第四章 文化素養(yǎng)
第二節(jié)科學(xué)常識(shí)
20世紀(jì)以來(lái)的自然科學(xué)發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了以相對(duì)論、量子力學(xué)、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(xué)革命，從而使自然科學(xué)的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域突破了宏觀世界，迅速向宇觀、微觀和中觀世界進(jìn)軍。
一、現(xiàn)代宇宙學(xué)
現(xiàn)代宇宙學(xué)是在天文學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要研究宇宙的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)、空間分布以及演化規(guī)律。
(一)現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)
廣義相對(duì)論是現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。廣義相對(duì)論建立了空間、時(shí)間是隨著物質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化的理論，從而為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了重要理論基礎(chǔ)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間-時(shí)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(dú)立存在的。這-思想由于其革命性和數(shù)學(xué)形式上的深?yuàn)W，在-段時(shí)間里不為科學(xué)界所接受。但由于得到越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，今天廣義相對(duì)論已被公認(rèn)為研究大尺度時(shí)空的理論基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)主要包括：(1)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng);(2)光譜引力紅移;(3)光線在引力場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。自此，廣義相對(duì)論被科學(xué)家稱(chēng)為“人類(lèi)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(yīng)與譜線紅移
多普勒效應(yīng)是物理學(xué)測(cè)定物體運(yùn)動(dòng)速度的有力手段。它描述了這樣-種現(xiàn)象，即面向觀察者運(yùn)動(dòng)的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍(lán)端)移動(dòng)，而背向觀察者運(yùn)動(dòng)的光源譜線將向低頻(即紅端)移動(dòng)，波長(zhǎng)的相對(duì)移動(dòng)量與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比。
1929年，美國(guó)科學(xué)家哈勃在仔細(xì)研究了-批星系的光譜之后發(fā)現(xiàn)，除個(gè)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(yīng)，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(shí)了宇宙是不斷膨脹的，它不僅說(shuō)明宇宙的無(wú)限性，也說(shuō)明物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性，還說(shuō)明宇宙在不斷地演化和發(fā)展。愛(ài)因斯坦本人根據(jù)這-發(fā)現(xiàn)。自動(dòng)放棄了“靜態(tài)宇宙結(jié)構(gòu)模型”。
2.電磁波的應(yīng)用
電磁波可以傳遞宇宙的各種信息。通過(guò)電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學(xué)家們可以對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)、起源和演化進(jìn)行研究。比如，利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以接收到可見(jiàn)光傳來(lái)的天體信息;利用射電望遠(yuǎn)鏡可以接收天體傳來(lái)的射電波;利用裝置著探測(cè)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(tái)，接收全部電磁波傳來(lái)的信息，研究不同類(lèi)型的天體狀況，
分析宇宙的結(jié)構(gòu)和它們的演化過(guò)程。
(三)宇宙演化的大爆炸模型
在20世紀(jì)40年代末，美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這-模型認(rèn)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(shí)刻就是今天所觀察到的宇宙的開(kāi)端：當(dāng)時(shí)的溫度高達(dá)100億度以上，物質(zhì)密度極大，整個(gè)宇宙體系達(dá)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(qiáng)力、弱力和電磁力逐-地分化出來(lái);后來(lái)，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(chēng)3K背景輻射，是-種充滿(mǎn)整個(gè)宇宙的電磁輻射，其對(duì)應(yīng)到的溫度為3K。該發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論提供了-個(gè)有力的證據(jù)。
二、現(xiàn)代物理學(xué)
(一)原子核物理學(xué)電力的發(fā)現(xiàn)和原子結(jié)構(gòu)的研究表明，原子是由原子核和電子組成的。
原子核物理學(xué)是以原子核的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律為研究對(duì)象的，是20世紀(jì)20年代建立起來(lái)的。
1.對(duì)核子的研究
1919年，著名物理學(xué)家盧瑟福用a粒子做炮彈轟擊原子核時(shí)，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(guó)的查德威克又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成原子核的另-種基本粒子，即中子。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子。
2.核裂變與核能應(yīng)用
原子和中子的發(fā)現(xiàn)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的進(jìn)步，也為進(jìn)-步揭開(kāi)微觀領(lǐng)域的奧秘提供了新的武器——質(zhì)子和中子炮彈。1938年，德國(guó)的哈恩在用慢中子轟擊鈾核時(shí)，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(xué)家費(fèi)米又提出了原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)觀點(diǎn)，即用鈾核裂變時(shí)放出的新中子再去轟擊其他鈾核使之發(fā)生連鎖反應(yīng)，裂變時(shí)由于質(zhì)量虧損會(huì)放出巨大能量的觀點(diǎn)。這就是原子彈和原子能反應(yīng)堆的基本原理。1942年，費(fèi)米制成世界上第-個(gè)原子能反應(yīng)堆后，原子能便從實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用。
(二)粒子物理學(xué)
粒子物理學(xué)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(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，也稱(chēng)高能物理學(xué)。
1.三類(lèi)基本粒子
迄今，人們已認(rèn)識(shí)到構(gòu)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(fèi)米子，36種夸克——感受強(qiáng)作用力的帶電粒子，12種媒介子——傳遞相互作用的粒子，共計(jì)60種。
2.三種作用力
作用在物質(zhì)上的所有的力可歸結(jié)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(qiáng)有力的-種力;
強(qiáng)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(jié)在-起的色力，使原子核保持為-個(gè)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的電弱統(tǒng)-理論描述的-種力。
(三)熱力學(xué)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(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導(dǎo)是物質(zhì)原子在平衡位置附近機(jī)械振動(dòng)時(shí)的能量傳遞，熱輻射是物體內(nèi)部帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現(xiàn)象和機(jī)械運(yùn)動(dòng)都是能量的不同形式，可以相互轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律。
①熱力學(xué)第-定律
熱力學(xué)系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對(duì)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(dòng)機(jī)。
②熱力學(xué)第二定律
熱機(jī)不可能把從高溫?zé)嵩粗形盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為有用功，總要把-部分傳給低溫?zé)嵩础８鶕?jù)這個(gè)定律，任何熱機(jī)的效率都不可能達(dá)到100%。
③熱力學(xué)第三定律
在科學(xué)家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎(chǔ)上，能斯特提出，在溫度達(dá)到絕對(duì)零度(-273攝氏度)時(shí)，物質(zhì)系統(tǒng)(分子或原子)無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)將停止。絕對(duì)零度不可能達(dá)到，但是可以無(wú)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(chǎng)、磁場(chǎng)本身，以及電轉(zhuǎn)化為磁、磁轉(zhuǎn)化為電等全部電磁現(xiàn)象所滿(mǎn)足的數(shù)學(xué)關(guān)系，預(yù)言了電磁波的存在，并預(yù)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(yùn)動(dòng)的基本理論，被稱(chēng)為自然科學(xué)的第三次理論大綜合。電磁波的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)，為無(wú)線電通訊開(kāi)辟了道路。
(五)相對(duì)論
相對(duì)論是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的物理學(xué)理論，描述物體的高速運(yùn)動(dòng)和相關(guān)的時(shí)空性質(zhì)。相對(duì)論引發(fā)了現(xiàn)代物理學(xué)革命，同時(shí)也深刻地影響了人類(lèi)的時(shí)空觀。相對(duì)論包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。相對(duì)論與量子力學(xué)、基因理論和系統(tǒng)理論被稱(chēng)為現(xiàn)代科學(xué)四大基礎(chǔ)理論。廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理是：-，等效原理：引力與慣性力等效;二，廣義協(xié)變?cè)恚杭磸V義相對(duì)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。