现代科学技术的发展及自然科学基础

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：20世纪初，物理学领域量子理论和相对论的创立，标志着现代科学技术的诞生。以现代自然科学理论为基础，从20世纪中叶以来，陆续诞生了一批高新技术。（一）科学技术革命1.物理学革命量子理论和相对论的创立和发展，突破了经典物理学的框架，使人类对物质世界的认识迈进了一大步。现代化学价键理论使人们对各种物质分子结构的认识逐步深入，对无机化学、有机化学、生物化学和有机合成的发展都发挥了重要的指导作用。

20世纪初，物理学领域量子理论和相对论的创立，标志着现代科学技术的诞生。物理学革命带动了自然科学其他领域的发展，使其他学科的研究也跃上了新台阶。以现代自然科学理论为基础，从20世纪中叶以来，陆续诞生了一批高新技术。人类社会继工业革命和电力革命后，进入了第三次技术革命时代。

（一）科学技术革命

1.物理学革命

量子理论和相对论的创立和发展，突破了经典物理学的框架，使人类对物质世界的认识迈进了一大步。

（1）量子理论的创立与发展

从1895年开始，德国物理学家普朗克（M.Planck，1858—1947年）开始研究黑体辐射问题。黑体是一种能吸收全部外来辐射而毫无反射和透射的理想物体，自然界中不存在真正的黑体，但可以利用实验装置进行模拟。通过实验，普朗克发现黑体辐射谱中的能量分布与经典理论形成尖锐的矛盾。经过几年的研究，普朗克抛弃了经典物理学中的连续性原则，假定物体的辐射能不是连续变化的，而是以一定的整数倍跳跃式变化。普朗克将最小的不可再分的能量单元称作“能量子”或“量子”。1900年，他将这一假说报告了德国物理学会，宣告了量子论的诞生。此后，爱因斯坦（A.Einstein，1879—1955年）于1905年提出光量子概念，认为光的能量也不是连续分布的，而是由一些能量子（即光量子）所组成。1912年，玻尔（N.Bohr，1885—1962年）提出量子化的原子结构理论。此后，德布罗意（L.de Broglie，1892—1986年）等人发展了量子理论，建立了量子力学。

（2）相对论的创立与发展

19世纪末，尽管麦克斯韦电磁场理论已日趋完善，但在物理学家的思想、方法中，占统治地位的仍是力学的机械观，大多数物理学家仍在力学的框架内讨论电磁场问题。他们认为，电磁波或光应当与一切机械波一样，在媒质中传播，这种媒质称为以太，并且认为以太是宇宙中唯一静止不动的物质。但是，在寻找以太及确定地球和以太间的相对运动的研究中，物理学家寻找不到地球与所谓以太存在相对运动的证据，以太理论遇到了危机。

1905年，爱因斯坦创立了一个全新的力学体系——狭义相对论。在这个新的体系中，以太的假设是多余的，从而成功地解决了以太危机。狭义相对论给出了全新的时空观念，是对经典时空观念的一场深刻变革。在经典物理学中，时间和空间彼此孤立，互不联系，并且存在所谓绝对时间和绝对空间。牛顿指出：绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同的和不动的，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，可以名之为“延续性”。爱因斯坦相对论的诞生，宣告了绝对时空观的破产。爱因斯坦认为：时间和空间都是相对的概念，不存在所谓绝对时间和绝对空间；时间与空间不是彼此孤立的，而是相互联系的，时间尺度的变化必然引起空间尺度的变化。数学家闵科夫斯基（H.Minkowski，1864—1909年）形象地用“四维”概念表达了新的时空含义。

1916年，爱因斯坦又创立了广义相对论。广义相对论认为，时间、空间、物质不仅与运动有关，而且与物质的质量、分布密切相关，物质分布决定了宇宙的时空特性。例如，物质分布不均必将引起空间弯曲，质量越大、分布越密，空间弯曲就越厉害，时间流逝也就越慢。

量子理论与相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架。量子理论和相对论不仅成为现代物理学的基石，也为现代其他自然科学提供了全新的理念、理论和方法。

2.分子工程学

20世纪的化学发展与人类的生产和生活息息相关。化学在人类的生活中起着越来越重要的作用。原子大门的打开，使人们逐步认识了原子内部的奥秘。20世纪以来，人们对物质的化学结构有了更深入的认识，建立起分子工程学这门新学科。人们通过理论计算，像设计房屋那样，根据需要设计新分子、新材料和新品种。目前，已有“高分子设计”“药物设计”和“合金设计”等，展示出广阔的前景。

3.分子生物学

现代科技已揭示了遗传物质DNA的结构和遗传密码，真正揭示了遗传的奥秘，取得了划时代的突破。一门崭新的学科——分子生物学已建成，其中基因工程已能生产人工胰岛素、干扰素和生长素等。

（二）科学技术走向新的视野

20世纪以来，人们的“视野”在微观和宏观两方面都扩大了10万倍以上。微观视野已能深入到10-15米的基本粒子内部，宏观视野已能从直径10万光年拓宽到200亿光年的大宇宙。人类对自然界从基本粒子、原子、分子、细胞、生物个体到地壳、天体、宇宙，所有的各层次都有了比较深入的了解。分子生物学的出现，使物理科学和生命科学之间紧密结合。在技术领域中，随着电子技术的发展、电子计算机的发明，综合技术逐渐起主导作用。

1.化学领域

有人认为现代化学键理论是继原子论和元素周期律之后化学领域的第三次飞跃。现代化学键理论的中心问题是各类化学键的本质是什么，即从微观粒子的本性及其量子力学规律出发，研究分子的电子运动与原子核间的相对振动。1916年，德国的柯塞尔（W.Kossel，1888—1956年）从元素原子外围电子得失的角度提出了离子键理论，解释了离子型化合物的形成。同年，美国的刘易斯（C.N.Lewis，1875—1946年）提出共价键理论，用共用电子对解释了非离子型化合物的形成，但不能解释在共价化合物中共用电子对为什么能静止在两个原子之间这一问题。

到20世纪30年代，价键理论和分子轨道理论几乎同时诞生了。按照价键理论，共用电子对并非静止在两个原子之间，而是这一对电子的轨道互相交叉重叠，从而为两个原子共同具有。按照分子轨道理论，当原子结合成分子之后，它们就丧失了独立存在时的个性，分子是一个整体，分子中的电子在一定的分子轨道上运行。现代化学价键理论使人们对各种物质分子结构的认识逐步深入，对无机化学、有机化学、生物化学和有机合成的发展都发挥了重要的指导作用。

2.生物学领域

分子生物学的诞生是20世纪生物学最重大的事件。分子生物学是生物学与化学及物理学交叉的产物，新的物理学、化学研究手段和理论用于生物大分子和生命过程的研究，是分子生物学诞生的基础。1953年，DNA双螺旋模型的提出被认为是分子生物学诞生的标志。分子生物学的诞生和发展，使一些传统的生物学概念在生物大分子水平上得到阐明，且使过去长期得不到解决的问题在分子水平上得到解决。

3.天文学领域

在大量的天文观测资料和现代物理学的基础上，产生了现代宇宙学。广义相对论问世以后，人们开始以新的科学观念来建立宇宙模型。1948年，俄裔美国物理学家伽莫夫（G.Gamov，1904—1968年）提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙起源于距今大约150亿年前的一次大爆炸。目前，“大爆炸模型”为学术界普遍接受，被认为是目前最好的一种宇宙学理论。

4.地学领域

人们对整个地球的认识无论在深度上还是在广度上都提高到了一个新的水平。1915年，德国气象学家魏格纳（A.Wegner，1880—1930年）冲破了长期在地质学领域占统治地位的传统观念，提出了崭新的“大陆漂移说”，揭开了现代地学革命的序幕。1928年，英国地质学家霍姆斯（A.Holmes，1890—1965年）提出了“地幔对流学说”，认为由于地幔的缓慢对流牵动大陆的漂移。20世纪60年代初，美国的赫斯（H.Hess，1906—1969年）提出了“海底扩张学说”，他设想大洋中脊是热流上升而使海底裂开的地方，熔融岩浆从这里喷出，推开两边的岩石形成新的海底。1967年，在大陆漂移、地幔对流、海底扩张等学说及地质研究资料的基础上，形成了“板块构造理论”。“板块构造理论”认为，地球的岩石圈分为六大板块，板块之间的相对运动是全球地壳运动的基本原因。

此外，20世纪40年代初，系统科学兴起。系统科学并不是自然科学的某一分支，而是横断学科，它研究广泛存在于自然界的各类系统的一般规律。在对自然现象的认识上，系统科学更新了人们对有序与无序、稳定与不稳定、简单与复杂的理解，对科学方法的转换、科学观念的更新起了巨大的推动作用，因而对自然科学各学科有着重要的指导意义。

进入20世纪，科学对社会的推动作用极为显著，科学已成为对人类历史发展和现代国家兴衰起决定性作用的力量。

现代科学技术的发展及自然科学基础

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