2015-2016学年第二学期
《自然辩证法概论》期末课程论文
物质微观结构探索与应用推动未来科技
——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用
姓 名：
学 号：
任课教师：
完成时间：
年 月 日
物质微观结构探索与应用推动未来科技
——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用
摘要：从人类开始使用工具以来，物质微观结构的探索与应用始终是人类科技进步的源动力。本文从材料、化学、生物学的角度系统的介绍了人类探索物质微观结构的历史，并且结合微观科学在物质组成的观点发展，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点，并且对人类应该如何正确认识自然，以及对未来的科学技术的发展进行了讨论。
关键词：微观结构；力学发展；科学原理；自然认识
1 引言
物质的微观结构涉及到材料、化学、生物学、物理学等诸多领域，是指物质、生物、细胞在显微镜下的结构，以及分子，原子，甚至亚原子的结构。从人类开始制造、使用工具开始，各领域科学技术的不断进步始终伴随着对于物质微观结构的认识深入，并且对于先前提出的原理或技术加以否定和完善。
当代的科学和技术革命，使科学技术步入了大科学时代。材料、能源和信息是构成人工自然的三大要素。以往的科学革命，主要发生在宏观的物体的认识与发现，例如以牛顿力学为代表的第一次科学革命，而当代的科学革命则是以发现物质的微观结构为中心展开的[1]。然而，对于物质微观结构的认识总是进展缓慢的，这是由于微观具有难以观测、难以实验等特点。但是，现在科学技术的研究基础往往是基于对物质微观结构认知基础上的，历史也同样证明，人类不断采用的新技术都是基于具有微观的结构。
前人对于物质组成与结构的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。
本文通过论述材料、化学、生物领域内，物质微观结构的认知推动科学发展的历程，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点。虽然人类不可能真正的认知客观事实，但是可以无限地接近。
2 物质微观结构的研究发展
2.1 晶体结构的探索推动材料科学
材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力的标志，人类社会的里程碑。对材料认识和利用的能力，决定社会形态和人类生活质量，所以人类从没中断过追求更好材料，让材料具有更加优异的性质或是新的功能来满足人类设会发展中层出不穷的新需要和追求。各种材料是人类使用制造机械设备、桥梁建筑必不可少的工具。从石器时代开始，人类学会使用稻草来建造房屋，用石头制造工具。人类对于物质成分的进一步认识产生了各种金属器。然而，直到近代对于晶体微观结构的认识，真正的使人类的制造、通讯、交通等产业得到了迅速腾飞。例如，没有半导体单晶硅材料，便不能有今天的微电子工业。没有低损耗的光导纤维，也不会产生光纤通讯。对于有一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动社会进步，正是如此才有了人类丰富多彩、璀璨夺目的世界与文化。
2.2 分子、原子的探索推动化学科学
原子的概念最早是古希腊的德谟克利特所提出的，原意是不可分割；但是到了近代汤姆逊发现了电子，这表明原子具有更加微观的结构，他提出了葡萄干糟糕模型；后来他的学生卢瑟福在α粒子散射实验结果的基础上，提出了原子的核式结构，即带正电的而且几乎集中了原子全部质量的部分分布于一个极小的空间（原子核），核外电子绕核运动；再后来就是玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了三条违背经典物理学的假设，非常好的解释了氢原子的光谱，即氢原子的玻尔理论。化学的分析方法正是建立在原子理论的基础之上的，几千年来，人类不断发现和利用各种化学反应来改造世界，创造生活，但是真正意义上的对化学反应进行合理解释却推迟到近二百年前的微观原子结构的发现，以门捷列夫为代表的元素周期表的绘制正式宣告了人类对于化学有了成功的解释。现代化学更是发展到了电子的尺度对一些现象进行解释和实验验证，从而使得人类更好的应用化学改造世界。
2.3 细胞结构的探索推动生物科学
科学上的重大发现总是和技术上的进步分不开的。十七世纪显微镜的发明,把人眼的分辨能力扩大了几百倍，导致了生命体的微观结构—细胞的发现。胡克在1665年用他的复式显微镜观察软木，发现软木是由许多小室构成的，并把这些小室称为细胞[2]。施莱顿和施旺在1838—1839年间提出细胞学说，宣称细胞是生物的形态结构和功能活动的基本单位，论证了生物界的统一性。1867年德国植物学家霍夫迈斯特和1873年的施奈德分别对植物和动物比较详细地叙述了间接分裂；德国细胞学家弗勒明1882年在发现了染色体的纵分裂之后提出了有丝分裂这一名称以代替间接分裂，霍伊泽尔描述了在间接分裂时的染色体分布；
在他之后，施特拉斯布格把有丝分裂划分为直到现在还通用的前期、中期、后期、末期；他和其他学者还在植物中观察到减数分裂，经过进一步研究终于区别出单倍体和双倍体染色体数目。现代分子生物的发展对于细胞生物学的形成和发展起了决细胞上的广泛应用，目前已有可能得到足够量定性作用，并且广泛应用于遗传、农业等领域。从对人体进行解剖，到利用显微镜观测动植物组织，到现在利用电子显微镜观察更加细胞内部结构，人类对于生物科学的认识是建立在细胞的发现和实验的基础之上的。
2.4 微观结构认知的辩证关系
19世纪临近终结时,不少物理学家和化学家都相信科学的重大规律已被发现无遗。当时一些有影响的物理学家曾经说过：“未来的物理学只是让数据精确到小数点后面第几位数的问题了。”然而，第二次科学革命是20世纪初由爱因斯坦等科学家建立的相对论和由波尔、薛定谔、海森堡、泡利等人建立的量子力学[3]。量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。他的研究内容主要集中在分子、原子、凝聚态物质以及原子核和基本粒子结构、性质的基础理论。它是20世纪几乎所有重大发现发明的原始推动力。虽然量子力学理论仍然存在着不完善性和一些猜想假设，但是绝大部分的原理已经被实验所证实。
正如上述的几种微观结构在材料、化学、生物领域的发现与成功应用，推动了人类科学技术的发展与进步，量子力学的探索也将逐步进入到工程技术的层面上来，例如量子分析技术、量子计算机等产品将不断涌现。然而，由于物质微观结构具有难以观测、实验与改造等特点，在其不断探索与认知中必然伴随着假设与推论，这些根据现象提出的假设往往是不完善的，甚至是完全错误的。
古希腊人首先提出了世界组成的四元素说，包含土、水、气、火。这种观点认为世界来源于这四种元素，该思想在相当长的一段时间内影响着人类科学的发展。1777年舍勒在《火与空气》一书中指出：空气是由两种性质不同的气体组成，一种称为“火空气”，一种称为“浊空气”，提出了空气的组成理论。英国科学家道尔顿在十九世纪初提出原子理论，认为物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的、不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。道尔顿原子理论，是人类第一次依据科学实验的证据，成系统的阐述了微观物质世界，是人类对认识物质世界的一次深刻的，具有飞跃性的成就。现代量子力学与物质组成的研究由于其认知的困难性，更是混杂了不断的假设与猜想，如今已经可以解释绝大部分的物理现象。
虽然前人的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。
3 微观结构的自然客观认识规律
3.1 未来微观结构的认知与发展
量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。19世纪末经典物理出现了危机，一系列现象经典物理无法解释。这时，普朗克、爱因斯坦、玻尔为了解释这些现象提出了早期的量子理论。而后德布罗意提出了物质波这一概念，薛定谔就沿着物质波的思路于1926年提出了波动力学。在数学上与波动力学等价的矩阵力学于1925年由海森伯提出。表象理论、不确定原理、氦原子和氢分子、相对论狄拉克方程等工作进一步完善了量子力学。量子力学的发展是艰难的，是历史上少有的天才科学家在一起共同创造了它。量子的概念如此令人困惑，以至于在引入它以后的20年时间内几乎没有什么根本性的进展，后来物理学家们花了三年时间创立了量子力学。
近年来，人们已经能够通过实验在实验室中大规模地检验历史上留下的关于量子力学能否正确描述宏观物体自由运动及量子力学的“非定域性”的基本问题的论争，已经能够通过具体模型的构建去替代过去思辨式的讨论，能够把基本量子特性直接应用到信息和生命等领域，从而可能导致交叉领域的重大进展。人们需要更加关心经典世界和量子世界交流和沟通的基本问题，它们可能孕育着21世纪重大的科学突破。虽然在现阶段量子力学还没有真正的得到广泛的工程应用，但是量子力学始终是引领科学的最前沿。例如，中微子以下还有没有更加微观的结构，这些热点问题始终牵动着物理科学家的神经。量子力学的研究工作可能还并不完善，但是最终有一天人类会揭开自然科学的神秘面纱，将量子力学真正应用在生活之中。
3.2 人与自然客观规律的辩证关系
人类获得经验主要依靠两种方法：观察和实验。观察是指人类在与客观世界的相互作用过程中接受客观世界信息的过程[6]。从实际情况看，人类通过观察获取经验会受到客观条件的很大制约。因此在实际的自然科学研究中，人们主要通过实验方法获得经验。实验方法实质上是人们根据一定的研究目的，运用适当的物质手段控制、模拟、创造自然现象的过程，它可以简化和纯化研究对象，可以强化研究对象使之处于极端状态，可以延缓、加速或再现自然界的变化过程，因此它可以使人类获得纯粹的、典型的、精确的、定向的、系统的、全面的经验。这些经验不仅为科学研究提供了丰富的“感性材料”，而且还可以对科学理论进行严格检验。正由于此，实验方法就成了自然科学的最重要、最基本、最普遍的研究方法，离开了实验方法，自然科学将寸步难行。
正如大科学家爱因斯坦所说：“西方科学发展是以两个伟大成就为基础的，即希腊哲学家发现的形式逻辑体系，以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）。”因此，人类认识自然存在以下三个方面的特征，包括：内容的客观性、理论的逻辑性和应用的普遍性[7,8]。目前，人类认知自然世界最大的障碍主要来源于工具的不完善，对世界的认知总是在一定程度的缓慢进行。
3.1 未来微观结构的认知与发展
量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。19世纪末经典物理出现了危机，一系列现象经典物理无法解释。这时，普朗克、爱因斯坦、玻尔为了解释这些现象提出了早期的量子理论。而后德布罗意提出了物质波这一概念，薛定谔就沿着物质波的思路于1926年提出了波动力学。在数学上与波动力学等价的矩阵力学于1925年由海森伯提出。表象理论、不确定原理、氦原子和氢分子、相对论狄拉克方程等工作进一步完善了量子力学。量子力学的发展是艰难的，是历史上少有的天才科学家在一起共同创造了它。量子的概念如此令人困惑，以至于在引入它以后的20年时间内几乎没有什么根本性的进展，后来物理学家们花了三年时间创立了量子力学。
近年来，人们已经能够通过实验在实验室中大规模地检验历史上留下的关于量子力学能否正确描述宏观物体自由运动及量子力学的“非定域性”的基本问题的论争，已经能够通过具体模型的构建去替代过去思辨式的讨论，能够把基本量子特性直接应用到信息和生命等领域，从而可能导致交叉领域的重大进展。人们需要更加关心经典世界和量子世界交流和沟通的基本问题，它们可能孕育着21世纪重大的科学突破。虽然在现阶段量子力学还没有真正的得到广泛的工程应用，但是量子力学始终是引领科学的最前沿。例如，中微子以下还有没有更加微观的结构，这些热点问题始终牵动着物理科学家的神经。量子力学的研究工作可能还并不完善，但是最终有一天人类会揭开自然科学的神秘面纱，将量子力学真正应用在生活之中。
3.2 人与自然客观规律的辩证关系
人类获得经验主要依靠两种方法：观察和实验。观察是指人类在与客观世界的相互作用过程中接受客观世界信息的过程[6]。从实际情况看，人类通过观察获取经验会受到客观条件的很大制约。因此在实际的自然科学研究中，人们主要通过实验方法获得经验。实验方法实质上是人们根据一定的研究目的，运用适当的物质手段控制、模拟、创造自然现象的过程，它可以简化和纯化研究对象，可以强化研究对象使之处于极端状态，可以延缓、加速或再现自然界的变化过程，因此它可以使人类获得纯粹的、典型的、精确的、定向的、系统的、全面的经验。这些经验不仅为科学研究提供了丰富的“感性材料”，而且还可以对科学理论进行严格检验。正由于此，实验方法就成了自然科学的最重要、最基本、最普遍的研究方法，离开了实验方法，自然科学将寸步难行。
正如大科学家爱因斯坦所说：“西方科学发展是以两个伟大成就为基础的，即希腊哲学家发现的形式逻辑体系，以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）。”因此，人类认识自然存在以下三个方面的特征，包括：内容的客观性、理论的逻辑性和应用的普遍性[7,8]。目前，人类认知自然世界最大的障碍主要来源于工具的不完善，对世界的认知总是在一定程度的缓慢进行。
其中，实验手段与逻辑推理是目前认知自然的最为有效的手段，通过不断地进行探究、思考与批驳，最终会逐渐接近于客观事实，这也是可以采用实验验证出来的。
3.3 科学技术理论的发展规律
科学理论是不断发展的，因为自然界的发生、发展的过程是无穷的，人对自然界的认识的发生、发展的过程也是无穷的，因为人们在各个一定发展阶段上的科学认识只具有相对的真理性，它必然会随着认识的发展而发展[9]。恩格斯在谈到科学理论的发展时指出：一切科学原理都只是近似地正确，它们不是永恒的绝对真理。科学和技术在一定层面上来说反映了人对自然的认知性，只有不断的认识事物发展的客观规律，才能进一步应用自然，改造自然。从历史上来看，人类对自然客观规律的认识往往是片面的甚至是错误的，也就是客观自然具有不可认知性。但是，实验手段与逻辑推理是人类认识自然的两大重要手段，对于前人的理论不断做出批驳与修正，往往得到的认识会更加的接近客观事实。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。对于科学与自然的关系，二者的本质区别在于目的不同，科学属于认识范畴，它主要回答“是什么”、“为什么”的问题，并建立起相应的知识体系；技术属于实践范畴，主要解决对客观世界做什么”、“如何做”的问题，并建立起相应的操作体系。总之，人类改造世界是建立在认知世界的基础上的，只有加大对于基础科学，例如本文提出的物质微观结构研究的工作力度，才能在一定程度上更加认识自然的客观规律性，并在工程技术上得到应用。
4 结论与建议
本文通过对材料、化学、生物学领域物质微观结构的不断探索与应用的历史规律进行系统性的总结，对人类认知自然客观规律的辩证关系进行了深刻讨论，得到主要结论如下：
（1）人类科学技术的发展就是不断对物质微观结构进行探索和认知。对于大尺度甚至是宏观物体的认识往往是较为容易的，由于微观结构具有难以测量、难以实验验证的特点，使得自然客观事实的研究与探索进展缓慢。
（2）从历史上来看，人类对自然客观规律的认识往往是片面的甚至是错误的，也就是客观自然具有不可认知性。但是，实验手段与逻辑推理是人类认识自然的两大重要手段，对于前人的理论不断做出批驳与修正，往往得到的认识会更加的接近客观事实。
（3）自然科学与工程技术具有十分紧密的联系，自然科学主要解决实“是什么”、“为什么”的问题，工程技术是解决“如何做”的问题。除了自然科学以外，必须将科学理论应用在工程应用之中，以发展更为有效的工具与实验手段，才能解决缺乏认知手段的问题。
5 参考文献
[1] 陈其荣. 自然哲学[M]. 复旦大学出版社, 2004.
[2] 王亚辉. 细胞生物学的发展历史和现况[J]. 中国细胞生物学学报, 1986(1).
[3] 刘乃汤. 量子力学的历史回顾[J]. 物理, 1999(9):44-45.
[4] 曾国屏. 科学技术进步与自然辩证法的发展[J]. 清华大学学报:哲学社会科学版, 2004(1):79-82.
[5] 恩格斯. 自然辩证法[M]. 北京:人民出版社,1971.
[6] 马红霞. 浅析自然科学、社会科学和人文科学的本质差异[J]. 广东社会科学, 2006(6):72-77.
[7] 刘元亮等. 科学认识与方法论[M]. 北京:清华大学出版社,1987.
[8] 胡良贵. 科学观与科学方法[M]. 四川大学出版社
[9] 马来平. 科学技术哲学与自然辩证法辨析[J]. 长沙理工大学学报:社会科学版, 2013, 28(2):5-8.
[10] 顺基. 自然辩证法概论[M]. 高等教育出版社,2004
2015-2016学年第二学期
《自然辩证法概论》期末课程论文
物质微观结构探索与应用推动未来科技
——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用
姓 名：
学 号：
任课教师：
完成时间：
年 月 日
物质微观结构探索与应用推动未来科技
——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用
摘要：从人类开始使用工具以来，物质微观结构的探索与应用始终是人类科技进步的源动力。本文从材料、化学、生物学的角度系统的介绍了人类探索物质微观结构的历史，并且结合微观科学在物质组成的观点发展，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点，并且对人类应该如何正确认识自然，以及对未来的科学技术的发展进行了讨论。
关键词：微观结构；力学发展；科学原理；自然认识
1 引言
物质的微观结构涉及到材料、化学、生物学、物理学等诸多领域，是指物质、生物、细胞在显微镜下的结构，以及分子，原子，甚至亚原子的结构。从人类开始制造、使用工具开始，各领域科学技术的不断进步始终伴随着对于物质微观结构的认识深入，并且对于先前提出的原理或技术加以否定和完善。
当代的科学和技术革命，使科学技术步入了大科学时代。材料、能源和信息是构成人工自然的三大要素。以往的科学革命，主要发生在宏观的物体的认识与发现，例如以牛顿力学为代表的第一次科学革命，而当代的科学革命则是以发现物质的微观结构为中心展开的[1]。然而，对于物质微观结构的认识总是进展缓慢的，这是由于微观具有难以观测、难以实验等特点。但是，现在科学技术的研究基础往往是基于对物质微观结构认知基础上的，历史也同样证明，人类不断采用的新技术都是基于具有微观的结构。
前人对于物质组成与结构的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。
本文通过论述材料、化学、生物领域内，物质微观结构的认知推动科学发展的历程，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点。虽然人类不可能真正的认知客观事实，但是可以无限地接近。
2 物质微观结构的研究发展
2.1 晶体结构的探索推动材料科学
材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力的标志，人类社会的里程碑。对材料认识和利用的能力，决定社会形态和人类生活质量，所以人类从没中断过追求更好材料，让材料具有更加优异的性质或是新的功能来满足人类设会发展中层出不穷的新需要和追求。各种材料是人类使用制造机械设备、桥梁建筑必不可少的工具。从石器时代开始，人类学会使用稻草来建造房屋，用石头制造工具。人类对于物质成分的进一步认识产生了各种金属器。然而，直到近代对于晶体微观结构的认识，真正的使人类的制造、通讯、交通等产业得到了迅速腾飞。例如，没有半导体单晶硅材料，便不能有今天的微电子工业。没有低损耗的光导纤维，也不会产生光纤通讯。对于有一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动社会进步，正是如此才有了人类丰富多彩、璀璨夺目的世界与文化。
2.2 分子、原子的探索推动化学科学
原子的概念最早是古希腊的德谟克利特所提出的，原意是不可分割；但是到了近代汤姆逊发现了电子，这表明原子具有更加微观的结构，他提出了葡萄干糟糕模型；后来他的学生卢瑟福在α粒子散射实验结果的基础上，提出了原子的核式结构，即带正电的而且几乎集中了原子全部质量的部分分布于一个极小的空间（原子核），核外电子绕核运动；再后来就是玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了三条违背经典物理学的假设，非常好的解释了氢原子的光谱，即氢原子的玻尔理论。化学的分析方法正是建立在原子理论的基础之上的，几千年来，人类不断发现和利用各种化学反应来改造世界，创造生活，但是真正意义上的对化学反应进行合理解释却推迟到近二百年前的微观原子结构的发现，以门捷列夫为代表的元素周期表的绘制正式宣告了人类对于化学有了成功的解释。现代化学更是发展到了电子的尺度对一些现象进行解释和实验验证，从而使得人类更好的应用化学改造世界。
2.3 细胞结构的探索推动生物科学
科学上的重大发现总是和技术上的进步分不开的。十七世纪显微镜的发明,把人眼的分辨能力扩大了几百倍，导致了生命体的微观结构—细胞的发现。胡克在1665年用他的复式显微镜观察软木，发现软木是由许多小室构成的，并把这些小室称为细胞[2]。施莱顿和施旺在1838—1839年间提出细胞学说，宣称细胞是生物的形态结构和功能活动的基本单位，论证了生物界的统一性。1867年德国植物学家霍夫迈斯特和1873年的施奈德分别对植物和动物比较详细地叙述了间接分裂；德国细胞学家弗勒明1882年在发现了染色体的纵分裂之后提出了有丝分裂这一名称以代替间接分裂，霍伊泽尔描述了在间接分裂时的染色体分布；
在他之后，施特拉斯布格把有丝分裂划分为直到现在还通用的前期、中期、后期、末期；他和其他学者还在植物中观察到减数分裂，经过进一步研究终于区别出单倍体和双倍体染色体数目。现代分子生物的发展对于细胞生物学的形成和发展起了决细胞上的广泛应用，目前已有可能得到足够量定性作用，并且广泛应用于遗传、农业等领域。从对人体进行解剖，到利用显微镜观测动植物组织，到现在利用电子显微镜观察更加细胞内部结构，人类对于生物科学的认识是建立在细胞的发现和实验的基础之上的。
2.4 微观结构认知的辩证关系
19世纪临近终结时,不少物理学家和化学家都相信科学的重大规律已被发现无遗。当时一些有影响的物理学家曾经说过：“未来的物理学只是让数据精确到小数点后面第几位数的问题了。”然而，第二次科学革命是20世纪初由爱因斯坦等科学家建立的相对论和由波尔、薛定谔、海森堡、泡利等人建立的量子力学[3]。量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。他的研究内容主要集中在分子、原子、凝聚态物质以及原子核和基本粒子结构、性质的基础理论。它是20世纪几乎所有重大发现发明的原始推动力。虽然量子力学理论仍然存在着不完善性和一些猜想假设，但是绝大部分的原理已经被实验所证实。
正如上述的几种微观结构在材料、化学、生物领域的发现与成功应用，推动了人类科学技术的发展与进步，量子力学的探索也将逐步进入到工程技术的层面上来，例如量子分析技术、量子计算机等产品将不断涌现。然而，由于物质微观结构具有难以观测、实验与改造等特点，在其不断探索与认知中必然伴随着假设与推论，这些根据现象提出的假设往往是不完善的，甚至是完全错误的。
古希腊人首先提出了世界组成的四元素说，包含土、水、气、火。这种观点认为世界来源于这四种元素，该思想在相当长的一段时间内影响着人类科学的发展。1777年舍勒在《火与空气》一书中指出：空气是由两种性质不同的气体组成，一种称为“火空气”，一种称为“浊空气”，提出了空气的组成理论。英国科学家道尔顿在十九世纪初提出原子理论，认为物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的、不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。道尔顿原子理论，是人类第一次依据科学实验的证据，成系统的阐述了微观物质世界，是人类对认识物质世界的一次深刻的，具有飞跃性的成就。现代量子力学与物质组成的研究由于其认知的困难性，更是混杂了不断的假设与猜想，如今已经可以解释绝大部分的物理现象。
虽然前人的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。
3 微观结构的自然客观认识规律
3.1 未来微观结构的认知与发展
量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。19世纪末经典物理出现了危机，一系列现象经典物理无法解释。这时，普朗克、爱因斯坦、玻尔为了解释这些现象提出了早期的量子理论。而后德布罗意提出了物质波这一概念，薛定谔就沿着物质波的思路于1926年提出了波动力学。在数学上与波动力学等价的矩阵力学于1925年由海森伯提出。表象理论、不确定原理、氦原子和氢分子、相对论狄拉克方程等工作进一步完善了量子力学。量子力学的发展是艰难的，是历史上少有的天才科学家在一起共同创造了它。量子的概念如此令人困惑，以至于在引入它以后的20年时间内几乎没有什么根本性的进展，后来物理学家们花了三年时间创立了量子力学。
近年来，人们已经能够通过实验在实验室中大规模地检验历史上留下的关于量子力学能否正确描述宏观物体自由运动及量子力学的“非定域性”的基本问题的论争，已经能够通过具体模型的构建去替代过去思辨式的讨论，能够把基本量子特性直接应用到信息和生命等领域，从而可能导致交叉领域的重大进展。人们需要更加关心经典世界和量子世界交流和沟通的基本问题，它们可能孕育着21世纪重大的科学突破。虽然在现阶段量子力学还没有真正的得到广泛的工程应用，但是量子力学始终是引领科学的最前沿。例如，中微子以下还有没有更加微观的结构，这些热点问题始终牵动着物理科学家的神经。量子力学的研究工作可能还并不完善，但是最终有一天人类会揭开自然科学的神秘面纱，将量子力学真正应用在生活之中。
3.2 人与自然客观规律的辩证关系
人类获得经验主要依靠两种方法：观察和实验。观察是指人类在与客观世界的相互作用过程中接受客观世界信息的过程[6]。从实际情况看，人类通过观察获取经验会受到客观条件的很大制约。因此在实际的自然科学研究中，人们主要通过实验方法获得经验。实验方法实质上是人们根据一定的研究目的，运用适当的物质手段控制、模拟、创造自然现象的过程，它可以简化和纯化研究对象，可以强化研究对象使之处于极端状态，可以延缓、加速或再现自然界的变化过程，因此它可以使人类获得纯粹的、典型的、精确的、定向的、系统的、全面的经验。这些经验不仅为科学研究提供了丰富的“感性材料”，而且还可以对科学理论进行严格检验。正由于此，实验方法就成了自然科学的最重要、最基本、最普遍的研究方法，离开了实验方法，自然科学将寸步难行。
正如大科学家爱因斯坦所说：“西方科学发展是以两个伟大成就为基础的，即希腊哲学家发现的形式逻辑体系，以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）。”因此，人类认识自然存在以下三个方面的特征，包括：内容的客观性、理论的逻辑性和应用的普遍性[7,8]。目前，人类认知自然世界最大的障碍主要来源于工具的不完善，对世界的认知总是在一定程度的缓慢进行。
3.1 未来微观结构的认知与发展
量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。19世纪末经典物理出现了危机，一系列现象经典物理无法解释。这时，普朗克、爱因斯坦、玻尔为了解释这些现象提出了早期的量子理论。而后德布罗意提出了物质波这一概念，薛定谔就沿着物质波的思路于1926年提出了波动力学。在数学上与波动力学等价的矩阵力学于1925年由海森伯提出。表象理论、不确定原理、氦原子和氢分子、相对论狄拉克方程等工作进一步完善了量子力学。量子力学的发展是艰难的，是历史上少有的天才科学家在一起共同创造了它。量子的概念如此令人困惑，以至于在引入它以后的20年时间内几乎没有什么根本性的进展，后来物理学家们花了三年时间创立了量子力学。
近年来，人们已经能够通过实验在实验室中大规模地检验历史上留下的关于量子力学能否正确描述宏观物体自由运动及量子力学的“非定域性”的基本问题的论争，已经能够通过具体模型的构建去替代过去思辨式的讨论，能够把基本量子特性直接应用到信息和生命等领域，从而可能导致交叉领域的重大进展。人们需要更加关心经典世界和量子世界交流和沟通的基本问题，它们可能孕育着21世纪重大的科学突破。虽然在现阶段量子力学还没有真正的得到广泛的工程应用，但是量子力学始终是引领科学的最前沿。例如，中微子以下还有没有更加微观的结构，这些热点问题始终牵动着物理科学家的神经。量子力学的研究工作可能还并不完善，但是最终有一天人类会揭开自然科学的神秘面纱，将量子力学真正应用在生活之中。
3.2 人与自然客观规律的辩证关系
人类获得经验主要依靠两种方法：观察和实验。观察是指人类在与客观世界的相互作用过程中接受客观世界信息的过程[6]。从实际情况看，人类通过观察获取经验会受到客观条件的很大制约。因此在实际的自然科学研究中，人们主要通过实验方法获得经验。实验方法实质上是人们根据一定的研究目的，运用适当的物质手段控制、模拟、创造自然现象的过程，它可以简化和纯化研究对象，可以强化研究对象使之处于极端状态，可以延缓、加速或再现自然界的变化过程，因此它可以使人类获得纯粹的、典型的、精确的、定向的、系统的、全面的经验。这些经验不仅为科学研究提供了丰富的“感性材料”，而且还可以对科学理论进行严格检验。正由于此，实验方法就成了自然科学的最重要、最基本、最普遍的研究方法，离开了实验方法，自然科学将寸步难行。
正如大科学家爱因斯坦所说：“西方科学发展是以两个伟大成就为基础的，即希腊哲学家发现的形式逻辑体系，以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）。”因此，人类认识自然存在以下三个方面的特征，包括：内容的客观性、理论的逻辑性和应用的普遍性[7,8]。目前，人类认知自然世界最大的障碍主要来源于工具的不完善，对世界的认知总是在一定程度的缓慢进行。
其中，实验手段与逻辑推理是目前认知自然的最为有效的手段，通过不断地进行探究、思考与批驳，最终会逐渐接近于客观事实，这也是可以采用实验验证出来的。
3.3 科学技术理论的发展规律
科学理论是不断发展的，因为自然界的发生、发展的过程是无穷的，人对自然界的认识的发生、发展的过程也是无穷的，因为人们在各个一定发展阶段上的科学认识只具有相对的真理性，它必然会随着认识的发展而发展[9]。恩格斯在谈到科学理论的发展时指出：一切科学原理都只是近似地正确，它们不是永恒的绝对真理。科学和技术在一定层面上来说反映了人对自然的认知性，只有不断的认识事物发展的客观规律，才能进一步应用自然，改造自然。从历史上来看，人类对自然客观规律的认识往往是片面的甚至是错误的，也就是客观自然具有不可认知性。但是，实验手段与逻辑推理是人类认识自然的两大重要手段，对于前人的理论不断做出批驳与修正，往往得到的认识会更加的接近客观事实。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。对于科学与自然的关系，二者的本质区别在于目的不同，科学属于认识范畴，它主要回答“是什么”、“为什么”的问题，并建立起相应的知识体系；技术属于实践范畴，主要解决对客观世界做什么”、“如何做”的问题，并建立起相应的操作体系。总之，人类改造世界是建立在认知世界的基础上的，只有加大对于基础科学，例如本文提出的物质微观结构研究的工作力度，才能在一定程度上更加认识自然的客观规律性，并在工程技术上得到应用。
4 结论与建议
本文通过对材料、化学、生物学领域物质微观结构的不断探索与应用的历史规律进行系统性的总结，对人类认知自然客观规律的辩证关系进行了深刻讨论，得到主要结论如下：
（1）人类科学技术的发展就是不断对物质微观结构进行探索和认知。对于大尺度甚至是宏观物体的认识往往是较为容易的，由于微观结构具有难以测量、难以实验验证的特点，使得自然客观事实的研究与探索进展缓慢。
（2）从历史上来看，人类对自然客观规律的认识往往是片面的甚至是错误的，也就是客观自然具有不可认知性。但是，实验手段与逻辑推理是人类认识自然的两大重要手段，对于前人的理论不断做出批驳与修正，往往得到的认识会更加的接近客观事实。
（3）自然科学与工程技术具有十分紧密的联系，自然科学主要解决实“是什么”、“为什么”的问题，工程技术是解决“如何做”的问题。除了自然科学以外，必须将科学理论应用在工程应用之中，以发展更为有效的工具与实验手段，才能解决缺乏认知手段的问题。
5 参考文献
[1] 陈其荣. 自然哲学[M]. 复旦大学出版社, 2004.
[2] 王亚辉. 细胞生物学的发展历史和现况[J]. 中国细胞生物学学报, 1986(1).
[3] 刘乃汤. 量子力学的历史回顾[J]. 物理, 1999(9):44-45.
[4] 曾国屏. 科学技术进步与自然辩证法的发展[J]. 清华大学学报:哲学社会科学版, 2004(1):79-82.
[5] 恩格斯. 自然辩证法[M]. 北京:人民出版社,1971.
[6] 马红霞. 浅析自然科学、社会科学和人文科学的本质差异[J]. 广东社会科学, 2006(6):72-77.
[7] 刘元亮等. 科学认识与方法论[M]. 北京:清华大学出版社,1987.
[8] 胡良贵. 科学观与科学方法[M]. 四川大学出版社
[9] 马来平. 科学技术哲学与自然辩证法辨析[J]. 长沙理工大学学报:社会科学版, 2013, 28(2):5-8.
[10] 顺基. 自然辩证法概论[M]. 高等教育出版社,2004