全国高等农业院校十五规划教材现代科学与技术概论朱朝枝 主编中国农业出版社第一章 绪论第一节 科学一、科学的基本概念科学一词，英文为Science，源于拉丁文的Scio，后来演变为scientia，其本意是学问、知识中国典籍《礼记大学》中有：“致知在格物，格物而知至”，用格物致知表示实践出真理的概念，日本转译为“致知学”日本明治维新时期，著名科学启蒙大师、教育学家福泽瑜吉（Fnknzawa yukichi,1835～1901）把“Science”译为“科学”，并在日本得到广泛传播1893年，康有为从日本引进并使用“科学”一词严复在翻译《天演论》等著作时，也用了“科学”一词此后，“科学”一词便在中国得到广泛应用科学的内涵和外延是随着科学本身的发展和人们对科学的认识的不断深化而发展变化的所以，要给科学下一个固定不变的定义是不现实的只能用广泛的阐明性的叙述来作为一种表述方法现在，可以从以下三个层面来理解科学的基本含义：首先，科学是一种特殊形式的社会活动，即知识生产活动，是一种创造性智力活动其次，科学是一种知识体系我国的《辞海》给科学下的定义是：“科学是关于自然界、社会和思维的知识体系”这是科学概念的最基本内涵。
科学知识体系是一个动态系统，随着实践的发展而不断变化第三，科学是社会发展的实践力科学不仅是知识生产活动和知识体系，而且是社会发展的实践力量科学作为实践力量，通过被人们掌握、利用而发展着，起到改造客观世界的作用所以说，“知识就是力量”在英语中，“科学”主要指自然科学在汉语中，“科学”既指自然科学，也指人文科学和社会科学本书讲的现代科学主要指现代自然科学二、科学的特征和属性(一)科学知识的客观真理性自然科学的研究对象是自然界的各种物质客体的结构和运动形式科学的任务就是揭示物质运动的客观规律，达到真理性的认识科学必须从事实出发，按世界的本来面貌反映世界，科学的假设是需要的，但不允许无谓的臆造和无根据的假设科学要用现象的自然原因来解释现象，完全撇开超自然的任何影响科学的这一特征表明，它不同于宗教信仰它能为人们提供真理性的知识二)科学内容的无阶级性科学是生产斗争和科学实验的产物，它的内容与社会经济基础的要求没有什么关系它虽然是社会意识的一种，但它是社会意识中非意识形态的部分，不属于上层建筑，而属于生产力的范畴，所以科学本身没有阶级性科学的这一特征表明，它具有共享性三)科学劳动的探索性既然科学是对自然界运动规律的反映，而自然界又处于永不休止的变化之中，所以，科学活动总是处于积极探索的过程之中。
科学大厦的建设，是一项永远不会完结的工程，人类总得有所发现、有所发明、有所创造、有所前进，而不会穷尽“终极真理”科学的这一特征表明，人类认识世界都是由浅至深的过程四)科学认识形式的抽象性 科学虽然以自然界为研究对象，但它并不停留在对自然现象的直观描述阶段它要透过纷繁复杂的表面现象揭示其内在的本质，进而发现规律为此，就要经过“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里”的抽象过程，并以概念、范畴、原理等形式确定下来只有借助于思维的抽象力，才能把握事物的本质及其运动规律科学的这一特征表明，它不同于艺术五)科学理论的解释性和预见性科学来源于实践，它还要回到实践中去，它要对人们在生产实践和科学实验中所提出的各种问题做出解释科学理论的目标就是提供系统的、严密的、有根据的解释科学的预见性是指根据对自然现象的本质联系的深刻认识，科学理论能够对自然事物的发展趋势或者尚未发现的事物作出推断和判断自然界的一切事物都是遵循一定的规律发展变化的因此，人们一旦掌握了客观规律，就能够预见它的发展进程和结局科学预见是人们能动性的体现，是人们改造自然的实践活动获得成功的前提三、现代科学四大基本理论和五大基本模型（一）现代科学四大基本理论1.相对论相对论（狭义相对论和广义相对论）的创立具有重大的意义。
狭义相对论建立在两个基本原理上：一为相对性原理，即在一切惯性系中，物理规律的表现形式都相同；二为光速恒定原理，即在所有惯性系中，光速都相同以这两条原理为前提，可以导出洛伦兹（E. N. Lorenz）变换，从而导出同时的相对性、运动尺子缩短、运动时钟变慢的结论相对论原理揭示了时空和运动物质不可分割的联系，而且随物质运动状态而改变，证明了时空存在着内在的、本质的联系广义相对论实质上是在考虑到非惯性系的情况下而建立的一种引力理论2.量子力学量子力学的创立从普朗克(M.K.Plank,1858～1947)开始，又经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定鄂和狄拉克等众多科学家的共同努力，于20世纪30年代形成了一种完整的理论体系，成为对于自然界一切微观领域的普遍适用的理论，从而从根本上改变了经典物理观念，为自然科学的发展开辟了广阔的前景3.基因理论在20世纪中，随着化学、物理学的新成就渗透到生命科学之后，对生命现象的研究从整体深入到细胞、亚细胞和分子水平分子生物学，包括分子遗传学，在生命科学中占有主流的地位千百年来，人类对生命现象的研究在很大程度上倾心于探索遗传之谜直到20世纪20年代才建立起决定性状遗传的基因理论，后来并进一步地证明了DNA是遗传信息的载体。
甚至有些著名的遗传学家把遗传学堪称为基因学基因携带的信息由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能而实现的，因此所有生命现象的机制追根到底都与基因的结构与功能相关4.系统理论20世纪以来，在科学系统中产生深远影响的横断科学如信息论（学）、控制论（学）和系统论等都得到了迅速的发展这些与另一门典型的横断科学――数学科学，一起广泛地向其他学科渗透，从横断面上把众多分支学科联结为一体人类对信息的利用几乎伴随人类的出现就开始物质、能量和信息是构成世界的三大要素，因而这大千世界的一切，不外是物质变化、能量转换和信息控制这三种基本客观过程及其相互关系事物运动的形式、结构、关系等都可以用信息来表征，因而信息比物质和能量显得更为基本狭义信息论是研究信息的基本性质、度量方法以及信息的获取、传输、存贮、处理和交换的一般规律的学科；而广义信息论被称为信息科学，它不仅包括了狭义信息论和一般信息论的主要内容，而且还研究有关信息的广阔领域，如语义信息、有效信息和模糊信息等与信息论紧密相关的控制论是关于动物、机器和社会的控制与通信的学科，即在一定条件下发挥能动性以实现对系统控制的一门学科控制概念很普遍，控制是一种有目的的活动，其目的体现在受控对象的行为中。
控制与信息不可分，控制过程是一种不断地获取、处理、选择、传送和利用信息的过程自然系统、人工系统的控制趋于复杂化，现代社会系统日益信息化，因而大系统控制理论得到了新的发展与信息论、控制论紧密相关的系统论来源于生物学中机体论的思想，现在已发展成为系统科学中的基本理论部分它是关于一般系统的本质、特点、运动规律的理论，还包括基于不同学科背景而形成的系统理论，如耗散结构理论、协同论等，都是基于实验和数学方法而建立起来的自组织理论二）现代科学五大基本模型 1.宇宙演化的热大爆炸模型20世纪，天文学的最大两项成就是大爆炸宇宙学和恒星演化理论前者导致了热大爆炸模型的建立在20世纪20年代，弗里德曼(Frideman,1888～1925)在广义相对论的框架下，论证了宇宙胀缩；哈勃(E.Hubble,1889～1953)发现了星系红移后来，在20世纪40年代末，美国物理学家伽莫夫(G.Gamov,1904～1968)等提出了大爆炸宇宙理论，它认为宇宙起源于温度和密度极高的“原始火球”的一次大爆炸大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙的开端，这时的温度高达100亿度以上，物质密度极大，整个宇宙体系达到平衡，宇宙间只有由中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态物质混合而成的“宇宙汤”，四种基本力，即引力、强力、弱力和电磁力，逐一地分化出来。
后来，物质形态依次演化为原子、气态物质、各种恒星体系，最后发展成今天所看到的宇宙但是，有关大爆炸的起点还存在争议，有关宇宙的膨胀、胀缩等也尚无定论2.粒子物理的标准模型在20世纪下半叶，人们对深层物质结构有了新的认识物理学从最基本的粒子夸克开始直到整个宇宙的探索，人们总想知道物质世界究竟由什么构成，又是什么在维系着这样复杂的世界迄今，人们已认识到构成物质的最小组分：12种轻子——只参加弱相互作用、电磁相互作用的费米子，36种夸克——感受强作用力的带电粒子，12种媒介子——传递相互作用的粒子，共计60种作用在物质上的所有复杂的力可归结为三种：引力——由引力子传递的最弱的力，但在宇宙的大距离、大质量尺度上却是强有力的一种力；强力——由胶子携带并仅在原子核内夸克之间起作用的短程力，即将夸克胶结在一起的色力，使原子核保持为一个整体；统一的电弱力——以电磁力和弱力两种表现形式出现的同一基本力，经受了实验检验的电弱统一理论描述的一种力夸克和轻子是目前人们所认识的物质结构的新层次因此在夸克一轻子模型的基础上形成了粒子物理的标准模型理论，即以夸克、轻子作为基本粒子，以电弱统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论起所构成的理论。
标准模型理论并不完美，还要检验与发展标准模型理论，进而寻找超标准模型理论3.遗传物质DNA双螺旋结构模型对遗传物质DNA结构进行研究，首开是量子力学创始人之一的薛定鄂(E.Schrodinger ,1887～1961)他在《生命是什么？》一书中，用量子力学的观点论证了基因的稳定性和突变发生的可能性他的研究激发了人们用物理学的思想和方法去探索生命物质及其运动接着，维尔金斯(M.H.F.Winkins,1916～)和弗兰克林(R.E.Franklin，1920~1958)获得了DNA晶体结构的X射线衍射图，证明了DNA呈螺旋形、多股链结构1953年，生物学家沃森(J.D.Watson,1928～)和物理学家克里克(F.H.C.Crick,1916～)合作，经过反复研究后提出了DNA双螺旋结构的分子模型DNA双螺旋结构是20世纪生命科学中最伟大的发现，它标志着分子生物学的诞生，为科学解释DNA的自我复制、发育与功能以及突变提供了基础，为描述生命的蓝图奠定了分子的基础4.智力活动的图灵计算模型大脑与智力（精神）的关系问题长期地囿于哲学思辨或经验观察上20世纪70年代以来，由于认知科学、神经科学、心理科学和计算机科学的迅速发展，使得人们可以在现代科学的基础上研究知觉、注意、记忆、动作、语言、推理、思考乃至意识等空前困难的问题。
早在17世纪，莱布尼茨(G.W.Leibniz,1646～1716)就提出过思维可计算的设想，即符号语言和思维演算的思想直到20世纪30年代，哥德尔(K.Godel,1906～1978)提出了一般递归函数的概念，后来把可计算的函数归结为一般递归函数，而且可计算函数的计算也就可以归结为图灵理想计算机的计算了图灵计算是按某种规则将一组数值或符号串转换成另一组数值或符号串的操作过程图灵(A.M.Turing,1912～1954)在《计算机与智力》一文中提出计算机能思维的观点，并进行了检验：一个人在不接触对象的情况下，同对象进行一系列对话，如果他不能根据这些对话判断出对象是人还是机器，那么，就可以认为这台计算机具有与人相当的智能符号处理学说有力地推动了人工智能的发展，人们用机器模拟人类智能，以至认为，神经元的基本功能是计算、思维即，计算、思维由神经元的计算功能逐级整合而形成在这些认识的基础上，认知科学家建立了认知的计算理论，特别是提出了在图灵机意义下的“计算”的基本概念认知即计算”表明。