué)技術(shù)綜合化趨勢中的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展特征Ⅰ技術(shù)一體化 現(xiàn)代技術(shù)最基礎(chǔ)的機械制造和電力電器，從單一的機和電轉(zhuǎn)變?yōu)闄C電一體化，光（包括激光）電一體化，光機一體化、聲光電一體化等。即機械技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合、光與電子技術(shù)的結(jié)合，用光來代替信息技術(shù)中的電子，以進(jìn)一步提高在信息儲存和加工方面的效率；聲光電機多媒體系統(tǒng)等。這種一體化趨勢加快了現(xiàn)代科技的進(jìn)程。Ⅱ當(dāng)代技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、大型化、組合化、高速化、集約化和信息化方向發(fā)展，集約化是相對于粗放型的人海戰(zhàn)術(shù)耗竭資源和能源而言，即現(xiàn)代技術(shù)正朝著節(jié)約勞動力、節(jié)約資源和能源的方向發(fā)展。Ⅲ高新技術(shù)賦予現(xiàn)代技術(shù)的新內(nèi)涵，高新技術(shù)的特點是高精密性、高可靠性、高靈活性、少工序性、少排放或少廢性，既保證最佳技術(shù)性能，又保證最優(yōu)工藝質(zhì)量，從宏觀的機械加工向微觀的改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新工藝方向發(fā)展。 科學(xué)技術(shù)的綜合化，要求按嶄新的原則組織研究工作和生產(chǎn)過程，要求對科研、教育、生產(chǎn)體制進(jìn)行革命性的轉(zhuǎn)變。這將引起一系列產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和社會結(jié)構(gòu)的重大變革。第二篇當(dāng)代自然科學(xué)重大基本問題物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的當(dāng)代進(jìn)展3.1揭示物質(zhì)構(gòu)成之謎根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)研究的最新成果，物質(zhì)的最小構(gòu)成單元不再是分子、原子，而是夸克和輕子（電子是其中的一種），人們對微觀世界的認(rèn)識深入到10－17cm數(shù)量級。表3—1從分子到夸克、輕子的結(jié)構(gòu)層次層次序列分子原子原子核質(zhì)子、中子夸克、輕子大小數(shù)量級（CM）10長度的十進(jìn)制倍數(shù)的詞頭及符號詞頭符號中文名數(shù)值metre1m米1m=1metredecimetre1dm分米1dm=1/10m=10－1metrecentimetre1cm厘米1cm=1/100m=10－2metremillimetre1mm毫米1mm=1/1000m=10－3metredecimillimetre1dmm絲米1dmm=1/104m=10－4metrecentimillimetre1cmm忽米1cmm=1/105m=10－5metremicrometre1um微米1um=1/106m=10－6metrenanometre1nm納米1nm=1/109m=10－9metrepicometre1pm微微米1pm=1/1012m=10－12metre1毫微米=1nm納米=10m=10cm表3—2國際單位制中十進(jìn)制倍數(shù)的詞頭及符號詞頭符號中文名數(shù)值teraT垓、千京、兆兆10gigaG京、千兆10megaM兆10kiloK千10hectoh百10decada十10decid分10centic厘10millim毫10microu微10nanon納、毫微10picop皮、微微103.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的新進(jìn)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的當(dāng)代科學(xué)前沿是微觀粒子物理學(xué)，其目標(biāo)是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組成和它們之間相互作用的規(guī)律。半個世紀(jì)以來在對相繼發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子性質(zhì)的研究中，科學(xué)家們總結(jié)出微觀粒子相互作用的規(guī)律：所有基本粒子的運動遵循四種基本的相互作用規(guī)律；夸克、輕子和傳播子（傳遞力的粒子）是更為基本的粒子。四種基本力、基本粒子的性質(zhì)和夸克、輕子模型構(gòu)成當(dāng)代對基本粒子研究的成果。3.2.1四種基本力力。力。電磁力范圍非常廣，包括物體內(nèi)部張力，化學(xué)鍵力，摩擦力，磁場、電場力等，它與萬有引力所不同的是，電磁力既在宏觀物體，也在微觀領(lǐng)域中都起著重要作用。III弱力是微觀粒子間的相互作用短力，主要表現(xiàn)在支配一些粒子的衰變和俘獲現(xiàn)象，如β衰變、μ介子和K介子衰變等。IV強力是強子及夸克間相互作用力，這種力使質(zhì)子和中子組合成原子核，使夸克組合成強子。弱力和強力只有在非常小的范圍內(nèi)才起作用，或者說只有微觀粒子間的相互作用才顯示出效應(yīng)。在宏觀物體中不能直接觀察到。3.2.2基本粒子物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，原子核由質(zhì)子、中子組成，質(zhì)子由夸克、輕子、強子等一系列基本粒子組成。到目前為止，人類已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有幾百種，按照質(zhì)量遞增的次序和參與作用的性質(zhì)分成四類：光子、輕子、介子、重子。微觀粒子還具有雙重性，即粒子性和波動性（波一粒二象性）。微觀粒子在空間傳播表現(xiàn)為波動性，而當(dāng)它與物質(zhì)相作用時則表現(xiàn)為粒子性。3.2.3夸克模型及夸克和輕子的對稱性強子是由三個更基本的粒子（上夸克、下夸克和奇異夸克）組成。為了尋找強子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們受門捷列夫元素周期表的啟發(fā)，將已發(fā)現(xiàn)的強子按電荷、自旋等特征排列，構(gòu)成一幅類似于元素周期表的規(guī)律性的對稱圖稱為夸克模型。這一模型預(yù)言應(yīng)存在一個新的粒子Ω－，后來果真在實驗室中找到了它。1974年，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的一個小組和B·里克特領(lǐng)導(dǎo)的另一個小組獨立地發(fā)現(xiàn)了新的粒子，表示為J/4，其質(zhì)量相當(dāng)重，是質(zhì)子質(zhì)量的3倍多（3.1GeV），壽命卻很長，大約是10－20秒，比典型的3電子伏的強子壽命長約1000倍，3個夸克的模型已不能解釋它的產(chǎn)生和衰變特性。為了解釋它，物理學(xué)家引入第四種夸克—粲夸克。J/4粒子被看作是由粲夸克和反粲夸克組成的束縛態(tài)。1977年，美國哥倫比亞大學(xué)的萊德曼實驗室又發(fā)現(xiàn)了一個稱為r的新粒子，r粒子被看作是由第五種夸克—底夸克和反底夸克組成的束縛態(tài)。1995年，美國費米實驗室兩個研究小組宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克。研究表明，已發(fā)現(xiàn)的強子，都是由這六種夸克及相應(yīng)的反夸克組成。如質(zhì)子由2個上夸克和1個下夸克組成等?；玖Ｗ游⒂^世界，許多問題還未認(rèn)識，正在探索中。表3—3四種基本力及其性質(zhì)力的類型引力弱力電磁力強力發(fā)生作用的范圍延伸到非常大的范圍約＜10－15cm延伸到非常大的范圍約＜10－13cm相對作用強度10－3810－1310－21傳播子未知中間玻色子w+、w－和z0光子膠子傳播子質(zhì)量未知約90GeVO假定為O引起過程所需時間未知10－9S10－21S10－23S表3—4夸克的有關(guān)參數(shù)名稱符號電荷（e）自旋質(zhì)量（GeV/C2）上夸克u2/31/20.02下夸克D－1/31/20.02奇異夸克s－1/31/20.4粲夸克c2/31/21.5底夸克b2/31/25頂夸克t－1/31/2（＞5）？表3—5三代夸克和三代輕子間對稱性關(guān)系第一代第二代第三代輕子電子電子中微子μ子μ子中微子τ子τ子中微子夸克上夸克下夸克粲夸克奇異夸克頂夸克底夸克表3—5是按粒子發(fā)現(xiàn)的先后順序分為代，每一列為一代，共有三列三代。是否還存在著更多的基本粒子？有沒有第四代、第五代？是物質(zhì)結(jié)構(gòu)粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)關(guān)心的新課題。3.3物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究與其它科學(xué)技術(shù)發(fā)展的相互關(guān)系3.1微觀粒子的研究促進(jìn)高能加速器的發(fā)展按愛因斯坦“質(zhì)能公式”E=mc2（m是物質(zhì)的質(zhì)量，c是光速，E是代表該物質(zhì)所具有的能量），要產(chǎn)生一定質(zhì)量的粒子，需要相應(yīng)的能量。上世紀(jì)50年代的加速器只能產(chǎn)生一束高能粒子，用高能加速器產(chǎn)生的高能粒子作“炮彈”轟擊固定的“靶”就產(chǎn)生出新粒子?！芭趶棥钡哪芰坎煌?，產(chǎn)生的不同能量的粒子，又促進(jìn)了粒子物學(xué)理的更進(jìn)一步發(fā)展，使更多的粒子被發(fā)現(xiàn)。在粒子物理學(xué)中，100兆電子伏（100MeV）以下為低能（原子彈爆炸時的核反應(yīng)作用在兆電子伏量級，在粒子物理中屬低能）；100兆電子伏至3京電子伏（3GeV）為中能；3京電子伏以上稱為高能。因此高能加速器是指粒子反應(yīng)能在3京電子伏以上的加速器。目前在高能加速器的基礎(chǔ)上又發(fā)展了對撞機，如正—負(fù)電子對撞機、質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機、質(zhì)子—質(zhì)子對撞機和電子—質(zhì)子對撞機等。對撞機的使用，又將粒子物理學(xué)大大推進(jìn)了一步。3.2粒子物理學(xué)面臨新的挑戰(zhàn)半個世紀(jì)以來，粒子物理學(xué)獲得了驚人的進(jìn)展，但仍有許多基本問題需要解決，諸如夸克和輕子是否有類似于原子—電子結(jié)構(gòu)？基本粒子還能再“分”下去嗎？夸克和輕子為什么會有不同質(zhì)量？夸克、輕子是否只有三代？代的基源是什么？弱作用下粒子與反粒子變換——宇稱聯(lián)合反演對稱性破壞的來源是什么？這些問題都是微觀世界粒子物理學(xué)研究的新課題。3.3粒子物理的貢獻(xiàn)及其對其它科學(xué)技術(shù)的關(guān)系粒子物理學(xué)的貢獻(xiàn)首先是將人們對物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識大大向前推進(jìn)了一大步，了解到構(gòu)成物質(zhì)的最小組元小到夸克和輕子（10－17cm數(shù)量級）。而認(rèn)識的尺度相對于原子（10－8cm數(shù)量級）來說已縮小到原來的十億分之一，或縮小到原子核的萬分之一（參見表3—1）。粒子物理學(xué)的研究使我們知道了除了萬有引力和電磁力之外還存在著弱力和強力；除了原子、電子之外還有數(shù)百種粒子；了解能量、空間、時間之間深刻的關(guān)系和微觀世界存在著許多神秘尚待發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，其中有些規(guī)律對我們進(jìn)一步認(rèn)識宏觀世界也具有重要意義，對整個科學(xué)技術(shù)也產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，深化我們對物質(zhì)世界的認(rèn)識。近50年來在粒子物理學(xué)研究中獲諾貝爾獎的科學(xué)家就有30多位，其中包括華裔美籍科學(xué)家楊振宇、李政道和丁肇中。粒子物理學(xué)對基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展也帶來新的機遇。粒子物理為宇宙學(xué)、天文學(xué)的研究與發(fā)展產(chǎn)生重大影響，使宏觀世界和微觀世界在粒子物理學(xué)中奇妙地結(jié)合起來。如對大爆炸理論模型的驗證。粒子物理學(xué)推動發(fā)展的高能加速器為相應(yīng)的工業(yè)技術(shù)帶來了發(fā)展的機會和條件，促進(jìn)了廣泛的經(jīng)濟領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而導(dǎo)致了許多高新技術(shù)的發(fā)展。如高頻技術(shù)、強流技術(shù)、高真空技術(shù)、強磁場技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、計算機應(yīng)用等。而高能物理的發(fā)展又對這些技術(shù)提出更高更新的要求和發(fā)展的機會。促進(jìn)了相應(yīng)工業(yè)的發(fā)展。同時，粒子物理的實驗技術(shù)開辟了在醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。粒子物理也促進(jìn)了原子物理的發(fā)展，使這兩個相關(guān)科學(xué)更加緊密聯(lián)系起來。核子由夸克構(gòu)成以及核力通過膠子交換等概念直接影響了核物理。高能輕子對核的散射實驗表明，原子核不是一個簡單的多個核子的集合體。粒子物理學(xué)與天體演化研究的相互滲透、巧妙結(jié)合，產(chǎn)生了一些交叉學(xué)科，如中微子天文學(xué)、射電天文學(xué)、高能天體物理學(xué)等，為天體演化的研究開辟了新途徑。粒子物理中的量子場論的理論方法，已被用來解決固體物理、統(tǒng)計物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的物理問題，成為這些領(lǐng)域的一種必要的理論工具。第四章宇宙的起源與演化4.1宇宙概觀宇宙是空間和時間及物質(zhì)三者相關(guān)的總體。中國古代先哲曾提出：“四方上下曰宇，往古來今曰宙”。這是我們的祖先對宇宙最概要性的界定。宇宙有沒有起源和終結(jié)，它是永恒的還是演化的？這是每一種宇宙論都必須回答的深化。4.2宇宙的起源4.2.1大爆炸宇宙學(xué)宇宙在遙遠(yuǎn)的過去曾處于極高溫度和極大密度狀態(tài)的“原始火球”，當(dāng)溫度增大到某一時刻，火球發(fā)生了大爆炸，物質(zhì)四散飛出，宇宙間充滿光子、電子和中微子等基本粒子。爆炸后的碎片，煙塵不斷向四周擴散，溫度很快下降，當(dāng)溫度降到10億度左右時中子開始失去自由存在的條件，它或衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子，或者和質(zhì)子結(jié)合成氘，氦等原子核，化學(xué)元素開始形成。當(dāng)溫度下降到數(shù)千度時，輻射作用減退，氣態(tài)物質(zhì)逐漸凝聚成氣云。此后溫度繼續(xù)下降，各種物質(zhì)因凝聚而收縮，逐漸演變形成星系，物質(zhì)的引力作用形成恒星、行星及其衛(wèi)星、彗星等各種天體。4.2.2大爆炸的觀測事實依據(jù)（Ⅰ）河外星系的譜線紅移所謂紅移，可用開普勒效應(yīng)來比擬。當(dāng)一列離觀測者遠(yuǎn)去的火車，其聲音漸遠(yuǎn)，而另一列離觀察者漸近的火車，其聲音則漸近，這種遠(yuǎn)去的火車與相應(yīng)定點火車聲音的差距稱為“紅移”現(xiàn)象。聲音減弱(相對于靜止)△H＝h2－h(huán)1H1聲音增強（相對于靜止）聲音減弱(相對于靜止)△H＝h2－h(huán)1H1聲音增強（相對于靜止）靜止火車靜止火車H2靜止火車靜止火車H2HH2靜止火車音量H1行進(jìn)火車音量背向觀察者的光射向觀察者的光背向觀察者的光射向觀察者的光紫綠黃紅紅黃綠紫紫綠黃紅紅黃綠紫靜止的光靜止的光背向觀察者光向低頻譜線(紅光)移動h2靜止的光靜止的光背向觀察者光向低頻譜線(紅光)移動h2紅黃綠紫紫綠黃紅紅黃綠紫紫綠黃紅h2h2觀察者△h＝h2－h(huán)1觀察者△h＝h2－h(huán)1面向觀察者的光譜向高頻紫光移動h1行進(jìn)中物質(zhì)光譜紅光譜線位置h2靜止物質(zhì)光譜紅光譜線位置天體光譜中紅光向外位移，說明該天體在遠(yuǎn)離觀察而去—向外擴充—宇宙膨脹，這是大爆炸理論的觀察實驗依據(jù)。紅移△h=h2-h1的距離入e)/入0（入0為觀察波長，入e為天體發(fā)射波長），折合成運動速度，可用公式V=Hr表示——哈勃定律，H—哈勃常數(shù)。由此可定量算出該天體遠(yuǎn)離我們而去的速度，因為所觀察大部分星系譜線都有紅移現(xiàn)象，證明確實宇宙在膨脹，是大爆炸的結(jié)果。（II）宇宙中He元素和H元素豐度很高（He在不同天體中占25~30%），這是因為在大爆炸后一個很短時間內(nèi)，早期溫度高（10億度）中子失去自由存在的條件與質(zhì)子結(jié)合成He和21H（氘）。由于He很穩(wěn)定，不易再參與反應(yīng)而在宇宙中保存下來。H在宇宙中無氧氣存在條件下，H也是很穩(wěn)定，所以宇宙中H和He豐度高，而且He的豐度在不同天體中其豐度基本相同。這一事實也支持了大爆炸理論，各天體都是大爆炸物質(zhì)所凝聚而形成的（按由2個質(zhì)子與2個中子合成He，推算出He：H=1：4）。（III）所有天體的年齡都小于200億年——宇宙年齡宇宙的年齡如何計算？按照哈勃的發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)天體（星系）發(fā)出的光，光譜譜線紅移的事實，證明許多星系正在彼此遠(yuǎn)離。哈勃定律對于我們認(rèn)識宇宙作出重大貢獻(xiàn)哈勃的紅移量Z==△h（入o—實驗室觀察實驗光源的波長，入e某天體同一譜線的波長）入oV—哈勃計算天體（星系）遠(yuǎn)離我們而去的速度V=HS即紅移速度與距離成正比（H-哈勃常數(shù)）按牛頓力學(xué)S=vt（S-距離，v速度，t-時間）將星系的距離S，除以星系運行速度，可求出運行時間St=，就得到我們所觀察到的許多星系距今約100~200億年，V這段時間對所有星系來說是共同的，哈勃進(jìn)一步推論V=CZ=C△入/入0（C——光速）顯然1H=（因為S=Vt）T由此又算出星系遠(yuǎn)離我們而去的速度在已觀察到的眾多星系中，用哈勃定律算出其最大年齡都不超過200億年，哈勃的推論為我們推斷宇宙起源于大爆炸理論的觀察提供有力的證據(jù)。（IV）微波背景輻射熱火球爆炸的另一個重要遺跡是微波背景輻射。大爆炸后的煙塵，彌散物質(zhì)及能量向四周空間擴散，隨著宇宙的膨脹，溫度也不斷下降，但只要有能量就有輻射，而且在宇宙空間的能量輻射與其所處溫度有關(guān)。1964年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架通訊電話在7.35CM波段（波長）處探測到一種來自宇宙空間的強度與方向無關(guān)的信號，這種信號因為是在從宇宙深處不同方向接收到同一個強度相同的信號，是在一定溫度下發(fā)生的能量輻射，由于這種輻射的峰值波長在1mm附近，處于微波段，又稱為微波背景輻射。這種輻射譜線分布與溫度范圍是在2.735±0.06K°（t=273.15°K+C°），經(jīng)測量宇宙不同方向的微波輻射，其相對溫度都小于十萬分之一！這再次毋容置疑地證明宇宙起源于同一大火球大爆炸之后形成了宇宙。而且各星系盡管會有千差萬別的物理化學(xué)因素，但其根本的共性是同一的！4.3恒星的一生大爆炸之后，宇宙空間布滿的彌散物質(zhì)，氣體云，塵埃等靠自身的引力逐漸凝聚，密度逐漸增大。當(dāng)向內(nèi)的引力強到足以抵抗向外壓力時，它將迅速收縮落向中心，在收縮過程中釋放出的引力能使原始恒星（熾熱氣體云團）溫度上升，當(dāng)中心溫度上升到1000萬K，足以引發(fā)熱核反應(yīng)時，一顆恒星就誕生了。恒星的質(zhì)量則會由于產(chǎn)生的輻射太大而瓦解。恒星質(zhì)量范圍在0.1~100個太陽質(zhì)量之間，這類恒星比較穩(wěn)定。近來，紅外天文衛(wèi)星探測到成千上萬個正處于形成過程中的恒星。恒星的演化恒星形成之后，光和熱的來源，是其中心由氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)（4個氫原子聚合成2個氦原子）。當(dāng)這種反應(yīng)產(chǎn)生的輻射壓力達(dá)到與引力平衡時，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進(jìn)入一個相對穩(wěn)定的演化階段，恒星在這一階段停留的時間最長，占其生命的主要部分，稱為“壯年期”。至目前發(fā)現(xiàn)的恒星有90%處于這一階段（包括我們的太陽）。這一階段的具體長度取決于恒星質(zhì)量的大小，對于我們的太陽約為100億年，到目前已經(jīng)有50億歲了，大約還有50億年！對于質(zhì)量比太陽大10倍的恒星其壽命只有3000萬年。當(dāng)恒星核心部分的氫全部聚變?yōu)楹ひ院螅a(chǎn)能過程停止，輻射壓力下降，星核將在引力作用下收縮。收縮產(chǎn)生的熱將使溫度再次上升，達(dá)到引發(fā)氦燃燒的程度。結(jié)果將3個He核聚變合成一個碳核，反應(yīng)中釋放的能量使星體大大地膨脹，膨脹過程也不斷消耗能量，表面溫度降低，但體積膨脹到足以把水星、金星、地球都裝進(jìn)去，此時發(fā)出的輻射主要是紅光，稱為紅巨星，恒星進(jìn)入“中年期”階段。經(jīng)過紅巨星階段，恒星進(jìn)入“晚年期”，這時其核心部分產(chǎn)生一系列熱核反應(yīng)，當(dāng)核心的氦全部變成碳后，又再一次引力收縮，壓力和溫度又再一次升高，于是發(fā)生碳——>氧、碳——>鎂的反應(yīng)，直至聚變?yōu)榉€(wěn)定的元素鐵為止，這一階段的恒星經(jīng)歷多次的膨脹收縮，光度也周期性變化，因此這一階段的恒星極不穩(wěn)定。4.4恒星的歸宿當(dāng)恒星內(nèi)部的核燃料耗盡之后，原來由熱核反應(yīng)維持的輻射壓力消失，星體將在引力作用下再次收縮，于是進(jìn)入老年期。對于初始質(zhì)量小于太陽８倍的恒星，最終將變成０倍的恒星在其核燃料耗盡之后會發(fā)生猛烈的爆發(fā)在短短幾天中亮度陡增千萬倍甚至上億倍，稱為超新生。爆發(fā)后留下的星核的體積只有同質(zhì)量年輕星的百萬分之一，幾乎全由中子緊緊堆成，稱為中子星。我國宋史記載宋仁宗至和元年（1054年）出現(xiàn)的“客星”就是這樣一次超新星爆發(fā)。９００多年后，英國天文學(xué)家在那個位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星（由于快速旋轉(zhuǎn)而發(fā)出脈沖式電波的中子星），就是那次爆發(fā)的遺跡；質(zhì)量更大的恒星在晚年爆發(fā)后變成密度極大，大到足以將光線都吸進(jìn)去，變成看不見但又確實存在的天體——稱為黑洞。人們只能通過對它周圍物質(zhì)的影響間接地探知其存在。一些發(fā)射出Ｘ射線的雙星系統(tǒng)中，那個質(zhì)量很大而又看不見的成員，其實就是黑洞。4.5形形色色的星系星系是由數(shù)十億至數(shù)千億顆恒星和氣體塵埃等星際物質(zhì)構(gòu)成，占據(jù)幾千光年至幾十萬光年的空間的龐大天體系統(tǒng)，是構(gòu)成宇宙的基本成員。包括太陽系在內(nèi)的由幾千億顆恒星組成的銀河系就是一個普通的星系。銀河系以外的星系稱為河外星系。恒星之間的引力吸引將星系保持為一整體。星系具有形形色色的外貌，但基本上可分為旋渦星系和橢圓星系兩大類，還有一些形狀不規(guī)則的稱為不規(guī)則星系。銀河系就是屬于旋渦星系。旋渦星系的質(zhì)量相差懸殊，有比銀河系大100多億倍達(dá)到十萬億（1013）倍太陽質(zhì)量的巨旋渦星系。也有小到1千萬（107）倍太陽質(zhì)量的矮旋渦星系。旋渦星系是盤狀的，中間有凸起的核球，像塊體育運動的鐵餅，旋渦星系的盤繞其中心旋轉(zhuǎn)，由此而形成其具有幾條旋臂的特征形狀，旋臂由許多最年輕、最亮和最熱的恒星“聯(lián)綴”而成，氣體云和塵埃集中在這里，因而也是恒星不斷誕生的區(qū)域。4.6宇宙是開放的從哈勃對星系所發(fā)出的光，譜線紅移的觀察：光波與聲波一樣，也有類似開普勒效應(yīng)，即面向觀察者運動的光源譜線（與靜止光源相比）將向高頻（光譜藍(lán)端）移動，而背向觀察者運動的光源譜線（與靜光源相比）將向低頻（光譜紅端）移動。得出的哈勃定律，星系光譜紅移量與星系之間的距離成正比，證實宇宙是開放的、膨脹的。也就是說，所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，其退行速度正比同我們的距離。哈勃定律對任何星系來說都是成立的，所以說宇宙中所有星系都在彼此遠(yuǎn)離，即宇宙處于普遍的膨脹之中。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為弗里德曼宇宙模型提供了直接的觀察依據(jù)，動搖了宇宙整體靜止的傳統(tǒng)觀念，為進(jìn)一步研究宇宙的起源和演化奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代宇宙學(xué)包涵愛因斯坦關(guān)于空間、時間（時空）皆與物質(zhì)和質(zhì)量四維空間密不可分的概念，宇宙作為一個演化著的整體被確認(rèn)。在現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展中具有非常重要的意義，現(xiàn)代宇宙學(xué)對大宇宙的認(rèn)識，是人類對自然界無限性認(rèn)識的一個里程碑。第五章太陽系及其家族5.1太陽系天體運動的一般規(guī)律 我們的太陽在宇宙中是處在銀河系4條旋渦結(jié)構(gòu)中的第3條旋臂（由內(nèi)向外）上的一顆光譜型為G2v的恒星。以太陽為中心，其周圍由九大行星及其衛(wèi)星、小行星、慧星、隕星及行星際物質(zhì)、星云、宇宙塵等構(gòu)成的天體系統(tǒng)稱為太陽系。根據(jù)目前對太陽系所掌握的知識，可總結(jié)出如下特征：5.1.1行星運動的同向性、同面性和近圓性行星繞太陽公轉(zhuǎn)的方向大都是自西向東（個別例外）這稱為同向性；行星公轉(zhuǎn)軌道幾星除最內(nèi)的°33′之外，其余七大行星的傾角都小于2°2′，其中木星的軌道面與不變平面相合得最好，這稱為共面性；大行星公轉(zhuǎn)軌道都接近正圓形的橢圓，只有水星和冥王星軌道偏心率較大,分別為0.206和0.25，其余行星的軌道偏心率都小于0.1，這可稱為近圓性。大行星的三個運動特征表現(xiàn)得最為突出，質(zhì)量越大的行星又更為明顯。5.1.2太陽系行星衛(wèi)星運動的共性與個性在太陽系已發(fā)現(xiàn)的127顆天然衛(wèi)星其中66顆較大質(zhì)量的衛(wèi)星約有1/3個在繞本行星的軌道運動也有同向性、共面性和近圓性三個特征。但我們的月球是屬于不規(guī)則衛(wèi)星，其偏心率0.055均大于其它八大行星半徑超過1000km的衛(wèi)星（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六、海衛(wèi)一其偏心率分別是0.004、0.009、0.002、0.007、0.029、0.001）；此外月球軌道傾角（繞本行星公轉(zhuǎn)軌道與衛(wèi)星赤道交角）也大于其它行星的衛(wèi)星，其傾角5.84°（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六的軌道傾角分別是0.04、0.47、0.21、0.28、0.33）；如果將地球的質(zhì)量定為1，則其它八大行星的質(zhì)量：水星0.0553、金星0.8149、火星0.1074、木星317.938、土星95.181、天王星14.531、海王星17.135、冥王星0.0022，若將月球的質(zhì)量也定為1，則其它八大行星半徑超過1000km的衛(wèi)星的質(zhì)量：木衛(wèi)一1.2、木衛(wèi)二0.66、木衛(wèi)三2.0、木衛(wèi)四1.5、土衛(wèi)六1.84、海衛(wèi)一0.291，則衛(wèi)星與本行星的相對質(zhì)量比分別是：月球1、木衛(wèi)一0.0038、木衛(wèi)二0.0021、木衛(wèi)三0.0063、木衛(wèi)四0.0047、土衛(wèi)六0.019、海衛(wèi)一0.017，可知月球與地球的相對質(zhì)量比顯得特別大。從這個角度看，在太陽系中地球、月球在某種意義上可視為“雙星”；月球公轉(zhuǎn)周期（繞本行星運行軌道周期）卻特別慢，若軌道周期以天（24h）計，則月球27.322、木衛(wèi)一1.769、木衛(wèi)二3.551、木衛(wèi)三7.155、木衛(wèi)四16.689、土衛(wèi)六15.945、海衛(wèi)一5.877。5.1.3太陽系各天體質(zhì)量或個體大小的不平衡性太陽系的質(zhì)量重心99.85%集中在中心天體——太陽上，眾多的行星、小行星、流星、衛(wèi)星和慧星只占不到太陽系總質(zhì)量的0.2%，九大行星在質(zhì)量和大小方面分布也極不平衡。行星的質(zhì)量和大小亦可用其體積與密度綜合量度，現(xiàn)代天文學(xué)的觀測已測得九大行星及其衛(wèi)星的平均密度和體積。九大行星各自的平均密度（g/cm3）分別是：水星5.43、金星5.25、地球5.52、火星3.95、木星1.33、土星0.69、天王星1.29、海王星1.64、冥王星2.03、太陽1.41；如果將地球的體積（實際體積為1.0832×1012km3）定為1，則其它八大行星的相對體積為：水星0.055、金星0.834、火星0.15、木星1321、土星750、天王星67.2、海王星59.4、冥王星0.00544、太陽1.3036×106。太陽的體積是地球的1303600倍！木星的質(zhì)量等于其它八大行星質(zhì)量的總和的2.5倍，木、土二星的質(zhì)量是其它七個行星質(zhì)量和的12倍；木、土、天、海四星雖然體積大、質(zhì)量大、但密度卻很小，在0.7～1.6g/cm3之間，水、金、地、火四星體積小，質(zhì)量小，但密度大，在4～5.5g/cm3之間。5.1.4太陽系類地行星與類木行星化學(xué)組成的差異性類地行星最明顯的是由地幔和板塊、巖石等組成的地殼，含有元素周期表中大部分金屬與非金屬元素，因而密度都較大，除水星外，金、地、火三星在早期地質(zhì)過程中都儲有大量的水，但目前金、火二星表面已完全干涸，液態(tài)水已完全消失！唯有地球至今仍保持大量的水；類木行星最明顯的是沒有固體表面地殼，組成元素主要是氫、氦、甲烷等，由于表面氣溫在-150℃～-240℃，而大氣壓力又很大，所以據(jù)推測其表面是氫、氦的海洋或氣一液流體表面。5.1.5太陽系各天體角動量分布不均衡性太陽的角動量占不到太陽系總角動量的0.6%，行星占去94.4%，衛(wèi)星和小行星所占微乎幾微，這表明角動量不集中在中心天體太陽上，而是按動量守恒分配于各行星；但對于行星和衛(wèi)星系統(tǒng)則恰好相反，衛(wèi)星繞行星轉(zhuǎn)動的角動量只為行星自轉(zhuǎn)角動量的百分之零點幾到百分之十，火衛(wèi)系統(tǒng)僅為32萬分之一；但對于地月系的情況又相反，月球繞地球公轉(zhuǎn)的角動量比地球自轉(zhuǎn)的角動量大5個數(shù)量級（即萬倍），這都是由于月—地相對質(zhì)量比特別大造成的，由此再次看出月—地系統(tǒng)在太陽