科学技术各学科间相互交叉趋势及机理研究，本文主要内容关键词为：机理论文,科学技术论文,各学科论文,趋势论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：G301
文献标识码：A
和半个世纪前相比，科学技术有了充分的发展。在这种发展中，由于人们对自然界整体认识逐渐深入，因此，科学、技术及其各个学科的内涵及其相互关系，较之以往也有了明显的变化。
这些变化与科学研究的对象、方法、目的等的变化密切相关。
科学研究的对象表面看来是单一的，似乎都是单一的物质体，但事物之间的联系性及联系的多样性，使得研究对象复杂化。在复杂的研究对象面前，从专业学科看，不能不采取多“军团”作战；从研究环节看，不能不采取“一条龙”作业；从人员数量看，不能不是“千军万马”。由此，科学研究走出了原有专业狭义的范围，学科之间相互作用成为必由之路。
用于科学研究的方法、仪器或手段本身就存在着研究、研制过程；大规模使用的仪器存在一个生产过程；对仪器的使用者还需要一个培训过程。具体科学仪器的研制、生产、使用过程已经构成了技术手段的多样性。若研究的是一大型项目，研究中涉及的仪器、设备的研制、生产、使用过程，不仅表现出了技术手段的多样性，而且更鲜明地表现出了科学研究中学科的交叉、渗透性。
科研目的或科研效果的综合性，表现为一项研究成果的预期效果或实际效果远不是在某一方面或某一时段，往往惠及社会的众多领域，或者殃及社会的诸多人群。现代科学研究中，由于社会的进步，人们的需求旺盛，要求提高；由于科研人员已经不限于象牙塔内，科研规模不再是作坊式的。因而其目的或效果更加具有综合性，致使学科之间只有交叉、渗透，才能达到这样的科研目的。
科学技术各学科之间的界限越来越模糊，以至于一些新的学科，如环境科学出现后，使得传统的科学分类方法陷入尴尬的境地，科学分类人员感到无能为力。于是，他们发出了要重新建立科学分类体系的呼吁。科学技术运动的这种趋势，若从科学、技术两大门类来分析，主要表现在以下方面。
1 基础学科之间
基础学科主要是指研究自然界物质的结构、运动规律，用以探索未知世界，从而形成的基础理论部分，是技术科学、应用科学的理论基础。
基础学科在传统意义上，有力学、物理学、化学、生物学、天文学、地学6大学科；若将力学归于物理学，而将数学纳入其中，便成为数学、物理学、化学、生物学、天文学、地学6大学科。
前6大学科可在3个层次上相互交叉。
第一，每两个学科之间相互交叉和综合，又有两种可能。
一是组合式地交叉、综合，即6大学科两两组合，如图1。
图1 6大基础学科组合式交叉综合
从数学逻辑上计算，6大学科两两组合的结果，应该是15个交叉学科。实际上，这些学科大多早已出现。如物理学与其它学科交叉，应该至少有物理化学、生物物理学、天体物理学、地球物理学、量子力学5个学科。物理化学在19世纪末叶已经建立；天体物理学最晚也是20世纪初叶的产物；天体力学甚至产生更早，牛顿在17世纪就将力学定律用于研究天体，并且获得了成功。在其力学专著《自然哲学之数学原理》中，相当多的内容属于天体力学。
二是排列式交叉、综合。
和组合式不同，排列式交叉、综合所得学科应该是30个。在当前基础学科界限尚存的情况下，以哪一个学科的原理为方法解决哪一个学科的问题，科研人员是关注的。以物理、化学为例，化学中存在物理化学这一分支学科，这是以物理的方法解决化学中的问题。相反，物理学存在化学物理这一分支学科，即用化学的方法解决物理学中的问题。借两个学科的双向交叉用以解决本学科的问题，本来为科学的发展提供了机遇，然而，也向经典的学科体系提出了挑战。化学物理学在理论上存在，实际上物理学家并未采纳。这种矛盾反映了现有学科分类方法的不足，也反映了学科之间的交叉、综合的不可避免。
第二、基础学科中分支学科间相互交叉、综合，这也有两种可能。
一是一基础学科与另一基础学科中的分支学科相互交叉、综合。
以力学与物理学中的分支学科的关系为例，其间的交叉、综合显然是存在的。物理学可分为热学、电磁学、分子物理、原子物理等。这些分支学科与力学之间的关系是复杂的。理论上，物理学的每一个有别于力学的分支学科都可能与力学交叉，从而产生热力学、电动力学、分子力学、相对论力学、量子力学等诸多新兴分支学科。20世纪科学的发展拉开了学科之间交叉、综合的序幕。上述物理学的分支学科与力学相互作用得到的新型学科就是这一时期的产物。
二是两个基础学科中的分支学科之间相互交叉、综合。
这种情况表明，交叉，综合存在更大的可能。若生物学和物理学的分支学科均各为5个，那么，相互交叉的结果至少应是25个新型分支学科，这只是以组合形式进行的。尽管这种组合的结果还没有广泛出现在教科书中，但是，分子遗传学、量子发育学等应该存在。可以预料，随着生物学研究的深入，其研究手段将趋于多元化，物理学更多分支学科的原理会逐步应用于具体的生物学研究中，热学、电磁理论、光学等将成为生物结构、发育、微观机理探索方面的研究手段。
第三、多学科之间相互交叉、综合。
科学研究的对象，一方面正在宏观化以至于宇观化，另一方面又正在微观化，包括纳米对象。前者，对象本身就意味着复杂系统；后者，意味着研究方法、手段的复杂化。人类的实际活动中触及到的问题也提出了对复杂问题研究的需要。因此，科学研究正在复杂化。正是这一趋势，才导致了原有诸多学科之间的日益相互交叉、综合。
这首先是从三学科的相关开始的。1927年，伦敦、海特勒用量子力学方法研究氢分子，以解决化学键的问题。这实际是数学、物理、化学之间并且立足于化学的交叉、综合，因此，这成为化学的一个分支学科。应该说，这种尝试是成功的，其经验启示人们，运用量子力学去解决生物学问题，于是，量子生物学应运而生。量子生物学虽然不如量子化学那样研究深入，进展顺利，但是，薛定谔等人的介入，仍使原本宏观、定性的生物学在数学、物理学的应用中看到了希望。
三个学科的相关到20世纪60、70年代以后，得到了拓宽。这一方面突出地体现在环境科学上，另一方面体现在宇航科学上。
环境科学是全球问题，尤其是环境问题恶化的产物。环境污染是发生在地表上物理污染、化学污染、生物污染的综合结果。由此研究相应地产生了环境物理学、环境化学、环境生物学、环境生态学。所有这些分支的集合，使得物理学、化学、生物学、地学以至于天文学融为一体而成为环境科学。多学科在环境问题上的相关，虽然不能产生一般意义上的经济效益，但是它能够维护已有的经济效益，特别是社会效益，并且已经初步显示了这一综合学科的强大生命力。
宇航科学开始仅仅是物理学的一个方面。随着载人航天的出现，随着人类登陆地外天体愿望的产生，宇航科学的研究对象急剧复杂化。飞行轨道、发射数据离不开数学，火箭燃料、飞行器材料离不开化学，飞行员在太空的生活离不开生物学，飞行环境、航天目的又涉及天文学。随着宇航科学的发展，不仅促使科学技术的深入交叉，而且还会增近科学技术与人文社会科学的大交叉。
除环境科学、宇航科学外，能源科学、信息科学等也越来越以多学科相关后的综合性学科出现。
2 技术学科之间
在上述综合性学科中，实际已经涉及到了技术学科。
在钱学森等人看来，技术科学是基础科学和应用科学的桥梁和纽带。这种认识可能将技术科学狭义化了。广义的技术科学应该是工学。
据1997年中华人民共和国教育部颁发的关于培养研究生的学科专业目录，在所有的一级学科中，工学是一庞人的技术学科群，所辖技术、工程达32个一级学科。除力学要么作为基础学科，要么纳入物理学之中作为一个二级学科外，其余的技术学科的一级学科仍达31个。
这31个学科中，相互交叉综合的程度，可分为三种类型。
第一是学科内容单一但相互交叉、综合的余地很大。
这一类型中，能源技术比较典型。它包括0807动力工程及工程热物理、0808电气工程、0815水利工程中的水利水电工程、0820石油与天然气工程、0827核科学与技术五个一级学科。每一学科内容单一。例如电气工程包括五个二级学科：电机与电器、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。其中有些分支学科的专一程度已达应用技术水平。
然而，这些专门技术的内在联系十分密切，不仅同属能源技术，而且相互交叉。工程热物理、石油与天然气工程、核科学与技术三个一级学科交叉，其交叉点是“热”；电气工程、水利电力工程、核科学与技术也相互交叉，其交叉点则是“电”。“热”、“电”又在相互转换中统一于“能量”。所以从交叉、综合学科的角度看，它们统属于能源技术。这种程度是以往所没有的，只是在技术进步的今天才能得以实现。所以，能够技术成为至今人们公认的新型技术部门。
第二是学科内容宽泛，且相互交叉、综合的余地仍大。
这一类型中，材料技术比较典型。它包括0802机械工程、0803光学工程、0805材料科学与工程、0806冶金工程、0807化学工程与技术等。仅就化学工程与技术看，它包括化学工程、化学工艺、生物化工、应用化学、工艺催化五个二级学科。这五个中，生物化工已包含有生物技术；工艺催化已包含有物理技术，其它为化学技术。因此表明，化学工程与技术这一一级技术学科中，实际上已经体现出了不同技术的相互作用，呈现出了内容的宽泛性。
即使这样，上列5个一级技术学科之间，仍然存在较大的交叉、综合余地。机械工程包含了应力材料的内容，光学工程涉及光学材料，材料科学与工程更是关注广泛的材料，冶金工程其目的在于得到金属材料，化学工程与技术主要是为了获得化学材料，甚至还有其它一些工学的一级学科也是为了获得其它特种材料，如生物材料等。可见，这些一级学科相互交叉、综合，其交叉、综合点是“材料”，从而构成了庞大的、新兴的、实用的材料科学体系。
第三是学科内容十分宽泛，本身就是综合性极强的学科。
这一类工学的一级学科有：0822轻工技术与工程、0828农业工程、0830环境科学与工程、0832食品科学与工程等。
轻工技术与工程包含的二级学科有：制浆造纸工程、制糖工程、发酵工程、皮革化学与工程。这4方面，从用途看，分属于不同的生活领域，尤其发酵工程，既可是食品技术，又可是材料技术，还可能是能源技术；从过程看，它们各有不同的过程或者某一工程兼具不同的过程。其中包括物理过程、化学过程、生物过程。实际上，轻工技术无论从生产，还是从用途看，它包含的二级学科远不止这4个，可见轻工技术是内容十分丰富的一大类综合性技术。
与轻工技术相比，有过之而无不及的是农业工程。农业工程包含的二级学科有：农业机械化工程、农业水土工程、农业生物环境与能源工程、农业电气化与自动化。每一个学科的概括性都很强。正如农业机械化工程，既包括耕耘的机械化，又包含播种、灌溉、收割等方面的机械化。按照中国以往的“八字宪法”，也包含了“水、肥、土、种、密、保、工、管”八个方面。所以农业工程的四个二级学科只能视为在诸多农业生产环节的横断面上的四种技术。这种横断学科的内容是丰富的，是广泛综合的结果。
技术和科学相似，自身在发展中，一方面急剧分化，其内容越来越专；另一方面又相互交叉、综合，牵涉面越来越广。这两大趋势不仅分别体现在科学或者技术当中，而且还体现在科学和技术之间。
3 科学和技术之间
作为理论的科学和作为应用手段的技术，其形态越来越多样化。理论可分为基础理论、技术理论、应用理论；技术可分为实验技术、专业技术和生产技术。按这种分类，科学和技术的关系可示于图2。
图2 科学、技术的结构
图2所示科学和技术的结构蕴涵了科学和技术之间直接的和间接的交叉、综合关系，并体现出自己的特点。
第一、形态多样
按照不同的参考系对事物进行分类，可得到不同的分类体系。若以不同的层次来划分科学和技术，相应也可得到不同的科学技术体系，从而显示出形态的多样性。图2中，无论纵向，还是横向，均表现出了体系的层次性。若以生产技术的具体形态——蛋白质工程为例，向基础理论方向追朔，其体系结构呈现出从个别到一般的状态。
蛋白质工程也即在基因工程的基础上融合蛋白质晶体学、计算机辅助设计等多学科而发展起来的，以人工合成蛋白质为目的的一项新兴技术。这一技术的应用理论主要是蛋白质理论。继而，相应的专业技术、技术理论、实验技术、基础理论依次是：蛋白质晶体技术、分子生物学、生物实验技术和生物学。因此出现了科学技术的6种形态。然而，蛋白质工程只是若干生物生产技术中的一种。可见，生物学及其技术的形态是多种多样的。同样，生物学及其技术只是整个科学技术的一个门类。由此看来，科学、技术在相互联系中，表现出的具体形态是多种多样的。
第二、联系复杂
在图2的6种形态中，可以将其划分为3类科学：一是基础理论和实验技术一并为基础科学；二是技术理论和专业技术属于技术科学；三是应用理论和生产技术属于应用科学。
如果按这种划分方法，科学和技术的界限完全模糊了。首先是科学并不完全表现为理论，反之，技术也不完全与理论无关。在基础科学中，虽然基础理论是纯粹的科学形态，但实验技术已是技术形态了。在应用科学中，虽然生产技术属于纯粹技术，但其直接的理论基础——应用理论则取科学形态。其次，技术科学包括技术理论和专业技术，这表现出明显的从科学到技术的过渡性质，既是较为系统的科学理论，又是应用性较强的技术。在由蛋白质工程所决定的科学技术体系中，分子生物学是系统的科学理论，而蛋白质晶体技术是专业技术。由分子生物学和蛋白质晶体技术共同构成的技术科学，其过渡性、两面性导致了科学与技术的模糊性。
科学与技术的模糊性表明，在经历了20世纪的发展之后，科学与技术的联系加强了，并且以复杂的形式表现出来。
第三、转化加速
科学理论与技术联系的复杂性由多方面的因素所决定。其中之一就是这二者之间相互转化的速度加快。
图2所示的模糊分类体系，实际也是科学、技术的转化体系。从基础理论出发经由实验技术、到技术理论、专业技术，再到应用理论直至生产技术，这是一个正向、全程转化过程。反之，从生产技术出发，直至基础理论，是反向、全程转化过程。在科学、技术的转化中，有时还遵循半程转化途径而实现，如基础理论——技术理论——应用理论，或者生产技术——专业技术——实验技术。
无论是全程转化，还是半程转化；无论是逆向转化，还是正向转化，较之以往，转化的时间周期渐短。19世纪以前的转化速度有时是漫长的。进入20世纪后，转化速度明显加快。1905年，爱因斯坦提出质能公式，1938年哈恩才发现铀核裂变，直至1945年制造出原子弹，分别历时是33年和7年。与之相比，1945年微波波谱学创立，1947年兰姆提出微波激射器原理，1960年，其研究生梅曼研制出第一台激光器，历时是2年和13年。再后，1953年分子生物学诞生，1957年沃森等提出“遗传中心法则”，1965年中国人合成牛胰岛素，历时是4年和8年。实际上，科技人员在研究现代科学理论的同时，大多已经开始考虑其技术转化。
科学技术及各学科之间的相互交叉、综合，在诺贝尔自然科学三大奖中也得到了体现。据初步统计分析，若百年的各科奖项按照每10年一组，共10组计，无论物理学，还是生理及医学，尤其是化学，每一个十年组中均有由于交叉研究而获奖的年份。另外，从评、颁奖初到20世纪末，由于交叉研究而获奖的年份越来越多。这与恩格斯曾经强调的“分子科学”与“原子科学”之间势必交叉的预言是一致的。
21世纪将是科学技术快速发展的世纪。中国科学技术要在这一世纪占有“一席之地”，不仅需要及时认清科学技术各学科之间日益相互交叉这一趋势，而且还应该认识学科之间交叉的内在机理。就前者而言，作为一种客观的趋势，不是以个人的意志为转移的，适应者昌，背逆者衰。就后者而言，作为一种客观规律，人们对待它仅有良好的愿望是不够的。否则，欲速不达，甚至适得其反。针对这些，科学研究管理部门应该加以正确的引导。