第三节 现代的科学
一、20世纪初的物理学革命
(一)物理学革命的背景
牛顿经典力学体系的建立实现了物理学的第一次理论大综合。
能量守恒和转化定律的发现实现了物理学的第二次理论大综合。
经典物理学所取得的辉煌成就，使当时不少科学家感到陶醉，认为物理理论已接近最后完成，今后的工作只需把公式中各个常数测定得更精确一些而已，一切问题都可以应用现有理论加以解决。然而就在此时，经典物理学体系已开始出现危机。
危机来自所谓的“经典物理学大厦上空的两朵乌云”——19世纪末两个用经典理论无法解释的实验事实——“以太之迷”和“紫外灾难”，以及X射线、电子、天然放射现象这三大发现，由此揭开了20世纪物理学革命的序幕，迎来了一场物理学革命的疾风骤雨。
1.“以太之迷”
按照经典物理理论，满足波动的充要条件是波源的振源和振动传播的媒介，两者缺一不可。因为没有传播媒介，振动就不能传播成波动。
麦克斯韦指出光是电磁波，这一点已被赫兹实验证实。但让人不解的是，光波可以在没有媒介存在的空间——真空中传播，这与经典物理理论波动的充要条件相矛盾。因为按照一般理解，真空是不存在任何物质的空间状态，所以作为一种波动形式，光是不能够传播的。那么，是否存在某种特殊的物质形式，充当了光的传播媒介呢?
此时，人们将注意力引向了笛卡儿、惠更斯一直沿用的物理学概念——“以太”。古希腊时，人们无法想象天体何以能够悬在太空中，于是就假设太空中弥漫着“以太”这种“特殊物质”，它可以支撑天体，也能够透射光亮。近代以来，惠更斯等人一直假设“以太”是光的传播媒介。但是，“以太”是否真实存在呢?
1887年，美国迈克尔逊(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)设计了一个精致实验，来寻找“以太”的存在。
实验的思路是:假设太空中弥漫着“以太”，那么，当地球运动时，就有一个相对于“以太”的速度，因此，按照经典物理速度叠加原理，在地球上发出不同方向的光束，由于受地球相对“以太”速度的影响，其合速度应该是不一样的。这项实验的目的就是要测量不同方向的光速差值，人们称这个差值为“以太飘移”。
然而，实验的结果是否定的，没有观测到“以太漂移”——这就是所谓的“以太之迷”。
由于该项实验的设计具有无可争议的精确性，于是人们开始提出疑问，解释光的运动是否真的需要“以太”帮忙?人们对时空、对运动的认识是否存在缺陷?由“以太之迷”促成了人们对一些最基本的物理问题的探讨。
实际上，马赫等人之前就已经注意到牛顿经典物理学绝对时空概念的缺陷，“以太之迷”使人更加关注此一问题。英国菲兹杰拉德(F.Fifzgerald)与荷兰洛伦兹(H.A.Lorentz)出于维护经典物理的目的，对与光学相关的空间、速度的经典概念进行了修正，但囿于牛顿的绝对时空概念，未能在理论上作出根本性突破。
这样一来，经典物理学在物质、空间、时间、运动这些基础概念上出现的危机，竟成了一场深刻的科学革命的先兆。
2.“紫外灾难”
“紫外灾难”是人们研究热黑体辐射问题所假设的现象。
所谓黑体，是1859年德国基尔霍夫定义的热辐射模型，意为能完全吸收电磁辐射，完全没有反射和透射的理想物体。用不透射的器壁围住的空腔，其热辐射性能近似于黑体。
1879年，德国斯特凡在实验中发现，黑体辐射能量密度的积分与其绝对温度的4次方成正比。
1896年，德国维恩(W.Wien)给出了一个描述黑体辐射分布的半经验公式，该式在高频部分与实验吻合得很好，在低频部分则与实验不一致。
1900年，英国瑞利(J.W.S.Rayleigh)给出了另外一个公式，它在低频部分与实验相符，而在高频辐射(紫外光区)部分与实验值相差甚远，而且随着频率向紫外光区的增加，黑体辐射的能量密度单调增加，趋向无穷，这显然是荒谬的。
因为维恩和瑞利都是从经典物理理论为出发点提出的上述假设，所以在这里遇到了“紫外灾难”——在紫外光区外推得到“趋向无穷”的荒谬结果。它暴露了经典物理学在解释辐射能量方面的致命缺陷。
3.三大发现
(1)X射线
早在19世纪30年代，法拉第就发现了真空放电现象。
1879年，英国布鲁克斯制成高真空度玻璃管，两端极通电后，阴极发出一种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。
1895年，德国伦琴(W.K.Rontgen)研究阴极射线激发玻璃壁发生荧光时，意外发现放电管附近用黑纸密封的照相底片感光了，说明管内发出了一种能穿透底片密封层的射线。由于不了解其本性，伦琴权且称它为X射线。
由于X射线具有极强的穿透力，在医学上很有用处。因此，这个发现一经公布，就引起了很大轰动效应。伦琴由于发现X射线而成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人。
(2)天然放射性
由于阴极射线冲击玻璃管壁产生X射线的同时，在管壁上也产生了荧光，作为研究荧光世家的法国贝克勒尔(H.A.Becquerel)马上联想到，X射线是否与荧光有关。
于是找来发荧光的物质做实验，结果并不产生X射线。
后来，又用不易得到的属于荧光物质的铀盐继续他的实验。
1896年，他将铀盐放在用黑纸包严的照相底片上，在日光照射下，铀盐发出荧光，并使底片感光。他认为可能是x射线使底片感光了。
凑巧在研究过程中，有一次连续几个阴天，放在密封底片上的铀盐不能产生荧光。但奇迹出现了，铀盐使底片感光的能力丝毫没有减弱，显然这种能力与荧光无关。
进一步研究之后，贝克勒尔得出结论，这种新射线是从铀原子本身发出的，不受外界条件影响。
法国皮埃尔·居里(P.Curie)和他的波兰妻子玛利·居里(M.Curie)注意到贝克勒尔的发现具有十分重要的价值。他们很快就发现不仅铀具有放射性，其他元素如钍、钋、镭等同样也具有放射性。居里夫妇和贝克勒尔因此获1903年诺贝尔物理学奖。
(3)电子
有关阴极射线本性的问题在物理学界争论不休。
德国物理学家大都认为是“以太”，英国人则认为是带电粒子流。
1897年，英国汤姆生(J.J.Thoms)用实验证明，阴极射线在电场和磁场作用下均可发生偏转，其偏转方式与带负电粒子相同，这就说明阴极射线确实是一种带负电的粒子流。
他测定了这种粒子所带电核与质量比，发现它的荷质比跟氢离子的荷质比相比，要大上1800倍左右。
之后汤姆生进一步证明了该粒子流所带电荷与氢离子属同一量级，这说明其质量只有氢离子的1/1800左右。
后来，汤姆生采用了英国斯通尼(G.J.Stoney)首创的“电子”作为这种粒子的名称。意即它是电荷的最小单位。这一发现使微粒说战胜了“以太”说。
X射线、天然放射性和电子的发现，打开了原子的大门，推翻了从古希腊到19世纪恪守不变的“原子不可分，元素不可变”的传统观念，展现了新的从未见过的物质运动形式。
这些事实表明，原子只不过是保持物质化学性质的基本单元，并非物质组成结构的最终极限。它打破了经典物理学终极真理的界限，迎来物理学新世纪的曙光。
(二)物理学革命的历程
20世纪初叶的二三十年，物理学领域出现了令人眩目的理论和实验成就，彻底改变了人们对物质世界基本性质的认识，将人类认识世界的范围扩大到了日常经验无法直接把握的微观世界和无垠宇宙。在这里，人类的智慧和创造性再次得到了验证。
1.相对论
相对论是关于时间、空间和物质运动之间关系的理论，其内容包括狭义相对论和广义相对论，是德国青年爱因斯坦(A.Einstein)于1905年和1916年分别创立的。
经典物理把时间、空间视为绝对的，与物质及其运动无关。经典电磁理论认为电磁波(包括光)是在一种具有弹性的、可压缩的、无引力的、无处不在的、称为“以太”的媒介中传播的。然而“以太漂移”实验得到了无法证实以太存在的“零结果”。
面对以太存在的否定结果，爱因斯坦抛弃了当时绝大多数物理学家的见解，独辟蹊径，否定绝对静止的以太坐标系，承认受到实验支持的伽利略相对性原理，作出了全新的时空理论和物质运动理论的构建。
(1)狭义相对论
1905年，他发表了一篇具有划时代意义的论文《论动体的电动力学》，即狭义相对论。
狭义相对论只涉及在惯性系中高速(即接近光速)情况下，空间、时间、质量与运动的关系。
经典力学中的空间间隔、时间、时间间隔、同时性都是绝对的量，时空彼此独立，它们都与运动无关。而相对论中的空间间隔、时间、时间间隔、同时性都变成了相对的量，时空不可分割而与运动紧密联系在一起。
①基本原理
·相对性原理
各种物理定律在所有惯性参照系中都是相同的，不存在特殊的惯性参照系。
这样，“以太”就成为一个多余的概念。
在实验事实的基础上，他又提出了第二个原理。
·光速不变原理
在所有惯性参照系中，不管光源是静止或是作匀速直线运动，其光束在真空中的传播速度是常数。
这个重要假设，反映了人们在光速或接近光速运动状态下对运动性质和时空性质的全新认识。
依据这个假设，“以太漂移”实验的零结果就是自然而然的结果，因为在地球这个近似惯性参考系中，不同方向上的光速必然都是同一个常数。
②重要结论
·“同时”的相对性
关于二事件发生的先后或是否“同时”，以经典力学的时空观观点看，是绝对的。但以相对论的时空观观点看，在不同的参考系看是不同的。
·尺缩效应
运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短。
·钟慢效应
运动的时钟要比静止的时钟走得慢。
·多普勒效应
当光源相对于观察者运动时，所观察到的光谱线频率发生变化，称为多普勒效应。
用相对论可以计算这种变化:当光源的速度远小于光速时，计算公式与经典结果一致。而当光源运动方向跟观察者的视线方向垂直时，按经典理论将不会有多普勒效应，但按相对论仍会出现这种效应，称之为横向多普勒效应。
·质量和能量
在经典力学中，质量是不随观察者改变的，是绝对的。但相对论指出，质量是相对的，是随观察者而改变的。
若一个物体相对于观察者静止，其质量称为静止质量m0。
如果它相对于观察者运动，它的质量就变为相对质量。
当速度趋于零时，相对质量等于静止质量。
相对论进一步得出质能关系:E=mc2，这个方程式表明:
质量为m的物体具有大小等于mc2的能量。
当物体静止时，E= E0=m0 c2，此时尽管物体不具有动能，但仍具有“静能”。
质量和能量关系表明，能量守恒与质量守恒可合并成一个定律，即质能守恒定律。
·极限速度与经典理论极限
相对论指出，任何物体的速度不能超过光速c，光速是宇宙的上限速度。即，任何静止质量m0不为零的粒子，不可能达到光速;而以光速运动的粒子，其静止质量m0为零。
狭义相对论发表后，引起科学界的一片哗然，但也受到普朗克、郎之万等物理学家的高度评价。
爱因斯坦的大学老师、德国闵可夫斯基(H.Minkowski)是最早认识狭义相对论重要意义的科学家之一。1907年，他为爱因斯坦理论提供了用虚数i表示的第四坐标——时间坐标，连同三维空间坐标，结合在一起，组成四维时空。最初，爱因斯坦并未意识到闵可夫斯基时空的重要性，但不久他就发现，这个闵可夫斯基时空为狭义相对论发展到广义相对论提供了必不可少的手段。
狭义相对论使人们对客观事物的认识提高到一个新的高度。
当物体的运动速v＜＜c时，狭义相对论可以转化为经典理论，因而经典理论可以看成狭义相对论在特殊条件下的表现。
但狭义相对论也有它的适用范围——只有在弱引力场的作用下，引力的影响可以忽略不计，狭义相对论的结论才是正确的;而在引力场比较强的条件下，引力影响不容忽略，从大的范围看来，就不是惯性系统，就不能用狭义相对论而要用广义相对论来描述了。
(2)广义相对论
在许多科学家还无法接受相对论这一全新时空观的时候，爱因斯坦又开始了将狭义相对论推广到非惯性系(加速运动的参考系)中去的思想实验——升降机实验，并用数学手段证明了伽利略早已揭示的惯性质量同引力质量相等这一人所共知的古老事实。
1916年，在他发表的总结性论文《广义相对论的基础》中完成了广义相对论的创立。
①基本原理
·广义相对性原理
自然定律在任何参考系中都可以表示为相同的数学形式，即自然规律同我们引入的坐标系无关。
·等效原理
一个存在引力场的惯性系与一个不存在引力场的加速运动的非惯性系是等效的。或者表述为，一个小空间范围内的万有引力和某一加速系中的惯性力相等效。
广义相对论实际上是一种引力理论。
爱因斯坦建立了引力场方程，他把几何学和物理学统一起来，用一种不同于我们日常经验所习惯的非欧几何结构表述引力场的性质，他告诉人们，空间的几何性质的变化与引力场的不同分布直接相关。通俗地讲，也就是，有物质分布的空间，就不是严格的平坦空间，而是弯曲的空间。空间弯曲的程度与引力场的强度成正比。在引力场中不同地点，时钟的快慢是不同的，引力越强的地点，时钟越慢。
②重要推论
·恒星光谱的引力红移
·光线在引力场中的偏转
③广义相对论同牛顿引力理论的本质区别
广义相对论用场的概念代替了“超距”作用。物质的存在不仅产生引力场，而且引起时空特性的变化。在广义相对论中，时空是弯曲的，其曲率取决于物质的分布，引力不过是弯曲时空的“效应”。从广义相对论的观点来看，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量，使太阳周围的时空发生了弯曲，并不是因为存在什么引力的缘故。根据等效原理，引力场中的光线要弯曲。
(3)相对论的实验验证
爱因斯坦相对论自1905年到1916年完整创立，其中得出的重要结论和推论，一百年来不断经受实验的验证。到目前为止，还未发现任何实验与相对论的思想相悖。
①狭义相对论的实验验证
·π介子衰变为光子的实验，证明了光源速度不影响光速。
·飞行介子实验及原子钟环球航行实验，证明运动时钟延缓。
·电子电磁偏转实验，证明质量对速度的依赖关系。
·原子核发射X射线实验、氢的极隧射线实验及运动原子对光的饱和吸收效应等实验，证明横向多普勒效应或等效于运动时钟变慢。
·闭合光路、单向光路及运动光源等实验，证明光速不变。
·尺缩效应尚无直接实验，但可证明它是钟慢效应的结果。
·核反应实验，证明质能关系。
②广义相对论的实验验证
广义相对论的实验验证是很困难的，因为地球及太阳的引力场是相对论时空，对于惯性系的时空偏离程度太小。
到目前为止，实验只有四个。
·验证水星在近日点的进动
1845年，法国勒维耶(Leverrier)发现了水星近日点的进动，依牛顿引力计算存在每百年43弧秒的误差而无法解释。六十一年之后，爱因斯坦依相对论的引力论计算，表明水星近日点每百年本来就应有43弧秒的进动，与观测结果吻合。
·验证光线在引力场中的偏转
1919年5月恰好要发一次日全食，英国同时派出两支观测队分赴西非和巴西，这次观测成功证实了爱因斯坦关于光线经过强引力场要发生偏转的预言。
·验证恒星光谱的引力红移
“红移”指的是光在引力场中传播时，光谱线频率降低的变化，即向红端移动。
1925年，美国亚当斯(W.S.Adams)对天狼伴星光谱线的观测证实了引力红移。
20世纪60年代，人们观测到太阳上钠原子发出的光谱线的引力红移，与广义相对论的计算吻合精度在1%以内。
·验证雷达波引力延迟
1964年至70年代初，美国科学家利用向水星(或金星)发出雷达波的往返时间延长证明了由于太阳引力场影响而使雷达波路途弯曲。
后来，美国用飞船代替金星，实验精度提高到千分之一左右，与预言符合。
·对加速运动的质量将发射引力波的预言，以及因地球自转引起的引力各向异性的验证的实验还在探索中。
爱因斯坦先后创立的狭义相对论和广义相对论，否定了牛顿的绝对空间和绝对时间观念，是整个自然科学时空观念的一次重大变革，他深刻揭示了空间、时间、物质、运动之间的对立统一关系。把牛顿力学理论作为一种特殊情形概括在内。相对论不仅表明了时间和空间的统一，而且也表明物质和运动的统一。还深刻揭示了电和磁的统一，机械运动和电磁运动的统一，以及能量和动量的统一。相对论既是微观物理学的基础，也是天体物理学和宇宙学的基础，是物理科学的第四次大综合。
2.早期量子论
“紫外灾难”如同“以太之谜”一样，使整个经典物理学陷入了困境。
1900年，从事热力学研究的德国麦克斯·普朗克(Max K.E.L.Planck)也在关注着这一领域的动态，他用一种内插数学方法，找到了可以协调维恩和瑞利研究结果的黑体辐射能量分布公式，这个公式与黑体辐射能量的高频和低频部分的实验数据都吻合得很好。这是个令人鼓舞的成果。
普朗克在处理黑体辐射问题时，采用了有悖经典的能量均分原理的新思维。
他提出将能量分为一份份不连续数值的假说，每一份不连续的能量单元就是所谓的“能量子”，他还指出，黑体吸收和辐射的所有能量值，都是“能量子”的整数倍。“能量子”里面有一个因子，即普朗克常数。
对他的能量子假说，引起了物理学界的争议。连他本人也感到不安，总想找一个与经典物理吻合的连续概念来取代“能量子”的概念。
普朗克量子假说提出后，并未引起了人们的足够重视。
爱因斯坦看到了它的重要价值。他赞成能量子假说，并由此联想到:物体是由一个个原子组成的，是不连续的，而光却是连续的，这是个矛盾。
为了解释光电效应，1905年，在普朗克量子假说的基础上，爱因斯坦提出了光量子(光子)的概念。这是光的波粒二象性思想的发轫，他大胆提出光和原子、电子一样具有粒子性。并认为光在发射、传播和与物质相互作用时，光的能量也是不连续的，每一次发射和吸收的能量值都是光量子的整数倍，光量子即是普朗克的“能量子”。
爱因斯坦的光量子理论很好地解释了光电效应现象，这是对量子论逐步形成的第一个推动力。
早期量子理论的诞生如爱因斯坦建立狭义相对论之初一样，受到多数科学家的冷遇，甚至反对，因为又一次触痛了经典物理这根神经。
3.原子结构理论
天然放射现象与电子的发现，使人们意识到原子不再是组成物质的最小单位。物质结构有比原子更深入的层次。由于原子是电中性的，那么可以肯定原子中还有带正电的部分。据此，人们提出了原子结构的种种猜测。
1901年，法国佩兰(J.B.Perrin)提出原子中心是带正电的一些粒子，外面围绕着一些电子的原子模型。
1903年，汤姆生提出了正电荷均匀地分布在整个球体上，电子对称的嵌在球体中的所谓“葡萄干蛋糕”模型。
与此同时，日本长冈半太郎提出了电子均匀分布在一个环中，环中心是一个具有大质量带正电的球的所谓土星模型。
1911年，汤姆生的学生，新西兰卢瑟福(E.Rutherford)通过α粒子散射实验否定了汤姆生的模型，提出了类似于佩兰和长冈半太郎的行星系有核模型，或太阳系模型。
卢瑟福和助手们做了用α粒子(α粒子是1903年卢瑟福研究放射性镭所发出的三种射线之一，并用实验证明α射线是氦的正离子流)轰击金属箔的实验。结果表明:绝大多数的α粒子都能顺利通过金属箔，只有极少数被大角度散射(即被弹回和折射)。卢瑟福由此推知原子的正电荷必然集中在很小的核上。他于是提出原子中心有一个带正电的原子核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量;电子很轻小，并在核外的空间里绕核运动。这仿佛是一个小太阳系。
卢瑟福原子模型与α粒子散射实验一致，但也使经典理论遇到了困难。这是促进量子论形成的第二个推动力。
其模型中绕核运转的电子有向心加速度，依经典理论，电子将在作圆周运动的过程中自动放射能量，丧失本身功能，轨道半径将逐渐靠近原子核，很快就会坠落到原子核上，造成原子瞬间(据计算在10－12秒内)毁灭。而事实上原子是一个稳定系统。另一方面，电子能量逐渐减少，应该发射出连续光谱，然而实验观察到的，却是不连续的分立的线状光谱。以上两个实验事实，是卢瑟福原子模型无法解释的。
1913年，卢瑟福的学生，丹麦玻尔(N.Bohr)巧妙地将普朗克量子假说与卢瑟福原子模型结合起来，提出了原子的量子化轨道理论，即氢的量子化轨道模型。
他认为，可以假定原子中的电子所具有的能量满足量子化条件:
(1)原子中的电子只能在特定轨道上绕核运动，不同轨道能量不同，电子在同一轨道上运动时既不发射能量也不吸收能量，称之为稳定态。
(2)原子中的电子可以由一个稳定态轨道(亦称能级)跃迁到另一个稳定态轨道。
(3)当电子从较高能级(离核较远的轨道)向较低能级((离核较近的轨道)跃迁时，它们就发射电磁波，即放出能量;反之就吸收电磁波能量。依据普朗克能量子公式(E= hν)，就可推算出电子在轨道跃迁时吸收或发射的电磁波的频率v，与两个轨道之间的能量差值成正比例关系。显然由于电子在原子中稳定态的能量分布是分立的，那么由此所得的光谱线的频率自然也是分立的。
利用玻尔的原子结构模型，较好地解决了原子的稳定性问题，并成功的解释了氢原子光谱线的观测事实。使原子物理学与光谱学很好地结合起来。
4.量子力学
玻尔原子理论突破了经典理论的框架，是量子论发展中的一个重要里程碑。
但是，玻尔将电子看成经典力学的质点，运动时具有完全确定的轨道，又不能解释多电子原子光谱。因此，玻尔理论是经典理论和量子理论的混合物。玻尔旧量子论又面临困境。
好在不久这一困境就被突破了。
1923～1925年中，法国德布罗意(L.V.P.deBroglie)和德国海森伯(W.K.Heisenberg)、奥地利薛定谔(E.Schrodinger)，从两个不同侧面，向玻尔的量子理论发起了冲击。
1923年，德布罗意提出物质波理论，将量子论发展到一个新高度。
他首先注意到原子所发出射线的波动性与粒子性问题。经长期思考，突然意识到爱因斯坦的光量子理论及光的波粒二象性的思想，应该将之推广到一切实物粒子，尤其是电子。于是他提出电子也是一种波的理论，并预言电子束穿过小孔时也会发生衍射现象。1924年，他写出博士论文“关于量子理论的研究”，更系统地阐述了物质波理论，大胆假设实物粒子同光子一样也具有波粒二象性，并做出对物质波的数学描述，指出物质波既不同于机械波也不同于电磁波，而是一种新的几率波。不久，实验物理学家观测到了电子的衍射现象，证实了德布罗意波的客观存在。这样一来，经过普朗克、爱因斯坦到德布罗意的努力，人们终于认识了微观世界的基本特征。
沿着物质波继续前进的是薛定谔。
当他得知德布罗意物质波概念时，马上接受了物质波的观点，并提出粒子不过是波动辐射上的“波包”。并采用波函数来描写微观粒子的波动性，建立了波动方程，取得了与实验证据非常吻合的结果。波动力学就此诞生了。
稍早一些，海森堡已经写出了“关于运动学和力学关系的量子论的重新解释”的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。他完全抛弃了玻尔理论中的电子轨道、运行周期这些经典的但却是不可观测的概念，代之以可观察量，如辐射频率和强度。海森堡的工作受到他的老师波恩(Max Born)的高度重视。波恩发现海森堡的方法正是数学家早已创造出的矩阵运算，波恩系统的解释了量子波动的物理意义，并将海森堡的思想发展成为系统的矩阵力学理论。在英国，另一位青年人狄拉克(P.A.M.Dirac)改进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。
波动力学和矩阵力学的创始者们一开始还互相敌视，认为对方的理论有缺陷，到了1926年3月，薛定谔发现这两种理论在数学上是完全等价的，就此双方消除了敌意。之后两大理论统称为量子力学，到此实现了物理科学的第五次大综合。
而薛定谔的波动方程由于更宜于掌握，成为量子力学的基本方程。
量子力学虽然建立了，但关于它的物理解释却众说纷纭，莫衷一是。
波动方程中的“波”是什么?薛定谔本人认为，它就是一种物质波，而其粒子性只是波的某种密集，即“波包”。
波恩则认为，电子的粒子性是基本的，它的波函数表征的是电子这种粒子某时某地出现的几率。
1927年，海森堡提出了微观领域里著名的测不准关系，即任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量一个，另一个就完全测不准，海森堡称它为“测不准原理”。
波尔敏锐地意识到，它正好表征了经典概念的局限性，因此以之为基础，提出了“互补原理”，认为在量子里总是存在互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补，构成了量子力学的基本特征。这一互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦等人强烈反对，并始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种“绥靖哲学”。
爱因斯坦与波尔之间的争论持续了半个世纪，直到他们本人各自去世也没有完结，是物理学史上时间最长，最富有哲学意义的一场激烈争论。
(三)物理学革命的影响
十九世纪末、20世纪初的物理学理论经历了一场翻天覆地的大变革，无论在规模上还是在深刻程度上都是空前的，这场革命在科学技术以及人们的思想观念上都产生了极其深远的社会影响。
1.物理学革命实现了科学体系核心基本观念的巨大质变
19世纪末、20世纪初，在物理学中出现的一系列新发现，都是不能再与经典物理学基本观念相容的“反常知识”。以量子论、相对论、量子力学的建立为标志的物理学革命，正是重建物理学理论架构的科学观念的变革过程。
19世纪末以前的经典物理学基本概念，是从经典力学中承袭下来的。法拉第和麦克斯韦的电磁理论引入“场”的概念，已孕育了改变经典物理观念的萌芽，但尚未危及整个经典理论构架的稳定。
狭义相对论的建立，第一次从根本上改变了经典理论的基本观念。
——不存在绝对不变的时间和空间;时空都成为了依赖于物质运动状态的物质存在形式;时间和空间相互联系，构成了四维的“时—空连续区”。
——质量和能量都是物质的度量，在这一点上两者已不再有重要区别。
——实物和场也没有了重要的区别，相对论加强了场的概念在科学理论中的作用。
广义相对论的建立，又进一步改变了经典理论的基本观念。
——由于不可能用实验判断一个参照系是在加速还是在作匀速运动，而其类似加速的观察结果仅是由引力场所致。这样就“粉碎了惯性系这个概念”(《爱因斯坦文集》第一卷，许良英，范岱年编译，商务印书馆，1976，第390页)。
——时空性质是非欧几何的，时空弯曲又与质量分布有关。这样，空间—时间本身就完全丧失了独立存在的权利。它只是场的一种结构性质的体现。
而量子力学的建立，标志了科学观念的完全确立。它不仅把粒子和波作为物理学所研究的物质实在最终统一起来，而且从根本上改变了对微观客体的运动的描述方式。
——量子力学用以描述“粒子”状态的是波函数，而波函数的意义是数学的统计解释，故此，经典理论的机械决定论便被抛弃了。
——海森堡的“测不准关系”，致使象经典力学所认为的“某个质点某一时刻具有某种位置和速度”的观点都失去了意义。“在量子物理学中，掌握个别物体随时间而变化的定律是没有地位的。代替它的是掌握几率随时间而变化的定律”(爱因斯坦、英费尔德《物理学的进化》，周肇成译，上海科学技术出版社，1962年，第185页)。
至此，构成物理理论的基本概念都已被改变。新的物理学向世人展现了更加令人惊异的世界图景，并成为其他学科进一步发展的基础，带动了现代科学的全面飞跃。
2.物理学革命开创了现代科学技术的崭新局面
——这场革命导致了自然科学的一系列新发现，扩大了物理学本身的研究领域，如分子物理、凝聚态物理、等离子体物理以及粒子物理等新兴学科相继诞生。
——同时产生了一些富有重大实用价值的分支学科，如X射线、放射性元素的发现，用于医疗实践，开创了理疗新领域。
——物理学革命还扩展到化学、天文学、医学、生物学等领域，促使一些有重要意义的新学科的产生。
——现代技术的发展与革命是建立在现代自然科学理论基础上的，而19世纪末以来的物理学革命迎来了近代以来的第三次工业革命，又一次证明了自然科学理论对技术的重大指导作用。
——物理学革命也孕育出一大批科学家和发明家。他们创造了一整套行之有效的思维方法和具体研究方法。在他们的思想财富中，有着自发的唯物主义和丰富的辩证法思想。他们尊重事实、重视实验，在实验事实的基础上提出假说，又用实验事实进行验证，不断促进理论的发展。
3.物理学革命给哲学世界观和认识论带来了深刻影响
在物理学革命中诞生的相对论和量子论是人们的思想观念的一次大飞跃。它使人们对物质世界的认识深入到新的层次和领域，发现了许多宏观低速领域所不曾有过的物质运动规律，使物理学的基本观念得到了彻底改变。
这引起了当时以马赫为代表的一些科学家的思想混乱，并倾向了唯心主义。物质转化能，能存于人们的观念之中，所以运动只存于概念之中——他们的结论是:“一种健全的唯心主义终将取代物理学的粗糙的唯物主义成为自然哲学的基础。”
在这种情势下，列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中，运用辩证唯物主义原理，针锋相对地批判了以马赫为代表的唯心主义思潮，从哲学上作了概括和总结:
(1)物理学的新发现只是推翻了形而上学的唯物主义，而不是推翻一般的唯物主义，反而更加证实辩证唯物主义。
(2)哲学上，物质的唯一特性——客观实在性是永远也不会消失的。辩证唯物主义关于物质的概念也是永远不会过时的。但是自然科学对物质、时间、空间、运动的认识界限是可以打破和消失的，它们只具有相对真理性，人们将随着实践的发展而不断加深自己的认识。
(3)自然科学家要重视哲学思维，学习唯物辩证法，做一个辩证唯物主义者。自然科学家要和哲学家结成联盟，共同解决自然科学提出的新问题。
二、现代物理学的深入发展
(一)核物理的重大突破
1.中子和质子的发现
第一次世界大战中断了微观物理学的实验研究工作，战后立即得到恢复和发展。
大战前，卢瑟福等曾用强磁场作用于镭，发出的射线被分成三部分。其中偏转小带正电的部分命名为α射线;偏转大带负电的部分命名为β射线;不发生偏转且穿透力最强的部分命名为γ射线。之后又实验证明α射线是氦核粒子流;β射线是电子流;而比X射线波长更短的γ射线是光子流。α、β、γ都是由原子核内发出的，而X射线则是由核外电子能量变化所发出的电磁波。
1903年，卢瑟福等还发现放射性元素在发出α、β、γ射线后会衰变为原子量更小些的另外一种元素。研究表明各种不同元素的原子核是不相同的，那么，原子核究竟是什么样的结构，它又有那些新“东西”在里面?自然引起人们的探索欲。
1919年，卢瑟福用α粒子作“炮弹”去轰击氮原子核，实验结果证明氮原子核蜕变成氧原子核，第一次实现了人工核蜕变。
同年，他又用α粒子轰击氢，证明了所产生的带正电的粒子是氢原子核，并命名为质子，其电性跟电子相反而带电量相等，使原子呈电中性。
由此推之，一个原子中如果有两个带负电的电子，这个原子的核里就只能有两个带正电的质子。但实验表明除了氢以外，原子核的质量数总是大于正电荷数，基于这个事实，卢瑟福在1920年提出，在体积极小的核里，质子与电子不能独立存在，而会结合为一个不带电的中性粒子，这种粒子的质量与质子几乎相等。
1930年，德国玻特(W.Bothe)等人用α粒子轰击原子铍核，实验中发现产生了一种比X射线和γ射线穿透力都强的射线。
1932年，英国查德威克(J.Chadwick)证明了这种射线就是中子流，验证了卢瑟福的预言。
同年海森堡等提出了原子核由质子和中子组成的模型，并认识到一个电荷数为Z、质量数为A的原子核含有Z个质子和(A—Z)个中子。质子和中子通称为核子。
2.重核裂变和轻核聚变
中子的发现大大加速了原子核物理的研究。
1934年，居里夫妇用α粒子轰击铝原子核，发现α粒子与铝结合后变成了磷的同位素，它是自然界不存在的，稳定性极差，是一种具有放射性的元素。这一重大发现证明了，人工也能产生放射性元素。
1935年，意大利费米(E.Fermi)和他的同事们改用中子做“炮弹”，因为中子不受原子核中正电荷的排斥。几个月的时间里先后轰击了63种元素，得到了37种放射性元素。
在用中子轰击银时，发现在中子源和银靶之间放有石蜡时，银的放射性提高了100倍。费米认为这是由于中子在到达银靶之前，先击中了石蜡里的氢核(质子)，速度被减慢了，在银核周围停留时间更长了，故此慢中子更容易被银核所俘获。此后，他用水代替石蜡，并用进一步的实验证明了慢中子效应，从此，开创了用慢中子进行核反应的方法。
1938年，德国哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)用中子轰击铀时，发现产生出原子量大约为铀的一半的元素钡。这是重原子核裂变的发现。这个重大发现很快被世界上19个研究所用不同的方法所证实。依据当时对原子核物理的认识，很多科学家预测了一个铀核的裂变过程可能产生几个中子，而这些中子又可以引起其他铀核的裂变。这就是所谓“链式反应”。果然几个月后，这个预测同时在法国、英国和美国得到了实验证明。根据爱因斯坦的狭义相对论推论质能公式E=mc2计算，重核裂变时所释放的能量比普通化学反应大百万倍，这种能称为原子能或核能。
二次大战爆发后，在费米的领导下，美国在1942年建成了第一坐原子反应堆;1945年又制造成了第一颗原子弹。人类开始了对核能的开发和利用。
在发现重核裂变产生巨大能量之后，物理学家们还发现把轻核聚变成中等质量的原子核时会放出更为巨大的能量。能够产生核聚变反应的元素主要有氢的同位素氘和氚，氘在氢元素中大约占1/6000。一吨海水中含有0.03千克氘，通过聚变反应放出的能量相当于300升汽油燃烧时所放出的热能。海水中总共含有氘3×1019吨，若全部转变为聚变能量，比裂变能多一千万倍。聚变反应不会产生核污染问题。受控热核反应是目前科技界最为关切的问题之一，这一研究工作正在缓慢取得进展。
(二)粒子物理的重大进展
粒子物理学是研究比原子更深层次的微观粒子其内部结构和转化规律的科学。由于研究这些微观粒子需用很高能量，故又叫高能物理学。
人们常把比原子更小的物质单元，包括电子、质子、中子等粒子通称为基本粒子。但“基本”只是相对而言，并不表征物质的最后、最简单元。随着微观精细结构的科学探索，已经表明所谓基本粒子还有更深层次的东西蕴藏其中。
1.三代基本粒子的发现
在认识到原子核由质子和中子组成之后，物理学家开始探索是什么力将带正电的质子与不带电的中子紧密结合在一起形成原子核的。
到发现中子为止，人们只知道基本粒子有电子、质子以及作为辐射单元的光子共四种。
1930年，狄拉克从理论上预言了还存在电荷为正的反电子。
1932年，美国安德森(C.D.Anderson)在宇宙射线中发现了反电子。
1959年，中国王淦昌等人发现了反西格玛负超子。
这些都为反物质的存在提供了证据。
同一年，英国布莱凯特等人发现了宇宙射线中的簇射现象，发现光子可以转化为正负电子对。而中国赵忠尧发现，正负电子对又可以湮灭为两个光子。这表明基本粒子并不是永恒不变的，在一定条件下相互转化。
这些宇宙射线，来自“天外”不稳定的放射源物质。而大量的非放射性元素，其原子核是稳定的。这说明使质子和中子粘合的核力很强。
为了说明核力的性质，1935年，日本汤川秀树提出有一种传递核力的粒子π介子存在的预言。
1947年，美国安德森·尼德迈耶和鲍威尔等在宇宙射线中找到了汤川秀树预言的π介子，还意外发现了与原子核几乎不发生作用的μ介子。
至此人们共发现了14种基本粒子，其中质子、中子和电子构成了一切稳定的物质;光子是电磁力场的传递者;π介子是核力场的传递者，各有各的作用。另外，预言的反质子、反中子、中微子、反中微子等，都在1950年代初期通过实验得到证明。这一时期发现的基本粒子被称为第一代。它们当中多数是从理论上首先预测的。
1950年前后，人们又发现了由天外飞来，与已知粒子不同的，具有许多奇怪特点的粒子。一种是质量约为电子1000倍的K介子;一种是质量约为电子2200倍的超子。其古怪特点，一是“生得快”(约为10－24秒)，二是“死的慢”(约为10－19秒)，故称为奇异粒子。这就导致了理论上无法解释的难题。
为了证实已预言的粒子和定量研究这些奇异粒子，1950年起开始建造大型高能加速器进行实验研究。通过研究，不仅发现了反质子、反中子，还找到了一批成对产生的奇异粒子，使已认识的基本粒子达到30种。这批奇异粒子被称为第二代基本粒子。
1960年起，人们又发现了一大批寿命极短(10－22～10－24秒)的共振态粒子，使基本粒子总数达到400余种。人们把共振态粒子称为第三代基本粒子。
随着加速器能量的不断提高，1947年，美籍华人丁肇中和里西特同时各自发现了J/ψ粒子，其质量很大，与某些共振态粒子相当，但寿命却较长。这又为基本粒子的研究提出了新课题。
2.基本粒子的内部结构
随着基本粒子数量的不断增多(包括每一种粒子的反粒子)，人们开始了对其属性和结构的理论、实验研究。
基本粒子按其质量、寿命、自旋(它们都像陀螺一样绕着自身一根轴线快速自转)以及相互作用等属性，可分为:
(1)轻子(电子、中微子、μ子)
(2)重子(质子、中子、超子等)
(3)介子(π介子、K介子等)
(4)相互作用的传递子或称规范粒子(光子、中间玻色子、预言的胶子、引力子等)
由于重子和介子都参与强相互作用，故又统称为强子。
早在1930年德布罗意就提出过光子可能是反中微子复合体的想法。
1949年，费米和中国杨振宁提出π介子是由正反核子组成的观点。
奇异粒子发现后，1956年，日本坂田昌一提出强子都是由质子、中子、∧超子及其反粒子组成的复合模型。
1965年，美国盖尔曼提出强子是由带分数电荷的上夸克u、下夸克d、奇异夸克s组成的夸克模型，但他本人声明“夸克”只是一种数学符号而已。
1965年，中国朱洪元、何祚庥等提出关于强子的层子模型，同样预言了分数电荷的存在，故国内常称夸克为层子。
由于J/Ψ粒子不能用已知的三种夸克去解释，为此必须引入第四种夸克c及反夸克才能组成J/Ψ粒子。
1977年，美国莱德曼(L.M.Lederman)发现了r介子，它是由第五种夸克b和其反夸克组成，从对称性考虑，预测的第六种夸克t1995年在美国费米实验室得到证实。
目前人们还没找到一种自由夸克，科学家推测，夸克由胶子粘合在一起，这便是所谓的“夸克禁闭”的难题
丁肇中的一个研究小组1979年间证明了胶子的存在。
微观粒子分类
3.宇称不守恒与统一场论
粒子的产生和衰变过程要遵守一些守恒定律。微观领域中，与空间反演对称性相联系的守恒量叫宇称。宇称守恒定律是自然规律具有左右对称的体现。
左右对称是一个古老的观念，它体现在人类生活的许多方面。自然界中也存在着许多对称现象(例如树叶，许多动物的外形、尤其是鸟和昆虫的飞行器官)。
物理学中的对称是指运动规律的空间对称性(如人照镜子)。
1954～1956年，被称为θ和τ的两个介子除了宇称不同外，其他物理属性都相同。若说它们是不同的粒子，其物理性质又如此相似;若说它们是同一种粒子，一会衰变成两个π介子，一会儿衰变成三个π介子，又违背了宇称守恒定律。这就是令人困惑的“τ－θ”之谜。
1956年，中国李政道、杨振宇大胆提出了弱相互作用中宇称不守恒的假设，很快被美籍华人吴健雄的β衰变左右不对称实验所证实。李、杨因此重要发现获1957年诺贝尔物理学奖。
“基本”粒子间存在着多种相互作用。相互作用就是“力”。大家熟知的有万有引力和电磁力。引力只是在宏观上有显现;电磁力在微、宏观上均有显现，它们都属于长程力。此外，“基本”粒子之间还存在强力和弱力，都属于短程力，力所能及之范围只分别相当于原子半径的十万分之一和千万分之一。显然质子和中子之间的作用主要是强力，弱力一般只表现于一些粒子发生衰变的过程中。到目前为止，人们已认识到的就是这四种力。
那么这四种相互作用之间有没有共同的起源、共同的本质呢? 20世纪初，以爱因斯坦为代表的科学家致力于在理论上统一电磁场和引力场的工作，但没有成功。
经过长时间的探索，1961～1968年间，美国格拉肖(S.Glashow)、温伯格(S.weinberg)和巴基斯坦萨拉姆(A.Salam)相继提出并完善了弱相互作用和电磁相互作用统一理论。
这个弱、电统一模型，不仅可以解释这两种相互作用已有的基本规律，还给出了一系列预言。它预言存在着中性流弱作用，于1973年从实验上得到证实。更直接的检验则是它预言的三个中间玻色子W±，ZO的发现，有重要的科学和哲学意义。但预言的希格斯粒子至今尚未找到。
粒子物理学家依然存在许多疑惑:
——“夸克禁闭”何日能打开?
——希格斯粒子是否真正存在?
——从弱、电统一模型大统一模型超统一模型，弱电统一模型的扩充如何续写?
(三)凝聚态物理的重要进程
液态、液晶及固态统称为凝聚态物质。凝聚态物理学就是研究凝聚态物质的微观结构、微观运动状态、物理性质及相互关系的科学。
20世纪以前，人们对凝聚态物质的了解仅是以物性为对象的，较为肤浅的。
20世纪以后，一方面由于实验设施的进一步完善，揭示出前所未知的宏观对象和宏观属性;另一方面由于原子物理特别是量子力学的发展，因而有可能把宏观研究同微观探索结合起来，把物性考察同微观分析统一起来。凝聚态物理理论的推进与超高压、高真空、超高温、极低温、强磁场等特殊条件的获得密不可分。
1.晶体结构研究与固体电子论的建立
1911年，德国劳厄通过晶体对X射线的衍射现象，证明了X射线是一种高频电磁波，同时也证明了晶体空间点阵假说的理论。
几乎与此同时，英国布喇格(W.H.Bragg)和他的儿子W.L.布喇格借助于岩盐NaCl校准了X射线的波长，当年又制成了X射线衍射仪，为晶体研究提供了重要手段。X射线衍射分析还在生物大分子结构研究方面取得一系列重要成果。
量子力学建立后，使人们对原子中的电子分布有了更多了解。
1928年，德国索末菲用费米、狄拉克建立的量子统计理论改造了经典理论，建立了金属导电的量子理论，解决了电子对比热的贡献问题，为固体物理学(即今天的凝聚态物理)的形成和发展打下了基础。
1928年，瑞士布洛赫(F.Bloch)建立了固体能带理论，对导体、绝缘体和半导体的微观机制作了解释。如1930年对海森堡的晶体“正空穴”假设以及“掺杂”后，其导电性将显著改变作了成功解释。能带理论为半导体物理学奠定了基础。
2.高压、真空及低温物理的研究
1905～1910年间，美国布里奇曼(D.W.Bridgman)发明了压强为5×105公斤/［厘米］2的超高压装置，并进行了高压下物质的物性研究。美国通用电气公司利用布里奇曼高压装置的改进型，于1955年首次合成了金刚石。布里奇曼的高压装置的发明及其在高压物理领域中的重要发现而荣获1946年诺贝尔奖。
1910～1915年间，德国盖达先后发明了油封转动的分子泵和汞扩散型真空泵，从而产生出10－6～10－7托(1托=133.3224帕)的真空度。高真空的获得是研究固体表面性质、激光、材料加工等必不可少的条件。
早在1881年，荷兰范德瓦尔斯(T.D.VanderWaals)就开展了低温下气态和液态相互关系的研究。在此之后，人们又不断找到创造更低温条件的新途径。
1926年，荷兰德拜(P.J.W.Debye)和美国吉奥克(W.F.Giaupue)发明了产生低温的绝热去磁法。
1951年，H·伦敦提出稀释致冷法，并结合绝热去磁法得到的最低温度达0.001～0.002K。
1957年，N·库尔蒂又提出核绝热去磁致冷法，创造了到目前为止的最低温度50×10－9 K。
3.超导电性和超流性的研究
1906～1913年间，荷兰昂内斯(H.K.Onnes)发现了经典理论不能解释的汞丝降温至4.2K时电阻突然几乎完全消失的“超导现象”。进一步发现，铅在7.2K时也出现同样的效应。
1933年，荷兰W.迈斯纳和R.奥森菲尔德发现，超导体不仅具有完全电导性，而且具有完全抗磁性，被称为迈—奥效应。
1958年，美国巴丁(J.Bardeen)、库帕和施里弗应用量子理论建立超导量子论，简称BCS理论，对超导电性做了完满解释。
除了极低温度下的超导电性之外，1938年，前苏联卡皮查(P.L.Kapitza)发现，液态氦在4K冷却到2K时，经过一个转变温度点，出现粘滞系数可以看作是零的“超流动性”。即它可以从盖得很严的容器中“爬”出来，可以毫无阻碍地流过不管多细的毛细管或缝隙。
与卡皮查一道研究超导流动性的前苏联朗道(L.D.Landau)，于1941年提出二流体(由正常流体与超流体组成)模型，成功的解释了这些奇异现象。由于朗道建立了超流动性的量子力学理论，荣获了1962年诺贝尔奖。
1990年代，各国科学家从低温超导向高温超导的研究方向迈进。中国在高温超导的研究方面处于世界领先水平。
1987年，中国赵忠贤在朱经武研究的基础上，使超导转变温度提高到123K。
就整个世界来看，凝聚态物理学的其他方面，如金属物理、固体磁性、电介质物理及固体发光等，在20世纪后半叶都得到了迅猛发展。
三、现代化学的重大成就
化学是研究物质化学变化(化学运动形式)的一门科学。所谓化学运动形式是指分子、原子、离子等的分解与化合。19世纪的化学是以原子分子论为核心“研究关于不可分原子的科学”的时期。
在物理学革命之后，尤其是量子力学的发展，研究电子在分子和原子中的分布和运动构成了现代化学理论的主要内容。使化学研究进入到量子化时期。现代化学的基本特征主要表现在，学科分支越来越多;与其他学科交融渗透性更趋显著;发展迅速，应用性强。
(一)现代化学的学科
1.“四大基础化学”及其派生分支
化学在其发展进程中，由于研究领域的不断扩展，逐渐形成了各自的理论体系和研究方法，产生了无机化学、有机化学、分析化学与物理化学这“四大基础化学”分支学科。它们不断充实与发展，构成现代化学的主干学科。
(1)无机化学
以元素周期律和物质结构为理论基础，研究一切元素和无机化合物的结构、性质和化学变化的规律及其应用。
派生出配位化学、同位素化学、稀有元素化学、金属间化合物化学、无机固体化学、核化学等分支。
无机化学的发展，对于矿产的综合利用和现代原材料技术起到了重大作用。
(2)有机化学
研究有机化合物(就是碳化合物，但一氧化碳、二氧化碳及碳酸盐等简单碳化物除外)的性质、结构、化学变化规律及合成方法等。
派生出来的学科有高分子化学、元素有机化学、有机合成和生物有机化学。
(3)分析化学
研究物质化学组成的分析方法及有关理论。以定性分析、定量分析及结构分析为其基本任务。
派生出的两大分支为化学分析和仪器分析。
(4)物理化学(又称理论化学)
以应用物理学的原理和方法研究有关化学现象和化学过程。包括结构化学(如各类化学键及分子的几何构型等)、化学热力学、化学动力学、光化学、电化学和胶体化学等内容。
物理化学是整个化学学科和化学工艺学的理论基础。
2.化学与其他学科的交融渗透
现代化学的发展与其他学科的发展携手并进，互相渗透交融，从而形成了一批新的边缘学科，如化学物理、生物化学、分子生物学、天体化学、大气化学、地球化学及计算化学等。
其中物理学与化学的渊源最深。20世纪初，许多物理学家往往同时又是化学家。如物理学卢瑟福就曾获得到诺贝尔化学奖。可以说在一些领域的研究已很难区分两者的界限。物理中关于原子、分子结构理论，为解释和设计化学反应方向提供了理论依据，物理技术为化学实验快速可靠的定性、定量、结构分析和化工生产的设计提供了科学依据。
近20年来，电子计算机广泛进入化学领域，产生了一门集物理、数学、电子计算机为一体的新的边缘学科——“计算化学”或“化学计量学”。马克思指出:“一种学科只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步”。计算化学的诞生使化学学科进入一个新时代，大大加快了它的定量研究进程。
化学与生物的关系十分密切。蛋白质、核酸、酶、激素等形成生命的分子的化学组成与结构已逐个确定，深入研究这些生命分子与生物性能之间的关系，已形成了一门新兴的边缘学科——分子生物学。
此外，化学还渗透到材料科学、环境科学、生态学、农业科学、天文学、地理学、医学等多种学科当中。
(二)现代化学大发展
1.元素周期律的后续进程
自从元素周期律发现以来，新的元素迅速增加，到1905年，周期表中前92个位置绝大部分已填满，只剩下七、八个空位。
放射性元素的研究开辟了核化学的新领域。1902年，卢瑟福和英国索迪(F.Soddy)提出了元素衰变理论，索迪又引入了“同位素”概念。此后，英国莫塞莱(H.G.Moseley)发现，所谓同位素是指那些原子序数相同但原子量不同的一组元素，同位素的概念丰富了周期律的内涵。到目前为止人们发现的天然同位素达489种，另外人工放射性同位素已达2000多种。同位素的研究已被广泛地应用于医学和其他领域。
到1945年，从第1号氢到第92号铀已全部填满。
又经30多年努力，人们又先后合成了十几种超铀元素，进一步发展了周期表。
截止2011年底，国际纯化学与应用化学联盟(IUPAC)与国际纯物理学与应用物理联合会(IUPAP)已认可的元素总计114种，包括最新命名的110号元素鐽(Darmstadtium，Ds)、111号元素錀(Roentgenium，Rg)、112号元素鎶(Copernicium，Cn)以及尚未命名的114号元素、116号元素。之所以排位排到116，是因为人工合成元素113、115、118尚未获得认可。
2.现代化学结构理论和化学键概念
20世纪化学在理论上的重大突破是对化学键的认识，继而认识到原子中电子的特征和行为决定着化学现象的本质。
关于原子与原子是怎样结合的问题，19世纪已有原子价的概念，并以一短线表示原子与原子的结合，短线称为化学键。但是对原子价的实质等问题并未达到真正的了解。
20世纪以后，电子的发现促使人们开始用电子的得失考虑原子价的问题。1916年德国柯塞尔提出了电价键理论，较好地解释了离子型化合物。但对非离子型化合物却又行不通，据此，美国路易斯(G.N.Lewis)提出了共价键理论，对非离子型化合物的解释也比较满意。但这一理论将电子看作静止的，对有机化合物原子间的共价键具有方向性的问题的解释又遇到了困难。虽然如此，但是电价键和共价键理论对现代化学结构理论的形成与发展起到了积极促进作用。
量子力学建立以后，人们开始用量子力学的原理来研究分子的微观结构，由此而诞生了一门新的学科——量子化学，揭开了以化学键为中心的从较简单分子到复杂分子的研究序幕。1927年德国海特勒和美籍德国人伦敦从薛定谔的方程出发，对氢分子进行了研究，建立了新的化学键概念，弄清了两个氢原子之所以能结合成一个稳定的氢分子，是由于分子中电子运动的范围主要集中在两个原子核之间，形成了一个“电子桥”，正是它把两个氢原子核拉到一起而稳定下来。或者说，“电子云”的分布集中在原子核之间形成了化学键。“电子云”的形状可以用薛定谔方程的解——波函数来描述，这样就可知分子中电子运动的统计规律。要拉断氢分子的化学键所需能量的理论计算值与实验十分吻合。这是量子化学取得的第一个成果——价键理论。之后又开展了对多原子分子的研究，30年代初期建立了分子轨道理论。
1931年，美国鲍林提出杂化轨道理论，圆满解释了碳四面体结构的价键状态。
分子轨道理论的进一步发展是美国伍德沃德和藿夫曼于1965年针对化学反应方向提出的分子轨道对称守恒原理。中国唐敖庆在该理论基础上引入反应坐标参量，把该理论提高到半定量水平。
量子化学的化学键理论发展很快，尤其是分子轨道理论的近似计算方法不断改进，目前已发展到半定量和定量水平。由于计算机的使用，大大提高了计算速度，原子数高达几十个的分子结构只需几分钟就可完成。
到了六十年代，日本福井谦一提出了“前线”轨道理论，该理论同样表述了轨道对称性，且尽量不用高深数学模型解决化学反应相关问题。故于1981年福井谦一和藿夫曼同时获得诺贝尔化学奖。
总之，量子化学在探讨分子结构和化学反应等理论方面的重大成就，使我们看到了新材料研制和分子设计的曙光，也为生命科学的纵深研究提供了必要的条件。
3.结构化学与合成化学的新突破
20世纪30年代以来，结构化学一直发展很快。
测定结构的方法和仪器(布喇格父子制成的X射线衍射仪)精度的改进与提高，加之计算机的使用，使测定单晶体的效率提高了上百倍。到了40、50年代，凡属有代表性的无机物和有机物的晶体结构资料已有相当充分的积累。
1955年，英国人桑格测定了最简单的蛋白牛胰岛素的结构，确定了蛋白质中氨基酸的结合顺序。从此，结构化学在研究生物大分子领域上取得一系列突破。包括对青霉素和维生素B12结构的测定，从实验数据出发提出蛋白质分子的α－螺旋结构和DNA分子的双螺旋结构。50年代中后期测定了鲸肌红蛋白的晶体结构和马血红蛋白的晶体结构。国外已测定的蛋白晶体结构达40多种。我国于1971年测定了0.25nm和0.18nm的天然胰岛素的晶体结构。由于计算机技术的发展，测定晶体结构的速度加快，精度提高。现在每年可测定出4000～5000个晶体结构。
结构化学的研究成果极大地推动了合成化学的大突破，特别是为天然大分子的合成创造了条件。1940～1960年代，美国伍德沃德先后合成了喹咛碱、利血平、叶绿素、马钱子碱、胆固醇类化合物。还率领世界上数百名化学家于1972年成功合成了分子结构极其复杂的维生素B12。1965年，我国化学工作者在世界首先用化学方法合成了结晶牛胰岛素，其晶体结构和生物活性测定与天然的牛胰岛素一致。这是继人工合成尿素有机物的又一次大突破，标志着我国在胰岛素的测定与合成这两方面的研究跨入了世界先进行列，为人类认识生命现象，揭示生命奥秘作出了重大贡献。在无机化合物合成方面也有令人耳目一新的跃进。自从美国通用电器公司使用波特装置，在1727℃和70000个大气压条件下，以Ni为催化剂，第一次用人工将石墨转化为金刚石以来，截止2012年，全世界年产五十亿克拉人造金刚石，其中有四十亿克拉产自中国，中国已成为世界人造金刚石第一大国。70年代，用气相生长法，使碳氧化合物在1200℃分解生长出碳纤维，直径小于2毫米，长达25厘米，其抗拉强度比同样粗细的钢丝高出数倍。人们在70000个大气压和3000℃条件下合成的硼氮聚合物比金刚石还硬。现代计算机必需的半导体材料:50年代制得的超纯硅纯度为99.9999%，70年代制得的锗纯度是12个9，即99.9999999999%。
(三)现代化学的前沿
现代化学前沿的主要特点是综合性强，许多难题都互相牵连，专业性很强，涉及理论相当高深。
1.分子工程学
即“分子设计”，注重根据人们的需要设计出具有指定用途的新分子，从而获得各种特殊的新材料、高效无毒农药、疗效奇特的医药、人造粮食、人造器官等等。
2.量子化学
对已有理论需要完善和统一，或者说完善与其他学科形成的边缘学科。
3.现代分析化学
主要问题是探讨各种方法的相互补充与配合，研究分析方法的计算机智能化。
4.激光化学
主要是研究激光加速化学反应的问题以及激光化学诱导光刻等问题。
5.电化学
前沿问题是关于生物电化学的研究，由此可能转入光合作用的研究。
6.化学动力学
主要方向是探讨催化剂分子的设计，以探索分子的剪裁与定向合成的可能性与途径。
7.有机量子化学
研究如何使芳香过渡态理论、前线轨道理论和能级相关理论在实验基础上完善发展，最后在更高层次上达到理论统一。
四、生物学革命及其深入发展
19世纪的生物学已经弄清了遗传物质的基础是基因，弄清了基因排列与生物性状的某些关系，发现了细胞及其各部分的功能，创立了生物进化论学说，但生物学还停留在非定量、非精确描述的初级阶段。
20世纪初的物理学革命同样引起了生物学的深刻革命，其主要标志是分子生物学的诞生。生物学开始进入了定量的、分子水平的研究阶段，并取得了一系列震惊世界的科学成果，使人们有可能无机人工合成生命的物质基础——蛋白质、核酸和酶，进一步控制和改造生物的性能，按照人们的愿望创造新的生物物种。使人们加深对生命本质和起源的明晰透视与理解。
(一)遗传学的新进展与基因理论的建立
遗传和变异是生物界普遍存在的一种生命现象，对该理论的研究始于19世纪中叶，具有代表性的人物是德国魏斯曼(A.weismann)，他提出“种质连续说”，对阐明遗传学的基本原理起了一定作用。
1865年，奥地利布隆修道院的修道士孟德尔(G.Mendel)在作了11年的豌豆杂交实验，并对结果进行统计和研究、分析其内部原因以后，提出了以下假设:
·遗传性状都是以成对“因子”代表，性状有显性和隐性之分。
·当成对“因子”是显性同时存在时，则呈显性。
·只有当成对“因子”都是隐性时才呈隐性。
由此提出“分离规律”(一对性状表现)和“自由组合规律”(两对性状以上的表现)。这是生物遗传的普遍规律。遗憾的是，这一极重要的研究成果没有被他同时代的人所认识而遭埋没。直到1900年，才被德国柯伦斯(K.E0correne)、荷兰德费里斯(H.Deuries)、奥地利丘歇马克(E.Tschermak)发现。
1910年以来，以美国摩尔根(T.H.Morgan)为代表的学派进行了20多年果蝇杂交实验，其结果不仅证实了孟德尔规律，并且进一步提出了著名的“基因论”，认为遗传的基本单位是分布在染色体(细胞核中一种极易被碱性染料着色的丝状物)上的当时还不能看到的小单位“基因”，它们联合形成一定的基因连锁群，它们之间可以进行有秩序的交换，它们在染色体上有固定的位置。
至此，对于遗传物质的研究，从“种质”和“因子”到“基因”，大体持续了60年之久。遗传信息传递的载体，也从染色体缩小到“基因”。
1941年，美国比德尔(G.Beadre)提出“一个基因一个酶”的假说，认为基因具有控制酶合成作用，后来被证明这种假说是不正确的，“应该是一个基因一个蛋白质”。但是，基因究竟是什么?化学结构如何?怎样传递遗传信息?如何指导蛋白质的合成问题，人们还全然不知。
(二)生命本质认识的开端——蛋白质、核酸、酶的发现
生物大分子的基础是蛋白质和核酸。
蛋白质的名称是1836年瑞典柏尔采留斯(J.Berzelius)提出的。蛋白质由20种氨基酸组成。1902年，德国费舍尔(E.Fischer)提出蛋白质的多肽结构学说，1907年他实现了有18个氨基酸的长链合成。费舍尔的学说正确反映了蛋白质的化学结构。其后，人们又发现了生物催化剂——酶、内分泌激素等都是蛋白质，50年代后分离出丘脑下部释放因子、生物体内起免疫作用的γ——球蛋白等蛋白质。被发现的具有不同功能的蛋白质种类越来越多。
核酸是1869年瑞士米歇尔(F.Miescher)从病人伤口脓细胞核中提取出来而得名。后来经德国科塞尔(A.Kossel)及他两个学生琼斯和列文的研究，才将核酸的化学成分和基本结构弄清楚。核酸是由腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)等四种碱基与核糖和磷酸构成;它最简单的结构单体是碱基—核糖—磷酸构成的核苷酸。1929年，又确认核酸有两种，即DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)。然而列文提出的“四核苷酸说”简单化的认识曾在一段时期阻碍了人们认识核酸的复杂结构和它在遗传中的作用，导致人们用很多精力研究蛋白质的遗传信息载体问题。
从30年代起，许多物理学家也开始用X射线衍射法研究生物大分子。在核酸结构研究方面，收效不大。在蛋白质的晶体结构研究上，美国鲍林做出了重大贡献，进一步肯定了肽键是蛋白质的基本结构，同时还提出当肽键缠绕时，由于氢键的作用而呈α螺旋型。这对DNA双螺旋结构的建立产生了直接影响。
但是遗传信息载体到底是蛋白质，还是DNA?仍然是个谜。科学家继续着艰难跋涉的探索脚步。
(三)对生命本质认识质的飞跃——分子生物学的诞生
分子生物学诞生于二次世界大战结束前夕到50年代中期之间。随着战争的结束，许多科技人员纷纷转入生物学领域，促使生物学界发生了翻天覆地的变化。由此出现的带有突破性的成就，如DNA是遗传信息载体的证明、DNA双螺旋结构的发现及遗传密码的破译等等，大都由原来的物理或化学家完成的。这些成就的取得更进一步说明分子生物学是各门科学相互渗透、相互交融发展的结晶。
1.DNA双螺旋结构的发现
首先令人欣慰的是40年代由法国艾弗里(O.T.Avery)领导的小组在美国研究肺炎球菌的转化实验，及美国德尔伯吕克(M.Delbruek)的噬菌体感染细菌基因自我复制实验，先后证明了DNA是遗传信息的真正载体，而蛋白质则由DNA的指令而合成这一事实。由此使研究遗传物质的方向更加明确了。
那么，DNA怎样携带遗传信息，又是怎样决定生物的遗传性呢?这只能由DNA的结构来回答。
1953年，美国沃森和英国克里克开始分析DNA晶体结构，在维尔金斯(M.Wilkins)、弗兰克林(R.Franklin)及查哥夫等人的研究基础上，经过计算和思考，最后建立了DNA双螺旋结构模型。DNA分子是两条多核苷酸彼此缠绕而成的双螺旋，两者靠碱基之间的氢键连在一起，结成对的碱基是不同的，但却是特异地互补的:A与T相连，G与C相连。一条链控制着另一条链的碱基顺序。若已知一条碱基顺序，便可写出补合链的碱基顺序，它是由碱基配对法则决定的。
1957年，美国科恩伯格(A.Kornberg)在实验中发现，只有存在少量DNA的情况下，四种核苷酸的聚合作用才能进行，而且产物DNA中的碱基比例与原DNA的碱基比例相同，即DNA的双螺旋结构在复制时解开，每一条链都是一个模板，然后按碱基配对原则补上另一条链。这便是所谓的DNA半保留复制方式，终于回答了基因是如何在世代之间传递的问题。
但是，若回顾已被修正了的“一个基因一个蛋白质”的比德尔学说，还存在一个问题，那就是作为基因的DNA，是如何决定和控制蛋白质合成的呢?即四种不同碱基怎样排列组合，才能表达20种氨基酸相应的遗传密码呢?
2.遗传密码的破译
提出遗传密码具体设想的不是生物学家，而是物理学家美籍苏联人盖莫夫(G.Gamov)。1956年，他提出相邻的三个组合代表一种氨基酸密码的假说，即全部遗传密码的数量为43= 64个。同时，根据逻辑推理，他认为一种氨基酸可能有一个以上密码。盖莫夫的假说尚存缺陷，但方向是正确的。
1961年，美籍德国人尼伦贝格(M.W.Nirenberg)和德国马太(H.Matlhaei)在美国国家卫生局研究所工作时发现苯丙氨酸的密码是RNA上的尿密啶(U)，使生物界大为震惊，并开始了大规模破译蛋白质氨基酸密码活动。
1963年时，20种氨基酸的遗传密码被全部译出，一部按克里克的建议排列的遗传密码词典问世，这一成就可与元素周期律相媲美。它表明，所有生物的遗传密码是基本相同的，尽管生命的形态多种多样，却能在遗传密码词典里找到最基本的统一。
遗传密码解决了蛋白质链上氨基酸的排列顺序问题，那么DNA又是怎样决定着蛋白质合成过程的呢?
3.遗传学中心法则的建立
遗传学上说的中心法则，是指遗传信息的自我复制和指导蛋白质生物合成所遵循的一般原则。
1953年到1955年，奥森和克里克给出了中心法则的一般公式，即DNA分子一方面自我复制产生新的DNA分子;另一方面，把遗传信息转录给RNA，RNA再把遗传信息翻译为蛋白质，这个方向是不可逆的。
1961年，法国雅可布(F.Jacob)和莫若(J.Monod)发表了他们15年的研究结果:
首先DNA分子中的一段区域双链解开，以其中的一条链作为模板，细胞质中游离的RNA的核苷酸进入细胞核后，按照碱基配对原则合成一条RNA的多糖核苷酸链，即把DNA分子的遗传信息传递到RNA上，这条链叫信使RNA(mRNA)，这一合成过程叫遗传信息的转录。转录产物还有核糖体RNA(rRNA)和运输RNA(tRNA)。mRNA形成以后，就从细胞核中出来进入细胞质，与rRNA结合成为有功能的复合体。而tRNA上面有识别mRNA密码子的部位，称反密码子，tRNA将氨基酸带到mRNA－rRNA复合体上，同时tRNA的反密码子通过互补作用识别mRNA的密码子，即把“核酸文字”翻译成“蛋白质文字”。之后tRNA所带的氨基酸再转送到多肽链特定位置上。这样以mRNA为模板，在rRNA上把氨基酸一个一个连起来，就合成了具有一定氨基酸顺序的蛋白质。当交出氨基酸的tRNA在完成翻译任务后，便从rRNA中游离出来，再去携带游离的氨基酸，它就像一个既担任“翻译”又兼任“司机”的双重“人物”，不断地将氨基酸转移到蛋白质的肽键上去。在这一过程中，DNA作为装配氨基酸的模板在蛋白质的合成中起着主宰作用。
1970年，特明(H.H.Temin)和巴尔蒂摩(D.Baltimore)在研究癌症中，各自独立发现了反转录酶，使RNA病毒能够逆转方向，产生DNA抄本。这一发现打破了中心法则的不可逆原则，是对中心法则的重要补充。
(四)生命物质的合成和生命起源的研究
1.生命物质的合成
生命的物质基础是蛋白质和核酸，其人工合成是生物化学家多年的梦想。
1955年，英国桑格在费舍尔工作的基础上，弄清了分子量小、结构简单的蛋白质——胰岛素的51个氨基酸序列。
1965年，由中国王应睐领导的生化小组首次合成结晶牛胰岛素。
目前合成含有大量氨基酸的蛋白质仍然是困难的。
核酸的合成要比蛋白质困难，美籍印度人克那拉及其同事于1972年合成了77个核苷酸的DNA长链，1976年又合成了有206个核苷酸的DNA长链。1979年中国生化学家合成了由41个核苷酸组成的DNA链，1981年底合成了76个核苷酸组成的DNA链，标志着我国人工合成生物大分子的研究继续居于世界领先水平。
显而易见，核酸的化学合成对遗传工程的发展有着十分重要的意义。20世纪50年代以来，从分子水平上揭示遗传秘密对整个生物学产生了深远的影响。以分子遗传学为核心，生物学中出现了一批新学科，如分子细胞学，分子分类学，分子进化论，分子神经生理学，分子病理学以及分子药理学等新分支。这些新学科的出现标志着分子生物学的形成，它不仅把人们对生命现象的认识从细胞水平推进到分子水平，而且为人类利用生物、改造生物的技术活动提供了坚实的理论依据。
2.生命起源的研究
生命起源问题是一个古老的问题，但只有20世纪的生物学家、化学家才开始用自然科学的方法来研究这个问题。
1924年，前苏联奥巴林等人通过大量研究，提出“化学起源学说”。科学证明化学起源说是正确的。
1935年，美国米勒模拟原始大气成分，把含有甲烷、氨、水蒸气和氮的混合体装在密封系统内，并通过火花放电处理，一周后发现反应产物有多种类型的有机小分子，其中包括11种氨基酸。
1960年，欧罗进行氨和氰化物溶液在烧瓶里的回流实验，得到了大量腺嘌呤。
在此之后，生物学家、化学家在模拟实验的基础上，提出过一些新的猜想，其中主要有生命起源于水溶液介质的海相起源派和与之相对的陆相起源派。
在关于生物大分子向原始生命细胞转化方面，主要有奥巴林等提出的“团聚体假说”及美国福克斯提出“微球体假说”。不过，这也仍然是一种猜测和探索的开始，离分子生物学所揭示的真实生命过程还相当远。
况且，由于生物学家、化学家们在19世纪就已在陨石中发现了有机物，20世纪射电天文学的发展又使人们发现了星际有机分子，对月球的探索还带回了月球岩石样品中的极微量氨基酸，这些发现也使一些人认为，地球之外的世界也可能是地球上生命的来源之地。
此外，在揭示大脑的高级功能的整体性道路上，揭示“意识”的脑机制乃是脑科学的战略目标。人脑作为长期进化的产物，是已知最复杂的组织机构，人类对大脑和智力的科学探索将是一个长期的过程，21世纪将作为“脑的世纪”而掀开新的一页。
五、天文学的新理论及其重要发现
20世纪以来，天体物理学的研究有了很大的发展，对恒星的研究更为深入。天文观测的手段有了很大的进步，射电观测使人们的视野覆盖了整个电磁波谱。天体演化和宇宙论成了天文学热衷的课题。现代航天技术更使人类得以走出地球而获得更多天文知识。
天文学正以前所未有的速度在向前发展。
(一)太阳的起源与演化
太阳系是由8大行星、5个矮行星、60多个卫星、2100多颗小行星、1600多颗彗星和为数众多的流星等组成的天体系统。自1959年前苏联发射第一颗月球探测器之后，又陆续有宇宙飞船对行星进行探测，这些大气之外的探测有力地弥补了地面观测的不足，取得了大量又丰富的行星资料。
现已知类地行星(水、金、地、火)体积较小，密度较大，自转较慢，卫星较少，表面温度较高，主要由石、铁等物质组成。类木行星(木、土、天王、海王)体积较大，密度较小，自转较快，卫星较多，表面温度较低，主要由氢、氦、冰、氨、甲烷等物质组成。远日矮行星谷神星(Ceres)、冥王星(Pluto)、阋神星(Eris)、鸟神星(Makemake)、妊神星(Haumea)，其特点类似小行星。行星不发光，靠反射太阳的光而明亮。彗星是带着“长尾巴的怪物”，其实是一条很长很长的气体，有名的哈雷彗星公转周期约为76年。流星的组成同地球上的矿石类似，落到地球上的残体称为陨石。
有关太阳系的形成先后有40多种假说，1970年，中国戴文赛提出了较能说明更多事实的“新星云假说”。
约47亿年前，原始星云团(气:尘=99:1)当其密度收缩到1018kg/cm3时，内部出现涡流，并碎列成上千个次级星云团，其中之一便有太阳系胚胎生成。太阳系胚胎快速旋转变扁，形成扁平星云盘。盘内物质在中心引力作用下沉降到赤道面形成尘层，尘层的引力不稳定，瓦解成许多粒子团，粒子团结合成一个个星子团块。星子团块吸收周围物质长大，又在相互碰撞中结合成大行星，盘中心部分因收缩密度增大演化成太阳。
这一学说受到国际学术界的肯定。诞生后的太阳系逐演化成现今的样子。
现已知它离银河系中心距离约为27000光年，以此为半径绕银心旋转，速度约为230km/ s，运行一周约为2亿年。1970年代已测知整个银河系以500km/s的速度向狮子座方向运动。
(二)恒星的形成与演化
按照戴文赛“新星云假说”，极冷的(接近OK)、密度很小的弥漫星云首先经历了引力收缩阶段，引力能转化为热能，使星云温度升高达到7000万度时，其中的氢聚变为氦的核反应便开始了，一颗恒星便诞生了。
而当它辐射的能量使其内部气体压力与引力相平衡时，便停止收缩并处于相对稳定状态，亦即主序星阶段，这是恒星一生中最稳定、最旺盛、也最长的时期——中年期(太阳的中年期约100亿年)，这正是目前观测到的恒星90%是主序星的基本原因。
当恒星“燃尽”核心区的氢就熄火，进而失去辐射压力，造成引力作用使星体再次收缩，导致中心温度升高，并达到1亿度时，引发氦点火燃烧，并进行着三个氦核聚变为一个碳核的热核反应。同时恒星外围未燃尽的氢壳也点着了，致使星体外壳膨胀，体积变大，表面温度降低，发着红光，进入了红巨星阶段——恒星的老年期。
当氦核反应完毕，接下来的是碳、氧、氖、硅的正常燃烧，这时的恒星叫脉动变星。
直到形成不能再释放能量的铁核心区，核心区外面是未燃尽的较轻元素的壳层，标志着恒星进入了衰亡期。
恒星的归宿与其初始质量有关。
一种情况是，衰亡期的恒星发生激烈的收缩，使其中心温度骤升，由此产生的辐射压力使较轻元素的外层发生猛烈爆发，被抛向星际空间，而其内核继续收缩，形成密度极大的白矮星。如天狼星就是一颗白矮星。白矮星内部能源枯竭后，靠余热发光，变成了红矮星，直到衰变成黑矮星，成了恒星的残骸。
另两种情况是，爆发时亮度陡增，极短时间内变亮108—109倍，称为新星或超新星爆发。若初始质量近于太阳，则恒星演化结局为中子星，继续演化最终也归宿为黑矮星。若初始质量为太阳的8～10倍，这样的恒星最终将通过星核的引力一直塌下去变成黑洞。黑洞强大的引力场将其周围的物质全部吸入，连光线也无法逃脱，故我们看不见黑洞。
上述恒星的形成与演化过程还只是假说，关于恒星的形成与演化，有大量的问题还在研究之中。
(三)射电观测与四大发现
20世纪30年代以前，研究天体物理的手段主要是光学望远镜，加上光谱分析，这就只能局限于可见光波段，且观测方式都属于地面观测。由于大气的扰动，对观测精度会造成影响。
1940年代以后，观测手段与方式有了质的飞跃。
1940年，美国雷伯尔制成了一座直径为9.45米的抛物面天线，用以接收来自太空的无线电波，这是世界上第一台射电天文望远镜。从此，可见光以外的射电窗口被打开了，标志着射电天文学随之诞生。
1946年，英国赖尔制造了直径为66米固定式射电望远镜，接着1955年又建成了直径为76米可转式射电望远镜。
1970年代，联邦德国建成的射电望远镜直径达到100米。
以后，射电技术有了长足的发展。射电干涉仪，由一组射电望远镜组成一个天线阵的出现，可以观测到很微弱的射电源。
随着航天技术的发展，1990年4月由美国人通过航天飞机将哈勃望远镜(世界上最大的反射式光学望远镜)送入太空，人类又实现了大气层之外这种观测方式，使1994年7月发生的苏梅克－列维9号彗星撞击木星这一千载难逢的天文奇观迅速而清晰地传回地面，使人类对太阳系和地球演化中的突变有了深刻的直观认识。
目前，已在太空发现了3万多个射电源，接收范围达到了100亿光年之远，使人类真正进入了全波天文学时代。
由于观测手段和方式的跃进，1960年代以来，天文观测对宇宙科学作出了卓越贡献。
·第一个大发现
1963年，美籍荷兰人施密特采用射电技术，发现一天体正以47000km/s的速度远离地球而去，直径不大，只有几光年，但辐射很强烈。这些现象表明它不可能是一颗恒星，也弄不清它是什么，故称之为类星体。天文学家众说纷纭，有的认为它是一颗星，有的认为他是早期的宇宙天体。
·第二个大发现
1964年，美国彭齐亚斯和威尔逊在研制人造卫星天线时，发现了来自太空的各向同性的波长为7.35厘米的微波辐射。经研究认定这种辐射是宇宙的背景辐射，相当于温度为2.7K的微波辐射，必定形成于非常久远的年代。微波背景辐射的发现立即引起许多天文学家的很大兴趣。现在已经知道，实际上在0.3～75厘米波长范围内都有背景辐射，它可能是宇宙大爆炸的遗迹。
·第三个大发现
1967年，英国休伊什与其学生发现一种“奇异”天体，它以极其精确的时间间隔(约在0.03～4秒之间)发出极为规则而又短促的无线电脉冲信号，故称其脉冲星。它的体积很小，密度极高，每立方厘米一亿吨。它的辐射能量是太阳的100万倍。天文学家认为这是一种表面上有极强的磁场并且快速自转着的由中子构成的中子星。现在已经发现了许多颗这样的星。
·第四个大发现
1968年，美国汤斯等在银河中心区的星际云中发现了氨和水分子的谱线，第二年又发现了甲醛分子的谱线，说明星际存在着有机物质。有人认为，这些分子是生命前分子。到70年代末已发现的星际分子达到了50多种，其中大多数是有机分子。
(四)现代宇宙学的百家争鸣
现代宇宙学的开创者是爱因斯坦，他在1917年提出了一种宇宙模型。广义相对论认为，时间、空间的性质与物质相关联，时、空不可分离，宇宙中的物质使时空都发生了弯曲，呈现的是非欧几何空间，他的宇宙模型是“有限无边静态模型”。他的这一模型给了人们很大启发，但是宇宙静止的观点并不令人信服。
与爱因斯坦模型相反，英国爱丁顿(A.S.Eddinggton)于1920年提出了宇宙在膨胀之中的说法。
1922年，前苏联弗里德曼(A.A.ФpИamaH)在求解爱因斯坦引力方程时得到了“不断膨胀的宇宙”、“脉动封闭宇宙”和“膨胀着的开放宇宙”三个模型解。
1927年，比利时勒梅特(A.G.E.Lemaitre)建立了宇宙膨胀模型。他认为大尺度空间随时间的推移而膨胀。1929年，哈勃著名的红移定律表明所有河外星系都有光谱线红移现象，即它们都以不同的方向远离我们而去，并且离我们越远的星系退行速度越大。哈勃定律给了宇宙膨胀模型强有力的支持。不过，在进一步的研究中也有学者提出了疑点。河外星系的谱线红移是否为多普勒效应的结果?是否能以此确证所有星系都正在远离我们?因此，膨胀模型也有许多需要进一步研究的问题。
1948年，美籍苏联人盖莫夫(G.Gamov)修正发展了梅勒特的宇宙膨胀模型，提出了“热大爆炸”宇宙论。认为宇宙起源于原始火球的大爆炸。这个火球是一个温度极高，由光子和其他基本粒子组成的致密球体。爆炸使其迅速膨胀，温度随即下降，当温度降至109K时，基本粒子结合成原子核。又下降了109K时，形成了氢氦等原子，后来温度继续降低，经过很长时间形成了如今各种天体。他还大胆预言，大爆炸中所产生的辐射必定存在于宇宙的大背景中，其温度只有5K。之后的1960年代，“2.7K宇宙背景辐射”的发现是其预言的确证。因此，“热大爆炸”宇宙论被称之为“标准宇宙模型”。然而这个模型对极早期宇宙还存在难以解释的疑难点(奇点状态、视界和反物质等)。
到20世纪80年代，美国阿伦·固斯又提出了“暴胀宇宙论”。认为宇宙开始于一个非常短暂(10－43秒)但又非常迅速的膨胀阶段，其半径迅猛增大了100万亿亿亿倍。这个理论自然解决了视界、平滑性和平坦性问题，但仍没有解决奇点问题。
与此同时，英国剑桥大学的霍金对星系、黑洞、夸克、大统一理论、反物质和“时间箭头”等进行了深入探讨。在对广义相对论导致奇点困难作了深刻分析之后指出，广义相对论是个不完全的理论，它不适用于小于或等于普朗克尺度(10－35 m)的物理现象，在这个尺度上应该用量子态描写。他把量子理论的方法应用于形成黑洞的过程，证明在黑洞世界里可以产生纯量子粒子。由此，他认为宇宙是一个量子态自发创生，在宇宙的极早期(约10－43秒以前)，宇宙处于四种相互作用不可区分的超大统一态，按暴胀宇宙论那样膨胀。他还揭示了当日益膨胀的宇宙崩溃时，时间要倒溯。这样，他的“没有边界”的宇宙理论很可能取代大爆炸理论。他的这一见解正在改变人们对宇宙的看法
围绕宇宙诞生与演化所提出的各种假说，曾展开十分尖锐的争论。天体物理的各种学说还有待发展，并需要经受新的事实的检验和理论的充分论证最终决定取舍。
六、20世纪地质学的大进展
20世纪的地质学，由于同位素测定、探空技术及射电技术的应用，取得了丰硕的成果，使人类的地球观发生了重大变化，从洋陆固定论与活动论之争到板块学说的建立，海洋地质的一系列重要发现及地球早期历史的研究，都使得地质学的研究领域变得更为广阔，人类关于地球的认知达到了前所未有的崭新水平。
(一)对地球的深入认识
1960年代以来，根据对地球上最古老岩石的测定，并对来自宇宙空间的陨石以及月球岩石同位素年龄的测定比较，得知地球、月球和陨石大约是在46亿年前同时产生的。
在漫长的历史中，地球经历了“天文时期”和“地质时期”两大阶段。天文时期最显著的变化是地球内部物质的分异和圈层的形成。地质时期主要是地层的形成和地壳的变动，以及生命的出现和生物的进化。
地球不是一个均质体，且具有圈层结构，以地表为界可分为内圈和外圈。外圈分为大气圈、水圈和生物圈;内圈分为地壳、地幔和地核。
地壳是指地表到莫霍洛维奇面的岩石圈的一部分，平均厚度16公里。地壳由康德拉面分为上下两层，上地壳硅铝层，平均厚度10公里;下地壳硅镁层，平均厚度4.2公里。地壳表层(土圈)平均厚度1.8公里。
地幔是介于莫霍维奇面和古腾堡面之间的圈层，厚度2800多公里，也分为上下两层。上地幔在莫霍面以下至1000公里深之间，主要由橄榄岩组成。下地幔从1000公里到2900公里深之间，比上地幔含有更多的铁。
地核在2900公里以下，厚度为3471公里。地核也可以合为两层，外核层在2900公里～4640公里之间，由地震波推知为液体状态;过度层，经过4640公里～5120公里由液态向固态过渡;内核，从5120公里至地心部分，为固体状态，主要由铁、镍组成。
大气圈是包围着地球的气体。总质量为5.136×1018千克，由于引力作用使其主要分布自地表上100公里高度内，其中3/4又集中在10公里高度内。依据大气温度、密度等大气物理特征，可将大气圈自下而上分为对流层、平流层、臭氧层、电离层、中间层、热成层、磁力层和外逸层。
水圈是地表水体，它由江河湖海、岩土含水、高峰极地冰层、大气底层及生物中的水分等形成包围地球的封闭圈。水圈总量为166.4亿吨。
有了水、大气，加上太阳光，在距今30多亿年前终于出现了生命，经过亿万年的进化，形成了繁荣的生物圈。
(二)现代地质学的新进展
1.前寒武纪地质史深探
前寒武纪地质史是指6亿年之前的地球早期发展史，它占了地球演化史87℅的时间。对这段历史的深入研究，有助于地球起源、元素起源和生命起源的揭秘步伐。为此，深探的关键是技术手段的突破。
长期以来，地质史的研究主要依赖于生物地层学，但在认知上造成极大的猜测性，很少得到符合实际的定论。
进入1950年代以后，由于同位素地质学的发展，航天考察的兴起，微体古生物学和分子古生物学的萌生，以及超深钻技术的开展，使前寒武纪地球史的研究取得了令人瞩目的进展。
1893年，美国威廉斯首次提出了“地球年代学”的概念，企图按地质构造来确定地壳岩层的年龄。但这方面的认真研究却起始于20世纪初。
1902年，卢瑟福和索迪提出不稳定元素衰变原理。
1907年，美国波特伍德取得了第一个矿物放射性铅的年龄数据。
索迪在1913年提出了同位素的概念，随之产生了同位素地质学。
英国霍尔姆斯(A.Holmes)的研究推动了同位素地质年代的发展，他在1947年提出了一个地质时间表，将地球年龄估计为45.5亿年。
1957年，前苏联发射了第一颗人造卫星，航天考察兴起。
1959～1972年，前苏联“月球计划”首次揭示了月球背面的秘密。
1961～1972年，美国“阿波罗登月计划”取回了月岩、月壤及其他许多重要数据和资料，使人类对于地外星的表面构造、物质组成和发展历史的研究进入到空前的新阶段，由此诞生了星质学和比较星质学。航天考察获取的新资料揭示出月球约在30亿年前停止了演化;火星和水星表面保存着25亿年前的构造特征。这些都成了认识地球早期历史演化的宝贵借鉴。
1970年代前后，前苏联和美国采用超深钻技术，分区开始深探到地壳深部和上地幔圈层，直接研究古老地质深部构造特征，由此开始了对前寒武纪地质构造分析，使探测精度大大提高。
在取得大量第一手地质资料的基础上，1965年和1968年，加拿大、美国分别编制了本国地质构造图。
1972年，苏联编制了全球性的大陆前寒武纪构造图。
1977年，国际地质科学联合会前寒武纪分会经过研讨，将前寒武纪分为“太古宙”和“元古宙”两个地层单位，并规定了其上限和下限，太古宙的下限为38亿年，元古宙的上限为5.7亿年。
此外，在微体古生物学、分子古生物学及电子显微镜的绝佳组合下，还发现了古老的岩石中的植物化石、5亿年前三叶虫甲壳里的蛋白质及陨石中的几十种氨基酸，等等。
2.海洋地质重大发现
(1)全球裂谷系
1957年，在大量深海地形资料的基础上，美国黑森和其助手塔普绘制大西洋海底地形图时，发现一条洋脊(洋底山系现称大洋中脊)的轮廓，之后做了关于发现裂谷系的报告。
正值国际地球物理年会中的各国考察船随即联合出动，所获资料证实:在大西洋、印度洋、太平洋底有高约3公里的一个全球海底山脉系，它没有褶皱，全由火山岩组成，两侧的沉积最老的不过一两亿年，相当年轻。中脊中央有数十公里宽的裂谷，即“全球裂谷系”，全长达65000公里。
(2)海底热流异常
1950年代，英国马克斯威用自制“测定洋流值仪器”对大西洋和太平洋的热流测定表明，其热流值几乎与大陆的热流值相当。
到了60年代，世界各国进行的大量热流测量表明:热流值与大地构造单元有关，洋中脊顶部热流值比正常值高出几倍(比中脊两侧高约4.7倍)，而海沟处数值最低(为地平面均值的一半)。说明洋脊处可能有热物质从地幔中流出。
(3)海底磁条带
1956年，在墨西湾与哥伦比亚之间测制的一幅长2000公里、宽几百公里的测绘图上，布满了南北走向的磁性条带。对此人们纷纷猜释。
1963年，英国马修斯和凡因提出了海底磁异常条带假说，并推论沿中脊喷发的岩浆冷却后被打上地磁的印记。岩浆涌出而形成新的地壳的过程重复发生，从而形成磁条带。
(4)地震“本尼奥夫带”
1940年代，美国本尼奥夫(H.Benioff)在众多地震学家的研究基础上，将历次发生地震的震源投影在一个剖面上，深度不同的震源的被显示在这个剖面的不同深处。这个剖面所反映的“地震带”便是“本尼奥夫带”。
它提供了这样的信息，地震可能是由于洋壳在这里沉入地幔时与大陆板块发生摩擦而导致的。
此外，1960年代所描绘的大西洋地震震源图表明，那里的地震中心基本上都处于大洋中脊处。这说明洋脊处也是大洋板块相遇的地方。
(5)海底矿藏资源
早在1872年，英国人首次在大洋中发现锰结核(类似马铃薯大小)，作为一种潜在的矿产资源，直到1960年代才引起高度重视。据估算锰结核储量约为3万亿吨。
现又发现钴、锆、镍、铜、铁等20多种元素的结核体。
1960～1970年在红海裂谷2000米深洼中和“大西洋Ⅱ”深洼中发现重金属软泥，仅“大西洋Ⅱ”中这种软泥的储量约达8000万吨。
此外，世界海底石油储量约1500亿吨，天然气储量约140万亿立方米。它们的发现不仅具有经济意义，在大洋成矿理论上也有重要意义。
(三)现代海陆起源理论
在地质学发展史中，围绕着岩层成因、地壳变化、海陆起源等问题，曾发生过三次大论战。20世纪发起的关于海陆起源的大陆漂移说跟洋陆固定论之争，就是继19世纪岩石成因的“水火之争”、地壳变化的“渐变与突变之争”之后的第三次大论战。研究业已表明，岩石圈不是一个整体，是被构造活动带割裂的、持续不断地相对运动着的若干刚性板块。
1.大陆漂移说
德国魏格纳(A.L.Wegener)根据大西洋两岸海岸线形状相似、生物和古生物有亲缘关系以及地质地理现象的连续性，萌生了大陆漂移说的思想，于1915年出版了《海洋起源》一书，创立了完整的大陆漂移说。认为:
大陆系由较轻的刚性的硅铝质所组成，它漂移在较重的粘性的硅镁质之上。中生代以前，全球的大陆是结成一体的“联合大陆”，周围是一片汪洋。
由于地球自转的离心力和日、月潮汐力的影响，“联合大陆”开始分裂、漂移，逐渐形成为现在的几个大陆和一些岛屿，汪洋则被隔开形成几个大洋和若干个小海。
由于大陆漂移说标新立异，冲破了地壳位置不变、只有垂直运动的洋陆固定论的传统观念，它一经提出就轰动了地质学界。有喝彩、有反对，甚至有人称之为“一位大诗人的梦”。
由于当时还没有发现大陆水平运动的直接证据，随着魏格纳在格陵兰探险殉难，该学说便销声匿迹了。
就在大陆漂移说处于低谷的1930～40年代，以李四光为代表的中国地质学家们给予了大陆漂移说强有力的支持。李四光在1926年发表的《地球表面形象变迁的主因》一文基础上，将力学原理引进地质学，用以研究地壳构造及其运动规律，于40年代创立了地质力学。对大陆漂移说作了进一步发展，由此提出的地壳水平运动的地质力学是现代地质学的一个独创。
随着后续的古地磁及海洋地质的研究进展，为大陆漂移说提供了许多新证据，从而使该说获得了新生。
2.海底扩张说
前文提到“全球裂谷系”的大发现，为了解释这一海底特征，1960年美国赫斯(H.Hhess)将大陆漂移说发展为海底扩张说。认为:
地幔物质从大洋中脊和裂谷涌出并冷凝形成新的海底，推动先形成的海底，并以每年约1～5厘米的速度向两侧扩张，老地层到深海沟时又下沉钻入地幔物质中去，大约二三亿年更新一次。
海底扩说一经提出，便很快获得了有利证据，如磁异常条带的发现，及大洋钻探取样所表明的海岭两侧沉积物的地质年代具有规律性变化等，使该学说从假说而变成了科学理论。
3.板块构造学说
1965年，美国勒皮雄(X.Le Pichon)、摩根(W.J.Morgan)和英国麦肯齐(D.P.Mckenzie)在总结前人一系列成果的基础上创立了板块构造学说。认为:
岩石圈的基本构造单元是板块，并且将岩石圈分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、印度洋、南极洲六大板块和若干小板块，全球地壳构造运动的基本原因是这些板块的相互作用。该学说从大量海洋调查的实际材料出发，对大洋地壳的发展历史做了进一步说明，使大陆漂移说以新的形式出现。
尽管对其中很多问题还在争论，但是大陆漂移说、海底扩张说不断更新已是无法否定的事实。三大学说的有机结合，使地质学正在经历重大变革。地球正日益被看作是一个充满活力的星球，一个具有内部动力的天体。
七、现代数学的新理论
1960年代以来，现代数学产生了模糊数学、突变理论、非标准分析、分数维几何学(亦称分形几何学)等新兴学科。
(一)模糊数学
它是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学。
“模糊性”现象，如遇到模糊事物，没有分明的数量界限，要用一些模糊的词语去形容:“比较年轻”、“妙极了”、“大胖子”、“秃头”等。运用这些外延不确定的概念去说明事物。
“模糊性”现象推动了对一种描述和加工模糊信息的数学工具的需要。
1965年，美国查德(L.A.Zadeh)发表论文《模糊集合》，对经典集合论进行修改和推广，提出用“模糊集合”作为表现模糊事物的数学模型，并在“模糊集合”上逐步建立运算、变换规律，开展有关理论的研究，以构造出研究现实世界中的大量模糊现象的数学模型，对看来相当复杂的模型系统进行定量的描述和处理。
我们知道在经典集合中，元素对集合的关系，或者“属于”，或者“不属于”，二者必居其一。
而模糊集合中，在给定范围内元素对它的隶属程度关系不一定只有“是”与“否”二种极端情况，而是用介于“0”和“1”之间的实数来表示隶属程度，还存在中间过渡状态。如一个元素M可以按照一定的隶属度(记作d)隶属于集合A。当d= 1，便是M属于A;当d= 0，便是M不属于A;当d= 0.5，表示M五成属于A而另五成则不属于A。再如“老人”是个模糊概念，按照查德给出的公式，55岁属于“老”的程度为0.5，即为“半老”;60岁属于“老”的程度为0.8，等等。
模糊数学的研究分为三个方面:研究模糊数学的理论，以及它和精确数学、统计数学的关系;研究模糊语言学和模糊逻辑;研究模糊数学的应用。
模糊数学是以不确定的事物为其研究对象的。查德用模糊集合理论找到了对模糊性对象更加确切的描述办法，弥补了过去精确数学、随机数学描述的不足之处。这样，经典数学与模糊数学相互联系、相互补充，可以更精确地描述现实世界的数量关系。
在模糊数学中，目前已有模糊拓扑学、模糊概率、模糊语言学、模糊逻辑等分支，已被广泛地应用于理、工、农、医以及社会科学的各个领域，发展十分迅速，从而大大加快了科学化的进程。
(二)非标准分析
通常的数学分析，又称标准分析，是指19世纪柯西、维尔斯特拉斯(K..weierstrass)等人用极限方法所建立的微积分理论，在数学的论证中采用极限方法代替了无限小量的方法，对微积分理论作了较严谨的逻辑论证，并创立了一系列判别法则，取得了关于函数的连续性、可微性的一些重要成果。关于微积分基础的讨论，实质上是怎样理解和运用数学方法去表现“无限”的问题。
1966年，美国鲁滨逊(A. robinson)出版了《非标准分析》一书，提出了非标准分析的基础概念和方法。即采用数理逻辑的科学方法，运用无限小量方法刻划微积分问题，不仅表明状态，也表达过程，描述运动。
非标准分析重新将无限小量引入数学分析。他提出一种新的实数域R*，作为原有实数域R的一个特殊的扩充。在R*中不仅包括所有实数，而且也包括所有无限小量和无限大量，称为超实数域集合。在标准分析中，实数轴上每一个点都是一个实数;与此相对应，非标准分析中数轴上每一个点都是一个单子，它由实数及周围的无限小量构成。由此可知，在实数域R中的点是不可分的，而在超实数域R*中，由于无限小量的存在，单子是有结构的，因而是可分的。
把数轴上的点看成是单子，在单子内部考察极限过程，这是非标准分析的一大特色，它突破了“点不可分”的传统观念，为我们打开了一个新世界——“点”的世界。
从宏观上看，超实数集合的数轴与实数集合的数轴一样;而从微观上看并不相同，在超实数轴上的每一“点”内有许多彼此相差无限小量的非标准实数，进而形成有内部结构的“点”——单子，每个单子只有一个标准实数。再从实轴上看，点与点是连续的;而超实轴上点与点是连续与间断的对立统一。从它的物理意义上来说，如一条光线，从宏观看它是连续的;从微观上看就不仅不连续而且不均匀。量子论证明了光具有波动和粒子二象性，正表明了光是连续与不连续的辩证法。
目前，非标准分析开始运用于许多方面，如函数空间、概率论、流体力学和理论物理等。它的新方法、新概念，对于数学的发展和应用会产生一定影响。
(三)突变理论
长时间内对自然界许多事物的连续、渐变、平滑的运动变化过程，用微积分的方法都能圆满解决。但像水突然沸腾，火山爆发，突发地震，生物突然死亡等现象，是由渐变、量变发展为突变、质变的过程，用微积分就不能描述。
为了描述各种飞跃和不连续过程，法国雷内·汤姆(Rene，thom)经过许多年研究，于1972年出版了《结构的稳定性和形态发生学》一书，宣告了突变理论的诞生。
突变理论以拓扑学为工具，结构稳定性理论为基础，提出了一条新的判别突变、飞跃的原则。即:
在严格控制条件下，若质变中经历的中间过渡态是不稳定的，那么它就是一个突变，飞跃的过程;若中间过渡态是稳定的，则它是一个渐变过程。
如拆一堵墙，从上面一块块往下拆，整个过程就是结构稳定的渐变过程;相反，从底基往上拆，拆到一定程度时，就会破坏墙的稳定性，很快墙会垮塌下来，这种结构不稳定性就是突变、飞跃过程。
突变理论把引起事物变化的主要原因称为控制因子，把事物变化的反应状态参量称为反应因子，而把事物质的突变区域称为折叠区。
它着重研究表示突变的各种折叠区的结构，分析控制因子和反应因子的关系，找出其中的规律性，用以说明各种突变现象的数学本质。
汤姆证明，在控制因子不超过4个时，一共有7种类型的基本突变:折叠型、尖顶型、燕尾型、蝴蝶型、双曲脐型、椭圆脐型和抛物脐型。这也就是发生在三维空间和一维时间的自然界中最基本的突变方式。
例如，水的几种质态(固、液、气)相互转化模型，可用尖顶突变来描述。尖顶突变型和蝴蝶突变型是几种质态之间能够可逆转化的模型。自然界还有些过程是不可逆的，比如死亡是一种突变，活人可以变为死人，反过来却不行。这类过程可以用折叠型、燕尾型等势函数最高奇次的模型来描述。
所以，突变理论是用形象而精确的数学模型来把握质变过程。
突变理论提出后，引起国际学术界的激烈争论。英国奇曼称突变理论是“数学界的一项智力革命——微积分以后最重要的发现”。汤姆为此而荣获数学界的最高奖——菲尔兹奖。
目前，突变理论在自然科学和社会科学，在环境科学及工程技术等各个方面都有广泛的应用天地。
八、系统科学的产生与发展
第二次世界大战以后，几乎同时产生了许多把研究对象作为系统来考察的系统理论。尤以控制系统为研究对象的控制论，以通讯系统为研究对象的信息论，以一般系统为研究对象的系统论等学科的创立，对现代科学技术的发展和当代科学家的思维方式产生了极为重大的影响。“三论”均具有方法论的明显特征。
现在人们把这种类型的学科称为横断科学，正是现代科学横向整体化的表现。
(一)控制论
1.控制论的产生与发展
控制论所研究的就是控制的问题，但它所研究的不是某一具体系统的具体控制方法或控制技术问题，而是探讨一般系统的普遍性质及其方法诸问题。即控制论是以信息为基础，研究各类系统共同控制规律的学科。
控制论的创始人是美国维纳(N.Wiener)。
1919年，他在研究勒贝尔积分时，就开始对控制论思想有了思考，第二次世界大战期间由萌芽到逐渐成熟。当时他参加大炮自动瞄准系统的研究工作。高炮自动控制系统的功能，是迅速自动地对飞机的飞行路线做出预测，同时指令高炮发射炮弹使其命中目标。这也就是将人的手动行为交给机器去做，让机器构成一个预测和自动控制系统。他在研究“瞄准系统”的过程中，注意到自动控制装置与人(如狩猎)和动物(如老鹰抓小鸡)行为的相似性。
1948年，维纳的《控制论》一书出版，标志着控制论的正式诞生。
半个世纪以来，控制论得到了迅速的发展，先后出现了五个主要分支:工程控制论、经济控制论、社会控制论、生物控制论和神经控制论。
1954年，中国钱学森出版《工程控制论》一书，把控制论推广到工程技术领域，是工程控制论的奠基性文献。
1950年代，控制论进入到单因素控制系统经典阶段，重点研究反馈控制，其核心装置是自动调节器，应用如雷达、通信工程等系统。
1960年代发展到多因素控制系统现代阶段，重点研究最优控制、随机控制、自适应控制等，其核心是计算机，应用如导弹、航天、国际金融等系统。
1970年代开始发展大系统控制理论，主要研究多因素、多层次的复杂系统，重点为大系统多级递阶控制，其核心是计算机网络，主要是由于综合自动化、生态系统、人工智能等领域。
2.反馈与控制
(1)控制
控制一词原意指掌舵艺术，用于技术系统之初时，表示按照给定的条件和预定的目标使系统处于预设的最佳的运转状态之中。
控制论创立后，前苏联列尔涅尔给出控制定义:为了改善某个或某些对象的功能，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的，加于该对象上的作用，叫控制。就是说，任何控制系统要保持或达到预定目标，都必须采取一定的行为。输入和输出就是系统的行为。行为是系统在外界环境作用(输入)下所做出的反应(输出)，即输入的变化所引起的输出的变化。
(2)反馈
系统行为与系统预定目标之间经常会出现“偏差”，识别和纠正这些“偏差”的基本途径是通过反馈来实现的。反馈是控制论的核心概念。它是指系统输出的全部或一部分，通过一定的通道反送到输入端，从而对系统的输入和输出施加影响的过程。从因果关系上看，反馈是结果反作用于原因。通常将反馈分为正反馈和负反馈。若反馈信号是增强系统的输入效应则称为正反馈，反之为负反馈。显然，两者作用是不同的。例如，要实现原子弹爆炸的链式反应，这就是正反馈。正反馈和负反馈常常是互补的，如原子能电站，既需要正反馈以实现链式反应，同时又必须运用负反馈控制其反应速度，使核能缓慢释放而不至于发生爆炸。负反馈的作用是使系统的稳定性(保持在预定目标上)增强，控制论中经常使用的是负反馈。
3.控制论方法
控制论的特点是只考虑系统“做什么”的问题，而不深究系统“是什么”的问题。即只考虑系统行为功能的相似性，而不问系统的结构是否相同。所谓系统的功能，是指系统对外界作用(输入)所作出反应(输出)的能力。
功能模拟方法、黑箱(在不能人为打开的，其内部结构和机理尚不清楚的，但可以通过外部观测和试验去认识其功能和特征的事物)方法是控制论的主要方法。
我们现在已知电脑采用二进制“1”和“0”来进行算术运算，采用的“是”与“非”的逻辑规则来进行逻辑运算。而在人脑的神经系统中，神经元有“兴奋”和“抑制”两种状态，神经脉冲的传导服从“是”与“非”的逻辑规则来进行逻辑运算，也完全可以用二进制的“1”和“0”来表示。由于电脑和人脑的行为功能有这些相似之处，因此就可以用电脑来模拟人脑的功能，目前这已成为研究人脑的重要途径之一;对人脑的进一步认识，反过来帮助人们开发出性能更高的电脑。
再如，医院通过CT、B超等仪器去获取患者病灶的相关信息，此时的人体或大脑等器官就可以看作黑箱，这些就是黑箱方法的应用。
此外，还有随机方法，共轭方法，反馈方法及数学方法等。
(二)信息论
1.信息论的产生与发展
对于一个系统的控制当然需要有调整它的物质要素，需要有能量的供给，但所有的控制都离不开信息，控制是以信息为基础的。
信息论是研究信息的实质，并用数学方法研究信息的计量、传递、变换和存储的一门学科。
信息论的创始人是美国申农(C.E.Shanon)。
信息论始于通信工程技术，最早的目的只在于提高通信系统传输信息的效率及其可靠性。申农认为，通信实质就是将经过选择的消息由发送者传递给接受者的过程。为此他首先从理论上创立了包括信源、编码、信道、译码和信宿五个基个本环节的通信系统模型。申农还认为，通信任务在于复制消息，不需要对信息的“语义”作任何判断和处理，只要接收端把发送端发出的消息从形式上(一串串字符)复制出来，也就同时复制出它的“语义”了。这样，就排除了信息中的“语义”因素，使信息形式化，为信息研究中运用数学方法创造了较为方便的条件。
与此同时，控制论创始人维纳经过对信息的长期研究，独立地得出了与申农相同的测量信息量的数学公式，被称为申农—维纳公式。
1948年，申农发表了《通讯的数学理论》一书，标志着信息论的正式诞生。
得出申农—维纳公式的出发点，是把信息看作是用以消除不定性的因素，因此，信息量的大小就可以用被消除的不定性来表示。而事物的不定性大小是用概率函数来描述的，即把含有两个独立等概率(掷一枚硬币的情况)可能状态的事件(亦称标准的二中择一事件)所具有的不定性被全部消除所需要的信息规定为1比特。这样推导出的申农—维纳公式恰好与热力学第二定律表达的熵的公式一样，只是多了一个负号。熵表征系统的无组织程度，信息量则以被消除的不定性来度量，信息乃为负熵，是表征系统的组织程度的。以上便是申农的狭义信息论的基本思想。
信息论诞生以后，大体上沿着两个方向发展，一个是向其他学科和技术领域渗透，另一个是不断充实、完善和发展它本身的理论体系。
法国布里渊(L.Brillouin)将信息论引入热力学的研究中，成功地建立起信息的物理模型，给出了广义的熵增加原理，导出了信息熵与热力学中熵的对应关系，并成功地解释了“麦克斯韦妖”等物理学难题。他还把信息与量子力学中测不准原理联系起来，解决了一些测量问题。
1972年，T.D.贝肯斯坦等人利用信息熵讨论并解释了“黑洞的热力学佯谬”。
在自身理论发展方面，已经表明申农信息论的局限性，它只是研究通信系统中的概率信息的数理统计理论。而客观现实中的信息、信源、信宿远比申农所描述的复杂得多，在某些信息传递过程中，不能把“语义”问题排除出去，这里的“语”并非单指我们口头上的语言，而应做广义的语言来理解。
1960年代以来，为适应图像识别和视觉研究的需要，在模糊数学的基础上产生了模糊信息论。
1970年代以来，又有人提出了有效信息、语义信息、无概率信息(主观信息)、广义信息等新的信息理论。
总之，近些年来信息论的发展已远远突破了申农信息论范畴，新的信息概念逐渐成为解决一般信息问题的理论基础。
1980年代的未来学者预言，人类正走向信息社会，信息和物质、能量一起被视为人类文明的三大支柱。当今的信息时代美景，极佳地证明了先哲们当年的预言。
2.信息及其主要特征
(1)信息的涵义与实质
什么是信息，到现在仍没有一致的看法。
一般认为信息是客观存在的事物，是经由物质载体发生的语言、文字、图表、数据、情报等消息，是表现事物存在方式、运动状态和相互联系的特征的一种表达和陈述。简言之，信息是指对于接收者来说事先不知道的消息。信息与消息是有区别的。可以这样来理解，对于接收者来说，有用的消息的内容就是信息。
信息论的创始人申农这样定义信息:信息“是用以消除随机不定性的东西”，他认为信息是人们同外界交换的内容的名称。
还有人将信息理解为集合的变异度，事物的差异，系统的有序性及负熵等等。这些看法均从某些方面触及到信息的实质。
(2)信息的主要特征
·信息是客观的存在，信息的存在具有普遍性。即信息不能离开物质而独立存在。
·信息是事物系统有序性的表征。任何事物系统都有一定的组织性，也就是说有序，这种性质通常以信息的形式表现出来。
·信息可以被观察、感知、检测、识别、提取、传输、贮存、显示、分析和使用，能被众多的人共享。
·信息具有随时间推移而演变并持续增长的性质。如物质和能量都遵循“守恒律”，但信息不遵循“守恒律”，会不断增殖，表明信息具有扩张性。
·信息的作用和价值受接收者主观因素的影响和制约。
3.信息的作用
(1)生存的要素
量子力学奠基人之一薛定谔在《生命是什么》一书中指出:“一个生命有机体要摆脱死亡，唯一的办法就是从环境里不断地吸取负熵。”
负熵就是信息。事实上，作为生命现象的两个基本方面——新陈代谢和遗传，本质上都是信息过程。
可见信息确实是人类赖以生存的前提;没有信息就不能生存。
(2)重要的资源
信息和物质、能量是构成客观世界的三大要素，物质向人类提供材料，能量向人类提供动力，而信息向人类提供的是知识和智慧。
换言之，对于任何系统来说，物质使系统具有形体，能量使系统具有活力，而信息则使系统具有灵魂。
显然，只有三者的有机结合，才能造出智能化的人类替身和助手，把人类从自然力的束缚下逐步解放出来。
(3)智慧的源泉
信息对于人类最重要的意义，在于它是人类一切知识和智慧的源泉。
这是因为，作为具体的物质和能量的形式都只是支持信息过程的手段，它们的形式是可以代换的;而只有信息才是主导的，不可取代的。
由此可以昭示:信息科学技术越发达，人类的智慧水平就越高，人类认识世界和改造世界的能力就越强大。
(三)系统论
1.系统论的产生与发展
(1)系统论的产生
“系统”一词在希腊语中是群和集合之意。在亚里士多德著作中的“系统”是指由若干部分构成的一个事物，不同于它的各个部分。控制论和信息论都是以“系统”为研究对象，前者注重的是控制系统及其机制;后者着眼的是系统的信息活动及其有关方面。究竟什么是系统?其现代含义如何?这都是系统论所要做的事情。
系统论是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能进行数学描述的一门学科。
系统论的创始人是美籍奥地利生物学家路·冯·贝塔朗菲(L.VonBertalanffy)。
系统论的形成首先是与生物学的发展相关的。20世纪20年代，有许多欧美学者开始从有机体的角度接近系统论思想。贝塔朗菲就对当时生物学的传统研究方法和理论不满，认为那种孤立的因果分离的机械论模式不足以解决生物学中的理论和实际问题。1932年他发表了《理论生物学》，1934年又发表了《现代发展理论》，提出了用数学和模型来研究生物学的方法和机体系统论概念，这就是系统论的萌芽;并批判了机械论的“简单相加”、“机械”和“被动反映”等错误。1937年他第一次提出了一般系统论概念，1945年他在法国发表了《关于一般系统论》一书，由于战争几乎未被人们所知。直到1947—1948年间，他在美国从事该方面的学术研讨，同时积极加以倡导，一般系统论才成为一门新兴的学科，标志了系统论的正式诞生。
(2)系统论的发展
1954年，贝塔朗菲等学者创办以“旨在促进可应用于不止一种传统知识部门的理论系统的发展”为大方向的“一般系统研究会”，出版了《一般系统论》年鉴，由此开始了系统论的发展进程。
早在二战期间，系统方法就开始运用于军事和通信工程中，战后推广到组织原理方面收到了很好效果。特别是在研究原子弹的“曼哈顿工程”以及后来的“阿波罗登月”计划上的运用，充分显示了这门科学的生命力。1930～1940年，美国在通讯网络上提出了系统工程方法，首创“系统工程师”名称。1950年，美国出版了《系统工程——大系统设计导论》一书，标志了系统工程学的形成。由此，更注重从系统整体出发优化合理地运用“四个M”(Men、Money、Ma-chine、Material)。1968年，贝塔朗菲发表《一般系统论的基础、发展和应用》一书，进一步把系统论引申到心理、社会和文化领域。1960年代系统论得到了广泛迅速的发展，产生了许多新分支，并且与信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变理论一起组成了现代科学的一个重要领域——系统科学。
2.系统论的基本概念
(1)系统的涵义
从贝塔朗菲起，许多学者从不同的思维方式和认识角度给“系统”下过多种定义。
贝塔朗菲对系统的定义是:“处在一定相互联系中与环境发生联系的各个组成部分的整体”。
钱学森给的定义是:“系统是依一定顺序相互联系着的一组事物”。
上述定义虽然表述不同，但都明确了两点:
其一，系统是由相互联系的要素组成。要素就是组成系统的各个部分。
其二，系统不是孤立存在的，系统也同样与环境存在着密切的关联。环境一般指系统之外的其他事物。
现在对系统的一般定义是:系统是由两个以上可以相互区别的要素所构成，各要素之间存在着一定的联系和相互作用，形成整体的结构并且是具有确定功能的有机整体。系统内部各要素相互联系与相互作用的方式就是这个系统的结构;而系统与外部环境的联系、相互作用的秩序和能力，就是这个系统的功能。系统结构和系统功能是不可分的，他们既有绝对依赖的一面，也有相对独立的一面，体现着系统与环境之间的物质、能量和信息的交换关系。
(2)系统的分类
系统具有多种分类方式。按系统的数学模型看，可以将系统分为:
·封闭系统和开放系统
·静态系统和动态系统(亦称无记忆系统和有记忆系统)
·线性系统和非线性系统
·连续系统和离散系统
·确定系统和不确定系统
以上分类方式都是相对的，应依据实际需要对系统适当分类。
3.贝塔朗菲的一般系统论
贝塔朗菲认为，不同领域、不同系统都具有某些“相似性或同构性”，因此有可能找到用系统思想研究和处理对象的整体联系的一般科学方法，即系统方法，这是一般系统论的任务。
系统方法的显著特点是整体性、综合化、最优化，体现在以下原则中:
(1)最根本原则
即提出问题时，要以系统的整体出发;解决问题时要着眼于整体要求;在处理系统中某个元素，某个局部时，也不能仅仅从这个元素或局部出发，而应当将它放在所从属的系统当中，同系统整体联系起来，使系统结构合理，内外协同作用增强，以提高整体效益。
(2)相关性原则
指系统的要素之间，要素与系统整体之间，系统与环境之间的普遍联系，它们互相制约、互相影响、不可分割。在系统整体中，各要素由系统的结构联在一起，互相依存，互相作用。若其中一项发生变化，就会影响到其他要素。
(3)动态性原则
系统的动态性包含两方面的意思，其一是系统内部的结构状况是随时间而变化的;其二是系统必定与外部环境存在着物质、能量和信息交换。
(4)有序性原则
系统的结构、层次及其动态的方向性都表明系统具有有序性的特征。系统的存在必然表现为某种有序状态，系统越是趋向有序，它的自组织程度就越高，稳定性就越好。系统从有序走向无序，它的稳定性便随之降低。完全无序的状态就是系统的瓦解。
(5)目的性原则
也称“预决性”原则。贝塔朗菲认为，系统的有序性是有一定方向的，即一个系统的发展方向不仅取决于偶然的实际状态，而且还取决于一种对未来的必然的预测，两者的统一，保持系统的稳态。这就是“预决性”，也就是系统的目的性。
(6)最优化原则
指的是通过系统的自组织、自调节能力，使系统在一定的环境下达到最佳结构，发挥最好功能。它是与系统的目的性联系在一起的。
(四)“新三论”
20世纪60、70年代，在关于开放系统自组织理论的研究方面，产生了一些新的系统理论。目前影响较大的有耗散结构理论、协同学和超循环理论等。人称“新三论”。
1.耗散结构理论
1969年，比利时普利高津(I.Prigogine)提出了耗散结构理论，引起学术界的广泛关注。
耗散结构指的是远离平衡状态下的新的有序结构，是需要耗散物质和能量才能维持的结构。
热力学第二定律指出，一个系统随时间的推移必定从有序走向无序(混乱)，即系统总是处于退化过程之中;但由达尔文进化论及细胞学说所阐明的生物个体产生和发育的过程，又揭示出自然界同时存在着能量和物质由低级到高级、由简单到复杂、由无序到有序的演化方向。正是这个“矛盾”，才引发普利高津探索出耗散结构理论这项杰出成果，即一个远离平衡态的开放系统有可能从无序转变为新的有序状态，理由是因为这种系统吸收能量和物质，抵消了系统内部的无序性的增长，使系统有序性成为主流。这就会形成耗散结构。
普利高津因此获得1977年诺贝尔奖。
2.协同学
1971年，德国哈肯(H.HaKen)和他的学生格拉汉姆(R.Graham)提出了协同学的思想和概念。
1983年，他又出版了《高等协同学》，建立了协同学的理论框架。
他认为，一个系统从无序向有序转化，不完全决定于该系统是否处于平衡态，也不完全取决于它接近平衡态或远离平衡态。一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子系统有可能通过协同的作用使得这个系统在宏观上产生时间结构、空间结构，即该系统具有自组织的性质，从无序自行转化为有序。
这一理论能够很好地说明一些物理领域的自组织现象，从无序自行转化为有序。但在说明生物界和社会中的自组织现象时，还有许多难题尚待解决。
3.超循环理论
1971年，德国艾根(M.Eigen)发表了《生物的自组织和生物大分子的进化》一文，建立了超循环理论。
生命的发展过程可分化学进化和生物进化两个阶段，在这两个阶段之间，有一个生物大分子的自组织阶段，这种分子的自组织形式就是超循环。
艾根认为，超循环是由自催化循环联系起来的循环。在这样的循环序列中，每个单元既能自我复制，又能对下一个单元起催化作用。
他还认为，生物遗传密码的复制就是由这样的超循环来保证的。DNA的每一段都可以自我复制，同时又通过它所编的密码影响下一段的复制。在复制过程中有时会出现错误，这就是突变，突变为生物进化所必需。超循环的组织形式一旦出现，就会稳定地保持下去。这个理论不仅为生物大分子的形成和进化提供了一种模型，而且有可能推广到其他复杂系统的研究，尤其是系统的演化规律、系统的自组织方式等方面的研究。
总之，生物学导致了系统论的开创，而现代物理学的疾驰又促进了系统科学的深化——“新三论”的诞生。
系统科学发展的前沿领域是研究复杂程度最高的现象——混沌、非线性科学与复杂问题，它的兴起，被认为是20世纪下半叶现代科学发展的重大事件。
九、非线性科学与复杂问题研究
20世纪60年代起，科学家开始关注非线性问题。
一般认为除线性以外的所有对象都应属于非线性科学研究之列。有人认为应将耗散结构、协同学、超循环、突变论纳入非线性科学的领域。但就目前非线性科学研究的主体来看，主要是孤子(soliton)、混沌(chaos)和分形(fractal)。
线性和非线性本来是数学名词。所谓线性是指量与量之间存在正比例关系，反映在平面直角坐标系中的图像是一条直线。在线性系统中，部分之和等于整体，描述这个系统的方程遵从叠加原理，即方程不同的解加起来仍然是方程的解。这是线性系统可通过对局部认识的叠加获得对整体认识的客观基础;而非线性是指整体不等于部分之和，叠加原理失效。非线性方程的两个解之和不再是方程的解。因此，在许多时候对非线性系统的局部认识得再细致也无助于获得对整体的认识。从物理学角度上看，两者有明显的区分特征。第一，线性运动一般表现为时空中的平滑连续;而非线性则表现为从规则运动向不规则运动的转化和跃变。第二，从系统对外界影响和系统参量微小变动的影响上看，线性系统的影响往往表现为成比例变化，体现平缓、光滑;而非线性系统中参量的极微小变化，可以引起系统运动形式的巨大改变甚至改变运动的本质，恰如是“差之毫厘，缪以千里”。第三，反映在连续介质中的波动上，线性行为表现色散引起的波包弥散结构的消失(以向一平静水面投一石子发生的情形作类释)，而非线性作用都可以促使空间规整性结构的形成和维持(如湍流中的涡旋——相干结构)。
科学研究表明，自然界大量存在着的相互作用其本来面目都是非线性的，线性作用只不过是非线性作用在一定条件(理想模型)下的近似。因此探索复杂性的非线性世界的本质规律，就成了现、当代科学家新的目标。
有西方科学家豪迈地讲，20世纪的物理学只有三件事将被后人记住:
·相对论，排除了绝对时空的牛顿幻觉
·量子力学，排除了对可控测量过程的牛顿迷梦
·混沌学，排除了拉普拉斯决定论的可预见性的狂想
(一)孤波和孤子
1.孤波
宇宙天体的运动、大气对流、奔腾的河水、磁场中高压电离气体等都是异常复杂典型的无规则运动系统。当我们宏观地长时间地观察这些系统时，会发现一些在某个限定的区域内、又相当长的时间内稳定存在着的规整结构，这种结构称为相干结构。最容易观察到的相干结构是涡旋，如大到几万千米的星云团，小到河流中的涡旋，微到几纳米的电荷密度波等。它们都具备相干结构所必需的存在于复杂的无规则运动系统中及保持相当的时空稳定性这样两要素。使用计算机可以模拟这些涡旋，并对其形成的机理进行深入的研究。
18世纪，英国罗素(B.A.W.Russell)偶然发现，一次在航行着的船头前，堆起了一堆长约10米、高约1米的水堆，随船匀速前进;当船停下时，水堆却仍然以原来的速度向前推进十几分钟，保持形状数千米，最后才逐渐消失。罗素将这种具有相当时空稳定性的“水堆”称为孤波，并意识到他应该是浅水波方程的一个解。
20世纪，两位科学家导出了著名的浅水波方程，并得到了该方程的解，与罗素当年的结论正好符合。
2.孤子
1960年代以来，费米用计算机模拟孤波，发现当两种不同特性的孤波相互碰撞后，仍然“顽强地”保持着各自的特性运动着，其稳定性类似于刚性粒子，故称孤子。后来把许多非线性方程的孤波解广义地称为孤子。
随后科学家发现除浅水波、振动波之外，许多非线性方程都有孤子解，并整理出一套求解孤子解的“反散射法”，进而解决了凝聚态物理、等离子物理及光学实验中的一些问题。
“光学孤子”的发现并运用于光纤通信，使孤子这一纯数学推导的结论在应用中发挥了巨大的作用。
(二)确定系统中的无规则运动——混沌
混沌(chaos)，原意指混乱无序。作为现代研究对象的混沌有着特定的含义，它特指一种复杂过程，一种由非线性作用导致的、在可用确定性方程描述的简单系统中可以出现的、极其复杂貌似无规则的有序运动，即混沌有序。
确定系统的内在随机性;对初始条件的敏感依赖性;一种全新的序——是混沌的重要特征。
长期以来，宇宙被描述为一个确定性系统来研究，这个系统服从经典力学规律。因此，拉普拉斯将这种规律性夸大为:只要给定初始条件，就可以预知整个太阳系的未来。这就是拉普拉斯决定论。然而许多事实又给“决定论”提供了反例。
20世纪初，以法国彭加莱(J.H.Poincare)为代表，在研究天体力学中的三体问题时，就预感到“混沌”的存在，因为三体引力相互作用时能产生出惊人的复杂行为，彭加莱从而感到动力学方程的某些解有不可预见性。他还发现了某些系统对初值具有敏感依赖性。这就是现在我们讲的混沌现象。
在彭加莱之后，很多科学家都投入了对混沌知识的积累和深入研究之中。特别是计算机的发明与使用，为混沌学的研究提供了快捷有力的工具。
1960年代初，混沌研究有了两大突破:
一个突破是由前苏联柯尔莫果洛夫(A.N.Kolmogorov)于1954年在阿姆斯特丹国际数学会议上提出的《在具有小改变量的哈密顿函数中条件周期运动的保持性》原理，他的这一原理分别被其学生阿诺德(A. I.Arnold)和瑞士莫泽(J.Moser)于1963年完成证明，这就是KAM定理(由他们三人姓氏的首字母命名)。KAM定理告诉人们，保守系统除可以做规则运动外，在一定条件下，也可能出现随机性而作混沌运动。
另一个突破是由美国洛仑兹(E.N.Lorenz)完成的。他在1963年利用自己建立的描述大气对流的数学模型，用计算机模拟天气预报。通过数值运算的结果发现，由三个变量、三个方程所描述的简单确定性系统却出现了不可预测性——系统运动轨迹描绘出一种奇怪的、特殊的形状，像一只展开了双翼的蝴蝶。这种现象揭示了混沌运动对初始条件极为敏感的特性。洛仑兹将这种特性作了一个形象的比喻——在南美森林中的一只蝴蝶偶尔扇动了几下翅膀，几周后会导致美国加州的一次巨大的龙卷风。这就是所谓“蝴蝶效应”。
显然，混沌属于确定性系统内在的随机性这一发现足以使拉普拉斯决定论摇摇欲坠了，而混沌具有对初始条件的敏感依赖性的认识更加速了这一坠落。洛仑兹的工作揭示了混沌确定性的周期性、对初值的敏感依赖性、长期行为的不可预测性等，还在图像上发现了混沌的第一个奇异吸引子。
混沌运动的吸引子是相空间的分形几何体，有分数维数，几何图形极为复杂，所以称奇异吸引子。相空间的其他区域如同落在大地上的雨水，江河湖海便是吸引子。混沌吸引子具有非周期性、非对称性，某一初始状态开始的轨迹表现为在有限空间既不重复也不自我相交的无限长的曲线，这就具有了分形的特征。
奇异吸引子的发现及其研究促进了对混沌的认识，而要对混沌的结构有进一步认识，还必须借助分形这一概念。
(三)分形几何学
分形一词是由美国曼德布罗特(B.B.Mandelbrot)于1975年首次提出的。分形原意是指破碎而复杂却具有自相似性的形体，研究分形的几何学叫做分形几何学，它属于非欧几何范畴。
自然界好多事物都是分形，如弯曲的海岸线、天上的云朵、繁茂的大树、心跳的节律等，这类事物显著的几何特征是具有分数维数，维数具有尺度不变性，即维数具有无标度性，随着观察尺度的变化其维数并不改变。这与我们观察一个缠好的绳球不一样，极远看是个点(零维);近些看，充填着球形空间(三维);再近些看，是一根根绳子，变成了一维。说明它的维数是随观察的尺度变化而变化，而且维数都是整数。
科学家在研究几何问题时已人为创造了许多分形体。
二维空间最典型的分形结构是瑞典科克(H.V.Koch)20世纪初构造的。这是一条在有限范围内无限延伸的曲线。具体方法是在一个等边三角形各边中间的1/3上构造一个边长为其1/3的等边三角形，使之成为六角形，再在六角形各边以同样方法构造其边的1/3大小的三角形……最后便得到一个维数为1.2628的分形几何体。因为每次变换都使曲线增长4/3倍，第n次变换就使曲线变为原长度1的(4/3)n倍，那么当n∞时，曲线长度便成为无限长，同任何你想象地伸向无边无际的宇宙深处的直线一样长。综合看，科克曲线就是一条在有限的面积中、具有无限长度的、永不自交的线。对于具有这些独特性质的科克曲线，整数维数显然有些无能为力。一条简单的一维欧几里德线根本不占有空间，但科克曲线以无限长度挤在有限面积之中确实占有空间，它占的空间比线多、比平面少，因此它的维数应比1维大、比2维小，是个分数维。在科克曲线上任取一个小段放大，它的形状特征与整体是一样的，这就是自相似性。因此，自相似性赋予分形一种由简单进入复杂的能力，一种简单性蕴含复杂性、无限融于有限之中的方式。
分形几何是描述事物的空间分布特性，混沌学是研究事物随时间变化的过程。而奇异吸引子之所以能够描述混沌这种复杂而有序的运动，因为它是分形，它之所以分形，因为它是混沌运动的反映。这正反映出分形与混沌的关系:存在一种统一的规律性，它反映在空间分布上表现为分形，它出现在时间分布上则表现为混沌。
总之，非线性科学是在人类不断认识自然、研究自然的过程中诞生的一门新兴科学。它使人类对自然的认识进入了一个更深层次。从哲学意义上讲，混沌消除了“决定论”与“概率论”这两套对自然界、人类社会中事物描述的体系之间的鸿沟;孤子、混沌和分形的研究，为量变引起质变、有序和无序、规则与混乱之间的转换提供了更生动的范例。此外，利用混沌理论可以解决或认识潮汐、污染、商业、证券、交通等方面问题。在计算机领域，分形理论还可以用于图像及其他信息的压缩技术。透过正在被打开的非线性科学的窗口，人们将得到十倍、百倍于现在的新知识。21世纪，将是非线性科学大发展的世纪。
十、现代技术的发展与革命
有学者主张，将20世纪以来现代技术的发展分成前、后两个阶段，分别加以讨论，而以1960年代末作为两者的分界线。
20世纪40～60年代，是现代技术发展的前期阶段，主要标志是原子能、电子计算机、空间技术、材料技术、激光技术的开发与应用。
20世纪70年代后，进入现代技术发展的全新阶段，涌现出一系列以最新科学理论为依托的高新技术，有学者称其为新技术革命。
以下扼要介绍现代技术发展前期阶段(20世纪40～60年代)的主要技术领域。现代技术革命时期的高新技术(20世纪70年代后至今)，在第三章作介绍。
(一)原子能技术
1.原子弹的研制
“链式反应”使科学家首先想到核能的利用，同时预见到了制造原子武器的危险。特别是德国核裂变取得成功，链式反应试验正在积极进行，科学家们焦虑万分。1939年8月，匈牙利西拉德(L.Szilard)、特勒(E.Teller)和威格纳(E.P.Wgner)找到爱因斯坦，并借助于爱因斯坦的名望请他写信给当时的美国总统罗斯福，说明“链式反应”的潜力和制造原子弹的可能性，建议尽可能赶在德国纳粹之前造出原子弹。
10月11日，罗斯福见信后即下令成立铀矿顾问委员会，并拨款六千美元作为研究经费，但研究工作只限于大学研究所。
直到1941年12月6日，日本偷袭珍珠港前一天，美英政府才决定全力研究原子弹。罗斯福批准了一个取名为“曼哈顿工程”的庞大工程计划。布什(V.Bush)担任科学研究和发展总署署长，负责协调工作。康普顿(P.A.H.Compton)负责可裂变材料的制备工作。费米受康普顿之邀，在芝加哥大学领导建造了第一座反应堆。奥本海默(J.R.Oppenheimer)被任命为新墨西哥州洛斯阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制工作。由此原子能时代开始了。
1945年7月16日5时30分，第一颗具有两万吨TNT炸药威力的原子弹在距洛斯阿拉莫斯一百英里的阿拉莫戈多沙漠试爆成功。
1945年8月6日和9日，美国将一颗名为“小男孩”的铀弹和一颗名为“胖子”的钚弹分别投到日本的广岛和长崎。
战后，美苏为了争夺核优势，积极研制和扩大核武器生产。
前苏联由于战争的消耗，迟至1949年9月22日，才爆炸了第一颗比投放到广岛大五倍的原子弹。
1952年10月3日，英国第一颗原子弹在澳大利亚蒙特贝洛沿海的船上试爆成功，成为世界上第三个拥有核武器的国家。
1952年11月1日，美国进行了第一次氢弹试验。这是采用一种液态氚和氘的“湿法”氢弹，体积大，军事上难于实用。
1953年8月，前苏联爆炸了第一颗氢弹，用固态锂－6代替昂贵的氚，成了体积较小的实战武器。
1954年，美国第一艘攻击型核潜艇“鹦鹉螺”号建成下水。
1957年5月15日，英国爆炸了氢弹，成为世界上第三个爆炸氢弹并具有核作战能力的国家。
1958年8月，前苏联第一艘攻击型核潜艇“11月”号建成下水。
1960年2月13日，法国在西部非洲撒哈拉大沙漠赖加奈的一座100米的高塔上爆炸成功了第一颗原子弹，成为世界上第四个拥有核武器的国家。
新中国成立后，原子能技术和原子能工业从无到有，得到了迅速发展，逐步建成了一套有相当规模和门类齐全的原子能科学研究体系和核工业部门。
1964年10月16日和1967年6月18日，我国先后成功地进行了第一次原子弹和氢弹试验，打破了大国的核垄断地位。
1968年，英国首艘“刚毅”号导弹核潜艇于开始服役。
1968年8月24日，法国第一颗氢弹在位于太平洋方加陶法岛的法国核试验基地上空爆炸。这是法国进行的威力最大的一次核爆炸试验，当量为270万吨。
1970年，中国首艘核动力攻击潜艇091型“长征一号”下水。
1972年1月28日，法国第一艘“可畏”号导弹核潜艇开始服役。
1974年5月18日，印度第一次爆炸了核装置。
1977年6月，美国宣布研制出以贯穿辐射为杀伤方式的中子弹，各国也相继投入研制。
1998年5月11日，印度在西部拉贾斯坦邦成功地进行了三次地下核试验。13日，印度又在西部拉贾斯坦邦的博格伦沙漠试验基地进行了两次地下核试验。包括一枚4.5万吨级的氢弹，即热核装置;一个1.5万吨级的裂变装置;三个分别为100、500和300吨级的低当量装置
1998年5月28日和30日，巴基斯坦在俾路支省进行了6次核试验。
2006年10月9日，朝鲜宣布成功地进行了一次地下核试验。朝鲜此举引起国际社会的极大关注。
2.核电站的建设
(1)核电站发展概况
军用技术的发展为民用原子能创造了条件。
一些较早发展起来的核电站，都是在军用生产和军用船舶动力堆的技术基础上发展起来的。
1954年，苏联采用以石墨为减速剂、普通水为冷却剂的“石墨冷水堆”建成了奥布宁斯克小型原子能电站。
1965年，英国建成了天然铀石墨气冷发电和产钚两用堆。
1957年，美国建成了实验性压水堆核电站“希平港1号”。
20世纪50年代，各国核电站的发展基本上是实验性的，主要探索其技术上的可能性。
为了掌握各种动力堆的性能，各国普遍研究了多种堆型。经过几年的比较淘汰，开发的重点集中到轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、气冷堆和冷水堆等几种堆型。
到了60年代，核电站开始进入实用阶段。
目前，轻水堆是核电站首选堆型，装机容量约占世界全部核电站总容量的80%，到70年代，其单堆功率已从第一代的20万千瓦左右提高到130万千瓦，平均能耗有很大提高，发电成本大大降低。
重水堆由于重水装载重量大，初期渗漏严重，不能有效降低成本，经过多年改造后，才达到商业推广阶段。
气冷堆现已经历了天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆及高温气冷堆三个阶段，其中高温气冷堆用40个压力的氦气冷却，其氦气出口温度可达1000℃，具有高转化、高效率、高燃烧等突出优点，除发电外还可为钢铁、燃料、化工等工业部门提供高温热源，是一种很有前途的先进堆型。
随着核电站的发展，对燃料的需求量愈来愈大。为了合理地使用有限的铀资源，把非燃料中残余的核燃料充分利用起来，“后处理工业”体系应运而生。另外的办法是使本来不是裂变的原料铀238和钍等转化成可裂变的铀235和钚239等人造核燃料，这就是美苏早在50年代初开始的增殖堆研究。
1951年，美国阿贡实验室在津恩(W.H.Zinn)领导下，建成了世界第一座实验性快中子增殖堆EBR－1。随后，英、法、西德、日本等国也都积极开展了增殖堆的研究，其中投入最大的是钠冷快中子堆(简称“快堆”)。它以钚239为燃料，能更多地将铀238转换成钚239，达到了增殖效果。这个堆是以液态金属钠作冷却剂，具有堆心体积小、热功特性好、热效率高等优点，缺点是钠易活化与氧化，遇水有剧烈反应。到70年代，苏联的BH－350原型快堆(12.5万千瓦)、法国的“凤凰”原型快堆(25万千瓦)、英国PER唐瑞原型堆(25万千瓦)先后投入运行。许多功率更大的快堆正在陆续建成。目前，快堆在缩短燃料倍增时间、提高增殖比和保证安全等方面的问题尚待解决。
(2)核电站分代标志
·第一代(GEN－I)
是早期的原型堆电站，即1950年至1960年前期开发的轻水堆(Light Water Reactors，LWR)核电站，如美国的希平港(Shipping Port)压水堆(Pressurized－Water Reactor，PWR)、德累斯顿(Dresden)沸水堆(Boiling Water Reactor，BWR)以及英国的镁诺克斯(Magnox)石墨气冷堆等。
·第二代(GEN－Ⅱ)
是1960年后期到1990年前期在第一代核电站基础上开发建设的大型商用核电站，如LWR(PWR，BWR)、加拿大坎度堆(CANDU)、前苏联的压水堆VVER/RBMK等。
目前世界上大多数核电站都属于第二代核电站。
·第三代(GEN－Ⅲ)
是指先进的轻水堆核电站，即1990年后期到2010年开始运行的核电站。第三代核电站采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统，如先进的沸水堆(Advanced Boiling Water Reactors，ABWR)、系统80+、AP600、欧洲压水堆(European Pressurized Reactor，EPR)等。
·第四代(GEN－Ⅳ)
是待开发的核电站，其目标是到2030年达到实用化的程度，主要特征是经济性高(与天然气火力发电站相当)、安全性好、废物产生量小，并能防止核扩散。
2002年9月19日至20日在东京召开的GIF(第四代核能系统国际论坛Generation IV International Forum，GIF)会议上，与会的10个国家在94个概念堆的基础上，一致同意开发以下六种第四代核电站概念堆系统。
——气冷快堆(Gas－cooled Fast Reactor，GFR)系统，快中子谱氦冷反应堆。
——铅合金液态金属冷却快堆(Lead－cooled Fast Reactor，LFR)系统，快中子谱铅(铅/铋共晶)液态金属冷却堆。
——熔盐反应堆(Molten Salt Reactor，MSR)系统，超热中子谱堆。
——液态钠冷却快堆(Sodium－cooled Fast Reactor，SFR)系统，快中子谱钠冷堆。
——超高温气冷堆(Very High Temperature Reactor，VHTR)系统，一次通过式铀燃料循环的石墨慢化氦冷堆。
——超临界水冷堆(Super－CriticalWater－cooled Reactor，SCWR)系统，高温高压水冷堆。
(3)中国核电站分布
·运营中
广东:大亚湾核电站，岭澳核电站一期
浙江:秦山核电站，秦山二期核电站及扩建工程，秦山三期核电站
江苏:田湾核电站一期
·建设中
广东:岭澳二期核电站，台山核电站一期，阳江核电站
海南:昌江核电站一期
福建:宁德核电站一期，福清核电站
浙江:秦山核电站扩建—方家山核电，三门核电站
山东:海阳核电站，石岛湾核电站
北京:中国实验快堆
辽宁:红沿河核电站一期
·筹建中
广东:陆丰核电站一期，海丰核电站，揭阳核电站，韶关核电站，肇庆核电站
广西:红沙核电站
福建:漳州核电站，三明核电站
湖南:小墨山核电站，桃花江核电站
江西:万安烟家山核电站，彭泽核电站
重庆:涪陵核电站
四川:三坝核电站
湖北:大畈核电站，松滋核电站
浙江:苍南核电站，龙游核电站
安徽:芜湖核电站，吉阳核电站
河南:南阳核电站
辽宁:东港核电站，徐大堡核电站
吉林:靖宇核电站
黑龙江:佳木斯核电站
3.同位素的应用
(1)什么是同位素
同位素是同一元素的不同原子，其原子具有相同数目的质子，但中子数目却不同。
例如，氢有三种同位素——H氕、D氘(又叫重氢)、T氚(又叫超重氢)——它们原子核中都有1个质子，但是它们的原子核中分别有0个中子、1个中子及2个中子，所以它们互为同位素。碳有多种同位素，例如12 C、13 C和14 C(有放射性)等。
同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学性质几乎相同(氕、氘和氚的性质有些微差异)，但原子质量或质量数不同，从而其质谱性质、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数，例如14碳。
在自然界中天然存在的同位素称为天然同位素，人工合成的同位素称为人造同位素。如果该同位素是有放射性的话，会被称为放射性同位素。
(2)同位素的应用
同位素有重要的用途，例如12 C是作为确定原子量标准的原子;氘、氚是制造氢弹的材料;235 U是制造原子弹的材料和核反应堆的原料。
·同位素示踪技术
是从外面加入与生物体内的元素或物质完全共同运行的示踪物，用以追踪生物体内某元素或某物质的运行、变化的一种方法。
示踪物，可利用元素的同位素本身或用同位素置换该物质成分某元素的标记化合物，按不同目的，关于同位素可利用放射同位素或稳定同位素。
同位素示踪法广泛应用于科学研究(如国防)、工农业生产和医疗技术方面，例如用O标记化合物确证了酯化反应的历程，I用于甲状腺吸碘机能的实验等。农业上，采用放射性同位素辐射方法或辐射和其他方法相结合，培育出农作物优良品种，使粮食、棉花、大豆等农作物都获得了较大的增产。利用同位素示踪技术研究农药和化肥的合理使用及土壤的改良等，为农业增产提供了新的措施。其他如放射性同位素辐射保藏食品等研究工作，也取得了较大的进展。
·同位素治疗方法
同位素治疗是指利用某些放射性元素或其放射性同位素经过衰变所发出的射线来治疗某些特殊疾病。主要利用60钴放疗仪、32磷等治疗癌症和肿瘤以及新生儿先天性血管瘤。全国有上千家医疗单位，在临床上已建立了百多项同位素治疗方法，包括体外照射治疗和体内药物照射治疗。
同位素在免疫学、分子生物学、遗传工程研究和发展基础核医学中，也发挥了重要作用。
·同位素测定年代
14 C断代方法由美国芝加哥大学利比( Libby)教授于1949年提出，在文物考古工作中有重要应用。
自然界存在三种碳的同位素:12 C(98.9%)，13 C(1.19%)，14 C(10－10%)，前两者比较稳定，而14 C属低能量的放射性元素。14 C的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期为5730±40年(现在仍使用5568±30年)。宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子，当热中子击中14 N发生核反应并与氧作用便产生了地球上的14 C。在大气环境中新生14 C很快与氧结合成14 CO2，并与原来大气中CO2混合，参加自然界碳的交换循环。植物通过光合作用吸收大气中的CO2，动物又吃植物，因而所有生物都含有14 C。生物死后，尸体分解将14 C带进土壤或大气中，大气又与海面接触，其中的CO2又与海水中溶解的碳酸盐和CO2进行交换。可见凡是和大气中进行过直接、间接交换的含碳物质都含14 C。同时14 C又以5730年的半衰期衰变减小;加上碳在自然界的循环交换中相当快，使得14 C在世界各地的水平值基本一致。如果生物体一旦死亡，14 C得不到补充，其中的14 C含量就按放射性衰变规律减少，经过5730年减少为原来的一半。因此可以计算出生物与大气停止交换的年代t，即推算出生物死亡的年代。所以，一切死亡的生物体中的残存有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可用14 C来测定年代。
(二)计算机技术
电子计算机是人类20世纪创造出的最杰出成就之一。就它对社会生产、经济、科研、军事、文化教育和人类生活等各方面的影响来说，其意义比任何其他技术都大。电子计算机技术方兴未艾，前途广阔。
1.计算机产生的历史条件
20世纪以来，大工业生产和工程技术的高速发展，由此形成的复杂机器系统单靠人体生理活动日益难以控制，已有的简单自动控制仪器只能解决一些单因素的控制问题，对于系统多因素控制已是力不能及，阻碍了生产自动化向更高、更快的层次发展。为此，急需一种具有获取和识别能力、存贮信息的能力和对大量信息进行快速逻辑运算和判断能力的电子计算机，也就成了现代自动化生产的必然要求。
此外，为了解决社会经济和科学技术中的复杂计算任务，同样需要借助延长人的大脑的快速计算仪器。
还有军事上的迫切需要，40年代出现的声纳、雷达、导弹、原子能的利用，也使大量复杂的计算课题不断涌现出来。如第二次世界大战中，为了预防飞机和导弹的袭击，美国陆军部为陆军每天提供6张火力表，而每张火力表要计算几百条弹道曲线。一个人工计算(使用台式计算机)一条飞行时间为60秒的弹道曲线要花上20个小时，一张火力表要计算两三个月。这就产生了跟军事上快速计算要求之间的尖锐矛盾。由此看来，电子计算机对一场现代战争胜负显得多么重要。
需要是极为迫切，但相关理论也是必要的。1936年，英国图林(A.Ttu ring)在对“布尔代数”研究的基础上，发表了《理想计算机》一文，严格描述了计算机的逻辑构造，提供了现代通用数字计算机的数学模型，并从理论上证明了它的可行性。
再有20世纪初迅速发展的电子技术，特别是热电子三极管的发明，它控制电流开关的速度比电磁继电器快一万倍，这是电子计算机产生的重要技术前提。
综上所述，1940年代设计和制造条件已经成熟，于是电子计算机便顺乎历史潮流诞生了。
2.20世纪最骄人的发明
20世纪40年代，首先出现了一批能执行复杂科技运算的“通用机电式”计算机。1941年，德国朱斯(K.Zuse)制成Z－3型机。这是世界上第一台采用二进制的﹑全部采用电磁继电器的程序控制通用机电式计算机。1944年，哈佛大学物理系研究生艾肯(H.Aiken)制成了影响较大的Mark－1号机电式计算机。上述机型的运算速度大都在0.3秒～5秒之间，主要是继电器开关速度仅约为百分之一秒，大大限制了计算机的运行速度，故此这类机型很快就被淘汰了。
二战加速了电子计算机的研发进程。正是电子技术与计算技术的有机结合，才产生了电子计算机。
1942年，美国莫尔电工学院莫希莱(J.W.Mauchly)博士写了一份题为《高速电子管计算装置的使用》备忘录，提出了电子计算机的设想。由于这一设想符合当时对弹道曲线高速计算的要求，所以很快得到了美国陆军部的支持。
1943年6月，正式组建了莫尔研制小组，其成员有设计人莫希莱、总工程师艾克特(J.P.Eckert)、组织人格尔斯坦(Goldstine)、青年逻辑学家勃格斯等人。他们共同努力，于1946年2月15日制成了世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”(ENIAC)号。它采用10进制，运算速度是每秒5000次，用来计算炮弹弹道轨道40点的位置只需3秒钟，效率是人工计算7个小时的4800倍。ENIAC机共用了1.8万多电子管，共重30多吨，占地170平方米，耗电150千瓦。其不足之处是采用“外插型程序”，在解题之前，须设想好所需全部指令并用人工接通相应电路。这样，计算机工作一小时，却要准备一两天，十分麻烦。
1944年，数学家美籍匈人冯·诺伊曼(J.VonNeumann)参加了莫尔研制小组，在他们通力合作下，于1945年制定了一个全新的存贮程序通用电子计算机方案EDVAC。新方案将10进制改为二进制和“存贮程序”，充分发挥了电子元件高速运算的优越性。“存贮程序”使全部运算成为真正的自动过程。冯·诺伊曼的设计被称为电子计算机发展史上的一个里程碑，EDVAC的卓越设计思想迅速传遍世界各国。
1949年，世界上第一台存贮程序的电子计算机首先在英国剑桥大学制成并投入运行。次年美国也建成了同类机型。1952年，美国IBM生产出用于科研计算的大型计算系统IBM－701。从此，电子计算机走上了工业化生产阶段。
3.电子计算机的发展
自1946年2月“ENIAC”机诞生以来，电子计算机就以异常迅猛的速度向前发展，几乎是每隔6年，运算速度就提高10倍，体积缩小10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍。
它的发展集中体现在电子组件的更新上。从元器件技术角度看，大体经历这样五个发展阶段。
第一代是以电子管为主要元件的电子计算机的初创期。如“ENIAC”机，50年代末制成的DJS－1和DJS－2，其中DJS－2运算速度已达每秒万次。这代计算机存在体积庞大、能耗高、运算速度慢、可靠性差、造价昂贵等缺点，但它所采用的基本的技术思想，毕竟为现代电子计算机奠定了基础。
1956年，用晶体管代替电子管制成的电子计算机，称为第二代，这也是得益于美国三位物理学家肖克莱、巴丁和布拉坦在1947年发明的第一支点接触型锗晶体三极管，这样使运算速度增加到每秒几十万次，乃至数百万次。
到60年代初期，集成电路取代了晶体管，出现了第三代计算机，到60年代末，每秒千万次的大型计算机研制成功，并投入使用。这是计算机工业有重大意义的跃进。
70年代以后，由于大规模集成电路的出现，计算机的发展进入到了第四代，此后计算机向巨型化和微型化两个方向发展。由于大规模集成电路具有体积小、耗电低、可靠性高等优点，致使微型机发展极快。巨型机运算速度最高可达每秒2.5万亿次。
第五代计算机由日本在1981年提出，主要在功能方面有重大突破，是智能型计算机。采用的是超大规模集成电路。目的是将计算机的功能从“运算、存贮、转送、执行命令”扩大到有“思维、推理”的能力，把信息处理转向知识处理，使计算机类似人的左脑进行逻辑思维。由此计算机开始向巨型、微型、网络、智能模拟方向发展。
电子计算机是20世纪科学技术的辉煌成就，是人类智力解放的重要标志。它已广泛深入到科学研究、工农业生产、国防建设和社会生活的各个方面，给整个社会面貌带来极其深刻的变化。
(三)空间技术
航空(第三环境)、航天(第四环境)技术都可称为空间技术。但目前空间技术泛指第四环境的人类活动。它是多种科学技术相结合的产物，是现代科学技术发展的综合体现。它是一个国家科学技术发展水准的重要标志。
20世纪50～60年代，空间技术主要集中在发展运载工具、制导系统以及其他有关装置上。
60年代以后，空间技术转向了应用研究阶段。
目前，空间技术已广泛应用于军事、国民经济和科学研究的许多方面，人类活动开始进入了第四环境——天，广阔的宇宙太空。
1.飞机
关于探空飞天，早就有古代中国万福的探索和文艺复兴时代期达·芬奇的美好梦想，他们都曾经亲自设计了相关的飞行装置。
1783年，法国蒙哥菲(J.Montgolfier)和E.蒙哥菲兄弟利用热气球成功进行了6000英尺高空的飞行。
1903年12月，美国莱特兄弟成功实现了双翼螺旋桨动力飞机的受控飞行，发动机功率为12马力。
1939年，美国西柯尔斯基(I.Sikorsky)制成了第一架直升飞机。
1941年5月，英国人惠特尔(F.Whittle)研制的“克罗士特－E28/29”型喷气式飞机首次飞行成功。
1953年，美国研制的时速达1300公里的“F－100”战斗机，成功地突破了音障——超音速飞机就此诞生。
其实，早在1947年10月，美国飞行员叶格尔(E.Yeager)就首次试验完成了用液燃料火箭作推进力的“贝尔X－1”型超音速飞机的飞行。由此，将火箭作为飞行动力，为人类跨入太空提供了一种划时代的工具。
2.火箭
火箭技术是发展空间技术的关键。
现代火箭技术研究始于19世纪末20世纪初。
1898年，被称为宇宙航行之父的俄国齐奥尔科夫斯基发表了关于液体火箭推进引擎的论文《用于空间研究的反作用飞行器》。5年之后，他又进一步提出用液氧、液氢或石油作为火箭燃料剂。
1901年3月，美国戈达德(R.H.Goddard)用液氧和汽油作燃料，成功地发射了世界上第一支液体推进剂为火箭，在25秒内升高到184英尺。他继续研究，到1953年他的火箭可升高7500英尺，时速达100公里。
1923年，德籍罗马尼亚人奥伯特(H.Oberth)《飞往星际空间的火箭》的论文发表，在文中他对多级空间运载工具火箭的推力作了重要数学论证，并对未来的液体燃料火箭、人造卫星、宇宙飞船以及宇宙空间站等作了精彩的设想和预言。这篇论文立刻在德国引起极大的轰动，激发了许许多多德国青年对宇宙旅行的憧憬。
1927年，德国成立了太空旅行协会。
1930年，由贝格上校领导的武器发展研究组专门研究了齐奥尔科夫斯基、戈达德和奥伯特的探空原理。多姆白格上校负责德国陆军火箭的秘密研制，冯·布劳恩(W.VonBraun)被任命为德国陆军火箭小组的技术领导人。1933年希特勒上台后，大大加快了火箭的研制进度。
1942年10月3日，布劳恩设计的A4大型火箭发射成功，这枚火箭可承载1000磅TNT炸药射向130公里处的目标。A4火箭由希特勒命名为“复仇者2号”，后改称V—2火箭。令人遗憾的是，火箭的初生之功与原子弹一样，被应用于第二次世界大战。据战后统计，德国共向英国发射V—2火箭1115枚，向欧洲其他盟国发射了1675枚，盟国空中和地面炮火没有拦截到任何一枚。但这种火箭并没有挽救希特勒的灭亡下场。
3.人造卫星
二战后，美苏两国开始沿着布劳恩在二战期间就已提出的建造二级火箭的设想，发展洲际弹道导弹。1949年，苏联爆炸了第一颗原子弹，打破了美国的核垄断。美国总统杜鲁门下令立即研制氢弹，到1951年才决定认真研制远程液体燃料火箭。
1957年8月26日，苏联发射第一枚超远程多级洲际弹道导弹“USSR—1”号获得成功。
同年10月4日，苏联用USSR—1三级火箭成功将世界上第一颗人造地球卫星“斯布特尼克号”送入了轨道。这颗卫星重83.6公斤，开创了人类向太空进军的新时代。
1957年11月3日，苏联又发射了重达508.3公斤的第二颗人造卫星，除运载各种科学仪器外，还将一只实验小狗“莱伊卡”成功地带入了空间轨道。
1958年1月31日，美国把14公斤的首颗人造卫星“保险者一号”用“木星C”火箭送入轨道。
1965年11月26日，法国成功地发射了第一颗“试验卫星—1”(A—l)号人造卫星。该星重约42公斤，运行周期108.61分钟。
1970年2月11日，日本成功地发射了第一颗人造卫星“大隅”号。该星重约9.4公斤，运行周期144.2分钟。
4.载人宇宙飞船
20世纪60年代，火箭技术有了很大发展。苏美两国相继研制了威力强大的运载火箭。
1961年4月12日，前苏联用一种集束式三级液体火箭把载人宇宙飞船“东方一号”送上太空，宇航员尤里·加加林绕地球飞行一圈，成为世界上第一名完成轨道飞行的宇航员。
1961年5月5日，艾伦·谢泼德乘坐由红宝石火箭发射的“水星”号飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角起飞，进行了历史性的美国首次载人亚轨道飞行。这次飞行历时15分钟，其中有5分钟是在真正的太空中飞行。
1962年2月20日，约翰·格伦，乘坐“水星”6号飞船环绕地球3圈，历时4小时55分23秒，完成了美国人的第一次地球轨道飞行。
1963年6月14日，前苏联瓦伦丁娜·特里什科娃乘东方6号太空船，在3天内飞行48周，成为第一个飞出地球并环行地球的妇女。
1965年3月18日:苏联“上升号”飞船的宇航员阿列克谢·列昂诺夫进行了人类首次太空行走，他漂出宇宙飞船，以每小时1.5万英里的速度绕地球飞行了10分钟。
1961年5月，美国开始了规模庞大的“阿波罗”登月计划。“阿波罗”登月计划是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。工程至1972年12月第6次登月成功结束，历时约11年，耗资255亿美元。从1969年7月20日“阿波罗”11号首次把人安全送上月球，到1972年12月“阿波罗”17号最后一次完成登月计划，共登月飞行5次，4次成功，1次失败，有12人登上月球。
1969年7月16日，巨大的“土星5号”火箭载着“阿波罗11号”飞船从美国肯尼迪角发射场升空，开始了人类首次登月的太空征程。美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗、埃德温·奥尔德林、迈克尔·科林斯驾驶着阿波罗11号宇宙飞船跨过38万公里的征程，承载着全人类的梦想踏上了月球表面。这确实是一个人的小小一步，但是整个人类迈出的伟大一步。他们见证了从地球到月球梦想的实现，这一步跨过了5000年的时光。
(四)材料技术
材料，是指人类用来制作有用物件的物质。它是每个时代的技术基础，更是现代技术的重要基础。
人类早期使用的是天然材料，其中木材仍是今天很重要的材料来源。
从天然矿石中提炼出铁、铜等有用材料，是古代和近代的主要生产技术。
20世纪前半期，钢铁冶炼和加工技术已经基本形成，进入了工业推广应用阶段，随后化学合成技术也发展起来了。
钢铁等金属材料、半导体材料、高分子材料等是现代生产技术发展的重要基础。
1.金属材料
20世纪以来，钢铁冶炼技术形成了以钢铁为主体的钢铁联合生产方式，实现了生产过程的机械化和自动化，并开始采用高速、高压、高温、富氧冶炼技术。纯氧顶吹是现代主要冶钢方法，电炉成为冶炼特殊钢和高级合金钢的重要方式。1913年，英国哈德菲尔(R.A.Hadfield)制成了镍铬不锈钢。1916年，日本本多太郞研制了新型磁钢。此后，各种特殊钢都得到了迅速发展。
世界粗钢产量1900年为2783万吨，1950年为1.92亿吨，1955年为2.6亿吨，1977年达6.7亿吨。
在黑色金属冶炼技术发展的同时，有色冶炼技术在20世纪前半期也获得了迅速发展，其中冶铝技术发展尤为迅猛。20世纪最初十几年，瑞士等七个欧洲国家及美国、加拿大都建立了制铝工业。20年代，西班牙、瑞典、日本、苏联也建立了制铝工业。
全世界的铝产量1905年约为一万吨，1954年一跃为246万吨。
2.半导体材料
1927～1928年间，德国斯特拉特(M.J.O.Strutt)建立了固体能带理论，指出晶体中电子的可能能级形成能带。依据这一基本思想，人们提出在半导体单晶内制成PN结的可能性。
1984年，美国贝尔研究所的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了高效、低耗、微型的晶体三极管，开创了半导体技术的新时代，同时为第二电子代计算机的产生奠定了坚实基础。
电子技术的发展推动了半导体材料的生产。在固体电子学、表面物理等基础上，晶体生长、区域提纯、外延技术、超精细加工的理论和工艺有了进一步发展，锗、硅、砷化镓、碲化铟等半导体材料相继发展起来了，并出现一批新型电子原器件，如光敏、磁敏、压敏、气敏元件，大功率可控硅，大规模和超大规模集成电路等。
半导体科学技术成了现代科学技术中影响最广、发展最快的部门之一。
3.高分子材料
高分子材料是20世纪科技中发展异常迅速的新兴领域。塑料、合成橡胶、合成纤维等高分子合成材料，以其性能优异、原料丰富和价格低廉而领先于传统的金属和非金属材料，其发展速度大大超过了钢、水泥、木材这三大基础材料。高分子合成材料构成了第三次技术革命的重要内容。
19世纪末，人们已经弄清了橡胶低馏物的成分为C5 H5，即异二烯。20世纪以来，工业和交通迅速发展，对橡胶需求量大增。为了寻找天然橡胶的替代材料，各国开始研究人造橡胶。1909年，德国霍夫曼(F.Hhofman)、库尔(Comtelle)提出了C5 H5热聚合的专利。1911年，德国杜依斯堡(C.Duisberg)完成了橡胶的人工合成。一战期间，德国合成了甲基橡胶。但由于质次价高而夭折。1928年，美国卡罗泽斯(W.H.Carothere)和纽兰德(J.A.Nieuwland)合成了氯丁橡胶。1925年到二战结束，又有丁苯、丁晴、丁钠等橡胶被研制出来。据战后统计，世界人工合成橡胶产量达82万吨，大大超过了天然橡胶。
人造纤维方面，这一时期也有了迅速发展。19世纪末，人们实现了天然纤维的改性，相继制成了硝酸纤维(1854年)，脱硝硝化纤维(1884年)，人造丝(1889年)，粘胶纤维(1893年)，醋酸纤维(1865～1874年)。1890～1902年，法、英、德先后建立了人造丝厂。1930年和1932年，德国施陶丁格(H.Stauding)先后提出了关于高分子溶液粘度与其分子量之间的定量关系，发表了有关高分子化合物的总结性专著《高分子有机化台物》，标志着高分子化学的最终确立(为表彰施陶丁格在建立高分子科学上的伟大贡献，1953年授予诺贝尔化学奖)。1935年，通过综合反应合成了聚酰氨纤维(尼龙66)，1938年投入工业生产，这是世界上第一个全人工合成纤维。1939年德国合成了锦纶，1940年合成了涤纶，1950年腈纶也投入了生产。截止到1946年统计结果，人造纤维在世界主要纤维产量中占13%，1955年又上升为21%。
高分子材料的另一个成员——塑料，在此时段发展也挺迅速。1907年，美国贝克兰德(L.H.Beakeland)以煤焦油为原料合成了最早的塑料—酚醛树脂。1927年，德国首先生产聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃)。到30年代，由于高分子链结构理论的建立，“连锁反应”、“缩聚反应”等机理逐渐明晰，使聚合方法大为简化，塑料工业由此快速发展。1932年，氯乙烯与醋酸乙烯聚合成功。1932年又发现了增塑剂。自1937年起，英国大量生产聚氯乙烯。与此同时，德国和美国又开始生产聚苯乙烯。1950年美国杜邦公司开始生产聚四氟乙烯。同年统计，世界塑料年产量达到150万吨。
几十年来，材料生产不仅数量猛增，而且品种层出不穷。特种陶瓷和玻璃、磁性材料、超导材料、激光材料、能源材料及耐高温耐腐蚀材料等，花样翻新，目不暇接。它预示着材料技术和材料工业将迈向一个光辉灿烂的新阶段。
(五)激光技术
激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。这种光源一经产生即大踏步前进，并在生产、科研、军事及生活等各方面得到了广泛的应用。激光技术主要包括两个方面的内容，即激光器技术和激光应用技术。
1.激光产生的理论基础和条件
1916年，爱因斯坦从玻尔的原子能级出发，研究了黑体辐射，发现光辐射有两种形式:一种是原子从高能级自发地无规则地转到低能级而发生的，称为自发辐射;另一种是一个具有能量等于两个能级间能量差的入射光子，与外于高能级的原子作用，使原子跃迁到低能级而发生，并产生第二个光子，同第一个(即入射光子)光子一起发射出来，称为受激辐射。一般的天然光源和人造光源的发光主要是自发辐射，光的频率各不相关，属非相干光，即光色不纯。而对于受激辐射，它发出光子的能量跟入射光子的能量几乎相等，故而受激辐射输出的光获得了放大;再有引起受激辐射的入射光跟受激辐射产生出来的光具有相同的频率、相同的振动步调，因而是相干光，即光色极纯正。顾名思义，物理学上管这样的光叫激光。英音译名“莱塞”(Laser)，东南亚一带华人将激光称为“镭射”。
符合怎样的条件才能产生激光呢?通常情况下，多数原子都处于低能态(级)，就好像水一样低处总比高处多，如何使水(设在一个局部区域内)形成高处比低处多的态势?大家知道，用水泵抽就可以了。同样，产生激光的前提条件，也必须使处于高能态(级)的原子数多于低能态(级)的原子数，这样，当有入射光子经过高能态时，才有可能使高能态的原子受激后发光。这种高能态原子数多于低能态原子数的物理现象叫“粒子数反转”。一言以蔽之，只有构成能级粒子数反转，在外来光子诱导下发生受激辐射跃迁，即产生激光的必要条件。
2.激光器的诞生与发展
第二次世界大战中，由于军用雷达的研制，大大促进了受激辐射的研究。无线电波谱学家在电子学、空腔谐振器基础上又研制成功微波放大器，从而为激光器技术创造了条件。
1951年，美国泊塞尔(E.M.Purcell)和庞德(R.V.Pound)在核感应实验中，把加在工作物质上的磁场方向突然反向，结果在核自旋体系中造成了粒子数反转，并获得频率为50千赫的受激辐射。
1954年，美国汤斯(C.H.Townes)与其助手戈登(J.Cordom)、蔡格(H.Zeiger)成功地制造了第一台波长为1.25厘米的氨分子束微波激射器。他们称该系统为受激辐射的微波放大，即莱塞(Laser)。这台功率很小(10－9瓦)的系统，综合了受激辐射、粒子数反转、电磁波放大等概念。
1955年，前苏联巴索夫(Basov)、普洛克霍夫(Brokhaov)在讨论气体微波激射器时，提出用三能级方法获得粒子数反转。
1956年，美国布洛姆伯根(N.Bloembergen)提出利用离子晶体中的过渡族离子获得微波放大的固体脉塞原理;同年斯科维尔(Scovil)等依此原理制成了第一台固体微波激射器。
1957年，美国麦克霍特(Mcwhorter)等人得用掺钾氰化铬中的铬离子得到了振荡和放大;接着马克夫(Makhnv)等人用红宝石获得了微波(9060兆赫)放大。
汤斯等人的微波激射器诞生后，人们开始考虑将微波激射器发展到光激射器。
1958年，汤斯与肖洛(A.L.Shawlow)首先发表了Laser的设计方案和理论分析，并预言了Laser的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。
1960年7月，加州休斯研究所的梅曼(Maimam)使用直径6毫米、长45毫米的人造红宝石，制造了世界上第一台以脉冲氙灯为激励源的激光器，并得到波长为0.6943微米的红色脉冲激光。至此，这种最新颖的光源——激光诞生了。
激光一经产生便得到迅速发展。
1961～1964年，先后制成钕玻璃激光器和掺钕钇铝石榴石激光器。它和红宝石激光器都是迄今仍大量使用的固体激光器。
1960～1964年，贝尔电话实验室的贾万(A.Javan)和佩特耳(Patll)分别制成了氦氖激光器和二氧化碳激光器等气体激光器，1962年又发明了半导体激光器，1966年又发明了波长可在一段范围内连续调节的两种液体染料激光器。
1968～1982年，又先后制成了气动CO2激光器、准分子激光器;不用提供电能的氟化氢化学激光器(功率已达1011瓦)、碘分子激光器;自由电子激光器等。
到目前，已研制成的激光器达上百种。
我国于1961年9月由中科院长春光机所成功研制了第一台激光器，随后几乎开展了所有类别的激光器研究，现有激光器技术已跨入了国际先进行列。
3.激光的特点与应用
激光器按其三个组成部分(工作物质、谐振腔、激励方式)有三种分类方法。
按工作性质划分，有固、液、气、半导体以及钕玻璃等激光器;按谐振腔划分，有共焦腔、平面腔、调Q、锁模等激光器;按激励方式划分，有电激发、热激发(气动)、光泵激发、化学激发等激光器。
它们作为光源产生的激光具有如下特点:
(1)亮度极高
即它的能量高度集中。如一台功率较大的红宝石巨脉冲激光器的亮度比太阳要高上百万万倍，所以激光是现代最亮的光源。中等强度的激光束在焦点处可产生几千度到几万度的高温。
(2)方向性好
是几乎接近理想的平等光，可以传播很远而发散角度很小。若把激光束射向月球表面，形成的光斑直径只不过二、三公里。
(3)单色性好
即“颜色”纯正。所包含的波长范围越小，单色性越好。采用红、绿、蓝三种激光作为基色光来合成各种色光，色彩就十分鲜艳、逼真，是激光大屏幕投影电视的理想光源。
(4)相干性好
利用这一特点，为发展相干计算机提供了条件，它会使计算速度达到每秒百亿次至上千亿次。
激光的优异特点，很快使它渗入到各个应用领域，如光纤通信、激光加工、激光唱片、激光医疗、激光印刷等等。
(1)激光用于通信
1970年，美国康宁公司研制出衰减率低于20分贝/公里的纯二氧化硅玻璃纤维。同年，双异质结半导体激光器问世。这两项发明开启了光纤通信其及大发展的新纪元。
1977年4月，美国通用电话公司与电子设备公司建立了第一套可供商用的光纤通信系统，迄今已发展了四代光纤通信系统。
光纤通信是现代通信技术的一次革命，将逐渐取代电子通信。
2009年10月6日，英国华裔科学家高锟由于在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得突破性成就，获得诺贝尔物理学奖。
(2)激光存储信息
激光用于信息存储，为信息技术的发展做出了重要贡献。
1972年，荷兰菲利浦公司首先研制出第一个激光光盘CD。光盘(Compact Disk)作为一种信息存贮手段，和磁盘(带)相比，具有存贮密度高、存贮寿命长的优势。一张直径30厘米的光盘可以存贮3兆字节，相当于能存贮15亿汉字。5.25英寸光盘存储容量相当于1000张同样大小的软磁盘。
1982年，第一台紧凑碟片(CD)激光播放机出现。
1993年9月，留美学者姜万勐、孙燕生研发、广东江门“万燕”生产出世界第一台家庭VCD播放器，开创了世界先河。
VCD(Video Compact Disc，影音光碟)是一种在光碟上存储视频信息的标准，VCD可以在个人电脑或VCD播放器以及大部分DVD播放器中播放。VCD视盘机采用了激光束读取信息方式，光盘与激光头无磨损，不会因使用时间长使图像质量变差，因此VCD视盘机的图像质量优于家用录像机。
1996年:东芝推出DVD(Digital Versatile Disc，数字多用途光盘)播放器。
DVD是CD/LD/VCD的后继产品，是一种光盘存储器，用来播放标准电视机清晰度的电影，高质量的音乐与作大容量存储数据用途。最常见的单面单层DVD，容量约为VCD的7倍。
激光记录信息还有另外一个途径——全息照相术。所谓全息指的是物体的发光强度和相位。全息术完全利用的是激光的相干特性。
1961年，美国E.N.利思和J.乌帕特尼克斯用激光拍摄出第一张真正实用的离轴全息图。70年代以来全息术发展很快。1972年，意大利为古典艺术珍品拍摄了全息照片保存起来。
(3)激光加工技术
利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源识别物体的一门技术。激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微雕等各种加工工艺。
·激光焊接
汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。激光焊接不用焊料，对污染杂质含量要求严格的器件焊接非常有利，如心脏起搏器、食品包装的金属易拉罐等。
·激光切割
汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。
·激光打标
用激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用。
·激光打孔
激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400W提高到了800W至1000W。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。
·激光热处理
在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其他机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。
·激光快速成型
将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。
·激光涂敷
在航空航天、模具及机电行业应用广泛。
·激光成像
利用激光束扫描物体，将反射光束反射回来，得到的排布顺序不同而成像。用图像落差来反映所成的像。激光成像具有超视距的探测能力，可用于卫星激光扫描成像，未来用于遥感测绘等科技领域。
(3)激光用于印刷
·激光照排
照排机将电脑里制作的图像和文字由电信号转变成光信号，激光束在银盐胶片上扫描——曝光，使胶片生成潜影，经胶片显影机显影、定影、水洗、烘干后完成激光照排的全过程。
激光照排设备是复杂精密的高级输出设备。通过激光照排，可以得到高质量的书报杂志等印刷品，是计算机辅助出版中的关键输出设备。以激光照排机为输出机的电子照排系统称为激光照排系统。
1985年，中国研制成功计算机激光汉字编辑排版系统。80年代末伴着汉字输入方案的出现在中国推广开来的。随着汉字输入法的普及，传统铅字排版印刷基本绝迹，开创了汉字印刷的一个崭新时代，引发了我国报业和印刷出版业“告别铅与火，迈入光与电”的技术革命，被公认为毕升发明活字印刷术后中国印刷技术的第二次革命。被誉为“汉字印刷术的第二次发明”。项目带头人人王选两度获中国十大科技成就奖，两次获国家技术进步一等奖，获1987年我国首次设立的印刷界个人最高荣誉奖——毕升奖，获2001年度国家最高科学技术奖，被誉为“当代毕升”。
·激光打印
激光打印机是1960年代末Xerox公司发明的，，第一台激光打印机诞生于1971年。
1975年，IBM投放第一台商用激光打印机。
激光打印技术是利用激光束将数字化图形或文档快速“投影”到一个感光表面(感光鼓)，被激光束命中的位置会发生电子充电现象，然后由于静电作用，像磁铁般地吸引一些纤细的“墨粉”，打印效果就出来了。
1980年代初，佳能公司将台式激光打印机商品化，并形成批量，价格大幅度下降，由此，激光打印机才逐步开始推广，其普及和推广反过来又促进了价格的下降，其发展速度之快，在计算机及其外设产品中是不多见的。
4.激光用于医疗
激光已用于脑外、胸外、普外、妇科、眼科、牙科、皮肤科等的治疗。
1972年，美国和西德将CO2激光用于外科手术刀，与普通手术刀相比具有自动止血、伤口感染率小、不无损伤周围神经等优点。
眼科利用激光焊接脱落的视网膜，用激光治疗近视眼、青光眼和角膜移植。
2008年，法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。
激光外科开创了医学美容的新纪元。激光美容是通过产生高能量、聚焦精确、具有一定穿透力的单色光，作用于人体组织而在局部产生高热量，从而达到去除或破坏目标组织的目的。不同波长的脉冲激光可治疗各种血管性皮肤病及色素沉着，如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等，以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等。一些新型激光仪、高能超脉冲CO2激光、铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾、美白牙齿等等，取得了良好的疗效。高能超脉冲CO2激光磨皮换肤术开拓了美容外科的新技术。它利用高能量、极短脉冲的激光，使老化、损伤的皮肤组织瞬间被汽化，不伤及周围组织，治疗过程中几乎不出血，并可精确地控制作用深度。其效果得到国际医学整形美容界充分肯定。
5.激光用于军事
1971年6月，美国首次实验成功激光武器，将地面上远在3.2公里以外的木板点燃。
1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，变成“瞎子”。
1978年3月，世界上的第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有太大区别，主要由四大部分组成:激光器、激励器、击发器和枪托。
1983年，美国安装在波音707喷气式客机上的激光武器，使一架A—7海盗式战斗轰炸机向它发射的5枚响尾蛇导弹失灵。
目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备。战术激光武器的“挖眼术”(致盲)，不但能造成飞机失控、机毁人亡，或使炮手丧失战斗能力，而且由于参战士兵不知对方激光武器会在何时何地出现，常常受到沉重的心理压力。因此，激光武器又具有常规武器所不具备的威慑作用。1982年英阿马岛战争中，英国在航空母舰和各类护卫舰上就安装有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飞机失控、坠毁或误入英军的射击火网。
在测距和瞄准方面，激光测距仪广泛用于地形测量，战场测量，坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等，是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。坦克配备激光测距仪，射击精度和速度比以往手工操作提高10倍以上。
制导方面，激光雷达与激光陀螺仪可用于航天器跟踪和导弹制导。1991年的海湾战争中，美国使用了大量的激光精确制导导弹，一枚可起到几十架次轰炸机的效果。
未来战场，地面、低空、高空、太空战争都将以激光武器作为主要的作战手段。
激光还在军事演习中发挥重要作用。激光模拟器是在实用武器上安装激光发生器，用没有杀伤力的低能量激光来代替子弹、炮弹。同时在训练服的各个部位装上接收器及音响、烟火装置。手枪、步枪、机枪、火炮的激光器都略有区别，用计算机可加以分辨。演习中，攻方与守方像身临战场一样互相攻击。如被对方激光束射中，计算机就会分析“中弹”的部位及“子弹”类型，较轻的就发出“受伤”指令，同时限制受伤者武器的威力，如减少子弹发射频率;如击中要害，就会触发被击中者身上的激光接收装置，发出“死亡”指令，模拟器就会放出代表“死亡”的烟火，武器系统就被关闭，此人就失去了继续作战的资格。在单兵激光对抗装置基础上，又研制开发了“激光模拟对抗训练控制系统”。这套系统具有仿真火力交战、自动控制态势、实时发送信息、授权干预控制等功能，导演部能通过通信网络，接收每个激光模拟对抗机发来的卫星定位数据、弹药存量、战斗状态等信息，使自动监控演习态势、裁决演习行动和评估演习质量有了充分依据。这套系统主要在坦克、装甲车、步战车上使用。安装该系统的战车被激光弹命中损伤后，会被自动切断油路和电路，失去战斗力;如想再开动，需经导调人员重新解码，才可使这辆战车再次投入战斗。
6.激光用于农业
在农业、生物工程上，用激光照射种子，能引起作物性状发生变异，增加产量;用激光诱导家蚕变异，可使蚕的结茧率提高15.7%，茧丝平均增长80米;激光技术可以培育品质优良的水果，使有核果变成无核果，果肉更甜;用激光照射山羊精子，有效保存期延长一倍以上，活力还有所加强，这对于人工授精繁育牲畜十分有利;功率密度很高的激光可以做成生物工程中理想的“手术刀”，可用于DNA的切割、焊接、对细胞打孔等。
7.激光用于测量
激光方向性好，可以制成激光准直仪，形成高质量的直线基准。在调准3公里长的直线加速器时，总偏差不超过0.25毫米。
1969年，激光首次用于遥感勘测。激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。
激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一。因而被广泛用于地形、云层高度测量和工业测控、矿山、港口等领域。
8.激光联姻艺术
激光灯光具有颜色鲜艳、亮度高、指向性好、射程远、易控制等优点，看上去更具神奇梦幻的感觉。
在大楼、公园、广场、剧场等，利用激光光束的不发散性，能吸引远至几公里外人们的目光。将激光灯发出的激光射向水幕、建筑物或墙体等，激光在扫描系统的控制下快速移动，形成文字、图案等可供观赏。
激光灯安装于剧院、夜总会、歌舞厅内，施放一定的干冰烟雾，将激光束射向烟雾并进行扫描，亦可形成文字、图案、动画效果。还可随音乐播放激烈的激光表演，那斑斓明亮的色彩令人陶醉流连。
舞台激光灯是可以随音乐节奏自动打出各种激光束、激光图案、激光文字的激光产品，常用于舞台、舞厅、酒吧、KTV、家庭Party中增加气氛。
利用激光技术及光学控制原理制作的激光琴，是以激光束为弦的“无弦”琴。演奏者用手遮住一束光，无弦琴就会发出声音，相当于拨动一根琴弦。经过不停地对光遮挡，就可以“演奏”出不同的音阶和乐曲。同时可以按琴柱上的音乐选择按钮，改变激光琴的音色。其原理是，依光束前进方向由激光器输出总光束，经分光元件分出作为琴弦的分光束，光电接收器将光信号转换成电讯号，输至与琴键相连的电子控制器，再转换成声音。
激光琴“琴弦”人眼看得着而摸不到，彩色的琴弦能发出光芒，同时又可以发出美妙的琴声。游人拨弄琴弦，不担心破坏琴键，不担心染上细菌，是一种理想的集观赏与娱乐为一体的琴。
9.激光分离同位素
是激光应用的一个重要方面。从1974～1978年，先后分离或浓缩了硼、硫、氮、铀、碳等20多种同位素。硫、碳、铀同位素的激光分离，都已达到相当的规模。而意义最大、难度最高的是激光分离235 U－238 U同位素。
10.激光引发可控热核聚变
2010年，美国国家核安全管理局(NNSA)表示，使用192束激光来束缚核聚变的反应原料——氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3)，解决了核聚变的一个关键困难。
2012年3月15日，位于美国加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置(NIF)进行了一项超级激光实验，其中有192束激光在瞬间释放出1.875兆焦耳的能量，这些能量最后被导入高温靶室。这同时也是世界上最强大的激光仅在230亿分之一秒内释放出史上能量最高(相当于目前整个美国在任意一个时刻消耗电量的一千倍)的激光爆。实验的成功意味着人类研制可控核聚变反应堆达到了一个新的里程碑。
11.激光电视
激光电视(Laser TV)是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像。其色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90%以上，。这比目前LED电视最高的62%色域覆盖率又提高了一个档次。色域覆盖率的提高，不仅可以使整个电视画面看起来更加真实、有层次感、通透的感觉，同时画面的清晰度也会随着色彩饱和度的提高有较大幅度的提升。由于采用激光作为电视的背光源，激光电视可以做的更薄，适合家庭使用。激光电视还克服了人眼长时间观看荧光粉产生的荧光色所造成的不适感，而且对人眼没有辐射。
激光电视是21世纪电视机市场中最强的竞争者，激光电视的出现将带来人类视觉史上的一场革命，因此被称为第四代电视机。
2005年，索尼在爱知世博会上建起一个有500平方米巨幕的巨大激光影院。
2006年，三菱推出40英寸激光电视样机。
2007年，索尼再次高调推出60英寸激光电视样机。
2007年美国国际消费电子展上，索尼和三菱分别展出了55英寸、40英寸的激光电视样机。
2008年，三菱正式在美国市场推出65英寸、73英寸激光电视。
2002年中国在该技术领域实现重大突破，推出全固态激光显示原理样机，2003年研制出60英寸背投激光显示机，2005年推出84英寸背投激光显示机，最近又研制成功140英寸大屏幕激光显示样机。
目前，大屏幕激光电视的主要应用市场是大型场馆，如体育场馆、大型会议室、宾馆设施、市政建设等。随着产业化技术和市场的成熟，成本价格的降低，激光电视在大型场馆的应用率将大幅提高，进入家庭的时间也会缩短。据预测，激光电视进入普通家庭需要5至10年的时间，届时，激光电视将会取代传统显示电视。
信息社会中，掌握的信息越迅速、越准确、越丰富，就有更多成功的机会。激光的出现引发了一场信息革命，从VCD、DVD光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，方便人们保存和提取信息，“激光革命”意义非凡。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工;激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔前景。激光技术已经融入我们的日常生活之中，在未来的岁月，激光会带给我们更多的奇迹。
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