第二章自然科学的若干重大基本问题

第二章自然科学的若干重大基本问题第一节物质结构研究的当代进展一、物质构成之谜两千多年来人们关于物质是由原子构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。

根据现代科学研究的最新成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子，而是夸克和轻子（电子是其中的一种）。这样，人们对微观世界的认识深入到10-17cm数量级的尺度。从分子到夸克、轻子的结构层次层次序列分子原子原子核质子、中子

夸克、轻子

……

大小数量级（CM）

10-6～10-7

10-8

10-13

10-15

10-17

……

二、物质结构研究的进展半个世纪以来，在对相继发现的数百种粒子的性质的研究中，科学家们总结出微观粒子相互作用的规律：①所有基本粒子的运动遵循四种基本力的相互作用规律；②夸克、轻子和传播子（即传递力的粒子）是更为基本的粒子。四种基本力、基本粒子的性质和夸克、轻子模型构成当代对基本粒子研究的主要成果。（一）四种基本力1、万有引力：牛顿三大定律、爱因斯坦相对论表述其运动规律，属于宏观物体作用的长程力。2、电磁力：电磁体之间的相互作用和相互转换，属于电磁体之间的作用力，也是属长程力。3、弱力：是微观粒子间的相互作用短力，主要表现在支配一些粒子的衰变和俘获现象，如β衰变、μ介子衰变和K介子衰变等。4、强力：是强子及夸克间的相互作用力，这种力使质子和中子组合成原子核，使夸克组合成强子。（二）基本粒子及其性质

基本粒子归类强子第一、二代粒子重子介子轻子光子第三代粒子重子共振态粒子介子共振态粒子（三）夸克模型及夸克和轻子的对称性将已发现的强子按电荷、自旋等特征排列，则构成一幅类似于元素周期表的规律性的对称图，称为夸克模型。

夸克和轻子都是更基本的粒子。实验和理论研究发现它们之间存在某种惊人的相似性和对应性，具有某些关联。

三代夸克和三代轻子间对称性关系

第一代第二代第三代轻子电子电子中微子

μ子μ子中微子

τ子τ子中微子

夸克上夸克下夸克粲夸克奇异夸克顶夸克底夸克

三、物质结构研究与其它学科及高新技术发展的关系第一，粒子物理学的贡献首先是将人们对物质构成的认识大大向前推进了一大步，了解到构成物质的最小组元小到夸克和轻子（10-17cm数量级）。而认识的尺度相对于原子（10-8cm数量级）来说已缩小到原来的十亿分之一，或缩小到原子核的万分之一。第二，粒子物理学对基础科学的发展也带来新的机遇。

第三，粒子物理学推动发展的高能加速器为相应的工业技术带来了发展的机会和条件，促进了广泛的经济领域中的应用，从而导致了许多高新技术的发展。

而高能物理的发展又对这些技术提出更高更新的要求和发展的机会，促进了相应工业的发展。同时，粒子物理的实验技术开辟了在医疗卫生、工农业生产及其它领域的广泛应用。

第二节宇宙的起源和演化一、宇宙的概况

目前，运用地面射电望远镜以及绕地球的哈勃望远镜及飞向太空的宇宙探测器，人类已可观测到距离地球约200亿光年的时空区域。太阳系只不过是银河系中一个恒星，银河系有1000多亿颗恒星。银河系之外，有10亿个庞大天体系统——河外星系。地球八大行星｝→地月系｝→太阳系月球太阳｝→银河系｝→总星系小行星千万颗恒星河外星系（宇宙）二、宇宙的起源和演化（一）观测事实1、河外星系的谱线红移所谓谱线红移，就是光谱线向长波方向（即光谱红端）移动的物理现象。例如，当一列离观测者远去的火车，其声音渐远，而另一列离观察者渐近的火车，其声音则渐近，这种远去的火车与相应定点火车声音的差距称为“红移”现象。2、物质在大尺度空间（约5亿～150亿光年）的分布是均匀的和各向同性的3、宇宙微波背景辐射4、氦的丰富度很高5、所有天体的年龄都小于200亿年（二）宇宙是膨胀的（三）大爆炸宇宙模型（四）宇宙的物理演化史三、恒星的一生（一）恒星的形成（二）恒星的演化（三）恒星的三种归缩（白矮星、中子星和黑洞）。

四、太阳系的起源（一）太阳系基本特征太阳系是由太阳、九大行星及其卫星、小行星、慧星、流行及行星际物质构成的天体系统。类地行星:水星、金星、地球、火星

类木行星:木星、土星、天王星、海王星、冥王星

（二）太阳系的起源第三节地球起源、演化与地球系统科学一、地球概况及其构成特点地球是一个具有复杂圈层结构的天体，由陆圈（地壳、地幔、地核）、水圈、大气圈和生物圈组成。地球的四周包围着厚厚的一层“被子”－－大气，科学家们称之为大气圈。

水圈是指地球上的各种水体，包括地表水、地下水、大气中的水及保存在一切生命有机体中的水分等，它是一个连续而不规则的圈层。

生物圈就是由生存在地球表面、大气中、水中所有生命有机体组成的庞大而复杂的生物系统。大气的垂直分层对流层平流层对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合上冷下热高空对流电离层高层大气电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用海洋水97.47%1231湖泊咸水和地下咸水09.4%45678910淡水2.53%其中1、冰川2、地下淡水3、其他淡水4、永久冻土5、湖泊淡水6、土壤水7、大气水8、沼泽水9、河水10、生物水世界水储量（100%）

水圈的构成二、地球的起源及演化据近代关于太阳系起源的理论，太阳系是在约50亿年前由气体尘埃云形成的。在太阳系形成的过程中，由原始太阳星云分裂出的大量星子通过碰撞合并长大成星胚，并继续吸积周围的物质而形成原始星体，其中之一就是原始地球。