【正文】 1 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對(duì)人類社會(huì)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(guò)本專題的教學(xué)，使學(xué)員對(duì) 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對(duì)人類社會(huì)的影響 有一個(gè)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(duì)人類社會(huì)的影響 【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】 教學(xué)重點(diǎn)： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況及其對(duì)人類社會(huì)的影響 教學(xué)難點(diǎn)： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況 【導(dǎo)語(yǔ)】 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(duì)各國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化等方面產(chǎn) 生了深刻的影響。在以經(jīng)濟(jì)實(shí)力、國(guó)防實(shí)力和民族凝聚力為主要內(nèi)容的綜合國(guó)力的激烈競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，成為維護(hù)國(guó)家主權(quán)和經(jīng)濟(jì)安全的命脈所在。在 21 世紀(jì)，我們既面臨著許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又擁有難得的機(jī)遇。在挑戰(zhàn)和機(jī)遇面前，我們各級(jí)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(shí)。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(shí)》一書作的序中指出：“抓緊學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代科技知識(shí)，是擺在我們面前的一項(xiàng)重要任務(wù)，各級(jí)干部要從國(guó)家富強(qiáng)、 民族振興的高度來(lái)認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)的重要性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自覺(jué)性?！闭J(rèn)真學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)江澤民總書記的重要指示，對(duì)于我們牢固樹立“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的觀點(diǎn)，深刻理解“三個(gè)代表”的重要思想，從世界眼光和戰(zhàn)略思維 2 的高度認(rèn)清學(xué)習(xí)現(xiàn)代科技知識(shí)的重要性、必要性和緊迫性，進(jìn)一步增強(qiáng)科技意識(shí)，從思想到行動(dòng)真正轉(zhuǎn)移到依靠科技進(jìn)步和提高勞動(dòng)者素質(zhì)的軌道上來(lái)，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康地發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 一、 20 世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)理論的重大發(fā)現(xiàn) 在 21 世紀(jì)初的今天，我們可以蓋棺論定地說(shuō)，相對(duì)論、量子力學(xué)和分子生物學(xué)等 基礎(chǔ)理論是 20 世紀(jì)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(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對(duì)人類的思維方式和認(rèn)識(shí)方法產(chǎn)生了深刻的影響，這些重大理論發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)。 (一 )相對(duì)論 相對(duì)論是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的時(shí)空物理理論，它以嶄新的時(shí)空觀建立起全新的物理學(xué)知識(shí)體系，不僅把人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)提升到 — 個(gè)新的水準(zhǔn)，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(diǎn)來(lái)看，時(shí)間和物質(zhì)是彼此獨(dú)立的存在，時(shí)間的度量不依賴于觀測(cè)者所在參考系的運(yùn)動(dòng)。一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的速度只 在相對(duì)于某個(gè)參考系測(cè)量時(shí)才有意義，本身并無(wú)絕對(duì)意義。在相互作等速運(yùn)動(dòng)的參考系上，觀察物體的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)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?cè)谝惠v運(yùn)動(dòng)的火車上看，一定發(fā)現(xiàn)和我們同方向運(yùn)動(dòng)的汽車等速運(yùn)動(dòng)，而與我們反方向運(yùn)動(dòng)的汽車速度快。牛頓力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律只涉及力和加速度，物體在沒(méi)有外力的作用下按照慣性作等速運(yùn)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)規(guī)律在相互作等速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上是相同的，這稱為牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理。 愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論是 20 世紀(jì)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(yùn)動(dòng)速 度遠(yuǎn)低于光速時(shí)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(shí)驗(yàn)事實(shí)，又和日常經(jīng)驗(yàn)不矛盾。它還改變了人們對(duì)絕對(duì)時(shí)空，對(duì) 3 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的觀念。 和牛頓力學(xué)的看法不同，愛(ài)因斯坦將狹義相對(duì)論建立在兩個(gè)基本原理 (在未證明前稱為假說(shuō) )上：一為相對(duì)性原理，即在兩個(gè)相互作等速直線運(yùn)動(dòng)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(gè)不變的常數(shù)而與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)皆無(wú)關(guān)。這兩條假說(shuō)都有各自的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)，但在牛頓絕對(duì)時(shí)空的觀念下彼此產(chǎn)生矛 盾。愛(ài)因斯坦認(rèn)為問(wèn)題出在絕對(duì)時(shí)空的觀念上。他從這兩個(gè)假說(shuō)出發(fā)，以邏輯的推理得出以下的結(jié)論： (1)時(shí)空與運(yùn)動(dòng)不是彼此獨(dú)立的絕對(duì)的概念，在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)參考坐標(biāo)系中，時(shí)間的度量不同。在 — 個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件在另 — 相對(duì)作等速運(yùn)動(dòng)的參考系中不是同時(shí)發(fā)生。由此可以導(dǎo)出不同慣性參考系的時(shí)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(duì)論還證明，物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)是聯(lián)系在一起的，質(zhì)量和能量 等價(jià)，它們可以互相轉(zhuǎn)化，滿足能量守恒定律。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，它的慣性質(zhì)量和 能量也隨之增加。在靜止時(shí)有質(zhì)量的粒子，其運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量和能量?jī)烧叨冀咏鼰o(wú)窮大。因此光速是物體運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中都將始終以光速運(yùn)動(dòng)。由于 靜止物體的質(zhì)量也等價(jià)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(gè)推論和各種原子核靜止質(zhì)量的測(cè)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(gè)預(yù)言制造出原子彈、氫彈和原子能發(fā)電站。狹義相對(duì)論的各種推論和預(yù)言不久就為實(shí)驗(yàn)所全部 證實(shí)。愛(ài)因斯坦所提出的理論假說(shuō)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證成為了科學(xué)的原理。 愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò) 10 年的默默努力又到達(dá)一個(gè)新的科學(xué)高峰， 1915年他發(fā)表了題為《引力的場(chǎng)方程》的論文，宣告?廣義相對(duì)論 ?作 4 為 — 種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。廣義相對(duì)論是 — 個(gè)比狹義相對(duì)論 更為抽象而難于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的物理學(xué)理論，以致被有些人稱為?理論物理家的天堂，實(shí)驗(yàn)家的地獄?。而當(dāng)光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)旁會(huì)生產(chǎn)彎曲這一廣義相對(duì)論的預(yù)言于 1919 年為愛(ài)丁頓 (Arthur S． Eddington， 1882 年 ——1944 年 )率領(lǐng)的英國(guó)日食觀測(cè)隊(duì)證實(shí)后，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯 姆遜(Joseph J． Thomson， 1856 年 ~1940 年 )宣稱：?廣義相對(duì)論是人類思想史上最大的成就之一。? 愛(ài)因斯坦提出兩條原理作為前提假說(shuō)，建立了廣義相對(duì)論的邏輯系統(tǒng)：一條原理叫廣義相對(duì)性原理，即廣義協(xié)變?cè)恚鲝堊匀欢稍谝磺凶鴺?biāo)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(chǎng)在物理上等價(jià)。由這兩條原理結(jié)合通過(guò)邏輯推理，發(fā)現(xiàn)物體的存在和運(yùn)動(dòng)會(huì)改變所在時(shí)空的曲率，形成彎曲的時(shí)空。物體在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)會(huì)引起運(yùn)動(dòng)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(wàn)有引力。提出廣義相對(duì)論時(shí)，愛(ài)因斯坦作了三個(gè)全新的預(yù)言，即水星近日點(diǎn)每百年向前移動(dòng)43 角秒、光線掠過(guò)太陽(yáng)邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生 1． 75 角秒的偏折和光譜在引力場(chǎng)下會(huì)發(fā)生紅移，這些預(yù)言不久都得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 1979 年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)處星體所發(fā)出的光可以通過(guò)引力透鏡聚焦成像，又一次證明了廣義相對(duì)論。 1917 年愛(ài)因斯坦根據(jù)他的引力場(chǎng)方程推論了引力波的存在。驗(yàn)證引力波存在的實(shí)驗(yàn)非常困難，至今還未得出明確的結(jié)論，已成為物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的一大難題。 廣義相對(duì)論將時(shí)空和萬(wàn)有引力、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在一起，具有重要的哲學(xué) 意義。它說(shuō)明，物質(zhì)、時(shí)空、相互作用和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)變化之中，事物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成自身的結(jié)構(gòu)和賴以存在的時(shí)空，反過(guò)來(lái)，時(shí)空的結(jié)構(gòu)又對(duì)物體產(chǎn)生引力作用，影響事物的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)。廣義相對(duì)論的根本意義在于它提供了一種新的物理時(shí) 5 空觀，牛頓經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論的時(shí)空結(jié)構(gòu)是一種無(wú)場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)。而廣義相對(duì)論則描述包含引力場(chǎng)在內(nèi)的時(shí)空結(jié)構(gòu)。它的成功引導(dǎo)了將所有力場(chǎng)和時(shí)空結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來(lái)的研究方向。相對(duì)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(shí)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(chǎng)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(jiàn)之微觀世界的秘密，帶來(lái)了一系列的重大技術(shù)變革，也深刻地改變了人們對(duì)整個(gè)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 量子力學(xué)能成為科學(xué)真理則在于它強(qiáng)大的預(yù)見(jiàn)性，現(xiàn)在，從單個(gè)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(shí)驗(yàn)所完全證實(shí)。 根據(jù)量子力學(xué)，頻率越高、波長(zhǎng)越短的波包相對(duì)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(jìn)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(lái)越小的基本粒子所需的加速器能量越來(lái)越大，耗資越來(lái)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(guò)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(duì)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(dòng)、決定性和隨機(jī)性、短 (長(zhǎng) )時(shí)間脈沖 和高 (低 )能量、小 (大 )空間范圍與大 (小 )運(yùn)動(dòng)動(dòng)量等等相互矛盾的方面統(tǒng)一于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)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)?lái)可以直接操作生命的一系列技術(shù)。分子生物學(xué)的發(fā)展已到可以克隆動(dòng)物，進(jìn)而可以復(fù)制人類自身的程度，正在深刻地改變自然進(jìn)化的進(jìn)程，嚴(yán)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(yǔ)，在生物學(xué)中用 ? 遺傳 ? 這一術(shù)語(yǔ)概括。而對(duì)于 ? 我們這個(gè)大 千 世界的千千萬(wàn)萬(wàn)種生物是怎樣來(lái) ? 這一問(wèn)題的回答，生物學(xué)用 ? 進(jìn)化 ? 解釋。經(jīng)幾千年的努力，人類在 19 世紀(jì)下半葉才提出生物進(jìn)化論和遺傳基 因論的科學(xué)理論。在 20 世紀(jì)的 100 年里，基因論得到長(zhǎng)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(jìn)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(rèn)為受精包括了父母種子物質(zhì)的混合，但對(duì)于遺傳物質(zhì)究竟是什么卻沒(méi)有答案 。直到 17 世紀(jì)用顯微鏡觀察到植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，解決這一問(wèn)題才有了可行的思路。1665 年英國(guó)科學(xué)家胡克 (Robert Hooke， 1635 年 1703 年 )首次用顯微鏡觀察到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞是生物組織的基本單元。高等生物的細(xì)胞外是一層細(xì)胞膜，內(nèi)有細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。 1833 年英國(guó)植物學(xué)家布朗(Robert Brown， 1773 年～ 1858 年 )第一次將細(xì)胞核看成是活細(xì)胞的一個(gè)有機(jī)組成部分。細(xì)胞核內(nèi)有染色體，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有多種細(xì)胞器，如生產(chǎn)蛋白質(zhì)的核糖體、進(jìn)行光合作用的葉綠體、由食物產(chǎn)生的細(xì)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(xì)胞， 1852 年雷馬克 (Robert Remflk 9 1815 年～ 1865 年 )指出卵子是細(xì)胞， 1869 年瑞士生理學(xué)家、有機(jī)化學(xué)家米歇爾 (Johann F． Miescher， 1844 年 1895 年 )發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中真正起作用的物質(zhì)，稱之為 ? 核素 ? ， 1879 年德國(guó)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(guó)生物學(xué)家孟德爾 (Johann F． Mendel,1822 年1884 年 )，對(duì) 34 個(gè)變種的豌豆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，引進(jìn)了遺傳 ? 因 子?的概念，認(rèn)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(guó)生物學(xué)家薩頓 (w． Sutton， 1877 年 1916 年 )把細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)結(jié)合起來(lái)并把孟德爾的遺傳因子定位在細(xì)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(jìn) ? 基因 ? (gene)代替 ? 因子 ’’ 等含糊概念。美國(guó)遺傳學(xué)家摩爾根 (T． H． Man，1866 年 1945 年 )通過(guò)對(duì)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(guó)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(rèn)識(shí)到所有的動(dòng)物和植物細(xì)胞的染色體都具有 DNA 和 RNA。1944年美國(guó)細(xì)菌學(xué)家艾弗里 (O． T． Avery， 1877 年～ 1955年 )發(fā)現(xiàn) DNA是細(xì)菌之間經(jīng)交換而產(chǎn)生突變的轉(zhuǎn)化因子，實(shí)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(cè)定 DNA 之四種堿基中兩種瞟呤 (鳥嘌