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科学技术与世界文明 第第7 7讲：讲： 2020世纪的科学技术与社会世纪的科学技术与社会 科学技术与世界文明 考试说明考试说明 w 课件公共邮箱：; 密码：buaa111111 w 按教学计划，本课程为2-11周，其中第11周为考试周。 w 考试方式与注意事项： （1 1）开卷考试（）开卷考试（允许允许带纸质材料，带纸质材料， 不允许不允许带任何电子设备，如笔记本电脑等）带任何电子设备，如笔记本电脑等） （2 2）考试内容：考试内容：课堂讲授内容课堂讲授内容 （3 3）考试时间：考试时间：1111月月2525日，日，18:00-19:3018:00-19:30 （4 4）考试地点：考试地点：平时上课的教室平时上课的教室 主主M302M302 （5 5）考题类型：简答，论述）考题类型：简答，论述 （6 6）在答题纸的右上角注明）在答题纸的右上角注明学号和姓名学号和姓名 （7 7）自己带足考试用笔）自己带足考试用笔 w古希腊科学的精神遗产 w近代科学革命的思想基础 w自然的数学化 w中国古代农学的典型成就 w20世纪四大理论科学模型 w如何理解“我自知自己无知” w古希腊时期学术中心的转移 w近代科学革命的主要成就 w“拯救现象”研究纲领 w明清时期中国科技发展的特点 w20世纪两大科学革命 w泰勒斯；希波克拉底；亚历山大里亚；希帕克斯；牛顿； 科学技术与世界文明 科学技术与世界文明 20世纪主要科学技术成就 w 第二个科学的世纪 w 理论科学 n两大科学革命 n四大理论模型 w 应用科学 n两大超级能量 n两大生活技术 科学技术与世界文明 1919、2020世纪之交的物理学革命：背景世纪之交的物理学革命：背景 19世纪末20世纪初，光学、电磁学与力学的统一使物 理学显示出一种形式上的完整，经典物理学被誉为“一座 庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。 三大发现： （1） X-射线 （1895，伦琴） （2） 放射性 （1896，贝克勒尔） （3） 电子 （1897， 汤姆逊） 科学技术与世界文明 物理学新发现 w w 18951895年，伦琴（年，伦琴（1845-19231845-1923）研究阴）研究阴 极射线时意外发现极射线时意外发现X X射线；获得射线；获得19011901 年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖 人。通过人。通过X X射线促进了或激励了一连射线促进了或激励了一连 串发现。串发现。 w w 18961896年，贝克勒耳（年，贝克勒耳（1852-19081852-1908）意）意 外发现放射线；外发现放射线； w w 18971897年，汤姆逊证实了电子的存在年，汤姆逊证实了电子的存在 ； w w 居里夫妇发现放射线元素（钍、钋居里夫妇发现放射线元素（钍、钋 和镭）；证实元素的嬗变；促使元和镭）；证实元素的嬗变；促使元 素嬗变理论建立（卢瑟福，素嬗变理论建立（卢瑟福，19021902年年 ）；）； w w 动摇了几千年原子和元素观念动摇了几千年原子和元素观念 认为原子不可分、是物质组成最小认为原子不可分、是物质组成最小 单元；认为元素不变。单元；认为元素不变。 1896年李鸿章访问德国 科学技术与世界文明 洛伦兹：“在今天，人们提出了与昨天所说的截然 相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准 了，也不知道科学是什么了。我真后悔我未能 在这些矛盾出现前五年死去。” 生活于19世纪末20世纪初的荷兰物理学家洛伦兹，创立了经 典电子论，确定了电子在电磁场中所受的力(洛伦兹力)。预 言了正常的塞曼效应，并在错误的以太学说的基础上提出了 与相对论建立有关的高速运动的参考系与静止参考系之间时 间、空间坐标的变换关系(洛伦兹变换)。 像威廉汤姆生一样，他认为当时“科学的大厦已经建成”。 科学技术与世界文明 物理学革命 w 当时物理学家中的泰斗开尔文勋爵在 新年贺词中把物理学的19世纪发展和20世 纪的前景比喻为“物理学一片晴朗天空， 只有两朵小小乌云”。 w 它们是黑体辐射问题和以太问题，当时没 有得到解决。 科学技术与世界文明 两朵小小乌云：（1）黑体辐射中的“紫外灾难” （2）迈克尔逊-莫雷所做的“以太漂移实验” 理论拟合 的曲线2 理论拟合 的曲线1 实验 曲线 黑体辐射中的“紫外灾难” L1 光源 接收器 L2 运动方向 以太 迈克尔逊-莫雷所做的“以太漂移实验” 科学技术与世界文明 经典力学、热力学、经典电磁理论的矛盾和危机： （1）经典力学相对性与经典电磁理论的相对性不相容 （2）热力学第二定律的不可逆性与牛顿力学可逆性的对立 原子论的危机：电子的发现 演化方向上：生物学进化,热力学退化（熵增定律） 力学与统计解释的矛盾：决定论（确定论）与统计论 简单性与复杂性 线性与非线性之间的关系 全面危机 科学技术与世界文明 物理学革命 w w 以太漂移实验以太漂移实验 w w 19051905年，爱因斯坦（年，爱因斯坦（1879187919551955）发表了三篇重要的论）发表了三篇重要的论 文。一篇关于光电效应（光的强度只与电子的多少有关文。一篇关于光电效应（光的强度只与电子的多少有关 而与电子的发射能量无关），一篇关于布朗运动，一篇而与电子的发射能量无关），一篇关于布朗运动，一篇 关于狭义相对论，名关于狭义相对论，名“ “论动体的电动力学论动体的电动力学” ”。以同时性的。以同时性的 相对性为突破口，给出了新的时间空间理论相对性为突破口，给出了新的时间空间理论 w w 19161916年，爱因斯坦提出广义相对论，把惯性质量与引力年，爱因斯坦提出广义相对论，把惯性质量与引力 质量的等同性做了一个自然的解释质量的等同性做了一个自然的解释 w w 19211921年，获诺贝尔物理奖年，获诺贝尔物理奖 科学技术与世界文明 （1）爱因斯坦（1879-1955）相对论 相对性原理 在所有惯性参照系中，物理学规律都是相同的，不存在一个 优于其他惯性系的绝对惯性系。 光速不变原理 在所有惯性参照系中，真空中的光线都是以确定的速度c运 动的,不管这光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。 1905年6月，论运动物体的电动力学提出狭义 相对论 科学技术与世界文明 “同时性”概念：“对于一个观察者来说是同时发生的两个事件， 对别的观察者来说，就不一定是同时的。”因 此，同时性只是相对的。 爱因斯坦以相对性原理和光 速不变原理作为公理前提，并利 用同时性的相对性，导出了空间 坐标和时间坐标在不同惯性参照 系之间的变换关系式（在形式上 与洛伦兹变换相同），从而最终 把力学和电磁学在运动学水平上 统一了起来。 几个推论： 1、光速是运动速度极限 2、距离在运动方向上收缩 3、运动时钟变慢（双生子） 4、质量随速度增加而增大 5、 1907年， 狭义相对论 科学技术与世界文明 广义相对论 w 思想实验：爱因斯坦电梯 w 1916年，广义相对论的基础建立完整的广义相对论理论， 把惯性质量与引力质量的等同性做了一个自然的解释 w 1919年，广义相对论理论被验证 科学技术与世界文明 科学意义 经典力学实现了力学现象的综合，电磁学理论实现了磁、电、光 现象的综合，狭义相对论的建立，使力学理论和电磁学理论在更 高的层次上实现了综合。 哲学意义 1、从根本上否定了牛顿经典力学的绝对时空观。根据相对论， 时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。 2、揭示了时间与空间的统一性。狭义相对论证明了时间与空间 存在着内在的、本质的联系，把三维空间扩展到四维。 科学技术与世界文明 牛顿时空与相对论时空 （a）牛顿时间与空间分离，彷佛 是一根在两个方向都无限延伸的 在铁轨上跑的火车头一样。 （b）相对论时间 与空间相互结合， 当空间弯曲时，时间也有了形态， 即铁轨是弯曲的，时间就如铁轨上 的火车头一样。 科学技术与世界文明 量子力学革命 1900年，普朗克提出能量子假说，以解释黑体辐射的能量分布。 1905年，爱因斯坦提出光量子假说和理论； 20世纪初，卢瑟福提出原子的有核模型太阳系模型； 1912-13年，玻尔建立（经典）量子论原子模型； 1923年，德布洛意提出物质波假说； 1925年，海森堡提出矩阵力学； 1926年，薛定谔提出波动力学；1927年证明两者等价； 1927年， 海森堡提出“测不准原理”，玻尔提出“互补原理”。 波粒二象性；测不准原理（能量与时间、质量与动量） （2）量子论和量子力学建立 科学技术与世界文明 四大理论模型 w w 宇宙学中的大爆炸模型宇宙学中的大爆炸模型 n n 数学模型数学模型 n n 观察证据（哈伯红移；爱丁观察证据（哈伯红移；爱丁 顿；本底噪音顿；本底噪音- -微波背景；）微波背景；） w w 粒子物理学中的夸克模粒子物理学中的夸克模 型型 n n 一尺之捶，日取其半，万世一尺之捶，日取其半，万世 不绝不绝 n n 相对论效应相对论效应- -质能转换质能转换 n n 夸克禁闭：你敲击的能量越夸克禁闭：你敲击的能量越 大，它禁闭的能量也越大大，它禁闭的能量也越大 w w 分子生物学中的分子生物学中的DNADNA 双螺旋模型双螺旋模型 n n 基因时代：基因复制、基基因时代：基因复制、基 因修补，基因重组因修补，基因重组 n n DNADNA双螺旋模型得益于理双螺旋模型得益于理 论物理学的发展论物理学的发展 w w 地球科学中的板块模地球科学中的板块模 型型 n n 纵向运动纵向运动- -横向运动横向运动 n n 魏格纳魏格纳 w w 冯冯 诺依曼模型诺依曼模型 科学技术与世界文明 重要分支学科 粒子物理学 基本粒子、夸克 物质的“可分性”： 有限或无限 相互作用的统一性： “物理学理论的终极”。 现代宇宙学 爱因斯坦开创现代宇宙学,建立 静态宇宙模型。“一生中犯的最 大错误”。 动态宇宙模型：大爆炸宇宙理 论，60年代得到观测支持。 宇宙,我们的（观测）宇宙,开 宇宙、闭宇宙和平宇宙,200亿 光年,黑洞，有界无限。 有限和无限。 现代地学 魏格纳的大陆漂移说 赫斯的海底扩张说 威尔逊的板块学说 科学技术与世界文明 50年代，发现DNA双螺旋结构 60年代，遗传密码破译,人工合成蛋白质 70年代，生命起源新理论,人工合成核酸 80年代，生物工程 90年代，克隆、人类基因组工程 计算机科学技术、网络技术 40年代出现计算机 50年代晶体管计算机 60年代集成电路计算机 70年代大规模集成电路计算机,人工智能知识 工程,ARPANet,计算机网络 80年代神经网络计算机再兴,因特网 生物学（生命科学） 伦理学问题 法律问题 道德问题等 赛博空间Cyberspace 新型人际关系 人机关系 新的伦理道德问题 科学技术与世界文明 生态和环境 50年代，现代生态学 60年代，环境问题、绿色运动 70年代，全球问题，联合国 人类环境宣言 80年代，地球系统科学,可持续发展 90年代，联合国21世纪议程, 中国21世纪议程 科技、经济、自然 和社会的协调发展 高新技术群 计算机技术 信息技术 网络技术 生物工程和科学技术 新材料科学技术 新能源技术 海洋科学技术 空间科学技术 先进制造技术 科学技术与世界文明 非线性科学革命 系统科学、非线性科学：科学谱系 40年代，系统工程，一般系统论、控制论、信息论 60-70年代，耗散结构理论、突变论、协同论、超循环理论 80-90年代，混沌理论，分形理论，孤子理论 当代，探索复杂性科学前沿 整体和部分；结构和功能；线性和非线性， 有序和无序；非线性世界与线性简化，非线 性方法论。 科学技术与世界文明 系统科学 60-70年代: “静态”阶段耗散结构理论、协同学 80-90年代: “动态”阶段混沌学、分形学 系统科学研究的“系统范式”：从方法上反对立足于 部分的分析还原方法 系统科学揭示的世界图象： 简单性的世界复杂性的世界 存在的世界演化的世界 确定性的世界非确定性的世界 科学技术与世界文明 创始人为一群科学家，最著名的包括： 气象学家洛仑兹（E.N.Lorenz）、数学家约克和李天岩、 May，KAM（柯尔莫哥洛夫 - 阿诺德 - 莫什尔）等。 混沌学 J.Gleick:Chaos, making a new science “混沌”（Chaos），原意紊乱、无序和无规律。 但在混沌理论中，它指的不是纯粹的无序。混沌 理论研究的是具有确定性的非线性系统，混沌“ 来源于决定论性方程的无规运动”。混沌是确定 性的非线性动力学系统本身产生的不规则的宏观 时空行为。 科学技术与世界文明 追求简单性 探索复杂性 关注本体和认识问题 联系道德伦理与法律问题 研究无机界 研究生命、智能 兴趣驱动的小科学 任务驱动的大科学 认识导向的科学 认识导向和应用导向并重的科学 总体特点 20世纪科学技术发展迅速，发展 更全面，注重整体，分析更深入 科学技术与世界文明 3 3、现代科学的哲学意义、现代科学的哲学意义 （1）现代科学的发展需要哲学 爱因斯坦：物理学的当前困难，迫使物理学家比其前辈更 深入地掌握哲学问题。 认识论要是不同科学接触，就会成为空架子。 科学要是没有认识论只要这真是可以想象 的就是原始的和混乱的。 库恩：在公认的危机时期，科学家们必须转向哲学分析， 作为解开他们的领域中的谜的工具。 科学技术与世界文明 （2）现代科学促进哲学的进步 相对论 牛顿绝对时空观： 时间、空间、物质之间的绝对分割； 狭义相对论时空观：四维时空，时间与空间不可分割； 广义相对论时空观：时间、空间与物质之间不可分割。 量子论 机械决定论与统计决定论； 对主体与客体之间关系的新认识； 爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）长达30年的哲学争论。 科学技术与世界文明 20世纪应用科学 w 两大超级能量 n核能的释放 n登月工程 w 两大生活技术 n生物技术 n信息技术 科学技术与世界文明 20世纪100项新闻的科技部分（ 38） w 纯理论5项（DNA、相对论、量子论、弗洛伊德、进化 论） w 核能利用4项（投弹、试爆、研制、核电站事故） w 航空3项（莱特兄弟、林白、喷气式） w 航天7项（登月、卫星、加加林、谢帕德、挑战者号、 格伦、火星探索者） w 生物医药6项（盘尼西林、避孕丸、脊髓灰质炎疫苗、 艾滋病、克隆羊、试管婴儿） w 通讯传媒10项（电视机、个人电脑、WWW、晶体管、 电台节目、ENIAC、电视、晶片、马可尼、微软） 科学技术与世界文明 原子能的开发（1） w 1919年，英国卢瑟福用粒子轰击氮原子 核，使其嬗变成氧原子。 w 1932年，查得威克发现中子 w 1934年，法国约里奥居里夫妇用粒子 轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快 放出正电子蜕变为硅。 w 1933年，卢瑟福和爱因斯坦均没有意识到 原子能的实际利用近在眼前。 科学技术与世界文明 原子能的开发（2） w 1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子 核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，裂核 能力更强。费米因此获38年物理奖。 w 1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素 与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出 核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要 放出大量能量。 w 费米提出链式反应概念。 科学技术与世界文明 原子能的开发（3） w 1933年，爱因斯坦移居美国 w 1938年，费米逃往美国 w 德国尚有普朗克、玻恩、海森堡、魏扎克、劳 厄、哈恩、盖革 w 1933年，匈牙利物理学家齐拉德（18981964 ）已经意识到核能的开发可能用于军事 n1935年，建议物理学家暂缓发表研究成果 n1939年，玻尔认为核能利用为时尚早 n1939年，说服美国政府抢在德国之前抓紧研制原子弹 。爱因斯坦、萨克斯、罗斯福 科学技术与世界文明 原子能的开发（4） w 1940年，美国政府正式大量拨款，启动“曼哈顿工程”， 格罗夫斯将军为行政首脑 w 1941年12月1942年12月，费米在芝加哥研制原子反应 堆 w 铀的提纯 w 1943年1月1945年7月。奥本海默在新墨西哥州的洛斯 阿拉莫斯主持原子弹研制。 w 7月16日凌晨5时30分，第一颗铀原子弹试爆成功。比一 千个太阳都亮。 w 曼哈顿工程：动员50万人，耗费22亿美元，占用全国三 分之一的电力 科学技术与世界文明 原子能的开发（5） w 1944年底，盟军的特工小组已经发现德国造不 出原子弹 w 科学家的犹豫： n继续干吗？缺乏政治和道义上的支持 n不干吗？不符合现代科学技术的精神 n好的理由：应该让全人类知道它的威力 w 齐拉德、爱因斯坦的态度 w 1945年8月6日，铀弹小男孩投到广岛；8月9日 ，钚弹胖子投在长崎 科学技术与世界文明 原子能的开发（6） w 核军备竞赛：盟国之争 w 45年8月，斯大林下令抓紧研制原子弹 w 1949年8月，苏联成功地进行了核实验 w 1952年11月1日，美国试爆第一颗氢弹 w 1953年8月，苏联研制氢弹成功 w 1952年10月3日，英国研制成功原子弹 w 1960年2月13日，法国研制成功钚弹 w 1964年10月16日，中国试爆成功原子弹 科学技术与世界文明 原子能的开发（7） w 1公斤核燃料相当于2500吨煤 w 1954年，苏联建成第一座小型原子能电站；1956（英国 ），1957（美国） w 核电站：成本低、污染小、效率高，但事故太可怕 w 1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号机组发生爆炸。 人为造成三道安全措施无效 w 1979年3月28日三里岛核电站二号堆事故，由于多重安 全系统发挥作用，后果不严重 w 核聚变 科学技术与世界文明 航空技术 w 气球与飞艇 w 滑翔机，德国工程师李林塔尔（18481896）：要想学 会飞行，就要做出牺牲。 w 1903年12月17日，美国威尔伯.莱特和奥维尔.莱特制造 的第一架动力飞行器“飞行者1号”飞上了天空，持续59 秒，260米。 w 1909年，法国人布雷里奥飞越英吉利海峡，36分钟飞行 42公里 w 1927年，美国人林白飞越大西洋 w 飞行就是自由，飞行就是力量。如虎添翼 科学技术与世界文明 航天技术（1） w 从天空（sky)到太空（space) w 火箭：古代火箭与现代火箭 w 俄国齐奥尔科夫斯基（18571935）的科幻小说在地 球之外，系统完整地描述了宇宙航行的全过程。液体 火箭、多级火箭、宇航服、失重、登月车 w 1926年，美国高达德（18821945）成功发射第一枚液 体火箭，飞行高度12米，距离56米 w 1930年，德国冯布劳恩（19121977）发明液氧与煤油 混合燃料。1942年制成A4火箭，速度每秒2公里，射 程190公里。 科学技术与世界文明 航天技术（2） w 1943年，布劳恩造出V2导弹，重6吨，射程达300多公 里，速度是音速的6倍 w 1957年8月21日，苏联在科罗列夫（19061966）领导 下发射第一枚洲际弹道火箭，射程达8千公里 w 1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星。重83.6 公斤，直径58厘米，能发射电码。 w 1957年12月4日，苏联发射第二颗卫星，重500公斤，还 装了一只小狗。 w 1958年1月31日，由布劳恩设计的火箭将美国第一颗卫 星送上轨道 科学技术与世界文明 航天技术（3） w 1959年1月2日发射了第一颗人造行星“梦想1号” w 1959年9月12日，苏联的“梦想2号”在月球硬着陆，使月 球上第一次出现人造物 w 1960年10月4日，梦想3号成为月球的卫星 w 8月10日，美国成功的回收卫星 w 8月15日，苏联也将载有两条狗的太空舱2号回收。 w 1961年4月12日上午9时，加加林驾驶“东方1号”飞上太 空，10时25分回到大气层 科学技术与世界文明 航天技术（4） w 1961年5月5日，美国的谢帕德在太空逗留了15分23秒， 但不是真正的太空飞行，只有5分钟失重 w 1962年2月20日，格伦真正实现了载人轨道飞行计划 w 1965年3