現代物理學革命是什麼意思

⑴ 現代物理學革命的兩個支柱理念是什麼及其作用和意義

應該是愛因斯坦的相對論以及量子力學的創立。讓我們更進一步認識了解真實的客觀世界，促進了現代科技的進步。

⑵ 什麼是物理學革命

物理學革命自哥白尼以來一直在進行，它從未停頓過，世紀人物牛頓、愛因斯坦只是發展進程中階段性質變的兩個環節。100年前，愛因斯坦發表他的論文時，悄無聲息，一切改變在緩緩進行，量變積累著質變，直到1919年日食對光線彎曲的證實，才使相對論名揚天下。牛頓開始他的研究活動時，也只有少數幾個人了解，隨著他人的推介，其影響才逐步擴大。物理學革命從來就不是群眾運動，它是自上而下的變革，是由點到線再到面的。

⑶ 物理學革命是由什麼引起的

物理學革命是由電的發現（發明）引起的。

⑷ 簡述現代物理學革命內容

19世紀末，物理學領域連續發生了三個重大事件，這就是X射線、放射性現象和電子的發現。這三大發現，使人類的認識第一次深入到了原子內部，徹底打破了原子不可分、元素不可變的傳統物理學觀念。以太漂移實驗的零結果和黑體輻射研究中的「紫外災難」，使經典物理學陷入不可克服的矛盾，成為推動這一時期科學發展的重要機制。 牛頓力學和麥克斯韋電磁理論，在以太問題上都遇到了根本性的困難。在牛頓力學中，任何機械運動都是相對於一個參考系進行的，如果以太彌漫於整個宇宙空間，它就是一個理想的參考系，各種運動都可以看作是相對於以太進行的。在麥克斯韋電磁理論中，電磁作用（包括光）是靠以太為介質來傳遞的，以太無所不在。為了驗證以太的存在，物理學家進行了大量的實驗和觀測。1887年美國物理學家邁克耳遜和化學家莫協進行了一項搜索以太風的著名實驗，但是沒有找到以太風或地球與以太的相對運動。這個實驗被許多人所重復，所得到的是否定以太風存在的「負結果」。1905年，愛因斯坦針對經典物理學同新的實驗事實之間的矛盾，在《論動體的電動力學》一文中提出了相對性原理和光速不變原理，作為狹義相對論的兩條基本原理，從而導出一系列重要結論：同時性的相對性、時緩效應、尺縮效應、光速不可逾越以及物體的質速關系式和質能關系式等。狹義相對論的建立以及1915年廣義相對論的建立，從根本上突破了牛頓絕對時空的舊框框，把空間、時間和物質的運動聯系了起來，引起了人類時空觀的革命和整個物理學的革命。 「紫外災難」是在研究黑體輻射的能量分布問題中產生的。1879年玻耳茲曼發現黑體輻射第一個經驗定律，1893年維恩發現第二個經驗定律。1900年，英國物理學家瑞利推算出一個不同的能量分布公式，後經英國物理學家金斯加以修正，合稱瑞利—金斯公式：熱物體的輻射強度正比於它的絕對溫度，而反比於這個發射光線波長的平方。這個公式與維恩定律相反，只在長波部分才能很好地與實驗符合，當波長變短時，這個公式就失效了。由於這一公式在紫區出了問題，故被稱為「紫外災難」。1900年，普朗克在玻耳茲曼統計觀點啟發下，大膽地提出了一個與經典物理學的連續性觀念根本不同的能量子假說，認為物體在發射輻射和吸收輻射時，能量不是連續發生變化的，而是以一定數量值的整數倍跳躍式地變化，即能量的變化是一份一份的進行的。他把一份一份的能量稱為「能量子」或「量子」。其數學表達式為：E=hv，E為量子，h為普朗克常數，v為頻率。從能量子假說出發，普朗克成功地解釋了他自己提出的輻射公式，解決了「紫外災難」的問題。量子論的誕生，是對經典物理學理論的重大突破，它把經典物理學中一切因果關系都是在連續的基礎上所建立的物理思想方法徹底地變革了。盡管在當時的物理學界對這一假說的反應冷淡，但在愛因斯坦、玻爾等科學家的推動下，量子理論獲得了飛速發展，成為舉世公認的科學理論。到20世紀30年代，經過德布羅意、薛定諤、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理學家的努力，形成了量子力學的完整體系。量子力學的建立，是繼相對論之後對古典物理學的又一次嚴重沖擊。它使人們從根本上改變了只承認連續性和機械力學決定論的經典觀念，揭示了連接與間斷統一的自然觀，揭示了自然規律的客觀統計性，為各門科學的量子化奠定了理論基礎。 肇始於19世紀末20世紀初的現代科學革命，是以相對論和量子力學的誕生為主要標志。這次革命初期主要在物理學領域發生，到20世紀中葉在各個領域得到迅速發展。

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⑸ 現代物理學革命的三大發現

19世紀末，物理上的三大發現是指：
倫琴發現了 x 射線；
貝克勒爾發現了 天然放射性。
湯姆孫發現了 電子。

⑹ 20世紀初物理學思想的一場重大革命是

20世紀初物理學思想的一場重大革命是：相對論的提出。「20世紀初」，這一時期物理學的重大革命是相對論的提出。

相對論是關於時空和引力的理論，主要由愛因斯坦創立，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現代物理學的基礎。

相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念，提出了「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新的概念。

(6)現代物理學革命是什麼意思擴展閱讀：

狹義與廣義相對論的分別：

傳統上，在愛因斯坦剛剛提出相對論的初期，人們以所討論的問題是否涉及非慣性參考系來作為狹義與廣義相對論分類的標志。

隨著相對論理論的發展，這種分類方法越來越顯出其缺點——參考系是跟觀察者有關的，以這樣一個相對的物理對象來劃分物理理論，被認為不能反映問題的本質。

一般認為，狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及引力（彎曲時空），即狹義相對論只涉及那些沒有引力作用或者引力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是討論有引力作用時的物理學。

用相對論的語言來說，就是狹義相對論的背景時空是平直的，即四維平凡流型配以閔氏度規，其曲率張量為零，又稱閔氏時空；而廣義相對論的背景時空則是彎曲的，其曲率張量不為零。

⑺ 現代科學革命的基本內容

現代科學革命的主要內容

現代科學革命是以物理學革命為先導，以現代宇宙學、分子生物學、系統科學、軟科學的產生為重要內容，以自然科學、社會科學和思維科學相互滲透形成交叉學科為特徵的一次新的科學革命。

（一） 物理學革命的擴展

現代物理學革命在產生了研究高速（接近光速）物理現象的相對論和研究微觀現象的量子力學兩大基礎理論之後，迅速向宏觀、宇觀和微觀的更深層次擴展，並向著大統一的方向推進。天體物理學、原子核物理學、粒子物理學、凝聚態物理學和統一場論都是現代物理學中十分活躍的學科。尤其在第二次世界大戰以後，從宇宙天體物理的探索到物質結構之謎的揭示，都取得了飛速發展。現代物理學的每一個重大突破和發展都廣泛而深遠地影響其他學科的發展，極大地推動著生產和技術革命，使人類進入到能源、信息、材料、生物工程等高新技術的時代。

1.宇宙射線的新發現

1945年，宇宙射線正式成為宇宙線物理學一個分支學科的研究對象。它使用無線電電子學的技術方法，通過對宇宙天體所發射和反射電波的觀測研究，來進一步揭露宇宙天體的奧秘。1940年以前，人們對來自地球以外的宇宙射線開始有所認識。40年代末，發現混有氦、碳、氮、鐵等元素的宇宙射線在銀河系內慢慢加速，推測這些能量很高的宇宙射線是超新星爆炸時的飛散物，它們是在銀河磁場中加速的。人們觀測到太陽磁暴後地球上宇宙射線增加，說明低能宇宙射線來自太陽。英國鮑威爾、義大利奧查林尼、巴西拉蒂斯等科學家觀察到了宇宙射線的運動軌跡。60年代以來，由於科學技術的飛速發展，高靈敏度和高分辯率的巨型射電望遠鏡日益增多，發現並研究了許多新穎奇特的宇宙射電輻射，如微波背景輻射、類星體、脈沖星等。1963至1974年相繼發現星際分子30多種，其中包括多種組成生命結構的有機分子，如羥基（OH）、水分子、氨分子（NH3）、甲醛分子（CH2O）、甲酸分子（HCOOH）等，為探索生命的起源開辟了新的途徑。這些新成果，為天體演化、生命起源和基本粒子這三大基礎理論的研究，提供了極其重要的資料，促進了諸如X射線天文學、紅外天文學、中微子天文學等許多新學科的產生，使天文學的發展進入一個重要轉折時期，從而打破了對浩瀚宇宙的狹小視野，由原來的幾十億光年一下子擴展到100億光年、150億光年甚至更遠，為人們進一步認識無限的宇宙提供了新的科學證明。

2.粒子物理學的發展

第二次世界大戰以後，粒子物理學得到迅速發展，使人們對微觀物質的性質、結構、基本相互作用和運動規律的認識進入到新的階級。

1932年以前，人們對物質微觀結構的認識，已經歷了原子結構和原子核結構兩個階級。

30年代後期發現了μ子，50年代發現中微子。電子、μ子、中微子和它們的反粒子統稱為輕子。40年代末50年代初，陸續發現了一批質量超過質子和中子的基本粒子，稱為超子。如∧超子、∑超子、Ξ超子，又稱為重子。40年代末還發現一類質量介於重子和輕子之間的介子，如π介子、K介子等。60年代前期，小型高能加速器的建成又發現了200多種壽命極短的共振態粒子，平均壽命只有10-24～10-23秒，它們都是強子。1974年，丁肇中和美國物理學家裡赫特幾乎同時發現質量比質子重3倍多，而壽命比普通介子長約1000倍的新介子，後來合稱為J/ψ粒子，至今，已發現的基本粒子有300多種。根據它們的性質不同可分為：普通粒子、奇異粒子、共振粒子和新粒子。各種基本粒子在相互作用的條件下，遵循一定的對稱性和守恆定律，可以相互轉化。這些基本粒子的發現，把對物質微觀結構的認識推進到第三個階段。

基本粒子是不是物質微觀結構的最後一個層次？「基本」粒子能否再分？近20年來不少物理實驗說明基本粒子有其內在結構，基本粒子之間存在著某種內在聯系。人們曾先後提出多種關於重子和介子內部結構的模型。主要有：1949年的費米-楊振寧模型，1956年日本的坂田模型。這些模型能夠說明一些情況，但是在系統地解釋重子的性質方面遇到了困難。1964年蓋爾曼等人分析了重子和介子的對稱性質，提出了「誇克（Quark）模型」。他們提出了三種類型的誇克（u、d、s）和反誇克（ū、d、S ）。這一模型能很好地解釋重子和介子的性質，預言Ω一超子的存在。1970年格拉肖等人又提出第4種誇克-粲誇克（c、）。1977年萊德曼發現一種比質子重10倍的中性介子γ，是由第5種誇克-底誇克（b、）所組成。為了形象和方便，人們又從量子規范理論來描述，把u、d、s、c、b稱為5種味誇克，每種味又分紅、黃、藍三「色」。「色」和「味」都代表不同的量子態。這樣，正、反誇克的數目就成了30種。

與誇克理論的提出差不多同時，1965年中國北京基本粒子理論組提出「層子模型」，從結構的角度來研究重子和介子的衰變和轉化現象。認為重子、介子都是由更為基本的層子、反層子所組成，重子、介子的相互作用歸結為它們內部的層子的相互作用。還提出組成重子、介子的層子的波函數，並假定量子場論對層子也適用。這一模型對重子、介子的各種相互作用，特別對弱相互作用和電磁相互作用的衰變，進行了大量的計算，提出了一些預言，其中絕大部分計算和預言同當時實驗結果相吻合。誇克模型和層子模型的提出，標志對微觀物質結構認識的第四階段的到來。可是，誇克（或層子）曾長時間沒有獲得實驗上的支持，出現了所謂「誇克禁閉」現象。70年代，丁肇中等科學家在實驗室發現了膠子存在的跡象，為誇克層次的存在提供了間接證明。1994年4月26日美國費米國家加速器實驗室宣布：科學家們已發現了在物質理論中迄今尚未找到的亞原子結構單元—頂誇克的證據。他們用質子與反質子對撞的獨特方式，找到的「頂誇克」約174GeV，質量是質子的180多倍。粒子物理學使人類的認識已深入到亞原子（或亞原子核）階段，了解到物質構成的單元已小到誇克和輕子，其尺度都小於10-17 cm，認識的尺度縮小到原子的十億分之一。

在基本粒子領域中，量子電動力學、量子味動力學和量子色動力學的建立，極大地簡化了自然界相互作用的描述。但人們希望求得把所有已知的基本相互作用都包括進來的理論，即所謂大統一理論和超大統一理論。這一理論既能說明各種力的區別，又能揭示它們之間的深刻聯系。近年來已取得一些進展。如1961年美國物理學家格拉肖首先提出電、弱相互作用統一的模型。1967、1968年，美物理學家溫伯格和巴基斯坦物理學家薩拉姆獨立地在量子規范理論基礎上把這一模型發展完善後統稱為GWS理論，已得到實驗的支持。現在人們正在進一步探討三種相互作用甚至四種相互作用統一起來的可能性。根據大統一理論，在低能量下，強、弱、電作用分別滿足SUc(3)和SU(2) ×U(1對稱性；當能量高到1014～1016GeV時，強、弱、電三種作用統一為一種相互作用，滿足統一的SU（5）的對稱性。目前正在孕育著的物理學上的超弦論。超弦的尺度比基本粒子還小1019，而且所用的時空是10維的。如果這一理論一旦建立，就能把目前發現的一百多種基本粒子統一起來，還能把強力、弱力、電磁力、引力這四種基本作用力統一起來。（中國科協學會工作部編。《學科發展與科技進步學術研討會簡報》第1期，1994年4月28日）

3.凝聚態物理學的發展

凝聚態物理學是研究物質凝聚態（主要是液體和固體）的物理性質、結構及其內部規律的學科。對物質凝聚態的研究發現，固態有晶態和非晶態之分；液態有液晶和非晶液態之分。固體的非晶態和液晶具有許多優異特性。由於幾乎一切材料都是凝聚態，因而對凝聚態物理的研究具有重要意義。

1945年以後，固體物理學進入一個新階段。固體物理學中最重要的是結晶問題、超低溫問題和磁性問題。由於電子顯微鏡、電子衍射、中子衍射等技術的迅速發展，對於不完整晶體，進行各種晶體缺陷（諸如空位、雜質原子和位錯）的研究取得了很大進展，而這些同很多工業領域關系密切。1957年，J·巴丁、J·施里佛、L·庫波三個人共同發表了超導電性的量子力學微觀理論，即有名的BCS理論。同時前蘇聯柏哥留包夫用不同方法成功地說明了超導現象。1986年以來，瑞士的G·貝德諾茲和A·繆勒發現了更有前途的氧化物超導體：超導轉變溫度在40K左右的陶瓷化合物—鑭鋇銅氧化物系列。美籍中國物理學家朱經武和中國物理學家趙忠賢等在尋找更高轉變溫度材料方面有突出貢獻，1988年發現了轉變溫度高於90K的釔鋇銅氧化物系列。近年來，人們越來越重視研究無序固態材料，如無序合金、非晶材料、陶瓷材料等；也注意研究缺陷態、雜質態、表面態、界面態的性質。這些研究已深入到量子層次，已導致無序固態物理學的產生。總之，凝聚態物理學的每一步發展，都在不斷深化人們對物質客體的有序結構和無序結構以及各種材料理化性質的認識，豐富了辯證唯物主義的自然觀，並極大地推動了新技術革命的發展。

4. 量子化學的產生

應用量子力學的原理和方法研究分子的微觀結構的量子化學，是現代化學的重要理論基礎。它主要研究原子、分子和晶體的電子結構，分子間的相互作用，分子與分子間的相互碰撞及相互反應，以及微觀結構與宏觀性質的相互關系等。自1927年用量子力學原理研究氫分子獲得成功以來，量子化學發展極其迅速，使化學也由經驗性科學轉化為一門理論科學。目前已建立了比較健全的理論體系，發展了各種計算方法，並在各個領域中發揮重要作用。它和其他學科相互滲透形成一些邊緣學科，如量子生物化學、量子葯物化學，表面量子化學和固體量子化學等。

（二） 現代宇宙學的發展

現代宇宙學的任務是探索比星系更高的宇宙層次，研究目前觀測所及的大尺度宇宙的時空特性、物質及其運動規律。近幾十年來，科學家們提出了一些較有價值的宇宙理論。主要有：愛因斯坦的靜態宇宙模型、穩恆態宇宙學、膨脹宇宙模型、物質—反物質宇宙模型、大爆炸宇宙學和暴脹宇宙論。靜態宇宙模型已被天文觀測所否定。穩恆態宇宙學未被廣泛接受。

1927年比利時天文學家勒梅特根據河外星系都有譜線紅移現象，提出大尺度空間隨時間膨脹的概念。1929年美國哈勃和英國愛丁頓提出膨脹宇宙的假說。40年代末美國伽莫夫根據太陽能源是來自熱核反應的發現，提出了大爆炸宇宙說，認為宇宙是約在100億年前由高溫、高密度的「原始火球」的一次大爆炸形成的。並於1954年預言，大爆炸以後存在「宇宙灰燼」，它產生彌漫於整個空間的、相應於絕對溫度5度的輻射。1965年，美國A·桑德奇提出，宇宙以大約820億年為一周期進行脈動（膨脹和收縮）。大爆炸宇宙學由於得到河外星系的譜線紅移、氦元素的豐度、3K微波背景輻射三個重要觀測事實的支持，使它成為公認的標准模型。但是在說明宇宙年齡小於一秒時，卻碰到了諸如視界問題、空間平直性問題，均勻性（因果性）問題、平度（能量密度）總是重子不對稱問題和磁單極子問題等無法克服的困難，於是導致了暴脹宇宙論的產生。

1980年以來，曾先後建立了多個宇宙暴脹模型，其中有影響的是3個。第一個是美國A·古斯於1980年提出的，並於1981年發表了《暴脹宇宙：對視界和平直問題的可能解》一文。第二個是1981年底，前蘇聯的A·林德、美國的P·斯坦哈特與A·奧爾布雷特分別獨立提出的。第三個是由林德等發展的，被稱為混沌暴脹模型。暴脹宇宙論繼承和發展了以往宇宙理論中有價值的成果。它認為：在宇宙演化的極早期，當宇宙發生大爆炸以前，宇宙年齡處於10-30秒的瞬息中，經歷了一個按指數規律急劇膨脹階段（暴脹階段），以致它在極短的時間內膨脹了1050倍，完成了從對稱的假真空自發破缺轉化為大量的如誇克、輕子以及傳遞相互作用的玻色子等基本粒子。暴脹宇宙論還認為在我們所在的宇宙之外還存在有許許多多與我們所在宇宙不同的宇宙，有人算出多達1050個。由於暴脹宇宙論建立在粒子物理學等最新成就的基礎上，能夠不斷提出新概念和新方法，不斷解決各種難題，因而受到廣大科學家的關注。暴脹模型在哲學上也帶來一些新的內容，如關於宇宙的無限性問題。它從科學上把宇宙大大地擴大了，為宇宙的無限性提供了科學依據。還提出了在已知的物質形式之外還有新的物質形式存在，即設想在粒子之前還有其他物質形式存在，因而極大地豐富了人們關於物質的認識。

現代宇宙學是一門方興未艾的學科，正處於百家爭鳴的進期，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，但都還有待進一步的檢驗與發展。

（三） 生命科學的革命

20世紀，由於物理學和化學的滲透，各種強有力的研究手段的運用，生命科學的發展更為深入和迅速。一方面在微觀領域的分子水平上產生的分子生物學，進一步證實生物界的統一和聯系，實現了生物學上的又一次大綜合；另一方面，在宏觀、群體和綜合研究的基礎上產生了生態系統的概念，為環境保護、生物資源和土壤資源的合理利用等提供了理論基礎。與此同時，生命科學還向人類自身的大腦進軍，使腦科學獲得迅速發展。

1. 分子生物學的誕生

分子生物學是在分子水平上研究生命現象的物質基礎的科學。主要研究蛋白質和核酸等生物大分子的結構與功能，其中包括對各種生命過程，如光合作用、肌肉收縮、神經興奮和遺傳特徵傳遞等的研究，並深入到分子水平對它們進行物理、化學分析。目前，分子生物學已成為現代生物學發展的主流，它所取得的成果，已在實際工作中獲得某些重要的應用，為工農業及醫葯事業開辟了前所未有的廣闊前景。

1953年沃森和克里克提出了遺傳物質——DNA的雙螺旋結構模型，這是生物學中的一次偉大革命。60年代又搞清了核酸、蛋白質、酶等生物大分子的結構，同時揭示了遺傳密碼和核酸信息控制蛋白質特異結構的合成機制，由此建立了生物遺傳變異的信息概念。這表明從病毒、細菌、動植物到人類都具有一套共同的遺傳密碼、共同的信息符號。50年代「中心法則」的提出，70年代逆轉錄酶的發現，以及重組DNA技術的建立，為分子生物學的發展開辟了新的前景。這些成就，不僅為在分子水平上研究復雜的基因調節控制提供重要手段，而且在分子生物學的基礎上，產生了一個新的技術科學領域——遺傳工程，它已為人類定向改變生物遺傳性狀與創造新物種開辟了新途徑。

本世紀50年代，隨著蛋白質和核酸的化學結構測定方法的進展，人們發現只要把不同種屬生物體內起相同作用的蛋白質或核酸的結構進行比較，根據蛋白質或核酸在結構上差異的程度，就可以確定不同種屬的生物在親緣關繫上的遠近。親緣關系越近的種屬，其蛋白質或核酸的結構越相似；反之，其差異越大。據此，能得到反映生物進化的譜系。蛋白質分子細胞色素C在各種呼吸氧氣的物種細胞中均能找到。分析它就能知道不同物種的親緣關系。目前已對100多種生物的細胞色素C的化學結構進行了測定，並藉助計算機測定出平均700萬年改變一個氨基酸殘基。據此可以分析判斷，較高等的生物大約在25億萬年前同細菌分離。同樣，大約在15億年前植物和動物有共同的祖先。大約在10億年前昆蟲和脊椎動物有共同的祖先。對100多種生物的細胞色素C的化學結構進行比較後，已畫出了部分生物種屬的進化譜系。運用這種方法來確定物種間的親緣關系，要比過去依靠形態和解剖上的差異來確定有著更大的優越性。它不僅使得形態結構上非常簡單的微生物的進化有了判斷的依據，而且更能反映出生命活動的本質，更為精確地推算出物種趨異的時間。

2. 腦科學的進展

近年來，腦科學的研究取得了一系列新進展。主要有：（1）發現與某種思維活動相應的大腦區域，利用正電子層析攝影手段發現：人們辯別音符時用左腦，而在記住樂曲時多半用右腦；（2）腦電波與思維活動有一定的對應關系，可以從電波分析思維的內容；（3發現大腦內影響思維的生化物質——促腎上腺皮質激素和促黑素細胞激素能對思維產生重要影響；（4）對裂腦人的研究，發現大腦兩個半球的分工，左半球主要從事邏輯思維，右半球主要從事形象思維、空間定位、圖象識別、色彩欣賞等。還發現了裂腦科學的這些成就，從理論上提出了一些新觀點。如：思維的大腦神經迴路說，思維互補說等。這些新成就和新觀點，對工人智能的研究有著重要意義。

（四） 系統科學的產生和發展

系統科學是在第二次世界大戰前後興起的。它是以系統及其機理為對象，研究系統的類型、一般性質和運動規律的科學，包括系統論、資訊理論、控制論等基礎理論，系統工程等應用學科以及近年來發展起來的自組織理論。它具有橫斷科學的性質，與以往的結構科學（以研究「事物」為中心）、演化科學（以研究「過程」為中心）不同。它涉及許多學科研究對象中某些共同的方面。系統論、資訊理論、控制論就是把不同對象的共同方面，如系統、組織、信息、控制、調節、反饋等性質和機理抽取出來，用統一的、精確的科學概念和方法來描述，並力求用現代的數學工具來處理。所以，系統科學是現代科學向系統的多樣化、復雜化發展的必然產物。它在現代科學技術和哲學、社會科學的發展中具有十分重要的意義，為人們認識世界和改造世界提供了富有成效的、現代化的「新工具」。

1. 系統論、資訊理論、控制論的產生

在人類思想史上，早已有關於系統的觀念。古希臘思想家已提出「秩序」、「組織」、「整體」、「部分」等概念來認識世界。中國古代陰陽五行學說把事物看成相生相剋的整體。馬克思主義經典著作中也有關於系統的深刻思想。但作為研究各種系統一般原則的系統論則是於本世紀20～30年代，由美籍奧地利生物學家貝塔朗菲提出的。在現代科學技術和生產發展的沖擊下，科學家們已不能容忍用那種孤立、靜止，片面的觀點和方法來觀察世界，尤其是機械論和活力論已嚴重阻礙生物學的發展。於是，貝塔朗菲和一些科學家在20年代中期提出了機體論，創立了機體系統論的生物學研究方法，把協調、秩序和目的性等概念和數學模型應用於有機體的研究，主張把有機體作為一個整體或系統，用生物與環境相互關系的觀點來說明生命現象的本質，從而解釋以往機械論所無法解釋的生命現象。貝塔朗菲機體論的基本思想是：（1）整體觀點；（2）動態結構與能動觀點；（3）組織等級性觀點。這些基本思想已包含了貝塔朗菲後來提出的一般系統論的基本內容。1932年～1937年他先後發表了《理論生物學》、《現代發展理論》、《關於一般系統論》等著作，對系統概念、整體性、集中性、終極性以及封閉系統、開放系統等都作了深刻論述，從而奠定了現代系統論的基礎。

資訊理論是本世紀40年代在現代通信技術發展的基礎上誕生的，是研究信息的獲取、儲存、傳遞、計量、處理和利用等問題的一門新興學科。本世紀30年代以前，科學技術革命和工業革命主要表現在能量方面，如新的動力機、工具機的出現。其實質是人的感覺器官和效應器官的延長，是人的體力勞動的解放。本世紀30年代以後，科學技術所發生的革命性變化，主要表現在信息方面，表現在信息的傳遞、儲存、加工、處理等技術和通信、控制機以及人工智慧的發展。其實質是人的思維器官的伸展，是人的腦力勞動的解放。

1924年美國奈奎斯特和德國居普夫、繆勒等人發現電信號的傳輸速率與信道帶寬度成比例關系，從而最早提出了信息問題。1928年，哈特萊發表《信息傳輸》，首先提出信息是包含在消息中的信息量，而代碼、符號這類消息是信息的具體方式。他還提出了信息定量問題，認為可以用消息出現概率的對數來度量其中所包含的信息。如從S個符號中選出N個符號組成一組消息。則共有SN個可能性。其信息量為H = N logS。這一理論是現代信息理論的起源，但當時未引起人們的注意。直到第二次世界大戰期間，一些與通信技術有關的新技術陸續出現，如雷達、無線電通訊、電子計算機、脈沖技術等，為資訊理論的建立提供了技術基礎。同時，作為資訊理論數學基礎的概率論也得到飛速發展。在這種條件下，許多科學家從不同角度對資訊理論的基本理論進行了研究。1948年申農發表《通訊的數學理論》，把物理學中的數學統計方法用於通訊領域，提出了作為負熵的信息公式、信息量概念，給出了信息的定義，為現代信息理論奠定了基礎。從此，資訊理論作為一門獨立學科而出現。但是，這時的資訊理論還主要限於通訊理論。隨著資訊理論滲透到心理學、神經生理學、生物學和語言學等領域，資訊理論的含義越來越廣泛。40多年來，資訊理論與系統論、控制論交織在一起獲得迅速發展，形成一種綜合性的信息科學。其主要內容包括：（1）資訊理論，探討信息的質、量、傳輸等問題，這是理論基礎；（2）計算機科學，研究對信息進行加工處理的自動機械；（3）情報學，主要研究信息的記錄、儲存和檢索，研究信息儲存密度、速度等。

控制論也是本世紀40年代未在通訊技術發展的基礎上產生的。美國數學家維納被認為是現代控制論和信息科學的創立者。申農是他的學生，在創立資訊理論過程中曾得到他的幫助。第二次世界大戰期間，維納從事防空火力裝置的設計工作，需要使用自動機器控制高炮瞄準。於是維納將數學工具應用於火炮控制系統，處理飛行軌跡的時間序列，提出了一套預測飛機將要飛到的位置，使火炮准確擊中的最優辦法。而火炮控制系統中一個重要問題就是如何將控制裝置的誤差反饋回來作為修正下一步控制的依據。維納從生理學家羅森勃呂特那裡了解到人的神經系統與火炮控制系統有相似之處，都有反饋不足和過度的問題，本質上是對信息的一種處理。於是開始找到了人、動物與機器在控制、通訊方面的共同點。1943年維納與羅森勃呂特合作發表《行為、目的和目的論》一文，論證了目的性就是負反饋活動。1948年，維納所著的《控制論》一書出版，它標志著控制論的正式建立。1950年，維納發表《人有人的用處——控制論與社會》一書，對控制論作了更廣泛通俗的闡述。與信息科學的發展緊密聯系，控制論的基本概念和方法被應用於各個具體科學領域，研究對象從人和機器擴展到環境、生態、社會、軍事、經濟等許多部門，使控制論向應用科學方面迅速發展。其分支學科主要有：（1）工程式控制制論；（2）生物控制論；（3）社會控制論和經濟控制論；（4）大系統理論；（5）人工智慧，即智能模擬。

2．系統科學的新進展

20世紀50年代以後，形成了一股研究現代系統理論的熱潮，相繼出現了各種新的系統理論，如：普利高津的耗散結構理論、哈肯的協同學、費根鮑姆等的混沌理論、愛根的超循環理論、米勒的生命系統理論。

耗散結構理論是比利時理論生物學家普利高津於1969年「理論物理與生物學」國際會議上首次提出來的。1850年德國物理學家克勞修斯提出的熱力學第二定律，無法解釋生物系統從無序到有序、從簡單到復雜、從低級到高級的進化過程。這引起了普利高津的廣義熱力學派的興趣。從1946年到1967年整整20年中，普利高津學派把物理系統或生物系統的有序結構形成的條件當作一個新方向展開理論探索，並把重點放在新結構的產生是否與平衡中心的距離有關這一問題上。1969年，他們終於發現：一個開放系統在從平衡態到近平衡態再到遠離平衡態的非線性區時，系統內某個參量的變化達到一定閾值，通過漲落，系統就可能發生突變，由原來的無序狀態變為在時間上、空間上或功能上的有序狀態，形成一種動態穩定的有序結構。這種新的有序狀態必須不斷地與外界進行物質、能量和信息的交換，才能維持一定的穩定性，而且不因外界微小的擾動而被破壞，因而稱為耗散結構。這種耗散結構能夠產生自組織現象，所以耗散結構理論也叫「非平衡系統的自組織理論」。它解決了開放系統如何從無序轉化為有序的問題，對於處理可逆與不可逆、有序與無序、平衡與非平衡、整體與局部、決定論與隨機性等關系提出了良好的思考方法，從而把一般系統論向前推進了一大步。

協同學是由德國物理學家H·哈肯於1970年創立的。它以資訊理論、控制論、突變論等為基礎，採用統計學和動力學考察相結合的方法，通過類比，對各類系統中從無序到有序的現象建立一整套數學模型和處理方案。它是耗散結構理論的突破與推廣，也是一門關於自組織的理論。它進一步指出了一個系統從無序向有序轉化的關鍵並不在於熱力學平衡還是不平衡。也不在於離平衡態有多遠，而在於只要是一個由大量子系統構成的開放系統。耗散結構理論只討論了遠離平衡態系統從無序向有序的轉化，而協同學除了分析系統的「協同作用」外，進一步解決了近平衡態系統從無序向有序的轉化。協同學開始只限於研究一個非平衡開放系統在時間和空間方面的有序問題。1978年，哈肯在《協同學：最新趨勢與發展》一文中將協同學的內容擴展到功能有序。1979年，哈肯又注意到混沌現象的重要性，認為一個非平衡的開放系統不僅可以從無序到有序，而且也可以從有序到混沌（指由決定性方程所描述的不規則運動）。這一發現使協同學進入到一個新階段。1981年，哈肯在《20世紀80年代的物理思想》一文指出，在宇宙中也呈現有序結構。這些說明，無論是在宏觀領域還是在微觀領域，只要是開放系統，就可以在一定條件下呈現出非平衡的有序結構，都可以成為協同學的研究內容。

⑻ 分析近現代物理學革命的歷史意義

自然界是連續的，統一的物質就充滿著無限的宇宙空間。盡管它看不見，摸不著，甚至用精密儀器也探測不到，但它的客觀實在性是不容置疑的。統一的物質世界向我們展示了其真正本質的兩個不同方面，一方面是物質的有組織形式，即有序形體，我們在世界上所能認識到的一切個別現象，存在的所有個體形態，都不過是統一物質組成的特殊的暫態結構；另一方面是依賴連續物質周期組織與離散傳遞的能量場，是它把組成系統的各個部分有機地聯系起來並將它和外在世界聯系起來。顯然，實體和場是不可分的，實體不斷產生與滅亡所形成的能量運動就是場，盡管這種周期可能相當長，讓人通常感覺不到它也是能量場中的一部分；而場中同樣包含著實體，只要我們拉長時間尺度就可以明顯地認識到。

"原子論"是近現代科學發展的源頭，它最直接的貢獻就是鼓勵了科學家們用科學的觀察和實驗方法來認識外在世界，從而促進了科學突飛猛進的發展，但同時也是它使科學家們忽視了每一個可觀察的事物和外在世界的普遍聯系，拒絕了哲學這個認識自然更銳利的武器，最終使科學在進一步的發展中迷失了方向。就以對光的本質認識來說，大多數科學家之所以不相信連續以太的存在，並不是以太的存在影響了對光本質的解釋，最根本的原因則是科學家只相信他們所謂的"精密"儀器，而不相信哲學的思辯，這樣的結果使本來依賴連續物質周期組織與離散而傳遞的能量包被看作是一個粒子。當然，我們並不否定這個過程中有粒子性的存在，但這只是一個暫態的有序結構，它很快就會淪於混沌，盡管它之後又會在這個粒子離散所釋放的能量激勵下重新組織成另一個粒子，甚至它繼承了原來粒子的所有性質，但它已經不是原來的粒子了。如果我們把它看作是一個穩定不變的粒子在線性運動，就明顯地陷入了認識上的誤區。

二十世紀物理學的主流是粒子物理學，也就是說努力去探索一個個在性質上表現不同的微小實體，但物理學家們沒有認識到的是，自然界的物質是統一的，同時又是連續的，他們所觀察到的粒子不過局部連續的物質在反抗周圍物質的不對稱運動形成的暫態有序結構，而且這些結構是極不穩定的，一會兒就會離散開來並向外釋放它內聚的能量並引起周圍物質的再組織。因此，在我們的視野中，量子看起來像一個幽靈，一會從這里出現，一會在那裡出現，並且隨著環境的干擾不斷變換著它的有序形式，這使它一會像個粒子，一會像個光子，不一而足。

自然界是神秘莫測的，它在這里不僅向我們展現了它外在豐富多樣的一面，而且還將它內在的統一和普遍聯系隱藏在表象背後；自然界同時又是非常神奇的，這種神奇就體現在巨大的自然界竟然是可以通過局部的人來理解的，因為我們人和自然界的其它事物都遵循著同一個原理，如果我們能夠認識了自我存在與發展的原理，那麼我們就可以通過這個原理來理解宇宙萬物的存在。顯然，科學的發展不僅需要我們用科學的邏輯實證方法對可觀察的事物進行分析，更需要我們用謙卑的精神去虛心地領悟隱藏在自然背後的神秘設計，科學的實證邏輯方法和哲學的思辯方法也是相輔相成、缺一不可的。

令人遺憾的是，東西方科學一直是分別沿著兩條相反的道路獨立前進的。一開始是東方科學，它很早就把自然界的一切現象歸於同一種物質――"氣"的運動轉化，並因此苦苦追尋那內在於物質本性的"理"，由於忽視了科學實踐對所提出的"理"的檢驗和提高，科學因此一直停滯不前。之後是西方科學，它藉助於科學的觀察和實驗使我們對外在世界的認識取得了突破性的進展，由於它輕視了哲學這個認識自然更銳利的武器，這使它看起來雖然表面上富麗堂皇，但內在卻缺乏一個貫穿一切的精神鎖鏈。

哲學可以為科學的發展不斷提出可以參照的原理，而科學的實踐又為這些原理的提出和檢驗提供依據。西方科學的後來居上就得益於東方科學思想的西揚和眾多發明的引進。今天，東西方文化的廣泛交流又為我們創造了一次新的科學革命的契機，與以往科學革命不同的是，這次革命不僅是科學的革命，更重要是思想上的一次革命，因為我們又重新發現了上帝――一個決定一切的自然規律的存在。