信息技術(shù)空間技術(shù)和生命科學(xué)在21世紀(jì)所取得的成就同題

【專家解說】：20世紀(jì)最耀眼的12組科技成果 王渝生 20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進的世紀(jì),人類在本世紀(jì)所取得的科技成就和創(chuàng)造的物質(zhì)財富超過了以往任何一個時代.它們是推動經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的決定性因素,改變了并將繼續(xù)改變世界的面貌.它們中有一些為科技界公認的重大成就,將在人類歷史上永遠閃耀著奪目的光輝. 20世紀(jì)初科學(xué)革命兩大成就 20世紀(jì)的科學(xué)是在19世紀(jì)的重大理論成果如熱力學(xué)與電磁學(xué)理論、化學(xué)原子論、生物進化論與細胞學(xué)說等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線、放射性、電子）導(dǎo)致了20世紀(jì)前30年的物理學(xué)革命,誕生了相對論和量子力學(xué),成為20世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ). 1、相對論 1905年,20世紀(jì)最偉大的科學(xué)天才愛因斯坦在他26歲時創(chuàng)立了狹義相對論,提出了不同于經(jīng)典物理學(xué)的嶄新的時空觀和質(zhì)（m）能（E）相當(dāng)關(guān)系式E＝mc2（此處光速C＝3×108米／秒）,在理論上為原子能的應(yīng)用開辟了道路. 關(guān)于E＝mc2,即物體貯藏的能量等于該物體的質(zhì)量乘以光速的平方,這個數(shù)量大到令人難以想象的程度.我們不妨打個比方說,1克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化成的能量,相當(dāng)于常規(guī)狀態(tài)下燃燒36000噸煤所釋放的全部熱能；或者說,1克質(zhì)量相當(dāng)于2500萬度的電能. 1915年,愛因斯坦又創(chuàng)立了廣義相對論,深刻揭示了時間、空間和物質(zhì)、運動之間的內(nèi)在聯(lián)系——空間和時間是隨著物質(zhì)分布和運動速度的變化而變化的.它成為了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一. 從1923年開始,愛因斯坦用他的后半生致力于統(tǒng)一場論的探索,企圖建立一個既包括引力場又包括電磁場的統(tǒng)一場理論,雖然他沒有取得成功,但是楊振寧和米爾斯于50年代創(chuàng)立了“楊—米爾斯場方程”,發(fā)展了所謂“規(guī)范場”的理論,使愛因斯坦夢寐以求的統(tǒng)一場論可望在規(guī)范場的基礎(chǔ)上得以實現(xiàn). 2、量子力學(xué) 1900年,普朗克創(chuàng)立了量子論,提出能量并非無限可分、能量的變化是不連續(xù)的新觀念.1905年,愛因斯坦提出了光量子論,揭示了光的“波粒二象性”.1913年,玻爾把量子化概念引進原子結(jié)構(gòu)理論.1923年,德布羅意提出物質(zhì)波理論.1925年,海森伯和薛定諤分別建立矩陣力學(xué)和波動力學(xué).1928年,26歲的狄拉克提出電磁場中相對論性電子運動方程和最初形式的量子場論,使包括矩陣力和波動力學(xué)在內(nèi)的量子力學(xué)取得了重大的進展. 20代末量子力學(xué)的建立,是繼1905-1915年相對論建立之后對經(jīng)典物理學(xué)的又一次革命性的突破,它成功地揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律,加速了原子物理學(xué)和固態(tài)物理學(xué)的發(fā)展,為核物理學(xué)和粒子物理學(xué)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ),同時也促進了化學(xué)鍵理論和分子生物學(xué)等的產(chǎn)生.因此,量子力學(xué)可以說是20世紀(jì)最多產(chǎn)的科學(xué)理論,迄今仍具有強大的生命力. 20世紀(jì)中后期5大科學(xué)成就 30年代以來,物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、規(guī)范場、宇宙大爆炸、遺傳物質(zhì)分子雙螺旋結(jié)構(gòu)、大地構(gòu)造板塊學(xué)說以及信息論、控制論、系統(tǒng)論等理論的創(chuàng)建,使人類的視野進一步拓展到更為宇觀、宏觀和微觀的領(lǐng)域,成為人類文明進步的巨大推動力. 1、物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) 從遠古時代開始,人們就在探討物質(zhì)是由什么組成的,有沒有公共的基本單元.直到19世紀(jì)末,人們都認為這種共同的基元就是原子.1911年,盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部有一個核；1913年,玻爾指出放射性變化發(fā)生在原子核內(nèi)部,于是研究原子核的組成、變化規(guī)律以及內(nèi)部結(jié)合力的核物理學(xué)應(yīng)運而生. 1932年,查德威克發(fā)現(xiàn)了中子.從此,人們認識到各種原子都是由電子、質(zhì)子和中子組成的,于是把這三種粒子和光子稱為基本粒子. 但是,基本粒子并不“基本”.一方面,正電子、中微子、介子等新的基本粒子相繼發(fā)現(xiàn)；另一方面,基本粒子還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu).60年代以來,出現(xiàn)了基本粒子結(jié)構(gòu)的“夸克模型”、“層子模型”等,使40年代末誕生的一門新的獨立學(xué)科——基本粒子物理學(xué)（又稱高能物理學(xué)）至今方興未艾,成果累累. 2、宇宙大爆炸理論 現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究發(fā)端于愛因斯坦.他在1915年創(chuàng)立廣義相對論后,用它來考察宇宙的結(jié)構(gòu)問題,于1917年提出有限無邊的宇宙模型.1922年,弗里德曼提出的非靜態(tài)宇宙模型,認為宇宙是可能膨脹的.1929年,哈勃確定了星系紅移（即退行速度）和距離之間的線性關(guān)系,證實了宇宙膨脹理論.1932年,勒梅特提出了宇宙爆炸說. 1948年,伽莫夫把核物理學(xué)的知識同宇宙膨脹理論結(jié)合起來,發(fā)展了大爆炸理論,并用它來說明化學(xué)元素的起源.這一宇宙大爆炸理論在1965年發(fā)現(xiàn)的宇宙背景輻射現(xiàn)象和1998年哈勃望遠鏡探測到距地球120億光年之遙的星系中得到了有力的支持. 3、DNA分子雙螺旋模型 1953年4月25日,英國《自然》雜志刊登了25歲的沃森和37歲的克里克合作研究的成果——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型,這一成就后來被譽為20世紀(jì)生物學(xué)方面最偉大的發(fā)現(xiàn),也被認為是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志. DNA是遺傳基因的物質(zhì)載體——脫氧核糖核酸的英文簡稱.1915至1928年間,摩爾根通過果蠅實驗,證明了坐落在細胞核內(nèi)染色體上的基因決定著生物性狀,從而創(chuàng)立了基因理論.染色體是由蛋白質(zhì)和DNA組成的.過去生物學(xué)界一直認為蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體,直到1944年埃弗里等人通過實驗才證明了遺傳載體不是蛋白質(zhì),而是DNA.1953年DNA分子結(jié)構(gòu)雙螺旋模型的建立是打開遺傳之謎的關(guān)鍵.60年代尼倫柏格等人破譯了遺傳密碼,證明地球上所有生物的遺傳密碼都是相同的——DNA的4種核苷酸堿基的序列代表了基因的遺傳信息,決定著蛋白質(zhì)的20種氨基酸的組成和排列順序.作為基因載體的DNA是生命的后臺指揮者,生命的一切性狀通過受DNA決定的蛋白質(zhì)來表現(xiàn). 4、大地板塊構(gòu)造學(xué)說 1912年,魏格納提出大陸漂移說,認為在地質(zhì)歷史上的古生代,全球只有一塊巨大陸地,周圍是一片大洋；中生代以來,這塊古陸開始分裂、漂移,逐漸成為現(xiàn)在的幾個大陸和無數(shù)島嶼,原來的大洋則分割成幾個大洋和若干小海. 大陸漂移說經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展,由地幔對流說（1928年）、海底擴張說（1961年）等階段,到1968年勒比雄等提出了全球大地板塊構(gòu)造學(xué)說,建造了全球被分為歐亞、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南極六大板塊和若干小板塊的結(jié)構(gòu)模型,得到了越來越多的科學(xué)驗證,特別是海洋地質(zhì)學(xué)的有力支持. 5、信息論、控制論、系統(tǒng)論 1948年,申農(nóng)《通訊的數(shù)學(xué)理論》、維納《控制論：關(guān)于動物和機器中控制和通信的科學(xué)》、貝塔朗菲《生命問題》的出版,標(biāo)志著交叉科學(xué)信息論、控制論、一般系統(tǒng)論的誕生；1957年,古德等《系統(tǒng)工程學(xué)》的出版為系統(tǒng)工程論奠定了基礎(chǔ).60年代以來,又出現(xiàn)了新的交叉科學(xué)——突變論、協(xié)同論和耗散結(jié)構(gòu)理論. 交叉科學(xué)不僅溝通了為數(shù)眾多的自然科學(xué)學(xué)科,而且在方法論上也溝通了自然科學(xué)與社會科學(xué).它向人們提供了定量、精確和最優(yōu)的認識世界的方法,對人類社會產(chǎn)生了深刻的影響. 20世紀(jì)的5大尖端技術(shù)成果 在科學(xué)的先導(dǎo)和生產(chǎn)的促進下,20世紀(jì)發(fā)展起來五大尖端技術(shù)：核技術(shù)、航天技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)和生物技術(shù),在能源、材料、自動化、海洋和環(huán)境等高新技術(shù)方面也有了長足的進步. 1、核能與核技術(shù) 原子核的裂變和聚變反應(yīng)將產(chǎn)生和釋放出遠大于機械能、化學(xué)能等產(chǎn)生的能量.核能的和平利用,為人類提供了一個既安全又清潔、取之不盡而用之不竭的能源寶庫. 1942年,美國建成了世界上第一座原子反應(yīng)堆,首次實現(xiàn)了人工控制的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng).1945年第一顆原子彈爆炸成功.1952年第一顆輕核聚變的氫彈爆炸成功.1954年,蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站.60年代以后,核電站進入實用階段,發(fā)展至今已成為一種重要能源,約占全球發(fā)電總量的1／5. 核技術(shù)還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、材料、考古和環(huán)保等領(lǐng)域.40年代放射性同位素開始大量生產(chǎn),1947年比利發(fā)明了C14測定年代的方法,1951年開始使用Co60等放射性元素治療癌癥,70年代以來計算機x射線斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于臨床,80年代初發(fā)展到核磁共振掃描技術(shù)（MRI）. 2、航天和空間技術(shù) 1903-1914年,齊奧爾科夫斯基提出以火箭為動力的航行理論,奠定了航天學(xué)的基礎(chǔ).1919年,戈達德提出火箭飛行的數(shù)學(xué)原理,并于1926年成功地發(fā)射了世界上第一枚液體燃料的火箭.1942年,布勞恩主持設(shè)計發(fā)射的液體軍用飛箭成為二戰(zhàn)后各國火箭發(fā)展的藍本. 1957年,蘇聯(lián)用洲際導(dǎo)彈的火箭裝置發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星,“空間時代”從此開始.1961年,蘇聯(lián)發(fā)射載人宇宙飛船,人類首次飛向太空.1969年,美國“阿波羅”11號飛船登月,人類在月球上留下了第一個腳印.1971年,蘇聯(lián)建造空間站,人類首次在太空中有了活動基地.1981年,美國發(fā)射航天飛機成功,從此人類可以自由進出太空. 自50年代后期起,人類開始對月球和太陽系各大行星,以及遙遠的行星際空間進行探測,至今已發(fā)射了100多顆空間探測器,去揭示宇宙的形成與演化,探索生命的起源以及空間環(huán)境對人類生存環(huán)境的影響. 3、信息技術(shù) 信息技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域.它對人類社會、經(jīng)濟、政治、文化等產(chǎn)生了全方位的巨大而深遠的影響. 1906年,三極電子管的發(fā)明使電信號放大,從而使遠程無線電通信成為可能.1947年,第一只晶體管的誕生為電子電路集成化和數(shù)字化提供了重要的基礎(chǔ).1945年問世的電子計算機,已經(jīng)歷了第一代（電子管,40年代中至50年代末）、第二代（晶體管,50年代末至60年代中）、第三代（集成電路,60年代中至70年代初）和第四代（大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路,70年代初開始）等發(fā)展階段,80年代開始對新一代的智能計算機、光學(xué)計算機和量子計算機的探索已取得初步成果. 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),計算機向巨型化和微型化兩極發(fā)展.70年代中,巨型機的向量運算速度超過了每秒億次；微機則進入了千家萬戶,標(biāo)志著個人電腦時代的來臨.當(dāng)今,巨型機的運算速度已達每秒3．9萬億次,而計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則在2億多網(wǎng)民的學(xué)習(xí)、研究、交流、貿(mào)易甚至娛樂等方面創(chuàng)造了嶄新的工作和生活方式. 4、激光技術(shù) 1917年,愛因斯坦在研究光的輻射的過程中,提出了“受激輻射”的概念,奠定了激光的理論基礎(chǔ).1958年激光被發(fā)現(xiàn).1960年美國制成了世界上第一臺激光器,它用紅寶石晶體做發(fā)光材料,用發(fā)光強度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源,在這種受激輻射作用下產(chǎn)生的一種超強光束就是激光. 繼紅寶石激光器之后,半導(dǎo)體激光器（1963年）、氣體激光器（1964年）、自由電子激光器（1977年）乃至原子激光器（1977年）等相繼問世. 5、生物技術(shù) 基因重組技術(shù)（又稱基因工程）是20世紀(jì)下半葉蓬勃興起和發(fā)展的現(xiàn)代生物技術(shù)的最前沿領(lǐng)域.60年代末至70年代初,阿爾伯和史密斯發(fā)現(xiàn)細胞中有兩種“工具酶”,能對DNA進行“剪切”和“連接”；內(nèi)森斯則使用工具酶首次實現(xiàn)了DNA切割和組合.DNA的重組能創(chuàng)造性地利用生物資源,實現(xiàn)人類改造生物的遺傳特征、產(chǎn)生人類所需要的生物類型的意愿.80年代以來,已獲得上百種轉(zhuǎn)基因動植物,對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義.轉(zhuǎn)基因藥物的研制和生產(chǎn)則將為人類的健康帶來新的福音. 除基因工程外,生物技術(shù)（即生物工程）還包括細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程等領(lǐng)域.1978年首例試管嬰兒路易斯誕生、1996年克隆羊多莉的出現(xiàn)都是細胞工程的杰作；加酶洗衣粉和嫩肉粉等則是酶工程的產(chǎn)品；現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)始于青霉素的生產(chǎn),現(xiàn)已大規(guī)模利用發(fā)酵工程生產(chǎn)抗生素等.至于根據(jù)需要對天然蛋白質(zhì)的基因進行改造,生產(chǎn)出新的、自然界原本不存在的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì),更是日益受到重視,被譽為第二代基因工程. 20世紀(jì)科技發(fā)展帶給21世紀(jì)的遺產(chǎn)將包括科學(xué)的全球化、社會化,社會的科學(xué)化,科學(xué)的交叉性、復(fù)雜性和綜合性,科學(xué)、技術(shù)與社會的密切結(jié)合并相互作用,科學(xué)技術(shù)促進世界和平和人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展等等.有了這些基礎(chǔ),人類可以滿懷信心地去迎接全球化知識經(jīng)濟的新時代! （本文作者系中國科學(xué)院理學(xué)博士、中科院自然科學(xué)史所研究員、中國科技史學(xué)會秘書長）