第二节 技术

一、技术的基本概念
技术一词来源于古希腊语，古希腊伟大的思想家亚里士多德(Aristotle,公元前384～322)称技术是制造的智慧。1615年，英国的巴克爵士创造了"Technology"一词，表示技术原理和过程。
在现代，对技术有狭义和广义两种不同的理解：狭义的理解，只把技术限制在工程学的范围内，如机械技术、电子技术、化工技术、建筑技术等；广义的理解，则把技术概念扩展到社会、生活、思维的领域。我国学者给技术下的广义定义是："人类在为自身生存和社会发展所进行的实践活动
中，为了达到预期目的而根据客观规律对自然、社会进行调节、控制、改造的知识、技能、手段、规则方法的集合。"这表明，现代技术已经超越了工程学的范围，从生产领域向社会生活的各领域扩展了。
二、技术的特征和属性
(一)技术的"中介"性
技术的根本任务是解决人类改造客观世界的实践活动中"做什么"和"怎么做"的问题。
(二)技术具有自然属性
技术的自然属性是指任何技术都必须符合自然规律。任何时代的技术，都是对自然规律的自觉或不自觉的应用。
(三)技术具有社会属性
技术既具在自然属性，又具有社会属性。技术的社会属性是指任何技术都是人们为了社会需要，按人的目的而创造发明的
三、技术的三次革命
(一)第一次技术革命
18世纪，以英国钟表匠约翰·凯伊(Kay John,1704～1764)发明的飞梭为导火索，直到瓦特(J.Watt,1736～1819)在他人研究基础上发明了普遍使用的蒸汽机，技术由量的积累实现了质的飞跃，它不仅大大提高了纺织业的生产效率，而且也促进了机器制造业、钢铁工业、交通运输业的发展，并为资本主义工厂制造业的生产方式代替封建社会手工作坊式的生产方式提供了重要的物质基础，推动了社会生产力的迅猛发展。这便是近代史上第一次技术革命与产业革命。
(二) 第二次技术革命
19世纪70年代，具有实用价值的电动机和发电机先后问世，继而在20世纪80年代又实现了电力的远距离传输。同时，内燃机技术不断得到改进与广泛应用，它们不仅提供了方便而廉价的能源，推动了一系列新兴工业的发展，带动了一系列新的技术发明，而且为资本主义国家提高生产社会化的程度和资本的进一步集中，为自由资本主义向垄断资本主义的过渡提供了重要条件。这是近代史上第二次技术革命与产业革命。
(三) 第三次技术革命
20世纪中叶以来，由于原子能、电子计算机和空间技术的发展，开始了第三次技术革命，也就是现代技术革命。特别是20世纪70年代以后，进入了新技术革命阶段，微电子信息技术的发展与生物技术的突破以及材料、激光、遥感、海洋、人工智能、多媒体信息技术等领域的长足进展，极大地拓展了人类利用、改造和控制自然的能力，同时面对着诸如资源枯竭、环境污染、生态失衡等问题，促使人类开发了可持续发展技术。人类面对的现代技术革命，其内容之丰富，发展之迅猛，影响之广泛与深远都是前两次技术革命所不能比拟的。本书将以主要篇幅加以阐述。
四、现代技术的三大体系
(一)物质变化技术
物质变化包括物质的组分变化、物态和物性变化、外形和色泽变化。物质变化技术主要包括各种材料的设计、制备和加工。就材料的大类来分有：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料、结构材料（按不同的力学性能）和功能材料（光、电、磁、热、声等性能）、块状材料、薄膜材料、粉末材料和纤维材料等。在20世纪中，材料技术表现出一些基本特征：对材料的选择已从低分子走向高分子，对材料的制备已从合成走向组合合成，对材料的加工已从微米走向纳米；主要朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化方向发展。
（二）能量转换技术
能量转换包括诸多能量形式的转换，如电池是化学能转变为电能的装置，光电池是光能转变为电能的装置，蒸汽机是热能转换为机械能的装置，发电机是机械能转换为电能的装置，电动机是电能转换为机械能的装置，电炉是电能转换为热能的装置等。在20世纪中，能量转换技术有更多更新的发展，如喷气推进技术、核能技术、光电技术和多种能量转换技术。
（三）信息控制技术
信息的本质是控制。信息技术就是形成信息控制系统，对信息过程（产生、采集、存储、交换、处理等）能动地加以利用。电磁相互作用是信息技术的主要能量载体；核酸分子是生物信息的载体，如对遗传信息的携带与传递。

第三节 科学与技术的关系

科学与技术既有内在的联系也有重要的区别，从本质上看，科学是反映客观事物属性及运动规律的知识体系，回答"为什么"的问题。技术是利用客观规律，创造人工事物的过程、方法和手段，回答"怎么做"的问题。二者既有原则性的区别，又有着相互依存、相互转化的密切关系。
一、科学与技术的内在联系
现代科学与技术是一个辩证统一的整体。科学离不开技术，技术也离不开科学，它们互为前提、互为基础。科学中有技术，技术中有科学。例如，基础科学（物理、化学、生物、天文、地学）都离不开实验和观察技术；而许多高技术（电子技术、计算机技术、激光技术、生物工程技术、超导技术等），又离不开科学的指导，都要应用最新的科学理论。现代科学的发展，一开始就依赖于先进的技术手段。由于现代科学研究已深入到了微观世界，扩展到了宇宙天体，只有借助于先进的实验装置（高能加速器、射电望远镜）才能进行。因此，科学对技术的依赖性越来越强，出现了"科学技术化"的趋势。同时，技术也更加科学化。可以说，现代科学是高技术之母，科学是技术的先导和发源地。高技术发展的道路是，首先是有了新的科学发现，提出了新的科学理论和原理（即知识创新），进一步才考虑如何将这些成果应用于社会实践（如生产斗争、军事斗争）中去，创造新的应用技术（即技术的发明）。从发现核裂变现象到制造原子弹、从发现受激辐射现象到研制成功激光器，从发现DNA的双螺旋结构到进行基因重组等等，这些高技术的出现，表明它们是"以现代科学为基础的技术"。
二、科学与技术的区别
(一)科学与技术的构成要素不同
科学的要素是概念、范畴、定律、原理、假说。技术的要素分为两类：一类是主体要素，即经验、理论、技能；另一类是客体要素，即工具、机器等装置。
(二)科学与技术的任务不同
科学的任务是有所发现，揭示自然界的新现象、新规律；技术的任务是利用自然、控制自然，创造人工自然物。
(三)科学与技术所要解决的问题不同
科学主要解决"是什么"和"为什么"的问题；技术主要解决"做什么"和"怎么做"的问题。
(四)科学与技术的研究过程不同
科学研究的目标有较大不确定性，往往难以预见在未来会作出什么发现，也难以计算出作出某种新发现需要多少时间，付出多大代价；技术开发虽然也有一定不确定性，但新产品的研制、新工艺的开发还是有既定的目标的，有较明确的步骤和经费预算，技术开发工作的计划性比较强。
(五)科学与技术的劳动特点不同
科学研究的自由度要大些，个体性较强；技术开发活动虽然必须发挥个人的独创性，但是，其活动的集体性较强。
(六)科学与技术的成果的表现形式不同
科学研究的成果主要表现为学术论文、学术专著，它的价值主要在于深化人类认识，增加人类知识宝库；技术开发的成果主要表现为工艺流程、设计方案、技术装置，它的价值主要在于实用性、经济性和可行性以及对社会实践的推动作用。

第二节 近代科学的兴起

一、科学革命的突破
近代科学首先在天文学和医学生理学两大领域取得了突破性胜利。1543年出版的哥白尼（XXXXpernicus1473一1543）的《天体运行论》和维萨里（A．Vesalius，1514～1564）的《人体的结构》，成为近代科学革命的开端。
(一)天文学革命
天文学是一门古老的学科，它研究广阔空间中天体的位置、分布、运动、形态结构、物理状态、化学组成和演化规律。
古代人为了生产、生活的需要，已经开始有目的地对星体、日、月的运动周期及其相对位置的变化进行观察记录，探寻其变化规律。古埃及、古巴比伦、中国、古印度这些文明古国都已经有了古代天文学。
希腊古代天文学对后来欧洲天文学有很大的影响，希腊古代天文学家特别注意研究行星在星空背景中的运动，力图精确地测量行星的位置和分析行星运动的规律，建立起宇宙体系模型。从柏拉图（Plato，公元前427－347）开始，古希腊天文学形成了自己的特色，用几何系统来表示天体的运动。柏拉图已经提出了地球中心的思想。他的学生亚里士多德（Aristotle，公元前384～322）继承了柏拉图的思想，并从自己的哲学思想体系出发发展了这个思想。后来，有一些学者对于地心学说进行了改进，亚历山大城的天文学家托勒密(XXXXolemy，约85－168）将其系统化，形成了科学史上的"地心说"。
在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行。为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮～～～均轮体系，以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。在西方的中世纪，教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分。这样一来，原本很单纯的天文学理论--地心说--就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。15世纪以来，随着环球航行、地理大发现带来的航海事业的大发展，大量更精确的天文观测暴露出"地心说"与实际的偏差越来越大。
波兰天文学家哥白尼对托勒密的体系进行了研究，他认为该体系存在着严重的缺陷，是难以令人满意的。他设想找出一种更合理的图形安排，使每个天体都绕着它合适的中心均匀运动。在他看来，行星绕中心运动是绝对的，托勒密实际上破坏了这种观念，这是不能容忍的。因而托勒密体系必须要加以改变。哥白尼注意到毕达哥拉斯学派的"中心火"思想，于是他试图从太阳为宇宙中心出发去重新建立宇宙体系。哥白尼经过数十年的观察和研究，终于建立起以太阳为中心的宇宙体系--"日心说"。日心说认为，地球并非静止不动，也不处于宇宙中心，地球是一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转，又与其他行星一起围绕宇宙中心--太阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。
在今天看来，虽然哥白尼学说错误很多，但日心说的阐明仍是近代科学史上的一件划时代的大事。它把千余年来一直占统治地位的日地关系颠倒了过来，描述了一种和谐、简单、优美的太阳系结构，从而使得天文学的进一步发展有了牢靠的基础，成为科学的天文学诞生的标志，而由此引发的对于运动机制的探讨，推动了力学研究的发展，从而也就成为近代科学诞生的标志。更重要的是，哥白尼的日心说动摇了神学宇宙观的支柱，或者说，这个学说的提出意味着反对宗教化了的地心说，向人们表明宗教神学观念也不是不可动摇的，因而哥白尼著作的发表成为了自然科学从神学中解放出来的宣言书。
(二)医学生理学革命
自古以来，医学实践一直是人类活动的一个极为重要的方面，研究疾病的产生、性质和治疗以及研究人体的结构和功能，始终是自然科学不可缺少的组成部分。在医学理论和实践上，各种古文明都形成了自己的医学传统。
西方医学中的一个突出的特点是对于外科的研究并注意以解剖学为基础。文艺复兴以来，一批艺术家、医学家不仅从事动物解剖，而且从事人类解剖学和解剖生理学的研究。达芬奇（L.da Vinci Leonado，1452～1519）为了确定人体的正确比例和结构，亲自解剖尸体，画出了许多精细的尸体解剖图。他曾研究过心脏的肌肉并画出心脏瓣膜图，用水的循环来比喻血的运行，表述了血液循环的概念。
在哥白尼发表日心说的1543年，比利时医生维萨里(A .Vesalius,1515～1564) 发表了《人体的结构》。通过解剖，维萨里确定了男女肋骨数目相等，并不像《圣经》所说的女人是用男人的一条肋骨创造的，因而男人比女人少一条肋骨。他的结论动摇了天主教会的教条，宗教裁判所以盗尸和巫师罪判处他死刑，后允许他去朝圣，维萨里困死途中。
维萨里在《人体的结构》这本解剖学著作中，纠正了古罗马医生盖仑（Galen，129－199）的许多错误。他通过解剖实践证明，人的心脏的中隔很厚，由肌肉组成，血液不可能如同盖仑所说是通过中隔从右心室流入左心室。但是，维萨里没有解决血液怎样由右心室进人左心室的问题。西班牙医生塞尔维特（XXXXrvetus，约1511－1553）于1553年提出血液小循环理论。英国医生哈维（W.Harvey，1578一1657）进而提出了血液大循环理论，并在1628年出版了（心血循环运动论），从而标志着人体血液循环理论的建立。
在血液循环理论的建立过程中，由于社会条件的原因，充满着艰辛的斗争。教会为了神学的需要，把盖仑的医学理论绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。除了维萨里受到了教会的迫害以外，塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔文派新教逮捕并处以死刑，在烧死之前还活活烤了两个钟头。
血液循环理论的建立，具有重要的科学价值，成了临床医学的理论基础，同时也成了近代生理学的重要基础。在哈维以后，比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立起来。
二、经典力学的奠基
（一）天体力学
德国著名天文学家、数学家开普勒(Jokipler，1571～1630)受毕达哥拉斯学派中理性主义的影响，认为哥白尼日心体系中，所表现出的简洁的几何秩序与和谐的数字关系，正反映了数学理性主义思想。于是，他把自己的毕生精力投入到完善日心说理论的研究中。他利用第谷o布拉赫（Tycho Brahe,1546～1601）长达20年观测行星运动的精确记录，进行计算后发现：按日心说中行星运行的轨道为正圆所算出的数值与第谷的观测数据相差8弧分。开普勒坚信第谷数据的精确性，并按第谷的数据发现行星运行的轨道是椭圆形，从而建立了行星第一运动定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。为了指出某行星在某一具体时间所处的位置，开普勒经过一系列计算，发现行星运行线速度有变化，又大胆否定了天体按匀速运行的传统观念，提出了行星运动第二定律：在相等的时间间隔内，行星和太阳的连线在任何地点沿轨道所扫过的面积相等。1609年，开普勒把这两条定律写进《新天文学》一书中并发表。此后，他又用了9年的时间寻找行星之间及行星与太阳之间的关系，终于在各种数据中发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方与其轨道半径的立方成正比，即：T2=R3（T：运行周期；R：轨道半径）。开普勒的行星运动三定律，正确地描绘了行星运动的轨迹、时间、速度及与太阳的关系，揭示了天体的基本运动规律，为天体力学的诞生提供了坚实的基础，因此，开普勒获得"天空的立法者"的美誉。
(二)运动力学
与开普勒同期的伽利略（GoGalileo,1564～1642）是意大利著名的天文学家和实验物理学家。他开创了近代科学的实验研究方法，强调科学认识必须来自观察和实验，并接受实验的验证。他除了用自制的天文望远镜给日心说提供了一系列确凿的证据外，还用自己设计制造的试验仪器，否定了被宗教奉为权威的亚里土多德运动学思想，揭示了地面物体运动的基本定律。1604年，伽利略设计了斜面实验，以求冲淡重力，定量地观察自由落体速度变化的规律性。他让一小球从斜面顶端沿槽滚下，记下倾斜度和球从木板的顶端到底部所需要的时间，并不断改变倾斜度，进行反复实验。最后发现，物体沿同一高度，从不同倾斜度的斜面到达底端时，所用的时间相同，末速度也相同，由此，伽利略总结了自由落体定律：物体下落的速度与时间成正比，它下落的距离与时间的平方成正比。证明亚里土多德的下落物体的速度与重量有关的结论是错误的。伽利略在斜面实验中还发现，小球从斜面滚下之后，接着可以滚上另一斜面，达到原来出发点的高度。假如把第二个斜面放平，小球将以匀速沿直线方向继续滚下去。从而揭示了力是产生加速度的原因，并导出当物体不受外力作用时，运动的物体作匀速直线运动的惯性原理。这样又纠正了亚里土多德力是产生物体速度的原因的错误观点。有了自由落体定律和匀速直线运动的概念，伽利略又发现抛物体运动是由两种运动合成的，一种是垂直向下的自由落体运动，一种是水平方向的匀速直线运动。从而证明亚里土多德所说的一个物体不能同时有两种以上运动的结论也是错误的。伽利略在运动力学上的一系列开创性工作，打破了亚里土多德运动学思想对物理学的束缚，把近代物理学推上了历史舞台，因而，被誉为近代的物理学之父。
三、经典力学体系的形成
(一)牛顿三大定律
牛顿（XXXXwton，1642～1727）在著名的《自然哲学的数学原理》一书中，给出了一种力的定义，大意是：施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动的状态的一种作用。这几乎就是力的现代定义。事实上，力是代表物体间的一种相互作用，由于这种作用，物体会改变速度，即获得加速度。力有很多种，这由物体间的相互作用的不同方式而决定，如重力、摩擦力、弹性力等等。
在定义了力的概念以后，牛顿在伽利略关于物体运动研究的基础上，总结出地面物体运动的三大定律。
第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他任何物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。
这一定律说明，任何物体都具有一种保持原来运动状态的特性。这种特性被称为物体的惯性。因此，第一定律也被称为惯性定律。这个定律也可以这样表述：当且仅当没有一个净外力（未平衡外力）作用在物体上时，每一物体才将保持静止或匀速直线运动不变。这种说法意味着，该定律指出了判定是否存在一个未平衡外力的依据，这就是说，只要存在着偏离直线或沿任一方向作加速运动的物体，就必定存在一个净力，因此力不是匀速运动的原因而是改变速度的原因。
第二定律：物体受到外力时，物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，而与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。写成等式为
F＝ma
式中F为合外力，a为获得的加速度，m为物体的质量。
以微积分形式表达为
F=md2r/dt2
第三定律：当物体A以力F作用于物体B上，物体B也必定同时以F′反作用在物体A上，F和F′在一条直线上，大小相等而方向相反。即
F=～ F?
人们常常将F称为作用力，将F?称为反作用力。因此，第三定律也可以表述为：作用力和反作用力大小相等，方向相反，分别作用于不同的物体上。这就是说，每一作用力总有一个与之对立的相等的反作用力，或者说两物体彼此之间的相互作用总是相等，并且指向对方。
(二)万有引力定律
牛顿在建立了力学的基本概念并发现了力学的基本定律之后，就试图用来解决一系列的问题。他在着手解决太阳系的动力学问题中，进一步发现了万有引力定律。
牛顿发现万有引力的实际历史过程和思路非常复杂，这里只是从论证的角度作一点推导。根据牛顿第一定律，行星和卫星的运动表明，它们处于平衡状态，因而一定有一个净力作用于它们，否则，行星或者卫星就不会绕中心天体运动，将会沿着直线运动，它们之所以绕中心天体作椭圆运动，这就表明一定有一个指向中心天体的力。由于椭圆运动近似于圆周运动，因而行星在任何时刻都受到一个指向太阳的向心力的作用，根据牛顿第二定律，这个力的大小为
F向＝ma向＝mRw2
式中w为该行星的角速度，R是从行星中心到椭圆焦点的距离。这个向心力的大小应为
　　　　　　　　 F向＝ma向＝mRw2=mR(2Л/T)2=4Л2mR/T2
式中T为行星绕太阳旋转的周期。由开普勒第三定律有T2=k R3就得到
F向＝4Л2mR/kR3=(4Л2/k)(m/R2)
上式表明，一个行星在绕太阳旋转时，它受到一个力，此力的大小与该行星的质量成正比，与它到太阳（焦点）的距离的平方成反比，4Л2/k 则是一个对太阳系中的所有行星都相同的常量。对此，牛顿提出了一个大胆的猜想：行星所受的向心力不过是太阳对它的吸引力，围绕行星旋转的卫星所受到的向心力则是行星对卫星的吸引力。通过论证，并与地球上物体受到的重力加以比较，还对天上的和地上物体间的相互作用进行了概括，得出万有引力定律：地球对地球上物体的吸引、太阳对行星的吸引都遵从同一个规律，即任何两个物体间都存在着相互作用的吸引力；引力的方向沿着两个物体联线的方向，力的大小与两个物体质量乘积成正比，与两个物体之间的距离的平方成反比。用等式表示出来：
F引＝G（m1m2／R2）
式中m1和m2为两个物体的质量，R为两个物体间的距离，G为万有引力常量。这个常量经后人测定为G＝6.67 ×10～11 m3／（kg·s2）。
万有引力定律的发现，使天体的运动与地面的运动统一起来，可以统一地加以研究。牛顿将万有引力定律应用于研究天体的运动，也就诞生了天体力学。
牛顿的工作，实现了近代科学史上的第一次重大综合。他的成就鼓舞了18世纪的法国科学家和数学家，他们引入新的数学工具，从而丰富和发展了经典力学体系。

第四节 近代技术的形成与发展

一、近代技术的形成--第一次产业革命
第一次技术革命发生于18世纪60年代的英国，这与当时英国的社会条件密不可分。英国资产阶级上台一百多年来，对内进行了农业资本主义改革，大规模的圈地运动，封建庄园变成了资本主义牧场。失去土地的农民成为城市工业的"自由"劳动力。资产阶级还采取了一系列保护私人财产、鼓励工商业发展、奖励技术发明、优待欧洲大陆的能工巧匠等政策。对外不断扩建殖民地，扩大海外贸易，掠夺各地资源，贩卖黑奴等，积累了巨额资金。从而使英国成为第一次技术革命的发源地。这场革命首先从棉纺织业开始，以蒸汽机的发明为基础，从而带动各个产业部门实现了从手工生产向机器生产的转化，最终用机器代替了人的部分体力劳动，使人类社会从农业社会跨进了工业社会。
(一)纺织技术
1733年，织布工人凯伊发明了织布用的飞梭，提高了织布效率一倍而引起严重的"纱荒"，导致了纺织技术不断革新的局面。1765年，纺织工人哈格里沃斯发明了多轴纺纱机即"珍妮机"，揭开了第一次技术革命的序幕。1769年，理发匠阿克莱特发明了使线更结实的水力纺纱机。1779年，工人克伦普顿综合了珍妮机与水力机的优点，发明了纺线既匀称又结实的走锭精纺机即自动"骡机"，大大提高了纺纱的数量和质量，初步完成了纺纱机的革新，却引起了新的不平衡。1785年，牧师卡特莱特发明了用水力推动的卧式自动织布机，提高效率40倍，基本解决了纺纱与织布的矛盾。随之而来的是一系列与纺织配套的机器发明，先后出现了净棉机、梳棉机、轧棉机、自动卷布机、漂白机、整染机等机器，实现了纺织行业的机械化，并带动相关的行业，如毛纺织业、造纸业、印刷业等出现机械化浪潮。
(二)蒸汽机技术
工作机的大量出现形成了机器与动力不足的矛盾，导致了对已有蒸汽机的革新。格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特，1763年在修理当时矿山提水用的纽可门蒸汽机时，受布莱克教授关于"比热""潜热"知识启发，发现纽可门蒸汽机效率低的主要原因，是由于机器每完成一次冲程，汽缸就必须冷却一次，下一冲程时再加热汽缸，这样反复冷凝、加热，把大量热能白白消耗掉了。于是从1765年到1784年期间，瓦特对纽可门蒸汽机进行了一系列根本性的改革。首先研制成功了与汽缸分离的单独的冷凝器，大幅度提高了蒸汽机的热效率。然后采用一套连杆曲柄传动机构，把蒸汽机的直线运动改为圆周运动，使蒸汽机带动其它机械作功成为可能。接着，他还设计了飞轮、进气阀门、离心调速器等，解决了蒸汽机连续而稳定的向外输出动力的问题。经瓦特改革的蒸汽机，通过传动装置，成为大工业普遍应用的动力机。
(三)机器制造技术
各种机器的出现，带动着机器制造技术的发展。1775年工程师威尔金森改革了斯米顿制造的镗床，提高了加工精度，用它加工的汽缸内径的误差只有1毫米。17 97年，英国机械师享利·毛兹利制造出了全金属的大型车床，车床上装有滑动刀架，改变了以往用手拿工具进行加工作业的方法，克服了手工操作很难按尺寸要求加工的缺陷，使得一般工人也能迅速而准确地加工部件。这两项发明在机床发展史上占有重要地位，标志着金属加工技术发生了质的飞跃。到19世纪50年代，龙门刨床、铣床、钻床、打孔机、开槽机等机床先后问世，机器制造业完成了从手工向机器操作的过渡，并且进入了用机器制造机器的时代。
(四)钢铁冶炼技术
英国18世纪以前用木炭炼铁，18世纪后由于木炭短缺改用煤炼铁。但英国煤炭中含有硫等杂质，所炼出的铁质地很脆，难以使用。1735年，英国人达比首先发明了把煤炭炼焦炭，再用焦炭炼铁的方法。燃料问题的解决使英国的铁产量迅速增长。到1750年钟表匠享兹曼发明了用坩埚炼钢的方法，坩埚用耐火泥制成，将生铁投入坩埚后将埚封闭，由于铁水与空气隔绝，炼出的钢相当纯净。 1784年，工程师享利·科待又发明了搅炼法，让铁水在不停的搅动中脱碳，冷却后锻压即成熟铁。搅炼法的出现为精炼优质铁开辟了一条广阔的道路。到18世纪末，英国已成为欧洲重要的钢铁出口国，率先进入钢铁时代。
(五)交通运输技术
1807年，美国工程师富尔顿(R.Fulton,1765～1815)发明了轮船。船长40米，宽4米，所用蒸汽机是13.4千瓦。1836年――1838年间，"天狼星"号和"大西洋"轮船完成了横渡大西洋的航行，以后轮船的航速不断加快，到1860年，"格利特伊斯坦"号横渡大西洋只用了11天，水上航行开始进入蒸汽机时代。与此同时，陆路运输的蒸汽机车也逐渐成熟并投入使用。1814年，英国煤矿工人斯蒂芬逊(XXXXephenson,1781～1848)建造出第一台可供实际使用的蒸汽机车，1825年，又制造出第一台客货混合运输的蒸汽机车。此后，火车作为重要的交通工具进入实用阶段。1836年，从利物浦到曼彻斯特铁路正式通车，仅10年时间，英国和爱尔兰铁路就增加到1350公里，到19世纪40年代，世界铁路总长达9 000公里。
(六)化工技术
化工技术在其它生产技术发展的推动下，也随之兴起。1746年，英国医生罗巴克发明铅室制造硫酸的方法，由此开始了硫酸的工业化生产。1791年，法国医生路布兰发明了以氯化纳为原料的制碱方法。他先将食盐和硫酸化合得到硫酸钠，然后再让硫酸纳与石灰、木炭相作用，从而得到碳酸钠，这一制碱法在19世纪上半叶发展很快。为了提高粮食产量，人们开始研究植物所需的肥料成份，并开始了人工制造肥料的历史，到19世纪40年代，德国、英国等欧洲国家陆续建立了磷肥厂、氮肥厂、钾肥厂，使化肥工业获得发展。同时，有机化学合成技术也有了较大发展。1845年，德国化学家霍夫曼在煤焦油中首先发现苯胺，英国化学家用苯胺合成奎宁时，意外地发现了优良染料--笨胺紫。1856年英国人帕金建成了世界第一个合成煤焦油染料工厂。不久，人们从煤焦油中已能提取大量芳香族化合物，并以这些物质为原料，制成种类繁多的香料、杀菌剂、炸药、药品等。
二、近代技术的发展--第二次技术革命
19世纪中叶，当第一次技术革命的成果在欧洲大陆全面推广之际，伴随着近代自然科学的全面繁荣，西方人又迎来了第二次技术革命。这场革命的标志是电力应用。以电机和电力传输、无线电通讯等一系列发明为代表，实现了电能与机械能等各种形式的能量之间的相互转化，给工农业生产提供了远比蒸汽动力更为强大而方便的能源，并由此发展了电力、电化工、汽车、航空、电子等一大批技术密集型新兴产业，原有的资本密集型工业开始向技术密集型工业转移，人类社会从蒸汽时代进入电气时代。
(一)电力技术
在电磁理论的指导下，不少工程师和科学家进行着发电机和电动机的研究。1866年，德国的发明家、商人沃纳·西门子(E.Werner Von Siemens,1816～1892)用电磁铁代替永久磁铁，并靠电机自身发出的电流为自身电磁铁励磁，制造出了第一台能提供强大电流的自激式发电机，从而打开了近代强电技术大门。1873年，德国人阿尔特涅克又研制成功了鼓状转子，使发电机能产生更加均匀的电流，从此发电机得以广泛推广而进入实用阶段。19世纪70年代，电动机进入了实用阶段，1879年，出现了电动机驱动的电车，此后还出现了电梯、起重机、电动机车等。尤其是 19世纪80年代后，法国物理学家、电气技师德普勒研制出第一条高压输电线路，采用英、美、德、俄等国电气工程技术人员发明的三相发电机、电动机、变压器，最终建立了三相交流供电系统。由于三相交流电容易变换电压，高压输电电能损耗小，从而降低了远距离供电成本，使电力很快成为整个工业部门普遍使用的强大动力。
(二)电讯技术
电磁理论的建立不仅推动着电力技术的发展，而且还推动着电讯技术的发展。早在1838年美国的莫尔斯(XXXXXXrse,1781～1872)在亨利的帮助下，就发明了由点划组成的电报电码，制造出了第一台有发展前途的电报机。 1844年，美国政府资助莫尔斯在华盛顿和巴尔的摩之间建成了一条长64公里的电报线路，电报进入实用阶段。1876年，美国人贝尔(XXXXXXll,1847～1922)发明了电话。不久美国人爱迪生又解决了长距离通话的问题，电话很快得到普及。如果说早期的电讯技术局限于有线通讯方面，那么，到19世纪末，自从德国科学家赫兹用实验验证电磁波的存在以后，利用电磁波进行无线通讯的研究吸引了不少人。其中最成功的是意大利发明家马可尼。1895年，马可尼(XXXXrconi,1874～1937)用英国人洛奇制作的粉末检波器和自制的接收机、发射机、天线，进行了多次电磁波传递信号的实验。1896年，收发距离达到14.5公里，1899年，收发距离增大到50公里，1901年，无线电信号从英国跨越大西洋，传送到加拿大，为无线电在全球的应用打开了大门。
(三)内燃机技术
19世纪中叶，一批工程技术人员在热力学理论的指导下，开始了内燃机的研制。1860年，法国人雷诺研制出第一台电点火的煤气内燃机，但热效率只有4％。1862年，法国工程师罗沙斯为提高内燃机效率进行了理论分析，提出了等容燃烧的四冲程循环原理。1876年，德国工程师奥托依据罗沙斯提出的原理，研制出第一台四冲程往复活塞式内燃机。1883年，与奥托合作的德国工程师戴姆勒，用汽油代替煤气作内燃机的燃料，制成了第一台汽油内燃机。从此，马力大、体积小、重量轻、效率高的内燃机成为交通工具的主要动力，并带动了汽车工业的迅速崛起。1892年，德国工程师狄塞尔成功地研制出了完全靠压缩点火燃烧的柴油内燃机，成本降低，而热效率和输出功率进一步提高，柴油机成为重型运输工具如拖拉机、机车、轮船等的发动机。柴油机的发明还促使两种热机：燃汽轮机和蒸汽涡轮机的相继问世，为电力工业的发展提供了更强大的动力机。
(四)钢铁冶炼技术
1855年，英国发明家贝塞麦(XXXXssemer,1813～1898)发明了"吹气精炼法"，将炼钢炉从固定式的结构改为可转动的形式，这种转炉炼钢法用大约10分钟时间，就可把十吨左右的生铁炼成熟铁或钢，且费用减少 10倍。 1864年至 1868年，法国人马丁(XXXXXXrtin,1824～1915)和德国人威廉·西门子(William Simens,1823～1883)发明了"西门子一一马丁炼钢法"（又称平炉炼钢法）。平炉炼钢法与转炉炼钢法相比较，点燃熔炼的时间长些，但产量高，一炉能炼出上百吨钢水，钢的质量较稳定均匀，能生产优质钢。因此，平炉和转炉炼钢法并驾齐驱，为钢产量的大幅度上升做出了贡献。据资料统计，19世纪80年代全世界钢产量只有70万吨，到1900年，钢产量迅速增加到2 783万吨。

第四章　　现代自然科学的发展
第一节　　现代物理学的发展

由哥白尼、维萨里、伽里略、牛顿等开创的近代科学，在18、19世纪获得了全面的发展，取得了巨大的成就。尤其是在经典物理学领域，由于D．伯势利、拉格朗日等人的工作，经典力学被赋予完美的数学形式；经过法拉第、麦克斯韦等人的努力，电、磁、光、热辐射等现象有了统一的理论解释；焦尔、卡诺则向人们系统地揭示了热运动的性质和方向。物理学作为认识自然界的基础理论，向人们展示了一个精致、和谐、清澈的世界图景。
同样，在其它学科领域，星云理论、原子分子理论、生物进化理论、细胞学说、化学元素周期律的建立，以及支撑这些理论的观察和实验基础的确立，极大地丰富和深化了人们对自然界的认识。
在这样的背景下，人们难免不为科学的巨大的成就所陶醉，有人甚至认为科学在一些领域已经发展到顶峰，科学在20世纪的工作仅仅是提高实验精度的细节性的任务了。然而，人们的乐观情绪未能持续很久，尤其在物理学一片晴朗的天空之下，人们自信很快就会消散的几朵疑难问题的乌云，不但没有如期消解，而且在19、20世纪交接之时，新的问题如风雨前的天边浓云滚滚而来。人们精心营造了二百多年的经典物理学大厦，似乎一转眼就到了摇摇欲坠的境地。由于物理学在所有科学领域中的基础地位，激荡在物理学天空上的风雨不可避免地会波及到整个科学世界，人们焦灼地注视着物理学领域的这场暴风骤雨。这场风雨就是20世纪初的物理学革命，它改变了20世纪整个科学的面貌，由此也开始了自然科学发展历史的一个新纪元。
一、现代物理学革命的序幕
到19世纪末，经典科学取得了前所未有的进步和成功。正当人们认为物理学已经达到了顶峰，并陶醉于这种"尽善尽美"的境界之中的时候，出乎意料地爆发了物理学的危机。这场危机是由以太漂移实验和对黑体辐射"紫外灾难"现象的研究引起的。人们通过对这两个问题的研究，发现了经典物理学的内在缺陷。
（一）"以太之迷"
"以太之迷"是人们在研究光传播媒介时发现的问题，按照经典物理学的理论，波动实际上是某一点的振动在空间中的传播方式，在这一过程中需要一定的媒介来传递由振动所发出的能量，也就是说没有媒介振动就不能转变成波动。让人不解的是，光和其它的电磁波形式在真空中也能够传播。
这就引发了问题，因为按照人们的一般理解，真空就是不存在任何物质的空间状态，在这样的状态下显然也就不存在我们通常所理解的传播媒介。而按照经典物理学的观点，没有媒介则作为一种波动形式的光是不能够传播的。那么是不是存在一种特殊的物质形式，它充当了光的媒介呢？人们把注意力引向了从笛卡尔、惠更斯就一直延用的物理学概念"以太"。
实际上，"以太"是源自古希腊的一个物理学概念，人们当时无法想像天体何以能够悬在空中。于是，人们假设太空中弥漫着一种叫做"以太"的东西，它可以支撑天体，也能够透射光亮。近代以来，惠更斯等人就假设它是光的媒介。但是，是否真的存在"以太"？如果存在"以太"的话，我们怎样证实它的存在？
1887年，美国科学家麦克尔逊和莫雷设计了一个非常精致的实验，来寻找"以太"的证据。此项实验的大致思路是这样的：假设太空中弥漫着"以太"，那么，当地球运动时就应该有一个相对于"以太"的速度。因此，按照经典物理学速度叠加的原理，在地球上发出的不同方向上的光束，由于受到地球相对于"以太"速度的影响，其合速度应该是不一样的。这项实验就是为了测量不同方向上的光速差值，这个差值人们称之为"以太漂移"。换句话说，如果能观测到"以太漂移"，也就是证明了"以太"的存在。
然而，实验的结果是否定性的，人们观测不到"以太漂移"，这就是所谓的"以太之谜"。由"以太之谜"促成了人们对一些最基本的物理问题的讨论。人们开始提出疑问：解释光的运动是否真的需要"以太"假设？人们对空间、运动的认识是否存在着问题？
（二）"紫外灾难"
紫外灾难是由人们研究一种热辐射模型--黑体辐射问题时所假设的现象。所谓黑体是指一种能完全吸收电磁辐射而完全没有反射和透射性质的理想物体，被不透射的器壁围住的空腔，它的热辐射性能近似等同于黑体，因此，在现实中可以通过研究这种空腔辐射问题反映黑体的属性。在19世纪末人们发现了黑体辐射的波长与黑体温度之间的关系，这鼓舞人们进一步研究黑体辐射的能量分布规律。
在这项研究中，德国科学家维恩首先发现了与辐射电磁波的高频部分吻合得很好的能量分布定律，但是这一定律无法解释在低频部分能量分布与频率的关系。同样，英国科学家瑞利等人所提出的能量分布定律，又无法解释在低频部分能量分布与频率的关系。这就是说，科学家没有找到一种同时符合低频和高频条件的普通的辐射能量分布公式。更为严重的是，当人们用瑞利的满足低频条件的分布定律去推论高频条件下的能量分布情况时，人们将会得到一个十分荒谬的结果：即随着频率的增加，辐射能量将会趋于无限大。如果真是如此，这显然就是一种所谓的紫外灾难。就其问题而言，这也是经典物理学的一场灾难，它暴露出经典物理学在解释辐射能量方面的致命缺陷。
（三）三大发现
1.X射线的发现
X射线的发现起源于对阴极射线的有关研究。德国著名物理学家伦琴（XXXXXXntgen，1845～1923）是用"希托夫～克鲁克斯真空管"来研究阴极射线的。有一天，他在检查套管是否漏光时，偶然发现在附近一码处一张涂有亚铂氰化钡(一种荧光物质)的屏幕上闪耀着青绿色的光辉。他不断挪远屏幕的距离，所得的结果都是一样的。他知道：阴极射线是绝不会在空气中走那么远距离的，那么，这到底是什么东西呢？他将一些东西放在玻璃管与屏幕之间，发现有某种新射线正从管内射出来，它是由放电设备的玻璃管壁上的阴极射线所产生的。这种射线不仅能使某些物质发出荧光，而且还能穿透玻璃、厚纸板，甚至连金属也能穿过。他还发现这种射线能够透过黑纸使照相底片感光。伦琴称这种未知的射线为X射线。1895年12月28日伦琴宣布了自己的这一发现，并公布了X射线照出的手骨照片。
X射线的发现，揭开了物理学革命的序幕，展示了物理学还有应探索的未知领域。在这之后一系列新发现便接踵而至。这些新发现猛烈地冲击着古典物理学和传统观念，使经典物理学处于危机之中。
2.放射性的发现
X射线的发现立即吸引了许多科学家去研究这种新的具有巨大穿透力的辐射。1896年法国物理学家昂利·贝克勒尔（XXXXXXcquerel，1852－1908）对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他很想知道这种荧光辐射中是否有X射线。他把这种硫酸盐放在用黑纸包起来的照相底片上，用阳光来照射，希望让阳光中的紫外线来激发出荧光。由于阳光不能透过黑纸，所以对照相底片不起作用，如果激发出的荧光中含有X射线，就会穿透黑纸使照相底片感光。这样做了之后，他发现底片感光了，起初他以为荧光中含有X射线。但是，有一次连续几天的阴雨使实验无法进行，他便把上面放着几块硫酸双氧铀钾的底片用黑纸包好放在暗房的抽屉里。以后几天，太阳根本未出现过，1896年3月 1日，他把底片冲洗出来，其结果是出乎意料的，虽然未经阳光照射，底片却已经因为很强的辐射而变的很黑。这使他异常的惊喜，因为这决不是荧光或阳光所能造成的，必定有一种特别的东西在起作用。经过多次实验，人们判明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀。这就是最早发现的天然放射性现象。而铀便成为人们第一个发现的放射性元素。
贝克勒尔的这一发现也吸引了当时一些杰出的物理学家。其中，居里夫人（M.S. Curie， 1867－ 1934）对放射性研究作出了重大贡献。她当时就选择了《放射性物质的研究》这个困难问题作为她的博士论文的题目。
居里夫人首先证实了贝克勒尔所发现的铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同它的化学形式无关。随后又发现了钍和钋这两种放射性元素。在1898年11月，她又宣布发现了一种常常与钡伴生的新放射性元素镭。这个发现轰动了物理学界，但是有些化学家表示怀疑。为此居里夫妇又花了4年时间，在极端艰苦的条件下（几年实验室的艰苦劳动，使居里夫人的体重减轻了 10千克），从几吨沥青矿渣中分离出 0.12克纯氯化镭，并测定出镭的原子量是226，镭发出的射线比铀要强400多倍。由此，人们消除了怀疑，确信镭的存在。
3.电子的发现
阴极射线究竟是什么，物理学家们有不同的看法，有人说是电磁辐射，有人认为是某粒子流。英国物理学家瓦利（1828～1883）和克鲁克斯（XXXXooes，1870～1942）的研究发现，金属圆筒内收到阴极射线后圆筒就带负电。 1897年J.J.汤姆生演示阴极射线证明，阴极射线不仅能被磁铁所偏转而且还能被电荷所偏转，并且确定它是带负电的粒子流。他巧妙地测出了阴极射线的磁场和电场中的偏转度，求出这种粒子的荷质比e／m约为氢离子的2000倍，确定它的质量相当于氢原子质量的二千分之一左右。汤姆生还发现不管怎样改变电极的材料（铝、铁、钠等），阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。由此可以断定这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分，并进一步证明这种粒子是一切元素的原子的组成部分。J.J.汤姆生采用"电子"来作为这种粒子的名称。
X射线、天然放射性以及电子的发现，打开了原子结构的大门，否定了原子不可分、元素不可变的传统观念，揭开了物理学革命的序幕。
二、现代物理学革命的重大成果
20世纪，是物理学发展历史中的一个辉煌的时代。在短短的一百年间，物理学领域出现了一系列令人眩目的理论和实验成就，所不同的是，经典物理学是针对人们可以直接观察的宏观世界提出了物体运动的基本原理，而20世纪初的经典物理学危机和由此引发的物理学革命，则把人们认识世界的范围扩大到了人类日常经验所无法直接把握的微观世界和无限的宇宙。
（一）相对论的诞生
相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不仅大大推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辨证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。
1.狭义相对论
伟大的物理学家爱因斯坦（A.Einstein,1879～1955）也曾为以太之迷困惑了近10年，直到1905年才把它彻底解决了，他发表了一篇具有划时代意义的论文《论运动物体中的电动力学》。在这篇论文中，他提出了狭义相对论的两条基本假设：
（1）相对性原理。一切彼此作匀速直线运动的惯性参照系都是等价的，即在一切惯性中，物理定律有着相同的形式，通常称相对性原理。
(2)光速不变原理。在所有的惯性系中，真空中的光速有相同的值。光速与光源的速度无关，光速是一个常数C。
从这两条基本假设出发，又得到了狭义相对论的一系列推论：
(1）同时的相对性。两个事件在某惯性系中观测是同时发生的，而在另一惯性系中观测则是不同时的。
（2）尺缩效应。量度物体的长度时，运动物体在其运动方向上的长度比静止时要短。
（3）钟慢效应。量度时间进程时，运动的时钟要比静止的时钟走得慢。
（4）质能相关。质量与能量之间存在着重要的关系式：E＝mc2，这在理论上预示了利用原子能的可能性。
2.广义相对论
狭义相对论创立之后，爱因斯坦便进一步探索加速运动的相对性。他注视到了一个极简单的实验事实：惯性质量和引力质量完全相等，即引力场加强物体的加速度同物质的本性无关，这是引力场的特性。由此，他又引出了"等效原理"：即一个存在着引力场的惯性系同一个不存在引力场的加速运动的非惯性系是等效的。1915年爱因斯坦又创立了广义相对论。广义相对论的创立轰动了物理学界，一方面是由于这一理论概念深刻、结构严谨、内容新颖、推论精确，另一方面是他解释了牛顿引力理论所无法说明的水星近日点的运动，而且更重要的是他还预言了光线弯曲。这一切在后来的天文观测中都得到了精彩的证实。1958年，德国物理学家穆斯堡尔又在实验室中验证了广义相对论的正确性（即穆斯堡尔效应）。
广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里德几何，而遵循着非欧几何。广义相对论证明了时空特性随引力场的变化而改变，无引力场的时空是平直的，有引力场的时空是弯曲的。引力场的大小和特性与物体质量的大小、分布和运动状况有关。相对论的创立，是人类认识微观粒子高速运动与高速宏观运动的有力工具，是现代物理学的伟大革命.
（二）量子力学的建立
1.早期量子论的建立
维恩、瑞利等人在研究黑体辐射时所分别得出的不能相容的结论，自然引起了科学界的关注。1900年，德国科学家普朗克也在注意着这一领域的动态，他首先用一种数学的方法找到了可以协调维恩和瑞利的研究结果的辐射能量分布公式，这个公式与辐射能量的高频和低频部分的实验数据都吻合得很好。这是一个令人鼓舞的成果。
然而，普朗克在应用数学方法处理辐射问题时，采用了将能量分为一个个不连续数值的假设，每一个不连续的能量单元就是所谓的"能量子"，而且他还发现存在着最小的能量单位，即著名的普朗克常数h所代表的能量值，所有能量值都是最小能量单位的整数倍。这显然违背了经典物理学用连续的量表述物体运动的传统。怎样理解这个公式的物理意义，引起了一些争议，连普朗克本人也对自己的假设感到不安，他总想寻找一个与经典物理学吻合的连续的概念来取代量子的概念。
实际上，普朗克的量子假设意味着在微观世界物质运动状态是不连续的，真正理解这种物理意义，并将量子概念应用于其它物理问题研究的是爱因斯坦。1905年，在爱因斯坦所发表的关于光电效应的论文中，又提出了光量子（即光子）的概念。他认为光在发射、传播和与物质相互作用时，光的能量也是不连续的；每一次光发射和吸收的能量值都只能是基本能量单位的整数倍，这样的光能量单元就是一个光子。爱因斯坦的光量子理论，虽然能够很好地解释光电效应等实验，但是它显然与麦克斯韦的光是电磁波的理论相抵触，因此，这个创造性的理论在一段时间里遭到了许多人的反对，其中包括提出能量子概念的普朗克。这说明科学发展的历程是十分曲折的，人们要理解和接受新的思想，尤其一些涉及到物质运动基本观念的思想是格外困难的。
2.量子力学的建立
量子力学理论的建立是通过两条道路完成的。德国年轻的物理学家海森堡（W.K.Heisenberg，1901－1976）于1925年写了一篇具有历史意义的论文《对于一些运动学和力学关系的量子论的重新解释》。他认为把原子结构类比于我们周围世界结构的企图注定要失败的。他纯粹用数学来描述电子的能级和轨道，完全不用图象，由于他用了一种叫"矩阵"的数学工具来处理那些数字，因此他的学说被称为矩阵力学。海森堡对量子力学的贡献还表现在提出了"测不准原理"，他认为对亚原子粒子（如电子）来说，要想精确地测定其位置，就无法同时精确地测定其速度；反之，要想精确地测定其速度，就无法同时精确地测定其位置。
建立量子力学的另一条途径是由奥地利年轻的物理学家薛定谔(XXXXhrodinger,1887～1961)开创的。1926年薛定谔根据德布罗意的粒子波学说描述原子的结构。他把电子作为波来考虑，断定电子不是像行星环绕太阳那样运动，而是构成一个整个包围着原子核的波，同时占据整个轨道上的所有地方。根据电子波的波长可以得知：在波尔所描述的电子轨道上，电子波正好有整数个波长，这样的轨道是稳定的。而在这些轨道之间波长数不是恰好等于整数，这样的轨道不可能是稳定的。薛定谔对量子力学的描述被称为"波动力学"。
矩阵力学运用的是代数方法，它的出发点是粒子；而波动力学运用的则是微分方程，它的出发点是波动。两种力学在数学上是完全等价的，这两个力学通称量子力学。由于薛定谔的波动方程更易为物理学家掌握，成为量子力学的基本方程。
（三）对物质微观层面结构的认识
1.原子核的结构
原子核能否再分割？其结构如何？这是20世纪初人们普遍关心的问题。对原子核的探索者中，卢瑟福(XXXXtherford,1871～1937)首先获得了成功。1919年，卢瑟福用镭放射的α粒子作"炮弹"轰击氮核，首次实现了原子核的人工嬗变。在该实验中，卢瑟福观察到，如果在α粒子源和屏之间放一金属片以挡住α粒子，屏上就没有闪烁出现。但如果在装置内充以氢气，就出现闪烁。他认为，闪烁的产生是由于α粒子打中氢核，氢核又击中屏幕所致。出乎意料的是，当他用氮气代替氢气时，竟也同样出现闪烁。他猜想这是由于氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果。
1924年，卢瑟福的助手英国物理学家布莱克特（P．M．S．Blackett，1897－1974）用实验证实了新生核是氧原子核，同时放出的粒子是一个质子。这样一来，卢瑟福的实验不但首次实现了元素的人工转变，而且还发现了原子核中有质子。这使人们在认识原子核结构的进程中，迈出了非常重要的一步。
2.中子的发现
首先观察到中子的是德国物理学家玻特（W．G．Bohte，1891－1957）和他的学生贝克，他们于1930年用放射性钋所放出的α粒子轰击轻金属铍，发现有一种穿透力很弱的辐射产生，他们以为这是辐射线。1932年，居里夫妇的女婿和女儿约里奥一居里夫妇，用玻特发现的辐射去射击石蜡，结果发现有质子打出来。这是很惊人的现象，他们按射线的康普顿效应来加以解释。但是，就打出质子这一事实而论，无论从这种入射辐射所应有的能量（约5000万电子伏，比一般康普顿效应中电子的能量大100倍）来看，还是从这种辐射所必须具有的碰撞截面（要比电子大300万倍）来看,这个解释都是极不合理的。当卢瑟福的学生和助手、英国物理学家查德威克（J．Chadwick，1891－1974）向卢瑟福汇报约里奥一居里夫妇发表的实验报告时，卢瑟福不大相信。于是，查德威克用钋加上铍作为辐射源重做了约里奥一居里夫妇的实验。他不仅用来射击氢，还用来射击氦和氮，发现这种辐射含有一种其质量同质子相当的中性粒子，查德威克把它命名为"中子"。中子的发现为核物理开辟了一个新纪元，使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，提出了原子核由质子和中子组成的核结构模型。
（四）重核裂变与轻核聚变
1．重核裂变
1932年中子被发现后，核物理学家马上就用它当"炮弹"轰击原子核。意大利物理学家费米（E．Fermi，1901一1954）等人发现，很多元素被中子照射后具有放射性。在费米的实验中，意义最大的还是用中子轰击铀。铀原子序数是92，铀俘获中子后也会发生衰变，使得原子序数增加1，这样就有可能产生在元素周期表上没有的93号元素。费米在这个思想指导下，于1934年第一次用中子轰击铀。果然中子被吸收，生成物中放出射线，这说明93号超轴元素已经找到。
德国化学家哈恩（O．Hahn，1879－1968）和奥地利物理学家史特拉斯曼（XXXXrassman，1902）重复了费米的实验，他们认为，不仅能够生成93号元素，而且还能够制成94号元素以及其他元素。
1938年9月，约里奥一居里夫妇也做了费米、哈恩等人的实验，分离工作没能成功，但发现生成了类似镧的东西。如果按当时关于超铀元素的概念，这个生成物的性质接近镧。但是镧的原子序数只是57，原子量也相差甚远，这显然是一个矛盾。可惜的是约里奥一居里夫妇并没有抓住这个矛盾深究下去，就发表了实验结果。史特拉斯曼却很重视居里夫人的女儿等人的发现，他到实验室重复了约里奥一居里夫妇的实验，中子照射铀出现了料想不到的结果，这使原有的理论没法解释。铀怎么能够变成钡呢？不论哪一种已知的放射性衰变过程，都不能说明如此之大的跃迁变化。于是，史特拉斯曼提出了裂变理论。原子核裂变的一系列发现为人类开辟了一种新的能源--核能，俗称原子能。
2.轻核聚变
某些重原子核能够发生裂变，同时放出巨大的能量；相反，某些轻的核也能聚合成较重的核，这叫做"聚变"，而且聚变时放出的能量要比裂变大几倍到几十倍。这是人类获得核能的一条更有远大前景的途径。
人们对轻核聚变的认识始于对太阳的研究。太阳几乎永不衰减地发出强大的光和热，是氢核聚变的结果。我们知道，太阳的中心具有极高的密度和数千万度的高温。在这样的条件之下，氢原子中的电子被剥离，剩下了赤裸的核（质子）；猛烈的撞击，使两个氢核克服了静电斥力而结合成一个双质子。双质子不稳定，其中一个质子将放出一个正电子和一个中微子，变成中子；这种由一个质子和一个中子组成的核，就是氢的同位素氘的核。氘核又与质子结合成一个He3，在这类反应过程中，同时放出巨大的能量，这就是太阳能的源泉。
地球上虽有大量的氢，但要使氢发生聚变却需要10亿℃以上的高温，这是难于实现的，人们为此进行了多种实验，也提出过多种设想。一位多年从事热核反应研究的美国物理学家特勒，在1942年提出利用原子弹爆炸产生的高温引发氢核聚变。依照这种设想，在原子弹外层包上一层聚变燃料，利用原子弹爆炸时产生的高温、高压来点燃聚变燃料，就可以制成比原子弹威力大1000倍的氢弹。这种设想当时曾引起人们的恐惧，甚至有人担心，一旦引起热核链式反应，整个地球就可能会立即变成一个燃烧的星球。由于有此担忧，氢弹的研制被搁置了下来。1950年，美国总统杜鲁门，下令制造氢弹。在1952年美国爆炸了第一颗氢弹。
（五）基本粒子的探索
原子核仅仅是原子的第二个层次，从本世纪40年代以后，物理学又借助于高能宇宙粒子和高能加速器，研究比原子核更深的层次，如质子、中子、电子、光子等粒子的微观层次结构和规律。现代物理学把比原子核更小的物质微粒统称为粒子或基本粒子。
最初，人们知道的粒子只有4种（质子、中子、电子、光子），随着实验技术的提高，人们很快发现，粒子远不止几种、几十种，而是层出不穷的，到目前已发现了300种以上的粒子。
早期发现的一些粒子是在研究核结构时，先由理论预言，而后为实验所证实的粒子。其中，第一个是正电子。继正电子之后，理论上预言的第二个新粒子是中微子，它是由衰变理论提出的。由于中微子与物质作用极弱，探测非常困难，因此，它是否存在，多年来曾是一个谜。直到1968年人们才探测到了来自太阳的中微子；理论上预言的第三个新粒子是介子，它是在探讨核力性质时提出的。原子核一般很稳定，这表明质子和中子之间结合很紧。这种结合力从何而来？为了解释核力的这种特性，海森堡提出了"交换力"的概念。日本著名物理学家汤川秀树（HidekiYudawa，1907－1981）提出了介子场理论。认为中子和质子之间的核力是由于两者之间不断相互交换电子引起的。在介子场理论里，由于核力的力程只有10～15米，河川秀树推断出传递核力的媒介粒子，应具有一定的静质量，大约是电子质量的200倍，它介于电子和质子之间，因此称为介子。
出乎人们预料，自50年代以来，相继发现了许多新粒子。这些粒子绝大多数是从宇宙线中发现的。到目前，已发现共振态粒子达300多种，其中100多种属于介子共振态，200多种属于重子共振态。
近年来，人们对以往认为的在能量很高、距离很近的时候，所有的相互作用是统一在一起的看法有了新的认识，提出现实世界并不那么对称的事实。就当前的研究而言，高能物理学与场论主要从事对称的系统是如何实现对称破缺以形成丰富多彩的世界的。可以说，研究对称性是如何被破缺的，将成为物理学研究的未来趋向。

第二节 现代数学的研究进展

一、现代数学发展的特点
现代数学的发展，与初等数学、变量数学相比，具有以下几个显著特点：
（一）纯碎数学更加抽象，分支增多且相互渗透
酝酿于19世纪，发展、定型、成熟于20世纪上半叶的被人们称为数学"新三高"的泛函分析、抽象代数、拓扑学等，都是在原来抽象概念的基础上再次抽象出新概念并加以研究，是抽象之抽象的结果。一方面，它们互为独立，有着各自的研究领域，另一方面，它们又相互渗透、互为借鉴并产生许多边缘学科。比如，抽象代数与拓扑学的结合产生了拓扑群；泛函分析与抽象代数的结合产生了算子环；拓扑与泛函的结合产生线性拓扑空间等。人们认为，数学理论正向着"高维"与"多变量"的方向前进。
（二）以集合论为基础，以结构为对象
19世纪80年代以康托尔的集合论为标志，数学进人现代数学时期。从二十世纪初开始，集合论的思想方法不仅应用于几乎所有纯数学部门，而且广泛运用到其他自然科学领域，特别是物理学之中。
二十世纪最具影响的法国布尔巴基学派奉行结构主义的观点，认为全部数学基于三种母结构，即代数结构、序结构和拓扑结构。他们把现代数学定义为研究结构的学科，犹如古代数学主要研究常量，近代数学主要研究变量一样。
（三）重视数学基础研究，探索数学哲学问题
二十世纪以来，数学基础和数学哲学问题成为众多数学家关心的热点，不同的数学家接受了数学历史上的不同数学思想和数学哲学观点，并由此产生了研究数学基础的不同学派。这些学派提出了不同的数学观点和改造数学的方案，他们相互争论、互相批判，把数学基础和数学哲学的研究推向了高潮。
（四）以公理化为目标，新的分支大量产生
公理法是最重要的数学思想方法之一，它既是建构数学理论的思想方法，又是表述数学理论的思想方法。许多数学命题不仅可以通过公理法得到，而且公理法还把它们组织成为一个体系即形成数学理论。现代数学几乎都是按公理法建构起来的，因此，公理化已成为数学研究的重要目标之一。
随着各门科学的数学化，新的数学分支在不断地涌现。许多与数学有关的边缘学科，如生物数学、数学心理学、数学考古学等数学边缘学科也在大量产生。
（五）数学应用广泛而深刻，计算机影响着数学的进程
数学的应用，主要是作为一种科学方法的应用，它表现为数学向现代科学技术全面渗透；对其他学科的语言表述、问题论证、计算方法等产生着深刻的影响。尤其是计算机，计算机的产生是以数学的发展为重要条件之一，而计算机的产生和发展反过来又影响着数学发展的进程。一些繁重的数字计算以及某些复杂的数学证明可以运用计算机来完成，计算机把数学家从"简单劳动"中解放出来，使他们集中精力于创造性劳动，这对数学发展的进程无疑将产生重大影响。
二、现代数学发展的主要成果
现代数学较之初等数学、近代数学，更加抽象、更加高深、更加庞大复杂。因此，要对现代数学作一个比较全面的表述，是非常困难的。以下主要介绍受到广泛重视的逻辑问题、模糊事件、突变现象等一些影响深远的数学思想以及介绍被认为是现代数学三大基础学科的所谓"新三高'，即泛函分析、抽象代数和拓扑学，它们的概念和方法已渗透到数学的各个领域，并且在其他学料中也日益得到极其广泛的应用。
（一）数理逻辑
数理逻辑又称符号逻辑、理论逻辑或逻辑蒂，是运用数学方法研究的逻辑，是数学的一个分支。所谓数学方法就是指采用数学的一般方法，包括使用符号和公式，使用已有的数学成果和方法，特别是使用形式化的公理方法。使用数学方法研究逻辑的思想起源于G.W.莱布尼茨，他认为经典的传统逻辑（包括亚里士多德和中世纪的传统逻辑）必须加以改造和发展使之更为精确和便于计算。莱布尼茨的这一思想经过一些数理逻辑先驱们的不懈努力，逐步得到完善和发展。到了20世纪，数理逻辑的内容，从最狭义到较广义、再到最广义，大致形成了三个层次：
1. 最狭义的数理逻辑
该层次的逻辑通常被称为狭谓词逻辑或经典谓词逻辑，它基本上是对亚里士多德三段论式理论演变产生的传统逻辑的严格化。它在数理逻辑中是最基础的部分，也是对传统演绎逻辑基本内容的精密化、精确化和形式化，它既是演绎逻辑的基础，又是在数学中证明定理时所用的最基本的逻辑推理规律或法则。
2.较广义的数理逻辑
20世纪，由于对数学奠基问题的研究而形成了四个数理逻辑分支，即模型论、公理集合论、递归论和证明论，简称四论。这四论构成现代数理逻辑的主要内容，这样的数理逻辑就是数学形式化的逻辑，亦即通常所称的数学逻辑。
3.最广义的数理逻辑
主要包括归纳逻辑、包含可能、必然等模态词的模态逻辑、内涵逻辑、多值逻辑以及包含时间因素的时态逻辑等。它们仍然是运用数学的方法进行研究的逻辑。
当今，人类社会正在快速进入信息时代。信息时代科学技术的一个重要特点就是一切科学、技术领域的研究课题都需要运用计算机对信息进行加工处理，以促使科学的数学化、技术的数学化（精确、严格等）。而对计算机的"思维"过程、计算机的组织以及计算机的效率等问题研究，都包含着大量的与数理逻辑有关的研究课题，而且许多问题本身就是数理逻辑方面的问题。
一般而言，数理逻辑就是精确化、数学化的形式逻辑。从学科性质看，全部数理逻辑都是数学，每一门数学分支或数学结构都具有一定的数理逻辑关系，数理逻辑是数学研究特别是数学问题的研究的有效工具和解构方法。数理逻辑与计算机的关系体现在思维过程的演算化、计算化和形式化上。
（二）模糊数学
模糊数学，就是用严密的数学方法研究和处理模糊性现象的数学理论和方法。1965年美国控制论学者 L.A.查德（XXXXXXdeh）发表了论文《模糊集合》（或译为不明集合、弗晰集合），标志着这门新学科的诞生。
数学所具有的特点：内容的抽象性、应用的广泛性、推理的严谨性和结论的明确性等。数学的精确性与之在研究客观事物中存在的模糊现象时，很容易发生矛盾。即用精确的数学方法去研究和处理客观现象中大量的模糊问题是否可能？对这一问题的深入分析与研究，使现代数学的新分支即模糊数学得以在20世纪60年代产生。
模糊性现象是一种普遍存在的现象，人们以前似乎在回避它。但是，由于现代科技所面对的现象、系统日益复杂和庞大，模糊性又总是伴随着复杂性而出现。各门学科，尤其是人文社会学科以及其他"软科学"的数学化、定量化趋向把对模糊性的数学处理方法推向了中心地位。特别是近几年来，计算机的深入发展与广泛运用，使计算机在研究和处理模糊性问题时，发挥着越来越重要的作用。一方面，计算机对复杂事物具有了一定的识别力；另一方面，描述模糊性系统的复杂数学模型不借助计算机是不可想象的。
要对具有模糊性的事物与现象，使用经典的数学方法进行研究和处理往往是比较困难的。在国外，模糊数学一般被称作"模糊集合"，主要是采用截割方法和边界游移的思想，把大量的模糊问题转化为精确问题加以分析、研究和处理，这是对以往数学方法的创新和突破。
自美国数学家查德在1965年首先提出了用"模糊集合"作为表现模糊性事物的数学模型，在模糊集合的意义上逐步建立了运算、变换等学科规律，并积极开展有关的理论研究以来，经过数学家们的多年努力，现代模糊数学已形成了模糊拓扑学、模糊群论、模糊概率、模糊图论，以及模糊环论等分支。
（三）突变论
突变论是20世纪70年代才出现的数学新分支，主要是用以描述突变现象的数学理论。突变论的创立是以法国数学家R.托姆(XXXXom,1923～)于1972年发表的《结构稳定与形态发生》的著名论著为标志的。在该论著中，R.托姆系统地阐述了突变论的基本思想：一种自然现象或一个技术过程，在发展变化过程中常常会从一个状态跳跃式地变换到另一种状态，或者说经过一段时间缓慢的连续的变化之后，在一定的外界条件下，会发生一种不连续的变化，这种不连续变化的现象或过程就是突变现象，它可以借助一定的数学模型来加以描述。
突变现象在大自然里、工程技术过程中都是普遍存在的。例如，天气的突然变化会产生暴风雨，地壳的剧烈运动会引起地震，桥梁的扭曲变形会导致断裂，容器中的几种物质在一定的外界条件下会发生某种化学反应，等等。以前的科学家对这些现象的研究会遇到各种困难，其中的主要原因或困难就是缺乏恰当的数学工具来描述这些突变现象。1969年，法国数学家R.托姆在其《生物学中的拓扑模型》一文中，首次在奇点分类的基础上，提出了一个描述突变现象的数学模型。稍后，1972年，他在著名的《结构稳定与形态发生》一书中，系统地阐述了突变论的基本思想，这就是我们现在所称的突变理论。R.托姆指出，在自然和社会中存在大量的不连续的突变现象，用数学模型可以对其加以描述。R.托姆提出了7种描述突变的模型，即折叠突变、尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变、双曲脐点型突变、椭圆脐点型突变以及抛物脐点型突变等。描述或研究突变现象的数学方法一般都要涉及到抽象代数拓扑学等有关的现代数学学科，
（四）代数几何
代数几何是一门高度抽象化的数学，是现代数学的一个重要的、新的分支学科。代数几何的研究对象是在任意维数的（仿射或射影）空间中，由若干个代数方程的公共零点所构成的集合的几何特性。通常，这样的集合叫做代数簇，这些方程叫做这个代数簇的定义方程组。
代数几何的起源主要是从平面中的代数曲线的研究开始的。对于一条平面曲线，一般地，人们首先注意到的是一个数值不变量的次数；即定义这条曲线的方程的次数，由于次数为一或二的曲线都是有理曲线（即在代数几何的意义下同构于直线的曲线），因此，代数几何所研究的主要是关于三次或更高次的平面曲线（即代数簇定义在复数域上），它是一门非常抽象、高深的数学前沿学科。当前，代数几何的研究重点是整体问题，主要是代数簇的分类以及给定的代数簇中的子簇的性质。
代数几何作为现代数学的一门高度抽象化的、新的数学分支，它与数学的其他分支学科有着广泛的联系，除与数论有密切的渊源关系外，还与解析几何、微分几何、变换代数、拓扑学以及代数群等相互促进、共同发展。而作为一门高度抽象的理论学科，代数几何的应用前景也开始日益受到人们的重视，其中的一个著名的例子就是代数几何在控制论中的应用。特别是近几年来出现的计算性代数几何与构造性代数几何的思想使这门新的数学分支学科与新技术革命紧密联系起来，必将发挥出它的重要作用。
（五）泛函分析
泛函分析是研究无穷维抽象空间及其分析的数学理论。泛函分析的基本思想是把函数（或曲线等）看作空间的元素或点，而函数的集合就构成了研究的"空间"。泛函就是把函数变成实数的一种"变换'，相应地，把函数的广义变换则称为算子。
对泛函的研究可以追溯到19世纪，而泛函的命名则是由法国著名数学家阿达马（Hadamard，1865－1963）完成的。从20世纪20年代起，经过众多数学家的努力，泛函分析已逐步形成了自己的学科观点、研究方法和理论体系，已成为现代分析学的重要的基础学科之一。波兰数学家巴拿赫（Banach，1892－1945）在1932年出版了《线性算子论》一书，进一步地统一了当时泛函分析的众多成果，使泛函分析逐步成为数学的一门分支学科。特别是近半个世纪以来，泛函分析的各种理论都得到系统的发展，如广义函数论、非线性泛函等已成为应用数学的重要工具。同时，运用泛函分析的观点和研究手段，也有力地推动着其他一些数学分析学科的发展，如在微分方程、概率论、函数论、计算数学、控制论、最优化理论等学科中都有重要的运用。泛函分析还是建立群上调和分析理论的基本工具，也是研究无限个自由度物理系统的重要工具。可以说，把泛函分析应用到自然科学（特别是物理学）的各个方面，都取得了极大的成功。20世纪30年代末期，人们又发展了巴拿赫的代数理论，利用泛函分析的抽象方法轻而易举地解决了古典分析中的复杂问题。这既显示出了泛函分析方法的优越性，又有力地促进了该门学科的发展。
（六）抽象代数
抽象代数是从19世纪初开始萌芽并发展、成长起来的。19世纪80年代，数学上从有限置换群的概念向抽象群的方面发展，并以通用的形式逐步前进，这就是建立抽象代数学的先声。而深刻研究群以及其他相关的概念，比如域、环、模、代数等，并把这些相关概念运用到代数学的各个部分，从许多分散出现的具体研究对象中抽象出它们的共同特征来进行公理化的研究，促进了抽象代数的更进一步的演进，完成了以前相对独立发展的三个主要方面（群论、代数数论、线性代数以及代数）的综合。对抽象代数学的形成、发展和传播作出杰出贡献的主要是以德国数学家为群体的德国学派。
抽象代数学是以研究数字、文字和更一般元素的代数运算的规律，研究由这些运算适合的公理而定义的各种代数结构（群、环、域、模、代数、格等）的性质为中心。由于代数运算贯穿在任何数学理论和应用问题里，而且代数结构及其元素具有很强的一般性，因此，抽象代数学的研究在整个数学中最具奠基性。抽象代数学的方法和成果也很容易渗透到一些与它相接近的各个不同的数学领域中，从而形成了一些有新面貌和新内容的边缘学科，比如代数数论、代数几何、拓扑代数、泛函分析等。抽象代数学对现代数学的发展发挥着极其显著的基础性作用，被认为是现代数学的支柱之一。它在其他一些科学领域，比如理论物理、结晶学等学科，也有着非常重要的影响和作用。
随着数学分支中各分支学科理论的发展和应用的需要，抽象代数学受到极大的启发、促进并不断发展。特别是20世纪40年代末以来，作为线性代数的推广的模论的进一步发展，泛函数、同调代数、范畴等新概念、新领域建立和发展起来了，对抽象代数的某些领域的研究，都将对许多代数结构甚至整个数学结构的研究产生深刻的影响。
（七）拓扑学
拓扑学起初叫形势分析学，形是指一个图形本身的性质，势是指一个图形与其子图形相对的性质，比如纽结和嵌入问题就是有关势方面的问题。拓扑学是中文的音译，它最早是由J.B.利斯廷在1847年提出的。
1851年，德国数学家、数学物理学家B.黎曼(G.Riemam,1826～1866)在研究复函数时认为，要研究函数和积分，就必领研究形势分析学（即图形的性质、纽结与嵌入等方面的问题），拓扑学的系统研究从此开始。到了19世纪末20世纪初，拓扑学已经形成了组合拓扑学与点集拓扑学两个研究方向，经过众多数学家几十年来的艰辛努力，拓扑学已形成了一般拓扑学、代数拓扑学、微分拓扑学、几何拓扑学等几大重要分支。
简要地讲，拓扑学所研究的是几何图形的某些性质，它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意变形下能够保持不变，条件是图形在变形过程中，既不使原来不同的点溶化为同一个点，又不产生新的点。也就是说，在原来图形上的点与变换了的图形上的点之间存在着-一对应关系，并且邻近的点仍为邻近的点。这种思想若用"连续性"来表达的话，拓扑学所研究的就是在一个变换及其逆变换都是连续变换（亦即同胚）的情况下，几何图形所表现出的不变性质，以及对这些性质进行表述，对这些几何图形进行分类等。
拓扑学是现代数学的重要基础学科，它的基本思想方法在现代数学的几乎所有领域都有应用，并且在其他学科中也得到日益广泛的应用，拓扑学的基本内容已成为现代数学工作者必备的数学常识。
三、数学的应用
（一）数学在自然科学中的应用
自然科学无疑是最早应用数学的科学，比如古希腊和古代中国的天文学等都实际地应用了数学。17世纪即数学大发展的世纪--以微积分的建立为标志，数学既来源于自然科学的需要，而自然科学的需要又极大地推动了数学自身的发展。它们的相互作用与共同促进，使数学在自然科学中的应用更加广泛而深入。物理学的基本规律基本上都是用数学方程来表达的，像万有引力方程、电磁场方程、爱因斯坦引力场方程、规范场方程、量子力学方程等，都是用数学方程表达的当代物理学的基本规律，这些方程既是物理学的一部分，又是物理学的精髓所在。同样，在化学、生物学、天文学、地学等自然科学领域，数学都是作为一种科学方法而广泛使用的；在经济学与其他人文科学中，数学也有广泛的应用。
（二）数学在工程技术上的应用
将技术问题转化为数学的方法来解决，比如应用数学的推理、计算等方法而不直接去做那些实际上难以做到或不安全的实验，或作事后的修补等。因此，数学对工程技术具有重大的影响和作用。当今，科学与技术日益呈现出统一的势头．这将使数学在其中扮演非常重要的角色，其应用也将更加广泛而有效。比如在大型工程中，周密的计算、精确的数据往往是建设大型工程的基础。像我国的三峡水利工程这样举世瞩目的超大型工程，需要解决的大型工程计算是非常众多的。如施工中大体积的混凝土在凝结过程中的化学反应所产生的热，会使坝体产生不均匀的应力，甚至形成裂缝而危害大坝安全。在以往，一般都要花费大量的财力进行事后修补。而现在，可以应用计算的方法动态模拟混凝土在施工过程中的温度、应力和徐变状况，从中分析、比较、优选各种施工方案。大坝建成后，还能应用动态模拟的计算方法进行监控和测算，以确保大坝的安全等。
应用最优控制理论和新的计算方法，能够优化冶金、化工的生产过程和某些工艺参数。比如，我国的攀枝花钢铁公司，因为建立了提钒工艺流程的系统优化的数学模型，使钒的冶炼提取与回收率等，都达到了国际先进水平，使我国从钒进口国一跃成为钒出口国。
（三）数学向社会科学的渗透
随着科学技术的进步及其对人类社会生活的广泛影响，使社会科学领域某些学科的研究变得日益复杂，一些自然科学的研究方法、问题观点甚至个别结论也日益渗透到社会科学各门学科的具体研究中，从思想方法、逻辑证明、精确分析、数理统计等方面给予社会科学广泛影响。
当前，自然科学向社会科学渗透的一个重要特点之一就是数学的广泛应用及其对社会科学研究方法的影响。比如，在现代经济学中，如果缺乏使用数学的概念、思想、方法对经济活动进行论证和分析，那么，这样的经济行为就难以达到应有的效果，宏观经济结构也可能失调并导致社会经济发展战略的失败，因此有人认为，一位不懂数学的经济学家决不会成为杰出的经济学家。在1969年至1981年间颁发的13个诺贝尔经济学奖中，有7个是定量经济学方面的。
（四）数学在军事与国防上的应用
数学在军事与国防上也有广泛的应用，比如，西方作战理论中的"N一平方律"，即"交战双方的有效战斗力正比于其战斗单位数的平方与每一单位的平均战斗力的乘积"。按照这一规律，如果一万的武器系统的单位平均效能为另一方的4倍，则后者只要在数量上集中两倍以上的兵力就可以抵销前者武器质量上的优势。也就是说，对于劣势装备的一方，集中优势兵力有着非常重要的意义。而这一研究结论，即表述作战过程的"N一平方律"就是应用数学的方法和数学模型得出来的。
在我国的国防建设中，之所以能在很短的时间内研制成功原子弹、氢弹以及其它先进武器，一个非常重要的原因是我国有许多优秀的数学家参加了这项工作。比如，我国的试验次数仅为西方国家的l／10，从原子弹到氢弹只用了2年8个月，在较短时间里成功发射火箭和卫星等等，这其中凝聚着许多数学家的心血和智慧。
（五）数学在其他方面的应用
在环境保护与预防自然灾害方面，可以应用数学的方法对江、湖、河口的污染扩散、土壤洗盐等问题进行分析和模拟，从而有效地保护环境与预防灾害。在农业经济的发展和生态农业的开发上，应用一定的数学模型，能够对农业经济系统的优化、林业的开发、土地资源的合理使用等方面，提出有效、可行的对策。
总之，数学在自然科学、技术和人文社会科学的各个领域，得到普遍的应用，数学已成为各行各业的不可缺少的辩证辅助工具。随着数学内部的各分支学科间的相互渗透，数学与其他科学（如控制论）的相互渗透以及电子计算机的广泛使用。可以预测，数学的未来既有学科本身的发展活力，也有着广阔的社会需要以及宏大的科学技术背景。未来数学在推动经济发展、促进社会进步、提高公民素质等方面将发挥越来越重大的作用。

第三节　现代化学的发展

进入20世纪以后，化学理论借助于物理学而更加微观化、定量化和精密化。如果说19世纪的化学理论是以原子论为基础，那么20世纪的化学理论则是以电子论为基础，并与数学、物理学、生物学等学科相互渗透、综合发展。同时，还进一步探索了生命现象的本质，扩展了研究领域。现代化学理论涉及的内容很多，仅扼要从以下几个方面加以介绍：
一、现代化学的重大成果
（一）元素周期理论的新发展
自波义耳为元素下了科学的定义后，化学沿着正确的方向发展。20世纪以来，人们对元素的认识不断深化、大体经历了5次变革。
1896年，法国物理学家贝克勒尔（XXXXcquerel，1852－1908）发现了元素的放射性现象，随之，居里夫妇（P. Curie，1859－ 1906,XXXXXXrie,1867－1934）进行的放射性元素的研究，开辟了核化学的新领域。1902年，英国物理学家卢瑟福（XXXXtherford,1871－1937）等人进一步发现，放射性是由于元素的原子蜕变而引起的，提出了元素蜕变的假说，打破了从波义耳以来的元素不变的传统观念，在元素思想上发生了第一次变革。1916年，英国科学家索迪（XXXXddy，1887－ 1956）基于对大量实验事实的分析而认识到，一种元素会有两种或两种以上不同原子的元素变种存在，提出了同位素假说，并得到了证实，这就打破了从道义顿以来的关于一种元素一种原子的传统观念，在元素思想上出现了第二次变革。1913年，英国科学家莫斯莱（H．Moseley，1887－1915）在研究各种元素的X射线时发现元素的原子序数，实质是原子的核电荷数，决定元素化学性质呈周期性变化的是原子序数，而不是原子量，解决了长期以来门捷列夫的化学元素周期律中，原来有几对按原子量排列位置颠倒的矛盾（如碘和碲等），将周期律提到了一个新的理论高度，在元素思想上引起了第三次变革。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮时，氮变成了氧，第一次实现了人工核反应，使一种
元素变成了另一种元素，从而导致了元素思想的第四次变革。1939年，德国科学家哈恩（Hahn，1879－1968）等人，在用中子轰击重元素铀原子核的实验中，发现了核裂变反应，开辟了原子能的新时代，出现了元素思想上的第五次变革。20世纪40年代以后，人们又陆续制成了第93号至109号等超铀元素，突破了经典元素周期律的界限。这一系列超铀元素的合成，不仅壮大了元素的队伍，同时使人们对物质的微观结构有了更多的认识。随着对放射性同位素的研究和核物理学的迅速发展，科学家们又提出了超重元素的"稳定岛'假说，探索元素周期表的边界界限，在元素思想上酝酿着更大的突破，使化学元素理论和人们对于物质化学组成的认识更加精细化和深刻化。
（二）现代化学结构和化学键理论
化学健的理论，是随着20世纪初电子的发现特别是量子力学理论的建立而发展和完善起来的。1913年玻尔(XXXXhr,1885～?)提出原子结构模型，1916年柯塞尔（W.Kossel,1888－1956）和路易斯（G．N.Lewis，1875－1946）便开始运用这一模型来解释原子的价键问题，并都认为价键是由原子的外围电子结构所决定的。以他们的工作为基础，人们认识到，化学键有三种基本类型：离子键、共价键和金属键。
离子键是指由于离子之间通过静电相互作用而形成的化学键。一般而言，若两个元素一方容易失去电子而呈阳性、另一方易于得到电子而呈阴性，两者通过化学反应形成化合物时即形成离子健。例如，食盐即氯化钠分子中，碱金属钠元素的最外层只有1个电子，失去这个电子后就形成最外层有8个电子的稳定结构，而卤族元素氯最外层有7个电子，它获得一个电子后，最外层就形成了具有8个电子的稳定结构，因此，当两者相互作用时，钠原子的一个电子转移到氯原子一边，从而形成了钠的正离子和氯的负离子，正负离子通过静电吸引作用而形成化合物。
若某些物质的分子由相同元素的原子组成，加氢气（H2）、氧气（O2）等，离子键理论就不适用了，这时就需要用共价键理论来解释。这个理论认为，像H2、O2等的分子中，每个原子都不可能完全失去和得到一个电子，于是每个原子就各贡献出一个或多个电子，从而形成一个或多个电子对，两个原子就依靠这些共用电子对结合在一起，这时，对每个原子来说，加上共用电子对，就可以使最外层电子形成稳定的结构。例如H2，每个氢原子只有一个电子，两个电子配对后共属于两个氢原子所有，使得每个氢原子都具有了稳定的电子层结构，于是两个氢原子就依靠这个共用电子对而结合成氢分子，即H：H，或以连线表示成H～H。有些原子之间，可以共用2对电子、3对电子，从而形成共价双键、共价三键等。
金属元素之间形成的是金属键，其特点是，金属原子在结合成金属时，由于金属对外层电子的吸引力较弱，成键电子就脱离了单个原子而为全体金属离子所共用，或者说得形象一点儿，金属键是由于"金属离子浸没在电子海洋中"而形成的。
量子力学建立之后，1927年就被海特勒（W.Heitler，1904～1981）和伦敦（ F.London，1900－1954）运用于化学中有关H2方面的研究，从而开创了量子化学的新领域。这一理论首先修正了电子运动的所谓轨道概念，指出电子绕核的高速运动，不可能像经典力学那样计算出某时刻在某一体系中的电子的准确位置，而只能对电子的运动状态作出概率性描述，这种描述可以形象地比喻为"电子云"，而共价键的本质，乃是电子云的重叠。
海特勒与伦敦的研究不仅建立了化学键的崭新概念，而且引导人们运用量子力学方法去研究多原子分子。到20世纪30年代初，人们进一步提出了价键理论和分子轨道理论。分子轨道理论从分子的整体出发，对于处理共轭分子、缺电子分子获得了巨大的成功。因此，分子轨道理论虽然起步较晚，但已成为当代化学键理论的中心。
1952年，英国化学家欧格尔（Orgell，1927－）为解释"夹心型"化合物的结构，把分子轨道理论和晶体场理论结合起来，提出了配位场理论。
综上所述，20世纪以来先后建立的价键理论、分子轨道理论和配位场理论，反映了人们对分子结构的认识已深入到了电子水平，为建立微观反应理论创造了条件。
（三）晶体结构的测定及胰岛素的合成
20世纪物理学上X射线分析，为晶体结构的测定提供了重要的理论和实验依据。30年代以后，结构化学一直发展很快，测定结构的方法和仪器都有很大进步。近年来，主要由于电子计算机技术的进步和各种精密仪器的使用，测定单晶体的效率提高了上百倍，精度和应用范围也有很大发展。到了20世纪40年代和50年代中期，凡有代表性的无机物和有机物的晶体结构资料都有相当充分的积累。
1955年，英国人桑格测定了最简单的蛋白质牛胰岛素的结构，确定了蛋白质中氨基酸的结合顺序，从此，世界上一些国家即开始进行胰岛素的人工合成工作。我国科学工作者从1959年开始，经过几年通力协作，于1965年9月首次合成结晶牛胰岛素，经过晶体测定和生物活力试验，都证明它与天然胰岛素的特性一致。1971年又完成了分辨率为2.5埃和l．8埃的胰岛素晶体结构测定工作，这一结果为今后研究胰岛素分子的结构和功能创造了有利条件。
众所周知，生命起源问题是科学上的一个重大问题。从无机物到有机物，从一般有机物到生物高分子--蛋白质和核酸，再从生物高分子到生命怎样从无机界产生的问题，一直是人们关注的重点。在用化学方法人工合成有机物的实践中，尿素的合成，是一个突破，胰岛素的合成又是一个突破。尿素的合成，突破了无机物和有机物的界限，从而开创了有机合成的新时期；胰岛素的合成，突破了一般有机物和生物高分子的界限，从而开创了人工合成蛋白质的新时期。
当前，结构化学与合成化学、理论化学及固体物理学等学科一起，正建立起分子工程学这门新的学科。分子工程学的目标是要达到"分子设计"，即希望能够通过理论计算，像设计房屋那样，根据人们的要求"设计"新分子、新材料、新品种。这就要应用量子化学和结构化学的成果，充分发挥电子计算机的作用和计算化学的能力，揭示微观结构和宏观性能的内在联系，使探索新分子和新材料的过程减少盲目性，加强预见性。现在已经有设计新型塑料、橡胶品种的"高分子设计"，寻找新药物的"药物设计"，制作新型催化剂的"催化剂设计"，以及"农药设计"和"合金设计"等。
二、现代化学的地位和作用
科学变为直接生产力，是现代科学技术革命的特点。从化学的发展也可以看到，化学研究往往来源于生产的需要，又走在生产的前面。由于在理论和实践上解决了生产中急需解决的问题，并进一步把它运用到生产中去，从而引起了生产技术的革新。从现代化学工业的发展来看．没有扎实的基础理论研究，就不可能有先进的化学工业。氨的合成便是化学与生产相结合的一个典型例子。 因此，化学来源于生产，反过来又在促进生产的发展中发挥了巨大作用。例如，当代放射化学的研究，原子核裂变的实现，开辟了原子能利用的新时代；催化剂的出现和研究，引起了化学工业的巨大革新；高分子聚合物的研究和发展，导致了一个崭新的材料工业部门的产生，影响到人们生产和生活的各个方面。化学与社会的进步、经济的发展息息相关，并在生产和生活中起着重要的作用。
（一）化学与生产
化学科学的繁荣，促进了若干基础学科和应用学科的发展，并为国民经济许多生产部门的发展，打下了理论基础和技术基础。在我国实现四个现代化的过程中，化学占有不可忽视的重要地位，并能发挥多方面的巨大作用。
在农业生产中，要提高农产品的产量和质量，就必须生产更多的优质化肥，研制出高效低毒无公害的农药和各种植物生长调节剂，没有化学和化学工业，这些是无法实现的。
在工业生产中，化学对开发能源、提供新型材料，起着关键作用，各种新材料的发明和应用，要依靠化学研究来实现。比如固体化学、结晶化学、热力化学、表面化学等，都是材料科学的重要基础。同时，化学与能源基础工业和激光等新技术关系极为密切。离开化学的发展，就谈不上基础工业和新技术的发展。我国现代工业的发展，涉及的领域和部门很广，其中也包括化学的各分支学科，像有机化学、无机化学、高分子化学、物理化学、分析化学、环境化学、石油化学、化学工程、辐射和放射化学等，这些化学分支学科对我国工业现代化的发展将发挥越来越重要的作用。
在国防建设中，必须有先进的空间技术和各种先进的武器。火箭、导弹、人造卫星、航天飞机、核潜艇、航空母舰等各种国防技术的发展，需要各种特殊结构的材料和高能燃料。例如，人造卫星的材料，不仅要有一般轻质铝合金材料，还要有特种复合材料、防热材料等。在卫星能源方面，不仅要研究化学电池，还需要研制和试验硅光太阳电池和燃料电池。而这些材料和燃料的研制，则需要合成化学、结构化学、分析化学、化学热力学、化学动力学和核化学等许多化学分支学科配合。通过光化学、生物化学方面光合作用的研究，许多成果也可以应用于国防建设。例如为航天飞机、核潜艇等密闭系统提供氧气和部分食物；利用活体和离体叶片不同的荧光光谱，可以鉴别用树枝掩护的军事目标；利用叶绿素特有的吸收光谱，可以有选择地接收人造卫星上发出的信号等等。现代科学技术发展的特点之一是新技术日益被广泛应用，特别是电子计算机技术和激光技术的应用，已经在科学技术现代化中起着重要作用，而与此有关的计算化学、激光化学的发展和应用，将大大促进化学研究和化工生产的现代化、自动化与信息化。其中更具有战略意义的是信息技术和核技术，最新发展方向之一是采用化学分子记录，这种分子记录的容量，可能比现有的计算机容量大数百万倍。另外，化学分支学科如量子化学、固体化学、生物无机和有机化学、分子生物学、细胞化学和仿生化学等的迅速发展也将对科学技术的发展作出贡献。
（二）化学与人类生活
与化学研究密切相关的化学工业产品，极大地改变着人类生活面貌，在提供人们衣食住行、医药保健等方面，取得了巨大的成就。没有化学和化学工业，就不可能从根本上延长人类寿命和为人们创造幸福、舒适的生活。
随着高分子化学的发展，合成材料取代了传统的木材、金属、皮革和天然纤维，并广泛应用于工农业生产和人类日常生活，改变了人类物质生活的结构。医用高分子的发展，可以制造出各种人造器官，推动医疗技术的进步。
在分子水平上研究生物衰老机制和抗衰措施，与人类幸福、社会进步和文化发展，都有着密切关系；对免疫化学的研究，将有助于维持人体的正常代谢、预防疾病和抗衰老；研究各种营养素的作用和机制、测定各种食物中的微量元素和有害物质，根据不同年龄，不同人的需要，进行科学的膳食调配，对增进人民健康、预防疾病和延长寿命，起着重要的作用，而这些问题的研究和解决，都离不开化学。
人类环境的改善，涉及到许多与化学有关的问题：人民保健事业的进步和改善，日益增加着对化学的需要；能源问题的解决也是化学肩负的重任之一。总之，化学与人民生活和人类进步息息相关，它会给人们带来健康的身体、美好的食物、优良的衣着、称心的用具和住所，给人类带来愉快和舒适的生活。
（三）化学与社会未来
展望化学发展的前景，可以看到化学在人类社会和国民经济发展中越来越占有重要的地位和作用。
在近几十年来，化学工业以更快的速度得到发展，产品日新月异。至2000年，世界化工产品的贸易额比1968年增长8倍，产品的50％都是过去世界上所没有的。种类繁多的化工新产品，将不断改变世界的面貌。
陆地资源的不断减少，迫使人们把眼光投向海洋。海洋中蕴藏着巨大的财富，海底有1000亿吨各种矿物，海水中有100亿吨钢、50亿吨铀，106亿吨黄金，以及数量巨大的各种海生植物和动物等。对海洋化学的研究和利用，将是人类向海洋深处进军的一个重要组成部分。
随着新技术革命的冲击，信息科学技术正在引起产业结构发生变化。人类将通过迅速收集、传递和处理信息，更有效地认识和改造世界。化学数据库及其信息系统的研究和应用，将对化学的发展产生深远影响。
随着对生命现象本质的深入研究，生命科学的发展非常迅速。著名化学家鲍林曾预言：在未来100年内，化学将对人类健康福利作出更大贡献，随着人们对蛋白质和其他生物物质精细结构的认识和研究，将有效地攻克生物和医学方面的难题。在控制癌症、传染病和其它死亡原因，以及通过改善营养、改善环境而达到延长寿命和减缓衰老过程中，化学家将会作出重大贡献。
对能源、粮食、材料的研究，将对满足世界长远需要产生积极影响。在今后几十年内人们将利用太阳能，从水中制取氢气；将通过一氧化碳和二氧化碳的还原，来合成燃料；还将通过化学和其它学科的共同研究，达到消除污染、美化环境、减少疾病、延长寿命的目的。
当代，化学学科将以崭新的面貌，进一步成为人们改造自然、改造社会、改善环境、改善健康的得力助手。然而化学的发展与创新不仅是少数化学家的事，而且是全人类共同努力为之奋斗的事业。因此，21世纪的人才，必须学习化学、掌握化学、驾驭化学，才能使它更好地为人类服务，为社会生产服务，促进生产的发展，推动社会进步。

第三节　系统科学理论的形成与发展

二十世纪四十年代产生的系统论、信息论、控制论，六、七十年代出现的耗散结构理论、协同学、超循环理论和突变理论，以及八十年代之后提出的自组织理论、混沌理论和分形学等，都是对客体组织性、复杂性和不确定性研究的成果，都拥有一个共同的研究对象----"系统"，它们共同构成了系统科学这一新的学科体系。系统科学已经成为现代科学技术体系中的重要组成部分，它是以系统存在和发展为研究对象的科学体系，其中系统论、信息论和控制论研究了系统存在的规律，而耗散结构理论、协同学等则侧重于研究系统发展和深化的规律。正是这些系统科学的研究，为科学技术研究提供了综合性的手段和方法，使得研究组织性、复杂性和不确定性成为现当代科学研究的主题之一。
一、从系统思想到系统观
人们对系统的认识可追溯到古代。古希腊朴素辩证法奠基人赫拉克利特在《论自然界》一书中说过，世界是包括一切的整体。古原子论的创始人德谟克利特著的《世界大系统》一书是最早采用"系统"这个词的著作。而古希腊哲学思想集大成者亚里士多德就提出过整体大于它的各部分总和的观点。
在中国，古代儒家的最高典籍《周易》中，以阴、阳排列组合构成八卦，八卦进而重叠演变为六十四卦，并由此比照解释外在世界的状态及变化，体现了系统整体层次结构诸要素交互作用的思想和系统整体动态发展的思想。道家不仅利用系统整体论的思想来解释既成事物的存在状态，而且更紧密地同事物的发生、发展过程结合了起来，认为自然界是自发运动、自我组织的，且这种运动具有内在的规律性。
中国古代人们不仅自发地用系统概念考虑自然现象，而且还用系统方法去改造自然，对系统科学具有独特的贡献。宋代沈括在《梦溪笔谈》中记载了一个"一举现三役济"的故事，就是系统思想运用的例证。北宋皇宫被焚，皇帝令大臣丁谓限期重建。丁谓经过实地勘察，把工程作为一个整体来加以计划，提出最优方案。依据方案，在皇城前大道上挖土烧砖备料，形成河道后引进汴水；然后用船把建筑材料运入工地；皇宫建好后，用工程遗留下的碎砖废土填塞河道，修复原来的大道。三个环节环环相扣、缺一不可。
二、一般系统论的形成
一般系统论或普通系统论，主要是由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（L. V. Bertalanffy，1901～1971）创立的。贝塔朗菲认为，存在着适用于综合系统或子系统的模式、原则和规律。普通系统论的目的就是确立适用于系统的一般原则。
系统论的建立是缘起于贝塔朗菲在理论生物学研究中关于系统的理论探讨。由于牛顿力学的巨大成功，机械自然观在近代生物学领域也取得支配地位。但到19世纪末20世纪初，人们逐渐认识到机械论观点内在的局限性，并在更高层次上重新发现了机体论的价值。贝塔朗菲的系统论正是来自他对机体论意义的再认识，在1928年的《现代发展理论》和1932年的《理论生物学》中，他都强调生物的整体性、动态性、能动性和组织等级，以展示机体论的具体内容。他认为，有机体是具有高度主动性的活动中心，而且是与环境不断进行各种交换的开放系统。然而在当时他的这些思想未能得到重视。此后贝塔朗菲试图对其机体论思想从哲学方法论的高度进行总结，并于1937年明确提出一般系统论原理。但贝塔朗菲系统论的真正问世是以1948年《生命问题》的出版为标志的，该书描述了系统思想在哲学史上的发展，明确了系统论的任务，并从系统这一中心词汇的定义出发，引出描述有组织整体的一般概念，如总体、整体性、有序性、层次性、动态开放性、目的性等，以此为基础，贝塔朗菲进而刻划了系统论的基本原则。1968年贝塔朗菲又出版了《一般系统论：基础、发展和应用》一书，全面总结了他四十年来的工作，进一步阐述了他的思想，该书成为一般系统论的代表著作。
一般系统论产生的另一个重要原因是具有巨大实践意义的系统分析和系统工程方法的提出。同系统思想一样，系统工程方法在古代人类实践活动中便已有所体现，中国战国时代李冰父子主持修建的都江堰水利工程和前文提到的丁谓重修皇宫的计划，都反映了把工程看作一个整体统筹安排的思想。但对系统工程方法从理论上加以概括和阐述，却发生在20世纪。进入20世纪以来，人们的生产和生活方式发生了巨大变化，生产规模逐渐扩大，生产技术日趋复杂，也产生了各组成部分紧密联系、相互协同并相互制约的高度综合的管理系统，要认识这类复杂对象和解决这些高度综合的组织和管理问题，就需要寻找能够体现事物普遍联系的新的研究方法，系统分析和系统工程方法正是在这样的背景下产生的。美国工程师泰勒（T. W. Taylor，1985～1915）首先从合理安排工序以提高工作效率出发，建立了具有系统思想的管理制度，其后，贝尔电话公司在设计巨大工程项目时，按照时间顺序把工作划分成规划、研究、发展、发展期间的研究和通用工程等五个阶段，并在40年代明确使用了"系统工程"的概念。
第二次世界大战期间，为了解决武器系统配套使用、飞机队形排列、资源合理分配、运输路线选择、高效捕捉敌人飞机和舰艇及组织后勤供应等问题，人们开始比较广泛地自觉创造和使用系统方法，这大大地推动了系统工程的发展，并产生了运筹学这一应用数学分支。战后，著名的运筹学研究组织----美国兰德公司倡导了"系统分析"方法，该方法通过系统的途径，考察决策者面临的全部问题，提出不同的解决目标和方案，比较它们的结果，组织专家参加论证，以此帮助决策者选择最佳行动方案。以此方法为指导，出现了协调组织庞大系统中各部门工作的具体技术----计划评价技术（简称PERT），该技术把总体任务按照先后的时间次序和内在的逻辑关系分解为若干子任务和工序，由此确定科学和工作流程图，合理地调配人力、物质及其他资源。这种技术在"北极星导弹"的研制过程中，发挥了重要作用。60年代，霍尔（A. D. Hall，1924～）提出系统工程三维结构思想，从时间、逻辑和知识三个维度对系统工程方法进行了概括。这是对系统工程方法比较全面的总结。60年代后期，系统工程的应用逐渐超出传统工程的观念，开始被推广到经济系统和社会系统，系统工程也发展到研究解决各种复杂的社会---技术系统和社会----经济系统的最优控制和管理阶段。1969年阿波罗登月计划的成功，被公认为系统工程实践成功的典型例证，从而引起人们对系统工程的广泛关注和重视，这种情况则反过来引导人们从方法论上对系统工程作更深入的理论总结，这对于具有方法论意义的一般系统论的发展是非常重要的促进，由此，系统论真正确立了其科学理论的地位。
三、一般系统论概述
系统论以"系统"为研究对象，这决定了"系统"以及与之紧密相关的"结构"、"功能"等必然是该理论中的基本概念和范畴，准确理这些概念是把握系统理论的基础。
（一）系统的概念
"系统"这个词人们经常提到，但由于认识角度、思维目的不同，对这一概念的理解存在着差异。贝塔朗菲认为，"系统"即是相互作用的元素的综合体，韦氏大词典对系统的解释是，有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规划的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素的集合。还有的学者主张，系统不仅是其构成要素的汇集，而且是一种指导观点。实现一个系统，必须在详细了解每个要素的同时，了解能把全体综合进来的观点及其实现的认识方法和技术。我国著名科学家钱学森认为，系统就是相互作用和相互联系若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。综合以上观点，系统是指存在于一定环境中，由若干具有不同功能的相互联系、相互作用的许多要素所构成的一个具有特定功能的整体。是否具有加和性，是系统与非系统的基本区别。与系统概念相对应，要素指的是构成系统的组成部分，要素是相对于系统而言的，是系统存在的基础。离开要素就无所谓系统，而要素也只有作为系统整体的组成部分时，才能发挥其应有的作用，要素如果脱离了系统，离开了与其他部分的相互联系，它的性质和特点就会发生根本变化。
（二）系统的形态
从外延看，系统客观存在的形态仍然是千差万别、复杂多样的，要进一步研究系统各自的特点，还需要区分系统的不同类型。根据不同的需要和研究目的，可以将系统划分为以下不同类型：
1.按其形成的过程与要素的性质，可分为自然系统、人工系统和复合系统。自然系统指以自然物质作为要素而构成的系统，他们是在自然界发展进化过程中自发形成的。例如天体系统、气象系统、生态系统等。人工系统是人们为了达到某种目的而建造起来的系统，它们具有"自为目的"，有两种情况：凡是以实物或物理方式存在的要素构成的系统是实体系统，如汽车或建筑物等；凡是以实物体实体反映的概念、原理、原则、方法、制度和顺序等要素构成的系统是概念系统或虚拟系统。复合系统是指由人工系统和自然系统共同组成的系统，客观世界中的大多数系统都具有这个特点，如气象预报系统、导航系统与广播系统等都是由人----机组合而成的。
2.按照在时空中存在状态，分为动态系统和静态系统、稳态系统和非稳态系统。动态系统与静态系统的区分以系统状态同时间的关系为参照：动态系统是指系统的状态变量是时间的函数，即系统的状态变量随着时间的变化而变化；静态系统则指表征系统运动规律的数学模型不包含时间的因素，系统的状态不因时间变化而变化。稳态与非稳态的区别以系统状态同外部干扰的关系为参照：稳态系统在特定范围内具有保持某种平衡状态的恒定性，即在外部干扰作用下，能够从初始偏离目标状态恢复到平衡状态。而非稳态系统受到干扰时，便会发生目标偏离而无法恢复常态，这时，系统既可能趋于新的稳态，也可能趋于瓦解。
3.按照与外部环境的关系，分为开放系统和封闭系统。凡是能够与外部环境进行物质、能量和信息交换的系统就是开放系统，开放系统的外部特征是存在不断的输入和输出，内部特征是不断进行着自身物质组分的组建和破坏，因此这种系统与外界的交换制约着系统的结构、功能和发展。相反，与环境没有物质、能量交换的系统被称作封闭系统，客观世界并不存在绝对的封闭系统，但它可以作为开放系统开放度微弱到相对于一定目的可以忽略不计程度的系统的一种理论抽象，因此封闭系统是开放系统的一种特殊表现。
（三）系统的特征
一般而言，系统具有以下四个特征：
1.集合性。系统是一个有组织的或复杂的整体，是由相互区别的各要素组合而成的集合。
2.整体性。系统是由两个或两个以上要素构成，与单纯的集合不同，系统表现出与单个要素不同的整体功能，而且整体的功能大于部分功能之和。
3.关联性。系统内各要素之间是有机联系的，相互作用、相互依存的。一个要素结构功能的变化会引起其他要素和整体结构和功能的变化，甚至系统的转化。
4.适应性。绝对封闭的系统是不存在的，系统与外部环境之间存在着相互的联系与作用，系统在与外部环境作用的过程中不断改变以适应外部环境的变化，同时也在作用的过程中能动地改变着环境。
（四）系统的结构与功能
系统由要素组成，但却具有要素所不具备的新的性质，因为系统内部各要素之间存在着非线性的相互作用，也就是说，系统总是结构与功能的统一体。研究系统的结构与功能是人们认识系统规律的重要环节。
所谓系统结构，指的是系统内部各要素之间相互联系和相互作用的方式。它表现为各要素在时间和空间上的组合形式，即系统结构是系统内部要素的秩序。系统的功能指的是系统在与外部环境相互联系和相互作用过程中所具有的行为、能力和功效。可以这样讲，系统的结构提示了系统内部各要素的秩序，系统的功能则体现了系统对外部作用的过程的秩序，体现了系统与环境之间的物质、能量和信息的输入与输出的变换关系。
系统的结构与功能是相互依存的。一方面，结构是功能的基础。如乌合之众不可能具有训练有素的军队的战斗力一样，没有系统要素并按一定的方式组织起来，系统不可能具有特定的功能。另一方面，功能是结构的表现。系统的功能既取决于组成系统的要素，也取决于系统的结构，因此系统的功能既反映要素的特点，也反映结构的状况。系统的结构是否合理，总是通过特定的功能来得以体现。结构蕴藏于内，功能表现于外；结构是相对稳定的，功能则易于变化。结构与功能也是相互制约的，结构决定功能，功能对结构又具有能动的反作用。由于外部环境各种因素的影响，往往使系统的功能不断发生变化，这种变化作用于系统，就会造成系统结构的改变。系统与结构之间的这种辩证关系，具有多种不同的表现形式。
1.结构虽然相同，但由于组成的要素不同，系统表现出不同的功能。如灯泡原先用碳作灯丝的材料，只能连续照明40小时，后来人们改用钨丝，就使灯泡的寿命大大延长。可见改变系统内部的要素，就使系统的功能得到显著提高。
2.要素相同，但结构不同，系统的功能也不同。乙醇和甲醚，都包含6个H原子、2个C原子和1个O原子，分子式都是C2H6O，但由于这此原子之间排列顺序不同，结构方式不同，因而两个化合物的性质具有很大差别。前者是液体，可以任何比例与水混合；而后者是气体，几乎不溶于水。
3.要素和结构都不相同，但却具有相同的功能。如电子钟表、机械钟表与古代的滴漏都具有计时的功能，但它们的要素以及要素的组成方式即结构方式都是完全不同的。由于不同系统之间存在着这种异构同功的现象，所以人们可以利用功能模拟的方法，来达到目的，如计算机模拟人脑，模拟自然生态系统以构建人工农业生态系统等。
结构与功能之间的辩证关系，为人们认识世界和改造世界提供重要的原则和方法。人们可以根据已知对象的内部结构来推测和预见对象的功能，也可以根据已知对象的功能来推测和预见对象的结构，从而根据人们的需要，进行系统的结构及功能的改变，或者对系统的结构和功能进行模拟，达到对自然的充分利用和改造。
（五）系统论的基本原则
贝塔朗菲的一般系统论主要包括开放系统理论、动态系统理论和等级系统理论、生命系统理论，它们都反映了系统论的基本原则。
1.整体性原则。即系统是由各个组成部分构成的有机整体。这是因为，系统中各个要素相互作用产生各要素单独存在或简单相加时所不曾具有的整体效应，系统的总体功能不仅取决于组成要素的状况，而且取决于要素之间的关联。在利用系统观点研究问题时，就不能立足于某个部分，而必须立足于系统整体。从系统的整体性原则出发，即不能将整体与部分混同起来，也不能使整体和部分分割开来，整体是部分的有机统一，同时，在整体统帅部分的前提下，部分的作用也不容忽视，特别是关键性的部分，有时可以影响系统整体功能的基本状况。
2.层次性原则。这一原则指的是，构成系统的要素本身也是由其组成部分按照特定联系和作用方式结合而成，因此作为综合整体的系统便表现出特有的层次性。贝塔朗菲指出：层次结构是系统的"部分的秩序"。系统的层次性在客观世界中有多种多样的表现形式，如在生物系统中，就包含七个结构层次：亚细胞、细胞、器官、机体、群体种、群落、生物圈。七个层次，每个层次都自成系统，但同时又是上一个层次的要素。不同层次通过物质、能量、信息上的传输和反馈，相互联系。需要指出的是，系统层次结构划分是相对的，系统的结构和要素是相对系统的等级而言的，因此需要作具体而辩证的考察，不能绝对化。
3.有序性原则。系统的有序性包括系统结构层次的有序性、时间排列的有序性和系统发展的有序性。系统的性质在很大程度上取决于系统内部要素的作用方式，而这种方式本身就体现了系统的有序性。系统的有序联系保障着系统结构的稳定性，系统有序性的降低意味着系统稳定结构的削弱或瓦解，研究系统的有序性是研究系统运动规律的重要途径。
4.开放性原则。客观世界的系统都是开放的，在考察系统时，不能忽视环境的特殊作用。系统的功能是通过与环境相互作用而表现的，而且系统的性质和状况受制于它与环境之间物质、能量和信息的交换，所以要全面把握系统，就必须立足于系统与环境的辩证关系，坚持开放性原则。这样，只有认识了开放状态下系统的进化，才能用动态的观点来看待系统。当然坚持开放性原则，除注意环境对系统的作用外，还必须看到系统对环境的反作用，系统并不是被动地适应环境，系统在运行过程中，还会对环境起能动的改造作用。
四、控制论与信息论的产生与发展
控制论与信息论是在自动控制技术、通信工程、电子技术、数理逻辑、生物学、医学、神经生理学、心理学和计算机科学等多种学科相互渗透的基础上产生的横断学科。它们研究的是不同系统中信息传递以及控制的共同规律，以实现系统整体功能最优化的目的。控制论与信息论一起，被视为系统科学体系中的技术科学层次，是沟通系统工程技术和系统科学基础理论的桥梁。控制论和信息论不但提供了一套描绘不同系统的统一词汇和概念，而且给出了解决系统特定问题的研究方法，并在实践中取得突出成就，对系统科学的发展起到重要的推动作用。
（一）控制论与信息论的产生
控制论与信息论的产生是现代大工业生产、现代战争的需要，以及20世纪二、三十年代以来现代科学技术革命的推动。
控制论是研究系统控制和通讯等方面共同规律和控制方法的新学科，它舍弃了具体系统的具体控制方法，而探索它们的普遍性质。控制论的创始人是美国数学家维纳（N. Wirner，1894～1964）。1919年他在研究勒贝格积分时就开始接触控制论思想。1935年8月到1936年6月，维纳在我国清华大学任教，在授课期间，他一方面与中国学者李郁荣合作研究电话理论和改善滤波器的设计，另一方面对中国哲学产生了浓厚兴趣，并从中受到启发。维纳认为这次中国之行，是他从一个数学家向控制论转变的分界线。
二战期间，维纳从事设计防空火力自动控制装置的理论工作。为了解决高炮的自动装置对飞机飞行方向和速度的预测问题，维纳用统计的观点处理，得出了从时间序列的过去数据推测未来的方法，建立了维纳滤波理论。维纳指出，控制就是通信，要进行通信就必须了解对象的状态，必须和被控制对象之间建立通信关系。因此他把控制和通信统一起来处理，并从更广意义上抓住和理解通信与控制中最本质的因素----信息。维纳用统计的观点说明通信及控制问题，强烈地冲击了传统思想，而且对创立信息论产生了重要影响。
维纳在对火力自控装置如何避免人或其它偶然因素的影响这一问题的研究中，大大深化了人们对负反馈机制重要性的认识。负反馈把系统输出的状态信息送回输入端再次实施控制，以减少系统状态与规定状态之间的偏差。维纳认为，要使系统的功能满足特定的需要，必须通过反馈过程来获取系统的状态信息，因此，反馈不仅适用于自控装置，而且也是神经等系统的重要特征。1943年维纳与其他科学家合著了《行为、目的和目的论》一文，从反馈角度研究了目的性行为，找到了神经系统和自动机之间的一致性，是第一篇关于控制论的论文。1948年维纳出版了《控制论》一书，明确把"控制论"定义为"关于机器和生物的通讯和控制的科学"，从而宣告了控制论的诞生。
信息论是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律为主要研究内容，以信息科学方法论为主要研究方法、以扩展人的信息功能特别是其中的智力功能为主要研究目标的一门新兴的横断学科。信息论的产生与人们为了解决如何能更准确、更迅速、更经济地传递信息的问题联系在一起。19世纪电报、电话出现之后，人类的通信方式发生了根本性的变化，同时，如何提高通信的可靠性和效率也成为人们要解决的中心课题，特别是第二次世界大战中对通信的实际需要，使得对建立科学的通讯理论的要求更加迫切。
信息论的创始人是美国数学家申农（C. E. Shannon，1916～ ）。他借鉴维纳等人的工作，从理论上阐明了通信的基本过程。他认为，通信的基本问题就是精确或近似地在接收端重现发送端的消息。因此他撇开不同通信系统的具体特点，只考虑消息的形式而不管它的内容，使问题得到简化，并建立了一个一般通信过程的系统模型。不仅如此，申农还提出了度量信息量的数学公式以及"信息源码定理"和"信道定理"等。1948年申农在《贝尔系统杂志》上发表了《通讯的数学理论》这一著名论文，从而标志着现代信息论的诞生。早期的信息论是一门用数量统计方法来研究信息处理和信息传递的科学，后来逐渐发展成广义的理论，成了用信息论的观点来研究一切问题的理论，这一理论在美国通常被称为信息科学，在西欧则称为信息系统，在我国叫信息论。
（二）控制论与信息论的基本概念
1．控制
控制论的英文cyberneics源于希腊语，意思是"舵手"，包含着通信和控制的双重含义，因而"控制"是控制论的中心概念，指的是一种带有目的性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）与产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。在控制过程中，受控对象存在着多种发展的可能性，即控制在实质上意味着在事物发展的可能性空间中进行有方向性的选择，所以控制作用是带目的性的能动作用。控制作为一种作用和过程，一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。
2．反馈
反馈是系统控制的重要概念，即把系统输入的信息，作用于控制对象后，产生的结果再输送回来，并对信息的输入和再输出发生影响的过程。
通常把反馈分为正反馈和负反馈。正反馈是指如果回送的信号与原输入的信号起的作用相同，原输入信号大，反馈的信号增大，起到增强输入的作用。如原子反应堆中，中子轰击铀原子核，裂变时发出两个中子，这两个中子又可以轰击其他的铀原子核……这是正反馈过程。可以看出，正反馈倾向于系统偏离目标的运动，使系统趋于不稳定。
负反馈是指如果回送的信号与原输入的信号起相反的作用，原输入的信号小，回送的信号起的抑制作用也小，原输入的信号大，回送的信号抑制作用也大，从而反馈系统偏离目标的运动，使系统趋于稳定。
控制系统根据是否具有反馈回路分为开环控制系统和闭环控制系统两种。开环控制就是没有信息反馈作用，系统的输出仅由输入确定的控制系统；而闭环控制系统则包含信息反馈作用。
3．信息
通俗地讲，信息是指具有新内容、新知识的消息（包括文字、数据、情报、信号、指令等）；具体而言，信息是标志事物存在及其关系的属性，是认识主体收到的，可以消除对事物认识不确定性的新知识、新内容。在信息论中信息是指系统确定的程度（组织结构或有序程度）或者是系统不确定的消除程度的标记。
从信息这种界定可以看出，第一，信息不能离开物质而独立存在。信息的产生、传递和贮存，都需要特定的物质作为载体；第二，信息的作用和价值往往受到接收者主观因素的制约和影响，信息能否消除对事物认识的不确定性，取决于接收者原有知识的状况；第三，信息不但具有可识别性、可传输性、可存贮性，更重要的是，信息具有可分享性。这是物质、能量所不具备的。正是由于具有这些特点，使得信息与物质、能量一起，成为人类社会发展所必须的三大资源。
信息是控制的基础。控制过程总是同对系统中的信息进行比较、判断和处理联系在一起。不论是自动机器，还是动物体，在实现特定目的性行为的过程中，都毫无例外地依靠三个部件：首先是效应部件，它根据指令执行特定任务；其次是感受部件，负责收集当前环境以及自身实现目标状况的信息；第三是决策部件，从事对信息的加工、选择及其评价，以此为基础，对自身进一步行为进行决策。可以看出，控制系统就是信息系统，控制过程就是信息运动的过程，是通过决策部件对从各子系统得到的信息进行分析、比较，并做出判断而执行的过程。在这个过程中，目的、信息、反馈和控制不可分割地交织在一起。
4．信息量
所谓信息量，是指"不确定程度减少的量"，或者是"新知识增加的量"。这个定义正如温度对热力学的意义，对信息论的发展起着决定性作用。信息论创始人申农认为，信息量是"两次不定性之差"，也就是不确定性减少或消除的量，而不确定性，在数学上是以概率来计量的。概率P=0，表示消除不确定性最小，即可能性最小或者是不可能，没有信息值。
（三）控制论与信息论方法
控制论、信息论方法是指建立在控制论和信息论基础上的科学方法，它包括反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法和信息方法等。
1．反馈方法
反馈方法是指用系统活动的结果来调节整体系统活动的方法，它是一种运用反馈概念来分析和处理问题的方法。运用反馈方法提示技术过程、生理过程、心理过程和社会实践过程调节控制的共同规律，成为人们对各种类型的系统实施控制的一种普遍有效方法。反馈方法在现代科学研究与科学管理中具有重要作用：
2．功能模拟法
所谓功能模拟法，就是以功能和行为相似为基础，在未弄清或不必弄清原型内部结构的条件下，用模型再现原型的功能和行为的方法。也就是说，功能模拟撇开事物间的具体组成结构形态或运动形式，只是对事物间的"功能"或"行为"进行模拟。如人眼和雷达，人眼受神经控制，而雷达则是无机界的机械系统，它们的形态、结构及运动形式都有很大差异，但是他们搜索目标的功能具有同一性。这种同一性是机器模拟人和动物的基础，使机械模拟人成为可能。
3．黑箱与黑箱方法
所谓黑箱，就是指其内部构造和机理还不清楚，但可以通过外部观测和试验，考察其输入与输出的情况，去认识其功能和特性的系统。客观世界中许多事物，当人们不可能、不允许、不必要深入了解其内部细节，还不清楚其内部详细情况时，都可以看作是黑箱。相对黑箱还有灰箱和白箱。对其内部情况了解一二，但又不很清楚，则称为灰箱，如果都已清楚明白，就是白箱。
所谓黑箱方法，就是不打开黑箱，仅利用外部观测、试验，通过输入、输出信息及其动态过程来研究黑箱功能和特征，探索其构造和机理的科学方法。如人脑就是一个黑箱，它具有记忆、联想、学习等功能，但要了解人脑的机理却不能通过直接解剖的方法来完成。
黑箱方法实施的步骤是，首先确定黑箱系统，即根据黑箱的性质和研究内容明确它同周围环境的边界，把黑箱从环境中"分离"出来，并确定黑箱与环境信息交流的主要通道。其次，通过观测和实验，考察黑箱。观测是在系统不受干预和不对系统干预的情况下，测量其输入和输出及其动态过程，取得输入、输出和变化的数据。实验则是在系统的输入端有目的地加入某种测试信号，然后从输出端观测输出结果，以获取研究对象的有关信息。再次，依据考察结果，在系统分析黑箱的基础上，建立黑箱模型。最后，以已建立的模型为基础，解释或阐明黑箱的功能特性，推测黑箱的内部结构和作用机理，观测黑箱的未来行为。
4．信息方法
信息方法就是运用信息论的观点，把系统的过程当作信息传递和转换的过程，通过对系统信息流程的分析和处理，来揭示系统内部机理达到对系统运动过程的规律性认识，或是通过建立适当的信息模型和合理技术手段来模拟系统的高级行为的研究方法。信息方法是紧紧围绕着信息在系统内部的运动，既不割断系统的联系，也不机械地综合，而是以信息为基础，从整体出发，用联系、运动、转化的观点综合系统过程，探索系统规律的研究方法。
运用信息方法基本要求是以信息概念作为分析问题和处理问题的基础。即，撇开对象的具体运动形态，把系统的有目的的运动过程抽象为一个信息交换的过程。一般而言，系统中的信息交换过程包括以下四个环节：信息的输入、信息的传输与贮存、信息的处理、信息的输出
运用信息方法研究一个系统，要着重研究该系统信息运动的上述四个环节。在这四个环节中，信息处理是整个系统信息运动的重点。在系统有目的的运动过程中，反馈机制的存在对系统按照预定目的实现控制具有重要意义，因此保证反馈信息的存在并有效地发挥其作用是运用信息方法的关键。
五、自组织、非线性与探索复杂性
贝塔朗菲的一般系统论作为系统科学的基础理论，明确了系统研究的重要意义，研究了系统的最一般性质，如整体性、动态性及相互作用等。但是，一般系统论的研究主要停留在静态的角度和逻辑方法上，它建立了一个逻辑上和观念上的系统概念模型，并从这个概念模型合理推导出一些基本原理。这种模型和这些原理主要揭示了已经形成的系统在特定存在状态下的规律，但关于系统形成及其发展的问题还尚待研究，还需要运用实验和数学的方法探讨系统运动发展的内在机制。
系统科学的新进展体现在新兴的自组织理论、非线性科学和复杂性科学之中，它们都从不同侧面研究系统发展这一中心问题。系统的发展意味着系统组织化和有序化程度的提高，自组织理论正要刻划客观事物这种结构化、有序化和系统的过程。而系统之所以能够实现自身的组织化和有序化，又是因为在系统中存在着非线性的相互作用。线性相互作用具有累加性，它不会产生新的性质，自然不可能在系统中产生新的结构。而非线性相互作用具有相干性，可以通过部分之间的相互制约和相互耦合形成在总体上完全不同于各部分的系统效应，正是因为大自然大量存在的相互作用是非线性，物质世界才普遍经历着从无组织的混乱状态向不同程度的有组织状态的演变。由此可见，对于非线性问题的研究，既是非线性科学的主题，也是自组织理论的基本内容。另一方面，关于系统自组织问题的研究，也促使人们改变了"现实世界简单性"的观念。认为自然过程是简单的，可归结为某一个基本的简单层次，这是古希腊以来西方科学的基本主张。但是正如普里高津（I. Progogine，1917～ ）明确指出的，通过对系统自组织过程的探讨，"我们发现我们自己处在一个可逆性和决定论只适用于有限的简单情况，而不可逆性和随机过程却占统治地位的世界之中"。不论是宇宙世界中天体的形成和演变，还是微观领域中粒子的相互转化和湮灭；不论是生物的繁衍，还是人类的延绵，到处都表现出不断增加着复杂性和多样性的进化行程。这一事实不但表明简单性并不是自然界的本质属性，复杂性包含于自然法则中，而且同时表明了以探索客观世界复杂事物为对象的复杂性科学，必然是与研究系统发展问题为任务的自组织理论交织在一起的。
对系统问题的实验研究始于维纳创立的控制论，但到20世纪60年代末和70年代初，才形成比较成熟的理论，主要有耗散结构理论、协同论、混沌理论、分形学、超循环论和突变论等。限于篇幅，这里只对耗散结构理论、协同论、混沌理论、分形理论进行简介。
（一）耗散结构理论
所谓耗散结构，就是一个远离平衡状态的开放系统（主要是力学的、物理的、化学的、生物的等等）在外界条件达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统不断通过与外界交换能量与物质，可能从原有的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡状态下的新的有序结构，就是耗散结构。
耗散结构是对应于平衡结构的概念而提出的。人们长期研究的主要对象是平衡的有序稳定结构，如晶体、液体等。这种结构在一定的条件下保持着一种稳定的结构，系统内部的热运动不能破坏系统整体的有序态，只有在条件激烈变化下，系统才可能由平衡的稳定有序状态变为不稳定的无序的混乱状态。
原先人们认为倘若体系先是处于一种混乱无序的非平衡状态中，是不可能在非平衡状态下呈现出一种稳定有序的结构的，因此无法解释在生物界和社会系统中占统治地位的演化，因为这些演化都是从无序向有序、从低级向高级的进化。只有耗散结构理论才能解释这种演化，从而解决了热力学与进化论的矛盾，改变了这种观点。耗散结构与平衡状态下的稳定结构不同，稳定有序的平衡结构是一种"死"结构，它不需要外界供应物质和能量来维持，稳定有序的非平衡结构则是一种"活"结构，它要求不断地与外界发生物质和能量的交换，才能维持它的有序状态，它正是通过这种有序的状态去耗散物质和能量的。
产生耗散结构需要具备以下基本条件：
（1）系统必须开放。孤立系统只能出现熵增，最终导致有序结构的破坏。只有开放系统，才能从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增，才能使系统从无序走向有序或使系统保持有序状态。
（2）系统应当远离平衡态。处于平衡态或近平衡态的系统不会出现新的有序结构，只有远离平衡态，原有定态的稳定性及其对涨落的独立性才失去保证，才有可能形成新的有序结构。
（3）系统内部应当存在非线性相互作用。由于非线性作用具有相干和耦合的特点，这是系统产生新的整体性质和功能的必备前提。
（4）涨落导致有序。系统处于平衡态时，涨落只能使系统发生暂时的偏离，最后仍将回到原有的稳定态。在远离平衡态时，系统中一个微观随机小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体的宏观"巨涨落"，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态，这里涨落成为驱动系统由原来的稳定分支演化到耗散结构分支的原初推动力。
耗散结构理论通过对非平衡系统自组织过程的刻划，从一个侧面科学地说明系统从无序向有序转化的具体机制，解决了长期以来存在的热力学和进化论之间的矛盾，把物理世界的演化规律和生物领域的发展规律初步统一起来，为用物理学、化学方法研究生物界和社会领域的问题开辟了道路。
（二）协同论
协同论是德国理论物理学家哈肯（H. haken，1927～ ）于20世纪60年代创立的关于系统自组织问题的新学科。它主要研究在由许多系统构成的复杂系统中，这些子系统如何通过协作和自组织而形成宏观尺度上的空间结构、时间结构或功能结构。1977年出版的《协同学导论》是协同论正式成立的标志
协同论主要回答的是：能否找到某种能够支配存在于各类系统中的自组织现象的一般原理，这种原理与系统组成部分的性质无关。哈肯认识到，完全不同学科的完全不同系统的行为之间存在着惊人的相似性，因而有可能采用同样的数学模型和理论来描述不同系统从无序向有序转化的机制。哈肯将表征激光的相变概念引入了非平衡系统，把非平衡有序结构的出现看作一种由子系统间的相互作用而引发的相变过程。
为了有效地描述系统的状态和结构，以研究系统演化进程中的共同特征和普遍法则，哈肯将影响系统行为的众多变量划分为两类：一类在临界点附近阻尼大、衰减快的快驰豫参量，或称快变量；一类是在临界点附近阻尼系数趋于零的慢驰豫参量，或称慢变量。快变量能够迅速地按指数衰减达到某种稳定状态，因此对于系统的演化影响很小；而慢变量固有驰豫时间很长，甚至趋于无穷，能够促使系统偏离原有的稳定状态，并引导系统逐步进入新的状态，形成新的结构，对系统的发展具有特别重要的意义。哈肯经过严格的数学论证，描述了这两类变量在自组织形成过程中的地位和作用，提出了协同论的支配原理：在系统到达临界点时，快变量受到慢变量的支配和役使，慢变量决定和控制着快变量，从而导致新的结构的产生，因此，慢变量决定整个系统的秩序和有序程度的变化。
根据支配原理，对一个复杂系统，不必考虑它的微观子系统的所有参量，以及所有子系统的存在和作用方式，而只需要选择一个或几个能够有效描述系统宏观秩序的参量，就能了解它的宏观有序状态以及整体变化宏观模式，这个参量就是序参量。从另一种意义上，序参量与慢变量是等价的。如，当激光器的输入功率达到阈值后，它便发射出以正弦波形式存在和运动的激光。光波的概念能够反映光的这种特殊运行模式，光波振幅以及波长能够描述激光的强度和颜色。因此，可以选择光波振幅或光场强度作为序参量，来刻划激光系统的有序程度和宏观状态。
（三）混沌理论
混沌是非线性耗散系统中存在的一种普遍现象。从系统演化看，远离平衡态的系统的有一种可能发展方向，就是从通常意义上的有序结构状态向混沌结构状态转变。混沌理论正是研究混沌的特征、实质、发生机制，以及探讨如何描述、控制和利用混沌的新科学。混沌理论形成于20世纪60年代，其主要标志有两个：一个是研究哈密顿系统运动稳定性问题的KAM（柯尔莫哥洛夫－阿诺德－莫什尔）定理的提出；二是洛伦兹（E. N. Lorenz）用计算机模拟大气湍流，发现了具有非平庸吸引子（奇怪吸引子）的第一个模型----）。


4－4－1：洛伦兹吸引子
吸引子由两片构成。各片各自围绕着原来的一个不动点，运动轨道在一片中由外向内绕到中心附近后，"随机地"跳到另一片外缘继续向内绕，再突然跳回到原来那片的外缘。
混沌理论研究的对象是具有确定性的非线性系统。"混沌"译自英文"Chaos"，原意是紊乱、无序和无规律，但混沌理论中的混沌指的不是纯粹的无序，而是确定的随机性。"确定性"是因为混沌由内在的原因而不是外来的噪声或干扰所产生，即过程是严格确定性；而"随机性"指的是不规则的，不能预测的行为。可以说，混沌是确定性规律决定的非线性动力学系统本身产生的随机的不规则的宏观时空行为。
系统如何从非混沌态向混沌态演化，是混沌理论研究的重要问题，根据目前的研究状况，以下三条道路是比较重要的。
1．倍周期分岔道路。本来是按周期行为有序变化的系统，随着控制参量的不断变化，运动周期逐次加倍，终于成为非周期运动而进入混沌状态。
2．阵发道路。系统从有序向混沌转化，在非平衡条件下，控制参数的变化达到特定临界阈值时，系统就会时而有序，时而混沌，在这两种状态之间振荡。如果有关参数继续变化，系统则会由阵发混沌发展到完全混沌状态。阵发混沌与倍周期分岔产生的混沌是伴生现象，在存在倍周期分岔的系统中，大多数都可以发现阵发混沌现象。
3．茹勒－泰肯（Ruelle～Takens）道路。具有三个不可约频率成分的准周期运动，可以直接失稳进入混沌。在这类系统中，只要三个慢变量变化，就必然会出现混沌，并不需要更多的慢变量变化和快变量的叠加。而系统微观上的混沌可能是宏观上规则慢运动的基础。这种道路是茹勒和泰肯最早提出的。它的关键特征是通过准周期运动的换稳而进入混沌，所以，也被称为准周期失稳道路。
（四）分形学
山是什么形状？云为什么这般模样？这些看似简单却难以回答的问题就是分形学所要解决的问题。 "分形"一词译自英文fractal，意指"不规则的"、"支离破碎的"。该词由数学家曼德尔布罗特（B. B. Mandelbrort，1924～ ）新造，用以描述自然界中极不规则、极不光滑的物体形体：弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、枝繁叶茂的树木、飘飘飞扬的雪花、变化无常的浮云和九曲回肠的河流等等。这些形体普遍存在于自然界中，但在经典几何学中却被视为反常或"病态"，因而长期以来被排斥在几何学的研究范围之外。直到60年代后，主要由于曼德尔布罗特的创造性工作，加上计算机显示技术的帮助，以及在混沌等复杂现象研究中的应用，终于使以研究分形体的几何特征、数量表征及其普适性为任务的数学理论――分形几何学得以确立。曼德尔布罗特的《分形、形态、机遇和维数》及其修正本《自然界的分形几何学》是分形理论问世的重要标志。
分形可定义为具有非均匀分布和自相似层次结构的客体。它既包括数学构造的分形，也包括自然界中的分形。数学分形有两个特点：（1）构造方法是规则的，分形比较简单，分维易于计算；（2）自相似的层次是无穷的，即具有无穷嵌套自相似结构。科赫雪花曲线就是典型的数学分形。同数学分形相比，自然界中的分形有两个重要区别：一方面，自然界的分形不是按照一定规则构造出来的有规分形，而是一种具有自相似分布的随机对象，是一种无规分布；另一方面，自然界分形的相似层次是有限的，任何物质客体在大小两端都受到一定特征尺度的限制，分形只存在于特定的限度内，不存在无限的自相似层次。自然界中的分形现象非常普遍，例如布朗粒子运动轨迹、海岸线等都是分形曲线。
系统科学及其在当代的发展，不但代表着自然科学研究的重要成就，而且也深刻地改变了人们的世界观和方法论。在19世纪末，马克思和恩格斯根据当时的最新自然科学发现，创立了辩证唯物主义。系统科学的发展一方面通过各种系统理论为之提供了更加坚实的科学基础；另一方面，它也提供了各种科学方法，从而使以普遍联系和永恒发展为基本特征的辩证思维方式以具体可操作的方式得以展现，系统科学极大地丰富了马克思主义的辩证唯物论。与此同时，系统科学也提出了许多新的哲学问题，要求人们在更深层次上理解整体与部分、决定性与随机性、有序与无序、简单与复杂、偶然与必然之间的内在关系。而对这些问题的深入研究也必将对人类认识水平的提高和社会经济、文化的发展与进步产生重要作用。

第五节 现代天文学的研究进展

天文学是研究天体运动、结构和演化规律的科学。20世纪以来，各门科学，特别是数学、物理学、无线电电子学和空间技术的发展，为天文学的发展创造了条件。人们在大量的观测资料和现代物理学的基础上，开始从整体上探索宇宙、天体的结构和演化。其中，现代宇宙学的发展成为现代天文学发展的最重要成果。
－、宇宙概观
（一）宇宙的概念
"宇宙"的观念源远流长。就字面的意义而言是指空间和时间的总和。我国古代典籍《尸子》上就有"四方上下曰宇，往古来今曰宙"之说。即宇宙是无所不包的整个物质世界，无论在时间上还是在空间上，宇宙是无限的。随着实践和科学技术的发展，宇宙概念的内涵和外延在不断扩大：太阳系--银河系--河外星系--总星系……。今天科学上所谈的宇宙是指时间尺度为200亿年，空间直径为200亿光年的总星系。
（二）宇宙的结构
宇宙，泛指天地万物，是自然界一切物质的总称。人们对宇宙的认识，从大地星空到太阳系，再扩展到银河系、河外星系、星系团，乃至观测所及的宇宙。目前，天文观测的视野已经延伸至一百多亿光年（1光年＝9.6×1012km）。人类生活的地球可以说是宇宙海洋中的一颗小沙粒，它只是太阳系的一颗行星。太阳在人们看来非常明亮十分巨大，而它只是天穹中许许多多星星中的一颗普通恒星，它离地球特别近，约1.5×108km。人在地球上用肉眼看到的星星，绝大多数仅仅是银河系中2000多颗较近较亮的恒星，而银河系内各类恒星的总数达1011颗。
1、银河系
由恒星组成的银河系是一个扁平的圆盘，形状如铁饼，中间厚，四周薄，直径约80000光年，中间厚度约6000光年。它还有一个由分布较稀疏的恒星组成的直径大约有100000光年的球状晕，称为银晕。银河系的总质量估计为一千亿个太阳质量。其中银晕的质量约占总质量的10%。太阳位于离银河盘中心约30000光年处，在盘中心平面稍为"偏北"的地方。离太阳最近的恒星是比邻星，它与太阳的距离约有4.3光年。整个银河系盘子在旋转，速度达到250km／s，并且呈现出巨大的旋臂。整个银河系在星空中非常雄伟壮丽。到20世纪初，人们所说的宇宙大致就是指银河系。
2、河外星系
1923年，美国天文学家哈勃（E．Hubble，1889～1953）在银河外找到了一些新的星系，这些新发现的星系与银河系一样，也是由许许多多恒星汇集而成，称为河外星系。这几十个河外星系距地球都在200万光年以上。哈勃的重要发现使人类对宇宙的观测突破了银河系，进一步扩展了人类对宇宙的认识。到目前为止，用大的（光学和射电）天文望远镜在银河系之外已经发现了约1011个河外星系，其中大的星系包括1013颗恒星，小的星系也有106颗恒星。这些星系的形状有球形、椭球形、涡旋状（银河系即此形状）、棒旋状等，还有其他稀奇古怪呈不规则形的，这些星系离人类都在一百万光年以上。20世纪60年代以来又发现了一批"类星体"，它们离人类更远，距离都在几十亿到一百亿光年以外，这大概是人类今天所能观测的最远的星体，也就是今天人们所说的能够观测到的宇宙尺度。
3、宇宙中的其他物质
宇宙中除了可观测的星系外还有其他物质，如不再辐射的星体、大大小小的黑洞以及星际气体和尘埃等。此外还有各种频率的辐射、宇宙线以及大量中微子，所有这些对于宇宙的质量密度均有贡献。因此，正确估算出宇宙的总质量或质量密度是一个十分困难的问题。
4、观测宇宙
以上介绍的宇宙，可以称为"观测宇宙"。观测宇宙是有限的，但这并不是观测设备能力的限制所造成的。人们相信并已经证实，人们的观测宇宙不是静止不变的，而是处在不停地膨胀和演化的过程之中。根据大爆炸宇宙学的观念，宇宙有一个开端，所以宇宙有一个有限的年龄t0。光的传播速度c又是一个常数。因此，宇宙中可观测到的部分只能是一个有限的范围，它的大小至多是ct0的数量级，即光速与宇宙年龄的乘积。人类不管把望远镜造得再大，也不能观测到比ct0更远的天体，因为，它们发出的光至今还没有来得及到达地球。
人类的观测宇宙很可能是真实宇宙的一部分，整个宇宙的大部分很可能是不能为人类所观测到的。那么人类能否从理论上认识整个宇宙呢？今天人类有理由相信，在比观测宇宙小的尺度上，不可能出现新的宇宙结构层次。假如以观测宇宙的尺度为基本单位，整个宇宙分布是宇观均匀的，那么，人们的观测宇宙就可以看成是整个宇宙中一个有代表性的典型区域。于是人类就可用对于观测宇宙所获得的知识作为基本出发点，来研究整体宇宙。这正是人类对整个宇宙的看法。
二、现代宇宙观的形成
（一）传统宇宙观及其不足
1、牛顿的经典无限宇宙观
宇宙是有限的还是无限的？这是历史上长期争论的问题。在伽利略、牛顿以前，亚里士多德、托勒密等人主张宇宙是有限的，传统的宇宙结构是以地球为中心的一系列的同心圆行星体系，最外层是恒星天，恒星天是宇宙的边界，在它之外就什么也没有了。到了哥白尼时代，宇宙观念发生了变化，主要体现在以地球为中心还是以太阳为中心这个问题上。哥白尼主张太阳中心说，但在宇宙结构上还是保持有限有边的模式。
到了牛顿时代，建立了包括万有引力在内的完整的力学体系。在牛顿力学体系内，假如有限的物质均匀分布在一定的空间范围内，是不可能稳定的。因为物质在万有引力作用下将聚集于整个空间的中心，形成一个球体，且最终会在巨大的引力作用下坍缩。因此，牛顿力学的宇宙必须是无限的。这样，牛顿力学第一次给人们描绘了一幅无限宇宙结构图：
宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。宇宙空间是三维欧几里得几何学空间。在牛顿的这样一个绝对"空"而无限"大"的宇宙空间中，均匀地分布着无限多的天体，相互以万有引力联系。在这样一个宇宙中，人们无论沿什么方向都会看到无穷多的天体。这样一幅牛顿宇宙图景，不仅在当时，就是今天，也仍然是一般人心目中的宇宙图景。
由于牛顿力学的巨大成功，无限宇宙观念和牛顿力学体系很快占了统治地位。然而，牛顿的无限宇宙模型存在一些难以克服的矛盾。主要有以下三方面：
（1）引力佯谬--也叫"西里格尔佯谬"
西里格尔（XXXXXXeliger）于1895年指出，当我们考虑宇宙中全部物质对空间中任一质点的引力作用时，假如认为宇宙是无限的，那么在空间每一点上都会受到无限大的引力的撕拉，这显然不符合我们宇宙中的事实。
（2）热力学佯谬--"热寂说"
根据热力学规律--热量会从温度高的物体流向温度低的物体，最后使它们趋向于一个共同的温度。如果宇宙是永恒、无限的，那么如果它遵循热力学规律，可以想像宇宙最后会趋于同一温度，即所谓宇宙的"热寂"，而不是像现在这样，各种星体具有不同的温度，如太阳的表面温度大约为6000℃。若宇宙无限"老"，那么它早就死亡了。除非宇宙无限大，以至于不可能热平衡，或者像很多物理学教科书所说的那样，从有限体系得出的热力学规律不能用于无限的宇宙。那么宇宙真是永恒、无限的吗？
（3）光度佯谬--"奥伯斯佯谬"（夜空为什么是黑暗的）
众所周知光强与距离的平方成反比，也就是说，离光源越远，光强度越弱。太阳之外的恒星离人类很远，所以光线很弱。但是如果宇宙无限大，假设有无限多颗亮度基本一样的恒星，且大体呈空间均匀分布，那么距离增大一倍，对应的球面面积增加4倍，其上的恒星数量也增加了4倍，虽然每颗恒星照射到地面的强度减弱为1／4，但总强度并没有减少。也就是说，每一个球面上的恒星照射到地面的光强是一样的，即使强度很小，但有无限多层球面叠加的光强将是无限大。因此，如果宇宙是永恒的，且为无限大，人类的夜空就应该是非常明亮的，而不是像现在这样是黑暗的。这就是所谓的奥伯斯佯谬。
可见，牛顿宇宙学的困难在于无限宇宙与现有经典定律的无法调和性。要解决这个困难，要么修改宇宙无限的观念，要么修改现有定律，或者两者都要修改。现代宇宙学正是沿着这条思路发展起来的。
2、爱因斯坦的有限无界静态宇宙
1916年爱因斯坦在刚刚建立广义相对论不久，就转向宇宙学研究。因为宇宙作为最大的天体系统，在当时是可以充分体现广义相对论作用的唯一的强引力场系统。1917年他发表第一篇宇宙学论文，题目就是"根据广义相对论对宇宙学所作的考察"，从而开创了相对论宇宙学研究领域。在这篇论文中，爱因斯坦分析了牛顿无限宇宙的内在矛盾，并从自洽性出发，提出了一个有限无界的静态宇宙模型。
爱因斯坦根据广义相对论提出的宇宙模型认为，不能先验地假定宇宙空间一定是三维无限的欧几里得空间，宇宙空间的结构或几何性质取决于宇宙间物质的运动与分布，物质怎样分布，空间就怎样弯曲。物质按照某种方式分布，空间就可能弯曲成一个封闭的区域，有一定的直径，有一定的体积。这就是爱因斯坦的"静态有限无界宇宙"。所谓"静态"是指从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的；所谓"有限"、"无界"，是指宇宙空间体积有限，而光线在这个三维空间内的传播是弯曲的，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。
爱因斯坦的相对论宇宙模型，能自然地消除牛顿无限宇宙中的矛盾。不过爱因斯坦提出的宇宙模型是静态的，仍然不符合天文发现的一个重要的事实：即宇宙在不断膨胀之中。尽管如此，爱因斯坦研究宇宙整体时空性质的基本思想及基本方法是具有开创性的，它们为现代宇宙学的发展奠定了基础。
（二）动态宇宙观的形成
动态宇宙观--即宇宙正处在膨胀之中这一现代宇宙观的形成，得益于天文观测的重要结果--即星系红移现象的发现。
在1910～1920年的10年内，洛威尔天文台的斯里弗首先发现了许多星系的红移现象（极少数星系如仙女座，有蓝移现象）。红移现象可以用多普勒效应来解释。星系退离运动时，接收到的星光频率会变低（即波长变长），使谱线向红端（长波方向）移动。从红移的大小可以算出星系的退行速度。
1929年，美国天文学家哈勃进一步发现，所有河外星系的谱线普遍有红移现象。他把测得各星系的距离跟它们各自退行的速度画到一张图上后发现，在大尺度上，星系的退行速度跟它们离开人类距离是成正比的，即离人类越远的星系退行得越快，红移量越大，这个关系叫做哈勃定律，它可以表示为V=HD。其中V为星系的退行速度，D是星系距人类的距离，H是哈勃常数，其值可通过天文观察确定，目前的估计值是H=15（千米／秒）／百万光年。
哈勃定律是20世纪天体物理学中的一个重大发现。这个发现给人类提供了星系远离人类而去且在不断运动的有力证据。所有星系都在远离人类而去，并不表示人类所处的银河系是宇宙的中心。实际上星系并非只是离开我们而去，而是彼此相互远离。从任何一个星系上看，其他星系都在彼此远离退行，这实际上显示了宇宙正处在不断膨胀之中，即宇宙的空间尺度随时间不断增大。
哈勃的发现改变了静态宇宙的观念。十分有意思的是爱因斯坦在宇宙是静态的还是动态的问题上也犯了错误。他在1917年首次提出的宇宙模型是静态的，但是他的引力场方程却只能得到动态宇宙解。由于受到当时静态宇宙传统观念的束缚，爱因斯坦没有敢走得更远，于是他修改广义相对论引力场方程，硬是给它外加一个宇宙项，以便凑出一个静态宇宙模型。红移现象发现以后，他对自己原来的做法深感后悔。本来宇宙膨胀是广义相对论场方程的自然结果，可是他却偏偏放弃了它。爱因斯坦称这是他"一生中最大的一件错事"。
三、宇宙的起源和演化
（一）宇宙起源
既然宇宙在膨胀，反推回去即宇宙曾经很小，也就是说，宇宙在遥远的过去可能是聚合在一起的。根据现在的膨胀速度，人们可以推断这种聚合状态出现在大约100～200亿年前。那么宇宙是如何从当时的聚合状态演变成现在这样的呢？
1、宇宙大爆炸模型（Big Bang）
大爆炸宇宙模型最早是在20世纪40年代由伽莫夫（XXXXmov，1904～1968）、阿尔弗（R．Alpher）和赫尔曼（R.Herman）提出的。他们假设宇宙是在100多亿年前由一个超高温、超高密的原始火球（亦称宇宙蛋）发生大爆炸而开始的，然后经过一段从热到冷、从密到稀的演化历史，发展成今日的宇宙。现在把按照这种观点来研究宇宙中物性演化历史的学说，统称为"大爆炸宇宙学"。
根据当前宇宙膨胀的速度，可以反推出宇宙在100～200亿年前脱胎于高温、高密度状态即原始奇点的状态：这时的宇宙体积无限小，物质密度无限大，空间无限弯曲，引力能量高度集中。随着宇宙的膨胀，引力能逐渐转化为粒子能量，从而产生出各种各样的粒子来。根据宇宙温度T就能确定辐射场粒子的动能kT，当这一能量大于某种粒子的固有能m0c2时，就可确定宇宙在这一温度时所包含的粒子成分。按照这种模型方法，除了宇宙创生时期人们还没有现成的物理定律可以加以说明外，宇宙大部分的演化历史都可以根据现有的物理理论来加以说明，然后又可用天文观测结果来验证这个模型。这正是大爆炸宇宙学的科学性所在。
值得指出的是，所谓的宇宙大爆炸，并不是平常所说的一颗炸弹在已经存在的空间中爆炸飞散的过程。在宇宙大爆炸的过程中，物质是与时空联系在一起的，大爆炸是空间本身的"爆炸"，时间、空间是与原初奇点的"爆炸"一起开始同时出现的，而不是什么东西在现成的时空背景中的爆炸。这一宇宙学说表明，今天的宇宙是从100多亿年以前的一种高温、高密状态经不断膨胀、不断降温演化而来。从20世纪50年代初伽莫夫开始，经过许多科学家的努力，到目前人们已经能够说明宇宙的大致形成和演化过程。
（1）大爆炸：宇宙开始于一个原始奇点，所谓奇点，即指它有无限高的温度和无限大的密度。目前还不能说明当时的情况，人们只能假设宇宙产生于时空奇点的大爆炸之中，时间由此开始，空间由此不断膨胀。
（2）宇宙暴涨：根据现有的粒子物理学理论，可以设想大爆炸后10～43s的情况。那时宇宙密度是1093kg／m3，温度是1032K（作为比较，地球平均密度是5×103kg／m3，温度是300K；宇宙现时的平均密度估计1027kg／m3，温度是3K）。这时宇宙中还没有任何粒子，只有时间、空间和真空场。其后，在10～35s，温度降到1028K时，宇宙突然发生一次"莫名其妙"的暴涨，它的直径一下增大了1050倍。激烈的暴涨引起了大量数目的基础粒子，包括夸克和轻子的产生。但由于能量非常高，这时强作用、弱作用和电磁作用没有区别，是统一的一种力。暴涨过后，宇宙继续膨胀，温度进一步降低，这时强作用、弱作用和电磁作用逐渐分开来。
（3）强子时代：大爆炸后百万分之几秒（10～6s），温度降至1013K时，夸克才有可能结合成质子和中子等一类强子。
（4）轻子时代：大约在大爆炸后百分之几秒（10～2s），温度降到1011K，此时粒子的热运动能量远低于重子（中子、质子等）的静能。因此，产生重子的反应停止，原有的短寿命的重子迅速衰变而消失，结果，重子中只剩下一些质子和中子。这时的宇宙中主要成分变为光子、各种中微子以及正负电子。中子质量略大于质子，随着温度降低，中子转变为质子的过程将比质子转变为中子的过程占优势，结果中子数目逐渐减少，质子逐渐增多。
（5）4s以后：这时温度降到109K以下，相应的能量不足以产生正反电子对。因此，正反电子对迅速湮灭。加之中微子脱耦，使得质子和中子之间的转变反应基本停止。它们的数目趋于稳定。这时的重子中，中子数约占14%，质子占86%。
（6）3min以后：温度此时降到106K以下，中子和质子有可能结合成氘核。然后，氘核又进一步通过反应形成氦核。当中子全部和质子结合成氦核后，氦约占宇宙总质量的28%左右。其余主要是氢，还有少量的锂和铍。这时由于温度较低，各种粒子相互碰撞而发生反应的可能性很小，因此从那时起直到现在，宇宙中各种粒子的丰度就基本保持不变。这时宇宙的年龄大约为30min。现代实际测量所得到的氦丰度与理论值非常一致，这也是大爆炸理论令人信服的证据之一。
（7）随后的100万年：在大爆炸半小时后，宇宙中留下了大量的光子（以及大量的中微子和反中微子），宇宙中光子数与重子数之比约为109，所以此时的宇宙是光子的海洋。高能光子有足够能量击碎原子，但是随着宇宙膨胀，光子的能量不断减少，直到大约经过40万年后，这些在大爆炸初期产生的光子就会变成低能光子，这种低能光子将不再能够击碎原子，甚至不再能够激发原子。于是宇宙中的原子和光子变成没有耦合的两种独立组分，宇宙就进入了"退耦代"，变得透明。这时宇宙的温度已降到4×103K，原子开始形成。起先只是产生较轻的元素，较重的元素是在其后形成的星系和恒星内部产生的。从退耦代开始，宇宙中的光子气体叫做"宇宙背景光子"。伽莫夫在20世纪40年代最早预言了背景光子的存在，并算出了这种大爆炸初期产生光子现在的波长，其值大约是lmm，这属于微波段光子。这种光子相对应的温度是5K左右。这一预言在1965年由天文观测实验证实。
（8）今日宇宙：宇宙从大爆炸开始至今的年龄可利用哈勃定律得到，实际上就是哈勃常数的倒数，即T0=1/H0≈⒈8×1010年。宇宙年龄的这个估计值跟利用放射性测定年代的方法所得到的银河中最古老星系的年龄相符。迄今对宇宙中古老星系物质年龄的所有实验结果都不违背大爆炸宇宙学理论。这也是对大爆炸宇宙学的有力的支持。在宇宙的演化史中，从光子退耦代到今天这一阶段最长。在这个阶段的初期，宇宙中主要是气态物质。以后靠引力作用及相互碰撞，气态物质局部凝结，形成星云，再进一步收缩成星系、星团、恒星、行星等。最后才形成了现今所看到的星空世界。
2、大爆炸模型的天文观察证据
（1）伽莫夫的预言
1948年，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼第一次将已知的物理规律应用于宇宙早期阶段的状况。他们预言：如果宇宙起始于遥远过去的某种既热且密的状态，则在宇宙年龄仅为几分钟时，它热得足以使每一个地方都产生核反应（大爆炸），其散落的残余辐射由于宇宙的膨胀而冷却，至今它所具有的温度约为绝对温度5K左右（即－268℃），即存在宇宙的背景辐射。此宇宙背景辐射应该是各向同性的，均匀的。这就是他们从大爆炸理论得出的预言，但当时没有引起人们的重视。
（2）宇宙背景辐射的发现
1965年，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（A．Penzias，1933～）和威尔逊（R．Wi1son,1936～））十分意外地发现了这种宇宙背景辐射。当时他们正在跟踪一颗Echo号星，来校准一台很灵敏的无线电天线，但他们发现始终存在着一种无法解释的噪声。普林斯顿大学的迪克（R.Dicke）了解到此情况后，立即认为这正是他们在寻找的源自于大爆炸的残余辐射，它相当于在电磁波谱中的微波部分--波长为7.35厘米的某种无线电波信号，它对应于2.7K的热辐射。彭齐亚斯和威尔逊因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。而事实上，原苏联无线电物理学家Shmaonov早在1957年就发现了这种辐射，但因为其论文是以俄文发表的，所以直到1983年，人们才注意到这一事实。
1989年，美国国家宇航局（NASA）发射了宇宙背景探测（Cosmic－back～ground explorer，COBE）卫星，对整个背景辐射谱进行了测量，观测结果与温度为2.73K的纯热辐射作出的理论预言极其吻合。因此，大爆炸理论预言得到了实验观测的有力支持，这使它成为被广泛接受的理论之一。
（3）原初核合成问题
宇宙年龄为1秒时，宇宙的温度高达1010K，这时尚不能有原子核的存在，因为此时的热运动足以使原子核瓦解，因此，这时介质的主要组分是正负电子、正反中微子、光子及少量的质子和中子。3分钟以后，温度已降到109K，能使氘核光分裂的高能光子已非常少，而一旦氘开始合成（质子十中子＝氘核十2.2兆电子伏），后续的连锁反应就将很快地生成原子量为3和4的核，如氚（2n＋p），3He（2p＋n），4He（2n十2p）等，但由于自然界中不存在原子量为5的稳定核，到此连锁反应链便中断了，所以原初核合成阶段最主要的产物是4He，其次是D和3He，其数密度比4He低4个数量级，还有少量的7Li，其数密度比4He低8个数量级。半小时后，温度降到了108K，这时热能已不足以引起热核反应。于是，原初核合成阶段结束，已形成的原子核留了下来。
（二）宇宙的命运
现代宇宙学认为，由1250亿个星系，每个星系由数千亿个恒星组成的浩瀚宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸，从那时以来直至今天，整个宇宙仍处于不断的膨胀之中，那么它今后的命运如何？是永远膨胀下去，是膨胀到一定时候再收缩？或者是有其他的命运？
如果人们朝空中扔出一个石块，那么由于地球引力的作用，它上升的速度将逐渐减小，最后落回地面。人们扔得越使劲，也就是石块脱手时的初始速度越大，这个石块上升得就越高。当人们以11.2千米／秒的速度发射一枚火箭，那么它就可以彻底摆脱地球引力的束缚。该速度就是地球的"逃逸速度"，每一个星球都有其对应的逃逸速度，质量越大，半径越小，逃逸速度越大。如月球的逃逸速度为2.4千米／秒，即在月球表面发射火箭要容易些。
类似的考虑适用于任何受引力拖曳而迟滞减速的爆发或膨胀着的物质系统。如果向外运动的能量超过向内的由引力拖曳产生的能量，那么它就将超过其逃逸速度而一直保持膨胀。但是，如果引力对该系统所施加的拖曳作用超过了向外运动的力量，那么膨胀中的物体最终将会重新汇聚到一起。将上述设想应用于整个宇宙，那么膨胀着的宇宙的命运有三种可能的趋势：第一种是永远膨胀下去，第二种是膨胀到一定时候逐渐收缩，第三种是介于前两种之间的临界状态。到底会出现哪一种情况，决定于两方面的因素：一方面是宇宙的初始膨胀速度，另一方面是宇宙物质的平均密度。
目前还不知道宇宙到底属于哪一种情形，但可以肯定的是，宇宙正以极其接近于临界状态的方式膨胀着。这种情形是很难理解的，因为如果不是精确地以临界"发射"速度开始的话，那么随着宇宙的膨胀和演化，它就会离该临界状态越来越远。宇宙已经膨胀了约150亿年，却依然如此接近临界状态，以至于无法区分它究竟处于"分水岭"的哪一边，宇宙的"发射"速度仿佛是经过严格的选择，与临界速度（逃逸速度）的差异不超过10～36，这实在是不可思议。
那么，人类是如何知道宇宙正接近于临界状态的呢？如果宇宙开始膨胀时的速度远大于临界速度，那么引力就永远无法将局部物质吸引到一起而形成星系和恒星，从而也就不会产生生命，更谈不上人类的出现了。类似的，如果宇宙以比临界速度慢得多的速度开始膨胀，那么宇宙膨胀了较短的时间后就开始收缩，就没有足够的时间产生、演化生命。也就是说，如果宇宙不以恰到好处的临界速度开始膨胀，那么这个宇宙就不适于生命的产生与演化。
四、天体的起源和演化
天体是指宇宙间的各种星体。天体的起源和演化包括星系、恒星、行星三个层次天体的起源和演化。由于星系和行星的起源和演化问题至今没有定论，需要进行更多更深入的探索，这里不作为考察的重点，着重探讨成熟的恒星演化理论。
（-）星系的起源和演化
星系是比总星系低一级的天体系统，按其形状和结构的不同，可以把星系分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、不规则星系四类。星系是怎样诞生和演化的，至今仍是一个谜。一般认为星系的起源跟宇宙演化有不可分割的联系。根据演化态宇宙模型，星系是在宇宙演化到一定阶段诞生的。宇宙在大爆炸后，先由分布不均匀的星系前物质收缩成原星系，然后再进一步演化为星系。在回答原星系是从什么样的星系前物质产生的问题上，形成了两大派：认为星系是从星系际弥漫物质云凝聚而成的被称为弥漫说（或星云说）；主张星系是从宇宙大爆炸过程中抛射出大量超密物质块再度爆发而来的被叫做超密说。这两派尽管观点不同，但都承认星系是100亿年前形成并演化的。
（二）恒星的起源和演化
恒星又是比星系低一个层次的天体。关于恒星演化的理论现在已经发展到相当成熟的阶段，这一方面是因为恒星的种类繁多，综合大量处于不同演化阶段的恒星的资料，就能分析出恒星的演化过程；另一方面科学家们在发现核裂变和核聚变反应规律的基础上，把元素的起源同恒星的演化联系起来，揭示出推动恒星演化的能源主要是发生在恒星内部的核反应，科学地解决了恒星演化的动力机制。
1、恒星的起源
恒星起源的主要问题是回答恒星由什么物质形态转化而来，然而这个问题至今没有解决。象星系起源一样，在恒星的起源问题上，也存在着两种不同的观点：星云说和超密说。由于星云说的科学证据越来越多、证明越来越充分，这里就以星云说来阐明恒星的起源及演化问题。-般认为，由星际弥漫物质发展到恒星大致经过了以下三个阶段：
第一，弥漫物质阶段。在这个阶段，弥漫物质密度很低，只有10～21～～～10～20千克／米3左右，相当于每立方厘米有几十个氢原子。由于分布不匀，冷热不均，而处于不停的旋转运动之中。
第二，星云阶段。弥漫物质在旋转运动中，由于引力作用往往会聚积起来，使得一些地方的密度大一些，一些地方的密度小一些。密度大的形成云雾状星云。星云的密度仍很低，但体积大得惊人，它在旋转运动中，互相碰撞，发展成团块。据理论推算，当星云团块密度超过一定限度时就会在引力作用下收缩。
第三，球状体阶段。星云团块的收缩，体积变小而内部温度逐渐升高。星际云的主要成分是氢，收缩之初为氢原子云，温度升高后电离为氢离子云并趋于球状。这时的直径可能有太阳的几十万倍，而质量和太阳相近，还不是星体。只有当球状体进一步收缩，所产生的引力势能转化为热能，使其内部温度上升到3000℃左右，开始向外界发出红外辐射即发出肉眼可见的红光时，一颗恒星便诞生了。这个过程大约需要几千万年的时间。
2、恒星的演化
恒星诞生后仍然处在收缩中。随着内部温度不断上升，在其中心仅开始了以氢燃烧为龙头的一系列热核反应。这些热核反应加剧了恒星上"吸引和排斥这一个古老的两极对立"，由此决定着恒星的演化进程并贯穿始终，推动着恒星从一个阶段过渡到另一个阶段。这些阶段是：
第一，引力收缩阶段。
第二，主序星阶段。
第三，红巨星阶段。
第四，高密星阶段。
（三）行星系--太阳系的起源
宇宙中能直接观测到的行星系只有太阳系一个，因此行星系又称太阳系，它是由中心天体太阳和九大行星、以及卫星、彗星等天体组成。太阳的起源问题已在恒星的起源和演化中讨论过，而行星的起源问题又很难作单独的研究，且与人类关系密切，这就有必要从整体上对行星系的起源和演化作一概述。
大约在50亿年以前，庞大的银河系星云在自身引力作用下收缩、旋转、破碎，变成许多小星云块，其中一块就是形成太阳系的原始星云，叫做太阳星云。太阳星云由于自吸引进一步收缩，结果一方面释放出大量的引力势能变热能后使星云温度升高，另一方面引力势能变成动能，导致星云的旋转速度加快，惯性离心力增大。由于星云各处的惯性离心力不等，赤道处最大，收缩慢，两极处最小，收缩得快，使得星云不断变扁。当太阳星云收缩到一定程度的时候，赤道处的惯性离心力已经和该处所受到的中心引力相等，这里的物质便不再收缩，而星云其它部分仍在收缩，于是形成一个扁扁的、内薄外厚且环绕中心旋转的星云盘。星云中心部分进一步收缩，最后形成太阳。
太阳刚形成时，自转很快，磁场很强，内部物质对流很强烈，大量物质被抛射出来，通过沙兹曼机制损失了绝大部分角动量，造成太阳的旋转变慢，角动量特殊分布。太阳形成以后，对星云盘的演化产生了很大的影响。在太阳引力垂直分力的作用下，星云盘的尘粒不断向赤道面下沉，于是在赤道面上逐渐形成一层薄薄的"尘层"，随着尘层密度的增大，就会因密度不匀而瓦解为粒子团，然后，粒子团的粒子经过吸积、碰撞等方式依次聚积为星子、星胎，最后形成行星。
五、现代天文学面临的问题
天文学在20世纪取得了巨大的进展，其中不仅包括对宇宙现状的一些定性的说明和解释，还有一些定量的预言被观察事实所验证。20世纪提出的宇宙大爆炸模型，由于其在各方面的成功预言，已成为科学界广泛接受的科学理论，但是关于宇宙学仍存在许多问题有待解决。
（一）暗物质问题
宇宙若平均密度太高，则它必定在膨胀较短的时间后就开始收缩；若密度太低则将迅速膨胀。显然，两者都不利于生命的产生，这似乎意味着，只有宇宙密度刚好处于临界值附近，才有利于诞生生命。但当人们对宇宙中的发光物质进行实测时，发现其平均密度远低于宇宙临界的密度。这是为什么呢？经实测，人们在宇宙中发现了总质量大大超过发光物质的不发光物质，也称暗物质。暗物质不发出可见光、红外光或电磁波，但具有万有引力。测量表明，所有星系中的绝大多数物质都是暗物质，可见物质在整个宇宙中只占不到10％。那么这些暗物质是由什么构成的呢？其存在又有何依据呢？
（二）正反物质的不对称问题
根据宇宙大爆炸理论，在宇宙的起始阶段，粒子和反粒子是等量的，然而如今的宇宙只有粒子构成的正物质，找不到由反粒子构成的反物质，这是为什么呢？是还没有找到，还是宇宙中的反物质已经消失？但即使能找到反物质，其量也必定不能同正物质相比，否则宇宙将时时处于激烈的爆炸之中。那么为什么反物质比正物质少呢？
（三）微观世界与宇宙的统一
宇宙学除了前面提到的问题以外，事实上还存在许多未解之迷，例如宇宙常数问题、类星体问题等等。类星体的能量是太阳的1015倍，它如此巨大的能量来自何方？从20世纪70年代中期开始，宇宙学的研究逐渐依赖于粒子物理的发展，反过来粒子物理学家要在地球上的实验室内进行高能物理实验也变得越来越困难，因此粒子物理学家期待利用宇宙早期高温高密度的状态及天体中自然存在的高能粒子源为粒子物理学提供天然的实验条件。微观领域和宇观领域竟然如此不可思议地统一到了一起！
物理学家们一直梦想着将自然界中的四种基本相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用纳人某种单一的统一理论之中。众所周知，各种不同的相互作用力的作用强度是极不一样的，它们分别对各种不同类别的粒子起作用。那么，它们又如何能统一在一起呢？答案是：自然力的相互作用强度随粒子能量（或环境温度）的变化而变化。理论上预期：在极高能下（超过1015吉电子伏），即相当于1028K的温度以上的情况，四种基本相互作用有可能统一在一起。但这样的高温只有在宇宙开始的前10～35秒才有可能实现。宇宙创生10万年时，温度达3000K，随着时间反推回去，温度越来越高，各种相互作用逐渐统一，如在创生10～11秒时温度高达1015K，弱电相互统一。因此，粒子物理的大统一理论可以促进宇宙学的发展，反过来，宇宙学的观察结果也可用于检验粒子物理学理论。

第六节　现代地质学的研究进展

从18世纪中叶以来，地质学经历了地质旅行的"英雄时代"和三次大的思潮交锋--水成说与火成说、灾变说与渐变说、固定说与活动说的论争。其中第三次大论战从20世纪初一直延续到20世纪70年代，历时最长久，过程最曲折，程度最激烈。
世纪回眸，人类的新地球观走过了从大陆漂移学说、地幔对流理论、大洋中脊的发现、海底扩展学说、板块构造理论到全球构造地质学的辉煌历程。著名加拿大地球物理学家威尔逊（J.T.Wilson，1908～）评论说："我们这个时代发生的这场伟大的革命，应当称作魏格纳革命。"
一、地球的演化
地球作为人类的摇篮和住所，在太阳系中占据着得天独厚的地位。这倒不是说地球是处于宇宙的中心，而是说从演化的方向来看，地球孕育了生命并且进化出人类，表明地球有自己独特的演化道路，它处于天体的高级演化阶段。地球是在太阳系形成的过程中诞生的。它至今已有46亿年的历史。在这漫长的岁月中，地球发生了天翻地覆的变化。这种变化大体可以分为两个时期：一个是地球演化的"天文时期"，一个是地球演化的"地质时期"。"天文时期"是地球演化的前史，"地质时期"是地球演化的后史。
其中天文时期最显著的变化是地球内部物质的分异和圈层的形成，地质时期的明显特征是地壳的运动、地层的形成以及气候的冷暖交替，以及生命的孕育、出现、进化。
（一）地球演化的天文时期
地球演化的天文时期是指从原始地球的诞生到原始地壳的形成，这个时期大约经历了10亿年左右的时间。在此期间，地球经过急剧的变化，内部圈层--地核、地幔、地壳初步形成，同时原始海洋和原始大气圈也开始出现。
从现代星云说可知，地球在天文时期的演化过程中，经历了冷～～热～～冷三个阶段。
1、第一阶段--冷。
2、第二阶段--热。
3、第三阶段--冷。
（二）地球演化的地质时期
原始地球通过天文时期的急剧变动之后，便进入历史演化的地质时期。这个时期从35亿年前直到现在，是地球发展史上一个极其重要的时期。因为它的一切变化，特别是近期的变化，与人类居住的地理环境密切相关。这一时期，除了地球物质的进一步分化和各圈层的不断改造外，主要是地层的形成、地壳的运动和海陆的变迁、气候的冷暖交替，以及生命的孕育、出现和生物从简单到复杂、从低级到高级的不断进化。
地层是地壳发展过程中先后形成的各种成层和非成层的岩石的总称。因此地层的形成问题实质上是岩石的成因问题。地球上的岩石可以分成三类：火成岩、水成岩、变质岩。这些岩石是怎样形成的？形成后又是怎样发展的？是激烈进行的还是缓慢进行的？引起这些发展的原因又是什么？围绕这些问题，历史上曾产生过两次大的争论：一次是水成派和火成派之争；一次是灾变论和渐变论之争。由于水成派和火成派，灾变论和渐变论已在前面章节阐述，在此就不重复。
地层的形成和岩石的不断更新和改变只是地球地质时期演化的一个方面，另一个方面则表现为地壳的运动。
二、地壳的运动
地壳运动既表现为不同幅度的垂直起落，也表现为远距离的水平移动和海陆变迁。围绕这个问题，地质学史上曾爆发了第三次大论战，即"大陆漂移说"与"洋陆固定论"之争。
从古希腊时代以来，洋陆固定论一直是地学界的主流思想。该理论主张地壳运动以垂直升降为主，各地块虽然可以上升为陆、下降为海，但大洋大陆的位置基本上固定不变，没有大规模的水平运动。这种理论观点由于有深远的渊源，又能说明一些地理现象，同时受到美国的丹纳（J.D.Dana，1813～1895）、英国的盖基（XXXXikie）和法国的博蒙（XXXXXXXaumont）等一大批地质学权威的认同，因此很快被地质学界普遍接受，并长期统治着学术界。
（一）大陆漂移说
1、提出 向"洋陆固定论"提出挑战的是德国年轻的气象学家魏格纳（A.L.Wegener，1880～1930），1910年他受地图上大西洋两岸海岸轮廓极为吻合，可以拼接成一块这个联想的启发，又了解到巴西和非洲已发现相同的古生物化石，于是萌发了大陆会漂移的想法，并于1912年提出了"大陆漂移说"。后来又经过3年的努力，广泛收集地质构造、矿产分布、古生物以及古冰川遗址等多方面材料，进行了详细的论证，1916年写下了《海陆的起源》这部世界名著。
2、设想 魏格纳认为，大陆是由较轻的刚性的硅铝质组成，漂浮在较重的粘性的硅镁质大洋壳之上，可以作水平移动，大陆块存在向西漂移和离极漂移两种趋向。距今约2亿～3亿年前的古生代后期，地球上存在过连成一块的联合古陆即"泛大陆"（Pangaea），由南方冈瓦纳古陆和北方劳亚古陆构成，周围是一片广阔无垠的"泛大洋"（Panthalassa）（见图4－6－1）。南方冈瓦纳古陆包括南美洲、非洲、南极洲、澳洲和印度；北方劳亚古陆由北美洲、欧洲和亚洲（不包括印度）组成。大约2亿年前的中生代以来，由于地球自转的变化和太阳、月球的潮汐力作用，泛大陆开始分化瓦解。北美洲离开了欧洲，南美洲向西漂移，于是形成了大西洋。非洲向西漂移时有一半脱离了亚洲，它的南端与印度次大陆分离，中间出现了印度洋。南极洲和澳洲也同亚洲分离，逐渐漂移到现今的位置，最后形成现今的海陆格局。











图4－6－1 约3亿年前地球上的大陆分布

3、证据 魏格纳进而找到了建立大陆漂移说的四大证据：
其一，从地貌学看，在大西洋两岸，南美洲东部海岸线与非洲西部海岸线轮廓明显相吻合。对其他大陆的外形轮廓进行比较，也会发现一些忽明忽隐的类似情况，绝非巧合。
其二，从地质学看，非洲最南端的兹瓦特山脉，恰与南美的布宜诺斯艾利斯以南的山脉同是东西走向，同属一条二叠纪褶皱山系，地质结构上可以相连。同样，欧洲的挪威、苏格兰和爱尔兰的古生代褶皱山系，恰与北美纽芬兰的加里东褶皱带相衔接。比较印度、马达加斯加和非洲，南极洲与澳洲之间的较老地层结构，都有程度不等的对应关系。
其三，从生物学和古生物学看，根据物种起源的单祖论，同一物种必定起源于同一地区，然后传播和扩散。在远隔重洋的大西洋两岸，许多现代生物之间存在亲缘关系。例如：某种庭园蜗牛分布于大西洋两岸的德国、英国和北美洲等地；南大西洋两岸遍布古老的蚯蚓种属；在远隔重洋的南美洲、非洲和澳洲，生活着同种淡水肺鱼和鸵鸟等等。古生物化石则有力揭示了古代生物的亲缘关系。例如：舌羊齿植物化石广泛分布于印度、南半球各大陆的晚古生代地层中；爬行类动物中恐龙的古化石分别见于巴西和南非的石炭一二叠纪地层，其他地方均未发现，等等。
其四，从古气候学看，地层考古发现，北半球各大陆有大量石炭一二叠纪热带或温带植物化石。相反，同一时期南方诸大陆却布满冰川遗迹。
正是根据这些科学事实进行合乎逻辑的推论，魏格纳才深信现有各大陆曾经连成一片，后来才漂移开来。他曾对这些相似性和连续性现象作了生动的比喻：这就像一张撕碎了的报纸，人们把它重新拼起来，看看所印的一行行文字是否能够拼合。如果合得起来，就不得不承认这些破碎的报纸原来是连在一起的。
4、问题 魏格纳的大陆漂移说一经提出，就在地球科学界引起了轩然大波和激烈论战。以英国著名天文学家、地球物理学家杰弗里斯（Sir XXXXffreys）为首的质疑者，主要就新理论的以下两个方面进行攻击：
其一，关于滑动界面问题。魏格纳假设，硅镁层在深部高温高压下变得"像火漆那样流动"，刚性轻质的大陆硅铝层可以在塑性重质的深处硅镁层上水平移动。但是，1925年杰弗里斯根据地球纬度变化资料计算表明，硅铝层底部岩石粘性系数大于1020，而发生流动的粘性系数应小于1016。实际上这样的地质结构是不可能发生漂移的。
其二，关于驱动机制问题。魏格纳假设，漂移驱动力来自地球自转的惯性离心力派生的离极力（也称约特沃斯力）和由日、月引起的潮汐摩擦力。但是大多数地球物理学家认为，这两种力实在太小，难以驱动坚厚庞大的陆地大移位。杰弗里斯的计算指出，地球自转引起的离极力对每平方厘米的地壳产生的剪应力只有0.04牛，其产生的应变率仅0.8×10～27／秒，这样，地壳移动1弧度就需要30亿年，难以支持魏氏的大尺度漂移。
大陆漂移说的提出，打破了海陆固定论的传统偏见，深刻地影响着现代地质学革命。但该学说也有其局限性，尤其是对大陆漂移机制的解释难以令人信服。1930年随着魏格纳的逝世，这个学说也沉寂下去了。直到20世纪50年代以后，随着海洋科学研究的发展、古地磁学的兴起以及电子计算机对大西洋两岸大陆拼接的成功，证明大陆漂移说是正确的。"大陆漂移说"又复活了，在科学地解决了大陆漂移的动力机制的基础上，这个学说进一步发展为"海底扩张说"和"板块构造说"。
（二）海底扩张说
从20世纪50年代后期以来，地质学家们组织了国际地球物理年的活动，开展了极地及海洋地质考察研究，取得了大量实际资料，其中海底地质探测的三大发现，即全球裂谷系、海底热流异常和海底磁条带的发现，为大陆漂移说提供了强有力的新证据。
在海底地质探测三大发现的基础上，首先是霍姆斯地幔对流说和曼尼兹（V.Meinesz）热对流说开始复活。受其启发，曼尼兹的学生、普林斯顿大学的赫斯（H.Hess,1906～1969）、美国海军电子实验室的迪茨（R.S.Dietz）和加拿大多伦多大学的威尔逊（J.T.Wilson,1908～）等人，在20世纪60年代很快便形成了"海底扩张学说"。
这一理论认为，大洋中脊（海岭）位于地幔对流循环的上升带，是高温地幔物质上涌的通道，其顶部的裂谷是地幔物质的出口。由于地幔对流，地幔中熔融炽热的岩浆不断从中脊裂谷慢慢往上升，到达顶部后向两侧分流，冷凝下来以后形成新生的海洋地壳。新的洋壳不断产生，整个海底则不断从海岭两侧向外扩张，将较老洋壳向外推移。较老洋壳移动到海沟时，由于重力作用又在海沟处沉入地下返回地幔软流圈，进人新一轮物质循环。据估算，海底扩张速率为每年1厘米至几厘米，洋壳大约1亿～2亿年更新一次，因此海底没有比中生代更老的沉积和基岩。
海底扩张学说为大陆漂移提供了驱动力的理论诠释，标志着魏格纳大陆漂移说的复活和更新，成为板块构造学说的重要理论支柱。按照海底扩张说，大陆是驮在岩石层上而在地幔软流层上移动，不存在魏格纳所说的硅铝层在硅镁层中漂移的问题，这就克服了大陆漂移说最严重的困难。
（三）大陆板块学说
在"大陆漂移说"、"地幔对流说"和"海底扩张说"的基础上，1968~1969年，法国的勒比雄（X.le.Pichen）、美国的摩根（XXXXrgan）又进一步把陆地和海底统一起来考虑，认为洋底和陆地都是岩石圈的一个组成部分，进而提出一种全新的大地构造学说--"板块构造学说"。
该理论给出了世界板块分布图，以挤压性（两侧板块相对运动）的海沟、引张性（两侧板块相背离去）的全球裂谷系、剪切性（两侧板块相互滑过）的转换断层三类构造带为界，将整个地球岩石圈划分为六大板块，即欧亚板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度板块和南极板块。其中除太平洋板块完全为海洋地壳外，其余板块都由陆块和洋盆共同构成。
板块构造说认为，相对刚性的板块块体漂浮在上地幔的塑性软流层上，因地幔对流、海底扩张的驱动，各自作大规模水平运动。板块在大洋中脊处分离和增生，在海沟处俯冲和消减，如此周而复始，循环往复。板块之间的相对运动有分离、会合和平移（剪切）三种，起到相互拉张、挤压和摩擦作用。板块内部相对稳定，其周围边界是岩石圈较为活动的地带，地震、火山和断裂等活动比较活跃。板块之间常以大洋中脊、大陆裂谷、岛弧、海沟及转换断层等地壳构造活动带为其边界。



板块构造说描绘了一幅生动活泼的地球画像，力求从整体上把握全球的地质运动规律。该学说提出后立刻引起巨大反响，被一些学者称为"新全球构造学说"。新理论的崛起，得到了古地磁、海洋地貌、海底构造、海洋沉积、地震等领域一系列重大发现的验证，综合了固体地球科学各分支领域的研究成果，能较好地解释全球性的大地构造及其演化问题，有效地揭示矿产的分布规律，也能合理地阐明全球地热、地磁、地震和火山活动等地学规律，回答了一部分过去认为是疑难的科学之谜，因而得到了世界上绝大多数科学家的承认。
三、现代地质学的问题
毫无疑问，板块构造说仍然存在有待进一步完善和发展的地方。有些学者指出，在地球演化史8000万年的时限内，在大洋中脊两侧不太大的范围内，这个学说颇有说服力。但是，在更大时限和更大空间的范围内，尤其是在西太平洋，情况就比较复杂，目前还不能一下子完全说清楚。特别是在大陆板块漂移的驱动机制、洋壳生长机制等问题上，仍然争议较多，矛盾较大，因此遭到一些学者的怀疑和反对。
但是，历史已经证明，由魏格纳开创的大陆漂移学说，无疑是地球科学中的"哥白尼革命"。大陆漂移说、地幔对流～～海底扩张说、板块构造说，构成了20世纪地学革命的壮丽三部曲，标志着固定说的衰退、活动说的发展，也标志着静态地质学的消亡和动态地质学的活跃，显示了它的强大生命力。而大陆漂移说发展过程中的"崛起一沉寂一复活"，一波三折，实际上也正是历史上一切重大创新思想的命运交响曲。

第七节 现代生物学

在生物学领域，20世纪分子生物学的产生和发展是继物理学革命以后的又一重大事件。19世纪生物学最突出的成就是细胞理论和达尔文生物进化论的创建。但由于研究手段的局限，生物学还停留在非定量、非精确描述的初级阶段。20世纪以来，随着化学和物理学的飞速发展和渗透，特别是物理学的思想和方法与生物学相结合，引起了生物学的深刻革命。这个革命的主要标志就是分子生物学的诞生。从此，生物学开始进入了定量的、分子水平的研究阶段，并取得了一系列震惊世界的科学成果。
分子生物学着眼于从分子水平研究生命本质，以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其功能为研究对象，阐明遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。
一、分子生物学产生的基础
（一）孟德尔遗传定律及其重新发现
人们对于遗传和变异现象的认识始于古代，历经一个漫长的过程，到了l9世纪开始较系统地研究遗传与变异，并提出种种臆断与假说。例如，法国生物学家拉玛克（XXXXXXmarck）的用进废退和获得性遗传，英国生物学家达尔文（C.Darwin）的泛生说（生物体各部分都能产生一种叫泛生子的微粒，它随血液循环聚集在生殖细胞里，并形成受精卵，决定着后代发育的性状），德国生物学家魏斯曼（A.Weismann）的"种质连续说"（生物体中存在种质和体质，种质是"永生不死"的，因而是连续的，由它产生出后代的种质和体质，而体质却不能）等等。然而，第一个把遗传研究建立在真正科学基础上的是奥地利神父孟德尔。
孟德尔（G.Mendel）从1857年到1864年，坚持以豌豆为材料进行植物杂交试验。他选择了7对区别分明的性状作仔细的观察。例如，他用产生圆形种子的植株同产生皱形种子的植株杂交，得到的杂交子一代的种子全是圆形的。第二年，他种了圆形杂交种子，并让它们自交，结果得到的子二代种子中，有圆形的，也有皱形的。用统计学方法计算得出，圆皱比为3∶1。据此孟德尔推导出遗传因子分离规律。
他还研究了具有两种彼此不同的对立性状的2个豌豆品系之间的双因子杂交试验。他选用产生黄色圆形种子的豌豆品系同产生绿色皱形种子的豌豆品系进行杂交，所产生的杂种子一代种子，全是黄色圆形的。但在自交产生的子二代种子中，不但出现了两种亲代类型，而且还出现了两种新的组合类型（黄色皱形、绿色圆形）。其中黄色圆形∶黄色皱形∶绿色圆∶绿色皱形的比例接近于9∶3∶3∶1。这就是所谓的孟德尔遗传因子的独立分配规律。
如何解释这些遗传现象呢？孟德尔最早提出遗传因子（即基因）概念，并从生殖细胞着眼，提出了自己的见解。他根据长期的实验结果，推想生物的每一种性状都是由成对遗传因子控制的，性状有显性和隐性之分；当成对因子是显性同时存在时，则呈显性；只有当成对因子都是隐性时才呈隐性。这些因子从亲代到子代，代代相传；在体细胞中，遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本；在形成配子时，成对的遗传因子彼此分开，因此，在性细胞中则是成单存在的；在杂交子一代体细胞中，成对的遗传因子各自独立，彼此保持纯一的状态；在形成配子时，它们彼此分离，互不混杂，完整地传给后代；由杂种形成的不同类型的配子数目相等；雌雄配子的结合是随机的，有同等的结合机会。
遗憾的是，孟德尔的这些科学发现和见解，在当时并没有引起生物学界的注意。直到35年之后，即1900年才被荷兰的弗里斯（XXXX Vries）、德国的科伦斯（XXXXrrens）与奥地利的契马克（E.Tschermak）等植物学家重新发现。
（二）遗传的染色体学说
孟德尔定律的重新发现，使得人们有可能把遗传实验的成果与19世纪细胞学上所揭示的染色体行为联系起来考察。美国细胞学家萨顿和德国细胞学家鲍维里就是这项工作的开创人。这两位科学家都想到了染色体和孟德尔遗传因子的一些已知性质的相似性，如遗传性状成对出现而在下一代分离，染色体同样成对出现而在雌雄配子形成过程中分离。这就是说，孟德尔遗传因子的行为是与染色体行为相平行的。由此，他们推论，遗传因子就在染色体之上或之内。
为染色体学说打下牢固基础，并使之发展为基因理论的是摩尔根及其合作者。
摩尔根（XXXXXXrgan，1866～1945）是美国著名的遗传学家。他以果蝇为材料进行的遗传学研究，对基因学说的建立作出了卓越的贡献。1910年，摩尔根和他的助手从红眼的果蝇群体中发现了1只白眼的雄果蝇。因为正常的果蝇都是红眼的，叫做野生型，所以称白眼果蝇为突变型。到了1915年，他们一共找到了85种果蝇的突变型。这些突变型跟正常的野生型果蝇，在诸如翅长、体色、刚毛形状、复眼数目等性状上都有差别。
有了这些突变型，就能够更广泛地进行杂交实验，也能更加深入地研究遗传的机理。摩尔根将白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配，所产生的子一代不论是雄的还是雌的，无一例外地都是红眼果蝇。让这些子一代的红眼果蝇互相交配，所产生的子二代有红眼的也有白眼的，但有趣的是所有的白眼果蝇都是雄性的。摩尔根认为，只有假定红眼和白眼性状是由孟德尔遗传因子所决定，而且这些因子还与细胞中决定性别的因子有关，才能解释这一现象。进一步说，就是只有不同基因排列在同一染色体上时，才有可能产生上述现象。这就第一次用实验证明了座落在染色体上的基因决定着遗传性状。摩尔根把这种伴随决定性别的染色体而遗传的现象叫做伴性遗传。
此后，摩尔根和他的合作者一起，根据严密的实验设计，进行了大量的研究，发现了遗传的连锁与交换定律。不同染色体上的基因虽然可以自由组合。但在同一条染色体上的基因，它们总是连锁在一起，就不能自由组合了。摩尔根把这种遗传现象叫做基因的连锁。然而，这种连锁现象不总是完全的。在大多数情况下，同源染色体之间可以发生片段互换，相对基因之间有可能出现某些交换，交换的结果破坏了连锁现象。摩尔根把他的上述发现叫做基因的连锁和交换定律。这显然是对孟德尔定律的发展。因此，该定律与孟德尔的分离定律，独立分配定律一起，被认为是遗传学的三大经典定律。
（三）DNA是遗传物质的证明
尽管由于摩尔根及其学派的出色工作，使基因学说得到了普遍的承认，但是直到1953年Watson－Crick的DNA双螺旋模型提出之前，人们对于基因的理解仍缺乏准确的物质内容。遗传信息的载体到底是什么？仍然是一个谜。不少科学家认为传递遗传信息的载体是蛋白质而不是DNA。
第一个用实验证明遗传物质是DNA分子的是美国著名的微生物学家埃弗里（O.T.Avery，1877～1955）。在英国格里菲斯（XXXXiffith）工作的基础上，1944年，他领导的小组在研究肺炎球菌的转化试验中，证明了DNA是遗传信息的载体。他们以两种不同品系的肺炎链球菌为实验材料：具荚膜的品系形成光滑型的菌落（简称S型），是有毒的；无荚膜的品系形成粗糙型的菌落（简称R型），是无毒的。研究发现，将S型肺炎链球菌的DNA加到R型肺炎链球菌的培养物中，能够使R型转变成S型，表现出具有毒力的荚膜的特性。
这种细菌转化实验以无可辩驳的事实证明，使细菌性状发生转化的因子是DNA，而不是蛋白质或RNA分子。这一重大的发现轰动了整个生物界。因为当时许多研究者都认为，只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特性和遗传。艾弗里等人的工作打破了这种信条，在遗传学理论上树起了全新的观点，即DNA分子才是遗传信息的真正载体。
紧接着在1952年，美国冷泉港卡内基遗传学实验室的科学家赫尔希（A.D.Hershey）和他的学生蔡斯（XXXXase）共同发表报告，肯定了Avery的结论。他们用放射性同位素32P和35S，分别标记T2噬菌体的内部DNA和外壳蛋白质。然后再用这种双标记的噬菌体去感染大肠杆菌寄主细胞。结果发现只有32P标记的DNA注入到寄主细胞内部，并且重新繁殖出子代噬菌体。这个实验进一步表明：在噬菌体中的遗传物质也是DNA分子，而不是蛋白质。不仅如此，DNA还带进了核酸自我复制的全部信息，以及外壳蛋白质合成的全部信息。这个实验的成功震动了整个生物界，证明DNA才是遗传信息的真正载体，而蛋白质则是由DNA的指令而合成的。这就使生物界长期存在的认为遗传物质基础是蛋白质而不是核酸的认识彻底改观。
（四）物理学对分子生物学研究的渗透
1945年，奥地利物理学家、量子力学创始人之一薛定谔（XXXXhrodinger，1877～1961）在英国出版了一本关于生物学的小册子《生命是什么？》，副标题是"活细胞的物理观"。他认为"基因有一种类似化学分子的稳定性"。他经过分析以后认为基因可能是一种大分子。他用量子力学的观点论证了基因的稳定性和突变性发生的可能性，证明突变是分子跃迁的结果。他提出必定有一种由同分异构的连续体构成的非周期性晶体，其中含有大量的以排列组合形式而构成的遗传密码，生命的物质运动也一定服从已知的物理定律。他作出了遗传物质是一种分子的断言。
薛定谔第一次用物理概念来解释生命运动，人们对生命本质的认识产生了新的质的飞跃。他的这本书实际上概括了30年代以来物理学界对生命物质运动和遗传学问题的看法，启发人们用物理学的思想和方法去探求生命物质运动的本质。这对于生物学的研究工作起了十分积极的推动作用。
二、分子生物学诞生及其发展
1953年DNA双螺旋结构模型的建立，是分子生物学诞生的标志。这一划时代成果的取得，是数代科学家相继奋斗的结晶，是多学科交叉、渗透的结果。分子生物学在其兴起后的1／4世纪中，取得了一大批引人注目的成果，打开了"生命之谜"的大门，改变了生物学在整个科学中的地位，同时还给技术科学和社会科学带来了巨大的影响和冲击，因此，被称之为是"生物学的革命"。
（一）DNA双螺旋结构模型的建立
DNA双螺旋结构的发现，除美国学者沃森和英国学者克里克的杰出贡献外，还与许多科学家的艰苦研究密不可分。
1950年以后，奥地利生物学家查哥夫（XXXXarguff，1905～）在美国哥伦比亚大学对核酸化学结构作了进一步分析，证明核酸中四种碱基含量并不是彼此相等的，而是嘌呤碱基的总量和嘧啶碱基的总量相等，其中腺嘌岭和胸嘧啶的分子当量相等，即A～T相当，鸟嘌岭和胞嘧啶分子当量相等，即G～C相当。它打破了统治核酸结构研究20多年之久的"四核苷酸假说"，并为DNA双螺旋结构中十分关键的"碱基配对"原则奠定了化学基础。
沃森（J.Watson，1928～）是美国分子生物学家。克里克（XXXXXXXXick，1916～）原为英国物理学家，后成为著名的分子生物学家。1953年，他们在分别用X射线衍射方法研究蛋白质的晶体结构时，相遇于剑桥大学，两人都受薛定锷《生命是什么？》一书的思想所鼓舞，依据相似的观点去探讨生物学问题，都认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。他们相互讨论了生物学发展的关键，决心叩开遗传之谜的大门。他们认识到："进一步实验将表明一切基因都由DNA组成"，"阐明DNA化学结构在了解基因如何复制上将是主要的一步"。于是，他们决定转而对DNA晶体结构进行分析。
这时，伦敦皇家学院的维尔金斯（M.Wilkins）和另一名年轻的女科学家弗兰克林（XXXXanklin）正在进行DNA晶体结构的分析工作。沃森和克里克直接或间接从他们那儿得到了较完整的DNA晶体结构的分析数据和照片，又从查哥夫处得知了DNA四个碱基两两相等的数据，还从鲍林那里得到了蛋白质肽链由于氢键的作用而呈α螺旋形的成果。在此基础上，他们认真分析了资料，经过理论计算和周密思考，终于建立了DNA双螺旋结构模型。1953年4月25日在英国《自然》杂志上，发表了他们反映这一成果的论文《核酸的分子结构》。这篇不足千字的短文，立即引起了世界的轰动。从此，遗传学的研究从细胞水平进人到分子水平。这是分子生物学形成的重要标志。
DNA双螺旋结构模型认为，DNA分子是由2条互补的多核苷酸链围着同一中轴旋转而构成的双股螺旋，两股链走向相反呈逆平行关系。其螺旋的骨架是由核苷酸的糖（脱氧核糖）和磷酸相结合而成的，由彼此反向的两根螺旋分别伸长开来的碱基相互结合而形成双螺旋的横栏。碱基的配对必须是腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。使两条DNA长链之间互补而稳固地并联起来。其中每条链所具有的特殊的碱基结构都可作为合成另一条互补链的模板（见图4－7－1）。


















图4－7－1DNA双螺旋结构模型

在DNA分子双螺旋结构公布一个多月后，沃森和克里克又阐述了DNA分子结构的遗传含义。他们设想就是DNA双旋螺结构携带着遗传密码，沿DNA分子任何一条链的碱基的顺序含有特定的遗传信息。当DNA复制时，两条互补的链先分离，各自以自己为模板，按碱基互补配对原则形成一条新的互补链，这样，原来的一个双螺旋分子就变成为两个同原来完全相同的双螺旋分子。在复制完了的双螺旋链中，一条链是新合成的，另一条是作为样板的那条链。因此，亲代DNA分子中的一条链是原封不动地传到后代，这叫做半保留复制。
由于DNA半保留复制是严格地按照碱基配对原理进行的，因此新合成的子代DNA分子忠实地保存了亲代DNA分子所携带的全部遗传信息。通过这样的复制，基因便能够代代相传，准确地保留下去。于是，遗传学家长期感到困惑的基因自我复制问题也就迎刃而解了。
至此，关于基因的化学本质是DNA而不是蛋白质的结论已经是毫无疑问的事实。但是还必须指出，随后的研究工作进展表明，在生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。某些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等，它们的遗传体系的基础则是RNA而不是DNA。例如，A．Gierer和G．Schramm在研究烟草花叶病毒（TMV）时，首先发现了RNA分子能够传递遗传信息，同时他们还证明TMV病毒的RNA成份在感染的植株叶片中能够诱导合成新的病毒颗粒。
双螺旋模型的建立，使遗传学家能够从分子水平分析遗传与变异的现象。DNA再也不是一种难以捉摸的神秘成份，而是以一种真正的分子物质呈现在人们的面前。科学家们能够像研究其它大分子一样，客观地探索其结构与功能。这样，人们便开始从分子的层次上研究基因的遗传现象，从此生物学便进入了分子生物学的新时代。
（二）遗传密码的破译
20世纪50年代DNA双螺旋结构问世不久，分子生物学的另一重大成就是1958年英国化学家桑格（Sanger）应用纸层析方法，分析出了一种蛋白质--胰岛素所含51个氨基酸残基的序列，第一次证明了蛋白质胰岛素的每个分子具有一种独特的氨基酸残基顺序。此后不久，又有关于其它蛋白质的类似证明。研究显示DNA分子的碱基序列可能决定蛋白质分子氨基酸序列。那么二者之间的相互关系又是怎样的呢？四种不同碱基怎样排列组合才能表达20种氨基酸相应的遗传密码呢？于是遗传密码问题成了当时生物界主攻方向之一。
第一个提出遗传密码具体设想的不是生物学家，而是宇宙物理学家、美籍俄国血统的伽莫夫(（XXXXmov，1904～1968）。他在读过沃森和克里克的文章后，立刻想到核酸分子中核苷酸只有四种，而蛋白质分子中的氨基酸却有20种，它们对应的关系不可能是1对1的。于是，他用排列组合的方法推算，相对于20种氨基酸来说，由DNA中的一种或者两种核苷酸组成的密码数是不够用的，因为这样只能定出4种或者16种选择物（41=4；42=16）。很明显，为了规定20种氨基酸的每一种，核苷酸必须按照至少以三个为组来进行编码（43=64）。同时，伽莫夫还逻辑推论出，与一种氨基酸相对应的密码可能不只一个。伽莫夫的假说对遗传密码的破译起了方向性的指导作用。后来，克里克等人用实验表明，遗传密码的确是以三联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸。于是，三联体密码子的概念出现了。
接下来的目标就是要确定三联体密码与具体氨基酸之间的对应关系，即编制遗传密码辞典。1961年美国生化学家尼伦贝格（XXXXrenberg）和德国科学家马太（XXXXtlhaei）第一个用实验开启了这部辞典的首页。他们在用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成时，发现了苯丙氨酸的密码是RNA的尿嘧啶（UUU）。这使生物和化学界大为震惊。于是，一个大规模破译蛋白质氨基酸密码的科学活动在许多国家的生物、化学和遗传实验室中迅速展开。
1963年，经过多位科学家的努力，20种氨基酸的遗传密码全部破译。1969年，64种遗传密码的含义也全部被测出。于是一部仿效电波传输信息的生物遗传密码辞典问世了。经过克里克的提议，排成表格。其中U、C、A、G分别代表四种碱基的符号。这个遗传密码表对于生物学的意义，可以与化学上的元素周期律相媲美。
（三）中心法则的建立
中心法则是指DNA遗传信息的自我复制和指导蛋白质生物合成所遵循的一般原则。1958年，克里克（XXXXick，1916～）在综合地分析了50年代末期有关于遗传信息流转向的各种资料的基础上，提出了"中心法则"的概念，认为记录在DNA分子中的遗传信息被转录到RNA上，RNA再通过一个"受体"用信息去指导氨基酸进行蛋白质合成，而这一过程有着严格的方向性，即DNA→RNA→蛋白质。遗传信息一旦转移到蛋白质分子之后，就不再能由蛋白质传向蛋白质，或由蛋白质传向DNA或RNA。
但是，这里所说的只是在细胞中发现的信息传递的一般路线，而没有涉及反转录等特殊问题。随着分子生物学研究的深入，人们发现有很多RNA病毒，例如小儿麻痹症病毒、流行性感冒病毒以及大多数单链RNA噬菌体等，在感染了寄主细胞之后，都能够进行RNA的复制。
1970年，特明（H.M.Temin）和巴尔蒂摩（XXXXltimore）分别在两种RNA肿瘤病毒中发现了逆转录酶，它能以RNA为模板来合成DNA，这样，RNA中的遗传信息可以流向DNA。这是中心法则提出之后的一个重要的发现。这一发现，解决了RNA肿瘤病毒的遗传物质整合于寄主细胞染色体的问题，帮助揭示由RNA病毒引起恶性生长的机制，也为遗传工程的研究（重组DNA）提供了重要的工具酶。同时，它又是中心法则的修正与发展。因此具有重大的理论意义和实践意义。
1971年克里克根据新的进展修改了中心法则，提出了更为完整的图解模式：








图中的实线箭头所示的是三种普遍地存在于绝大多数生物细胞中的遗传信息的传递方向。虚线箭头表示的是特殊情况下的遗传信息的传递方向，只存在于极少数的生物中。而遗传信息从DNA直接到蛋白质的传递，只是一种理论上的可能性，迄今尚未在活细胞中得到证实。
（四）操纵子学说
分子生物学上另一个大的成就是操纵子的发现。1961年，法国科学家雅可布（F.Jacob）和莫诺（XXXXnod，1910～1976），经过15年对大肠杆菌和蛋白质合成的调节与控制问题的精心研究，提出了操纵子模型，以说明基因的调节控制作用。这一学说的正确性为后来的实验所证明。
操纵子学说可以概述如下：基因按功能可分为结构基因、调节基因和操纵基因。所谓操纵子是指一种完整的细菌基因的表达单位，由若干个结构基因、一个或数个调节基因及控制单元组成。控制单元包括一个操纵基因和启动子。在操纵子内的各结构基因的展现活动，是依靠调节基因和操纵基因而实现的。调节基因控制合成一种叫做阻遏物的分子，后来证实它是一种变构蛋白，具有能与调节基因和诱导物作用的两个结合点。操纵基因位于操纵子的一端，是操纵子活动的调节器。在给予诱导物时，阻遏蛋白与诱导物结合，操纵基因就"开放"，mRNA开始转录操纵子内所有的基因，并合成相应的蛋白质；当诱导物不存在时，阻遏蛋白就同操纵基因相结合，因而调节器就关闭，mRNA的转录和相应的蛋白质的合成就中止，性状不能表现。所以，细胞内阻遏蛋白的浓度决定着基因翻译的速度。
1969年，布里顿（XXXXXXitten）和戴维森（E.H.Daridson）提出了一个关于真核细胞中基因调控的模型。根据这个模型，与调节基因相连接的一段DNA叫做传感基因，细胞根据需要向它发出信号。这种信号可能是由细胞中的化学分子传达，当其到达传感基因后，调节基因就开始发生作用，制造出激体RNA，并由它指示同结构基因相邻的受体基因，令其发动结构基因行使功能，制造出mRNA，进而合成蛋白质。
综上所述，在大肠杆菌乳糖利用中，执行基因表达控制的分子是蛋白质抑制物，而在真核细胞中则是由激体RNA传达控制信息的。在乳糖利用过程中，抑制物一旦发生作用，结构基因的功能活动便停止下来，人们称这种控制方式为负控制。相反的，在真核细胞中，激体RNA一旦和受体基因结合，结构基因的功能作用便开始恢复出来，人们称这种控制方式为正控制。
以上情况表明，基因不仅在结构上是可分的，而且在功能上也是有分工的。这使人们对基因的认识又进到了一个新的高度。
（五）蛋白质和核酸的人工合成
完全用化学方法合成蛋白质是人们多年的理想。二次世界大战后英国科学家桑格（XXXXnger）等开始研究蛋白质的合成。在蛋白质中，胰岛素的分子量最小，结构最简单，于是桑格选取胰岛素作为突破口。经过10年努力，到1955年，他们弄清了胰岛素的全部51个氨基酸的序列，从而为揭示蛋白质的组成、结构与功能之间的联系铺平了道路。
接着，世界各国不少生物化学家开始探索人工合成蛋白质的道路。1958年，我国科学工作者开始探索合成蛋白质。经过7年努力，于1965年9月17日获得了首批用人工方法合成的结晶牛胰岛素。这是世界上第一个人工合成的蛋白质，它是继尿素合成突破无机物界有机物界的禁区后，进一步突破了由一般有机物合成生物大分子的禁区，开创了人工合成蛋白质的新时期。当然，合成含有大量氨基酸的蛋白质还相当困难，还有很长的路要走。
核酸的化学合成要比蛋白质困难得多，美籍印度科学家库拉纳（XXXXXXorana）在这方面作出了突出贡献。1972年，他们成功地合成了酵母丙氨酸tRNA基因（含有77个核苷酸的DNA长链）。1976年，他们又成功地合成了第一个具有生物活性的基因--大肠杆菌酪氨酸tRNA前体基因（126个核苷酸），加上前面的启动子（59个核苷酸）和尔后的终止子（21个核苷酸），共有206个核苷酸的DNA长链。这种化学合成核酸的方法对遗传工程有很大意义。
我国核酸合成工作开始于70年代。1979年完成了核糖核酸半分子（由41个核苷酸组成），1981年又胜利地完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸（由76个核苷酸组成）的人工全合成，标志着我国人工合成生物大分子的研究方面继续居于世界先进行列。
总之，分子生物学经过近半个世纪的发展，取得了一系列突破，形成了系统的崭新学科。它在揭示生命的本质和生物遗传变异规律方面取得了惊人的进展，是人们认识生命物质结构和功能的有力武器。
然而，就整个分子生物学而言，直到今天其发展仍永未完善。分子生物学面临着两方面的问题期待突破：一是了解真核细胞基因表达的调节控制，以阐明发育、分化、遗传和进化等分子机理；二是打开高级神经活动的黑箱，了解其分子基础。人们对于物质世界的认识是无限的，分子水平决不是生命物质结构的唯一层次和最后层次，因此，分子生物学的理论也决不能是生物科学的终极真理，更何况分子生物学本身还有待进一步完善与发展。人们对生命本质的探索还远未穷尽。

第八节　人工智能科学

一、人工智能的诞生和发展
产业革命使人类从事的笨重体力劳动由机器代替了，人们能以轻微的体力操纵机器 便可搬动沉重的物体，也可以说体力被机器放大了。随着计算机的出现和日益广泛的应 用，自然会提出人类的智力活动由机器来实现、由机器来放大的问题。数学家图灵（A.Turing，1912～1954）于1950年在"Mind"杂志上发表了"计算机与智能"的著名论文，并提出了如何判别一台计算机是否有智能的实验方法。然而时至今日，计算机能不能有智能、能不能思维还没有完整的论证，仍有争议。这里涉及到对"智能"认识的发展以及对脑力劳动与体力劳动的界限划定的不断推移。比如，对于计算机所完成的数字计算，人们已习以为常地不一定把它看成是高级的智能行为了。
几十年来，人们一直把计算机视作只会熟练准确地运算数字的东西，尽管它运算速度快得惊人。然而当今现实世界要处理的大多数问题并不是数值计算，像语言的理解和翻译、图形声音的理解、决策管理等都不属数值计算范畴。特别像医疗诊断类问题，明显地需要通过医生本人高超的专门医学诊断本领（不是计算机），也就是专门的特有的经验知识才能得出正确的诊断。这种由"数据世界"到"知识世界"的转化，由数据处理范围扩展到符号知识处理范畴的转变是人工智能诞生的重要因素。有人说：只有不受数字约束的思维之光，才能照亮奥秘领域所蕴含的真理。试探性的搜索，启发式的、不精确的、模糊的甚至允许出现错误的推理方法更符合人类的思维过程。
上述观点促使了人工智能学科的诞生。1956年夏天，有10位朝气蓬勃的年轻人在美国汉诺威的达特茅斯（Dartmouth）大学举行了一次讨论会，介绍与交流数学、心理学、逻辑学、语言学、哲学、信息论、控制论、计算机科学等领域的最新成果和研究进展，探讨机器与人之间的相互关系。在交流探讨中，与会者萌发了一个朴素的思想：设法使电子计算机具有人的智能。他们并且大胆地预言，25年之后，这一设想将初见成效。作为这次会议筹备者之一的达特茅斯大学数学系助教约翰·麦卡锡（J?McCarthy，现斯坦福大学教授）首先提出了"人工智能"这一术语，当即得到了大家的赞同，从而开创了人工智能的研究方向。
1956～1969年是人工智能的初创阶段。在这期间，人们主要致力于这门学科的探索与开拓工作。
从20世纪50年代算起，人工智能的发展大概是：20世纪50年代以游戏、博奕为对象开始了人工智能的研究，其间以电子线路模拟神经元及人脑都没有成功。1956年艾伦·纽厄尔（XXXXwell）等在卡内基（Carnagie）大学负责领导人工智能研究中心的全面工作，开发Logic Theorist程序，应用了启发式技术而不是穷举法。 20世纪60年代前期以搜索、一般问题求解的研究为主。1963年Newell发表了问题求解程序，走向了以计算机程序来模拟人类思维的道路，第一次把求解方法和问题的领域知识分离开。1960年麦卡锡(McCarthy)建立了人工智能程序设计语言Lisp。20世纪60年代后期，机器定理证明取得重大进展，对规划问题也作了研究。1965年美国数学家鲁滨逊（Robinson）提出了归结原理，使机器证明获得了重大突破。1968年Quillan提出了语文网络的知识表示方法。
20世纪70年代是人工智能的发展阶段，人们一方面继续进行机器翻译、机器弈棋、模式识别和机器人的开发工作，另一方面又开创了定理证明、自然语言理解、专家系统等人工智能研究的新领域。
20世纪70年代前期，人工智能受到责难。但人工智能学者仍进行了有效的研究，以自然语言理解、知识表示的研究为主。特别是认识到仅靠推理是不够的，知识对于实现智能最为重要。1972年Winograd发表了自然语言理解系统SHRDLV，1973年Schank提出了概念从属的表示法，1974年Minsky提出了重要的框架表示法，这时Prolog程序设计语言出现。20世纪70年代后期，以知识工程、认知科学的研究为主。1977年Feigenbaum提出了知识工程，专家系统开始广泛应用，出现了专家系统开发工具，人工智能产业日益兴起。专家系统是20世纪70年代人工智能最引人注目的成果。在日常生活中，人们把对某一门学问有专门研究或擅长某项技术的人称为专家，如医学专家、微电子专家等，而专家系统则是一种能像专家那样解决某些领域中问题的智能计算机系统。为达到这一目的，必须事先把专家的有关知识和经验存入计算机，建立知识库，并且要赋予计算机以应用这些知识的能力，包括推理、演绎、判断、决策之类。1971年，斯坦福大学杰出的人工智能专家爱德华·菲根鲍姆研制成功世界上第一个专家系统DENDRL，它能够像化学家那样分析化合物质谱，推断求知的化学结构。之后，各种类型的专家系统不断涌现，并陆续应用于医疗诊断、文化教育、矿藏勘探、化学分析等领域。
20世纪80年代，以推理技术、知识获取、自然语言理解和机器视觉的研究为主，开始了不确定推理、非单调推理、定性推理方法的研究。机器学习或知识获得已成为人工智能界的热门话题，机器翻译系统已成商品。光阴似箭，当年参加讨论会的会议代表，如今早已是专家、教授，其中大多数成了人工智能方面的知名学者和权威人士。1981年在加拿大温哥华举行的第七届人工智能国际联合会议上，面对人工智能这门学科所取得的可喜进展，5位当年的与会者愉快地回忆起25年前参加那次讨论会时的情景，他们对自己当时颇具胆识的预见深感满意和欣慰。20世纪80年代．全世界已有数千台各种语言、各种类型的翻译机投入使用，20万名机器人正在孜孜不倦地工作而毫无怨言，弈棋机在国际象棋锦标赛中曾多次击败象棋大师而荣登冠军宝座，集著名大夫专科知识和经验于一身的医疗诊断系统，即"电脑医生"，已经开诊服务。美国、日本和西欧各国的许多公司都设置了人工智能开发部门，例如美国的DEC公司、得克萨斯仪器公司、阿波罗计算机公司，日本的富士通公司、住友电气工业公司等。随之，人工智能专用机、人工智能工作站、专家系统开发支援工具等人工智能产品便相继问世。人工智能产品的发展很快，1986年为11.3亿美元，而1990年差不多是1986年的4倍，达到42.45亿美元。
20世纪90年代是人工智能的应用期。讲口语的自然语言理解（限定领域不限定人）巳达每秒一句话的量级；视觉方面，机器人驾驶的汽车在自然景致的野外环境下已能达到人们一般散步的速度。现今，人工智能正朝着实用化迈进，不再限于理论讨论。至于人工智能的未来，说起来就像科学幻想一样。比方说自然语言处理方面，人们希望计算机不仅能懂得书面语言，还懂口头语言，可以用自然语言，如英语，很方便地和使用者交谈。希望计算机能把一种语言翻译成另一种语言，或者就有关专题从一本书中找出某个问题的答案等，这样人们可以节省很多时间去学习外语和查阅资料。设想一下，在农业中，计算机将控制病虫害、进行剪枝，并有选择地套种庄稼；在工业中，机器人将代替人进行枯燥的重复劳动和在过于危险的条件下从事工作，如在海底发掘矿藏；在医院里，计算机将帮助诊断、护理病人，处理治疗和管理床位；在家庭中，计算机将考虑烹调和采购、清理地板和草地、处理各种家务和生活费用。人工智能正在使它们变为现实。
专家预计今后几年将出现人工智能研究、开发和应用新高潮。在高智能专家系统、新一代推理机、智能化仪器、实用智能机器人、高性能脑模型、工厂智能化、办公室智能化、学校智能化、社会智能化等研究和开发方面将出现新的进展和突破。
人工智能正以其美妙的前景吸引着人们，成为当今新技术革命中十分活跃的、具有战略意义的新技术科学。虽然人工智能不能超越人的智能，但它是人的智能的物化，会给人们的生活、工作带来极大便利，有着光辉灿烂的未来。无数科学工作者正利用人的智能，发展和应用着人工智能。
二、人工智能的概念
人工智能是一门正在发展中的学科，由于所涉及的一些理论问题目前尚处于探索阶段，因此要给它以一个确切的定义是比较困难的，以下只能作为一种描述性的说明。
一般地说，人工智能就是专门研究如何用机器来承担本来需要人类智能才能完成的工作，探索和模拟人的感觉及思维过程规律的一门学科。具体地说，就是由人来编制计算机程序，让机器来执行本来需要人类智能方可完成的任务。因此，人工智能又称为机器智能。
人工智能是计算机科学的一个分支，是研究使计算机来完成能表现出人类智能的任务的学科。主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑的智能计算机、以及使计算机更巧妙地实现高层次的应用。总的目标是增强人的智能。
还可以说，人工智能是研究怎样使计算机来模仿人脑所从事的推理、学习、规划等 思维活动，来解决需人类专家才能处理的复杂问题。如医疗诊断、石油测探、气象预报、运输调度和管理决策等课题。从实用观点看，人工智能是一门知识工程学：以知识为对象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。
人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的规律，并进而设计出类似于人的某些智能的自动机的科学。由于电子计算机的发展已具备了逻辑推理功能和存储功能的能力，所以当前这种探索、模拟人的智能活动的主要工具是电子计算机。事实上，人工智能采用的是计算机软件的观点和方法，主要目的是用现有的计算机去探讨智能的原理，使现有的计算机更为聪明，更为有用，进而研制出高级的智能机，所以人工智能不仅是自动化技术的前沿，也是计算机发展的方向，是控制论的尖端问题。
最简单地说，由计算机来表示和执行人类的智能，就是人工智能。或者更确切地说，人工智能就是使计算机进行某些与人的智能有关的功能（如图像识别，问题求解等）的能力，具有这种功能的机器，就称为智能机
当今衡量一个程序是否是一个智能程序，常常从其自然语言理解能力、自动推理能力以及机器学习能力来分辨。从这种观点看，多数程序不是智能程序，少数程序可视作智能程序的雏形，原因是人们对机器学习以及自然语言理解的机器的认识还是很初步的。对计算机会不会有智能，或者说计算机能不能思维这个有争议的问题，可以这样来理解：人的思维过程不是神，人脑是物质的就应该可以认识，一旦掌握了规律便可由机器来实现，这样的看法应该说是正确的。然而人脑在进展，机器又是由人来制造的，从这点看不能说可以完全由机器来代替人脑，部分地代替是没有问题的。
三、人工智能的两个主要流派
人工智能的发展过程，也是人们不断对人类智能模拟方式的反思过程。由此也形成了不同的流派，主要有两个：符号主义和联接主义。
（一）符号主义　　
符号主义又称逻辑主义，是目前影响最大的学派，上述关于人工智能历史的分析也主要反映的是符号主义的发展和成就。符号主义不考虑人脑的具体结构，直接从人脑的功能的宏观表现出发，用电子计算机模拟人类智能。它认为人的智能表现为认知，而认知的基元是符号，认知过程就是符号操作过程，所以能够用计算机的符号操作模拟人的智能行为。知识作为信息的主要形式，是构成智能的基础，所以人工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用。知识可以用符号表示，也可以用符号进行推理，因而有可能建立起基于知识的人类智能和机器智能的统一理论体系。符号主义取得很大成就，但是，在视觉理解、语音感知、语言获取以及学习等方面暴露出自身的局限性。人们发现，现行用于人类智能模拟的大规模或超大规模集成电路计算机（即冯·诺意曼型计算机）有三个主要特点：其一，必须严格按照已经编制好的程序步骤进行相应的数值计算和逻辑计算，没有主动学习能力和自适应能力；其二，所有的程序指令都要一条接着一条地顺序执行，处理信息的方式是集中的、串行的；其三，调用操作指令或数据时，总是需要先找到存贮地址，而后查出存贮内容，存贮地址和存贮内容是分开的。所以现行的计算机无法快速处理非数值计算的形象思维问题，无法求解那些信息不完整，具有不确定性和模糊性的问题。而且这种计算机不能应付环境的变化，不能经受内部元件损坏所造成的影响，但人脑在这方面却显示出无比的优越性。正因为这样，人们始终在思考现行的计算机模式是否合适的问题。其中联接主义试图建立神经型智能计算机的努力是非常突出的代表。
（二）联接主义　　
联接主义学派又称为仿生学派和生理学派。它认为人的思维单元是神经元，而不是符号，人的智能行为不能单纯归结为符号信息处理。人脑不同于电脑，人脑的结构、功能和智能行为密切相关，不同的结构表现出不同的功能和行为。所以，人工智能的研究应该着重于结构模拟，即模拟人的生理神经网络结构。在人工智能的发展过程中，人们始终进行着这方面的努力。继感知机之后，1963年诺贝尔奖获得者艾克尔斯（J. C．Eccles， 1903－）提出的"作为一种计算机的小脑："时空模式"，使对小脑的结构和功能的研究有了重大进展。70年代，日本科学家提出了具有模拟人的联想记忆能力的"联想机"，后来又提出反馈型认识机的神经网络模型，这种模型较之以前的脑模型和学习机有较大的信息加工能力。进入到80年代，对神经网络的研究再次出现高潮。科学家们在神经网络建模及其应用方面取得开创性成果。如 1982年美国生物物理学家霍普菲尔德（J.J.Hopfield）采用全互连型神经网络模型，利用所定义的计算能量函数，成功地解决了计算复杂度为NP完全型的旅行商问题，这项突破性进展引起人们对神经网络潜在能力的高度重视，从而掀起了研究神经网络信息处理方法和研制神经计算机的热潮。包括我国在内的许多国家现在都把神经网络开发和研制神经计算机作为新的科学生长点。人们认为，在这种"脑型"计算机中，信息不是存贮在单元的状态中，而是存贮在网络的连接模式中。分布性、并行性以及连接性是这种计算机的主要特征。结构上的这种特征，决定了它在功能上也具有"机型"计算机所不具备的优点。如具有自学习功能，具有联想存贮功能，具有高速寻找优化解的能力等。
四、人工智能的主要研究内容
由于人们对"智能"的理解不同，因而对"智能"进行人工模拟时，选择的重点也不尽相同。但一般来说，人工智能研究的内容主要包括以下几方面：知识表示方法、问题求解、逻辑推理和定理证明、自然语言理解、自动程序设计、机器学习及人工神经网络等。
根据Pss假设，知识是智能的基础，所以知识表示方法便成为人工智能研究的中心内容之一。目前在人工智能中常用的几种知识表示方法是：状态空间法、问题归纳法、谓词逻辑法、语义网络法、框架表示法、剧本表示法和过程表示法等。
问题求解是一个内涵广泛的研究领域，它涉及到归纳、推断、决策、规划、常识推理、定理证明和相关过程的核心概念。问题求解一般包括问题表示和对解答的搜索两个方面。问题表示同知识表示方法相关联，问题表示的状况直接决定求解空间的大小，对求解结果和求解工作量影响很大。对问题求解的过程人们也进行了深入的研究，探讨了盲目搜索（包括宽度优先搜索、深度优先搜索和等代价搜索等）、启发式搜索（主要有有序搜索和最优搜索、正向搜索和逆向搜索等一般搜索策略，也发展出比一般搜索方法具有更高搜索效率的高级求解系统，如规划演绎系统专家系统、系统组织技术、不确定性推理和非单调推理等。人工智能关于问题求解的研究取得了引人注目的成绩，专家系统具有重要的实用价值，能够求解难题的下棋（如国际象棋）程序设计水平不断提高。1997年5月，计算机"深蓝"与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫对弈，最终以3.5比2.5的总比分获胜，引起了世人的极大关注。
逻辑推理是人工智能研究中最持久的领域之一，与之密切相关的是运用计算机来进行定理的证明。这方面的研究在人工智能方法的发展中曾经产生过重要的影响。西蒙等人建立的逻辑理论机成功地证明了《数学原理》一书中的38个定理，这一工作对于人工智能学科的产生和发展具有重要推动作用。1976年美国K·阿佩尔（K.APPel）等人用计算机证明了长达124年未能解决的数学难题--四色定理，这一工作不但轰动了计算机界，而且使人们充分认识到计算机在替代人的智能方面所具有的潜能。
语言处理也是人工智能的早期研究领域之一，而且现在愈来愈引起人们的重视。目前语言处理研究的主要课题是：在翻译句子时，以主题和对话情况为基础，注意大量的一般常识--关于生活和世界的基本知识与期望的重要性。研究表明，能理解自然语言信息的计算机系统如同人一样需要有上下文知识以及根据这些上下文知识运用信息发生器进行推理的技术和能力。
学习是人类智能的主要标志和获得知识的基本手段。机器学习（自动获取新的事实和新的推理算法）是使计算机具有智能的根本途径。所以在人工智能发展过程中，机器学习是一个始终得到重视的研究领域。现在这方面理论正在创立，方法日臻完善，但远未达到理想境地。从理论上讲，学习过程本质上是学习系统将导师提供的信息转换成能被系统理解并应用的形式。学习方法大体可以分成：l、机械式学习；2、讲授式学习；3、类比学习；4、归纳学习；5、观察发现式学习。目前运用第3、4、5这三种方法开发学习系统还处于探索阶段。此外，近年来还发展了一些新的学习方法，如基于解释的学习，基于事例的学习，基于概念的学习和基于神经网络的学习。
由于冯·诺意曼体系结构的局限性，"机型"计算机在很多方面同人类智能相比有很大差距。因此人们试图寻找新的信息处理机制。人工神经网络的研究是其中非常重要的一个方面。研究结果已经表明，运用神经网络处理直觉和形象思维信息具有比传统处理方式好得多的效果，神经网络的发展既具有广泛的背景，又具有广阔的前景。对神经网络模型、算法、理论分析和硬件实现的大量研究，已经为神经网络计算机走向应用提供了物质基础。现在，神经网络在模式识别、图象处理、组合优化、自动控制、机器人学和人工智能的其他领域获得日益广泛的应用。人们期望神经计算机将在更多的方面取代传统的计算机，使人类智能的人工模拟向更深的层次发展。
人工智能的研究对人类生产和生活方式的改变有深远影响。人工智能不是人类智能在机器中的简单复制，而是人类智能某些属性的延伸和加强，是人类智能的必要补充。所以发展人工智能有着重要的意义。当然，在人工智能的发展过程中，人们也存在着智能技术是否会失控的担忧。从本质上讲，智能技术是人类智能的物化，是人赋予机器的智能，人工智能不可能完全等同于人类智能。所以，是否能够使人工智能更好地服务于人类，最终不取决于智能技术，而是取决于人类自身。

第九节　生态学与环境科学
一、生态学
（一）生态学的产生与发展
生态学（ecology）一词源于希腊文"Oikos"和"Logos"，前者意为"住所、房屋或栖息地"，后者意为"研究或学科"，1865年由德国植物学家莱特（Reiter，1834～1919）合并为生态学，其原意是研究生物与其栖息地之间关系的学科。1866年德国动物学家海克尔（Hacekel）首次把生态学定义为：研究生命有机体与环境相互关系的科学。后来，也有其他学者对生态学进行不同的定义，如,1966年史密斯(Smith)定义为：研究有机体与生活之地相互关系的科学，因此又可称为"环境生物学（environmental biology）"；1971年，美国著名生态学家奥德姆(E.P.Odum，1913～)定义为：研究生态系统的结构与功能的科学。此外还有其他定义，如"科学自然史"、"动物的社会学和经济学"、"生物经济学"、"研究生物形态、生理和行为的适应性的科学"等等。
生态学家普遍认为，生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。对生态学的不同定义则代表了生态学的不同发展阶段，强调了不同的基础生态学分支和领域。
我国著名生态学家马世俊（1985）认为：生态学不仅是包括人类在内的自然科学，也是一门包括自然在内的人文科学。随着人类生存问题的不断凸现，生态学研究的不断深入，生态学真正成为联系自然科学和社会科学的桥梁，其归宿是人类生态学。
迄今为止，从研究范围和发展阶段看，生态学发展经历了五次飞跃和三个阶段，具体描述如下：
1.五次飞跃：
（1）生物科学生态化 即生态学渗透到生物科学中, 由此产生植物生态学、 动物生态学、微生物生态学、生态遗传学等生态学分支科学；
（2）环境科学生态化　即生态学渗透到环境科学中，由此产生海洋生态学、土壤生态学、湖泊生态学等生态学分支；
（3）生产科学生态化 即生态学渗透到生产科学中，由此产生农业生态学、作物生态学、草原生态学、森林生态学等生态学分支；
（4）自然科学生态化　即生态学渗透到自然科学中，由此产生物理生态学　、化学生态学、数学生态学等生态学分支；
（5）社会科学生态化　即生态学渗透到社会科学中，产生生态经济学、人类生态学、信息生态学、建筑生态学、城市生态学等生态学分支。
2.三个阶段
（1）古典生态学 大约从我国秦汉生态思想萌芽开始到十八世纪初期，如秦汉时期的二十四节气的应用，就反映农作物、昆虫与气候的关系。
在长期的农牧渔猎生产中，古人积累了朴素的生态学知识，诸如作物生长和季节、土壤、水分的关系。古典生态学的产生可以追溯到公元前8世纪，我国战国时代的《管子·地员篇》是最早记载生态现象的著作，它叙述了植物生态知识的两个方面：一是植物的生长与土壤的性质有关，不同质地的土壤所适应的植物不同。二是植物的分布与地势有关，即已注意到植物分布的生态系列现象。公元前1～2世纪《吕氏春秋》所反映的"三才"思想，明确地指出"夫稼，稼之者人也，生之者地也，养之者天也"，天时地利人和是万物生长的基础。而后，北魏贾思勰的《齐民要术》则把生态学知识系统化，认为"凡栽一切树木，欲记其阴阳，……，阴阳易位则难生,……"。国外，公元前4世纪，希腊学者亚里士多德（Aristole,公元前384～322）不仅描述了不同类型动物的栖息地，而且按动物活动的环境类型将其分为陆栖和水栖两类。古希腊哲学家奥弗拉斯特、罗马柏里尼等也注意到气候、土壤与植物生长及病虫害的关系，同时还注意到不同植物群落的差异。当然，所有这些只是粗略的记载，当时也没有生态学的概念、理论和方法，更没有旨在发展生态学的专门研究，纯属于包含在其它学科的生态思想和生态现象的观察，但这些朴素生态思想的孕育和积累，必定带来生态学的产生和发展。
（2）近代生态学 以1749年法国博物学家布丰（XXXXXX Buffon,1707～1780）提出《生命律》为标志，它研究动物与环境的关系的科学，首次把生态学的知识系统化。
随后，瑞典博物学家林奈把物候学、生态学和地理学结合起来，综合考察了外部环境对动植物的影响。农牧业的发展使人们逐渐认识到环境因素对作物、家畜也有影响。1865年达尔文的《物种起源》提出自然选择理论，强调生物进化是生物和环境相互作用的产物。
1903年马尔萨斯(XXXXXXlthus,1766～1834)的《人口论》阐述人口增长与粮食的关系，他认为人口将呈几何级增长，而粮食则呈算术级增长，有朝一日人口的增长将超过粮食，世界将陷入粮食危机之中。现在看来，事实正如马氏之预料，由于人口爆炸，人类正为如何养活自己而伤尽脑筋。正因为这样，1866年生态学产生后，很快得到世界的承认，并迅速产生许多分支学科和学派。
（3）现代生态学 以1935年英国生物学家坦斯勒（A.G.Tansley）提出"生态系统"的概念，把生物与环境看作一个动态整体为开端，对生态系统的结构和功能的研究日趋深入，标志着生态学的发展进入现代生态学阶段。
1935年，坦斯勒提出"生态系统"概念。"所谓的生态系统包括整个生物群落及其所在的环境物理化学因素。它是一个自然系统的整体。因为它是以一个特定的生物群落及其所在的环境为基础的这样一个生态系统的各部分--生物和非生物、生物群落和环境可以看作是处在相互作用中的因素，且在成熟的生态系统中。这些因素处于平衡状态，整个系统通过这些因素的相互作用而得以维持。" 生态系统中生物因素和环境因素按照一定规律相互作用，在结构和功能上形成一个有机统一体。由此可见，生态系统概念的提出是生态学的重大突破，随后，埃尔顿(Elton，1900～)1941年提出能量金字塔；1942年，林德曼（Linedeman）在美国《生态学杂志》发表关于食物链和金字塔营养结构的研究报告，其研究方法也从经验观察进入综合分析阶段，确立了生态系统物质循环和能量流动理论。植物作为生态系统的生产者，通过光合作用生产有机物质，光合作用产生的有机物质维持着地球上的全部生命。植物生产的物质经过草食动物、肉食动物逐渐转移，组成食物链，有机食物链从一种生物传递到另一种生物，最后被微生物分解，返回自然环境。食物链的能量传递和各级能量利用者之间存在着一定的数量关系，进入任何一个营养级的物质和能量只有一部分转移到次一级生物即十分之一定律，为研究现代生态学奠定了科学基础。
（二）生态学的研究对象和内容
1. 生态学的研究对象
生态学的研究对象就是A.G.Tansley提出的"生态系统（ecosystem）"。
本世纪前半叶出现的系统论、信息论和控制论对生态学发展产生深远的影响。系统科学的创立如同生态学的出现一样在近代科学史上是两个里程碑。虽然两者研究或解决问题的对象不同，前者主要着眼于工业工程，后者主要着眼于自然生态工程，但两者相互渗透、交互影响推动两类学科的发展。其中，1935年Tansley的"生态系统"概念集中体现系统科学对完善生态学的理论和原则的深远意义，成为近代生态学研究的基本单元，也使生态学从近代生态学阶段跃进现代生态学阶段，并对现代科学的思维观等方面产生巨大的影响。
（1）生态系统的定义
1935年England生态学家A.G.Tansley首先提出"生态系统"的概念, 他说:只有我们从根本上认识有机体不能与它们的环境分开,而与它们的环境形成一个自然生态系统,它们才能引起重视"。生态系统的定义是由美国生态学家E.P.Odum提出的。他认为, 所谓生态系统是指由生境和占据该生境并联结在一起的生命有机体所构成的动态整体。
可以这样理解:在生态系统中生命有机体及其生存环境彼此密切联系,并相互作用, 成为占据一定空间,具有一定结构，完成一定功能（物质交换、能量转换和信息传递）的动态平衡整体。
(2）生态系统的组成
生态系统的组成如下图所示：
















其中，在环境系统中，太阳辐射是生态系统的主要能量来源, 经生产者的光合作用，将它转化为有机化学潜能,并创造生态系统的温热环境。无机组分和有机组分是生态系统的原始物质来源。生态系统的生物组分，按其生态位可分为生产者、消费者和分解者。生产者是指能够进行光合作用将太阳能转化为有机化学潜能的自养型生物，也包括一些光合细菌。生产者创造的能量源源不断地输入生态系统中，成为消费者和分解者的能量与物质的来源，称为生态系统的初级生产，生态系统生产力的高低决定于生产者的总初级生产力；消费者指以初级生产产物为食物的异养生物，按食性分为草食动物、肉食动物、寄生动物和杂食动物；分解者即还原者，以生产者和消费者及其产物为食的微生物，其作用为了将有机化了的营养物质重新分解，把生态系统中的生物与环境之间的能量转化和物质循环联系起来，为腐生生物生产食物，产生激素类物质调节生物及其环境，如土壤中的微生物。
(3)生态系统的结构与功能
首先，生态系统组分的关系决定其功能。 和一般的系统相似，生态系统的生物之间及其与环境之间的相互联系方式决定生态系统的生产力、稳定性和持续性。如果外部环境不能正常的为它提供输入，或不能正常地接受环境的输入，或人为地对它不断干扰和破坏，这个生态系统的功能将根本无法发挥出来。
其次，生态系统各生物之间的关系有互依、吞食、竞争和破坏等四种类型。 这种关系至少告诉人们：第一，生物之间存在是复杂的链式关系，自然界的生物之间存在千丝万屡的联系，动一环而牵全局。第二，只有从整体出发把网络内的各种关系综合起来分析才能全面地认识这个网络。例如在普通的森林生态系统中，松树、阔叶乔木、灌木、松毛虫、黑卵蜂、小茧蜂和微生物与土壤组成的一个网络。在这个网络中，松毛虫吃松叶，因此,松毛虫和松树之间的关系是破坏关系。黑卵蜂和小茧蜂都以阔叶乔木和灌木的花蜜为食，因此它们与两种树木的关系是互依关系。各种树木的落叶都落到土壤上供微生物分解后一部分再被树木吸收，因此树木和土壤之间的关系是相互依存的关系。总而言之，阔叶乔木和灌木一方面通过养育黑卵蜂和小茧蜂破坏松毛虫的繁殖，减轻松毛虫对它们的危害程度，另一方面又由于阔叶乔木和灌木的落叶经土壤微生物分解增加土壤的自肥能力和养分向松树反馈。阔叶乔木和灌木的存在对松树总是有利的，充分说明混交林的生态效果优于单一树种林的机理。
2.生态学的主要研究内容
现代生物学研究的层次从微观到宏观依次是基因、细胞、器官、生物个体、生物种群和生物群落，它们与环境相互作用分别形成基因系统、细胞系统、器官系统、有机体系统、种群系统和生态系统。生态学是研究以个体、种群、群落和生态系统为中心的宏观生物学（李振基等，1999）。此外。由于生态学与其它学科的不断渗透，景观生态学和全球生态学也成为研究热点。
（1）个体生态学（ individual ecology） 经典生态学研究的最低层次是生物个体，它与生理生态学同义，偏重于对各种环境条件的生理适应及其机制研究上。主要讨论生物个体是如何通过特定的生物化学、形态解剖、生理行为的机制去适应其生存环境，如生物对极端环境的适应研究（包括寒冷、干旱、沙漠、高海拔等），由此产生协迫生态学(stress ecology)。
（2）种群生态学(population ecology)　 有机体种群大小如何调节，它们的行为以及它们是怎样进化的等问题是讨论的重点。种群被认为是进化选择的基本单位，它由独立的、生理行为等机能各异的，甚至是自私的个体组成的一个有组织的整体，因此种群既包含每个个体的特性，又有独特的群体特性，这个有秩序的群体如何适应环境而生存下去，就是一个策略问题。　
（3）群落生态学（community ecology） 该领域中最感兴趣的问题，可能就是自然界中为什么存在如此缤纷各异的动植物种类？它们为什么像这样分布着？它们是怎样相互作用而共存的？是什么机制使这些不同的生物适应生存得如此美妙、协调而复杂呢？对于生物多样性及其之间相互关系这一迷人的问题，进化论提供了有力的工具，它说明自然选择、随机因子和历史压力相互作用的方式而决定了自然界的万物和现象。
（4）生态系统生态学（eco～system ecology）　其任务主要是研究生态系统的结构、功能、动态与演替，以及人为影响与调控机理的生态学分支。它目前正在发展之中，并已经为生态学提出了许多创新的概念，并且使生态学在人类社会经济发展中的作用发生了改观。生态系统生态学所强调的"整体性"是人类认识自然的生态的系统的具有革命性的进步，此外，它的许多新的概念，如有关结构的关键种（keystone species）、有关功能的功能团（Yodzis 1982）、体现能（包被能， embodied energy）、能质等等有关调控结构与功能的控制阀、切换器、增益放大器、自我限制能的接受器、信息流以及系统的串联、并联等，乃至一整套的语言和符号，这些都对深入理解系统的功能、建模有重要贡献，无疑也是对生态工程（ecological engineering）的有力推动，它是生态工程的理论指导和技术基础。
（5）景观生态学(landscape ecology) 在资源持续利用和环境保护的客观要求下，一门以更大规模的地域单元，即生态系统以上的景观层次单元作为研究对象的景观生态学获得蓬勃的发展。景观观念虽脱胎于传统的景观地理学，但它在生物学基础上赋予了更严密的结构、功能和动态方面的含义，在概念、理论和研究方法上也完全不同于景观地理学。它虽然提出不久，但发展的速度超过其他生态学分支，它将在区域性土地规划和管理，资源持续利用（特别是野生生物的管理），农、林、牧、渔业经营，城乡土地利用规划、森林和牧场管理、环境与自然保护、旅游规划等方面发挥重要的作用，而且景观生态学也是生态系统研究向全球生态研究发展的一个重要中间层次。
（6）全球生态学（global ecology） 近年来人们普遍关心的一些重大问题，如核污染、酸雨、人口递增、土地资源减少、臭氧层耗竭、温室气体增加、森林砍伐与植被破坏对全球气候的影响、全球热带雨林面积减少、物种灭绝和遗传多样性贫乏等，正严重威胁人类居住其中的生物圈的安全和健康，全球生态学的目的在于培养人类树立全球观念，探讨人类生存之对策。
（三）应用生态学的任务
1972年，罗马俱乐部在《增长的极限》一书中指出当今世界面临着五大生态危机即 人口爆炸、粮食短缺、资源衰竭、能源缺乏、环境污染等五大生态危机，而首要的危机是人口的危机。世界环境与发展委员会把之概括为环境危机、发展危机和能源危机。许多生态学家也积极参与全球问题的解决中来，开辟了生态学的应用领域，即应用生态学。
应用生态学致力于探索解决经济发展和环境保护之间的矛盾，辨识能流、物流、信息流之间的耦合，合理开发自然资源，提高生产力水平，实现社会的持续发展。应用生态学从以下几个领域进行研究：
1.生态系统中种群规模的调控：在研究种群数量的时间变化过程中，最有影响的两种群相互作用的方程，即，Nicholson－Bailey模型。该模型的基本形式为：
Nt+1＝ λNtexp（－αPt）
Pt+1=Nt{1～ exp（－αPt）
λ是寄主种群的净增长率，Nt、Pt分别是第t代的寄主和寄生物（猎物和捕食者）种群密度。通过研究生态系统中种群的适应结构和数量动力学，控制生态系统中有害因素的蔓延，规划合理开发生物资源的规模，预测不同条件下的可能结果。
2.生物生产力的管理：通过改善光合作用的程度，提高不同营养级生物产品利用效率，最大限度地利用像海洋浮游动物这样的初级异养级生物，采用多级利用生态工程，促进生态农业发展。例如，传统的秸秆还田是提高土壤有机质的有效措施，秸秆不经处理直接返回土壤，需经过很长时间的发酵，才能发挥肥效。而秸秆分级利用不仅维持秸秆的肥效，而且增加了生产食用菌的经济效益。
3.人工生物群落的稳定性：利用生态学演替理论，通过建立了生态系统数学摸型，研究人工生物群落稳定性的最佳组合、技术措施、约束因素。实现世界自然保护大纲的三大目标：保护生态过程和生命支持系统；保护遗传基因多样性；保护现有物种和促进生物资源的永续利用。
4.生态指标体系：通过监测个体、大气、土壤的质量，建立生态定位站和数据库，动态地监测物种的变化趋势，为决策部门制订合理利用自然资源、保护生态环境的政策提供科学依据。
（四）生态学的思想在现代科学技术变革中的地位
从Hackel定义生态学到今天，生态学已发展成为一门非常庞大的热门学科。它的基本概念、思想和方法对现代科学技术的变革和发展产生巨大的影响。目前生态学涵盖了70个分支学科，生态学已基本替代了以往生物学成为现代科学的前沿学科，因为生态学发展所崛起的现代科学思维方式的革命，正影响现代科学的走向：
1.生态学为现代科学技术发展提供多维的系统观
1935年A.G.Tansley"生态系统"概念提出后，Birge、Judy、Linedeman等人对生态系统的实验研究和定量分析，使生态系统的概念具体化为一个系统的综合实体。Tansley曾说过："只有我们从根本上认识到生命有机体不能与其所处的环境分离，而是与其所处的环境形成一个自然生态系统，它们才能引起重视"，这句话指明现代科学的研究应改变以往以人或生物为中心的指导原则，把生物和环境看成一个不可分割的整体来研究。在此概念的基础上，与系统论相结合，产生现代科学的认识和研究方法的变革。不论是薛定锷（1943）开创的量子化学和申农（Shannon，1948）创立的信息论或维纳（Weiner，1948）提出的控制论等前三论，还是Prigogine等人７０年代创立的耗散结构理论、协同论和突变论等后三论，都离不开Tansley的生态系统概念及其思维观的影响。一句话，生态学的系统思维观推进现代科学和学科间的综合思想登上思想舞台做出突出的贡献。
2.生态学提高了对现代自然科学对象是人化的自然的自觉认识
生态学首次提醒人类，人的行为对自然界演变的影响，即人类的目标和价值取向会自觉或不自觉的和科学研究对象相结合。从而使当代科学的社会功能得以空前的强化，加速了科学迅速转化生产力的进程。
3.生态学为现代自然科学和社会人文科学的结合架设了桥梁
生态学使自然与人类结合，也促进自然科学走向社会。1962年，美国海洋学家卡尔逊(Carlson)出版的《寂静的春天（ Silent Spring)》拉开了社会科学生态化的序幕。卡氏曾参加美国参议院贸易委员会出庭作证，指控美国化工业生产大量农药、化肥污染环境的事实。该书被翻译成多种文字，也促进当代环境科学的诞生，也为自然科学和社会人文科学的结合起推波助澜作用。
在现代科学研究中占有重要的一席。Prigogine也认为，现代科学革命的集中表现在自然科学与人文科学逐渐集中到统一轨道上，人类生态学是生态学的最终归宿。
4.生态学为交叉学科的形成提供丰富的原科学材料
Prigogine说过：无论人们专心致志于哪种专业，都无法逃避这样一种感受，即我们在一个转变的时代，必须要求和探索新的资源，更好地了解自身的环境，并与大自然建立一种和谐的共存关系。生态学打破学科间的壁垒，渗透到人类知识的方方面面。从而为人类更好的生存和发展做出贡献。
（五）面向21世纪的生态学
21世纪生态学发展的总趋势，一是从资源和环境的管理角度出发，研究现代科学技术条件下的人类持续发展问题，它在一定程度上将影响人类长期生存和生活的哲学观念；二是使用生物学已有的成就（包括分子生物学和基因工程技术）和方法研究现代人类影响下的生物进化问题，这一研究有利于挽救当今地球生物，为后代保存较多的生物资源。
1.作为生命系统基础的个体生理生态学，建立在个体基础上的种群生态学、群落生态学、生态系统生态学由于是与直接解决人类生存有关的提高地球承载能力（即生物生产力和环境质量）的最基础的（最基层的、最基本的）研究任务，尚有大量理论与实际问题需要解决，这类研究也是人类最重要的科学积累。这一范畴的研究，将是生态学的重要核心而继续得到发展。
2.生态学继续向各学科的渗透，将出现或加强城市生态学、行为生态学、化学生态学、灾害生态学、建筑生态学、数学生态学、景观生态学、城市生态学、微生态学、进化生态学、能量生态学、工业生态学等学科。它们作为生态学与其他学科交叉渗透的新分支学科的发展，将是生态学理论和方法发展最活跃的部分。
3.生态学致力于生物圈的功能研究。生态功能的正常发挥直接关系到生态环境状况，而自然环境的优劣关系到能否为人类提供充分的生产、生活条件。酸雨、温室效应、臭氧层破损等影响到全球气候变化，危害生态系统的正常功能发挥，不利于已受害生态系统的再造与恢复。能源开发、再生资源是农业生产的自然基础，资源枯竭、能源不足制约着全球经济的发展，由于人类活动范围的日益扩大，自然形成的物质循环、能量转化受到干扰，影响到生态圈的新陈代谢，增加了人类进一步开发资源、利用能源的难度，这就要求生态学研究水陆界面的相互作用机制，探讨海气、水气、地气之间的能量交换机理，考察其中的物理、化学、生物学的作用。生态圈功能的开发给生态学提出了工艺性的技术问题，也要求生态学提供现实生态问题的科学对策。
4.生态学为可持续发展提供理论基础。当代， 人类正以前所未有的规模改变生态环境导致全球生命支持系统的持续性受到威胁。运用生态学原理，考察制约可持续发展因素，通过各种技术、行政、管理的方法，调节生态系统内部不合理的生态关系，增加生态系统自生、共生能力，实现可持续发展。生物圈的物质生产是把太阳能转化地球有效能量的过程。 植物作为生产者，通过光合作用生产有机质；动物消费植物积累的能量；微生物作为分解者，分解生命过程的"废物"，释放能量，重新被植物利用，构成生命运动的无限发展过程。
二、环境科学
环境科学是研究人类活动和环境质量关系的科学：宏观上研究人类和环境之间相互作用、相互促进、相互制约的统一关系，揭示经济发展和环境保护两者协调发展的规律；微观上研究环境的各组成部分尤其是人类活动排放的污染物在有机体迁移、转化、积累中的运动规律。
1.环境问题和环境科学的产生
环境问题早在远古时代就己存在，并且古人采用相应的简单措施对付。人类从野蛮时代发展到农业文明，创造了灿烂的埃及文明、巴比伦文明、古希腊文明、玛雅文明、哈巴拉文明、中华文明；同时，也带来了森林植被的过度砍伐和土地被破坏的环境问题。大约200多年，欧美发达国家由于电力和蒸汽机的发明和使用，率先进入工业化时代，而使社会生产力水平大幅度提高的同时，也带来严重的环境污染，威胁着人类的生存。1952年12月5日至8日的伦敦烟雾事件、1961年日本四国市的哮喘事件、1949年日本熊本县水俣市的"水俣病"事件、1955～1972年日本富山县神通川流域的骨痛病事件、1968年3月日本九州、四国等地的米糠油事件等"大公害事件"震撼了世界公众，使人们认识到全球环境恶化的趋势，并促使人类反思自身的行为，重新认识环境问题。
20世纪50年代，美国女海洋生物学家卡尔逊从使用杀虫剂造成的环境污染人手，通过考察农药污染物迁移、转化过程，揭示了人类和大气、海洋、土壤、动物、植物之间的关系，分析了环境污染对自然环境的影响，提出了人类所面临的环境污染问题，1962年，卡尔逊的《寂静的春天》一书在美国波士顿出版后，引起全球性轰动，并很快被翻译成多种文字，作为世界上第一部环境科学的研究力作，它最早论述了环境污染不仅危及了许多生物的生存，并且还在危害人类自身，从而掀起了一场全球性的环境运动。
1968年4月，来自意大利、瑞士、德国、日本、土耳其、印度、伊朗等国家的三十位专家，其中有教育家、人类学家、经济学家，在意大利经济学家贝切伊的倡导下，聚会于世界上最古老的林赛罗马科学院，讨论人类当前和未来的困境，成立了一个非政府之间交流的国际性组织--罗马俱乐部。1972年，罗马俱乐部发表了第一份研究报告《增长的极限》，被西方报纸称为"70年代的爆炸性杰作"。该报告运用系统方法，建立"零增长模型"，研究了当代世界的五个重要参数：工业化、人口增长、营养不良、不可再生资源的耗尽、环境恶化，分析了人口增长、工业生产、农业生产、资源消耗、环境污染都按指数增长，预测人类面临的真正危机的规模在今后几十年达到严重程度，并在21世纪上述各项参数的增长达到极限，从而导致全球性危机：非再生资源枯竭、耕地面积下降、人均食品减少、人口死亡率剧增，提出只有停止人口增长才能维持生态平衡。该报告发表不久，西方的石油危机证明了罗马俱乐部的观点，扩大了罗马俱乐部的国际影响。围绕增长的极限问题，展开了国际性辩论，形成悲观派、乐观派之争。继罗马俱乐部的第一份研究报告《增长的极限》之后，又发表了《人类处在转折点》、《走出浪费的时代》、《能源，倒过来计数》、《回答未来的挑战--学无止境》等十几份报告。研究领域日益拓宽，研究层次逐步加深，该俱乐部从第一份研究报告着重探讨自然极限，过渡到探讨自然因素和社会因素、技术因素和人文因素相结合。
随着环境运动的深人，人们走上街头，游行、示威、抗议，要求政府采取有力的措施治理环境污染。1972年原联邦德国成立了"环境保护――全国自发组织联合会"，有30万成员，到1985年，成员则超过了150万。到1976年，日本也有1000多个民间组织投人环境运动。参加环境运动的人员有老师、学生、医生、法官、律师、工人、农民、家庭妇女，环境运动也从无严密组织发展到不仅有组织，而且有领导协调机构，甚至在分工、任务上有所侧重，为环境科学的产生奠定了群众基础，
另一方面，环境科学的理论探索也在深化，一批环境科学的专著像瓦特的《环境科学原理》、马斯特斯的《环境科学技术导论》相继出版。各个不同领域的科学家、生物学家、化学家、地理学家、医学家运用不同的方法、理论研究环境问题，产生了像环境地学、环境生物学、环境化学、环境医学、环境法学等分支学科，曼纳汉的《环境化学》、科斯特的《环境地质学》、卡贝利的《环境系统与工程》到跨学科的综合性专著像库普切拉的《环境科学，生活在自然系统中》、米勒的《环境科学导沦》、内贝尔的《环境科学：世界运作方式》，有力推动了环境科学向纵深发展，也为环境保护提供了理论依据。
（二）环境科学的研究内容
环境科学的研究内容大体上可以概括为如下几个方面：
1.探索全球范围内自然环境的演化现律。自然环境总量不断地变化，环境变异也随时随地发生。在人类发展的自然过程中，为了使自然环境向有利于人类生存的方向演替，避免向不利于人类生存的方向发展，就必须了解包括自然的基本特性、环境结构、演化机理。
2.揭示人类活动和自然环境的关系。人类通过生产、消费，不断影响自然环境的质量。例如，人类对植被的改变会引起土壤、气候、地貌、水体的一系列变化。人类必须使物流、能流的输人和输出保持相对平衡，不仅排放环境的废弃物不能超过环境的自净能力，以免造成环境污染，而且要合理开发、利用不可再生资源，以保障自然资源的永续使用，包括研究人类行为对自然环境的相应变化，增加人类对自然环境的恢复能力。
3.考察环境变化对人类生存的影响。环境变化是由物理的、化学的、生物的、社会的因素以及这些因素的相互作用引起的；环境科学必须研究污染物在自然环境中的物理、化学变化过程，分析污染物在自然环境中迁移的机理以及进人体后的各种效应，像致畸效应、致突变效应、致癌效应，为制定各项环境标准、控制污染物的排放量提供科学依据。
4.研究区域环境污染综合防治的技术。引起环境问题的因素很多，需要动用多种环境技术。环境科学从区域环境出发，运用系统分析和环境技术，寻找解决环境问题的最佳方案。
5.加强对自然系统的研究。开发新的预测工具，考察地球承载力和生命支持能力的关系，研究土地、海洋、大气之间的能量流动关系，分析生物多样性、遗传物质的丧失对自然环境的影响，预防自然灾害。
（三）面向21世纪的环境科学
包括空气污染、水污染、土壤污染、温室效应、臭氧层破坏、生态系统破坏在内的环境退化是21世纪人类面临的最严峻的挑战之一。它将有力推动环境科学走向应用，研究环境退化的原因和机制。在众多环境科学分支学科中，环境化学、环境生物学、环境伦理学将是优先发展的学科。
1.环境化学
环境化学可定义为：研究化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。它是环境科学的核心组成部分。环境化学是在化学科学基本理论和方法的基础上，以化学物质（主要是污染物）引起的环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标发展起来的一门新兴学科。它的主要研究内容和任务是：研究化学物质在环境介质中的存在、化学行为及其对环境（生态系统）和人体健康产生影响的途径、机制和风险，探讨缓解或消除它们已造成的影响或防止可能发生影响的方法和途径。
2.环境生物学
《中国大百科全书》（1983）认为环境生物学是环境科学的一个分支，是研究生物系统与人为逆境相互关系的科学，即研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律及其机理。人为逆境（anthropogenic stress）是由人类活动产生的不利于生物生存的环境状态。生物系统与人为逆境的相互关系有两方面的含义。一方面，各种逆境因子对生物系统产生不利或有害的影响（或效应），如大气中的SO2、污染物对动植物生长发育的抑制，电离射线对细胞中DNA分子损伤，过量砍伐使森林衰退等等。另一方面，生物系统同时也对逆境因子的行为（或归宿）产生影响，如有机磷农药在生物体内的代谢降解，电离辐射通过有机体时被吸收而衰减，绿色植物吸收大气中过量CO2, 而放出氧气等。根据具体情况，这种相互关系可以发生在生物系统各级组构水平与各种逆境因子的不同组合之间，从而形成相当复杂的相互作用模式。
今后环境生物学的研究内容是：人为胁迫因子对生物系统的效应和生物系统对人为胁迫因子行为的影响。
3.环境伦理学
人为因素对环境变迁有重要的影响，反之，环境的变迁对人类的生存也有重要的影响，表现为， 环境的变迁对人类生育、区域经济和人类心理的冲击，进而对人类社会文化进化的影响。这些都是环境伦理学的研究范畴。目前环境伦理学至为重要的领域是，生物技术的突飞猛进，转基因作物的田间种植以及动物克隆技术的应用对环境带来的风险评价，乃至由此引起的对人类进化、心理和伦理的影响。
4.现代前沿科学对环境科学研究的渗透
（1）生物学对环境科学研究的渗透
生物学依然是21世纪的最前沿的学科，同时其两大分支学科～～～生态学和分子生物学更是21世纪生物学发展的领头科学。它们不但成为探索自然生命奥秘的工具，而且在治理环境问题，提高生命和生存质量中起重要作用。环境科学与生物学的相互渗透必将在21世纪的科学发展中展现灿烂的前景。归纳起来，生物学在推动环境科学发展中的应用领域有：应用生物监测环境污染状况研究、应用生物修复环境污染研究和环境生物技术研究。
（2）信息科学对环境科学研究的渗透
早在20世纪70年代，罗马俱乐部的科学家们就应用了计算机模拟技术对全球的环境状况进行了定量研究，发表了包括《增长的极限》在内的一系列报告，推动现代环境科学的进步。进入21世纪，除了加强信息科学在上述环境科学领域研究外，最有前景的莫过于应用地理信息系统（geographic information system，GIS）对全球、地区或国家的环境和资源状况进行精确的观测、分析，以促进人类采取合理的资源开发和环境保护策略。
GIS 是 用于存贮、处理、查询地理空间信息的计算机系统，最早于50 年代源于加拿大，主要用于监测土地覆盖类型。美国从六十年代开始用于军事探测，后逐渐在环境、农业和城市管理中应用。目前，ＧＩＳ在环境科学研究的中主要表现在以下几个方面：
①基于ＧＩＳ的城市交通噪音预测模型和规划系统研究；
②基于ＧＩＳ的资源和环境预警系统研究；
③基于ＧＩＳ的农药、化肥对地下水系统风险预测与评估系统研究；
④基于ＧＩＳ的自然灾害预测及其风险区规划系统研究。

第五章 现代高技术的发展　　
第一节 高技术概述

高技术是20世纪40年代以后发展起来的新技术群，它是伴随着电子计算机的问世和原子能的利用而发展起来的。1940～1955年，以原子能的利用为标志，人类开始利用核能；1955～1965年，以发射人造地球卫星为标志，人类开始摆脱地球引力进入外层空间；1965～1975年，以重组DNA为标志，人类开始控制遗传和生命过程；1975～1985年，以微处理器大量生产和广泛使用为标志，扩大人脑能力的技术开始形成主流；1985～1995年，以软件开发和大规模产业化为标志，人类进入信息革命时代。从各阶段高技术的发展步伐可以看到，高技术渐渐成熟，并形成电子电动化信息技术为先导，以新材料技术为基础，以新能源技术为支柱，并向环保技术渗透，沿微观领域向生物技术发展，沿宏观领域向海洋技术和空间技术拓展的一大批相互关联，成群成族的高技术群落。进入新世纪，这些高技术群落将以雪崩之势向前发展，对世界继续将产生广泛而深刻的影响。
一、高技术及其产业的涵义和特点
（一）高技术的涵义
今天，高技术是一个在文献与媒体中使用频率极高的词汇，然而，这一词汇出现的历史并不很长。20世纪60年代，当一座座大型建筑拔地而起时，有两位美国女建筑师写一本叙述这些建筑的书，名为《高格调技术》。有人认为，这大概是高技术概念的最早原型。70年代，高技术开始出现在各种媒体上，人们把那些通过利用最新科学技术成果开发、生产出来的新型产品称为高技术产品。1981年，美国出版了以高技术为主题的专业刊物--《高技术》月刊，高技术一词开始广泛地流传开来。1985年，美国商务部出版了《美国高技术贸易与竞争能力》，开始对高技术产业进行分类、统计与分析。
然而，究竟何谓高技术？迄今为止，在国际上还没有一个公认的定义。目前比较流行的观点有如下几种：
l．高技术是指基本原理主要建立在最新科学成就基础上的技术。如美国国会图书馆在为美国第95届国会提供的《科学政策工作词汇汇编》中指出，高技术指一些比其他技术具有更高科学输入的某些技术创新。
2．高技术是"尖端"的、"前沿"的、"先进"的技术。如中国大百科全书对高技术的定义是，高技术是一系列新兴的尖端技术的泛称。
3．高技术是从经济角度对一类产品、企业或产业的评价术语，凡是技术所占比重超过一定标准或比例时就可称为高技术产品、企业或产业，如美国商务部对高技术产业的定义是，研究与开发费用在总附加值中所占的比重为10％以上，或者科学技术人员在总职工中所占的比重为10％以上的产业。
然而，尽管高技术的定义众说纷纭，但人们对高技术的认识与理解实际上是比较一致的。这就是高技术的出现体现了当代技术进步对经济、社会发展的巨大促进作用。高技术从本质上说是指那些对一个国家或地区的经济、政治和军事等各方面的进步产生深远影响，并能形成产业的先进技术群落。
本书所涉及高技术的内容有：信息技术，生物技术，自动化技术，新材料技术，新能源技术，海洋技术，空间技术以及环保技术等，这些正是本章各节要阐述的内容。
（二）高技术的特点
关于高技术的特点，可以归纳为如下几点：
1、高群落。当代高技术开发，不像以往历史上的几次重大技术变革那样，是由比较单一的技术发展起来的。如 18世纪到20世纪初的几次重大技术发明，先出现了纺织机，后来出现蒸汽机，以后又出现了电力技术。与此不同，当代高技术的崛起是群落式的，亦即它是以一群一群的方式出现的。当代高技术崛起的这种特点，意味着一种高技术的兴起将相应引起和促进一大批相关联的高技术问世，从而形成"雪崩式的连锁反应"。
2、高投资。高技术是资金密集型技术。高投资既是高技术充分发展的支撑条件，也是高技术得以崭露头角的显著特征之一。近20年来，西方主要经济发达国家投入研究与发展的资金大多占其国民生产总值的2％左右，有的国家甚至接近3％，这个比例从绝对数量来说几乎相当于许多发展中国家的国民生产总值。
3、高智力。高技术主要依赖人才及其智力和知识。国外高技术企业中，具有工程和科学学位的人员占企业职工总数的40％－65％，相当于传统技术产业部门的5倍。以机器人技术为例，它涉及到机械工程技术、动力学计算机技术、信息处理技术、自动化技术、传感技术、思维逻辑、人工智能、微型电视摄影技术、光技术、语言分析合成和发送技术等等，可以说集现代各种科学技术知识之大成，成为各种最新知识高度密集的产品。
4、高收益。高技术开发成功后收益很大。不仅高技术开发主体本身能够取得很好的经济效益，而且还能够取得很好的社会效益。高技术产品的广泛使用，可以提高社会劳动生产率，节约资源，改造传统产业，增加整个产业的活力，取得较好的宏观经济效益。
5、高风险。由于高技术是新兴的、高层次的技术，尚未完全成熟定型，发展变化快，不确定性因素多。因此，高技术企业比普通企业风险大。高技术开发的高风险性主要表现在两方面：一是研究创造活动的不确定性，失败率高；二是投资回收的波动性，投资的收益起伏很大，高技术开发的失败率高达80％左右。
6、高渗透。高技术处在综合性、交叉性较强的技术领域，因而它能广泛地渗透到传统产业中，带动社会各业的技术进步。
7、高竞争。高技术具有鲜明的国际性，其原料供应和市场竞争是国际性的。只有经受严酷的国际竞争的考验，才能生长出真正的高技术。同时，高技术的产品目标、技术指标及性能价格比，也必须到国际市场上去较量。
8、高时效性。高技术的时间效益非常突出，不能及时进入市场就意味着失败。
9、高战略。高技术对一个国家、一个地区的经济、技术、政治、军事来说具有很高的战略性。它是一个国家或地区技术实力和技术优势的标志，关系到一个国家或地区的政治、经济与军事地位。
(三)高技术产业的涵义
所谓高技术产业，通常是指那些不断将生产过程和最终产品建立在高技术基础上的新兴产业。即：高技术产业是围绕高技术形成的、知识高度密集、技术含量大的高附加值产业。尽管目前对高技术产业的认识并不完全统一，但人们通常认为，高技术产业应具备以下条件：一是产品的技术性能复杂；二是科技人员在职工中的比例较大；三是设备、生产工艺建立在尖端技术基础之上；四是工业增长率和劳动生产率高。
（四）高技术产业的特点
1、知识密集型和人员知识化
高技术的创造性、智力性、时效性等特点，形成了高技术企业与传统企业的区别之一：知识密集和专业技术人员比例高。一般而言，高技术产品有三类；①领先的尖端技术，运用最新科学成果和技术设备创造而成，例如克隆技术，高技术创新高于原有技术的简单积累。②高度复合型产品，一种高技术往往以某项技术为主，是多门科学技术汇集的结果。例如；计算机上的一个芯片，要集成上百万个电子元件，涉及固体物理、电子学、现代光学、精密机械与材料科学等方面的知识，而制造芯片所需的超静、恒温、恒湿、防磁、防震等工艺条件，则需要采用多种技术才能实现。③高智能型产品，其软件成分比硬件成分还要高，如计算机软件开发，数据库和信息网络管理等。可见，从事高技术开发的企业。知识是支柱，科技人员是发展的动力源。
2、发展速度快
高技术中凝聚的科技知识多，附加价值高，能带来巨大的经济效益。所谓产品的附加值可以这样看；产品每公斤重量的价格，如果钢筋为1，则小轿车为5，彩色电视机为 30，计算机为 1000，集成电路为 2000。即从重量上看，集成电路的价值是钢筋的 2000倍！所以高技术企业凝聚的发展潜能是传统产业无法相比的。"速度"在高技术产业中具体体现在两个方面：①企业的规模。由于高附加值和高效益，高技术产业的规模几年内成倍增长的例子屡见不鲜。著名的英特尔公司，靠250万美元的风险投资起家，几年就济身于美国资产最多的30家公司之列。②产品更新周期短。产品和人一样，要经历出生、成熟、衰退和死亡的寿命周期。高技术产品的寿命周期相对很短，产品更新换代快。如集成电路的集成度，每3年增长4倍，从1946年第一代计算机问世，到第五代高性能计算机应用，仅40年时间，性能提高100万倍。在这种情况下，相应的设备也要高速更新，如生产集成电路电子元件的设备，10年更新3代。
3、研究与开发费用高
高技术公司用于研究与开发的费用，一般占其产品销售额的比例在5％～12％之间，是传统产业的2～5倍。主要原因是：①高技术产品体现高、新、尖，所以在研发过程中，一是人员设备要求投资比例高，如光电子研究中心等；二是技术风险大，其新型和时效性使成果的淘汰率很高。②在研究成果商品化时，所用投资比研究开发投资还高5～20倍。③产品更新换代快，设备更新费用增加。④市场行情等其它因素影响。所以，高技术的研究与开发费用是一种高额投入，使高技术企业在获得丰厚利润的同时，也面临巨大的资金和技术风险。据统计，美国高技术风险企业能生存5年以上的只有15％～20％。这使得高技术企业把管理和产品开发视为生存之道，而社会风险投资也成为高技术产业必要的支持。美国自1993一1997年，仅硅谷一地的风险投资就达55亿美元。许多其它国家也都有相应的风险投资政策。
4、驱动改造和竞争激烈
高技术一方面形成新产业，一方面又驱动传统产业升级。驱动一般从三方面进行：①采用微电子技术等把劳动密集型产业改造成技术密集型产业；②节约能源和原材料，减少环境污染等；③优化设计、优化生产、优化管理、采用计算机辅助设计、辅助生产、辅助工程设计等，从而使传统产业创造出较高效益。高技术的这些功效，使它进一步成为世界范围的竞争焦点。如前所述，高技术企业之间的兴盛和衰落快速演变，一些大型公司也不能幸免，如英国国际计算机公司（ICL），最终被日本富士通公司收购。不仅企业如此，国家之间的高技术竞争也如火如荼。例如微电子产品，1978年，美国产品占世界市场份额52.5％，西欧20.8％，日本24％；到1986年，日本上升到45.7％，美国占44.2％，下降到第二位，西欧则下降9%。经济格局在短短数年间发生如此剧烈的动荡，前所未有。
5、全球化
高技术在促进世界经济国际化中扮演了最为活跃的角色，这不仅体现在它为经济全球化提供了有效的工具，如通信和交通等，而且在它的本质特征中也体现出全球化的需要。随着研究与开发在深度和广度上的拓展，它的知识密集、技术密集、资金密集、人才密集的特性日益突出，以至许多重大的研究和开发项目由一家公司、一个集团甚至一个国家承担已不可能。高技术的时效性和激烈的市场竞争，强烈呼唤不同国家之间的科学研究机构和企业加强合作，共担风险。1980年，美国硅谷的高技术公司中，21％的研究与开发工作和16％的制造工作在欧洲和日本进行，而装配工作的88％在发展中国家完成。特别是高难度、投资多、规模大的高技术项目，如尤里卡计划、人体工程和大型空间站等，都需在国际间寻求合作伙伴。这些合作推动了技术、资金、信息、人才的跨国界大规模流动。
二、高技术产生和发展的背景
当代高技术产业革命具有深刻的社会影响，是社会、政治、军事、经济竞争的有效手段，这使它成为各国争相抢占的制高点。
（一）科学技术前提
20世纪以来，自然科学领域发生了一系列重大发现及革命。首先，世纪之初建立的相对论、量子力学理论，从基本观念上打破了机械自然观，极大地解放了人类的意识观念，引起整个科学思想的变革，使化学、生物学、天文学、地学等都产生了革命性的发展，而且形成了一系列交叉的边缘科学。特别是二次大战后，自然科学进入发展新阶段，粒子物理学、现代宇宙学、量子化学、分子生物学、系统科学等新学科兴起，从微观结构、宇观天体和生命世界等各个侧面，深入揭示了自然界的本质和规律，现代自然科学已形成了一个多层次的综合理论体系，为高技术的诞生铺平了理论之路。例如爱因斯坦提出的质能关系式，是核能开发和利用的理论前提，也是以后的航天技术发展的基础；电子学和半导体材料研究使计算机成为可能；分子生物学为生物工程开发敞开了大门；信息论、系统论、控制论、耗散结构、超循环理论、协同学等系统科学成就为解决大规模复杂问题提供了有力的武器，使大规模集成电路、空间和海洋技术、原子能、人工智能等涉及多学科、多技术门类的高技术群得以全面实施，并高速发展。
在技术准备上，人类历史上的几次产业革命，如以纺纱和蒸汽机技术为代表的工业革命和以电力、化工为代表的电气革命，都是现代高技术产生的技术基础。前者实现了从手工业到机械工业的转变，在钢铁、运输和机械制造等行业形成技术联系，是现代机械化大生产的前提；后者实现了电力工业体系，在无线电通讯、舰船、机车、石油化工等方面形成技术体系，为现代高技术在微电子、新能源、新材料、航天和海洋等技术的发展，在物质材料、手段、工具等方面，提供了全面的条件。
（二）社会前提
社会经济政治的运动和需求，历来是推动科技发展的根本动力。20世纪以来，人类社会生活的剧烈变化，对高技术群的产生、发展形成了深远的影响。
1、军事战争的需要　　
在20世纪初期和中叶，发生了两次世界大战，给人类带来了深重灾难，也影响了整个世纪的发展。
世纪初期，第一次世界大战爆发，标志着全球竞争时代到来。由于扩军备战和军事开支剧增，如德国在40年里增加了335％，使军事工业和军事技术高速发展，德国克鲁伯公司的年利润在1914年比上年猛增257％。1906年，英国第二艘载有12门12英寸口径大炮的"无畏舰"下水，而飞机、坦克、毒气弹等成为战场上的新式武器。
30年代末期，日、德等国悍然发动第二次世界大战。在白热化的竞争中，航天助推火箭的前身，由德国赶制的V－1和V－2飞弹初见雏形；原子弹在二战行将结束时在日本的广岛和长崎爆炸（为研制原子弹，德国在战争中掠夺捷克的铀矿石，在挪威建立重水厂；而美国则动员了50多万人，15万科学家，投入22亿美元，进行了空前的多领域、多小组协同作战，终于抢在德国之前完成研制），这是原子能利用的开端；电子计算机、雷达及通信设备、细菌和化学武器、多品种高性能的飞机、舰船和常规武器等，或登上历史舞台，或飞速发展。
战后，冷战开始，以美苏为首的两大对立军事集团出现。严峻的对峙局面进一步刺激了军事及相关技术的发展：微电子和计算机技术代代升级；地球卫星、登月旅行、载人飞船、航天飞机、宇宙探测器相继登场；核武器、导弹、核动力潜艇咄咄逼人，核电站也应运而生；到80年代，美国里根时期的星球大战计划，投资预算1万亿美元，把地上、海洋、天空的战争发展到太空。90年代，冷战趋于缓和，世界出现多极化，军事高技术开始更为积极地向民用转移。
2、经济推动　　
经济需求对高技术发展的影响占据首要地位，这主要体现在生产领域的需求、社会经济投入和激烈的市场竞争方面。在当代，商品竞争的实质是科技含量的竞争。高技术的"高"，在于它具有战略制高点的地位，它对一个国家或国家集团的重要性可以与武装力量相比拟，当今世界的高技术竞争是人类有史以来最为激烈的没有硝烟的战争。如日本决心在55个高技术产品中，超过欧美技术水平的达到48个，而美国的高技术工业贸易保持了数亿美元的顺差，还有人预测，21世纪上半叶，环太平洋地区将成为世界经济发展的战略中心。冷战一结束，克林顿政府就推出"信息高速公路计划"，马上有20多个国家和地区作出反应，在全球范围掀起了新一轮开发信息技术的热潮。国家和企业之间的激烈竞争，成为高技术发展的巨大推力，1990年高技术产业的产值占7个发达国家工业总产值的1／3。
3、政策和规划　　
在高技术竞争的压力下，各国纷纷制定推动本国高技术发展的政策，使高技术获得更加充分的投入。世界用于科研的经费在80年代末每年达4 000亿美元，发达国家的研究与发展经费通常约占国民生产总值的2、5％～3％。从美国的星球大战计划开始，一系列以高技术为核心的国家和地区的发展战略计划相继出台，如欧共体的尤里卡计划，日本的科技立国战略和人类科学新领域研究计划，原苏联的加速战略和经互会的2000年科学技术发展综合纲要，我国的863高技术研究发展战略计划，以及美国的信息高速公路计划等，此外，亚洲的"四小龙"、巴西、加拿大、印度等国也都在80年代中前期制定了国家发展战略计划。所有这些计划，都力图根据本国或地区、集团的情况，集中有限的资源，发挥优势，使发展方向明确而持久。在国家制定的战略目标下，科研机构和企业统一组织联合攻关，解决了许多由分散的力量、资金、技术解决不了的问题。同时，高技术以群体方式纳入世界性有计划发展的轨道，在相互制约和补充中获得了整体性协调进步。
4、科学园区　　
科学园区也叫高新技术产业开发区或科学城，是适应高科技发展而形成的新型组织形式，最显著的特点是使技术、工业、贸易一体化，有利于集中资金，扶持高技术成果产业化、商业化，还可以培养急需的高技术人才。科学园区往往建立在大学或科研机构集中的地方，以便在智力密集区促进科学技术、教育与生产相结合，从而推动科技与经济的协调发展。美国的硅谷是最早的高技术产业开发区，它以斯坦福大学为依托，有自发的性质，后来的科学园区逐渐成为各国科技发展战略的组成部分。到80年代末，全世界已有数百个科学园区，大大加速了高技术的产业化和商品化的进程。例如美国硅谷的 7000多家高技术公司每年有2000亿美元的国内生产总值和300亿美元的出口额；而我国中关村高技术经济开发区1997年上缴利税也达10.9亿元。
5、教育　　
高技术的发展对人的素质提出了新的要求，这只能通过教育来实现。所以教育的发展状况决定科技发展的状况，高技术对劳动者素质的要求更进一步使教育成为高技术生产、传播和应用的关键。所以，重视教育已成为宏观管理的一个着眼点，"科教兴国"是中国的一项基本国策。教育随之发生了重大的变革：教育的功能不再限于传授知识，它更注重能力培养；学校教育被延长到终身教育；教育对象由"专才"向"通才"演变，专业精细的划分正在被打破；计算机既是教育的内容，也是教育的手段。总之，向现代化转移的教育，正在为高技术发展提供所需的新型人才。
三、高技术的社会影响
一般认为，1942年12月2日世界上第一座核反应堆的运行，标志着当代高技术的产生。从此，一系列建立在现代科学技术基础上的高技术日益崛起，形成了一股前所未有、至今尚在涌动的高技术浪潮。
1945年7月16日，在第一个核反应堆出现三年后，第一颗原子弹在美国本上爆炸成功，第二颗与第三颗分别于同年8月6日和8月9日投落在日本的广岛和长崎。核能的应用尽管首先应用于军事上，但它后来向民用的转变打破了以石油、煤炭为主体的传统能源观念，开启了新能源技术的端倪。1946年ENIAC--世界上第一台通用电子数字计算机的成功投入运行，1947年半导体晶体管在贝尔实验室的发明，1958年第一块集成电路的制成，以及1971年第一台微处理器的问世，为20世纪的电子信息技术革命铺平了道路。1973年分子遗传基因的首次剪接和重组拉开了生物技术的序幕。1957年前苏联第一颗人造地球卫星的发射成功和1969年美国"阿波罗号"宇宙飞船登上月球，标志着人类开始迎来了一个空间技术的新时代。到80年代，世界各国已围绕信息、新材料、新能源、生物、空间、海洋六大高技术领域，相继开发出一大批相互关联的高技术群落：微电子、计算机、激光、光导纤维、光电子、卫星通信；非晶态、多晶薄膜、碳纤维、记忆合金、分离膜、超导体；核能、太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能；微生物、酶、细胞、基因、空间探测、空间工业、航天运输、空间军事；海底采掘、海水淡化、海水提铀等等。这些雪崩式推进的高技术群落，给人类社会的发展带来了巨大的影响。
1、提高社会生产力
高技术的发展，本质上是人类生产从依靠体力向依靠智力的技术转移。在社会生产急剧扩大，人的体力发挥已接近极限的情况下，要提高社会生产力，必须深入发掘人的智力资源。在高技术的推动下，生产力中劳动者、劳动工具和劳动对象以及劳动管理水平不断提高。当代劳动者素质的高低主要表现在知识水平上。如前所述，高技术产业内部的智力劳动是主流，要求多数劳动者具有相当的科学文化知识，而传统产业内部的劳动通过高技术改造也对劳动者提高了要求，所以高技术促进劳动者不断完善知识结构，各种社会培训和教育形式也应运而生。劳动工具是延长人类体能的物质基础，是科技转化为生产力的主要表现。高技术的核心微电子技术更是从脑力上延长了人的能力。1982年美国使用电子计算机完成的工作量，相当于4 000亿脑力劳动者1年的成果。高技术还极大丰富和拓展了劳动对象的内容，促进了资源的节约和高效利用。在生产管理中，管理科学使生产实现高度专业化分工协作，产品标准化、系统化、通用化。
2、促进经济转型
在产业结构内部，由于一大批技术和知识密集型的新兴产业破土而出：如生物技术产业、光电子信息产业、软件产业等，使原有产业结构增添了大量新鲜内容。其中信息服务业在1990年的世界总产值已超过3000亿美元，计算机产业1989年的世界市场达1500亿美元。同时，高技术有效地促进传统产业技术革新和重组，使传统产业内部结构优化升级。在生产力系统内部，发展生产力所依靠的力量越来越从实体转向非实体，利用文字、符号、图纸、指令等信息完成管理。在劳动资料内部，机械化装备和自动化装备所占比重越来越大；金属材料的比重下降，而非金属材料、有机合成材料等比重增大。所有这些转变在外部形态上表现为：经济结构由劳动密集型、资源密集型及资金密集型向知识和技术密集型转移；由高物耗型、高能耗型向节物型和节能型转变；由硬型向软型转变等。
3、加快经济增长
二次大战以后，许多国家大力支持高技术生产和应用，使经济高速增长，国民生产总值有的翻了一番甚至两番。日本1980年国民生产总值为 10397亿美元，比 1950年增长 20多倍。70年代以来，世界半导体微电子工业产值已近500亿美元，其增长速度是国民生产总值增长率的3～5倍；日、美信息产业的产值已分别占其国民生产总值的36％和32％；目前全世界高技术、新技术产业的产值已超过3.4万亿美元；国际贸易额接近26 000亿美元。更重要的是高技术促进经济效益和劳动生产率提高。过去粗放型经济是数量型增长，而现代社会经济从50年代起向提高经济效益和产品质量转变，向集约型和高质量型经济转变。
4、改变人类生活方式
在生活准则上，生产自动化程度提高，使快节奏、高效率等新观念日渐成为人类日常生活的准则。在人际关系上，现代交通、通信设备等促进了人际间广泛快速方便的相互联系，现在街头手持无线移动电话的人已随处可见。在劳动条件上，人们在生产中享有良好的劳动条件，劳动方式从重体力转变较为轻松，甚至以信息网络的手段部分实现了"在家上班"梦想。在家务劳动上，家庭电气化降低洗衣扫地的强度，电脑还能帮助家庭理财，使家务劳动大大减轻。在精神生活上，电视等音像技术生产一代代走向完美，极大丰富了人类的精神生活。风靡世界的电影巨片"泰坦尼克号"，取得成功的首要因素不是剧本，而是现代技术给人们带来的良好的视听效果享受。
5、推动经济国际化
高技术带来的巨额利润使资本积聚达到空前规模，成为进一步开拓市场的基础；自动化的发展促进社会分工细化、专业化和管理水平提高，进而使生产社会化，产生跨越国界的国际分工；高技术本身的国际性更推动了经济国际化。本世纪中期以来，国际生产分工从早期的部门分工和产品生产分工，发展到技术基础层次：不同型号和规格的产品、零部件产品和工艺流程的专业化在发达国家间不断深入。此外，各种类型的通信技术、网络技术、卫星技术、信息处理技术、运输技术和系统科学等发展，缩短了国家之间、企业之间的距离，为资本大规模越出国界，加速国际资本的循环运动创造了便利条件。
6、技术的风险与"负效应"
高技术一方面扩大了人类改造自然的活动领域，提高了人类对自然做斗争的能力，从而把人类社会的物质文明和精神文明推进到前所未有的高度；另一方面，由于人们对自然规律认识不够，对技术应用不当和追求眼前利益，高技术也会带来副作用，不利于社会发展。特别是高技术的巨大能力，使它可能给人类的生存和发展造成严重威胁。现代社会面临的全球问题，如人口膨胀、资源消耗、环境污染和核武器威胁等，都与人类运用高技术，加速改造自然的生产有关。无数事实表明，科学技术是双刃剑，既能造福万代，又能遗患无穷。这种情况现已受到全世界有识之士的高度重视：人类只有自觉建立与自然的新型协调关系，确立新的价值观和社会发展模式，从维护全人类生存和社会发展的世界性目的去使用自然科学、依靠科技进步，才能为自己创造美好的未来。

第三节　生物技术
一、生物技术的产生
（一）生物技术的含义
"生物技术"一词，是由英文"Bio1ogica1 techno1ogy"的缩写"Biotechno1ogy"翻译而成，也有人译成"生物工程"或"生物工艺学"。
1982年，国际经济合作和发展组织的一个专家组给生物技术（生物工程）下了一个定义：利用生物体系，应用先进的生物学和工程学技术，加工或不加工底物原料，以提供所需的各种产品，或达到某种目的的一门新型的跨学科技术。
此定义中的"生物体系"除指传统发酵所利用的微生物外，还包括现代生物技术所利用的动植物细胞或细胞中的酶；"先进的生物学和工程学技术"是指基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等新技术；"底物原料"包括常用的淀粉、糖、蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学物，甚至包括无机矿石；"各种产品"包括医药、食品、化工、能源、金属产品和各种动植物的优良品种等。
此外，利用生物工程还能解决某些环境污染问题，近些年来一些国家甚至把这一先进技术应用于军事方面，这些应用即定义中所称的"某种目的"。
（二）生物技术的发展
生物技术这个词，虽然是20世纪70年代中期才出现的，但要追溯它的历史，得从远古时候说起。古代时人们就会利用微生物发酵法来制醋、做酱、酿酒等。例如，出土文物中曾发现过湖南豆豉，但古代人并不知道微生物的存在，更不懂得什么是发酵，他们对微生物的利用完全依靠多年的感知和摸索出来的经验。
19世纪中期，法国的巴斯德（XXXXsteur,1822～1895）发现了发酵现象，这可以说是生物工程的一个里程碑。20世纪初第一次世界大战期间，人们用发酵法生产原料、制造炸药，开创了发酵工业。20世纪40年代，人们发现了青霉素，此后抗生素工业开始出现。到了60年代，日本人在制造氨基酸产品时发明了固定化酶连续使用的新技术，这项技术使酶制剂、氨基酸、核酸、有机酸发酵工业相继获得发展。
19世纪初，孟德尔(G.L.Mendel,1822～1894)发现了豌豆的遗传规律，提出"遗传因子"概念（即现在所称的基因）；20世纪初，美国学者摩尔根证实了基因排列在染色体上，并发表了关于基因理论的著作；20世纪40年代，人们证明了遗传物质就是核酸；1953年，沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构模型，阐明了遗传物质（基因）贮存在DNA结构之中，由此开辟了现代分子生物学的新纪元。
生命乃是蛋白质存在的一种形式，而蛋白质是由基因来编码的。20世纪60年代初，尼伦伯格等一批科学家确定了遗传密码；1958年，克里克等一批科学家建立了遗传信息传递的中心法则；1956～1966年，美国微生物学家莱德伯格发现了细胞质粒；1968年，梅塞尔松和瑞士的阿尔伯从大肠杆菌中分离出了限制性核酸内切酶。1970年， XXXXXXorana实验小组发现了T4DNA连接酶。到了1972年底，人们已经掌握了好几种连接双链DNA分子的方法，使基因工程的创立又迈进了重要的一步。20世纪70年代初，基因工程技术应运而生。
1972年，美国斯坦福大学的伯格（XXXXrg）博士领导的研究小组，率先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验，并因此与XXXXlbert，桑格（XXXXnger）分享了1980年度的诺贝尔化学奖。Berg等人使用核酸内切限制酶EcoRI，在体外对猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌体的DNA分别进行酶切消化，然后再用T4DNA连接酶将两种消化片段连接起来，结果获得了包括SV40和λDNA的重组的杂种DNA分子。
1973年，美国斯坦福大学的科恩（XXXXhen）等人也成功地进行了另一个体外DNA重组实验。并第一次成功地进行了基因克隆实验。
1975年，英国开创了细胞融合的杂交瘤技术，制成了单克隆抗体。在这种情况下逐渐出现了生物工程这个词，形成了现代的生物技术。
从上面介绍的这几个发展阶段来看，人类利用生物功能的设想早已存在。如牛痘及各种疫苗的发现和应用，可以认为是生物技术的雏形。传统的生物技术时代与现代的生物技术有着根本的差别，因为前者只是直接利用生物的某种功能，而后者正朝着改变、修饰、重构生物功能的方向发展，即利用基因工程、细胞融合技术来改造生命体，使其执行新的生物功能以产生地球上奇缺的物质。
二、生物技术的内容
生物技术研究的具体内容包括哪些方面？科学家们一般认为，生物工程主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。其中的基因工程主要依靠的是基因重组技术；细胞工程主要体现为细胞融合技术和细胞培养技术；酶工程和发酵工程则必须通过生物反应器才得以进行。生物工程的外延还包括蛋白质工程、胚胎工程和生化工程、糖生物工程等，也有人把医学工程、仿生学（诸如模拟酶）、膜技术也包括在内。
（一）基因工程
1、基因工程的含义
基因工程是20世纪70年代初兴起的一门新技术。
众所周知，小到病毒，大到高等生物，一切生物的遗传物质都是核酸。在高等生物中，遗传物质的传递，通常是通过交配、精卵结合的方法来完成的。这个受精卵不断地分裂、增生、特化而形成新的生命体。但是，要创造新品种，采用杂交方法是有局限性的，因为只有亲缘关系比较近的物种才可以杂交，而亲缘关系比较远的就不能杂交。例如，玉米和杂草就不能杂交，牛和猪也不能杂交，因为它们不是同一个物种。但基因工程技术正朝着解决这个问题的方向努力。
基因工程是用人工的方法，把不同生物的遗传物质分离出来，在体外进行剪切、拼接后再重组在一起，然后把杂交的遗传物质（在学术上叫做重组体）放回宿主细胞（例如大肠杆菌或酵母菌细胞）内进行大量复制；并使一种生物的遗传物质在另一种生物（宿主细胞或个体）中表现出来，最终获得人们所需要的代谢产物。这一过程就是人工重新设计生命，重新创造生物，并使新生物具有一种新的生理功能的过程。因此，基因工程可以理解为按照人们的预想，重新设计生命的过程。又因为它是遗传物质的重组，所以也称做重组DNA技术。
2、基因工程的优点
基因工程有其特殊的优越性：（1）它容易打破物种之间的界线。基因工程使生物在亿万年中形成的生物交配屏障开始崩溃了，人类向生命的自由王国迈进了一大步。（2）可以根据人们的意愿、目的，定向地改良生物的遗传特性，可以把动物、植物和微生物三者之间的优点充分发挥，取长补短，创造出人类所需要的新生物物种。（3）由于能直接操纵毫无保护的遗传物质--基因，导致了改变生物遗传特性的速度大大加快。
3、基因工程的步骤
基因工程的主要步骤都是在分子水平上进行的。其大致可以分为以下几个步骤：
（1）从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段。
（2）在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。
（3）将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（亦称寄主细胞），并与之一起增殖。
（4）从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。
（5）从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用。
（6）将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。
现在，基因工程技术正以极快的速度发展，一大批新技术正在日渐走向成熟，这里只是概述了基因工程的基本技术步骤，其实其中的复杂变化是无法历数的。
4、实例
进行基因工程操作，必须具备必要的条件：首先要有能剪开遗传物质（基因）的"剪刀"，这种"剪刀"被人们称为限制性核酸内切酶。同时还要有把不同的遗传物质连接在一起的"糨糊"，以组成重组体，这种"糨糊"叫做DNA连接酶。另外，要把一种生物的遗传物质转移到另一种生物体内，还需要有搬运基因的"工具"，这种搬运"工具"通常称为运载体。运载体一般采用细菌的质粒或能感染高等生物的某些温和病毒，还有能感染细菌的噬菌体也可充当运载体。下面举例加以说明。
医学已经证明侏儒症是由于体内缺乏生长激素的缘故。生长激素是人的脑垂体产生的一种蛋白质激素，它能够促进人体长个头。如果给患侏儒症的人注射这种生长激素，就能使他们长高了。但是，人的生长激素具有种属特异性，即只有用人的生长激素才能治这种病，用别的动物的生长激素就不行。过去治疗侏儒症的生长激素只能从死人的脑子里提取，这样获得的产量很低，价格昂贵。若给一个患侏儒症的人治病，其一年的生长素用量就得从50具尸体的脑子里提取。
自从基因工程技术研究成功后，生产人的生长激素就不难了。那怎样用基因工程的方法去生产人的生长激素呢？首先要获取人的生长激素基因。通常都采用人工合成的方法来合成人的生长激素基因，然后利用大肠杆菌的质粒作为运载体。质粒是一种环状双链结构的DNA分子，它大多存在于细菌的细胞质中，是细菌染色体外的一种遗传物质。它能够在细菌细胞里复制自己，并且可以自由出入细菌细胞。有了大肠杆菌质粒作为运载体，再选择同一种限制性核酸内切酶去切割人工合成的人的生长激素基因和质粒，使它们产生相同的末端，这样就可以把人的生长激素基因接到环状质粒上去，组成新的重组体，再把重组体引入大肠杆菌。这种大肠杆菌和原来的大肠杆菌不一样，它带有人的生长激素基因，所以称为工程菌。把工程菌放进发酵罐里培养，它的代谢产物中就有了人的生长激素。
1983年，用基因工程方法通过大肠杆菌生产的人的生长激素产品已进入市场。
（二）细胞工程
什么叫细胞工程呢？目前对细胞工程的定义和范围还没有一个统一的看法。一般认为，以细胞为基本单位，在离体条件下进行培养繁殖或人为地使细胞的某些生物特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，或加速繁殖动植物个体以获得有用物质的过程，就叫细胞工程。细胞工程包括动植物的细胞和组织培养技术、细胞融合技术（也称体细胞杂交）、染色体工程技术以及细胞器移植技术。
在动物细胞融合方面，发展最快的是用杂交瘤技术生产单克隆抗体。目前单克隆抗体不仅用于疾病的诊断和治疗，同时还可用于疾病的预防及发酵产物的分离、提纯工作和生物医学研究等方面。
此外，可对动物细胞进行大量培养使之产生有用物质。早在20世纪60年代末，人们就开始用这种方法来制造疫苗，近年来还用人的细胞生产干扰素、尿激酶等贵重物品。不过，当前对动物细胞进行大量培养所用的培养基需添加5％～10％的小牛血清，这不但来源困难，且价格昂贵。因此，当前应努力研究出一种不用小牛血清的培养基，这是十分必要的。
对于细胞器移植技术，多年来各国学者都在默默地研究着。例如，我国著名生物学家章第周先生在世时一直致力于移核鱼的研究，我国科学家也培育出了移核羊。1997年英国克隆羊多利的问世，不仅轰动了科学界，也令各国政府感到不安，惟恐克隆出人而导致不堪设想的人类进化与伦理学问题。但是，应该认识到，不管怎样，克隆技术毕竟是人类科学史上的一大成就，正像和平利用原子能一样，必将造福于人类。
（三）酶工程
酶是生物（如微生物、动植物细胞）体内进行新陈代谢和物质合成、分解、转化所不可缺少的生物催化剂。酶在生物体内的催化只需要常温、常压，而且在催化反应时的特异性很强，某一种酶专门催化某一反应。
酶工程就是利用酶或含酶的细胞所具有的某些特异催化功能，利用生物反应器（即发酵罐）和整个工艺过程来生产人类所需要的产品的一种技术。它包括固定化酶、固定化细胞技术和设计、生产酶的发酵罐等。
固定化技术就是将酶或细胞吸附在固定载体上或用包埋剂包埋起来，使酶不容易失活，可以多次使用，借此来提高催化的效率和酶的利用率；而固定化细胞又是固定化酶技术的发展，它不必将酶从细胞中提取出来。
在固定化技术的基础上，最近几年又研制出了生物传感器。生物传感器是一种测试分析工具。它的特点是灵敏、快速、准确。它主要用在化学分析、临床诊断、环境监测、发酵过程控制等方面。生物传感器的类型有酶传感器、细胞传感器、微生物传感器和免疫传感器等。在发酵工业中已能用传感器来测定温度、液位、罐压等指标。
另外，在酶工程的开发中，迅速发展的还有生物反应器（即发酵罐）。目前设计的生物反应器有活细胞反应器、游离酶反应器、固定化酶和固定化细胞反应器、细胞培养装置、生物污水处理装置等，仅固定化酶反应器的种类目前已多达几十种。
（四）发酵工程
发酵工程就是给微生物提供最适宜的生长条件，利用微生物的某种特定功能，通过现代化工程技术手段生产人类所需产品的过程，也有人称之为微生物工程。
微生物本身能生产的产品有蛋白质（通常是单细胞蛋白和酶〉、初级代谢产物（如氨基酸、核苷酸、有机酸等）、次级代谢产物（如抗生素、维生素、生物碱、细菌毒素等）。同时利用微生物还能浸提矿物，对某些化学物质进行改造，对有毒物质进行分解以达到保护环境的目的。
现在的发酵工程不仅能利用微生物，而且也可以利用动物、植物细胞来发酵生产有用的物质。
基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程不是孤立存在的，而是彼此之间相互渗透、互相结合的。例如，用基因重组技术和细胞融合技术可以创造出许多具有特殊功能和多功能的"工程菌"和超级菌，再通过微生物发酵来产生新的有用物质。酶工程和发酵工程相结合可以改革发酵工艺，这样不但能提高产量，同时也能增加经济效益。
三、生物技术的应用
现代生物技术在近20年的时间里，得到了迅速的发展，取得了显著的成绩，在农业、工业、医药、军事等众多领域得到了广泛的应用，产生了巨大的影响。在21世纪，现代生物技术将会得到更加深人的发展和更加广泛的应用，展现出美好的前景。生物技术对人类未来社会的影响，决不亚于微电子学、原子能、宇航、海洋等高新技术。也许正像人们预言的那样：21世纪将是生物工程的时代。
（一）生物技术在农业上的广泛应用
生物技术在农业上的应用已经获得突破性进展，取得了巨大的成就。主要表现在以下几个方面：
1．在改良农作物品种上。种植业是农业的基础，培育高产、优质、抗病虫、耐逆境的作物良种，始终是农业技术应用的一项重要的战略目标。
随着现代生物技术的发展，人们利用基因工程和细胞工程技术，如转基因植物的方法、原生质体再生植株方法，已经获得抗病毒、抗虫害、抗冻、抗旱等植物的优良品种，并已广泛种植，取得了巨大的经济效益。特别是在水稻、小麦、玉米等主要粮食作物优良品种的培育上取得了突破性进展。另外，从改良作物遗传基因人手，培育出了一批抗逆脱毒（即抗旱、抗寒、抗病、抗虫、抗盐碱以及抗除草剂等）作物优良品种，如烟草、黄瓜、西红柿、土豆等新品种。此外，在速生树木和绿地矮草方面，也培育出了一些抗病虫的优良品种。科学家们还利用遗传工程培育出转基因植物来生产药物，一株植物就是一个小小制药厂。世界上已有不少国家获得了成功。
2．在培育动物良种方面。培养适合于人类各方面需要的各种动物，是饲养业的重要目的。现代生物技术为实现这一目标提供了可能。人们不仅能够采用基因工程处理微生物，让它生产动物生长激素，而且能够采用遗传工程和胚胎工程直接处理饲养的动物，改良畜禽鱼类的性能，使它们品种优良，生产出更多的肉蛋奶等产品．甚至创造出新的家畜家禽和水产动物。从而有效地提高饲养动物产品的产量和质量，并培育出一批有特殊用途的动物新品种。目前，人们利用基因工程、细胞工程、胚胎工程等现代生物技术已经能够将各种不同的外源基因，直接转移到马、牛、羊、猪、鸡、鼠、兔、鱼等多种动物身上，培养出了一批转基因动物。
（二）生物技术在医药领域成效显著
医药卫生领域是现代生物技术最先涉及的领域，也是目前生物技术应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也很大的一个领域。现在，生物技术的实际应用60%都在医药卫生方面。生物技术在医药领域的应用主要有三个方面：
1．使过去无法生产或无法经济生产的药物得以大量生产。目前，从动植物和微生物身上获得的生化药品约有10大类400余种。传统制药工艺，主要是从生物体的器官、组织、细胞、血液中提取。但由于资源的限制而无法大量生产，既满足不了需要，价格又十分昂贵。利用现代生物技术，如基因工程、细胞工程等，可以通过"工程菌"、转基因生物，高效率地生产各种高质量、低成本的生化药品。如利用微生物发酵生产干扰素，比从人血液中提取成本降低近百倍。现在，各国利用生物技术研制的药物主要有：用于各种传染疾病，如肝炎、艾滋病、霍乱等以及一些疑难病症，如癌症等，检查防疫的检测剂和新疫苗；用于抗病毒、抗癌、调节免疫功能的多种干扰素；用于治疗贫血、糖尿病、神经病等的人胰岛素等。
2．研制出一些灵敏度高、性能专一、实用性强的诊断技术新设备。人类的许多疾病由于在发病前难以诊断，发病后不便监测观察，而延误时机。现代生物技术的开发应用，为诊断监测提供了许多新的灵敏性高、性能专一、实用性强的诊断、监测技术和仪器设备，如单克隆抗体药箱、医用生物传感器、DNA探针等。
3．开辟了医治疾病，特别是遗传性疑难病症的新途径。人们经常遇到把一些疑难病症称为"不治之症"的情况，这主要是因为，对发病的根本原因不了解或当前的技术手段还难于了解以及还未找到有效的治疗方法造成的。现代生物技术，利用"基因疗法"、"活细胞疗法"、"组织器官人工培养"、"优生基因工程"等一系列新医术，为医治疾病，特别是遗传性疑难疾病病症和实现优生优育开辟了新的途径。
（三）生物技术在工业领域引人注目
生物技术在工业领域的各个方面都显示出巨大威力。除在药品生产的工业化外，在化学工业、食品工业、能源工业、材料工业、电子工业和环境保护等方面，都显示出极大的应用潜力。
1．生物技术在化工工业的应用，改变了传统化工工业生产过程几乎都是在高温、高压下进行的状况，可以在常温、常压下生产。当前生物化工技术的应用有以下几个主要方面：工业酶、工业菌的生产；用生物技术生产"石化产品"；"生物塑料"的生产；各种生化日用产品的生产等。
2．生物技术在食品工业的应用，就是用生物技术组建一种细胞或微生物，具有生产人类所需的营养物质的特性。它们就是工程细胞或工程菌。现在的主要方向有：蛋白质、氨基酸的生产；各种保健食品的生产；代糖物质的生产等。另外，生物技术使古老的酿造工业得到新的发展。发酵工程的广泛应用，使糖、酒、醋、酱油等生活必须品的生产，在生产周期上大大缩短，在数量上和质量上大大提高。
3．生物技术在发展新能源方面也显示极大潜力。生物能源由于能够自我复制，因而是用之不竭的再生能源，其用来转化能量的原料是水、空气和工农业的废物，所以也是廉价能源。生物燃料排放物通过一定技术处理不仅不会造成空气污染，还会起到净化空气和水源的作用，所以又是清洁能源。正因为生物能有这些与众不同的特点，使开发生物能源具有尤其重要的意义。
当前利用生物技术开发生物能源主要有以下几个方面：①栽培能源植物；②利用生物技术将有机废物中的能量转化为燃料；③制作"生物氢"和"生物电池"。
4．生物技术与微电子、自动化等现代高新技术结合起来，在多学科理论的基础上，发展成一门新的电子生物技术，已在研制生物电子产品方面，开始显示其极有发展前途的作用。目前，正在进行开发研究和应用研究的主要有：生物传感器、生物计算机、生物芯片等。
特别值得一提的是，利用生物技术治理环境污染，在保护环境方面也取得可喜的成果。如利用生物反应器处理废水。利用培育的特种细菌分解天然沼气、分解工业污染和白色污染物、制成生物杀虫剂代替化学农药和杀虫剂等，已取得显著效果。利用所谓"超微生物"清除被石油污染的海洋、陆地；美国科学家已用基因工程方法培养出一种能够降解四种羟类的"超级细菌"，它能消耗原油中约2／3的羟，速度之快，效率之高，为世界任何微生物都难以匹配。"超级细菌"可在几小时内吃光自然界细菌要用一年以上才能消化的海上浮油，因此它是处理海上石油污染的一种有效工具。
四、现代生物技术的影响
在现代生物技术取得巨大进展的同时，也得到了广泛的应用，取得了丰硕的成果，并且带来了巨大的社会影响。可以预见在未来的年代里，生物技术将成为新技术革命的主角。它将对整个社会的各个领域产生前所未有的重大影响。
（一）现代生物技术对人类生活的影响
20世纪兴起的一系列高技术都取得了重大进展。有些科学家曾预测，在20世纪结束前，人类在科技领域将取得10项新的突破。然而，在这十大成就中有4项属于生物技术。这预示着，21世纪生物技术将成为高技术领域的核心，将会对科学技术的发展产生至关重要的影响。难怪一些发达国家为了争夺在世界经济上的主动地位，把发展生物技术当做强国之路和基本国策，竞相制定和实施投资大、耗时长的生命科学和生物技术的发展计划。
历史已经证明，生物技术的每一次进展和重大突破都带来产业结构和工农业生产格局的改变，人的生活环境和生存条件的改变，人们营养和健康状况的改善。同时也带来社会生活和社会观念的重大变革。例如，引起社会巨大反响的"试管婴儿""克隆技术"等就反映出生物技术对社会观念的巨大冲击。科学家们一再告诫人们，在看到生物技术发展的积极一面的同时，也要看到其消极的一面，并加以防范。他们指出：大量转基因动植物和微生物的出现，有可能破坏大自然的生态平衡和造成新的环境污染；试管婴儿、胎儿性别鉴定、借腹怀胎、器官移植、"克隆人"等，将打破传统观念和习俗，对社会伦理提出严重挑战。上述这些方面，从另一个角度说明生物技术对社会变革的作用。
（二）现代生物技术对社会及环境的影响
虽然现代生物技术领域的发展已经带来了巨大的社会和经济效益，但是不可否认，生物技术所具有的巨大力量也给人类社会带来了许多意想不到的冲击，有可能会出现许多人们始料未及的后果。
目前在现代生物技术对人类和自然环境的影响方面，人们主要关心的是下面一些问题：①经基因工程改造后的生物体是否会对自然界其他的生物体或环境造成危害；②使用和开发基因工程生物是否会降低自然界的遗传多样性；③人是否也会成为基因工程操作的对象；④基因诊断的程序会不会侵犯个人隐私权；⑤基因诊断的结果会不会形成新的种族歧视；⑥对现代生物技术的经济资助是否会影响或限制其他重要技术的发展；⑦农业生物技术是否会彻底改变传统的耕作方式；⑧用现代生物技术生产的药物进行治疗是否会压抑同样有效的传统治疗方式；⑨现代生物技术专利的申请是否会阻止科学家之间自由的思想交流；⑩用生物技术方法生产的食品是否对人体安全等……
（三）现代生物技术的规范化管理
正是出于对现代生物技术可能带来的不良后果的担忧，在1975年，包括Boyer和Cohen在内的美国科学家自发地要求禁止一切有潜在危险性的基因转移实验，甚至有人要求全面禁止所有的基因操作实验。从那时起，现代生物技术就不再仅仅是一个科学问题，而且已成为一个为各国政府所关注的社会问题。
在长期的讨论、辩论和分析的基础上，科学家们结合自己多年的实践经验，提出了对于现代生物技术安全性的指导方案。随着现代生物学的飞速发展，相信有关现代生物技术前景的辩论还会继续下去，参加这一辩论的既有科学家，也有普通大众；新的观点、新的问题不断出现，与之相关的新规则也将会不断出现。最近的一轮激烈辩论即是对克隆人的讨论，这一讨论直接导致了1998年1月19日欧盟和美国、加拿大等国一起签署了禁止政府投资进行克隆人实验的公约。现代生物技术对人类而言到底是普罗米修斯的圣火，还是潘多拉的盒子目前还不能做出最后的回答。但毫无疑问，努力使生物技术造福人类，努力避免其产生破坏性的后果是生物科学工作者和各国政府共同努力的方向。
总之，现代生物技术在近20年的发展中受到了各方面人士的普遍关注，更有许多专家将21世纪称为生命科学的世纪，将现代生物技术产业称为21世纪的朝阳产业。一方面是由子现代生物技术发展迅速，用途广泛；另一个方面是由于现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展。面对人口膨胀、资源枯竭、环境污染……等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严重问题，人们越来越深切地认识到了发展具有可持续发展的新技术、新产业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物（动物、植物、微生物、培养细胞等）为原料生产产品的，因此其原料具有再生性，同时利用生物系统生产产品产生的污染物很少，对环境的破坏性很小或几乎没有，重组微生物甚至还可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点，清洁、经济的生物技术必将在21世纪获得更大的发展。

第四节　自动化技术

一、自动控制和自动控制系统
自动化的基本含义是机器设备或生产过程在不需要人直接干预下，按预期的目标、目的或某种程序，经过逻辑推理、判断，普遍地实行自动测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。更高层次的自动化是人工智能，用机器模仿人的智能活动，延伸人的大脑功能，代替人去思考。
例如，居室内的温度、水塔的水位、电动机的转速等，需要对它们进行控制，这些物理量被称为被控量。它们总会受到环境、外界条件或负载变动等因素的影响，这些因素统称为扰动或干扰。在扰动的作用下要使被控量保持恒定或者按预期的规律变化，必须对机器设备进行及时的、适当的控制。
实现控制时，可以采用人工控制，也可以利用控制装置代替人工控制。把利用控制装置使被控量自动地按预期规律变化的控制称为自动控制。被控制的设备或装置称为被控对象。传感器可代替人的感觉器官对各种物理量进行检测。利用传感器对被控量检测，并将信息送给比较装置去与被控量的期望值比较，这一过程称为反馈。比较装置和控制器模拟人大脑的某些功能，比较装置产生偏差信号，控制器对偏差信号进行运算处理，产生控制信号，执行装置代替人的手，按控制信号对被控对象实施调节或控制。
由控制器（包括比较装置）、执行装置、反馈装置和被控对象组成，能实现自动控制的系统，称为自动控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。例如，居室内的空调，就是一个温度和湿度自动控制系统。室内温湿度被称为被控量，检测装置由温度传感器、变送器和显示装置组成。用红外遥控器设定室内的期望温度和送风方式，期望温度和室内温度在空调面板上有显示，遥控器一般采用位式调节器，温度执行装置通常采用可控热交换器（冷却器或加热器），根据调节器送来的信号，改变冷却器（或加热器）吸收（或供给）被控对象的热量，并改变送风量，使室内温度与期望值相等。
二、自动控制系统的主要装置
自动控制系统的组成，主要有三个部分，采集信息和传递信息的传感器，进行运算、处理信息的控制器和根据控制信号去驱动被控对象的执行装置。
（一）传感器
根据国家标准（GB7665～87），传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
目前，传感器从技术角度而言发展极为迅速，已经逐渐形成一门新的学科。以传感器为核心逐渐外延，和测量学、微电子学、材料科学、信息处理技术以及计算机技术相互结合而形成一种新的综合、密集型技术。例如目前美国已生产的一种智能型传感器，虽然把硅膜片作为感受压力的敏感元件，但解决提高传感器精度问题、提高线性化精度问题以及修正温漂及时漂问题则是利用微处理器来进行的。有的传感器不仅具有测量功能，还具有根据输入的多种信息加以选择和判断功能。这种发展趋势的特点表现在以传感器为核心，同时结合了各种先进技术和方法，从而形成了一个新的技术领域。所以，用"传感技术"这一用语更能恰当地表示其技术内涵。传感器的发展趋势是多功能化、微型化与智能化，日益趋于与微型计算机相结合构成自动检测系统。而微型计算机的小型化和集成度的提高也使得传感器的智能化更容易实现。
传感器的种类很多，仅就常用的几种作简要介绍如下：
1.温度传感器。
(1)热电偶。由两种不同材料的导体连在一起制成，能产生温差电效应，将被测温度转换为电信号。热电偶的优点是结构简单，不需要外加电源，测量范围宽（－200～1600oC），便于远距离测量，精度较高。
(2)电阻温度传感器。利用金属材料的电阻率随温度升高而增大的特性，测量它们的电阻值变化，就可以知道被测温度。铂、镍及其合金等金属材料，由于熔点高、延伸性能好和在大气中不易氧化、稳定性能良好等优点，是常用的电阻温度传感器的材料。
(3)PN结温度传感器。用半导体材料制造的PN结温度传感器，具有灵敏度高、线性范围大、响应速度快和抗干扰能力强等优点。
2.力传感器。
　 (1)应变传感器。弹性体受力都会发生形变，将称为应变片的长方形金属薄片与待测力的物体粘在一起，受力后应变片延伸，其截面积变小，电阻率变大，测量电阻值的变化量，就间接知道力的大小。
金属应变片的灵敏度低，半导体应变片的灵敏度高，用它们制成的力传感器，测量范围很宽，有称量汽车载重的电子秤，也有测量大脑颅内压力的医用诊断仪器。
(2)压电传感器。压电材料受力后，表面产生电荷，经过放大及阻抗变换，成为正比于所受外力的电量输出。压电材料分压电单晶中的石英晶体和压电多晶的压电陶瓷等。
3.转速传感器。
将旋转物体（例如电动机）的转速变换为电量输出。常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式和测速发电机等。
此外，还有测量流量、位移、速度、加速度、湿度、洁净度、气味、烟雾、气体、光和颜色等传感器。
（二）控制器
控制器是自动控制系统实现控制的核心，它是按预定的控制规律和性能指标，产生控制信号的器件或装置。它的作用是模拟人大脑的某些功能，完成一些特定的运算。
在开环控制系统中，控制器为程序控制器，它按预定的时间顺序或逻辑条件，去控制执行器。在闭环控制系统中，控制器根据参考输入和反馈信号，按照一定的控制规律产生相应的控制信号，操纵执行装置，去驱动被控对象，使系统的输出按预期的规律变化。
控制器分模拟控制器和数字控制器。模拟控制器由电子器件构成，完成特定的运算功能。数字控制器由微型计算机及完成特定运算的计算机程序来实现。数字控制器具有精度高、抗干扰能力强、能完成高级控制算法和实现多路控制等优点。
（三）执行装置
执行器是接受来自控制器的控制信号、转换为驱动信号，施加于被控对象的装置。它的作用是模拟和延伸人的手脚肢体的功能。按驱动能源分类，可分为电动、气动和液压执行器。如卫星通信地面站天线方位角跟踪系统的执行装置为直流电动机，推动飞机、舰船、导弹舵面的执行装置均采用液压缸（又称液压马达）。
三、人工智能技术
目前人工智能技术的研究更多的是结合具体应用领域来进行的。下面介绍几个主要的应用领域。
（一）机器思维
机器思维又称机器定理证明。证明定理是人类特有的智能行为，是逻辑演绎的过程，机器定理证明就是把人证明定理的过程通过一套体系符号加以形式化，变成一系列能在计算机上实现的符号演算过程，也就是把具有智能特点的推理演绎过程机械化。
人们证明定理时，不仅需要有根据假设进行演绎的能力，而且需要有某些直觉的技巧。例如数学家在求证一个定理时，必须熟练地运用他丰富的专业知识，猜测应当先证明哪一个引理，精确判断出已有的哪些定理将起作用，并把主问题分解为若干子问题，分别独立进行求解。因此人工智能研究中机器定理证明很早就受到注视，并取得不少成果。机器定理证明的研究在人工智能方法的发展中起着重要的作用，并具有普遍意义。
（二）自然语言处理
包括语言识别与理解，使计算机听懂人说话，最终实现基于自然语言的人机相通。80年代末国外在实验室里研究成功大词汇量非特定人连续语音识别系统；我国也研制成功汉语大词汇量口呼文本输入系统（声控打字机），在语音识别的实用化方面取得了重大进展。但要实现人机自然语言的对话，还有很大差距。
（三）数据库的智能检索
数据库系统是存储某个学科大量事实的计算机系统，随着应用的进一步发展，存储的信息量愈来愈庞大，因此解决智能检索的问题便具有实际意义。
智能信息检索系统应具有如下的功能：
1.能理解自然语言，允许用自然语言提出各种询问；
2.具有推理能力，能根据存储的事实，演绎出所需的答案；
3.系统拥有一定常识性知识，以补充学科范围的专业知识。
系统根据这些常识，将能演绎出更一般询问的一些答案来。实现这些功能要应用人工智能的方法。
（四）专家系统
计算机模拟知识渊博、经验丰富的专家，去处理知识和解决复杂的现实问题。专家系统由知识库、推理机和用户接口组成。其中的知识库是由专家知识和数据库构成的。例如，1975年美国费根鲍姆等研制成功用于治疗血液传染病和脑膜炎的医疗专家系统MYCIN。1982年美国学者W.R.纳尔逊研制成功诊断和处理核反应堆事故的专家系统REACTOR。我国已研制成功中医专家系统等。
（五）智能机器人
机器人分工业机器人和智能机器人。工业机器人是一种按预先编好的程序重复进行操作的自动装置。例如，点焊、弧焊机器人，喷漆机器人，装配机器人，农用撒药机器人。
智能机器人则是利用感觉、识别、理解，作出决策和行动的高级机器人，即配备视觉、触觉、听觉、接近感等各种传感器，取得周围环境的信息，做出比较复杂的分析、判断，拟定行动的途径，在更高程度上模拟人类的智能行动。例如，核废料处理机器人，消防机器人，水下机器人，极限作业机器人，柔性制造系统（机器人与数控机床等组成）。
机器人广泛应用于工业、农业、军事、科学研究等许多领域。机器人作为新一代的生产工具，在提高生产率、减轻人的劳动强度和把人从单调、繁重、恶劣、危险的工作环境下解脱出来，并扩大人的活动领域等方面，显示出极大的优越性。机器人技术受到人们的关注，将迅速发展，它的应用也将越来越广泛。
（六）自动程序设计
自动程序设计的任务是设计一个程序系统，它接受关于所设计的程序要求实现某个目标的非常高级的描述作为输入，然后自动生成一个能完成这个目标的具体程序。在某种意义上来说，编译程序实际上就是去做"启动程序设计"的工作。编译程序是接受一段有关某件事情的源码说明（源程序），然后转换成一个目标码程序（目的程序）去完成这件事情。而这里所说的自动程序设计相当于一种"超级编译程序"，要求它能对高级描述进行处理，通过规划过程，生成得到所需的程序。因而自动程序设计所涉及的基本问题与机器定理证明和机器人学有关，要用到人工智能的方法来实现，它也是软件工程和人工智能相结合的课题。
自动程序设计研究的重大贡献之一是把程序调试的概念作为问题求解的策略来使用。实践已经发现，对程序设计或机器人控制问题，先产生一个代价不太高的有错误的解，然后再进行修改的作法，要比坚持要求第一次得到的解就完全没有缺陷的作法，通常效率要高得多。
（七）模式识别
计算机技术的发展，使一门新兴的尖端技术--模式识别应运而生。模式识别是利用计算机对物理量及其变化过程进行描述与分类，通常用来对图像、文字、相片以及声音等信息进行处理、分类和识别。
模式识别技术包括下述5个部分，即：①模式信号的数字化；②预处理；③特征抽取与分类；④解释环节；⑤学习训练环节。未经学习的机器是无法分类的。
模式识别是作为知识工程机器对事实世界的接口而存在的。这种特殊接口可以把模式--不管是视觉的或是听觉的、触觉的模式--进行感知、理解后直接输入知识工程机器进行处理。这就大大扩展了知识工程机器知识的来源并加速了其获取过程。知识的来源很大程度上来源于各种模式，例如，通过读文献而来，通过识别外在图像或图形而来；通过自然语言的交流而来等等。以上所谈的不管是什么自然参数过程，都笼统地叫做模式。这些物理模式中隐含了若干信息，恰好是这些隐含信息载运了知识。因此对之感知、理解就成了机器增加自己知识获取来源的一个重要部分。利用计算机系统，这些物理模式都是被离散化而输入计算机后再进行理解的。
（八）人工神经网络
　由于计算机并行处理技术的进展，人工神经网络取得了较快的发展。它有3个方面的特点。
1.具有自学习功能。例如在识别图像时，只要先把许多不同的图像样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过自学习，慢慢学会识别类似的图像。现在已经可以做到对面孔及表情的识别。
2.具有联想存储功能。就像人一样，如果有人向你提起你幼年的同学张三，你就会联想起张三的许多事情，人工神经网络也可以实现联想。
3.具有高速寻找优化解的能力。一个复杂问题可能有多种解决办法，从中寻找一个最优化的解，往往需要很大的计算量，利用一个针对该问题而设计的反馈型人工神经网络，发挥计算机的高速运算能力，可能很快找到优化解。
总之，人工智能技术虽然在国内外已取得长足的进步，但还有很长的路要走，机器可以代替人脑的部分劳动，但永远也不可能取代人脑。还要指出，人工智能技术可以帮助我们更快、更方便、更多、更有效地使用信息，但是这并不等于我们自己就不需要去学习、推理和适应了。要记住，人工智能技术仅仅是帮助而不能替代人类，能够主宰世界的依然是不断学习和进步的人类。
四、农业中的自动化技术
自动化技术在农业生产中，得到了很好的应用，并日见扩大。下面简要加以介绍。
（一）自动灌溉
自动灌溉，在国内外已得到广泛的应用。如曲埠市西余村，建成了山区果园自动化微喷工程。各检测点的传感器测量土壤的湿度、温度等，自动地把数据送给微机房的电脑，进行分析，算出什么地方，该什么时候喷灌。电脑发出指令，控制各电动闸门及水泵开启或关闭，不用人上山下田就可适时下起雨来。
（二）帮助农民种田
用电脑，可提供管理农田、良种、产品价格及其他信息，以便农民种田获得最好的收益。例如，英国有很多农场主就使用电脑网络获得一周的天气预报及其他信息，以便更好地安排播种、浇灌、除草、收割等农活。我国不少农民上了网。1999年2月11日，一条"鲁西南最大菠菜市场"的信息，打入因特网。七八天后，辽宁等十多个省市的客商蜂拥而至，菠菜卖了个好价钱。金乡县几十户农民争先上网，使20多万吨大蒜、圆葱销往美日等十几个国家和地区，获利2亿多元。
（三）利用电脑"种"桃
新西兰一家研究所开发出用电脑"种"猕猴桃：屏幕上，树芽破土而出，逐渐长大，展开叶片，鲜花盛开，结出果实，由小而大，由青而熟。从种到熟，还不足一分钟，真神奇。不过，用虚拟技术种出的猕猴桃，只能看，不能吃，电脑一关，什么都没有了。它完全是按照果树生长的实际条件，如土壤、气候、水分等，在电脑中使果树长起来的。用它就可以获得作物各种信息。另外，用它开发新作物品种就很方便和容易了，开发的周期大大缩短，效益明显提高。
（四）利用电脑除草
电脑和全球定位系统结合起来，用于种田除草就更加有用处了。英国研究出电脑全球定位系统和智能拖拉机的除草系统：农民带着全球定位系统接收机在田地中行走，若有野草时就向电脑输入信号，存入野草所在的位置。等回到农场后，再把数据输入到拖拉机上面的电脑中，开动拖拉机，接收全球定位系统信号，在有野草的地方喷洒农药除草。这样可减少除草剂用量，提高农作物无污染的程度。
（五）农业工厂
农业工厂是一种全过程自动化种植体系。日本一家公司的蔬菜工厂采用无土栽培方式生产水芹、鸭儿芹等蔬菜。栽培室，用切成四方形的塑料块代替土壤。塑料块有很多孔眼，每个孔眼中放一颗种子，灌上水，两天发芽后，幼苗植入塑料块的定植孔中，孔中有细长的栽培杆，由它供应营养液。用人工光照射菜苗，由电脑控制照射时间和强度、室内的二氧化碳的浓度（大约是大气中的三倍）、室温（冬天为15℃～20℃，夏天20℃～25℃）。随菜苗生长，要拉开间距，使它得到长大。
这种生产系统真有点像工厂，底座的加工、灌水、播种、育苗、定苗、间苗、添加营养液、控制室温、控制二氧化碳浓度，是一道"工序"一道"工序"自动进行的。另外，生产中没有土壤，生长过程中所需的营养，运输和包装都很方便，重量轻，成本低，容易实现自动化和专业化生产。更主要的是，提高了生产率和产品的质量，是无污染的农产品。现仅在少数国家出现了蔬菜工厂、农业工厂。但它是发展方向，将会在21世纪蓬勃地发展开来。
此外，自动化在农业生产中还有许多方面的应用。例如，机器稻草人驱赶鸟雀、机器人摘水果、机器人收割成熟的大田作物等等。总之，自动化技术在农业生产中的应用是越来越广泛。
五、自动化在其他领域的应用
（一）办公自动化
办公自动化（OA）是自动化技术的一个重要应用领域。它于20世纪50年代首先在美国兴起，到70年代后期，办公自动化系统已在世界发达国家得到广泛应用。随着科学技术和社会信息化的发展，高集成化、多媒体化和智能化将会是21世纪办公自动化系统发展的趋势。
1．高集成化
OA系统高集成化，可消除各单位间办公结构系统的差异。计算机网络通信技术的不断发展使高集成化日趋明显。其发展主要是网络、数据和应用程序的高集成化。网络的高集成化是利用局域网或远程网络将各种信息处理设备集成为能够相互通信、共享资源的综合OA系统。办公人员通过网络工作站访问网络，可在任何地方完成办公室的各种业务。在此基础上实现OA系统数据和应用程序的高集成化，异构系统数据共享，使应用程序具有可移植性，不同的应用程序可以在同一环境中运行。
2．多媒体化
兴起于20世纪90年代的多媒体技术将数据、文字、语音、图像、图形等多种信息综合为一体，它的引入使OA系统可以获得多种形象、直观的信息，为办公人员提供一个更好且完全符合人们自然活动行为的，图、文、声为一体的界面，从而推动OA系统向更高层次发展。
3．智能化
要把人从繁重的工作中解放出来就必须要求OA系统智能化，即要求采用各种基于知识的系统，如决策支持系统、电子秘书等，这样越来越多的人工职能将由计算机在更大的范围内更迅速、更准确地完成。
OA系统的高集成化、多媒体化、智能化不是独立的，而是相互联系、相互渗透的。随着OA系统的三化，人们的办公方式将发生一场革命，传统的许多人挤在一起的办公模式将被打破，居家办公不再是天方夜谭，一个美好的办公环境将展现在人们面前。
（二）智能大厦
现在越来越多的新建大厦力求成为具有国际先进水平的智能大厦，创造一个高度安全、优雅、舒适、方便、快捷的内部环境，并采用具有人工智能的智慧卡系统，用于大厦内的保安管理、电梯运行控制、物业管理、商业结算和停车场收费管理等。
智能大厦即通常所说的"具有3A功能的大厦"。"3A"是智能大厦管控系统的3个组成部分：大厦管理自动化系统（BMA）、办公自动化系统（OA）和通讯自动化系统（CA）。智能大厦管理控制系统综合采用了国际上最先进的4C技术（Control，Computer，Communication and CRT）和一体化集成系统，具有以下特点：
1．一体化集成系统
智能大厦管控系统将建筑物内所有设备的监控集成为一个一元化的系统，采用自己的计算机操作系统，由计算机网络进行并行全面的管理。由于各系统由中央计算机系统集中管理、监视和控制，因而能充分利用硬件设备，降低整个系统的造价。
2．并行处理与分布式计算机系统
智能大厦管控系统是典型的分布式计算机系统，由多台分散的PC机连接成网络，并采用分布式操作系统。系统中各智能单元既相互协同又高度自治，能在全系统范围内实现资源管理，动态地进行任务或功能分配。它强调资源、任务、功能和控制的全面分布。系统的工作方式也是分布的，其中各智能单元之间可根据两种原则进行分工：一种是把任务分解成多个可并行执行的子系统，分散给各智能单元协同完成（任务分布）；另一种是把系统的总功能划分成若干子功能，分配给各智能单元分别承担（功能分布）。无论是哪种分布，各智能单元都能较均等地分担控制功能，独立发挥自身的控制作用，但它们又能相互配合，在彼此通信协调的基础上实现系统的集成管理。
3．实时多用户任务操作系统
智能大厦管控系统的操作系统是一个实时多用户操作系统，可以有多个用户程序同时运行；而任一用户又可以有多个任务并发操作。系统CPU可轮流为多个任务服务，具有系统进程管理和存储器管理的功能和开放型系统的特点，并提供各种操作优先级别，高优先级的操作首先得到处理。
　4．丰富的用户界面
智能大厦管控系统的操作系统具有处理图像和声音的功能，结合系统的通讯模式和智慧卡技术，可以指导和提示用户作出正确决策。中央监示器配有彩色动态全仿真图形显示／控制器，提供全中文的菜单和图形表格。系统采用多窗口图形技术，可在同一显示器上显示多个窗口图形。系统以建筑平面图、设备运行图或系统联动图作为静态基本图形，并在基本图形上嵌入采样输入点、调控输出点或智慧卡读卡机控制输出点等动态图形符号和动态数据。当信息点状态改变时，动态图形符号会以相应的图形变化来显示该点的实时状态。同时系统操作员也可以通过鼠标器激活该信息点图形符号，进行资料查询、参数设定及手动控制等。
5．智慧卡的综合利用
智能大厦管控系统中使用具有人工智能的"智慧卡"系统可为用户的商务活动提供方便快捷的服务。智慧卡，又称" IC卡"，"集成电路卡"，英文名称为" Integrated Cir－
cuit Card"或"Smart Card"，它包含了现代微电子技术和计算机技术，是人与社会信息系统间信息交流的最佳纽带，大大提高了人们生活和工作的现代化程度。今天，智能卡的应用程度已成为一个国家科技发展水平的标志之一。
（三）家务劳动自动化
自动化技术被广泛地应用于家务劳动。比如用电脑设计和控制制作衣服，保证穿起来称心又时新。智能微波炉，不但能按时自动进行烹调，做出美味可口的饭菜，而且安全省电。智能冰箱，不仅能自动控温，保证食物鲜美不变，而且能告诉你食物存贮的数量、时间，能作什么样的佳肴，用料多少等等。多用智能空调机能为你提供温暖如春的环境，可以送出凉气，排出水分而去湿，滤去空气中的尘埃净化空气。全自动洗衣机，不用人动手就能把衣服洗得干干净净。会说话的智能洗衣机，若是主人忘记关洗衣机门或没接水源，微电脑控制话筒说："请关上门！"、"请接水龙头！"；洗毛料衣物，若水温调到95℃，它就说："洗毛料只能用20℃温水"；衣服洗完后，它会说："洗好了，请把衣服拿出"；如果洗完后主人不及时擦洗机器，它就会大叫："爱护我！"
国外几年前兴起"智慧屋"，就有利用家庭计算机当管家的，主人外出，可命令各个自动系统工作，关掉冷气系统、音响和电视机的电源，关上百叶窗，接电话、自动留言；当主人回家时，发出指令，开动空调，调节室内光线，开动自动做饭系统做饭，煮咖啡，准备洗澡水等。晚上，打开卧室的灯，同时把大厅和厨房的灯自动关掉，也可以将客厅播放的电影，通过遥控设备转到卧室的电视机上，等等。
新近出现的一项技术，使得在上班的人们可通过因特网来监控自己家中的情况：只要在计算机运行的网络浏览器软件中用鼠标点击一下，即可以控制门锁，家中的恒温设备、安全设备及娱乐设备等。医生在医院可用它监控住在家中的病人。
国外的科学家正在构思未来智能化厨房，它将完全自动化，并通过互联网与超市相接。仓储柜内的扫描仪检查物品的条形码，将信息送给计算机，计算机根据这些信息，以及冰箱和冷冻室存储的食品快要用完时，打印出订购的清单，并通过互联网送给超市。而商店会及时发送当天订购的食品。计算机也会及时提出购买其他半成品的建议，当储存的食品将超过保质期时，冰箱会自动发出警告。将来的烹饪也变得容易了，各种锅内都有测温装置并与控制装置相联，可以保证菜肴不过热爆炸或外溢，而微波炉根据条形码的指令烹制所配置的饭菜，会做得又香又可口。
（四）自动购物与电子货币
现代的自动售货机已获得普遍的应用，而且是各式各样的，如自动售饮料机，自动售香烟机，自动服务机等。韩国的自动煎蛋机，只要投入一枚硬币、一份油煎蛋就会落入纸盘上，并有一个小餐叉和一小包盐。蛋壳用紫外线进行无菌处理，防腐烂后再丢进垃圾箱。半分钟可自动提供一份煎蛋。
日本西武开设了世界上第一家全自动百货公司。当顾客走进来，就有"机器人跟班"跟着，顾客挑选货物时，它就会停下来。若是顾客想查查有什么货物，只要一按按钮，荧光屏上就会显示出商品的目录，或用电视电话向咨询小姐咨询。顾客想试一试衣服，自动装置便会把顾客及衣服一起显示到荧光屏上，让顾客看衣服合适不。若是顾客购食品，只要按下相应按钮，就可把诸如火腿切成片，自动计算数量、价钱，并递出包装好的食品，只需几分钟。
现在，在互联网络上可以逛虚构的"商业街"，用户使用鼠标敲击各个商店的店门，就可进入商店内浏览商品，如果想买，通过互联网就能够购买。当然，用计算机通过互联网购物还有待发展。
现在，联机银行服务系统使用自动取款机（柜员机），能代替银行出纳员完成大多数服务性业务。用户可持信用卡取款。自动取款机能完成自动提取现金、在有关账户之间自动转移资金和账户收支以及自动查询等业务。
电子货币正在蓬勃发展开来。电子货币就是银行的智能卡之类的东西。人可以通过特种取款机或利用其他方法，把你的账号上的钱"装到"这个卡里。你用这个卡就可到处买东西，打电话，付各种税款。使用它不必用密码，也不用身份证。它和现金一样，在谁手内就归谁所有。在国内外的一些地区，已经开始使用这种电子货币。
电子支票也会逐渐使用起来。在电子支票中，用高级加密技术，把使用者的代号编成数字代码。电子支票从电子信箱中传送，可以在个人计算机，可视电话上使用，也可通过自动取款机，公司的财务系统使用。
目前，电子货币，电子支票的使用和推广还存在不少问题，有待逐步加以解决。
（五）救死扶伤
　医院用机器人早已在世界上得到了应用。它能"带领"患者就诊，送病历，送化验单及药品等，能自动地在规定的地区行走。机器人之父英格伯格的飞跃研究公司，研制的"护士助手"机器人，能在医院的走廊里穿梭似地来回奔忙，为病人倒水送饭，端茶送药，运送病历和化验单及信件，运送医疗器材和设备。它是用轮子走路的，当遇见道被堵塞时会发出叫声，提醒人们把障碍物搬开。它能自动绕开障碍行走，也会乘电梯上下楼。
外科手术机器人已发展到很高水平了，做了很多手术。英国一医院开发出前列腺外科手术机器人。瑞士联邦理工学院工程师和医科大学医生共同研制出可进行大脑手术的机器人。德国柏林洪堡大学菲尔柯夫附属医院建造了世界上的第一个机器人手术室，有两台机器人帮助口腔、颌部、脸部外科医生做手术。
我国也于1997年开发出机器人医生，为患者李志鹏作了脑肿瘤手术：机器人手臂将直径2毫米的穿刺针准确地插到靶点，机械手通过"穿刺针"吸出脑肿瘤中的肿瘤囊液，并将治疗药物注入脑瘤内。机器人进行手术获得成功。
更有趣的，也是很有发展前途的远距离外科手术：外科医生坐在远离前线的地方，而真正的伤员在几百千米之外。医生看着显示器传送来的图像，进行手术，医生动作完全传送到远方的机器人手上，它的手上手术刀也进行相同的动作，对伤员进行手术。
盲人用手杖探路，可以用电子仪器带路，也可以用机器人（导盲犬）带路。当走到交叉路口时，机器人会及时地告诉自己的主人，根据主人的命令，或按预先存入电脑中的指令，带领盲人走到目的地。当与其他物体接近了，也就是遇到障碍物时，电脑会发出命令，驱使导盲犬停下来或绕过去。在行进中，遇到汽车、行人、树木、栏杆等障碍物，导盲犬会自动地避免与这些物体相撞，能带领盲人绕过障碍物。
人们研制出智能假肢。这种假肢是由传感器、微型电脑和驱动装置组成。智能假肢的传感器能感觉出行走的速度，这个信号输入到微计算机中。计算机经过分析，可以控制气压系统中空气压缩度，安装在膝部的传感器测出它的松弛度，然后由微型计算机根据这一信号，控制一个阀门，调节压气气缸内压力，压力高时，膝部活动就快，行动速度就加快了。反之，则速度就慢一点。
费城有一位叫菲拉德费斯的青年，在一次事故中失去了右腿。莫斯整形医院把九个电极装在他的大腿断部的九条行走肌肉上，九个电极与计算机相连。让菲拉德费斯在脑中想像，自己的腿向前迈进，残留肌肉就有电脉冲。电极测出肌肉的电脉冲，计算机接收这些脉冲，然后再加以分析，变成控制信号，控制假肢，假肢使他向前迈进。同样，他想像自己上楼梯，假肢也会完成上楼梯的动作。
智能机器帮助残疾人重新站了起来，在国外已有多例，这是人工智能的一大应用，是自动化技术创造的奇迹。
（六）模拟训练器
借助模拟训练系统，可使老人跳伞，小孩驾赛车，一般人开飞机。72岁的美国前总统布什，借助虚拟训练器在地面上进行跳伞练习，真的实现了从飞机上好好跳一次的多年夙愿。
为了训练飞机驾驶员、跳伞运动员、伞兵和空降森林灭火员跳伞，过去要用跳伞塔，费钱又容易出事故。现在用跳伞虚拟现实仿真器进行训练，人双脚稳定着地，用双手抓着降落伞的背带进行练习，显示器显示出跳伞者可能看到的景像，并且十分逼真；并用十字线表示着陆目标。受训的人拉动着套环控制方向，幕上的景像随着套环被拉动方向而慢慢旋转，不断改变自己"下降"路径和方向，躲避障碍物，以求正好落在目标处。指导人员可以随时改变环境中的风力、风向和障碍，对受训人进行训练，一点危险都没有。
飞行模拟训练器已达到以假乱真的地步。20世纪90年代，虚拟现实技术的发展，使飞行模拟训练器有了新的发展。
英国有一个公司，用计算机模拟出一架虚拟飞机。当然，很快就会虚拟出虚拟驾驶员，让一位真正的战斗机驾驶员驾驶虚拟的飞机，在空战的环境中，与虚拟的驾驶员驾驶的虚拟飞机进行空战训练。
汽车训练模拟器的用处，和飞机训练模拟器的用处是相同的，但是汽车训练模拟器的构造简单得多了，造价低多了，所以用得更广泛。
有一种系统，能构造出驾驶方程式赛车的虚拟环境。驾驶真实的方程式赛车是很不容易的，全世界方程式赛车车手只有一二百名。可是，人人都可以在虚拟环境里驾驶方程式赛车，玩一玩。它有三条赛车道和三辆赛车。你可以选用初学者的赛车，也可选用800马力的高级赛车。启动后，你可以加速、自动换档、开出公路、扬起灰尘、紧急掉头、自动刹车、甚至使用平行滑动等高难动作，不过驾驶不好，甚至发生碰撞和翻车事故也没有关系，因为没有真正危险。
东京一家公司开发滑雪训练系统。当你戴上头盔显示器，穿上滑雪鞋，站到由驱动装置驱动的金属板上，就可滑雪了。在你的头盔显示器里就显示出高山雪道和斜坡石崖，当你手持滑雪杆，向下滑去，脚下的金属板在驱动装置驱动下，模拟人从高山上滑下来的过程以及撞击情况。你站在金属板上，身体的感觉就是顺雪道飞驰而下，头盔里可以看到皑皑白雪从你身边掠过，而前面的山崖向你冲来。这真好像是你在滑雪道上滑下一样。
（七）极限作业自动化
完成作业所需要的能力超过了人的作业能力和生理忍耐极限，这就是极限作业。用自动化装置或者机器人去完成那些既危险又难干的任务，诸如抢险、防暴、探险等，这不仅解放了人类，而且扩大人类的活动领域。
例如，在城市的地下，有暖气管道、煤气管道、下水管道、输油管道等，真象迷宫一样，特别是煤气和输油管道，如果发生泄漏并遇火种，就会造成严重灾害。所以，地下管道需要经常检查。用机器人走地下迷宫，检查地下管道，是大有好处的。
芝加哥有一种能走进煤气管道的机器人叫提修斯。它的身价很高（研制费几百万美元），但本领也很大：可以在10.2厘米～15.2厘米管道内爬行，能穿过复杂的弯道，通过T型接头，拐直角的弯，能够垂直向上爬，甚至在管道内掉头返回。
再比如，核电站在运行中，人不能进入它的"安全壳"内，必须由自动化装置，特别是机器人代替人进行工作。用它代替人操作，即人在很安全的地点，而机器人在危险的环境中完成操作，可以避免人直接接触放射物质的辐射。20年前，美国三里岛核电站发生核污染事故，当时用机器人观测了2号反应堆状态及放射水平，并清理了几十万加仑的放射性垃圾，不但提前了很多时间完成，而且节省了大量资金。
在水下,特别是深海，人不能自由呼吸，还有浮力、阻力、低温、黑暗、涌浪、水下生物的侵害、潜水疾病等，人在水下工作有很大危险，人直接下潜最深是500多米。每下潜10米就增加一个大气压，下潜90米，全身受压力为150吨~160吨。用机器人开发探测大海则是非常合适的。水下机器人过去做出了许多惊人的业绩，例如打捞出美军掉在西班牙附近海底的氢弹，打捞前苏联失事沉没的潜艇，打捞起美海军掉入大西洋下的 F～14战斗机及不死鸟导弹，找到印度航空公司一架失事的波音747客机上的黑匣子，捞回美挑战者号航天飞机爆炸的残骸碎片，等等。
除此之外，人们还可以利用机器人探测和开发太空等。
（八）治安保卫自动化
1.交通安全保护"神"
现代社会，交通事故已成为人类头号灾害，用自动化提高交通安全已是最重要的一个问题。国内外大力开发司机瞌睡报警器，如用摄像机拍摄眼珠移动、用传感器监视脉搏跳动次数和方向盘操纵情况，经过分析发现司机打瞌睡了，就发出指示和报警声，警告灯闪光，司机座位产生振动，必要时可自动使汽车停下来。
航行中常常会遭遇风暴、碰撞、触礁、搁浅、设备失灵及其它人祸。现代的航船上有的安装了海上遇险安全系统，保证船只能够及时接收到有关警告信息以便及时采取措施，在万一遇险时可以发出求救信息，获得及时搜救，确保安全航行。
为保证航空交通安全，在飞机上以及在飞行保障系统中，越来越多地采用先进的设备，如"综合控制系统与显示系统"、"空中交通警戒和防撞系统"等等，先进的"空中交通警戒和防撞系统"，能帮助驾驶员观察"侵入"自己航道安全区的飞机，向驾驶员提出警告和解决问题的建议，建议飞机在垂直平面内和在水平面内如何作规避机动飞行，防止与入侵的飞机相撞。
2.看门防盗
用电子装置或机器人看门很可靠。当一个人想要进入电子保卫的门时，须先检验指纹、笔迹、声音、面孔图像，并输入电脑，与所存储的资料进行比较和检查，如果相符，就发出信号，自动开门，放人进去。
国外有一种用机器人看管的高层停车场，汽车开到托存间前，门自动打开，汽车驶入后拉上制动闸并锁好车，摄象机拍下这一过程，存车人到门外按下关门按钮，会弹出一张有编码的存车卡。托存间内的传感器检查房间内和汽车内均无人，自动装置将汽车送到电脑指定的位置上。取车时，取车人把存车卡插入一插口内并付清存车费，汽车就可送到出车间开走。人进不了库内，盗车贼无法进库盗车。
自动看家看门系统很多。比如，一种家用防盗系统，有八个摄象机，分别监视室内、窗外、汽车库、门厅等处，若是有不速之客闯入，摄象机不仅能拍摄下入侵者，而且可打印出其现场照片，同时，自动系统会向警方报警。
3.防火救火
建筑物内设置烟感传感器、红外线和紫外线火光传感器，以及报警监视装置。当有烟雾、火光发生并有温度变化时，这些传感器发出信号，报警装置接收这些信号，再经过分析、判断确认是火灾萌发阶段，就会自动报警。
1998年，由中国科技大学火灾科学重点实验室研制成新型防火"电子眼"。它是一种高智能火灾探测系统，是利用红外光摄象机，获得红外光源在被探测空间形成的多光束红外光截面，再用高性能计算机进行分析，以识别和判断早期火灾。它反应快，能监控的距离达100米，适用于会堂、商场、银行、车站等防火用。
采用自动灭火系统，在接到报警后，先要关断有关区域的空调机、送风机，并且启动排烟机、防烟管道。当确认是发生了火灾，要能自动关闭有关放火门、放火卷帘门，切断非防火用电源，接通火灾事故专用照明灯和疏散标志灯，并使电梯都停到一层，开动防火灭火系统，喷灭火焰。
六、自动技术展望
展望未来，自动化技术的发展方向与开发策略，可归结为智能化、集成化和协调化。
（一）智能化
自动化技术与人工智能相结合，向更高的智能水平发展，进一步开发高智能的各种自动化技术工具，发展智能化系统的分析和设计理论和方法，建造和实现各种智能自动化应用系统。例如，自动控制与人工智能相结合，开发智能控制系统；管理科学与人工智能相结合，开发智能管理技术；知识工程与系统工程相结合开发智能系统工程等。自动化将进一步向寻优、自适应、自学习、自组织、自推理、自识别、自修复、自协调等"拟人多层智能"方向发展，模拟、延伸与扩展人的智能，实现高级脑力劳动自动化，具有更高的人工智能水平。
（二）集成化
自动化技术将通过"技术集成"实现"功能集成"，进一步向应用领域的广度发展。研究与开发各种集成自动化技术，包括：模型集成、方法集成、媒体集成、硬件集成、软件集成、系统集成等。例如，集成广义模型，集成优化方法，多库协同软件，多媒体智能接口，计算机网络与现场总线，过程控制与企业管理一体化等。实现自动化系统的功能集成。例如，决策支持、信息管理、事务处理等功能集成；楼宇管理、人工气候、防盗报警、通信服务等功能集成。规划和建设各种大规模集成自动化系统工程，扩大自动化技术在工业、农业、国防、科技及社会经济生态环境等领域的应用。
（三）协调化
自动化技术将进一步为人们提供友好的、高效的、可靠的辅助工具和先进的服务设施，与用户构成人机协调的各种自动化应用系统。在系统设计中，进行人机合理分工，适当设置人机分界线。通过多媒体人机智能接口，声、图、文并茂的动画式、可视化界面，进行人机双向通信。实现人机智能结合，取长补短，促进人机智能共生，提高人机系统的集成智能水平。研究与开发各种人机协调自动化系统，为人们的工作、生活和文化娱乐，提供人机协调的先进手段和优美环境，进一步扩展、延伸人们认识世界、改造世界的能力。

第五节　新材料技术

材料是人类生存和发展的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱，材料的变化直接影响社会的变革。材料是技术进步的关键要素之一，早在70年代，就有人把能源、信息和材料称为现代文明的三大支柱。近年来，又把信息技术、生物技术和新材料技术称为新技术革命的重要标志。
新材料指新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能的一类材料。新型材料知识与技术密集度高，与新工艺和新技术关系密切，更新换代快，品种式样变化多，是多学科相互交叉和渗透的结果。它们中的多数是固体物理、有机化学、量子化学、冶金科学、陶瓷科学、生物学、微电子学、光电子学等多种学科的最新成就。新材料的发展还与其他新技术的发展密切相关，例如新材料的合成与制造往往与许多极端条件技术，如超高温、超高压、超高真空、超高速、超高纯、微重力和极低温等相联系。新材料的表征和评价技术更需要多种新技术的支撑，如超微量杂质的测定、原子级缺陷的观察以及材料对温度、湿度、电、声、磁、力、光等环境因素的反应等，都必须采用多种基于最新科学技术成就的精密仪器和装置来进行。这充分说明材料科学技术本身的综合性和复杂性。传统材料靠大规模生产维持其竞争力，而新材料则靠优异性能和高品质求生存、求发展。传统材料和新材料之间存在密切的联系，传统材料是新型材料的基础，传统材料的进一步发展可成为新材料。
新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、复合材料、新型无机非金属材料、光电子材料以及人工器官再生材料等。
一、新型金属材料
（一）非晶态金属
非晶态金属又称为"金属玻璃"，它是采用现代尖端冶金技术工艺研制成功的一种新型金属。这是一种原子排列杂乱无序（类似液体）的固体金属。它兼有玻璃和金属的性能，具有高强度、高硬度、高导电性和良好的导磁率等性能，其柔韧性和可塑性强，化学稳定性好，耐腐蚀性超过不锈钢的100倍，这种质地优良的金属玻璃还具有超导性，因此其用途十分广泛。金属玻璃最主要的特点是具有奇异的磁性能，是良好的磁性材料，当今最好的磁头材料就是用它制成的，失真度最小。用它制成的磁性开关可以控制巨大的电流，这种磁性开关可以免去物体的实际接触，从而延长设备的寿命。在塑料中加入这种金属，可以大大地提高塑料的强度。
（二）合金材料
新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同。例如，形状记忆合金是合金材料中非常引人注目的一类。这种合金具有非常好的"记忆"性能，它能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态。并且其坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂。由于这一独特性能，其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头以及骨科整形等方面。记忆合金材料虽然问世仅20几年，但已发展到几十种，并且还在发展。
又如，贮氢合金是为解决氢的贮存和运输问题而研制的一种特异功能合金。这种合金中的金属能够和氢充分反应，以金属氢化物的形式将氢以标准态1000倍的密度贮存起来，当使用时通过加热即可将氢释放出来。它的这种特殊性能用途极广，如可取代汽油作燃料，可用于均化电厂负荷贮存热量、采暖、制冷等。贮氢合金还具有能量转换功能，利用它吸氢、放氢过程与温度、压力的关系，可以实现化学能一热能一机械能之间的转换。这种性能有着广泛的应用前途。
（三）超导金属材料
超导材料是指在特定条件下，发生电阻完全消失，产生超导电性的材料。这种材料具有三个基本特征：零电阻、完全抗磁性和载流能力强。
超导材料最早是在1911年由荷兰物理学家卡墨林·昂内斯发现的。他用液氮冷却水银，使温度下降到－269℃左右，发现水银的电阻完全消失，电流可以无衰减的通过，即"超导现象"；1933年德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔特发现了超导材料具有完全的抗磁性；1962年英国物理学家约瑟夫森发现了超导电子器的物理学基础约瑟夫森效应，这些发现将超导材料研究大大推向前进。然而，在1986年以前，所研究的都是"低温"超导材料，主要是银铝合金、铌钛合金、铌锡合金、铌锗合金等。1986年1月瑞士苏黎士IBM研究实验室的科学家用钡一钇一铜氧化物获得－243℃的超导转变温度，从而揭开了世界性的"高温"超导研究热潮。1987年以来，超导研究取得重大突破，美、中、日等国的科学家将转变温度提高到100K左右。
从超导材料的实际应用来看，目前超导技术的应用大体可分两大类：①可制造磁性极强的超导磁铁，可用于磁约束核聚变反应、大容量储能设备、高能加速器、超导发电机、电力工业输电和交通运输工具等。如美国实现超导输电，每年可以节省100亿美元的电力。②可以用于制造超高速计算机和高灵敏度的探测设备、通信设备、航天系统等。如1989年日本研制出世界第一台超导电子计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，运算速度达每秒 10亿次，功耗 6.2毫瓦，仅为常规电子计算机功耗的千分之一。
（四）减振隐声金属
减振隐声材料就是指在一定的条件下，具有极强的减振性能或降低噪声功能的材料。许多国家从50年代开始就大力着手研究这类材料，现已开发出多种类型。例如，日本电磁材料研究所发明的一种减振隐声合金，在低温至高温下均有极好的减振隐声性能，而且冷加工性和耐腐蚀性也很好，适用于飞机、车辆、船舶等产生振动和噪声的机器，以及容易受振动干扰的精密仪器等。美、英等国研究发明的特殊钢锰合金，用于制作不同机器部件，如机器过滤器、车轮，分别可降低噪声14分贝和6分贝，用子圆盘锯，甚至可降低噪声30分贝。还有一种消声新材料，可以吸收全部声能，能够极好地阻止噪音的扩散。
二、无机非金属材料
随着现代科学技术的发展，无机材料也取得革命性的突破，如新型陶瓷材料、电子材料、光电子材料等，发展十分惊人，被认为是信息社会的新一代产业的物质基础。
（一）陶瓷材料
新型陶瓷无论从材料的性能，还是从材料的制备工艺技术来看，都与传统陶瓷大不相同。其强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有了很大的提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破；一些新型陶瓷具有很大的超塑性，断裂前的应变提高500％左右。
新型陶瓷按其使用性能可分为新型结构陶瓷和新型功能陶瓷两大类；
新型结构陶瓷主要有：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等。这些新型陶瓷具有许多特殊的性能。如具有强度高、耐高温、耐腐蚀、绝缘性好的功能。
新型功能陶瓷主要有：装置陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。它们的实际利用价值越来越高，在生产和生活中发挥越来越大的作用。
（二）玻璃材料
现代新型玻璃材料改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性，研制出多具有"特异功能"的新品种。如玻璃钢、"记忆玻璃'、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。
在新型玻璃材料中，最为引人注目的是用纯度极高的玻璃纤维制成的光导纤维（简称光纤），它使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。一根光导纤维是由芯子、包层和涂敷层组成，其直径只有100 微米左右，比头发丝略粗一点儿，但其性能极好。用光纤通信，一条电缆就可以传输几百万路电话，普通电缆通信，一条线路只能传送几十路，最多几百路电话。光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等优点，因此世界各个国家都高度重视光纤的应用和技术开发。光纤还可传输高强度的激光，现代医学激光手术刀就是利用光纤传输激光的。光纤也可用来制作光纤传感器，探测外界物理量的变化，这类传感器已经用于遥感、遥测技术。
（三）半导体材料
半导体材料是20世纪40年代发展起来的重要信息材料，通过近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展的基础。
半导体材料的发展大体经历了以下几个阶段：
1.锗材料的发现和研制。1948年第1只锗晶体管问世，由于其不需要加热、功耗低、可靠性高、转换速度快、功能多样和体积小等优点，迅速取代电子管而广泛应用于无线电技术和军事技术领域，并成为当时出现的数字计算机的理想器件。
2.硅材料的发现和研制。硅半导体材料由于机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料。自1958年在硅晶体管的基础上制成了集成电路，使电子产品跨入集成化时代，带来了计算机的微型化，掀开了人类信息时代新的一页。
3.砷化镓材料的研究方兴未艾。科学家们预测砷化镓很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料。根据其电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点，用砷化镓制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机，制造用于高频通信信号的放大器，同时砷化镓也是制作半导体激光器和光探测器、体效应器件等的关键材料。
4.超薄层、超晶格半导体材料发展大有前途。利用高真空技术研制成超薄层和超晶格（非晶态）半导体材料，由于成本低，易大面积生产，因而在太阳能光电转换和信息技术方面开拓了崭新的大地。目前非晶态太阳能电池已达到相当高的热转换效率，非晶态硅电池也已广泛地用于电子计算器、电子手表等微型电器上。用非晶态硅制造记忆开关、场效应管、高分辨率液晶平面显示板、复印机等的新兴产业也已经具有一定规模。
三、新型高分子材料
高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。
（一）合成塑料
由于它的优越特点，其发展速度迅猛异常。特别是20世纪50年代以后，高性能的塑料品种源源不断涌现，至今已有300余种。从20世纪50年代开始，全世界塑料产量就超过铝、铜、锌等金属，并以两倍于钢铁的增长速度递增。在全世界塑料的通用品种中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，其总产量在1亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃；称为"塑料王"的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯；作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等，也都具有相当规模的产量。
（二）合成纤维
20世纪60年代以后，各种类型合成纤维的研究出现高潮，除了"六大纶"涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶外，还研究出可做宇航服、耐超热超冷的芳纶1313；可做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414；可耐400℃高温和负273℃超低温的聚酰亚胺纤维；可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维；可做新式伪装服的多色纤维；可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。
（三）合成橡胶
它是为填补天然橡胶的不足逐渐登上材料舞台的，其时间虽然不长，但发展极快。50年代其产量就超过天然橡胶的两倍，到70年代，年产量已达600万吨，品种达到1万多个以上，而且还出现了适于飞机、宇航工业、机器制造工业和轻工业等领域的耐高温、耐温差、耐臭氧、易着色、弹性高、耐摩擦等具有特殊性能的特种合成橡胶。
除了上述几类主要的高分子材料外，还有许多其他的功能高分子材料，它们是导电高分子材料；化学功能高分子材料；医用高分子材料；工程塑料合金等。它们大多处于刚刚开发的阶段，一般都不够成熟，有待于进一步完善，但其发展和应用的前景是十分诱人的。
四、新型复合材料
现代科技的发展，对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。
复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基体材料和增强材料的特点，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类：结构复合材料是作为承力结构使用的材料，它由能承受载荷的增强体与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成；功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。
目前主要的新型复合材料有以下几种：
（一）树脂基复合材料
新型树脂基复合材料主要是从树脂基体和增强材料两方面进行改进的。目前常用的树脂基体大体有：热固性树脂、热塑性树脂以及各种各样的改性和共混基体。热固性树脂具有难熔和不溶解、只能一次加热和成型、一般不能再生的特点；热塑性树脂具有可溶解、加热软化和熔融，遇冷变硬并可重复进行的特点。常用的增强材料有：粒子增强料、纤维增强料、晶体增强料、有机纤维复合材料等。正是运用这些树脂基体和增强材料，通过复合工艺制造出多种多样、功能各异的复合材料，广泛地应用于军事、航空、航天以及日常民用、医疗卫生等领域，取得了良好的效果。
（二）金属基复合材料
由于树脂基复合材料的使用温度相对较低，为适应高技术发展的要求，近年来正在迅速研究开发金属基复合材料。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料不仅具有较强的耐高温性和不燃烧性，而且具有高导热性和导电性、抗辐射性、不吸湿和耐老化等特性。若与传统金属材料比较，金属基复合材料具有重量轻、强度和刚度高、耐磨损、高温性能好等显著特点。目前金属基复合材料虽然还存在制造工艺复杂、造价昂贵和不够成熟等问题，尚未能实现工业规模生产和应用，但由于近年来的大力研究和开发，其发展很快，已经在军事和航天领域取得较好的应用效果。
　（三）陶瓷基复合材料
陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好的特点，但其脆性大的弱点，限制其更广泛的应用。在陶瓷中加入多种陶瓷纤维、晶体、颗粒等增强体，制成陶瓷基复合材料，可以大幅度降低脆性增强韧性，提高其抗热抗振性能，克服单一陶瓷材料对裂纹敏感性高和易于断裂的致命弱点。陶瓷基复合材料已经实际应用和即将实际应用的领域有刀具、滑动构件、发动机构件、能源构件等。
（四）碳/碳基复合材料
碳/碳基复合材料是指碳纤维复合材料。它是将碳纤维物质经过特殊工艺使之多次碳化和石墨化后，作为增强体制成的复合材料。这种材料具有强度高、耐高温、抗腐蚀、抗磨损和抗热震性能好等优点，在航空航天领域已被广泛应用。当前主要用于洲际或远程弹道导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件以及军民用飞机起落架的刹车构件等。
五、光电子材料
1960年第1台实际运行的红宝石激光器的出现给人以启示：总有一天光信号可以代替电信号作为信息交换的公共载体。当然光电子技术的应用并不局限于信息领域，由于激光本身存在方向性、相干性、单色性和储能性等方面的突出优点，也由于激光基质晶体和对激光束进行调制的非线性光学材料的相应发展，一个新兴的高技术产业--光电子工业已经破土而出，它包括光通信、光计算、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等许多方面。探索与发展新型光电子材料，制作高性能、小型化、集成化的光电子器件，已经成为整个光电子科技领域的前沿。其中光电子信息材料是整个光电子技术的基础和先导。光电子信息材料包括淘汰和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种液晶显示材料等。
六、人类器官再造材料
生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官再造材料。
生物体是复杂的系统，温暖潮湿，新陈代谢，腐蚀降解，磨擦扭曲，支撑碰撞，生物体的所有构件材料都在整个体系中经受严格苛刻的考验；作为某器官的替代材料同样也要受到考验。
生物材料要具有生物相容性，与人体组织的相容性良好，体内组织液不会受其影响发生变化；排异反应要尽可能小，与血液接触应有抗血栓形成能力；有良好的耐老化性能，使用寿命要长；药物缓释材料应能被人体吸收或及时排出等等。总之，对生物材料的要求是严格慎重的。
目前生物植入材料有金属及合金、生物陶瓷、生物高分子和复合材料。
（一）生物活性陶瓷
人造生物玻璃（45％SiO2；24.5％Na2O，24.5％CaO，6％P2O5）已实现与骨相结合，而且与软组织相结合，成为一种活性陶瓷。用可与软组织相结合的生物玻璃修补中耳，已获得临床成功，可以使聋耳恢复听觉。为了得到能满足高强度、耐弯曲要求的材料，如作为人工齿和承受重荷的人工脊椎骨，研究人员已开发一类结晶化玻璃，称为玻璃陶瓷，强度高于人骨，而且还可切削加工成各种形状。
一种与人骨的钙／磷相一致的羟基磷灰石合成成功，具有优良的生物相容性，而且在生物体内协调化学相互作用会促使骨骼新生，在与人体周围组织的结合上表现出具有主动能力的生物性。
（二）生物化学水泥
骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和牙齿的修复等，利用磷酸钙系细粉为主要材料，在修补过程中，一面硬化，一面产生羟基磷灰石，形状可塑，操作方便，被称为生物化学水泥。研究工作正在就其成分、硬化过程和硬化后的性能进行深入探索，以造福于人类。
（三）生物复合材料
实验得到热解碳，比铝还轻，而且有高强度。把它涂在金属或高分子材料表面，有良好的生物相容性，与组织结合牢固，可以作为人工骨骼和人工齿。热解碳还具有抗血栓性，生物体不吸收，与血液蛋白质的适应性好，可以用作人工心脏瓣。用碳纤维涂上热解碳，可以作为韧带的替代材料。利用具有生物活性的羟基磷灰石作为涂层材料，喷涂在钛合金或氧化铝陶瓷表面，从而做到既发挥基体材料的强度，又发挥涂层材料的生物活性。
（四）人工器官
用于临床的人工器官的高分子材料主要有：聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸醋、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、碳纤维等几十种。这些材料可以制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等。
我国已研制成功人造血液，是具有很高溶氧能力的氟碳高分子液体，已在临床上用于危急病人的抢救和战地救护。高分子材料制成的人工关节和人工乳房已投入临床应用。此外，人工器官在整容和美容方面也得到广泛应用。
　 （五）控制释放技术
药物治病需要一定的浓度，浓度低了达不到药效，浓度高了产生副作用。例如治疗糖尿病的胰岛素，要求在血液中维持一定的浓度，这就需要每天注射几次不断给予补充。人们设想，如果能以一定的速度释放药物，以实现保持血液中药物的一定浓度，那将是病患者的福音。
把药物包裹在膜里是控制释放的最简单方法。关键是制备无害而易分解的高分子材料作为胶囊。已经开发的聚氨酸就是一种能够满足这个要求的材料，并用来制成抗癌缓释药。后来又进一步使胶囊微型化，希望埋在癌变肿瘤内部大幅度提高药效。长效避孕药缓释胶囊的胶膜是用硅橡胶和左旋甲基炔诺酮制成的。把6个各含有36mg避孕药的胶囊埋入上肢适当部位，药效可长达5一6年，取出后2一3个月内可以恢复生育能力，相当方便。
（六）仿生模拟
仿生材料是在对生物大分子进行深入分析的基础上，探索生物大分子结构与功能之间的关系，然后进行分子设计和仿生模拟，从而研制具有生物功能的仿生材料。
人们在海岸岩石上发现，蓝色贻贝之所以能够牢牢地粘在岩石上，是因为它能分泌出一种独特的液体。于是科学家仔细分析了这种分泌液体的分子结构，并进而合成了一种模拟蓝色贻贝分泌液的超级胶粘剂。其特点是可以快速固化，不受盐水侵蚀，是补牙和接骨的好材料。
科学家还构想更高层次的生物材料，在人们掌握了生命过程的机制和奥秘的基础上，预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料。这一新构想正在积极开展研究，并有可喜的初期成果。这是一项涉及生物学、医学、材料科学、分子设计和工程设计等多学科协同研究的艰苦工程．也是一项为人类自身创造美好生存环境的伟大而长期的奋斗目标。
七、新材料技术的发展趋势
材料在现代科学技术发展和人类生活中的基础作用，决定了新材料技术必须不断的以前所未有的速度向前发展。今后新材料技术发展的总的趋势主要表现在以下几个方面：
（一）理论研究将更加深入
以往发现和研制新村料的方法，大多是采用所谓"试错法"或"筛选法"。就是在许许多多的原料中反复实验、比较，从中找出性能合乎要求的，然后进行再实验、再比较，直至找出最合适、最满意的材料。例如美国发明家爱迪生就是采用"筛选法'，经过6000多次实验比较，才确定用钨丝作为白炽灯的灯丝材料。实际上，可以说目前世界上已经注册的几十万种材料品种，没有哪一种不是经过反复实验比较后，才得以诞生的。
随着科技水平的提高，特别是材料科学理论的建立、发展和深入，已经使进一步更深入、更透彻地了解材料的内部结构，了解材料的"微观世界"，即组成材料的分子、原子的状况和它们之间的关系，全面掌握材料的本质和规律成为可能。这样人们就可以根据材料科学理论"设计"新材料。因此，随着新材料技术理论研究的深入和发展，特别是对材料的内部结构、组成和性能的深入研究和认识，实现按需要设计制备新材料，以及对具有革命意义的新材料进行超前研制是新材料技术的一个重要发展趋势。
（二）特殊环境条件将更加具备
研制新材料营造特殊的环境条件，是今后新材料技术发展的一大趋势。例如超高压、超低压、超高温、超低温、超重力场和无重力场等就都属于特殊环境条件。
在超高压或超低压（即高度真空）的环境下，许多材料的性能会发生较大的变化，如在2万到3万个大气压下，有些常压条件下非常坚硬，很难变形的金属能够很容易地被加工成各种形状，其延展性能增加几百倍。硒、碲、硅、锗、磷等元素在超高压的条件下都可以表现出一定的超导性；超高压也是人工合成新材料的良好条件，将石墨放入5万个大气压的环境中，它的内部结构就会发生变化，形成性质绝然不同的"硬度之王"金刚石。在超低压环境中，一些金属可以很容易被镀在玻璃上，而且结合度非常好，这在其它环境下很难做到。
超速加热或超速骤冷也是新材料的加工方法。它们是指在极短的时间内，迅速使温度大幅度的上升或下降。例如所谓超速骤冷，就是指冷却速度在每秒1000℃到100万℃的急速冷却。非晶态合金就是利用超速骤冷的原理实现的。这种骤然加热或冷却的环境，可以使物质的内部结构发生很大的变化，得到人们需要的特殊性能。超重力场或无重力场也是一种非常有前途和重要意义的特殊的材料加工环境条件。在超重力场环境里，可以获得超纯材料。在无重力场环境里，可以获得在一般条件下无法合成的合金和生成性能极好的半导体材料等。科学家们预言无重力场环境技术将会导致一次伟大的技术革命。
综上所述，营造特殊环境对新材料技术的发展具有特殊重要的意义，可以说是制造新型材料的必须条件之一，因此，从技术上解决获得特殊环境条件的手段，是新材料技术发展的一个重要趋势。
（三）智能材料研究将处于前沿地位
智能材料是指具有类似人的感官能力的新型材料。当前的研究重点主要集中在机器人制造领域和用于调节光线的各种变色玻璃上。如科学家研制的一种由硅、橡胶、金属组成的复合材料，具有灵敏的压电效应，只要对它施加哪怕是很小的压力，它的电阻值就会自动降低，引起电流的变化，由此通过电脑指挥机器人动作；又如一种光敏变色玻璃，当天气晴朗阳光强烈时，就会自动减小透明度，反之会自动增大透明度，就像人在控制一样。
（四）"变废为新"是重点研究方向
如何最充分地发挥材料资源的作用，特别是如何利用有价值废弃材料（通常所称"垃圾"），即"变废为新"技术又称为垃圾处理技术，正日益受到人们的重视。
垃圾处理技术主要有两个方面；一是垃圾的回收处理；二是垃圾的再利用。
1．垃圾回收处理技术
目前应用较多的有填埋法、焚烧法和分类回收法。填埋法是目前用的最多的方法，如美国的垃圾至今仍约有90％用填埋法处理。焚烧法处理垃圾应用的也较早，但后来发现这种方法对空气污染严重，便停止使用了。20世纪70年代中期，一些国家利用新的技术制造焚烧炉，用垃圾作燃料产生蒸汽或电力，目前得到一定的推广。分类回收法是针对焚烧法存在的污染环境问题创造的一种新的垃圾处理技术。这种方法通过一定的技术手段，将要处理的垃圾进行分类，从而实现净化环境和节约资源的目的。这种方法投资少、见效大，对资源的利用率高，因此受到许多国家的重视。
2．垃圾再利用技术
人们通过长期的实践研究发现：再生资源的开发利用，具有其他一些资源无法相比的优势。"变废为宝"技术的大量出现、广泛使用将对解决能源、资源和环境这三大危机同时起到不可估量的作用。所以，越来越多的国家已把发展材料"变废为新"的技术，作为一项重大发展战略和基本国策。

第六节　新能源技术

人类开发和利用能源有着悠久的历史，能源结构发生过多次变革，经历了以柴薪、煤炭和石油为主导地位的三个历史阶段，并走进新能源阶段。但是，到目前为止，人们所利用的常规能源，大多是具有不可再生性的化石类能源，如煤炭、石油、天然气等。这些能源资源有限，而且在使用过程中一般会带来较严重的环境污染问题，特别是自20世纪70年代以来，接连出现了数次世界性的以石油、煤炭为代表的能源大危机，使人们越来越深刻认识到石油、煤炭等是一种蕴藏量极其有限的不可再生的宝贵资源，因此，必须一方面设法提高能源利用率，千方百计节省石油能源；另一方面，必须考虑采用新的办法寻求新的能源。正是在这一背景下，一场借助于科技手段，采用现代方法进行开发和利用新型能源的大变革正在展开，一个以蕴藏量丰富、可再生、无污染、无公害的新能源替代常规能源的"新能源时代"拉开了序幕。
新能源是相对于常规能源而言的，是指目前尚未被人类大规模利用的，有待于随着科学技术和新的方法的发展，才能得以大规模广泛利用的新型能源。
新能源有两种不同情况：一种是不久前才进入科学研究视野的能源，如核聚变能、氢能；另一种是用现代科学技术重新开发利用的古老的能源，如太阳能、风能、地势能等。
一、太阳能利用新技术
太阳能既是"一次能源"，又是"可再生能源"。太阳能是一种资源丰富，不需要运输，又不会污染环境的最佳自然能源。可以说，开发利用太阳能是一种最有前途的能源技术。
人类对太阳能的利用已经有很久的历史，但是由于存在着许多技术问题得不到很好地解决，因此太阳能的开发利用一直发展缓慢，未能大规模推广。随着科学技术的不断发展，特别是高新技术的进步，人们对太阳能的开发利用日益广泛和深入，并显示出极其美好的前景，科学家预言在21世纪的能源结构中，太阳能必将占据极其重要的地位。
目前，太阳能的开发利用新技术主要有以下三个方面：
（一）太阳能热利用技术
太阳能热利用技术是将太阳辐射能量通过各种集热部件转变成热能后直接被利用的技术，即光――热转换技术。入射到地球表面的太阳光的能量尽管非常巨大，据专家测算，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量，一年则是170万亿吨煤当量，但它是广泛而分散的。要充分收集并使之发挥热能效益，就必须采取一种能把太阳光反射并集中在一起，变成热能的系统，这就是聚光器装置或称集热器装置。
集热器是利用太阳热的基础设施，它的功能最重要的是有效地吸收和集中太阳能并使之不向外扩散。目前，聚光装置主要有平板型集热器和抛物面型反射聚光器两大类型。通过这些装置可以获得100℃－400℃的中低温或1000℃－4000℃的高温热源。
太阳能热源目前主要用于两个方面：一是太阳能热发电；二是太阳能供热。
太阳能热发电是由一个从太阳能――热能――机械能――电能的热发电系统，即通过太阳能热电站实现的。世界上第1座太阳能热电站，是法国的奥德纳太阳能热电站。之后，日本、美国、德国、意大利等国家也先后建立了太阳能电站。其发电容量也由70年代的数百千瓦级发展到90年代以来的几十万千瓦级，甚至上百万千瓦级。当今世界许多发达国家都在积极研究开发种种太阳能发电技术，并正向着大功率、实用化方向发展，前景十分广阔。
太阳能供热是将集热器获得的热源直接用于工农业生产和居民生活。目前已广泛地用在烘干、供应热水、建筑物取暖、空气调解、海水淡化、焊接、冶炼等方面。太阳能工业热利用，有着非常可喜的前景，据美国科学家估计，美国工业用热耗能约占全部能源消耗总量的43％；如果能大量使用太阳能集热器提供200℃左右的热量，即可节约20％的常规燃料。
在农业上直接利用太阳能，最常见的是太阳能温室，它比塑料膜温室造价还低。另外，太阳能谷物干燥机、太阳能灌溉泵在一些国家已得到普遍使用。在民用方面，使用最广泛的是太阳能热水器，日本是目前使用太阳能热水器最多的国家，80年代末，已发展到400多万台，以色列90年代初全国60％的热水来自太阳能热水器，现在，一些发展中国家也在大力推广使用太阳能热水器。另外，民用太阳能烘干设备、制冷装置、热水暖气供应系统、海水淡化装置等，也在一些国家得到推广普及。
（二）太阳能光――电转换技术
太阳能光――电转换技术是利用太阳能电池将太阳光直接转换成电能的技术。太阳能电池是利用光子伏打效应原理，即太阳的辐射能光子通过半导体物质能够转变为电能的效应制作的，所以又称为"光电池"或"光伏电池"。这种利用太阳光发电的电池材料又可分为结晶太阳电池和非结晶太阳电池两种。
世界上第一台实用型的硅太阳能电池是1954年在美国贝尔实验室研制成功的，获得了6％光电转换效率的良好成果。之后，世界许多国家纷纷投入力量进行研究。目前，已进行研究和试制的太阳能电池除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、钢銦硒等许多类型的太阳能电池。其中，以硅太阳能电池最为成熟，使用也最广泛。太阳能电池问世不过半个世纪，但是它的应用范围却已非常广泛：它已成为空间各种宇航器的主力电源；并在其它各个领域也得到广泛的应用，如在微波通讯、交通信号、广告照明、电视差转等方面的应用已显示出巨大的优越性；在人们日常生活中，太阳能电池的应用也逐步扩展，收音机、录音机、电话、电子钟表、电动玩具、微型电子计算机等也都开始应用太阳能电池，甚至太阳能游艇、太阳能汽车。太阳能飞机等也已研制成功，开始进入实用阶段。
（三）太阳能光化学转换技术
光化学是研究光和物质相互作用引起化学反应的一个化学分支。太阳能光化学转换技术包括两种类型：①利用光化学反应实现太阳能光――化学――电的转换技术；②利用植物叶绿素的光合作用实现光――化学――电的转换技术。现在光化学转换技术还处于研究实验阶段，一些国家的科学家已初步研制成功光化学电池，但光电转换效率还很低，尚无法进行利用。然而，光化学转换技术的进展开辟了太阳能利用的新途径、新领域，预示着一个美好的前景。
二、核能利用新技术
核能又称原子能或原子核能。它是原子核结构发生变化时发出的能量。核能是一种高度密集的能量，目前地球上还没有任何一种能源可以与之相比。
使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来，主要有两种方法：一种是使重元素的原子核发生分裂反应，叫做核裂变。另一种是使轻元素的原子核发生聚合反应，叫做核聚变。两种反应所释放出来的能量分别称为裂变能和聚变能。
20世纪初发现原子核内蕴藏着巨大的核能是人类历史上划时代的重大成就，核能的开发利用，特别是和平利用的实现，标志着人类改造自然的能力进入了一个新的阶段。人类开发核能是从研究核裂变反应开始的。1942年建成了世界上第一座原子反应堆，宣告了人类进入了"原子能时代"。原子能首先被用于军事目的，1945年美军向日本广岛投下了第一颗原子弹。第二次世界大战以后，核能的利用开始在两个方面得到发展，一方面继续用于制造原子弹、氢弹、中子弹等大规模杀伤武器；另一方面则大力开发核能的和平利用，建立核电站，用于工业、农业、医学等领域。1954年前苏联建成世界上第一座核电站，开创了人类和平利用原子能的先河，从此和平利用核能得到迅速的发展。特别是近20多年来，核能在世界能源结构中的地位不断上升，被称为"最年轻'却又发展最迅速的一种新型能源。目前，开发利用核能的新技术主要有以下几个研究方向。
（一）安全性的核电站
和平利用核能，目前主要用于发电，核电站具有耗费低、污染少、相对安全性强的优点。但是，核电站一旦发生问题，就会带来巨大危害。因此，安全问题是核能开发利用的重大问题。为了确保未来的核电站绝对安全可靠，现在从技术上已经提出"固有安全性"的要求，即核反应堆在任何事故条件下，都能自动停止运行，而且在最严重的事故条件下，依靠反应堆的技术装置，可以从根本上排除任何放射性逸出的可能性，这种特性称为固有安全性。现在已有一些核电站反应堆的设计达到和满足了这一要求。也就是说，随着科学技术，特别是高科技的发展，核能利用的安全性问题是完全可以解决的。
（二）快中子增殖反应堆
目前应用的各种核电反应堆，如压水堆、重水堆、气冷堆等部属于消耗型的热中子转换堆，也就是一般所说的第1代核电反应堆。第一代核反应堆存在着燃料利用率低，要大量消耗天然铀资源的缺点，因此科学家们经过反复研究实验，找出解决这个问题的最现实可行的办法是发展快中子增殖型核反应堆，又称"快堆"，也就是第二代核反应堆。作为第二代的先进核能技术有三大突出特点：
（1）提高了核燃料利用率。快堆的独特优点是其燃料可以循环使用，因此，不仅可以发电，还能增殖核燃料，可使铀资源利用率提高60％－70％。
（2）核能利用范围可进一步扩展。随着核动力技术的日益完善成熟，核能利用已由单纯的核电扩展到核供热、核照射、核医学等众多领域，这也必将推动核技术的发展。
（3）核能的安全性进一步得到改进。"快堆"还可以使用别的核反应堆用过的旧燃料，这样不仅起到节约核燃料的作用，而且大量减少核废料所造成的污染。另外，以往的核反应堆，无法解决在运行中产生的对人类有数百万年放射性影响的锕系元素，只有快堆能够将锕系元素作为燃料在堆中烧掉，变成一般的裂变产物，可谓是"变废为宝"。
（三）低温核供热堆和高温气冷堆
人们利用的能量有很大的一部分是以热能的形式消耗掉的，例如，供暖、蒸汽、热水等。而在热能形式中，120℃以下的低温热能又约占一半左右。因此，如何使核反应堆在用于发电以外，能够解决核供热的问题，是开发利用核能新技术的一个有重要意义的研究方向。低温核供热堆和高温气冷堆就是很有前途的新的供热能源。
低温核供热堆是一种采用较低温度压力（1000℃、1471－1961千帕）的气冷反应堆。它只生产低压蒸汽和热水而不发电，具有很好的固有安全性和使用核燃料较广泛的优点。特别是供热温度在150℃以下的低温低压核供热系统的锅炉结构简单、安全性强、投资少、占地面积小，而且可以建在城市近郊区。它确实是城市和工矿企业集中供热的一种安全、清洁、经济、方便的良好热源。因此，目前许多国家都很重视发展这种反应堆。
高温气冷堆是利用气体冷却的另一种反应堆。其侵化剂采用对中子慢化性能优良的石墨，冷却剂采用传导效率良好的氦气。由于石墨耐高温，氦气化学性能稳定，所以反应堆出口的温度可高达1000℃以上，能保证供应950℃以上的工艺用热。这种气冷堆使用范围广泛，可供热发电、炼钢以及向造纸、化工、炼油厂、油田等工业部门提供热源，还可以用以生产清洁能源等。
（四）受控热核聚变反应
半个世纪以来，核能基本上都是通过核裂变方式取得的。这种裂变方式除了"快堆'以外，终究要消耗地球上为数有限的铀资源。实际上，核能的更加令人向往的来源，是通过受控核聚变技术获得的聚变核能，这种崭新的核能，人们称之为"能源之王"。一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，真可谓"人造太阳"。
核聚变的基本原理是把两种较轻的原子核聚集在一起，在超高温超高压等特定条件下聚合成一种较重的原子核，在这种核聚变中，原子核会失去一部分质量，与此同时释放出巨大能量来，这就是"核聚变反应"。因为这种反应是在极高温度下才能进行，所以又称为"热核反应"。
目前，核聚变技术只能用于制造热核杀伤武器氢弹，但氢弹的热核聚变反应速度不能控制，因此，很难作为能源来利用，所以，受控热核聚变反应技术就成为核聚变能利用的关键技术。"受控核聚变"这种能源具有四大优点：
1.质能比高。每千克氘和氘聚变时所产生的能量，相当于1万吨优质煤，可以说世界上还没有任何一种燃料的燃值能与之相比。
2.原料足。地球上氘的储量特别丰富，几乎可以说"取之不尽，用之不竭"。
3.清洁，基本不污染环境。聚变原料氢和反应生成物氦都不会产生放射性物质，是真正清洁的能源。
4.安全性高。它是在稀薄的气体中持续稳定的运行，因而是安全的。
既然核聚变有这么多优点，为什么反而不如核裂变发展得快？这是因为实现受控核聚变作为工业应用，要比制造氢弹困难得多，必须具备四个基本条件：
1.超高温。所谓超高温，就是要把氘和氘等轻元素加热到1亿一2亿℃。
2.高密度。要使中子的密度达到每立方厘米50万亿个
3.约束时间长。核聚变燃料在超高温条件下，形成"等离子体"，为了实现可控热核反应，必须对等离子体加以约束，即使它能维持1秒以上的时间，以保证充分地发生核反应，放出足够多的能量。
4.保持干净。从原料到容器都必须高度纯洁，容器本身在装入核燃料前就必须达到大气压的10亿分之一的高度真空。
正是由于上述这些超难技术问题的困扰，30年来核聚变技术进展缓慢。近些年来，经过努力探索基础理论和实验技术都已取得一定进展，一些国家正在进一步大力投资设计建造大型聚变实验装置和加紧研究开发。据不完全统计，目前大约有21个国家建造了200余座核聚变实验装置，同时还设计了各种受控热核反应堆发电装置，其中"等离子聚变装置"和"激光聚变装置"最有发展前途。人们有理由相信，核聚变这一崭新的"能源之王"，必将成为21世纪以后人类未来的可靠新能源。
三、地热能利用新技术
地热能就是地球内部蕴藏的热能。地热能的利用既可获得能源，又可不污染环境，是当今人们密切关注的新型能源。
（一）地球内部的热能
地球本身是一座巨大的天然储热库。地壳、地幔、地核不同层次蕴藏着不同量的热能。从地面向下，在15千米以内，深度每增加100米，温度平均升高3℃左右。在100千米深处，温度高达1400℃。因此，可以说地热能是一种储量巨大、分布广泛的能源。按国际有关规定初步估算，全世界地热资源的总量约为 1.45 ╳1026焦耳，相当于 4948亿亿吨标准煤，是全部煤炭资源的储量的1.7亿倍。接世界年耗10亿吨标准煤计算，可满足人类几十万年能源之用。
人们把地热资源按存在形式分为五大类型，即蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。目前能为人类开发利用的，还仅限于地热蒸汽和地热水两类，岩浆热的利用，尚处在基础研究阶段，地压热和干热岩热的开发利用，则处于实验阶段。
利用地热能是人类很久以前就开始使用的古老的技术，人们早就开采温泉洗澡、取暖、医疗等。但是把它看作是一种储量巨大、有经济竞争力的能源，是从20世纪初才开始的。现在人们对地热资源的认识越来越深刻，已不仅利用它来发电和进行名目繁多的直接利用，而且开始用钻探办法去开采蕴藏在地层深处的巨大能源。因此，从这个意义上讲，地热能可以说是崭新的有待于大力开发的新型能源。
（二）地热资源的利用
地热资源用途广泛，前景广阔。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两类。
地热发电是利用地热能的代表性技术，是地热能利用的重要方向之一。世界上第一座地热发电站是1904年意大利建成的一座小型地热，其功率很小，只点亮了5盏电灯。地热发电方式，目前分为"蒸汽型地热发电"和"电站热水型地热发电"。其原理和一般火力发电一样，是通过热能、机械能的中间转换产生电能，但地热发电所需的蒸汽能量是直接来源于地热能，不需要燃料及其运输设备，也不需要锅炉等设备，因此，地热发电是一种比煤、石油、天然气、核能等发电便宜得多的能源利用方式。
地热能的直接利用也非常广泛，其中，地热供暖、供热、供水是仅次于发电的地热能利用项目。地热能直接用来采暖、供热是最经济、最简便、最有效的用途，已引起许多国家的重视。地热在工业、农业和医疗领域的应用也十分广泛。如工业上用来调节厂房空气，用作干燥和蒸馏热源，并在改善永久冻土带工作条件和道路融雪方面起到重大作用；农业上用于建造地热温室，利用适宜温度地热水灌溉农田、养鱼也都取得很好的效果；医疗上根据地热水的性能用于饮用或洗浴对一些疾病的治疗，效果十分明显。
总之，地热能作为一种新能源，以其干净、无污染、成本低、不间断等优势日益受到人们的重视。随着科学技术的发展，地热能源的开发将有一个大的发展，其发展趋势有以下几个方面：
1.新的高精度的地热能勘探技术将逐渐取代目前采用的勘探石油的方法和设备，在技术上取得重大突破；
2.随着勘探技术的进步，开发资金投入的增多，查明的可供利用的地热资源的总储量有可能大幅度的增长，甚至高达20倍左右；
3.在相关高技术，如新材料、激光、红外、微电子、遥感、遥测以及核能等的支持下，将发展出地热能勘探用新钻井和探测仪器设备，以适应更高地温和更深钻井的要求；
4.由于科学技术的发展，处于正常深度地热区的开采和生产费用，将会逐步降低，使之具有更大的经济可行性；
5.地热发电的装机容量将有大幅度的提高，地热水的直接利用将达到新水平，把地热发电、供热、工业应用综合起来的工厂，将明显增多。
四、氢能利用新技术
氢能也叫氢燃料，是新型的"二次能源"。
一般来说，人们总认为氢是一种化工原料，很少把它作为能源来看待。但实际上，早在一个世纪前，科学家们就开始考虑用氢作为未来的主要能源。20世纪以来，随着现代科学技术的发展，氢已作为航天器、导弹、火箭等的重要燃料使用，证明氢作为能源，是完全可以应用的。
（一）氢作为能源的优点
氢，在常温常压下是气体状态，在超低温和高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下优点：
1.重量轻。在所有的元素中，氢元素最轻。
2.热值高。除核燃料之外，氢的燃烧热值居于所有的矿物燃料、生物燃料、化工燃料之首。每公斤氢的燃烧热值高达2890千卡，是汽油的3倍。
3."爆发力"强。氢非常易于燃烧，且燃烧速度非常快。
4.来源广。除空气中含有的氢气外，占地球70％以上的水，都可以作为制氢的原料。
5.品质最纯洁。氢本身无色、无臭、无毒，十分纯净。氢燃烧后不产生对人体有害的污染物质，而主要是水，水还可继续制氢，反复循环使用。
6.能量形式多。氢通过燃烧可以产生热能，再转换成机械能，也可以通过燃料电池和燃气轮机转换成电能；
7.储运方便。氢可以用气态、液态或固态的金属氢化物形态加以运输和贮存。
氢能的诸多优点，引起人们的极大关注。科学家们指出：用氢能取代碳氢化合物能源，将是一个重要发展趋势。氢能必将成为今后在众多领域中普遍使用的重要新能源。
（二）氢能的制取和利用
氢能作为能源，尽管有许多优点，但是目前在制取方法和手段上还存在着一定的技术问题，因此还不能真正做到大量而又廉价地获取氢能。
目前，制氢的原料，主要是天然气、石油和煤，其中天然气约占96％。这些原料本身又都是宝贵的燃料和化工原料，用它们制氢，既不经济，也不能解决矿物能源危机的问题。科学家们普遍认为，要大量制氢，最理想的是用水作原料。多年来，人们已研究出多种"用水制氢"的方法，如混合法、铁蒸汽法、电解水法、燃烧法等，但是上述种种方法还都必须依赖其它物质和大量的热能、电能，致命的弱点是成本高、效率低。因此，从根本上说，这种制氢方法没有发展前途。
近些年来，各国科学家普遍关注探索新的制氢的方法，力图真正实现用水作原料、简便经济的科学制氢方法。经过艰苦的探索和研究，现在普遍认为，利用太阳能制氢将是最理想的选择。因为，太阳能无穷无尽，到处都有；制氢原料的水又普遍存在。这种生产过程一旦在技术上解决，并大规模应用，必将为解决能源危机和改善生态环境提供美好的前景。
当前，一些国家初步探索出的可行的太阳能制氢高新技术方法主要有：太阳热分解水制氢法、太阳能电解水制氢法、太阳能光电化学电池分解水制氢法、模拟植物光合作用分解水制氢法、太阳光络合催化分解水制氢法、微生物发酵制氢法、光合微生物制氢法等。这些高技术制氢方法，绝大部分仍处于理论研究和实验室阶段，还有待于太阳能利用技术和生物科学的进一步发展，因此，距离大规模工业实用化，还有一个相当大的距离。
氢能已经在一些领域中得到应用，并且充分显示出其作为能源的巨大优点，为今后大规模使用，展示了广阔前景。首先，在航天方面，液态氢从1960年首次作为太空火箭的动力燃料，发展到今天已成为各种航天器的基本燃料。现在，科学家们正在研究设计一种"固态氢"宇宙飞船，固态氮既是这种飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上的所有非重要零件都可以"消耗掉"。预计这种飞船在地球轨道附近可维持飞行24年，如在离太阳较远的深层宇宙飞行，则可维持更长的时间。
其次，在航空方面，液态氢作为飞机的动力燃料已取得实验试飞的成功，为人类应用氢能源又开辟了新的领域。第三，在汽车应用方面，成效更加显著。一些国家研制的氢能汽车性能良好，很有发展前途。日本已把储氢合金技术应用于汽车领域。此外，氢能发电技术也取得很大进展，日常生活领域中的氢能利用也已起步，并取得一定成效。
五、风能利用新技术
风，在地球上是一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。利用风力作动力为人类服务，也是一种古老的能源利用形式。然而，数千年来风能技术发展很慢，也没有引起人们的足够重视，只是近三四十年来，才作为一种新兴能源有了较大的发展。
风能同其它能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大、分布广、永不枯竭、可再生、无污染，是一种可就地应用的、干净的自然能源。风力资源作为一种辅助能源，发展潜力很大，对解决部分能源危机，特别是解决沿海岛屿、边远农牧地区以及交通不便、远离电网和近期内电网难以达到的地区的生产、生活能源问题的一种可行途径，具有更重要的意义。
据估计，世界上可开发利用的风能，约有200亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。但风能也存在着突出的局限性，它的能量密度低、不稳定、地区差异大。这些特点使风能的广泛利用具有一定的难度，也使风能利用技术成为一门涉及到空气动力学、电机学、结构强度学、材料学、控制学和气象学等多学科的综合性技术。当前，随着现代高科技的迅速发展，风能利用技术也取得了重大进展，风能已经成为重要的新型能源之一。
风能的主要应用是风力发电。风力机是风能利用中最重要的能量转换装置。风力机根据其用途，分为风力发电机、风力提水机、风力致热机等；按其功率大小分为大型、中型、小型和微型四种；按其风轮轴的位置分为平轴和垂直轴两种；按其风轮转速分为高速和低速两种。
风力机的性能，主要与其构造、外形和附加装置有关。也就是说，要想使风力机能够克服由于风的随机性很大，风速大小、风力强弱、风力方向都随时间变化，因此很难稳定恒速工作的困难，就必须在其构造、外形、附加装置上进行技术创新。现代风力机技术主要围绕如何使风力机能够恒速稳定的工作，从三个关键方面着手解决问题。①采用"浆片变距"技术使风叶转速、扭距基本一致；②采取"变速恒频"的发电系统，保证发电机恒速运转，从而获得常频电流；③采用蓄电池、蓄水池、转动飞轮及热水等"罐蓄能装置"，解决在无风或小风时仍能提供能源的问题。近20年来各种型号的风力机有了很大发展。10千瓦以下的小型风力机最早实现商品化，10－100千瓦的中型风力机，技术上也比较成熟，100千瓦以上的大型风力机许多国家都已研制成功。可以说，风力发电技术的开发应用，前景十分乐观。
另外，利用风能提水机解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水；利用风力致热装置解决小型家用需要和低品位工业热能的需要等，也都是风能利用的主要方式。
（二）海洋能的开发和利用
海洋能是蕴藏于海水中的再生能源，它主要是太阳能在海水中的一种特殊储存形式。海洋能包括：潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能以及海上太阳能、风能等自然资源。海洋能除具有可再生性、不污染环境的优点外，同直射的太阳能相比它还具有不受时间的限制，白天黑夜都可利用的优点。海洋能是一项急待大力开发利用的具有战略意义的新能源。
目前，世界上利用海洋能主要有三种形式：
（1）潮汐能发电。潮汐能发电就是利用海潮形成的落差来推动水力涡轮发电机组发电，同一般水力发电原理相近。据估计，全世界的海洋一次涨落潮循环的能量为 8╳1012千瓦时，比目前世界上所有水电站的发电量大100倍。所以，人们称潮汐能为"蓝色煤海"。潮汐发电站依其布置形式不同可分为：单程式潮汐电站，即涨潮蓄水，落潮发电，不能连续发电；双程式潮汐发电站，即涨落潮均可发电，可连续发电，提高了潮汐能的利用率；连程式潮汐发电站，即通过多个高程不等的蓄水池，采用水轮机――水泵组合，可连续稳定发电。
（2）波浪能发电。波浪能是以动能形态出现的海洋能之一。利用波浪能发电有多种形式：①利用海面波浪的上下运动，产生空气流或水流而使涡轮机转动；②利用波浪装置随波前后摆动或转动，产生空气流或水流使涡轮机转动；③把低压的大波浪变成小体积的高压水，然后引入高位水池积蓄起来，用以冲动水轮机转动。波浪能是自然界中存在的巨大能量，发展波力发电技术，投资小、见效快、无污染、不需要原料投入，因此已引起各国的关注。据统计，全世界目前约有近万座渡力电站在运转。有些国家已开始向中、大型波力发电装置发展。
（3）温差能发电。利用海洋表层热水和深层冷水的温差发电，叫做海水温差发电。一般来说，冷热海水的温差只要达到 16 .6℃，即可用来发电。实际上，海洋表面层与500米深水处的海水温差一般都在20℃以上，因此，这种方法具有可行性。当然，海水温差发电技术的开发，也存在较大的技术困难，投资也较大，但许多国家还是投入人力物力，积极进行开发研究。
（三）生物质能的开发和利用
生物质能，即太阳能通过一定方式转化为化学能储存在生物内部的能量。所谓生物质就是在有机物中除矿物燃料外，所有来源于植物、动物和微生物的可再生的物质。地球上的生物质资源极为丰富，是一种无害的能源。
世界上生物质能资源种类很多，主要有农作物和农业有机残余物，还有动物排泄物、江河和湖泊的沉积物以及农副产品加工后的有机废物、废水、城市生活有机垃圾等。所以说，生物质能源，就是通过种植能源作物和利用有机废料，经过加工，使之转变为生物燃料的一种能源。
利用现代技术将生物质转化为能量的技术方法，比较成熟的大致有以下三类：
1.直接燃烧。这是生物质能应用最简单、最广泛的转换技术。直接燃烧的主要目的是为了获取热量。转换技术主要在改进燃烧装置上。
2.生物转换技术。这是生物质能通过微生物发酵方法转换为液体或气体燃料的技术。如酒精、沼气的生产技术。
3.化学转换技术。这是生物质通过化学方法转换为燃料物质的技术。目前有三种基本方法：有机溶剂提取法、气化法、热分解法。
另外，生物质还可以通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。生物质能的应用，过去主要是作为燃料，现在，应用领域越来越广泛，在电力、环保、化工、采矿和日常生活中都已大显身手。
六、节能新技术
节能就是指提高能源效率。它包括两个方面：一是提高能源利用效率；二是减少能源消耗。节能已经成为衡量一个国家能源利用好坏的一项综合性指标，也是一个国家科学技术水平高低的重要标志，同时又是解决一个国家能源问题的可靠途径。
经过近些年的努力节能技术已取得有效的成果，创造了多种节能技术其中包括：使用新型高技术装备改进能源消耗方式；降低生产过程的能耗，回收生产过程各阶段所释放的热能；开发多种高效实用的新型能源转换形式，以适应高技术发展的需求；采用能效高的新生产程序，尽可能使用耗能低的材料和产品；等等。
（一）交通工具的"电气化"
早在1873年，世界上第一辆电动汽车在英国诞生，之后，又得到了一定的发展。但是由于一方面内燃机和燃料性能的不断改进，另一方面电动汽车的蓄电池技术一直发展缓慢，致使这种汽车很快被淘汰。20世纪中叶以来，随着内燃汽车污染环境、消耗能源多等弱点的日益暴露和世界性的矿物能源危机的威胁，电动交通工具具有的节约能源、无污染排放、行驶噪音小、使用方便等优点，又重新引起人们注意，特别是蓄电高技术的日趋成熟，电动汽车将再次成为汽车工业的发展重点而重新崛起。
（二）水煤溶合的液体燃料产生
火力发电的重要能源是煤和油。要节能就要解决节约燃料的问题。人们利用"水煤混合技术"已制成高浓度代油燃料水煤浆。其节省煤碳提高热值的效果很好，已应用于火力发电和工业锅炉。
（三）现代热电联产技术
它是泛指任何两种或两种以上能源物质同时生产的能源新技术，如同时生产热水、蒸汽、冷气、电能、机械能、空调能源等等。这种技术是将发电站、配电站、热交换器紧密结合在一起，充分循环使用回收的热水，使能源利用率提高15％－30％。这种联产技术具有节能、高效、灵活、便利等优点。目前，现代联产技术几乎已在全世界所有工业发达国家不同程度地推广起来，收到很好的效果。
（四）多种节能技术不断涌现
随着人们节能意识的增强，各国都采取多种措施，积极研究开发节能技术，寻求节能途径。因此，产生了大至工业生产，小至家庭应用的多层次、多形式、多渠道、多领域的节能技术。

第七节　海洋技术

海洋技术是一门以海洋开发为核心的工程技术，包括海洋资源开发技术和装备设施技术两方面。海洋技术是当代新兴的科学技术部门之一，也是一个涉及许多门类的综合性学科。由于海洋具有地球上最雄厚的资源，是一个新兴的、具有战略意义的开发领域。因此，在当今世界范围内出现食物、能源、物质资源短缺的情况下，各国都希望寄托在海洋开发上。海洋开发在人类生活中的地位和作用，越来越受到重视。人类开发海洋的活动已从海面、海底、海空全面展开，进入了一个综合、立体开发利用海洋的新时代。
一、现代海洋技术的发展
现代海洋技术是20世纪50年代后，围绕着海洋探测技术和海洋资源开发技术两个方面的变革发展起来的。
1．海洋调查方法的变革
传统的海洋调查一般是单船进行的单一目的、小范围的海洋考察，技术水平较低。现代海洋调查一般是多国家、多船只、多项目的立体调查，即建立从空中到海下，从沿岸到大洋的调查体系，以获取全球性多方面的海洋资料。例如，1957～1958年国际地球物理年组织的海洋调查，调查范围遍及世界各大洋，调查船70多艘，参加国家17个。
20世纪60年代深海深潜器和70年代资源卫星的应用，标志着现代海洋调查进入了立体调查的新阶段。而后，随着现代新的科学技术革命的兴起，调查技术手段得到更大的提高，广泛地应用海底探测新技术，如回声探测、红外照相、立体摄影、海底电视等等，并正逐步地向自动化、电子化、数字化、综合化方向发展。特别是计算机应用于海洋调查和资料整理后，效率大大提高，往往在调查船完成任务的返航途中，就已经把资料整理出来了。
大型海洋考查船的建造是海洋调查手段的又一重大发展。1964年，美国几个主要研究海洋的科学机构，共同组成了"地球深部取样联合海洋研究机构"，提出了"深海钻探计划"，其目的是揭示海洋沉积物的性质及其形成的历史，探讨海底构造的演化过程。为此，建造了一艘大型的设备先进的考察船"环球挑战者号"，于1968年8月正式投入使用。该船前后航行了25万海里，遍及世界各大洋，共钻井429处，海底钻探总长19万米，获取了大量的大洋沉积层和岩石样品，此外还进行了回声测深、地震勘探、海底红外照相、古地磁、海底岩石绝对年龄测定等方面的工作，取得了一系列重大成果。目前，海洋调查活动，已经遍及包括两极在内的世界各大洋。
2．海洋开发利用技术的进展
海洋调查方法和手段的发展，为大规模开发利用海洋创造了条件。20世纪60年代，海洋的开发利用进入了一个崭新的时代。不仅以海洋运输业、海洋捕捞业为主的传统的海洋产业迅速发展，而且新兴的海洋产业，如海水养殖业、海洋矿业开发、海洋化学资源的开发、海洋能的发电、海水淡化工程以及海洋水下工程的开发利用等也迅速地建立起来，其中以海洋油气产业的发展最快。
目前，现代海洋工程已经使用了世界上最先进的技术，包括卫星导航和定位技术、遥感技术、通信技术、电子技术、水声技术、生物工程技术、造船技术、深潜技术、打捞技术等。这些先进技术的使用，使传统海洋开发走上高技术发展轨道，同时出现了许多高新技术领域，使海洋开发向全面利用及纵深方面发展。现代海洋技术是建立在现代海洋科技理论和其他技术领域最新成就基础上的跨学科的综合性高技术体系。现代海洋开发正在由浅海向深海大洋推进，无论其广度还是深度都是历史上空前的。
二、海洋探测技术
在当代海洋技术中首先获得发展的就是海洋探测技术，它是认识海洋、探测海洋资源的手段。人类用科学方法进行海洋科学考察已有100余年的历史，而大规模、系统地对世界海洋进行考察则仅有30年左右。
（一）海洋科学考察船
海洋科学考察船只又称海洋调查船，专供对海洋进行水文、气象、生物、矿产资源和物理、化学性质的调查研究。在60年代以前，全世界所获取的有关海洋资料中，95％左右是由科学考察船取得的。
进入70年代以后，尽管飞机、卫星等新的手段进入海洋探测领域，但科学调查船的地位却不可替代，科学考察船的数量仍在继续增加。据统计，70年代初全世界总共有科学调查船800多艘，10年后便增加了1600艘，其中美国300多艘，原苏联200多艘，日本180多艘。
（二）海洋卫星
从60年代开始，随着空间技术的发展，人们开始利用人造地球卫星从空中观测海洋，海洋探测技术跨入了卫星时代。自1972年以来，美国发射了"地球资源技术"1号卫星、"天空实验室"空间站、"海洋卫星～A"号卫星和"诺阿"系列卫星等全部或部分为海洋研究与探测服务。
1979年，原苏联也发射一颗专门的海洋卫星"宇宙1076"号。80年代，欧洲宇航局也发射了海洋监测系统卫星。1988年9月7日，我国利用"长征4号"运载火箭成功地把带有海洋观测通道的气象卫星"风云1号"送上了太空。风云1号卫星运行周期103s，每昼夜绕地球飞行14圈。它的5个通道中有2个用于海洋水色的探测，第五个通道探测海洋表面温度。现在风云2号也已经上天。
（三）潜水器
海洋科学考察船、海洋卫星等只能对海洋空间、水面进行观测，对海中以至海底的各种性质的探测无能为力。特别是70年代以后由于石油危机所导致的对海洋石油的需求刺激下，深海探测技术得到了很大的发展。潜水器既是深海探测的工具，又是进行水下工程的重要设备。
潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器。第一个有科学意义的潜水器是1934年美国制造的，是一个由水面船上吊放的钢球，可载人下潜到906m深处。1953年，法国人建成"底里雅斯特"号自航式潜水器，于1960年下潜到世界上最深的马里亚纳海沟，创深潜10916m的世界记录。然而，这一时期的潜水器主要用于深海探险，探索人类下潜深度的能力。60年代后，潜水器的发展才开始转向海洋探测与海洋开发作业。
无人潜水器又称遥控潜水器，也称海洋机器人。美国在50年代后期首先研制出缆控可回收的遥控潜水器。60年代，在军事需要的推动下，美国和其他工业发达国家在研制潜水器方面有很大的进展。1963年，美国核潜艇"长尾鲨"号沉没海底，1966年美国空军的一架B～52重型战略轰炸机将一枚氢弹掉落在西班牙附近的太平洋海底，需要有深潜设备进行打捞。美国海军由此启动"深潜系统"研究计划，相继建成了几艘无人潜水器。1973年爆发了世界第一次石油危机，促进了海底石油和天然气钻探开采事业的大发展，越来越多的水下作业任务促进了无人潜水器的发展，成为一种实用而经济的海洋技术装备。
三、海洋资源开发技术
（一）海洋矿产资源开发
1．石油和天然气开发技术
被人们誉为"工业血液"的石油，是人类社会发展的一种不可缺少的动力资源。随着工业化水平的日益提高，石油消费也急剧增长。随着陆地石油资源的逐步耗尽，人们开始把眼光转向了海洋。人们发现，不仅在大陆向海洋延伸的地区蕴藏着丰富的油气资源，而且在许多水深超过5000m、离海岸1500m以上的小洋盆或边缘盆也都找到了油气矿床。据估计，世界油气资源藏量很可能有1/3在大陆架，1/3在深海。因此，海洋将成为未来世界油气开采的重要基地。
石油和天然气的开发大致分为3个阶段：第一阶段是普查性的地球物理勘探，目的是寻找可能贮油、气的地质构造；第二阶段是在找到的构造上打勘井，包括打初勘井查明是否有油、气存在，以及打估价井来查明油、气的范围、类型、储量等情况，以便制定开采方案；第三阶段是打生产井并进行石油的采集、初步加工、贮存、运输等生产手段的建设，以及进行生产。
最初开发海洋油、气资源是用陆地上的办法，即在紧靠海边的海滨钻斜井，利用井身的斜度，使井底伸到海底的油层里。但斜井伸向海洋的水平距离毕竟有限，并不能从根本上解决海洋油气的开采问题。要想在茫茫大海里把油、气直接开采出来，首先要把钻机搬到海上，在海上直接建井，这就要求在海上建造一个稳定的井场。
为了解决这一问题，曾先后出现土堤法和在海水中修栈桥的办法。前者靠堆石镇土，采用修建人工陆地或人工岛来建立海中井场。后都则是把井场建立在桥面上，1896年，美国在加利福尼亚的圣巴腊巴海峡曾采用这种方法，在伸向海中的木质栈桥上钻井。
为了在更深更远的海水中开发油气，又出现了与岸无引桥相连的孤立在海中的海上井场----海上固定平台。固定平台经历了木质→钢质→钢筋混凝土重力平台的过程。钢筋混凝土重力平台在防止水腐蚀、节省钢材方面显示出很大的优点。同时，这种平台十分稳定，特别适用于风浪大、水流急的海域。海上固定平台的出现，为海洋油气资源的开采向远海、深海发展，提供了一个重要手段，标志着海洋石油和天然气开发进入了一个新的阶段。
2．深海锰结核矿的开发
深海锰结核矿的开发，是现代海洋矿产资源开发的另一项重要内容。锰结核又称多金属结核，是浅褐色至墨黑色的结核状矿物体，主要由锰组成，并富含铁、镍、钴等多种金属元素，具有很高的经济价值，广泛分布于水深4000～6000m的海底，估计总储量约为3×1013t，仅太平洋中锰结核中锰的含量就为陆地上的67倍，而且这种多金属结核还以每年1×107t的速度不断生长。
19世纪80年代英国的"挑战者号"探险船第一次采集到锰结核，目前，一些发达国家已经对锰结核进行了工业开采，并已取得了开采技术方面的成功经验。但是深海锰结核的开发十分复杂，必须解决两个问题，即深海勘探和深海采掘。在茫茫大海中找到适宜的开发矿区，须有现代化的勘探设备和方法，如深海照相设备、高速拖曳深海闭路电视系统、各种海底取样工具、荧光分析设备、物控系统以及船用卫星导航系统和各种海洋定位系统等。目前，旁侧声纳系统的研究和应用，船用计算机系统的采用，为锰结核资源的勘探增添了手段，提高了工作效率。
（二）海洋生物资源的开发
人类对海洋生物资源的开发利用虽然有悠久的历史，但直到近代，海洋生物资源的开发利用范围还是很狭窄。即使是现代，以干品计算，海洋也只为人类提供2％的食物。随着现代海洋技术的进步，人们对海洋生物资源的开发和利用正在发生根本性的转变。其主要内容是：
1．实现由常规捕捞技术向现代捕捞技术的转变
为了确保海洋渔业捕捞的高产稳产，世界各国都在努力实现捕捞技术的现代化。它主要包括三个方面的内容：
（1）鱼群探测仪器化
过去，渔民捕鱼是凭经验来探测鱼群的，现在已经开始使用现代化探鱼仪器，如电子探鱼器、红外探鱼器、声纳探鱼器、激光探鱼器。一些国家还利用资源卫星、飞机、电子计算机辅助侦探鱼群，也取得了良好的效果。1978年美国发射了两颗专业卫星和一颗实用卫星，借助于多光谱扫描设备和高分辨辐射仪，从实用卫星上获得渔业情报图，通过传真系统，提供给渔业公司和渔民，渔民利用这些渔业情报，从事金枪鱼、旗鱼和箭鱼的捕捞，取得了很大的效益。
（2）先进的诱捕技术
所谓诱捕就是利用某些鱼类的生活习性，创造某种条件把鱼群引诱集中，然后捕捞。目前人们根据鱼类对光、声以及特定的食物具有较强反应的原理，发明了光诱捕鱼和声诱捕鱼等多种先进的诱捕技术。光诱捕鱼是根据鱼类的趋光性，用光将分散的鱼诱集起来 ，然后借助其它渔具达到捕捞的目的。音响捕鱼就是在水中播放鱼发出的声音、恐吓鱼的声音和鱼所喜欢的声音来诱集捕捞鱼类。
（3）捕捞器具现代化和自动化
现在捕鱼使用最多的还是网具。在网具自动化方面，日本发明了网板自动收绞装置，实现了拖网的自动化。挪威为拖网渔业试制了一种综合数据显示系统，该系统用计算机综合处理来自船上各种仪器的数据，把渔船鱼具和鱼群之间的状态用图像展现在驾驶室的荧光屏上，从而实现用电子计算机自动控制操纵拖网的起放网装置和瞄准捕捞，使拖网捕捞完全自动化。捕捞技术的现代化，还包括鱼产品的初级加工处理。目前，现代化的渔船都配有浓缩冷冻加工和热处理装置。发达国家的远洋渔船还配有新式流动鱼类罐头厂。捕捞的鱼产品通过海上加工后，可以制成各种成品和半成品，使现代海洋渔业捕捞技术进一步向系统化方向发展。
2．实现由传统的自然捕捞技术向海洋农牧业的转变
海洋水资源虽然十分丰富，但也不是无穷无尽的。光靠捕捞技术的现代化来提高产量，不能满足人们日益增长的需要。而且过度捕捞和自然变异，还将导致近海、浅海渔业资源的急剧下降甚至枯竭。因此，海洋鱼类资源的开发利用必须改变有什么捕捞什么的传统，走海洋农牧化道路。
海洋农牧化包括海洋农业化和海洋畜牧化两个方面的内容。海洋农业化是指人工把海洋（包括海滩）围起来，搞池养、围养等，实现工厂化海洋水产品的生产。利用先进的技术设施，实现从饵料生产到投放，从鱼卵孵化到放养，从捕获到加工的完全工厂化生产。
海洋畜牧化是指把鱼苗放进大海或人工海洋牧场，通过放养和其他技术措施让鱼苗定期回游，然后捕捞，以充分利用海洋的自然生产力。海洋牧鱼主要有两种形式，一是通过筑坝、网围、"气泡帷帐"、"电栅栏"等方法，在海洋中圈定一个海域，在人造海洋牧场上牧鱼。另一种是利用海中各区域的不同的自然条件，让鱼类或其它生物只能生活在一定的海域，形成"自然牧场"。如日本正在积极进行鱼类驯化的研究。他们设想每次在给幼鱼喂食的时候，重复播放一种特殊的声音，使鱼类逐渐熟悉这种声音并形成条件反射。然后把幼鱼投放海洋牧场中去上膘，等到这些鱼类膘肥体壮以后再播放那种声音，经过驯化的鱼听到自己熟悉的声音，便会"自投罗网"。
3．实现海洋生物资源从单一获取型向综合利用型转变
海洋植物的综合利用就是要从海洋植物中充分地提取食物、饲料、原料和能源。海洋植物中含有多种维生素、脂肪酸等有机物质，利用这些植物可以制造肥料、饲料、醇类物质、琼胶、褐藻胶、叶红素、维生素、抗菌素以及沼气等产品。特别重要的是，海洋中的植物具有富集能力，能够富集海水中的化学元素。
目前，人类已能从海洋植物中提取碘、钾、溴、镁等物质。但是自然状态下的海洋植物的富集能力不是很强，因此，海洋生物资源利用技术的一个重要方向，就是要培养出具有很强富集能力，并能定向吸收特定物质的海洋植物新品种，建立海底农场，从事海底栽培。这也是海洋农业化的重要内容之一。
海洋动物资源的综合利用价值也很高，除食用、药用、制革、化工、橡胶、机器制造等领域的广泛应用外，在防止海洋环境污染、保护生态平衡等方面也大有作为。
4．蓝色革命
海洋生物资源的开发，受海洋本身的生产力和海洋食物网特性的制约。海洋生产力的分布主要取决于表层营养盐的更新速度。海洋表面阳光充足，如果营养盐丰富，则浮游生物多，生产力高。上升流区就是这种高产海域，也是大渔场的所在地。面积只占海洋面积0.1％的上升流区域，其海产捕获量占总产量的44％。"蓝色革命"就是计划创造人工上升流，在大洋中营造人工"绿洲"。因为深层水的温度只有8～9℃，而氮和磷分别是表层水的200倍和15倍，将这种深层水抽上来，遇到充足的阳光，就会形成一个产量倍增的新的人工生态系统。表层和深层的海水的温差，还可用来进行温差能发电。
5．海洋食品与海洋药物
在海洋生物资源开发中，除了直接食用海洋生物外，利用海洋生物特有的蛋白质、脂肪酸、无机盐和微量元素，加工海洋生物成特制海洋食品，形成新兴的海洋食品加工产业。将是提高海洋产品附加值，促进生活水平提高的一个手段。
海洋不仅可以提供食品，而且是人类未来的大药房。利用生长在海洋这一特殊生态环境中的海洋生物所积累的大量天然产物所具有的抗癌、抗菌、抗病毒等功效，提炼人类所需要的海洋药物，将是海洋资源开发的新热点。
（三）海洋化学资源的开发
1．提取海洋中的化学原料
在海洋资源中利用潜力最大的是海水本身的化学资源。目前，在陆地上发现的100多种元素中，已有80多种在海水中找到，其中有70多种已经可以提取。除了传统的海水提盐外，海水提取镁、溴，是海水化学资源提取工程中进展最快、经济效益最高的项目，其提取量是除食盐外最多的。在一些发达国家，镁的产量有将近一半是从海水中提取的，80％以上的溴也是从海水中提取的。
此外，各发达国家都在竞相研究从海水中提取重水、铀等核工业原料。重水具有相当大的能量，据估计，1吨海水中所含重水的能量，能把约4000吨20度的水化为100度的蒸汽。如果在理论上和技术上解决了可控热核反应问题，人类将一劳永逸地解决能源问题。
2．海水淡化工程的开发
地球尽管是一个巨大的水球，但其总水量的97.2％是海水，淡水仅占2.8％，而且大部分是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永久积雪。因此，人类真正可以利用的淡水只是江河湖泊以及地下水的一部分，它们只占全球淡水储量的0.34％。由于种种原因，淡水资源的缺乏目前已成为生存与发展的世界性问题。
海水淡化就是用化学的或物理的方法除去水中所含的盐分，以获取淡水。通俗地说，也就是海水脱盐技术。海水淡化是解决人类水资源缺乏的根本途径。正因为如此，从50年代起，一些发达国家就竞相进行海水淡化技术的研究。
目前，海水淡化的方法已发展到20多种，但其中技术上成熟，经济性能好、运用较多的则是蒸馏法、电渗析法、反渗透法和结晶法四种，其中蒸馏法、电渗析法等都已达到了工业生产的规模，为解决某些国家的"水荒"问题发挥了重要作用。现在，全世界海水淡化装置达2204个，总造水能力每天727万吨。科威特是世界上海水淡化产量最高的国家，日产淡水已达20多万吨。
建立海水综合利用工厂，在生产淡化水的同时，对海水中其他化学资源进行回收利用，是降低成本、增加收益的重要途径。目前，海水综合利用技术已有发展，从海水中直接提取钾、镍、碘的工作也有了一定的基础。
（四）海洋能源的开发
海洋中除了蕴藏着油气这类不可再生的能源外，还有巨大的可供开发利用的再生能源，如波浪能、海流能、潮汐能、温度差能、盐度差能等。海洋能源的特点是蕴藏量大、可再生、干净而不污染环境；但能量密度较低，如进行大规模开发利用，必须安装结构庞大的转换装置。目前正在开发的海洋能源主要是：波浪能、潮汐能、海洋温差能、海流能和盐度差能等。
（五）海洋空间资源的开发
海洋空间包括海洋面上空间和海洋"水内空间"。海洋的"水内空间"是一种特殊的空间，有人把它称为地球的"内空间"。海洋空间资源的开发利用必然是朝着海洋面上和水下两个方向发展。海洋环境是个比较稳定的环境，人类可以充分利用海洋空间，发展工矿企业和海洋农牧场，使人类部分活动仍回到生命发源地的海洋中去。如果把太平洋整个的空间开发利用起来，就等于把整个陆地扩大了1倍多。所以开发海洋空间具有长远而巨大的意义。
20世纪60年代以来，随着科学技术的发展，特别是海洋技术的进步，不断把新型建筑材料应用到海洋工程之中，使人们能够在海面开发新的活动空间，建立各种海上浮动设施。如日本在巴西建设了世界上第一座浮动工厂----巴西利亚纸浆厂。新加坡在海上建起了目前世界上最大的海上旅馆。德国在海上建起一座日产1000吨氨的浮动化工厂。随着海洋开发的深入和发展，人类将逐步把海洋空间作为生活空间和生产基地利用。预计在21世纪，海上城市、海上机场、海上工厂、海上油库以及海底城市、海底工厂、海底军事基地、海底农场等水下项目，将逐步建立和发展起来。
从以上几个方面，我们可以看到海洋工程的一个大体轮廓。海洋工程作为一门综合性很强的科学技术，正在不断地与各项现代科学技术成就的应用紧密联系在一起。可以肯定，现代科学技术 上的每一项新的成就，都将给海洋工程的发展带来新的推动力，使海洋技术产生一系列的重大突破。海洋开发的深度广度将越来越大，并逐步向着全面开发利用海洋资源、能源和空间的方向发展。

第八节 空间技术

现代空间技术又称航天技术或宇航技术，它是研究如何使空间飞行器飞离大气层，进入宇宙空间，并在那里进行探测、研究、开发、利用等活动的一门高度综合性技术。可以说，现代空间技术是现代科学技术发展的结晶。现代空间技术的发展主要包括三个方面：航天器技术、运载器技术和测控技术。
一、空间技术的历史
从历史上看，人类的活动范围经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，再从大气层到外层空间的逐步扩展过程。外层空间是地球稠密大气层之外的空间，简称空间或太空。如果说陆地是人类的第一环境，海洋是人为的第二环境，大气层是人类的第三环境，那么，外层空间就是人类的第四环境。
人类进入第四环境，是自古以来的梦想，然而，这比进入第二、第三环境更要困难得多，他必须克服如下四道难关：1、克服地球甚至太阳系的万有引力。2、克服真空3、适应剧烈变化的温度环境、4、防止有害辐射。
（一）火箭运载技术的发展
人造天体是依靠火箭来发射的。因此，火箭是空间技术的基础，它的研制和发射打开了人类通往宇宙空间的大门。
1. 原始火箭的发明
火箭的发明和发展有着漫长的历史，经历了艰难而曲折的历程。我国是世界公认的火药和火箭的发源地，世界上最早的火箭也是我国发明的。公元970年，宋朝的唐福献制造了世界上最早的原始固体火箭。它是靠黑火药燃烧喷射的高速气流的反作用，把箭头射向目标。到了元明时期，火箭的制造有了很大的改进，出现了将多个火箭绑在一起以增大推进力的"捆绑式"火箭"神火飞鸦"和将两个火箭连接在一起的"二级"火箭"火龙出水"；还制造出可以先后按不同方向飞行的"多向"火箭。当时的火箭主要应用于军事方面，成为"军中利器"。其作用远远超过常规冷兵器。但由于当时科学技术的限制，火箭技术一直发展很慢，甚至濒临淘汰，而其利用火箭喷射产生反作用力的原理，却保留了下来。
2. 现代火箭技术的诞生
现代火箭技术是19世纪末开始的。俄国科学家齐奥尔科夫斯基第一个把古老的原始火箭与宇宙飞行联系起来，成为空间科学技术的奠基人之一。他首先认识到火箭是人类探测宇宙的基本工具，而排气速度则是火箭发动的关键。在此基础上，他提出了火箭推力的大小与火箭发射前后的质量比的对数成正比的著名公式，为提高火箭的发动能力以及后来设计多级火箭奠定了基础。他还提出多级火箭和惯性导航的概念以及大型液体火箭的设想和设计原理。他的这些思想，为现代火箭和空间技术奠定了理论基础。1926年，美国火箭工程师戈达德发射了世界上第一支液体火箭。
二次世界大战期间，在奥伯特、冯·布劳恩等科学家的主持下，终于在1942年成功地发射了第一种液体军用V～2型导弹。全长为14米，总推动力为27.2吨，最大时速5500千米，最大射程为300千米。它还具有地面垂直起飞、自动控制等特点。V～2火箭的研制成功，标志着长程高飞行火箭的巨大进展。它实际上是现代航天运载器的雏型。
3. 现代火箭技术的发展
二次世界大战以后，美、苏两国成了V～2火箭成就的继承者。1957年3月，前苏联研制的第一枚洲际导弹SS～6首次发射成功，总推力达504吨。同年10月，前苏联就是利用这个装置，把世界上第一颗人造卫星送上太空，从而开创了人类的空间时代。1967年11月，美国专为运载阿波罗航天器研制的三级箭土星～V首次飞行成功，后来它成功地把"阿波罗"飞船送上了月球，成为现代火箭技术的最高成就之一。
（二）航天器技术的发展
航天器技术是指对航天器进行设计、制造、发射、跟踪和控制的技术。目前，它的核心是人造卫星、航天飞机、航天站的制造和使用技术。
1. 第一颗人造卫星的上天
二次世界大战后苏联在德国长期研究的火箭技术基础上，进行空间理论和有关技术的研究，到了50年代后期已经具备了发射人造卫星的能力。1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星"伴侣号"由前苏联用USSR～1三级火箭成功地送入地球轨道，拉开了空间时代的序幕。
2．第一颗载人地球卫星被送入轨道
1961年4月12日，前苏联终于在世界上首次实现了载人飞行。由宇航员加加林驾驶的第一颗载人卫星"东方号"被送入轨道，总共运行了108分钟，绕地球一周后胜利返回了地面。这一壮举有力地证明了人类完全可以进入太空，从而开辟了人类航天的新纪元。
3．载人宇宙飞船登月的成功
50年代末到60年代初，美国为了缩短与前苏联的"空间距离"取得空间优势，于1961年正式提出"阿波罗登月计划"。在5月25日国会上，美国总统肯尼迪正式宣布实施。前后动员了120所大学，2万多家企业，400多万人参加，共耗资240亿美元。1969年7月21日，"阿波罗～11"登月飞船终于按时发射，成功地把两名宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球，人类首次在月球上留下了深深的脚印，迈开走向宇宙空间的一大步。
4．航天飞机和宇宙空间站的发展
自古以来，人类就向往像乘船在大海中航行一样乘坐宇宙飞船在太空中航行。航天飞机的出现，揭开了航天史上崭新的一页。航天飞机是一种新型的航天运输工具，是一种有人驾驭的、可重复使用的航天飞行器，它是火箭、载人飞船和航空技术综合发展的产物。
最早实现载人空间飞行的是原苏联。原苏联曾先后研制发射了"东方"系列、"上升"系列和"联盟"系列飞船。
美国后来居上。从1970年开始正式研制航天飞机，投资了70亿美元，动员了47个州的科技单位，终于在1978年研制成功了"哥伦比亚号"航天飞机载着两名宇航员首次飞上太空，经过54个半小时的飞行，绕地球36周后安全着陆。美国用于载人的空间飞行的工具有"水星"系列、"双子星座"系列和"阿波罗"系列飞船等
航天器技术发展的另一个应用手段是宇宙空间站，前苏联叫轨道空间站。它是一种在太空轨道上运行的空间基地，是一种载人的从事太空活动的巨型人造卫星体。这种航天器不仅可以用来进行太空实验、工业生产，在国民经济建设中具有重要作用，而且可以作为空间军事基地进行作战指挥、控制、侦察、通信、反卫星、反导弹、以及在空间进行维修航天器。
（三）测控技术的发展
测控技术是对运载器发射过程和航天器在空间活动过程进行监测和控制的技术。现代测控技术把测距、测角、测速、遥控和语音、图纸、数据传送等技术综合在一起。工作可分为：从升空到运行的测控，从绕地到定点的指挥，从脱轨到返回的操纵等几个阶段。
1．从运载火箭升空到运行的测控
这主要是指航天器随火箭离开发射台进入太空之后，成为一种"看不见摸不着"的状态，要跟踪和测量火箭的运行状态，航天器的飞行路线，掌握其工作状态，预报其运行轨道，以及改变其运行轨道，只能运用各种电子设备，通过无线电波手段取得联系。
地面测控系统的建立，要根据航天器的预定飞行轨道和任务，在陆地上布置以控制计算中心为核心的多处测控站，在海洋上布置以测量指挥船为核心的测控船队和岛屿测控点。它们的主要任务是：跟踪并接收、记录遥测信息，并及时向测控计算中心传送，在跟踪的基础上进行计算，作出航天器运行轨迹的预报；控制计算中心要综合并计算各种数据，及时报告航天器的工作状态，通过地面遥控系统，向航天器发出指令，进行遥控。这些工作的总目标是为使航天器达到预定轨道，实现正常工作。
2．从绕地到定点的指挥
这一般是指对地球同步卫星，如通信卫星等航天器的测控。这一过程对设备提出较高的要求，需要大功率、高灵敏度、超远距离的测控设备。这一过程的目的是使卫星从近地大椭圆轨道进入高达35786千米的静止轨道。所以对卫星的空中姿态漂移状况要有极其严格的控制，使其最后进入并定点于某一经度的赤道上空。这一过程主要要做以下几方面的工作：①要测量航天器与运载火箭分离后的卫星轨道参数；②遥测监视其工作情况和姿态；③控制航天器向预定定点轨道漂移，并使之到达预定轨道时，使航天器（卫星）停止漂移并使其运行周期与地球自转周期相近。
3．从脱轨到返回的操纵
把航天器发射上空是一件极不容易的过程。但要使其从宇宙空间，按人的意志返回地面指定的地点（包括海面），同样相当困难。到目前为止，世界上只有3 个国家具有航天器回收的技术能力，我国是其中之一。
对返回式航天器的测控，不仅对航天器本身提出特殊要求，如接收指令灵敏度；航天器耐高温材料的高要求；一系列着陆系统等，而且对地面测控系统提出更高的特殊要求，就是不仅能对发射、升空、运行等有跟踪测控能力，而且能对航天器脱离轨道，进入大气层、回收等准确无误的进行测控，这是难度更大的技术。
二、主要空间技术
通常人们认为，运载器、航天器和地面测控技术是空间技术的三大支柱。
（一）运载器技术
运载器是把航天器送入外层空间的工具，技术关键是能量足够强大的动力装置。运载火箭是最主要的运载器。
用于发射航天器的现代运载火箭大多为三级火箭。火箭主要由箭体结构、推进系统、制导系统三大部分组成。
1．箭体结构。箭体结构的功能是安装与连接有效载荷（卫星、宇宙飞船）、仪器设备和动力装置等。有效载荷在火箭的顶部，外面设有整流罩。整流罩用来保护有效载荷，在火箭飞出大气层后即被抛弃。
2．推进系统。推进系统由发动机和推动剂输送系统组成。现代运载火箭大多采用液体推进剂，例如，第一、第二级可用液氧和煤油作推动剂，末级使用液氧和液氢作推动剂。推进系统能产生强大的动力，使运载火箭达到预定的速度，从而把卫星、宇宙飞船等有效载荷送入太空。
3．制导系统。制导系统的作用是测量并控制火箭的飞行姿态、位置和速度，以保证火箭能够按预定路线飞行，并控制火箭发动机的开关，使卫星等航天器精确地进入轨道。
（二）航天器技术
航天器技术又称空间飞行器技术，其种类很多。
1．人造地球卫星的原理
天文学上所讲的卫星，是指沿着一定轨道环绕一颗行星运行的较小天体。如月亮，就是地球的天然卫星。一个地面上的物体，一旦被发射到天空一定高处并沿着一定的轨道绕地球运行，那么它就是一颗人造地球卫星了。
尽管已发射的卫星重量、大小、形状各异，轨道各不相同，用途也差别很大，但它们却遵循着共同的基本原理。
（1）三个宇宙速度
人类要进入太空，一个必要的前提条件就是克服引力。按照科学计算，当物体速度达到第一宇宙速度，即7.9km/s时，就能克服地球引力的吸引而不致掉落在地球上，成为像月亮一样的地球卫星。
如果卫星的速度比第一宇宙速度大，那么它绕地球飞行的轨道将是一个椭圆。卫星速度越大，椭圆变得越扁。速度增大到某一数值时，卫星就会挣脱地球对它的引力，沿抛物线进入太阳系。达到这一数值的速度，就是第二宇宙速度。以这一速度逃离地球的卫星永远不会返回地球，成为像地球、金星、火星、木星等一样的太阳行星，所以第二宇宙速度也叫"逃逸速度"。
如果卫星的速度比第二宇宙速度还大，这时连太阳的引力也吸引不住它了，这颗卫星就可以摆脱地球与太阳系引力的吸引，沿双曲线轨道飞出太阳系，进入茫茫的太空。这个速度称为第三宇宙速度，它的数值为16.6km/s。
（2）人造地球卫星的发射
通常将人造地球卫星送入地球轨道的方法有三种，第一种就是用运载火箭发射。用运载火箭发射人造地球卫星时，运载火箭从地面起飞到进入预定的轨道分为三个阶段。在加速飞行阶段，运载火箭由地面垂直起飞，在发动机推力的作用下，运载火箭飞出稠密的大气层，到达预定高度和速度时熄火。然后，火箭依靠惯性飞行。最后，当它达到预定的轨道时，运载火箭再一次点火，以将其加速到必要的入轨速度并调整入轨的方向，然后把卫星从火箭头部弹入轨道。
第二种方法就是用航天飞机发射。当航天飞机进入地球轨道后，利用机械装置将卫星从货舱中取出，直接送入地球轨道。
第三种方法就是用飞机发射。1990年4月，美国一架B～52飞机曾携带"飞马座"运载火箭起飞。当飞机升到离地面12km的高空时，火箭脱离飞机，将一颗卫星送入450km的预定轨道。
（3）人造地球卫星的轨道
卫星是在距离地面不同的高度被弹射入轨的。卫星轨道的形状、大小、位置，都是由卫星在一定高度入轨时的速度大小和方向决定的。卫星的轨道主要有以下几种：
圆轨道。圆轨道具有与地面等距离的特点，侦察卫星、导航卫星、通信卫星大多采用这种轨道。要使卫星在圆轨道上绕地球运行，必须使它的入轨速度的大小与入轨点的环绕速度相等，并且入轨的方向与入轨点的地平线平行。
静止轨道。这是圆轨道的一种。这种卫星轨道所在的平面与地球赤道面重合，高度为3.58×104km。卫星在这种轨道上运转的角速度同地球自转的角速度相等，因此，从地面上看，卫星好像是不动的。静止轨道是通信卫星常用的轨道。
椭圆轨道。卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，离地球时远时近，科学观测卫星一般采用这种轨道。
极地轨道。当卫星的轨道平面与赤道平面垂直时，卫星轨道就包含地轴，卫星也就飞经南北两极上空，这时的轨道称极地轨道。在极地轨道上运行的卫星，可以观察到全球表面，因此，侦察卫星、导航卫星、气象卫星等都采用极地轨道。
太阳同步轨道。所谓太阳同步轨道，是其卫星轨道平面每天向东移动0.9856度，从而确保太阳光照射方向相对于卫星轨道平面的角度保持不变。很多气象卫星和资源卫星、侦察卫星都采用这种轨道。
2．人造卫星的类型
（1）通信卫星
通信卫星是用于中继无线电通信信息的人造卫星，相当于太空的微波中继站。其专用系统由通信转发器和通信天线组成。其任务是将接收到的无线电信号处理后进行转发，以实现卫星通信。为了保证通信专用系统正常工作，卫星上还设有各种保障系统。通信卫星按运行轨道分为静止通信卫星和低轨道通信卫星。按用途分为专用通信卫星和多用途通信卫星，前者如国际通信卫星、国内通信卫星、直接广播卫星、军用通信卫星，后者则如军民合用的通信卫星，兼有通信、气象等功能的多用途卫星等。
（2）对地观测卫星
对地观测是空间技术活动的主要应用目标之一。对地观测卫星通常利用可见光、红外线或微波辐射等手段，来摄取目标的有关图像，因而可提供地球大气、地质、海洋、动植物、生态等大量信息，从而为人类对地球资源的开发和管理、自然灾害的预防和监控提供非常有效的手段。目前，主要的对地观测卫星有气象卫星、海洋卫星、地球资源卫星、军事侦察卫星等。
（3）导航卫星
导航卫星是一种安装有导航台的卫星系统。导航卫星系统的出现，从根本上解决了大范围、全球性以及高精度快速定位的问题。无论在大洋大海，无论多么恶劣的环境，只要是导航卫星发送的无线电波能够到达的地方，地球上的所有交通工具就能通过与它的无线电沟通进行测距，计算出自己在地球上的位置，从而沿着正确方向前进。
（4）天文观测卫星
可以利用人造地球卫星装载天文望远镜等仪器在大气层外长时间地对宇宙进行天文观测。这种方法可以突破地球大气层对各种天体发出的各种波长的电磁波的阻挡，从而使人们获取有关宇宙的更多信息。
（5）军用卫星
人造地球卫星自产生后，即被迅速地应用到军事领域。据资料，在已经发射的4000多颗卫星及其他航天器中，有70％直接或间接用于军事目的。
3．卫星导航定位系统
导航卫星全球定位系统（GPS）是一种以卫星为基础的无线电导航系统，空间将由18－24颗分布于6个轨道面的卫星组成。全球各地用户随时可见4颗以上的卫星，通过无线电捕获卫星上发出的距离码，进行测距或测速，计算出自己在地球上的位置。其定位时间短、精度高，对民用开放的粗码，定位精度约100米。
导航、定位和通信三者有机结合在一起，增加了中心站的运行控制功能，便于交通管理。在长途公路、内河与近海航运及铁路系统中运用，可提高各交通系统的安全运行；用于矿产和石油部门，可提供救援、救急通信、在边远及农村地区提供通信和寻呼功能；其军事效用更是不能低估。导航卫星按导航方法分为多普勒测速导航卫星和时间测距导航卫星。前者供用户测量导航信号的多普勒频移求出距离变化率，进行导航定位；后者供用户测量导航信号传播时间求出距离，进行导航定位。
4．航天飞机和地球轨道空间站
为确保人的安全生存，载人飞行需解决一系列更为复杂的技术问题。运载火箭和飞船的每个元件必须有高可靠性；飞船及发射和回收阶段的运行设计要适合人的生理特点；主要的生命保障系统要有备份，使飞船的重量增加，则就要求火箭须更强大；载人航天还要严格训练宇航员。空间站是长期围绕地球运动的空间基础，结构更为复杂，规模也大，需要的密封的居住仓，与运载器对接的对接过渡仓以及贮藏用的资源仓，还需要可以进行科学试验的试验仓。
（三）发射场、返回着陆场、测控和地面系统
1．发射场和返回着陆场
航天器发射场指运载器将卫星载入航天器，按预定时间和发射时间要求送入空间的整套设施。发射场的设施非常复杂，包括发射指挥中心；生产液氧、液氮、液氢的工厂；推进剂的站存和加注设备；废气和废液处理设备，对接和测试厂房；发射工位和发射架；各种光学和无线电测量设备以及时间统一勤务系统、数据处理设备等。
航天器的返回需着陆场。有三种航天设备需要返回地面：对地观测卫星收容器、载人飞船返回仓、航天飞机。三者按顺序由易到难，以航天飞机的着陆场要求最高。返回或观测卫星无机动能力，仅靠返回制动时的位置、速度和风速等因素确定位置，所以回收区很大，一般为几百平方公里的平坦地区；载人飞船的返回仓可通过控制滚动控制方向，可在低高空采用可控护翼伞做纵横距离漂移，所以它的回收区缩小至100平方公里；航天飞机可以滑翔飞行，具有2000公里的横向机动能力，着陆场的固定跑道长2000～2400米。其着陆场的设备很复杂。
2．测控技术和地面系统
航天器空间航行，需和地面指挥中心保持通畅的指挥和业务联系。在航天器上安装收发机和天线，在地面则对其进行跟踪、遥测、遥控和保持通信联系。由于卫星与地球各自的运行轨道，航天器的相对运动非常复杂，是绕地飞行的封闭曲线。地面要与其保持联系，必须布设大量跟踪站，陆地上不够，就用海上测量船，甚至用测量飞机补充，测控系统必须具备跟踪、遥控和遥测三种功能。由于航天器还有许多功能，如通信、对地观测、导航等，要把这些信号传回地面，卫星作为中转站，要执行地面指令，所以地面还要有相应的通信线路，有许多地面站专门保持与卫星的信息"供求"联系。
标准地面站包括天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和电源系统等六大系统。地面站的中央控制室内，有通信和电视的终端设备、调制～解调设备、频率变换设备、通信、电视和跟踪的监视控制设备以及大功率发射机和低噪声接受机设备等。
三、现代空间技术的影响
现代空间技术不仅在国民经济、科学研究、军事国防等许多领域发挥着越来越大的作用，而且对整个人类社会的发展都产生了重大的影响。
（一）对科学研究的影响
空间技术的发展为科学研究提供了崭新的手段，扩大了研究领域，对当代科学技术的发展产生了深远的影响。过去人们只能从地面上观察宇宙和星体，人造卫星上天后，人们不仅可以在地面上观察，而且可以在上站观察，甚至亲自登上其他星体，这些大大开阔了人类的眼界，使人类的观测和探测手段发生了革命性的变化。
例如，人们通过空间技术，成功地获得了有关地球、月球、太阳系其他行星以及深远的恒星世界的大量新的资料。1976年，美国"海盗号"飞船成功地在火星表面着陆，拍摄了1万多张火星的照片，通过分析这些照片，使人们了解了火星地表、地貌的复杂情况。空间技术还使人们测得了木星的引力场与磁场、土星磁场的磁场图等。
（二）对信息技术的影响
当今卫星在全球信息沟通的过程中起着不可替代的作用。因此，空间技术深刻地影响着信息技术和信息社会
1．变革了通信手段
远距离通信手段在通信卫星上天之前主要是无线电短波、同轴电缆和微波地面中继。无线电短波易受干扰，同轴电缆载波通信的铺设和维护成本很高，地面微波中继需每隔50千米左右设立一个微波中继站，把微波信号像接力那样一站站地传下去，而设置许多中继站需耗费巨额资金，特别是在崇山峻岭和浩瀚的海洋上建立中继站就更加困难了。有了通信卫星后，通信卫星作为一个信息传递的枢纽，起到微波中继站的作用。只要在赤道上均匀地分布3个卫星，就能覆盖全球，实行全球通信，同时通信卫星覆盖范围广、通信质量好、可靠性高、通信容量大。
2．推动信息科学的发展
通信卫星的出现，大大加强空间传输信息的手段。今天它和其他现代化通信工具一道，正在和计算机网络相连接，建立起全球通信网，从而把世界联成一个整体。目前，各国发射在静止轨道上的国际通信卫星已近百颗，利用卫星通信的国家和地区已有172个，卫星通信占70％。全球已建立的卫星地面站已达万座以上。全球通信网主要依靠定点通信卫星，这种卫星定点在3.58万千米高空，能覆盖地球上的最大跨度达1.8万多千米，相当于360多个中继站组成的微波中继线路。
（三）对经济建设的影响
空间技术作为当今世界新兴技术的一个组成部分，对促进国民经济发展，发挥越来越重要的作用。
1．勘测地球资源
利用地球资源卫星可以完成多种任务。①勘测资源。不仅可以勘测地球表面的森林、水力和海洋资源，还可以勘测埋在地下和海底的矿物资源。②监视地球。可以观察农作物长势，以便估计农作物产量，还可以发现森林火灾、预警火山爆发，预测预报地震，监视农作物的病虫害以及地球环境的污染情况等等。③地理测量。据此绘制出地球的地质构造、地型和地理图。此外，利用卫星还可以监视鱼群，指挥渔轮进行捕捞等。
2．预测和预报气象
气象卫星的出现使气象的观测发生了重大的改革。过去人们只能探测低空的气象状况，气象火箭只能得到局部地区的短期气象资料。而气象卫星观测的范围大、时间长，可以不受地理条件限制。它的各种气象探测仪器，能拍摄全球的云图，并且是从上到下地拍摄，因而可以测量全球大气随不同高度的分布情况，测量海面温度、风速和风向等数据。这就大大提高了气象实时性、准确率和长期预报的可靠性。目前，全世界共发射160颗气象卫星，形成了全球气象卫星网。一些国家正计划用若干个气象卫星，组成一个全球气象卫星观测网，预报15天左右的气象，并提出研究气候变迁的资料。
3．测地和导航
地球并不是一个真正的圆球。过去由于各种自然条件的限制，人类未能全部认识地球的真面貌。现在用测地卫星可以精确测定地球的形状和大小，测量出地理坐标，更正以往地图上的错误，它还能测量出地球引力随高度的变化。这些数据在计算导弹的命中精度和人造卫星的轨道时，都是经常用到的。目前，卫星已用于对全球的大地测量，1970年利用分布在23个国家的43个地面站对测地卫星进行观测，为建立全球三维测量网奠定了基础；1971年执行的国际卫星测地试验计划则包括更多的国家。这为精确绘制世界地图提供了先进的手段。此外，测地卫星还可以测量出地壳的漂移情况，为地震预报提供依据。
航空和航海都离不开导航系统，导航卫星可为飞机、舰船等提供高精度、全天候、全球覆盖和三维定位的连续导航信息。1960年，美国发射了世界第1颗"子午仪"导航卫星，取代了传统的无线电导航系统。
（四）对现代战争的影响
发展空间技术的最初原因就是由于军事的需要。因此，随着空间技术的发展，空间技术和现代战争的关系更为密切。
1．引起作战方式的变革。人们可利用航天器对陆、海、空战场的支援保障，攻击敌人的卫星，并在卫星引导下进行弹道导弹突袭和反弹道导弹作战
2．引起军队作战指挥方式的重大变革。卫星的应用扩大了军队作战指挥的范围，提高了军队作战指挥的效率，增强了军队作战指挥准确性
3．产生新一代武器。如定向能武器，包括高能激光、粒子束、等离子束和强微波射频4种武器。它们的共同特点是用高能量射束杀伤和摧毁目标。动能武器，即利用高速运动弹头的动能通过直接碰撞来摧毁目标的武器系统。它包括非核动能拦截弹、电磁炮和碰撞卫星等。
四、空间开发的前景
开发太空的能源。从60年代初，人们已开始利用太阳能发电来维持人造卫星的正常工作。随着高效率低成本的半导体光电转换器的研制和使用，太阳能将进一步作为近地空间飞行器的主要能源。
建立宇宙空间工厂，利用宇宙空间许多得天独厚的条件，如失重、高真空、强辐射、超低温等，加工，生产新材料，还可以建立地球上无法实现的理想的科研和生产基地。一方面可用作各种航天器的维修、加工和组装，另一方面又可建立与地面工厂绝然不同的宇宙工厂。
太空居所，在太空建立适合人类居住和生活的场所，即空间居住区。在那里人们不仅可以在空间环境中进行有效的工作，而且还有住宅、医院、工厂、农场等区域，用以保证人类生活的各种需要。
开创空间产业和实现太空人类化，这将是21世纪空间技术的发展趋势。

第九节 环境保护技术

一、环境监测与分析技术
环境监测与分析是环境保护的"耳目"，是防治污染、预测趋势、寻找污染根源、了解污染影响的重要技术。它的内容包括监测技术和污染物分析方法两个方面。前者包括采样和布点的方法、 质量控制和质量保证、监测数据处理方法等；后者包括环境标准样品的制备、样品保存和前处理的方法、样品中各种污染物的成分分析、状态结构的测定方法等。
环境监测是利用各种现代分析测试仪器和设备对环境中或污染源排放的污染物进行瞬时、定期或长期的监视测定。环境监测可分为：一是监视性监测，即常规监测，主要了解污染的状况与变化趋势、评价环境质量、积累基本数据；二是科研性监测，是研究污染物的性质及其迁移转化规律和最终的归宿，及对环境的影响和生态的效应；三是事故性监测，对污染事故的应急监测。按监测的对象，则可分为大气监测、水体监测、土壤监测、生物监测、噪声监测和放射性监测等。环境监测的过程一般为：现场调查--监测计划设计--优化布点--样品采集--运送保存――分析测试--数据处理――综合评价等。从信息技术角度看，环境监测是环境信息的捕获--传递--解析--综合的过程。只有在对监测信息进行解析、综合的基础上，才能全面、客观、准确地揭示监测数据的内涵，对环境质量及其变化作出正确的评价。环境监测的对象包括：反映环境质量变化的各种自然因素、对人类活动与环境有影响的各种人为因素、对环境造成污染危害的各种成分。
（一）环境监测
1.环境监测的发展
环境污染虽然自古就有，但环境科学作为一门学科是在二十世纪70年代才开始发展起来。最初危害较大的环境污染事件主要是由于化学毒素造成的，因此，对环境样品进行化学分析以测定其组成和含量的环境分析就产生了。由于环境污染物通常处于痕量级（ppm、ppb）甚至更低，并且基体复杂，流动性变异性大，又涉及空间分布及变化，所以对分析的灵敏度、准确度、分辨率和分析速度等提出了很高的要求。因此，环境分析实际上是分析化学的发展。这一阶段称之污染监测阶段或被动监测阶段。
到了70年代，随着科学的发展，人们逐渐认识到影响环境质量的因素不仅是化学因素，还有物理因素，例如噪声、光、热、电磁辐射、放射性等。所以用生物（动物、植物）的生态、群落、受害症状等的变化作为判断环境质量的标准更为确切可靠。此外，某一化学毒物的含量仅是影响环境质量的因素之一，环境中各种污染物之间、污染物与其他物质、其他因素之间还存在着相加和拮抗作用。所以环境分析只是环境监测的一部分。环境监测的手段除了化学的、还有物理的、生物的等等。同时，从点污染的监测发展到面污染以及区域性的监测，这一阶段称之为环境监测阶段，也称为主动监测或目的监测阶段。
监测手段和监测范围的扩大，虽然能够说明区域性的环境质量，但由于受采样手段、采样频率、采样数量、分析速度、数据处理速度等限制，仍不能及时地监视环境质量变化，预测变化趋势，更不能根据监测结果发布采取应急措施的指令。80年代初，发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段，监测仪器用电子计算机遥控，数据用有线或无线传输的方式送到监测中心控制室，经电子计算机处理，可自动打印成指定的表格，画成污染态势、浓度分布。可以在极短时间内观察到空气、水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指令、通告并采取保护措施。这一阶段称为污染防治监测阶段或自动监测阶段。
　2.环境监测技术概述
环境监测的技术通常有常规监测技术、 自动监测技术、遥感监测技术、生物监测技术、污染源监测技术、环境污染流动监测站和环境连续自动监测系统等。
（1）环境常规监测。是按照通常规定的环境监测项目和通用的监测分析方法，所进行的环境监测工作。一般按国家环境标准中规定的污染物或项目，进行监测。
（2）环境自动监测。是应用连续自动运行的监测仪器和设备进行环境污染物的自动化监测，这是现代环境监测的发展趋势。用于自动监测的仪器，大多是单项测试的，如二氧化碳、氮氧化物（一氧化氮和二氧化氮）、臭氧和一氧化碳等专用的自动监测仪。用于水质的有pH值、电导率、浊度、化学需氧量（COD）、溶解氧量（DO）等连续自动监测仪器。
（3）环境遥感监测。或称环境遥感遥测，是利用光学的、电子学的遥感仪器从高空或远距离处接收地球表面被测物体或污染物的反射、辐射的电磁波信息，经过处理转换成图像或计算机记录的数据，显示污染的状况。常用的有摄影机、红外辐射仪、微波辐射仪、微波雷达和激光雷达等。
（4）环境生物监测。利用生物对环境污染产生的反应和变化进行环境污染程度的监测和评价环境质量状况的一种生物技术。自然界有对污染物敏感反应的生物，称为指示生物，包括自然指示生物、活性污泥指示生物和有毒物质指示生物等。可利用指示生物的特性对大气、水体和土壤环境的污染物进行监测。生物监测有动物监测、植物监测和微生物检测。
（5）污染源监测。通常指人为污染源包括固定源和流动源排放口的检测，如工业生产排出的废气、废水、固体废渣，居民区的污水、垃圾，汽车、火车、轮船等排出的废气等。污染源排出的污染物浓度和种类往往高于和多于环境中的，因此，它们的监测和分析的方法不同于一般环境污染的监测。我国颁布了《大气污染物综合排放标准》，规定了33种大气污染物的最高允许排放浓度、最高允许排放速率，还对若干行业性的国家大气排放标准和采样、分析方法等作了规定。
（6）环境污染流动监测站。它是对环境中各种污染物能连续自动测量，并可随时移动进行现场监测的一种设施，如大气监测车和水质监测船。
（7）环境连续自动监测系统。在一个区域内，由一个中心监瞩站和若干个固定监测分站，并配备数据通信系统，组成环境监测的网络系统。这类系统的各监测分站都配备统一的采样器。连续自动监测的仪器进行连续自动采样和测定，并将数据连续自动地处理，通过有线或无线电系统传输到中心站，中心站将收集到的监测数据存人数据库，并向有关污染源、行政管理部门发出警报等信息。
3.监测技术的发展趋势
目前监测技术的发展较快，许多新技术在监测过程中已得到应用。如GC－AAS（气相色谱一原子吸收光谱）联用仪，使两项技术互促互补，扬长避短，在研究有机汞、有机铅、有机砷方面表现了优异性能。再如，利用遥测技术对整条河流的污染分布情况进行监测，是以往监测方法很难完成的。
对于区域甚至全球范围的监测和管理，其监测网络及点位的研究、监测分析方法的标准化、连续自动监测系统、数据传送和处理的计算机化的研究、应用也是发展很快的。在发展大型、自动、连续监测系统的同时，研究小型便携式、简易快速的监测技术也十分重要。
（二）环境分析技术概述
1.化学、物理技术
对环境样品中污染物的成分分析及其状态与结构的分析，目前，多采用化学分析方法和仪器分析方法，如重量法常用于残渣、降尘、油类和硫酸盐等的测定；容量法广泛应用于水体酸碱度、化学需氧量、溶解氧、硫化物、氰化物的测定；仪器分析是以物理化学方法为基础的分析方法，包括光谱分析法（可见分光光度法、紫外分光光度法、红外光谱法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、X～荧光射线分析法、荧光分析法、化学发光分析法等）；色谱分析法（气相色谱法、高效液相色谱法、薄层色谱法、离子色谱法、色谱一质谱联用技术）；电化学分析法（极谱法、溶出伏安法、电导分析法、电位分析法、离子选择电极法、库仑分析法）；放射分析法（同位素稀释法、中子活化分析法）和流动注射分析法等。
目前，仪器分析方法被广泛用于对环境中污染物进行定性和定量的测定，如分光光度法常用于大部分金属、无机非金属的测定；气相色谱法常用于有机物的测定；对于污染物状态和结构的分析常采用紫外光谱、红外光谱、质谱及核磁共振等技术。
2.生物技术
这是利用植物和动物在污染环境中所产生的各种反映信息来判断环境质量的方法，这是一种最直接也是一种综合的方法。生物技术包括生物体内污染物含量的测定；观察生物在环境中受伤害症状；生物的生理生化反应；生物群落结构和种类变化等手段来判断环境质量。例如，利用某些对特定污染物敏感的植物或动物（指示生物）在环境中受伤害的症状，可以对空气或水的污染做出定性和定量的判断。
二、环境污染防治技术
（一）大气污染治理技术
1.控制污染源
我国的大气污染是与煤炭的开发、加工和利用密切相关的，因而，防治大气污染就要对煤炭开发、加工和利用的各个环节采取有利于环境的措施。
煤炭开采过程中与大气污染有关的主要是矿井瓦斯和矿石山自燃。因此，应加强矿井瓦斯的回收和利用，开展煤矿山的综合利用。发展城市煤气，是保护环境、节约能源的一项重要措施；合理分配煤炭，如将低挥发性、低硫煤优先供给民用，从而减少污染，提高能源利用率；改进窑炉，改进燃烧方式可使污染物排放明显下降；烟气净化。 采取除尘和烟气脱硫措施。使排出的烟尘达到国家规定的要求。
2.绿化环境
绿化环境，充分发挥植物对大气的净化功能。植物可以直接吸收大气的有害气体，使大气得到净化。例如：每千克干重的拘桔叶可吸收36.6克二氧化硫，每千克干重的海桐可吸收9ll毫克氟，每千克干重的女贞可吸收10.7克氯。植物也可吸附大气中的烟尘、粉尘。据统计，一公顷森林可有72公顷吸附烟尘的叶面积。植物中，以槐树、杨树等阔叶树对大气的过滤效果最好，松、杉等针叶树次之。每公顷云杉林每年可吸附 32吨尘，每公顷松林每年可吸附 36.4吨尘。
3.农业措施
选用对大气污染物抗性强的作物和品种。如冬季作物小麦比大麦抗性强，在大气污染严重的地区，改大麦为小麦，就可减少损失。在水田，栽培油菜或卷心菜，对大气污染有较好抗性。
通过作物生长期、耕作制度的调整，避开空气污染的高峰季节。在日本，农业生产者与污染源工厂订立在一定时期减少污染物排放的合同，用经济措施限制季节排放，以保护农业生产少受或不受损失。
改进施肥管理，减轻污染危害。如对水稻和裸大麦，增施钾肥能减轻臭氧危害。对白菜和玉米，碳酸钙的施用也可减轻臭氧危害。
（二）水体污染治理技术
水体是河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋等的总称。它不仅包括水，还包括水中悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等。应把水体作为完整的生态系统或完整的自然综合体来看待。
水体污染的主要原因是工业废水和城市生活污水的排放，因而废水处理是水体污染防治最根本、最有效的途径。
废水处理就是用各种方法将废水中的污染物质分离出来，或将污染物质处理后，其浓度降至对环境无不良影响。废水处理按处理程度可分为三级：一级处理只除去水中一部分悬浮物，一般经过一级处理后，废水还不能达到排放标准的要求；二级处理是大幅度地去除废水中悬浮物和溶解性有机污染物，经过二级处理，废水基本具备排放标准；三级处理是去除二级处理所未能去除的污染物。废水经三级处理后，可作为工业用水，甚至可作为城市用水的补给水源。
废水处理按作用原理可分为：物理处理法、化学处理法、物理化学处理法、生物处理法。
（三）土壤污染治理技术
1.控制和消除土壤污染源
（1）控制和消除工业"三废"的排放。 发展工业的和区域的循环用水系统，改善生产工艺，采用无污染或少污染的新工艺，用以减少废水和污染物的排放量。对工业废水、废气、废渣进行回收处理，变废为利。对必须排放的"三废"要进行净化处理，控制污染物排放的浓度和数量。要进行环保立法，制定排污质量标准，限制污染物的排放数量和浓度。
在利用污水灌溉和施用污泥时，要密切注意其中有害物质的成分、浓度及其动态，控制污水灌溉数量和污泥施用量，以免引起土壤污染。
（2）控制化学农药的使用。 使用残留量大、毒性强的化学农药，应控制其使用范围、数量和次数。研制和开发利用高效、低毒、低残留的农药新品种。开展以虫治虫、以菌治菌、以虫治草、以菌冶草的病虫害生物防治新途径，尽可能减少有害农药的使用。
（3）合理使用化学肥料。 应根据农作物的要求，合理施肥，经济用肥。以免施用过多而造成土壤污染。应注意化学肥料的使用和有机肥料的使用相结合。对本身含有毒物质的化肥品种，要严格控制施用范围和数量。
2.提高土壤对污染物的自净能力
土壤有机质和粘粒对土壤中的有机、无机污染物具有吸附、络合和螫合作用，土壤微生物对有机污染物有代谢、降解作用，对有些无机毒物具有使其有机化的作用。因而增施有机肥，改善微生物的土壤环境条件，提高微生物活性，可以提高土壤对污染物的净化能力。
3.土壤污染治理措施
（1）施用化学改良剂。 重金属轻度污染的土壤，施用化学改良剂可使重金属转为难溶性物质，减少作物对它们的吸收。酸性土壤施用石灰，可提高土壤PH值，使铜、锌、汞等形成氢氧化物沉淀。施加硫化钠、石灰硫磺合剂等硫源物质，可使汞、铜、铅等在土壤嫌气条件下生成硫化物沉淀。
（2）利用植物去除重金属。 羊齿类铁角厥属的植物对土壤重金属有较强的吸收聚集能力。
（3）控制氧化还原条件。 土壤氧化还原条件在很大程度上影响重金属变价元素在土壤中的行为。水田淹灌，氧化还原电位降至～160毫伏时，土壤中还原性硫的最大浓度达200mg/kg，许多重金属都可生成难溶性硫化物而降低其毒性。
（4）改变耕作制度。 改变耕作制，引起土壤环境条件改变，可消除某些污染物的毒害。据研究，DDT和六六六农药在棉田中的降解速度缓慢，积累明显，残留量大。棉田改水田后，大大加速了DDT和六六六的降解。
（5）排土、客土改良。被重金属或难分解的化学农药严重污染的土壤，如用排土法（挖去污染上层）或客土法（用没有污染的客土覆盖于污染层上），可获得理想的改良效果。
（四）固体废弃物处理技术
1.工业固体废物处理技术
工业固体废物量大的有矿业的废石、尾矿砂，钢铁业的炉渣、矿渣（如钢渣、高炉渣、金属矿渣等），化工废渣（如添加剂、催化剂、酸、碱、电石等），以及其他工业垃圾和放射性废渣等。主要处理方法有：焚烧法、填埋法、化学处理法、生物处理法。
2.矿业固体废物处理方法
在采矿和选矿过程中，常产生大量废石和尾矿，长期堆存，污染土地。其中含有砷、镉等有毒元素，被水冲刷进人水体，污染环境。其处理方法主要有：物理法、化学法、土地复原再植法。
3.城市垃圾处理技术
城市垃圾是指居民的生活垃圾、粪便、商业垃圾、市政设施和管理及房屋修建中产生的垃圾与渣土，不包括工厂排出的工业固体废物。
城市垃圾是一种可利用的资源。它的处理与利用，反映了废物的再生资源化和环境保护的水平，已成为现代化城市的标志之一。世界各国正大力开发这方面的工作。
城市垃圾处理的主要方法有；填埋法、堆肥法、压缩处理法、焚化法、辐射处理法以及制沼气等。
（五）噪音污染及其防治技术
1. 噪音污染
通常所说的噪音污染是指人为活动（生活和生产活动）产生的声音超过了一般正常人可以容许的限度，对人们产生直接的（生理、心理、工作、学习和生活）或间接的（生产和生活资料）影响和危害。噪音是一种物理性的污染，一般是局部性的，局限在一定的区域范围内，且无后效作用；只要噪音一停止，污染就立即消失。随着工业、交通运输和城市化的迅速发展，噪音源愈来愈多，噪音污染亦愈来愈严重，已成为城市环境污染的重要方面。
2.噪音污染源（噪音源）
人为活动产生的噪音主要有交通噪音、工业噪音、建筑施工噪音、社会生活噪音等。从声音产生的原因，又可分为机械噪音、空气动力性噪音和电磁性噪音。人为噪音源可分为活动源和固定源。前者有运行中的各种汽车、摩托车、火车、飞机、轮船等，这类噪音无规律性，影响面广。后者有工厂中各种机器设备如鼓风机、风机、内燃机、电动机、电锯等，建筑工地的打桩机、钻机、推土机、混凝土搅拌机、空气压缩机等，家庭居室装修的电钻、敲打，以及社会生活中商业性、娱乐性的高音喇叭、音响等，这类噪音一般较有规律，持续时间较长。
进行噪音污染监测的工具为测声的仪器，常用的有声级计、频谱分析仪、自动记录仪和磁带录音机等；可根据噪音源选定合适的测点进行测定。城市交通噪音的监测，可在两个交通路口之间离马路边20cm处，设点测定。
3.噪音控制方法
（1）噪音源的控制方法。对固定噪音源主要是研制低噪音的机器设备或改用低噪音的加工工艺。如采用无声锻压、无声焊接等。对机器附近可采用吸声、隔声、安装消声器等措施。国际上正大力研制低噪音设备。还有用噪音来消除噪音的声波消除法，可有效消除机械行业的噪音，如机床、柴油机、涡轮机等发出的低频声波。常用的有阻尼减振。对活动源主要是改进机械设备和交通工具的结构，或将设备和机动车等改造成低噪音的整体。限制汽车喇叭的使用，加强车 辆刹车的检修和维护，也可降低交通噪音。降低飞机噪音的根本途径是发展低噪音飞机，主要是降低飞机的喷气速度，国外正在研究中。控制飞机起飞和降落时的飞行速度亦可降低噪音，但要保障安全。机场地面噪音的控制，一般采用建筑物作屏障。新建机场应远离居民区，已建靠近居民住宅的机场，要对住房采取隔声措施。
（2）传声途径的控制方法。采用吸声、隔声、消声、减振、 隔振、阻尼减振等技术。利用吸声材料如玻璃纤维、泡沫塑料、木丝板、甘蔗板、多孔水泥板、多孔陶瓷、薄膜共振吸收板来吸收声能。隔声是用屏蔽物将声音阻隔，可采用隔声罩、隔声间和隔声屏障；亦可在街道两侧植树绿化，来阻隔交通噪音的传输。
消声是运用消声器来削弱声能。把消声器安装在气流通道上，可衰减气体动力噪音，如风机、空气压缩机、内燃机等排气的噪音。新发展的限制噪音传播材料有阻尼材料（如橡胶、塑料、沥青、油毛毡和一些高分子涂料）、隔振坐垫，还有把吸声、隔声阻尼、隔振组合起来的隔声罩，高效吸声水泥砖等。
4．噪音能源化
近年，有人对噪音控制由消极防范转为噪音能源的利用，引起了人们的重视。这是根治噪音污染，开发新能源的新途径。噪音能源化的技术有三种：
（l）噪音发电。现已找到将声能变成电能的两个途径：第一，人造铅酸盐在高频、高温下能使噪音发电；第二，声波遇到屏障时，声能亦能转化为电能。
（2）噪音致冷。利用微弱的声振动制冷，是当今国际上正在开发的制冷新技术。第一台样机已在美国问世。
（3）噪音除草。不同植物对不同频率噪音的敏感程度是不同的。根据这一原理国际上已试制出噪音除草器。将噪音除草器放在田里，发出能诱发杂草种提前萌芽和生长的噪音，使在农作物长出之前，即将杂草除去。
（六）放射性元素污染防治
1.放射性污染
人类活动排放的放射性污染物，进人环境后，会造成对大气、水体和土壤的污染。由于大气扩散和水流的输送，放射性污染物在自然界广域扩散和迁移，可被生物富集，使某些动植物，特别是一些水生生物体内放射性元素的浓度增高，可比环境中的高10多倍。环境中的放射性性素可通过多途径进入人体，使人体遭受危害。
2.放射性污染源
放射性污染源有天然源和人工源两类。前者有宇宙射线、铀等矿床，大气、水体和土壤中含有的天然放射性物质等。后者有核武器试验、核燃料的开采和加工、核反应堆和原子能发电站、核动力潜水艇和航空器、高能加速器及在工农业、医药、科研等各部门使用的放射性核素。日常生活中也有一些含放射性物质，如火焰喷射玩具、夜光表、彩色电视机等，都会发射不同强度的放射线。一切形式的放射线对人体都是有害的，必须加以防治。
放射性污染的监测，可分为外照射监测（包括辐射场）和人体剂量监测、放射性气溶胶（即放射性尘埃）和放射性气体的监测，以及大气、水、土壤、动植物中放射性物质的测量等。监测技术主要包括核辐射探测仪器和放射化学分析技术两方面。前者有电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器等对放射性剂量进行测定，后者对采集的放射性尘埃、气体、水和动植物等样品，进行放射性定量分析。
3.放射性污染防治技术
（1）放射性辐射的防护。其目的是为减少射线对人体的照射。常用的技术是屏蔽法，即在放射源与人之间，放置合适的屏蔽材料，来吸收放射线，降低外照射的剂量。对不同强度用不同的屏蔽材料，如α射线其射程短，穿透力强，几张纸或薄铝膜，即能吸收掉。β射线穿透力比α射线强，用有机玻璃、普通玻璃、烯基塑料和铝板作屏蔽。r射线的穿透力很强，危害最大，常用较厚的铝、铁、钢、混凝土等屏蔽材料来防护。
（2）放射性废气和粉尘的处理方法。对低放射性废气、含半衰期短的放射性物质，一般可用高烟囱直接排入大气扩散稀释。对核实验散发的放射性粉尘、尘埃，如影响最大的有锶89、锶90、铯137、碘131、碳14、钚239等，或含有半衰期长的放射性物质的废气，则须通过过滤除去粉尘，碱吸收去除放射性碘等核素。
（3）放射性废水、废液的处理方法。按废水中放射性浓度大小，采用不同的处理方法。一般有三种：第一，放射性浓度极低的废水，可直接排放；第二，半衰期短的放射性废液，可封装储存于容器中，待放射性强度降低后，再稀释排放；第三，半衰期长或放射性强的废液，先蒸发浓缩后再储存起来。常用的浓缩方法有共沉淀法、离子交换法和蒸发法，所得的清液或出水，可回用、排放或进一步处理。对中、低放射性废液用水泥、沥青固化。对高放射性废液储存于不锈钢池，外加钢筋混凝土埋于地下；有时用玻璃固化法将废液固化，深埋地下。
（4）放射性固体废物的处理方法。原子能工业中的废矿渣、放射性沾污的器具和设备等，及上述浓缩废液固化后的固体废物、矿渣，可采用土地堆放、埋坑，器具可清洗、压缩、焚烧或再熔化等方法处理，所形成的固体废物，密封在金属容器中或固化在沥青、水泥、玻璃、塑料或熔化在金属块中，然后埋于地下混凝土结构的储库中。放射性辐射的防护。其目的是为减少射线对人体的照射。常用的技术是屏蔽法，即在放射源与人之间，放置合适的屏蔽材料，来吸收放射线，降低外照射的剂量。对不同强度用不同的屏蔽材料，如a射线其射程短，穿透力强，几张纸或薄铝膜，即能吸收掉。β射线穿透力比a射线强，用有机玻璃、普通玻璃、烯基塑料和铝板作屏蔽。r射线的穿透力很强，危害最大，常用较厚的铝、铁、钢、混凝土等屏蔽材料来防护。
（2）放射性废气和粉尘的处理方法。对低放射性废气、含半衰期短的放射性物质，一般可用高烟囱直接排入大气扩散稀释。对核实验散发的放射性粉尘、尘埃，如影响最大的有锶89、锶90、铯137、碘131、碳14、钚239等，或含有半衰期长的放射性物质的废气，则须通过过滤除去粉尘，碱吸收去除放射性碘等核素。
（3）放射性废水、废液的处理方法。按废水中放射性浓度大小，采用不同的处理方法。一般有三种：第一，放射性浓度极低的废水，可直接排放；第二，半衰期短的放射性废液，可封装储存于容器中，待放射性强度降低后，再稀释排放；第三，半衰期长或放射性强的废液，先蒸发浓缩后再储存起来。常用的浓缩方法有共沉淀法、离子交换法和蒸发法，所得的清液或出水，可回用、排放或进一步处理。对中、低放射性废液用水泥、沥青固化。对高放射性废液储存于不锈钢池，外加钢筋混凝土埋于地下；有时用玻璃固化法将废液固化，深埋地下。
（4）放射性固体废物的处理方法。原子能工业中的废矿渣、放射性沾污的器具和设备等，及上述浓缩废液固化后的固体废物、矿渣，可采用土地堆放、埋坑，器具可清洗、压缩、焚烧或再熔化等方法处理，所形成的固体废物，密封在金属容器中或固化在沥青、水泥、玻璃、塑料或熔化在金属块中，然后埋于地下混凝土结构的储库中。
（七）电磁辐射防治
电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波的干扰场或有害的电磁辐射，对环境和人体造成的影响。
1.电磁污染源
影响人类生活环境的电磁污染源可分为天然的和人为的两大类。
（1）天然污染源。是由某些自然现象引起的。如雷电，可能会对电器设备、飞机、建筑物等直接造成危害，还会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重的电磁干扰。火山爆发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通讯的干扰特别严重。
（2）人为污染源。主要包括三方面：一是脉冲放电：如切断大电流电路时产生的火花放电。其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。三是工频交变电磁场：例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重的电磁干扰。二是高频电磁辐射：发射频率为100千赫至3╳105兆赫的电磁波，通常称为射频电磁辐射。如无线电广播、电视、微波通讯、高频加热等各种射频设备的辐射，对周围近场地区造成不同程度的射频辐射污染。影响人体健康。目前射频电磁辐射已成为电磁污染的主要方面。
电磁辐射的监测，通常用场强仪对近场的、远场的电场或磁场强度（如干扰场强测量仪、磁场仪）进行检测；用辐射监测仪（如宽带全向辐射仪）对频率组分进行检测。
2.电磁污染控制技术
电磁污染的控制主要有场源的控制与电磁能量传播的控制两方面。屏蔽是电磁能量传播控制的主要手段。所谓屏蔽是指用各种技术手段，将电磁辐射的作用与影响局限在指定的空间范围内。电磁屏蔽分为两类：主动场屏蔽和被动场屏蔽。前者是将电磁场的作用限定在某个范围之内，使其不对限定范围以外的生物机体或仪器设备发生影响，它主要是用来防止场源对外的影响。后者是使外部场源不对指定范围之内的生物机体或仪器设备发生作用，场源位于屏蔽体之外，屏蔽体用来防止外部场源对内的影响。
（八）热污染控制技术
1.热污染及其来源
环境热污染的产生，主要是由于能源消耗、热量排放引起环境增温效应，导致局部生态系统改变或自然界热平衡的破坏，而直接或间接地对人类和生态环境产生不良的影响。如水体的的污染，是因为工业生产排放高温废水，使水体的水温升高，水中溶解氧减少，化学反应、生化反应加快，导致水体出现缺氧状态，从而影响鱼类等水生生物的生存和繁殖；同时厌氧细菌大量繁殖，有机物腐败，增加了水中的有毒物质。空气热污染，可由燃烧煤排放大量二氧化碳，吸收太阳和地面的红外辐射，形成温室效应，而使地面温度升高，气候变暖。热污染大多发生在城市、工业区或火力发电厂、原子能发电站等能源消费量大的地区或场所。城市里大量安装空调器，也会造成局部地区的热污染。
2.热污染的控制途径
　　（1）改进热能利用技术，提高热能利用率。现今所用的热力装置一般其热效率较低，民用燃烧装置的热效率约为10%－20%，工业锅炉的热效率约为20%－70%，火力发电厂由高压蒸汽转化为电能的热效率约为37％－40％左右。我国热能的平均有效利用率为28%－30%，与工业发达国家相比约低20%。这就是说，我国若每年消费6亿吨煤，要比发达国家多浪费1.2亿吨煤矿，亦即向环境中释放的热量要多35.2×109亿焦耳。显然，改进现有能源利用技术，提高装置的热利用率十分重要，即节约了能源，又减轻了对环境的热污染。
（2）开发和利用无污染或少污染的新能源。从长远看，现有矿物能源将被无污染或少污染的新能源所代替，如太阳能、风力能、海洋能和地热能等，这是全球能源利用的必然发展趋势。
（3）废热的综合利用。把热力装置系统的散热、排放的热烟气和温水等废热充分利用起来。某处排放的废热，可作另处的能源。例如，由热力装置排出的高温气体或温水，可直接用于室内的空调加热；调节水田的水温，使之适宜于农作物的生长；调节水系的水温，增强水生生物的发育和生长；调节粮食储藏的温度，防止谷物受冻；改善水系的物理性质，以提高城市污水处理厂的水质净化效率；还可调节港口水域的水温，以防止港口冻结等。人类对热污染的研究还处于初级阶段，许多问题还在探索中。
三、生态防治技术
（一）工业环境保护技术－－清洁生产与绿色技术
1.清洁生产--现代工业发展的新模式
清洁生产的途径和方法。主要有：第一，改革生产工艺；第二，充分利用自然资源，实现物料闭路循环；第三，注意能源的清洁利用，开发清洁能源和节能技术；第四，改进产品设计，调整产品结构，生产清洁产品；第五，加强企业清洁生产审计，实行全过程控制。
清洁生产通过节能、降耗、减污，以节省防治污染的投入，降低生产成本，改善产品质量，促进了社会经济的发展，使环境效益和经济效益完整的统一起来。由于清洁生产采用源头削减的技术措施，对生产全过程进行废物控制，从而大量减少了污染物的产生和排放，相应减少了"三废"治理的费用，还避免了可能发生的二次污染问题，并保障了工人的安全和公众的健康。《中国21世纪议程》把推行清洁生产作为中国促进环境与经济协调发展，走可持续发展战略的重要措施。1994年底，成立了中国国家清洁生产中心。在世界银行支援下开展了清洁生产的项目，有27家企业进行了29个清洁生产工艺，其中在纺织、印染、化工、石化、电镀、制药、啤酒、建材、钢铁、造纸等十几个行业进行示范试点，已取得了显著的经济效益和环境效益。
2.绿色技术
主要是采用降低对人类健康危害和环境影响，减少废物产生和排放的一切技能与设施，它主要包括：
（1）资源合理开发、综合利用与保护的技术。
（2）发展清洁生产与绿色产品的技术。
（3）产品消费、使用过程中，防止污染和废物回收利用的技术。
绿色技术的发展，有赖于绿色化学、工业生态学等崭新的科学研究为基础，还需要清洁生产和可持续发展的推进为动力。现今已有一批典型的绿色技术在一些国家出现，获得了很好的经济效益和环境效益。例如，利用分子结构改造技术，对有强致癌作用的联苯胺（染料中间体）改造为2,2～乙基联苯胺，既保持了原来的染料性能，又使致癌性大大降低。又如应用生物合成技术，用遗传工程获得的微生物作催化剂，以葡萄糖为起始物成功地合成了己二酸（生产尼龙的原料）。这个新技术革除了一直用有致癌作用的苯为起始物的工艺生产。应用催化技术革新合成路线，消除原有的有毒物质，如美国孟山都公司生产广泛使用的一种除草剂（叫Roundup），革除了原用的有毒原料氢氰酸，采用钢催化剂的新工艺，生产效率高、无毒性、无污染。还有应用生物技术，如用酶技术在农业、纺织、皮革、食品、化工、冶金等工业生产中实行清洁生产，如牛饲料中加酶，使牛粪中的矿物质减少。用酶生产速溶咖啡。用生物反应器生产医用化学品。用微生物回收金属（生物湿法冶金）等等。日本提出了发展绿色技术的十大优先领域，包括的范围很广，有节能技术、低二氧化碳型制造系统、低二氧化碳型交通运输系统、新能源和替代能源技术、二氧化碳固定化技术、二氧化碳分解技术、防止大气污染技术等。由上可见，绿色技术已开始成长，取得了一些成果，展示了它广阔的可能性和美好的前景。
（二）农业环境保护技术――生态农业与生态工程技术
1.中国生态农业
生态农业(Ecological Agriculture)一词最初是美国土壤学家XXXXbreche于1970年提出的，其内涵是"生态上能自我维持，低投入，经济上有生命力，在环境、伦理和审美方面可接受的小型农业" 。20世纪70年代末引入后，就与我国基本国情相结合，在实践中赋予了富有中国特色的实质性内容 。中国生态农业可以定义为：运用生态学原理和系统科学方法，把现代科学成果与传统农业技术的精华相结合而建立起来的具有生态合理性、功能良性循环的一种农业体系。中国生态农业有一整套技术做保证，例如，种、养、加、工、商之间的生产流通一体化技术、生物物质与能量的多级利用和有机与生态良性循环的废物转化技术、立体生产技术、生物能及其它可再生资源的优化配置技术和自净生产技术等等。
2.生态工程技术
所谓生态工程技术，就是综合应用生物学、生态学、经济学、环境科学、农业科学、系统工程学的理论，运用生态系统的物种共生和物质循环再生等原理，结合系统工程方法所设计的多层次利用的工程技术。生态工程的目标就是在促进物质的良性循环前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济与生态效益同步发展。主要包括以下几种：
（1）农业的立体种植、养殖技术。即生物最佳空间组合的工程技术。这种立体种养技术通过协调作物与作物之间，作物与动物之间，以及生物与环境之间的复杂关系，充分利用互补机制并最大限度避免竞争，使各种作物、动物能适得其所，以提高资源利用效率及生产效率。这类模式在我国农区相当普遍，尤其是光、热、水资源条件较好、生产水平较高的地区更是类型多样，成为解决人多地少、增产增收的主要途径。
（2）有机物质多层次利用技术。这种工程技术模拟了生态系统中的食物链结构，在生态系统中建立了物质的良性循环多级利用。一个系统的产出（废弃物）是另一个系统的投入，废弃物生产过程中得到再次或多次利用，使系统内形成一种稳定的良性循环系统，这样可充分利用自然资源，获得较大的经济效益。例如在一些生态农场，鸡的粪便用作喂猪，猪的粪便用于喂鱼（或进人沼气池），鱼塘的泥（或沼气发酵的废弃物）用于农作物肥料，农作物的产品又是鸡、猪的饲料，如此形成良性的物质循环。
（3）秸秆综合利用。农作物的秸秆产量是相当多的，能占到生物量的60％左右，我国每年产出的作物秸秆在5亿吨以上，如何加以合理利用是相当关键的问题。目前的秸秆有相当一部分被烧掉，不仅污染大气，而且把所含的粗蛋白、纤维素及大量微量元素等浪费掉。因此，加强对秸秆的综合利用是生态农业一项重要的技术及任务。秸秆利用途径目前除部分直接用作有机质补充农田外，还有一部分作为饲料供牛、羊等草食动物食用。秸秆还可通过氨化处理、微生物发酵及添加剂处理等，使营养价值和适口性大大提高，并可替代部分粮食。秸秆还可作为食用菌（蘑菇等）的培养料、沼气原料。
（5）自然环境的治理技术
　①水土流失治理技术。水土流失是我国农业发展和环境变劣的重要原因。中国目前水土流失面积占国土面积的38.2%。实施生物措施与工程措施相结合的综合治理技术对改善环境和控制水土流失的效果显著。目前适用的水土流失治理技术主要有两类：一是生物措施。即植树育草，利用多样性的乡土树种营造水源涵养林、护坡林、护岸林等，在农村实行林粮间作、粮草间作和林草间作，在地广人稀的地区采用带状轮作。二是工程技术。主要是修建梯田，在梯田上植树或种植农作物，这是黄土高原地区水土流失治理的常见实用技术。这类工程技术还包括修建水平阶、水平沟和鱼鳞坑。
②控制沙漠化技术。治理沙漠的技术与治理水土流失的技术十分相似，最常用的技术是植树和种草。在中国西北的一些沙漠地区已成功地造出人工森林，使荒漠变成"绿洲"。在治沙实践中，农民还创造了一种独特的且实用的"麦草方格"式技术，即利用作物秸秆（麦草）做成的方格固定流沙，选定沙蒿、花棒、柠条、枝柳、沙枣等乡土树种，以麦草方格依托植树种草，建立人工植被，形成一个长期稳定的绿色防护工程。
③盐渍化土壤改良技术。中国盐渍化土地面积达2700万公顷，其中耕地达700万公顷，对盐渍土的改良技术主要有：一是水利改良技术，主要包括开沟排水、降低地下水位、灌溉洗盐、引洪排淤等；二是农业改良技术，主要包括种植水稻（洗盐作用）、平整土地、耕作培土、施有机肥等。三是化学改良技术，如施用化学改良剂石膏、黑矾等；四是生物改良技术，如植树造林、种植牧草和绿肥植物等。
（六）病虫草综合防治技术
所谓综合防治技术，就是根据病、虫、草危害作物的情况，综合地运用物理、化学、生物、农业等技术防除病、虫、草害。主要包括以下几个方面：
1.农业防治技术。即以农业技术防治农业病、虫、杂草和鼠害。目前采用的技术措施有：一是抗病、抗虫育种，以增强作物、家畜的抗病、抗虫能力；二是实行轮作换茬和改变播种耕作制度，以减少病、虫、草的种群；三是改变作物的播种期、营养期或收获期，以错开病、虫、草的危害时间；四是清洁田间、中耕除草，以消灭病、虫的中间寄主；五是合理灌溉、施肥，提高作物抗性。
2.生物防治技术。这也是中国传统的实用技术，近年有所发展，主要是利用有害生物的天敌，对有害生物进行调节、控制乃至消灭。生物防治技术主要包括：一是利用昆虫天敌的技术，利用有益昆虫防治害虫和杂草，如利用赤眼蜂防治玉米螟，利用蚜虫防治喜旱莲子草等；二是利用微生物天敌的技术，主要是利用微生物的寄生作用致死害虫和杂草，如利用真菌防治大豆寄生性杂草茧丝子等；三是利用脊椎动物作天敌的技术，如稻田养鱼、养鸭，鱼、鸭是许多害虫的捕食者，在旱作物地养鸡，鸡也是害虫的天敌。
3.生物农药防治技术。从生物有机体中提取的生物试剂替代农药防治病虫、草害技术。利用自然界生物分泌物之间的相互作用，运用生物化学生态学技术与方法开发新型农药将会成为未来发展的新趋势。其特点是见效快、效率高、受区域限制较小，特别是对大面积、突发性病虫草害可短期迅速控制。目前采用的措施主要有积极研究筛选高效生物新农药，研究新的剂型和改进施用方法，合理使用。
4.物理防治技术。用物理措施进行防治，如对杂草的机械铲除，对害虫的灯光诱杀等。
四、生物修复――21世纪最具前景的环保技术
生物修复（bioremediation）是最近发展起来的一项清洁环境的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的环保技术。其定义是：利用特定的生物（植物、微生物或原生动物）吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。其方法：一是利用具有特殊生理生化功能的植物特异微生物在原位修复污染场所（土壤或水体）；二是应用生物处理或生物循环过程，通过精心设计与合理应用阻断或减少污染向环境的直接排放。根据生物修复可资利用的生物主体，可分为微生物修复（microorganism remediation）和植物修复（phytoremediation）。
尽管生物修复大规模应用于实践还有许多基础科学研究要做，但与其它目前应用的常规环境治理措施相比， 生物修复特别是植物修复具有不影响环境（土壤）的原生结构和功能、不产生废物残留、费用低等优势，已成为国际科技领域的研发的重点和热点。近年来英国《自然》和美国《科学》就曾多次报道有关超富集植物的研究，1997年美国《未来科学家》杂志将"利用植物清除土壤污染"列为全球科技发展的十大趋势之一。可以预见，生物修复将成为21世纪环境治理技术中最具潜力的技术类型。

第二节 科技进步与社会变革

一、科技与社会
社会是指以共同物质生产活动为基础，而构建起来的人类生活的有机体。社会是人们相互交往的产物，是各种社会关系的总和。因此，一般来说，它的内涵是非常广泛的，包括物质生产、经济、政治、军事、文化、教育、艺术、宗教、意识形态等等。而我们这里所说的社会是从更为本质的意义上把握它，指在物质生产活动的基础上必然产生的一定的社会制度。而所说的社会变革，则是指社会制度的变革，即以生产关系为基础的整个社会形态的革命性变迁。科技作为一种强大的社会力量，不仅仅是第一生产力，是推动经济发展的决定性力量，而且还对社会产生着深刻的影响，成为推动社会变革的革命力量。只不过科技作用于经济发展时，它的效应是直接的和明显的，而作用于社会变革时，其效应是间接的、比较长远的。其原因在于科技作用于社会是通过社会和生产实践为媒介，逐步影响到社会生产关系和社会形态中，从而引发社会制度的变迁。
二、科技是推动社会变革的动力
（一）科技推动社会生产关系的变革
历史唯物主义认为，生产力决定生产关系，生产关系一定要适合生产力的性质和水平。生产力是最活跃最革命的因素；当生产力发展到一定阶段，就必然会使原来与它相适应的生产关系逐渐变得陈旧和落后，甚至变成生产力进一步发展的桎梏，社会生产关系的变革就不可避免了。显然，科技推动社会生产关系的变革就是通过科技的发展，首先推动生产力的发展，当社会生产力的发展达到一个新水平时，如遇到生产关系的阻碍，就必然要求改变生产关系。由于生产力中的生产工具是物化的知识力量，即科学的物化形态，所以，生产工具的发展程度直接反映了科学技术的发展水平和物化程度。因为，劳动者只有借助于对自然界的一定认识才能发明制造和使用特定的生产工具，正是在这个意义上，我们说科技推动社会生产力的发展主要体现在生产工具上，因此，生产工具的不断变革，就成为区分不同的社会生产关系的一种标志。以打制石器为生产工具，标志着以公有制为基础的原始公社生产关系的产生；当青铜器代替石器成为生产工具时，标志着原始公社生产关系的消亡和奴隶主占有的奴隶制生产关系的兴起；尔后，铁器的出现和广泛利用，又标志奴隶制生产关系的崩溃和地主占有的封建制生产关系的建立；到了近代，当大机器生产代替手工工具生产时，则标志着封建制生产关系被资本占有的资本主义生产关系所取代。这一系列生产关系的变革，都是生产工具变革导致生产力变革的必然结果，归根结底又都是由科学技术的不断进步引发的。从科技与社会生产关系变革的联系中，可以看出，以公有制为基础的社会主义生产关系由于是建立在资本主义较为薄弱的地区，现在又处在社会主义的初级阶段，与发展了几百年的资本主义相比较，科学技术水平、生产力的水平仍然很低，这与新的生产关系不相匹配，因此要巩固和完善社会主义生产关系，就必须建立在以更加先进的科学技术为基础的生产力发展水平上。因为，只有比资本主义更加重视现代科学技术的发展，紧紧依靠科学技术，推动社会生产力高度发展，不断满足社会和人民不断增长的物质文化需求，社会主义的生产关系才能彻底战胜并取代资本主义生产关系，最终得以巩固和完善。
（二）科技推动社会形态的变革
科技进步在推动生产关系发生变革的同时，也改变着由生产关系的总和构成的经济基础，而一个社会的经济基础变了，与之相应的上层建筑也必然要发生变化，从而引起社会形态的变革。人类历史上已出现了五种基本的社会形态：原始社会、奴隶社会、封建社会、资本主义社会、社会主义社会。由于真正意义上的科学技术从近代才开始它的产生和发展的历史，因此科学技术推动社会形态变革的作用从近代以来资本主义的产生、发展的不同阶段中表现最为明显。中国的火药、指南针、印刷术对欧洲社会生产力的发展，对资本主义社会的生产起到了伟大的推动作用。马克思曾说："火药、指南针、印刷术--这是预告资产阶级社会到来的三大发明……" 第一次技术革命中，蒸汽机的应用、机器的应用，开创了资本主义机器大生产的新时期，从而使封建社会的经济基础土崩瓦解，确立了资本主义制度的统治地位，资本主义社会进入第一阶段：自由资本主义阶段。第二次技术革命中，电在能源、动力、通讯中的应用及炼钢技术、内燃机技术等的应用，一批新兴的资本密集型、技术密集型工业部门诞生，为了提高劳动效率和经济效益，要求资金、生产、管理的集中，促使资本主义社会进入第二个阶段，从自由资本主义走向垄断资本主义阶段。第三次技术革命中产生的一系列新技术、新工艺、新能源、新材料、电子产品等成果在生产中的应用，工业由资金密集型、技术密集型向智能密集型转移，生产社会化、生产国际化程度大大提高，从而促使资本主义社会进入第三个阶段，以私人垄断资本为主的一般垄断资本主义全面过渡到国家垄断资本主义阶段。可见，正是由于科技的不断进步，使资本主义在不断调整，改善生产关系和上层建设的过程中，缓和了社会生产化和私人占有制之间的固有矛盾，并表现出一定的活力，且在政治、经济方面保持着相当的实力。
作为当代最先进社会形态的社会主义国家，本来在生产关系、上层建筑方面占有很大优势，但是由于各方面原因，尤其是生产关系、上层建筑不能很好地适应科技革命潮流的发展，没有及时进行调整、改革，因而生产力发展不快，劳动生产率不高，经济发展迟缓，人民生活没有大的改善，使社会主义制度渐渐失去活力，东欧剧变、苏联解体，就是教训。现在我国所进行的改革开放正是为了使科技这一第一生产力在社会主义经济建设中发挥它应有的作用，为了使生产关系、上层建筑更加适应生产力的发展，为了使具有中国特色的社会主义不断完善和发展。改革开放的历程表明，只要我们沿着这个方向走下去，社会主义制度的优越性必将充分显示出来，一个充满活力的社会主义社会最终会取代资本主义社会。
（三）科技推动社会变革的机制
科技推动社会变革的机制，主要是探讨科技是通过什么途径驱动社会变革的。关于这个问题，马克思、恩格斯在考察近代科学、技术在资本主义社会的历史进程中的作用，曾有过科学的分析。他们认为产生于16世纪至17世纪的科学革命，一方面和哲学相结合，产生了"第一个自然哲学体系"--唯物主义，成为人们解放思想的精神武器，在思想精神方面引起了巨大的革新。另一方面和生产实践相结合，引发了18世纪末的技术革命，从而在物质生产方面引起巨大变革，这些变革最终推动了英国工业革命的发展，导致了一场范围广泛的深刻的社会革命。正如马克思所说："机器的发展则是使生产方式和生产关系革命化的因素之一，" "随着一旦已经发生的、表现为工业革命的生产力革命，还实现着生产关系的革命。" 恩格斯也指出：英国工业革命"是社会革命"，因为工业革命实质上是生产力革命，这场革命，在以机器大工业为技术基础，以工厂制度为组织核心的资本主义生产方式下，引起生产关系的一系列变革，它"使人口密集起来，使生产资料集中起来，使财产聚集在少数人的手里，由此必然产生的后果就是政治的集中。" 从马克思、恩格斯关于近代科学技术革命与资本主义社会的变革的论述中可以看出，科学技术之所以是一种在历史上起推动作用的革命力量，最根本的原因就是因为科学技术是生产力中最活跃的决定性的因素，它的实际应用能够推动社会生产力的巨大发展，使得生产规模日益庞大，社会分工更加深化，使生产的专业化、协作化空前加强，流通资料更加集中，这终将造成生产社会化和私人占有制之间的矛盾更加尖锐，垄断组织之间的竞争更加激烈，使生产关系难以适应生产力的发展，从而引发生产关系和社会形态的变革。由此可见，科学技术驱动社会变革的途径是：科学变革――技术革命――生产力革命――生产关系革命――社会形态革命。
当然这种互动关系并不是线性的、机械的。这种互动关系只是提供了社会变革的必要条件，而不是充分条件。否则就难以解释四大发明在中国为何没有引发社会变革，这正说明，科技革命只是社会变革的必要前提，但不是决定社会革命的唯一因素。不过，了解科技推动社会变革的机制，对于已建立社会主义制度的国家来说，仍然是十分重要的。目前我们应加大科技体制、经济体制、政治体制改革的力度，为充分利用现代科技革命创造一个良好的环境和运行机制，让现代科技革命真正成为巩固和完善社会主义制度的必要前提。

第五节 科学技术与人文社会科学的相互影响、相互渗透

一、科学技术促进人类精神文明的建设
（一）科学技术是精神文明重要支柱
第一，科技作为生产力，为精神文明提供必要的物质基础。一方面，科技由于推动了物质生产的发展，进而为精神文明建设提供了必要的物质基础，使人类精神文明的发展成为可能；另一方面，科技为人类精神文明发展提供了物质手段，甚至直接就是精神产品的载体。
第二，科技是精神文明的重要内容。自然科学在人们探索科学真理的过程中具有多种认识功能，即发现自然规律的功能、解释自然现象和本质的功能和预见自然现象及其变化的功能。而自然科学的这种认识功能又都是在一定的技术基础上实现的。技术的发展，为自然科学提供了日益增多的认识工具和手段。因而，科技发展状况成为人类征服自然能力的时代特征，从而成为社会精神文明的重要内容。
第三，科技是人们批判宗教迷信和唯心主义的精神武器，自然科学所揭示的自然界发展的客观规律，是自然界未来面目的真实反映。所以，自然科学是唯物主义的天然同盟军，自然科学的每一发现，都是对宗教迷信和唯心主义的批判。第四，科学对整个社会精神面貌发生深刻的影响。科技的研究活动教育人们热爱科学、追求真理、坚持真理和敢于与谬误作斗争的革命精神，养成一切从实际出发，实事求是的科学态度和工作作风。这种科学精神随着科学技术向社会生活各方面的渗透以及科学文化知识的普及，将会日益深入人心，影响到社会精神生活的面貌和人们思想品德的修养。
（二）科技进步推动精神文明的进步
人们在改造客观世界的同时，主观世界也得到了改造，社会的精神生产和精神生活得到发展。它表现为教育、科学、文化知识的发展和人们的思想、政治、道德水平的提高。科学技术在精神文明建设中，有其特殊的社会功能。
第一，引起思维方式的变革。
第二，推动道德的进步。
第三，促进教育和文化的发展。
二、科学技术推进人类社会制度文明的发展
资本主义制度代替封建制度是人类文明发展的一大进步。资本主义的产生，一开始就得力于科学技术的帮助。马克思说："火药、指南针、印刷术--这是预告资产阶级社会到来的三大发明，火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成了新教的工具，总的说来变成科学复兴的手段，变成了精神发展创造必要的前提，是最强大的杠杆。"因此，科学技术在社会主义制度的产生和发展中的作用同样是不容否认的。首先，科学技术为社会主义的产生创造了一定的条件。社会主义是建立在以科学技术为中坚力量的生产力的高速发展基础上的。其次，社会主义制度的巩固和发展必须依靠科学技术的进步。因为任何社会制度，都要有相应的物质基础。只有依靠科学技术，大力发展生产力，实现农业、工业、国防的现代化，才能保证社会主义最终战胜资本主义，保证社会主义的巩固和发展。目前，世界正掀起一个知识经济的浪潮，这既是一个挑战，又是我们赶超世界先进水平的大好机会。先进者有基础厚实，先行一步的优势，而后来者也可以做到：一、吸取先行国的经验教训，少走弯路；二、与先行国在同一起跑线上发展新产业或者直接采取新技术改造传统工业；三、科学文明难，使用却比较容易，后来者可以通过多种形式和渠道，利用先行者的技术。因此，在知识经济的大潮中，如果我们能够及时抓住这个机会，加快自己的发展，就能使我们在经济、技术方面缩短同发达国家的差距，甚至赶超发达国家的水平，并以此来保证社会主义制度的巩固和发展。

此帖我想应该是科创的第一长帖了

作者：李涛编
出版社： 西北大学出版社
出版时间： 2005-1-1

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