第四节 第二次科技革命：核能的利用与电子计算机的发明（20世纪40～70年代）

从20世纪40年代末起，核能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得重大突破，标志着第二次科技革命的到来。这场科技革命更加鲜明地显示出科学与技术的相互融合、相互促进，以及“从‘科学’到‘技术’转化”和科技转化为生产力的速度。它催生了又一批新兴工业，如高分子合成工业、核工业、电子工业、半导体工业、航天工业、激光工业以及支持这个工业群体的核电等新能源、新材料和自动化生产技术等，航天技术的发展则开启了人类向宇宙空间进军的征途。

其中，核能的发现与利用是“从‘科学’到‘技术’转化”的一个典型案例。1896年法国物理学家贝克勒尔首先发现了铀原子核的天然放射性；1897年英国科学家汤姆逊发现了比原子小得多的带电粒子——电子[17]；1898～1903年居里夫妇发现了放射性更强的钋和镭；1910年卢瑟福提出了原子核式结构模型。科学家们前赴后继地探索原子的奥秘，使人们对物质的微观结构有了崭新认识，由此打开了原子核物理学的大门。

1938年底，在德国工作的奥多·哈恩发现了核裂变现象，指出铀原子核裂变，释放出中子，又冲击其他铀原子核，使它们也发生裂变，从而形成可持续进行的连锁反应，同时释放远远超出化石燃料燃烧或常规炸弹爆炸所产生的“化学能”（一种与原子核变化无关的能量）的巨大能量。1939年丹麦物理学家尼尔斯·玻尔等人第一次通过计算和实验证明了爱因斯坦在1905年发表的、改变了人们世界观的著名公式E=mc2（E为能量，m为质量，c为光速），其含义包括质量与能源的等价性及其定量关系，质量的消失导致能量的产生，由于c2是一个巨大的数字，因此，每一个由质量组成的物体都具有无法想象的能量。[18]1942年费米领导的小组在芝加哥大学建成人类第一台可控核裂变反应堆，树立了核能科学走向技术应用的里程碑。

核能的第一次重大利用是在军事方面。1939年8月爱因斯坦应其他几位科学家的请求，写信给美国总统罗斯福，建议美国务必抢在德国之前制造出原子弹。[19]1942年6月，美国开始实施“曼哈顿计划”，[20]历时三年，于1945年6月前后生产出足够数量的钚（Pu）239和高浓缩铀（U）235，分别制造出铀原子弹和钚原子弹，并于同年8月6日和9日先后投到日本的广岛和长崎，成为世界历史上最初得到实战应用的两颗原子弹。在军事方面，核能除了可用于制造核武器之外，还可作为航母、潜艇等军用舰艇的动力。

核能的最重要民生用途是发电。1954年苏联建成世界上第一座核电站，之后美国于1957年建成其第一座核电站，到1960年世界上仅有苏、美、英、法四国建有10座核电站，总功率为86万千瓦。20世纪60～70年代以后，世界核电事业发展很快，至1988年世界上正在运行的核电机组总数增加到428套，核电已占世界电力生产的16%以上，有些国家和地区的核发电量甚至占本国电力生产的50%～70%，核电已成为电力供给的一个重要支柱。[21]截至2015年，中国大陆运行的核电机组有30台，总装机容量达2831万千瓦，在建的核电机组有24台，总装机容量达2672万千瓦。“中国目前在建的核电机组在世界上是最多的。”[22]但是，即便从2015年到2025年再建60座新的核电站，中国的核电发电量占发电总量的比例也只有大约10%，这个比例在美国是近20%，在法国是超过70%，在韩国是近30%，因此中国还有很大发展余地。[23]

但是，世界核电事业发展的过程中，也曾发生过几次严重的事故。[24]目前中国正处在向“核电大国”迈进的关键时期，准备新建的核电站越多，就越需要重视核电安全问题。中国目前已组建了25支专业的国家级核应急救援分队，今后尚需通过吸取世界各国发展核电的经验教训和总结核电安全发展必须遵循的客观规律，建立和完善能确保核电安全的法律、规则以及在全国无论哪座核电站发生事故之际都能集中全国顶尖技术力量统一地加以应对的行业体制，并积极开展有关核电安全的国际交流合作（在核电安全方面教训越深刻的国家越值得作为交流合作的对象），并以新建核电站最多的国家的身份来主导建立核电安全的全球标准。

除核电外，核能在医疗（X光检查、CT扫描、用放射性治疗癌症等）、工业（改良高分子材料的性质、利用放射性追踪法检查发动机活塞环的磨损程度、用盖革计数器检验产品的质量等）、农业（利用放射性同位素改良植物品种等）乃至考古（利用放射性同位素C判定古生物体的年代等）等诸多领域获得了广泛的应用。

就在核裂变被发现的前一年即1937年，在信息领域，英国数学家、逻辑学家阿兰·图灵发表了关于“可计算数”和“理想计算机”的著名论文，不仅解决了数理逻辑理论的重大问题，还奠定了现代计算机的理论基础。[25]1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学的四位科学家和工程师组成的莫尔小组研制的第一台电子计算机问世，其全称是“电子数值积分和计算机”，简称“埃尼阿克”（ENIAC），它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6000个开关组成，重达30吨，占地160平方米，耗电174千瓦。可以说，电子计算机是又一个典型的科学与技术结合、科学家与工程师合作的产物。另一位对电子计算机的诞生做出重要贡献的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼及其领导的研制组则提出了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”——EDVAC，简化了计算机的结构，大大提高了计算机的速度，首次在全世界掀起了一股“计算机热”，也意味着信息化时代初露曙光。

20世纪60年代以后的计算机发展历史，是计算机的基本器件从真空管转变为晶体管，又转变为集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路的历史，也是计算机的价格、体积及耗电量急剧下降并日益普及的过程。

集成电路（integrated circuit，简称IC）是一种微型电子器件，用微细加工工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容等元件及布线互连在一起，并制作在一小块半导体晶片上，然后封装在管壳内。当今集成电路大多利用半导体硅材料作为基片，因此常常被称为“半导体芯片”。在单块芯片上所容纳的电子元件的数目被称为集成电路的集成度，集成度越高，所容纳的电子元件数目越多，从而可降低集成电路的价格和能耗。在1960年，出现了集成度为10～100的小规模集成电路；在1966年，出现了集成度在100～1000的中等规模集成电路；在1970年，出现了集成度为10万的大规模集成电路；1993年，出现了集成度为1000万的超大规模集成电路（参见表1-1）。集成度提高的意义，正如英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔所指出的，“在保持元件成本价格最低的情况下，其结构复杂程度每年大约增加两倍”。这意味着人们在1965年用1美元买到的集成电路计算机的计算能力将会是1964年的两倍。摩尔预测这种“每年翻一番”的发展速度将至少持续十年，1975年集成电路计算机的计算能力将是1965年的500多倍（即2的9次方=512）。到1975年，摩尔将他的成倍增长预测减缓为“每两年翻一番”，即当今人们普遍采用的每18个月综合计算能力提高一倍的说法。[26]然而在现实中，摩尔定律[27]竟然持续了40多年，而不仅仅是10年。

表1-1 集成电路的集成度

集成电路的种类和用途很多，在初期专门用作计算机的器件，其后用途扩大到家电、工业机器、通信设备、人造卫星乃至手机等非常广泛的领域。随着计算机的基本器件从真空管转变为晶体管、集成电路，随着集成电路的集成度不断提高，计算机从第1代发展到第4代，其体积从需要占几个房间缩小到可放置在桌上；其性能从每秒处理1万次指令提高到每秒处理1亿次指令；而第4代的价格却降低到第1代的1/100000（参见表1-2）。这意味着福特提出的“汽车不应该只属于少数富人，而应该让每个人都买得起”的经营理念在电子计算机领域得到了再现：“计算机不应该只属于少数科学家和工程师，而应该让每个人都买得起”的时代终于到来。

表1-2 计算机的发展演变代