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现代科学——２０世纪的科学 第一节 微观世界和宇观世界 在人类进入２０世纪的那一刻， 物理学界一片歌舞升平， 多数人都认为新世纪的物理学不过是修改修改以往理论中某些数据小数点后的数字罢了物理学的天空一片晴朗，只有两朵“乌云”，一朵是关于寻找以太，另一朵是对于黑体辐射的研究然而很快，科学家们就意识到了危机，两朵“乌云”转眼变成了雷鸣电闪，物理学界发生了巨大的革命，形成了完全崭新的理论随即迎来了粒子物理，相对论和量子力学的朝霞 然而世纪之交，人们最先感受的不是烦恼，而是惊喜，是为一个奇妙的微观世界的出现而惊喜十九世纪中叶以后，电的研究和应用越来越多，其中在气体中放电的现象是许多人研究的重点１８３６年，法拉第就曾想在真空条件下做放电实验，只是由于缺乏真空技术而作罢１８５４年，德国工人盖斯勒发明了真空管，不久人们就成功地实现了真空放电这种在放电时出现在阴极管壁上的被称为“阴极射线”的美丽的绿色光辉，引起了许许多多科学家研究的兴趣从而导致了物理学界出现一系列重大的发现首先是德国物理学家伦琴（１８４５＿１９２３）１８９５年在实验中发现了Ｘ射线，Ｘ射线的发现动摇了原子论学说，为电子论的创立提供了有利的实验证据，并且很快在光电效应研究、 晶体结构分析及人体疾病的透视与治疗等方面得到广泛应用。

伦琴也为此获得第一个诺贝尔物理学奖（１９０１）第二年，法国物理学家贝克勒尔（１８５２＿１９０８）发现铀盐的天然放射性再过一年，１８９７年，英国物理学家汤姆逊（１８５６－１９４０）在对阴极射线的定性和定量研究中，发现在真空放电之际，从阴极射出的射线是带有负电荷的微小粒子波， 从而发现了电子 这三项重大发现导致了人类对物质世界认识的一系列革命性变化 其中特别值得一提的是居里夫人 （法 １８６７＿１９３４），年轻的居里夫人独具慧眼，大胆地决定将铀射线作为自己的博士论文题目，并大胆推测了尚不为人知的放射性元素通过艰苦劳动，居里夫妇终于获得了新元素“钋”和“镭” 所有这些实验结果使人们认识到， 两千多年来认为原子不可分的观念已被突破１９１１年，卢瑟福（英 １８７１－１９３７）在做用放射线轰击金箔的实验时，发现原子里面具有原子核，并非是“不能分割的东西”１９３２年，英国人发现了中子由此人们知道原子是由质子和中子组成，而元素之间的差异是构成原子的质子、 中子和电子的数目不同所造成的由于卢瑟福实验只是能量很低的自然放射线，为了寻找比原子核更小的世界，本世纪中叶以来，科学家们开始使用粒子加速器进行实验， 随着粒子加速器的能量越来越高， 更加细微的微观世界逐渐展现在人类面前。

到了３０年代，科学家们继续发现了中子、正电子、μ 子、π 介子和奇异粒子，这些被称为“基本粒子”的比原子核更小层次的颗粒大多是在高能实验室里产生的 到本世纪下半叶，人类再将认识深入到更深层次，在对质子、中子等１００多个“强子”进行了分类和研究之后，发现其中仍然存在着规律性的东西于是，１９６４年提出了强子是由“夸克”组成的理论， 这个理论满意地解释了当时许多遗留下来的问题 １９６９年夸克的存在又获得了证实 目前我们可以确认有上下夸克等６种夸克和电子等６种轻子存在，它们是我们目前认识到的构成物质的最基本单位与此同时，对粒子物理学的理论研究也在非常艰难的探索中前进 经过４０年的努力， 人们大致有了这样一些基本的认识：第一，所有粒子的运动遵循着四种基本力的相互作用规律，就是引力、弱力、电磁力和强力，弱力和强力在微观粒子间相互作用中才显示出来；第二，根据作用力的特点，微观粒子可分强子（由夸克组成）、轻子和传播子三大类，关于１０的负１７次方的原子尺寸的粒子的许许多多理论问题， 正在吸引越来越多的科学家们奋斗与献身；第三，人们在尝试将这些夸克和轻子组织起来，建立一种模型，并试图探索其中的规律性东西。

而这是否就已经到了尽头了？仍是一个谜；第四，自１９５６年李政道、杨振宁提出了弱作用下宇称可以不守恒并被试验证明以后， 人们又从实验上发现了粒子、 反粒子等在弱作用下对称性也可以被破坏， 即宏观物理世界中守恒律和对称性在微观世界出现了异样这是一个重大的需要研究的理论问题； 第五，科学家们通过对于基本粒子和宇宙起源的共同研究发现， 在超高能量状态下， 物质之间的四种力有可能结合成一种力， 宇宙之初就是这种超高能量状态， 于是科学家们总想用一种统一理论来把四种力统一起来，达到简单而又完美的哲学追求，目前，“弱－电”统一的理论有了进展，强相互作用的量子色动力学也有了进展，新的理论还有待于发展人类对于微观世界的认识在本世纪内花费了大量的心血和财力， 一大批优秀的科学家在确立微观粒子的探索路上也无意中树立了自己的丰碑他们中还有：海森伯（德 １９０１－１９７６），汤川秀树（日 １９０７－１９８１），费米（意 １９０１－１９５４），泡利（奥 １９００－１９５８），丁肇中（美 １９３６－ ），温伯格（美 １９３３－ ），萨拉姆（巴 １９２６－ ），格拉肖（美 １９３２－ ），等等实际上，这条道路并没有走到尽头，新的发现还在出现，例如１９９７年日本的观测显示中微子不是没有质量而可能具有质量；又如， 当欧洲那个预定于２１世纪初建成的大型强子对撞机启动起来的时刻，关于基本粒子质量、关于反物质、关于 ......的许多谜会得出什么样的谜底呢？ ２０世纪物理学革命的先锋和主将是爱因斯坦（德国，瑞士，美国 １８７９－１９５５） 。

爱因斯坦首先是以其天才地独立批判的精神冲破了上世纪末物理学界关于以太问题所陷入的深深困惑古典物理认为，以太是在空间存在的无重量物质为了找到并研究以太，上世纪末的许多大科学家做了许多杰出的精彩的实验和数学推导， 但由于基于古典物理学的束缚，他们都未能成为新世纪的开创者爱因斯坦１９０５年发表了他的相对论理论，他从“同时”具有相对意义这一点为突破口，建立起了全新的时空理论，相对论认为， 光速在所有惯性系中不变，它是物体运动的最大速度由于相对论的效应，运动着的尺子会缩短，运动着的钟会变慢这些观点，直接否定了牛顿力学引以为基础的绝对时间和绝对空间的框架，上世纪争论不休的以太被证明本身就是虚幻的在此基础上， 爱因斯坦又于１９１６年完成了广义相对论广义相对论从引力场相当于一个非惯性系这一点出发，得到物质周围的时间和空间是弯曲的，即牛顿的引力场实际上是个弯曲的时空这就意味着所谓的时间和空间是与物质的存在共同存在的，这就完全改变了牛顿绝对时空的古典观念爱因斯坦这些异乎寻常的理论，后来被为数不多的实验所证实爱因斯坦还在其他许多方面有突出的贡献例如，他最著名的质量能量相当性的发现， 即物体的质量只是能量的量度， 这一理论成为了随之而来的原子核理论和量子物理的理论基础，也是原子时代到来最早响起的理论钟声。

从本世纪初期开始的另一个伟大的物理学理论革命－量子力学的诞生和成长也是和上世纪留下的一个被称为“黑体辐射”的理论困惑相关的 十九世纪后期， 维恩和瑞利－金斯分别使用半理论半经验的方法来确定光和热之间的关系，虽然取得了一定成果， 但由于公式并不普适， 实验值和理论值在不同的区间发生了根本性的差异而难以取得新的进展本世纪初，物理学家普朗克（德 １８５８－１９４７）、卢瑟福、爱因斯坦等为此进行了开创性的工作，直到玻尔（丹麦 １８８５－１９６２）才实现了理论的突破他把能量是一份一份量子化的概念运用到原子结构中，虽然和古典的牛顿理论和麦克斯韦理论完全不相符，但却成功地解释了后者无法解释的实验结果玻尔的量子理论不久就得到了发展，年轻的德布罗意（法 １８９２－１９８７） 提出了物质波理论，同样年轻的海森堡和狄拉克 （英 １９０２－１９８４）从代数和粒子入手创立了矩阵力学的数学形式，另一位奥地利物理学家薛定谔（１８８７－１９６１）则从微分方程和波入手创立了量子力学的波动方程后来的事实证明，两者是等价的这样，量子力学建立了起来 狭义的量子力学是指海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学 两者本质是一样的，不同只是处理方法的不同。

其后，玻恩给出了波的几率解释，海森堡给出了测不准原理，玻尔提出互补原理，形成了量子力学的基本体系这是本世纪２０年代到３０年代最辉煌的时期，许许多多大物理学家们介入其间，各抒己见，有些理论争论一直延续到了今天这样，量子力学的发展经历了前面的几个阶段：早期（电子理论、黑体辐射等），发展期（旧量子论）和定型期（量子力学）本世纪下半叶以来发展到综合期（量子场论）和异化期（唯象理论）在量子力学（矩阵力学、波动力学）的基础上引入传统力学，场论，相对论构成了量子场论的理论体系，用于处理各种量子力学的问题，并刻划基本粒子同时，随着当代核物理、粒子物理的发现和应用技术的不断发展， 人们越来越感到理论的力不从心， 原子核的几个模型都脱离了经典量子力学的解释，中子、正负粒子的发现也很难说是经典力学的延伸，衰变理论、守恒理论、强子结构都只能基本以现象分析为主不断产生一些新理论，又常常自相矛盾，这使今天的人们很苦恼 在人们高度关注微观世界的同时，人类对于宇宙的探索也不肯停下脚步来，虽然这种进化是极其缓慢和艰苦的我们已经知道，从亚里士多德到伽利略大约用了２０００年 进入２０世纪后出现了一个推翻传统时间和空间观念的理论，那就是爱因斯坦的相对论， 从广义相对论方程式能够导出宇宙会膨胀或者收缩的结论。

但是爱因斯坦自己起初也并不认为这会是一个事实 爱因斯坦的相对论虽然成为了２０世纪天体物理学的理论基础，但即使在他的广义相对论里，宇宙常数的引入也表明了他希望一个稳定的宇宙的思想本世纪二十年代，美国天文学家哈勃（１８８９－１９５３）得到了关于星系光谱“红移”的重大发现，宇宙是演化的观念才开始渐渐出现红移，是指星系光谱向长波方向偏移，而且星系离我们越远红移值就越大，红移量的大小由哈勃定律描写就像一个有花点的气球， 当气球被吹胀时， 不管位于哪个花点的观测者都会发现其他花点在远离自己而去 星系红移反映出真实宇宙目前是在膨胀中 １９４８年， 伽莫夫 （俄国，美国 １９０４－１９６８）发表了一篇关于热大爆炸模型的文章，作了一个惊人的预言，认为早期大爆炸的辐射仍会残存在我们周围，只是由于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只有几度左右，在这种温度下，辐射只会处于微波波段，１９６５年，这一不可思议的预言竟然被观测所证实！ １９６４年， 美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在一次意外的星系测量中接收到相当大的与方向无关的微波噪声， 在随后的一年中他们发现这种噪声没有什么变化，温度为３Ｋ进一步的研究表明，这种热辐射就是宇宙早期原始火球高温热平衡辐射留下的遗迹。

这被认为是宇宙大爆炸理论最关键性的证据 １９８９年人类又通过卫星测得更为精确的热辐射温度为２.７３６Ｋ另外一个重要的证据是关于氦元素在宇宙中的含量 计算表明， 宇宙中所有恒星生生灭灭的过程中产生的氦只能提供宇宙现有含量的１／１０， 而宇宙中大量的氦存在是在宇宙诞生后最初三分钟内形成的于是，牛顿的宇宙，即永远不变的无限时间和空间最终被一个曾经发生过巨大爆炸至今仍正在膨胀的宇宙所代替 这个动态的宇宙产生于２００亿年以前， 目前仍在膨胀的过程中 这样， 关于宇宙起源和演化的理论就成为本世纪中叶以来科学上最引人注目的理论之一五十年代提出了由星际气体到黑洞的发展序列， 它与哈勃位移、微波背景一起构成了经典大爆炸理论如今，宇宙大爆炸模型虽已被广泛接受，但理论上的争论远未结束 美国权威杂志 《科学》 １９９８年末把当年的一项天文发现列在首位，这一发现是： 科学家们发现了一颗迄今为止所能看到的最遥远的超新星， 它距离地球有１８０亿光年， 能够产生非常稳定的光， 它的存在似乎进一步证明了宇宙正在一种神秘力量的支配下不断地膨胀着 最早人们发现宇宙背景辐射时觉得这种辐射的温度是十分均匀的，但却无法解释当前宇宙的构造，进入九十年代以来，卫星观测到这种温度具有十万分之一左右的不均匀， 很可能和宇宙物质分布密度的不均匀相对应。

遥望远方的宇宙实际上就是在遥望过去的宇宙， 对于一百多亿光年星体的研究实际上意味着今天的人类正向宇宙诞生的时刻接近在这个伟大的接近中，有一位传奇人物、英国科学家史蒂芬．霍金（１９４２－ ）霍金是广义相对论家和宇宙论家，七十年代，他对于黑洞的研究成果是将引力、量子力学和统计力学统一在一起，八十年代以后，他的兴趣转向量子宇宙论， 霍金认为他的一生的贡献是分别在经典物理和量子物理的框架里证明了宇宙大爆炸和黑洞理论史蒂芬．霍金又是一位极为罕见的人物，他的几乎全部科学贡献都是在与全身病魔作斗争的情况下完成的，数十年来，他无法用语言与他人交流，不能写字，更不能自由的行动，除了大脑，他没有健康二字可言，人类应当为有以这样坚强意志追求终极真理的灵魂而感到自豪 即便是读者今天在阅读此段文字的时刻， 这位有史以来最杰出的科学家之一也许正在剑桥继续着他与宇宙源头的对话， 这也是人类科学精神与大自然之间的对话 第二节 生命的奥秘 生物学在二十世纪的重大发展是生命科学的突飞猛进 在此之前， 关于生命的科学主要还是以哈维的血液循环理论为基础和轴心展开的， 例如阐明生命体的呼吸系统、 消化系统、 排泄系统或者肌肉骨胳系统等等。

本世纪的生命科学是以对生命的信息过程的研究为轴心而开展的， 生命体的两大信息过程－神经过程和遗传过程是现代生命科学的主题，同时开展的，是在遗传信息指导下的蛋白质的结构和对新陈代谢过程的研究这些研究，揭示了生命过程中新的层次，使人类开始接触到生命的本质与此同时，在实践上， 遗传物质的发现导致了遗传工程技术的发展， 神经系统的研究直接导致电子计算机技术的产生和发展， 众所周知， 这两项技术的发展给我们带来了难以想象的巨大变化 神经系统的结构问题是一个争论了很久的问题， 直到１９３４年， 幸运的西班牙解剖学家卡哈尔发表了一篇长达１３７页的专著，才使得问题有了答案到了五十年代，人们用高倍的电子显微镜观察到了缠结在一起的不同神经元的末梢之间的“突触间隙”为２００埃， 进一步巩固了这个理论 继续的发展是把生物的神经现象还原为电现象和化学现象的研究第二次世界大战以后，人们相继发现脑内的化学传递物质有三十多种，对于不同的神经元有不同的兴奋和抑制作用与此同时另一学派的研究也在取得进展，俄国生理学家谢切诺夫创立了以研究反射活动为主课题的俄国生理学派， 他的学生巴甫洛夫（俄 １８４９－１９３６）取得了这个学派的最高成就，他将能够引起条件反射的刺激信号分为两大系统，其中之一是人类特有的语言文字系统。

巴甫洛夫的研究，使人类初步地了解了反射活动的结构１９４８年，美国数学家提出了控制论后，反射活动被定义为由一系列“反馈”过程所完成 在遗传学和分子生物学领域，早在１８６５年，奥地利的修道士孟德尔（１８２２－１８８４） 就从豌豆的交配实验中发现了遗传具有的法则性， 他认为某种形式的遗传“因子”会从亲代传给子代， 孟德尔的“因子”很接近今天所说的基因 但是他的研究没有受到重视， 直到１９００年才得到肯定 人们在探索遗传信息的道路上也是历尽艰难，１８６９年时，就在细胞核里发现了新的物质核酸，可是科学家们的注意力老是放在对于蛋白质和染色体的研究上，整整花去几乎半个世纪，其中也不乏成就，例如美国的摩尔根（１８６６－１９４６）研究果蝇的突变，发现了基因位于染色体上特定的位置本世纪中叶，科学家们提出了遗传基因的载体是ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）的观点，并且知道了核酸是由称为核苷酸的单位所组成，而核苷酸是由碱基、糖、磷酸等零件所构建，其中碱基有四种，有序地排列和组合也就在四十年代初，量子力学的创始人薛定谔也把目光转向了生物学， １９４３年２月， 他发表了著名的小册子 《生命是什么》 ，提出了一个科学的语言：生物体中必有一种非周期性晶体，含有巨大数量的排列组合，构成了遗传密码的稿本， 量子力学的原理既能够解释这一稿本的稳定性， 也能解释它偶然的突变。

这本书深深打动了美国大学生沃森（ １９２８－ ）和从物理转向生物的克里克（英 １９１６－ ），他们连续作战了１８个月，终于解开了遗传物质结构之迷，证实了薛定谔天才的预见，建立了ＤＮＡ的结构模型，他们发现，ＤＮＡ具有双螺旋构造，而且四种碱基各自成对１９５３年４月，《自然》（英）公布了这个划时代的发现 宣告了分子生物学的诞生，从此， 生物学进入了分子水平，影响了整个生物学领域人们开始从分子阶梯上去探索生命的秘密，相继研究了遗传密码，阐明了蛋白质合成的机制进入７０年代以后，将生物体内的ＤＮＡ分离出来进行重新组合的技术问世，它使科学家能够增殖基因或者将基因另行组合， 预示着人类可以象设计工业产品一样来设计新的物种，甚至于人类自己所有这一切，对本世纪晚期的人类社会生活，对农业、生物界和医学界都产生了极为巨大的影响１９９０年，人类正式开始采用基因疗法，并期待着这种疗法能够对付癌症、 艾滋病等人类目前尚未攻克的绝症； １９９５年以来，人类开始掌握一些生物的“基因组”，即某一生物的全部遗传信息人体有３０亿个碱基对，如果能够得到全部的解读，必将给人类带来完全崭新的生命观，这是国际人类基因组计划中最重要、 难度最大的项目， 我国人类基因组大规模测序工作１９９８年已经开始，正准备以中国人为模板，在２００１年完成３０００万个碱基对的测定，争取在人类基因组序列的构建中达到１／１００的贡献率。

第三节 从大陆漂移到板块学说 地球作为一个天体， 在经历了天文演化阶段以后， 就进入了它特有的地质进化时期尽管如此，地质学在文化上却是西方实验科学中较晚的样品 十八世纪，野外地质学得到了发展，各种地层的材料逐渐积累，为地质学真正理论的出现提供了必要的基础条件，法国勘测并出版了地质图，矿带的概念、岩层的概念、山脉的构造等等先后被提了出来 到世纪之交开始出现了地质学理论， 它和生物学的结合导致了地质进化论的形成１８３０年，赖尔出版了他的《地质学原理》，确立了地质进化论的观念，完成了地质科学的体系，并集中了研究方法赖尔认为，地球受直到今天还在起作用的各种因素的作用，逐渐地改变着自己的面貌，并且只会在原来的、固定不变的位置上运动，这一理论在十九世纪占统治地位与此同时，地质结构的问题也引起了人们的关注，布赫的隆起说（１８１８），波蒙的冷却说（１８２８），以及丹纳（１８４２）的地槽学说构成了地质构造论的主体到十九世纪的上半叶，科学家排出了全球编年史， 地质年代各纪基本定型 这时候， 地貌学、 冰川学、 海洋学相继问世，传统地质学基本完成 赖尔从来没有想到过大陆的移动问题， 他的理论在十九世纪下半叶遭遇到严重的危机。

大批奔赴世界各地的考察队汇总的资料表明，在被大西洋所隔的大陆上，生物和古生物化石有着密切的亲缘关系，赖尔的固定说对此不能作出解释１９１２年，德国的气象学家魏格纳 （１８８０－１９３０） 发表 《大陆的生成》 一文， 公布了大陆漂移说，１９１５年出版的《海陆的起源》震动了地质学界，魏格纳认为：第一是南大西洋两岸海岸线相互吻合， 可以拼成一块大陆 相传这是他在病床上看墙上的世界地图时发现的（１９１０）；第二是系统搜集分析大西洋两岸的许多生物和古生物的亲缘关系，特别是例如蚯蚓一类迁徙极慢的动物的分布， 指出这样的动物是不可能“扩散”开来的； 第三是两岸地质方面的吻合，例如岩石、地层和构造、年龄等等；第四是气候史方面的证据 魏氏独立地提出了新的观点， 他认为地球在距今三亿年以前的太生代是一块整体大陆，他为这个大陆起名叫“盘古大陆”，经过分裂、移动的演变过程，在距今３００万年以前，才漂移成为今天的样子这一理论引起了地质构造论的革命性的变化，遭到许多人的反对， 特别是当他无法解释大陆漂移的动力学问题、 而且他海底十分平坦的设想又被事实证明是错的 魏格纳为了寻找大陆漂移的直接证据， 在格陵兰荒凉的冰原中遇难，他的学说一度衰落，他的人格受到诽谤。

随着时间的推移，人类发现了海沟和海底山系， 对于地球深层的探索和地磁极的移动的发现都使得关于地球构造的观念发生了变化１９６０年赫斯提出了海底扩张学说，在那之前，１９５２年，孟纳德发现了海底断裂带到了１９６５年，布拉德用计算机将大西洋两岸大陆架的外缘拼接成功，威尔逊、麦肯尔、帕克等人建立了板块构造学说这一学说认为，地球是由若干块不会变形的坚硬“板块”覆盖着，今天地球上的欧亚、美洲、非洲、澳洲、南极和太平洋六大板块每年沿着水平方向移动数厘米到十厘米，它们绕轴旋转，其下面的软流层的热对流是其动力，相应的海底板地在地幔流漂移，板块碰撞形成了海沟，板块交错形成了断层大陆分久必合，合久必分，海洋时而扩张，时而封闭，这是现代的地学理论板块构造理论在６０年代后期以来获得了惊人的发展，不仅说明了今日地球的地形特征，而且能够对几亿年后的地貌作出科学而准确的预言：今天的大西洋、红海、东非裂谷等将不断扩张，太平洋将不断缩小，几亿年后，今天的各大陆将在太平洋区域汇集成新的联合大陆七十年代以来一系列地质发现，以及板块学说在地震学、矿产学、古气候学、古生物学等实践活动中所取得的巨大成功，都不断证明了大陆漂移学说和板块学说的正确性。

需要专门提到的是，我国科学家最近提出：１４亿年以来，地球至少经历了５次古大陆的聚合， 本世纪人们关注的只是近３亿年左右的历史变迁 这一观点为地质理论开拓了新的研究领域 现在的人们认识到，地球基本上是一个封闭系统，是由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈四大系统组成；地球是我们拥有的适合人类生存的唯一栖息地，而地球的资源是有限的；各种自然力改变了地球的面貌，它贯穿和控制着绝大部分的地质年代，但从局部而言，人为的影响正在日益地显著，因此，保护好尚没有受人类活动干扰的原始自然界是十分重要的工作； 现代地学是一门既古老又新兴的学科，要求具有广泛的、 综合性的、先进的、现代的科学知识和对于地学及其他相关学科的知识 其实人类对于我们居住着的这颗星球一直在探索和认识之中，永远也没有尽头公元前６世纪时，古希腊的毕达哥拉斯据说是第一个认为地球是球体的人，亚里士多德曾经根据地球在月球出现圆形阴影而支持毕达哥拉斯，他们的这个结论在２０００年后的大航海时代才得到证实，全世界的海洋和大陆的分布也在这个时代才开始清晰起来牛顿和惠更斯最早开始怀疑地球是一个完美的球体，过了大约一个世纪，这一点被法国的探险队所证明；板块构造理论也是一个开放的理论，将会有更多更好的探测和数据去完善和修正它。

１９９８年秋，中国大批的专业技术人员在世界第一大峡谷－雅鲁藏布大峡谷进行了巨大的考察工作，１９９９年２月，中国公布了精确的测绘数据，类似这样的“真空”在全世界还有很多， 我们对于自己生存的这颗星球的认识还需要时间和实践的积累 第四节 数学 要想十分简明扼要地表述清楚本世纪的数学是一件十分困难的事情因为自从数学独立存在发展以后，其内部就一直在孕育着新的生长点二十世纪的现代数学，既高度抽象和统一，又分支十分复杂；既走向数学哲学，又常常在深层次与其他前沿科学不期而遇 和物理学一样， 上一世纪末的数学家们， 也是满怀喜悦的准备在世纪之初进行一次全面的总结可是，本世纪初有两件事打破了数学世界宁静的梦一件是英国青年罗素（１８７２－１９７０） 指出了集合论中存在的一大悖论， 另一件是１９００年德国数学家希尔伯特（１８６２－１９４３）在国际数学会议上提出的２３个数学问题现在我们知道，这两件事大大影响了本世纪的数学界 罗素悖论使数学家们不能不思考数学的本性问题和基础问题， 由此引发了数学哲学的兴起数学界分成若干学派，经历几乎一个世纪的争论，促进了数学整体的发展其中，形式主义学派是对２０世纪数学影响最大的学派。

希尔伯特问题在本世纪得到了许多方面的突破， 形成许许多多新的数学分支， 由于分工越来越细，以至于连不同分支的数学家们如今也会因缺乏共同语言而难以相互理解我们只能是把其中的一些主要分支简略地交代一下一个是泛函分析，它研究“函数的函数”，比如说，联系甲乙两地的路径，如果每一条都是一个函数的话，每一个函数又都对应着一个行走的时间，那么就可以把时间看作是函数的函数了希尔伯特和他的学生们建立了泛函空间－“希尔伯特空间”，这是一个可数无限维的欧氏空间泛函分析在本世纪３０年代有了成熟的结果，以后日益发展，成为具有许多分支的大数学理论另一个是抽象代数，它由群论，域论和环论三部分组成第三个是拓扑学，它虽然是二十世纪的产物，问题却是提得很早的问题比如欧拉的“哥尼斯堡七桥问题”是说“一个河湾、两个岛屿、七座桥、一次性经过”这样一个问题，欧拉当时给出了证明：不可能又比如著名的“四色问题”，要求只使用四种颜色，就可以使任何地图上的所有相邻国家可以各用不同颜色来表示 虽然这是一位不出名的数学家哥特利在１８５２年提出的，但是它的被证明却是在１９７６年由阿皮尔等人在电子计算机上才完成的其他的数学高论，例如解析数论、微分几何学等等，都开辟了许多新的认知领域。

但是且让我们暂时隔岸观景吧我们还需要知道的是，这些数学工具的产生和运用，对自然科学的其他领域和科技的发展都起了巨大的推动作用，看起来高深抽象的数学，却常常在险峻之处与现实相撞击，例如希尔伯特空间应用于量子力学，使量子力学成为了泛函分析的一个现实模型；拓扑学中著名的陈省身“纤维丛理论”，与杨振宁先生的规范场理论竟然惊人地贴近，而本世纪伟大的数学巨匠冯．诺意曼（匈牙利）运用其纯熟的数学理论于电子计算机的创立， 使数学和计算机的组合， 成为本世纪后半叶最大的技术领域 第五节 系统科学 被约定成俗地称为“系统科学”的新学科的出现， 是本世纪中叶以后的事情了， 现在所谓的“系统科学”，一般是包括了信息论，控制论，一般系统论和各种自组织理论（包括耗散结构理论、突变论和协同学）这些科学和传统的科学有很大的区别，前者主要是研究能量和物质的，而后者主要是研究信息和信息过程的系统科学的出现，正好和对于物质、 能量进行深入研究而得到的分子生物学遥相呼应， 构成了信息时代的特征其实人类最早时代就知道信息，运用信息，所有原始符号都是信息，后来演化为文字、语言、音乐、绘画等等，早期的人们已经懂得把烽火台一类的信息传递方式进化为密码方式。

当电磁理论出现后，人们立即想到了把它用于信息技术， 但是２６个字母用什么新的方式来表达使得许多人感到为难，美术家莫尔斯（美 １７９１－１８７２）在美国政府支持下架设起了电报线，１８４４年５月，人类第一份电报“上帝创造奇迹！”从美国高等法院发出， “莫尔斯电码”是人类有意识地创造的信息符号 信息理论的形成是在一百年之后， 美国贝尔研究所的工程数学家申农发表了 《通讯的数学理论》，为现代信息论奠定了理论基础几乎同时，控制论的创始人维纳也对信息进行了深入研究到了本世纪五十年代，信息理论与许多老学科的结合推动了整个科学界，信息与生物学的结合，形成了“遗传密码”观念，信息与物理学的结合，使信息与系统的有序化研究相联系，目前，信息理论已经涉及语言学，经济学，心理学，哲学，美学等等，甚至于已经成为带有广泛含义的大众口头语言了 信息除了传输作用以外，还具有控制的作用，这就是控制论研究的领域，控制论几乎与信息论同时产生，创始人是数学家和交叉科学家维纳，他的代表作是出版于１９４８年的《控制论》，中国科学家钱学森是控制论研究的重要代表人物 控制论的基本思想是关于随机过程和选择，是非机械决定论早期研究的重点是反馈，五十年代提出了著名的“黑箱理论”，６０年代后，生物控制和航天事业的实际需要使控制论演变为“现代控制论”， 它主要采用状态空间的方法，以计算机为手段，实现最优控制，这种思想现在已经进入了经济领域和社会领域。

在科学史上，从古到今都有关于整体和部分的关系的争论，到了本世纪初，人们逐渐认识到， 应当把生命看成由部分所构成的整体系统， 生命的过程和物理化学的过程是不同层次的过程１９４８年，美籍澳地利生物学家Ｌ．Ｖ．贝特朗菲出版了《生命问题》一书，宣告了一般系统论的诞生后来，系统论思想和在运筹学基础上发展起来的系统工程学结合以后，逐渐形成了大系统论的思想，专门研究复杂系统的最优化问题，６０年代的阿波罗登月计划的成功，是公认的典型范例 上世纪末时， 有几个十分矛盾的理论得不到解答，其中之一是热力学第二定律和达尔文的进化论之间的深刻矛盾本世纪以来，许多科学家在这方面作了巨大的努力比利时的普利高津及其布鲁塞尔学派是重要的开拓者，他们经过了２０年的艰苦奋斗，终于在１９６９年宣布了新理论－非线性非平衡态热力学，即“耗散结构理论” 耗散结构理论在不违背热力学定律的情况下表明， 开放的非平衡非线性系统， 可以发生从混沌到有序、 从低级到高级的发展 一个远离平衡的开放系统， 不论它是物理学的、 化学的、生物学的、社会学的、经济学的、或者是精神方面的，通过与环境进行能量、物质和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，就可能自发地组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。

由于这样的动态结构是通过物质、能量和信息的交换和耗散来实现和维持的，所以命名为耗散结构又由于它又是一个关于物质系统的自发地组织起来的理论，所以也称为自组织理论耗散结构向我们表明，复杂系统的不可逆发展充满着分叉和选择，发展是通过涨落达到有序的，系统在发生从无序到有序、 从一种有序态到另一种有序态的转变时充满着不确定性决定论和非决定论在系统的发展中难分难解地联系在一起 但这并不意味着我们从此走向了一个纯机遇的变化无常的世界事实上，这里有两个并存的世界，一个是由确定性定律所支配的世界，它没有给新奇性留有位置；另一个则是由掷骰子的上帝所支配的世界，在这个世界里，一切都是荒诞的、非因果的、无法理喻的耗散结构是科技史上第一个关于自组织的物理理论，在完善和发展它的进程中，数学家托姆发明了“突变论”、物理学家哈肯发明了“协同论”，都进一步发展和拓宽了自组织理论的科学体系，现在，人们正在尝试用它来解决物理学、化学、气象学、宇宙学、社会学、生态学、心理学等许多领域里的问题例如：长期以来，物理学家们认为宇宙的基本规律是可逆的和决定性的，牛顿力学中的时间是一个可逆的参数， 未来和过去看上去没有什么实质性的差别， 宇宙没有历史，时间也没有方向。

而当代非线性科学的进展却告诉我们， 自然界的基本过程是不可逆的，现存的世界处在不断的演化之中， 时间是有方向的，向前飞奔着的非生命系统也有类似生物进化的从混沌到有序的演化行为 物理学世界图景从存在向演化的转变完成了物理科学和生物科学在最基本的理论原则上的统一 又比如，封闭没有发展，绝对平衡也不会发展，这一耗散结构理论的基本结论现在正在广泛地应用于社会学和经济学的领域自组织理论的建立和发展开辟了一条力图克服片面性的道路 太阳系确实常新， 面向未来也就是创造未来 以上我们只是对于二十世纪的几门学科进行了一般性的讨论， 实际上， 二十世纪是自然科学革命的世纪， 所有自然科学领域在这个世纪里都得到了发展， 例如我们没有提到的化学，实际上，本世纪初，莫斯莱根据原子模型指出原子序数就是原子电荷数后，物理与化学在本世纪并驾齐驱，共同发展，如今，核反应已经成为核化学的基本手段，在光谱分析、电解化学、量子化学等领域则更是这样 如果我们对二十世纪的理论科学可以作一个最简单的回顾的话，可以认为有两个大的方面， 一是对于古典科学理论的重建， 粒子物理中的夸克模型、 宇宙学中的大爆炸模型、 分子生物学中的ＤＮＡ双螺旋模型和地质学中的板块模型是最重要的四大模型。

二是有别于古典科学的新科学的酝酿和发展， 以新兴的系统科学、 非线性科学、 生态科学为其前导， 尽管这些领域开始不久， 但它们极有魅力 二十世纪的科学于是成为“转折点时期”的科学 人类已经较上世纪末成熟， 懂得了对于自然界和对于自身的认识是永无止境的这一真理 二十世纪科学技术大事记 １９０１ 首届诺贝尔奖颁发 伦琴获物理学奖， 范托夫获化学奖， 贝林获医学生理学奖人类血型的发现 １９０３ 美国莱特兄弟完成人类第一次动力飞行，历时１２秒 俄国巴甫洛夫首次提出“条件反射学说” １９０５ 爱因斯坦提出狭义相对论，改变了人类对宇宙的观念 １９０９ 丹麦人约汉逊命名“基因”一词 １９１１ 卢瑟福发现原子核 昂尼斯发现超导现象 １９１２ 发现宇宙射线 １９１３ 玻尔根据卢瑟福的原子模型和普朗克的量子假设建立围绕特定轨道旋转的原子模型 １９１５ 魏格纳提出大陆漂移学说 １９１６ 爱因斯坦提出广义相对论 １９２１ 发现胰岛素并研究出胰岛素的生产方法 １９２２ 弗里德曼提出“膨胀宇宙模型” １９２６ 人类首次成功发射了液体燃料火箭 １９２８ 青霉素（盘尼西林）发明。

１９３０ 发现太阳系最外侧的行星冥王星 １９３１ 创立脑血管造影术 １９３２ 发现原子核是由质子和中子组成发现正电子 １９３５ 汤川秀树提出介子理论 １９３７ 第一架射电望远镜建成 １９３８ 发现铀原子核的分裂现象 １９４４ 证明基因的实质是ＤＮＡ，生物的性状取决于ＤＮＡ １９４６ 第一台电子计算机（ＥＮＩＣＡ）问世 １９４８ 伽莫夫提出宇宙大爆炸学说 １９５３ 提出ＤＮＡ分子的双螺旋结构模型，分子生物学的革命由此引发 １９５７ 人类第一颗人造卫星上天 １９６１ 人类第一次载人宇宙飞行 １９６２ 《寂静的春天》出版，开始了环境保护运动 １９６３ 发现类星体 １９６４ 提出夸克模型 １９６５ 探测到宇宙中微波背景辐射，证明了大爆炸理论的正确 １９６７ 在南非进行了第一例人体心脏移植手术 １９６８ 创立板块构造理论 １９６９ “阿波罗１１号”登月 人工心脏植入人体 １９７３ 建立基因重组技术 １９７４ 霍金提出黑洞理论 １９７８ 世界上第一个“试管婴儿”诞生 １９８０ 日本首创“深海放牧” １９８１ “哥伦比亚号”航天飞机作人类首次飞行。

宇宙大爆炸的“膨胀理论”提出 １９８４ 发现艾滋病病毒 中国生物学家培育成功世界上第一头“试管绵羊” １９８６ “先驱者１０号”（１９７２年发射）离开太阳系，上面装有雕刻了地球位置的铝板，作为给外星人的信函 １９８８ 第一列高速磁悬浮列车运行 １９９０ 哈勃宇宙望远镜升空 世界第一例基因治疗 １９９３ “费尔马最终定理”得到证明 １９９４ 唯一未得到证实的“顶夸克”得到证明 １９９６ 反氢原子制造成功 １９９７ 克隆羊“多利”诞生 “火星探路者”登上火星 １９９８ 发现中微子具有质量 生物芯片开始用于应用领域 现代科学技术的发展 很难对“现代科技”下一个非常准确的范围所指， 但一般还是认为， 所谓现代科技，是指本世纪以来， 尤其是本世纪下半叶以来出现和正在形成的科学技术领域， 而且这些科技在世界公认的情况下影响当代并将继续影响到下个世纪， 有时人们用“高科技”来形容这样的科技领域，并提出它们的共同特征是高效益，高智力，高投入，高竞争，高风险，高潜能要是说得再白一点，可以从老百姓的感觉来谈：凡是广大的人民群众意识到那种对国家和民族、当代和未来的政治、经济、文化、军事以及社会生活带来巨大变革的技术领域，都可以理解为“现代科技”。

现代科技较之于我们前面所谈的科技发展的各个阶段有某些新的不同 首先是它更大范围地渗入了人类的一切生活， 我们几乎在本世纪末再也找不到不受现代科技影响的生产和生活领域了；其次是它的技术领域在深度和广度上的扩大较之过去显得更为壮丽， 相比之下， 第一次甚至第二次工业革命的成果在现代科技看来只是十分粗放的早期科技，现在任何一门科技所涉及的技术的难度、深度和精度都是过去不可想象的；第三是它自身的发展速度之快也是惊人的， 真正叫做日新月异， 这种变化的结果是完全改变了人们对于技术产品的使用观念， 进而也就改变了社会和人们生活的观念， 现代人市场观念的更新又反过来进一步促使技术和产品的加速变化 光举这样简单的几条就可以使人感到现代技术是一种使人可爱又可畏， 可选择又无可选择的进步， 它在社会意识上所产生的影响也许在下世纪才会更充分地体现出来 我们将在这一章里介绍现代科技的几个主要领域： 生物技术， 信息技术， 航天技术，新材料技术，新能源技术等需要先期指出的是：世界各国，凡是具有条件（哪怕是一点点条件）的国度，都正在这些领域里奋斗，争取着某种发言权，所谓争夺着２１世纪的制高点中国作为一个大国，一个唯一保留下来的文明古国，也从本世纪８０年代起全面急起直追， 著名的“８６３计划”等科技发展规划从制定到实施， 取得了巨大的成果， 使得我国科技和世界先进的科技领域之间的差距正在日益缩小， 我国科技界任重道远，我国科技界前途光明。

关于世界各国在各现代科技领域里的现状，我们在下文中不再专门涉及 第一节 生物技术 生物技术其实是一门非常古老的技术， 传统的生物技术一直可以上溯到神话中的年代里去，它曾经是我们人类（其中中华民族在这方面的功劳更是举世无双的）赖以生存的手段之一，几千年来的酿酒、制酱、育种等技术是其中比较重要的技术，这方面大致可以分为四个领域 首先是发酵技术， 这一技术的关键是人类对于微生物的认识和应用，本世纪中叶以来， 这一技术形成为发酵工程， 其主要技术方向或者是对微生物产生的活性物质进行筛选形成应用， 例如生产青霉素及各类抗生素； 或者是弄清楚微生物的生理代谢机制以扩大适用化工业化的能力； 或者是采用新的工艺或控制程序， 使生产水平趋于定量化 第二是关于细胞理论及其技术工程 细胞理论是上世纪杰出的自然科学发现，经过人们的努力，现在人们在细胞阶段做了大量造福于人类的技术发明和成果例如：采用通过植物体细胞胚胎再生一完整植株的快速繁殖技术， 已经使大量的农作物、 水果等大面积地获得丰收， 从根本上抑制了品种种质退化问题； 又如通过自然或人工的办法使两个或几个不同的细胞合成一个细胞， 这种在体细胞层次进行的杂交技术为作物的品种改良开辟了良好的途径， 人们常说的人造植物“西红柿马铃薯”、 “蘑菇白菜”等等就是很吸引人的新品种。

第三是关于酶工程的推广， 这也是近几十年来生物技术的一大进步，酶是一种生物蛋白，将它用于化工技术，已经形成了一种崭新的技术，达到降低成本和能耗，减少污染，提高劳动生产率的作用，为世界各国所大量采用，目前主要应用于食品业、轻工业和医药工业之中，人们常用的加酶洗衣粉就是一种最普遍的产品最后是关于遗传育种的工程， 这虽然是几千年人类对动植物的期望， 但自孟德尔和摩尔根以来几乎百年的努力， 才确立了经典意义上的遗传理论和技术， 人工杂交的许多品种都是这一领域的成果 本世纪自然科学发生最大变化的是生物学， 上面这一切， 只是被称为传统生物学工程的一部分现代生物学主要包括了分子生物学、生物工程学和古典的生物分类学其中主要代表其现代化标准的是前两类， 它们对人类产生的惊喜和惊恐几乎一样大， 我们正以最大的激情面对来自这两个技术领域的每一次冲击 分子生物学基本上形成于６０年代，我国著名实验胚胎学家童第周（１９０２－１９７９）１９６３年“鱼类的细胞核移植”一文的发表标志了世界鱼类克隆研究的开始 当人类对生物体的认识从群体到个体到器官、组织到细胞到分子阶段的时候，在理论上发现了ＤＮＡ，认识到ＤＮＡ内储存着生物体的全部遗传信息，认识到不同生物体有不同的ＤＮＡ。

不久，对ＤＮＡ分子的空间结构人们已经有了模型，并且被多方面的实验所证实于是，人们开始着手重组生物大分子和重组ＤＮＡ的实验， １９６５年， 中国科学家在世界上第一次用化学方法人工合成了生物大分子（含有５１个氨基酸的胰岛素）三十年来，世界在这方面的工作在不断扩大同时，人们也花了大量的心血在重组ＤＮＡ的技术上， 这项工作也叫基因工程 基因工程就是首先将ＤＮＡ在体外或者体内进行重新组合， 然后把重组后的ＤＮＡ分子转移到我们需要的生物体上 重组ＤＮＡ是在分子领域里的精细技术， 其基本技术要求极高１９７２年，世界上才有了第一批重组的ＤＮＡ分子，从此，基因工程走上了生物发展历史的舞台，演出了近代最叫人激动不已的科技大戏 如今，转基因作物已经成为世界农业领域的最新事物， 通过它可以将一种或几种植物、 动物乃至人类的基因植入某一种农作物或者牲畜，使基因组合，从而使其具有人类预期的优秀品质不妨以举例来说明一下， 例如我们要想获得一种抗虫的农作物， 需要先分离得到一段基因，这种基因编码某种专门杀虫的毒蛋白，然后将这个基因放到一个载体上，再转到农作物细胞的ＤＮＡ上，实现ＤＮＡ整合这样，有了杀虫基因的农作物细胞就会产生杀虫的蛋白，虫子一吃就会死亡，而且这种杀虫的特征由于已是新的农作物的ＤＮＡ， 将会复制而传给后代， 其特性就此固定了下来。

比如美国１９８９年将获得抗体重组后的ＤＮＡ转入了烟草细胞， 利用细胞组织培养技术培养出转基因烟草， 烟草叶片产生了抗体，有人计算，就算每年美国用１％的烟草地生产这种烟草，其产生的抗体就能使２７万病人使用一年这是极为了不起的社会效益和经济效益 １９９９年，日本科学家通过将具有储存大量铁质功能的蛋白质基因植入水稻， 已经成功培养出了铁质含量是通常水稻３倍的新品种稻谷 用这种稻谷做出的一碗米饭可以满足一个成年人一天铁质摄入量的５０％１９９７年，美国有３４种转基因作物，如棉花、土豆、玉米、油菜等，１９９８年的种植面积达到２５００万公顷 据有关部门预测， 到２０１０年全世界转基因作物的种植面积将达到６０００万公顷，其中８１％在北美，８％在拉美，１０％在亚洲 转基因技术的成功， 对于人类是一个福音 同时基因工程也可能引发出一些可怕的问题１９９９年，英国医学会发表了一份研究报告指出：以往生物武器和化学武器之所以没有在战争中被大量应用，部分原因是这类武器缺乏准确的针对性但是，可以预测，到２００５年左右，人类身上的所有基因都将被解码，决定不同人种的基因密码将被准确破译和识别， 这就使得研制利用病毒作为杀手、 专门针对某些特定人类种族的基因武器的试制成为可能，更为严重的是，这种研制在规模不大的实验室里就能够获得。

这份报告对１０年内这种可用于种族清洗等罪恶目的的基因武器的出现表示了深切的担忧 与此同时，基因工程和传统的发酵技术、酶技术等结合起来，也在其他各个领域日益发挥着作用 今天的人们正在向蛋白质工程进军， １９９７年轰动世界的克隆技术就属于蛋白质工程 按现在生物技术的水平预计， 离人类几乎可以随心所欲地“生产”出新的生物体似乎已经为期不远了， 这种生产， 既包括着对于一些地球上从未有过的生命体的“创造”， 也包括着运用ＤＮＡ技术调控生命体的功能而进行的再创造， 即部分甚至完全改变地球上已有生物体的“自然生长”规律 这两类全新的生命体的出现， 全靠崭新的生命工程 已经报道的一大批成功的实验使人类不断地在反问自己： 是不是可能、是不是应该“设计制造”出必要和不必要的新的生物物种？在生物工程面前， 我们看到了社会、法律、科学、技术、伦理的大组合，如果再往前走，我们就可能制造出有生命的地球外的生物体吗？生物工程的前景真是叫我们捉摸不透这使人想起１９８３年，在人类为纪念建立ＤＮＡ结构３０周年的学术会上一位英国科学家说的话， 他说生命之谜正象一座极其复杂的大厦，我们打开了一个门，发现进入了一个长廊，长廊的尽头又有一个门，然后又是一个长廊......。

人类对自身的认识和对于宇宙的认识一样，远没有看到尽头 第二节 信息技术 如果我们把生物技术不太恰当地比做实验室技术 （因为对于ＤＮＡ的操作几乎在非常大的程度上都是在广大民众不熟悉的范围内进行的） ， 而且它的伟大发展很可能是下一个世纪的事情了那么我们可以将信息技术比做本世纪下半叶的最家喻户晓的东西了， 以至于今天没有听说过计算机 （不管会和不会使用） ， 会被怀疑是在智力上有毛病以计算机进入家庭为代表的信息技术今天已以排山倒海之势倾入到社会的每一个角落，我们可以说，世纪之交是在吵吵闹闹的计算机的敲打声中度过，或者，正如人们通常说的，我们正在经历信息革命的狂风暴雨 实际上，计算机技术只是信息技术的一部分信息技术是对信息的获取、传递、处理的技术它以微电子技术为基础，包括了通讯技术，自动化技术，微电子技术，光电子技术，光导技术，计算机技术以及人工智能技术等 人类最早的通讯工具是鼓语、旗语和烽火台，最早的计算工具是算筹和算盘，最早的自动机械装置是指南车到了本世纪中叶，在通讯工具方面，人类已经有了电报、、电视、雷达等等，已经制出了各种形式的用于计算的自动的机电计算器（钟表和穿孔卡的提花机是对早期计算机最大的启迪）。

这样，当电子管问世以后，人们就将它用于计算机的设计和制造，１９４５年底，人类第一台电子计算机问世，它使用了１.８万个电子管，计算速度比当时最好的其他计算机快千倍 １９４７年诞生了晶体管，开始了以晶体管代替电子管的时代，过了十年，世界上出现了第一块集成电路 集成电路， 就是把组成电路的元器件和连线一起做在一块硅片上，实现电路的微型化自有集成电路以后，又分别向微型化方面发展了几代，初期，在一个指甲盖大小的芯片上可制１００个晶体管以下的集成电路（称ＳＳＩ），到了６０年代，提高到１０００个以下（称ＭＳＩ），７０年代以后，出现了大规模集成电路（ＬＳＩ），在同样的面积上，已有２０万个元件，到了８０年代中期，超大规模集成电路（ＶＬＳＩ）达到了１００万个元件这个技术就是微电子技术微电子技术作为基础，直接推动了计算机的一代又一代革命５０年代的电子管计算机是第一代，晶体管是第二代，集成电路是第三代，大规模集成电路则是第四代特别是第三代计算机的问世，使１９８０年全世界拥有了微机１亿台，微机开始进入了各个生产环节，并且进入了家庭和办公室据估计，计算机发展速度大致是每五年速度提高１０倍，而体积和成本降低１０倍，这就是它以排山倒海之势冲击有史以来一切技术领域的根本优势。

必须了解，光有一个计算机（微机）是远远不够的，必须与先进的通信技术相配合，才能实现其基本的设计功能６０年代，由于激光理论和激光技术的出现，使人们在通讯上实现了革命性的变化现在的光纤通讯，满足了大容量信息间的交流现在，几乎可以说， 地球上的光缆已经把地球紧紧地捆了起来， 无数的信息在以光的速度大容量地在这些微小的光缆中飞奔， 世界上亿万的微机与这些光缆相连， 这就是人们说的“信息高速公路”与此同时，另一种通信技术－卫星通信也在迅猛发展，通过数字化处理的方式， 卫星将世界各地的、 电视、 图像、 气候......各类信息在瞬间转达到万里之外，使得地球上所有的地点都可以变得近在咫尺今天，许多行业，许多单位，许多家庭使用着简单有效的卫星接收装置，世界上的通讯变得任何时代都不可比拟， 同样，移动通信，数据通讯和其他非话通讯也在快速发展当中 如果我们今天来描述一幅“秀才不出门， 便知天下事”的图景， 那便是一幅由通讯和微机－多媒体构成的现代信息接收的图画 假如有一位接收人员 （或家庭主妇）， 他（她）在自己的家里， 可以通过光缆与世界各地联系在一起， 他的多媒体终端机上可以显示他所需要的几乎一切信息， 他可以通过电子信箱与世界联系， 通过电子货币与世界金融相联系，可以通过可视与其他人交往，可以阅读世界上当时发行的所有电视报刊，可以了解和学习与自己有关的各种知识，可以与世界上任何一个角落的人联系，实际上，在今天，已经有不少人在这样工作和生活。

但是， 信息技术还在发展中， 首先， “电子”计算机可能在不久的将来被“光子 ”计算机取代，那时，它的运算速度必将更大位数地提高， 它的功能还会得到进一步地扩大；其次，人们期望不止在家里使用这些通讯设备，而且能在任何地方都可以做到这一点， 这就要求世界本身有一个综合的智能信息网 １９９９年最常用的那个新名词叫做“数字地球”的就是讲这件事情再然后，虚拟技术正在悄悄地形成气候，世界许多计算机技术发达的国家正在开足马力向这个全新的高地冲锋， 中国也不例外 最新的报道说， 德国研究成功了模拟人造器官运作的计算机软件， 有虚拟髋关节， 虚拟心脏瓣膜，虚拟肾脏， 该系统可以在移植手术中帮助医生选择最佳手术方案， 还可以辅助设计出人造器官最后，我们不禁要问，计算机会战胜人吗？它会比人还优秀吗？我们渴望智能型计算机的出现， 但我们也不了解它到底会给我们带来一些别的什么 世界上凡是人类历史留下的大量的谜，也许在未来的人脑的大延伸（相对于工业革命以前、工业革命、电力革命所带来的对于人的四肢的大延伸） ＿全面通信技术的大发展中， 会得到前所未有的破译吗？一个信息化的时代已经到来， 它和生物技术一起将决定２１世纪的世界科技。

说到这里，实际上我们还漏掉了一个十分重要的内容：其实上面所说的一切，都还只是人以外的设备， 而内容－信息本身， 也是在快速走向现代化的 人要与人进行交流，必须使用互懂的语言， 人与微机交流－就是说人要进入如此庞大的通信网中， 必须使用一种人机共同的语言，而语言，不过是一种表达愿望的程序，这就是软件计算机语言的设计经历了好几代， 基本思想是要使人类更简单地学会使用， 这就要求软件自身具有极高的适应能力， 这是一件非常困难的事 世界上从来没有什么生物能够真正听懂人的语言， 而我们却希望未来的计算机能够通过非常简单的形式听懂和理解我们我们在这方面的努力很大，进展也很大，以至于今天的人们不再需要经过不可逾越的学习过程，也能比较好的掌握计算机语言了－甚至可以把它当做一个“人”， 一个知识渊博而又品行优秀（虽然有时显得相当固执）的朋友来对待了 于是，最后要提到的就是，信息技术带来了信息革命，而信息革命将带来一场新的社会革命整个社会将变得今天的我们无法想象这并不是什么坏事当蒸气车出现以前 的人们，谁能想象得出火车飞机是什么样子呢？当电视、电灯、出现以前，谁能想象比宫廷盛宴更光明的世界呢？谁能想象“顺风耳”、 “千里眼”竟然有朝一日成为了事实呢？同样，我们在欣喜和惶惶不安中迎来了信息革命，我们享受了它的好处，也不无担心地将它（和生命技术一样）的某些不可知的未来（例如１９９７年的５月，机器棋手首次战胜了世界上最聪明的棋手）做出一些悲观的预测，我们也知道，以工业革命和电力革命那种技术水平所形成的许多生活方式（例如商场购物、会议厅室、大学教育、邮政往来、金融交易、书籍报刊等等）将会萎缩以至于一去不返，随之而去的将是我们的许多习以为常的引以为乐的东西，而代之以似乎缺少感情的新东西。

我们得主动适应它，我们得成为它的朋友和主人 第三节 航天技术 人类早就做航天之梦，每一个古老的民族都有航天的神话，都有仰望苍天的传统科学的源头之一是天文学，技术最早的源头也有对于天空的崇拜２００年前，法国第一个放飞了载人热气球 但是真正人类飞出大地却是本世纪初飞机诞生以后， 从那以后，人们梦想着冲出地球本世纪中叶以来，人们从观念上认识到：外层空间是人类的第四自然环境，那里不仅是科学研究的一个重要方面，而且对未来世纪的经济、社会影响也是决不可以忽视的在地球大气层外部的空间，甚至在远离地球引力的茫茫太空中，也有丰富的空间资源例如：在那种高真空高清净的环境中，有许多科学研究能够完成得远比地球上完美；微重力（大大失重）情况下，许多自然变异可能产生，许多需要失重条件下的实验可以完成；极为丰富的太阳能资源可以为未来的宇宙事业提供巨大的能源；最后，月球和其他行星的资源给人类越来越贫乏的地球资源带来新的希望所以，外层空间技术在近几十年里得以迅速发展但是这个技术领域有很大的困难，克服地球引力需要巨大的动力源，在高真空条件工作的所有机器都是在非高真空条件下制造的，在短时间内， 温差可能达到数百度上千度的空间里的飞行器却是在恒温下（温差数十度）制造的。

最后，失去了保护后的机器和人将面对着大量宇宙辐射的伤害，这一切都决定了航天技术是一门真正的高科技技术， 它几乎需要人类调动一切已有的技术领域为其作这样那样的保证现在，世界上一批国家先后拥有了自己的航天器，许多达到一定的水平 首先要解决的是火箭技术只有多级火箭才能将航天器推离地球引力的控制范围火箭技术最早的发明者是中国明代的木匠万户， 他以生命为代价作了人类第一次火箭为动力的天空飞行，现在月亮上一座环形山以万户命名本世纪中叶以前，德国的火箭领世界之先到１９５７年１０月，人类第一颗人造地球卫星“苏联１号”被一枚三级火箭送上了太空，人类证明了自己能够走出地球的束缚此后，美苏两个大国加紧研究，互相竞争，１９６１年，又是苏联第一次将人类送上了茫茫太空，１９６５年，美苏宇航员在太空中走出了座舱，在空旷的太空中飘然散步，全世界都为之鼓舞终于，１９６９年，美国的宇航员走下了登月舱，在月球上留下了人类最早的脚印，那一刻，船长阿姆斯特朗说了一句非常富有哲理的话：“这一步，对于一个人来讲只是一小步，而对于整个人类却是一次飞跃 ”引导登月的计划称作阿波罗计划， 美国政府动员了４０万人、２万家公司、１２０所大学和２５０亿美元。

它显示着人类对战胜束缚创造未来的渴望，也显示了现代人类的技术文明要知道这一步需要多么先进的技术条件可以举一个小例， 一个航天器在地球大气层内的温差不会超过摄氏１００度， 但其上升过程时，温差即可达到摄氏８００度左右， 当它在轨道上运行时， 受到太阳照射的一面会高于摄氏１００度，而背向太阳时，却会低于摄氏２００度，当它返回地球时，舱表温度将超过摄氏１０００度，这对于航天器的材料、技术、燃料的要求之高是可想而知的了 ７０年代以来，航天器开始进入应用阶段主要有应用卫星，科学卫星和空间探测器以及载人空间飞行器三大类应用卫星的种类很多，主要有（１）用来达到军事目的的侦察卫星， 这些卫星９０年代发展很快， 现在已达到几乎可以揭露所侦察国家的全部军事设施的地步； （２）通信卫星是航天技术与电子技术结合的结果，利用卫星作中继，地球上凡是处在卫星波束覆盖的范围内的各点之间就可以实现信息交流， 它不受地形地貌的限制，无论山区、草原、沙漠、海洋、边远地区和内地都可以通过通讯卫星实现各种信息的传输， 目前卫星通信已有１００多种业务开通， 大大方便了人们的信息交流；（３）对地观测卫星，其实侦察卫星也是其中一类，但其他的观测，例如气象观测，海洋观测，陆地环境状况观测，各类资源观测等等，人们对于全球或者区域性变化的趋势分析，对各种资源的动态观测和调查分析等，都是通过这类卫星实现的，这种分析和研究，对于全球经济和生态调整都发挥着巨大的作用； （４）卫星导航系统的出现使大范围、全球性以及高精度以及快速定位成为可能， 人们现在几乎已经习以为常的搜索营救活动， 交通管制行为系统， 灾害防治等等都是依靠卫星导航系统的统一协调和安排。

科学卫星和空间探测器是人类继续向宇宙进军的勇敢的先锋， 进入７０年代以来， 这方面的工作曾有一段比较平静，８０年代中期后又趋于活跃，人们的目光注意到了火星、土星、木星以及太阳系外的星空，一些巨大的计划，包括在月球和火星建立人造基地，建立永久空间站等，都成为十分吸引人的项目这方面的工作是有很重大的领先意义的，人类通过对外星系，太阳，以至月球、火星的更详细的研究，获得大量第一手资料，成为研究外层空间的理论突破口，同时，人类将真正实现对于太空资源的早期开发，例如月球上富含着地球没有的能源氦－３，这是核聚变反应堆理想的燃料，月球、火星也是进行材料科学和生命科学研究的最佳场所 与此相同， 许多地球上的科技活动可以在月球上重新开展，其效果和影响是不可估量的最后，近几十年来，载人航天飞行屡传捷报，载人飞船，航天飞机，大型载人空间站的实验一个接着一个，在太空中建造一个个永久性的供航天使用的基地的愿望似乎也过不了几天了 这些航天工具和设备也为普通人进入太空做了先期的准备，也许要不了多久，一般的人就可以乘坐航天飞机进入太空，而无须经过多少培训了 需要再次提到的是， 航天技术的发展无论在其升空前、 升空中和升空后都带来了大量新技术的发展，可以想见它所涉及的方面是多么广泛。

举一个简单的例：航天技术的发展大大地推动了遥感技术的发展，最早的遥感只是一些航空摄影，而现在，借助于航天技术我们可以利用已是非常先进的遥感技术得到来自遥远宇宙空间的清晰照片当然，对于地球上的农业、矿产、海洋、气象、灾害等等观测，遥感技术更是大有用武之地的 新中国建立之初，党中央、毛主席就根据当时的国际形势，确定了中国也要搞原子弹的积极防御的战略方针，后来又增加了研制导弹和人造卫星的任务，统称“两弹一星”许许多多中国科学家参加了这一行列，他们中有地质学家李四光、物理学家邓稼先，化学家汪德熙，核物理学家钱三强，半导体科学家林兰英，物理学家钱学森，数学家赵九章几代科学家和工程技术人员自力更生，艰苦创业，为祖国的强大作出了不可磨灭的贡献如今，中国的航天事业已经拔地而起，矗立在世界的前列 第四节 新材料技术 在我们讨论前面那些最新技术时，我们实际上早就隐含了对于新材料技术的要求不能设想，没有新材料的支持，会有如此迅速发展的计算机事业，更不能设想，没有新材料的支持，会有如此辉煌的航天事业倒是可以反过来说，如果没有新材料的诞生，许多新科技就只能处在理论阶段或者技术上的等待阶段，也可以说， 今天之所以有些技术达不到设计要求，一多半的问题是出在了材料上。

在人类历史的划分中，有一种以材料为标志的划分法，因此有了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以及近代以钢铁、高分子化学为标志的说法确实，材料不是自然物，是生产力水平的标志，每个时代就一定会有一种或几种为主的材料与之相适应 ２０世纪是新科技层出不穷的世纪， 也就成了新材料层出不穷的世纪 人们一般把信息、能源和材料认为是本世纪的三大支柱，按照一般的重点划分，首推金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料和复合材料四类，这些材料，按自己的各类性能而成为信息材料，能源材料，建筑材料，生物材料，航天航空材料等等  金属材料中的钢铁曾经是一个时代（甚至就是刚刚过去的那个时代）的生产率的标志， 至今许多人还认为一个国家的钢产量代表着这个国家的某种经济实力， 其实客观地说， 钢现在还是国民经济中极为重要的材料产业， 人们也还在努力用比较省钱的办法获得更多的钢 但在实际上， 人们更加关注的是具有各种特殊性能需要的高质量的合金钢，几乎所有的金属元素都有了合金钢， 它们在推动技术发展中起了极重要的作用 例如高锰钢是舰艇和坦克装甲板的好材料，硅钢制造出了电机和变压器，有镍、铬参与的不锈钢是食品、医药、化工业广为使用的材料。

大量合金钢之外，还有许多金属也是有合金的铝、镁、钛的合金在金属材料世界中占有极重要的地位 例如波音飞机上大量使用了钛合金，人们甚至认为下个世纪的金属主角不再是钢而是钛近些年来，一些稀有金属也都参与了材料大军它们在氢弹制造，热核反应，自动化技术，原子反应堆，半导体材料等许多领域都已经大放异彩， 几乎每一种稀有金属都有着自己的独特作用 目前，金属材料正向着高功能化、 多功能化的方向发展， 人们制造出来快速冷凝金属、 “记忆”合金、超细金属隐身材料，活性生物医用材料等，它们的功能就比上一代几代金属材料更为神奇，用途更为广泛 无机非金属材料中最主要的是陶瓷，玻璃和水泥人类的先民很早就懂得制作陶瓷了，两千多年前的中国人已有了磁器制作技术，从陶到瓷是陶瓷材料的一次飞跃本世纪以来，经过科学研究，并于四十年代左右形成了工业生产线这样，陶瓷业就由传统工艺阶段走上了先进工艺阶段， 这是陶瓷业的第二次飞跃 这种工业陶瓷用途十分广泛，人们用半透明氧化铝陶瓷制成了能承受高温的高压钠灯和飞机轿车坦克的观察窗； 用碳化硅制成了轿车的关键部位； 由于新型陶瓷具有无与伦比的化学稳定性， 所以它在原子能、空间技术、能源、计算机等各个领域得到了广泛使用。

预期在未来十余年内，陶瓷技术将经历第三次飞跃，其标志是引人注目的纳米科学技术和纳米材料的发展纳米技术是研究纳米尺度（十亿分之一米）内物质所具有的特异现象和特异功能，以及在此基础上制造新材料、研究新工艺的方法和手段纳米技术实际上是在单个原子的层次上对物质进行精确的观测、识别与控制的研究与应用，用单个原子进行制造的控制物质的科学技术世界第一块纳米材料诞生于１９８４年运用纳米材料，科学家们正在试图建立新的微电子系统， 这种系统可望在不久使整个世界可以通过无线通信联成一体 最新试制成功的纳米炭管的直径只有１.４纳米，５万个纳米管排列在一起只有一根头发丝粗，其强度比铜高一百倍，导电性能超群，是最佳的超微导线和超微开关的好材料预计不久，也许就在人们读着此书的时候，用纳米材料研制成功的米粒大小的微型汽车，昆虫大小的微型机器人工厂等等人类从未见过的新产品就会见诸报端 我国科学家１９９７年在纳米技术领域获得突破性进展，进入了世界前列在纳米阶段，陶瓷脆弱的结构缺陷将会得到很大改变， 而它的功能则会有不可思议的提高 由于陶瓷在关键领域的作用常常是别的材料不可替代的， 所以世界各国都在积极发展纳米级的陶瓷技术。

玻璃也是一种非金属材料，上世纪下半叶，它才从奢侈品走向生活市场现在，玻璃产品几乎无所不在，其品种、规格也有了飞速的发展光学玻璃大量被用于社会生产和生活的各个角落而玻璃纤维以及用它制成的许多材料，例如宇航服，光导纤维，玻璃钢等成为本世纪以来最优秀的材料之一玻璃制品大量被用于电子学、光学、通讯、核物理、自动控制、航天、医学等部门水泥是一种量大价优的材料，被广泛使用于交通和建筑业，这已是人所共知的事情了 高分子材料是本世纪用化学方法制成的新型材料， 自然界中大量的生物都是天然的高分子材料，本世纪中叶，科学家们从理论得到了合成高分子的可能性依据，由此进入了高分子材料的生产阶段高分子是指由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物分子量高，使高分子材料具有足够的强度，可以成为生产所需的材料塑料合成纤维和合成橡胶是高分子材料的代表产品几十年来，塑料工艺快速发展，几乎渗透到生产生活的各个领域，而其自身还在不断发展之中首先成为商品的化纤是尼龙到现在，化纤产品不但大量充斥于服装业，也在工业、农业、国防等方面起着巨大作用６０年代以后，合成橡胶的产业也迅速崛起，其产量超过了天然橡胶的产量，品种迅速增加，在火箭、导弹、飞机等制造过程中成为不可缺少的材料。

高分子材料正在迅速发展过程中，人们积极从它的功能性角度进行不断的追求，例如生产导电高分子，高分子半导体，磁性高分子，液晶高分子，信息高分子材料，高分子催化剂，生物高分子，人工脏器，高分子药物，等等，前景十分广阔 复合材料是将高分子、陶瓷、金属材料通过复合工艺组合成为新型材料，使其自己能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具有的性能，或者使各种性能互相补充和彼此关联，获得新的优越性能原始时代人们用在泥土中加稻草的方式制砖就是一例中国的漆器是古代人类在复合材料中的上乘杰作本世纪初使用的钢筋混凝土也是近代复合材料的一例 复合材料一般要从结构性或功能性两个方面进行实验性研究，有相对明确的使用目的，经过多次试验，对于材料进行基础理论的研究，以求达到最佳状态的期望因此，这种现代新型材料尽管起步不久，但它在未来先进工业领域的巨大作用是决不可以忽视的，它实际上是材料革命的一部分 材料是社会进步的物质基础， 是技术进步的基础， 材料也是基础理论研究与当代高科技紧密结合的产物 人类不但寄期望于原有的材料“精益求精”， 尤其期望各类新材料不断涌现，朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化的方向发展，近些年来，随着微观基础理论研究的迅猛发展，电子材料、光电子材料的问世，超导材料的实验室的成功等都预示着材料革命的即将到来。

新的材料世界会给人类带来新的文明 第五节 新能源技术 自然界中存在而可能为人类用来获取能量的自然资源被称为能源，而获取能源的技术是随着人类自身进步而进步的，这种进步更扩大了能源的范围古代的人以柴草为燃料，以人力、畜力、水力、风力为动力，这是人类利用能源的第一个时期产业革命后进入了煤炭时期，煤炭是主要的燃料，蒸气机是主要动力机械，这是第二个时期２０世纪以后，人们逐渐依靠石油资源，五十年代起，石油和天然气消费超过了煤炭，这是第三个时期我国目前是以煤炭为主要能源的国家，１９９０年，煤炭消费占了能源总消费的３／４这三个时期人类所用的能源，特别是煤炭和石油，都是非再生能源，属于用掉了不能指望再生的能源，而那些可再生的能源，如水能、潮汐能、风能等还处在比较小的使用比例上，因此，新能源技术面对着两类问题：一类是如何节约、高效、无害的使用现有的化石资源（煤炭，石油，天然气），二是如何开发利用新能源的问题第一方面的工作，世界各国都在积极努力，争取使已有的不多的煤炭资源和石油资源能得以最高效益的被利用，例如电子电力技术的使用，高效电动机的问世，高效节能照明技术的推广，远红外加热技术的应用等等，都为有效的节能新技术，同时，又能够尽可能地防止环境污染。

在第二方面，也是人们竞争的主要焦点，当前比较集中的还是对于核能的利用问题 核能是原子核结构发生变化时放出的能量，重元素的原子核分裂的反应（裂变）会放出巨大的能量，轻元素的原子核发生聚合反应（聚变）时也会放出巨大的能量人类对核和核能的发现是在本世纪初， 在二次大战的战火中， 新的能源首先制造成功了不可约束的裂变获能的原子武器人们在滚滚硝烟中见到了新能源的巨大潜力战后，裂变的核能技术进入和平利用阶段 到１９９１年底， 全球已有４２０个核电站在２６个国家运行，占世界能源供应的６％虽然发展核能技术有一定危险，但面对由于化石资源的大量消费而出现的能源危机和由此而产生的温室效应对地球生态的破坏， 核能仍是一种目前唯一可取的新能源， 在良好的设计、 制造和严格科学的管理之下， 也是一种可靠、安全和无污染的能源相比之下，核的聚变是比裂变更好的能源，据计算，一公斤热核聚变材料放出的能量是裂变的四倍， 而且核聚变所需的轻元素取之不尽， 足够人类用几十亿年， 但是， 实现有控制的聚变在技术上的困难比裂变大得多， 目前还处在试验阶段因此， 核能将成为下一代人类使用的主要能源 人类对于它的掌握和利用将会推动人类社会的发展。

与此同时，人类也在积极进行其他新能源的利用和可再生能源技术的推广和改造在这方面，也是大有可为的例如对于太阳能的利用，一些国家正在积极建造太阳能发电站， 更多的是为普通住户提供蓄热装置， 如以色列和约旦的家庭热水已有近６５％是由太阳能提供了 同时， 空间技术中运用太阳能转换为光能、 电能也有极大的发展潜力；风能也是一种可爱的再生能源， 世界上大大小小的风力发电站每年发出的电已接近３０００万千瓦；生物能技术的发展也很值得关注，将各种各样的生物、有机废弃物经过各种技术（例如人们熟悉的生物化学能转换技术－发酵而成沼气）转换为再生能源，对于象我国这样的少森林国家是十分重要的；７０年代悄然兴起的以氢为能源用于各种车船、飞行器的动力装置和家用燃料的技术也是一种新的能源方向，其原料是水，而其燃烧所获的能量较油可提高近３倍，也具有十分美好的发展前途 上面我们只是十分简单地提到了现代科学技术的一些突出领域， 实际上其它比较大的领域也是很多的，有些完全可以独立成为一门专门的科学技术领域，例如：自动化技术领域，激光技术领域，机械制造技术（“机器人”），建筑技术，交通运输技术，军事技术，医学技术，农业技术，环境技术，等等，这些都是当代人类的文明之花，它们为人类的劳动所创造，又为人类的劳动和智慧所推进。

可以说每一种技术都会直接关系到人类社会的未来，仅以环境技术为例：在地球上大约１０００万至３０００万的物种中， 只有１４０万已经被命名或者被简单地描述过地球丰富的生态系统为人类提供过无数的产品，人类利用了大约５０００种植物，其中不到２０种提供了目前世界绝大部分的粮食热带森林里几乎包含了世界物种的一半，由于种种原因，热带森林正在迅速减少， 地球上的物种也正悄悄地逐渐减少由于食物链的作用， 地球上每消失一种植物，往往就有１０－２０种依附于这种植物的动物和微生物也随之消失生物多样性的减少是人类的灾难，它将恶化人类生存的环境，限制人类生存与发展 需要提到的是， 当代异彩纷呈的科学技术对于社会经济的推动作用已经呈现出越来越强的加速作用有统计表明，从科学发现到技术应用的周期，在本世纪初大约是３０年，例如从发现电机原理（１８３１）到发明发电机（１８７２），从发现电磁波原理（１８９５）到第一个用于公众的广播电台的出现（１９２１）；在本世纪中叶，这个速度大约为１０年，例如从发现雷达原理（１９２５）到成功制造出雷达（１９３５），从发现核裂变（１９３８）到原子弹爆炸（１９４５）；到了本世纪末，这一周期已经缩短到了５年以内，比如当今最热门的移动通信、多媒体电脑和信息高速公路等等，从创意到实现都只有４年左右。

科学的“发现－研究－开发－应用”正在成为人类主动的共识，正在融为一体同时还需要提到的是，二十世纪科学转换为技术的难度比以往的世纪大得多，但是一旦转换成功，其威力也就大得多另一方面，从某种意义上说，这个世纪技术的过度开发已经引起了负面的后果，生活的优化，寿命的延长，使人口膨胀造成了对环境和资源的巨大压力；核武库的壮大，使人类的所有文明危如垒卵；愈演愈烈的能源危机、环境污染和生态危机，为未来世纪的技术发展划下一个巨大的惊叹号人类的技术力量到底有多大，我们必须对此有极为深刻的理解九十年代初，富有想象力的美国人曾经耗资２亿美元创建了与世隔绝的巨大温室系统“生物圈二号”， 企图运用金钱和科技来模拟一个地球世界，如果它成功了，我们无疑知道那将意味着什么１９９１年９月，８名居民进入生物圈后，两年中发生了许多事，圈内空气的含氧量渐渐从２１％下降到１４％的结果是使人筋疲力尽； 多数脊椎动物和昆虫最终绝了迹； 而疯蚁和蟑螂却剧增，牵牛花却疯长；食物奇缺.......实验失败了它明确地说明了一个事实： 人类的科技水平至今完全没有能力模拟那个我们赖以生存的由多种复杂系统构成的地球生态体系 二十世纪的重大技术发明 ［试管婴儿］ １９７８年。

在实验室通过人工授精培育而成 ［胰岛素］ １９６４年治疗糖尿病的有效药物 ［因特网］ 全球最大的计算机网络，９０年代起得到飞速发展和广泛应用 ［激光］ １９６０年广泛运用于显微外科，探测，工业，通讯，军事 等方面 ［洗衣机］ １９０１年，四十年代起广泛使用 ［隐形眼镜］ １９４５年发明了硬隐形眼镜，１９６４年发明了软隐形眼镜 ［心动记录器］１９５８年从那时起，许多生命得到了挽救 ［地铁］ １８６３年在伦敦建立第一条地铁，本世纪内得到大发展 ［冰箱］ １９１３年 ［电子计算机］１９４３年英国制造了第一台类似于现今的电子计算机 ［青霉素］ １９２９年又称盘尼西林１９４１年应用于第二次世界大战 ［避孕药］ １９５４年研制成功 ［塑料］ １９０９年发明于美国 ［雷达］ １９３５年起成为航空、航海的关键装置 ［无线电］ １９０１马可尼（意）成功进行了第一次无线电通讯１９４８年发明半导体收音机 ［辐射学］ １８９５年发现，本世纪初用于医疗 ［射电望远镜］１９３２年拓宽了人类的视野 ［放射疗法］１８９６年发现本世纪利用放射线治疗恶性肿瘤等症。

［核能］ １９３９年实现核能利用，１９５６年开始用于发电 ［手表］ 现代意义上的手表发明于１９０４年 ［人工肾］ １９４５年依靠这种血液透析装置使许多人延长了生命 ［机器人］ １９８３年第一个机器人在德国投入服务 ［人造卫星］１９５７年开辟了人类的航天时代 ［磺酰胺］ １９３５年第一种现代化学疗法化合物 ［超导体］ １９１１年在水银中首先发现超导电性， １９８７年发现陶瓷材料在几乎正常温度下具有超导电性 ［信用卡］ １９５０年印发了普遍使用的第一张信用卡 ［电视］ １９２７年，美国 ［电唱机］ 在留声机之后，１９３３年制成了第一张立体声唱片 ［输血］ １９００年发现了血型，使随之而来的首次安全输血成为可能 ［录像机］ １９５６年第一部专业录像机问世，第一部家庭用录像机是７０ 年代出现的 １９９７－１９９８年世界科技成就 １９９７ 世界十大科学成就： 一、克隆技术－克隆技术是几十年来多个领域进展的结果其主要技术是核移植，就是把一个完整的细胞核转移到一个移去自身细胞核的卵细胞中 １９９７年２月， ７个月的白鼻子小羊－多利成为第一只运用克隆技术得到的哺乳动物围绕着它，生物学家、伦理学家和其他人将会讨论很长时间。

二、 探索者号胜利登陆火星－１９９７年７月４日， “火星探路者”号发回了人类第一幅机器人在另一星球漫步的图景时，全世界一片欢腾，它送回的资料极为宝贵 三、 大型同步加速器－世界各地的同步加速器在物质结构领域里获得了惊人的突破性进展，９７年，新一代加速器有运动场大小，它们的运行获得物质结构的新资料 四、记录时间－９７年，科学家在小鼠和人体中各自独立地发现了新的基因，和以前在果蝇身上发现的类似，这些基因保持（似乎还能调节）昼夜节律，这些结果暗示在生物历史早期就有了这样的基因，这些时钟在生物体内独自运转，脑只是记录者之一而已 五、远方的剧变－２月和５月，发现两次远方的星系爆炸，距离大约几十亿光年，原因猜测为密度很大的中子星的碰撞 六、 尼安德特人的ＤＮＡ－７月，一个小组宣布从尼安德特人的ＤＮＡ的研究中得到结论，他们与现代人有很大差异，不是我们的祖先，而是一个不同的灭绝品种尼安德特人１８５６年首先在德国被发现 七、纳米管的改良－纳米管９７年继续得到改进，目前仍不能大批量生产 八、 另一个海洋－环绕木星飞行的“伽利略”号太空飞船发回了木星卫星的图象， 看起来好象一个冰壳漂浮在深海上 “伽利略”号太空飞船未来１４个月可能会对此提供更多的证据。

九、 基因组资料－基因工程一个大的工作是分析基因组， ９７年这方面的工作有了一些进展，现在，科学家们可以把经典的生理生化研究与其中设计的基因联系起来 十、 神经元研究－科学家一直在寻找中枢神经系统工作机制的线索， 它们将给一些疾病带来新的疗法，９７年找到了导致帕金森氏病的第一个遗传因素 中国十大科技进展： （由５００名中国科学院、中国工程院院士投票评出） 一、在世界上成功构建高分辨率的水稻基因组物理全图，首次配制出转基因杂交稻 二、长江三峡工程截流成功 三、“风云二号”气象卫星发射成功 四、纳米电子学超高密度信息存储研究获突破性进展，比国外精密一个数量级 五、“银河—３”百亿次计算机研制成功 六、６０００米无缆水下机器人完成太平洋洋底调查 七、世界首例用单克隆技术治疗乙脑获突破 八、生物“三志”出版《中国植物志》、《中国动物志》、《中国孢子植物志》共收生物１４万种，２亿字，分为５００册 九、科学家在青藏高原钻取冰芯样品创世界之最 十、第一根直径１２英寸直拉硅单晶研制成功 １９９８ 十大科学发现（美国《科学》杂志公布）： 一、 宇宙在加速膨胀之中对一颗遥远的超新星的测量证明有一种奇怪的力量促使宇宙不断膨胀。

二、 细胞生物钟的发现差不多每个有生命的生物的每个细胞中都存在着控制生理节律的生物钟 三、基因组测序在某些物种方面取得了成功 四、治疗甚至预防癌症的新药制成 五、中微子质量发现可能成为物理学“大统一理论”的关键 六、生物芯片的问世 七、远距离传物实验 八、有关感染如何使自体免疫疾病患者的免疫系统失去控制的发现 九、组合化学领域的新进展 十、对细胞中钾传输途径的了解 中国和世界十大科技进展： （由５８７名中国科学院院士、中国工程院院士评选１９９９年１月６日按得票多少排序 中国十大科技进展： 一、 国家水稻工程难题攻关取得突破性进展， 运用新品种和高产栽培技术种植的１万亩水稻，双季亩产１２１３公斤 二、科考队徒步穿越雅鲁藏布大峡谷，考察获丰硕成果 三、采用新的技术路线，我国获得５头与人凝血因子ＩＸ基因整合的转基因山羊，标志我国这项研究获重大突破，达到国际先进水平 四、经过十年艰苦攻关，我国规模最大、性能最先进、地理要素最全、信息量最丰富、比例尺最大、精度最高的１：２５万大型地形图数据库建成 五、 我国第一根铋系高温超导输电电缆研制成功， 通过实验无阻电流达到１２００安培，接触电阻小于０．０６微欧。

六、 我国本世纪建成投产的最大水电工程二滩水电站头两台机组发电， 标志我国水电建设已进入国际先进行列 七、 中华民族基因组若干位点基因结构研究获重大进展， 在基因多样性和疾病基因及功能基因的定位克隆、结构和功能研究方面取得一批国际先进水平的研究成果 八、 我国在国际上首次成功地制造出直径为５－５０纳米、 长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒 九、 我国研制成功的基因重组人胰岛素批量投放市场， 其纯度、 效价及降低血糖的作用，与美国的同类产品相同，价格只有其三分之一 十、数字高清晰度电视系统研制成功 世界十大科技进展 一、 美国科学家３月５日宣布， １月发射的“月球勘探者”探测器传回地面的初步数据表明，月球两极存在着大量冰冻的水 二、由美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧洲航天局１２个成员国共同筹建的“阿尔法”国际空间站计划正式开始实施，这是世界上迄今最大的航天工程 三、美国ＩＢＭ公司１０月宣称研制出世界上运算速度最快的电脑，每秒能进行３．９万亿次运算，可用于模拟核爆炸试验 四、世界各国克隆技术取得一系列突破 五、 美国ＰＥ公司５月宣布， 一项利用３７００ＤＮＡ分析仪进行测序的新技术比现有技术快１０倍，最终可能使人类基因组测序工程在３年内完成。

六、６月２日，阿尔法磁谱仪随美国“发现”号航天飞机升空并进行科学探测，其主要使命是寻找所谓的“反物质”和“暗物质” 阿尔法磁谱仪的关键部分－永磁铁是由中国科学院研制的 七、美国科学家９月提出，通过遗传工程改造移植器官接受者的骨髓，使植入的动物器官不再被视为外来物质， 从而为解决器官移植中排异反应提供一条新的途径 他们已在实验鼠身上进行了实验并获得了成功 八、全球铱卫星系统完成发射任务，并开始了商业运作，它可以使用户在世界上任何地方利用移动等设备进行通信，被认为是未来空中信息高速公路的重要组成部分 九、 美国科学家利用安装在哈勃望远镜上的红外线摄像机观测到了１０个距地球约１２０亿光年的星系，是迄今人类所观测到的最远的星系 十、日本科学家６月宣称，有足够的证据说明中微子具有静止质量 二十一世纪初期的科学和技术 第一节 二十一世纪初的重大课题 在二十世纪， 人类社会经历了自身发展进程中最为深刻和激荡的变革 在这种变革中，科学技术的飞跃对于人类的思维方式、生活方式和社会发展一般性进程的影响，从某种意义上讲无疑是具有决定意义的 关于二十一世纪初期世界科学技术的发展， 现在的人们有许多预测， 说法也不大相同，但大致可以划分为几个方面： 一、信息理论的发展，信息技术的发展，信息社会的到来； 二、生命奥秘的破译，生物工程的飞跃，人类主动创造和适应自然界； 三、智力起源的认识，对人自身的深层了解，人的大脑的解放； 四、物质基本构造认识的深化，实验技术方面的进步带动一批全新产业的出现； 五、宇宙起源理论的进步，空间技术的发展，走出地球时代的全面到来。

这些大的方面的详细内容，我们或是已经涉及，或是将要涉及，就不在这里细说了我们将这些内容摆在一起的目的是想进行一下宏观的讨论 从宏观的角度去看，二十一世纪初期科学技术的发展将呈现出一些明显的特征首先，科学技术的发展和转化速度将会迅速加快，规模会更加宏大信息社会到来，经济迅猛发展，世界性竞争愈演愈烈，都成为了强大的推动力，使得基础科学研究会迅速地向应用科学转移， 科技成果会迅速地向现实生产力转化， 其速度和规模都可能是前所未有的由于信息技术是对人的能力的延伸， 生物技术是人改造客观世界的能力的极大加强， 而智能技术的发展会使人类得到更大范围内的解放， 人类自古以来所祈求的人的全面解放即将在物质基础上成为可能 其次， 人类的认识领域将继续向宇观和微观纵深两个方向挺进，科学仍然延续着古老而又崭新的课题：天文，物质结构科学的基本走向将会是由微观到宏观，由静态到动态，由局部到整体，由简单到复杂，由确定到不确定，由线性到非线性的过程科学研究在向微观世界挺进的同时，会更加关注对于宏观系统的研究，走向复杂化、综合化和整体化，这似乎是对于数百年来科技发展的一种逆动，然而正是这种逆动，深刻地反映了人类对自然界认识层次的提高。

这种发展有两个方向，一个是向“自然界－人体－人类社会”这个综合、 复杂的系统进军， 寻求一种和谐的发展的方式以改变相互损害的不和谐的发展模式； 另一个方向是在学科内部， 一改过去从宏观到微观、从整体到局部的方法，而是走向综合和系统第三，未来世纪科学和技术将会更加自觉地与社会发展紧密结合在一起， 科学技术已经直接成为国家目标的重要组成部分， 社会和企业的成败在相当程度上也将倚赖于科技的创新能力， 科学家们将不再是在自己的小圈子里活动，国际性交流、合作和竞争将成为这个社会群体的主流当然，一个持续、稳定、协调发展的世界将是科学技术发展的最大保证；最后，科学家的作用将在未来的社会中得到更大程度上的发挥 随着人类全球化知识经济时代的到来， 科学技术将更加深刻、更加广泛地渗透到社会的经济、政治、军事、外交、文化、教育和日常生活的各个方面，影响并且改变社会的生产、流通、组织结构、思维方式甚至人类的命运 科学精神、 科学态度、 科学方法将是未来世纪人类社会全体成员共同的精神财富，实行全人类的科技教育是必然趋势 然而，我们也必须看到，当科学和技术日益成为社会的主导力量的时候，人类社会自身的理智能否与之相匹配就是一个严峻的问题。

在二十世纪末， 科学在人们的眼里简直就象一盏阿拉伯神灯， 带给了我们那么多不可思议的奇迹 从原子弹的爆炸到核能的广泛利用，从人造卫星的上天到阿波罗的月球旅行，从杂交水稻到克隆绵羊，从千家万户的电视到飞速发展的全球互联网......在这万能的科学面前， 还有什么事情是办不到的呢？可是， 与此同时， 科学的潜在危险也正在以前所未有的规模降临到人类社会的头顶，科技之舟将会把未来的人类载向何处？原子能首先是作为一种杀人武器而诞生的，转基因技术的发明和推广应用对于自然界的物种（当然也包括了人类自己） 而言是福是祸尚难得到明确定论， 强大的科技力量可以创造一个新的辉煌， 强大的科技力量也可以毁灭整个人类、 整个自然界以至整个地球， 这是过去任何时代都不可能而在不久的将来则是可能的事情１９９９年初夏，在对南斯拉夫联盟的空袭中出现了全新的空爆弹，它们在发电厂、变电站或电网上空炸开，使敌对方全境的电力几乎在瞬间全部瘫痪，给战火煎熬下的百姓造成巨大困难，这是我们最新看到的实例在未来的世纪里，最有可能接受礼赞的是科学技术，使人类理性惊人地沦丧的也可能是科学技术但是，我们也相信， 二十一世纪的人类在追求进步的同时， 必将会严肃思考近２００年来人与自然的风雨历程， 必将会深刻反思近代科学技术发展中的哲学问题。

在广义生态平衡的理论基础上，全面保卫世界和平、反对强权政治的斗争就是保卫未来科技发展、保卫未来人类生存的斗争 第二节 科学技术的未来与中国 马克思主义的创始人早在一百多年前就指出： “科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量这个科学的论断，已经得到历史实践的验证今日世界，无处不打下科技的印迹，科技弱则国力弱，国力弱就要挨打，邓小平同志“科学技术是第一生产力”的论断不仅仅是一种验证性的论断， 更应当视为是高悬的警世钟， 告诫今日和明日的中国人，加快走科技发展之路，加快走国家富强之路，才能在新的世纪里使我们的祖国自豪地立于世界民族之林 我国政府在八十年代中期制定了著名的８６３计划， 通过广泛的调研，基本摸清了自然科学中１５个学科的国内现状、存在问题和国外的发展趋势，制定了两个阶段的发展计划，第一个阶段的发展目标是：第一，独立地研究和解决一批我国经济建设和社会发展中面临的农业、能源、自然资源、环境、自然灾害、人口与医疗保健中的重大科技问题；第二，在跟踪、发展信息技术、生物技术和材料技术等高技术的同时，有一些基础研究性的突破，填补一些前沿空白，发展若干边缘交叉学科；第三，在数学、物理学、化学、天文学、地球科学、生命科学、技术和工程科学的某些领域取得一批具有国际先进水平的成果。

在第二阶段，我国将在继续解决国民经济建设、社会发展和高科技产业中所提出的重大科学问题的同时，重要领域能够跟上世界科技发展的步伐，在若干领域建立起我国独创性的、有重大影响的理论，为世界科学事业的发展作出贡献十多年来，“８６３”计划的实施使我国高科技与国际先进水平的差距大大缩小，整体实力有比较大的增强，在取得的１２００项研究成果中，有５４０项达到世界先进水平专家学者们对３６项关键技术作了评估，６０％以上进入或接近世界先进水平，１１％达到或保持领先水平，２５％虽然有很大进步，但还落后或大大落后于世界先进水平当前，我们正在全面完成第一阶段的奋斗目标 对二十一世纪初期的科学技术各门类的具体展望是有很大风险的，因为科技的发展速度实在太快，不确定的因素实在太多，以至于无论是谁现在都很难有把握对未来的某一学科的突破性进展作出准确的预测我们只能在今天的认识水平上，从科技发展的大趋势出发，联系我国的实际，对下面一些重要的科技领域做一些展望 数学 数学作为研究数量关系和空间形式、寻求最简单和最适用的表现模式的科学，在未来的世纪里仍然是整个科学的基础和方法未来数学的发展可能将集中在三个方向上，首先是数学科学核心领域里的扩展，一些非线性、多变量、随机和离散型结构等方面的数学问题， 将在纯数学领域里得到比较大的关注和发展；其次是数学对于社会的广泛应用以及与其他科学前沿的交叉，当代科技所面临的许多前沿挑战性命题，都迫切需要数学强有力的支撑，例如脑科学、生态环境科学、信息科学、系统科学等等，应用数学将会有很大的用武天地。

与此同时，数学处理（例如数学分析、数值模拟、数值统计、图形变换等等） 将继续在广泛的生产领域里发挥优势作用，数学方法在和其他科学的交叉中也还将继续发挥自己不可替代的作用最后的方向是数学和计算机之间的相互影响和作用，推动两门科学的进步实际上数学的这些方向并不是相互孤立的，正好相反，它们是密切相关的，例如我们说，未来人类对于非线性问题、离散数学、概率分析的研究将有大的发展， 其中一个原因是它们对于解决当代实际问题的需要比如极为复杂的超大规模集成电路（ＶＬＳＩ），成千上万个元件集中于一小块硅片上组成电路，就需要复杂的离散数学运算 同时， 大规模科学计算已经成为继实验和理论分析之后第三种科学研究手段， 计算机计算已经是人类计算能力的重大延伸， 人类需要必要的数学理论研究，以指导未来的新型计算机在未来的时代中，数学与生物学、经济学、语言学、管理学等的相互渗透也将进一步发展 近年来我国数学研究的整体实力与世界先进国家的差距已经明显缩小，世界权威性刊物收录中国数学家文章的数量十年来增加了１－７倍， 数学研究成果在国家级一等奖中所含比例为２０％，２００２年世界数学家大会将在我国举行，中国正在为下世纪成为“数学大国”做好准备。

物理学和化学 人们已经越来越经常地把物理学和化学放在一起去进行实际问题的研究，因为它们都是研究物质的基本结构、 运动规律、 相互作用及其变化的科学， 在２０世纪的后期它们之间的界限已经不是那么严格的了 在未来的世纪里， 物理学和化学将会继续沿着这一发展道路前进，向着更加微观的尺度、更加多的相互作用、更加极端的条件、更加快的变化过程和更加复杂的体系进军 １９９９年春天的报道， 俄罗斯科学家新近发现了门捷列夫元素周期表上的第１１４号超重元素， 其存在时间竟然达到了３０秒， 它的出现否定了许多科学家认为第１０５号元素之后的元素因其存在时间极短而难以合成的预见超重元素的发现具有非常重要的意义，可能为下个世纪的化学带来突破 不久的将来，在物理学的研究领域，从有序结构到无序结构，从无机到有机，从无生命到有生命的体系的研究将是它和生命学科交叉的前沿； 介于微观和宏观之间的表面和介于晶态和非晶态之间的准晶态，将成为新的研究热点；从平衡态向非平衡态、从均衡过程到不均衡过程， 从相互作用的随机性到可控性和选择性的研究， 将是基本的研究趋势高能物理学、核物理学、原子分子和光物理学、凝聚态物理学、等离子体物理学、声学等物理学的各个分支都将得到全面发展，这些发展既受到社会需要的推动，又在实际上推动着社会生活的飞速进步。

比如凝聚态物理中的超导体是本世纪末的发展，迅速成为了世界范围内的竞争对象，如果世界上产生了室温下的超导体，整个世界技术将发生巨变 理论物理在未来的日子里将向微观未知世界、宏观宇宙方向和向物质运动的复杂性和高级形式方向三个方面发展物理学估计每隔三五年就会有变化和转移，同时，数学物理、计算物理也将随之而得到发展在理论物理学方面，我国已进入世界前沿，１９９８年６月， 由中国等国参加研制的“阿尔法磁谱仪”进入太空，从此揭开了人类寻找反物质和暗物质的序幕，如果能够取得进展，那也许将为跨世纪的物理学奏响一曲嘹亮的进军号 下世纪初的化学界， 可能在一些方向上发生理论和技术上的突破， 许多化学家认为，生物学将是化学首先冲击的领域，化学家在下个世纪的最大挑战之一将是创造生命通过对于有机化合物电子特性的研究，导致“有机电子工业”的诞生预计化学家们在下世纪初会发现生产食物的新方法，遗传工程的进步将会产生能够容忍盐水的农作物，从而沙漠和盐碱地就可以栽培植物一旦化学实现了这一突破，必将对科学、经济和社会产生重大影响另外， 非平衡态热力学和不可逆过程热力学的突破可能对人们了解和控制生命过程发生重大影响； 阐明化学反应本质和过程机理细节的分子反应动力学与动态学的发展， 将对化学自身的发展起到重大推动作用； 而量子化学的突破性进展对于整个自然科学的作用则更是不言而喻的事情。

天文学和空间科学 二十世纪下半叶， 人类加快了对不同层次的宇宙空间的研究和开发 著名的如六十年代对类星体、微波背景、脉冲星的研究，七十年代对星际气体和木卫一火山活动的考察，八十年代的超新星观测和哈雷彗星观测，九十年代的水星、木星和火星的考察，等等当代的人们正在经历着认识宇宙的第二次飞跃， 天文学和空间科学也正在面向崭新的时代 第一，由于射电天文和空间天文的迅速发展，由于各类技术趋于成熟，由于全球性天文组织合作的加强天文学的研究手段和研究领域已经有了本质性的发展不久以后，在地球表面， 口径在１０米级的大型天文望远镜将在全球布置， 射电天文将从目前的厘米波段拓展到毫米以下波段， 各个波段观测天体的能力将相互匹配， 使得全波天文学逐步形成；在空间，哈勃空间望远镜、超级红外望远镜等观测仪器将会得到进一步完善，天文学家由于可以使用上亿次的超级计算机，也将大大加速天文研究的进程例如，１９９８年１０月， 哈勃空间望远镜对距离地球１２０亿光年的一个未曾探测过的宇宙区域进行了探测， 在对所收集的信息进行详尽而又复杂的计算机分析之后， 科学家们得出了宇宙中星系的数目可能比原先估计的要多一倍的结论 未来的天文学家将继续运用大型天文观测仪器和大型计算机处理数据的方法去构造宇宙恒星和星系模型， 并且用宇宙深处的星系来解释宇宙的全部历史。

我国很快也将建成自己的天体物理中心 人造卫星和空间站的陆续建立，更会使空间天文学进入非常活跃的时期 第二，观测发展理论、理论解释现象，由于观测技术的突飞猛进，天文学的理论研究实际上已经进入了新的时期人们关注的大爆炸宇宙学、黑洞理论、引力问题等都是这方面的范例２１世纪科学家们最感兴趣的事情，将会是研究一系列“起源”的问题，比如宇宙间粒子的起源和相互作用， 天体中分子的形成和生命的起源， “行星－恒星－星系－宇宙”的起源、演化和归宿，都会是长盛不衰的科学命题其研究的意义已经超越了天文学本身，深入到物理学、化学、生命科学以及哲学的一系列最基本的问题现代宇宙论认为， 宇宙大爆炸之初应该产生等量的物质和反物质， 但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰，这一现象一直让人困惑１９９８年，欧洲原子能研究中心的科研人员发现了正负Ｋ介子在转换过程中存在时间上的不对称性， 首例违背时间对称性事件的被发现证明， 反物质转化为物质的速度可能要快于其相反的过程， 为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案在生命起源的研究工作中，迄今为止，科学家已经在太阳系以外发现了大约２０颗行星， 大多不可能如地球那样有生命的存在。

但是１９９９年初， 德国天文学家发现了第一颗类似地球的行星 这颗行星距离地球２５０００光年，直径与地球相似，围绕一颗热度与太阳一样的天体运行，它们之间的距离也与地球和太阳之间的距离相似 人类对于天体中黑洞的认识也在不断加深之中， 以往在星系中心发现的巨大黑洞，体形可以为太阳的成千上万倍，能够吞噬宇宙中的恒星和气团，另一种是小型体积的黑洞，其直径甚至可能只有数十公里长１９９９年，新发现了两类黑洞，一类是中等体积大小的黑洞，体形如月亮一般，质量为太阳的１００倍到１０００倍； 另一类是一种不释放巨量辐射却仍位于星系中心并具有超大质量的大型黑洞， 在其附近， 往往没有可被吞噬的恒星 未来的发现， 将使人类加深对自己所处宇宙的认识 第三， 空间科学和航天事业将会有很大的发展前景 空间科学是利用空间飞行器研究宇宙中物理、化学、生命现象和物质运动现象的综合性学科浩瀚的宇宙空间存在着极其复杂的自然现象和在地球上难以获得的极端条件，例如超低温、微重力、强辐射、超真空也蕴藏着丰富的新资源，例如月球上的氦３和钛铁矿，将成为人类研究和开发的新疆域同时空间科学的建立也将可以全面、系统、整体地研究地球自身近年来，世界发达国家加速了这方面的工作，火星登陆技术、航天飞机技术、卫星定点技术等等都在不断完善。

航天事业的飞速发展， 必定为下个世纪的天文学理论带来巨大的动力 同时，航天事业也是反映综合国力的科学技术，中国是世界大国之一，要进入先进的行列，必须加快发展航天事业我国研制的航天器的生命保障系统已经经过二十多年的太空实践， 我国的发射回收系统和星地测控网也日臻完善， 我国现有的长征二号Ｅ运载火箭已经具有将载人航天飞船发射升空的能力，可以相信，在世纪之交，中国人进入太空即将成为现实 地球科学 地球科学研究的对象是人类生存繁衍的地球， 当前由于自然力的作用和人类大规模的活动，已经出现了地球不堪重负的状况森林过度砍伐、水土流失、土地荒漠化、河流污染、酸雨频繁、气候变暖、生态失衡、物种灭绝，我们的世界正面临着人口、资源和环境三大问题，一系列紧迫的课题留待地球科学去解决因此，实现人与自然的协调，实现人类自身的可持续发展，将是未来地球科学和环境科学的最大目标由固体地球、水圈、气圈和生物圈构成的地球系统是一个不可分割的整体，各个圈层之间相互依赖，相互影响，因此，地球科学的研究是整体型的研究在这方面的研究中，对于日地空间、地球深部（地球内部的成矿理论、板块漂移理论）、高层大气、海洋和极地的研究，仍将是重要和活跃的领域。

人们已经开始把目光注视到辽阔的海洋上了，海洋是人类的摇篮， 是未开发的宝库 认识海洋和关注海洋在某种意义上说就是关注人类的未来此外，人类起源与进化的研究，行星地质学和地外物质的研究，对太阳的研究，南极科学考察等仍然是人们关注的热点而遥感技术、全球定位系统等空间技术和现代信息技术，将会是新的研究手段 八十年代中期以来，我国科学家对板块构造理论作出了新的贡献他们经过八年研究，首次完整揭示了“世界第三极”——喜马拉雅山脉和青藏高原深部的真实面目科学家发现， 在地壳深部２０至５０公里处，存在一条从南向北穿越雅鲁藏布江的至少长８０公里的强地震反射带，这是印度大陆和欧亚大陆碰撞后发生的一个俯冲带科学家们进一步证实，地质史上印度板块曾多次向北俯冲，俯冲面至少达到１５０公里，而且印度大陆目前仍在北移这些都为板块学说提供了最直接的新依据 生命科学和生物技术 下个世纪，生命科学有可能成为自然科学的领头学科，可能会因出现一系列石破天惊的重大突破而发展成为新的科学革命与此相适应，生物工程作为产业也将会是新世纪的最新最大产业 当前人类已经实现了对于个别基因的分离、 重组技术和细胞的克隆技术，某些蛋白质的结构和功能也已经探明，对于微生物光合作用的机制也已经有所了解。

科技界正在开始有计划、大规模地对一些重要的生物体的全部基因进行测序和诠释，例如对于人类基因的测序美国已组织２０００多名科学家，拟用１５年的时间，搞清人类１０万个基因中３０亿个碱基对的全部序列１９９８年，我国已经开始对水稻基因ＤＮＡ序列进行大规模测序， 表明我国在这一领域保持国际领先地位， 如果测序全部成功，将最终在分子水平上揭开水稻的全部遗传信息，从而找到培育高产水稻良种的途径，它的成功， 将会引起新的绿色革命二十世纪里分子遗传学的一系列重大成就促进了分子生物学的发展，发育和大脑是未来的主要发展方向在分子水平建立遗传、发育和进化的统一理论和阐明功能活动的分子基础将是未来生物学的主要理论任务同时在物理学、化学、数学的新概念和新技术广泛渗透的推动下，生物学的发展趋势是对生命现象的研究不断深入和扩大，向宏观和微观、最基本的和最复杂的两极发展反过来，现代生物学也面临理论上的大综合，它向数学、物理、化学以及工程学提出的许多问题，又产生了许多新的生长点和交叉科学，如脑和计算机，智能和人工智能，生物芯片等等，都有着广阔的前景 我国有很强的生物科技的实力，高等动植物基因组的结构分析、蛋白质结构及其功能、染色体、极端条件下的微生物学等八个方向被列为国家科研攻关的重点。

１９９８年，上海医学遗传研究所成功地培育出了转基因羊，１９９９年初，第一头转基因试管牛“滔滔”又来到世间， 这头携带有人血清白蛋白基因的牛的出现， 标志着我国在这方面的研究达到一个新的水平１９９９年，我国科学家成功地克隆出大熊猫的早期胚胎，向克隆大熊猫的目标迈出了坚实的一步，使这一世界级濒危物种走出困境出现了曙光 人的大脑是由种类不同的１０的１１次方个神经元和数量更多的胶质细胞以及１０的１５次方个突触联结的，它们被组构成一个脑区各异、内部联结准确的大脑，这是自然界一项最高最完美的创造用信息论的话说，脑是一个异常复杂的、多自由度的信息处理和决策系统 生命科学在２０世纪末的强劲发展， 使得脑自然而然地成为了科学家们争相研究的对象 脑研究的成果可能成为下一代新技术革命的源泉和动力， 对新一代计算技术带来革命性的影响世纪之交，人类对脑的探索进入了关键时期，脑科学有可能出现重大突破 人类借助高科技正在走向揭示人脑功能的伟大目标 世界许多国家的政府都制定了脑科学方面的研究计划 脑研究的基本问题是： 脑如何感知？如何学习和记忆？如何思维？如何理解语言？如何产生情感？等等， 从根本说， 是研究脑的整合性功能。

克隆技术是二十世纪九十年代最热门的话题， 人们对它的热心有时已经超过了理智和常识有人说１９９８年是克隆年，年初还有很多人对克隆技术的真实性持怀疑态度，夏季，克隆牛、克隆鼠、克隆狗等一批克隆动物就纷纷问世，令人目瞪口呆更让人吃惊的是，９月，一个美国人宣布将成为第一个尝试复制自己的人，即要克隆自己，年底，韩国科学家宣布已经克隆成功人类早期胚胎当然，就目前所知，克隆技术至少可以在五个方面为人类谋福利： 促进人类了解生物生长发育的机理， 特别是发现影响生长和衰老的因素；为移植手术提供合适的器官；大批量生产制造某些药物的生物原料；为科学实验提供更适合的动物；培育家畜家禽优良品种但是，问题远非如此简单和美好，１９９９年春，英国《柳叶刀》杂志发表了对于无性繁殖动物副本机体健康的首例试验分析成果，科学家们发现，克隆技术可能带来致命的基因缺陷， 自１９９７年初罗斯林研究所首次成功培育出无性繁殖副本小羊“多利”以后， 科学家已经进行了多次类似的实验， 但这些实验中有７０％以无性繁殖副本动物死于胚胎状态或刚生出几天便死亡而告终，而且这种高死亡率的原因不明，可能与无性繁殖中细胞核转移技术有关 虽然现在还难以形成意义更为广泛的推论， 但可以肯定， 科学界在这方面还面临着大量的研究工作。

信息科学和信息技术 信息科学是研究各种物理构成的系统中信息过程（产生、采集、存储、变换、传递、处理、使用）的一般规律，并能动地加以利用的科学一般来说由三个方面的学科组成一是半导体科学和电子学，前者涉及研究信息过程的基本物质手段，离开半导体器件和电路就谈不上现代信息技术；后者涉及基本的技术手段，现代各种信息作业，离开了各种电子设备和技术是不可想象的，电磁信号仍然是表达各种信息的最佳方式第二是计算机科学，一方面随着元器件的迅猛发展和应用领域的日新月异，它作为主要的信息处理工具得到飞速发展， 另一方面它的基础理论研究也在加快发展之中 第三是系统控制科学和人工智能学，系统科学中的“老三论”“新三论”早已是家喻户晓的了，系统、控制和管理已经成为推动社会发展的强大动力， 而人工智能则和原子能利用、 空间技术一起成为现代科技在应用领域里的三大重要标志， 它将开辟人类解放智力的道路 信息科学技术在近代发展经济和促进人类社会进步中一直起着关键作用， 我国已经将微电子技术、信息技术、生物工程技术和新材料技术一起列为重点开发 在今天的时代， 计算机处理器中数据比特以电子的形式在计算机电路中运动 人类正在向物理极限挑战， 计算机技术下一个具有重大意义的进步将期待新的物质或新的数据传输方法的出现。

没有什么物质比光子运动得更快， 利用光子传输数据可能会使计算机的运行速度出现指数级的提高 农业科学 本世纪中叶，设在菲律宾的国际水稻研究所（ＩＲＲＩ）和设在墨西哥的国际玉米和小麦改良中心的农业科学家发展了一整套作物改良品种和农业管理技术，被世界称之为“绿色革命”，这一革命使得本世纪下半叶世界谷物的产量翻了一番水稻、小麦、玉米这几种世界最重要的作物产量的增加， 使欣欣向荣的农业成为了本世纪最大的技术成就之一然而，到本世纪末，绿色革命的传统战略渐渐失去了优势，世界谷物收获量虽然持续增长，但由于人口增长，人均产量的增幅却日渐趋缓联合国预测，到２０３０年，世界人口将为７１亿，首先面临的仍然是农业、是吃的问题，“人类最终能不能养活自己？”的问题需要科学来回答 专家认为， 要将农业生产率提高一倍以满足下世纪初人口的营养需要而又能保护好环境， 必须进行第二次绿色革命， 创造能提供更高潜在产量的作物品种，而基因工程是实现这一跨越的钥匙举例而言，目前世界上有７００个种子收藏库，保存着２５００万份登录品种，其中很多是非栽培的野生作物种子，利用基因工程对它进行开发， 将种子资源从禁锢中解放出来， 就能极大地推动农业的发展。

当前我国的杂交水稻是国际产量最高的品种， 但最近在低产的野生水稻中又发现了两个基因座， 每个基因座都可望使杂交水稻的产量再提高１７％ 二十一世纪人类社会在农业科技方向上的新领域大致可以包括这样一些：运用生物技术、核技术、光电技术和农业常规育种技术来定向塑造新的物种和类型， 丰富生物的多样性； 通过无性繁殖技术来发展人工种子的制造产业， 利用胚胎技术和基因技术， 加快禽畜的繁育和饲养； 逐渐发展农业工厂化生产，实现人工创造环境、全过程自动化养殖的生产体系； 加快新的人造食品和饲料的生产， 比如说开发植物的叶片资源； 利用生物能量发展新能源的产业将得到发展；像对待土地一样面向太空和海洋，营造海洋农场、海洋林场，发展太空农业；最后，今天的科学家们认为，光合作用是人类迄今唯一没有接触的领域， 如果关于光合作用的生物工程得到理论和技术上的突破，更是未来世纪农业的希望所在 我国是一个农业大国， 在关系国计民生的重大科技领域中， 农业科学是最重要的基础科学和应用科学在未来世纪，国家将重视现代科技用于农业的每一个环节， 不断开发新技术、新产品、走出一条科技兴农的发展道路例如新型灌溉系统，以滴灌、微灌为中心的全套农业技术，温室栽培技术，新型饲养技术和育种技术等等。

农学方面的研究重点是如何保护农业环境，如何开发农业生物资源，如何加快种子改良，如何防止农业生物的病虫害和草原鼠害，如何有效开展光合作用和生物固氮的研究，以及如何科学地运作大农业系统工程，等等近年来，中国的科学家们提出了“白色农业”的概念，正在引起世界的广泛关注， 它是一种微生物资源产业化的工业型农业， 以身着白色工作服的工作人员在洁净室内进行农业生产而得名， 可以实现常年生产粮食和其他绿色食品， 相信不久就可以看到实验成果 材料科学 在下个世纪的初期，随着科学技术的飞速发展，材料技术也会随着发生巨大的变化，一方面，现有的大量材料将要向着更精更好更方便的方向发展，例如，据专家预计，正在展露头角的塑料汽车到２１世纪将大批量生产， 钢铁制作的小卧车的４０００个零件将精简为１１００个，制成这种汽车只需要６小时另一方面，许多具有特殊性能的新型材料会不断涌现智能材料就是其中发展得很快的一类智能材料一般可以分成两类，一类是指材料本身具有智能型的功能， 比如形状记忆合金， 它本身就能够准确“记忆”原来曾被赋予的形状 另一类是指在原有材料的基础上将一些元件融合在结构中， 使之具有识别、分析、处理、控制等功能。

智能材料已经开始在航天事业、工业等领域里使用了，它的许多优秀的品质，比如自我适应自我修复的能力，它的自我调节自我检测的功能受到了人们广泛的好感 人类正在积极扩大材料的范围，以期得到意想不到的突破最新的领域是生物材料的研制一根ＤＮＡ链的直径只有２０亿分之一米，没有任何金属线能加工到这么细，因此ＤＮＡ链在制造微小电子元件方面具有独特的优势瑞典科学家１９９９年宣布，他们发现ＤＮＡ链具有导电性能，有可能用作电脑芯片和晶体管内部的导线很有可能，电子在ＤＮＡ链里的流动情况和它在金属导线里的流动大不相同如果真的能够利用ＤＮＡ链为材料来制造产品，例如芯片，那么，其速度和储存能力将会比现在的芯片高出许多倍 其它，在力学、医学、能源科学、仿生学等等科技领域里，人类在未来的世纪里应当也有巨大的贡献比如在能源科学方面，到下个世纪中叶，太阳能和其他可再生能源可能占世界能源的一半，最近欧洲已经确定在２０１０年安装１００万套屋顶太阳能系统同时，对光电、光热、光化学、以及长远新型能源如氢能、核聚变能等的理论研究也正在紧张地进行我国今后几十年仍将以煤为主要能源，所以关于热能的转换、传输和储存、 关于煤气化、 液化的过程、 关于能源工程材料研制中的基础性研究都是十分紧迫的。

又如，在基础医学方面，用现代科技加强对于传统医药理论和气功的研究，对人体功能的研究， 对天然药物的研究， 和对医学分子生物学和重大疾病机理的研究等等是近一个历史时期的重点 再比如在仿生技术上， 美国科学家发现蜜蜂在飞行过程中具有拖带花粉微粒和灰尘微粒的本领，据此可以认为，蜜蜂也可以拖带爆炸物科学家首次实验是在５０只蜜蜂身上装上微型传感器，并在蜂巢里安置了对爆炸物微粒产生反应的减波器那样，科学家将“训练”蜜蜂使其像寻找花粉一样寻找爆炸物现代飞机的固定翼早已是一项成熟的技术， 但是比较起任何一只小鸟来都显得很笨拙， 科学家们已经开始在研究由人造肌肉构成的机翼， 并且期望最后能够在不久试制成功苍蝇大小的活动翼飞行器，成群结队的这种自动飞行器的问世可以替代许多人不能够或者不愿意涉及的领域，比如在工业部门、环境部门，当然还有军事部门实际上，还有一些新兴的科学也正在发展之中，他们中的许多都属于综合类别的，九十年代开始研究的“数字地球”理论就是其中之一数字地球就是虚拟地球，它的核心思想是用数学化的手段来处理整个地球方面的问题我们身处地球之上，很难用同一的思想去研究地球这个星球，比如全球性的变化、地震、厄尔尼诺效应，全球环境和资源等等，仅自然灾害而言，本世纪内就有５００万人死于地球的突发性自然灾害。

所有这些关于地球大尺度的问题，都需要未来的人类数学化的研究目前世界上已经在努力把地球观测系统，因特网和大型国际合作数据库等捆在一起，形成一个大的研究体系在这个巨大的数字地球网的支撑下，人类社会很快就会向虚拟战争、虚拟海港、虚拟旅游、数字农业、数字城市、数字采矿、数字区域等使用领域迈进针对我国而言，“数字中国”只能由中国人自己来作，根据国际动向和中国国情来设计一个实际平台， 是当前我国科学家努力的方向， １９９８年我国采用遥感技术和多卫星图像数据的复合处理技术战胜长江流域的洪涝灾害， 为尽快最终建立“数字中国”提供了重要的技术支持同年初夏，我国出版了一本名为《２１世纪１００个科学难题》的书，书中涉及到“超级计算理论”、“引力波探测”、“地外文明与太空移居”、 “智力的起源”等内容， 难题是由１１８位当代中国科学家提出的， 涉及许多富有深远意义的门类科学和学科， 表明了中国人和中国科学家在未来世纪开创新理论，丰富科学宝库，解决重大实际问题的决心 第三节 未来世界技术发展预测 １９９８年，美国《未来学家》杂志刊出由４５名著名科学家组成的未来技术委员会对未来８５项新兴技术的预测，具有相当高的权威性。

让我们选择其中的３０项来对美好的未来技术世界进行一番愉快的展望吧 一、能源 核裂变能－２０２０年，依靠核裂变产生的电能将占电能总量的５０％ 核聚变能－２０２６年，核聚变发电将进入商业化阶段 二、环境 生活垃圾－２００８年，将有一半的生活垃圾被再利用 绿色生产－２０１０年，大多数工厂都将采取环保措施，最大限度地减少环境污染 三、农业与食品 基因食品－２００８年，人们将利用基因技术制造出许多新品种植物与动物 城市温室－２０２０年，市民们所需的水果，蔬菜３０％以上由城市温室提供 人造食品－２０２２年，人造蔬菜、肉类等将成为人们的主要食品之一 四、信息技术－计算机硬件 光学计算机－２０１４年，利用光子来记录信息的计算机将进入商业化 生物芯片－２０１７年，利用分子键来存储信息的生物芯片将进入商业化 五、信息技术－计算机软件 专家系统－２０１０年，在管理、医药、工程等领域，利用专家系统帮助进行决策将是非常普遍的现象 计算机翻译－２０１２年，计算机将可以进行准确的实时翻译 机器自我学习－２０１２年，计算机软件可以使机器在运行中识别正确与错误，并自动进行校正 六、信息技术－通信 信息高速公路－２００８年，在发达国家８０％的人口将进入信息高速公路。

宽带网络－２００９年，综合业务服务网，异步传输模式等宽带网将大多数办公室与家庭紧密联系在一起 七、信息技术－信息服务 点播娱乐－２００３年人们在家中即可选择自己喜爱的电影、电视节目 电子销售－２０１８年，在美国有一半货物通过信息服务系统进行销售 远程学习－２００６年，学校在采用传统方法的同时，开始使用计算机教学程序以及交互电视讲座等新手段 八、制造业与机器人 精密机器人－２０１６年，具有感知，能够学习、判断、移动的机器人将实现商业化 显微技术－２０１６年，显微技术将进入商业化阶段 九、材料 陶瓷发动机－２０１４年，陶瓷发动机将被广泛应用于商业汽车领域 超导材料－２０１５年，超导材料将被广泛应用于电力传输领域 智能材料－２０２６年，在家庭、办公室以及汽车等各个地方，智能材料将被广泛应用 十、药物 婴儿基因工程－２０２０年，父母亲可以通过基因工程技术选择自己孩子的性格 人造器官移植－２０１９年，通过基因技术培植的活体器官和组织成为移植器官的主要来源 疑难病症－２０１３年，人类将攻克癌症、艾滋病等绝症 十一、太空 永久月球基地－２０２８年，人类建立永久月球基地 亚光速太空飞船－２０６２年，太空飞船将以接近光速的速度飞行。

地外生命－２０４９年，人类同地外智能生命实现第一次接触 十二、运输 混合型汽车－２００６年，采用电动机和内燃机发动机混合动力装置的汽车开始出现在街头 智能运输－２０１６年，智能运输系统将使高速公路交通堵塞的现象得到缓解 。