【正文】 1 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對人類社會的影響 張文華 中共泰安市委黨校 科研處 教授 【教學(xué)目的要求】 通過本專題的教學(xué)，使學(xué)員對 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對人類社會的影響 有一個粗略的了解。 【中心內(nèi)容】 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對人類社會的影響 【教學(xué)重點與難點】 教學(xué)重點： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對人類社會的影響 教學(xué)難點： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況 【導(dǎo)語】 當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)日新月異、 迅猛發(fā)展。以信息技術(shù)、生物技術(shù)為代表的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的崛起與壯大 ,對各國的政治、經(jīng)濟、軍事、文化等方面產(chǎn) 生了深刻的影響。在以經(jīng)濟實力、國防實力和民族凝聚力為主要內(nèi)容的綜合國力的激烈競爭中，能否在高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占據(jù)一席之地已經(jīng)成為競爭的焦點，成為維護國家主權(quán)和經(jīng)濟安全的命脈所在。在 21 世紀，我們既面臨著許多嚴峻的挑戰(zhàn)，又擁有難得的機遇。在挑戰(zhàn)和機遇面前，我們各級領(lǐng)導(dǎo)干部必須重視學(xué)習(xí)，不僅要學(xué)習(xí)馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論，還要學(xué)習(xí)現(xiàn)代科技知識。江澤民總書記在為中央黨校出版社出版的《現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)知識》一書作的序中指出：“抓緊學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代科技知識，是擺在我們面前的一項重要任務(wù)，各級干部要從國家富強、 民族振興的高度來認識學(xué)習(xí)的重要性，增強學(xué)習(xí)的自覺性?！闭J真學(xué)習(xí)和領(lǐng)會江澤民總書記的重要指示，對于我們牢固樹立“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的觀點，深刻理解“三個代表”的重要思想，從世界眼光和戰(zhàn)略思維 2 的高度認清學(xué)習(xí)現(xiàn)代科技知識的重要性、必要性和緊迫性，進一步增強科技意識，從思想到行動真正轉(zhuǎn)移到依靠科技進步和提高勞動者素質(zhì)的軌道上來，推動國民經(jīng)濟持續(xù)、快速、健康地發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。 一、 20 世紀基礎(chǔ)科學(xué)理論的重大發(fā)現(xiàn) 在 21 世紀初的今天，我們可以蓋棺論定地說，相對論、量子力學(xué)和分子生物學(xué)等 基礎(chǔ)理論是 20 世紀確立的當(dāng)代科學(xué)最偉大的理論體系。它們不僅是 20 世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對人類的思維方式和認識方法產(chǎn)生了深刻的影響，這些重大理論發(fā)現(xiàn)無疑是 21 世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的起點。 (一 )相對論 相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的時空物理理論，它以嶄新的時空觀建立起全新的物理學(xué)知識體系，不僅把人類對自然的認識提升到 — 個新的水準，而且也深刻地影響了人們的思維方式和世界觀。 從牛頓力學(xué)的觀點來看，時間和物質(zhì)是彼此獨立的存在，時間的度量不依賴于觀測者所在參考系的運動。一個物體運動的速度只 在相對于某個參考系測量時才有意義，本身并無絕對意義。在相互作等速運動的參考系上，觀察物體的運動速度會得出不同的數(shù)值，例如在地面上有兩輛汽車以同樣速度朝相反的方向開去，我們在一輛運動的火車上看，一定發(fā)現(xiàn)和我們同方向運動的汽車等速運動，而與我們反方向運動的汽車速度快。牛頓力學(xué)的運動規(guī)律只涉及力和加速度，物體在沒有外力的作用下按照慣性作等速運動，因此運動規(guī)律在相互作等速運動的慣性參考系上是相同的，這稱為牛頓力學(xué)的相對性原理。 愛因斯坦的狹義相對論是 20 世紀最偉大科學(xué)的發(fā)現(xiàn)之一，它包含牛頓力學(xué)，在物體運動速 度遠低于光速時趨于牛頓力學(xué)，而在高速，即接近光速的情況下，又修正牛頓力學(xué)，使之既能正確解釋光速不變的實驗事實，又和日常經(jīng)驗不矛盾。它還改變了人們對絕對時空，對 3 物質(zhì)運動的觀念。 和牛頓力學(xué)的看法不同，愛因斯坦將狹義相對論建立在兩個基本原理 (在未證明前稱為假說 )上：一為相對性原理，即在兩個相互作等速直線運動的慣性參考系中，一切自然定律都是相同的；二為光速恒定原理，光在真空中的傳播速度是一個不變的常數(shù)而與光源的運動和觀察者的運動皆無關(guān)。這兩條假說都有各自的實驗事實為根據(jù)，但在牛頓絕對時空的觀念下彼此產(chǎn)生矛 盾。愛因斯坦認為問題出在絕對時空的觀念上。他從這兩個假說出發(fā)，以邏輯的推理得出以下的結(jié)論： (1)時空與運動不是彼此獨立的絕對的概念，在作相對運動的兩個參考坐標系中，時間的度量不同。在 — 個參考系中同時發(fā)生的兩個事件在另 — 相對作等速運動的參考系中不是同時發(fā)生。由此可以導(dǎo)出不同慣性參考系的時空尺度空間的變換關(guān)系，即洛倫茲 變換，并得出?尺縮?和?鐘慢?的推論。 (2)相對論還證明，物質(zhì)和運動是聯(lián)系在一起的，質(zhì)量和能量 等價，它們可以互相轉(zhuǎn)化，滿足能量守恒定律。當(dāng)物體運動速度增加時，它的慣性質(zhì)量和 能量也隨之增加。在靜止時有質(zhì)量的粒子，其運動速度接近光速時，質(zhì)量和能量兩者都接近無窮大。因此光速是物體運動速度的極限。只有靜止質(zhì)量為零的粒子，如光子，在任 何以等速作相對運動的慣性參考系中都將始終以光速運動。由于 靜止物體的質(zhì)量也等價于能量，是能量的一種形式，參與能量的轉(zhuǎn)化與守恒，減少靜止質(zhì)量可以獲得其他形式的能量。根據(jù)這個推論和各種原子核靜止質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)，科學(xué)家預(yù)言利用原子核的裂變和聚變反應(yīng)可以產(chǎn)生巨大的原子能，并根據(jù)這個預(yù)言制造出原子彈、氫彈和原子能發(fā)電站。狹義相對論的各種推論和預(yù)言不久就為實驗所全部 證實。愛因斯坦所提出的理論假說經(jīng)過實驗的驗證成為了科學(xué)的原理。 愛因斯坦經(jīng)過 10 年的默默努力又到達一個新的科學(xué)高峰， 1915年他發(fā)表了題為《引力的場方程》的論文，宣告?廣義相對論 ?作 4 為 — 種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。廣義相對論是 — 個比狹義相對論 更為抽象而難于實驗檢驗的物理學(xué)理論，以致被有些人稱為?理論物理家的天堂，實驗家的地獄?。而當(dāng)光線經(jīng)過太陽旁會生產(chǎn)彎曲這一廣義相對論的預(yù)言于 1919 年為愛丁頓 (Arthur S． Eddington， 1882 年 ——1944 年 )率領(lǐng)的英國日食觀測隊證實后，英國皇家學(xué)會會長湯 姆遜(Joseph J． Thomson， 1856 年 ~1940 年 )宣稱：?廣義相對論是人類思想史上最大的成就之一。? 愛因斯坦提出兩條原理作為前提假說，建立了廣義相對論的邏輯系統(tǒng)：一條原理叫廣義相對性原理，即廣義協(xié)變原理，主張自然定律在一切坐標系中應(yīng)具有不變的形式；另一條原理叫等效原理，即勻加速參照系同均勻引力場在物理上等價。由這兩條原理結(jié)合通過邏輯推理，發(fā)現(xiàn)物體的存在和運動會改變所在時空的曲率，形成彎曲的時空。物體在彎曲的時空中運動會引起運動速度和方向的變化，相當(dāng)于受到一種作用力的作用，這就是通常 意義下的萬有引力。提出廣義相對論時，愛因斯坦作了三個全新的預(yù)言，即水星近日點每百年向前移動43 角秒、光線掠過太陽邊緣時會發(fā)生 1． 75 角秒的偏折和光譜在引力場下會發(fā)生紅移，這些預(yù)言不久都得到了實驗的證實。 1979 年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了遠處星體所發(fā)出的光可以通過引力透鏡聚焦成像，又一次證明了廣義相對論。 1917 年愛因斯坦根據(jù)他的引力場方程推論了引力波的存在。驗證引力波存在的實驗非常困難，至今還未得出明確的結(jié)論，已成為物理學(xué)實驗研究的一大難題。 廣義相對論將時空和萬有引力、物質(zhì)和運動統(tǒng)一在一起，具有重要的哲學(xué) 意義。它說明，物質(zhì)、時空、相互作用和運動相互依存、相互影響、相互確定，是不可分割的整體。任何事物都處于永不停止的相互作用和運動變化之中，事物在運動過程中形成自身的結(jié)構(gòu)和賴以存在的時空，反過來，時空的結(jié)構(gòu)又對物體產(chǎn)生引力作用，影響事物的運動和結(jié)構(gòu)。廣義相對論的根本意義在于它提供了一種新的物理時 5 空觀，牛頓經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論的時空結(jié)構(gòu)是一種無場的時空結(jié)構(gòu)。而廣義相對論則描述包含引力場在內(nèi)的時空結(jié)構(gòu)。它的成功引導(dǎo)了將所有力場和時空結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來的研究方向。相對論的革命性的作用還不只是提供了一種具體有效的描述許多物理 現(xiàn)象的時空構(gòu)架，更重要的是以其懷疑的和批判的精神為物理學(xué)的發(fā)展開辟道路，引發(fā)了一場深刻的物理學(xué)革命。 (二 )量子力學(xué) 量子力學(xué)的建立揭開了肉眼看不見之微觀世界的秘密，帶來了一系列的重大技術(shù)變革，也深刻地改變了人們對整個物質(zhì)世界的認識。 量子力學(xué)能成為科學(xué)真理則在于它強大的預(yù)見性，現(xiàn)在，從單個光子、電子、夸克的行為到原子核、原子、分子、固定的構(gòu)造以至宇宙的起源、黑洞的結(jié)構(gòu)都受量子力學(xué)的支配。磁性、半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)、放射性、各種電子顯微鏡等等現(xiàn)象的規(guī)律和所發(fā)展出的技術(shù)都和微觀世界所表現(xiàn) 出的 ? 波粒二象性 ’’ 相關(guān)，都能由量子力學(xué)加以精確的解釋。量子力學(xué)的一切預(yù)言和推論都已為實驗所完全證實。 根據(jù)量子力學(xué)，頻率越高、波長越短的波包相對應(yīng)于能量越高、體積越小的粒子。因此要深入物質(zhì)的內(nèi)部，進入到越小的空間，就需要越大的能量。這是為什么研究體積越來越小的基本粒子所需的加速器能量越來越大，耗資越來越多的原因，也是宇宙的產(chǎn)生、發(fā)展和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)通過量子力學(xué)而緊密相關(guān)表現(xiàn)了極大和極小相互轉(zhuǎn)化的辯證論，正是現(xiàn)代科學(xué)理論展示的奇觀。 量子力學(xué)也對哲學(xué)產(chǎn)生深刻的影響，在量子力學(xué)中，連續(xù)與分立、粒 子與波動、決定性和隨機性、短 (長 )時間脈沖 和高 (低 )能量、小 (大 )空間范圍與大 (小 )運動動量等等相互矛盾的方面統(tǒng)一于物質(zhì)和運動的存在之中，顯示了辯證思維的威力。 (三 )分子生物學(xué) 分子生物學(xué)的提出和完善不僅從分子的角度闡明了遺傳的本質(zhì)， 6 而且?guī)砜梢灾苯硬僮魃囊幌盗屑夹g(shù)。分子生物學(xué)的發(fā)展已到可以克隆動物，進而可以復(fù)制人類自身的程度，正在深刻地改變自然進化的進程，嚴重地沖擊著人類的倫理觀念。 ? 牛生牛，馬生馬 ? 和 ? 種瓜得瓜，種豆得豆 ? 這樣的諺語，在生物學(xué)中用 ? 遺傳 ? 這一術(shù)語概括。而對于 ? 我們這個大 千 世界的千千萬萬種生物是怎樣來 ? 這一問題的回答，生物學(xué)用 ? 進化 ? 解釋。經(jīng)幾千年的努力，人類在 19 世紀下半葉才提出生物進化論和遺傳基 因論的科學(xué)理論。在 20 世紀的 100 年里，基因論得到長足的發(fā)展 ，由于 1953 年遺傳物質(zhì)核酸分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，生物學(xué)的研究進入到分子水平，形成了貫穿一切生物現(xiàn)象的分子生物學(xué)理論。 早在公元前約 400 年，古希臘著名醫(yī)生希波克拉底 (Hippocrates ofCos，約公元前 460 年～公元前 377 年 )就認為受精包括了父母種子物質(zhì)的混合，但對于遺傳物質(zhì)究竟是什么卻沒有答案 。直到 17 世紀用顯微鏡觀察到植物的細胞結(jié)構(gòu)，解決這一問題才有了可行的思路。1665 年英國科學(xué)家胡克 (Robert Hooke， 1635 年 1703 年 )首次用顯微鏡觀察到細胞的結(jié)構(gòu)，細胞是生物組織的基本單元。高等生物的細胞外是一層細胞膜，內(nèi)有細胞質(zhì)和細胞核。 1833 年英國植物學(xué)家布朗(Robert Brown， 1773 年～ 1858 年 )第一次將細胞核看成是活細胞的一個有機組成部分。細胞核內(nèi)有染色體，細胞質(zhì)內(nèi)有多種細胞器，如生產(chǎn)蛋白質(zhì)的核糖體、進行光合作用的葉綠體、由食物產(chǎn)生的細胞能利用的能源分子 ATP 的線粒 體等等。 1841 年克利克爾 (Rodolf A． VOrl Kolliker， 1817 年 1905 年 ) 證明了精子是細胞， 1852 年雷馬克 (Robert Remflk 9 1815 年～ 1865 年 )指出卵子是細胞， 1869 年瑞士生理學(xué)家、有機化學(xué)家米歇爾 (Johann F． Miescher， 1844 年 1895 年 )發(fā)現(xiàn)細胞核中真正起作用的物質(zhì)，稱之為 ? 核素 ? ， 1879 年德國生物化學(xué)家科賽 (Albrecht Kossel， 1853 年1927 年 )發(fā)現(xiàn)核素中的 ? 堿基 ? 分子 (兩種嘌呤和兩種嘧啶 )， 1889 年 7 阿特曼 (R． Altmann，生卒年不祥 )發(fā)現(xiàn)核素中的 ? 核酸 ? 。 從 1857 年開始，德國生物學(xué)家孟德爾 (Johann F． Mendel,1822 年1884 年 )，對 34 個變種的豌豆進行實驗，引進了遺傳 ? 因 子?的概念，認為遺傳性狀是由離散的因子攜帶而傳遞到后代的。 1903 年美國生物學(xué)家薩頓 (w． Sutton， 1877 年 1916 年 )把細胞學(xué)和遺傳學(xué)結(jié)合起來并把孟德爾的遺傳因子定位在細胞核中的染色體上， 1908 年丹麥生物學(xué)家約翰森 (w． L． Johannsen， 1857 年 —— 1927 年 )引進 ? 基因 ? (gene)代替 ? 因子 ’’ 等含糊概念。美國遺傳學(xué)家摩爾根 (T． H． Man，1866 年 1945 年 )通過對果蠅的研究于 1926 年出版《基因論》，為基因理論奠定了基礎(chǔ)。摩爾根及其助手們發(fā)現(xiàn)染色體上的基因按直線排列， 其位臵可以繪成圖譜。 1919 年美國生物學(xué)家列文 (P． A Levene，1869 年 1940 年 )發(fā)現(xiàn)核酸可以區(qū)分為脫氧核糖核酸 (DNA)和核糖核酸(RNA)兩種， 1934 年他又發(fā)現(xiàn)核酸的基本單位核苷酸并且確定它是由堿基、脫氧核糖 (或核糖 )和磷酸連接而成的。到 30 年代，遺傳學(xué)家們已充分 認識到所有的動物和植物細胞的染色體都具有 DNA 和 RNA。1944年美國細菌學(xué)家艾弗里 (O． T． Avery， 1877 年～ 1955年 )發(fā)現(xiàn) DNA是細菌之間經(jīng)交換而產(chǎn)生突變的轉(zhuǎn)化因子，實際上等于證明它是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)。 1952 年美籍奧地利生物化學(xué)家查伽夫 (E． Chargaff，1905 年～ )精確測定 DNA 之四種堿基中兩種瞟呤 (鳥嘌