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辉煌中国与工匠精神
导入 辉煌中国的科技与未来
我国在航空航天、量子通信、人工智能、互联网技术等领域 取得的巨大成就，充分彰显了我国的科技实力与综合国力，向世界展示了中华民族的创新能力。
上述现代科技的发展，给我们的生活带来了什么影响？作为未来的科技主力军与大国工匠，我们应该如何更好地继承与创新？人类应该如何处理好科技、社会与自然的关系？本章我们一 起来探索。
灿烂星空，美丽绝伦，让人类对宇宙充满了遐想。古往今来，人类一直在探索宇宙的奥秘。人类相当长一段时期是用眼睛直接观察宇宙，虽然也获得了很多成果，但观测的范围和信息却有限。17 世纪发明的天文望远镜，大大地扩展了人类对宇宙的观测范围。
专题研讨1 天文望远镜与“中国天眼”
1609 年，意大利科学家伽利略制作了第一台天文望远镜，拉开了用天文望远镜观测宇宙的序幕。伽利略凭借天文望远镜观测到了眼睛不能直接观测到的月球环形山、木星的卫星等，有力地支持了哥白尼的日心说。此后，天文学家给天文望远镜加装了许多功能，使之具备光谱分析等能力。这类天文望远镜通常被称为光学天文望远镜。
一、天文望远镜
专题研讨1 天文望远镜与“中国天眼”
光学天文望远镜是在可见光波段观测天体，而天体的辐射覆盖了包括可见光在内的整个电磁波段，射电望远镜用于观测天体辐射的无线电波。1939 年，人类第一次用射电望远镜接收到了来自银河系中心的无线电波，并根据观测结果绘制了射电图。随后，射电望远镜不断发展，其灵敏度、分辨率也不断提高。20 世纪 60 年代天文学取得了脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子四项非常重要的发现，这四项发现都与射电望远镜有关。
一、天文望远镜
专题研讨1 天文望远镜与“中国天眼”
2016 年，我国科学家经过二十多年的不懈努力，建成并启用了世界上最大单口径、最灵敏，并具有自主知识产权的射电望远镜——“中国天眼”（图 11-2）。
二、“中国天眼”
专题研讨1 天文望远镜与“中国天眼”
“中国天眼”是世界上首次利用天然地貌建设的巨型望远镜，有如下特点：
（1）大，反射面由 4 450 个反射单元构成，总面积为 25 万平方米，相当于 30 个标准足球场那么大；
（2）巧，30 吨的馈源舱通过 6 根钢索控制，可在 140 米高空、206 米的尺度范围内实时定位；
（3）强，能看见更遥远暗弱的天体，它 1 分钟就能发现的星体，即使把坐标提供给百米口径的射电望远镜，对方也要 9 分钟才能看见；
（4） 精，500 米的尺度上测量角度精确到 8 角秒，10 毫米的定位 精度要求最高做到了 3.8 毫米。
二、“中国天眼”
专题研讨1 天文望远镜与“中国天眼”
以电磁波、声波或光波的形式进行信息传递的现代通信技术，信息传递过程的信息保密是十分重要的问题。近年来量子通信技术的发展，有助于克服经典加密技术的安全隐患，能从根本上解决信息传送安全问题。与此同时，我国城市范围内的量子通信网络技术也日趋成熟，并在国家信息安全领域得到初步应用。
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
量子是现代物理的重要概念，最早由德国物理学家马克 斯 · 普朗克于 1900 年提出。一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子（图 11-3）。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。
一、量子与量子纠缠
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
在一个量子系统中，量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，即量子叠加态。
量子纠缠指粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响，这种影响不受距离的限制，即使两者距离遥远，一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象，通常适用于原子、电子等微观粒子，在经典力学里，找不到类似的现象。
一、量子与量子纠缠
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
量子通信（图 11-4）是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，提供了无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。
二、量子通信
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
量子隐形传态，又称量子隐形传输，是一种利用分散量子纠缠与一些物理信息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。例如，将甲地的某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。
量子密钥分发，也称量子密码，是借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，再通过一次一密的对称加密体制实现无条件绝对安全的保密通信。
二、量子通信
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
为了让量子通信从理论走到现实，从 20 世纪 90 年代开始，国内外科学家做了大量的研究工作。2009 年，我国科研团队建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。2016 年，墨子号量子科学实验卫星成功发射，人类首次完成了卫星和地面之间的量子通信，标志着我国量子通信研究又迈出了重要一步。
二、量子通信
专题研讨2 量子纠缠与中国量子通信
人工智能（AI）近三十年来获得了迅速的发展，在很多学科领域都得到了广泛应用，并取得了丰硕的成果。
专题研讨3 走向人工智能
人工智能是相对于自然智能而言的。人的自然智能是指人类所具有的智慧和能力，人工智能则是指通过相关技术在计算机上实现智能，是对人的智能进行模拟、延伸和扩展，又被称为机器智能。
人工智能是一门跨学科交叉性的科学。它的发展是计算机科学、仿生学、信息论、自动化、语言学、心理学、数学等多学科相互渗透、综合应用的成果。
一、人工智能
专题研讨3 走向人工智能
随着人工智能的迅速发展，对人工智能进行理论研究和创新应用，将有力地推动科学技术和经济社会的发展。目前对人工智能的研究主要集中在模式识别、问题求解、机器学习、自然语言理解、自动定理证明、博弈、人工神经网络、专家系统、机器人等。
二、智能化时代
专题研讨3 走向人工智能
模式识别主要是指利用计算机对文字、图像、语音等信息进行的自动识别。例如人脸识别、指纹识别（图 11-5）、语音识别等。
专家系统是人工智能研究与应用的重要领域，即通过模拟专家思维，利用所拥有的大量知识，以专家水平解决某个领域中的实际问题。
二、智能化时代
专题研讨3 走向人工智能
机器人体现了对人工智能相关技术的综合应用。随着人类社会发展的需要，对机器人智能水平的要求不断提高，在一些人类难以胜任的场合，机器人的出现可以代替人类从事部分工作。
经过多年的努力，我国的人工智能已经取得丰硕的成果。如我国的语音识别、图像识别等人工智能技术在全球居于领先地位，在智能商务、智慧城市、智能交通、智能医疗等领域得到了很好的应用。智能化正引领新一轮科技革命和产业变革加速推进。
二、智能化时代
专题研讨3 走向人工智能
随着越来越多的智能产品的出现与不断升级（图 11-6）， 人工智能将进一步为改善人类生活及社会发展做出巨大贡献。 目前，人工智能的发展仍面临许多问题和挑战，如某一天电脑是否可能完全代替人脑甚至控制人脑等。
二、智能化时代
专题研讨3 走向人工智能
远古时期，人们就梦想能够飞出地球，探索浩瀚星空的奥秘，“嫦娥奔月”这美丽的神话就反映了人们对“飞天”的向往。20 世纪以来，人类对太空的探索取得了丰硕的成果，成功实现了“飞天”梦想。
专题研讨4 航天技术与中国航天
航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动。17 世纪牛顿发现的万有引力定律，不仅揭示了天体运动的规律，还为宇宙航行奠定了理论基础。由此得出的三类宇宙速度，为人类的宇宙航行指明了方向。
一、航天技术
专题研讨4 航天技术与中国航天
1970 年，我国第一颗人造地球卫星 “东方红一号”成功发射（图 11-7），成为第五个完全依靠自己的力量成功发射卫星的国家。20 世纪后半叶以来，随着航天技术的不断发展，人类实现了载人登月，建立空间站，火星探测，深空探测等，进入真正意义上的太空时代。
我国航天在钱学森等一大批科学家和工程技术人员的努力下，取得了令世界瞩目的成就。
火箭推进技术是航天技术的核心。长征系列运载火箭是中国自行研制的航天运载工具。具有发射低、中、高不同地球轨道不同类型卫星及载人飞船的能力，并具备无人深空探测能力。
二、中国航天
专题研讨4 航天技术与中国航天
借助运载火箭等技术，2004 年我国正式开展了探测月球的“嫦娥工程”。探月卫星“嫦娥一号”“嫦娥二号”完成了绕月运行，获得了月球表面影像等数据。“嫦娥三号”携“玉兔号”月球车成功实现月球软着陆，并开展月面巡视勘察以及月表形貌等科学探测。“嫦娥四号”探测器完成了“人类探测器首次实现月球背面软着陆”的壮举。“嫦娥五号”完成了中国首次月球无人采样返回。“嫦娥工程”的圆满完成，为未来我国进一步开展月球和行星探测奠定了坚实基础。
二、中国航天
专题研讨4 航天技术与中国航天
我国在人造地球卫星发射、载人航天和深空探测等方面也取得重大成就。“神舟五号”载人飞船成功发射，我国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。火星探测器“天问一号”携“祝融号”火星车成功着陆火星（图 11-8），使我国成为世界上第三个成功着陆火星的国家。
二、中国航天
专题研讨4 航天技术与中国航天
随着社会的发展，人类对能源的需求日益增加，从而导致了能源危机的进一步加剧，因此，现代社会发出了“节约能源，人人有责”的呼吁！下面从能量守恒定律及自然过程的方向性谈谈节约能源、珍爱地球的必要性。
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
能量以各种各样的形式存在，如机械能、内能、电能、光能、化学能和核能等。大量的实验和研究都证明，任何形式的能量在转化或转移的过程中都遵守如下规律：在一个孤立系统里，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。例如，白炽灯的灯丝发光时（图 11-9），电能转化为内能和光能，但总能量保持不变。
一、能量守恒定律及其意义
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
在历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料就能不停地运动，甚至对外做功，这类装置被称为第一类永动机。根据能量守恒定律，在无外界能量供给的情况下，使机器不断对外做功是不可能的。能量守恒定律否定了制造第一类永动机的可能性。
一、能量守恒定律及其意义
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
众多现象表明，自然界的宏观过程具有方向性，不可能自动地逆向进行。要使它们逆向进行，就必须由外界对它们施加作用。例如，冬天，一杯热气腾腾的茶水会变冷（图 11-10），却不会自动变热。这是因为内能从温度较高的热水中转移到了温度较低的空气中，在外界不做功的情况下内能不能自动从较冷的空气中再返回到水中。
二、自然过程的方向性
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
有人期望设计一种装置，从单一热源（海洋、大气）中吸热使之完全变成有用功而不产生其他影响，这被称为第二类永动机。事实证明，能量转化过程具有方向性，内能不可能自动地、不引起任何变化地完全转化为机械能。因此，第二类永动机也是不可能被制造出来的。
二、自然过程的方向性
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
人类有一个共同的家园——地球。然而，大工业社会的来临让我们的家园正在面临失去蓝天白云、森林绿地、鸟语花香的风险。20 世纪初，人们已开始研究环境污染的问题。
我们的衣食住行皆要消耗能量，各种生产也会消耗能量。当我们使用地球上的能源时，虽然能的总量不会减少，但可用于做功的能量却越来越少。因此，我们不能滥用看似万世不竭的能源。开发新能源，节约使用现有能源，这是每一个现代公民的共同责任。
三、珍爱地球家园
专题研讨5 保护环境，珍爱地球
地球是我们共同的家园。珍惜地球家园的蓝天白云、绿水青山，珍惜地球家园的每一个存在！爱护地球家园（图 11-11），从我做起！从诸如随手关灯、节约用水、垃圾分类等小事做起！行动起来吧，爱护我们的地球，让我们的家园变得更美丽。
三、珍爱地球家园
专题研讨5 保护环境，珍爱地球

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