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江苏省文科大学生自然科学技术知识读本(上)
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一、科学技术的性质
 (一)科学的性质
1.什么是科学
科学的性质,就是回答“科学是什么”这个问题。科学一词源自拉丁文Scientia,本意是知识和学问。今天我们所说的科学,首先是一个知识体系,它包含许多门类和学科,门类和学科之间又相互交叉,形成既具有整体性,又具有层次性的认知成果系统。其次,科学又是人类活动的一种重要形式,是人类探求、发现客观世界本质和规律、创造和生产新知识的认识活动,因而,科学是动态发展的。再次,科学在今天又是一种社会建制,是一项社会化的事业。科学知识的创新能力日益成为社会的核心竞争力。
关于科学的本质,有3个基本内涵。
 (1)科学是理性的知识体系。科学是由概念、原理、规律等组成的理论化知识体系。
人类从诞生时起,就对客观世界的本质和规律怀有强烈的好奇心,于是通过各种实践活动获得了大量的经验知识。最初,这些知识是以直观感受和主观意念外化的方式形成和传播的,以巫术迷信为代表,这是人类知识的前科学时期。后来人类积累起来的零散的经验知识也还算不上是科学。科学是运用一定的思维形式和方法,对实践中获得的丰富经验知识进行系统地整理、概括而形成的理论体系。这些理论体系由基本概念和公式、基本原理和定律以及推论、应用3个层面构成的,3个部分之间可以用逻辑方法构成一个统一的整体。
 (2)科学是一种创造性认知活动。具体地说,科学是以探求客观世界规律为目的、以发现和创新为根本特征的相对独立的认识活动。通过科学活动,人类对客观世界的认识日益广泛、深入,人类的认识能力也得到提高。
 (3)科学是社会大系统的构成要素。随着人类社会的发展,科学由个人工作发展到集体研究,再发展成为一项国家事业,进而成为一种国际化的事业。参与科学活动的,不仅有科学家,而且有企业、政府。科学的组织形式,由小科学发展成为大科学。国家科学研发能力是综合国力的重要组成部分。
科学还可以作狭义和广义的理解。狭义的科学指自然科学;广义的科学则包括自然科学、人文社会科学和思维科学。
2.科学的基本特征
 (1)科学作为知识体系的基本特征。科学知识体系的基本特征包括系统性、真理性、共享性、一般生产力性。   
系统性指科学知识的首尾一贯性、内部自洽性、和谐性,它是由概念、判断、推理构成的逻辑上统一的知识系统,只有这样,科学才符合真理性认识的要求。真理性指科学知识源于对客观世界及其运动观察实验的实践,并且可以接受实践的检验。为此,科学理论必须得出可证实或可否定的推理。如狭义相对论曾经为很多人不理解,但它的推论“一切运动坐标系都是等价的”,已由迈克耳孙—莫雷实验予以证实;E=mc2也可以由核反应过程,特别是原子能的利用予以证实。科学的共享性指科学理论没有阶级性,供所有人无偿利用。一般生产力性是说,当科学知识渗透到生产力的诸要素中去的时候,可以转化为直接生产力,作用方式包括改革生产工具,扩大深化劳动对象,提高劳动者的知识技能,提升管理水平。
(2)科学活动的特征。科学作为一种认识活动具有创造性、探索性、成果的不确定性等特征。
创新性是科学活动的灵魂,指科学活动必须致力于发现前人尚未发现的新事物,说明过去的科学知识解释不了的新现象,或者运用科学理论指导、创造过去没有的新事物。
探索性是说科学活动不停留在对事物表面现象的描述、记录上,而是透过现象把握本质,深入事物内部思考不能为感官直接把握的诸多联系,揭示事物构成、演变的客观规律。正是因为科学活动是认识未知世界的活动,所以它得出结论正确与否、成果大小、研究方向等不可能按计划进行。科学发现有机遇性、反常性和复杂性。英国著名科学家法拉第说过:“就是最成功的科学家,在他的每十个希望和初步结论中,能实现的也不到一个。”
3.科学的内涵
科学作为一种文化,包括科学思想、科学精神和科学方法。
(1)科学思想,即科学理论思想。它是科学知识、科学成果体系中最抽象的概括和结晶,是科学的本质层次,通常表现为科学概念、原理体系及其哲学指导思想。如牛顿的科学思想是指牛顿在经典力学、微积分、天文学、光学等方面所做的奠基性工作,也包括他的力学机械论思想。爱因斯坦的科学思想指以相对论、光量子理论、宇宙论等为代表的理论创新成果。
科学思想是相对于科学事实而言的。科学事实是指通过人的观察、实验所感知、记录下来的关于自然客体的运动状态的描述。
在近代科学兴起时,英国哲学家培根(马克思称他为“现代实验科学的真正始祖”)批判当时的科学家,说有的人像蚂蚁,有的人像蜘蛛,真正的科学家要像蜜蜂。16世纪丹麦天文学家第谷是开普勒的老师,他的天文观测成果是一流的,但他的目的是为了证明托勒密的“地球中心说”是正确的。18世纪英国化学家普里斯特利是很好的观察实验者,但缺少创新的科学思想,所以他没有做出伟大的科学发现。而对他提供的事实材料进行重新加工,使拉瓦锅成为化学革命的代表人物。所以,量子力学的创始人之一玻恩说:“真正的科学是富于哲理性的……它不仅是走向技术的第一步,而且是通向人类思想最深层的途径。”
(2)科学精神。从一般意义上说,科学精神是人们在长期科学活动中形成并不断发展的群体精神状态。科学精神的核心是理性精神,主要表现为;相信自然界客观存在,自然界的运动有其内在必然性,人们可以通过观察、实验、理性思考探索自然规律。这种理性精神的实质是相信真理的存在并坚持求真的态度。这种精神不仅为专门从事科学活动的科学家群体所认同,而且有可能发展成为一种社会文化,广泛影响社会各阶层人群的认知方式、行为方式和价值观念。
科学精神是人们关于科学价值观念、精神面貌和科学伦理观念的总和,其核心是科学价值观念。科学精神首先表现为尊重科学、崇尚科学、追求科学真理与科学的社会应用。其次表现为我们以什么样的动机、心理和思维方式去从事科学。归结起来,科学精神的根本是对科学价值创造和奉献社会人生目标的实践。
1911年,由斯科特率领的英国探险队和由挪威人阿蒙森率领的探险队同时从陆上穿越南极大陆,到达南极点。挪威人用北极狗拉雪橇作为交通工具。他们10月19日出发,沿途留下贮存食物,一路上越走越轻。在必要时,狗肉也可以作为食物。12月14日,他们到达南极点,插上一面挪威国旗。斯科特率领的英国探险队,由5人组成,于1911年u月1日动身,用蒙古马作为牵引力。这条路要近一些,但不幸的是,他们使用的马不善于在冰上爬坡,有的坠人冰谷,有的滑倒摔伤。探险队员们发挥了惊人的毅力,徒步拉雪橇做最后冲击,1912年1月15日走到南极,比挪威人晚了1个月,耗时76天。由于暴风雪天气,队员们接连病死、失踪。但斯科特每天坚持写科考日志。他最后写的一句话是:“我已经不能写字,但我并不后悔……”
当时的科学考察,同科学史上的许多新发明一样,虽然有荣誉,但并无金钱可言。如果没有为科学事业奉献的精神,没有勇攀高峰、誓夺第一的勇气,是不会拿生命和艰苦拼搏作为代价去夺取科学史上某个第一的。正因为斯科特一行做到了这一点,虽然他们不是第一,却一样名垂青史,受到后人的尊敬。
为什么说科学价值观是科学精神的核心?首先,价值观是人的主心骨或灵魂支柱。每—次社会大变革总会伴随价值观的大讨论或思想观念的大论战。其次,价值观又是社会组织的整合因素。共同的价值观为人们利益调节、关系整合、交往交换提供一个公认的评价、定价标准。中国古代封建社会长期以门第、权势评价人和事;资本主义社会以财产、金钱评判人的价值;科学家则以真理评判人行为的是非。再次,价值观也是群体活动的指南。
为什么要弘扬科学精神?首先科学精神为科学发展提供动力。在科学史上,很多科学家一生历尽坎坷,但他们为了追求真理,造福人类,可以不顾世俗和传统偏见压力,顶住宗教迷信和政治上的迫害,忍受各种痛苦,追求创造发现之乐,这些人往往成就巨大,是科学殿堂中的主角。其次,科学精神决定主体的思维方式和行为方式。科学研究应当坚持主体思维的开放性、真实性、批判性、创造性。一方面,有独立见解,不人云亦云,不屈从于特权势力;另一方面,又要善于倾听和自我批判。
当代科学精神包含哪些内容?
第一,科学精神的核心是求实和批判精神。表现为从实际出发.不弄虚作假,这是世界各国科学家的首要行为准则。
第二,锲而不舍的钻研精神。科学探索是试错过程,是用失败为成功铺设道路的奋斗历程,必须终身努力,不怕失败;同时,在每一阶段又必须回顾总结,为拓展思路确定新的目标。
第三,勤奋劳动、脚踏实地的奋斗精神。科学劳动是艰巨的,取得的成果是积累性的,必须做到不浮躁、不急于求成。科学劳动是复杂的,必须为重大突破做许多准备工作。科学成果是竞争性的,必须抢时间才能领先。
第四,尊重理性、一丝不苟的求精意识。科学创新在打开思路时要大胆想象,但在建立理论时要求逻辑严谨、计算精确。像载人航天飞机涉及几十万个部件,几千家单位协作,但必须实现零缺陷,万无一失。科学对质量和数据的要求是苛刻的,无数血的教训告诉我们,任何小的疏漏都可能造成全局失败。
 (3)科学方法。科学方法是从事科学活动、实现科学创新成果所使用的手段、工具、程序等。我们学习科学,掌握方法比学习具体知识更重要、更具有根本性。
(二)技术的性质
1.技术是什么
古代的技术是劳动者的技巧、技能和操作方法,是一种手艺,本质上是人类在生产经验基础上获得的主体能力。
近代科学兴起后,技术不仅是经验的积累和手工艺术,而且离不开科学知识指导。Technology这个词既有技能、技艺含义,也有学问、学说的含义,不仅有工艺学的内涵,而且包括了技术科学。近代意义上的技术是科学认识成果应用于实践的中介,技术是运用一定的知识、手段和方法,特别是使用机器对物质、能量、信息进行转换、加工,以满足人类实践需要的社会性活动。
当代技术越来越变成一种知识诀窍,但也有一些领域中,技术更具有艺术的性质,如体育表演、操作性技巧等。
2.技术的本质和特征
技术在本质上体现了人对自然的实践关系,是人的本质力量的展现,属于直接的生产力。所谓人的本质力量,即人类高于动物的认识和改造自然的能动性。    技术相对于科学而言,具有二重性的特征。
 (1)技术既具有自然属性,又具有社会属性。何谓技术的自然属性?它主要表现在两个方面:一是说,技术活动是人与自然之间的物质、能量、信息交换过程,必须遵循自然规律。二是说,技术成果主要表现为物质形态的人工自然物,这些人造物都是从天然自然物转化而来的,是自然界的一部分。从人类利用石器开始,到大规模使用机器和电子计算机,这个庞大的技术体系,都是由大自然提供的物质条件加工形成的。
技术的社会性也主要表现在两个方面:一是说,技术的目的是为了满足社会需要,技术的产生、发展更受到社会条件的制约。二是说,技术的应用、设计、风格、方向都要考虑到社会因素,如人的生理安全、审美、社会伦理、民族风格等因素。有些技术的应用,如安乐死、克隆人、生化武器等不能获得较大的发展,不是自然原因造成的,而是社会伦理不允许。从自然条件看,日本是适合于发展核电的,但由于日本在二战中受到过美国原子弹袭击,国民心中阴影很重,核电发展受阻。
 (2)技术既具有客体性,又具有主体性。技术的客体性指技术手段的工具是客观的物质条件;技术的作用对象也是物质的、客观的。技术的主体性是指技术中也包含主体的知识、技能、经验。因而,技术是硬件与软件的统一。
 (3)技术的社会建构性与相对独立性。技术不是天然生成的,任何技术都是人类建构的产物,因而技术水平和成果的应用同社会经济、政治、文化教育、人的素质等有着直接关系,同国家的技术战略、技术政策、技术价值观导向等因素也有重要关系。同时,技术又是相对独立与自主的系统,它受自身内在矛盾的支配而自主运动,有自身的规律,如技术革命、技术传播、技术发明规律等。
(三)科学与技术的关系
 1.科学与技术的区别
科学与技术是有着不同目的和性质的两类活动,但它们都产生于人类认识和改造自然的实践过程之中,并在实践基础上相互促进,共同发展。这就决定科学与技术既相互区别又相互联系。
 (1)从任务看。科学的任务是认识和说明自然,回答“是什么”和“为什么”的问题,为此要通过认识自然以发现自然现象,揭示自然规律,增加人类的知识财富;技术的任务是利用和控制自然,解决“做什么”和“怎么做”的问题,为此要通过运用自然规律以发明、创造人工自然,增加人类的物质财富。
(2)从方法看。对科学而言,科学家通过问题→观察→假说→实验→理论等过程,以实现对自然的认识和说明。在科学研究过程中,科学家追求的是尽可能精确的数据和完善的科学原理,经验的估计是不会令人满意的。对于技术而言,工程师通过目标构思→设计→试制→,产品等过程,以实现对自然的利用和控制。在技术利用和控制自然的过程中,经验起着十分重要的作用,不仅古代的工匠要运用经验和技能,即使现代的工程师,也要积累和凭借丰富的经验,技术上安全系数的确定,虽然可以事先进行理论计算,但最后仍然离不开经验的估计。
 (3)从结果和评价看。科学发现主要以知识形态的概念、理论表现出来,对其评价的标准为实践标准,用实践来证明其是否合乎实际,是否具有真理性。科学知识只有正确与谬误之分,1日知识总是因为谬误而被淘汰。技术发明既可以以图纸、工艺流程、专利等知识形态表现出来,也可以以物质产品这样的实物形态表现出来。其评价的标准有实践标准和社会价值标准,需要从实用、可行性、经济性、先进性等方面进行评价,旧技术就是因为在实用性、经济性、先进性等方面不如新技术而被舍弃的。
 (4)从管理看。科学研究在选题方面自由度大,目标相对不确定,劳动的个体性强,在开展科学探索的过程中,不但难以预见在何时会做出何种发现,而且也难以测算出某种发现所必需的劳动时间和成本。此外,科学研究受社会经济、民族地域的影响较小。技术工作的计划性较强,劳动的集体性强,有相对确定的目标、经费和开发期限,如新产品的研制和设计,一般都有较为明确的方向、步骤、工期和经费预算。此外,技术工作受社会、民族地域影响较大,
 (5)从价值看。科学有长远的、根本性的经济价值、军事价值,此外还有认识的、文化的、教育的、哲学的价值。因此,我们不应当只从经济价值和眼前利益去看待科学。技术虽然对科学发展具有推动作用,但更直接的则是它的经济价值、军事价值和社会价值。
2.科学与技术的联系
 (1)科学与技术互为条件、相互推动。技术对科学的作用表现在3个方面。首先,技术对科学有推动与支撑作用。技术直接反映社会生产力实践对人的科学认识能力和知识水平的要求。解决我国众多人口吃饭问题,提出对农业技术革命的要求,进而对粮食种植、增产相关的科学发展提出要求,于是杂交水稻这样的研究课题和相关成果应运而生。新中国成立后,我国石油资源严重不足,要求地质勘探和地质学理论有重大突破,李四光的地质力学对此做出了重大贡献。
其次,技术为科学发展提供资金支撑和技术设备。技术作为直接生产力,成果可以直接面向市场,获得研发收入,用于支持基础科学的研究项目,科学研究所需要的仪器装备也必须由技术部门提供。再次,技术为科学成果价值的实现提供了市场。
 (2)科学对技术的推动作用表现在指导、提炼、开拓、牵引方面。首先,任何技术创新都必须以科学理论为指导。其次,科学从大量的技术实践中发现问题,积累案例、材料,提升新的认识成果。如大量的医学工作实践和经验上升为医学理论,关于人的饮食习惯与健康的关系方面的理论研究,通过大量案例研究也有了新的突破,“吃出健康”、“吃出长寿”成为医学和生命科学的热点。再次,科学上的重大突破对技术起革命、开拓作用。现代物理学革命对原子结构及粒子运动规律的发展是开拓20世纪高新技术革命众多领域的钥匙,是新技术革命,尤其是信息技术革命的动力。
 (四)科学技术发展的基本规律
1.科学技术发展的内在动力——科学技术系统内部的矛盾
科学技术发展之所以有自己相对独立的规律,主要是由它们特殊的本质及作为一个系统所包含的特殊矛盾决定的。因为矛盾既是构成事物的内容,又是事物发展的动力。
 (1)科学内部的矛盾是科学理论与科学事实的矛盾。这种矛盾通常称科学理论的不完备性。一般表现为某些新发现的观测实验事实很反常,已有科学理论无法解释,或者做出的解释不能自圆其说,存在着漏洞和不和谐之处,这时,理论就面临严峻的挑战。如果死抱住旧的理论不放,科学就不能进步。但是科学家们会从新的假设出发,用不同的观点、方法看问题,提出创新的假说,既能说明传统理论可以解释的那些事实,又可以解释传统理论不能解释的事实,还能做出一些当时的科学尚未做出的新预见,到这个时候,科学内部的矛盾终于产生积极的作用。
15世纪末,哥白尼为了解决托勒密天文学学说的困境,大胆提出太阳中心说或地动说。最初,由于自己同宗教神学推崇的“权威”理论相对立,宣传地动说的人遭到宗教裁判所的制裁,如布鲁诺、伽利略都为了宣传真理而遭到迫害。但无数观测实验证明,运动是相对的,太阳处在太阳系所有行星圆周或椭圆轨道的中心或焦点上。太阳中心说符合太阳系结构与力学运动规律的客观实际,因而为日后更多的观测实践所证实,如天文学家和数学家根据天王星运动的观测,断言在它之外还有一颗运动半径更大的行星,这个预言得到证实。
 (2)技术内部的矛盾。技术内部的主要矛盾是技术手段与技术目的的矛盾。所谓技术目的就是技术为实现社会需求而对技术发展方向和创新目标所做的预设。它一方面要考虑到社会需要,即实现目标必要性的一面;另一方面也要考虑科技发展水平、社会经济条件的可能性。技术目的一经设定,就规定了人们技术活动的指向。
技术手段是现有技术设备、技术经验和知识能力的总和,它是实现技术目的的起点和实践前提,但它和技术目标之间也存在矛盾。现有的技术水平、生产手段同社会经济、科技等方面的发展不相适应,使企业、国家和地区在发展竞争中处于不利地位或面临其他方面的挑战,从而提出新的技术目的,对原有的技术手段进行改造更新。解决技术目的和技术手段的矛盾往往是通过发明创造新技术、新设备、新工艺、新的组织管理方式,也包括对原有技术的重组和改造来实现。在新技术的应用、推广中,也会因为同相关技术不协调,进而引起其他技术改造的连锁反应,推动相关的技术创新。如数字化技术应用于战场,不仅直接改变作战手段和战争形式,还引起指挥系统、后勤保障和教育训练手段的创新。
技术目的与技术手段的矛盾不断解决,在它们之间从不平衡到平衡又到新的不平衡,在这种相互作用下,技术目的一般处于矛盾的主要方面,具有能动性;但一定技术手段也不是消极适应性的因素,因为它是由人掌握使用的,人的精神需求,特别是创造的心理冲动总会超越现有条件的状况,构想更先进的技术手段,这时,技术手段又会向技术目的转化。
2.科学发展模式
关于科学发展的规律及具体表现形式,科学家对科学哲学进行了多方面的研究,产生了一些有影响的学派和学说。
 (1)带头学科发展模式。20世纪50年代,苏联科学家凯德洛夫提出,科学在历史发展的每一阶段都有一门或一组学科处在革命的前沿,它们产生的创新成果渗透到其他知识、技术领域,从而推动这些领域的创新。近代科学兴起时,力学是带头学科。18世纪牛顿力学的创立是这一阶段的标志,牛顿力学的观念、方法和知识推动着化学、物理学、生物学、地学各个领域的发展,使近代科学革命到19世纪中叶达到了高峰,麦克斯韦电磁学理论和达尔文生物进化论的建立,标志着这一阶段的完成,同时也酝酿着新的革命的开始。19世纪末20世纪初的带头学科是微观物理学,它所引了20世纪高新技术革命,促使了20世纪后半叶以微电子技术为核心的计算机与人工智能技术、航空航天技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术等学科的兴起并成为带头学科。预计21世纪的带头学科将是生命科学。
 (2)世界科学中心转移模式。20世纪60年代,英国学者贝尔纳和日本学者汤浅光朝提出,自近代科学发生以来,世界科学活动中心每过70一日0年转移1次。科学活动中心一般拥有世界重大科技创新成果的20%以上,处于科学中心的地区经济领先、人才辈出,依现代的标志看,在这些地区诺贝尔科学奖获得者居世界首位。如意大利(1540~1610年)、英国(1660~1730年)、法国(1770~1830年)、德国(1840~1910年)、美国(1920~现在)。从目前看,美国作为现代科学中心还没有很快转移到其他国家的迹象。
 (3)指数、逻辑曲线增长模式。20世纪中叶,美国社会学家普赖斯和国家图书馆人员赖德根据图书馆藏书增长规律研究科技知识增长的规律。他们发现,自18世纪以来图书馆每16年增长1倍,实际上是指数增长。科学期刊数、学术文摘数、科学家人数等每10~20年增长1倍。后来又发现,到了一定时间,知识增长会放缓直到下一个科学革命的到来,然后又会呈现指数增长。如果考虑到每一增长周期后期发展放慢的一段时间,那么增长曲线就不是指数曲线,而是S形曲线,称为逻辑增长曲线。
 (4)四段式动态模式。英国现代著名哲学家卡尔·波普尔认为,科学发现始于问题,提出问题后,有创新精神的科学家提出猜测性理论,然后经过争论和实验检验,排除其中的错误,新理论上升到权威的地位。但是,它的权威性不是永恒的,过了一段时间,又会有新的观察实验提出它解答不了的问题,从而引发新的科学假说提出。这个发展模式可以概括为Pl—TT—EE一P2:……
 (5)科学革伞模式。科学革命这个概念最早是由美国科学文学家托马斯·库恩提出来的。库恩继承了波普尔科学发展模式中合理的东西,认为最早的科学萌芽(如巫术文化)叫前科学时期,之后发展到常规科学时期。如果观察实验发现了常规科学权威理论解释不了的问题,它就会因为反常现象的挑战而面临危机。解决危机的办法是提出一种革命性的新理论,它不仅能解释过去一代的常规科学能够解释的问题,而且能解释反常现象,于是它就取代过去的权威成为新一代的常规科学,但常规科学在解题、应用、发展中最终还会发现新的反常现象,引发新的科学危机和科学革命。
库恩的发现促使了科学发展中认识的飞跃,产生这种飞跃的根本动力是已有的科学理论认识能力同实践能动性的矛盾。正是这种矛盾使科学发展呈现出由量的积累到质的突破的过程,叫科学革命。
(6)科学研究纲领论模式。20世纪60年代,英国数学家、哲学家拉卡托斯对库恩的科学发展模式做了改进。库恩的学说完全否定了创新理论对传统理论的继承性,仿佛新老科学家眼中的世界是完全对立、根本不同的。拉卡托斯认为,每一代占主流地位的科学理论都有自己的“硬核”——科学研究纲领,这是一个科学理论体系的基本假说、基本观点和方法,它在科学理论体系中起支配作用。一个传统的科学理论体系遇到了挑战,主要是在解题、应用方面,科学理论会调整自己的外围(保护带),以确立核心部分的地位。一个处于创新中的研究纲领是它的进化阶段,当它达到成熟、影响达到极大时,就将进入退化阶段,然后迎来新一代研究纲领的进化。18世纪牛顿为确立近代科学的研究纲领曾经发挥了很大作用,但到18世纪末19世纪初,他的机械观的局限性逐渐受到批判,到19世纪末形成严重的危机局面。20世纪初,他的地位为现代物理学的研究纲领所取代。
二、科学方法论
 (一)科学方法
1.科学方法是什么
科学方法是我们从事科学研究所遵循的规则、程序及所使用的知识、技巧和手段的总和。例如,我们的科学思维活动必须遵守逻辑规则和方法;我们收集第一手科研资料必须借助仪器、设备,怎样正确使用这些仪器、设备,怎样记录数据资料,怎样分折、处理资料,怎样提升出有创见的理论?这些都是方法问题。
科学方法论就是关于科学研究中常用方法的一般的理论,是关于科学研究一般的性质、特点、内在联系和发展演变的理论体系。 
2.最常用的科学方法分类
 (1)获取科学事实的方法。包括观察方法、实验方法。
 (2)科学思维方法。即对科学事实进行思维加工的方法,如逻辑思维方法、形象思维方法、直觉、灵感思维方法、分析综合方法、数学方法、形成科学假说的方法、建立科学理论的方法等。
 (3)系统科学方法。包括系统分析与综合方法、黑箱方法、信息方法、反馈方法、自组织理论方法等。
这些方法,不仅适用于自然科学研究,也适用于人文社会科学研究。
3.观察实验方法
 (1)科学观察方法。科学观察的目的是为了获取科学事实。科学事实有两层含义:一是客观发生的事实过程;二是被观察者记录下来的对事实的描述。我们通常说的科学事实是由观察者加以规范、系统记录的科学事实。如对天文、气象、海洋、生态环境、生物性状的描述和记载,可以作为科学研究的第一手材料。
科学观察是在被观察对象自然发生条件下用感官或仪器有计划、有目的地考察研究事物的方法。通过观测和实验获取经验事实有一些基本要求:这些经过复核、鉴定过的事实必须具有单称性,不能凭笼统的印象或做模棱两可的描述,科学观察还要有可靠性、精确性、系统性。
 (2)科学实验方法。指根据一定的目的,利用科学仪器、设备等物质手段,人为地控制、模拟自然现象,探索自然规律的方法。它和观测方法的区别在于是否对研究对象人为地加以控制。实验方法的特点是对研究对象人为地加以控制、设计,力求排除与研究对象无直接关系的因素干扰,纯化或强化自然过程,揭示因果的必然联系。比如,要研究物体在重力场中自由下落的规律,就要设法使空气阻力作用最小。
实验方法的作用是:它可以简化、纯化研究对象,也可以强化某些条件,如制造超低温、超高压条件,探索极端条件下的自然规律,可以重复演示、再现某些自然现象,也可以人工模拟现实中无法直接实验的过程。这一方法广泛地应用于计算机模拟、战争演习等实践中。
思想实验又叫理想实验,是以科学原理为指导,运用想象和逻辑思维,构造理想模型,以推理构想实验过程和结果。当现实中没有实验所要求的理想条件时,只有运用这种方法。如伽利略设想物体在不受外力作用下会保持静止或做匀速直线运动,“不受外力”的条件是现实中没有的,只能运用想象和推理才能得出。爱因斯坦思考物体以光速运动时力学定律的形式,现实的物质系统除了电磁波之外是无法接近光速运动的,他使用的也是思想实验方法。
4.科学思维方法
 (1)科学思维方法的概念。这是对科学事实加工、整理、提取、深化的思维方法,主要是指那些思维步骤清晰、规范,程序比较明确的思维方法,如逻辑方法、提炼科学概念的方法、数学方法等。
逻辑方法包括归纳法、演绎法、比较法、分类法等。形式逻辑所要求的思维原则对达到思维的明确性、内在和谐性具有重要作用,但形式逻辑思维方法也有局限性,它只限于是和否两个答案,而对存在着对立而相互过渡、可能有无数中间形态的复杂事物,形式逻辑的二元对立思维是不够的,必然要运用辩证思维方法予以发展。
科学概念是反映客观事物本质属性的思维形式。对于在观察实验中获取的事实材料,运用比较、分析、综合、提取、概括等方法抽取出一类本质属性,用词汇表征就是概念。
我们给事物下定义就是建立概念或陈述概念,这是我们掌握运用科学思维方法的关键,也是建立科学理论、提出科学假说的基石。
 (2)科学思维的一般过程。科学思维的一般过程是具体→抽象→具体。
科学思维的第一阶段的“具体”是感性的具体,即对个别的具体事物认识的感性材料,这些材料是关于事物属性和运动现象的事实。如天文观测需要每天每时记录行星的视位置。 
第二阶段“抽象”是指抽象的规定,即透过许多现象的外表抽取出一类事物或某一方面的内在联系和本质规定,思维成果属于概念、判断,因而叫抽象的规定。
第三阶段的“具体”是思维中的具体,是对前两个阶段的综合,是构成具有系统性、全面性的理论体系,是具体的整体。
(3)科学假说。科学理论未成熟的初始形态是科学假说。它是根据已知的科学原理和事实,对未知自然现象及其规律所做的具有推测性、假定性的说明。
科学假说具有二重性。一是它具有科学性。科学假说既不是主观臆断,也不是浪漫幻想,它是根据科学事实和已有的科学理论对未知事物本质和规律尚不充分、不完备的系统论述,它是潜科学。如在19世纪末至20世纪初关于原子结构模型的探索中,先后提出过均匀模型、有心模型、行星模型、量子模型等,它们都有一定的实验事实依据,但也都未能充分说明关于原子的一切现象,都有不完善的地方,因而不同程度地都具有假说特征。二是假说具有猜测性。这些猜测还有待通过实验去做进一步的证明和检验。
 (4)科学理论。科学理论是从科学实践中抽象出来又为实践所检验证实,反映客观事物本质和规律的知识系统。它通常是在对科学假说选择、完善的基础上形成的。
科学理论的基本特征:一是内容上的客观真理性、全面性。它是主客观相一致的认识,可以对技术开发作理论指导。二是结构上的逻辑完备性。它是由概念、判断、推理或推论、应用构成的逻辑上自洽的和谐系统。三是功能上的科学预见性。由于理论反映的本质和规律具有普遍性,它能对某些未知的特殊事物的状态、性质和发展前景做出正确的预测。门捷列夫发现的化学元素周期律,麦克斯韦建立的电磁学理论都曾对当时尚未发现的一些化学元素和电磁波做出过出色的预言。
5.创造性思维方法
 (1)创造性思维的概念。广义的创造性思维是指提出新观念、新思想、新理论的思维过程以及创造新事物的思维过程。狭义的创造性思维仅指创新科学理论、创新思想观念形成与突破中的思维活动。
整个创新思维活动是复杂曲折的,不是简单直线式的或一次完成的,而是多种具体思维方法配合才完成的。创造性思维没有固定模式,其发展过程是非线性的。
 (2)创造性思维的一般特征。首先从思维形式上说,它是逻辑思维和非逻辑思维的统一,当必须在现有理论、知识之外建立新假设、新概念、新理论时,必须运用想象、猜测、直觉、灵感等非逻辑思维方式,发挥思维的活跃性和扩张力,跳出原有思维的框架,产生创新的思维火花。但是,当需要概括经验材料,提取事物共性和本质时,逻辑的归纳和演绎又是不可少的。对于有大量的甚至无限多个例的对象而言,思维不可能一一审视每一个对象,只能用有限个例的归纳再加上猜测与推理得出普遍性的结论。总之,运用逻辑思维也离不开非逻辑思维的互补作用。
其次创造性思维又是发散思维和收敛思维的统一。发散性思维的特点是:思维中尽量扩展思路,不受拘束,试探多种途径,设想多种可能,具有求异性、流畅性、灵活性、独立性的特征。收敛式思维是把已有的知识、经验、方案、创意等集中于一个方向,结合成一个既有深度又有一定广度的知识系统,使思维向秩序化、纵深性、系统性方向发展。收敛式思维总体上是求同性思维。
 (3)创造性思维的作用。创造性思维具有发现、选择、预见作用。所谓发现作用,是指创造性思维是产生新思想、新观点,揭示新规律的方法。感官只能看到事物的外部联系和表面现象,没有创造性思维,人很容易停留在表面现象,把现象当成本质。像古代人们看到苹果坠落到地面,水从高处向低处流,都认为是自然现象。牛顿从分析许多事物和现象的共同本质中,发现了万有引力定律。
所谓选择作用,是说创造性思维实际上是知识单元的一种自由组合,但这种组合的方式可能有无限多个,哪一个是最有价值的?创造性思维能根据组合和谐的程度选择出具有最大和谐性的组合方案。所以,法国19世纪著名数学家彭加勒说,发现即选择。
创造性思维的预见作用是指创造性思维登高望远,可以朦胧见到平常人不可能看见的目标。尽管创新理论刚问世,一时得不到人们的理解,一旦它的预言被新的观察实验所证实,它的创新意义和权威地位很快会得到认同。
 (4)形象思维方法。形象思维方法是在形象地反映客体具体形状、姿态等感性形式的基础上,通过意象、联想和想象揭示对象本质和规律的思维形式,是一种非逻辑思维。
其特点是,它的思维单元不是概念,而是意象,是一种内心世界的图像。从思维运动过程来看,形象思维具有流动性、跳跃性、自由开放性。从思维形式看,形象思维主要运用想象、联想而不是判断、推理。
形象思维的主要作用是激发、推动思维的活跃性,扩展思维领域,建立更多与知识单元的组合。但同时,它只是科学理论创新、发展的前奏,是为新概念、新假设的形成做准备的思维过程。
 (5)灵感、直觉思维。灵感思维是指对未知事物的探索长期没有解决,却在不经意间突然达到顿悟和突破的思维形式。直觉则是指不用逻辑推理而直接由经验达到对事物本质领悟的一种思维形式。
在文学艺术创作中,灵感、直觉思维是很重要的。如著名音乐家莫扎特、大诗人李白都很重视灵感的作用。过去科学思维一度贬低灵感的作用,认为承认灵感就是唯心主义的“天启论”,这是不正确的。灵感常常在无意识中出现,但它在本质上却是辛勤创造性思维的结晶。直觉也常常是无意识的,实际上是人的一种综合认识、体察能力。彭加勒说:“逻辑是证明的工具,而直觉是发明的工具。”
灵感、直觉思维的特点。一是灵感、直觉发生具有突然性。它不是按人们期望的那样召之即来,而是在某个不经意间、意料之外的时刻出现的。彭加勒一生的几个重大数学成就都同灵感有关,有的是在外出旅行即将踏上马车的一瞬间出现的,有的是在夜间失眠时出现的,还有的是在登上山崖远眺时出现的。二是认识过程的突变性,即思维产生了质变和飞跃,在原有知识之外有了新领悟,使原本混沌的思维变得明朗。
灵感、直觉的本质。脑科学的发展解开了灵感、直觉之谜,使它们不再令人感到神秘。思维活动的生理基础是大脑神经细胞的反应过程,一种新的想法的出现也对应于新的神经联络的建立。
19世纪法国诗人瓦莱里说:“在灵感到来之时,一些原先零碎的东西会简捷而又迅速地组合起来。此时心里会突然感到明白了,但又不是整个地全部清楚了。”因此,灵感产生时必须立即抓住不放,对它用科学思维进行核查、补充、完善、修改,进一步深化、系统化,形成创新科学成果。
(6)审美思维方法。这种方法是用审美感受、审美直觉、审美原则评价科学成果,引导科学思维达到最大和谐结构的思维方法。它在本质上和艺术的审美思维没有什么区别。然而,对科学界能够进行审美评价,运用审美思维做出创新、突破,首先在于肯定科学也有美的品质和属性。
大自然是美的。但是,在科学家看来,自然界的美不仅表现于我们感官所及的耳目声色之美,而且表现于它的普遍联系、统一和谐和永恒的运动发展之中。前者是我们通过感官可以直接感受到的感性形式美,这是人们容易发现也易于感受到的;后者则是通过思维理解才能把握到的美。
6.系统科学方法
 (1)系统科学方法的产生和发展。系统论的创始人是奥地利裔的美国生物学家贝塔朗菲,他在1937年以前主要研究理论生物学,1937年首次提出“一般系统论”概念,1943年出版《一般系统论》一书,标志着系统论的创立。他为系统论确立的一般原理包括4个方面:一是系统存在规律,任一系统是由若干要素结合成的有机整体,其中任一要素的变化都会引起系统状态的改变;二是系统整体原理,整体大于部分之和;三是系统结构功能统一原理,任一系统的功能状态是由系统的环境、要素和结构决定的;四是系统自组织和等级层次性原理;系统状态是由有序整体性、自稳定性、自组织性和等级层次关系决定的。
自1943年到20世纪末,系统论的发展经历了3个阶段。
1943—1947年为一般系统论阶段。贝塔朗菲等人建立了系统论的一般原理,但没有引起人们的高度重视。
1947年至20世纪80年代为系统科学阶段。一方面,从不同学科基础出发建立的系统论兴起;另一方面,一般系统论原理被应用于工程控制和社会系统分析,形成横向学科。这一时期,系统科学和信息论、控制论合流。
系统哲学阶段。把系统论作为一个哲学派别的基础,把物质与精神关系、物质世界运动发展最一般规律以物质系统为逻辑起点构筑成一个哲学体系。其代表人物是贝塔朗菲、拉兹洛(匈牙利哲学家)等。
 (2)系统方法的特点。一是整体性、目的性。在古希腊时代,亚里士多德就有关于“整体大于部分之和”的有机系统观念。不同系统之间的区分,正在于整体的独立性。同时,整体目标决定各个部分的地位功能。如一个自动化生产线是生产汽车还是生产导弹,决定各个分厂的职能和生产活动。目标管理就是根据总体目标对质量、成本、数量的要求决定各个零件生产、设计和总装及服务的要求。
二是综合性、辩证相关性。要用动态的相互作用和发展的观点看问题。生物学家发现,生物和人的目的性行为都是根据目标的运动不断反馈,自动调节修正自己身体动作的过程。比如人用手抓东西这个很简单的动作是伴随着眼睛、上肢、身体通过肢体和脑神经动态反馈、有效调节的过程,如果某一个环节反馈失灵,则动作的完成就会很困难。
三是最优化。这是系统方法的灵魂,也是最难实现的要求。所谓最优化,就是向总体消耗最小、效率效益最高的行为演进。大自然在亿万年的演化中,其生命系统在长期竞争、选择中达到了这一目标,处处以最节省资源和能量的方式设计自己的形体、结构和功能。在社会行为中,人们同样以竞争、选择为动力实现最优化。协同学的创始人哈肯分析了城市商业区餐馆分布的“扎堆”现象,认为相对集中分布可以分享人流最大地段的顾客资源优势,同时,多样化、功能互补又可避开相同竞争对手争夺使客流分散的不利效应,扎堆的餐馆总是各有特色、扬长避短的。
四是有序性、信息化。对于复杂系统的行为,秩序的合规律性与合目的性统一是成功的根本。组装一台机器,若安装的先后顺序有一个不对,都必然要推倒重来。复杂技术操作必须严格按照程序手册和指令要求进行,大部分事故是因为操作不当引起的。
 (3)系统科学方法的作用和意义。首先,系统方法改变了人们的思维方式,突破了以机械、线性思维为指导的传统方法的局限。
其次,系统方法提供了研究复杂系统的有效工具,推动了管理科学革命。
再次,系统方法提供了制订系统行为最佳方案及实行优化组合的手段。
最后,系统方法还具有重要的哲学意义。它为丰富发展辩证唯物论提供了科学基础。同传统哲学方法的描述相比较,系统方法采取定性和定量相结合的方法,推动了哲学方法论的精确化、可操作化。它在哲学和科学之间起了沟通作用,为两者之间的联盟提供了手段,推动了当代哲学的应用,对指导实践能更好地发挥作用。
 (4)系统科学方法的具体应用。系统科学方法包含一系列具体方法,通常使用最多的有:系统分析方法、反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法、信息方法等。
①系统分析方法。系统分析方法是系统科学方法中使用最多,也是最基本的方法之一,是对系统进行结构、要素、层次分析和整体功能综合相结合的方法。我们写一篇文章都会运用系统分析把一个主题分成若干层次,先写什么,后写什么,每一段写多少,都不是随意的,而是服从文章的主题需要和功能目标的。
②反馈方法。从信息的输出端提取适量信息返回并施加于信息的输入端,以实现对系统行为调控的方法。使用负反馈方法使提取的信息与输出端的变化趋势相反,调节效果是使系统保持稳定或输出保持目标值。正反馈方法会放大输出的失衡,使系统瓦解,常用于爆破或促使某事物消亡。
③功能模拟方法。利用不同物质系统间的同构关系,用一种运动模拟另一种不易重复再现的系统运动以探求其规律性的方法。如弹簧振子振动、电磁线圈中的振荡等都是线性函数关系,类似的运动可以用电磁运动模拟。当代的计算机模拟也是运用系统同构关系实现的。
④黑箱方法。在对系统内部结构不了解的情况下,仅根据系统整体信息输入、输出与反馈关系研究系统操作规律的方法,这是我们认识事物初级阶段常用的方法。黑箱指的是使用者对其内部完全不了解,这是一种模型。人们对未打开的系统认识状态大多属于“黑箱”。当完全打开之后,对系统内部完全了解了,就转化为“白箱”。
⑤信息方法。不考虑认识对象运动过程的具体内容,把它抽象为信息的输入、存储、处理、输出、反馈等作用过程的科学方法。物质系统的运动过程,必然伴随着能量、信息的运动。信息作为一种调控手段,不仅比物质、能量调控更有效,而且更深刻、更广泛。
人类直接创造的物质、能量成果是很有限的,但对于信息的创造和加工,人类的潜力是无限的,这使信息方法的应用领域日益广阔。
7.自组织理论方法
 (1)自组织理论。自组织理论即新三论:耗散结构理论、协同学、超循环理论。20世纪70年代以后,又兴起了突变论、非线性科学、混沌学。它们的共性是研究开放系统从无序向有序演化中自发的自组织方法。
自组织运动的规律是:第一,开放性是系统自组织运动的必要条件。因为只有在开放条件下,系统和外界才有物质、能量和信息的交换。实现自组织运动的关键是外界有信息(负熵)流人。第二,这些运动必须是远离平衡态的非线性变化,即系统有新结构出现,系统有了新的性质。第三,在新结构的突现中,偶然性的涨落起着重要作用。
西方流传着一首歌谣:
    丢了一根钉子,少了一堤马蹄铁。
    丢了一块马蹄铁,少了一匹战马。
    少了一匹战马,失去了一位将军。
    少了一位将军,输掉了一场战争。
    输掉一场战争,失去了一个国家。
一个国家的灭亡居然是不小心丢了一根钉子的失误造成的。可见,自组织理论所关注的演变主要不是事物的瓦解、崩溃过程,而是组织化过程,但这一类过程不像线性方法所勾画的那样是完全必然的、决定性的,而是在必然中包含着偶然。
 (2)耗散结构理论及其方法。耗散结构指的是远离平衡的开放系统,在外界条件达到一定临界值时,系统通过同外界交换物质和能量,会从无序态向有序态发生突变,形成时空有序的状态,称为耗散结构。比如,在平底锅里放上一定量的水,当水在灶上加热到一定温度,即上层和下层水温差达到一定值,水会突然形成一系列六角形的对流元胞,元胞结构边缘水上升,中心的下降,实现热量的迅速传递。
耗散结构理论是1969年由比利时化学家普里戈金提出的。普里戈金认为,经典热力学只研究平衡态、平衡稳定结构。一个非平衡过程,只有它过渡到平衡态之后才能用状态参量描述。实际上,自然界还存在大量相反的过程,如进化、新的组织结构生成、生命生长等。这些相反方向的演化,其前提同经典热力学不同,它们不是孤立、封闭系统,而且,自然界并不存在事实上的孤立封闭系统,它只是一种理想的抽象模型。因此,对自然界自组织行为应当可以找到演化规律。经过长期研究发现,系统在平衡态或近平衡态时,不可能有新结构出现,但对远离平衡的开放系统,当外界条件达到某个阈值时,可能由量变发生质变。
耗散结构理论方法就是用耗散结构揭示的自组织规律思考物质系统从无序向有序的演变,并合理予以调控的方法。例如,一座城市每天要有大量人流、物流、信息流同环境相互交换,怎样通过合理调节促进城市的组织有序化?在物理学、化学、生物学、社会学、工程技术中有大量的此类问题。
 (3)协同学方法。协同学是研究众多自发独立运动的子系统在外界序参量作用下,当序参量达到一定阈值时突然产生高度协同运动的自,组织理论。它是德国物理学家赫尔曼·哈肯在20世纪60年代提出的,典型的研究对象是激光、顺磁质、临界相变等。
协同学的研究对象原本属于统计物理学,是包含大量子系统(微观态)的无序运动的对象。但子系统之间存在着相互联系和相互作用,这种联系作用的有序性决定系统的演化进程和结果,对于这些随机过程,外界约束(调控)的强弱是很关键的。实验证明,当约束(理论上叫序参量)达到一定程度时,无规则子系统的自发无序运动退居次要地位,各子系统仿佛在一声号令下变得同步有序。
 (4)超循环理论方法。由若干循环运动的子系统通过相互提供物能和信息流,从而构成更高层次持续循环运动系统的方法。超循环理论是1971年由德国生物学家艾根提出的,目的是解决地球进化中前生命阶段化学进化的机制和规律。
什么样的系统是超循环系统呢?生命体就是一个复杂的超循环系统。生命系统的正常运动由一系列的化学反应维持,从食物的消化到意识反应的传导、有机化学反应的进行都依赖特定的催化剂,如果这些催化剂能由其他循环反应的生成物提供,再加上足够物能和信息流,那么生命体就成为一个相互依存、相互推动的众多循环联动的超级循环系统。在一个城市中,各个生产、服务部门之间形成供给与消费、生产与生活互动的循环运动,使城市每天处于生机勃勃的运动之中。
(二)技术方法
科学研究的一系列一般方法,对技术活动也是适用的。技术活动也需要观察实验,需要逻辑思维,需要猜测想象,需要运用系统方法。但技术活动又有同科学研究不同的特点,它还有一些独特的方法,其核心是技术发明。
1.技术发明的一般程序
技术发明指创造新事物、新工艺、新方法的活动。当代社会生产和其他社会活动出于竞争和可持续发展的需要,都力求探索、发明更先进的生产手段、生活消费品,以满足人们日益增长的社会需求。因此,技术发明的原动力来自社会需求。根据这些需求提出技术目标,经过项目评估、技术原理构思、技术方案设计、技术研制、技术试验、技术鉴定,最后推出适合社会需要的新发明产品。
2.技术发明的一般规定性
一是要具备新颖性。该项发明从时间上看,是历史上不曾有过的;从空间上看在世届范围内从末公开发表、使用或以其他形式向社会公布;从形式和内容上看,该发明和已有的任何其他技术相比,不具备同一性,如在发明原理、构成、功能等方面不完全相同。
二是要具备创造性。指该项发明具有显著进步和突出的特点,同已有技术相比具有本质性差别,而不是从已有技术简单推演出来的。如技术原理创新、技术构成创新或技术效果创新。
三是具有实用性。指该项技术发明使用后,能满足社会需求,产生积极效果。一种技术发明怎样才能实用呢?首先,发明原理符合客观规律,方案具备实施条件,具有可制造性,发明的对象可重复制造或再现,所采用的方法可重复使用。其次,发明具有有益性,不仅满足某种社会需要,而且产生积极的效果,没有或极少产生消极后果。
 (三)科学技术方法的社会意义
 1.提高民族科学素质,塑造科学文化
一个民族公众的科学素质如何,并不仅仅在于科学知识,更重要的是科学精神、科学思想、科学技术方法。近代实验之所以没有首先在中国产生,原因固然是多方面的,但中国传统文化教育中,缺少观察实验方法和逻辑思维的传统,是一个重要原因。
2.掌握科学方法,提高学习和研究效率
在学习和研究工作中,科学技术方法是广义的工具,它同我们使用机器、电脑等硬件设施一样,其先进性、适用性决定工作的快慢和成败。法国生理学家伯纳德说过:“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能,而拙劣的方法则可能阻难才能的发挥。”
3.科学方法的进步是社会进步的重要标志
人类历史上的科学革命同时也是科学方法的革命。科学方法对于科学劳动来说具有重要的工具意义,它作为科学劳动工具中的“软件”,相对于科学认识活动这一类智慧活动而言,其作用比实践手段更重要。对于数学家、理论物理学家来说,实践的工具无非是纸、笔,在当代才有了电脑。显然,用什么样的纸和笔并不是他们成功的秘诀,关键是他们的思维能力和方法。因此,科学革命同时也是科学方法的革命。
以牛顿的科学方法为代表的近代科学方法可以简称为经验归纳法或观察实验归纳法。爱因斯坦的科学方法与牛顿大不相同,他很不善于做实验,他把大量的经验事实通过直觉和思想实验方法形成基本假设,再用演绎和数学方法做出推论,这些推论可以用观察、实验去做验证。
可见,要产生重大创新成果,必须同时发明创新思路和方法。在人类社会文明的发展中,方法也在不断地丰富、发展,传统科学方法也在科学革命的推动下创造出许多新的形式。
三、科学技术的功能
 (一)科学技术的认识功能
简言之,科学技术的认识功能是它对于提高人类认识客观世界的能力方面所起的重要作用。无论是从人类文明的宏观层面看,还是从国家、民族和个体能力的发展水平看,科学技术都是认识自然和适应、利用、改造自然最重要的途径和手段。
科学技术的认识功能通过以下几个方面的作用形成并发挥出来。
其一,科学技术转变人们的价值观念,使人们产生对科学技术热爱、崇尚和追求的精神动力,把学科学、用科学、探求科学、献身科学看做是高尚而有意义的事业。这种价值观念作为社会精神文明的核心成分又会对社会利益导向、行为导向产生重要作用。
其二,科学技术增长人们的知识,提高人们的技能,提升人们创造价值的能力。在面向21世纪的竞争中,知识总量和人的素质是核心竞争力。我国目前仍有近一半的劳动力从事农业生产,使用的仍然主要是手工劳动方式。我国制造业仍然是以加工型生产为主,资源、能源消耗过大,投资效益低等问题表明制造业中的知识、技能含量不高,自主知识创新能力不强,劳动力知识技能素质偏低。
其三,科学技术的理性认识功能和精确性、程序性方法有利于提高人们认识事物的合理性、有效性、预见性。过去我国在经济建设中,反复出现急于求成、盲目蛮干的现象,对社会生产力造成了严重破坏。这种思想方法上的主观主义也是科学素质不高的表现。
其四,科学技术推动着人们思维方式的进步。近代科学革命促使欧洲从中世纪宗教唯心主义封闭的思维方式中解放出来,使欧洲的科学技术和文明水平有了重大进步。但在近代后期,形而上学的机械思维方式对科学发展起了束缚作用。直到19世纪中叶,一批最新的科学技术成果又为唯物辩证法的创立奠定了自然科学基础。
(二)科学技术的经济功能
1.从一般生产力到第一生产力
科学技术推动生产进步的功能。马克思认为,科学是一般生产力,技术是直接生产力。总体上说,科学与技术在没有完全一体化的时代发挥生产力的作用方式是有区别的,它大致通过4个方面的作用渗透到生产力中:改革生产工具;提高劳动者的素质;扩大和深化劳动对象;提高生产管理水平。
科学技术作为第一生产力,主要是指20世纪70年代以来,由于高新科技应用于生产,使之成为劳动生产率提高的首要因素。高新科技的主要特征之一是科学技术一体化,科学认识环节的突破点和技术诀窍突破结合在一起,如计算机科学与计算机技术,航天美科学与航天技术、生物科学与生物工程技术等都无法分开,于是科学技术共同成为生产力发展的关键,并逐步走在生产发展的前面,成为牵引生产力发展的超前因素。如杂交水稻首先在农业科学家的实验田里培养出来,然后再推广到社会上去。
2.科学技术改善人们的物质生活
 (1)改善劳动环境,减轻劳动强度。马克思认为,要使劳动成为人们自觉、愉快的行为,成为“生活的第一需要”,除了必须消除任何形式的对劳动实行强制的社会因素外,还必须具备两个条件:其一,必要劳动时间的缩短和由劳动者支配的自由时间的延长,其二,劳动条件的根本改变,使人免除一切繁重的体力劳动。科学技术正是促使这两个条件逐步实现的重要因素。未来,劳动最终将成为快乐的事情,将会出现从为了生活而工作,到为了工作而生活的转变。
(2)改善人们的物质生活条件,丰富日常生活的内容。随着科学知识、技术平段的增加,人类不断为自己创造出数量日益丰富、质量日益精美的物质产品,以前所未有的规模和速度提高自己的消费水准,更新自己的消费结构,极大地改变自己的生活方式。  
 (3)促进医药卫生、保健事业的发展,提高人们的健康水平和生命质量。几千年来,人们依赖医药解除病患之苦.从死神手中夺回了无数条生命,保证了人类的繁衍。如今社会医疗保健设施不断完善,人的平均寿命普遍延长,健康水平有了很大的提高,这些都是和科学技术的发展分不开的。现代生命科学还为提高人类的生命质量做出了贡献优生学指导人们科学地、有计划地生育,减少遗传性和先天性疾病;遗传工程等生物技术发展到可望设计和影响婴儿的特定遗传结构,为创造身心俱佳的优质人提供了前景。
(三)科学技术与社会进步
1.科学技术推动社会关系的变革
科学技术在推动生产力、生产方式变革的同时,也必然推动生产关系的变革。马克思说:“随着一旦已经发生的表现为工艺革命的生产力革命,还实现着生产关系革命。”
2.科学技术革命推动了经济全球化,推进了全球经济格局新的调整首先,科学技术革命是资本国际化的动力。资本通过科技创新,从质的方面开拓生产力发展的空间。其次,科学技术也是生产国际化的物质技术前提。
3.现代科学技术革命使和平与发展成为时代主题
 (1)高新技术革命使武器的威力、打击距离、打击精确空前提高。20世纪发生的两次世界大战给人类带来了深重的灾难,人们的反战情绪高涨。尽管竞争各方都想通过军事技术竞赛获取竞争优势,但都不敢轻意在大国之间挑起战争,这就使新的世界大战一时打不起来,局部的非对称战争虽时有发生,但时间较短,影响范围不大,卷入的国家较少,对经济和社会发展的影响比较小。
 (2)科学技术苹命给发展中国家创造了发展的机遇。发展中国家要集中力量发展经济,解决本国面临的贫困、落后问题。二次大战后,国际产业分工的几次大调整给后进国家创造了难得的发展机会,日本、韩国、新加坡抓住这些机会加快了自身发展,改变了过去落后的面貌。二战后国家和地区的竞争,主要是综合国力的竞争,其中经济实力是基础,科技创新能力是核心。这使发展中国家都把注意力转向本国的发展问题上,努力寻求国际合作,创造促进发展的良好国际环境。
 (3)经济全球化。科技进步使国家经济相互渗透、相互依赖的程度逐步增强,战争会使双方蒙受损失;反之,和平发展与合作会给双方带来利益和机会,国家之间力求以谈判协商方式解决矛盾。虽然霸权主义依然存在,但和平、发展、合作在未来几十年是主流。
4.科学技术发展,促进了国际间的科技文化交流与合作
 (1)科学技术是开放的事业。先进的科技与文化向其他地区传播是科学技术作为社会进步动力的一种表现形式。
 (2)现代科学技术与文化交流进入了全球化、国际化时代。科学无国界,这是由科学的研究对象、认识本质所决定的。首先,因为它的研究对象是统一的,在对其规律认识和成果应用中必须进行国际合作,如应对全球气候变暖、生态保护、资源节约利用、人口过度增长等问题必须国际协同一致行动。其次,当代大科学的复杂性、艰巨性、高投入、高风险性要求国际合作。当今的国际空间站开发,极地科学研究等都广泛开展了国际合作。这些合作的优势是有利于资源共享、优势互补、取长补短、节省投资,有利于技术系统集成,人员联合攻关。
 (3)现代科技产业一体化使产业合作必须依托于科学技术合作交流。当代信息产业、航空航天产业、高科技农业、新能源材料产业等都属新兴产业,国际间合作生产方兴未艾,因而国际合作日益广泛。
国家和地区间的科技文化交流与合作,大大缩短了发展中国家现代化的进程,有可能利用科技革命和产业革命的机遇实现跨越式发展。这对于促进现代社会与文明进步具有十分深远的影响。
5. 科学技术发展,改变了人们的生活方式、思维方式和行为方式
 (1)原始部落时代的生活方式。人们的全部精力用于衣食住行这些带有生理本能色彩的活动中,社会生产活动与消费直接交织在一起,运用天然的或人造的简单工具自发地进行活动;人们的交往活动局限于由血缘关系所维系的狭隘圈子。这种交往是封闭的、狭小的、自发的。在这样的实践中,人们形成的思维方式是自我中心的,凭经验、表象认识的有限外部世界只是个人情感经验的外推。
 (2)农业社会的生活方式。自然经济分散,水平低下,人们按自然的节律日出而作、日落而息,人们交往的圈子依旧是狭小的,主要生存于由血缘、宗法关系所维系的自然秩序中,不可能建立起自由、平等、自觉、开放的社会关系。精神生活只是少数人独占的领域,绝大多数人没有机会和条件进行日常生活以外的创造领域,因而,也不可能同自觉的人类知识建立自觉的联系。
在农业社会,人们的思维方式既是封闭的、自我中心的,又是等级结构、因果报应、循环论的。
 (3)现代社会的生活方式。现代社会的生活方式是社会化、大规模、开放化、市场化的。在这种背景下,人们从日常生活的重压下解放出来,有更多的时间从事独立的、平等的、开放的、创造性的精神生活和实践生活:人们的交往是自由的、自觉的、社会化的,可以根据个人生存、发展和自我完善的需要选择自己的交往空间,从而打破过去多少世代的封闭、半封闭状态,特别是在网络空间的虚拟世界里,人们的精神平等更强一些。
(四)科学技术应用的负面效应
1.科学技术应用的负面效应的内容
 (1)科学技术大规模应用,造成人口、资源、环境问题。工业化是近代科学技术大规模应用于生产和生活的典型。到了20世纪50年代,这种应用达到了高峰,这时一些令人意想不到的恶果出现了。首先是环境污染。第一个对此提出警告的是美国海洋学家卡尔逊,她于1962年出版了一本科普著作《寂静的春天》,指出由于大量使用农药、除草剂、化肥等工业制品,造成包括人类在内的地球生物链的严重污染,人类将生活在没有鸟鸣的春天。1972年联合国召开人类环境会议,发表了《人类环境宣言》,郑重提出人类共同关心和维护地球生态不再受到严重污染,这个问题已经迫在眉睫。
由于现代医学和现代农业的发展,地球上的人口呈现加速增长趋势。1850年世界人口达到10亿,1930年达到20亿,1950年达到30亿,1976年达到40亿,1987达50亿,1999年达60亿。150年以来,每增加10亿人口的时间由80年缩短为10年左右。目前地球上有60多亿人,预计到2050年世界人口将达到94亿,这种现象称为人口膨胀。我国人口目前是13.2亿,压力是很大的。
自工业社会以来,人类消费资源加速增长,据目前的增长趋势,地球上的石油天然气资源几十年内将枯竭,煤炭也只能维持100多年。淡水资源、森林土地资源、生物资源也会全面发生危机。
可见,科学技术发展在给人类带来福音的同时也造成了全面挑战。
 (2)科学技术应用于战争,给人类带来巨大灾难。近代以来,战争的规模和残酷程度进一步升级,特别是20世纪初发生的第一次世界大战造成1 680万人死亡,2000万人致残,直接耗用军费3 000亿美元,占当时交战各国国家预算的40%~45%。第二次世界大战造成4 100万人死亡,直接经济损失40万亿美元,占交战国预算的60%~65%,间接损失无法估量。二战后的几次局部战争,如朝鲜战争、越南战争,死亡人数都在300万以上;两伊战争、阿富汗战争死亡人数超过百万。显然,现代科技应用于军事,使武器的杀伤威力、破坏性大大提高。美军在日本广岛和长崎投下的两颗原子弹,分别造成14万人和9万人死亡,45万人受到核辐射伤害。另外,战争给自然生态和人们心理造成的伤害也是很大的。
战争的破坏作用并不是科学技术必然造成的,也不是科学家研究、发明的初衷,但科学技术是由人掌握和使用的,它要受到人的阶级性、社会性制约,一旦被反和平、反人类的人或集团控制,就会造成严重恶果。
 (3)科学技术A.A应用引发的伦理问题。首先,高科技手段使信息跟踪能力无所不在,大量触及人们的私密空间,造成个人隐私被侵犯。
其次,代孕母亲、试管婴儿、器官移植等医学技术可能引发伦理问题。如代孕技术,即使是法律上规定代孕者不是婴儿的母亲,只有供卵者才是婴儿的母亲,由于代孕者可能对所怀婴儿产生感情,有可能引起法律纠纷或违背人道的处置结果。
再次,“安乐死”一类的医学伦理问题。被认定脑死亡的患者已经无权决定自己的生和死,但对于为了减轻病痛等原因要求“安乐死”的病人来说,由别人按他本人意志对其实施“死刑”是否是一种犯罪行为,则是很有争议的问题。目前世界上只有十几个国家从
法律上承认“安乐死”是合法的,90%以上的国家仍然沿用传统的医德和医术对待死亡,只要有救治的机会,就不能把病人推出去不管。
2.科学技术的“悲观论”:科学技术不能做什么
当代科学技术观更倾向同人文因素结合起来思考科学发展问题,认为科学不是万能的,要防止唯科学主义,辩证地认识科学的社会功能及其价值评价。
对科学技术评价的不同意见自古就有,即使是在科学技术发达的欧美国家,带有“悲观论”色彩的科学技术观也有一定影响。
中国古代的道家是科学技术的悲观论者,如春秋时代著名学者老子说:“民多利器,国家滋昏;人多技巧,奇物滋起。”意思是说,民间的武器越多,国家越混乱;人们的技巧越多,邪风怪事就会兴起。
西方的人文主义者如法国的卢梭、伏尔泰也对科学持消极观点。卢梭在《论科学和艺术》中把科学技术看做道德的敌人,认为随着科学和艺术的完善,人们的道德败坏了,他甚至说各种科学目的无益,产生的结果更危险。
当代人文主义者,德国哲学家海德格尔也对科学技术持批判态度。他认为现代社会中发达的技术吞噬了人,功利的考虑排挤了思辨,人成了既没有历史又没有家园的漂?白者。法兰克福学派、后现代主义者均对科学技术进行了批判。马尔库塞在《单向度的人》一书中指出,技术理性排斥人文价值,现代科学技术发展在满足人们追求知识和效率的同时消解了人们的反抗意识,人类统一于单向度。后现代主义思潮从批判现代性出发批判科技理性,认为理性主义被人们推崇几百年来,在给人们带来福音的同时也带来了灾难和威胁。由于对科学技术理性的迷信,使它反过来成为统治人的一种工具,人被机器、技术所异化,当代人类面临被核武器毁灭的威胁,面临生态环境退化的威胁,其根源是现代性。
四、科学的历史与发展趋势
(一)古代科学技术
1.古代科学的萌芽时期
大约在距今l万年前,生活在地球各个大陆上的史前人类都处于“前科学”时期,即巫术文化时期。人们还不能把自我和客体世界分开,还不能从事高级的抽象思维,还没有文字。但人类开始从旧石器时期向新石器时期过渡。新石器同旧石器的区别是:新石器的打磨、加工更仔细,石器分工多样化,如石铲、石斧、石镰等,表明人类从采集渔猎向农牧业社会过渡。
公元前30世纪,即距今5 000年左右,中国社会进入“英雄时代”,即传说中的三皇五帝时代。我国已经有了文字,即比象形文字更进一步的甲骨文;制陶技术有了很大发展;有了手工纺织技术,纺织麻、蚕丝;车、船等交通工具已经被普遍使用。因为农业社会要确定季节,当时有了萌芽中的天文学,对于北斗星、金星、火星的方位、出没、运动情况都十分注意,有了最初的天象知识。《尚书·尧典》中记述,帝尧曾组织了一批天文官员到东、南、西、北4个地方去观测天象,以便编制历法,预报季节。
中国古代最早的记数也起源于这个时期。最初人们用结绳记事,以后转变为刻画记号。从出土的这一时期(仰韶文化、龙山文化)的陶器上看,绘制的纹样有各种几何形,如圆形、方形、菱形、三角形、弧形等,懂得认识一些物体的机械性能,改进工具制作。已经学会用中草药治疗一些疾病。传说黄帝的妻子嫘祖发明了养蚕,共鼓、货狄发明了造船,隶首发明了算数,容成发明了历法,黄帝发明了造车和音律等,说明这一时期人们的自觉创新意识获得了初步发展。
古埃及人和古巴比伦人的有关文字记载历史比中国略早一些。公元前4 000年,两河流域的苏美尔人已经用家畜拉犁。他们还发明了用动物拉的车子,发明了船和用陶轮制作的陶器。公元前3 000年,他们的炼铜技术是同时期的最高水平。这时,苏美尔人用于记录的符号有2 500多种,此后符号进一步被简化,最后成为楔形刻痕的组合。这种文字最后通行于古阿拉伯文明的各个部落。
古代苏美尔人的数字是用芦管划在泥上的痕迹表述的。10以下的数字用刻痕数表达,10和10个的结数用竖划表示,这就有了lo进位制。公元前2 500年,苏美尔人已经掌握了乘法,制定了乘法表,并会用乘法求土地面积和砖堆的体积,会计算圆柱体积,并把圆周率定了下来。
古代巴比伦人用太阳历计算时间;为了使月、年计算同季节一致,他们用30天表示1个月,1年12个月360天,每隔几年增加1个闰月。他们远在公元前2 000年就有了周记时,1周是7天,分别同太阳、月亮和5个行星的名字对应。一天分为12小时,每小时分为60进位的分,每分又分为60秒。他们对行星运动的观测是最先进的。公元前2 000年,他们已经注意到金星在天空中出现8年中有5次回到同样的位置。从公元前700多年起,对行星的观测已有了系统的记录,并能计算出每个行星周期的平均值,这使他们对于未来天象有了预测能力,如预测日食每18年发生1次。
古埃及人认为宇宙是个长方形的盒子,大地略呈凹形居于盒子底部,天是盒顶,四面由四座大山支撑。环绕大地四周的是宇宙之河,尼罗河是它的一个支流,太阳神每天乘船从宇宙河中经过,天地是从原始混沌的一团洪水中分化出来的,尼罗河河水定期泛滥,就是这种混沌的再现。
公元前2 000年,古埃及人就用纸草书记载了当时的医疗技术,医书中对47种疾病记述了药方。古埃及人在制作木乃伊的过程中掌握了一些解剖学知识,但都不能应用于指导医学治疗。
公元前2 000年,居住在亚美尼亚的基兹温达部落发明了炼铁技术,到公元前l 400~前l 000年间逐渐传播开来。公元前l 300年前后,北非的腓尼基人发明了字母文字,最初这些字母有象形意义,后来才演化成印欧系的拼音字母。
古代印度有着同其他古老文明相当的萌芽科学技术。距今5 000年的吠陀时代,印度人已经有了日历,把一年定为360天,公元前6世纪的天文学著作《太阳悉檀多》,论述了测量时间、日食、月食、行星运动的方法和仪器。公元前3 000年的哈拉巴文化时期,印度人有了10进位计数法,1 000年以后,才有了零的符号,古印度吠陀经中有关于多种疾病的记述,如发烧、咳嗽、水肿、肺病等,还记载了一些治疗的方法。
萌芽时期的科学技术,是同古代农牧业社会相适应的,人们主要凭借经验领悟关于自然界的知识,最初用口传、歌谣方式传诵。有了文字之后,各种综合式的知识著作出现了。
2.古希腊人的科学技术
古希腊文化的兴起对于西方文化的发源和近代文化的振兴有重要意义。从时间的上限说,古希腊文化取得的杰出成就要比周边的古埃及人、小亚细亚人晚,但取得的成就却后来居上,这其中隐含人类科技发展的规律性问题。
 (1)古希腊自然环境的特点,古希腊位于伸人地中海、爱琴海的半岛上,土地贫瘠,没有天然的农业资源,粮食不足,必须从事海上贸易,同周边地区交换商品,从而形成了开放的海洋环境。
古希腊很少有统一的大帝国,它们由一个个面积不大的城邦国家组成。在公元前12世纪的“荷马史诗”时期已经进人奴隶制社会,奴隶主贵族和自由民均有权参与国家政治。在对外的军事行动中,城邦国家必须联合起来。
古希腊民族是多民族、多人种的混合,包括亚加亚人、爱奥尼亚人、伊奥利亚人、雅利安人等,希腊人自称是赫伦人。它的周边地区如小亚细亚、克里特岛、埃及都有更古老的文明,正是这种多元文化背景在开放的环境中产生交融、汇合,才激发出富有创造力的古代文明高峰。
 (2)古希腊的自然哲学。公元前?~前3世纪,是古希腊文化发展的鼎盛时期。最有影响的是自然哲学,物质观是当时对世界本质统一性认识的最高成就之一。代表性的学派有米利都学派,提出了世界本原的四元素说;毕达哥拉斯学派,提出数是世界本原;原子论者留基伯、德谟克利特提出古代原子论;还有神秘主义者赫拉克利特提出火是世界本原;阿那克萨哥拉提出“种子说”,认为“无限小”是宇宙本原。这种百家争鸣的局面,是古代文化轴心时期的重要特征。
生于公元前4世纪的亚里士多德是古希腊自然哲学的集大成者。他对古代自然哲学的巨大贡献是从思考世界“是什么”发展到追问“为什么”,从而提出事物都有4个方面的原因(四因说):质料因、形式因、动力因、目的因。以一座房子为例,砖瓦木石是质料因,建筑形式是形式因,人的建筑活动是动力因,满足人们住房的需要是目的因。
古希腊人的自然哲学包含朴素辩证法,如承认世界上对立统一因素的存在和作用,认识到万物处在运动变化中,其代表人物赫拉克利特提出了“人不能两次踏进同一条河流”的论点,认为万物都在变化,都在不断生成和消逝中。
 (3)古希腊的天文学和宇宙论。古希腊比较流行的是地球中心说,最早是由柏拉图的学生欧多克斯在公元前4世纪提出的。毕达哥拉斯提出“中心说”猜想。但是古希腊也有人提出“日心说”?如公元前4世纪的天文学家赫拉克雷迪斯提出地球有自转运动,且环绕太阳做公转运动,这个观点稍后被阿利斯塔克所发展,并测算出太阳、月球与地球之间距离的比例以及它们的大小之比。
公元前6世纪后期,古希腊学者阿波隆尼和希伯哈斯提出了本轮、均轮说以解释地心说宇宙模型。这个模型又被公元前2世纪的天文学观察家伊巴谷用大量观测证据进一步论证。可见,古代天文学中的地球中心说并不是托勒密个人的见解,古代权威地位也不是偶然形成的。除了宗教神学的宣传外,科学认识水平的局限也是重要原因。
 (4)古希腊的数学成就。古希腊推崇的是抽象的逻辑思维。柏拉图学派在自己学院的门口写着“不懂几何学者不得人内”,他们给点、线下了定义,提出了毕达哥拉斯定理(勾股定理),并发现了无理数2。
公元前4世纪,亚历山大帝国统一了希腊半岛、小亚细亚、埃及和罗马东部、里海、黑海以南、印度河和波斯湾以西的大片土地,古希腊文化至此也达到它的全盛时期。在亚历山大城建立了由国家出资的科学院(缪司学院),集中了上百个由国家发薪的学者,有一个藏书50万卷的图书馆,收藏着当时最丰富的由纸草和羊皮订成的图书,还设有一个动物园、植物园、天文台和许多解剖室,这个机构延续了600多年,此后的200年中科研成果十分辉煌。如欧几里得的平面几何学就是在亚历山大城完成的。《几何原本》有13卷,汇集了自泰勒斯时代以来的数学成就,并用一个逻辑上统一的公理化系统表述出来,是古代数学的杰出成就。
生于公元前3世纪的阿基米德也是一位数学家。虽然他在力学、工程机械方面的创造为世界所公认,但他最欣赏的是自己发现了阿基米德螺线的画法。他发现了求一些复杂几何形的面积、体积的方法。如球的面积、体积,抛物线内的面积,弓形内的面积等。
 (5)古希腊人力学成就。物理学这个概念最早出自古希腊人。亚里士多德的一部著作叫《物理学》,实际上论述的是当时及前辈人们认识到的力学规律和知识。由于这些知识是凭经验加直觉猜测得出的,其中的结论也有一些是错误的,而这些错误的结论,也被宗教和“常识”作为权威的信条坚守了1 000多年,直到近代力学兴起时才被实验所推翻。例如,他认为物体之所以下落,是因为它们要回到自己的自然位置。一个物体受到外力推动才会运动,当外力不再推它,物体就会趋于静止。他又说,下落中的物体,较重的物体下落得快一些。这些都是从直观经验得出的结论。
阿基米德是古希腊最伟大的力学家,被称为“力学之父”,他的最杰出的科学贡献是总结出杠杆原理和浮力定律。传说叙拉古国王希洛怀疑金匠在帮他打造纯金王冠时偷换了他的原料,用等量的白银取代部分黄金,国王让阿基米德帮他弄清楚这个问题。阿基米德为此苦思了多日,终于在一次澡堂洗澡时把身体浸入浴盆的一瞬间产生了顿悟。
他认识到,浸入水中的物体一定要排开相等体积的水,用这个方法可以精确测量出任何形状不规则的物体的体积,而进一步研究证明,它所受到的浮力等于其所排开液体的重量。
阿基米德还做出了许多重大发明,如聚光镜、杠杆式起重机,他的这些发现和发明都 在实践中经受住了考验。
 (6)古希腊人的地学、生物学和医学思想。古希腊的伟大地理学家埃拉托色尼已经断言地球是球形的,他的主要著作是《地理概述》和《对地球大小的修正》。他用巧妙而简单的方法测算了太阳、月亮的绝对大小和它们到地球的距离。他算出的地球两极之间的长度同现代测量值只有80千米的误差。埃拉托色尼绘制的地图指明了经纬线,区分了寒带、温带、热带,对当时他所知道的世界各地区都做了尽可能详尽的描绘。
古希腊的生物学研究成果以亚里士多德为代表。他重视观察和解剖实验,先后记述了500余种动物,至少对50余种动物做过解剖,他对生物做了分类,认识到自然界是发展进化的,人是最高等的动物。
古希腊人的医学成就,首推公元前5世纪的医生希波克拉底,被人称为“医学之父”,他认为疾病是人的生理现象,与鬼神无关,生病的原因是生命液不平衡。他创立的“四液说”至今仍被气质论采用。
对中世纪文化影响很大的古希腊医生是盖仑。他是罗马皇帝的御医,吸收了希波克拉底和亚里士多德的成果,用活力论解释人的生命,用体液说解释人的血液。他关于血液和呼吸、消化关系的体系包含很多错误。但他的学说得到宗教神学的推崇,直到近代才被血液循环论所取代。
 (7)古希腊人的科学精神和科学方法。古希腊人的科学精神,尤其对于知识、理性的尊崇和追求,对于自然秩序和规律的沉思,重视思维清晰、思维的事实判断等原则,集中表现在一些典型人物身上,如自然哲学家、学者和政治改革家等人。
被称为古希腊第一位哲学家的泰勒斯,青年时期很清贫。他因此受到商人的嘲笑:“人们都说你是一个有知识的人,可知识能给你带来什么呢?是金子,还是面包?”泰勒斯说:“我不允许你利用我的贫穷来贬低知识的作用。”为了证明知识可以创造财富,泰勒斯特意运用自己的天文、农业和数学知识,预见来年橄榄会丰收,他提前用很低廉的价格租下全城的榨油器,到了橄榄收获季节,人们争着要榨油,他高价转租出去,因此发了一笔财。他向人们表明,有知识的人是可以发财致富的,只是哲学家并不追求这些。
古希腊的“哲学”,原本的意思就是爱智慧。毕达哥拉斯在被人称颂时自我评价自己“只是一个爱智慧的人”。他认为世界上最有力量的事物是知识,学习可以改变人的天性。古希腊人的理性精神也表现在对社会法理的尊崇。苏格拉底因为主张改革得罪了统治者,法官和陪审团将以叛逆罪判他死刑。他的学生们得到消息,劝他逃走,苏格拉底却说,一个好公民要遵守本邦法律,判我的陪审法院又是最高法院,我已经无处上诉,与其违法而生,不如守法而死。他安然面对判决,服毒药而死。
柏拉图被称为“哲学之王”,叙拉古国王邀他前往指教,他劝国王只有放弃王位才能研究哲学,国王差一点要为此处死柏拉图。柏拉图认为,世界上最愉快的声音莫过于真理。
古希腊人重视对思维一般规律和科学方法的研究,亚里士多德是一个代表。他关于逻辑学、认识范畴的著作,后来汇集成《工具论》,被看做是获得知识的工具。他特别说明科学思维的两个阶段,首先通过归纳把大量个别上升为一般,再从一般回到个别,同时又提出演绎推理的“三段式”:大前提、小前提、结沦。
3.中国古代科学的“轴心时期”
 (1)春秋战国时期中国社会的特点。公元前6~前3世纪.中国社会表面上处于半分裂状态,实际上是中国农业社会重要的变革转折时期,也是多种文化大开放、大汇合的时期,这一时期的中华文化成就包括科学技术成就处于原始创新高峰,其地位可以和古希腊文化相媲美。
当时的社会有3个特点:第一,经济上经历生产工具革命和生产关系革命;铁制农具兴起,代替了木石生产:工具.农业生产质量提高,促使公田、奴隶制瓦解。以井田制为代表的封建生产关系兴起,农民得到了解放,农业开始进入人工灌溉、精耕细作阶段。第二,政治上自西周以后延续了2 000年的奴隶制度面临瓦解,统治阶级内部矛盾加剧,封建改革派要在竞争中争当盟主,进而统一中国,于是诸侯纷起,争相网罗人才,寻求治国之道,各种立身、立言、治国学说纷纷提出。第三,文化上百家争鸣。代表各社会阶层的学说自由传播,激发了创新思维,各种文化成果既总结了中国社:会前科学时期的成果,又折射了社会进步和地区特色。各学派相互激荡又相互吸收,从而形成东方文化的历史高峰,产生丁——批文化巨人。
 (2)春秋战国时期的科学技术。春秋战国时期产生农业科技著作有《冲农》20篇,《野老》17篇,《吕氏春秋》还收有上农、任地、辨土、审时等农科论文4篇。农业水利工程的代表作是李冰父子设汁并领导修筑的都江堰,兼有防洪、分水、灌溉等多种功能,还修筑了灵渠、郑国渠、邗渠、鸿沟等运河引水工程。
春秋战国时期的技术总汇是《考工记》,汇集了土木技术、冶金技术、皮革技术、乐器制造技术等,并做了详尽考察记载。《墨经》是这一时期最重要的科学著作,论述了有关光学、力学、几何学等方面的观察实验和有关规律。对于力、杠杆原理、时空本质等做了论述。此外《墨经》还论述了逻辑学、认识沦原理。
春秋战国时期我国通行以月亮周期变化为基础的历书,同时又根据气候变化规定了农业上的二十四节气,同太阳相对照。天文观测中把恒星天划分为28个区域,即28宿体系。有世界上最早的关于流星、彗星的记载。
春秋战国时期我国已有四则运算、分数运算法则,发明了算筹这种计算工具。我国最早的《九章算术》主要内容产生在这一时期,后经多次增补一直广为流传,内有关于四则、比例分配、开平方、立体求积、勾股定律等算法。
春秋战国时期也是中医学原创时期,产生了医和、扁鹊等名医,《黄帝内经》等中医经典。《黄帝内经》共18卷,162篇,系统沦述了人体解剖、生理、病理、病因、诊断等原理,并有针灸、经络、保健的知识。该书的哲学基础是阴阳五行学说,以阴阳二气在人体内的对立、互补、谐和、平衡为基本依据,阐释疾病与健康的转化。医学治疗的根本是凋和气血,有利于阴阳平衡。从病因上分析,《黄帝内经》认为气候的寒热干湿风吹、饮食不当、劳倦过度、心气过盛等是生病的主要原因。治疗中也要针对这些因素做好调理。
    (3)春秋战国时期的百家争鸣。从自然和认识论方面看,当时百家争论主要围绕宇宙本原、宇宙模型、天人关系、天地关系等几个根本问题。
一是天为何不坠?地为何不陷?当时的宇宙观念同古埃及人有相似之处,认为天圆地方,天似穹庐,地似棋盘,浮于水面,四面有支柱支撑着天。这个支柱是什么呢?最早是流传鳌鱼四足撑天说,后又有气举说、自发运动说等。
二是天地关系。早期的盖天说漏洞明显,到了汉代。张衡据此提出浑天说,认为天是大球,包裹着大地小球,像蛋黄包在鸡蛋里那样。
三是宇宙的本原。这个问题在古希腊人那里是讨论的主线.在中国并没有那么集中。因为中国古代认识事物不要求统一的逻辑起点。所以中国古代五行说主张自然界由;种基本要素(或材料)相互作用、相互凋和转化而成,它们又共同源自混沌的元气。
元气最初生于“无”,无中生有,再分化为阴阳二气,二气相互作用,转化为万物,四是宇宙的有限与无限。战国时期以宋妍、尹文为代表的宋尹学派认为,元气充塞了宇宙,“其小无内,其大无外”,即气既可以无穷小,也可以无限大。施惠主张物质无限可分性,“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。而墨子反对物质无限可分,认为物质有一个不可再分的最小单元叫“端”。战国时的厂佼还给宇宙下过一个经典的定义:“四方上下曰宇,往古来今日宙”,把宇宙和无限的时空统一起来。
春秋战国时期之所以称为中国传统文化的“轴心时期”,是因为这一时期既总结了过去长期经验积累所形成的科学技术、社会人文文化成果,又上升提炼出对后世有深远影响的范畴、学说和制度,形成了中国特有的自然观、思维方式和价值观念。这些深层的文化结构在很大程度上决定了中国文化的运动演化方式不同于西方。在诸子百家的传播、竞争中,儒、道、法占据优势,逐渐居于主流地位。因为它们适应了中国社会以家族、血缘为基础的宗法等级社会建立统一专制国家的需要。封建社会早期的不同阶级统治者有不同的偏好,如秦代扬法抑儒,汉初推崇道家的宽松无为,汉武帝以后转变为尊儒,最终在中国封建文化走向成熟时,诸家合流,取长补短,成为宋明理学。而关于自然哲学和科学思想,就没有成为文化的主流了。
4.古代科学技术的特点
从科学技术成果上看,古代科学技术具有经验性、零散性、不系统性。
从科学方法上看,古代主要运用经验观察加上思辨、猜测和直觉,实验方法、数学方法仅处于萌芽中。
从科学技术与生产实践的关系上看,古代科学技术是未明显分化的,大量的发明是由从事一定职业的劳动者在实践中做出的。
 (二)中世纪的科学技术
 1.什么是中世纪
在欧洲历史上,中世纪指5~15世纪这一特定历史阶段,指科学发展和文明进步处于相对低潮阶段。主要原因:首先是古希腊文明在科学技术和艺术上创新的鼎盛时期已经过去,代之而起的古罗马文明也已经风光不在。它们在5世纪初连续遭到日耳曼入侵。日耳曼人的游牧部落受到来自亚洲匈奴人的排挤,从欧洲中部大举南下,他们占领了希腊,劫掠了罗马的城市并成为那里的统治者。大部分欧洲国家建立起封建专制制度。
其次是基督教的传播。392年,罗马皇帝狄奥多西一世下令承认基督教为国教。由于大批统治阶级加入,使教会可以拥有财产,并对原有的宗教信条重新解释,使之变得对统治者有利,如把争取穷苦人解放的教义修改为忍受苦难,把消除私有和不公修改为维护私有财产下的平等博爱,这样一来,基督教就成为一种宣扬保守迷信和对上帝崇拜的精神统治工具。
再次是中世纪封建主和宗教勾结并煽动宗教战争。从11世纪起,先后发动8次十字军东征,制造了东西方的对立。但是,东西方文化和社会之间的矛盾也使中世纪的欧洲感受到东方文明的压力。失败后的罗马帝国把自己的势力退回到欧洲,同时开始兴办大学,学习东方传人的技术。这一时期,东方科技成果传人欧洲,同欧洲科技成果传人东方的比例约为9;1。
中世纪欧洲学术创新虽然失去了古希腊、古罗马时代的光彩,但是在技术上通过东西方技术交流却有不断进步。农业上,欧洲推广了耦耕技术和畜役挽具,引入了水稻,苷蔗、棉花等重要农作物。工匠技术有了很大发展,促进了商业城市繁荣和行会发展‘产力磨、水力榨油、锯木技术从波斯传人欧洲,冶铁技术、铁制机具普及,制瓷、制糖、火药、印刷术在欧洲推广,这些对于欧洲商业贸易和手工业繁荣有重要作用。
中世纪的大学既培养了一批宗教唯心主义、经院哲学的代表人物,也培养了近代实验科学的先驱。前一类代表人物如奥古斯丁、托马斯·阿奎那,他们主张信仰高于理智,哲学是“神学的婢女”,上帝(天主)是最高的存在,也是万物追求的最高目的。灵魂是不朽的,是身体的形式。人类的不平等是上帝定的,因而是合理秩序。这些宗教迷信对束缚人们思想起了一定作用,但也不可能把人们永远禁锢在黑暗中。
罗吉尔·墙根(1220~1292年)是中世纪最早觉醒的实证科学的始祖。他是牛津大学的一位教士,他最早站出来批判经院哲学,提倡实验方法和数学方法。他提出了透镜成像原理,产生了对一些机器的构想。他认为造成无知的根源有4个方面,那就是;对权威的尊崇、习惯势力、无知者的感觉和我们的自负。他呼吁人们“看看这个世界吧”!
他的这些解放思想的言论触怒了宗教统治者,他被关人监狱14年之久。
14世纪牛津大学的学者威廉·奥卡姆从认识方法论方面批判了经院哲学。他提出著名的“奥卡姆剃刀”,“如无必要,勿增实体,可以较少做到的,用较多反而无益”。他对磁力和冲力原论的论述冲破了中世纪宗教教条的束缚。
2.中世纪的中国科学技术
在中国历史学中没有中世纪这个概念。为了对东西方同时期科学技术发展的不同特点进行比较,我们把中国古代5-15世纪这一时期的科技发展作一概述,这大概相当于我国的南北朝到明代中期。在我国封建社会,这一时期并不是科学技术和文化发展的低谷,相反,科学技术和文化获得了稳步发展并出现了唐宋这样的文化高峰时期。
 (1)我国中世纪的农业科学技术。5世纪,北魏农学家贾思勰著《齐民要术》共10卷92篇,11万字,论述农业要顺乎天时,因乎地利,精耕细作,实行轮作,论述了农作物种子处理、收获、储存,林木繁育。家畜饲养等技术,代表了农业社会对农学原理技术认识的最先进水平。  
 (2)我国中世纪的天文学成就。唐代僧人一行(张遂)改革创新了历法。通过实测,使历法与天象一致,即大衍历。13世纪,元代天文学家郭守敬修订历法,制成授时历。
郭氏精通天文仪器制作,改进了浑天仪、圭表、浑象等仪器的精度。他还发明了自动报时的七宝灯、观测恒星视位置确定时刻的星晷定时仪、水运浑象、日月食仪、玲珑仪等多种天文仪器。他还曾组织了一次规模空前的测量大地工作。从西欧至北极附近,每隔10度设一观测台,首创高度“海拔”概念。他还创造了一些新的天文数学计算方法。
 (3)我国中世纪的数学成就。5世纪南朝数学家祖冲之求出了精确到8位有效数字的圆周率值,比阿拉伯人和西方人早了1 000年。宋元时期,我国先后出现了秦九韶、李治、杨辉、朱世杰等大数学家。秦九韶的《数书九章》成书于1247年,共18卷,创有方程法、联立方程求解法。杨辉的著作主要是《详解九章算法》、《杨辉算法》,收入了近百个数学问题的求解方法。宋人贾宪还首创高次幂的开方技巧,早于欧洲人600年。杨辉创立了高阶等差级数研究。
 (4)我国中世纪的地学成就。5世纪,北魏地理学家郦道元著《水经注》,在多年实考基础上,记述了我国1 252条河流的水道及沿岸地理、地形、物产、水运等面貌。全书涉及的地理范围北到朝鲜大同江,南到越南、柬埔寨境内,东至大海,西到安息(伊朗)、咸海,北到蒙古。宋元时期的重要地理著作是以《太平寰宇记》为代表的地理志的兴起。
 (5)我国中世纪的重大技术发明。影响世界的中国古代四大发明,唐人发明的黑火药、宋人毕异发明的雕版活字印刷技术均在这一时期。此外,这一时期我国陶瓷技术、冶金技术、航海造船技术、水利技术、农具制造技术、纺织技术、造桥技术等均有世界领先成就。宋末(13世纪)松江人黄道婆改进了民间棉纺、织布技术,尤其是纺车、织机的推广,使我国江南棉纺业兴起,棉花种植也随之普及。明初郑和七次远航东南亚、印度、阿拉伯等30余国,大船长44.4丈(约133米),宽18丈,可容上千人,排水量在3000吨以上,而1492年哥伦布航海时,旗舰长不过100英尺(约30米),仅能乘几十人。
 (6)我国中世纪的医学成就。5世纪南朝药物学家陶弘景著《神农本草经集注》,对中药重新进行分类,与治病的病症对应起来,是中药学的一代宗师。唐代孙思邈著《千金要方》和《千合翼方》,合称《千金方》,是他一生50余年临床治疗实践的总结,其中收录药物800余种,丰富了中药学的宝库。宋代唐慎微著《征类本草》,共60多万字,收集药物1 700多种,为明代李时珍的中药学研究奠定了基础。
(7)我国中世纪的其他科学成果。北宋学者沈括著《梦溪笔谈》共28卷,这是其一生的科学研究心得笔记,涉及数学、天文、地理、气象、物理、化学、技术等许多领域,其中较有价值的是他发现声的共振现象及凹面镜成像、透光镜的实验研究,推出了求解几何图形弧长的方法。   
中世纪中国科学技术也同中华文化发展状态类似,以量的渐进积累为特征,没有产生核心文化(自然观、思维方式、价值观念)的革命。这种状态一直延续到近代。
 (三)“16-18世纪的科学技术 
1.近代欧洲发生科学技术革命的社会条件
(1)经济条件。资本主义工商业兴起。欧洲近代资本主义经济萌芽并不是外生的,它是欧洲内部传统的工场手工业和航海贸易发展的必然产物。资本主义原始积累的其他形式,如英国圈地运动,意大利、荷兰、西班牙和葡萄牙人海外冒险等都受到海上贸易(商品交换)的推动。海上贸易使商人们发了财,成为“中等阶级”,他们是最初的资产阶级。海上贸易刺激了工场手工业的扩大、分工细化和技术提高,行会的力量和地位提高了。这种工场无论是在历史上还是在逻辑上都是资本主义生产的出发点。
 (2)政治条件。资产阶级同封建阶级的矛盾。中世纪末,由于资本主义工商业发展,城市共和政权兴起,削弱了贵族、封建领主的专制政治势力;土地所有权逐渐落人资本家手中,农奴制趋于瓦解,资产阶级要在工商业繁荣的城市中建立自治政权,就和封建贵族发生了矛盾。
 (3)文化条件。资产阶级和市民要求人性解放的人文主义运动兴起。人文主义肯定现实世界和现实生活,颂扬人生,相信人有充分发展的可能。人文主义否认禁欲主义,认为人性是崇高的,不回避精神和肉体生活,不贬低追求名利的欲望;否认对教皇和教会的绝对服从,对神的信仰出自于人的本性;不应以出身门第决定人的社会地位,强调个人努力和才能的重要;认为智慧和认识使人高贵,重视对现实的研究,主张复兴古希腊时代科学艺术繁荣的局面。
欧洲近代文艺复兴运动经历了3个阶段。
13世纪为萌芽阶段。这一时期以但丁、彼德拉克、薄伽丘为代表。他们的人文主义思想的特点是以批判宗教神学、宣扬人性和爱为核心。但丁的"申曲》是一部长诗,主题认为爱是生活的本质及人与人关系的神圣核心,即人性,甚至是统治宇宙的动力,是人神共有的本性。彼德拉克的诗歌和薄伽丘的小说也都表达了批判宗教禁欲主义、宣扬人性和人生平等的主题。
15~16世纪是文艺复兴运动兴盛的阶段。这一时期,人文主义不但是新文化的指导思想,而且也召唤着政治斗争,成为城市资产阶级的文化工具。这一时期出现了一批文化巨人,如波提切利、达·芬奇、拉斐尔、米开朗琪罗、莎士比亚等,在艺术、文学、科学方面都达到了一个历史高峰。   
17~18世纪是文艺复兴运动成熟到衰退的阶段。人文主义向欧洲其他地区扩展,科学和哲学有了重大突破。英国的培根、密尔顿、蒲伯、潘恩,法国的巴斯卡、孟德斯鸠、伏尔泰、卢梭都把人道主义推陈出新,走向了高峰。科学上还出现了伽利略、开普勒等巨人。
2.近代天文学革命
1543年,波兰天文学家哥白尼的划时代著作《天体运行论》出版,是近代天文学革命的标志。这场革命,源于中世纪流行的托勒密“地心说”的危机。
 (1)“地心说”的危机。l世纪希腊学者托勒密创立以地球为中心的宇宙体系论,在 当时是以天文观测为基础并用以指导历书和航海的。但在中世纪,经院哲学家托马斯·阿奎那把这一学说同神学教义结合起来,用于论证上帝创世说,认为地球不动、宇宙有限、神在天上。但观测技术越发展,这一体系的漏洞越多,当哥白尼在克拉科夫大学学习天文学时,他已经发现了这一点,而且感到很困惑。
 (2)哥白尼日心说创立。15世纪末,哥白尼在意大利留学期间受到人文主义者诺瓦拉的影响。从1505年开始从事日心说研究,1525年完成《天体运行论》,纠正地心说的根本性错误,确立了近代太阳系结构体系。假定太阳位于六大行星圆周运动轨道(当时还没有认识到椭圆轨道)的中心,那么太阳系的秩序将一目了然,非常简单、和谐。各行星运动大致在同一平面,且方向相同。月亮绕地球运转,同时和地球一起绕日公转。
 (3)开普勒发现行星运动定律。16世纪末17世纪初,在哥白尼学说的基础上,德国天文学家开普勒利用丹麦天文学家第谷积累了20年的天文观测资料,得出了行星运动三大定律,即行星绕太阳公转的轨道是椭圆形,太阳位于椭圆的一个焦点上;行星的向经,在相等时间内扫过的面积相等;行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。
3.近代力学革命
 (1)伽利略奠定了近代运动学。伽利略运用小球沿光滑木板斜面向下运动的实验加上自己的推理猜测,得出惯性定律:在不受外力作用的情况下,物体或者保持静止,或
 者做匀速直线运动。这个结论纠正了亚里士多德流传1 000多年的错误,同时,他还用
 实验证明,物体自由下落的速度与重量无关。伽利略还提出了经典力学的相对性原理,
 在一个相对于惯性系统做匀速直线运动的火车车厢内或轮船内做任何力学实验,如重物
 下落、单摆摆动,得出的规律和火车、轮船处于静止时完全相同。上述这些原理都是近代
 力学的基础。此外,伽利略还发现了单摆振动规律和抛体运动规律,提出了物体的重量可以看做作用于重心的观点。
 (2)牛顿奠定了经典力学。牛顿的力学成就,是在综合哥白尼、开普勒、伽利略等人成就的基础上,把经典力学上升为一个科学体系,是近代力学革命的完成者。他把惯性定律作为力学原理中的三大定律之一。此外他又通过实验得出力与加速度成正比定律——第二定律;作用力与反作用力大小相等,方向相反,分别作用于不同的物体上——第三定律。
牛顿发现了万有引力定律,把行星绕太阳运动、月亮绕地球运动的本质问题解决了。
牛顿确立的这个基本框架和方法体系,对近代科学有广泛而深远的影响,人们常常把19世纪中叶以前的科学称为牛顿时代,由他所论述的自然观、时空观、运动观都代表当时人们的思维水平,具有机械论色彩。
4.近代化学革命
近代化学的建立,以法国化学家拉瓦锡发表《燃烧概论》、提出氧化还原学说为标志,时间是1777年。
 (1)从炼金术到燃素说。直到18世纪,都没有称得上科学的化学。中国古代道士的炼丹术、古代欧洲的炼金术,虽然也把不同的物质放在一起燃烧、蒸馏,但指导思想是不科学的。中国的炼丹家为了求长生不老之药,不少人误服了丹砂、玉粉而中毒;西方的术士为了廉价制作黄金,也有不少人(包括牛顿)吸收了过多的重金属。他们的某些发现,可以称为化学知识的萌芽。炼金术士的方法是经验的代表,他们积累了大量经验材料,却没能加工成真知。
燃素说是17世纪德国人施塔尔提出的,认为有一种特殊物质存在于一切可燃物中,也存在于动植物和金属中,燃烧时有燃素从燃烧物体中释出,剩下不含燃素的灰渣。当灰渣与富含燃素的木炭混合时,又可以还原为金属。这种误解其实是出于机械论的物质观,主张一类现象的原因总是和某种物质相联系。此后的100多年中,不少化学家都用这个观点解释燃烧现象,一直到18世纪英国著名化学家普里斯特利才提出不同观点。
 (2)拉瓦锡建立氧化还原学说。1774年,普里斯特利用聚光镜加热氧化汞使其分解产生了氧气,认识到氧气可助燃,又适合人和动物呼吸。可以说,他已走到了发明氧的门槛,真理已经在他的鼻尖上了,但他受错误理论的支配,没有想到这一点。当拉瓦锡得知这个消息后却若有所悟,他认为氧化汞燃烧后生成的不是什么“无燃素空气”,而是空气(混合物)中的一种气体元素“上等纯空气”,1877年他定名为氧(意为“可助燃”)。当可燃物燃烧时,它们当中所含的碳或其他可燃元素同氧化合生成氧化物,金属氧化物煅烧又可以分解成氧和金属。
氧化与还原反应代表了近代化学中物质的最常见、最基本的化学运动过程,氧化还原学说第一次正确揭示了这一类运动的化学规律,使化学从此真正成为系统的科学。这就是拉瓦锡划时代的发现。
5、近代数学革命
近代数学的建立,有两个标志性成就:一是笛卡尔1637年出版《几何学》,建立了解析几何,把代数方法、变量同几何相综合。二是1669—1684年牛顿和莱布尼茨先后独立地提出微积分。他们两人成果的关系是:牛顿以通信和非正式交流方式提出流数法(即微积分)始于1669年,早于莱布尼茨;莱布尼茨1673年开始研究极大、极小问题,晚于牛顿,但他的首篇论文发表于1684年,而牛顿的几篇论文到1704年、1711年才正式发表。
6.近代生物学、医学革命
17~18世纪,近代生物学、医学从古代的经验、直观、零散知识上升为以实验为基础的科学,其意义不亚于其他科学领域,这一时期的开创工作是19世纪细胞学说和生物进化论的基础,其中最具有革命意义的成就是血液循环论的发现、胚胎学的发现和生物分类学的建立。
 (1)哈维建立血液循环论。1608年,哈维出版了《血液循环论》,通过实验证实,人体动脉和静脉的血液流向相反,从心脏中流出的动脉血通过肺循环吸收了新鲜氧气,呈鲜红色,静脉血从人体各部分汇集后流回心脏,呈暗红色。人体血液分为体循环和肺循环,它们通过肌肉、组织中细微通道相互连接。心肌收缩是血液运动的动力原因。
血液循环论打破了旧医学“三位一体”的唯心主义迷信,使生命观、医学思想和方法发生了革命。20世纪的科学家评论,哈维对医学的贡献是无可估量的,有史以来人们第一次用现代科学意识、科学实验方法研究生理问题,医学从此进入实验医学时代。
 (2)胚胎学的建立。17世纪,哈维开始了胚胎学研究,他在1651年出版了《动物的发生》一书,研究了鹿的胚胎生长及孵蛋中小鸡的发育,提出胚胎发育是渐成的,“渐成论”是对传统“预成论”的批判。预成论则认为,胚胎是先天形成的,各个部分和器官在卵子或精子中就已经生成了。
18世纪,德国科学家沃尔弗用小鸡作为实验材料研究了胚胎的发育过程。1759年,他出版了关于胚胎发生的著作《发生的理论》,被称为“近代胚胎学的创始人”。
 (3)生物分类的建立。1624年,瑞士学者鲍兴观察记录了6 000多种植物。18世纪,瑞典生物学家林奈描述了1.8万种植物,1735年出版了《自然系统》一书,对生物做了系统分类,以纲、目、属、种及双命名的方法命名植物,其中,一个名称代表属,另一个名称代表种,以雌蕊的数目决定一个植物应该归人的目,以雄蕊的数目决定它的纲,把植物分为24个纲。这种分类方法为后来的植物分类奠定了基础。对动物的分类,他根据.血液、心脏、生殖和呼吸方式把动物分为6个纲,如哺乳纲、鸟纲、两栖纲、鱼纲、昆虫纲、蠕虫纲,他认为这是一种人为的分类方法,但它有利于人们从形态上区分生物。
林奈在分类学研究中明确提出了物种不变的观点,认为它们是上帝创造的,最初创造了多少,现在就是多少,生物的种群会繁衍增长,但种类不会变。由于这种形而上学的观点,有人称他为“生物学中的牛顿”。在他生前,进化论者已经发现了许多物种因环境不同而引发变异的事实。林奈在《自然系统》第十版时,对物种不变论做了修改。
7.近代地学革命
近代地学革命指关于大地构造、地理地质运动的认识由宗教神学的上帝创世说到以观察实验为基础,从自然界自身的物质运动出发认识地球表面的运动规律。
 (1)18世纪的水成论与火成论。关于地球表面大地的成因,18世纪,意大利人莫罗从对西西里岛上埃特纳火山的观察中总结出,岩层是由火山喷出的熔岩凝结而成的,地球最初被海洋覆盖,后来地下的热力使地壳隆起,形成陆地、岛屿、山脉。
18世纪,德国地质学家维尔纳提出水成说,认为地球表面是一片混沌海洋,岩层是海水中的盐结晶沉淀生成的。在他考察的萨克森地区,水成的岩层较多,再加上他的威望高、学生多,水成论在欧洲占上风。不赞成水成论的代表人物是英国的赫顿,他认为自然界是守恒的,地质变化是各种力长期缓慢作用的结果,地球内部的热力是地质演变的主要原因。两派争论了多年,他们都在一定程度上认识到地质运动的规律性。
 (2)19世纪的渐变论与突变论。关于地球表面的演变规律,19世纪又发生了演变形式之争。英国地质学家赖尔主张渐变论,他在1830年出版了《地质学原理》,认为地质学是研究地质连续变化的科学/他反对宗教神学的说法,认为地球是运动演变的,但是一个缓慢的、永不停息的运动过程,因此人们不易看到这种变化。
法国学者居维叶却主张突变论。他从考察不同地层中脊椎动物化石看出物种有明显的区别,他判断这是由地球历史上一次次灾变引起的,如大洪水、地震等,每一次这样的突变,足以造成地球上旧物种的毁灭,而由从远处迁移来的新物种取而代之。他还断言,我们地球上现有的物种是在五六千年前的摩西洪水退去后再创造出来的。但是,居维叶的突变观点同宗教神学仍有不同,他以地质考察为依据。此外,地球和生物进化的突变也是不能否认的。
(四)19世纪的科学技术
 1、近代科学技术发展的第二阶段
这一阶段是指18世纪末到19世纪中叶近代科学的综合阶段。
近代科学的第一阶段属于收集材料、整理材料的阶段,总体上是分门别类发生的,是以学科分化的方式完成的。相对于古代科学的朴素、综合而言,这是巨大的进步,实验科学的基本门类确立起来了。
18世纪末,近代科学发展呈现新特点。这种新特点的展现,是科学发展内在矛盾作用的结果,如分化到一定程度就要求辨证综合,从整理材料过渡到系统加工。
2.近代科学第二阶段的主要成果
 (1)天文学、力学的综合:康德星云假说提出。1755年,德国哲学家康德发表了《宇宙发展史概论》,提出太阳系起源于原始星云,这些弥散在太空中的物质粒子在引力作用下凝聚收缩,势能转化为动能。由于收缩不平衡发生星云旋转,旋转中在其边缘抛出一些物质,收缩成行星,中心部分达到炽热状态就成为太阳。
康德星云假说的革命意义是:他完全从自然界自身物质和力学原因认识宇宙起源,它不像牛顿那样从太阳系之外去寻找神秘的“第一推动力”,而是从自然界本身说明运动的原因,这对于近代形而上学自然观有了一定的突破。
 (2)动物学、植物学和医学的综合:细胞学说。19世纪30年代,德国植物学家施莱登、动物学家施旺提出了细胞学说,提出生命有机体的基本单元是细胞,有机体的发育从细胞开始;生物胚胎发育过程是细胞分裂、复制过程。1855年,德国医生微耳和将这一学说应用于病理研究,提出机体的病变是细胞异常变化引起的,病变细胞又是由正常细胞转化而来的。
 (3)生物学、地质学和人类学的综合:生物进化论。19世纪初,法国生物学家拉马克发表了早期进化论思想,但缺少足够系统的观察实验材料论证和系统综合。达尔文用40年的时间做环球考察、文献研究、实验室研究,把生物学、比较胚胎学、古地质学、经济学相关成果综合为一体,雄辩地论证了生物进化原理和进化机制,不仅对自然观的革命,而且对社会历史观的发展都具有重大意义。
(4)物理学、化学、生物学的综合:能量守恒和转化定律。能量守恒和转化定律是在19世纪30~40年代在5个国家,由几个不同职业的10多位科学家分别从不同的侧面各自独立提出的。如伦福德认识到机械运动与热的统一性,法拉第认识到电磁与化学运动的相互转化,迈尔认识到生物能、热能、化学能的统一性等。这些认识,共同指向自然物质运动的守恒与转化规律。能量守恒和转化定律的提出,使近代科学对运动本质有了更深层次的认识。
 (5)光学、电学、磁学的综合。19世纪末,关于振动与波的研究,关于光的波动性的认识,以及电、磁相互转化规律的认识都有了很大发展,但当时并没有认识到这些物质运动形态之间有什么联系。1873年,麦克斯韦出版了《电学和磁学论》,把19世纪中叶以力线模型为基础构想的电磁运动规律提炼为电磁场运动方程组。他发现只有变化的电流才产生磁场,变化的磁场产生电流,因而,这一规律可以用方程组表示。
3.近代科学第二阶段的特点
一是在科学方法上,从收集材料、分门别类的研究发展到整理材料、综合辨证认识的阶段,过去被认为是特殊的、独立的物质或运动方式现在普遍建立了联系,自然界的各种运动形式是在相互联系、相互转化的。二是对自然认识的深度有了进一步的突破,发现了原子分子论、元素周期律,物质的各种宏观运动形态及规律都可以从微观上进一步得到认识。三是科学技术的社会应用得到进一步的发展,特别是电的应用。
4.近代技术革命
 (1)第一次技术革命。以蒸汽机革命为标志和核心的工作机、动力机革命发生在18世纪中叶到19世纪初,英国是工业技术和科学创新最领先的国家。
1765年,修理工瓦特想出了改革纽可门蒸汽机的关键技术:把汽缸、活塞同冷凝器分开,让工作过的蒸汽流人另一个容器中冷却,实现了蒸汽机的连续工作和热的循环利用,热效率达到3%。随后,瓦特又发明了传动齿轮、离心式调速器,蒸汽机效率提高了4倍,并可保持平稳、安全运动。以后,蒸汽机又不断改进并被广泛应用于冶金、纺织、交通、运输上,作为动力机。
 (2)第一次技术革命的应用推广。1782年,美国人富尔顿发明了轮船。1803年,他的实用蒸汽船在巴黎塞纳河上做了试航表演。t807年,作为定期班船的轮船开始在纽约哈德逊河上做商业航行,此时瓦特也作为蒸汽机制造商生产并出售自己的蒸汽机。
19世纪初,英国设计师粹威席克发明一部蒸汽机车,但没有引起人们的重视。1814年,史蒂芬森设计了一台用于实际营运的蒸汽机车,1815年他经过改进,第二台机车已具备了现代蒸汽车头的雏形。
1790年,英国人在炼钢中首次使用蒸汽鼓风机。1850年,英国工程师贝塞麦发明了转炉炼钢技术,要求有功率更大的吹氧装置,这种炉子每10~15分钟可以炼一炉钢,钢的质量有了显著提高。
18世纪,英国在机械制造工业中使用了蒸汽锤,19世纪使用了各种蒸汽动力的机床,机械制造进入新阶段。
1767年,英国工匠哈格里夫斯发明了以他妻子命名的珍妮纺纱机,但生产的棉纱质量不均匀。1769年,英国人阿克莱发明了用水力推动的纺纱机,棉纱质量有了改进。
1792年,美国人惠特尼发明轧棉机,纺织工作机逐步完善。
 (3)第二次技术革伞。19世纪以电技术的应用推广和内燃机发明应用为标志的技术革命为第二次技术革命。
1821年,法拉第发明第一台使用化学电池驱动的近代电动机模型。1834年俄国科学家雅可比发明了直流电动机,稍后他把这台电动机用于驱动船,在彼得堡涅瓦河上做了试航。
电磁感应定律发现后,很快被应用于发电机制造。1832年法国人皮克西兄弟制成了世界上第一台手摇直流发电机。1834年英国工程师克拉克制成第一台商用直流发电机。1867年德国工程师西门子制成自激式直流发电机。1870年比利时人格拉姆研制成环枢式直流发电机。1878年俄国发明家亚布格契制成多相交流发电机。稍后,意大利、美国、俄国发明家又先后制成二相、三相异步电机,建造发电厂在欧美形成高潮,进而推动输送电能技术的发明和改进。
19世纪以美国发明家爱迪生和贝尔为代表,电的应用进入大众化时代。此后,电器的发明进入系列化、商业化、连续性时代。
内燃机的发明和改进是第二次技术革命的另一个技术支撑点。
1869年,法国发明家雷诺制成了第一台实用内燃机,是一种二冲程、无压缩、电点火的煤气机,但热效率低。1876年,德国工程师奥托制成第一台四冲程往复活塞式煤气发动机,热效率达到12%~14%。奥托在自己一生中有35年时间从事内燃机研究,把热效率提高到20%以上,他一直被公认为是内燃机的发明者。   
1883年,德国工程师戴姆勒制成了立式高速四冲程往复式汽油机,稍后他和本茨又分别独立地研制成功实用的汽车,内燃机从此进入应用阶段。1892年,德国I程师狄塞尔发明了高压缩比的柴油机,它结构更简单、燃料更便宜、效率更高。
最初的内燃机并不完美,也没有穷尽人类对热功转化途径的再探索。1872年,德国人斯托兹第一个制成了具有现代特征的燃气轮机,进入20世纪它不断得到改进,成为航空发动机的主流。
第二次技术革命延续了第一次技术革命的方向,即开发、利用自然力代替人的体力耗费,以机械代替手工劳动。在欧美国家。资本主义生产进入更大规模的社会化、集约化阶段,从而为资本的垄断性、国际化创造了条件。
(五)20世纪的科学技术
l现代科学革命的酝酿和发生
(1)现代科学革命的“导火线”——经典物理学危机。19世纪80年代,当麦克斯韦电磁理论建立之后,物理学家都很兴奋。爱因斯坦曾回忆说:“在我的学生时代,最使我着迷的课题是麦克斯韦理论。”他认为麦克斯韦同法拉第理论之间的关系,如同伽利略的力学同牛顿力学之间的关系一样,前者直觉地抓住了事物的联系,后者严格地把这些联系用公式表述出来。不少人认为经典物理学的体系已经很完美了。另一位有代表性的物理学家是英国的开尔文,他在1900年发表的“新年贺辞”中说:“现在已经基本建成科学大厦中,后辈的物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”他认为,在物理学晴朗的上空,仅有两朵残存的“乌云”,这就是“以太危机”和经典黑体辐射公式中的“紫外光灾难”。  
所谓“以太危机’’指牛顿提出的“绝对静止的坐标系”,它同传播万有引力的特殊介质“以太”相联系,“以太”粒子极其微小,它没有重量却有很大的弹性系数。显然,“以太”构想的提出是牛顿机械物质观和运动观的表现,它不能接受任何没有中介传递物质的:“超距”相互作用,只有想象透明的、充满于宇宙空间的“以太”。麦克斯韦的电磁场理论曾经否定了最初的以太假设,认为电磁场的传播不需要介质。于是,19世纪未有一批实验科学家设法探测“以太风”,结果大都是否定的。特别是1887年美国科学家迈克尔逊和莫雷的干涉实验,有力地证明了以太坐标系并不存在。
 “紫外光灾难”指1899年瑞利和琼斯总结出黑体辐射的经验公式,得出辐射密度函数同热辐射频率的平方成正比的规律。按照这个公式,当波的波长很短、频率很大(如紫时光)时,辐射密度几乎趋于无穷大,这是不合理的。表明经典热辐射公式没有反映黑体的本质和共同规律,仅仅是从经验总结出适合于长波段的公式。
开尔文对经典物理发展前景的估计是有些保守了,但他能看出在晴朗天空中的“两朵乌云”是对经典物理学的挑战,这种认识还颇有洞察力。解决这两个危机,是现代物理学革命的突破点。
 (2)量子论建立。1900年,普朗克在德国物理学会上提出能量子假设,并以此为基础,建立了自己的黑体辐射公式。1905年,爱因斯坦提出光量子假说,以光电效应为例,认为被照射金属对能量的吸收和发射不是连续的,而是量子化的。1913年,丹麦科学家玻尔提出原子结构的能量的吸收和发射不是连续的而是量子化的,认为原子中电子分布在不连续的轨道上,其发射和吸收的能量等于两个能级的能量差,因而是量子化的。
1923年,法国物理学家德布罗意提出任何物质粒子都有对应的物质波,这同光(电磁波)能量的量子化是一个互补的问题,从而认为微观粒子具有波粒二象性。
有了上述基本概念之后,量子力学很快有了重大进展。1925年,德国科学家海森堡用矩阵力学方法表述微观粒子碰撞(散射)作用中的力学规律,建立了矩阵力学。1926年,奥地利物理学家薛定谔试图建立一个量子力学中的“牛顿运动方程”,即波动方程。
波动方程求解的是描述微观粒子运动状态的波函数审,它是坐标和时间的函数,审绝对值的平方等于粒子t时刻在x、y、z处出现的概率,这样一来,就把粒子同时具有二象性的矛盾解决了。
它是自牛顿力学建立后力学领域的又一次重大革命性发展,力学从描述宏观物体的运动规律发展到揭示微观客体的运动规律。
 (3)相对论的建立。1905年,爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文中提出了狭义相对论,把牛顿力学描述低速运动的力学规律和相对论描述的高速运动的力学规律统一起来。
狭义相对论之所以有“狭义”的限制,是因为它的前提是“惯性系”,即相互做匀速直线运动(包括静止)的坐标系,而实际的参照系大都不符合这个条件,为了进一步统一力学原理的表述,1907年以后,爱因斯坦试图把相对论推广到一切坐标系,它们之间有力场作用,或相互做加速运动。他在1913年发表了广义相对论的第一篇论文,1916年完成了广义相对论。在爱因斯坦看起来,广义相对论可以描述我们生存于其中的宇宙物质的总体运动。
2.现代科学革命的深入发展
 (1)现代天文学革命。近代天文学所能认识到的天体和宇宙结构、运动规律很有限。康德虽然猜想在无限宇宙空间中有无数的宇宙岛,其中包含数目巨大的行星,他只是预见到星系的存在。20世纪以前及20世纪上半叶,人类认识到的宇宙总体上是静态的,对于宇宙、恒星和星系演化中的质变是想象不到的。20世纪后半叶的天文学发展出众多分支,尤其是宇宙学的建立,实现了天文学的革命,推动了人类物质观、时空观、运动观的深化。
 (2)现代化学革命。1928年,英国化学家伦敦和海特勒用量子力学方法处理氢分子结构,把量子力学应用于化学问题,进而推广到其他分子结构的研究,从而使现代化学的新领域有了共同的理论基础,如物理化学、高分子化学、半导体化学、核化学、原子能化学等新的理论分支迅速开拓,进而推动化学工业的发展。
 (3)现代生物学革命。1854~1865年,奥地利修土孟德尔通过豌豆杂交实验发现了生物基因的遗传和组合规律,但在当时看不到有什么应用价值,这项成果就被湮没了。
20世纪初几位生物学家在做遗传学实验时都不约而同地发现了30多年前孟德尔发表的研究成果,他们实际上重复了孟德尔做过的工作。1908—1934年,美国遗传学家摩尔根以果蝇作为实验对象,对生物遗传规律做了全面、系统的研究,建立了基因学说。
20世纪初,瑞士科学家米歇尔、德国科学家科塞尔和美国科学家琼斯·列文的研究,发现染色体是生物基因的载体,其中的核酸是关键物质。核酸分为两种,一种是脱氧核糖核酸(DNA),另一种是核糖核酸(RNA)。此后,寻找遗传信息的密码引起了欧美许多生物学家和化学家的注意力。经过长期而曲折的研究,1953年,美国科学家沃森和英国科学家克里克合作利用X光衍射技术发现了DNA分子的双螺旋结构,被公认为是当代生物学,也是当代科学的重大成就。
生物基因学说复活并得到发展后,生物进化论找到新的创新突破口。自19世纪达尔文主义创立以来一直被视为权威的生存竞争、环境选择论被认为是理解生物进化的钥匙。20世纪中叶,法国分子生物学家莫诺等人运用大量生物进化实例,并用量子力学的统计因果性原理,说明基因物质分子可以在量子规律支配下发生中性的“漂变”,包括生物蛋白质组成在分子层次上也按一定的速度发生分子进化。这种分子进化的速率,有的生物快一些,有的生物慢一些,从这个角度上看,生物的进化同环境压力并没有直接关系,环境只是从宏观的种群发展上制约了生物的演化,这是“非达尔文主义”对生物进化论掀起的一场革命。
 (4)现代地学革命。19世纪中叶以前的地学,在认识地球表面的运动中,只认识到垂直方向的运动,如山的隆起,海洋的凹陷等,这些经典理论还不能说明运动的深层原因。
①大陆漂移说。1912年,德国地学家魏格纳通过比较大西洋两岸的南美洲和非洲大陆海岸形状、地层中生物化石的相似性,在法兰克福地质年会上提出了“大陆漂移说”。1915年,他出版了《海陆的起源》一书,首次破天荒地提出大陆水平运动的学说。他明确提出地球陆地是由古生代的联合古大陆分裂后向不同方向的漂移造成的。这一学说在地学界引起很大争论。
②地幔对流说。1928年,英国地学家霍姆斯提出“地幔对流说”,为大陆漂移运动提供了动力机制。他认为大地比较坚硬的地壳下面是受热力作用、构造相对可塑的地幔层,它们在地心热力作用下缓慢对流,牵引大陆做水平运动。
③海底扩张说。1957年,英国地学家布莱克特和朗康发现地质年代中地磁的迁移,并测出欧洲、北美大陆地磁迁移的轨道,这种迁移包括水平位移和磁极旋转,这一证据有力地支持了大陆漂移说。由于水下地质考察技术的发展,到20世纪中叶,发现了在大西洋、太平洋中脊海岭处不断有热水流冒出,新生的地层由此不断生出,把大洋底地壳向两边推开,形成海底扩张运动。而在大洋深海沟处存在相反的海底下沉运动,成为海底地壳的海洋带。1961年和1962年,美国科学家赫斯和迪茨分别独立地提出海底扩张说。
④板块构造说。1968~1969年,美国科学家摩根、法国人勒皮雄、英国人麦肯齐等人综合了现代地学的创新学说,提出了板块构造理论。地表岩石圈由一些板块单元组成,其边界是大洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝合线;板块在大洋中脊处分离、扩张,在俯冲带、地缝合线处俯冲、消减,地表可分为亚欧、美洲、太平洋、非洲、南极洲、印度洋等6大板块和若干小板块。
现代地理学描绘了一种新的生机勃勃的动态地球观。地球自凝结成圈层结构以后并没有停止运动,相反,它的表面、中间层都处于持续不断的运动中。整个地球面貌的改观可以百万年计,但在每年每月,地球上的各种剧烈运动如地震、海啸、山体滑坡等,也都同大地整体的持续运动相联系。   
 (5)现代数学革命。有以下几个成就。
①集合论、抽象代数。现代数学的奠基工作,是19世纪70年代德国数学家康托尔创立的集合论。集合论研究的对象可以是任何事物,不仅包括数、几何形,而且可以包括语言、人、党派,这就大大扩展了数学的研究领域,使过去分割的算术、代数、几何、逻辑等有可能统一起来。与之类似的创新领域还有群论。19世纪初法国青年数学家伽罗华提出了群的概念,以后又推广到域、环、格理论。到20世纪,这一新分支统一成抽象代数学。
②拓扑学。19世纪末,法国数学家彭加勒于189241895年间发表了一组关于组合拓扑的论文,成为这一领域的奠基人。拓扑学研究空间变换中的连续不变性问题。二次大战后,拓扑学有了惊人的发展,它渗透到数学的所有领域,并应用于物理学、化学和生物学。
③数理逻辑。即用数学手段研究逻辑问题。这一领域的萌芽可以追溯到莱布尼茨,但真正的奠基工作是19世纪50年代法国数学家布尔和稍后的英国数学家弗雷格。19世纪末,英国哲学家、数学家罗素试图用逻辑演算统一所有数学分支,他认识到古典形式逻辑的局限性,开拓了现代逻辑,如概率逻辑、模糊逻辑,使辨证的高级逻辑思维可以在一定程度上转化为数学演算,从而为人机沟通提供了可能性。  
④泛函分析。泛函分析同抽象代数、拓扑学被认为是现代数学的三大基础学科,它研究无穷维线性空间中算子运算,是分析代数和几何的结合点。1903年,法国数学家阿达马定义了泛函概念,另一位法国数学家弗瑞歇提出泛函分析。1932年,波兰数学家巴拿赫出版的《线性算子理论》是泛函分析的经典之作。1926年,匈牙利数学家诺伊曼用泛函分析使量子力学公理化。
⑤概率论、模糊数学。概率论思想萌芽很早,17世纪法国数学家巴斯卡从赌博游戏中就发现了概率原理,古典概率论应用于统计物理学,求解大量随机事件的宏观统计规律。20世纪初,法国数学家莱维、苏联数学家辛钦、美国数学家杜布等人为现代概率论奠定了基础,现代概率论主要研究随机过程中的统计规律;是描述微观粒子运动的重要工具。
1965年,美国数学家查德提出模糊集合概念,这是模糊数学的基石。相对于传统数学只研究精确事物来说,这是一种革命性进步,因为客观事物的运动中存在着大量相互渗透、亦此亦彼的模糊概念和模糊判断。经过发展,模糊数学有了广泛的应用。
 3.现代高新技术革命
 (1)计算机技术革命。公认的世界上第一台电子计算机是1942~1945年由美国物理学家莫希利领导的研究小组研制成功的“电子数值积分计算机”,缩写为ENIAC(埃尼阿克)。它首次采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储,使计算速度提高了1000倍。稍后,诺伊曼主持设计了“离散变量自动电子计算机”,缩写为EDVAC,使用电子管为逻辑元件。这一类计算机都属于第一代电子计算机。
1959年.菲尔克公司研制成首台大型通用晶体管计算机,计算机发展进入第二代。使用晶体管逻辑元件和快速磁芯存储器,计算机速度可达到每秒几十万次。
1964年4月,IBM公司生产的360系列计算机使用了集成电路,标志着计算机技术进入第三代。
1970年,IBM公司在生产出的370系列计算机上使用了大规模集成电路的存储器,计算机向微型化和巨型化方向发展,开始使用微处理器。
1980年,日、美等国开始研制开发人工智能机,被称为第五代计算机。
除了计算机硬件技术革命外,同时也进行着软件技术革命。到20世纪70年代,生产计算机的软件费用已超过硬件费用,两者之比约为2:l,到80年代两者之比是10:1。第五代以后的计算机进步的主要标志是软件技术的提升。
 (2)空间科学技术革命。火箭技术的祖先可以追溯到我国古代的起花,用于作战的火箭是在南宋时发明的“神火飞鸦”。以此为起点,可以把火箭技术发展分为3个阶段。
①第一阶段。从古代到19世纪末,火箭技术处于萌芽阶段。
②第二阶段。从19世纪末到二次大战结束,火箭技术处于探索阶段。1903年,俄国科学家齐奥尔科夫斯基发表了火箭推进原理,提出了齐奥尔科夫斯基公式。1926年,美国发明家戈达德首次试验了第一枚液体燃料火箭,他发表了一系列关于火箭原理和技术的论文。他们是现代火箭技术的先驱。
二次大战期间,纳粹德国研制的V—2火箭投入了实战,积累了火箭技术的资料和人才,但技术还很不完善。
③第三阶段。二次大战后,美苏两国利用了德国留下的资料和人才,继续发展、改进火箭技术,双方展开激烈竞争。苏制探空火箭1949年升空,美制火箭1953年试飞成功。1967年,美国“土星号”运载火箭可以把载人飞船送人太空。1969年,“阿波罗11号”飞船把人送上月球。
空间科技的另一个取得辉煌成果的领域是人造地球卫星和宇宙飞船技术。
1957年10月4日,苏联成功发射了第一颗人造地球卫星,它标志着空间时代的开始。1961年,苏联又成功发射第一艘载人宇宙飞船。1964年8月19日,美国成功地发射了第一颗地球同步静止轨道通信卫星。
美国阿波罗计划是空间时代第一阶段的主要标志。这一阶段以高投入、高风险谋求技术突破,尚未进入商业发射阶段。20世纪70年代开始进入追求经济利益阶段,主要是侦察地球资源卫星、气象卫星、通信卫星、宇宙空间考察飞船、太空实验室。
1981年,美国成功发射了“哥伦比亚号”航天飞机,实现了宇宙飞船和飞机技术的结合。
 (3)新能源、新材料技术革命。请参阅本书的能量篇、物质篇。
(六)当代科学技术的发展趋势
1.21世纪科技发展的趋势
总体上说有4个特点;
一是新的突破点在收缩、整合中逐渐明朗。
二是科学与技术的突破进一步结合。
三是科学技术突破的应用前景更直接,产业化更迫切。
四是人类探求未知世界的好奇心变得更强.特别是对自身生存状况的关切更富有前瞻性。
2.21世纪科学的谜题
 (1)从物理学角度上说的谜题。20世纪科学留下的最牵动人心的未解之谜是被李政道称为“四大问题”的悬念。
一是理论对称与观察实验不对称。
二是夸克禁闭。
三是暗物质、暗能量问题。
四是类星体。
    (2)从整个科学角度上说的谜题。21世纪牵动人心的科学悬念是以人为中心的科学,或以生命科学为主线的科学。科学家亟待探索的问题是:
一是人的生命怎样延长?
二是人类怎样治愈癌症?怎样预防心血管病?
三是能否创造生命?
四是人是不是宇宙中惟一的高级生命?
五是时间是否可逆(光速是否为极限)?
六是精神世界的本质,即灵魂究竟是什么?
3.21世纪科学的主攻前沿
 (1)计算机科学和人工智能。硅晶体管经过不断细化光刻技术,现在已达到只有1个分子厚度。目前正在研制实用的硅发光二极管、碳纳米管。再一个是生物芯片,即以生物DNA和蛋白质工作原理(用分子序列换位表达信息)为指导,用生物电效应调节分子运动和信息传递,未来有可能修补生物神经并研制真正有人或动物反应能力的机器人,主要解决人机对话、计算机模糊识别、情感化等问题。
 (2)生命科学。主要在以下几个领域:
①蛋白质工程。称为“后基因时代”,又叫蛋白组学,即研究细胞、组织所有蛋白质结构、合成的科学技术。这是功能基因组学的制高点,是2l世纪的人类战略资源,它涉及健康、医药和对生命本质、规律的认识,包括蛋白质结构、功能研究和应用研究。已经发现,只有少量疾病与基因有关,但所有疾病都与蛋白质的异常变动有关,许多病在没有发病之前,蛋白质的变化已经可以测出(如胆固醇升高、白细胞增加),这个领域的进展不亚于19世纪免疫学、微生物学和抗生素的发明。
②干细胞研究。干细胞实际上就是元细胞,是生物体在细胞衰老、更替过程中保留下来的未分化的原始细胞。在必要时,这些细胞可以分化产生新生的各种细胞。干细胞分3种:一是全能干细胞(如胚胎细胞),可分裂成生物个体;二是多能干细胞,具有分化成多种细胞的潜能;三是专能干细胞,只能生成某一类型的细胞。
对人体来说,如果某些器官出现衰竭、坏死,就可以通过移植干细胞而修复,这比器用于修复的人干细胞来自哪里?一是取自健康人体,如骨髓捐献。二是人工培育到胚胎阶段提取,目前正在进行治疗性克隆实验。如人牛细胞融合、人兔细胞融合,在胚胎阶段,它们的干细胞具有人的DNA和RNA,可用于医学治疗。如果这方面的研究可以实顺利,10年内肝病、血液病、糖尿病、老年痴呆、帕金森氏病可以治愈,进一步研究可以实现损伤器官的克隆。
③新药研制开发。人类主要疾病约150种,平均每种病与10个基因有关,每种基因又与3—10种蛋白质相关,那么解决这些疾病治疗的蛋白质药物有3 000~15 000种。
④新农业。可以通过培育新的生物实现高效率的无公害生产。  
⑤微生物工程。.如培育吃垃圾、分解塑料的微生物、海藻生物技术。《商业周刊》预言,2020~2025年将是生物技术时代到来的时间。
 (3)纳米科技。微结构将引发2l世纪工业革命。纳米材料应用可以解决21世纪人类面临的吃穿、环境、健康、人工智能等问题;人类工作时间有望延长10~20年;真正达到人脑思维水平的计算机有望问世。
4.21世纪科技活动的特点
 (1)创新是科技活动的核心和灵魂。1990年,美国管理学家普莱赫德和哈默提出核心竞争力概念,实质上就是企业的创新和再生能力。对一个国家和民族来说,拥有多大的原始创新能力,决定它在经济和科技竞争中的地位和作用。
 (2)集体协作与社会化。大科学中的梯队与社会系统配合协作,不同学科之间的交叉汇流,科研中的团队与接力,都是21世纪科技活动所必需的。
 (3)人才是根本。美国科技最根本的是人才优势,世界博士人才一半以上在美国,从1943年以来,诺贝尔奖获得者一半以上在美国。
 (4)科技战略是关键。包括国家战略、科学与技术战略、产业战略、学科战略、教育与人才战略。
 (5)产业化是动力和基础。各门学科都寻求为生产力发展、为人类的进步提供动力。
 (6)其他。如学科综合交叉进一步发展,许多基础领域更加依赖先进的数学工具。
五、自然科学与人文科学
(一)自然科学的特点
1、自然科学的研究对象
 (1)自然科学的研究对象是自然界。自然界的含义有广义和狭义之分,我们通常所说的自然科学的研究对象,指的是狭义的自然界,即独立于我们人类之外的物质世界。
这些对象大致可分为两类:一类是天然自然界,这是没有经过人的实践改造过的自然界;另一类是人工自然界,如农田、机器、建筑、人工养殖的生物等。医学是以人的生理心理规律作为研究对象的。
自然界总体上可以根据物质系统的尺度大小区分为宇观、宏观和微观3大层次。一般说来,地球尺度以上的为宇观层次,分子及分子尺度以下的为微观层次,中间是宏观层次。每一大层次中间又可以分为很多具体的中间层次和系统,如太阳系、银河系、生物系统、生态系统等。
已知自然界有137亿年以上的演化历史。从可观测宇宙的原始大爆炸开始,经历了宇宙和元素演化、天体演化、地球演化、生命起源与生物进化、人类进化等若干阶段,自然界每一层次的事物都有自己的演化历史,有自己产生、发展、衰老、消亡的历史。
 (2)人工自然在科学研究中的地位。人工自然的范围相当于地球上的文化圈,它是同人类生活关系最密切的自然界,包括人工自然物,如人们原始生产活动、生活所使用的工具;半人工物质系统,如人工种植的农作物、人工森林和受控制的自然环境;全新的人工自然物,指运用现代科学技术手段创制的自然界原来没有的东西。此外还有人工自然的副产品,如人工改造自然产生的各种负效应。
人工自然在现代科学中属于中心地位。因为当代科学价值观的核心是以人为本,强调入与自然的和谐、平衡,其实质是要求人们按自然规律所许可的限度改造自然和创造人工自然调节人类自身的行为。
2.自然科学的活动主体
 (1)科学技术活动主体的基本素质。有以下几种:
①智力素质。要求掌握科学劳动所必须的基础理论和基本技能、方法。这种知识技能的获得可以通过系统培训,也可以通过实践中的自主学习来实现。
②非智力素质。包括科学价值观、科学精神、科学伦理素质。科学精神的核心是求真务实和批判创新,力戒弄虚作假和迷信教条。科学精神还要求科技工作者要勤奋、严谨,锲而不舍,精益求精,持之以恒。
 (2)科学共同体。科学共同体是科学活动主体的社会组织形式。古代就有科学共同体的萌芽,如中国春秋战国时期诸子百家形成的学派。近代科学兴起时,英国成立了皇家学会(1662年)。20世纪40年代,英国化学家波朗依提出“科学共同体”概念。20世纪60年代,美国科学哲学家库恩给“科学共同体”下的定义是“由一些学有专长的实际工作者所组成的,他们由他们所受的教育和训练中的共同因素结合在一起,他们被认为专门探索一些目标也包括培养自己的接班人”。这些共同体有这样一些特点:内部交流比较充分,对专业方面的看法也比较一致。
科学共同体的特点是:学术性、自主性、专业性、认同性。它的作用表现在:
①确定科研目标。包括服务于人类公共知识增长的目标和服务于创造、积累社会 财富的目标。
②制定科学行为规范。如科学论规范,科学价值评议、认定。
③进行科学劳动的分工、分层,如专业分工、工作难度和学术能力分层。
④发挥科学评价和激励作用,如进行成果评价、业绩评价、能力评价等。
科学共同体的具体组织形式主要是学派、学会和学院,学派是以共同的学术经历、学术观点为基础形成的科学共同体,如20世纪初玻尔领导的哥本哈根学派影响了量子力学的创立和发展。学会是具有专业特色的群众团体或研究组织,在我国,学会主要是群众团体;但是像英国皇家学会、美国的史密森学会则是研究组织。
 (3)科学技术组织体制。这是指国家或社会科技活动体系的结构、运作方式和相关制度的总和。在历史和现实中,有代表性的科研体制有自由式、计划型、市场型、公益型4种。自由式是科学家们出于好奇心或热爱科学而从事的自由选题的研究,18世纪英国科学家卡文迪许是典型代表。计划型是国家或地方政府或科研规划机构指定课题,提供经费,统一组织领导下的研究活动,如美国的曼哈顿工程。市场型是主要根据市场需求牵引科研方向、确定科研项目,这通常是应用型科技的有效体制。公益型是由国家基础研发投入或社会公益投入支持的非营利性研究,如公共科技文化服务。目前,实际运行的科研体制大都是混合型的。    科研体制的作用主要是激发科研主体的主动性.优化科技资源配置,促进科技成果价值的实现,有效整合社会科技创造力。
3.自然科学的研究方法和手段
 (1)自然科学研究投入。科学研究是一种复杂劳动,必须要有一定的费用投入,西方发达国家,特别是工业化起步较早的英、法等国,从17世纪工业革命早期就很重视对科研的投入。当今世界科技最发达的美国在研发投入方面也遥遥领先。
 (2)科研仪器设备。最先进的仪器设备如同最先进的生产工具一样是做出重大发现和创新成果的必要手段。
4.科学研究成果特色
自然科学研究的成果是具有创新意义的认识成果,其形式如论文、著作、研究报告、专利,这些成果一般不具有保密性。技术成果或某些应用型研究,因为具有特殊的社会背景,要在一定时间内具有保密性。
科研成果的评价坚持真善美的统一。科学成果的基本价值是真理价值,即科学发现的学术、理论价值,如发现了自然界某个新事物、新规律;开辟了某个新的认识领域。科学理论美的价值是它在理论上和谐,内涵深广而又形式简洁,如同杰出的诗歌、雕刻作品一样,富有折服人的魅力。
 (二)人文科学的特点
人文科学研究的是人的精神世界和社会历史现象的本质和规律。人文科学也可以有狭义和广义两种理解,狭义的人文科学即以文学艺术为主体的研究人的精神世界的科学。广义的人文科学则包括研究人的社会活动构成的社会历史领域的科学,如史学、法学、经济学、哲学,简称文史哲。
 (三)两种科学的分化与融合
1.科学与人文的分化的原因
(1)科学与人文的分化。古代文化中科学与人文是朴素整体的。中国古代经典《尚书》、《周易》,既是对科学知识的总汇,也是对社会历史之道及为人之道的论述,春秋战国时期,老子的《道德经》、《管子》等也是科学与人文的综合。古希腊哲人们的著作,也有类似的特点。到了近代科学以后,科学开始了分门别类的研究,数理化与文史哲的分工日 20世纪中叶,人们对两种文化分化问题有了很多批评意见。比如英国科学家兼作家查里斯·斯诺在《科学的傲慢与偏见》一书中指出,早在19世纪末,英国剑桥大学包括校长在内的学者表示自己从来不同数学家交流,他们也听不懂数学家之间的谈话,整个西方社会精神生活正日益被分裂为两个对立的方面,一方面是文学知识分子,另一方面是科学家,并尤以物理学家最有代表性,双方之间存在着一个相互不理解的鸿沟。
科学与人文分化,既有人类知识自身发展的内在原因,也有社会原因。从科学知识自身发展规律考察,它经历了朴素整体、学科分化、辨证综合3个否定之否定阶段,分化是朴素整体知识的进步与革命。古代或文艺复兴早期那种百科全书式的英雄已经不可能再大量出现,专业化有利于科学家集中精力和才智研究自己擅长的学科。但是,分化不等于对立。科学与人文由分化到对立,更多的是出自社会原因。资本主义工业化兴起后,正是运用先进技术,使个别劳动生产率提高到社会平均劳动生产率以上,才使资本家靠获取超额利润而迅速致富,成为强者,于是社会上形成了对科学和技术的迷信。
 (2)科学理性和技术理性。科学理性指以科学理论、科学规律、科学方法作为人的行为和价值观念准则的文化思潮。技术理性是在技术实践基础上形成的对技术活动规律和价值观念高度肯定和推崇的文化,如重视经验性、实践性、标准化、效率性等价值导向和行为方式,它的极端表现是技术万能论。在西方近代文明中,技术理性有其积极意义。同古代工匠的经验传统不同,技术理性追求在科学指导下精确化、定量化、标准化,这是使西方工业生产得以形成规模化、市场化的重要原因之一。技术理性推崇创新,创新是技术内在发展的要求,一定的技术手段必然在竞争中谋取新的技术目标。
(3)唯科学主义和技术万能论。科学家对科学理性的追求和自信心达到极致时,会淡忘人的社会性本质和情感因素,把自然科学看做是改变世界的新的“上帝”,这就是唯科学主义。20世纪初,科学成为全社会关注的热点问题,英国剑桥大学卡文迪许实验室主任卢瑟福曾经大声吼叫“这是科学英雄时代,这是伊丽莎白的时代!”美国科学家马根脑在《科学英雄与人类》一书中指出,美国两位人类学家在1957年曾对5万名大学生做过一次调查,发现当时的西方青年一代已经把科学家视为无所不能的神明,他们心目中的科学家肩负着人类未来的重任,国家的安危均掌握在他们手中。
所谓技术万能论,是指夸大技术的社会功能,把技术的应用和技术进步当成拯救人类、解决人类面临的一切社会问题的灵药。这种思潮以西方的技术乐观主义者为代表,如著名的“技术浪潮论”认为,每经过一次技术革命,人类社会文明就发生一次巨变。
 (4)对唯科学主义和技术万能论的批判。科学技术不是万能的,人们不妨思考一下“科学不能做什么”?例如,科学不能消灭战争,不能保证人类和平科学不能保证社会公正,不能消除贫富分化;科学不能解决人类的幸福感;科学也不能解决信任和信仰危机,不能保证诚信,不能消除腐败现象。
后现代主义以批判科学理性作为立论的切入点,主张重视人文精神,是后工业社会具有代表性思潮。在价值观念上,他们反对基础主义;在认识论上,他们主张多元论,反对一元论;主张非决定论、非理性主义,反对决定论和理性主义。在自然观方面,他们主张人与自然平等,反对人类中心论。总之,后现代化否定、批判现代化,认为现代化可能造成人类的毁灭。
2.科学与人文的沟通与融合
科学与人文可以实现以下方面的融合。
 (1)精神观念融合。人类认识、利用和改造自然的活动,要做到以人为本,实现人与自然和谐的可持续发展。发展不仅是经济和科学的进步,同时要实现社会公平、公正,人际关系和谐,要以科学发展观指导经济、科技与社会发展。
人生的意义不是只看占有财富多少,不是只有物质享受。首先,人们的物质消费是有限的,而人精神世界的提升是无限的,真正的人生是对真善美的追求。其次,努力创造我们生活的审美内涵,让人生永远有前行的目标,让理想照亮人生的征程。如学习知识、陶冶情操、升华道德。再次,学会创造生活的艺术。如善于调适,容纳不同,尊重他人,尊重自然,处处怀一腔爱心,追求自然的生活,这是审美人生观的灵魂。
 (2)方法的互补。科学方法和艺术方法是互补的。人脑左右半球结构、功能是互补的,一般情况下,左脑负责科学的理性、逻辑思维,右脑负责艺术思维。但在实际思维活动中,特别是在创造思维中,两类方法是交叉运用、相互推动的 
创造性思维的第一阶段要求开放、活跃、自由,这要求人们跳出现有的思维框架,或运用现有知识元素进行新的组织、整合,产生出新知识,要尽可能运用想象、联想、猜测、类比,激发灵感和创造性直觉,直到创新的核心知识出现为止。第二阶段,要运用科学理性思维对初步的创新知识进行检查、加工,同已有的各学科知识建立联系,形成系统化的知识。
 (3)知识、素质的互补与融合。当代科学发展的大趋势是多学科交叉、汇流,新的知识生长点常在不同学科的共有领域或横断面上。在这些新学科中,研究对象既有自然界,又有社会和人。
人文学者要理解科学,具备一定的科学素质。文明的极地包含着两极相通,比如诗歌与数学都要求简中孕繁,一中寓万,以最简洁的语言概括最丰富的内容。著名物理学-家李政道说,科学和艺术是“一个金币的两面”。
科技工作者要具备良好的人文素质,使科学家适应市场经济的复杂变化,保持永不衰竭的进取、创新动力;使科学家学会做人,学会生活,在科学攻关的同时享受健康人生,让科学更好地服务社会,造福于人民;使科学家善于利用艺术思维从事科学创新,把科学作为一种充满审美魅力的游戏。总之,以人为本是当代科学技术的灵魂,又是人文精神的核心。
 (4)建设和谐文化,需要科学和人丈的统一。和谐文化是理性和情感统一的文化。旧观念认为,商场是战场,竞争是你死我活的;和谐观念认为,商场是和谐的生态系统,参与者是共生协作关系,在合作中开发市场,实现共赢。旧观念认为企业是一部机器;新观念认为,企业是大家庭,感情纽带和企业目标把大家团结在一起,共同为社会奉献。旧观念认为,管理是控制,要树立管理者的权威;新观念却认为,管理是服务,要让员工明白自己的发展愿景和创造潜力。旧观念认为,变革是危险而又麻烦的事,新观念却认为,变革是发展的动力,只有应变才能实现可持续发展。
六、科技创新与科学发展观
(一)对传统发展观的反思
1.什么是传统发展观
传统发展观是相对于20世纪80年代提出的可持续发展观来说的,它的基本论点是:
一是发展是应用现代科技手段实现工业化,利用大规模机器生产大量社会财富,实现大众高消费。
二是发展的重点是制造业,是在大量耗费资源和能源基础上的竞争性发展,因而资源和能源的争夺是不可避免的。
三是发展的经济增长过程存在着固有的周期性波动。
四是发展是人对自然的改造,人是自然的主人。人的欲望是无止境的,因而出现“危机”、“末日”是不可避免的。
归结起来,传统发展观受近代机械自然观的影响,忽视了人与自然的统一,把人看成超于自然之外的统治者,把发展看成是人对自然,或一部分人(强者)对另一部分人(弱者)的掠夺,因而这种发展观是片面的、不公正的、不可持续的发展观。
2.对传统发展观的批判
 (1)辩证唯物主义自然观对传统发展观的批判。恩格斯早在1876年就指出:“我们必须时时记住:我们统治自然界,决不像征服者统治异民族一样,决不像站在自然界以外的人一样,相反的,我们连同我们的血肉和头脑都属于自然界,存在于自然界的;我们对于自然界的整个统治,是在于我们比其他一切动物强,能够认识和正确运用自然规律。”所以,“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利,自然界都对我们进行报复。"古代美索不达米亚、希腊、小亚细亚以及其他地区的居民为了得到土地,毁灭了森林,令他们没有想到的是,这些地方今天竟变成了不毛之地。这些片面地改造自然从而遭致自然报复的例子,在现代工业化过程中更充分地暴露了出来。
 (2)自然科学对传统发展观的批判。自组织理论从认识自然界无序到有序的演化规律中,提出了一种“科学发展观”,如普里戈金的耗散结构理论。其主要论点是:
一是自然界不仅存在着,而且在演化着。
二是自然界的演化包含进化和退化两个方向的运动。
三是人与自然的关系不是旁观者,而是参与者。人在观察微观客体的同时也改变了它的运动状态;人在改造自然的同时也干预了自然进程。
对传统发展观进行批判的自然科学新领域还有环境生态科学、生命科学、地球科学等,它们也为科学发展观提供了科学基石。
 (3)经济学对传统发展观的批判。当代西方经济学开始重新研究发展中国家的经济增长问题,提出了“发展不等于增长”,批判了“唯心史观工业化论”、“唯资本理论”,认为发展同时也是社会结构、产业结构的变革过程。为加快发展,他们提出了改革开放、控制人口、发展教育、发挥政府调控作用等对策。
 (4)可持续发展理论对传统发展观的批判。1972年,美国学者米都斯出版了《增长的极限》一书,提出了经济“平衡增长”概念。
1987年,联合国环境与发展会议发表了世界环境宣言,提出“可持续发展”是“既满足当代人需求,又不对后代人满足自身需求的能力造成危害的发展”,是在兼顾人口、资源、环境因素的前提下,主要借助科技进步和提高人的素质所实现的人与自然和谐的发展。1992年在里约热内卢召开的世界环境与发展大会,提出《21世纪议程》,把可持续发展理论推向实践。
可持续发展理论对实现未来人与自然协调发展提出的应对之策是:
一是控制人口增长,提高人口素质。
二是保护土壤、森林、草原、渔场等生命支持系统。
三是有效地开发和利用可再生资源、能源。
四是摒弃浪费型社会,有效地回收和利用材料。
五是改变价值观念,追求以生存、个性发展和生态和谐为基础的社会伦理。
六是从土壤侵蚀、地球基本生物系统的退化、不可再生资源的枯竭等重新定义国家安全。
可持续发展的特点是:从发展观念上看,它是人与社会、自然的协调发展。从发展前景和趋势看,它是保证人类未来发展能力的代际平等公正的发展。从发展模式看,它是以节约自然成本为前提的新型发展。从发展动力看,它是以人的发展为中心,以科技进步为动力的发展,是物质发展和精神世界发展彼此协调的发展。
(二)科技创新与经济增长方式的转变
l科技创新对经济增长的作用
300年来,全球经济发展有逐步加快的趋势。18世纪,世界经济年均增长率约0.5%,19世纪提高到1%,20世纪上半叶约为2.5%,后50年上升到3.4%。
20世纪90年代,美国出现了“新经济”、“知识经济”的概念,实质上就是创新经济,即科技和知识创新是经济增长的原动力,它们对劳动生产率提高的贡献率大致是90%,而经济增长的80%以上是来自劳动生产率的提高。
科技创新是提升产品和企业竞争力的力量,率先应用创新技术的企业,使自己生产的单个产品的个别价值量下降到同行业的平均价值量以下,而产品的使用价值却相同甚至比同行业的其他产品更好,应用创新技术的企业由此获得远高于同行的回报率,使企业做大做强。
在全球市场一体化的情况下,世界市场竞争已经成为国家和地区之间的竞争,自主创新能力强的国家利用自己的科技研发能力和知识产权保护法规,把科技创新价值、品牌价值控制在自己手中,利用发展中国家廉价的劳动力进行跨国生产,从而获取绝大部分的产品利润。当代资本已经不需要通过军事侵略去抢占市场,而是依靠创新的科学技术作为扩张手段,争夺的重点不是自然资源,而是创新资源,尤其是创新人才。
2.增长方式的转变趋势
 (1)由粗放型增长向集约型增长转变。我国传统经济增长方式基本上是粗放型增长,靠高投入、高积累支撑经济高速增长,忽视节能降耗、保护环境,忽视降低成本、提高质量。重视产值量的增长,不注意品种开发和技术升级。
归结起来,粗放型增长的特征是两高两低,即高消耗、高投入、低产出、低质量。
集约型增长即资本、技术、知识密集型增长。当代集约型增长是指在不增加有形资源和资本投入的前提下,主要依靠技术要素和知识要素密集提高单位资本和资源产出的增长方式。如企业通过内涵改造,提高技术水平,改造生产工艺,提高产品的知识技术含量实现的增长。以农业为例,同样的土地,如果改造成高科技农业,用生物工程、蛋白质工程技术进行信息化生产,单位土地产出可以增长数十倍甚至上百倍。
 (2)由物本型增长向人本化增长转变。物本型增长重视有形资源的占有和建设,重视经济规模、产值提升,忽视自主创新能力和人的素质提升。从社会生产载体来说,要从硬件生产转向知识和软件生产。所谓知识经济,就是以知识的传播、创新为内容,以知识和人作为增长动力的经济。其特点是:
一是资产投入无形化。知识是经济增长中最关键的因素,也是经济增长的主要源泉,要在不增加甚至减少有形资源耗费的情况下,依靠技术创新和人员素质提升实现增长。
二是创新是灵魂。   
三是知识生产集约化。高科技产业和服务产业是知识经济的支柱产业。经济管理、经济决策、价值观念导向更趋向于人本化。人是发展的动力,又是发展的目的和归宿。
 (3)由片面的经济增长向经济与社会全面发展转变。经济发展可持续化,不仅可以解决经济增长同人口、资源、环境的矛盾,而且创造了新的需求,在经济发展中提升了人的素质和社会文明水平。
总的说来,知识经济是一种以信息化、网络化为基础的经济,是创新型、智力支撑型经济,是科技、经济、社会全面协调发展,人与自然和谐的经济。
 (三)科技进步与社会和谐
1.建设创新型国家
 (1)创新型国家的概念。指科技发展战略在国家发展中起主导作用,创新指标领先于其他国家,国家对科技投入率占GDP 2%以上;对外科技依存度在30%以下;科学技术对经济社会发展贡献率高,特色突出。
 (2)我国建设创新型国家的战略步骤。实施的国家创新系统建设计划分为3步走,到2020年基本达到创新型国家目标。
①建设国家技术系统阶段。我国从1998年进入了这一阶段。其标志是确立了市场化目标,推动了企业制度现代化,启动了科教兴国战略。到2010年计划建成国家技术创新体系,自主创新能力将有很大提高,主要产业领域技术水平达到或接近发达国家水平。
②国家科技创新系统阶段。2000~2015年为这一阶段,将启动国家知识创新工程、国家中长期科技发展规划。建设的标志是国家基础科学和知识创新能力有明显提升,信息产业及服务业在经济中的比重有明显提高。
③国家知识创新系统阶段。到2020年我国将实现创新型国家,2050年将全面实现科学技术现代化,主流科技领域达到国际领先水平。
2.贯彻科学发展观,建设和谐社会
党中央提出,到2020年实现和谐社会目标同创新型国家目标、全面小康目标的统一。实现这一目标的重要举措:一是促进经济与社会协调发展,为和谐社会提供坚实的物质基础;二是完善促进公平正义的体制建设;三是加强思想文化建设;四要加强社会管理,主要增强社:会团结和活力。
和谐社会目标的基本要求是民主法治、公平正义、诚信友爱、充满活力、安定有序、人与自然和谐。
公平正义,就是要促进城乡、区域之间缩小差距,实现协调发展;要用先进科学技术加快农业和农村现代化,实施开发中西部的战略;要坚持教育优先发展,促进教育公平,大力提倡科教兴国、人才强国,建设现代国民教育体系和终身教育体系,加强对农村公共教育和中西部地区教育的扶持力度。
充满活力,就要积极推进创新型国家建设,增强全社会的创新活力,尊重劳动、尊重知识、尊重人才、尊重创新,使社会的创造能量充分释放,创造成果不断涌现,创业活动蓬勃开展。
实现人与自然和谐,就要加强环境保护治理,实现经济社会发展与人口、资源环境相协调,为此要运用现代科技和科学决策,首先解决严重危害群众利益的环境污染问题,治理不科学的生产手段、生活方式,加快建设资源节约型、环境友好型社会。特别要加快环境科技建设,完善相关政策,强化企业和公众责任意识;加强环境的技术监督、执法检查;
加强全民科普教育,普及科学自然观,学会科学生活、健康生活、和谐生活。
 
 
一、力 与 热
 (一)物质与运动
1.物质概念的形成与发展
远在古代,人们就知道自然界是由物质构成的,虽然也有人否认这一点,但科学家却从不怀疑这一点,我们的日常生活经验也告诉我们:自然界是物质的。
公元前6世纪,古希腊哲学家泰勒斯第一次提出世界的物质本原或基始是水。
公元前6世纪的希腊学者阿那克西曼德认为世界的本原是“无限”,这个永恒的始祖分化出冷和热,从中产生出火焰的球,当这个球分裂为圆环时,太阳、月亮、星辰便从中产生了。稍后的希腊学者阿克西米尼猜测空气是物质的本原,大地是由空气的压缩产生的。赫拉克利特断言,火产生了一切,一切又复归于火。万物或者是由火的稀薄化而形成的,或者是由火的浓缩而形成的。最初,火的最浓缩的部分浓缩起来形成土,土被火融解时产生出水,当水蒸发时就产生了空气。
公元前5世纪,希腊人对自然界本原的思考产生了一次飞跃,他们猜测物质是由某种不可见的、不可再分的基始——原子构成的。“原子”在古希腊文字的构成方式上就是由词根“切割”加上一个否定的词头构成的,意为“不可分割”。德谟克利特说,宇宙的本原是原子和虚空。原子在大小和数目上是无限的,它们处在宇宙漩涡运动中,因而形成火、水、土、气等各种复合物,这些东西都是由某些原子集合而成的。但原子本身很坚固,是不能破坏也不能改变的。
公元前4~前3世纪,亚里士多德用经验观察、归纳推理和直觉猜测相结合,认识并试图揭示自然界物质运动的原因。他说:“自然已被我们定义为‘运动和变化的本原’,这是人们研究的主题。”他认为物质的运动分为“自然运动”和“非自然运动”。自然运动不需要人为的外力推动,如重物的下落;而非自然运动则必须有外力推动,如果外力不再继续推动,物体就会归于静止。宇宙由若干转动的天体层组成,处于最外层的是恒星球层,它本身是不动的.可以认为是“原动天”或“第一推动者”,它们统率着一切天球和整个宇宙。
17世纪,意大利科学家伽利略第一次用实验和数学相结合的方法,澄清了从古希腊到中世纪一直被奉为“权威”的一些力学原理,奠定了经典力学中物质机械运动的一些基本原理。
2.质点、参考系和坐标系
为了便于对物体的平移运动进行定量研究,我们可以首先忽略物体的大小和形状,把它们抽象为一个点,这个点就成为只有质量而没有体积的几何点,称为质点。当然,这样的点在现实生活中是没有的,而且,任何物体的运动也并不只有平移运动。比如,一个运动员沿着跑道赛跑,他的动作是很复杂的,手脚快节奏交替摆动,躯干和身体的其他部分也在剧烈运动,但他的运动成绩的好坏,却又取决于他的身体重心沿跑道运动速度的大小。地球在绕太阳运行时,并不是平移运动,而是一面自转一面沿公转轨道运动,像一个斜立着陀螺,每昼夜自转1周,大约每365.25天公转1周。由于地球自身大小相对于太阳系的大小来说是微不足道的。我们在研究地球与太阳的相对运动时就可以把地球看成一个质点。类似地,在铁轨上运动的火车,高速飞行的子弹、炮弹,都可以看做质点。
物体的运动都是相对的,如果没有一定的参照物,我们有时根本无法对运动的物体进行观察测量。
原则上说,描述一个物体的运动,参考系可以任意选择。同一个运动状态,对不同参考系而言,描述的结果是不同的。如果从匀速运动中的飞机上空投一个物体,从飞机上的观察者看来,空投物几乎是竖直下落的;但在地面上的人看来,空投物是沿抛物线下落的。在实际研究物体的运动中,我们总是选择最有利于观察和描述的参考系来描述物体运动。如我们描述地球表面物体的运动,通常假定地球是静止不动的,这就是地球参考系。
把参考系用几何形象描述出来,就是坐标系。描述直线运动,用带有箭头的直线(一维坐标系)就可以了。描述平面或立体空间运动就必须用二维或三维坐标系。运动状态更为复杂的物质运动,可以用高于三维的n维坐标系描述。
3.位置、位移和路程,矢量和标量
质点(物体)在坐标系中所处的空间坐标,称为它的位置。如果有GPS定位系统,那么在某一时刻物体在地球表面的任何一点,它的位置(坐标)都可以精确地确定。这对于我们实时掌握观察对象的运动状态是十分重要的。其次我们还要掌握物体相对它的最初位置直线距离是多少,即物体先后两个坐标量的差,称为位移。位移是有方向性的量,如前进或后退、上升或下降,如果以某一方向的位移取正值,相反方向的位移则取负值。这一类既有数量又具有方向特征的力学量称为矢量。力学中,速度、加速度、力等都是矢量。
质点在一定时间内运动的路程则是没有方向性的量,如红军长征从江西革命根据地出发,沿途迂回,总的行程超过1.2万千米.这是按经过路线的总长度汁算的。描述物质运动状态的这一类只有大小而没有方向的量叫标量。体积、密度、温度等物理量就是标量。
4.速度和速率
田径运动员参加比赛、军用飞机在空中你追我赶的较量,是什么决定他们的胜负呢?是他们运动的快慢,即单位时间内位移的大小决定的。位移与所用时间的比值称为速度。单位是米/秒、厘米/秒或千米川、时,分别读作米每秒、厘米每秒、千米每小时。速度是矢量,描述物体运动的速度不仅要考虑大小,同时要考虑方向。
我们通常说一位参加百米竞赛的短跑运动员,他的成绩是10秒,他的速度是10米每秒,这是指他跑完全程的速度的平均值。物体运动的位移与所用时间相比的平均值,叫平均速度。运动员在每一时刻、每一时段的速度是不同的,若每一时刻选取极小的时间间隔,与该时刻极小位移的比值,称为瞬时速度。在具体运算瞬时速度时,可以用微分的方法求得。
在日常生活中,我们往往把瞬时速度和平均速度混淆在一起,其实两者是不同的。
当我们说火车从南京到上海用了3个小时,时速约120千米,这指火车在这段约300千米的行程中运行的平均速度。当我们说,铁路提速后,火车最高时速达200千米,这指的是瞬时速度。美国著名物理学家费因曼说过一个笑话:一位女士由于开车超速而被警察拦住,警察走过来对她说:“太太,您刚才的车速是60英里每小时。”(1英里=1.609千米)这位女士不解地说:“不可能啊!我才开了7分钟,怎么可能走了60英里呢?”这位女士显然没有弄明白瞬时速度的含义。
瞬时速度也是有方向的,是用矢量描述的。速度的大小只用速度的数值表示,称为速率,速率只有大小而没有方向。
5.变速运动和加速度
物体在运动过程中,如果每一时刻的瞬时速度都相等,这样的运动称为匀速直线运动。实际的物体运动,运动的速度大小和方向大都是变化的,这样的运动称为变速运动。
做曲线运动的物体,即便是它们的速率保持不变(如匀速圆周运动),但运动的方向是变化的。这一类运动也是变速运动。
为了描述物体运动速度变化的快慢,人们引入了加速度的概念。加速度是速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值,单位是米/秒2,读作米每秒二次方或米每秒平方。
加速度的大小不仅取决于速度的增加或减小的值,而月-取决于发生这种变化的时间长短。枪弹或炮弹在射击的一瞬间(约0.005秒),其速度可以从0加速到250~300米每秒,它的加速度比起飞中的飞机大多了。
加速度是有方向的,它是矢量。在直线运动中,如果速度增大,加速度的方向与速度方向相同,为正值(如起飞中的飞机)。如果物体速度减小,加速度的方向与速度方向相反,加速度为负值(如降落后滑行的飞机)。
人处在一个做变速运动的系统中,他可以感觉到物体的运动。如一辆公共汽车猛然加速向前行驶,原来静止的乘客瞬间获得了一个向后运动的加速度,一不留神,身子就会后倒,甚至会摔倒,这种感觉就像被人往后推了一下或拉了一下。可见,物体运动产生加速度是同受力有关的。
(二)力和运动的关系
1.力的概念的产生
16世纪,为了揭示力与运动之间关系的规律,伽利略设计了一个实验;让光滑的小球沿着斜面滚动。小球沿着斜面运动所受到的下滑力是引力(即重力)沿着斜面的分量,它的大小在整个沿斜面运动过程中是相同的。经过测量,伽利略发现,不论小球的重量大小怎样,它们沿同一斜面下滑在相同时间内下滑运动的距离相同,在单位时间内速度的变化也是相同的。由此可以推知,一切物体不论其重量大小如何,它们自由下落中相同时间内经过的距离是相等的,距离和坠落时间的平方成正比,或者说自由落体的速度随时间均匀增加。这个定律叫自由落体定律,表述为:
    h  gt2
式中的人是自由落体下落的距离,g是重力加速度(g=9.8米/秒2),t是下落的时间。
伽利略已经认识到,地球表面的物体从高处下落的原因是它们受到地球的引力。在17世纪初,还有其他一些科学家用不同的实验研究了物体受力和机械运动的关系,如英国科学家胡克研究了物体的弹性形变和弹性力的关系,甚至声称自己发现了物体引力大小与质量和距离关系的平方反比定律。综合这些实验现象,人们得出结论:
力是物体与物体之间的相互作用,是使物体运动状态发生变化或产生形变的原因。
力的大小可以用测量仪器(如弹簧测力计)来测量。在国际单位制中,力的最常用单位是牛顿,简称牛。
力是矢量,它不但有大小,而且有方向。同样大小的力,作用的方向不同,产生的效果大不一样。可以用几何图示的方法研究力,通常用一个带箭头的线段表示,线的长短(用单位表示单位力)表示力的大小,箭头的方向表示力的方向。箭头的尾部是力的作用点,线段所在直线叫力的作用线。这种用图表示力的方法叫力的图示法。图示法可以把一个物体所受到的多种力之间的关系形象地描绘出来。
2.常见的几种力
 (1)重力。处在地球表面的物体都要受到地球引力的作用,这种受到地球吸引而使物体受到的力叫做重力。重力表现为物体的重量,它决定于物体质量的大小和重力加速度:
    G=mg
式中的G是重力,m表示物体的质量,g是重力加速度。在地球表面,同一地点的重力加速度是不变的。但在不同地点或同一地点距地面不同高度,由于到地心的距离不同,g的值也是不同的。通常我们取地球表面的平均值g=9.8米/秒2,方向竖直向下。
当一个物体体积比较大的时候,我们可以设想物体的重力集中于一点,叫物体的重心。对于质量均匀且形状规则的物体,它们的重心就是它们的几何中心,如均匀球体的球心,均匀圆柱体的轴心中点,正立方体的中心等:质量分布不均匀的物体,重心的位置取决于物体的形状和质量分布状况,如载重汽车的重心集中在装载物多而重的部位。如果物体质量分布很有规律,精确求解重心可以用积分方法。
 (2)弹力。物体因弹性形变而产生的恢复力叫弹力。弹簧测力计、弹性拉力健身器对作用于它的物体产生的接触力就是弹力。
如果物体在力的作用下形状或体积发生了改变,称为形变。有的物体发生形变后能自行恢复原状,这一类形变称为弹性形变,如打足了气的皮球、弹簧等发生的形变是弹性形变。还有许多物体受力后也会发生弹性形变,只是从外观上看上去不那么明显,像火车沿着铁轨运行时,铁轨、车轮都会发生弹性形变。  
弹力的大小可以用弹簧测力计测量。l?世纪英国科学家胡克最先发现物体弹性形变与弹力之间成正关系的弹性定律:
F=kx
上式中的F是弹性力,k是物体或材料的弹性系数(或劲度系数),x是弹簧伸长(或压缩)的长度。是的单位是牛顿每米,它的大小取决于弹簧的倔劲程度。这个规律又叫 胡克定律。
 (3)摩擦力。我们生活的世界充满了摩擦力。人走路要克服地面的摩擦力和空气的摩擦力;沿地面拉车、推重物也要克服地面对车子和其他重物的摩擦力,似乎摩擦力对人总是有害的。但仔细想一想,如果没有摩擦力,世界会变得怎样?那时候麻烦更大了,一定会达到“寸步难行”的地步。因此,摩擦力又是人类的“朋友”。
当两个物体相互接触并发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫摩擦力。
之所以会产生摩擦力,原因之一是,物体的表面总是凹凸不平的,这些不平的面相互咬合,就会阻碍运动。原因之二是,当物体表面十分光滑或有液体充填后,接触面之间的分子引力变得重要了,这时摩擦力主要来自分子之间的引力。摩擦力分为静摩擦力和运动摩擦力。当两个物体仅有发生相对运动的趋势而并未发生实际运动时,即物体之间仍保持相对静止时,它们之间产生的摩擦力为静摩擦力。静摩擦力的方向总是沿着接触面并和物体的运动趋势方向相反。当我们推一个物体要让它做向前运动时,推力逐渐加大,静摩擦力也随之增大。当物体即将运动前的那一刻,推力和静摩擦力同时达到最大值。一旦开始做相对运动之后,摩擦力反而会有所减少,这时的摩擦力叫运动摩擦力。
运动摩擦力的大小为:
FμFn
式中的Fn,,称为正压力,是压在支撑面上的重物对支撑面产生的垂直于支撑面的力。μ是摩擦系数,μ的大小取决于接触面的光滑程度、质材的性质以及是否有液体润滑剂等因素。
古代劳动人民已知道在搬运重物时尽量减小摩擦力,如在修建皇宫、陵墓等需要运送大块石料时,可以在隆冬季节沿途泼水让道路结冰,以减少摩擦阻力。减小摩擦力的另一种办法是在重物下面放上滚木,这时物体之间的摩擦力称为滚动摩擦力,滚动摩擦力一般只有运动摩擦力的若千分之一。行李箱都要在下面装上轮子,当我们要携带行李箱出行时,只需拉出拉杆,让轮子接触地面滚动,这时顿感轻松许多。
3.自然界的4种基本作用力
自然界的力,就其产生的根源和最基本的作用原理而言,可以归结为4种。
第一种力是万有引力,简称引力,它是宇宙中一切物质之间都存在的相互吸引的作用力,也是影响宇宙结构最重要的一种力。万有引力的大小与相互作用物体的质量成正比,与物质重心之间的距离成反比:
    F=gm1m2/r2
式中的m1、m2分别为相互作用的两个物体的质量,r是它们之间的距离,g是万有引力常数。这个公式称为万有引力定律。
最早发现万有引力定律的是17世纪英国大科学家牛顿。1665~1666年,伦敦发生大瘟疫,牛顿离开剑桥大学回到自己家乡,在乡间农舍的阁楼上布置了一间简陋的实验室,夜以继日地从事观察实验和数学计算。传说他从观察苹果落地想到万有引力,这不是没有道理的。开普勒同他的前辈学者吉尔伯特等人,把天体之间的引力看做是磁力。牛顿认为,月亮绕地球运动、行星绕太阳运动的力同苹果落地的力性质一样。这种吸引作用就像我们用绳子系一块石头让它以我们的手为圆心运动一样,引力代替了绳子的拉力。
万有引力的作用范围很广,一直延伸到无穷宇宙可观测范围的边缘。这种作用范围很广的力叫长程力。
第二种力是电磁力。1750年,英国剑桥大学的米歇尔发现了磁力与距离平方成反比的定律。1785~1789年间,法国人库伦用扭秤对此做了精确的验证。
18~19世纪,实验电磁学有了更快发展,物理学家建立了运动电荷力和磁力之间的相互作用、相互转化规律,电磁力最终被认为是同一种力,它也是一种长程力。分子与原子之间的作用,都来源于其内部的电磁力。摩擦力、弹性力都来源于物体分子与原子之间的电磁作用力。
自然界另外两种基本相互作用力是强相互作用力和弱相互作用力。
20世纪,物理学家发现原子核是由若干带正荷的质子和不带电的中子构成。带正电的质子之间存在斥力,这种斥力比它们之间的万有引力大得多,似乎质子与质子团聚在一起是不可能的。一定有一种新的强大的相互作用力存在,使得原子紧密地结合在一起,这种作用力称为强相互作用力。这种力是一种短程力,当距离增大时,强相互作用力急剧减小,它的作用范围为10 -15厘米,这相当于原子核大小,超出这个界限,强相互作用力实际上已经不存在了;
19世纪末20世纪初,物理学家还发现,有些原子核不稳定,能自发地放出射线,这种现象称为放射现象。深入研究发现,在放射现象中起作用的还有另一种基本的相互作用,称为弱相互作用。从作用力的强度讲,它只有强相互作用力的l0-12,作用范围也很小,是一种短程力。
自然界为什么只有上述4种作用力?还有没有其他的基本作用力?这些都是未来科学的“谜题”,有待人们去解开。此外,还有一个相反的问题:自然界的4种基本相互作用是不是某种更基本的统一相互作用在不同条件下的表现?它们在宇宙诞生的极早期会不会是一种“统一力”?这是当代物理学的前沿之一,即相互作用力的“大统一问题”。
这是现代科学一直在追踪思考和不懈探究的问题,虽然还没有解决,但科学家坚信:和谐、统一肯定是自然界的最本质特征之一。
科学研究还证明,自然界力的作用也同力的本质一样是带有根本性的问题的。17~18世纪的科学家大都相信万有引力必须通过某种介质才能相互传递,他们假定这种介质叫“以太”,它充满于宇宙空间中。到20世纪物理学革命中,“以太”说被否定了。物质间的相互作用也不是毫无中介的“超距作用”,而是以相应的力场作为中介发生作用的。
同4种基本相互作用相联系的力场分别是:万有引力场、电磁场、强相互作用场、弱相互作用场。
4.力的合成与分解
 (1)力的合成。当一个物体同时受到几个力的作用时,它的运动状态取决于几个力的合力。所谓合力即它产生的效果与原来的几个力相同。原来的几个力叫该合力的分力。例如,一列运动中的火车既受到发动机和机车的牵引力,也受到重力、铁轨的支撑力、摩擦阻力,有时还受到空气流动形成的风力的作用。
力是有方向的物理量,力相加减时不能简单运用算术中的四则运算法则,必须遵守矢量加法法则。同一平面中的作用力相加可以使用平行四边形法则:用两个分力分别作为平行四边形的两条边,作出该平行四边形的对角线,即为两分力的合力或合成力,如图1。如果有两个以上的力相加,可以先求出任何两个力的合力,再用合力与第三个力相加,依此类推,直到所有分力都被合成为止。
 (2)力的分解。如果要研究一个力在不同方向上的作用,就要分别求出该力在各个方向上的分量,这个操作运算叫力的分解。力的分解方法是力的合成的逆向操作运算,即以合力为平行四边形的对角线,分别沿分解方向投影,作为平行四边形的两条边,则这两条边就是合力在该方向的分力。

F2

 
 
力和运动关系的规律在牛顿力学中得到了系统的表述。

 

合力

 
 
F1
 
F(合力)
 
 

 

 
 
 
 
 

(三)牛顿和他的经典力学原理
1.牛顿第一定律——惯性定律
物体在不受外力作用而改变它的运动状态的情况下,都保持静止或匀速直线运动状态,这个定律叫牛顿第一定律。
物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,叫物体的惯性。因此,牛顿第一定律又叫惯性定律。
物体的惯性大小怎样量度呢?日常生活经验告诉我们,物体的质量愈大,要改变它的运动状态愈困难。要推动一辆人力车或让它停下来,是比较容易的,因为它的质量比较小。但要推动一辆汽车或让行驶中的汽车停下来,就比较困难了。启动或阻止一列火车则是更困难的事。由此我们得出结论:描述物体惯性的物理量是它的质量。质量是标量,单位是千克(或克),符号是kg(或g)。
 2.牛顿第二定律
物体运动加速度的大小与作用力成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与作用力的方向相同。通常用公式表示:
    F=kma
式中的F指物体所受的合力,m是物体的质量,a是物体运动加速度,A是比例系数。在使用相同单位制的情况下,k=l。
怎样确定力和运动的单位和单位制呢?
我们选取k=1,当m=1千克时,假定该物体受到的作用力使它获得了1米每秒平方的加速度,即a=1米/秒2时,F=1千克·l米/秒2=1(千克·米)/秒2,我们把这个力叫“一个单位的力”,物理学家把这个单位力叫1牛顿。即1牛顿=1(千克·米)/秒2,用符号N表示。
这样的单位制叫国际单位制。国际单位制规定长度、质量、时间为基本量,以米、千克、秒为基本单位,其他单位都是导出单位。
3.牛顿第三定律
力是物体与物体之间的相互作用,它们总是成对出现的:物体的重量压在桌面上产生压力,桌面产生支撑力(弹力)。我们用手拉弹簧,弹簧发生形变,弹簧受到拉力的同时,人手也受到弹簧的位力。
当一个物体A对另一个物体B施加作用力时,物体B一定同时对物体A施加反作用力。牛顿第三定律指出,两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。
(四)功与能量
1.动量与能量
在牛顿及其以后的力学中,一直存在着关于运动量度与运动源泉的争论。从数量上看,力是单位时间内动量的变化。牛顿力学认为,动量是运动的量度。动量是物体质量与运动速度的乘积:
P
式中的户是物体的动量,m是物体的质量,Y/是物体运动的速度。这样的认识同我们的直观经验是一致的。一个物体,如果它的质量越大,运动速度越大,则它具有的运动量也越大。两辆高速行驶的汽车如果迎面相撞,所造成的损伤和破坏一定是很严重的,因为双方都具有很大的动量,短时间内可以产生巨大的冲击力。
牛顿定义,力是单位时间内动量的变化,假定质量m不变,那么相互作用力为:
F=m△μ/△t
式中的F是作用力,△μ是△t(时间内速度的变化。两辆迎面相撞的汽车,在不到2秒的时间内,速度由20米每秒减小到o,再加上,n的数值又比较大,相互作用力可以达到惊人的程度。
 2.功
16世纪,科学家都把力看做是运动的原因,当时,莱布尼茨、拉格朗日都把mt2这个物理量叫“活力”。而力又可以通过它完成的功来量度。
什么是功?如果物体在力的作用下沿着力的方向上发生了位移,我们就说该力对物体做了功。用公式表示:
W=FL
可见,对物体做功必须有两个基本因素:一是要对物体施力;二是要使物体在力的方向上发生位置移动。例如,一个人提着重物上楼,就要克服重力做功。如果重物只是在水平方向上发生位移,那么他只是克服摩擦力使用水平拉力做了功,竖直方向的力则没有做功。一般情况下,如果力与位移方向的夹角为o.那么做功公式为:
W=FL
这就是说,力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角余弦三者的乘积。
功是标量。在国际单位制中,用焦耳作为量度单位,符号是J。l焦耳的功等于1牛顿的力在力的方向上移动1米所做的功,即1牛顿·米。
如果力的方向和物体运动方向相反,如在行驶中的车辆刹车时阻力所做的功怎样计算呢?这时=180°,=一l,所以W是负值。这时,我们说阻力对物体做了负功。
若力的方向和物体位移垂直=90°, =0,力对物体做功等于0。
3.功率
功率这个概念我们经常要用到。比如某个电站的输出功率是多少?某种型号家用电器的标准功率是多少?某型汽车发动机的功率是多少?我们用单位时间内做功的多少衡量一个物体的做功能力或做功快慢,称为功率,用P表示:
    P=W/t
在国际单位制中,功率的单位是瓦特(简称瓦),符号是W,1瓦特=1焦耳/秒。
也就是说,如果一个物体在单位时间(1秒)内对外做功为l焦耳,那么它的功率就是1瓦特。瓦特这个单位比较小,常用千瓦(kW)作为功率单位,1千瓦=1000瓦。还有一个常用的功率单位是马力,1马力=735瓦=0.735千瓦。
工程技术中机械的功率又分为额定功率和实际功率。额定功率是机械在正常条件下可以长时间工作输出的最大功率,实际功率往往小于这个数值,例如某个汽车发动机的额定功率为97千瓦,但在高速公路上正常行驶时,实际功率只有20千瓦左右。在特殊情况下,如爬坡、越过沟坎,司机可以增大供油量使实际输出功率大于额定功率,但这只能是短时间内的无奈之举,这样做对发动机是有损害的。
把功率与功的关系的公式稍做变化,可以求出功率和物体运动速度之间的关系:
P=F
式中的是物体运动的线速度。从上式可以看出,一个力对物体做功的功率,等于该力与受力物体运动速度的乘积。对于火车、汽车、拖拉机、起重机等机械,在输出功率一定的情况下,牵引力和运动速度成反比。若要增大牵引力,必须降低速度。当火车、汽车爬坡时牵引力要大,速度就要放慢。拖拉机在做牵引或耕地时,速度比较慢,但牵引力却比较大。起重机推起或拉起重物的速度比较缓慢,但它的“臂力”却是惊人的。
4.重力势能
举世闻名的长江三峡水电站,通过建设三峡大坝拦蓄江水,使大坝上下水位差达到186米。当巨大水流倾泻而下时,推动水轮发电机组运转产生强大的电流。这种电能似乎是不要耗费其他能源而自然获得的,其实,它只是利用位势的落差使一种能量转化为另一种能量而已。
处在较高处的物体,当它下落时,重力必然要做功。根据力做功的计算方法,功w等于力与路程的乘积。假定一个重量(重力)为mg的物体下落的高度(路程)为h,那么在这段路程里,重力做功:
W=mgh
若物体所在的起点和终点的高度分别为h1、h2,那么:
    W=mg(h1-h2)
可以看出,物体运动时,重力对它做的功只与它的起点和终点的位置有关,而与物体运动的路径无关。mgh是仅与物体位置有关的物理量,它标示重力做功的能力,我们称其为重力势能,用Ep表示:
Ep=mgh
一个物体所具有的重力势能等于物体的重量与它所处相对高度的乘积。
重力势能是物体凭借其位势的相对高度而具备的潜在做功能力。要选择一个好的水力发电站坝址,从物理的角度考虑,有两个基本因素:一是江河水流量的大小。它决定单位时间内流经大坝(或水轮机)水的重量。二是水流落差。它决定大坝建成后的可能高度,即上下水位的落差人。
5.弹性势能
发生弹性形变的物体也具有潜在的做功能力,如上了发条的钟表或玩具,拉长的弹簧等,这些物体都发生了弹性形变,它们内部的各部分之间有弹力相互作用,一旦释放出来,也有做功能力。这种由于弹力相互作用而具有的势能叫弹性势能。
当弹簧没有发生形变时,它的弹性势能为o。若弹簧发生形变,即弹簧被压缩或拉长的距离为L,根据胡克定律:弹性力:
F=KL
式中的K是弹性系数,当拉长或压缩的距离不大时,K可以看成是个常数,这时物体弹性势能大小可以近似地等于在这段距离内外力克服弹力所做的功:
Ec=W=KL2
要做精确运算时,K值是随着形变增加的,这时要用积分方法求解。
6.动能
当一个质量为m的物体从人高度下落到地面,重力做的功为W=凡=,nJA。在这个过程中,势能并没有消失,假如在下落过程中不考虑空气阻力的影响,那么当物体到达地面时,它的速度是υ,这时,势能为0,它全部转化成了物体运动的能EK
    EKMυ2=mgh
从上面的公式,我们很容易求出物体从高处下落的速度υ
用这个公式,我们可以算出三峡大坝的水流下落时可以达到的速度,它只与落差h有关,g值在地球的一定地点是个常数,动能是标量,它的单位和力相同,用焦耳作为标准单位。
弹性势能也可以与动能相互转化。我们注意观察运动员在弹簧蹦床上的表演,在每次下落和弹起的运动中,运动员只要适当用自己肌肉的力量给弹跳运动做一点能量补偿,那么由于弹簧能把受力形变获取的弹性势能通过恢复形状的运动转化为动能,运动员可以在弹力作用下轻松地跳到原来的高度,甚至更高。可见,在外力压缩弹簧做功时,被压缩的弹簧具有势能,当弹簧恢复原来的形状时,就能把接触它的物体弹出去。在这一过程中,弹力做正功,弹簧的势能转化为物体运动的动能。
7.机械能守恒定律
从上面的几个案例我们可以看出,势能和动能是物体在机械运动中所具有的两种不同形式的能。在重物下落运动中,通过重力做功,重物因高度所具有的势能转化为动能,如果让物体沿光滑轨道运动,像游乐场中的过山车那样,当它滑到最低点,速度达到最大,势能在这里全部转化为动能。当物体沿光滑面继续向前、向上运动时,速度逐渐变慢,当到达最高点时,动能又全部转化成了势能。游乐场中的过山车是依靠强大电力推动的,所以它可以一直保持很高的速度。如果没有电能补充能量,在不考虑摩擦力的情况下,动能与势能的总和是保持不变的。
我们同样可以说明,在仅有弹力做功的物体系统内,动能和弹性势能也可以互相转化,总的机械能保持不变。
在18世纪末至19世纪初,物理学家从观察实验和数学计算得出了机械能守恒定律:在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能保持不变,这个原理叫机械能守恒定律。它是力学中的一条重要定律。普遍的能量守恒定律是自然界物质运动都必须遵守的规律,它在自然科学各个领域中都是成立的。
(五)热与热力学定律
1.热与人类
人类很早就注意到,热只能由热的物体向冷的物体转递,火只能由燃烧的物体来点燃,或者要花费很大的力气用摩擦、钻木头的方法才能生出来。从来没有见过生冷的食物自动煮熟、变热,或热量会自动地从低温物体传向高温物体,正像射出的箭不会回头,地球不会倒转一样。
热对人类是非常有用的,它是生命的源泉。学会用火,是人类学会制造、使用石器之后的又一伟大发明。没有火,古人类就不可能经受住冰河时期气候变冷的严峻考验。寻求热源和利用热源,是人类文明进步的巨大动力之一。迄今人类开发和利用所有热源,从根本上说有两个来源:一个是太阳燃烧发出的光和热,另一个是地球放射性物质中的核能。
燃烧的能源一旦把自己的热量释放出去,就不会再自动聚集起来,就连被看做是“永恒的星球”的太阳,总有一天会燃尽的。这种能量的耗散表明,在能源利用过程中,能量从一种形式转变成另一种形式,尽管热能数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用变成难以利用。因此,自然界的总能量是守恒的,但在利用中要尽量节省。热能的转化和耗散从热运动的角度反映出自然界宏观过程的方向性,人类对热的利用要受到这种方向性的制约。对自然界热源的开发利用提高了人类调节、控制自然的能力,但这种开发利用又是有条件、有代价的,无偿使用的热源是没有的。
2.热的量度和热的本质
 (1)热的本质。热的本质是什么?曾经是17~18世纪科学家争论很久的问题。17世纪几位著名科学家如伽利略、波义耳、胡克、惠更斯等人都认为,热是组成物质的微粒子(后来知道是分子和原子)的运动。很多生活经验证明,运动可以生热,但是,18世纪也有一些对热学发展做出了重要贡献的科学家把热看成是一种特殊的物质,叫热素或热质,主张这种观点的有英国人布莱克等。与热质说相联系的是对可燃物质燃烧过程原理的错误解释——燃素说。
1789年,德国科学家伦福德在慕尼黑兵工厂监造炮筒时吃惊地发现,在钻头和炮管摩擦时产生出极大的热量,而钝钻头能比锐利钻头产生更多的热量,但切削的物质反而更少,这和热质说的断言相反。因为根据热质说,锐利钻头应当有效地切削炮筒的金属,并从中放出更多的与金属结合的热质。但伦福德发现,一只简直不能切削的钝钻头,竟能在2小时45分钟内使日千克左右的水达到沸腾。他认为这么多的热,只能是由机械运动产生的,他断言“热是运动的一种形式”。这种观点称为“热之唯动说”,简称热动说。
热动说在一开始并没有为人们广泛接受,因为这实际上是对机械论物质观和运动观的沉重打击。后来,英国科学家戴维用更有说服力的实验证明,单纯的机械运动可以转化为热。他设计在真空中让一只钟表机件使两块冰相互摩擦,外界没有提供任何热源,整个实验中仪器始终保持在冰点,结果冰逐渐融化了。冰融化所需要的热不可能从别的物体得到,只能证明“热是一种特殊的运动”,他猜想可能是物体内众多粒子的一种振动。
 (2)热的量度和温度。物体的热状态通常用温度的高低来描述。温度是表示物体冷热程度的物理量。要测量温度,必须确定一定的温标,就像量度物体的机械运动必须确定坐标系一样。温标是计量温度的标尺。同样的冷热状态在不同温度标中的测量的数值是不同的。确定温标主要是如何确定零点。
①摄氏温标。把1个大气压的冰水混合的冰点温度确定为。摄氏度,把1个大气压下水沸腾的温度定为100摄氏度,分别记作0~C和100~C,中间分为100等份,每等份为1摄氏度。这是我们最常用的摄氏温标,用℃表示。
②华氏温标。规{在1个大气压下水的冰点为32华氏度,水的沸点为212华氏度,中间分为180等份,每等份代表l华氏度,用’F表示。欧洲目前仍有不少人用华氏温标计温。它同摄氏温标的换算关系是:
 
③开氏温标。又称热力学温标、绝对温标,它所测量的温度称为热力学温度,是建立在热力学定律基础上的理想温标,它是英国物理学家开尔文在19世纪创立的,被1927年第七届国际计量大会采纳作为最基本的温标,记作K。经1960年第十一届国际计量大会科学确定标准,它的零点是绝对零度(零K),即-273.16℃,这是宇宙最低温度。
④国际实用温标。1927年由第七届国际计量大会决定采用开氏温标的等值作为国际温标。中间经过多次修改,现在工业生产和科学实验中均采用1968年10月国际计量委员会的规定:国际实用温标所测定的温度可以接近热力学温度。
从温度本质上说,物体或物体系统所具有的温度是处在不同热平衡状态下的物体必然拥有的共同物理性质,或者说,温度是表征物体热平衡态性质的物理量。
 (3)热平衡定律。什么是热平衡呢?在外界条件不变的情况下,物质系统的宏观状态保持不变,这种情况称为热平衡。如把一定的气体注入容器中,若外界温度维持恒定,气体在容器内会扩散到各处温度和压强均匀的状态,即热平衡态。但我们所说的热平衡只是系统从宏观上看不出任何物理或化学变化;从微观上看,气体的原子、分子仍在不停地运动中,因此,这种平衡又叫热动平衡。当物体处于热动平衡状态,温度才达到处处相等,温度是衡量热平衡态的标志性物理量。
实验证明,如果两个物体同时和第三个物体处于热平衡,那么这两个物体彼此间也必然热平衡。这个结论叫热平衡定律。热平衡定律是温度测量的基础。
 (4)热量和比热。根据对热的本质的科学认识,所谓热量,是物体内因温度变化而产生的热能转移。
热量用卡路里作为量度单位,简称卡。在实验中,1克纯水温度升高1°C所吸收的热量为1卡。在不同温度下,同样1克水的温度升高l°C所吸收的热量会稍有不同,但也都近似地等于l卡,1卡/(克·摄氏度)即称为水的比热。比热是单位物质温度升高或降低1°C所吸收或放出的热量。不同物质的比热是不同的,同一种物质(特别是气体)的比热又与加热时的条件有关,如与温度高低、压强大小、体积是否变化等有关。同一种物质处在不同物态下比热不同。如水结成冰,它的比热就减小了一半。由于卡和克等度量单位较小,工程技术中用千卡/(克·摄氏度)量度比热。
 (5)热的传递方式。不同温度的物体之间通过热传递实现热平衡。热传递的方式主要有3种:
一是热传导方式。通过温度不同的物体的接触,它们的分子、原子之间发生碰撞,高温物体的分子、原子运动速度较高,当它们和低温物体的分子、原子碰撞时,就把一部分能量传给了低温物体的分子、原子,最后达到热平衡。在固体物质中,这种传递方式最重要。
二是对流传递方式。液体或气体中较热的部分和较冷的部分之间通过循环流动相互掺和,使温度趋于均匀,这是液体或气体中热传递的主要方式。烧开水时如果在冷水中加入一点热水,可以促进对流,水烧开就会快一些。
三是热辐射传递方式。物体因自身温度向外发射能量。热实际上是一种电磁波,不论物体冷热程度如何,周围有没有介质传送,辐射传热都是可以发生作用的。物体的温度越高,辐射越强。辐射波波长的分布与温度有关,温度较低的物体可能不以可见光的形式辐射,而主要以不可见的红外辐射为主。温度500'C以上的物体,可见光辐射或紫外线辐射就变得重要了。
 3.热力学第一定律
    在任何一个热力学过程中,系统所吸收的热量等于系统内能的增加与对外做功之 和,这个结论叫热力学第一定律。用公式表示:
    Q=△U+W
上式中,Q为系统吸收的热量,AU为系统内能的增加,w为系统对外做功。
这个定律实际上就是能量守恒和转换定律在热力学中的表现。物体或任何热力学系统在受热时,等于从外界获取了一定能量。这个能量一部分用于增加系统的内能,表现为系统温度提高,另一部分用于对外做功。这就告诉我们,工程技术上的任何热机(或发动机)不论它们设计多么精巧,也必须有外界能量来源才能做功。它或者消耗燃料,把 自然界储存的生物能、太阳能、化学能释放出来,或者直接利用太阳能及其他转化形式的能,如水力能、风能、潮汐能等。没有任何热能来源的所谓“永动机”是造不出来的。
在科学史上,五花八门的“永动机”设计曾经骗了不少人,而且至今还有人在提出改头换面的专利申请。19世纪,美国人基利用隐藏在地下的高压气体装置表演“用1夸脱(约1升)水使一列火车从费城开到纽约”的永动机发明,并在20年时间里到处宣传、骗取投资,先后有十多名工程师和投资者上当,投入数十万美元的资金供基利“开发”他的项目。但一直到他在1898年死去为止,基利没有拿出一点有实效的发明。他死后,一位投资人为弄清真相,租下基利当初的表演场地,对他的表演设施做了彻底检查,终于发现了他弄虚作假的“秘密装置”。
4.热力学第二定律
根据大量实验和生产、生活经验,人们发现:自然界的能量是有方向性的,它们自然运动背后的方向是由谁操纵的呢?
热只能从高温物体自动传到低温物体,却不能自动从低温物体流向高温物体。
摩擦时机械能可以全部转变为热,而热却不能百分之百转变为做功(机械能)。
气体或液体扩散时可以自动扩散到空间中每一个角落,却不能自动回到原来的状况。
这些自然规律现象都表明:自然界的自发运动是有方向性的。热力学第二定律正是揭示了这一基本规律:在有限空间和时间内,一切和热有关的物理、化学过程的发生发展具有不可逆性。可以具体表述为:热量总是从高温物体传到低温物体,不能做相反的传递而不引起其他变化;功可以全部转化为热,但任何热机都不能全部地、连续不断地把所有热量转变为功。
自发过程的方向性,是同热力学系统微观上的有序程度相联系的。我们注意到,自发的自然过程总是从组织程度较高的状态向组织程度较低的状态转化,而相反的变化却不能自动发生。这是为什么?
5.熵
从系统内部看,熵是热力学系统分子、原子混乱无序程度的量度。说到混乱无序,人们自然会联想到乱七八糟。但是,系统在微观上最混乱无序的状态恰恰是密度、温度各处均匀,而这种热力学状态,是宏观上的一致性。比如,当一滴墨水滴入一杯清水,刚开始分布是极不均匀的,有的地方墨分子密度大,有的地方则较小,这种不均匀是某种有序性或组织性。在一个容器的下方对容器中的气体加热,容器中的气体温度产生不均匀,这是该热力学系统温度分布的有序性。在上述两种情况下,我们都无法谈论系统的熵是多少,因为整个系统根本不处于一个统一的热力学状态。可以认为,系统的熵值愈大,它的无序程度越高。
6.熵与宇宙热寂说
1865年,克劳修斯在机械运动中功转化为热、热量从高温物体传向低温物体等这些自发过程的不可逆性进行思考的基础上,独立地总结出热力学第二定律的表述方式。他把能自发发生变化的过程称为正转化,把不能自发发生的转化叫做负转化。他发现,正转化可以单独出现,而负转化发生时,一定要伴随着一个相应的正转化,或者说负转化的出现要以正转化作为补偿。克劳修斯在论述热力学第二定律时说:“按照我的提法,第二定律所说明的事实是,自然界中出现的一切变换,都是在我所谓的‘正’的意义之下自行出现的,即得不到补偿的;但是,它们在反面的或‘负’的意义之下出现的惟一方式就是有同时出现的正变换对之进行补偿。”
那么这种连环作用的结果必然是:在宇宙中的正转化越来越多,最后正转化将占绝对优势。克劳修斯由此得出一个似乎颇为严密的推理:“上面已经说过,在宇宙中进行的无穷多样的变化遵守一个规则,方向相反的变化并不是以等量出现,而总是在一个确定的方向上有差别,使正的转化超过负的。由此推理,宇宙的状态一定逐渐地越来越向一定的方向变化。”
照此推下去,宇宙最后的状态会是怎么样呢?  
第一,宇宙的离散度不断增加。英国天文学家爱丁顿认为,随着时间的流逝,宇宙中所有的实物都会转化为辐射,整个世界就像一个逐渐扩大的无线电波球,大约每过15亿年这个球的直径就扩大1倍,它的体积永远按几何级数增加。一句话,宇宙最后变成巨大的无线电辐射场。
第二,所有机械运动都转化为热运动。由于恒星和星系在燃烧中使越来越多的机械运动转化为热运动,而热运动转化为机械运动的数量则比较少,所以宇宙变化中不可逆的趋势是机械运动越来越少,热运动越来越多,最后,宇宙中所有其他运动都没有了,只有热运动。
第三,热量停止传递。虽然潜在的热还在,但热的传播、流动消失了,由热推动的运动也将不复存在,最终全宇宙达到热平衡,犹如一潭死水,没有源头,没有去处,甚至也没有波浪和涟漪。
克劳修斯以很简明的结论表述了他对“宇宙末日”的看法:宇宙将坚持不变地趋向终极状态。
1929年,英国物理学家琼斯写的《环绕我们的宇宙》一书,把热力学第二定律看做宇宙能量“贬值”的定律。能量被逐级贬值,宇宙的热寂是宇宙生命的终结,是宇宙遗骸的坟墓。这听起来的确有点令人毛骨悚然,不寒而栗。
热寂说是错误的,这不仅可以从自然界运动转化无限多样性的哲学思考中得以澄清,也可以从现代科学的大量观测、实验事实中得到证明。首先,从立论的前提而言,热力学第二定律是对孤立、封闭的物理系统才成立的,而宇宙能不能看做是孤立封闭系统则是未知的。其次,克劳修斯在19世纪认识到热和机械运动的转化形式,宇宙中还可能有其他未知的转化形式使散发到太空中的热重新集结起来,转化为可以燃烧的新的恒星。再次,20世纪末,新的天文观测成果在可测宇宙的边缘拍摄到正在生成中的恒星和猛烈喷发能量的天体,证明恒星和星系有可能“死灰复燃”。
如果系统是开放的,系统和外界有物质和信息的交换,信息可以看成是负熵,我们可以把热力学第二定律做这样的推广:熵的变化分为两项,△eS表示系统和外界交换的熵,它可以是正值,也可以是负值;△i S表示系统内部的熵,这一部分仍然服从热力学第二定律,它是单向增加的,只能取正值。推扩了的熵定律表示系统总熵AS的变化规律:
△S=△eS十△iS
只要△eS为负值而且它绝对值大于△iS,那么系统的总熵△S还是负值,表明开放系统可以向熵减小的方向演变。
7.热功当量
热可以转变为功(如热机做功),功也可以转化为热(如摩擦生热),这实际上是两种不同形式能量之间的相互转化。它们之间的相互转化遵循什么样的量值关系呢?1843年,英国科学家焦耳通过实验方法确定了热功之间的等当量值关系。他把一个盛水的容器置于绝热的密闭空间内,让重物通过滑轮带动水中的叶片,当重物做功时,通过叶片搅动水产生摩擦作用转化为热,测出水温的升高,可以求出它所吸收的热与重物做功的关系。设重物的机械功为w,水吸收的摩擦热为Q,那么:
    W=J.Q
式中的J是一个与物质无关的普适常数,叫热功当量。经过现代科学家进一步用先进手段测定、修正,现在公认J的数值是:J=4.1858×107尔格/卡=4.1858焦耳/卡。
1卡的热能如果全部转化为功,可以做4.185 8焦耳的功。在实际运算中,为了方便,可以近似取J值为4.18焦耳/卡。
8.热力学第三定律
19世纪末20世纪初,低温物理和它的技术应用变得愈来愈重要了。如冶金工业、航空工业、冷冻技术需要大量制造液态的氧、氢、二氧化碳和氮等,物理学开始寻求降低气体温度的途径。当气体做绝缘膨胀运动时,由于它消耗自身的内能对外做功,气体的温度会显著下降。让气体连续地做这种运动,温度最终会下降到它的液化点以下,这时气体会凝结成液态。空气是由不同气体混合成的,不同成分的液化点不同,这样就可以逐步从空气中分离出它的各种成分。实际上气体的液化点都在oK以上,如空气在1个大气压下81K时就可以被液化。还有一些金属与合金在超低温下显现出一些特殊的性质,如电阻突然消失了。因此,科学家对低温技术不断创新、改进,试图人工制造更低的超低温度;20世纪50年代,用绝热去磁技术已经可以实现绝对零度以上百万分之一度的最低温度,但还是无法达到oK的温度,天文学家观测宇宙背景空间,那里的温度很低,但也在2K以上。
1912年,德国物理学家能斯脱经过对低温现象多年的理论和实践研究,得出一条定理:当温度趋向于绝对零度时,热力学系统的熵趋于一个固定的极值,这与其他物理性质无关。或者换一种说法:绝对零度是不可能达到的。这个定律成为热力学第三定律。
热力学第三定律揭示了自然界物质热力学运动共同的具有普适性的客观规律。它同热力学第一定律、第二定律一样是大量实验的结果。
二、电磁与光
(一)电的发现与初步使用
1.电的发现
19世纪以前,人类对电的认识是初步的。主要标志是:有关电的知识是零星的、不系统的,没有形成电学专门理论,认识的电现象主要是静电现象。
静电现象的发现始于古代。16世纪,吉尔伯特等通过实验手段研究了一些静电现象,发现了同种电荷相排斥、不同种电荷相吸引的性质,还发现了电力和磁力是不同性质的力。磁力只对天然磁石和铁起作用,并使它们朝着特定的方向;电力则能作用于许多材料,并且没有一定的方向。这些关于电磁现象的记载、描述是经验性的,没有揭示出电磁现象的本质和规律。
18世纪初,关于电现象的研究依然没有获得重大突破。1731年,英国人格雷发现了导体和绝缘体的区别。1734年,法国人杜菲明确提出电荷有两种,并阐明异性电荷相互吸引、同性电荷相互排斥的规律。1745年,荷兰莱顿大学的两位教师发明了最早的蓄电池——莱顿瓶。
科学家对电流的发现始于一次偶然的生物电效应。1786年,意大利鲍隆大学医学教授伽伐尼在做解剖青蛙的实验时偶然发现,挂在阳台铁栏杆上的蛙腿,虽然已经离开了蛙的活体,但每当悬挂它的铜钩与铁栏杆接触时蛙腿就自动收缩一下;如果把接触的铁片换成银片,则收缩效果更明显。伽伐尼认为这是一种生物电现象,当两种不同的金属接触时,电冲动通过生物神经传递给肌肉,使之产生收缩效应。这是最早对电流的研究报告。
1752年,美国科学家富兰克林在下雨时用打湿了的风筝线把雷雨云层中的电荷引到地面上的莱顿瓶里进行研究,证实他早先的一种猜想:天上的闪电和起电器的火花是相同的,它们产生相同的效应——闪光和声音,能通过导体,甚至能熔解金属,杀死生物。
他把电荷区分为正电和负电,猜想它们是一种没有重量的流体。必须指出,富兰克林做这种实验是迫于当时没有电学实验研究设施,不得不冒险从自然雷电中获取电荷,这样的危险做法现在是被禁止的。
 2.电荷与电荷守恒定律、电场强度
由于早期对电本质的认识还不够深入,就把电和物质一样看做是附在物质上的东西,因而叫电荷,把显示出电荷相互作用(斥力或吸引力)的物体叫带电体,后来就把带电体本身也叫电荷。如导体中的自由电子,就叫自由电荷。如果电荷集中在一点上,或带电体的体积大小可以不考虑,这样的电荷叫点电荷。
物体带电的多少用电量来量度,单位是库仑。实验表明,电子的电荷是最小的单位,一切带电体的电荷都是电子电荷的整数倍。
电荷之间的相互作用通过电场作为中介,任何电荷周围均有电场存在,处在电场中的电荷均会受到电场力的作用。同一电荷在电场中受力大小决定于它所在位置的电场强度,电场强度是表征电场强弱的物理量。电场强度是矢量,它的方向指向正电荷在该点受力的方向。电场强度用E表示,单位为伏特/米。
电(电荷)是一种物质形态,它不会凭空消失或创生,因而它遵守电荷守恒定律。电荷守恒定律同物质不灭定律、能量守恒和转化定律一样,是自然科学中普遍成立的基本定律之一。在一个不与外界发生电荷交换的孤立系统中,所有正负电荷的代数和保持不变。例如,在摩擦起电中,原来是中性的物体(玻璃棒和丝绸,塑料棒和毛皮)通过相互摩擦,一方带了正电,另一方就带等量的负电。当等量的正负电荷相遇时,会发生湮灭而转化为光子。在这个转化中,物质(包括粒子和场)能量、电荷是守恒的。
3.电子电荷的测定——密立根实验
怎样精密测定电子电荷的值?美国物理学家密立根1910~1917年在芝加哥任教期间,用油滴实验解决了这个问题。当带电的油滴以喷雾形式悬浮在电场中时,可以调节电场强度E的大小,使重力和电场力处于平衡状态,此时可以从油滴所受电场力的大小判定它所携带电荷的多少。测量结果发现,所有油滴上的电荷均为某一最小电量(单位为C)的整数倍。C=1.6×10-19库仑。
(二)电与磁的相互转化
电和磁从根本上说是统一的。19世纪,当物理学认识到电与磁相互转化的规律性时,电磁学的理论体系很快就建立起来了,人类的电气时代真正到来。
1.库仑定律
1785年,法国学者、工程师库仑记述了他用自己发明的扭秤测定电荷之间相互作用力的实验。在扭秤上系着带电体(或磁体),在另一带电体的排斥(或吸引)作用下扭秤发生旋转。当电力和扭转力平衡时,可以根据扭秤旋转的角度确定扭转力的大小。设相互作用的两个电荷的电量分别是Q1和g2,两电荷之间的距离为r,两点电荷之间的作用力为:
F=qlq2εr2   
公式中ε称为介电常数,与电荷所处的介质有关。在真空中ε=1,在空气中ε也可以近似地看做是1。同性电荷之间的相互作用力为斥力,异性电荷之间的作用力为吸引力。这个定律称为库仑定律,又称平方反比定律。国际单位用库仑作为电量的单位,规定电子的电荷为1.6×10-19库仑。
在库仑之前,英国著名科学家卡文迪许大约在1771年已经发现电荷相互作用的平方反比定律并写下了有关论文。但卡文迪许生前淡泊名利,所做出的研究成果从不公开发表。
2.电流磁场的发现——奥斯特实验
1820年,丹麦科学家奥斯特用伽伐尼电池做了“电对磁针冲击效应的实验”,当他把连接在伽伐尼电池正负极上的电线两端接通时,电线上产生一个冲击电流,这时,位于导线附近的磁针明显地发生了偏转。当时奥斯特还没有电磁场这样的概念,他猜想:根据上述实验,电冲击看来不限于导线,而且在导线周围还有相当大的活动范围。此外,根据观察他断言,电冲击使导线周围形成了“涡流”。用现代物理学的语言表述,奥斯特实验显示电流周围存在着磁场,这是电与磁相互转化的第一个有力证据。
3.毕奥—萨伐尔定律和安培定律
电流周围的磁场大小怎样量度呢?1820年,法国物理学家毕奥和萨伐尔通过实验总结出一个定律。就电路中的一个电流段址来说,在距离其r某一点场强H可以用下面的公式计算出来:
公式中的I为电流强度、是址与r之间的夹角。磁场的方向用右手螺旋法则确立:用右手握住导线,让大拇指与四指垂直,大拇指指向电流方向,四指指的方向即为环形磁场的方向。
与毕奥、萨伐尔几乎在同一年,法国的一位中学教师安培在听取了阿拉果在法国科学院做的一次关于奥斯特实验的演讲以后,自己进行了这一类实验,并发表了关于环形电流(比如螺旋线管)磁场强度和电流关系的定则。
当环绕电线的螺旋线管通电时,它会变得和磁铁一样富有磁性。用右手握住线管,四指指向电流环绕的方向,垂直于四指的拇指指向磁北极方向,这个判定法则称为安培定律。安培还对电流磁场的形成原因做了解释,他设想每一个分子都有自己的电流,由于分子内电子的公转和自转,分子电流就像一个个很小的通电线圈那样。如果物质的分子有规则地排列,它所显示的宏观效果就如同磁体一样。因而,磁的本质就是电流或电荷的运动。
安培还从实验中发现了电流之间的相互作用力,当两根导线平行放置并分别通有电流时,根据电流方向的相同或相反,导线分别具有相互吸引或排斥的力。安培把这个力叫电动力,以后的物理学中称这个力为安培力,两根导线之所以相互作用,是因为它们分别处在对方产生的磁场中。
在一般情况下,通电导线在磁场中也会受到作用力。这个力/的大小与磁场强度月、电流强度/之间的关系是:
f=0.1lBsina
a为电流与磁方向之间的夹角。当电流与磁场垂直时(a=90°),作用力为最大。系数0.1是由所选取的单位决定的常数。上式中J用安培做单位,B用高斯做单位。
4.电磁感应、楞次定则
奥斯特实验、毕奥—萨伐尔定律、安培定律都是对电流磁效的研究,表明运动的电荷即电流都会产生磁场。19世纪科学家根据事物对称关系的思维方法,自然想到磁场也能产生电流。问题是怎样通过实验证明这一点呢?当时英国科学家戴维、沃拉斯顿等人都有这方面的研究,但没有成功。1830年前后,法拉第决定找出电流在磁场中运动,电磁相互作用的规律和原理。他设计的实验很巧妙,设法让通电导线在磁极周围运动、运动中的电流形成回路。这样,通电线圈在磁场中持续受力作用,就会绕着磁极转动,这个实验设计是人类最早的电动机雏形。
1831年9月,法拉第把两组线圈绕在同一个软铁上,当用伏打电池在其中一个线圈中接通电流时,在另一个线圈中也瞬间产生了电流,他反复进行多次实验,总结出电磁感应定律:当导体线圈在静磁场中运动时,由于通过线圈磁感应强度的变化,线圈中将有感应电流产生。在一般情况下,通过闭合回路的磁通量发生变化,将会产生感应电动势,电动势就是其他形式能量转化的电磁能在导体中形成的电势差(电压)。一旦电路闭合,就会产生电流。
怎样确定感应电动势的方向呢?1834年,俄国科学家楞次提出楞次定律,感应电流的方向是使它能产生的磁场与引起感应的原有磁场方向相反。也就是说,感应电流的磁场总是产生一种补偿效应以阻止原磁场发生的变化。这实际上表明,电磁现象也遵循能量守恒和转换定律。
    判断通电导体在外磁场受力(或运动)的方向可以简便地使用左手定则:伸开左手,
使拇指与其余四指垂直并和手掌不在同一平面内,设想让手掌放入磁场中让磁力线穿过
手心,当四指指向电流运动方向时,拇指所指的方向就是磁场对电流作用力的方向。左
手定则又叫电机定则。
    确定运动线圈在磁场中感应电动势的方向通常使用右手定则:伸开右手,使拇指和
其余四指垂直并和手掌在同一平面内,设想把右手放入磁场中,让磁力线从手心进入.使
拇指指向导体运动的方向,这时其余四指所指的方向即是感应电动势(或感应电流)的方
向。右手定则又叫发电机定则。
5.电荷在磁场中的运动,洛伦兹力
    1892年,荷兰物理学家洛伦兹运用电磁理论推导出磁场对运动电荷的作用力规律。
洛伦兹运用自己创立的电子论论证,运动中的带电粒子(电子、质子或其他离子)其效果
也和电流一样。但在导体中,实际运动的电荷载体是自由电子,电子带负电,负电荷在电
场中总是沿着与电压相反的方向运动,即从低电位向高电位运动。而自从经典电磁学建
立以来,科学家一直习惯于把电流的运动看做是正电荷的移动,这是不符合实际的。
    当运动电荷进入电磁场中时,它受到的力可以分为两部分:一部分是电场对运动电
荷的作用力,它等于电荷的电量和电场强度的乘积,对于正电荷,作用力的方向和电场强
度相同(电场强度正由高电位指向低电位,或由正电荷指向负电荷)。另一部分是磁场
对运动电荷的作用力,它和电荷的电量、磁感应强度及两者之间夹角的正弦成正比,方向
用左手定则确定,这个力称为洛伦兹力。
    在均匀磁场中,粒子受到的磁场力是一个与运动方向垂直的力,这个力一定使粒子
做匀速圆周运动。这就是粒子回旋加速器的工作原理。
6.电路的串联和并联
    电流按其强度和方向是否发生周期性变化,可以分为直流电和交流电。方向不随时
间变化的电流称为直流电。其中大小、方向都不随时间变化的又称为稳衡电流。如于电
池、蓄电池正负极电压在短时间内保持恒定,当它用恒定电阻接人时,电流的大小和方向
可看做是不变的。大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交流电。一般交流发电机
发出的电流是按正弦规律变化的,每秒钟变化50次,即交流电的频率为50赫兹。
    电流的大小用电流强度来量度。电流强度指单位时间内通过导体截面的电量。如果1秒钟内通过导体截面的电量为l库仑,此时的电流强度称为1安培。1安培:1库仑/秒。
用导线把电源和各种用电装置(电阻、电容、电感等)连接起来,就组成电路。连接方式有两类:
一是串联电路,把电路元件逐个顺次连接。串联电路中各处的电流强度相等。
二是并联电路,把电路元件并列接到电路上两点之间,由于它们两端电压相等,因而并联电路的特点是并列电器处在相同的电压下。
如我们日常使用交流电路,电器生产时要求额定电压(如220伏),所以都采用并联方式。即使有一个电器损坏,分电路不通了,其他用电器也没有任何影响。串联电路则不然,一旦有一处电路阻断,则整个电路就不通了。
7.欧姆定律
各种用电装置的主要参数有电阻、电容、电感。
电阻是物质材料阻碍电流通过的物理性质,用一定电压下电流强度的大小来量度。
不同物质的电阻相差很大,金属物质,特别是铜、铝、铁等电阻很小,适合做导线。绝缘体电阻最大,最好的绝缘电阻可看做无穷大。半导体的电阻介于两者之间,但半导体电阻和温度变化有关。对于一定物质材料做成的导体,电阻大小与长度成正比,与截面积成反比。电阻用欧姆做量度单位。
电容是表征导体带电引起本身电势变化的物理量。这犹如水库的容量,容量越大,注入同样多的水引起水位上升越小,导体电容大小是其本身固有的性质,它取决于极板面积、材料、距离和中间介质材料。就具体量度而言,电容用电量与电势的比值量度:
   C
式中,Q的单位是库仑,V的单位是伏特,c的单位是法拉。法拉这个单位很大,一般用它的10-6为单位,叫微法拉。
电感是电路中或电路附近电流强度变化而引发感应电动势的现象,因本身电流变化引发的感应叫自感,因近处其他电路电流变化引发的感应叫互感。具有电感的电路一般有线圈绕组,当电流变化时产生相应的磁场,根据电磁感应原理,变化的磁场又引起感应电动势。电感用亨利做单位,当电路中电流的变化率为l安培/秒,引发的感应电动势为1伏特,此时电器的电感是l亨利。
1827年,欧姆根据实验提出了表述电路中最基本的物理量电压、电流、电阻三者之间关系的基本规律——欧姆定律。对于部分电路而言,它的电流强度J等于两端电压V与电阻R的比值:
I
式中,I、y、R的单位分别是安培、伏特、欧姆。
对于整个电路(全电路),还要考虑电源自身的内电阻,全电路欧姆定律表述为:
I
式中,E为电源的电动势,及和r分别是电路的外电阻和电源的内电阻。
8.电流的热效应、焦耳—楞次定律
1840~1842年,焦耳和楞次分别对电流的热效应进行实验研究。焦耳的实验对确立能量转化和守恒定律是很重要的关键性实验,因而在科学发展史上具有重要意义。焦耳测量了电流通过电阻发出的热,发现在一定时间内电阻发出的热量与电阻大小成正比,与电路中电流的平方成正比,当通电时间t长时,热量与电阻成正比。这个结论叫焦耳定律。
Q=0.24I2Rt
    公式中的系数o.24是由所使用的计量单位决定的。当I、R、t分别使用安培、欧姆、秒做单位时,Q的单位是卡。
焦耳在1841年公布了自己的发现,楞次得知这一消息后,继续检验自己的仪器,澄清了对焦耳定律的怀疑意见,于1842年公布了同样的结论。
(三)电磁波   
1.麦克斯韦电磁场理论
19世纪初,法拉第等人的实验研究为经典电磁学的建立奠定了基础,但关于电与磁相互作用的机制问题,他们并没有从理论上达到统一。为了弥补自己理论和数学上的不足,法拉第借用一些比较直观的模型来表述理论问题,比如他认为电荷和磁极是通过自己发出的力线相互作用的。力线密度越大表明作用强度越大,于是就有了磁力线、电力线、磁通量等概念。实际上,电磁场学说建立后,力线只是一种想象的模型。
1858年,英国科学家麦克斯韦研究了法拉第关于力线的论文后撰写了《论法拉第力线》,认为力线理沦作为电磁相互作用的定性表述,形象易懂,但却不够精确。1860—1862年,他在《论物理的力线》一文中把电磁相互作用、相互转化的3个关键实验结果——库仑定律、奥斯特实验及安培定律、法拉第实验及电磁感应定律概括为3个微分方程。但他认为,前人的理论对处理电和磁的相互转化还没有充分体现对称性。他设想,任何电介质中磁场的变化也会引起相应的电流,这种电流叫“位移电流”。因而,有可能建立第四方程,表示磁场变化可能引起空间电场的变化。他所建立的方程组叫麦克斯韦电磁场方程,在统一使用单位制时,要使方程平衡,必须有一个常数C,它等于光在真空中的速度。也就是说,麦克斯韦从理论上证明了变化的电磁场是以光的速度运动的波。
2.电磁波的实验发现
1883年,爱尔兰物理学家菲茨杰拉德根据麦克斯韦理论做了一个推理,如果电磁相互作用以波动的形式传播,那么在莱顿瓶放电时就可以产生电磁波。怎样测得电磁波?
1886年,德国波恩大学教授赫兹设计了一个装置,利用波的共振原理接收一个振荡器所发生的电磁波。1888年,赫兹公布子自己反复试验的结果,以无可辩驳的事实证明了麦克斯韦的预言。
麦克斯韦电磁学理论刚提出的时候,很少有人能理解他的方程组。这一方面是因为物理学作为实验的印象在人们头脑中影响很深,麦克斯韦为了追求方程的对称性引入当时并不存在的“位移电流”,会让人产生疑虑。另一方面,电磁波当时还没有被发现,理论走在了实验的前面,这是很惊人的。麦克斯韦理论,既为经典电磁学做了完美的综合和理论抽象,又为通向现代物理革命构筑了桥梁。牛顿力学时代至此宣告结束。
3.爱因斯坦和相对论革命
 (1)狭义相对论的建立。1946年,即在爱因斯坦67岁这一年,他应出版公司写了一篇《自述》,简要回顾了自己的科学思想发展历程。他说:“法拉第—麦克斯韦的电力学,使物理学家们在长期犹豫不决之后,终于逐渐放弃了把全部物理学建立在牛顿力学之上的信念。因为这一理论及赫兹实验对它的证实表明:存在着这样一种电磁现象,它们按其本性不同于任何有重物质,它们是在空虚空间里由电磁‘场’组成的波。”换言之,牛顿力学是描述宏观低速物体机械运动规律的力学体系,而电磁波是以光的速度传播的高速运动,是遵守狭义相对论力学原理的。
牛顿力学认为,有绝对的时间空间,物体相对于绝对时空的运动是绝对运动,相对于其他参照系的运动则是相对运动。但在爱因斯坦看来,所有参照系都是等价的,一切运动都是相对的。
狭义相对性原理是指物理定律在一切惯性系中普遍成立,经过这样的发展,使它的范围扩大了,不仅适用于力学定律。而且适用于电磁学定律、光学定律和其他一切物理定律。
 (2)时间空间的相对性。
①同时的相对性。设想当一列火车停在车站时,它的中间正上方P点有一道闪电发出。这时处在车尾部的观察者A和处在车头处的观察者B距离P恰好相等,两人将同时看到闪电的光信号。如果火车以很高的速度匀速前进,当P点发出的光信号到达时火车已经前进到A:、B1的位置,此时PBl>PAl,A观察者必然先于B观察者看到光信号。原本同时的事件现在明显地不再同时了。
②时间的延缓效应。由于光速在真空中运动速度的不变性和有限性,观察者必须借助光信号判定时间和空间,这样,处在不同惯性系中的观察者所看到的时间,其“节奏”有可能不再同步,即运动惯性系中的时钟走得较慢。这种状况称为时间延缓效应,或钟慢效应。
③空间距离的相对性。在相对论看来,距离的长度与坐标系的运动状态有关。运动的速度越快,测量的长度越短,当运动速度接近光速时,长度接近于零。这就是“尺缩效应”。
④质量与运动的关系。质能等当原理。运用狭义相对论的变换关系,可以得出任何具有质量为M的物体,都具有能量E,它们之间的关系是:
E=mc2
即使当物体处于静止时,即它的运动速度为0,也有一个对应的能量E0=m0c2 (四)光的本质和应用
1.近代科学前期对光的认识——几何光学
光是指能引起视觉的电磁波。这一部分电磁波波长的范围在0.??(红光)~0.39微米(紫光)之间。物理学中定义1埃(A)=10—”微米,所以我们通常也说可见光的波长在7 700~3 900埃之间。
但在电磁波没有被发现前,对光的研究就开始了,当时人们对光的电磁本质还没有认识到,只能把光看成是直线传播的微粒流或机械小球,这一时期光学主要是几何光学,主要研究光的构成几反射,折射等规律。
(1)光源。指能发出可见光的发光体。如家庭照明用的灯、各种显示信号。根据其发光的机制,可以分为热辐射光源,如太阳、白炽灯;气体放电光源,如荧光屏、水银灯等。
激光则是运用受激辐射原理制成的新型光源,具有发射方向集中、亮度高、相干性好、单色性好等优点。
 (2)光线。代表光传播途径的线。从遥远的光源(如太阳)发出的光,各点的传播方向很接近于一致,可以用许多平行光线代表这道光。由于光在本质上是一种电波,把光的路径看做直线实际上是一种近似描述。
 (3)光束。是通过一定面积的束光线。几何光学认为,光在均匀媒质中传播是沿许多直线进行的,一组这样的光线集合成光束,光束的几何特征又区分为锥形光束(如从点光源发出的光束)和平行光束。  
 (4)反射定率。光到达两种媒质的平滑界面上,部分和全部光线可能返回原来的媒质,这种现象称为反射。通过光线的入射点作垂直于界面的垂线,称为法线。入射光线与法线的夹角称为人射角,反射光线与法线的夹角称为反射角。实验指出:反射光线位于光线与法线所决定的平面内,反射角等于入射角,这个结论称为反射定律。
如果光线的反射面很粗糙,反射面上的法线不同,沿同一个方向入射的光可以被反射到不同方向,这样人们就可以从不同方向看到被照射的物体,这种现象称为漫反射。
 (5)折射定律。当光从一种媒质进入另一种媒质时,传播方向发生偏射。实验指出:折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧,入射角的正弦和折射角的正弦之比对于既定的两种媒质而言是一个常数。这个常数称为第二种媒质对第一种媒质的折射率。这就是折射定律。
(6)光密媒质和光疏媒质。折射率较大的媒质,光在其中传播时速度较小,这类媒质称为光密媒质。相比而言,折射率较小的媒质,光在其中传播的速度较大,称为光疏媒质。如水对于空气而言是光密媒质,空气则为光疏媒质。光从光疏媒质进入光密媒质时,折射角小于入射角。反之,光从光密媒质进入光疏媒质,折射角大于入射角。
利用材料的折射率相对于空气大于1的性质,可以制成各种球面透镜,包括凸透镜和凹透镜。凸透镜对光线和光束有会聚作用,凹透镜则会对入射光线和光束产生发散作用。各种光学仪器,如最常见的近视眼镜、老花镜、照相机镜头、望远镜、显微镜等都是利用透镜或透镜组合原理制成的。
从物体发出的光线经过透镜、反射镜(或它们的组合)后形成的与原物相似的图景称为物体的像。像有两类,即实像和虚像。由光线实际会聚形成的像,称为实像。用凸透镜在太阳下会聚成的太阳像是实像,它能把会聚光线的热能会聚成一点。平行光束(如太阳光)经透镜折射或凹面镜反射后相交于一点,这一点称为焦点。薄透镜的中心点或凹面镜的顶点到焦点的距离称为焦距。透镜焦距的大小取决于透镜表面的曲率半径、透镜的厚度、材料和环境媒介质的折射率。一部相机摄影镜头的焦距,影响着拍摄范围、景深和像幅的大小。
如果物体发出的光线经凹透镜折射或凸面镜反射后发散了,实际光线不可能相聚,但它们的反向延长线可以相交成像,这就是虚像。这种虚像不能让照片感光,但仍可以为目视所见。我们生活中常用的平面镜映出的像就是虚像。
2.现代光学仪器
现代光学仪器是利用几何光学原理和现代技术手段制成的光学系统或光具组。
 (1)望远镜。用以观察远处物体的光学仪器。最简单的光学组合可用一个圆筒,一端装物镜,另一端装目镜,物镜选焦距较长的凸透镜,另一端插入一个可自由伸缩的小圆筒,筒的外端靠近观察者眼睛的地方装入一个焦距较长的透镜。20世纪30年代,天文学家发现宇宙天体均发出不同波长的电磁辐射,可以用类似的原理对电磁辐射进行磁聚焦,拍摄到天体的电磁图像。这种用以接收和测量天体无线电辐射的仪器称为射电望远镜。
 (2)显微镜。用以观察微小物体或物体细微部分放大像的光学仪器。它的主要构成是用一个焦距较短的透镜做物镜,用另一个焦距较长的透镜做目镜,分别固定在金属筒的两端。其放大倍数等于物镜放大率与目镜放大率的乘积,但显微镜的放大率并不能无限地扩大。
电子显微镜是利用高速运动的电子柬代替可见光作为工作媒质制成的一种显微镜。
一般光学显微镜不能分辨小于其照明光源波长一半的细微结构。电子束具有波动性,其波长仅为可见光波长的十万分之一,约5X10 12米,故可大大提高显微镜的分辨本领。
它的基本原理是在一个高真空的系统中,用电子技术发出的电子束,穿过被观察的试样,经过电子透镜聚焦放大,在荧屏上显示一个放大的像,这种装置称为通用电子显微镜。
如果用电子束在试样上逐点扫描,然后用电视原理进行放大成像,显示在电视显像管屏幕上,这种装置称为扫描式电子显微镜。
 (3)红外摄像仪。是利用红外线摄影的技术装置。温度较高的物体都发出红外光,在夜间普通感光片不能感光,可以用红外线感光片摄影。摄影时,在镜头前加置暗红色滤色镜,以滤去阳光中的可见光等成分,使感光片仅在红外光及少量红光作用下曝光。
红外光有良好的穿透烟雾的性能,因而红外摄像所得物体轮廓可能更清晰。这种技术日益应用于医学诊断、考古研究、夜间自动监视系统等。
 (4)红外线定位仪。现代军事上用于夜间侦察、监视、射击瞄准、投弹导引的红外线定位仪原理与红外摄像仪类似,在黑暗中或烟雾中物体不能用可见光观测,但各种机动装置、人员都比周围自然背景温度高,发射出较强的红外线,可以根据这种差别加以识别。红外定位装置由反射望远镜、红外探测器和电子仪器等构成。探测器前装有滤光器,用以滤去背景辐射,当装有自动跟踪设备时,可使望远镜或导弹导航定位装置始终跟踪目标,称为红外跟踪。
3.应用光学知识
 (1)发光强度。表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。
量度单位为烛光。1967年,第十三届国际计量大会规定:在每平方米101 325牛顿的标准大气压下,处在2 045K(金属铂的凝固温度)下的绝对黑体1/600 000平方米表面垂直方向的发光强度为1烛光。
 (2)光通量、照度。人的眼睛所能感觉的辐射能量,等于单位时间内每一波段的辐射能量和该波段相对视见率的乘积。由于不同波长的光对人眼的视觉灵敏度不同,同样发光强度给人感觉到的辐射能量也不同。一般说来,人眼对黄绿色光最灵敏,对红色光、紫色光不灵敏,对红外光、紫外光无视觉反应。故取人对波长5 500埃的黄绿色光视见率为1,相对光通量最大。光通量的单位是流明。发光强度1烛光的点光源在单位立体角(1个球面度)内发出的光通量为1流明。物体单位面积上得到的光通量称为照度。
照度的单位是勒克斯。
    (3)亮度。表示发光面发光强弱的物理量。
4.对光的本质的认识
光的本质是什么?从17世纪开始,一直存在微粒说和波动说的争论。
牛顿1704年出版的《光学》一书提出了光的微粒说,认为光是发光体发出的有弹性的微粒流,沿直线行进。当光到达两种媒质的界面上时,由于界面的弹性作用,光线的入射角与反射角相等。它可以说明几何光学的原理。
光的波动说最早由意大利学者格里马等在1655年提出,他设想光流体以很快的速度波动。惠更斯在1678年和1690年比较系统地加以论述,他设想光是流体或是“以太”传播的纵波,其振动传播类似于声音那样的机械波。
两种观点都能解释光的反射、折射等现象,但微粒说似乎更容易为人们所理解,因而略占上风。19世纪初,英国科学家托马斯·杨发现了光的干涉现象;法国学者菲涅耳发现了光的衍射现象,这些现象是微粒说不能解释的,于是波动说又流行起来。特别是麦克斯韦电磁场理论提出以后,光是一定波长的电磁波得到理论和实验的充分证明。
1902年,德国物理学家勒纳德在实验中发现,用光照射金属表面,会有自由电子逸出,产生这种光电效应并不取决于光的强度和时间,而是决定光的频率(或波长);再者,如果在金属表面施加一个相反方向的电场,可以遏止电压的变化。但遏止电压却不是连续的,而是量子化的。这些现象是光的波动说包括电磁说所不能解释的。
1905年,爱因斯坦发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观念》,提出光量子概念。他认为光是由一群光子组成,当每个光子的能量超过某一数值(逸出功)时,就能从被照射的金属中释放出一个电子,每个电子的能量等于光子的能量减去逸出功。所以光子的能量越大(即光的波长越短),电子的速度就越大。光子数量(光的强度),只能决定电子逸出的数量,这个理论与勒纳德实验完全一致。流行多年的光的波动说似乎又被颠覆了,再一次回到牛顿当年的“微粒说”。
光量子说是量子力学创立和发展中的重大事件之一。量子论对光的本质的认识并不是简单地回到微粒说的观点。根据量子说,包括光子、电子在内的任何微观粒子都同时具有波动性,它们是波动性和粒子性的统一。在光电效应的实验中,光粒子性处于矛盾的主要方面,在微观尺度很小的范围内如原子内部,光波动性处于矛盾的主要方面。
5.光的波动性:物理光学
物理光学是研究光的本性以及光在媒质中传播时各种性质的学科,亦称波动光学。
它从光是一种波动出发,说明光的干涉、衍射等现象。
 (1)光的干涉。由两个或两个以上波源发出具有相同频率、相同振动和恒定相位差的波在空间叠加时,在交叠的不同区域产生加强或减弱的现象,称为光的干涉。这是所有波动现象的共同性质。光的干涉形成的纹样是明暗相间的各级(对单色光)或彩色条纹。能产生相干叠加效应的光称为相干光。相干光必须频率(颜色)相同、方向相同、相位差恒定。普通光源发出的光并不满足这些条件,因为它们是由光源中各个分子或原子发出的波段组成的,而这些波粒之间没有恒定的相位联系,因此,来自两个独立光源的光波,即使频率相同,振动方向相同,也不大可能产生干涉现象。同一光源的不同部分发出的光,也不满足相干条件。只有从同一光源同一部分发出的光,通过某些装置进行分束后,才能获得符合相干条件的光。
1801年,托马斯·杨用双缝实验首次观察到光的干涉现象,这就是有名的杨氏实验。让太阳光通过一个针孔,再让其通过离这个针孔有一定距离的两个针孔,在两孔后面的屏幕上得到干涉图像。用相互平行的狭缝代替针孔,可得到较为明亮的干涉条纹。
1818年,法国物理学家菲涅耳设计了另一种更好的干涉实验。他用一个磨制得厚度很小、截面底角仅为1°的等腰三角形棱镜,由狭缝光源发出光波,经双棱镜两斜面折射,分为两束相于光波,这两束光相当于两个相干虚光源,在棱镜后面的屏幕上,两束光的重叠区域内出现干涉图像。
在日常生活中我们偶尔也可以观察到光的于涉现象。雨后马路上的积水被路过的汽车滴上了一层油膜,由于油膜厚度不均匀,在阳光下不同反射面反射的阳光形成彩色干涉纹样。
 (2)光的衍射。波在传播过程中遇到障碍物时能绕过障碍物的边缘在障碍物后面继续传播的现象,叫波的衍射。如水波可以绕过闸口、船尾,声波可以绕过门窗,无线电电磁波可以绕过高山等,都是波的衍射现象。光波在遇到障碍物或通过小孔时,会传播到阴影区域并可能形成能量重新分布的明暗相间条纹,这种现象叫光的衍射。
(3)光的散射。光在媒质中前进时,部分光线偏离原采方向分散传播的现象,叫光的散射。引起光散射的原因有两个:一是由于媒质中存在其他物质的微粒;二是由于媒质的密度不均匀(密度涨落)。例如,空气中含有烟尘、水滴、冰晶,天空会呈现不同的色彩。无云的高空之所以呈现蔚蓝色,是因为空气中尘粒对蓝色光的散射能力比对红、黄色光强10倍。而在日落日出之际,红色光不易被散射,从而透过厚大气层,使太阳及远处云层呈橙红色。铁路信号及雾天汽车头灯常用红色,是因为红色光在雨雾中有更好的穿透性。
光通过纯净物质时,由于组成该物质的分子密度不均匀,也会发生散射现象。
 (4)光谱。白色光经过棱镜等色散系统分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图谱叫光谱。太阳光经三棱镜后形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序排列的彩色连续光谱,其波长对应于7 700—3 900埃的区域,在可见光谱之外还有红外光谱和紫外光谱。
1814年,德国科学家夫琅和费对太阳光谱线进行了研究,发现它是由576条暗线组成的(实际上应该有3万多条)。这些暗线属于吸收光谱,是从炽热物体发出的光经过温度较低的物质大气时,对应于吸收物质原子能级的特征波长的光子被吸收了,形成对应的暗线。一般说来,物质吸收光谱的波长与该物质某些发射光谱的波长相等。夫琅和费观察到太阳光谱暗线就是太阳上对应物质燃烧发出的光谱。观察这些谱线并与地球上观察到的对应物质谱线对照,可以了解太阳上的物质分别是氧、氢、钠、铁、钙、碳等元素。
同一种物质的谱线可以有多条,对应于原子内不同层次的电子跃迁发射的光子。这种夫琅和费谱线是分析太阳大气化学成分的主要手段。
(五)激光
1.激光工作原理——受激辐射
激光英文名I/aser,就是受激辐射放大光的缩写,是运用原子受激辐射放大原理产生的一种具有高度相干性的光。
受激辐射现象比较普遍,20世纪初被发现并由爱因斯坦用光量子学说加以解释的光电效应也是一种受激辐射,其共同本质是工作介质中的原子受光辐射的照射后,原子从高能级向低能级跃迁,发射出相当于两个能级之差的光辐射。
受激辐射的原动力来自工作介质原子的受激吸收,原子在受激吸收过程中吸收了入射光子或电磁波的能量,跃迁到高能态上,从而处于不稳定激发态,当其自动向中低能态跃迁时,发生的辐射是受激辐射。反之,如果没有外来辐射的激发,原子因为受热等原因自发从高能态回到低能态发生的辐射称为自发辐射,普通发光现象就属于自发辐射。由自发辐射生成的光实际上是多种频率光的混合,光的振动方向、相位也是散乱的,这样的光不具有相干性。
2.产生激光的条件
激光与普通光的不同之处是:它不仅要受到外来某种波长光的激发,而且工作介质的原子要产生共振现象,在某一特定激发频率和电压作用下,突然产生“雪崩”现象,有能量很高的同步单色光从激光器中发出,这样不仅能产生高度单色同步的相干光,而且可以被放大。为此,激光器必须有谐振腔使光子实现同步共振。
 (1)粒子数反转。当工作介质在激发光源照射下产生辐射效应的开始阶段,有受激吸收、自发辐射和受激辐射等多种跃迁过程并存,吸收过程使光子数减少,辐射过程使光子数增加。而要产生放大作用,光子数必须按指数规律激增。光子数究竟是增加还是减少,取决于上述两个对立过程哪一个占优势。从原子状态上说,如果处于高能态的原子数大于低能态原子数,那么处于受激辐射的原子就会呈现“雪崩”式的快速增长效应。但是经典热力学的能态统计分布规律表明,在正常状态下,处于低能态的粒子数多于高能态粒子统计值,受激吸收占优势,不可能产生放大现象。要实现放大效应,必须实现“粒子数反转”,这是产生激光的必要条件。
怎样实现粒子数反转呢?首先取决干工作介质的选择,必须选择激活介质。这种物质原子的能级结构是适合于被外来辐射激活的。其次必须从外界输入能量,使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态,成为高能态粒子,这一能量输运过程称为激励或光泵、泵浦。外界激励手段可以是光辐射、气体放电、化学激励,也可以是核能激励。
什么样的物质适合于作为激活介质呢?一般地说,原子能级具有亚稳态的物质是适合作为激活介质的。一般原子的激发态很不稳定,平均经过lo—‘秒即发生跃迁。但有些物质原子中存在平均寿命10-3-1秒之间的亚稳态。由于被激发的原子在这种状态下存在的时间比激发态要长10万倍以上,在受到外来激发时,处于亚稳态的粒子数不断增加,而处在基态上的原子数相对数量减少,到一定时刻必然出现粒子数反转,即亚稳态 原子大于基态原子的转变,这就为“雪崩”效应准备了动因。   
(2)光学谐振腔。选择了适当的工作介质,经过外界激励后产生光放大,但并不能保证光振动相位、方向、频率高度同步。因为原子中相同能级间的跃迁是随机的,因而,产生光子的振动状态散乱复杂。同时,还有大量光子是由于自激辐射产生的,光子的振动状态更是随机的。怎样把其他方向和频率的光子抑制住,而使某一方向、某一频率的光子享有最优越的条件被放大呢?采用光学谐振腔即可实现这一目标。
最常用的光学谐振腔是在工作介质两端放置一彼此平行的反射镜,这两个反射镜可以是平面镜也可以是凹面镜和凸面镜。其中,一个是反射率为100%的全反射镜,另一个是部分反射镜。在工作介质中,实现粒子数反转的原子受外来光诱发产生受激辐射的光子,凡是偏离谐振腔轴线方向运动的光子或者直接逸出腔外,或者经几次来回反射后最终逸出腔外,只有沿轴线方向运动的光子在腔内来回被反射,产生连续式放大,在一定条件下,最终从部分反射镜透射出很强的单色同步光束,这就是激光。
 (3)阈值条件。工作介质加上谐振腔,还不一定能产生激光,因为谐振腔除了产生光的放大作用(或增益)外,还存在各种损耗,如工作介质对光的吸收、散射作用,反射吸收和放射作用,这些损耗可能会抵消谐振腔的放大作用。只有当光在谐振腔内来回一次产生的增益作用大于上述损耗时,才能形成激光。这个全增益超过损耗的条件即是阈值条件。
3.激光的特性及其应用
 (1)方向性。激光束很集中,即使发射到几千米外的地方,光束直径也不过扩展几厘米。这种良好的方向性主要是由激光的放大机制和光学谐振腔的约束、调控作用决定的。由于方向性好,激光适用于定位、导航、测距等。用激光测定月球到地球的距离(约3.8×106千米),误差仅有几十厘米。
 (2)单色性好。激光器发射出的同样原子的光谱线只有普通光源的百万分之一。
利用这种特性,可以作为计量工作的标准光源。如用于作为标准时钟的光频计时期,年内的计时误差不超过百万分之一秒(1微秒),大大超过了过去使用的原子钟标准的精度。
 (3)高亮度。光源的亮度即是光源的单位发光表面在单位时间内沿给定方向上立体角内发射的能量。比较一下,太阳表面的亮度约为1 000瓦每秒每平方厘米,而大功率激光器的输出亮度可达107~10l~瓦每秒每平方厘米,是前者的千万倍以上。激光光源这么高的亮度与它的方向性有关,发射的能量高度集中,且以脉冲方式压缩在极短时间内,又进一步提高了亮度。利用激光的这种特性,可以在直径极小的区域内产生几前千摄氏度高温。从一个功率只有1 000瓦的二氧化碳激光器发出的激光经聚光后,在几秒钟内可以烧穿5厘米厚的钢板,技术上可以把激光用于精密的打孔、切割、焊接、表面氧化、区域熔化等工业加工,也可以用于外科手术。
 (4)相干性好。激光发出的光振动具有单色、同步、同方向等特性,因而是高度相干的,可以用于各种光学实验。由于激光的上述特点,从而突破以往所有普通光源的种种局限性,引起了现代各种光学应用技术的革命性进展。不仅如此,还极大地促进了现代物理学、化学、天文学、宇宙科学、生物学和医学等基础科学的进展。非线性光学(强光光学)就是因激光技术的促进作用而建立起来的一门新兴的光学分支学科。现在,利用激光产生超高温、超高速、超高场强、超高密度、超高真空等极端物理条件,从而便于人们去发现一些新问题、新现象,并对一些已有的重大理论进行新的实验和论证。
三、分子与原子
(一)化学物质
1.化学的萌芽与古代炼金术
化学是研究物质化学运动的科学。化学运动的基本形成是原子的化分与化合。化学的研究对象是物质(单质及化合物)组成、结构、性质、化学变化规律及化合物的组成、结构、性质、化学变化规律及其应用。
化学起源于人类的生产实践和生活知识。古代人很早就开始烧制陶瓷、冶炼、染色、酿造、制造火药、配制中药等化学工艺方面的活动。古代炼金术是近代化学的前身。炼金术起源于元素说。最古老的印度教经典《吠陀》形成于公元前1 000多年,书中提出自然界由土、水、气、以太和光5种元素构成。数百年后,古希腊人提出四元素说。中国古代春秋时期的《左传》、《国语》、《尚书·洪范》均有了“五行”的记载,认为水、火、木、金、土相生相克的作用构成自然界的运动变化。公元前3世纪,秦始皇令方士献不死之药,炼丹术开始萌芽。西汉时,《史记》记述了汉武帝时的术士李少君能从丹砂(硫化汞)中提取出黄金。
4世纪(东晋)的炼丹术士葛洪著有《抱朴子·全丹篇》,介绍了炼丹工艺,他主要用加热的方法对物质进行蒸馏和升华。古代炼丹术士所用的金石药物有50多种,广泛涉及“五行”物质之间的作用转化。
中国古代的炼丹术传到阿拉伯人那里,再传人欧洲。欧洲发现的有关化学元素及其相互作用、相互转化知识的著作是10世纪以后写成的。不过,西方人承袭的是古希腊时代亚里士多德的物质转化学说,认为一种物质转化为另一种物质,只是转化了它们的“形式因”,因而,铅、铜转化为黄金是有可能的,问题是要找到转化的程序。所以,古代西方的化学萌芽沿着炼金术的线索发展。一直到13世纪,科学家罗吉尔、培根等人都还对炼金术迷恋着,牛顿晚年花了大量的精力从事炼金术实验,并有某种重金属中毒的迹象。
但是,欧洲的炼金术士又不同于一般的骗子,他们中的很多人并不是为了骗钱害人而故弄玄虚,而是在一种错误观念指导下所进行的注定不能成功的牺牲品,炼金术士只注重经验积累,没有从根本上领悟物质化学反应的本质。同东方古代的炼丹家一样,都把汞、铅、砷、硫等无机物看做是有内在生命活力的东西,看做同人一样有阴阳(或雌雄)交合作用的有机过程;他们受宗教神学“万物有灵论”影响很深,在观察物质化学反应的过程中,他们看到的不是物质的分解、化合,而是某种“灵气”或“灵魂”的潜入和升华,从而使物质非物质化,陷入了神秘主义。
从化学发展史的眼光看,古代炼金术是近代化学的萌芽。它的合理之处是承认物质元素的统一性及其相互作用、相互转化。通过这一时期不懈的探索,人们积累起一些有意义的化学反应素材,认识到加热、冷却、化合、分解可以使物质的化学性质发生变化,认识到不同物质元素存在着一系列对立的性质和作用。更重要的是,炼金术士始终没有取得重大科学突破,让人们从失败中觉醒。转变化学实验的指导思想,改革化学分析手段,为近代化学革命做了准备。
2.化学物质的组成
所有化学物质的微观组成,由3类物质单元(原子、分子、离子)受一定的化学力结合而成。   
 (1)原于是组成单质和化合物分子的最小微粒。但原子并不是“不可再分”的原始宇宙基元,而是具有不同平均质量和微观结构的物质层次单位。简言之,原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子构成。电子绕原子核运动,总的负电荷量与原子核正电荷量相等。原子的质量绝大部分集中于原子核,而原子核的体积只占原子尺度的十万分之一,其物质密度是很大的,结构也很牢固。在一般化学反应中,原子核不会发生变化。
 (2)分于是物质中能够独立存在并保持该物质一切化学性质的最小微粒。分子是由两个或多个(甚至数十万个)原子所构成。它可以由相同元素的原子构成(单质),也可以由不同元素的原子构成(化合物)。分子的质量在化学中用分子量量度。一般把氢原子的质量近似作为一个物质单位,氧的原子量是16,水(H20)的分子量是组成水分子所有原子质量的总和,即2+16=18(精确值为18.0152)。
使原子的核外电子与原子核结合的力是电磁场力,它的强度远不及原子核内核子(质子与中子)结合的强作用力;从微观尺度上看,电子与原子核的距离比原子核自身的尺度要大105倍,因而原子的电子是相对容易失去或获得的。在固态物质尤其是结晶态物质中,存在着相当数量的游离态自由电子,原子失去或获得了电子就成为带电的离子,离子也可以是带电的原子团,如OH—、NH广。带负电荷的称负离子,带正电荷的称正离子。离子与原子的化学性质不同。
从微观层面看,我们把物质的运动变化区分为物理变化与化学变化。就学科分工的特点而论,化学是研究物质化学性质、化学组成及化学变化规律的科学分支。那么,化学变化与物理变化究竟有什么不同呢?一般说来,物理学,包括分子运动论,都不改变物质的分子组成和化学性质。物质的物理性质指聚集状态、密度、导电性质等。化学变化则指物质的化学组成、性质和特征的改变,这种变化过程称为化学反应,包括物质的化合、分解和复分解。但研究化学变化又离不开对物质物理性质的认识,认识物质物理性质是研究化学性质和化学组成的基础。
3.化学物质的分类
从化学物质的物理聚集态来划分,可以分为固态、液态和气态3种。
固态物质微粒结构紧密,只能在固定位置上振动,宏观上能保持一定形状,几乎不能被压缩。液态物质微粒排列比较紧密,但不同层面间可以自由移动,虽没有固定形状,却也难以被压缩。气态物质微粒之间距离较大,可以向各个方向自由移动,没有固定形状,容易被压缩。
从内部微粒的排列特征看,固态物质可以分为两类:一类是晶体,另一类是非晶体。
构成晶体的物质微粒,其空间排列是有规则的,这使晶体一般有规则的几何外形,有固定的熔点,如食盐、冰、铁矿石、水晶、红宝石等都是晶态物质。构成非晶态物质的微粒在空间排列上没有规则,因而非晶态物质没有固定的熔点,一般不具有规则的几何外形,石蜡、塑料、玻璃等属于非晶态物质。
按照其组成物质的化学性质异同区分,化学物质可以分为纯净物和混合物。纯净物由化学性质相同的同一种物质构成,而混合物则是多种物质溶合在一起,彼此各自保留着原有的化学性质。混合物可以利用多种物理方法使之分开,如多次过滤可以去除水中的泥沙和悬浮物,蒸发海水可以制盐。
纯净物是同一类物质分子聚集成的,而分子又是由原子构成的。从物质分子的原子构成来看,又可把纯净物区分为单质和化合物。单质分子是由同种原子构成的,如纯净的碳、氧、铁、铝、金、银等。化合物是由两种或两种以上的原子或离子组合成的物质。每种化合物都具有一定的特征,既区别于组成它的原子或离子的性质,又区别于其他化合物的性质。水、食盐、蛋白质、淀粉、矿石等都是化合物。
化合物按其组成成分不同分为有机(化合)物和无机(化合)物,以这两类不同化学物质作为研究对象的化学理论分支也分别称为无机化学和有机化学。无机物一般指碳元素以外各元素的化合物。有机物指含碳的结构较复杂的化合物,它们的基础成分均包含碳氢化合物。有机化学是在19世纪中叶以后才发展起来的。
无机化合物按其化学性质可分为酸、碱、盐3类。酸类化合物的共同特征是其水溶液呈酸性,进行电离时产生氢离子,如盐酸、硫酸,用石蕊试纸检验,可使蓝色试纸变红。
碱类物质的溶液呈碱性,均含氢氧根离子,如氢氧化钠,它们可以让红色石蕊试纸变成蓝色。盐类化合物(包括食盐)是由金属离子和酸根离子组成的化合物。
4.化学与现代文明
对有机化合物的发现、制备及其生成、转化规律的研究同现代社会的工业文明发展及农业革命关系十分密切。人类生活必需的能源、材料、食品、医药健康用品等都依靠有机化合物。人类生产和生活必需的有机化合物可以从生物学途径获得,但少量的可通过有机化学途径获得。石化工业是当代工业生产的重要产业部门,石油、天然气、煤炭等石化燃料是获取有机化合物的重要来源。天然气(甲烷)是组成最简单的有机化合物,石油的主要成分是碳和氢,同时含有少量的硫、氧、氮等。石油中的碳氢化合物主要以液态形式存在,同时也含有少量气态和固态的碳氢化合物。煤的基本成分是碳,也含有氢和氧,并含少量的硫、磷、氮等。煤燃烧时,有少量碳生成一氧化碳、二氧化碳散发到大气中,硫、磷和氮等也会与氢、氧化合生成有害的污染气体和粉尘。
为了人工制取必要的有机化合物,首先要把石油分馏、催化裂变。分馏过程中,将原油及预热蒸气注入蒸馏塔,由上而下依次分馏出石油气、汽油、煤油、柴油、重油和润滑油。
人们生活中的食物很多来自人工生产的有机化合物或运用天然原料转化的有机化合物,比较重要的有葡萄糖、蔗糖、淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素等。此外,含酒精饮料(乙醇)、食醋(含醋酸)也是重要的有机物。
乙醇是由碳、氢、氧组成的有机化合物,分子式是C2H6O。由于羟基原子团(-OH)在分子中所处的位置不同,乙醇和另一种有机化合物甲醚虽有相同的分子式,但两者的化学性质、物理性质却有明显区别。这种化合物分子相同,但具有不同结构和性质的现象称为同分异构现象。这种现象在有机化学中很普遍。含酒精饮料中的酒精和工业原料用的酒精、医疗消毒的酒精虽然化学成分相同,但生产方式和加工工艺是根本不同的。
用工业酒精配制的假酒是严禁出售的。   
有机化学工业不仅能对有机大分子物质进行分解、裂变,也能对其合成。合成有机高分子质量可以高达几万至几百万,如塑料、合成纤维、合成橡胶等都是合成有机高分子,在现代材料工业中占据重要地位。
(二)化学元素
1.化学元素的发现
1661年,英国科学家波义耳对炼金术进行了批判,并给元素下了一个定义:“我指的 元素是某些不由任何其他物体所构成的原始和简单的物质,或完全没有混杂的物质……
一切称之为真正的混合物都是由这些物质直接合成,并且最后被分解成这些物质。”在当时,通过炼金术实验已经认识到金、银、铜、砷、硫等是性质不同的元素。但由于当时的化学分析方法还不够精细,对于燃烧等化学变化的认识存在着观念上的错误,特别是受燃素说的影响,波义耳对化学元素的认识还很不系统,不可能揭示元素性质差异的规律性。
比如,他认为水、空气、火都是元素物质。
解开燃烧之谜,是元素认识史上的飞跃,是近代化学革命的标志。
舍勒是18世纪发现新化学元素最多的人之一,他先后制出了气体氟、氧、氯和金属锰。19世纪初,英国化学家戴维是一位化学实验大师,他先后发现并研究了重要的金属元素钾、钠、钙、镁、锶、钡,为道尔顿提出近代原子论提供了更丰富的实验依据。
1803~1807年,英国科学家道尔顿提出并逐步建立了自己的原子论。他认为,同一种元素的原子是相同的,不同种元素的原子则不相同,原子的重量总是最轻的元素原子量的整数倍。已知任何一种原子同其他原子的相对重量,则在它同其他元素原子的一切组合中,都保持一定的比率。元素和物质的化合、分解都是原子的结合与分离,化学反应既不可能创造新物质,也不可能毁灭物质。这些观念的提出,宣告炼金术的谬说彻底破产。在道尔顿的原子论中,已经提出了数十种单质,道尔顿为它们设计了一套元素符号。
后来,瑞典化学家柏齐力阿斯对元素符号系统做了改进。
19世纪60年代,德国科学家本生和基尔霍夫发现了光谱分析方法。通过对太阳特征光谱的深入分析,他们发现太阳上的物质元素和地球上没有什么不同,其主要成分是氢、氧、钠、钾、碳、铁等,同时又先后发现了当时在地球上尚未找到的元素铯、铷、氦等。
19世纪末到20世纪初,对放射性元素的研究导致了对原子结构的新发现,引发了现代科学革命。不久,科学家发现,元素不仅能自然生成,还能人工制造。
2.元素周期律
元素的性质随着元素核电荷数的递增而呈周期性变化的规律,叫元素周期律。这个规律是由门捷列夫发现并创制成元素周期表的。
构成晶体的物质微粒,其空间排列是有规则的,这使晶体一般有规则的几何外形,有固定的熔点,如食盐、冰、铁矿石、水晶、红宝石等都是晶态物质。构成非晶态物质的微粒在空间排列上没有规则,因而非晶态物质没有固定的熔点,一般不具有规则的几何外形,石蜡、塑料、玻璃等属于非晶态物质。
按照其组成物质的化学性质异同区分,化学物质可以分为纯净物和混合物。纯净物由化学性质相同的同一种物质构成,而混合物则是多种物质溶合在一起,彼此各自保留着原有的化学性质。混合物可以利用多种物理方法使之分开,如多次过滤可以去除水中的泥沙和悬浮物,蒸发海水可以制盐。
纯净物是同一类物质分子聚集成的,而分子又是由原子构成的。从物质分子的原子构成来看,又可把纯净物区分为单质和化合物。单质分子是由同种原子构成的,如纯净的碳、氧、铁、铝、金、银等。化合物是由两种或两种以上的原子或离子组合成的物质。每种化合物都具有一定的特征,既区别于组成它的原子或离子的性质,又区别于其他化合物的性质。水、食盐、蛋白质、淀粉、矿石等都是化合物。
化合物按其组成成分不同分为有机(化合)物和无机(化合)物,以这两类不同化学物质作为研究对象的化学理论分支也分别称为无机化学和有机化学。无机物一般指碳元素以外各元素的化合物。有机物指含碳的结构较复杂的化合物,它们的基础成分均包含碳氢化合物。有机化学是在19世纪中叶以后才发展起来的。
无机化合物按其化学性质可分为酸、碱、盐3类。酸类化合物的共同特征是其水溶液呈酸性,进行电离时产生氢离子,如盐酸、硫酸,用石蕊试纸检验,可使蓝色试纸变红。
碱类物质的溶液呈碱性,均含氢氧根离子,如氢氧化钠,它们可以让红色石蕊试纸变成蓝色。盐类化合物(包括食盐)是由金属离子和酸根离子组成的化合物。
4.化学与现代文明
对有机化合物的发现、制备及其生成、转化规律的研究同现代社会的工业文明发展及农业革命关系十分密切。人类生活必需的能源、材料、食品、医药健康用品等都依靠有机化合物。人类生产和生活必需的有机化合物可以从生物学途径获得,但少量的可通过有机化学途径获得。石化工业是当代工业生产的重要产业部门,石油、天然气、煤炭等石化燃料是获取有机化合物的重要来源。天然气(甲烷)是组成最简单的有机化合物,石油的主要成分是碳和氢,同时含有少量的硫、氧、氮等。石油中的碳氢化合物主要以液态形式存在,同时也含有少量气态和固态的碳氢化合物。煤的基本成分是碳,也含有氢和氧,并含少量的硫、磷、氮等。煤燃烧时,有少量碳生成一氧化碳、二氧化碳散发到大气中,硫、磷和氮等也会与氢、氧化合生成有害的污染气体和粉尘。
为了人工制取必要的有机化合物,首先要把石油分馏、催化裂变。分馏过程中,将原油及预热蒸气注入蒸馏塔,由上而下依次分馏出石油气、汽油、煤油、柴油、重油和润滑油。
人们生活中的食物很多来自人工生产的有机化合物或运用天然原料转化的有机化合物,比较重要的有葡萄糖、蔗糖、淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素等。此外,含酒精饮料(乙醇)、食醋(含醋酸)也是重要的有机物。
乙醇是由碳、氢、氧组成的有机化合物,分子式是C2HsO。由于羟基原子团(--OH)在分子中所处的位置不同,乙醇和另一种有机化合物甲醚虽有相同的分子式,但两者的:化学性质、物理性质却有明显区别。这种化合物分子相同,但具有不同结构和性质的现象称为同分异构现象。这种现象在有机化学中很普遍。含酒精饮料中的酒精和工业原料用的酒精、医疗消毒的酒精虽然化学成分相同,但生产方式和加工工艺是根本不同的。
用工业酒精配制的假酒是严禁出售的。   
有机化学工业不仅能对有机大分子物质进行分解、裂变,也能对其合成。合成有机高分子质量可以高达几万至几百万,如塑料、合成纤维、合成橡胶等都是合成有机高分子,在现代材料工业中占据重要地位。
(二)化学元素
1.化学元素的发现
1661年,英国科学家波义耳对炼金术进行了批判,并给元素下了一个定义:“我指的元素是某些不由任何其他物体所构成的原始和简单的物质,或完全没有混杂的物质……一切称之为真正的混合物都是由这些物质直接合成,并且最后被分解成这些物质。”在当时,通过炼金术实验已经认识到金、银、铜、砷、硫等是性质不同的元素。但由于当时的化学分析方法还不够精细,对于燃烧等化学变化的认识存在着观念上的错误,特别是受燃素说的影响,波义耳对化学元素的认识还很不系统,不可能揭示元素性质差异的规律性。
比如,他认为水、空气、火都是元素物质。
解开燃烧之谜,是元素认识史上的飞跃,是近代化学革命的标志。
舍勒是18世纪发现新化学元素最多的人之一,他先后制出了气体氟、氧、氯和金属锰。19世纪初,英国化学家戴维是一位化学实验大师,他先后发现并研究了重要的金属元素钾、钠、钙、镁、锶、钡,为道尔顿提出近代原子论提供了更丰富的实验依据。
1803~1807年,英国科学家道尔顿提出并逐步建立了自己的原子论。他认为,同一种元素的原子是相同的,不同种元素的原子则不相同,原子的重量总是最轻的元素原子量的整数倍。已知任何一种原子同其他原子的相对重量,则在它同其他元素原子的一切组合中,都保持一定的比率。元素和物质的化合、分解都是原子的结合与分离,化学反应既不可能创造新物质,也不可能毁灭物质。这些观念的提出,宣告炼金术的谬说彻底破产。在道尔顿的原子论中,已经提出了数十种单质,道尔顿为它们设计了一套元素符号。
后来,瑞典化学家柏齐力阿斯对元素符号系统做了改进。
19世纪60年代,德国科学家本生和基尔霍夫发现了光谱分析方法。通过对太阳特征光谱的深入分析,他们发现太阳上的物质元素和地球上没有什么不同,其主要成分是氢、氧、钠、钾、碳、铁等,同时又先后发现了当时在地球上尚未找到的元素铯、铷、氦等。
19世纪末到20世纪初,对放射性元素的研究导致了对原子结构的新发现,引发了现代科学革命。不久,科学家发现,元素不仅能自然生成,还能人工制造。
2.元素周期律
元素的性质随着元素核电荷数的递增而呈周期性变化的规律,叫元素周期律。这个规律是由门捷列夫发现并创制成元素周期表的。
19世纪中叶,俄国彼得堡大学的化学教授门捷列夫在讲授《化学原理》这门课时,对于当时的化学教科书关于化学性质的论述很不满意。当时已经发现的化学元素有63种,它们相互结合生成的化合物有成千上万种,但这些元素彼此之间有什么联系,有什么秩序?化学家们并不清楚。门捷列夫积累了丰富的资料,讲课喜欢追求有序。他认为化学的目的不仅在于描述可能形成的化合物的全部多样性,还在于领会隐藏在无数重复中的同一性,理解支配这种周期重复的性质和规律。
门捷列夫把各种元素的物理、化学性质做成卡片,然后尝试对它们进行有序排列。首先考虑按元素原子量由轻到重的顺序排列,然后按它们在化合反应中表现出的酸碱性整理出周期变化序列。1869年,他终于形成了一种理想的化学元素周期表。在这个表中,每一排的元素,不仅原子量是递增的,而且它们是由金属性向非金属性转变的。一般地说,元素的金属性越强,它的单质越容易同水起反应,夺取水分子中的氧,使自身氧化(燃烧)。像纯净的金属钠和钾,它们既不能放置在空气中,也不能放在水中,而必须贮存在煤油中。元素的非金属性越强,它的单质越容易与氢形成氢化物,这种气态氢化物越稳定,该元素水化物酸性越强。比如处在周期序列右侧的氯、硫这两种元素,它们同氢结合分别生成氯化氢、硫化氢,当它们溶于水后,分别生成盐酸(HCl)和硫酸(H2S04)。
根据元素周期律,门捷列夫不仅对已知元素的内在联系有了新的认识,还预言了11种当时尚未发现的元素。他在对元素进行排列时.给这些未知者留下了空位,他根据空位两旁已知元素的性质,大胆地对未知元素的性质做了预言,成为科学史上最精彩的理论超越实践的典型例证之一。
现代的元素周期表已经排列出112种元素,其中1~94号元素是天然存在的,94号以后的元素是人工合成的。
3.化学元素的系和族
按照化学元素的物理性质和化学性质的相似特征,可以把它们区别成若干类和族。
 (1)金属元素。具有金属性质的元素叫金属元素。金属具有光泽而不透明,对可见光有强烈的反射作用,富有延展性、导热性、导电性的一类物质。在金属的晶体结构中,有中性原子、正离子及自由活动的电子。金属的各种特性都同较多自由电子的存在有关。金属除汞(水银)以外,常温下均呈固态。在冶金和材料工业中,金属又分为黑色金属(铁、铬、锰等)和有色金属(铜、钨、钼、镍、锑等)。有色金属中,比重在5以上的称重金属,包括铜、铅、锌、锡、钽等;比重在5以下的叫轻金属,如锂、钾、钠、镁、钙等。自然界中含量较少的称为稀有金属,如铌、钽、钨、钼、钛。此外,稀有金属中还分稀土元素、贵金属元素及放射性元素。
稀土元素指周期表第Ⅲ族副族元素钪、钇及原子序数在57~71之间约15个镧系元素的合称。稀土元素目前在材料工业中扮演着重要角色.如在合金钢及非铁合金中掺人少量稀土金属后可以显著改善性能。
贵金属元素指金、银、铂等元素。
放射性元素是由放射性同位素组成的元素,可以区分为天然放射性元素(如铀、钍、锕等)和人工放射性元素(如钚、锔、钔等)。
 (2)非金属元素。同金属相反,非金属没有金属光泽,无延展性,是电与热的不良导体。典型的非金属,其氧化物具有酸性,在常温下除溴以外均呈固态(如硫、磷、碳等)或气态(如氧、氮等)。
 (3)过渡性元素。金属与非金属之间没有严格的界限。过渡性元素在不同条件下呈现的性质是相对的、可变的,这种性质与它们的原子结构有关。过渡性元素在元素周期表中以副族形式列出,如镧系元素,共有镧、铈、钕等15种;锕系元素,共有锕、钍、铀、钚等15种。
 (三)分子的化合与分解
1.分子结构   
物质的分子是由原子以化学键作为结合机制构成的。原子在分子中的成键情形和空间排列称为分子结构。分子结构对物质的物理性质或化学性质有着决定性的影响。
化李键理论是19世纪形成的,是经典化学中关于分子或原子团中的原子相互吸引而结合成相对独立的参与化学反应的物质单元的学说。20世纪电子理论出现后,化学键被理解为原子或原子团所携正负电荷的吸引结合。在化学键形成时所放出的能量或键断裂时所吸收的能量称为键能,一般为几个电子伏特(1电子伏特=1。602X10”‘焦耳)。化学键的结合方式有离子键和共价键两种,共价键是指两个原子结合时通过形成共有的电子对产生的化学键。在单质分子(如气体)和大多数有机化合物分子中,原子就是以共价键相结合的。相结合的原子对共有电子的约束程度如果不是平均的而是偏属于某一原子,即成为极性键。若极性增强到使电子脱离一方而为另一原子所独有,即成为离子键。离子键是依附正负离子之间的静电引力相结合而产生的化学键。
2.化学反应
物质发生化学反应时,其化学组成、性质、特征发生改变。分子是物质保持其化学性质的最小单位,化学变化会改变物质的分子结构,生成新的分子,这个过程称为化学反应。如氢气和氧气混合后很容易燃烧生成水。化学反应可根据过程特点不同区分为分解反应、化合反应和复分解反应。
 (1)分解反应。由一种化合物产生两种或两种以上生成物,生成物的分子应为单质或结构简单的化合物,这一类化学反应就属于化学分解。如氧化汞加热后生成汞与氧气:
Hg02(加热)→Hg十02
上面的方程式称为化学反应方程式。
 (2)化合反应。是分解反应的逆反应,是由两种或两种以上的元素结合成化合物,形成一个分子结构较复杂的生成物的化学反应。例如铁在空气中自然生锈:
4Fe+302→2Fe2O3
 (3)复分解反应。两种化合物在反应时交换基团而生成两种新的化合物的反应。
例如:
AgN03+NaCl→NaN03+AgC1↓
从上面的反应过程看,在一定条件下,反应物和生成物的转化方向,是受自然规律支配的。但有些化学反应,既可以在正方向进行,也可以在相反方向进行,这一类化学反应是可逆反应。
在可逆反应中,当正向反应和逆向反应速度相等时,两个相反的化学反应就达到了动态平衡。如果在一定条件下,化学反应几乎只能向一定方向进行,这一类反应称为不可逆反应。  
一般说来,在自然条件下,金属的氧化反应是不可逆反应。化合物还原成单质的反应是不会自发进行的。
在化学工业中,为了控制化学反应过程,使之朝我们所希望的方向进行,可以使用某种物质使化学反应的速度加快或减慢,这种作用称为催化作用,用来影响反应速度的物质称为催化剂。能使化学反应速度加快的称为正催化剂,使反应速度减慢的称为负催化剂(或抑制剂)。有机化学工业中寻找和合理使用催化剂是很关键的问题。催化剂有很强的选择性,它仅能催化某一种反应或某一类反应。
对于有些化学反应,可能几种催化剂都有效,这时为了控制反应方向,还可以加人催化剂以外的其他物质,定向增强某种催化剂的作用,这种物质称为助催化剂。无论是催化剂还是助催化剂,从宏观上看都不参与化学物质反应,因而,它们在反应前后的组成和重量不变。
(四)原子结构
1.人类对原子结构的认识
人类对物质结构的探索,一直是“自然之谜”中的一个重要谜题。中国古代学者曾经猜想物质是可以无限分割的,古希腊人则认为物质由不可再分的基始——原子所构成。
19世纪末,有两个实验对原子“不可再分性”提出了有力挑战,一个是X射线的发现,再一个是放射性的发现,这两个重大发现均有一定的偶然性。
1879年,英国科学家克鲁克斯发现,在一定电压下,用特定金属做阴极的真空管在阴极加热到一定程度时会发射电子流,他称这种电子流为阴极射线。1895年,法国人贝林用实验确定阴极射线是带负电的粒子流。德国医生伦琴在做阴极射线实验中却意外发现放在实验台下的照相胶卷曝光变黑了。这种现象过去也有其他实验者遇到过,但却作为偶然事件而没有引起注意。伦琴对多次发生的胶卷感光事件的原因做了进一步的思索,认为是电子管发出的一种波长很短的“以太横波”造成的。科学界称这种射线为伦琴射线。
在原子结构理论建立后才搞清楚,伦琴射线是原子周围低轨道电子被激发跃迁时释放出的高频率电磁波,它比紫外光的波长还要短得多,因而不可见,但穿透性很强。这种现象向人们提示:原子内部是有结构的。
1896年,法国科学家贝克勒尔发现,铀化物能发出一种类似于X射线的射线,它能使密封在黑纸中的照相底片感光,能穿透人的衣服使人的皮肤灼伤。科学家断定,这种能量很强的射线来自原子的更深层——原子核内的变化。这种由放射性物质衰变生成的射线包含α、β、γ3种射线,当时称为贝克勒尔射线。这使人想到原子核内也有复杂的结构。这一时期,各种带有猜想性的原子模型被提出来,比较有影响的有:
 (1)汤姆生模型。1897年,汤姆生用实验证实原子中存在电子,且电子的质量还不到氢原子质量的千分之一(进一步精确测定电子质量为氢原子质量的1/1 836)。电子的发现表明原子并不是“不可再分”,而是由更小的微粒构成的。1904年,汤姆生根据当时的科学实验成果,提出“葡萄干面包式”原子结构模型,认为原子中的正电荷密集分布在整个原子球体内,带负电荷的电子就像面包中的葡萄干似的,一粒一粒地嵌在原子中,电子以各自的频率在乎衡位置附近振动,从而发出电磁辐射,辐射频率等于电子振动的频率。这个模型只能说明原子总体上呈中性,失去电子后成为正离子的现象,但是,它无法说明a粒子散射实验。
1909年,汤姆生的学生,新西兰物理学家卢瑟福用a粒子(氦核)轰击金箔,并对a粒子被重金属原子散射后方向分布做了统计。他发现,有的a粒子以接近90°的散射角偏离了原来的运动方向,有极少数甚至像被从墙壁上反弹回去的球一样沿着与入射方向相反方向运动。实验还表明,金箔越厚,靶物质的原子量越大,以大角度方向发生散射的a粒子越多。如果原子中的正电荷是均匀分布的,根本不会发生这样的现象,因为a粒子带正电荷,它受到原子的斥力会随着射入原子的深度增加而减小,汤姆生模型很快被放弃了。
(2)卢瑟福模型。1904年,日本学者长冈牛太郎提出过一个卫星式原子模型,但当时还缺少有力的实验支持。后来,有了a粒子散射实验,卢瑟福于1911年提出了“行星模妇”,认为原子核位于原子中心,带正电,集中了原子的主要质量;电子带负电,质量很小,绕原子核旋转,就像行星围绕太阳运动一样。当带正电的a粒子射向原子时,受到的斥力随着与原子核心的接近而增大,那些直接射向重金属原子核心的a粒子(这样的概率是很小的)在强大斥力的作用下,可能沿原路返回。
卢瑟福模型较好地解释了a粒子散射现象,但也还有明显的缺欠。根据经典电磁学理论,电子绕原子核做圆周运动是有加速度的,它应该不断地辐射能量,失去自身能量后,半径会不断减小,最后落入原子核内,这样的原子模型是不稳定的,卢瑟福不能说明原子为什么是稳定的。
 (3)玻尔模型。1913年,丹麦物理学家玻尔吸收新的实验事实,并接受能量量子化假设,提出了一种叫“太阳系模型”。他运用类比方法,把原子结构和太阳系的结构相类比,在原子内是电磁力起根本作用。玻尔原子模型的基本假设是:
第一,原子、电子对能量的发射和吸收不像经典电磁学所假设的那样是连续的,它们只有当原子系统从一种稳定态向另一种稳定态过渡时才会发生。
第二,电子绕原子核运动处在不连续的、不同能级的量子轨道上。当电子从低能级轨道向高能级轨道跃迁,或从高能级轨道回到低能级轨道时,会吸收或发射相当于两个能级之差的量子化能量。
第三,原子的辐射是以普朗克量子为单位放出的。   
第四,原子的稳定状态由原子释放的能量与电子旋转所决定。任何原子的最稳定状态指发射能量为最大值后的状态,此时原子能量处于最底态(基态)。
这个模型比较接近原子结构的实际情况,玻尔因此荣获1923年诺贝尔奖。但是,玻尔模型还留有经典物理学的观念,带有人为的假定的色彩,所以玻尔原子模型又叫经典量子化模型或半量子化模型。
1924年,法国物理学家德布罗意提出一个同辐射能量量子化相对称的假设,即认为任何粒子都有其对应的物质波。
这个假设实际上认为,微观粒子同时具有波粒二象性。1926年,奥地利物理学家薛定谔把物质波关系引入微观粒子的运动方程,建立了以波函数为基本变量的量子力学波动方程。按照量子论观点,电子在原子内像是以一定概率出现的“云”一样。所谓电子轨道,并不像宏观物体轨道运动那样严格,而是电子出现概率最大的区间。量子模型的最大魅力在于它用一整套可量化的理论和数学方法把微观粒子运动状态的描述和问题求解精确化了,达到了如牛顿力学对宏观物体运动描述那样的内在和谐性。
2.原子的构成
为简便起见,可以把原子核外的电子看成是分层排布的。原子的质量越大,构成它的核的物质粒子(质子和中子)越多,核的正电荷数越多,相应地,核外电子数也越多。对应于元素周期表上的位置,核电荷数决定其原子序数。比如氢原子,核内有一个质子,正电荷数为1,核外有一个电子,只能占据一个轨道。其他更复杂的原子可以依此类推。
原子结构学说中所讲的“原子壳层”,应理解为对原子内部电子分布状况的形象化描述,原子中各个电子都处于各自一定的能量状态中,有的自身能量较大,有的则较小,能量愈大的电子,离原子核的平均距离愈远,也可以说,电子按其能量大小不同分布在半径不同的壳层中。同一壳层中的电子可能有多个,它们有相同的能量。不同的壳层由原子核向外排列,依次称为K、lM、N……壳层,为便于描述,使它们对应的主量子数,,=l、2、3、4……每一壳层中的电子虽然能量相等,但仍有其他不同状态(如角动量不同),因而,每一壳层又可区分为一些支壳层。
不论是电子能态或其他粒子系统的能态,能量最低的状态称为基态,基态是最稳定的能态。处于较低能态的电子或其他粒子通过加热、辐射或其他方式获得能量,从较低能级跃迁到较高能级。
电子处在高能态(激发态)是不稳定的,它总有回到能量较低的稳定态的趋势,当电子从高能态回到低能态时将以辐射方式释放相应的能量。当原子中电子的分布刚好使核外电子电荷和核的正电荷相等,并达到最大可能值时,称为饱和状态。
可以看出,如果一种元素各个壳层的电子排布呈饱和态,原子最稳定。如果最外层电子数越少,距饱和态越远,这样的外层电子受核的吸引力越弱,比较容易失去外层电子成为带正电的离子,元素周期表左侧第一列、第二列的金属都具有这样的特征。
外层电子失去后,原子呈正离子态,容易吸引相应的负离子结合成化合物,呈现活泼的化学性质。
处在元素周期表右侧紧靠惰性元素这一列的元素,如氟、氯等元素,它们容易从别处俘获自由电子而使自己成为负离子,之后同其他正离子结合成为化合物,呈现活泼的酸性。
3.同位素
同属一种元素(即核电荷数相同),但具有不同质量的原子,称为该种元素的同位素。
在书写元素符号时,在其左上角标明质量单位数,左下角标明核电荷数。如氢元素lH有两种同位素;H(氘)和iH(氚),在元素周期表中和氢占据同一位置。每一种元素都可能有几种同位素,目前已知103种元素有自己的同位素。有些同位素是稳定的,有些则不稳定,通过衰变过程释放出中子,达到稳定态。碳有自己的稳定同位素飞C、气C,而铀的同位素U、U具有放射性。   
从原子结构上看,元素的同位素取决于原子核中中子数量的多少。原子核中的质子数既决定核的正电荷数,又决定核的质量。 
中子的质量略大于质子的质量,是电子质量的1 838.6倍,单独存在时(自由中子)不稳定,平均经过15.3分钟就衰变为质子、电子和反中微子。中子不带电,因而在进入原子核内不受核的电斥力,比较容易进入,所以常利用中子作为引发核反应的靶粒子。
4.放射性元素
自然界中存在一些天然的放射性元素,它们是地球诞生以后地壳和地核物质剧烈相互作用的遗迹。早期地球上的放射性现象很普遍,它们释放出大量的热,产生放射性物质,当时的环境不利于生物生存。现在的地壳岩石里、矿床中还保留有放射性物质。
 20世纪初,贝克勒尔从铀矿石中发现的放射性元素就属于天然放射性元素。它由3种射线组成:
 (1)α粒子流。是由带2个单位正电荷的氦核( )组成,符号记为   
 (2)β日射线。即电子流,带负电荷或正电荷。电子的动能可达数百万电子伏特以上,由于电子质量小,速度大,通过物质时不易使其中的原子电离,所以它的能量损失较慢,穿透性比。射线强得多。
 (3)γ射线。波长在l埃以下的电磁波,能量一般在104电子伏特以上。原子核从高能态向低能态过渡时一般以释放丁射线的方式放出能量。在其他核反应中,如带电粒子的辐射、基本粒子的转化过程及正负电子对相撞的湮灭过程中都会产生丁射线。
通过实验室或核反应堆,用人工制造出来的放射性同位素产生的放射性称为人工放射性。放射性在工业、农业、医疗等方面都有应用,如放射性探伤、放射性育种、放射性治疗等都具有重要价值和推广前途。但人类或其他生物受过量放射性物质照射,能引起放射病、烧伤,甚至死亡。
放射性原子的转化基本上是通过衰变反应完成的。不稳定的放射性物质原子核或自由中子通过放出射线释放能量,使核数目减少,直至稳定。放射性元素的核数目减少到初始的一半所需要的时间称为该元素的半衰期。半衰期是量度原子衰变统计平均速度的基本指标。不同物质元素的半衰期悬殊很大,短的只有千万之一秒,如周期表中的84号元素212Po(钋)α衰变的半衰期为3×10-7秒。半衰期长的可达上亿年,如位于90号的232Tn(钍)α衰变的半衰期长达139亿年。根据这一规律可以描绘出衰变(或未衰变)原子数值随时间的变化关系是一条指数曲线,从理论上说,未衰变的原子随着年代的增长会逐渐减少并趋于零。
四、量子论和基本粒子理论
(一)量子力学的基本知th
1.量子论的诞生
 (1)黑体辐射问题和普朗克能量子假说。19世纪末,热辐射理论正面临这样一个令人遗憾的局面:在短波段,只能用维恩公式处理;在长波段,又必须用瑞利—琼斯公式处理。这种不和谐的现象表明经典热辐射理论是不能令人满意的,这正是促使德国物理学家普朗克进入这一研究领域的重要原因。
普朗克大胆地假设每一能量振子都具有能量:
    ε=hv
式中的h称为普朗克常数(6.626×10-34焦·秒)。在这个假设的基础上,普朗克采用“内插法”得出了他的热辐射公式。
普朗克能量子的假设表明,振子的能量只能取h的整数倍,这意味着,能量元ε不是任意的、连续的,这就是“量子”概念的诞生。
 (2)微观世界的波粒二象性。1905年,爱因斯坦根据光电效应实验,大胆地提出了光量子假说。实际上,他推广应用了普朗克的量子假设,认为能量量子化概念不能仅限于黑体辐射的能量振子的发射或吸收,光辐射的能量也是量子化的,这些能量子称为光量子。他假设,单个光量子与它对应的频率之间的关系是:
    E=hu
光量子假说是继能量子假说后对微观世界认识的又一新的突破,它不仅深化、丰富了人们对光的本质的认识,更重要的是把能量量子化推广到辐射的传播过程。
丹麦物理学家玻尔把量子概念引入原子结构学说,用这个假说与氢原子光谱线系的经验公式相对照,发现理论与实验相符合。证明玻尔的假说有成功的一面,但它也还存在一些硬性的假设,需要进一步完善和发展。
这个事例启发了法国物理学家德布罗意提出物质波假说,即任何粒子都有对应的物质波,波长A等于h/p,九为普朗克常数,户是粒子的动量。对应于一般的宏观物体,p值极大, 小到根本无法测出,只有当物质粒子小到微观尺度, 才在我们可观测的范围内。
德布罗意当时设想,也许当电子束穿过小孔时会出现衍射现象。人们过去一直认为电子是一种粒子,如果能证明电子的波动性质,那么其他微观粒子也应该具有类似的性质。
1927年,美国物理学家戴维逊和他的同事革末用电子束通过镍单晶体,以晶体间的空隙作为“小孔”,得到了明暗相间的衍射条纹,与布拉父子用X射线通过晶体时所得到的衍射条纹类似。与此同时,英国物理学家G.P.汤姆生(著名的LJ‘汤姆生的儿子)用电子束直接透过金属薄片,也得到了衍射图像。更重要的是,按照衍射图像所计算出来的电子物质波波长同德布罗意的理论预言相当一致,这无疑是对微观客体波粒二象性的又一证实。
2.微观状态的力学规律
波粒二象性是微观客体最基本的特征之一,反映了微观世界物质运动中的特殊矛盾——波动性和粒子性的矛盾。但是,我们不能把波和粒子的统一简单化,认为物质既是粒子又是波,实际上是物质兼有粒子性和波动性这两种属性,在不同情况下,客体可以侧重表现出某一方面的属性,如光电效应实验,主要体现光的粒子性质,而电子衍射实验则显示了电子所具有的波动性。客体所表现的属性与主体认识的目的和对客体运动的“介入”有关,同时,决定于客体运动过程中特定的物质关系。
 (1)测不准关系。在微观粒子的单缝衍射实验中,设狭缝的宽度为△x,粒子沿y方向运动,通过狭缝后发生衍射,到达A的位置。粒子之所以偏离了原来的运动方向,是因为获得了一个J方向的动量(速度) △px。1926年,德国物理学家海森堡根据实验和波粒二象性原理,推导出测不准关系:  
    △x·△px≥
式中的△x和△px分别称为坐标和动量的不准量或不确定量,h为普朗克常数。由于h值是恒定的,观察者如果要绝对精确地测定粒子的位置(坐标),厶z必须尽可能地小,当厶I一0时,Ap二则趋向于无穷大;若要精确地测定粒子的动量久(或速度uJ),则当△px→0时,△x—∞。这种不确定性是机械决定论无法解释的。在牛顿力学中,客体的位置和速度都被认为是绝对精确的。
测不准关系最初被认为是由仪器的干扰造成的,如果是这样,那么我们尽量消除仪器的干扰时,微观客体的测不准效应应当有所改善,但事实证明并非如此。它表明,完全与主体无关的、独立于观测者之外的客体是不存在的;观测过程成为观察者通过科学仪器介入客体的过程,使观测过程成为观测者、观测仪器和观测客体三方面相互作用的过程。
海森堡指出,在微观领域,观测活动对客体造成的干扰不能忽略不计。例如,当我们用显微镜来精确测量电子的运动状态时,为了要看到电子,必须用光照亮它,测量者所接收到的实际上是被电子散射的光子。设想我们为了更准确地测定电子的位置,狭缝的宽度应尽可能地小,且使用的光波波长应尽可能地短。但这时,事与愿违的情况出现了:对于波长短的光来说,频率大,光量子的动量大,它照射在电子上必然会使电子产生一个反冲动量,从而改变了它原来的运动状态。这样一来,我们对电子动量的测量就不会准确。
反之,如果我们要使用长波的光以减小对电子动量的干扰,位置的测量就会不那么精确了。
总之,测不准关系是指测量过程本身,由于观测仪器和观测对象总有一种不确定的相互作用,我们既不能避免这种相互作用的干扰,又不能完全预料这种干扰将使观测对象处于什么样的新状态。而在经典物理学中,我们总是要求观察自然界本来面目,要在完全无干预的情况下去描述它,现在看来,这种目的是达不到的。
 (2)微现状态的描述。既然所有微观客体都具有波粒二象性,那么我们就可以把微观客体的状态描述为一种波动。如同牛顿力学把宏观客体的状态用坐标、速度,质量加速度等物理量来描述一样,以波函数中(x,y,z,t)为基础,也可以建立起描述微观客体状态及其运动规律的力学,这就是量子力学。
量子力学的波动方程也称为薛定谔方程。
波函数的本质是什么呢?对这个问题,物理学家经过反复的讨论。最初。不少物理学家受经典物理学中波动概念的影响,把量子力学的波看做真实的波。1926年,德国物理学家玻恩提出了波函数的统计解释,即波函数(x,y,z,t)描述一定时刻微观粒子的运动状态。由于 随坐标和时间有规则地变化,且呈现三角函数关系,同经典力学的波动有类似之处,因此这种描述微观状态的波称为几率波。
3.量子力学的应用和影响
量子力学的创立是现代物理学革命中影响深远、意义重大的一项成就。它的应用和影响可以说几乎遍及现代科学技术的各个主要领域,当代的高新技术革命以及21世纪新兴的技术领域,都同量子力学提供的理论基础不可分割。量子力学还提出了一系列重要的哲学问题,这些问题的思考深化了人类对自然界物质存在方式和运动形态的认识,丰富发展了人类的自然观和方法论。
 (1)量子力学打开了微观世界认识的新领域。对微观层次的物质结构及其运动规律的认识,使量子力学渗透到众多学科领域,产生了一系列对当代科学发展影响巨大的前沿领域和分支,如量子化学、分子生物学、固体物理学、凝聚态物理学、粒子宇宙学等。
它们是当代科学技术前沿领域的理论基础,如新材料新能源技术、生物技术、计算机技术、纳米技术、超导技术、信息技术等。可以说,整个高新技术群都离不开量子力学所奠定的科学基础。
 (2)量子力学推动了人类自然观的革明。首先,量子力学推动了当代物质观的革命。列宁关于“物质是标志客观实在的哲学范畴”这一科学定义得到了证实,从而使人类物质观从机械物质观上升到辨证物质观。其次,量子力学丰富了人们对主客体关系的认识。量子力学认为,主客体之间的界限是相对的,我们在对客观事物进行观测、研究时,主体、客体和观测手段三者就构成了一个既相互依存又相互作用的系统,主体以自己的观测行为不可避免地介入了客体,影响着它的行为。人类从诞生时开始,就以自己的生产和生活活动参与了自然界的运动变化过程,影响着自然界的面貌。再次,量子力学使我们进一步认识到自然界物质运动的统一是复杂多样性的统一。在微观物质运动领域,物质运动有其特殊的矛盾形式,即粒子性和波动性的矛盾。由于这种矛盾,传统的机械因果决定论被统计因果决定论所代替。
 (3)量子力学为丰富和发展马克思主义哲学提供了有益的启示。首先,科学认识活动不是主体对客体被动的反映,而是主体对客体能动的作用和反映过程。其次,关于物质运动的因果关系,我们既要重视必然性的作用,也不可忽视偶然性的作用。再次,量子力学揭示了事物矛盾双方的相互依存性。玻尔提出的“互补原理”有其合理性的一面。
 (二)基本粒子
 1.基本粒子的发现
 (1)电子的发现。电子是最早被发现的一种基本粒子,质量为9.109 53X10-28克,所携电荷量为1.602189X10—19库仑。
1897年,汤姆生在剑桥卡文迪许实验室测定了阴极射线粒子流的速度,进而从它们在电磁场作用下的偏转情况测得电子的电荷与质量比值(荷质比),从而确定了电子带负电,其质量约为氢原子质量的l/2 000,电荷与氢离子电荷相等,符号相反。1917年,美国物理学家密立根用油滴仪精确测得电子电荷是电荷的最小单位,质量是氢原子的1/1 836。
 (2)质子。从理论上讲,卢瑟福在1911年提出原子结构假说时就发现了质子。因为在此之前,汤姆生提出的“葡萄干面包”模型设想原子的质量就是电子的质量,如氢原子核由1 836个电子组成,他还没有想到原子核中另一种带正电荷的粒子——质子的存在。卢瑟福则认为电子并不存在于原子核内,而是在核外绕核旋转,原子的大部分质量集中在原子核内。1919年,卢瑟福还首次用人工核反应的方式制造出游离态质子。
质子的结构很稳定,当代关于4种作用力大统一的理论提出的关于质子可能衰变的预言,至今没有任何实验能证明这一点,但也不能因此断言质子的寿命是无限长的。
 (3)中于的发现。中子的发现是很富有戏剧性的。因为中子不带电,在电磁场作用下不发生偏转,也不能使云雾室中的空气或照相乳胶电离,在观测中常被忽略,所以直到1932年,它才被英国科学家查德威克真正发现。当他用。粒子轰击铍靶时,实验中产生一种大能量的粒子,由于它不带电,只能从它穿过石蜡时产生的次级散射计算出它的质量(能量),为电子的1 835.64倍。
中子和质子的另一个区别是它不稳定,平均经过15.3分钟即衰变为质子,并产生一个电子。
 (4)正电子的发现。正电子又称阳电子,是电子的反粒子,它为反物质的探索打开了思路。
1932年,美国物理学家安德森使用威尔逊云雾室拍摄宇宙射线中包含的粒子运动轨迹时,发现了有些粒子在云雾室电场作用下产生路径弯曲的运动,偏转的方向和电子相反,而它们的质量与电子相同,这表明它们是带正电荷的电子,符号是C+。
早在1928年,英国物理学家狄拉克在求解自己建立的、描述电子运动的相对论波动方程时,开平方根得出2个电子能量值。按经典力学概念,负能量根是不合理的,应舍去。但狄拉克认为,负能量相当于电子具有负质量,这只是意味着它的加速度方向和受力方向相反。为了说明负能量的合理性,狄拉克假设,所有负能态已为负能电子所填满:形成“负能海洋’’(或本底)。如果有某个负能电子吸收能量从负能区跃迁到正能区,在原本均匀本底中就留下一个“空穴”,这个“空穴”的性质相当于带正电的粒子。这个预言在4年后才得到观测实验的证实,它表明物理学中“对称美”的观念可以引导人们做出有重大意义的发现。
宇宙射线的来源不在地球表面,而是来自宇宙空间的粒子流,其中,来自地球大气层之外的宇宙射线称为初级(或原始)宇宙射线,其成分主要是质子,其次是。粒子及少数轻原子,进人大气层后和空气中的原子核发生碰撞,引起核的分裂并产生一系列其他;粒子,这些粒子又可能和周围其他物质发生相互作用,形成次级宇宙射线,其中一半以上是能量大,质量小、穿透性很强的子,另有一部分是光子。由于初级宇宙射线形成了天然的宇宙加速器,能量极高,它能引发许多人工至今不能实现的核反应和粒子转变过程。
有相当一部分基本粒子是在研究宇宙射线中发现的。
 (5)介子的发现。介子是一类中介粒子,包括n介子、x介子、F介子、oj介子等的发现源于对原子核内结合力的研究。
质子与中子被发现后,关于原子核结构的认识有了进一步的突破,原子核不是简单的质点,其尺度尽管只有原子直径的十万分之一,但仍有复杂的结构。1932年,苏联科学家伊凡宁柯提出原子核由质子和中子组成,它们合称为核子。质子带正电荷,中子不带电,它们之间不可能凭借电磁力结合得如此紧密,万有引力也没有这么强的结合力。
1934年,日本学者汤川秀树具体计算了核子之间交换率的强度,认为它们之间通过交换一种中介粒子(质量大约是电子的200倍),有如传篮球那样的方式交换动量,呈现出强相互作用。当时因为这种具有中间质量的粒子还没有发现过,所以包括玻尔在内的千些著名科学家均对介子的存在抱怀疑态度。
1936年,美国物理学家安德森和尼德迈耶在研究宇宙射线经过威尔逊云雾室中的照片处理时,发现宇宙射线中的硬成分(即穿透力较强的部分,区别于电子、光子等穿透力较小的软成分)中有质量介于质子和电子之间粒子,故称为“介子”。后来确定大部分硬宇宙线是µ+µ-介子所组成,其质量约为电子质量的207倍,电荷数等于电子电荷的绝对值。1937年,安德森在宇宙射线中发现了汤川理论所预言的传递核力的,(介子,共有3种,即µ0µ+µ-,其中µ+µ-质量为电子的273.3倍,µ0的质量是电子的264.3倍。κ介子的质量更大一些,其中κ+κ-的质量为966.71电子质量,κ0为976电子质量。
2.基本粒子的分类
到目前为止,已经发现的基本粒子有300多种,这个数字已经多于元素的种类(112种)。区分如此种类繁多的粒子主要以它们的一些最基本属性为标志。
 (1)质量。指粒子的静止质量,即粒子包含物质的多少。在基本粒子家族中,光子的静质量为零,其他各类粒子都有一定的静止质量。
 (2)寿命。多数基本粒子是不稳定的,它们在生成后的一定时间内会自动转化成其他粒子,从生成到转化的这段时间称为粒子的寿命。寿命反映粒子的稳定性。质子是很稳定的,目前还没有发现质子衰变的可靠证据。/J子的寿命只有2×10-6秒。大体上说,寿命在10-8-10-10秒范围内的粒子都可以算“长寿”了,它们被称为“基态”粒子。绝大部分粒子属于“共振态”粒子,它们的寿命一般只有10-23~10-24秒,如丁肇中发现的J粒子就是一种共振态粒子。
 (3)电荷。即基本粒子所携带的正电或负电量。电荷的基本单位是电子电量,用e表示,e=1.602×10-19库。除了不带电的中性粒子外,所有带电粒子所带的电荷都是e的整数倍。但按照夸克理论,在夸克层次可能存在分数电荷。
 (4)自旋。实验和理论都发现,基本粒子都有绕自身轴的旋转,也就是说,它们像一只陀螺,这种自转运动用“自旋”来描述。如光子的自旋是芒 (h=6.626×lO-34焦/秒,是普朗克常数)。如果以光子的自旋为单位,常见的基本粒子自旋可以表示为0, ,1……
每一种粒子都有和它相应的反粒子存在。反粒子和正粒子在质量、平均寿命等方面都是相同的,但电荷、磁矩等性质相反。如电子和正电子是一对正反粒子,它们的电荷相反;中子和反中子都是中性的,但它们的自旋方向相反。
物理学家综合粒子家族成员的多种属性,通常将基本粒子分为4类:
其一,光子族。成员是光子。它的静质量为零,自旋为l,属玻色于,寿命无限长,参与电磁相互作用。 
其二,轻子族。包括电子、中微子等。它们只有很小的静质量,自旋为专,属于费米子,参与电磁相互作用的弱相互作用。
其三,介子族。这一类粒子的静止质量介于电子和质子之间,包括n介子、x介子等,自旋为0,属于玻色子。它们不稳定,参与强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。
其四,重子族。指静止质量较重的粒子,如质子、中子、超子等。它们的自旋为       ,属于费米子,参与强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。重子族中只有质子是稳定的,中子具有较长的寿命,其余的寿命都很短。
重子族和介子族都参与强相互作用,它们又叫强子。
 
 
表2-1粒子家族成员的多种属性
相互作用
自旋
代表性成员
光子
电磁
1
光子
轻子
弱、电磁
 
电子、中微子
介子
强、弱、电磁
0
π介子、κ介子
重子
强、弱、电磁
中子、质子
 
3.夸克模型
对于基本粒子,特别是质量较重的核子是否进一步可分,物理学家从20世纪40年代就开始进行实验和理论探索了。
1953年,美国物理学家霍夫斯塔用能量很高的电子打击质子,由于电子与质子之间不存在电磁斥力,所以电子可深入质子内部并发生相互作用。这种名为“电子深度非弹性散射’’的实验发现质子内电荷、质量和磁矩的分布并不是“铁板一块”的。质子和中子的半径为0.8×10-13厘米,π介子的电磁半径为0.6×10-13厘米。
深度非弹性散射实验的数据处理结果表明,质子内部还有更低层次的粒子。20世纪50年代,费米、杨振宁和日本学者坂田昌一都提出基本粒子是“复合粒子”的思想。
1964年,美国物理学家盖尔曼等人在运用对称性方法的基础上,对基本粒子进行了分类整理,提出强子结构的“夸克模型”。
把假设构成强子的更基本单元叫做“夸克”纯属盖尔曼灵机一动,他从一首民谣中海鸟“叫三声夸克”受到启发,构成质子、中子的更小部分也有3个,因而叫“夸克”。而当时中国科学家也做了类似的探索,他们把构成强子的单元叫“层子”,其实是一个东西,层子 就是“夸克”。
在盖尔曼和茨威格建立的夸克理论中,有3种夸克,即上夸克u、下夸克d、奇异夸克质子、中子和其他重子分别由3个夸克构成,介子由正反两个夸克构成。
1974年,由于丁肇中和里希特发现t~粒子,又引入子第四种夸克,叫粲夸克构成。
1977年发现了重轻子,1978年又发现了y粒子,推断还存在第五种及第六种夸克,即底夸克b、顶夸克t。c、b、t凸、,夸克的质量很大,称为重夸克,用一个共同的符号Q表示,而原有3种夸克则称轻夸克,仍用g表示。任何夸克都带有电荷(+2/3和-1/3两种)、味荷(即“u,d,s,c,b,t)、色荷(红、蓝、绿3种)。夸克的反粒子叫反夸克。
夸克与夸克之间,通过不同色荷之间的超强相互作用而结合在一起,形成强子。传递夸克之间的结合力的中性粒子称为色胶子或简称为胶子。由各种不同的夸克之间的可能结合方式,可以推测出所有已经发现和尚未发现但可能存在的各种强子。根据夸克和轻子属于同一物质结构层次的观点,它们一共有48种。
自夸克模型提出后的数十年间,科学家一直设法找到自由夸克。但始终未能将夸克
从强子内部分离出来,这就是所谓“夸克幽禁”问题。有些高能散射实验显示,当夸克之间的距离小时,它们的结合是松散的,这种现象称为“渐近自由”;当距离增大时,产生结合力的势能随之趋向无穷大,这种性质很像是弹簧。有人猜想,自由夸克的质量很大,它们结合成强子时放出大量自由夸克来,因此他们寄希望于建造更高能量的加速器,以寻找自由夸克;但也有人认为,夸克将永远被囚禁在强子之中,这就是“色禁闭”假说。
夸克的味荷和色荷并不是真实的味道和颜色,不过是对夸克不同量子状态的一种象征性比喻。
4.弦理论和四种作用力的统一
1967年,温伯格、萨拉姆和格拉肖建立了形式简洁和谐的弱电统一理论,预言了新的中间玻色子和夸克的存在。后来,这些预言陆续为实验所证实。这一理论取得了惊人的成功,进而又激励物理学家试图把它和描述强相互作用的理论——夸克理论(量子色动力学)结合为一种“大统一理论”。其中,弦模型被认为是最有希望的一种尝试。20世纪80年代,夸克理论已经形成了对宇宙物质“基本粒子”家族比较一致的认识:6种不同“味道”的夸克各有3种不同“颜色”。这18种夸克又有各自相应的反夸克,共有36种夸克。还有12种轻子,13种中介粒子,包括传递强相互作用的8种胶子,传递弱相互作用的3种中间玻色子,传递电磁相互作用的光子和可能存在的传递万有引力的引力子,归结起来,共有61种宇宙物质的“基元”。弦理论设想,它们都有极细微的“弦”的不同状态,“弦”才是更基本的宇宙物质“基元”。
物理学家们深信,解决宇宙演化和微观物质演化的统一,必须把20世纪物理学两大革命性成果——量子论和广义相对论紧密地结合起来。这两大领域已经是被实验证实的成熟了的理论。但是当这种“大统一”的思路运用于10-33 厘米的尺度以下时,空间“泡沫”却破坏了广义相对论所必须的空间光滑性的前提,从而导致发散的结果。通过施瓦茨、格林等科学家的努力,弦理论得到改进。这种被称为“宇宙的琴弦”的美妙理论,提出了一系列预言,如质子衰变、引力和电磁力之外的第三种长程力等都还没有被实验证明,但理论的优美与和谐已经使人想到“第三次科学革命”的来临。格林说:“物理学家坚信,不论关于大事物的定律还是小事物的定律,都应该结合成一个和谐的整体。他们怀着这样的坚定信念孜孜不倦地追寻着隐蔽的统一理论。追寻还远没有到头,但通过超弦理论和从它演化而来的M理论,一个融合量子力学、广义相对论以及强弱和电磁力统一的强有力的框架终于出现了。”物理学家们大都认为,追寻宇宙的统一理论,是爱因斯坦一生工作的延续。格林引述爱因斯坦对自己追寻宇宙基本定律心路历程的回顾;“那仿佛是在黑暗中摸索前行,怀着强烈的渴望,有过信心,也有过动摇和疲惫,但最终见到了光明。”
五、新材料技术
(一)人类开发使用材料的历史
所谓材料,是指被人类利用来制作有用的生产资料和生活资料的物质。材料是人类生存发展、利用自然、适应自然、改造自然的物质基础。材料、能源和信息可称为现代人类文明的三大支柱。
人类利用材料的历史,实际也就是人类认识物质自然界并尽可能加以利用、促进自身发展的过程。每一种重要的新的物质材料被发现和被广泛应用,都把人类利用、适应、支配自然的能力提高到一个新水平。
原始人类只能从利用自己身边所能找到的物质材料开始制作生产工具和获取生活资料。在原始渔猎社会,人类利用的材料主要是自然物,如石头、天然的火种、自然生物资源(从采集树叶、果实到猎获野生动物)。距今6 000万~10 000万年间,人类已经在
 过去经验的基础上,开始利用地球表层的材料对生物资料进行较大规模开发利用。
近代以来的工业社会开始了对矿物材料的大规模开发利用,钢铁成为工业革命的重要内容和物质基础。但这一时期的粗放开发和非循环利用导致地球资源危机、环境危机和人类生存困境。
20世纪后半叶以来,人类开始进入对材料节省、替代、多元化、深度开发和循环利用的时代,这是信息文明的重要标志之一。信息可以代替材料的消耗,实现新型材料的开发利用,找到材料循环利用的途径。可以说21世纪是信息文明迅速发展与普及的世纪,也是新材料的世纪。
 (二)新材料与高新技术革命
 1.金属材料与新型金属材料
 (1)传统金属材料。人类对金属材料的开发利用,经历了古代青铜时代、铁器时代到近现代金属时代,开发的品种从单一、小规模到多样化、大量开发。18世纪,休茨曼发明了坩埚炼钢技术,19世纪,法国马丁父子和德国西门子发明平炉炼钢技术和转炉炼钢技术。20世纪,发明了电炉炼钢技术,有色金属和合金的冶炼技术得到推广。
 (2)新型金属材料。主要包括形状记忆合金、超塑性合金、非晶态合金、金属多孔材料、磁性材料以及作为新能源材料之一的贮氢合金材料等。
新型金属材料都属于复合材料,是21世纪复合材料开发应用的三大方向之一(其余两个是高分子复合材料、新型陶瓷材料),除了具有金属材料的高强度、高刚性、高韧性、高耐磨、高耐热特点之外,还定向强化了许多特异的物理化学功能。
①形状记忆合金。1962年,美国海军军械实验室在钛—镍(Ti—NJ)合金中发现了“形状记忆效应”。所谓“形状记忆效应”,是指在一种状态下形成的合金,如果在另一种状态下(通常是指另一种温度区间)给予没有弹性恢复力的形变,使其具有另一种形状,当其再返回到第一种状态(温度)时,合金能自动恢复到原先具有的形状;换句话说,合金在返回到原先的状态时,它能“记得”自己原先所具有的形状,因而人们就把这种合金称之为形状记忆合金。例如,如果我们把一根形状记忆合金丝在较高的温度区间里绕成一个圆环,然后将该圆环冷却到另一个温度下并将其拉直,使之成为稳定的直线形,这个被拉直了的合金丝只要一旦返回到较高的温度区间,它就能立即自动卷绕起来,变回原来的圆环形状。
由于形状记忆合金是一种无疲劳的材料,即“回忆”一“变形”的本领可以反复使用500万次而不产生疲劳断裂,而且恢复原状几乎可以达到100%,因此用途极为广泛。首先,形状记忆合金开创了一种新型的工程连接法,大量应用于工程领域的管接头和紧固件上。用形状记忆合金制造人造卫星的天线,可在到达太空后再自动展开。其次,形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性还可以广泛用于医学领域,如制造血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形弓丝、人工关节等。此外,形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能于一体的新型材料,可广泛用于各种自动调控装置。尽管迄今发现的具有形状记忆效应的合金种类已有好几十种,但已经实用化的主要还是钛—镍基合金和铜基合金两大类,前者性能较好,后者价格较低。
②超塑性合金。金属合金在特定的情况下可以像麦芽糖一样在外力作用下发生黏滞性变形,达到非常大的变形量而不破裂,这就是所谓金属合金的超塑性现象。处于超塑性状态的合金,其变形抵抗力较小,而延伸率则很高,可以达到百分之几千(普通的结构钢延伸率仅能达到百分之几十)o
目前已在100多种金属合金中观察到超塑性现象,包括纯的铅(Pb)、铝(A1)、铜(Cu)、铍(Be)及以铝(A1)、钛(Ti、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)为基的合金,对钢和铁的超塑性现象也有报道。
超塑性现象主要应用于金属合金形变加工。首先,超塑性现象的应用大大减轻了压力加工设备的重量,简化了工序,节省了能源。其次,超塑性成型,使得许多形状复杂、难
以成型的材料及低塑性甚至脆性材料的变形成为可能。此外,在超塑状态下变形时,金属的流动性能极好,可获得尺寸精密、公差准确的产品。此外,由于材料的超塑性状态是一种强烈激活状态,金属合金原子处于非常活泼的状态中,因此可以利用超塑性状态来实现固态下金属合金的接合。在超塑状态下使用固相材料接合时,可以大大降低压接难度,提高压接质量。超塑性合金也可能发展成为一种减振材料。有关这些方面的研究,目前都在继续进行中。
③非晶态合金。在通常情况下,固态的金属合金中的原子总是按照某种规律堆砌排列的,从而形成特定的晶体结构。然而,1960年,美国人P.杜维茨等首先发现,当某些液态贵金属合金(如金—硅合金)以1×107℃/秒的冷却速度急剧冷却时,却可以获得一种被称为“金属玻璃”的非晶态合金。这种新型材料具有许多不寻常的性能。一是强韧兼备的力学性能,其强度和硬度能高达4000牛/毫米2,超过了超高强度的工具钢,非晶态合金薄带可以反复弯曲180°而不断。二是高电阻、低温度系数的电学性能。通常的晶态金属合金的电阻率是随温度升高而升高的,即其电阻温度系数大于零。而非晶态合金的电阻温度系数可以由正到负在很大的范围内变化,因此有望用非晶态合金制备出具有高电阻率和低电阻率温度系数的材料。三是高导磁、低铁损的软磁特性。铁基非晶态合金具有比较高的饱和磁化强度,其矫顽力和损耗都比一般晶态的铁基材料低,可代替变压器中的硅钢片,性能极为优越。四是耐强酸、强碱腐蚀的化学特性。许多非晶态合金的耐腐蚀性能比最好的不锈钢还要高出100倍。
目前非晶态合金产品多半是薄带形或粉末状产品,薄带用于代替硅钢片制造变压器是可以的,但当需要使用大块材料时,困难就比较大;另外,由于非晶状态是一种亚稳定状态,它具有一种自发向稳定状态(即金属原有的结晶状态)转化的趋势,很多非晶态合金在温度超过500℃,原子具有足够的活动能力时,就会发生结晶化过程,因此使这种材料的工作温度受到了限制;最后,非晶态合金材料的制备成本比较高,这也是有待解决的问题。
④金属多孔材料。出于某种特殊的性能要求和使用要求,可以有意识地制备出充满分散的小孔洞的金属合金,这就是多孔金属。多孔金属除具有奉体金属的强度、导电、导热、耐腐蚀等性能外,还具有质轻等特点,因而具有多方面值得重视和开发应用的特性。首先是用作过滤器材料,用来进行液体和气体的净化;多孔金属具有高阻尼特性,可用来制造缓冲器或吸振器;它还有良好的消声特性,可有效地用于发动机排气消声装置;
可用作保温隔热材料,火箭高温喷嘴材料等。
⑤磁性材料。磁性材料的主要特点是自发磁化,即由材料内部自身的力量使磁畴(磁介质的基本组成单位)的全部原子、离子的磁矩平行或反平行排列,在有外加磁场时,材料会迅速表现出强磁性。
软磁合金材料:主要应用为发电机、变压器、扼流圈中使用的铁芯,以电工软铁、硅钢、高磁导率铁镍合金形式使用。除做铁芯外,还广泛用于做各种电器和电子设备磁路元件。
永磁材料:又称为硬磁材料,主要用于制永久磁铁,作为电能转换装置中的磁场源,用于扬声器、电动机、仪表、磁控管等。
磁记录材料:用于记录各种信息,记录的准确性高、可靠性强、容量大,是传统记录形式难以比拟的,可以大大节省人力和物力,广泛用于磁卡、磁盘生产。
磁光记录材料:磁光记录的特点是光记录的容量大,可重写。同样面积的磁光盘,其记录容量可相当于软盘的500倍,可擦写次数达100万倍以上。
磁性流体:其主要特点是不仅有强磁性.而且有液体的流动性,可用于制造光传感感器和精密仪器,用于扬声器、磁密封、温度传感器、磁性流体制动装置、磁性流体药物等。
2.半导体材料
 (1)半导体的导电现象。早在1873年,英国科学家史密斯发现了半导体材料硒晶体在光的照射发生电阻减小的光导放电效应,这种现象称为内光电效应,是半导体材料特有的性质。在光的照射下半导体中的电子吸收光子的能量,可以引起电子状态的跃迁,使其导电性能增加,降低电阻。
在半导体物理学中,存在于材料内部的带电粒子在电场作用下做定向运动,形成电流,通常称它们为载流子。半导体中的载流子是电子和空穴,它的数目可以随外界条件的变化而显著增加或减少。光照、加热、外加电场等均可以显著改变半导体的导电率。
通过光照的激发作用产生的自由载流子称为光生载流子。
19世纪物理学家还发现,像硅、锗以及某些化合物,它们的电阻率介于金属和绝缘体之间。在高纯或温度极低的情况下几乎不导电,但当温度升高或掺入少量杂质时,导电性会发生明显变化。德国的西门子利用这种材料制成发光导电管。
 (2)半导体导电理论。有以下几种理论。
①能带理论。20世纪30年代,德国科学家斯特拉特·瓦格纳,美国科学家威尔逊提出比较权威性的半导体导电理论,其核心是“能带理论”。所谓能带,是指晶体材料中电子能量状态的一定区间。为了形象起见,可以把电子能级用高低不同的水平线表示,许多能级构成一条带就称为能带。各种晶体的能带数目和宽度不同,相邻两个能带之间有一定的能量差,这个间隙称为“禁带”或“能障”。完全被子电子占满的能带称为满带。
②P—N结。半导体中的能带有自由电子,是可以导电的,这种依靠带负电荷的电子导电的半导体称为N型半导体。与之对应的是当满带中有电子空缺时,也可以依靠空穴的移动成为带正电荷的载流子,此类半导体为P型半导体。
 (3)半导体材料的类型。有以下几种类型。
①本征半导体。半导体材料首先可根据是否掺有杂质来区分。不含杂质而结构完整的半导体单晶,称为本征半导体。这一类半导体中,电子和空穴数目相等。当温度很低时,这一类半导体电阻率大,很难导电,但温度升高时,电阻率迅速减小。技术上的本征半导体指杂质很少的材料。当根据需要掺人杂质时即成为杂质半导体。利用不同的杂质掺人,可以制成整流器、半导体二极管、半导体三极管和集成电路等。
②化合物半导体。指由两种或两种以上的元素化合物组成的半导体材料,实际上是指具有半导体性质的无机化合物,如砷化镓、硫化镉等。化合物成分复杂,制备单晶困难,但目前已有很多品种的化合物半导体用来制造发光二极管、红外探测器、光电器件、热敏电阻等。
③有机半导体。指具备半导体性质的有机化合物或分子络合物。如聚丙烯等有机化合物,又称为塑料半导体。
④玻璃半导体。指具有玻璃状态结构的半导体材料,在常态下,它们是绝缘体,但在一定的电场、压力、温度或光照作用下,可呈现半导体特征。目前,应用的玻璃半导体包括氧化物玻璃半导体和非氧化物玻璃半导体。这类材料具有记忆特征和开关特征,可制作记忆和开关元件。
 (4)半导体材料的生产与加工技术。有如下几种技术。
①提炼硅晶体。半导体生产和科研主要使用单晶材料。所谓单晶,指在整块材料中原子都按统一的晶格排列。多晶硅则是同一块材料中由多种晶格阵列方式构成,它们方向错杂、排列无序,这样的硅晶体无法加工成理想的硅器件。因此,在生产硅元件的过程中,首先要提炼出纯净的硅,其次要把多晶硅拉制成单晶硅。
正如世界上得不到100%的纯金一样,无一疵点的单晶硅也是得不到的。
②拉制单晶硅。提取纯净硅的方法通常用“区域熔炼法”。把含杂质的硅材料放在坩埚中,用高频电流使其加热到一端熔化,这时被加热的部分所含的杂质会按比重大小不同或者上浮,或者下沉,然后根据杂质的特点把熔区逐步向上或向下推进。在熔区缓慢移动的过程中,已经熔化的硅会重新凝固,杂质会随着熔区的推移逐渐向一端集中,而其余的部分就成了比较纯净的硅材料。如果一次熔炼没有达到所要求的纯度,可以多次采用上述方法反复冶炼。
硅材料的纯度用百分含量表示。如纯度为99.999 9%的硅晶体,也可用6个“9”表示它的纯度。如果硅中的杂质在10-9以下,即表示硅的纯度在9个“9”以上,这是用于生产半导体元件的多晶硅在拉制成单晶硅之前必须达到的起码要求。采用区域熔炼法可以使硅中杂质的含量降低到万亿分之一(10-12),完全可以满足微电子元件对硅材料的要求。
纯净的多晶硅,要在单晶炉中拉制成单晶硅。先让纯净的多晶硅在炉中熔化,把小块的单晶硅作为“子晶”,与熔体表面接触,然后慢慢提升子晶,同它接触的熔体就会逐渐凝固,发展成大的单晶体。用这种方法,不仅可以拉制单晶硅,还可以拉制单晶锗和某些金属化合物的单晶。
③硅片加工。把单晶棒切割成晶片时,应沿与晶面垂直的方向横断切割。
切割成的硅单晶片还要进一步加工才能用于制造二极管、晶体管和集成电路。传统加工技术中最主要的是杂质扩散法。在高温下把少量的3价或5价元素由硅片表面向内部渗透,使硅片表面及内层的杂质浓度分布和导电类型按需要生成,主要是形成P—N结。
后来,科学家又发明了“离子注人法”,把杂质的离子在真空中加速到一定的程度后,打到硅晶片上,离子以高速度穿透晶体表面进入晶体内,经过不断与硅晶体原子的碰撞,速度逐渐减慢,因而只能达到一定的深度。这种掺杂的方法,可以在较低温度下进行,而且可以较为精确地控制杂质的分布。
随着微电子技术的开发利用,硅片的加工技术也在向精细化、复杂化的方向发展。
硅元件以P—N结这一基本结构为基础的制作加工技术已远远不够用了,从而使半导体表面加工技术成为重要的专门技术。
④硅片技术发展趋势。硅片生产与加工技术的发展趋势是:一方面,对单晶硅的纯度要求越来越高;另一方面,杂质渗透、镀膜技术要求越来越先进和精细化。
最后,提高硅片质量还要注意防止“层错”。“层错”是硅晶体中的面的缺陷。这种缺陷一般集中在硅片的表层。防止层错的办法是:避免硅片的机械损伤,提高抛光技术,减少硅材料中的“微缺陷”,或用腐蚀法适当除去硅表面的损伤。此外,适当地热处理也可以减少层错。
 3.新型高分子材料
 (1)高分子材料概述。高分子是有机化合物,即碳元素的化合物。
高分子之所以称为高分子,是因为其分子量高,至少在1万以上,高的可达到几百万以至上千万,这不是一般小分子有机化合物所能到达的。分子量高所带来的性质上的变化,主要是使高分子化合物具有一定的力学强度。这样,高分子化合物就不同于一般有机化合物,而可以作为材料使用。
高分子化合物一般具有长链的结构,形象化地说,每个分子像一根长线团。各个分子间的结合力远远超过单个分子的结合力,这就赋予高分子以强度。现在高分子、大分子、聚合物、高聚合物这几个名词是可以互相通用的。高分子材料科学发展的主要趋势是高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化。
 (2)高性能高分子材料。有如下几种。
①工程塑料。1958年,美国杜邦公司以“向钢铁挑战”为题,报道了聚甲醛,并开始使用“工程塑料”这一名称。工程塑料一般是指工业用的高性能热塑性塑料,而区别于用来制作日常生活用品和包装材料的通用塑料。与通用塑料相比,工程塑料具有耐热性优良,抗拉、抗弯和冲击强度高,电气绝缘性能优良,耐磨、减摩性能好,吸振、消声性能优异,耐化学药品腐蚀,成型加工方便和成本较低等特点。
工程塑料可广泛应用于汽车、家用电器、电子设备以及飞机、导弹等产品,产生了较大的经济效益和社会效益。如小轿车使用高分子材料减轻车重100千克,则每升汽油至少可多行0.2千米,这不仅能节约能源,而且可以减少大气污染。此外,由于工程塑料减振性能好,还能降低噪声。
②工程塑料合金。工程塑料合金是指一种表现均一的多组分工程聚合物体系,是两种或多种不同结构单元的均聚物或共聚物的混合物,且其中任一组分的比例必须大于5%。
工程塑料合金是20世纪60年代随工程塑料问世接踵而至的新材料。20世纪70年代中期,开始转向以提高材料的韧性为重要目标,一系列超韧产品应运而生。庞大的汽车工业成为工程塑料合金争夺的最好市场。同时,电子信息技术的飞速发展,促使高模量、易流动的工程塑料合金在其设备壳体上的用量剧增。目前已形成商品的工程塑料合金种类很多,其主要品种有几十种。
 (3)功能高分子材料。有如下几种。
①导电高分子材料。绝大多数塑料和普通有机化合物之所以是电的不良导体或绝缘体,是由于它们分子中所含的电子被紧紧束缚住,处于不能自由迁移的状态。若能使这些电子自由移动,塑料也就能导电了。
世界上第一种有应用前景的结构型导电有机高分子材料聚乙炔于1977年由美、日科学家合作制成。1979年美国学者又率先研制成采用聚乙炔作电极的实验二次电池,并在纽约召开的第一次学术会议上当众做了演示,从而引起了人们对导电高分子的极大关注,引发了研究聚乙炔的世界性热潮。到目前为止,已先后开发出以聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯为代表的一系列导电高分子新品种,在改进稳定性、提高电导率和解决可溶性等方面都取得了显著的进展。近20年来,人们已合成出数百种不同结构和类型的导电高分子化合物。
②磁性高分子材料。高分子磁性材料主要分为两大类,即结构型和复合型。所谓结构型是指并不添加无机类磁粉而高分子材料本身即具有强磁性;复合型是指添加铁氧体或稀土类弱粉于高分子中制成的磁性体,目前具有实用价值的主要是这一类。若将磁粉涂布于高分子带基上,便制造出录音录像带。
③光功能高分子材料。光功能高分子材料是指能够对光透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。随着通信技术的发展,利用高分子材料的光曲线传播特性,开发出了非线性光元件,即塑料光导纤维。随着激光技术的发展和对大容量、高信息密度储存(记录)材料的需求,开发出先进的信息储存元件(光盘)。利用高分子材料的光化学反应,开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及黏合剂。利用高分子材料的能量转换特性,人们制成了光导电材料和光致变色材料。
 (4)生物医用高分子材料。所谓生物医用高分子材料,是指用来制造人工器官、医疗器械和药物剂型的高分子材料,能促使人体组织修复或再生的高分子材料,用于培养、分离、提纯、固定生物活性的高分子材料和仿生高分子材料。医用高分子材料不仅要有足够好的物理化学性能,而且应具有良好的生物学性能。例如,作为人体内的高分子材料,与人体组织的相容性要好,体内组织液不会受其影响而发生变化,异体反应要尽可能目前典型的生物医用高分子材料主要包括:
①人工器官用高分子材料。目前已用于临床的人工器官用高分子材料有:硅橡胶、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、硅烷共聚物和离子交换树脂等几十种。用这些高分子材料能制造出各种人工器官和组织,如人工心脏、人工肾、人工喉、人工骨、人工眼球、人工皮、人造血浆和血液等。
②控制药物释放的高分子材料。控制药物释放的最简单办法是将药物包埋在膜里,通过采用不同材料的膜和改变膜的性质,就能控制药物向膜外释放的速度。开发这种技术的关键是开发无害而易分解的高分子材料作为药物赋形剂。
控制药物释放的另一个办法是以高分子为载体,联接上小分子药物,即所谓药物的高分子化。药物经高分子化后,就有可能降低毒性,提高疗效,并能做到缓释、长效。
③仿生高分子材料。对生物大分子进行结构分析,并弄清楚结构与性能的关系后,通过分子设计和模拟,可以制得具有一定生物学功能的高分子材料,即仿生高分子材料。
通过高分子仿生学研究,可以开发人工酶、人工生物膜、“导弹”药物’,高分子材料和其他特殊功能材料。例如,蓝色贻贝通过分泌出的液体将贝体牢固地粘在岩石上美国有关专家研究了这种分泌液的分子结构,并合成了一种模拟蓝色贻贝分泌液的超级胶粘剂,这种超级胶粘剂能快速固化,不受盐水侵蚀,可用来补牙、接骨和作船底涂料。
4.新型陶瓷材料
陶瓷材料是人类最早利用的材料,有着悠久的历史。陶瓷研究的发展经历了3次飞跃,其中,从传统发展史上的第二次重大飞跃,如今,陶瓷材料发展,又发展,又开始了第三次飞跃,即从先进陶瓷发展到纳米陶瓷。
先进结构陶瓷按其使用性来看,大体可以分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类。
(1)先进结构陶瓷。陶瓷材料的固有优点是强度、硬度和耐磨、耐热能力都非常好。从这些方面来看,金属和高分子材料是很难和陶瓷竞争的。陶瓷的主要缺点是韧性不好,目前已找到许多使陶瓷增韧的方法,可使结构陶瓷的段裂韧性逐步提高。结构陶瓷由于其脆性问题没有得到彻底解决,加之成本较高,目前主要用在刃具、模具等领域。
 (2)先进功能陶瓷。功能陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷。先进功能陶瓷习惯上是按使用功能进行分类的,其特点是品种繁多、丰富多彩。所谓的“功能”,在很多情况下都与电子技术有着某种联系,大体上包括装置陶瓷、电容器陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷以及敏感陶瓷与陶瓷集成等。
我国目前发展新型陶瓷材料的当务之急是:一方面要大力引进先进装备及检测手段,购买新生材料配方和技术专利,来提高我国陶瓷材料的研究、开发、生产的起点水平;
另一方面又要在消化、吸收国外技术的基础上,立即投入有创造性的研究开发工作,摆脱国外专利垄断市场的局面。
5.超导材料
 (1)超导现象概述。超导又称超导电性,是指某些材料被冷却到一定温度后,对其通以电流,这些材料出现零电阻率,也就是失去电阻的现象。相应的,具有这种性质的材料称超导材料。超导材料在电阻消失前的状态称为常导状态,电阻消失后的状态称为超导状态。
超导现象首先是由荷兰物理学家卡末林·昂内斯于1911年在研究水银低温电阻时发现的。他的实验表明,当温度降低到4.2K时,水银导线的电阻突然下降到零,后来又陆续发现其他一些物质也具有这种现象。超导材料的出现将人们带进了一个前景十分广阔的新技术领域,超导现象的应用,给能源、交通的飞跃发展提供了可能性,并将对科技、经济、军事乃至社会发展产生难以估量的深远影响。
 (2)超导材料的特征。有如下几种。
①完全导电性。完全导电性是指当温度下降至某一数值或以下时,超导材料的电阻突然变为零的现象,也叫零电阻效应。
②完全抗磁性。完全抗磁性是指只要超导体进入超导态,超导体内的磁力线将全部被排出体外,磁感应强度等于零的特性。
完全抗磁性是由德国科学家迈斯纳和奥森菲尔德在1933年对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现的,所以又称为迈斯纳效应。
 (3)超导材料的分类。有如下几种分类方法。
①按磁化特征分类。超导材料按其磁化特征可分为第一类超导体和第二类超导体。
第一类超导体只有一个临界磁场,在临界磁场以下显示出超导性,超过临界磁场立即转变为常导体。所以,第一类超导体实用价值不大。
第二类超导体有两个临界磁场,即上临界磁场和下临界磁场,当外加磁场小于下临界磁场时,这类超导体处于纯粹的超导态,又称为迈斯纳状态,磁场线完全被排出超导体外,具有同第一类超导体相同的特征。当外加磁场加大到下临界磁场并逐渐增强,超导体内有部分磁场线呈斑状穿过,电流在超导部分流动,并随着外加磁场增加,透人深度也增大,直到外加磁场强度达到上临界磁场,磁场线完全穿过超导体内,超导部分消失,转为正常态。也就是说,第二类超导体在两个临界磁场之间时,体内既有超导态部分,又有正常态部分,处于混合态,也称涡旋态.这时第二类超导体仍具有零电阻,但不具有完全抗磁性。目前有实用价值的超导体都是第二类超导体。
②按临界转变温度分类:超导材料按临界转变温度可以分为低温超导体、高温超导体和其他类型的超导体。
低温超导体也称为常规超导体、传统超导体,是指临界转变温度较低(小于30K)的超导材料。
把临界转变温度达到77K以上的超导材料称为高温超导体。高温超导体的使用温度高.应用比较广泛。   
高温超导体具有与低温超导体相同的完全导电性和完全抗磁性,可以分为氧化物超导体和非氧化物超导体。
氧化物超导体按元素组分可以分为含铜氧化物超导体和非含铜氧化物超导体。非氧化物超导体主要是“C化合物,它的优点是稳定性极高,“C化合物及其衍生物作为实用超导材料和新型半导体材料具有广阔的应用空间。
高温超导膜。由于高温超导体大多是多组元的氧化陶瓷,材料允许通过的电流不能满足实际的需求,而优质的膜材料可以通过较大的电流.电子技术向微电子方向的发展也促进了高温超导膜的研制,这对高温超导体的应用有着重要意义。  
其他类型的超导体还有:非晶超导体、复合超导体、金属间化合物超导体,有机超导体。
 (4)超导材料的应用。超导材料的应用十分广泛,从所侧重的超导性质看,大多数可以分为3类:强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用又称大电流应用,有超导发电、输电、贮能、能源开发、核磁共振等;弱电应用又称电子学应用,包括超导探测器、超导器件、超导计算机等;抗磁性应用主要用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆。
①强电应用。包括以下几种。一是超导输电线路。超导的最直接、最诱人的应用是用超导体制造输电电线。目前高压输电线的能量损耗高达10%以上.如果用超导导线替代它们,电力几乎无损耗地输送给用户。用超导材料可制造高效率、大容量的动力电缆和变压器,可减少导体的材料需求量,节约大量有色金属。
二是超导发电机。在现有大型发电机或电动机中,用超导体{℃替铜材有望实现电阻损耗极小的大功率输出。这不仅对大规模电力工程很重要,而且对于各种船舶、飞机特别理想。目前.超导单极直流电动机和同步发电机是主要的研究对象。 
三是超导贮能。超导材料具有高载流能力和零电阻的特性,在其回路中通入电流,电流可永不减弱,因此可长时间无损耗地贮存大量电能。
四是核磁共振成像。由于核磁共振仪需在一个大空间内有一个高均匀度和高稳定性磁场,而超导体不仅能满足这一要求,且磁场强度比常规磁体有明显优势。目前生产的超导磁体有70%~80%用于核磁共振领域。
②弱电应用。包括超导探测器、超导微波器件、超导计算机。
超导探测器。利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量,灵敏度非常高,使微弱的电磁信号都能被采集、处理和传递,实现高精度的测量和对比。利用超导器件还可以制成超导红外线毫米波探测器,其探测范围几乎覆盖整个电磁波频谱,填补了电器波谱中远红外到毫米波段的空白。它不但灵敏度高、频带宽,而且还具有高集成密度、低功率、高成品、低价格等优点。
超导微波器件。高温超导系统在移动通信系统中有重要作用,它所带来的好处是:提高了基站接收机的抗干扰能力;可充分利用频率资源,扩大基站能量;减少输入信号的损耗,提高基站系统的灵敏度;改善通话质量,提高数据传输度。
超导计算机。超导计算机中的超大规模集成电路的元件的连线是用接近零电阻和超微发热的超导器件制成的。不存在散热问题,可使超导计算机具有许多优点;器件的开关速度比现有开关导体器件快2~3个数量级,比普通半导体硅集成电路快1000倍左右;功率很低,只有半导体器件的千分之一左右,散热问题很易解决;输出电压在毫伏数量级,而输出电流大于控制线内的电流,信号检测方便;体积更小,成本更低;因超导抗磁效应,电路布线干扰完全消除,信号准确无畸变。
③抗磁性应用。有如下几种。
磁悬浮列车。利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在永磁体的上方,磁体和超导体之间会产生排斥力,超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬效应可以制造高速超导磁悬浮列车,时速可达几百千米而且运行平稳,无废气污染,但制造和运行成本较高。
磁封闭体。利用超导体产生的强磁场,可以制成热核聚变反应中的磁封闭体,将其中的超高温等离子体包围、约束起来,再缓慢地释放,从而控制核聚变能源。
目前实现超导材料的实用化还有不少技术难题,如何提高其临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能一直是科研工作者所探索的难题,超导材料的开发和利用还有待进一步研究。
6.纳米材料  
 (1)纳米材料概述。听谓纳米材料是由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下.应不超过10纳米。大家都知道,原子的半径在10-10米这一量级,而1纳米等于10-9米,因此在纳米量级内,物质颗粒的尺寸已经很接近原子的大小。这时候,量子效应就已经开始影响到物质的性能和结构。
纳米材料与普通材料相比,在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。例如,纳米铜(晶粒尺寸为8纳米)的自扩散系数比晶格扩散系数增大10~19倍,膨胀系数比普通铜成倍增大,强度比普通铜高5倍;纳米硅的光吸收系数比普通单硅增大几十倍。
 由于这些不同,我们便有可能制造出性能优良的各种特殊材料。纳米材料无与伦比的特性,使它在无数领域有着良好的应用前景。
 (2)纳米材料的发展。纳米材料被誉为2l世纪的新生材料,其概念在20世纪中叶被科学界提出后得到广泛重视和深入研究。
1959年诺贝尔奖获得者理查·费曼在一次讲演中提出,人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器又可制造更小的机器,这样一步步达到分子尺度,即逐级缩小生产装置,以致最后直接按人的意愿排列原子,制造产品。人工纳米微粒是20世纪60年代初期由日本科学家首先在实验室制备成功的。纳米金属则是德国科学家Gleiter在1984年用惰性气体蒸发原位加压法制出的。到目前为止,已用这种方法制备的纳米材料达上百种。1990年7月,在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料列为材料科学的一个崭新的分支,这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。
综观纳米材料发展的历史,大致可以划分为3个阶段。第一阶段(1990年以前),主要是在实验室探索用各种手段制备各种纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段(1990~1994年),人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料。第三阶段(1994年到现在),纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系越来越受到人们的关注。
 (3)纳米材料的结构与性质。简述如下。
①纳米材料的结构。构成纳米结构的块体、薄膜、多层膜和纳米结构的单元有团簇、纳米微粒、碳纳米管、纳米棒、纳米丝和纳米线。
团簇。是一类新发现的化学物种,是20世纪80年代才出现的。原子团簇,简称团簇,是指几个至几百个原子的聚集体。团簇的尺寸范围一般在1—100纳米之间。它们尚未形成规整的晶体,除了惰性气体外,它们都是以化学键紧密结合的聚集体。
纳米微粒。是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒,它的尺度大于团簇,小于微粉。
纳米微粒与微细颗粒和原子团簇的区别不仅反映在尺寸方面,更重要的是在物理与化学性质方面。
碳纳米管。是一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型材料。它是由碳原子形成的石墨片卷曲而成的无缝、中空的管体。石墨片不同的卷曲方向和角度将会得到不同类型的碳纳米管。卷曲成碳纳米管的石墨片的片层可以是一层的或多层的。由一层石墨片卷成的碳纳米管称为单壁碳纳米管,由多层石墨片卷曲成的碳纳米管称为多壁碳纳米管。根据碳纳米管截面的边缘形状,单壁碳纳米管又分为单壁纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。
碳纳米管具备十分奇特的化学、物理、电子及力学性能,它的应用十分广泛。目前,单壁碳纳米管最长可达20纳米,定向多壁碳纳米管的长度也可达几毫米,所以碳纳米管可作导线、开关和记忆元件。利用碳纳米管的量子效应,在分子水平上对其进行设计和操作,可以推动传统器件的微型化。金属/半导体型碳纳米管具有二极管的特性,可以作为最小的半导体装置。碳纳米管的端部曲率牛径小,在电场中具有很强的局部增强效应,可以用作场发射材料。由于碳纳米管的体积可以小到l0-5立方毫米,医生可以向人体血液里注射碳纳米管潜艇式机器人,用于治疗心脏病,等等。   
纳米棒、纳米丝和纳米线。一般把长度小于l微米的纳米丝称为纳米棒,长度大于1微米的称为纳米丝或纳米线。半导体和金属纳米线通常称为量子线,常见的纳米线有半导体硫化物纳米线、发光硅纳米线、单金属纳米线、金属合金纳米线、60C纳米线以及有机聚合物纳米线等。
(2)纳米材料的性质。纳米材料的性质是由所组成的微粒尺寸、相组成和界面这3个因素的相互作用决定的。可归纳为4种基本性质。
表面效应。表面效应是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加.粒子表面结合能随之增加,从而引起纳米微粒性质变化的现象。例如.金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机材料的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。
小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相于长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时.晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小.导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。例如,光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态转变;超导相向正常相的转变;小尺寸效应还使纳米微粒的熔点发生改变,如普通金属金的熔点是1337K,当金的颗粒尺寸减小到2纳米时,金微粒的熔点降到600K。
量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米微粒在磁、光、电、声、热以及超导电性等特性与块体材料的显著不同。例如纳米微粒具有高的光学非线性及特异的催化性能。
宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。这种效应和量子尺寸效应一起,将是未来微电子器件的基础,它们确定了微电子器件进一步微型化的极限。
 (4)纳米复合材料。纳米复合材料是20世纪80年代出现的一种新材料,由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1~]00纳米)尺度上复合而成。这些固相可以是非品质、半晶质、晶质或者兼而有之,而且可以是无机物、有机物或两种兼有。纳米复合材料也可以是指分散相尺寸有一维小于100纳米的复合材料。分散相的组成可以是无机化合物,也可以是有机化合物,无机化合物通常是指陶瓷、金属等,有机化合物通常是指有机高分子材料。
纳米复合材料的特点是:第一,纳米复合材料可以综合发挥各种组分的协同效能,这是其他任何一种材料都不具备的多种性能。第二.纳米复合材料性能的可设计性,可以针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计与制造。第三,纳米复合材料可以按需要加工材料的形状,避免多次加工和重复加工。
①纳米复合涂料。纳米复合涂料是指将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化与剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。利用纳米微粒的某些功能对现有涂料进行改性,提高涂料的性能,这种涂料称为纳米改性涂料。纳米结构涂料是指使用某些特殊工艺制备的涂料,其中某种特别组分的细度在纳米级。
②纳米功能性涂料。包括抗菌防污涂料、抗菌保健涂料、紫外线防护涂料、纳米隐身涂料,重点是抗菌防污涂料和纳米隐身涂料。
③纳米塑料。是指金属、非金属和有机填充物以纳米尺寸分散于树脂基体中形成的树脂纳米复合材料。纳米塑料的种类有:金属及无机非金属纳米塑料和有机的纳米塑料。
④纳米复合纤维。将纳米材料应用到合成纤维中制备而成的纤维称为纳米复合纤维。用纳米复合纤维开发的面料,通过纳米技术处理织物,在保持原有织物性能不变的同时,提高了织物防水、防油污的功能,也使织物具有杀菌、防霉和防辐射等特殊效果。
 (5)纳米材料的应用。纳米材料在不同的领域有着不同的应用。
①开发新型材料。纳米材料可用于开发热电转换材料、高效太阳能转换材料、二次电池材料;功能涂料;电子和电力工业材料、新一代电子封装材料、厚膜电路用基板材料;新型大屏幕平板显示的发光材料;磁性材料;用于环境的光催化有机降解材料、保洁抗涂层材料、生态建筑材料、纳米陶瓷材料和纳米复合生物材料等。这些新材料可用于高科技领域、国防工业及传统产业中开发新产品。
②在化工产品中的应用。在化工产品中利用纳米超微粒子高比表面积与高活性能,能显著地增进催化效率,如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1%的超细钛或镍微粒,每克燃料的燃烧热可增加1倍。
③在医学生物领域的应用。利用一些纳米材料可以制成生物陶瓷,制成具有生物活性的人造牙齿、人造骨、人造器官等。采用纳米颗粒复合制备的磷酸钙骨水泥,与机体亲和性好,能被新生骨逐步吸收。纳米生物材料不仅在硬组织修补和替换方面有作用,而且在药物缓释材料、疾病检测等医学领域都能发挥巨大的作用。
纳米机器人将会给人类医学科技带来深刻的革命,使许多疑难病症得到解决。这些纳米机器人按医师预先编制程序进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒和组织破碎细胞,杀死癌细胞,监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作,做整容手术,进行基因装配工作,等等。
生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术,它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。过去常常采用价格昂贵并对人身有害的技术,但用纳米微粒很容易将细胞分离出来。癌症的早期诊断一直是医学界亟待解决的难题。美国科学家利贝蒂指出,利用纳米微粒进行细胞分离的技术很可能在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞,实现癌症的早期诊断和治疗。
细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术。未加染色的细胞很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察,为了解决这一问题,物理学家已经发展了几种染色技术,如荧光抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等,纳米微粒的出现,为建立新的染色技术提供了新的途径。
④用纳米材料改造传统产业。纳米材料不仅在高科技尖端工业中有重要的应用前景,而且在机械、冶金、石油化工,建筑材料、纺织、轻工等工业领域也有重要的应用价值。
用纳米材料改造传统产业,利用比较成熟的纳米材料与技术,使传统产品提高质量、赋予新的功能和使产品更新换代。
一、能量与物质运动的统一
(一)能量的本质
能量被理解为物体做功的能力,是对物质运动的量度,这是近代科学史上经过深入讨论之后形成的共识。形成这样的认识,是近代科学后期的一项重要成就。经典科学对物质运动的本质和规律认识上的一个重要飞跃,是19世纪能量守恒和转换定律的发现,这一发现不仅有重大的科学技术意义,而且有重要的哲学和社会意义。
自近代力学奠基时起,科学家通过观察实验和推理认识到物体或物体系统运动过程中,动量和冲量在作用前后是守恒的。牛顿认为,当两个做直线运动的物体速度不同时,就会发生碰撞,在碰撞前后总的动量保持不变。
和牛顿同一时代的笛卡儿也从哲学上提出了运动不灭的命题,他提出宇宙永远保持着同量的运动。但18世纪的科学家还误认为力是运动的源泉,因而,运动不灭原理又常常被表述为“力的不灭”。
近代热力学兴起后,研究热与功的相互转化,使自然科学对运动守恒与转化的认识深入了一步。18世纪末,科学家研究了机械功转化为热的现象,猜想热是物质微粒的运动。19世纪初,卡诺分析蒸汽机和其他热机做功的原因,认为热动力和水力势能的做功能力是相似的。
1837年,德国化学家莫尔提出一种机械论的能量本质观点,认为各种不同形式的能都是机械的表现。他认为力在适当的条件下可以表现为运动,如凝聚、电、光、热和磁,热不是什么特殊的物质,而是物体中最小微粒的振动。1842年,德国医生迈尔认为,机械功和热是等价的。他根据气体膨胀做功所需的热量,大致计算了机械能和热之间的当量关系。迈尔对热能的本质做出了正确的认识,他明确提出:“运动在许多情况下只不过产生热效应,因而热的来源只不过是由于运动。”
同一时期,化学家赫尔姆霍兹也提出,活的机体只能从饮食中获取热能,永动机是不可能的。热和其各种类型的能,本身也可以看做机械运动的表现形式,17~18世纪力学中总结出的机械能守恒定律,可以推广成宇宙总能量守恒的原理。
可见,18世纪30~40年代,科学家已经从观察分析中得出能量的本质是物质运动的观点,虽然还没有完全摆脱机械观的影响,但已经抓住了问题的根本。
(二)能量的守恒与转化
1840年,焦耳测量了电流通过电阻时发出的热量,发现一定时间发出的热与电路的电阻及电流平方成正比,即关于电热转化关系的焦耳定律。后来他又让发电机带动叶轮搅动密封绝热的水,测量了机械能和热能的转化关系。
通过一批科学家的工作,人们以不同的方式和途径得出了共同的认识,即能量守恒与转化定律。自然界的各种能量形式,如机械能、热能、电磁能、原子能等,在一定条件下都以直接或间接的方式,按照固定的当量关系相互转化,在转化过程中,能量既不能创造,也不能消灭。
能量守恒与转化定律是自然界物质运动最普遍的规律之一,是自然科学的基石。新发现的自然科学理论都必须与这个定律相符合,如果违背了这个定律,便不可能成立。
如果坚信能量守恒与转化定律在任何条件下都成立,便能正确引导人们对未知的物质运动规律的探索,做出有创新意义的发现。
(三)自然的基本能量形式
1.机械能
机械官能包括动能和势能两种形式,势能又包括重力势能(位能)和弹性势能。声音是物体的机械振动,并在介质中传播,因而声能也属于机械能。
2.热能
热能是物体内能的一部分,表现为物体温度的高低。从微观的角度看,热能是分子运动动能的总和,分子运动的平均速度越高,物体的温度越高,热能也越多。
3.电磁能
电磁能即电磁场能量,包括电场能和磁场能,用场中各点的能量密度(即单位体积所含的能量)与体积的积分求得。其中电场能量密度正比于该点电场强度的平方,磁场能量密度正比于该点磁感应强度的平方。光能也是一种电磁能,它以辐射的形式转播,也可以称为辐射能。其中研究黑体辐射与波长(频率)之间的关系,在经典热力学发展史上有重要意义
4.原子能
原子能实际上是原子核能,是在原子核结构发生变化时放出的能量,包括两种基本形态:一是重核(如铀核)裂变因质量亏损而产生的能量,称为裂变反应能;二是轻原子核(如氢和氦)聚变时释放出的能量称为聚变反应能。这两种过程释放能量巨大。物质所具有的原子能比化学能要大几百万倍甚至1 000万借以上。轻核聚变释放的能量比同质量的重核裂变释放的能量大许多倍。由于核能能量巨大,研究核能及粒子相互作用和运动变化规律的物理学分支称为高能物理。
5.化学能
化学能指物体分子式晶体中的原子以化学键相互吸引而结合所包含的能量。当相应的外来能量超过化学键结合能时,分子会发生分解,晶体中的原子可以以离子形式存在。
(四)质能关系
自然界物质运动与能量的统一,集中表现于质能关系:
    F=mc2
式中的正是一定物质对应的能量,m为它的质量,c是光传播的速度(3×l05千米/秒)。
质能关系式说明了质量与能量的固定比例关系,两者是相互联系、相互制约的,任何质量离不开能量,任何能量也都离不开质量,任何能量的改变也必然有对应的质量改变。
对应地,任何质量的改变同时有对应能量的改变。
二、新能源技术
(一)能源利用与社会发展
1.能源的分类
 (1)广义的能源分类。可以从能量的根本蕴藏方式来区分,大致可分为3类:一是地球以外的太阳能,包括直接使用的和间接蕴藏的太阳辐射能,如石油、煤炭、天然气等是史前绿色植物光合作用生成的有机物以及食用它们的动物的遗骸,在漫长的地质变迁中转化成的。生物质能、水流能、风能、海洋能、雷电能等也是太阳能的转化形式。二是地球自身蕴藏的能量,主要包括地热资源及原子能燃料,还包括地震、火山能等。三是地外其他天体引力相互作用的蕴藏能,如潮汐能。
 (2)应用性能源分类。当今能源科学技术一般从能源革命和能源利用方式上进行分类。
①一次性能源与二次性能源。天然存在于自然界直接取用又不改变基本形态的能源称为一次性能源,如煤炭、石油、天然气、风能、地热等。由一次性能源经加工转化成另一种形态的能源,再加以利用的能源产品称为二次性能源,如电力、煤气、蒸汽、石油加工制品、液化石油气等。大部分一次性能源都要转换成容易输送、分配和使用的二次性能源。
②可再生能源与不可再生能源。在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源称为可再生能源,如太阳能以及由太阳能转换成的水流能、风能;生物质能等。它们可以循环再生,不会因长期使用而减少。经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源,称为不可再生能源,如煤炭、石油、天然气、核燃料等。它们随着被大量开发利用,储量越来越少,终有枯竭的一天。
③常规能源与新能源。常规能源指在过去和现在相当长时期内科学技术水平可以开发并被人广泛利用的能源。那些新近被发现,要采用创新科学技术才能充分开发和广泛利用的能源称为新能源。
2.能源的开发利用与社会进步
 (1)火是人类最早利用的能源。史前时代人类就掌握了钻木取火技巧,用于取暖、煮熟食物、狩猎、照明和防御敌人。火的热量使食物变得易于消化,美味可口,富有营养,食物的来源大大扩展了,人类的生活也更安全了。
 (2)农业社会能源利用。农业社会的燃料来源,主要来自生物燃料,如木柴、植物的农业生产自身获取的生物燃料可以满足人们的生活消费。
 (3)工业社会的能源革命。煤炭是第一种大规模开采的矿物燃料,它在传统工业矿物燃料中的主导地位持续了200年。有机化学工业兴起后,煤炭:进一步被用作化工1854年,美国化学家西利曼对石油进行分馏,从中获得优质的液态燃料。1859年,在美国宾夕法尼亚州打出了第一口油井。由于石油能源的发现和利用,才有了内燃机的发明,汽车和航空时代才有可能到来。
1831年,英国科学家法拉第和美国科学家亨利各自独立地在实验中发现了电磁感应现象。随后不久,法国人毕基西就制造出第一台实验用直流发电机模型。1866年,德国发明家西门子经过反复实验和改进,制成了第一台实用发电机。19世纪中叶以后,电力的发明和应用将人类社会向前推进了一步。
 (二)传统能源与能源危机
木炭、煤炭、石油和水力等传统能源的开发利用带来了人类社会的巨大进步,但传统能源的固有特点及其开发利用的技术水平又决定了不可避免的能源问题,最终导致能源
 (1)储蓄的有限性及消费量迅速增长的矛盾。人类在农业经济发展到比较成熟阶段,已经遭受到一次“能源危机”,这就是由于农田过分扩张毁灭了大片原始森林、草原过度放牧造成草原的沙漠化造成的。在古老文明国家,当初那些先进农业文明的发源地如尼罗河流域、黄河中上游、印度河流域周围大片的沙漠和黄土暴露的高原,几千年前曾是从积极的方面说,正是能源危机的压力促使人们去寻求开发新一代能源。正是木柴的匮乏激发了欧洲人开发煤炭和石油的热情。   
 (2)能源价值潜力和粗放式开发利用的矛盾。无论是生物能源,还是石油、煤炭,都是高分子有机物,其开发和综合利用的潜力是很大的,但是,在很长的历史年代中,它们主要作为燃料使用。古代人们使用的木柴基本上是露天燃烧或在热利用率很低的了炉灶里燃烧的,浪费很大。近代对煤炭的使用,90%以上是在热利用效率很低的小煤炉或小锅炉中燃烧的,大量没有充分燃烧的煤粉、烟尘、一氧化碳、硫化氢等,不仅带走了大量的热能,而且污染了空气和环境。石油产品,如果经过深度开发,其价值可以成倍增长,但直到20世纪上半叶,石油的开发利用大都仅限于初级产品。由于受技术水平限制,人类对能源开发利用中的浪费现象是惊人的。大自然经过亿万年的作用储备起来的太阳能,一半以上又白白逸散到大自然中。不能循环利用是传统能源的特点之一。
 (3)开发成本上升与消费大众化的矛盾。一般说来,一种能源开发利用技术愈成熟,使用的效率就愈高,这就促使用户乐于使用这种能源,使消费大众化。随着浅层的、近距离的能源枯竭,人类必须寻找远距离或更难开发的深层能源,能源的开发费用迅速上升,先进的技术也需要巨大的开发成本,这就进一步加深了供求矛盾。据估算,世界能量消耗,1950年约为27亿吨标准煤,1975年即达到90亿吨标准煤,20世纪末已经超过200亿吨标准煤,在50年内增长近8倍。这样一来,预测目前已掌握的一次性能源储量至多能维持人类100~300年的需求,有人甚至估计,地球石油资源再过50年就面临枯竭。
上述矛盾发展的结果,必然造成能源危机。
2.能源危机
所谓能源危机是指传统能源的供应不足、开发利用方式的粗放性与人类需求迅速扩大的矛盾日益尖锐化。如世界石油资源的开采量1950年为5.39亿吨,1960年达到10.89亿吨,1967年为18亿吨。石油输出国组织为了表达石油资源的稀缺性,于20世纪70年把原油价格一下子提高了1倍,即从每桶17美元提高到35美元。以后国际市场原油价格总体上呈上升趋势,一度达到每桶80美元。
从传统能源的开发与利用来看,现实的挑战来自这样一些问题:
一是新能源基地的发现、勘探、开发、建设愈来愈困难,可采储量增长缓慢。
二是世界经济发展速度加快,广大发展中国家仍处于现代化前期,工业化过程无法摆脱对能源和资源的依赖。
在基本生活需求满足之后,作为生活现代化标志的耐用消费品使用大众化进一步加深了能源供求矛盾,如汽车、拖拉机、电器、机械化生产设备等都是高耗能用品,工业社会中人均能源消费将会比不发达状态下的人均能源消费高出很多倍,美国的能源消费量占世界总消费量的40%,而人口只占全球人口的5.5%,其人均能源消费量是世界平均水平的7倍多。
三是传统增长模式不合理。能源、资源、环境、人口问题是紧密联系的问题,必须从人与自然和谐关系、人与自然协调发展的系统观念出发设计优化的发展模式,才能摆脱危机的阴影。
同世界性的能源形势普遍紧张状况比较,中国当代能源局面又有如下几个突出特点:
一是从能源结构上看,我国能源以煤为主,多种能源互补。20世纪末,石油在我国能源结构中约占24%,水电占6.2%,核电占1%,其余60%以上依靠煤。
二是从动态发展看,我国能源生产和消费呈现稳步、持续、较快增长。我国煤炭产量1949年为3 200万吨,2006年超过30亿吨,居世界第一位。我国能源消费总量已居世界前列。我国已从石油出口国变为石油进口国,石油进口量居世界前列。但按人均能源消费量计算仍是很低的,约为世界平均值的一半。
三是能源供应不足,但单位产值能耗高。按20世纪末的能耗之计算,我国万元GDP能耗3.97吨标准煤,约为世界平均水平的2倍,是日本的7倍,美国的4倍,印度的1.5倍。能源利用率如此低,有三个因素,一是生产中节能意识差;二是技术水平落后,生产手段粗放;三是经济体制和劳动者素质存在问题。国家在第十一个五年计划的管理指标中,要求5年内年平均能耗水平下降4%,5年降耗20%,但从执行情况看,这一指标落实的难度大。
四是环境污染和运输压力越来越大。我国生产和生活用能源75%依靠煤炭。煤炭运输占全国铁路总运输量40%以上。煤炭用作生产、生活燃料燃烧程度低,灰渣量大,二是提高能源使用规模化、集约化、管理科学化、信息化的程度,把小型高耗能企业三是优化能源结构,完善开放型、多元化的能源开发、输送、储备体系,增加天然气、石油、水电、核电和其他干净新能源的比重。
四是加大对新能源研发的投入,构建自主型的新能源科技自主研发、多元协作体系。
(三)新能源的开发与$tl用技术
环保的理想替代能源。一是能量开发潜力巨大。太阳每分钟向地球辐射的能量相当于人类一天耗用的总能量之和,相当于500多万吨标准煤的燃烧值。一年内太阳能辐射两相当于170万亿吨标准煤的热量,目前全世界每年所耗能量还不到它的万分之一。到达地表的太阳能,被植物吸收的仅千分之一二,其余的大部分转化为热,散发到太空中去了。
 (2)大阳辐射与大气吸收。每年到达地球大气外层的太阳总能量为1.5X1015千瓦,其中,30%以短波形式被反射回太空,4%被大气、地表、海洋所吸收,23%参与地球上的水循环。太阳能谱分布主要在0.2~100微米的紫外线到红外光范围,其中0.3~2.6 微米的辐射能占95%以上。
地球大气层单位面积时间内接收的太阳能辐射密度用太阳常数Isc描述,选取地球到太阳的平均距离为1.495*108千米,地球大气层外侧上届面单位面积、单位时间内垂直于太阳上接收太阳能的辐射能之和。目前普遍采用的权威值是Isc=10940卡/(厘米2·秒)或Isc=1353瓦/米2
太阳常数可随季节变化,但变化不大,对利用太阳能没有根本影响。
太阳总辐射强度受一系列因素的影响:一是观测地点的纬度,二是太阳高度(日地距离),三是地表海拔高度,四是云量,五是大气浑浊度。此外观测地点周围的太阳光反射条件等也有影响。
 (3)我国的太阳能资源。我国地面接收的太阳能资源非常丰富,主要分布在我国的西北、华北以及云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和台湾西南部等地区。太阳能高值中心(青藏高原)和低值中心(四川盆地)都处在北纬22°-35°这一条带中。和地球上其他能源特别是传统的化石能源相比,太阳能的特点是覆盖面广、无害性、取之不尽;缺点是能量密度较低、分散、受地理位置和气候影响、存在随机性,且只有白天有。但是,随着化石资源的不断减少,大量使用化石资源带来的环境污染等给我们开发利用太阳能资源带来了机会。当然,基于上述分析,如何实现经济、大规模地利用太阳能依然是一项挑战。
 (4)太阳能的利用技术。太阳能的利用越来越被重视,开发出许多产品。
①平板型集热器。太阳能集热器应用比较普遍的是平板型集热器。典型的平板型集热器主要由集热板、隔热层、盖板和外壳组成。
集热板的作用是吸收阳光,并把它转化成热能,通过流管传递给集热介质。它也是一种热交换器,其关键部件是平板吸热部件。平板吸热部件要求对阳光吸收率高、热辐射低;结构设计合理;具有长期的耐候性和耐热性能。集热板吸热层一般采用涂层材料,涂层材料分为选择性吸收涂层和非选择性吸收涂层,选择性吸收涂层具有尽量高的光谱吸收系数,低的热辐射率;非选择性吸收涂层的热辐射率也较高。从集热器的发展趋势看来,为了提高集热器的效率,提高温度是一个重要途径,因此利用选择性吸收材料是一个发展方向。吸收涂层的表面性质和厚度也很重要,研究表明,适当降低涂层厚度能够降低涂层的热辐射率。
隔热层的作用是降低热损失、提高集热效率,要求材料具有较好的绝热性能,较低的导热系数。隔热层材料要求能够承受高于200℃的温度,可用作隔热层的材料包括玻璃纤维、石棉以及硬质泡沫塑料等。
透明盖板的作用是为了和集热板之间形成一定高度的空气夹层,减少集热板通过与环境的对流、向环境的辐射造成的热损失,保护集热板和其他部件不受环境的侵袭。
外壳的作用是为了保护集热板和隔热层不受外界环境的影响,同时作为各个部件集成的骨架,要求具有较好的力学强度、良好的水密性、耐候性和耐腐蚀性。
②聚光型集热器。聚光型太阳能集热器就是利用对太阳光线的反射,将较大面积的太阳辐射聚集到较小面积的吸热层上,以提高对太阳能的接收率。聚光型太阳能集热器的关键部件是聚光镜。
具体聚光系统的选择是系统光学和热性能的折中。吸热层面积应该尽量大,以接收最大量的太阳辐射.但是由于聚光集热器吸热层温度较高,按照温度的4次方辐射损失,因此又希望吸热层面积尽量小,以减少热损失。因此,为了降低热辐射损失,采用真空管集热器是一个好的选择。
聚光器的类型按照对太阳光的聚集方式分为反射式和折射式。反射式聚光器通过一系列反射镜片将太阳辐射汇聚到吸收面,而折射式则是将入射太阳光通过特殊的透镜汇聚到吸收面。此外,还有将透射与反射结合的聚光方式。聚光集热器的聚光器部分可以设置太阳跟踪系统,调整其方向来获取最大的太阳辐射,也可以调整吸收器的位置,达到系统最优化集热效果。
③太阳能热利用系统。太阳能热利用系统主要包括太阳能热水装置、太阳能干燥装置和太阳能采暖和制冷系统。太阳能热水装置是目前应用最广的太阳能热利用系统。
太阳能热水装置。主要由集热器、储水箱和提供冷水和热水的管道组成。按照水流动方式,又可以分为循环式、直流式和整体式。
太阳能采暖。利用太阳能集热器在冬季采暖是太阳能热利用的一种重要形式。太阳能暖房系统利用太阳能做冬天暖房之用。大多数太阳能暖房使用热水系统,也有的使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统及室内暖房风扇系统组成。  
太阳能制冷。是太阳能集热器收集的热的一种利用形式。因此,不同的太阳能制冷系统的主要区别在于制冷循环的不同。有的利用太阳能集热器加热水产生水蒸气,驱动汽轮对外制冷;有的利用集热器产生热水通过热交换加热产生高压水蒸气,参与制冷循环,等等。
太阳炉。实际上是太阳能聚光器的一种特殊应用。它是利用太阳能聚光器对太阳聚光产生高温,并用来加热熔化材料,进行材料科学研究的一种方式。一般采用抛物线型太阳能聚光器。
太阳炉分为直接入射型和定日镜型。直接入射型是将聚光器直接朝向太阳,定日镜型则是借助可转动的反射镜或者定日镜将太阳光反射到固定的聚光器上。太阳炉输出功率可以达到几十至上千千瓦,获得的高温可达3 000~4000℃。用太阳炉加热熔化材料具有清洁无污染的优点。当然,比起一般的高温炉,造价要高。
太阳热动力。太阳热动力系统是利用太阳能热能驱动汽轮机、斯特林发动机或者螺杆膨胀机等发电。从原理上讲,它和普通热电厂的不同在于太阳能热发电系统有太阳集热系统、蓄热系统和热交换系统。太阳集热系统可以是平板型集热器,也可以是聚光型集热器。它们得到的传热工质温度不同。传热工质可以是水、空气或者是有机液体、无机盐、碱和金属钠,它们分别适用于不同的温度范围。传热工质通过温度变化、相变化(蒸发/冷凝)等过程来实现太阳热能到电能的转化。
太阳电池。主要包括硅太阳电池、带状晶体太阳电池、硅薄膜太阳电池、Ⅱ—Ⅵ族化合物太阳能半导体电池、Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体太阳能电池以及其他太阳电池。即使是晶体硅太阳电池,也有不同的结构,对应的制造方法也有所不同。目前实际应用的太阳电池主要是硅太阳电池。太阳电池的研究目标之一是降低成本,因此采用薄膜太阳电池是太阳电池发展的一个方向。
太阳池。是利用对太阳辐射吸收储能的一种方式。太阳池一般是深度约1米的盐水池.水池的底部为黑色,池中的盐水从表面到池底浓度逐渐升高,经过太阳的照射,池底的热量就会逐渐积蓄,造成池底温度的升高,可达90℃(2以上,再通过热交换器,可以将池底热能导出利用。太阳池的池水可以利用海水,经浓缩可以得到不同盐浓度的盐水,产生的热能又可以用来制盐。总之,太阳池可能是一种利用太阳能提供中小规模热能的简便、经济的方式。
海水淡化。利用太阳能淡化海水是利用太阳能蒸发海水中的水,并凝结得到淡水。
海水淡化的基本原理是:太阳光通过透明盖板照射到装有海水的池中,池底是黑色吸热层,底部有绝热层。黑色吸热层吸收太阳辐射后升温,并加热海水产生水蒸气,产生的水蒸气凝结聚集在透明盖板的内侧,并顺着盖板朝下流人集水沟。
2.新型核能技术
 (1)核反应原理。原子核与其他粒子(例如中子、质子、电子和/光子等)或者原子核与原子核之间相互作用引起的各种变化叫核反应。核反应发生条件是:原子核或者其他粒子(中子、y光子)充分接受另一个原子核,一般说来需要达到核力的作用范围(量级为10-13厘米)。可以通过3个途径实现核反应:第一,用放射源产生的高速粒子轰击原子核;第二,利用宇宙射线中的高能粒子来实现核反应,其能量很高,但强度很低,主要用于高能物理的研究;第三,利用带电粒子加速器或者反应堆来进行核反应,是实现人工核反应的主要手段。大量实验表明,核反应过程遵守的主要守恒定律有:电荷守恒,质量数守恒,能量守恒,动量守恒,角动量守恒以及宇称守恒。
核反应过程释放出来的能量,称为反应能,常用符号Q来表示,Q大于。的反应称放能反应,Q小于。的反应称吸能反应。
 (2)核电开发技术。核能的利用从第二次世界大战期间发展核武器开始,到核电的第一次大规模发展仅用了不到30年的时间。世界核电技术,经历了20世纪50年代早期普选各种可能的核电原型堆技术研发阶段,到逐步形成以轻水堆为主、气冷堆和重水堆为辅的商用核电技术的第一核纪元的历史演变,至今为人类经济发展提供了约17%的电力。
从目前的技术可能性看,人类获取核能的手段仍然是重核裂变和轻核聚变。在重核裂变和轻核聚变的物理过程中,中子扮演了重要的角色。
反应堆燃料组件中的易裂变核吸收一个中子发生裂变,裂变又产生中子,中子又引起裂变,形成链式反应。
在纯铀235体系中,如体积或质量太小,不会达到维持链式裂变的条件;体积太大,大部分中子会引起裂变,链式反应过于剧烈或引起核爆,所以裂变反应堆都不采用纯易裂变材料建造。按国际原子能机构的规定,民用核反应堆燃料中的纯易裂变材料的富集度(燃料中易裂变材料与重金属材料的质量分数)都不允许超过20%,所以商用核电反应堆在任何情况下都不会发生核爆。核电厂采用能实现可控制链式反应的核反应堆把核能转换成热能,再通过冷却剂把热能载到能量转换系统转换成电能。热中子引起裂变的反应堆,称热中子堆;快中子引起裂变的反应堆,称快中子堆。目前全世界仍在运行的商用核电反应堆都是热中子堆。
 (3)核能利用的特点。有如下几个特点。
①核燃料能量高度集中。l千克铀235全部裂变释放出的能量相当于2500—2700吨标准煤或200吨石油的热量。在实际使用中,铀核不可能全部裂变,1千克铀只相当于30~40吨标准煤。
②对环境污染小。燃烧煤或石油的火电厂向大气中排放的有害废气,占工业造成大气污染总量的12.5%~14.5%。一座60万千瓦的火电厂每天燃烧5 000吨煤,向大气中排放100多吨二氧化碳等烟气和粉尘,此外还含有致癌物质。核电站排放的废气、废液很少,即使是人们担心的放射性物质排放量,也仅为同级火电厂的1/3。
③安全性强。从1954年世界上芦座核电站营运以来,全球投入运行的核电站已有400多座,50多年来的工作基本上安全正常。虽然发生了1979年美国三里岛核电站(压水堆)事故和1986年苏联切尔诺贝利(石墨沸水堆)核电站事故,但这两起事故仍然是由于人为因素造成的。美国科学家曾对核电站有可能发生的l0万种事故进行统计分析,认为100座核电站给人们带来的安全风险只有闪电雷击的0.04%。随着技术水平提高,核电安全还会进一步改进。
④经济性比较好。核电站的基本建设投资一般是同等火电厂的1.5~2倍,虽然核电站的造价比火电厂高,但由于核燃料价格比较稳定,并且运行维修费用也比火电厂少,因此核电站的发电成本一般比燃煤电厂低,比燃油电厂更低。核电站经过近50年的研究、改进和发展,电站的单机容量越来越大,发电效率越来越高,从而使核电发电成本不断降低。此外,核电站由于不需要氧气助燃,还可以建在高山、地下、海底以及宇宙空间。
⑤燃料储藏丰富。随着人口大量增长和经济的迅速发展,能源需求量越来越大,而地球上煤炭、石油、天然气等有机燃料储量有限,但自然界核燃料储量丰富,目前已探明的天然铀可利用的能量,相当于55 500亿~76 800亿吨煤的能量。核聚变的基本燃料氘和氚可以从海水中提取,每立方米海水中约有氘30克,能得到约300万千瓦·时电的能量。因此,核聚变燃料可以说是取之不尽的。
⑥实现综合利用。核电站不仅可以发电和供热,同时还能生产核燃料和各种放射性同位素。以反应堆为中子源制取的各种放射性同位素,广泛应用于I业生产苎程中的测量、分析、催化,农业上的辐射育种、食品储存、防治害虫,医学上的诊断、治疗,以及做示踪原子、同位素电池等。
 (4)核电技术的发展趋势。核电技术的先进性,主要看一些特点性技术的工作方式。一是反应堆中中子的工作方式,热中子速度慢,易于控制,但对于核燃料的利用率又为1%左右,占铀燃料99%的铀238不能利用,又不舍得丢弃,目前核电站一般采用密封存,等待将来开发利用。新一代核能技术寄希望于快中子作为铀裂变链式反应的“子”弹”。二是减速剂和传热介质的工作方式。最初原子反应堆用石墨做减速剂,重水做传热介质,目前这两项技术已经多样化。第二代核电技术采用较多的压水堆就是用加压的轻水做慢化剂和冷却剂。三是看防护及安全系统的方式。首先设法使工作燃料的富集程度适当,不可能引发剧烈的链式反应。其次是对中子产生的数量可以根据介质温度变化做自动调节。再次是安全系数大的外层防护,保证放射性物质不外泄。
自20世纪50年代以来,在半个世纪的探索中,商业用核电技术正从第三代迈向第四代。
第一代:建于20世纪50年代末到60年代初的第一批原型核电站,均有实验性质,功率比较小。
第二代:建于20世纪70年代,这一时期核电站在西方国家、苏联大量建设,单机容量达到60万~148万千瓦。这是目前世界上正在运行的核电站的主要类型。
第三代:20世纪80年代开始发展,90年代开始投入市场的使用压水堆、沸水堆的核电站,单机容量100万千瓦以上。
第四代:简称Gen—Ⅳ,是1999年6月在美国核学年会上提出的,随后进入研讨的新一代核技术,以快中子堆为主,有气冷却、铅合金冷却、熔盐冷却、钠冷却和水冷却等多种工作介质方式,核燃料可以循环使用。为避免燃料密集度过大,采用包覆颗粒方式使燃料弥散地分装在直径仅6厘米的燃料球内,堆内由几十万个这样的燃料球在一个压力容器中堆成,容器用石墨做内壁,以吸收放射性中子。预计2030年投入商业运行。
中国的核电始于20世纪80年代,在世界核电国家中起步比较晚,其优势是起点高,可以借鉴国际上已有的经验,避免重复失败的研发投入,选择适合中国的可持续发展的技术路线。中国在开始投建商业核电厂的同时,也进行了中长期核电技术的研发,制定了从压水堆一快堆一聚变堆的核电发展路线和研发高温气冷堆的计划。
3.生物质能源技术
(1)生物质能源工作原理。广义地讲,生物质是一切直接或间接利用绿色植物进行光合作用而形成的有机物质,它包括世界上所有的动物、植物和微生物,以及由这些生物产生的排泄物和代谢物。狭义地说,生物质是指来源于草本植物、树木和农作物等的有机物质。
地球上生物质资源相当丰富,按原料的化学性质主要分为糖类、淀粉和木质纤维素物质。按原料划分,主要包括以下几类:一是农业生产废弃物,主要为作物秸秆等;二是薪柴、枝杈柴和柴草;三是农林加工废弃物,木屑、谷壳、果壳等;四是人畜粪便和生活有机垃圾等;五是工业有机废弃物、有机废水和废渣;六是能源植物,包括作为能源用的农作物、林木和水生植物等。
生物质具有以下特点:一是生物质利用过程中二氧化碳的零排放特性;二是生物质是一种清洁的低碳燃料,其含硫和含氮都较低,同时灰分含量也很小;三是生物质资源分布广,产量大,转化方式多种多样;四是生物质单位质量热值较低,而且一般生物质中水分含量大,从而影响了生物质的燃烧和热裂解特性;五是生物质的分布比较分散,收集运输和预处理的成本较高;六是可再生性。
 (2)生物质转化利用技术。生物质的转化利用途径主要包括物理转化、化学转化、生物转化等,可以转化为二次性能源,分别为热能或电力、固体燃料、液体燃料和气体燃料等。
①物理转化。生物质的物理转化是指生物质的固化,将生物质粉碎至一定的平均粒径,不添加黏结剂,在高压条件下,挤压成一定形状。物理转化解决了生物质形状各异、堆积密度小且较松散、运输和储存使用不方便等问题,提高了生物质的使用效率。
②化学转化。生物质化学转化主要包括直接燃烧、液化、汽化、热解、酯交换等。
利用生物质原料生产热能的传统办法是直接燃烧。燃烧过程中产生的能量可被用来产生电能或供热。芬兰1970年开始开发流化床锅炉技术,现在这项技术已经成熟,并成为燃烧供热电工艺的基本技术。欧美一些国家基本都使用热电联产技术来解决燃烧物质原料用于单一供电或供热在经济上不合算的问题。
生物质的热解是在无氧条件下加热或在缺氧条件下不完全燃烧,最终转化成高能量密度的气体、液体和固体产物。由于液体产品容易运输和储存,近来国际上很重视这类技术。最近国外又开发了快速热解技术,液化油产率以于物质计,可在70%以上,该法是一种很有开发前景的生物质应用技术。
生物质的汽化是以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气作为汽化剂,在高温下通过热化学反应将生物质的可燃部分转化为可燃气(主要为一氧化碳、氢气、甲烷以及富氢化合物的混合物,还含有少量的二氧化碳和氮气)。通过汽化,原先的固体生物质被转化为更便于使用的气体燃料,可用来供热、加热水蒸气或直接供给燃汽机以产生电能,并且能量转换效率比固态生物质的直接燃烧有较大的提高。
生物质的液化是一个在高温高压条件下进行的热化学过程,其目的在于将生物质转化成高热值的液体产物。根据化学加工过程的不同技术路线,液化又可以分为直接液化和间接液化,直接液化通常是把固体生物质在高压和一定温度下与氢气发生加成反应(an氢);间接液化是指将生物质汽化得到的合成气(一氧化碳和氢气),经催化合成为液体燃料(甲醇或二甲醚等)。
生物柴油是将动植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在催化剂或者超临界甲醇状态下进行酯交换反应生成的脂肪酸甲酯(生物柴油),并获得副产物甘油。生物柴油可以单独使用以替代柴油,也可以一定的比例与柴油混合使用。
③生物转化。生物质的生物转化是利用生物化学过程将生物质原料转变为气态和液态燃料的过程,通常分为发酵生产乙醇工艺和厌氧消化技术。
 (3)生物质燃烧新技术开发。生物质的直接燃烧技术即将生物质如木柴直接送人燃烧室内燃烧,燃烧产生的能量主要用于发电或集中供热。利用生物质直接燃烧,只需对原料进行简单的处理,可减少项目投资,同时,燃烧产生的灰可用作肥料。20世纪40年代开始了生物质的成型技术研究开发:日本在20世纪50年代,研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备;美国在1976年开发了生物质颗粒及成型燃烧设备;西欧一些国家在70年代已有了冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备;亚洲一些国家在80年代已建了不少生物质固化、碳化专业生产厂,并研制出相关的燃烧设备。日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料设备已经定型,并形成了产业化,在加热、供暖、干燥、发电等领域推广应用。
我国在20世纪80年代引进开发了螺旋推进式秸秆成型机,近几年形成了一定的生产规模,在国内已形成产业化。但国产成型加工设备在引进及设计制造过程中,都不同程度地存在着技术及工艺方面的问题,有待于深入研究。
生物质和煤的混合燃烧。对于生物质来说,近期有前景的应用是现有电厂利用木柴或农作物的残余物与煤的混合燃烧。利用此技术,除了显而易见的废物利用的好处外,另一个益处是燃煤电厂可降低氧化氮的排放。许多电厂的运行经验证明,在煤中混入少量木柴(1%~8%)没有任何运行问题;当木柴的混入量上升至15%时,需对燃烧器和给料系统进行一定程度的改造。
生物质燃烧直接发电。生物质转化为电力主要有直接燃烧后用蒸汽进行发电和生物质汽化发电两种。生物质直接燃烧发电的技术已进入推广应用阶段。从环境效益的角度考虑,生物质汽化发电是更洁净的利用方式,它几乎不排放任何有害气体,小规模的生物质汽化发电比较适合生物质的分散利用,投资较少,发电成本也低,适合于发展中国家应用。大规模的生物质汽化发电一般采用生物质联合循环发电技术(1GCA2),适合于大规模开发利用生物质资源,能源效率高,是今后生物质工业化应用的主要方式,目前已进人工业示范阶段。
目前生物柴油在柴油机上应用的技术已非常成熟,世界上有十几个国家和地区生产销售生物柴油。发达国家用于规模生产生物柴油的原料有大豆(美国)、油菜籽(欧盟)、棕榈油(东南亚)。现已对40种不同植物在内燃机上进行了短期评价试验,包括豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕桐油和蓖麻籽油。日本、爱尔兰等国用植物油下脚料及食用回收油作原料生产生物柴油,成本较石化柴油低。
生物质的汽化燃烧。生物质燃料要广泛、经济地应用于动力电厂,其应用技术必须能在中等规模的电站提供较高的热效率和相对低的投资费用,生物质汽化技术使人们向这一目标迈进。生物质汽化是在高温条件下,利用部分氧化法,使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可直接作为燃料,用于发动机、锅炉、民用等。
 (4)沼气技术。沼气是由有机物质(粪便、杂草、作物、秸秆、污泥、废水、垃圾等)在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧的情况下,经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳,还有少量的氢气、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨气等。通常情况下,沼气中含有甲烷50%~70%,其次是二氧化碳,含量为30%~40%,其他气体含量较少。沼气燃烧时放出大量热量,热值为21520千焦/米3,约相当于1.45立方米煤气或0.69立方米天然气的热值。因此,沼气是一种燃烧值很高、很有应用价值和发展前景的可再生能源。
近年来,沼气发酵技术已经广泛应用于处理农业、工业及人类生活中的各种有机废弃物,为人类生产和生活提供了丰富的可再生能源。沼气作为新型优质可再生能源,已经广泛应用于生活生产和工业生产领域及航天航空领域,而且还可应用于农业生产,如沼气二氧化碳施肥、沼气供热孵鸡和沼气加温养蚕等。
4.风能开发利用技术
 (1)风能的特点。风能属于可再生能源,不会随着其本身的转化和人类的利用而日趋减少。与天然气、石油相比,风能不受价格的影响,也不存在枯竭的威胁;与煤相比,风能没有污染,是清洁能源;最重要的是风能发电可以减少二氧化碳等有害排放物。
相关技术的进步使其成本不断降低,风能已成为世界上发展速度最快的新型能源。
据全球风能委员会(GWEC)统计,2004年全球风力发电机组安装总容量达到797.6万千瓦,较前一年增长了20%。
风能又是一种过程性能源,不能直接储存起来,只有转化成其他形式的能量后才能储存。风能的供应具有随机性,因此,利用风能必须考虑储能或与其他能源相互配合,才能获得稳定的能源供应,这就增加了技术上的复杂性;风能的能量密度低,因此,风能利用装置体积大,耗用的材料多,投资也高,这也是风能利用必须克服的制约因素。
 (2)风能资源。风能资源是存在于地球表面大气流动形成的动能资源。地球上某一地区风能资源的潜力是以该地区的风能密度及可利用小时数来表示的。在风能利用中,风速及风向是两个重要因素。风速与风向每日、每年都有一定的周期性变化。
根据中国气象局估算,中国风能资源潜力约为每年1.6X109千瓦,其中约l/l0可开发利用,我国风能资源的分布与天气气候背景有着非常密切的关系,风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两大地带:沿海及其岛屿地区带和“三北”(东北、华北、西北)地区。
 (3)风力发电。风力发电就是通过风力机带动发电机发电,发出的交流电供给负载。
发电机是风力发电机组的重要组成部分之一,分为同步发电机和异步发电机两种。
以前小型风力发电机用的直流发电机,由于其结构复杂、维修量大,逐步被交流发电机代替。机组发出的电有两种供给方式:独立供电与并网供电。
 (4)风力提水。我国适合风力提水的区域辽阔.提水设备的制造和应用技术也非常成熟。我国东南沿海、内蒙古、青海、甘肃和新疆北部等地区,风能资源丰富,地表水源也丰富,是我国可发展风力提水的较好区域。风力提水是弥补当前农村、牧区能源不足的有效途径之一,具有较好的经济、生态与社会效益,发展潜力巨大。
5.氢能
 (1)氢能概述。所谓氢能是指氢气所含有的能量,实质上氢是一种二次性能源,是一次性能源的转换形式。也可以说,它只是能量的一种储存形式。氢能在进行能量转换时,其产物是水,可实现真正零污染排放。氢能作为二次性能源,除了具有资源丰富、热佰高,燃烧性能好等特点外,还有以下主要特点:
①用途广泛。氢可以气态、液态或固态的金属氢化物使用,能适应储运及许多应用环境的不同要求,既可直接作为燃料,又可作为化学原料和其他合成燃料的原料。
②环保性能好。与其他燃料相比,氢燃烧时清洁,不会对环境排放温室气体。
③潜在的经济效益高。目前,氢的主要来源是石油产品的提炼、煤的汽化和水的分解等,成本还比较高。今后通过利用太阳能等能源大量制氢,制氢成本会进一步降低,使制氢的价格与化石燃料的价格相匹配。
近年来,随着质子交换膜燃料电池技术的突破,已出现可达到零排放的高效氢燃料电池动力源用于燃料电池汽车。虽然氢能目前还未能大规模地利用,但随着制氢技术的发展和化石能源的缺少,氢能利用迟早会进入我们日常生活中。
 (2)氢燃料来源。有如下几种方式。 
①天然气制氢。天然气的主要成分是甲烷。甲烷制氢主要有4种方法,甲烷水蒸气重整法、甲烷催化部分氧化法、甲烷自热重整法和甲烷绝热转化法。甲烷水蒸气重整是目前工业上天然气制氢应用最广泛的方法。由于在重整制氢过程中,反应需要吸收苎量的热,使制氢过程的能耗很高,仅燃料成本就占总生产成本的50%以上,而且反应需要在耐高温不锈钢制作的反应器内进行。此外,水蒸气重整反应速度慢,该过程单位体积的制氢能力较低,通常需要建造大规模装置,投资较高。
②煤制氢。煤制氢的核心是煤汽化技术,分为地面汽化和地下汽化两种。煤炭地下汽化,就是将地下处于自然状态下的煤进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体。所谓地面煤汽化是指煤与汽化剂在一定的温度、压力等条件下发生化学反应而转化为煤气煤的工艺过程,包括汽化、除尘、脱硫、甲烷化、一氧化碳变换反应、酸性气体脱除等。
③水电解制氢。水电解制氢技术早在18世纪初就已开发,是获得高纯度氢的传统 方法。其工作原理是:将增加水导电性的酸性或碱性电解质溶入水中,让电流通过水,在阴极和阳极上分别得到氢和氧。电解水所需要的能量由外加电能提供。由于电解水的效率不高,且消耗大量的电能,不合算。
④生物质制氢。生物法制氢是利用微生物在常温常压下进行酶催化反应制氢气的方法。生物法制氢可分为厌氧发酵有机物制氢和光合微生物制氢两类。
光合微生物制氢是指微生物(细菌或藻类)通过光合作用将底物分解产生氢气的方法。在藻类光合制氢中,首先是藻类通过光合作用分解水,产生质子和电子并释放氧气,然后藻类通过特有的产氢酶系的电子还原质子释放氢气。在微生物光合产氢的过程中,水的分解在产氢的同时也产生氧气,但在有氧的环境下,固氮酶和可逆产氢酶的活性都受到抑制,产氢能力下降甚至停止。因此,利用光合细菌制氢,提高光能转化效率是未来研究的一个重要方向。
厌氧发酵有机物制氢是在厌氧条件下,通过厌氧微生物(细菌)利用多种底物,在氮化酶或氢化酶的作用下将其分解制取氢气的过程。这些微生物又被称为化学转化细菌,这些底物广泛存在于工农业生产的污水和废弃物之中。厌氧发酵细菌生物制氢的产率一般较低,为提高氢气的产率,除选育优良的耐氧菌种外,还必须开发先进的培养技术。
⑤太阳能制氢。利用太阳能制氢主要有以下几种方法:太阳能光解水制氢、太阳能光化学制氢、太阳能电解水制氢、太阳能热化学制氢、太阳能热水解制氢、光合作用制氢及太阳能光电化学制氢等。预计在不久的将来,人们就能够把用太阳能直接电解水的方法,推广到大规模生产上来。
 (3)氢的利用:燃料电池。经过科技人员的不断探索,开发出不同类型的燃料电池。
①氢燃料电池技术。氢燃料电池是氢能利用的最理想方式,它是电解水制氢的逆反应。
自1839年英国科学家格罗夫发表世界上第一篇有关燃料电池的研究报告至今,已有160多年了。格罗夫首次成功地进行了燃料电池的实验,他在稀硫酸溶液中放人两个铂箔作电极,一边供给氧气,另一边供给氢气。直流电通过水进行电解水反应,产生氢气和氧气,消耗掉氢气和氧气产生水的同时得到电。
②碱性燃料电池。碱性燃料电池是采用氢氧化钾等碱性溶液作电解液,在100°C以下工作的电池。燃料气体采用纯氢,氧化剂气体采用氧或者空气,是一种利用氢氧离子的燃料电池。
③磷酸盐燃料电池。磷酸盐燃料电池是以磷酸为电解质,在200℃左右温度下工作的燃料电池。
④熔融碳酸盐燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池通常采用锂和钾或者锂、钠混合碳酸盐作为电解质,工作温度为600~700°C。
⑤固体氧化物燃料电池。固体氧化物燃料电池是一种采用氧化钇、稳定的氧化锆等氧化物作为固体电解质的高温燃料电池,工作温度在800~1000°C范围内。
⑥质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池又称固体高分子型燃料电池,其电解质是能导质子的固体高分子膜,工作温度为80℃。
 (4)氢内燃机。氢内燃机是一种以氢作为燃料的发动机。目前有两种氢内燃机,一种是全烧氢发动机,另一种是氢气与汽油混烧的发动机。
 (5)氢能安全。氢的各种内在特性,决定了氢能系统有不同于常规能源系统的危险特征。与常规能源相比,氢有很多特性:宽的着火范围、低的着火能、高的火焰传播速度、大的扩散系数和浮力。
①泄漏性。氢是最轻的元素,比液体燃料和其他气体燃料更容易泄漏。在燃料电池汽车(FCV)中,它的泄漏程度因储气罐的大小和位置的不同而不同。氢气会从高压储气罐中大量泄漏,泄漏速度达到声速,泄漏得非常快。
②爆炸性。氢气是一种最不容易形成可爆炸气雾的燃料,但一旦达到爆炸下限,氢气最容易发生爆燃、爆炸。氢气火焰几乎看不到,在可见光范围内,燃烧的氢放出的能量也很少。因此,接近氢气火焰的人可能感受不到火焰的存在。
③扩散性。发生泄漏时,氢气会迅速扩散。与汽油、丙烷相比,氢气具有更大的浮力和更大的扩散性。氢的密度仅为空气的7%,所以即使在没有风或不通风的情况下,它们也会上升,在空气中可以向各个方向快速扩散,迅速降低浓度。  
④可燃性。氢的燃烧范围很宽,着火能很低,而其他燃料的着火范围要窄得多,着火能也要高得多,因为氢的浮力和扩散性很好,可以说氢是最安全的燃料。
 (6)氢能应用前景。氢能是二次性能源,它的普及应用必然涉及到原料来源、储运和市场。我国目前使用的氢绝大部分由化石燃料而来,制造技术与工艺成熟。但制取过程成本大,能量转化效率低,同时向大气排放温室气体,污染环境。随着化石燃料的枯竭,太阳能制氢、生物质制氢、核能制氢等应该是化石燃料制氢的有效补充。除了开发满足能量密度大、比重小、反应速度快、常温低压下操作性好等要求的储氢材料外,还应该提高现存的高压氢气和液氢商业化技术,不断降低成本,满足制造业者和终端用户的要求。
氢燃料电池在无污染、节省能源及燃料的多样化方面与以前的发电方式相比有许多优越性。各种燃料电池的技术特点不同,其技术水平也不同,但在走向实用化上有许多相同点,经济性也是共同的重要课题。为了进一步实现以保护环境为目的,降低有害气体和温室气体的排出量,国家政策性经济援助制度积极地推动燃料电池的市场开发,这是很有效的。
6.其他新能源
 (1)地热能。地热资源集热、矿、水为一体,除可以用于地热发电以外,还可以直接用于供暖、洗浴、医疗保健、休闲疗养、养殖、纺织印染、食品加工等。此外,地热资源的开发利用可带动地热资源勘查、地热井施工、地面开发利用工程设计施工、地热装备生产、水处理、环境工程及旅游度假等产业的发展,是一个新兴产业。因此,世界上有地热资源的国家均将其作为优先开发的新能源,培植各具特色的地热产业。我国地热资源丰富,开发地热这种新的清洁能源刻不容缓。
人类很早以前就开始利用地热能,但进行较大规模的开发利用却始于20世纪中叶。
现在许多国家为了提高地热利用率,而采用梯级开发和综合利用的办法,如热电联点联供,热、电、冷三联产,先供暖后养殖等。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类,对于不同温度的地热流体可利用的范围如下:
200~400℃,直接发电及综合利用。
150~200℃,可用于双循环发电、供暖、制冷、工业于燥、工业加热等。
100~150℃,可用于双循环发电、供暖、制冷、工业干燥、工业加热、脱水加工、回收盐类、制作罐头食品等。
50~lOO℃,可用于供暖、温室、家庭用热水、工业干燥。
20~50℃,可用于沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。
我国中低温地热资源(热储温度25~150℃几乎遍及全国,中低温地热的直接利用在我国非常广泛,已利用的地热点有1 300多处,地热采暖面积达800多万平方米,地热温室、地热养殖和温泉浴疗也有了很大的发展。
地热水从地热中抽出直接供热,设备简单,基建、运行费用少,但地热水不断被废弃,当大量开采时会使水位由于补给不足而逐年下降,深井越打越深,还会造成地面沉降的严重后果,所以直接使用地热水有诸多弊端。研究成果表明,地热水直接利用系统的水量利用率只有34%,而热量利用率只有18%,排入水体的地热会造成热污染和其他污染。为了保护水资源和节约能源,保护生态环境,解决合理开采利用地热水问题刻不容缓。
采用有热泵回灌的新系统,综合利用地热水的热能,可以有效解决这一问题。
①地源热泵。地源热泵具有下面一些特点:
第一,节能效率高。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率高出40%,因此达到了节能和节省运行费用的目的。
第二,可再生循环。地源热泵是利用地球表面浅层地热源(通常小于400米深)作为冷热源而进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能,是指地表土壤、地下水或河流湖泊吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能,它不受地域、资源等限制,量大面广,无处不在。
第三,应用范围广泛。热泵系统可用于采暖、空调,还可供给生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。该系统可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适用于别墅住宅的采暖、空调。
②地热发电。世界上最早利用地热发电的国家是意大利。1812年意大利就开始利用地热温泉提取硼砂,并于1904年建成了世界上第一座80千瓦的小型地热试验电站。到目前为止,世界上约有32个国家先后建立了地热发电站,总容量已超过800万千瓦,其中美国有281.7万千瓦,意大利有151.8万千瓦,日本有89.5万千瓦,新西兰有75.5万千瓦,中国有3.08万千瓦。单机容量最大的是美国盖伊塞地热站的1l号机,为10.60万千瓦。
 (2)海洋能。海洋能指海水本身含有的动能、势能和热能,包括海洋潮汐能、海洋波浪能、海洋温差、海流能、海水盐度差能和海洋生物能等可再生的自然能源。根据联合国教科文组织的估计数据,全世界理论上可再生的海洋能总量为766亿千瓦,技术允许利用功率为64亿千瓦,其中潮汐能为10亿千瓦,海洋波浪能为lo亿千瓦,海流能(潮流) 为3亿千瓦,海洋热能为20亿千瓦,海洋盐度差能为30亿千瓦。   
开发利用海洋能即是对海洋中的自然能量直接或间接地加以利用,将海洋能转换成其他形式的能。目前有应用前景的是潮汐能、波浪能和潮流能。
潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能,其利用原理和水力发电相似。但潮汐能的能量密度很低,世界上潮差的较大值为13~15米,我国的最大值(杭州湾澈浦)为8.9米。一般说来,平均潮差在3米以上就有实际应用价值。我国的潮汐能理论估计为1010千瓦量级。只有潮汐能量大且适合于潮汐电站建造的地方,潮汐能才有开发价值,因此其实际可利用数很小,中国沿海可开发的潮汐电站坝址为424个,总装机容量约为2.2×107千瓦。浙江、福建和广东沿海为潮汐能较丰富地区。
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波浪能丰富的地区。
潮流能指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动。一般说来,最大流速在2米/秒以上的水道,其潮流能均有实际开发价值。中国沿海潮流能的年平均功率理论值约为1.4×107千瓦。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的潮流能较为丰富,不少水道的能量密度为15~30千瓦每平方米,具有良好的开发价值。
值得指出的是,中国的潮流能属于世界上功率密度最大的地区之一,特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,平均功率密度在20千瓦每平方米以上,开发环境海洋盐度差能也可以开发利用。因流人海洋的河水与海水之间形成含盐浓度之差,在它们接触面上产生的一种物理化学能。此能量通常通过半透膜以渗透压的形式表现由来。在水温20℃,海水盐度为35时,通过半透膜在淡水和盐水之间可形成24.8个大据科学家分析,全世界海洋盐差能的理论估算为10℃千瓦量级,我国的盐差能估计为10×l08千瓦,主要集中在各大江河的出海处。同时,我国青海省等地还有不少内陆美国于1939年最早提出利用海水和河水靠渗透压或电位差发电的设想。1954年建造并试验了一套根据电位差原理运行的装置,最大输出功率为15毫瓦,1973年发表了第一份利用渗透压差发电的报告。目前,日本、美国、以色列、瑞典等国均有人进行研究,总的来说,盐度差能发电目前处于初期原理研究和实验阶段。
(3)可燃冰。可燃冰的全称为天然气水台物,又称天然气干冰、气体水合物、固体瓦斯等。作为一种新型烃类资源,它是由天然气和水分子在高压与低温条件下合成的一种固态结晶物质,透明无色,成分以甲烷为主,占99%,主要来源于生物成气、热成气和非生物成气3种。生物成气主要由微生物在缺氧环境中分解有机物产生的:热成气的方式与石油的形成相似,深层有机质发生热解作用,其长链有机化合物断裂,分解形成天然亏;非生物成气系指地球内部迄今仍保存的地球原始烃类气体或地壳内部经无机化学过程的烃类气体。从化学结构来看,可燃冰是有水分子搭成像笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体被包含在笼子格架中,从物理性质来看,可燃冰的密度接近并稍低于冰的密度,剪切系数、电介常数和传热导率都低于冰。在标准温压条件下,1立方米可燃冰可以释放出160~180标准立方米天然气的能量,其能源密度是煤和黑色页岩的10倍、天然气的2~5倍。
可燃冰的形成原因与海底石油、天然气的形成过程相仿。据专家估计,全球可燃冰中的总能量大约相当于地球上所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)总能量的2—3倍。
科学家们的调查发现,可燃冰存在于低温高压的沉积岩层中,主要存在于水深大于300米的海底沉积物中和寒冷的高山及高纬度地区的永冻层中。据估计,20.7%的陆地和90%的海底具有生成可燃冰的条件。现有调查表明,世界上可燃冰的矿藏面积可以达到海洋面积的30%以上。目前,全球至少已经在116个地区发现了可燃冰,其中海洋中已发现的有78处。地球海底天然可燃冰的储藏量约为5X1018立方米,可供人类使用1000年。美国地质调查局官员曾表示,其发现的可燃冰资源可以使用600年以上。
1995年,美国在布莱克海峡钻探了4口井,据估算,仅此一处的可燃冰资源就可供美国使用100年。2000年1月下旬,日本在静冈县御前崎近海发现可燃冰,据推测可开采的甲烷体积为7.4万亿立方米,可供日本使用140年。
中国对可燃冰的调查与研究始于20世纪90年代。1997年,中国在完成“西太平洋气体水合物找矿前景与方法”课题中,认定西太平洋边缘海域,包括我国南海和东海海域,具有蕴藏这种矿藏的地质条件。1999年10月,广州地质调查中心在南海西沙海槽开展了可燃冰的前期调查,并取得可喜的成果,至少在130千米地震剖面上识别出可燃冰矿藏的显示标志,矿层厚度为80~300米。这一发现拉开了我国海洋可燃冰调查的序幕,填补了该领域调查研究的空白。
目前,全世界开发和利用可燃冰资源的技术还不成熟,仅处于试验阶段,大量开采还需要一段时间。
有3种开采可燃冰的方案,均处于研发和验证阶段。第一个是热解法,利用可燃冰在加温时分解的特征,使其由固态分解出甲烷蒸气。这个方法的难点是不好收集,因为海底的多孔介质不是集中在一片,也不是一大块岩石,如何布设管道进行高效收集是需解决的问题。第二个是降解法,有人提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解。
但此法也面临着布置管道并高效收集的问题。第三个是置换法,研究证实,将二氧化碳液化,注入1 500米以下的海洋中(不一定非要到海底),就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,会沉到海底,如果将二氧化碳注入到海底的甲烷水合物贮层,就会将甲烷水合物中的甲烷分子“挤出”,从而将其置换出来。这3种开采方案都有其技术合理性,但都面临巨大的挑战和困难。
可燃冰以固体状态存在于海底,往往混杂于泥沙中,其开发技术十分复杂,如果钻采技术措施不当,水合物大量分解,势必影响沉积物的强度,有可能诱发海底滑坡等地质灾害,开发它会带来比开采海底石油更大的危险。海底天然气大量泄漏,会极大地影响全球的温室效应,引起全球变暖,将对人类生存环境造成永久性影响。因此,必须研制有效的采掘技术和装备。
可喜的是,我国在这方面的研究已经取得一定进展。2005年,中科院广州能源所成功研制出了具有国际领先水平的可燃冰(天然气水合物)开采实验模拟系统。该系统的研制成功,将为我国可燃冰开采技术的研究提供先进手段。
 (四)第三能源——节能技术
能源利用效率低,是我国制造业、服务业和居民生活中能源消费的头号问题,我国能源利用效率只要普遍提高1%就相当于多生产几千万吨标准煤,而且对减少环境污染的作用也是很显著的。我国只要将能源利用效率达到发达国家的平均水平,那么我们就有可能实现在不增加能源消耗的条件下实现经济的持续快速增长。因此,大力推广节能技术,就是最好的新能源开发。
1.余热回收利用技术
余热是指在某一热工过程中未被利用而排到周围环境中的热能。据统计,我国各行业余热占其燃料消耗总量的17%~67%,其中约有60%可以回收。为了回收利用余热,可利用以下技术。
 (1)热电联产技术。即同时生产电与热的工艺,利用余热产生蒸汽来驱动汽轮机发电,余热再用来供热。
 (2)热管技术。即通过利用封闭在热管壳内的工作液体的相变(沸腾或凝结)来传递热量,广泛用于工业、空间技术和工业余热回收。
2.高效低污染工业锅炉
我国1991年使用的工业锅炉约43万台,产生蒸汽为98万吨/时,平均热效率为65%,耗煤3亿吨,造成严重的环境污染。因此,发展高效工业锅炉意义重大。
3.电子控制节电技术
电子控制节电技术是节能的利器。例如,风机、水泵的阀门调节变为交流调速控制,可节电30%~40%;直流传动改为可关断晶体管变频传动,可节电l/3以上;采用电子变频器和新型荧光粉的高效荧光灯,节电率可达80%。
4.高效加热技术
电热膜是一种导电薄膜,它是按一定配比,把非金属半导体材料与另一种在高温条件下起粘接作用的粉状物调和均匀,涂在各种加热体的底部和周围,再经烧结而成,可用于电热杯、电淋浴器,电吹风、电暖气等电热器具。由于将电子电热膜直接制作在被加热体的表面上,当通电加热时,热量会很快传给被加热体,因此,电热膜加热效率达85%,而普通电热丝加热效率仅为40%。
一、信  什么是信息.构成世界的三大要素之一无论是自然界还是人类社会,信息都是普遍存在的。自然事物的组织结构和运动变化,都包含和传达一定的自然信息。人的意识、思维活动本质上也是信息过程。信息同物质、能量一起构成世界的三大要素,但信息既不是物质,也不是能量。信息就是客观存在的一切事物通过物质载体所发出的情报、指令、数据、信号中所包含一切可传递和交换的知识内容。它是世界上一切事物的状态和特征的反映,当事物的状态和特征不断发生变化时,就会不断地产生信息。归根结底,信息是世界上存在的另一种重要“资源”,它是客观事物运动状态和运动方式的表征,是人们头脑中反映客观事物的知识。当信息对于每个人有不同的利用价值时,人们就会从不同的角度来认识信息,因此,社会上对信息的产生有着各式各样的认识。.信息的类型无生命信息。无生命信息与宇宙同龄。宇宙运动是永恒的,反映宇宙运动状态和方式的信息也是永恒的。人类对月球的探险,揭开了千万年来人类对月球认识上的神秘幻想。火星探测器将用它发出的微波信号给人类带来这个星球的信息——这里的大气、温度以及矿产、水资源等,都是无生命的事物信息。有生命信息。有生命信息是由无生命事物进化而来的,这类信息与第一种信息相比,在构成、传播、利用方式上有了很大进步。有了专门的信息载体,如生物的遗传基因;有了专门的信息储存、处理实体,如动物的大脑;有主动式的信息传播、接受、利用方式,如生物的生殖信息。社会信息。人类社会是生物世界经过漫长的进化演变而来的,它是一个充满着思想、意识、智慧和精神活动的世界,信息活动成了这个社会的核心。作为人类社会的每个组成个体,人具有世界上最高级、最完善的信息系统:感官一神经一人脑。因为社会活动的需要,人类除了改进自身器官的信息交流能力与效率外,还学会了利用自身之外的事物来创造信息加工、传播、存储的手段,这大大改善了人类驾驭信息的能力。因此,与第一种和第二种信息相比,社会信息量更大、更复杂,也更高级。.信息的特征信息无形性。信息不是一种具体的、可测量的物质,它看不见、摸不着。人们常误解信息是新闻、报纸、密码、数字等,那些只不过是它的躯壳,或者说是载体。信息的可共享性。信息是不满足守恒定律制约的资源,它是可以共享的。信息的交流,不会使交流者失去原有的东西,反倒可以获取更多的信息。现代社会人类拥有强大的信息处理和通信手段,如无线广播、电报、电话、电子计算机等,而信息的再生和传播能力在这样的环境中得以极大的滋生,为人类需要的共享资源的扩充提供了很好的条件。在共享信息之外,也存在对信息的争夺。信息的无限性、可复制性。信息像物质、能量资源一样,人们可以从中获得知识武装头脑,并且转化为改造自然界的力量。在时间上,信息具有扩展性,人们可以利用已有知识认识未知世界。在空间上,先进的科学与技术知识可以通过信息共享支援贫穷的地域,从而获得其无限的价值。信息可开发、可制造性。人类文明早期的信息,通过神话故事、民间传说、壁画、工具等各种最原始的方式存储起来并相互传播。随着社会的发展,文字、印刷术出现,人类有了更为先进的开发能力。现代社会,人们又投入相当的人力和物力专门从事生产、存储、处理、传输及利用信息,形成了一个庞大的第四产业——信息业。信息的可量度性。信息同物质、能量一样有自己的量度单位。每一种信息载体和信息技术设备,都有一定的信息容量和开发空间。.信息的本质和度量最早关注信息本质的不是哲学家,而是通信领域的专家。年美国科学家哈特莱在《信息传输》中提出消息是通信的代码、符号,是信息的具体方式;信息则是包括在消息中可度量的抽象量,它用消息出现概率的对数来量度。如从个符号中选取个组成一个消息,则有”个可能的组合方式,因此,某一则消息中包含的信息量为:这一信息的量化表述为申农建立信息论奠定了思想基础。年,申农发表了《通信和数学理论》一文,在这篇论文中,他定义信息为“两次不定性之差”,通信的功能就是减少或消除通信人的不确定性,而收信人被消除的不定性的大小就表示所收到的信息量。如某个人在外地想得知家中分娩的妻子生了男孩还是女孩,这两种可能各占%。收到妻子的信后,他得知的信息是比特。比特是信息量的单位。事件仅有两种大致相等的不确定性如妻子生的是男孩还是女孩,这是最简单的一种情形。一般情况下,如果某事件有几种可能的结果,分别是,…,,这些结果出现的概率分别是、…,那么这些概率的总和应该是%。该事件所具有的不确定的数量为:    H(X)——∑当对数底为时,的单位是比特。
在硅元件和其他半导体器件的生产过程中,几乎每道工序都要用化学清洗工艺除去表面的杂质,以防不良杂质影响器件的质量。硅片表面的杂质有分子型的(如油脂、黏合剂)、离子型的(如镁、铝的离子)和原子型的(如铜、银等金属),对它们都要进行严格的清洗。一般是首先除去分子型杂物,然后除去离子型和原子型杂质。
 (2)光刻技术。促使计算机升级、换代的关键,是提高硅片(芯片)的集成度,使它更为精雕细刻,成为拥有更大容量和更多功能的电子元件。
制造集成电路的芯片是由12厘米见方的硅片分割而成,它本身的面积比人的小手指还要小得多。在这么小的面积上要制作数以万计的电路,其要求是很高的,一般要通过4个程序的严格操作。
①电路设计。电路设计人员创造出新型器件复杂的设计图,并用计算机模拟新设计的电路,检查它是否符合实际,有无缺陷。设计完成后,把它储存在计算机的存储器中。根据储存的信息,可以制备出一整套代表每种电路的照相蒙片,然后送往硅晶片制造厂。
②硅晶片的切割。从坩埚中拉出直径约12厘米的硅圆柱体,并用高速钻石锯从圆柱上逐层切割成0.5毫米厚的硅晶片。在这个过程中,操作人员必须身穿绝对清洁的防护服,加工车间的空气必须经过反复过滤,以清除可能影响硅晶片质量的尘埃。
将硅晶片送人烧炉,使其表面形成一层二氧化硅膜,在硅片上的二氧化硅可以根据设计要求被刻成一定的窗口,扩散人一定的材料,即可形成不同的元件。
③硅片光刻工艺。芯片电路是非常严格地、一层一层地加工制作的,每一层都从设计好的照相蒙片中接收一个原型。先把氧化过的芯片涂敷一层光致抗蚀剂。这种抗蚀剂足够溶解于某种特定的溶剂中,同时对紫外线的照射很敏感。含有若干芯片的硅片,通过某一适当的照相蒙片曝光后,再反复用酸性溶液冲洗加热即可做成复杂的电路图。
④硅片检测与封装。电路制作完成后,用一种由硅烷气或氮化硅制成的绝缘胶膜把它密封起来,并且送到计算机的检测仪器上,利用探针做电性能测试。合格硅片上的小方块被分割成芯片,包装后供组装计算机使用。
 (3)计算机软件技术。能模拟人脑的计算机由两个基本部分构成:硬件和软件。计算机的硬件相当于它的“生理结构”部分,它由以下几部分构成:
第一,输入设备,向计算机提供数据和外部信息。
第二,输出设备,完成将计算机处理的结果输出到外部设备。
第三,记忆体,实现将输入的数据和程序以及计算结果储存。
第四,计算设备,是计算机的核心,它负责计算机计算、判断,处理问题的全过程。
第五,同步单元控制器,实现计算机各个功能部件协调同步执行的功能。
软件的主要功能是:处理和计算数据;有效地管理整个电脑内外数据资源;为操作者提供处理问题的手段和方法。
早在1964年,美国仙童半导体公司的创始人之一戈登·莫尔就总结出一条“定律”:半导体芯片上的电路数量以每年翻一番的速度增加。同时由于各公司善于从经验中学习成功之道,减少失误,芯片的合格率不断上升,使电子计算机的成本持续下降。自1973年以来,平均每年下降30%。
 (4)集成电路技术创新。20世纪80年代,一些新的芯片制作技术相继问世,这些更精密的加工技术Wl~.1在一块芯片上集成几十万甚至百万个以上的元件。这些新技术包括:一是电子束制版技术。二是聚焦离子束技术。三是X光和激光制版技术。
用户购买了标准化芯片后,可以根据自己的用途对元件适当做些组合、连接工作,形成自己所需要的电路,硅编辑或标准单元技术在此基础上做了进一步改进。它把经设计、测试好的整个电路各部分储存在电子库中,然后,计算机根据用户的特定设计要求把上述储存的标准单元进行最佳组合,以设计出新的芯片。这些设计制作工艺无疑可以提高新型芯片的设计制作速度,降低成本,并提高对市场变化的适应性。
(四)人212智能技术和虚拟现实技术
1人工智能技术
 (1)人工智能的研究对象。一个初生的婴儿很快就能认识母亲,而一个运算速度很快的计算机却很难识别不同的人。据语言学家估计:如果要让计算机听懂经常使用2万个英语词汇的普通人说的英语,估计需要每秒执行1000亿条指令,这个速度相当于每秒亿次的银河计算机的1000倍。若要实现人类的视觉、听觉、触觉等功能,还有大量的研究工作要做。模式识别就是这些研究工作的一个方面。
推理是人类思维的重要功能。一个聪明的数学家,经过演绎推理可以发现新的定理。用计算机做归纳推理和不精确推理也是人工智能的重要研究课题。20世纪轰动一时的四色定理的证明,就是利用了计算机的调整运算能力,通过1 000多个小时的计算,使四色定理得以证明。
学习本身不是简单的重复,它包含着创造和进步的含义。智能计算机可以自动积累知识,根据执行情况修改计划,甚至通过分析大量数据发现自然规律。
 (2)人工智能的分类。有如下几个类型。
①微观人工智能。1943年,McCulloch和Pitts建成了第一个神经网络的数学模型。神经网络的理论来自我们的大脑。也就是说,他们通过数学的方法,找到了一种数学模型,可以模拟人类大脑的神经系统某些方面的功能,这种研究称之为微观人工智能,即通过模拟人脑来实现智能的研究。
②宏观人工智能。另外一些科学家,试图通过研究人类的心理活动,来实现人工智能。他们认为,人的心理活动可以通过信息的形式加以研究,并且可以在此基础上提出描述人的各种心理活动的数学模型。如果可以提出数学模型,当然就可以运用计算机处理。这种研究称之为宏观人工智能。
③人工神经网络。人工神经网络的特点和优越性,主要表现在3个方面:
第一,自学习功能。例如实现图像识别时,只要先把许多不同的图像样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络,网络就会通过自学习功能慢慢学会识别类似的图像。自学习功能对于预测有特别重要的意义,预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供经济预测、市场预测、效益预测,其前途是很远大的。
第二,联想存储功能。人的大脑是具有联想功能的,用人工神经网络的反馈网络就可以实现联想。
第三,高速寻找优化解能力。寻找一个复杂问题的优化解,往往需要很大的计算量,利用一个针对某个问题而设计的反馈型人工神经网络,发挥计算机的高速运算能力,可以很快找到优化解。
2.虚拟现实技术
 (1)虚拟现实的概念。又称虚拟实在,简称vR,是指运用计算机和其他软件所造成的一种数字化、智能化的现实场景,或一种人工媒体空间。它是由高性能计算机、硬件和各类先进传感器所创造的一种特殊的信息环境,这种特殊信息环境与人的视觉、听觉、触觉及味觉等相结合,在计算机世界中组成一个逼真的感观世界。
虚拟现实是用电子、信息手段对现实世界的模拟,它作用于使用者的感官,使他们相信模拟的虚拟环境是真实的。这种技术的核心是沉浸、交互、构想,即31技术,虚拟现实的特征是仿真性、交互性、人工性、沉浸感、电子现场、网络化通信。与以往计算机屏幕所显示的平面信息相比,虚拟现实是一个可以作用于人的多种感官的三维世界,并且是人能适时参与其中并与之交往、互动的交互世界。它突破了平面信息空间的限制,使人不仅从外部观察信息,而且从内部观察、体验信息,通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式在虚拟现实情景中拓展出一个多维的信息空间,产生身临其境的感觉。
 (2)虚拟现实技术的基本原理和特点。有如下几点。
①虚拟现实技术的基本原理和特征。虚拟现实技术是人与高性能计算机组成的人机系统具有互感、互动能力。计算机必须具有对人的感知、识别能力,如计算机识别人的指纹、声音、气息、情感等。麻省理工学院多媒体实验室已经研制出能识读人不同表情的计算机,因为人在平静、紧张、恐惧、愉快等不同情感经历中,其呼吸、心律、体温、血压和面部肌肉都会出现相应的变化,可以通过传感器在计算机中记录相应的变化曲线,从而作为识读人的内心情感的参数。计算机可以代替人脑发出指令,完成人所想做的工作,如开关电灯、调节电视频道等。
②虚拟现实视觉技术。这种技术是让人的眼睛感受到和真情实景相同的信息,这种三维全息形象可随视角的变化而改变。极具有现场动感。当人戴上头盔后,有两个护目镜般的显示器,每只眼睛只接收一个显示器中的图像,因而,两个显示器中的图像有所不同。计算机可以跟踪人的动作,使显示的图像做空间运动,产生动感。
③虚拟现实听觉技术。要求所接收到的声音同虚拟环境高度一致。这种立体声必须从语言波段的参数出发,经过数字化处理和运算还原成数字化的语言信号,然后再通过数字模拟转换而输出语言。这种转换避免了平面传输的单调性,并与虚拟物体的位置、运动状态相协调。
④虚拟现实触觉原理。这是电脑凭借一定媒体,使人感受到虚拟对象对人的皮肤、肌肉、筋腱和关节上作用的力,并产生相应的触觉反馈和反应。麻省理工学院的研究人员齐默尔曼通过一副传感手套,不用键盘就弹奏出一首乐曲。这副手套上的光敏传感元件与计算机相连,可以认为,他在“弹”一个不存在的虚拟电子合成器。后来又研制出装有阻抗式传感器或机械式传感器的手套。北卡罗莱纳大学的布鲁克斯研制出“可触磁”的有6个自由度的虚拟环境:你可以用桌子上的钳子去操作虚拟的“积木”,当“积木”与桌子、钳子相碰撞时可以听到“咔嗒”的声音;当你碰到一面虚拟的“墙壁”时,它会让你碰壁而返,而不可能穿墙而过。
 (3)虚拟现实技术与社会生活。虚拟现实技术在现实生活中有着广泛的应用。
①虚拟现实技术与经济。虚拟现实技术正在使汽车制造行业发生革命性的变化,由于应用虚拟工程学压缩了开发新产品所用的时间,从根本上影响了企业的方方面面,如成本降低、安全性提高等。用虚拟现实技术设计出新式的三维虚拟新产品,可以全面地对其进行模拟、试验、修改,波音?77飞机就是用瑞典虚拟现实设计软件开发出来的。
虚拟现实技术在经济上大显身手还形成了很时髦的“虚拟企业”、“虚拟经济”等新概念。
②虚拟现实技术与教育。比如,美国公立学校雇用大约600万教职工,成千上万名教师在教类似的课程,而且教学水平良莠不齐。采用虚拟现实遥作技术,就可以使任何装备了虚拟现实接收设备的学生都可以接受最好的课堂教学。
虚拟技术可以使幼儿教育、中小学教育更具有生动性、趣味性、娱乐性。教学与游戏相结合,不仅可以更好地集中学生的注意力,而且可激发学生的学习情感和丰富想象力,启迪他们的思维。如果是科学馆采用虚拟现实软件,操作者可以体验驾驶太空飞船,历经地震、火山喷发、恐龙迎面奔来等奇幻的景观。 
③虚拟现实技术与医学。虚拟现实技术可以真正改革外科手术模拟练习的操作方式。通过虚拟现实系统,外科实习医生所看到或感觉到的是虚拟立体三维全息图像构成的“患者”,可以反复多次地进行手术练习,直到获得满意的手术效果。
虚拟现实遥作为遥诊技术开辟了良好的前景,美国科学家已经使这项技术从实验室进人手术室。医生可以对一个计算机生成的三维立体(人工)环境中的患者进行遥作手术。他根据计算机综合远距离患者的诊断信息,获得手术区的三维立体图像,即可对症实施虚拟手术。与通常手术不同的是,医生不是对患者做单刀直入的操作,而是在控制台上利用计算机虚拟系统将其操作转化成数字信号传递给远方另一地的机械手(微型机器人),由机械手在患者体内进行同步手术操作。
虚拟现实技术可用于医疗诊断、医疗器械和设备的研制开发。心理医生可以用虚拟环境解除心理病症患者的症结。虚拟现实系统与先进的诊断设备相结合,可以把病人身体内部的全息图像及时而连续地展示出来,此时医生就像孙悟空钻到对方的肚子里一样,看到患者体内的真实景象,以便准确地找到病源,判断病因。
(五)通信系统
1.通信系统的构成
通信技术是信息技术的代表,它包括信息的编制、发送、传输、译码、储存和接收等技术。一个通信系统必须由信源、编码器、信道、译码器、信宿等子系统组成。对于双向互通的通信系统,每一信源同时又是信箱,每一信箱同时又是信源;编码器同时又是译码器。复杂的通信系统中包含多级编码器、译码器和多段信道。
2.卫星通信技术
 (1)频率的划分。卫星通信工作频段的选择和划分,直接影响卫星通信系统的通信容量、质量、可靠性、设备复杂程度和成本,也可影响到与其他通信系统的协调。具体来说要求频带足够宽,电波传播损耗和外部噪声尽可能小。与其他微波通信设备间的干扰尽可能小等。
大部分国际通信卫星均可采用4频段:C频段、Ku频段、Ka频段、I。频段。
 (2)通信卫星的主要设备。主要有如下几种。
①天线系统。是卫星收发无线电信号的出人口。根据通信需要,天线有全球波束天线、区域波束天线、国内波束天线和点波束天线等多种。
②空间转发器系统。是卫星的主体,用于放大、变频进而转发天线收到的无线电信号。
③位置控制和姿态系统。用于保持和控制卫星在轨道上的正确位置和姿态。
④遥测指令系统。用于将卫星工作情况及时通知地面测控站,并接收地面测控站发出的指令,使卫星上的设备按指令动作。
⑤电源系统。用于提供卫星上设备工作所需要的电能,包括太阳能电池阵、蓄电池组等。
以上这些设备,都安装在用耐高温的、轻金属材料做成的外壳内。
 (3)通信卫星的种类。可分为如下几种。
①同步轨道通信卫星。在地球赤道上空约36 000千米绕地球的圆形轨道称为同步轨道,这样卫星相对于地球上的某一区域就像是静止不动一样,这样的卫星又叫同步卫星或静止卫星。
一颗距离地球表面36 000千米(距地心42 000千米)远的同步通信卫星,其天线波束覆盖地域(即对地面的视区)超过地球表面的42.4%,只需要把3颗相隔120°的同步卫星送上天,就可以实现除南北极之外的全球通信。
②中、低轨道(MEO/I。EO)非同步卫星。中、低轨道卫星系统提供局部、区域和全球通信,且有与之对应的网络结构。非同步中、低轨道卫星的优点是:传播时延短,路径损耗低,能更有效地占用频率,卫星研制周期短,能多星发射,多星组网可实现真正意义上的全球覆盖。
③宽带卫星通信。1990年至今,卫星通信领域进入一个重要的发展新时期,中、低轨道卫星、同步轨道卫星和混合式轨道卫星通信系统开始广泛应用于全球电信网,以满足宽带和移动用户的各种需求。已出台的多媒体卫星系统主要有低轨大数量卫星群、同步轨道大功率卫星和中轨卫星群3种方案。它们针对不同的区域和用户,采用不同的轨道,各有特点。同步轨道卫星的多点广播特性和低轨道卫星的实时性和灵活性结合起来,可以很好地满足高速交互式业务和广播业务的需求。
3.卫星定位技术
卫星定位技术又称GPS(全球卫星定位系统),是由通信卫星和地面站网络构成的全球性实时精确定位系统。如北京一家公司的经理驾车去上海开会,车在上海附近出现了事故,偌大的上海市,他人生地不熟。幸运的是,他车上安装了卫星定位系统。他按下求救按钮,定位网络10秒内便查到他的具体位置,并提供了最近的加油站、医院、救援中心及维修点的位置。
4.数据通信技术
数据通信是把数据的处理和传输合为一体,实现数字信息的接收、存储、处理和传输,并对信息加以控制、校验和管理的一种通信形式。
用于数据通信的通信网,称为数据通信网。它分为专用数据网和公用数据网。
 (1)专用数据网。发展较早,目前仍普遍使用。局域网也是一种专用的数据通信网。
 (2)公用数据网。20世纪?0年代以来,随着数据通信迅速发展,开始建立公用数据网。公用数据网一般采用分组交换和电路交换两种交换方式。分组交换能提高电路的利用率,更灵活地满足实时数据通信的要求,分组交换网是一种主要的公用数据通信网。
在现代信息社会中,政府机关及各个部门要实现高效率的管理,数据通信是一种至关重要的手段。
5.无线移动通信
移动体之间或移动体与固定体之间的无线电信息传输与交换,称为无线移动通信。
1978年以来,美国、日本和瑞典等国先后开发出一种同频复用、大容量小区制的移动电话系统,它的作用频段是900兆赫,能在全地域自动接人公共电话交换网。
20世纪80年代又研制出数字式蜂窝移动通信系统。数字移动电话能大大提高频道的容量,不仅通信质量良好,而且保密性好,还可以兼容多种通信业务,并具有国际漫游等功能。
环球电话系统所用的通信卫星,是距离地面只有几百千米的“低轨道”卫星。由于袖珍移动电话发出的信号微弱,为了使卫星收到信号,因此选用低轨道。但由于轨道“低”,卫星与地球就不同步,因此必须使用多颗卫星,这样就能使地球任一地方,在任何时刻都能通过这个系统中的至少一颗卫星同任何其他用户通信。环球电话系统与地面的移动通信系统相结合,形成了一个全世界范围内的立体化移动电话通信网——“全球数字移动个人通信”卫星系统。环球通信系统除了提供语音通信外,还可以用于传真及数据传输等多种通信服务。
(六)数字技术
l数字化的概念
数字化概念于1997年首先在美国提出,而后很快风靡全世界。狭义的数字化是指各类信息转变为可以被计算机识别的流信流(比特流);广义的数字化则是指全社会的信息化,包括生产产品数字化、服务业数字化、农业数字化以及报刊、图书、情报、音像、科技文化资料等信息的数字化。
数字化的发展经历了由低到高、由局部到全球的过程。单位计算机的批量化、标准化、专业化,使数字产品呈现批量化和多样化;可编程控制器和嵌入式操作系统使数字产品的功能更复杂,软硬件结合更紧密;计算机图形学使数字产品广泛进入人们的生活,典型的数字化产品如数字电视、电子辞典、掌上电脑,数字移动电话等,使信息传播和处理更便捷。服务业数字化包括网络服务与远程服务,如电子商务、网站服务、远程教育等,文化传播娱乐的数字化包括计算机模拟和动画、电子新闻、电子报刊、数字化电影音像节目等。
农业数字化是指综合利用GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)、ES(专家系统)、自动控制和计算机技术,从而做到精确栽培和灌溉。
 2.数字地球(1)数字地球的概念。数字地球亦称数字化地球,指构筑在全球网络空间中的空间信息基础设施,可以说是数字世界的形象描述。这一数字化技术的目标是在全球统一的时空框架下,实现来源广泛的、多维的、巨量的数据融合,通过网络提供高度数字化、拟人化、智能化的信息服务。
数字地球是一个巨系统,它要模拟的对象——地球是极其复杂的,它作为网络空间中的信息系统,不仅信息量空前巨大,而且结构复杂化,具有高维性、非线性,但同时数字地球又是一个完整的地球信息模型,它把有关地球上每一点的所有信息(自然的,经济的、人文的、科技的、文化教育的等)按地球坐标加以整理,然后构成一个全球信息模型。这样,人们就可以快速地、形象地、完整地了解我们所在的这个星球上的任何地方的信息。
数字地球概念是1998年由美国副总统戈尔提出来的。他在美国加利福尼亚科学中心做了题为“数字地球——认识21世纪我们这颗星球”的讲演,他认为,在我们所处的时代,人们每天需要大量的信息,但无数信息散落在世界各地而不便加以利用,为了解决信息渴求和信息闲置的矛盾,数字地球可以有效解决这一矛盾。 
 (2)数字地球的技术系统。数字地球的核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题。将地球表面每一点上的固有信息,如地形、地貌、植被、建筑,水文等按地理坐标组成一个三维的数字地球,全面、详尽地描述我们居住的这个星球。由于数字地球是一个庞大而复杂的系统,所以,其建立需要一系列高超的技术。
①卫星遥感技术。通过大地资源卫星的遥感遥测,对整个地球进行整体扫描,将地球上任何地点的自然,人景观造都“疏而不陋”地拍下来。
2、超强计算技术。对整个地球的数据进行加工处理,并通过虚拟现实技术将其形象地表现出来。
③巨量存储技术。将数字地球上所有信息都存储起来,需要存储器容量达到1X107亿字节级。利用纳米技术可使硬盘容量达到10000万亿字节级,而且激光全息存储、蛋白质存储等方面的研究已获得巨大进展。存储数字地球的所有信息,可采用分布存储的方式,把大量的数据分散在成千上万个数据库里。
④高速网络技术。当某一个服务器要利用这些数据时,能迅速地把所要的数据从四面八方调来。因此需要用高速网络把各个节点连接起来。未来的信息高速公路其传输速率可达1X104亿一1X107亿比特每秒。
 (3)数字地球的利用。由于数字地球中包含有高分辨力的卫星图像、数字化地图以及社会、经济和人口方面的信息,因而具有极高的应用价值。利用数字地球的数据,可掌握各地的治安状况;可模拟环境变化对濒危物种的影响,以便于采取有效措施保护生态多样性;掌握植物病虫害及其生长情况,科学施药、施肥、灌水,可以提高植物产量。另多样性;掌握植物病虫害及其生长情况,科学施药、施肥、灌水,可以提高植物产量。另外,学者们可以利用数字地球开展学术研究,包括了解人类和环境之间相互依赖的关系。
通过虚拟现实技术,人们可到地球上的任何地方虚拟旅行等。
 (4)网络技术
 1.网络技术的兴起和发展
 (1)网络。网络是计算机网络的简称。用通信设施和线路把地理位置不同,具有独立功能的多个计算机系统联接起来,使用功能完整的网络软件实现信息资源共事与信息互动的大系统称为计算机网络。计算机网络中的联网计算机可以是几台、几十台,也可以是成千上万台。根据对信息的收集、分配、传输、处理、使用的范围、功能、管理权限不同,可以把网络分成若干等级,如企业网、校园网、行业系统网直到跨国家的国际网。全球网简称因特网(Intemet),是目前建成的最大范围、有最多用户、传输信息量最大的网络。
联入网上的每台计算机本身都是一台完整独立的设备,它自己可以独立工作,还可以通过网络去使用网络上的另外一台计算机。例如可以在身边的这台计算机上去调用另一台计算机上某一目录下的一个文件。
计算机之间可以用双绞线、电话线、同轴电缆和光纤等有线通信,也可以使用微波、卫星等无线媒体把它们联接起来。
 (2)网络技术发展概况。互联网的前身是美国国防部高级研究计划局(ARPA)于1968年主持研制的用于支持军事研究的计算机试验网络(ARPAent)。建网的初衷旨在帮助为美国军方工作的研究人员进行住处交换。建立ARPAent的过程中,建立了一种计算机通信协议,被称为网际协议(1P)。根据该协议,当一台计算机向网上的另一台计算机发送信息时,只需在发送的信息前面加上一些用于网络传送的控制信息,这个附加控制信息的过程被称为“打包”,就像在日常工作中寄信时要将信件装入信封一样。这一系列的研究及成果,标志着一个崭新的网络时代的开端,并为后来的互联网的发展奠定了基础。IP协议较好地解决了异种机网络互联的一系列理论与技术问题,而由此产生的关于网络共享、分散控制、分组交换、使用专用的通信控制处理机和网络通信协议分层等思想,则成为当代计算机网络的理论基础。
与此同时,局域网和其他广域网的产生,对互联网的进一步发展也起了重要作用。互联网不仅仅局限在主干网上,大量现有的通信设施都是互联网运行的载体。普通用户和小型网络通信,小型网络之间、区域网络或大型网络之间可以利用光纤、通信卫星等实现通信。
20世纪80年代后期,许多大公司发现互联网是与遍及全球的雇员保持联系的极好通信方式,这使得互联网进人一个极度增长期。互联网服务供应商ISP开始为个人访问互联网提供各种服务。随着计算机逐渐进入家庭,互联网的成员也成倍增长。今天,互联网拥有l0多亿个用户,他们在网络上工作、学习和享受各种服务,开始了自己的崭新生活。
综观互联网的历史及展望未来,可分为三大阶段:
①电子邮件阶段。这个阶段从20世纪70年代开始,平均的通信量以每年几倍的速度增长。
②信息发布阶段。从1995年起,以Web技术为代表的信息发布系统爆炸式地成长起来,成为互联网的主要应用手段。
③电子商务阶段。电子商务是一个划时代的产物,电子商务应用于国际贸易是21世纪不可抗拒的历史潮流,是全球贸易和世界经济发展中不以人的意志为转移的客观规律,互联网将成为人类信息社会的神经系统。
3个阶段的应用正在以惊人的速度高速扩张。电子邮件已经在很大程度上取代了过去的信件,一定程度上取代了电话和传真。信启、发布功能已经取代了一部分的报纸、电台、电视台的新闻发布功能,几乎所有重要的报纸都有了免费的电子版本以供查阅。
许多日常工作,尤其是信息的收集,通过鼠标短时间内就可以完成,出差、长途电话、传真、邮寄等过去必需的行为正逐渐退出舞台,互联网的飞速发展已经给人类带来了不可估量的社会效益和经济效益。
 (3)互联网的功能。互联网的最基本功能是由TCP/IP协议提供的3种业务:电子邮件、远程登录和电子商务。
①电子邮件(E-mail)。是互联网最重要的服务功能之一。实际上,电子邮件就是传统邮政业务的电子化。通过电子邮件服务,用户可以通过互联网将电子信件传送给网络中的其他用户,并且允许用户自由阅读、答复以及转发所收到的电子邮件。
②远程登录(Telnet)。是指在TCP/IP协议的支持下,用户将连在互联网的一台计算机登录到远程的另一台主机上,并暂时作为这台主机的终端,可以直接使用远程计算机的软、硬件和数据资源。
在远程计算机上运行程序,将相应的屏幕显示传送到本地计算机,并将本地的输入送给远程计算机,这称为远程对话或虚拟终端对话。Telnet能实现虚拟终端功能,用户可以登录到远程计算机上,并且使用该计算机的资源与服务。操作远程计算机的感觉就如同在当地操作一样,只是速度显得稍慢一些。
③电子商务。互联网实际上只是一种大大降低沟通成本的工具。互联网可以从根本上改变那些以信息为主的产业或行为方式,比如在金融业,互联网的应用极其成功,还有娱乐业、医疗卫生、政府和教育等其他信息密集型产业。
2.网络技术的开发
 (1)网上购物。在网络技术迅速发展的今天,互联网作为一种方便的浏览方式,它不仅使人们足不出户就可以看到商品的具体型号、规格、售价,达到亲自到商场里购物的效果,并且可以减少路途的劳累和商场的拥挤。
 (2)网上娱乐。又叫梦幻娱乐公园。通过互联网,可以视听各种文艺节目,好像现在看电视、听广播一样。还可以任选音乐、戏剧、舞蹈、电影、绘画、书法等。不受节目表的限制,不受频道和时间的限制。在屏幕上阅读著作犹如读书一样,只要信息库中有的,不受个人藏书的限制,也不用到图书馆。也就是说,不出家门就可以访问电子戏院、电子影院、电子演奏厅,还有电子图书馆、电子博物馆等。
 (3)网络教育。远程教育和现在的广播教学、电视教学将是大不相同的。首先是交互式的,即学生可以与教师对话,学生可以提问,“系统”按事先预定的方案答复,甚至以人工智能的方法自编答复。没有呆板的课程时间表,学生学习的时间可以有很大的灵活程度,并且同一课程有时还安排不同的教师,使学生有自主选择的余地。
 (4)远程医疗。信息高速公路开通后,“远距离医疗”变成了现实。如果你居住在远离大医院的郊区,你可以通过电视电话请北京或伦敦的著名医疗专家为你诊治疾病。你用不着走远路,只需到当地诊所就行了。
(八)多媒体技术
1.多媒体技术的兴起
多媒体技术是使用计算机综合处理图片、图像、声音、动画、视频图像等多种不同类型媒体信息的技术。其技术特点包括运行的实时性、并发性及人机交互的灵活性等。
2.多媒体计算机的关键技术
 (1)数字音频和视频技术。解决音频和视频信息的数字化及压缩、解压缩问题,以便对音频、视频信息做到实时处理。
 (2)多媒体软件平台技术。主要有多媒体操作系统、多媒体著作工具等。多媒体操作系统是指控制多媒体设备,处理多媒体信息的计算机操作系统和视窗软件环境,它通常应具有实时的多任务处理能力;支持多媒体数据格式;支持对互联网音频、视频的实时处理和同步控制以及具有对设备的相对独立性和可扩展性。多媒体著作工具是指一种高级的多媒体程序开发平台,它支持应用人员方便地创作多媒体应用系统(或软件)。
 (3)多媒体通信技术。指实现多媒体信息的传输和交换技术,解决文本、声音、图像等媒体信息的实时表示、实时交换、多路混合以及媒体的最后表示形式等问题。
 (4)多媒体数据技术。由于多媒体数据具有复合性、分散性、时序性等特点,因此,多媒体数据技术除包括一般数据库技术,还要解决图形、图像、声音、动态视频、文字等多种媒体类型等问题。   
多媒体计算机技术被人们称作是继纸张、印刷术、电报电话、广播电视、计算机之后,人类应用信息技术的又一大飞跃。它的发展极大地改变了人们的生活方式,推动了许多相关产业的发展和调整,在不远的将来将介入目前使用的计算机、电视机、摄像机、音响、电话机、电传机的领地,最终形成一个庞大而完整的多媒体产业。多媒体计算机技术也使计算机系统朝着人类接收和处理信息的最自然的方式发展,极大地提高了人机界面的友善程度,其应用也就自然渗透到人类生活的各个方面,与通信、家用电器等产品的相结合,如交互式电视、电子出版物、视频光盘(VCD)、虚拟博物馆等,呈现出十分广阔的应用前景。
三、信息社会
(一)信息产业与信息经济
1.信息产业
 (1)信息产业的概念。美国信息产业协会对信息产业做了这样的定义:依靠创新的信息技术提供信息产品和服务的产业。日本学者认为,信息产业是与信息的生产、采集、加工、存储、流通、传播和服务等有关的产业,涵盖范围进一步扩大。
一般认为,信息产业可以有狭义和广义的理解,狭义的理解就是指电子产业,尤其是电子计算机产业。广义的理解除了电子产业外,还包括生产、力口工、输出信息的所有部门。可见,关于信息产业的定义一般指的是广义理解。可以认为,信息产业是与信息的收集、传播、处理、存储、流通、服务等相关行业的总称。
 (2)信息产业的特征。有如下几个特征。
①产品渗透力强。人类的一切活动,离不开信息的交流和处理。当今人们的学习、生活、交往、休闲、工作等都离不开信息手段。因此,信息技术产品因其特有的功能优势广泛渗透到人类生产和生活的一切领域。
②产品的附加值高。在信息产品生产中,从事生产的人员科技素质高,使用的设备科技含量高,产品的科技含量高,必然带来高附加值。如一块微电子芯片成本仅几元,但售价几百元,甚至上千元。
③低公害、低消耗。信息技术产品生产过程是低公害、低消耗的。一根比头发略粗的光纤维每100千米长仅需500克二氧化硅,可以同时传输几十万门电话或上千套电视的信息。而若用同轴电缆,要达到同样的传输量,则需要几十吨铜和上百吨铅。显然,信息产业的产品具有可持续发展的特点。
④高就业。过去曾有人认为,随着信息产业的发展,在迅速提高生产力的同时必然带来结构性失业。而实际情况是,信息产业创造了大量的就业机会。
2.产业信息化
 (1)传统产业信息化。信息化对传统产业的作用非常明显。
①加快了传统农业向现代农业的转变。信息技术使农业资源的利用更为合理。要想合理利用农业资源就必须掌握它们的分布、性质及其变化,这用常规技术是无法实现的。英国曾经动用6000名教师调查全国土地利用情况,花了6年时间。运用包括卫星遥感技术等现代信息技术。10个人只要3个多月就可以大功告成。
农业专家系统可以实现把“专家”直接清到家。农业专家系统是一种智能化农业信息系统,不仅可以作为农业现代化的载体传播各类实用的农业知识和高新技术成果,而且拥有高层次、多方面农业专家知识,能模仿人类的推理过程.以形象、直观的方式向使用者提供各种农业问题的咨询服务与决策方案。
以信息技术为核心的农业生产自动化系统,可以将农作物在生长过程中所需要的一切因素自动加以控制和处理,从而能保证农业生产的稳定、高产。
②提高传统工业的自动化、智能化水平。传统工业是劳动密集型产业,能耗高、效率低。到了20世纪80年代,信息技术广泛地应用于传统工业,对传统工业的生产、产品性能都产生了深刻的影响。
首先,促进了传统工业生产过程的自动化,大大提高了设计效率。
其次,在生产过程中,数控机床的充分运用无疑是一场技术的革命。
20世纪90年代以来,一种最先进的生产方式——计算机集成制造系统(CINS)开始推广运用。CIMS是一种高度集成的制造系统,企业中各个部门、环节,包括产品的开发设计、加工和决策,由计算机统一管理,在更高层次上实现了新产品的开发快、质量好、成本低和服务好的特点,对企业提高市场的应变能力和竞争能力具有巨大作用。
再次,促进了传统工业产品的智能化。信息技术的运用,将产品在工作过程中需要处理的信息集中在一个芯片上,用微电子装置取代机械信息结构,犹如给产品装上一个“大脑”,产品各部件的联系由电路代替机械装置,信息传递由单向变为并行,能自动及时反馈各运动单元的信息,从而使产品呈现智能化的特点。如目前市场上流行的智能化空调,可以根据需要自动调节室内温度、湿度,自动杀菌、交换新鲜空气。
③促使第三产业发生了革命。信息技术也广泛地渗透到金融业、服务业、保险业、医疗、交通等第三产业,对其发展产生了重要影响。
 (2)企业管理方式的变革。生产过程的信息化必然带来企业管理的信息化。在信息技术迅猛发展的现代社会,企业作为社会的基本经济组织在经营管理、组织管理、办公管理等方面都发生了根本性的变化。
①经营管理信息化——虚拟企业出现。虚拟企业有3种形式,第一种虚拟企业属于外包加工的形式,中心专攻附加值高的设计及行销,生产则由低人工成本的新兴国家代为进行。如我国台湾弘崧创造了旅行休闲鞋的品牌,却没有自己的生产线。
第二种虚拟企业的形式是共生,几个同行公司共同组成一个作业中心,共同负担成本,如银行并不擅长信息管理,既不想外包,又不愿意独自负担培养专业人员的成本,于是可由几家银行成立专门处理计算机信息的部门或公司,负责这几家银行的信息业务。
第三种虚拟的形式是“策略联盟”,即几家公司拥有不同的关键资源,而彼此的市场有一定程度的分割,为了彼此的利益实行策略联盟,交换彼此资源以创造竞争优势。如世界知名的康柏公司,为迅速打人不熟悉的个人计算机市场,一开始便与十几家知名的软、硬件公司结成技术策略联盟。
②组织管理信息化一扁平化网络企业组织。扁平化的实质就是减少管理的层次,使企业结构由金字塔形转向大森林式,使决策传递路径简化,扩大了最高决策层的管理幅度,也减少于因层级过多而导致决策信息传递的失真。
网络化与扁平化在本质上是一致的。网络化的节点不管是企业、部门还是个人,地位都是平等的,通过平等的互助,达到互利和合作。
③办公管理信息化——企业内部网络的使用。企业内部网是由企业内部网络系统与企业管理信息系统组成,由互相连接的工作站、服务器、软件和电缆构成,它从根本上改变了企业的管理办公模式。企业内部网的核心是建立企业内部信息中心。企业的信息部门可以充分采集各个部门的信息将其数字化,建立起企业内部信息中心,供企业内部各部门使用,从而使各部门办公更加便捷。
 (3)就业结构的改变。产业信息化对就业的方式和结构产生了根本性的影响。
①国际化倾向。20世纪90年代,世界经济一体化已经形成,对信息人才的争夺也变成全球性的。在美国的硅谷,有近3 000家软件企业是中国人创办的,接近企业总数的17%;日本每年也从中国高薪聘请工程师7 000多人,几乎全是IT人才。
②第三产业就业比例增加。我国的第三产业就业人口比例也有极大发展,以我国的广州市为例,1994年就业于第一产业的人员为5 300人,第二产业的人员为136 148人,第三产业的人员为349 048人,人才结构分别为1.08%、27.76%、71.16%,尽管第三产业并非都是信息产业,但就以上比例看,已经接近发达国家比例。发达国家的发展经验表明,第三产业的人数越多,经济增长越快。
③就业学历结构和知识更新的变化。信息劳动者包括:一是脑力劳动和智能创造性的劳动者,劳动的成果是综合型信息产品,从事这类劳动的主要是科技人员、政府和企业的管理决策人员;二是技术较强的体力、脑力混合型劳动者,劳动成果为物质产品。从事这类劳动的主要是技术工人;三是信息流通领域的劳动者,如书店、图书馆、金融及咨询单位的工作人员,他们的劳动成果是信息服务。现实的就业环境,求就业者学历不断提高,不断进行知识更新。信息产业所需要的人才必须是学习型人才。
3.网络经济
 (1)网上银行。网上银行是银行业务在网络上的延伸,是在互联网上的虚拟银行工作平台。
网上银行的出现,拉近了客户与银行之间的距离,24小时全天候工作使银行能够更好地为顾客服务,也极大地提高了效率。
网上银行也降低了银行的成本。网上银行实行无纸化办公,以前使用的单据、票据大部分不再使用(原始凭证除外),而代之以电子支票、电子汇款、电子收据等,纸币也由电子现金、电子钱包、电子信用卡代替,原来的纸面邮寄也变为了电子邮寄。同时,网上银行只需支付网络的建设维护费,便可以服务到家,使得包括顾客、商户、行政机构在内的多种交易对象都可以在家办公而足不出户。
 (2)网上营销。网络经济改变了传统的营销模式和理念,它开辟了一个全新的途径。
①建立企业网站。它是一种新的经营技术或手段,企业可以建立自己的网站,在网络上打出自己的品牌,宣传自己的产品,打造自己的形象。
②网上市场调研。具有高效、低成本的特点。可以在网上发布调查信息,通过留言簿、E-mail等手段收集各种信息,为企业提供决策依据。
③网上商务活动。网络一经建立,商务活动立即开始。互联网销售没有空间限制,没有地理封锁,商品选择灵活方便,效率高、成本低、交易快捷,开辟了一个崭新的商贸空间。
④网上证券业。美国在1964年便出现电子证券挂牌交易的所谓“第三市场”。20世纪80年代,利用直接联机、免除中介的所谓“第四市场”也已出现。网上投资不再受时空限制,在线交易成本维持在低水平,也不存在区域概念。
⑤网上支付。网上支付主要包括信用卡类、电子支票类、电子现金类。
 (二)政府信息化
1.政府信息化的内涵和特征
 (1)政府信息化的内涵。所谓政府信息化,主要是指政府部门为更经济、更有效地履行自身职责,为全社会提供更优质的服务而广泛应用信息技术、开发信息资源的活动和过程。政府信息化的最终结果是建立高效可靠的电子政府。政府信息化的过程就是工业时代的政府(即传统政府)向信息时代的政府(即现代政府)转变的过程,在这个过程中,政府的工作效率、决策质量、调控能力、廉洁程度得到提高,政府的组织结构、业务流程和工作方式不断改进,逐步向社会民众提供超越时间、空间和优质、规范、透明、符合国际水平的管理和服务。
在经济和信息全球化加快发展的情况下,一个信息化了的政府已经成为一个国家或地区全球竞争力的要素之一,也是提升国家和地区竞争力,争得经济和社会发展“先机”的关键。
 (2)政府信息化的特征。有如下几个特征:
一是以互联网为基础设施,构造和发展电子政务。
二是以用户为中心。政府信息化的一个主要方面就是要建立一个真正能够为全社会所接受的服务型政府,按照用户的意愿设计政府的网络是当今世界各个政府所遵循的发展原则。
三是投入巨大。政府信息化需要巨额投入。现今美国政府部门每年在信息技术上的开支约为l 200亿美元,即使是这样,政府信息化仍然感到财政上的捉襟见肘。
四是不断创新。政府信息化是不断发展的。政府信息化可以分为展示、交互、转变和转型4个发展阶段。在转型阶段,需要突破组织边界,构建无缝隙政府,公共服务模式以客户为中心代替以机构为中心,虚拟组织可以取代政府,这是政府信息化的最高阶段。
2.信息化与政府工作方式转变
政府信息化将会使政府的管理走向现代化、民主化、高效化和科学化。
 (1)政府信息化促进了政府管理的现代化。政府服务朝着“单一窗口”、“一站到底”、“跨机关”、“24小时”、“自动式”方向发展,政府业务也将向“电子公文”、“电子邮寄”、“电子法规”、“电子规划管理”、“电子税务”、“电子工商”、“电子人事”等电子化、自助化模式发展。公众在网络上能真正体会到“全心全意为人民服务”式的服务。
 (2)政府信息化促进了政府管理的民主化。政府信息的公开为政府民主化提供了基础。政府信息化将会使政府信息资源走向公开,让公民“知政”、“参政”,不仅有利于强化民主政府、发展社会经济、保障公民的权利、维护公众的利益,而且能进一步规范行政行为、有效遏制腐败、提高行政效率。
电子网络政府的建立,还可以保证公共服务的公正性和公平性,真正做到一视同仁。
 (3)政府信息化促进了政府管理的高效化。政府管理效率的提高主要是通过加快信息传递速度、简化管理环节和降低管理运作成本等方面来实现的。信息网络的运用,可以缩短甚至取消中间管理层,大大地简化了行政运作的环节和程序,有利于减少文山会海,实现无纸化的办公。信息传递速度和效率的提高以及行政管理的组织结构的优化,又最终促进行政运作成本的减少。
 (4)政府信息化提高了政府管理的科学化。借助信息技术和网络技术,政府的组织形态由传统的金字塔式垂直结构向水平网状结构转变。在新的组织形态下,高层领导利用信息技术,可以在其权限范围内随时随地掌握任何地方、任何时间的信息,并对信息进行分析、做出决策,他的决策也能随时传达给任何他需要传达的对象,并做到随时监督政策的执行情况。新的科学管理手段的运用,如决策支持系统(DSS)、电子会议系统(EMS)、远距离控制、分布式工作等,使得行政管理体制越来越走向科学化。
(三)信息战与军事信息化
1.信息战的内涵及特征
 (1)信息战的出现。1991年1月的海湾战争被认为是—‘场真正意义上的信息战争。
早在战争发动之前,美国就起用了20多颗军用卫星侦察伊拉克军队的动向,同时调集了海、陆、空电子战部队,大面积、长时间地干扰伊拉克军队的电子通信系统,使伊拉克军队战争的准备工作无法做好。战争开始,以美国为首的多国部队出动了电子战飞机、预警机、侦察机、轰炸机等各种飞机1l万多架次,对伊拉克12个战略和战术目标进行了42天的高强度、高精度、全天候的轰炸,首先摧毁的是伊拉克的军事指挥控制系统,其次是发电站、通信枢纽和防空雷达,空袭造成了伊拉克军事指挥系统、通信系统彻底瘫痪,“飞毛腿’’导弹也成了瞎子,失去了方向。战争以伊军的全面失败而告终。
在这场战争中,各种信息武器纷纷出笼,美国上有侦察卫星侦察,下有电子战飞机干扰,后方还有2 000多台计算机指挥战争,展示了信息战的巨大优势。
 (2)信息战的内涵。信息战有广义和狭义之分,广义的信息战泛指政治、经济、文化教育、军事、科技等所有领域的争夺信息控制权的斗争;狭义的信息战仅指军事领域的为争夺信息优势、破坏敌方信息系统的斗争。
传统的机械化战争形态主要是围绕物质与能量较量,信息战则围绕信息控制权,谁能夺取战场信息控制权,谁就能取得胜利。在信息战中,主要进行以下的信息获取和控制:一是获取信息,二是传输信息,三是信息处理,四是信息运用,五是信息对抗。
 (3)信息战的基本特征。相对传统战争的战争形态,信息战主要有以下这些特点:
①围绕C41SRK系统进行的信息控制和破坏活动,是一种系统与系统的对抗。所谓C4ISRK系统,是指指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察的总称。
②以高技术武器装备实施精确打击。信息战所使用的武器装备都是技术密集型的,能够进行远距离精确打击。例如,一枚精确炸弹就涉及到光、机、电、声等综合学科,制导包括激光、红外、电视、微波、地形与图像匹配等复合技术领域。这些精确制导的元件又必须耐高温、高速、高压,才能保障导弹准确无误。在第一次海湾战争中,美国B—52轰炸机发射“斯拉姆”高精度空地导弹,第一枚导弹击中伊拉克的发电站,第二枚导弹从第一枚炸开的弹洞“鱼贯而入”,这就是高技术武器的威力。
③作战行动整体化、武器综合集成化、军种模糊化、军队小型化。建立了信息优势,就可以进行联合作战,联合作战是指多个军种按照总的目标和统一计划,在统一指挥下共同进行的作战。联合作战重在发挥整体效力,依靠多兵种的协调和配合,各种武器系统综合集成,结构优化,从而达到最佳功能。在由高技术武器装备主宰的现代战场上,战争的胜负取决于作战中发挥的质而不是量,因此由精兵组成的灵活机动的小型部队在战争中发挥越来越重要的作用。
④作战空间多维化、作战时间全天候化、作战状况透明化。信息战的空间范围不仅仅涉及到海洋、陆地、天空,还涉及到外太空、电磁领域,构成一个五维一体的作战空间,传统意义上的战场、后勤、前线、后方的概念不复存在。信息战的意义也从狭义转为广涉及到政治、经济、外交等诸多领域。各种夜视电子技术的进步,决定了信息战不会受到天气的影响。随着各种信息手段运用于战争,战争环境、战场态势变得日益透明,比如地形、装备等,谁拥有高技术武器和信息手段,谁就能获取这些信息,从而实现科学决策,克敌制胜。
⑤外太空成为争夺对象。美军定义的“空间控制”就是“确保自身空间行动的自由,同时防止对手具备这种自由”的能力。
2.信息战引发的战争样式革命
 (1)非对称作战。这是未来信息化战争最为重要的作战样式。掌握信息战优势的国家常常是以信息化对付机械化,利用“高技术差”进行非对称作战。信息战是通过利用、改变和瘫痪敌方的信息和信息系统,同时保护己方的信息和信息系统不被敌方利用,其作战方式主要有指挥控制战、计算机网络战、电子战、情报战、心理战等。
 (2)非接触作战。这是远程精确制导武器的必然结果。由于隐形作战平台利用空中、太空侦察平台指引目标,使用信息化弹药进行超视距攻击,在远离敌人、不与对手接触的条件下杀伤和攻击敌人。此种战法的优点是:不受作战方向的限制,作战精确,附带损失小,己方伤亡少,速度快,战争可控性大。
 (3)非线式作战。在信息时代的作战中,整个战场出现“非线性化”的趋势,无论进攻还是防御,都将是战场全纵深同时作战。把空中、地面和海上的远程火力和信息战力量联合起来,从陆、海、空、天、电磁五维战场上,对敌方全纵深的重要目标同时进行不停顿、全时辰突击。它的最大优点是能够迅速使敌方战争能力和网络体系瘫痪。
非线性作战首先改变了战争前方、后方概念;其次改变了“突破”内涵,作战突破首先要突破“对方的电子防线”;再次改变了以往战役作战的程序,非线性作战主要是各兵种按联合作战程序组织,重点是联合火力打击,往往是先打指挥机构、后打作战部队,先打纵深、后打前沿,先打空中力量、后打地面力量;最后还具有高空间的特点。
 (4)全频谱行动。这是2001年版美国陆军FM3—0号野战条令《作战纲要》中提出的一个新军事概念,“频谱"(Spectrum)一词来源于物理学概念,原意是指光的谱系或电磁信号的射频,引申为排列或范畴的意思。美国陆军在新版《作战纲要》中使用的“全频谱”一词是指引申义,即全部排列、全部范围的意思。因此,“全频谱行动”,应理解为全部范围的美国陆军行动。
全频谱行动包括进攻、防御、稳定、支援4种类型。每种类型中又包括若干个具体行动样式。在未来战争和非战争行动中,甚至一个战役中,均有可能综合运用不同类型的进攻、防御、稳定、支援行动。在战争中通常进攻、防御行动占主导地位;在小规模应急与维和行动中稳定和支援行动则可能占主导地位。
 (5)网络中心战。工业时代的战争是“平台中心战”,即以平台为中心的战争。所谓平台,不仅指军舰、飞机、坦克等武器平台,还包括指挥所、保障基地等对战争具有重要作用的人工平台。信息时代的战争已不再以平台为中心,而是以连接这些平台的网络为中心,它与过去战争的主要不同点在于:它通过指挥的快速性和部队间的自我同步,使作战行动更加迅速、有效,节奏加快,反应能力加强,作战风险降低,作战代价(主要指伤亡)减少。
 “网络中心战”是将军队的所有侦察探测系统、通信联络系统、指挥控制系统和武器系统,组成一个以计算机为中心的信息网络体系,各级作战人员利用该网络体系了解战场态势、交流作战信息、指挥与实施作战行动的作战样式。该网络体系由“无缝隙”数据连接的3个网络组成,即探测网络、交战网络和通信网络;把所有战略、战役和战术探测器材联为一体的探测网络,能迅速提供“战场空间态势图”;交战网络又称打击网络,连接各主要武器系统。通过战场各作战单元的网络化,可加速信息的流动和作用,使各分散配置的部队共享战场信息,把信息优势变为作战优势,从而协调行动,最大限度地发挥作战效能。
3.信息战与新军事变革
 (1)武器装备信息化。在信息化战争中,不仅武器是信息化的,弹药也是信息化的。像导弹系列,都是制导导弹,还有制导炮弹、制导地雷、制导鱼雷等,近程的制导精度在1米以内,中程的也不会超过10米,远程的小于50米。
在信息化战争中,作战人员伤亡率越来越低,发达国家甚至追求零死亡率。基于此目标,发达国家开始研制军用智能机器人,代替士兵执行各种任务,军队编制由于智能机器人对战争的参与而更加小型化、特种化。
未来战场,信息武器层出不穷,各种新概念信息武器也粉墨登场,给信息战带来全新的内容。
①激光武器。激光武器是一种定向性武器,沿一定方向发射激光束,以极高的精度和速度袭击目标。低能激光武器用来干扰和致盲,用它来迷惑、欺骗扰乱和致盲敌方武器装备系统的光电部件。目前该种武器正向便携式方向发展。高能激光武器包括红外线激光器、准分子激光器、X射线激光器、自由电子激光器,高能激光武器主要用来袭击卫星,袭击卫星的方式是通过干扰卫星光电系统、推动变换卫星位置等。现在,俄罗斯e经具有部署太空激光武器的能力。
②微波武器。微波武器是用高能磁场射击目标,形成强大的电压和电流,从而使目标物不能正常工作。微波武器能够全天候工作,除了轰击敌方的指挥控制通信系统外,还可以射击隐形飞机、反辐射导弹,甚至直接杀伤人员。在太空中,微波武器可以攻击卫星。
③粒子束武器。该武器利用粒子源产生电子、质子、离子,并把它们加速到光速,用密集的粒子束流中的强大动能摧毁敌方目标。该武器一旦瞄准目标物,目标物便无处可逃。粒子束比激光更有穿透力,用它做太空武器,能够迅速破坏目标物结构,或使目标物自动爆炸,同时产生脉冲电流,使目标物电子设备不能工作。
④电磁炮。顾名思义,是使用磁力作为动力,以炮弹巨大的动能摧毁敌方目标的武器。电磁炮速度极大,可以达到30千米每秒,反应快、射程远、威力大,能袭击轨道上的卫星,隐蔽性能和安全性能也极好。发达国家正在研制该武器,为未来袭击卫星做准备。
⑤动能拦截弹。动能拦截弹用于拦截敌方导弹,后来研制用于袭击敌方卫星,成为机载空对天导弹,目前发达国家研制的反卫星动能拦截弹只能攻击500千米以下的低轨道卫星,袭击中高轨道卫星必须用火箭发射动能拦截弹。目前美国已经研制出的运载反卫星动能拦截弹有“民兵”号和“三叉戟”号两种。
 (2)指挥控制信息化。各种信息系统的应用,使现代战争的指挥向信息化方向转变。
①情报收集系统。它主要由电子侦察设备组成,一是查明敌方电子设备的技术性能、频率、脉冲宽度、重复频率等。二是进行情报侦察,以获取军事情报。
②电子预警系统。它使作战效率成倍提高。拥有预警系统的作战方可以提前知彼知己,作好战斗准备。预警分为机载预警和星载预警,当前的发达国家都有机载预警系统。星载预警系统覆盖面更广,是军事大国拥有和重点发展的预警系统。
③.通信系统。它在CISRK系统中举足轻重,是指挥作战的动脉和神经。干扰和反干扰系统主要用来破坏敌方的通信,保护己方的通信,还用来对付来袭的电子武器和保护袭击敌方的电子武器。目前的通信系统有卫星通信、激光通信、毫米波通信、调频通信、扩频通信等,有线通信主要有光纤通信,有线通信抗干扰性强,但受地域限制,不利于战场的机动性作战。
④电子化决策。它不同于传统决策,是建立在所有电子化数据之上的电子战平台,一切电子的进攻、防御、欺骗,都必须在指挥员的指挥下进行,同时,电子设备也可以给指挥官提供决策建议。
 (3)战争观念新变革。信息技术广泛应用,带来了现代战争观念发生了革命性转变。
①战争的内涵不断扩展。传统的战争是流血的战争,而未来的信息化战争是流血与不流血的战争同时存在。运用信息对抗手段对敌方计算机网络实施攻击,造成其指挥、经济、金融、交通或其他系统混乱,陷入信息灾难之中,战争可能在尚未流血的情况下就已决出胜负。而且在信息化条件下,战争的发动者增多,除了国家外,还包括恐怖组织、贩毒集团等群体,他们同样可以获取计算机病毒、大众传播媒介、大规模杀伤性武器等战争手段。 
②战争的目的是迫使敌方屈服。传统战争的目的是“消灭敌人有生力量”和“占领土地”,信息化战争的目的是遏制敌方企图或使敌方屈服,不追求招致重大伤亡的歼敌有生力量或军事占领。
③战争规模和进程受到制约。进入信息时代,战争时间大大缩短,一方面战争在全球信息网用户的关注下进行,为了避免大的伤亡和民众的反战情绪,战争指导者不得不对战争规模和进程严格控制。另一方面,信息化、网络化为战争在时间和空间上提供了精确打击和全纵深作战的手段,战争指导者有能力对战争规模和进程进行有效控制。
④战争附带损伤减少。附带损伤是指与战争目标无直接关系或根本无关的破坏。
在工业时代,由于受军事技术发展水平限制,为了消灭敌方的军事目标,通常采用地毯式轰炸,对非军事目标造成重大破坏,使平民遭受重大伤亡。在信息时代,战场实现了数字化和一体化,使作战实现了精确化,使非打击目标的附带损伤减少到较低程度。
⑤战争的焦点是争夺制信息权。工业时代进行的机械化战争,强调的是火力和机动力的运用,拼的是更多的弹药和钢铁,争夺的是制空权、制海权和制陆权。而信息时代的信息化战争,火力和机动力的发挥,主要依赖于信息的收集、处理、传递、控制和利用,因此,对信息系统的打击与反打击,赢得网络和电磁频谱控制权,就成为控制战争全局的关键性因素。
4.新军事技术革命的支柱
 (1)军事微电子技术。这是新军事技术革命的动力和核心。
微电子技术是使电子元器件和由它组成的电子设备微型化,其核心是集成电路技术。军事微电子技术具有把军事装备成百上千倍地缩小,重量变轻。更重要的是,它缩小了体积,电子计算机得以安装到飞机、导弹、卫星,甚至炸弹上,使这些武器具有自动处理信息的能力,成为信息化弹药。
 (2)军事计算机、数字通信和网络技术。这是新军事技术革命在武器装备应用中的“神经系统”。
计算机极强的运算能力,能够使其在纷繁复杂的情况下,迅速做出准确判断和最佳的处理,因而成为指挥,作战自动化和智能化装备的核心部件。单独的计算机孤掌难鸣,其作用难以发挥到极限,因此,现代计算机的应用通常是联网工作。数字通信技术已成为西方发达国家军事通信的主要手段,美军正借此技术对军队和战场进行数字化改造。
网络是计算机之间交换信息和交互工作的通路。计算机在通信技术保障下实现网络化,就可以在不同兵种之间及兵种内部的不同作战单元之间实现运用自如的数据传递、信息共享,达到严密的协调、协同一致。
数据链是网络技术的扩展。在网络技术中,随着应用技术渗透到各个领域,数据链越来越成为重要的内容。数据链最初用于海军,随着电子技术发展,数据链不断披赋予新的内涵。从广义上讲,数据链是指链接现代战场各作战单元和武器平台的数据信息传输、处理、交换和分发的系统,也可以理解为是一种系统集成。根据作战需要和兵种使用特点,可以有专用数据链<如对空数据链、对诲数据链、地面武器平台和指挥所数据链等)和用于三军协同作战的网状数据链等。数据链不是一般意义上的通信系统,它必须具有强有力的抗干扰、电子反侦察、信息保密、高速传输,实时感知和综合业务能力、完善的通信协议等,涉及到整个数字化战场设施的建设。
 (3)军事光电子技术,这是新军事技术革命在武器装备应用中的“外围系统”。
光电子技术是电子技术同光学技术相结合形成的一门新技术。它利用光进行信息的发送、探测、传输、交换、存储、处理和重现,主要包括激光技术、红外技术、光纤技术、光计算技术等,光纤通信,光电计算机和激光制导等重要的光电技术成果已在军事领域获得了广泛的运用。近年来,光电子技术在探测、夜视、预警、隐身和研制新型武器装备方面也已经取得重大突破。
 (4)军事隐身技术。与光电探测技术成对立形态发展的是军事隐身技术。隐身技术是传统的伪装技术向高技术化的发展,是第二次世界大战后军事技术领域的一项重大突破,一度被称为王牌技术。由于现代战场上主要有雷达,红外、可见光,电子和声波等侦察探测系统,因此,隐身技术也相应地表现为反雷达、反红外、反可见光、反电子和反声波探测等形式。目前,反雷达、反红外隐身技术在隐身技术中居于主导地位,主要用于轰炸机、巡航导弹等进攻性武器的突防上。当前,探测与反探测的斗争已成为军事技术斗争的一个重要内容。
光电子技术同纳米技术结合将导致大量微型间谍武器的产生。军事纳米技术是在100纳米甚至更小的尺度内去操纵单个分子、原子乃至电子,来制造具有特殊功能的军用元器件或机器。这样,纳米技术就在微电子技术的极限之外,在军事装备微型化方面取得了更大突破。目前,美国俄亥俄州的科学家运用纳米技术已研制出了体积只有1/200立方厘米的微型发动机。这样体积极小的发动机为制造各种微型可运动的间谍武器奠定了基础。
 (5)军事航天技术。这是新军事技术革命在武器装备应用中的“骨骼系统”。
这项技术是由运载火箭技术、航天器技术和航天器测控技术组成的综合性工程技术。近半个世纪来,运载火箭技术获得了飞速发展,在推进剂方面,固体火箭燃料已取代了液体火箭燃料,提高了火箭的安全可靠性并缩短了发射时间;在携带载荷数量方面,由1个发展为多个。
航天器测控技术是人与航天器联系沟通的技术。为了使航天器在轨道上正常工作,航天器必须不断地将有关信息传回地面,地面必须对航天器进行遥测、遥控、跟踪和通信。因此,除了航天器上应载有测控设备外,还必须在地面建立测控网。测控网由分布在全球各地的测控台、测控站以及测量船组成。测控网的发展经历了从地面网到天基网的过程。
航天技术应用于军事领域,可以在太空部署各种人造卫星、载人航天器及武器系统,进行空间监视、侦察、预警、通信、导航定位以及反卫星、反弹道等军事任务。所以,军事航天技术是军事指挥控制技术的重要组成部分,是实现远距离通信传输的主要手段,是发展天基武器系统的技术基础。
 (6)其他军事高技术。这是新军事技术革命在未来武器装备应用中的“结构系统”。
人工智能技术是以实现人类脑力劳动自动化为主要内容的一项实用技术,是计算机科学产业化最终要实现的目标。机器人是这项技术的核心和集中体现,它的目标是研制智能发达的机器人设备,代替人去完成一些繁重的危险的工作。1966年,美军研制的机器人“科沃”潜入750米深的海底打捞一枚失落的氢弹后,许多国家看到了人工智能技术的巨大潜力,纷纷投巨资研究开发,但总的看技术均不成熟,尚处于实验阶段。
高能粒子束技术是用加速器将电子,质子、各种负离子等带电粒子加速到接近光速,使其具有极高动能的技术。解决加速器和能源系统方面的问题是高能粒子束成熟的关键。目前的加速器体积过于庞大,进人20世纪90年代以来,美、俄都在致力于加速器的小型化和储能型脉冲电源的研究。 
此外,将峰值功率在100兆瓦以上、频率在1~300赫兹之间的电磁波定向发射出去的高功率微波技术,使物体具有极高运动速度的动能技术,重组生命的遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)以达到无性繁殖或生成新的物种的技术,制造大功率定向辐射的、频率低于20赫兹声波的次声波技术,以及新材料、新能源技术,近一个时期以来都有引人注目的发展,这些高技术成果必将对军事领域产生直接的或间接的、现实的或未来的重要影响。
(四)信息安全  
1.信息化对国家安全的挑战
20世纪90年代以来,随着信息化的发展,给国家安全带来了新的威胁和挑战,主要表现在以下两个方面:
 (1)信息化使社会、国家暴露于易受攻击的风险之中。信息化的发展使得各种信息网络成为社会的基础设施和国家的战略命脉。然而,信息网络自身有着技术上难以克服的缺陷,它在极大地提高国家的经济和军事能力的同时,也将社会、国家暴露于易受攻击的风险之中,增加了国家面临的潜在威胁。比如,g000年2月黑客对雅虎、亚马逊等8家大型商业公司的攻击,造成了高达12亿美元的损失。据统计,全球约20秒就有一起计算机入侵事件发生,Internet上的网络防火墙约1/4被突破。
(2)恶意应用互联网对信息进行控制,破坏社会稳定。主要表现在两个方面,一方面,少数大国为了自己的全球战略利益,利用自己在信息技术和信息资源方面的垄断地位,在全球范围内推广其社会制度、意识形态和文化价值观念,对其他国家进行软征服,危害这些国家的社会稳定和发展利益。另一方面,一些集团、组织和个人利用互联网观察和监视世界上正在发生的事情,并出于自己的利益需要对某些国家、地区性的或全球性的问题,进行集中报道、大肆渲染和曲意解释,酿成国家间的冲突。
总之,信息化的发展导致了信息空间的崛起,即以互联网和信息源为核心所组成的电子交换空间的崛起,由此产生了新的信息安全问题。此时,一个即便拥有独立的传统主权和完整领土的国家,也未必处于安全状态。这表明,传统的国家安全难以包容和解决新的信息安全问题,从而面临巨大挑战。
2.信息时代的国家安全观念
在信息时代,信息空间跨越各个国家,渗透于社会各个层次,既没有一个国际机构和统一的国际法律能够规范它的行为,也没有任何国界和民族政府能够对它实施有效的管理和控制,以军事安全为主的传统国家安全观未能反映信息安全产生后带来的新安全形势,日益暴露出历史局限性,必须对国家安全的内涵加以扩展和重点进行调整。
 (1)国家安全的核心是信息安全。随着信息化的推进,信息网络已把国家各个关键性部门、产业和领域连成一体,成为了信息化国家的关键性基础设施,信息、知识也随之成为国家发展的核心要素,决定着一个国家的国际竞争力及其在国际上的地位,从而成为国与国之间、社会集团之间争夺的重要资源。此时,国家的政策目标已不再是控制土地之类的物质资源,而是把重点放在获取“软资源”上。
信息网络作为国家关键性基础设施,自身存在诸多脆弱性,难以防范来自各个方面的攻击和威胁,这使它常常成为攻击的目标。不仅一些犯罪集团、黑客频频对信息网络发起攻击,而且敌对国家也会在战时利用各种手段,多渠道、多形式地对对方的信息网络进行快速、隐蔽和毁灭性的打击和破坏,以达到“不战而屈人之兵”的战略目的。这表明,在信息时代,政治稳定、社会安定、经济有序发展等主要的国家安全问题都将围绕着信息安全问题展开,具有强烈的信息含义,信息安全因此上升为整个国家安全的核心。
 (2)国家安全的内容具有综合性。在信息时代,发达国家已不再通过攻城掠地、争夺势力范围的军事扩张来获取利益,而是以信息技术等高新技术为基础,将科技、经济、政治、军事、文化等因素结合成为一个整体,进行着以综合国力为目标的全球性竞争。在信息时代,国家安全、国家利益是从各个方面综合表现出来的,只重视一个方面而忽视其他方面,都会给安全带来危害。
 (3)国家安全的实现方式强调相互依存。国家之间在安全上的相互依存,指的不是相互依赖,更不是互利、平等,而是以国家之间的相互影响为特征的格局。冷战的结束和信息技术的广泛应用,推动着世界格局多极化和经济全球化,各国之间相互依赖和相互制约的程度日益加深,从而使来自不同方面的安全威胁通过相互依存的链条在世界范围内联动,对各国安全产生广泛影响,从而出现安全因素多样化,安全利益多样化、安全关系多边化、安全问题国际化的趋势。没有别国的安全和其他地区的安全,本国和本地区的安全也不能实现或不能持久;各国在谋求自身利益的同时,必须照顾到别国的安全利益,任何国家都不能靠单边军事措施获取安全,军事力量作为国家政策、工具的作用受到削弱,只有通过合作而不是冲突、协商而不是对抗、多边而不是单边的手段才能解决国家安全问题。于是,主张彻底放弃冷战思维,强调各国不分大小和强弱一律享有平等的安全权利,反对将本国的安全建立在威胁或削弱别国安全的基础上,寻求共同安全已经成为绝大多数国家的普遍追求。
3.国家信息安全的对策
 (1)信息安全观的内涵。一般而言,信息安全观是指人们对信息安全的本质、内容及实现手段的根本观念和基本看法。目前,人们对信息安全的认识有广义和狭义两种观念。狭义的信息安全观主要涉及信息技术领域的安全问题。而广义的信息安全观除涉及信息技术领域的安全问题外,还包括经济、政治、科技、军事、思想文化等各个领域的安全问题,我们所说的信息安全观是指广义的信息安全观。
具体地说,所谓信息安全观,就是指将信息和信息网络视为国家的核心利益要素,对为保护信息系统及其信息资源免受各种威胁的干扰和破坏,阻止以信息系统和设施为工具和平台进行针对社会组织和国家的任何攻击行为而应当采取的政策法律制度和技术手段的总的看法。
为了便于把握,我们将信息安全观的主要内容分为技术安全和观念安全两个层面。技术安全层面关注的主要是保证网络信息系统的抗攻击性、保密性、完整性、可用性和可控制性,以保障信息的安全性,其内容又包括两个方面;其一是运行系统的安全,即信息系统或信息网络的安全。其二是系统信息的安全落脚点和最终,目标。观念安全层面关注的主要是防止信息污染在社会上的恶意传播。目前,人们对信息安全观中的技术安全层面比较关注,而对观念安全层面的认识却比较肤浅。特别是一些发展中国家,对于发达国家利用信息优势进行信息渗透的战略缺少警惕,未能采取有效应对措施。
 (2)信息安全的特征。信息安全空间是一个不需要护照、没有边防检查站、出入境畅通的“数字化王国”,具有开放性、交互性、即时性、跨地域性、虚拟化等特点。由它引起的信息安全问题具有以下基本特征。
①社会总体信息结构的高度脆弱性和风险性。互联网的开放性使网络主体之间的联系是匿名的、开放的,加之信息网络自身有着无法克服的技术漏洞和安全缺陷,在现有的国际治理机制下,这些技术漏洞和安全缺陷就有可能导致来自不同方向的安全攻击,从而增大了整个社会的脆弱性和风险性。
②安全攻击源和防范对象的不确定性。世界政局动荡不安加剧,使安全的潜在攻击者多种多样,除国家外,跨国犯罪团体,恐怖主义组织、黑客等非国家行为者都能够获得信息武器,发动大规模的信息攻击。信息安全攻击防范和治理的不确定性还表现为,军火商可以在出口的飞机、坦克、军舰、导弹发射架或超级计算机上植入一些暗藏的芯片,在适当的时候启动这些芯片,整个系统就可以被摧毁,而要发现这些芯片几乎不可能。
③信息空间犯罪和恶意行为的隐蔽性。信息空间因无法律监管而处于无政府状态,于是一些集团和不法分子便以匿名身份在信息空间进行各种形式的犯罪和恶意行为。这种以匿名身份进行的犯罪和恶意行为具有隐蔽性,难以进行追踪、惩罚和阻止。
此外,在信息空间里,大多数信息犯罪是通过程序和数据等无形的操作来实现,作案的直接对象通常是无形的电子数据和信息。这类信息犯罪作案不受时间、地点的限制,犯罪实施后往往不留下任何痕迹,所以犯罪行为不易被发现,因而犯罪成功率极高。
④信息安全的不对称性。在信息时代,计算机软、硬件以及使用它们的能力广泛存在,获得它们并在网上使用不仅极为容易而且费用低廉,这就使非政府组织、犯罪集团,恐怖主义分子甚至个人,都有可能以极少的资源对信息强国的至关重要的信息网络系统发起攻击。正因为如此,信息化程度最高的美国十分担心一些弱小国家、非国家实体,甚至个人采取非对称作战方式,利用信息武器攻击其十分普及的经济和军事上日益依赖的节点和网络。”91年,美国与伊拉克战争爆发前几个月,荷兰一些少年从互联网上的美国军方网站获得关于美国军队和战舰的地理位置、美国武器的数量与性能方面的信息。
有报告称,荷兰少年曾想把情报出售给伊拉克政府。总之,互联网的普及事实上成为一种均衡器,一定程度上抵消了霸权国家拥有的优势。
 (3)网络安全威胁。信息网络面临的安全威胁可以分为以下3种基本类型:黑客人侵、病毒破坏和预置陷阱。
①黑客人侵。“黑客”作为一个计算机术语,专指那些计算机系统的非法侵入者。
黑客最早源于20世纪50年代的美国麻省理工学院,当时该学院的一些学生不满当局对计算机系统的使用所采取的限制措施,非法闯入了该校计算机系统,成为世界上第一批“黑客”。20世纪六七十年代,“黑客”一词极富有褒义,用于指那些独立思考、奉公守法的计算机迷,他们智力超群,对计算机的最大潜力进行智力上的自由探索,为计算机技术的发展做出了巨大贡献。当前,世界范围内的黑客数量日益庞大,越来越多的人掌握了黑客技术并加人到黑客队伍中来,使黑客现象发生了质的变比。不少黑客专门窥视他人隐私,任意篡改数据,进行网上诈骗、盗窃活动,给社会造成极大危害。正是这些活动,使黑客在人们的眼中成为网上捣乱分子和网上犯罪分子的代名词。
目前,黑客对网络的袭击方法已达几千种,而且大多数都是致命的。全世界现有20多万个黑客网站,每当一种新的黑客袭击手段产生,1周内便可传遍全世界。黑客入浸按其动机有以下几种:
一是恶作剧。在黑客对网络的诸多威胁中,恶作剧的危害最大。表面上看起来,恶作剧只不过是黑客们在网络上的好奇之举,或是有意来检验一下自己的“攻击能力”,但却能造成巨大的破坏。如世界上第一个将黑手伸向军用计算机系统的美国15岁少年米尼克,运用破译计算机密码的特殊才能,成功地打人了北美防空指挥中心计算机系统,并将美国瞄准前苏联的核弹头绝密资料浏览无余。
二是偷盗窃取。黑客实施网络攻击的另一个目的就是在网上大肆进行各种各样的偷盗活动。网上盗窃的主要方式有:偷盗信息和数据;偷窃网上金融财产;偷盗密码和账户。
三是刺探机密。随着国际形势变化,黑客们越来越热衷于入侵某些保密网站,特别是国防部、安全部等国家强力机构的网站,以刺探和窃取各种保密信息,从而对国家安全造成巨大的损失。
四是蓄意破坏。在信息时代,先进的计算机系统已把军队甚至整个社会连接在一起,军队和社会各部分的运转都要依靠各种计算机硬件和软件。此时,一名黑客,只要拥有一台计算机、一个调制解调器、一根电话线,就有可能侵入一个国家重要的信息系统,发动一场信息进攻,破坏一个国家的安全。英国一名黑客,曾利用互联网闯人了美国空军某机构的计算机网络,使该网络瘫痪了好几天。
②病毒破坏。病毒破坏,是指通过传播计算机病毒来蓄意破坏计算机网络的程序、数据和信息,以达到某种非法目的。而计算机病毒指编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能,或者毁坏数据,影响计算机使用,并能自我复制的一组计算机指令或者程序代码。据不完全统计,目前全世界已发现的计算机病毒有6万多种,且每个月都发现数百种新病毒和病毒变体。而且,全球与互联网相联的主机有几亿台,网址上亿个,并且每天在网络上传送的电子邮件已达14亿封,这样一个庞大的网络群体病毒极易滋生和传播,从而使计算机病毒破坏成为网络信息安全中的重大威胁。目前,破坏计算机的病毒可以归为以下几类:
一是“蠕虫”病毒。这是一种能迅速大规模繁殖的病毒,在危害网络的数以千计的计算机病毒中,“蠕虫”病毒造成的危害最大。自从1987年出现以来,“蠕虫”病毒已在计算机网络上多次爆发,既给计算机网络造成极大损害,又使经济蒙受巨大损失。比如,1988年11月2日,一种“蠕虫”病毒通过网络袭击了全美互联网上大量的计算机。这种病毒进入系统后,便从各种各样的文件核心部分的路径表中检索其他系统的地址,并迅速向这些计算机传播和繁殖新的病毒。不到10小时,该病毒便传遍了全美国,使6000多台计算机被迫关机,整个网络瘫痪了24小时,直接经济损失达9600万美元。而“蠕虫”病毒的研制者——康奈尔大学23岁的研究生罗伯特·莫里斯因此被判处缓刑3年、罚款1万美元和400小时公益劳动。
二是病毒邮件。传送电子邮件是互联网的一项基本而普遍的功能,某些病毒制造者也看中了深受人们喜欢的电子邮件,并将其作为传播病毒的重要手段。例如,1996年年底,出现了一种名为“特洛伊木马”的病毒,它以电子邮件信息的外表出现,表面上是征集笔友,而且一旦用户下载,它就会捣毁硬盘,并自动向信箱中所存的所有地址转发这条信息。
三是公开发放的病毒。在计算机中有一种“共享件”,它是可以由计算机用户们免费使用、复制以及分享的软件。如果计算机病毒以这种方式公开发布,就可以进入各种领域,并进入各个计算机网络,对计算机网络造成极大的危害。
此外,随着互联网的发展,电子广告牌已成为信息化国家的信息交换、获取、登录和存取的公共场地,而一些病毒制造者也把计算机病毒的源程序、目标程序甚至编写技巧,非法地送到电子广告牌上,让需要者下载。这些病毒广告一旦被别有用心的人复制、修改后,就会快速传播,并形成各种变种病毒,因而危害极大。
③预置陷阱。预置陷阱是指在信息系统中人为地预设一些陷阱,以于扰和破坏计算机系统的正常运行。在对信息安全的种种威胁中,预置陷阱是最可怕,同时也是最难以防范的。预置陷阱一般可分为硬件陷阱和软件陷阱两种。
硬件陷阱。它主要是指“芯片捣鬼”活动,即蓄意更改集成电路芯片的内部设计和使用规程,以达到破坏计算机系统的目的。在容纳数百上千万个晶体管和器件的集成电路芯片上,芯片制造者完全可以按某些要求轻易地做一些手脚,加进人们意想不到的易毁功能或某些特殊效能。例如,使芯片经过一段有限的时间后自动失效,使芯片在接收到某种特定电磁信号后自毁,使芯片在运行过程中发出可识别其准确位置的电磁信号等。
这种“芯片捣鬼”活动的危害非同寻常,计算机系统中一个关键芯片的小小故障,就足以导致整个计算机乃至整个信息网络停止运行。尤其是在某些出口武器的计算机系统中进行“芯片捣鬼”的话,一旦进口国出现某种对出口国不利的企图,出口国就有可能立即发出某种特定信号,让武器系统中的芯片自毁,使整个武器系统丧失作用。
软件陷阱。软件陷阱的种类比较多,包括“逻辑炸弹”、“陷阱门”等。“逻辑炸弹”是由计算机系统开发者或程序员按某一系统特定条件设计的,并蓄意埋置在系统内部的一段程序或程序代码。它实际上是一种特殊的“固化”计算机病毒,平时不会发作,只是在设定某一种条件(如特定的指令、特定的信号、特定的日期)得到满足后才会受触发,突然发生破坏作用,使计算机系统出现混乱或陷入瘫痪。
 “陷阱门”又称“后门”,是计算机系统设计者预先在系统中构造的一种结构。在计算机应用程序或系统操作程序的开发过程中,通常要加入一些调试结构。在计算机软件开发完成之后,如果为达到攻击系统的目的,而特意留下少数这种结构,就形成了所谓的“陷阱门”,通过这些“陷阱门”,熟悉计算机系统的人员就可以越过对方防护系统进人系统,进行攻击和破坏。
 (4)信息安全对策。可以从如下几个方面来提高信息的安全。
①制定政策,建立管理机构,将信息安全纳入国家战略。各国都认识到信息安全事关国家全局,不单是一个技术问题、产业问题、经济问题,而且是涉及各行业、各层面的综合性社会问题,国家必须从战略高度来制定相关政策,并成立专门的机构来负责信息安全问题。
②发展自主信息安全技术,为信息安全提供坚固屏障。信息安全保障从根本上来说是一个信息技术发展水平与开发能力的问题,要有效地打击网络犯罪,最终还得依靠不断发展和完善信息安全技术。为有效克服信息系统的安全弱点,美国多年来一直将信息安全技术列为国防重点项目,并走在世界各国的前列,美国公司在2002年应用最广泛的5种安全技术是:反病毒软件;防火墙技术;物理设施安全保护;密码控制;反入侵管理。当前,国际上信息安全技术研究的重点有公开密钥基础设施和计算机犯罪取证技术。公开密钥基础设施,是一个由计算机硬件、软件、数据库、网络、安全过程和合法规范共同组成的基础设施。计算机犯罪的取证研究主要集中在:入侵者入侵路径跟踪;入侵行为再现;证据的保存、恢复;操作系统指纹等方面。
③制定法律法规,为信息安全提供良好的法律环境。国家的法律法规是信息安全的基石。鉴于信息犯罪是信息网络发展带来的新问题,原有的法律和制度难以有效打击这类新的犯罪行为,为此需要制定与信息安全相关的法律和法规,加大执法力度,使非法分子慑于法律的威力而不敢轻举妄动,从而为信息安全提供必要的法律保证。目前,世界各国有关信息安全的立法基本上是从两个方面人手的。一方面,完善和修订现行法律。各国在进行信息安全立法时,都十分重视对现行法律适用于网络环境下的相应条款进行确认,并针对新出现的问题,对现行法律中的相关专利法、版权法、反不正当竞争法等进行了修改和补充,使之适用于惩罚信息犯罪。另一方面,制定专门法律和法规。世界各国在肯定现行法律框架的前提下,陆续出台了一些新的法律和法规,以解决基础设施保护、打击网络犯罪、保护隐私权、规范网上信息发布和传播等社会信息化过程中出现的新问题,维护网络信息安全。如计算机犯罪法,就是为打击利用计算机系统或网络进行诈骗、盗窃、蓄意破坏等犯罪行为而专门制定的;而反病毒法规,就是为了严格控制计算机病毒的研究、开发,防止、惩罚计算机病毒的制造和传播,以保护计算机网络资产及其运行安全而专门制定的。
④加强信息安全的国际合作,共同打击网络犯罪。信息网络违法犯罪具有超地域性与全球化趋势,这种跨国界、跨地区的作案隐蔽性强,不易破获,危害极大。而且,互联网打破了信息交流时间、空间的限制,具有共同犯罪兴趣、动机的人,无论身处何地,都能方便地进行联络,结成盟友。网络犯罪这种不分国界的特性,要求加强国际间执法合作。目前,世界上许多国家的网络警察之间建立了十分密切的联系.并在一定的国际法规框架下相互协作。
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