现代自然科学的发展天地生

第三部分现代自然科学——20世纪自然科学的发展

现代自然科学的发展一、现代数学的发展二、现代物理学的发展三、现代化学的发展四、现代天文学的发展五、现代地学的发展六、现代生物学的发展四、现代天文学的发展观测手段的进步20世纪60年代四大发现类星体脉冲星微波背景辐射星际有机分子两大基本理论恒星演化宇宙大爆炸模型观测手段的进步1.由于天文学研究对象的特殊性，它的现代发展离不开观测手段的改进，这里主要指射电望远镜的发展和应用。2.1937年，美国的雷伯制造了第一台射电望远镜，抛物面直径达9米。3.1942年，英国海伊用军用的超高频雷达首先发现了太阳射电。4.六十年代天文学上的4大发现——类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子，都是靠射电探测工具获得的。类星体类星体是20世纪60年代天文学的“四大发现”之一。这种天体在一般光学观测中只是一个光点，类似恒星。然而在分光观测中，它的谱线具有很大的红移，又不像恒星，因此称它为类星体。1993年底，已确认7383个类星体。2002年的星表列出23760颗类星体。

脉冲星脉冲星是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔，检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。后来证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星（恒星演化晚期形成的）。脉冲星具有超高压、超高温、超密度、超强磁场和超强辐射等极端物理条件。微波背景辐射

来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。20世纪60年代初，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K0，并将这一发现公诸于世，为此获得1978年诺贝尔物理学奖金。

微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前，流行的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料，发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度约为几K或几十K。3K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。微波背景辐射星际有机分子星际分子：1963年，美国科学家发现星际羟基分子（OH），此后，陆续发现大量星际有机分子。到90年代末，已发现了120多种，而且许多都是很复杂的有机分子，少数分子是地球上很难找到的或者根本找不到的。星际分子的发现有助于人类对星云特性的深入了解，可以帮助揭开生命起源的奥秘。现代恒星演化理论恒星是由星云产生的，星云经过自吸引形成星胚，星胚不断收缩，温度不断升高，当温度升高到氢核聚变反应可以进行时，就意味着恒星的诞生。恒星诞生后，它内部氢核聚变成了它的主要能源，恒星在这个阶段的停留时间最长，这就是中年的主序星阶段。核能耗尽后，恒星进入老年的红巨星阶段。最后不同大小的恒星以不同的方式死亡，

或变成白矮星，或变成中子星，或成黑

洞等。主序星阶段引力收缩高密恒星红巨星阶段宇宙大爆爆炸模型型宇宙演化化过程起起始于大大约150亿年前宇宙开始始是一个个高温、、高密度度的“原原始火球球”，球球内充满满辐射和和基本粒粒子；后后来火球球内的基基本粒子子发生核核衰变反反应，引引起大爆爆炸而向向外急剧剧膨胀，，辐射温温度核物物质密度度急剧下下降，核核反应便便停止；；其间所所产生的的各种元元素就形形成了今今天宇宙宙中的各各种物质质，膨胀胀过程中中辐射物物质逐渐渐凝聚成成星云，，进而演演化为今今天的各各种天体体。此理论得得到天文文观测事事实的支支持：例例如星系红移移是宇宙膨膨胀的反反应，微波背景景辐射是宇宙大大爆炸高高温的直直接遗迹迹等等。。五、现代代地学的的发展大地构造造理论学学的新进进展大陆漂移移说海地扩张张说板块构造造理论大陆漂移移说——魏格纳(1880-1930年)魏格纳是是德国气象学家家、地球球物理学学家、天天文学家家，大陆陆漂移说说的创始始人。1880年11月1日生于柏林，1930年11月在格陵兰考察冰原原时遇难难。1910年魏格纳纳在偶然然翻阅世世界地图图时，发发现一个个奇特现现象：大大西洋的的两岸——欧洲和非非洲的西西海岸遥遥对北南美洲的的东海岸岸，轮廓廓非常相相似，这这边大陆陆的凸出出部分正正好能和和另一边边大陆的的凹进部部分凑合合起来；；如果从从地图上上把这两两块大陆陆剪下来来，再拼拼在一起起，就能能拼凑成成一个大大致上吻吻合的整整体。这就是著名大大陆漂移假说说的最初思想想。我们生活的七七大洲四大洋洋大陆漂移说——魏格纳(1880-1930)1911年秋，在一个个偶然的机会会里，魏格纳纳又从一个论论文集中看到到了“根据古古生物的证据据，巴西与非非洲间曾经有有过陆地相连连接”的论述述。于是他便便在大地测量量学与古生物物学的范围内内研究。1912年，在法兰克克福召开的地地质学会上，，魏格纳作了了题为《大陆与海洋的的起源》的演讲，提出出了关于“大大陆漂移”的假说，引起起了地质界的的震动。他于于1915年出版了《海陆的起源》一书，系统地地阐述了大陆陆漂移说。由于这一假想想如此偶然，，如此富于幻幻想离奇色彩彩，使得当时时许多地质学学家都目瞪口口呆，直至今今日仍有人称称这一遐想为为“一个大诗诗人的梦”。。为此，魏络络纳也获得了了“地质浪漫漫诗人”的称称号。大陆漂移说——魏格纳(1880-1930年)大陆漂移说认认为﹐地球上所有大陆在在中生代以前曾经是统统一的巨大陆陆块﹐称之为泛大陆陆或联合古陆﹐中生代开始﹐泛大陆开始分分裂并漂移﹐逐渐达到现在在的位置，形形成目前的海海陆布局。由于不能更好好地解释漂移的机制问题﹐当时曾受到地地球物理学家家的反对。20世纪50年代中期至60年代﹐随着古地磁与与地震学﹑宇航观测的发发展﹐使一度沉寂的的大陆漂移说说获得了新生生﹐并为板块构造学的发展奠定了了基础。19世纪海洋探险险调查：1871年“猎犬号””五年环球探探险，迅速扩扩大和加深了了人类对海洋洋的认识。1872年“挑战者号号”四年探险险，围绕海洋洋学、海洋生生物学、海洋洋地质学等对对三大洋进行行了全面考察察。二战后，海洋洋地质学成了了热门，深海海探测技术迅迅速发展。现代深潜器配配备了摄象设设备，各种传传感器，采样样器和灵活的的机械手等。。历史背景海地扩张说——赫斯(1906-1969)海地扩张说——赫斯(1906-1969)1962年，美国地质质学家赫斯教授发表了他他的著名的论论文《海洋盆地的历历史》。这篇论文被被人们称为““地球的诗篇篇”。其中，，赫斯教授以以先人之见，，首先提出了了“海底扩张张学说”。海底扩张说认为，海底是冷却了了的地幔，地地幔中有对流流存在。高热流的地幔幔物质沿大洋洋中脊的裂谷谷上升，不断断形成新洋壳壳；同时，以以大洋脊为界界，背道而驰驰的地幔流带带动洋壳逐渐渐向两侧扩张张；运动的洋洋壳碰到大陆陆地壳就下沉沉钻入地幔深深部，并形成成海沟，大陆陆地壳前缘被被挤压抬升形形成山脉或岛岛弧。“海底扩张””说，恰好可可以解释当年年魏格纳无法法解释的大陆陆漂移理论。。板块构造理论论1967－1968年，美国的勒勒皮雄、摩根根和英国的麦麦肯齐等人先先后独立提出出了板块构造造理论。这个理论认为为，整个地球球的岩石圈不不是一个完整整的壳体，而而是由若干巨巨大的板块构构成的。由于于岩石圈下面面的地幔中的的软流圈的循循环运动，导导致板块发生生相对运动。。板块互相撞撞挤而形成山山脉，互相错错动而形成水水平断层，互互相交汇俯冲冲而形成海沟沟和岛弧，互互相分离而形形成洋脊或海海岭和裂谷。。全球板块构造造图六、现代生物物学的发展现代遗传学的的发展孟德尔遗传定定律及重新发发现摩尔根的基因因理论分子生物学的的诞生和发展展DNA双螺旋结构模模型的建立遗传密码的破破译现代遗传之父父—孟德尔孟德尔（1822－1884）出生于奥地地利，1840年毕业于特罗罗保的预科学学校后进入奥奥尔米茨哲学学院学习。1843年因家贫而辍辍学，同年10月到布尔诺的的奥古斯丁修修道院做修道道士。1847年成为神父。。1851年到1853年间孟德尔在在维也纳大学学学习。1853年孟德尔从维维也纳大学毕毕业回修道院院。1854年夏天天孟德德尔开开始用用豌豆进行他他的杂杂交实实验。。1865年在2月孟德德尔在在“布布隆布布尔诺诺学会会自然然科学学研究究会””上宣宣读了了作为为他的的实验验结果果的《植物杂杂交实实验》论文，，这篇篇论文文后来来于1866年发表表于该该学会会的会会议录录上。。他揭示出出遗传传学的的两个个基本本定律律——分离定定律和独立分分配定定律。这两两个重现代遗遗传之之父—孟德尔尔要规律律的发发现和和提出出，为为遗传传学的的诞生生和发发展奠奠定了了坚实实的基基础，，这也也正是是孟德德尔名名垂后后世的的重大大科研研成果果。与与会者者固然然很有有兴致致地听听取了了他的的报告告，但但大多多不理理解其其中的的内容容。因因为既既没有有人提提问题题，也也没有有人进进行讨讨论。。黄色豌豆F1代F2代黄色种子绿色种子纯种亲亲本AAAaaAaaAa性状分分离定定律AAaaAaA显性特特征a隐性特特征显性定定律分离定定律3:1独立分分配（（自由由组合合）定定律显性特征

圆、黄隐性特征皱、绿

圆黄:9圆绿:3皱黄:3皱绿:1孟德尔尔定律律的重重新发发现1900年3-5月，三三位生生物学学家几几乎同同时独独立发发现孟孟德尔尔遗传传定律律。切马克克（奥奥地利利）柯林斯斯（德德国））德弗里里斯（（荷兰兰）孟德尔尔定律律的重重新发发现1.1900年孟德德尔关关于遗遗传的的定律律重新新被荷荷兰的的德弗弗里斯斯(H.DeVries)、德国国的科科伦斯斯(C.Correns)和奥地地利的的丘歇歇马克克(E.Seysenegg-Tschermak)三位遗遗传学学家分分别发发现，，从而而吸引引了整整个生生物学学界的的注意意。2.德弗里里斯于于1900年3月26日发表表了同同孟德德尔的的发现现相同同的论论文；；科仑仑斯的的论文文被杂杂志收收到的的时间间是1900年4月24日；丘丘歇马马克的的论文文收时时间是是1900年6月20日。在在这年年他们们也都都各自自发现现了孟孟德尔尔的论论文，，才明明白自自己的的工作作，早早在35年前就就由孟孟德尔尔做过过了。。学术情情报交交流不不畅？？1.人们曾曾经以以为孟孟德尔尔的工工作被被埋没没，是是由于于当时时学术术情报报交流流不畅畅，人人们不不知道道他的的工作作造成成的。。后经经调查查，才才知情情况并并非如如此。。2.布尔诺诺学会会至少少同120个协会会或学学会研研究会会有交交流资资料的的关系系。刊刊载孟孟德尔尔论文文的杂杂志，，共寄寄出115本。其其中当当地有有关单单位12本、、柏柏林林8本、、维维也也纳纳6本、、美美国国4本、、英英国国2本（（英英国国皇皇家家学学会会和和林林耐耐学学会会））。。3.孟德德尔尔本本人人还还往往外外寄寄送送过过该该论论文文的的抽抽印印本本。。有有据据可可查查的的至至少少有有5个人人了了解解他他的的工工作作。。工作作被被埋埋没没35年1.但是是，，不不管管是是刊刊物物，，还还是是论论文文，，都都如如石石沉沉大大海海，，没没有有得得到到明明显显的的反反馈馈。。2.当时时生生物物学学界界的的优优秀秀头头脑脑都都在在高高谈谈阔阔论论进进化化论论，，对对土土里里土土气气的的杂杂交交没没有有人人感感兴兴趣趣。。3.这样样，，孟孟德德尔尔的的为为遗遗传传学学奠奠定定了了基基础础的的、、具具有有划划时时代代意意义义的的发发现现，，竟竟被被当当代代人人们们所所忽忽视视和和遗遗忘忘，，被被埋埋没没达达35年之之久久。。“遗传传学学””、、““基基因因””定定名名1.20世纪纪头头的的10年里里，，科科学学家家们们除除验验证证孟孟德德尔尔遗遗传传规规律律的的普普遍遍意意义义外外，，还还确确立立了了一一些些遗遗传传学学的的基基本本概概念念，，1906年英英国国生生物物学学家家贝贝特特森森首首次次提提出出了了““遗遗传传学学””一一词词，，以以称称呼呼这这门门研研究究生生物物遗遗传传问问题题的的新新学学科科。。2.1909年约约翰翰逊逊称称孟孟德德尔尔假假定定的的““遗遗传传因因子子””为为““基基因因””。。1910年孟孟德德尔尔遗遗传传规规律律被被改改称称为为孟孟德德尔尔定定律律。。摩尔尔根根的的基基因因理理论论1909年摩摩尔尔根根(美国国，，1866-1945)利用用果果蝇蝇进进行行实实验验遗遗传传学学的的研研究究。。用用孟孟德德尔尔的的理理论论，，可可以以解解释释果果蝇蝇的的眼眼睛睛颜颜色色遗遗传传的的现现象象。。从从孟孟德德尔尔理理论论的的怀怀疑疑者者，，转转变变成成为为热热情情的的拥拥护护者者。。发发现现了了伴伴性性遗遗传传的的规规律律，，证证明明了了遗遗传传变变异异与与细细胞胞中中染染色色体体的的变变化化密密切切相相关关。。他和他的的学生还还在连锁锁、交换换和不分分离规律律等的基基础上，，进一步步证明基基因在染染色体上上呈直线线排列，，从而发发展了染色体遗遗传学说说。摩尔根还还给出了第第一个果蝇蝇染色体连连锁图，从从而确立了了基因作为遗传基基本单位的概念。1919年和1926年摩尔根又又相继出版版了《遗传学的物物质基础》和《基因论》，建立了了完整的基基因遗传理理论体系。。摩尔根因因此而获得得了1933年的诺贝尔尔生理学和和医学奖。。白眼雄性YXXXYXXXYXXXYXXX红眼

雌性性分子生物学学的诞生现代物理学学与现代生生物学的结结合20世纪40年代细胞遗遗传学、微微生物学和和生化遗传传学领域取取得的成就就，吸引了了一些物理理学家投身身到遗传的的分子基础础和基因的的自我复制制这两个领领域的研究究中来，从从而注入了了物理学的的新理论、、新概念和和新方法。。1951年用生物物物理学家威威尔金斯给给出了DNA纤维的X射线衍射图图，为DNA双螺旋结构构的发现打打下了基础础。DNA的双螺旋结结构的发现现1.1953年刚刚离开开校门的大大学生沃森和物理学家家克里克发现了DNA的双螺旋结结构，开启启了分子生生物学时代代。2.分子生物学学使生物大大分子的研研究进入一一个新的阶阶段，使遗遗传的研究究深入到分分子层次。。3.沃森、克里里克获得了了1962年的诺贝尔尔奖。遗传密码的的破解1.1959年克里克支支