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现代科学革命的发展历程 现代科学技术革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治领域的变革，也影响了人类生活方式、思维方式的发展。 （一） 科学革命的含义 科学的任务是不断探求和系统总结关于客观世界的知识。科学的发展表现为渐进与飞跃两种基本形式的辩证统一。科学发展的渐进形式是科学进化，即人类对客观世界规律性的认识没有突破原有科学的规范和框架。如某些新规律的发现，原有理论的局部修正或者拓宽和深化。科学发展的飞跃形式是科学革命。科学革命是指人类对客观世界规律性的认识发生具有划朝代意义的飞跃，从而引起科学观念、科学研究模式以及科学研究活动方式的根本变革。 科学革命这一概念是由英国剑桥大学教授H·巴特菲尔德在《近代科学的起源》一书中第一次在一般性意义上加以使用的。（H·巴特菲尔德，张丽萍等译。《近代科学的起源》华夏出版社，1988年，第157~159页。）他把“科学革命“看作是比文艺复兴和宗教改革更为重要的决定近代特征的划时代事件。从这以后，无论是科学家还是哲学家，都很重视从理论上来研究科学革命及其在历史上的作用。 对于自然科学，人们可以理解为关于自然的系统知识，也可以理解为探索自然的方法，还可以理解为人类社会活动的一个特定领域。就科学作为系统知识来说，任何一门学科的概念、结构、范式的变化都可以视为该学科的一场革命；就科学作为人类活动来说，任何研究活动组织方式的变革也都可以看作是科学革命。因此，由于角度的不同，人们对自然科学史上所发生的科学革命有二次说、三次说、四次说和多次说等不同认识，以主张三次说的较为普遍。实际上，科学革命的实质，是指包括科学事实、科学理论、科学观念三个基本要素组成的科学知识结构体系的根本变革，其中作为体系硬核的科学观念居于最高层次，它代表着一个时代科学思想的精华，为科学理论活动和实践活动提供基本准则和框架。因此，只有相对稳定的科学观念发生根本变革，并在科学共同体中得到确认，才能构成科学革命。著名科学史和科学学家J·D·贝尔纳认为：“许多科学观念的改变就总合成为一场科学革命。”（贝尔纳。《历史上的科学》，科学出版社，1981年，第210页。） 从科学发展史来看，科学革命的发生往往从个别学科首先突破，产生新的、能更全面更正确地说明自然界规律性的、反传统的科学观念。它一旦成立，便迅速向其他科学知识体系全面渗透，使旧的知识体系被逐步改造而向新的知识体系过渡，最后的科学共同体中得到确认。因此，具有崭新科学观念的理论的提出并被科学共同体所容纳是科学革命发生的标志。 （二） 科学革命的历史反思 在人类历史的长河中，曾发生过多次科学技术变革。但古代的科学尚处在萌芽状态，比较原始和零散，还未形成相对完备的理论体系。只是到了近代，科学才真正达到系统而全面的发展。因此，第一次科学革命是指从哥白尼天文学革命开始，以牛顿、伽利略为代表的经典力学体系的建立为标志的科学革命。 1.第一次科学革命 1543年，哥白尼发表了巨著《天体运行论》，提出太阳中心说。与此同时，A·维萨留斯及其同学M·塞尔维特提出了以心脏为中心的血液循环理论。它们真实地反映了客观世界运动规律，无论在内容上还是在方法上都与中世纪的科学有着本质的区别。在内容上建立了“日心说”、“心心说”，否定了“地心说”、“肝心说”；在方法上用重视观测实验的方法代替了单纯思辩、推理演绎的方法，把科学建立在实验、观测的基础上。这是第一次科学革命的开始。 哥白尼学说是向神学发出的挑战书，是自然科学的独立宣言。当时占统治地位的、作为神学宇宙观支柱的托勒密地心说，受到随地理大发现和航海探险而积累起来的新的观测资料的挑战，客观上要求有新的理论来代替它。托勒密地心说早先受到都会的禁止。到13 世纪，亚里士多德著作开禁以后，教会的态度发生变化，他们歪曲地心说，把地球说成是上帝安排的“地上的世界”，上帝使人类居于这个世界的中心，地球之外是由诸神掌管的行星，上帝则居于“天上的世界”。这种被宗教化了的“托勒密体系”，同托勒密原来的学说有着明显区别。哥白尼受人文主义思想的影响，对托勒密的体系产生怀疑，认为地球静止不动的观点是不能成立的。1512年以前，他写了一个太阳中心说提纲《试论天体运行的假说》，从1516年开始撰写《天体运行论》，1525年完成，但一直到1543年才在朋友帮助下出版。从科学的角度讲，哥白尼的体系有其缺陷，但基本思想是正确的。在他的著作中不仅有理论，还有证实理论的观测和计算，可以说他完成了天文学学科的一场革命。更重要的是，哥白尼断言宇宙是统一的，“天”和“地”受同一规律支配。他用天文观测资料去说明太阳系结构，向宗教神学挑战。这种精神解除了人们的思想禁锢，推动了科学的发展，被称之为“哥白尼革命”。 1543年，还出版了另一部重要的科学著作——近代解剖学奠基人、比利时医生维萨留斯的《人体的构造》。维萨留斯精通医书，但不拘泥于书本。他打破学者不执刀解剖、因循守旧的风气，亲自执刀解剖，讲解人体的构造。这种别开生面的教学引起了众人的兴趣。他在校译盖仑著作时，指出盖仑书中有200多处错误。例如：他纠正了盖仑关于左右心室相通的说法；通过解剖，他发现男人和女人的肋骨一样多，否定了上帝用男人肋骨创造女人的说法，等等。但维萨留斯并没有找到血液是怎样从右心室流向左心室的途径。发现这条血液通首的是西班牙医生塞尔维特。1553年他匿名出版了《基督教的复兴》一书，提出了血液在心室之间的小循环学说。塞尔维特正确地解释了肺循环，把盖仑的两个独立的血流系统（动脉系统和静脉系统）统一了起来，这就为发现全身的血液循环铺平了道路。正当他的著作刚刚发表并继续进行探索时，就被教会逮捕，并于当年10月23日被处火刑。近代解剖学和生理学就是在这种与宗教神学的殊死斗争中奠定基础和继续前进的。 天文学革命之后，近代自然科学迅速发展起来，在伽利略、牛顿等一大批科学家的不懈努力下，经典力学终于确立了。经典力学是物理学史上的第一次大综合，它不仅带动了当时和以后的自学科学的发展，而且还促使近代机械自然观的产生。16世纪以前，亚里士多德的“力学理论”是至高无上的权威。他的某些错误观念：如“物体愈重，落得愈快”，“推一个物体的力不再推它时，物体便归于静止”，成为力学发展的障碍。伽利略用实验事实和严密的逻辑论证，推翻了这些传统的错误观念，为力学的发展作出了重要贡献。伽利略是太阳中心说的热心宣传者和忠实捍卫者。1609年他亲自制做一架望远镜，巡视天空，结果发现了大量新事实：月亮和地球同样有山有谷，木星有4个小卫星，土星有环，金星也有月亮那样的盈亏圆缺，这就证明它们确实运行在地求和太阳之间。他还发现了太阳黑子，这些黑子逐渐地移动到太阳的边沿而消失，从中推断出太阳有自转。伽利略的这些发现无疑是说，天体没有贵贱之分，这同教会坚持的天地不平等观点相冲突。1610~1613年他被判处终生监禁。350年之后，到了1983年，罗马教廷在重新审理伽利略的“案件”后不得不宣布这位杰出的科学家无罪。象开普勒证明了天上物体的运动服从力学规律，可以用数学公式表达一样，伽利略则证明了地上物体的运动也服从力学规律，也可以用数学公式表达。这为牛顿经典力学的产生奠定了基础。 牛顿科学创造的顶峰是《自然哲学之数学原理》。他首先对力学的一些基本概念，如质量、动量、惯性、外力、向心力等给出定义，然后又阐述了时间和空间的概念，接着便叙述了运动三定律。牛顿对科学的最大贡献是万有引力定律。这一定律把地上和天上的物体运动规律统一了起来，形成了一个完整的力学体系。 这次科学革命，开头是自然科学为争取生存权利而反对宗教的斗争，而后在天文学、力学、数学、解剖学、生理学等学科领域，以力学为带头学科，实现了第一次科学革命。这两方面的相互联系、相互促进，构成了这次科学革命的基本内容，从而标志着以实验为基础的近代科学的真诞生。 2.第二次科学革命 18世纪下半叶到19世纪初，在第一次科学革命的基础上发生了第一次技术革命，它是从纺织机、蒸汽机的发明和应用开始的。蒸汽机的广泛应用，改变了整个工业的面貌。反之，生产技术的变革又推动了近代科学的全面发展，引发了19世纪中叶的第二次科学革命。这次科学革命以电磁理论、化学原子论和生物进化论的提出为主要内容，以热力学、电磁学、化学、生物学等一组学科为带头学科，推动了近代化学、生物学、地质学、数学、电磁学、热力学、光学、生理学、地理学、人类学和物理学等学科的诞生或发展。现今许多学科领域的重要成果和思想渊源都可以从19世纪的科学历史中找到依据。所以，人们曾把19世纪称为“科学的世纪”。 19世纪所以称为“科学的世纪”，还由于人们的自然观、宇宙观发生了根本性改变。各个领域的科学成就猛烈地向形而上学自然观发动进攻，人们开始认识到人类周围的一切都毫无例外地服从科学定律，并把自然科学研究中所使用的方法，诸如观察、实验、归纳和演绎等，应用到其他领域。科学精神、科学方法开始深入人心，科学理论走向统一。最早开创天体演化学研究新领域的是1755年康德的《宇宙发展史概论》和1796年拉斯的《宇宙系统论》。他们以鲜明的历史自然观和宇宙发展论思想，阐明了太阳系是由原始星云演化而来的观点。由于工矿业的发展，地质学的研究空前繁荣。1830～1833年英国地质学家赖尔发表了重要著作《地质学原理》。他用大量事实阐述了地质进化论，批判居维叶的灾变论，并提出了“现在是认识过去的钥匙”这种“将今论古”的地质学研究方法。恩格斯高度评价赖尔“第一次把理性带进地质学中，因为他以地球的缓慢的变化这样一种渐进作用，代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然变命。”（恩格斯。《自然辩证法》，人民出版社，1984年，第12页。） 19世纪在物理学领域中出现了两个统一的理论：能量守恒与转化定律和电磁场理论。它们都是从解释局部现象进一步扩展来解释更为广泛的自然发展过程，是继牛顿力学之后自然科学史上出现的第二次、第三次理论大综合。能量守恒与转化定律的发现,先是在19世纪初，卡诺用抽象的方法，构思了一台“理想蒸汽机”，阐述热能与机械能（功）之间的变换关系，说明热能转换为机械能是守恒的。1850年德国克劳修斯把卡诺提出的这一思想表述为热力学第二定律。19世纪40年代德国青年医生迈尔在医治病人时受到启发，通过研究发现能量守恒与转化定律。同时，1840～1850年英国焦耳分别是用机械能、电能和气体压缩能相互转化的大量实验，测定了热功当量，提出了热与功之间的关系式。在此期间，1847年德国赫尔姆霍兹在《论力的守恒》一书中提出了完整的能量守恒原理，揭示了机械运动、热、电、化学等各种运动形式之间的统一性。 1864年麦克斯韦提出了统一电磁场理论，建立了电磁场的基本方程式，从理论上推断出电磁波的存在。1871年又断定光波、热波都是电磁波中的一种，本质上是相同的，从而奠定了电磁学的理论基础。于是，古典物理学的基本理论到此完成了。人们认为在物理学领域遗留下来的工作只是提高测量精度的问题了。 研究物质性质及其变化规律的化学，自波义耳提出化学元素、拉瓦锡得出燃烧理论之后，在19世纪也取得了巨大成就。1803年道尔顿提出原子论。在这基础上，1811年阿伏加德罗又提出分子论，后来合称为原子分子论。这使整个化学有了坚实的理论基础。1824年，德国有机化学家维勒首先从无机物人工合成了有机物——尿素，突破了无机物和有机物之间的绝对界限，动摇了生命力论的基础，起到了解放思想的作用。1865年法国凯库勒发现苯的结构以后，1866年进入了“合成化学的年代”。化学元素周期律的发现，揭示了各种元素之间的内在联系，为元素的研究、新元素的寻找、新材料的探索，提供了一条客观规律。1869年门捷列夫发表了第一个周期表。与此同时，德国化学家J·迈耶尔也分别制做了一个化学元素周期表，明确提出元素的性质是它们原子量的函数。门捷列夫于1871年又发表了第二个化学元素周期表，果断地修正了一些元素的原子量和预言了一些未知元素的存在及性质。从此化学成为一门有着严密系统的科学。 细胞学说和生物进化论的创立是19世纪生物学的伟大成就。德国植物学家施莱登在1838年发表了《植物发生论》一文，提出细胞是一切植物结构的基本单位，是一切植物赖以发展的基本实体。他把植物的多样性统一于单一细胞，从而建立了低等植物和高等植物之间的联系。德国解剖学家施旺受施莱登的启发，在1839年发表《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》，把施莱登的见解扩大到动物界，认为细胞也是一切动物结构的基本单位和一切动物赖以发展的基本实体，细胞学说揭示了生物有机体的构造和发育的统一性，填平了动植物间不可逾越的鸿沟，推动了生物学许多新分支的形成，并为物种进化论的形成打下了基础。 生物进化论的最早著作是1809年法国拉马克所写的《动物的哲学》一书。书中虽有不少错误，但已具有进化论的基本观点。1859年11月，达尔文的《物种起源》一书公开出版。达尔文在赖尔的地质进化论思想影响下，总结了细胞学、比较自然地理学、比较解剖学、比较胚胎学、地质古生物学等方面的成就，经过20多年的实地考察，并应用多种研究方法（其中最主要的是历史方法和归纳方法），在系统研究基础上提出了自己的理论。达尔文进化论的核心思想是自然选择学说，认为生物普遍存在生存斗争和变异现象，在不同自然条件下能保存和积累器官、性状的微小变异，使后代性状偏离祖先愈来愈远，通过性状分歧和中间类型的绝灭而逐渐形成新的物种。自然选择经常在生物与环境的相互关系中改造生物体。《物种起源》一书的出版，不仅开创了生物科学的新时代，而且对整个科学和哲学都有深远影响。它从自然界物质自身来说明生物物种发生、发展的历史，从而给神创论和形而上学的物种不变论以沉重打击，为辩证唯物主义自然观的产生奠定了重要的科学基础。 19世纪科学革命的结果，使科学由落后于技术与生产的局面一路而处于领先地位，并对技术和生产起着重要的指导作用。改变了过去科学与经验技术相脱节的现象，使它们之间发生紧密的连锁反应，即科学起到了指导和推动生产和技术的作用，如麦克斯韦电磁理论对电磁波的预言，导致了50年后无线电报和无线电话的发明。反过来生产和技术也向科学提出问题，从而进一步推动科学的发展。 （三） 现代科学革命产生的背景 19世纪末，物理学领域连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性现象和电子的发现。这三大发现，使人类的认识第一次深入到了原子内部，彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动这一时期科学发展的重要机制。 牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，在以太问题上都遇到了根本性的困难。在牛顿力学中，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种运动都可以看作是相对于以太进行的。在麦克斯韦电磁理论中，电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太无所不在。为了验证以太的存在，物理学家进行了大量的实验和观测。1887年美国物理学家迈克耳逊和化学家莫协进行了一项搜索以太风的著名实验，但是没有找到以太风或地球与以太的相对运动。这个实验被许多人所重复，所得到的是否定以太风存在的“负结果”。1905年，爱因斯坦针对经典物理学同新的实验事实之间的矛盾，在《论动体的电动力学》一文中提出了相对性原理和光速不变原理，作为狭义相对论的两条基本原理，从而导出一系列重要结论：同时性的相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物体的质速关系式和质能关系式等。狭义相对论的建立以及1915年广义相对论的建立，从根本上突破了牛顿绝对时空的旧框框，把空间、时间和物质的运动联系了起来，引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。 “紫外灾难”是在研究黑体辐射的能量分布问题中产生的。1879年玻耳兹曼发现黑体辐射第一个经验定律，1893年维恩发现第二个经验定律。1900年，英国物理学家瑞利推算出一个不同的能量分布公式，后经英国物理学家金斯加以修正，合称瑞利—金斯公式：热物体的辐射强度正比于它的绝对温度，而反比于这个发射光线波长的平方。这个公式与维恩定律相反，只在长波部分才能很好地与实验符合，当波长变短时，这个公式就失效了。由于这一公式在紫区出了问题，故被称为“紫外灾难”。1900年，普朗克在玻耳兹曼统计观点启发下，大胆地提出了一个与经典物理学的连续性观念根本不同的能量子假说，认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续发生变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化，即能量的变化是一份一份的进行的。他把一份一份的能量称为“能量子”或“量子”。其数学表达式为：E=hv，E为量子，h为普朗克常数，v为频率。从能量子假说出发，普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡，但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代，经过德布罗意、薛定谔、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，揭示了连接与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客观统计性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。 肇始于19世纪末20世纪初的现代科学革命，是以相对论和量子力学的诞生为主要标志。这次革命初期主要在物理学领域发生，到20世纪中叶在各个领域得到迅速发展。其发生发展有着复杂的背景。 （1） 19世纪60年代以后，资本主义大工业开始建立，自然科学在工业生产中有了广泛应用的必要和可能。电力技术的发展，明显地表现出技术对科学的依赖性、科学理论对技术的指导作用。经过第二次技术革命以后，人类仍然面临着生产过程和工艺复杂，操作繁重，难以控制掌握，材料有限，动力和能源紧张，生产和经营中经验性的组织管理日益失灵等种种矛盾，迫切需要加以解决。 （2） 科学在日益分化和深化的基础上，趋向综合化、理论化、系统化和技术化方面发展。 （3） 发达资本主义国家国内各垄断集团之间、发达国家之间争夺地国内外市场加剧，科学技术成为竞争的最重要的商品。为了战胜对手，围绕尖端技术，展开了激烈角逐。超级大国为了争夺世界霸权，以图夺取优势；发展中国家为求独立和经济的发展，要求提出高科学技术，进行综合国力的较量。 这些都是现代科学革命产生的社会经济、政治和科学的广阔背景。 现代科学革命是以物理学革命为先导，以现代宇宙学、分子生物学、系统科学、软科学的产生为重要内容，以自然科学、社会科学和思维科学相互渗透形成交叉学科为特征的一次新的科学革命。 （一） 物理学革命的扩展 现代物理学革命在产生了研究高速（接近光速）物理现象的相对论和研究微观现象的量子力学两大基础理论之后，迅速向宏观、宇观和微观的更深层次扩展，并向着大统一的方向推进。天体物理学、原子核物理学、粒子物理学、凝聚态物理学和统一场论都是现代物理学中十分活跃的学科。尤其在第二次世界大战以后，从宇宙天体物理的探索到物质结构之谜的揭示，都取得了飞速发展。现代物理学的每一个重大突破和发展都广泛而深远地影响其他学科的发展，极大地推动着生产和技术革命，使人类进入到能源、信息、材料、生物工程等高新技术的时代。 1.宇宙射线的新发现 1945年，宇宙射线正式成为宇宙线物理学一个分支学科的研究对象。它使用无线电电子学的技术方法，通过对宇宙天体所发射和反射电波的观测研究，来进一步揭露宇宙天体的奥秘。1940年以前，人们对来自地球以外的宇宙射线开始有所认识。40年代末，发现混有氦、碳、氮、铁等元素的宇宙射线在银河系内慢慢加速，推测这些能量很高的宇宙射线是超新星爆炸时的飞散物，它们是在银河磁场中加速的。人们观测到太阳磁暴后地球上宇宙射线增加，说明低能宇宙射线来自太阳。英国鲍威尔、意大利奥查林尼、巴西拉蒂斯等科学家观察到了宇宙射线的运动轨迹。60年代以来，由于科学技术的飞速发展，高灵敏度和高分辩率的巨型射电望远镜日益增多，发现并研究了许多新颖奇特的宇宙射电辐射，如微波背景辐射、类星体、脉冲星等。1963至1974年相继发现星际分子30多种，其中包括多种组成生命结构的有机分子，如羟基（OH）、水分子、氨分子（NH3）、甲醛分子（CH2O）、甲酸分子（HCOOH）等，为探索生命的起源开辟了新的途径。这些新成果，为天体演化、生命起源和基本粒子这三大基础理论的研究，提供了极其重要的资料，促进了诸如X射线天文学、红外天文学、中微子天文学等许多新学科的产生，使天文学的发展进入一个重要转折时期，从而打破了对浩瀚宇宙的狭小视野，由原来的几十亿光年一下子扩展到100亿光年、150亿光年甚至更远，为人们进一步认识无限的宇宙提供了新的科学证明。 2.粒子物理学的发展 第二次世界大战以后，粒子物理学得到迅速发展，使人们对微观物质的性质、结构、基本相互作用和运动规律的认识进入到新的阶级。 1932年以前，人们对物质微观结构的认识，已经历了原子结构和原子核结构两个阶级。 30年代后期发现了μ子，50年代发现中微子。电子、μ子、中微子和它们的反粒子统称为轻子。40年代末50年代初，陆续发现了一批质量超过质子和中子的基本粒子，称为超子。如Λ超子、Σ超子、Ξ超子，又称为重子。40年代末还发现一类质量介于重子和轻子之间的介子，如π介子、K介子等。60年代前期，小型高能加速器的建成又发现了200多种寿命极短的共振态粒子，平均寿命只有10-24～10-23秒，它们都是强子。1974年，丁肇中和美国物理学家里赫特几乎同时发现质量比质子重3倍多，而寿命比普通介子长约1000倍的新介子，后来合称为J/ψ粒子，至今，已发现的基本粒子有300多种。根据它们的性质不同可分为：普通粒子、奇异粒子、共振粒子和新粒子。各种基本粒子在相互作用的条件下，遵循一定的对称性和守恒定律，可以相互转化。这些基本粒子的发现，把对物质微观结构的认识推进到第三个阶段。 基本粒子是不是物质微观结构的最后一个层次？“基本”粒子能否再分？近20年来不少物理实验说明基本粒子有其内在结构，基本粒子之间存在着某种内在联系。人们曾先后提出多种关于重子和介子内部结构的模型。主要有：1949年的费米-杨振宁模型，1956年日本的坂田模型。这些模型能够说明一些情况，但是在系统地解释重子的性质方面遇到了困难。1964年盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，提出了“夸克（Quark）模型”。他们提出了三种类型的夸克（u、d、s）和反夸克（ū、d、S ）。这一模型能很好地解释重子和介子的性质，预言Ω一超子的存在。1970年格拉肖等人又提出第4种夸克-粲夸克（c、）。1977年莱德曼发现一种比质子重10倍的中性介子γ，是由第5种夸克-底夸克（b、）所组成。为了形象和方便，人们又从量子规范理论来描述，把u、d、s、c、b称为5种味夸克，每种味又分红、黄、蓝三“色”。“色”和“味”都代表不同的量子态。这样，正、反夸克的数目就成了30种。 与夸克理论的提出差不多同时，1965年中国北京基本粒子理论组提出“层子模型”，从结构的角度来研究重子和介子的衰变和转化现象。认为重子、介子都是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的相互作用归结为它们内部的层子的相互作用。还提出组成重子、介子的层子的波函数，并假定量子场论对层子也适用。这一模型对重子、介子的各种相互作用，特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大量的计算，提出了一些预言，其中绝大部分计算和预言同当时实验结果相吻合。夸克模型和层子模型的提出，标志对微观物质结构认识的第四阶段的到来。可是，夸克（或层子）曾长时间没有获得实验上的支持，出现了所谓“夸克禁闭”现象。70年代，丁肇中等科学家在实验室发现了胶子存在的迹象，为夸克层次的存在提供了间接证明。 在基本粒子领域中，量子电动力学、量子味动力学和量子色动力学的建立，极大地简化了自然界相互作用的描述。但人们希望求得把所有已知的基本相互作用都包括进来的理论，即所谓大统一理论和超大统一理论。这一理论既能说明各种力的区别，又能揭示它们之间的深刻联系。近年来已取得一些进展。如1961年美国物理学家格拉肖首先提出电、弱相互作用统一的模型。1967、1968年，美物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆独立地在量子规范理论基础上把这一模型发展完善后统称为GWS理论，已得到实验的支持。现在人们正在进一步探讨三种相互作用甚至四种相互作用统一起来的可能性。根据大统一理论，在低能量下，强、弱、电作用分别满足SUc(3)和SU(2) ×U(1对称性；当能量高到1014～1016GeV时，强、弱、电三种作用统一为一种相互作用，满足统一的SU（5）的对称性。目前正在孕育着的物理学上的超弦论。超弦的尺度比基本粒子还小1019，而且所用的时空是10维的。如果这一理论一旦建立，就能把目前发现的一百多种基本粒子统一起来，还能把强力、弱力、电磁力、引力这四种基本作用力统一起来。（中国科协学会工作部编。《学科发展与科技进步学术研讨会简报》第1期， 3.凝聚态物理学的发展 凝聚态物理学是研究物质凝聚态（主要是液体和固体）的物理性质、结构及其内部规律的学科。对物质凝聚态的研究发现，固态有晶态和非晶态之分；液态有液晶和非晶液态之分。固体的非晶态和液晶具有许多优异特性。由于几乎一切材料都是凝聚态，因而对凝聚态物理的研究具有重要意义。 1945年以后，固体物理学进入一个新阶段。固体物理学中最重要的是结晶问题、超低温问题和磁性问题。由于电子显微镜、电子衍射、中子衍射等技术的迅速发展，对于不完整晶体，进行各种晶体缺陷（诸如空位、杂质原子和位错）的研究取得了很大进展，而这些同很多工业领域关系密切。1957年，J·巴丁、J·施里佛、L·库波三个人共同发表了超导电性的量子力学微观理论，即有名的BCS理论。同时前苏联柏哥留包夫用不同方法成功地说明了超导现象。1986年以来，瑞士的G·贝德诺兹和A·缪勒发现了更有前途的氧化物超导体：超导转变温度在40K左右的陶瓷化合物—镧钡铜氧化物系列。美籍中国物理学家朱经武和中国物理学家赵忠贤等在寻找更高转变温度材料方面有突出贡献，1988年发现了转变温度高于90K的钇钡铜氧化物系列。近年来，人们越来越重视研究无序固态材料，如无序合金、非晶材料、陶瓷材料等；也注意研究缺陷态、杂质态、表面态、界面态的性质。这些研究已深入到量子层次，已导致无序固态物理学的产生。总之，凝聚态物理学的每一步发展，都在不断深化人们对物质客体的有序结构和无序结构以及各种材料理化性质的认识，丰富了辩证唯物主义的自然观，并极大地推动了新技术革命的发展。 4. 量子化学的产生 应用量子力学的原理和方法研究分子的微观结构的量子化学，是现代化学的重要理论基础。它主要研究原子、分子和晶体的电子结构，分子间的相互作用，分子与分子间的相互碰撞及相互反应，以及微观结构与宏观性质的相互关系等。自1927年用量子力学原理研究氢分子获得成功以来，量子化学发展极其迅速，使化学也由经验性科学转化为一门理论科学。目前已建立了比较健全的理论体系，发展了各种计算方法，并在各个领域中发挥重要作用。它和其他学科相互渗透形成一些边缘学科，如量子生物化学、量子药物化学，表面量子化学和固体量子化学等。 （二） 现代宇宙学的发展 现代宇宙学的任务是探索比星系更高的宇宙层次，研究目前观测所及的大尺度宇宙的时空特性、物质及其运动规律。近几十年来，科学家们提出了一些较有价值的宇宙理论。主要有：爱因斯坦的静态宇宙模型、稳恒态宇宙学、膨胀宇宙模型、物质—反物质宇宙模型、大爆炸宇宙学和暴胀宇宙论。静态宇宙模型已被天文观测所否定。稳恒态宇宙学未被广泛接受。 1927年比利时天文学家勒梅特根据河外星系都有谱线红移现象，提出大尺度空间随时间膨胀的概念。1929年美国哈勃和英国爱丁顿提出膨胀宇宙的假说。40年代末美国伽莫夫根据太阳能源是来自热核反应的发现，提出了大爆炸宇宙说，认为宇宙是约在100亿年前由高温、高密度的“原始火球”的一次大爆炸形成的。并于1954年预言，大爆炸以后存在“宇宙灰烬”，它产生弥漫于整个空间的、相应于绝对温度5度的辐射。1965年，美国A·桑德奇提出，宇宙以大约820亿年为一周期进行脉动（膨胀和收缩）。大爆炸宇宙学由于得到河外星系的谱线红移、氦元素的丰度、3K微波背景辐射三个重要观测事实的支持，使它成为公认的标准模型。但是在说明宇宙年龄小于一秒时，却碰到了诸如视界问题、空间平直性问题，均匀性（因果性）问题、平度（能量密度）总是重子不对称问题和磁单极子问题等无法克服的困难，于是导致了暴胀宇宙论的产生。 1980年以来，曾先后建立了多个宇宙暴胀模型，其中有影响的是3个。第一个是美国A·古斯于1980年提出的，并于1981年发表了《暴胀宇宙：对视界和平直问题的可能解》一文。第二个是1981年底，前苏联的A·林德、美国的P·斯坦哈特与A·奥尔布雷特分别独立提出的。第三个是由林德等发展的，被称为混沌暴胀模型。暴胀宇宙论继承和发展了以往宇宙理论中有价值的成果。它认为：在宇宙演化的极早期，当宇宙发生大爆炸以前，宇宙年龄处于10-30秒的瞬息中，经历了一个按指数规律急剧膨胀阶段（暴胀阶段），以致它在极短的时间内膨胀了1050倍，完成了从对称的假真空自发破缺转化为大量的如夸克、轻子以及传递相互作用的玻色子等基本粒子。暴胀宇宙论还认为在我们所在的宇宙之外还存在有许许多多与我们所在宇宙不同的宇宙，有人算出多达1050个。由于暴胀宇宙论建立在粒子物理学等最新成就的基础上，能够不断提出新概念和新方法，不断解决各种难题，因而受到广大科学家的关注。暴胀模型在哲学上也带来一些新的内容，如关于宇宙的无限性问题。它从科学上把宇宙大大地扩大了，为宇宙的无限性提供了科学依据。还提出了在已知的物质形式之外还有新的物质形式存在，即设想在粒子之前还有其他物质形式存在，因而极大地丰富了人们关于物质的认识。 现代宇宙学是一门方兴未艾的学科，正处于百家争鸣的进期，提出的模型很多，有的已被否定，有的已得到一定程度的支持，但都还有待进一步的检验与发展。 （三） 生命科学的革命 20世纪，由于物理学和化学的渗透，各种强有力的研究手段的运用，生命科学的发展更为深入和迅速。一方面在微观领域的分子水平上产生的分子生物学，进一步证实生物界的统一和联系，实现了生物学上的又一次大综合；另一方面，在宏观、群体和综合研究的基础上产生了生态系统的概念，为环境保护、生物资源和土壤资源的合理利用等提供了理论基础。与此同时，生命科学还向人类自身的大脑进军，使脑科学获得迅速发展。 1. 分子生物学的诞生 分子生物学是在分子水平上研究生命现象的物质基础的科学。主要研究蛋白质和核酸等生物大分子的结构与功能，其中包括对各种生命过程，如光合作用、肌肉收缩、神经兴奋和遗传特征传递等的研究，并深入到分子水平对它们进行物理、化学分析。目前，分子生物学已成为现代生物学发展的主流，它所取得的成果，已在实际工作中获得某些重要的应用，为工农业及医药事业开辟了前所未有的广阔前景。 1953年沃森和克里克提出了遗传物质——DNA的双螺旋结构模型，这是生物学中的一次伟大革命。60年代又搞清了核酸、蛋白质、酶等生物大分子的结构，同时揭示了遗传密码和核酸信息控制蛋白质特异结构的合成机制，由此建立了生物遗传变异的信息概念。这表明从病毒、细菌、动植物到人类都具有一套共同的遗传密码、共同的信息符号。50年代“中心法则”的提出，70年代逆转录酶的发现，以及重组DNA技术的建立，为分子生物学的发展开辟了新的前景。这些成就，不仅为在分子水平上研究复杂的基因调节控制提供重要手段，而且在分子生物学的基础上，产生了一个新的技术科学领域——遗传工程，它已为人类定向改变生物遗传性状与创造新物种开辟了新途径。 本世纪50年代，随着蛋白质和核酸的化学结构测定方法的进展，人们发现只要把不同种属生物体内起相同作用的蛋白质或核酸的结构进行比较，根据蛋白质或核酸在结构上差异的程度，就可以确定不同种属的生物在亲缘关系上的远近。亲缘关系越近的种属，其蛋白质或核酸的结构越相似；反之，其差异越大。据此，能得到反映生物进化的谱系。蛋白质分子细胞色素C在各种呼吸氧气的物种细胞中均能找到。分析它就能知道不同物种的亲缘关系。目前已对100多种生物的细胞色素C的化学结构进行了测定，并借助计算机测定出平均700万年改变一个氨基酸残基。据此可以分析判断，较高等的生物大约在25亿万年前同细菌分离。同样，大约在15亿年前植物和动物有共同的祖先。大约在10亿年前昆虫和脊椎动物有共同的祖先。对100多种生物的细胞色素C的化学结构进行比较后，已画出了部分生物种属的进化谱系。运用这种方法来确定物种间的亲缘关系，要比过去依靠形态和解剖上的差异来确定有着更大的优越性。它不仅使得形态结构上非常简单的微生物的进化有了判断的依据，而且更能反映出生命活动的本质，更为精确地推算出物种趋异的时间。 2. 脑科学的进展 近年来，脑科学的研究取得了一系列新进展。主要有：（1）发现与某种思维活动相应的大脑区域，利用正电子层析摄影手段发现：人们辩别音符时用左脑，而在记住乐曲时多半用右脑；（2）脑电波与思维活动有一定的对应关系，可以从电波分析思维的内容；（3发现大脑内影响思维的生化物质——促肾上腺皮质激素和促黑素细胞激素能对思维产生重要影响；（4）对裂脑人的研究，发现大脑两个半球的分工，左半球主要从事逻辑思维，右半球主要从事形象思维、空间定位、图象识别、色彩欣赏等。还发现了裂脑科学的这些成就，从理论上提出了一些新观点。如：思维的大脑神经回路说，思维互补说等。这些新成就和新观点，对工人智能的研究有着重要意义。 （四） 系统科学的产生和发展 系统科学是在第二次世界大战前后兴起的。它是以系统及其机理为对象，研究系统的类型、一般性质和运动规律的科学，包括系统论、信息论、控制论等基础理论，系统工程等应用学科以及近年来发展起来的自组织理论。它具有横断科学的性质，与以往的结构科学（以研究“事物”为中心）、演化科学（以研究“过程”为中心）不同。它涉及许多学科研究对象中某些共同的方面。系统论、信息论、控制论就是把不同对象的共同方面，如系统、组织、信息、控制、调节、反馈等性质和机理抽取出来，用统一的、精确的科学概念和方法来描述，并力求用现代的数学工具来处理。所以，系统科学是现代科学向系统的多样化、复杂化发展的必然产物。它在现代科学技术和哲学、社会科学的发展中具有十分重要的意义，为人们认识世界和改造世界提供了富有成效的、现代化的“新工具”。 1. 系统论、信息论、控制论的产生 在人类思想史上，早已有关于系统的观念。古希腊思想家已提出“秩序”、“组织”、“整体”、“部分”等概念来认识世界。中国古代阴阳五行学说把事物看成相生相克的整体。马克思主义经典著作中也有关于系统的深刻思想。但作为研究各种系统一般原则的系统论则是于本世纪20～30年代，由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲提出的。在现代科学技术和生产发展的冲击下，科学家们已不能容忍用那种孤立、静止，片面的观点和方法来观察世界，尤其是机械论和活力论已严重阻碍生物学的发展。于是，贝塔朗菲和一些科学家在20年代中期提出了机体论，创立了机体系统论的生物学研究方法，把协调、秩序和目的性等概念和数学模型应用于有机体的研究，主张把有机体作为一个整体或系统，用生物与环境相互关系的观点来说明生命现象的本质，从而解释以往机械论所无法解释的生命现象。贝塔朗菲机体论的基本思想是：（1）整体观点；（2）动态结构与能动观点；（3）组织等级性观点。这些基本思想已包含了贝塔朗菲后来提出的一般系统论的基本内容。1932年～1937年他先后发表了《理论生物学》、《现代发展理论》、《关于一般系统论》等著作，对系统概念、整体性、集中性、终极性以及封闭系统、开放系统等都作了深刻论述，从而奠定了现代系统论的基础。 信息论是本世纪40年代在现代通信技术发展的基础上诞生的，是研究信息的获取、储存、传递、计量、处理和利用等问题的一门新兴学科。本世纪30年代以前，科学技术革命和工业革命主要表现在能量方面，如新的动力机、工具机的出现。其实质是人的感觉器官和效应器官的延长，是人的体力劳动的解放。本世纪30年代以后，科学技术所发生的革命性变化，主要表现在信息方面，表现在信息的传递、储存、加工、处理等技术和通信、控制机以及人工智能的发展。其实质是人的思维器官的伸展，是人的脑力劳动的解放。 1924年美国奈奎斯特和德国居普夫、缪勒等人发现电信号的传输速率与信道带宽度成比例关系，从而最早提出了信息问题。1928年，哈特莱发表《信息传输》，首先提出信息是包含在消息中的信息量，而代码、符号这类消息是信息的具体方式。他还提出了信息定量问题，认为可以用消息出现概率的对数来度量其中所包含的信息。如从Ｓ个符号中选出N个符号组成一组消息。则共有SN个可能性。其信息量为H = N logS。这一理论是现代信息理论的起源，但当时未引起人们的注意。直到第二次世界大战期间，一些与通信技术有关的新技术陆续出现，如雷达、无线电通讯、电子计算机、脉冲技术等，为信息论的建立提供了技术基础。同时，作为信息论数学基础的概率论也得到飞速发展。在这种条件下，许多科学家从不同角度对信息论的基本理论进行了研究。1948年申农发表《通讯的数学理论》，把物理学中的数学统计方法用于通讯领域，提出了作为负熵的信息公式、信息量概念，给出了信息的定义，为现代信息理论奠定了基础。从此，信息论作为一门独立学科而出现。但是，这时的信息论还主要限于通讯理论。随着信息论渗透到心理学、神经生理学、生物学和语言学等领域，信息论的含义越来越广泛。40多年来，信息论与系统论、控制论交织在一起获得迅速发展，形成一种综合性的信息科学。其主要内容包括：（1）信息论，探讨信息的质、量、传输等问题，这是理论基础；（2）计算机科学，研究对信息进行加工处理的自动机械；（3）情报学，主要研究信息的记录、储存和检索，研究信息储存密度、速度等。 控制论也是本世纪40年代未在通讯技术发展的基础上产生的。美国数学家维纳被认为是现代控制论和信息科学的创立者。申农是他的学生，在创立信息论过程中曾得到他的帮助。第二次世界大战期间，维纳从事防空火力装置的设计工作，需要使用自动机器控制高炮瞄准。于是维纳将数学工具应用于火炮控制系统，处理飞行轨迹的时间序列，提出了一套预测飞机将要飞到的位置，使火炮准确击中的最优办法。而火炮控制系统中一个重要问题就是如何将控制装置的误差反馈回来作为修正下一步控制的依据。维纳从生理学家罗森勃吕特那里了解到人的神经系统与火炮控制系统有相似之处，都有反馈不足和过度的问题，本质上是对信息的一种处理。于是开始找到了人、动物与机器在控制、通讯方面的共同点。1943年维纳与罗森勃吕特合作发表《行为、目的和目的论》一文，论证了目的性就是负反馈活动。1948年，维纳所著的《控制论》一书出版，它标志着控制论的正式建立。1950年，维纳发表《人有人的用处——控制论与社会》一书，对控制论作了更广泛通俗的阐述。与信息科学的发展紧密联系，控制论的基本概念和方法被应用于各个具体科学领域，研究对象从人和机器扩展到环境、生态、社会、军事、经济等许多部门，使控制论向应用科学方面迅速发展。其分支学科主要有：（1）工程控制论；（2）生物控制论；（3）社会控制论和经济控制论；（4）大系统理论；（5）人工智能，即智能模拟。 2．系统科学的新进展 20世纪50年代以后，形成了一股研究现代系统理论的热潮，相继出现了各种新的系统理论，如：普利高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、费根鲍姆等的混沌理论、爱根的超循环理论、米勒的生命系统理论。 耗散结构理论是比利时理论生物学家普利高津于1969年“理论物理与生物学”国际会议上首次提出来的。1850年德国物理学家克劳修斯提出的热力学第二定律，无法解释生物系统从无序到有序、从简单到复杂、从低级到高级的进化过程。这引起了普利高津的广义热力学派的兴趣。从1946年到1967年整整20年中，普利高津学派把物理系统或生物系统的有序结构形成的条件当作一个新方向展开理论探索，并把重点放在新结构的产生是否与平衡中心的距离有关这一问题上。1969年，他们终于发现：一个开放系统在从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的非线性区时，系统内某个参量的变化达到一定阈值，通过涨落，系统就可能发生突变，由原来的无序状态变为在时间上、空间上或功能上的有序状态，形成一种动态稳定的有序结构。这种新的有序状态必须不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，才能维持一定的稳定性，而且不因外界微小的扰动而被破坏，因而称为耗散结构。这种耗散结构能够产生自组织现象，所以耗散结构理论也叫“非平衡系统的自组织理论”。它解决了开放系统如何从无序转化为有序的问题，对于处理可逆与不可逆、有序与无序、平衡与非平衡、整体与局部、决定论与随机性等关系提出了良好的思考方法，从而把一般系统论向前推进了一大步。 协同学是由德国物理学家H·哈肯于1970年创立的。它以信息论、控制论、突变论等为基础，采用统计学和动力学考察相结合的方法，通过类比，对各类系统中从无序到有序的现象建立一整套数学模型和处理方案。它是耗散结构理论的突破与推广，也是一门关于自组织的理论。它进一步指出了一个系统从无序向有序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡。也不在于离平衡态有多远，而在于只要是一个由大量子系统构成的开放系统。耗散结构理论只讨论了远离平衡态系统从无序向有序的转化，而协同学除了分析系统的“协同作用”外，进一步解决了近平衡态系统从无序向有序的转化。协同学开始只限于研究一个非平衡开放系统在时间和空间方面的有序问题。1978年，哈肯在《协同学：最新趋势与发展》一文中将协同学的内容扩展到功能有序。1979年，哈肯又注意到混沌现象的重要性，认为一个非平衡的开放系统不仅可以从无序到有序，而且也可以从有序到混沌（指由决定性方程所描述的不规则运动）。这一发现使协同学进入到一个新阶段。1981年，哈肯在《20世纪80年代的物理思想》一文指出，在宇宙中也呈现有序结构。这些说明，无论是在宏观领域还是在微观领域，只要是开放系统，就可以在一定条件下呈现出非平衡的有序结构，都可以成为协同学的研究内容。 混沌理论是本世纪60年代开始发展起来的一门新兴学科。耗散结构理论、协同学在创立初期，着重研究系统是如何从混沌到有序的发展，并找到了一些系统从混沌到有序发展的机制和条件。80年代以来，人们在探索“热混沌”与“非平衡混沌”的联系和区别之后，着重研究系统怎样从有序进入新混沌，以及混沌的性质和特点等问题。现今，对非平衡过程中从有序进入混沌的道路研究得比较清楚的有三种：（1）倍周期分岔进入混沌。系统运动变化的周期行为是一种有序状态。一个系统，在一定的条件下，经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。如一个非线性电子电路，当考察它的输出交变电压随输入电压大小的改变而变化的规律时，可以发现，开始输入电压较低时，输出电压频率与输入电压的频率一样，而随着输入电压的增加，输出电压的频率经过二分频、四分频、八分频、十六分频······，最后进入混沌（具有各种各样频率的输出电压）。这种周期成倍地增加（T，2T，4T，8T······），最后进入混沌的过程，在自然科学中被称为倍周期分岔时，相邻两次分岔对应的参数之差的比值，惊人地趋近一个常数。这个常数的发现说明，倍周期分岔进入混沌是一种相当普遍的自然现象。不管什么系统，通过倍周期分贫进入混沌时，都遵循共同的规律。（2）阵发混沌。一个系统，在非平衡非线性的条件下，某些参数的变化达到某一临界阈值时，系统会时而有序，时而混沌，在两者之间振荡。有关参数继续变化，整个系统会由阵发性混沌发展为混沌。阵发混沌往往与倍周期分岔产生的混沌同时出现，它充分说明有序与无序的密切联系和相互转化。（3）茹勒—泰肯道路。当系统有三个以上的频率耦合时，系统就出现混沌现象。非平衡非线性过程进入混沌，与“宇宙早期的混沌”、“热力学平衡的混沌”相比较，具有三种特性：一是具有“奇异吸引子”，即在混沌区内，两个靠得非常近的点，随着时间的推移会指数发散开来，两个相距很远的点，又可能无限地靠近，它们将在混沌区中自由地游荡，又跳不出混沌区去，因此无法描述它们的“轨道”，无法预测其未来的状态；二是具有分数维数。系统被限制在奇异吸引子内来回游荡时，其轨道又不能充满整个区域，彼此间有无穷多的间隙，这样的实体比二维大，比三维小，介于二维与三维之间，是一个分数维数；三是具有无穷嵌套自相似结构。系统通过倍周期分岔进入混沌，其原来的有序结构并非完全消失，而是形成了无穷多个结构，周期由1，2，4，8，···以到无穷。故显示出杂乱无章的混沌状态。但在混沌区内，从大到小，一层一层具有彼此相似的结构互相套叠，从而形成“无穷嵌套的自相似结构”。混沌理论从科学上进一步说明了自然界有序和无序的辩证统一、确定性和随机性的辩证统一。混沌理论和自组织理论的成就，使人们认识到，牛顿力学不仅不能应用于无穷大和无穷小事物的研究，对于无穷多个要素构成的复杂系统也同样遇到了困难，出现了新的局限性，面临新挑战。 生物体是自然界最复杂的自组织系统，它们与非生命系统一样，也是非线性振荡系统。从信息与非线性振荡等观点来解释生命的本质，讨论生命可能的存在形式和存在条件，可以得出一系列不同于传统认识的全新看法。爱根的超循环理论和米勒的生命系统理论就是直接从生物领域入物来研究非平衡系统的自组织理论。 超循环理论是由柏林大学物理化学家M·爱根于1971年正式提出的。他在寻求生物学现象的理化基础时，应用化学动力学理论和量子力学跃进理论，建立了一套数学模型，并在1977年发表的《超循环—自然界的一个自组织原理》一文中作了系统阐述。这一理论的中心思想是要说明在生命起源的化学阶段和生物进化阶段之间还有一个生物大分子自组织阶段，即从生物大分子到原生细胞的进化阶段中，形成了一种超循环式的组织，它具有一旦建立就永存下去的选择机制，构成生命运动中由酶的催化作用所推动的各种循环。这些循环层次相属，低一级循环组成高一级循环，高层次的循环又组成更高一级循环，逐层递进不已。在这一过程中形成了统一遗传密码的细胞结构。超循环理论和耗散结构理论、协同学理论都证明了自然界的物质客体从无序到有序、从低级到高级有序不断进化观点的正确性。 美国心理学家J·米勒从生命系统的许多知识应与物理科学、工程学相一致的概念加以说明这一观点出发，在本世纪50年代提出了生命系统理论。这里所谓的“生命系统”是指一切活着的具体系统，从阿米巴到联合国，从细胞到超国家系统。作为一般系统理论，它具有通用学科性质的概念体系。它在层次等级中形成一个个子集的生命系统共有8个层次：细胞、器官、生物体、群体、组织、社区、社会以及超国家系统。这里的层次等级从最小的可分割的物质形式进展到分子、多分子系统、行星系等等，最后达到最大系统，即宇宙。生命系统是具有能保持甚至随着时间推移能增强其边界内部低熵状态特性的多分子系统。它们输入高负熵的物质，如燃料或食物，并以废物形式输出低负熵物质。当一个生命系统边界内部的熵减小时，在把该生命系统及其环境包括在内的更大系统中的熵是要增大的，因此并不违背热力学第二定律。 科学是社会历史的产物、人类智慧的结晶。在社会历史和人类认识发展的不同阶段上都表现出自己时代的特征。那么，现代科学的特征是什么呢？我们认为，贯穿于20世纪的现代科学革命，它的特点与趋势主要表现在：科学发展的加速化和数学化，科学、技术、生产的一体化等方面。 （一）科学体系结构的整体化和专业化 科学作为一种知识体系，是由各种不同学科形成的一个有机整体。不同时期的科学整体都有其结构形态，反映了人们在一定历史条件下对自然界不同层次和方面的认识水平。古代的科学知识结构体系主要是由大量经验性的实用知识、少数几门理论自然知识和自然哲学等几种具体形态构成的。从15世纪下半叶到19世纪末的近代自然科学结构体系是以牛顿力学为核心的经典自然科学体系，各门具体科学相继从自然哲学中分化出来，形成日益庞大的知识体系。在这一时期，由于力学在生产和工程上的大量应用，出现了几次重大的理论综合。科学的发展总是存在着不断分化和不断综合又使人类对自然界的总体认识更深一步，为进一步的科学分化提供新出发点和指导原则。自19世纪末20世纪初爆发物理学革命以来，尤其是第二次世界大战结束以后，科学的发展突出地表现出分化的步伐大大加快，学科越来越多，专业化程度越来越高，科学知识的层次性也日益明显。当代的科学体系结构，本质上是分层次的、立体的、网络的、开放的大系统。人们开始从一种全新的观点出发，向着不同的物质层次进军。在本世纪发现了原子结构、各种基本粒子以后，自然科学的研究从宏观低速领域的物质运动规律进入到微观高速领域和大尺度的宇观领域的物质运动规律，导致了粒子物理学、宇宙演化论、分子生物学等基本学科理论的诞生。科学在高度分化，但学科之间的界限也越来越不分明。各门科学之间的空隙逐渐得到填补，分子生物学的出现使物理科学和生命科学之间的鸿沟开始消失。在各种学科之间出现新的交叉学科、边缘学科、横断学科，使科学结构呈现为连续的整体，科学由二元平面走向三元立体，科学综合化和整体化的趋势日益为人们所认识。据统计，目前各种层次的学科已有两千多门。现代科学越是精深地研究，人们越是接近整体地、综合地把握各领域所获得的成果。现代科学与近代科学相比较，发生了很大变化，主要表现在： 1. 统一的自然科学已分化为基础理论科学、技术基础科学和工程应用 科学三大层次，而每一层次又分成多种不同的门类。 2．科学与技术、自然科学与社会科学以及各门自然科学之间的相互渗透和整体的趋势明显加快。不仅各门传统的基础科学的分支学科（一级学科、二级学科等）按树枝型不断成长，逐渐形成新的基础科学门类，如人体科学、思维科学等；而有各基础学科之间、各分支学科之间的边缘学科、交叉学科、横断学科，如环境科学、仿生学等也在蓬勃发展。 3.当代人类社会生活的各个方面都受到了科学技术的深刻影响，科学、技术、经济、社会之间的协调发展日益成为历史的潮流。 （二）科学活动的社会化和国际化 科学活动的社会化和国际化，是指科学劳动的组织形式发展到了国家规模，甚至国际合作，科学技术已成为整个社会整体的有机构成。科学研究工作从个人活动发展为集体活动，曾经历了很长时间。在古代和中世纪，人们进行科学研究很大程度上受求知愿望和寻求自然界奥秘的兴趣所驱使。当时科学与技术是分离的，科学研究往往是上层人物的事情，而技术活动则是劳动者、工匠们的事情。科学高贵、技术低贱的思想在欧洲影响很深。近代以来，科学家从事科学研究是以追求真理为目的。他们总想把自己的发现告诉志同道合的人们。基于这一点，大家愿意定期集会，交流各自的研究成果。16世纪，这样的交流小组在意大利开始出现并很快发展到170个，1657年还成立了实验学会。继而英国于1662年正式成立“以促进自然知识为宗旨的皇家学会”，这是世界上第一个学会。从这以后，科学研究的社会化和制度化发展很快，尤其于1666年成立的法国皇家科学院成为国立研究机构的先驱，由国家负担一切费用，根据国家需要确定研究项目，并有部分会员由国家支付工资，成为职业科学家。过去，科学家与发明家、工人之间的接触是偶然发生的，以致使一个新原理从发现到实际应用需要很长时间，某些精密仪器和工程取得进展，需要经过几代人的努力。现在，科学研究已成为自觉的有组织的活动，并与生产密切结合。以前科学家个人配几个助手的科研活动形式已为集体组织所取代。19世纪末20世纪初，一部分企业家或政府官员，对科学尤其是应用科学的重意义逐步有所认识，从而肯于投入大量的人力物力，如英国政府于20世纪初成立“科学工业研究局”，各行各业建立“研究共同体”。德国政府和各大企业协作，成立了开塞·维尔赫姆协会，进行化学、物理、生物等领域的基础理论研究。 20世纪30年代以后，科学劳动和组织管理已发展到了国家规模或跨国形式。从1937年德国建立V-2火箭基地开始，到1961年美国实施阿波罗登月计划达到高潮。第二次世界大战以后，美国和前苏联等发达国家之间的竞争极大程度上依靠科学技术的实力。在这种情况下，重大科研项目都由国家政府出面组织，特别是军工部门，各国竞相扩大研究规模，增加研究经费，发展尖端技术。科学技术与国家的政治、经济、军事连成一体。美国政府年军费开支由150亿美元迅速上升到500亿美元。美国科学家从事的重大科研项目，多由美国国防部提供费用。战前的科学研究，各国普遍依靠各大学的研究室和企业实验室，而战后普遍建立起国家研究所，由它们与各大学和企业研究室共同协作。有时甚至国家规模也显得力量太弱而开展国际协作，规模空前，投资巨大。科学活动的国际化从早期的跨国公司发展到多个国家的联合。1958年为了进行国际原子能研究的合作，成立了欧洲原子能委员会。这种形式到80年代更加普遍。1985年开始的中美两国海洋科学家合作对热带太平洋海气相互作用的调查研究，历时5年，已完整地掌握“厄尔尼诺”现象从产生——鼎盛——消衰全过程的科学数据和资料，对揭示地震、全球气候的变化规律具有重大意义。 科学活动的社会化和国际化意味着现代科学革命从一开始就是具有世界规模的复杂多态的过程，在不同的地区、不同的社会制度上都在进行着，它也标志着人类进入了所谓“大科学”的时代。 （三）科学发展的加速化和数学化 科学发展的加速化主要是指科学发展的速度和科学理论物化的速度呈现不断加快的趋势。恩格斯曾对19世纪以前近代自然科学的发展速度加以概括：“科学的发展从此便大踏步地前进，而且得到了一种力量，这种力量可以说是与从其出发点起的（时间的）距离的平方成正比的。”（《马克思恩格斯选集》第3卷，第446页。）到了20世纪40年代，对科学的发展有了更进一步的认识。美国著名科学学专家D·普赖斯在他的《巴比仑以来的科学》一书中以科学杂志和学术论文作为知识量的重要指标，描述科学是按指数增长的规律。 科学发展的速度可以从几个方面的统计数字来说明：首先，从科学家的人数发展来看，据统计资料推算（见表）（杨沛霆。《科学技术史》，浙江教育出版社，1986年，第481页。）：每50年科学家增长10倍，可见这一增长速度是相当于惊人的。 年 份 科学家人数
其次，科学知识的增长与科学家人数增长的速度相适应。科学家的主要任务是生产知识，因此，科学知识数量的增加和科学家数量的增长关系十分密切。据D·普赖斯的数据统计，知识增长量是与科学家增长总数的平方根成比例关系，即科学家增长3倍，科学知识（成果数）增加1.7倍。 再次，从科学出版物的数量来度量。科学知识在19世纪和20世纪中叶是按指数规律增长的，约每10年增长1倍，80年代则每6～7年增长1倍。现在全世界每天发表科技论文6000～8000篇，发表科技论文的数量每隔一年半就增加一倍。 自然科学理论物化的速度加快，是指从提出自然科学理论到生产过程中加以应用所间隔的时间越来越短。19世纪以前，蒸汽机发明到投入生产用了100年（1680～1780）蒸汽机车用了34年（1790～1824），柴油机用了19年（1878～1897），电动机用了57年（1829～1886），电话机56年（1820～1876），无线电35年（1867～1902），电子管31年（1884～1915），汽车27年（1868～1895）。但进入20世纪以来，物化速度日益加快。雷达只用了15年（1925～1940），电视机用了12年（1922～1934），晶体管5年（1948～1953），原子能利用从发现原子核裂变到第一台原子反应堆建立只用了3年（1939～1942），而激光器从实验室发明到在工业上应用则仅仅1年。另外，据有关资料介绍，在1885～1919年间，一种发明到客观存在在工业上应用的“成熟期”，平均是30年，从生产到投入市场平均是7年；在1920～1944年间，这些时间相应地变为16年和8年，而在1945～1964年间，则分别缩短为9年和5年。（何钟秀主编。《科学学纲要》，天津科技出版社，1982年，第234页。）现代科学技术发展的另一重要趋势是，它不仅要进行定性的研究，而且还要进行定量的研究，形成具有数量意义的概念，运用这种要领对研究客体进行数量分析，提出一定的数学关系式和数学模型来描述研究客体的运动和规律。这是现代科学革命的一个必然趋势。尤其是电子计算机、人工智能的出现，它已可以协助和配合人脑从事计算、判断、推理、决策、翻译、情报资料检索等各种活动。这就要求在研究模型编制成形式化的信息符号系统输入电子计算机，使之依照一定的程序代替人脑进行思维活动。 （四）科学、技术、生产的一体化 整个近代，虽然物质生产力的发展日益迅速以及与其相联系的科学技术在物质生产过程中的应用日益广泛，但科学和技术、科学和生产在很大程度上仍然是脱节的。主要表现在：（1）科学的发展常常落后于技术和生产的发展，以致在科学理论上尚未搞清楚的东西，在技术和生产上却可以首先实现它。如18世纪发明的蒸汽机，作为其理论基础的热力学，直到19世纪中叶才建立起来。（2）有时科学因其身的矛盾运动而出现新理论，但却迟迟不能转化为生产技术，应用于物质生产。如1831年发现电的磁感应定律，直到1867年才制成可供生产使用的直流发电机，而电力技术的发展和电力技术革命的真正开始却是19世纪70年代以后的事了。20世纪以来，情况大为不同。随着系统科学的发展和电子计算机的应用，在机器体系中加进了一个全新的部分——自动控制机。在使用这种复杂的自动化机器体系的条件下，若没有科学理论的指导，不仅不能发有、创造新的生产工具，就是操纵或重复制造原有的生产工具也是困难的。何况当前正在进行的科学技术革命，改变了全部技术的基础，改变了全部生产技术——从材料与能源的开发利用，直到机器体系的组织和管理的形式以及人们在生产过程中的地位和作用。同时，它还改变了生产的社会结构，造成了可以克服脑力劳动与体力劳动、农业劳动与工业劳动、城市与乡村、生产领域与非生产领域等差另的必要的物质技术条件。50年代以后，人们普遍关心科学革命和技术革命对未来社会的作用。人们日益清楚地认识到当代科学革命和技术革命能极大地影响人类的历史进程，人们的社会生活和社会关系正在发生着深刻变化。换句话说，自然科学革命引起了技术和生产的革命变革；而技术和生产变革的成果，反过来变成现代科学革命的强大基础，促进并加速着科学革命的进程。这是现代科学革命与技术革命相互关系的一个重要特点。这一特点使科学革命与技术革命在更高的基础上融合成统一的过程。因此，前苏联学者凯德洛夫根据现代科学革命和技术革命合流的趋势，主张把这两个革命合称为“现代科学技术革命”。当代科学对于物质生产的这种主导作用和超前作用，不但极大地提高了物质生产力，而且也从根本上改变了生产、技术、科学三者相互作用的形式，在以前“生产→技术→科学”的过程基础上，出现和“科学→技术→生产”这种逆向过程。比如，先有了量子理论，而后运用量子力学研究固体中电子运动过程，建立了半导体能带模型理论，使半导体技术和电子技术蓬勃发展起来，并促进了电子计算机的发展；运用相对论及原子核裂变原理形成和发展了核技术，促进了原子能在军事、航运、发电等方面的应用；运用光量子理论创造了激光技术，建立了激光产业；运用分子生物学、生物化学、微生物学和遗传学等新成就，发展起生物技术，广泛地应用于工业、农业、医药卫生和食品工业等方面，等等。这些都突出地表现了生产、技术、科学三者的真正的辩证结合，形成了“生产技术科学”的完整体系。 |
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