科技前沿与创新.ppt

1、科技前沿与创新 朱 剑 英 教 授 南 京 航 空 航 天 大 学,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,科学技术的重要意义,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： Emc2 E一能量，m一质量，C一光速,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。,航天科技的伟大成就(2),19

2、61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。,“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。,“神舟”5号升空的重大意义,“神5”升空是我国综合国力强大的标志， 它将大大提高了我国的国际地位； “神5”升空大长了中国人的志气，将会 进一步促进我国经济的持续发展； “神5”升空展示了我国学人的风貌，

3、将 会大大促进我国科学技术的发展； “神5”升空增强了我国的国防力量，给 我们的敌人以巨大的震慑。,“神州”五号的舱段,“神舟”5号由轨道舱(也叫工作舱)、返回舱(又称座舱)、推进舱(或称服务舱、设备舱、仪器舱)和一个附加段（用于与其他航天器对接或空间探测）组成。飞船顶部还有一个高 8米的逃逸救生塔，它装有10台发动机，在火箭起飞前900秒到起飞后160秒期间（0110千米），如发生故障，它能拽着返回舱和轨道舱与火箭分离，并落到安全地带，使航天员转危为安。,“神州”5号的六大特点(1),起点高。作为我国第一代飞船，它的研制越过了单舱式、双舱式飞船，直接研制三舱2-3人式飞船，前苏联第一代飞船“

4、东方”号是单人双舱式、美国第一代飞船“水星”号是单人单舱式。 轨道舱留轨工作半年。国外飞船的轨道舱在返回舱返回地面时就废弃在轨道上了，而“神州”5号的轨道舱装有太阳能电池翼继续供电，舱内的仪器设备能像卫星一样自主工作半年。 技术含量高。它的电子技术和控制技术都比美俄的第一代飞船先进得多。,“神州”5号的六大特点(2),降落伞最大。它是世界上最大的降落伞，足有1200平方米，有引导伞、减速伞、主伞和伞包组成。减速伞将返回舱的速度从200米/秒减至80米/秒左右后与主伞分离；主伞能把返回舱的速度减至6米/秒，一副降落伞有80米长，铺在地上有半个足球场大小，可叠起来却只有小提包大，重量仅90多千克。

5、 飞船空间大。“神州”5号返回舱的直径达2.5米，容积约6立方米，是目前世界上最大的。 研制费用低。直接成本不足10亿人民币，前4次费用各约1亿美元。,“神州”5号的有关数据(1),直接成本不足10亿人民币, 前4次费用各约1亿美元。 飞船总长9.2米，总重7790千克。 返回舱直径2.5米，容积约6立方米，是目前世界上空间最大的载人飞船。 装有52台发动机，能精确调整飞船飞行姿态和运行轨道。 变轨后飞行的圆形轨道距地球343千米。,“神州”5号的有关数据(2),6. 90分钟绕地球一圈，还要经受180摄氏度的温度考验。 共绕地球14圈，行程约60万千米。 飞船实际着陆点与理论着陆点相距4.8

6、千米。 发射飞船的“长征”二号F型火箭采用了55项新技术。 为实时跟踪飞船情况，在国内外设有9个陆地测控站、三大洋上有4艘测控船。,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2

7、1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。,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

8、生空难， 机上7人全部丧生。,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。,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。

9、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）。,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。,美国波音客机B747,

10、空中客车A380,协和号客机,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。,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，

11、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。,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B2隐身战略轰炸机的最初名称。,F117隐型战斗轰炸机

12、,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。,F22隐型战斗机,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

13、（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。,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。,苏-27,动力装置：2台AL-31F，单台推力

14、: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。,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,苏37军

15、用机,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。,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

16、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。,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

17、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） 。,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”。,科学技术简史,从宇宙史到科技史,宇宙史：150200亿年 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,科技时代,1石器时代： 公元前240万年公元前 4000年 2金

18、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,十九世纪以前的科学技术,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。

19、4. 万有引力定律奠定了近代天文学的基础。,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。,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(JPJoule)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(MJSchleiden)与施旺(TSchwann) 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

20、(C RDarwin)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。,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 (GStepherson)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(EWSiemens)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,二十世纪的科学技术,二十世纪伟大的科

21、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。,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 n1，2，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19251926年间建立了较完

22、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。,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=mc2 E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，

23、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。,二十世纪的四大基础理论（3）,3DNA(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。,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：

24、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）。,二十世纪的五大基本模型（1）,1.

25、 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。,二十世纪的五大基本模型（

26、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

27、，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。,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。,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（On Computer nu

28、mbers with an Application to the Entscheidungs -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。,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

29、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

30、增生，在海沟处消减，其运动的动力源泉来自地幔的热对流。,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

31、智 能计算机发展。,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。,20世纪改变世界的重要机

32、电产品,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）Alan Kay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

33、（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。,二十一世纪的科学技术,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,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16

34、10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）,从科学发现到技术发明,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

35、） (10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术）,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,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,21世纪的科学,客观世界（1）,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

36、个常数结合成一个长度,即 (hG/2c3)1/210-34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。,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

37、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。,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,信息科学技术,信息科技的重大意义,1.改变生产过程：从机械化、自

38、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(AllMedia)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

39、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。,21世纪的电脑,21世纪的微电子技术,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

40、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。,未来的计算机(1),按照摩尔定律，每过18个月，微芯片的集成度翻一番。 集成度决定于微芯片上的刻线宽度。当刻线宽度小于 30纳米时，就会发生量子效应：电子可以越过导线和

41、绝缘层，从一个地方跳到另一个地方，甚至发生短路。 预计刻线宽度达到50-70纳米时，硅电子芯片的集成 电路便达到顶点，这大概在2014年左右达到。 基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。 但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究，这些计 算机是：1）超导计算机； 2）纳米计算机； 3）光计算机； 4）DNA计算机； 5）量子计算机。,未来的计算机(2)超导计算机,芯片的集成度越高，计算机的体积越小，这样才不致因信号传输 而降低整机速度。但这样一来就使机器发热严重。解决问题的出 路是研制超导计算机。 电流在超导体中流过时，电阻为零，介质不发热。1962年，英国 物理学家约瑟夫逊提出了“超导

42、隧道效应”，即由超导体绝缘体 超导体组成的器件（约瑟夫逊元件），当对其两端加电压时， 电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过，形成微小电 流，而该器件两端的压降几乎为零。与传统的半导体计算机相比， 使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而 执行一条指令所需的时间却要快100倍。 1999年11月，日本超导技术研究所与企业合作，制作了由1万个约 瑟夫逊元件组成的超导集成电路芯片。据悉，该所定于2003年生 产这种超导芯片，2010年前后制造出这种超导计算机。,未来的计算机(3)纳米计算机,在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不 能工作。其原因是这种芯片的工作，依据的

43、是固体材 料的整体特性，即大量电子参与工作时所呈现的统计 平均规律。如果在纳米尺度下，利用有限电子运动所 表现出来的量子效应，可能就能克服上述困难。 可以用不同的原理实现纳米级计算，目前已提出了四 种工作机制：1）电子式纳米计算技术；2）基于生物 化学物质与DNA的纳米计算机；3）机械式纳米计算机； 4）量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计 算机技术的基础。,未来的计算机(4)光计算机,与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行计算和 存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜 和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。 研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期

44、就已提出。1986年， 贝尔实验室的戴维 米勒研制成功小型光开关，为同实验室的艾 伦 黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年1月，黄的实验室 开始用光计算机工作。 光计算机有全光学型和光电混合型。上述贝尔实验室的光计算机 就采用了混合型结构。相比之下，全光学型计算机可以达到更高 的运算速度。 研制光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的 光学“晶体管”。现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，若用它们造成 台式计算机将有辆汽车那么大。因此，要想短期内使光学计算机 实用化还很困难。,未来的计算机(5)DNA计算机,1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士用DNA碱基对序列 作为信息

45、编码的载体，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对 序列发生反应，以此实现数据运算。阿德勒曼在科学上公布 了DNA计算机的理论，引起了各国学者的广泛关注。 阿德勒曼的计算机的计算与传统的计算机不同，计算不再只是简 单的物理性质的加减操作，而又增添了化学性质的切割、复制、 粘贴、插入和删除等种种方式。 DNA计算机的最大优点在于其惊人的存储容量和运算速度：1立方 厘米的DNA存储的信息比一万亿张光盘存储的还多；十几个小时的 DNA计算，就相当于所有电脑问世以来的总运算量。更重要的是， 它的能耗非常低，只有电子计算机的一百亿分之一。 与传统的“看得见、摸得着”计算机不同，目前的DNA计算机还是 躺

46、在试管里的液体。预计，10到20年后，DNA计算机才可能进入实 用阶段。,未来的计算机(6)量子计算机,量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用 原子的量子特性进行信息处理。 由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于 量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间 的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都 是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样的比喻：假设 一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边 过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边 和右边绕过。 量子计算机在外形上有较大差异，它没有盒式

47、外壳；看起来像是 一个被其它物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长 期存储；但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景,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

48、,已 大大超过美国,居世界第一位。,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。,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

49、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。,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

50、%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。,生物科学技术,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

51、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。,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。,细

52、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。,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。,克隆羊“多利”的照片,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。,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

53、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。,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

54、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。,纳米技术,什么是纳米科技？,纳米是109m，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

55、（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。,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

56、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。”,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。”,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

57、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；,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

58、、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。,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,纳米科技的重要意义

59、(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。,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；,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