冯长根21世纪科学技术的发展趋势.docx
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冯长根：
21世纪科学技术的发展趋势
1.21世纪，知识的生产、传播和应用将成为社会发展的决定性因素
历史已经表明，科学技术是推动人类社会前进的最高意义上的革命力量。
科学技术是第一生产力，生产力发展促进生产关系的进步；生产关系的完善，进一步解放和促进了生产力的发展。
进入现代社会以来，科学技术和社会进步的互动关系比历史上任何时期都密切。
未来科技将以加速度向前发展，推动生产力快速进步。
科学技术之所以有这样的作用，是因为科学技术是新知识的创造者，而知识是人类社会发展最重要的资源。
知识资源具有其它资源所没有的特点。
它一旦产生，可以永续利用，在使用过程中不仅不被消耗，而且不断发展，不断产生新的知识。
一个群体产生新知识的速度和该群体掌握的知识总量与其创造力成正比，知识丰富而创造力高的群体将以更快速度产生新的知识。
科学技术作为新知识的创造者，在世界各国现代化过程中发挥了巨大的作用。
举几个例子。
*牛顿力学原理与英国的现代化
英国在16世纪已经取代西班牙夺得了海上霸权，追求财富和知识成为社会的时尚，宗教不再具有吸引力，科学和艺术出现了新的浪潮，哲学家培根（1561-1626）发出了"从实验中获得知识，知识就是力量"的号召。
1687年，英国皇家学会出版了牛顿的伟大著作《自然哲学的数学原理》，提出了机械运动遵守的牛顿力学原理，为第一次工业革命大规模发明和使用机械打下了基础。
在培根的哲学思想和牛顿力学的指导下，在市场需求的推动下，英国的制造业、建筑业、航海业等都开始使用机器，获得快速发展。
1773年凯依发明飞梭；1754年，惠特制成滚轮式纺纱机；1764年出现珍妮多锭纺车；1785年卡特赖特发明了自动织布机，英国纺织业已基本上实现机械化。
1784年，瓦特发明了在整个工业部门普遍应用的蒸汽机，标志着第一次工业革命的兴起。
英国仗着殖民地的市场和工业优势，终于成为当时世界头号资本主义强国。
*有机化学的兴起与德国的现代化
德国的统一直到19世纪才完成，资本主义在德国的兴起比英国晚100多年。
19世纪是化学兴起的世纪。
1803年英国人道尔顿提出原子论；1828年德国人维勒首次由无机元素合成有机化合物尿素，开拓了有机化学的研究领域；1857年德国人凯库勒提出了原子化学价概念；1869年俄国人门捷列夫提出了化学元素周期表。
1856年英国人首次人工合成染料苯胺紫，由于英国可以从殖民地获得天然染料而对此不感兴趣，但立刻被没有殖民地而急于发展的德国人作为一个机遇抓住。
1864年德国人赫夫曼、凯库勒和拜尔一起推动了德国焦油染料工业的迅速发展，以后又抓住了化学制药工业的发展。
很快，德国化学工业就成为世界领先的支柱产业。
在英国人实现工业革命、法国人从事政治革命的同时，德国人从康德开始，完成了由机械论哲学向黑格尔、费尔巴哈、并由马克思和恩格斯集大成的辨证哲学的思想革命，使得19世纪末、20世纪初的德国成为现代物理学的发源地。
20世纪最重要的科学发现--相对论和量子力学都是在德国学术的土壤上产生的。
德国经济当时虽然不如英、法等国家，但在科学技术上迅速成为领先国家，并在全民族中普及了科学态度、科学方法和科学精神。
德国产品的质量始终是世界之最，德国的经济经过两次世界大战的破坏仍然能很快恢复，达到世界的前列，不能不说和德国民族普遍深入的科学作风有关。
*电磁科技和美国的兴起
1800年丹麦人奥斯特发现电流能产生磁场；1831年英国人法拉第发现电磁感应；1862年英国人麦克斯维将电和磁统一起来，建立了完整的电磁场理论，并预言光也是一种电磁波。
1835年美国人莫尔斯制成发报机，1838年他又发明了莫尔斯电码，1851年他的电报系统用于铁路，1858年实现了大西洋海底电缆电报通讯；1866年德国人西门子发明了励磁电动机；1867年美国人贝尔发明了电话；1877年美国人爱迪生发明留声机；1879年美国人爱迪生发明炭丝电灯；1895年意大利人马克尼和俄国人波波夫实现了无线电发射和接收。
美国利用地大物博和建设新大陆的开拓创新精神，利用电磁科技发展的有利时机，率先发明了电报、电话、电灯，将其迅速推向市场，又大力发展了发电机和电动机。
同时，美国以广阔的国内市场为基础，发展了大规模的汽车、钢铁、化工、电机及其他商品的生产技术，在19世纪末20世纪初成为世界的强国。
以上例子说明了科学技术在世界各国现代化进程中所发挥的巨大作用。
21世纪这种趋势更加显著。
2.科学与技术的结合和相互作用将更加紧密
科学是人类在认识世界和改造世界过程中所创造的，是正确反映客观世界现象、物质内部结构和运动规律的系统理论知识。
科学理论必须符合客观实际，要逻辑严谨、没有矛盾、能够指导实践。
它由已知的观测和实验事实总结而来，又必须具有预测的能力，能够在其适用的范围内预测可能发生的新现象，并通过科学实验验证其预测。
预测与验证是确立一个新理论和其适用范围时必须采用的方法。
科学还提供认识和改造世界的态度和方法，提供科学的世界观和处世的科学精神。
因此，科学也是一种文化，是强大的精神力量，和道德、美学等同是精神文明建设的主要内容。
技术是在科学的指导下，通过总结实践的经验而得到的，技术在生产过程中和其他实践过程中广泛应用，包括从设计、装备、方法、规范到管理等各方面的系统知识。
技术直接指导生产、服务生产，是现实的生产力，也是一种商品。
简言之，一切能够在市场上有竞争力，获得市场承认，推动市场发展的知识都可以称为技术。
科学与技术既有同一性，可以相互作用和转化，又具有差异性，各按自身的规律向前发展。
科学产生技术，技术推动科学，二者相互促进，密切相关。
在当代，科学与技术相互融合，相互影响，已成为现代科技发展的基本特点之一。
科学是现代技术的发源地。
如果说19世纪之前，技术来源于生产经验的成分多于科学理性的话，那么，现代技术创新则更多地依赖于系统性、综合性的基本科学研究。
因此，高技术的定义之一就是"以现代科学技术为基础的技术"。
科学是人类认识运动的自然界所具有规律性的知识结晶，重大科学成就往往还具有基本的哲学上的意义，导致自然观、宇宙观的重大转变或飞跃。
科学作为一种以实践为依据的思想体系，是每个历史时期思想解放的先导，也是坚持真理、破除迷信的锐利武器。
一个希望振兴的民族，一刻也离不开科学的理论思维。
另一方面，现代科学的发展，一刻也离不开技术的支撑。
新技术提供新的仪器设备和分析手段。
它扩展人类视野，帮助进行精密的观察和严格的分析，提高发现和创新的能力。
从历史上看，20世纪不仅是科学革命的世纪，也是技术革命的世纪。
举几个例子。
*量子理论和相对论的创立与发展，堪称20世纪最伟大的科学革命
量子理论和相对论不仅成为近代原子、分子物体和天体物理的基础，成为物理与化学及生物学交叉的重要理论基础，也成为现代核技术、半导体技术、微电子与光电技术发展的重要理论基础。
*DNA双螺旋结构模型的建立，宣告人类在揭示生命遗传奥秘方面迈出了具有里程碑意义的一步
1953年美国生物学家Waston和英国物理学家Crick提出了DNA双螺旋结构分子模型，后来的实验研究验证了该模型。
DNA双螺旋结构的发现，标志着现代分子遗传学的诞生，揭示了世界上千差万别的生命种群和个体在分子结构和遗传机制上的统一性，并为后来的以DNA重组为主要手段的基因工程奠定了基础，对当代医学和农业等的发展产生了深远的影响。
*信息理论的发展为20世纪的通信技术、计算机和智能机器，以及生命与认知行为的研究等奠定了基础
第二次世界大战对通信的实际需求促使了通信理论的诞生。
1948年，美国应用数学家申农发表的"通信的数学理论"奠定了现代信息论的理论基础。
1957年，美国人古德和麦克霍尔合作出版《系统工程学》，系统地引入线性规划、排队论、决策论等数学分支，为系统科学与工程奠定了数学方法的基础。
美国阿波罗登月计划是系统工程实践的成功范例。
*20世纪以来，加速器的建造、光学与射电天文望远镜的建造、电子显微镜的发明等都为原子物理、天体物理、物质与生命科学的新发现和突破提供了手段和基础。
3.信息科学技术和新材料将继续发挥前导作用，生命科学、生物技
术和纳米科技将获得空前发展，成为未来科技的核心，空间科学、地球科学、海洋科学、资源环境科学和新能源技术都将成为高速发展的前沿领域
3.121世纪仍将是信息革命的时代
信息技术是一门十分重要的科学技术，在世界新技术革命中处于核心和先导地位；它不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于其它各个高科技领域，成为它们发展的基本依据和重要手段。
20世纪巨大的进步就是信息技术。
以微细加工工艺为基础，以集成电路为核心的微电子工艺技术以及光电子与微电子传感器件的开发，不但成为计算机技术的基础，也成为机电一体化技术与产品的基础，开创了智能化办公机器、商用机器、家用电器工业以及现代制造设备的新纪元。
1971年，第一台微型计算机问世；1977年美国苹果Apple公司生产的最早的个人计算机投放市场。
20多年来，信息技术迅猛发展。
低价位、高性能的个人电脑的普及，以及ATM、IP、CDMA、WDAM等现代通信技术的涌现，使人类进入了信息和网络的时代。
以我国为例，到1999年，我国光缆总长度已达到100万公里；至2000年5月，全国固定电话用户达1.24亿；到2000年6月，移动电话数达5928.7万户，居世界第二。
当前，一种新型的经济正在美国、欧洲、亚太一些国家和地区兴起，它建立在信息（知识）的基础上，正在使社会各个领域发生迅速而深刻的变化。
这种新型经济完全改变了自工业革命以来人类生产和创造财富的方式。
21世纪仍将是信息革命的时代。
信息科技仍将是最活跃、发展最迅速、影响最广泛和深刻的科技领域。
可以预计：
--微电子与光电子器件及其集成结构、功能和规模将取得新的革命性的进展。
微电子技术已经走过了大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、特大规模（ULSI）集成时代，于1995年进入京规模（GSI）集成时代。
相应的微细加工尺寸可以缩小到0.16微米，工业化生产水平也已达到0.35微米。
在许多国家的研制计划中，以微电子技术为中心的信息技术，占据很大比例和重要位置。
例如美国国防部制订的21项关键技术，有近2/3（13项）属于信息技术；欧洲的"欧几里德"计划11个领域中，有9个领域属于信息技术。
--计算机结构和功能将向着微型化、超强功能、智能化和网络化的方向发展，人机界面将更为友好。
计算机从体系结构的变革到器件与技术的革命都将要产生一次量的乃至质的飞跃，下面是21世纪前20到50年可能出现的新型计算机。
*纳米计算机：
惠普实验室的科研人员应用纳米技术研制计
算机内存芯片，其体积不过数百个原子的大小，相当于人头发丝直径的千分之一。
一旦研究获得成功，将为其它缩微计算机元件（包括象今天的奔腾级芯片一样的微处理器）的研制和生产铺平道路，并在可穿戴式计算机的研究方面获得突破。
*量子计算机：
量子计算机是利用一种链状分子聚合物的特
性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。
量子计算机有四大优点：
一是加快了解题速度（它的运算速度可能比目前个人计算机的奔III晶片快上10亿倍）；二是大大提高了存储能力；三是可以对任意物理系统进行高效率的模拟；四是能实现发热量极小的计算机。
*光子计算机：
所谓光子计算机即全光数字计算机，以光子
代替电子、光互联代替导线互联、光硬件代替计算机中的电子硬件、光运算代替电运算。
光子计算机系统的互联数和每秒互联数，远远高于电子计算机，接近人脑；光子计算机的处理能力强，具有超高速运算速度；信息存储量大，抗干扰能力强，具有与人脑相似的容错性。
*生物计算机：
生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周
围物理化学介质相互作用的过程。
计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。
生物计算机的信息储存量大，模拟人脑思维；既有自我修复的功能，又可以直接与生物活体相联。
*人工智能计算机：
预计在2050可能出现的人工智能计算
机不仅能模仿人的左脑进行逻辑思维，而且能模仿人的右脑进行形象思维，程序设计人员成功地把计算机设计得像人，模拟人的思维、人的说话及人的感觉，以假乱真。
以上讲了计算机可能出现的发展。
我们还将看到这样的趋势：
通过信息科技与物质科技、生命科技乃至社会人文科学的交叉与融合，分子设计、材料设计、虚拟实验、生物信息、数字地球、数字宇宙和数字生态等新的科学技术分支将得到发展，并表现出巨大的创新潜力。
3.221世纪也将是生命科学技术的世纪
生命科学技术是研究有生命物质的科学与技术。
可分为传统生命科学技术和现代生命科学技术两大类。
人类几千年来使用的酿酒、制酱、育种等技术就属于传统生命科学技术。
现代生命科学技术主要包括发酵工程、酶工程、细胞工程和基因工程四大部分。
20世纪人类已经开始从分子水平上了解遗传发育等行为，对生命活动规律的认识发生了质的飞跃。
基因分离、扩增、重组以及体细胞克隆技术等均已实现，一些重要蛋白质的结构和功能已经探明，细胞膜内外和神经信息传递的部分机制、微生物和植物光合作用的机制已经有所了解。
*1953年，Waston和Crick发现了DNA双螺旋结构，奠定
了现代分子生物学的基础，从而给整个生物学乃至整个人类社会带来了一场革命。
*1973年，美国加利福尼亚大学旧金山分校的HerberBoyer
教授和斯坦福大学的StanleyCohen教授在人类历史上第一次进行了有目的的基因重组尝试，并据此提出了"基因克隆"的策略。
*1997年，英国科学家Wilmut等人宣布获得了世界上第一只克隆羊"多莉"。
目前，已经成功地克隆出羊、牛、老鼠，克隆克隆鼠也已成功。
利用克隆技术能将人体皮肤细胞移植到牛的未受精卵中，培养出能够发育成人体所有细胞的万能细胞和胚胎干细胞。
这一成就为人体器官移植开辟了新方向。
*2000年，实现了人类基因组计划。
到21世纪初，人类、水稻等一些重要物种的全基因图谱和测序工作将要完成，随着后基因计划的推进，将导致医药保健和农业产业新的革命。
例如：
*生物技术可以为许多危险废物问题的永久性解决提供一种可行的低成本、高效益的方法，例如可利用微生物或催化法分解废弃物和爆炸物，利用生态工程聚合物回收放射性核素，使用可由生物分解的润滑剂、防污剂，等等。
*基因工程技术在制药上应用的进程表也反映出这方面的趋势。
3.321世纪将是新材料、先进制造技术迅速发展和广泛应用的时代
先进材料和先进制造技术是发展高技术产业和现代文明的物质基础。
当代每一项重大新技术的出现几乎都有赖于新材料的发展。
半导体材料的工业化生产，使得元器件微型化、集成化、大规模处理和高速运算得以实现；耐高温、高强度材料的出现，促进了航空航天技术的蓬勃发展；隐身材料的研制，使军队作战出现了新的变化；塑料和复合陶瓷材料的面世，使社会生活和工业、军工产品大为改观；高温超导材料的发现，为电子技术展示了良好的发展前景。
目前世界上已有传统材料几十万种，而新材料的品种正以每年5%的速度在增长。
21世纪材料科学技术的发展重点将向具有功能化、复合化、智能化、微型化及与环境相协调化特征的方向发展。
最活跃的材料领域将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、开发新能源（如太阳能）及节能材料（如超导材料、燃料电池等）以及高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其他在极端条件下具有优良性能的结构材料。
功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能，它是各种高新技术蓬勃发展的基础和先导。
例如，目前硅材料是大规模集成电路的基石，这种情况还将继续，而进一步得到发展的是砷化镓、磷化铟、碲镉汞等化合物半导体材料。
先进制造技术是一个国家工业技术水平的重要标志之一。
随着纳米科学技术的发展，将给微细加工带来新变革。
未来的制造业将全面进入柔性、智能、敏捷、精益、绿色、艺术化、全球化的先进制造时代。
下面专门谈一谈纳米材料。
--纳米材料与纳米级制造技术
纳米材料又称纳米相材料，其基本颗粒直径不到100纳米。
科学研究发现，许多物质一旦被制成纳米材料，其理化性质就会发生很大变化，具有常规材料所不具备的奇异或反常的理化性质。
自1990年3月在美国召开世界上首次纳米技术学术会议之后的短短几年间，这个领域取得了日新月异的新成就。
研究者们认为，作为纳米技术重要组成部分的纳米电子学，将是纳米技术发展的主动力，它将立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统，超越传统的极限，实现信息采集和处理能力的革命性突破。
例如，有关专家估计利用纳米技术将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3米的硅片上。
纳米电子学的另一诱人研究方向是发展分子器件和生物分子器件。
自然分子机器（如核糖体）的普遍存在导致人们设想人工分子机器，像分子配装机器、基于分子配装的复制、机械纳米计算机和细胞修复机器等。
更重要的是，生物分子制造物质的真正优点是它们能够自我组装。
将来可能研制出由单个分子组成连线和晶体管的分子电路，最终是实现分子电脑。
4.科学在继续分化的同时，将更多的呈现交叉和综合的趋势，新兴学科和交叉学科会不断涌现，自然科学家、工程技术专家和社会科学家将在全球范围内密切合作协同，研究复杂体系，为解决人类面临的诸多全球性问题提供科学依据
科学发展到今天，一方面是高度分化，新学科、新领域不断产生，另一方面是学科的不断融合，科研国际化趋势明显加强。
我们可以想象得到这样一幅场景：
孟买的研究人员和米兰或波士顿的同行一起工作，他们在高效率的网络上交换数据。
不仅如此，科学家们通过网络进行交流就象他们在同一间屋子工作一样。
只不过他们不能把咖啡杯放在同一张书桌上罢了。
举几个例子说明2010年的科学研究将会是什么样的：
*预算国际化
未来的国家科研预算将只占科研总预算的一小部分，绝大多数资金将流入全球性计划中。
虽然近几十年来科研的全球化已在发展之中，但这一趋势在未来几年还将明显增强。
尽管国家将继续为科研筹措资金，但它以后将越来越难以拒绝加强了的国际合作。
项目的开支将越来越大，甚至超出法国、德国这样国家的财力。
迅速改善的通讯也将有助于科研的国际化。
例如国际空间站，所有在该领域显示出具有能力的国家和组织都参加了它的设计和建造。
同样，50年前开始的聚变研究领域也在进行着国际合作。
触发这一研究的是爱德华·特勒（他也研究了氢弹）关于从氢核子聚变成氦核子中获得巨大能量的想法。
但实践很快表明，单个国家不能自己研制和建造发电的热核反应堆，因为物理学和技术方面范围太广。
欧洲发达国家将它们的研究联合起来，成立了不同的中心。
然而，欧洲的力量联合起来仍然不够，所以十多年来欧洲、美国、日本和俄罗斯便合作建造一个国际化的聚变反应堆。
目前影响项目成功的主要不是技术问题，而是高额的成本。
*粒子研究国际化
今天已具有国际性特点的科研领域主要是高能物理，或者说是粒子研究。
50年前在启始阶段投入使用的加速器很小，单个研究机构建造和操作都没有问题，而到了60年代，科学家们的好奇心已要求加速器具有很高的效率，它们的建造和使用既不能由单个研究机构也不能由单个国家来完成，因此诞生了拥有目前最大粒子加速器的欧洲核子研究中心。
尽管美国、俄罗斯和西欧的加速器中心之间进行着激烈的竞争，争先证明新粒子的存在并用实验方法证明理论的正确，但是全球合作一直正常运转。
不同国家的科学家共同合作，探测器和其它部件都被相互交换。
同样，德国电子同步回旋加速器也绝不是纯德国的、甚至也不是欧洲的研究装置。
例如建造6.3公里长的Hera回旋加速器的资金便来源于国际社会。
世界各地的研究机构分别设计、建造和投资于设备的重要部件和探测器。
与此相应，这些研究机构的科学家也可以到德国的电子同步回旋加速器来进行研究。
所有成果必须发表，供全世界使用。
*天文研究国际化
同样，天文研究也越来越成为全世界的事。
直至第二次世界大战，尽管大型望远镜和国际间的接触已经存在，但天文研究主要还是一个国家的事。
然而近30年来科研人员跨越国界合作，利用整个电磁光谱进行研究。
为了用X射线和红外线进行观察，在运转于轨道的卫星上安装了望远镜，此外还建立了一个全球射电望远镜网。
对于卫星望远镜的使用，人们就哪个组织覆盖哪些波段达成了约定。
如果发现了超新星或彗星，消息在几分钟内通过因特网发布，这样十几架望远镜和各研究群体可以马上开始对新目标进行观察和研究。
自1957年地球物理年起，环境、气候和海洋研究就组织了多次国际性测量活动，因为没有一个国家能够拥有这么多科研船只，雇用这么多海洋研究人员，在所有洋区进行测量。
各研究机构分别负责对数据的搜集、运用和解释。
像洋流和气候波动这样的动态变化过程需要对大量数据进行加工处理，单是这项任务就要用全球十多个大型计算中心来完成，它们之间保持着密切的交流。
国际化也表现在越来越多的研究人员不在自己的祖国工作。
还可以举出一个全球化的例子。
与基础理论研究并行，工业研究也进一步走向全球化。
在全球开展业务的公司为它们的研究实验室挑选全世界最有利的地点。
这不仅关系到运营的条件，还必须有足够的高素质的人员使用。
此外还有运营和人员成本的问题。
例如，印度南部的班加罗尔发展成了软件业的国际性中心，因为那里有一大批高素质的而工资相对低的工程人员。
现在讲一讲学科交叉综合。
*2000年9月21日，中国科学院自然科学和社会科学交叉研究中心成立则是学科不断融合的例子之一
在成立仪式上，中国科学院院长路甬祥说：
回顾人类发展史，自然科学和社会科学从来都是共同发展的，都是人类知识的系统的结晶。
随着人类文明的进步，自然科学和人类活动越来越密切，所以，从科学本质上就决定了自然科学和社会科学的交叉、融合越来越紧密和广泛。
在近代自然科学和社会科学发展的过程中，自然科学和社会科学都有从对方的研究中得到新的科学方法的强烈渴望。
尤其是到了科学技术飞速发展的今天，自然科学的发展已越来越离不开社会科学的支持。
随着世界和中国的发展，必然要依靠自然科学和社会科学的进一步交叉与融合，只有这样才能实现我国科技、教育和经济、社会等诸多方面的可持续发展。
同时，也只有科学精神和人文精神的进一步融合，当代科学技术才能真正造福于人类。
以下举例说明。
*生物学和医学的发现主要依赖于科学领域里多学科知识的发展
生物学和医学的绝大多数革命性的变化都植根于新方法，而这些新方法的产生又植根于许多科学领域中的基础性发现。
如核物理学在现代放射性同位素医学中的作用；在许多普通的临床实践中，如X射线、光纤探测、激光外科手术、ECHO心动描记器以及胎儿声图描记法等，物理学也起了关键性的作用；材料科学在新的器官连接、心脏瓣膜和其它的人工组织制造中起到了很大的帮助作用。
人类基因组计划经过艰苦的努力已绘制出人类和许多生物体的DNA序列，但是如果没有DNA重组技术，基因测序工作是不可能进行的；反过来，如果没有早期对酶的合成，切割和DNA再涂技术的研究，分子克隆技
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