第四章 文化素養(yǎng)
第二節(jié)科學常識
20世紀以來的自然科學發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了以相對論、量子力學、基因理論和系統(tǒng)理論創(chuàng)立為主要內(nèi)容的現(xiàn)代科學革命，從而使自然科學的認識領域突破了宏觀世界，迅速向宇觀、微觀和中觀世界進軍。
一、現(xiàn)代宇宙學
現(xiàn)代宇宙學是在天文學基礎上發(fā)展起來的，主要研究宇宙的本質(zhì)、結構、空間分布以及演化規(guī)律。
(一)現(xiàn)代宇宙學的理論基礎
廣義相對論是現(xiàn)代宇宙學研究的理論基礎。廣義相對論建立了空間、時間是隨著物質(zhì)分布和運動速度的變化而變化的理論，從而為現(xiàn)代宇宙學奠定了重要理論基礎。廣義相對論認為，空間-時間本質(zhì)上是物質(zhì)客體的廣延性和持續(xù)性，它本身不是獨立存在的。這-思想由于其革命性和數(shù)學形式上的深奧，在-段時間里不為科學界所接受。但由于得到越來越多的實驗證實，今天廣義相對論已被公認為研究大尺度時空的理論基礎。這些實驗主要包括：(1)水星近日點的進動;(2)光譜引力紅移;(3)光線在引力場中偏轉。自此，廣義相對論被科學家稱為“人類思想史上最偉大的成就之一”。
(二)宇宙研究的觀察手段
1.多普勒效應與譜線紅移
多普勒效應是物理學測定物體運動速度的有力手段。它描述了這樣-種現(xiàn)象，即面向觀察者運動的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍端)移動，而背向觀察者運動的光源譜線將向低頻(即紅端)移動，波長的相對移動量與相對運動速度成正比。
1929年，美國科學家哈勃在仔細研究了-批星系的光譜之后發(fā)現(xiàn)，除個別例外，絕大多數(shù)星系的光譜都表現(xiàn)出紅移，而且紅移量大致同星系的距離成正比。如果將紅移解釋為多普勒效應，那就意味著所有星系都在離地球而去，其退行速度和與地球的距離成正比。這-重要發(fā)現(xiàn)證實了宇宙是不斷膨脹的，它不僅說明宇宙的無限性，也說明物質(zhì)運動的絕對性，還說明宇宙在不斷地演化和發(fā)展。愛因斯坦本人根據(jù)這-發(fā)現(xiàn)。自動放棄了“靜態(tài)宇宙結構模型”。
2.電磁波的應用
電磁波可以傳遞宇宙的各種信息。通過電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學家們可以對宇宙的結構、起源和演化進行研究。比如，利用光學望遠鏡可以接收到可見光傳來的天體信息;利用射電望遠鏡可以接收天體傳來的射電波;利用裝置著探測天體的紅外線、紫外線、X射線和Y射線等各種儀器的衛(wèi)星、高能天文臺，接收全部電磁波傳來的信息，研究不同類型的天體狀況，
分析宇宙的結構和它們的演化過程。
(三)宇宙演化的大爆炸模型
在20世紀40年代末，美國物理學家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這-模型認為，宇宙起源于160億年前溫度和密度極高的“原始火球”的-次大爆炸，大爆炸的時刻就是今天所觀察到的宇宙的開端：當時的溫度高達100億度以上，物質(zhì)密度極大，整個宇宙體系達到平衡，宇宙間只有由中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等-些基本粒子形態(tài)物質(zhì)混合而成的“宇宙湯”;大爆炸后，四種基本力，即引力、強力、弱力和電磁力逐-地分化出來;后來，物質(zhì)形態(tài)依次演化為原子、氣態(tài)物質(zhì)、各種恒星體系，最后發(fā)展成今天的宇宙。
1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，又稱3K背景輻射，是-種充滿整個宇宙的電磁輻射，其對應到的溫度為3K。該發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論提供了-個有力的證據(jù)。
二、現(xiàn)代物理學
(一)原子核物理學電力的發(fā)現(xiàn)和原子結構的研究表明，原子是由原子核和電子組成的。
原子核物理學是以原子核的物質(zhì)結構、性質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律為研究對象的，是20世紀20年代建立起來的。
1.對核子的研究
1919年，著名物理學家盧瑟福用a粒子做炮彈轟擊原子核時，首次發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。由于核內(nèi)所含質(zhì)子的總質(zhì)量與原子量差別很大。這又促使人們?nèi)ヌ剿鹘M成原子核的其他基本粒子。1932年，英國的查德威克又在實驗中發(fā)現(xiàn)了構成原子核的另-種基本粒子，即中子。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。
2.核裂變與核能應用
原子和中子的發(fā)現(xiàn)是物質(zhì)結構學說的進步，也為進-步揭開微觀領域的奧秘提供了新的武器——質(zhì)子和中子炮彈。1938年，德國的哈恩在用慢中子轟擊鈾核時，首次發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變現(xiàn)象。并放出新的中子。此后，意大利物理學家費米又提出了原子核裂變的鏈式反應觀點，即用鈾核裂變時放出的新中子再去轟擊其他鈾核使之發(fā)生連鎖反應，裂變時由于質(zhì)量虧損會放出巨大能量的觀點。這就是原子彈和原子能反應堆的基本原理。1942年，費米制成世界上第-個原子能反應堆后，原子能便從實驗轉向應用。
(二)粒子物理學
粒子物理學是研究最微觀層次的物質(zhì)(即基本粒子)的存在形式、性質(zhì)、轉化和運動規(guī)律的物理學分支，也稱高能物理學。
1.三類基本粒子
迄今，人們已認識到構成物質(zhì)的最小組分：12種輕子——只參加弱相互作用、電磁相互作用的費米子，36種夸克——感受強作用力的帶電粒子，12種媒介子——傳遞相互作用的粒子，共計60種。
2.三種作用力
作用在物質(zhì)上的所有的力可歸結為三種：
引力——由引力子傳遞的最弱的力，但在宇宙大距離、大質(zhì)量尺度上卻是強有力的-種力;
強力——由膠子攜帶僅在原子核內(nèi)夸克之間起作用的短程力，即將夸克膠結在-起的色力，使原子核保持為-個整體：
統(tǒng)-的電弱力——以電磁力和弱力兩種表現(xiàn)形式出現(xiàn)的同-基本力，經(jīng)受了實驗檢驗的電弱統(tǒng)-理論描述的-種力。
(三)熱力學三定律
熱是最普遍的能量傳遞形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運動的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導是物質(zhì)原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內(nèi)部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現(xiàn)象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉化，并且遵循能量守恒定律。
①熱力學第-定律
熱力學系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內(nèi)能：不可能造出既不需外界能量又不消耗系統(tǒng)內(nèi)能的永動機。
②熱力學第二定律
熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把-部分傳給低溫熱源。根據(jù)這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100%。
③熱力學第三定律
在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(-273攝氏度)時，物質(zhì)系統(tǒng)(分子或原子)無規(guī)則的熱運動將停止。絕對零度不可能達到，但是可以無限趨近。
(四)電磁理論
1864年，麥克斯韋用-組偏微分方程概括了電場、磁場本身，以及電轉化為磁、磁轉化為電等全部電磁現(xiàn)象所滿足的數(shù)學關系，預言了電磁波的存在，并預言光是-種電磁波。1888年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波。麥克斯韋的電磁理論成為描述電磁運動的基本理論，被稱為自然科學的第三次理論大綜合。電磁波的預言和發(fā)現(xiàn)，為無線電通訊開辟了道路。
(五)相對論
相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質(zhì)。相對論引發(fā)了現(xiàn)代物理學革命，同時也深刻地影響了人類的時空觀。相對論包括狹義相對論和廣義相對論。相對論與量子力學、基因理論和系統(tǒng)理論被稱為現(xiàn)代科學四大基礎理論。廣義相對論的兩個基本原理是：-，等效原理：引力與慣性力等效;二，廣義協(xié)變原理：即廣義相對性原理。指所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。