科技前沿与创新

科技前沿与创新朱剑英教授南京航空航天大学主要内容一、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、科技创新科学技术的重要意义爱因斯坦的相对论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＝mc2E一能量，m一质量，C一光速航天科技的伟大成就(1)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(2)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。“神五”冲宵梦圆今朝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。莱特兄弟发明飞机(1)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(2)•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。美国波音客机B747空中客车A380协和号客机协和号超音速客机：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。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。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。米格-291977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。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。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苏37军用机•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。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）。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”。二十世纪的科学技术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。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。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。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。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（OnComputernumberswithanApplicationtotheEntscheidungs-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。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。二十一世纪的科学技术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）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）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