第7章：20世纪的科学技术与社会

科学技术与世界文明 第7讲 20世纪的科学技术与社会 科学技术与世界文明 考试说明 课件公共邮箱 kxjsysjwm 密码 111111按教学计划 本课程为2 11周 其中第11周为考试周 考试方式与注意事项 1 开卷考试 允许带纸质材料 不允许带任何电子设备 如笔记本电脑等 2 考试内容 课堂讲授内容 3 考试时间 11月24日 18 00 19 30 4 考试地点 平时上课的教室主M401 5 考题类型 简答 论述 6 在答题纸的右上角注明学号和姓名 7 自己带足考试用笔 科学技术与世界文明 20世纪主要科学技术成就 第二个科学的世纪理论科学两大科学革命四大理论模型应用科学两大超级能量两大生活技术 科学技术与世界文明 19 20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 1895年 伦琴 1845 1923 研究阴极射线时意外发现X射线 获得1901年诺贝尔物理学奖 是第一个获奖人 通过X射线促进了或激励了一连串发现 1896年 贝克勒耳 1852 1908 意外发现放射线 1897年 汤姆逊证实了电子的存在 居里夫妇发现放射线元素 钍 钋和镭 证实元素的嬗变 促使元素嬗变理论建立 卢瑟福 1902年 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 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 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 迈克尔逊 莫雷所做的 以太漂移实验 科学技术与世界文明 科学技术与世界文明 物理学革命 以太漂移实验1905年 爱因斯坦 1879 1955 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 论动体的电动力学 以同时性的相对性为突破口 给出了新的时间空间理论1916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1921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 思想实验 爱因斯坦电梯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1919年 广义相对论理论被验证 科学技术与世界文明 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 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 2 量子论和量子力学建立 科学技术与世界文明 量子力学的自然图景 在微观领域引入概率随机性 波粒二象性 定域性 波是弥散的 突现了量子现象的整体性以及伴随而来的主客体分界的模糊性 测不准原理 能量和时间 质量和动量 黑屋子里的球 连续轨迹的概念不连续的量子跃迁概念严格决定论的概念概率决定论的概念定域的概念整体论的概念 爱因斯坦与玻尔 哥本哈根学派 就量子力学是否完备所发生的长达30年的争论 科学技术与世界文明 四大理论模型 宇宙学中的大爆炸模型数学模型观察证据 哈伯红移 爱丁顿 本底噪音 微波背景 粒子物理学中的夸克模型一尺之捶 日取其半 万世不绝相对论效应 质能转换夸克禁闭 你敲击的能量越大 它禁闭的能量也越大 分子生物学中的DNA双螺旋模型基因时代 基因复制 基因修补 基因重组DNA双螺旋模型得益于理论物理学的发展地球科学中的板块模型纵向运动 横向运动魏格纳冯 诺依曼模型 科学技术与世界文明 重要分支学科 科学技术与世界文明 科学技术与世界文明 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 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 makinganewscience 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 分形学 曼德布罗特 大自然的分形几何学 彩图4 创始人为曼德布罗特 B B Mandelbrort 1924 他的 分形 形态 机遇和维数 及其修正本 自然界的分形几何学 是分形理论问世的重要标志 分形 fractal 意指不规则的 支离破碎的 该词由数学家曼德布罗特新造 用以描述自然界中极不规则 极不光滑的物体形体 弯弯曲曲的海岸线 起伏不平的山脉 粗糙不堪的断面 枝繁叶茂的树木 飘舞飞扬的雪花 变化无常的浮云和九曲回肠的河流等 分形是描述无标度性对象的概念 具有分形物体的特征是分数维数 分形和分维数是科学家观察 描述和解释世界的新视觉 新视角 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 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 科学技术与世界文明 20世纪应用科学 两大超级能量核能的释放登月工程两大生活技术生物技术信息技术 科学技术与世界文明 20世纪100项新闻的科技部分 38 纯理论5项 DNA 相对论 量子论 弗洛伊德 进化论 核能利用4项 投弹 试爆 研制 核电站事故 航空3项 莱特兄弟 林白 喷气式 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 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 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 1919年 英国卢瑟福用 粒子轰击氮原子核 使其嬗变成氧原子 1932年 查得威克发现中子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 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 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 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 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 1933年 爱因斯坦移居美国1938年 费米逃往美国德国尚有普朗克 玻恩 海森堡 魏扎克 劳厄 哈恩 盖革1933年 匈牙利物理学家齐拉德 1898 1964 已经意识到核能的开发可能用于军事1935年 建议物理学家暂缓发表研究成果1939年 玻尔认为核能利用为时尚早1939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 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1941年12月 1942年12月 费米在芝加哥研制原子反应堆铀的提纯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 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 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 1944年底 盟军的特工小组已经发现德国造不出原子弹科学家的犹豫 继续干吗 缺乏政治和道义上的支持不干吗 不符合现代科学技术的精神好的理由 应该让全人类知道它的威力齐拉德 爱因斯坦的态度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 核军备竞赛 盟国之争45年8月 斯大林下令抓紧研制原子弹1949年8月 苏联成功地进行了核实验1952年11月1日 美国试爆第一颗氢弹1953年8月 苏联研制氢弹成功1952年10月3日 英国研制成功原子弹1960年2月13日 法国研制成功钚弹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 1公斤核燃料相当于2500吨煤1954年 苏联建成第一座小型原子能电站 1956 英国 1957 美国 核电站 成本低 污染小 效率高 但事故太可怕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 后果不严重核聚变 科学技术与世界文明 航空技术 气球与飞艇滑翔机 德国工程师李林塔尔 1848 1896 要想学会飞行 就要做出牺牲 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 1909年 法国人布雷里奥飞越英吉利海峡 36分钟飞行42公里1927年 美国人林白飞越大西洋飞行就是自由 飞行就是力量 如虎添翼 科学技术与世界文明 航天技术 1 从天空 sky 到太空 space 火箭 古代火箭与现代火箭俄国齐奥尔科夫斯基 1857 1935 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1926年 美国高达德 1882 1945 成功发射第一枚液体火箭 飞行高度12米 距离56米1930年 德国冯布劳恩 1912 1977 发明液氧与煤油混合燃料 1942年制成A 4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 1943年 布劳恩造出V 2导弹 重6吨 射程达300多公里 速度是音速的6倍1957年8月21日 苏联在科罗列夫 1906 1966 领导下发射第一枚洲际弹道火箭 射程达8千公里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 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 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 1959年1月2日发射了第一颗人造行星 梦想1号 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1960年10月4日 梦想3号成为月球的卫星8月10日 美国成功的回收卫星8月15日 苏联也将载有两条狗的太空舱2号回收 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 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1962年2月20日 格伦真正实现了载人轨道飞行计划1965年3月18日 苏联宇航员从座舱中走出 做了10分钟的太空漫步 3个月后 美国宇航员也做出20分钟的太空漫步 科学技术与世界文明 航天技术 5 阿波罗计划水星计划 将宇航员送上太空 以测试人在太空中的活动能力 1963年完成 双子星座计划 航天器的对接测试 1965年完成 土星计划 登月行动计划 1965