科技前沿与创新PPT课件.ppt

科技前沿与创新朱剑英教授南京航空航天大学 1 主要内容 一 科学技术的重要意义二 科学技术简史三 二十世纪的科学技术四 二十一世纪的科学技术五 科技创新 2 科学技术的重要意义 3 爱因斯坦的相对论 1905年 爱因斯坦在迈克尔逊测量光速实验的基础上提出了狭义相对论 对于高速运动的物体 牛顿力学不能适用 此时 长度收缩 时钟变慢 惯性质量加大 在原子变化时 更伴随着巨大的能量爆发 E mc2E一能量 m一质量 C一光速 4 航天科技的伟大成就 1 1957年10月4日 前苏联发射成功世界上第一个航天器 卫星一号 人造卫星 5 航天科技的伟大成就 2 1961年4月12日 前苏联宇航员加加林乘东方一号飞船升空 历时108分钟 代表人类首次进入太空 1969年7月21日 美国宇航员阿姆斯特朗乘阿波罗1l号飞船登月 成为人类踏上月球第一人 6 神五 冲宵梦圆今朝 2003年北京时间10月15日9时整 我国自行研制的 神舟 五号载人飞船升空 将中国首位航天员杨利伟顺利送上太空 神五 冲天 带着中国人千年企盼 梦圆浩瀚太空 7 神州五号 模型 神舟 由轨道舱 也叫工作舱 返回舱 又称座舱 推进舱 仪器舱 和一个过渡段组成 8 空间科学技术的伟大成就 1 1957年10月4日 前苏联发射成功世界上第一个航天器 卫星一号 人造卫星 1961年4月12日 前苏联宇航员加加林乘东方一号飞船升空 历时108分钟 代表人类首次进入太空 1963年6月16日 前苏联尼 捷列什科娃乘东方6号飞船上天 历时2天又22小时50分 成为世界上第一位女宇航员 1967年4月24日 前苏联宇航员科马洛夫乘联盟一号飞船返回地面时 因降落伞未打开 成为第一个为航天殉难的宇航员 1969年7月21日 美国宇航员阿姆斯特朗乘阿波罗1l号飞船登月 成为人类踏上月球第一人 9 空间科学技术的伟大成就 2 1971年4月9日 前苏联发射世界上第一艘长期停留在太空的礼炮一号空间站 1981年4月21日 美国成功发射并返回世界上首架航天飞机哥伦比亚号 1984年7月25日 前苏联萨维茨卡娅离开礼炮7号空间站 成为第一位在太空行走的女宇航员 1986年1月28日 挑战者号航天飞机起飞时发生爆炸 7名宇航员全部遇难 1996年11月19日起飞 12月7日降落的哥伦比亚号航天飞机 历时17天15小时53分钟 完成了最长的一次太空飞行 2003年2月1日 美国哥伦比亚号航天飞机发生空难 机上7人全部丧生 10 空间科学技术的伟大成就 3 从1957年发射人造卫星以来 全世界共进行了约4000次成功的发射 将约5200个不同种类的航天器送入太空轨道 进入太空的航天员超过400名 其中12名航天员登上月球 800多人次 2003年10月15日北京时间9时整我国发射了自行研制的 神舟 五号载人飞船 9时9分50秒 进入预定轨道 将中国首位航天员杨利伟顺利送上太空 11 莱特兄弟发明飞机 1 1 飛行者 1號 的發明者是美國的威爾伯 萊特 上图左 和奧維爾 萊特 上图右 兄弟 威爾伯 萊特生于1867年4月16日 他的弟弟奧維爾 萊特生于1871年8月19日 2 他们的父亲是基督教兄弟联合会的一位主教 一天父亲送给他们一支竹蜻蜓 激起他们的好奇 由此走上发明飞机之路 3 在莱特兄弟之前 许多人探索制造过飞机 包括贝尔和爱迪生 但都失败 莱特的成功得益于他们的观察 思考和实践 他们开设了自行车修理铺 12 莱特兄弟发明飞机 2 莱特的飞机莱特首飞 1903年12月14日至17日 飛行者 l號進行第4次試飛 地點在美國北卡羅萊納州基蒂霍克的一片沙丘上 第一次試飛由奧維爾 萊特駕駛 共飛行了36米 留空12秒 第四次由威爾伯 萊特駕駛 共飛行了260米 留空59秒 1906年 他們的飛機在美國獲得專利發明權 13 美国波音客机B747 14 空中客车A380 15 协和号客机 16 协和号超音速客机 该機是目前世界上唯一在航線上運營的超音速商用運輸機 與它同時代的圖 144早已退出了競爭 1969年初試飛 1975年投入使用 飞行速度 M2 04 標准客座為100 最大客座為140 最大載重航程5000公里 起落噪音太大 于1979年停產 總共生產了20架 该机于2000年7月25日巴黎当地时间下午4点45分在巴黎东北郊戴高乐机场起飞后不久即坠毁 机上109人 地面5人罹难 见下右图 2003年6月1日退出航运 17 F16轻型战斗机 F 16是美国研制的轻型战斗机 主要型号有A B C D E等 可携带AIM 9L 响尾蛇 空对空导弹2 6枚 其中E型为战斗轰炸机 可携带4 8枚先进中距空对空导弹或6枚 幼畜 空对地导弹或炸弹 最大速度2340公里 小时 台湾于2001年购入了约60架 该机价格相对较低 性能优良 不少国家都装备了该机 18 19 B 2隐形轰炸机 随着隐身战斗机的投产 美国国防部和国会要人也开始接受了 隐身轰炸机 这一概念 并于1979正式批准了空军提出的研制这种飞机的申请报告 次年 美国空军就研制 先进战略突防飞机 ASPA 进行了公开招标 诺斯罗普公司提出的方案得到了首肯 随后 美国空军把该机的研制项目正式定名为 先进技术轰炸机 ATB 这就是B 2隐身战略轰炸机的最初名称 20 21 F117隐型战斗轰炸机 美国 战斗机是世界上第一种服役的隐身战斗机 主要用于攻击地面目标 年开始装备部队 年美国入侵巴拿马时首次使用 在 年的海湾战争中 有 余架 参战 表现出色 没有损失 在科索沃空袭中 被南联盟军队击落至少1架 最大使用速度马赫数0 机内武器舱可挂装 枚 千克的激光制导炸弹或其它武器 22 23 F22隐型战斗机 24 25 苏 27 动力装置 2台AL 31F 单台推力 7600公斤机载武器 30毫米机炮 10个外挂点 苏27已由沈飞开始组装生产 命名为歼11 主要技术数据 机长 21 935米 翼展 14 7米 机高 5 932米 机翼面积 46 5平方米 最大起飞重量 30000千克 最大使用速度 2 35M升限 18000米 作战半径 1500公里 26 27 苏 37 苏 37是俄罗斯苏霍伊实验设计局开放型联合股份公司研制的多用途全天候超机动性战斗机 苏 37是在苏 27基础上为俄罗斯空军研制一系列第四代战斗机和第五代多功能战斗机计划实施过程中的重要一步 该机采用了集成式远程电子控制系统以及现代化的数字式武器控制系统 28 苏37军用机 29 米格 29 1977年开始生产 1994年500余架分布20余国家 两台伊索托夫RD 33发动机 大修700小时总寿命1400小时 双垂尾 最小转弯半径450M 400公里时速 空重11000公斤 最大起飞重量18 5吨 转场航程2100公里 1500升副油箱 最大2900公里 再加两个800升油箱 标准武器 6枚P 60M短距导弹或P 73中程导弹 以及4枚P 27P或P 27T中程导弹 改进型可挂6枚P 77主动制导PBB AE先进导弹 30 31 米格 31 前苏联米高扬 格列维奇设计局1976年研制的重型战斗机 是米格 25的改进型 主要用于截击低空的敌机和巡航导弹 最大时速2550千米 实用升限21000米 作战半径1500千米 最大起飞重量44000千克 主要武器 8个武器挂架可挂8枚空对空导弹或枚空对地导弹或炸弹 还装有多普勒雷达 搜索距离为200千米 跟踪距离185千米 可同时截击4个目标 32 33 关于航空航天科技的重要战略思想变化 现代战争的特点是 1 非接触 2 精确打击 3 无人化 4 空军首当其冲 5 可能是空军决定战争胜负 航空武器装备的发展战略应从 以防为主 转变为 攻防兼备 空战要 先敌发现 先敌发射 精确打击 先发制人 现代战争是高科技战争 信息技术尤其重要 现代飞机是 e 飞机 飞机总设计师的主专业正从气动 强度转向控制 电子 信息 34 诺基亚的神话 1 芬兰的诺基亚公司原是生产橡胶鞋的工厂 后来引进信息技术 转变到生产手机的公司 2000年销售的手机占领全球市场的37 2 诺基亚现在全球有雇员54000名 其中22000人在芬兰 另有20000人在芬兰依附诺基亚而工作 3 2000年3月诺基亚的市值达3000亿美元 超过欧洲的任何公司 2001年全球销售额250亿美元 大致相当芬兰政府整个年财政预算 4 诺基亚成为芬兰经济的火车头 它占了芬兰股市值的2 3 和该国总出口的1 5 把500万芬兰人与世界上各地无形网网络中的总计10亿人连起来 35 全球首富比尔 盖茨 1 比尔 盖茨1973年 19岁 离开哈佛大学从商 1975年以5000美元资本创办微软 抓住信息技术的关键 操作系统来发展企业 到1987年成为亿万富翁 1994年成为世界首富 现已连续九年居首位 2 福布斯环球商业与金融 杂志 2003 报道 盖茨的个人财产为410亿美元 比前一年减少了100多亿美元 但比第二名沃伦 巴菲特还是领先很多 沃伦 巴菲特的个人净资产为305亿美元 2002年为350亿美元 36 邓小平同志的指示 1989年 邓小平同志讲 科学技术是第一生产力 科学是了不起的事情 要重视科学 最终可能是科学解决问题 37 科学技术简史 38 从宇宙史到科技史 宇宙史 150 200亿年地球史 47亿年人类史 240多万年人类文明史 至多6000年人类科技巨大变革时间 300多年人类认识科技作用时间 最近50多年 39 科技时代 1 石器时代 公元前240万年 公元前4000年2 金属时代 公元前4000年 公元1000年3 水与风时代 公元1000年 公元1732年4 蒸汽时代 公元1733年 公元1878年5 电气时代 公元1879年 公元1946年6 电子时代 公元1947年 公元1972年7 信息时代 公元1973年 下世纪 40 十九世纪以前的科学技术 41 牛顿的科学成就 1 微积分奠定了近代数学的基础1666年 论流数 一文手稿被发现 这是最早的关于微积分的论述 2 光谱分析奠定了近代光学的基础1666年牛顿用三棱镜做分光实验 1704年出版 光学 一书 3 力学三定律奠定了经典力学的基础1682年发表 自然哲学的数学原理 阐明了运动三定律和万有引力定律 4 万有引力定律奠定了近代天文学的基础 42 瓦特的发明开始了第一次工业革命 世界上第一台完整的蒸汽机于1776年由瓦特发明 2 1781年瓦特发明 太阳一行星机构 使往复运动转换成旋转运动 3 1788年发明离心式调速器 以保证转速的稳定 4 1794年发明蒸汽压力指示器 以防锅炉爆炸 43 十九世纪的科技成就 1 一 三大科学理论1 能量守恒与转化英国的焦尔 J P Joule 于1843年测定了热功当量为460千克厘米 2 细胞学说德国施莱登 M J Schleiden 与施旺 T Schwann 分别于1838 1839年提出植物和动物均由细胞组成 3 生物进化论英国达尔文 CR Darwin 1859年11月24日出版 物种起源 提出了 自然选择 优胜劣汰 的进化论 44 十九世纪的科技成就 2 二 重要技术发明1 蒸汽机车 1814年7月25日由英国司蒂芬森 G Stepherson 发明2 电磁相互作用原理 1821年由法拉第 M Faraday 发现3 发电机 1866年由西门子 E W Siemens 发明4 电话 1876年由贝尔发明5 电灯 1879年由爱迪生发明6 无线电通信 1895年分别由意大利马可尼和俄罗斯波波夫发明7 汽车 1885年由德国本茨发明8 飞机 1903年由美国莱特兄弟发明 45 二十世纪的科学技术 46 二十世纪伟大的科技成就 一 四大基础理论1 量子力学 2 相对论 3 基因理论 4 系统理论 二 五大基本模型1 宇宙演化的大爆炸模型 2 物质结构的标准模型 3 DNA双螺旋结构模型 4 图灵计算机模型 5 地壳结构的板块模型 三 三大基本技术1 物质变化技术 2 能量转化技术 3 信息控制技术 47 二十世纪的四大基础理论 1 1 量子力学1 1900年 普朗克依据黑体辐射实验中能量交换不连续 E nh n 1 2 h 普朗克常数 电磁波频率而提出量子假说 2 爱因斯坦解释光电效应时 指出了光的波粒二重性 3 后经过20多年的努力 玻尔 德布罗意 薛定谔等人于1925 1926年间建立了较完整的量子力学 解决了波粒二重性问题 粒子的能量与波动的频率成正比 动量与波长成反比 48 二十世纪的四大基础理论 2 2 相对论1 狭义相对论 1905年 爱因斯坦在迈克尔逊测量光速实验的基础上提出了狭义相对论 在两个假设 1 一切物理定理在所有惯性系统中保持不变 2 光速在真空中不变的前提下 给出运动物体长度收缩 时钟变慢 惯性质量加大 质速关系 以及质量同能量的关系 质能关系 四个不可思议的结果 前三个以洛伦兹变换 1 V2 C2 1 2为基础 而质能关系式 E mc2E一能量 m一质量 C一光速更预示了原子能的巨大蕴藏 2 广义相对论 1915年又提出广义相对论 在广义相对性原理和等效原理的基础上 建立了时空弯曲和引力场理论 揭示了时间 空间 物质 运动的普遍规律 49 二十世纪的四大基础理论 3 3 DNA 脱氧核糖核酸 双螺旋结构1 1953年沃森 美 和克里克发现生物大分子是由DNA组成 其结构是双螺旋结构 遗传密码存在DNA中 称为基因 2 1973年美国的科恩和博耶演示了世界上第一例DNA分子重组 打开了理解生命奥秘的大门 3 1973年成为人类进入信息时代的标志 50 二十世纪的四大基础理论 4 4 系统科学 又称横断科学 1 研究范畴 构成世界的三大要素 物质 能量 信息 运动和变化的要素 形式 结构 关系 三大规律 物质变化 能量转化 信息控制 2 分类 信息论 是研究信息的基本性质 度量方法以及信息的表达 获取 传输 存储 处理和交换的一般规律的科学 目前 信息论正与智能科学相结合 将逐步形成与系统科学并列的信息科学 控制论 是对自然 机器 人类 社会以及其交融的系统实现通讯与控制 达到优化目的的科学 系统论 是关于一般系统的本质 特点 运动规律的理论 还包括一些自相似 自学习 自适应 自组织 自回复的系统理论 如耗散结构理论 协同论等 目前 控制论与系统论已统一 3 系统论方面取得的成就 1 经典控制论 2 现代控制论 3 智能系统论 大系统理论 51 二十世纪的五大基本模型 1 1 宇宙演化的大爆炸模型1 20世纪20年代 弗里德曼在广义相对论的框架下 论证了宇宙胀缩 哈勃发现了星系红移 2 宇宙大爆炸模型 200亿年前的宇宙是基本粒子组成的 宇宙汤 大爆炸时的温度达100亿度以上 四种基本力 引力 强力 弱力 电磁力逐一分化出来 物质形态依此演化为原子 气态 恒星体系 现在的宇宙 3 四项观测事实证明了大爆炸理论 1 观测表明 任何天体的年龄都小于200亿年 2 河外天体有系统性的谱线红移 表明宇宙膨胀 3 所有天体的氦与氢的比例大致相同 1 4 4 1965年探测热辐射谱的微波背景辐射时 得到宇宙的温度约为3K 52 二十世纪的五大基本模型 2 2 粒子物理的标准模型1 20世纪发现了数百种微粒子 它们由两类十二种基本粒子构成它们是夸克 上 下 奇异 粲 底 顶 和轻子 电子 子 子 电子中微子 子中微子 子中微子 2 所有粒子的运动遵循四种基本力 引力 电磁力 强力 弱力的相互作用 引力和电磁力在宏观世界可观察到 强力和弱力只有在微观世界的粒子作用中才显露 弱力在中子及其它粒子衰变过程中出现 强力是夸克相互间的作用力 其强度最大 这种力使夸克组合成强子 现今发现的数百种粒子大多是强子 轻子只参与引力 电磁力 和弱力作用 而不参与强力相互作用 若以强力的强度为1 则电磁力为10 2 弱力为10 13 引力为10 38 3 从四种力的作用来看 基本粒子为三种 夸克 轻子 传播子 传递力的粒子 传递强力的是胶子 共有8种 质量为0 传递弱力的是W W Z0中间玻色子 质量是质子的80 90倍 传递电磁力的是光子 质量为0 传递引力的传播子至今尚未发现 53 二十世纪的五大基本模型 3 3 DNA双螺旋结构模型A 腺嘌呤 T 胸嘧啶 G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶 是含氮碱基对 它们分别以2 3个氢键相连 千万条碱基对组成遗传密码 54 二十世纪的五大基本模型 4 4 图灵的计算机模型1936年 图灵在其著名的论文 论可计算数在判定问题中的应用 OnComputernumberswithanApplicationtotheEntscheidungs problem 中 以布尔代数为基础 将逻辑中的任意命题用一种通用的机器来表示和完成 并能推导出结论 这种机器 后人称之为 图灵机 图灵机由一个控制器和一个两端无限长的工作带组成 工作带由大小相同的方格组成 方格内记载着字母表上的符号 控制器带有读写头 它可读出或改写方格上的符号 这种机器能进行多种运算并可用于证明一些著名的定理 图灵还从理论上证明了这种假想机的可能性 图灵机的思想奠定了整个现代计算机发展的理论基础 55 二十世纪的五大基本模型 5 5 地壳结构的板块模型1 大陆漂移说 创始人是魏格纳 他在 海陆的起源 一书中论述了南美和非洲大陆可能拼合在一起的思想 大西洋两岸的许多生物有亲缘关系 在岩石 地层和皱褶构造等上也相当吻合 1950年代 古地磁学的研究结果进一步为大陆漂移说提供了有力证据 2 海底扩张说 地球上部是岩石圈和软流圈 其下为高温地幔的环形对流体 它驱使地幔的炽热物质从洋脊的裂谷中涌出 冷却后形成新的海底 并推原来的海底向两侧扩张 是海底同大陆一起在地幔对流体上漂移 3 板块构造说 在大陆漂移说和海底扩张说的基础上 岩石板块构造说成为新的全球构造理论 全球分为七大板块 太平洋 亚欧 印澳 非洲 北美 南美和南极板块 板块漂浮在软流圈上 在洋中脊处增生 在海沟处消减 其运动的动力源泉来自地幔的热对流 56 二十世纪的重大技术成就 1 1 诺贝尔 伦琴和居理夫人 2 1903年美国莱特兄弟发明飞机 俄国齐奥尔科夫斯基提出火箭飞行理论 现在民用飞机已可载运500多人 可以环球飞行 正在研制l000人的超音速客机 军用飞机的飞行速度己达5M 马赫数 3 1957年10月4日苏联发射第一颗人造卫星 1969年7月21日美国阿波罗1l号飞船第一次登月 1977年第一次航天飞机载人飞行 4 1946年莫切里与埃克特发明第一台计算机ENIAC 计算机发展到现在已经五代 电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路 超 甚 大规模集成电路 正向智能计算机发展 57 二十世纪的重大技术成就 2 5 1945年8月6日在日本广岛 8月9日在长崎投下原子弹 1952年美国完成了第一次氢弹爆炸 苏1953年 中l967年试验氢弹 6 1901年马可尼 意 实现第一次无线通讯 1904年弗莱明发明真空二极管 1948年肖克利发明晶体管 l968年美国实现第一条光纤通讯 现在正向信息高速公路发展 7 1965年日本制成第一辆磁悬浮列车 时速400 500公里 1997年实验时速达503公里 小时 为世界之最 8 1997年英国成功培育出世界上第一只用体细胞克隆技术产生的羊 多莉 实现了生命的复制 58 20世纪改变世界的重要机电产品 59 60 人类已进入到信息时代 1946年J W Mauchly和J P Eckert演示了ENIAC计算机 科学界认为人类进入到电子时代科学界认为1973年开始人类已进入信息时代主要标志是 1 S N Cohen及H W Boyer演示了世界上第一例基因工程 用化学方法完成了DNA 脱氧核糖核酸 基因分子重组 改变了遗传密码 从信息论上看 是一个划时代的飞跃 2 AlanKay发明了第一台 办公室计算机 3 T B Martins及R B Cox发明了第一台可理解语言指令的计算机 4 超大规模集成电路 LSI 第一次在一个芯片上做出了1万个以上的晶体管 现在已超过900万个管子 5 J Malland在苏格兰阿巴丁大学发明了核磁共振扫描 NMRS 用于医学检查 61 二十一世纪的科学技术 62 21世纪科学技术发展总趋势 1 一 中心科学技术的转移1 信息科学技术目前是发展高峰期 预计其中心科学技术的地位还可持续四十年 2 生命科学技术现在已开始注重其发展与应用 预计21世纪30年代开始将逐步转变为中心科学技术 3 认知科学技术智能化趋势现已显露 预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心 63 21世纪科学技术发展总趋势 2 二 世界科技中心 地区或国家 的转移中国 公元3世纪 公元13世纪 意大利 1540年 1610年 英国 1660年 1730年 法国 1770年 1830年 德国 1810年 1920年 美国 1920年 可能转向东方 日本 中国 64 65 从科学发现到技术发明 66 高技术及其产业的领域 1 信息科学技术 包括微电子 光电子科学技术 2 生物科学技术 包括生命科学技术 3 新能源科学技术 包括核能科学技术 4 新材料科学技术 包括纳米科学技术 5 环境科学技术 包括地球科学技术 6 航空航天科学技术 包括空间及军事科学技术 7 海洋科学技术 包括地球科学技术 8 先进制造科学技术 包括微机电系统科学技术 9 管理科学技术 包括软科学技术 10 认知科学技术 包括人脑和智能系统科学技术 67 21世纪改变人类的科学技术 科学技术物质科学信息技术生命科学生物技术纳米技术能源技术 68 69 12个重大关键技术攻关项目 1 超大规模集成电路和软件2 信息安全与电子政务及电子金融3 功能基因组与生物芯片4 电动汽车5 高速磁悬浮列车6 创新药物与中药现代化7 主要农产品深加工8 奶业发展9 食品安全10 节水农业11 水污染治理12 重要技术标准 70 21世纪的科学 71 客观世界 1 72 客观世界 2 1 物理学中的三个常量 1 万有引力常数 G 2 光速 c 3 普朗克常数 h 这三个常数结合成一个长度 即 hG 2 c3 1 2 10 34厘米 这个长度正好就是 超弦 的尺度 2 微观世界的典型尺度是10 15厘米 超弦 的尺度比它小19个数量级 5个层次世界的典型尺度之间的数量级差距都是1019 3 纳米是10 9米 介于 宏观 与 微观 之间 这一领域的许多物理学特性尚未研究清楚 73 近年来的重大基础科学进展 1 关于宇宙起源和未来的理论 2 接近揭开 宇宙黑洞 之迷 3 把引力 弱作用力 电磁力 和强作用力统一起来的 超弦理论 4 物理常数 电子电荷e 光速c 普朗克常数h 在改变 由e c h组成的精细结构常数 近似为1 137 也在改变 5 破解人类染色体基因密码 6 生命的起源问题的研究有新进展 RNA的机理 7 在数学领域 几百年来科学界曾重奖悬赏的若干问题 如四色问题 费马定理等 已被证实 8 智能数学方法有许多突破 74 21世纪重大科学难题 1 渺观世界的物质结构2 高温超导电性3 宇宙暗物质 暗能量和宇宙黑洞4 星系与宇宙的起源5 寻找地外理性生命6 最终解决人类能源问题7 分子工程学 原子加工和自组装 8 生命起源 细胞起源与凋亡9 思维与智能的本质10 超级计算理论11 智能数学理论12 物质和精神的关系问题 75 信息科学技术 76 信息科技的重大意义 1 改变生产过程 从机械化 自动化发展到数字化 网络化 集成化 智能化 个性化 参与式 交互式 一部分工厂将实现远距离电脑控制 全自动化和无人现场操作的生产 2 改变生产关系 网络化与参与式将减少级的管理层次 生产单元将成为有自学习 自组织 自适应功能的生产自治体 智能体 增加部门协同 增加生产厂家和消费者的直接销售 3 影响社会生活 家庭将配有全媒体 All Media 的工作站 比多媒体电脑功能还要全 将把高清晰度电视 高保真音响 数字电视电话 摄象 传真 电子邮件 数据传输 电脑计算和各种专家系统功能集成起来 通过信息高速公路与外界社会及世界相联系 解决生活 学习和工作中各种问题 人们可以在家中办公 集中开会没有绝对必要 家庭将成为社会的最重要的基本单元 妇女将获得彻底解放 将更多参加工作和社会活动 儿童的家庭教育变得更为重要 4 影响国防 影响综合国力 影响国家地位 77 信息通讯与世界文明发展的关系 78 21世纪的电脑 79 21世纪的微电子技术 80 微电子芯片科技前沿 1 芯片线宽极限 0 035 35纳米 1 市售奔4芯片 用的是0 35 技术 紫外线波长0 248 深紫外线波长可达0 178 因此可做到0 25 0 18 的芯片 2 目前上海中芯公司 与台湾合作 即为0 25 水平 3 英特尔公司1971年生产的第一个芯片只有2300个晶体管 2000年底推出的奔腾4芯片则集成了4200万个晶体管 4 IBM公司称2001年8月已用单分子碳纳米管制成了世界上最小的逻辑电路 2 莫尔规律 还可继续10 15年 到2014 2017年达到饱和 3 制造设备 光刻机从美进口1千万元 台 从荷兰进口只700万元 台 我国应发展自己的微电子芯片设备制造业 4 生物芯片 有两种 1 一种是生物分子逻辑元件 如人的视网膜分子 的芯片 这种生物芯片的速度比半导体芯片还可提高100倍 2 另一种是医疗检测用的生物芯片 它可与人的神经相连 81 我国信息产业已驶上高速路 1 1 九五 期间我国信息产业年平均增长速度达到31 4 2000年中国信息产业总产值突破了1万亿元 已成为工业经济第一支柱 2 2002年8月统计 我国家庭拥有电脑900多万台 普及率达18 3 3 彩电2000年生产3742万台 日本仅1000万台 国内需求仅1000万台 年 还有2000多万台需外销 4 2002年7月固定 移动电话总数达3 8亿户 其中固定电话2 01亿户 移动电话1 8亿户 已大大超过美国 居世界第一位 82 我国信息产业已驶上高速路 2 5 2000年上网户数为2250万户 2001年为4000万户 预计2005年将达到2亿户 上网普及率达15 左右 6 九五期间 网络带宽从几百千比特增长到200多兆 翻了数千倍 7 十五期间 中国的信息产业继续保持20 的高速增长 市场规模比2000年翻一番 固定 移动电话网规模容量将跃居世界第一位 电话用户总数达到5亿户 全国电话普及率达到40 到2010年 信息产业市场规模再翻一番 也就是说 未来十年 信息产业将翻两番 83 在信息化过程中值得注意的若干问题 1 信息化带动工业化 但不能代替工业化 信息化与工业化要均衡发展 网络与传统产业脱节会形成信息泡沫 信息技术只是工具 它本身不是产品 只有制造业才能把信息技术转化为生产力 发达国家 信息产业的产值占GDP的40 60 目前我国信息化的水平不到发达国家的10 离现代化的要求还很远 84 在信息化过程中值得注意的若干问题 2 我国信息产业的核心技术 微电子芯片技术和操作系统技术依赖进口 巨额利润被外国公司抢走了 目前 我国计算机公司的利润只有2 3 而国外做系统芯片的公司的利润一般为25 35 网络安全问题是一个亟待解决的问题 主要是 一黄一黑 两个问题 据信息产业部的调查 目前上网的人群中 30 看休闲信息 22 看黄色信息 黑的问题主要是要有自主知识产权的网络 能防止黑客侵袭 软件要大力发展 印度的软件出口额是我国的30倍 85 生物科学技术 86 21世纪的生物技术 1 1 2l世纪将是人类掌握生命和智力奥秘 掌握它的发生和发展规律的世纪 生物技术将形成产业 改变农业 医药 环保 材料 信息 能源等工业的面貌 人类自身的健康和智力将得到大幅度提高 加快人类自身进化的速度 2 转基因的技术会生产出特效高产的农作物 如抗虫棉花 特效药品 如乙肝疫苗 和移植器官 转基因的动物器官移给人体 转基因的西红柿可以保存几周不腐烂 转抗虫基因的烟草可以不被虫吃掉 3 用基因疗法治疗肿瘤 心血管 老年痴呆 过敏等疾病 4 用生物防治代替化学农药 用转移固氮基因产生的氮肥和经微生物处理的有机肥代替化学肥 87 21世纪的生物技术 2 5 用生物方法生产分子开关 分子马达 分子传感器等机器元件 并集成为微型电脑和机器人 6 生物酶将用作化学催化剂 生物传感器将随时监测健康状况和环境质量 生物农药和生物固氮将代替化学农药和氮肥 7 模仿人体功能的各种智能芯片可以植人人体 以提高记忆 恢复视力 听力等 8 具有自组织 自适应和自修复功能的仿生材料和器件将成为商品 9 仿照生物大脑组织制造的生物芯片和生物计算机将大大提高机器进行图形 文字和语音识别的能力以及判断的水平 88 细胞的结构 细胞质中有线粒体 组成 细胞膜 细胞质 蛋白质 细胞核 细胞核由染色体组成 人体有23对 染色体 由成对出现的条状体 DNA经蛋白质包装 组成 DNA 称脱氧核糖核酸 其基本单元是脱氧核苷酸 基因 是有遗传效应的DNA片段 89 DNA双螺旋结构模型 A 腺嘌呤 T 胸嘧啶 G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶 是含氮碱基对 它们分别以2 3个氢键相连 千万条碱基对组成遗传密码 90 91 克隆羊 多利 的照片 92 01年11月25日美国马萨诸塞州伍斯特先进细胞技术公司宣布 首次利用克隆技术培育出人类早期胚胎 93 干细胞研究与临床应用 1 干细胞的 干 是 树干 和 根源 的意思 干细胞是指尚未发育成熟的细胞 它具有再生为各种组织器官的潜能 医学界称为 万用细胞 2 科学家认为 绝大多数疾病 从脊髓损伤 帕金森氏综合症 糖尿病 到癌症和艾滋病 都可望借助干细胞技术得到治疗 3 干细胞可分为胚胎干细胞及成体干细胞 前者取自胚胎或胎儿组织 胎盘 脐带 可 定向分化 为不同的组织细胞 目前这种定向分化的条件和干细胞发育的调控机制尚不清楚 后者取自成体组织 如骨髓中的造血干细胞 它只能分化成该组织的各种细胞 4 干细胞技术的理想目标就是进行体外 器官克隆 以供病人移植 94 人脑 人脑有大脑 小脑 桥脑 髓质四部分 有1000亿个神经元 每个神经元与2万个其他神经元联系 总计有2000万亿个神经网络 左大脑分为理解语言和形成句子 说话 两个区域 两区域互有联系 破坏任一部分或其间联系 就发生问题 右大脑能进行图像识别和艺术思维 是大脑主管创新思维的部分 左 右 脑分别联系人体的右 左 部分 锻炼人的左 右 手 脚 能提高人脑右 左 部分的功能 电脑能模拟逻辑思维 很难理解图形和艺术 人脑的思维 想像 情感的奥秘远未揭开 人脑的研究将形成智能 认知 科学 它是带动下世纪一切基础科学研究的科学 95 纳米技术 96 什么是纳米科技 纳米是10 9m 是1毫米的百万分之一 原子的直径在0 1 0 3个纳米之间 纳米科技是指在纳米尺度 1nm到100n 上研究物质 包括原子 分子的操纵 的特性和相互作用 以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术 纳米科技的最终目标是直接以原子 分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理 化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品 97 著名学者对纳米科技的看法 1 1 诺贝尔物理学奖获得者H Rohrer给江泽民总书记一封信中写道 150年前 微米成为新的精度标准 奠定了工业革命的基础 最早和最好学会使用微米科技的国家 都在工业发展中占据了巨大的优势 同样 未来的科技将属于那些明智地接受纳米作为新标准并首先学习和使用它的国家 2 美国IBM公司首席科学家Armstrong从信息技术角度论述说 正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样 纳米科学技术将成为下一世纪信息革命的核心 98 著名学者对纳米科技的看法 2 3 著名科学家钱学森预言 纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点 会是一次技术革命 将引起21世纪又一次产业革命 4 著名材料科学专家 两院院士师昌绪先生多次撰文呼吁 纳米材料是纳米科技的基础和先驱 是我国应进一步加大支持和发展的高技术之一 99 纳米材料的奇异特性 1 1 表面效应大于0 1微米的颗粒的表面效应可忽略不计 小于0 1微米的1克超微颗粒的表面积可高达100平方米 2 小尺寸效应1 特殊的光学性质 金属超微颗粒对光的反射率很低 低于1 利用这一性质 可作高效率光热 光电转换材料 制作太阳能电池 红外敏感 隐身元件 2 特殊的热学性质 超微颗粒的熔点将显著降低 如金的常规熔点为1064C 而到纳米尺寸时仅为327C 银的常规熔点为670C 而超微银颗粒的熔点可低于100C 3 特殊的磁学性质 超微磁颗粒的矫顽力可增加1千倍 利用此性质可做成高贮存密度的磁记录磁粉 大量用于磁带 磁盘 磁卡 100 纳米材料的奇异特性 2 4 特殊的力学性质 纳米陶瓷材料具有良好的韧性 纳米晶粒的金属要比原粗晶粒的金属硬3 5倍 5 其它特殊的性质 超微颗粒还有其它的超导电性 介电性能 声学性能及化学性能 3 宏观量子隧道效应1 量子尺寸效应 介于原子 分子与大块固体之间的超微颗粒会呈现出反常的特性 称之为量子尺寸效应 如导电金属超微颗粒可以变成绝缘体 光谱线会产生向短波长方向移动 2 宏观量子隧道效应 超微颗粒的一些物理量会显示出隧道效应 称为宏观量子隧道效应 如电路尺寸接近电子波长时 电子就通过隧道效应而溢出器件 使器件无法工作 101 纳米科技的重要意义 1 纳米科技将促使人类认知的革命2 纳米科技将引发一场新的工业革命3 纳米科技将推动各门科学和技术的发展4 纳米科技将影响人们的健康和生活5 纳米科技将增强国防实力和国家安全 102 纳米科技的重要意义 1 1 纳米科技将促使人类认知的革命1 在纳米尺度上有许多新现象 新规律有待发现 2 纳米科技是对人类认知领域的新开拓 2 纳米科技将引发一场新的工业革命1 纳米科技是21世纪经济增长的发动机 2 纳米科技将促使传统产业 旧貌换新颜 3 纳米科技推动产品的微型化 高性能化与环境友好化 这将极大节约资源和能源 促进生态环境改善 为可持续发展提供技术保证 103 纳米科技的重要意义 2 3 纳米科技将推动各门科学和技术的发展1 纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础 2 纳米科技是多学科交叉融合的集中体现 而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得突破的 在这一尺度下 充满了原始创新的机会 104 纳米科技的重要意义 3 4 纳米科技将影响人们的健康和生活1 纳米科技将给医学带来巨大变化 采用纳米技术做成的生物芯片只需检测少量血液 就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病 纳米级粒子包裹的药物 将进入人体 可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织 2 用纳米科技研究耐用的与人体友好的人工组织 及器官复明和复聪器件 3 利用纳米材料的抗菌 除味 防腐 抗老化 抗紫外线等作用 可用来制作各种生活用的多功能塑料 4 特殊的纳米膜 能探测到由化学和生物制剂造成的污染 并能对这些制剂进行过滤 从而消除污染 5 合成纤维中添加纳米SiO2 ZnO2等材料 可制成抗菌 防霉 除臭和抗紫外线的内衣 用品 105 纳米科技的重要意义 4 5 纳米科技将增强国防实力和国家安全1 拥有纳米技术知识产权的国家将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位 2 通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用 将使军队在预警 导弹拦截等领域快速反应 3 通过纳米机械学 微小机器人的应用 将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性 4 用纳米和微米机械设备控制 国家核防卫系统的性能将大幅度提高 5 应用纳米材料技术 可使武器装备的耐腐蚀 吸波性和隐蔽性大大提高 适用于舰船 潜艇和战斗机等的隐身 106 纳米科技的最新进展 1 1 分子电子学获重大进展1 2001年8月美国IBM公司宣布 该公司用单分子碳纳米管成功地制成世界上最小的逻辑电路 碳纳米管比人的发丝细100万倍 而导电率是铜的1万倍 强度是钢的100倍 而重量只有钢的1 6 2 2001年美国朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管 称为 纳米晶体管 大小接近1纳米 在针尖大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶体管 它以碳为基础 包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料 以金原子层为电极 107 纳米科技的最新进展 2 2 以色列研制了首台可自动运行的DNA计算机这部机器的 硬件 由限制酶组成 而软件则由DNA片段作成 数以万计的酶和DNA分子与水混合起来 形成计算机 通过电泳测出计算结果 3 德国研制出单电子纳米开关北威州纳米研究联合会和埃森大学的科学家发现 由55个金原子在平面分布形成的 纳米簇 可以实现单电子开关 这种单电子纳米开关电路可能成为能耗更低的芯片的基础 应用于芯片生产的成果将在今后一二年内问世 108 纳米科技的最新进展 3 4 中科院上海原子核研究所 上海交通大学与德国莎莱大学科学家合作 用原子力显微镜对单个DNA进行 分离手术 先将DNA分子链完整地拉直 并交叉铺叠成网格状 形成两维网络 再利用原子间相互作用 对分子链进行切割 弯曲 修剪 终于写成每个字母长300纳米 宽200纳米的三个DNA字母 解放日报 2002年1月19日报道 5 清华大学与南风纳米粉体产业化工程中心宣布 它们开发的15kg 小时碳纳米管生产技术目前已通过国家教育部鉴定 并可批生产 碳纳米管1991被日本学者发现 它有良好的应用前景 但批生产问题一直没有解决 109 纳米科技不可炒作 去年有一时期 社会上对纳米科技炒作过多 不少企业宣布已推出纳米洗衣机 纳米冰箱 纳米汽车 纳米水 等等 纳米洗衣机 实际上是外筒内壁加了点纳米涂料 没有多少作用 纳米水 更是假冒产品 我国现有300余家纳米科技企业 绝大部分成立仅一年左右 资金一般不超过100万元 人才匮乏 纳米成果产业化率很低 不足20 这些企业热衷于炒作纳米概念以作广告 纳米已走近百姓的谈法过早 现在还不能说 纳米时代 已经来临 纳米科技的基础研究很薄弱 纳米科技的成熟应用至少还要过20年 110 能源技术 111 能源危机迫在眉睫 1 世界经济得益于能源 如石油 天然气 煤炭与核裂变能的广泛的投入应用 然而 这些资源将在21世纪上半叶接近枯竭 1 可支配的石油储量 大约为1180 1510亿吨 以1995年世界石油的年开采量33 2亿吨计算 大约在2050年左右宣告枯竭 2 天然气储备估计为131800 152900兆立方米 年开采量维持在2300兆立方米 将在57 65年内枯竭 3 煤的储量约为5600亿吨 以1995年煤炭开采量33亿吨计 还可以供应169年 112 能源危机迫在眉睫 2 4 铀的年开采量目前为6万吨 根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期 5 核聚变到2050年还没有实现的希望 近10年来 中东及海湾地区与非洲的战争都是由能源而引发 这种军事冲突 今后还将更猛烈 更频繁 在国内 能源问题不解决 必将严重地影响我国经济的可持续发展 总之 能源的中断 必将导致世界经济危机 能源危机迟早会爆发 它的爆发将具有爆炸性 113 能源危机对我国的特殊冲击 20世纪90年代初期 我国的能源尚可自给自足 我国有自己的煤 自己的油田 丰富的水利资源 以及生物能源 主要是沼气 的利用 使得我国利用本国能源即可满足全国的能源需求 但现在增加石油供应的可能性极为有限 1999年我国石油开采量约1 6亿吨 但是消耗量已上升到1 9亿吨 到2010年预计消耗量将达到3亿吨 如果在能源危机来临之前 不作紧迫的应对 必将严重地影响我国经济的可持续发展 在2020年以后更难保持经济的高速发展 甚至会严重倒退 114 中国必须实施能源多元化 1 1 中国虽有丰富的煤矿资源 但只拥有全球石油储备的2 3 和天然气储备的1 而石油消费却占全世界的6 以上 2 中国从1993年成为能源纯进口国 2002年进口原油7000多万吨 46 4 来自中东 3 来自伊拉克 2003年至少进口7500万吨原油 3 2003年3月初原油价格升至每桶40美元 专家预测 每桶原油价格每年上涨10美元 包括中国在内的发展中国家的经济增长率将下降0 75 全国人大代表认为 没有能源保障 中国实现现代化将拖后50年 115 中国必须实施能源多元化 2 4 中国石油消费量年增长率为4 是世界第一 为了确保GDP的增长率不低于7 中国必须实现石油资源多元化 5 中国石油天然气集团公司已经在哈萨克斯坦 委内瑞拉 苏丹 伊拉克 伊朗 秘鲁和阿塞拜疆拥有了石油特许协议 中国海洋石油总公司2003年3月7日宣布斥资6 15亿美元购买哈萨克斯坦里海北部油田8 33 的股权 该项目预计可开采130亿桶原油 另外 拟修建一条从安加尔斯克到中国大庆的总长2400公里的输油管线 每年可输送原油2000万吨 116 克服能源危机的出路 1 1 主要的出路是 发展以太阳能的利用为主的可再生能源的利用 据天文学家的计算 每年太阳提供给地球的能量是世界人口消费能量的1 5万倍 1 光伏电力的应用 据德国统计 供应全德国的电 只需不到10 的建筑物顶部安装光伏转化模板 澳大利亚正研究巨型太阳能发电塔 2 光热利用 在中欧和北欧等缺少阳光的地区 已经出现了一些完全依赖阳光供暖的建筑物 继续推广太阳能集热器 太阳灶 日光温室等技术 研究太阳能中温集热器 117 克服能源危机的出路 2 3 生物质燃料能源 利用荒漠和沼泽大力种植生物质能源材料 利用基因技术发展高富含油脂植物 发展甲醇与乙醇的提取技术 重视农村沼气的开发利用 4 氢能源 由电解水产生氢或由太阳能光催化水分解氢 氢是最清洁的能源 正在研究的纳米碳管储氢能力高 受到广泛关注 氢燃料电池效率高 50 80 污染小 噪声低 118 克服能源危机的出路 3 2 其它的措施 1 水电与潮汐发电 水电实际上也是利用太阳能 三峡水电设计年发电能力847亿千瓦小时 中国计划在八年内将水电装机总容量增加到15万兆瓦 相当于八个长江三峡发电枢纽或者150部核发电机组的发电能力 2 风力发电 丹麦是风力发电大国 现有6300座风力发电机 提供13 的电力需求 3 核能的利用 根据国际能源机构的统计数据 法国 年的核能发电量占全国当年发电总量的 核能发电比例位居全球第一 据国际能源署报告 中国未来30年核电业的年增长率将达到9 但到2030年 核能只占中国全部能源需求的3 119 克服能源危机的出路 4 4 提高燃烧效率 当务之急是洁净煤燃烧 要发展超临界蒸汽发电机组和整体煤气化联合循环技术 5 电池技术 锂离子电池很有发展前景 燃料电池的效率高 50 80 污染小 噪声低 也很有发展前景 但其可靠性和稳定性要做深入细致的研究工作 并经受实践考验 6 各种节能技术 120 科技创新 121 创新的背景 122 建国50多年来经济发展的巨大成就 50多年走过了西方200年的路 是改天换地的50多年 50多年经济上告别了短缺经济 大部分地区已达到小康 2001年GDP达10 2万亿元 1 2371万亿美元 经济总量已占世界第六位 谷物 肉类 棉花 花生 油菜籽 水果等的产量已列世界第一 钢 煤 水泥 化肥 电视机 摩托车产量已居世界第一 发电量 棉布 化纤等居第二 我们有权利为50多年的