21世纪自然科学和高新技术发展趋势，本文主要内容关键词为：高新技术论文,发展趋势论文,自然科学论文,世纪论文，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。
20世纪以来，科学上的一系列重大突破，极大地提高了我们认识自然界的能力，高新技术的崛起及其产业发展所带来的影响已经广泛渗透到人类生活和生产的各个领域，给我们展现了一幅幅奥妙无穷、精彩纷呈的画面。人类经历了一个相当漫长的时期，才跨越了历史上几个较早的时代，如石器时代、铜器时代、铁器时代、青铜器时代等，相比之下，我们在本世纪就目睹了原子能时代、空间时代、信息时代、新生物学时代、新材料学时代等几个时代的并存。
科学技术的发展极大地推动了社会的进步，改变了人类的生活，也激发了人们探索未来世界、把握科技发展趋势的渴望。处在世纪之交的中国，更把热切的目光投向21世纪，人们在思索：在新的世纪，科学技术的发展将趋于何种态势？科学技术的发展将有哪些大的突破？振兴中国科学技术需采取的战略是什么？……
科学发展是观念和理论不断变革的过程，而且往往违反常规；新技术的出现和发展往往依赖于最新的科学成就，突出地表现为科学革命中孕育着技术革命这种现象；在科学技术发展过程中，除了其本身的自然性质外，还交杂、渗透着各种外来因素带来的纷繁问题。到目前为止，我们尚未揭示出精确可靠的科学技术发展规律，而真正科学的预测必须以其对象的规律为依据，因此，对未来科技发展的趋势作出预测是极其困难的，甚至超出了理性所及的范围。尽管如此，在科学技术之林，已有几门以科学和技术本身为研究对象的学科，如科学史、技术史、科学哲学、技术哲学、科学社会学、技术社会学等，为我们正确认识科学技术、判定其未来发展趋势提供了丰富的积累和依据，使我们对科学技术未来的预测不致成为毫无根据的臆测。
一、科学与技术发展的总体特点与趋势
历史已经证明，科学技术是推动人类社会前进的最高意义上的革命力量。现代科学技术同国家的经济和社会发展关系十分密切。科学技术发展的动力，一个是来自生产实践的需要，另一个是来自科学技术自身在前沿上发展的需要，在未来相当长的时期内，前者将起主导推动作用。
科学和技术既有同一性，可以互相作用和转化，又具有差异性，各自按照自身的规律向前发展。在当代，科学与技术相互融合、相互影响，已成为现代科技发展的基本特点之一。21世纪，科学与技术的联系将更为密切，一体化的趋势进一步加强。20世纪中出现的一些高新技术领域，如核技术、生物技术、空间技术、信息技术等，都是在科学发现、认识与理解的基础上取得的。反过来，技术发展也在大大加速科学的发展。由新型材料、电子设备和仪表的问世而产生的强大效能，使科研工作提高了速度和可靠性，一个突出的例证是计算机技术已处于科学活动进程的核心地位。因此，世界各国都倾向于对科学、技术进行一体化管理。
从规模和组织形式上看，科学技术研究开发的国际化已成大势所趋。大多数的科技专家都同意，虽然“小科学”的传统依然重要，但20世纪的科学技术已经进入了“大科学”时代，大科学的发展，推进了科技开发的国际化进程。许多重大课题，特别是地球、环境及人类面临的普遍问题和一些大型的研究课题，如沙漠改造、地震预测、人类染色体的研究、核聚变、高能物理、宇宙飞船在火星着陆等，需要通过多国科学家的参与才能完成。科学技术无国境理论正在为越来越多的人们所接受。
1.科学发展的大趋势
未来的科学将继续朝着高度综合、分化、交叉与渗透的方向发展，但交叉与综合将成为主要趋势。
在科学的发展过程中，许多学科领域是通过广泛的观察与系统地提出有关的理论、概念而发展起来的，并具有各自的独特性质。这些独立的学科领域可能在若干层次上会继续保持分立，但更多的是跨学科发展与统一的趋势，即不同的学科汇集到一个共同的理解体系内，相互支援并且孕育出崭新的学科与领域。今天，数学与物理在化学领域中起着深远的作用，物理与化学同样在生物学中起着深远的作用。与此同时，人们发现，数学、物理、化学与生物学对于了解地球系统具有关键性的作用，尤其在地球科学与生态学领域中。同时，通过这种跨学科的途径，诞生出许多新的学科，如分子生物学、遗传工程与生物技术等。
除了自然科学之间的统一性与跨学科性之外，基础科学与应用科学之间的相互影响与渗透关系也日益密切，特别是在工程、农业、生物医学等学科之间。下世纪科学的统一性和跨学科性将更为显著，而且会越来越多地表现在介乎自然科学与社会科学之间的一些学科领域，如地理学、人类学、心理学、经济学等。这是因为目前的科学技术发展水平对我们目前大多数社会、经济问题并不能提供完美的解决方案。我们所探索的解决方案还涉及政治、经济与社会诸多方面。
2.高新技术发展态势
高新技术的崛起和高技术产业的发展是20世纪世界科学技术和社会经济领域最重要的事件。冷战结束以后，世界的竞争已从军事对抗转向综合国力的竞争，高新技术则是竞争的关键。高技术发展和转化的速度越来越快，技术更新的周期也越来越短。高技术产业的兴起、高技术对传统产业的渗透对社会经济和生活的影响越来越大。
以信息技术为核心的高新技术发展正在改变着人类社会的生产结构。信息技术及以信息技术为基础的柔性制造技术和以模块设计技术为基础的柔性设计技术的发展，使得多样化与规模能力兼备的生产成为可能，这对社会生产结构产生了四点主要影响：一是社会的协调成本降低，便于政府与经济合作的组织及各社会团体之间的合作，社会结构的柔性大大增加；二是制造业的柔性增大；三是在社会资本构成中，知识资产的比重提高；四是信息网络正在创造新的就业机会和经济奇迹。
面对高新技术发展的新形势，许多国家采取措施，调整高新技术发展战略和政策，加强了对高新技术研究与开发的投入和管理。主要体现在：
（1）政府加强对高技术的指导，重视增强科技的整体实力， 对基础研究、应用研究和技术开发进行一体化管理；
（2）重视技术创新，强调技术集成，以及在各行业的推广， 特别是对传统产业的渗透作用；
（3）着力发展一旦突破便对产业发展有带动性的高新技术， 强化高效基础设施的开发，如美国国家信息基础设施计划；
（4）对高新技术知识产权的保护日趋加强，立法增多， 执法力度加大；
（5）尖端军事技术的研究开发活动大大加强。
二、自然科学的前沿学科与重大问题
科学探索是无止境的。对物质结构、天体演化、生命起源、智力本质的研究，依然是21世纪自然科学的核心问题。
1.数学
数学的发展对于未来科学的影响与作用是非常重要的，各门学科自身的发展或跨学科统一发展都不仅需要共同的数学语言沟通，更需要数学严谨的思维方式。未来人们对于现实世界中大量非线性问题的解决与认识，在相当大的程度上要依赖于非线性数学方法的发展。有一点需要注意的是：虽然数学是通过提供实际的应用来证明其价值的，但许多重要的概念并不源于实际应用领域，而是来自数学内部。因此，纯粹数学仍在数学中占有“核心”地位。数学发展的重要领域有非线性动力学（通常称混沌理论）、结点和低维拓朴学、丢番图方程、辛几何学、算法与复杂性、拉普拉斯算子频谱等。
2.物理学
20世纪自然科学的发展在很大程度上得益于量子论和相对论两大理论的建立。物理学在未来相当长的时期内仍然是精密科学的典范和经验科学的基础，物理学自身学科的发展亦远未达到止境。在未来，物理学研究领域将朝着空间尺度的极端方向和复杂系统方向发展。凝聚态物理学将有更多的机遇获得突破性进展，而理论物理学围绕着提出基础概念、发现基本规律、反映物质结构和运动在各个层次上的基本行为将始终处于学科发展的前沿。粒子物理学、核物理学、凝聚态物理学、等离子体和流体物理学、原子分子物理学和光学，以及引力物理学、宇宙物理学等等将会成为得到充分发展的分支学科。
3.化学
在新的世纪里，化学将朝着不同层次上进行反应和合成的方向发展。分子反应动力学、凝聚态化学、激光化学、计算化学、天体化学、纳米化学、结构化学和分子工程学等将有更大的发展，研究复杂系统的凝聚态化学将成为新的发展方向。在未来，一切化学物质要回归大自然。光合作用仍然是未来头等重要的综合性难题。化学反应中的分子反应动力学仍然是活跃的核心问题。化学研究不但要研究分子的结构与合成，而且还要引申到分子团簇、原子团簇，以至涉及到更复杂的系统，如生物学中的化学问题。在微观层次上，对纳米物质的研究将具有深远的意义。
4.天文学
天文学发展的主流仍将是天体物理学，特别是高能天体物理学，太阳物理学具有特殊的意义。在未来天文学发展中，研究天体本质的天体物理学仍将处于主流的地位，它在研究太阳、恒星及其集团、星际物质、银河系、各类星系及其集团、物理宇宙等各层次天体的复杂现象中，将会为自然科学增添许多崭新的知识，从而不断地改变着人类的宇宙观。天体物理学存在着许多重大科学问题，如宇宙物质的组成，宇宙暗物质的本质，恒星的终局与黑洞的确认，宇宙结构的起源及星系的诞生等，有待于研究与突破。
5.地球科学
地球科学不仅使人类在利用自然资源和发展经济方面建树了辉煌业绩，而且为维持一个清洁、安全的居住环境而不断创造和发展新的理论与方法。当前，地球科学正处于发生重大转折的时期，其前沿研究将围绕地球系统整体行为及其各圈层的相互作用、大陆动力学、气候系统动力学、海洋动力学、自然过程与社会发展互馈以及地球深部和日地空间环境、地球早期生物演化与生物大灭绝和大复苏、超大型矿床的勘探等重大科学问题而展开。同时，现代技术的应用与发展将对地球科学发展起带动作用，尤其是遥感技术与地理信息系统、地球深部探测技术、海洋高技术、现代测试与实验技术以及其它观测技术与信息处理技术。
6.生命科学
未来生命科学各领域的重大突破与成果将可能导致新的科学革命。分子生物学、细胞生物学、神经生物学和生态学的发展，虽有并驾齐驱之势，但分子生物学将处于主流的地位。分子生物学、细胞生物学与遗传学的结合，将促进发育生物学的蓬勃发展；神经生物学的崛起，预示着将出现生命科学的又一个高峰，而且将给心理学、认知科学和行为科学的发展奠定基础。未来生命科学的发展还将直接影响着农学和医学的发展，以至深刻地影响人类社会的生存与发展。生命科学中存在许多诱人的重大问题和难题，如基因组信息结构的复杂性，生物大分子结构与功能，发育的分子机制及其遗传控制，脑的结构与功能，生命起源，细胞起源与进化，人类基因治疗，生命体的合成，癌症治疗等等。
7.心理学与认知科学
心理学和认知科学在生命科学之后可能成为新的科学革命的中心，认知心理学和认知神经科学将成为主要的方向，意识的研究将处于核心地位。研究心理、认知的本质和规律的心理学与认知科学在未来仍然是最困难的科学领域。其中，认知心理学、认知神经科学将成为心理学发展的新方向，而且将对意识、认知进化、知识来源等富于挑战性的重大问题建立起新的概念和理论，并推动认知科学的发展。未来认知科学的发展，要从生命科学，特别是认知神经科学中寻找启示和线索。
三、高新技术发展的热点与趋势
高度技术密集、高投资、高渗透性、高速度、高竞争性的高新技术仍将保持现在的发展势头，形成一股股强大的冲击波。
1.农业高技术
在农业高技术中，生物技术扮演着主要角色，同时，计算机和信息、遥感、新材料、核技术、自动控制等将得到越来越广泛的应用。在种植业方面，水稻、小麦、玉米杂优利用育种技术是当前的主攻方向；植物基因工程育种是目前研究开发的战略要点。在养殖业方面，转基因动物研究进展迅速；动物反应器是一个重要发展方向。在水肥条件和环境工程方面，输水系统中防渗、灌溉方式以及设施和材料是目前节水灌溉中攻克的重点；减少农田土壤表面蒸发是节水的另一主攻方向。在设施农业方面，材料、环境、结构和工程设计等方面尚有不少需要攻克的技术难题。在农业信息与遥感工程方面，GIS （地理信息系统）和遥感技术将得到更加广泛的应用。
2.信息技术
世界信息技术的发展趋势是数字化、高速化、网络化、集成化和智能化。在现代通信技术领域，通信系统将向数字化、程控化和智能化方向发展；光纤传输技术将进一步应用，光纤通信性能将继续提高；通讯网络将逐步发展成为传输话音、数据和图象的综合业务数字网；通信系统逐渐从单纯的信号传输、交换，发展到信息存储、检索、处理和识别等多功能的信息系统。在计算机技术领域，RISC技术、开放体系结构、并行化、网络化是当前计算机系统技术的主要特征；软件工程环境、信息安全理论和技术、高性能计算方法和技术等是软件技术当前发展的主要方向；多媒体技术是进一步拓宽计算机应用领域的新兴技术。微电子技术将继续向高集成度、高速、低功耗、低成本方向发展。
3.先进制造技术
先进制造技术将围绕满足市场需求、提高制造精度、质量、效率和自动化程度，向柔性化、集成化、智能化方向发展。计算机集成制造系统（CIMS）是自动化系统的前沿，作为综合加速新产品开发过程集成的并行工程将得到迅速推广，敏捷制造技术将是21世纪对企业重组有带动性的一件大事。先进加工技术研究开发重点包括数控技术，智能机器人，工业在线检测与传感技术，精密、超精密加工技术和特种加工技术。精密成形系统研究开发重点包括现代高性能近净成形精密铸、锻件生产技术，无余量塑性成形技术，极限条件下的成形技术，新型材料的成形技术，功能性表面复层技术，快速成形技术。
4.新材料及应用
新材料是发展高新技术的先导，高功能化、超高性能化、复合化和智能化是新材料技术的发展方向。从新材料品种的发展趋势看，由于信息产业的迅速发展，功能材料将成为下一步发展的重点，品种将不断增加，精度和稳定性不断提高，并将更走向小型化、多功能化。薄膜技术与分子组合技术日益发展，使计算机的容量和运算速度进一步提高。结构材料更趋于复合化，性能大幅度提高，资源更为节约，高性能碳纤维增强塑料、高性能金属基复合材料及碳—碳复合材料等都将成为发展的重点。生物材料和仿生材料起步不久，但前景广阔。
5.能源新技术
从世界能源发展趋势来看，世界能源工业逐步走向清洁、高效、多源、可再生，不仅注重多种能源的开发，减少对化石资源的依赖，而且注重各种节能新技术的发展。洁净煤技术研究与开发的重点主要包括煤的流化床燃烧技术和煤的气化、液化。燃料电池是当今发达国家竞相研制的热点。在新能源和可再生能源方面，太阳能利用可望形成21世纪新兴的支柱产业；第三代风力发电机组正成为研究开发的重点；生物质能作为一项低碳能源技术受到广泛的重视。核电作为一种安全、清洁、成熟的能源已被世界许多国家所接受。
6.现代生物技术
生物技术革命是20世纪下半叶科学技术领域的重大事件之一。目前，生物技术已成为人类解决所面临的农业、医疗保健、资源、能源、环境等诸多重大问题的重要手段。生物技术也是当今世界商品化速度最快的高技术之一。预计在今后五年乃至21世纪初，仍将保持这种势头，成为21世纪的主导产业之一。在医学生物技术领域，医药保健产品的研究与开发一直是生物技术的主要工作内容，预计到本世纪末或下世纪初，某些肿瘤、艾滋病等严重疾病的防治可望实现突破，人类10万基因序列也将基本被阐明，在此基础上，基因治疗技术将被进一步推广应用。
7.光电子与激光技术
光电子与激光技术是20世纪最重要的发明之一。在激光技术发展中，激光器一直是国际上争先研制的核心技术，高功率紫外激光器是发达国家大力开发的热点。研究性能优良的光存储介质一直是发展光存储技术的关键和核心。大信息容量、高清晰度和彩色化平板显示将是21世纪各国激烈竞争的高技术领域，液晶显示因其独特的优点而成为平板显示技术发展的主流。激光医学研究已经发展成为一门新兴的学科研究领域，激光医疗设备也已成为激光技术产业化中的一个极其重要的组成部分。
8.空间技术
空间应用活动迈向产业方向，在全世界已经形成潮流。90年代和下世纪初，通信卫星的发展趋势是星上信息切换及处理技术和卫星至卫星的空间信息中继传输技术，并由此发展成为综合通信网。对地观测与遥感卫星是空间技术的重要应用领域，具有巨大的社会综合效益，是一个巨大的市场。世界各主要空间国，无一例外地都把21世纪初建立长期性载人空间站系统作为国家高技术发展的中期目标。微重力下的材料加工和生物技术是具有潜在市场的技术，其应用领域包括医药、农业、保健、电子、石化、材料等。
9.海洋高技术
在下世纪，海洋将成为决定各国经济、政治、军事地位的极其重要的因素。海洋权益、海洋资源、海洋开发、海洋环境已成为世界各国普遍关注的焦点。在海洋环境探测方面，以光、电、声为信息载体的遥感技术是它的重要发展方向。在海洋油气开发方面，三维数字地震勘探技术已获得广泛应用，以深海张力腿式平台与浮式结构为代表的的海面系统技术取得了明显进展。在深潜技术方面，深海工作站和深潜器都在发展，载人潜器、无人潜器和无人无缆潜器能从事多种军用和民用作业，各国在竞相开发。在水声技术方面，各种声纳设备正向远距离、大深度、高分辨率、高数据传输率和高可靠性方向发展。
10.环境科学技术
以1992年联合国环境与发展大会为标志，人类社会共同接受并着手实施可持续发展战略。环保科技从过去的单项“末端”治理技术向综合集成的清洁生产技术转变；环保产业向标准化、系列化、成套化、深度化、普及化的方向发展。国际科学界针对环境问题，制定了一系列全球性和地区性的研究计划，如国际地圈—生物圈计划、全球变化的人类影响研究计划、生态系统与生物多样性计划、国际减灾计划等。目前，国际环境科学技术发展的新方向主要集中在大气质量控制、水资源和近海环境、有毒物质和有害固体废弃物处理、全球变化、生物多样性与生态系统动力学、自然灾害与减灾等领域。
四、面向21世纪的中国自然科学与高新技术发展战略
中国属于发展中国家。20世纪世界科学技术所取得的巨大进展中，产生于发展中国家的极少，发达国家与发展中国家在知识的占有率上相差十分悬殊。21世纪是“大科学”时代，科学共同体将进一步国际化，科学技术研究也将由国家规模向全球规模发展，科技成果也多以论文和专利的形式出现并为全人类所共享。目前，中国的科技发展还远远落后于世界先进水平。那么，中国是否一定要搞科学技术研究，特别是纯科学研究？它的科技发展的战略是什么呢？
1.必要性与可行性
有关一个国家在发展过程中科学与技术所产生的作用问题有多种理论，一个被日益证明的要点是：发展不能始于外部，而必须植根于一国内部，坚实的科学技术基础是产生科学与技术的内生能力。当存在一个坚实的科学技术基础结构时，就可以最恰当地运用自己创造的和外来的先进科学技术。外援只能起到有力的催化作用。如果一个国家不具备这种内生能力，来自外部的援助大部分会被其浪费掉。
发达国家参与了向现代科学进军的全过程，有着深远的科学传统，现代科学技术已成为其文化的一部分。中国则首先要走引进和跟踪别人的道路，但如果最终不能消化、吸收直至创新，使其变为本民族文化中的一部分，则很难使其精华沉淀下来，更不可能从落后转变为先进。中国人口众多，人均资源相对不足，且布局很不合理。中国的国情决定了我们必须走一条资源节约型、持续稳定发展的道路。中国不能只靠商业、贸易来发展经济，也不可能象中东产油国或象澳大利亚那样依靠自然资源优势发展经济，中国必须有自己稳定发展的农业、大规模的先进制造业和高度发展的第三产业，这一切都要有科学技术的支撑。因此，促进中国科学技术发展势在必行。
20世纪以来，德国、日本、韩国、新加坡等国家给世界提供了通过发展科技使社会经济取得快速发展的样板。这些国家和地区首先明确采纳以利用科学技术促进发展作为战后策略的中心原则，要求政府必须建立本土的科学技术能力，并将它应用于工业生产之中。新兴工业化国家与地区成功的原因是它们创造性地实施了该战略，其中最重要的是将其科学技术政策建立在国际市场需求、科学发展和国外技术和投资方向的基础之上，而没有盲目地认为科学技术将自动地促进经济增长或忽视自身的基础、片面估计自身的能力与地位。例如，日本在引进技术的基础上进行自主开发，从50年代到70年代，只用了100 多亿美元就几乎掌握了世界各国在半个世纪内开发的大部分科技成果；韩国很好地解决了诸如贸易赤字、债务和失业问题，其先导技术开发事业已取得很大成就；印度现在已成为仅次于美国的第二大软件出口国；巴西的航天工业也取得了长足的进步。这一切都证明了后发国家是可以在某一点上或全面实现赶超的。
2.面向21世纪的发展战略
一个国家的科技发展离不开社会经济、政治和文化的总体发展，也离不开世界科技发展的总趋势。只有正确地认识国情和掌握世界科技发展的动向，才能制定正确的政策，以坚定有力的步伐赶上世界科学技术发展的潮流。周光召同志把中国科技发展的战略思想概括为“以我为主，迎头赶上”。
中国科学技术在发展中国家保持着一定的优势，但是，如果我们不能很好地把握机遇，采取正确的战略和措施，我们的优势就有可能丧失掉。为此，我们必须在全社会进一步倡导尊重科学、尊重人才、尊重创新的风尚，要重视科学技术的创新，继续扩大开放，大力增加科技投入，采取切实可行的措施吸引和团结一批最优秀的科技人才。在科学技术研究与开发的孕育期、生长期和成熟期，我们不应平均用力，宜根据国情部署力量，在我们有优势的领域集中创新，在科学技术的孕育期和成熟期进行赶超。
中国的自然科学研究要有国家目标。作为发展中国家，财力有限，更应当强调国家目标对自然科学研究的指导作用，集中力量解决事关国家全局的科技问题。另外，也必须注意到，科学有其自身的发展规律，在布局上要坚持高水平的整体性的科学发展和主要学科的纵深发展相结合，要在国际自然科学的前沿领域部署力量，有选择、有重点地开展工作。在支持方式上注意基地建设、项目、人才培养相结合。在当前一个时期，自然科学基础研究要把为国民经济和社会发展提供动力作为中心任务，重点解决未来经济和社会发展的基础理论和基础技术问题，创立新的技术和方法，支持自然科学与社会科学的合理结合，重视软科学的研究及应用。
发展中国高新技术的战略可以概括为“跨跃发展，开拓创新，系统集成，示范带动”。跨跃发展战略是后发国家经济起飞的成功之路，世界格局从冷战转向经济竞争及中国改革开放十几年的快速发展，为我们创造了跨跃发展的历史机遇。要实现跨跃发展，必须开拓创新。江泽民主席在1995年全国科技大会讲话中明确指出：“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力”。目前技术发展的国际化趋势，为我们的技术引进提供了便利，下世纪初，中国将进入引进技术的第三轮，在引进技术的基础之上，必须及时转入消化吸收和创新阶段，才能自立于世界高技术之林。系统集成是发展系统技术的需要，也是高新技术与传统产业集成、与社会要素结合的需要。示范带动是应用高技术促进经济发展的成功经验，只有采用示范带动的点源式样板，才可能激励、启示和引导广大企业的积极跟进，最终达到以高技术研究与发展带动企业技术进步的战略目标。
可以预计，中国科学技术的发展将为下世纪中华民族的振兴作出巨大的贡献，同时，它也将在这场民族振兴的运动中再创辉煌。
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