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第四章 文化修养

第二节 科普知识

　　20世纪以来的自然科学发展历程中，出现了以相对论、量子力学、基因理论和系统理论创立为主要内容的现代科学革命，从而使自然科学的认识领域突破了宏观世界，迅速向宇观、宏观、中观和微观世界进军。

　　命题点1：现代宇宙学

　　现代宇宙学是在天文学基础上发展起来的，主要研究宇宙的本质、结构、空间分布以及演化规律。

　　(一)现代宇宙学的理论基础

　　广义相对论是现代宇宙学研究的理论基础。广义相对论建立了空间、时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的理论，从而为现代宇宙学奠定了重要理论基础。广义相对论认为，空间一时间本质上是物质客体的广延性和持续性，它本身不是独立存在的。这一思想由于其革命性和数学形式上的深奥，在一段时间里不为科学界所接受。但由于得到越来越多的实验证实，今天广义相对论已被公认为研究大尺度时空的理论基础。这些实验主要包括：①水星近日点的进动;②光谱引力红移;③光线在引力场中偏转。自此，广义相对论被科学家称为“人类思想史上最伟大的成就之一”。

　　(二)宇宙研究的观察手段

　　1.多普勒效应与谱线红移

　　多普勒效应是物理学测定物体运动速度的有力手段。它描述了这样一种现象，即面向观察者运动的光源谱线(与静止光源相比)将向高频(即光谱蓝端)移动，而背向观察者运动的光源谱线将向低频(即光谱红端)移动，波长的相对移动量与相对运动速度成正比。

　　1929年，美国科学家哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现，除个别例外，绝大多数星系的光谱都表现出红移，而且红移量大致同星系的距离成正比。如果将红移解释为多普勒效应，那就意味着所有星系都在离地球而去，其退行速度和与地球的距离成正比。这一重要发现证实了宇宙是不断膨胀的，它不仅说明宇宙的无限性，也说明物质运动的绝对性，还说明宇宙在不断地演化和发展。爱因斯坦根据这一发现，自动放弃了“静态宇宙结构模型”。

　　2.电磁波的应用

　　电磁波可以传递宇宙的各种信息。通过电磁波传递宇宙的各种信息，天文学家们可以对宇宙的结构、起源和演化进行研究。比如，利用光学望远镜可以接收到可见光传来的天体信息;利用射电望远镜可以接收天体传来的射电波;利用装置着探测天体的红外线、紫外线、X射线和X射线等各种仪器的卫星、高能天文台，接收全部电磁波传来的信息，研究不同类型的天体状况，分析宇宙的结构和它们的演化过程。

　　(三)宇宙演化的大爆炸模型

　　在20世纪40年代末，美国物理学家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。这一模型认为，宇宙起源于160亿年前温度和密度极高的“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态物质混合而成的“宇宙汤”;大爆炸后，四种基本力，即引力、强力、弱力和电磁力逐一地分化出来;后来，物质形态依次演化为原子、气态物质、各种恒星体系，最后发展成今天的宇宙。

　　1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，又称3K背景辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射，其对应到的温度为3K。该发现为大爆炸理论提供了一个有力的证据。

　　命题点2：现代物理学

　　(一)原子核物理学

　　电力的发现和原子结构的研究表明，原子是由原子核和电子组成的。原子核物理学以原子核的物质结构、性质及其内在规律为研究对象，在20世纪20年代建立起来。

　　1.对核子的研究

　　1919年，著名物理学家卢瑟福用a粒子做“炮弹”轰击原子核时，首次发现了质子。由于核内所含质子的总质量与原子量差别很大，这又促使人们去探索组成原子核的其他基本粒子。

　　1932年，英国的查德威克又在实验中发现了构成原子核的另一种基本粒子，即中子。质子和中子统称为核子。

　　2.核裂变与核能应用

　　原子和中子的发现是物质结构学说的进步，也为进一步揭开微观领域的奥秘提供了新的武器——质子和中子“炮弹”。1938年，德国的哈恩在用慢中子轰击铀核时，首次发现了原子核的裂变现象，并放出新的中子。此后，意大利物理学家费米又提出了原子核裂变的链式反应观点，即用铀核裂变时放出的新中子再去轰击其他铀核使之发生连锁反应，裂变时由于质量亏损会放出巨大能量的观点。这就是原子弹和原子能反应堆的基本原理。1942年，费米制成世界上第一个原子能反应堆后，原子能便从实验转向应用。

　　(二)粒子物理学

　　粒子物理学是研究最微观层次的物质(即基本粒子)的存在形式、性质、转化和运动规律的物理学分支，也称高能物理学。

　　(三)热力学三定律

　　热是最普遍的能量传递形式。气体温度是大量气体分子热运动的宏观表现，固体的热传导是物质原子在平衡位置附近机械振动时的能量传递。热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的电磁辐射。所以，热、电磁、光等现象和机械运动都是能量的不同形式，可以相互转化，并且遵循能量守恒定律。

　　1.热力学第一定律

　　热力学系统如不吸收外部热量却对外做功，须消耗内能;不可能造出既不需外界能量又不消耗系统内能的永动机。

　　2.热力学第二定律

　　热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分传给低温热源。根据这个定律，任何热机的效率都不可能达到100%。

　　3.热力学第三定律

　　在科学家研究固体、液体、分子和原子的自由能的基础上，能斯特提出，在温度达到绝对零度(一273℃)时，物质系统(分子或原子)无规则的热运动将停止。绝对零度不可能达到，但是可以无限趋近。

　　(四)电磁理论

　　1864年，麦克斯韦用一组偏微分方程概括了电场、磁场本身，以及电转化为磁、磁转化为电等全部电磁现象所满足的数学关系，预言了电磁波的存在，并预言光是一种电磁波。1888年，赫兹发现了电磁波。麦克斯韦的电磁理论成为描述电磁运动的基本理论，被称为自然科学的第三次理论大综合。电磁波的预言和发现，为无线电通信开辟了道路。

　　(五)相对论

　　相对论是爱因斯坦创立的物理学理论，描述物体的高速运动和相关的时空性质。相对论引发了现代物理学革命，同时也深刻地影响了人类的时空观。相对论包括狭义相对论和广义相对论。

　　相对论与量子力学、基因理论和系统理论被称为现代科学四大基础理论。广义相对论的两个基本原理是：①等效原理：引力与惯性力等效：②广义协变原理：即广义相对性原理，指所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。

　　(六)量子力学

　　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。量子力学是现代物理学的基础理论，对半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展都具有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。

　　1905年，爱因斯坦提出了光量子说。

　　1924年，法国物理学家德布罗意证明了物质具有波粒二象性。

　　1925年，德国物理学家海森堡和玻尔，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。

　　1926年，奥地利科学家薛定谔提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程——薛定谔方程，给出了量子论的另一个数学描述——波动力学。后来，物理学家将矩阵力学与波动力学统一起来，统称量子力学。

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