本書以人類認識自然、改造自然的史實為基礎(chǔ)，以歷史進程為線索，以學(xué)科為主線，側(cè)重介紹產(chǎn)生過重大影響的歷史事件，介紹部分重要學(xué)科領(lǐng)域的歷史與現(xiàn)代發(fā)展?fàn)顩r，以不同社會發(fā)展階段的自然科學(xué)成就和著名科學(xué)家具有劃時代意義的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及學(xué)說為主要內(nèi)容，概括地分析和闡明自然科學(xué)及其學(xué)科的對象、特點、發(fā)展規(guī)律與歷史作用，粗略地介紹自然科學(xué)的知識體系。本書共10章，內(nèi)容包括緒論及物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等自然科學(xué)的主要學(xué)科方向，并提供了部分供教學(xué)參考的資料�！�21世紀(jì)高等院校教材：自然科學(xué)概論》可作為高等學(xué)校人文社會科學(xué)各專業(yè)學(xué)生的通識教育或素質(zhì)教育教材、參考書，也可作為一般讀者的科學(xué)普及讀本。
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婁兆文編著的《自然科學(xué)概論(21世紀(jì)高等院校教材)》系統(tǒng)全面介紹了自然科學(xué)相關(guān)知識，本書可作為高等學(xué)校人文社會科學(xué)各專業(yè)學(xué)生的通識教育或素質(zhì)教育教材、參考書，也可作為一般讀者的科學(xué)普及讀本。
目錄
第1章 緒論 1
1.1 自然科學(xué)的概念、研究對象和特征 1
1.1.1 科學(xué)的概念和特征 1
1.1.2 技術(shù)的概念和特征 2
1.1.3 科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系 3
1.2 自然科學(xué)的功能與作用 5
1.2.1 科學(xué)技術(shù)是社會發(fā)展巾的一種歷史現(xiàn)象 5
1.2.2 科學(xué)技術(shù)既是一種物質(zhì)力量，又是一種精神力量 6
1.2.3 科學(xué)技術(shù)是推動歷史發(fā)展的革命力量 7
1.3 自然科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢 7
1. 3.1 科學(xué)和技術(shù)的形成與發(fā)展 7
1.3.2 現(xiàn)代自然科學(xué)的體系結(jié)構(gòu) 8
1.3.3 現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展趨勢 9
1.4 科學(xué)結(jié)構(gòu)的革命——自然科學(xué)與人文社會科學(xué)走向統(tǒng)一 10
1.4.1 自然科學(xué)與人文社會科學(xué)的不同特點 10
1.4.2 自然科學(xué)與人文社會科學(xué)分離 11
1.4.3 自然科學(xué)與人文社會科學(xué)統(tǒng)一的基礎(chǔ) 11
1.4.4 對自然科學(xué)及人文社會科學(xué)統(tǒng)一的理解 12
1.4.5 自然科學(xué)與人文社會科學(xué)走向統(tǒng)一的途徑 12
第2章 物理學(xué) 14
2.1 物理學(xué)的學(xué)科特點與研究方法 14
2.1.1 物理學(xué)簡介 14
2.1.2 物理學(xué)的學(xué)科特點 14
2.1.3 物理學(xué)的研究方法 16
2.2 物理學(xué)革命的背景及其發(fā)展模式 17
2.2.1 物理學(xué)革命前夜的三大發(fā)現(xiàn) 17
2.2.2 物理學(xué)革命前夜飄蕩在物理學(xué)上空的兩朵烏云 18
2.2.3 物理學(xué)革命進行曲——物理學(xué)發(fā)展模式 19
2.3 相對論的建立及其時空觀上的革命 21
2.3.1 狹義相對論的建立 21
2.3.2 狹義相對論及其所引出的全新的觀念 24
2.3.3 廣義相對論簡介和意義 29
2.4 量子力學(xué)的發(fā)展及其全新的物理概念 31
2.4.1 能量子、波粒二象性與測不準(zhǔn)原理 31
2.4.2 量子力學(xué)的基本概念和理論 33
2.4.3 量子力學(xué)的意義及其引起的思想爭議 36
2.5 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的理論及其應(yīng)用 38
2.5.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元及相關(guān)理論簡介 38
2.5.2 重核裂變及其原子彈與核反應(yīng)堆 43
2.5.3 輕核聚變及其氫彈與核聚變的應(yīng)用展望 46
第3章 化學(xué) 51
3.1 化學(xué)的基本知識 51
3.1.1 化學(xué)的基本概念 51
3.1.2 化學(xué)的萌芽 51
3.1.3 化學(xué)的中興 52
3.1.4 化學(xué)的作用 54
3.1.5 化學(xué)的學(xué)科分類 55
3.2 現(xiàn)代化學(xué)理論 56
3.2.1 原子結(jié)構(gòu)與元素學(xué)說的新發(fā)展 56
3.2.2 現(xiàn)代化學(xué)鍵理論與量子化學(xué) 60
3.2.3 現(xiàn)代化學(xué)動力學(xué)理論 64
3.3 現(xiàn)代實驗和分析化學(xué)方法 68
3.3.1 光學(xué)分析法 68
3.3.2 電化學(xué)分析法 69
3.3.3 色層分析法 69
3.3.4 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)與X射線衍射法 71
3.4 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展特點和趨勢 75
3.4.1 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展特點 75
3.4.2 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展趨勢 76
第4章 生命科學(xué) 79
4.1 生命科學(xué)概述 79
4.1.1 生命科學(xué)的基本概念 79
4.1.2 生命科學(xué)發(fā)展簡史 79
4.1.3 生命科學(xué)的學(xué)科分類 82
4.2 生命科學(xué)的研究方法 83
4.2.1 科學(xué)觀察 83
4.2.2 假說和實驗 84
4.2.3 模型實驗 84
4.3 現(xiàn)代生命科學(xué)理論與應(yīng)用 85
4.3.1 細胞與細胞克隆 85
4.3.2 基因與基因工程 89
4.3.3 人類遺傳與優(yōu)生 97
4.3.4 致病微生物與人體免疫 100
4.3.5 生物多樣性與保護 103
4.4 現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展趨勢及特點 106
4.4.1 現(xiàn)代生命科學(xué)不斷向微觀方向深入 106
4.4.2 現(xiàn)代生命科學(xué)繼續(xù)向宏觀方向發(fā)展 107
4.4.3 現(xiàn)代生命科學(xué)與其他學(xué)科滲透融合 107
4.4.4 現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的統(tǒng) 108
4.4.5 現(xiàn)代生命科學(xué)與社會進步密切相關(guān) 108
第5章 天文學(xué) 109
5.1 天文學(xué)概述 109
5.1.1 研究天文學(xué)的意義 109
5.1.2 研究對象和領(lǐng)域 109
5.1.3 天文學(xué)的研究方法與手段 110
5.1.4 天文學(xué)的學(xué)科分支 110
5.1.5 天文學(xué)的發(fā)展歷程 110
5.1.6 天文學(xué)發(fā)展展望 111
5.2 宇宙 111
5.2.1 宇宙年齡 112
5.2.2 宇宙的產(chǎn)生 112
5.2.3 宇宙的層次結(jié)構(gòu) 113
5.2.4 宇宙物質(zhì)多樣性 113
5.3 星系 114
5.3.1 星系的相關(guān)定義 114
5.3.2 星系的特征 115
5.3.3 主要星系類型 115
5.4 銀河系 116
5.4.1 形狀 116
5.4.2 特征 116
5.4.3 銀河系的未來 116
5.5 太陽系 117
5.5.1 軌道概述 117
5.5.2 結(jié)構(gòu)和組成 117
第6章 地學(xué) 121
6.1 地球環(huán)境系統(tǒng) 121
6.1.1 太陽及其運動 121
6.1.2 月球及其運動 124
6.1.3 地球及其運動 126
6.2 地球演化的假說 127
6.2.1 大陸漂移說 127
6.2.2 海底擴張說 128
6.2.3 板塊構(gòu)造說 130
6.3 地球的圈層構(gòu)造 132
第7章 數(shù)學(xué) 133
7.1 數(shù)學(xué)發(fā)展史概要 133
7.1.1 古代數(shù)學(xué)發(fā)展簡史 133
7.1.2 近現(xiàn)代數(shù)學(xué)發(fā)展簡史 135
7.2 數(shù)學(xué)分支領(lǐng)域介紹 137
7.2.1 代數(shù)學(xué)范疇 137
7.2.2 幾何學(xué)范疇 138
7.2.3 分析學(xué)范疇 140
7.3 20世紀(jì)數(shù)學(xué)發(fā)展的特點 142
7.3.1 20世紀(jì)數(shù)學(xué)研究的特點 143
7.3.2 20世紀(jì)數(shù)學(xué)應(yīng)用的特點 147
7.3.3 21世紀(jì)數(shù)學(xué)展望 149
7.4 應(yīng)用類數(shù)學(xué)分支介紹 150
7.4.1 概率論與數(shù)理統(tǒng)計學(xué) 151
7.4.2 運籌學(xué) 152
7.4.3 計算數(shù)學(xué) 154
7.4.4 模糊數(shù)學(xué) 155
7.5 數(shù)學(xué)問題介紹 157
7.5.1 地界四大數(shù)學(xué)難題 157
7.5.2 近代三大數(shù)學(xué)難題 158
7.5.3 七大千年數(shù)學(xué)難題 161
第8章 系統(tǒng)科學(xué) 165
8.1 概述 165
8.1.1 古今系統(tǒng)思想概述 165
8.1.2 系統(tǒng)科學(xué)的形成和發(fā)展 167
8.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類 176
8.2.1 系統(tǒng)的概念 176
8.2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng) 177
8.2.3 系統(tǒng)的層次 178
8.2.4 結(jié)構(gòu)效應(yīng)與整體涌現(xiàn)性 179
8.2.5 系統(tǒng)的分類 180
8.3 系統(tǒng)的環(huán)境、邊界、特性、功能 180
8.3.1 系統(tǒng)的環(huán)境 180
8.3.2 系統(tǒng)的邊界 181
8.3.3 系統(tǒng)的開放性與封閉性 182
8.3.4 系統(tǒng)的功能 183
8.4 系統(tǒng)的狀態(tài)、演化 184
8.4.1 系統(tǒng)的狀態(tài) 184
8.4.2 系統(tǒng)的演化 184
8.5 系統(tǒng)的模型方法 186
8.5.1 系統(tǒng)的原型和模型 186
8.5.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 186
8.5.3 基于計算機程序的系統(tǒng)模型 187
第9章 發(fā)展中國的科學(xué)技術(shù)事業(yè) 189
9.1 中國古代的科技成就 189
9.1.1 天文學(xué) 189
9.1.2 數(shù)學(xué) 190
9.1.3 醫(yī)藥學(xué) 191
9.1.4 農(nóng)學(xué) 192
9.1.5 指南針、火藥、造紙術(shù)和印刷術(shù)的發(fā)明 193
9.2 中國近代科學(xué)技術(shù)落后的原因 194
9.2.1 社會歷史原因 195
9.2.2 中國傳統(tǒng)文化及科學(xué)自身的原因 197
9.3 我國科技事業(yè)的發(fā)展 198
9.4 從迎接新技術(shù)革命到走科技自主創(chuàng)新之路 201
9.4.1 我國面臨的新挑戰(zhàn) 201
9.4.2 借以起飛的好機會 202
9.4.3 迎接新挑戰(zhàn) 203
第10章 課余閱讀材料 206
10.1 關(guān)于原子是否存在的爭論 206
10.2 在發(fā)現(xiàn)電子道路上的遺憾 210
10.3 普朗克的“悲劇” 212
10.4 制造永動機夢想的破滅 216
10.5 明代數(shù)學(xué)的停滯 219
10.6 王夫之的物質(zhì)不滅思想為什么沒有發(fā)展為物質(zhì)不滅原理 220
后記 224
第1章 緒論
1.1 自然科學(xué)的概念、研究對象和特征
自然科學(xué)是人類科學(xué)知識的主要組成部分之一。對于什么是自然科學(xué)（或者說狹義的科學(xué)），雖然目前學(xué)術(shù)界沒有一個固定的說法，但人們一般都認為自然科學(xué)是人類研究自然界各種物質(zhì)和現(xiàn)象的科學(xué)，是人類在認識自然和改造自然的過程中所獲得的關(guān)于自然界各種事物的現(xiàn)象和規(guī)律的知識體系，同時也是人類追求知識的一項社會活動事業(yè)。它包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)和生物學(xué)等基礎(chǔ)性科學(xué)，以及材料科學(xué)、能源科學(xué)、空間科學(xué)和醫(yī)學(xué)等應(yīng)用性技術(shù)科學(xué)。一般而言，屬于人類對自然的認識部分稱為科學(xué)（科學(xué)知識）； 屬于人類對自然的利用和改造部分稱為技術(shù)（技術(shù)知識）， 自然科學(xué)一般也被人們稱為科學(xué)技術(shù)。
1.1.1 科學(xué)的概念和特征
廣義的科學(xué)是人類反映自然、社會和人類自身客觀規(guī)律的知識體系，它主要包括自然科學(xué)、社會科學(xué)和人文科學(xué)三大部分（后兩種人們一般通稱為人文社會科學(xué)）。狹義的科學(xué)一般指自然科學(xué)。社會科學(xué)研究的對象是政治、經(jīng)濟、法律和文學(xué)藝術(shù)等社會現(xiàn)象，它們是人類自身活動的產(chǎn)物。自然科學(xué)的研究對象是天體、地球和各種動植物等不依賴于人類而存在的客觀事物，它們早在人類出現(xiàn)以前就已經(jīng)存在。
自然科學(xué)是研究自然界中不同領(lǐng)域的運動、變化和發(fā)展規(guī)律的理論和知識體系。它概括了人類對大自然的理性認識，是關(guān)于自然界的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的正確反映，是人類利用、改造和保護大自然的有力武器。
自然科學(xué)的各個學(xué)科反映的只是自然界的不同側(cè)面，而把大自然作為一個整體，研究這個整體的本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科則不屬于自然科學(xué)，而是哲學(xué)的一個二級學(xué)科―――“ 自然辯證法”， 或者說“科學(xué)技術(shù)哲學(xué)”�！白匀晦q證法”或者“科學(xué)技術(shù)哲學(xué)”屬于人文社會科學(xué)。
人文社會科學(xué)是研究“人文”與“社會”中不同領(lǐng)域運動、變化和發(fā)展規(guī)律的理論和知識體系。它概括了人類對自身的理性認識。人文社會科學(xué)又分為人文科學(xué)和社會科學(xué)兩大部分，前者以人類自身為研究對象，主要包括文學(xué)、歷史、哲學(xué)等學(xué)科；后者以人類社會為研究對象，主要包括經(jīng)濟、政治、管理和法學(xué)等學(xué)科。人文科學(xué)和社會科學(xué)的研究對象和內(nèi)容通常是纏繞在一起的，很難把二者完全分離開來。
無論是自然科學(xué)還是社會科學(xué)，它們都是對研究對象的本質(zhì)及其規(guī)律的揭示，是反映事物真相的客觀真理。因此，科學(xué)的主要特征是：第一，具有重復(fù)性、再現(xiàn)性和可比性�？茖W(xué)是一種知識形態(tài)的理論、概念、原理和學(xué)說，它存在于人們的大腦、書刊和光盤等多種載體之中，是人類的精神財富，是可以傳播、教授、繼承和發(fā)展的。對于同一個或同一類研究對象來說，不同的人在相同的條件下，通過實驗和觀察可以得到相同的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)共同的科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。第二，既具有連續(xù)性，又具有創(chuàng)造性。特定的歷史條件下的科學(xué)及其活動，首先要繼承歷史和傳統(tǒng)，學(xué)習(xí)前人積累下來的知識并將其貫穿于自己的科學(xué)研究中，這就是科學(xué)研究的連續(xù)性；同時又必須努力解決不同時代所提出的不同問題，并在這些問題上有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，這就是科學(xué)研究的創(chuàng)造性。在科學(xué)研究中必須處理好繼承和創(chuàng)新的關(guān)系。第三，具有開放性�？茖W(xué)知識的對象是客觀世界，世界是不斷變化和發(fā)展的，人們對世界的科學(xué)認識也是不斷發(fā)展的。科學(xué)的開放性就意味著科學(xué)具有廣闊的胸懷去包容、批判和創(chuàng)造一切揭示事物客觀規(guī)律的知識和理論。
1.1.2 技術(shù)的概念和特征
1.技術(shù)的概念
技術(shù)是一個非常復(fù)雜的概念，因為技術(shù)涉及的對象非常廣泛；技術(shù)也是一個動態(tài)的概念，因為隨著歷史的發(fā)展，技術(shù)的含義在不斷擴充，不同時期人們對“技術(shù)”的看法是不一樣的。在古代，古希臘著名哲學(xué)家（也是科學(xué)家）亞里士多德最早提出：科學(xué)是知識，技術(shù)是制作的智慧。技術(shù)僅僅是指個人的經(jīng)驗、技巧和手藝。在近代，隨著工業(yè)革命的興起，機器在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著越來越重要的地位，于是人們就認為技術(shù)就是工具、機器和設(shè)備，是一個個沒有生命的裝置。20世紀(jì)以后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)不僅成為人類改造自然、進行勞動生產(chǎn)的手段，而且成為人類認識自然、進行科學(xué)探索的重要工具�，F(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)不僅是日常經(jīng)驗的產(chǎn)物，而且是科學(xué)研究的結(jié)果。目前比較流行的“技術(shù)”的定義是：技術(shù)是根據(jù)科學(xué)原理和實踐經(jīng)驗而發(fā)展起來的各種工藝操作方法和技能體系。
2.技術(shù)的特征
首先，技術(shù)具有明確的目的性。由于技術(shù)是為人類所擁有，也是為人類服務(wù)的，所以任何技術(shù)都有明確的目的，目的性是技術(shù)活動的起點，技術(shù)成果是技術(shù)的目的性的實現(xiàn)。其次，技術(shù)是人（使用者或者說勞動者）和物（使用對象或者說勞動對象）結(jié)合在一起的有機整體。所有技術(shù)都包括兩個方面：一是利用和改造自然的物質(zhì)要素，指生產(chǎn)工具、設(shè)備和機器等勞動資料，稱為技術(shù)的“硬件”；二是利用和改造自然的人的要素，指生產(chǎn)工藝、加工方法和管理體系等，稱為技術(shù)的“軟件”。只有將物的因素和人的因素結(jié)合起來，技術(shù)才能有效地發(fā)揮作用。最后，技術(shù)既具有自然屬性，又具有社會屬性。技術(shù)的自然屬性是指人們在應(yīng)用技術(shù)的過程中必須遵循自然自身的發(fā)展規(guī)律，不能是“人有多大膽，地有多大產(chǎn)”、“思想有多遠，我們就能走多遠”，這是人類所有技術(shù)活動必須遵循的前提。所有技術(shù)本質(zhì)上都是對自然規(guī)律的應(yīng)用。技術(shù)的社會屬性是指人們在應(yīng)用技術(shù)改造自然的過程中，必須遵守社會發(fā)展的規(guī)律。技術(shù)在應(yīng)用于社會的過程中，必然會受到各種社會因素的影響和制約。例如，一項非常先進的技術(shù)，如果它的功能和效用不符合當(dāng)時當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的要求，不能滿足經(jīng)濟性、可靠性、安全性和社會心理因素等社會需求，那么這種技術(shù)就沒有生命力。任何技術(shù)都是社會的技術(shù)，只有通過廣泛的社會協(xié)作才能得以實現(xiàn)和推廣。
1.1.3 科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系
科學(xué)與技術(shù)，一方面它們是兩個不同的學(xué)科，二者具有不同的研究對象和研究方法；另一方面，科學(xué)與技術(shù)又是兩個關(guān)系非常密切的學(xué)科，這既指人們很難把科學(xué)與技術(shù)，特別是現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)完全分離開來，也指科學(xué)和技術(shù)一體化的趨勢在當(dāng)今時代越來越明顯。
1.科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別
科學(xué)與技術(shù)經(jīng)常被人們聯(lián)系在一起使用，簡稱為“科技”。但是也應(yīng)該注意到，科學(xué)與技術(shù)是兩種不同的現(xiàn)象，也是兩個不同的學(xué)科，二者是有區(qū)別的。忽視二者的區(qū)別會引起一系列的誤解和失誤�？茖W(xué)屬于認識范疇，它的主要任務(wù)是回答有關(guān)“是什么”、“為什么”的問題，目的是建立相應(yīng)的知識體系；技術(shù)屬于實踐范疇，它的主要任務(wù)是解決有關(guān)客觀世界（研究對象）“ 做什么” 、“怎么做”的問題，目的是建立相應(yīng)的操作體系。
科學(xué)，或科學(xué)研究活動，是對未知世界的探索，所用的方法主要包括觀察、實驗、收集與整理感性資料、假說、邏輯推理和驗證等；技術(shù)，或具體的技術(shù)活動，是在已有理論指導(dǎo)下的實踐性探索，所用的方法主要是設(shè)計、模擬、類比、試驗、放大、制作、標(biāo)準(zhǔn)化、程序化和試用（驗收）等。
對于科學(xué)或科學(xué)的成果，評價的標(biāo)準(zhǔn)是其符合性（理論的最終結(jié)果與實驗事實是否相符，以及符合的程度）、創(chuàng)新性（在理論上是否有突破、是否有創(chuàng)造）和邏輯性（理論體系的結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹、自洽）；對于技術(shù)或技術(shù)產(chǎn)品，評價的標(biāo)準(zhǔn)是其效用性（是否有用，以及效用的大小）、可行性（可否實施、實施的條件是否苛刻）和經(jīng)濟性（投入產(chǎn)出比如何、市場前景如何）。
科學(xué)與經(jīng)濟只有間接的關(guān)系，雖然科學(xué)的成果對經(jīng)濟可能具有長遠的影響，但是一般而言，科學(xué)在短期之內(nèi)并不會對經(jīng)濟產(chǎn)生直接的影響。與此相反，技術(shù)與經(jīng)濟具有直接的關(guān)系，技術(shù)產(chǎn)品對經(jīng)濟可能會產(chǎn)生立竿見影的影響。當(dāng)然，技術(shù)對經(jīng)濟的影響也可能是長遠的，因為技術(shù)一般是保密的，特別是在技術(shù)發(fā)明的初期是受專利保護的。
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