第一专题：20世纪物理学及其在自然基础学科中的地位和作用

　　物理学是研究物质运动最普遍规律和物质基础结构的科学，它作为严格的，定量的自然科学的带头学科，过去一直在科学、技术和社会的发展中发挥着带头作用，对人类的文明产生了重大的影响。回顾过去，可以看出物理学的革命导致科学和技术的革命，特别是现代科学的革命。本专题拟从现代科学是怎样产生的，它的结构和体系如何，它的特点是什么，发展趋势如何，自然科学的基础学科结构，体系和基本内容是什么，20世纪物理学主要成就及其发展特点，论述物理学在自然科学的基础科学中的地位和作用以及物理学的社会功能。

　　 一、现代科学的体系，结构及其特征 
　　　　　　　　　　
　　（一）现代科学的诞生

　　1.科学及其科学的诞生

　　人们最早是用拉丁文“scientia”表述“科学”概念,英文,德文,法文的“科学”也是从拉丁文中衍生来的。　中国古代《中庸》上的“格物致知”表述实践出真知的概念，日本转译为“致知学”。明治维新时期，日本著名科学启蒙大师，教育家福泽渝把“scientia”译成“科学”，在日本广泛应用。1893年，康有为引进并使用“科学”二字。科学启蒙大师，翻译家严复在翻译《天演论》等科学著作时，也用“科学”二字，次后“科学”二字在中国得到广泛应用。

　　科学是个难以界定的名词，人们更多的是从一个侧面对其本质特征加以揭示和描述。以英国著名科学史家，科学学创始人贝尔纳（J.D.Bernal　1901——1971）为代表的科学家们认为，科学在不同时期，不同场合有不同的意义。科学有若干的解释，每一种解释都反映出科学某一方面的的本质特征。到目前为止，也还没有任何人给科学下的定义为世人所公认。在由江泽民总书记多次建议,宋健、惠永正主编的《现代科学技术基础知识》一书中，沿着历史的轨迹，把众多的科学定义、解释加以概括，认为：“科学是人对客观世界的认识，是反映客观事实和客观规律的知识”；“科学是反映客观事实和规律的知识体系”；“科学是一项反映客观事实和规律的知识体系相关活动的事业”。这是能为多数人可以接受的共同概念，也加深了我们对“科学”的理解和认识。

　　2.现代科学

　　科学像一座宏伟的大厦，发展至现在历经了萌芽，形成和发展的漫长历史过程。科学的发展表现为渐进与飞跃两种基本形式的辨证统一。科学发展的渐进形式是科学进化，科学发展的飞跃形式是科学革命。科学革命是指人类对客观世界规律性认识发生具有划时代意义的飞跃，从而引起科学观念，科学研究模式及方式的根本变革。科学发展史上历经了三次科学革命，第一次科学革命是指从哥白尼的天文学革命开始，以牛顿、加利略为代表的经典的力学体系的建立为标志的科学革命。第二次科学革命是以化学、物理学与生物学理论的重大的理论突破为内容的。化学的原子论和周期律；生物学的细胞学说与进化论。特别是物理学领域中出现了两个统一理论。一个是能量守恒与转化定律，另一个是统一的电磁场理论，它们都是从解释局部现象进一步扩展来解释更为广泛的自然发展过程，是继加利略，牛顿的经典力学之后科学史上出现的第二次理论大综合。第三次科学革命发生在19世纪末到20世纪初，这次革命是相对论和量子力学等新理论为代表的一次革命，这次革命导致现代科学的诞生。

　　（二）现代科学的体系和结构

　　科学知识体系结构的形成与发展是在一定历史阶段中的社会需求的推动下，科学知识自身内在的逻辑结构的演化结果。

　　第一次科学革命后，先后建立了天文学、数学、力学和医学的基础。人们开始对科学进行分类，出现了从宏观上对科学自身结构进行研究的学者，其中最著名的学者是英国思想家F.培根，他是试图描述科学知识体系的第一人，他把人类科学知识分成如下三大类：

　　　　记忆的科学：历史学、语言学等；
　　　　想象的科学：文学（诗歌、小说）、艺术等；
　　　　理智的科学：哲学、自然科学等　。

　　法国的空想社会主义者圣西门把所见到的一切自然现象都归结为如下自然科学的四个方面：

　　天文现象——天文学
　　物理现象——物理学
　　化学现象——化　学
　　生理现象——生理学

　　黑格尔以发展的思想重新确立了自然科学体系，即数学、力学、物理学、化学、地质学、植物学、动物学等等。

　　恩格斯在第二次科学革命现实的基础上，确立了科学的辨证唯物主义分类原则，建立了科学的“解剖分类”理论。恩格斯提出的人类科学体系结构体系如下图：

　　恩格斯把客观原则和发展原则有机统一起来，奠定了科学结构理论的合理基础。直到现在，恩格斯的分类理论仍然是我们研究全科学结构与分类的基本指导思想。
　　19世纪末到20世纪初发生的第三次科学革命，诞生了现代科学，它辩正地否定了机械论的自然观和世界论，建立了以相对论、量子力学为基础的自然观和世界观。这一根本变化，必然导致科学结构的改变，影响人们对科学结构的认识。现代科学有宏观的结构骨架，也有纵横的交叉的学科网络，形成“群簇网状”的结构，还有微观的知识体系，形成了庞大的、多层次的科学结构体系。

　　到目前为止，据不完全统计，现代科学大约又2000多个学科（或专业）。为了从宏观上来把握这一庞大体系，许多学者从不同的角度加以分类。例如：其中一种分法是分为三大领域（自然科学，社会科学，思维科学）、五大部类（即自然科学、社会科学、思维科学、数学科学、哲学科学）。又如，20世纪70年代，西方有的学者提出“五种理域”的分类方法，亦即：物理，一切非生命世界之理；生理，一切有生命世界之理；心理，人脑活动之理；伦理，人际关系之理；哲理，统帅诸理之理。

　　我国著名科学家钱学森同志提出了新的论点，这一论点大体上反映了现代科学结构。他认为：马克思主义哲学是概括一切、指导一切的理论，它通过自然辨证法与社会辩证法（历史唯物主义）这两座“桥梁”把自然科学、数学和社会科学连接起来，介于生产和科学之间的是技术。

　　钱学森认为，科学可分为自然科学、社会科学、系统科学、思维科学、人体科学、数学六个大的领域，（参见上图）它们各自通过一定的中介上升为哲学。例如，自然科学通过自然辩证法上升为哲学，系统科学通过系统观上升为哲学，社会科学通过历史唯物论上升为哲学。科学又有三个层次即：基础课学，技术科学，工程技术。

　　中国科学院院长路甬祥在“面向知识经济的国家创新体系”研讨会的讲话（发表在《中国科学报》1998.10.12）“我们的时代和科学技术未来”中提出如下的现代科学体系结构图：

（三）现代科学的特征与发展趋势

　　周光召同志在他主编的《现代科学技术基础》一书的前言中指出：“在现代科学时期，科学发展呈现出现了一些新的特征：一直作为精密科学典范的物理科学是最基本的科学，因而起着基础的作用，对整个科学系统产生了深刻的影响；在20世纪中叶现代科学的学科结构重心开始转向生命科学，正在导致新的科学革命；数学科学作为典型的横断科学广泛的向整个科学与技术领域渗透，从横断面上把条分缕析的众多的分支学科联系起来，导致科学数学化的趋势；一批综合科学、交叉科学、横断科学，如信息科学、材料科学、能源科学、环境科学、空间科学、系统科学、认知科学等迅速的形成；各门学科间增强了交叉、融合、使得科学系统主要向着综合化、整体化的方向发展。”

　　这里特别要指出的是自第二次世界大战以后，对复杂系统的综合研究导致一批新的横断学科的建立，这些横断学科组成了系统科学这一新的综合性科学。系统科学不断综合着数学、自然基础科学、技术科学、社会科学和思维科学的新成果，提出关于自然和人类社会的新认识，逐渐形成独特的研究方法和研究领域。系统科学和生命科学将是本世纪的带头科学。

　　还要特别强调的是：“在现代科学发展中，最突出的、对人类思维方式、认识方式产生深远影响的理论是四大基础理论，既量子力学，相对论，基因理论和系统理论，这四大基础理论粗略的描述了迄今人类所认识到的自然界的图像。同时还建立了五大模型即宇宙演化的热大爆炸，粒子物理的标准模型，遗传物质DNA双螺旋结构模型，智力活动的图灵计算机模型和地质结构的板块模型。这五大模型更详细的描述几类自然图景。”从这里，我们可以看出物理学就占了两大基础理论和两个模型。它们是量子力学、相对论和离子物理的标准模型、宇宙演化的热大爆炸模型。