现代科学技术革命的诞生-5页精选文档

现代科学技术革命的诞生、特征和影响

一、现代科学技术革命的诞生

（一）20世纪的科学革命

1.现代科学革命产生的背景：到19世纪，机械决定论和还原论仍然影响着物理学、化学、生物学、医学、心理学。它已经根深蒂固地渗透到自然科学的各个研究领域，甚至人类的文化方面。人们在研究复杂事物的过程中，主要采取从实体上进行还原的方法，“试图在所有复杂的现象中找到共同具有的物质实体（如原子），将其作为差异性的共同基础。”爱因斯但指出：“从希腊哲学到现代物理的整个科学史中，不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。”近代科学在诸如力的分解、元素的离解，生物的解剖等方面取得的成功，使人们坚信“机械分割”的思想是无往不胜的，并试图把这种方法推广到对生命现象和社会现象的研究上。机械还原论者坚信，任何复杂的运动形式，都可以最终分解为机械的或力学的运动形式。尽管19世纪的自然科学取得的某些成就已经部分地揭露了机械决定论和机械还原论的局限性，但是要动摇和突破这种规范是不容易的，因为它们是构成近代科学赖以产生和发展的基础。恩格斯说：“把自然界分解成各个部分，把自然界的各种过程和事物分成一定的门类，对有机体的内部按其多种多样性的解剖形态进行研究，这是最近400年来在认识自然界方面获得巨大进展的基本条件。”

19世纪末，许多科学家都认为，以力学为基础的经典物理学大厦已经峻工，人们在对这幢雄伟大厦表示赞叹之余，又多少流露出满足和无所作为的情绪。著名的德国科学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后加上几个数字罢了”。英国大物理学家W.汤姆逊在刚跨入20世纪的第一天的《元旦献辞》中也说：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。” W?汤姆逊在对科学大厦赞叹的同时，又不得不承认在物理学晴朗的天空还有两朵小小的令人不安的乌云。这两朵乌云是什么？为什么它们会引起这位著名物理学家深深的忧虑呢？物理学进入19世纪80年代以来，人们在实验中发现了一系列令人困惑的现象，经典理论对此显得无能为力。其中现象之一，就是迈克尔逊——莫雷实验。 1880年，美国物理学家迈克尔逊和化学家莫雷利用光学干涉仪进行了一项搜索“以太风”的著名实验来测量所谓的“以太漂移”。“以太”是根据牛顿经典力学观点所设想的用来传播光的介质，经典力学认为以太充满整个宇宙空间，而且是静止不动的。在牛顿力学中，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的。地球相对太阳运动，必然能测得所谓的“以太飘移速度”（即地球和以太之间的相对运动速度）。迈克尔逊和莫雷经过不懈努力，昼夜不停地观察了五天，试验的精密度达到四十亿分之一，也没有找到“以太风”或地球相对于“以太”漂移的运动迹象，于1887年12月宣布实验测得以太“漂移速度”为零的结果。这一否定性的实验结果说明地球和以太之间不存在相对运动。这就是物理学史上有名的“零结果”，人们曾试图从各个角度对此作出说明，但都难以自圆其说。看来，人们原先对光传播所构想的物理图象是不正确的，使许多持有光是以太波动观点的物理学家大失所望。这一现象被称之为19世纪末20世纪初飘浮在物理学上空的一朵乌云。另一朵乌云与绝对黑体辐射的实验有关。热辐射是普遍的自然现象，物体在任何温度下都会以电磁波的形式向外辐射能量，其量值可以通过实验测定出来。由于绝对黑体在受光照达到热平衡时将会把能量全部以热辐射的形式发送出去，黑体的热辐射要比相同温度下其他任何物体的热辐射强，所以黑体是研究热辐射的理想模型。通过研究黑体辐射来揭示热辐射现象的本质和规律，是19世纪末物理学的一个重要课题。德国物理学家维恩（w?wien）发现随着辐射体温度的升高，辐射的峰值会向短波方向移动，即所谓的“位移定律”。1896年，他依据热力学，用半经验半理论的方法找到了“维恩公式”，用以说明黑体辐射谱。发现这个公式在短波段（高频辐射部分）同实验吻合，但在长波段（低频辐射部分）却系统地低于实验值。以后，英国物理学家瑞利（Lord Rayleign）根据经典统计物理学推出另一公式，它在长波段（低频辐射部分）与实验相符合，但在短波段（高频辐射部分——紫外光区）完全不能适用。按公式计算的预测值，在紫外一端辐射应趋向无穷大，而实验数据的结果却趋于零。这显然是荒谬的。经典物理学的理论在这里陷入困境和危机。这就是有名的“紫外灾难”。“紫外实验”成为飘浮在物理学上空的又一朵乌云。英国著名物理学家凯尔芬勋爵在1900年的讲演中把这两大疑难称之为经典物理学天空中的两朵乌云。他说：“动力学理论断言“热”和“光”都是运动的方式，现在这一理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽的黯然失色了。实际上，当时物理学天空并非只有两朵乌云，例如被称之为19世纪末物理学的三大发现，即1895年德国物理学家“伦琴”发现X射线，1896年波兰物理学家居里对放射性元素的发现,以及1897年英国物理学家汤姆逊对电子的发现，都是对经典物理学理论的极大冲击：X射线可以穿透物体，说明“不可入性”不是物质的固有属性，而传统观念认为物质是不可入的；放射性辐射表明化学元素会蜕变为其他元素；发现比原子更小的电子，说明原子并非是不可再分的最小实体。原子不可再分的观念由此而发生了根本动摇，面对一系列无法纳入旧理论框架的新事实，一些物理学家感到惊恐万分，他们惊呼：“物理学的危机来临了”“科学破产了”。他们在牛顿力学体系与一些实验发生明显矛盾时，依然坚持牛顿力学必定正确的观点，从而在物理学界造成更大的思想混乱。然而在当时著名的科学家中，也不乏有远见卓识者，如法国科学家彭加勒（H.poincare），他认为，物理学理论与试验事实出现矛盾是好事而不是坏事，它预示着一种行将到来的变革，是物理学进入新阶段的前兆，他指出：要摆脱危机，就要在新实验事实基础上重新改造物理学。可惜的是，他没有跳出旧理论的框架，尽管他的电子动力学在数学形式和实验预言与以后爱因斯但的狭义相对论等价，但在物理解释上却大相径庭，他那富丽堂皇的理论，不过是经典物理学最后的宏伟建筑物而已。19世纪末的三大发现，使人类的认识第一次深入到了原子内部，彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动这一时期科学发展的重要机制。

2.世纪之交物理学革命的产生

物理学危机是物理学革命的前夜，经典物理学天空上的乌云倾刻化为狂风暴雨，冲击和洗刷着经典物理学的基础。世纪之交，1900年量子理论的提出和1905年狭义相对论的建立，是现代物理学革命的重要标志。量子论的提出者是德国物理学家普朗克。1894年，他从研究黑体辐射问题开始，从维恩推出的有关黑体辐射能量密度的半经验公式得到启示，把电磁学方法和热力学中熵的概念结合起来，得到电磁熵的定义式。1900年10月，他经过不懈努力，应用娴熟的数学技巧，借助内插法，得到了一个与黑体辐射实验无论在短波段或长波段都吻合得非常好的新的辐射公式。在导出这个公式时，他大胆地提出了一个和“经典物理学关于能量过程必定是连续的”结论截然相反的假说，即能量的交换是不连续的，是一份一份进行的，能量的交换只能是hv的整倍数。h是普朗克常数，V是组成黑体的带电谐振子的频率，hv为能量交换的最小单位。称为“能量子”。1900年12月14比普朗克在德国物理学会年会上公布了他的这一工作。从能量子假说出发,普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡，但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代，经过德布罗意、薛定愕、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，揭示了连续与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客观统一性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。在普朗克提出能量子假说的第五年，即1905年的夏天，德国物理学家爱因斯坦完成了一篇名为《论运动物体的电动力学》的论文，这篇论文奠定了狭义相对论的基础。爱因斯坦在这篇论文中，针对经典物理学同新的实验事实之间的矛盾，批判了牛顿力学的超距作用观点，坚持电动力学中电磁场的近距作用观点

出了力学相对性原理和光速不变原理两个基本假设，从而导出一系列重要结论：同时性的相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物体的质速关系式和质能关系式等。从此，单独的时间和空间不再存在，代之以“时间、空间、物质、运动”的四维统一体。在狭义相对论中，光的传播不需要以太，自然地解决了以太“漂移”实验零结果的难题。创立狭义相对论后，爱因斯坦认为运动的相对论原理必须进一步推广，扩展到非惯性系，即：自然定律对于任何参照系而言，都应具有相同的数学形式。经过10年思考，在1915年发表的论文《引力的场方程》创立了广义相对论。狭义相对论的建立，从根本上突破了牛顿绝对时空的旧框框，把空间、时间和物质的运动联系了起来引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。狭义相对论无论在科学上还是在哲学的世界观和方法论上，无论是在理论上还是实践上都具有极其重要的意义，爱因斯坦因此也成为继牛顿之后最伟大的科学巨人。

3. 20世纪物理学革命的延续和完成

量子力学的建立是20世纪初物理学取得的最伟大成就之一。普朗克提出的能量子假说，曾一度受到冷落，只有爱因斯坦独具慧眼，于1905年把普朗克的能量子概念推广到光量子，提出了光量子假说。爱因斯坦假设电磁场的能量不仅在“交换”时呈量子化，是一份一份进行的，而且在传播时也是一份一份的，每一份能量为hv，称为光量子。爱因斯坦的光量子假说与“光电效应”的实验结果完全一致。1913年，丹麦物理学家玻尔（M．Bohr）在原子有核模型的基础上，建立起量子化轨道的原子结构理论，提出了“玻尔原子模型”。1923年，奥地利物理学家德布罗意受爱因斯坦光量子论的启发，提出了物质波理论，认为任何物质粒子都具有波动性。1926年，奥地利物理学家薛定愕（E.Schrodinger）把德布罗意物质波思想发展为系统的波动理论。德国的另一位物理学家海森堡（W.Heisenberg）则创建了矩阵力学，从另一侧面开拓了原子结构的新局面。矩阵力学和波动力

学经证明是统一的，只是表现形式不同而已，后人把它们通称为量子力学。量子力学揭示了微观物质世界的基本规律，“使人们认识到波粒二象性是微观世界最基本的特征。量子力学的创立，推动了原子物理学的发展，同时对物质结构理论以及化学、生物学的发展也产生了深刻的影响。人们对微观物质结构的认识，在经历了原子结构和核结构之后，进入了对基本粒子的认识阶段，基本粒子物理学应运而生。基本粒子物理学是研究物质基本组元和它们之间相互作用规律的学科。在调射线、放射性和电子发现之后，人们对物质结构探索的重大事件是1932年英国查德威克（J．Chadwiek）发现中子，认识到原子核是由质子与中子组成，并把光子以及组成原子的电子、质子和中子看成是组成物质的最小单元，称为“基本粒子”。随着人们对基本粒子认识的深入，人们发现的基本粒子也越来越多，迄今已发现的粒子数已达300多种。实际上，基本粒子并不“基本”。物理学家先后提出了多种关于基本粒子内部结构的模型。60年代美国物理学家盖尔曼提出了强子结构的夸克模型，标志着粒子物理学发展到一个新阶段，最近，粒子物理学家把基本粒子分成物质粒子（夸克和轻子）、规范粒子（光子、中间玻色子、胶子和超重规范粒子）和黑格斯粒子三大类，其它所有粒子都是他们的组成粒子。广义相对论的建立，为人类探索宇宙奥秘提供了有力的理论工具， 1917年，爱因斯坦依据广义相对论提出了有限无界的静态宇宙模型，开创了现代宇宙学理论的先河。1929年，美国天文学家哈勃（E.Hubble）研究了河外星系光谱红移现象，总结出星系离银河系愈远谱线红移量愈大的规律。如果用多普勒效应来解释河外星系谱线红移，可得到星系之间正在相互远离的结论，或者说宇宙正在膨胀；1948年，美国物理学家伽莫夫（G.Gamov）等人在已有认识基础上，提出了热大爆炸宇宙模型。该模型由于得到河外星系谱线红移、氦元素丰度、3K微波辐射背景等观测事实的支持，被认为是标准宇宙模型。但是，这种模型无法解释宇宙为什么那么均匀（视界问题）、那么平直（平直性问题）等问题，更不能解释零时刻宇宙起源问题。这些问题的解决似乎与宇宙最初0．01秒中的行为有关。为了解决这些问题，20世纪80年代起，物理学家在热大爆炸宇宙模型基础上，又创立了爆胀宇宙论和量子宇宙论。现代人类对天体和宇宙的探索正在不断深入，以往关于宇宙的讨论基本上是自然哲学的，仅仅是不同哲学观念之间的思辩、猜测和争论，而现代宇宙学已成为真正的自然科学的研究。

4.自然科学其它分支学科的革命性进展

世纪之交的物理学革命不仅引起了物理观念的彻底变革，导致20世纪物理学的大发展，而且还引起了20世纪整个科学思想的变革。物理学的思想和方法被广泛应用于自然科学的各个领域，引起化学、生物学、天文学、地球科学等领域的革命性的变化。粒子物理学、现代宇宙学、量子化学、分子生物学、系统科学等新学科的兴起，从微观粒子、宏观天体、宇宙以及生命世界的各个方面，深刻揭示了自然界的本质和规律。现代自然科学正在形成一个多层次、综合性的科学体系。量子化学的诞生是现代化学史上的革命性事件。1927年，德国人海特勒（H.Heit1er）等人首先成功地以量子力学方法研究氢分子，奠定了量子化学的基础，海特勒指出，“电子云”的几率集中分布是联系两个氢原子的化学键的本质，从而树立起新的量子化学价健理论，1932年，法国人洪德（F.Hund）提出了比价键理论更能反映客观事实的分子轨道理论。60年代，分子轨道对称守恒原理进一步发展起来了，使化学健理论进入研究化学反应的新阶段。量子化学理论体系加上计算方法的更新和电脑的广泛应用，使得现代化学从经验性和半经验性阶段摆脱出来，沿着定性分析和定量分析的系统综合途径过渡到定量化、微观化、推理化阶段。现代物理学、化学向生理学渗透，各种强有力的研究手段的运用，使生物学取得革命性的突破，其主要标志是分子生物学的诞生。1953年，美国人沃生（J.D.Watson）和英国人克里克提出DNA双螺旋结构模型，被认为是这门科学诞生的标志。在这以后、人们又进一步搞清了核酸、蛋白质等生物大分子的结构，并揭示了遗传密码和核酸信息控制蛋白质特异结构的合成机制，由此建立了生物遗传信息概念，为分子生物学的发展开辟了广阔的前景。分子生物学揭示了整个生物界在遗传物质和遗传信息上呈现出惊人的统一性，在分子水平上深化了人们对生命活动机制和生命本质的认识。以后，在分子生物学基础上产生了遗传工程，为进一步改变生物遗传性状与创造新物种开辟了光辉的前景。系统科学是二次世界大战前后兴起和形成的一组理论科学：1945年诞生了一般系统论，1948年出现了控制论和信息论。系统科学使人类对有组织的多因素动态复杂系统的认识发生了革命性的转变。它着重于组成系统的要素（部分）与整体、系统与系统，系统与子系统。系统与环境的联系和关系，从结构与功能的统一上揭示其运动规律。系统科学涉及许多学科研究对象某些共同方面，诸如系统、组织、控制、反馈等性质和机理、并把它们抽取出来，以统一的科学概念和方法加以描述。力求运用数学工具进行定量处理，具有横断科学的性质，系统科学以其特有的方法为我们描绘了一幅崭新的世界图景，为人们从整体上分析与处理复杂性、系统性问题提供了有效方法，并带来人们科学观念和思维方式的革命性转变。

（二）20世纪技术革命

1.20世纪技术革命的兴起：自20世纪40年代以来，在现代科学革命的基础上；发生了以原子能技术、电子计算机技术和空间技术为主体的现代技术革命。原子能技术是20世纪初物理学革命的物化成果之一。放射性和电子的发现，打开了微观物质世界的大门；量子力学，核物理学的发展表明人们对微观世界认识的不断深入。1939年，科学家们经过不懈努力；用中子轰击铀，实现了重核裂变和链式反应、根据爱因斯坦狭义相对论推出的质能公式，核裂变时释放的能量要比普通化学过程大百万倍，这就是原子能。1941年12月，美国总统罗斯福批准了“曼哈顿工程计划”，集中大批人力财力全力研究原子弹。1942年，美国建成世界上第一座原子反应堆。1944年，成功研制出第一颗原子弹。这样，原子能终于为人类所掌握，它首先被用于军事上50年代开始和平利用，从而开创了“原子能时代”。电子计算机的发明是人类文明发展史上又一里程碑式的重大发明。早在1671年，莱布尼茨就创制了能进行四则运算的计算器。19世纪，有人设计了差分机和分析机，这是自动计算机的前驱。电气技术被用于计算机后，曾出现过利用继电器代替齿轮传动机构的机电式计算机、由于继电器开关速度无法超越机械动作的时间局限，并不实用。电真空技术出现之后，电子管控制