第四章 文化素养
第二节科学常识
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、微观和中观世界进军。
一、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-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-思想由于其革命性和数学形式上的深奥，在-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-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-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-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。爱因斯坦本人根据这-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Y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-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-次大爆炸，大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙的开端：当时的温度高达100亿度以上，物质密度极大，整个宇宙体系达到平衡，宇宙间只有由中子、质子、电子、光子和中微子等-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-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-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-个有力的证据。
二、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。
原子核物理学是以原子核的物质结构、性质及其内在规律为研究对象的，是20世纪20年代建立起来的。
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-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-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-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。
1.三类基本粒子
迄今，人们已认识到构成物质的最小组分：12种轻子——只参加弱相互作用、电磁相互作用的费米子，36种夸克——感受强作用力的带电粒子，12种媒介子——传递相互作用的粒子，共计60种。
2.三种作用力
作用在物质上的所有的力可归结为三种：
引力——由引力子传递的最弱的力，但在宇宙大距离、大质量尺度上却是强有力的-种力;
强力——由胶子携带仅在原子核内夸克之间起作用的短程力，即将夸克胶结在-起的色力，使原子核保持为-个整体：
统-的电弱力——以电磁力和弱力两种表现形式出现的同-基本力，经受了实验检验的电弱统-理论描述的-种力。
(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-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-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(-273摄氏度)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-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-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，为无线电通讯开辟了道路。
(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：-，等效原理：引力与惯性力等效;二，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。