现代科学技术发展的趋势论析
【摘 要】 本文从近期科学技术发展的速度，以及近200年以来, 世界上科学技术和生产力的发展经历的四次重大的产业革命，介绍了现代科学技术高速度发展的情况；对20世纪科学技术取得的几项重大成就做了扼要的叙述；接着重点介绍21世纪科学技术发展的趋势，诸如新材料技术和纳米技术、信息技术、制造技术和生物工程技术等；最后，叙述如何迎接21世纪科学技术的高速发展对科学技术工作者提出的严峻挑战。
【关键词】 纳米技术；创新；新材料产业；生物工程产业
一．概况
“科学技术突飞猛进, 全球经济一体化趋势正在形成, 国际间的竞争日趋激烈, 知识经济初见端倪。”这已经成为当前国际经济及科学技术发展的一种形势。诚然, 当今科学技术的发展正是一日千里，在这一形势下，世界各国都在争先恐后地采取积极的和有效的措施发展他们的科学技术和经济。
据有关专家推算, 20世纪后30年, 人类所取得的科技成果比过去2000年的成果还多。19世纪科技成果大约每50年增加一倍, 到20世纪中叶约每10－15年增加一倍, 现在约每5－8年增加一倍，按此递推，今后科学技术的发展更是十分惊人。拿计算机的发展情况来说, 它经历了电子管、半导体、集成电路、大规模和超大规模集成电路几代的发展, 目前计算机的计算速度已超过每秒12万亿次, 性能较最初研究成功的的计算机提高数干万倍。 近200年以来, 世界上科学技术和生产力的发展经历的四次重大的产业革命：
(一) ． 第一次产业革命是以蒸汽机的发明为代表, 1781年瓦特发明了蒸汽机, 1800年实现了工业化生产, 1803年便用于火车上，此后，在工业生产中蒸汽机开始成为主要的动力来源。
(二) ． 第二次产业革命是以电力的的发现为代表, 1879年爱迪生发明电以后，建成世界第一个发电厂， 此后，电力成为工业生产的主要动力。
(三) ． 第三次产业革命是以原子能的发现为代表, 1945年美国在日本广岛扔下了第一颗原子弹, 此后便转向和平利用，1951年美国建成了第一座核电站，到目前不少国家核电的比重已超过30-50％，有的国家甚至达到70％。
(四) ． 第四次产业革命是以高新技术为代表, 以信息技术及生物技术等的发展为标志, 1945年美国研制出第一台计算机, 到20世纪末，计算机已广泛应用于生产和人类生活的各个方面，信息技术成为经济发展的主要原动力。1944年美国科学家O. T. 埃弗里等人发现了作为生物遗传信息的载体DNA, 2000年破译了人类基因密码，生物技术在经济发展和人类生活中开始展示出它无限的发展前景和巨大的生命力。由于科学技术的发展，特别是高新技术的发展，人类社会将进入知识经济时代。
二． 20世纪科学技术的几项重大成就
(一) ． 一种技术：计算机技术
20世纪最重大成就之一是计算机的发明和计算技术的应用和发展, 自1945年美国莫切利和埃克特发明第一台电子管计算机以来, 仅仅经历了50多年的时间, 计算机的软硬件及其应用技术都得到飞速的发展, 计算机不只在工业、农业、国防等部门得到广泛应用, 并已深入到日常办公及家庭生活中，计算机作为信息技术的核心，已在各个领域、各个部门发挥了愈来愈重要的作用，到现在我们所有的工作几乎都离不开计算机。
(二) ． 两个理论：相对论与量子论
爱因斯坦相对论的提出, 跨出了牛顿力学的范畴, 对宇宙空间发生的一些物理现象有了正确的解释。例如, 爱因斯坦提出物体内部蕴有巨大的能量，表述了物质质量与所产生能量的关系, 即能量等于质量乘以光速的平方，核爆炸以及宇宙形成过程的核子大爆炸都可以用这一基本理论进行解释。
1900年普克朗发表了量子论，1925年海森堡提出了量子力学，量子论的提出也是20世纪的另一重大理论成果, 它所产生的深远影响不仅涉及材料学和原子结构理论等，对于核能的利用和信息技术的发展也产生了十分深远的影响。
(三) ． 三项突破：核能利用, 空间科学, 基因序列
核能利用：自从1945年美国在日本广岛扔下第一颗原子弹以后, 接着于1951年在美国建成第一个核电站，核能开始和平利用。目前法国核电站的总量已超过总发电量70％, 美国和日本约占 30-50%, 由于我国煤炭资源丰富，电力主要依靠火电，但最近也已建成两座核电站，大概占总发电量的1.5 %。在国防工业中，核潜艇也是利用核能作为动力。
空间科学：1957年苏联将第一颗人造卫星送上天空, 接着又于1961年将载人人造卫星送上天空, 目前人造地球卫星在气象预报、通讯、对地面农作物生长情况及病虫害、水灾进行监测、在无重力或微重力作用下制造优质产品等方面，已发挥了十分重要的作用。
人类基因序列： 这一秘密于20世纪末被揭开了, 一个由6个国家组成的（包括我国）国际人类基因工作组计划联合研究小组, 于2000年6月26日公布了人类基因工作草图，这标志着人类解读自身“生命之书” 的路上迈出了的一步，2001年2月12日, 公布了人类基因组织图谱, 据称人类基因由31.647亿个万碱基对组成, 共有3万至3.5万个 基因。
(四) ．四个模型：夸克模型, 宇宙大爆炸模型, 地球板块模型, DNA双螺旋结构模型 夸克模型：物质构成的最小微粒, 直至今天被认为是夸克, 早先认为质子和中子里有三种夸克，1972－1974年诺布尔奖获奖者美籍华人丁肇中教授通过实验证明了还有第4种夸克－J 粒子的存在，可能还有第5种和第6种。
宇宙大爆炸模型：长期以来，宇宙是怎样形成的谜底始终没有被揭开。本世纪提出了宇宙大爆炸模型, 认为宇宙大约是在150-160亿年以前核子爆炸而形成的。
地球板块模型：地球板块模型的提出, 为人类对地震的发生及陆地的形成及飘移等有了较合理的解释。
DNA 双螺旋结构模型：核糖核酸双螺旋结构模型的提出, 对研究细胞核及基因的结构、组成和功能, 都起到十分重要的作用。
三．现代科学技术发展的趋向
(一) ． 一个升起： 纳米技术
什么叫纳米? 千分之一米为一毫米, 千分之一毫米为一微米, 千分之一微米为一纳米, 因此, 1米为10的9次方为纳米, 大的分子约100-1000纳米, 原子的大小约10-20纳米。 物质或物体在纳米级的情况下, 其物理性质会发生很大的变化, 例如, 几个纳米厚度的铜片当其长度延伸至150倍时不会被拉断, 二氧化硅中的硅在纳米大小时会发光, 纳米管的强度较一般材料的强度高几十倍甚至几百倍。 1996年诺贝尔化学奖被一组研究纳米管的科学家获得，他们研究出的纳米管的强度远远大于较非纳米级管的强度，由此可见，对纳米技术进行研究具有十分重要的理论意义与应用价值。
纳米技术已经把幻想变成了真实世界中的应用科学， 许多国家都投入大量资金正在从事这一技术的研究与开发。有的专家曾说, 纳米技术的研究和应用将会带来一场新的工业革命。 美国前总统克林顿曾向全国人民做过这样的许诺: “我们要研制出这样的材料，即纳米材料，其重量仅为钢材重量的十分之一, 而其强度却是钢铁的十倍以上；我们可以把国会图书馆收藏的所有资料浓缩到一块方糖大小的芯片上； 我们的科学还要做到当人体内出现为数不多的癌细胞时就能发现癌症”。纳米技术已开始在生命科学、生物技术、医疗信息技术、材料、环保、机械制造、微型机械等很多领域得到应用。例如：
美国康奈尔大学研究人员研制出一个分子大小的马达, 这台马达每分3-4转，转了40 分钟。最近正在研制只有针尖1/5000大小的“纳米炸弹”, 用于炸毁危害人体的有害细菌，如沙门氏菌等。新的纳米医学将能够在细胞老化时, 一个一个地重新复制出来, 可以将人的寿命延长下去。将能制造出大至手掌那么大，小至蜜蜂那样小的搜集情报的飞行机器人, 在战争中飞到对方可隐蔽的场所去搜集情报。
(二) ． 两大问题: 资源问题, 环境问题
资源问题：人类只有一个地球, 地球上的资源是有限的, 据统计, 地球上的原油只能使用三五十年, 地球上的煤炭也只能使用三五百年, 虽然地球上可用物质可以不断扩展, 如水中的氢也可以进行开发, 但这些有用物质总有一天要耗尽的。 在利用资源过程中，必须注意节约。例如目前在我国煤矿等矿产资源，正在许多地方被乱挖乱采，造成资源的极大浪费, 如果不采取积极措施, 这种浪费将会继续下去，后果不勘设想。我们要为后代着想，要节约资源, 要有效利用资源。
环境问题: 人类生活的环境已在不断恶化, 由于工业化, 一些有害物质在不断增加, 这些有害物质会不断进入人类生活的周围环境中，如水、空气等等, 现在许多河流受到污染, 许多城市的空气受到污染, 甚至吃的粮食也受到污染, 有些鱼类及一些生物正在濒临灭绝, 如果这样发展下去, 而不采取积极措施, 人类终将自己消灭自己。.
因此, 我国已提出了可持续发展的战略, 从人口、资源和环境三个方面采取积极有效措施, 千方百计地进行绿色保护, 目前已出现绿色产品、绿色食品、绿色蔬菜、绿色材料、绿色制造、绿色环境等等。世界各国也都十分重视这一问题。
(三) ． 三个可开发的领域：陆地、海洋和宇宙空间
陆地是人类获得最早开发的领域, 除陆地外, 可开发的领域还有海洋和宇宙空间, 目前海洋和宇宙空间还没有获得很好的开发, 进军海洋和宇宙空间是21世纪的重要任务。
(四) ． 四大支柱产业：信息产业、制造产业、新材料产业、生物工程产业
1． 信息产业
信息技术是用于信息的获取、处理、传输、储存等有关技术，其中包括多媒体技术、网络技术、光导纤维技术、集成电路技术和传感技术等, 至20世纪末信息产业的产值已占各种产业的总和的20%, 信息产业仍将是21世纪全球经济中规模最宏大. 最具有活力的产业， 21世纪也将是信息革命的时代， 信息科技将是最活跃、发展最迅速. 、影响最广泛和深刻的科技领域。信息技术的主要发展方向是：
信息技术的核心内容之一是微电子器件. 光电子器件与芯片加工和制造技术， 随着量子、电子和光量子技术和纳米技术的发展，其功能和规模将会取得革命性的进展。
信息技术的另一个核心内容是计算机技术，计算机技术将向微型化、超功能化、智能化和网络化方向发展。
随着智能科学研究的进展，模拟人脑认知、思维过程的新概念计算机将有可能问世。DNA 计算机正在研制过程中。
DNA计算机：目前有的国家正在研究DNA 计算机，该种计算机是藉助它在试管里的系列生化反应来实现的，每一条DNA 相当于一微处理器，众多的DNA 可以并行工作，所以计算速度极快。DNA 计算机的计算速度可以比普通计算机快1000倍， 其信息储量也大得惊人，一克DNA 的储存量相当于10000亿张CD 光盘。
2． 先进制造产业
制造业是一切产业的基础, 美国在80年曾一度对制造业的发展没有给以足够的重视, 使得美国的一些产业失去了霸主地位, 有多个产业落到日本的后面, 80年代末, 才发觉轻视制造业会带来严重后果, 随之采取了一系列积极的措施, 到90年代, 美国的一些产业又超过了日本。这一沉重的教训给我们以重要的启示, 在发展经济过程中决不能忽视基础产业－制造产业，它是发展国民经济的基础。制造产业的发展的基本出路是与信息技术密切结合。 目前, 制造产业发展的总趋势可以用精、微（大）、高、绿、综、集、自、数、网、智等十个字来描述。
精密化： 当前加工制造的精度已从微米级进入纳米级, 即相当于移动一个分子和原子的水平，产品的精密化不仅可提高机器的工作性能，还会延长机器的工作寿命等。
微型化（或大型化）：微型化也是产品的主要发展方向，芯片、电子仪器、某些机械等都在向微型化方向发展。对于另一些产品或设备，大型化会带来重大经济效益和社会效益，例如，船舶、飞机、大型发电机组、大型工程机械等，都在向大型化方向发展。
高速化： 为了提高工作效率，许多机械设备正向高速化方向发展。机器的工作效率随着工作速度的提高将会得到不同程度的提高，对于某些机械在提高工效的同时，其工作质量还会得到期提高。
绿色化： 21世纪的主题之一是“绿色保护”, 工农业的高速发展, 使地球上的物资快速地消耗掉, 人类生存环境不断受到破坏, 例如, 水资源愈来愈缺乏, 水土流失严重, 森
林在快速减少, 地球沙漠化面积正在不断增加, 地球上物种也正在不断减少, 所有这些, 不能不引起生活在地球上所有人们的重视。
集成化： 机电产品日趋复杂, 常常需要依靠多种技术才能实现高技术指标条件下的全方位的优化作业。机电一体化是机械工程发展的基本方向，目前生产的复印机、打印机、芯片制造设备、医用CT 、核磁共振设备等都是机电产品综合化的结果。此外，许多产品正在采用模块化结构，即是由多个模块或许多个单体组合而成，这样可大大简化产品的制造成本，显著提高经济效益，因此，集成化也是产品的发展方向之一。
自动化： 提高机械设备的自动化程度始终是人们追求的主要目标，这不仅可以减轻工人的体力劳动，而且对提高机器的工效也具有十分重要的意义。
数字化： 数字化技术的使用和推广，使机械制造各个工作过程的精度和准确化程度进一步得到提高，这使机械设计和制造过程更趋向科学化。
网络化： 网络技术可以将机器主产的各个过程联系起来，或通过网络技术来完成机器设计和制造等的各个过程， 以便使机器设计与生产的各个工序达到高效、高速、高技术性能、高经济性、各种资源的高度共享等。
智能化： 机械设备的重要发展方向是实现智能化, 因为智能化会给人们带来显著的经济效益和社会效益。在各个领域出现所谓的智能机械与器具, 如智能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、智能机器人、智能制造、智能材料和智能建筑等。我国生产的机械设备机械本体部分有良好的质量，常常由于控制系统的质量未能达到使用可靠性的要求，而使产品总体质量大大降低，例如，我国生产的数控机床常常配上国外生产的数控系统，甚至有的国外公司买了中国生产的机械设备，再装上他们自己制造的控制系统，以数倍的价格向他人出售，由此可见，加强控制系统的研究是当务之急。
机器人： 机器人是一种具有不同智能化程度的机器。它是机械学与信息技术密切结合的一种产品, 随着科学技术的发展它将得到不断的发展。机器人包括：工业机器人、危险场所工作的机器人、医疗机器人、宇航机器人、水下机器人、足球机器人等, 预计在21世纪机器人还会深入到人类生产和生活的各个方面, 如工业、农业、国防、医疗、生活服务等, 并将得到更快的发展。
3． 先进材料是发展高技术产业的物质基础，21世纪的材料科技的发展重点是研究具有功能化、复合化、智能化、微型化的材料，最活跃的材料将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、节能材料以及高比强度、比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其他在极端恶劣条件下的具有良好性能的结构材料。轻质材料、高强度材料、新型复合材料、新的晶体材料等, 将在21世纪得到进一步的开发和广泛的应用。
随着纳米技术的出现, 给新材料产业开辟了一个新的广宽的空间，并有可能产生一次新的产业革命。
4． 生物工程产业
据一些专家估计, 生物工程产业的比重将会在21世纪达到20%, 将会达到甚至超过信息产业的水平。生物工程包括两个主要内容：一是基因重组技术, 二是克隆技术。
(1). 基因工程
基因工程在农业中的应用：重组DNA 技术就是将DNA 在体外或体内进行重新组合, 然后把重组后的DNA 分子转移到我们操作的生命体中。例如，我们要获得一种抗虫害的农作物，需先分离出一段基因，该种基因的编码是某种专门用来杀虫的毒蛋白，然后将这段基因放在一个载体上，通过载体将这段基因转移到作物细胞的DNA 上，这时在作物的细胞中就会产生一种杀虫蛋白，虫子吃了就会被杀死。
(2). 克隆技术
英国克隆多利羊以后， 引起了人们的极大关注， 这是取体细胞繁殖后代的一种无性繁殖。克隆技术还可以与基因工程结合来培育生物新品种。在为人类健康服务方面，体克隆技术将首先被用来克隆人体组织器官，为器官移植提供成品，如肾、心、肺等。人们在设想，基因工程及克隆技术的不断发展，人的器官及各种动物可以在工厂中生产出来。像修理汽车那样修理人体的各个部分。
(五) ．五个基础学科: 生命科学, 物质科学, 宇宙科学, 数学, 思维科学
基础科学的三大命题是：物质的构成, 宇宙的诞生, 生命的起源, 尽管在上述三个命题的研究中已取得了重大进展, 但三大命题的研究还需继续做进一步的研究。
数学, 它是一切科学的基础, 随着科学技术的发展，它也将获得进一步的发展，并为其他科学和技术的发展提供强有力的工具。
思维科学是研究人类思维形式和规律的新兴学科, 对它的研究可进一步开发人类的智力。有人研究指出，人脑分为左脑和右脑，左脑着重记忆，而右脑具有开发和创新的能力。
四． 我们面临的机遇与挑战
21世纪科学技术的高速发展， 给我国的科学技术工作者和教育工作者提出了严峻的挑战， 但这也是一个极好的机遇。我们将在科学技术高速发展的大潮中， 作为其中的一员，去迎接挑战。
21世纪也是竞争十分激烈的世纪，要使自己在在激烈的竞争中立于不败之地，首要的任务是认清形势，确定目标，使自己成为推动时代发展的动力。同时应重视实践, 敢于创新。创新是知识经济时代的灵魂，只有在不断的实践过程中，才能 “有所发现，有所发明，有所创造，有所前进”。为我国教育事业和科学研究事业的发展，做出我们共同的努力和应有的贡献。
参考文献:
［1］《中国教育创新杂志》［J ］2005期10月第十期
［2］《文汇报》［N ］2000年11月8日
［3］《Nature 》杂志［J ］1997年2月出版在
［4］影山文文讲坛第二十四讲:现代科学的革命及发展趋势
［5］皇天授，黄顺基 现代科学技术导论［M ］北京-中国人民大学出版 1995年 ［6］http://cn.happycampus.com/docs/[1**********]1@hc04/54716/
［7］http://www.jdzj.com/datum/showart.asp?art_id=4876
［8］http://www.lunwentianxia.com/class_sf/O412.1/