现代科技基础科学概述

现代科学技术的基础科学，主要指的是数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学等学科。虽然它们有的历史非常悠久，但在现代都注入了新的内容，从而构成了现代科技知识体系的基石。

一、数学

数学，是利用符号语言研究数量、结构、变化以及空间模型等概念的一门学科。透过抽象化和逻辑推理的使用，在计数、计算、量度和对物体形状及运动的观察中产生。数学的基本要素是：逻辑和直观、分析和推理、共性和个性。作为人类思维的表达形式，数学反映了人们积极进取的意志、缜密周详的逻辑推理，以及对完美境界的追求。

今天，数学被普遍使用在自然和社会研究的各个领域，包括科学、工程、医学和经济学，等等。数学在这些领域的应用通常被称为应用数学，有时亦会激起新的数学发现，并导致全新学科的发展。数学家也研究纯数学，也就是数学本身，而不以任何实际应用为目标。不过，许多以纯数学开始的研究，之后却会发现许多应用。

作为一门基础科学，数学具有与理、化、天、地、生这些学科不同的自身特点：①高度抽象。如，数学中的数字与具体的事物并不紧密关联，几何学中的点、线、面也与现实对象的其他性质无关。再如，复数、函数、微分则是更高的抽象概念。②精确性高。数学命题的证明是建立在精密逻辑推理上的，因此，数学的结论是无可争辩和确定无误的。③应用广泛。数学几乎渗透到人类实践活动的各个领域。数学已成为生产、科技、国防以及日常生活的必备知识。

20世纪以来，随着现代科学技术的发展，现代数学也呈现出多姿多彩的局面，其主要趋势可以概括为如下几点：①数学的对象、内容在深度和广度上都有了很大的发展。分析学、代数学、几何学的思想、理论和方法都发生了惊人的变化，数学知识体系不断分化、不断综合的趋势都在不断加强。②电子计算机进入数学领域，产生巨大而深远的影响。作为应用数学之一的计算数学得到了迅猛发展。③数学渗透到几乎所有的科学领域，并且起着越来越大的作用，纯粹数学不断向纵深发展。

现代数学的分支学科有：广义代数学、广义几何学、广义分析学、数理逻辑、计算数学。在上述的分支学科之下，又有许多的分支，如：广义代数学下的数论、运筹学等；广义几何学下的解析几何、微分几何、拓扑学等；广义分析学下的数学分析、微分方程等。而这些分支下面还有分支。此外，数学与其他学科还形成了许多交叉学科和横断学科。

当代国际数学界最关注的研究领域有：模糊数学、突变理论、离散数学、非标准分析等。

二、物理学

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。物理学研究的内容包括：①对我们所在的宏观和微观世界的基本要素——物质 （实物和场）的时空特性及其相互作用的描述。②支配物质运动及相互作用的背后原因、规律。为大量严格的实验所验证的物理学规律被称为物理学定律，其通常以数学的形式表达出来。然而，如同其他很多自然科学理论一样，这些定律中有些不能直接证明，其正确性只能通过反复的实验来检验。

物理学具有如下学科特点：①真理性。物理学的理论和实验揭示了自然界的奥秘，反映出物质运动的客观规律。②和谐统一性。物理学历史上的几次理论大统一，均显示出物理学和谐统一的美感。牛顿的万有引力定律把天上和地下所有宏观物体统一了；爱因斯坦的质能关系式把质量和能量统一了；等等。③简洁性。物理规律的数学语言，体现了物理简洁、明快的特性。④对称性。对称一般指物体形状的对称性，深层次的对称表现为事物发展变化或客观规律的对称性。如：作用力与反作用力、正粒子与反粒子、正物质与反物质、正电和负电等的对称。⑤预测性。正确的物理理论，不仅能解释当时已发现的物理现象，更能预测当时无法探测到的物理现象，如：麦克斯韦电磁理论预测电磁波存在，卢瑟福预言中子的存在，狄拉克预言正电子的存在。⑥精巧性。物理实验具有精巧性，其设计及方法上的巧妙，可以使物理现象的表现更加明显。

物理学研究的对象，包括从基本粒子到超星系团等所包含的物质及其表现出的现象。因而，依据物理学研究对象的尺度，物理学研究可分为以下四大领域：①凝聚态物理。研究物质宏观性质。凝聚态指的是由大量粒子组成、粒子与粒子之间有很强的相互作用的系统。最熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成。②原子、分子和光学物理。研究原子尺寸或几个原子结构范围内的、物质与物质以及光与物质的相互作用。这三个研究领域通常被合并在一起讨论，因为它们之间关系密切，都使用类似的方法，所涉及的能量尺寸也很相近。③粒子物理。研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用，也称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中与其他粒子高能碰撞下才出现。④天体物理。将物理的理论和方法应用于研究星体的结构和演变、太阳系的起源以及宇宙的相关问题。

物理学与其他许多自然科学息息相关，如数学、化学、生物、天文和地质等。特别是数学和化学。化学与某些物理学领域的关系深远，如量子力学、热力学和电磁学，而数学是物理研究所使用的最基本工具。

今天，物理学已成为分支、门类众多的知识体系。首先，物理学可简单分为经典物理学和现代物理学。经典物理学包括力学 （牛顿力学）、光学、声学、热学、电磁学等分支学科，这些分支学科下又衍生出许多分支、交叉、横断学科。现代物理学是以相对论和量子力学的理论学说为基础的学科体系，与经典物理学及其他科学学科衍生出许多分支、交叉、横断学科，如，天文物理学、引力物理学、等离子体天文物理学、粒子物理学、核子物理学、粒子天文物理学，等等。

三、化学

“化学”一词，若单是从字面解释，就是 “变化的科学”。化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。化学研究的对象涉及物质之间的相互关系，或物质和能量之间的关联；尤其是研究化学反应，它涉及原子和其他原子的相互作用，特别是与键的相互作用。

化学亦经常被称为 “中心科学”，因为它把物理学与其他科学，如地学和生物学等连接起来。同时，化学在与物理学、生物学、地学、天文学等学科的相互渗透中，得到了迅速的发展，也推动了其他学科和技术的发展。例如，核酸化学的研究成果使生物学从细胞水平提高到分子水平，建立了分子生物学；对各种星体的化学成分的分析，得出了元素分布的规律，发现了星际空间有简单化合物的存在，为天体演化和现代宇宙学提供了实验数据。

化学是一门历史悠久而又富有活力的学科，是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，它的成就是社会文明的重要标志。化学对人类文明发展发挥着重要的作用。化学保证人类的生存，并不断提高人类的生活质量。如，利用化学生产化肥和农药，以增加粮食产量；利用化学合成药物，以抑制细菌和病毒，保障人体健康；利用化学开发新能源、新材料，以改善人类的生存条件；利用化学综合应用自然资源和保护环境；化学日益渗透到生活的各个方面，特别是与人类社会发展密切相关的重大问题，以使人类生活得更加美好。化学的核心知识已经应用于科学技术的各个领域，成为人类改造自然的重要支柱力量。

化学在发展过程中，依照所研究的分子类别和研究手段、目的、任务的不同，派生出不同层次的许多分支。在20世纪20年代以前，化学传统地分为无机化学、有机化学、物理化学和分析化学四个分支。20世纪20年代以后，由于世界经济的高速发展，化学键的电子理论和量子力学诞生、电子技术和计算机技术兴起，化学研究在理论上和实验技术上都有了新的突破，导致这门学科从20世纪30年代以来飞跃发展，出现了崭新的面貌。

现在一般把化学分为无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学、核化学、生物化学七大分支。这些分支下还有许多学科，构成了化学的学科体系。主要的分支学科如下：

——无机化学：元素化学、无机合成化学、无机高分子化学、无机固体化学、配位化学 （络合物化学）、同位素化学、生物无机化学、金属有机化学、金属酶化学等。

——有机化学：普通有机化学、有机合成化学、金属和非金属有机化学、物理有机化学、生物有机化学、有机分析化学。

——物理化学：结构化学、热化学、化学热力学、化学动力学、电化学、溶液理论、界面化学、量子化学、催化作用及其理论等。

——分析化学：化学分析、仪器和新技术分析。

——高分子化学：天然高分子化学、高分子合成化学、高分子物理化学、高聚物应用等。

——核化学：放射性元素化学、放射分析化学、辐射化学、同位素化学等。

——生物化学：一般生物化学、酶类和微生物化学、植物化学、免疫化学、发酵和生物工程、食品化学等。

其他与化学有关的边缘学科还有：地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等。

20世纪后期以来，随着人们对环境保护的重视，世界上很多国家都把“化学的绿色化”作为当代化学发展的主要方向之一，从而诞生了 “绿色化学”。

“绿色化学”又称 “环境无害化学”“环境友好化学”“清洁化学”。它实际上是一个化学学科群，涉及有机合成、催化化学、生物化学、分析化学等学科，内容广泛。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。

绿色化学不但有重大的社会、环境和经济效益，而且说明化学的负面作用是可以避免的，显现了人的能动性。绿色化学体现了化学学科中科学、技术与社会的相互联系和相互作用，是化学高度发展以及社会对化学发展的作用的产物。绿色化学对化学学科本身而言，标志着一个新阶段的到来。

四、生物学

生物学是自然科学的一个门类，是研究生物的结构、功能、发生和发展的规律以及生物与周围环境的关系等的科学。生物学源自博物学，经历了实验生物学、分子生物学而进入了系统生物学时期。

生物学的研究对象是生物。地球上现存的生物估计有200万～450万种；已经灭绝的种类更多，估计至少也有1500万种。从北极到南极，从高山到深海，从冰雪覆盖的冻原到高温的矿泉，都有生物存在。依据进化的程度，生物系统被分为3总界下的6界。3个总界是：非细胞总界、原核总界和真核总界，代表生物进化的3个阶段。非细胞总界中只有1界，即病毒界。原核总界分为细菌界和蓝菌界。真核总界包括植物界、真菌界和动物界，它们代表真核生物进化的3条主要路线。

生物学的基本研究方法有观察描述、比较和实验等。这些方法是在生物学发展进程中逐步形成的。在生物学的发展史上，这些方法依次兴起，成为一定时期的主要研究手段。现在，这些方法综合成为现代生物学研究方法体系和研究框架。

生物学的分支学科各有一定的研究内容而又相互依赖、互相交叉。此外，生命作为一种物质运动形态，有它自己的生物学规律，同时又包含并遵循物理和化学的规律。因此，生物学同物理学、化学有着密切的关系。生物分布于地球表面，是构成地球景观的重要因素。因此，生物学和地学也是互相渗透、互相交叉的。

现代生物学的主要分支学科如下：

——动物学领域：动物生理学、解剖学、胚胎学、神经生物学、发育生物学、昆虫学、动物行为学、组织学等。

——植物学领域：简单地可概分为普通植物学和应用植物学。普通植物学包括植物分类学、植物生理学、植物形态学、植物解剖学、植物地理学、生态学、藻类学等。应用植物学包括农艺学、园艺学、花卉学、植物育种学、林学、植物病理学等。

——微生物和免疫学领域：微生物学、免疫学、病毒学。

——生物化学领域：生物化学、蛋白质力学、糖类生化学、脂质生化学、代谢生化学。

——演化和生态学领域：古生物学、演化论、演化生物学、分类学、系统分类学、生态学、生物分布学。

——现代生物技术学领域：生物技术学、基因工程、酵素工程学、生物工程、代谢工程学、合成生物学。

——细胞和分子生物学领域：细胞学、分子生物学、遗传学、表观遗传学。

——生物和物理学领域：生物物理学、结构生物学、医学工程。

——生物和医学领域：感染性疾病学、毒理学、放射生物学、癌生物学。

——生物和信息领域：生物信息学、生物数学、仿生学、系统生物学。

——环境和生物学领域：大气生物学、生物地理学、海洋生物学、淡水生物学。

除了上述以外，随着分子生物学上的更多突破，加上人类基因序列定序完成，依据大量的基因资讯，发展出基因组学、基因库。在解读基因密码之后，基因产物——蛋白质间的相互作用，又发展出蛋白质组学等。

生物学作为一门基础科学，与人类生活的许多方面都有着非常密切的关系。传统上它一直是农学和医学的基础，涉及种植业、畜牧业、渔业、医疗、制药、卫生等方面。随着生物学理论与方法的不断发展，它的应用领域不断扩大。现在，生物学的影响已突破上述传统的领域，而扩展到食品、化工、环境保护、能源和冶金工业等方面。

五、天文学

天文学是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。主要通过观测天体及其发射到地球的辐射，发现并测量它们的位置、探索它们的运动规律、研究它们的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。

天文学是以观测为基础的科学。与其他自然科学的实验方法不同，天文观测是一种被动的实验。通常，观测的对象距离观测者极其遥远，本身的尺度极大，演化时间极长；而且往往涉及一些极端的物理条件，如高温、高密度、强磁场等，这些条件通常在地面的实验室中是很难模拟和再现的。天文学家经常遵循 “观测—理论—观测”的方法来进行研究，即提出理论来解释一些天文现象，然后再根据新的观测结果，对原来的理论进行修正，或者用新的理论来代替。

天文学的研究对象是宇宙中的各种天体。随着天文学的发展，人类的探测范围由目测的太阳、月球、天空中的星星到达了距地球约100亿光年以外的距离。根据天体的尺度大小，天文学的研究对象可以分为：

——行星层次：包括行星系中的行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、流星体以及行星际物质等。太阳系是目前观测了解最深入和细致的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。

——恒星层次：现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳只是无数恒星中很普通的一颗。

——星系层次：太阳系处于由数百亿颗恒星组成的银河系中，银河系是一个普通的旋涡星系，银河系以外还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了星系群、星系团和超星系团等更大级别的天体系统。

——整个宇宙：一些天文学家提出了比超级星系团还高一级的总星系，总星系是人类目前所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100亿光年。

天文学的学科分支，按照天文学家的工作性质，可简单地分为理论天文学与观测天文学两种。天文学观察家常年观察天空，将所得到的信息整理后，理论天文学家才可能发展出新理论，解释自然现象并对此进行预测。按照研究方法，天文学可分为：天体测量学、天体力学、天体物理学。按照观测手段，天文学可分为：光学天文学、射电天文学、红外天文学、空间天文学。进行其他更细的分类形成的分支学科还有很多，如：星系天文学、超星系天文学、高能天体天文学、太阳系天文学，等等。

在天文学研究中最热门也最难令人信服的课题之一，就是关于宇宙起源与未来的研究。关于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性、影响最大、也有最多人支持的，就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约140亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，产生各种基本粒子。随着宇宙温度进一步下降，物质由于引力作用开始塌缩，逐级成团。在宇宙年龄约10亿年时，星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。

当代天文学研究中有许多非常热门的研究课题。例如：中微子振荡问题、日震与星震、超新星、类星体和活跃星系核、宇宙微波背景辐射、脉冲星、中子星和奇异星、黑洞和吸积盘、重力透镜、γ射线暴、重力波的探测、X射线双星、星系团、暗物质与暗能量，等等。

六、地学

地学，也称地球科学，指一切研究地球的科学，是行星科学的专门分支。通常会以物理、地理、地质、气象、数学、化学、生物的角度研究地球。地球是人类的家园，人类自出现以来，一直十分关心赖以生存和发展的地球的状况，从而萌生各种地学概念。地学有时也特指地质学和地球物理学的统称。地学研究的目的是为了更好地开发和保护地球表面的自然资源，使人地关系向着有利于人类社会生产和生活的方向发展。

地学的研究对象是地球，包括地球的时、空、源。主要内容有：①地球的结构：层圈状；②地球的构造：指地球各个部分之间的关系，以及它们的分布规律及演化。如大气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核，壳幔作用，山脉—盆地，大陆—海洋；③地球物质：各种元素、矿物、岩石、矿床、地层，它们的分布及其迁移富集规律；④地质事件：地壳运动在地表的反映，如地震、火山、海啸、褶皱、断裂等；⑤预测和预防将来发生的地质事件。

地学具有不同于其他学科的特点。主要表现为以下几点：

（1）强调野外调查或观测。野外调查或观测是地学研究的首要工作。调查岩层分布、记录天气变化、观察潮汐起落和观测星星、月亮、太阳等，都属野外调查。经过详细的观察、分析、归纳，整理出地学的理论。所以，野外调查为地学研究最基本的工作。

（2）时空尺度范围广大。地学探讨事物所用的时空尺度范围很广，地表的天气现象分秒之间瞬息万变，所用的时间单位小至分、秒；而星球从诞生到灭亡的过程，则以数亿年计，因此时间尺度从秒、分、时乃至数亿年，皆有例可寻。

（3）重视地域性。地学有非常强的地域性。例如，中国的台湾由于位于第一大洋太平洋和第一大陆块欧亚大陆之间，所以天气变化多端。而中国大陆的天气相对而言，便非常稳定。

（4）整合性。地学是一门 “上通天文，下知地理”的学科，举凡人们脚下所踩的土地、分秒所呼吸的空气，还有跟我们生活息息相关的海洋以及朝夕相处的星星、月亮、太阳乃至整个宇宙，都是研究的对象。科学家用各种理论来研究地球，例如，数学帮助计算彗星的运动轨迹、气团的移动和地震的规模；物理学用来研究地球的重力场、星体间的引力作用、锋面或洋流的移动；借由化学知识，可以分析岩石的化学组成；而生物学的原理，则帮助了解化石所隐含的意义，进而建立演化的架构。所以地学是一门整合性的学科。

地学的分支学科主要有：地质学、地球物理学、大气科学、海洋学、水文学、气象学、自然地理学、地形学、土壤学、矿物学、古生物学、沉积学、大地测量学、环境科学、地球化学，等等。