科学技术与社会进步

科学技术与社会进步内容摘要：

）创立了电磁学说，还推导出电磁场的 13 波动方程，预示了电磁波的存在，预言了光也是一种电磁波，把光、电、磁三种现象统一起来，使光学、电学、磁学形成一个具有统一理论基础的知识体系。 奠定了现代电力、电子和无线电技术及其产业的理论基础，为近代第二次产业革命提供了理论的保证。 （ 3）化学新成就 a 国化学家拉瓦锡（ 1743~1794）通过实验发现了氧，创立了“氧化学说”，推翻了“燃素说” b 原子 — 分子论的创立 英国化学家道尔顿（ 1766~1844）首先提出物质由原子组成的基本概念（ 1803~1808）；意大利物理学家阿弗加德罗提出了分子的概念（ 1811）使原子分子论得到初步确立，为化学奠定了重要的理论基础，推动了 19 世纪中叶实现对原子量的测定和分子组成的研究。 C 元素周期律和元素周期表的创立 俄国化学家门捷列夫（ 1834~1907）在 1869 年发现周期律揭示了元素性质与原子量之间周期性关系，表明自然界存在着一个严整的元素自然序列体系。 根据这个规律，不但可以有计划有目的地寻找新元素或人工合成新元素。 而且可以全面把握各种元素的性质；周期律不 但在化学领域具有重大意义，而且在物理学中对量子力学、原子物理以及核物理学中也具有重大意义，促成了原子能，核裂变理论与实践的重大发现和应用，同时对进一步揭示微观世界、微观粒子的研究具有划时代的意义。 D 有机合成与有机结构理论的建立 1828 年武勒人工合成尿素，此后一系列人工合成有机物获得成功并促进了有机结构理论的创立，为石油化工工业、塑料、化肥、化纤、染料、制药、炸药等新材料、新产品、新技术的应用奠定了坚实的理论与实验基础。 现代科学的发展 19 世纪末物理学的三大发现 （ 1） X 射线的发现 德国物理学家伦琴（ 1945— 1923）于 1895 年在研究阴极射线的实验中，意外地发现了一个穿透力很强的射线 — X 射线，孕育着新技术的诞生和广泛应用。 （ 2）放射性的发现 法国物理学家贝可勒尔（ 1852— 1908）于 1896 年在研究 X 射线与荧光物质的关系时引导他发现了铀原子的天然放射性。 1902 年卢瑟福（ 1871— 1937）又进一步阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地蜕变成另一种原子核的过程，与此同时放射出另一种能量很高的射线，随着发现了钍、钋、镭、等放射性元素。 特别是铀 235 的放射 14 性为原子能的利用奠定 基础。 （ 3）电子的发现 英国物理学家汤姆生（ 1856— 1940）于 1897 年在研究阴极射线时证实阴极射线的本质是带负电荷的一束粒子流、并测出了阴极射线粒子的质量约为氢原子质量的1/1837。 他当时把这种组成原子的粒子称为微粒，即后来被称为“电子”。 电子的发现否定了 2020 多年来认为原子是组成一切物质的不可再分基元的传统观念，预示着原子内部有特殊结构，为原子结构理论的创立和电子学、电子技术的利用立下了不可磨灭的功勋。 相对论的建立 德国科学家爱因斯坦（ 1879— 1955）于 1905 年创立了狭意 相对论，主要论点： （ 1）同时性的相对性 即两个事件是否同时，在不同的惯性系看来是不同的，同时性并不是绝对的而是相对的；（ 2）长度收缩 运动着的物体在其运动方向上的长度要比静止时短；（ 3）时间延缓 运动着的时钟要变慢；（ 4）动质量增大 运动着的物体的质量随着速度的增大而增大；（ 5）光速是运动物体的极限速度，即任何物体的运动速度都不能超过光速；（ 6）物体的质量（ m），能量（ E）之间服从质能关系式： E=MC2（ C为光速 C=30179。 104 Km/S）。 狭意相对论揭示了时间、空间与物质不可分割，随物质运动 状态而改变。 相对论的核心是观察物体运动的“四维”空间，即质量、速度、距离和时间，它们之间是相互联系的。 相对论的理论依据是物体的运动速度极限是光速，光在真空中的速度始终保持不变，更重要的是，它与观察者的速度无关（ 1光年（ ） =30179。 104179。 365179。 24179。 3600=179。 10 12Km）。 相对论的实验依据是假设有两个飞船，若飞船 A 以 的速度朝一个方向运动，飞船 B 从对面方向飞来，速度也是 ，按牛顿力学， A和 B 的相对速度 A+B=，但实际情况并不是。 而是必定小 于 1C（爱因斯坦计算应为 ） L AB的相对距离， H运动物体指示时间， h静止物体时间。 由此会得出惊人的结果： A A L 1H H= 15 如果人能够以光速旅行，他最少会经历三件事：时间变得停滞（变慢）；自身的体积缩到无限小；本身的质量却变得无穷大。 为什么会产生这种现象，原因是速度极限 — 光速。 爱因斯坦的广义相对论要点： 广义相对论是一种引力场理论，在引力场中，现实的物质空间不是平直的欧几里得几何空间，而是黎曼几何的弯曲空间，其弯曲度取决于物质在空间的分布情况，物质 密度大其空间引场的强度大，空间弯曲得越厉害，即空间取决于引力强度，引力强度大，时间也会变慢。 广义相对论进一步揭示时空的性质不仅取决于物质的运动情况，而且也取决于物质本身的分布状态。 广义相对论的验证 水星轨道近日点的进动；光谱线红移；光线在引力场中的偏转 狭义相对论研究的物体是恒速运动的观察者。 广义相对论研究的物体是加速运动的观察者。 狭义相对论只考虑 了恒速运动的观察。 广 义相对论是对加速运动 的观察。 爱因斯坦设想一架 处于自由落体状态下运 动的电梯。 当一束光线进入墙上的一 个小孔，电梯里的人观察到光线沿直线行进；但是对于电梯外面的观察者来说，光却是沿曲线进行。 为什么会这样。 爱因斯坦指出，这一弯曲是由于电梯正在加速引起的。 由于引力是一种形式的加速，光会因此而弯曲。 一张平铺的橡皮垫 在中间放一重铁球，垫 子被重球压迫而变形。 同样，时空在一个像恒 星这样大质量的物体周 围因受恒星大引力作用， 物体周围会扭曲。 16 让一颗小球在靠近重球的橡皮垫上滚动，它沿着一条曲线滚动，恰似恒星附近的光线一样光会发生扭曲而偏转，时间出会变慢； 光线在 重引力场中会发生偏轨； 水 星在近 日点加速 运动 —— 近日点进 动，也是广义相对 论 所观察的一种现象。 量子论的创立 所谓量子是指单个的，不连续的。 1900 年，德国物理学家普郎克（ 1858～ 1947）提出量子论学说，认为物体在辐射和吸收能量时，能量是不连续的，而是有一个最小能量单元，被称“能量子”，简称量子，1905 年爱因斯坦认为光也是不连续的，提出了“光量子”，认为光是由不连续运动的光量子（粒子）组成。 玻尔（ 1885～ 1962）的原子结构的量子化理论 1913年丹麦物理学家把卢瑟福的原子核模型与普朗光的能量子学说结合起来，提出原子中的电子只能沿着一些特定的轨道上绕原子核运动，电子在这些轨道上运行时不吸收也不辐射能量，处于稳定状态，若电子吸收外界能量则成激发态发生跃迁；若电子受某种扰动也可产生辐射现象，为量子论建立奠定基础。 量子力学的建立沿着两条不同途径通过四位科学家的独立研究共同创立的。 一条是 1924 年法国物理学家德布罗意（ 1892～ 1987）提出物质波理论，认为任何粒子（光子、电子）运动都县有波动性，它的波长与它的动量成反比，并发展了波动方程的学说。 1926 年奥地利物理学家薛定谔（ 1887～ 1961）在他的导师德拜的指导和帮助下，发展了德布罗意量子力学波动说观点，系统地描述原子核外电子运动的薛定锷方程。 量子力学另一条道路是德国物理学家海森堡（ 1901～ 1976）等人创立矩阵力学的探索之路，他首先提出测不准原理，即电子运动的轨迹和某时刻的位置不是固定不变的，两者不能准确的同时测量到。 之后他和玻恩（ 1882～ 11970）、约尔丹（ 1902～）合作，共同建立了量子力学理论系统，即矩阵力学。 英国物理学家，狄克拉（ 1902～ 1984）运用数学计算使量子力学成为 更完整的体系。 波动力学和矩阵力学两者成为量子论坚强的支柱。 匀速 加速 水星 17 量子力学反映了微观世界物质运动规律的特殊性，使人们对自然界的认识实现了从宏观世界向微观世界的飞跃。 量子力学的建立大大促进了原子物理，粒子物理，凝聚态物理等物理学前沿的发展，促进了量子化学的产生，及激光技术，虚拟技术的研究和开发应用。 现代自然科学的全面发展 20 世纪以来，现代自然科学不仅在涉及全局性的科学基础理论如相对论，量子论这样新的革命性的突破，而且在各个传统学科领域里也取得了革命性的进展。 如地球科学中的板块构造理论学说的建立，开创了 人类对地球史认识的新阶段。 分子生物学的建立，实现了人类对遗传物质基础认识史上的一次划时代的突破，开辟的生物技术，细胞工程，基因工程、酶工程和发酵工程，使人类对生命科学的认识向纵深方向发展；天文学领域，天体演化学说和宇宙学的诞生，使人类的视野推进到 200亿光年的大尺度的空间范围„„。 现代自然科学一方面向微观深层和宏观广度的纵向发展，另一方面又向综合，横向发展，出现了环境科学，能源科学，材料科学等综合型科学；出现了信息论，控制论，系统论，协同论，耗散结构理论，混沌学等横向型科学，边缘科学，交叉科学，成为新世 纪自然科学基础理论科学突破性发展的一个重要方面，其特点是既高度分化又高度综合的全面发展中，对整个人类社会的各个方面也产生了极其广泛而深刻的影响。 现代科学技术的发展趋势和基本特点 科学技术迅速发展和急剧变革 （ 1）现代科学技术发展呈指数增长的趋势 截至 1980 年，人类获得的科学知识 90%是第二次世界大战后的 30 多年中取得的，到 2020 年翻了一番，最近 50 年来人类所取得的科技成果、技术发明的数量远远超过以往 5000 年的总和。 （ 2）当代科学技术发展的新阶段 20 世纪中叶以来，科学技术的发展 经历了 5 次重大的变革 在第一个 10 年（ 1945~1955）以原子能的研究与利用为标志，人类开始了核能利用的新时代。 在第二个 10 年（ 1955~1965）以人造卫星的发射成功为标志，人类开始向外层空间进军。 在第三个 10 年（ 1965~1975）以重组 DNA 成功为标志，基因工程正式踏上历史舞台，人类进入了可控制遗传和生命过程的新阶段。 18 在第 4 个 10 年（ 1975~1985）随着微电子技术的迅速发展，以微处理机的大量生产和广泛使用为标志，揭开了以电脑扩大人脑能力的新纪元。 在第五个 10 年（ 1985~1995）以软件 的大规模开发与产业化为标志，人类迈入了知识经济的新时代。 进入 21 世纪以计算机互联网为标志，人类进入了一个可在虚拟空间里实现信息交换与信息共享的信息时代。 纳米科技与人类基因组计划的重大突破，预示人类将在进一步破译生命秘密的基础上展示神奇生命世界的诱人前景，预示着新一轮的科技革命即将到来。 现代科学的主要发展趋势 物理学和生物学成为 20 世纪带头学科，基础自然科学的体系以它们为核心形成了物质科学和生命科学两大综合科学。 自然科学发展的第一个主要趋势 一方面物质科学继续揭示自然界更深，更广，更久远的层 次和各种极限状态下的物质运动规律；另一方面，系统科学与生命科学正逐步阐明与人类的关系更密切的各类复杂系统的行为规律，系统科学和生命科学将是 21 世纪的带头科学。 第二个主要趋势 现代科学在高度分化的基础上产生了高度的综合，综合表现为多层次，多维度的科学交叉与渗透，更表现为横断学科和综合性的学科群不断出现，各门学科之间的界限日益模糊，而普遍联系日益强化。 现代技术的主要发展趋势 第一，以基础自然科学新成果为先导的高新技术成为现代技术体系的带头技术。 第二，各门技术相互渗透，相互促进围绕某一大问题、大目 标的解决与实现形成庞大的综合性技术群。 第三，综合应用多种门类技术的复杂大系统的研制开发成为技术发展的主要途径之 一。 第四，以软科学为理论基础的多种社会技术成为现代技术体系的新门类。 第五，大多数技术创新出现于新产品的研制过程中。 科学技术发展的综合化趋势 （ 1）科学的技术化，技术的科学化相对应领域的科学与技术的衔接后相互渗透，相互包含以至融合成连续的整体。 科学的技术化，是指在总体的科学活动中包含着大量的技术科学研究、技术发展研究和技术应用研究工作等方面的内容；技术的科学化，包涵双重含义，第一指已 有的技术上升到技术科学，第二指技术创造发明是根据已有的基 19 础科研成果，即技术进步是以科学的成果为依据。 在 19 世纪中叶以前，科学与技术是分离的，它们各自独立发挥社会作用，其发展往往是脱节的。 技术的进步通常是依靠传统技艺的提高和改进，只凭经验摸索前进。 科学理论也经常是跟在实践之后来概括和总结人们在生产技术活动过程中积累起来的经验材料。 因此，经常会出现在科学上还未搞清的理论，在技术上却可以实现，如发明用火却是远在燃烧说学之前；而科学上已发现了的某些规律，在技术上却久久不能实现，如太阳热核反应放出高能量的理论早已建 立，但太阳能的综合利用至今仍步履艰难等。 关键性的技术突破常常与科学理论没有直接联系，但科学技术发展到今天，科学与技术。