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。,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,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,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。,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）,第一台激光器诞生（1960）,现代光学,（物理）,（技术）,（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：,晶体管诞生（1947） 集成电路 （1962） 大规模集成电路 （70年代后期）,量子力学 费米-狄拉克统计 固体能带理论 （20年代）,微结构物 理 微电子学、自旋（磁）电子学,（物理）,（技术）,（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，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。,从1765年到1790年，瓦特进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、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。,煤矿抽气抽水机卷扬机,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,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。,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。,二、第二次工业革命,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。,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。,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。 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。 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。,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。,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，6070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。,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：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。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。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。,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：科学技术转化为生产力的速度加快。科学和技术密切结合，相互促进。科学技术各领域之间互相渗透。,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。,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。,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。 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。,氢核的聚变,氢弹爆炸,托克马克装置,邓稼先（1924-1986）,钱三强（1913-1992）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”。,郭永怀（19091968）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。,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。,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。”,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 人离开地面，飞在空中，像鸟儿一样飞翔，是人类恒古以来的梦想之一。这一梦想在100年前终于实现了。人类发明了飞机、气艇、气球和热气球，实现了飞向蓝天的宿愿。,航天 人类面对繁星点点的层层太空，滋生着无数的遐想和向往，希望离开地球飞向宇宙，去作客，去考察、探索。于是才有古希腊的宇斯、太阳神的故事；中国嫦娥奔月的神话。,人类航天史,1、里程碑式的V2火箭（1944年6月13日）英国伦敦遭德国法西斯发射的V2飞航式火箭的空袭。9月8日又向伦敦发射了V2弹道式火箭。V2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V2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。V2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。,是单级液体火箭,工程开始于年。年月日，试验成功，年底定型投产。从投产到德国战败，前德国共制造了 枚，其中 枚用于袭击英国和荷兰。,德国火箭专家多恩伯格 1945年德国战败后，他被监禁在英国监狱。 1947年被美国任命为空军顾问。,2、第一个送卫星上天的“卫星”号火箭。1957年10月4日，前苏联发射成功人类第一颗人造地球卫星，开辟了宇宙航行的道路。这天“卫星”号运载火箭终于冲开天门在宇宙之中出现了一颗人造卫星，它与群星同辉。它发出的电波全世界都可以收到。前苏联航天员于1961年4月12日实现了人类首次航天的伟大梦想，乘载载人飞船绕地球飞行几圈后返回地面。,3、中国的航天事业。1956年10月8日，我国成立第一个导弹研究机构。40多年来在“自力更生为主，力争外援和利用资本主义国家已有的科学成果”的方针指引下我国导弹、航天事业不断发展壮大，走出了一条适合我国国情的发展道路。1960年9月，我国第1次用国产燃