现代科学革命的发展历程

现代科学革命的发展历程

现代科学技术革命不仅极大地推动了人类社会经济、

政治领域的变革，也影响了人类生活方式、思维方式

的发展。

一、现代科学革命的产生

（一）科学革命的含义

科学的任务是不断探求和系统总结关于客观世界

的知识。科学的发展表现为渐进与飞跃两种基本形式

的辩证统一。科学发展的渐进形式是科学进化，即人

类对客观世界规律性的认识没有突破原有科学的规范

和框架。如某些新规律的发现，原有理论的局部修正

或者拓宽和深化。科学发展的飞跃形式是科学革命。

科学革命是指人类对客观世界规律性的认识发生具有

划朝代意义的飞跃，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。

科学革命这一概念是由英国剑桥大学教授H・巴特

菲尔德在《近代科学的起源》一书中第一次在一般性

意义上加以使用的。（H・巴特菲尔德，张丽萍等译。

《近代科学的起源》华夏出版社，1988年，第157~1

59页。）他把“科学革命”看作是比文艺复兴和宗教

改革更为重要的决定近代特征的划时代事件。从这以

后，无论是科学家还是哲学家，都很重视从理论上来

研究科学革命及其在历史上的作用。

对于自然科学，人们可以理解为关于自然的系统知

识，也可以理解为探索自然的方法，还可以理解为人

类社会活动的一个特定领域。就科学作为系统知识来

说，任何一门学科的概念、结构、范式的变化都可以

视为该学科的一场革命；就科学作为人类活动来说，

任何研究活动组织方式的变革也都可以看作是科学革

命。因此，由于角度的不同，人们对自然科学史上所

发生的科学革命有二次说、三次说、四次说和多次说

等不同认识，以主张三次说的较为普遍。实际上，科

学革命的实质，是指包括科学事实、科学理论、科学

观念三个基本要素组成的科学知识结构体系的根本变

革，其中作为体系硬核的科学观念居于最高层次，它

代表着一个时代科学思想的精华，为科学理论活动和

实践活动提供基本准则和框架。因此，只有相对稳定

的科学观念发生根本变革，并在科学共同体中得到确

认，才能构成科学革命。著名科学史和科学学家

J・D・贝尔纳认为：“许多科学观念的改变就总合成

为一场科学革命。”（贝尔纳。《历史上的科学》，

科学出版社，1981年，第210页。）

从科学发展史来看，科学革命的发生往往从个别学

科首先突破，产生新的、能更全面更正确地说明自然

界规律性的、反传统的科学观念。它一旦成立，便迅

速向其他科学知识体系全面渗透，使旧的知识体系被

逐步改造而向新的知识体系过渡，最后的科学共同体

中得到确认。因此，具有崭新科学观念的理论的提出

并被科学共同体所容纳是科学革命发生的标志。

（二）科学革命的历史反思

在人类历史的长河中，曾发生过多次科学技术变

革。但古代的科学尚处在萌芽状态，比较原始和零散,

还未形成相对完备的理论体系。只是到了近代，科学

才真正达到系统而全面的发展。因此，第一次科学革

命是指从哥白尼天文学革命开始，以牛顿、伽利略为

代表的经典力学体系的建立为标志的科学革命。

1.第一次科学革命

1543年，哥白尼发表了巨著《天体运行论》，提

出太阳中心说。与此同时:A•维萨留斯及其同学M•塞

尔维特提出了以心脏为中心的血液循环理论。它们真

实地反映了客观世界运动规律，无论在内容上还是在

方法上都与中世纪的科学有着本质的区别。在内容上

建立了“日心说”、“心心说”，否定了“地心说”、

“肝心说”；在方法上用重视观测实验的方法代替了

单纯思辩、推理演绎的方法，把科学建立在实验、观

测的基础上。这是第一次科学革命的开始。

哥白尼学说是向神学发出的挑战书，是自然科学的

独立宣言。当时占统治地位的、作为神学宇宙观支柱

的托勒密地心说，受到随地理大发现和航海探险而积

累起来的新的观测资料的挑战，客观上要求有新的理

论来代替它。托勒密地心说早先受到都会的禁止。到

13世纪，亚里士多德著作开禁以后，教会的态度发生

变化，他们歪曲地心说，把地球说成是上帝安排的“地

上的世界"，上帝使人类居于这个世界的中心，地球

之外是由诸神掌管的行星，上帝则居于“天上的世界”。

这种被宗教化了的“托勒密体系”，同托勒密原来的

学说有着明显区别。哥白尼受人文主义思想的影响，

对托勒密的体系产生怀疑，认为地球静止不动的观点

是不能成立的。1512年以前，他写了一个太阳中心说

提纲《试论天体运行的假说》，从1516年开始撰写《天

体运行论》，1525年完成，但一直到1543年才在朋

友帮助下出版。从科学的角度讲，哥白尼的体系有其

缺陷，但基本思想是正确的。在他的著作中不仅有理

论，还有证实理论的观测和计算，可以说他完成了天

文学学科的一场革命。更重要的是，哥白尼断言宇宙

是统一的，“天”和“地”受同一规律支配。他用天

文观测资料去说明太阳系结构，向宗教神学挑战。这

种精神解除了人们的思想禁锢，推动了科学的发展，

被称之为“哥白尼革命”。

1543年，还出版了另一部重要的科学著作——近代

解剖学奠基人、比利时医生维萨留斯的《人体的构造》。

维萨留斯精通医书，但不拘泥于书本。他打破学者不

执刀解剖、因循守旧的风气，亲自执刀解剖，讲解人

体的构造。这种别开生面的教学引起了众人的兴趣。

他在校译盖仑著作时，指出盖仑书中有200多处错误。

例如：他纠正了盖仑关于左右心室相通的说法；通过

解剖，他发现男人和女人的肋骨一样多，否定了上帝

用男人肋骨创造女人的说法，等等。但维萨留斯并没

有找到血液是怎样从右心室流向左心室的途径。发现

这条血液通首的是西班牙医生塞尔维特。1553年他匿

名出版了《基督教的复兴》一书，提出了血液在心室

之间的小循环学说。塞尔维特正确地解释了肺循环，

把盖仑的两个独立的血流系统（动脉系统和静脉系统）

统一了起来,这就为发现全身的血液循环铺平了道路。

正当他的著作刚刚发表并继续进行探索时，就被教会

逮捕，并于当年10月23日被处火刑。近代解剖学和

生理学就是在这种与宗教神学的殊死斗争中奠定基础

和继续前进的。

天文学革命之后，近代自然科学迅速发展起来，在

伽利略、牛顿等一大批科学家的不懈努力下，经典力

学终于确立了。经典力学是物理学史上的第一次大综

合，它不仅带动了当时和以后的自学科学的发展，而

且还促使近代机械自然观的产生。16世纪以前，亚里

士多德的“力学理论”是至高无上的权威。他的某些

错误观念：如“物体愈重，落得愈快”，“推一个物

体的力不再推它时，物体便归于静止”，成为力学发

展的障碍。伽利略用实验事实和严密的逻辑论证，推

翻了这些传统的错误观念，为力学的发展作出了重要

贡献。伽利略是太阳中心说的热心宣传者和忠实捍卫

者。1609年他亲自制做一架望远镜，巡视天空，结果

发现了大量新事实：月亮和地球同样有山有谷，木星

有4个小卫星，土星有环，金星也有月亮那样的盈亏

圆缺，这就证明它们确实运行在地求和太阳之间。他

还发现了太阳黑子，这些黑子逐渐地移动到太阳的边

沿而消失，从中推断出太阳有自转。伽利略的这些发

现无疑是说，天体没有贵贱之分，这同教会坚持的天

地不平等观点相冲突。16101613年他被判处终生监

禁。350年之后，到了1983年，罗马教廷在重新审理

伽利略的“案件”后不得不宣布这位杰出的科学家无

罪。象开普勒证明了天上物体的运动服从力学规律，

可以用数学公式表达一样，伽利略则证明了地上物体

的运动也服从力学规律，也可以用数学公式表达。这

为牛顿经典力学的产生奠定了基础。

牛顿科学创造的顶峰是《自然哲学之数学原理》。

他首先对力学的一些基本概念，如质量、动量、惯性、

外力、向心力等给出定义，然后又阐述了时间和空间

的概念，接着便叙述了运动三定律。牛顿对科学的最

大贡献是万有引力定律。这一定律把地上和天上的物

体运动规律统一了起来,形成了一个完整的力学体系。

这次科学革命，开头是自然科学为争取生存权利而

反对宗教的斗争，而后在天文学、力学、数学、解剖

学、生理学等学科领域，以力学为带头学科，实现了

第一次科学革命。这两方面的相互联系、相互促进，

构成了这次科学革命的基本内容，从而标志着以实验

为基础的近代科学的真诞生。

2.第二次科学革命

18世纪下半叶到19世纪初，在第一次科学革命的

基础上发生了第一次技术革命，它是从纺织机、蒸汽

机的发明和应用开始的。蒸汽机的广泛应用，改变了

整个工业的面貌。反之，生产技术的变革又推动了近

代科学的全面发展，引发了19世纪中叶的第二次科学

革命。这次科学革命以电磁理论、化学原子论和生物

进化论的提出为主要内容，以热力学、电磁学、化学、

生物学等一组学科为带头学科，推动了近代化学、生

物学、地质学、数学、电磁学、热力学、光学、生理

学、地理学、人类学和物理学等学科的诞生或发展。

现今许多学科领域的重要成果和思想渊源都可以从1

9世纪的科学历史中找到依据。所以，人们曾把19世

纪称为“科学的世纪”。

19世纪所以称为“科学的世纪”，还由于人们的自

然观、宇宙观发生了根本性改变。各个领域的科学成

就猛烈地向形而上学自然观发动进攻，人们开始认识

到人类周围的一切都毫无例外地服从科学定律，并把

自然科学研究中所使用的方法，诸如观察、实验、归

纳和演绎等，应用到其他领域。科学精神、科学方法

开始深入人心，科学理论走向统一。最早开创天体演

化学研究新领域的是1755年康德的《宇宙发展史概

论》和1796年拉斯的《宇宙系统论》。他们以鲜明的

历史自然观和宇宙发展论思想，阐明了太阳系是由原

始星云演化而来的观点。由于工矿业的发展，地质学

的研究空前繁荣。1830〜1833年英国地质学家赖尔发

表了重要著作《地质学原理》。他用大量事实阐述了

地质进化论，批判居维叶的灾变论，并提出了“现在

是认识过去的钥匙”这种“将今论古”的地质学研究

方法。恩格斯高度评价赖尔“第一次把理性带进地质

学中，因为他以地球的缓慢的变化这样一种渐进作用,

代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然变命。”

（恩格斯。《自然辩证法》，人民出版社，1984年，

第12页。）

19世纪在物理学领域中出现了两个统一的理论：能

量守恒与转化定律和电磁场理论。它们都是从解释局

部现象进•步扩展来解释更为广泛的自然发展过程，

是继牛顿力学之后自然科学史上出现的第二次、第三

次理论大综合。能量守恒与转化定律的发现,先是在1

9世纪初，卡诺用抽象的方法，构思了一台“理想蒸

汽机”，阐述热能与机械能（功）之间的变换关系，

说明热能转换为机械能是守恒的。1850年德国克劳修

斯把卡诺提出的这一思想表述为热力学第二定律。19

世纪40年代德国青年医生迈尔在医治病人时受到启

发，通过研究发现能量守恒与转化定律。同时:1840〜

1850年英国焦耳分别是用机械能、电能和气体压缩能

相互转化的大量实验，测定了热功当量，提出了热与

功之间的关系式。在此期间，1847年德国赫尔姆霍兹

在《论力的守恒》一书中提出了完整的能量守恒原理,

揭示了机械运动、热、电、化学等各种运动形式之间

的统一性。

1864年麦克斯韦提出了统一电磁场理论，建立了电

磁场的基本方程式，从理论上推断出电磁波的存在。1

871年又断定光波、热波都是电磁波中的一种，本质

上是相同的，从而奠定了电磁学的理论基础。于是，

古典物理学的基本理论到此完成了。人们认为在物理

学领域遗留下来的工作只是提高测量精度的问题了。

研究物质性质及其变化规律的化学，自波义耳提出

化学元素、拉瓦锡得出燃烧理论之后，在19世纪也取

得了巨大成就。1803年道尔顿提出原子论。在这基础

上，1811年阿伏加德罗又提出分子论，后来合称为原

子分子论。这使整个化学有了坚实的理论基础。1824

年，德国有机化学家维勒首先从无机物人工合成了有

机物一一尿素，突破了无机物和有机物之间的绝对界

限，动摇了生命力论的基础，起到了解放思想的作用。

1865年法国凯库勒发现苯的结构以后，1866年进入了

“合成化学的年代”。化学元素周期律的发现，揭示

了各种元素之间的内在联系，为元素的研究、新元素

的寻找、新材料的探索，提供了一条客观规律。1869

年门捷列夫发表了第一个周期表。与此同时，德国化

学家J・迈耶尔也分别制做了一个化学元素周期表，

明确提出元素的性质是它们原子量的函数。门捷列夫

于1871年又发表了第二个化学元素周期表，果断地修

正了一些元素的原子量和预言了一些未知元素的存在

及性质。从此化学成为一门有着严密系统的科学。

细胞学说和生物进化论的创立是19世纪生物学的

伟大成就。德国植物学家施莱登在1838年发表了《植

物发生论》一文，提出细胞是一切植物结构的基本单

位，是一切植物赖以发展的基本实体。他把植物的多

样性统一于单一细胞，从而建立了低等植物和高等植

物之间的联系。德国解剖学家施旺受施莱登的启发，

在1839年发表《关于动植物的结构和生长的一致性的

显微研究》，把施莱登的见解扩大到动物界，认为细

胞也是一切动物结构的基本单位和一切动物赖以发展

的基本实体，细胞学说揭示了生物有机体的构造和发

育的统一性，填平了动植物间不可逾越的鸿沟，推动

了生物学许多新分支的形成，并为物种进化论的形成

打下了基础。

生物进化论的最早著作是1809年法国拉马克所写

的《动物的哲学》一书。书中虽有不少错误，但已具

有进化论的基本观点。1859年11月，达尔文的《物

种起源》一书公开出版。达尔文在赖尔的地质进化论

思想影响下，总结了细胞学、比较自然地理学、比较

解剖学、比较胚胎学、地质古生物学等方面的成就，

经过20多年的实地考察，并应用多种研究方法（其中

最主要的是历史方法和归纳方法），在系统研究基础

上提出了自己的理论。达尔文进化论的核心思想是自

然选择学说,认为生物普遍存在生存斗争和变异现象,

在不同自然条件下能保存和积累器官、性状的微小变

异，使后代性状偏离祖先愈来愈远，通过性状分歧和

中间类型的绝灭而逐渐形成新的物种。自然选择经常

在生物与环境的相互关系中改造生物体。《物种起源》

一书的出版，不仅开创了生物科学的新时代，而且对

整个科学和哲学都有深远影响。它从自然界物质自身

来说明生物物种发生、发展的历史，从而给神创论和

形而上学的物种不变论以沉重打击，为辩证唯物主义

自然观的产生奠定了重要的科学基础。

19世纪科学革命的结果，使科学由落后于技术与生

产的局面一路而处于领先地位，并对技术和生产起着

重要的指导作用。改变了过去科学与经验技术相脱节

的现象，使它们之间发生紧密的连锁反应，即科学起

到了指导和推动生产和技术的作用，如麦克斯韦电磁

理论对电磁波的预言，导致了50年后无线电报和无线

电话的发明。反过来生产和技术也向科学提出问题，

从而进一步推动科学的发展。

（三）现代科学革命产生的背景

19世纪末，物理学领域连续发生了三个重大事

件，这就是X射线、放射性现象和电子的发现。这三

大发现，使人类的认识第一次深入到了原子内部，彻

底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。

以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾

难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动

这一时期科学发展的重要机制。

牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，在以太问题上都

遇到了根本性的困难。在牛顿力学中，任何机械运动

都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个

宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种运动都可

以看作是相对于以太进行的O在麦克斯韦电磁理论中,

电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太

无所不在。为了验证以太的存在，物理学家进行了大

量的实验和观测。1887年美国物理学家迈克耳逊和化

学家莫协进行了一项搜索以太风的著名实验，但是没

有找到以太风或地球与以太的相对运动。这个实验被

许多人所重复，所得到的是否定以太风存在的“负结

果”。1905年，爱因斯坦针对经典物理学同新的实验

事实之间的矛盾，在《论动体的电动力学》一文中提

出了相对性原理和光速不变原理，作为狭义相对论的

两条基本原理，从而导出一系列重要结论：同时性的

相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物

体的质速关系式和质能关系式等。狭义相对论的建立

以及1915年广义相对论的建立，从根本上突破了牛顿

绝对时空的旧框框，把空间、时间和物质的运动联系

了起来，引起了人类时空观的革命和整个物理学的革

命。

“紫外灾难”是在研究黑体辐射的能量分布问题中

产生的。1879年玻耳兹曼发现黑体辐射第一个经验定

律，1893年维恩发现第二个经验定律。1900年，英国

物理学家瑞利推算出一个不同的能量分布公式，后经

英国物理学家金斯加以修正，合称瑞利一金斯公式：

热物体的辐射强度正比于它的绝对温度，而反比于这

个发射光线波长的平方。这个公式与维恩定律相反，

只在长波部分才能很好地与实验符合，当波长变短时,

这个公式就失效了。由于这一公式在紫区出了问题，

故被称为“紫外灾难”。1900年，普朗克在玻耳兹曼

统计观点启发下，大胆地提出了一个与经典物理学的

连续性观念根本不同的能量子假说，认为物体在发射

辐射和吸收辐射时，能量不是连续发生变化的，而是

以一定数量值的整数倍跳跃式地变化，即能量的变化

是一份一份的进行的。他把一份一份的能量称为“能

量子”或“量子”。其数学表达式为：E二hv,E为量

子，h为普朗克常数，v为频率。从能量子假说出发,

普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了

“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理

学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系

都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变

革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡,

但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获

得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪

30年代，经过德布罗意、薛定娉、海森伯、玻恩、狄

拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力

学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对

古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改

变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，揭

示了连接与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客

观统计性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。

肇始于19世纪末20世纪初的现代科学革命，是以

相对论和量子力学的诞生为主要标志。这次革命初期

主要在物理学领域发生，到20世纪中叶在各个领域得

到迅速发展。其发生发展有着复杂的背景。

(1)19世纪60年代以后，资本主义大工

业开始建立，自然科学在工业生产中有了广泛

应用的必要和可能。电力技术的发展，明显地

表现出技术对科学的依赖性、科学理论对技术

的指导作用。经过第二次技术革命以后，人类

仍然面临着生产过程和工艺复杂，操作繁重，

难以控制掌握，材料有限，动力和能源紧张，

生产和经营中经验性的组织管理日益失灵等

种种矛盾，迫切需要加以解决。

(2)科学在日益分化和深化的基础上，趋

向综合化、理论化、系统化和技术化方面发展。

(3)发达资本主义国家国内各垄断集团之

间、发达国家之间争夺地国内外市场加剧，科

学技术成为竞争的最重要的商品。为了战胜对

手，围绕尖端技术，展开了激烈角逐。超级大

国为了争夺世界霸权，以图夺取优势；发展中

国家为求独立和经济的发展，要求提出高科学

技术，进行综合国力的较量。

这些都是现代科学革命产生的社会经济、政治和科

学的广阔背景。

二、现代科学革命的主要内容

现代科学革命是以物理学革命为先导，以现代宇宙

学、分子生物学、系统科学、软科学的产生为重要内

容，以自然科学、社会科学和思维科学相互渗透形成

交叉学科为特征的一次新的科学革命。

（一）物理学革命的扩展

现代物理学革命在产生了研究高速（接近光速）物

理现象的相对论和研究微观现象的量子力学两大基础

理论之后，迅速向宏观、宇观和微观的更深层次扩展,

并向着大统一的方向推进。天体物理学、原子核物理

学、粒子物理学、凝聚态物理学和统一场论都是现代

物理学中十分活跃的学科。尤其在第二次世界大战以

后，从宇宙天体物理的探索到物质结构之谜的揭示，

都取得了飞速发展。现代物理学的每一个重大突破和

发展都广泛而深远地影响其他学科的发展，极大地推

动着生产和技术革命，使人类进入到能源、信息、材

料、生物工程等高新技术的时代。

1.宇宙射线的新发现

1945年，宇宙射线正式成为宇宙线物理学一个分支

学科的研究对象。它使用无线电电子学的技术方法，

通过对宇宙天体所发射和反射电波的观测研究，来进

一步揭露宇宙天体的奥秘。1940年以前，人们对来自

地球以外的宇宙射线开始有所认识。40年代末，发现

混有氨、碳、氮、铁等元素的宇宙射线在银河系内慢

慢加速，推测这些能量很高的宇宙射线是超新星爆炸

时的飞散物，它们是在银河磁场中加速的。人们观测

到太阳磁暴后地球上宇宙射线增加，说明低能宇宙射

线来自太阳。英国鲍威尔、意大利奥查林尼、巴西拉

蒂斯等科学家观察到了宇宙射线的运动轨迹。60年代

以来，由于科学技术的飞速发展，高灵敏度和高分辩

率的巨型射电望远镜日益增多，发现并研究了许多新

颖奇特的宇宙射电辐射，如微波背景辐射、类星体、

脉冲星等"963至1974年相继发现星际分子30多种,

其中包括多种组成生命结构的有机分子,如羟基(OH)、

水分子、氨分子(Nth)、甲醛分子(CH20)＞甲酸分

子(HCOOH)等，为探索生命的起源开辟了新的途径。

这些新成果，为天体演化、生命起源和基本粒子这三

大基础理论的研究，提供了极其重要的资料，促进了

诸如X射线天文学、红外天文学、中微子天文学等许多

新学科的产生，使天文学的发展进入一个重要转折时

期，从而打破了对浩瀚宇宙的狭小视野，由原来的几

十亿光年一下子扩展到100亿光年、150亿光年甚至

更远，为人们进一步认识无限的宇宙提供了新的科学

证明。

2.粒子物理学的发展

第二次世界大战以后，粒子物理学得到迅速发展，

使人们对微观物质的性质、结构、基本相互作用和运

动规律的认识进入到新的阶级。

1932年以前，人们对物质微观结构的认识，已经历

了原子结构和原子核结构两个阶级。

30年代后期发现了口子，50年代发现中微子。电子、

口子、中微子和它们的反粒子统称为轻子。40年代末

50年代初，陆续发现了一批质量超过质子和中子的基

本粒子，称为超子。如A超子、X超子、E超子，又

称为重子。40年代末还发现一类质量介于重子和轻子

之间的介子，如兀介子、K介子等。60年代前期，小

型高能加速器的建成又发现了200多种寿命极短的共

振态粒子，平均寿命只有ICT"〜10凶秒，它们都是强

子。1974年，丁肇中和美国物理学家里赫特儿乎同时

发现质量比质子重3倍多，而寿命比普通介子长约10

00倍的新介子，后来合称为J/W粒子，至今，已发现

的基本粒子有300多种。根据它们的性质不同可分为:

普通粒子、奇异粒子、共振粒子和新粒子。各种基本

粒子在相互作用的条件下，遵循一定的对称性和守恒

定律，可以相互转化。这些基本粒子的发现，把对物

质微观结构的认识推进到第三个阶段。

基本粒子是不是物质微观结构的最后一个层次？

“基本”粒子能否再分？近20年来不少物理实验说明

基本粒子有其内在结构，基本粒子之间存在着某种内

在联系。人们曾先后提出多种关于重子和介子内部结

构的模型。主要有：1949年的费米-杨振宁模型，195

6年日本的坂田模型。这些模型能够说明一些情况，

但是在系统地解释重子的性质方面遇到了困难。1964

年盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，提出了

“夸克（Quark）模型”。他们提出了三种类型的夸克

（u、d、s）和反夸克（口、d、S）。这一模型能很好

地解释重子和介子的性质，预言。超子的存在。197

0年格拉肖等人又提出第4种夸克-粲夸克（c、）。1

977年莱德曼发现一种比质子重10倍的中性介子Y,

是由第5种夸克-底夸克（b、）所组成。为了形象和

方便，人们又从量子规范理论来描述，把u、d、s、c、

b称为5种味夸克，每种味又分红、黄、蓝三“色”。

“色”和“味”都代表不同的量子态。这样，正、反

夸克的数目就成了30种。

与夸克理论的提出差不多同时，1965年中国北京基

本粒子理论组提出“层子模型”，从结构的角度来研

究重子和介子的衰变和转化现象。认为重子、介子都

是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的

相互作用归结为它们内部的层子的相互作用。还提出

组成重子、介子的层子的波函数，并假定量子场论对

层子也适用。这一模型对重子、介子的各种相互作用，

特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大

量的计算，提出了一些预言，其中绝大部分计算和预

言同当时实验结果相吻合。夸克模型和层子模型的提

出，标志对微观物质结构认识的第四阶段的到来。可

是，夸克（或层子）曾长时间没有获得实验上的支持,

出现了所谓“夸克禁闭”现象。70年代，丁肇中等科

学家在实验室发现了胶子存在的迹象，为夸克层次的

存在提供了间接证明。1994年4月26日美国费米国

家加速器实验室宣布：科学家们已发现了在物质理论

中迄今尚未找到的亚原子结构单元一顶夸克的证据。

他们用质子与反质子对撞的独特方式，找到的“顶夸

克”约174GeV,质量是质子的180多倍。粒子物理学

使人类的认识已深入到亚原子(或亚原子核)阶段，

了解到物质构成的单元已小到夸克和轻子，其尺度都

小于10”cm,认识的尺度缩小到原子的十亿分之一。

在基本粒子领域中，量子电动力学、量子味动力学

和量子色动力学的建立，极大地简化了自然界相互作

用的描述。但人们希望求得把所有已知的基本相互作

用都包括进来的理论，即所谓大统一理论和超大统一

理论。这一理论既能说明各种力的区别，又能揭示它

们之间的深刻联系。近年来已取得一些进展。如1961

年美国物理学家格拉肖首先提出电、弱相互作用统一

的模型。1967、1968年，美物理学家温伯格和巴基斯

坦物理学家萨拉姆独立地在量子规范理论基础上把这

一模型发展完善后统称为GWS理论，已得到实验的支

持。现在人们正在进一步探讨三种相互作用甚至四种

相互作用统一起来的可能性。根据大统一理论，在低

能量下，强、弱、电作用分别满足SUc(3)和SU(2)XU

(1对称性；当能量高到1014〜10/eV时，强、弱、电

三种作用统一为一种相互作用，满足统一的SU(5)的

对称性。目前正在孕育着的物理学上的超弦论。超弦

的尺度比基本粒子还小1019,而且所用的时空是10维

的。如果这一理论一旦建立，就能把目前发现的一百

多种基本粒子统一起来，还能把强力、弱力、电磁力、

引力这四种基本作用力统一起来。（中国科协学会工

作部编。《学科发展与科技进步学术研讨会简报》第

1期，1994年4月28日）

3.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学是研究物质凝聚态（主要是液体和固

体）的物理性质、结构及其内部规律的学科。对物质

凝聚态的研究发现，固态有晶态和非晶态之分；液态

有液晶和非晶液态之分。固体的非晶态和液晶具有许

多优异特性。由于几乎一切材料都是凝聚态，因而对

凝聚态物理的研究具有重要意义。

1945年以后，固体物理学进入一个新阶段。固体物

理学中最重要的是结晶问题、超低温问题和磁性问题。

由于电子显微镜、电子衍射、中子衍射等技术的迅速

发展，对于不完整晶体，进行各种晶体缺陷（诸如空

位、杂质原子和位错）的研究取得了很大进展，而这

些同很多工业领域关系密切。1957年，J-巴丁、J•施

里佛、L•库波三个人共同发表了超导电性的量子力学

微观理论，即有名的BCS理论。同时前苏联柏哥留包

夫用不同方法成功地说明了超导现象。1986年以来，

瑞士的G•贝德诺兹和A•缪勒发现了更有前途的氧化

物超导体：超导转变温度在40K左右的陶瓷化合物一

锢小铜氧化物系列。美籍中国物理学家朱经武和中国

物理学家赵忠贤等在寻找更高转变温度材料方面有突

出贡献，1988年发现了转变温度高于90K的钮/铜氧

化物系列。近年来，人们越来越重视研究无序固态材

料，如无序合金、非晶材料、陶瓷材料等；也注意研

究缺陷态、杂质态、表面态、界面态的性质。这些研

究已深入到量子层次，已导致无序固态物理学的产生。

总之，凝聚态物理学的每一步发展，都在不断深化人

们对物质客体的有序结构和无序结构以及各种材料理

化性质的认识，丰富了辩证唯物主义的自然观，并极

大地推动了新技术革命的发展。

4.量子化学的产生

应用量子力学的原理和方法研究分子的微观结构

的量子化学，是现代化学的重要理论基础。它主要研

究原子、分子和晶体的电子结构，分子间的相互作用,

分子与分子间的相互碰撞及相互反应，以及微观结构

与宏观性质的相互关系等。自1927年用量子力学原理

研究氢分子获得成功以来，量子化学发展极其迅速，

使化学也由经验性科学转化为一门理论科学。目前已

建立了比较健全的理论体系，发展了各种计算方法，

并在各个领域中发挥重要作用。它和其他学科相互渗

透形成一些边缘学科，如量子生物化学、量子药物化

学，表面量子化学和固体量子化学等。

（二）现代宇宙学的发展

现代宇宙学的任务是探索比星系更高的宇宙层次，

研究目前观测所及的大尺度宇宙的时空特性、物质及

其运动规律。近几十年来，科学家们提出了一些较有

价值的宇宙理论。主要有：爱因斯坦的静态宇宙模型、

稳恒态宇宙学、膨胀宇宙模型、物质一反物质宇宙模

型、大爆炸宇宙学和暴胀宇宙论。静态宇宙模型已被

天文观测所否定。稳恒态宇宙学未被广泛接受。

1927年比利时天文学家勒梅特根据河外星系都有

谱线红移现象，提出大尺度空间随时间膨胀的概念。1

929年美国哈勃和英国爱丁顿提出膨胀宇宙的假说。4

0年代末美国伽莫夫根据太阳能源是来自热核反应的

发现，提出了大爆炸宇宙说，认为宇宙是约在100亿

年前由高温、高密度的“原始火球”的一次大爆炸形

成的。并于1954年预言，大爆炸以后存在“宇宙灰烬”,

它产生弥漫于整个空间的、相应于绝对温度5度的辐

射。1965年，美国A・桑德奇提出，宇宙以大约820

亿年为一周期进行脉动（膨胀和收缩）。大爆炸宇宙

学由于得到河外星系的谱线红移、氮元素的丰度、3K

微波背景辐射三个重要观测事实的支持，使它成为公

认的标准模型。但是在说明宇宙年龄小于一秒时，却

碰到了诸如视界问题、空间平直性问题，均匀性（因

果性）问题、平度（能量密度）总是重子不对称问题

和磁单极子问题等无法克服的困难，于是导致了暴胀

宇宙论的产生。

1980年以来，曾先后建立了多个宇宙暴胀模型，其

中有影响的是3个。第一个是美国A•古斯于1980年

提出的，并于1981年发表了《暴胀宇宙：对视界和平

直问题的可能解》一文。第二个是1981年底，前苏联

的A•林德、美国的P・斯坦哈特与A•奥尔布雷特分别

独立提出的。第三个是由林德等发展的，被称为混沌

暴胀模型。暴胀宇宙论继承和发展了以往宇宙理论中

有价值的成果。它认为：在宇宙演化的极早期，当宇

宙发生大爆炸以前，宇宙年龄处于IO"。秒的瞬息中，

经历了一个按指数规律急剧膨胀阶段（暴胀阶段），

以致它在极短的时间内膨胀了IO'。倍，完成了从对称

的假真空自发破缺转化为大量的如夸克、轻子以及传

递相互作用的玻色子等基本粒子。暴胀宇宙论还认为

在我们所在的宇宙之外还存在有许许多多与我们所在

宇宙不同的宇宙，有人算出多达IO'。个。由于暴胀宇

宙论建立在粒子物理学等最新成就的基础上，能够不

断提出新概念和新方法，不断解决各种难题，因而受

到广大科学家的关注。暴胀模型在哲学上也带来一些

新的内容，如关于宇宙的无限性问题。它从科学上把

宇宙大大地扩大了，为宇宙的无限性提供了科学依据。

还提出了在已知的物质形式之外还有新的物质形式存

在，即设想在粒子之前还有其他物质形式存在，因而

极大地丰富了人们关于物质的认识。

现代宇宙学是一门方兴未艾的学科，正处于百家争

鸣的进期，提出的模型很多，有的已被否定，有的已

得到一定程度的支持，但都还有待进一步的检验与发

展。

（三）生命科学的革命

20世纪，由于物理学和化学的渗透，各种强有力

的研究手段的运用，生命科学的发展更为深入和迅速。

一方面在微观领域的分子水平上产生的分子生物学，

进一步证实生物界的统一和联系，实现了生物学上的

又一次大综合；另一方面，在宏观、群体和综合研究

的基础上产生了生态系统的概念，为环境保护、生物

资源和土壤资源的合理利用等提供了理论基础。与此

同时，生命科学还向人类自身的大脑进军，使脑科学

获得迅速发展。

1.分子生物学的诞生

分子生物学是在分子水平上研究生命现象的物质

基础的科学。主要研究蛋白质和核酸等生物大分子的

结构与功能，其中包括对各种生命过程，如光合作用、

肌肉收缩、神经兴奋和遗传特征传递等的研究，并深

入到分子水平对它们进行物理、化学分析。目前，分

子生物学已成为现代生物学发展的主流，它所取得的

成果，已在实际工作中获得某些重要的应用，为工农

业及医药事业开辟了前所未有的广阔前景。

1953年沃森和克里克提出了遗传物质——DNA的

双螺旋结构模型，这是生物学中的一次伟大革命。60

年代又搞清了核酸、蛋白质、酶等生物大分子的结构,

同时揭示了遗传密码和核酸信息控制蛋白质特异结构

的合成机制，由此建立了生物遗传变异的信息概念。

这表明从病毒、细菌、动植物到人类都具有一套共同

的遗传密码、共同的信息符号。50年代“中心法则”

的提出，70年代逆转录酶的发现，以及重组DNA技术

的建立，为分子生物学的发展开辟了新的前景。这些

成就，不仅为在分子水平上研究复杂的基因调节控制

提供重要手段，而且在分子生物学的基础上，产生了

一个新的技术科学领域——遗传工程，它已为人类定

向改变生物遗传性状与创造新物种开辟了新途径。

本世纪50年代，随着蛋白质和核酸的化学结构测

定方法的进展，人们发现只要把不同种属生物体内起

相同作用的蛋白质或核酸的结构进行比较，根据蛋白

质或核酸在结构上差异的程度，就可以确定不同种属

的生物在亲缘关系上的远近。亲缘关系越近的种属，

其蛋白质或核酸的结构越相似；反之，其差异越大。

据此，能得到反映生物进化的谱系。蛋白质分子细胞

色素C在各种呼吸氧气的物种细胞中均能找到。分析

它就能知道不同物种的亲缘关系。目前已对100多种

生物的细胞色素C的化学结构进行了测定，并借助计

算机测定出平均700万年改变一个氨基酸残基。据此

可以分析判断，较高等的生物大约在25亿万年前同细

菌分离。同样，大约在15亿年前植物和动物有共同的

祖先。大约在10亿年前昆虫和脊椎动物有共同的祖

先。对100多种生物的细胞色素C的化学结构进行比

较后，已画出了部分生物种属的进化谱系。运用这种

方法来确定物种间的亲缘关系，要比过去依靠形态和

解剖上的差异来确定有着更大的优越性。它不仅使得

形态结构上非常简单的微生物的进化有了判断的依

据，而且更能反映出生命活动的本质，更为精确地推

算出物种趋异的时间。

2.脑科学的进展

近年来，脑科学的研究取得了一系列新进展。主要

有：（1）发现与某种思维活动相应的大脑区域，利用

正电子层析摄影手段发现：人们辩别音符时用左脑，

而在记住乐曲时多半用右脑；（2）脑电波与思维活动

有一定的对应关系，可以从电波分析思维的内容；（3

发现大脑内影响思维的生化物质——促肾上腺皮质激

素和促黑素细胞激素能对思维产生重要影响；（4）对

裂脑人的研究，发现大脑两个半球的分工，左半球主

要从事逻辑思维，右半球主要从事形象思维、空间定

位、图象识别、色彩欣赏等。还发现了裂脑科学的这

些成就，从理论上提出了一些新观点。如：思维的大

脑神经回路说，思维互补说等。这些新成就和新观点,

对工人智能的研究有着重要意义。

（四）系统科学的产生和发展

系统科学是在第二次世界大战前后兴起的。它是以

系统及其机理为对象，研究系统的类型、一般性质和

运动规律的科学，包括系统论、信息论、控制论等基

础理论，系统工程等应用学科以及近年来发展起来的

自组织理论。它具有横断科学的性质，与以往的结构

科学（以研究“事物”为中心）、演化科学（以研究

“过程”为中心）不同。它涉及许多学科研究对象中

某些共同的方面。系统论、信息论、控制论就是把不

同对象的共同方面，如系统、组织、信息、控制、调

节、反馈等性质和机理抽取出来，用统一的、精确的

科学概念和方法来描述，并力求用现代的数学工具来

处理。所以，系统科学是现代科学向系统的多样化、

复杂化发展的必然产物。它在现代科学技术和哲学、

社会科学的发展中具有十分重要的意义，为人们认识

世界和改造世界提供了富有成效的、现代化的“新工

具”。

1.系统论、信息论、控制论的产生

在人类思想史上，早已有关于系统的观念。古希腊

思想家已提出“秩序”、“组织”、“整体”、“部

分”等概念来认识世界。中国古代阴阳五行学说把事

物看成相生相克的整体。马克思主义经典著作中也有

关于系统的深刻思想。但作为研究各种系统一般原则

的系统论则是于本世纪20〜30年代，由美籍奥地利生

物学家贝塔朗菲提出的。在现代科学技术和生产发展

的冲击下，科学家们已不能容忍用那种孤立、静止，

片面的观点和方法来观察世界，尤其是机械论和活力

论已严重阻碍生物学的发展。于是，贝塔朗菲和一些

科学家在20年代中期提出了机体论,创立了机体系统

论的生物学研究方法，把协调、秩序和目的性等概念

和数学模型应用于有机体的研究，主张把有机体作为

一个整体或系统，用生物与环境相互关系的观点来说

明生命现象的本质，从而解释以往机械论所无法解释

的生命现象。贝塔朗菲机体论的基本思想是：（1）整

体观点；（2）动态结构与能动观点；（3）组织等级

性观点。这些基本思想已包含了贝塔朗菲后来提出的

一般系统论的基本内容。1932年〜1937年他先后发表

T《理论生物学》、《现代发展理论》、《关于一般

系统论》等著作，对系统概念、整体性、集中性、终

极性以及封闭系统、开放系统等都作了深刻论述，从

而奠定了现代系统论的基础。

信息论是本世纪40年代在现代通信技术发展的基

础上诞生的，是研究信息的获取、储存、传递、计量、

处理和利用等问题的一门新兴学科。本世纪30年代以

前，科学技术革命和工业革命主要表现在能量方面，

如新的动力机、工具机的出现。其实质是人的感觉器

官和效应器官的延长，是人的体力劳动的解放。本世

纪30年代以后，科学技术所发生的革命性变化，主要

表现在信息方面，表现在信息的传递、储存、加工、

处理等技术和通信、控制机以及人工智能的发展。其

实质是人的思维器官的伸展，是人的脑力劳动的解放。

1924年美国奈奎斯特和德国居普夫、缪勒等人发

现电信号的传输速率与信道带宽度成比例关系，从而

最早提出了信息问题。1928年，哈特莱发表《信息传

输》，首先提出信息是包含在消息中的信息量，而代

码、符号这类消息是信息的具体方式。他还提出了信

息定量问题，认为可以用消息出现概率的对数来度量

其中所包含的信息。如从S个符号中选出N个符号组成

一组消息。则共有S个可能性。其信息量为〃="log

S。这一理论是现代信息理论的起源，但当时未引起人

们的注意。直到第二次世界大战期间，一些与通信技

术有关的新技术陆续出现，如雷达、无线电通讯、电

子计算机、脉冲技术等，为信息论的建立提供了技术

基础。同时，作为信息论数学基础的概率论也得到飞

速发展。在这种条件下，许多科学家从不同角度对信

息论的基本理论进行了研究。1948年申农发表《通讯

的数学理论》，把物理学中的数学统计方法用于通讯

领域，提出了作为负燃的信息公式、信息量概念，给

出了信息的定义，为现代信息理论奠定了基础。从此,

信息论作为一门独立学科而出现。但是，这时的信息

论还主要限于通讯理论。随着信息论渗透到心理学、

神经生理学、生物学和语言学等领域，信息论的含义

越来越广泛。40多年来，信息论与系统论、控制论交

织在一起获得迅速发展,形成一种综合性的信息科学。

其主要内容包括：（1）信息论，探讨信息的质、量、

传输等问题，这是理论基础；（2）计算机科学，研究

对信息进行加工处理的自动机械；（3）情报学，主要

研究信息的记录、储存和检索，研究信息储存密度、

速度等。

控制论也是本世纪40年代未在通讯技术发展的基

础上产生的。美国数学家维纳被认为是现代控制论和

信息科学的创立者。申农是他的学生，在创立信息论

过程中曾得到他的帮助。第二次世界大战期间，维纳

从事防空火力装置的设计工作，需要使用自动机器控

制高炮瞄准。于是维纳将数学工具应用于火炮控制系

统，处理飞行轨迹的时间序列，提出了一套预测飞机

将要飞到的位置，使火炮准确击中的最优办法。而火

炮控制系统中一个重要问题就是如何将控制装置的误

差反馈回来作为修正下一步控制的依据。维纳从生理

学家罗森勃吕特那里了解到人的神经系统与火炮控制

系统有相似之处，都有反馈不足和过度的问题，本质

上是对信息的一种处理。于是开始找到了人、动物与

机器在控制、通讯方面的共同点。1943年维纳与罗森

勃吕特合作发表《行为、目的和目的论》一文，论证

了目的性就是负反馈活动。1948年，维纳所著的《控

制论》一书出版，它标志着控制论的正式建立。1950

年，维纳发表《人有人的用处——控制论与社会》一

书，对控制论作了更广泛通俗的阐述。与信息科学的

发展紧密联系，控制论的基本概念和方法被应用于各

个具体科学领域，研究对象从人和机器扩展到环境、

生态、社会、军事、经济等许多部门，使控制论向应

用科学方面迅速发展。其分支学科主要有：（1）工程

控制论；（2）生物控制论；（3）社会控制论和经济

控制论；（4）大系统理论；（5）人工智能，即智能

模拟。

2.系统科学的新进展

20世纪50年代以后，形成了一股研究现代系统理

论的热潮，相继出现了各种新的系统理论，如：普利

高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、费根鲍姆等的

混沌理论、爱根的超循环理论、米勒的生命系统理论。

耗散结构理论是比利时理论生物学家普利高津于1

969年“理论物理与生物学”国际会议上首次提出来

的。1850年德国物理学家克劳修斯提出的热力学第二

定律，无法解释生物系统从无序到有序、从简单到复

杂、从低级到高级的进化过程。这引起了普利高津的

广义热力学派的兴趣。从1946年到1967年整整20

年中，普利高津学派把物理系统或生物系统的有序结

构形成的条件当作一个新方向展开理论探索，并把重

点放在新结构的产生是否与平衡中心的距离有关这一

问题上。1969年，他们终于发现：一个开放系统在从

平衡态到近平衡态再到远离平衡态的非线性区时，系

统内某个参量的变化达到一定阈值，通过涨落，系统

就可能发生突变，由原来的无序状态变为在时间上、

空间上或功能上的有序状态，形成一种动态稳定的有

序结构。这种新的有序状态必须不断地与外界进行物

质、能量和信息的交换，才能维持一定的稳定性，而

且不因外界微小的扰动而被破坏，因而称为耗散结构。

这种耗散结构能够产生自组织现象，所以耗散结构理

论也叫“非平衡系统的自组织理论”。它解决了开放

系统如何从无序转化为有序的问题，对于处理可逆与

不可逆、有序与无序、平衡与非平衡、整体与局部、

决定论与随机性等关系提出了良好的思考方法，从而

把一般系统论向前推进了一大步。

协同学是由德国物理学家H•哈肯于1970年创立

的。它以信息论、控制论、突变论等为基础，采用统

计学和动力学考察相结合的方法，通过类比，对各类

系统中从无序到有序的现象建立一整套数学模型和处

理方案。它是耗散结构理论的突破与推广，也是一门

关于自组织的理论。它进一步指出了一个系统从无序

向有序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡。

也不在于离平衡态有多远，而在于只要是一个由大量

子系统构成的开放系统。耗散结构理论只讨论了远离

平衡态系统从无序向有序的转化，而协同学除了分析

系统的“协同作用”外，进一步解决了近平衡态系统

从无序向有序的转化。协同学开始只限于研究一个非

平衡开放系统在时间和空间方面的有序问题。1978

年，哈肯在《协同学：最新趋势与发展》一文中将协

同学的内容扩展到功能有序。1979年，哈肯又注意到

混沌现象的重要性，认为一个非平衡的开放系统不仅

可以从无序到有序，而且也可以从有序到混沌（指由

决定性方程所描述的不规则运动）。这一发现使协同

学进入到一个新阶段。1981年，哈肯在《20世纪80

年代的物理思想》一文指出，在宇宙中也呈现有序结

构。这些说明，无论是在宏观领域还是在微观领域，

只要是开放系统，就可以在一定条件下呈现出非平衡

的有序结构，都可以成为协同学的研究内容。

混沌理论是本世纪60年代开始发展起来的一门新

兴学科。耗散结构理论、协同学在创立初期，着重研

究系统是如何从混沌到有序的发展，并找到了一些系

统从混沌到有序发展的机制和条件。80年代以来，人

们在探索“热混沌”与“非平衡混沌”的联系和区别

之后，着重研究系统怎样从有序进入新混沌，以及混

沌的性质和特点等问题。现今，对非平衡过程中从有

序进入混沌的道路研究得比较清楚的有三种：（1）倍

周期分岔进入混沌。系统运动变化的周期行为是一种

有序状态。一个系统，在一定的条件下，经过周期加

倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。如一个非线性

电子电路，当考察它的输出交变电压随输入电压大小

的改变而变化的规律时，可以发现，开始输入电压较

低时，输出电压频率与输入电压的频率一样，而随着

输入电压的增加，输出电压的频率经过二分频、四分

频、八分频、十六分频...........，最后进入混沌

（具有各种各样频率的输出电压）。这种周期成倍地

增加（T,2T,4T,8T..........）,最后进入混沌

的过程，在自然科学中被称为倍周期分岔时，相邻两

次分岔对应的参数之差的比值，惊人地趋近一个常数。

这个常数的发现说明，倍周期分岔进入混沌是一种相

当普遍的自然现象。不管什么系统，通过倍周期分贫

进入混沌时，都遵循共同的规律。（2）阵发混沌。一

个系统，在非平衡非线性的条件下，某些参数的变化

达到某一临界阈值时，系统会时而有序，时而混沌，

在两者之间振荡。有关参数继续变化，整个系统会由

阵发性混沌发展为混沌。阵发混沌往往与倍周期分岔

产生的混沌同时出现，它充分说明有序与无序的密切

联系和相互转化。（3）茹勒一泰肯道路。当系统有三

个以上的频率耦合时，系统就出现混沌现象。非平衡

非线性过程进入混沌，与“宇宙早期的混沌”、“热

力学平衡的混沌”相比较，具有三种特性：一是具有

“奇异吸引子”，即在混沌区内，两个靠得非常近的

点，随着时间的推移会指数发散开来，两个相距很远

的点，又可能无限地靠近，它们将在混沌区中自由地

游荡，又跳不出混沌区去，因此无法描述它们的“轨

道”，无法预测其未来的状态；二是具有分数维数。

系统被限制在奇异吸引子内来回游荡时，其轨道又不

能充满整个区域，彼此间有无穷多的间隙，这样的实

体比二维大，比三维小，介于二维与三维之间，是一

个分数维数；三是具有无穷嵌套自相似结构。系统通

过倍周期分岔进入混沌，其原来的有序结构并非完全

消失，而是形成了无穷多个结构，周期由1,2,4,

8,•••以到无穷。故显示出杂乱无章的混沌状态。

但在混沌区内，从大到小，一层一层具有彼此相似的

结构互相套叠，从而形成“无穷嵌套的自相似结构”。

混沌理论从科学上进一步说明了自然界有序和无序的

辩证统一、确定性和随机性的辩证统一。混沌理论和

自组织理论的成就，使人们认识到，牛顿力学不仅不

能应用于无穷大和无穷小事物的研究，对于无穷多个

要素构成的复杂系统也同样遇到了困难，出现了新的

局限性，面临新挑战。

生物体是自然界最复杂的自组织系统，它们与非生

命系统一样，也是非线性振荡系统。从信息与非线性

振荡等观点来解释生命的本质，讨论生命可能的存在

形式和存在条件，可以得出一系列不同于传统认识的

全新看法。爱根的超循环理论和米勒的生命系统理论

就是直接从生物领域入物来研究非平衡系统的自组织

理论。

超循环理论是由柏林大学物理化学家M・爱根于1

971年正式提出的。他在寻求生物学现象的理化基础

时，应用化学动力学理论和量子力学跃进理论，建立

了一套数学模型，并在1977年发表的《超循环一自然

界的一个自组织原理》一文中作了系统阐述。这一理

论的中心思想是要说明在生命起源的化学阶段和生物

进化阶段之间还有一个生物大分子自组织阶段，即从

生物大分子到原生细胞的进化阶段中，形成了一种超

循环式的组织，它具有一旦建立就永存下去的选择机

制，构成生命运动中由酶的催化作用所推动的各种循

环。这些循环层次相属，低一级循环组成高一级循环,

高层次的循环又组成更高一级循环，逐层递进不已。

在这一过程中形成了统一遗传密码的细胞结构。超循

环理论和耗散结构理论、协同学理论都证明了自然界

的物质客体从无序到有序、从低级到高级有序不断进

化观点的正确性。

美国心理学家J・米勒从生命系统的许多知识应与

物理科学、工程学相一致的概念加以说明这一观点出

发，在本世纪50年代提出了生命系统理论。这里所谓

的“生命系统”是指一切活着的具体系统，从阿米巴

到联合国，从细胞到超国家系统。作为一般系统理论,

它具有通用学科性质的概念体系。它在层次等级中形

成一个个子集的生命系统共有8个层次：细胞、器官、

生物体、群体、组织、社区、社会以及超国家系统。

这里的层次等级从最小的可分割的物质形式进展到分

子、多分子系统、行星系等等，最后达到最大系统，

即宇宙。生命系统是具有能保持甚至随着时间推移能

增强其边界内部低端状态特性的多分子系统。它们输

入高负嫡的物质，如燃料或食物，并以废物形式输出

低负嫡物质。当一个生命系统边界内部的燧减小时，

在把该生命系统及其环境包括在内的更大系统中的燃

是要增大的，因此并不违背热力学第二定律。

三、现代科学革命的特点与趋势

科学是社会历史的产物、人类智慧的结晶。在社会

历史和人类认识发展的不同阶段上都表现出自己时代

的特征。那么，现代科学的特征是什么呢？我们认为,

贯穿于20世纪的现代科学革命，它的特点与趋势主要

表现在：科学发展的加速化和数学化，科学、技术、

生产的一体化等方面。

（一）科学体系结构的整体化和专业化

科学作为一种知识体系，是由各种不同学科形成的

一个有机整体。不同时期的科学整体都有其结构形态,

反映了人们在一定历史条件下对自然界不同层次和方

面的认识水平。古代的科学知识结构体系主要是由大

量经验性的实用知识、少数儿门理论自然知识和自然

哲学等几种具体形态构成的。从15世纪下半叶到19

世纪末的近代自然科学结构体系是以牛顿力学为核心

的经典自然科学体系，各门具体科学相继从自然哲学

中分化出来，形成日益庞大的知识体系。在这一时期,

由于力学在生产和工程上的大量应用，出现了几次重

大的理论综合。科学的发展总是存在着不断分化和不

断综合又使人类对自然界的总体认识更深一步，为进

一步的科学分化提供新出发点和指导原则。自19世纪

末20世纪初爆发物理学革命以来,尤其是第二次世界

大战结束以后，科学的发展突出地表现出分化的步伐

大大加快，学科越来越多，专业化程度越来越高，科

学知识的层次性也日益明显。当代的科学体系结构，

本质上是分层次的、立体的、网络的、开放的大系统。

人们开始从一种全新的观点出发，向着不同的物质层

次进军。在本世纪发现了原子结构、各种基本粒子以

后，自然科学的研究从宏观低速领域的物质运动规律

进入到微观高速领域和大尺度的宇观领域的物质运动

规律，导致了粒子物理学、宇宙演化论、分子生物学

等基本学科理论的诞生。科学在高度分化，但学科之

间的界限也越来越不分明。各门科学之间的空隙逐渐

得到填补，分子生物学的出现使物理科学和生命科学

之间的鸿沟开始消失。在各种学科之间出现新的交叉

学科、边缘学科、横断学科，使科学结构呈现为连续

的整体，科学由二元平面走向三元立体，科学综合化

和整体化的趋势日益为人们所认识。据统计，目前各

种层次的学科已有两千多门。现代科学越是精深地研

究，人们越是接近整体地、综合地把握各领域所获得

的成果。现代科学与近代科学相比较，发生了很大变

化，主要表现在：

1.统一的自然科学已分化为基础理论科学、技

术基础科学和工程应用

科学三大层次，而每一层次又分成多种不同的门类。

2.科学与技术、自然科学与社会科学以及各门自

然科学之间的相互渗透和整体的趋势明显加快。不仅

各门传统的基础科学的分支学科（一级学科、二级学

科等）按树枝型不断成长，逐渐形成新的基础科学门

类，如人体科学、思维科学等；而有各基础学科之间、

各分支学科之间的边缘学科、交叉学科、横断学科，

如环境科学、仿生学等也在蓬勃发展。

3.当代人类社会生活的各个方面都受到了科学技

术的深刻影响，科学、技术、经济、社会之间的协调

发展日益成为历史的潮流。

（二）科学活动的社会化和国际化

科学活动的社会化和国际化，是指科学劳动的组织

形式发展到了国家规模，甚至国际合作，科学技术已

成为整个社会整体的有机构成。科学研究工作从个人

活动发展为集体活动，曾经历了很长时间。在古代和

中世纪，人们进行科学研究很大程度上受求知愿望和

寻求自然界奥秘的兴趣所驱使。当时科学与技术是分

离的，科学研究往往是上层人物的事情，而技术活动

则是劳动者、工匠们的事情。科学高贵、技术低贱的

思想在欧洲影响很深。近代以来，科学家从事科学研

究是以追求真理为目的。他们总想把自己的发现告诉

志同道合的人们。基于这一点，大家愿意定期集会，

交流各自的研究成果。16世纪，这样的交流小组在意

大利开始出现并很快发展到170个，1657年还成立了

实验学会。继而英国于1662年正式成立“以促进自然

知识为宗旨的皇家学会”，这是世界上第一个学会。

从这以后，科学研究的社会化和制度化发展很快，尤

其于1666年成立的法国皇家科学院成为国立研究机

构的先驱，由国家负担一切费用，根据国家需要确定

研究项目，并有部分会员由国家支付工资，成为职业

科学家。过去，科学家与发明家、工人之间的接触是

偶然发生的，以致使一个新原理从发现到实际应用需

要很长时间，某些精密仪器和工程取得进展，需要经

过几代人的努力。现在，科学研究已成为自觉的有组

织的活动，并与生产密切结合。以前科学家个人配几

个助手的科研活动形式已为集体组织所取代。19世纪

末20世纪初，一部分企业家或政府官员，对科学尤其

是应用科学的重意义逐步有所认识，从而肯于投入大

量的人力物力，如英国政府于20世纪初成立“科学工

业研究局”，各行各业建立“研究共同体”。德国政

府和各大企业协作，成立了开塞•维尔赫姆协会，进

行化学、物理、生物等领域的基础理论研究。

20世纪30年代以后，科学劳动和组织管理已发展

到了国家规模或跨国形式。从1937年德国建立V-2

火箭基地开始，到1961年美国实施阿波罗登月计划达

到高潮。第二次世界大战以后，美国和前苏联等发达

国家之间的竞争极大程度上依靠科学技术的实力。在

这种情况下，重大科研项目都由国家政府出面组织，

特别是军工部门，各国竞相扩大研究规模，增加研究

经费，发展尖端技术。科学技术与国家的政治、经济、

军事连成一体。美国政府年军费开支由150亿美元迅

速上升到500亿美元。美国科学家从事的重大科研项

目，多由美国国防部提供费用。战前的科学研究，各

国普遍依靠各大学的研究室和企业实验室，而战后普

遍建立起国家研究所，由它们与各大学和企业研究室

共同协作。有时甚至国家规模也显得力量太弱而开展

国际协作，规模空前，投资巨大。科学活动的国际化

从早期的跨国公司发展到多个国家的联合。1958年为

了进行国际原子能研究的合作，成立了欧洲原子能委

员会。这种形式到80年代更加普遍。1985年开始的

中美两国海洋科学家合作对热带太平洋海气相互作用

的调查研究，历时5年，已完整地掌握“厄尔尼诺”

现象从产生——鼎盛——消衰全过程的科学数据和资

料，对揭示地震、全球气候的变化规律具有重大意义。

科学活动的社会化和国际化意味着现代科学革命

从一开始就是具有世界规模的复杂多态的过程，在不

同的地区、不同的社会制度上都在进行着，它也标志

着人类进入了所谓“大科学”的时代。

（三）科学发展的加速化和数学化

科学发展的加速化主要是