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第一章 科学技术的概念及其在人类发展史中的作用古往今来，人类一直在认识世界和改造世界的过程中努力前行，目的是改造自身赖以生存的环境，创造美好的生活。在向这伟大目标前进的征程中，科学和技术是我们坚实的双腿，或者说是我们向着最终目标飞翔的一双翅膀。第一节 科学的概念在生活中我们经常会听到“科学”一词，比如说：“科学的方法”、“科学的饮食”那么到底什么是科学呢？当我们讲科学、学科学、用科学，在使用“科学”这一概念的时候，它所表达的意思究竟是什么？下面就让我们一起走进科学，去探索一下科学的含意。1、走进科学“科学”一词的英文science源于拉丁文scio，后来又演变成为scientia，最后成了今天的写法。在明治维新时，日本著名科学启蒙大师、教育家福泽瑜吉把“science”译为“科学”。1893年，康有为引入我国并使用“科学”一词。严复在翻译天演论等科学著作时，也用“科学”一词。此后，“科学”一词便在中国得到了广泛应用。人们对“科学”这一概念的理解和认识，是不断发展变化的，直到现在也没有一个统一的定论。过去，人们对科学的理解比较简单，认为科学就是知识。“科学”这个词，从字面上讲，指的是关于外部世界的知识。我国古代也把人类对于自然和社会的认识包括在知识之中。12世纪初期宇宙论创始人威廉最早尝试给科学下定义，提出了科学是知识的思想，以便把科学与神学区分开来。后来，有人反对把科学看成是知识，主张科学是指知识的加工过程，理由是知识本身并不是科学，它只是科学的产物。这种对科学的理解有合理之处，它不只是把科学当作是现成的知识，而是对科学作动态分析。很快，就有人综合这两种看法，认为科学既指静态的知识成果，又指动态的生产知识的过程。随着社会的高度发展和科学的进步人们越来越感觉到单一的、简单的科学概念已经不能反映科学的真实面貌了。许多学者分别从哲学、历史、社会学、心理学等各种不同的角度研究科学，力图建立现代的综合性的整体科学概念。这就是20世纪一些学者提出的“大科学”观念，可以说，现代科学是由多种基本要素组成的复杂整体。狭义的讲，可以将科学根据研究对象的不同分为自然科学、社会科学（包括思维科学）两大基本门类，每一门类之间及其内部都有许多日益增多的分支学科、边缘学科和横断学科，它们相互联系、相互影响、相互渗透，共同构成了整个人类的科学体系。自然科学是以自然界、自然现象为研究对象，研究自然界物质形态、结构、性质和运动规律的科学。例如，数学、物理学、生物学等等都属于自然科学的范畴。其目的在于揭示自然界各种现象的本质，认识自然规律，并遵循，利用自然规律改造自然，为人类造福。例如，我们通过对鸟类飞行的观察和逻辑推理，掌握了鸟类飞行的原理后发明了飞机，从而实现了人类在天空飞翔的梦想。社会科学是以社会现象为研究对象的科学。它包含社会学、人类学、经济学、政治学、法学、心理学等等。它的任务是研究与阐述各种社会现象及其发展规律，是人们社会生活和各种社会实践经验的总结。例如，美国股票技术分析大师查理士道尔通过分析股票市场的涨跌规律总结出了道氏理论，之后人们利用道氏理论来预测股票市场的趋势，从而为自己带来经济效益。在科学发展史上，自然科学和社会科学的发展并不是孤立的，而是相互渗透、相互联系和相互促进的，特别是在21世纪，这种趋势将更加明显。2、 科学知识的构成科学知识随社会的实践、科学的不断发展而发展。科学知识是人类在改造世界的实践中所获得的认识和经验的综合，包括科学事实、科学定律、科学假说以及由逻辑推理和实验检验而建立起来的科学理论这些要素。（1） 科学事实。科学事实是指经过对经验事实的科学整理和验证后获得的，关于客观存在的事件、现象和过程的真实描述或判断。属于认识论范畴，它体现了客观事实在科学认识主体中的记述和判断。科学事实缺乏日常经验中的事实的直接性、直观性和现实性。例如，对于一个健康的正常人描述的日常生活中的事实：“今天早上我看到路口有辆汽车开过”，这个事实就不是科学事实。科学事实是将日常的经验事实中的理论因素及作用放大，以抽象的符号化的语言进行描述。例如，在著名的关于叙拉古城国王希伦的王冠的故事中，国王怀疑金匠用一些银子偷换了他王冠上的黄金，就请阿基米德（约公元前287-212）来测定王冠的真正含金量。阿基米德解决了这个难题，用的是“同等重量的金和银由于密度不同而在水中排开水的体积不同”，这一事实就是“科学事实”。（2）科学定律。科学定律是反映自然界和社会上事物、现象之间的必然性关系的科学命题，但这些关系往往被各种外在的、偶然的、非本质的现象所掩盖，需要人们运用各种科学方法将它们揭示出来。对这种关系的反映，只有经过反复验证之后，才能确立为科学定律。现代自然科学中的科学定律一般是用数学公式表达的，因为数学公式便于人们对科学定律的内容做出准确的解释，从而在实际中得到有效的应用，同时它还便于人们运用逻辑演绎和数学演算的方法进行严格的论证，导出新的结论，做出新的科学预言。我们来回顾下面著名的例子。著名物理学家牛顿（1643-1727）从月球总是保持自己的运行轨道和地球上的苹果只会向地面坠落这些自然现象开始思考，得到了万有引力定律这个科学定律。而之后的人们观察太阳系的天王星时，发现天王星实际轨道和理论推算的轨道有一定的偏差，从而猜测太阳系（图1.1.1）还有未知的行星。之后根据牛顿的万有引力定律计算出了未知行星的具体坐标，“按图索骥”找到了海王星。进一步加上海王星的修正量后，天王星的实际轨道和理论推算的轨道还有残余偏差，由残余偏差的修正，人们再次发现了冥王星。图1.1.1 太阳系的九大行星，离太阳系近的七颗行星是人们直接观察到的，而海王星和冥王星是先由科学定律确定而后被观察到的。科学定律作为一种认识成果，是客观规律的本质反映，但又只是客观规律的近似反映，是随着实践的发展以及其他有关领域认识的深化而发展的相对真理。科学定律所设定的条件、适用的范围和它所揭示的数量关系，乃至科学定律本身的表述形式都会在实践中不断地得到检验和修正，更加准确地逼近客观的自然规律。（3）科学理论。科学理论是系统化的科学知识，是关于客观事物的本质及其规律的相对正确的认识，是经过逻辑论证和实践检验并由一系列概念、判断和推理表达出来的知识体系。科学理论是由三个基本的知识元素组成的：基本概念、基本原理或定律、推理结论。正如爱因斯坦所说：“理论物理学的完整体系是由概念、被认为对这些概念是有效的基本定律，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的。”它们依一定关系形成一个有层次、有结构的系统。（4）科学假说。科学假说是根据已有的科学知识和新的科学事实，用已有的科学理论为指导，对未知自然界事物产生的原因及其运动规律做出推测性的解释和尝试性解答。这种假说需要在实践中检验它的科学性，减少它的推测性，以达到理论的认识。科学假说是人们将认识从已知推向未知，进而变未知为已知的必不可少的思维方法，是科学发展的一种重要形式。比如，哥白尼当初提出“地球绕太阳转动”时，是一个科学假说。以后一系列的观察支持这个假说，它就成了科学理论。科学事实、科学定律、科学假说、科学理论构成了一个完整的科学知识体系不可缺少的组成部分，是不可分割地联系在一起的。严格意义上的科学理论都是科学假说，科学理论也只是相对真理。由于科学是不断发展和进步的，更新的经验证据有的还没有纳入到现在的理论之中，有的与现存的理论相矛盾，因此产生了新的科学问题，于是科学研究活动进入到下一个循环过程中。3、科学价值科学价值是指现实的人同满足其某种需要的科学的属性之间的一种关系。当科学对人或社会的需要和发展起到肯定作用的时候，它就具有正面价值，否则，它就没用价值或者具有负面价值。科学的价值可以划分为“科学的内在价值”和“科学的社会价值”两个基本方面。人类在探索自然界的过程中，在长期的科学实践活动中，形成的求真、客观与人文关怀的科学精神，怀疑、批判与创新的科学思想，从实际出发，实事求是的科学方法，是科学的内在价值，这是科学文化的核心，是不以时代、国家、民族、地区为转移的。科学所具有的内在价值使得科学具有普遍性、公有性和无偏见性，对人类文化的发展和文明进步有着重大的促进作用。在科学活动中，作为主体的人，由于他们欣赏自己的工作，由于他们感到乐在其中，由于他们具有对事物追根究底的好奇心才使科学得以产生和发展。也就是说，人的兴趣、人的好奇心、人的追求知识和真理的信念，使得科学具有其内在的价值。科学除了具有内在价值外，还具有社会价值。科学的社会价值是指科学与社会相互作用过程中对人类社会的作用和意义。科学主要是以其科学思想、科学方法、科学精神潜移默化影响人的思想，影响人的行为规范，从而逐渐变革社会价值观念。如果科学的社会价值与科学的价值观念合拍，则可以引导社会给科学以物质上的或道义上的支持，激励人们献身科学事业，潜心从事研究工作；反之，则抑制或阻碍科学的发展。17世纪英国的清教主义所促成的正统价值观念，无意中推动了近代科学的发展。相反地，中国古代某些传统价值观念，诸如重人事轻自然、重玄思轻实践、重故纸轻创新，以及绝巧弃利、艺成而下、读书做官等等，则严重地妨碍了当时科学的发展。科学价值的核心是科学精神。科学精神是科学的本质和灵魂。对于每一个人、每一个国家和民族来说，科学精神都是不可缺少的。科学精神的实质就是实事求是、勇于探索真理和捍卫真理、不断创新。其中最主要的是求实与创新。不求实就不是科学，不创新科学就不会发展。坚持科学精神，坚持实践基础上的理论创新，以此来推动制度创新、科技创新以及各方面的创新，这将对熔铸中华民族的生命力、创造力和凝聚力有着无法估量的意义。第二节 技术的概念1、什么是技术自从人类社会的发端开始，技术就与每个人息息相关，一刻也没有离开过！只不过是每个人是否明确清晰地感觉到和识别出来而已！比如古老的保留火种的技术就是把雷电击中的枯树或者自燃起火的火种一直燃烧在岩洞洞穴中，直到燧人氏发明了钻木取火、爱迪生发明了电灯，人类的生活方式才得以大大地改善！如果人类没有控制和利用火的技术，没有发明灯，世界将会是怎么样的一幅图景？正是人类对光明的需求，推动了照明技术的产生和发展。“技术”一词，起源于古希腊文，原意为经过熟练而获得的经验、技能和技艺，它既表示人造的器物，又表示人类的创造技能。在古希腊语境中，技术表示与自然相对立、相区别的人类活动。亚里士多德曾把技术看作是制作的智慧。这个时代的希腊人还不能把科学、技术和艺术三者进行区分。罗马时代，工程技术发达，人们对技术不仅只看做“制作”这个实的方面，也看到了“知识形态”虚的方面。18世纪末，法国科学家狄德罗（1713-1804）在他主编的百科全书条目中开始列入“技术”条目。他指出：“技术是为某一目的的共同协作组成的各种工具盒规则体系。”这是较早给技术下的定义，至今仍有指导意义。直到现代，许多辞书上的技术定义，基本上没有超出狄德罗的技术概念的范畴。在我国，“技术”一词源于汉朝，史记货殖列传已经使用“技术”一词，如 “医方诸食技术之人”。在我国古代，与“技术”相近含义词汇有“技”、“术”、“工”、“巧”、“劳”等。 随着时代的发展，技术的内涵越来越丰富，包括工艺、程序、规则、设备、系统、方法，甚至创意、理念和活动等等。因此，鉴于技术本身的复杂性和多样性，使得给技术下定义极为困难。图1.2.1 左为司南，中为北宋的火药箭，右为印刷术这里，以美国国家技术教育标准为例来看关于技术的定义。这个定义大致代表着目前美国学术界对于技术概念的理解的标准版本。在美国国家技术教育标准中是这样定义的：“技术”，这个词包含有很多种意义和内涵。它可以指人类发明的产品和人工制品盒式磁带录像机是一项技术，杀虫剂也是一项技术。它可以表示创造这种产品所需的知识体系，还可以表示技术知识的产生过程以及技术产品的开发过程。有时，人们非常广义地使用技术这个词，表示的是包括产品、知识、人员、组织、规章制度和社会结构在内的整个系统，比如，谈到电力技术或因特网技术时便是这种广义的含义。像这样的技术定义，虽然是出现在普及性的著作里，但它与我们通常在许多技术哲学和技术史研究中所用的概念，差别并不是很大。不过我们也会发现，这样的定义其实还是有些狭窄。现在广义上对技术的定义为：技术是指人类在利用、改造和保护自然的过程中通过创新所积累的经验、知识、技巧以及为某一目的共同协作组成的规则体系，这一体系是不断发展的。图1.2.2 造纸术古代，我国的科学技术在许多方面曾经居于世界前列。在这些辉煌的技术成就中，对世界技术发展和历史进程影响最大的就是四大发明，即指南针、火药、造纸术和印刷术（如图1.2.1和图1.2.2）。指南针把航海技术推进到了一个新时代。人类在远古开始旅行时，最初白天是靠看太阳定方位的，由于我国处于北半球，人们看到的太阳多在南方，所以人们在测向时一般测定南方，因而我国发明的测向仪也是先测定“南”的方位，并称这种测向仪为“指南针”（图1.2.1左为司南，是我国较早的指南针）。在发明指南针之前，不要说航海，就连在陆地上旅行，有时候也不容易分清楚东南西北。正是因为有了指南针的发明，全球的航海事业才发展起来。火药的发明也是非常了不起的，它本来是中国古代的药物学家和炼丹家为治病救人、追求长生不老而炼制出的灵丹妙药，但是它却偏偏钟情于战争之神阿瑞斯，在战争中显示出自己独特的魔力。它的应用不仅是军事技术史上的一次飞跃，而且整个世界的作战方式也为之一变。尤其是在它传入西方之后，它便成为西欧新兴阶级反对封建贵族、埋葬旧世界的利器，因而其意义尤为重大。在发明造纸术之前，欧洲人把字写在石头、羊皮上，我们中国人则把字刻在竹片、木块甚至龟壳上。在这种情况下，人类的文化科学怎么能迅速提高和普及呢？后来我们勤劳聪明的祖先发明了一种奇妙无比的新型生产材料纸。它性情温柔随和，令裁缝手中的刀剪方圆随意，任天生浪漫的文人墨客的脱缰思绪涂红墨绿。它潇洒飘逸，伴携金带银的商人贾客走东窜西；它看似柔弱却韧劲无比，包金裹昔在昨天与今天之间架起桥梁，数度救文明于奄奄一息。如果说纸张为信息的传播提供了最经济最方便的载体的话，那么印刷术则为信息的传播插上了奋飞的翅膀，它使人类的各种信息能跨越时空的鸿谷以飞快的速度向四面八方传播。因而印刷术的出现对于整个人类文明的演进无疑也起了巨大的促进作用。这些闪耀着人类智慧之光的伟大发明是我国古代人民用自己的聪明才智和辛勤汗水所浇灌出的璀璨的技术之花。2、技术的结构及其类型宏观上来说，各种技术组成的技术体系是作为各种技术有机联系的整体，有它的结构即技术结构，它是指国家、部门、地区或企业在一定时期内不同等级、不同类型的物质形态和知识形态技术的组合和比例。它反映技术水平和状况，影响及至决定产业结构和经济发展。合理的技术结构是国民经济持续、高速度和高效益地发展的基础和重要条件。 技术结构主要由经验形态、实体形态和知识形态三种技术要素构成。按照技术要素在技术结构中的地位和作用，相应地可以将其划分为经验型技术结构、实体型技术结构、知识型技术结构。技术结构的历史发展模式就是从单相技术结构（经验型技术结构）向双相技术结构（经验型技术结构和实体型技术结构）和三相技术结构（经验型技术结构、实体型技术结构和知识型技术结构）逐步强化的过程。（1）古代单相的技术结构模式。在古代，技术结构只包括经验型的技术结构，这是由于古代的生产力发展水平很低，主要是人直接或通过简单的工具作用于自然。人们认为技术就是经验、技能的表现。（2）近代双相的技术结构模式。在近代，包含两个功能结构单元，除了在农业和手工业等领域依然存在经验型的技术结构以外，还有实体型技术结构，这充分体现出近代工业革命以来技术发展的特点。在工业革命过程中，随着纺织机、蒸汽机的问世，逐渐诞生了和古代手工工具具有本质区别的新的实体技术形态机器。但是工匠的手艺并没有销声匿迹，只不过改变了形式，从手工操作为基础的经验技能变成了以机械操作为基础的经验技能，这就使得自然力代替了人力。但是这种实体型技术结构中的知识形态是半经验、半理论的。（3）现代三相的技术结构模式。在现代，除了依然广泛存在的经验型技术结构和实体型技术结构以外，还有知识型技术结构。现在技术过程中产生了比机器更加独立于人的新工具自控装置，引起以技术知识为基础的知识性经验技能的产生。这种知识型技术结构需要工人深刻理解技术过程的原理知识，对工人的知识水平要求较高，因此国外许多发达国家中的知识型工业技师的人数与日俱增。第三节 科学革命的三个阶段科学是人类心灵的壮丽的探险，起源于人类认识世界与改造世界的需要，有着悠久的历史。但是，科学作为一种引人注目的社会力量，则是从近代欧洲的文艺复兴时期开始的。科学的本质在于不断地探索。问题试探性理论消除错误新的问题，这样的循环周而复始，永无止境。科学革命是指人类对客观世界规律性的认识发生具有划时代意义的飞跃，从而引起科学观念、科学研究模式以及科学研究活动方式的根本变革。例如，重要的科学新领域的开拓；对科学发展具有全局性影响的，并因此而使科学跃升到一个新水平高度的新概念和新理论的创立等。一般认为科学发展到今天经历了三次大的革命。1、第一次科学革命第一次科学革命发生在16世纪到17世纪，它使自然科学摆脱神学统治走上独立发展的道路，从而建立了近代自然科学体系。图1.3.1 伽利略古代没有专门的科研机构，科学家们都是独自开展工作。在中世纪，西方整个社会在基督教神权统治下，学术研究中占统治地位的是经院哲学。到了16世纪，由于航海运动的兴起，为了确保船只航行的方向和编写航海历法，天文学受到了空前的重视，但是在天文学中占统治地位的学说是地心说，这种理论体系庞大，计算复杂，已经无法满足编制精密历法的需求。哥白尼在神学和传统的支持下开始自己的研究，提出“日心说”，并于1543年发表了他的天体运行论。后来，人们把这一年称为近代科学革命的开端。有意思的是，发动这场革命的哥白尼是个教士。一辈子在寺院供职的哥白尼提出的学说，把地球从宇宙的中心降至一颗普通的行星，从而贬低了作为上帝之子、万物之灵的人类的高傲地位。应该说，在我们今天看来，日心说也有很多错误，但是正是由于日心说的出现，近代科学才率先在天文学上取得突破，第一次把科学从神学中解放出来，掀起了一场轰轰烈烈的革命。哥白尼去世以后，伽利略（1564-1642）、开普勒（1571-1630）、布鲁诺（1548-1600）等为了捍卫他的科学真理，伽利略坐了牢，布鲁诺被烧死了，献出了宝贵的生命。在人类发展的历史上，科学革命与社会革命一样，也需要付出抛头颅洒热血的沉重代价。无独有偶，1543年比利时医生维萨留斯（1514-1564）也出版了一本书人体构造论。过去的医学、生理学都没有建立在解剖和实验的基础上，维萨留斯的人体构造论就此创立了人体解剖学。天体运行论、人体构造论，前者从自然界的大宇宙，后者从人体的小宇宙，分别把天文学、生理学建立在观察和实验的基础上，标志着近代科学革命的开始。自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来，首先发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学。经典力学体系的形成不是哪一个人的功劳，而是一批科学家共同努力的结果。这些科学家中最引人注意的是意大利的伽利略和英国的牛顿。伽利略是打开近代自然科学大门的大师，他不仅在天文学上有所成就，而且在物理学、数学、力学等学科中均有贡献，然而他所以能誉为科学巨匠的则主要是基于他对力学，尤其是动力学方面的贡献，这一贡献为牛顿完成经典力学的综合工作奠定了基础。伽利略的意义不仅是知识上的，他是亚里士多德时代的终结者，是牛顿时代的奠基人。他突破传统，开创了一种新的科学方法，即坚持实验为基础，从实验中发现世界的科学方法。爱因斯坦对此评价很高：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”近代物理学，尤其是力学的研究，在牛顿手中得到了综合。近代自然科学自诞生以来，主要是沿力学和天文学两条路线发展，牛顿在这两方面进行了第一次知识大综合，建立了经典力学体系，揭示了宏观物质世界的运动规律，开创了一个崭新的时代牛顿时代。 近代科学革命除了物理学上的成就外，还有数学、化学、生理学等等学科。数学方面，在古代天文坐标和地理坐标的基础上，近代逐渐出现了几何坐标，这种坐标将数和形联系起来研究，代数和几何就联系在一起了，之后笛卡尔（1596-1650）和费马（1601-1665）将变量和函数引入了数学，从而创立了解析几何学。牛顿和莱布尼兹（1646-1716）分别独立的发明了微积分。从此，数学进入了一个全新的发展时期高等数学的发展时期。 化学方面，波义耳（1627-1691）在怀疑的化学家一书中提出元素的概念，标志着化学科学的确立。化学从此走上了计量化的道路。生理学方面，维萨留斯的人体构造论为近代解剖学奠定了基础，他强调解剖学的知识应该建立在解剖的直接经验基础上。哈维在前人的基础上创建了人体的血液循环理论，使生理学成为一门独立的科学。哥白尼的日心说、维萨留斯的人体结构论、开普勒行星运动三定律、伽利略的抛体理论、哈维的血液循环理论、牛顿的经典力学体系这些理论所体现的论述上的数学化、方法上的还原论、内容上的力学倾向等风格，后人称为机械自然观。机械自然观是和中世纪流行的亚里士多德的自然观相对立的。波义耳以及后来的拉瓦锡、道尔顿等化学家，成功地把化学反应还原为原子的机械运动，建立了物质结构的机械论图景；维萨留斯和哈维建立了人和动物的血液循环理论，这是典型的力学过程的理论；笛卡尔建立了解析几何，把空间中每一点的位置还原成三维坐标分量；伽利略和牛顿把复杂运动看成若干简单运动的合成。可以说，机械自然观支配着整个近代科学的发展。机械自然观在当时促进了科学的发展，但是也给后世留下许多不良影响。机械自然观的思维方式是静止的、片面的，它采用力学的机械运动方式解释一切自然现象，形成了一种机械的认识方式，认为自然界所有的规律都是必然的，不受任何偶然因素的影响，从而机械自然观把最终的原因归结于上帝。所以，恩格斯说：“哥白尼在这一时期开端给神学写了挑战书；牛顿却以神的第一推动的假设结束了这个时期。”2、第二次科学革命 第二次科学革命，发生在19世纪，它是物理学、生物学、化学等一组科学革命群。物理学革命是指开创了热力学与电磁学两大新领域。法国物理学家卡诺（1796-1832）、德国医生迈尔（1814-1878）和英国物理学家焦耳（1818-1889）等人先后发现了能量守恒与转化原理，创立了热力学。这一科学成果为日后内燃机的发明奠定了理论基础。经英国科学家法拉第（1791-1867）、麦克斯韦（1831-1879）和德国物理学家赫兹（1857-1894）三代人的艰辛努力，创立的电磁理论，使人类掌握了打开电磁世界的金钥匙，得以进入电力文明的时代。化学革命是指化学领域的四大成就。18世纪70年代，法国著名化学家拉瓦锡（1743-1794）创立氧学说，彻底推翻了统治西方世界近百年错误的“燃素说”。“燃素说”是德国医学教授和化学家柏策（1635-1682）提出来的，他认为物质燃烧是因为物质中存在一种没有重量的可燃因素（即燃素，由他的学生施塔尔命名），燃烧过程就是燃素和物质分离的过程。燃素说能解释一些化学现象，但是无法解释金属燃烧释放出燃素后反而变重等等现象。拉瓦锡在普列斯特发现氧元素后对燃烧现象进行了研究（图1.3.2是拉瓦锡的实验设备），全面否定了燃素说，认为金属燃烧是金属和空气中的助燃气体被金属吸收了，为建立氧化燃烧理论奠定了基础。英国科学家道尔顿（1766-1844）于1808年提出了科学的原子学说，化学中的新时代是随着原子论开始的。德国化学家维勒（1800-1882）、李比希（1803-1873）创立了有机化学。李比希的学生们将这一理论应用于实践，开辟了有机化学工业时代。俄国化学家门捷列夫（1834-1907）于1869年发现元素周期律，不仅奠定了现代无机化学的基础，还有力推动了物理学及其他学科的发展。图1.3.2 拉瓦锡的实验设备生物学革命是指细胞学和进化论的创立。德国生物学家施莱登（1804-1881）和施旺（1810-1882）创立细胞学说，使人类对生命科学的研究从宏观过渡到微观领域。现代生物学的许多重大成果，都是在对细胞深入研究的基础上发展起来的。1859年达尔文（1809-1882）的名著物种起源揭示整个生物界发生、发展规律，并给宗教神学以致命打击，使人们从神学的桎梏中解放出来。这一时期许多科学部门开始从经验描述上升到理论的概括，逐渐形成了自己的统一整体，并进而导致在各个主要的科学领域中出现了具有根本意义的发现和革命，从而在十九世纪形成了自牛顿时代以来的又一次科学高潮，使得几乎在各个学科、各个领域都取得了革命性的进展。最为重要的是，科学进步所揭示的关于自然事物的发生和发展过程，以及整个自然界是一个相互联系的整体，彻底动摇了牛顿时代以来形成的机械自然观，为辩证唯物主义自然观的产生准备了条件。另外，十九世纪以前，科学和技术是脱节的，社会生产的大部分是建立在传统经验技术的基础之上的，科学只能躲在经验救赎留下的空隙中发挥作用。到了十九世纪，特别是十九世纪末，不仅完全奠基于科学的新兴工业正在兴起，而且科学正在向技术渗透，改变了科学得益于社会多于它给予社会的状况，而使社会技术的进步和生产本身的存在与科学紧密联系在一起了。3、第三次科学革命第三次科学革命，发生于20世纪，起源于四项重大科学的诞生。第一项是爱因斯坦在1905年提出的相对论。1905年6月，爱因斯坦完成了具有划时代意义的论文“论动体的电动力学”，创立了“狭义相对论”。传统的物理学都是以牛顿的理论为基础的，认为时间和空间是绝对的，两者没有任何直接联系，似乎宇宙存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为标图1.3.3 爱因斯坦及他最著名的公式准。但爱因斯坦不这么认为，他认为光速才是不变的，提出了光速不变原理，从而得出时间和空间不是绝对的，而是相对的。从光速不变原理推出的几个重要结论在当时是惊世骇俗的。他指出，在接近光速的情况下，运动着的尺子要缩短，运动着的时钟要变慢。爱因斯坦的相对论（图1.3.3是爱因斯坦和他最著名的公式）具有极其重要的基本理论意义，是现代物理学的理论基础之一。这一理论在其后的原子能研究中得到了应用。图1.3.4 Csl的电子衍射图样第二项是量子力学。1900年，德国物理学家普朗克首先提出了量子假说，认为物体在发射和吸收辐射时，能量的变化不是连续的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式变化的，也就是说，在发射和吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小能量单元，即“能量子”。普朗克本人非常清楚“能量子”的概念与传统观念是不相容的。在很长一段时期内人们都普遍相信一切自然过程都是连续的，如果对这都要提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，那就会迫使我们去乞求奇迹或机遇来解释自然现象了。正是基于这样的信念，普朗克后来千方百计想把能量子概念纳入经典物理学的框架中，使得他没能对量子论的发展做出进一步的贡献。这就是有名的“普朗克的徘徊”。虽然普朗克陷入了犹豫和徘徊，但科学的发展却由不得他倒退。1905年爱因斯坦应用量子论提出了光量子论。随后，英国物理学家卢瑟福和丹麦物理学家波尔将量子论用于原子结构的研究，从而使量子论得到世界物理学家的公认。1924年，法国科学家德布罗意（1892-1987）在他的博士论文中系统阐述了物质波理论，指出像电子这样的实物粒子也是具有波动性的（图1.3.4）。随后，德国物理学家海森伯、奥地利物理学家薛定谔创建的完整量子力学成功地揭示了微观世界的基本规律，它对于原子如何结合成分子、阐明分子的性质提供了理论依据。 图1.3.5 DNA的双螺旋结构第三项是分子生物学。人类对生命现象的认识是围绕遗传问题展开的。所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”的经验之谈，从生物学角度看就是遗传性问题。关于生物的遗传有无规律？是什么决定遗传？这是千百年来人们一直在努力探索的问题，直到19世纪60年代后才有了眉目。1879年德国科学家弗莱明发现用碱性苯胺染料可以把细胞核里的一种丝状物质染成深色，这种物质就是染色体。1910年，美国遗传学家摩尔根对果蝇进行研究时发现一群红眼果蝇中有一只白眼雄性果蝇，他用这只白眼雄性果蝇和红眼果蝇交配，结果第二代中白眼果蝇全是雄性的，由此他认为决定白眼的遗传因子是与决定性别的遗传因子联系在一起的，并于1915年提出染色体学说。1944年美国人艾弗里等发现脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，缩写为DNA）携带遗传信息。1953年，美国生物学家沃森和英国物理学家克里克在借鉴别人研究成果的基础上，经过18个月的合作在自然杂志上发表了论文核酸的分子结构，提出了DNA的双螺旋结构（如图1.3.5）。这篇论文的发表标志着分子生物学的诞生。第四项是系统科学。20世纪初以来，科学研究的状况发生了转变，由过去主要比较单纯的孤立事物为研究对象转变为以世界事物的复杂性为解决目标，这种转变引发了众多综合性学科的诞生，首先就是系统科学的兴起。系统科学就是对各种客观存在采用从整体上研究它的客观特性的科学。它主要包括了控制论、信息论、系统论等。这几种理论几乎同时在20世纪40年代发展起来。1948年，美国数学家维纳出版了控制论，标志着控制论的诞生。他主要研究了如何使一个系统按照事先规定的目标进行运动，如何根据信息反馈不断调整控制某一系统的运动。美国数学家申农研究了如何把各种信息存储、传输和转换，并于1948-1949年发表了两篇论文通讯的数学理论和噪声中的通信，为现代信息论奠定了基础。1948年美籍奥地利生物学家贝塔朗菲提出了一般系统论，探讨了系统科学的方法论。这三个理论有许多共同点，他们都是在探讨不同系统所遵从的一般理论，分析所有系统所应具有的概念、规律等。系统科学的发展推动了各种具体系统工程技术的发展。在这四项重大科学的基础上，建立了电子学、分子生物学、能源科学、材料学、空间科学、环境科学、生态科学和海洋科学等综合科学，也就是出现了横跨自然科学和社会科学的新的科学革命。量子力学、分子生物学、相对论等理论的建立把间断性与连续性、波动性与粒子性、决定论与非决定论、偶然性与必然性等辩证关系引入了自然科学，从而形成了辩证的自然观。第三次科学革命反映了现代科学综合化、整体化的发展趋势。目前，这场科学革命正在与新的技术革命紧密结合，广泛而深入地发展，方兴未艾。第四节 人类历史上的三次技术革命技术革命是指人类在改造自然界的手段和方法方面的重大发明和突破。它标志着人类征服自然、改造自然的飞跃。它必将在生产技术领域引起重大变革，形成新的社会生产力，并将进一步引起产业结构、生产体系、经济结构和人类社会生活方面的变化，引起产业革命。1、第一次技术革命从纺织技术的进步到蒸汽机技术革命200多年前，人类历史上发生了一次意义重大的革命。这场革命就是第一次技术革命，以纺织机的改革为起点，蒸汽机的发明和使用为标志。第一次技术革命开始于英国的纺织业机械化。1733年英国兰开夏郡的钟表匠约翰凯伊发明了织布飞梭，用飞梭的自动往返代替了手工投递，织布速度提高了一倍，并使布面加宽。到1760年，飞梭已经得到普遍推广使用，而纺纱技术并没有进步，结果纺纱与织布不协调，长期发生“纱荒”。图1.4.1 织布飞梭图1.4.2 珍妮纺车于是研制新的纺纱机械成了当时的首要问题。1764年，曾当过木工的织布工人哈格里沃斯行走时不小心踢翻了女儿珍妮的纺车，倒地的纺车锭子竖了起来，而轮子带动锭子仍在飞快地转动着，这使他想到：如果把几个锭子同时竖起来，其效率不是要比一个横锭要提高几倍吗？于是他发明了效率可提高八倍的有八个竖锭的纺车。为了纪念他女儿的纺车给予他的启示，哈格里沃斯把自己发明的纺车命名为“珍妮纺车”。到1790年时，珍妮纺车已经在英国普遍推广。珍妮纺车消除了纺纱和织布之间的供需瓶颈，成了产业革命的火种。随着珍妮机的纱锭日益增多，使人力作为动力越来越困难，同时珍妮纺车存在纺出的纱线不够结实的缺点。于是水力纺纱机应运而生，1769年理发师阿克莱特发明了水力纺纱机，生产效率提高了10倍。然而，纺纱厂房需要建立在河边，限制了纺纱工业的发展，并且水力纺纱机的产品仍然过于粗糙。1779年，童工出身的发明家克隆普敦把珍妮机和水力机的优点结合起来制造出了“骡机”， 骡机解决了纺纱的动力问题，纺出的纱线既结实又美观，是技术上成功运用综合杂交方法的一个范例。在第一次技术革命发展的第二阶段，蒸汽技术在社会生产部门成为占主导地位的技术。提起蒸汽机的发明，我们首先想到的是瓦特。其实，蒸汽机的发明经历了一个漫长的过程。蒸汽机是利用水蒸汽作为工作物质，把热能转变成机械能的热力发动机，即热机。早在一世纪，古希腊罗马时代的赫伦就发明了一种玩具蒸汽反冲球，它是近代蒸汽机的雏形。第一部活塞式蒸汽机是法国物理学家巴本1609年发明的。巴本是惠更斯的学生和助手，他在莱布尼兹的提醒下提出了蒸汽机的基本模型。巴本认为这种蒸汽机可以用于矿井抽水、推动船只等。以后的蒸汽机基本上是按照他的道路前进的。17世纪末，英国很多矿井遇到了严重的积水问题。当时一般只能靠马力带动轱辘来排除积水。据说有的矿井用来抽水的马匹达到五百匹之多，这是令矿主十分烦恼的事情。为了排除矿井积水，英国皇家工程队的军事工程师赛维利大尉积极进行了蒸汽泵的研究，制成了第一台具有实用价值的蒸汽机，称之为“矿工之友”。他的蒸汽泵的主要构件，是汽缸与锅炉。后来，英国的铁匠纽可门研究了赛维利蒸汽泵，他在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空可以在交互作用下推动活塞作往复式的机械运动，蒸汽泵也就成为了蒸汽机。1705年，纽可门、考利和赛维利一起终于试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机，并将其广泛应用于矿井排水和农田灌溉。图1.4.3 瓦特的蒸汽机纽可门机在近半个世纪里基本普及到英国的各个矿区。但是随着工业生产对动力机械需求的增长，它越来越无法满足要求，人们又开始探索新的蒸汽机型。1769年，徒工出身的苏格兰机械师詹姆斯瓦特（1736-1819）在对纽科门大气压力蒸汽机改进的基础上，研制出了第一部单动式蒸汽机。到1782年，瓦特又成功地改制出旋转运动的复动式蒸汽机。经过一系列改进后的瓦特蒸汽机切合实用、效率高、性能可靠，并开始走向标准化，逐步普及到整个工业领域。蒸汽机的发明和应用，具有划时代的意义，是第一次工业革命的主要标志，故19世纪被称为“蒸汽时代”。蒸汽动力的广泛运用，带动了纺织工业、冶金工业、煤炭工业、交通运输业、机器制造业的飞跃发展。特别是蒸汽机用于交通，产生了火车、轮船等便捷的交通工具，从此人类进入了现代生活。在第一次技术革命中，科学的作用是很小的，技术的创新基本上是靠经验悟通的。生产第一线的工人根据经验不断摸索和积累，对生产工具进行改进，第一代的机器也是靠经验积累摸索创造出来的，科学家的研究还很少与工业生产的技术改进相联系。2、第二次技术革命内燃机的发明和电力技术革命在现代社会，电是人类不可缺少的能源。无论是生产劳动还是日常生活，电都发挥着至关重要的作用。因此，应该感谢第二次技术革命，是这次革命把人类从蒸汽时代带入了电气时代。第二次技术革命是世界科学技术领域的一场重大变革。它开始于十九世纪六七十年代。虽然它称为第二次技术革命，但它决不是第一次技术革命的简单延续，它的突出特点是理论在先，技术在后，是科学与技术结合的结果。第二次技术革命以内燃机和电力技术的应用为标志，因此第二次技术革命的时代被称为“电气时代”。 动力机按工作方式可以划分为外燃机和内燃机两大类。燃料在气缸外燃烧，然后将产生的蒸汽导入气缸做功的动力机，称为外燃机，例如蒸汽机。而凡是燃料直接在气缸中燃烧，燃烧时产生的气体推动活塞或转子，将热能转化为机械能的动力机，称为内燃机。第一次技术革命中蒸汽机起了非常关键的作用，但是蒸汽机在广泛应用中暴露了很多缺点：体积庞大、热效率低下、安全性差、操作复杂。当时蒸汽机最好的效率不过10%-13%，18世纪发明的蒸汽机汽车就是因为过于笨重而被淘汰，英国在1862-1879年间爆炸事故达到一万多起。这样，蒸汽机的应用受到很大限制。因此，急需一种新型动力替代蒸汽机。要克服蒸汽动力的不足就必须从燃料燃烧做功的途径入手，显然，减少能量转换环节的内燃机是发展的方向。图1.4.4 奥托的内燃机内燃机的关键在于找到一种适于在汽缸内直接燃烧做功的轻质燃料。第一种燃料是英国的蒸汽动力先驱默多克于1792年发现的，这就是由煤炭的干馏过程中获得的可燃煤气。随后，1869年法国发明家雷诺（1821-1900）制成了第一台实用内燃机，这是一台二冲程、无压缩、电点火煤气机，热效率仅4%。雷诺的内燃机运转平稳，造价便宜，可以实用，吸引了不少人，人们开始认真考虑用内燃机取代蒸汽机的可能。其后，随着热力学理论的发展，1876年德国工程师奥托（1832-1891）研制成功了第一台四冲程往复式活塞内燃机，热效率达14%，这是空前的。这种内燃机立即得到了大量推广，性能也不断提高，1894年热效率达到20%以上。19世纪末，石油工业蓬勃发展，用石油取代煤气作燃料成为趋势。1883年，戴姆勒制成了第一台四冲程往复式汽油机。1892年德国工程师狄塞尔发明了柴油机。柴油机结构简单，燃料更便宜、热效率更高，成为重型动轮工具的大动力机，但由于压缩比大，所以较汽油机笨重。狄塞尔机的问世，标志着往复活塞式内燃机的发明基本完成。此后，又出现了燃气轮机、旋转式活塞发动机等新型内燃机。正如蒸汽动力的应用推动了第一次技术革命一样，内燃机作为全新动力，与电力一起掀起了第二次技术革命的高潮。内燃机问世后，立即在社会经济、军事中获得了广泛的应用，深刻影响了人类文明的现代化进程。对农业和交通运输业来说，内燃机的重要性甚至超过了电力。内燃机的发明还推动了石油开采业的发展。1870年世界石油产量只有80万吨，到1900年就猛增至2000万吨。但是内燃机的诞生也具有二重性影响，在我们广泛享受内燃机的优点时，又面临着使用内燃机过程中日益暴露的一些难以克服的矛盾，即内燃机的废气造成了严重的大气污染和噪声污染，严重威胁到人类的健康，破坏了地球的生态平衡。电力技术革命是第二次技术革命的核心之一。它的关键技术是电能的产生和利用。到十九世纪二三十年代，科学技术的发展已经具备了产生电气化的条件。伏打电堆的问世，奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现的电磁感应定律及试制出的电动机、发电机模型，为电动机和发电机的发明制造奠定了理论和实验的基础。上述法拉第的电机模型功率小，没有实用价值。根据安培定律，产生强大机械动力，就必须有强大的磁场。早期的电动机大多用天然的永磁体，所以磁场强度不足。1823年，英国科学家斯特金发现在U型铁棒上绕了铜线后，当铜线通电时，铁棒能被磁化且空间的磁场强度加大，这就是所谓的电磁铁。1829年，美国物理学家亨利（1779-1878）用绝缘导线替代裸铜线，进一步加强了电磁铁的磁场强度。亨利的电磁铁成为电动机功率获得突破的契机。1834年，德国电学家雅克比将亨利的电动机模型的水平电磁铁改为转动的电驱，加装了脉动转矩和换向器，试制出第一台实用的电动机。1838年，雅可比把电动机装在一条船上用作动力，用数百个大电池供电，进行了成功的试航，这是世界上第一艘电动船，航速仅每小时2.2公里。1844年前后，永磁发电机和双重电动机配套使用，在实际生产中得到应用。1854年，丹麦电学工程师乔尔塞发明了混激式的发电机，发电机中除了装有永磁体外又加了电磁铁，明显提高了发电机的功率。1857年，英国物理学家惠斯通（1802-1875）发明了自激式发电机，这种发电机的激磁机构完全是由电磁铁组成，而电磁铁的电力则是由一个独立的伏打电池来提供，其发电功率又远高于混激式发电机。1867年，“近代德国科学技术之父”西门子（1816-1892）发明了自激式直流发电机，电磁铁的励磁电流来源于发电机本身，去掉了笨重的伏打电池，使得发电机结构更加简化，而且功率大幅提高，发电成本明显降低。1875年，比利时电学家格拉姆（1826-1901）、西门子公司的电气工程师阿尔特涅克在前人基础上对发电机予以进一步改进，使发电机效率大大提高，开始进入实用阶段。在1873年的维也纳工业展会上，由于一位工人偶然的失误把一对电线错接到一台正在运行的格拉姆发电机上，结果发现这台发电机的转子改变了方向，变成了一台电动机。从此，人们认识到直流电机既可以作发电机也可以作电动机，这对电机的设计与制造产生了深刻的影响。图1.4.5 爱迪生的灯泡随着对交流电优越性的不断认识，交流电动机，特别是三相交流电动机的研制成功，为交流电大规模应用创造了条件。1885年，意大利物理学家费拉里斯（1847-1897）建立了旋转磁场原理，为交流发电机的理论做出了决定性的贡献。1889年，俄国工程师多里沃-多勃洛沃尔斯基制成了第一台实用的三相交流单鼠笼异步电动机。电力技术革命的一个重要方面是电力应用于家庭照明。“楼上楼下，电灯电话”就曾经是中国人的奋斗目标。1879年，美国著名发明家爱迪生（1847-1931）完成了实用白炽灯的发明，并于1881年在巴黎博览会上将蒸汽机与发电机连接起来，同时点亮了1000盏灯，震惊了世界，从此迎来了没有黑暗的新时代。内燃机的出现，促进了石油的开采；发电机和电动机的发明，导致了“电气化”时代的到来；电话、电车和无线电的发明，进一步便利了交通；伴随而来的还有炼钢技术的改进，化学在工业中的广泛应用，从而形成了世界范围的第二次技术革命。在这其中，科学的影响全面深入地渗透到社会经济各个领域，成为引领文明发展的原动力，实现了科学与技术的真正结合。第二次技术革命从一开始就超出一国的范围，具有地域广泛的特点，发展进程极为迅速。这一时期中，不仅使原有的重工业部门（钢铁、采煤、机器制造等）有了进一步发展，而且形成和发展起来一系列新的工业部门，如电力、电器、化学、石油、汽车和飞机制造等，使世界工业生产又有了新的发展。到十九世纪末，重工业在世界工业中开始占主导地位。 继英国之后，美、法、德、日等先进国家实现了工业化，成了以重工业为主导的工业国。工业的进步和资本主义经济体系向全世界的扩展，促进了交通运输和国际贸易的发展，同时也推动了农业生产的发展，各资本主义国家的农耕技术有了进一步提高，粮食产量有了显著增长。3、第三次技术革命高科技时代图1.4.6 中国第一颗原子弹爆炸成功进入二十世纪四十年代后，原子能、电子计算机、高分子合成材料、空间技术等高科技的相继出现，拉开了第三次技术革命的序幕。这次技术革命的进程大体可以分成两个阶段，40年代至60年代为第一阶段，主要标志是原子能、空间技术和电子计算机