21世纪的科学技术进展

卢 瑟 福
居里
居里夫人
• 证明原子的存在、推出E=mc2公式到原子弹爆 炸，爱因斯坦的理论与现实很近很近。1939年 8月，爱因斯坦曾致函罗斯福总统，建议美国 开展对原子核的研究，担忧德国法西斯可能制 造原子弹。随之美国有了研制原子弹的“曼哈 顿计划”。但是，爱因斯坦并未参与其中。他 的理论被广泛应用。
第一台激光 器诞生 （1960） （技术）
现代光学 （物理）
被誉为第三次工业革命的整个信息技术的发生、发展，
其硬件部分几乎都以物理学成果为基础： 量子力学 费米-狄拉克统计 固体能带理论 （20年代） （物理）
晶体管诞生（1947）
集成电路 （1962） 大规模集成电路 （70年代后期） （技术）
微结构物 理
三、第三次工业革命
• 第三次科技革命，开始于20世纪40、50年代， 以原子能技术、航天技术、信息技术的应用为 主要标志，还包括人工合成材料、分子生物学、 遗传工程等高新技术。 • 这次科技革命的特点是：①科学技术转化为生 产力的速度加快。②科学和技术密切结合，相 互促进。③科学技术各领域之间互相渗透。
• 瓦特蒸汽机在纺织、 采矿、冶炼和交通 运输等方面得到了 广泛应用，使世界 进入了所谓的“蒸 汽机时代”，极大 地推动了英国和欧 洲的第一次工业革 命。人类开始富裕
煤矿抽气抽水机卷扬机
1807年克莱蒙特号蒸气船
19世纪初中期的农业机械、马车
• 1819年8月25日，瓦特在家中去世，他的 讣告中是这样形容他发明改进的蒸汽机的： “它武装了人类，使虚弱无力的双手变得 力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切 难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下 了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳 动。” • 英国的成功也逐渐向整个世界扩散，当然 首先是欧洲和北美，工业革命带领世界进 入了现代文明时代。 • 使东方从属于西方。
微电子学、 自旋（磁） 电子学
（物理）
一、瓦特推动工业革命
• 瓦特出生于1736年1月19日。 他的父亲是个多才多艺的工 匠，受他的影响，瓦特特从 小就有实验的兴趣和才能。 传说他小的时候，曾用布把 壶嘴堵死，看到蒸汽的力量 把壶盖冲开。这一现象激发 了他的探索精神。
• 纽科门蒸汽机，但它 的耗煤量大、效率低。 瓦特运用科学理论， 从1765年到1790年，瓦 逐渐发现了这种蒸汽 特进行了一系列发明，比 如分离式冷凝器、汽缸外 机的毛病所在。 设置绝热层、用油润滑润 滑活塞、行星式齿轮、平 行运动连杆机构、离心式 调速器、节气阀、压力计 等等，使蒸汽机的效率提 高到原来纽科门机的3倍 多，最终发明出了现代意 义上的蒸汽机。
• 利用化学合成方法，美国人发明了塑料， 法国人发明了人造纤维。化学工业的发 展，极大地改变了人们的生活。
• 医药发明，包括抗生素、盘尼西林等， 使卫生环境得以改善，人的寿命得以延 长。
• 这次科技革命的特点是：①以坚实的科学技术为 基础，促进了基础工业特别是重工业、化学工业、 能源工业的发展，充分体现了科学技术是第一生 产力的原理。②在几个先进大国同时起步，相互 促进下展开，规模更广、速度更快。它改变了世 界大国间的力量对比，英国的“世界工厂”地位 开始动摇。③开始于多数国家尚未完成工业革命 之时，形成了两次工业革命同时交叉进行的局面。 这有利于后起的国家直接采用新技术成果，加快 发展的速度。例如德国。日本就是如此。
自然科学与技术 历史上自然科学（物理学）与技术的关系大致有两 种模式: 技术 物理 技术(以第一次工业革命为标志) 物理 技术 物理(以电气化进程为标志)
20-21世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的
新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的 。
爱因斯坦受激 辐射理论 （1917） （物理）
物质世界结构
宇
实物 分 子
宙
场 宇 宙 大 爆 炸 标 准 模 型
原 子 原子核 质子 中子
夸克
电 子
（轻子） 费米子
规范玻色子
粒子物理标准模型
人类已观测到的宇宙大致范围
目前人类所研究的物质世界 的最小物质为夸克
星系团
粒子
微观
W++ 10-20 10-15
1025 1020 1015 1010
5 1m 10
星系
宇观
Fra Baidu bibliotek
原子核
原子 介观
太阳系
10-10 10-5
地球
山
DNA
人
宏观
• 科学和技术相辅相承，科学上的每一个 重大突破，不仅将在一定时间内导致影 响人类生活的新技术出现，还必定极大 地丰富我们进一步认识自然的技术手段； 新技术的发展又促使我们认识自然的实 验手段不断增加、不断提高，从而推动 科学的进一步发展。
• 氢弹爆炸时，作为引爆装置的原子弹 首先爆炸，产生数千万度高温，促使氘 氚等轻核急剧聚变，放出巨大能量，形 成更猛烈的爆炸。
氢弹爆炸
托克马克装置
钱三强（19131992）他主要从 事原子核物理学 的研究，是中国 原子能科学事业 的创始人，被誉 为“中国原子弹 之父”。
邓稼先（1924-1986）
• 早在1876年，德国人奥托制成了四冲程内燃机， 使用煤气为燃料。 • 19世纪80年代中期，德国发明家格· 戴姆和卡 尔· 本茨提出了轻内燃发动机的设计，这种发动 机以汽油为燃料。
• 90年代，德国工程师狄塞尔设计了一种效率较 高的内燃发动机，因它可以使用柴油作燃料， 又名柴油机。
• 内燃机的发明，解决了交通工具的发动机问题， 引起了交通运输领域的革命性变革。19世纪晚 期，新型的交通工具──汽车出现了。许多国 家都开始建立汽车工业。随后，以内燃机为动 力的内燃机车、远洋轮船等也不断涌现出来。 1903年，美国人莱特兄弟制造的飞机试飞成功， 实现了人类翱翔天空的梦想，预告了交通运输 新纪元的到来。
二、第二次工业革命
• 第二次工业革命，开始于19世纪70年代 前后，以电力的广泛应用、内燃机的创 制和使用、电讯事业和化学工业的发展 为标志。
2.1 以电力的广泛 应用为显著特点
• 早在1831年， 英国科学家法 拉第发现了电 磁感应现象， 提出了发电机 的理论基础。
• 1866年德国人西门子制成发电机。它由 蒸汽或水力带动，就能把机械能变为电 能。 • 这一时期，能把电能转化为机械能的电 动机也被发明出来，电力开始用于带动 机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能 源。随后，电灯、电车、电钻、电焊等 电气产品如雨后春笋般地涌现出来。。
• 1888年，德国科学家赫兹发现了电磁波。
• 利用这种电磁波，建立无线电通讯的任务，则 是由俄国人波波夫和意大利人马可尼几乎同时 完成的。1896年，波波夫首次把无线电报拍到 250米远的地方，但他在俄国的试验所能得到 的支持却很有限；而马可尼在英国资本家的资 助下，依靠比较优越的条件，制出了无线电通 讯设备。1899年，马可尼在英法之间发报成功； 1901年，横越大西洋发报成功。近代电讯事业 的发展，为快速传递信息提供了方便。从此世 界各地的经济、政治和文化联系进一步加强。
中国政府重申：“中 国进行必要而有限制 的核试验，发展核武 器，完全是为了防御， 其最终目的就是为了 消灭核武器”。“在 任何时候，任何情况 下，中国都不会首先 使用核武器。”
1967年6月17日，在我国西部地区成功地爆炸了第一颗 氢弹。这次试验是中国继第一颗原子弹爆炸成功后，在 核武器发展方面的又一次飞跃，标志着中国核武器的发 展进入了一个新阶段。
• 1954年，前苏联曾首先建立了一个功率 为5 000千瓦的核电站，预示着人类即将 进入原子能时代．
3.2 航天技术
• 航空 • 航天 • 人类面对繁星点点的 • 人离开地面，飞在空 层层太空，滋生着无 中，像鸟儿一样飞翔， 数的遐想和向往，希 是人类恒古以来的梦 望离开地球飞向宇宙， 想之一。这一梦想在 去作客，去考察、探 100年前终于实现了。 索。于是才有古希腊 人类发明了飞机、气 的宇斯、太阳神的故 艇、气球和热气球， 事；中国嫦娥奔月的 实现了飞向蓝天的宿 神话。 愿。
• 1876年，定居美国波士顿的苏格兰人贝尔试通 电话成功，爱迪生等人在贝尔发明的基础上作 了重要改进，使电话通讯很快风行全球的许多 国家。
• 1877年，美国建成第一座电话交换台。随后， 在巴黎、柏林、彼得堡、莫斯科和华沙等地相 继成立了电话局。
无线电的发明是19世纪末最为重要的技术 成就之一。
郭永怀（1909～ 1968）中国空气 动力学家
1999年国庆50周年前夕，中共中央、国 务院、中央军委授予23名科技工作者以 每枚均由515克纯金制成的“两弹一星功 勋奖章”。
虽然科学没有国界 科学家却是有祖国的
1964年10月16日，在中国 西部戈壁大漠的上空升起 了壮丽的蘑菇云，我国第 一颗原子弹爆炸成功。它 向世界宣告，中国独立自 主地掌握了核技术，它意 味着中国不仅树立了国防 尖端科技的丰碑，更铸就 了国家安全和大国地位的 基石。
2.4 化学工业是第二次工业革命时期出现 的新兴工业部门
• 在无机化学工业方面，60～70年代发明了以氨 为媒介生产纯碱和利用氧化氮为催化剂生产硫 酸的新方法，使这两种化学工业的基本原料的 综合利用得到迅速发展。
• 有机化学工业也随着煤焦油的综合利用得到迅 速发展。 • 从80年代起，人们开始从煤焦油中提炼氨、苯、 人造染料等。
3.1原子能技术
• 在20世纪最伟大的科学发现中，原子核结构 和DNA结构的阐明无疑都是名列前茅的。 • 19世纪末放射性元素的发现，表明元素是可 变的。 • 20世纪初，了解了原子的核型结构，且用重 粒子轰击破碎原子核弄清了原子核是由质子 和中子构成的。这些方面的突破，影响了整 个物理科学的发展。
人类航天史
• 1、里程碑式的V－2火箭（1944年6月13日）英国伦敦 遭德国法西斯发射的V－2飞航式火箭的空袭。9月8日 又向伦敦发射了V－2弹道式火箭。V－2火箭于1942年 10月3日首次试射成功。1944年9月-1945年3月德国共 制造了6000多枚V－2火箭，4320多枚用于袭击英、法 和其他国家，给这些国家造成巨大灾难。V－2导弹在 战争中扮演了极不光彩的角色，但它在技术上的成功 却使人类向征服太空跨近了一步，是航天史上一个重 要的里程碑。
• 1882年，法国人德普勒发现了远距离送 电的方法，美国科学家爱迪生建立了美 国第一个火力发电站，把输电线联接成 网络。
• 电力是一种优良而价廉的新能源。它的 广泛应用，推动了电力工业和电器制造 业等一系列新兴工业的迅速发展。 • 人类历史从蒸汽时代跨入了电气时代。
2.2 内燃机的创制和使用。这是第二次工 业革命时期应用技术上的一个重大成就。
原子弹： 利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反
应原理制成的武器
自持核裂变链式反应：不需外界干预，自身可持续 进行的核裂变链式反应。
重核的裂变
裂 变
原子弹爆炸
原子弹爆炸
冲击波
光辐射
核电磁脉冲
早期核辐射
放射性沾染
氢核的聚变
• 氢弹亦称“热核武器”，它是一种利用 氢元素原子核在高温下聚变反应于瞬间 放出巨大能量起杀伤破坏作用武器，它 主要由装料、引爆装置和外壳组成。
科学和技术都是以自然界为对象，大至宇宙中的日月
星辰，小至组成一切物质的基本粒子，都是科学认识的 对象。
空间尺度 （相差 1046）
1026 m（约150亿光年）（宇宙）——10-20 m（夸克）
时间尺度 （相差1045 ） 1018 s（150亿年）（宇宙年龄）——10-27 s（硬 射线周期） 速率范围 0（静止）——3108 m/s（光速） 不同尺度和速度范围的对象要用不同的科学规律研究
21世纪的科学技术进展
——纪念爱因斯坦伟大发现100周年
——2005年国际物理年
科学与技术
• 科学仅指自然科学。以认识自然、探索 未知为目的。包括认识自然界所有物质 发生的各种现象，揭示自然现象的内在 规律和相互联系。不仅要认识其宏观和 外观，还要认识其内部各个层次上的精 细结构，运动特点及运动规律。 • 技术是以对自然界的认识为根据，利用 得到的认识来改造自然为人类服务。
• 内燃机的发明推动了石油开采业的发展和石油 化学工业的产生。 • 石油也像电力一样成为一种极为重要的新能源。 1870年，全世界开采的石油只有80万吨，到 1900年猛增至2 000万吨。
2.3电讯事业的发展
• 早在1844年，摩尔斯在美国华盛顿和巴尔的摩 之间试拍有线电报成功，打下了近代电讯事业 的基础。第二次工业革命时期，电讯事业广泛 地发展起来。