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1上海微系统与信息技术研究所上海市老科协中科委联合举办第六次科技革命高培德2012,05,222•在2011年9月21日举行的第十三届中国科协年会上，中国科学院院长白春礼在题为《新科技革命的拂晓》的报告中指出，历史经验表明，全球性经济危机往往催生重大科技创新与突破。当今，一些重要科技领域已显现出革命性突破的先兆，新技术革命和产业革命初现端倪，世界正处于新一轮科技革命的“拂晓”，挑战与机遇并存，中国科技工作者应将目光投向黎明，勇做第六次科技革命“领头羊”。3一、概述•在人类历史上，科技、文明和现代化是相互促进的。人类的历史是一部不断创新的历史（表1）。从人类诞生到21世纪末，人类文明进程可分为4个时代：工具时代、农业时代、工业时代和知识时代。工业时代按技术特点分为三个阶段——机械时代（18世纪开始）、电气时代（19世纪开始）、电子时代(20世纪40年代开始)；知识时代按技术特点也分为三个阶段——信息时代（20世纪70年代开始）、再生时代（预计21世纪20年代开始）、宇航时代（预计21世纪下半叶）。4人类文明进程具有周期性、加速性和周期转移性特征•有些文明要素遵循进化论，从低级到高级，从简单到复杂，如科技的发展等。有些文明要素的变化具有周期性，如权力分配从原始民主、封建专制到现代民主，个人权利从原始平等、等级制度到现代平等。人类文明进程的发展周期在加速：工具时代为200多万年，农业时代为5000多年，工业时代为200多年，知识时代预计为100多年。5有些文明要素如生产力水平的提高和科技进步等也在加速•例如：世界平均的人均GDP的年增长率，在公元1000-1700年期间约为0.05%，在公元1700-1950年期间约为0.5%，在1973-1998年期间约为1.33%。在人类历史上，文明发展方向发生了3次转变。在工具时代，采集、狩猎和社会化是人类发展的主导方向。在农业时代，种植、畜牧和满足生存需要成为文明发展的主导方向。在工业时代，工业、服务业和满足物质生活需要是文明发展的主导方向。在知识时代，知识、信息和满足精神生活需要成为文明发展的主导方向。随着人类文明发展方向的周期性转移，文明前沿和文明中心周期性转变，文明和现代化的主导产业、生活需求也在周期性转变。6各种技术普及速度对照7世界范围信息家电量增长(WorldwideInternetApplianceShipment,byType,1997-2002E)8人类历史上革命性创新和历史进步9•世界现代化与科技革命是相互促进的。在18-21世纪，世界现代化的前沿过程可分为两个阶段和6次浪潮。其中，第一次现代化是从农业经济和农业社会向工业经济和工业社会的转变，第二次现代化是从工业经济和工业社会向知识经济和知识社会的转变。其中，第一次现代化包括3次浪潮：机械化、电气化和自动化；第二次现代化包括3次浪潮：网络化、仿生化和体验化（表2）。10世界现代化的前沿过程的两个阶段和6次浪潮注：第5/6次浪潮是一种预测，先行国家的第6次浪潮是先后发生的，后发国家可以把几次浪潮的内容压缩在同一个时期进行。产业革命指18世纪以来的产业革命。11•第一次工业革命（蒸汽时代）开始的时间是1765年英国人哈格里夫发明珍妮纺纱机为开始标志到十九世纪50年代英国基本完成以机器生产代替手工劳动的工业革命这一阶段被称为蒸汽时代是因为瓦特在1781年发明的蒸汽机正式投入到工厂，以后广泛应用与纺织、采煤、冶铁等个行业。•第二次工业革命开始的时间是19世纪下半叶，1831年法拉第发现了磁电感应现象，到1865年德国人西门子发明了发电机，1870年比利时工程师格拉姆发明了电动机，电力在工业领域开始代替蒸汽成为主要的能源和动力的来源，之后一系列与电有关的发明也开始应用与生产和生活如电话电灯电报电影，所以以电力的广泛使用的第二次工业革命被称为“电气时代”12•第三次科学技术革命：20世纪四五十年代兴起的新的技术革命，发展速度远远超过以前所有的时代，在原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得重大突破，标志着新的科学技术革命的到来，人们称之为第三次科学技术革命。•第三次科技革命(自动化)具有技术群体化、科技社会化和发展进程高速化这三大突出特点。13•第四次科技革命(信息化)指70年代以来以微电子技术及通信技术为核心的新兴技术群引起的当代技术领域的巨大变革。第四次工业革命的序幕是1995年-2005年互联网信息革命的初期,2006年-2012年正式进入第四次工业革命,也就是互联网信息革命,2030年左右结束。•也有人认为：世界第四次产业革命将是新能源革命。14摩尔定律:集成度以几何级数方式增长15•一些新的学科（如机器人学、仿生学、定向组装工程学、进化学）相继诞生，基于这些新学科还不断衍生出许多新技术、新产品（如仿生机器人、分子计算机、地球生命支撑系统—生物圈和大气的动态模拟、综合性药物等）。16英国聊天机器人会说40种语言爱卖弄风情17分子计算机结构和运算说明：A）状态和符号编码；B）硬件；C）软件；D）输入；E）通过符号复合与分解进行计算18在2000-2020年间通过NBIC（纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学）会聚实现纳米级系统创新19•由于人类发展和世界现代化的科技需求是全方位的，发达国家与发展中国家的科技需求有所不同，只有部分需求可以引发科技革命。引发科技革命的科技需求，可以从不同角度进行分析，一般而言，它与人类文明的世界前沿有关；与科技革命的判断标准有关；发达国家的科技需求与科技革命的关系更加紧密。(1)基于人类的科技需求分析。人类的生存和发展离不开4个要素（表3）：空间、能源、物质和信息。生存空间涉及陆地、海洋、太空和外太空等。20人类发展的四种要素和科技需求21不同时代工业、农业服务业和信息业所占比重22•在农业时代，人类面临的重大问题是生存压力，民以食为天，它的需求属于基本需求，科技发展主要是农学、天文学和实用技术等。在工业时代，人类面临不断增长的物质生活需要，它的需求属于基本和中级需求，科技发展主要是与物质生产相关的科技，包括现代科技的各门学科。而在知识时代，人类的物质生活已经非常丰富，面临的压力主要是提高生活质量和满足精神生活需要（如健康长寿和遨游太空等），这种需求属于高级需求。•如果说，18-20世纪的重点是认识自然、改造自然和满足人类的需求，那么21世纪的科技重点将是人类认识自己、改造自己和适应太空环境，全面提高生活质量，提高人类发展可持续性和适应宇航时代的需要。23美国国家导弹防御系统（NMD）第7次拦截飞行试验示意图24美国空基激光武器飞机进行立体空间作战示意图251969年7月16日阿波罗11号首次登月。今日探测和开发月球氦-3核聚变能已成为探月的主要目标之一26美国宇航局“好奇”号火星车2012年8月登陆火星，ChemCam火星机器人将利用激光分析火星表面的物质，最大工作距离可达到23英尺27•(2)基于人心理学的科技需求分析。20世纪40年代美国心理学家马斯洛提出的“需求层次理论”具有广泛的影响力。他把人的需求划分为5个层次：生理需要、安全需要、情感需要、尊重需要和自我实现需要。28人的需求层次和相应的科技需求29GeminoidF还能模仿人类的声音说话和唱歌，拥有65种面部表情30•(3)基于科技革命标准的科技需求分析。在世界科技史层次上，科技革命大致有3个判断标准：①显著改变人类的思想观念；②显著改变人类的生活方式和生产方式；③社会影响人口覆盖率一般超过50%（估计数）。其中科学革命需要满足条件①和③，技术革命需要满足条件②和③。31技术革命:•第一次工业革命（蒸汽时代）开始的时间是1765年英国人哈格里夫发明珍妮纺纱机为开始标志到十九世纪50年代英国基本完成以机器生产代替手工劳动的工业革命这一阶段被称为蒸汽时代是因为瓦特在1781年发明的蒸汽机正式投入到工厂，以后广泛应用与纺织、采煤、冶铁等个行业。•第二次工业革命开始的时间是19世纪下半叶，1831年法拉第发现了磁电感应现象，到1865年德国人西门子发明了发电机，1870年比利时工程师格拉姆发明了电动机，电力在工业领域开始代替蒸汽成为主要的能源和动力的来源，之后一系列与电有关的发明也开始应用与生产和生活如电话电灯电报电影，所以以电力的广泛使用的第二次工业革命被称为“电气时代”32科学革命:•第三次科学革命发生在19世纪末到20世纪初，X射线、电子、天然放射性、DNA双螺旋结构等的发现，使人类对物质结构的认识由宏观领域进入微观领域。相对论和量子力学的建立使物理学理论和整个自然科学体系以及自然观、世界观都发生了重大变革，有机化学、分子生物学与基因工程、生物技术、微电子与通讯技术飞速发展，标志着科学发展进入了现代时期。33•综合人类学、心理学和科技革命标准的相关分析，可以解释和理解16世纪以来的科技革命。16世纪和20世纪的两次科学革命，改变了人类对物质世界的认识，形成了新的世界观和方法论；工业时代的技术革命主要发生在物质、能源和电讯技术3个方面，并扩散到运输方面，主要满足人类物质生活的基本和中级需要；知识时代的科技革命可能主要发生在信息、生命和空间科技3个方面，并扩散到能源和物质科技方面，它将满足人类生活的高级需要，包括文化生活、健康长寿和太空生活的需要。34二、历次科技革命介绍•在过去的500年里，世界上先后大约发生了五次科技革命（表5），包括两次科学革命和四次技术革命，其中第五次科技革命包含了第3、4次技术革命。这五次科技革命推动了世界现代化的前四次浪潮。第一次科技革命（第一次科学革命）促使近代物理学的诞生，第二次科技革命是由蒸汽机诞生掀起的机械革命，第三次科技革命是电气和运输革命，第四次科技革命（第二次科学革命）是相对论和量子力学革命，第五次科技革命是电子和信息科技革命。3516世纪以来科技革命与产业革命的关系36•注：根据《科技革命的历史、现状和未来》一书，电子技术和信息技术革命分别是第3、4次技术革命（钱时惕.2007）。根据《科技革命与中国现代化》一书，电子技术和信息技术革命属于第3次技术革命的组成部分（中国科学院编著.2009）。37•科学革命存在一种“蘑菇效应”，一个重大科学突破往往会引发一簇相关科学的突破，最后形成一次改变科学范式和人类观念的科学革命。16世纪以来历次科技革命的结构和特点见表6：3816世纪以来科技革命的历史结构39•第1次科学革命，发生于16～17世纪,主要涉及两个学科：天文学和物理学。从哥白尼的《天体运行论》到牛顿的《自然哲学的数学原理》，前后历经144年。以哥白尼的“日心说”为代表,后经开普勒、伽利略,特别是以牛顿为代表的一大批科学家的推动，建立了近代物理学的理论体系和实验研究方法，为近代科学的形成和发展奠定了重要的基础。40•第2次科学革命，发生于20世纪上半页,以化学、物理学、生物学的重大理论突破为内容。主体部分包括相对论（1905-1916）、量子论（1900-1905）、量子力学（1911-1926）以及X-射线、放射线和电子的发现，使人类对物质结构的认识由宏观领域进人微观领域。相对论和量子力学的建立使物理学理论和整个自然科学体系以及自然观、世界观都发生了重大变革，第2次科学革命的“扩展部分”涉及天文学（宇宙大爆炸）、粒子物理学、遗传学（基因和DNA双螺旋）、现代地学（板块学说）和计算机科学等；并促使有机化学、分子生物学与基因工程、生物技术、微电子与通讯技术飞速发展，标志着科学发展进入了现代时期。41•第2次科学革命，X射线、电子、天然放射性、DNA双螺旋结构等的发现，使人类对物质结构的认识由宏观领域进入微观领域。相对论和量子力学的建立使物理学理论和整个自然科学体系以及自然观、世界观都发生了重大变革，有机化学、分子生物学与基因工程、生物技术、微电子与通讯技术飞速发展，标志着科学发展进入了现代时期。42•第3次科学革命（即曾邦哲的第四次科学革命）预期发生在21世纪中后期，是系统科学、新老三论与计算机、人工智能、纳米化学、生物医药等科学的集成与方法整合