现代科学20世纪的科学.pdf

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1、 现代科学世纪的科学 第一节 微观世界和宇观世界 在人类进入世纪的那一刻，物理学界一片歌舞升平，多数人都认为新世纪的物理学不过是修改修改以往理论中某些数据小数点后的数字罢了。物理学的天空一片晴朗，只有两朵“乌云”，一朵是关于寻找以太，另一朵是对于黑体辐射的研究。然而很快，科学家们就意识到了危机，两朵“乌云”转眼变成了雷鸣电闪，物理学界发生了巨大的革命，形成了完全崭新的理论。随即迎来了粒子物理，相对论和量子力学的朝霞。然而世纪之交，人们最先感受的不是烦恼，而是惊喜，是为一个奇妙的微观世界的出现而惊喜。十九世纪中叶以后，电的研究和应用越来越多，其中在气体中放电的现象是许多人研究的重点。年，法拉第就

2、曾想在真空条件下做放电实验，只是由于缺乏真空技术而作罢。年，德国工人盖斯勒发明了真空管，不久人们就成功地实现了真空放电。这种在放电时出现在阴极管壁上的被称为“阴极射线”的美丽的绿色光辉，引起了许许多多科学家研究的兴趣。从而导致了物理学界出现一系列重大的发现。首先是德国物理学家伦琴（）年在实验中发现了射线，射线的发现动摇了原子论学说，为电子论的创立提供了有利的实验证据，并且很快在光电效应研究、晶体结构分析及人体疾病的透视与治疗等方面得到广泛应用。伦琴也为此获得第一个诺贝尔物理学奖（）。第二年，法国物理学家贝克勒尔（）发现铀盐的天然放射性。再过一年，年，英国物理学家汤姆逊（）在对阴极射线的定性和定

3、量研究中，发现在真空放电之际，从阴极射出的射线是带有负电荷的微小粒子波，从而发现了电子。这三项重大发现导致了人类对物质世界认识的一系列革命性变化。其中特别值得一提的是居里夫人（法），年轻的居里夫人独具慧眼，大胆地决定将铀射线作为自己的博士论文题目，并大胆推测了尚不为人知的放射性元素。通过艰苦劳动，居里夫妇终于获得了新元素“钋”和“镭”。所有这些实验结果使人们认识到，两千多年来认为原子不可分的观念已被突破。年，卢瑟福（英）在做用放射线轰击金箔的实验时，发现原子里面具有原子核，并非是“不能分割的东西”。年，英国人发现了中子。由此人们知道原子是由质子和中子组成，而元素之间的差异是构成原子的质子、中子

4、和电子的数目不同所造成的。由于卢瑟福实验只是能量很低的自然放射线，为了寻找比原子核更小的世界，本世纪中叶以来，科学家们开始使用粒子加速器进行实验，随着粒子加速器的能量越来越高，更加细微的微观世界逐渐展现在人类面前。到了年代，科学家们继续发现了中子、正电子、子、介子和奇异粒子，这些被称为“基本粒子”的比原子核更小层次的颗粒大多是在高能实验室里产生的。到本世纪下半叶，人类再将认识深入到更深层次，在对质子、中子等多个“强子”进行了分类和研究之后，发现其中仍然存在着规律性的东西。于是，年提出了强子是由“夸克”组成的理论，这个理论满意地解释了当时许多遗留下来的问题。年夸克的存在又获得了证实。目前我们可以

5、确认有上下夸克等种夸克和电子等种轻子存在，它们是我们目前认识到的构成物质的最基本单位。与此同时，对粒子物理学的理论研究也在非常艰难的探索中前进。经过年的努力，人们大致有了这样一些基本的认识：第一，所有粒子的运动遵循着四种基本力的相互作用规律，就是引力、弱力、电磁力和强力，弱力和强力在微观粒子间相互作用中才显示出来；第二，根据作用力的特点，微观粒子可分强子（由夸克组成）、轻子和传播子三大类，关于的负次方的原子尺寸的粒子的许许多多理论问题，正在吸引越来越多的科学家们奋斗与献身；第三，人们在尝试将这些夸克和轻子组织起来，建立一种模型，并试图探索其中的规律性东西。而这是否就已经到了尽头了？仍是一个谜；

6、第四，自年李政道、杨振宁提出了弱作用下宇称可以不守恒并被试验证明以后，人们又从实验上发现了粒子、反粒子等在弱作用下对称性也可以被破坏，即宏观物理世界中守恒律和对称性在微观世界出现了异样。这是一个重大的需要研究的理论问题；第五，科学家们通过对于基本粒子和宇宙起源的共同研究发现，在超高能量状态下，物质之间的四种力有可能结合成一种力，宇宙之初就是这种超高能量状态，于是科学家们总想用一种统一理论来把四种力统一起来，达到简单而又完美的哲学追求，目前，“弱电”统一的理论有了进展，强相互作用的量子色动力学也有了进展，新的理论还有待于发展。人类对于微观世界的认识在本世纪内花费了大量的心血和财力，一大批优秀的科

7、学家在确立微观粒子的探索路上也无意中树立了自己的丰碑。他们中还有：海森伯（德 ），汤川秀树（日），费米（意），泡利（奥），丁肇中（美 ），温伯格（美 ），萨拉姆（巴 ），格拉肖（美 ），等等。实际上，这条道路并没有走到尽头，新的发现还在出现，例如年日本的观测显示中微子不是没有质量而可能具有质量；又如，当欧洲那个预定于世纪初建成的大型强子对撞机启动起来的时刻，关于基本粒子质量、关于反物质、关于.的许多谜会得出什么样的谜底呢？世纪物理学革命的先锋和主将是爱因斯坦（德国，瑞士，美国）。爱因斯坦首先是以其天才地独立批判的精神冲破了上世纪末物理学界关于以太问题所陷入的深深困惑。古典物理认为，以太是在空间

8、存在的无重量物质。为了找到并研究以太，上世纪末的许多大科学家做了许多杰出的精彩的实验和数学推导，但由于基于古典物理学的束缚，他们都未能成为新世纪的开创者。爱因斯坦年发表了他的相对论理论，他从“同时”具有相对意义这一点为突破口，建立起了全新的时空理论，相对论认为，光速在所有惯性系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论的效应，运动着的尺子会缩短，运动着的钟会变慢。这些观点，直接否定了牛顿力学引以为基础的绝对时间和绝对空间的框架，上世纪争论不休的以太被证明本身就是虚幻的。在此基础上，爱因斯坦又于年完成了广义相对论。广义相对论从引力场相当于一个非惯性系这一点出发，得到物质周围的时间和空间是弯曲的，

9、即牛顿的引力场实际上是个弯曲的时空。这就意味着所谓的时间和空间是与物质的存在共同存在的，这就完全改变了牛顿绝对时空的古典观念。爱因斯坦这些异乎寻常的理论，后来被为数不多的实验所证实。爱因斯坦还在其他许多方面有突出的贡献。例如，他最著名的质量能量相当性的发现，即物体的质量只是能量的量度，这一理论成为了随之而来的原子核理论和量子物理的理论基础，也是原子时代到来最早响起的理论钟声。从本世纪初期开始的另一个伟大的物理学理论革命量子力学的诞生和成长也是和上世纪留下的一个被称为“黑体辐射”的理论困惑相关的。十九世纪后期，维恩和瑞利金斯分别使用半理论半经验的方法来确定光和热之间的关系，虽然取得了一定成果，但

10、由于公式并不普适，实验值和理论值在不同的区间发生了根本性的差异而难以取得新的进展。本世纪初，物理学家普朗克（德）、卢瑟福、爱因斯坦等为此进行了开创性的工作，直到玻尔（丹麦 ）才实现了理论的突破。他把能量是一份一份量子化的概念运用到原子结构中，虽然和古典的牛顿理论和麦克斯韦理论完全不相符，但却成功地解释了后者无法解释的实验结果。玻尔的量子理论不久就得到了发展，年轻的德布罗意（法）提出了物质波理论，同样年轻的海森堡和狄拉克（英）从代数和粒子入手创立了矩阵力学的数学形式，另一位奥地利物理学家薛定谔（）则从微分方程和波入手创立了量子力学的波动方程。后来的事实证明，两者是等价的。这样，量子力学建立了起来

11、。狭义的量子力学是指海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学。两者本质是一样的，不同只是处理方法的不同。其后，玻恩给出了波的几率解释，海森堡给出了测不准原理，玻尔提出互补原理，形成了量子力学的基本体系。这是本世纪年代到年代最辉煌的时期，许许多多大物理学家们介入其间，各抒己见，有些理论争论一直延续到了今天。这样，量子力学的发展经历了前面的几个阶段：早期（电子理论、黑体辐射等），发展期（旧量子论）和定型期（量子力学）。本世纪下半叶以来发展到综合期（量子场论）和异化期（唯象理论）。在量子力学（矩阵力学、波动力学）的基础上引入传统力学，场论，相对论构成了量子场论的理论体系，用于处理各种量子力学的问题，并刻划

12、基本粒子。同时，随着当代核物理、粒子物理的发现和应用技术的不断发展，人们越来越感到理论的力不从心，原子核的几个模型都脱离了经典量子力学的解释，中子、正负粒子的发现也很难说是经典力学的延伸，衰变理论、守恒理论、强子结构都只能基本以现象分析为主。不断产生一些新理论，又常常自相矛盾，这使今天的人们很苦恼。在人们高度关注微观世界的同时，人类对于宇宙的探索也不肯停下脚步来，虽然这种进化是极其缓慢和艰苦的。我们已经知道，从亚里士多德到伽利略大约用了年。进入世纪后出现了一个推翻传统时间和空间观念的理论，那就是爱因斯坦的相对论，从广义相对论方程式能够导出宇宙会膨胀或者收缩的结论。但是爱因斯坦自己起初也并不认为

13、这会是一个事实。爱因斯坦的相对论虽然成为了世纪天体物理学的理论基础，但即使在他的广义相对论里，宇宙常数的引入也表明了他希望一个稳定的宇宙的思想。本世纪二十年代，美国天文学家哈勃（）得到了关于星系光谱“红移”的重大发现，宇宙是演化的观念才开始渐渐出现。红移，是指星系光谱向长波方向偏移，而且星系离我们越远红移值就越大，红移量的大小由哈勃定律描写。就像一个有花点的气球，当气球被吹胀时，不管位于哪个花点的观测者都会发现其他花点在远离自己而去。星系红移反映出真实宇宙目前是在膨胀中。年，伽莫夫（俄国，美国）发表了一篇关于热大爆炸模型的文章，作了一个惊人的预言，认为早期大爆炸的辐射仍会残存在我们周围，只是由

14、于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只有几度左右，在这种温度下，辐射只会处于微波波段，年，这一不可思议的预言竟然被观测所证实！年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在一次意外的星系测量中接收到相当大的与方向无关的微波噪声，在随后的一年中他们发现这种噪声没有什么变化，温度为。进一步的研究表明，这种热辐射就是宇宙早期原始火球高温热平衡辐射留下的遗迹。这被认为是宇宙大爆炸理论最关键性的证据。年人类又通过卫星测得更为精确的热辐射温度为.。另外一个重要的证据是关于氦元素在宇宙中的含量。计算表明，宇宙中所有恒星生生灭灭的过程中产生的氦只能提供宇宙现有含量的，而宇宙中大量的氦存在是在宇宙诞生后最初三分钟内形成的。于是，

15、牛顿的宇宙，即永远不变的无限时间和空间最终被一个曾经发生过巨大爆炸至今仍正在膨胀的宇宙所代替。这个动态的宇宙产生于亿年以前，目前仍在膨胀的过程中。这样，关于宇宙起源和演化的理论就成为本世纪中叶以来科学上最引人注目的理论之一。五十年代提出了由星际气体到黑洞的发展序列，它与哈勃位移、微波背景一起构成了经典大爆炸理论。如今，宇宙大爆炸模型虽已被广泛接受，但理论上的争论远未结束。美国权威杂志 科学 年末把当年的一项天文发现列在首位，这一发现是：科学家们发现了一颗迄今为止所能看到的最遥远的超新星，它距离地球有亿光年，能够产生非常稳定的光，它的存在似乎进一步证明了宇宙正在一种神秘力量的支配下不断地膨胀着。

16、最早人们发现宇宙背景辐射时觉得这种辐射的温度是十分均匀的，但却无法解释当前宇宙的构造，进入九十年代以来，卫星观测到这种温度具有十万分之一左右的不均匀，很可能和宇宙物质分布密度的不均匀相对应。遥望远方的宇宙实际上就是在遥望过去的宇宙，对于一百多亿光年星体的研究实际上意味着今天的人类正向宇宙诞生的时刻接近。在这个伟大的接近中，有一位传奇人物、英国科学家史蒂芬霍金（）。霍金是广义相对论家和宇宙论家，七十年代，他对于黑洞的研究成果是将引力、量子力学和统计力学统一在一起，八十年代以后，他的兴趣转向量子宇宙论，霍金认为他的一生的贡献是分别在经典物理和量子物理的框架里证明了宇宙大爆炸和黑洞理论。史蒂芬霍金又

17、是一位极为罕见的人物，他的几乎全部科学贡献都是在与全身病魔作斗争的情况下完成的，数十年来，他无法用语言与他人交流，不能写字，更不能自由的行动，除了大脑，他没有健康二字可言，人类应当为有以这样坚强意志追求终极真理的灵魂而感到自豪。即便是读者今天在阅读此段文字的时刻，这位有史以来最杰出的科学家之一也许正在剑桥继续着他与宇宙源头的对话，这也是人类科学精神与大自然之间的对话。第二节 生命的奥秘 生物学在二十世纪的重大发展是生命科学的突飞猛进。在此之前，关于生命的科学主要还是以哈维的血液循环理论为基础和轴心展开的，例如阐明生命体的呼吸系统、消化系统、排泄系统或者肌肉骨胳系统等等。本世纪的生命科学是以对生

18、命的信息过程的研究为轴心而开展的，生命体的两大信息过程神经过程和遗传过程是现代生命科学的主题，同时开展的，是在遗传信息指导下的蛋白质的结构和对新陈代谢过程的研究。这些研究，揭示了生命过程中新的层次，使人类开始接触到生命的本质。与此同时，在实践上，遗传物质的发现导致了遗传工程技术的发展，神经系统的研究直接导致电子计算机技术的产生和发展，众所周知，这两项技术的发展给我们带来了难以想象的巨大变化。神经系统的结构问题是一个争论了很久的问题，直到年，幸运的西班牙解剖学家卡哈尔发表了一篇长达页的专著，才使得问题有了答案。到了五十年代，人们用高倍的电子显微镜观察到了缠结在一起的不同神经元的末梢之间的“突触间

19、隙”为埃，进一步巩固了这个理论。继续的发展是把生物的神经现象还原为电现象和化学现象的研究。第二次世界大战以后，人们相继发现脑内的化学传递物质有三十多种，对于不同的神经元有不同的兴奋和抑制作用。与此同时另一学派的研究也在取得进展，俄国生理学家谢切诺夫创立了以研究反射活动为主课题的俄国生理学派，他的学生巴甫洛夫（俄）取得了这个学派的最高成就，他将能够引起条件反射的刺激信号分为两大系统，其中之一是人类特有的语言文字系统。巴甫洛夫的研究，使人类初步地了解了反射活动的结构。年，美国数学家提出了控制论后，反射活动被定义为由一系列“反馈”过程所完成。在遗传学和分子生物学领域，早在年，奥地利的修道士孟德尔（）

20、就从豌豆的交配实验中发现了遗传具有的法则性，他认为某种形式的遗传“因子”会从亲代传给子代，孟德尔的“因子”很接近今天所说的基因。但是他的研究没有受到重视，直到年才得到肯定。人们在探索遗传信息的道路上也是历尽艰难，年时，就在细胞核里发现了新的物质核酸，可是科学家们的注意力老是放在对于蛋白质和染色体的研究上，整整花去几乎半个世纪，其中也不乏成就，例如美国的摩尔根（）研究果蝇的突变，发现了基因位于染色体上特定的位置。本世纪中叶，科学家们提出了遗传基因的载体是（脱氧核糖核酸）的观点，并且知道了核酸是由称为核苷酸的单位所组成，而核苷酸是由碱基、糖、磷酸等零件所构建，其中碱基有四种，有序地排列和组合。也就

21、在四十年代初，量子力学的创始人薛定谔也把目光转向了生物学，年月，他发表了著名的小册子 生命是什么，提出了一个科学的语言：生物体中必有一种非周期性晶体，含有巨大数量的排列组合，构成了遗传密码的稿本，量子力学的原理既能够解释这一稿本的稳定性，也能解释它偶然的突变。这本书深深打动了美国大学生沃森（）和从物理转向生物的克里克（英 ），他们连续作战了个月，终于解开了遗传物质结构之迷，证实了薛定谔天才的预见，建立了的结构模型，他们发现，具有双螺旋构造，而且四种碱基各自成对。年月，自然（英）公布了这个划时代的发现。宣告了分子生物学的诞生，从此，生物学进入了分子水平，影响了整个生物学领域。人们开始从分子阶梯上

22、去探索生命的秘密，相继研究了遗传密码，阐明了蛋白质合成的机制。进入年代以后，将生物体内的分离出来进行重新组合的技术问世，它使科学家能够增殖基因或者将基因另行组合，预示着人类可以象设计工业产品一样来设计新的物种，甚至于人类自己。所有这一切，对本世纪晚期的人类社会生活，对农业、生物界和医学界都产生了极为巨大的影响。年，人类正式开始采用基因疗法，并期待着这种疗法能够对付癌症、艾滋病等人类目前尚未攻克的绝症；年以来，人类开始掌握一些生物的“基因组”，即某一生物的全部遗传信息。人体有亿个碱基对，如果能够得到全部的解读，必将给人类带来完全崭新的生命观，这是国际人类基因组计划中最重要、难度最大的项目，我国人

23、类基因组大规模测序工作年已经开始，正准备以中国人为模板，在年完成万个碱基对的测定，争取在人类基因组序列的构建中达到的贡献率。第三节 从大陆漂移到板块学说 地球作为一个天体，在经历了天文演化阶段以后，就进入了它特有的地质进化时期。尽管如此，地质学在文化上却是西方实验科学中较晚的样品。十八世纪，野外地质学得到了发展，各种地层的材料逐渐积累，为地质学真正理论的出现提供了必要的基础条件，法国勘测并出版了地质图，矿带的概念、岩层的概念、山脉的构造等等先后被提了出来。到世纪之交开始出现了地质学理论，它和生物学的结合导致了地质进化论的形成。年，赖尔出版了他的地质学原理，确立了地质进化论的观念，完成了地质科学

24、的体系，并集中了研究方法。赖尔认为，地球受直到今天还在起作用的各种因素的作用，逐渐地改变着自己的面貌，并且只会在原来的、固定不变的位置上运动，这一理论在十九世纪占统治地位。与此同时，地质结构的问题也引起了人们的关注，布赫的隆起说（），波蒙的冷却说（），以及丹纳（）的地槽学说构成了地质构造论的主体。到十九世纪的上半叶，科学家排出了全球编年史，地质年代各纪基本定型。这时候，地貌学、冰川学、海洋学相继问世，传统地质学基本完成。赖尔从来没有想到过大陆的移动问题，他的理论在十九世纪下半叶遭遇到严重的危机。大批奔赴世界各地的考察队汇总的资料表明，在被大西洋所隔的大陆上，生物和古生物化石有着密切的亲缘关系，

25、赖尔的固定说对此不能作出解释。年，德国的气象学家魏格纳（）发表 大陆的生成 一文，公布了大陆漂移说，年出版的海陆的起源震动了地质学界，魏格纳认为：第一是南大西洋两岸海岸线相互吻合，可以拼成一块大陆。相传这是他在病床上看墙上的世界地图时发现的（）；第二是系统搜集分析大西洋两岸的许多生物和古生物的亲缘关系，特别是例如蚯蚓一类迁徙极慢的动物的分布，指出这样的动物是不可能“扩散”开来的；第三是两岸地质方面的吻合，例如岩石、地层和构造、年龄等等；第四是气候史方面的证据。魏氏独立地提出了新的观点，他认为地球在距今三亿年以前的太生代是一块整体大陆，他为这个大陆起名叫“盘古大陆”，经过分裂、移动的演变过程，在

26、距今万年以前，才漂移成为今天的样子。这一理论引起了地质构造论的革命性的变化，遭到许多人的反对，特别是当他无法解释大陆漂移的动力学问题、而且他海底十分平坦的设想又被事实证明是错的。魏格纳为了寻找大陆漂移的直接证据，在格陵兰荒凉的冰原中遇难，他的学说一度衰落，他的人格受到诽谤。随着时间的推移，人类发现了海沟和海底山系，对于地球深层的探索和地磁极的移动的发现都使得关于地球构造的观念发生了变化。年赫斯提出了海底扩张学说，在那之前，年，孟纳德发现了海底断裂带。到了年，布拉德用计算机将大西洋两岸大陆架的外缘拼接成功，威尔逊、麦肯尔、帕克等人建立了板块构造学说。这一学说认为，地球是由若干块不会变形的坚硬“板

27、块”覆盖着，今天地球上的欧亚、美洲、非洲、澳洲、南极和太平洋六大板块每年沿着水平方向移动数厘米到十厘米，它们绕轴旋转，其下面的软流层的热对流是其动力，相应的海底板地在地幔流漂移，板块碰撞形成了海沟，板块交错形成了断层。大陆分久必合，合久必分，海洋时而扩张，时而封闭，这是现代的地学理论。板块构造理论在年代后期以来获得了惊人的发展，不仅说明了今日地球的地形特征，而且能够对几亿年后的地貌作出科学而准确的预言：今天的大西洋、红海、东非裂谷等将不断扩张，太平洋将不断缩小，几亿年后，今天的各大陆将在太平洋区域汇集成新的联合大陆。七十年代以来一系列地质发现，以及板块学说在地震学、矿产学、古气候学、古生物学等

28、实践活动中所取得的巨大成功，都不断证明了大陆漂移学说和板块学说的正确性。需要专门提到的是，我国科学家最近提出：亿年以来，地球至少经历了次古大陆的聚合，本世纪人们关注的只是近亿年左右的历史变迁。这一观点为地质理论开拓了新的研究领域。现在的人们认识到，地球基本上是一个封闭系统，是由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈四大系统组成；地球是我们拥有的适合人类生存的唯一栖息地，而地球的资源是有限的；各种自然力改变了地球的面貌，它贯穿和控制着绝大部分的地质年代，但从局部而言，人为的影响正在日益地显著，因此，保护好尚没有受人类活动干扰的原始自然界是十分重要的工作；现代地学是一门既古老又新兴的学科，要求具有广泛的、综

29、合性的、先进的、现代的科学知识和对于地学及其他相关学科的知识。其实人类对于我们居住着的这颗星球一直在探索和认识之中，永远也没有尽头。公元前世纪时，古希腊的毕达哥拉斯据说是第一个认为地球是球体的人，亚里士多德曾经根据地球在月球出现圆形阴影而支持毕达哥拉斯，他们的这个结论在年后的大航海时代才得到证实，全世界的海洋和大陆的分布也在这个时代才开始清晰起来。牛顿和惠更斯最早开始怀疑地球是一个完美的球体，过了大约一个世纪，这一点被法国的探险队所证明；板块构造理论也是一个开放的理论，将会有更多更好的探测和数据去完善和修正它。年秋，中国大批的专业技术人员在世界第一大峡谷雅鲁藏布大峡谷进行了巨大的考察工作，年月

30、，中国公布了精确的测绘数据，类似这样的“真空”在全世界还有很多，我们对于自己生存的这颗星球的认识还需要时间和实践的积累。第四节 数学 要想十分简明扼要地表述清楚本世纪的数学是一件十分困难的事情。因为自从数学独立存在发展以后，其内部就一直在孕育着新的生长点。二十世纪的现代数学，既高度抽象和统一，又分支十分复杂；既走向数学哲学，又常常在深层次与其他前沿科学不期而遇。和物理学一样，上一世纪末的数学家们，也是满怀喜悦的准备在世纪之初进行一次全面的总结。可是，本世纪初有两件事打破了数学世界宁静的梦。一件是英国青年罗素（）指出了集合论中存在的一大悖论，另一件是年德国数学家希尔伯特（）在国际数学会议上提出的

31、个数学问题。现在我们知道，这两件事大大影响了本世纪的数学界。罗素悖论使数学家们不能不思考数学的本性问题和基础问题，由此引发了数学哲学的兴起。数学界分成若干学派，经历几乎一个世纪的争论，促进了数学整体的发展。其中，形式主义学派是对世纪数学影响最大的学派。希尔伯特问题在本世纪得到了许多方面的突破，形成许许多多新的数学分支，由于分工越来越细，以至于连不同分支的数学家们如今也会因缺乏共同语言而难以相互理解。我们只能是把其中的一些主要分支简略地交代一下。一个是泛函分析，它研究“函数的函数”，比如说，联系甲乙两地的路径，如果每一条都是一个函数的话，每一个函数又都对应着一个行走的时间，那么就可以把时间看作是

32、函数的函数了。希尔伯特和他的学生们建立了泛函空间“希尔伯特空间”，这是一个可数无限维的欧氏空间。泛函分析在本世纪年代有了成熟的结果，以后日益发展，成为具有许多分支的大数学理论。另一个是抽象代数，它由群论，域论和环论三部分组成。第三个是拓扑学，它虽然是二十世纪的产物，问题却是提得很早的问题。比如欧拉的“哥尼斯堡七桥问题”是说“一个河湾、两个岛屿、七座桥、一次性经过”这样一个问题，欧拉当时给出了证明：不可能。又比如著名的“四色问题”，要求只使用四种颜色，就可以使任何地图上的所有相邻国家可以各用不同颜色来表示。虽然这是一位不出名的数学家哥特利在年提出的，但是它的被证明却是在年由阿皮尔等人在电子计算机

33、上才完成的。其他的数学高论，例如解析数论、微分几何学等等，都开辟了许多新的认知领域。但是且让我们暂时隔岸观景吧。我们还需要知道的是，这些数学工具的产生和运用，对自然科学的其他领域和科技的发展都起了巨大的推动作用，看起来高深抽象的数学，却常常在险峻之处与现实相撞击，例如希尔伯特空间应用于量子力学，使量子力学成为了泛函分析的一个现实模型；拓扑学中著名的陈省身“纤维丛理论”，与杨振宁先生的规范场理论竟然惊人地贴近，而本世纪伟大的数学巨匠冯诺意曼（匈牙利）运用其纯熟的数学理论于电子计算机的创立，使数学和计算机的组合，成为本世纪后半叶最大的技术领域。第五节 系统科学 被约定成俗地称为“系统科学”的新学科

34、的出现，是本世纪中叶以后的事情了，现在所谓的“系统科学”，一般是包括了信息论，控制论，一般系统论和各种自组织理论（包括耗散结构理论、突变论和协同学）。这些科学和传统的科学有很大的区别，前者主要是研究能量和物质的，而后者主要是研究信息和信息过程的。系统科学的出现，正好和对于物质、能量进行深入研究而得到的分子生物学遥相呼应，构成了信息时代的特征。其实人类最早时代就知道信息，运用信息，所有原始符号都是信息，后来演化为文字、语言、音乐、绘画等等，早期的人们已经懂得把烽火台一类的信息传递方式进化为密码方式。当电磁理论出现后，人们立即想到了把它用于信息技术，但是个字母用什么新的方式来表达使得许多人感到为难

35、，美术家莫尔斯（美）在美国政府支持下架设起了电报线，年月，人类第一份电报“上帝创造奇迹！”从美国高等法院发出，“莫尔斯电码”是人类有意识地创造的信息符号。信息理论的形成是在一百年之后，美国贝尔电话研究所的工程数学家申农发表了 通讯的数学理论，为现代信息论奠定了理论基础。几乎同时，控制论的创始人维纳也对信息进行了深入研究。到了本世纪五十年代，信息理论与许多老学科的结合推动了整个科学界，信息与生物学的结合，形成了“遗传密码”观念，信息与物理学的结合，使信息与系统的有序化研究相联系，目前，信息理论已经涉及语言学，经济学，心理学，哲学，美学等等，甚至于已经成为带有广泛含义的大众口头语言了。信息除了传输

36、作用以外，还具有控制的作用，这就是控制论研究的领域，控制论几乎与信息论同时产生，创始人是数学家和交叉科学家维纳，他的代表作是出版于年的控制论，中国科学家钱学森是控制论研究的重要代表人物。控制论的基本思想是关于随机过程和选择，是非机械决定论。早期研究的重点是反馈，五十年代提出了著名的“黑箱理论”，年代后，生物控制和航天事业的实际需要使控制论演变为“现代控制论”，它主要采用状态空间的方法，以计算机为手段，实现最优控制，这种思想现在已经进入了经济领域和社会领域。在科学史上，从古到今都有关于整体和部分的关系的争论，到了本世纪初，人们逐渐认识到，应当把生命看成由部分所构成的整体系统，生命的过程和物理化学

37、的过程是不同层次的过程。年，美籍澳地利生物学家贝特朗菲出版了生命问题一书，宣告了一般系统论的诞生。后来，系统论思想和在运筹学基础上发展起来的系统工程学结合以后，逐渐形成了大系统论的思想，专门研究复杂系统的最优化问题，年代的阿波罗登月计划的成功，是公认的典型范例。上世纪末时，有几个十分矛盾的理论得不到解答，其中之一是热力学第二定律和达尔文的进化论之间的深刻矛盾。本世纪以来，许多科学家在这方面作了巨大的努力。比利时的普利高津及其布鲁塞尔学派是重要的开拓者，他们经过了年的艰苦奋斗，终于在年宣布了新理论非线性非平衡态热力学，即“耗散结构理论”。耗散结构理论在不违背热力学定律的情况下表明，开放的非平衡非

38、线性系统，可以发生从混沌到有序、从低级到高级的发展。一个远离平衡的开放系统，不论它是物理学的、化学的、生物学的、社会学的、经济学的、或者是精神方面的，通过与环境进行能量、物质和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，就可能自发地组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。由于这样的动态结构是通过物质、能量和信息的交换和耗散来实现和维持的，所以命名为耗散结构。又由于它又是一个关于物质系统的自发地组织起来的理论，所以也称为自组织理论。耗散结构向我们表明，复杂系统的不可逆发展充满着分叉和选择，发展是通过涨落达到有序的，系统在发生从无序到有序、从一种有序态到另一种有序态的转变时

39、充满着不确定性。决定论和非决定论在系统的发展中难分难解地联系在一起。但这并不意味着我们从此走向了一个纯机遇的变化无常的世界。事实上，这里有两个并存的世界，一个是由确定性定律所支配的世界，它没有给新奇性留有位置；另一个则是由掷骰子的上帝所支配的世界，在这个世界里，一切都是荒诞的、非因果的、无法理喻的。耗散结构是科技史上第一个关于自组织的物理理论，在完善和发展它的进程中，数学家托姆发明了“突变论”、物理学家哈肯发明了“协同论”，都进一步发展和拓宽了自组织理论的科学体系，现在，人们正在尝试用它来解决物理学、化学、气象学、宇宙学、社会学、生态学、心理学等许多领域里的问题。例如：长期以来，物理学家们认为

40、宇宙的基本规律是可逆的和决定性的，牛顿力学中的时间是一个可逆的参数，未来和过去看上去没有什么实质性的差别，宇宙没有历史，时间也没有方向。而当代非线性科学的进展却告诉我们，自然界的基本过程是不可逆的，现存的世界处在不断的演化之中，时间是有方向的，向前飞奔着的。非生命系统也有类似生物进化的从混沌到有序的演化行为。物理学世界图景从存在向演化的转变完成了物理科学和生物科学在最基本的理论原则上的统一。又比如，封闭没有发展，绝对平衡也不会发展，这一耗散结构理论的基本结论现在正在广泛地应用于社会学和经济学的领域。自组织理论的建立和发展开辟了一条力图克服片面性的道路。太阳系确实常新，面向未来也就是创造未来。以

41、上我们只是对于二十世纪的几门学科进行了一般性的讨论，实际上，二十世纪是自然科学革命的世纪，所有自然科学领域在这个世纪里都得到了发展，例如我们没有提到的化学，实际上，本世纪初，莫斯莱根据原子模型指出原子序数就是原子电荷数后，物理与化学在本世纪并驾齐驱，共同发展，如今，核反应已经成为核化学的基本手段，在光谱分析、电解化学、量子化学等领域则更是这样。如果我们对二十世纪的理论科学可以作一个最简单的回顾的话，可以认为有两个大的方面，一是对于古典科学理论的重建，粒子物理中的夸克模型、宇宙学中的大爆炸模型、分子生物学中的双螺旋模型和地质学中的板块模型是最重要的四大模型。二是有别于古典科学的新科学的酝酿和发展

42、，以新兴的系统科学、非线性科学、生态科学为其前导，尽管这些领域开始不久，但它们极有魅力。二十世纪的科学于是成为“转折点时期”的科学。人类已经较上世纪末成熟，懂得了对于自然界和对于自身的认识是永无止境的这一真理。二十世纪科学技术大事记 首届诺贝尔奖颁发。伦琴获物理学奖，范托夫获化学奖，贝林获医学生理学奖。人类血型的发现。美国莱特兄弟完成人类第一次动力飞行，历时秒。俄国巴甫洛夫首次提出“条件反射学说”。爱因斯坦提出狭义相对论，改变了人类对宇宙的观念。丹麦人约汉逊命名“基因”一词。卢瑟福发现原子核。昂尼斯发现超导现象。发现宇宙射线。玻尔根据卢瑟福的原子模型和普朗克的量子假设建立围绕特定轨道旋转的原子

43、模型。魏格纳提出大陆漂移学说。爱因斯坦提出广义相对论。发现胰岛素并研究出胰岛素的生产方法。弗里德曼提出“膨胀宇宙模型”。人类首次成功发射了液体燃料火箭。青霉素（盘尼西林）发明。发现太阳系最外侧的行星冥王星。创立脑血管造影术。发现原子核是由质子和中子组成。发现正电子。汤川秀树提出介子理论。第一架射电望远镜建成。发现铀原子核的分裂现象。证明基因的实质是，生物的性状取决于。第一台电子计算机（）问世。伽莫夫提出宇宙大爆炸学说。提出分子的双螺旋结构模型，分子生物学的革命由此引发。人类第一颗人造卫星上天。人类第一次载人宇宙飞行。寂静的春天出版，开始了环境保护运动。发现类星体。提出夸克模型。探测到宇宙中微波

44、背景辐射，证明了大爆炸理论的正确。在南非进行了第一例人体心脏移植手术。创立板块构造理论。“阿波罗号”登月。人工心脏植入人体。建立基因重组技术。霍金提出黑洞理论。世界上第一个“试管婴儿”诞生。日本首创“深海放牧”。“哥伦比亚号”航天飞机作人类首次飞行。宇宙大爆炸的“膨胀理论”提出。发现艾滋病病毒。中国生物学家培育成功世界上第一头“试管绵羊”。“先驱者号”（年发射）离开太阳系，上面装有雕刻了地球位置的铝板，作为给外星人的信函。第一列高速磁悬浮列车运行。哈勃宇宙望远镜升空。世界第一例基因治疗。“费尔马最终定理”得到证明。唯一未得到证实的“顶夸克”得到证明。反氢原子制造成功。克隆羊“多利”诞生。“火星

45、探路者”登上火星。发现中微子具有质量。生物芯片开始用于应用领域。现代科学技术的发展 很难对“现代科技”下一个非常准确的范围所指，但一般还是认为，所谓现代科技，是指本世纪以来，尤其是本世纪下半叶以来出现和正在形成的科学技术领域，而且这些科技在世界公认的情况下影响当代并将继续影响到下个世纪，有时人们用“高科技”来形容这样的科技领域，并提出它们的共同特征是高效益，高智力，高投入，高竞争，高风险，高潜能。要是说得再白一点，可以从老百姓的感觉来谈：凡是广大的人民群众意识到那种对国家和民族、当代和未来的政治、经济、文化、军事以及社会生活带来巨大变革的技术领域，都可以理解为“现代科技”。现代科技较之于我们前

46、面所谈的科技发展的各个阶段有某些新的不同。首先是它更大范围地渗入了人类的一切生活，我们几乎在本世纪末再也找不到不受现代科技影响的生产和生活领域了；其次是它的技术领域在深度和广度上的扩大较之过去显得更为壮丽，相比之下，第一次甚至第二次工业革命的成果在现代科技看来只是十分粗放的早期科技，现在任何一门科技所涉及的技术的难度、深度和精度都是过去不可想象的；第三是它自身的发展速度之快也是惊人的，真正叫做日新月异，这种变化的结果是完全改变了人们对于技术产品的使用观念，进而也就改变了社会和人们生活的观念，现代人市场观念的更新又反过来进一步促使技术和产品的加速变化。光举这样简单的几条就可以使人感到现代技术是一

47、种使人可爱又可畏，可选择又无可选择的进步，它在社会意识上所产生的影响也许在下世纪才会更充分地体现出来。我们将在这一章里介绍现代科技的几个主要领域：生物技术，信息技术，航天技术，新材料技术，新能源技术等。需要先期指出的是：世界各国，凡是具有条件（哪怕是一点点条件）的国度，都正在这些领域里奋斗，争取着某种发言权，所谓争夺着世纪的制高点。中国作为一个大国，一个唯一保留下来的文明古国，也从本世纪年代起全面急起直追，著名的“计划”等科技发展规划从制定到实施，取得了巨大的成果，使得我国科技和世界先进的科技领域之间的差距正在日益缩小，我国科技界任重道远，我国科技界前途光明。关于世界各国在各现代科技领域里的现

48、状，我们在下文中不再专门涉及。第一节 生物技术 生物技术其实是一门非常古老的技术，传统的生物技术一直可以上溯到神话中的年代里去，它曾经是我们人类（其中中华民族在这方面的功劳更是举世无双的）赖以生存的手段之一，几千年来的酿酒、制酱、育种等技术是其中比较重要的技术，这方面大致可以分为四个领域。首先是发酵技术，这一技术的关键是人类对于微生物的认识和应用，本世纪中叶以来，这一技术形成为发酵工程，其主要技术方向或者是对微生物产生的活性物质进行筛选形成应用，例如生产青霉素及各类抗生素；或者是弄清楚微生物的生理代谢机制以扩大适用化工业化的能力；或者是采用新的工艺或控制程序，使生产水平趋于定量化。第二是关于细

49、胞理论及其技术工程。细胞理论是上世纪杰出的自然科学发现，经过人们的努力，现在人们在细胞阶段做了大量造福于人类的技术发明和成果。例如：采用通过植物体细胞胚胎再生一完整植株的快速繁殖技术，已经使大量的农作物、水果等大面积地获得丰收，从根本上抑制了品种种质退化问题；又如通过自然或人工的办法使两个或几个不同的细胞合成一个细胞，这种在体细胞层次进行的杂交技术为作物的品种改良开辟了良好的途径，人们常说的人造植物“西红柿马铃薯”、“蘑菇白菜”等等就是很吸引人的新品种。第三是关于酶工程的推广，这也是近几十年来生物技术的一大进步，酶是一种生物蛋白，将它用于化工技术，已经形成了一种崭新的技术，达到降低成本和能耗，

50、减少污染，提高劳动生产率的作用，为世界各国所大量采用，目前主要应用于食品业、轻工业和医药工业之中，人们常用的加酶洗衣粉就是一种最普遍的产品。最后是关于遗传育种的工程，这虽然是几千年人类对动植物的期望，但自孟德尔和摩尔根以来几乎百年的努力，才确立了经典意义上的遗传理论和技术，人工杂交的许多品种都是这一领域的成果。本世纪自然科学发生最大变化的是生物学，上面这一切，只是被称为传统生物学工程的一部分。现代生物学主要包括了分子生物学、生物工程学和古典的生物分类学。其中主要代表其现代化标准的是前两类，它们对人类产生的惊喜和惊恐几乎一样大，我们正以最大的激情面对来自这两个技术领域的每一次冲击。分子生物学基本