本書以人類認識自然、改造自然的史實為基礎(chǔ)，以歷史進程為線索，以學科為主線，側(cè)重介紹產(chǎn)生過重大影響的歷史事件，介紹部分重要學科領(lǐng)域的歷史與現(xiàn)代發(fā)展狀況，以不同社會發(fā)展階段的自然科學成就和著名科學家具有劃時代意義的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及學說為主要內(nèi)容，概括地分析和闡明自然科學及其學科的對象、特點、發(fā)展規(guī)律與歷史作用，粗略地介紹自然科學的知識體系。本書共10章，內(nèi)容包括緒論及物理學、化學、生命科學、天文學、地學、數(shù)學、系統(tǒng)科學等自然科學的主要學科方向，并提供了部分供教學參考的資料�！�21世紀高等院校教材：自然科學概論》可作為高等學校人文社會科學各專業(yè)學生的通識教育或素質(zhì)教育教材、參考書，也可作為一般讀者的科學普及讀本。
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婁兆文編著的《自然科學概論(21世紀高等院校教材)》系統(tǒng)全面介紹了自然科學相關(guān)知識，本書可作為高等學校人文社會科學各專業(yè)學生的通識教育或素質(zhì)教育教材、參考書，也可作為一般讀者的科學普及讀本。
目錄
第1章 緒論 1
1.1 自然科學的概念、研究對象和特征 1
1.1.1 科學的概念和特征 1
1.1.2 技術(shù)的概念和特征 2
1.1.3 科學與技術(shù)的關(guān)系 3
1.2 自然科學的功能與作用 5
1.2.1 科學技術(shù)是社會發(fā)展巾的一種歷史現(xiàn)象 5
1.2.2 科學技術(shù)既是一種物質(zhì)力量，又是一種精神力量 6
1.2.3 科學技術(shù)是推動歷史發(fā)展的革命力量 7
1.3 自然科學的體系結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢 7
1. 3.1 科學和技術(shù)的形成與發(fā)展 7
1.3.2 現(xiàn)代自然科學的體系結(jié)構(gòu) 8
1.3.3 現(xiàn)代科學和技術(shù)的發(fā)展趨勢 9
1.4 科學結(jié)構(gòu)的革命——自然科學與人文社會科學走向統(tǒng)一 10
1.4.1 自然科學與人文社會科學的不同特點 10
1.4.2 自然科學與人文社會科學分離 11
1.4.3 自然科學與人文社會科學統(tǒng)一的基礎(chǔ) 11
1.4.4 對自然科學及人文社會科學統(tǒng)一的理解 12
1.4.5 自然科學與人文社會科學走向統(tǒng)一的途徑 12
第2章 物理學 14
2.1 物理學的學科特點與研究方法 14
2.1.1 物理學簡介 14
2.1.2 物理學的學科特點 14
2.1.3 物理學的研究方法 16
2.2 物理學革命的背景及其發(fā)展模式 17
2.2.1 物理學革命前夜的三大發(fā)現(xiàn) 17
2.2.2 物理學革命前夜飄蕩在物理學上空的兩朵烏云 18
2.2.3 物理學革命進行曲——物理學發(fā)展模式 19
2.3 相對論的建立及其時空觀上的革命 21
2.3.1 狹義相對論的建立 21
2.3.2 狹義相對論及其所引出的全新的觀念 24
2.3.3 廣義相對論簡介和意義 29
2.4 量子力學的發(fā)展及其全新的物理概念 31
2.4.1 能量子、波粒二象性與測不準原理 31
2.4.2 量子力學的基本概念和理論 33
2.4.3 量子力學的意義及其引起的思想爭議 36
2.5 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的理論及其應(yīng)用 38
2.5.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元及相關(guān)理論簡介 38
2.5.2 重核裂變及其原子彈與核反應(yīng)堆 43
2.5.3 輕核聚變及其氫彈與核聚變的應(yīng)用展望 46
第3章 化學 51
3.1 化學的基本知識 51
3.1.1 化學的基本概念 51
3.1.2 化學的萌芽 51
3.1.3 化學的中興 52
3.1.4 化學的作用 54
3.1.5 化學的學科分類 55
3.2 現(xiàn)代化學理論 56
3.2.1 原子結(jié)構(gòu)與元素學說的新發(fā)展 56
3.2.2 現(xiàn)代化學鍵理論與量子化學 60
3.2.3 現(xiàn)代化學動力學理論 64
3.3 現(xiàn)代實驗和分析化學方法 68
3.3.1 光學分析法 68
3.3.2 電化學分析法 69
3.3.3 色層分析法 69
3.3.4 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學與X射線衍射法 71
3.4 現(xiàn)代化學的發(fā)展特點和趨勢 75
3.4.1 現(xiàn)代化學的發(fā)展特點 75
3.4.2 現(xiàn)代化學的發(fā)展趨勢 76
第4章 生命科學 79
4.1 生命科學概述 79
4.1.1 生命科學的基本概念 79
4.1.2 生命科學發(fā)展簡史 79
4.1.3 生命科學的學科分類 82
4.2 生命科學的研究方法 83
4.2.1 科學觀察 83
4.2.2 假說和實驗 84
4.2.3 模型實驗 84
4.3 現(xiàn)代生命科學理論與應(yīng)用 85
4.3.1 細胞與細胞克隆 85
4.3.2 基因與基因工程 89
4.3.3 人類遺傳與優(yōu)生 97
4.3.4 致病微生物與人體免疫 100
4.3.5 生物多樣性與保護 103
4.4 現(xiàn)代生命科學的發(fā)展趨勢及特點 106
4.4.1 現(xiàn)代生命科學不斷向微觀方向深入 106
4.4.2 現(xiàn)代生命科學繼續(xù)向宏觀方向發(fā)展 107
4.4.3 現(xiàn)代生命科學與其他學科滲透融合 107
4.4.4 現(xiàn)代生命科學的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的統(tǒng) 108
4.4.5 現(xiàn)代生命科學與社會進步密切相關(guān) 108
第5章 天文學 109
5.1 天文學概述 109
5.1.1 研究天文學的意義 109
5.1.2 研究對象和領(lǐng)域 109
5.1.3 天文學的研究方法與手段 110
5.1.4 天文學的學科分支 110
5.1.5 天文學的發(fā)展歷程 110
5.1.6 天文學發(fā)展展望 111
5.2 宇宙 111
5.2.1 宇宙年齡 112
5.2.2 宇宙的產(chǎn)生 112
5.2.3 宇宙的層次結(jié)構(gòu) 113
5.2.4 宇宙物質(zhì)多樣性 113
5.3 星系 114
5.3.1 星系的相關(guān)定義 114
5.3.2 星系的特征 115
5.3.3 主要星系類型 115
5.4 銀河系 116
5.4.1 形狀 116
5.4.2 特征 116
5.4.3 銀河系的未來 116
5.5 太陽系 117
5.5.1 軌道概述 117
5.5.2 結(jié)構(gòu)和組成 117
第6章 地學 121
6.1 地球環(huán)境系統(tǒng) 121
6.1.1 太陽及其運動 121
6.1.2 月球及其運動 124
6.1.3 地球及其運動 126
6.2 地球演化的假說 127
6.2.1 大陸漂移說 127
6.2.2 海底擴張說 128
6.2.3 板塊構(gòu)造說 130
6.3 地球的圈層構(gòu)造 132
第7章 數(shù)學 133
7.1 數(shù)學發(fā)展史概要 133
7.1.1 古代數(shù)學發(fā)展簡史 133
7.1.2 近現(xiàn)代數(shù)學發(fā)展簡史 135
7.2 數(shù)學分支領(lǐng)域介紹 137
7.2.1 代數(shù)學范疇 137
7.2.2 幾何學范疇 138
7.2.3 分析學范疇 140
7.3 20世紀數(shù)學發(fā)展的特點 142
7.3.1 20世紀數(shù)學研究的特點 143
7.3.2 20世紀數(shù)學應(yīng)用的特點 147
7.3.3 21世紀數(shù)學展望 149
7.4 應(yīng)用類數(shù)學分支介紹 150
7.4.1 概率論與數(shù)理統(tǒng)計學 151
7.4.2 運籌學 152
7.4.3 計算數(shù)學 154
7.4.4 模糊數(shù)學 155
7.5 數(shù)學問題介紹 157
7.5.1 地界四大數(shù)學難題 157
7.5.2 近代三大數(shù)學難題 158
7.5.3 七大千年數(shù)學難題 161
第8章 系統(tǒng)科學 165
8.1 概述 165
8.1.1 古今系統(tǒng)思想概述 165
8.1.2 系統(tǒng)科學的形成和發(fā)展 167
8.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類 176
8.2.1 系統(tǒng)的概念 176
8.2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng) 177
8.2.3 系統(tǒng)的層次 178
8.2.4 結(jié)構(gòu)效應(yīng)與整體涌現(xiàn)性 179
8.2.5 系統(tǒng)的分類 180
8.3 系統(tǒng)的環(huán)境、邊界、特性、功能 180
8.3.1 系統(tǒng)的環(huán)境 180
8.3.2 系統(tǒng)的邊界 181
8.3.3 系統(tǒng)的開放性與封閉性 182
8.3.4 系統(tǒng)的功能 183
8.4 系統(tǒng)的狀態(tài)、演化 184
8.4.1 系統(tǒng)的狀態(tài) 184
8.4.2 系統(tǒng)的演化 184
8.5 系統(tǒng)的模型方法 186
8.5.1 系統(tǒng)的原型和模型 186
8.5.2 系統(tǒng)的數(shù)學模型 186
8.5.3 基于計算機程序的系統(tǒng)模型 187
第9章 發(fā)展中國的科學技術(shù)事業(yè) 189
9.1 中國古代的科技成就 189
9.1.1 天文學 189
9.1.2 數(shù)學 190
9.1.3 醫(yī)藥學 191
9.1.4 農(nóng)學 192
9.1.5 指南針、火藥、造紙術(shù)和印刷術(shù)的發(fā)明 193
9.2 中國近代科學技術(shù)落后的原因 194
9.2.1 社會歷史原因 195
9.2.2 中國傳統(tǒng)文化及科學自身的原因 197
9.3 我國科技事業(yè)的發(fā)展 198
9.4 從迎接新技術(shù)革命到走科技自主創(chuàng)新之路 201
9.4.1 我國面臨的新挑戰(zhàn) 201
9.4.2 借以起飛的好機會 202
9.4.3 迎接新挑戰(zhàn) 203
第10章 課余閱讀材料 206
10.1 關(guān)于原子是否存在的爭論 206
10.2 在發(fā)現(xiàn)電子道路上的遺憾 210
10.3 普朗克的“悲劇” 212
10.4 制造永動機夢想的破滅 216
10.5 明代數(shù)學的停滯 219
10.6 王夫之的物質(zhì)不滅思想為什么沒有發(fā)展為物質(zhì)不滅原理 220
后記 224
第1章 緒論
1.1 自然科學的概念、研究對象和特征
自然科學是人類科學知識的主要組成部分之一。對于什么是自然科學（或者說狹義的科學），雖然目前學術(shù)界沒有一個固定的說法，但人們一般都認為自然科學是人類研究自然界各種物質(zhì)和現(xiàn)象的科學，是人類在認識自然和改造自然的過程中所獲得的關(guān)于自然界各種事物的現(xiàn)象和規(guī)律的知識體系，同時也是人類追求知識的一項社會活動事業(yè)。它包括數(shù)學、物理學、化學、天文學、地學和生物學等基礎(chǔ)性科學，以及材料科學、能源科學、空間科學和醫(yī)學等應(yīng)用性技術(shù)科學。一般而言，屬于人類對自然的認識部分稱為科學（科學知識）； 屬于人類對自然的利用和改造部分稱為技術(shù)（技術(shù)知識）， 自然科學一般也被人們稱為科學技術(shù)。
1.1.1 科學的概念和特征
廣義的科學是人類反映自然、社會和人類自身客觀規(guī)律的知識體系，它主要包括自然科學、社會科學和人文科學三大部分（后兩種人們一般通稱為人文社會科學）。狹義的科學一般指自然科學。社會科學研究的對象是政治、經(jīng)濟、法律和文學藝術(shù)等社會現(xiàn)象，它們是人類自身活動的產(chǎn)物。自然科學的研究對象是天體、地球和各種動植物等不依賴于人類而存在的客觀事物，它們早在人類出現(xiàn)以前就已經(jīng)存在。
自然科學是研究自然界中不同領(lǐng)域的運動、變化和發(fā)展規(guī)律的理論和知識體系。它概括了人類對大自然的理性認識，是關(guān)于自然界的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的正確反映，是人類利用、改造和保護大自然的有力武器。
自然科學的各個學科反映的只是自然界的不同側(cè)面，而把大自然作為一個整體，研究這個整體的本質(zhì)和規(guī)律的學科則不屬于自然科學，而是哲學的一個二級學科―――“ 自然辯證法”， 或者說“科學技術(shù)哲學”�！白匀晦q證法”或者“科學技術(shù)哲學”屬于人文社會科學。
人文社會科學是研究“人文”與“社會”中不同領(lǐng)域運動、變化和發(fā)展規(guī)律的理論和知識體系。它概括了人類對自身的理性認識。人文社會科學又分為人文科學和社會科學兩大部分，前者以人類自身為研究對象，主要包括文學、歷史、哲學等學科；后者以人類社會為研究對象，主要包括經(jīng)濟、政治、管理和法學等學科。人文科學和社會科學的研究對象和內(nèi)容通常是纏繞在一起的，很難把二者完全分離開來。
無論是自然科學還是社會科學，它們都是對研究對象的本質(zhì)及其規(guī)律的揭示，是反映事物真相的客觀真理。因此，科學的主要特征是：第一，具有重復(fù)性、再現(xiàn)性和可比性�？茖W是一種知識形態(tài)的理論、概念、原理和學說，它存在于人們的大腦、書刊和光盤等多種載體之中，是人類的精神財富，是可以傳播、教授、繼承和發(fā)展的。對于同一個或同一類研究對象來說，不同的人在相同的條件下，通過實驗和觀察可以得到相同的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)共同的科學現(xiàn)象和規(guī)律。第二，既具有連續(xù)性，又具有創(chuàng)造性。特定的歷史條件下的科學及其活動，首先要繼承歷史和傳統(tǒng)，學習前人積累下來的知識并將其貫穿于自己的科學研究中，這就是科學研究的連續(xù)性；同時又必須努力解決不同時代所提出的不同問題，并在這些問題上有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，這就是科學研究的創(chuàng)造性。在科學研究中必須處理好繼承和創(chuàng)新的關(guān)系。第三，具有開放性。科學知識的對象是客觀世界，世界是不斷變化和發(fā)展的，人們對世界的科學認識也是不斷發(fā)展的�？茖W的開放性就意味著科學具有廣闊的胸懷去包容、批判和創(chuàng)造一切揭示事物客觀規(guī)律的知識和理論。
1.1.2 技術(shù)的概念和特征
1.技術(shù)的概念
技術(shù)是一個非常復(fù)雜的概念，因為技術(shù)涉及的對象非常廣泛；技術(shù)也是一個動態(tài)的概念，因為隨著歷史的發(fā)展，技術(shù)的含義在不斷擴充，不同時期人們對“技術(shù)”的看法是不一樣的。在古代，古希臘著名哲學家（也是科學家）亞里士多德最早提出：科學是知識，技術(shù)是制作的智慧。技術(shù)僅僅是指個人的經(jīng)驗、技巧和手藝。在近代，隨著工業(yè)革命的興起，機器在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著越來越重要的地位，于是人們就認為技術(shù)就是工具、機器和設(shè)備，是一個個沒有生命的裝置。20世紀以后，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)不僅成為人類改造自然、進行勞動生產(chǎn)的手段，而且成為人類認識自然、進行科學探索的重要工具�，F(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)不僅是日常經(jīng)驗的產(chǎn)物，而且是科學研究的結(jié)果。目前比較流行的“技術(shù)”的定義是：技術(shù)是根據(jù)科學原理和實踐經(jīng)驗而發(fā)展起來的各種工藝操作方法和技能體系。
2.技術(shù)的特征
首先，技術(shù)具有明確的目的性。由于技術(shù)是為人類所擁有，也是為人類服務(wù)的，所以任何技術(shù)都有明確的目的，目的性是技術(shù)活動的起點，技術(shù)成果是技術(shù)的目的性的實現(xiàn)。其次，技術(shù)是人（使用者或者說勞動者）和物（使用對象或者說勞動對象）結(jié)合在一起的有機整體。所有技術(shù)都包括兩個方面：一是利用和改造自然的物質(zhì)要素，指生產(chǎn)工具、設(shè)備和機器等勞動資料，稱為技術(shù)的“硬件”；二是利用和改造自然的人的要素，指生產(chǎn)工藝、加工方法和管理體系等，稱為技術(shù)的“軟件”。只有將物的因素和人的因素結(jié)合起來，技術(shù)才能有效地發(fā)揮作用。最后，技術(shù)既具有自然屬性，又具有社會屬性。技術(shù)的自然屬性是指人們在應(yīng)用技術(shù)的過程中必須遵循自然自身的發(fā)展規(guī)律，不能是“人有多大膽，地有多大產(chǎn)”、“思想有多遠，我們就能走多遠”，這是人類所有技術(shù)活動必須遵循的前提。所有技術(shù)本質(zhì)上都是對自然規(guī)律的應(yīng)用。技術(shù)的社會屬性是指人們在應(yīng)用技術(shù)改造自然的過程中，必須遵守社會發(fā)展的規(guī)律。技術(shù)在應(yīng)用于社會的過程中，必然會受到各種社會因素的影響和制約。例如，一項非常先進的技術(shù)，如果它的功能和效用不符合當時當?shù)厣鐣?jīng)濟的要求，不能滿足經(jīng)濟性、可靠性、安全性和社會心理因素等社會需求，那么這種技術(shù)就沒有生命力。任何技術(shù)都是社會的技術(shù)，只有通過廣泛的社會協(xié)作才能得以實現(xiàn)和推廣。
1.1.3 科學與技術(shù)的關(guān)系
科學與技術(shù)，一方面它們是兩個不同的學科，二者具有不同的研究對象和研究方法；另一方面，科學與技術(shù)又是兩個關(guān)系非常密切的學科，這既指人們很難把科學與技術(shù)，特別是現(xiàn)代科學與技術(shù)完全分離開來，也指科學和技術(shù)一體化的趨勢在當今時代越來越明顯。
1.科學與技術(shù)的區(qū)別
科學與技術(shù)經(jīng)常被人們聯(lián)系在一起使用，簡稱為“科技”。但是也應(yīng)該注意到，科學與技術(shù)是兩種不同的現(xiàn)象，也是兩個不同的學科，二者是有區(qū)別的。忽視二者的區(qū)別會引起一系列的誤解和失誤�？茖W屬于認識范疇，它的主要任務(wù)是回答有關(guān)“是什么”、“為什么”的問題，目的是建立相應(yīng)的知識體系；技術(shù)屬于實踐范疇，它的主要任務(wù)是解決有關(guān)客觀世界（研究對象）“ 做什么” 、“怎么做”的問題，目的是建立相應(yīng)的操作體系。
科學，或科學研究活動，是對未知世界的探索，所用的方法主要包括觀察、實驗、收集與整理感性資料、假說、邏輯推理和驗證等；技術(shù)，或具體的技術(shù)活動，是在已有理論指導(dǎo)下的實踐性探索，所用的方法主要是設(shè)計、模擬、類比、試驗、放大、制作、標準化、程序化和試用（驗收）等。
對于科學或科學的成果，評價的標準是其符合性（理論的最終結(jié)果與實驗事實是否相符，以及符合的程度）、創(chuàng)新性（在理論上是否有突破、是否有創(chuàng)造）和邏輯性（理論體系的結(jié)構(gòu)是否嚴謹、自洽）；對于技術(shù)或技術(shù)產(chǎn)品，評價的標準是其效用性（是否有用，以及效用的大�。�、可行性（可否實施、實施的條件是否苛刻）和經(jīng)濟性（投入產(chǎn)出比如何、市場前景如何）。
科學與經(jīng)濟只有間接的關(guān)系，雖然科學的成果對經(jīng)濟可能具有長遠的影響，但是一般而言，科學在短期之內(nèi)并不會對經(jīng)濟產(chǎn)生直接的影響。與此相反，技術(shù)與經(jīng)濟具有直接的關(guān)系，技術(shù)產(chǎn)品對經(jīng)濟可能會產(chǎn)生立竿見影的影響。當然，技術(shù)對經(jīng)濟的影響也可能是長遠的，因為技術(shù)一般是保密的，特別是在技術(shù)發(fā)明的初期是受專利保護的。
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