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、結構、空間分布以及演化規(guī)律.
(-)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-時間本質上是物質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"人類思想最偉大的成就之-".
(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,物質密度極大,整個宇宙體系達到平衡,宇宙間只有由中子、質子、電子、光子和中微子等-些基本粒子形態(tài)物質混合而成的"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,物質形態(tài)依次演化為原子、氣態(tài)物質、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
(-)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
物質結構、性質及其內在規(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)了質子.由于核內所含質子的總質量與原子量差別很大.這又促使人們去探索組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(即基本粒子)的存在形式、性質、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,須消耗內能:不可能造出既不需外界能量又不消耗系統(tǒng)內能的永動機.
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.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.
(六)量子力學量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規(guī)律的物理科學.量子力學是現(xiàn)代物理學的基礎理
論,對半導體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發(fā)展都具有重要的理論意義.量子力學的產(chǎn)生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍.
1905年,愛因斯坦提出了光量子說.
1924年,法國物理學家德布羅意證明了物質具有波粒二象性.
1925年,德國物理學家海森伯和玻爾,建立了量子理論第-個數(shù)學描述--矩陣力學.1926年,奧地利科學家提出了描述物質波連續(xù)時空演化的偏微分方程--薛定諤方程,給出了量子論的另-個數(shù)學描述--波動力學.后來,物理學家將矩陣力學與波動力學統(tǒng)-起來,統(tǒng)稱量子力學.
三、生命科學
(一)生命的物質基礎
1.細胞
細胞是-切生命體的基本單位,植物和動物的發(fā)育過程就是新細胞形成的過程.細胞內部有細胞核,外部是細胞質和最外層的細胞膜.細胞質主要由蛋白質和核糖核酸(RNA)構成,細胞核中最重要的物質是脫氧核糖核酸(DNA).
2.蛋白質
蛋白質是-類極為復雜的含氮化合物,它是構成生物體的主要成分,是構成細胞的基本物質材料,占生物體干物質重的50%.所有的蛋白質都含有碳、氫、氧、氮四種元素.組成蛋白質的基本單位是氨基酸,它具有生物功能的多樣復雜性,因而是重要的生命物質,在生命活動中起著重要作用,
3.核酸
核酸同生物的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳和變異有著密切的關系.核酸的基本單位是核苷酸,每個核苷酸分子由戊糖、磷酸和含氮堿基組成.組成核苷酸的戊糖有兩種:核糖和脫氧核糖.組成核酸的含氮堿基有尿嘧啶(U)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G).由核糖和A、G、C、U四種堿基及磷酸組成的核酸稱為核糖核酸(RNA);由脫氧核糖與A、G、C、T四種堿基和磷酸組成的核酸稱為脫氧核糖核酸(DNA).
在DNA分子結構中,堿基的配對規(guī)律為:A與T配對,G與C配對,反之亦然.
4.新陳代謝
只要生命存在,生物體就要和外部環(huán)境不斷進行物質和能量交換,這就是新陳代謝.這個過程包括從外部攝取養(yǎng)料,轉換成自身的物質,并儲存能量,同時也要將自身的-些物質分解,向外排出物質和釋放能量.如綠色植物借光合作用以水、二氧化碳和無機鹽等無機物制造有機物,并放出氧:非綠色植物可分解現(xiàn)成的有機物,釋放出二氧化碳和水.
(二)基因的概念
基因是DNA中的最小遺傳功能單位.基因在DNA分子中是以特定順序排列的、含有幾百到幾千個核苷酸的特定區(qū)段,是傳遞指揮DNA復制命令和控制性狀遺傳指令的作用因子.也稱遺傳因子.
(三)生命的遺傳和變異
生物最為引人注目的特征,就是能夠通過繁殖將本物種的性狀特征傳遞下去,產(chǎn)生與親代相似的子代,即遺傳現(xiàn)象.遺傳過程實質上是遺傳物質傳遞的過程.遺傳信息的傳遞是依靠DNA的復制過程進行的.DNA主要存在于細胞核中,而蛋白質的合成是在細胞質中進行的.而將DNA攜帶的遺傳信息傳遞到細胞質中去的物質就是RNA.RNA是傳達DNA信息的信使.DNA傳遞遺傳信息遵守"中心法則",即遺傳信息從DNA傳遞給RNA.再從RNA傳遞給蛋白質,即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程.也可以從DNA傳遞給DNA.即完成DNA的復制過程.
變異和遺傳-樣,也是生物運動的普遍規(guī)律.變異是指同種生物世代之間或同代不同個體之間的性狀差異.變異可分為遺傳的變異和不遺傳的變異.不遺傳的變異是僅由環(huán)境條件直接引起的變化,如動植物因營養(yǎng)不足而發(fā)育不良,因環(huán)境污染而器官畸變等,-般是定向的.在生物進化上,只有遺傳的變異才是自然選擇的材料.遺傳的變異通過遺傳物質的改變而變化,包括基因突變和染色體畸變,-般是不定向的.
(四)人類基因組計劃
人類基因組計劃是與曼哈頓原子計劃、阿波羅登月計劃并稱的人類科學的重大工程.人類基因組計劃的目標是測定和繪制人體的24條染色體(22條常染色體和X、Y性染色體)上30多億個堿基對的全序列.
2000年6月26日,人類基因組計劃已繪制出覆蓋面達97%的人類基因組"工作框架圖".2001年2月12日,六國科學家共同宣布,經(jīng)過初步測定和分析,人類基因組共有32億個堿基對,組成大約3萬-3.5萬個蛋白編碼基因,遠小于原先10萬個基因的估計.2003年4月14日,中、美、英、日、法、德六國政府首腦聯(lián)名發(fā)表聲明.宣布人類基因組序列圖提前繪成.
四、環(huán)境科學
(-)環(huán)境科學的概念
環(huán)境科學是研究人類在認識自然和改造自然中人與環(huán)境之間相互關系的科學.它是-門綜合性很強的新興科學,是以人類與其生存環(huán)境構成的"人類-環(huán)境"系統(tǒng)為對象,應用化學、生物學、物理學、地質學、自然地理學、土壤學、氣象學和醫(yī)學等學科的原理和方法,研究人類與其環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約和相互調適,研究由人類活動所引起的環(huán)境質量的變化及其評價、預測、控制、改善和保護的科學.
(二)環(huán)境科學發(fā)展的現(xiàn)狀
1.環(huán)境問題與環(huán)境科學
(1)人類目前面臨的環(huán)境問題,已日益影響到人類的正常生活.這些環(huán)境問題主要有人口問題、能源問題、資源問題和環(huán)境保護問題.
(2)環(huán)境問題主要是由人類生活和生產(chǎn)活動的飛速發(fā)展引起的.人類活動使環(huán)境條件發(fā)生變化,對人類生存環(huán)境造成污染和破壞,影響人類的正常生產(chǎn)和生活,給人類直至后代帶來災害,這就是環(huán)境問題的實質.
(3)目前的環(huán)境科學已由過去單純的從環(huán)境問題出發(fā)的研究發(fā)展到從環(huán)境整體出發(fā),進行跨學科合作的整體性研究;研究方法上也開始運用系統(tǒng)方法,以微觀和宏觀相結合的方法,以整體觀念剖析環(huán)境問題,更加注意對生命維持系統(tǒng)的研究,擴大生態(tài)學原理的應用范圍:已注意開展對全球性環(huán)境問題的國際性研究,發(fā)展高效益的環(huán)境污染控制技術.
2.生態(tài)科學
生態(tài)科學是研究生物體與其生存環(huán)境之間相互關系的-門學科,又稱為環(huán)境生物學.按其研究的對象.生態(tài)學又可以分為個體生態(tài)學、種群生態(tài)學和群落生態(tài)學.目前,生態(tài)學研究的重點正轉向以人"類社會為主體,重視人與環(huán)境相互作用的研究,因而在社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展中正發(fā)揮著愈來愈重要的作用.
(1)生態(tài)系統(tǒng).在地球表面的-定空間中,生物群體與無機環(huán)境通過能量轉換與物質循環(huán)聯(lián)結成-個整體.生態(tài)系統(tǒng),按其環(huán)境特征可分為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng).
(2)生態(tài)平衡.生態(tài)平衡又稱"自然平衡".在自然界中,不論森林、草原還是湖泊,都是由動物、植物、微生物等生物成分和光、水、土壤、空氣、溫度等非生物成分所組成.每-個成分都不是孤立存在的,而是相互聯(lián)系、相互制約的統(tǒng)-綜合體.它們之間通過相互作用達到-個相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài),稱為生態(tài)平衡.
(3)生態(tài)安全.生態(tài)安全是以生態(tài)學方法來定義環(huán)境保護論之外的人類安全行為,并用于評定對人類社會的未來安全有著極為密切的四種發(fā)展關系:人與自然環(huán)境之間;不同的人群之間;人與其他物種的數(shù)量之間:人與病原微生物之間.生態(tài)安全將取決于保持這四種關系中任何-種的微妙平衡.
(4)生物多樣性.生物多樣性是指地球上的生物(包括動物、植物、微生物)在所有形式、層次和聯(lián)合體中生命的多樣化.包括遺傳多樣性、生物物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性.生物多樣性是地球上生命經(jīng)過幾十億年發(fā)展進化的結果,是人類賴以生存的物質基礎.
(三)可持續(xù)發(fā)展
1.可持續(xù)發(fā)展的概念
聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會在其1987年發(fā)表的報告《我們共同的未來》中,提出了可持續(xù)發(fā)展概念.可持續(xù)發(fā)展是指既滿足當代人的需求,又不對后代人滿足其自身需求的能力構成危害的發(fā)展.雖然可持續(xù)發(fā)展概念是從生態(tài)學的角度提出的,但是.它實際上涵蓋了自然環(huán)境的改善、經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步三個層次的內容.第-,可持續(xù)發(fā)展并不否定經(jīng)濟增長,但需要重新審視如何實現(xiàn)經(jīng)濟增長.第二,可持續(xù)發(fā)展以自然資源為基礎,與環(huán)境承載能力相協(xié)調.第三,可持續(xù)發(fā)展以提高生活質量為目標,和社會進步相適應.
2.聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會
1992年6月3日至14日在巴西里約熱內盧舉行的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會,是聯(lián)合國成立以來規(guī)模、級別、參加人數(shù)最多、影響最為深遠的-次國際會議.大會通過了《關于環(huán)境與發(fā)展的里約熱內盧宣言》(又稱《地球憲章》)、{21世紀議程》、《關于森林問題的原則聲明》等重要文件,有150多個國家簽署了《氣候變化框架公約》和《生物多樣性公約》.這是-次拯救地球的歷史性盛會,是國際社會對人類與自然的關系在認識的-次大飛躍,第-次從環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展有機聯(lián)系的高度,提出了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及其行動綱領--《21世紀議程》,確定了面向21世紀國際環(huán)境和發(fā)展合作的原則,將可持續(xù)發(fā)展由概念、理論推向行動.在國務院各有關部門、機構和社會團體的廣泛參與下,經(jīng)中外專家的共同努力,于1993年4月完成了《中國21世紀議程》的第-稿,此項工作完成后,我國成為世界上第-個編制21世紀議程的國家.