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和現象的科學，是人類在認識自然和改造自然的過程中所獲得的關于自然界各種事物的現象和規律的知識體系，同時也是人類追求知識的一項社會活動事業。它包括數學、物理學、化學、天文學、地學和生物學等基礎性科學，以及材料科學、能源科學、空間科學和醫學等應用性技術科學。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(技術知識)， 自然科學一般也被人們稱為科學技術。

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、經濟、法律和文學藝術等社會現象，它們是人類自身活動的產物。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，它們早在人類出現以前就已經存在。

自然科學是研究自然界中不同領域的運動、變化和發展規律的理論和知識體系。它概括了人類對大自然的理性認識，是關于自然界的本質和發展規律的正確反映，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面，而把大自然作為一個整體，研究這個整體的本質和規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"科學技術哲學"。"自然辯證法"或者"科學技術哲學"屬于人文社會科學。

人文社會科學是研究"人文"與"社會"中不同領域運動、變化和發展規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容通常是纏繞在一起的，很難把二者分離開來。

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及其規律的揭示，是反映事物真相的客觀真理。因此，科學的主要特征是：及時，具有重復性、再現性和可比性?？茖W是一種知識形態的理論、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果，可以發現共同的科學現象和規律。第二，既具有連續性，又具有創造性。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，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現和創造，這就是科學研究的創造性。在科學研究中必須處理好繼承和創新的關系。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展的，人們對世界的科學認識也是不斷發展的?？茖W的開放性就意味著科學具有廣闊的胸懷去包容、批判和創造一切揭示事物客觀規律的知識和理論。

1.1.2 技術的概念和特征

1.技術的概念

技術是一個非常復雜的概念，因為技術涉及的對象非常廣泛；技術也是一個動態的概念，因為隨著歷史的發展，技術的含義在不斷擴充，不同時期人們對"技術"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，技術是制作的智慧。技術僅僅是指個人的經驗、技巧和手藝。在近代，隨著工業革命的興起，機器在工業生產中占據著越來越重要的地位，于是人們就認為技術就是工具、機器和設備，是一個個沒有生命的裝置。20世紀以后，隨著現代科學技術的發展， 技術不僅成為人類改造自然、進行勞動生產的手段，而且成為人類認識自然、進行科學探索的重要工具?，F代技術已經不僅是日常經驗的產物，而且是科學研究的結果。目前比較流行的"技術"的定義是：技術是根據科學原理和實踐經驗而發展起來的各種工藝操作方法和技能體系。

2.技術的特征

首先，技術具有明確的目的性。由于技術是為人類所擁有，也是為人類服務的，所以任何技術都有明確的目的，目的性是技術活動的起點，技術成果是技術的目的性的實現。其次，技術是人(使用者或者說勞動者)和物(使用對象或者說勞動對象)結合在一起的有機整體。所有技術都包括兩個方面：一是利用和改造自然的物質要素，指生產工具、設備和機器等勞動資料，稱為技術的"硬件"； 二是利用和改造自然的人的要素，指生產工藝、加工方法和管理體系等，稱為技術的"軟件"。只有將物的因素和人的因素結合起來，技術才能有效地發揮作用。，技術既具有自然屬性，又具有社會屬性。技術的自然屬性是指人們在應用技術的過程中必須遵循自然自身的發展規律，不能是"人有多大膽，地有多大產" 、"思想有多遠，我們就能走多遠"， 這是人類所有技術活動必須遵循的前提。所有技術本質上都是對自然規律的應用。技術的社會屬性是指人們在應用技術改造自然的過程中，必須遵守社會發展的規律。技術在應用于社會的過程中，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，如果它的功能和效用不符合當時當地社會經濟的要求，不能滿足經濟性、性、安全性和社會心理因素等社會需求，那么這種技術就沒有生命力。任何技術都是社會的技術，只有通過廣泛的社會協作才能得以實現和推廣。

1.1.3 科學與技術的關系

科學與技術，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，科學與技術又是兩個關系非常密切的學科，這既指人們很難把科學與技術，特別是現代科學與技術分離開來，也指科學和技術一體化的趨勢在當今時代越來越明顯。

1.科學與技術的區別

科學與技術經常被人們聯系在一起使用，簡稱為"科技"。但是也應該注意到，科學與技術是兩種不同的現象，也是兩個不同的學科，二者是有區別的。忽視二者的區別會引起一系列的誤解和失誤。

科學屬于認識范疇，它的主要任務是回答有關"是什么" 、"為什么"的問題，目的是建立相應的知識體系；技術屬于實踐范疇，它的主要任務是解決有關客觀世界(研究對象)" 做什么" 、"怎么做"的問題，目的是建立相應的操作體系。

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，或具體的技術活動，是在已有理論指導下的實踐性探索，所用的方法主要是設計、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(理論的最終結果與實驗事實是否相符，以及符合的程度)、創新性(在理論上是否有突破、是否有創造)和邏輯性(理論體系的結構是否嚴謹、自洽)； 對于技術或技術產品，評價的標準是其效用性(是否有用，以及效用的大小)、可行性(可否實施、實施的條件是否苛刻)和經濟性(投入產出比如何、市場前景如何)。

科學與經濟只有間接的關系，雖然科學的成果對經濟可能具有長遠的影響，但是一般而言，科學在短期之內并不會對經濟產生直接的影響。與此相反，技術與經濟具有直接的關系，技術產品對經濟可能會產生立竿見影的影響。當然，技術對經濟的影響也可能是長遠的，因為技術一般是保密的，特別是在技術發明的初期是受專利保護的。

表11 簡要說明了科學與技術的主要區別。

表1

1 科學與技術的主要區別

項目 科學 技術

所屬范疇 認識范疇 實踐范疇

主要任務 建立"是什么" 、"為什么"的知識體系 建立"做什么" 、"怎么做" 的操作體系

項目 科學 技術

所用方法 觀察、實驗、假說、推理、驗證等 設計、模擬、試驗、制作、試用(驗收)等

評價標準 符合性、創新性、邏輯性 效用性、可行性、經濟性

與經濟的關系 間接、長遠相關 直接、短期相關

主體人員 科學家、學者 發明家、工程技術人員

續表

2.科學與技術的聯系

科學與技術的聯系表現或發生在多個方面及不同層次，主要包括以下方面：

(1) 科學是技術(主要指科學性技術)產生與形成的基礎，并為科學性技術的發展不斷提供新的知識源泉。

(2) 技術的需要是科學發展最重要的動力之一。

(3) 技術為科學研究及其進展提供必要的手段及條件。

(4) 經驗性技術包含一些科學的因素，它的提煉與升華是科學創造的一類源泉。

(5) 科學可以改進或提升經驗性技術。

(6) 在技術中存在科學問題(" 是什么" 、"為什么") ， 對這些問題的研究將形成技術科學。

(7) 在科學中存在技術問題(" 做什么" 、"怎么做") ， 這些問題的解決將推動科學發展或產生新的技術。

(8) 出現了"科學技術化" 、"技術科學化"和"科學技術一體化"的趨勢。

3.科學與技術之間的相互轉化

科學與技術之間的轉化包括科學向技術的轉化和技術向科學的轉化兩個方面。歷史上，技術向科學的轉化曾經是科學產生與發展的重要途徑。但是，20 世紀現代科學體系建立以后，科學向技術的轉化已成為科學與技術之間相互轉化的主流，雖然仍然存在技術向科學轉化的現象。

由于科學與技術分屬不同范疇(科學屬認識和理論范疇，技術屬實踐與操作范疇)， 且科學存在著不同的層次(基礎科學、技術科學和生產科學)， 技術也存在著不同的等級(實驗技術、專業技術、生產或工程技術等)， 所以，科學向技術的轉化必然要經過一系列的中間環節，并有著方方面面的聯系。下面以激光技術的發展來說明這種轉化的復雜性。

激光技術的及時階段是所謂"激光實驗技術"。根據愛因斯坦提出的光的受激發射理論(1916 年)， 科學家致力于從實驗上實現光的受激發射。經過各種理論方案的探討及實驗研究，終于在1960 年制成及時臺紅寶石激光器，在實驗室觀察到了激光。這個階段運用了原子物理學、光學與光譜學、波譜學和固體物理學等有關知識，使光的受激發射理論(基礎科學)轉化成激光實驗技術(光的受激發射)。

激光技術的第二階段是所謂"激光專業技術"。從1960 年至1966 年，研制成許多不同類型的激光器，并研究出激光特性參數(功率、頻寬、發射角和脈沖時間等)的測量方法以及激光頻率轉換和調諧方法，從而形成了激光專業技術。在此過程中，運用了激光理論、非線性光學、晶體學、電子學和計量學等多種知識，使激光原理(技術科學)等轉化成激光專業技術(激光器的制作及參數測量)。

激光技術的第三階段是所謂"激光生產技術"。從20 世紀60 年代后期，特別是70 年代起，激光技術廣泛地應用于工業、農業、醫療、軍事、通信和科學研究等方面。各種以激光器為核心的激光機(如激光打孔機、激光測長儀、激光育種機和激光手術器等)投入批量生產、規模生產，形成激光生產技術，與此相應的則是激光工業的出現。在這個過程中，運用了激光原理、機械制造學和材料學等知識，使激光工藝學(生產科學)轉化成激光生產技術(各種激光機的制造及應用)。

1.2 自然科學的功能與作用

100 多年以前，馬克思和恩格斯就指出，科學是一種在歷史上起推動作用的、較高意義上的革命力量，揭示了科學技術在經濟、社會、文化等多方面的價值和作用?，F代科學技術的進步影響著人類社會的各個領域，顯示出對人類社會發展的巨大推動作用。

1.2.1 科學技術是社會發展中的一種歷史現象

科學與技術起源于人類認識與改造自然的需要，它們都有著悠久的歷史。不過科學與技術成為一種引人注目的社會力量，則是從文藝復興運動以來，隨著科學革命與技術革命，以及科學技術成為生產力而開始的。

1543 年，哥白尼的?天體運行論?一書的出版，宣告科學"從神學中解放出來"， 走上獨立發展的道路。然而，16 ~ 19 世紀，科學研究大多局限在個體活動的范圍之內，社會的支持與關注很少。例如，世界著名的格林尼治天文臺在17 世紀建立時，其儀器設備主要是天文學家弗拉姆斯蒂德個人出資購買的。

18 世紀發生在英國的技術革命(瓦特蒸汽機的發明，1768 年)及隨后的產業革命(蒸汽動力的大規模應用，1784 年)引起整個社會對科學技術的力量刮目相看。大機器生產方式的確立，使物質生產過程變為科學在生產中的應用，科學技術成為生產力，從此，科學技術開始成為一種社會事業。

20 世紀以來，科學技術從"小科技"發展成"大科技"， 形成國家規模及國際合作事業；科學技術已成為及時生產力；發展高科技、搶奪經濟發展的制高點，成為各國政府戰略發展的重要組成部分。與此同時，也出現了對科學技術的人文批判、社會批判與生態批判的各種思潮，它提醒我們，在充分評價科學技術的正面效應時，也不應該忽視它的負面效應。

1.2.2 科學技術既是一種物質力量，又是一種精神力量

科學技術既具有物質力量，又具有精神力量。正是這兩種力量的發揮，形成了科學技術的社會功能。

1.科學技術的生產力功能

生產力一般指物質生產的能力。但是，社會生產除物質生產外，還包括精神生產及人的生產。因此，從廣義角度來說，生產力可以分為物質生產力、精神生產力及人的生產力(人自身生產的能力)三種類型。

科學技術是生產力包含兩方面的含義：科學技術作為一種知識形態，在未進入生產過程之前，只是一種潛在的生產力或可能的生產力；而當科學技術進入生產過程之后， 就被"物化"而轉變成直接的生產力或現實的生產力?？茖W技術既是潛在的生產力(尚未"物化") ， 又是直接生產力(已被"物化") 。

"科學技術是生產力"是一個歷史命題。在大機器生產方式確立以前，人類的生產主要憑借經驗，因此，科學技術尚未成為生產力。大機器生產方式的確立(18 世紀80 年代) ，"及時次使自然科學為直接的生產過程服務" ，"及時次產生了只有用科學方法才能解決的實際問題" ，"及時次達到使科學的應用成為可能和必要的那樣一種規模" ，"及時次把物質生產過程變為科學在生產中的應用"( 馬克思，1978) ， 從而使科學技術成為生產力。

在當代(20 世紀50 年代以來)， 科學技術與現代生產力系統已融為一體，它廣泛而深入地滲透到(" 物化") 生產力系統(由生產力各要素相互聯系構成的一個整體)的從微觀到宏觀的各個層次，滲透到生產力系統的每一要素、整體結構，以及生產力系統的外部環境之中。科學技術已成為現代社會生產力發展的主要源泉，具有開辟道路、決定水平及確定方向之作用，因而科學技術在當今時代已成為及時生產力。

2.科學技術的文化功能

科學不僅是一種知識體系，而且是一種產生知識的社會活動；技術則是在科學指導下利用與改造對象世界的社會實踐活動。在這些活動中，科學技術除本身的物質力量(主要體現在生產力功能方面)外，還有一種精神力量，那就是科學精神?？茖W精神主要表現為以下幾個方面：

(1) 實事求是。科學認識源于經驗、迄于經驗，以實踐(理論與實驗的一致性)作為檢驗科學理論的標準。實事求是是科學的基本精神，偏離實事求是，科學將寸步難行。

(2) 崇尚理性?？茖W重視經驗，但反對狹隘的經驗主義?？茖W強調理性思維(邏輯的與直覺的)在科學發展中的作用，把揭示事物固有的因果性、規律性和統一性作為自己的目標，因此，科學是一種理性的事業。

(3) 不畏"權勢"?？茖W以實事求是作為自己的基本精神，以崇尚理性作為自己的基本風格，科學中的較高是真理(由實踐來檢驗)， 而不是"金錢"或"權勢"。許多科學家為追求真理而獻身，這代表了科學的本性。

(4) 團結協作?，F代科學技術已由科學家、發明家的個體活動變成了科學技術共同體的群體活動，科學技術已成為社會事業。20世紀80 年代以后，許多迫切的科學技術問題，如環境、信息網絡、人口、能源、氣象、生態和宇航等要求全球合作。

1.2.3 科學技術是推動歷史發展的革命力量

恩格斯在馬克思墓前的演說中曾經指出："在馬克思看來，科學是一種在歷史上起推動作用的、革命的力量"( 中共中央馬克思恩格斯列寧斯大林著作編譯局，1963) 。正因為馬克思把科學看做一種革命力量，所以，"任何一門理論科學中的每一個新發現，即使它的實際應用甚至還無法預言，都使馬克思感到衷心喜悅"( 中共中央馬克思恩格斯列寧斯大林著作編譯局，1963) 。

為什么馬克思把科學技術看成一種革命力量？ 這是因為，按照歷史唯物主義，物質資料的生產是人類社會的基礎。而人類要生產，就必須同自然界發生聯系，形成一定的生產力，同時，人與人之間又要結成一定的生產關系。生產力與生產關系的統一，就構成一定的社會生產方式。而"物質生活的生產方式制約著整個社會生活、政治生活和精神生活的過程.. 社會的物質生產力發展到一定的階段，便同它們一直在其中活動的現存生產關系或財產關系(這只是生產關系的法律用語)發生矛盾。于是這些關系便由生產力的發展形式變成生產力的桎梏。那時社會革命時代就到來了"( 中共中央馬克思恩格斯列寧斯大林著作編譯局，1972) 。也就是說，按照歷史唯物主義的觀點，生產力是歷史發展最終的決定力量。而科學技術是生產力，并在當代已經成為及時生產力。因此，科學技術必然成為一種推動歷史發展的革命力量。

科學技術成為一種革命力量，除了它的生產力功能，還由于它的文化功能。實事求是、崇尚理性、不畏"權勢"、團結協作―――這些科學精神，代表著人類社會的光明與前景，它將作為一種有形或無形的力量批判著人類社會各種黑暗與反動的勢力，推動著人類社會的不斷進步與發展。

1.3 自然科學的體系結構與發展趨勢

1.3.1 科學和技術的形成與發展

科學技術發展的歷史源遠流長。二三百萬年以前地球上開始有了人類，人從動物界分化出來的標志是工具的制造。人類在制造工具、進行生產勞動的過程中，做出了一系列有重大意義的技術創造，掌握了改造自然的技能，同樣取得了一些經驗知識。就是在這樣的過程中，萌發了科學技術的幼芽。它的發展經歷了古代、近代、現代三大階段。古代的科學處于萌芽狀態，只有天文學、數學和力學等少數幾個學科，并且附屬在哲學之內。到15 世紀下半葉，在近代資本主義生產的有力推動下，從哥白尼發表的?天體運行論?一書開始，科學才真正發展起來，當時除天文學、力學和數學有了很大的進展外， 物理學、化學、生物學和地質學等主要學科也相繼建立起來。它們是在能量守恒和轉化

?8? 自然科學概論

定律、原子分子論、元素周期律、細胞學說和進化論等一些重要學說誕生的基礎上建立的。19世紀末，科學進入現代階段，上述學科又有了重大進展，除每一門基礎學科分化出許多分支學科外，還分別產生了一些新的科學理論。例如，物理學中的量子力學、相對論，化學中的量子化學、結構化學，生物學中的分子生物學，天文學中的宇宙學等，這標志著純理論科學已進入相當成熟的階段。

所謂"技術"， 泛指根據生產實踐經驗和自然科學原理而發展起來的各種工藝操作方法和技能。技術發展的歷史比科學發展的歷史更為久遠。最初的技術是包含在生產經驗之中的。在人類制造及時把石斧時，就產生了最早的技術。在古代，人們從生產活動中獲得了各種技術知識，如耕作、制陶、釀酒、金屬冶煉，以及修建水壩、宮殿和陵墓等。但是，這些來自生產經驗的技術，在當時只是一種技能，還沒有形成一種專門的學問，那時的人們還不知道有關這些技術的科學原理。到了近代，技術才從生產中分化出來，逐漸成為一種專門學問，并在推動社會發展的過程中起著重要的作用，受到人們的重視。例如，人們先后制造的紡織機、蒸汽機等大大推動了社會生產力的發展；19 世紀以后，一系列現代技術，如通信、電子、原子能、激光和電子計算機等相繼問世，對整個社會的經濟生活產生了巨大的影響?，F代技術和科學發展的趨勢與古代不同，古代的科學與技術處在分離狀態，而現代的科學與技術是密不可分的。技術發明要依靠于科學的發現；科學發現又要依賴于技術所提供的實驗手段和科研課題。因此，現代科學與技術將逐步走向一體化，形成現代自然科學新的體系結構。

1.3.2 現代自然科學的體系結構

現代自然科學的體系結構，一般認為是由基礎科學、技術科學和工程技術科學(專業技術科學)所構成。它們各自都有自己的研究對象和特點，所起的作用也不相同。

基礎科學是以自然界各種物質形態及其運動形式作為研究對象的。基礎科學的目的在于不斷地探索和揭示自然界的新現象和新規律，建立科學體系。基礎科學主要包括力學、天文學、地學、物理學、化學、生物學和數學等學科。力學是研究物體機械運動規律的科學；天文學是研究天體及天體系統運動的科學；地學是研究地球(包括海洋和大氣)的組成、結構、演化和運動規律的科學；物理學是研究物體的物理現象和物質微觀結構及運動規律的科學；化學是研究物質的組成、結構和化學變化規律的科學；生物學是研究生物的結構、功能、發生和發展規律的科學；數學是研究客觀世界中一切物質運動空間形式和數量關系的科學。每一基礎學科又由若干分支學科組成，如天文學中有天體力學、天體測量學、天體物理學和天體演化學等分支學科。

技術科學是在基礎科學理論的指導下，研究其應用，并解決工程技術中帶有普遍性問題的科學。例如，農業科學、電子科學、計算機科學、原子科學、半導體科學和激光科學等都屬于技術科學。它們都是在基礎科學的理論上產生的，如激光科學就是根據愛因斯坦提出的光受激輻射的理論產生的。技術科學一方面以基礎科學作為自己的理論基礎，另一方面又是工程技術科學的理論基礎。

工程技術科學也稱為專業技術科學，是應用技術科學來解決各種專業生產中的技術、工藝等問題，進而推廣到生產中去的科學。例如，人們把激光科學應用到工農業生產中，于是出現了激光打孔、激光切割、激光焊接、激光印刷排版和激光育種等專業技術，它可以焊接許多傳統焊接難以焊接的金屬材料和特殊的微型零件，并能達到品質水平，比普通焊接的效率高出27 倍以上。

如圖11 所示，自然科學由基礎科學、技術科學和工程技術科學三大門類學科組成，這三大門類的區別如上所述，其中基礎科學和技術科學、工程技術科學的區別較為明顯，前者是理論科學，后者屬應用科學，但技術科學和工程技術科學的界限則不十分明顯，因此， 有的學科把它們二者統稱為"技術"。這也就是把自然科學看成是由"科學"和"技術"兩大部分組成，并稱為"科學技術"的原因。

隨著社會的發展，自然科學體系結構中的三大門類學科是相互聯系、相互促進的。基礎科學在科學理論研究上的突破必然會引起技術上的革新。據統計，現在70% 的技術突破來源于純探索性的基礎科學研究。另外，在技術的應用中，又會產生許多新的課題，要求基礎科學作出回答，從而推動基礎科學的研究。例如，蒸汽機技術誕生后，為了解決熱機效率的問題，人們對熱力學進行研究。

現代自然科學體系結構中的三大門類學科的聯系還體現在一些新的橫斷學科(控制論、信息論、系統論)和綜合學科(空間科學、海洋科學、環境科學)的形成上。這些新興學科都是在綜合基礎科學和技術有關的知識基礎上誕生的。

通過對自然科學體系結構的研究，我們可以更好地研究自然科學轉化為生產力的機制和途徑。由于基礎科學、技術科學和工程技術科學的職能不同，決定了它們與生產實踐結合的程度也不同。從基礎理論研究的成果過渡到實際應用，需要經過技術科學和工程技術科學這兩個中間環節，這就要求我們對理論成果進行應用性研究，解決與其有關的一些技術、工藝等問題，并迅速應用、推廣到生產中去，這對于經濟落后的國家尤為重要。同時，也要求我們在選擇基礎理論研