当代新兴科学与技术未来.doc

当代新兴科学与技术未来 神话：神话是人们在认识自然改造自然的过程不自觉的艺术创作。它往往借助想像和幻想把自然力和客观世界拟人化。巫术：巫术是企图借助超自然的神秘力量对某些人、事物施加影响或给予控制的方术。“降神仪式”和“咒语”构成巫术的主要内容常识：普通的知识；众所周知的知识，一般的知识。一是指与生俱来、毋须特别学习的判断能力，或是众人皆知、无须解释或加以论证的知识；另一意思是指对一个理性的人来说是合理的知识，即“日常知识” 。 古代科技思想特征： 近代科技思想特征：牛顿方法论：牛顿的方法论原理集中表述在原理第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中。概括起来，可以称之为简单性原理（法则1），因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3），否证法原理（法则4，无反例证明者即成立）。门捷列夫方法论：麦克斯威尔方法论：达尔文进化论：达尔文进化论主要包括四个子学说： 一，一般进化论：物种是可变的，现有的物种是从别的物种变来的，一个物种可以变成新的物种。这一点，早已被生物地理学、比较解剖学、比较胚胎学、古生物学和分子生物学等学科的观察、实验所证实，我们现在甚至可以在实验室、野外直接观察到新物种的产生。所以，这是一个科学事实，其可靠程度跟“地球是圆的”、“物质由原子组成”一样。在今天，除了极其个别的由于宗教信仰偏见而无视事实的人，实际上已无生物学家否认生物进化的事实。 二，共同祖先学说：所有的生物都来自共同的祖先。分子生物学发现了所有的生物都使用同一套遗传密码，生物化学揭示了所有生物在分子水平上有高度的一致性，最终证实了达尔文这一远见卓识。所以，这也是一个被普遍接受的科学事实。 三，自选选择学说：自然选择是进化的主要机制。自然选择的存在，是已被无数观察和实验所证实的，所以，这也是一个科学事实。但是，现在学术界一般认为，自然选择的使用范围并不象达尔文设想的那么广泛。自然选择是适应性进化（即生物体对环境的适应）的机制，对于非适应性的进化，有基因漂移等其他机制。也就是说，不能用自然选择来解释所有的进化现象。考虑到适应性进化是生物进化的核心现象，说自然选择是进化的主要机制，也是成立的。 四，渐变论：生物进化的步调是渐变式的，是一个在自然选择作用下累积微小的优势变异的逐渐改进的过程，而不是跃变式的。这是达尔文进化论中较有争议的部分。在达尔文在世时以及死后相当长一段时间，大部分生物学家，特别是古生物学家，都相信生物进化是能够出现跃变的，认为新的形态和器官是源自大的跃变，而不是微小的变异在自然选择的作用下缓慢而逐渐地累积下来的。包括赫胥黎在内的一些古生物学家由于强调生物化石的不连续性，而持这种观点。在遗传学诞生之后的一段时间内，早期遗传学家们由于强调遗传性状的不连续性，也普遍接受跃变论。在20世纪40年代，“现代综合”学说将遗传学和自然选择学说成功地结合起来，渐变论逐渐占了优势。但是近二、三十年来，古生物学和进化发育生物学的研究表明，生物进化过程很可能是渐变和跃变两种模式都存在的，跃变论又有抬头的趋势。不过，进化论所说的跃变，除了某些非常特殊的情形(例如植物经杂交出现新种)，并非是指在一代或数代之间发生的进化，而可能经历了数千年、数万年乃至数百万年，只不过以地质年代来衡量显得很短暂而已。新三论：耗散结构论、协同论、突变论是二十世纪七十年代以来陆续确立并获得极快进展的三门系统理论的分支学科。它们虽然时间不长，却已是系统科学领域中年少有为的成员，故合称“新三论”，也称为DSC论。结构论研究系统的结构、功能与发生演变及其相互关系的规律，也称为泛进化或自组织系统的结构理论（，探讨系统的结构本原模型、适应稳态结构、系统层次的组织建构，以及实在系统与符号系统对应转换关系，探讨系统科学的逻辑学基础，以及宇宙、生命、文明的信息组织化过程的结构演变规律。协同论主要研究远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况下，如何通过自己内部协同作用，自发地出现时间、空间和功能上的有序结构。协同论以现代科学的最新成果系统论、信息论、控制论、突变论等为基础，吸取了结构耗散理论的大量营养，采用统计学和动力学相结合的方法，通过对不同的领域的分析，提出了多维相空间理论，建立了一整套的数学模型和处理方案，在微观到宏观的过渡上，描述了各种系统和现象中从无序到有序转变的共同规律。突变论是研究客观世界非连续性突然变化现象的一门新兴学科，自本世纪70年代创立以来，十数年间获得迅速发展和广泛应用，引起了科学界的重视。突变论的创始人是法国数学家雷内托姆。老三论：系统论、控制论和信息论是二十世纪四十年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。虽然它们仅有半个世纪，但在系统科学领域中已是资深望重的元老，合称“老三论”。 信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。 信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑，给出了估算通信信道容量的方法。信息传输和信息压缩是信息论研究中的两大领域。这两个方面又由信息传输定理、信源信道隔离定理相互联系。控制论是研究动物(包括人类)和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重于研究过程中的数学关系。系统论是研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学。混沌：非线性确定性系统中, 由于系统内部非线性相互作用而产生的一种非周期的行为。例如,大气由热对流导致的湍流就是一种混沌现象。混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中无法用单一的数据关系，而必须用整体，连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。“一切事物的原始状态，都是一堆看似毫不关联的碎片，但是这种混沌状态结束后，这些无机的碎片会有机地汇集成一个整体”混沌一词原指宇宙未形成之前的混乱状态，古希腊哲学家对于宇宙之源起即持混沌论，主张宇宙是由混沌之初逐渐形成现今有条不紊的世界。在井然有序的宇宙中，西方自然科学家经过长期的探讨，逐一发现众多自然界中的规律，如大家熟知的地心引力，杠杆原理，相对论等。这些自然规律都能用单一的数学公式加以描述，并可以依据此公式准确预测物体的行径。近半世纪以来，科学家发现许多自然现象即使可以化为单纯的数学公式，但是其行径却无法加以预测。如气象学家Edward Lorenz发现简单的热对流现象居然能引起令人无法想象的气象变化，产生所谓的“蝴蝶效应”. 60年代，美国数学家Stephen Smale发现某些物体的行径经过某种规则性变化之后，随后的发展并无一定的轨迹可循，呈现失序的混沌状态。布朗运动：在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上是由许许多多分子组成的。液体分子不停地做无规则的运动，不断地随机撞击悬浮微粒。悬浮的微粒足够小时，受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一瞬间，微粒在另一个方向受到的撞击作用强，致使微粒又向其它方向运动。这样，就引起了微粒的无规则的布朗运动。分形：分形，是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在。时间和空间：时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，确定时间，是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。例如月球绕地球周期，地球绕太阳周期，地球自转周期，原子震荡周期等。爱因斯坦说时间和空间是人们认知的一种错觉。大爆炸理论认为，宇宙从一个起点处开始，这也是时间的起点。空间，英文名space，是具体事物的组成部分，是运动的表现形式，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象，是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体，是存在于世界大集体之中的，不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。是眼睛可以看到、手可以触到的具体事物，都是处在一定空间位置中的具体事物，都具有空间的具体规定，没有空间规定的具体事物是根本不存在的。空间与时间是对立统一体；空间有宇宙空间、网络空间、思想空间、数学上的空间等等，都属空间的范畴，都有其内在的特定含义。复杂性科学：复杂性科学是指以复杂性系统为研究对象，以超越还原论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统运行规律为主要任务，以提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力为主要目的的一种“学科互涉”的新兴科学研究形态。大统一理论：大统一理论。试图用同一组方程式描述全部粒子和力(强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁相互作用四种人类目前所知的所有的力)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理，或TOE。强相互作用力乃是让强子们结合在一块的作用力，人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。弱相互作用力形成一个独立的领域,或许可与万有引力,电磁力和强作用核力及亚核力等等量齐观. 万有引力，乃任何有质体（即有质量之物）之间的相互吸引力。牛顿发现所有的东西一旦失去支撑必然会坠下，继而他发现任何两物体之间都存在着吸引力，而这引力更与距离的平方成反比，总结出万有引力定律。电磁作用，即是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。它是自然界的一种基本相互作用。 所谓大统一理论，首先反映的只是人们有关物理学方面的一个思想意向和主观愿望；至于真正的大统一理论内容究竟是什么或怎么样，到目前为止可能谁也不知道。而且我们还认为这是目前一个关于大统一理论问题的最基本的思想认识；离开了这个最基本的思想认识，一切大统一理论的基本认识都将是脱离实际的。因此前面介绍的那些人们关于统一场论的探索，可能只是人们在跟着感觉走，而事情的一个本来面目，则还远未被人们所了解。比如，一个极其严重的问题可能是，统一场理论或大统一理论，不一定就是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用这四种自然力在现行物理学基础上的机械统一；一个把全部物理学都汇合在一个大综合体里的大统一理论，也不一定是应用数学方法（包括重整化方法）把现成物理学知识做统一性的机械组合，等等。总之，我们估计，人们曾经的统一场理论研究，完全有可能在问题研究的对象、方法、立场和角度的出发点地方，一开始就弄错了。而如果我们要达到大统一理论的研究成功，那就可能首先要探索一条与客观事实相适应的物理学发展新道路。机器人的原理和种类，发展趋势和应用领域：一，原理：机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。机器人是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的就非常复杂，但必须具备以下三个特征： 身体 是一种物理状态，具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。 大脑 就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。 动作 就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。二，种类：家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。操作型机器人： 能 自动控制 ，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。三，发展趋势：目前，国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面： 机器人机构技术 目前已经开发出了多种类型机器人机构，运动自由度从自由度到或自由度不等，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。另外研究机器人一些新的设计方法，探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比。同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。 机器人控制技术 现已实现了机器人的全数字化控制，控制能力可达21轴的协调运动控制；基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为重点研究内容。 数字伺服驱动技术 机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线（FILDBUS）技术，实现的分布式控制。 多传感系统技术 为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的应用是其问题解决的关键。目前视觉传感器、激光传感器等已在机器人中成功应用。下一步的研究热点集中在有效可行的（特别是在非线性及非平稳非正态分布的情形下）多传感器融合算法，以及解决传感系统的实用化问题。 机器人应用技术 机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段，实现设计的动态分析和仿真，提高设计效率和优化。智能作业则是利用传感器技术和控制方法，实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性，同时降低操作人员参与的复杂性。目前，机器人的作业主要靠人的参与实现示教，缺乏自我学习和自我完善的能力。这方面的研究工作刚刚开始。 机器人网络化技术 网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展，使远距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能，这是机器人技术发展的一个里程碑。目前，机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制，网络化机器人是目前机器人研究中的热点之一。 机器人灵巧化和智能化发展 机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展四，应用领域：工业自动化领域，如汽车制造医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人娱乐的，大学生足球机器人大赛的，德国慧鱼。据说还有检查石油管道的机器人，航天用的修理航天器的焊接机器人，高楼大厦用的擦玻璃的机器人，考察金字塔用的蛇形机器人等。生物科技的原理和种类，发展趋势和应用领域：一，原理：生物技术是对有机体的操作技术,也就是应用生物体及其某些组成部分的生理特性,生产对人有价值的产物或进行对人类有益的过程的技术。现代生物技术以现代生物学和生命科学为基础,将生物学的认识和现代工程技术相结合,并侧重于设计、操作和应用,故又称为生物工程。它涵盖的内容非常广泛,按照所研究的层次不同,可分为酶工程、发酵工程、细胞工程、基因工程、蛋白质工程等几大类,核心则是基因工程。近些年来,生物工程发展迅速,正日益深入和改变着人们的生活,并将对世界经济的变革和人类的前途产生深远的影响。二，种类：依据研究对象分为动物学、植物学、微生物学、古生物学等；依研究内容，分为分类学、解剖学、生理学、细胞学、分子生物学、遗传学、进化生物学、生态学等；从方法论分为实验生物学与系统生物学等体系。 三，发展趋势：主要沿着三个方向发展，第一个方向，是与物理科学结合。在生命现象中，有许多看起来十分复杂甚至难以理解的事情，如果找到它的物理和化学基础，规律就较容易掌握些。遗传密码的发现，揭开了生命遗传现象的奥秘，这是物理科学向生物学渗透而建立分子生物学过程中的重