科技前沿与创新 朱 剑 英 教 授 南 京 航 空 航 天 大 学

1. 科技前沿与创新朱 剑 英 教 授 南 京 航 空 航 天 大 学

2. 主 要 内 容 一、科学技术的重要意义 二、科学技术简史 三、二十世纪的科学技术 四、二十一世纪的科学技术 五、科技创新

3. 科学技术的重要意义

4. 爱因斯坦的相对论 1905年，爱因斯坦在迈克尔逊测量光速实验的基础上提出了狭义相对论。 对于高速运动的物体，牛顿力学不能适用。此时，长度收缩、时钟变慢、惯性质量加大；在原子变化时，更伴随着巨大的能量爆发： E＝mc2 E一能量，m一质量，C一光速

5. 1957年10月4日， 前苏联发射成 功世界上第一 个航天器 — “卫星一号”人 造卫星。 航天科技的伟大成就(1)

6. 1961年4月12日，前苏联宇航员 加加林乘东方一号飞船升空，历 时108分钟，代表人类首次进入 太空。 1969年7月21日，美国宇航员阿 姆斯特朗乘阿波罗1l号飞船登月， 成为人类踏上月球第一人。 航天科技的伟大成就(2)

7. 2003年北京时间10月15日9时整, 我国自行研制的“神舟”五号载人 飞船升空,将中国首位航天员杨 利伟顺利送上太空。 “神五”冲天，带着中国人千年企 盼，梦圆浩瀚太空。 “神五”冲宵 梦圆今朝

8. “神舟”5号升空的重大意义 “神5”升空是我国综合国力强大的标志， 它将大大提高了我国的国际地位； “神5”升空大长了中国人的志气，将会 进一步促进我国经济的持续发展； “神5”升空展示了我国学人的风貌，将 会大大促进我国科学技术的发展； “神5”升空增强了我国的国防力量，给 我们的敌人以巨大的震慑。

9. 1.“飛行者─1號” 的發明者是美國的威爾伯．萊特(上图左)和奧維爾．萊特(上图右)兄弟。威爾伯．萊特生于1867年4月16日，他的弟弟奧維爾．萊特生于1871年8月19日。 2.他们的父亲是基督教兄弟联合会的一位主教，一天父亲送给他们一支竹蜻蜓，激起他们的好奇，由此走上发明飞机之路。 3.在莱特兄弟之前，许多人探索制造过飞机（包括贝尔和爱迪生），但都失败。莱特的成功得益于他们的观察、思考和实践（他们开设了自行车修理铺）。 莱特兄弟发明飞机(1)

10. 莱特的飞机 莱特首飞 1903年12月14日至17日， “飛行者”l號進行第4次試飛， 地點在美國北卡羅萊納州基 蒂霍克的一片沙丘上。第一 次試飛由奧維爾．萊特駕駛， 共飛行了36米，留空12秒。 第四次由威爾伯．萊特駕駛， 共飛行了260米，留空59秒。 1906年，他們的飛機在美國 獲得專利發明權。 莱特兄弟发明飞机(2)

11. 美国波音客机B747

12. 空中客车A380

13. 协和号客机

14. 协和号超音速客机：该機是目前世界上唯一在航線上運營的超音速商用運輸機。與它同時代的圖－144早已退出了競爭。1969年初試飛，1975年投入使用。飞行速度：M2.04,標准客座為100，最大客座為140，最大載重航程5000公里，起落噪音太大，于1979年停產，總共生產了20架。该机于2000年7月25日巴黎当地时间下午4点45分在巴黎东北郊戴高乐机场起飞后不久即坠毁，机上109人,地面5人罹难（见下右图）。2003年6月1日退出航运。协和号超音速客机：该機是目前世界上唯一在航線上運營的超音速商用運輸機。與它同時代的圖－144早已退出了競爭。1969年初試飛，1975年投入使用。飞行速度：M2.04,標准客座為100，最大客座為140，最大載重航程5000公里，起落噪音太大，于1979年停產，總共生產了20架。该机于2000年7月25日巴黎当地时间下午4点45分在巴黎东北郊戴高乐机场起飞后不久即坠毁，机上109人,地面5人罹难（见下右图）。2003年6月1日退出航运。

15. F16轻型战斗机 F-16是美国研制的轻型战斗机，主要型号有A、B、C、D、E等，可携带AIM-9L“响尾蛇”空对空导弹2-6枚，其中E型为战斗轰炸机，可携带4-8枚先进中距空对空导弹或6枚“幼畜”空对地导弹或炸弹。最大速度2340公里/小时。台湾于2001年购入了约60架。该机价格相对较低，性能优良，不少国家都装备了该机。

17. F117隐型战斗轰炸机 美国Ｆ－１１７Ａ战斗机是世界上第一种服役的 隐身战斗机，主要用于攻击地面目标。１９８３ 年开始装备部队，１９８９年美国入侵巴拿马时 首次使用。在１９９１年的海湾战争中，有４０ 余架Ｆ－１１７Ａ参战，表现出色。没有损失。 在科索沃空袭中，被南联盟军队击落至少1架。 最大使用速度马赫数0.９，机内武器舱可挂装２ 枚９０５千克的激光制导炸弹或其它武器。

19. 米格-29 1977年开始生产，1994年500余架分布20余国家。 两台伊索托夫RD-33发动机，大修700小时总寿命 1400小时。 双垂尾，最小转弯半径450M（400公 里时速）。空重11000公斤，最大起飞重量18.5 吨。转场航程2100公里（1500升副油箱）最大 2900公里（再加两个800升油箱）。标准武器：6 枚P-60M短距导弹或P-73中程导弹，以及4枚P- 27P或P-27T中程导弹，改进型可挂6枚P-77主动 制导PBB-AE先进导弹。

21. 苏-27 动力装置：2台AL-31F，单台推力:7600公斤 机 载武器：30毫米机炮，10个外挂点， 苏27已由 沈飞开始组装生产，命名为歼11。 主要技术数据： 机长：21.935米, 翼展：14.7 米,机高：5.932米, 机翼面积：46.5平方米,最 大起飞重量：30000千克,最大使用速度：2.35M 升限：18000米,作战半径：1500公里。

23. 苏-37 苏-37是俄罗斯苏霍伊实验设计局开放型联 合股份公司研制的多用途全天候超机动性 战斗机，苏-37是在苏-27基础上为俄罗斯 空军研制一系列第四代战斗机和第五代多 功能战斗机计划实施过程中的重要一步。 该机采用了集成式远程电子控制系统以及 现代化的数字式武器控制系统

24. 苏37军用机

25. 诺基亚的神话 1. 芬兰的诺基亚公司原是生产橡胶鞋的工厂， 后来引进信 息技术，转变到生产手机的公司。2000年销售的手机占 领全球市场的37%。 2. 诺基亚现在全球有雇员54000名，其中22000人在芬兰， 另有20000人在芬兰依附诺基亚而工作。 3. 2000年3月诺基亚的市值达3000亿美元，超过欧 洲的任 何公司。2001年全球销售额250亿美元，大致相当芬兰政 府整个年财政预算。 4. 诺基亚成为芬兰经济的火车头，它占了芬兰股市值的2/3， 和该国总出口的1/5，把500万芬兰人与世界上各地无形 网网络中的总计10亿人连起来。

26. 全球首富比尔•盖茨 1)比尔•盖茨1973年（19岁）离开哈佛大学从商, 1975年以5000美元资本创办微软，抓住信息技 术的关键—操作系统来发展企业,到1987年成 为亿万富翁，1994年成为世界首富，现已连续 九年居首位。 2《福布斯环球商业与金融》杂志（2003）报道， 盖茨的个人财产为410亿美元，比前一年减少 了100多亿美元。但比第二名沃伦.巴菲特还是 领先很多（沃伦.巴菲特的个人净资产为305 亿美元,2002年为350亿美元） 。

27. 邓小平同志的指示 1989年，邓小平同志讲： “科学技术是第一生产力；科学是了不起的事情，要重视科学，最终可能是科学解决问题”。

28. 二十世纪的科学技术

29. 二十世纪伟大的科技成就 一、四大基础理论 1）量子力学；2）相对论； 3）基因理论；4）系统理论。 二、五大基本模型 1）宇宙演化的大爆炸模型；2）物质结构的标准模型；3）DNA双螺旋结构模型；4）图灵计算机模型；5）地壳结构的板块模型。 三、三大基本技术 1）物质变化技术；2）能量转化技术； 3）信息控制技术。

30. 二十世纪的五大基本模型（1） 1. 宇宙演化的大爆炸模型 1）20世纪20年代，弗里德曼在广义相对论的框架下，论证了宇宙 胀缩，哈勃发现了星系红移。 2）宇宙大爆炸模型：200亿年前的宇宙是基本粒子组成的“宇宙汤” →大爆炸时的温度达100亿度以上→ 四种基本力：引力、强力、 弱力、电磁力逐一分化出来→物质形态依此演化为原子、气态、 恒星体系、现在的宇宙。 3）四项观测事实证明了大爆炸理论： （1）观测表明：任何天体的年龄都小于200亿年； （2）河外天体有系统性的谱线红移，表明宇宙膨胀； （3）所有天体的氦与氢的比例大致相同：1:4； （4）1965年探测热辐射谱的微波背景辐射时，得到宇宙的温度约为3K。

31. 二十世纪的五大基本模型（2） 2. 粒子物理的标准模型 1）20世纪发现了数百种微粒子,它们由两类十二种基本粒子构成 它们是夸克(上、下、奇异、粲、底、顶)和轻子（电子、子、子、 电子中微子、 子中微子、 子中微子）。 2）所有粒子的运动遵循四种基本力：引力、电磁力、强力、弱力 的相互作用。引力和电磁力在宏观世界可观察到，强力和弱力只有 在微观世界的粒子作用中才显露。弱力在中子及其它粒子衰变过程 中出现，强力是夸克相互间的作用力，其强度最大，这种力使夸克 组合成强子（现今发现的数百种粒子大多是强子）。轻子只参与引 力、电磁力、和弱力作用，而不参与强力相互作用。若以强力的强 度为1，则电磁力为10-2，弱力为10-13，引力为10-38。 3）从四种力的作用来看，基本粒子为三种：夸克、轻子、传播子 （传递力的粒子）。传递强力的是胶子（共有8种，质量为0 ），传 递弱力的是W+、W-、Z0中间玻色子（质量是质子的80-90倍），传 递电磁力的是光子（质量为0），传递引力的传播子至今尚未发现。

32. 二十世纪的五大基本模型（3） 3.DNA双螺旋结构模型 A（腺嘌呤）—T（胸嘧啶）、G（鸟嘌呤）—C（胞嘧啶）是含氮碱 基对，它们分别以2、3个氢键相连，千万条碱基对组成遗传密码。

33. 二十世纪的五大基本模型（4） 4. 图灵的计算机模型 1936年，图灵在其著名的论文《论可计算数在判定问 题中的应用（On Computer numbers with an Application to the Entscheidungs -problem）》中，以布尔代数为基 础，将逻辑中的任意命题用一种通用的机器来表示和完成， 并能推导出结论。这种机器，后人称之为“图灵机”。 图灵机由一个控制器和一个两端无限长的工作带组成。 工作带由大小相同的方格组成，方格内记载着字母表上的 符号。控制器带有读写头，它可读出或改写方格上的符号。 这种机器能进行多种运算并可用于证明一些著名的定理。 图灵还从理论上证明了这种假想机的可能性。图灵机的 思想奠定了整个现代计算机发展的理论基础。

34. 二十世纪的五大基本模型（5） 5. 地壳结构的板块模型 1）大陆漂移说：创始人是魏格纳，他在《海陆的起源》一书中论述了南美和非洲大陆可能拼合在一起的思想、大西洋两岸的许多生物有亲缘关系，在岩石、地层和皱褶构造等上也相当吻合。1950年代，古地磁学的研究结果进一步为大陆漂移说提供了有力证据。 2）海底扩张说：地球上部是岩石圈和软流圈，其下为高温地幔的环形对流体，它驱使地幔的炽热物质从洋脊的裂谷中涌出，冷却后形成新的海底，并推原来的海底向两侧扩张，是海底同大陆一起在地幔对流体上漂移。 3）板块构造说：在大陆漂移说和海底扩张说的基础上，岩石板块构造说成为新的全球构造理论。全球分为七大板块：太平洋、亚欧、印澳、非洲、北美、南美和南极板块。板块漂浮在软流圈上，在洋中脊处增生，在海沟处消减，其运动的动力源泉来自地幔的热对流。

35. 二十一世纪的科学技术

36. 21世纪科学技术发展总趋势(1) 一、中心科学技术的转移 1.信息科学技术 目前是发展高峰期，预计其中心科学 技术的地位还可持续四十年。 2.生命科学技术 现在已开始注重其发展与应用，预计 21世纪30年代开始将逐步转变为中心 科学技术。 3.认知科学技术 智能化趋势现已显露，预计21世纪70 年代开始将成为科学技术发展的中心

37. 21世纪科学技术发展总趋势(2) 二、世界科技中心（地区或国家）的转移 中国（公元3世纪—公元13世纪）→ 意大利（1540年—1610年）→ 英国（1660年—1730年）→ 法国（1770年—1830年）→ 德国（1810年—1920年）→ 美国（1920年— ）→ 可能转向东方（日本、中国）

39. 高技术及其产业的领域 (1) 信息科学技术（包括微电子、光电子科学技术） (2) 生物科学技术（包括生命科学技术） (3) 新能源科学技术（包括核能科学技术） (4) 新材料科学技术（包括纳米科学技术） (5) 环境科学技术（包括地球科学技术） (6) 航空航天科学技术（包括空间及军事科学技术） (7) 海洋科学技术（包括地球科学技术） (8) 先进制造科学技术（包括微机电系统科学技术） (9) 管理科学技术（包括软科学技术） (10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术）

40. 21世纪改变人类的科学技术 科学 技术 物质科学 信息技术 生命科学 生物技术 纳米技术 能源技术

42. 人 脑 ●人脑有大脑、小脑、桥脑、髓质四部分，有1000亿个神 经元，每个神经元与2万个其他神经元联系，总计有 2000万亿个神经网络。 ●左大脑分为理解语言和形成句子(说话)两个区域，两区 域互有联系。破坏任一部分或其间联系，就发生问题。 ●右大脑能进行图像识别和艺术思维。是大脑主管创新思 维的部分。 ●左(右)脑分别联系人体的右(左)部分。锻炼人的左(右) 手(脚)能提高人脑右(左)部分的功能。 ●电脑能模拟逻辑思维，很难理解图形和艺术。 ●人脑的思维、想像、情感的奥秘远未揭开。 ●人脑的研究将形成智能(认知)科学，它是带动下世纪一 切基础科学研究的科学。

43. 科技创新

44. 科技创新的主力是青年人 爱因斯坦于1905年提出狭义相对论，年仅26岁。 玻尔的原子结构理论诞生于1912年，其时他不过 27岁。 海森堡建立量子矩阵力学时不过24岁。 狄拉克23岁为量子力学找到普适的数学工具，26 岁建立了相对论性量子理论。 1953年4月25日，英国《自然》杂志刊登了沃森 和克里克关于DNA双螺旋结构模型，其时沃森25 岁，克里克也不过37岁。 哥德尔25岁提出并证明了哥德尔不完备定理。 图灵1936年提出图灵机概念，时年24岁。

45. 大学生阶段作出了巨大创新 1. 牛顿(I.Newton)1665年(22岁)发明微积分; 2. 图灵（A.M.Turing）1936年（24岁）提出图灵机概念； 3. 埃克特(J.P.Eckert)1946年(时为研究生)与莫切利 (J.W.Mauchly)发明计算机; 4. 皮兹(W.Pitts)1943年(时为博士生)与麦克科洛奇 (W.McCulloh)提出神经元的数学模型; 5. 卡尔曼(Kalman)1960年(时为研究生)提出可控性、可观 测性、最优控制理论及卡尔曼滤波； 6. 佩特里(Petri)1972年(时为博士生)提出Petri网; 7. 密歇根大学的许多博士生在上世纪60年代进行了遗传算 法的开创性的研究; 8. 比尔.盖兹1975年(1973年19岁时离开哈佛从商)创办微软 公司,现已连续8年为世界首富。

46. 关于创新的几个 值得思考的问题

47. 关于创新的几个值得思考的问题 1. 为什么中国中学生参加科学奥林匹克竞赛屡屡取 得世 界冠军, 而大学毕业后与科学上的世界大奖就无缘了? 2. 为什么三大数学猜想不是中国人提出的? 3. 我国学人大都学过马克思主义哲学, 为什么没有用彻底 的 唯物辩证法精神去挑战传统理论? 例如为什么电子可 一分为二的想法不是中国人提出的? 4. 中外科学史表明: 许多重大的科学创新成就并不一定来 自名人, 也不一定来自科研条件好的地方, 为什么在中国 本土上还没有产生一位诺贝尔奖获得者? 5. 究竟什么制约、甚至妨碍了创新？

48. 科普与创新（费马大定理的证明） 1. 什么是费马大定理? 勾股定理: X2+Y2=Z2 费马大定理: Xn+Yn=Zn 在n>2时没有正整数解 2.美国数学家安德鲁•怀尔斯受科普读物影响而终成大器 1）与哥德巴赫猜想齐名的费马猜想是由法国人皮埃尔•德•费马于1637年提出的, 300多年来难住了一代代数学家。 2）怀尔斯出生于英国剑桥（1953），1980年移居美国。1963年他十岁时在回家的路上的图书馆里，看到埃利克•坦普尔•贝尔写的科普读物《大问题》，受到吸引，产生了爱好，于是终身从事数学。后来成为数学博士、教授，并一直为实现童年梦想奋斗。终于在1994年十月证明了费马大定理，他的论文发表在1995年5月的《数学年刊上》。 3）费马大定理的证明被誉为20世纪的重大科学进展之一。

49. 关于哥德巴赫猜想问题（1） 1.德国人哥德巴赫在1742年写给大数学家欧拉的信中提 出这一猜想:任何一个大于2的偶数都是两个素数之和。 简记为 “1+1”。 2.1920年，挪威数学家布朗改进了有2000年历史的埃拉 多然尼氏的“筛法”，证明了 “9+9”。 3.1924年，德国数学家拉代马哈证明了 “7+7”。 4.1932年，英国数学家埃斯特曼证明了 “6+6”。 5.原苏联数学家布赫夕塔布于1938年与1940年分别证明 了 “5+5” 与 “4+4”。 6.1952年中国数学家华罗庚在中科院数学所组织并领导 了“哥德巴赫猜想讨论班”。

50. 关于哥德巴赫猜想问题（2） 7.1956年,中国数学家王元证明了 “3+4”，同一年，原苏 联数学家阿•维诺格拉多夫又证明了 “3+3”，1957年， 王元又证明了 “2+3”。 8.1962年,中国数学家潘承洞证明了 “1+5”，1963年，潘 承洞和巴尔巴恩又都证明了 “1+4”。 9.1965年,阿•维诺格拉多夫、布赫夕塔布与意大利数学 家朋比尼证明了 “1+3”。 10.我国数学家陈景润再对筛法做了新的改进后,终于在 1966年证明了 “1+2”,取得了迄今为止最好的成果。35 年过去了，哥德巴赫猜想问题仍然没有解决。