現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論.ppt

1,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論,2,教學(xué)目的：通過講授，使學(xué)生對(duì)當(dāng)前現(xiàn)代技術(shù)的起源發(fā)生和發(fā)展有一概要了解，達(dá)到文理、理工滲透的初步目標(biāo)。,主要內(nèi)容： 1. 科學(xué)技術(shù)的歷史回顧； 2. 21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)； 3. 中國的科技工作藍(lán)圖； 4. 基礎(chǔ)科學(xué)的前沿領(lǐng)域； 5. 高技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)； 6. 現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)展現(xiàn)狀； 7. 現(xiàn)代技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。,課程名稱：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論 課程代號(hào)： 課時(shí)：36 學(xué)分：2,課程簡介,3, 第一章 科學(xué)與技術(shù) 第二章 科學(xué)技術(shù)發(fā)展簡史 第三章 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢(shì) 第四章 科學(xué)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 第五章 科學(xué)技術(shù)方法論 第六章 現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)展 第七章 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成就 第八章科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力 第九章 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展,課程簡介,4,教 材：趙則海、李方滿、李軍，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論，廣東人民出版社，2006年 參考書： 1. 王德勝，現(xiàn)代科技精華，寧夏人民出版社，1993年 2. 宋健，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，科學(xué)出版社，1994年 3. 周光召，共同走向科學(xué)，新華出版社，1997年 4. 揚(yáng)立忠，高技術(shù)戰(zhàn)略，軍事科學(xué)出版社，1991年,課程簡介,5,一、科學(xué)的基本概念 二、科學(xué)的特征 三、現(xiàn)代科學(xué)四大基本理論 四、現(xiàn)代科學(xué)五大基本模型,第一節(jié) 科學(xué),6,1、科學(xué)一詞的來源 科學(xué)一詞，英文為science，源于拉丁文scientia。 英國自然科學(xué)史學(xué)家丹皮爾(Sir William Dampier, 1651-1715)在其所著的科學(xué)史一書中曾指出：“拉丁語詞scientia就其最廣泛意義而言，是學(xué)問或知識(shí)的意思?！?日本著名科學(xué)啟蒙思想家福澤瑜吉（1834-1901）把“science”譯為“科學(xué)”。 1893年，我國著名學(xué)者康有為引進(jìn)并使用“科學(xué)”一詞。 近代啟蒙思想家嚴(yán)復(fù)在翻譯天演論等科學(xué)著作時(shí)，也進(jìn)一步使用“科學(xué)”一詞。 此后，“科學(xué)”一詞便在中國廣泛運(yùn)用。,一、科學(xué)的基本概念,第一節(jié) 科學(xué),7,2、科學(xué)概念的理解 科學(xué)是生產(chǎn)知識(shí)的活動(dòng) 科學(xué)是反映客觀事實(shí)和規(guī)律的知識(shí) 科學(xué)是反映客觀事實(shí)和規(guī)律的知識(shí)體系 科學(xué)是科學(xué)的世界觀、態(tài)度和方法 科學(xué)是一項(xiàng)社會(huì)事業(yè),一、科學(xué)的基本概念,第一節(jié) 科學(xué),8,一、科學(xué)的基本概念,3、科學(xué)的嚴(yán)格定義 科學(xué)是反映自然界各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)和邏輯論證的理論知識(shí)體系。 簡要地說，科學(xué)是系統(tǒng)化、理論化的知識(shí)體系。科學(xué)是一種知識(shí)體系，但并不是所有的知識(shí)都能稱之為科學(xué)。 科學(xué)包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和思維科學(xué)等。,在2004年“藝術(shù)與科學(xué)國際作品展”中展出的月球概念車，它是按照清華大學(xué)設(shè)計(jì)的一款無人遙控月球車的真實(shí)技術(shù)參數(shù)，等比例縮小制成的。,第一節(jié) 科學(xué),9,1、科學(xué)的客觀真理性 現(xiàn)代科學(xué)是系統(tǒng)化、理論化的知識(shí)體系，是一種社會(huì)活動(dòng)，是一種特殊的社會(huì)生產(chǎn)形式。 2、科學(xué)的系統(tǒng)性 科學(xué)是對(duì)個(gè)別對(duì)象的一般性、共同性、規(guī)律性的系統(tǒng)化的描述。 科學(xué)是極為嚴(yán)謹(jǐn)、必須建立在可以重復(fù)的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的客觀描述。 3、科學(xué)的探索性 科學(xué)的探索常帶來超越常規(guī)的，有時(shí)甚至?xí)玫揭庀氩坏降慕Y(jié)果。 科學(xué)家們用自己頑強(qiáng)的努力去體現(xiàn)和滿足這種好奇心。 只要科學(xué)探索是嚴(yán)肅的、認(rèn)真的，科學(xué)探索得到的結(jié)果是客觀的、正確的，它對(duì)科學(xué)就是重要的。,二、科學(xué)的特征,第一節(jié) 科學(xué),10,4、科學(xué)認(rèn)識(shí)形式的抽象性 科學(xué)不僅僅是知識(shí)的本體，而且是一種思維方法。 這種思維方法有三個(gè)最明顯的特征： 第一是真理性。 第二是科學(xué)思想所表達(dá)的創(chuàng)造性。 第三是開放性。 5、科學(xué)理論的解釋性和預(yù)見性 科學(xué)要對(duì)統(tǒng)一性和預(yù)測(cè)性做解釋,這是科學(xué)家的愿望，但很多時(shí)候是做不到的。 科學(xué)知識(shí)的擴(kuò)張，遵循著一系列自身的規(guī)律。 科學(xué)是不可替代的，然而科學(xué)并不能解決一切問題。,二、科學(xué)的特征,第一節(jié) 科學(xué),11,科學(xué)知識(shí)來源于實(shí)踐，雖大量運(yùn)用假設(shè)，但決不武斷，并不斷接受實(shí)踐檢驗(yàn)，盡可能排除主觀臆想；而偽科學(xué)大量使用主觀臆想，將不同的現(xiàn)象之間亂聯(lián)系。 科學(xué)是系統(tǒng)的知識(shí)，即知識(shí)與知識(shí)之間強(qiáng)調(diào)相互聯(lián)系，盡可能形成嚴(yán)密地邏輯關(guān)系（當(dāng)代大統(tǒng)一理論是其中的典型）；而偽科學(xué)的體系是亂拼湊的，經(jīng)不起推敲，并不敢面對(duì)事實(shí)的證偽?？傄孕艅t靈，不信則不靈來回避證偽。 科學(xué)是建立在科學(xué)的科學(xué)方法的基礎(chǔ)上的，最早系統(tǒng)的科學(xué)方法是培根和笛卡爾建立起來的，即強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和數(shù)學(xué)貫穿在科學(xué)研究的整個(gè)過程中；而偽科學(xué)不講方法的正確性，回避用數(shù)學(xué)定量地描述。 科學(xué)強(qiáng)調(diào)主客觀結(jié)合，概念的確是人造的，但概念的引入僅為了描述清晰，推理方便。在探求本質(zhì)時(shí)，常常要引入主觀設(shè)想，但在未充分驗(yàn)證前，總把它看成假設(shè)，只有經(jīng)過無數(shù)事實(shí)證實(shí)后，才上升為定理。不僅如此，而且允許人們有條理的懷疑；偽科學(xué)則相反，不允許別人懷疑，不允許爭(zhēng)論，把信仰放在至高無上的地位。 客觀的依據(jù)、理性的懷疑、多元的思考、平權(quán)的爭(zhēng)論、實(shí)踐的檢驗(yàn)、寬容的激勵(lì)。這是我國科學(xué)家蔡德誠提出的科學(xué)精神六大要素。,科學(xué)與偽科學(xué)的主要區(qū)別,12,科學(xué)和技術(shù)一開始是相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的，科學(xué)和技術(shù)的充分結(jié)合乃是近代以來的事情。嚴(yán)格意義上的科學(xué)從培根和笛卡爾時(shí)代開始。但一般認(rèn)為哥白尼吹響了科學(xué)的第一號(hào)角。 歷史上科學(xué)中心有過多次轉(zhuǎn)移。其轉(zhuǎn)移順序?yàn)椋?意大利英國法國德國美國,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,轉(zhuǎn)移周期大約為80年，科學(xué)史界稱為“湯淺現(xiàn)象”。 東方科學(xué)是在與西方科學(xué)幾乎完全獨(dú)立情況下發(fā)展起來的。方法上有顯著不同。中國古代科學(xué)技術(shù)十分輝煌，但主要在技術(shù)領(lǐng)域。中國的四大發(fā)明對(duì)世界文明產(chǎn)生巨大影響。,13,1962年，日本神戶大學(xué)科學(xué)史家湯淺光朝對(duì)科學(xué)和技術(shù)編年表等三種文獻(xiàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以數(shù)據(jù)形式論證了英國學(xué)者貝爾納關(guān)于科學(xué)中心及其轉(zhuǎn)移過程的見解 湯淺光朝 1979。 文革期間，我國學(xué)者趙紅州也基于類似的文獻(xiàn)資料（復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào)所載的“自然科學(xué)大事記”）、類似的分析方法得出了類似的結(jié)論 趙紅州 1984。,“湯淺現(xiàn)象”,湯淺光朝以下述方式定義“科學(xué)中心”：當(dāng)一個(gè)國家在一定時(shí)段內(nèi)的科學(xué)成果數(shù)超過全世界科學(xué)成果總數(shù)的25%，則稱該國家在此時(shí)段內(nèi)成為科學(xué)中心，該國家保持為世界科學(xué)中心的時(shí)段為其科學(xué)興隆期。 (1)世界科學(xué)活動(dòng)中心在發(fā)生著周期性的轉(zhuǎn)移。 (2)科學(xué)中心在歐洲的興隆期平均值為80年，因此，科學(xué)中心的轉(zhuǎn)移周期是80年。 (3)以此為基礎(chǔ)，他預(yù)言說，若美國科學(xué)將遵循歐洲科學(xué)的同樣規(guī)律，則美國的科學(xué)興隆期將終止于2000年 。,湯淺的預(yù)言已為今天的事實(shí)所否定。美國的科學(xué)興隆期至今已愈80年（按照湯淺的起始年計(jì)算），蘇聯(lián)、中國或其他任何國家并沒有替代美國成為新的科學(xué)中心；而且從目前的情形來看，沒有任何跡象表明，在不久的將來，將會(huì)再次上演這種科學(xué)中心轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。,14,1、相對(duì)論 2、量子力學(xué) 3、基因理論 4、系統(tǒng)理論,第一節(jié) 科學(xué),三、現(xiàn)代科學(xué)四大基本理論,15,愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），舉世聞名的德裔美國科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。 愛因斯坦1900年畢業(yè)于蘇黎士工業(yè)大學(xué)，1909年開始在大學(xué)任教，1914年任威廉皇家物理研究所所長兼柏林大學(xué)教授。后被迫移居美國，1940年入美國籍。,愛因斯坦生平,16,引言 相對(duì)論的研究對(duì)象是超越我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的高速運(yùn)動(dòng)世界和廣闊的宇宙，這是我們難以理解相對(duì)論的主要原因。 自相對(duì)論誕生之日起，它所帶來的時(shí)空觀革命就極大地拓展了人類對(duì)宇宙的理解。從相對(duì)論中，人們發(fā)現(xiàn)了時(shí)間旅行的奧秘、原子裂變的巨大能量、宇宙的起源和終結(jié)、黑洞和暗能量等奇妙現(xiàn)象。幾乎宇宙所有的奧秘都隱藏在相對(duì)論那幾行簡單的公式中。,1、相對(duì)論,光錐，由時(shí)間三維空間（X、Y和Z）中的光速繪圖而成，它定義了一個(gè)事件所有的過去和未來的聯(lián)系,青年時(shí)期的愛因斯坦,17,相對(duì)論包括兩部分， 一是愛因斯坦在1905年提出的狹義相對(duì)論（慣性系） 一是愛因斯坦在1915年創(chuàng)立的廣義相對(duì)論（非慣性系） 相對(duì)論從根本上改變了牛頓力學(xué)中關(guān)于時(shí)間和空間的概念，建立了新的時(shí)空觀。,狹義廣義相對(duì)論和廣義相對(duì)論,18,愛因斯坦于1905年提出的狹義相對(duì)論則認(rèn)為：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增加，同時(shí)，空間和時(shí)間也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，即還會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。,狹義相對(duì)論,牛頓力學(xué)時(shí)空觀： 力學(xué)相對(duì)性原理： 在所有的慣性系中，所有的力學(xué)現(xiàn)象都是按相同的力學(xué)規(guī)律發(fā)生和進(jìn)行的。 力學(xué)規(guī)律對(duì)所有的慣性系都是等價(jià)的。,狹義相對(duì)論和光速不變?cè)淼奶岢?，打破了傳統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空觀，指出了時(shí)間、空間和物體的質(zhì)量不是絕對(duì)不變的，而是隨著物體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。,愛因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)及本質(zhì)含義： 相對(duì)性原理：所有物理規(guī)律對(duì)所有慣性系都是等價(jià)的； 光速不變?cè)恚涸谒袘T性系測(cè)量真空中的光速都是相等的。,19,愛因斯坦的狹義相對(duì)論，在我們的日常生活中是很難理解的，因?yàn)槲覀內(nèi)粘＝佑|的都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的運(yùn)動(dòng)，根本無法察覺到愛因斯坦相對(duì)論所描述的相對(duì)論效應(yīng)：長度變短、時(shí)鐘變慢。 但如果接近光速的運(yùn)動(dòng)能變成現(xiàn)實(shí)的話，一個(gè)以這樣速度運(yùn)動(dòng)的人，在另 一個(gè)靜止的觀察者看來就可能只是一條線。 另外還會(huì)出現(xiàn)這樣的景象：一個(gè)人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去做星際航行。一年后他回來了，發(fā)現(xiàn)兒子已經(jīng)是白發(fā)蒼蒼的老人，而自己還是那樣年輕。中國古代傳說中的“天上方一日，人間已一年”就可用相對(duì)論得到解釋。,狹義相對(duì)論,20,時(shí)間過得越快 人老得越慢,人們用兩個(gè)超精密度相同的原子鐘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)放在陸地上，一個(gè)放在時(shí)速超過3000公里的軍用飛機(jī)或空間探測(cè)器上。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這樣的假設(shè)：旅行過的鐘比另一個(gè)鐘走得慢。,狹義相對(duì)論,21,廣義相對(duì)論,22,廣義相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空性質(zhì)與物質(zhì)分布及運(yùn)動(dòng)的相互依賴關(guān)系的學(xué)說，是研究物質(zhì)在時(shí)空中如何進(jìn)行引力相互作用的理論。,廣義相對(duì)論是近代宇宙論的理論基礎(chǔ)，也是宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)代研究領(lǐng)域的重要理論基礎(chǔ)。,引言,23,24,對(duì)于一個(gè)均勻引力場(chǎng)而言，引力場(chǎng)與一勻加速參考系等效。換句話說，對(duì)于一均勻引力場(chǎng)而言，引力與慣性力在物理效果上等效。,等 效 原 理,25,基于等效原理，在非慣性系中引入引力場(chǎng)的概念，就有可能將狹義相對(duì)性原理推廣到任意參考系。,為解決這個(gè)問題，愛因斯坦將空間和時(shí)間合為一體，建立四維空間，并提出了著名的廣義相對(duì)性原理。該原理的文字表述如下：,任何參考系對(duì)于描述物理現(xiàn)象來說都是等效的。換句話說，在任何參考系中，物理定律的形式不變。,26,廣義相對(duì)論表明，時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。 我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的地方這兩點(diǎn)之間鑿出一個(gè)蟲洞，然后用某種“奇異物質(zhì)”把洞口撐開，使之成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們?cè)谒查g到達(dá)遙遠(yuǎn)的彼岸。然后當(dāng)我們返回時(shí)，蟲洞的奇異性質(zhì)讓我們年輕了很多。,廣義相對(duì)論,27,相對(duì)論的幾個(gè)證據(jù),光線引力偏移 光譜線引力紅移 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 黑 洞 原子裂變,28,光的引力偏移,29,譜線引力紅移,30,水星近日進(jìn)動(dòng),31,廣義相對(duì)論表明，引力場(chǎng)可以造成空間彎曲，強(qiáng)大的引力場(chǎng)可以造成強(qiáng)烈的空間彎曲，那么無限強(qiáng)大的引力場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生什么情況呢？ 1916年愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論后不久，德國物理學(xué)家卡爾史瓦西就用這個(gè)理論描繪了一個(gè)假設(shè)的完全球狀星體附近的空間和時(shí)間是如何彎曲的。他證明，假如星體質(zhì)量聚集到一個(gè)足夠小的球狀區(qū)域里，比如一個(gè)天體的質(zhì)量與太陽相同，而半徑只有3公里時(shí)，引力的強(qiáng)烈擠壓會(huì)使那個(gè)天體的密度無限增大，然后產(chǎn)生災(zāi)難性的坍塌，使那里的時(shí)空變得無限彎曲，在這樣的時(shí)空中，連光都不能逃逸！由于沒有了光信號(hào)的聯(lián)系，這個(gè)時(shí)空就與外面的時(shí)空分割成兩個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域，那個(gè)分割球面就是視界。,黑洞大發(fā)現(xiàn),這就是我們今天耳熟能詳?shù)暮诙?，但在那個(gè)年代，幾乎沒有人相信有這么奇怪的天體存在，甚至包括愛因斯坦本人和愛丁頓這樣的相對(duì)論大師也明確表示反對(duì)這種怪物，愛因斯坦還說他可以證明沒有任何星體可以達(dá)到密度無限大。就連黑洞這個(gè)名稱也是一直到1967年才由美國物理學(xué)家惠勒命名。,32,黑洞,33,20世紀(jì)30年代，美國天文學(xué)家錢德拉塞卡提出了著名的“錢德拉塞卡極限”，即：一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的 1.44倍以上時(shí)，將不可能變成白矮星，而會(huì)繼續(xù)坍塌收縮，變成體積比白矮星更小、密度比白矮星更大的星體，即中子星。 1939年，美國物理學(xué)家奧本海默進(jìn)一步證明，一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的3倍以上時(shí)，其自身引力的作用將能使光線都不能逃出這個(gè)星體的范圍。,隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，關(guān)于黑洞的理論變得成熟起來，人們從徹底拒絕這個(gè)怪物到漸漸相信它，到20世紀(jì)60年代，人們已普遍接受黑洞的概念，黑洞的奧秘被逐漸研究出來。,黑洞大發(fā)現(xiàn),34,1905年11月，愛因斯坦同樣在德國物理學(xué)紀(jì)事雜志上發(fā)表了關(guān)于狹義相對(duì)論的文章：物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎？，這是一篇短文，在這篇論文中，他提出一個(gè)物體的質(zhì)量并不是恒定不變的，而是隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加。這就是運(yùn)動(dòng)中物體的“質(zhì)增效應(yīng)”。 在我們想象我們?cè)谕埔惠v小板車，板車很輕，上面什么東西也沒有。假設(shè)這是一輛在真空中的“理想”板車，沒有任何摩擦力、也沒有任何阻力，因此，只要我們持續(xù)地推它，它的速度就越來越快，但隨著時(shí)間的推移，它的質(zhì)量也越來越大，起初像車上堆滿了鋼鐵，然后好像是裝著一座山、再然后好像是裝著一個(gè)地球、一個(gè)太陽系、一個(gè)銀河系當(dāng)小板車接近光速時(shí)，好像整個(gè)宇宙都裝在它上面它的質(zhì)量達(dá)到無窮大。這時(shí)，你無論施加多大力，無論推多長時(shí)間，它都不可能運(yùn)動(dòng)得再快。 由此可見，光子既然以光速傳播，它的靜止質(zhì)量就必須等于零，它的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量就會(huì)無窮大。,原子裂變,35,當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)接近光速時(shí)，我們不斷地對(duì)物體施加外力，供給能量，可物體速度的增加越來越困難，我們施加的能量去哪兒了呢？其實(shí)能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量。這就是說，物體質(zhì)量的增加與動(dòng)能增加有著密切聯(lián)系，或者說物體的質(zhì)量與能量之間有著密切聯(lián)系。愛因斯坦在說明這種聯(lián)系的過程中，提出了著名的質(zhì)能關(guān)系式： E=mc2 遺憾的是，沒人能隨便減少質(zhì)量，譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細(xì)地收集這些碎末后就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化。,原子裂變,36,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子能成為殺傷力巨大的新武器。 僅僅在幾年后，人類第一顆原子彈在美國爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷史上最殘酷的懲罰，幾十萬人死傷，其中一部分人瞬間還被原成基本粒子。 E=mc2在給人間帶來希望之前，帶來的先是致命的創(chuàng)傷，這一切對(duì)于深愛和平的愛因斯坦來說無疑是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛心不已。,但是，十幾年后的1939年，約里奧居里、費(fèi)米、西拉德這三位科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核收到中子轟擊就會(huì)發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的新原子核，放出13個(gè)中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,廣島原子彈爆炸,37,美軍曾在長崎投下的代號(hào)為“胖子”的原子彈,廣島長崎遭遇原子彈后,1945年8月，二戰(zhàn)期間，遭受美軍原子彈襲擊的日本廣島。8月6日，美軍向廣島投擲了世界上第一枚原子彈，導(dǎo)致成千上萬的平民死亡，以及更多的人由于核輻射而隨后死去。美軍的這一攻擊主要原因是逼迫日軍無條件投降以結(jié)束第二次世界大戰(zhàn)。,世界上第一個(gè)受原子彈轟炸的國家,38,2、量子力學(xué),“量子”一詞意指“一個(gè)量”或“一個(gè)離散的量”。 在日常生活范圍里，我們已經(jīng)習(xí)慣于這樣的概念，即：一個(gè)物體的性質(zhì)，如它的大小、重量、顏色、溫度、表面積以及運(yùn)動(dòng)，全都可以從一物體到另一物體以連續(xù)的方式變化著。例如，在各種形狀、大小與顏色的蘋果之間并無顯著的等級(jí)。,然而，在原子范圍內(nèi)，事情是極不相同的。原子粒子的性質(zhì)，如它們的運(yùn)動(dòng)、能量和自旋，并不總是顯示出類似的連續(xù)變化，而是可以相差一些離散的量。經(jīng)典牛頓力學(xué)的一個(gè)假設(shè)是：物質(zhì)的性質(zhì)是可以連續(xù)變化的。當(dāng)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個(gè)觀念在原子范圍內(nèi)失效時(shí)，他們不得不設(shè)計(jì)一種全新的力學(xué)體系量子力學(xué)，以說明標(biāo)志物質(zhì)的原子特征的團(tuán)粒性。,39,量子力學(xué)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等有關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。舊量子論包括普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。,什么是量子力學(xué),黑體輻射理論,40,3、基因理論,在20世紀(jì)，隨著化學(xué)、物理學(xué)的新成就滲透到生命科學(xué)之后，科學(xué)家對(duì)生命現(xiàn)象的研究從整體深入到細(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平。 分子生物學(xué)，包括分子遺傳學(xué)，在生命科學(xué)中占有主流的地位。到20世紀(jì)20年代建立起決定性狀遺傳的基因理論。 基因理論認(rèn)為，生命的遺傳物質(zhì)是核酸，包括DNA和RNA。核酸所包含的遺傳信息，通過遺傳密碼指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)形成生物的各種性狀。,41,染色體,普通型TMV的RNA與M型的TMV的蛋白質(zhì)，重新合成混合的煙草花葉病毒，用它感染煙草葉片時(shí)，所產(chǎn)生的新病毒顆粒與提供RNA的普通型的病毒完全一樣，即親本RNA決定了后代的RNA和蛋白質(zhì)。 說明在不含有DNA的TMV中RNA是遺傳物質(zhì)。,42,T2噬菌體分別感染大腸桿菌,顯微鏡下的細(xì)胞,43,基因戰(zhàn),1.仿制病毒：指可能通過基因工程技術(shù)仿制的病毒，比如重造曾經(jīng)造成4000萬人死亡的1918年“西班牙”流感病毒。一些科學(xué)家認(rèn)為，盡管評(píng)論家稱重造像1918年流感病毒等致命病毒的可能性微乎其微，但卻有可能存在“生化恐怖主義的巨大潛力”。 2.旨在消滅某個(gè)種族的武器：研究人員正在研制基因治療方法，這種方法能夠研制出只攻擊具有反常結(jié)構(gòu)的基因。在治療過程中，醫(yī)務(wù)人員使用一種能識(shí)別有害細(xì)胞的基因，觸發(fā)它釋放出摧毀疾病的病毒或毒物。健康細(xì)胞在治療過程中毫發(fā)無損。這種武器的工作原理大體相似，那就是通過受害者的基因組成識(shí)別他們的身份，然后釋放出消滅他們的病毒。,據(jù)外電報(bào)道，21世紀(jì)是生物工程大發(fā)展的一個(gè)世紀(jì)，但這種生物技術(shù)的飛躍卻是喜憂參半。一些科學(xué)家擔(dān)心，能夠消滅某個(gè)或某些種族的基因武器將在5年內(nèi)問世。 一些科學(xué)家于10月25日警告說，能夠使一個(gè)種族從地球上消失的基因武器有可能在5年內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)，原因是解決基因武器發(fā)展的“機(jī)會(huì)窗口”正在迅速縮小。此前，英國醫(yī)學(xué)會(huì)(BMA)的一份報(bào)告稱，未來十年內(nèi)，基因研究的發(fā)展將催生出能夠消滅一個(gè)種族的可怕的新型生化武器。,44,3.控制農(nóng)作物：英國醫(yī)學(xué)會(huì)的研究認(rèn)為，人類應(yīng)更加小心恐怖分子對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可能發(fā)起的生化攻擊。因?yàn)閺募夹g(shù)上講，恐怖分子能比較容易地實(shí)施這種攻擊，同時(shí)又可能對(duì)食品生產(chǎn)造成嚴(yán)重破壞。,4.生物調(diào)節(jié)劑：有些科學(xué)家也稱生物調(diào)節(jié)劑為“大腦炸彈”。生物調(diào)節(jié)劑是指能夠攻擊人類免疫和神經(jīng)系統(tǒng)的藥劑，比如俄羅斯當(dāng)局用于結(jié)束2002年莫斯科劇院人質(zhì)危機(jī)的芬太奴。,滴灌工程,基因戰(zhàn),45,5.通過基因工程技術(shù)制造的炭疽熱：研究人員現(xiàn)在已能夠改變炭疽熱基因，這種研究也帶來新的疑問，那就是西方普遍使用的疫苗是否能有效預(yù)防新細(xì)菌。,6.合成小兒麻痹病毒：一些科學(xué)研究報(bào)告顯示，用于制造合成小兒麻痹病毒的復(fù)制手段有可能被用于合成制造像埃博拉病毒一類病毒。,基因戰(zhàn),46,非典冠狀病毒圖,果子貍,加拿大非典疫情嚴(yán)重,47,基因武器,基因武器是指利用基因工程技術(shù)而研制出的新型生物戰(zhàn)劑。它是在基因工程的基礎(chǔ)上，采用遺傳的方法，通過基因重組，把特殊的致病基因移植到微生物體內(nèi)而制造出的新一代生物武器。,鼠疫桿菌,美國國防部前部長科恩在注射炭疽疫苗,48,顯微鏡下可致命的炭疽桿菌,侵華日軍731,49,侵華日軍細(xì)菌戰(zhàn) 10萬粵港難民喪命,大批香港難民集結(jié)在上環(huán)一帶的碼頭，準(zhǔn)備登船前往廣州。,南石頭有日軍方面的粵港海關(guān)海港檢疫所，難民被遣到這里都要經(jīng)過檢疫所的檢查才能上岸。,肖老伯手繪的南石頭難民收容所圖示：日軍辦公樓。刑具房。醫(yī)務(wù)所?；浅亍２》浚ㄍＪ浚?。難民宿舍。崗哨。通電鐵絲網(wǎng)。廁所。,南石頭，是如今廣州市海珠區(qū)的一條行政街，在上世紀(jì)之初，曾是菜田連野，民風(fēng)平和之地，自1942年，這里的南石頭難民收容所，卻成為侵華日軍在華南負(fù)責(zé)研施細(xì)菌戰(zhàn)、番號(hào)叫“舊軍波字8604部隊(duì)”的試驗(yàn)場(chǎng)，十多萬粵港難民慘死在“細(xì)菌殺人工場(chǎng)”。,50,4、系統(tǒng)理論,20世紀(jì)以來，在科學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的橫斷科學(xué)如信息論（學(xué)）、控制論（學(xué)）和系統(tǒng)論等都得到了迅速的發(fā)展。它們與另一門典型的橫斷科學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)，一起廣泛地向其他學(xué)科滲透，從橫斷面上把眾多分支學(xué)科聯(lián)結(jié)為一體。人類對(duì)信息的利用幾乎伴隨人類的出現(xiàn)就已經(jīng)開始。,51,物質(zhì)、能量和信息是構(gòu)成世界的三大要素，因而人類所面對(duì)的大千世界的一切，不外是物質(zhì)變化、能量轉(zhuǎn)換和信息控制這三種客觀的基本過程及其相互關(guān)系。 事物運(yùn)動(dòng)的形式、結(jié)構(gòu)、關(guān)系等都可以用信息來表征，因而信息比物質(zhì)和能量顯得更為基本。 狹義信息論是研究信息的基本性質(zhì)、度量方法以及信息的獲取、傳輸、存貯、處理和交換的一般規(guī)律的學(xué)科； 而被稱為信息科學(xué)的廣義信息論，它不僅包括了狹義信息論和一般信息論的主要內(nèi)容，而且還研究語義信息、有效信息和模糊信息等等，其涉及的領(lǐng)域更為廣闊。,4、系統(tǒng)理論,52,53,1、宇宙演化的大爆炸模型 2、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型 3、遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 4、智力活動(dòng)的計(jì)算模型 5、地殼構(gòu)造的板塊模型,四、現(xiàn)代科學(xué)五大基本模型,第一節(jié) 科學(xué),54,令我們這些當(dāng)代人感到驚詫的是，遲至1917年，那些人類最具智慧的大腦仍然以為我們的銀河系就是整個(gè)宇宙，而這個(gè)銀河系大小的宇宙永遠(yuǎn)都是穩(wěn)定不變的，既不會(huì)變大也不會(huì)變小，這就是流傳了千百年的穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀。 1917年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對(duì)論方程推導(dǎo)出整個(gè)宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個(gè)只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個(gè)宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個(gè)新的概念宇宙常數(shù)，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)。這是一個(gè)假想的、用以抵消引力作用的力。 然而，愛因斯坦很快發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)了。因?yàn)榭茖W(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，宇宙實(shí)際上是膨脹的！,1、宇宙大爆炸,55,最早觀察到這一點(diǎn)的是20世紀(jì)的天文學(xué)之父哈勃。1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹，因此，在任何一點(diǎn)的觀測(cè)者都會(huì)看到完全一樣的膨脹，從任何一個(gè)星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠(yuǎn)的星系間彼此散開的速度越大。 著名物理學(xué)家伽莫夫也為宇宙膨脹理論的支持人之一。1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)模“放大”到無窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識(shí)和宇宙膨脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。 1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論。與我們慣常的想法不同，這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是空間本身在擴(kuò)展，星系物質(zhì)隨著空間的擴(kuò)展而分開。 根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個(gè)非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度已降到6K左右。正如一個(gè)火爐雖然不再有火了，還可以冒一點(diǎn)熱氣.,1、宇宙大爆炸,56,1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過測(cè)量和計(jì)算，得出這個(gè)殘余輻射的溫度是2.7K(比伽莫夫預(yù)言的溫度要低)，一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。 廣義相對(duì)論的智慧之處就在于，它從誕生起就能描述整個(gè)完整的宇宙，即使那些未知的領(lǐng)域也被全部囊括進(jìn)去。讓它對(duì)付像太陽系這樣小小的、很普通的時(shí)空領(lǐng)域可真是大材小用了。,1、宇宙大爆炸,57,2、原子模型,1903年，湯姆遜發(fā)展了他前一年提出的原子構(gòu)造模型：原子是一個(gè)半徑大約為10-10米的球體，正電荷均勻地分布于整個(gè)球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個(gè)類似葡萄干面包的原子模型。 同年，物理學(xué)家長岡半太郎認(rèn)為正負(fù)電子不可能相互滲透，提出了電子均勻地分布在一個(gè)環(huán)上，環(huán)中心是一個(gè)具有大質(zhì)量的帶正電的球，被他稱為“土星型模型”結(jié)構(gòu)。 1911年，盧瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正電荷必定集中在半徑10-15米的范圍內(nèi)，而原子半徑卻有10-10米，因此原子里面絕大部分是空虛的，從而證明湯姆遜的模型更接近于物理真實(shí)。,58,基因理論有三個(gè)方面的基本內(nèi)容： （1）核酸的結(jié)構(gòu)與功能。核酸中有由四種堿基組成的64個(gè)遺傳密碼，這些遺傳密碼編碼20種氨基酸合成各種蛋白質(zhì)。 （2）“中心法則”。即生物信息是指從核酸生產(chǎn)蛋白質(zhì)的信息。 （3）基因突變?；蛲蛔兪亲园l(fā)的和隨機(jī)的。,3、遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,59,DNA是遺傳信息的載體，基因攜帶的信息由基因的結(jié)構(gòu)所決定，信息的表達(dá)是由基因的功能而實(shí)現(xiàn)的，因此所有生命現(xiàn)象的機(jī)制追根到底都與基因的結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)。因此，一些著名的遺傳學(xué)家把遺傳學(xué)改稱為基因?qū)W。,3、遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,60,4、智力活動(dòng)的計(jì)算模型,20世紀(jì)70年代以來，由于認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，使得人們可以在現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)上研究知覺、注意、記憶、動(dòng)作、語言、推理、思考乃至意識(shí)等空前困難的問題。 早在17世紀(jì)，萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716）就提出過思維可計(jì)算的設(shè)想，即符號(hào)語言和思維演算的思想。 直到20世紀(jì)30年代，哥德爾（Kurt Gdel，1906-1978）提出了一般遞歸函數(shù)的概念，后來把可計(jì)算的函數(shù)歸結(jié)為一般遞歸函數(shù)。,61,圖靈機(jī)是圖靈（Alan Mathison Turing，1912-1954）在1936年提出的一種理想的計(jì)算模型，它是一個(gè)具有無限記憶的自動(dòng)機(jī)，是離散自動(dòng)機(jī)的最一般形式，如果在下圖所示的信息變換器中，令輔助存儲(chǔ)器是一個(gè)具有無限容量的隨機(jī)存儲(chǔ)器，它的信息變換就是一個(gè)圖靈機(jī)。 通常見到的圖靈機(jī)的結(jié)構(gòu)圖是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信息變換器的變形表示：即將輸入帶，輸出帶和輔助存儲(chǔ)器畫在一起，成為一個(gè)可隨機(jī)讀寫的無限長的磁帶，把輸入頭、輸出頭和讀寫頭合并成一個(gè)具有讀寫功能的磁頭。但是這種變形對(duì)自動(dòng)機(jī)的功能沒有帶來絲毫影響，它們之間是等價(jià)的。圖靈計(jì)算是按某種規(guī)則將一組數(shù)值或符號(hào)串轉(zhuǎn)換成另一組數(shù)值或符號(hào)串的操作過程。,圖靈機(jī),62,圖靈在計(jì)算機(jī)與智力一文中提出計(jì)算機(jī)能思維的觀點(diǎn)，并進(jìn)行了檢驗(yàn)：一個(gè)人在不接觸對(duì)象的情況下，同對(duì)象進(jìn)行一系列對(duì)話，如果他不能根據(jù)這些對(duì)話判斷出對(duì)象是人還是機(jī)器，那么，就可以認(rèn)為這臺(tái)計(jì)算機(jī)具有與人相當(dāng)?shù)闹悄?。符?hào)處理學(xué)說有力地推動(dòng)了人工智能的發(fā)展，人們用機(jī)器模擬人類智能，以至認(rèn)為，神經(jīng)元的基本功能是計(jì)算、思維，即計(jì)算、思維由神經(jīng)元的計(jì)算功能逐級(jí)整合而形成。 圖靈最大的貢獻(xiàn)就是用他的圖靈機(jī)模型完成了算法的概念，基于這些認(rèn)識(shí)，認(rèn)知科學(xué)家建立了認(rèn)知的計(jì)算理論，特別是提出了在圖靈機(jī)意義下的“計(jì)算”的基本概念。在圖靈奠定的理論基礎(chǔ)上，人們才有可能發(fā)明20世紀(jì)以來甚至是人類有史以來最偉大的發(fā)明：計(jì)算機(jī)。,圖靈機(jī),63,5、地殼構(gòu)造的板塊模型,1915年魏格納（Alfred Lothar Wegener，1880-1930）在大陸與大洋的起源一書中提出了大陸漂移的概念。,(1) 大陸漂移,大陸漂移過程示意圖,64,大陸的漂移由擴(kuò)張的海底也能得到證實(shí)?？v貫大洋底部的洋中脊，是形成新洋底的地方；地幔物質(zhì)上升涌出，冷凝形成新的洋底，并推動(dòng)先形成的洋底向兩側(cè)對(duì)稱地?cái)U(kuò)張；海底與大陸結(jié)合部的海溝，是洋底滅亡的場(chǎng)所。當(dāng)洋底擴(kuò)展移至大陸邊緣的海溝處時(shí)，向下俯沖潛沒在大陸地殼之下，使之重新返回到地幔中去。,5、地殼構(gòu)造的板塊模型,65,地球表層是由一些板塊合并而成.這些板塊就像浮在海面的冰山，在熔融的地幔巖漿上漂浮運(yùn)動(dòng)。所謂板塊構(gòu)造，講的就是這些堅(jiān)硬的巖石板塊以及它們的運(yùn)動(dòng)體系。地球表層主要有六個(gè)基本板塊，板塊是堅(jiān)如磐石，其內(nèi)部是穩(wěn)定的，地殼處于比較寧靜之中，而板塊之間的交界處是地殼運(yùn)動(dòng)激烈的地帶，經(jīng)常發(fā)生火山噴發(fā)、地震、巖層的擠壓褶皺及斷裂。 六大板塊：太平洋板塊完全由大洋巖石圈組成，而大西洋由洋中央海底山脈分開，一半屬于亞歐板塊和非洲板塊，一半屬于美洲板塊。印度洋，也由人字形的海底山脈分開，使印度洋洋底分別屬于非洲板塊、印度板塊和南極板塊。,(2) 板塊構(gòu)造說,由洋中脊，海溝和轉(zhuǎn)換斷層構(gòu)成邊界的主要構(gòu)造板塊,5、地殼構(gòu)造的板塊模型,66,板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要是地幔深處的熱對(duì)流作用。 地幔的熱對(duì)流是在大洋中的海底山脈（又稱洋中脊）處上升，沿著海底水平運(yùn)動(dòng)，沿海溝帶下沉，又回到高溫的地幔層中消失。 地幔的熱對(duì)流帶動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)。板塊從大洋中脊兩側(cè)各自做分離的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大洋板塊與大陸板塊相碰撞，大洋板塊密度大而重，就插到大陸板塊之下，在插入處就形成大洋邊緣的深海溝。 兩個(gè)大陸板塊互相擠壓，使兩個(gè)板塊的接觸帶擠壓變形，形成巨大的山系，如喜馬拉雅山系就是歐亞板塊與印度板塊擠壓而形成的。,67,板塊學(xué)說逐漸在地學(xué)界取得了普遍的承認(rèn)，它看似簡單，其實(shí)有深刻的道理。 板塊構(gòu)造，也可以說是縫塊構(gòu)造，在地球表面各種尺度的構(gòu)造中都有表現(xiàn)，甚至在變形最劇烈的臺(tái)灣碰撞帶上，陡立的褶皺也是由一系列相對(duì)完整的灰?guī)r塊體和它們之間的斷裂所組成。 從構(gòu)造物理觀點(diǎn)來看，由于巖石流變性質(zhì)的非線性，地殼變形主要集中在一些狹長的帶上，而這些活動(dòng)帶之間的廣闊區(qū)域則只承擔(dān)很小的變形。 這些廣闊區(qū)域就是塊體，而狹長的活動(dòng)帶則是塊體間的邊界。流變學(xué)本構(gòu)關(guān)系的非線性主要表現(xiàn)為應(yīng)變速率與應(yīng)力關(guān)系中應(yīng)力項(xiàng)的指數(shù)n上，n越大則非線性越強(qiáng)烈，活動(dòng)帶越窄。,板塊邊界和地震發(fā)生之間的密切關(guān)系,5、地殼構(gòu)造的板