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

物质世界结构

实物

分 子

原 子

原子核

质子 中子

夸 克 电 子（轻子）

场

规范玻色子

宇宙大爆炸标准模型

粒子物理标准模型

宇 宙

费米子

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

1m

10-20

10-15

10-10

10-5

1015

105

1010

1025

1020

W++粒子

微观

介观宏观

宇观

山

太阳系

地球

星系团

星系

原子

原子核

DNA人

• 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 :

技术技术 物理物理 技术技术 ( 以第一次工业革命为标志 )

物理物理 技术技术 物理物理 ( 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， 60～ 70 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：①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。②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。③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：①科学技术转化为生产力的速度加快。②科学和技术密切结合，相互促进。③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。

卢

瑟

福

居里 居里夫人

• 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。

原子弹： 利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反应原理制成的武器

自持核裂变链式反应：不需外界干预，自身可持续进行的核裂变链式反应。

重核的裂变重核的裂变

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（ 1909～ 1968 ）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 V－ 2火箭（ 1944年 6月 13日）英国伦敦遭德国法西斯发射的 V－ 2飞航式火箭的空袭。9月 8日又向伦敦发射了 V－ 2弹道式火箭。 V－ 2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 V－ 2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。 V－ 2 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。

Ｖ－２是单级液体火箭• Ｖ－２工程开始于１９４０年。１９４２年１０月３日，Ｖ－２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６ ０００枚Ｖ－２，其中４ ３００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 次用国产燃料成功地发射了苏制 P－ 2 导弹，

• 同年 11 月 5日，我国第一枚近程导弹发射成功。 1964年 6月 29日 ,我国第一个自行设计的中近程导弹又发射成功，大大增强了独立发展我国火箭技术的信心和勇气。 64年 10 月我国成功地爆炸了我国第一颗原子弹。

• 70 年代以来，我国已发射了国内外近百个人造卫星、同步卫星、载人飞船等。著名的西昌卫星发射中心、酒泉发射中心和太原发射中心是我国航天事业的三大基地。

• 1970 年 4 月 24 日，中国第一颗人造地球卫星发射成功，使中国成为世界上第五个能独立发射卫星的国家。

• 1975 年 11 月 26 日，我国首颗返回式卫星发射成功。

• 1979 年， “远望” 1号航天测量船建成并投入使用，我国成为世界上第 4 个拥有远洋航天测量船的国家。

• 30多年来，我国共研制发射了 15 种类型、51颗人造地球卫星，成功率达 90％以上，初步形成了 4 个卫星系列——返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列和“实践”科学探测与技术试验卫星系列，“资源”地球资源卫星系列和“北斗”导航定位卫星系列也即将形成。 1992 年，我国载人飞船正式列入国家计划进行研制，这项工程后来被定名为“神舟”号飞船载人航天工程。

神州 1-4 号

“神舟” 5号宇宙飞船的成功发射，是人类探索史上的一项重要成就，继俄罗斯和美国之后，中国是第三个成功将人送入太空的国家。

神州同庆 杨利伟报告：感觉很好

世界载人航天发展现状

•美国和俄罗斯是航天领域的“两极”，其载人航天处于世界领先水平。

•欧洲空间局、中国和日本正成为航天领域迅速崛起的“第三极”。

• 美国为谋求和保持“空间领先”地位，自１９５８年成立航空航天局以来实施了一系列载人航天计划。从“水星”计划到“双子星座”计划，再到“阿波罗”计划，先后完成６次登月飞行，把１２人送上月球并安全返回地面。上个世纪７０年代开始，美国重点实施“天空”实验室和航天飞机两项计划。目前，以美国、俄罗斯日本和欧洲国家为主的１６国联合建立的国际空间站已经初具规模。美国下一个目标是建立载人空间基地。

• 原苏联一直把载人航天计划作为整个航天计划的重要组成部分。从１９６１年４月１２日成功发射世界上第一艘载人飞船起，到１９７０年共发射“东方”号、“上升”号和“联盟”号飞船１６艘。上个世纪７０年代起，原苏联的载人航天进入以空间站为主体的研究、试验新阶段。苏联解体后，俄罗斯继续在载人航天领域内发挥优势和起主导作用，除继续进行“暴风雪”号航天飞机的研制外，还推出了一个“小型航天飞机”发展计划。

载人航天的发展前景

• 发掘宇宙资源，人类已发现可为人类利用的太空资源有 4种：①航天器高高在上的最佳对地位置资源；②高真空、高洁净、微重力的环境资源；③月球、火星及其他小行星土地及矿产资源；④太阳能能源资源。这些资源将逐渐被开发利用，让它们更好地为人类服务。

建设美好未来的大陆• 月球是地球唯一的自然卫星。它具有丰富

的矿产资源。月岩中含有 60 种左右的矿物。其中有 6种矿物是地球上没有的，因此开采月球的天然矿藏，将是十分有吸引力的设想。科学家推测：整个月球可提供71.5万吨氦－ 3，它所产生的电能相当于 1985年美国发电量的 4万倍，足可满足地球 400 年能源的需要。开发月球给人类解决能源问题，展示了美好的前景。

• 太空移民筹建太空城市，让人类一部分人先移居太空城，建设新家园的计划正在进行中。

• 冲出太阳系。太阳系中有九大行星，火星最接近地球的气候环境，前苏联和美国均向火星发射过探测器。美国的探测器还登陆火星，拍了许多照片，带回了火星土壤，火星上虽然还没有发现有生命，但科学家还没有放弃希望。在大量的极地，火星内部及火星特殊的地面，可能还是存在生命的，因此探索将继续下去。

• 人类的视野早就超出太阳系了。美国的“先驱者 10号”和“ 11号”、“旅行者 1号”和“ 2号”两对探测器有的正在飞出太阳系，有的已飞出太阳系。科学家估计，银河系中有 1000多亿颗恒星，可能有上百万颗恒星周围存在有智慧生物。英国科学家提出“代达罗斯”计划，以太阳系外的巴纳德星为目标，它距地球 6光年，具有类似太阳的特征，它的两颗行星上拥有存在生命的必要条件。因此它被确定为人类征服恒星的起点。在征服宇宙的同时，人类正在不断寻找“外星人”，生命就存在在宇宙中，相信在人类征服自然的进军中，必将征服太空。

3.3 信息技术

• 　 1．高速、大容量。• 　 2．综合化。包括业务综合以及网络综合。• 　 3．数字化。一是便于大规模生产，降低成本。二是

有利于综合。每一个模拟电路其电路物理特性区别都非常大，而数字电路由二进制电路组成，非常便于综合，要达到一个复杂的性能用模拟方式往往综合不起来。　　

• 4 ．个人化。即可移动性和全球性。一个人在世界任何一个地方都可以拥有同样的通信手段，可以利用同样的信息资源和信息加工处理的手段。

信息技术的发展趋势

信息时代向我们走来• 重要的事交给电脑：家庭中大量的家政管理实际上是

档案的管理，这是电脑是擅长的领域。• 电器管家：一些传统家用电器，如洗衣机、电冰箱等

的信息化进程也已经开始。这些电器通过电话线与因特网相连，并能就彼此如何配合进行工作进行磋商、调整和维修。

• 真正的智能冰箱和微波炉：冰箱电脑里事先存储了你的饮食习惯，零食、油米酱醋等吃完了，它会自动连接互联网，替你向超市订购；微波炉可以自动下载食谱，只要你事先把买回的鸡鸭鱼肉放进去，它便会在你预定的时间自动进行解冻，并做成香喷喷的美味佳肴。

• 书架、书柜、相册没用了：数码相机的大量使用，让我们可以将照片按照自己喜欢的方式加以修饰，并且不必提心多年以后会变得黯淡失色。音乐、电影、画像……许许多多的资料，在信息家庭中都会以数字的方式永久保存。

• 不用砍价了：网上交易的商品不易漫天要价，同时，网络本身也是所有渠道中最便宜的一种，或许信息家庭的家庭成员的购物成本要比普通家庭便宜 20-30%。

• 玩得不一样：信息家庭与数字社会更多提供了自由选择与幻想的空间，我们不仅可以自由选择收看喜爱的电影，还可以通过网络预先约定维也纳新春音乐会的“座位”。网络比的电脑游戏更是可以 使我们扮演各种各样的角色。

• 21 世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信。

• 此外将推出品种繁多的光电子消费类产品 (如 VCD、 D VD、数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光打印、传真和复印等 ) 以及新型的信息显示技术产品 (如 CRT、 LCD及 PDP、 FED、OEL平板显示器等 ) 并进入人们的日常生活中。

• 激光产品已成为现代武器的 "眼睛 "和 "神经 "，光电子军事装备将改变 21 世纪战争的格局。

激光技术

• 世界上第一台激光器诞生于 1960年，我国于 1961年研制出第一台激光器。

梅曼和第一只激光器

气体激光器

固体激光器

液体激光器

半导体激光器

激光打孔 激光切割

低能激光武器 高能激光武器

全息照相

激光技术与其他技术应用领域的结合

• 1.激光化学：利用激光十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 2.激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。 3.超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段。

• 　 4.新型激光器研究：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在 " 盲区 "，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。在激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面。

• 激光武器的优点；无需进行弹道计算；无后坐力；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染，

光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步

• 目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，他必将成为 21 世纪的支柱产业。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。

• 并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体 (LED) 将主导市场，

2003 年 7月国家半导体照明工程启动• 随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命———照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体灯采用发光二极管（ LED）作为新光源，同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的 1／ 10,而寿命却可以延长 100倍。

• 由于半导体照明（亦称固态照明）具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，一种新型固态冷光源。业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也是大势所趋。面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团纷纷与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在 2010 年前，使半导体灯发光效率再提高 8 倍，价格降低 100倍。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战，已经在全球打响。美国能源部预测，到 2010 年前后，美国将有 55％的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电 350 亿美元。日本提出， 2006年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯。据测算， 7年后仅在美国，半导体照明就可能形成一个 500 亿美元的大产业。

3.4 纳米科学技术• 在 20 世纪的最后十年，一门崭新的学科—纳米科学技术以其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界和军界引起巨大反响，受到广泛关注。美国 IBM公司首席科学家 Amotrong说：“正如 70 年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”

• “纳米”尺度的粒子早已存在。比如，中国古代的徽墨粒子，出土铜镜涂层中的粒子，已在轮胎中使用了 100 年用作增强剂的炭黑颗粒等，疫苗（它常含有一种或数种纳米尺度的蛋白质）也可能挤身于纳米之列。生物中磁性颗粒——生物磁罗盘（如：鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、水中的超磁细菌）

纳米颗粒（超微颗粒）L > 1 μm 微粉 1—100 nm 纳米颗粒 < 1nm 团簇

• 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者查理德·费曼 (Richard P Feynman) 。 1959年他在一次著名的演讲中曾经这样说：“如果人类能够在原子 / 分子的尺度上来加工材料，制备装置，我们将有许多激动人心的发现。……我们需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测定其性质。……那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。”他并预言：“当 2000年人们回顾历史的时候，他们会为直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。” ( 查理德教授于1988年去世 )

原子世界奇观

• 扫描隧道显微镜（ STM）是 IBM公司苏黎世研究所的 G． Binnig 和 H． Rohrer于 1981 年发明的，他们因此共同获得 1986年诺贝尔物理学奖。 STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性。借助STM人们可以在真空、大气或液体中对样品进行原子级分辨的无损观测。　　

• STM可以实时测量物体表面的实空间三维图像。测量分辨率对平行和垂直于表面方向分别为 0．1nm和 0． 01nm。这将会实现人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。 STM还具有广泛的适用性，如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此 SIM已成为纳米科学技术的主要工具。 STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察，因而在生命科学研究中具有极大的潜力。 IBM公司的科学家在 1989年利用 STM移动氙原子，最后把一个个原子排列成 IBM商标。后来，他们又进一步把一排铁原子拼成汉字“原子”。

STM 扫描模式示意图

（ a ）恒电流模式；（ b ）恒高度模式

S 为针尖与样品间距， I 、 Vb 为隧道电流和偏置电压，

Vz 为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。

扫描探针显微镜工作原理

用扫描隧道显向镜观察到的硅晶体表面的原子排列 (Si(m)７×7结构 )

纳米物理学：开发物质潜在信息

• 　　纳米物理学将深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物性表征。它以纳米固体为研究对象，对若干重要物理问题进行研究，如结构的奇异性、鲜为人知的光学性质、特殊的导电机理、量子尺度效应。小尺寸界面效应、量子隧道效应和库仓阻塞效应等。这些问题的明朗化将对开发物质潜在信息和结构潜力，以及电子技术产生重大的影响。总之，既有重要的理论意义，又有重要的应用前景

纳米电子学：控制单个电子• 美国 IBM公司和日本日立制作所中央研究所都

已经研制成功单电子晶体管。传统的晶体管是控制成群电子的运动状态，形成开关、振荡和放大等功能的 .现有的 Si 和 GaAs 器件，其响应速度只能达到 10～ 12秒，功耗最低 1μW 。然而量子器件在这两方面方面可以优化 1000～ 10000倍。由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点，因此，纳米电子学的发展，可能会在电子学领域中引起新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。

自由地操纵单个原子或分子

左图是一个铁原子与一氧化碳分子 CO 结合形成一个铁羰基FeCO分子的过程。先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子将它移走，然后将 CO 放到 Fe上面，形成 FeCO 分子 右图显示的是继续利用一 个CO和FeCO 结合成Fe（CO）

2分子的过程。用这种方法还可以用原子组成各种图形

图左，扫描隧道显微镜针尖移动表面吸附原子的过程示意。图右，用原子排列成的“原子”两个

字。

纳米材料科学：奇异性探索• 纳米材料具有许多鲜为人知的奇异性。在通常情况下陶瓷是脆性材料，因而限制了其应用范围，纳米 TiO2陶瓷却变成韧性材料，在室温下可以弯曲，塑性形变高达 100％。纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面，可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料。超细颗粒铁表面覆盖一层 5nm到 20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，在控制生物反应和酶工程中将起重要作用。据英刊报道，已经制备成功一种尺寸只有 4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可以由激光驱动，开关时间很快，这将为激光计算机的研制提供技术基础。

纳米生物学：纳米机器人

•纳米生物学的近期设想，（ 1 ）在纳米尺度上应用生物学原理，发现新的现象，研制可编程的分子精细结构及其与功能的联系；（ 2 ）在纳米尺度上获得生命信息，例如利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞器表面的结构信息，利用纳米传感器获得各种生化反应的化学信息和电化学信息；（ 3）纳米机器人的研制。　

纳米机器。图为纳米泵 纳米齿轮 纳米轴承

用于分子装配的精密运动控制器

• 　纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在 1秒钟内完成数 10亿次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。

• 可能引导新的工业革命。

• 纳米技术的科学家们坚信，“小”是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有 1nm到 2nm的静电发动机；体积只有常规机器万分之一、能够运转的车床以及直径仅 5． 5nm的“尺蠖”，有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝。德国工程师制成了一架只有黄蜂大小和能够升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的器。　

• 　更加引人注目的是，科学家已经开始在硅片上造出微机电系统。这些装置把电路和在运转着的机器合装在一个硅片上，这些装置最终将像目前的硅芯片一样普遍。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括在上百万辆汽车里安装的一种细如发丝的传感—制动器，当它“感觉”到撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。

• 　　只有削尖了的铅笔尖大小、每分钟转速高达 10万转的 1 伏特发动机，最终将推动电子显示器、手表、摄录机和激光扫描器的发展。

纳米存储器和 DNA 开关左图为纳米存储器，存储密度可达每平方厘米 10 万亿字节。右图是利用 DNA 自我组合原理进行设计的 DNA 开关，利用它将可以制造出分子大小的电子电路，

使未来的计算机体积更小，运算速度更快

C60分子和碳纳米管

碳纳术管是在用电弧滚制备 C60分子（上图）时发现的，是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的一种一维纳米材料。这种中空的“微管”的电学性质非常奇特，而且强度比钢高100倍。

我国科学家已经在国际上首次制成了长度达3毫米的碳纳米管

奇妙的应用畅想• 　太空升降机　　巴基球是由60 个碳原子聚集在一起形成的足球状结构，具有若干特殊的性质。在巴基球的基础上，又研制成功碳纳米管。碳纳米管的强度比钢高 100倍，而重量只有钢的 1／ 6。单个碳纳米管的直径只有 1．4nm， 50000 个碳纳米管并排在一起相当于一根头发丝的直径。据专家说，它们可能成为未来理想的超级纤维。对纤维强度起决定作用的参数是长度与直径的比值。材料工程师希望得到长度与直径之比至少是 20： 1 。而即使在目前，纳米管的长度也是其直径的几千倍，所以具有高强度是不奇怪的。

• 碳纳米管的最异想天开的用途，是用于太空升降机。一根碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，与钢或其他任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量。这就提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。

• 碳纳米管可能成为最佳超微导线。一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的 1/100 。预计它将成为理想导体，导电性能大大超过铜。纳米管最终可以用于纳米级电子线路。

• 电子隧道　众所周知，光导纤维是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通过。碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道。由 6原子环组成的碳纳米管能把一个由60 个原子组成的巴基球正好装在中间。把一个金属原子嵌入巴基球中，并且在纳米管中装满一串这种巴基球，这样，碳纳米管就成为一根直径只有一个原子大小的金属导线。

• 纳米隐身术　近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报道，引起军界研究人员的极大兴趣，提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索。

• 纳米材料由于其结构特征尺寸进入纳米领域，物质的表面、界面效应、量子效应将十分显著地表现出来，对吸波性能产生重要影响。可制成具有良好吸波性能的涂层。正在研究的纳米复合隐身材料，可以期望出现对厘米波、毫米波、红外、可见光等很宽波段的复合隐身材料，甚至可望研制成与结构材料复合、与抗核加固技术兼容的隐身材料。

• 纳米电子枪与纳米探头　碳纳米管众多可能用途中，以下几种令人耳目一新：作为其他分子之间的“分子导线”；用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头（由于纳米管非常小，小到不会打扰运动中的细胞，可以用作生物系统的电子探头）；用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体。

• 纳米卫星与微型飞船　在小卫星系列中，可以分为小型卫星、微型卫星和纳米卫星。它们的重量分别在 10 到 500千克， 0． 1 到 10千克和 0． 1千克以下。以硅为衬底的专用集成微型仪器，可以应用于制导、导航、控制、姿态控制、推进、能源和通信等航天器系统。美国科学家提出在非常小的航天器上建造性能优越的计算机。最终设计出能够飞到其他星球上去从事生产的微型飞船。可以发射几百万个这样的飞船进行大规模生产。

• 原子精密度计算机　美国国家航空航天局的科学家指出， 21 世纪初，将必须制造具有原子精密度的计算机。并提出了分子探针的设计，这种探针可以区分紧密排列在金刚石表面的 F 原子和 H 原子。如果把 F 原子的值定为 1 ，把 H 原子的值定为 0 ；同时设计一个能非常快速阅读它们的探针，这样就有可能得到一个原子型的二进制码，作为新一代计算机的基础。

• 利用自行组装的 DNA分子建造支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线 ２００３年１０月，美国杜克大学研究人员利用自行组装的ＤＮＡ分子作为分子建筑材料，建造了支撑蛋白质的″纳米级″脚手架和金属线，其直径只有数十亿分之一米。这是在纳米级合成方面取得的重要成就，可能由此开发可编程的分子级传感器或电路。

•纳米医学方面• 追踪病毒 把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上，然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、器官内，用光线从人体外部向内进行照射，体内的纳米颗粒也会发光，这样就可以达到追踪病毒的效果。

• 疾病诊断 纳米颗粒极高的传感灵敏效应 ,利用纳米成像技术，这种方法需要将直径只有１５纳米的荧光粒子附着到ＤＮＡ的特殊部分，随后分析荧光信号的强度以及其它特性。这些粒子称为量子点，具有独特的光电性质，使其比生物医学研究中常用的传统荧光标签更易检测到。

• 纳米药物 由于生物医药产品的开发周期相对较长，纳米生物医药真正成熟的产品还不多，但前景是非常乐观的。以被认为最有应用前景的化疗药物的例子来看：利用正常组织以及病灶部位毛细血管通透性的差异，可以有效地增加药物在病灶位的聚集度，同时明显降低毒副作用。

美国国会对纳米科技的立法工作

• 美国国会十分重视科技立法的工作。２００３年１１月，美国参议院表决通过了该院１８９号提案的修正案，随后众议院也审议通过了该修正案，形成了《２１世纪纳米技术研发法案》。美国总统布什２００３年１２月３日在白宫签署了该法案，批准联邦政府在４年中对五个主要从事纳米技术研发的联邦机构共投入约３７亿美元。

我国纳米科技发展• 目前世界各国在纳米科技上的角逐将会越来越激烈。为抢占新一轮科技浪潮的制高点，我国目前正加大对纳米技术研发的投入，成立了国家纳米科学中心，采取了一系列措施整合我国纳米科技研究队伍，制定了２０１０年前我国纳米科技发展的目标。

3.5 生命科学发展与展望• 这个世纪是生命科学的世纪，作为医学，长期

以来的任务是防病治病。从现在开始，医学的任务将主要是维护和增强人们的健康，提高人们的生活质量。随着时代的发展，医生将也要逐渐走向社会，走入人群。从这个意义上讲，中国的医生资源配置，也必然要发生变化。

• 方便就医的观念就是未来的方向。

•１９５３年４月２５日，英国《自然》科学杂志发表了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克的论文，这一成果被很多人认为是“２０世纪最重要的科学发现之一”：遗传物质ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）是双螺旋结构。自此，人类在生命科学探索路上突飞猛进。　现在科学家预言，在“人类基因组计划”完成后的１０至２０年内，基因医学将进入黄金时代。

• 与许多具有划时代意义的科学事件类似，这一成果问世之初没什么人理会。那一年，大英帝国女王盛大的加冕礼、人类征服珠穆朗玛峰的壮举，都有更多理由吸引媒体和公众的注意力。半个世纪过去了，女王登基大庆等已很难再构成大新闻，但ＤＮＡ却受到不同寻常的礼遇。

基因图谱 ---- 人类之书

•１９８４年，当时科学家们在美国犹他州一滑雪胜地聚会，探讨如何识别日本广岛原子弹轰炸幸存者的基因突变。美国能源部顾问委员会在１９８７年的报告中敦促美国开始人类基因研究行动，并预见这一研究“在广度和深度上都是非凡的”，“将最终为人提供一本人类之书”。

•１９８８年，美国一份联邦报告批准了人类基因组计划，１９９０年美国国会开始为计划提供资助，研究拟定在２００５年９月３０日结束。同时，在研究过程中公开所有发现。

•当时，并不是所有科学家认为这一研究具有可行性，因为必须的技术几乎还不存在。计划开始后的最初几年中，研究员大多致力于开发基因分析方法，计算生物和信息存储技术因此进展迅速。

•计划实施之初，鉴别一个碱基对需花费１０美元。一个训练有素的技术员每个工作日可以鉴别出大约１万个碱基对。现在，一个碱基对的测定费用只有５美分，“闪电式”机器人每秒钟可以处理１万个碱基对。

• １９９９年，中国也加入了这一研究，承担了１％的测序任务。当年，人类基因组计划大大加速，这与塞莱拉公司的出现不无关系。曾经在国家卫生研究院做过研究的文特尔领导的塞莱拉公司在１９９８年宣布，将在两年内测定人类基因数据，并将数据出售给研究机构和制药公司。塞莱拉使用文特尔发明的高速测序机大大提高了研究进度，这给人类基因组计划造成了很大的压力。在塞莱拉公司实验室中，先进的基因测序机一天２４小时运转比人类基因组计划早两个月完成草图的绘制。柯林斯的国家人类基因组研究所不甘示弱，在２０００年６月拿出了比文特尔的图谱稍微准确的版本。

• 2000 年 6月 26日人类基因组“工作框架图”绘制完成 ,参与人类基因组计划的 6国科学家 2001,2 月 12 日共同宣布，经过初步测定和分析，人类基因组共有 32 亿个碱基对，包含了大约 3万到 4万个蛋白编码基因。

•这一重大成果是人类献给新世纪、新千年的一份厚礼，标志着生命科学又向纵深迈进一步。它是对人类基因组基本面貌的首次揭示，表明科学家们开始部分“读”出人类生命“天书”所蕴涵的内容。

• 虽然人类基因组计划已经正式结束，但测序并没有百分百地完成。科学家说，由于一些高深莫测的原因，人类基因组中有１％被证实是无法测序的，只有在相关新技术出现之后，这一难题才有望得到攻克。也许，这１％中，还蕴藏着生命的其它奥秘。

• 　　这些奥秘不是那么容易被揭开，像一位学者所说：“一提到自然，我们就会想到太阳、月亮和地球等眼睛能够看到的东西。而绘制人体设计图的则是不为我们眼睛所见的大自然的伟大威力。”

生命科学：还有八大奥秘• 作为生命基础的蛋白质的结构能确定吗 ?• 能合成人工生命形式吗 ?• 能否建立精确的细胞计算机模型 ?• 能弄清基因如何决定哺乳动物发育的细节吗 ?• 预防、诊断和治疗医学会发生变革吗 ?• 能否准确地再建人类种群史 ?• 能否重构地球上生命的主要进化步骤 ?• 社会将对遗传知识爆炸式增长作何反应 ?

基因工程为人类开拓美好前景

• 基因工程，或称DNA（ RNA）重组，是指对不同生物的基因，根据人们的意愿，主要是在体外进行切割、拼接和重新组合，再转入生物体内，产生出人们所期望的产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型，或达到人们所期望的某种目标。

• 对于生命科学的深入了解，无疑也能促进物理、化学等人类其它知识领域的发展。比如生命科学中一个世纪性的难题是“智力从何而来？”我们对单一神经元的活动了如指掌，但对数以百亿计的神经元组合成大脑后如何产生出智力却一无所知。可以说对人类智力的最大挑战就是如何解释智力本身。对这一问题的逐步深入破解也将会相应地改变人类的知识结构。

• 生命科学研究不但依赖物理、化学知识，也依靠后者提供的仪器，如光学和电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X- 射线仪、核磁共振分光计、正电子发射断层扫描仪等等，举不胜举。生命科学学家也是由各个学科汇聚而来。学科间的交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科。

• 21 世纪科技发展的趋势特点：一是跨门类科学与技术整合化。当前纳米科技、生物技术（包括生物制药及基因工程）、信息技术（包括先进计算机与通信）、认知科学（包括认知神经科学）已实现了协同和融合；二是科学与技术一体化。在未来，科学与技术一体化的趋势将会增强，即科学子系统之间发生相互作用而产生整体效应，并显示更多的社会功能，对人类社会的发展产生巨大的推动作用。生命科学技术可能成为科学与技术一体化的杰出代表；三是科学技术高度社会化，社会高度科学技术化。科学技术活动开始由国家规模向国际规模发展，并向社会机体进行全面的渗透，并将成为人类社会的重要活动；在科学技术高度社会化的过程中同时伴生着社会高度科学技术化。未来社会可持续发展必须依赖于科学技术高度发展所形成的巨大力量。

• 科技发展已开始对社会发展、价值观造成实质性冲击。信息技术带来的“数字鸿沟”，生物技术产生的“基因歧视”和动摇伦理等问题已经不可回避。社会认知水平明显滞后于科技发展水平的矛盾日益突出，科普的重要性日显迫切。

• 我们也必须看到，突破性进展常常不是一个偶然事件，而是经过长期艰苦努力，大量工作积累的结果。我们都读过阿基米德在洗澡时发现阿基米德原理和牛顿在苹果树下的故事，即使这些故事是真实的，现代科学也已经不是阿基米德和牛顿的时代了，不是靠灵机一动就能取得重大突破的时代了。现代科学的每一个重大进展都需要付出巨大的努力，需要长期工作的积累，有时是个人工作的积累，有时甚至是一个研究集体或几个研究集体几代人长期工作的积累，这就是诺贝尔奖为什么经常出现在世界上为数不多的一些实验室的原因。

生物

物理

化学

物理自然法则

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人类理解

美学

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热 力学流 体化学工程

生物化学工程

放射学应用生物学

结构学土力学

建筑学

机械原理核能

电学

电力机械

人类利益

电气

工程土 木

工 程

医

学

机械工

程化

工

知识之树

结束语 发展独立思考和独立创新的能力，

应当始终放在首位 , 而不应当把知识放在首

位。如果一个人掌握了他的学科的基础理

论，并且学会了独立思考与工作，他必定

会找到自己的道路。而且比起那些主要以

获取细节知识为训练内容的人来，他一定

会更好地适应进步和变化。

—— 爱因斯坦