科学技术革命

一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 18世纪化学从炼金术中解脱出来，进入真正的科学研究 时代，并在其后发生了一场化学科技研发的革命
比利时布鲁塞尔原子塔
高分子化学
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
第一次科学革命构建了新的世界观和方法论， 如唯物论、进化论等，并成为康德、马克思、 恩格斯哲学的自然科学基础，自然科学成为独 立的社会建制
牛顿运动定律的应用 纪念笛卡儿发明解析几何的邮票 莱布尼兹与微积分的海报
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 达尔文生物进化论科学解释了物种起源与演化规律，拓 展了对竞争与发展的认识，甚至成为社会变革的重要思 想基础
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 在经典力学不断完善的同时，物理学在光学、热力学和 电磁学领域取得了新的重大突破。胡克和惠更斯分别提 出光的波动说。经典电磁理论为电气革命奠定了科学基 础
2002年6月NSF随即编写了长达400多页的（Converging Technologies for Improving Human Performance)报告，对 会聚技术本身进行了详细探讨，并涉及研发重点、国家政策、 投资重点和公众教育等非技术因素
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
• 首先，在暗物质、暗能量、反物质上的新发现将孕育 新的现代理论无法解释的大突破
• 另外，对黑洞、中子星、绝对零度等超临界物理状态 的物质运动规律的揭示和认识也会带来新的理论突破
• 还有，对生命智能、特别是对人类大脑的智能本质的 认识将是对生命最高形式秘密的破译
这些可能激发科学发现的井喷而引起第三 次科学革命
二、新科技革命发生的先兆与可能方向
• 在健康领域，本世纪中叶，全球人口可能达到90亿。营养、 环境、行为对生理与心理健康的影响，基因的遗传、变异 与作用机理，疾病早期预测诊断与干预的科学基础，干细 胞与再生医学，生殖健康与早期诊断及修复，老年退行病 的延缓和治疗
• 在宇宙演化领域，对暗物质、暗能量、反物质的探测，将 使人类极大地深化乃至从根本上改变对宇宙的认识。在物 质结构方面，人类正在进入“调控时代”，可能实现对构成 物质的原子、分子甚至电子的调控，进而在光/电/热高效 转化、光合作用、光催化，能量储存与传输，信息储存、 传输 与处理等领域产生新的突破，有理由期待由此会导致 一场新的技术革命和产业革命高潮
二、新科技革命发生的先兆与可能方向
• 在能源与资源领域，质能转化及其本质，光能转化与 光合作用的机理，可再生能源的存储、稳定、高效分 布式利用系统，高效制氢与存储技术，地球系统及其 演化，深部地球和大陆架资源成因及探矿原理，不可 再生资源的高效、清洁和可循环利用，水资源的可再 生性维持机理及高效利用
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
会聚技术内涵：
1）纳米科学与技术：人类探索的新空间 ——消弭了自然与人造的分子系统之间的界限
2）生物科学和生命科学与技术：永恒研究的老对象 ——通过基因学和蛋白质学来延长人的寿命
3）信息科学与技术：延伸智能的好工具 ——导向更加自主的智能的机器
4）认知和神经科学：完善人类的总目标 ——创造出人造神经网络并破译人类认知
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 量子力学和相对论为核心的物理学革命，与其后的宇 宙大爆炸、DNA双螺旋、板块构造理论、计算机科学 等重大科学突破，共同确立了现代科学体系的基本结 构，阐释了时间、空间、物质、能量之间的内在联系， 提出了崭新的时空观，在很大程度上奠定了现代人生 活的基础
2001年底美国DoC-BTM、NSF、NSTC-NSEC等机构在华盛顿 召开50余名著名科学家和政府要员参加题为“会聚四大技术， 提升人类能力”的圆桌会议，首次提出“会聚技术”的概念。 它是指当前四个迅速发展的科学技术领域（纳米、生物、信息 技术和认知科学）的协同融合。每一个领域的发展都潜力巨大， 而其中任何技术的两两融合、三种集成或四者汇聚，都能产生 难以估量的效能。这就是所谓“NBIC会聚技术”
• 在信息领域，2020年前后都会遇到难以继续发展的重 大障碍，呼唤信息科学原始性突破和信息技术革命性 突破。网络理论，超级网络计算新结构，网络安全与 智能管理，人机交互，语言文字图像识别、转换与合 成，虚拟现实，海量数据挖掘与管理，光电子、光子、 量子和生物基因计算等新一代计算技术
二、新科技革命发生的先兆与可能方向
• 薛定谔证明矩阵力学与波动力学在数学上是等价的 • 量子力学深刻影响了人类的自然观，极大促进了原子物
理、固体物理和原子核物理的发展
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
量子原子结构 （玻尔的电子图像）
玻尔假设
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 狭义相对论深刻揭示了运动与时间、空间的统一性 • 广义相对论揭示了时间、空间、物质、能量的统一性 • 哈勃定律，即星系远离太阳系的速率与其距离成正比 • 在广义相对论和哈勃定律的基础上，现代宇宙学蓬勃
• 科学革命是科学思想的飞跃，现有理论与科学观察、 科学实验的本质冲突，新的科学理论体系的构建。 自20世纪下半叶以来，尽管知识呈爆炸增长态势， 但基本表现为对现有科学理论的完善和精细化，未 能出现可以与上半世纪出现的相对论等六大成就相 提并论的理论突破或重大发现
二、新科技革命发生的先兆与可能方向
人身将有两个芯片： 存储生命秘密的基因芯片，存储个人心智秘密的认知芯片
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
如何(how) 为何(why) 何事(what) 何处(where) 何时(when)
兴起，其中最著名的是20世纪40年代伽莫夫提出的宇 宙大爆炸学说。1964年，美国的射电天文学家彭齐亚 斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射，为宇宙大爆炸理论 提供了重要依据
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• DNA双螺旋分子结构的发现是20世纪生物学的最大进 展，它的发现与遗传学、细胞学和化学的发展密切相关
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 1912年，德国地质学家魏格纳提出了大陆漂移假说，并在 1915年作了系统阐述。他认为目前的大陆和海洋是由古生代 的泛大陆分裂、漂移而形成的，并且给出了证据。大陆漂移 说未能对漂移动力机制作出令人信服的解释。20世纪60年代， 海底扩张说进一步支持了大陆漂移说。后来，板块运动学给 出了大陆漂移的科学合理解释，这是地质构造学的革命
• 在先进材料领域，未来材料科学与技术的重要突破可 能发生在：材料组织结构与性能关系，极端条件下材 料性能演化规律和机理，材料实时原位宏量的分析测 试与表征
• 在农业领域，农业必然进入生态高效可持续的时代， 保障食物安全和国民经济发展等传统功能，还将担负 起缓解全球能源危机，提供多样化需求和优良生态环 境等新使命。高效抗逆、生态农业育种科学基础与方 法，营养、土壤、水、光、温与植物相互作用的机理 和控制方法，耕地可持续利用科学基础
• 哥白尼的《天体运行论》打破了对于感官直接提示给人们的东 西的无限信赖
• 伽利略的开创性研究促使经验科学走向实验科学
日心说-太阳系仪
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 牛顿《自然哲学的数学原理》揭示了物体运动规律与天 体运动规律及其同一性，使自然科学从神学中解放出来
• 17世纪笛卡尔创建解析几何，牛顿和莱布尼兹创立微积 分，此后分析成为数学的主流，建立起多门分支，为力 学和其他学科提供了有力的数学工具与方法，并引发了 思维方式的变革
二、新科技革命发生的先兆与可能方向
上述领域中任何一个领域的突破性原始科学创新， 都会为新的科学体系建立打开空间，引发新的科 学革命。任何一个领域的重大技术突破，都有可 能引发新的产业革命，为世界经济增长注入新的 活力，引发新的社会变革，加速现代化和可持续 发展的进程
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
• 20世纪的科学革命不仅深刻揭示了微观粒子、宏观宇 宙、生命世界的本质和规律，而且引起世界观和科学 活动的根本转变，反映了人类认识自然的新飞跃
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 以蒸汽机的发明和广泛应用为标志的第一次技术革命， 突破了自然动力的局限性，实现了大生产和机械化。 第一次工业革命首先在英国发生，机器大工业从棉纺 织业逐步发展到采掘、冶金、机器制造、运输部门， 形成五大工业体系
❖ 当前，影响人类社会进展的四大前沿技术和 科学是纳米技术、生物技术、信息技术和认 知科学
❖ 这些技术是如何互相作用来影响人类社会发 展的，特别是对创新型国家建设有何冲击
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
1. 会聚技术 (Converging Technologies) 概念的提出
发展历史：
认知科学是这一会聚的先导 将解决何事(what)、何处(where)、何时(when)、 如何(how) 为何(why) 5个层次上的理解思维问题
然后： 用纳米科学和纳米技术来建造它 用生物技术和生物医学来实现它 用信息技术和控制技术来控制它
人类基因组计划破解了生命的秘密；人类认知组计划破解了 心智的秘密，则每个人都可以有重新塑造的生命
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 第四次技术革命是指20世纪70年代以来，信息技术、数字 网络的广泛应用，促进了现代服务业的快速发展，极大地 改变了人类的生产方式和生活方式，加快了全球化的进程， 推动着人类社会进入信息时代和知识经济时代
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 科学革命和技术革命都是长期知识积累基础上的突 变，表现出一定的周期性
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 以电力技术为标志的第二次技术革命，推动人类社会 从蒸汽时代进入电气时代。内燃机和电动机逐步取代 蒸汽机，电力、石油、化工等重工业迅速出现和发展
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
• 以电子技术、航空航天技术、核技术、信息和网络技 术为标志的第三次技术革命，使人类从电气时代进入 了电子时代
每一个都是多学科的交叉和融合，都是科学技术的前沿和研究 对象，但四者协同会聚正好形成一个全新“集成”领域的研究
“空间——对象——工具——目标”
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
提高人类行为能力的会聚技术
生物科学和生命 科学与技术
纳米科学与技术 信息科学与源自文库术
认知和神经科学
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响
第二次科学革命是以相对论和量子论为主要标志 的自然科学理论根本变革
• 量子论的革命性在于把能量的不连续性引入了物理学，
并且在之后渗透到几乎所有的微观领域
• “光量子”概念完美解释了光电效应问题
• 玻尔的量子化轨道理论与实验结果完美一致
• 德布罗意提出了物质波假说，并推广到一切实物粒子
NBIC会聚技术
纳米科学与技术 (Nano)
认知和神经科学 (Cogno)
生物科学和生命 科学与技术
(Bio)
信息科学与技术 (info)
NBIC四面体
三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC）
2003年底欧盟也成立了专门探讨“汇聚技术”的专家 组，其任务是：
1) 描绘出“会聚技术”的研究领域 2) 将“会聚技术”与欧洲的环境和政策目标建立联系 2004年专家组多次探讨后提交题为《会聚技术—塑造 欧洲未来》（Converging Technologies-Shaping the Future of European Societies）报告建议： 1) 将“会聚技术”作为欧盟优先研究主题 2) 将发展“欧洲知识社会的会聚技术”作为一项重要 的发展战略举措 2006年3月美国召开了会聚技术与社会科学的专门学术 会议
科学技术革命及其对人类社会发展的影响
武汉大学 刘经南 2010年12月
提要
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影 响
二、新科技革命发生的先兆与可能方向 三、当代的新技术革命：会聚技术（NBIC） 四、会聚技术等带来的“创新”新概念和新理论 五、结 语
一、几次科学技术革命及其对人类社会发展的影响 1，第一次科学革命发端于天文学、物理学和生理学领域