科学技术史-3.3近代科学技术革命与欧美社会现代化(图文教程) ...

第三节 近代科学技术革命与欧美社会现代化

近代科学技术革命是继近代历史上第一、二次科学技术革命之后的第三次科学技术革命，始于20世纪中叶，它是在一定历史条件下科学技术长期发展的产物。

近代科学技术革命是科学革命与技术革命合流得科学技术革命。从科学理论上来说，它以相对论、量子力学、系统论、信息论、控制论的创立为基础；从技术和工艺上而言，以微电子技术、生物过程技术、海洋工程、航天技术，以及上述新兴科学技术上的突破和越来越得到广泛的应用为前提。

近代科学技术革命具有以下几个特征：第一，现代科学技术革命是科学技术发展中紧密联系综合变革的总合，它使社会生产力的结构发生了变化，并波及到政治、经济、文化等一切领域，影响到整个人类生活。第二，现代科学技术革命促进了整个科学技术系统及各学科向综合化、整体化发展。第三，现代科学技术革命使人的主体因素在现代世界中的作用大大提高了。第四，现代科学技术革命是一个全球性过程，在不同社会制度的发达国家中进行着同一的科学技术革命。第五，现代科学技术革命是一次使人类劳动智能化的革命。第六，现代科学技术革命是在科学、技术前导下而实现生产力的根本变革，它突出地表现为社会生产的高技术化。科学技术产业化的进程大大加速。

3. 1 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。

一、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。

二、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

三、各国各集团之间竞争加剧

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。

3. 2 近代科学革命的主要内容

近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

近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。

首先，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。

第二，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。1994年4月26日美国费米国家加速器实验室宣布：科学家们已发现了在物质理论中迄今尚未找到的亚原子结构单元—顶夸克的证据。他们用质子与反质子对撞的独特方式，找到的“顶夸克”约174GeV，质量是质子的180多倍。粒子物理学使人类的认识已深入到亚原子（或亚原子核）阶段，了解到物质构成的单元已小到夸克和轻子，其尺度都小于10-17 cm，认识的尺度缩小到原子的十亿分之一。

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，1994年4月28日）

第三，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。 第四，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。

首先，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。

第二，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”。

第一，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。

第二，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。

3. 3 现代科学革命的特点与趋势

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：

第一， 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。

第二，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。

第三，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。

3.4 现代技术革命的实质和基本特征

一、现代技术革命的实质

近代以来的三次技术革命就是蒸汽动力技术、电力技术和电子计算机技术作为主导技术产生以及由此引起各个历史时期的相应的技术体系的形成过程。技术发展有其自身规律。在古代，技术的进步主要表现在材料上。人类和自然作斗争的工具由最先的木棒、石块发展到后来的青铜、铸铁。近代以来的第一次，第二次技术革命，主要表现在能源动力方面。进入20世纪以后，由于材料、动力的进步，生产规模增大，生产工艺以及产品的复杂化，第三次技术革命就主要体现在控制方面。微电子技术所引起的生产过程自动化和管理过程的自动化，是符合这一技术发展规律的。因此，第三次技术革命又可以称作信息控制技术革命。它所解决的中心技术课题是社会生产和管理的信息控制。人们已经注意到，信息技术是优化物流、节约能流、分解人流、降低财流的有效手段。前两次技术革命都与工业社会相关，或者说是工业社会本身的接生婆，或者是工业社会发展的支柱。现代技术革命与之相比具有更伟大的意义。这是继欧洲纺织工业革命，美国电气工业革命之后，造成第三次世界均势重新组合的原动力。先前的技术革命实质上是能源革命，是动力方面的大为革。它利用机械力、蒸汽、石油、电力来减轻人的体力劳动，提高劳动生产率。现代技术革命的实质与信息、知识密切联系着，力求使人脑得到延伸而减轻人的脑力劳动。如果说前两次技术革命的实质是人的体力的解放，那么这次技术革命的实质则是人类智力的解放，是一场智力革命。从体力解放到智力解放这一重点的转移是技术以至社会的一个巨大转变。工业化时期的经济，是以大规模地消耗原材料、能源和人的体力为基础的，而在现代技术革命的条件下，则是以愈来愈多的人的智力和物化在产品中的知识为基础的。知识越来越成为社会生产力、经济竞争和国家实力的关键因素。这一转变突出的表现在：以才能为量度的智力就业代替以人身标志的体力就业；以知识和智慧的积累代替体力创造财富，甚至富有的标准也由占有物质转变到拥有信息或知识方面去了。总之，向新技术过渡的大变革会导致社会全面的深刻变化，包括以全新的生活方式代替原有的生活方式。

二、现代技术革命的基本特征

与以往的技术革命相比，这次技术革命具有如下特征：
第一，技术科学化。近代以来，新技术发展中科学成分愈来愈高，而经验性技艺的因素却愈来愈少，这是技术成熟的表现。在第一次技术革命中涌现出来的新技术，虽然也有一定的科学因素、但并不是主要的。例如瓦特在完善蒸汽机技术时，科学理论因素起了一定的作用，但纺织机械的发明却是经验性的。所以，当时技术与科学是相互分离平行发展的，技术对科学的依赖并不强。当时从事发明的大多是工匠，因此技术的经验成分是主要的，对科学的运用大多是不自觉或零散的。但是第二次技术革命中的许多新技术却直接与当时的科学进展有关，科学与生产实际的结合，产生了用科学理论专门研究技术的科学，例如电力技术、无线电技术、热机技术（指19世纪出现的内燃机和汽轮机），无一不是在电磁学，电工学、无线电电子学、热力学的指导下形成发展起来的。从事技术发明、改革的一般都是具有较高科学、文化知识的人。现代技术革命的突出特征之一就是全面体现了科学对于技术的主导作用。科学革命成为技术革命的前导，科学成果渗透到技术的各个领域成为技术发展的关键，使技术越来越科学化了。在技术科学化的同时，科学技术的飞速发展。故而，现代技术革命又称为科学技术革命。

第二，技术群体化。如果说前面两次技术革命形成的技术体系中各项技术间的联系还较为松散的话，那么这次技术革命中的新技术除数量之多、门类之广是空前的，各种技术间出现了极强的群体性。它们几乎是在很短时间内同时出现的。发展中的横向关联性、综合性、交叉性极为突出。没有以电子计算机为核心的控制手段，核能、航天、海洋工程以及某些材料生产的自动化均是不能想象的。没有半导体材料、真空技术、光刻技术等的进步，微电子技术也是根本发展不起来的。现代科学技术纵深发展已促成了许多新的科学技术群的建立。遗传工程的发展，使量子生物学、量子遗传学、量子生理学和基因重组技术、生化技术、结构分析技术等等，成为一个科学技术的大群体；海洋开发的需要，使海洋水文学、海洋地质学、海洋气象学、海洋生物学和海洋探测技术、海洋电力技术、海洋采矿技术等等，成为一个庞大的科学技术体系；能源发展的需要，也使天体物理学、原子核物理学、硅电化学和太阳能技术、海洋能技术、生物能技术等，成为一个科学技术群，如此等等。这就是说，现代科学技术革命愈加深入，人们在深化对自然界的认识和变革的过程中所遇到的问题就愈带有综合性，而且范围广、难度大，绝不是单独一门科学、一项技术所能解决的，必须由多学科，多技术所形成的科学技术群体才能突破。所以，现代科学技术的重大课题往往需要有人才荟萃、高度知识化密集化的科技集体才能承担。科技人才必须是专才与通才相结合。

第三，技术智能化。三次技术革命中出现的新技术，逐渐从机械性向智能化发展。第一次技术革命中的许多新技术、还带有明显的“工具”痕迹，结构简单，精度不高、速度不快、控制容易，是对人手和体力的简单取代；第二次技术革命时期，由于电力的普及，机器复杂，功能增多、性能提高，速度快、精度大大提高，控制也较为复杂。初步的自动化以及较为复杂的机电控制系统已经可以完成简单的脑力劳动。第三次技术革命中出现的技术，特别是电子计算机以及微处理机与传统技术相结合，形成的机电一体化技术领域，智能化已十分明显，机器已不再仅仅是代替