我强烈呼吁中国科学技术的发展要看到中国的特点。中国的资源、地理 环境、社会经济、历史文化等等特殊条件，都会影响中国的科技发展。在我 与青年人接触中，有一些青年人热心关注“世界”科技的“大”问题，他们 有志成为世界学者、国际学者，而对中国问题却不予注意。其实，中国的问 题正成为世界性的头等重要的问题。如中国长江三峡工程，这么大的水利资 源要开发，在世界水利史上是少有的。为此，世界上许多水利学家都想插一 手，以便留芳百世。这项对中国人民有极大利益的项目出生时，却遭到了美 国的尖锐反对。理由是所谓“破坏生态平衡”。而现在美国朝野都纷纷改调， 否则他们将难以介入这项历史性工程。有关中国水利资源开发的问题还不仅 限于长江三峡工程，更大的问题是中国西南地区的水能开发问题，第一，它 占全部水力资源的 50—70％。西南地区水力资源集中在澜沧江、金沙江、怒 江等横断山脉地区。其特点是落差极大，往往落差达 1000 米，因而所蕴藏的 水能也极大。它的开发需要研制高落差的水轮机。目前，这项技术在世界上 还没有得到很好的解决。尤其是这一水力资源的开发，是在崇山峻岭之中， 人烟绝迹之地。怎样能进去，物资又怎样运进去，这也是世界上未解决的问 题，现在有人提出发展飞艇或索道运输来解决人员、物资、给养问题的设想。 英法隧道的修建是影响世界的重大问题，有人称为世界性工程，其实中 国也有这种世纪性工程。最近有人提出，要设法将雅鲁藏布江的水调到大西 北，以彻底解决大西北的干旱问题。如果这一设想得以实现，当然这也是世 纪性的工程。如果一旦实现，其经济效益之大是难以估量的。但这一问题的
解决不是 21 世纪上半叶就可以完成的。可能这是正个 21 世纪的事情。
　　经济的大发展，必然带来科技的大发展。最近，江泽民同志提出：科学 技术要有一个新的解放和大的发展。毫无疑义，中国科技界将满怀热忱地、 积极地迎接这一新的解放和发展的大潮。
　　
现代工程技术的发展态势与我们的对策

杨叔子 华中理工大学

　　杨叔子 机械工程专家。1933 年 9 月 5 日生于江西省湖口县。1956 年毕 业于华中工学院，现任华中理工大学校长，中国机械工程学会常务理事，中 国振动工程学会、中国人工智能学会理事长。1991 年当选为中国科学院院 士。
　　主要从事机械工程与有关新兴学科的交叉研究，着重于机械工程中的信 息技术与智能技术。
　　我国一些新闻单位联合评选出的 1995 年世界十大新闻中，2 条与计算机 有关，3 条直接与信息技术有关；3 条与生物有关；2 条与物理有关；1 条与 天文有关。看得很清楚，计算机技术、生物技术、信息技术在现代工程技术 中起着很大的作用，没有哪一项能离开信息技术，在这 10 条中，没有哪一条 能离开先进设备，而没有先进制造技术来制造先进设备，就没有哪一项能做 得出来。
下面我从五个方面讲述。

一、现代工程技术发展的特点


　　1995 年，朱光亚同志在全国科学技术大会的报告《当代工程技术的发展 态势》很精彩，他一开始就讲述了当代工程技术发展的五大特点，我很赞同。 这五大特点分别为：
1.信息技术革命在科技成果产业化过程中的作用日益增长，方兴未艾。
信息技术发展对于第一产业农业、第二产业工业和第三产业都起到了极大的 改变作用。
前段时间，美国组织评估了一千年来（1001—2000 年）各项领域中领先
第一的技术。在技术领域里，印刷术是第一，佼佼者。因为只有印刷术解决 了，才能很快地传播各项信息，因而，它是非常关键的技术。
在这里我想讲一个“龙舌兰”的故事。美国一位科学家偶尔对这种植物
进行了一次实验，将传感器装在龙舌兰上，首先在龙舌兰旁边放两颗蔬菜， 这位科学家让他 5 位学生中的一位杀死蔬菜，然后再与 5 位学生列队从龙舌 兰跟前走过，科学家发现，当那位杀死蔬菜的学生走过龙舌兰时，传感器测 得的信号发生很大的波动，龙舌兰吓得“发抖”。植物也具有与动物一样的 灵性。
　　因此，信息是无处没有的，整个宇宙都充满了信息。社会要发展，人类 要进步，信息处于关键地位。
　　2.微观尺度生产领域制造技术的演进与革命方兴未艾。微观尺度指微米 级、毫微米级数量级。前面讲述了信息的重要性，但用于这些技术设备的元 器件需要制造，比如说芯片。因此，没有制造技术就生产不出芯片，就制造 不出计算机以及现代装备，例如，就生产不了先进的武器装备。海湾战争中 使用的先进武器，它们重要的元件的制造误差在微米、零点几微米级甚至更
　　
小，没有先进制造技术就不可能制造出先进的武器装备。
　　3.材料技术成为不同工程领域中的共性关键技术。材料技术是现在和将 来工业中不可避免的一个基本技术。在人类社会发展中有石器时期、青铜器 时期，它们是人类社会发展的转折点。如果没有放射性元素的发现，就不可 能有原子能工业；没有半导体的发现，就不可能有现代的计算机工业。而现 在正在向各种仿生材料发展，没有材料技术的发展，科学技术很难进一步发 展，它是基础性技术。
　　4.生物技术为农业、医药、化工、环保的发展带来重大变革。生物技术 不仅对环保、农业、医学是基础性技术，很多生物技术已用于其它方面，包 括加工行业。很多人讲，如果 20 世纪是物理学的世纪，那么 21 世纪将是生 物技术的世纪。生物技术是我们必须面临和很好重视的技术。武汉市在这方 面已做了非常多的工作，这是完全正确的。
　　5.综合集成在工程技术最终转化为现实生产力过程中发挥着关键的作 用。什么都好，但还要能很好地融合。“三个和尚没水吃”，“三个臭皮匠 赛过诸葛亮”。不是所有好东西集在一起就是好东西，也不是平庸的东西集 合在一起就很差劲，集合的最终效果，还要看集中元素与元素的关系。因此， 系统的观念极为重要。
在科学技术大会上，李鹏总理在工业生产与建设中的关键技术一节中谈
到四个关键技术，就是：1.电子信息技术；2.先进制造技术；3.节能降耗技 术；4.环保技术。仔细分析，李鹏总理与朱光亚同志讲法是一致的。
再来看一看国外对当前科技发展的看法。
　　美国总统克林顿讲了面向 21 世纪的四个优先发展领域：1.信息领域；2. 先进制造技术领域；3.材料领域；4.生命与环境领域。朱光亚的讲话与此一 致，他们都看到了这几个优先发展领域。在美国，作为总统批准，政府直接 投入的项目有：1983 年生物工程技术；1992 年先进计算机技术；1994 年先 进制造技术，政府投入 14 亿美元。
日本经济计划厅（相当于我国的计划委员会），1992 年组织专家进行各
项论证后出了一本书，名为《推动经济的 2010 年的技术预测 101 项》，分布 情况是这样的：运输交通 16 项；电子信息 15 项；材料 14 项；空间利用 13 项；生命 9 项；通信 9 项；自动化 9 项；环境保护 8 项；能源 7 项；食品 1 项。综合起来看，信息占 25％，材料占 25％，生命与环境占 20％，制造技 术占大多数，多数项目与之有关。
韩国的“G—7 计划”（高级先进技术国家计划），相当于我国的“863”
计划，1991 年年底提出了 7 项：1.大规模集成电路；2.综合数字业务网
（ISDN）；3.高清晰度电视（HDTV）；4.电气车辆；5.智能计算机；6.医学 与农业试剂；7.先进制造系统（10 年投入约 6 亿美元）。同样是信息、材料、 制造、生命与环境这几大类关键技术。
　　欧洲的“罗马俱乐部”1972 年在《增长的极限》一书中有个预测：工业 增长，最迟在下一世纪停止，因为 GNP 与能耗平行增长。但由于技术的发展， 事实并非如此，例如，1980 年至 1990 年，日、美、西欧 GNP 年均增长率约
8.5％、3％、1％，而能耗年均增约为其 1/6。这表明，由于科学的进步、技 术的发展，能耗、材料使用就更加合理，科学技术是巨大的生产力。
　　讲到这里，顺便看一看我国的能源消耗情况，1990 年我国万元产值综合 能耗为 1.41 吨标准煤，而 1980 年日本则仅为 0.20 吨标准煤。人均 GNP，日
　　
本 80 年代初突破 1 万美元，90 年代初达 3.5 万美元；新加坡 1989 年突破 1 万美元；韩国 1996 年将突破 1 万美元；香港 1997 年将突破 3.5 万美元，我 国现在很低，如果不节能降耗，随着 GNP 增长，能源与材料的消耗还受得了 吗？更不要谈由此而导致的环境污染问题了。

二、微电子技术、计算机技术、信息技术是发展的关键


　　说到信息技术，朱光亚同志有一段很精彩的讲话：“信息技术是现代文 明的技术基础，是科学研究与技术开发中的不可缺少的手段，是高技术中的 关键技术。它以微电子技术为基础，以计算机技术和通信技术为主体，并渗 透到各种传统技术中，又形成了许多边缘学科。”“计算机技术是信息社会、 信息产业的核心技术，它带动了一次世界性的新技术革命，并仍在继续推进 国民经济和社会生活各领域的进步和变革。”
　　比如说，计算机网络建设，它是现代文明社会的象征，可以极大地加快 信息的交流，节省大量人力、财力和时间。有了计算机网络，一些资料就可 以直接在终端上获得，“多、快、好、省”。没有网络，我认为就是现代科 技发展下的“聋子、瞎子、哑子、跛子”。因此，1994 年国家准备建立“中 国教育科研计算机网”，并与国际上的 Internet 联网。在全国 10 所大学，8 个地区（北京、东北、上海、华东、华南、华中、西北、西南），建立地区 网点，全国中心网点建在清华大学。我们当时就下了决心，争取成为整个计 算机网上的华中网点。现在，我校的华中网点与校园计算网已经初步建立起 来了，全国网点与各地区网点都建立起来了，两年的工作一年就完成了，速 度快，质量好，国家抓得紧，大家干得欢。现在，检索资料、发电子邮件等 等相当方便。
1994 年，美国加州建立了一所大学，没有设图书馆，每位学生床头有三
个插头，很多资料、书籍全部可以通过网络查到，资源共享。 信息技术的发展已经渗透到人类文明社会的每一个角落，从家用电器到
机电一体化设备，从宇宙飞船到随身听，无处不在。大的方面不谈，举几个
小例子说明一下。比如，用眼睛去自动开门和关门；用眼睛去摄像，看一眼 就通过自动化系统将景物摄下；用眼睛去自动打字，看一眼打字机就能打出 想打的文字；这些已不是神话。日本有一位 55 岁瘫痪又不能讲话的妇女写了 一部小说，《我想说话，我想走路》，208 页。她不能说又不能写，靠什么 写小说呢，靠计算机，靠信息技术！
　　1996 年是第一台计算机诞生 40 周年。1956 年 2 月第一代 ENIAC 计算机， 在美国宾夕法尼亚大学莫尔工学院，在无人喝彩中登场。这台计算机每秒可 进行 5000 次加法运算，是手摇机械式计算机的 1000 倍，为人工计算的 20
万倍，重 30 吨，占地 170m2，用了 18000 只电子管、7000 只电阻、10000 只 电容，耗电 150kW，平均 7 分钟就爆毁 1 个电子管，100 多位工程师手拿电子 管围着它维修。然而，在当时，这台计算机虽貌不惊人，却从此开创了信息 技术新时代，带来了信息革命。
我们再看看当今计算机发展状况。我国银河Ⅱ型计算机运算能力 10 亿次
/秒，曙光 1000 型并行计算机运算能力 25 亿次/秒。1994 年 12 月，美国 Inter
公司生产的超级计算机，运算能力为 3280 亿次/秒，为第一台的 6600 万倍，
1 秒种的运算需 1 个人不停地算 1 万多年；而体积、重量不知降低了多少倍，

可靠性、功能又不知增加了多少倍！以往，所有对计算机发展的预测都错了， 都太保守了。所以，有人说：“计算机不可预测，不知道今后发展成什么样 子。”
计算机的发展可以分为三次浪潮： 第一次浪潮是计算机用于科学研究与军事领域，关键的作用是用于信息
处理。
　　第二次浪潮是个人计算机（PC）用于各行各业，关键的作用是用于信息 获取。1959 年半导体元件计算机问世，1970 年集成电路计算机问世，1972
年 8 位 PC 机问世，1978 年 16 位 PC 机问世，1981 年 32 位 PC 机问世。而目 前计算机的目标是 3T，即 1 万亿次浮点运算能力，1 万亿字节的存贮量，1 万亿次/秒的 CPU 与存贮器之间的交换能力。
第三次浪潮是计算机网络。如 Internet 网已覆盖 150 个国家和地区，有
4000 万用户，每年交换 1 万亿字信息，而目前约有 500 万亿字的信息需要交 换。国内，“金”字工程已上马，并逐步建立了各种用途的网络。
　　网络的建设给我们带来了很大的便利，是必须发展的。但它也给我们带 来了一些新问题，比如，不健康的、黄色的、反政府的、人权的信息上网， 带来了一些网络上的无用信息和“垃圾”，因此，网络建立的同时应该加强 网络的管理，加强网络信息的管理。
计算机发展，主要是集成芯片，特别是大规模集成芯片（LSI）。这些芯
片发展的特征则是从 70 年代以来，芯片特征线宽每 3—4 年缩小 30％左右， 芯片集成度每 3—4 年翻两番。80 年代，线宽达 0.4－0.6μm，动态存贮器
（DRAM）容量 16－64M；90 年代末，线宽将达 0.1－0.2μm， DRAM 芯片将达
1000M。1995 年 12 月韩国三星集团完成 100MDRAM 芯片设计（0.16μm 线宽）。 而我国正在投产的是 1.5μm 线宽芯片，相差可谓甚远。
未来，若超导成功，将有兆芯片产生，预计约在 2030 年。因此，有人称
现在是新石器时代（由于石头的主要成分是硅）。在这个时代里，微电子大 国是美、日、法、英、韩。微电子的核心是半导体，而半导体的核心是集成 电路和大功率器件。
1990 年一些国家和地区的电子工业占经济总产值分别为：韩国 11.9％，
台湾 11.6％，香港 11.4％，新加坡 41.8％，中国内地 2％。 随着计算机的发展，各种形式的计算机技术得到不同程度的发展，如超
并行计算机、光子计算机、神经计算机、超导计算机、生物计算机等。
超导计算机装置与 VLS 比较，消耗的电力与开关时间的乘积为 VLS 的
10-3-10-7，它是以电子效果为基础的。 生物计算机中开发的立方体生物芯片，是有低阻抗、低能耗、非热性等
特点。聚赖氨酸立体生物芯片 1mm3 内有 10 亿个门电路，可存 110 亿比特信 息。生物计算机可望在 2020 年应用。1995 年 4 月，在美国普林斯顿大学召 开了一个生物计算机大会，世界上 200 多位数学家、分子生物学家、化学家、 计算机专家汇集一堂，认为：①DNA 计算机几天的运算量可为目前世界上所
有计算机问世以来的总运算量；②1m3DNA 溶液可贮 1 万亿亿位数据；③1 台 DNA 计算机消耗能量只及 1 台普通计算机的十亿分之一。有趣的是，英国电 信公司预测，2020 年开始研究电脑芯片植入人脑，这真是“人机交互，各扬 其长。”
神经网络的发展也非常迅速。人有 1011 个神经元，每个神经元有 103 个

树突，形成 103 个突轴，若每个神经元发放速率为 102 次/秒，则人处理信息 的速度为 1011×103×102=1016 次/秒，这个数目是相当惊人的。苍蝇的处理 信息的速度为 109 次/秒，是普通计算机所不及的。
　　目前光只用于传送，如用于处理信息，则可将现行光通讯设备的 100 千 兆（10 亿）字节的通信能力提高到 1000 千兆（太）字节的通信能力，即所 谓的太位级通讯设备。
　　因此，我们讲微电子技术、计算机技术、信息技术是当代科学技术发展 的关键，是不为过份的。

三、制造技本是发展的基础


　　微电子技术、计算机技术、信息技术的发展靠什么？仔细一想，是靠制 造技术，靠先进制造技术。没有制造，哪有这一切，当然，制造技术的发展， 先进制造技术的实现，又得依靠电子技术、计算机技术、信息技术。它们是 相互支持，相互促进的。
　　当今制造技术已能够实现纳米加工（毫微米加工），一个纳米是 10-9 米， 而原子与原子间间隔为 0.4—0.6nm，因此，当今制造技术操作单个原子的梦 想已成为现实。这一技术实现的关键技术之一是扫描隧道显微镜（STM），它 不仅使原子可见，而且它进一步使原子可操作。1990 年 IBM 实验室用 STM 将
35 个氙原子加以移动，拼写了“IBM”商标。由此发展出多种显微镜，如原
子间力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM） 等。
利用原子操纵技术，在超薄膜上覆盖分子形成 0.5—1nm 隆起，用隆起和
凹下表示数据处理技术中的“1”和“0”。这样，我们就可用它们来记录数 据，1cm2 等于 100 万亿个 nm2，因此，一个分子存贮器相当于 100 万张光盘。
进一步，当我们直接操作原子，通过原子的拔出或重叠两状态表示“0”或“1”，
那么制成的原子存贮器，1 个原子存贮器就可存人类的全部知识。由于加工 技术的发展，使得许多原来不可想象的事情逐步成为了现实，科学技术不是 第一生产力又是什么？邓小平同志的看法极为深刻。
宋健同志在 1995 年 4 月由国家计委、国家科委、机械工业部、国家自然
科学基金委员会、机械工程学会在北京举办的“先进制造技术战略研讨会” 上有这样一段讲话：“先进制造技术是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的 重要手段。如果制造技术不发达，这个国家、这个民族就不可能富裕。”
　　因此，制造工业不是“夕阳工业”。高技术要变为实用产品要通过制造， 谁掌握制造技术，谁就掌握了商品，也就掌握了市场。“东芝事件”，前苏 联由于采用了日本制造的数控铣床，一下子就将它与美国之间核潜艇技术缩 短了十年！导弹，由于制造精度的提高，命中误差也达到了几十米或更小。 由此，我们清楚地看出制造技术产生的巨大影响。
　　马克思讲过：“大工业必须掌握它特有的生产资料，即机器的本身，必 须用机器生产机器。这样，大工业才建立起与自己相应的技术基础，才得以 自立。”这是十分正确的，也说明了制造工业的重要性。工业发达国家的社 会财富 60％由制造业产生（美国的社会财富 68％来自制造业），国民经济收 入的 45％来自制造业。1950 年，世界机械工业产值占工业比重 1/5；1980 年，占工业比重 1/3 以上；目前则大体保持这一水平。
　　
　　1984 年美国制造业中 27 个属高技术，其中 17 个属机械工业，占 63％， 它们中有：发动机，汽轮机，工业专用机械，办公与计算机械，发电设备， 输变电设备，商业机械，科学仪器，测量与控制仪表，光学仪器，医疗器械， 武器。
　　美国 70 年代开始，鼓吹“后工业化社会”，力图将经济发展的中心由制 造业转向以服务业为主的第三产业，吃了一次亏，产生了严重的后果：①机 床，日本产值 1982 年居世界首位，而美国产值由 1981 年的 40 亿美元降到
1987 年 17 亿美元。目前美国有一半机床依靠进口，这其中日本就占了 52.3
％；②机器人，1990 年全世界共 46 万台，日本 27.4 万台，美国仅有 4.1 万 台，美国可以说无机器人制造厂；③录像机，由美国发明，而被日本垄断；
④汽车，美国亦无多大优势。 看一看制造业的发展。
（1）制造精度，超精密级的误差随时代发展不断变化，1910 年为 10μm，
1930 年为 1μm，1950 年为 0.1μm，1970 年为 0.01μm，而目前则达到 0.001 μm（1nm）。电子元件的制造误差，晶体管 50μm，磁盘 5μm，磁头磁鼓 0.5 μm，集成电路 0.05μm，大规模集成电路 0.005μm，合成半导体小于 1nm.
　　（2）自动化程度。1870—1980 年这 110 年间，制造过程效率提高 20 倍， 生产管理效率提高 1.8—2.2 倍；产品设计效率提高 1.2 倍。这表明，体力劳 动极大地得到解放，自动化程度高，而脑力劳动自动化程度很低。再例如，
1984 年美国的 Fort 公司、GM 公司、Chryster 公司机械产品设计中采用 CAD
设计的分别占 40％、34％、67％。前几年，在发达国家采用 CAD 的占 60％甚 至更多，国内则仅占 5％；近年来，NC 设备发达国家大致已普及，而我国仅
占 0.7％；净产值劳动生产率，1990 年我国约为美国的 1/130，我国的机械
产品 1994 年进出口逆差为 236.9 亿美元。 制造技术与微电子、计算机等技术结合最紧密的是机电一体化技术，这
一技术带来了制造业的巨大变化：①行业内涵改变，跨学科内容增多。机械
已变成了机械加上微电子技术、光、磁、控制论、信息论、系统论等等。② 产品的结构和功能发生质变。过去自动化要解决体力劳动问题，现在则要解 决脑力劳动问题，甚至是抽象思维能力和非数据处理能力以及智能化等问 题。③产品类型急剧增加，应用范围极广，几乎无所不包，无所不用。④生 产方式走向柔性化和集成化，以求对市场变化能作出快速高质的响应。
机电一体化的共性关键技术在六个方面：（1）检测传感技术。（2）信
息处理技术。（3）自动控制技术。（4）伺服传动技术。（5）精密机械技术。
（6）系统总体技术。 先进制造技术包括面向制造的设计技术、制造工艺技术、支撑技术、制
造基础设施（制造技术环境）四个方面。它的生产规模先由小批量向少品种 大批量发展，而最终实现多品种变批量。生产方式先由劳动密集型向设备密 集发展，最终达到信息密集和知识密集。制造也先由手工向机械化、单机自 动化、刚性流水自动化最终向柔性自动化以及智能自动化发展。
　　先进制造技术的发展趋势有这样 5 个方面：①常规制造工艺优化；②特 种加工方法发展；③专业学科交叉融合，界限淡化、消失；④工艺由“经验” 走向“定量分析”；⑤高新技术与传统工艺紧密结合。
　　先进制造技术的发展前沿在这 12 个方面：①净成形技术；②纳米技术与 微机械；③计算机辅助技术（CAX）；④快速成形（RPM）；⑤新材料的成型
　　
与加工技术；⑥极限条件下成形技术；⑦并行工程；⑧计算机集成制造系统
（CIMS）；⑨智能制造系统（IMS）；⑩洁净生产技术；（11）智能 MIS；（12） 精益生产方式。
　　谈机械制造不能不谈一下汽车，这是湖北省武汉市的支柱产业。汽车的 研究和生产应该注重新型汽车。下一代一般汽车的发展表现在四个方面：革 新汽车制造技术；采用高级微电子技术；确保汽车的安全、经济、适用、舒 适。
　　由于燃烧汽油的汽车产生很大的污染，如美国某些大城市 60％的污染由 汽车产生，莫斯科为 92％—95％。汽车排放的尾气产生了全球的温室效应。 因此，新型、少污染汽车的研制是汽车工业发展方向。例如，电动汽车，包 括采用蓄电池的电动汽车、采用燃料电池的电力汽车等。电动汽车的研制关 键是动力电池，这些电池有锂、钠、钠硫、镍锌、镍铁、燃料电池等。其中 燃料电池中氧和氢结合变成水，产生能量，从而转为电。这种电池发电效率
为 40—60％，如利用余热，则可达 70—80％。含氢合金也是值得注意的一个 材料关键。
美国 Chryster 公司研制的电动小面包车，一次行驶 320km，从 0 加速到
95 千米/小时需 5 分钟；日本日产汽车公司研制的电动汽车，15 分钟可充电 完毕，电池体积只有常规电池的一半；德国 BMW 公司研制的电动汽车时速 109 千米/小时，充电后一次可行驶 430 千米。

四、材料技术是发展的先导


　　材料技术是发展高新技术的先导，新材料的出现将带动许多领域和产业 的迅速发展。没有材料的发展，就没有社会的发展，就没有科学技术的发展。 例如，功能材料，结构材料，生物材料，能源材料，隐形材料等，都有十分 值得研究与探索的领域。人们还应努力去仿造蜘蛛丝、仿造贝壳和甲壳虫表 皮生产出高性能的仿生材料，而这些是目前人造材料无法比拟的。新材料的 开发与研究，我再略举几种材料来讲：
（1）超导材料。这一材料如付诸实用，技术与生产、生活又将发生一次
根本性变化。
　　（2）含氢合金。可吸氢，也可释放出氢气，0℃，1 大气压时每克含氢 合金可吸一牛奶瓶氢气。
（3）光化学空穴“燃烧”存贮器，这种存贮器为光盘记录密度的 1000
倍，可望在 2020 年实用。
（4）高性能碳/碳合成材料。可在 1800℃时或更高温度时使用。 另外，与上述各项密切相关的还有能源特别是新能源的开发利用。
　　（1）生物能。通过植物的光合作用产生氢气或通过光（或光学）合成细 菌，高效地产生氢气。
　　（2）太阳能。地球表面每平方米的能量有 1 千瓦，能将这些能量利用起 来十分了不起，关键在于太阳能电池，提高转换效率，也就在于材料及其它 相关技术的发展。日本通产省的“太阳光计划”以每度 20—30 日元为目标， 利用太阳能发电，预计 2000 年达到每度 100—200 日元，可望在 2010 年左右 实现一般电力价格水平。
（3）煤。例如，露天开采的大型设备、计算机监控系统、新的开采工艺、

机电一体化成套开采技术等，另外还有洁净煤技术、先进选煤技术、水煤浆、 先进燃烧器、流化床燃烧、煤气化联合循环发电、煤炭液化和气化、烟道气 净化等一系统技术，它们都与先进制造技术、微电子技术紧密相关。
　　（4）石油开采的装备与测井技术，以及水、火力发电、核能利用中的有 关技术，都同信息技术、先进制造技术密切有关。
　　在这里，我没有多谈生物技术、生命科学。这是一个极其重要的了不起 的领域，从前面讲的技术中已可知一二。我愿意再重复讲一次，21 世纪是生 物技术世纪是十分有道理的。

五、我们的看法


　　1995 年的科学技术大会上提出了“科教兴国”的口号，这是很正确的， 是很了不起的战略。教育出人才，人才掌握科技。有人讲，“今天的教育， 明天的科技，后天的经济”，这种说法是对的，但不全面！为什么这样说呢？ 举两个例子说明。
　　1995 年 9 月 18 日，香港的一位知名的爱国企业家刘永龄先生，在我校 设立了“纪念抗日战争胜利奖学金”，每年 5 万港币，他说奖学金为什么要 给港币，就是要学生记住香港还在受着殖民统治！有学生问刘先生说：“刘 先生，您很了不起，作为一位中国人，竟然能在欧洲买一个万多人的大企业， 靠的是什么呢？”刘先生讲：“靠的是德才兼备的人才。”刘先生认为德比 才重要。有德，才差一点，问题不大，可以找一个很好的位置来工作；如若 有才而缺德，就很麻烦了。学生问刘先生讲的德是何德，刘说：“至少是职 业道德和社会公德吧。不少大陆学生到香港去，到我的公司工作，其中不少 人不但不信守签定的合同，而且工作中途将公司借给他的东西席卷而走，逃 之夭夭。这样的人才有好还是没有好呢？”这是一个很尖锐的问题！有所高 校有位教授推荐一位学生到新加坡某大学攻读博士，这位学生拿了别人的钱 后，工作不到一年，没有跟他的导师打任何招呼就跑了，无影无踪，新加坡 某大学的教授打了很多次电话问我国该校的这位教授，询问那位学生的下 落，造成了很坏的国际影响，这样的事情也不仅仅是一两个例子！这些学生 不但没有国格，这连最起码的人格都没有了，能够振兴中国经济吗？
1982 年我到美国进修的时候，好几位美国华人教授跟我讲，中国内地的
教育有缺陷，“到美国来的留学生 ABC 很好（英语很好）、XYZ 很好（数学 很好），也懂得美元和英镑（会打小算盘），但就是不了解中国的长江、黄 河，不了解文天祥、史可法，不知道《史记》、《四书》，这种不了解自己 国家、民族、历史、传统文化的人怎么为国家与民族服务？”一个不能够为 自己的国家、民族服务，不能站在时代潮流前面正确引导时代潮流前进，而 专门追求个人私利的人，有才比没有才还糟糕！世界上所做的一切是为人而 去做的，同时世界所做的一切又是人去做的。人是世界上第一个重要的因素。 陈毅同志早在 60 年代一个报告中讲过，我们希望飞机驾驶员能够驾驶飞 机，否则就不能为国家服务；同样，飞机驾驶员技术本领再高，驾机逃到敌 人那里去，那岂不是更糟！因此，不应该只讲“今天的教育，明天的科技， 后天的经济”，还应该讲，“今天的教育，明天的文化，后天的精神！”科 教兴国，关键在人才，必须培养德才兼备的人才！只看到科技的作用，而看 不到掌握科技的人用科技去为谁服务，忽视了人，在人才上出了问题，再好

的科技也兴不了国。 对省、市的“九五”计划，我非常拥护。在这里我想谈几点建议。
　　1.要掌握基础技术。荆楚大地是老子的故乡。《老子》第六十四章有一 段话“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土；千里之行，始于足下； 为者败之，执着失之”。现代工程技术中，最基础的技术，如材料、元件、 数控、CAD 等不掌握是不行的。
　　2.分工要专业化，联合要集团化。不能一轰而起，一轰而散，要充分利 用我们社会主义制度优势，组织“大兵团作战”，寻求规模效应。
　　3.高起点，大投入。要做一些起点高，投入大的项目，在几个关键点上 投资，那么很快就能带动一片。我国的台湾与香港地区，地方小，事情好办 些，我们内地大，潜力也大，困难也多，担子也重，任务也更光荣，我们这 样的大国，应该统一步调，全国一盘棋，集中力量办大事情，集中财力搞些 最先进的项目，否则，很难搞好，搞上去。
4.正确引进，认真消化。
5.切合实际，突出重点。
　　6.充分开发人力资源。湖北省、武汉市的最大优势，不是其他，而是有 着巨大的人力资源，大校、大所、大厂集中，人才既全面又集中。人才是湖 北省、武汉市最大的优势，要打破条块分割的体制，充分发挥人才的巨大优 势。
7.科学管理，严格要求。
8.制定政策，依法办事。

能源与环境

李德平 中国辐射防护研究院

　　李德平 辐射物理、辐射防护与核安全学家。1926 年 11 月 4 日生于北 京市，1948 年毕业于清华大学，其后相继在中科院近代物理所、中国辐射防 护研究院工作（曾任院长，现为名誉院长）。现任中国核安全专家委员会副 主席、国家环保局顾问与核环境专家委员会副主任。1991 年当选为中国科学 院院士（学部委员）。主要从事辐射防护等方面的研究。

地球上的各类能源


　　有用的能必须是可控的，招之即来，挥之即去，令行禁止。能源指能提 供这种可控能量的各种资源。各种不同形式能量间可以转变。人类活动所“消 耗”的机械能大部分是转变成了热能（物体分子无规则运动的动能）。例如 摩擦生热。而热能只能有一部分转变为机械（或电）能，余下的热能要传给 温度低于热源的物体。温度差异大热机的效率高，一般约为 60—25％。转变 中能量的总量是不变的。因而不同能源可以相加，总量结算中对一次能源电 力有时是按所节省下的煤计算的。
这里先考察一下全球各种主要能源及其份额。
　　地球上的能量绝大部分来自太阳的光辐射，而太阳的能量则来自聚变核 能，约为四亿亿亿千瓦 3.8×1024kW。地球处的日照功率为 1.35kW/m2。地球 影子面积为球面面积的 1/4，合 1.27×1014m2。射到大气层表面的功率为 1.72
×1014kW。其中大气（如云）反射掉 27％，大气吸收 18％（包括有害的短波 长紫外线），散射离开地球的占 7％，直接射到地面的 41％，散射到地面的
7％，合计 48％。功率为 8.25×1013kW，（也有部分要反射出去），见图 1。 地球表面不同纬度处每平方米水平面积上的周年（四季昼夜）平均功率如图 中虚线所示；沿选定的纬度由球心画到虚线的连线的长度正比于此功率。由 于地轴倾斜所以两极平均功率也相当可观。整个地球地面平均每平方米地面
为 162W。


　　图 2 按每年的能量画出各项能量的大小：左方大方框为地球大气层外的 日照能量；此外地球自转动能传给潮汐而使自身减速的能量和陆地散出的地 热能量，放大了 200 倍绘于框边。日照能量扣除大气反射散出后绘做虚线框， 再扣除大气吸收后到达地面的绘于第 3 方框。其中相当部分用于蒸发陆上与 海中的水，形成风雨雷电等气象现象。这部分能量绘作第 4 方框。其中很少 一部分成为水力资源。下角第 5 小方框是每年植物用光合作用吸收太阳能制 出初级生物质的能量，它只占到达地面能量的千分之一。


　　图右方把左方第 5 方框表示的生物圈能量放大 2000 倍，因为初级生物质 要养活所有生物，人类所需食物能量只占左下角的很小的方框。人类用的生 物质燃料（薪柴、秸草、牛粪）能量绘于大框内右下角的直框。大框外的 3
　　
个直框表示把在地下埋藏了几亿年的煤，石油，天然气取出烧掉而得到的能 量，这是吃老本。还有多少老本后面再讲。最外直框是一次能源电力（水力， 风力，地热，核能等）。而用化石燃料发出的电能则画为横框，为此耗用的 化石燃料的能量用横虚线表示。它在化石能源消耗中占相当可观的份额。

生物圈能量


　　植物叶子中有叶绿素，它可以用日光的能量把空气中的二氧化碳和根部 输来的水分及少量其它养分合成碳水化合物或其它形式的生物质并放出氧 气，这叫光合作用。在没有日光时，植物也有少量呼吸，呼二氧化碳吸氧。 光合作用的效率并不高，如果日光被百分之百地利用，那叶子就看不见了。 生物质产量的多少取决于阳光，温度，水，土壤的性质、所含养分及与其他 生物间的生态关系。哪一项的欠缺都能成为限制产量的瓶颈。图 3 画的是不 同地带的初级生物质的净产量（干重）。水平方向是产地面积，各个矩形框 的总面积就是图 2 右方的大方框。也是动植物赖以生存繁衍所需能量的根本 来源，我们称之为初级生物质。以后草食动物吃植物，肉食动物吃草食动物， 一层吃一层形成复杂的食物链。动物消化食物吸氧呼出二氧化碳以得到生长 及活动所需的物质与能量。还出现了寄生生物及自己无叶绿素依靠土壤中已 有生物质生长的植物。死亡的生物，植物落叶，动物的粪便等又可通过细菌 分解成为二氧化碳或甲烷。



　　古代死去的生物，间或也有被埋在地下，经数亿年的生物与地质作用而 成煤，成油，成天然气。当然，这样储存的能量只占当时到达地面的太阳能 的很小的一部分。这些生物活动总体上长期地维持了生物圈中氧碳氮等元素 的循环与平衡。人类从生物圈中取得食物、衣服、木材、纸张和燃料。这主 要通过种植，在图中栽植地（5）的小框中还画出人类必需食物所占份额，考 虑了肉食还要占用较多的份额。但湖海草原森林也提供部分食物。在框 5 中 还用短横线画出了亩产千斤粮（按粮秸各半计）的情况。沙漠（1）不缺阳光 而缺水（瓶颈）产量极低。而采用节水农业，据报道有达每平方米（6kg/年） 者，图中 1 区短线是按十分之一画的。务请注意，节水农业并不是非全自动 化与计算机管理不可。较简单的设备辅以精心管理也能做到不同程度的节 水。我国历来和现在也有几种节水技术，可惜开发推广都不够。
　　农业发展在于因地制宜，选用合适的作物与品种，科学地打破瓶颈限制。 如只管增加水源而不能灌排配套，不善合理用水，反可能导致土壤盐碱化。 按理说生物质增产尚有潜力，也非增不可。但要花大气力，下较大本钱，要 善用科学。此外也要注意不要在一个行政区中只推行一个品种，这种把鸡蛋 都放在一个篮子中的办法，万一遇到不利的自然条件或某种病虫害就会全军 覆没。

还有多少老本可吃？


　　当前主要是用矿物燃料，特别是化石燃料。把大量宝贵的化工原料烧掉 是可惜的，也是难以持久的。图 4 画出了储量，当前年消耗量，与两者间的
　　
比值。除煤可维持二三百年外，其他，包括核能的铀，也都只剩下五六十年 的用量。这就迫使人们不得不开发新的能源与提高利用效率。例如快中子增 殖堆还可以利用铀-238，可望使每吨天然铀释出的能量增大六七十倍。用现 有储量产生现用全部电能也可达千年。其实天然铀到处都有，就是富矿有限。 如其使用价值剧增，可采储量也将剧增。如受控核聚变发电成功，则燃料也 不成问题。


　　随勘探技术的进步探明储量还会增加，而开采技术的进步与经济上的变 化也会增加可采储量。但需求增加更快！现在化石能源与低效核能，只给人 类提供一个开发更丰富高效的能源和多种再生能源的喘息时间！
　　我们讲喘息时间，是因为在此后能源格局势必面临较大的变化。而可以 大量推广的技术只能是由经受了考验的技术构成的。一种新能源方案，可能 原理上是无懈可击的，试运行也很成功，总还要（至少部分技术环节还要） 接受实际运行考验，并要反馈运行经验去改进技术。按这个时间标尺，余下 的时间就很短了。所幸有些工作已经开始，但还须加强加速。

再生能源简述


　　可再生能源中，水力用得最多。过去水力用于提水、碾米、磨面，今用 于发电。世界装机容量 654GW（1992 年）。我国小水电 4.8GW，水电站 45GW。 我国可开发水力资源为 379GW。
风力可用于帆船，排灌，磨坊等。世界风力发电总容量 5GW。我国风力
提水灌地 13km2。牧区微型风力发电机共 17.3MW，并网风机 14.6MW。据估计 我国风力资源约 253GW。
地热：温泉早已利用，我国也有用于种植与养殖者。低温利用约 9PJ/年。
地热电站容量 28.6MW。世界地热利用为 1×1017J/年，地热电站容量 4.5GW。 太阳能低温利用如温室大棚和太阳能热水器。太阳灶可用作辅助炊事能 源，天好就用，以节省薪柴。太阳能发电可用聚光热机再用机械能发电或用
太阳能电池。已知世界发电容量大于 254MW。
潮汐发电利用潮水涨落，世界已有电站容量 16GW。 农民生活燃料中一部分为生物质燃料，此种燃料原为可再生能源，如能
产出与消耗平衡则不会增加二氧化碳。但如消耗过量而毁林与耗竭可返还土
壤的有机物，就会破坏产耗平衡。用生物质在沼气池中产生沼气供炊事照明 用，残渣还是良好的有机肥。我国小型沼气池共约供气 3.8×106m3。用生物 质制造乙醇甲醇可用作汽车燃料，巴西 1988 年已达 1.6×1010 升/年。
　　　　　　　　　　　　能源与环境 能源的全球效应：气候与臭氧层
射向地球的太阳功率（除动用了一些过去的储存与暂存了一些外），大
部还是最终转化为热能，以热辐射的形式散发到宇宙空间。热体辐射功率正 比于绝对温度的 4 次方，而且发出辐射的能力与吸收辐射的能力也成正比。 如果两者相等，因球面表面积是阴影面积的 4 倍，地表散发的功率平均为
1350/4＝337.5W/m2。相应的平均地面温度为 278K 合 5 摄氏度，这只是约值，

因为各地反射能力的差别与大气层的复杂影响尚未仔细分析。太阳光主要是 波长在 0.5μm 附近的可见光，而 278K 热体主要发射的是 10.4μm 附近的红 外线。吸收与发射能力未必相同。特别是当大气层中含有容易吸收红外线的 气体时，地面辐射会部分被大气吸收又部分辐射回来，即使返回的热功率只
占 1％，也可使地面平均温度上升 0.7K。这很像玻璃温室，可见光容易进来 而红外线却不易透出玻璃，成为温室增温的一个原因（农业气象学家认为温 室还有挡风与减少气流散热的作用），故称为温室效应。而增加这种效应的
气体如 CO2、CH4 及氟烃化合物等则称为温室气体。工业革命以来人们把数亿
年前积存的煤与油大量烧掉，加之毁林与沙漠化减少了光合作用，增加了大 气中的 CO2、CH4 与 NOX。如不加控制地增长就会使地球变暖，其影响不容忽 视。单以两极冰帽而论，如果融化 1.2％即可使海平面上升 1m。图 5

所示的是几种能源全过程释出的 CO2 中的碳量的范围，图 7 是与另一估计的 比较，它们是基本一致的。化石燃料远高于其它能源是显而易见的，核能则 是最低的。范围宽的表示随具体情况而异（如水库）或尚有颇大的改进余地。 宇宙射线和太阳发出的带电粒子在大气高空产生臭氧 O3，形成一个臭氧层， 它是能吸收易于引起皮肤癌的短波紫外线的保护人类的功臣。温室气体如升 到高空，就能破坏臭氧层，其中氟烃化合物（用于电冰箱，塑料发泡，电子 器件清洗，有的用于灭火等）破坏能力最大（图 5 附表）。别的温室气体也 很讨厌。


当前地球升温与臭氧层保护已成为国际首脑间的重要话题。 各种能源的其它环境影响 就以燃煤而论，开采时要挖出相当多的废碎石，还有矸石，我国约占采
煤量的 10％，已占地 1300km2。矸石中的硫化物缓慢氧化发热，如散热不良 或未隔绝空气就会自燃，目前有 9％的矸石堆正在自燃，释出二氧化碳、二 氧化硫及其它有害物质。为防止矿井中“瓦斯”积累爆炸，就要排风，排出 大量甲烷（瓦斯）及氡。近代已有先从煤层中抽出甲烷加以利用的技术，我
国的利用率约 7％，现在排瓦斯 4m3 每吨煤（总量占天然气产量的 1/3）。坑 采多须抽水，约 1.5 吨水每吨煤。矿井水多受到矸石煤及其中杂质的污染。
挖出的煤与石也能污染地面水。此外采空区还会塌陷（平原区为 2m2 每吨 煤）。我国约人均（直接间接）年耗煤 1 吨，所以五口之家所需煤如采自平 原就每年塌陷 1 平方米。至今在产煤区土建施工时还会遇到不知何朝何代挖 开的小坑道，需要填埋补救。


　　以上除甲烷与自燃外，其它采掘业也有类似问题，但为产生同等的能量 铀的采掘量就小得多，不过其尾矿释氡需作专门处理。
　　煤矿可能伴生硫砷铬镉铅汞磷氟氯硒铍锰镍及镭铀钍等元素与苯并芘之 类的有机物。燃烧中进入气灰或渣，有的部分分解。排气中主要是二氧化碳 也有些一氧化碳，燃料中的硫大部分化作二氧化硫，对酸雨作出贡献。还有 氮、氧化物，除氧化了燃料中的氮化物外还氧化了空气中的氮，炉温愈高， 氮氧化物愈多。每吨煤 13kg 的烟尘，还有氡也随气体排出。有些场合如炼焦 还会排出苯并芘。由于烧去了碳，灰渣中杂质的浓度将增高很多倍，经过煅
　　
烧与粉碎，有害物质可能变为更容易进入水或空气的形态。按“老规矩”任 意堆放或弃入水体，也增加了环境的负担，以至火电站释出的放射性物质都 比核电站多。
　　缓解的办法，二氧化碳只能靠提高利用效率与节能；其它有害物质在燃 烧前可采用洁净煤技术，先去掉无用有害杂质杂物，不把它们输来运去又烧 又炼。燃烧中例如用沸腾床加石灰以固定硫，选用适当炉温以减少氮氧化物。 家用亦以型煤为宜，燃烧后应设高效气体净化系统并精心保持其效能。我国 电站过去气体净化能力较差。灰渣应予合理利用或处置，关键在于按成份与 含量区分对待，有的可用作民用建材，有的只限用于特定场合，有的必须专 门处置。
　　采油，尤其是注水采油，也会影响地面升降。所注水可能在地下受到污 染，有时甚至有少量放射性物质聚集在采油管道的某些部位。采炼中为了安 全，“放天灯”烧掉废气，有的还有浓烟，有一定环境影响。储运中的燃爆 与泄漏可引起严重环境污染，几次海上漏油事故不仅污染海滩还危及海洋生 物。油罐车损坏，油流入下水道引起多处火警的事也发生过。燃烧中产生的 二氧化碳比煤略少，氮氧化物与煤相似。二氧化硫为主要排放物，特别是高 硫油。
我国车用油约占石油的一半多（世界为 40％），汽油约四分之一。在
内燃机中，压缩汽油空气混合气阶段如果气体提前燃爆，就将妨碍飞轮顺转， 引起震爆（噎），通常在油中搀入少量剧毒的乙基铅来提高抗噎性能，称为 加铅汽油。汽车排气除前述燃气产物外还有铅污染。近代炼油技术已能产出 足够的无铅汽油。同时还要严格限制排气中的有害气体。目前我国尚未推行 无铅汽油。
天然气除燃烧产物外，还有使用与传输中甲烷的损失与泄漏。其中还有
一些氡随之进入室内。 生物质燃料原属再生能源，金属元素很少，但在较差的炉灶中燃烧，易
生一氧化碳、烟及有机化合物。如果烟囱排烟能力差或处于严寒地带室内换
气不良，室内有害物质可达很高浓度。从图 7 可见，发展中国家农舍中远高 于世界卫生组织导规，而发达国家居室中浓度就低得多。使用沼气不仅方便， 而且可制造农家肥，比较有利。
各种能源中电力是控制方便易于传输的。用燃料或核能经热机发电，热
效率是有限的，总有相当发电量的一倍到两倍多的热能要就地耗散，可用冷 却塔或传给水体。冬季可能利用余热，夏季就会成为热污染。水体的温升应 严格限制以防发生有害生态影响。输电效率高，但也要防止使人受到过强的 电磁场，电晕放电产生离子也会有不良效应。配送电用的电力电容器含多氯 联苯，包裹蒸汽管道用的石棉，退役不用时如不妥善处置也会造成严重污染。 让水力能源白白流失是很可惜的，水力发电效率高，产生的少量热能影 响很小。但为较充分的利用发电容量，就得建水库，就得考查其寿命与安全。 尽管筑坝应该是成熟的技术，但也发生过若干次惨重的溃坝或溢水事故。如 果上游水土保持不佳，水库被淤积，不能发挥应有效益的亏我们也吃过。我 们受过盲目围湖造田带来的生态灾害，而改林地耕地草地为湖，也须认真分 析其生态后果，尽管淡水中可达相当高的初级生物生产力，但水力水库恐难 于达到，养鱼也需投饲。如果生产力低于原有陆地，则相当于排放二氧化碳。 经济得失也要算账，是否影响鱼类洄游繁殖，对某些寄生虫疫区增减，对航

运的影响，均有待分析。回答这些问题恐比计算发出的电量要难得多。 太阳能热水器、太阳灶等低级利用，作为节约生活燃料的辅助手段，是
很有效的。集热热机发电，主要技术是成熟的，除需排出余热与占地面积较 大外，未见重要环境问题。太阳能电池，制造中会有一些有害物质，使用时 似无特殊困难。在人造地球卫星上业已成功使用。在地面上主要是造价与寿 命的问题。还需储能设备配套。目前初级生物生产力只占到达地面太阳能的 千分之一。高级农业林业仅达全年日照的百分之一上下。哪怕太阳能发电的 效率仅百分之几，也将比燃烧生物质（或用乙醇）再发电效率高出 10 倍。沙 漠荒滩野岛均可利用，应予重视，加速开发。
　　帆船早已利用了风力。在风力条件好的地区风力提水，也是节省燃料的 补充能源。风力发电也很有前途。联入供电网或配以储能装置可降低风力不 稳的影响。此类设备应有小风能发电，大风吹不坏的自控能力。
　　地热利用中，温泉水中会溶有岩石中的有害物质，特别是高温温泉流出 后，随温度与成分的变化，可能集聚在水流或系统的某些部位。氡是其中一 项，有的温泉浴室确实氡浓度偏高。地热发电目前效率不高，而且特殊地点 才适用，它也会带出地下有害物质，如循环注水当可缓减此弊。
　　其它可再生能源，尚在开发中，有的已知环境影响不大，有的因地而异， 有的尚待研究，兹不例举。
关于废物
　　人类的活动，对环境的影响，很多来自废物。物本来是用之为宝弃之可 以成害的。人们对待有害物质，为了控制与管理，对环境介质如空气、水、 土壤中的有害物质的浓度多规定了管理限值。因为天然的绝对纯的介质也是 罕见的。有些微量元素是生物所必需的，但多了还是有害的。在浓度限值下 应不引起对人的急性损伤，有害的远后效应也应轻微（证明绝对无害是很费 力的）到人们不足介意。有时就只能分出优中劣等几个浓度水平。传统的办 法一是消毒解毒，用化学变化（包括燃烧）把有毒物质分解为确实无害的物 质，焚烧某些塑料还会产生有毒气体。灭菌是对细菌的无害化手段。二是排 入环境介质指望有害物质在环境条件下“自净”。有些物质确实能无害分解，
而 DDT、塑料就不易分解而成害。另一招是用清洁的介质来稀释，但介质是
有限的，地面地下淡水资源只占地球上水的千分之六（见图 8）。循环入海 的淡水为每年十万分之三，不加限制地你排一些我排一些，加在一起浓度就 很可观了，结果是释而不稀。海水量最大，而地面径流带着污染物不断排入 海中，由海面蒸发的却是纯水，日积月累，海洋生物也将受不了。人类虽不 喝海水但吃海产品吃海盐，归根结底还要受害。


　　有害物质进入了环境其命运就由不得你了。排出毒性较低的甘汞不能保 证它不转化为升汞，而且已知在环境中，细菌可把汞转化为毒性最大的有机 汞。稀释可降低浓度，但某些生物活动，可能浓集有害物质并可能使之进入 食物链。
　　随着有害物的增加，对固体废弃物堆放填埋等传统办法就会不够有效， 不能防止它们转移到其它环境介质特别是水体中去。这些废物的处置已成为 困难迫切而受到严重关注的问题。有的国家想把有害废物用船运到发展中国 家去，对方发觉了不允许入境，结果这条船天地不容，在地中海转了好多天， 最后只好得到允许返回本国。我国也遇到过“洋垃圾”企图入境的事，多数
　　
是发觉了勒令返回。 另一个途径是浓缩，如果还是废物，也要把它置于人类的有效控制下与
生物界严密隔绝。可以把它制成不易散失的形态，装入密封的容器，保存在 多重的可靠的工程设施内。最长远的办法是选用经受过地质年代考验的地质 构造或盐矿，在其深处构筑牢固的工程设施，再把有害物质做得和玻璃或岩 石一样坚固。可以设计得即使其中几道屏障失效有害物质仍不会逸出。所以 对有害废物不是束手无策，而是如何做得更牢固耐久更经济有效。



　　图 9 画出了煤电与核电所需燃料与所生废物的量。由于比例尺不同，煤 灰中有害物质约略等于核电低放废物的量。由于废物量本来较少，而作为先 进技术核能又首当其冲地面临高毒废物的有效处置问题。而且对寿命较短的 放射性物质浓缩保管更有优点。（更积极的办法是分离出长寿命放射性物质， 费点事使之变为短寿命并尽量使之释出能量以缩短保管时间不留遗患。这种 方法按当前技术水平还是现实的）将来核能在这方面的经验也会在不同程度 上用于其它高毒物质。正像约 40 年前核工业首先用气象学于环保，后来得到 普遍推广一样。
处理这类问题务求周密慎重。从道义上讲，我们无权借口将来总会有办
法解决，而把困难与灾害留给后代，也不能吃尽用光，让我们的后代只能在 博物馆见到煤和原油。但也不必把他们设想成能力那样强而又那样愚蠢，干 出我们已通过种种方法和文档告诫他们万万不要作的蠢事。总之，高毒物质 处置并不是核能独有的，也不会成为核能发展的颠覆性障碍。
我们需要更好地发展与利用能源，来提高生产效率与生活质量，但如不
注意限制与缓减与之伴随的气候与环境影响，则将造成损失与降低生活质 量。所以需要深谋远虑的筹划与周密考虑。古代人影响自然的能力弱，所以 苏轼讲“唯江上之清风与山间之明月，??取之无禁用之不竭，是造物者之 无尽藏也”，而近代人类的无远虑的活动却可使有风不清有月不明，必须认 真对待。

结语


　　人类，特别是发展中国家，需要增加能源以保证生存和发展，但增加是 有限度的，开源之外更要立足于节流。以往一些工业化国家的能源浪费是既 不可取亦不可行的。
　　各种能源都是太阳辐射的很小的份额，凡能利用者，均宜予以一定程度 的利用，再让它耗为热能，辐射出去。每一种能源的不同方案对环境的不利 影响亦轻重不同，应采用环境影响小的方案，有通盘优化。
　　燃用化石燃料是吃老本，而它们更是宝贵的化工资源。对化石燃料的依 赖不可能持续下去。温室效应需要认真对待，再生能源与先进核能应及早开 发。
　　有效的能量储存技术是开发不稳定能源与扩大可移动能源的重要环节。 对能源的功效与环境影响要考察其全过程（如核燃料循环），包括建造 与退役所需的资源与能量，在达到稳定的平衡的市场价格前，其当前费用未 必能反映所需人力物力的价值，更不能反映其环境危害，特别是“外部”代
　　
价。目前对不同能源的分析的深度也不同，对待环境问题的“习惯”也不一 样，比较时应当心中有数。
　　人类活动对气候的影响已受到关注。目前人类利用的能源只占太阳辐射 能的很小的份额，等到人类掌握了大量的方便的“无害”的能源，也还要合 理节能。因为过量热污染也会影响气候（增加额外热功率 1％地面均温约增
0.7 摄氏度）。 与能源有关的各种后果的研究有待加强。除追踪污染的来踪去迹，分析
考察生态变化外；还有些方面也要开展研究，例如如何根据微小的变化排除 其他因素的影响作出可靠的预测，局部的微小变化能否诱发较大的激烈变化
（如暴雨台风等），弄清楚这类问题将有助于防止数以亿万元计或无可挽回 的损失，也可防止在不必要的地方浪费资源。
　　能源发展的通盘规划与大型能源建设项目，是涉及许多方面的高度综合 性的问题，而不仅是卖买两方的事，不能以为只有那些直接参与工程建设的 才是内行，别人全是“外行”。关于这个问题前苏联科普作家伊林早在 40 年代就已讲得很清楚。
我们只有一个地球（至少目前如此）！要学会慎重地对待它。

数学就是力量

林群 中国科学院系统科学研究所

　　林群 计算数学家。1935 年 7 月 15 日生于福建连江， 1956 年毕业于厦 门大学并进入中科院数学所工作，1991 年起任中国科学院系统科学所副所长 至今。1993 年当选为中国科学院院士（学部委员）。主要从事计算数学方面 的研究，在最优剖分和最优形函数研究中取得突出成果，在工程计算的“超 收敛”问题、迭代校正和外推等研究中获多项重要成果，既有系统的理论又 对实际计算有指导性，被国际同行誉为开创性工作。曾获 1989 年度中国科学 院自然科学奖一等奖。
　　数学的力量诸如：将科学技术问题化成数学来解决，主要运用推理、计 算的方法，不必直接去做那些实际难以做到或不安全的实验，所以数学对科 学工程影响重大。不仅如此，数学的价值还在于它的思维方法和想象力，提 供了科学发现的钥匙，纠正了由一般经验、常识所产生的偏见，而且所有人 也都可用来处理日常问题。正是这种非物质的理性，持续不断地帮助人们创 造出新产品、新生活和新认识。
数学是什么？数学的对象是
　　　　　　　　　　　　　　　数和形 它们有简易的数字运算和图形性质，由这些简易的前提，可用
逻辑推理
的方法，推出全部结论。 但是，数和形的范围随时代在不断扩大，新观念、新工具、新分支也随
之派生。
　　追踪线索，按时空范围来划分两个时代：宏观、宇观或微观。17 世纪前， 人类意识处于当时已知的测量范围之内（宏观时代），便形成以“定数”（确 定、有限）以及“平直”（平面、直线??）观念为主的数学（即中学代数、 几何）；当超出已知的测量范围（宇空越变越大或微观越变越小），便有变 数（变化、极限）以及弯曲空间这些新观念和相应的新工具（如大学解析几 何、微积分）。
所以，数学是时代的产物，由确定走向变动，由有限走向无限，由平直
走向弯曲。 下面就分中学代数、几何以及大学解析几何、微积分等方面做描述。

一、代数：由现实走向抽象


　　数学原指数目的科学，代数方法是用数作运算来发现结论。要使运算变 得简易，要加进零；要使运算通行，还要加进分数、负数、无理数、虚数。 顾名思义，虚数不是实物，观察不到，纯属虚构。可是，不添设这一个虚数， 方程可能没有答案或者答案不全。恰好靠这一个虚构的数，方程才有完全的 答案（这好像问你有几辆自行车，你回答共有 5 辆交通工具，这总比没有答 案要好）。无理数靠观察或实验也找不出，是无尽小数，但数学可以思想无
　　
穷。
　　虚数、无理数先有构思，后来把无理数变成直线上的点（这是 17 世纪新 数学的基石），虚数变成圆上的点（并在微分方程中出现），它们又看得见 了。
以上是历史事件，近代又加进“实变函数”或“广义函数”。 所以，数的范围、概念（和用到的工具）在不断扩大。 应用题的解答用到未知数表示：它并非变数，要满足某个方程，解出这
个方程也就解决了相应的应用题。所以数学要解方程。 解方程还用到对称概念，数学上通过群来表达。但群有普遍性，被物理
学家用来统一各种守恒定律，后者正是反映世界的对称性，基本粒子的基本 问题就是问它反映了哪个对称群。基于对称性的考虑，发现了电子运动方程， 并发生增根，这预示着存在一个正电子，实验终于找到它，今天被用在医学 扫描上。所以抽象的结果还是回到现实。详见格里菲斯的演讲。

二、几何：由平直走向弯动

（一）平直几何的收集和数学方法论
　　几何如何收集和整理？欧几里得《几何原本》采用了前所未有的整理方 式。他不去形式分类但去找出因果关系：首先观察特例，找出它们之间共同 的性质，把这些共同的性质编织成一套最经济的公理系统，然后按逻辑推理， 由这些公理推出全部几何结论（如三角形内角和等于 180 度）。这里，公理 是“因”（已经退到头、无法再被进一步追究），结论是“果”，推理是过 程。这种演绎法比归纳法更可靠，使数学走上严格化道路并区别于实验科学， 应成为一切严格科学的典范。大科学家如阿基米德、哥白尼、伽利略、笛卡 尔，特别是牛顿，都采用了《几何原本》编写方式（阿基米德从“相等重物 在和支点等距离处于平衡”这样的公理，而不通过实验，推出扛杆定理；牛 顿称三定律为公理，万有引力、行星运动为定理??）。这是典型数学路线： 从观察进入公理（或定律）再引出新结论。
其实，人人都可共享公理化或因果性的数学精神。人们就以数学的历史
和现状为依据，预测它的未来；只是这里使用的推理方法（推理过程）不像 数学那么严密，或者叫做归纳、外推内插。语言体系也跟整数体系一样，以 最少几个基本术语来组成整个语言。所以数学蕴含着普遍的概念和方法。已 被接受的结论也可视为公理，据它再引出新结论。
　　当我们读一本大书，首先要观察小例，即个别最简最浅的源头例子（水 落石出），它有整体的复杂性，可从中发现大书中共同的性质或原则（像发 现公理）：大书的各部分重复着同一原则，就是这个小例里的原则指导管着 一本大书。这才是经济的思维，才能明白、记住、留下印象。反之，太多太 繁不经济，记不住，留不下。所以，必须挑出这样的小例，作为这本大书的 “公理模型”。这也就是华罗庚说的“由厚变薄”。
　　值得一读笛卡尔的《方法论》：第一规则，是绝不把任何事物当作真的 加以接受，除非我认识到它是显然如此的；第二规则，是把我遇到的每一种 困难的事物尽可能地划分成许多部分，每一部分都较容易解答??这种思维 规则，提供了科学发现的钥匙，人人都可以用来处理日常问题（例如分工的 思想）。
　　
（二）弯（宇观）的几何
　　平行性公理怎么验证？或者，三角形内角和一定等于 180 度吗？两千多 年屡证屡败，使三位有想象力的数学家（19 世纪）怀疑这条公理（或三角形 内角和）的不可动摇性。他们在球面或双曲面上想象直线、三角形和几何学， 结果发现了非平直的空间结构，这违背了所有人从小形成的空间观念（平直 的）：直线可以是弯的，时空可以弯曲起来，三角形内角和既可大于也可小
于 180 度。这纠正了由生活常识、一般经验所产生的偏见，也动摇了数学的 确定性。那么，究竟哪一种几何正确呢？原来，平直的观念只是在当时已知 测量范围之内（宏观）的几何学，如超出此范围（宇观）或到更细层次范围 之内（微观），则有不同观念的几何学。究竟时空的结构什么样？平直的或 是什么样的弯曲？会不会是其它种的几何？需靠物理天文发展的结果来验 证。
所以，几何为世界图景提供一组不同的模型。 数学确定性的动摇导致数学的反省。
（三）动的几何
　　在形中引进动（如射影变换、连续形变）??各种几何被统一为研究空 间在变换群之下的不变性质。对应每一个作用于空间的变换群，就有一门几 何学，几何的概念又扩大了，详见陈省身文选。

三、解析几何：把数引入形


　　几何已找到最少最简最浅的五条公理，由它们推导出全部结论，但这个 推导费事，一题一证，无通用解法（如画辅助线），而且原则上已不能对平 面几何添加新东西。数学家淹没在题海之中不能自拔，只有哲学家笛卡尔、 莱布尼茨等居高临下，向数学界抛出救生圈，将几何用坐标研究：把平面变 成一对数，几何变成代数。坐标是一个有普遍性的数学工具，不仅使千变万 化的几何证明变成机械的规范的代数证明，而且由于把数引入形之中，可借 助代数工具对形（弯的）进行微观的局部性研究，便产生了分析学（即微积 分）。
坐标把传统的数形间隔打通，使代数（或分析）进入几何。反之，几何
又使代数、分析形象化（如各种代数（或分析）方程表现为不同的几何图形； 若干代数、分析结果变成平面三角）。这三大主流（代数、几何、分析）相 互作用，产生许多数学分支，被称为数学的转折点。

四、微积分：由有限走向无限


　　17 世纪主题是动（运动和变化，增长或衰减，宇空越变越大或微现越变 越小），数学上用函数来表示它，并采用无限的数学运算，即现在的微积分 工具，来研究它。数学从此由定数进入变数的时代。这种无限的数学（大学） 比有限的数学（中学）简单明确、算得更快（杀鸡得用牛刀）且普遍适用。 取极限，即在数中引进动，使数学简单明确。
　　微积分的做法可跟中学做法对比一下：设有直角三角形，底边摆在地上。 那么，可利用斜边在地上起点处的斜率，计算斜边端点的高度。现在将斜边 变成曲的，那又怎样呢？微观（局部）看曲边的一个个小段可利用每一段起
　　
点处的切线斜率，计算出这一段端点处的高度增量，最后将所有高度增量叠 加到一起，便得曲边端点的高度。微积分则将每一段的长度趋于零，利用起 点的切线斜率来计算一无穷小段端点的高度增量（叫微分），以及下一个、 再下一个连续不断的一个个无穷小段的端点高度增量或微分，将这些小增量 或微分积累起来，叫积分，便是曲边端点的高度。此即微积分基本定理。
　　特别由曲线的切线可以找出这个曲线本身，由量的变化速度可以找出这 个量本身。牛顿正是靠微积分的语言来表示在重力作用下物体的运动，包括 行星运动规律，从而奠定了天文学和力学（宏观）的基础。所以，科学界公 认将微积分发现的那一年（1666）作为近代物理学的开始。
　　在牛顿后，微积分（或分析学）至今还是数学主题，不过本世纪重在多 变数。
　　解析几何（图形）-微积分（函数）的诞生被认为是数学的转折点，之后 是其延续和推广，但也有飞跃。

五、由确定走向不确定


随机、混沌、模糊 牛顿、爱因斯坦借数学建立世界秩序的确定性模型。如知道开始，便确
定未来。
　　除了上述确定性现象，还有偶然性（随机）现象，它只能用概率（可能 性）来表示。要了解这种系统的规律（偶然性中的确定性），人们采用有限 次抽样的或统计观察、实验。统计工具在物理、工业、微观经济学、生物学、 社会学都有广泛应用。
但是，除了确定性和偶然性的数学以外，最近发现另一种不确定性，它
介于确定性和偶然性之间：一方面在确定的系统（如二次方程）中出现混沌 现象，另一方面又在一些偶然性的系统中出现特定的结构。周光召在 1995 年全国科技大会报告中描述了这种现象，这是非线性、复杂系统（一个小变 化产生大效果，如小量油加水会产生复杂图案）。认为它比牛顿、爱因斯坦 的模式更接近真实的世界。钱学森（《科学报》1996.2.26）对此也有他的看 法。
二次方程这个简单初浅的例子含有复杂高深的现象（动的、选代的）。
中学“后方”（如开方法）跟“前沿”（如混沌迭代）仅有一步之差。 还有一种不确定性叫模糊性。