現(xiàn)代自然科學(xué)綜述

現(xiàn)代自然科學(xué)綜述現(xiàn)代自然科學(xué)綜述：指近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)人類(lèi)創(chuàng)建并迅速發(fā)展起來(lái)的眾多科學(xué)技術(shù)，從無(wú)限小的基本粒子（點(diǎn)粒子）到無(wú)限大的宇宙，從宏觀到微觀，從簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的系統(tǒng)演變，到處都是現(xiàn)代自然科學(xué)技術(shù)的萌生之地?，F(xiàn)代自然科學(xué)思想自然科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中，表現(xiàn)出的一些新特征：一直作為精密科學(xué)典范的物理學(xué)對(duì)整個(gè)自然科學(xué)產(chǎn)生了深刻影響；定量化、數(shù)字化研究方法在自然科學(xué)中得到普遍應(yīng)用，甚至波及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域；熵變理論、統(tǒng)計(jì)思想方法的應(yīng)用更為廣泛；交叉與邊緣學(xué)科中到處顯現(xiàn)著移植思想的身影；復(fù)雜系統(tǒng)的研究使整體和綜合思想得到充分發(fā)揮；基本粒子研究把人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從給一個(gè)層面不斷引向更深的新層次。整體和綜合思想概述化整為零：把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成許多小的系統(tǒng)或單元，從而把問(wèn)題大大的簡(jiǎn)化。隔離法：把系統(tǒng)收到的外界干擾置之不理（忽略），從而使問(wèn)題可以在遐想的理想情況下得到近似處理。整體和綜合思想：在分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)學(xué)科的系統(tǒng)總括，把研究對(duì)象的各個(gè)組成部分或各種要素再組合成一個(gè)有機(jī)的整體，并從整體的教讀，去把握和揭示事物本質(zhì)特性和發(fā)展變化的根本規(guī)律的一種科學(xué)思維方法。整體和綜合思想方法的應(yīng)用科學(xué)綜合比科學(xué)思維更高深、更高級(jí)；綜合就是創(chuàng)造；綜合方法的運(yùn)用必須和分析方法相結(jié)合；分析法和綜合法是對(duì)立統(tǒng)一，相輔相成的，不可分割和偏廢。層次結(jié)構(gòu)思想層次結(jié)構(gòu)概說(shuō)自然界的物質(zhì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一定的層次；自然現(xiàn)象和自然規(guī)律的探索，同樣需要分清層次；層次結(jié)構(gòu)思想實(shí)際上是要求在研究問(wèn)題時(shí)按照層次進(jìn)行分析，不能把不同層次的問(wèn)題混為一談。層次結(jié)構(gòu)思想的應(yīng)用從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次而言，可以從大到小區(qū)劃分，也可以從小到大去劃分。然而人們利用層次結(jié)構(gòu)思想方法認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的過(guò)程卻是從中間層次開(kāi)始的。人類(lèi)對(duì)生物世界的認(rèn)識(shí)同樣是從中間層次開(kāi)始的。綜上所述，層次結(jié)構(gòu)思想在人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程中起著重要作用，在研究物質(zhì)世界的特性和變化規(guī)律時(shí)，必須首先分清層次，對(duì)不同層次的問(wèn)題只能在它所屬的層次中去尋找答案。移植思想（一）移植思想的內(nèi)涵移植思想的應(yīng)用：是指將某一學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)概念、科學(xué)原理、研究方法或技術(shù)應(yīng)用于解決同一學(xué)科內(nèi)其他分支學(xué)科或相近學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域中去，并發(fā)展成為其它分支或?qū)W科的理論和方法。因此，移植思想方法又稱(chēng)為“轉(zhuǎn)域創(chuàng)造思維法”和“滲透法”。從思維方式而言，移植思想屬于側(cè)向思維方法，因此它通過(guò)橫向、縱向聯(lián)想和類(lèi)比等，力求從表面上看來(lái)似乎是毫不相關(guān)的兩類(lèi)事物、現(xiàn)象或領(lǐng)域之間發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系。移植帶有顯著的創(chuàng)造性。移植需要對(duì)兩個(gè)或多個(gè)學(xué)科的研究成果有較深刻的領(lǐng)悟，并對(duì)其進(jìn)行綜合研究，使認(rèn)識(shí)達(dá)到一定的深度，才能移植，否則是難以移植成功的。移植思想的應(yīng)用移植思想應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域，可以把某一領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)移到其他領(lǐng)域，用以研究和解決新領(lǐng)域中的新問(wèn)題。將移植思想應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域，可以導(dǎo)致新科學(xué)中新領(lǐng)域的誕生。不僅有技術(shù)移植、理論的移植，研究方法也同樣可以移植。當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，學(xué)科的交叉日見(jiàn)增多，學(xué)科間的滲透也越來(lái)越強(qiáng)，只有對(duì)多個(gè)學(xué)科的知識(shí)及研究動(dòng)態(tài)有較多的了解和較深刻的領(lǐng)悟，才能真正運(yùn)用移植思想，把其他學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)理論成果移植到本學(xué)科中來(lái)，為本學(xué)科所用，從而取得更多的研究成果。他山之石可以攻玉，正體現(xiàn)了移植思想的真諦?，F(xiàn)代自然科學(xué)研究方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)法人類(lèi)的三大實(shí)踐活動(dòng)：科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐和社會(huì)實(shí)踐科學(xué)實(shí)驗(yàn)就是自然科學(xué)的源泉和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)發(fā)展中極為重要的活動(dòng)和研究方法?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的種類(lèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有兩種含義；一是指探索性實(shí)驗(yàn)，即探索自然規(guī)律與創(chuàng)造發(fā)明或發(fā)現(xiàn)新東西的實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)往往是圍繞前人或他人從未做過(guò)或還未完成的研究工作所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。二是指人們?yōu)榱藢W(xué)習(xí)、掌握或教授他人已有科學(xué)技術(shù)知識(shí)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如學(xué)校中安排的實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)驗(yàn)等。從另一個(gè)角度，科學(xué)實(shí)驗(yàn)可分為：定性試驗(yàn)定量試驗(yàn)驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及成分分析實(shí)驗(yàn)對(duì)照比較試驗(yàn)相對(duì)比較試驗(yàn)析因?qū)嶒?yàn)判決性試驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義和作用科學(xué)實(shí)驗(yàn)在自然科學(xué)中的一般性作用科學(xué)實(shí)驗(yàn)在自然科學(xué)中的特殊作用數(shù)學(xué)方法數(shù)學(xué)方法：它是科學(xué)抽象的一種思維方法，其根本特點(diǎn)在于撇開(kāi)研究對(duì)象的其他一切特性，只抽取出各種量、量的變化及各種量之間的關(guān)系，也就是在符合客觀的前提下，使科學(xué)概念或原理符號(hào)化、公式化，利用數(shù)學(xué)語(yǔ)言（即數(shù)學(xué)工具）對(duì)符號(hào)進(jìn)行邏輯推導(dǎo)、運(yùn)算、驗(yàn)算和量的分析，以形成對(duì)研究對(duì)象的數(shù)學(xué)解釋和預(yù)測(cè)，從而從量的方面解釋研究對(duì)象的規(guī)律性。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法的基本過(guò)程先將研究的原型抽象成理想化的物理模型，也就是轉(zhuǎn)化為科學(xué)概念；在此基礎(chǔ)上，對(duì)理想化的的物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)科學(xué)抽象，使研究對(duì)象的有關(guān)科學(xué)概念采用符號(hào)形式的量化，達(dá)到初步建立起數(shù)學(xué)模型，即形成理想化了的數(shù)學(xué)方程式或具體的計(jì)算公式；對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，及將其略加修正后運(yùn)用到原型中去，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)解釋?zhuān)雌浣频某潭热绾危航瞥潭雀撸f(shuō)明這是一個(gè)較好的數(shù)學(xué)模型；反之，則是一個(gè)較差的的數(shù)學(xué)模型，需要重新提煉數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)方法的特點(diǎn)高度的抽象性高度的清晰性嚴(yán)密的邏輯性充滿(mǎn)辯證特征具有廣泛的應(yīng)用性隨機(jī)性（三）數(shù)學(xué)方法的種類(lèi)1、自然事物和現(xiàn)象的分類(lèi)第一類(lèi)：必然性的自然事物和自然現(xiàn)象第二類(lèi)：隨機(jī)的自然失誤和自然現(xiàn)象第三類(lèi)：模糊的自然失誤和自然現(xiàn)象第四類(lèi)：突變的自然失誤和自然現(xiàn)象數(shù)學(xué)方法的分類(lèi)常量數(shù)學(xué)方法變量數(shù)學(xué)方法必然性數(shù)學(xué)方法隨機(jī)性數(shù)學(xué)方法突變的數(shù)學(xué)方法模糊性數(shù)學(xué)方法公式化方法（四）提煉數(shù)學(xué)模型的一般步驟第一步：根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，確定研究對(duì)象屬于哪類(lèi)自然事物或自然現(xiàn)象；第二步：確定幾個(gè)基本量和基本的科學(xué)概念，用以反映研究對(duì)象的狀態(tài)；第三步：抓住主要矛盾進(jìn)行科學(xué)抽象；第四步：對(duì)簡(jiǎn)化后的基本量進(jìn)行標(biāo)定，給出它們的科學(xué)內(nèi)涵；第五步：按數(shù)學(xué)模型求出結(jié)果；第六步：驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)方法在科學(xué)中的作用數(shù)學(xué)方法是現(xiàn)代可嚴(yán)重的主要研究方法之一數(shù)學(xué)方法為多門(mén)科研提供了簡(jiǎn)明精確的定量分析和理論計(jì)算方法數(shù)學(xué)方法是為了多門(mén)科學(xué)研究提供邏輯推理、辯證思維和抽象思維的方法系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)是關(guān)于系統(tǒng)及其演化規(guī)律的科學(xué)。它包括：一般系統(tǒng)論、控制論、信息論、系統(tǒng)工程、大系統(tǒng)理論、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、博弈論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、一般生命系統(tǒng)論、社會(huì)系統(tǒng)論、泛系分析、灰色系統(tǒng)理論等分支。系統(tǒng)科學(xué)有兩個(gè)基本特點(diǎn)：其一是它與工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、企業(yè)管理、環(huán)境科學(xué)等聯(lián)系密切，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性；其二是它的理論基礎(chǔ)不僅是系統(tǒng)論，而且還依賴(lài)于各有關(guān)的專(zhuān)門(mén)學(xué)科，與現(xiàn)代一些數(shù)學(xué)分支學(xué)科有密切的關(guān)系。系統(tǒng)科學(xué)方法的特點(diǎn)和原則系統(tǒng)科學(xué)方法的特點(diǎn)和原則整體化特點(diǎn)和原則綜合性特點(diǎn)和原則動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)和原則模型化特點(diǎn)和原則最優(yōu)化原則常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法簡(jiǎn)介功能分析法功能分析法是通過(guò)分析系統(tǒng)與要素、結(jié)構(gòu)、環(huán)境的關(guān)系來(lái)研究系統(tǒng)功能的系統(tǒng)科學(xué)方法，分為要素—功能分析和環(huán)境—功能分析等方法。黑箱方法所謂“黑箱”，亦成為黑盒子，它是指一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)因某些條件的限制還不大清楚們只能通過(guò)外部觀測(cè)和試驗(yàn)去認(rèn)識(shí)其功能和特性的物質(zhì)系統(tǒng)。信息方法信息的特點(diǎn)和內(nèi)涵信息的內(nèi)涵概括起來(lái)有三種：①信息是負(fù)熵，即消除了不確定性；②信息是系統(tǒng)狀態(tài)的組織程序或有序程序的標(biāo)志；③信息是物質(zhì)和能量在空間和時(shí)間中分布的不均勻程度，是伴隨著宇宙中的一切過(guò)程發(fā)生的。信息的特點(diǎn)①信息的普遍性②信息的可錄存性③信息的擴(kuò)張性④信息的可擴(kuò)充性⑤信息的可轉(zhuǎn)折性。（二）信息論和信息方法信息論指研究信息傳傳遞和信息交換的規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。信息論主要研究的內(nèi)容是：信息的本質(zhì)、計(jì)量、獲取、存儲(chǔ)、加工處理、交換和信息的傳播等信息作業(yè)的基本原理。信息論有三類(lèi)，狹義信息論、廣義信息論和一般信息論。信息論方法（簡(jiǎn)稱(chēng)信息方法）：任何系統(tǒng)，都包括物質(zhì)流、能量流和信息流?？梢酝ㄟ^(guò)各種流的過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。信息方法是指從信息和信息論的觀點(diǎn)出發(fā)，抓住系統(tǒng)的信息流，而撇開(kāi)它的物質(zhì)流和能量流，把系統(tǒng)的過(guò)科學(xué)抽象為信息的過(guò)程來(lái)研究，這種方法稱(chēng)為信息方法。信息方法中的反饋與反饋方法信息論中的反饋指“回輸”而言，所謂信息反饋，是控制論的重要概念之一，它是指控制系統(tǒng)將輸入的信息通過(guò)信息交換，轉(zhuǎn)化為輸出信息，并把輸出信息中的部分分量回到輸入端，以實(shí)現(xiàn)某種控制。反饋有正反饋和負(fù)反饋之分。信息反饋的目的是使信息變換過(guò)程受到某種控制。信息方法的作用和意義信息方法在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是科學(xué)研究中的重要方法之一。信息方法可以充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。信息方法可以揭示出復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律性?？刂普摲椒刂啤⒖刂普摵涂刂普摲椒刂剖侵冈谝粋€(gè)有組織的物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)內(nèi)部和外部條件的變化進(jìn)行調(diào)整，以克服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，這就如同在收音機(jī)中加入音量自動(dòng)控制電路后，使得收音機(jī)的輸出音量相對(duì)穩(wěn)定一些?？刂普搫t是研究系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制的一般規(guī)律的科學(xué)理論系統(tǒng)。控制論方法，則是指研究各種物質(zhì)系統(tǒng)中的控制過(guò)程的規(guī)律性和實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的一般方法?？刂普摲椒ǖ牧筇攸c(diǎn)可調(diào)控物質(zhì)系統(tǒng)的有組織性是實(shí)施控制論方法的必要條件。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)行有效的調(diào)控，可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，完成一定的程序，跟蹤和捕捉一定目標(biāo)，選擇最佳功能和適應(yīng)一定的環(huán)境變化，以達(dá)到控制目的。信息量和信息的選擇是控制的基礎(chǔ)。信息反饋是實(shí)現(xiàn)調(diào)控（調(diào)節(jié)控制）的重要機(jī)制，反饋方法是控制方法的重要組成部分。控制論方法是在研究被調(diào)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，必須考察系統(tǒng)周?chē)h(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響。運(yùn)用控制論方法的步驟運(yùn)用控制泛發(fā)的四個(gè)組成部分分為控制器、被控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量裝置，它們共同構(gòu)成控制系統(tǒng)。其中測(cè)量裝置用來(lái)測(cè)量被控制系統(tǒng)輸出中所蘊(yùn)含的信息；控制器可根據(jù)側(cè)量裝置測(cè)得的信息和有關(guān)的目標(biāo)值進(jìn)行決策；執(zhí)行機(jī)構(gòu)可根據(jù)控制器所做出的決策，按一定的方式或規(guī)律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或改變被控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。（四）控制論方法在科研中的作用（1）它是現(xiàn)代科學(xué)方法研究中常用的方法之一，為我們研究生物、人體系統(tǒng)等目的性領(lǐng)域的規(guī)律提供了有效工具。（2）它為人們研究和解決系統(tǒng)問(wèn)題提供了新的研究方法和手段，使人們把生物、人體系統(tǒng)的高級(jí)控制性功能賦予機(jī)器成為可能。（3）它是實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理現(xiàn)代化的有效手段。（4）他是為人工智能的研究和創(chuàng)造人工智能機(jī)械器提供了有效的方法。六、復(fù)雜性科學(xué)研究方法普利高津于1969年建立的耗散結(jié)構(gòu)理論揭開(kāi)了復(fù)雜性科學(xué)的序幕哈肯的協(xié)同學(xué)、艾根的超循環(huán)理論復(fù)雜性科學(xué)研究的主要對(duì)象是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)以及這種系統(tǒng)通過(guò)自發(fā)組合演化為有組織的狀態(tài)的可能性及演化規(guī)律。耗散結(jié)構(gòu)理論耗散結(jié)構(gòu)理論是由比利時(shí)化學(xué)家普利高津和他所領(lǐng)導(dǎo)的布魯塞爾學(xué)派經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，與1969年提出的。兩類(lèi)有序結(jié)構(gòu)和自組織現(xiàn)象自然界中有兩類(lèi)有序結(jié)構(gòu)：一類(lèi)是像晶體中出現(xiàn)的有序結(jié)構(gòu)，他是在分子水平上定義的有序，并可在孤立的環(huán)境中和在平衡的條件下維持其有序，且不需要與外界環(huán)境交換能量和物質(zhì)。另一類(lèi)是有序結(jié)構(gòu)是在非平衡條件下的開(kāi)放系統(tǒng)中呈現(xiàn)的時(shí)空有序性，而且需要與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換才能維持。自組織現(xiàn)象是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部有無(wú)需自動(dòng)變?yōu)橛行颍醋詣?dòng)使其中大量分子按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。從孤立到開(kāi)放，從部分到整體隔離法和分解法都是西方文明發(fā)展中使用的重要思維方法。隔離法的關(guān)鍵是把研究對(duì)象從其環(huán)境中孤立出來(lái)，以便使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。分解法是化整為零的方法。熵流和非平衡定態(tài)在線(xiàn)性系統(tǒng)所處的狀態(tài)被稱(chēng)為非平衡狀態(tài)。（二）協(xié)同學(xué)20世紀(jì)60年代正是大量自組織現(xiàn)象開(kāi)始被揭示出來(lái)的時(shí)候，激光是一個(gè)典型范例。德國(guó)物理學(xué)家哈肯通過(guò)對(duì)激光產(chǎn)生機(jī)理的深入研究和綜合分析，于1970年首次引入了協(xié)同學(xué)的概念。他著的《協(xié)同學(xué)導(dǎo)論》標(biāo)志了復(fù)雜性科學(xué)一個(gè)新的分支學(xué)科—協(xié)同學(xué)的創(chuàng)立?；煦缋碚摶煦绗F(xiàn)象的研究是法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家龐加萊在研究了受到引力相互作用的三個(gè)星體的軌道問(wèn)題時(shí)開(kāi)始的。混沌學(xué)是一門(mén)直接以復(fù)雜現(xiàn)象為研究對(duì)象的科學(xué)。（四）分形理論分形理論是復(fù)雜性科學(xué)的另一分支。它被應(yīng)用于研究客觀物體的另一類(lèi)復(fù)雜性，如物體粗糙、破碎或不規(guī)則的程度。自然幾何分形理論為人們討論自然界物體形狀的復(fù)雜性提供了一些嶄新的概念和語(yǔ)言，對(duì)某些問(wèn)題的研究會(huì)使你感到驚奇和耳目一新。非整數(shù)維曼德布羅特提出了分?jǐn)?shù)維概念。用它來(lái)定義客體的某些性質(zhì)，如粗糙、破碎或不規(guī)則的程度。分?jǐn)?shù)維的形態(tài)對(duì)于混沌運(yùn)動(dòng)的描述方面有非常重要的應(yīng)用。現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)的若干重大理論或前沿領(lǐng)域現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中呈現(xiàn)的一些新的特征：一直作為精密科學(xué)典范的物理科學(xué)是最基本的科學(xué)，因而起著基礎(chǔ)作用，對(duì)整個(gè)科學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響；在20世紀(jì)中葉，現(xiàn)代科學(xué)的學(xué)科重心開(kāi)始轉(zhuǎn)向生命科學(xué)，正在導(dǎo)致新的科學(xué)革命；橫斷科學(xué)，如信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、空間科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等迅速形成，各門(mén)科學(xué)間的相互交叉、融合不斷加強(qiáng)，從而使得科學(xué)系統(tǒng)主要向綜合性、整體化方向發(fā)展。相對(duì)論相對(duì)論是關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間和空間關(guān)系的理論，與量子力學(xué)合稱(chēng)現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。相對(duì)論的革命不僅大大推動(dòng)了自然科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，而且在哲學(xué)上也具有非常重大的意義，成為辯證唯物主義時(shí)空觀的科學(xué)依據(jù)。相對(duì)論是由德國(guó)著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的，分狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩大部分。相對(duì)論的孕育和誕生經(jīng)典物理學(xué)的完善統(tǒng)一和思想禁錮危機(jī)牛頓奠定了力學(xué)基礎(chǔ)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律深刻的揭示了自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過(guò)精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，驚人地預(yù)見(jiàn)了海王星、冥王星的軌道，并導(dǎo)致了他們的發(fā)現(xiàn)。法拉第嗲按定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)。麥克斯韋對(duì)電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。他的天才，不僅表現(xiàn)在他給出了已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)表述—麥克斯韋方程組，而且體現(xiàn)了他理論思維方面的天才，即提出了電場(chǎng)變化也產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè)。赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，有力的證明了麥克斯韋的理論假設(shè)，并為電磁現(xiàn)象的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。絕對(duì)時(shí)空觀牛頓指出：“絕對(duì)的、真的和數(shù)學(xué)的時(shí)間，它的等速流動(dòng)本身如此，并且以其本身就是這樣，與外界任何事物無(wú)關(guān)。它的另一名稱(chēng)叫綿延。”“絕對(duì)空間，因其與外在的任何事物無(wú)關(guān)，所以其本質(zhì)總是一樣的和不動(dòng)的。”愛(ài)因斯坦的觀念性變革拋棄“絕對(duì)靜止和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn)，即拋棄舊的時(shí)空觀，放棄以太假設(shè)，愛(ài)因斯坦這種頓悟，使他從時(shí)空觀變革的方向找到了一個(gè)突破口，從而建立了既適用于低速運(yùn)動(dòng)，也適用于高速運(yùn)動(dòng)的“新運(yùn)動(dòng)學(xué)”。狹義相對(duì)論1905年，愛(ài)因斯坦在否定了“以太”和“絕對(duì)時(shí)空觀”后，提出了兩條狹義相對(duì)論基本原理：①狹義相對(duì)論原理—一切彼此做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系，對(duì)于描寫(xiě)運(yùn)動(dòng)的一切規(guī)律來(lái)說(shuō)都是等價(jià)的。②光速不變?cè)怼诒舜讼鄬?duì)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的任一參考系中，所測(cè)得的光速都是相同的。原理一是“力學(xué)相對(duì)性原理”的推廣。原理二說(shuō)明在所有慣性系中，光速與光源、光的接受者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。愛(ài)因斯坦由其相對(duì)論原理導(dǎo)得質(zhì)能關(guān)系E=mc2廣義相對(duì)論在狹義相對(duì)論中，自然定律在所有慣性系中都保持著不變的形式。然而這種理論中仍留有兩個(gè)疑難：①引力定律不能被納入狹義相對(duì)論的體系之中；②慣性系不是宇宙中真實(shí)存在。在1916年完善的建立了“廣義相對(duì)論”，并在他的《廣義相對(duì)論原理》一書(shū)中提出了著名的引力場(chǎng)方程，給出了對(duì)一切參考系都適用的原理。廣義相對(duì)論體系中的主要原理有以下三點(diǎn)：①等效原理。②引力場(chǎng)中的時(shí)空是思維的。③引力場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)沿曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)論的建立，深刻的揭示了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之間存在著密切聯(lián)系，及時(shí)了物質(zhì)與能量之間的本質(zhì)聯(lián)系，并為眾多實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)。結(jié)論一般人不能理解的兩方面的原因：一方面是由于我們平常所直接感知的現(xiàn)象都是低速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，因而都符合相對(duì)論的低速極限理論—經(jīng)典力學(xué)理論。另一方面則是由于廣義相對(duì)論涉及的數(shù)學(xué)相當(dāng)抽象和艱深，這種高度抽象的數(shù)學(xué)理論造成了一般人理解上的困難。量子理論1895年發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)，1896年發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)，1897年發(fā)現(xiàn)了比原子還小的電子，這三大發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了量子力學(xué)的序幕。經(jīng)典物理學(xué)的困難與量子論的誕生物理學(xué)天空的烏云微觀世界的規(guī)律性與宏觀世界的規(guī)律性是不同的，不能用同一模式加以描述。黑體輻射和光電效應(yīng)1893年德國(guó)的維恩發(fā)現(xiàn)了一條重要的規(guī)律“物體發(fā)光，其中最強(qiáng)的波長(zhǎng)與物體的溫度成反比?！庇脭?shù)學(xué)語(yǔ)言可表述為λmaxT=常數(shù)λMax是最強(qiáng)光的波長(zhǎng),T為絕對(duì)溫度。光電效應(yīng)指的是，光照射金屬時(shí)，金屬中的電子可能會(huì)從金屬表面逸出而成為光電子的現(xiàn)象。原子光譜與德布羅意假設(shè)物理的不連續(xù)性和粒子的波粒二現(xiàn)象性都是微觀體系最顯著的特征。量子理論的誕生普朗克的能量子假說(shuō)是量字力學(xué)的啟明星，并引入了一個(gè)“量子化”的新概念。愛(ài)因斯坦光量子假說(shuō)與德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)指出了實(shí)例粒子除了具有粒子性之外，還具有波動(dòng)性這一與經(jīng)典物理學(xué)理論相悖的特征。德國(guó)科學(xué)家海登堡在玻兒的原子結(jié)構(gòu)量子化軌道模型遇到困難的時(shí)候，另辟蹊徑，提出了全新的解決放方法。澳大利亞物理學(xué)家薛定諤與海森堡同時(shí)建立起另一套等價(jià)的量子理論。狄拉克把量子體系的狀態(tài)抽象為一種函數(shù)矢量空間的態(tài)矢量，創(chuàng)造性的定義了右矢和左矢，這種右矢和左矢特稱(chēng)為狄拉克符號(hào)。量子力學(xué)基本原理量子力學(xué)是研究有關(guān)量子現(xiàn)象的物理學(xué)理論體系。量子力學(xué)的規(guī)律不僅支配著微觀世界，也支配著宏觀世界。幾種主要的量子現(xiàn)象力學(xué)量取值的量子化現(xiàn)象在涉及微觀結(jié)構(gòu)的研究中，微觀體系的穩(wěn)定狀態(tài)中的束縛態(tài)能級(jí)為斷續(xù)譜，所謂斷續(xù)譜就是指體系的能量本征值是不連續(xù)的，即只能取一系列特定值。這種現(xiàn)象稱(chēng)為能量的量子化。量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)是微觀粒子所特有的一種效應(yīng)。對(duì)于微觀粒子而言，即使粒子的能量不足夠大，甚至遠(yuǎn)小于類(lèi)似墻壁的勢(shì)壘（即越過(guò)阻擋層的能量），按經(jīng)典理論，粒子無(wú)論如何都是無(wú)法穿過(guò)阻擋層的，這正如電子要穿過(guò)絕緣層而導(dǎo)電一樣。然而當(dāng)阻擋層足夠薄（微觀尺寸）時(shí)，奇異的現(xiàn)象將發(fā)生，對(duì)粒子而言就如同阻擋層具有隧道一樣可供粒子穿過(guò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣證實(shí)了這種可能，這種現(xiàn)象便被稱(chēng)為量子隧道效應(yīng)。超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象實(shí)際上是一種宏觀量子現(xiàn)象。某種材料在溫度降低到很低的某一溫度時(shí)，其電阻突然迅速地降為0，這種現(xiàn)象邊被稱(chēng)為超導(dǎo)現(xiàn)象。自旋粒子自旋，電子在原子中的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)單地解釋為，電子既繞原子核公轉(zhuǎn)，又繞自身自轉(zhuǎn)，后者便稱(chēng)為電子的自旋。量子力學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展量子力學(xué)建立于20世紀(jì)初，它揭示了微觀領(lǐng)域中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以毫不夸張地說(shuō)，量子力學(xué)是所有試圖從微觀結(jié)構(gòu)層次上了解物質(zhì)的一切性質(zhì)和現(xiàn)象所必須應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。相對(duì)論和量子理論的創(chuàng)立，給物理學(xué)帶來(lái)了暫新的局面，這便是被統(tǒng)稱(chēng)為現(xiàn)代物理學(xué)的各種理論體系的產(chǎn)生和發(fā)展。由于量子力學(xué)在多領(lǐng)域中的應(yīng)用也同時(shí)促進(jìn)了量子力學(xué)向更深刻和更廣泛的方向發(fā)展。作為自然科學(xué)工作者都應(yīng)該把量子力學(xué)作為一門(mén)必修課進(jìn)行學(xué)習(xí)而作為社會(huì)科學(xué)工作者也應(yīng)該對(duì)量子力學(xué)有所了解。粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)是研究最深層次微觀物質(zhì)的存在形式、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。到20世紀(jì)末，普遍認(rèn)為通常理解的物質(zhì)是由夸克和輕子兩類(lèi)基本粒子構(gòu)成。分子生物學(xué)20世紀(jì)中期至今，以分子生物學(xué)的興起為主體的生物學(xué)革命是現(xiàn)代生物學(xué)革命的主旋律。分子生物學(xué)可以說(shuō)是20世紀(jì)初興起的現(xiàn)代遺傳學(xué)的直接繼續(xù)和發(fā)展，而物理學(xué)和化學(xué)向生物學(xué)中的全面滲透無(wú)疑是分子生物學(xué)興起的直接條件。而美國(guó)遺傳學(xué)家艾弗里在事實(shí)上已經(jīng)以DNA是基因的重要載體這一重大發(fā)為分子生物學(xué)的興起打下基礎(chǔ)。德?tīng)柌紖慰说仁讋?chuàng)了同位素標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用同位素硫和磷分別標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼和其中的DNA分子，然后讓噬菌體感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)外殼留在大腸桿菌的菌體之外而只有DNA分子才能進(jìn)入菌體之內(nèi)進(jìn)行繁殖，噬菌體的DNA分子不僅能進(jìn)行自我復(fù)制而且?guī)в泻铣傻鞍踪|(zhì)外殼的全部信息。更為重要的是遺傳信息的物質(zhì)載體DNA得到確證，分子生物學(xué)革命的火炬也就被正式點(diǎn)燃了。此后，研究DNA分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題便成了分子遺傳學(xué)的一個(gè)中心課題。在這一中心課題上，美國(guó)遺傳學(xué)家沃森和英國(guó)晶體學(xué)家克里克最先取得突破性進(jìn)展，他們?cè)谄渌茖W(xué)家對(duì)DNA結(jié)構(gòu)已有初步認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，于1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的基本理論。遺傳密碼就是指DNA分子中的四種核苷酸以什么樣的排列組合方式來(lái)構(gòu)成蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸的編碼問(wèn)題。伽莫夫通過(guò)對(duì)四種核苷酸與20種氨基酸的關(guān)系的分析，提出每種氨基酸的密碼都是四種核苷酸中某三種構(gòu)成的三聯(lián)體，這一假說(shuō)通常被稱(chēng)為遺傳密碼的三聯(lián)體假說(shuō)。倫貝格發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸在核糖核酸上的密碼是UUU，在RNA分子中有一種堿基與DNA分子中不同以鳥(niǎo)嘧啶（U）取代了DNA分子中的胸腺嘧啶。遺傳密碼的破譯是自分子生物學(xué)誕生以來(lái)所取得的最重大的實(shí)驗(yàn)成果，它具有十分重要的科學(xué)意義。首先，在分子生物學(xué)方面，它大大加深了人們對(duì)基因的理論認(rèn)識(shí)，此前人們認(rèn)為對(duì)基因本身就是決定遺傳的最小物質(zhì)單元，遺傳密碼破譯之后人們才認(rèn)識(shí)到基因是DNA大分子上的一段多核苷酸序列，基因的突變、重組及其表達(dá)功能都是核苷酸序列變化的結(jié)果。其次，在生物起源方面遺傳密碼的破譯進(jìn)一步揭示了生命物質(zhì)的統(tǒng)一性，從而為生命起源的研究提供了分子生物學(xué)基礎(chǔ)。第三，在生物化學(xué)方面，遺傳密碼的破譯使得蛋白質(zhì)的起源和結(jié)構(gòu)之謎終于被揭示出來(lái)?；蛲ㄟ^(guò)什么途徑來(lái)調(diào)節(jié)和控制遺傳？克里克提出遺傳中心法則的假說(shuō)。后來(lái)可立刻又發(fā)展了這一假說(shuō)，認(rèn)為作為模板的RNA可能是中間受體。法國(guó)分子生物學(xué)家雅可布和莫諾證實(shí)了DNA與蛋白質(zhì)之間的第一種中間受力體實(shí)為信使RNA。特明和巴爾蒂摩又發(fā)現(xiàn)從DNA到NDA的逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程，從而使遺傳中心法則更加完善。在遺傳密碼破譯問(wèn)題提出后不久，柯拉那即開(kāi)始進(jìn)行人工合成DNA的研究并與20世紀(jì)60年代相繼合稱(chēng)了四種核苷酸的三聯(lián)體的64種可能的遺傳密碼?？吕堑仍诤铣闪撕?7個(gè)核苷酸酵母丙氨酸t(yī)RNA的基因之后有第一次成功合成了具有生物活性的基因—含有206個(gè)核苷酸的大腸桿菌酪氨酸t(yī)RNA基因。中國(guó)科學(xué)家在生物大分子人工合成領(lǐng)域也做出了令人矚目的工作。他們?cè)?0世紀(jì)60年代中期最先合成了一種具有生命活性的蛋白質(zhì)，即含有51個(gè)氨基酸的牛胰島素。80年代初又成功地進(jìn)行了酵母丙氨酸t(yī)RNA的人工合成。目前分子生物學(xué)已經(jīng)滲透到生物學(xué)各個(gè)分支學(xué)科之中，DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展所提供的大量的分子信息以及基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)的各種DNA分子標(biāo)記在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代技術(shù)的前沿領(lǐng)域現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，主要有三大基本技術(shù)：即物質(zhì)變化技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和信息控制技術(shù)。物質(zhì)、和能量和信息構(gòu)成了世界的三大要素，由此考察技術(shù)活動(dòng)則可以從紛繁復(fù)雜的技術(shù)類(lèi)別中發(fā)現(xiàn)其主要脈絡(luò)。迄今尚無(wú)公認(rèn)的技術(shù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，因而此處僅就一些與日常生產(chǎn)和生活及人類(lèi)的未來(lái)密切相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)前沿領(lǐng)域加以論述。這些技術(shù)主要有：信息技術(shù)（包括電子技術(shù)、光電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)）、材料技術(shù)、生物工程技術(shù)、能源技術(shù)、納米技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)、海洋技術(shù)、空間技術(shù)等。信息技術(shù)信息技術(shù)概論信息技術(shù)創(chuàng)始于20世紀(jì)40年代后期。N.維納指出：“信息既不是物質(zhì)、又不是能量，信息就是信息”，即提出了“信息”是存在于客觀世界的第三要素的著名論斷。美國(guó)學(xué)者C.E.仙農(nóng)創(chuàng)造了不同于先前所有物質(zhì)單位體系的信息單位“比特”（Bit），從而第一次系統(tǒng)地給出了信息的定量描述，并用數(shù)學(xué)公式把信息傳遞過(guò)程中的物質(zhì)、能量和信息之間的相互作用和依存關(guān)系統(tǒng)一起來(lái)。維納和仙農(nóng)在物理性空間之外，又揭示出一個(gè)信息空間，這是人類(lèi)認(rèn)識(shí)史上一次重大的飛躍。在信息論中，信息的定義則為信源的不確定度。他的意思是如果某一信源只能產(chǎn)生一個(gè)消息，且始終不變，則說(shuō)它發(fā)出的信息量等于零，實(shí)際上這便是從信息量的角度給信息的一種定義。“信息技術(shù)”是指獲取、傳遞、處理和利用信息的技術(shù)。如果從信息學(xué)的角度則可把信息技術(shù)分為信息獲取技術(shù)、信息傳遞技術(shù)、信息處理技術(shù)、信息利用技術(shù)和信息技術(shù)的支撐技術(shù)。信息獲取技術(shù)它是包括信息測(cè)量、感知、采集和存儲(chǔ)技術(shù)，特別是直接獲取自然信息的技術(shù)。信息傳遞技術(shù)它包括各種信息的發(fā)送、傳輸、接交、顯示、記錄技術(shù)，特別是“人-機(jī)”信息交換技術(shù),這門(mén)技術(shù)的主體是通信技術(shù)。信息處理技術(shù)它包括各種信息的轉(zhuǎn)換、加工、放大、增值、濾波、提取和壓縮技術(shù)，特別是數(shù)字信息處理與知識(shí)信息處理技術(shù)。信息利用技術(shù)它包括利用信息進(jìn)行控制、管理、指揮、決策等，特別是“人-機(jī)”協(xié)調(diào)的智能自動(dòng)控制和管理技術(shù)。信息技術(shù)的支撐技術(shù)這是指實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)所涉及的技術(shù)。由于信息的獲取、傳遞和利用及支撐技術(shù)都與計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、光電子技術(shù)等密切相關(guān)，下面我們將對(duì)這三種技術(shù)分別予以闡述。計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)泛指計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中所運(yùn)用的技術(shù)，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，軟、硬件技術(shù)等。由于計(jì)算機(jī)已被廣泛應(yīng)用，這里僅做簡(jiǎn)單論述。計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成據(jù)算計(jì)有硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括輸入、輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、處理機(jī)子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)。軟件部分包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等各應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)的分類(lèi)在計(jì)算機(jī)中存在著兩類(lèi)信息流，即“指令流”和“數(shù)據(jù)流”。由此，計(jì)算機(jī)可分為：?jiǎn)沃噶盍鳌獑螖?shù)據(jù)流SISD系統(tǒng)，個(gè)人用PC機(jī)就屬此類(lèi)；單指令流—多數(shù)據(jù)流SIMD系統(tǒng)，此列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于專(zhuān)門(mén)數(shù)據(jù)處理（如科學(xué)計(jì)算等）；多指令流—多數(shù)據(jù)流MIMD系統(tǒng)，這類(lèi)MIMD最簡(jiǎn)單的形式是主機(jī)—外圍機(jī)系統(tǒng)，復(fù)雜形式是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器、處理機(jī)四大部分。計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和有關(guān)的文件。它可以分為三類(lèi)：系統(tǒng)軟件、支援軟件和應(yīng)用軟件。光電技術(shù)光電技