《科学发展简史》单元辅导（4）
第十二章20世纪初的物理学革命
一、学习目标和要求
1.了解19世纪末物理学的重要成就。
2.理解现代物理学的两大理论基石：相对论和量子力学。
3. 掌握物理学革命的意义后果。
二、重点与难点分析
本章的重点是19世纪末物理学的重要成就、相对论和量子力学、物理学革命的意义后果。下面分别进行分析：
（一）电子、X射线和天然放射性的发现
19世纪的力学、光学、热学、电磁学取得了光辉的成果，但在物理学晴朗天空的远处，尚有两朵小小的令人不安的乌云，这就是当时的物理学无法解释的热辐射实验和迈克尔逊—莫雷实验。正是这两朵小小的乌云和19世纪末一系列新的实验，降下了20世纪物理学革命的暴风骤雨，并使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。
1．20 世纪初的物理学革命
物理学革命首先是由电子、X射线和天然放射性的发现引起的。“电子”一词，最早使用在1891年，是英国科学家斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人类发现的第一代基本粒子。英国著名物理学家汤姆生等对电子的发现作出了自己的贡献。
1876年，德国物理学家戈德斯坦提出，普留卡利用盖斯勒管进行放电实验时，看到的玻璃管壁上辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线引起了物理学家们的极大兴趣，这分别导致了电子和X射线的发现。英国著名物理学家汤姆生认为阴极射线是带负电的微粒，他利用阴极射线既可被磁场偏转又能为电场所偏转的联合作用，在1897年实验测定了阴级射线带负电的微粒的速度、电荷(e)、质量(m)和荷质比(e／m)，证明不论管中电极用什么材料制成或充以何种气体，生成的带负电的微粒的荷质比都一样，说明了这种微粒是各种原子的共同组成部分，汤姆生把这种微粒叫做电子。而X 射线的发现主要归功于德国人伦琴的工作，伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。1895年，他发现了高真空管放电时能产生X射线的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有见过的新东西。1896年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现了铀元素的天然放射性。它能使不透光的底片暴光。著名的法国科学家皮埃尔·居里和他的妻子玛丽·居里，经过多年的研究和实验，发现了钍、钋、镭的放射性。
电子、X射线和放射性现象，这三大发现是19世纪末物理学的重要成就。在此基础上，20世纪初产生了原子物理学。
英国物理学家汤姆生，在证实了电子的存在以后，于1904年，提出了他关于原子结构的“面包夹葡萄干”的原子模型。英国人卢瑟福在1911年经过实验，得出结论：原子中有一个非常非常小的核，它集中了原子99.99%的质量。他提出了原子有核模型---行星模型。
电子、X射线和放射性现象的三大发现打开了经典物理学的缺口，从根本上改变原来的自然观，猛烈冲击着物理学的物质、质量、能量、运动、原子、元素等基本概念，经典物理学中的质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律面临严峻考验，物理学的革命风暴来临了。
（二）爱因斯坦的相对论
1876至1887年间,美国物理学家迈克尔逊和莫雷以寻找以太为目的的实验得到了否定以太风存在的“负结果”。19世纪到20世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦创立了具有划时代意义
的相对论学说。他在1905年发表的《论动体的电动力学》一文中首先创立了狭义相对论。他在这篇论文中大胆地提出了两个基本假设：即狭义相对论的相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦从相对论的基本原理和洛伦兹变换得出了狭义相对论的一系列结论：
1．同时性的相对性；2．时钟延缓；3．长度缩短；4．物体的质量随速度变化；5．质能相关（这一结论奠定了利用原子能的理论基础）。同时还得出，物体的运动速度V 不可能大于自由空间中的光速C 。
爱因斯坦建立的狭义相对论揭示了既适用于低速运动又适用于高速运动的规律。狭义相对论建立以后,不断受到了实践的检验和证实。爱因斯坦还把相对论原理推广到非惯性系( 加速运动的参考系)中，并在1907年提出了广义相对论的基本原理。按照这些原理,爱因斯坦又在1916年建立了广义相对论的引力场方程，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布。
爱因斯坦还从广义相对论作出了可供验证的三个推论，即水星近日点的进动、引力场会使光线偏转、光谱线的引力红移。这三个推论都得到验证。
爱因斯坦的相对论是对经典物理学的重大突破，它不仅揭示了空间的可变性和时间的可变性，而且说明了单独的空间改变或单独的时间改变都是不可能的,空间和时间的变化是必然地联系在一起的；不仅如此，时空的变化和时空结构又与物质的运动和状态不可分离。这种新的时空观、运动观、物质观的形成是人类思想发展中的根本变革,对整个自然科学和哲学产生了深远的影响。
（三）量子论与量子力学
19世纪末和20世纪初物理学发展中的另一个重大的突破是量子论的产生和在此基础上建立了量子力学。
1900年末，普朗克在德国物理学会上宣读的《关于正常光谱能量分布定律的理论》的论文中，提出了能量量子化假说。这篇论文宣告了量子论的诞生。普朗克的量子理论：物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化；能量也是由一份份“能量原子”构成。他把每一份能量叫“能量子”或“量子”，其数学表达式为ε(量子)=hv，h为普朗克常数，v为频率。
对量子论形成具有重要意义的第二个推动是对光电效应的解释。19世纪80年代，赫兹等科学家发现，当光照射到金属上会使金属表面有电子逸出，这就是光电效应。1902年，德国物理学家勒纳德等人总结了实验研究的成果得出：1. 入射光的强度越大，它从金属表面打出的电子越多；2. 被光辐射打出的电子的运动速度与入射光的频率成正比，与光的强度无关；3. 如果光的频率小于某一截止频率，无论光的强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应。
1905年，爱因斯坦发展了普朗克的能量量子化的概念，用光量子假说完满地解释了光电效应。光量子假说揭示了光既有波动性又有微粒性的双重特性。
光量子假说，为美国实验物理学家密立根和康普顿等所证实。对原子稳定性的解释是促进量子论形成的第三个因素。卢瑟福根据α散射实验结果，提出了原子行星模型，丹麦人玻尔在1913年把行星模型量子化。
玻尔模型很好地解释了原子的稳定性和有关原子光谱的大部分观测事实。1924年,法国物理学家德布罗意又提出了实物粒子也具有波动性即物质波的概念，即一切客体都具有波粒二象性。他用这种物质波的理论解释了玻尔的模型和量子条件。
1927年,美国的戴维逊等物理学家通过电子衍射实验证实了电子的波动性。一系列的实验又证明，一切实物粒子都具有波动性，都有衍射现象发生。
波粒二象性的揭示，使人们有可能从根本上越出经典物理学的规范，开创出一门专门研究微观世界运动规律的统一理论—量子力学。
奥地利物理学家薛定谔是量子力学的奠基人之一。1926他阐述和发展了德布罗意的物质波的思想，建立了描述微观粒子运动的波动力学和波动方程。同年，德国物理学家玻恩对波函数作出了统计解释。
德国物理学家海森堡在1925年沿着另一个途径为量子力学的创立奠定了基础。他建立了与薛定谔的波动力学在本质上一致的矩阵力学—量子力学的另一种数学表达式。海森堡在1927年推出了测不准原理和测不准关系式，这一原理是微观粒子波粒二象性的反映。
由于薛定涛、海森堡、波恩、狄拉克以及奥地利物理学家泡利等人的努力，量子力学在本世纪30年代初已形成为完整的体系。
量子论和量子力学的建立，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，论证了连续与间断统一的自然观，揭示了物质世界中统计决定论的因果观。量子物理学是反映自然界一切领域的普遍适用的理论，人们有了量子阶梯，便可以向物质运动的各个层次深入探讨，各门科学的量子化是20世纪自然科学发展的一个重要特点。
量子力学和相对论的结合，构成了现代物理学的理论基础,使人们对原子、分子、电子、原子核的认识前进了一大步。
（四）物理学革命的意义与后果
20 世纪初的物理学革命，在高速过程和微观领域内实现了一次更为深刻和更为广泛的理论综合，在科学的基本概念上发生了重大的改变，在时间、空间、运动、质量、能量、连续与非连续、必然与偶然、物质结构等一般的关系上都提出了许多崭新的见解。物理学革命所产生的深远影响，只有牛顿力学的建立才能与其相比。
在20 世纪初的物理学革命中，也引起了科学学派间的争论。科学的争论激起了哲学上的论争。它不仅吸引了科学家而且使哲学家也加入到这场争论中来。现代科学的发展一再表明科学的最前沿领域往往是科学家与哲学家共同作战的地方。没有哲学意识的科学家同没有自然科学知识基础的哲学家一样，在科学前沿的探索中都将是无能为力的。科学发现的新事实与原有理论之间的矛盾，这是科学发展的内在动力，由此才有新理论的出现，用以概括新的事实。
在科学发展史上不同学派之间发生争论乃是一种正常现象，正是这种争论促使人们抛弃错误的观点、理论，揭示出各派在理论上的缺陷，确立和发展正确的观点和理论，促进理论与实验新事实之间的矛盾不断解决。
物理学革命不仅引起了人们观念上的重大变革，而且也在社会实践活动中产生了深远的影响。物理学革命促进了科学技术活动社会化的进程。
20 世纪以来的科学研究正在要求巨大的投资，实验规模也在不断扩大。在这种情况下，陆续出现了由垄断企业建立的大型实验室和由国家资助的实验研究机构。科学研究从此进入了由垄断企业和国家政府控制、组织和协调的时代。世界各国不仅重视实用科学研究，而且开始重视纯科学的基础研究。
第十三章现代自然科学的新进展
一、学习目标和要求
1.了解结构化学的进展和有机合成化学、高分子化学的建立过程。
2. 理解现代自然科学在不同层次上的重大科学突破：微观层次上的粒子；世界探索；宏观层次上的凝聚态物理新进展；地球观和天文学的进展。
3. 理解从细胞水平向分子水平深入的生物学研究。
4. 掌握人类从提出原子价概念到认识化学键的历史过程：原子价——电价键———共价键——化学键。
二、重点与难点分析
本章的重点是现代自然科学在不同层次上的重大科学突破；从细胞水平向分子水平深入的生物学研究；人类从提出原子价概念到认识化学键的历史过程。下面分别进行分析：（一）现代科学发展的特点
现代自然科学的发展是在宏观研究与微观研究的互相促进中实现的。高度的分化与高度的综合，是现代科学发展的一个重要特点。现代自然科学的发展既有相对独立前导的一面，又有更加依赖于生产实践的一面。
（二）粒子世界的新发现
人们最初所知道的比原子还小的粒子仅仅有4 个，即电子、组成原子核的质子和中子，作为辐射单元的光子，后来人们将其称为基本粒子。
1930年—1932年间，发明了能够获得高速粒子的回旋加速器、静电加速器和高压倍加器，为核物理研究提供了强有力的工具。
美国的费米和德国的哈恩发现了人工核裂变反应，铀裂变时又放出中子，形成链式反应，发出大量能量，由此开始了原子能的利用。到1947 年，人们已知包括新认识到的正电子、反质子、反中子、π介子、中微子和反中微子在内的14 种基本粒子，它们是第一代基本粒子, 他们当中多数是从理论上首先预测到的。
到1960 年为止，人们还找到了一批成对产生的奇异粒子，使已认识的基本粒子达到30 种。这批奇异粒子又称为第二代基本粒子。
从60 年代起，物理学家们又发现了一大批寿命极短的共振态的粒子，使基本粒子的总数达到400 余种。共振态粒子又被叫做第三代基本粒子。
1964 年，美国物理学家盖尔曼在建立了强子的周期表后提出了夸克模型，认为夸克组成了基本粒子。1965 至1966 年，我国物理学家提出了层子模型。目前，人们对如何理解物质的可分性和物质可分的无限性，正进行着深入的探讨。
（三）从凝聚态物理到天体物理
粒子世界的小尺度领域的探索是本世纪物理学的一个重要内容，现代自然科学的另一个重要方向是研究大尺度层次的物理现象，从而形成了以反映夸克—基本粒子—原子核和原子—分子—凝聚态( 固体和流体) —地球和其他天体—星系和整个宇宙为内容的完整的物理学体系。
进入20 世纪以后，作为凝聚态物理的主要部门—固体物理学取得了重大的成就。凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空、超高温、极低温、强磁场等特殊条件的获得有关。极低温状态下的物性研究是固体物理学的重要分支。
1906 至1913 年，德国人能斯脱通过低温研究提出了热力学第三定律，证明绝对零度是不可能达到的。荷兰物理学家昂纳斯发现汞、铅、锡等金属在超低温时电阻突然趋于零的超导电性。美国著名物理学家巴登与库珀、施里弗合作，提出了超导微观模型。巴登还与肖克利、布拉坦合作在半导体材料的研究中取得了重要成就，发明了晶体管。固体物理学的其他方面都在本世纪特别是近30 年发展起来。
20世纪初，发现了大气层现象。对于地壳以下的内部情况，也在本世纪以来发现了多圈层结构。
1921 年，德国科学家魏格纳根据大西洋两岸海岸线形状相似、生物和古生物有亲缘关系以及地质地理现象的连续性，提出了大陆漂移的设想。1928 年，英国人霍姆斯提出了地幔对流说，对漂移机制最先提出了解释。
李四光在1945年发表了《地质力学的基础与方法》的专著，这标志着地质力学的诞生。它用力学原则研究地壳构造体系和地壳运动的规律,并努力把其成果应用于寻找矿藏、预测地震等方面。
1961 年，美国的赫斯和狄兹分别根据大量古地磁资料创立了海底扩张说。海底扩张说
是大陆漂移说的发展。1965年，威尔逊、赫斯和剑桥大学的地质学家们齐集英国剑桥，创立了板块构造学说，认为整个地球的岩石圈可分为六大板块和若干小板块，全球地质构造的基本原因是由于这些板块的相互作用。
板块学说阐明了地球形成和发展的基本面貌，使大陆漂移学说以新的形式出现。这一学说对整个地球科学已经发生了重要影响。
现代自然科学特别是物理学的视野已远远超出了我们居住的星体，扩展到太阳系、银河系乃至星团、星系和总星系，以至达到百亿年和百亿光年以上的时空领域。
人们通过光谱分析测算了星体的表面温度，根据恒星的视亮度来测定它们和地球的相对距离，运用光谱分析和照相术，发现了星体中的化学元素组成，用氢核聚变的理论解释了太阳所产生的巨大能源。
微观研究的结果极大地推动了宏观天体的研究，使研究天体的发生、发展和转化过程的天体演化学成为现代天文学最为活跃的领域。
关于恒星演化的假说，在20 世纪30 年代，又提出了另一种恒星演化理论，认为恒星是由稀薄的弥漫物质逐渐向密度大的物质演化而成的。按照这种假说，恒星经历红星、主序星、红巨星、白矮星（或中子星及黑洞）等演化过程。
1967 年，射电天文观测发现了脉冲星，脉冲星不久就被证明为是30 年前曾经预言的中子星。脉冲星的发现进一步巩固了恒星演化理论的地位。
在60 年代，人们发现了类星体、 3 K 微波背景辐射和星际有机分子，促进了更大尺度的天体系统的研究，使宇宙学成为研究天体演化的最前沿阵地。
1929 年，美国天文学家哈勃根据观测事实和多普勒效应的原理，提出星系的红移量和星系离我们的距离成正比的定律，即哈勃定律。
40 年代末，美藉俄国物理学家伽莫夫把基本粒子的研究成果同宇宙膨胀论联系起来，更加系统地提出了大爆炸宇宙说。有人提出了“振荡宇宙”的主张。凝聚态物理－－固体物理学。
（四）结构化学与高分子化学
20 世纪的化学与物理学互相渗透，深人到核化学、结构化学的领域，形成了高分子合成化学，并且与生物学、地质学、天文学结合起来，产生了生物化学、地质化学、天体化学等新分支。
对于化学来说，原子结构研究的结果首先使元素周期律获得了新的解释。原子结构理论的建立也为了解原子之间相互结合的方式提供了新的理论依据，开创了结构化学的新分支。
1916 年，德国化学家柯塞尔提出了电价键理论。美国化学家路易斯又提出了共价键理论。量子力学建立后，人们开始用量子力学的原理来研究分子的微观结构，由此而诞生了一门新的学科—量子化学。
到30 年代初已建立了两种化学键理论，一种称之为价键理论，另一种叫分子轨道理论。随着量子化学的推广应用,许多化学家设想，可以像设计房屋和衣服那样，根据指定的要求，来进行“分子设计”，从而制造新材料、新药物。
进入20 世纪以后，人们把物质结构的研究同物质化学性能的研究结合起来，出现了晶体化学的新分支。
光学分析法、色层分析法以及电化学分析法的广泛应用，使得化学分析已从测定宏观发展到微观，从总体扩展到微观区，从整体深入到表面和薄层，从静态伸展到动态。分析的内容也已远远超过了单纯物质的成分，而涉及到物质的内部结构。
有机合成化学和高分子化学的建立，是现代化学发展的又一重要内容。在20 世纪里已能利用简单的有机分子人工制成多种合成染料、合成纤维、合成药物、合成橡胶、合成塑料、合成蛋白质等高分子化合物，形成了研究大分子结构与性能之间相互关系的高分子科学。
（五）从细胞水平向分子水平深入的生物学研究
1909 年，美国生物学家摩尔根在孟德尔遗传学说的基础上，提出了基因说，把基因看作是位于染色体上的球状颗粒。基因在功能上是决定遗传性状的差别、突变和重组的三位一体的最小单位。
从19世纪发现细胞并把它作为生命的基本单位以后，人们便开始研究细胞内部的结构和功能。在生物化学、生物物理、细菌学、病毒学等的相互渗透中，诞生了一门新的学科---分子生物学。分子生物学发端于20世纪三四十年代，50 年代已经形成为一门独立的学科。从19世纪发现了细胞并把它作为生命的基本单位之后，人们便开始了对细胞内部的结构与功能的研究。1868年瑞士科学家米希尔首先从细胞核中发现了一种物质叫核酸。它又可以分为去氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。
人们早已发现了蛋白质并认识到蛋白质是生命系统中最重要的物质。恩格斯在19世纪就指出，生物的物质基础是蛋白体，它在功能上则有不断的自我更新的能力。1926年，美国科学家指出：生物催化剂酶是蛋白质；生物分泌的激素也是蛋白质；核酸DNA，RNA也是蛋白质。
在分子水平上的生物学研究取得了重要成果：
（1）1945年，美国生物学家比德尔和塔特姆用实验方法揭示了基因与酶的关系。
（2）关于DNA是携带遗传信息载体的发现。
（3）DNA双螺旋结构模型的建立。DNA双螺旋结构的发现，被称为是二十世纪生物学最伟大的发现，是分子生物学诞生的标志。
(4) 蛋白质的基本结构、核酸复制、遗传密码、遗传的中心法则等生物学重大问题的解决。
1965 年，我国科学家第一次用化学方法合成了含有51个氨基酸的胰岛素，首先实现了蛋白质的人工合成。
分子生物学的诞生乃是自然科学在20 世纪中最伟大的成就之一。它正在改变着人们对生物学的一些基本概念，推动着人们对生命的本质、生命的起源等一系列问题的深入探索。
第十四章现代科学的技术化与技术的科学化
一、学习目标和要求
1．了解传统生产技术的科学化进程。
2．理解20世纪原子能技术、空间技术、激光技术和生物工程的发展进程。
3．理解电子计算机和微电子技术的发展进程；五代计算机和集成电路技术；自动化和人工智能模拟。
4．掌握系统论、信息论、控制论的形成。
二、重点与难点分析
本章的重点是20世纪原子能技术、空间技术、激光技术和生物工程的发展进程。电子计算机和微电子技术的发展进程、集成电路技术、自动化和人工智能模拟。系统论、信息论、控制论的形成。下面分别进行分析：
（一）新兴技术的崛起
1．原子能技术
质能关系式和链式反应理论的提出，指明了原子能利用的可能性。美国科学家费米用中子轰击铀，实现了核裂变以后。在第二次世界大战期间，爱因斯坦建议美国试制原子弹。1942年夏，在美国和加拿大的合作下，美国总统罗斯福主持了代号为“曼哈顿工程”的原子弹制造计划。美国在1945 年7 月试验成功了第一颗原子弹。苏联在50 年代又在核聚变研究的基础上制成了氢弹。
和平利用原子能是人类的长期愿望，1954 年，苏联和美国建造了试验性核电站，揭开了核电应用的序幕。到60年代，核发电逐步进入使用阶段。核电站是现代“知识工业”的
一个典型，它与用煤发电相比只消耗很少的燃料，但却需要大量高深的科学知识。目前，科学家们正在探讨如何实现可控热聚变的问题。
2．空间技术
19 世纪末到20 世纪初，俄国的齐奥科夫斯基等人就曾设想利用火箭飞向行星世界，他提出了著名的火箭速度公式。美国戈达德于1926 年制造了用液氧和汽油做推进剂的第一枚流体火箭。在第二次世界大战期间，在德国的贝尼明恩迪建立了火箭研究所，1942年试验发射了重达13吨的V-2火箭，最大时速5500公里。
苏联在1957 年发射了第一颗人造地球卫星。1961 年，苏联发射第一艘载人飞船，开辟了人类宇航时代的新纪元。1969 年，美国的“阿波罗-11”把人送上了月球，实现了载人登月计划。
在70 年代以前，美苏之间的空间竞赛，主要是把精力集中于发展火箭、导弹以及与卫星系统有关的材料、装置和各项技术，用于军事、政治的较量。70 年代以后，空间技术开始转为民用，发射了大量天文探测器、气象卫星、资源卫星、通讯卫星。
空间技术的发展只有大型火箭是不够的，还必须研究飞行器的结构，计算航天的航道，解决遥控、卫星通讯和遥测遥感的问题。载人航天还要研究人在失重、超重、高空辐射等状况下的生理过程，这是空间技术科学的任务。
遥感科学技术是空间技术的眼睛，人们利用遥感卫星可以大范围观测云层和风暴，勘探矿藏，监视旱涝灾情,绘制地图，传播电视。卫星在地球物理、行星物理、太阳物理等许多领域有了大量的新发现,还在天空实验室中进行了合金熔融实验。
空间科学技术从根本上改变着人类认识自然界的方式，从而影响着人类对自然界的利用和改造。空间技术是科学的产物，它的发展又改变着物理学、天文学、地学、生物学、材料学的面貌以及人们的自然观。
3．激光技术
爱因斯坦提出的受激辐射理论为激光的诞生奠定了理论基础。1960 年，美国加利福尼亚的休斯研究所的梅曼利用红宝石激光器获得红色脉冲激光，标志着激光研究取得成功。由于激光有着亮度高、方向性好、单色性高和相干性好等特点，它一出现便很快地被用于研制激光武器、激光制导武器，用于工业上的激光加工，用于各种精密测量和激光导向，以及用于医疗手术。
它对激光核聚变、光纤激光通讯、光学计算机以及对能源利用、信息传递和控制也已显示并正在显示出重大的应用价值。激光技术已成为20 世纪产生的新兴技术中发展最快的一项技术，并正在出现一个新兴的激光工业部门。
4．生物工程
分子生物学与细胞生物学研究的成果，日益向技术领域转化，使人们得以运用基因操作、细胞融合、细胞培养以及生物反应等技术来改造物种和创造新物种，并且诞生了生物工程这一崭新的技术领域。
生物工程包括如下四个方面的内容：
⑴遗传工程：它通过人工转移和重组构成生物基因的DNA 大分子，增加生命体的基因种类，以重新安排和设计人类所需要的新物质。
⑵细胞工程也叫细胞融合技术。它打破了生物学上种属间杂交的障碍，把遗传性质不同的两个细胞人为地结合在一起，从而创造出自然界本来不存在的兼有两个物种优良性状的新细胞。
⑶发酵工程( 也称发酵技术)：它是利用微生物的某种特定性能，通过各种现代化手段进行工业生产的一项技术。比如利用微生物进行单细胞生产。
⑷生物转化工程( 也称酶工程)：它是利用生物学方法，以酶作为生物催化剂，使一种物
质迅速转化为另一种物质的技术。生物转化工程大大减少了污染，节省了能源。生物酶在一秒钟内所完成的工作，普通化学催化剂需一万年甚至数万年才能完成。
（二）电子计算机与微电子技术
1．电子计算机的诞生
匈牙利出生的美国数学家冯·诺依曼提出了使用二进位制和程序内存的计算机设计新方案，被誉为电子计算机发展史上的一个里程碑。
1946 年，美国莫尔研制小组制成了世界上第一台电子计算机ENIAC。ENIAC 机主要由控制、运算、存贮、输入、输出等五个部分组成。
在电子计算机的发展过程中，经过了五代：第一代电子计算机是电子管计算机。50 年代以后，电子计算机迅速发展到它的第二代( 晶体管计算机) 、第三代( 集成电路计算机) 、第四代( 大规模集成电路计算机) 。
目前，计算机正在进入第五代，即用超大规模集成电路装备的具有人工智能的巨型计算机和微型机。70年代以后，由于微型机的出现，使计算机的发展进入了一个新的时期。
人们把一群微型机，按层次组成网络系统，或设计能并行处理信息的计算机，为电子计算机技术的发展开辟了新的方向。
电子计算机不同于人类有史以来所创造的任何机械，它不仅具有运算速度快、精度高的特点，而且有记忆和逻辑判断的功能，这是科学技术发展中最光辉的成就，对人类历史进步起着伟大的推动作用。
2．微电子技术的发展
微电子技术的基础是集成电路技术，这项技术的发展，可以追溯到晶体管的诞生。1947 年，美国新泽西州贝尔实验室的巴丁、肖克利和布拉顿三位物理学家，终于研制出世界上第一个晶体管。
晶体管在不长的时间内就逐渐地取代了电子管，使电子设备向小型化和轻量化迈出第一步。1958 年，美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比首先发明了第一块集成电路，把构成电路的所有元件，包括联接这些元件的导线，全部制作在一块单晶硅片上，使之构成一个不可分离的微电子整体电路。
70 年代以来，超大规模集成电路的集成度以平均每两年增长一倍的速度发展。另一方面，集成电路正由平面型转向立体型,已被广泛使用的半导体材料硅逐渐被性能更好的镓砷和铝砷等新材料所代替。光集成电路的研究也在积极进行之中。
晶体管的产生和集成电路技术的发展，使电子计算机技术真正获得了自身发展所必须的条件。目前，各种类型的微型机不仅沿着微型化、廉价化的道路继续发展，而且还正朝着高档化、系列化和专用化的高度登攀，人类正在向着具有人工智能的第五代计算机进军。
第五代电子计算机是超大规模集成电路、人工智能、软件工程、新型计算机系列等综合而成的产物。它的主要特点是智能化程度的显著提高，能够识别声音、图像，并且有学习和推理的功能。
3．自动化与人类的智力解放
计算机一出现，就被广泛用于社会生活的各个领域，把生产过程的自动化提高到一个崭新的水平。由于电子计算机控制的自动化生产的发展，大大提高了产品的质量和数量。
电子技术和自动化生产使各个经济领域的劳动生产率大幅度提高，把社会生产水平提到前所未有的高度。自动化不仅表现在军事和一般的物质生产部门，也渗透到工程设计、科学研究以及日常生活的各个方面。
电子计算机是人类智力的产物，又是使人类智力进一步解放的武器。目前，计算机应用正在朝着智能模拟研究和制造智能机器人的方向发展。可以期待，人类的所有重复性的脑力劳动和一部分创造性的脑力劳动，基本上将被“电脑”所代替，从而使人脑的活动专注于高
度创造性的科学探索和艺术创造等领域。
（三）系统、信息与控制
系统论的形成首先是与生物学的发展相关的。美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲强调了生物学中的有机体概念，主张把有机体当作一个整体或系统来考虑。
1932 年和1934年，贝塔朗菲进一步阐述了整体性原则，提出用数学和模型来研究有机体系统。1937年，他提出了一般系统论原理。1945 年发表了《关于一般系统论》一书。他认为系统的整体大于它的各( 孤立) 部分的总和是组成系统的基本定律。一般系统论包括系统科学——数学系统论、系统技术和系统哲学三个方面。
1957 年，美国麻省理工学院的哥德、迈克尔两人出版《系统工程—大系统设计导论》一书，标志着系统工程学的形成。
系统工程学用数学的方法来研究系统的分析、规划、设计、组织、管理和评价，研究复杂的、巨大的系统的最优控制的规律。美国研制阿波罗登月计划，一些国家的国民经济计划，都采用了系统工程的方法，收到了积极的效果。
美国数学家维纳创立了控制论。维纳参与了自动火炮和电子计算机的研究，他从心理学那里引进了目的和行为的概念，并且以目的和行为来解释机器，发现人的神经控制系统和机器工程的控制系统都是建立在对周围环境和本身状态的种种信息的获得、传递、变换和处理的基础之上。而这种信息过程又都是随机过程，只有用概率和统计的方法才能定量地把握它们。1948 年，维纳发表了《控制论》一书，并称控制论是关于在动物和机器中控制和通讯的科学。《控制论》一书的问世被认为是控制论诞生的标志。它引进了一系列独特的概念，如系统、目的、反馈、信息、以及功能模拟、黑箱方法等。
功能模拟是不求系统的结构相同而只求系统的功能或行为相似的方法。黑箱方法通过对系统的外部行为( 输入和输出) 的分析来探索系统的内部结构，并以对系统的结构和功能的认识来实现对它的控制。
在控制论产生后不久，就出现了两个比较活跃的分支领域。一是控制论的基本概念和方法同反馈放大器理论、伺服机器理论相互渗透，产生了工程控制论。我国著名科学家钱学森也是工程控制论的创始人之一。他在1958年写的《工程控制论》是这个学科的奠基性文献之一。到了60 年代，由于大型计算机的出现和空间技术的发展，使控制论又进入了一个新阶段，即由经典控制论发展到现代控制论。二是生物控制论的兴起，它用控制论的方法研究生物体系统和生物体的各种生理系统的自动调节和控制机理。因而大大促进了生物学、分子生物学、生理学、神经生理学和神经心理学的发展，同时推动了仿生学的发展和人工智能的研究。
20世纪70 年代，控制论进一步渗透到更广泛的领域，如经济控制论、社会控制论、智能控制等。
对一个系统的控制当然需要有调整它的物质要素，需要有能量的供给，但所有的控制都离不开信息，控制是以信息为基础的。控制论的创始人维纳也对信息作了长期研究。他从控制论的角度提出：“信息是人们在适应外部世界并且使这种适应反作用于外部世界的过程中同外部世界进行交换的内容的名称”。他还独立地提出了与美国贝尔研究所的申农相同的测量信息量的数学公式,被称之为申农——维纳公式。1948年，农发表了《通讯的数学理论》，标志着信息论正式诞生。信息论与控制论相辅相成,互相促进，信息论是研究信息度量的方法和信息传输的理论；控制论则研究信息利用( 包括处理和控制) 的一般原理。信息论着眼于对信息的认识；控制论则主要着眼于对信息的利用。信息论与控制论一起成为发展信息科学的理论基础。
信息问题的研究还从根本上改变了世界由物质和能量组成的古典概念，而让位于世界由物质、能量和信息三种成分组成的概念。
今天，人们已把信息看作是一种资源，甚至把今天的时代看作是信息革命的时代，因为如果没有信息和信息传递就不会有有组织的系统，也不会有有秩序的能量转化和物质交换。
控制论、信息论和系统科学是现代科学技术发展的产物，又是现代科学技术整体化的显著标志。这些学科所提出的整体性原则、最优化原则、反馈原则，这些学科所提供的方法，对各门科学技术具有普遍的方法论意义。
控制论、信息论和系统科学揭示了自然界、社会和人类思维这三个领域中许多现象的一致性，揭示了用机器模拟人的某些思维活动的可能性，从而更具体地论证了世界的物质统一性和意识现象有其物质基础，充实和丰富了辩证唯物主义自然观。
同时，这些学科也提出了一系列值得探讨的哲学问题，深入研究这些学科并加以概括必能进一步揭示出相互作用与因果性、整体与部分、结构与功能、有序与无序等方面的辩证内容，并使我们对现代技术革命的性质和意义有更加具体的理解。
（四）传统生产技术的科学化
20世纪初，人工制造的高分子材料已经开始生产。由于有机化学、固体物理、合成化学、高分子化学等学科的发展，使高分子材料随工农业生产和日常生活的需要而迅猛发展。现代化生产在农业上也有了大发展，现在许多国家的种植业的产值已经同畜牧业产值相等，有的国家后者还超过了前者。
农业是最古老的产业。在法国、丹麦等农业发达国家，只有受过中学教育和农业基础学校教育，并在农场经过实践，再通过考试取得“绿色教育证书”的人，才能经营农场。美国大约用了30年的时间基本上实现了农业生产的机械化。而日本从1950年开始，用了大约10年的时间全面实现了农业机械化。
现代自然科学的威力不仅在于它创造出一批最新的尖端技术，而且还在于它把新的血液输入到那些历史悠久的生产部门—农业、材料工业、机械制造业、轻工业、建筑业、运输业之中，改变了那里的技术面貌。
这些传统生产部门中技术的科学化，就其对现代整个社会和人类物质生活所起的作用而言，甚至比尖端技术更有根本性的意义。农业和材料工业及其他传统工业部门的新面貌说明了技术科学化的多样性及其强大的生命力。工业发达国家的机械业都很重视材料的质量，同时认真研究成型方法。以节约原材料。