本书以人类认识自然、改造自然的史实为基础，以历史进程为线索，以学科为主线，侧重介绍产生过重大影响的历史事件，介绍部分重要学科领域的历史与现代发展状况，以不同社会发展阶段的自然科学成就和著名科学家具有划时代意义的发现、发明及学说为主要内容，概括地分析和阐明自然科学及其学科的对象、特点、发展规律与历史作用，粗略地介绍自然科学的知识体系。本书共10章，内容包括绪论及物理学、化学、生命科学、天文学、地学、数学、系统科学等自然科学的主要学科方向，并提供了部分供教学参考的资料。《21世纪高等院校教材：自然科学概论》可作为高等学校人文社会科学各专业学生的通识教育或素质教育教材、参考书，也可作为一般读者的科学普及读本。
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娄兆文编著的《自然科学概论(21世纪高等院校教材)》系统全面介绍了自然科学相关知识，本书可作为高等学校人文社会科学各专业学生的通识教育或素质教育教材、参考书，也可作为一般读者的科学普及读本。
目录
第1章 绪论 1
1.1 自然科学的概念、研究对象和特征 1
1.1.1 科学的概念和特征 1
1.1.2 技术的概念和特征 2
1.1.3 科学与技术的关系 3
1.2 自然科学的功能与作用 5
1.2.1 科学技术是社会发展巾的一种历史现象 5
1.2.2 科学技术既是一种物质力量，又是一种精神力量 6
1.2.3 科学技术是推动历史发展的革命力量 7
1.3 自然科学的体系结构与发展趋势 7
1. 3.1 科学和技术的形成与发展 7
1.3.2 现代自然科学的体系结构 8
1.3.3 现代科学和技术的发展趋势 9
1.4 科学结构的革命——自然科学与人文社会科学走向统一 10
1.4.1 自然科学与人文社会科学的不同特点 10
1.4.2 自然科学与人文社会科学分离 11
1.4.3 自然科学与人文社会科学统一的基础 11
1.4.4 对自然科学及人文社会科学统一的理解 12
1.4.5 自然科学与人文社会科学走向统一的途径 12
第2章 物理学 14
2.1 物理学的学科特点与研究方法 14
2.1.1 物理学简介 14
2.1.2 物理学的学科特点 14
2.1.3 物理学的研究方法 16
2.2 物理学革命的背景及其发展模式 17
2.2.1 物理学革命前夜的三大发现 17
2.2.2 物理学革命前夜飘荡在物理学上空的两朵乌云 18
2.2.3 物理学革命进行曲——物理学发展模式 19
2.3 相对论的建立及其时空观上的革命 21
2.3.1 狭义相对论的建立 21
2.3.2 狭义相对论及其所引出的全新的观念 24
2.3.3 广义相对论简介和意义 29
2.4 量子力学的发展及其全新的物理概念 31
2.4.1 能量子、波粒二象性与测不准原理 31
2.4.2 量子力学的基本概念和理论 33
2.4.3 量子力学的意义及其引起的思想争议 36
2.5 物质结构基本单元的理论及其应用 38
2.5.1 物质结构的基本单元及相关理论简介 38
2.5.2 重核裂变及其原子弹与核反应堆 43
2.5.3 轻核聚变及其氢弹与核聚变的应用展望 46
第3章 化学 51
3.1 化学的基本知识 51
3.1.1 化学的基本概念 51
3.1.2 化学的萌芽 51
3.1.3 化学的中兴 52
3.1.4 化学的作用 54
3.1.5 化学的学科分类 55
3.2 现代化学理论 56
3.2.1 原子结构与元素学说的新发展 56
3.2.2 现代化学键理论与量子化学 60
3.2.3 现代化学动力学理论 64
3.3 现代实验和分析化学方法 68
3.3.1 光学分析法 68
3.3.2 电化学分析法 69
3.3.3 色层分析法 69
3.3.4 现代结构化学与X射线衍射法 71
3.4 现代化学的发展特点和趋势 75
3.4.1 现代化学的发展特点 75
3.4.2 现代化学的发展趋势 76
第4章 生命科学 79
4.1 生命科学概述 79
4.1.1 生命科学的基本概念 79
4.1.2 生命科学发展简史 79
4.1.3 生命科学的学科分类 82
4.2 生命科学的研究方法 83
4.2.1 科学观察 83
4.2.2 假说和实验 84
4.2.3 模型实验 84
4.3 现代生命科学理论与应用 85
4.3.1 细胞与细胞克隆 85
4.3.2 基因与基因工程 89
4.3.3 人类遗传与优生 97
4.3.4 致病微生物与人体免疫 100
4.3.5 生物多样性与保护 103
4.4 现代生命科学的发展趋势及特点 106
4.4.1 现代生命科学不断向微观方向深入 106
4.4.2 现代生命科学继续向宏观方向发展 107
4.4.3 现代生命科学与其他学科渗透融合 107
4.4.4 现代生命科学的基础研究与应用的统 108
4.4.5 现代生命科学与社会进步密切相关 108
第5章 天文学 109
5.1 天文学概述 109
5.1.1 研究天文学的意义 109
5.1.2 研究对象和领域 109
5.1.3 天文学的研究方法与手段 110
5.1.4 天文学的学科分支 110
5.1.5 天文学的发展历程 110
5.1.6 天文学发展展望 111
5.2 宇宙 111
5.2.1 宇宙年龄 112
5.2.2 宇宙的产生 112
5.2.3 宇宙的层次结构 113
5.2.4 宇宙物质多样性 113
5.3 星系 114
5.3.1 星系的相关定义 114
5.3.2 星系的特征 115
5.3.3 主要星系类型 115
5.4 银河系 116
5.4.1 形状 116
5.4.2 特征 116
5.4.3 银河系的未来 116
5.5 太阳系 117
5.5.1 轨道概述 117
5.5.2 结构和组成 117
第6章 地学 121
6.1 地球环境系统 121
6.1.1 太阳及其运动 121
6.1.2 月球及其运动 124
6.1.3 地球及其运动 126
6.2 地球演化的假说 127
6.2.1 大陆漂移说 127
6.2.2 海底扩张说 128
6.2.3 板块构造说 130
6.3 地球的圈层构造 132
第7章 数学 133
7.1 数学发展史概要 133
7.1.1 古代数学发展简史 133
7.1.2 近现代数学发展简史 135
7.2 数学分支领域介绍 137
7.2.1 代数学范畴 137
7.2.2 几何学范畴 138
7.2.3 分析学范畴 140
7.3 20世纪数学发展的特点 142
7.3.1 20世纪数学研究的特点 143
7.3.2 20世纪数学应用的特点 147
7.3.3 21世纪数学展望 149
7.4 应用类数学分支介绍 150
7.4.1 概率论与数理统计学 151
7.4.2 运筹学 152
7.4.3 计算数学 154
7.4.4 模糊数学 155
7.5 数学问题介绍 157
7.5.1 地界四大数学难题 157
7.5.2 近代三大数学难题 158
7.5.3 七大千年数学难题 161
第8章 系统科学 165
8.1 概述 165
8.1.1 古今系统思想概述 165
8.1.2 系统科学的形成和发展 167
8.2 系统的结构和分类 176
8.2.1 系统的概念 176
8.2.2 系统的结构与子系统 177
8.2.3 系统的层次 178
8.2.4 结构效应与整体涌现性 179
8.2.5 系统的分类 180
8.3 系统的环境、边界、特性、功能 180
8.3.1 系统的环境 180
8.3.2 系统的边界 181
8.3.3 系统的开放性与封闭性 182
8.3.4 系统的功能 183
8.4 系统的状态、演化 184
8.4.1 系统的状态 184
8.4.2 系统的演化 184
8.5 系统的模型方法 186
8.5.1 系统的原型和模型 186
8.5.2 系统的数学模型 186
8.5.3 基于计算机程序的系统模型 187
第9章 发展中国的科学技术事业 189
9.1 中国古代的科技成就 189
9.1.1 天文学 189
9.1.2 数学 190
9.1.3 医药学 191
9.1.4 农学 192
9.1.5 指南针、火药、造纸术和印刷术的发明 193
9.2 中国近代科学技术落后的原因 194
9.2.1 社会历史原因 195
9.2.2 中国传统文化及科学自身的原因 197
9.3 我国科技事业的发展 198
9.4 从迎接新技术革命到走科技自主创新之路 201
9.4.1 我国面临的新挑战 201
9.4.2 借以起飞的好机会 202
9.4.3 迎接新挑战 203
第10章 课余阅读材料 206
10.1 关于原子是否存在的争论 206
10.2 在发现电子道路上的遗憾 210
10.3 普朗克的“悲剧” 212
10.4 制造永动机梦想的破灭 216
10.5 明代数学的停滞 219
10.6 王夫之的物质不灭思想为什么没有发展为物质不灭原理 220
后记 224
第1章 绪论
1.1 自然科学的概念、研究对象和特征
自然科学是人类科学知识的主要组成部分之一。对于什么是自然科学（或者说狭义的科学），虽然目前学术界没有一个固定的说法，但人们一般都认为自然科学是人类研究自然界各种物质和现象的科学，是人类在认识自然和改造自然的过程中所获得的关于自然界各种事物的现象和规律的知识体系，同时也是人类追求知识的一项社会活动事业。它包括数学、物理学、化学、天文学、地学和生物学等基础性科学，以及材料科学、能源科学、空间科学和医学等应用性技术科学。一般而言，属于人类对自然的认识部分称为科学（科学知识）； 属于人类对自然的利用和改造部分称为技术（技术知识）， 自然科学一般也被人们称为科学技术。
1.1.1 科学的概念和特征
广义的科学是人类反映自然、社会和人类自身客观规律的知识体系，它主要包括自然科学、社会科学和人文科学三大部分（后两种人们一般通称为人文社会科学）。狭义的科学一般指自然科学。社会科学研究的对象是政治、经济、法律和文学艺术等社会现象，它们是人类自身活动的产物。自然科学的研究对象是天体、地球和各种动植物等不依赖于人类而存在的客观事物，它们早在人类出现以前就已经存在。
自然科学是研究自然界中不同领域的运动、变化和发展规律的理论和知识体系。它概括了人类对大自然的理性认识，是关于自然界的本质和发展规律的正确反映，是人类利用、改造和保护大自然的有力武器。
自然科学的各个学科反映的只是自然界的不同侧面，而把大自然作为一个整体，研究这个整体的本质和规律的学科则不属于自然科学，而是哲学的一个二级学科―――“ 自然辩证法”， 或者说“科学技术哲学”。“自然辩证法”或者“科学技术哲学”属于人文社会科学。
人文社会科学是研究“人文”与“社会”中不同领域运动、变化和发展规律的理论和知识体系。它概括了人类对自身的理性认识。人文社会科学又分为人文科学和社会科学两大部分，前者以人类自身为研究对象，主要包括文学、历史、哲学等学科；后者以人类社会为研究对象，主要包括经济、政治、管理和法学等学科。人文科学和社会科学的研究对象和内容通常是缠绕在一起的，很难把二者完全分离开来。
无论是自然科学还是社会科学，它们都是对研究对象的本质及其规律的揭示，是反映事物真相的客观真理。因此，科学的主要特征是：第一，具有重复性、再现性和可比性。科学是一种知识形态的理论、概念、原理和学说，它存在于人们的大脑、书刊和光盘等多种载体之中，是人类的精神财富，是可以传播、教授、继承和发展的。对于同一个或同一类研究对象来说，不同的人在相同的条件下，通过实验和观察可以得到相同的结果，可以发现共同的科学现象和规律。第二，既具有连续性，又具有创造性。特定的历史条件下的科学及其活动，首先要继承历史和传统，学习前人积累下来的知识并将其贯穿于自己的科学研究中，这就是科学研究的连续性；同时又必须努力解决不同时代所提出的不同问题，并在这些问题上有所发现和创造，这就是科学研究的创造性。在科学研究中必须处理好继承和创新的关系。第三，具有开放性。科学知识的对象是客观世界，世界是不断变化和发展的，人们对世界的科学认识也是不断发展的。科学的开放性就意味着科学具有广阔的胸怀去包容、批判和创造一切揭示事物客观规律的知识和理论。
1.1.2 技术的概念和特征
1.技术的概念
技术是一个非常复杂的概念，因为技术涉及的对象非常广泛；技术也是一个动态的概念，因为随着历史的发展，技术的含义在不断扩充，不同时期人们对“技术”的看法是不一样的。在古代，古希腊著名哲学家（也是科学家）亚里士多德最早提出：科学是知识，技术是制作的智慧。技术仅仅是指个人的经验、技巧和手艺。在近代，随着工业革命的兴起，机器在工业生产中占据着越来越重要的地位，于是人们就认为技术就是工具、机器和设备，是一个个没有生命的装置。20世纪以后，随着现代科学技术的发展，技术不仅成为人类改造自然、进行劳动生产的手段，而且成为人类认识自然、进行科学探索的重要工具。现代技术已经不仅是日常经验的产物，而且是科学研究的结果。目前比较流行的“技术”的定义是：技术是根据科学原理和实践经验而发展起来的各种工艺操作方法和技能体系。
2.技术的特征
首先，技术具有明确的目的性。由于技术是为人类所拥有，也是为人类服务的，所以任何技术都有明确的目的，目的性是技术活动的起点，技术成果是技术的目的性的实现。其次，技术是人（使用者或者说劳动者）和物（使用对象或者说劳动对象）结合在一起的有机整体。所有技术都包括两个方面：一是利用和改造自然的物质要素，指生产工具、设备和机器等劳动资料，称为技术的“硬件”；二是利用和改造自然的人的要素，指生产工艺、加工方法和管理体系等，称为技术的“软件”。只有将物的因素和人的因素结合起来，技术才能有效地发挥作用。最后，技术既具有自然属性，又具有社会属性。技术的自然属性是指人们在应用技术的过程中必须遵循自然自身的发展规律，不能是“人有多大胆，地有多大产”、“思想有多远，我们就能走多远”，这是人类所有技术活动必须遵循的前提。所有技术本质上都是对自然规律的应用。技术的社会属性是指人们在应用技术改造自然的过程中，必须遵守社会发展的规律。技术在应用于社会的过程中，必然会受到各种社会因素的影响和制约。例如，一项非常先进的技术，如果它的功能和效用不符合当时当地社会经济的要求，不能满足经济性、可靠性、安全性和社会心理因素等社会需求，那么这种技术就没有生命力。任何技术都是社会的技术，只有通过广泛的社会协作才能得以实现和推广。
1.1.3 科学与技术的关系
科学与技术，一方面它们是两个不同的学科，二者具有不同的研究对象和研究方法；另一方面，科学与技术又是两个关系非常密切的学科，这既指人们很难把科学与技术，特别是现代科学与技术完全分离开来，也指科学和技术一体化的趋势在当今时代越来越明显。
1.科学与技术的区别
科学与技术经常被人们联系在一起使用，简称为“科技”。但是也应该注意到，科学与技术是两种不同的现象，也是两个不同的学科，二者是有区别的。忽视二者的区别会引起一系列的误解和失误。科学属于认识范畴，它的主要任务是回答有关“是什么”、“为什么”的问题，目的是建立相应的知识体系；技术属于实践范畴，它的主要任务是解决有关客观世界（研究对象）“ 做什么” 、“怎么做”的问题，目的是建立相应的操作体系。
科学，或科学研究活动，是对未知世界的探索，所用的方法主要包括观察、实验、收集与整理感性资料、假说、逻辑推理和验证等；技术，或具体的技术活动，是在已有理论指导下的实践性探索，所用的方法主要是设计、模拟、类比、试验、放大、制作、标准化、程序化和试用（验收）等。
对于科学或科学的成果，评价的标准是其符合性（理论的最终结果与实验事实是否相符，以及符合的程度）、创新性（在理论上是否有突破、是否有创造）和逻辑性（理论体系的结构是否严谨、自洽）；对于技术或技术产品，评价的标准是其效用性（是否有用，以及效用的大小）、可行性（可否实施、实施的条件是否苛刻）和经济性（投入产出比如何、市场前景如何）。
科学与经济只有间接的关系，虽然科学的成果对经济可能具有长远的影响，但是一般而言，科学在短期之内并不会对经济产生直接的影响。与此相反，技术与经济具有直接的关系，技术产品对经济可能会产生立竿见影的影响。当然，技术对经济的影响也可能是长远的，因为技术一般是保密的，特别是在技术发明的初期是受专利保护的。
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