据英国《每日邮报》报道，1970年4月13日，美国“阿波罗13号”飞船前往月球途中，服务舱2号液氧箱发生爆炸，导致飞船严重受损，登月任务立即取消。3名宇航员乘坐受损的飞船九死一生返回了地球，他们的生还故事后来被拍成了好莱坞电影《阿波罗13号》。日前，两名仍然在世的“阿波罗13号”宇航员和其他地面控制人员，终于获得NASA（美国国家航空航天局）许可接受了一部纪录片的采访，首次公开披露了“阿波罗13号”宇航员绝境求生的内幕。“阿波罗13号”宇航员之所以能够生还，竟得归功于胶带、纸板和他们身穿的内衣裤！
1 指挥官妻子曾担忧“13号”不祥
1970年4月11日，“阿波罗13号”载着3名美国宇航员升空，踏上了飞往月球的旅程。飞船上的3名宇航员中，42岁的吉姆·洛威尔是任务指挥官，38岁的杰克·斯威格特是指令舱、服务舱的驾驶员，36岁的弗莱德·海斯是登月舱驾驶员。洛威尔已经执行过3次太空任务，而斯威格特和海斯却是第一次前往月球。
洛威尔本来是被安排在“阿波罗14号”任务中充当指挥官的，但因为“阿波罗13号”的原定指挥官艾伦·谢帕德耳朵严重感染，所以洛威尔便顶替了他。在洛威尔执行“阿波罗13号”任务前，他的妻子玛丽莲心中充满了焦虑，因为“13”在西方是个不祥的数字。洛威尔回忆说，“妻子对我讲：‘为什么偏偏是13号？’我说：‘这是一次科学任务，我们都是工程师、技术员和科学家，我们不能迷信。’”当宇航员乘坐飞船升空时，他们甚至还开玩笑，说要收养一只黑猫当做吉祥物。
“阿波罗13号”经过两天多的飞行，飞到了离地球30多万公里的地方，尽管这次任务距尼尔·阿姆斯特朗1969年7月首次登月仅仅过去9个月，但美国电视网已经将太空旅行当成了老新闻，没有多少电视台愿花大篇幅关注“阿波罗13号”的月球之旅。然而不久后发生的事件，却让这趟宿命的飞船之旅成了全世界媒体的爆炸新闻。
2 爆炸发生时，以为是宇航员恶作剧
4月13日深夜，当“阿波罗13号”离地球32万公里时，3名宇航员正在指令舱中进行一系列的检修工作，突然飞船外传来巨大的爆炸声。地面控制中心不知道飞船出了什么事，过了好一会儿，他们才听到洛威尔说了太空史上最著名的一句话：“休斯顿，我们遇到了麻烦。”
据洛威尔回忆说，当巨大的爆炸声在飞船内回荡时，他和斯威格特还以为是海斯在恶作剧。因为早些时候，海斯曾经突然释放过一个减压阀，也引发了巨大的响声，将洛威尔和斯威格特都吓了一跳。然而这一回，洛威尔知道事情不对头，因为爆炸声发生后，飞船燃料电池开始停止工作，电力系统逐渐失灵，3名宇航员焦灼地试图重新控制住飞船。这时洛威尔朝窗外瞥了一眼，终于看到飞船后部正迅速渗漏着一些气状物质，那是他们赖以生存的宝贵氧气！原来“阿波罗13号”服务舱的2号液氧箱发生了爆炸，摧毁了指令舱中的生命支持系统、导航和电力系统，并在飞船的外壳上炸出了一个洞！
“阿波罗13号”地面控制中心飞行主任吉尼·克朗兹回忆说：“我们清楚，这回他们再也去不成月球了，即使让他们安全返回，也将成为一项不可能的任务。”
3 输错一个数字，就意味着死亡
爆炸发生25分钟后，“阿波罗13号”指令舱内的氧气只能再供应15分钟，3名宇航员惟一生还的希望，就是逃进“宝瓶座”登月舱，尽管登月舱的外壳薄得几乎用拳头就可以砸一个洞，但它却成了他们生还的救命稻草。
然而，“阿波罗13号”升空前根本就没有安排应急的B计划，所以宇航员也根本没有学习如何在紧急情况下启动登月舱上的维生设施。随着氧气量迅速下降，宇航员在地面控制中心专家的指导下，一步步往登月舱的计算机中输入复杂的数字，他们知道，哪怕输错一个数字，对他们来说也意味着死亡。
最后，就在指令舱中的氧气含量只剩5分钟可用时，登月舱的功能终于被激活。接下来，如何让宇航员在飞船剩余的氧气耗光前安全返回地球，成了NASA专家面临的头号难题。由于飞船已接近月球，月球引力很强，如果他们迅速掉头，不仅将耗光所有燃料，而且可能被月球的重力拉扯住，坠毁在月球表面。
NASA最后决定，逃生的第一步应该让“阿波罗13号”飞船继续朝月球飞行，绕月球转一个大圈，飞到月球黑暗的另一面，等飞船再次出现时，再立即启动登月舱发动机，将飞船投掷进返回轨道。
当洛威尔在登月舱中操纵飞船时，却发现飞船开始不停地翻滚和旋转，洛威尔意识到，“宝瓶座”登月舱是用来登月的，它并没有被设计用来带着沉重的服务舱绕月球轨道飞行，所以它必须重新学会如何控制登月舱。两小时后，飞船总算重新进入了原定轨道，消失在月球的另一面。
4 面临死亡 仍狂拍月球照片
据洛威尔回忆称，当他操纵飞船飞到月球另一面时，他看到海斯和斯威格特正趴在“宝瓶座”登月舱的窗户上，像旅游者一样激动地朝外面拍摄月球的照片。洛威尔说：“我怀疑地盯着他们，说：‘如果我们下一步操纵错了，你们的照片永远都没机会洗出来！’可他们却说：‘你以前已经来过这儿，可我们是第一次来！’”
当“阿波罗13号”从月球的另一边重新露面时，地面控制中心一片沉默，因为登月舱上的燃料只够一次启动尝试，如果失败，他们将永远不会活着返回地球。不过，宇航员们总算一次性成功，飞船以每小时5400英里的速度飞离月球，驶向地球的方向。
5 胶带、纸板、内衣裤救了他们命
为了节省电力，宇航员们作出了一个危险的决定，关掉飞船上的计算机、导航系统和其他电力设备，让飞船的电流消耗量降低到12安培——只相当于一个家庭搅拌机使用的电量。当加热设备关闭后，登月舱中的温度急剧下降，尽管他们穿上了宇航靴和剩余的内衣裤，仍然冻得无法入睡。
没多久，他们又遇上了另一个致命的危险，登月舱中的小型空气过滤器无法处理3名宇航员排出的大量二氧化碳气体，他们面临中毒身亡的危险。就像“阿波罗11号”登月舱在月球上无法启动、阿姆斯特朗和布兹·阿尔德林将一根圆珠笔塞进断路器启动了发动机一样，“阿波罗13号”宇航员也靠一些匪夷所思的应急方法救了自己。他们在NASA科学家的指导下，用一些黏性胶带、一块从飞行手册后面撕下的纸板以及从他们太空内衣裤上扯下的一些塑料片，做成了一个帮助空气过滤器更有效工作的粗糙适配器，登月舱的空气最后终于从毒性状态回到了清洁状态。
6 宇航员手工导航返回地球
由于登月舱中的自动导航系统已被关闭，宇航员可说是通过手工导航返回地球的，包括将光学仪器上的十字标记手工对准地球。飞抵地球轨道时，宇航员们抛弃了服务舱和救了他们性命的登月舱，准备通过狭小的指令舱穿越大气层。事实上，他们甚至不知道指令舱外壳有没有受损，如果指令舱的防热盾受损，那么他们在进入大气层时，将会在5000摄氏度的高温中被融化得无影无踪。宇航员知道他们可能会死，斯威格特甚至向地面控制中心留下了遗言：“我们所有人都感谢你们为我们所做的一切。”
幸运之神再次眷顾了3名宇航员，他们安全地穿越了大气层，3个红白降落伞带着指令舱安全降落在了太平洋中。
3名宇航员后来再也没有重返过月球，斯威格特1973年从NASA退役，竞选当上了一名共和党国会议员，他在1982年走马上任前死于癌症，而洛威尔和海斯现在仍活在世上。
星期五, 十一月 24, 2006
科学家发现旋转速度达到理论极限的黑洞
在爱因斯坦的广义相对论中，宇宙中存在黑洞很可能是最为令人着迷的一个预测。美国的天文学家们最近宣布，他们发现了一个非常奇异的黑洞，该黑洞的旋转速度每秒钟高达950次，已经达到了天体自转的极限速度。
在11月17日出版的《天体物理学》杂志上，美国天体物理研究中心(CFA)领导的一个科研小组公布了他们的这项最近发现。该研究小组是由来自美国天体物理研究中心、哈佛大学、加利福尼亚大学以及德国天体物理研究所的专家组成的。科学家们通过卫星提供的数据发现，一个编号为GRS1915+105黑洞旋转速度非常快，每秒钟高达950次，这已经达到了物理学家们普遍预测的自转极限。
美国天体物理研究中心负责人杰弗瑞-麦克林托克说，“通过美国航空航天局提供的卫星数据，我们获得了三个黑洞旋转时的精确速度。最让人激动的是，一个编号为 GRS1915+105的黑洞，它在旋转时的速度已经达到理论极限速度的82%至100%。这一新发现将有助于解释为什么黑洞会喷射气体、粒子流以及引起伽马射线等。在天文学界，人们通常用两个指标来界定一个黑洞，那就是黑洞质量和旋转速度。尽管天文学家们此前已经成功地测量出了黑洞的质量，但要准确地测量它们旋转速度却要困难得多。事实上，在今年之前，天文学家们从来没有准确地测量过黑洞旋转的速度。”
杰弗瑞-麦克林托克进一步解释说，黑洞在旋转时也会带动周围物质的旋转，这就会与周围静止物质形成一条分界线，这在天文学上被称作黑洞的“静止界限”。包括光线在内的物质越过静止界限后，并不会立即被黑洞吞食，而且围绕黑洞高速旋转，因而具有巨大的旋转能。再往里，当到达一定位置后，围绕黑洞旋转的所有物质都会被黑洞吞食。科学家们从那里往里面什么也看不见，这就形成了黑洞的“视界”。在静止界限与视界之间有“贮能区”或“能层”。天文学家们普遍认为，旋转黑洞有内外两个视界，中心奇点也会变为“奇异环”。
黑洞靠强大的旋转引力也会不断地吸收周围星体的气体。在此过程中，气体开始脱离原本的运行方向并向黑洞偏离，由此形成“角动量”，也就是说黑洞可以由此源源不断地吸收能量。被改变方向的气体使黑洞周围逐渐形成一个个越来越大、被称作“加速区”的圆环。在“加速区”里，大量炽热气体绕着黑洞旋转。随着气体越吸越多，黑洞必须分流已有的“角动量”，以便为持续涌进的能量提供空间。打个比方说，就像一个巨大的水车，为了保持旋转，它必须在装入水的同时释放出等量的水。黑洞也是如此，它必须在吸收角动量的同时释放出同等的能量。
在11月17日出版的《天体物理学》杂志上，美国天体物理研究中心(CFA)领导的一个科研小组公布了他们的这项最近发现。该研究小组是由来自美国天体物理研究中心、哈佛大学、加利福尼亚大学以及德国天体物理研究所的专家组成的。科学家们通过卫星提供的数据发现，一个编号为GRS1915+105黑洞旋转速度非常快，每秒钟高达950次，这已经达到了物理学家们普遍预测的自转极限。
美国天体物理研究中心负责人杰弗瑞-麦克林托克说，“通过美国航空航天局提供的卫星数据，我们获得了三个黑洞旋转时的精确速度。最让人激动的是，一个编号为 GRS1915+105的黑洞，它在旋转时的速度已经达到理论极限速度的82%至100%。这一新发现将有助于解释为什么黑洞会喷射气体、粒子流以及引起伽马射线等。在天文学界，人们通常用两个指标来界定一个黑洞，那就是黑洞质量和旋转速度。尽管天文学家们此前已经成功地测量出了黑洞的质量，但要准确地测量它们旋转速度却要困难得多。事实上，在今年之前，天文学家们从来没有准确地测量过黑洞旋转的速度。”
杰弗瑞-麦克林托克进一步解释说，黑洞在旋转时也会带动周围物质的旋转，这就会与周围静止物质形成一条分界线，这在天文学上被称作黑洞的“静止界限”。包括光线在内的物质越过静止界限后，并不会立即被黑洞吞食，而且围绕黑洞高速旋转，因而具有巨大的旋转能。再往里，当到达一定位置后，围绕黑洞旋转的所有物质都会被黑洞吞食。科学家们从那里往里面什么也看不见，这就形成了黑洞的“视界”。在静止界限与视界之间有“贮能区”或“能层”。天文学家们普遍认为，旋转黑洞有内外两个视界，中心奇点也会变为“奇异环”。
黑洞靠强大的旋转引力也会不断地吸收周围星体的气体。在此过程中，气体开始脱离原本的运行方向并向黑洞偏离，由此形成“角动量”，也就是说黑洞可以由此源源不断地吸收能量。被改变方向的气体使黑洞周围逐渐形成一个个越来越大、被称作“加速区”的圆环。在“加速区”里，大量炽热气体绕着黑洞旋转。随着气体越吸越多，黑洞必须分流已有的“角动量”，以便为持续涌进的能量提供空间。打个比方说，就像一个巨大的水车，为了保持旋转，它必须在装入水的同时释放出等量的水。黑洞也是如此，它必须在吸收角动量的同时释放出同等的能量。
卡西尼号首次拍摄土星南极超强风暴
据俄罗斯有关媒体11月13日报道，美国宇航局日前宣布，“卡西尼号”土星探测器在土星南极地区观测到伴有巨大漩涡的超强风暴。据悉，这是科学家们首次在土星南极地区观测到如此大规模的外星风暴。
根据“卡西尼号”探测器发回的照片天文学家们推算，这场风暴中形成的漩涡的直径高达1.2万公里，几乎为地球直径的三分之二，其中心最高风速可达550公里/小时。
美国宇航局的科学家们指出，太阳系中两颗最大的行星--木星和土星上均存在着巨型风暴现象，它们的强度经常会超过地球上同类现象的一百倍。科学家们同时还表示，虽然著名的木星“大红斑”在尺寸上远远超过土星上此次出现的漩涡，但其运动速度却要小的多。
专家们解释称，在地球上，这样的“眼睛状”漩涡常常出现在海洋表面，而且只有当湿热的空气在经过距离海洋风暴较近的洋面时才会出现，此后这类漩涡会骤然上升形成强降水。但是土星是一颗气态行星，它是如何形成这类强风暴的科学家们尚需要进一步研究。专家们还表示，土星风暴不仅涉及范围比地球上的大，而且“个头”也比地球上的高许多。
据美国宇航局的研究员迈克尔-弗莱扎尔表示，这类风暴非常像倒入浴盆中的水形成的漩涡，只不过大小有差异罢了。他称，在此之前，科学家们还从来未发现过如此令人震撼的风暴景象。
“卡西尼号”探测器于2004年7月1日进入环土星轨道，2005年它还曾向土星最大的一颗卫星--土卫六抛下一只叫“惠更斯”的探测器。今年10月11日，它在约40万公里的高度上途经土星南极地区时花费了近三个小时拍摄下了14张显现土星南极超强风暴的照片。
根据“卡西尼号”探测器发回的照片天文学家们推算，这场风暴中形成的漩涡的直径高达1.2万公里，几乎为地球直径的三分之二，其中心最高风速可达550公里/小时。
美国宇航局的科学家们指出，太阳系中两颗最大的行星--木星和土星上均存在着巨型风暴现象，它们的强度经常会超过地球上同类现象的一百倍。科学家们同时还表示，虽然著名的木星“大红斑”在尺寸上远远超过土星上此次出现的漩涡，但其运动速度却要小的多。
专家们解释称，在地球上，这样的“眼睛状”漩涡常常出现在海洋表面，而且只有当湿热的空气在经过距离海洋风暴较近的洋面时才会出现，此后这类漩涡会骤然上升形成强降水。但是土星是一颗气态行星，它是如何形成这类强风暴的科学家们尚需要进一步研究。专家们还表示，土星风暴不仅涉及范围比地球上的大，而且“个头”也比地球上的高许多。
据美国宇航局的研究员迈克尔-弗莱扎尔表示，这类风暴非常像倒入浴盆中的水形成的漩涡，只不过大小有差异罢了。他称，在此之前，科学家们还从来未发现过如此令人震撼的风暴景象。
“卡西尼号”探测器于2004年7月1日进入环土星轨道，2005年它还曾向土星最大的一颗卫星--土卫六抛下一只叫“惠更斯”的探测器。今年10月11日，它在约40万公里的高度上途经土星南极地区时花费了近三个小时拍摄下了14张显现土星南极超强风暴的照片。
宇宙最亮的类星体被证实 黑洞之谜有望被揭开
据国外媒体报道，类星体是宇宙中最明亮的物体，也是证实黑洞存在的最主要的证据。天文学家们日前首次成功的对类星体的内部结构进行了观测，研究的结果证实了人们此前对类星体内部结构的猜测，类星体是由质量超大的黑洞和其它的高温物质组成的，其内部呈螺旋状结构。
负责这项研究工作是的来自美国俄亥俄州大学的天文学家戴星宇（音），他在日前于旧金山召开的美国天文学会高能天体物理研究会上称，“此前，科学家们已经建立了许多的模型希望能够证实类星体的内部结构，但是这些模型中没有一个可以完全的完成这项任务。我们汲取的前人的理论成果，建立了全新的类星体模型，终于成功的证实了类星体的内部结构与我们预测的完全一致，这一发现成果对于提高我们对黑洞的认识具有非常重要的意义。”
从地球上看，类星体与恒星的样子差不多，但它们都非常明亮，这也是为什么尽管它们距离地球都非常遥远而我们也能看到它们的原因。天文学家们对类星体的研究已经持续了几十年，此前对类星体的总体认识就是它包含着质量超大的黑洞，形成于数十亿前之前。
宇宙中的黑洞并不能被直接的观测到，因为它的质量太太了，光线都无法从黑洞中跑出来。换句话说，任何落入黑洞中的物质都会变得非常明亮，我们目前可以使用的各种探测射线都会被黑洞吞噬。
戴星宇秘人的同事天文学家克里斯波尔·克奇耐克（音）称他们对两个类星体中的光散射情况进行了研究。由于类星体距离地球十分遥远，所以他们使用了最行进的太空望远镜，通过太空望远镜，类星体看上去就象是一个小小的白点。只有当一个星系正好运动到了地球与类星体之间的时候，才能够看到类星体的真实面貌。因为此时，星系中的光线就相当于一个透镜可以提高隐藏在其背后的星体散发光线的强度，帮助天文学家们扩大探测的距离，这种方法在天文学中被称为重力透镜化。克奇耐克称，“我们非常幸运，我们抓住了每一个可能探测到类星体的机会。目前，我们已经扩大了观测的范围，不仅仅局限于类星体的外表，我们需要了解类星体的内部结构，进而判断出黑洞的具体位置。”
天文学家们观测的这两颗类星体分另为“RXJ1131-1231”和“Q2237+0305”，这是两个非常普通的类星体。这项观测计划是俄亥俄州大学和佩恩国立大学合作项目的一部分，这一合作项目的目标是探测宇宙中黑洞的秘密。
负责这项研究工作是的来自美国俄亥俄州大学的天文学家戴星宇（音），他在日前于旧金山召开的美国天文学会高能天体物理研究会上称，“此前，科学家们已经建立了许多的模型希望能够证实类星体的内部结构，但是这些模型中没有一个可以完全的完成这项任务。我们汲取的前人的理论成果，建立了全新的类星体模型，终于成功的证实了类星体的内部结构与我们预测的完全一致，这一发现成果对于提高我们对黑洞的认识具有非常重要的意义。”
从地球上看，类星体与恒星的样子差不多，但它们都非常明亮，这也是为什么尽管它们距离地球都非常遥远而我们也能看到它们的原因。天文学家们对类星体的研究已经持续了几十年，此前对类星体的总体认识就是它包含着质量超大的黑洞，形成于数十亿前之前。
宇宙中的黑洞并不能被直接的观测到，因为它的质量太太了，光线都无法从黑洞中跑出来。换句话说，任何落入黑洞中的物质都会变得非常明亮，我们目前可以使用的各种探测射线都会被黑洞吞噬。
戴星宇秘人的同事天文学家克里斯波尔·克奇耐克（音）称他们对两个类星体中的光散射情况进行了研究。由于类星体距离地球十分遥远，所以他们使用了最行进的太空望远镜，通过太空望远镜，类星体看上去就象是一个小小的白点。只有当一个星系正好运动到了地球与类星体之间的时候，才能够看到类星体的真实面貌。因为此时，星系中的光线就相当于一个透镜可以提高隐藏在其背后的星体散发光线的强度，帮助天文学家们扩大探测的距离，这种方法在天文学中被称为重力透镜化。克奇耐克称，“我们非常幸运，我们抓住了每一个可能探测到类星体的机会。目前，我们已经扩大了观测的范围，不仅仅局限于类星体的外表，我们需要了解类星体的内部结构，进而判断出黑洞的具体位置。”
天文学家们观测的这两颗类星体分另为“RXJ1131-1231”和“Q2237+0305”，这是两个非常普通的类星体。这项观测计划是俄亥俄州大学和佩恩国立大学合作项目的一部分，这一合作项目的目标是探测宇宙中黑洞的秘密。
《环球科学》：引爆恒星
撰文 沃尔夫冈·希勒布兰特(Wolfgang Hillebrandt)
汉斯-托马斯·扬卡(Hans-Thomas Janka)
埃瓦尔德·米勒(Ewald Müller)
翻译 谢懿
在1572年11月11日这一天，丹麦天文学家、贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在仙后座看到一颗新的星星，它和木星一样明亮。从许多方面来说，这宣告了现代天文学的诞生——这是一个漂亮的反证，证明天空并不是固定和一成不变的。这些“新星”给人们带来的惊奇还不止于此。大约400年后，天文学家意识到它们的光芒足以让数十亿颗普通恒星黯然失色——这些必定是极为壮观的爆发。1934年，美国加州理工学院的弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)将它们命名为“超新星”(supernova)。不同于科学界其他引人注目的事件，超新星在宇宙中扮演了特殊的角色，也在天文学家的工作中起到了不同寻常的作用。它们为宇宙空间提供重元素(译注：天文学上，除了氢和氦，其他元素都归为重元素)、干预星系的形成和演化，甚至还能被用作测量宇宙膨胀的标尺。
兹威基和他的同事沃尔特·巴德(Walter Baade)推测，爆发的能量来自引力。他们认为，一颗普通恒星的核心达到与原子核相当的密度时，就会发生内爆。就像水晶花瓶掉落在水泥地板上会摔个粉碎一样，坍缩物质释放的引力势能也足以把恒星的其他部分炸飞。1960年，另一个理论浮出水面，英国剑桥大学的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和美国加州理工学院的威利·福勒(Willy Fowler)把这些爆发想像成巨大的核弹。当一颗与太阳类似的恒星耗尽了氢和氦之后，就转而燃烧碳和氧。这些元素的聚变不仅可以在瞬间释放出巨大的能量，还会产生放射性的镍56。镍56的逐渐衰变，就能解释超新星爆发后持续数周的余辉。
人们已经证明这两种观点都是正确的。
光谱中不含氢元素谱线的超新星被归为I型，其中绝大多数(Ⅰa型)似乎是由热核爆炸引起的，其余的(即Ⅰb和Ⅰc型)则源于恒星坍缩。在这些恒星坍缩以前，它们外部的氢元素包层就已经被剥离了(因此光谱上没有氢元素的痕迹)。光谱中含有氢元素谱线的超新星(归为Ⅱ型)也被认为是由坍缩引起的。这两种机制都会让整颗恒星爆炸，只剩下一团气体残骸，不过，引力坍缩机制还会留下一颗密度极高的中子星，在极端情况下甚至会留下一个黑洞。天文学家的观测，尤其是对超新星1987A(一次Ⅱ型超新星爆发事件)的观测，已经证实了这个理论的基本框架[参见《科学美国人》1989年8月号斯坦·伍斯利和汤姆·韦弗所著《伟大的1987超新星》一文]。
即便如此，对天体物理学家而言，解释超新星仍然是一个巨大的挑战。计算机在模拟超新星爆发方面还存在困难，更别提重现爆发的种种细节了。实际上，你很难引爆一颗恒星。它们能自我调节，数十亿年来一直非常稳定。即便是死亡的或垂死的恒星，都有办法让自己渐渐衰亡，也不至于发生爆炸。这些稳定机制是怎么失效的呢？要弄清这一点，我们需要进行多维数值模拟(multidimensional simulation)，这已经触及甚至超过了计算机运算能力的极限。直到最近，情况才有所改善。
爆炸难为
有关超新星爆发的过程，仍然笼罩着层层迷雾，相对而言，计算机模拟是比较可行的方法。可是完成一次复杂的模拟，竟然需要60年。
讽刺的是，人们以为会爆发成Ⅰa型超新星的恒星，却是稳定的楷模——白矮星(white dwarf)。白矮星是一颗与太阳类似的恒星演化的最终产物。如果不受干扰，白矮星基本可以维持形成时的状态，并逐渐冷却变暗。但是霍伊尔和福勒认为，如果白矮星处在一条紧密围绕另一颗恒星运行的轨道上，它也许就会从伴星那里吸积物质，使自己的质量逐渐增大，令核心越压越紧。一旦核心达到足够高的密度和温度，就会引发爆炸性的碳氧核聚变，制造出重元素。
热核反应与普通的燃烧十分类似。燃烧锋面扫过整颗恒星，所经之地只留下一片核灰烬(主要成分是镍)。任何时候，聚变反应都只在狭窄的空间内发生，核灰烬在白矮星内部深处聚集成泡，它们的表面就是聚变反应最可能发生的地方。这些泡的密度较低，所以具有浮力，会努力地从白矮星的内部浮向表面——很像一壶沸水中的蒸汽气泡。
这个物理图景的问题在于，热核反应燃烧本该半途而废，因为燃烧释放的能量会使星体膨胀，进而冷却下来，燃烧就无法继续下去。恒星与普通的炸弹不同，它们没有外壳的束缚，不会像炸弹那样自我毁灭。
除了这个理论上的障碍，我们在实验上也一筹莫展。没有哪个实验室能够创造出超新星爆发时的极端条件，天文观测又要屈从于观测自身的局限。天体物理学家能利用的最佳方法，就是在计算机中模拟这些爆发。这是一项颇为浩大的工程。目前最精确的模拟，是我们小组使用IBM p690超级计算机完成的。我们将恒星切分为一个立体网格，每一边都等分成1,024个小格，捕捉跨度仅有几千米的细节变化。每一次运行大约需要1020次运算，对这样一个复杂的问题，超级计算机每秒钟能运算1011次。合计下来，一次模拟就要花费60年时间！在其他科学领域可用于简化模拟的计算技巧，却无法移植到超新星身上，因为超新星涉及高度不对称的流动、极端的物理条件，还有巨大的空间和时间尺度。粒子物理、核物理、流体力学和广义相对论，本身就已经够复杂了，超新星模拟却要把所有这些学科综合到一起。
汽车引擎的灵感
是慢慢地燃烧殆尽，还是在激波的推动下轰然爆炸？湍流在其中是否扮演了一个重要的角色？直到建立起三维模型，科学家才发现超新星爆发的过程比想象的更复杂。
解决这个问题的灵感来自一个意想不到的领域——汽车引擎的原理。在引擎中混合汽油和氧气，点燃后就会产生湍流。然后，通过翻腾和拉伸，湍流增加了燃烧的表面积。燃料利用率与燃烧的表面积成正比，也会随之上升。恒星也同样被湍流左右。气体以极高的速度运动，所以即使是微小的扰动，也会迅速把平稳的气流搅成湍流。在超新星中，上升的高温泡会搅动物质，造成核燃烧高速传播，使恒星根本没时间作出反应。
在正常工作的内燃机中，受到热量在物质中扩散速度的限制，燃烧只能以亚音速传播——这个过程叫做爆燃(deflagration)；对于一个饱受爆震(knocking)之苦的引擎来说，从燃料和氧化剂的混合物中一扫而过的激波驱使火焰以超音速传播，同时对混合物加以压缩——这个过程叫做爆轰(detonation)。热核燃烧也能以这两种方式传播。更为剧烈的爆轰会让整个恒星化为灰烬，只留下高度聚合的元素，例如镍和铁。然而，天文学家观测发现，这些爆发中包含着更为多样的元素，包括硅、硫和钙等。这说明，至少刚开始的时候，热核燃烧是以爆燃形式传播的。
在过去几年里，我们的研究组、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的小组，和美国芝加哥大学的小组最终建立起了令人信服的爆燃模型。我们的计算机程序借鉴了为化学燃烧，甚至为天气模拟而研发的方法。湍流本质上是一个3维的过程。在湍动的流体坍缩过程中，动能从大尺度结构流向小尺度结构，最终以热量的形式释放。换句话说，这些流动构成了越来越精细的结构。因此，模拟也必须是3维的——这也是为什么这些模拟直到最近才变得切实可行的原因。
包含所有维度的超新星模拟揭示了复杂的蘑菇状结构——高温泡在分层的流体中不断上涌，在湍流的作用下翻腾拉伸。湍流提高了核聚变速率，使白矮星在几秒钟内土崩瓦解。白矮星的碎片会以1万千米/秒的速度向外飞出，这与观测结果相吻合。
仍有很多问题悬而未决。目前根本不清楚最初是什么机制点燃了白矮星。另一个问题是爆燃机制应该会抛射出大量未经改变的白矮星碎片，但观测显示，仅有少量的星体残骸没有发生变化。因此，超新星爆发不可能完全是爆燃过程，必然还涉及一部分爆轰过程，理论学家还必须解释为什么会发生这两个过程。这两个燃烧过程也无法解释人们观测到的、变化多端的爆发现象。还有可能，白矮星吸积并不是引爆Ia型超新星的唯一途径，两颗白矮星的并合也是一种可能。
汉斯-托马斯·扬卡(Hans-Thomas Janka)
埃瓦尔德·米勒(Ewald Müller)
翻译 谢懿
在1572年11月11日这一天，丹麦天文学家、贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在仙后座看到一颗新的星星，它和木星一样明亮。从许多方面来说，这宣告了现代天文学的诞生——这是一个漂亮的反证，证明天空并不是固定和一成不变的。这些“新星”给人们带来的惊奇还不止于此。大约400年后，天文学家意识到它们的光芒足以让数十亿颗普通恒星黯然失色——这些必定是极为壮观的爆发。1934年，美国加州理工学院的弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)将它们命名为“超新星”(supernova)。不同于科学界其他引人注目的事件，超新星在宇宙中扮演了特殊的角色，也在天文学家的工作中起到了不同寻常的作用。它们为宇宙空间提供重元素(译注：天文学上，除了氢和氦，其他元素都归为重元素)、干预星系的形成和演化，甚至还能被用作测量宇宙膨胀的标尺。
兹威基和他的同事沃尔特·巴德(Walter Baade)推测，爆发的能量来自引力。他们认为，一颗普通恒星的核心达到与原子核相当的密度时，就会发生内爆。就像水晶花瓶掉落在水泥地板上会摔个粉碎一样，坍缩物质释放的引力势能也足以把恒星的其他部分炸飞。1960年，另一个理论浮出水面，英国剑桥大学的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和美国加州理工学院的威利·福勒(Willy Fowler)把这些爆发想像成巨大的核弹。当一颗与太阳类似的恒星耗尽了氢和氦之后，就转而燃烧碳和氧。这些元素的聚变不仅可以在瞬间释放出巨大的能量，还会产生放射性的镍56。镍56的逐渐衰变，就能解释超新星爆发后持续数周的余辉。
人们已经证明这两种观点都是正确的。
光谱中不含氢元素谱线的超新星被归为I型，其中绝大多数(Ⅰa型)似乎是由热核爆炸引起的，其余的(即Ⅰb和Ⅰc型)则源于恒星坍缩。在这些恒星坍缩以前，它们外部的氢元素包层就已经被剥离了(因此光谱上没有氢元素的痕迹)。光谱中含有氢元素谱线的超新星(归为Ⅱ型)也被认为是由坍缩引起的。这两种机制都会让整颗恒星爆炸，只剩下一团气体残骸，不过，引力坍缩机制还会留下一颗密度极高的中子星，在极端情况下甚至会留下一个黑洞。天文学家的观测，尤其是对超新星1987A(一次Ⅱ型超新星爆发事件)的观测，已经证实了这个理论的基本框架[参见《科学美国人》1989年8月号斯坦·伍斯利和汤姆·韦弗所著《伟大的1987超新星》一文]。
即便如此，对天体物理学家而言，解释超新星仍然是一个巨大的挑战。计算机在模拟超新星爆发方面还存在困难，更别提重现爆发的种种细节了。实际上，你很难引爆一颗恒星。它们能自我调节，数十亿年来一直非常稳定。即便是死亡的或垂死的恒星，都有办法让自己渐渐衰亡，也不至于发生爆炸。这些稳定机制是怎么失效的呢？要弄清这一点，我们需要进行多维数值模拟(multidimensional simulation)，这已经触及甚至超过了计算机运算能力的极限。直到最近，情况才有所改善。
爆炸难为
有关超新星爆发的过程，仍然笼罩着层层迷雾，相对而言，计算机模拟是比较可行的方法。可是完成一次复杂的模拟，竟然需要60年。
讽刺的是，人们以为会爆发成Ⅰa型超新星的恒星，却是稳定的楷模——白矮星(white dwarf)。白矮星是一颗与太阳类似的恒星演化的最终产物。如果不受干扰，白矮星基本可以维持形成时的状态，并逐渐冷却变暗。但是霍伊尔和福勒认为，如果白矮星处在一条紧密围绕另一颗恒星运行的轨道上，它也许就会从伴星那里吸积物质，使自己的质量逐渐增大，令核心越压越紧。一旦核心达到足够高的密度和温度，就会引发爆炸性的碳氧核聚变，制造出重元素。
热核反应与普通的燃烧十分类似。燃烧锋面扫过整颗恒星，所经之地只留下一片核灰烬(主要成分是镍)。任何时候，聚变反应都只在狭窄的空间内发生，核灰烬在白矮星内部深处聚集成泡，它们的表面就是聚变反应最可能发生的地方。这些泡的密度较低，所以具有浮力，会努力地从白矮星的内部浮向表面——很像一壶沸水中的蒸汽气泡。
这个物理图景的问题在于，热核反应燃烧本该半途而废，因为燃烧释放的能量会使星体膨胀，进而冷却下来，燃烧就无法继续下去。恒星与普通的炸弹不同，它们没有外壳的束缚，不会像炸弹那样自我毁灭。
除了这个理论上的障碍，我们在实验上也一筹莫展。没有哪个实验室能够创造出超新星爆发时的极端条件，天文观测又要屈从于观测自身的局限。天体物理学家能利用的最佳方法，就是在计算机中模拟这些爆发。这是一项颇为浩大的工程。目前最精确的模拟，是我们小组使用IBM p690超级计算机完成的。我们将恒星切分为一个立体网格，每一边都等分成1,024个小格，捕捉跨度仅有几千米的细节变化。每一次运行大约需要1020次运算，对这样一个复杂的问题，超级计算机每秒钟能运算1011次。合计下来，一次模拟就要花费60年时间！在其他科学领域可用于简化模拟的计算技巧，却无法移植到超新星身上，因为超新星涉及高度不对称的流动、极端的物理条件，还有巨大的空间和时间尺度。粒子物理、核物理、流体力学和广义相对论，本身就已经够复杂了，超新星模拟却要把所有这些学科综合到一起。
汽车引擎的灵感
是慢慢地燃烧殆尽，还是在激波的推动下轰然爆炸？湍流在其中是否扮演了一个重要的角色？直到建立起三维模型，科学家才发现超新星爆发的过程比想象的更复杂。
解决这个问题的灵感来自一个意想不到的领域——汽车引擎的原理。在引擎中混合汽油和氧气，点燃后就会产生湍流。然后，通过翻腾和拉伸，湍流增加了燃烧的表面积。燃料利用率与燃烧的表面积成正比，也会随之上升。恒星也同样被湍流左右。气体以极高的速度运动，所以即使是微小的扰动，也会迅速把平稳的气流搅成湍流。在超新星中，上升的高温泡会搅动物质，造成核燃烧高速传播，使恒星根本没时间作出反应。
在正常工作的内燃机中，受到热量在物质中扩散速度的限制，燃烧只能以亚音速传播——这个过程叫做爆燃(deflagration)；对于一个饱受爆震(knocking)之苦的引擎来说，从燃料和氧化剂的混合物中一扫而过的激波驱使火焰以超音速传播，同时对混合物加以压缩——这个过程叫做爆轰(detonation)。热核燃烧也能以这两种方式传播。更为剧烈的爆轰会让整个恒星化为灰烬，只留下高度聚合的元素，例如镍和铁。然而，天文学家观测发现，这些爆发中包含着更为多样的元素，包括硅、硫和钙等。这说明，至少刚开始的时候，热核燃烧是以爆燃形式传播的。
在过去几年里，我们的研究组、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的小组，和美国芝加哥大学的小组最终建立起了令人信服的爆燃模型。我们的计算机程序借鉴了为化学燃烧，甚至为天气模拟而研发的方法。湍流本质上是一个3维的过程。在湍动的流体坍缩过程中，动能从大尺度结构流向小尺度结构，最终以热量的形式释放。换句话说，这些流动构成了越来越精细的结构。因此，模拟也必须是3维的——这也是为什么这些模拟直到最近才变得切实可行的原因。
包含所有维度的超新星模拟揭示了复杂的蘑菇状结构——高温泡在分层的流体中不断上涌，在湍流的作用下翻腾拉伸。湍流提高了核聚变速率，使白矮星在几秒钟内土崩瓦解。白矮星的碎片会以1万千米/秒的速度向外飞出，这与观测结果相吻合。
仍有很多问题悬而未决。目前根本不清楚最初是什么机制点燃了白矮星。另一个问题是爆燃机制应该会抛射出大量未经改变的白矮星碎片，但观测显示，仅有少量的星体残骸没有发生变化。因此，超新星爆发不可能完全是爆燃过程，必然还涉及一部分爆轰过程，理论学家还必须解释为什么会发生这两个过程。这两个燃烧过程也无法解释人们观测到的、变化多端的爆发现象。还有可能，白矮星吸积并不是引爆Ia型超新星的唯一途径，两颗白矮星的并合也是一种可能。
卡西尼号任务延长2年 最终可能撞向土星
“卡西尼” 号探测器环绕土星星系的旅程已进行了一半，它仍继续传送回这个有光环的星球及其卫星的数据。然而，任何旅程都会有终结的一天，现在科学家正在讨论它的最终命运。美国宇航局该项目的主管罗伯特·米切尔说：“当前计划是将其任务延期2年至2010年7月1日，考虑到探测器运行良好,施行这一方案是完全可能的。
2012年的某个时候，“卡西尼号”就会像老旧的远航轮船一样需要退役了。然而，正如我们无法把老旧的轮船拖曳到附近的岸边拆卸一样，要么让它离开土星系，要么让它被土星系吞噬。米切尔说：“也许最可能的方案是：让“卡西尼号”继续留在它长期处在的轨道上，这条轨道十分安全，受撞击的可能性很小。另一方案是像“伽利略”撞击木星一样让它去撞击土星，不过这样做存在一定困难。”困难来自于极薄的土星环，它可能使探测器在穿越过程中失去控制。
米切尔说：“另一选择是让其撞击土星多个卫星中的一个。”这样做也存在一定危险，因为“卡西尼” 号上有三个作为电源的钚原料放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)。该发电器产生的热量会融化撞击点处的冰层，这有可能会形成一个有利探测器上可能携带有的地球生命的生存环境。该任务的规划人员努力使这个外星世界不免受地球生命的污染。
第三个选择：起锚，让其逃离土星系，这需要使探测器多飞掠土星最大的卫星——土卫六。最终将其弹射出土星系。如果“卡西尼” 号以这种方式脱离了土星，那么它的控制人员还可以有两种选择：或者让它飞向太阳或者让它飞向太阳系外层。其它选择：米切尔说：“如果“卡西尼” 号直接飞向太阳系的内部，那么它的最终归宿可能是木星。其中一个可能性是让它逃离土星系，然后让“卡西尼” 号撞击木星。这看似可行，但飞行时间太长。“卡西尼” 号的目的地并不是木星，木星的巨大引力会有可能把它送入与水星撞击的轨道。这一撞击将为研究水星表面的成份提供宝贵的数据，撞击有可能发生在2021年左右，届时，水星探测器“BepiColombo”号将可以观测到这一过程。或者，如果“卡西尼”号飞向太阳系的外层区域，那么在它飞掠太阳系外层行星或柯伊伯带星体(Kuiper belt objects)时，就不太可能为科学家提供进一步有价值的科学数据。
米切尔说：“一些初步的分析表明，这是可行的。但所需要的飞行时间和探测器届时的状况都使这一方案不太可行。”美国宇航局将开会决定“卡西尼”号的最终命运。
2012年的某个时候，“卡西尼号”就会像老旧的远航轮船一样需要退役了。然而，正如我们无法把老旧的轮船拖曳到附近的岸边拆卸一样，要么让它离开土星系，要么让它被土星系吞噬。米切尔说：“也许最可能的方案是：让“卡西尼号”继续留在它长期处在的轨道上，这条轨道十分安全，受撞击的可能性很小。另一方案是像“伽利略”撞击木星一样让它去撞击土星，不过这样做存在一定困难。”困难来自于极薄的土星环，它可能使探测器在穿越过程中失去控制。
米切尔说：“另一选择是让其撞击土星多个卫星中的一个。”这样做也存在一定危险，因为“卡西尼” 号上有三个作为电源的钚原料放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)。该发电器产生的热量会融化撞击点处的冰层，这有可能会形成一个有利探测器上可能携带有的地球生命的生存环境。该任务的规划人员努力使这个外星世界不免受地球生命的污染。
第三个选择：起锚，让其逃离土星系，这需要使探测器多飞掠土星最大的卫星——土卫六。最终将其弹射出土星系。如果“卡西尼” 号以这种方式脱离了土星，那么它的控制人员还可以有两种选择：或者让它飞向太阳或者让它飞向太阳系外层。其它选择：米切尔说：“如果“卡西尼” 号直接飞向太阳系的内部，那么它的最终归宿可能是木星。其中一个可能性是让它逃离土星系，然后让“卡西尼” 号撞击木星。这看似可行，但飞行时间太长。“卡西尼” 号的目的地并不是木星，木星的巨大引力会有可能把它送入与水星撞击的轨道。这一撞击将为研究水星表面的成份提供宝贵的数据，撞击有可能发生在2021年左右，届时，水星探测器“BepiColombo”号将可以观测到这一过程。或者，如果“卡西尼”号飞向太阳系的外层区域，那么在它飞掠太阳系外层行星或柯伊伯带星体(Kuiper belt objects)时，就不太可能为科学家提供进一步有价值的科学数据。
米切尔说：“一些初步的分析表明，这是可行的。但所需要的飞行时间和探测器届时的状况都使这一方案不太可行。”美国宇航局将开会决定“卡西尼”号的最终命运。
水星凌日
2006年11月9日晨7时，在广州东郊，一名记者架起1040MM的长焦镜头(400/2.8镜头+2倍增距镜+APS-H画幅1.3×)，拍摄到“水星凌日”的珍贵镜头(太阳正下方的小黑点就是水星)。这次水星凌日出现在11月9日凌晨3时12分3.9秒至上午8时10分8.3秒(北京时间)，全过程历时4小时58分4.4秒。
水星是地球的内行星。水星凌日是由于太阳、水星和地球排成一条直线而出现的天象，它发生的原理与日食相似。这次水星凌日，水星的视直径只有9.96角秒，即只有太阳视直径的195分之1(即：195个)，即要195个水星排列在一起，才等于太阳的视直径。通常，肉眼的最小分辨率为60角秒，而水星的视直径不到10角秒，因此，肉眼不可能看到水星凌日。
“水星凌日”天象平均每100年发生13.4次。
银河系邻近星系与银河系具有不同的构成历史
科学家用欧南天文台（ESO）的“超巨大望远镜”（VLT）对银河系进行了观测，发现银河系和周围临近星系有着不同的形成历史。在对距离银河系最近的四个矮星系中超过2000颗恒星的化学成分进行了分析后，天文学家发现了它们的成分与银河系有着巨大的差别。这使科学家有理由怀疑这些小型星系是构成银河系形成块的说法。
荷兰的一位科学家指出：对这些矮星系中的恒星观测到的化学成分和目前的宇宙论学模型并不一致，这意味着对于我们所居住的银河系，还有很多的天文知识需要去探索和验证。银河系由一系列的矮星系所围绕，在本星系群的40个星系中，就有20多个是椭圆矮星系，可见其数目之多。这种星系光度弱，在5万秒差距之外是看不到的，比银河系的光要弱几千倍，是目前发现的所有星系中最不明亮的星系。
现代宇宙论模型推测小星系形成了银河系这类大星系中最原始的组成部分，并逐渐集成为大星系。由于宇宙最初只包含了氢和氦这些合成恒星内部其他物质的化学元素，那么，矮星系的组成元素的种类应该是极少的，但是，天文学家发现并非如此。从观测的数据中发现矮星系中的恒星的化学成分和银河系光晕的成分有显著的区别，科学家不得不对所谓的聚类理论产生了怀疑。尤其是矮星系缺少银河系常见的贫金属星，这与先前的宇宙论预测是不一致的。因此，可见这些矮星系和银河系并非属于同一“血统”。
荷兰的一位科学家指出：对这些矮星系中的恒星观测到的化学成分和目前的宇宙论学模型并不一致，这意味着对于我们所居住的银河系，还有很多的天文知识需要去探索和验证。银河系由一系列的矮星系所围绕，在本星系群的40个星系中，就有20多个是椭圆矮星系，可见其数目之多。这种星系光度弱，在5万秒差距之外是看不到的，比银河系的光要弱几千倍，是目前发现的所有星系中最不明亮的星系。
现代宇宙论模型推测小星系形成了银河系这类大星系中最原始的组成部分，并逐渐集成为大星系。由于宇宙最初只包含了氢和氦这些合成恒星内部其他物质的化学元素，那么，矮星系的组成元素的种类应该是极少的，但是，天文学家发现并非如此。从观测的数据中发现矮星系中的恒星的化学成分和银河系光晕的成分有显著的区别，科学家不得不对所谓的聚类理论产生了怀疑。尤其是矮星系缺少银河系常见的贫金属星，这与先前的宇宙论预测是不一致的。因此，可见这些矮星系和银河系并非属于同一“血统”。
最猛烈的恒星爆炸 威力相当于5千亿亿颗核弹
美国国家航空航天局日前宣布，“雨燕”空间望远镜拍摄到了一次有史以来最为猛烈的天体喷发现象。这次空前强烈的爆炸发生在太阳系附近的一颗恒星表面。天文学家们表示，太阳也会周期性地发生喷发，期间会抛洒出大量的高温气体和带电粒子。太阳的这种喷发现象不但会对地球磁场产生明显影响，而且还会使人体感到不适。然而，“雨燕”望远镜此次观测到的喷发要远远超过太阳的任何一次喷发。科学家们计算出的结果显示，这颗位于飞马座的恒星在爆发过程中释放出的能量居然相当于五千亿亿颗中等当量的核弹！专家们指出，如果这种威力的喷发出现在太阳上，那么太阳系中包括地球在内的所有行星都将被摧毁。天文学家们表示，以前在其他一些恒星系统中也曾观测到过强烈爆发的现象，但由于它们极其罕见且与我们相距甚远，因此长期以来一直未能掌握有关这类“超级爆炸”的详细数据。来自马里兰州立大学的研究人员介绍说，这类现象其实在宇宙中时常会发生。假如太阳发生类似强度的喷发，那么地球将会被轻易地撕成碎片。今后，天文学家们还计划发射一系列新型的X射线空间望远镜，以便对这类恒星喷发现象进行更为详细的研究。目前，科学家们正在尝试着对飞马座中这颗恒星发生喷发的原因进行分析，以确定太阳今后是否也会发生类似的爆发。据介绍，发生喷发的恒星距离地球约1.35亿光年，并且其还与另一颗恒星组成了双星系统。这两颗恒星之间相距约两亿公里，绕共同轴心旋转一周的时间略微超过28天。
历史的黑暗面：牛顿的霸权与胡克的冤屈
胡克是一个全才式的人物，他以惊人的动手技巧和创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学、气象学、钟表和机械、天文学、生理学等学科都做出过重要贡献，因此被誉为“英国的达芬奇”。
一、科学史上最被低估的科学家之一
胡克是17世纪后半期著名的科学家之一，在英国皇家学会创立早期扮演过重要角色，他从1662年起直到逝世一直担任皇家学会实验管理员。
在理论方面，胡克在光学和力学领域创下了多个“第一”：他是第一个意识到光是由光波组成的物理学家，是早期探索万有引力的科学家之一，并发现了让其留名的弹性定律；他也是第一个通过观测木星上的红斑移动发现木星星体自转的人；而现在已经为人们耳熟能详的“细胞”一词，据称就是由胡克最先使用的，因为他也是第一个通过显微镜来研究植物细胞的人。
在科学研究界有句老话：理论加技术，谁也挡不住。有着丰富学识的胡克，动手能力也极强。他亲手发明和制造的仪器，如复式显微镜、格雷高利望远镜、发条摆轮、轮形气压表等，在当时都是性能最为优良的。在他“出道”早期，给著名科学家波义耳当助手的时候，波义耳所用的几乎所有科学仪器都是胡克制造或设计的。
其中最有名的一个故事是围绕着抽气机展开的。那时，波义耳热衷于对空气的研究，特别是对于真空和燃烧现象的研究，但这方面的研究必须拥有性能优良的抽气机作为硬件保证。为此，波义耳请当时最著名的抽气机制造工程师拉尔夫·格雷托雷为他制造一个设备，要求是比冯·格里克的抽气机更好用。冯·格里克曾是马德堡市长，他利用自己发明的抽气机在马德堡半球内制造真空环境，两队马反方向拉金属球也拉不开，这就是马德堡半球实验——科学史上著名的段子。冯·格里克因此名噪一时，可遗憾的是格雷托雷失败了。
但是，胡克最终帮波义耳如愿以偿，他用灵巧的双手造出了当时最好的抽气机。为感谢胡克做出的贡献，波义耳在正式出版的论文中亲切地将胡克制造的设备称为“我们的抽气机”。
令人称奇的是，除了在自然学科上取得成果外，胡克在人文艺术领域也留下了大名。科学家出身的胡克也是一位建筑大师，虽然人们以前就知道1666年伦敦大火后他担任测量员及伦敦市政检查官，参加了伦敦重建工作，但通过胡克的日记和朋友间的通信，才发现许多原先以为是雷恩设计的建筑，很可能是出自胡克之手，其中就包括著名的格林尼治皇家天文台以及为纪念1666年伦敦大火而建造的纪念碑。胡克在美术方面同样有不俗造诣，他13岁的时候就师从当时著名的画师彼得·莱利爵士学习绘画，后来这一特长也在其科研中发挥了作用——在奠定胡克学术地位的《显微制图》一书中，胡克绘画的天分得到充分展现，在没有照相机的当时，书中配上的58幅图画都是胡克亲手描绘的在显微镜下看到的情景。
胡克是一个全才式的人物，他的贡献是多方面的，他以惊人的动手技巧和创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学、气象学、钟表和机械、天文学、生理学等学科都做出过重要贡献，因此被誉为“英国的达芬奇”。可以说，多才多艺的胡克是科学史上最被低估的科学家之一，在之后三百多年的时间里，胡克之所以逐渐变得默默无闻，这多半是和他留下来的书面成果太少有关，当然，还有一个被世人遗忘的深层原因——这是由胡克本人的性格悲剧造成的。
胡克脾气暴躁，他的好斗性和其学术成就在当时一样有名。
出于种种原因，胡克和当时很多人交恶，其中包括大名鼎鼎的科学家惠更斯和牛顿，而当这些人一旦无限风光之后，难免不有些小动作来联合封杀得罪过他们的老胡克。
二、成就
在格林尼治天文台成立前后，荷兰物理学家惠更斯1675年宣布，自己发明了一种可以精确计时的钟表，它能通过细小的弹簧装置来校正调节时间。这种标在测量经线长度的时候是不可或缺的。当听到惠更斯的发明后，胡克勃然大怒，他拿出了5年前提交给皇家学会的他设计的同类钟表。他当时就已经发现，一根螺旋式弹簧丝的振荡是等时的，所以使用这种弹簧丝可以用来调节计时器，胡克怀疑，有“内鬼”把他的设计泄露给了惠更斯，于是开始调查这起“卑鄙无耻”的泄密行为。那段时间，他翻阅了皇家学会的每一页记录，但最终却没有找到任何真凭实据。
也许是功夫不负有心人，他终于发现1670年6月23日的记录有些瑕疵。当时胡克的前任亨利·奥登博格在记录中写道：“胡克利用钟摆的等摆原理独立设计制造出一种钟表。”可能是出于某种失误，奥登博格接下来再没有就胡克的这项发明作进一步的记录，而其后这项设计可能因故被泄露。
具有讽刺意味的是，胡克从奥登博格的记录中撕下了这一页，并把它贴在了自己的手稿中，而这样一来，可害苦了后世的科技史家，因为他们在见到这页记录前，一直没有证据来证实胡克在发明测经线钟表上到底是吹了牛，还是真的颇有建树。
三、在牛顿强大话语霸权压力下，胡克至死也没有得到应有的承认。
胡克甚至连一幅画像也没留下来，据称正是牛顿利用职权毁弃了胡克的遗物，作为最后的报复。
万有引力定律作为经典的三大定律之一，早已被牢牢地归在牛顿名下，以至于那个苹果掉下来砸到头的故事，几乎被每本教科书广泛引用，使果园变成了不亚于图书馆的读书好去处。但有些“疑古”的科学史家却毫不信邪，他们始终认为引力定律就是胡克的发现。
其实，关于这个物理学上最重要发现的归属权问题并非滥觞于今世，早在胡克和牛顿都在世的时候，这两位心胸都不怎么宽广的大师，就为这个名分“针尖对麦芒式”地争斗得不可开交了。 胡克在力学和行星运动方面花过许多心血，早在1661年，虽然没有和任何苹果有过亲密接触，胡克还是凭借在科学上敏锐的洞察力，觉察到引力和地球上物体的重力有着某种的本质联系。1662年和1666年，他曾分别在山顶上和矿井下用测定摆槌周期的方法做实验，试图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系。
1674年胡克根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。在发表的《试证地球的运动》中，他详细阐述了研究行星运动理论的成果：一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力；天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变；离吸引中心越近，吸引力越大；行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。简而言之，胡克认为，地球和地球上的物体之间肯定有某种吸引力，如果没有这种引力的话，那么地球在自转的时候，这些物体就会像雨伞上的水珠一样，因旋转而向四周飞散。
1679年，胡克找到了引力的平方反比定律。虽然以前他和牛顿在光的波粒问题上存在一些争论，但他还是写信给在力学方面有着不俗造诣的牛顿，提出了自己的研究设想，想交流切磋一下。在1680年1月6日寄给牛顿的信中，胡克讲到了引力大小与距离的平方成反比这个概念，但是当时他在信中说得比较模糊，并未将这一理论加以量化。
事实上，看到胡克这一信件的时候，牛顿在引力方面也有了很深入的研究，他只是没有发表自己的研究成果罢了——虽然他当时把引力看做是不随距离而变化的常量，行星运动是在向心力和离心力这两个平衡力同时作用下进行的。胡克与牛顿的这次通信在科学史上是极为重要的一节。牛顿后来虽然从不肯承认从胡克那里得到了一些启发，但明察秋毫的科学史家则认为胡克的信件给了牛顿关键性的帮助。
但是，胡克直言不讳地纠正了牛顿的错误，自认为胜出一筹的他在得意之下还把牛顿的错误在皇家学会大肆宣扬，而这有些过火的行为令牛顿十分恼怒，他认定胡克此举是存心炫耀，并有意让他在大庭广众下出丑。1684年，胡克和牛顿之间的科学“战争”再次升级，他们分别试图证明平方反比的引力导致椭圆轨道(即ISL定律)。他们争相宣布了自己的胜利：胡克骄傲地宣称他证明了这一点，但未拿出结果，还说要等别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来，人们习惯性地认为这可能是“大话王”的又一次表演。牛顿也说他早就证明过这个定律，虽然当下同样没拿出任何证据，可几个月后，牛顿发表了著名的《论运动》，这成为后来《自然哲学的数学原理》的前奏。 1686年，牛顿完成扛鼎之作《自然哲学的数学原理》，并于4月把原稿交给皇家学会。他在书中公布了万有引力定律，因此在和胡克的“口水战”中赢得了压倒性胜利。虽然由于经费问题以及牛顿和胡克关于万有引力定律发明权的争执，皇家学会未能安排该书付印。但牛顿的朋友哈雷深知该书的价值，于是决定出钱替牛顿出版这一巨著。
《自然哲学的数学原理》发表后，直拗的胡克还是要求牛顿承认，是他优先发现平方反比定律的，起码要在书的前言里将他对牛顿启发的“功绩”提及一下。由于没有得到牛顿的有效回应，胡克在1693年的皇家学会会议上再次正式提出他发现万有引力的优先权。面对胡克如此接二连三“不识相”的行为，牛顿暴跳如雷，他一直认为万有引力完全是个人的发现，所以一气之下把《自然哲学的数学原理》里大部分涉及对胡克的引用都通通删掉，剩下少数实在无法避免的，用词也从“非常尊敬的胡克先生”变成不顾基本礼仪的“胡克”两字。
得益于《自然哲学的数学原理》出版，在牛顿强大话语霸权的压力下，可怜的胡克至死也没有得到应有的承认，1703年3月3日，胡克在落寞中去世。在他死后不久，由于在科学上的成就卓著，声名显赫的牛顿登上了英国皇家学会主席宝座，这也导致了胡克在后来的科学史上更没有可能得到应有的地位和承认。因为随后，或许是出于大权在握的原因，英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆都先后被解散，胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材也被分散或者被销毁。没多久，这些属于胡克的成果就全都消失在历史深处了。胡克死后甚至连一幅画像也没有留下来，据说是因为他长得“太丑了”，但也有学者言之凿凿地声称，正是精通权术的牛顿利用职权有意毁弃了他的“敌人”胡克的遗物，作为对他最后的报复。
一、科学史上最被低估的科学家之一
胡克是17世纪后半期著名的科学家之一，在英国皇家学会创立早期扮演过重要角色，他从1662年起直到逝世一直担任皇家学会实验管理员。
在理论方面，胡克在光学和力学领域创下了多个“第一”：他是第一个意识到光是由光波组成的物理学家，是早期探索万有引力的科学家之一，并发现了让其留名的弹性定律；他也是第一个通过观测木星上的红斑移动发现木星星体自转的人；而现在已经为人们耳熟能详的“细胞”一词，据称就是由胡克最先使用的，因为他也是第一个通过显微镜来研究植物细胞的人。
在科学研究界有句老话：理论加技术，谁也挡不住。有着丰富学识的胡克，动手能力也极强。他亲手发明和制造的仪器，如复式显微镜、格雷高利望远镜、发条摆轮、轮形气压表等，在当时都是性能最为优良的。在他“出道”早期，给著名科学家波义耳当助手的时候，波义耳所用的几乎所有科学仪器都是胡克制造或设计的。
其中最有名的一个故事是围绕着抽气机展开的。那时，波义耳热衷于对空气的研究，特别是对于真空和燃烧现象的研究，但这方面的研究必须拥有性能优良的抽气机作为硬件保证。为此，波义耳请当时最著名的抽气机制造工程师拉尔夫·格雷托雷为他制造一个设备，要求是比冯·格里克的抽气机更好用。冯·格里克曾是马德堡市长，他利用自己发明的抽气机在马德堡半球内制造真空环境，两队马反方向拉金属球也拉不开，这就是马德堡半球实验——科学史上著名的段子。冯·格里克因此名噪一时，可遗憾的是格雷托雷失败了。
但是，胡克最终帮波义耳如愿以偿，他用灵巧的双手造出了当时最好的抽气机。为感谢胡克做出的贡献，波义耳在正式出版的论文中亲切地将胡克制造的设备称为“我们的抽气机”。
令人称奇的是，除了在自然学科上取得成果外，胡克在人文艺术领域也留下了大名。科学家出身的胡克也是一位建筑大师，虽然人们以前就知道1666年伦敦大火后他担任测量员及伦敦市政检查官，参加了伦敦重建工作，但通过胡克的日记和朋友间的通信，才发现许多原先以为是雷恩设计的建筑，很可能是出自胡克之手，其中就包括著名的格林尼治皇家天文台以及为纪念1666年伦敦大火而建造的纪念碑。胡克在美术方面同样有不俗造诣，他13岁的时候就师从当时著名的画师彼得·莱利爵士学习绘画，后来这一特长也在其科研中发挥了作用——在奠定胡克学术地位的《显微制图》一书中，胡克绘画的天分得到充分展现，在没有照相机的当时，书中配上的58幅图画都是胡克亲手描绘的在显微镜下看到的情景。
胡克是一个全才式的人物，他的贡献是多方面的，他以惊人的动手技巧和创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学、气象学、钟表和机械、天文学、生理学等学科都做出过重要贡献，因此被誉为“英国的达芬奇”。可以说，多才多艺的胡克是科学史上最被低估的科学家之一，在之后三百多年的时间里，胡克之所以逐渐变得默默无闻，这多半是和他留下来的书面成果太少有关，当然，还有一个被世人遗忘的深层原因——这是由胡克本人的性格悲剧造成的。
胡克脾气暴躁，他的好斗性和其学术成就在当时一样有名。
出于种种原因，胡克和当时很多人交恶，其中包括大名鼎鼎的科学家惠更斯和牛顿，而当这些人一旦无限风光之后，难免不有些小动作来联合封杀得罪过他们的老胡克。
二、成就
在格林尼治天文台成立前后，荷兰物理学家惠更斯1675年宣布，自己发明了一种可以精确计时的钟表，它能通过细小的弹簧装置来校正调节时间。这种标在测量经线长度的时候是不可或缺的。当听到惠更斯的发明后，胡克勃然大怒，他拿出了5年前提交给皇家学会的他设计的同类钟表。他当时就已经发现，一根螺旋式弹簧丝的振荡是等时的，所以使用这种弹簧丝可以用来调节计时器，胡克怀疑，有“内鬼”把他的设计泄露给了惠更斯，于是开始调查这起“卑鄙无耻”的泄密行为。那段时间，他翻阅了皇家学会的每一页记录，但最终却没有找到任何真凭实据。
也许是功夫不负有心人，他终于发现1670年6月23日的记录有些瑕疵。当时胡克的前任亨利·奥登博格在记录中写道：“胡克利用钟摆的等摆原理独立设计制造出一种钟表。”可能是出于某种失误，奥登博格接下来再没有就胡克的这项发明作进一步的记录，而其后这项设计可能因故被泄露。
具有讽刺意味的是，胡克从奥登博格的记录中撕下了这一页，并把它贴在了自己的手稿中，而这样一来，可害苦了后世的科技史家，因为他们在见到这页记录前，一直没有证据来证实胡克在发明测经线钟表上到底是吹了牛，还是真的颇有建树。
三、在牛顿强大话语霸权压力下，胡克至死也没有得到应有的承认。
胡克甚至连一幅画像也没留下来，据称正是牛顿利用职权毁弃了胡克的遗物，作为最后的报复。
万有引力定律作为经典的三大定律之一，早已被牢牢地归在牛顿名下，以至于那个苹果掉下来砸到头的故事，几乎被每本教科书广泛引用，使果园变成了不亚于图书馆的读书好去处。但有些“疑古”的科学史家却毫不信邪，他们始终认为引力定律就是胡克的发现。
其实，关于这个物理学上最重要发现的归属权问题并非滥觞于今世，早在胡克和牛顿都在世的时候，这两位心胸都不怎么宽广的大师，就为这个名分“针尖对麦芒式”地争斗得不可开交了。 胡克在力学和行星运动方面花过许多心血，早在1661年，虽然没有和任何苹果有过亲密接触，胡克还是凭借在科学上敏锐的洞察力，觉察到引力和地球上物体的重力有着某种的本质联系。1662年和1666年，他曾分别在山顶上和矿井下用测定摆槌周期的方法做实验，试图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系。
1674年胡克根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。在发表的《试证地球的运动》中，他详细阐述了研究行星运动理论的成果：一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力；天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变；离吸引中心越近，吸引力越大；行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。简而言之，胡克认为，地球和地球上的物体之间肯定有某种吸引力，如果没有这种引力的话，那么地球在自转的时候，这些物体就会像雨伞上的水珠一样，因旋转而向四周飞散。
1679年，胡克找到了引力的平方反比定律。虽然以前他和牛顿在光的波粒问题上存在一些争论，但他还是写信给在力学方面有着不俗造诣的牛顿，提出了自己的研究设想，想交流切磋一下。在1680年1月6日寄给牛顿的信中，胡克讲到了引力大小与距离的平方成反比这个概念，但是当时他在信中说得比较模糊，并未将这一理论加以量化。
事实上，看到胡克这一信件的时候，牛顿在引力方面也有了很深入的研究，他只是没有发表自己的研究成果罢了——虽然他当时把引力看做是不随距离而变化的常量，行星运动是在向心力和离心力这两个平衡力同时作用下进行的。胡克与牛顿的这次通信在科学史上是极为重要的一节。牛顿后来虽然从不肯承认从胡克那里得到了一些启发，但明察秋毫的科学史家则认为胡克的信件给了牛顿关键性的帮助。
但是，胡克直言不讳地纠正了牛顿的错误，自认为胜出一筹的他在得意之下还把牛顿的错误在皇家学会大肆宣扬，而这有些过火的行为令牛顿十分恼怒，他认定胡克此举是存心炫耀，并有意让他在大庭广众下出丑。1684年，胡克和牛顿之间的科学“战争”再次升级，他们分别试图证明平方反比的引力导致椭圆轨道(即ISL定律)。他们争相宣布了自己的胜利：胡克骄傲地宣称他证明了这一点，但未拿出结果，还说要等别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来，人们习惯性地认为这可能是“大话王”的又一次表演。牛顿也说他早就证明过这个定律，虽然当下同样没拿出任何证据，可几个月后，牛顿发表了著名的《论运动》，这成为后来《自然哲学的数学原理》的前奏。 1686年，牛顿完成扛鼎之作《自然哲学的数学原理》，并于4月把原稿交给皇家学会。他在书中公布了万有引力定律，因此在和胡克的“口水战”中赢得了压倒性胜利。虽然由于经费问题以及牛顿和胡克关于万有引力定律发明权的争执，皇家学会未能安排该书付印。但牛顿的朋友哈雷深知该书的价值，于是决定出钱替牛顿出版这一巨著。
《自然哲学的数学原理》发表后，直拗的胡克还是要求牛顿承认，是他优先发现平方反比定律的，起码要在书的前言里将他对牛顿启发的“功绩”提及一下。由于没有得到牛顿的有效回应，胡克在1693年的皇家学会会议上再次正式提出他发现万有引力的优先权。面对胡克如此接二连三“不识相”的行为，牛顿暴跳如雷，他一直认为万有引力完全是个人的发现，所以一气之下把《自然哲学的数学原理》里大部分涉及对胡克的引用都通通删掉，剩下少数实在无法避免的，用词也从“非常尊敬的胡克先生”变成不顾基本礼仪的“胡克”两字。
得益于《自然哲学的数学原理》出版，在牛顿强大话语霸权的压力下，可怜的胡克至死也没有得到应有的承认，1703年3月3日，胡克在落寞中去世。在他死后不久，由于在科学上的成就卓著，声名显赫的牛顿登上了英国皇家学会主席宝座，这也导致了胡克在后来的科学史上更没有可能得到应有的地位和承认。因为随后，或许是出于大权在握的原因，英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆都先后被解散，胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材也被分散或者被销毁。没多久，这些属于胡克的成果就全都消失在历史深处了。胡克死后甚至连一幅画像也没有留下来，据说是因为他长得“太丑了”，但也有学者言之凿凿地声称，正是精通权术的牛顿利用职权有意毁弃了他的“敌人”胡克的遗物，作为对他最后的报复。
科学家观测到史上最强烈恒星耀斑
据美国太空新闻网11月7日报道，恒星耀斑指的是宇宙恒星最猛烈的磁爆发，其所产生的巨大能量超乎人们的想象。美国航空航天局(NASA)的科学家称，他们此前观测到了一次有史以来最猛烈的恒星耀斑，其爆发时产生的能量相当于5000万亿颗原子弹。
美国航空航天局的科学家在7日提交的一份研究报告中称，2005年12月，科学家们通过“SWIFT”号人造卫星观测到了这一史无前例的恒星耀斑。这颗恒星的体积比太阳略小，位于飞马座附近。与典型的太阳耀斑相比，这次爆发的恒星耀斑其强度要超出约1亿倍，相等于5000万亿颗原子能同时爆炸时产生的能量之和。如果这次耀斑发生在太阳表面，将会导致地球上的所有生物全部灭绝。通过此次观测，科学家们还发现其它星体在爆发恒星耀斑同样会产生粒子加速度，这一点与太阳耀斑极其相似，也是科学家们首次得到类似的直接证据。
美国科学家表示，恒星耀斑是宇宙恒星最猛烈的磁爆发，可以使得包括地球在内的许多星体受到高速亚原子粒子的轰击。地球的大气层和磁场可以阻挡普通耀斑潜在的致命影响，一些看上去非常普通、与太阳相似的恒星，耀斑的瞬间亮度相当于太阳耀斑亮度的数十倍乃至上亿倍。虽然有充分的证据表明我们的太阳不会出现这样的超级耀斑，但是科学家们目前尚不清楚宇宙中为何会出现超级耀斑。许多与太阳相似的恒星都要经历一个延长的休眠期，其亮度在休眠期内减少约1%，这个比例听起来并不大，但却会使地球进入另一个冰期。地球近1万年来出现的19次主要寒冷期，有17次是因为太阳活动减弱造成的。
美国航空航天局戈达德太空飞行中心负责人、该研究项目负责人雷切尔-奥斯顿说，“让我们感到幸运的是，太阳目前是一颗非常稳定的星体，暂时不会爆发如此强烈的耀斑。而飞马座中的这颗恒星距离地球约有135光年，这使得我们免于遭受到巨大能量的冲击。这次爆发的恒星耀班能量如此强大，以至于我们最初认为是一颗恒星发生了爆炸。对于太阳耀斑，我们已经了解的比较详细，但对于其它恒星的耀斑，我们却知之甚少，这次观测到的耀斑是一个很好的样本。”
当恒星耀斑剧烈活动时，它们可以向地球空间抛射几十亿到几百亿吨的高温
等离子体，这些被抛射的物质可以压缩地球的磁层，使得原本处于磁层保护下的地球完全暴露在高能粒子的直接轰击下。这些高能电子和质子会使地球生物、卫星等受到致命的损害。2000年7月曾爆发一次恒星耀斑，这是几十年来发生的能量最大的一次恒星耀斑，整个地球的物理效应非常明显，地球的电离层受到强烈的干扰，通信中断。在这次耀斑爆发中，国际上有一颗科学卫星因此失去控制，其它还有许多卫星暂时都无法正常工作。
美国航空航天局的科学家在7日提交的一份研究报告中称，2005年12月，科学家们通过“SWIFT”号人造卫星观测到了这一史无前例的恒星耀斑。这颗恒星的体积比太阳略小，位于飞马座附近。与典型的太阳耀斑相比，这次爆发的恒星耀斑其强度要超出约1亿倍，相等于5000万亿颗原子能同时爆炸时产生的能量之和。如果这次耀斑发生在太阳表面，将会导致地球上的所有生物全部灭绝。通过此次观测，科学家们还发现其它星体在爆发恒星耀斑同样会产生粒子加速度，这一点与太阳耀斑极其相似，也是科学家们首次得到类似的直接证据。
美国科学家表示，恒星耀斑是宇宙恒星最猛烈的磁爆发，可以使得包括地球在内的许多星体受到高速亚原子粒子的轰击。地球的大气层和磁场可以阻挡普通耀斑潜在的致命影响，一些看上去非常普通、与太阳相似的恒星，耀斑的瞬间亮度相当于太阳耀斑亮度的数十倍乃至上亿倍。虽然有充分的证据表明我们的太阳不会出现这样的超级耀斑，但是科学家们目前尚不清楚宇宙中为何会出现超级耀斑。许多与太阳相似的恒星都要经历一个延长的休眠期，其亮度在休眠期内减少约1%，这个比例听起来并不大，但却会使地球进入另一个冰期。地球近1万年来出现的19次主要寒冷期，有17次是因为太阳活动减弱造成的。
美国航空航天局戈达德太空飞行中心负责人、该研究项目负责人雷切尔-奥斯顿说，“让我们感到幸运的是，太阳目前是一颗非常稳定的星体，暂时不会爆发如此强烈的耀斑。而飞马座中的这颗恒星距离地球约有135光年，这使得我们免于遭受到巨大能量的冲击。这次爆发的恒星耀班能量如此强大，以至于我们最初认为是一颗恒星发生了爆炸。对于太阳耀斑，我们已经了解的比较详细，但对于其它恒星的耀斑，我们却知之甚少，这次观测到的耀斑是一个很好的样本。”
当恒星耀斑剧烈活动时，它们可以向地球空间抛射几十亿到几百亿吨的高温
等离子体，这些被抛射的物质可以压缩地球的磁层，使得原本处于磁层保护下的地球完全暴露在高能粒子的直接轰击下。这些高能电子和质子会使地球生物、卫星等受到致命的损害。2000年7月曾爆发一次恒星耀斑，这是几十年来发生的能量最大的一次恒星耀斑，整个地球的物理效应非常明显，地球的电离层受到强烈的干扰，通信中断。在这次耀斑爆发中，国际上有一颗科学卫星因此失去控制，其它还有许多卫星暂时都无法正常工作。
美太空总署将建过山车 用于航天员紧急逃生
游乐场过山车从天而降的刺激快感让许多人着迷。但令人惊讶的是，美国太空总署（NASA）日前做出匪夷所思的决定——在佛州的肯尼迪太空中心宇宙飞船发射台旁，也兴建一套大型过山车！不过，NASA的过山车并非用来玩乐，而是一套紧急逃生系统。
一旦发射宇宙飞船出现事故，航天员可在最短时间内由发射台顶端的船舱跳上过山车，在短短18秒内极速逃至地面。这套堪称全世界最刺激、但也是最昂贵的NASA“逃生过山车”总造价将高达800万美元，有望在2年内开始动工。
一旦发射宇宙飞船出现事故，航天员可在最短时间内由发射台顶端的船舱跳上过山车，在短短18秒内极速逃至地面。这套堪称全世界最刺激、但也是最昂贵的NASA“逃生过山车”总造价将高达800万美元，有望在2年内开始动工。
争夺太空制高点:美俄围绕卫星隐形展开较量
据俄罗斯国际文传电讯社报道,俄罗斯国防部目前正在研制纳米卫星,其因为体积很小,就连航天技术先进的美、法等国也无法探测到。同时,为防止卫星数据泄密,美空军也在研制可隐形的卫星。当前,由于美俄双方拥有先进的卫星探测网和反卫星技术,为备战未来太空战,双方打响了一场卫星隐形战。
美曝光间谍卫星机密数据触动俄军神经
2003年3月日本发射两颗间谍卫星不久,美国NASA就利用卫星探测网获得了这两颗卫星的在轨数据,并将其公布在网站上。对此,日本政府十分恼火,对美国NASA提出强烈抗议。随后,NASA被迫将日本间谍卫星的信息迅速从网站上撤下。
据悉,美国NASA已建立了一个卫星数据库。它包含了目前800颗各国在轨卫星的数据,如卫星的高度、倾度、在轨期限等。通常,卫星在轨数据是绝对保密的,因为根据这些数据,被侦察方可获知卫星经过的时间,中断在卫星侦察范围内的军事活动,从而让侦察卫星睁眼如同闭眼。
此外,在今年3月21日,美国“忧思科学家联盟”(UCS)与哈佛大学史密森天体物理中心又将日本这两颗间谍卫星的可靠数据公布到了UCS的网站上。打开“忧思科学家联盟”的卫星数据库,日本两颗间谍卫星详细、精确的数据,诸如高度、倾度、在轨期限一目了然。此前,UCS网站上还公布过美国军事卫星的信息,并揭示美国有些在轨军事卫星伪装成空间碎片。该网站认为太空是公用资产,有权公布其有关信息。
在美国NASA和UCS相继曝光日本间谍卫星后,俄罗斯感到十分忧心。因为一旦俄罗斯的卫星数据被公开,那么俄国侦察卫星不但无法获取美国和其他国家的情报,同时,这些机密数据还为美国和其他国家攻击或干扰卫星提供了条件。
此外,UCS网站公开日本间谍卫星数据也让美国人不安,它表明美国的卫星绝密数据也可能会泄密。
美曝光间谍卫星机密数据触动俄军神经
2003年3月日本发射两颗间谍卫星不久,美国NASA就利用卫星探测网获得了这两颗卫星的在轨数据,并将其公布在网站上。对此,日本政府十分恼火,对美国NASA提出强烈抗议。随后,NASA被迫将日本间谍卫星的信息迅速从网站上撤下。
据悉,美国NASA已建立了一个卫星数据库。它包含了目前800颗各国在轨卫星的数据,如卫星的高度、倾度、在轨期限等。通常,卫星在轨数据是绝对保密的,因为根据这些数据,被侦察方可获知卫星经过的时间,中断在卫星侦察范围内的军事活动,从而让侦察卫星睁眼如同闭眼。
此外,在今年3月21日,美国“忧思科学家联盟”(UCS)与哈佛大学史密森天体物理中心又将日本这两颗间谍卫星的可靠数据公布到了UCS的网站上。打开“忧思科学家联盟”的卫星数据库,日本两颗间谍卫星详细、精确的数据,诸如高度、倾度、在轨期限一目了然。此前,UCS网站上还公布过美国军事卫星的信息,并揭示美国有些在轨军事卫星伪装成空间碎片。该网站认为太空是公用资产,有权公布其有关信息。
在美国NASA和UCS相继曝光日本间谍卫星后,俄罗斯感到十分忧心。因为一旦俄罗斯的卫星数据被公开,那么俄国侦察卫星不但无法获取美国和其他国家的情报,同时,这些机密数据还为美国和其他国家攻击或干扰卫星提供了条件。
此外,UCS网站公开日本间谍卫星数据也让美国人不安,它表明美国的卫星绝密数据也可能会泄密。
星期四, 十一月 02, 2006
世界空对空导弹发展历程
在未来的现代高科技局部战争中夺取制空权的问题越来越显得重要；根据最近几年世界上发生的局部战争，对空战模式分析推演可能形成四轮“冲击波”：
第一轮：攻方在防区外由空中或海上远距离发射巡航导弹，精确打击守方地面重要目标，守方对巡航导弹实施空中或地面拦截；
第二轮：攻方飞机突防，守方飞机迎战，双方发射中程拦射空对空导弹，相互拦截对方机群；
第三轮：双方飞机距离比较接近时采用近距格斗空对空导弹，进行格斗；
第四轮：倘若攻方飞机突破守方空中防线，向重要目标发射空对地导弹进行轰炸，守方损失惨重；由上述假设战例可以得出如下结论：
（1）交战双方首先争夺制空权；先进的空对空导弹对于夺取制空权将起到举足轻重的作用。
（2）中程拦射空对空导弹用于中距离拦截空中目标；
（3）近距格斗空对空导弹在近距离空战中使用，也可以用来摧毁巡航导弹。
（4）近距离格斗空对空导弹与中程拦射空对空导弹具有不同的作战任务，目前尚不能相互替代。
目前近距离格斗空对空导弹几乎都采用红外寻的导弹，简称红外空对空导弹，它能够自动寻的，具有发射后不管，很高的机动能力，使用操作简单，成本比较低廉等特点，因而得到广泛的应用。中程拦射空对空导弹几乎都属于雷达制导空对空导弹，采用雷达主动或被动寻的方式，为了增加射程，中程拦射空对空导弹的尺寸和体积都比较大些，当然重量也比红外空对空导弹重得多；同时，它们还可以移植改型为其他用途的导弹如地空导弹和舰空导弹等，可以说空对空导弹的技术水准代表着一个国家的战术导弹水准，在现代局部战争中空对空导弹具有十分重要的地位。
第一代空对空导弹
最早的空对空导弹是在二战期间德国研制的X-4空对空导弹，采用无线电指令制导方式，它已经具备空对空导弹的主要技术特征，如能够由飞机进行发射，能够自动导引，采用固体火箭发动机等，当时这些都属于高难度技术，该导弹1944年投入使用，当时X-4空对空导弹和V-2地地弹道式导弹同属于世界最先进的武器，它们都没有能够挽救德国法西斯灭亡的命运。纵观半个多世纪以来，空对空导弹由第一代发展到第四代，世界各国研制、退役与在役的空对空导弹已经有上百种型号，累计生产量大约20多万枚，是战术导弹的庞大家族。
第一代红外空对空导弹典型产品是美国的AIM-9B“响尾蛇”、俄罗斯的K-13等导弹。20世纪５０年代中期开始装备部队，这种导弹采用鸭式气动布局，3通道控制，单元非致冷硫化铅红外探测器，红外波段为1～3μm，用超小型电子管放大器进行信号处理，尾后探测距离小于10km，攻击包线处于目标尾后2－3公里很小的范围。值得一提的是：它的倾斜稳定控制采用陀螺舵，简单实用，“响尾蛇”的代号由此得名；这种生活在美洲沙漠里的毒蛇，它的头部具有对热能十分敏感的器官，容易发现目标，当它发起攻击时，能够把尾巴竖起，抖动作响；故把这种导弹冠名为“响尾蛇”真乃名符其实，体现了西方人的幽默感；以当时的工业和科技水准来看，这种航空武器确实是导弹工程的经典之作。
第一代雷达空对空导弹典型产品是美国的 “麻雀1”空对空导弹，它们采用雷达波束制导、飞行控制等方面的技术，只能在尾后以三点瞄准方式攻击目标，攻击范围很小。
第一代空对空导弹攻击能力比较差，仅比航炮略为强些，所以，当时国内流传"导弹不如炮弹，空中还靠拼刺刀"的说法。
第二代空对空导弹
其中第二代红外空对空导弹代表产品有美国的AIM-9D“响尾蛇”、法国的马特拉R530、俄罗斯的R-60T等；最早于20世纪60年代开始装备部队。仍然采用鸭式气动布局，采用致冷型硫化铅探测器，提高了探测灵敏度，采用电晶体电路进行信号处理，使得导弹重量减小，可靠性和寿命大为提高，引信则采用红外近炸引信。典型的雷达制导空对空导弹有美国的 “麻雀3A”(AIM-7E)导弹，英国的“火光”导弹，它们采用转动翼的气动布局、连续波半主动雷达制导，虽然这类导弹的攻击包线有所扩大，但是仍然只能在后半球或者迎头拦截小机动目标，而涉及到的基本技术已经奠定了发展中程拦射空对空导弹的基础。
由于导弹系统的可靠性差，在越南战场上使用时，美国空军共发射麻雀3导弹589枚，仅有55枚命中目标，成功概率仅10％，同时，仅有一半数量的导弹能够正常战斗执勤，此事震惊美军高层，经过专家的分析研究，认定美国的武器装备存在严重的可靠性问题，后来美国当局致力于提高武器装备的品质，编撰了系列军用标准，并强制推行，对提高武器作战效能取得了很好的效果。
第三代空对空导弹
第三代红外空对空导弹典型产品有美国AIM-9L"响尾蛇"、以色列的“怪蛇”3等导弹。于20世纪80年代初开始装备；采用鸭式气动布局，陀螺舵作为倾斜稳定，采用锑化铟致冷探测器，这种探测器具有更高的灵敏度，工作波段为3－5微米，能够探测目标尾气流的红外辐射；同时它可以采用镭射或无线电等主动近炸引信，能够实现全向攻击，虽然它的攻击区扩展到前半球，但是前向攻击距离仅2－3公里，实战使用意义不大，而侧向攻击能力确实有很大提高；第三代红外制导空对空导弹主要用于歼击机的空战格斗，在多次局部战争中显示了它们的作战威力。
上世纪90年代，改进的红外空对空导弹（俗称“三代半”）相继被开发出来，如美国的 “响尾蛇”AIM-9M导弹和俄罗斯的P－73导弹，它们采用扫描探测技术或红外多元探测技术，数位处理技术、镭射主动近炸引信或无线电主动引信，实现了对目标的全向攻击，同时具有抗红外干扰的能力；其中值得一提的是俄罗斯的R－73空对空导弹，它采用二元锑化铟致冷探测技术，大离轴角跟踪技术，总体方面综合了多项技术， 包括5通道控制，采用可控扰流碗实现推力向量控制，变结构飞行控制技术等；在九十年代，改进后的第三代红外空对空导弹已经广泛投入使用，近几年，虽然发达国家已经推出第四代红外空对空导弹，但由于“三代半”导弹的价格比第四代红外型空对空导弹便宜很多，能够抗住红外诱饵干扰弹，制导精度高，对目标的毁伤能力相当强，性价比很高，所以，“三代半”红外空对空导弹目前仍然是各国空军的主战武器。
典型的第三代雷达型空对空导弹有美国的“麻雀3B”(AIM-7F)英国的“天空闪光”，俄罗斯的R－27等雷达制导空对空导弹，采用单脉冲半主动雷达导引头，具有前向拦截能力、一定的抗干扰能力和下视下射能力。
第四代空对空导弹
进入新世纪初期新一代空对空导弹开始陆续投入使用，典型的第四代红外空对空导弹产品有美国AIM-9X、欧洲的ASRAAM和IRIS-T、以色列的怪蛇4/5等导弹。这类导弹由于采用了红外成像探测、发射后截获和推力向量控制等方面的技术，因而具有良好的跟踪性能、较高的抗干扰性能、很高的机动性和灵巧的发射方式，攻击区域有很大扩展，具有对付第四代歼击机的格斗能力。
典型的第四代雷达型空对空导弹有美国的AIM－120导弹、欧洲的AMRAAM导弹（先进中距导弹）、以色列的DERBY导弹、俄罗斯的R77导弹和法国的MICA导弹；这类导弹外形为正常式气动布局，采用了指令、惯性制导和雷达主动末制导的复合制导方式，嵌入式弹载电脑中装定了复杂的软体系统，具有发射后不管能力，能够超视距全向攻击目标，并且具有多种抗干扰措施和灵活的发射方式；具有对付多种飞机的拦截能力，是今后一段时期的空战"杀手锏"；然而，这类武器系统在使用时也必须提高飞机的敌我识别能力，弄不好便可能误伤自己的飞机；在海湾战争中，美国的一名飞行员过于紧张，尚未判明敌我识别应答信号，便超视距发射AIM－120空对空导弹，结果击落了同伴的飞机，肇事者被送上军事法庭。
第一轮：攻方在防区外由空中或海上远距离发射巡航导弹，精确打击守方地面重要目标，守方对巡航导弹实施空中或地面拦截；
第二轮：攻方飞机突防，守方飞机迎战，双方发射中程拦射空对空导弹，相互拦截对方机群；
第三轮：双方飞机距离比较接近时采用近距格斗空对空导弹，进行格斗；
第四轮：倘若攻方飞机突破守方空中防线，向重要目标发射空对地导弹进行轰炸，守方损失惨重；由上述假设战例可以得出如下结论：
（1）交战双方首先争夺制空权；先进的空对空导弹对于夺取制空权将起到举足轻重的作用。
（2）中程拦射空对空导弹用于中距离拦截空中目标；
（3）近距格斗空对空导弹在近距离空战中使用，也可以用来摧毁巡航导弹。
（4）近距离格斗空对空导弹与中程拦射空对空导弹具有不同的作战任务，目前尚不能相互替代。
目前近距离格斗空对空导弹几乎都采用红外寻的导弹，简称红外空对空导弹，它能够自动寻的，具有发射后不管，很高的机动能力，使用操作简单，成本比较低廉等特点，因而得到广泛的应用。中程拦射空对空导弹几乎都属于雷达制导空对空导弹，采用雷达主动或被动寻的方式，为了增加射程，中程拦射空对空导弹的尺寸和体积都比较大些，当然重量也比红外空对空导弹重得多；同时，它们还可以移植改型为其他用途的导弹如地空导弹和舰空导弹等，可以说空对空导弹的技术水准代表着一个国家的战术导弹水准，在现代局部战争中空对空导弹具有十分重要的地位。
第一代空对空导弹
最早的空对空导弹是在二战期间德国研制的X-4空对空导弹，采用无线电指令制导方式，它已经具备空对空导弹的主要技术特征，如能够由飞机进行发射，能够自动导引，采用固体火箭发动机等，当时这些都属于高难度技术，该导弹1944年投入使用，当时X-4空对空导弹和V-2地地弹道式导弹同属于世界最先进的武器，它们都没有能够挽救德国法西斯灭亡的命运。纵观半个多世纪以来，空对空导弹由第一代发展到第四代，世界各国研制、退役与在役的空对空导弹已经有上百种型号，累计生产量大约20多万枚，是战术导弹的庞大家族。
第一代红外空对空导弹典型产品是美国的AIM-9B“响尾蛇”、俄罗斯的K-13等导弹。20世纪５０年代中期开始装备部队，这种导弹采用鸭式气动布局，3通道控制，单元非致冷硫化铅红外探测器，红外波段为1～3μm，用超小型电子管放大器进行信号处理，尾后探测距离小于10km，攻击包线处于目标尾后2－3公里很小的范围。值得一提的是：它的倾斜稳定控制采用陀螺舵，简单实用，“响尾蛇”的代号由此得名；这种生活在美洲沙漠里的毒蛇，它的头部具有对热能十分敏感的器官，容易发现目标，当它发起攻击时，能够把尾巴竖起，抖动作响；故把这种导弹冠名为“响尾蛇”真乃名符其实，体现了西方人的幽默感；以当时的工业和科技水准来看，这种航空武器确实是导弹工程的经典之作。
第一代雷达空对空导弹典型产品是美国的 “麻雀1”空对空导弹，它们采用雷达波束制导、飞行控制等方面的技术，只能在尾后以三点瞄准方式攻击目标，攻击范围很小。
第一代空对空导弹攻击能力比较差，仅比航炮略为强些，所以，当时国内流传"导弹不如炮弹，空中还靠拼刺刀"的说法。
第二代空对空导弹
其中第二代红外空对空导弹代表产品有美国的AIM-9D“响尾蛇”、法国的马特拉R530、俄罗斯的R-60T等；最早于20世纪60年代开始装备部队。仍然采用鸭式气动布局，采用致冷型硫化铅探测器，提高了探测灵敏度，采用电晶体电路进行信号处理，使得导弹重量减小，可靠性和寿命大为提高，引信则采用红外近炸引信。典型的雷达制导空对空导弹有美国的 “麻雀3A”(AIM-7E)导弹，英国的“火光”导弹，它们采用转动翼的气动布局、连续波半主动雷达制导，虽然这类导弹的攻击包线有所扩大，但是仍然只能在后半球或者迎头拦截小机动目标，而涉及到的基本技术已经奠定了发展中程拦射空对空导弹的基础。
由于导弹系统的可靠性差，在越南战场上使用时，美国空军共发射麻雀3导弹589枚，仅有55枚命中目标，成功概率仅10％，同时，仅有一半数量的导弹能够正常战斗执勤，此事震惊美军高层，经过专家的分析研究，认定美国的武器装备存在严重的可靠性问题，后来美国当局致力于提高武器装备的品质，编撰了系列军用标准，并强制推行，对提高武器作战效能取得了很好的效果。
第三代空对空导弹
第三代红外空对空导弹典型产品有美国AIM-9L"响尾蛇"、以色列的“怪蛇”3等导弹。于20世纪80年代初开始装备；采用鸭式气动布局，陀螺舵作为倾斜稳定，采用锑化铟致冷探测器，这种探测器具有更高的灵敏度，工作波段为3－5微米，能够探测目标尾气流的红外辐射；同时它可以采用镭射或无线电等主动近炸引信，能够实现全向攻击，虽然它的攻击区扩展到前半球，但是前向攻击距离仅2－3公里，实战使用意义不大，而侧向攻击能力确实有很大提高；第三代红外制导空对空导弹主要用于歼击机的空战格斗，在多次局部战争中显示了它们的作战威力。
上世纪90年代，改进的红外空对空导弹（俗称“三代半”）相继被开发出来，如美国的 “响尾蛇”AIM-9M导弹和俄罗斯的P－73导弹，它们采用扫描探测技术或红外多元探测技术，数位处理技术、镭射主动近炸引信或无线电主动引信，实现了对目标的全向攻击，同时具有抗红外干扰的能力；其中值得一提的是俄罗斯的R－73空对空导弹，它采用二元锑化铟致冷探测技术，大离轴角跟踪技术，总体方面综合了多项技术， 包括5通道控制，采用可控扰流碗实现推力向量控制，变结构飞行控制技术等；在九十年代，改进后的第三代红外空对空导弹已经广泛投入使用，近几年，虽然发达国家已经推出第四代红外空对空导弹，但由于“三代半”导弹的价格比第四代红外型空对空导弹便宜很多，能够抗住红外诱饵干扰弹，制导精度高，对目标的毁伤能力相当强，性价比很高，所以，“三代半”红外空对空导弹目前仍然是各国空军的主战武器。
典型的第三代雷达型空对空导弹有美国的“麻雀3B”(AIM-7F)英国的“天空闪光”，俄罗斯的R－27等雷达制导空对空导弹，采用单脉冲半主动雷达导引头，具有前向拦截能力、一定的抗干扰能力和下视下射能力。
第四代空对空导弹
进入新世纪初期新一代空对空导弹开始陆续投入使用，典型的第四代红外空对空导弹产品有美国AIM-9X、欧洲的ASRAAM和IRIS-T、以色列的怪蛇4/5等导弹。这类导弹由于采用了红外成像探测、发射后截获和推力向量控制等方面的技术，因而具有良好的跟踪性能、较高的抗干扰性能、很高的机动性和灵巧的发射方式，攻击区域有很大扩展，具有对付第四代歼击机的格斗能力。
典型的第四代雷达型空对空导弹有美国的AIM－120导弹、欧洲的AMRAAM导弹（先进中距导弹）、以色列的DERBY导弹、俄罗斯的R77导弹和法国的MICA导弹；这类导弹外形为正常式气动布局，采用了指令、惯性制导和雷达主动末制导的复合制导方式，嵌入式弹载电脑中装定了复杂的软体系统，具有发射后不管能力，能够超视距全向攻击目标，并且具有多种抗干扰措施和灵活的发射方式；具有对付多种飞机的拦截能力，是今后一段时期的空战"杀手锏"；然而，这类武器系统在使用时也必须提高飞机的敌我识别能力，弄不好便可能误伤自己的飞机；在海湾战争中，美国的一名飞行员过于紧张，尚未判明敌我识别应答信号，便超视距发射AIM－120空对空导弹，结果击落了同伴的飞机，肇事者被送上军事法庭。
天文学家发现宇宙中的“巨蛇”
据美国宇航局网站27日报道，美国宇航局的斯皮策太空望远镜最近拍摄到了一幅被天文学家称之为"蛇"的太空天体的红外线图像（图中左上），这个蛇形天体距离射手座约11000光年的距离。实际上它是一个厚厚的、漆黑的云团核心部分，它十分的巨大，几乎可以吞噬掉几十个太阳系。事实上，天文学家说可能在这条"蛇的腹部"许多巨大的星球正在形成当中。
美国宇航局的斯皮策科学中心的肖恩-凯里博士，也是大家熟知的肖凯里博士说：“此蛇是搜寻巨大恒星形成的理想之地，因为这些恒星没有时间加热和摧毁孕育着它们的云团。” 肖凯里博士正在主持此项研究，也负责研究先前来自斯皮策的万圣节图像，曾展示过一幅“巨大银河盗尸者”的图像。
而在这条巨蛇右边的那个黑色星系"爬行怪兽"则是另外一个厚厚的云核。天文学家认为，在这个星系爬行怪兽里面可能躲藏着许多正在迅速增大的巨大星球。
在这两个云核下面那块色彩鲜艳的区域则是相对于两个云核密度要更小一点的云团物质。图像当中那些黄色和橘色的斑点都是些正在发展着的巨大星球。在这条巨蛇腹部的那个红色亮点是一颗比我们的太阳大20到50倍的红色星球。那些布满图像的蓝色斑点则是许许多多的前景星（在同一视场内处在观测者和观测对象之间的恒星）。
在左侧中间的那个红球则是一个"超新星的尸体"，也就是在大爆炸中死去的巨大星球的尸体。天文学家推测，在这个星球死亡之前，伴随着它爆炸时产生的巨大冲击波而来的辐射和风暴可能为上面这条宇宙巨蛇的形成起到了重要的作用。
斯皮策太空望远镜使用它的追热红外线呈像装置拍摄到了两个黑色云核的图像。这些天体都躲藏在我们银河系的宇宙尘埃后面，光学望远镜根本看不到它们。不过因为它们的热和紫外线可以透过厚厚的宇宙尘埃，我们就可以捕捉到它们的紫外线图像。而我们在图像中看到的那两个云核特别的厚，如果把你放到它们的里面你会感觉一片漆黑，看不到任何东西，也看不到外面的任何星光，完全是个神秘的世界。
而在这条巨蛇右边的那个黑色星系"爬行怪兽"则是另外一个厚厚的云核。天文学家认为，在这个星系爬行怪兽里面可能躲藏着许多正在迅速增大的巨大星球。
在这两个云核下面那块色彩鲜艳的区域则是相对于两个云核密度要更小一点的云团物质。图像当中那些黄色和橘色的斑点都是些正在发展着的巨大星球。在这条巨蛇腹部的那个红色亮点是一颗比我们的太阳大20到50倍的红色星球。那些布满图像的蓝色斑点则是许许多多的前景星（在同一视场内处在观测者和观测对象之间的恒星）。
在左侧中间的那个红球则是一个"超新星的尸体"，也就是在大爆炸中死去的巨大星球的尸体。天文学家推测，在这个星球死亡之前，伴随着它爆炸时产生的巨大冲击波而来的辐射和风暴可能为上面这条宇宙巨蛇的形成起到了重要的作用。
斯皮策太空望远镜使用它的追热红外线呈像装置拍摄到了两个黑色云核的图像。这些天体都躲藏在我们银河系的宇宙尘埃后面，光学望远镜根本看不到它们。不过因为它们的热和紫外线可以透过厚厚的宇宙尘埃，我们就可以捕捉到它们的紫外线图像。而我们在图像中看到的那两个云核特别的厚，如果把你放到它们的里面你会感觉一片漆黑，看不到任何东西，也看不到外面的任何星光，完全是个神秘的世界。
斯皮策望远镜新拍摄到的该区域图像为我们提供了躲藏在这条巨蛇里面的星球的最好视觉。天文学家认为这些观察可以使我们极大的帮助我们更好的理解巨大星球的形成方式。通过研究这些星球胚胎的范围和组群，他们希望确定是否这些星球的形成方式和我们的小质量的太阳的形成方式是一样的，也就是通过气体和尘埃的塌陷而成。也可能通过另外一种机制，其中环境扮演了重要的角色。
这张伪彩色图像由斯皮策的紫外线照相机和多波段影像光度计获得的紫外线数据合成。蓝色代表的是3.6微米光，绿色的代表的是8微米光，而红色代表的是24微米光。
这张伪彩色图像由斯皮策的紫外线照相机和多波段影像光度计获得的紫外线数据合成。蓝色代表的是3.6微米光，绿色的代表的是8微米光，而红色代表的是24微米光。
自然科学发展概要（9）
第九章 计算机科学的诞生和发展
第一节 计算机的诞生
从古至今，出于对计算的需要，人们一直在坚持不懈地寻找计算辅助工具。著名科普作家阿西莫夫说，人类最早的计算工具是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”；而中国古人常用“结绳”来帮助记事，“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……，这些都是古人用过的“计算机”。
1.1早期的计算机
不知何时开始，世界不同地区的人都不约而同地想到用“筹码”来改进计算工具，其中要数中国的算筹最有名。商周时代问世的算筹，实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍，通过移动来进行计算，从而出现了“运筹”这个词，最初运筹就是计算，后来才派生出“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”那样的新的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位，使用的工具正是算筹，这个结果即使用笔算也很不容易求得。
算筹在使用中，一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱，让人感到不便，于是中国人又发明了一种新式的“计算机”——算盘。世界文明的四大发源地──黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域──先后都出现过不同形式的算盘，只有中国的珠算盘一直沿用至今。
早在公元前500年的古希腊、罗马时期，就出现了由石头和金属制成的“算板”（如图9.1）。
到了公元5年至1400年间，木头成了制作算板的主要材料。这时，出现了水平方向的“算板”（如图9.2）。
中国的珠算盘最早可能萌芽于汉代，定型于南北朝。它利用进位制记数，通过拨动算珠进行运算：上珠每珠当五，下珠每珠当一，每一档可当作一个数位。打算盘还必须记住一套口诀，口诀相当于算盘的“软件”。 （图9.2）
算盘本身还可以存储数字，使用起来的确很方便，它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果，在人类计算工具史上具有重要的地位。后来算盘传到了日 本和韩国。日本人还对它进行了改造，形成了现在所流行的两种算盘（如图9.3）。在中国，算盘一开始只是作为记数和进行简单运算的工具，历史学家们认为：当时它的比较准确的名称应该是“算板”。到了宋元明清时期，才逐渐发展成为今天我们所见到的算盘。这只是历史学家们的一个估计，算盘真正的起源和发展过程，仍是一个未解之迷。
算盘可以说是早期的计算机。它 （图9.3）
具有灵便、准确的特点。即使在计算机非常普遍的现代社会，算盘仍然没有退出历史的舞台。
计算机一开始是以“计算器”的形态出现的。早期的计算机也只能从事简单的加减运算。第一台真正的计算机是1642年法国数学家帕斯卡发明的机械计算器，但是它太粗糙，无法满足当时的计算需要。不过，人们普遍将帕斯卡的这一算术计算机模型，作为计算机历史的开端。需要指出的是，人类计算技术的历史，并不是从这时开始的。1900年，考古学家在位于希腊的一艘 沉船上，发现了公元八十二年制造的一台算术计算机。1623年9月，图宾根大学教授威廉·什卡尔制成了一部可以自动进行加、减、乘、除运算的计算机，可惜没有保留下来。专家们还在马德里国家图书馆发现了列奥拉·达·分奇没有发表的稿子，其中有一些机器设计图和草图，这当中有一幅图上画的就是计算机。1775年，一个英国发明家也有两台按级轴原理制造的计算机。一台的轴是渐进运动的，造于1775年；一台的轴是旋转运动的，造于1777年。
在技术史学家们看来，要把计算机的历史写完整，就不得不提著名学者莱布尼茨和舍比什夫的工作。1672年到1673年间，莱布尼茨发明了不仅可以做加法，而且可以做乘除法的计算机。并且这种计算机可以不用连续加、减法而直接进行乘法运算。而俄国著名数学家和机械师巴甫罗迪·舍比什夫发明了能够连续地和逐渐地进行进位的十进位数计算机。并且在发明了加法计算器后三年，又补加了一个转接装置，以便能够做乘法和除法运算。
1822年，一位叫巴贝杰的工程师依据化繁为简的分步计算思想，设计出了“差分机”。可惜后来由于资金和技术上的问题，差分机并未成功。后来在法国工程师贾夸特发明的自动控制织布机的基础上，巴贝杰转向了利用穿孔卡进行控制的计算机——分析机的研究。
在巴贝杰那个时代，有许多的发明家和科学家在做这方面的工作。一个叫库默尔的人向圣彼得堡科学院提供了一种主要用于加减法运算，且不管数多大都可以进行的计算机。大约同一时期，查理·托马斯已开始大量生产计算机。并且于1820年制造了一台能做四则运算的计算机。这台计算机的运算速度在当时来说是相当快的。它可以在十八秒钟内得出两个八位数的乘积，在二十四秒钟内得出一个六位数和一个八位数相除的商。1848年，四则计算机已经达到十位数了。可以说，查理·托马斯的四则计算机是19世纪应用最普遍的计算机。
1873年，圣·彼得堡国家纸张制造工程师W·奥德勒设计出了简便、容易操作的四则计算机。1889年，美国人赫曼·何勒内斯在巴贝杰的基础上取得了新的进展。它制造了功能各异的穿孔卡计算机系统。然后利用人工，将穿孔卡片从一台机递送到另一台机，每台机只负责完成一道特定的工作。著名的国际通用计算机公司（IBM）就是从这种机型开始逐步发展起来的。19世纪末20世纪初时，国际贸易已朝复杂的、多边合作的方向发展。穿孔卡计算机正好迎合了这一时代的需要，所以得以走出科学家的深闺，走上了通向广大商业用户的坦途。
1.2 二次世界大战时期的计算机
从第一次世界大战之后，到第二次世界大战爆发之前，穿孔卡计算机的制造已发展到相当的规模。以电动机为动力的穿孔卡计算机不仅可以解决一般的财会和统计问题，还可一定程度的满足天文和军事上的需要。
二次大战爆发后，军事上破译密码和火炮研制等迫切需要有功能更强大的计算工具。1943年3月，正在英国通信部工作的图灵（Turing），运用他的专业技能，开始研制“科洛萨斯（Colossus）”计算机。它的主要功能是破译经过德国 Enigma （如图9.4）加密机加密过的密码。Enigma能够定期将密码改变，让破译者根本摸不到头绪。1944年1月10日，Colossus正式投入使用，它仅需6至8小时，就能破译原来需要6至8个星期才能破译的密码。
Colossus比美国的ＥＮＩＡＣ计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。Colossus是用马达和金属做的，与现在的数字式计算机根本不是一回事，但它是现代计算机发展史上的重要一步。
这一时期，英国的计算机技术在世界上处于领先地位，但是它没有抓住这一机会。而同一时期的美国，则积极鼓励发展计算机技术和产业。1944年，美国国防部门组织了由莫奇利和埃克脱领导的ＥＮＩＡＣ计算机的研究小组。当时在普林斯顿大学工作的现代计算机奠基者冯·诺依曼也参与了研究工作。
这一时期出现的两位著名的计算机专家，图灵（Turing）和冯·诺依曼（von Neumann）对后来计算机的发展起了决定性的作用。
（图9.4）艾伦·图灵（Alan Turing），1912年生于英国伦敦，1954年死于英国的曼彻斯特。他出生于伦敦时，父母于印度就官。由孩提时期起，图灵就显露出了科学天才，但是他在人文科学方面的成绩却差强人意。1928年，图灵和校友克里斯托福.摩肯产生了热烈的友谊。不幸的是，摩肯于两年后患肺结核不幸逝世。摩肯的死给图灵造成了非常大的打击，并促使图灵开始发愤学习。不久，图灵就获得奖学金进入了剑桥大学国王学院（King’s College）。1934年，图灵以优异成绩获得硕士学位，并被评为优秀毕业生，进入美国普林斯顿大学继续深造。后来获得数理逻辑领域的博士学位。
图灵是二十世纪最伟大的数学家之一，是计算机逻辑的奠基人。他对计算机的重要的贡献，就是他提出的有限状态自动机，也就是图灵机（The Turing Machine）的概念。图灵机具有无限长的磁带，即无限的存储量。能够无休止的进行操作而不出现故障。每一步运算，不仅遵循已设定的并且已经输入磁带中的程序，而且需要根据前面执行过的运算而定。图灵机被公认为现代计算机的原型。图灵机可以读入一系列的零和一，这些问题代表了解决某一问题所需要的步骤，按照这个步骤走下去，就可以解决一定的问题，即后来我们所说的“人工智能机”。从理论上来说，图灵机是通用的。而当时大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的。
对于人工智能，图灵提出了重要的衡量标准——图灵测试(The Turing Test)。如果有计算机能够通过图灵测试，那么它就是一个完全意义上的智能机。图灵相信机器可以模拟人类大脑的思维，并于1950年提出了著名的“图灵测试”。测试是让考官通过键盘向一个人和一个机器发问，这个考官不知道他现在问的是人还是机器。如果经过一定时间的提问之后，这位人类考官还不能确定谁是人，谁是机器，那么就可以认为这个机器有智力了。在今天看来，这个测试非常简单，可是伟大的思想往往就源于简单的事物之中。
1952年，图灵写出了经典文章《智能机器》(Intelligent Machinery)。许多人工智能的重要方法都来源于这位伟大的科学家。因此，图灵被后人尊称为“人工智能之父”。
为纪念图灵为现代计算机所做出的贡献，美国计算机协会（ACM）于1966年设立了“图灵奖”。这是在计算机技术方面所授予的最高奖项，被喻为计算机界的诺贝尔奖。
冯·诺依曼（John von Neumann）（如右图），1903年出生于匈牙利的一个犹太家庭，父亲是一位银行家。幼年的冯·诺依曼就已经显现出了过人的聪慧。他3岁就能背诵父亲帐本上的所有数字，6岁能够心算8位数除8位数的复杂算术题，8岁学会了微积分，以至于到了他11岁时，他的父亲不得不为找一个合适的家庭教师而烦恼。
在进入正规学校就读不到一个学期之后，冯·诺依曼的数学教师就把他推荐给了布达佩斯大学的一位数学教授。在学习期间，他阅读了大量历史和文学方面的书籍，并学会了七种外语。不到17岁时，冯·诺依曼就和数学教授联名发表了他的第一篇数学论文。22岁时，他获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后，轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。之后不久，转而攻向物理学，为量子力学研究数学模型，在理论物理学领域占领了突出的地位。这时的冯·诺依曼已成为横跨“数、理、化”各门学科的超级全才。
1928年，他接受美国数学泰斗，普林斯顿高级研究院维伯伦教授（O.Veblen）的邀请，赴美任教。1933年，他又与爱因斯坦一起，被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，而且是六名大师中最年轻的一名。
冯·诺依曼最大的贡献，就是建立了现代计算机设计的一般逻辑理论。1945年，冯·诺依曼与戈德斯坦等人联名发表了计算机史上著名的“101页报告”，这份报告奠定了现代计算机体系结构的坚实基础，并被认为是计算机发展里程碑式的文献。冯·诺依曼也因此获得“计算机之父”的美称。
这份报告又称为 EDVAC 报告，它是“离散变量自动电子计算机”的英文缩写。在这份报告中，冯·诺依曼明确规定出了计算机的五大部件：运算器CA，控制器CC，存储器M，输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。冯·诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。[1]
自冯·诺依曼设计EDVAC开始，直到今天我们用“奔腾”（Pentium）芯片制作的多媒体计算机，共四代，成千上万台计算机，其结构都没能跳出诺依曼机体系，冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向。随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但是冯·诺依曼对于电脑发展所做的贡献和他的巨大成就，将永远在人类文明历史上绽放夺目的光辉。
值得一提的是，冯·诺依曼还利用计算机去解决各个学科领域中的问题。他提出了一项用计算机预报天气的研究计划，构成了今天系统的气象数值预报的基础；他受聘担任IBM公司的科学顾问，帮助该公司催生出第一台存储程序的电脑IBM 701；他对电脑与人脑的相似性怀着浓厚的兴趣，准备从计算机的角度研究人类的思维；他虽然没有参加达特默斯首次人工智能会议，但他开创了人工智能研究领域的数学学派；他甚至是提出计算机程序可以复制的第一人，在半个世纪前就预言了电脑病毒的出现……[1]
1957年2月8日，身患骨癌的冯·诺依曼在美国德里医院与世长辞，终年54岁。他一生获得了数不清的荣誉，包括两次美国总统奖。1994年，还被追授予美国国家基础科学奖。他是计算机史上最有影响的一代伟人。
1.3 第一台电子计算机
在1946年2月第一台计算机诞生之前，人类对于计算工具的研究一直没有停歇。但是在漫长的岁月间，人类只迈出了很小的步伐。直到1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机——埃尼克（ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生(如图9.5)。
（图9.5）
ENIAC犹如一个庞然大物，它重达30吨，占地170平方米，内装18000个电子管，每秒只能进行5000次加减运算。但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。ENIAC耗电惊人，功能有限，但是确实能够节省人力和时间。这台计算机从1946年2月正式开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，一共服役了9年多。
ENIAC的诞生，表明了电子计算机时代的到来，标志着人类进入数字化时代，预示了科学家们将从奴隶般的计算中解脱出来，具有划时代的意义，它开辟了一个计算机科学技术的新纪元。
1.4 电子计算机的发展
环境在快速多样的变化，计算机工业远比地球上其它任何工业的发展都要快。从ENIAC出现至今已有50多年。在这50多年的时间里，计算机的发展，可以用一句“一日千里”来形容。人们一般根据计算机采用的物理器件的发展，将电子计算机的发展分成几个阶段。
第一代：电子管计算机
第一代电子计算机是电子管计算机，时间大约为1946年～1957年。1949年，第一台存储程序计算机——EDSAC在剑桥大学投入运行。ENIAC和EDSAC均属于第一代电子管计算机。电子管计算机采用磁鼓作存储器。
这一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，因而体积庞大、耗电多、运算速度较低、故障率高而且价格昂贵；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。因此，第一代电子计算机仅限于军事和科学研究工作。
其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。
第二代：晶体管计算机
第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机，时间大约为1957年～1962年。1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明的晶体管，比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低、工作可靠性好。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机的体积大大缩小。
1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都是用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器主要采用磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。输入和输出方面有了很大的改进，价格大幅度下降。
与此同时，计算机软件也有了较大发展。在程序设计方面，一些通用的算法和语言研制成功，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统的雏形开始形成。
与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM7094、CDC 7600。
第三代：集成电路计算机
第三代电子计算机是集成电路计算机，时间约为1962年～1970年。60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。随后，集成电路的集成都以每3～4年提高一个数量级的速度增长。
1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路，生产了IBM 360 系列计算机。DEC公司（先并入Compaq 公司）交付了数千台PDP小型计算机。
第三代计算机采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）作为逻辑元件，使用范围更广。 第三代电子计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积更小、价格更低，软件也逐步完善。
同一时期，计算机还朝着标准化、多样化、通用化、机种系列化发展。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言，尤其是一些小型计算机在程序设计方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。值得一提的是，操作系统中“多道程序”和“分时系统”等概念的提出，并结合计算机终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。
从50年代的真空电子管计算机开始，到1959年的晶体管计算机，1965年的集成电路计算机，在短短15年的时间里，计算机发展到第3代。无论是算盘还是早期的机械计算机，其发展无不经历了上百年的里程。5年后的1970年，第一台个人计算机问世。
第四代：大规模集成电路计算机
到了70年代，计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。1971年美国Intel 公司年轻的工程师马西安· 霍夫（M. E. Hoff）研制成功了一片4位微处理器 Intel 4004 ，一片320位（40字节）的随机存取存储器，一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器，他们通过总线连接起来，于是就组成了世界上第一台4位微型电子计算机——MCS－4。虽然字长只有4位，且功能很弱，但它是第四代计算机在微型机方面的先锋。它的诞生，拉开了世界微型机发展的序幕。
1972－1973年，8位微处理器相继问世。1972年，Intel 公司推出8位微处理器 Intel 8008，它主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal Oxide Semiconductor——金属氧化物半导体）电路。这就是人们常说的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。
1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，这就是第二代微处理器。尽管它的性能还不完善，但显示了无限的生命力，促使众多厂家投入竞争。具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085、Motorola公司的M 6800、Zilog公司的Z 80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型机及其外围设备都得到相应发展并进入盛期。由它装备起来的微型计算机称为第二代微型机。
1978年，16位微处理器相继出现，标志着微处理器进入第三代，微型计算机到达一个新的高锋，首先成功开发16位微处理器的是Intel公司。由于它采用了H－MOS（H－High performance）新工艺，使新的微处理器Intel 8086 比第二代的 Intel 8085在性能上提高了将近十倍。类似的16位微处理器还有Z 8000、M 6800等。由第三代微处理器装备起来的微型计算机称为第三代微型机。
1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世，标志着第四代微处理器的诞生。如Intel公司的80386，Zilog公司的Z80000，惠普公司的HP－32，NS公司的NS－16032等。新型的微型机系统可以与20世纪70年代的大中型计算机相匹敌。用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。
Intel公司不断地进行着微处理器地革新。1993年，Intel公司推出32位微处理芯片奔腾（Pentium），它的外部数据总线为64位，工作频率为66 MHz～200 MHz。以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium Ⅱ CPU都是更先进的32位高档微处理器。后来又推出了奔腾三代（Pentium Ⅲ），现在则推出了Pentium Ⅳ。
第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。但是，微处理芯片微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。据英特尔公司格洛夫推测，到2011年，一个硅芯片上能够集成的晶体管数将是10亿个，运行速度为每秒执行1000亿条指令，性能超过高能奔腾芯片的250倍，是最初4004芯片的43.5万倍。届时，将由生物芯片或量子器件替代硅芯片，引来新一轮冲击波。
从第一代到第四代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器、存储器、运算器和输入输出设备组成，称为冯· 诺依曼体系结构。当年，在ENIAC诞生后，“计算机之父” 冯·诺依曼曾大胆预言：“有四台像ENIAC这样的计算机就足够全世界使用！”。而IBM公司的创始人沃森则给自己留了一点余地：“世界市场对计算机需求大约只有5部。”在那个大型机一统天下的时代，连当时最著名的科普大师艾萨德·阿西莫夫也预言：“一架电脑最终会有几十亿个电子管，有一个国家那么大。”他们的语言，在今天看来，是多么的不可思议。他们无法想象，就在50年后，全世界的计算机已经超过了4亿台。同时，电脑的体积缩小到只有ENIAC的几万分之一，然而速度却提高了几个数量级，可靠性能提高了几千倍,成本也只有ENIAC的万分之一。
电脑的近50年的发展速度是非常惊人的。我们可以回顾一下电脑产生的整个历史过程。1642年法国数学家帕斯卡研制出的机械计算机是世界上第一台能够进行加减运算的计算机，它可是说是计算机的雏形。然而直到1944年美国哈佛大学的艾肯博士发明了最后一台磁式计算机Mark Ⅰ为止，300多年间，计算机的运算速度才达到每秒200次。
1946年ENIAC的诞生，立刻就把运算速度提高到了每秒5000次。就在ENIAC诞生35周之后，它的运算速度就已经输给了当时廉价的微型电脑TRS－80。ENIAC的造价是TRS－80的800倍，运算速度仅为TRS－80的1/18。
1969年，美国阿波罗载人飞船第一次登上月球时，指令舱电脑仅有36K存储器，今天任何一台供儿童玩耍的手持式游戏机都能令它自愧弗如。
1996年，Intel公司发布了它专门为美国能源部门研制的超级电脑。这部电脑采用了9624个高能Pentium芯片，大规模并行处理数据，号称当时世界上最高速的电脑，每秒钟运算速度高达1万亿次。同年12月，以研制巨型电脑闻名的Cray公司与图形电脑巨头SGI公司合并后，研制出具有256台高性能处理器的超级电脑。1999年这个系统的处理器数目被提高到4096台，运算速度达到3万亿次。美国能源部还宣布，它在下一个10年的目标，是要研制出每秒运算100万亿次的超级计算机系统。与国内比较，最近我国“联想”集团研制成功的“深腾”LSSC—Ⅱ机的运算速度已达到1万亿次，名列世界最快计算机第24位。
在计算机的速度和性能不断提高的同时，计算机的价格却呈指数级的不断的下跌。50年代的大型计算机售价高达100万美元。到了1986年，功能远远超过50年代大型计算机的个人计算机，价格降到了2000美元之下。曾有人做过这样一组比较。如果按照计算机的降价幅度，到飞机和汽车发展到第四代的时候，仅仅只需几美元。
有人半开玩笑半认真地说，60年代电脑专业毕业的研究生，若从那一时刻起再也不接触电脑，那么，到了90年代会发现自己成了“机盲”。有关资料显示，在近10年内，一位普通工程师所掌握的知识的90%都与电脑的发展有关，因为电脑乃是当代变化最剧烈的科学技术。
第五代：智能计算机
1981年，日本东京召开了一次第五代计算机——智能计算机研讨会，随后制定出研制第五代计算机的长期计划[4]。世界各国的科学家们都准备在90年代研究和发展新一代的计算机。这是集成更高、运算速度更快、功能更加齐全的第五代计算机——人工智能计算机。
第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛的应用，使人们能用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机交流。
第五代计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和快速推理，其软件系统能够处理知识信息。长期以来，人们就力图模拟自己的大脑，因而产生了人工智能这门学科。人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的一般规律的。研究用计算机来模拟和执行人脑的智力功能的科学技术，称为人工智能。相应的，具有人工智能的计算机，称为智能计算机。它借助于给电子计算机编制程序的手法使它执行类似人的智能的任务和进行学习。
当前计算机的人工智能水平总的说来还比较低，功能不够完善。虽然计算机目前能够进行文字翻译、定理证明、图像识别、弈棋和操控机器人，在某些局部领域其“智力”甚至超过了人类，但在某些方面，一台大型计算机的智能还不如一个三岁的孩童。
IBM公司在90年代中后期推出的“深蓝”，于1997年击败国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。“深蓝”的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
第二节 计算机的工作原理
也许大家或多或少的接触过计算机，不过相信多数人对于计算机都是处于一种黑箱操作状态。对于计算机的内部结构如何,以及计算机是如何工作的，恐怕就知之甚少了。那么计算机内部都有些什么结构呢？这些结构间又是怎样相互协作呢？
2.1 计算机的身体－硬件
普通微机的机箱里通常包括以下几个主要部件：主板、主板上安装的CPU（微处理器）芯片、主存储器模块、显示卡、磁盘存储器接口卡及外部设备接口卡等。在主机箱里还可能安装着硬盘、一个或两个软驱。除此之外，主机箱里还有另一个重要设备——电源。下面，我们将简单介绍一下这些硬件设备的基本功能。
主板（如图9.6）是机箱里最重要的部件，又称主机板、系统板。它是一块安装了许多电子元件的多层印刷电路板，CPU、内存和其他重要部件都安装在主机板上。主板最重要的功能是实现系统总线，实现各主要系统部件之间的信息连接和通信管理。一般主板上都会有几个CPU芯片插槽，我们只要把CPU直接插入这个插槽就可以使用了。当然也有些主板上的CPU是焊接上去的。
CPU（Central Processing Unit）（如图9.7）是计算机系统的核心部件，它的主要任务是处理信息，完成计
（图9-7）算。CPU的基本功能是执行指令。指令就是要求CPU执行某种 （图9.6）
动作的命令。CPU的性能主要由三个因素决定，一是执行指令的速度；二是处理数据的二进制位数（称为CPU的“字长”或者“数据宽度”）；三是指令本身的处理能力。CPU也是由几个部分组成的。一是一组称为“寄存器”的高速存储单元，用于CPU内部数据和其他信息的存储。一是由一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件组成的“算术逻辑单元”（ALU，Arithmetic Logic Unit），它们实际执行计算。一是作为CPU控制中心的程序控制单元，它是CPU的核心，负责处理指令，控制各部件的活动。
（图9.8）主存储器又称为内存储器（Main Memory）（如图9.8），简称内存或主存。现代微型机的内存通常采用超大规模集成电路芯片制成。若干芯片安装在一个小电路板上，构成一个称为SIMM（Single In-line Memory Module）的存储模块。这个存储模块上焊有数目不等的记忆IC（Instructions Cache，指令缓存）。可分为以下2种型态：72PIN：72脚位的单面内存模块是用来支持32位的数据处理量。30PIN：30脚位的单面内存模块是用来支持8位的数据处理量。内存模块的规格除了容量外，另一个重要的指标是访问速度。它的速度是以每笔CPU与内存间数据处理耗费的时间来计算，总线循环(bus cycle)以纳秒(ns)为单位。速度快的内存工作效率自然高。内存模块另一个不同点是有的模块包含奇偶校验，有的模块则没有。有奇偶校验的内存由于在存储和传输中可以进行正确性的检查，所以可靠性更高，但价格自然也就相对高些。
计算机主板上还有一组扩展插槽。这些插槽是为各种插卡准备的。包括作为计算机基本配置的显示卡、磁盘接口卡以及各种扩展卡（如图9.9）。例如调制解调卡（Modem），声卡（用于输入输出音频信号），解压缩卡（用于恢复经过压缩的视频信号）等。扩展插槽就是设备连接总线的接口。 （图9.9）
每一个类型的总线都有自己额定的运行频率，如果超过太多，就可能使设备运行不正常。
显示器的接口一般是插在主板扩展槽上的一块卡——显示卡（如图9.10）。现
（图9.10）在的计算机一般都是使用彩色显示卡。由于显示器工作时信息传输量非常大，尤其是对于采用图形用户界面的系统，如Windows等，在中央处理单元和显示器之间需要提供高速数据连接。因此，目前的显示卡一般都采用PCI总线（Peripheral Component Interconnect:外部设备互连）。显示卡安装在主板上，它在机箱后面有一个15孔的显示器连线插座，供连接显示器使用。目前的图形显示卡带有图形加速功能，它们能直接处理程序的标准图形显示命令。近年来，更高性能的显示卡还提供了支持三维图形显示、动画等功能。显示卡上还有一个显示存储器（简称显存），它的大小对显示卡的性能有巨大影响。
磁盘接口则包括软盘接口和硬盘接口两个部分。现在，由于技术的发展，软盘已经越来越无法满足人们的需要。Intel首先吹响了终结软驱的号角，表示要在新一代的计算机架构中同时取消软驱、并行口、串口等老古董外设。国内的一些整机厂商如联想、实达等也纷纷呼应，推出了好几款使用zip和优盘的PC及笔记本电脑。韩国三星更是极端，宣称即将在全系列产品，包括桌面PC和笔记本电脑不再使用软驱。日前，一家著名的DIY网站在其全国第八届DIY大赛上也宣布，不再将软驱作为必选配置。由此看来，短时间内软驱被废已是大势所趋。
计算机的硬盘接口有两个系列。 一个是在一般计算机中广泛使用的IDE（Integrated Device Electronics）方式，另一个是在高性能工作站和网络服务器上广泛使用的SCSI（Small Computer System Interface:小型电脑系统界面）方式。SCSI方式具有更高的数据传输速度。目前的计算机多采用扩展的IDE（即EIDE，Enhanced IDE：增强性IDE）。
目前，所有的计算机都提供了一个专用的键盘插口。现今的一些流行的Pentium主板多采用PS/2做鼠标接口，而放弃常用的串行接口做鼠标接口。这样做的好处是：既可以节省一个常规串行接口，又可以使鼠标得到更快的响应速度。
此外，计算机机箱后面一般还提供的接口有：一个小型的9针插座是串行通信接口，用于连接对数据传输速度要求较低的设备，也可用于计算机间的互连；一个25针的大型并行接口插座，用于连接打印机等并行设备。
同时，许多扩展卡提供自己的外部接口插座。例如Modem卡带有连接电话线的插座，声卡带有连接麦克风、扬声器等的插座等。
2.2 计算机的思想——软件
计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的。一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。那么什么是软件呢？广义来看，软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。软件的基本组成部分是完成其功能的程序，程序设计语言（也称为“编程语言”，Programming Language）是人们编制程序时所使用的语言。
计算机软件非常丰富，通常按功能将它们分为系统软件和应用软件两大类。
2.2.1系统软件
系统软件是计算机系统的一部分，它是支持应用软件运行的。它为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，但不能随意修改它。常用的系统软件有：操作系统OS（Operating System），语言处理程序，联接程序，诊断程序，数据库系统，数据仓库几种。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，它一般包括进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理五个管理功能。其中操作系统又分为实时操作系统、分时操作系统、批处理操作系统、单用户操作系统、网络操作系统几种。目前在计算机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows系列、NetWare等。这些操作系统根据侧重面和设计思想的不同，结构和内容存在很大差别。
语言处理程序是人与计算机之间交流的工具。一般分为机器语言、汇编语言和高级语言几种。
机器语言（Machine Language）是计算机系统能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。汇编语言（Assemble Language）是面向机器的程序设计语言，它是为特定的计算机设计的。高级语言诞生于20世纪50年代中期到70年代。这些高级语言较为接近自然语言的英文表达方式和数学表达方式。我们通常把用高级语言编写成的程序称为“源程序”，而把由源程序翻译成的机器语言程序和汇编语言程序称为“目标程序”。计算机将源程序翻译成机器指令时，通常有“翻译”和“解释”两种方式。目前常用的高级语言有：FORTRAN、PASCAL、C语言程序（包括现在较常用的面向对象的Visual C＋＋程序设计语言）、BASIC、JAVA等。
联接程序则可以把目标程序变为可执行的程序，因此又称为组合翻译程序或联接编译程序。由源程序到可执行的目标程序一般有两个阶段：翻译阶段和联接阶段。翻译阶段将源程序转换称为目标程序，这时程序仍是不能执行的。联接则是将目标程序转换成一个可执行的装入程序。诊断程序我们平时提得比较少。它主要用于对计算机系统硬件的检测。
60年代后发展起来的数据库系统是计算机科学中发展最快的领域之一。数据库系统通常由硬件、操作系统、数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）、数据库和应用程序组成。数据库是按照一定的方式组织起来的数据集合，具有数据冗余度小、可共享等特点。目前常用的数据库管理系统有：DB2、SQL Server、SYBASE、ORACLE等。
而数据库仓库是近几年才迅速发展起来的一种存储技术。目前，计算机界对数据库仓库还没有一个统一的定义。但是却有一个一致的观点，就是：数据库仓库绝不是数据的简单堆积。
2.2.2应用软件
应用软件是指利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。目前的应用软件可以分为一下几种类型：
(1)文字处理软件，主要用于对输入计算机的文字进行修改、编辑、排版等。目前常用的文字处理软件有：WPS、Microsoft Word等。
(2)表格处理软件，主要用于处理各式各样的表格。包括根据用户的要求自动生成相应的表格，完成表格计算等。还可将设计好的表格打印出来。目前常用的表格处理软件有Microsoft公司的Excel等。
(3)计算机辅助系统，主要是协助人们进行一些比较复杂的技术性工作，例如工程绘图等。主要包括辅助设计软件（CAD）、辅助制造软件(CAM)、辅助教育软件(CAI)和计算机代数系统辅助科研（CAS）。
(4)实时控制软件。现代的实时控制软件主要是指在现代化工厂里，用于生产过程自动控制的计算机上安装的，用于处理一定的生产信息如电压、温度、压力、流量等的软件。实时控制对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则会造成重大损失和事故。这一类软件统称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监察控制和数据采集）软件。目前比较流行的SCADA软件有FIX、InTouch、Lookout等。
2.3计算机工作原理
计算机的基本组成硬件我们已经有了初步的了解，那么它们之间是如何协同工作的呢？计算机系统的基本结构如图9.11所示。
（图9.11）
由图中我们可以了解，计算机由输入和输出设备、存储器、运算器和控制器五个部分组成。它一般采用存储程序模式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可根据运算结果和外界条件的改变而改变。
计算机以运算器为核心。输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（“与”、“或”、“非”等）。在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。
控制器则由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它地基本功能就是从内存取指令和执行指令。控制器和运算器合称为中央处理单元，即CPU（Central Processing Unit），它是整个计算机的核心。内存储器则用于存放要执行的程序和数据。
有了这些计算机仅仅只是有了运算的可能性。如果要让计算机进行计算、控制等功能，还必须配有必要的软件。这里的软件主要是指使用计算机的各种程序。计算机主要通过各种指令完成某个操作。一条指令通常由操作代码和操作数两个部分组成。操作代码指明该指令要完成的操作，操作数则指参加运算的数或数所在的地址。用户根据解决某一问题的需要，选择相应的指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可以完成预定的任务。
计算机执行指令一般分为两个阶段。首先，将要执行的指令从内存取到CPU内。接着，CPU对读入的该条指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作。接着向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后，就进入下一条指令的读取操作。
程序则是由一系列指令的有序集合构成，计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU从内存读出一条指令到CUP内执行，当该指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内继续执行。CPU不断的读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。
计算机是一种具有强大信息处理功能的电子设备，它有两个主要特点：它所处理的信息是数字式的，它的信息处理工作采用“存储程序控制”方式。因此，它具有完全的通用性。编制程序是计算机解决问题的关键之一。程序是由人根据需要编制的，计算机能按照程序，一条一条地忠实执行指令。
2.4 计算机语言的产生和发展
语言是人类所特有的用来表达意思、交流思想、传递信息的工具，是一种特殊的社会现象。而计算机是二十世纪人类文明史上最先进的发明。为了让计算机更好地为人类服务，我们必须得让计算机明白我们的意思，并能够按照我们的要求去工作。在这个基础上，计算机语言就应运而生了。计算机语言也叫程序语言（Program Language），是人与计算机交流的和沟通的重要工具。
由于计算机只能识别“0”和“1”两种状态，也就是说，计算机智能依靠电路“0”和“1”两种状态的转换来完成数字运算、逻辑操作和信息存储。因此，从世界上第一台电子计算机诞生的那一天起，人们就一直在设法开发计算机所能“理解”的语言。具体的做法是：用“0”和“1”编码的指令写出“机器语言”来。这样的机器语言就能沟通人与机器之间的对话。而这种直接用机器语言写出的程序，我们通常称之为手编程序。但是，以“0”和“1”为代码来编写程序，不仅难写而且难读，效率非常低。有鉴于此，人们开始改用符号来代替手编程序中的操作码和地址，于是就产生了汇编语言。编制符号程序（由汇编语言编写的程序）比起手编程序要先进、方便得多，但是编制符号程序因机器而异，而且效率也低，这与计算机硬件的高速发展是相矛盾的。
1953年12月，IBM公司程序师约翰·巴科斯（J. Backus）建议为IBM 704设计一种全新的程序设计语言。巴科斯曾在“选择顺序控制计算机”（SSEC）上工作过3年，深深体会到编写程序的困难性。他说：“每个人都看到程序设计有多昂贵，租借机器要花去好几百万，而程序设计的费用却只会多不会少。”因此，他希望能设计出一种用于科学计算的“公式翻译语言”（FORmula TRANslator）。1954年，他带领的一个13人小组设计完成了第一个电脑高级语言——FORTRAN语言。1957年，西屋电气公司幸运地成为FORTRAN的第一个商业用户。之后，不同版本的FORTRAN纷纷面世。1966年，美国统一了它的标准，称为FORTRAN 66语言。直到今天，FORTRAN仍然是科学计算选用的语言之一，巴科斯也因此摘取了1977年度“图林奖”。
在FORTRAN得到广泛运用的时候，并没有适用于商业的计算机语言。早在1952年，在斯佩里·兰德公司兼任系统工程师的格蕾丝·霍波（Grace Hopper ,1906-1992）率先研制出世界上第一个编译程序A-O，能够将类似英语的符号代码转换成计算机能够识别的机器指令，并发表了第一篇关于编译器的论文。到了50年代中期，她又开发出Flow－Matic语言，为COBOL高级语言诞生创造了基础。1959年5月，格蕾丝·霍波领导一个工作委员会成功的设计出第一个商用计算机语言COBOL（Common Business Oriented Language）。COBOL最重要的特征，就是和英文语法非常接近，可以让不懂电脑的人也看懂程序。只需要对编译软件进行少许修改，就可以在任何类型的电脑上运行。当时还发生了一件很有趣的事。这个委员会中有一个人担心这种语言不会长久，特地为这种语言制作了一块墓碑。然而，COBOL却幸存下来。1963年，美国国家标准局对它进行了标准化。用它编写的软件，要比其它语言多得多。格蕾丝·霍波是计算机语言领域的开拓者，人们尊敬的将她称作“计算机语言之母”。计算机界的通用术语“臭虫”（Bug），和90年代末引起世界范围内恐慌的“千年虫”（Y2K），就来自于霍波的天才创造和发明。1971年，为了纪念现代数字计算机诞生25周年，美国计算机协会设立了“格蕾丝·霍波奖”，专门颁发给年度最优秀的30岁以下的青年计算机工作者。
1958年，一个国际商业和学术计算机科学家组成的委员会在瑞士苏黎世开会，探讨如何改进FORTRAN。在这次会议上，科学家们探讨设计了一种标准化的电脑语言，巴科斯也参加了这次会议。1960年，该委员会在1958年设计的基础上，定义了一种全新的语言版本——国际代数语言ALGOL 60，并首次引进了局部变量和递归的概念。后来，ALGOL没有能够得到广泛的应用，但是却演变称为其他程序语言的概念基础。
FORTRAN和ALOGO等语言虽然在数值计算种能够大显身手，但是在人工智能领域却一筹莫展。1960年，美国马萨诸塞理工学院的计算机科学加约翰·麦卡锡发表了一篇的论文，文中介绍了一种新的计算机语言LISP。美国一直采用LISP作为人工智能语言，并开发了使用LISP的通用推理系统。特别是从七十年代到八十年代，获得了采用了LISP语言方面的许多研究成果。后来，另一种人工智能语言PROLOG在日本兴起。但是科学家们一直无法准确判断这两种语言到底谁更先进一些。
由于FORTRAN语言是为专业人员设计的，普通人难以理解和应用。为了让更多没有任何经验的人和非计算机专业的学生也能使用电脑，60年代中期，美国达特默斯学院的约翰·凯梅尼 （J. Kemeny） 和托马斯·卡茨（T.Kurtz）在简化FORTRAN的基础上，设计出一种“初学者通用符号指令代码”（Beginners All purpose Symbolic Instruction Code），简称BASIC。由于BASIC简单易学，而且使用方便，所以它很快就成为最流行的电脑语言之一，几乎所有的小型电脑和个人电脑都在使用它。BASIC经过不断的改进后，一直沿用至今。到后来，还出现了例如QBASIC和VB等新一代BASIC版本。
1971年，麻省理工学院（MIT）人工智能实验室的希摩尔·帕伯特（S.Papert），设计出了一种叫LOGO的电脑语言。LOGO是为孩子们设计的，它最初是个绘图程序，控制一个海龟图标，在屏幕上描绘爬行路径的轨迹，从而完成各种图形的绘制。希摩尔希望用LOGO语言启发孩子们学会学习，希望孩子们能进行创造性探索。在马萨诸塞州列克星敦，一些孩子用LOGO设计出了真正的程序，于是，LOGO就成了一种热门的教学语言。
计算机语言基本上在美国诞生和迅速发展，然而也有例外。1971年，瑞士联邦技术学院克劳斯·沃尔斯（N. Wirth）发明了另一种简单明了的电脑语言——PASCAL。PASCAL语言语法严谨，层次分明，具有很强的可读性，是第一个结构化的编程语言。加上它的程序相当容易编写，所以一出世，就受到广泛的欢迎。并迅速从欧洲传到了美国。沃尔斯还写了许多有关程序设计、算法和数据结构的著作。因此，1984年的“图灵奖”授予了他。
1983年，贝尔实验室的邓尼斯·里奇 （D.Ritchie）和他的协作者肯·汤姆森（K. Thompson）由于设计开发出C电脑语言，而获得了当年的“图灵奖”。C语言是当今软件工程师最喜爱的语言之一。关于C语言的诞生，还有一个小故事。里奇和汤姆森最初是答应为贝尔实验室开发一个文字处理软件。他们需要购买一台小型电脑PDP－11/20，并争取到10万美元的经费。然而机器购回后，他们却用它来编写UNIX系统软件。UNIX在科学家和工程师中间引起了巨大反响，很快就有了大量的追随者，并且推动了工作站电脑和网络的成长。而C语言是作为UNIX的“副产品”开发出来的。里奇和汤姆森研制C语言的初衷是为了用它来编写UNIX。C语言结合了汇编语言和高级语言的优点，因而大受程序师的亲睐。
1983年，贝尔实验室的另一位研究员比加尼·斯楚士舒普 （B.Stroustrup），把C语言扩展称为一种面向对象的程序设计语言C++。当今，虽然计算机语言极大丰富且种类繁多，但是在计算机界却流行这样一句话：最好的程序员用C++。的确，在今天，数以百万计的程序员在用它来编写各种数据处理、实时控制、系统仿真和网络通讯等软件。因此，在1995年，《BYTE》杂志将比加尼·斯楚士舒普列为“计算机工业20个最具影响力的人”行列。
后来，随着Windows操作系统的崛起，由传统的面向控制台的字符软件开发向面向窗口程序的可视化编程转化已成必然趋势，Visual C＋＋也就应运而生了。Visual C＋＋支持面向对象的程序设计方法（OPP－Object-Oriented Programming）,支持MFC（Microsoft Foundation Class）类库编程，有强大的集成开发环境Developer Studio。Visual C＋＋可用来开发各种类型、不同规模的和复杂程度的应用程序，开发效率很高，生成的应用软件代码品质优良，因而成为许多专业程序开发人员的首选。
说起计算机语言的发展，不得不提到一个在今天的计算机世界举足轻重的人物——比尔·盖茨。他以及他推出的Windows视窗系列，引起了计算机界的一次深刻的变革。1990年5月22日，Windows3.0隆重向市场推出，并以每月10万套以上的速度向全球发售，1990年底创下累计100万套的纪录，雄据世界软件排行榜榜首；在新版Windows3.1推出的1992年以前，3.0版的发售量业已达到700万套的天文数字。Windows3.0的确是自MS-DOS后的又一件划时代的软件产品。它构造了一种基于图形的操作环境，在能够“看到”的窗口、图标和按钮等等图形引导下，使过去繁琐的操作简化为鼠标轻轻一点，真有赏心悦目、随心所欲的感觉。它还提供了多任务环境、资源共享、与设备无关等等强大的功能，并率先突破DOS管理下640K内存的森严壁垒。可以毫不夸张地讲，Windows3.0的问世，标志着微型电脑软件技术的又一场革命：60年代从批处理软件转变为交互式人机对话，80年代从字符型转变成图形操作软件。自此而后，PC应用软件将在“窗口”环境里重新孕育重获新生，PC电脑用户将在“窗口”下获得图形界面的巨大享受，程序师将利用“窗口”提供的工具，高效率设计出高质量的各种软件。“窗口”的版本推陈出新，“窗口”的触角日愈伸展，在全世界掀起一股不可阻挡的潮流。一位资深电脑专家激情地指出：“Windows太重要了，称之为‘多媒体的DOS’或‘最终的DOS’，一点也不过分。”之后，微软公司相继推出了更新更高更方便的版本。Windows 9X系列，Windows NT系列……可以说，今天你一提到计算机，人们就会想到Windows。
第三节 今天的计算机
信息处理技术对整个社会的发展影响非常之大。计算机的发明对人类社会的广泛影响完全可以和以往信息处理技术发展的最重要的成就相比拟。在人类历史上，有几次重要的信息处理技术里程碑。第一是文字的发明，它使信息得以在更大的范围内跨越时间和空间传播。第二是算术的发明，它使量化的数字信息被加工和变换。第三是活字印刷的发明，它使大量信息被成批复制成为可能，让信息真正成为共享资源。第四就是通用数字计算机的发明和后来的高速通信网络的出现，它们使得高速的信息传播和加工以及变换成为可能。可以说，第一次工业革命（以各种“能量形式”的相互转换和利用为标志）后，社会形式向更新方向发展的重要标志之一，就是计算机的出现。
3.1 计算机的应用领域
从计算机出现在这个世界上的第一天起到现在，短短时间内，已经衍生了四、五代子孙。现在，它已渗透到我们日常生活的各个领域。通常，我们习惯按照计算机的基本构成元件来划分计算机的时代，这样的划分方法具有一定的局限性。我们完全可以从计算机的应用和它对社会的影响程度来划分计算机的历史。计算机从诞生至今的50多年大致可以分为两个阶段。在前一个时期，大约是40年代末50年代初到80年代中期。这一时期的计算机体积庞大，价格昂贵，只有政府部门、大企业和大学的重要研究单位才会购买，并且只有少数专业人员才能够使用，而广大平民百姓根本没有机会去接触它。在这种环境下，用计算机来进行信息传播和加工利用仅局限于非常小的圈子里。而且造成的严重后果是计算机规模越大，价格越昂贵，它所管理的宝贵信息资源只能集中在越少数的“中心”里，无法形成开放性的，大规模的信息利用局面。
直到80年代中期微型计算机出现后，计算机才开始走入平常百姓家，开始它的成熟时期。关于计算机的重要应用，可以从以下这几方面体现出来。
科学计算
科学计算原义是数值计算，指用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的浮点计算，
它是电子计算机的重要应用领域之一[2]。世界上第一台计算机就是为了科学计算而研制的。随着科学技术的发展，各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已远远无法满足研究的需要。特别是在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域，都需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算最大的特点，就是运算量大，数值变化范围大。现今科学计算的概念已经覆盖了符号和代数计算，如合并同类项、分解因式、求导数和原函数、解方程或方程组等等。用于符号和代数计算的软件叫做“计算机代数”系统。
数据处理
数据处理是指对大量的数据进行分析、合并、分类、统计等处理，以形成有用的信息。与科学计算不同的是，数据处理虽然涉及的数据量比较大，但是计算方法相对简单。
人类在很长的一段时间内，只能靠自身的感官去收集信息。例如一些古老的故事和传说，都是通过口授记忆的方式一代代传下来。后来文字和纸诞生后，信息就依借文字和纸张的记载流传下来。但是这样的信息查阅起来异常复杂和麻烦，甚至要通过学习一些特定的方法和手段才能查到，速度非常之慢。在人类进入工业社会后，为了处理好日益堆积起来的浩如烟海的信息，全面深入的掌握这些信息所反映的事物的本质，就必须用计算机进行处理。现在，办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等都要用到数据处理。数据处理，已成为计算机应用的一个重要方面。
过程控制
过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制[2]。
现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，因此对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益提高。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性。冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门已经广泛的使用计算机控制过程。
计算机辅助系统
计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。
CAD（Computer-Aided Design），也就是计算机辅助设计，就是用计算机帮助各类人员进行设计。现在，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等都已开始使用计算机进行。采用计算机进行辅助设计，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计速度，最重要的，是它提高了设计的质量。特别是后来3D技术的出现，使得设计人员可以通过仿真模拟显示，预先检验实际的设计效果，减少了很多不必要的浪费。也使设计人员能及时发现设计上的漏洞，从而进行修正。
CAM（Computer-Aided Manufacturing）——计算机辅助制造，是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。通常，在产品的制造过程中，利用计算机来控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。CAM技术可以大大提高产品的质量，降低产品的成本，缩短生产周期，降低工人的劳动强度。近年来这项技术已经发展为集成度更高的CIMS（Computer Integrated Manufacture System），即计算机集成制造系统。
CBE（Computer-Base Education）——计算机教育。它包括：计算机辅助教学CAI（Computer-Assisted Instruction），计算机辅助测试CAT（Computer-Aided Test）及计算机管理教学CMI（Computer-Management Instruction）。特别是最近几年，计算机辅助教学CAI正在如火如荼的进行之中。众多的软件公司、大学的研究机构、中小学教育部门和众多的教师，都参与到其中来。CAT也在近几年得到了长足的发展，特别是在一些标准考试中，例如GRE的考试。考生用自己的帐号（也就是我们平常考试中的准考证）在计算机上阅览试卷，通过鼠标和键盘做答。答完后，通过网络提交试卷。这样就能当场知道自己的考试成绩。这样的考试方法，不仅方便快捷，而且节省了大量的人力和物力，是未来考试方式的发展方向之一。同时，随着网络技术的进一步发展，网上教学和远程教学也发展起来，极大的满足了人们继续求学的欲望。
人工智能
人工智能又称为AI（Artificial Intelligence）,一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。AI是目前计算机应用研究的前沿学科，科学家们正致力于研究怎样让计算机变得越来越聪明。研究人员希望通过在计算机中存储一些基本的定理和推理规则，然后让计算机自动弹出解题的方法和答案。
信息高速公路
1992年，当时的美国参议员，后来一度任美国副总统的戈尔，提出了建立“信息高速公路”的建议。即将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，将所有的公司和家庭都连接到这个大网络中去，以实现最大程度的资源共享。1993年，美国正式宣布实施“国家信息基础设施”（NII）计划，也就是我们常说的“信息高速公路”计划。这个计划一经推动，就引起了全球的关注。世界各国也纷纷开始开展自己的“信息高速公路”计划，积极加入到这场世界范围的大竞争中去，我国也不例外。
面对这场日益向深度和广度发展的信息浪潮，我国政府成立了国家经济信息化联席会议，党的十四届五中全会又把“加速国民经济信息化进程”写入了“关于制定国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标”的建议中，把信息产业的发展摆在了最突出的位置。
3.2 计算机与网络
信息技术的飞速发展使网络已经遍布世界的各个角落，并影响着社会生活的方方面面，人们可以称“有计算机的地方就有网络”， 网络本身会成为计算机技术发展的动力，一个以网络为主要特征的信息社会即将到来。“网络就是计算机”不仅是一种经营策略，而且是一种思维理念，近几年来，一些先进的计算机技术的出现和发展正是紧紧围绕这个主题发展起来的。
计算机网络出现的历史不长，但发展很快。世界上第一台电子计算机ENIAC诞生时，和通信间并没有什么大的联系，主要用于科学计算。那个时候的计算机系统是高度集中的。所有的设备都安装在一个独立的大房间中。最初，一台计算机只能供一个用户使用。后来研制出了批处理和分时系统。一台计算机虽然可以同时为多个用户服务，但不和数据通信相结合，分时系统所连接的多个终端都必须紧挨着主计算机，用户必须到计算机中心的终端室去使用，显然是不方便的。
20世纪50年代，美国半自动地面环境SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）防空系统开始进行将计算机技术和通信技术相结合的尝试。他们将远距离雷达和其它测量控制设备的信息通过通信线路汇集到一台IBM计算机里进行集中处理和控制。后来，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，而用户则在自己办公室的终端上键入程序，通过通信线路送入中心计算机，进行分时访问并使用其资源来进行处理。然后再将处理的结果通过通信线路送回到用户的终端上。这样，就出现了第一代的以单个计算机为中心的计算机网络。这样的远程联机系统，除了一台中心计算机外，其余终端都不具备自主处理的功能。这样的计算机网络，称为面向终端的计算机网络。20世纪60年代初，美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内的2000多个终端组成的飞机票预定系统SABRE（Semi-Automatic Business Research Environment）就是第一代计算机网络的典型代表。
第二代计算机网络是多台主机通过通信线路互连起来为用户提供服务的方式，即所谓的计算机－计算机网络。与第一代计算机网络不同的是，这里的多台计算机都具有自主处理的能力，它们之间不存在主从关系。第二代计算机网络的典型代表是ARPA网（ARPAnet）。ARPA是20世纪五六十年代冷战时代孕育的产物。1968年6月3日，美国国防部高级计划署ARPA（目前称为DARPA——Defense Advanced Research Projects Agency）正式批准了“资源共享的计算机网络”研究计划。由于该网是在ARPA的组织下进行研究的，所以这个网络又称为“阿帕网”——ARPAnet。我们今天有关计算机网络的很多知识和术语都来自ARPA的研究结果。
计算机间进行通信时，对传送信息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，我们将这样的约定称为协议（Protocol）。最早在ARPA上使用的是网络控制协议（NCP）。70年代中期，为完善网络性能，ARPA开始采用TCP（Transmission Control Protocol）/IP（Internet Protocol）（传输控制协议/互联网络协议）。
以ARPA网和英国国家物理实验室NPL的分组交换网为先驱，第二代计算机网络在20世纪70年代和80年代得到了迅猛发展。其中，有研究实验性的网络，如IBM的沃森研究中心，卡内基－梅隆大学和普林斯顿大学合作开发的TSS网，加利福尼亚大学欧文分校研制的DCS网等。还有一些是个别用户为特定目的而自行研制和使用的网络，如加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所建立的DCTOPUS以及法国信息与自动化研究所的CYCLADES网等。也有用户联合为一定范围内应用而建立的网络。如国际气象监测网WWWN（World Weather Watch Network）等。
在采用了TCP/IP协议后，ARPA利用称为网关的网络设备实现了网际互联。形成了“网际网”，真正意义上的Internet出现了。到了70年代后期，第二代计算机网络已经越来越不适应社会的需求。发展新一代的计算机网络就被提到日程上来。1984年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）制定并颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型（Open System Interconnection Basic Reference Model，OSI/RM）的国际标准ISO 7498 七层模型结构。80年代，以OSI模型为参照，ISO以及当时的国际电话电报咨询委员会CCITT等为各个层次开发了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本标准集。也是在80年代，美国学术科研网络NSFNET取代ARPA，成为Internet的主干网，Internet开始向商业领域迈进。Internet是在原ARPA网的基础上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循TCP/IP协议并申请到IP地址，就可以通过信道接入Internet。Internet（也称国际互联网或因特网）就是一个开放式标准化的网络。
由上面的历史，我们可以发现，Internet最初只是美国政府资助建立的一个学术科研教育网，其目的是鼓励学术界的互相交流与资源共享。当NSFNET向ANSNET转化的时候，Internet向商业化和私有化迈出了第一步。事实上，很多公司使用Internet已经有了相当长的时间，不过仅限于研究开发和工程部门。之后，由于Internet原先制定的限制商业化使用政策发生了变化，一些公司才开始利用Internet来为商业服务，并且还利用Internet来进行商业活动。因此，有人将1994年称为Internet的商业化年。
网络的形式并不是单一的。如果按照网络覆盖的地理范围，我们可将网络分为：局域网、校园网、城域网、广域网、全球网。
局域网LAN（Local Area Network），通常在一间机房内，或相连的几间房间内，或一幢大楼内。校园网CAN（Campus Area Network），校园网可将相近的若干大楼互连在一个网络中，但并不仅限于校园中，也可以用在一家企业的厂区或一个单位的大院内。城域网MAN（Metropolitan Area Network），其作用范围为一个城市，有时也称为市域网。广域网WAN（Wide Area Network），通常在一个国家和相邻的若干国家中，有时也称为远程网（Long Haul Network）。全球网GAN（Global Area Network），通常是指跨洲界、覆盖范围几近全球的网络，因特网Internet就是一个典型的例子。
除了按照网络覆盖的地理范围对网络进行分类外，我们还可以根据网络的物理形状（或拓扑结构）将网络分为：不规则网形、星形、总线形和环形。
我们还可以根据传输信息的物理信道是用什么媒体（Medium）来将网络分为：双绞线网、同轴电缆网、光纤网和无线网等。
如果从网络的使用范围来分，则可以划分为公用网和专用网两大类。公用网是为全社会所有的人提供服务，凡是愿意按规定交纳费用的人都可以使用。专用网则是个别单位和部门，和行业为特殊业务需要而组建的网络。它只供专门人员使用。这一类的网络，可以按照业务工作范围进一步细分为：军事指挥网、政务信息网、气象监测网、情报检索网、航空订票网、教育科研网、金融清算网、铁路调度网等等。
Internet的功能可以归结为资源共享、提供人际通信手段、分担负荷以及协同处理等方面。它所提供的服务主要有：远程登陆到其他计算机，在其上运行程序；在计算机间传送文件；在用户间收发电子邮件；共享消息与新闻以及各种查找服务和浏览服务。
(1)远程登录
Internet通过Telnet功能提供远程登录服务，允许用户通过Internet登录到远程计算机的分时系统中去。用户可以通过本地的键盘和显示器与其它地方的计算机交互作用，控制其上程序的运行。
(2)文件传输
Internet的文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）允许用户将自己计算机上的一个文件的副本传送到异地的计算机上。但一般来说，人们更多的是从异地计算机上获得一个文件副本，传输到本地的计算机上来。连接于Internet上的许多计算机上的一些公用文件，允许用户通过网络登录来访问和获取。用户甚至可以用匿名（anonymous）方式访问。登录口令可以不做要求或以客人（guest）身份登录访问等。
(3)电子邮件
电子邮件（E－Mail）是Internet上使用得最广泛的一种服务。任何用户都可以将存放在自己计算机上的电子信函，通过Internet的电子邮件服务传送到另外的Internet用户信箱中去。这个传送对象，可以是你的朋友、同事、家庭成员等，只要他（她）也是Internet用户即可。邮件可以向一人发送，也可以同时向多人发送。同理，你亦可以收到其他用户发给你的邮件。由于许多计算机网络都提供了一种能与Internet上的电子邮件互通的服务，因而许多不是Internet用户的人也可以通过这些网络和Internet用户互通电子邮件。
(4)电子公告牌与网络新闻
电子公告牌BBS（Bulletin Board System），就是Internet上的电子布告栏。在公告牌上，允许用户“张贴”自己的文本布告，以提出各种各样的问题，查询在使用服务时遇到的问题并得到答案。并且可以浏览其他人所提出的所有问题，以寻找自己所需要的答案。也允许人们在这里针对各种问题发表自己的看法。BBS是一种新型的可以由个人使用的电子出版物。
网络新闻（network news），有时也简写为Netnews，则是Internet上一个重要的电子公告牌服务。网络新闻为具有共同兴趣的用户提供了一种交流思想和观点以及进行讨论的手段。按照兴趣和议题的不同，Netnews还设置了许多新闻组（newsgroup）。Netnews上的许多新闻在世界范围内传播，而有些新闻却局限于局部的范围。如一个国家或者一个组织。用户可以阅读某个新闻组中的信息，也可以自己编辑和发送一条信息到新闻组中。到1994年初，世界上已有超过6600个不同的新闻组。到现在，更是数不胜数了，其内容涉及科学、技术、文化、社会、生活等各个领域。网络新闻和电子邮件中的信息采用的是相同的表示格式。
(5)数据浏览和检索
Internet上的信息浩如烟海，要在Internet上查找某个特定的信息或文件，以及以文件形式存放的程序和软件，并不是一件轻松容易的事。为此，Internet提供了一种专门的服务，可以按照用户给出的名字自动搜索，找到具有该名字的文件存放在哪里。
(6)全球范围的超媒体信息浏览服务
World Wide Web，简称WWW，又名超文本全球信息网。它是目前Internet上发展最快的网络信息服务。各个服务单位只要建立了自己的WWW服务器并和Internet网络连接，就可以共享信息了。WWW信息浏览器是一类软件，他们可以让用户在全球网上浏览图形、声音、图像，甚至是可视图像，也就是我们常说的多媒体信息。Netscape公司的Navigator（导航者）和Microsoft公司的Internet Explorer（简称IE）是目前用于浏览WWW网页的两个著名浏览软件。
3.3 计算机与通讯
20世纪末、21世纪初电脑技术的一个巨大转变是，随着Internet的普及和发展，电脑不再单纯是一种计算工具，而更重要地变成一种通信工具。通信工具的功用是交换数据和信息。在当今快节奏的生活和工作方式下，通信已经是一种随时随地的需求，因此我们很难想象它可以受到时间、空间的阻隔而我们还可以宽容地忍耐。移动计算虽然在今天还不能让我们感到满意，但它的巨大发展潜力和未来的商机却已昭然若现，对此我们没有理由无动于衷。
数据通信和计算机网络正是计算机技术和通信技术密切结合的产物。是应用数据传输技术实现计算机与计算机、计算机与数据终端以及数据终端与数据终端之间的数据信息传递。它的出现，对传统的通讯方式产生了巨大的影响。
数据通信业务是为实现远程信息处理提供服务的。随着计算机的广泛应用和普及,各种具有处理功能的智能设备的日益增多,数据通信的应用范围也日益扩大,典型的应用如文件传输、电子函件、语音信箱、可视图文、文件检索、远程医疗等等,被传送数据信息类型是多种多样的。
数据通信是为了适应计算机之间信息传输需要而产生的一种新的通信方式。网络本质上属于通讯工具
网络技术使人际交往在多样化的进程中迈出重要一步，因为它除了自身的通讯功能外，还能够把自己与传统的所有通讯工具结合起来，从而发挥出意想不到的功能。如电话与因特网结合有了IP电话和网络传输的可视电话。电视与因特网技术结合有了远程视频点播及网上实况转播。网络与传真机结合更有多种方式，最简单的一种便是通过电话线将远程传真机作为自己计算机的远程打印机，通过Word的打印直接将排好版的文件一模一样传到世界各地；还有一种是通过因特网线路将传真转发至目的地。
网络聊天是一种全新的交往方式。双方一般以匿名方式交谈，可以随意把自己扮演成各种角色，无论性别、种族、社会地位。实际上，网上看重的是谈话的内容，至于谈话者是人还是狗都无关紧要，因此在网上交谈不必太当真，某人表现得宛如二八少女，实际上可能是一个干瘪老头。网络交往使通讯过程出现“虚拟主体”，这对人际交往产生革命的变化。比如大公司在网上对客户实施服务，客户感觉总是公司的最优秀职员或者经理在对自己服务，而且每次都是那么客气（实际上相当多是套话，每次自动拷贝上去的，不必太动情）。现代社会运行节奏变化相当快，越来越多的人不同程度患有心理障碍，在很多情况下需要找一个倾诉对象。而到现实心理诊所治疗多有不便，这时网络虚拟的“知心姐姐”、“知心哥哥”可以发挥作用。虚拟主体可以针对心理疾病患者的特点，投其所好，对症下药。当然，“虚拟主体”也产生了许多伦理道德问题。
使用网络交往的最主要方式还是电子邮件和文件传输，由于现在的电子邮件可以以附件的形式传输各种文件，这两者实际上可由电子邮件一种方式完全代替。在发达国家，约有半数人上网，而上网者平均每天收到五封以上电子邮件，要主动发送三封以上电子邮件，而这一切并不需要花费很多时间。多数电子邮件十分简单，只有一行字或者只有一两个字。写电子邮件也不必拘泥于形式，任何一种写作方式都是可以接受的，通常信中夹杂许多约定俗成的简写（如you 用u代替，four 和for 用4代替）。当你阅读完一封邮件后，还有疑问，可以简单地回复一下，请求予以解释。这是一种非正式的沟通方式，但人们在商务或者其他事务性工作中也往往利用这种特点，双方事先非正式地联络一下，多次试探对方的可接受程度，以便最终达成协议。这是其他传统通讯方式无法做到的。
3.4 办公及管理
计算机的诞生，对人类的生活产生了深远的影响，并且正在改变着全世界的生活方式。这种改变，最直接的体现在办公方式上。
首先，是我们的办公室不再像过去那样，堆满了文件夹和档案夹，也不再有各式各样的文件稿纸。更不需要一个专门的秘书来打理这些庞杂的文件。计算机已经取代这些过时的办公设备，并将他们融为一体。那些文件夹和档案夹变成了计算机里的一个个文件，用户需要的时候，只要输入相应的文件名，就可以找到想要的文件。就算忘了文件名也没有关系，还可以根据存储路径来查找相应的文件。计算机还提供了大量的文件撰写软件，用户可以直接在计算机上编写所需要的文件。编写好后，可以通过Internet将这份文件传送到各个部门，省时省力。如果需要将这份文件述诸于纸张，还可以将它打印出来。这样的文件标准、美观，并且极大改善了纸张浪费的情况。同时，办公的效率也大大的提高了。
特别是70年代个人计算机出现后。有了个人计算机，就可以不必用打字机打信件，不必用复写纸写出这些信件的复件。企业和政府部门可以安装个人计算机，用文字处理软件来生成这些信件，并用连接到计算机上的打印机打出所需的复件。
对财政部门来说，个人计算机代替了计算器和累加器，也代替了原来繁复的财务表格。财务部门只要用“空白表格程序”就可以进行数值计算，并可以自动套用计算公式。用户只要输入新的数据就可以了。所有的计算将由程序自动完成。
原来政府部门和很多企业中还有资料室和设备科。现在，完全可以用计算机建立数据库来保管这些信息记录。这样无形中就节省了不少额外开支。
六七十年代，管理信息系统蓬勃发展起来。管理信息系统是用于生成管理报告的应用程序，可以协助经理们完成日常工作，处理、分析数据，以确定企业的进展情况。管理信息系统甚至能够回答厂家是否生产了足够的产品以满足计划需求的问题。到了七八十年代，出现了决策支持系统，它能够把管理报告的概念扩大到支持做出决策的各个方面。决策支持系统可以用来解决诸如是否有必要建立一个新工厂的问题。在决策支持系统的基础上，又诞生了专家信息系统。决策支持系统根据现有的数据提供扼要的信息，管理当局能够根据这些信息较好的做出决策。专家信息系统则能提供各种可供选择的决策方案，并列出影响这些方案执行的所有因素。到了90年代，联机事务处理系统开始成长壮大起来。它能使商务一经开始便能很快完成。联机事务处理系统与原来的两个系统相比，最大的特点就是它是一个实时处理系统。它能够根据客户的要求，自动调整生产计划。它使公司的决策支持系统能更准确地反映当前的营业状态。
在这些信息管理系统的帮助下，企业能在原有的基础上提高产品和服务的价值，能够带来竞争优势。有了信息管理系统，还能改善企业内部的通信，提高效率和生产力。在生产过程中，如果不生产销路不好的产品，那么畅销产品的产量就能提高。你还可以在信息系统的帮助下，根据生产需求选择适当的劳动力，从而降低成本。有了以上这些因素，就能改进财务决策，以减少投资失误率。
系统正在代替人力从事办公室的各项工作，从简单的收发邮件直到复杂的公共管理，办公自动化已成为未来的发展趋势。现在，作为一名管理人员，必须学会使用计算机。因为几乎所有的事务，都记录在计算机中，并通过计算机和网络进行处理。计算机的介入，使得传统的办公方式开始动摇。过去困扰经营者的场地、办公室以及各种办公设备和办公用品将会逐渐成为过去。所有的事情，包括会议、决策等等，将依赖于一台小小的电脑完成。经营费用的减少，将使经营者能有更多的余力投入到生产中。
用计算机代替人进行管理，将极大的减少人为因素对生产和决策的不良影响，使得管理过程能够进一步透明化和规范化，也能使生产不再耽于人事。目前，计算机已经涉及到质量管理、风险管理、时间管理、成本管理、采购管理、人力资源管理、通信联络管理等方面。
3.5 电子商务
90年代Internet进入商业领域后，就有如星火燎原一般，迅速席卷全球。网络正逐渐成为新的商业环境，一个新的商业名词——电子商务（Electronic Commerce，简称EC）开始蔓延在世界各个角落。
从狭义上说，电子商务是指在Internet上进行的交易活动，包括通过网络买卖产品和提供服务。这里指的产品，可以是实体化的，如汽车、衣服、手表等。也可以是数字化的，如新闻、录像、电影、软件等基于知识的产品。此外，还可以通过Internet提供各种服务，如安排旅游、远程教育等。从广义上来说，电子商务不仅包括通过Internet进行的网上商业数据交换和电子交易，还包括政府职能部门提供的电子化服务、电子银行、企业协作等。
电子商务与传统的商务有很大的区别。但仍可像传统商务那样，将其划分为合同谈判和支付及货物运送两个阶段。从严格意义上讲，一个完整的商务过程都应包括这两个阶段。但是由于各方面的原因，目前的电子商务活动还不能在网上进行支付和货物运送。所以，可以将电子商务划分为两大类。
第一类：非支付型电子商务
非支付型电子商务，即不进行网上支付和货物运送的电子商务。在这种类型的电子商务中，只有物质和信息的流动，没有资金的流动。其内容包括：信息发布、信息查询、在线谈判、合同文本的形成等。我国目前的电子商务系统大都属于这种类型。
第二类：支付型电子商务
支付型电子商务，即进行网上支付和货物运送的电子商务。支付型电子商务中，既有物质和信息的流动，也有资金的流动。它除了包含非支付型电子商务的全部内容外，还包含了资金的流动。
然而这种商务系统中有一个问题亟待解决，那就是电子签名的合法性。在传统商务中，各种合同都需要交易双发的亲笔签名，法律只承认亲笔签名的合法性。而在电子商务活动中，交易双方只在合同上进行了电子签名。建立电子签名的合法性和有关法律规章，就成了当务之急。电子商务在我国也得到了一定程度的发展。以“湖南省电子商务系统”为例。
“湖南电子商务系统”是湖南邮电、中国银行湖南支行、中国农业银行湖南分行和IBM联手推出的全国首套基于SET（Safety Electronic Trade，安全电子交易）的电子商务系统。这个系统采用了全套的IBM电子商务产品，包括商业服务器、电子身份证发放机制、电子钱包和支付网关。在经过了一段时间的测试后，目前已正式投入运行。在这个系统上，交易双方除了可以进行最基本的商品查询，以及进一步的合同谈判之外，还可以在通过身份认证后，通过银行进行网上支付。
在世界上，电子商务的发展势头更是锐不可挡。目前，全球的Internet用户数量已超过了1.8亿。如此巨大的用户市场，意味着巨大的商业机遇，它为全球电子商务的发展储备了丰厚的潜在利润和现实利润。
例如，美国戴尔（Dell）电脑公司每天通过Internet直销的PC机价值超过了1000万美元。1998年的网络销售额比1997年增长了3倍。思科（Cisco）公司在中国的业务有80％是通过网络进行的。在全球范围内，Cisco每天接到的网上订单达2800万美元。Intel公司也不甘落后。1999年，它在其Web页上的月销售额达到了10亿美元，相当于该公司总销售额的40％。电子商务将在全球经济中扮演越来越重要的角色，电子商务、数字经济，将推动21世纪世界经济的持续增长。
3.6 人工智能
计算机是二十世纪人类最伟大的发明之一。从它诞生的那一天起，科学家们就一直致力于让计算机变得更聪明，努力让计算机能读会写，能听会说，让它能够像机器解放人的手脚那样解放人的头脑。1968年，“丹觉尔”智能软件研制成功，它可根据化学规律比人更快的推算出化学物质的分子结构。1972年投入研制的医疗专家系统，可以代替医生从事药物治疗。之后出现的“艾伦”，是世界上第一个能够自行创作的“机器画家”，并且，它的作品广受欢迎。
在提高计算机的“智能”方面，最广为人知的，就要数国际象棋领域的人机对抗事件。1988年，由IBM公司研制的，第一台达到国际特级大师水平的计算机“深思”，虽然在1994年与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫的对垒中失败，然而却给对手造成了很大的压力。到了1997年，在“深思”的基础上改造的“深蓝”，再次向卡斯帕罗夫发出挑战。
在前五局比赛中，卡斯帕罗夫首先拔得头筹。紧接着“深蓝”扳回一局。之后的3局，双方连续战平，各积2.5分。因此，最后一局比赛就成了关键所在。在最后这局比赛中，“深蓝”执白以王兵开局。卡斯帕罗夫依然采取稳扎稳打的战略，构筑防线，背水一战。然而卡斯帕罗夫有步棋走错了，“深蓝”执白抓住时机，赢得了先手。到了第十八步之后，卡斯帕罗夫再也无心恋战，投子认输。
“深蓝”由IBM技术人员历时六年研制完成，凝聚了世界上最尖端的计算机技术。它带有256个能在一台RISC系统/6000型计算机上同时运行的处理器。它的运算能力是“深思”的1000倍。它可以在3分钟内对500亿步棋进行分析并做出选择。“深蓝”计算机设在纽约约克敦海茨的沃森研究中心，它利用互联网向设在192千米之外的费城对弈现场的一台RISC系统/6000计算机发出行棋指令。
“深蓝”计算机是通过计算速度和对棋局的分析下棋，而不是通过模仿人脑来下棋。“深蓝”程序中带有一个收集了20世纪各国著名国际象棋大师所下的数千个棋局的数据库，还储存了10亿个棋谱。下棋时，每秒搜索2亿个棋步，并从中找出最有利的走法。“深蓝”还融入了专家系统、自主学习等人工智能手段。它的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
“深蓝”的胜利显示，虽然机器使用的策略和人脑想出的策略有很大的不同，但同样有用。卡斯帕罗夫在赛后这样说道：“如果你与机器下棋，特别是与它比赛，你很难不相信‘深蓝’是有智慧的。因此，我们必须同意，解决智力问题，不一定要依靠人脑的特殊结构。”
其时，卡斯帕罗夫的这个问题早在半个多世纪前，就已经在图灵的《计算机与智力》一文中提出来了。文中提出的“图灵测试”的概念，就是测试者通过提问的方式来分辨隐藏在幕后的测试对象是否是人。IBM 公司的“深蓝”电脑将世界冠军卡斯帕罗夫降服的情景人们至今还津津乐道，那么电脑能否与人像老朋友一样十分投机地聊天呢？随着人工智能技术的不断发展，每年一度的英国科学周推出的智能对话软件模仿真人的水平也越来越高，去年前来参加这项聊天活动的网虫们有六分之一被蒙骗，今年推出的“阿莱克斯”就达到了27％的欺骗率。最滑稽的要数那名和三台参赛电脑一起躲在幕后的那位真人了，有37％的网虫硬说这名来自某大学的高才生是台电脑，真可谓真亦假时假亦真，让人哭笑不得。
这样看来，如果我们将允许提问的范围严格加以界定，那么能够通过“部分”图灵测试的智能计算机是完全可以研究出来的。这样的方法应该也适用于智力劳动的机械化。
众所周知，推理是智力的一项重要内容。特别是对于数学一类的基础学科，推理可以说是构成学科的主体。机器证明是用电子计算机来完成数学命题的证明，它是现代数学中一种新兴的边缘性学科，是现代人工智能发展的一个重要方向。但是，要想用一台计算机全面取代这样一种复杂的劳动，在短期内来说，是很不现实的。我们只能利用“分块蚕食”的方法，在各个不同领域的相对狭小的范围内，逐步用计算机推理取代人的部分智力劳动。我国著名数学家吴文俊先生就在几何定理的机器证明中取得了突破性进展。1977年，吴文俊[3]提出了针对“等式型”命题（即假设和结论中都不包含不等式的命题）的判定算法，是这一领域的重要突破。他证明了初等几何一类主要定理的证明可以机械化；1980年，他还用一部微机在20和60个机器小时左右分别发现了两个几何学的新定理，引起学术界的关注。从手工证明到机器证明，是数学思想方法的重大飞跃。将这种方法应用于初等几何的等式型命题，判断效率很高。这种方法的成功推动了世界范围内机器证明代数方法的研究和发展。之后不久，张景中[4]及其合作者就推出了以面积、勾股差等几何不变量为工具的消点法。这种消点法，既有很高的效率和相当于吴文俊方法的覆盖面，又能够由机器自动生成较接近于传统证明的“可读证明”。
“可读证明”，即人能够理解并能运用人工检验的证明。近期，张景中等人将这项技术成功的应用于教育软件系列《Z＋Z智能教育平台》中。这套软件，完全不同于一般的题库或课件，它具有较高的解题智能，能够解答学生提出的一般问题，帮他们做一些比较机械的工作，使他们有时间和精力做更具创造性的工作。例如这一系列软件中的《平面几何》[5]平台，除了可以具有一般的文本处理功能和一般的多媒体处理功能外，还具有面向学科的动态构图功能。教师可以方便的在屏幕上绘制出与学科知识有关的几何图形，并赋予这些图形与学科知识相联系的属性。这些图形能够在保持其属性的条件下运动、改变、复制、分解和组合。此外，还可以追踪图形变化过程中的轨迹，对图形所代表的元件属性进行动态的模拟测量。最重要的一点，是它具有问题生成、自动求解、交互推理的功能。并且这个证明过程是完全可读的（如图9.12）。左边是在《平面几何》的作图窗口中作出的图形，右边则是证明窗口中自动给出的整个证明过程，包括已知条件和待证结论。这是一个典型的等式型几何机器证明。
除此之外，1994年，杨路及其合作者实现了第一个非欧几何定理证明自动生成的算法和程序。用此程序迅即产生了100多个非欧几何定理的可读证明。其中半数以上是从未见过或未被证明的，从而改变了已有的各种证明器只能证明已知事实的局面[6]。
然而以上这些仅适用于等式型命题。近期，杨路提出的“降维算法”及其用MAPLE开发的软件“BOTTEMA”，则为缩短等式型和不等式型定理的机器证明的算法差距做出了努力。这个软件主要是针对O. Bottema的《几何不等式》一书中提出的几何不等式编写，同时，它也适用于初等代数不等式。在一台奔腾Ⅳ/1500机上用此软件验证该书中100个基本的几何不等式（并给出可读证明）总共用时仅4秒多钟。
3.7 计算机犯罪
科学技术是一面双刃剑。火药、原子能的发明发现，最初都是以为人类服务，减少艰苦卓绝的手工劳动和提高生活质量为前提的。然而后来，由火药衍生出来的枪炮炸药，以及由原子能衍生出来的原子弹，却给人类社会和地球带来了无穷无尽的灾难。基于这些技术的两次世界大战，成了人类历史上最黑暗，最痛苦的一页回忆。据说，现在地球上各国所储存的核弹头，足以把地球彻底毁灭几次。今天我们脚下的地球，仍然没有因为这些技术的诞生而更适于生存。人类始终无法摆脱“科学技术具有双重作用”这条规律的制约。
福兮祸所倚，祸兮福所伏。计算机从1946年诞生的那一刻起，就在不停的为人类造福。然而世界上第一起有案可查的计算机犯罪即发生在1958年。可以说它是与计算机一同成长的。
1964年，美国德克萨斯仪器自动化计算公司的一名程序员私自复制了公司的49个计算机程序，并企图以500万美元的价格向外出售。1979年，美国计算机专家里道夫通过银行的计算机系统，把他人的1000万美元存款转到了自己的帐户上。美国洛杉机威尔福格国家银行一名业务经理利用在计算机终端上开空头支票的方法，到1981年1月为止，两年内共贪污了2100万美元。同年，日本三和银行一个职员利用工作之便，向自己私开的4个帐户各拨出3000万日元，并携款潜逃。1986年，前西德的4名犯罪分子利用计算机系统，操作和修改信用卡的磁带密码，非法获利10万马克。像这样的事举不胜举。根据英国的一个不完全调查表明，约20％以上的计算机用户遭遇过侵害，平均每起损失约7万美元。另外，据对120家大型机构和公司的一项调查表明，有一半以上的诈骗案是借助于电脑作案的，平均每年每家公司被诈骗的损失达517万英镑。然而令人惊心的是，其中只有不到一半是侦破的，而其它一半以上是偶然发现的。
互联网是没有国界的大网络，计算机犯罪的损失额是常规犯罪的几十到几百倍。利用计算机作案的罪犯，就像幽灵一样潜伏在你身边，让你防不胜防。最早出现在网络上的传统犯罪是盗窃，随后，诈骗、恐吓、敲诈勒索、赌博等各类传统犯罪纷纷开始渗入网络。特别是色情行业，也开始瞄准网络，猖獗发展起来。我国的网络犯罪情况也不容乐观。据公安部公共信息网络安全监察局副局长顾建国分析：去年（2001年），利用计算机网络制作、复制、传播色情、淫秽物品的案件十分突出。有些犯罪分子利用互联网络出售色情光盘，有些非法提供色情网络连接，有些干脆直接设立色情网页……这其中的绝大部分均是以营利为目的的。这一类型的案件去年总共立案2000余起，几乎占所有案件的一半。
黑客也是网络安全的致命所在。然而早期的黑客并不等同于罪犯，“黑客”一开始有“恶作剧”的意思。他们更多的是被认为是无害的探险者。他们的所作所为主要是为了要证明：通往计算机的道路不只一条，所有的信息都是免费的，打破计算机集权，在计算机上创造艺术和美，计算机将使生活更美好等。就连著名的比尔·盖茨也曾经有过“黑客”行径。当年，比尔·盖茨只有13岁，但已拥有了将近一年的“机龄”。在他当时就读的湖边中学，有一个电脑中心公司（CCC）利用租来的DEC公司的PDP－10计算机提供的计时服务终端，然而费用却比较昂贵。比尔很快发现了PDP－10内保存的各种程序。每当公司推出一个新的软件，他就与同学闯进去大闹一番，并最终突破了PDP－10的防御系统，进入到CCC公司的财务档案中去。并且从这些档案记录里找到了他们所用电脑的计时帐单，然后更改了帐目，以便减少自己的租金。正当比尔和他的朋友们为自己的“创举”得意洋洋之时，CCC公司发现了他们的恶作剧。这位未来的“世界首富”只好垂头丧气地走进校长办公室，接受“6星期不得接触电脑”的惩罚。然而到了80年代，新一代的黑客却彻底改变了原来黑客的性质。黑客，变成了电子窃贼的代名词并成为公众眼中阴险恐怖的侵略者。
1988年11月2日下午5点1分59秒，计算机世界又多了一项令人不安的因素——病毒。当时那个名叫“蠕虫”的计算机“病毒”突然发作，致使15.5万台计算机和1200个连接设备突然进入休克状态。所谓的计算机“病毒”，其实是人们对一种能够破坏计算机正常工作的特殊软件程序的形象称呼。它能篡改正常运行的计算机程序，破坏这些程序的有效功能，并能够复制和侵入其他有用的程序。计算机“病毒”的破坏性给了军事电脑专家以新的启示，美国国防部开始研究“计算机病毒”的军事用途，并希望能够利用“病毒”来进行一场“计算机战争”。目前，全世界已发现的计算机病毒已超过上万种。计算机病毒已经在世界范围内造成了极大的危害，可以毫不夸张的说，病毒就在你身边。人们现在已经到了风声鹤唳，谈毒色变的地步。据国外有关报道，1990年1月，每6天发现一种新病毒；半年后的6月，缩短为4天；到了同年的9月，则只需3天。现在，每天约能产生5～7种新的病毒和原有病毒的变种。计算机病毒已成为现代文明社会的一大公害，人类将不得不与这种公害做长期的斗争。
基于上述种种原因，2001年11月8日，欧盟理事会的43个成员国就共同打击互联网上的犯罪问题达成一项协议，并准备正式签署打击网上犯罪的国际公约。这是迄今为止非单一国家制定的第一部反网络犯罪的国际性公约。该公约明确规定了网上欺诈行为以及在国际互联网上向未成年人传播色情内容的行为均属网上犯罪之列，并明确了欧盟理事会各成员国在共同打击网络犯罪中的责任。这份名为《电脑犯罪国际公约》的协议于当年11月23号在欧盟成员国部长级会议上签字和正式通过执行。它将网上儿童色情描绘、欺诈和黑客攻击行为定为犯罪行为，它为如何管理互联网提供了准则。
我国也正在积极立法应对网络犯罪。1997年刑法修订后的第285、286、287条明确了对计算机犯罪的刑事惩处。刑法第285条规定了“非法侵入计算机信息系统罪”，对非法侵入国家事务等计算机信息系统的罪犯，处3年以下有期徒刑或拘役。第286条规定了“破坏计算机信息系统罪”，对计算机信息系统功能进行删除、修改、增加、干扰，或者故意制作、传播计算机病毒等破坏性程序，影响计算机信息系统正常运行的罪犯，可处5年以下有期徒刑或拘役；后果特别严重的，处5年以上有期徒刑。第287条，则是对利用网络进行传统犯罪的规定：“利用计算机实施金融诈骗、盗窃、贪污、挪用公款、窃取国家秘密或者其他犯罪的，依照本法有关规定定罪处罚。”
除此之外，世界各国正直的计算机专业人士纷纷投入到防范和侦破计算机犯罪的工作中来，各种杀毒软件和反黑客手段应运而生。同时，其他专业的专家和技术人员也开始加入到同计算机犯罪作斗争的行列中来，新的反犯罪技术正源源不断的产生。我们有理由相信，随着反计算机犯罪技术的不断提高，终有一天，计算机犯罪这个“毒瘤”终将被制服。
第四节 计算机的未来
计算机、网络、通信技术一体化的未来社会，将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会更大的生存和发展自由。当历史的车轮徐徐驶入21世纪时，我们会面对什么样的计算机呢？
人们预测，到了2003年，人们可在家通过电子手段随时随地的选择自己最喜欢的电影、电视剧、体育和其他形式的娱乐节目。2004年，工业化国家将普遍通过可视网络举行业务会议。2005年，个人计算机将具有电视、电话、交互式图像传输等功能。2006年，供家庭使用的具有交互式电视、电话和计算功能的娱乐中心将投放市场。2007年，利用分子键存储数据的“生物芯片”将投放市场；语音、手写字体和光学识别特性将使普通的个人计算机能与人交流；大部分书籍和出版物通过网络发表。2008年，发达国家80％的人口将进入信息高速公路。2009年，包括电子货币在内的电子银行业务将取代纸币和支票，成为主要的支付手段。2012年，计算机可用来进行实时语言翻译，其准确性和速度能满足有限交流的需要。2014年，使用光子而不是电子处理信息的计算机将进入商业领域。2015年，计算机开始由使用并行处理器的神经网络执行。
80年代计算机集中于性能的竞争，90年代计算机集中于价格的竞争。进入21世纪，计算机将集中于方便化、随身化的竞争。人们为了能够随时随地的使用计算机，从开发膝上型计算机开始，继而开发出了笔记本型计算机乃至掌上计算机。掌上计算机进一步的发展，产生了无键盘式计算机（如图9.12）。无键盘微机是一种用电笔在屏幕窗口书写输入命令的微机。这种微机屏幕的表面，镀有一层防止划痕的电子传导层（即氧化物锡锑薄层），当与电笔接触时，就会使其一电路开通，能测定笔尖运行的走向、距离和角度。然后，由坐标系统对这些数据进行计算、评价和数字编码，再将它们与事先设计的成千个模式作比较。一旦发现与待识别字符最相像的那个模式，微机内的操作系统即对之进行存储和处理。操作这种无键盘式计算机，就像我们平时使用纸和笔一样方便。更有人异想天开，想将计算机穿在身上。美国甚至还在2001年10月的时候举办过一次可穿戴的计算机时装展。将来某一天，我们就能像今天用随身听欣赏音乐，用移动电话进行联络一样，将计算机带着到处走，随时随地的工作、上网冲浪。
神经网络计算机
此外，人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来，人们在研究人体神经系统结构和功能的神经生物学家及神经解剖学家的帮助下研制出数学模型，然后制造能够完成类似人脑功能的计算机系统的人造神经元网络。至此，计算机将获得真正的人工智能。神经元计算机比较有前途的应用领域是国防。它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定需击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常地有效快捷。
量子电脑
还有人预测，到2030年，我们将用上新一代的量子电脑。到那时，我们桌上的计算机主机不再使用芯片与半导体，而是充满了液体。它应用的不在是我们所熟悉的物理定律，而是玄妙的量子理论。量子计算机的运算速度可能比日前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍，它可以在眨眼之间搜寻整个国际网络，可以轻易的破解任何安全密码。2000年8月15日，华裔科学家艾萨克·张向各国专家展示了迄今最尖端的“5比特量子电脑”，并初步验证了量子计算技术的超凡魔力。量子电脑是利用原子所具有的量子特征进行信息处理的一种全新概念的计算机。它以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算能力比目前以微型晶体管电路为基础的传统计算机快几亿倍！尽管量子电脑的研制工作现在还处于十分原始的阶段，但人们坚信量子电脑终将取代传统模式的计算机，从而开创信息时代的新纪元。
超导计算机
除此之外，计算机正朝着其他多元化的方向发展。其中有超导计算机。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。以目前的技术制造出的超导电脑用集成电路芯片只有3～5立方毫米大小。
光子计算机
也有科学家致力于光计算机的研究。光计算机是利用光作为载体进行信息处理的计算机，其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。光计算机靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。与计算机相似之处是，光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。计算机的功率取决于其组成部件的运行速度和排列密度，光在这两个方面都很理想。激光束对信息的处理速度可达现有半导体硅器的1000倍。光束在一般条件下的这种互不干扰的特性，使得光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜，其通过能力超过全球现有全部电话电缆的许多倍。
生物计算机
众所周知，现代半导体大规模集成电路的体积已经小到了1微米，很难再缩小了。自集成电路发明以来，能够集成在单个芯片中的设备数量以及这些设备运行的速度已经有了巨大的发展。1964年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔博士（G. Moore）注意到一个芯片上的晶体管数量呈几何级数增长，并以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的定律。摩尔天才地预言说道，集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头（1975年，他把翻一番的速度修改为2年）。摩尔所作的这个预言，因集成电路的发展历史而得以证明，并在较长时期保持有效，被人誉为“摩尔定律”，即“IT业第一定律”。到1997年Intel公司推出的奔腾Ⅱ芯片时，集成的晶体管数已超过750万个，运算速度达到每秒5.8亿次。
然而科学家预言，微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。因此， 摩尔定律描述的增长趋势必然会有中断的时刻。因此，人们开始研究用有机物分子取代半导体的可能性。这样的计算机，我们称之为生物计算机或分子计算机。近年来，随着基因与蛋白质工程、重组脱氧核糖核酸（DNA）技术、聚合物化学、人造膜工艺等相关领域的发展，使这一新兴计算机系统的创立有了材料方法上的保证。
生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的生物芯片构成。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。生物计算机的数字计算逻辑元件和存储元件均是由有机物分子组成的分子电子器。一旦这种分子电子器研制成功，将比半导体器件具有更多重要的优越性。用蛋白质制造的电脑芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，大大超过人脑的思维速度。
生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有组织自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。
生物计算机在未来技术工程中必将引发新一轮的冲击波。在初期阶段，它将作为实现信息同步预处理的敏感器件——传感器使用。科学家和技术人员希望它是能够辨认光学图像、触知和识别固体表面形状、“感知”化学物质梯度及配置的智能传感器
将来，生物计算机可能会进入更为复杂的与数字电子计算机协同运作的模式，承担一部分它们能更有效处理的工作。重要的是，生物计算机还有可能为数字电子计算机附加一些生物功能。
生物计算机并不是遥不可及的。大多数的专家认为，生物计算机必可以在本世纪内研制成功。尽管目前科学家们对于生物计算机的结构还存在种种分歧，但是我们有理由相信，制造生物计算机的技术能力将在未来几年内逐步显示出来。
除了前面提到的生物计算机，人们还寄望研究出一种DNA计算机。研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，就是能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因信息和物质。科学家们从中得到启迪，正在合作研制未来的液体D N A电脑。这种D N A电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，并通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的D N A编码形式加以解答。和普通的电脑相比，D N A电脑的优点首先是体积小，但存储的信息量却超过现代世界上所有的电脑。它用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的D N A链中，一升的DN A电脑只需几天时间，就可以完成迄今为止所有计算机曾经进行过的运算。其次是最大限量地减少能耗，D N A电脑的能耗，仅为普通电脑的十亿分之一。再者就是功能的强大，它的每个D N A链可以各自进行运算，这意味着，D A N计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。
1998年8月，以色列捷赫尼昂大学的研究人员宣布，他们利用生物学和微电子学共生机理，首次在人的DNA链的基础上制成了一种电导体。这种电导体只有一根头发的千分之一细，为人们制造新一代微芯片开创了无限的发展前景。从理论上来说，DNA分子计算机在几天内就可以完成过去半个世纪中世界上所有计算机曾经进行过的运算，还能解决许多目前计算机不能解决或难以解决的问题。
脑控计算机
现在使用的计算机，一般都是通过计算机键盘或鼠标器输入指令而工作的，另外还有少部分声控计算机。未来，计算机能通过分析使用者思维时发出的生物信号来实现人脑控制。这项技术是从长期被用来诊断大脑疾病的脑电图记录衍生而来的。目前，研究脑电波控制计算机的一个重大挑战是：如何使计算机从人脑电波中分辨人的思维是“是”还是“否”。关键是科学家们目前对脑部细胞就某思想释放出的电荷以及它们之间的关联所知甚少。另外，某个信息可能同时被其他信息所遮盖，这对计算机收集和分析信息造成相当的困难。专家们认为，由于这种实验技术耗资巨大而且非常复杂，很难投入实际应用。他们说完全随人脑反应的计算机的研制还需几十年的时间，也许永远都是科学幻想。但在今后十几年内，有可能开发出比较实际的能帮助残疾人通信或操作一些用具的系统。
能听会说的计算机
在科幻电影中，我们常能看到这样的镜头：主人公和计算机自由的对话，聊天。计算机不仅能按照主人公指示完成各种计算、搜索资料工作，还能适当的提出自己的建议。更有趣的是，它能像人一样插科打诨，还有丰富的情感。被冷落时会不满，会害怕诸如老鼠之类的东西，还会像个老朋友一样唠叨个不停。
虽然这只是电影中的镜头，然而科学家们正在为此做着不懈的努力，并且已经取得了部分成就，这一方面最突出成就之一就要数机器人了。
2002年的暑假期间，中国科技馆展出一个“会说话的机器人”。不过，这个号称万事通的机器人在面对猜测小朋友的成绩时，却只能频频闪红灯来来应对了。日本在这一类型的机器人研究方面可以说走在世界前列。日前，日本电器公司展出了一种外形象胖娃娃的机器人。这个机器人名叫“R100”，具有辨别面孔、说话和服从主人命令的本领。它的外观颜色非常鲜艳，像是一个鸡蛋型的塑胶桶，其头部像是个皮球。它有一张平面、半透明的白脸，一双黑色的大眼睛，眼睛里是两部摄像机。当它脸上亮起一排白灯，就表示它在微笑。在主人说用日语说“再见”时，这个重7.9公斤的有时会拒绝结束谈话，并摇头抗议。如果被搁置一旁，它会利用它的三个轮子四处“走动”、跳舞甚至找人聊天。和人类一样，它对外界环境和指令的反应会随着温度和灯光的变化而不同。如果它接到太多的指令，它甚至会感觉疲倦，到一旁休息。偶尔也会耍耍性子，不听使唤，非常有趣。
不久前，日本的索尼公司推出了一种名叫“艾博”的机器狗。它有18个“关节”，能做250种运动。它能玩球，模仿狗撒尿，以及摇头、晃动身体和抬腿。这种机器狗装有许多传感器，包括彩色像机、热传感器、红外线传感器、触觉传感器、加速和速度传感器以及一个立体声微型话筒。艾博的主人如果想表扬它，可以把手放在它头上一两秒钟。如果重重地拍艾博头一下，就是处罚，它就会开始生气。目前，控制艾博行动的大多数指令要通过遥控，不过声控也开始应用。艾博在日语里的意思是伙伴，它自己能发出多种声音，叫声、说话声，甚至演唱英文和日文歌曲。
除了这些模拟人和动物的机器人外，还有许多能够通过语音进行简单交流的计算机。当然，这一类型的计算机虽然目前性能还不是很完善，智力水平也不高，常常出现答非所问的情况或者重重复复的说一样的话。例如电子导游系统，当你通过电话查询由出发点到目的地的乘车方法时，只要你不放下电话，计算机就会一遍一遍的重复乘车的方法，丝毫不知要停下来，或是给你问话的机会。还有一些聊天软件，常常让人哭笑不得。例如有的聊天软件，当你问它：“你今天感觉如何？”计算机能够迅速回答说：“我今天大脑很兴奋，有很多新想法。”当你再问它：“你能听见我的声音吗？”它就会傻傻的回答：“不，我是个真人。”
虽然目前有些计算机在听说理解方面比较笨拙，但是随着计算机技术的不断发展，我们终有一天能够制造出跟人类一样，具有独立思维能力、也有喜怒哀乐的计算机。不管怎么样，要想制造出具有类似人脑思考能力的电脑来还是一个遥远的事情，人工智能技术专家们要走的路还很长很长。
今天的预言在明天看来也许会非常可笑。不过不管怎样，现实社会已经为我们展开了一幅美丽的画卷。在可以想见的未来，生活会因为有了计算机而加多姿多彩。谁又能肯定，今天的科幻电影不会是明天的现实。人类社会必将在它的推助下，飞向更高更新的物质文明。
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第一节 计算机的诞生
从古至今，出于对计算的需要，人们一直在坚持不懈地寻找计算辅助工具。著名科普作家阿西莫夫说，人类最早的计算工具是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”；而中国古人常用“结绳”来帮助记事，“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……，这些都是古人用过的“计算机”。
1.1早期的计算机
不知何时开始，世界不同地区的人都不约而同地想到用“筹码”来改进计算工具，其中要数中国的算筹最有名。商周时代问世的算筹，实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍，通过移动来进行计算，从而出现了“运筹”这个词，最初运筹就是计算，后来才派生出“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”那样的新的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位，使用的工具正是算筹，这个结果即使用笔算也很不容易求得。
算筹在使用中，一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱，让人感到不便，于是中国人又发明了一种新式的“计算机”——算盘。世界文明的四大发源地──黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域──先后都出现过不同形式的算盘，只有中国的珠算盘一直沿用至今。
早在公元前500年的古希腊、罗马时期，就出现了由石头和金属制成的“算板”（如图9.1）。
到了公元5年至1400年间，木头成了制作算板的主要材料。这时，出现了水平方向的“算板”（如图9.2）。
中国的珠算盘最早可能萌芽于汉代，定型于南北朝。它利用进位制记数，通过拨动算珠进行运算：上珠每珠当五，下珠每珠当一，每一档可当作一个数位。打算盘还必须记住一套口诀，口诀相当于算盘的“软件”。 （图9.2）
算盘本身还可以存储数字，使用起来的确很方便，它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果，在人类计算工具史上具有重要的地位。后来算盘传到了日 本和韩国。日本人还对它进行了改造，形成了现在所流行的两种算盘（如图9.3）。在中国，算盘一开始只是作为记数和进行简单运算的工具，历史学家们认为：当时它的比较准确的名称应该是“算板”。到了宋元明清时期，才逐渐发展成为今天我们所见到的算盘。这只是历史学家们的一个估计，算盘真正的起源和发展过程，仍是一个未解之迷。
算盘可以说是早期的计算机。它 （图9.3）
具有灵便、准确的特点。即使在计算机非常普遍的现代社会，算盘仍然没有退出历史的舞台。
计算机一开始是以“计算器”的形态出现的。早期的计算机也只能从事简单的加减运算。第一台真正的计算机是1642年法国数学家帕斯卡发明的机械计算器，但是它太粗糙，无法满足当时的计算需要。不过，人们普遍将帕斯卡的这一算术计算机模型，作为计算机历史的开端。需要指出的是，人类计算技术的历史，并不是从这时开始的。1900年，考古学家在位于希腊的一艘 沉船上，发现了公元八十二年制造的一台算术计算机。1623年9月，图宾根大学教授威廉·什卡尔制成了一部可以自动进行加、减、乘、除运算的计算机，可惜没有保留下来。专家们还在马德里国家图书馆发现了列奥拉·达·分奇没有发表的稿子，其中有一些机器设计图和草图，这当中有一幅图上画的就是计算机。1775年，一个英国发明家也有两台按级轴原理制造的计算机。一台的轴是渐进运动的，造于1775年；一台的轴是旋转运动的，造于1777年。
在技术史学家们看来，要把计算机的历史写完整，就不得不提著名学者莱布尼茨和舍比什夫的工作。1672年到1673年间，莱布尼茨发明了不仅可以做加法，而且可以做乘除法的计算机。并且这种计算机可以不用连续加、减法而直接进行乘法运算。而俄国著名数学家和机械师巴甫罗迪·舍比什夫发明了能够连续地和逐渐地进行进位的十进位数计算机。并且在发明了加法计算器后三年，又补加了一个转接装置，以便能够做乘法和除法运算。
1822年，一位叫巴贝杰的工程师依据化繁为简的分步计算思想，设计出了“差分机”。可惜后来由于资金和技术上的问题，差分机并未成功。后来在法国工程师贾夸特发明的自动控制织布机的基础上，巴贝杰转向了利用穿孔卡进行控制的计算机——分析机的研究。
在巴贝杰那个时代，有许多的发明家和科学家在做这方面的工作。一个叫库默尔的人向圣彼得堡科学院提供了一种主要用于加减法运算，且不管数多大都可以进行的计算机。大约同一时期，查理·托马斯已开始大量生产计算机。并且于1820年制造了一台能做四则运算的计算机。这台计算机的运算速度在当时来说是相当快的。它可以在十八秒钟内得出两个八位数的乘积，在二十四秒钟内得出一个六位数和一个八位数相除的商。1848年，四则计算机已经达到十位数了。可以说，查理·托马斯的四则计算机是19世纪应用最普遍的计算机。
1873年，圣·彼得堡国家纸张制造工程师W·奥德勒设计出了简便、容易操作的四则计算机。1889年，美国人赫曼·何勒内斯在巴贝杰的基础上取得了新的进展。它制造了功能各异的穿孔卡计算机系统。然后利用人工，将穿孔卡片从一台机递送到另一台机，每台机只负责完成一道特定的工作。著名的国际通用计算机公司（IBM）就是从这种机型开始逐步发展起来的。19世纪末20世纪初时，国际贸易已朝复杂的、多边合作的方向发展。穿孔卡计算机正好迎合了这一时代的需要，所以得以走出科学家的深闺，走上了通向广大商业用户的坦途。
1.2 二次世界大战时期的计算机
从第一次世界大战之后，到第二次世界大战爆发之前，穿孔卡计算机的制造已发展到相当的规模。以电动机为动力的穿孔卡计算机不仅可以解决一般的财会和统计问题，还可一定程度的满足天文和军事上的需要。
二次大战爆发后，军事上破译密码和火炮研制等迫切需要有功能更强大的计算工具。1943年3月，正在英国通信部工作的图灵（Turing），运用他的专业技能，开始研制“科洛萨斯（Colossus）”计算机。它的主要功能是破译经过德国 Enigma （如图9.4）加密机加密过的密码。Enigma能够定期将密码改变，让破译者根本摸不到头绪。1944年1月10日，Colossus正式投入使用，它仅需6至8小时，就能破译原来需要6至8个星期才能破译的密码。
Colossus比美国的ＥＮＩＡＣ计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。Colossus是用马达和金属做的，与现在的数字式计算机根本不是一回事，但它是现代计算机发展史上的重要一步。
这一时期，英国的计算机技术在世界上处于领先地位，但是它没有抓住这一机会。而同一时期的美国，则积极鼓励发展计算机技术和产业。1944年，美国国防部门组织了由莫奇利和埃克脱领导的ＥＮＩＡＣ计算机的研究小组。当时在普林斯顿大学工作的现代计算机奠基者冯·诺依曼也参与了研究工作。
这一时期出现的两位著名的计算机专家，图灵（Turing）和冯·诺依曼（von Neumann）对后来计算机的发展起了决定性的作用。
（图9.4）艾伦·图灵（Alan Turing），1912年生于英国伦敦，1954年死于英国的曼彻斯特。他出生于伦敦时，父母于印度就官。由孩提时期起，图灵就显露出了科学天才，但是他在人文科学方面的成绩却差强人意。1928年，图灵和校友克里斯托福.摩肯产生了热烈的友谊。不幸的是，摩肯于两年后患肺结核不幸逝世。摩肯的死给图灵造成了非常大的打击，并促使图灵开始发愤学习。不久，图灵就获得奖学金进入了剑桥大学国王学院（King’s College）。1934年，图灵以优异成绩获得硕士学位，并被评为优秀毕业生，进入美国普林斯顿大学继续深造。后来获得数理逻辑领域的博士学位。
图灵是二十世纪最伟大的数学家之一，是计算机逻辑的奠基人。他对计算机的重要的贡献，就是他提出的有限状态自动机，也就是图灵机（The Turing Machine）的概念。图灵机具有无限长的磁带，即无限的存储量。能够无休止的进行操作而不出现故障。每一步运算，不仅遵循已设定的并且已经输入磁带中的程序，而且需要根据前面执行过的运算而定。图灵机被公认为现代计算机的原型。图灵机可以读入一系列的零和一，这些问题代表了解决某一问题所需要的步骤，按照这个步骤走下去，就可以解决一定的问题，即后来我们所说的“人工智能机”。从理论上来说，图灵机是通用的。而当时大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的。
对于人工智能，图灵提出了重要的衡量标准——图灵测试(The Turing Test)。如果有计算机能够通过图灵测试，那么它就是一个完全意义上的智能机。图灵相信机器可以模拟人类大脑的思维，并于1950年提出了著名的“图灵测试”。测试是让考官通过键盘向一个人和一个机器发问，这个考官不知道他现在问的是人还是机器。如果经过一定时间的提问之后，这位人类考官还不能确定谁是人，谁是机器，那么就可以认为这个机器有智力了。在今天看来，这个测试非常简单，可是伟大的思想往往就源于简单的事物之中。
1952年，图灵写出了经典文章《智能机器》(Intelligent Machinery)。许多人工智能的重要方法都来源于这位伟大的科学家。因此，图灵被后人尊称为“人工智能之父”。
为纪念图灵为现代计算机所做出的贡献，美国计算机协会（ACM）于1966年设立了“图灵奖”。这是在计算机技术方面所授予的最高奖项，被喻为计算机界的诺贝尔奖。
冯·诺依曼（John von Neumann）（如右图），1903年出生于匈牙利的一个犹太家庭，父亲是一位银行家。幼年的冯·诺依曼就已经显现出了过人的聪慧。他3岁就能背诵父亲帐本上的所有数字，6岁能够心算8位数除8位数的复杂算术题，8岁学会了微积分，以至于到了他11岁时，他的父亲不得不为找一个合适的家庭教师而烦恼。
在进入正规学校就读不到一个学期之后，冯·诺依曼的数学教师就把他推荐给了布达佩斯大学的一位数学教授。在学习期间，他阅读了大量历史和文学方面的书籍，并学会了七种外语。不到17岁时，冯·诺依曼就和数学教授联名发表了他的第一篇数学论文。22岁时，他获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后，轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。之后不久，转而攻向物理学，为量子力学研究数学模型，在理论物理学领域占领了突出的地位。这时的冯·诺依曼已成为横跨“数、理、化”各门学科的超级全才。
1928年，他接受美国数学泰斗，普林斯顿高级研究院维伯伦教授（O.Veblen）的邀请，赴美任教。1933年，他又与爱因斯坦一起，被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，而且是六名大师中最年轻的一名。
冯·诺依曼最大的贡献，就是建立了现代计算机设计的一般逻辑理论。1945年，冯·诺依曼与戈德斯坦等人联名发表了计算机史上著名的“101页报告”，这份报告奠定了现代计算机体系结构的坚实基础，并被认为是计算机发展里程碑式的文献。冯·诺依曼也因此获得“计算机之父”的美称。
这份报告又称为 EDVAC 报告，它是“离散变量自动电子计算机”的英文缩写。在这份报告中，冯·诺依曼明确规定出了计算机的五大部件：运算器CA，控制器CC，存储器M，输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。冯·诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。[1]
自冯·诺依曼设计EDVAC开始，直到今天我们用“奔腾”（Pentium）芯片制作的多媒体计算机，共四代，成千上万台计算机，其结构都没能跳出诺依曼机体系，冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向。随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但是冯·诺依曼对于电脑发展所做的贡献和他的巨大成就，将永远在人类文明历史上绽放夺目的光辉。
值得一提的是，冯·诺依曼还利用计算机去解决各个学科领域中的问题。他提出了一项用计算机预报天气的研究计划，构成了今天系统的气象数值预报的基础；他受聘担任IBM公司的科学顾问，帮助该公司催生出第一台存储程序的电脑IBM 701；他对电脑与人脑的相似性怀着浓厚的兴趣，准备从计算机的角度研究人类的思维；他虽然没有参加达特默斯首次人工智能会议，但他开创了人工智能研究领域的数学学派；他甚至是提出计算机程序可以复制的第一人，在半个世纪前就预言了电脑病毒的出现……[1]
1957年2月8日，身患骨癌的冯·诺依曼在美国德里医院与世长辞，终年54岁。他一生获得了数不清的荣誉，包括两次美国总统奖。1994年，还被追授予美国国家基础科学奖。他是计算机史上最有影响的一代伟人。
1.3 第一台电子计算机
在1946年2月第一台计算机诞生之前，人类对于计算工具的研究一直没有停歇。但是在漫长的岁月间，人类只迈出了很小的步伐。直到1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机——埃尼克（ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生(如图9.5)。
（图9.5）
ENIAC犹如一个庞然大物，它重达30吨，占地170平方米，内装18000个电子管，每秒只能进行5000次加减运算。但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。ENIAC耗电惊人，功能有限，但是确实能够节省人力和时间。这台计算机从1946年2月正式开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，一共服役了9年多。
ENIAC的诞生，表明了电子计算机时代的到来，标志着人类进入数字化时代，预示了科学家们将从奴隶般的计算中解脱出来，具有划时代的意义，它开辟了一个计算机科学技术的新纪元。
1.4 电子计算机的发展
环境在快速多样的变化，计算机工业远比地球上其它任何工业的发展都要快。从ENIAC出现至今已有50多年。在这50多年的时间里，计算机的发展，可以用一句“一日千里”来形容。人们一般根据计算机采用的物理器件的发展，将电子计算机的发展分成几个阶段。
第一代：电子管计算机
第一代电子计算机是电子管计算机，时间大约为1946年～1957年。1949年，第一台存储程序计算机——EDSAC在剑桥大学投入运行。ENIAC和EDSAC均属于第一代电子管计算机。电子管计算机采用磁鼓作存储器。
这一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，因而体积庞大、耗电多、运算速度较低、故障率高而且价格昂贵；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。因此，第一代电子计算机仅限于军事和科学研究工作。
其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。
第二代：晶体管计算机
第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机，时间大约为1957年～1962年。1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明的晶体管，比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低、工作可靠性好。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机的体积大大缩小。
1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都是用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器主要采用磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。输入和输出方面有了很大的改进，价格大幅度下降。
与此同时，计算机软件也有了较大发展。在程序设计方面，一些通用的算法和语言研制成功，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统的雏形开始形成。
与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM7094、CDC 7600。
第三代：集成电路计算机
第三代电子计算机是集成电路计算机，时间约为1962年～1970年。60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。随后，集成电路的集成都以每3～4年提高一个数量级的速度增长。
1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路，生产了IBM 360 系列计算机。DEC公司（先并入Compaq 公司）交付了数千台PDP小型计算机。
第三代计算机采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）作为逻辑元件，使用范围更广。 第三代电子计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积更小、价格更低，软件也逐步完善。
同一时期，计算机还朝着标准化、多样化、通用化、机种系列化发展。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言，尤其是一些小型计算机在程序设计方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。值得一提的是，操作系统中“多道程序”和“分时系统”等概念的提出，并结合计算机终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。
从50年代的真空电子管计算机开始，到1959年的晶体管计算机，1965年的集成电路计算机，在短短15年的时间里，计算机发展到第3代。无论是算盘还是早期的机械计算机，其发展无不经历了上百年的里程。5年后的1970年，第一台个人计算机问世。
第四代：大规模集成电路计算机
到了70年代，计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。1971年美国Intel 公司年轻的工程师马西安· 霍夫（M. E. Hoff）研制成功了一片4位微处理器 Intel 4004 ，一片320位（40字节）的随机存取存储器，一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器，他们通过总线连接起来，于是就组成了世界上第一台4位微型电子计算机——MCS－4。虽然字长只有4位，且功能很弱，但它是第四代计算机在微型机方面的先锋。它的诞生，拉开了世界微型机发展的序幕。
1972－1973年，8位微处理器相继问世。1972年，Intel 公司推出8位微处理器 Intel 8008，它主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal Oxide Semiconductor——金属氧化物半导体）电路。这就是人们常说的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。
1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，这就是第二代微处理器。尽管它的性能还不完善，但显示了无限的生命力，促使众多厂家投入竞争。具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085、Motorola公司的M 6800、Zilog公司的Z 80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型机及其外围设备都得到相应发展并进入盛期。由它装备起来的微型计算机称为第二代微型机。
1978年，16位微处理器相继出现，标志着微处理器进入第三代，微型计算机到达一个新的高锋，首先成功开发16位微处理器的是Intel公司。由于它采用了H－MOS（H－High performance）新工艺，使新的微处理器Intel 8086 比第二代的 Intel 8085在性能上提高了将近十倍。类似的16位微处理器还有Z 8000、M 6800等。由第三代微处理器装备起来的微型计算机称为第三代微型机。
1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世，标志着第四代微处理器的诞生。如Intel公司的80386，Zilog公司的Z80000，惠普公司的HP－32，NS公司的NS－16032等。新型的微型机系统可以与20世纪70年代的大中型计算机相匹敌。用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。
Intel公司不断地进行着微处理器地革新。1993年，Intel公司推出32位微处理芯片奔腾（Pentium），它的外部数据总线为64位，工作频率为66 MHz～200 MHz。以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium Ⅱ CPU都是更先进的32位高档微处理器。后来又推出了奔腾三代（Pentium Ⅲ），现在则推出了Pentium Ⅳ。
第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。但是，微处理芯片微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。据英特尔公司格洛夫推测，到2011年，一个硅芯片上能够集成的晶体管数将是10亿个，运行速度为每秒执行1000亿条指令，性能超过高能奔腾芯片的250倍，是最初4004芯片的43.5万倍。届时，将由生物芯片或量子器件替代硅芯片，引来新一轮冲击波。
从第一代到第四代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器、存储器、运算器和输入输出设备组成，称为冯· 诺依曼体系结构。当年，在ENIAC诞生后，“计算机之父” 冯·诺依曼曾大胆预言：“有四台像ENIAC这样的计算机就足够全世界使用！”。而IBM公司的创始人沃森则给自己留了一点余地：“世界市场对计算机需求大约只有5部。”在那个大型机一统天下的时代，连当时最著名的科普大师艾萨德·阿西莫夫也预言：“一架电脑最终会有几十亿个电子管，有一个国家那么大。”他们的语言，在今天看来，是多么的不可思议。他们无法想象，就在50年后，全世界的计算机已经超过了4亿台。同时，电脑的体积缩小到只有ENIAC的几万分之一，然而速度却提高了几个数量级，可靠性能提高了几千倍,成本也只有ENIAC的万分之一。
电脑的近50年的发展速度是非常惊人的。我们可以回顾一下电脑产生的整个历史过程。1642年法国数学家帕斯卡研制出的机械计算机是世界上第一台能够进行加减运算的计算机，它可是说是计算机的雏形。然而直到1944年美国哈佛大学的艾肯博士发明了最后一台磁式计算机Mark Ⅰ为止，300多年间，计算机的运算速度才达到每秒200次。
1946年ENIAC的诞生，立刻就把运算速度提高到了每秒5000次。就在ENIAC诞生35周之后，它的运算速度就已经输给了当时廉价的微型电脑TRS－80。ENIAC的造价是TRS－80的800倍，运算速度仅为TRS－80的1/18。
1969年，美国阿波罗载人飞船第一次登上月球时，指令舱电脑仅有36K存储器，今天任何一台供儿童玩耍的手持式游戏机都能令它自愧弗如。
1996年，Intel公司发布了它专门为美国能源部门研制的超级电脑。这部电脑采用了9624个高能Pentium芯片，大规模并行处理数据，号称当时世界上最高速的电脑，每秒钟运算速度高达1万亿次。同年12月，以研制巨型电脑闻名的Cray公司与图形电脑巨头SGI公司合并后，研制出具有256台高性能处理器的超级电脑。1999年这个系统的处理器数目被提高到4096台，运算速度达到3万亿次。美国能源部还宣布，它在下一个10年的目标，是要研制出每秒运算100万亿次的超级计算机系统。与国内比较，最近我国“联想”集团研制成功的“深腾”LSSC—Ⅱ机的运算速度已达到1万亿次，名列世界最快计算机第24位。
在计算机的速度和性能不断提高的同时，计算机的价格却呈指数级的不断的下跌。50年代的大型计算机售价高达100万美元。到了1986年，功能远远超过50年代大型计算机的个人计算机，价格降到了2000美元之下。曾有人做过这样一组比较。如果按照计算机的降价幅度，到飞机和汽车发展到第四代的时候，仅仅只需几美元。
有人半开玩笑半认真地说，60年代电脑专业毕业的研究生，若从那一时刻起再也不接触电脑，那么，到了90年代会发现自己成了“机盲”。有关资料显示，在近10年内，一位普通工程师所掌握的知识的90%都与电脑的发展有关，因为电脑乃是当代变化最剧烈的科学技术。
第五代：智能计算机
1981年，日本东京召开了一次第五代计算机——智能计算机研讨会，随后制定出研制第五代计算机的长期计划[4]。世界各国的科学家们都准备在90年代研究和发展新一代的计算机。这是集成更高、运算速度更快、功能更加齐全的第五代计算机——人工智能计算机。
第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛的应用，使人们能用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机交流。
第五代计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和快速推理，其软件系统能够处理知识信息。长期以来，人们就力图模拟自己的大脑，因而产生了人工智能这门学科。人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的一般规律的。研究用计算机来模拟和执行人脑的智力功能的科学技术，称为人工智能。相应的，具有人工智能的计算机，称为智能计算机。它借助于给电子计算机编制程序的手法使它执行类似人的智能的任务和进行学习。
当前计算机的人工智能水平总的说来还比较低，功能不够完善。虽然计算机目前能够进行文字翻译、定理证明、图像识别、弈棋和操控机器人，在某些局部领域其“智力”甚至超过了人类，但在某些方面，一台大型计算机的智能还不如一个三岁的孩童。
IBM公司在90年代中后期推出的“深蓝”，于1997年击败国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。“深蓝”的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
第二节 计算机的工作原理
也许大家或多或少的接触过计算机，不过相信多数人对于计算机都是处于一种黑箱操作状态。对于计算机的内部结构如何,以及计算机是如何工作的，恐怕就知之甚少了。那么计算机内部都有些什么结构呢？这些结构间又是怎样相互协作呢？
2.1 计算机的身体－硬件
普通微机的机箱里通常包括以下几个主要部件：主板、主板上安装的CPU（微处理器）芯片、主存储器模块、显示卡、磁盘存储器接口卡及外部设备接口卡等。在主机箱里还可能安装着硬盘、一个或两个软驱。除此之外，主机箱里还有另一个重要设备——电源。下面，我们将简单介绍一下这些硬件设备的基本功能。
主板（如图9.6）是机箱里最重要的部件，又称主机板、系统板。它是一块安装了许多电子元件的多层印刷电路板，CPU、内存和其他重要部件都安装在主机板上。主板最重要的功能是实现系统总线，实现各主要系统部件之间的信息连接和通信管理。一般主板上都会有几个CPU芯片插槽，我们只要把CPU直接插入这个插槽就可以使用了。当然也有些主板上的CPU是焊接上去的。
CPU（Central Processing Unit）（如图9.7）是计算机系统的核心部件，它的主要任务是处理信息，完成计
（图9-7）算。CPU的基本功能是执行指令。指令就是要求CPU执行某种 （图9.6）
动作的命令。CPU的性能主要由三个因素决定，一是执行指令的速度；二是处理数据的二进制位数（称为CPU的“字长”或者“数据宽度”）；三是指令本身的处理能力。CPU也是由几个部分组成的。一是一组称为“寄存器”的高速存储单元，用于CPU内部数据和其他信息的存储。一是由一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件组成的“算术逻辑单元”（ALU，Arithmetic Logic Unit），它们实际执行计算。一是作为CPU控制中心的程序控制单元，它是CPU的核心，负责处理指令，控制各部件的活动。
（图9.8）主存储器又称为内存储器（Main Memory）（如图9.8），简称内存或主存。现代微型机的内存通常采用超大规模集成电路芯片制成。若干芯片安装在一个小电路板上，构成一个称为SIMM（Single In-line Memory Module）的存储模块。这个存储模块上焊有数目不等的记忆IC（Instructions Cache，指令缓存）。可分为以下2种型态：72PIN：72脚位的单面内存模块是用来支持32位的数据处理量。30PIN：30脚位的单面内存模块是用来支持8位的数据处理量。内存模块的规格除了容量外，另一个重要的指标是访问速度。它的速度是以每笔CPU与内存间数据处理耗费的时间来计算，总线循环(bus cycle)以纳秒(ns)为单位。速度快的内存工作效率自然高。内存模块另一个不同点是有的模块包含奇偶校验，有的模块则没有。有奇偶校验的内存由于在存储和传输中可以进行正确性的检查，所以可靠性更高，但价格自然也就相对高些。
计算机主板上还有一组扩展插槽。这些插槽是为各种插卡准备的。包括作为计算机基本配置的显示卡、磁盘接口卡以及各种扩展卡（如图9.9）。例如调制解调卡（Modem），声卡（用于输入输出音频信号），解压缩卡（用于恢复经过压缩的视频信号）等。扩展插槽就是设备连接总线的接口。 （图9.9）
每一个类型的总线都有自己额定的运行频率，如果超过太多，就可能使设备运行不正常。
显示器的接口一般是插在主板扩展槽上的一块卡——显示卡（如图9.10）。现
（图9.10）在的计算机一般都是使用彩色显示卡。由于显示器工作时信息传输量非常大，尤其是对于采用图形用户界面的系统，如Windows等，在中央处理单元和显示器之间需要提供高速数据连接。因此，目前的显示卡一般都采用PCI总线（Peripheral Component Interconnect:外部设备互连）。显示卡安装在主板上，它在机箱后面有一个15孔的显示器连线插座，供连接显示器使用。目前的图形显示卡带有图形加速功能，它们能直接处理程序的标准图形显示命令。近年来，更高性能的显示卡还提供了支持三维图形显示、动画等功能。显示卡上还有一个显示存储器（简称显存），它的大小对显示卡的性能有巨大影响。
磁盘接口则包括软盘接口和硬盘接口两个部分。现在，由于技术的发展，软盘已经越来越无法满足人们的需要。Intel首先吹响了终结软驱的号角，表示要在新一代的计算机架构中同时取消软驱、并行口、串口等老古董外设。国内的一些整机厂商如联想、实达等也纷纷呼应，推出了好几款使用zip和优盘的PC及笔记本电脑。韩国三星更是极端，宣称即将在全系列产品，包括桌面PC和笔记本电脑不再使用软驱。日前，一家著名的DIY网站在其全国第八届DIY大赛上也宣布，不再将软驱作为必选配置。由此看来，短时间内软驱被废已是大势所趋。
计算机的硬盘接口有两个系列。 一个是在一般计算机中广泛使用的IDE（Integrated Device Electronics）方式，另一个是在高性能工作站和网络服务器上广泛使用的SCSI（Small Computer System Interface:小型电脑系统界面）方式。SCSI方式具有更高的数据传输速度。目前的计算机多采用扩展的IDE（即EIDE，Enhanced IDE：增强性IDE）。
目前，所有的计算机都提供了一个专用的键盘插口。现今的一些流行的Pentium主板多采用PS/2做鼠标接口，而放弃常用的串行接口做鼠标接口。这样做的好处是：既可以节省一个常规串行接口，又可以使鼠标得到更快的响应速度。
此外，计算机机箱后面一般还提供的接口有：一个小型的9针插座是串行通信接口，用于连接对数据传输速度要求较低的设备，也可用于计算机间的互连；一个25针的大型并行接口插座，用于连接打印机等并行设备。
同时，许多扩展卡提供自己的外部接口插座。例如Modem卡带有连接电话线的插座，声卡带有连接麦克风、扬声器等的插座等。
2.2 计算机的思想——软件
计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的。一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。那么什么是软件呢？广义来看，软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。软件的基本组成部分是完成其功能的程序，程序设计语言（也称为“编程语言”，Programming Language）是人们编制程序时所使用的语言。
计算机软件非常丰富，通常按功能将它们分为系统软件和应用软件两大类。
2.2.1系统软件
系统软件是计算机系统的一部分，它是支持应用软件运行的。它为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，但不能随意修改它。常用的系统软件有：操作系统OS（Operating System），语言处理程序，联接程序，诊断程序，数据库系统，数据仓库几种。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，它一般包括进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理五个管理功能。其中操作系统又分为实时操作系统、分时操作系统、批处理操作系统、单用户操作系统、网络操作系统几种。目前在计算机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows系列、NetWare等。这些操作系统根据侧重面和设计思想的不同，结构和内容存在很大差别。
语言处理程序是人与计算机之间交流的工具。一般分为机器语言、汇编语言和高级语言几种。
机器语言（Machine Language）是计算机系统能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。汇编语言（Assemble Language）是面向机器的程序设计语言，它是为特定的计算机设计的。高级语言诞生于20世纪50年代中期到70年代。这些高级语言较为接近自然语言的英文表达方式和数学表达方式。我们通常把用高级语言编写成的程序称为“源程序”，而把由源程序翻译成的机器语言程序和汇编语言程序称为“目标程序”。计算机将源程序翻译成机器指令时，通常有“翻译”和“解释”两种方式。目前常用的高级语言有：FORTRAN、PASCAL、C语言程序（包括现在较常用的面向对象的Visual C＋＋程序设计语言）、BASIC、JAVA等。
联接程序则可以把目标程序变为可执行的程序，因此又称为组合翻译程序或联接编译程序。由源程序到可执行的目标程序一般有两个阶段：翻译阶段和联接阶段。翻译阶段将源程序转换称为目标程序，这时程序仍是不能执行的。联接则是将目标程序转换成一个可执行的装入程序。诊断程序我们平时提得比较少。它主要用于对计算机系统硬件的检测。
60年代后发展起来的数据库系统是计算机科学中发展最快的领域之一。数据库系统通常由硬件、操作系统、数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）、数据库和应用程序组成。数据库是按照一定的方式组织起来的数据集合，具有数据冗余度小、可共享等特点。目前常用的数据库管理系统有：DB2、SQL Server、SYBASE、ORACLE等。
而数据库仓库是近几年才迅速发展起来的一种存储技术。目前，计算机界对数据库仓库还没有一个统一的定义。但是却有一个一致的观点，就是：数据库仓库绝不是数据的简单堆积。
2.2.2应用软件
应用软件是指利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。目前的应用软件可以分为一下几种类型：
(1)文字处理软件，主要用于对输入计算机的文字进行修改、编辑、排版等。目前常用的文字处理软件有：WPS、Microsoft Word等。
(2)表格处理软件，主要用于处理各式各样的表格。包括根据用户的要求自动生成相应的表格，完成表格计算等。还可将设计好的表格打印出来。目前常用的表格处理软件有Microsoft公司的Excel等。
(3)计算机辅助系统，主要是协助人们进行一些比较复杂的技术性工作，例如工程绘图等。主要包括辅助设计软件（CAD）、辅助制造软件(CAM)、辅助教育软件(CAI)和计算机代数系统辅助科研（CAS）。
(4)实时控制软件。现代的实时控制软件主要是指在现代化工厂里，用于生产过程自动控制的计算机上安装的，用于处理一定的生产信息如电压、温度、压力、流量等的软件。实时控制对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则会造成重大损失和事故。这一类软件统称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监察控制和数据采集）软件。目前比较流行的SCADA软件有FIX、InTouch、Lookout等。
2.3计算机工作原理
计算机的基本组成硬件我们已经有了初步的了解，那么它们之间是如何协同工作的呢？计算机系统的基本结构如图9.11所示。
（图9.11）
由图中我们可以了解，计算机由输入和输出设备、存储器、运算器和控制器五个部分组成。它一般采用存储程序模式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可根据运算结果和外界条件的改变而改变。
计算机以运算器为核心。输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（“与”、“或”、“非”等）。在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。
控制器则由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它地基本功能就是从内存取指令和执行指令。控制器和运算器合称为中央处理单元，即CPU（Central Processing Unit），它是整个计算机的核心。内存储器则用于存放要执行的程序和数据。
有了这些计算机仅仅只是有了运算的可能性。如果要让计算机进行计算、控制等功能，还必须配有必要的软件。这里的软件主要是指使用计算机的各种程序。计算机主要通过各种指令完成某个操作。一条指令通常由操作代码和操作数两个部分组成。操作代码指明该指令要完成的操作，操作数则指参加运算的数或数所在的地址。用户根据解决某一问题的需要，选择相应的指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可以完成预定的任务。
计算机执行指令一般分为两个阶段。首先，将要执行的指令从内存取到CPU内。接着，CPU对读入的该条指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作。接着向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后，就进入下一条指令的读取操作。
程序则是由一系列指令的有序集合构成，计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU从内存读出一条指令到CUP内执行，当该指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内继续执行。CPU不断的读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。
计算机是一种具有强大信息处理功能的电子设备，它有两个主要特点：它所处理的信息是数字式的，它的信息处理工作采用“存储程序控制”方式。因此，它具有完全的通用性。编制程序是计算机解决问题的关键之一。程序是由人根据需要编制的，计算机能按照程序，一条一条地忠实执行指令。
2.4 计算机语言的产生和发展
语言是人类所特有的用来表达意思、交流思想、传递信息的工具，是一种特殊的社会现象。而计算机是二十世纪人类文明史上最先进的发明。为了让计算机更好地为人类服务，我们必须得让计算机明白我们的意思，并能够按照我们的要求去工作。在这个基础上，计算机语言就应运而生了。计算机语言也叫程序语言（Program Language），是人与计算机交流的和沟通的重要工具。
由于计算机只能识别“0”和“1”两种状态，也就是说，计算机智能依靠电路“0”和“1”两种状态的转换来完成数字运算、逻辑操作和信息存储。因此，从世界上第一台电子计算机诞生的那一天起，人们就一直在设法开发计算机所能“理解”的语言。具体的做法是：用“0”和“1”编码的指令写出“机器语言”来。这样的机器语言就能沟通人与机器之间的对话。而这种直接用机器语言写出的程序，我们通常称之为手编程序。但是，以“0”和“1”为代码来编写程序，不仅难写而且难读，效率非常低。有鉴于此，人们开始改用符号来代替手编程序中的操作码和地址，于是就产生了汇编语言。编制符号程序（由汇编语言编写的程序）比起手编程序要先进、方便得多，但是编制符号程序因机器而异，而且效率也低，这与计算机硬件的高速发展是相矛盾的。
1953年12月，IBM公司程序师约翰·巴科斯（J. Backus）建议为IBM 704设计一种全新的程序设计语言。巴科斯曾在“选择顺序控制计算机”（SSEC）上工作过3年，深深体会到编写程序的困难性。他说：“每个人都看到程序设计有多昂贵，租借机器要花去好几百万，而程序设计的费用却只会多不会少。”因此，他希望能设计出一种用于科学计算的“公式翻译语言”（FORmula TRANslator）。1954年，他带领的一个13人小组设计完成了第一个电脑高级语言——FORTRAN语言。1957年，西屋电气公司幸运地成为FORTRAN的第一个商业用户。之后，不同版本的FORTRAN纷纷面世。1966年，美国统一了它的标准，称为FORTRAN 66语言。直到今天，FORTRAN仍然是科学计算选用的语言之一，巴科斯也因此摘取了1977年度“图林奖”。
在FORTRAN得到广泛运用的时候，并没有适用于商业的计算机语言。早在1952年，在斯佩里·兰德公司兼任系统工程师的格蕾丝·霍波（Grace Hopper ,1906-1992）率先研制出世界上第一个编译程序A-O，能够将类似英语的符号代码转换成计算机能够识别的机器指令，并发表了第一篇关于编译器的论文。到了50年代中期，她又开发出Flow－Matic语言，为COBOL高级语言诞生创造了基础。1959年5月，格蕾丝·霍波领导一个工作委员会成功的设计出第一个商用计算机语言COBOL（Common Business Oriented Language）。COBOL最重要的特征，就是和英文语法非常接近，可以让不懂电脑的人也看懂程序。只需要对编译软件进行少许修改，就可以在任何类型的电脑上运行。当时还发生了一件很有趣的事。这个委员会中有一个人担心这种语言不会长久，特地为这种语言制作了一块墓碑。然而，COBOL却幸存下来。1963年，美国国家标准局对它进行了标准化。用它编写的软件，要比其它语言多得多。格蕾丝·霍波是计算机语言领域的开拓者，人们尊敬的将她称作“计算机语言之母”。计算机界的通用术语“臭虫”（Bug），和90年代末引起世界范围内恐慌的“千年虫”（Y2K），就来自于霍波的天才创造和发明。1971年，为了纪念现代数字计算机诞生25周年，美国计算机协会设立了“格蕾丝·霍波奖”，专门颁发给年度最优秀的30岁以下的青年计算机工作者。
1958年，一个国际商业和学术计算机科学家组成的委员会在瑞士苏黎世开会，探讨如何改进FORTRAN。在这次会议上，科学家们探讨设计了一种标准化的电脑语言，巴科斯也参加了这次会议。1960年，该委员会在1958年设计的基础上，定义了一种全新的语言版本——国际代数语言ALGOL 60，并首次引进了局部变量和递归的概念。后来，ALGOL没有能够得到广泛的应用，但是却演变称为其他程序语言的概念基础。
FORTRAN和ALOGO等语言虽然在数值计算种能够大显身手，但是在人工智能领域却一筹莫展。1960年，美国马萨诸塞理工学院的计算机科学加约翰·麦卡锡发表了一篇的论文，文中介绍了一种新的计算机语言LISP。美国一直采用LISP作为人工智能语言，并开发了使用LISP的通用推理系统。特别是从七十年代到八十年代，获得了采用了LISP语言方面的许多研究成果。后来，另一种人工智能语言PROLOG在日本兴起。但是科学家们一直无法准确判断这两种语言到底谁更先进一些。
由于FORTRAN语言是为专业人员设计的，普通人难以理解和应用。为了让更多没有任何经验的人和非计算机专业的学生也能使用电脑，60年代中期，美国达特默斯学院的约翰·凯梅尼 （J. Kemeny） 和托马斯·卡茨（T.Kurtz）在简化FORTRAN的基础上，设计出一种“初学者通用符号指令代码”（Beginners All purpose Symbolic Instruction Code），简称BASIC。由于BASIC简单易学，而且使用方便，所以它很快就成为最流行的电脑语言之一，几乎所有的小型电脑和个人电脑都在使用它。BASIC经过不断的改进后，一直沿用至今。到后来，还出现了例如QBASIC和VB等新一代BASIC版本。
1971年，麻省理工学院（MIT）人工智能实验室的希摩尔·帕伯特（S.Papert），设计出了一种叫LOGO的电脑语言。LOGO是为孩子们设计的，它最初是个绘图程序，控制一个海龟图标，在屏幕上描绘爬行路径的轨迹，从而完成各种图形的绘制。希摩尔希望用LOGO语言启发孩子们学会学习，希望孩子们能进行创造性探索。在马萨诸塞州列克星敦，一些孩子用LOGO设计出了真正的程序，于是，LOGO就成了一种热门的教学语言。
计算机语言基本上在美国诞生和迅速发展，然而也有例外。1971年，瑞士联邦技术学院克劳斯·沃尔斯（N. Wirth）发明了另一种简单明了的电脑语言——PASCAL。PASCAL语言语法严谨，层次分明，具有很强的可读性，是第一个结构化的编程语言。加上它的程序相当容易编写，所以一出世，就受到广泛的欢迎。并迅速从欧洲传到了美国。沃尔斯还写了许多有关程序设计、算法和数据结构的著作。因此，1984年的“图灵奖”授予了他。
1983年，贝尔实验室的邓尼斯·里奇 （D.Ritchie）和他的协作者肯·汤姆森（K. Thompson）由于设计开发出C电脑语言，而获得了当年的“图灵奖”。C语言是当今软件工程师最喜爱的语言之一。关于C语言的诞生，还有一个小故事。里奇和汤姆森最初是答应为贝尔实验室开发一个文字处理软件。他们需要购买一台小型电脑PDP－11/20，并争取到10万美元的经费。然而机器购回后，他们却用它来编写UNIX系统软件。UNIX在科学家和工程师中间引起了巨大反响，很快就有了大量的追随者，并且推动了工作站电脑和网络的成长。而C语言是作为UNIX的“副产品”开发出来的。里奇和汤姆森研制C语言的初衷是为了用它来编写UNIX。C语言结合了汇编语言和高级语言的优点，因而大受程序师的亲睐。
1983年，贝尔实验室的另一位研究员比加尼·斯楚士舒普 （B.Stroustrup），把C语言扩展称为一种面向对象的程序设计语言C++。当今，虽然计算机语言极大丰富且种类繁多，但是在计算机界却流行这样一句话：最好的程序员用C++。的确，在今天，数以百万计的程序员在用它来编写各种数据处理、实时控制、系统仿真和网络通讯等软件。因此，在1995年，《BYTE》杂志将比加尼·斯楚士舒普列为“计算机工业20个最具影响力的人”行列。
后来，随着Windows操作系统的崛起，由传统的面向控制台的字符软件开发向面向窗口程序的可视化编程转化已成必然趋势，Visual C＋＋也就应运而生了。Visual C＋＋支持面向对象的程序设计方法（OPP－Object-Oriented Programming）,支持MFC（Microsoft Foundation Class）类库编程，有强大的集成开发环境Developer Studio。Visual C＋＋可用来开发各种类型、不同规模的和复杂程度的应用程序，开发效率很高，生成的应用软件代码品质优良，因而成为许多专业程序开发人员的首选。
说起计算机语言的发展，不得不提到一个在今天的计算机世界举足轻重的人物——比尔·盖茨。他以及他推出的Windows视窗系列，引起了计算机界的一次深刻的变革。1990年5月22日，Windows3.0隆重向市场推出，并以每月10万套以上的速度向全球发售，1990年底创下累计100万套的纪录，雄据世界软件排行榜榜首；在新版Windows3.1推出的1992年以前，3.0版的发售量业已达到700万套的天文数字。Windows3.0的确是自MS-DOS后的又一件划时代的软件产品。它构造了一种基于图形的操作环境，在能够“看到”的窗口、图标和按钮等等图形引导下，使过去繁琐的操作简化为鼠标轻轻一点，真有赏心悦目、随心所欲的感觉。它还提供了多任务环境、资源共享、与设备无关等等强大的功能，并率先突破DOS管理下640K内存的森严壁垒。可以毫不夸张地讲，Windows3.0的问世，标志着微型电脑软件技术的又一场革命：60年代从批处理软件转变为交互式人机对话，80年代从字符型转变成图形操作软件。自此而后，PC应用软件将在“窗口”环境里重新孕育重获新生，PC电脑用户将在“窗口”下获得图形界面的巨大享受，程序师将利用“窗口”提供的工具，高效率设计出高质量的各种软件。“窗口”的版本推陈出新，“窗口”的触角日愈伸展，在全世界掀起一股不可阻挡的潮流。一位资深电脑专家激情地指出：“Windows太重要了，称之为‘多媒体的DOS’或‘最终的DOS’，一点也不过分。”之后，微软公司相继推出了更新更高更方便的版本。Windows 9X系列，Windows NT系列……可以说，今天你一提到计算机，人们就会想到Windows。
第三节 今天的计算机
信息处理技术对整个社会的发展影响非常之大。计算机的发明对人类社会的广泛影响完全可以和以往信息处理技术发展的最重要的成就相比拟。在人类历史上，有几次重要的信息处理技术里程碑。第一是文字的发明，它使信息得以在更大的范围内跨越时间和空间传播。第二是算术的发明，它使量化的数字信息被加工和变换。第三是活字印刷的发明，它使大量信息被成批复制成为可能，让信息真正成为共享资源。第四就是通用数字计算机的发明和后来的高速通信网络的出现，它们使得高速的信息传播和加工以及变换成为可能。可以说，第一次工业革命（以各种“能量形式”的相互转换和利用为标志）后，社会形式向更新方向发展的重要标志之一，就是计算机的出现。
3.1 计算机的应用领域
从计算机出现在这个世界上的第一天起到现在，短短时间内，已经衍生了四、五代子孙。现在，它已渗透到我们日常生活的各个领域。通常，我们习惯按照计算机的基本构成元件来划分计算机的时代，这样的划分方法具有一定的局限性。我们完全可以从计算机的应用和它对社会的影响程度来划分计算机的历史。计算机从诞生至今的50多年大致可以分为两个阶段。在前一个时期，大约是40年代末50年代初到80年代中期。这一时期的计算机体积庞大，价格昂贵，只有政府部门、大企业和大学的重要研究单位才会购买，并且只有少数专业人员才能够使用，而广大平民百姓根本没有机会去接触它。在这种环境下，用计算机来进行信息传播和加工利用仅局限于非常小的圈子里。而且造成的严重后果是计算机规模越大，价格越昂贵，它所管理的宝贵信息资源只能集中在越少数的“中心”里，无法形成开放性的，大规模的信息利用局面。
直到80年代中期微型计算机出现后，计算机才开始走入平常百姓家，开始它的成熟时期。关于计算机的重要应用，可以从以下这几方面体现出来。
科学计算
科学计算原义是数值计算，指用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的浮点计算，
它是电子计算机的重要应用领域之一[2]。世界上第一台计算机就是为了科学计算而研制的。随着科学技术的发展，各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已远远无法满足研究的需要。特别是在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域，都需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算最大的特点，就是运算量大，数值变化范围大。现今科学计算的概念已经覆盖了符号和代数计算，如合并同类项、分解因式、求导数和原函数、解方程或方程组等等。用于符号和代数计算的软件叫做“计算机代数”系统。
数据处理
数据处理是指对大量的数据进行分析、合并、分类、统计等处理，以形成有用的信息。与科学计算不同的是，数据处理虽然涉及的数据量比较大，但是计算方法相对简单。
人类在很长的一段时间内，只能靠自身的感官去收集信息。例如一些古老的故事和传说，都是通过口授记忆的方式一代代传下来。后来文字和纸诞生后，信息就依借文字和纸张的记载流传下来。但是这样的信息查阅起来异常复杂和麻烦，甚至要通过学习一些特定的方法和手段才能查到，速度非常之慢。在人类进入工业社会后，为了处理好日益堆积起来的浩如烟海的信息，全面深入的掌握这些信息所反映的事物的本质，就必须用计算机进行处理。现在，办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等都要用到数据处理。数据处理，已成为计算机应用的一个重要方面。
过程控制
过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制[2]。
现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，因此对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益提高。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性。冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门已经广泛的使用计算机控制过程。
计算机辅助系统
计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。
CAD（Computer-Aided Design），也就是计算机辅助设计，就是用计算机帮助各类人员进行设计。现在，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等都已开始使用计算机进行。采用计算机进行辅助设计，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计速度，最重要的，是它提高了设计的质量。特别是后来3D技术的出现，使得设计人员可以通过仿真模拟显示，预先检验实际的设计效果，减少了很多不必要的浪费。也使设计人员能及时发现设计上的漏洞，从而进行修正。
CAM（Computer-Aided Manufacturing）——计算机辅助制造，是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。通常，在产品的制造过程中，利用计算机来控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。CAM技术可以大大提高产品的质量，降低产品的成本，缩短生产周期，降低工人的劳动强度。近年来这项技术已经发展为集成度更高的CIMS（Computer Integrated Manufacture System），即计算机集成制造系统。
CBE（Computer-Base Education）——计算机教育。它包括：计算机辅助教学CAI（Computer-Assisted Instruction），计算机辅助测试CAT（Computer-Aided Test）及计算机管理教学CMI（Computer-Management Instruction）。特别是最近几年，计算机辅助教学CAI正在如火如荼的进行之中。众多的软件公司、大学的研究机构、中小学教育部门和众多的教师，都参与到其中来。CAT也在近几年得到了长足的发展，特别是在一些标准考试中，例如GRE的考试。考生用自己的帐号（也就是我们平常考试中的准考证）在计算机上阅览试卷，通过鼠标和键盘做答。答完后，通过网络提交试卷。这样就能当场知道自己的考试成绩。这样的考试方法，不仅方便快捷，而且节省了大量的人力和物力，是未来考试方式的发展方向之一。同时，随着网络技术的进一步发展，网上教学和远程教学也发展起来，极大的满足了人们继续求学的欲望。
人工智能
人工智能又称为AI（Artificial Intelligence）,一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。AI是目前计算机应用研究的前沿学科，科学家们正致力于研究怎样让计算机变得越来越聪明。研究人员希望通过在计算机中存储一些基本的定理和推理规则，然后让计算机自动弹出解题的方法和答案。
信息高速公路
1992年，当时的美国参议员，后来一度任美国副总统的戈尔，提出了建立“信息高速公路”的建议。即将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，将所有的公司和家庭都连接到这个大网络中去，以实现最大程度的资源共享。1993年，美国正式宣布实施“国家信息基础设施”（NII）计划，也就是我们常说的“信息高速公路”计划。这个计划一经推动，就引起了全球的关注。世界各国也纷纷开始开展自己的“信息高速公路”计划，积极加入到这场世界范围的大竞争中去，我国也不例外。
面对这场日益向深度和广度发展的信息浪潮，我国政府成立了国家经济信息化联席会议，党的十四届五中全会又把“加速国民经济信息化进程”写入了“关于制定国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标”的建议中，把信息产业的发展摆在了最突出的位置。
3.2 计算机与网络
信息技术的飞速发展使网络已经遍布世界的各个角落，并影响着社会生活的方方面面，人们可以称“有计算机的地方就有网络”， 网络本身会成为计算机技术发展的动力，一个以网络为主要特征的信息社会即将到来。“网络就是计算机”不仅是一种经营策略，而且是一种思维理念，近几年来，一些先进的计算机技术的出现和发展正是紧紧围绕这个主题发展起来的。
计算机网络出现的历史不长，但发展很快。世界上第一台电子计算机ENIAC诞生时，和通信间并没有什么大的联系，主要用于科学计算。那个时候的计算机系统是高度集中的。所有的设备都安装在一个独立的大房间中。最初，一台计算机只能供一个用户使用。后来研制出了批处理和分时系统。一台计算机虽然可以同时为多个用户服务，但不和数据通信相结合，分时系统所连接的多个终端都必须紧挨着主计算机，用户必须到计算机中心的终端室去使用，显然是不方便的。
20世纪50年代，美国半自动地面环境SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）防空系统开始进行将计算机技术和通信技术相结合的尝试。他们将远距离雷达和其它测量控制设备的信息通过通信线路汇集到一台IBM计算机里进行集中处理和控制。后来，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，而用户则在自己办公室的终端上键入程序，通过通信线路送入中心计算机，进行分时访问并使用其资源来进行处理。然后再将处理的结果通过通信线路送回到用户的终端上。这样，就出现了第一代的以单个计算机为中心的计算机网络。这样的远程联机系统，除了一台中心计算机外，其余终端都不具备自主处理的功能。这样的计算机网络，称为面向终端的计算机网络。20世纪60年代初，美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内的2000多个终端组成的飞机票预定系统SABRE（Semi-Automatic Business Research Environment）就是第一代计算机网络的典型代表。
第二代计算机网络是多台主机通过通信线路互连起来为用户提供服务的方式，即所谓的计算机－计算机网络。与第一代计算机网络不同的是，这里的多台计算机都具有自主处理的能力，它们之间不存在主从关系。第二代计算机网络的典型代表是ARPA网（ARPAnet）。ARPA是20世纪五六十年代冷战时代孕育的产物。1968年6月3日，美国国防部高级计划署ARPA（目前称为DARPA——Defense Advanced Research Projects Agency）正式批准了“资源共享的计算机网络”研究计划。由于该网是在ARPA的组织下进行研究的，所以这个网络又称为“阿帕网”——ARPAnet。我们今天有关计算机网络的很多知识和术语都来自ARPA的研究结果。
计算机间进行通信时，对传送信息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，我们将这样的约定称为协议（Protocol）。最早在ARPA上使用的是网络控制协议（NCP）。70年代中期，为完善网络性能，ARPA开始采用TCP（Transmission Control Protocol）/IP（Internet Protocol）（传输控制协议/互联网络协议）。
以ARPA网和英国国家物理实验室NPL的分组交换网为先驱，第二代计算机网络在20世纪70年代和80年代得到了迅猛发展。其中，有研究实验性的网络，如IBM的沃森研究中心，卡内基－梅隆大学和普林斯顿大学合作开发的TSS网，加利福尼亚大学欧文分校研制的DCS网等。还有一些是个别用户为特定目的而自行研制和使用的网络，如加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所建立的DCTOPUS以及法国信息与自动化研究所的CYCLADES网等。也有用户联合为一定范围内应用而建立的网络。如国际气象监测网WWWN（World Weather Watch Network）等。
在采用了TCP/IP协议后，ARPA利用称为网关的网络设备实现了网际互联。形成了“网际网”，真正意义上的Internet出现了。到了70年代后期，第二代计算机网络已经越来越不适应社会的需求。发展新一代的计算机网络就被提到日程上来。1984年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）制定并颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型（Open System Interconnection Basic Reference Model，OSI/RM）的国际标准ISO 7498 七层模型结构。80年代，以OSI模型为参照，ISO以及当时的国际电话电报咨询委员会CCITT等为各个层次开发了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本标准集。也是在80年代，美国学术科研网络NSFNET取代ARPA，成为Internet的主干网，Internet开始向商业领域迈进。Internet是在原ARPA网的基础上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循TCP/IP协议并申请到IP地址，就可以通过信道接入Internet。Internet（也称国际互联网或因特网）就是一个开放式标准化的网络。
由上面的历史，我们可以发现，Internet最初只是美国政府资助建立的一个学术科研教育网，其目的是鼓励学术界的互相交流与资源共享。当NSFNET向ANSNET转化的时候，Internet向商业化和私有化迈出了第一步。事实上，很多公司使用Internet已经有了相当长的时间，不过仅限于研究开发和工程部门。之后，由于Internet原先制定的限制商业化使用政策发生了变化，一些公司才开始利用Internet来为商业服务，并且还利用Internet来进行商业活动。因此，有人将1994年称为Internet的商业化年。
网络的形式并不是单一的。如果按照网络覆盖的地理范围，我们可将网络分为：局域网、校园网、城域网、广域网、全球网。
局域网LAN（Local Area Network），通常在一间机房内，或相连的几间房间内，或一幢大楼内。校园网CAN（Campus Area Network），校园网可将相近的若干大楼互连在一个网络中，但并不仅限于校园中，也可以用在一家企业的厂区或一个单位的大院内。城域网MAN（Metropolitan Area Network），其作用范围为一个城市，有时也称为市域网。广域网WAN（Wide Area Network），通常在一个国家和相邻的若干国家中，有时也称为远程网（Long Haul Network）。全球网GAN（Global Area Network），通常是指跨洲界、覆盖范围几近全球的网络，因特网Internet就是一个典型的例子。
除了按照网络覆盖的地理范围对网络进行分类外，我们还可以根据网络的物理形状（或拓扑结构）将网络分为：不规则网形、星形、总线形和环形。
我们还可以根据传输信息的物理信道是用什么媒体（Medium）来将网络分为：双绞线网、同轴电缆网、光纤网和无线网等。
如果从网络的使用范围来分，则可以划分为公用网和专用网两大类。公用网是为全社会所有的人提供服务，凡是愿意按规定交纳费用的人都可以使用。专用网则是个别单位和部门，和行业为特殊业务需要而组建的网络。它只供专门人员使用。这一类的网络，可以按照业务工作范围进一步细分为：军事指挥网、政务信息网、气象监测网、情报检索网、航空订票网、教育科研网、金融清算网、铁路调度网等等。
Internet的功能可以归结为资源共享、提供人际通信手段、分担负荷以及协同处理等方面。它所提供的服务主要有：远程登陆到其他计算机，在其上运行程序；在计算机间传送文件；在用户间收发电子邮件；共享消息与新闻以及各种查找服务和浏览服务。
(1)远程登录
Internet通过Telnet功能提供远程登录服务，允许用户通过Internet登录到远程计算机的分时系统中去。用户可以通过本地的键盘和显示器与其它地方的计算机交互作用，控制其上程序的运行。
(2)文件传输
Internet的文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）允许用户将自己计算机上的一个文件的副本传送到异地的计算机上。但一般来说，人们更多的是从异地计算机上获得一个文件副本，传输到本地的计算机上来。连接于Internet上的许多计算机上的一些公用文件，允许用户通过网络登录来访问和获取。用户甚至可以用匿名（anonymous）方式访问。登录口令可以不做要求或以客人（guest）身份登录访问等。
(3)电子邮件
电子邮件（E－Mail）是Internet上使用得最广泛的一种服务。任何用户都可以将存放在自己计算机上的电子信函，通过Internet的电子邮件服务传送到另外的Internet用户信箱中去。这个传送对象，可以是你的朋友、同事、家庭成员等，只要他（她）也是Internet用户即可。邮件可以向一人发送，也可以同时向多人发送。同理，你亦可以收到其他用户发给你的邮件。由于许多计算机网络都提供了一种能与Internet上的电子邮件互通的服务，因而许多不是Internet用户的人也可以通过这些网络和Internet用户互通电子邮件。
(4)电子公告牌与网络新闻
电子公告牌BBS（Bulletin Board System），就是Internet上的电子布告栏。在公告牌上，允许用户“张贴”自己的文本布告，以提出各种各样的问题，查询在使用服务时遇到的问题并得到答案。并且可以浏览其他人所提出的所有问题，以寻找自己所需要的答案。也允许人们在这里针对各种问题发表自己的看法。BBS是一种新型的可以由个人使用的电子出版物。
网络新闻（network news），有时也简写为Netnews，则是Internet上一个重要的电子公告牌服务。网络新闻为具有共同兴趣的用户提供了一种交流思想和观点以及进行讨论的手段。按照兴趣和议题的不同，Netnews还设置了许多新闻组（newsgroup）。Netnews上的许多新闻在世界范围内传播，而有些新闻却局限于局部的范围。如一个国家或者一个组织。用户可以阅读某个新闻组中的信息，也可以自己编辑和发送一条信息到新闻组中。到1994年初，世界上已有超过6600个不同的新闻组。到现在，更是数不胜数了，其内容涉及科学、技术、文化、社会、生活等各个领域。网络新闻和电子邮件中的信息采用的是相同的表示格式。
(5)数据浏览和检索
Internet上的信息浩如烟海，要在Internet上查找某个特定的信息或文件，以及以文件形式存放的程序和软件，并不是一件轻松容易的事。为此，Internet提供了一种专门的服务，可以按照用户给出的名字自动搜索，找到具有该名字的文件存放在哪里。
(6)全球范围的超媒体信息浏览服务
World Wide Web，简称WWW，又名超文本全球信息网。它是目前Internet上发展最快的网络信息服务。各个服务单位只要建立了自己的WWW服务器并和Internet网络连接，就可以共享信息了。WWW信息浏览器是一类软件，他们可以让用户在全球网上浏览图形、声音、图像，甚至是可视图像，也就是我们常说的多媒体信息。Netscape公司的Navigator（导航者）和Microsoft公司的Internet Explorer（简称IE）是目前用于浏览WWW网页的两个著名浏览软件。
3.3 计算机与通讯
20世纪末、21世纪初电脑技术的一个巨大转变是，随着Internet的普及和发展，电脑不再单纯是一种计算工具，而更重要地变成一种通信工具。通信工具的功用是交换数据和信息。在当今快节奏的生活和工作方式下，通信已经是一种随时随地的需求，因此我们很难想象它可以受到时间、空间的阻隔而我们还可以宽容地忍耐。移动计算虽然在今天还不能让我们感到满意，但它的巨大发展潜力和未来的商机却已昭然若现，对此我们没有理由无动于衷。
数据通信和计算机网络正是计算机技术和通信技术密切结合的产物。是应用数据传输技术实现计算机与计算机、计算机与数据终端以及数据终端与数据终端之间的数据信息传递。它的出现，对传统的通讯方式产生了巨大的影响。
数据通信业务是为实现远程信息处理提供服务的。随着计算机的广泛应用和普及,各种具有处理功能的智能设备的日益增多,数据通信的应用范围也日益扩大,典型的应用如文件传输、电子函件、语音信箱、可视图文、文件检索、远程医疗等等,被传送数据信息类型是多种多样的。
数据通信是为了适应计算机之间信息传输需要而产生的一种新的通信方式。网络本质上属于通讯工具
网络技术使人际交往在多样化的进程中迈出重要一步，因为它除了自身的通讯功能外，还能够把自己与传统的所有通讯工具结合起来，从而发挥出意想不到的功能。如电话与因特网结合有了IP电话和网络传输的可视电话。电视与因特网技术结合有了远程视频点播及网上实况转播。网络与传真机结合更有多种方式，最简单的一种便是通过电话线将远程传真机作为自己计算机的远程打印机，通过Word的打印直接将排好版的文件一模一样传到世界各地；还有一种是通过因特网线路将传真转发至目的地。
网络聊天是一种全新的交往方式。双方一般以匿名方式交谈，可以随意把自己扮演成各种角色，无论性别、种族、社会地位。实际上，网上看重的是谈话的内容，至于谈话者是人还是狗都无关紧要，因此在网上交谈不必太当真，某人表现得宛如二八少女，实际上可能是一个干瘪老头。网络交往使通讯过程出现“虚拟主体”，这对人际交往产生革命的变化。比如大公司在网上对客户实施服务，客户感觉总是公司的最优秀职员或者经理在对自己服务，而且每次都是那么客气（实际上相当多是套话，每次自动拷贝上去的，不必太动情）。现代社会运行节奏变化相当快，越来越多的人不同程度患有心理障碍，在很多情况下需要找一个倾诉对象。而到现实心理诊所治疗多有不便，这时网络虚拟的“知心姐姐”、“知心哥哥”可以发挥作用。虚拟主体可以针对心理疾病患者的特点，投其所好，对症下药。当然，“虚拟主体”也产生了许多伦理道德问题。
使用网络交往的最主要方式还是电子邮件和文件传输，由于现在的电子邮件可以以附件的形式传输各种文件，这两者实际上可由电子邮件一种方式完全代替。在发达国家，约有半数人上网，而上网者平均每天收到五封以上电子邮件，要主动发送三封以上电子邮件，而这一切并不需要花费很多时间。多数电子邮件十分简单，只有一行字或者只有一两个字。写电子邮件也不必拘泥于形式，任何一种写作方式都是可以接受的，通常信中夹杂许多约定俗成的简写（如you 用u代替，four 和for 用4代替）。当你阅读完一封邮件后，还有疑问，可以简单地回复一下，请求予以解释。这是一种非正式的沟通方式，但人们在商务或者其他事务性工作中也往往利用这种特点，双方事先非正式地联络一下，多次试探对方的可接受程度，以便最终达成协议。这是其他传统通讯方式无法做到的。
3.4 办公及管理
计算机的诞生，对人类的生活产生了深远的影响，并且正在改变着全世界的生活方式。这种改变，最直接的体现在办公方式上。
首先，是我们的办公室不再像过去那样，堆满了文件夹和档案夹，也不再有各式各样的文件稿纸。更不需要一个专门的秘书来打理这些庞杂的文件。计算机已经取代这些过时的办公设备，并将他们融为一体。那些文件夹和档案夹变成了计算机里的一个个文件，用户需要的时候，只要输入相应的文件名，就可以找到想要的文件。就算忘了文件名也没有关系，还可以根据存储路径来查找相应的文件。计算机还提供了大量的文件撰写软件，用户可以直接在计算机上编写所需要的文件。编写好后，可以通过Internet将这份文件传送到各个部门，省时省力。如果需要将这份文件述诸于纸张，还可以将它打印出来。这样的文件标准、美观，并且极大改善了纸张浪费的情况。同时，办公的效率也大大的提高了。
特别是70年代个人计算机出现后。有了个人计算机，就可以不必用打字机打信件，不必用复写纸写出这些信件的复件。企业和政府部门可以安装个人计算机，用文字处理软件来生成这些信件，并用连接到计算机上的打印机打出所需的复件。
对财政部门来说，个人计算机代替了计算器和累加器，也代替了原来繁复的财务表格。财务部门只要用“空白表格程序”就可以进行数值计算，并可以自动套用计算公式。用户只要输入新的数据就可以了。所有的计算将由程序自动完成。
原来政府部门和很多企业中还有资料室和设备科。现在，完全可以用计算机建立数据库来保管这些信息记录。这样无形中就节省了不少额外开支。
六七十年代，管理信息系统蓬勃发展起来。管理信息系统是用于生成管理报告的应用程序，可以协助经理们完成日常工作，处理、分析数据，以确定企业的进展情况。管理信息系统甚至能够回答厂家是否生产了足够的产品以满足计划需求的问题。到了七八十年代，出现了决策支持系统，它能够把管理报告的概念扩大到支持做出决策的各个方面。决策支持系统可以用来解决诸如是否有必要建立一个新工厂的问题。在决策支持系统的基础上，又诞生了专家信息系统。决策支持系统根据现有的数据提供扼要的信息，管理当局能够根据这些信息较好的做出决策。专家信息系统则能提供各种可供选择的决策方案，并列出影响这些方案执行的所有因素。到了90年代，联机事务处理系统开始成长壮大起来。它能使商务一经开始便能很快完成。联机事务处理系统与原来的两个系统相比，最大的特点就是它是一个实时处理系统。它能够根据客户的要求，自动调整生产计划。它使公司的决策支持系统能更准确地反映当前的营业状态。
在这些信息管理系统的帮助下，企业能在原有的基础上提高产品和服务的价值，能够带来竞争优势。有了信息管理系统，还能改善企业内部的通信，提高效率和生产力。在生产过程中，如果不生产销路不好的产品，那么畅销产品的产量就能提高。你还可以在信息系统的帮助下，根据生产需求选择适当的劳动力，从而降低成本。有了以上这些因素，就能改进财务决策，以减少投资失误率。
系统正在代替人力从事办公室的各项工作，从简单的收发邮件直到复杂的公共管理，办公自动化已成为未来的发展趋势。现在，作为一名管理人员，必须学会使用计算机。因为几乎所有的事务，都记录在计算机中，并通过计算机和网络进行处理。计算机的介入，使得传统的办公方式开始动摇。过去困扰经营者的场地、办公室以及各种办公设备和办公用品将会逐渐成为过去。所有的事情，包括会议、决策等等，将依赖于一台小小的电脑完成。经营费用的减少，将使经营者能有更多的余力投入到生产中。
用计算机代替人进行管理，将极大的减少人为因素对生产和决策的不良影响，使得管理过程能够进一步透明化和规范化，也能使生产不再耽于人事。目前，计算机已经涉及到质量管理、风险管理、时间管理、成本管理、采购管理、人力资源管理、通信联络管理等方面。
3.5 电子商务
90年代Internet进入商业领域后，就有如星火燎原一般，迅速席卷全球。网络正逐渐成为新的商业环境，一个新的商业名词——电子商务（Electronic Commerce，简称EC）开始蔓延在世界各个角落。
从狭义上说，电子商务是指在Internet上进行的交易活动，包括通过网络买卖产品和提供服务。这里指的产品，可以是实体化的，如汽车、衣服、手表等。也可以是数字化的，如新闻、录像、电影、软件等基于知识的产品。此外，还可以通过Internet提供各种服务，如安排旅游、远程教育等。从广义上来说，电子商务不仅包括通过Internet进行的网上商业数据交换和电子交易，还包括政府职能部门提供的电子化服务、电子银行、企业协作等。
电子商务与传统的商务有很大的区别。但仍可像传统商务那样，将其划分为合同谈判和支付及货物运送两个阶段。从严格意义上讲，一个完整的商务过程都应包括这两个阶段。但是由于各方面的原因，目前的电子商务活动还不能在网上进行支付和货物运送。所以，可以将电子商务划分为两大类。
第一类：非支付型电子商务
非支付型电子商务，即不进行网上支付和货物运送的电子商务。在这种类型的电子商务中，只有物质和信息的流动，没有资金的流动。其内容包括：信息发布、信息查询、在线谈判、合同文本的形成等。我国目前的电子商务系统大都属于这种类型。
第二类：支付型电子商务
支付型电子商务，即进行网上支付和货物运送的电子商务。支付型电子商务中，既有物质和信息的流动，也有资金的流动。它除了包含非支付型电子商务的全部内容外，还包含了资金的流动。
然而这种商务系统中有一个问题亟待解决，那就是电子签名的合法性。在传统商务中，各种合同都需要交易双发的亲笔签名，法律只承认亲笔签名的合法性。而在电子商务活动中，交易双方只在合同上进行了电子签名。建立电子签名的合法性和有关法律规章，就成了当务之急。电子商务在我国也得到了一定程度的发展。以“湖南省电子商务系统”为例。
“湖南电子商务系统”是湖南邮电、中国银行湖南支行、中国农业银行湖南分行和IBM联手推出的全国首套基于SET（Safety Electronic Trade，安全电子交易）的电子商务系统。这个系统采用了全套的IBM电子商务产品，包括商业服务器、电子身份证发放机制、电子钱包和支付网关。在经过了一段时间的测试后，目前已正式投入运行。在这个系统上，交易双方除了可以进行最基本的商品查询，以及进一步的合同谈判之外，还可以在通过身份认证后，通过银行进行网上支付。
在世界上，电子商务的发展势头更是锐不可挡。目前，全球的Internet用户数量已超过了1.8亿。如此巨大的用户市场，意味着巨大的商业机遇，它为全球电子商务的发展储备了丰厚的潜在利润和现实利润。
例如，美国戴尔（Dell）电脑公司每天通过Internet直销的PC机价值超过了1000万美元。1998年的网络销售额比1997年增长了3倍。思科（Cisco）公司在中国的业务有80％是通过网络进行的。在全球范围内，Cisco每天接到的网上订单达2800万美元。Intel公司也不甘落后。1999年，它在其Web页上的月销售额达到了10亿美元，相当于该公司总销售额的40％。电子商务将在全球经济中扮演越来越重要的角色，电子商务、数字经济，将推动21世纪世界经济的持续增长。
3.6 人工智能
计算机是二十世纪人类最伟大的发明之一。从它诞生的那一天起，科学家们就一直致力于让计算机变得更聪明，努力让计算机能读会写，能听会说，让它能够像机器解放人的手脚那样解放人的头脑。1968年，“丹觉尔”智能软件研制成功，它可根据化学规律比人更快的推算出化学物质的分子结构。1972年投入研制的医疗专家系统，可以代替医生从事药物治疗。之后出现的“艾伦”，是世界上第一个能够自行创作的“机器画家”，并且，它的作品广受欢迎。
在提高计算机的“智能”方面，最广为人知的，就要数国际象棋领域的人机对抗事件。1988年，由IBM公司研制的，第一台达到国际特级大师水平的计算机“深思”，虽然在1994年与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫的对垒中失败，然而却给对手造成了很大的压力。到了1997年，在“深思”的基础上改造的“深蓝”，再次向卡斯帕罗夫发出挑战。
在前五局比赛中，卡斯帕罗夫首先拔得头筹。紧接着“深蓝”扳回一局。之后的3局，双方连续战平，各积2.5分。因此，最后一局比赛就成了关键所在。在最后这局比赛中，“深蓝”执白以王兵开局。卡斯帕罗夫依然采取稳扎稳打的战略，构筑防线，背水一战。然而卡斯帕罗夫有步棋走错了，“深蓝”执白抓住时机，赢得了先手。到了第十八步之后，卡斯帕罗夫再也无心恋战，投子认输。
“深蓝”由IBM技术人员历时六年研制完成，凝聚了世界上最尖端的计算机技术。它带有256个能在一台RISC系统/6000型计算机上同时运行的处理器。它的运算能力是“深思”的1000倍。它可以在3分钟内对500亿步棋进行分析并做出选择。“深蓝”计算机设在纽约约克敦海茨的沃森研究中心，它利用互联网向设在192千米之外的费城对弈现场的一台RISC系统/6000计算机发出行棋指令。
“深蓝”计算机是通过计算速度和对棋局的分析下棋，而不是通过模仿人脑来下棋。“深蓝”程序中带有一个收集了20世纪各国著名国际象棋大师所下的数千个棋局的数据库，还储存了10亿个棋谱。下棋时，每秒搜索2亿个棋步，并从中找出最有利的走法。“深蓝”还融入了专家系统、自主学习等人工智能手段。它的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
“深蓝”的胜利显示，虽然机器使用的策略和人脑想出的策略有很大的不同，但同样有用。卡斯帕罗夫在赛后这样说道：“如果你与机器下棋，特别是与它比赛，你很难不相信‘深蓝’是有智慧的。因此，我们必须同意，解决智力问题，不一定要依靠人脑的特殊结构。”
其时，卡斯帕罗夫的这个问题早在半个多世纪前，就已经在图灵的《计算机与智力》一文中提出来了。文中提出的“图灵测试”的概念，就是测试者通过提问的方式来分辨隐藏在幕后的测试对象是否是人。IBM 公司的“深蓝”电脑将世界冠军卡斯帕罗夫降服的情景人们至今还津津乐道，那么电脑能否与人像老朋友一样十分投机地聊天呢？随着人工智能技术的不断发展，每年一度的英国科学周推出的智能对话软件模仿真人的水平也越来越高，去年前来参加这项聊天活动的网虫们有六分之一被蒙骗，今年推出的“阿莱克斯”就达到了27％的欺骗率。最滑稽的要数那名和三台参赛电脑一起躲在幕后的那位真人了，有37％的网虫硬说这名来自某大学的高才生是台电脑，真可谓真亦假时假亦真，让人哭笑不得。
这样看来，如果我们将允许提问的范围严格加以界定，那么能够通过“部分”图灵测试的智能计算机是完全可以研究出来的。这样的方法应该也适用于智力劳动的机械化。
众所周知，推理是智力的一项重要内容。特别是对于数学一类的基础学科，推理可以说是构成学科的主体。机器证明是用电子计算机来完成数学命题的证明，它是现代数学中一种新兴的边缘性学科，是现代人工智能发展的一个重要方向。但是，要想用一台计算机全面取代这样一种复杂的劳动，在短期内来说，是很不现实的。我们只能利用“分块蚕食”的方法，在各个不同领域的相对狭小的范围内，逐步用计算机推理取代人的部分智力劳动。我国著名数学家吴文俊先生就在几何定理的机器证明中取得了突破性进展。1977年，吴文俊[3]提出了针对“等式型”命题（即假设和结论中都不包含不等式的命题）的判定算法，是这一领域的重要突破。他证明了初等几何一类主要定理的证明可以机械化；1980年，他还用一部微机在20和60个机器小时左右分别发现了两个几何学的新定理，引起学术界的关注。从手工证明到机器证明，是数学思想方法的重大飞跃。将这种方法应用于初等几何的等式型命题，判断效率很高。这种方法的成功推动了世界范围内机器证明代数方法的研究和发展。之后不久，张景中[4]及其合作者就推出了以面积、勾股差等几何不变量为工具的消点法。这种消点法，既有很高的效率和相当于吴文俊方法的覆盖面，又能够由机器自动生成较接近于传统证明的“可读证明”。
“可读证明”，即人能够理解并能运用人工检验的证明。近期，张景中等人将这项技术成功的应用于教育软件系列《Z＋Z智能教育平台》中。这套软件，完全不同于一般的题库或课件，它具有较高的解题智能，能够解答学生提出的一般问题，帮他们做一些比较机械的工作，使他们有时间和精力做更具创造性的工作。例如这一系列软件中的《平面几何》[5]平台，除了可以具有一般的文本处理功能和一般的多媒体处理功能外，还具有面向学科的动态构图功能。教师可以方便的在屏幕上绘制出与学科知识有关的几何图形，并赋予这些图形与学科知识相联系的属性。这些图形能够在保持其属性的条件下运动、改变、复制、分解和组合。此外，还可以追踪图形变化过程中的轨迹，对图形所代表的元件属性进行动态的模拟测量。最重要的一点，是它具有问题生成、自动求解、交互推理的功能。并且这个证明过程是完全可读的（如图9.12）。左边是在《平面几何》的作图窗口中作出的图形，右边则是证明窗口中自动给出的整个证明过程，包括已知条件和待证结论。这是一个典型的等式型几何机器证明。
除此之外，1994年，杨路及其合作者实现了第一个非欧几何定理证明自动生成的算法和程序。用此程序迅即产生了100多个非欧几何定理的可读证明。其中半数以上是从未见过或未被证明的，从而改变了已有的各种证明器只能证明已知事实的局面[6]。
然而以上这些仅适用于等式型命题。近期，杨路提出的“降维算法”及其用MAPLE开发的软件“BOTTEMA”，则为缩短等式型和不等式型定理的机器证明的算法差距做出了努力。这个软件主要是针对O. Bottema的《几何不等式》一书中提出的几何不等式编写，同时，它也适用于初等代数不等式。在一台奔腾Ⅳ/1500机上用此软件验证该书中100个基本的几何不等式（并给出可读证明）总共用时仅4秒多钟。
3.7 计算机犯罪
科学技术是一面双刃剑。火药、原子能的发明发现，最初都是以为人类服务，减少艰苦卓绝的手工劳动和提高生活质量为前提的。然而后来，由火药衍生出来的枪炮炸药，以及由原子能衍生出来的原子弹，却给人类社会和地球带来了无穷无尽的灾难。基于这些技术的两次世界大战，成了人类历史上最黑暗，最痛苦的一页回忆。据说，现在地球上各国所储存的核弹头，足以把地球彻底毁灭几次。今天我们脚下的地球，仍然没有因为这些技术的诞生而更适于生存。人类始终无法摆脱“科学技术具有双重作用”这条规律的制约。
福兮祸所倚，祸兮福所伏。计算机从1946年诞生的那一刻起，就在不停的为人类造福。然而世界上第一起有案可查的计算机犯罪即发生在1958年。可以说它是与计算机一同成长的。
1964年，美国德克萨斯仪器自动化计算公司的一名程序员私自复制了公司的49个计算机程序，并企图以500万美元的价格向外出售。1979年，美国计算机专家里道夫通过银行的计算机系统，把他人的1000万美元存款转到了自己的帐户上。美国洛杉机威尔福格国家银行一名业务经理利用在计算机终端上开空头支票的方法，到1981年1月为止，两年内共贪污了2100万美元。同年，日本三和银行一个职员利用工作之便，向自己私开的4个帐户各拨出3000万日元，并携款潜逃。1986年，前西德的4名犯罪分子利用计算机系统，操作和修改信用卡的磁带密码，非法获利10万马克。像这样的事举不胜举。根据英国的一个不完全调查表明，约20％以上的计算机用户遭遇过侵害，平均每起损失约7万美元。另外，据对120家大型机构和公司的一项调查表明，有一半以上的诈骗案是借助于电脑作案的，平均每年每家公司被诈骗的损失达517万英镑。然而令人惊心的是，其中只有不到一半是侦破的，而其它一半以上是偶然发现的。
互联网是没有国界的大网络，计算机犯罪的损失额是常规犯罪的几十到几百倍。利用计算机作案的罪犯，就像幽灵一样潜伏在你身边，让你防不胜防。最早出现在网络上的传统犯罪是盗窃，随后，诈骗、恐吓、敲诈勒索、赌博等各类传统犯罪纷纷开始渗入网络。特别是色情行业，也开始瞄准网络，猖獗发展起来。我国的网络犯罪情况也不容乐观。据公安部公共信息网络安全监察局副局长顾建国分析：去年（2001年），利用计算机网络制作、复制、传播色情、淫秽物品的案件十分突出。有些犯罪分子利用互联网络出售色情光盘，有些非法提供色情网络连接，有些干脆直接设立色情网页……这其中的绝大部分均是以营利为目的的。这一类型的案件去年总共立案2000余起，几乎占所有案件的一半。
黑客也是网络安全的致命所在。然而早期的黑客并不等同于罪犯，“黑客”一开始有“恶作剧”的意思。他们更多的是被认为是无害的探险者。他们的所作所为主要是为了要证明：通往计算机的道路不只一条，所有的信息都是免费的，打破计算机集权，在计算机上创造艺术和美，计算机将使生活更美好等。就连著名的比尔·盖茨也曾经有过“黑客”行径。当年，比尔·盖茨只有13岁，但已拥有了将近一年的“机龄”。在他当时就读的湖边中学，有一个电脑中心公司（CCC）利用租来的DEC公司的PDP－10计算机提供的计时服务终端，然而费用却比较昂贵。比尔很快发现了PDP－10内保存的各种程序。每当公司推出一个新的软件，他就与同学闯进去大闹一番，并最终突破了PDP－10的防御系统，进入到CCC公司的财务档案中去。并且从这些档案记录里找到了他们所用电脑的计时帐单，然后更改了帐目，以便减少自己的租金。正当比尔和他的朋友们为自己的“创举”得意洋洋之时，CCC公司发现了他们的恶作剧。这位未来的“世界首富”只好垂头丧气地走进校长办公室，接受“6星期不得接触电脑”的惩罚。然而到了80年代，新一代的黑客却彻底改变了原来黑客的性质。黑客，变成了电子窃贼的代名词并成为公众眼中阴险恐怖的侵略者。
1988年11月2日下午5点1分59秒，计算机世界又多了一项令人不安的因素——病毒。当时那个名叫“蠕虫”的计算机“病毒”突然发作，致使15.5万台计算机和1200个连接设备突然进入休克状态。所谓的计算机“病毒”，其实是人们对一种能够破坏计算机正常工作的特殊软件程序的形象称呼。它能篡改正常运行的计算机程序，破坏这些程序的有效功能，并能够复制和侵入其他有用的程序。计算机“病毒”的破坏性给了军事电脑专家以新的启示，美国国防部开始研究“计算机病毒”的军事用途，并希望能够利用“病毒”来进行一场“计算机战争”。目前，全世界已发现的计算机病毒已超过上万种。计算机病毒已经在世界范围内造成了极大的危害，可以毫不夸张的说，病毒就在你身边。人们现在已经到了风声鹤唳，谈毒色变的地步。据国外有关报道，1990年1月，每6天发现一种新病毒；半年后的6月，缩短为4天；到了同年的9月，则只需3天。现在，每天约能产生5～7种新的病毒和原有病毒的变种。计算机病毒已成为现代文明社会的一大公害，人类将不得不与这种公害做长期的斗争。
基于上述种种原因，2001年11月8日，欧盟理事会的43个成员国就共同打击互联网上的犯罪问题达成一项协议，并准备正式签署打击网上犯罪的国际公约。这是迄今为止非单一国家制定的第一部反网络犯罪的国际性公约。该公约明确规定了网上欺诈行为以及在国际互联网上向未成年人传播色情内容的行为均属网上犯罪之列，并明确了欧盟理事会各成员国在共同打击网络犯罪中的责任。这份名为《电脑犯罪国际公约》的协议于当年11月23号在欧盟成员国部长级会议上签字和正式通过执行。它将网上儿童色情描绘、欺诈和黑客攻击行为定为犯罪行为，它为如何管理互联网提供了准则。
我国也正在积极立法应对网络犯罪。1997年刑法修订后的第285、286、287条明确了对计算机犯罪的刑事惩处。刑法第285条规定了“非法侵入计算机信息系统罪”，对非法侵入国家事务等计算机信息系统的罪犯，处3年以下有期徒刑或拘役。第286条规定了“破坏计算机信息系统罪”，对计算机信息系统功能进行删除、修改、增加、干扰，或者故意制作、传播计算机病毒等破坏性程序，影响计算机信息系统正常运行的罪犯，可处5年以下有期徒刑或拘役；后果特别严重的，处5年以上有期徒刑。第287条，则是对利用网络进行传统犯罪的规定：“利用计算机实施金融诈骗、盗窃、贪污、挪用公款、窃取国家秘密或者其他犯罪的，依照本法有关规定定罪处罚。”
除此之外，世界各国正直的计算机专业人士纷纷投入到防范和侦破计算机犯罪的工作中来，各种杀毒软件和反黑客手段应运而生。同时，其他专业的专家和技术人员也开始加入到同计算机犯罪作斗争的行列中来，新的反犯罪技术正源源不断的产生。我们有理由相信，随着反计算机犯罪技术的不断提高，终有一天，计算机犯罪这个“毒瘤”终将被制服。
第四节 计算机的未来
计算机、网络、通信技术一体化的未来社会，将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会更大的生存和发展自由。当历史的车轮徐徐驶入21世纪时，我们会面对什么样的计算机呢？
人们预测，到了2003年，人们可在家通过电子手段随时随地的选择自己最喜欢的电影、电视剧、体育和其他形式的娱乐节目。2004年，工业化国家将普遍通过可视网络举行业务会议。2005年，个人计算机将具有电视、电话、交互式图像传输等功能。2006年，供家庭使用的具有交互式电视、电话和计算功能的娱乐中心将投放市场。2007年，利用分子键存储数据的“生物芯片”将投放市场；语音、手写字体和光学识别特性将使普通的个人计算机能与人交流；大部分书籍和出版物通过网络发表。2008年，发达国家80％的人口将进入信息高速公路。2009年，包括电子货币在内的电子银行业务将取代纸币和支票，成为主要的支付手段。2012年，计算机可用来进行实时语言翻译，其准确性和速度能满足有限交流的需要。2014年，使用光子而不是电子处理信息的计算机将进入商业领域。2015年，计算机开始由使用并行处理器的神经网络执行。
80年代计算机集中于性能的竞争，90年代计算机集中于价格的竞争。进入21世纪，计算机将集中于方便化、随身化的竞争。人们为了能够随时随地的使用计算机，从开发膝上型计算机开始，继而开发出了笔记本型计算机乃至掌上计算机。掌上计算机进一步的发展，产生了无键盘式计算机（如图9.12）。无键盘微机是一种用电笔在屏幕窗口书写输入命令的微机。这种微机屏幕的表面，镀有一层防止划痕的电子传导层（即氧化物锡锑薄层），当与电笔接触时，就会使其一电路开通，能测定笔尖运行的走向、距离和角度。然后，由坐标系统对这些数据进行计算、评价和数字编码，再将它们与事先设计的成千个模式作比较。一旦发现与待识别字符最相像的那个模式，微机内的操作系统即对之进行存储和处理。操作这种无键盘式计算机，就像我们平时使用纸和笔一样方便。更有人异想天开，想将计算机穿在身上。美国甚至还在2001年10月的时候举办过一次可穿戴的计算机时装展。将来某一天，我们就能像今天用随身听欣赏音乐，用移动电话进行联络一样，将计算机带着到处走，随时随地的工作、上网冲浪。
神经网络计算机
此外，人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来，人们在研究人体神经系统结构和功能的神经生物学家及神经解剖学家的帮助下研制出数学模型，然后制造能够完成类似人脑功能的计算机系统的人造神经元网络。至此，计算机将获得真正的人工智能。神经元计算机比较有前途的应用领域是国防。它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定需击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常地有效快捷。
量子电脑
还有人预测，到2030年，我们将用上新一代的量子电脑。到那时，我们桌上的计算机主机不再使用芯片与半导体，而是充满了液体。它应用的不在是我们所熟悉的物理定律，而是玄妙的量子理论。量子计算机的运算速度可能比日前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍，它可以在眨眼之间搜寻整个国际网络，可以轻易的破解任何安全密码。2000年8月15日，华裔科学家艾萨克·张向各国专家展示了迄今最尖端的“5比特量子电脑”，并初步验证了量子计算技术的超凡魔力。量子电脑是利用原子所具有的量子特征进行信息处理的一种全新概念的计算机。它以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算能力比目前以微型晶体管电路为基础的传统计算机快几亿倍！尽管量子电脑的研制工作现在还处于十分原始的阶段，但人们坚信量子电脑终将取代传统模式的计算机，从而开创信息时代的新纪元。
超导计算机
除此之外，计算机正朝着其他多元化的方向发展。其中有超导计算机。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。以目前的技术制造出的超导电脑用集成电路芯片只有3～5立方毫米大小。
光子计算机
也有科学家致力于光计算机的研究。光计算机是利用光作为载体进行信息处理的计算机，其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。光计算机靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。与计算机相似之处是，光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。计算机的功率取决于其组成部件的运行速度和排列密度，光在这两个方面都很理想。激光束对信息的处理速度可达现有半导体硅器的1000倍。光束在一般条件下的这种互不干扰的特性，使得光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜，其通过能力超过全球现有全部电话电缆的许多倍。
生物计算机
众所周知，现代半导体大规模集成电路的体积已经小到了1微米，很难再缩小了。自集成电路发明以来，能够集成在单个芯片中的设备数量以及这些设备运行的速度已经有了巨大的发展。1964年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔博士（G. Moore）注意到一个芯片上的晶体管数量呈几何级数增长，并以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的定律。摩尔天才地预言说道，集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头（1975年，他把翻一番的速度修改为2年）。摩尔所作的这个预言，因集成电路的发展历史而得以证明，并在较长时期保持有效，被人誉为“摩尔定律”，即“IT业第一定律”。到1997年Intel公司推出的奔腾Ⅱ芯片时，集成的晶体管数已超过750万个，运算速度达到每秒5.8亿次。
然而科学家预言，微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。因此， 摩尔定律描述的增长趋势必然会有中断的时刻。因此，人们开始研究用有机物分子取代半导体的可能性。这样的计算机，我们称之为生物计算机或分子计算机。近年来，随着基因与蛋白质工程、重组脱氧核糖核酸（DNA）技术、聚合物化学、人造膜工艺等相关领域的发展，使这一新兴计算机系统的创立有了材料方法上的保证。
生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的生物芯片构成。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。生物计算机的数字计算逻辑元件和存储元件均是由有机物分子组成的分子电子器。一旦这种分子电子器研制成功，将比半导体器件具有更多重要的优越性。用蛋白质制造的电脑芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，大大超过人脑的思维速度。
生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有组织自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。
生物计算机在未来技术工程中必将引发新一轮的冲击波。在初期阶段，它将作为实现信息同步预处理的敏感器件——传感器使用。科学家和技术人员希望它是能够辨认光学图像、触知和识别固体表面形状、“感知”化学物质梯度及配置的智能传感器
将来，生物计算机可能会进入更为复杂的与数字电子计算机协同运作的模式，承担一部分它们能更有效处理的工作。重要的是，生物计算机还有可能为数字电子计算机附加一些生物功能。
生物计算机并不是遥不可及的。大多数的专家认为，生物计算机必可以在本世纪内研制成功。尽管目前科学家们对于生物计算机的结构还存在种种分歧，但是我们有理由相信，制造生物计算机的技术能力将在未来几年内逐步显示出来。
除了前面提到的生物计算机，人们还寄望研究出一种DNA计算机。研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，就是能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因信息和物质。科学家们从中得到启迪，正在合作研制未来的液体D N A电脑。这种D N A电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，并通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的D N A编码形式加以解答。和普通的电脑相比，D N A电脑的优点首先是体积小，但存储的信息量却超过现代世界上所有的电脑。它用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的D N A链中，一升的DN A电脑只需几天时间，就可以完成迄今为止所有计算机曾经进行过的运算。其次是最大限量地减少能耗，D N A电脑的能耗，仅为普通电脑的十亿分之一。再者就是功能的强大，它的每个D N A链可以各自进行运算，这意味着，D A N计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。
1998年8月，以色列捷赫尼昂大学的研究人员宣布，他们利用生物学和微电子学共生机理，首次在人的DNA链的基础上制成了一种电导体。这种电导体只有一根头发的千分之一细，为人们制造新一代微芯片开创了无限的发展前景。从理论上来说，DNA分子计算机在几天内就可以完成过去半个世纪中世界上所有计算机曾经进行过的运算，还能解决许多目前计算机不能解决或难以解决的问题。
脑控计算机
现在使用的计算机，一般都是通过计算机键盘或鼠标器输入指令而工作的，另外还有少部分声控计算机。未来，计算机能通过分析使用者思维时发出的生物信号来实现人脑控制。这项技术是从长期被用来诊断大脑疾病的脑电图记录衍生而来的。目前，研究脑电波控制计算机的一个重大挑战是：如何使计算机从人脑电波中分辨人的思维是“是”还是“否”。关键是科学家们目前对脑部细胞就某思想释放出的电荷以及它们之间的关联所知甚少。另外，某个信息可能同时被其他信息所遮盖，这对计算机收集和分析信息造成相当的困难。专家们认为，由于这种实验技术耗资巨大而且非常复杂，很难投入实际应用。他们说完全随人脑反应的计算机的研制还需几十年的时间，也许永远都是科学幻想。但在今后十几年内，有可能开发出比较实际的能帮助残疾人通信或操作一些用具的系统。
能听会说的计算机
在科幻电影中，我们常能看到这样的镜头：主人公和计算机自由的对话，聊天。计算机不仅能按照主人公指示完成各种计算、搜索资料工作，还能适当的提出自己的建议。更有趣的是，它能像人一样插科打诨，还有丰富的情感。被冷落时会不满，会害怕诸如老鼠之类的东西，还会像个老朋友一样唠叨个不停。
虽然这只是电影中的镜头，然而科学家们正在为此做着不懈的努力，并且已经取得了部分成就，这一方面最突出成就之一就要数机器人了。
2002年的暑假期间，中国科技馆展出一个“会说话的机器人”。不过，这个号称万事通的机器人在面对猜测小朋友的成绩时，却只能频频闪红灯来来应对了。日本在这一类型的机器人研究方面可以说走在世界前列。日前，日本电器公司展出了一种外形象胖娃娃的机器人。这个机器人名叫“R100”，具有辨别面孔、说话和服从主人命令的本领。它的外观颜色非常鲜艳，像是一个鸡蛋型的塑胶桶，其头部像是个皮球。它有一张平面、半透明的白脸，一双黑色的大眼睛，眼睛里是两部摄像机。当它脸上亮起一排白灯，就表示它在微笑。在主人说用日语说“再见”时，这个重7.9公斤的有时会拒绝结束谈话，并摇头抗议。如果被搁置一旁，它会利用它的三个轮子四处“走动”、跳舞甚至找人聊天。和人类一样，它对外界环境和指令的反应会随着温度和灯光的变化而不同。如果它接到太多的指令，它甚至会感觉疲倦，到一旁休息。偶尔也会耍耍性子，不听使唤，非常有趣。
不久前，日本的索尼公司推出了一种名叫“艾博”的机器狗。它有18个“关节”，能做250种运动。它能玩球，模仿狗撒尿，以及摇头、晃动身体和抬腿。这种机器狗装有许多传感器，包括彩色像机、热传感器、红外线传感器、触觉传感器、加速和速度传感器以及一个立体声微型话筒。艾博的主人如果想表扬它，可以把手放在它头上一两秒钟。如果重重地拍艾博头一下，就是处罚，它就会开始生气。目前，控制艾博行动的大多数指令要通过遥控，不过声控也开始应用。艾博在日语里的意思是伙伴，它自己能发出多种声音，叫声、说话声，甚至演唱英文和日文歌曲。
除了这些模拟人和动物的机器人外，还有许多能够通过语音进行简单交流的计算机。当然，这一类型的计算机虽然目前性能还不是很完善，智力水平也不高，常常出现答非所问的情况或者重重复复的说一样的话。例如电子导游系统，当你通过电话查询由出发点到目的地的乘车方法时，只要你不放下电话，计算机就会一遍一遍的重复乘车的方法，丝毫不知要停下来，或是给你问话的机会。还有一些聊天软件，常常让人哭笑不得。例如有的聊天软件，当你问它：“你今天感觉如何？”计算机能够迅速回答说：“我今天大脑很兴奋，有很多新想法。”当你再问它：“你能听见我的声音吗？”它就会傻傻的回答：“不，我是个真人。”
虽然目前有些计算机在听说理解方面比较笨拙，但是随着计算机技术的不断发展，我们终有一天能够制造出跟人类一样，具有独立思维能力、也有喜怒哀乐的计算机。不管怎么样，要想制造出具有类似人脑思考能力的电脑来还是一个遥远的事情，人工智能技术专家们要走的路还很长很长。
今天的预言在明天看来也许会非常可笑。不过不管怎样，现实社会已经为我们展开了一幅美丽的画卷。在可以想见的未来，生活会因为有了计算机而加多姿多彩。谁又能肯定，今天的科幻电影不会是明天的现实。人类社会必将在它的推助下，飞向更高更新的物质文明。
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自然科学发展概要（8）
第八章 环境科学的形成与发展
第一节 有关环境科学的基本概念
1.1环境
所谓环境是指以人类为中心的周围客观事物的总和，是直接、间接影响着人类生活和发展的各种自然因素（自然环境）和社会因素（社会环境）的总和。现在一般讨论的环境主要是指自然环境。人类生存的自然环境是由空气、水、土壤、阳光和各种生物所构成。《中华人民共和国环境保护法》对环境和人的关系明确规定为：“环境是指：大气、水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、野生植物、水生生物、名胜古迹、风景游览区、温泉疗养区、自然保护区、生活居住区等”。自然环境是人类及其他生物赖以生存的物质基础。但是人类不同于其他动物，机械地利用外部环境，求得生存和发展，人类通过他所作出的改变来使自然界为自已的目的服务，创造出适合自已生存与发展的环境。
1.2环境分类
对于环境的分类，目前尚无统一规定的标准，根据不同原则，学者们对人类环境有不同的分类方法。常用的方法是按照研究对象的范围、特性和从属关系而划分为三个层次。
全球环境 随着科学技术的发展、生产力的提高和生产规模的扩大，人类的许多活动已对地球环境系统产生了影响，如工业化以来大气中二氧化碳浓度的增加、人类生产排放到大气对流层并不断向同温层扩散的会破坏臭氧层的CFCs类物质等，都对全球的热量平衡和环境稳定产生深刻影响。因此，地球环境系统的质量变化已成为现代环境科学研究的重要对象和领域。
区域环境 是环境差异性的地区体现。由于社会因素和自然因素的不同，某一地区与另一地区的环境条件往往有着明显差别。这种差异使人类与环境间的关系也随之不同，人类对环境利用和改造的方式、程度、规模、性质及后果也有所区别，因而造成的“环境问题”和解决对策也就不同。区域空间范围的具体划分可依据行政区划，也可依据自然区划，但通常是两者交替并用。
聚落环境 是人类有目的、有计划创造出来的以人工环境为主的环境，它既是人类聚居的地方，也是人类生产活动的中心。这类环境又可细分为院落环境、村落环境和城市环境。聚落环境具有两个明显的特点，一是有明显的时代特征和地域特征；二是形成许多“环境问题”产生的根源，一些重大“公害”都发生在聚落环境微观或小范围的，如村落环境、院落环境、居室环境等，这是从研究的空间范围对环境进行的分类。还有许多学者从不同部门的研究角度对环境进行分类，如工业环境、乡村环境、农业环境、旅游环境等。所以，环境的分类可根据研究的具体内容来划分和确定。
1.3人类活动与环境变化
在人类发展的历史上，有过许多重大的发明创造，每一次重大发明都推动了人类向更高阶段发展。尤其是工业革命以来，人类经过近两个世纪与大自然战天斗地的较量，积累了丰富的经验和智慧，创造了巨大的财富和科学技术知识，使社会生产力得到了极大地提高。人类的生活、工作、交流方式发生了根本的变化。特别是第二次世界大战之后，世界上一味追求经济的快速发展，烟囱产业被作为“朝阳”工业而备受推崇，其发展指标通常以经济的增长来定义，以国民生产总值(GNP)或国民收入的增长为重要目标，以工业化为主要内容。
单纯追求经济增长的结果导致最近一个世纪以来，矿物燃料消耗量增加了30倍，而且每年仍以2%以上的速度递增，工业生产能力的4/5以上是20世纪50年代以后出现的，短短的几十年里，世界进入一个崭新的高速发展和前所未有的工业化时代。然而，正如恩格斯的告诫，“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。每一步胜利，在第一步都确实取得了我们预期的结果，但是在第二步和第三步却有了完全不同的，出乎预料的影响，常常把第一个结果又取消了”。当人类庆贺经济这棵大树结出累累硕果的同时，人类赖以生存和发展的环境却被破坏得百孔千疮，环境污染及生态破坏，能源危机、资源危机、人口危机带给人类广泛而严重的矛盾。科学技术发展带来的工业、农业深刻革命的同时，使环境的污染成为新的严峻问题。人类活动向空气中排放许多挥发性的有机化合物、烟尘和有害金属造成了城市空气的污染。科学技术的高度发展，使自然界日益增加为人类服务的领域，耗用自然资源日益增多，使原来在自然界中处于平衡的各种物质，由于人类的活动而在不同程度上影响它们的平衡状态。人类正是在改造自然界的同时，逐步认识人类与自然界的关系。人类活动结果影响了原有自然界的物质平衡和生态平衡。人类从环境变化的认识开始重新认识和反省自身的行为。
1.4环境问题的产生
环境问题广义是指包括一切形式的环境恶化或对生物圈的一切不利影响，具体一点，是指环境污染，即有害物质在自然环境中积累，其数量达到或超过人类和生物正常生存和生活所允许的量。随着人类社会的发展和生产力的提高，人类改造和影响自然环境的能力加强，人类活动导致自然环境的破坏，自然界给予人类以报复，造成了环境污染。
在人类漫长的改造自然的历史中，由于它的影响还没有超出自然界的物质平衡和生态平衡，还不足以造成对人类明显的反作用。工业革命前，生产力发展水平低、环境污染极微小，还不足以对环境的物质和生态平衡产生可觉察的影响。环境污染是随着大工业发展而产生，因为多年来，人类的生产活动一直是围绕着资源的开发和利用进行的。18世纪产业革命到20世纪初，由于大工业发展造成以煤的烟尘、二氧化硫为主的大气污染和采矿、冶炼、无机化工废水污染为主的环境污染问题先后发生。例如，1873年12月、1880年1月、1882年2月、1891年12月、1892年12月及1952年12月的英国伦敦接连发生烟雾事件。1909年英国格拉斯哥烟雾事件死亡1063人，自1893年开始的五十年间，日本足尾铜矿冶炼厂排放废气造成大片田园荒芜，几十万人流离失所。1920年到1950年的30年中，环境问题由于烧煤造成的污染进一步扩大，石油加工和化工等有机化学工业的发展引起新的污染，汽车等机动车排放废气的污染出现“光化学烟雾”等，大气污染更为严重是这个阶段的特点。第三阶段是从五十年代开始，工业发展的迅速、污染扩大。石油的海上运输和海上石油开采引起海洋石油污染，航空工业的发展导致高空大气层的污染，核武器、核电站、核工业的发展引起放射性污染。可以说现在污染已遍及全球，甚至在南极的企鹅和北极的驯鹿中都发现污染物。
最为典型的是震惊世界的八大公害事件：（1）1930年比利时马斯（Meuse）河口重工业排放SO2的烟雾事件中毒数百人，死亡60余人。（2）1944年美国洛杉矾光化学烟雾事件，持续4天，4000余人死亡。（3）1948年美国多诺拉冶炼厂的S02及烟尘事件，5911人中毒，四百余人死亡。（4）1952年伦敦烟雾事件四天内中毒死亡四千多人。（5）1955年日本四日市重油烟雾事件，死亡36人。（6）1955年开始日本的富山县矿山引起的镉污染的骨痛病事件。（7）1956年日本水俣湾的有机汞中毒，受害居民万余人的水俣病事件。（8）1968年日本生产米糠油时，含有多氯联苯（PCB）引起的中毒事件。后四起都发生在日本，据不完全统计受害者17000多人，死亡4100多人。直到1984年12月3日在印度博帕尔农药厂毒气外泄，当场有2500人死亡，另外3000余人严重中毒濒临死亡。
由于工业的发展，矿山的开采，工业的排污，大量废水、废气、废渣排入环境，有害物质急剧增加，超过自然界本身的稀释和净化能力，造成环境污染，破坏生态平衡，危害人类的生存。仅以第二次世界大战前夕到1970年的40余年为例，科学技术的发展伴随着大规模自然资源的开发利用和工业生产的急剧增长。特别在后25年中，工业的急剧增长引起自然资源开发的迅速增加。据统计，1965年开始，世界上每年开采和消耗30亿吨矿物煤炭，5亿吨铁矿石，44万吨铝矾土，5百万吨铜等。它们的增长速度分别为4.1%；1.8%；6.4%和4.6%，据美国矿山部统计，美国在30年间（1940一1970）工业所需的矿物原料大于整个人类从古罗马到第二次大战期间矿物原料的需要量。这样大规模的消耗自然界的原料，不仅引起矿物资源的枯竭，而且大量的废物将引起大气污染（有害气体和粉尘）、水体恶化（溶液，可溶性气体及颗粒物的输入）及固体废物的污染。据统计，现在世界仅城市每年排入环境的固体废物高达30亿吨，工业及生活污水500立方公里，各种气溶胶10亿吨，有毒气体六亿多吨。现在全球CO2的浓度以每年0.2%的速度递增。
人口的增长，特别是近80年人口的急剧增长，不但加快工农业生产的发展，从而不可避免地加重工农业生产所带来的环境污染，而且人口增长，大量生活污物排放，城市化对环境的影响，人口增长对能源需求的增长加剧对环境的影响。据统计，1800年，世界人口经历一百万年才达10亿；到1920年，经过12O年，世界人口达20亿；1965年世界人口达到40亿，现在人均寿命不断增长，2000年，世界人口已达60亿，到21世纪末，世界人口将超过100亿。人口增长对环境的影响不可避免成为一个严重的问题。
现在，由于工农业的发展，人口的增长造成可耕地减少（全世界每年可耕地减少0.35%），土地沙漠化（沙漠化损失农田每年约为600万公顷），水土流失（每年约有230亿吨土壤流失），森林破坏（热带林每年约毁林1100万公顷）,资源枯竭（人口30年增加一倍，而能源消耗或电能消耗分别为15年及10年增长一倍）。从世界范围来看，越来越多的环境问题严肃地摆在了人类面前。
1.5 环境科学的形成与分类
综观世界人口、资源、能源与环境问题，来自于社会经济和发展带来的矛盾已经越来越突出，而且这种矛盾发展的趋势已经成为全人类面临的主要危机。环境污染造成的损失使人类不得不回过头来检讨过去的行动及其后果，研究环境、评价环境，环境科学就此应运而生。
环境科学的任务是以“人类——环境”这一系统为对象，研究人类和环境之间的关系，掌握它的发展规律，调节物质和能量交换过程，改善和创造人类生活的美好环境，使人类社会更加繁荣、昌盛。因此，环境科学是研究人类活动对环境引起的直接后果，研究它们可能造成的潜在效应，研究污染物在环境中的运动规律及其对环境质量、生物效应和人体健康的影响，以及控制和改善环境的原理、方法和措施。
环境科学涉及自然科学的各个领域和社会科学的许多部门。所以环境科学按其主要内容和任务属于自然科学，但它是综合性很强的边缘性科学，是研究人类生存环境，大气圈、水圈、岩石圈与生物圈诸自然要素的科学，是化学、生物学、物理学、地学和医学等基础学科的交融而产生的新学科，具有多学科性和社会性等特点。我国著名环境化学家刘静宜先生指出，“环境科学是伴随着环境污染而出现的一门新兴学科”。由于环境科学是一个发展中的学科，它的分类还很不成熟。一般多将环境科学分为基础环境学、应用环境学和环境学三类。
1.6环境科学的特征及学科任务
1.6.1 可持续发展理论的基本思想
人类社会面临的环境问题是不断发展变化的，人们对其认识也经历了由浅入深的过程。在20世纪中叶，当环境问题危害到人类正常生活和身心健康时，人们对其还仅是一种就环境论环境的浅层次的认识，这种思考方式的表现，是较多地考虑环境问题本身的严重性，以及它对人类健康和经济发展的损害。在实践层面上，在污染控制的措施上并未考虑对传统工业模式的转变，而是着力于传统工业污染控制的途径，安装设备进行废弃物的处理等；在环境理论层面上，把经济发展与环境保护相对立，认为“先污染后治理”是“规律”，主张只能先发展经济，待具备了经济实力和条件后再治理污染，再实现环境保护和建设的目标；在对待世界未来环境的发展前景上，缺乏科学、冷静的认识，要么极度悲观，认为只有停止经济发展和人口增长才能解决全球环境问题，要么盲目乐观，认为迅猛发展的科学技术或借助市场的力量就能够自然地解决面临的环境问题。毫无疑问，这种浅层次的思考也起到了积极和重要的作用，它促使人类在环境问题上觉醒，使人们对环境的态度发生了重要转变，采取行动保护环境、治理污染，国家也参与了环境管理，通过立法、执法和政策调控的手段加强对环境的保护及管理，1972年联合国“人类环境会议”通过的《人类环境宣言》，是这个时期人类对环境问题的认识及行动的集中体现和反映。
然而，环境问题的实质是人与环境关系的失调，是人对自然规律的忽视和不尊重。所以，仅就环境问题自身而不从“人—自然”这个系统的整体出发，是无法全面认识问题和解决问题的。1987年，世界环境与发展委员会向联合国大会提交了该委员会的研究报告《我们共同的未来》，报告系统地探讨了人类社会面临的一系列重大的经济、社会和环境问题，提出了“可持续发展”的概念，并深刻地指出，现在人类社会正迫切地感受到生态环境对经济发展所带来的重大压力，我们必须有一条新的发展道路。这些思想和观点，使人们的观念从单纯考虑环境保护和治理污染，提升到必须把环境保护与人类发展统一起来，这标志着人类对环境问题与发展关系的认识有了重要的飞跃。1992年，联合国“环境与发展大会”，提出了实现“可持续发展”的基本原则和全球范围内可持续发展的行动计划，标志着“可持续发展”得到了世界最广泛和在最高领导级别上的政治承诺，人类对环境与发展问题的思考和行动都提高到一个新的层次。
综观20世纪，人类对环境问题思考的逐步深化，体现在对环境问题所采取的具体行动上，就是环境科学理论的发展和环境保护的实践，大体经历了限制、治理、防与治结合和科学规划四个阶段。限制阶段恰值污染的高峰期，“公害事件”叠起，而人们对这些危害的原因、机理还不完全清楚，只能强化限制措施，制定法律，限制污染物的排放，但这种措施并没有奏效；治理阶段也主要是针对工业“三废”的排放，采取了各种净化技术。与此同时，在政策上实行了征收排污费、“谁污染，谁治理”等措施。在法律上，颁布环境保护法，制定环境标准等。这些努力对局部污染的控制和环境质量的改善起了积极作用，也收到了一定效果，但这种限于排放口的被动治理，不仅耗资大，甚至还产生了二次污染。这两个阶段体现在学科上，就是环境科学的多学科分化；进入防治阶段，是人类对20多年治理环境问题的经验、教训反思的结果，它使人类认识到环境污染的危害是深刻的、严重的，许多学者很敏锐地指出了这一点。尤其是20世纪70年代联合国“人类环境会议”的召开，人们对环境问题的认识在两个方面发生了转变，一是认识到环境问题不仅仅是污染问题，就世界范围而言，生态破坏比环境污染更严重、影响更深刻。二是解决环境问题必须协调人类与环境、发展与环境的关系，把人口、资源、环境和发展紧密联系起来，作为统一整体来考虑才是正确途径。在治理的措施上，重视了综合防治，积极开发废弃物资源化技术，实行建设项目环境影响评价制度和污染总量控制制度，注重区域治理，完善环境保护法律体系；科学规划阶段始于20世纪80年代末，它的国际背景是发达国家出现了能源危机和经济萧条，这表明环境系统的功能对人类社会发展的制约作用是不可违背的规律。国际经济合作与发展组织，在对就业、环境和协调发展三者关系研究后证实，环境政策能够对就业、经济增长起积极作用。因此，环境问题的重点转入了制定经济增长、合理开发和利用自然资源与环境保护相协调发展的政策。具体体现在重视环境规划和管理、要求经济效益与环境效益的统一，并由此发展到90年代“可持续发展观”的提出、认可和实施。
“可持续发展”思想作为一个全新的理论体系，成为现代环境科学的基石，无论学者们对其如何定义，但对它的两点基本内涵已形成了共识，一是人类要发展，要满足人类的发展需求；二是不能损害自然界支持当代人和后代人的生存能力。这个内涵包括以下三点基本的思想：
一是可持续发展首先强调的是经济的发展，这是人类社会生存和不断进步的基础，停止经济的增长和人口的增加是不现实的，在一段时期内甚至是不可能的。环境问题产生于经济活动，它的解决也只有依靠经济的发展。但是可持续发展更重视的是经济增长的质量，鼓励清洁生产和绿色消费，而不是“高投入、高消耗、高污染”的生产方式和消费模式。
二是在衡量发展的标准上，‘突出资源的永续利用和良好生态环境的服务作用，实际上就是主张人类社会的发展要与地球的承载能力相适应，考虑资源的再生能力，重视人口的节制增长和素质的提高。
三是谋求社会的全面进步。在经济、社会发展和环境三者的关系上，主张经济发展是基础，环境保护是条件，社会进步是目的，强调社会发展的本质是建设良好的社会环境，包括改善人民生活、提高健康水平，保障人们的平等、自由和受教育及无暴力威胁等。
1.6.2 环境科学的特征和任务
“可持续发展观”的这些基本内涵和思想对于环境科学以及与之相关学科都产生了深刻影响，使环境科学在认识理论、研究内容、学科任务等方面都有了许多新的发展，使学科的整体水平提高到了新的层次。环境科学主要具有下列特点：
首先，学科任务的内涵更加明确。“可持续发展观”使环境科学对当代“环境问题”认识的立足点和出发点有了新的定位，强调必须树立正确、公平的发展观。事实上，当今人类社会所面临的各类重大环境问题，不但是技术和科学问题，而且还是一个政治问题。美国《洛杉矶时报》在1999年2月刊登的一篇文章认为，“今天世界在环境问题上面临的最大挑战，不是全球变暖和臭氧层损耗，尽管这两种危机都很严重。最大的挑战是贫困，更确切地说是世界各地数十亿人都想摆脱贫困的那种愿望……”。全球性环境问题说到底是世界各国能否“协调发展”的问题，它首先是发展的问题，是世界各国间的平等问题。对于许多发展中国家来说，发展不足的贫困及由此造成的粗放型开发带来的问题，需要以“可持续发展”观为指导来实现经济、社会与环境的协调发展；而对于少数发达国家来说，是能否以“可持续发展”观为指导，减少对资源的大量消耗和对发展中国家的资源掠夺，承担义务来帮助发展中国家解决贫困化的加剧以实现发展的良性循环，实施全球公平、合理的“协调发展”。
其二，人与环境伦理关系得以端正。正确的环境伦理观是实现“可持续发展”的基础。通过立法和执法加强对环境污染的控制，加强对环境的管理是解决环境问题的手段之一，但法律是以道德为基础的，是需要道德来补充的，全球环境问题产生的根源与人类不正确的价值观和道德观有关。随着人类对自然利用、改造能力的不断壮大，在世界传统的道德价值观中，“人类中心主义”长期得以流行，它对环境的伦理观是，自然无意识，尤其无意志，是人宰割的对象。因此，人类对它没有伦理关系，对自然界中其他物种也没有直接的伦理关系即没有责任，环境的价值只有通过对人的“有用性”才得以体现，环境的作用只与当代人联系在一起。这种伦理观体现的价值观，是“对我有利的、我所要的我就做，至于后果，可由别人去承担”，把个人的、局部的和当代人的利益看成所有人类的利益。现代环境科学的环境伦理观，既不主张“人类中心主义”，也不主张“生物中心主义”。它的主要思想是，人类要热爱自然、尊重生命，生物也有其生存权；开发利用自然要与保护自然相结合。主张的道德范畴首先应是“代际公平”，人类不仅负有保护和改善当代人生存环境的责任，而且还必须对将来世世代代人的生存环境负有不可推卸的庄严责任。环境问题的解决是全人类的责任，保护生态环境是每一个人的生态义务，当代人类不能只享受自然环境提供的各种服务，而且还有义务加强对生态环境的管理和建设；在人与自然的关系上，要对自己行为的善恶价值有自我判断、评价的意识和能力，即用“生态良心”纠正某种偏颇的私欲，改变行为的方式和方向；生态权利是资源利益分配上的体现，要正确处理当代人之间的关系，要根据人类在地球上生存和发展应平等的原则，援助生态环境脆弱地区的人们。要正确处理当代人与后代人的利益关系，尊重后代人的生存权利；要正确处理人与自然之间的利益关系，自然界的权利体现为生物物种和生态系统的持续生存权利。这些思想、观念的更新，促进了环境科学体系的进一步完善，正确环境伦理观的教育应成为环境科学的重要内容。同时也促使许多新分支学科得以发展，环境伦理学、工业生态学、绿色化学、社会生态学和生态工程学等也都成为十分受重视的新兴分支学科。
其三，研究手段和方法更加先进。由于现代科学技术的进步，尤其是现代信息科学技术和卫星遥感技术的应用，使环境科学研究的空间、广度和深度不断增大，进而使人类对环境问题有了更深刻、更全面的认识，在解决环境问题的对策上思路更加开阔。例如，1960年4月，第一颗气象卫星发射成功后，人们很快将其应用于湿地制图、自然灾害监测等环境科学的研究中。1972年第一颗地球资源卫星发射，更是遥感技术应用发展过程的里程碑。此后，环境科学家利用卫星传回的大量资料，有组织、有计划地进行多方面研究，如对全球尺度土壤和植被监测、生物多样性、自然资源管理及动态监测和全球气候变化。
第四，学科的研究内容更加丰富。综观环境科学的研究和实践，主要在三个方面做了大量的工作，一是防治环境污染和生态破坏，在工程技术生态建设措施方面积极开展研究；二是战略性和超前性的工作，如环境影响评价以及生态规划和环境承载力等研究；三是加大环境保护的宣传、教育力度，加强管理，开展誓示性和法制等方面的教育。尽管环境科学不断出现新的分支，学科间的交叉、融合更加紧密，但环境科学仍在上述三个主要方面开展工作，环境污染和生态破坏的防治，仍是学科的重要任务。然而，研究的具体内容却有了很大变化。就环境污染和生态破坏的研究而言，在空间尺度上，关注的重点由单一点源转向区域、跨国甚至全球范围；在研究内容上，关注环境(或生态)安全问题，注重作用时间长、潜在危害性大、影响范围广的污染物。生态破坏的研究也由危害性分析评价发展为对生态过程变化的机理及受损系统恢复的研究。环境工程学则根据清洁生产的要求，把对污染出口的控制改变为对工业污染的全过程控制与综合防治上；环境影响评价也有了重要进展，战略环境影响评价、生命周期评价、环境风险评价以及累积影响评价和环境影响后续评价等新的评价方法和内容在近几年得以迅速发展；环境管理信息系统的广泛应用，是环境管理领域的重大成就，在促进环境保护、强化环境管理、推进环境科学发展等方面都具有重要的意义。环境教育不仅在学校设立了专业，成为各级各类教育的重要内容。而且，全民的环境教育也得到健康发展，并从过去的“为了人类自身生存”的教育提升为更加理性化、科学化，从心理、伦理、法理和管理到自觉保护、主动建设和积极恢复。树立正确的社会发展观，提高各民族的环境保护意识，推进可持续发展战略的实施，已成为现代环境科学的重要任务。
环境科学的这些新发展，集中体现为它的资源观、价值观和道德观三个基本理论上。其资源观是整个环境都是资源，即环境中可以直接进入人类社会生产活动的要素是资源，而不能直接进入人类社会生产活动的要素也是资源，因为它们都能在不同程度上满足人类社会生存发展的需要；它的价值观有两层含义，一是环境具有价值，人类通过劳动可以提高其价值，也可以降低其价值，因为客体的价值是该客体对主体需要的满足关系。二是发展活动所创造的经济价值必须与其所造成社会价值和环境价值相统一；它的道德观则提倡人与自然的和谐相处、协调发展、协同演化，也就是说人类应尊重“自然”的生存发展权，人类对自然的“索取”应与对自然的“给予”保持一种动态平衡。否定对自然的“征服”和“主宰”，改变以能“做大自然的主人”而自豪的错误的道德原则。
环境科学研究力求解决的问题主要有：
(1)人类活动对环境的影响；
(2)人类活动造成的环境污染以及对人及生物的影响。
第二节 环境科学领域重大研究问题
随着人类经济社会活动的不断加剧和发展，越来越多的环境问题呈现在人们的面前。特别是进入20世纪80年代以来，从世界范围来看，人类赖以生存的环境仍在不断恶化，而且打破了区域和国家的疆界而演变为全球性的问题，局部的、暂时的问题相互贯通，相互影响演变成长远的问题，潜在性问题进一步恶化蔓延变成公开性问题，全球的重大的环境问题越来越突出。
2.1 全球变暖与温室效应
全球变暖是指地球表层大气、土壤、水体及植被温度年际间缓慢上升。近年来，人们统计了约l亿个陆地观测数据以及大约600万个海洋监测数据，发现全球地面气温在过去l00年内上升了0.3～0.6℃。同时，有6个全球平均最暖年(1980年、1981年、1983年、1987年、1988年、1989年)全部出现在80年代。1987年，南极一座面积两倍于美国罗德岛的巨大冰山崩塌后溅人大海。1988年夏季，美国以“火炉”著称的弗尼斯克里克的最高气温创下了46.7℃的新纪录。造成全球变暖的主要原因是“温室效应”。
2.1.1 温室效应
地球的温度是由太阳辐射热量到地球表面的速率和吸热后的地球将红外线散发到空间的速率决定的。同样全球变暖的基本原理可以通过考虑两种辐射能来理解：一种是加热地球表面的来自太阳的辐射，另一种是射向太空的来自地球和大气的热辐射。从长期来看，地球从太阳吸收的能量必须同地球及大气层向外散发的辐射能相平衡。如果这种平衡被破坏，它可以通过地球表面温度升高来恢复。氮气和氧气占大气组成的大部分，它们既不吸收也不发射热辐射。而在大气中以相当小量存在的水蒸气(H20)、二氧化碳(CO2)和其他微量气体，如甲烷(CH4)、臭氧(03)、氟里昂(CFC)等，既可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过，又可以吸收地球的长波辐射，从而使地表升温（图8.1）。因此，这类气体像玻璃一样，具有保温作用，被称为“温室气体”。温室气体吸收长波辐射并将热量反射回地球，从而减少向外层空间的能量净排放，对大气层和地球表面起着保温的作用，这就是“自然温室效应”。在直接受人类活动影响的主要温室气体中，二氧化碳起着重要的作用，对温室效应的贡献率为55％；甲烷、氟里昂和一氧化二氮(N2O)也起相当重要的作用(表8.2)。从长期气候数据比较来看，在气温和二氧化碳之间存在显著的相关关系(图8.2)。
表8.2 主要温室气体及其特征
气体
大气中浓度
/×10-6
年增长
/%
生存期
/%
温室效应
(CO2 =1)
现有贡献率
/%
主要来源
CO2
355
0.4
50-200
1
55
煤、石油、天然气、森林砍伐
CFC
0.00085
2.2
50-102
3400-5000
24
发泡剂、气溶胶、制冷剂、清洗机
CH4
1.714
0.8
12-17
11
15
湿地、稻田、化石、燃料系统、牲畜
NOx
0.31
0.25
120
270
6
化石燃料、化肥、森林砍伐
↑ 图8.1 图8.2 →
2.1.2 温室气体的来源
温室气体的增多，有自然原因和人为原因：火山喷发、太阳活动、海水增温等都会对气候的冷暖有所影响，属于自然原因；而矿物燃料的燃烧、砍伐森林、制冷设备及泡沫塑料的使用等，会产生大量的污染气体，改变大气的组成成分，属于人为原因。据1997年美国国家实验室的报告，自工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度增长了30%，甲烷增长了1倍，氮氧化物增长了15%。
二氧化碳剧增的原因有两个方面：一是工业化发展和人口剧增，对矿物燃料的需求量增大，释放的二氧化碳增多。二是森林的大片砍伐，使森林对二氧化碳的吸收量减少。目前，矿物能源消耗占全部能源消耗的90％，而热带森林则正以每年平均900~2450hm2的速度从地球上消失。1995年全球二氧化碳的排放量达220×108t。现在由于替代能源一时还无法做到“替代”，由燃烧石油、煤、汽油等矿物燃料产生的二氧化碳在大气中聚集，而且这种趋势呈上升状态，矿物燃料的使用占一次能量消费量的87%。到本世纪中叶，大气中的二氧化碳可能比现在增加60%，比工业化革命前增加1倍。这样，地球将平均升温2~3℃，某些地区将上升8℃以上，有的地区甚至更高。
大气中甲烷浓度也在逐年增加，甲烷的来源有两种：一种是自然源，如沼泽和其它湿地中的厌氧腐烂，其排放量不到甲烷总排放量的25%；甲烷排放的主要人为源包括：水稻种植、家畜饲养、生物物质燃烧、化石燃料生成和使用、垃圾填埋以及北极冻土带的回暖等。在受人类活动影响很少的时代，大气中的甲烷含量大约是700×10-9~750×10-9，而到1992年大气中的甲烷含量已达到1720×10-9。
氟里昂属氯氟烃类，是人类的工业产品(主要是制冷设备工业)，即在工业化前的大气中是不存在的。它被广泛用作制冷剂、喷雾剂、。溶剂和塑料生产的发泡剂。研究表明，在20世纪80年代，氟里昂导致的升温占全球温室效应引起的温度升高部分的24%，如此下去，氟里昂将成为21世纪仅次于二氧化碳的温室气体。
大气中一氧化二氮的含量过去一直较稳定，直到150年前才出现了每年0.2%~0.3%的增长趋势，1990年一氧化二氮的含量比工业革命前高出8%。目前人类活动产生的一氧化二氮释放源主要有化肥使用、毁林、化石燃料和生物物质的燃烧，以及其它农业活动。通过燃料燃烧和化肥的使用，原来化学性质不活跃的氮化合物可以转变成化学性质活跃的氮氧化物，特别是一氧化二氮。
除了温室气体的直接排放以外，全球的土地利用状况和土地覆盖类型也发生了很大变化，加强了全球变暖的程度。对全球变化而言，最重要的土地覆盖变化是森林转化为农田。人口增长的巨大压力，使大面积森林被砍伐，林地转化为农田用于生产食物。其中热带森林的砍伐尤其严重。
2.1.2 全球变暖产生的影响
全球变暖将给地球和人类带来复杂的潜在影响，既有正面的，也有负面的。例如随着温度的升高，副极地地区也许将更适合人类居住；在适当的条件下，较高的二氧化碳浓度能够促进光合作用，从而使植物具有更高的固碳速率，导致植被生长的增加，即二氧化碳的增产效应，这是全球变暖的正面影响。但是与正面影响相比，全球变暖对人类活动的负面影响将更为巨大和深远。
(1)全球变暖对海平面的影响 根据统计资料，近百年来气候增暖0.6℃，海平面大约上升了10~15cm。1990年对未来海平面上升幅度的预测为：如果温室气体排放按目前速度增长，海平面将按每10年平均6cm的速度上升，到2030年将上升20cm，2100年将上升66cm。
影响下世纪海平面升高的因子，主要是海水热膨胀，当海洋变暖时，海平面则升高。全球升温会引起地球南北两极的冰山融化，这也是造成海平面上升的主要原因之一。海平面上升的直接影响主要有以下几个方面：低地被淹；海岸被冲蚀；地表水和地下水盐分增加；地下水位升高。这将影响沿海和岛国居民的生活(占世界1/3)，如果极地冰冠融化，经济发达、人口稠密的沿海地区会被海水吞没，一些低洼岛国将从地面上消失，上海、威尼斯、香港、里约热内卢、东京、曼谷、纽约等海滨大城市以及孟加拉、荷兰、埃及等国也将难逃厄运。
(2)全球变暖引起气候变化 全球变暖引起的气候变化将导致许多地方水分供给的巨大变化，温度增加意味着降落到地表的水将被更多地蒸发，如果有更多的降水来补充蒸发，则不会产生什么影响。然而据科学家模拟实验显示，除了东南亚季风区的降水将增加外，世界上其他一些地区的降水将减少，尤其是在夏季。这就意味着，许多地区对水分短缺的脆弱性将加大，而同时，另一些地方则频繁发生洪涝灾害。在干旱和半干旱地区，降水减少将造成更严重的干旱甚至沙漠化；在大陆地区，夏季降水减少和温度增加将导致土壤水分的大量损失，从而增加了干旱的脆弱性；在亚洲季风区，降水的增加将导致洪水发生机率的增大。此外，洪涝、干旱、高热、高寒等灾害发生的频率及其季节变化、降水的年际变化和空间分布都会改变(如低纬度地区夏季降水则会减少)，热带风暴将频频登陆，一些地区水质也会因干旱而变差，进而影响人类生产和生活。
(3)全球变暖对生物多样性的影响 气候是决定生物群落分布的主要因素，气候变化能改变一个地区不同物种的适应性，并能改变生态系统内部不同种群的竞争力。自然界的动植物，尤其是植物群落，可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移，从而惨遭厄运。以往的气候变化(如冰期)曾使许多物种灭绝，未来的气候将使一些地区的某些物种消失，而有些物种则从气候变暖中得到益处，它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少。
(4)全球变暖对农业的影响 首先，全球变暖使全球粮食总产量有所下降。一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的主要因素，温度及由温度引起降水的变化将影响到粮食作物的产量和作物的分布类型。气候的变化曾经导致生物带和生物群落空间(纬度)分布的重大变化，如公元800~1200年北大西洋地区的平均温度比现在高l℃，使玉米在挪威种植成为可能，但到了公元1500~1800年，西欧出现小冰川期，平均气温也只比现在低l~2℃，就造成了挪威一半农场弃耕，冰岛的农业耕种活动则几乎全部停止。其次，二氧化碳是形成90%的植物干物质的主要原料。光合作用强度与二氧化碳浓度的关系很密切，不同作物对二氧化碳的浓度要求是不一样的。世界上20种主要粮食作物中，有16种(如小麦、水稻)是对二氧化碳敏感的，二氧化碳倍增可能使其增产10%~50%，有利于农业生产；但有一些作物(如玉米、高梁、甘蔗)对二氧化碳的敏感性很差，二氧化碳浓度倍增只能使其增产0~lO%，同时还要承受因二氧化碳增加而长势更旺的杂草的压力，因而二氧化碳倍增对许多以种植玉米、高粱为主地区(如非洲撒哈拉沙漠南部)的谷物生长不一定有利。此外，由于昆虫是变温动物，受气候的影响特别明显，气候变暖使得分布区边缘的农作物害虫有可能向区外扩展，而且使许多害虫的越冬存活率提高，会导致疾病和病虫害的发生率增大。
(5)全球变暖对人类健康的影响 人类健康取决于良好的生态环境，全球变暖将成为影响下个世纪人类健康的一个主要因素。极端高温对人类健康的影响将变得更加频繁、更加普遍，主要体现为发病率和死亡率增加。全球增暖直接影响呼吸器官疾病、过敏和传染病，尤其是疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、钩虫病、霍乱、脑膜炎、黑热病、登革热等传染病将危及热带地区和国家，某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播。传染病的各个环节中(病原——病毒、原虫、细菌和寄生虫等；传染媒介——蚊、蝇、虱等带菌宿主)，传媒对气候最敏感。温度和降水的微小变化对于传媒的生存时间、生命周期和地理分布都会发生明显影响。
2.2 臭氧空洞
近三十年来，随着人类物质文明的空前发达，高层大气中的臭氧浓度一直在不断地急剧下降。尤其是当英国科学家J．Fannamn宣布南极上空的臭氧层出现了一个空洞后，在国际社会引起了广泛的震动。尽管其成因、影响、与人类活动的关系、发展趋势等问题尚未弄清，但这个发现极大地改变了有关政策的着眼点和内容，提出了紧急行动起来研究控制大规模臭氧层耗竭的紧迫性。
2.2.1 臭氧层与臭氧空洞
臭氧(03)不同于人类和生物界所呼吸的氧气(02)，大气中的含量很少，仅为百万分之一，总重量在30×108t左右。臭氧在大气中通常分布在两层，即对流层和平流层。环绕在地球表面至高空8~16km范围内的一层大气称为对流层，这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的，它也是形成当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上大约50km左右的范围，就是通常所称的平流层，平流层保存了大气中90%的臭氧。太阳向宇宙射出的光线中包含的紫外线(UV-B)，可破坏人体的抗病能力，诱发麻风病、天花、白内障、皮肤癌等疾病。位于平流层的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线(UV-B)，从而保护了地球上的生命。具体地说，在离地面以上20~30km的大气圈的平流层底部，有一个臭氧浓度相对较高的小圈层，厚度在正常压力下约为8km，即为臭氧层。臭氧层中的臭氧吸收了来自太阳99%的高强度紫外线，并能限制大气层的温度，保护了地球生物的生存。
30年来，人们逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着越来越严重的破坏。1984年，英国科学家首次公布了南极上空平均臭氧含量减少30％左右这一事实，即南极已形成一个巨大的臭氧空洞；1985年，英国科学家约瑟夫·法曼（Joseph Farman）等人总结他们在南极哈雷湾观测站(Halley Bay)的观测结果，发现从1975年以来，每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30％；同年，美国“雨云-7”号气象卫星测到了这个“洞”的面积与美国领土相当，深度相当于珠穆朗玛峰的高度。经多年观测发现，南极的臭氧空洞通常出现在南极的春天，即从9月开始出现臭氧减少，到11月中旬消失，但近几年，南极臭氧层空洞出现的时间延长了且面积也在增加，如1987年10月，南极上空的臭氧浓度降到了1957~1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆；1990年臭氧空洞一直持续到12月；1994年lO月17日观测到的臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空；1995年观测到的臭氧洞发生期间是77天，到1996年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧洞发生期间增加到80天；而1998年南极臭氧空洞持续时间超过了100天，是南极臭氧空洞发现以来的最长记录，面积则达到了2724×104km2，比1997年约增大15％，几乎可以相当于三个澳大利亚，或者说相当于南极大陆面积的两倍，当情况严重时，南极紫外线辐射比前几年增大了两倍。
臭氧层的损耗不只发生在南极，在北极上空和其他中纬度地区也都出现了不同程度的臭氧层损耗现象。北极地区在l~2月期间，16~20km高度的臭氧损耗约为正常浓度的10%，北纬60o~70o范围的臭氧浓度的破坏约为5%~8%。根据全球总臭氧的观测结果，除赤道地区外，臭氧浓度的减少在全球范围内发生，臭氧总浓度的减少情况随纬度的不同而有差异，从低纬到高纬臭氧的损耗加剧，1978~1991年间每十年的总臭氧减少率为l%~5%。
2.2.2 臭氧层破坏的原因
臭氧层破坏有很多原因，如森林火灾、极地低温、太阳黑子活动等，但破坏臭氧层的罪魁祸首不是自然界，主要是人类自身。现代工业的发展使大气中更多的氯化物穿透平流层，在太阳光的辐射下，大量的氯原子从氯化物中被分解释放出来。在自然条件下，大气中臭氧的平衡如图8.3所示，而氯原子对臭氧的破坏如图8.4所示。一个氯原子在被中和之前能够破坏几千个臭氧分子，氯原子通过和甲烷反应生成HCl和C而被中和，并通过降雨返回地面，破坏臭氧时生成氯的一氧化物。研究证实，空洞中的氯-氧化物浓度比通常情况要高几百倍。
大气中含有的天然生成的氯气很少，诸如来自漂白剂和工业化合物等人造产品的氯气，通常在低空中与氢气结合生成氢氯酸，被雨水从空气中洗去。要想达到高空，氯原子必须通过运动的载体分子输送。人造CFCs 是首先被发现的一种载体，CFCs随处可见，世界上每年生产CFCs约80万吨，其中4/5是发达国家生产的。仅美国一年就要消耗约32万吨氟里昂，它们最终都进入了大气。据美宇航局研究，目前大气中CFCs的浓度每年增加70%。虽然氯氟烃的生产时间仅仅60年，但有关研究表明最近40年大气中氯的含量已增长了600%。
根据加州大学喷气动力实验室莫利纳的解释，CFCs的产生和释放削弱了从高空中去除氯的途径。莫氏认为，CFCs与臭氧和其他分子相撞生成一种过硝酸，过硝酸能够溶解冰云，没有高空冰云去捕捉氯，那么每个氯分子在平流层滞留时间约2年，破坏的臭氧分子不仅仅是几千个，可能会轻易地破坏几十万个臭氧分子。与CFCs工业发展同步发生的冰云(氯分子清污剂)的消失，说明了臭氧空洞增长如此迅速的原因。
2.2.2 臭氧层破坏对人类及环境的影响
臭氧浓度降低，臭氧层的破坏，将对地球生命系统产生极大的危害。平流层的臭氧总量减少，到达地面的有害紫外线(UV-B)将会增加。
(1)对人体健康的影响 阳光中紫外线的增加对人类健康有严重的危害作用，如使皮肤癌和白内障患者增加，损坏人的免疫力，使传染病的发病率增加。据估计，臭氧减少1%，皮肤癌的发病率将提高2%(4%，白内障患者将增加0.3%(0.6%，全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10000(15000人，如果不对紫外线的增加采取措施，从现在到2075年，紫外线辐射的增加将导致大约1800万例白内障的发生。人体暴露于紫外线强度增加的环境中，免疫系统会受到抑制，诱发人类常患的皮肤疾病。据统计，全世界每年死于皮肤癌的约有10万人，这与紫外线辐射有关。紫外线照射的另一个副作用是削弱人体通常对疾病的抵抗力，在热带国家中，寄生虫病和传染病可能会由于潮湿的气候和紫外线辐射的增加而增加。长期暴露于强紫外线的辐射下，会导致细胞内的DNA改变，人体免疫系统的功能减退，人体抵抗疾病的能力下降。
(2)对生态系统的影响 对农作物的研究表明，过量的紫外线辐射会使植物的生长和光合作用受到抑制，使农作物减产。在已研究过的植物品种中，超过50%的植物有来自紫外线的负影响，比如豆类、瓜类等作物，另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的质量将会下降。紫外线辐射增加，使植物叶片变小，光合作用减弱，并使植物更易遭受病虫害，使粮食减产，也可能导致某些生物物种的突变。在森林和草地等生态系统中，过多的紫外线对物种的组成、植物的竞争平衡、食草动物、植物致病菌和生物地球化学循环等都有潜在影响，进而改变不同生态系统的生物多样性分布。紫外线辐射也使处于食物链底层的浮游生物的生产力下降，由于浮游生物是海洋食物链的基础，浮游生物种类和数量的减少还会影响鱼类和贝类生物的产量从而损害整个水生生态系统。
过量的紫外线会加速建筑、喷涂、包装及电线电线等材料，尤其是使塑料等高分子材料老化和分解，结果又带来光化学大气污染。由这一破坏作用造成的损失全球每年达到数十亿美元。
2.3 生物多样性减少
人类的生存离不开其他生物。地球上多种多样的动物、植物和微生物为人类提供了不可缺少的食物、纤维、木材、药物和工业原料。它们与其物理环境之间相互作用所形成的生态系统，调节着地球上的能量流动，保证了物质循环，从而影响着大气构成，决定着土壤性质，控制着水文状况，构成了人类生存和发展所依赖的生命支持系统。物种的灭绝和遗传多样性的丧失，将使生物多样性不断减少，逐渐瓦解人类生存的基础。
2.3.1生物多样性的涵义
生物多样性是一个描述自然界多样性程度的概念，它涉及到生态系统、物种及某一特定群体的基因的数量和频率，是生物在长期的环境适应过程中逐渐形成的一种生存策略。1992年《生物多样性公约》把生物多样性定义为：所有来源的形形色色的生物体(其来源包括陆地、海洋及其他水生生态系统)及其构成的生态综合体。换言之，生物多样性是一个地区所有生物体及环境的丰富性和变异性，是一个地区内遗传(基因)、物种和生态系统多样性的总和，包括遗传(基因)多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个层次。
(1)遗传多样性 遗传多样性是生物多样性的重要组成部分，是地球上所有生物携带的遗传信息的总和。物种是构成生物群落进而组成生态系统的基本单元，任何物种都具有其独特的基因库和基因组成。生物多样性包含了基因(遗传)的多样性；故遗传多样性是生态系统多样性和物种多样性的基础。遗传多样性是生物多样性的内在形式，主要包括分子、细胞和个体三个方面的遗传变异多样性。
(2)物种多样性 自然界植物、动物和微生物物种以及所有的生态系统与其紧密相关的生态过程组成了生物多样性的基本内容，而物种多样性则是生物多样性研究的核心内容。物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式。物种多样性有两方面的含义，一是指一定区域内物种的总和，主要是从分类学、系统学和生物地理学角度对一个区域内物种的研究，可称为区域物种多样性；二是指生态学方面物种分布的均匀程度，常常是从群落组织水平上进行研究，有时称生态多样性或群落物种多样性。
(3)生态系统多样性 生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境、生物群落和生态过程变化的多样性。此处的生境主要是指无机环境，如地貌、气候、土壤、水文等。生境的多样性是生物群落多样性乃至整个生物多样性形成的基本条件。生物群落的多样性主要指群落的组成、结构和功能方面的多样化，它们的生态过程是指生态系统组成、结构和功能在时间、空间上的变化，主要包括着物种流、能量流、水分循环、营养物质循环、生物间的竞争、捕食和寄生等。
(4)景观多样性 景观是由斑块、廊道和背景基质所构成的空间上的叠合体。斑块是景观的均质单元；廊道是联系斑块的桥梁和纽带(如防火带、防护林)；基质是景观中面积最大、最连续的部分，在景观动态中起重要作用。不同类型的景观要素或生态系统在空间结构、功能机制和时间动态方面存在着多样性。景观多样性是指与环境和植被动态相联系的景观斑块的空间分布特征。人们在谈到景观时往往首先想到宏观类型的地理景观，如高山、湖泊、草原、森林、沙漠、沼泽等等。景观多样化会为被保护物种提供多种类型的小生境，在这些小生境中，物种可采用迁徙的方式避开不利环境，进而增加抵御非密度制约因素突然变化带来的伤害。
2.3.2 生物多样性的价值
经济学家和生态学家都承认生物多样性对人类具有价值。生物多样性的价值由人类可利用价值和不可利用价值(其内在的价值)两部分组成。生物多样性的利用价值可分为直接利用价值、生态价值、科学价值和美学价值四大类。
(1)生物多样性的直接利用价值 指生物资源具有可供人类消费的价值，如生产性使用价值(可供市场交易的物品)包括木材、建材、鱼、毛皮、水果、树胶、药用植物、象牙、蜂蜜等；消费性使用价值(非市场价值)包括薪材、畜粪、饲料、猎物等。目前人们仅仅利用了生物界的一部分，许多野生动植物还有待驯化，以培育新的作物、家畜；许多野生乔木可以筛选速生树种。据统计，地球上大约有7(8万种植物可以食用，其中可供大规模栽培的约有150多种，迄今为止被人类广泛利用的只有20多种，却已占世界粮食总产量的90%。驯化的动植物物种基本上构成了世界农业生产的基础。野生物种方面，主要是以野生物种为基础的渔业，在1989年向全世界提供了l亿吨食物。
(2)生物多样性的生态价值 指它能维持生物圈的功能。绿色植物通过光合作用吸入二氧化碳、呼出氧气，维持了大气成分的相对稳定，也能通过吸收、吸附等作用把污染物吸入体内或吸附到体表，起到净化空气的作用。森林和草地截留降水，减少雨水冲刷作用，保持水土。动物的无形作用，如昆虫类动物(蜜蜂、蝴蝶等)的传授花粉，土壤中的分解者(真菌、微生物)和土壤穴居动物(蚯蚓等)分解了死去的植物和动物，清除了有机垃圾，是生物圈物质循环中不可缺少的“清洁工”。
(3)生物多样性的科研价值 现有的生物多样性包含着丰富的信息，具有科学研究的价值。经过20年的定位研究，Cherfas发现荷兰森林中真菌数量下降了，不但食用菌数量下降，其他真菌也在减少。德国的研究也发现了类似的现象。在森林中，蘑菇与树木共生，土壤真菌促进了植物抗草食动物啃食和抗低温能力，增强了植物吸收养分的能力。森林真菌的消失，可能是树木大量死亡的前兆，因此，科学家正在研究扭转这一不利趋势的措施。
(4)生物多样性的美学价值 美学价值是生物多样性环境功效的组成部分。鸟类、热带鱼、蝴蝶和观赏植物的美人人皆知。生物不但有华丽的外表，给人以美的享受，而且其精美的内部结构，也令人惊叹。自然界动植物复杂的生活方式以及与其他生物间错综复杂的关系，吸引了无数的人去研究和探索。近年来全球兴起生态旅游热，也是对生物多样性美学价值的肯定。据估计，全球生态旅游业的产值达120亿美元。
生物多样性的内在价值是一个有争议的概念。一些保护生物学家和环境哲学家认为生物多样性具有内在价值。生物不同于机器，能自我选择或按其DNA链的遗传信息规定的目标运转，这种内在价值是无法进行客观估计的。生物及其组合多样性的存在使人类有了适应环境变化和未来需求的能力。生物资源重要的特性是合理利用，它可以再生以至持续使用，不合理利用，它就可能灭绝。而矿物资源虽然不可能再生，但其中大部分物质可重复再利用，不至灭绝。生物多样性的利用价值与内在价值是相互关联的。
2.3.3 世界生物多样性现状
全世界大约有1300万(1400万个物种，但科学描述过的仅约有175万种(表8.2)。实际上，科学描述过的物种被认为是有效的。物种的准确数目对大多数类群来说是不清楚的。对高等植物和脊椎动物的了解相对比较清楚，对其他类群如昆虫、低等无脊椎动物、真菌等，尚了解甚少。
表8.2 全球主要类群的物种数目
表格
热带森林(尤其是雨林)仅占世界陆地总面积的7％，但却是生物多样性最集中的地区，赋存着地球上一半以上的物种。我国热带面积仅占国土的0.5％，却拥有全国物种总数的25%。在秘鲁1hm2的森林中，就发现了283种树木和17种藤本植物，在一棵树上就有43种蚂蚁，几乎同整个英国的蚂蚁种类差不多，尽管如此，热带森林中还有数以万计的物种尚未被发现。
但热带森林与海洋相比，还是小巫见大巫。人类对海洋的了解很少，以至于在海洋中经常有许多惊人的发现：1986年发现了一个新的生物门——Loricifera门。深海世界也并非一片死寂，例如在美国新泽西州海岸1500—2000m深的海底沉积物中，人们竟然发现有10多个门100多个科的898种生物。
2.3.4 生物多样性的危机及其根源
(1)生物多样性的危机 随着地球的演化，曾经产生过千百万种生物，但它们大多灭绝了，现在存在的生物也许只是代表曾经存在过的生物总数的千分之几。大灭绝是指在相对短的地质时间内，生物区系的多样性遭到大规模的破坏，生物界类群大规模消失的现象。一般是指由大规模的环境变化引起的，如全球性升温或降温、灾变等，人类活动也日益成为大灭绝的原因。据专家们估计，自恐龙灭绝以来，当前地球上生物多样性降低的速度比历史上任何时候都快，鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度或许是它们在未受干扰的自然界中的100(1000倍。地球上脊椎动物物种的平均生存期为500万年，脊椎动物灭绝速率为每100年90种(近2亿年来)，高等植物每27年1种(近4亿年来)，即每100年3.7种。1998年世界物种保护协会和世界野生生命基金等组织发表报告说，现在地球上每8种已知植物物种中至少有一种面临灭绝的威胁，即大约有34万种植物物种处于灭绝的边缘。表8.3列出了世界上受威胁物种的情况。
表8.3 世界受威胁物种状况（1989年）
表格
不仅野生动植物的遗传、物种和生态系统多样性下降，家养动物和栽培作物的多样性也在丧失。在美国，97％的蔬菜品种已经消失。高草大草原曾经是北美洲的典型植被，据世界资源研究所估计，北美原有的150万km2大草原现在只剩下不到1％。英国1432km2的石楠只剩下了27％。在澳大利亚和北美洲，自从人类定居以来，74%(86%体重在44kg以上的大型动物由于人类狩猎而灭绝了。自1600年以来，所有生物类群中，以哺乳动物和鸟类的灭绝比例最高，分别为2.1％和1.3％。公元1600-1700年期间，大约每10年灭绝一种哺乳动物和鸟类，而公元1850-1950年期间，灭绝速率上升到大约每两年灭绝一种哺乳动物和鸟类。在过去的400年中，全世界共灭绝了58种哺乳动物。平均约每年灭绝0.15种，大约每7年灭绝1种，这个速率较化石记录高7-70倍。20世纪内已经灭绝了23种哺乳动物，每年0.27种，每4年中就有一种哺乳动物从地球上消失了，灭绝速率较正常化石记录高13-135倍。
人类活动还可以造成物种的局部灭绝，这种局部灭绝可能导致物种的最后灭绝。目前，野生动物栖息地破碎成斑块，斑块间的距离大，斑块面积小。一旦物种在局部斑块灭绝后，个体在斑块间自由迁徙，很难恢复重建种群。在美国西北部的各国家公园中，自建立以来，都发生了哺乳动物的灭绝，哺乳动物的灭绝速率高于迁入速率，国家公园的面积越小，灭绝率越高；国家公园建立的时间越长，灭绝率越高。
据中国1962年、1973年、1980年、1984年和1989年颁布的野生动物保护名录统计，列入名录的哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类和鱼类种类，1962年为59个分类单元，其中处于濒危状态的I级保护种类有27个分类单元，到1989年则增加到376个分类单元。其中，列为I级保护的种类达101个分类单元，高于世界平均水平。
从生态系统类型来看，最大规模的物种灭绝发生在热带森林，其中包括许多人们尚未调查和命名的物种。热带森林占地球物种的50％以上。据科学家估计，按照每年砍伐1700×104hm2的速度，在今后30年内，物种极其丰富的热带森林可能要毁在当代人手里，大约5%(10％的热带森林物种可能面临灭绝。总体来看，大陆上66％的陆生脊椎动物已成为濒危种和渐危种。海洋和淡水生态系统中的生物多样性也在不断丧失，其中受到冲击最严重的是处于相对封闭环境中的淡水生态系统。
(2)生物多样性减少的原因 生物多样性丧失的直接原因主要是生境丧失和破碎化、外来种的侵入、生物资源的过度开发、环境污染、全球气候变化和工业化的农业及林业等。但这些还不是问题的根本所在，根源在于人口的剧增和自然资源消耗的高速度，不断狭窄的农业、林业和渔业的贸易区域，经济系统和政策未能正确评估环境及其资源的价值，生物资源利用和保护产生的效益分配的不均衡，知识及其应用的不充分，以及法律和制度的不合理。
人口增长带来的对生存空间和食物需求的增长，使地球上的许多地区大面积人造景观增多，如农田、人工草场、人工林和人工水产养殖基地等取代了自然景观。人类生存空间的扩展侵占了野生动物的生存空间，这是目前物种灭绝的最主要原因。
2.4 酸雨
酸雨最初发生于19世纪80年代。到20世纪，欧洲出现因水体酸化鱼类死亡的现象，50年代以后，欧洲许多国家相继受到酸雨的危害。在1972年召开的“人类环境会议”上，瑞典政府向大会提交的题为“跨越国境的空气污染——空气和降水中硫对环境的影响”的报告，引起了普遍的重视。80年代后，酸雨的危害加剧，世界范围内均出现酸雨危害，欧洲更加严重。酸雨的远距离输送，使得酸雨污染发展成为区域环境问题和跨国污染问题。
2.4.1 酸雨的形成
空气污染主要是人类大量燃烧化石燃料造成的，并主要分布在污染源集中的城市地区。50年代初，在发达国家、特别是大工业区，通过对大气降雨的异常现象研究发现雨水中含有大量的硫酸（H2S04）、硝酸(HNO3)、碳酸(H2CO3)、盐酸(HCl)等物质。近半个世纪以来，由于能耗量过大，大量的氮和硫的氧化物污染大气，在空中与水分子结合后，生成硫酸和硝酸的稀溶液，此外还有盐酸、有机酸的成分，这时降下的雨水就是酸雨。酸雨也叫酸沉降，是指pH小于5.6的雨、雪、霜、雹等大气降水，是人为排放的氮氧化物和硫氧化物进入大气后，经扩散、迁移、化学转化后形成的酸性降水。酸雨跟正常雨水的降落过程一样具有可播性、渗透性、跨国界性和季节性。
二氧化硫和氮氧化物的来源有天然和人为排放两个方面。二氧化硫的自然来源包括微生物活动和火山活动，含盐的海水飞沫也增加了大气中的硫含量。自然排放的硫约占大气中全部二氧化硫的一半，但由于自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。而人为排放的二氧化硫和氮氧化物则是酸雨形成的根本原因。人为排放的硫主要来自贮存在煤炭、石油、天然气等化石燃料中的硫，在燃烧过程中以二氧化硫形态释放出来，另外一部分来自金属冶炼和硫酸生产过程。随着化石燃料消耗量的不断增长，全世界人为排放的二氧化硫在不断增加，其排放源主要分布在北半球，占全部人为排放的二氧化硫的90％。
天然源和人为源排放了几乎同样多的氮氧化物。天然来源主要包括闪电、林火、火山活动和土壤中的微生物过程，广泛分布在全球，对某一地区的浓度不发生什么影响。人为排放的氮氧化物主要集中在北半球人口密集的地区。机动车排放和电站燃烧化石燃料差不多占氮氧化物人为排放量的75％。全球二氧化硫和氮氧化物的主要来源是工业化国家，特别是欧美地区，如美国，1986年的二氧化硫和氮氧化物排放量居全球第一，分别为2120×104t和1930×104t。但近10多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消耗量的迅速增加，使这一地区的各个国家，特别是中国成为一个主要排放大国。
2.4.2 酸雨的危害
酸雨有“空中死神”之称，危害极大，包括湖泊、河流、地表水的酸化以及对鱼类和其他水生生物的危害；森林生产力下降、土壤酸度增加；建筑物被腐蚀等。表现在以下方面：
(1)对水生生态系统的危害 酸性物质进入水体主要两条途径，一是直接沉降到水体表面发生酸化作用；二是经过树冠、土壤之后进入水体。酸沉降可对水生生态系统产生许多现实的和潜在的影响，包括河流和湖泊的酸化、水质下降，抑制微生物的活动，影响水生生态系统中有机物的分解以及水生态系统的营养和能量循环。从而使水体中生物群落中耐酸种类增加，不耐酸的种类减少；破坏水体中各类生物之间的相对平衡。淡水湖泊和河流的酸度增加，将使水体中的细菌、水藻、无脊椎动物和鱼类数量发生变化。水体酸化还会使土壤和底泥中的有毒物质(如A1、Cd、Ni)溶解到水中，毒害鱼类，如铝可使鱼鳃堵塞而窒息死亡，还可抑制其生殖腺的正常发育，降低产卵率，杀死鱼苗。河湖酸化会使水中钙的含量降低，损害鱼类的脊椎和骨骼，使其畸形，有害发育。同时，水生生物受损将直接危及许多鸟类和捕食蛙、蝾螈、蟾蜍的哺乳动物，对陆地生态系统也会产生深远的影响。
加拿大安大略省是受酸雨危害较重的地区，据1988年该省政府的报告书，省内湖面超过1hm2的共约16万个湖泊中，有40%已酸化，其中的30%鱼类已全部绝迹。从1975年起的8年间，该省有关部门开始向一个称为“223号湖”的无名小湖中排放酸，以观察随pH下降湖泊的变化。实验结果表明，原本pH为6.8的湖水逐渐酸化，一旦pH降到5左右，最初是虾和米脑鱼(鲤鱼科的小鱼)很快消失。在pH为5.9时，1年内约有700万尾糠虾(节足动物的浮游生物)死亡。不久，鳟鱼类鱼苗消失了，这是由于水体中鱼苗饵料的浮游生物灭绝，食物链被截断而引起的。尽管这时湖水的pH还未达到酸雨定义的5.6，但其危害已显露出来，并被人们所察觉。
(2)对陆地生态系统的危害 酸雨最终下降到地面，可改变土壤的化学成分，发生淋溶，使土壤贫瘠；能抑制土壤中有机物的分解和氮的固定，淋洗土壤中钙、镁、钾等营养因素，使土壤贫瘠化，进而影响农作物生长。土壤pH的降低可使几种重金属(如Cu、Pb、Zn)迁移，被植物根系吸收，重金属的毒性随着pH的下降而增大。随着酸度的增加，植物生长所必需的许多生物过程受到妨害，影响土壤中微生物的活性和数量，从而抑制营养物质和矿物质的循环以及有机物的分解(使土壤中的氨化作用、硝化作用和固氮作用下降)。微生物的体积在酸化的土壤中较小，繁殖速率也低。
酸雨对植被有很强的破坏作用，导致各种生态系统退化。目前，由于受酸沉降的影响，北美和欧洲出现大面积的森林萎缩和减产。酸沉降对作物危害较大，可使烟草、大麦、小萝卜严重减产。农作物与高酸度的降水接触，可使叶片在短时间内出现可见的症状，最为典型的症状是出现微小点状的白色枯死斑点。酸雨和二氧化硫的复合污染对农作物产量的影响由大到小的顺序为：蔬菜高于经济作物，经济作物高于粮食作物；在蔬菜中，根菜高于叶菜类，叶莱类高于果菜类。pH越低，对作物影响越大。酸雨还会伤害植物的芽和叶，尤其是新生叶芽，影响植物的生长发育。在受酸雨危害的地区，野生动物被迫吃污染的草和昆虫等，饮用受污染的水，长期积累势必会对其生长产生有害影响。
(3)对建筑物和艺术品的危害 酸雨能够通过直接化学腐蚀和电化学腐蚀破坏各种建筑物(包括历史和文化古迹、雕塑)、金属、油漆涂层等各种物料，特别是许多以大理石和石灰石为材料的历史建筑物和艺术品，耐酸性差，容易受酸雨腐蚀和变色。降水酸度愈大腐蚀速度愈快。大气中硫化合物使物料爆皮、起鳞片。由于城区硫化物浓度较高，相同物料在城区的腐蚀速率要远远大于乡村地区。传输管线的腐蚀是一个普遍关注的问题。据统计，美国社区供水管线的16.5％处于高度腐蚀状态，52％处于中度腐蚀，因此每年损失3.75亿美元。近年来，中东一些海湾地区的城市建筑在迅速破坏，表现为钢筋水泥结构变形、断裂，甚至坍塌，其中重要原因之一是大气污染引起的腐蚀造成的。欧洲的情况更加严重，不少高级建筑受到了严重破坏，如德国每年由于混凝土腐蚀引起的经济损失为190亿马克。中国重庆市江边的元代石刻佛像，曾经完好无损地保存了多少个世纪，如今却因为酸雨而面目全非，成为“回归自然”的石头。
(4)对人体健康的影响 酸雨会刺激人的眼睛，使眼睛红肿发炎。酸雨还会造成地表水和地下水体的酸化，使水中重金属含量增高，饮用这类水或食用酸性河水中的鱼，都会对人体健康有所危害。通常，酸化对饮用水的潜在影响又分为三类：增加地面水供应中重金属的残留物；由于微生物活动的变化使饮用水的味道和气味变坏；管道腐蚀使饮用水的金属含量增高。
第三节 重大环境问题的研究对策
3.1控制全球变暖
1979年世界气象组织(WMO)提出了世界气候计划，并编制了世界气候研究计划、世界气候影响调查计划和世界气候资料计划等，以国际机构为主导，由各国政府予以实施。从1980年开始，美国就每年拿出约2千万美元，用以推进二氧化碳增加引起的温室效应机理研究。1985年完成了研究报告。1985年，世界气象组织和联合国环境规划署在奥地利召开了全球学者和政府官员大会，向全世界呼吁认真对待气候变暖问题，由此引发了一系列国际性的政策措施的制定。1992年在巴西召开的联合国环境与发展大会上，166个国家联合签署了《气候变化框架公约》。1997年12月，150多个联合国气候变化公约签字国又在日本京都召开了气候会议，最后签署了《京都议定书》，对工业化国家的温室气体排放量规定了削减指标，规定了发达国家应减少6种温室气体的排放，除二氧化碳之外，另5种气体分别为一氧化二氮、甲烷和三种氯化烃等。
控制温室气体的排放首先要控制二氧化碳的排放，调整能源结构，多使用核能、水能、太阳能、风能、地热能、沼气等污染少的清洁能源，建立高效率的联合循环燃汽轮机发电厂，推广联合供热、供电系统，鼓励使用小型节能的汽车，改进燃煤发电技术，研究核废料处理方法，提高能源利用率。其次，还要控制甲烷的排放。全球每年排入大气的甲烷约有4.45t，其中2／3来自稻田和沼泽。IPCC的对策报告认为，若采取适当的农作措施，可使稻田甲烷排放量减少10%(30%。采用的方法有栽培措施：减少稻田的淹灌时间，破坏产甲烷菌的生存条件；微生物措施：培养甲烷利用菌，使甲烷被合成为新的有机物并存留在稻田中。此外，应努力研制氯氟烃的替代品，减缓全球气候变化。最后要植树造林，增加森林对二氧化碳的吸收。计算表明，如果每年世界净增林地5000(104hm2，20年后新增林地可吸收二氧化碳约200×108t，达到阻止二氧化碳增长的目的。
3.2遏制臭氧层的破坏
1974年美国加利福尼亚大学的舍伍德·罗兰(Sherwood Rowland)和马里奥·莫里那(Mario Molina)提出了氯氟烃破坏臭氧层的观点。到1980年前后，以欧美为中心，采取措施禁止生产以氯氟烃作为喷雾剂的气溶胶产品。1985年联合国通过了《保护臭氧层维也纳公约》，1988年生效，到1993年4月为止，已有119个国家和1个经济组织加入了该公约。1987年在加拿大蒙特利尔召开的保护臭氧层国际大会，签署了《蒙特利尔保护臭氧层议定书》，规定了破坏臭氧层物质的生产量和消费量。据加拿大政府1997年的一项研究结果，到2060年为止，实施《蒙特利尔保护臭氧层议定书》以控制臭氧层破坏的行动的总成本是2350亿美元，但其通过渔业、农业和人工材料损害的减少所带来的效益是4590亿美元。1989年5月又通过了《赫尔辛基宣言》，提出到2000年全部销毁氯氟烃物质。1996年11月27日在哥斯达黎加召开了世界保护臭氧层首脑会议，164个国家一致同意，在今后3年，用5.4亿美元来毁掉2.1×104t消耗臭氧的化学物质，并规定了1997年生产对臭氧层有害物质总量为1.3×104t。1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，但受控物质使用量仍处于增长阶段。
保护臭氧层的具体措施有许多，如在技术上，可提高对氯氟烃的利用效率、回收和再循环利用，改进氯氟烃产品和寻找替代品等。美国2/3的CFCl2主要用于汽车空调器，而30%都泄漏了，通过改进技术则可以减少损失。如电冰箱中的制冷剂和发泡剂可用CFCs、HCFCs、HFCs和HCs等化学物质，其中以CFCs对臭氧层的破坏最为严重，其次为HCFCs、而HFCs和HCs则对臭氧层没有破坏，用作电冰箱制冷剂替代物的有HFCl34a、丙烷(HC290)、异丁烷(HC600a)和混合物质(HFCl52a与HCFC22)等。此外，许多国家采取了一系列措施，一类是传统的环境管制，如禁用、限制、配额和技术标准，并对违反规定实施严厉处罚；一类是经济手段，如征收税费、资助替代物质和技术开发等。
3.3生物多样性的保护措施
生物多样性的减少，不仅会使人类丧失各种宝贵的生物资源，丧失它们在食物、医药等方面直接和潜在的利用价值，而且会造成生态系统的退化和瓦解，直接和间接威胁人类生存的基础。因此，国际上比较早地采取了一个国际条约体系。20世纪70年代以来，陆续通过了以野生动植物的国际贸易管理为对象的华盛顿公约，以湿地保护为对象的拉姆萨尔公约，以候鸟等迁徙性动物保护为对象的波恩公约，以世界自然和文化遗产保护为目的的世界遗产公约及其他一些国际或区域性的公约和条约。1992年，在联合国环发大会上通过了《生物多样性公约》，几个国家环境组织还在会议上公布了“全球生物多样性保护战略”，形成了保护生物多样性的综合性公约和战略。
保护生物多样性就是采取措施保护基因、物种、生境和生态系统，使其长期地满足人类的各种现实和潜在的需求；督促各国政府在制定土地开发和农业、林业、牧业和渔业等发展计划时，合理利用现已所剩不多的自然生境，防止自然生境的进一步缩小和破坏。保护生物多样性的基本方法包括：挽救、研究和持续而均衡(公平)地利用自然资源。其中，生物多样性研究的主要内容有就地保护研究、迁地保护研究、濒危物种和受威胁情况的研究、栽培和家养资源与野生亲缘种的研究、自然保护区有效管理的研究、提高主要农区生物多样性研究等。从保护的具体途径来划分，主要有就地保护、迁地保护与离体保护。就地保护主要是就地设立自然保护区、国家公园、自然历史纪念地等，将有价值的自然生态系统和野生生物环境保护起来，以维持和恢复物种群体所必需的生存、繁衍与进化的生境，限制或禁止捕猎和采集，控制人类的其他干扰活动。通过设置不同类型的保护区，可以形成生物多样性保护区网络。全世界l000hm2以上的保护区已建成4500多个，其覆盖面积约占全球陆地总面积的5％(6％)。迁地保护是指采取迁地措施以恢复和复兴受威胁物种。迁地保护最好在物种组成部分的原产地进行，通常是通过建立植物园、动物园、水族馆及各种物种资源的繁殖设施。目前世界各国动物园及动物圈养地共饲养脊椎动物3000多种，个体数量达54万头；全球1500多个植物园均承担保护植物物种资源的任务。离体保护是用现代技术将生物体的一部分进行长期贮存，以保护物种的种质。通过建立植物种子库、动物细胞库、精子库、配子库、胚胎库、繁育中心和基因库，对野生生物物种和遗传基因进行保护。目前，世界种子库中登记入库的植物种质样本已达200万个。此外，健全法律法规、防治污染和控制气候变化，以及加强环境保护宣传教育和加大科学研究力度等也是保护生物多样性的相当重要的途径。
3.4酸雨的防治措施
随着对酸雨认识的不断加深，人们提出了越来越多的减缓对策。一般来说包括两大类，主动地大幅度削减二氧化硫和氮氧化物等空气污染物的排放和被动地对被污染的环境进行改造恢复。具体措施主要有以下几点。
(1)使用低硫的燃料 化石燃料中硫含量一般为其重量的O.2％(0.3％，增加洗硫装置，可以减少二氧化硫排放达l/3以上。此外，用煤气、天然气代替燃煤也是减硫的途径之一。
(2)改进燃烧技术、改善燃烧装置 减少污染物排放可以使用流化床锅炉，其燃烧率极高(达99％)，可去除80％一95％的二氧化硫和氮氧化物以及重金属。
(3)采用烟道气脱硫脱氮装置 在烟道气排出之前，喷以石灰等，使二氧化硫与碳酸钙反应生成硫酸钙，这种副产品还可用作建筑材料等。
(4)改进汽车发动机技术、控制汽车尾气排放 一般柴油中含硫0.4％，为工厂所用燃料含硫量的3倍。汽车尾气中所含氮氧化物则是城市大气污染的主要来源。所以，必须控制汽车排放污染物的量，具体措施有：改进发动机、装汽车尾气净化器等等。
为了综合控制燃煤污染，国际社会提倡实施一系列包括煤炭种类、加工、燃烧、转换和烟气净化各方面技术在内的清洁煤技术，这是解决二氧化硫排放的最为有效的途径。对已存在的酸雨，可以利用石灰处理，提高湖泊、河流和土壤的pH值，对它们进一步酸化能够起到缓冲作用。控制酸雨污染是大气污染防治法律和政策的一个主要领域，它主要包括两方面的措施：一是直接管制措施，其手段有建立空气质量、燃料质量和排放标准，实行排放许可证制度；二是经济刺激措施，其手段有排污税费、产品税(包括燃料税)、排放交易和一些经济补助等。据估计，由于实施交易制度，只需要酸雨控制计划原来估算费用的一半，就可以实现到2010年将全国电站二氧化硫排放量在1980年基础上削减50%的目标。目前，欧洲、北美、日本等在削减二氧化硫排放方面取得了很大进展，但控制氮氧化物排放的成效尚不明显。
同时还要开展国际合作。酸雨在世界各地不断蔓延，各国与各组织机构应联合行动，进行共同防治。为了更好地防范酸雨的危害，1979年，欧洲及北美35个国家签订了《长程越界空气污染公约》，该公约于1983年3月生效，其中关于“至少减少30％硫排放或跨国境流动”议定书，于1987年9月生效，有17个欧洲国家和加拿大批准了议定书。在欧洲，有31个国家的96个地点共同建成了酸雨监测网。加拿大则加入了美国的国家酸沉降评价计划。亚洲国家间的酸雨防治合作也很多，1987(1988年，中日组织了联合调查，进行了与酸雨有关的气体、气溶胶等测定的科研工作；1989年，日本、韩国和中国的研究人员还对日本海降水中的大气污染物进行了测定、解析。1992年联合国环境规划署委托世界气象组织收集了世界范围内的有关酸雨的数据。这些行动都充分表明酸雨危害已引起全球范围的重视。
第三节 全球环境问题的发展趋势
环境问题贯穿于人类发展的整个阶段。但在不同历史阶段，由于生产方式和生产力水平的差异，环境问题的类型、影响范围和程度也不尽一致。然而，当前的全球变化将导致怎样的未来环境? 对人类社会的持续发展又将产生怎样的影响?
4.1发展中国家环境问题的发展趋势
4.1.1 人口激增和贫困
发展中国家的主要环境问题由于文化和其他社会根源，发展中国家的人口激增状况到21世纪初尚不可能改观。虽然食物供应有所增加，但实际人均食物消费水平在南亚、中东和非洲的大部分地区即使不下降，也不会有大的改善。随着人口和经济活动的增加，污染物排放量也将大大增加，对自然资源产生巨大的压力。
4.1.2 与城市化相关的问题异常严重
经济高速发展必然导致人口分布的变化和资源的大量消耗以及随之而来的生态环境破坏与污染。在经济发展高峰的发展中国家，经济发展导致了大批人口流向城市，会导致住房紧张、交通拥挤、污染严重、疾病蔓延等状况。
4.1.3 自然资源消耗加速，生态环境破坏严重
发展中国家比工业化国家更多地依赖自然资源——土壤、水域、森林和矿产。然而今天这个资源基础正在迅速削弱，其结果是发展前景遭到破坏，环境进一步恶化。
4.2发达国家环境问题的发展趋势
4.2.1 工业废弃物、生活垃圾急剧增加，大气氮氧化物污染难以得到有效控制，并进一步加剧了全球性环境问题
如果世界经济结构不发生重大变化，发达国家的巨额经济增长，必然产生更多的废弃物。一方面由于历史和现实的原因，本来在发达国家内禁止兴办的、对环境有严重污染和危害的企业，因其经济效益高而转移给发展中国家，甚至将有毒有害废物直接倾倒在公海或发展中国家。另一方面，废气、废水、废渣的排放总量显著增加。
4.2.2 自然资源消耗和破坏增加，使全球环境资源的破坏和能源萎缩加速
许多环境问题主要是发达国家在工业化过程中过度消耗自然资源和大量排放污染物引发的。他们为了保持其高度发展的经济，必然以消耗其本国的自然资源和通过不公平的经济交往耗用发展中国家的自然资源为前提，不论是从总量还是从人均水平来讲，其资源的消耗和污染物的排放都仍然大大超过发展中国家。
4.2.3 室内环境污染问题突出
城市现代化的发展使得室内环境污染性质发生改变，由炊事活动引起的煤烟型空气污染转变为以辐射、放射性为主的污染。人们为获得舒适的室内空调环境并节约能源，密闭性能良好的节能建筑应运而生，在这种建筑中，室内外空气交换的性能很差，全靠机械动力设施，使一些本来影响不大的污染现象对人体健康产生新的危害。
4.3 人类的主要行动
面对以上种种日益严重的环境问题，人类不能再继续我行我素，而是要采取一定的措施去减缓或消除已存在的灾害，积极地对生态环境进行保护和合理利用，以满足人类未来的生存、生产和生活需求。1972年6月5日，“联合国人类环境会议”在瑞典首都斯德哥尔摩召开。会议研讨并总结了有关保护人类环境的理论和现实问题，制订了相应的对策和措施，提出了“只有一个地球”的口号，并呼吁各国政府和人民为维护和改善人类生存环境，造福全体人民，造福子孙后代而共同努力。这是联合国史上首次研讨保护人类环境的会议，也是国际社会就环境问题召开的第一次世界性会议，标志着全人类对环境问题的觉醒，是世界环境保护史上的第一个里程碑。1992年6月3日至14日，联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢举行。这次会议不仅筹备时间最长，规模也最大，堪称是人类环境与发展史上影响深远的一次盛会，是环境保护史上的第二座里程碑。环发大会通过了《里约环境与发展宣言》和《21世纪议程》两个纲领性文件以及《关于森林问题的原则声明》，签署了《气候变化框架公约》和《生物多样性公约》。这些文件充分体现了当今人类社会可持续发展的新思想，反映了关于环境与发展领域合作的全球共识和最高级别的政治承诺。
人类已渐渐认识到全球环境问题的严重性和紧迫性，采取了一定的措施对生态环境加以保护和治理，对减缓生态环境恶化的速度和降低全球环境问题恶化的程度做出了贡献，取得了一定的成就。在解决环境问题的长期探索中，人们逐渐认识到，全球环境问题解决是一项长期的、严峻的任务，需要全世界每一个国家、每一地区乃至每一个个人的参与；单纯依靠污染控制技术是解决不了日趋复杂和广泛的环境问题的，要按照生态可持续性和经济可持续性的要求，改革传统的单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生产和消费模式做出重大变革，控制人口，改变现有技术和生产结构，减少资源消耗；及时观察全球环境变化的动态，因地制宜地采取有效的措施；各部门各地区要紧密配合，团结一致，有计划有步骤地对已有的生态环境破坏进行治理，并积极地保护现存的一切资源和保持良好的生态环境，只有这样，人类才有可能实现自身的可持续发展。
第五节 中国的主要环境问题与对策
中国是国土辽阔、人口众多的国家，有优越的地理位置、独特的自然历史条件，具有复杂多样的地理环境和丰富的自然资源。由于多种因素的影响如人口众多，资源的大量开发，高速的工业化发展，使得自然环境发生了变化：一方面，整治国土，兴修水利，营造防护林，使自然面貌发生了重大的积极变化；另一方面，乱伐森林，滥垦草原。过渡捕捞等盲目开发，使生态平衡遭到破坏，从而又导致自然环境的消极变化。同时，生态破坏的范围也在扩大。目前，环境问题与人口问题已成为我国经济和社会发展的两大难题。
5.1水资源危机
5.1.1 淡水资源危机
水是地球上人类赖以生存的最宝贵的自然资源之一。农业灌溉需要水，工业生产需要水，交通运输需要水，人民生活更少不了水。随着人口的不断增加和工业的迅速发展，全世界用水量与年俱增；世界人口每年净增1.25％，用水量却增4％。因此，全球都面临着水资源危机的问题，而我国的水资源危机问题尤为突出。
我国水资源主要由降水补给，据1984年统计，在我国河川径流总量27000×108m3中，地下水约为8300×108m3，扣除地表水与地下水相互转化重复估算部分，我国水资源总量约28000×108m3，但我国的水资源分布极不平衡。全国水资源的81％集中分布在占全国耕地面积36％的长江流域及其以南地区，占我国耕地面积64％的淮河及其以北地区，水资源仅占全国的19％。由于供水不足，北方的许多地区不得不缩小灌溉面积和减少有效灌溉次数，造成减产。我国水资源的人均占有量很低，华北、胶东、辽中南、西北地区严重缺水；全国500个城市有300多个缺水，其中严重缺水的40多个。每年因缺水造成的工业产值损失近千亿元。长江、黄河、珠江、淮河、松花江、大辽河六大水系干流水系基本良好，但各自都有一些污染严重的地段，流经城市的地段有明显的污染带。城市地下水污染面总氮、总硬度持续上升，已有l/3的水井达不到饮水标准。然而，水资源浪费现象又十分普遍，各大城市中工业用水的重复使用率一般只有25％，最高的才达49％，但在日本，水的重复使用却高达60％；西德更高达64％。具体说来，我国水资源存在以下4个主要问题：
①人均亩均资源占有量低 我国水资源总量居世界第六位，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚，但人均占有量仅2477m3(1993年)，约为世界人均的26％，居世界第109位。单位耕地面积占有水量为世界平均水平的80％。中国已被列为全世界人均水资源最少的13个贫水国之一。
②人均水资源的空间分配极不均衡 全国水资源的81％集中在耕地仅占全国36％，人口占全国55％的长江及其以南地区。而全国水资源的19%集中在耕地为64％，人口占全国45％的淮河及其以北地区，形成了南方水多耕地少，水有多余；北方水少，耕地多，水资源短缺的局面。按联合国规定的国际标准：人均水量2000m3为严重缺水的边缘，全国18个省市人均占有水量低于全国平均水平，其中9个北方省市低于500m3/人。1990年我国黄、淮、海3个流域的人均水资源量已接近或低于临界值1000m3/人。
③在水资源总量中，可以利用的水量少 受季风气候影响，我国洪水径流约占年径流总量的2/3。我国现有的8万多座大中型水库在拦蓄洪水径流、减少洪涝灾害以及供水等方面起了很大作用。然而，其防洪库容总量仅仅占多年平均径流的15％，即大部分洪水径流只能宣泄入海而不能加以利用。同时因为我国水资源空间分布极不均衡，因此在28000×108m3的水资源总量中，最大可开发利用量仅为10000×108～12000×108m3。另外，水资源污染日趋严重，导致可用水资源量的进一步减少。从总体上看，我国大部分河段水质较好，水质污染严重的主要是城市河段，然而近年来，我国水污染，特别是流域污染给工农业和人民生活带来了严重影响。水污染问题已成为影响水资源可持续利用的主要问题。目前我国的日排放污水量已超过l×108t，其中80%以上未经处理直接排入水域，造成包括六大水系在内的许多河流的污染，其中污染严重的是淮河、辽河和海河及滇池、太湖、巢湖等流域。
④水资源需求量不断增加，水资源供需矛盾日益尖锐 1949～1993年，总用水量几乎以每10年增加1000×108m3速度递增，在用水结构上，农业用水比例呈下降趋势，工业及城镇生活用水比例呈上升趋势。随着社会经济发展及人口增长，总用水量将呈不断增长趋势，缺水量必将进一步加大。日益尖锐的水资源供需矛盾将成为制约我国经济发展的重要因素之一。
5.1.2 南水北调工程
南水北调工程就是将南方湿润区富余水量调往华北和西北干旱、半干旱地区的宏伟的跨流域调水工程。涉及长江流域、黄河流域、淮河流域和海河流域，受水区达14个省、自治区和直辖市，直接受水面积达106.6×104km2。受水区内现有耕地约2300×lO4hm2，人口约3.1亿，国民经济总产值约1.5×104亿元。其总体规划布局是：分别向西北地区、华北平原中西部和华北平原东部供水，以缓解这些地区水资源的严重不足。这三条线路也即人们所说的南水北调西线工程、南水北调中线工程和南水北调东线工程。
5.2 森林生态功能衰退
我国现有森林面积和总蓄积量居世界第五位。但森林覆盖率仅为13.9％，远低于世界平均水平27％，居世界第104位；人均森林面积0.11hm2，人均森林蓄积量8.6m3，分别为世界平均水平的11.7％和12.6％，属于世界上森林资源贫乏的国家之一。森林资源存在的主要问题，一是森林资源质量不高，材林树种、林龄构成不合理，中幼龄林比重大，其面积占全国林分面积的71％，可采资源少，木材供需矛盾日益突出；二是森林资源总量不足，覆盖率低，资源分布不均，主要分布于东北、西南、东南地区，而西北、华北地区森林资源稀少，风沙危害严重；三是森林资源破坏严重，乱砍滥伐现象比较普遍，天然森林资源面临严重威胁；四是森林灾害较为频繁，1996年全国发生森林火灾5000多次，受害面积18.67×104hm2，火灾受害率为0.75‰，森林病虫害发生面积662×104hm2。森林资源的破坏，加剧了水土流失和沙漠化。仅20世纪50年代到70年代末，我国干旱和半干旱地区沙化土地平均每年扩展约1500km2。
自1978年以来，我国先后确立了以遏制水土流失、防止荒漠化、改善生态环境、扩大森林资源为主要目标的“十大”林业生态工程。这“十大”林业生态工程是：“三北”(东北西部、华北北部、西北地区)防护林体系工程、长江中上游防护林体系工程、沿海防护林体系工程、平原绿化工程、太行山绿化工程、防沙治沙工程、淮河太湖流域综合治理防护林体系工程、珠江流域综合治理防护林体系工程、辽河流域综合治理防护林体系工程、黄河中游防护林体系工程。这十大林业生态工程规划区面积705.6×104km2，占国土面积的73.5％，规划造林总面积1.2×108hm2，覆盖了我国主要的水土流失，风沙危害和台风、盐碱等生态环境最为脆弱的地区，构成了我国林业生态建设的基本框架。截止1997年底，十大林业生态工程累计完成造林面积2734.8×104hm2，增加了草植被，改善了部分地区的生态环境，取得了明显的生态、经济、社会效益。
5.3草地资源退化问题
草地是中国陆地上分布广泛、类型多样、面积最大的生态系统。我国现有草地面积仅次于澳大利亚，居世界第二位。但人均占有草地仅为0.33hm2，约为世界平均水平的一半。我国草地的质量不高，低产草地占61.1％，中产草地占20.9％。全国难利用的草地比例较高，约占草地总面积的5.57％。所以生产能力低下，平均每hm2草地生产能力约为7.02个畜产品单位，仅为澳大利亚的l/10，美国的l/20，新西兰的1/80。更为严重的是，我国90％的草地已经或正在退化。造成草地退化的主要原因，一是对草地资源长期采取自然粗放经营的方式，重利用、轻建设，重开发、轻管理，长期超载过牧，过度使用；二是气候干旱日趋严重，使草地逐步沙化；三是人为采樵、滥挖药材、开矿和滥猎，破坏草地植被。
草地资源的严重退化导致我国成为全球荒漠化土地面积较大，危害较严重的国家之一，荒漠化土地已达262.2×104km2，占国土面积的27.3％。从20世纪50年代起，我国就开展了以造林种草为主的荒漠化治理工作，90年代以来，又有计划大规模地展开全国性防治荒漠化的工作，通过退耕还草、造林种草、育林育草和防沙治沙等措施，使荒漠化得到一定控制或治理，一些地区的农牧业生产条件有所改善。
5.4 海洋生态问题
近些年来，我国海域内的渔场荒废面积呈扩大趋势，海洋生态环境恶化的状况未得到有效控制，有的学者甚至认为，我国海域正经历着严重的荒漠化过程。
5.4.1 海洋污染严重
根据环境保护部门的多年连续监测，我国近岸海域均已受到不同程度的污染和生态破坏，特别是与大中城市毗邻的海域、海湾、入海河口处的污染和生态破坏已经比较严重，并且有继续恶化的趋势。入海的主要污染物是石油类、有机物、营养盐类和重金属。近海海域石油类污染普遍严重，存在不同程度的有机物污染和富营养化，局部地区水质和底质的重金属污染也比较严重。海洋环境污染和生态破坏导致了沿岸、近海渔业资源衰退，生物种类减少，水产品质量下降，养殖滩涂大片荒废，海水养殖污染损失事故不断发生。
5.4.2 过度捕捞
过度捕捞是造成海洋生物产量下降的主要原因。例如，目前在渤海作业的船网已是十几年前的5倍，而每只船的渔获量却仅是十几年前的l/5。许多特有鱼种已经绝迹。
5.4.3 有害生物的蔓延
在特定的环境下，水域中浮游生物的一些种类会爆发性地增殖，使海水的pH值升高，粘稠度增大，对其他浮游生物的生长和生存造成危害，而其自身也因增殖过快或过度聚集大量死亡，释放出大量的毒素，使海水变臭、颜色变红，生态学中将这一现象称为赤潮。赤潮对生态系统的危害是深刻的，在淡水湖泊甚至能造成生态系统结构和功能的崩溃。近年来我国海洋赤潮灾害的发生有四个明显特点：一是频率增高，1990年我国沿海共发生赤潮34起，为1961～1980年20年总和的1.5倍，1991年共发生赤潮38起。二是持续时间长、损失大，一般持续约1个月，其损失达几千万元到几十亿元。三是危及人类的健康和生命，轻者中毒，重者死亡。1986年台湾居民食用赤潮生物紫蛤，30人中毒，20人死亡。浙江省1967—1979年因食用赤潮发生后采集的织纹螺而引起中毒事件40起，中毒患者423人，死亡23人。四是形成赤潮的生物种类增多，发生形式呈多样化。
5.5城市生态环境
5.5.1 生态环境问题
我国城市生态环境问题很多，大致可归结为四大类环境问题。一是大气污染，二是水质污染，三是噪声及其他物理污染，四是固体废弃物污染。在这四类问题中，大气污染最为重要。
①城市大气二氧化硫和酸雨污染呈发展趋势 大气污染是城市主要的环境特征之一。我国城市大气污染主要是以尘埃、二氧化硫为主的煤烟型污染。污染程度北方城市重于南方城市。我国煤炭使用量越来越多，而对二氧化硫污染控制手段和能力都十分有限，致使许多城市大气污染仍然呈发展趋势，而且除煤烟型污染外，光化学烟雾、氟污染、特别是南方地区的酸雨污染呈发展趋势，污染区面积逐年扩大。目前酸雨成片地区由2个增加到4个，从我国西南地区向东向北扩展。
②城市水体有机污染加重，饮用水源水质下降 城市缺水和水污染是城市环境主要问题之一。工业废水、生活污水排放是造成城市地表水、地下水污染的主要原因。我国目前只有19个城市有污水处理厂，1990年城市污水处理率为3.4％。城市水体有机污染严重。许多城市的饮用水源常常由于附近工业废水的排入而被污染，从而失去使用价值，导致水源缺乏。全国有地下水资源的47个主要城市中有43个受到不同程度的污染，北方18个以地下水为主要水源的城市中有17个受到不同程度的污染，且逐年加重，尤以硬度、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等指标上升为快。流经城市的55条河流89个测点检测，氨氮超标率为58.8％，挥发酚超标率为33.3％，悬浮物超标率为41.9%。根据33个城市77个水源地的水质监测，污染超标率达44.2％，主要污染物是细菌、化学耗氧量、氨氮。城市水体污染表现在江河沿岸大中城市排污口附近岸边污染带和局部水体污染严重两种形式，尤其以二、三级支流污染较为严重。
③城市噪声污染严重 我国城市噪声污染主要是交通车辆引起，据1990年对35个城市噪声监测，交通噪声超过70dB的路段占91.2％。这种状况由于车辆继续增加，在相当长一段时间内将难以改变。区域环境噪声超标率大于50％。工业噪声虽然所占比重不大，但强度高、对周围人群影响大。据统计，我国约70％的城市人口遭受到高噪声的影响，在70个有监测的城市中只有60％的主要城市达标，而一般城市只有33％达到噪声控制标准。
④城市固体废弃物产生量逐年增加，处理率低 全国城市年产垃圾、粪便6.0×107t，有1.5×107t不能清运。工业废渣也是造成城市环境恶化的重要原因之一。废渣不仅占地，而且是大气和水体的污染源。工业废渣成分复杂，性质与城市垃圾不尽相同。工业废渣的排放，不仅大大增加了城市的废弃物排放量，而且使城市固体废物更加复杂，利用和处理也更困难，致使固体废弃物对城市环境的冲击越来越大。
5.5.2城市环境保护对策
①预防为主、防治结合 把环境保护纳入城市经济与社会发展计划，推行城市环境综合整治，执行建设项目环境影响评价和“三同时”制度等，是防止和严格控制新污染源产生的一种有效手段。我国城市环境污染之所以特别突出，布局不合理是一条主要原因。因为我国工业基础薄弱，工艺技术落后，管理不善，布局不合理，故造成严重的环境污染。因此，科学确定城市性质和规模，合理进行城市规划和布局，是保护和改善城市环境的一项重要对策。
②污染者负担 该原则是1972年由经济合作与发展组织(OECD)提出的，此后得到国际上的广泛承认，并成为许多国家的主要环境政策。该政策的具体措施有：第一，结合技术改造防治工业污染；第二，对工业污染实行限期治理，对布局不合理的工厂搬迁和对污染严重的工业产品实行淘汰制度；第三，征收排污费制度。目前除实行“超标收费”外，还实行“排污收费”。
③大力建设城市环境基础设施 城市环境污染严重的一个重要原因是城市基础设施落后，跟不上城市发展步伐。因此要按照环境建设与城市建设同步发展的原则，积极建设城市环境基础设施，大力推广污染集中控制措施。当前和今后一段时期，尤其要加快完善排水管网，建设城市污水处理厂，发展城市煤气化和集中供热。改进道路交通；建设垃圾处理设施，不断提高城市环境保护的能力。同时还要大力植树种草，提高绿化覆盖率，改善城市生态环境，提高自然净化能力。
④加强环境管理 良好的管理是解决城市环境问题的重要措施。经过长期探索，我国实施了一整套城市环境综合整治对策，主要解决城市经济承受不足和由于管理不善造成的工业污染问题，如制定法规和标准，建立环境管理机构，加强监督管理，推行新的环境制度和措施等。
5.6生物资源问题
5.6.1 我国的生物资源及现状
我国物种资源的种类和数量均在世界上占有重要地位。现已记录的主要生物类群物种总数约8.3万种，约占世界主要生物类群物种总数的7.5％。高等植物约3万种，占世界高等植物的10％，仅次于世界上植物区系最丰富的马来西亚(约4.5万种)和巴西(约4.0万种)，居世界第三位。陆栖脊椎动物约2340种，占世界陆栖脊椎动物的lO％；鱼类2840种，占世界鱼类的12％；藻类5000种，占世界藻类的16％；真菌8000种，占世界真菌的17％；细菌约500种，占世界细菌的0.2％。
目前，世界上有10％~15％的植物处于濒危状态，在我国，濒危植物种比例高达15％～20％，濒危物种达4000～5000种，此外，还有相当可观的植物种已经灭绝，初步统计，列入濒危植物名录中的植物已有5％左右在近数十年内濒临灭绝。
据统计，我国目前濒危动植物约有1431种，约占我国高等动、植物总数的4.1％。其中濒危高等植物1009种，占我国高等植物总数的3.4％，濒危脊椎动物398种，占我国脊椎动物总数的7.7％左右。目前《国家重点保护植物名录》公布的珍稀濒危植物共354种；《国家重点保护野生动物名录》公布的珍稀濒危野生动物共405种，其中陆栖动物305种，水生动物70种。
5.6.2自然保护区建设
在19世纪末、20世纪初，人们开始了建立自然保护区的实践，并以此来保护濒于灭绝的和有重要经济价值的物种。今天，保护区的作用已不仅限于保护物种及其栖息地这一范畴，自然界中的著名风景名胜区、人类社会发展的重要历史遗址、重要地质年代遗迹和地理景观以及与人类生活密切相关的水源涵养地和尚未被人类开垦的荒原，都在自然保护区内得到了保护。
目前中国已初步形成全国自然生态系统保护区网络，有效地保护了一大批具有重要科学、经济、文化价值的自然生态系统。自然保护区网络在我国的物种多样性保护中发挥了积极的作用，《国家重点保护野生动物名录》中的257种野生动物和《国家重点保护野生植物名录》中的354种植物中的许多种类均在自然保护区得到了保护。
第六节 中国必然选择可持续发展道路
每一个国家又有自己的历史和现状，有自己之所需，有自己追求的目标。中国作为一个发展中国家的人口大国，第二次世界大战结束后刚刚崛起，如何选择发展道路，理所当然地为全国人民，甚至全世界所关注。
中国正处在工业化的高速起步时期。由于中国人口多、底子薄、基础差，它所面临的问题比别国更多更复杂。
6.1庞大的人口是高速发展的沉重包袱
目前中国人口已超过13亿，占世界总人口的21.4％，而且每年仍净增1200万人。50年代以来，由于当时人口政策的失误，在1950～1957年和1962～1973年间出现了两次人口增长高峰，人口自然增长率达20‰。70年代把计划生育定为基本国策后，全国出生率已由33.59‰减至1990年的21.06‰；也就是说在这20年间少生了2.4亿人。1996年人口自然增长率又降到11.5‰。如果继续坚定不移地把“计划生育”国策执行下去，中国的人口将趋于缓慢而平稳地增长。但由于人口基数大，目前的年净增人口仍有1200多万。中国的人口分布极不均衡：占全国总面积44％的东部地区（包括华北、东北和中南）居住着77％的人口，而面积占56％的西南和西北地区，人口则仅占全国的23％。近年来人口又出现向东南沿海流动的趋势。而且不论东部还是西部地区，由于城市化的加剧，人口向城镇流动的趋势有增无减。因此中国人口的最大特点是基数大、增长快、分布不均衡。
由于人口增长高峰位于20世纪50～60年代，因此，目前在中国老龄人口达到高峰的同时，将承受持久的就业压力。
我国人口的另一大特点是文化素质差。据联合国教科文组织1988年统计，全世界有8.89亿15岁以上的文盲，其中我国有2.29亿，占25.83％。世界银行“1992年度世界发展报告”中对120个国家的综合发展水平排队打分，我国的“人口素质”一项得23分，比世界平均水平还低1分，居世界第56位。1990年第四次人口普查表明，15岁以上文盲半文盲占全国人口的22.27％，有大专以上文化程度的人口仅占1.4％（1600多万人）。
人口变动与经济发展有着十分重要而又极其复杂的关系。众多的人口显示了劳动力资源丰富，这对于经济发展是必不可少的。但另一方面，人对资源的消耗，以及对住房、教育、就业、交通、医疗保健、社会福利等的要求，造成了对资源、生态环境和社会发展的沉重负担。人口的过速增长直接影响着经济建设资金的积累。改革开放近20年来，中国经济以每年10％左右的速度递增，这个速度不可谓不快，但是每年新增的国民收入约1/4被新添的人口消耗掉了；而资金积累的减缓，既制约了经济发展的速度，又使教育与科技投入的人均数不是增加而是减少。据世界银行“1992年度世界发展报告”称，中国教育经费的投入占国民生产总值的2.5％，居世界第98位，不仅低于3.6％的世界平均数，甚至低于同档次低收入国家2.6％的平均水平。文化素质的低下，不仅难以掌握现代科学技术，也是建设法制社会、推进社会主义精神文明和物质文明建设的障碍。当前社会上的一些弊病，诸如拜金主义、封建迷信、假冒伪劣商品泛滥、城市脏乱差、盗窃与无端破坏公共设施和文物、滥猎乱杀珍稀动物等等违法乱纪与不文明行为，都从不同角度折射出公民的文化素养。
以上说明，庞大的人口及其对资源、环境造成的影响已成为我国实现环境与经济协调发展的首要问题，人口的增长一直是制约我国经济发展和消费水平提高的“瓶颈”。
6.1资源相对短缺是高速发展的制约
我国是一个有丰富资源量的资源“大国”和人均资源量低下的资源“穷国”的矛盾统一体。特别是关系到人类基本生存条件的淡水、耕地、森林与草地资源，人均量分别是世界的28.1％、32.3％、14.3％和32.3％。我国矿产资源量的人均水平不及世界平均水平的一半，综合利用水平的低下和浪费更加剧了资源的短缺。
由于矿产资源的分布不均，我国的煤长期存在“北煤南运”和“西煤东运”的问题，石油和天然气主要在东北和西部；我国铁路运输中大宗资源产品的货运量长期占据80％以上的吨位。水资源的“南水北调”则存在资金和技术上的难题。特别是当前中国存在着”产品高价，原料低价，资源无价”的严重价格扭曲现象。因此，我国资源方面不仅有节约、综合利用这样一些“硬件”方面的工作，而且面临大量的“软件”方面难题。例如资源产权制、资源配置体系的调整、资源产业的发展，以及自然资源核算制度的建立等带有方针、政策、管理方面的问题。只有这些难题得到妥善的解决，我国的资源永续利用才不是一句空话。
6.2环境污染加剧导致生态日趋脆弱
1985年至1992年我国废气排放年均增长5.1％（其中二氧化硫占3.5％），1992年比1981年工业废弃物增长64.5％。全国有30多个城市工业固体废弃物堆存量超过1000万吨，1992年全国排放废水366.5亿吨。全国沙漠化和水上流失面积分别为153.3万平方公里（占国土的15.9％）和179万平方公里（占国上的18.4％）。全国600多座城市中，大气质量符合国家一级标准的不到1％。污染最严重的大气超过世界卫生组织规定的标准近10倍。全国各地排放的污水大部分未经处理便直接流入江河湖海，使全国一半的河段受到污染，86％流经城市的河段成为臭水沟，连带污染了全国一半城市的地下水。我国二氧化硫的排放居世界前列；酸雨危及53％的国土面积，已由华南、西南向华中、华南和华北蔓延；酸雨出现率达百分之七八十，使40％的饮用水污染超标。由于生态遭到破坏，致使自然灾害肆虐，近40年来，每年由气象、海洋、洪涝、地质、地震、农业和林业等七项灾害造成的直接经济损失，约占国民生产总值的3％～5％。仅1993年就造成993亿元人民币（相当于284亿美元）的损失，占全球这一年灾害损失（500亿美元）的57％。1994年的自然灾害损失又翻了一番，达到1800多亿元。
在污染问题上，国际经验也表明中国必须走可持续发展的道路。随着经济的发展，特定阶段即中国目前所处的人均国民收入400美元～1200美元之间的阶段，正处于污染增加的时期，因此必须采取可持续发展战略；同时，通过政府实施经济、社会和环境协调发展政策，采取有效措施，提高教育水平和经济发展水平，缩小国民收入差距和贫富差距，环境也会得到改善.
建国四十多年来，中国的经济发展是艰难曲折的。通过对四十多年来中国传统经济发展战略的分析，回顾了1949～1956年过渡时期总路线总任务、1956年赶超英国的战略目标、60年代初关于本世纪末实现四个现代化的设想、1978年本世纪末“翻两番”的战略目标的提出，分析了中国传统经济发展战略特征，表明建国以来尽管经济建设取得了辉煌的成就，但是由于严重的先天不足，加上仍然沿袭着资源型经济增长模式，在增长方式上与其他国家一起投入二战以来出现的“增长热潮”，单纯追求经济的高速度，在管理上套用“三高”（高投入、高消耗、高污染）和“三低”（低产出、低质量、低效益）的粗放管理，使我国的经济发展陷于速度高、效益差、消耗大、污染重的“怪圈”。例如，从1953年到1980年，我国国有固定资产投入增加22倍，而国民收入仅增5.5倍，1981年到1993年固定资产投入增加13倍，国民生产总值仅增3.2倍，利税仅增2.7倍。我国的能源消耗系数比发达国家高4～8倍，主要产品的单位能源消耗高出发达国家30％～90％。能源对国民生产单位产值的产出率是日本的1/12，是世界平均水平的1/7。能源利用率仅30％。产业结构也很不合理。
多少年来，我国的经济发展采取传统的“赶超”型发展模式，重速度、轻效益；倾向总量增长，忽视结构变化；注重工业，轻疏农业；热衷政治性的运动，轻视经济规律的探索；重视实际生产，偏废科学技术；注重实业投资，疏远人才、知识。这种发展模式付出了昂贵的代价：造成环境污染，影响发展速度，错过了良好的发展机遇。
从可持续发展的角度看，我国以往的经济发展模式，实际上阻碍了社会和经济的发展。能源的低利用率，不仅浪费了宝贵的资源，更污染了环境。人口的膨胀对资源、环境产生了巨大的压力。而以往的社会经济发展政策中，恰恰忽视了这一压力的反作用。以东部沿海经济区为例，按照80年代资源消耗和污染速度计，在人口增长率为10‰的情况下，再过30年人均耕地将仅0.033公顷（不足半亩），粮食、能源和水资源都难以满足发展所需；再过45年，废水和固体废弃物的排放量将接近1994年全国的总量。
因此，无论从人口、资源、环境，还是社会经济发展来说，我们都必须采用有利于节约资源、保护环境的产业结构和消费方式，走经济建设与资源环境相协调、良性循环的可持续发展之路。这是人口众多、资源匮缺、环境污染、经济增长方式粗放的中国的唯一复兴之路。
【参考书籍】
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推荐阅读书目
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[6] 孙方明主编，环境教育简明教程，中国环境科学出版社，2000。
思考题
1、环境科学是怎样形成的？
2、大气污染的危害表现在哪些方面？
3、臭氧空洞的出现与人类的行为和发展未来有什么关系？
4、我国是一个资源大国，为什么资源的节约和综合利用较其他国家更紧迫？
5、可持续发展理论与我们传统思维的根本对立问题是什么？
第一节 有关环境科学的基本概念
1.1环境
所谓环境是指以人类为中心的周围客观事物的总和，是直接、间接影响着人类生活和发展的各种自然因素（自然环境）和社会因素（社会环境）的总和。现在一般讨论的环境主要是指自然环境。人类生存的自然环境是由空气、水、土壤、阳光和各种生物所构成。《中华人民共和国环境保护法》对环境和人的关系明确规定为：“环境是指：大气、水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、野生植物、水生生物、名胜古迹、风景游览区、温泉疗养区、自然保护区、生活居住区等”。自然环境是人类及其他生物赖以生存的物质基础。但是人类不同于其他动物，机械地利用外部环境，求得生存和发展，人类通过他所作出的改变来使自然界为自已的目的服务，创造出适合自已生存与发展的环境。
1.2环境分类
对于环境的分类，目前尚无统一规定的标准，根据不同原则，学者们对人类环境有不同的分类方法。常用的方法是按照研究对象的范围、特性和从属关系而划分为三个层次。
全球环境 随着科学技术的发展、生产力的提高和生产规模的扩大，人类的许多活动已对地球环境系统产生了影响，如工业化以来大气中二氧化碳浓度的增加、人类生产排放到大气对流层并不断向同温层扩散的会破坏臭氧层的CFCs类物质等，都对全球的热量平衡和环境稳定产生深刻影响。因此，地球环境系统的质量变化已成为现代环境科学研究的重要对象和领域。
区域环境 是环境差异性的地区体现。由于社会因素和自然因素的不同，某一地区与另一地区的环境条件往往有着明显差别。这种差异使人类与环境间的关系也随之不同，人类对环境利用和改造的方式、程度、规模、性质及后果也有所区别，因而造成的“环境问题”和解决对策也就不同。区域空间范围的具体划分可依据行政区划，也可依据自然区划，但通常是两者交替并用。
聚落环境 是人类有目的、有计划创造出来的以人工环境为主的环境，它既是人类聚居的地方，也是人类生产活动的中心。这类环境又可细分为院落环境、村落环境和城市环境。聚落环境具有两个明显的特点，一是有明显的时代特征和地域特征；二是形成许多“环境问题”产生的根源，一些重大“公害”都发生在聚落环境微观或小范围的，如村落环境、院落环境、居室环境等，这是从研究的空间范围对环境进行的分类。还有许多学者从不同部门的研究角度对环境进行分类，如工业环境、乡村环境、农业环境、旅游环境等。所以，环境的分类可根据研究的具体内容来划分和确定。
1.3人类活动与环境变化
在人类发展的历史上，有过许多重大的发明创造，每一次重大发明都推动了人类向更高阶段发展。尤其是工业革命以来，人类经过近两个世纪与大自然战天斗地的较量，积累了丰富的经验和智慧，创造了巨大的财富和科学技术知识，使社会生产力得到了极大地提高。人类的生活、工作、交流方式发生了根本的变化。特别是第二次世界大战之后，世界上一味追求经济的快速发展，烟囱产业被作为“朝阳”工业而备受推崇，其发展指标通常以经济的增长来定义，以国民生产总值(GNP)或国民收入的增长为重要目标，以工业化为主要内容。
单纯追求经济增长的结果导致最近一个世纪以来，矿物燃料消耗量增加了30倍，而且每年仍以2%以上的速度递增，工业生产能力的4/5以上是20世纪50年代以后出现的，短短的几十年里，世界进入一个崭新的高速发展和前所未有的工业化时代。然而，正如恩格斯的告诫，“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。每一步胜利，在第一步都确实取得了我们预期的结果，但是在第二步和第三步却有了完全不同的，出乎预料的影响，常常把第一个结果又取消了”。当人类庆贺经济这棵大树结出累累硕果的同时，人类赖以生存和发展的环境却被破坏得百孔千疮，环境污染及生态破坏，能源危机、资源危机、人口危机带给人类广泛而严重的矛盾。科学技术发展带来的工业、农业深刻革命的同时，使环境的污染成为新的严峻问题。人类活动向空气中排放许多挥发性的有机化合物、烟尘和有害金属造成了城市空气的污染。科学技术的高度发展，使自然界日益增加为人类服务的领域，耗用自然资源日益增多，使原来在自然界中处于平衡的各种物质，由于人类的活动而在不同程度上影响它们的平衡状态。人类正是在改造自然界的同时，逐步认识人类与自然界的关系。人类活动结果影响了原有自然界的物质平衡和生态平衡。人类从环境变化的认识开始重新认识和反省自身的行为。
1.4环境问题的产生
环境问题广义是指包括一切形式的环境恶化或对生物圈的一切不利影响，具体一点，是指环境污染，即有害物质在自然环境中积累，其数量达到或超过人类和生物正常生存和生活所允许的量。随着人类社会的发展和生产力的提高，人类改造和影响自然环境的能力加强，人类活动导致自然环境的破坏，自然界给予人类以报复，造成了环境污染。
在人类漫长的改造自然的历史中，由于它的影响还没有超出自然界的物质平衡和生态平衡，还不足以造成对人类明显的反作用。工业革命前，生产力发展水平低、环境污染极微小，还不足以对环境的物质和生态平衡产生可觉察的影响。环境污染是随着大工业发展而产生，因为多年来，人类的生产活动一直是围绕着资源的开发和利用进行的。18世纪产业革命到20世纪初，由于大工业发展造成以煤的烟尘、二氧化硫为主的大气污染和采矿、冶炼、无机化工废水污染为主的环境污染问题先后发生。例如，1873年12月、1880年1月、1882年2月、1891年12月、1892年12月及1952年12月的英国伦敦接连发生烟雾事件。1909年英国格拉斯哥烟雾事件死亡1063人，自1893年开始的五十年间，日本足尾铜矿冶炼厂排放废气造成大片田园荒芜，几十万人流离失所。1920年到1950年的30年中，环境问题由于烧煤造成的污染进一步扩大，石油加工和化工等有机化学工业的发展引起新的污染，汽车等机动车排放废气的污染出现“光化学烟雾”等，大气污染更为严重是这个阶段的特点。第三阶段是从五十年代开始，工业发展的迅速、污染扩大。石油的海上运输和海上石油开采引起海洋石油污染，航空工业的发展导致高空大气层的污染，核武器、核电站、核工业的发展引起放射性污染。可以说现在污染已遍及全球，甚至在南极的企鹅和北极的驯鹿中都发现污染物。
最为典型的是震惊世界的八大公害事件：（1）1930年比利时马斯（Meuse）河口重工业排放SO2的烟雾事件中毒数百人，死亡60余人。（2）1944年美国洛杉矾光化学烟雾事件，持续4天，4000余人死亡。（3）1948年美国多诺拉冶炼厂的S02及烟尘事件，5911人中毒，四百余人死亡。（4）1952年伦敦烟雾事件四天内中毒死亡四千多人。（5）1955年日本四日市重油烟雾事件，死亡36人。（6）1955年开始日本的富山县矿山引起的镉污染的骨痛病事件。（7）1956年日本水俣湾的有机汞中毒，受害居民万余人的水俣病事件。（8）1968年日本生产米糠油时，含有多氯联苯（PCB）引起的中毒事件。后四起都发生在日本，据不完全统计受害者17000多人，死亡4100多人。直到1984年12月3日在印度博帕尔农药厂毒气外泄，当场有2500人死亡，另外3000余人严重中毒濒临死亡。
由于工业的发展，矿山的开采，工业的排污，大量废水、废气、废渣排入环境，有害物质急剧增加，超过自然界本身的稀释和净化能力，造成环境污染，破坏生态平衡，危害人类的生存。仅以第二次世界大战前夕到1970年的40余年为例，科学技术的发展伴随着大规模自然资源的开发利用和工业生产的急剧增长。特别在后25年中，工业的急剧增长引起自然资源开发的迅速增加。据统计，1965年开始，世界上每年开采和消耗30亿吨矿物煤炭，5亿吨铁矿石，44万吨铝矾土，5百万吨铜等。它们的增长速度分别为4.1%；1.8%；6.4%和4.6%，据美国矿山部统计，美国在30年间（1940一1970）工业所需的矿物原料大于整个人类从古罗马到第二次大战期间矿物原料的需要量。这样大规模的消耗自然界的原料，不仅引起矿物资源的枯竭，而且大量的废物将引起大气污染（有害气体和粉尘）、水体恶化（溶液，可溶性气体及颗粒物的输入）及固体废物的污染。据统计，现在世界仅城市每年排入环境的固体废物高达30亿吨，工业及生活污水500立方公里，各种气溶胶10亿吨，有毒气体六亿多吨。现在全球CO2的浓度以每年0.2%的速度递增。
人口的增长，特别是近80年人口的急剧增长，不但加快工农业生产的发展，从而不可避免地加重工农业生产所带来的环境污染，而且人口增长，大量生活污物排放，城市化对环境的影响，人口增长对能源需求的增长加剧对环境的影响。据统计，1800年，世界人口经历一百万年才达10亿；到1920年，经过12O年，世界人口达20亿；1965年世界人口达到40亿，现在人均寿命不断增长，2000年，世界人口已达60亿，到21世纪末，世界人口将超过100亿。人口增长对环境的影响不可避免成为一个严重的问题。
现在，由于工农业的发展，人口的增长造成可耕地减少（全世界每年可耕地减少0.35%），土地沙漠化（沙漠化损失农田每年约为600万公顷），水土流失（每年约有230亿吨土壤流失），森林破坏（热带林每年约毁林1100万公顷）,资源枯竭（人口30年增加一倍，而能源消耗或电能消耗分别为15年及10年增长一倍）。从世界范围来看，越来越多的环境问题严肃地摆在了人类面前。
1.5 环境科学的形成与分类
综观世界人口、资源、能源与环境问题，来自于社会经济和发展带来的矛盾已经越来越突出，而且这种矛盾发展的趋势已经成为全人类面临的主要危机。环境污染造成的损失使人类不得不回过头来检讨过去的行动及其后果，研究环境、评价环境，环境科学就此应运而生。
环境科学的任务是以“人类——环境”这一系统为对象，研究人类和环境之间的关系，掌握它的发展规律，调节物质和能量交换过程，改善和创造人类生活的美好环境，使人类社会更加繁荣、昌盛。因此，环境科学是研究人类活动对环境引起的直接后果，研究它们可能造成的潜在效应，研究污染物在环境中的运动规律及其对环境质量、生物效应和人体健康的影响，以及控制和改善环境的原理、方法和措施。
环境科学涉及自然科学的各个领域和社会科学的许多部门。所以环境科学按其主要内容和任务属于自然科学，但它是综合性很强的边缘性科学，是研究人类生存环境，大气圈、水圈、岩石圈与生物圈诸自然要素的科学，是化学、生物学、物理学、地学和医学等基础学科的交融而产生的新学科，具有多学科性和社会性等特点。我国著名环境化学家刘静宜先生指出，“环境科学是伴随着环境污染而出现的一门新兴学科”。由于环境科学是一个发展中的学科，它的分类还很不成熟。一般多将环境科学分为基础环境学、应用环境学和环境学三类。
1.6环境科学的特征及学科任务
1.6.1 可持续发展理论的基本思想
人类社会面临的环境问题是不断发展变化的，人们对其认识也经历了由浅入深的过程。在20世纪中叶，当环境问题危害到人类正常生活和身心健康时，人们对其还仅是一种就环境论环境的浅层次的认识，这种思考方式的表现，是较多地考虑环境问题本身的严重性，以及它对人类健康和经济发展的损害。在实践层面上，在污染控制的措施上并未考虑对传统工业模式的转变，而是着力于传统工业污染控制的途径，安装设备进行废弃物的处理等；在环境理论层面上，把经济发展与环境保护相对立，认为“先污染后治理”是“规律”，主张只能先发展经济，待具备了经济实力和条件后再治理污染，再实现环境保护和建设的目标；在对待世界未来环境的发展前景上，缺乏科学、冷静的认识，要么极度悲观，认为只有停止经济发展和人口增长才能解决全球环境问题，要么盲目乐观，认为迅猛发展的科学技术或借助市场的力量就能够自然地解决面临的环境问题。毫无疑问，这种浅层次的思考也起到了积极和重要的作用，它促使人类在环境问题上觉醒，使人们对环境的态度发生了重要转变，采取行动保护环境、治理污染，国家也参与了环境管理，通过立法、执法和政策调控的手段加强对环境的保护及管理，1972年联合国“人类环境会议”通过的《人类环境宣言》，是这个时期人类对环境问题的认识及行动的集中体现和反映。
然而，环境问题的实质是人与环境关系的失调，是人对自然规律的忽视和不尊重。所以，仅就环境问题自身而不从“人—自然”这个系统的整体出发，是无法全面认识问题和解决问题的。1987年，世界环境与发展委员会向联合国大会提交了该委员会的研究报告《我们共同的未来》，报告系统地探讨了人类社会面临的一系列重大的经济、社会和环境问题，提出了“可持续发展”的概念，并深刻地指出，现在人类社会正迫切地感受到生态环境对经济发展所带来的重大压力，我们必须有一条新的发展道路。这些思想和观点，使人们的观念从单纯考虑环境保护和治理污染，提升到必须把环境保护与人类发展统一起来，这标志着人类对环境问题与发展关系的认识有了重要的飞跃。1992年，联合国“环境与发展大会”，提出了实现“可持续发展”的基本原则和全球范围内可持续发展的行动计划，标志着“可持续发展”得到了世界最广泛和在最高领导级别上的政治承诺，人类对环境与发展问题的思考和行动都提高到一个新的层次。
综观20世纪，人类对环境问题思考的逐步深化，体现在对环境问题所采取的具体行动上，就是环境科学理论的发展和环境保护的实践，大体经历了限制、治理、防与治结合和科学规划四个阶段。限制阶段恰值污染的高峰期，“公害事件”叠起，而人们对这些危害的原因、机理还不完全清楚，只能强化限制措施，制定法律，限制污染物的排放，但这种措施并没有奏效；治理阶段也主要是针对工业“三废”的排放，采取了各种净化技术。与此同时，在政策上实行了征收排污费、“谁污染，谁治理”等措施。在法律上，颁布环境保护法，制定环境标准等。这些努力对局部污染的控制和环境质量的改善起了积极作用，也收到了一定效果，但这种限于排放口的被动治理，不仅耗资大，甚至还产生了二次污染。这两个阶段体现在学科上，就是环境科学的多学科分化；进入防治阶段，是人类对20多年治理环境问题的经验、教训反思的结果，它使人类认识到环境污染的危害是深刻的、严重的，许多学者很敏锐地指出了这一点。尤其是20世纪70年代联合国“人类环境会议”的召开，人们对环境问题的认识在两个方面发生了转变，一是认识到环境问题不仅仅是污染问题，就世界范围而言，生态破坏比环境污染更严重、影响更深刻。二是解决环境问题必须协调人类与环境、发展与环境的关系，把人口、资源、环境和发展紧密联系起来，作为统一整体来考虑才是正确途径。在治理的措施上，重视了综合防治，积极开发废弃物资源化技术，实行建设项目环境影响评价制度和污染总量控制制度，注重区域治理，完善环境保护法律体系；科学规划阶段始于20世纪80年代末，它的国际背景是发达国家出现了能源危机和经济萧条，这表明环境系统的功能对人类社会发展的制约作用是不可违背的规律。国际经济合作与发展组织，在对就业、环境和协调发展三者关系研究后证实，环境政策能够对就业、经济增长起积极作用。因此，环境问题的重点转入了制定经济增长、合理开发和利用自然资源与环境保护相协调发展的政策。具体体现在重视环境规划和管理、要求经济效益与环境效益的统一，并由此发展到90年代“可持续发展观”的提出、认可和实施。
“可持续发展”思想作为一个全新的理论体系，成为现代环境科学的基石，无论学者们对其如何定义，但对它的两点基本内涵已形成了共识，一是人类要发展，要满足人类的发展需求；二是不能损害自然界支持当代人和后代人的生存能力。这个内涵包括以下三点基本的思想：
一是可持续发展首先强调的是经济的发展，这是人类社会生存和不断进步的基础，停止经济的增长和人口的增加是不现实的，在一段时期内甚至是不可能的。环境问题产生于经济活动，它的解决也只有依靠经济的发展。但是可持续发展更重视的是经济增长的质量，鼓励清洁生产和绿色消费，而不是“高投入、高消耗、高污染”的生产方式和消费模式。
二是在衡量发展的标准上，‘突出资源的永续利用和良好生态环境的服务作用，实际上就是主张人类社会的发展要与地球的承载能力相适应，考虑资源的再生能力，重视人口的节制增长和素质的提高。
三是谋求社会的全面进步。在经济、社会发展和环境三者的关系上，主张经济发展是基础，环境保护是条件，社会进步是目的，强调社会发展的本质是建设良好的社会环境，包括改善人民生活、提高健康水平，保障人们的平等、自由和受教育及无暴力威胁等。
1.6.2 环境科学的特征和任务
“可持续发展观”的这些基本内涵和思想对于环境科学以及与之相关学科都产生了深刻影响，使环境科学在认识理论、研究内容、学科任务等方面都有了许多新的发展，使学科的整体水平提高到了新的层次。环境科学主要具有下列特点：
首先，学科任务的内涵更加明确。“可持续发展观”使环境科学对当代“环境问题”认识的立足点和出发点有了新的定位，强调必须树立正确、公平的发展观。事实上，当今人类社会所面临的各类重大环境问题，不但是技术和科学问题，而且还是一个政治问题。美国《洛杉矶时报》在1999年2月刊登的一篇文章认为，“今天世界在环境问题上面临的最大挑战，不是全球变暖和臭氧层损耗，尽管这两种危机都很严重。最大的挑战是贫困，更确切地说是世界各地数十亿人都想摆脱贫困的那种愿望……”。全球性环境问题说到底是世界各国能否“协调发展”的问题，它首先是发展的问题，是世界各国间的平等问题。对于许多发展中国家来说，发展不足的贫困及由此造成的粗放型开发带来的问题，需要以“可持续发展”观为指导来实现经济、社会与环境的协调发展；而对于少数发达国家来说，是能否以“可持续发展”观为指导，减少对资源的大量消耗和对发展中国家的资源掠夺，承担义务来帮助发展中国家解决贫困化的加剧以实现发展的良性循环，实施全球公平、合理的“协调发展”。
其二，人与环境伦理关系得以端正。正确的环境伦理观是实现“可持续发展”的基础。通过立法和执法加强对环境污染的控制，加强对环境的管理是解决环境问题的手段之一，但法律是以道德为基础的，是需要道德来补充的，全球环境问题产生的根源与人类不正确的价值观和道德观有关。随着人类对自然利用、改造能力的不断壮大，在世界传统的道德价值观中，“人类中心主义”长期得以流行，它对环境的伦理观是，自然无意识，尤其无意志，是人宰割的对象。因此，人类对它没有伦理关系，对自然界中其他物种也没有直接的伦理关系即没有责任，环境的价值只有通过对人的“有用性”才得以体现，环境的作用只与当代人联系在一起。这种伦理观体现的价值观，是“对我有利的、我所要的我就做，至于后果，可由别人去承担”，把个人的、局部的和当代人的利益看成所有人类的利益。现代环境科学的环境伦理观，既不主张“人类中心主义”，也不主张“生物中心主义”。它的主要思想是，人类要热爱自然、尊重生命，生物也有其生存权；开发利用自然要与保护自然相结合。主张的道德范畴首先应是“代际公平”，人类不仅负有保护和改善当代人生存环境的责任，而且还必须对将来世世代代人的生存环境负有不可推卸的庄严责任。环境问题的解决是全人类的责任，保护生态环境是每一个人的生态义务，当代人类不能只享受自然环境提供的各种服务，而且还有义务加强对生态环境的管理和建设；在人与自然的关系上，要对自己行为的善恶价值有自我判断、评价的意识和能力，即用“生态良心”纠正某种偏颇的私欲，改变行为的方式和方向；生态权利是资源利益分配上的体现，要正确处理当代人之间的关系，要根据人类在地球上生存和发展应平等的原则，援助生态环境脆弱地区的人们。要正确处理当代人与后代人的利益关系，尊重后代人的生存权利；要正确处理人与自然之间的利益关系，自然界的权利体现为生物物种和生态系统的持续生存权利。这些思想、观念的更新，促进了环境科学体系的进一步完善，正确环境伦理观的教育应成为环境科学的重要内容。同时也促使许多新分支学科得以发展，环境伦理学、工业生态学、绿色化学、社会生态学和生态工程学等也都成为十分受重视的新兴分支学科。
其三，研究手段和方法更加先进。由于现代科学技术的进步，尤其是现代信息科学技术和卫星遥感技术的应用，使环境科学研究的空间、广度和深度不断增大，进而使人类对环境问题有了更深刻、更全面的认识，在解决环境问题的对策上思路更加开阔。例如，1960年4月，第一颗气象卫星发射成功后，人们很快将其应用于湿地制图、自然灾害监测等环境科学的研究中。1972年第一颗地球资源卫星发射，更是遥感技术应用发展过程的里程碑。此后，环境科学家利用卫星传回的大量资料，有组织、有计划地进行多方面研究，如对全球尺度土壤和植被监测、生物多样性、自然资源管理及动态监测和全球气候变化。
第四，学科的研究内容更加丰富。综观环境科学的研究和实践，主要在三个方面做了大量的工作，一是防治环境污染和生态破坏，在工程技术生态建设措施方面积极开展研究；二是战略性和超前性的工作，如环境影响评价以及生态规划和环境承载力等研究；三是加大环境保护的宣传、教育力度，加强管理，开展誓示性和法制等方面的教育。尽管环境科学不断出现新的分支，学科间的交叉、融合更加紧密，但环境科学仍在上述三个主要方面开展工作，环境污染和生态破坏的防治，仍是学科的重要任务。然而，研究的具体内容却有了很大变化。就环境污染和生态破坏的研究而言，在空间尺度上，关注的重点由单一点源转向区域、跨国甚至全球范围；在研究内容上，关注环境(或生态)安全问题，注重作用时间长、潜在危害性大、影响范围广的污染物。生态破坏的研究也由危害性分析评价发展为对生态过程变化的机理及受损系统恢复的研究。环境工程学则根据清洁生产的要求，把对污染出口的控制改变为对工业污染的全过程控制与综合防治上；环境影响评价也有了重要进展，战略环境影响评价、生命周期评价、环境风险评价以及累积影响评价和环境影响后续评价等新的评价方法和内容在近几年得以迅速发展；环境管理信息系统的广泛应用，是环境管理领域的重大成就，在促进环境保护、强化环境管理、推进环境科学发展等方面都具有重要的意义。环境教育不仅在学校设立了专业，成为各级各类教育的重要内容。而且，全民的环境教育也得到健康发展，并从过去的“为了人类自身生存”的教育提升为更加理性化、科学化，从心理、伦理、法理和管理到自觉保护、主动建设和积极恢复。树立正确的社会发展观，提高各民族的环境保护意识，推进可持续发展战略的实施，已成为现代环境科学的重要任务。
环境科学的这些新发展，集中体现为它的资源观、价值观和道德观三个基本理论上。其资源观是整个环境都是资源，即环境中可以直接进入人类社会生产活动的要素是资源，而不能直接进入人类社会生产活动的要素也是资源，因为它们都能在不同程度上满足人类社会生存发展的需要；它的价值观有两层含义，一是环境具有价值，人类通过劳动可以提高其价值，也可以降低其价值，因为客体的价值是该客体对主体需要的满足关系。二是发展活动所创造的经济价值必须与其所造成社会价值和环境价值相统一；它的道德观则提倡人与自然的和谐相处、协调发展、协同演化，也就是说人类应尊重“自然”的生存发展权，人类对自然的“索取”应与对自然的“给予”保持一种动态平衡。否定对自然的“征服”和“主宰”，改变以能“做大自然的主人”而自豪的错误的道德原则。
环境科学研究力求解决的问题主要有：
(1)人类活动对环境的影响；
(2)人类活动造成的环境污染以及对人及生物的影响。
第二节 环境科学领域重大研究问题
随着人类经济社会活动的不断加剧和发展，越来越多的环境问题呈现在人们的面前。特别是进入20世纪80年代以来，从世界范围来看，人类赖以生存的环境仍在不断恶化，而且打破了区域和国家的疆界而演变为全球性的问题，局部的、暂时的问题相互贯通，相互影响演变成长远的问题，潜在性问题进一步恶化蔓延变成公开性问题，全球的重大的环境问题越来越突出。
2.1 全球变暖与温室效应
全球变暖是指地球表层大气、土壤、水体及植被温度年际间缓慢上升。近年来，人们统计了约l亿个陆地观测数据以及大约600万个海洋监测数据，发现全球地面气温在过去l00年内上升了0.3～0.6℃。同时，有6个全球平均最暖年(1980年、1981年、1983年、1987年、1988年、1989年)全部出现在80年代。1987年，南极一座面积两倍于美国罗德岛的巨大冰山崩塌后溅人大海。1988年夏季，美国以“火炉”著称的弗尼斯克里克的最高气温创下了46.7℃的新纪录。造成全球变暖的主要原因是“温室效应”。
2.1.1 温室效应
地球的温度是由太阳辐射热量到地球表面的速率和吸热后的地球将红外线散发到空间的速率决定的。同样全球变暖的基本原理可以通过考虑两种辐射能来理解：一种是加热地球表面的来自太阳的辐射，另一种是射向太空的来自地球和大气的热辐射。从长期来看，地球从太阳吸收的能量必须同地球及大气层向外散发的辐射能相平衡。如果这种平衡被破坏，它可以通过地球表面温度升高来恢复。氮气和氧气占大气组成的大部分，它们既不吸收也不发射热辐射。而在大气中以相当小量存在的水蒸气(H20)、二氧化碳(CO2)和其他微量气体，如甲烷(CH4)、臭氧(03)、氟里昂(CFC)等，既可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过，又可以吸收地球的长波辐射，从而使地表升温（图8.1）。因此，这类气体像玻璃一样，具有保温作用，被称为“温室气体”。温室气体吸收长波辐射并将热量反射回地球，从而减少向外层空间的能量净排放，对大气层和地球表面起着保温的作用，这就是“自然温室效应”。在直接受人类活动影响的主要温室气体中，二氧化碳起着重要的作用，对温室效应的贡献率为55％；甲烷、氟里昂和一氧化二氮(N2O)也起相当重要的作用(表8.2)。从长期气候数据比较来看，在气温和二氧化碳之间存在显著的相关关系(图8.2)。
表8.2 主要温室气体及其特征
气体
大气中浓度
/×10-6
年增长
/%
生存期
/%
温室效应
(CO2 =1)
现有贡献率
/%
主要来源
CO2
355
0.4
50-200
1
55
煤、石油、天然气、森林砍伐
CFC
0.00085
2.2
50-102
3400-5000
24
发泡剂、气溶胶、制冷剂、清洗机
CH4
1.714
0.8
12-17
11
15
湿地、稻田、化石、燃料系统、牲畜
NOx
0.31
0.25
120
270
6
化石燃料、化肥、森林砍伐
↑ 图8.1 图8.2 →
2.1.2 温室气体的来源
温室气体的增多，有自然原因和人为原因：火山喷发、太阳活动、海水增温等都会对气候的冷暖有所影响，属于自然原因；而矿物燃料的燃烧、砍伐森林、制冷设备及泡沫塑料的使用等，会产生大量的污染气体，改变大气的组成成分，属于人为原因。据1997年美国国家实验室的报告，自工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度增长了30%，甲烷增长了1倍，氮氧化物增长了15%。
二氧化碳剧增的原因有两个方面：一是工业化发展和人口剧增，对矿物燃料的需求量增大，释放的二氧化碳增多。二是森林的大片砍伐，使森林对二氧化碳的吸收量减少。目前，矿物能源消耗占全部能源消耗的90％，而热带森林则正以每年平均900~2450hm2的速度从地球上消失。1995年全球二氧化碳的排放量达220×108t。现在由于替代能源一时还无法做到“替代”，由燃烧石油、煤、汽油等矿物燃料产生的二氧化碳在大气中聚集，而且这种趋势呈上升状态，矿物燃料的使用占一次能量消费量的87%。到本世纪中叶，大气中的二氧化碳可能比现在增加60%，比工业化革命前增加1倍。这样，地球将平均升温2~3℃，某些地区将上升8℃以上，有的地区甚至更高。
大气中甲烷浓度也在逐年增加，甲烷的来源有两种：一种是自然源，如沼泽和其它湿地中的厌氧腐烂，其排放量不到甲烷总排放量的25%；甲烷排放的主要人为源包括：水稻种植、家畜饲养、生物物质燃烧、化石燃料生成和使用、垃圾填埋以及北极冻土带的回暖等。在受人类活动影响很少的时代，大气中的甲烷含量大约是700×10-9~750×10-9，而到1992年大气中的甲烷含量已达到1720×10-9。
氟里昂属氯氟烃类，是人类的工业产品(主要是制冷设备工业)，即在工业化前的大气中是不存在的。它被广泛用作制冷剂、喷雾剂、。溶剂和塑料生产的发泡剂。研究表明，在20世纪80年代，氟里昂导致的升温占全球温室效应引起的温度升高部分的24%，如此下去，氟里昂将成为21世纪仅次于二氧化碳的温室气体。
大气中一氧化二氮的含量过去一直较稳定，直到150年前才出现了每年0.2%~0.3%的增长趋势，1990年一氧化二氮的含量比工业革命前高出8%。目前人类活动产生的一氧化二氮释放源主要有化肥使用、毁林、化石燃料和生物物质的燃烧，以及其它农业活动。通过燃料燃烧和化肥的使用，原来化学性质不活跃的氮化合物可以转变成化学性质活跃的氮氧化物，特别是一氧化二氮。
除了温室气体的直接排放以外，全球的土地利用状况和土地覆盖类型也发生了很大变化，加强了全球变暖的程度。对全球变化而言，最重要的土地覆盖变化是森林转化为农田。人口增长的巨大压力，使大面积森林被砍伐，林地转化为农田用于生产食物。其中热带森林的砍伐尤其严重。
2.1.2 全球变暖产生的影响
全球变暖将给地球和人类带来复杂的潜在影响，既有正面的，也有负面的。例如随着温度的升高，副极地地区也许将更适合人类居住；在适当的条件下，较高的二氧化碳浓度能够促进光合作用，从而使植物具有更高的固碳速率，导致植被生长的增加，即二氧化碳的增产效应，这是全球变暖的正面影响。但是与正面影响相比，全球变暖对人类活动的负面影响将更为巨大和深远。
(1)全球变暖对海平面的影响 根据统计资料，近百年来气候增暖0.6℃，海平面大约上升了10~15cm。1990年对未来海平面上升幅度的预测为：如果温室气体排放按目前速度增长，海平面将按每10年平均6cm的速度上升，到2030年将上升20cm，2100年将上升66cm。
影响下世纪海平面升高的因子，主要是海水热膨胀，当海洋变暖时，海平面则升高。全球升温会引起地球南北两极的冰山融化，这也是造成海平面上升的主要原因之一。海平面上升的直接影响主要有以下几个方面：低地被淹；海岸被冲蚀；地表水和地下水盐分增加；地下水位升高。这将影响沿海和岛国居民的生活(占世界1/3)，如果极地冰冠融化，经济发达、人口稠密的沿海地区会被海水吞没，一些低洼岛国将从地面上消失，上海、威尼斯、香港、里约热内卢、东京、曼谷、纽约等海滨大城市以及孟加拉、荷兰、埃及等国也将难逃厄运。
(2)全球变暖引起气候变化 全球变暖引起的气候变化将导致许多地方水分供给的巨大变化，温度增加意味着降落到地表的水将被更多地蒸发，如果有更多的降水来补充蒸发，则不会产生什么影响。然而据科学家模拟实验显示，除了东南亚季风区的降水将增加外，世界上其他一些地区的降水将减少，尤其是在夏季。这就意味着，许多地区对水分短缺的脆弱性将加大，而同时，另一些地方则频繁发生洪涝灾害。在干旱和半干旱地区，降水减少将造成更严重的干旱甚至沙漠化；在大陆地区，夏季降水减少和温度增加将导致土壤水分的大量损失，从而增加了干旱的脆弱性；在亚洲季风区，降水的增加将导致洪水发生机率的增大。此外，洪涝、干旱、高热、高寒等灾害发生的频率及其季节变化、降水的年际变化和空间分布都会改变(如低纬度地区夏季降水则会减少)，热带风暴将频频登陆，一些地区水质也会因干旱而变差，进而影响人类生产和生活。
(3)全球变暖对生物多样性的影响 气候是决定生物群落分布的主要因素，气候变化能改变一个地区不同物种的适应性，并能改变生态系统内部不同种群的竞争力。自然界的动植物，尤其是植物群落，可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移，从而惨遭厄运。以往的气候变化(如冰期)曾使许多物种灭绝，未来的气候将使一些地区的某些物种消失，而有些物种则从气候变暖中得到益处，它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少。
(4)全球变暖对农业的影响 首先，全球变暖使全球粮食总产量有所下降。一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的主要因素，温度及由温度引起降水的变化将影响到粮食作物的产量和作物的分布类型。气候的变化曾经导致生物带和生物群落空间(纬度)分布的重大变化，如公元800~1200年北大西洋地区的平均温度比现在高l℃，使玉米在挪威种植成为可能，但到了公元1500~1800年，西欧出现小冰川期，平均气温也只比现在低l~2℃，就造成了挪威一半农场弃耕，冰岛的农业耕种活动则几乎全部停止。其次，二氧化碳是形成90%的植物干物质的主要原料。光合作用强度与二氧化碳浓度的关系很密切，不同作物对二氧化碳的浓度要求是不一样的。世界上20种主要粮食作物中，有16种(如小麦、水稻)是对二氧化碳敏感的，二氧化碳倍增可能使其增产10%~50%，有利于农业生产；但有一些作物(如玉米、高梁、甘蔗)对二氧化碳的敏感性很差，二氧化碳浓度倍增只能使其增产0~lO%，同时还要承受因二氧化碳增加而长势更旺的杂草的压力，因而二氧化碳倍增对许多以种植玉米、高粱为主地区(如非洲撒哈拉沙漠南部)的谷物生长不一定有利。此外，由于昆虫是变温动物，受气候的影响特别明显，气候变暖使得分布区边缘的农作物害虫有可能向区外扩展，而且使许多害虫的越冬存活率提高，会导致疾病和病虫害的发生率增大。
(5)全球变暖对人类健康的影响 人类健康取决于良好的生态环境，全球变暖将成为影响下个世纪人类健康的一个主要因素。极端高温对人类健康的影响将变得更加频繁、更加普遍，主要体现为发病率和死亡率增加。全球增暖直接影响呼吸器官疾病、过敏和传染病，尤其是疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、钩虫病、霍乱、脑膜炎、黑热病、登革热等传染病将危及热带地区和国家，某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播。传染病的各个环节中(病原——病毒、原虫、细菌和寄生虫等；传染媒介——蚊、蝇、虱等带菌宿主)，传媒对气候最敏感。温度和降水的微小变化对于传媒的生存时间、生命周期和地理分布都会发生明显影响。
2.2 臭氧空洞
近三十年来，随着人类物质文明的空前发达，高层大气中的臭氧浓度一直在不断地急剧下降。尤其是当英国科学家J．Fannamn宣布南极上空的臭氧层出现了一个空洞后，在国际社会引起了广泛的震动。尽管其成因、影响、与人类活动的关系、发展趋势等问题尚未弄清，但这个发现极大地改变了有关政策的着眼点和内容，提出了紧急行动起来研究控制大规模臭氧层耗竭的紧迫性。
2.2.1 臭氧层与臭氧空洞
臭氧(03)不同于人类和生物界所呼吸的氧气(02)，大气中的含量很少，仅为百万分之一，总重量在30×108t左右。臭氧在大气中通常分布在两层，即对流层和平流层。环绕在地球表面至高空8~16km范围内的一层大气称为对流层，这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的，它也是形成当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上大约50km左右的范围，就是通常所称的平流层，平流层保存了大气中90%的臭氧。太阳向宇宙射出的光线中包含的紫外线(UV-B)，可破坏人体的抗病能力，诱发麻风病、天花、白内障、皮肤癌等疾病。位于平流层的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线(UV-B)，从而保护了地球上的生命。具体地说，在离地面以上20~30km的大气圈的平流层底部，有一个臭氧浓度相对较高的小圈层，厚度在正常压力下约为8km，即为臭氧层。臭氧层中的臭氧吸收了来自太阳99%的高强度紫外线，并能限制大气层的温度，保护了地球生物的生存。
30年来，人们逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着越来越严重的破坏。1984年，英国科学家首次公布了南极上空平均臭氧含量减少30％左右这一事实，即南极已形成一个巨大的臭氧空洞；1985年，英国科学家约瑟夫·法曼（Joseph Farman）等人总结他们在南极哈雷湾观测站(Halley Bay)的观测结果，发现从1975年以来，每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30％；同年，美国“雨云-7”号气象卫星测到了这个“洞”的面积与美国领土相当，深度相当于珠穆朗玛峰的高度。经多年观测发现，南极的臭氧空洞通常出现在南极的春天，即从9月开始出现臭氧减少，到11月中旬消失，但近几年，南极臭氧层空洞出现的时间延长了且面积也在增加，如1987年10月，南极上空的臭氧浓度降到了1957~1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆；1990年臭氧空洞一直持续到12月；1994年lO月17日观测到的臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空；1995年观测到的臭氧洞发生期间是77天，到1996年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧洞发生期间增加到80天；而1998年南极臭氧空洞持续时间超过了100天，是南极臭氧空洞发现以来的最长记录，面积则达到了2724×104km2，比1997年约增大15％，几乎可以相当于三个澳大利亚，或者说相当于南极大陆面积的两倍，当情况严重时，南极紫外线辐射比前几年增大了两倍。
臭氧层的损耗不只发生在南极，在北极上空和其他中纬度地区也都出现了不同程度的臭氧层损耗现象。北极地区在l~2月期间，16~20km高度的臭氧损耗约为正常浓度的10%，北纬60o~70o范围的臭氧浓度的破坏约为5%~8%。根据全球总臭氧的观测结果，除赤道地区外，臭氧浓度的减少在全球范围内发生，臭氧总浓度的减少情况随纬度的不同而有差异，从低纬到高纬臭氧的损耗加剧，1978~1991年间每十年的总臭氧减少率为l%~5%。
2.2.2 臭氧层破坏的原因
臭氧层破坏有很多原因，如森林火灾、极地低温、太阳黑子活动等，但破坏臭氧层的罪魁祸首不是自然界，主要是人类自身。现代工业的发展使大气中更多的氯化物穿透平流层，在太阳光的辐射下，大量的氯原子从氯化物中被分解释放出来。在自然条件下，大气中臭氧的平衡如图8.3所示，而氯原子对臭氧的破坏如图8.4所示。一个氯原子在被中和之前能够破坏几千个臭氧分子，氯原子通过和甲烷反应生成HCl和C而被中和，并通过降雨返回地面，破坏臭氧时生成氯的一氧化物。研究证实，空洞中的氯-氧化物浓度比通常情况要高几百倍。
大气中含有的天然生成的氯气很少，诸如来自漂白剂和工业化合物等人造产品的氯气，通常在低空中与氢气结合生成氢氯酸，被雨水从空气中洗去。要想达到高空，氯原子必须通过运动的载体分子输送。人造CFCs 是首先被发现的一种载体，CFCs随处可见，世界上每年生产CFCs约80万吨，其中4/5是发达国家生产的。仅美国一年就要消耗约32万吨氟里昂，它们最终都进入了大气。据美宇航局研究，目前大气中CFCs的浓度每年增加70%。虽然氯氟烃的生产时间仅仅60年，但有关研究表明最近40年大气中氯的含量已增长了600%。
根据加州大学喷气动力实验室莫利纳的解释，CFCs的产生和释放削弱了从高空中去除氯的途径。莫氏认为，CFCs与臭氧和其他分子相撞生成一种过硝酸，过硝酸能够溶解冰云，没有高空冰云去捕捉氯，那么每个氯分子在平流层滞留时间约2年，破坏的臭氧分子不仅仅是几千个，可能会轻易地破坏几十万个臭氧分子。与CFCs工业发展同步发生的冰云(氯分子清污剂)的消失，说明了臭氧空洞增长如此迅速的原因。
2.2.2 臭氧层破坏对人类及环境的影响
臭氧浓度降低，臭氧层的破坏，将对地球生命系统产生极大的危害。平流层的臭氧总量减少，到达地面的有害紫外线(UV-B)将会增加。
(1)对人体健康的影响 阳光中紫外线的增加对人类健康有严重的危害作用，如使皮肤癌和白内障患者增加，损坏人的免疫力，使传染病的发病率增加。据估计，臭氧减少1%，皮肤癌的发病率将提高2%(4%，白内障患者将增加0.3%(0.6%，全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10000(15000人，如果不对紫外线的增加采取措施，从现在到2075年，紫外线辐射的增加将导致大约1800万例白内障的发生。人体暴露于紫外线强度增加的环境中，免疫系统会受到抑制，诱发人类常患的皮肤疾病。据统计，全世界每年死于皮肤癌的约有10万人，这与紫外线辐射有关。紫外线照射的另一个副作用是削弱人体通常对疾病的抵抗力，在热带国家中，寄生虫病和传染病可能会由于潮湿的气候和紫外线辐射的增加而增加。长期暴露于强紫外线的辐射下，会导致细胞内的DNA改变，人体免疫系统的功能减退，人体抵抗疾病的能力下降。
(2)对生态系统的影响 对农作物的研究表明，过量的紫外线辐射会使植物的生长和光合作用受到抑制，使农作物减产。在已研究过的植物品种中，超过50%的植物有来自紫外线的负影响，比如豆类、瓜类等作物，另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的质量将会下降。紫外线辐射增加，使植物叶片变小，光合作用减弱，并使植物更易遭受病虫害，使粮食减产，也可能导致某些生物物种的突变。在森林和草地等生态系统中，过多的紫外线对物种的组成、植物的竞争平衡、食草动物、植物致病菌和生物地球化学循环等都有潜在影响，进而改变不同生态系统的生物多样性分布。紫外线辐射也使处于食物链底层的浮游生物的生产力下降，由于浮游生物是海洋食物链的基础，浮游生物种类和数量的减少还会影响鱼类和贝类生物的产量从而损害整个水生生态系统。
过量的紫外线会加速建筑、喷涂、包装及电线电线等材料，尤其是使塑料等高分子材料老化和分解，结果又带来光化学大气污染。由这一破坏作用造成的损失全球每年达到数十亿美元。
2.3 生物多样性减少
人类的生存离不开其他生物。地球上多种多样的动物、植物和微生物为人类提供了不可缺少的食物、纤维、木材、药物和工业原料。它们与其物理环境之间相互作用所形成的生态系统，调节着地球上的能量流动，保证了物质循环，从而影响着大气构成，决定着土壤性质，控制着水文状况，构成了人类生存和发展所依赖的生命支持系统。物种的灭绝和遗传多样性的丧失，将使生物多样性不断减少，逐渐瓦解人类生存的基础。
2.3.1生物多样性的涵义
生物多样性是一个描述自然界多样性程度的概念，它涉及到生态系统、物种及某一特定群体的基因的数量和频率，是生物在长期的环境适应过程中逐渐形成的一种生存策略。1992年《生物多样性公约》把生物多样性定义为：所有来源的形形色色的生物体(其来源包括陆地、海洋及其他水生生态系统)及其构成的生态综合体。换言之，生物多样性是一个地区所有生物体及环境的丰富性和变异性，是一个地区内遗传(基因)、物种和生态系统多样性的总和，包括遗传(基因)多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个层次。
(1)遗传多样性 遗传多样性是生物多样性的重要组成部分，是地球上所有生物携带的遗传信息的总和。物种是构成生物群落进而组成生态系统的基本单元，任何物种都具有其独特的基因库和基因组成。生物多样性包含了基因(遗传)的多样性；故遗传多样性是生态系统多样性和物种多样性的基础。遗传多样性是生物多样性的内在形式，主要包括分子、细胞和个体三个方面的遗传变异多样性。
(2)物种多样性 自然界植物、动物和微生物物种以及所有的生态系统与其紧密相关的生态过程组成了生物多样性的基本内容，而物种多样性则是生物多样性研究的核心内容。物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式。物种多样性有两方面的含义，一是指一定区域内物种的总和，主要是从分类学、系统学和生物地理学角度对一个区域内物种的研究，可称为区域物种多样性；二是指生态学方面物种分布的均匀程度，常常是从群落组织水平上进行研究，有时称生态多样性或群落物种多样性。
(3)生态系统多样性 生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境、生物群落和生态过程变化的多样性。此处的生境主要是指无机环境，如地貌、气候、土壤、水文等。生境的多样性是生物群落多样性乃至整个生物多样性形成的基本条件。生物群落的多样性主要指群落的组成、结构和功能方面的多样化，它们的生态过程是指生态系统组成、结构和功能在时间、空间上的变化，主要包括着物种流、能量流、水分循环、营养物质循环、生物间的竞争、捕食和寄生等。
(4)景观多样性 景观是由斑块、廊道和背景基质所构成的空间上的叠合体。斑块是景观的均质单元；廊道是联系斑块的桥梁和纽带(如防火带、防护林)；基质是景观中面积最大、最连续的部分，在景观动态中起重要作用。不同类型的景观要素或生态系统在空间结构、功能机制和时间动态方面存在着多样性。景观多样性是指与环境和植被动态相联系的景观斑块的空间分布特征。人们在谈到景观时往往首先想到宏观类型的地理景观，如高山、湖泊、草原、森林、沙漠、沼泽等等。景观多样化会为被保护物种提供多种类型的小生境，在这些小生境中，物种可采用迁徙的方式避开不利环境，进而增加抵御非密度制约因素突然变化带来的伤害。
2.3.2 生物多样性的价值
经济学家和生态学家都承认生物多样性对人类具有价值。生物多样性的价值由人类可利用价值和不可利用价值(其内在的价值)两部分组成。生物多样性的利用价值可分为直接利用价值、生态价值、科学价值和美学价值四大类。
(1)生物多样性的直接利用价值 指生物资源具有可供人类消费的价值，如生产性使用价值(可供市场交易的物品)包括木材、建材、鱼、毛皮、水果、树胶、药用植物、象牙、蜂蜜等；消费性使用价值(非市场价值)包括薪材、畜粪、饲料、猎物等。目前人们仅仅利用了生物界的一部分，许多野生动植物还有待驯化，以培育新的作物、家畜；许多野生乔木可以筛选速生树种。据统计，地球上大约有7(8万种植物可以食用，其中可供大规模栽培的约有150多种，迄今为止被人类广泛利用的只有20多种，却已占世界粮食总产量的90%。驯化的动植物物种基本上构成了世界农业生产的基础。野生物种方面，主要是以野生物种为基础的渔业，在1989年向全世界提供了l亿吨食物。
(2)生物多样性的生态价值 指它能维持生物圈的功能。绿色植物通过光合作用吸入二氧化碳、呼出氧气，维持了大气成分的相对稳定，也能通过吸收、吸附等作用把污染物吸入体内或吸附到体表，起到净化空气的作用。森林和草地截留降水，减少雨水冲刷作用，保持水土。动物的无形作用，如昆虫类动物(蜜蜂、蝴蝶等)的传授花粉，土壤中的分解者(真菌、微生物)和土壤穴居动物(蚯蚓等)分解了死去的植物和动物，清除了有机垃圾，是生物圈物质循环中不可缺少的“清洁工”。
(3)生物多样性的科研价值 现有的生物多样性包含着丰富的信息，具有科学研究的价值。经过20年的定位研究，Cherfas发现荷兰森林中真菌数量下降了，不但食用菌数量下降，其他真菌也在减少。德国的研究也发现了类似的现象。在森林中，蘑菇与树木共生，土壤真菌促进了植物抗草食动物啃食和抗低温能力，增强了植物吸收养分的能力。森林真菌的消失，可能是树木大量死亡的前兆，因此，科学家正在研究扭转这一不利趋势的措施。
(4)生物多样性的美学价值 美学价值是生物多样性环境功效的组成部分。鸟类、热带鱼、蝴蝶和观赏植物的美人人皆知。生物不但有华丽的外表，给人以美的享受，而且其精美的内部结构，也令人惊叹。自然界动植物复杂的生活方式以及与其他生物间错综复杂的关系，吸引了无数的人去研究和探索。近年来全球兴起生态旅游热，也是对生物多样性美学价值的肯定。据估计，全球生态旅游业的产值达120亿美元。
生物多样性的内在价值是一个有争议的概念。一些保护生物学家和环境哲学家认为生物多样性具有内在价值。生物不同于机器，能自我选择或按其DNA链的遗传信息规定的目标运转，这种内在价值是无法进行客观估计的。生物及其组合多样性的存在使人类有了适应环境变化和未来需求的能力。生物资源重要的特性是合理利用，它可以再生以至持续使用，不合理利用，它就可能灭绝。而矿物资源虽然不可能再生，但其中大部分物质可重复再利用，不至灭绝。生物多样性的利用价值与内在价值是相互关联的。
2.3.3 世界生物多样性现状
全世界大约有1300万(1400万个物种，但科学描述过的仅约有175万种(表8.2)。实际上，科学描述过的物种被认为是有效的。物种的准确数目对大多数类群来说是不清楚的。对高等植物和脊椎动物的了解相对比较清楚，对其他类群如昆虫、低等无脊椎动物、真菌等，尚了解甚少。
表8.2 全球主要类群的物种数目
表格
热带森林(尤其是雨林)仅占世界陆地总面积的7％，但却是生物多样性最集中的地区，赋存着地球上一半以上的物种。我国热带面积仅占国土的0.5％，却拥有全国物种总数的25%。在秘鲁1hm2的森林中，就发现了283种树木和17种藤本植物，在一棵树上就有43种蚂蚁，几乎同整个英国的蚂蚁种类差不多，尽管如此，热带森林中还有数以万计的物种尚未被发现。
但热带森林与海洋相比，还是小巫见大巫。人类对海洋的了解很少，以至于在海洋中经常有许多惊人的发现：1986年发现了一个新的生物门——Loricifera门。深海世界也并非一片死寂，例如在美国新泽西州海岸1500—2000m深的海底沉积物中，人们竟然发现有10多个门100多个科的898种生物。
2.3.4 生物多样性的危机及其根源
(1)生物多样性的危机 随着地球的演化，曾经产生过千百万种生物，但它们大多灭绝了，现在存在的生物也许只是代表曾经存在过的生物总数的千分之几。大灭绝是指在相对短的地质时间内，生物区系的多样性遭到大规模的破坏，生物界类群大规模消失的现象。一般是指由大规模的环境变化引起的，如全球性升温或降温、灾变等，人类活动也日益成为大灭绝的原因。据专家们估计，自恐龙灭绝以来，当前地球上生物多样性降低的速度比历史上任何时候都快，鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度或许是它们在未受干扰的自然界中的100(1000倍。地球上脊椎动物物种的平均生存期为500万年，脊椎动物灭绝速率为每100年90种(近2亿年来)，高等植物每27年1种(近4亿年来)，即每100年3.7种。1998年世界物种保护协会和世界野生生命基金等组织发表报告说，现在地球上每8种已知植物物种中至少有一种面临灭绝的威胁，即大约有34万种植物物种处于灭绝的边缘。表8.3列出了世界上受威胁物种的情况。
表8.3 世界受威胁物种状况（1989年）
表格
不仅野生动植物的遗传、物种和生态系统多样性下降，家养动物和栽培作物的多样性也在丧失。在美国，97％的蔬菜品种已经消失。高草大草原曾经是北美洲的典型植被，据世界资源研究所估计，北美原有的150万km2大草原现在只剩下不到1％。英国1432km2的石楠只剩下了27％。在澳大利亚和北美洲，自从人类定居以来，74%(86%体重在44kg以上的大型动物由于人类狩猎而灭绝了。自1600年以来，所有生物类群中，以哺乳动物和鸟类的灭绝比例最高，分别为2.1％和1.3％。公元1600-1700年期间，大约每10年灭绝一种哺乳动物和鸟类，而公元1850-1950年期间，灭绝速率上升到大约每两年灭绝一种哺乳动物和鸟类。在过去的400年中，全世界共灭绝了58种哺乳动物。平均约每年灭绝0.15种，大约每7年灭绝1种，这个速率较化石记录高7-70倍。20世纪内已经灭绝了23种哺乳动物，每年0.27种，每4年中就有一种哺乳动物从地球上消失了，灭绝速率较正常化石记录高13-135倍。
人类活动还可以造成物种的局部灭绝，这种局部灭绝可能导致物种的最后灭绝。目前，野生动物栖息地破碎成斑块，斑块间的距离大，斑块面积小。一旦物种在局部斑块灭绝后，个体在斑块间自由迁徙，很难恢复重建种群。在美国西北部的各国家公园中，自建立以来，都发生了哺乳动物的灭绝，哺乳动物的灭绝速率高于迁入速率，国家公园的面积越小，灭绝率越高；国家公园建立的时间越长，灭绝率越高。
据中国1962年、1973年、1980年、1984年和1989年颁布的野生动物保护名录统计，列入名录的哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类和鱼类种类，1962年为59个分类单元，其中处于濒危状态的I级保护种类有27个分类单元，到1989年则增加到376个分类单元。其中，列为I级保护的种类达101个分类单元，高于世界平均水平。
从生态系统类型来看，最大规模的物种灭绝发生在热带森林，其中包括许多人们尚未调查和命名的物种。热带森林占地球物种的50％以上。据科学家估计，按照每年砍伐1700×104hm2的速度，在今后30年内，物种极其丰富的热带森林可能要毁在当代人手里，大约5%(10％的热带森林物种可能面临灭绝。总体来看，大陆上66％的陆生脊椎动物已成为濒危种和渐危种。海洋和淡水生态系统中的生物多样性也在不断丧失，其中受到冲击最严重的是处于相对封闭环境中的淡水生态系统。
(2)生物多样性减少的原因 生物多样性丧失的直接原因主要是生境丧失和破碎化、外来种的侵入、生物资源的过度开发、环境污染、全球气候变化和工业化的农业及林业等。但这些还不是问题的根本所在，根源在于人口的剧增和自然资源消耗的高速度，不断狭窄的农业、林业和渔业的贸易区域，经济系统和政策未能正确评估环境及其资源的价值，生物资源利用和保护产生的效益分配的不均衡，知识及其应用的不充分，以及法律和制度的不合理。
人口增长带来的对生存空间和食物需求的增长，使地球上的许多地区大面积人造景观增多，如农田、人工草场、人工林和人工水产养殖基地等取代了自然景观。人类生存空间的扩展侵占了野生动物的生存空间，这是目前物种灭绝的最主要原因。
2.4 酸雨
酸雨最初发生于19世纪80年代。到20世纪，欧洲出现因水体酸化鱼类死亡的现象，50年代以后，欧洲许多国家相继受到酸雨的危害。在1972年召开的“人类环境会议”上，瑞典政府向大会提交的题为“跨越国境的空气污染——空气和降水中硫对环境的影响”的报告，引起了普遍的重视。80年代后，酸雨的危害加剧，世界范围内均出现酸雨危害，欧洲更加严重。酸雨的远距离输送，使得酸雨污染发展成为区域环境问题和跨国污染问题。
2.4.1 酸雨的形成
空气污染主要是人类大量燃烧化石燃料造成的，并主要分布在污染源集中的城市地区。50年代初，在发达国家、特别是大工业区，通过对大气降雨的异常现象研究发现雨水中含有大量的硫酸（H2S04）、硝酸(HNO3)、碳酸(H2CO3)、盐酸(HCl)等物质。近半个世纪以来，由于能耗量过大，大量的氮和硫的氧化物污染大气，在空中与水分子结合后，生成硫酸和硝酸的稀溶液，此外还有盐酸、有机酸的成分，这时降下的雨水就是酸雨。酸雨也叫酸沉降，是指pH小于5.6的雨、雪、霜、雹等大气降水，是人为排放的氮氧化物和硫氧化物进入大气后，经扩散、迁移、化学转化后形成的酸性降水。酸雨跟正常雨水的降落过程一样具有可播性、渗透性、跨国界性和季节性。
二氧化硫和氮氧化物的来源有天然和人为排放两个方面。二氧化硫的自然来源包括微生物活动和火山活动，含盐的海水飞沫也增加了大气中的硫含量。自然排放的硫约占大气中全部二氧化硫的一半，但由于自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。而人为排放的二氧化硫和氮氧化物则是酸雨形成的根本原因。人为排放的硫主要来自贮存在煤炭、石油、天然气等化石燃料中的硫，在燃烧过程中以二氧化硫形态释放出来，另外一部分来自金属冶炼和硫酸生产过程。随着化石燃料消耗量的不断增长，全世界人为排放的二氧化硫在不断增加，其排放源主要分布在北半球，占全部人为排放的二氧化硫的90％。
天然源和人为源排放了几乎同样多的氮氧化物。天然来源主要包括闪电、林火、火山活动和土壤中的微生物过程，广泛分布在全球，对某一地区的浓度不发生什么影响。人为排放的氮氧化物主要集中在北半球人口密集的地区。机动车排放和电站燃烧化石燃料差不多占氮氧化物人为排放量的75％。全球二氧化硫和氮氧化物的主要来源是工业化国家，特别是欧美地区，如美国，1986年的二氧化硫和氮氧化物排放量居全球第一，分别为2120×104t和1930×104t。但近10多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消耗量的迅速增加，使这一地区的各个国家，特别是中国成为一个主要排放大国。
2.4.2 酸雨的危害
酸雨有“空中死神”之称，危害极大，包括湖泊、河流、地表水的酸化以及对鱼类和其他水生生物的危害；森林生产力下降、土壤酸度增加；建筑物被腐蚀等。表现在以下方面：
(1)对水生生态系统的危害 酸性物质进入水体主要两条途径，一是直接沉降到水体表面发生酸化作用；二是经过树冠、土壤之后进入水体。酸沉降可对水生生态系统产生许多现实的和潜在的影响，包括河流和湖泊的酸化、水质下降，抑制微生物的活动，影响水生生态系统中有机物的分解以及水生态系统的营养和能量循环。从而使水体中生物群落中耐酸种类增加，不耐酸的种类减少；破坏水体中各类生物之间的相对平衡。淡水湖泊和河流的酸度增加，将使水体中的细菌、水藻、无脊椎动物和鱼类数量发生变化。水体酸化还会使土壤和底泥中的有毒物质(如A1、Cd、Ni)溶解到水中，毒害鱼类，如铝可使鱼鳃堵塞而窒息死亡，还可抑制其生殖腺的正常发育，降低产卵率，杀死鱼苗。河湖酸化会使水中钙的含量降低，损害鱼类的脊椎和骨骼，使其畸形，有害发育。同时，水生生物受损将直接危及许多鸟类和捕食蛙、蝾螈、蟾蜍的哺乳动物，对陆地生态系统也会产生深远的影响。
加拿大安大略省是受酸雨危害较重的地区，据1988年该省政府的报告书，省内湖面超过1hm2的共约16万个湖泊中，有40%已酸化，其中的30%鱼类已全部绝迹。从1975年起的8年间，该省有关部门开始向一个称为“223号湖”的无名小湖中排放酸，以观察随pH下降湖泊的变化。实验结果表明，原本pH为6.8的湖水逐渐酸化，一旦pH降到5左右，最初是虾和米脑鱼(鲤鱼科的小鱼)很快消失。在pH为5.9时，1年内约有700万尾糠虾(节足动物的浮游生物)死亡。不久，鳟鱼类鱼苗消失了，这是由于水体中鱼苗饵料的浮游生物灭绝，食物链被截断而引起的。尽管这时湖水的pH还未达到酸雨定义的5.6，但其危害已显露出来，并被人们所察觉。
(2)对陆地生态系统的危害 酸雨最终下降到地面，可改变土壤的化学成分，发生淋溶，使土壤贫瘠；能抑制土壤中有机物的分解和氮的固定，淋洗土壤中钙、镁、钾等营养因素，使土壤贫瘠化，进而影响农作物生长。土壤pH的降低可使几种重金属(如Cu、Pb、Zn)迁移，被植物根系吸收，重金属的毒性随着pH的下降而增大。随着酸度的增加，植物生长所必需的许多生物过程受到妨害，影响土壤中微生物的活性和数量，从而抑制营养物质和矿物质的循环以及有机物的分解(使土壤中的氨化作用、硝化作用和固氮作用下降)。微生物的体积在酸化的土壤中较小，繁殖速率也低。
酸雨对植被有很强的破坏作用，导致各种生态系统退化。目前，由于受酸沉降的影响，北美和欧洲出现大面积的森林萎缩和减产。酸沉降对作物危害较大，可使烟草、大麦、小萝卜严重减产。农作物与高酸度的降水接触，可使叶片在短时间内出现可见的症状，最为典型的症状是出现微小点状的白色枯死斑点。酸雨和二氧化硫的复合污染对农作物产量的影响由大到小的顺序为：蔬菜高于经济作物，经济作物高于粮食作物；在蔬菜中，根菜高于叶菜类，叶莱类高于果菜类。pH越低，对作物影响越大。酸雨还会伤害植物的芽和叶，尤其是新生叶芽，影响植物的生长发育。在受酸雨危害的地区，野生动物被迫吃污染的草和昆虫等，饮用受污染的水，长期积累势必会对其生长产生有害影响。
(3)对建筑物和艺术品的危害 酸雨能够通过直接化学腐蚀和电化学腐蚀破坏各种建筑物(包括历史和文化古迹、雕塑)、金属、油漆涂层等各种物料，特别是许多以大理石和石灰石为材料的历史建筑物和艺术品，耐酸性差，容易受酸雨腐蚀和变色。降水酸度愈大腐蚀速度愈快。大气中硫化合物使物料爆皮、起鳞片。由于城区硫化物浓度较高，相同物料在城区的腐蚀速率要远远大于乡村地区。传输管线的腐蚀是一个普遍关注的问题。据统计，美国社区供水管线的16.5％处于高度腐蚀状态，52％处于中度腐蚀，因此每年损失3.75亿美元。近年来，中东一些海湾地区的城市建筑在迅速破坏，表现为钢筋水泥结构变形、断裂，甚至坍塌，其中重要原因之一是大气污染引起的腐蚀造成的。欧洲的情况更加严重，不少高级建筑受到了严重破坏，如德国每年由于混凝土腐蚀引起的经济损失为190亿马克。中国重庆市江边的元代石刻佛像，曾经完好无损地保存了多少个世纪，如今却因为酸雨而面目全非，成为“回归自然”的石头。
(4)对人体健康的影响 酸雨会刺激人的眼睛，使眼睛红肿发炎。酸雨还会造成地表水和地下水体的酸化，使水中重金属含量增高，饮用这类水或食用酸性河水中的鱼，都会对人体健康有所危害。通常，酸化对饮用水的潜在影响又分为三类：增加地面水供应中重金属的残留物；由于微生物活动的变化使饮用水的味道和气味变坏；管道腐蚀使饮用水的金属含量增高。
第三节 重大环境问题的研究对策
3.1控制全球变暖
1979年世界气象组织(WMO)提出了世界气候计划，并编制了世界气候研究计划、世界气候影响调查计划和世界气候资料计划等，以国际机构为主导，由各国政府予以实施。从1980年开始，美国就每年拿出约2千万美元，用以推进二氧化碳增加引起的温室效应机理研究。1985年完成了研究报告。1985年，世界气象组织和联合国环境规划署在奥地利召开了全球学者和政府官员大会，向全世界呼吁认真对待气候变暖问题，由此引发了一系列国际性的政策措施的制定。1992年在巴西召开的联合国环境与发展大会上，166个国家联合签署了《气候变化框架公约》。1997年12月，150多个联合国气候变化公约签字国又在日本京都召开了气候会议，最后签署了《京都议定书》，对工业化国家的温室气体排放量规定了削减指标，规定了发达国家应减少6种温室气体的排放，除二氧化碳之外，另5种气体分别为一氧化二氮、甲烷和三种氯化烃等。
控制温室气体的排放首先要控制二氧化碳的排放，调整能源结构，多使用核能、水能、太阳能、风能、地热能、沼气等污染少的清洁能源，建立高效率的联合循环燃汽轮机发电厂，推广联合供热、供电系统，鼓励使用小型节能的汽车，改进燃煤发电技术，研究核废料处理方法，提高能源利用率。其次，还要控制甲烷的排放。全球每年排入大气的甲烷约有4.45t，其中2／3来自稻田和沼泽。IPCC的对策报告认为，若采取适当的农作措施，可使稻田甲烷排放量减少10%(30%。采用的方法有栽培措施：减少稻田的淹灌时间，破坏产甲烷菌的生存条件；微生物措施：培养甲烷利用菌，使甲烷被合成为新的有机物并存留在稻田中。此外，应努力研制氯氟烃的替代品，减缓全球气候变化。最后要植树造林，增加森林对二氧化碳的吸收。计算表明，如果每年世界净增林地5000(104hm2，20年后新增林地可吸收二氧化碳约200×108t，达到阻止二氧化碳增长的目的。
3.2遏制臭氧层的破坏
1974年美国加利福尼亚大学的舍伍德·罗兰(Sherwood Rowland)和马里奥·莫里那(Mario Molina)提出了氯氟烃破坏臭氧层的观点。到1980年前后，以欧美为中心，采取措施禁止生产以氯氟烃作为喷雾剂的气溶胶产品。1985年联合国通过了《保护臭氧层维也纳公约》，1988年生效，到1993年4月为止，已有119个国家和1个经济组织加入了该公约。1987年在加拿大蒙特利尔召开的保护臭氧层国际大会，签署了《蒙特利尔保护臭氧层议定书》，规定了破坏臭氧层物质的生产量和消费量。据加拿大政府1997年的一项研究结果，到2060年为止，实施《蒙特利尔保护臭氧层议定书》以控制臭氧层破坏的行动的总成本是2350亿美元，但其通过渔业、农业和人工材料损害的减少所带来的效益是4590亿美元。1989年5月又通过了《赫尔辛基宣言》，提出到2000年全部销毁氯氟烃物质。1996年11月27日在哥斯达黎加召开了世界保护臭氧层首脑会议，164个国家一致同意，在今后3年，用5.4亿美元来毁掉2.1×104t消耗臭氧的化学物质，并规定了1997年生产对臭氧层有害物质总量为1.3×104t。1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，但受控物质使用量仍处于增长阶段。
保护臭氧层的具体措施有许多，如在技术上，可提高对氯氟烃的利用效率、回收和再循环利用，改进氯氟烃产品和寻找替代品等。美国2/3的CFCl2主要用于汽车空调器，而30%都泄漏了，通过改进技术则可以减少损失。如电冰箱中的制冷剂和发泡剂可用CFCs、HCFCs、HFCs和HCs等化学物质，其中以CFCs对臭氧层的破坏最为严重，其次为HCFCs、而HFCs和HCs则对臭氧层没有破坏，用作电冰箱制冷剂替代物的有HFCl34a、丙烷(HC290)、异丁烷(HC600a)和混合物质(HFCl52a与HCFC22)等。此外，许多国家采取了一系列措施，一类是传统的环境管制，如禁用、限制、配额和技术标准，并对违反规定实施严厉处罚；一类是经济手段，如征收税费、资助替代物质和技术开发等。
3.3生物多样性的保护措施
生物多样性的减少，不仅会使人类丧失各种宝贵的生物资源，丧失它们在食物、医药等方面直接和潜在的利用价值，而且会造成生态系统的退化和瓦解，直接和间接威胁人类生存的基础。因此，国际上比较早地采取了一个国际条约体系。20世纪70年代以来，陆续通过了以野生动植物的国际贸易管理为对象的华盛顿公约，以湿地保护为对象的拉姆萨尔公约，以候鸟等迁徙性动物保护为对象的波恩公约，以世界自然和文化遗产保护为目的的世界遗产公约及其他一些国际或区域性的公约和条约。1992年，在联合国环发大会上通过了《生物多样性公约》，几个国家环境组织还在会议上公布了“全球生物多样性保护战略”，形成了保护生物多样性的综合性公约和战略。
保护生物多样性就是采取措施保护基因、物种、生境和生态系统，使其长期地满足人类的各种现实和潜在的需求；督促各国政府在制定土地开发和农业、林业、牧业和渔业等发展计划时，合理利用现已所剩不多的自然生境，防止自然生境的进一步缩小和破坏。保护生物多样性的基本方法包括：挽救、研究和持续而均衡(公平)地利用自然资源。其中，生物多样性研究的主要内容有就地保护研究、迁地保护研究、濒危物种和受威胁情况的研究、栽培和家养资源与野生亲缘种的研究、自然保护区有效管理的研究、提高主要农区生物多样性研究等。从保护的具体途径来划分，主要有就地保护、迁地保护与离体保护。就地保护主要是就地设立自然保护区、国家公园、自然历史纪念地等，将有价值的自然生态系统和野生生物环境保护起来，以维持和恢复物种群体所必需的生存、繁衍与进化的生境，限制或禁止捕猎和采集，控制人类的其他干扰活动。通过设置不同类型的保护区，可以形成生物多样性保护区网络。全世界l000hm2以上的保护区已建成4500多个，其覆盖面积约占全球陆地总面积的5％(6％)。迁地保护是指采取迁地措施以恢复和复兴受威胁物种。迁地保护最好在物种组成部分的原产地进行，通常是通过建立植物园、动物园、水族馆及各种物种资源的繁殖设施。目前世界各国动物园及动物圈养地共饲养脊椎动物3000多种，个体数量达54万头；全球1500多个植物园均承担保护植物物种资源的任务。离体保护是用现代技术将生物体的一部分进行长期贮存，以保护物种的种质。通过建立植物种子库、动物细胞库、精子库、配子库、胚胎库、繁育中心和基因库，对野生生物物种和遗传基因进行保护。目前，世界种子库中登记入库的植物种质样本已达200万个。此外，健全法律法规、防治污染和控制气候变化，以及加强环境保护宣传教育和加大科学研究力度等也是保护生物多样性的相当重要的途径。
3.4酸雨的防治措施
随着对酸雨认识的不断加深，人们提出了越来越多的减缓对策。一般来说包括两大类，主动地大幅度削减二氧化硫和氮氧化物等空气污染物的排放和被动地对被污染的环境进行改造恢复。具体措施主要有以下几点。
(1)使用低硫的燃料 化石燃料中硫含量一般为其重量的O.2％(0.3％，增加洗硫装置，可以减少二氧化硫排放达l/3以上。此外，用煤气、天然气代替燃煤也是减硫的途径之一。
(2)改进燃烧技术、改善燃烧装置 减少污染物排放可以使用流化床锅炉，其燃烧率极高(达99％)，可去除80％一95％的二氧化硫和氮氧化物以及重金属。
(3)采用烟道气脱硫脱氮装置 在烟道气排出之前，喷以石灰等，使二氧化硫与碳酸钙反应生成硫酸钙，这种副产品还可用作建筑材料等。
(4)改进汽车发动机技术、控制汽车尾气排放 一般柴油中含硫0.4％，为工厂所用燃料含硫量的3倍。汽车尾气中所含氮氧化物则是城市大气污染的主要来源。所以，必须控制汽车排放污染物的量，具体措施有：改进发动机、装汽车尾气净化器等等。
为了综合控制燃煤污染，国际社会提倡实施一系列包括煤炭种类、加工、燃烧、转换和烟气净化各方面技术在内的清洁煤技术，这是解决二氧化硫排放的最为有效的途径。对已存在的酸雨，可以利用石灰处理，提高湖泊、河流和土壤的pH值，对它们进一步酸化能够起到缓冲作用。控制酸雨污染是大气污染防治法律和政策的一个主要领域，它主要包括两方面的措施：一是直接管制措施，其手段有建立空气质量、燃料质量和排放标准，实行排放许可证制度；二是经济刺激措施，其手段有排污税费、产品税(包括燃料税)、排放交易和一些经济补助等。据估计，由于实施交易制度，只需要酸雨控制计划原来估算费用的一半，就可以实现到2010年将全国电站二氧化硫排放量在1980年基础上削减50%的目标。目前，欧洲、北美、日本等在削减二氧化硫排放方面取得了很大进展，但控制氮氧化物排放的成效尚不明显。
同时还要开展国际合作。酸雨在世界各地不断蔓延，各国与各组织机构应联合行动，进行共同防治。为了更好地防范酸雨的危害，1979年，欧洲及北美35个国家签订了《长程越界空气污染公约》，该公约于1983年3月生效，其中关于“至少减少30％硫排放或跨国境流动”议定书，于1987年9月生效，有17个欧洲国家和加拿大批准了议定书。在欧洲，有31个国家的96个地点共同建成了酸雨监测网。加拿大则加入了美国的国家酸沉降评价计划。亚洲国家间的酸雨防治合作也很多，1987(1988年，中日组织了联合调查，进行了与酸雨有关的气体、气溶胶等测定的科研工作；1989年，日本、韩国和中国的研究人员还对日本海降水中的大气污染物进行了测定、解析。1992年联合国环境规划署委托世界气象组织收集了世界范围内的有关酸雨的数据。这些行动都充分表明酸雨危害已引起全球范围的重视。
第三节 全球环境问题的发展趋势
环境问题贯穿于人类发展的整个阶段。但在不同历史阶段，由于生产方式和生产力水平的差异，环境问题的类型、影响范围和程度也不尽一致。然而，当前的全球变化将导致怎样的未来环境? 对人类社会的持续发展又将产生怎样的影响?
4.1发展中国家环境问题的发展趋势
4.1.1 人口激增和贫困
发展中国家的主要环境问题由于文化和其他社会根源，发展中国家的人口激增状况到21世纪初尚不可能改观。虽然食物供应有所增加，但实际人均食物消费水平在南亚、中东和非洲的大部分地区即使不下降，也不会有大的改善。随着人口和经济活动的增加，污染物排放量也将大大增加，对自然资源产生巨大的压力。
4.1.2 与城市化相关的问题异常严重
经济高速发展必然导致人口分布的变化和资源的大量消耗以及随之而来的生态环境破坏与污染。在经济发展高峰的发展中国家，经济发展导致了大批人口流向城市，会导致住房紧张、交通拥挤、污染严重、疾病蔓延等状况。
4.1.3 自然资源消耗加速，生态环境破坏严重
发展中国家比工业化国家更多地依赖自然资源——土壤、水域、森林和矿产。然而今天这个资源基础正在迅速削弱，其结果是发展前景遭到破坏，环境进一步恶化。
4.2发达国家环境问题的发展趋势
4.2.1 工业废弃物、生活垃圾急剧增加，大气氮氧化物污染难以得到有效控制，并进一步加剧了全球性环境问题
如果世界经济结构不发生重大变化，发达国家的巨额经济增长，必然产生更多的废弃物。一方面由于历史和现实的原因，本来在发达国家内禁止兴办的、对环境有严重污染和危害的企业，因其经济效益高而转移给发展中国家，甚至将有毒有害废物直接倾倒在公海或发展中国家。另一方面，废气、废水、废渣的排放总量显著增加。
4.2.2 自然资源消耗和破坏增加，使全球环境资源的破坏和能源萎缩加速
许多环境问题主要是发达国家在工业化过程中过度消耗自然资源和大量排放污染物引发的。他们为了保持其高度发展的经济，必然以消耗其本国的自然资源和通过不公平的经济交往耗用发展中国家的自然资源为前提，不论是从总量还是从人均水平来讲，其资源的消耗和污染物的排放都仍然大大超过发展中国家。
4.2.3 室内环境污染问题突出
城市现代化的发展使得室内环境污染性质发生改变，由炊事活动引起的煤烟型空气污染转变为以辐射、放射性为主的污染。人们为获得舒适的室内空调环境并节约能源，密闭性能良好的节能建筑应运而生，在这种建筑中，室内外空气交换的性能很差，全靠机械动力设施，使一些本来影响不大的污染现象对人体健康产生新的危害。
4.3 人类的主要行动
面对以上种种日益严重的环境问题，人类不能再继续我行我素，而是要采取一定的措施去减缓或消除已存在的灾害，积极地对生态环境进行保护和合理利用，以满足人类未来的生存、生产和生活需求。1972年6月5日，“联合国人类环境会议”在瑞典首都斯德哥尔摩召开。会议研讨并总结了有关保护人类环境的理论和现实问题，制订了相应的对策和措施，提出了“只有一个地球”的口号，并呼吁各国政府和人民为维护和改善人类生存环境，造福全体人民，造福子孙后代而共同努力。这是联合国史上首次研讨保护人类环境的会议，也是国际社会就环境问题召开的第一次世界性会议，标志着全人类对环境问题的觉醒，是世界环境保护史上的第一个里程碑。1992年6月3日至14日，联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢举行。这次会议不仅筹备时间最长，规模也最大，堪称是人类环境与发展史上影响深远的一次盛会，是环境保护史上的第二座里程碑。环发大会通过了《里约环境与发展宣言》和《21世纪议程》两个纲领性文件以及《关于森林问题的原则声明》，签署了《气候变化框架公约》和《生物多样性公约》。这些文件充分体现了当今人类社会可持续发展的新思想，反映了关于环境与发展领域合作的全球共识和最高级别的政治承诺。
人类已渐渐认识到全球环境问题的严重性和紧迫性，采取了一定的措施对生态环境加以保护和治理，对减缓生态环境恶化的速度和降低全球环境问题恶化的程度做出了贡献，取得了一定的成就。在解决环境问题的长期探索中，人们逐渐认识到，全球环境问题解决是一项长期的、严峻的任务，需要全世界每一个国家、每一地区乃至每一个个人的参与；单纯依靠污染控制技术是解决不了日趋复杂和广泛的环境问题的，要按照生态可持续性和经济可持续性的要求，改革传统的单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生产和消费模式做出重大变革，控制人口，改变现有技术和生产结构，减少资源消耗；及时观察全球环境变化的动态，因地制宜地采取有效的措施；各部门各地区要紧密配合，团结一致，有计划有步骤地对已有的生态环境破坏进行治理，并积极地保护现存的一切资源和保持良好的生态环境，只有这样，人类才有可能实现自身的可持续发展。
第五节 中国的主要环境问题与对策
中国是国土辽阔、人口众多的国家，有优越的地理位置、独特的自然历史条件，具有复杂多样的地理环境和丰富的自然资源。由于多种因素的影响如人口众多，资源的大量开发，高速的工业化发展，使得自然环境发生了变化：一方面，整治国土，兴修水利，营造防护林，使自然面貌发生了重大的积极变化；另一方面，乱伐森林，滥垦草原。过渡捕捞等盲目开发，使生态平衡遭到破坏，从而又导致自然环境的消极变化。同时，生态破坏的范围也在扩大。目前，环境问题与人口问题已成为我国经济和社会发展的两大难题。
5.1水资源危机
5.1.1 淡水资源危机
水是地球上人类赖以生存的最宝贵的自然资源之一。农业灌溉需要水，工业生产需要水，交通运输需要水，人民生活更少不了水。随着人口的不断增加和工业的迅速发展，全世界用水量与年俱增；世界人口每年净增1.25％，用水量却增4％。因此，全球都面临着水资源危机的问题，而我国的水资源危机问题尤为突出。
我国水资源主要由降水补给，据1984年统计，在我国河川径流总量27000×108m3中，地下水约为8300×108m3，扣除地表水与地下水相互转化重复估算部分，我国水资源总量约28000×108m3，但我国的水资源分布极不平衡。全国水资源的81％集中分布在占全国耕地面积36％的长江流域及其以南地区，占我国耕地面积64％的淮河及其以北地区，水资源仅占全国的19％。由于供水不足，北方的许多地区不得不缩小灌溉面积和减少有效灌溉次数，造成减产。我国水资源的人均占有量很低，华北、胶东、辽中南、西北地区严重缺水；全国500个城市有300多个缺水，其中严重缺水的40多个。每年因缺水造成的工业产值损失近千亿元。长江、黄河、珠江、淮河、松花江、大辽河六大水系干流水系基本良好，但各自都有一些污染严重的地段，流经城市的地段有明显的污染带。城市地下水污染面总氮、总硬度持续上升，已有l/3的水井达不到饮水标准。然而，水资源浪费现象又十分普遍，各大城市中工业用水的重复使用率一般只有25％，最高的才达49％，但在日本，水的重复使用却高达60％；西德更高达64％。具体说来，我国水资源存在以下4个主要问题：
①人均亩均资源占有量低 我国水资源总量居世界第六位，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚，但人均占有量仅2477m3(1993年)，约为世界人均的26％，居世界第109位。单位耕地面积占有水量为世界平均水平的80％。中国已被列为全世界人均水资源最少的13个贫水国之一。
②人均水资源的空间分配极不均衡 全国水资源的81％集中在耕地仅占全国36％，人口占全国55％的长江及其以南地区。而全国水资源的19%集中在耕地为64％，人口占全国45％的淮河及其以北地区，形成了南方水多耕地少，水有多余；北方水少，耕地多，水资源短缺的局面。按联合国规定的国际标准：人均水量2000m3为严重缺水的边缘，全国18个省市人均占有水量低于全国平均水平，其中9个北方省市低于500m3/人。1990年我国黄、淮、海3个流域的人均水资源量已接近或低于临界值1000m3/人。
③在水资源总量中，可以利用的水量少 受季风气候影响，我国洪水径流约占年径流总量的2/3。我国现有的8万多座大中型水库在拦蓄洪水径流、减少洪涝灾害以及供水等方面起了很大作用。然而，其防洪库容总量仅仅占多年平均径流的15％，即大部分洪水径流只能宣泄入海而不能加以利用。同时因为我国水资源空间分布极不均衡，因此在28000×108m3的水资源总量中，最大可开发利用量仅为10000×108～12000×108m3。另外，水资源污染日趋严重，导致可用水资源量的进一步减少。从总体上看，我国大部分河段水质较好，水质污染严重的主要是城市河段，然而近年来，我国水污染，特别是流域污染给工农业和人民生活带来了严重影响。水污染问题已成为影响水资源可持续利用的主要问题。目前我国的日排放污水量已超过l×108t，其中80%以上未经处理直接排入水域，造成包括六大水系在内的许多河流的污染，其中污染严重的是淮河、辽河和海河及滇池、太湖、巢湖等流域。
④水资源需求量不断增加，水资源供需矛盾日益尖锐 1949～1993年，总用水量几乎以每10年增加1000×108m3速度递增，在用水结构上，农业用水比例呈下降趋势，工业及城镇生活用水比例呈上升趋势。随着社会经济发展及人口增长，总用水量将呈不断增长趋势，缺水量必将进一步加大。日益尖锐的水资源供需矛盾将成为制约我国经济发展的重要因素之一。
5.1.2 南水北调工程
南水北调工程就是将南方湿润区富余水量调往华北和西北干旱、半干旱地区的宏伟的跨流域调水工程。涉及长江流域、黄河流域、淮河流域和海河流域，受水区达14个省、自治区和直辖市，直接受水面积达106.6×104km2。受水区内现有耕地约2300×lO4hm2，人口约3.1亿，国民经济总产值约1.5×104亿元。其总体规划布局是：分别向西北地区、华北平原中西部和华北平原东部供水，以缓解这些地区水资源的严重不足。这三条线路也即人们所说的南水北调西线工程、南水北调中线工程和南水北调东线工程。
5.2 森林生态功能衰退
我国现有森林面积和总蓄积量居世界第五位。但森林覆盖率仅为13.9％，远低于世界平均水平27％，居世界第104位；人均森林面积0.11hm2，人均森林蓄积量8.6m3，分别为世界平均水平的11.7％和12.6％，属于世界上森林资源贫乏的国家之一。森林资源存在的主要问题，一是森林资源质量不高，材林树种、林龄构成不合理，中幼龄林比重大，其面积占全国林分面积的71％，可采资源少，木材供需矛盾日益突出；二是森林资源总量不足，覆盖率低，资源分布不均，主要分布于东北、西南、东南地区，而西北、华北地区森林资源稀少，风沙危害严重；三是森林资源破坏严重，乱砍滥伐现象比较普遍，天然森林资源面临严重威胁；四是森林灾害较为频繁，1996年全国发生森林火灾5000多次，受害面积18.67×104hm2，火灾受害率为0.75‰，森林病虫害发生面积662×104hm2。森林资源的破坏，加剧了水土流失和沙漠化。仅20世纪50年代到70年代末，我国干旱和半干旱地区沙化土地平均每年扩展约1500km2。
自1978年以来，我国先后确立了以遏制水土流失、防止荒漠化、改善生态环境、扩大森林资源为主要目标的“十大”林业生态工程。这“十大”林业生态工程是：“三北”(东北西部、华北北部、西北地区)防护林体系工程、长江中上游防护林体系工程、沿海防护林体系工程、平原绿化工程、太行山绿化工程、防沙治沙工程、淮河太湖流域综合治理防护林体系工程、珠江流域综合治理防护林体系工程、辽河流域综合治理防护林体系工程、黄河中游防护林体系工程。这十大林业生态工程规划区面积705.6×104km2，占国土面积的73.5％，规划造林总面积1.2×108hm2，覆盖了我国主要的水土流失，风沙危害和台风、盐碱等生态环境最为脆弱的地区，构成了我国林业生态建设的基本框架。截止1997年底，十大林业生态工程累计完成造林面积2734.8×104hm2，增加了草植被，改善了部分地区的生态环境，取得了明显的生态、经济、社会效益。
5.3草地资源退化问题
草地是中国陆地上分布广泛、类型多样、面积最大的生态系统。我国现有草地面积仅次于澳大利亚，居世界第二位。但人均占有草地仅为0.33hm2，约为世界平均水平的一半。我国草地的质量不高，低产草地占61.1％，中产草地占20.9％。全国难利用的草地比例较高，约占草地总面积的5.57％。所以生产能力低下，平均每hm2草地生产能力约为7.02个畜产品单位，仅为澳大利亚的l/10，美国的l/20，新西兰的1/80。更为严重的是，我国90％的草地已经或正在退化。造成草地退化的主要原因，一是对草地资源长期采取自然粗放经营的方式，重利用、轻建设，重开发、轻管理，长期超载过牧，过度使用；二是气候干旱日趋严重，使草地逐步沙化；三是人为采樵、滥挖药材、开矿和滥猎，破坏草地植被。
草地资源的严重退化导致我国成为全球荒漠化土地面积较大，危害较严重的国家之一，荒漠化土地已达262.2×104km2，占国土面积的27.3％。从20世纪50年代起，我国就开展了以造林种草为主的荒漠化治理工作，90年代以来，又有计划大规模地展开全国性防治荒漠化的工作，通过退耕还草、造林种草、育林育草和防沙治沙等措施，使荒漠化得到一定控制或治理，一些地区的农牧业生产条件有所改善。
5.4 海洋生态问题
近些年来，我国海域内的渔场荒废面积呈扩大趋势，海洋生态环境恶化的状况未得到有效控制，有的学者甚至认为，我国海域正经历着严重的荒漠化过程。
5.4.1 海洋污染严重
根据环境保护部门的多年连续监测，我国近岸海域均已受到不同程度的污染和生态破坏，特别是与大中城市毗邻的海域、海湾、入海河口处的污染和生态破坏已经比较严重，并且有继续恶化的趋势。入海的主要污染物是石油类、有机物、营养盐类和重金属。近海海域石油类污染普遍严重，存在不同程度的有机物污染和富营养化，局部地区水质和底质的重金属污染也比较严重。海洋环境污染和生态破坏导致了沿岸、近海渔业资源衰退，生物种类减少，水产品质量下降，养殖滩涂大片荒废，海水养殖污染损失事故不断发生。
5.4.2 过度捕捞
过度捕捞是造成海洋生物产量下降的主要原因。例如，目前在渤海作业的船网已是十几年前的5倍，而每只船的渔获量却仅是十几年前的l/5。许多特有鱼种已经绝迹。
5.4.3 有害生物的蔓延
在特定的环境下，水域中浮游生物的一些种类会爆发性地增殖，使海水的pH值升高，粘稠度增大，对其他浮游生物的生长和生存造成危害，而其自身也因增殖过快或过度聚集大量死亡，释放出大量的毒素，使海水变臭、颜色变红，生态学中将这一现象称为赤潮。赤潮对生态系统的危害是深刻的，在淡水湖泊甚至能造成生态系统结构和功能的崩溃。近年来我国海洋赤潮灾害的发生有四个明显特点：一是频率增高，1990年我国沿海共发生赤潮34起，为1961～1980年20年总和的1.5倍，1991年共发生赤潮38起。二是持续时间长、损失大，一般持续约1个月，其损失达几千万元到几十亿元。三是危及人类的健康和生命，轻者中毒，重者死亡。1986年台湾居民食用赤潮生物紫蛤，30人中毒，20人死亡。浙江省1967—1979年因食用赤潮发生后采集的织纹螺而引起中毒事件40起，中毒患者423人，死亡23人。四是形成赤潮的生物种类增多，发生形式呈多样化。
5.5城市生态环境
5.5.1 生态环境问题
我国城市生态环境问题很多，大致可归结为四大类环境问题。一是大气污染，二是水质污染，三是噪声及其他物理污染，四是固体废弃物污染。在这四类问题中，大气污染最为重要。
①城市大气二氧化硫和酸雨污染呈发展趋势 大气污染是城市主要的环境特征之一。我国城市大气污染主要是以尘埃、二氧化硫为主的煤烟型污染。污染程度北方城市重于南方城市。我国煤炭使用量越来越多，而对二氧化硫污染控制手段和能力都十分有限，致使许多城市大气污染仍然呈发展趋势，而且除煤烟型污染外，光化学烟雾、氟污染、特别是南方地区的酸雨污染呈发展趋势，污染区面积逐年扩大。目前酸雨成片地区由2个增加到4个，从我国西南地区向东向北扩展。
②城市水体有机污染加重，饮用水源水质下降 城市缺水和水污染是城市环境主要问题之一。工业废水、生活污水排放是造成城市地表水、地下水污染的主要原因。我国目前只有19个城市有污水处理厂，1990年城市污水处理率为3.4％。城市水体有机污染严重。许多城市的饮用水源常常由于附近工业废水的排入而被污染，从而失去使用价值，导致水源缺乏。全国有地下水资源的47个主要城市中有43个受到不同程度的污染，北方18个以地下水为主要水源的城市中有17个受到不同程度的污染，且逐年加重，尤以硬度、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等指标上升为快。流经城市的55条河流89个测点检测，氨氮超标率为58.8％，挥发酚超标率为33.3％，悬浮物超标率为41.9%。根据33个城市77个水源地的水质监测，污染超标率达44.2％，主要污染物是细菌、化学耗氧量、氨氮。城市水体污染表现在江河沿岸大中城市排污口附近岸边污染带和局部水体污染严重两种形式，尤其以二、三级支流污染较为严重。
③城市噪声污染严重 我国城市噪声污染主要是交通车辆引起，据1990年对35个城市噪声监测，交通噪声超过70dB的路段占91.2％。这种状况由于车辆继续增加，在相当长一段时间内将难以改变。区域环境噪声超标率大于50％。工业噪声虽然所占比重不大，但强度高、对周围人群影响大。据统计，我国约70％的城市人口遭受到高噪声的影响，在70个有监测的城市中只有60％的主要城市达标，而一般城市只有33％达到噪声控制标准。
④城市固体废弃物产生量逐年增加，处理率低 全国城市年产垃圾、粪便6.0×107t，有1.5×107t不能清运。工业废渣也是造成城市环境恶化的重要原因之一。废渣不仅占地，而且是大气和水体的污染源。工业废渣成分复杂，性质与城市垃圾不尽相同。工业废渣的排放，不仅大大增加了城市的废弃物排放量，而且使城市固体废物更加复杂，利用和处理也更困难，致使固体废弃物对城市环境的冲击越来越大。
5.5.2城市环境保护对策
①预防为主、防治结合 把环境保护纳入城市经济与社会发展计划，推行城市环境综合整治，执行建设项目环境影响评价和“三同时”制度等，是防止和严格控制新污染源产生的一种有效手段。我国城市环境污染之所以特别突出，布局不合理是一条主要原因。因为我国工业基础薄弱，工艺技术落后，管理不善，布局不合理，故造成严重的环境污染。因此，科学确定城市性质和规模，合理进行城市规划和布局，是保护和改善城市环境的一项重要对策。
②污染者负担 该原则是1972年由经济合作与发展组织(OECD)提出的，此后得到国际上的广泛承认，并成为许多国家的主要环境政策。该政策的具体措施有：第一，结合技术改造防治工业污染；第二，对工业污染实行限期治理，对布局不合理的工厂搬迁和对污染严重的工业产品实行淘汰制度；第三，征收排污费制度。目前除实行“超标收费”外，还实行“排污收费”。
③大力建设城市环境基础设施 城市环境污染严重的一个重要原因是城市基础设施落后，跟不上城市发展步伐。因此要按照环境建设与城市建设同步发展的原则，积极建设城市环境基础设施，大力推广污染集中控制措施。当前和今后一段时期，尤其要加快完善排水管网，建设城市污水处理厂，发展城市煤气化和集中供热。改进道路交通；建设垃圾处理设施，不断提高城市环境保护的能力。同时还要大力植树种草，提高绿化覆盖率，改善城市生态环境，提高自然净化能力。
④加强环境管理 良好的管理是解决城市环境问题的重要措施。经过长期探索，我国实施了一整套城市环境综合整治对策，主要解决城市经济承受不足和由于管理不善造成的工业污染问题，如制定法规和标准，建立环境管理机构，加强监督管理，推行新的环境制度和措施等。
5.6生物资源问题
5.6.1 我国的生物资源及现状
我国物种资源的种类和数量均在世界上占有重要地位。现已记录的主要生物类群物种总数约8.3万种，约占世界主要生物类群物种总数的7.5％。高等植物约3万种，占世界高等植物的10％，仅次于世界上植物区系最丰富的马来西亚(约4.5万种)和巴西(约4.0万种)，居世界第三位。陆栖脊椎动物约2340种，占世界陆栖脊椎动物的lO％；鱼类2840种，占世界鱼类的12％；藻类5000种，占世界藻类的16％；真菌8000种，占世界真菌的17％；细菌约500种，占世界细菌的0.2％。
目前，世界上有10％~15％的植物处于濒危状态，在我国，濒危植物种比例高达15％～20％，濒危物种达4000～5000种，此外，还有相当可观的植物种已经灭绝，初步统计，列入濒危植物名录中的植物已有5％左右在近数十年内濒临灭绝。
据统计，我国目前濒危动植物约有1431种，约占我国高等动、植物总数的4.1％。其中濒危高等植物1009种，占我国高等植物总数的3.4％，濒危脊椎动物398种，占我国脊椎动物总数的7.7％左右。目前《国家重点保护植物名录》公布的珍稀濒危植物共354种；《国家重点保护野生动物名录》公布的珍稀濒危野生动物共405种，其中陆栖动物305种，水生动物70种。
5.6.2自然保护区建设
在19世纪末、20世纪初，人们开始了建立自然保护区的实践，并以此来保护濒于灭绝的和有重要经济价值的物种。今天，保护区的作用已不仅限于保护物种及其栖息地这一范畴，自然界中的著名风景名胜区、人类社会发展的重要历史遗址、重要地质年代遗迹和地理景观以及与人类生活密切相关的水源涵养地和尚未被人类开垦的荒原，都在自然保护区内得到了保护。
目前中国已初步形成全国自然生态系统保护区网络，有效地保护了一大批具有重要科学、经济、文化价值的自然生态系统。自然保护区网络在我国的物种多样性保护中发挥了积极的作用，《国家重点保护野生动物名录》中的257种野生动物和《国家重点保护野生植物名录》中的354种植物中的许多种类均在自然保护区得到了保护。
第六节 中国必然选择可持续发展道路
每一个国家又有自己的历史和现状，有自己之所需，有自己追求的目标。中国作为一个发展中国家的人口大国，第二次世界大战结束后刚刚崛起，如何选择发展道路，理所当然地为全国人民，甚至全世界所关注。
中国正处在工业化的高速起步时期。由于中国人口多、底子薄、基础差，它所面临的问题比别国更多更复杂。
6.1庞大的人口是高速发展的沉重包袱
目前中国人口已超过13亿，占世界总人口的21.4％，而且每年仍净增1200万人。50年代以来，由于当时人口政策的失误，在1950～1957年和1962～1973年间出现了两次人口增长高峰，人口自然增长率达20‰。70年代把计划生育定为基本国策后，全国出生率已由33.59‰减至1990年的21.06‰；也就是说在这20年间少生了2.4亿人。1996年人口自然增长率又降到11.5‰。如果继续坚定不移地把“计划生育”国策执行下去，中国的人口将趋于缓慢而平稳地增长。但由于人口基数大，目前的年净增人口仍有1200多万。中国的人口分布极不均衡：占全国总面积44％的东部地区（包括华北、东北和中南）居住着77％的人口，而面积占56％的西南和西北地区，人口则仅占全国的23％。近年来人口又出现向东南沿海流动的趋势。而且不论东部还是西部地区，由于城市化的加剧，人口向城镇流动的趋势有增无减。因此中国人口的最大特点是基数大、增长快、分布不均衡。
由于人口增长高峰位于20世纪50～60年代，因此，目前在中国老龄人口达到高峰的同时，将承受持久的就业压力。
我国人口的另一大特点是文化素质差。据联合国教科文组织1988年统计，全世界有8.89亿15岁以上的文盲，其中我国有2.29亿，占25.83％。世界银行“1992年度世界发展报告”中对120个国家的综合发展水平排队打分，我国的“人口素质”一项得23分，比世界平均水平还低1分，居世界第56位。1990年第四次人口普查表明，15岁以上文盲半文盲占全国人口的22.27％，有大专以上文化程度的人口仅占1.4％（1600多万人）。
人口变动与经济发展有着十分重要而又极其复杂的关系。众多的人口显示了劳动力资源丰富，这对于经济发展是必不可少的。但另一方面，人对资源的消耗，以及对住房、教育、就业、交通、医疗保健、社会福利等的要求，造成了对资源、生态环境和社会发展的沉重负担。人口的过速增长直接影响着经济建设资金的积累。改革开放近20年来，中国经济以每年10％左右的速度递增，这个速度不可谓不快，但是每年新增的国民收入约1/4被新添的人口消耗掉了；而资金积累的减缓，既制约了经济发展的速度，又使教育与科技投入的人均数不是增加而是减少。据世界银行“1992年度世界发展报告”称，中国教育经费的投入占国民生产总值的2.5％，居世界第98位，不仅低于3.6％的世界平均数，甚至低于同档次低收入国家2.6％的平均水平。文化素质的低下，不仅难以掌握现代科学技术，也是建设法制社会、推进社会主义精神文明和物质文明建设的障碍。当前社会上的一些弊病，诸如拜金主义、封建迷信、假冒伪劣商品泛滥、城市脏乱差、盗窃与无端破坏公共设施和文物、滥猎乱杀珍稀动物等等违法乱纪与不文明行为，都从不同角度折射出公民的文化素养。
以上说明，庞大的人口及其对资源、环境造成的影响已成为我国实现环境与经济协调发展的首要问题，人口的增长一直是制约我国经济发展和消费水平提高的“瓶颈”。
6.1资源相对短缺是高速发展的制约
我国是一个有丰富资源量的资源“大国”和人均资源量低下的资源“穷国”的矛盾统一体。特别是关系到人类基本生存条件的淡水、耕地、森林与草地资源，人均量分别是世界的28.1％、32.3％、14.3％和32.3％。我国矿产资源量的人均水平不及世界平均水平的一半，综合利用水平的低下和浪费更加剧了资源的短缺。
由于矿产资源的分布不均，我国的煤长期存在“北煤南运”和“西煤东运”的问题，石油和天然气主要在东北和西部；我国铁路运输中大宗资源产品的货运量长期占据80％以上的吨位。水资源的“南水北调”则存在资金和技术上的难题。特别是当前中国存在着”产品高价，原料低价，资源无价”的严重价格扭曲现象。因此，我国资源方面不仅有节约、综合利用这样一些“硬件”方面的工作，而且面临大量的“软件”方面难题。例如资源产权制、资源配置体系的调整、资源产业的发展，以及自然资源核算制度的建立等带有方针、政策、管理方面的问题。只有这些难题得到妥善的解决，我国的资源永续利用才不是一句空话。
6.2环境污染加剧导致生态日趋脆弱
1985年至1992年我国废气排放年均增长5.1％（其中二氧化硫占3.5％），1992年比1981年工业废弃物增长64.5％。全国有30多个城市工业固体废弃物堆存量超过1000万吨，1992年全国排放废水366.5亿吨。全国沙漠化和水上流失面积分别为153.3万平方公里（占国土的15.9％）和179万平方公里（占国上的18.4％）。全国600多座城市中，大气质量符合国家一级标准的不到1％。污染最严重的大气超过世界卫生组织规定的标准近10倍。全国各地排放的污水大部分未经处理便直接流入江河湖海，使全国一半的河段受到污染，86％流经城市的河段成为臭水沟，连带污染了全国一半城市的地下水。我国二氧化硫的排放居世界前列；酸雨危及53％的国土面积，已由华南、西南向华中、华南和华北蔓延；酸雨出现率达百分之七八十，使40％的饮用水污染超标。由于生态遭到破坏，致使自然灾害肆虐，近40年来，每年由气象、海洋、洪涝、地质、地震、农业和林业等七项灾害造成的直接经济损失，约占国民生产总值的3％～5％。仅1993年就造成993亿元人民币（相当于284亿美元）的损失，占全球这一年灾害损失（500亿美元）的57％。1994年的自然灾害损失又翻了一番，达到1800多亿元。
在污染问题上，国际经验也表明中国必须走可持续发展的道路。随着经济的发展，特定阶段即中国目前所处的人均国民收入400美元～1200美元之间的阶段，正处于污染增加的时期，因此必须采取可持续发展战略；同时，通过政府实施经济、社会和环境协调发展政策，采取有效措施，提高教育水平和经济发展水平，缩小国民收入差距和贫富差距，环境也会得到改善.
建国四十多年来，中国的经济发展是艰难曲折的。通过对四十多年来中国传统经济发展战略的分析，回顾了1949～1956年过渡时期总路线总任务、1956年赶超英国的战略目标、60年代初关于本世纪末实现四个现代化的设想、1978年本世纪末“翻两番”的战略目标的提出，分析了中国传统经济发展战略特征，表明建国以来尽管经济建设取得了辉煌的成就，但是由于严重的先天不足，加上仍然沿袭着资源型经济增长模式，在增长方式上与其他国家一起投入二战以来出现的“增长热潮”，单纯追求经济的高速度，在管理上套用“三高”（高投入、高消耗、高污染）和“三低”（低产出、低质量、低效益）的粗放管理，使我国的经济发展陷于速度高、效益差、消耗大、污染重的“怪圈”。例如，从1953年到1980年，我国国有固定资产投入增加22倍，而国民收入仅增5.5倍，1981年到1993年固定资产投入增加13倍，国民生产总值仅增3.2倍，利税仅增2.7倍。我国的能源消耗系数比发达国家高4～8倍，主要产品的单位能源消耗高出发达国家30％～90％。能源对国民生产单位产值的产出率是日本的1/12，是世界平均水平的1/7。能源利用率仅30％。产业结构也很不合理。
多少年来，我国的经济发展采取传统的“赶超”型发展模式，重速度、轻效益；倾向总量增长，忽视结构变化；注重工业，轻疏农业；热衷政治性的运动，轻视经济规律的探索；重视实际生产，偏废科学技术；注重实业投资，疏远人才、知识。这种发展模式付出了昂贵的代价：造成环境污染，影响发展速度，错过了良好的发展机遇。
从可持续发展的角度看，我国以往的经济发展模式，实际上阻碍了社会和经济的发展。能源的低利用率，不仅浪费了宝贵的资源，更污染了环境。人口的膨胀对资源、环境产生了巨大的压力。而以往的社会经济发展政策中，恰恰忽视了这一压力的反作用。以东部沿海经济区为例，按照80年代资源消耗和污染速度计，在人口增长率为10‰的情况下，再过30年人均耕地将仅0.033公顷（不足半亩），粮食、能源和水资源都难以满足发展所需；再过45年，废水和固体废弃物的排放量将接近1994年全国的总量。
因此，无论从人口、资源、环境，还是社会经济发展来说，我们都必须采用有利于节约资源、保护环境的产业结构和消费方式，走经济建设与资源环境相协调、良性循环的可持续发展之路。这是人口众多、资源匮缺、环境污染、经济增长方式粗放的中国的唯一复兴之路。
【参考书籍】
[1] 盛连喜主编，现代环境科学导论，化学工业出版社，2002。
[2] 贝茨，苗润生等译，气候危机──温室效应与我们的对策， 1992。
[3] 陈耀邦主编，可持续发展战略读本，中国计划出版社，1996。
[4] 徐新华等编，环境保护与可持续发展，化学工业出版社，2000。
[5] 周克元等主编，实用环境保护数据大全，第三分册，环境资源实用数据，湖北人民出版社，1993。
[6] 欧阳自远等，我们只有一个地球，河南人民出版社，1998。
推荐阅读书目
[1] 陈鸿清，生存的忧患，中国国际广播出版社，2000。
[2] 晏路明，人类发展与生存环境，中国环境科学出版社，2001。
[3] Carson R. 寂静的春天，科学出版社，1989。
[4] 陈南，程舸等，我们的地球，广东人民出版社，1999。
[5] 戴晓东，石广玉等，全球变暖，气象出版社，1998。
[6] 孙方明主编，环境教育简明教程，中国环境科学出版社，2000。
思考题
1、环境科学是怎样形成的？
2、大气污染的危害表现在哪些方面？
3、臭氧空洞的出现与人类的行为和发展未来有什么关系？
4、我国是一个资源大国，为什么资源的节约和综合利用较其他国家更紧迫？
5、可持续发展理论与我们传统思维的根本对立问题是什么？
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