科学技术与社会进步

PAGE科学技术与社会进步概论第一章科学与技术的的基本内涵1.1科学技术的性质1.1.1科学概念的内涵和本质属性(1)科学是反映客观事实和规律的知识体系科学的词原来自拉丁文scientia（知道）。后来演化成英文sciential（有知识的）和science（科学）一词。科学是反映客观事实和规律，关于自然、社会和思维的知识体系相关活动的事业。所以科学研究是一种神圣的事业，其最显著的特点是严肃性、严谨性、客观性。科学的发现都是依据客观事实而总结出来的反映自然运动、变化的规律、定律，有的是为全人类所确认的公理。科学另一个显著的特点是要经得住历史的考验，这就要求科学的发明、规律的发现、定律的确立和公理的传世要经过一代一代人的继承、实践与发展，并将它记录下来。科学研究的新成果、工艺技术的新成就，为解决生产中的问题研究出来的新产品、新工艺、新材料以及基础理论的重大突破，不仅要在当代推广应用、造福人民、服务社会、为人类创造文明和财富，促进生产力发展和社会进步，而且还要通过科技档案、文献、资料、信息网的储存、归档传给后世。所以，迄今为止的科学技术都是在前人开展科学活动所提供的各种资料、信息的基础上发展起来的，如果没有科技档案提供各种科技信息，科学技术要发展是根本不可能的。（2）科学是探索真理、产生知识的一种社会活动——主要内容是实验和思维科学是知识加工的过程，是产生知识的一种社会活动，而科学活动的主要内容是实验和思维。科学通过实验、实践活动获取各种信息又运用思维处理加工所获得的信息，从而产生新的知识。因此科学活动的过程就是一个产生新知识、发现新事物、揭示新规律的过程。（3）科学是一种特定的社会建制科学的社会建制的真正形成是在17世纪下半叶，当时已有“科学协会”出版科学杂志，进行科学传播和交流活动；19世纪末有了实验室、研究所、科学院等形式；20世纪，由于社会发展需要大型仪器、设备，各种专题研究实验相继建立，专业化人才迅速增长、专题研究费和严密的组织管理机构也不断建立，发展成现代科学。它不仅与全部社会建制相联系，渗透于社会的政治、经济、文化、军事、教育等领域，而且本身还具有相对的独立性，有着自己特定的社会结构和社会规范。成。科学研究体系包括各级各类科学研究组织以及所从事的基础理论研究、应用技术研究和开发研究等不同专业、不同领域的研究。科学研究的管理是反映一个国家科学研究水平的重要标志，如我国设立了国家和省、市、县的各级科学技术委员会、科技厅、局或科学技术协会，还相应设立情报资料、出版、网络中心，建立仪器、设备、材料等专业制造厂、标准计量单位、人才培训、生活服务等多种科研后勤服务部门。上述各类系统和各级机构相互联结，形成了比较严密的社会结构，表现出一个国家和社会的科学研究体制。20世纪后期随着世界多极化、经济全球化的格局出现，科技——经济全球化的国际合作也得到一定的发展，许多跨国公司、集团公司相继建立，科学成为一项国际事业或产业。早在1981年，我国著名科学家钱学森就提出，科学是一种新的产业，并提出“第四产业”的概念将“科学、文化、教育、卫生、出版等创造精神财富的行业”定位为第四产业。（4）科学是特殊的社会生产力“科学技术是生产力”是马克思主义的观点，他指出“生产力也包括科学”并进一步阐明“社会劳动生产力，首先是科学的力量”的论断。邓小平创造性地提出：“科学技术是第一生产力”这是对马克思主义理论的重大发展。科学技术是特殊的生产力。科学在未与生产结合之前，它是以知识形态存在的一般生产力；科学一旦应用于生产，便物化为直接的生产力。（5）科学是社会文化的基本形态科学这一特殊的社会现象，不仅是理论知识体系，是一种社会活动、社会建制和社会生产力，而且与人类的文化密切联系。科学文化和人文文化一起，共同构成社会文化的基本形态。文化一词源于拉丁文的cultura，英文culture，把文化作为专用术语最早引入社会科学的是英国人泰勒。他在1871年《原始文化》一书中将“文化”的内涵界定为：包括人类的知识、信仰、艺术、道德、法律、习惯以及其余从社会上学到的能力和习惯在内的复合体。一百多年来，各国众多的学者对文化概念下的定义有200多种，综合许多学者对文化的概念：人类在改造客观世界的社会实践过程中创造的各种各样形态的事物所组成的有机复合体。它标志着一定社会区域的物质和精神的发展水平，并融化为人们的价值观念和行为规范，从而形成这一社会区域的特定组织结构和生活方式。所以文化是有形态、有层次、有结构的有机复合体。科学文化形态分为四个层次第一是科学器物层次包括人们因从事科学研究、科学教育、科学实验等的需要而制造并使用的各种特定的工具，器物和物品。器物层次的科学文化形态，能够较明显和较全面地体现出一定社会的科学发展水平和一定社会群体才智的高低。第二层次是科学制度层次它包括一切制度化的科研组织形式和科研活动、交流方式以及人才培养等。制度层次的科学文化形态对科学的发展能起到促进或延缓作用。第三层次是科学精神层次包括人们的科学思想、科学意识以及关于自然界、社会和思维现象的经验和理论。其实质就是关于人的科学思想、科学情感，科学意识和科学观念的综合表现。科学器物层次和科学制度层次都是科学精神层次的对象化或物化，或者说是它的“外化”。第四层次是科学价值规范层次主要是指人们的科学价值观念和科学行为规范。这是科学精神层次长期作用形成的人们对科学的心理积淀，或者说是“内化”，是科学文化形态的深层结构，是最不易变更的成分。科学不仅包含认识自然、社会、思维现象和对这些方面进行改造而总结出来的众多的知识，以及由此而建立起来的知识体系和理论体系，而且还包括在科学研究活动中所形成的一整套科学思想、科学精神、科学方法、科学制度和科学道德规范，以及由此而建立起来的科学价值观念、科学价值标准和科学活动行为准则。此外，还包括由科学转化而成的技术，从技术物化而成的技术设备和物质产品。1.1.2技术概念和本质特征(1)技术概念简单地说，技术是将科学理论转换成社会生产力的工艺方法或工艺过程，它是人类利用自然能力的标志。技术是依据自然规律，运用一定的科学手段、方法，特别是以机械、设备、仪表、网络为中介，对物料、能源、信息进行加工和转换，以满足人类需要的实践活动，成为反映知识经验、科学理论和物质设备三方面的技术理论、物质手段和工艺方法的总和。技术的概念随着时代的变迁而不断发展。(2)技术的本质特征第一个特征是技术是客观的物质因素和主观的精神因素相互作用的产物第二个特征是技术是直接的生产力第三个特征是技术是人们改造、控制、利用和保护自然的一种动态过程。1.1.3科学与技术的关系(1)科学与技术的区别首先，表现在两者的目的和任务的不同科学的直接目的是认识世界，探索和揭示未知事物规律，增进人类的知识财富。它侧重回答客观事物“是什么”、“为什么”以及“能不能”的问题。而技术的目的和任务是利用客观规律，更有效地控制和改造客观世界，协调人和自然的关系，为人类创造和增进物质财富或为实现一定的目的提供方法和物质手段。它侧重回答社会实践中“做什么”、“怎么做”以及“做出来有什么用”等问题。第二，科学和技术各自与生产关系不同。人类的生存直接与生产相关，而生产又与技术直接相关，任何生产都离不开技术。而科学的出现比技术要晚得多，科学是在生产技术有了较大的发展，在阶级社会形成之后，有一部分成员有可能脱离生产劳动，专门从事科学研究时，才在总结技术经验中发展起来的。自19世纪后半期以来，随着近代科学实验的奠基，科学技术对生产发展所起的主导作用逐渐加强。三次产业革命（煤作能源发明蒸汽机；电磁感应定律发明了电动机、发电机；量子论、信息论、控制论开发出来的计算机）之后，科学通过技术推动生产发展的作用更加明显，形成科学技术走在生产前面，以科学为主导，技术为中介，生产为目标的新关系。即由早期的生产—技术—科学的关系转变为现代的科学—技术—生产的关系。这一转变从主流方向上反映了现代科学技术和生产发展的重要规律性。第三科学和技术的社会功能和价值标准不同科学具有广泛的社会作用，具有认识、文化、教育和哲学等多方面的理论价值和学术价值；而技术是社会目的性和客观规律性的直接统一，它直接追求经济的、社会的或军事的实际效益。第四科学和技术的研究过程和劳动特点各异科学研究是创造知识的探索性活动，其目标相对不确定，自由度较大，选择余地大；而技术是综合利用知识于需要的研究，具有相对确定的目标、方向和步骤，计划性强。第五科学和技术的成果形式不同科学成果是新现象，新事物、新规律、新法则的发现；技术成果还是新工具、新设备、新工艺、新方法的发明和创造等。（2）科学技术的相互联系首先，科学与技术所追求的最终目标都是创建缔造物质文明和精神文明，科学与技术是世界是在认识世界和建设社会的共同基础上统一起来的。第二，科学与技术的发展互为前提，相互促进，相互渗透，融为一体。科学中有技术，科学靠技术去开发应用，通过实践去验证，如化学中的能源技术；技术中有科学，技术要科学作后盾，技术发明要科学作理论依据，如计算机中的电子学和信息论；技术产生科学，如发酵釀酒发展了生物科学；科学也产生技术，如天文学促进发展了火箭技术和航天飞机。第三近代科学的发展促使科学与技术进一步融合逐渐走向一体化，即科学技术化和技术科学化。重大科学研究离不开先进、复杂的技术手段，如人类登月，开发火星离不开机械、电子、材料、信息、控制、能源、监测、导航、电子计算机等各类技术，而且科学研究工作本身也越来越带有工程技术的特点，表现科学技术化的特点。技术的科学化主要表现在：（Ⅰ）许多传统技术日益转移到新科学理论基础上而推陈出新。如传统的机械加工技术日益转移到机电一体化、使用等离子体、激光技术、电火花等加工技术。（Ⅱ）当代的重大技术创造如核能技术、太阳能技术、激光技术、微电子技术，基因工程等都是在现代科学的基础上开发出来的。没有科学的超前发展就没有新技术革化。第四现代科学技术的一体化形成大科学系统当代科学技术系统的总体结构可表征为由各门基础科学及其技术科学、工程技术（工程科学）构成，并由各层次，各学科的边缘学科、交叉学科、横断学科，综合学科的联系和过渡而结成大科学系统。所谓横断科学是指某个科学分支中的一个侧面，而这个分支中的一个侧面又对某一科学起着关键的作用。如人类登月或开发火星其中太阳能电池和和机器人的机械手，就是半导体硅谷和遥控技术的横断学科。科学和技术的融合和统一是现代科学技术发展的重要特征之一。1.2科学技术与社会的融合（整合）现代科学技术革命性的发展，科学技术的社会功能全面扩展和充分发挥，科学技术对社会的发展越来越显示出战略性的作用。但科学技术在社会应用中的负面效应也日益严重和恶化，人类面临种种全球性危机。因此科学技术与社会关系的融合就成了当今普遍关注的重大课题。1.2.1科学的社会化（1）科学研究规模的日益扩大国际上用“研究与开发”（R&D）来表示科学研究，：“R&D”是research（科学研究）与develop（开发、发展）的组合。科学研究是创造、整理、扩充、开拓知识开辟新用途的探索工作。现代科学产生于上世纪，其发展速度之快令人惊叹，进入新世纪科学在高度分化基础上的高度综合趋势日益加强。各科学之间出现了大量新科学和新专方式。许多重大的科研项目并非一国所能独立承担而日益走向国际化。例如欧洲航天计划、美国开发月球和火星计划、人类基因组计划（HGP）等都由美、英、日、德、法、意、俄等参加。（2）科学技术不断向社会各个领域渗透科学技术尤其是高新技术的飞速发展，正在改变着整个社会面貌，影响着人类的前途和命运，对一个国家的工农业生产和国防建设甚至世界的政治、经济、文化，外交，教育，人民生活，国民心理，思想方法，伦理道德和宗教领域，产生重大影响，成为影响综合国力的核心要素。1.2.2技术社会化技术是人类在物质文明与精神文明建设过程中各种物质与非物质手段和方法的总和，它在现实社会中起到科学转化为社会生产力的中介作用。技术的发展与社会进步密切相关，渗透到社会的各个方面，其实质就是技术发展的社会化问题。（1）技术发展的社会化对社会的影响和作用技术发展对社会起着推动历史前进强有力的杠杆作用。技术在当今社会中是劳动生产率迅速增长的重要决定因素，它在科学研究与社会生现。技术对现代社会的发展起到越来越重要的作用，它不但对生产力的发展和劳动生产率的增长起着决定性作用，而且已渗透到上层建筑，意识形态和生产生活的各个方面，并作为现代教育、文化、宣传、体育、卫生、艺术等领域发展重要的物质基础。技术对国家和社会的科学管理、领导决策、重大军事行动、政治经济问题决断、重大工程项目的立项、资金、人力、设备、生产资料的调拨与调济都要借助于技术手段才能实现。技术成果的转化为生产力，技术成果的商品化、市场化是技术社会化的集中表现。（2）技术发展社会化的规模越来越大从1876年发明大王爱迪生组建了世界上第一个研究机构“发明工厂”，1887年电话发明家贝尔在美国组建了电话研究所开始，到现在已发展成为规模庞大的科学技术综合研究机构，培养出了许多诺贝尔奖获得者，促进了近代科学体系的建立。特别是到了20世纪的30年代出现了国家规模的科学技术研究机构，如火箭技术、原子能技术、半导体技术、激光技术、空间技术等。随着科学技术研究的深度和广度的发展，越来越多的专业结合的跨国研究项目的出现，需要国际性技术合作才能开展研究活动。如国际上的太阳观察研究、高能加速器的建造、核聚变能的研究、深海油气田的采钻研究、太空探势。（3）现代技术发展社会化趋势加速科学技术的新发现、新发明、新成果不断涌现，技术发展的速度愈来愈快；科学技术转化为生产力的速度加快，从科学发现、技术发明到实际应用的周期愈来愈短；新技术、新产品、新材料更新的速度愈来愈快、技术竞争性愈演愈激烈。所以，伴随着社会生产力高速度发展的需要，新旧技术更新速度的加快以及技术人才素质的不断提高，技术科学研究、技术基础教育、技术转移过程、技术体系改造等方面都需要增加技术的投资，创造技术发展的内外条件都要求技术发展的社会化。1.2.3人化自然的社会人化自然或自然的人化，是指社会化的人为了从自然获得更多的物质产品和更舒适的生活条件及物质享受，应用科学技术和各种手段，在干预和改造自然的过程中所创造的属于人的自然。包括人改造自然，控制自然的手段以及人工创造的自然产品，也包括人类活动影响而改变的自然环境，同时还包括人类对自身的改造。在自然人化的进程中全球生态危机，生态恶化的趋势难于逆转，引起关注。当人类干预自然超出了自然界本身再生能力和自我调节能力，自然界不能及时地吸收、净化、修复人类对环境生态所造成的破坏而造成的影响时，就会造成生态平衡失调，给人类的健康及生存发展造成重大影响。现代科技革命所带来的人对自然的巨大干涉能力，超过了自然自我修复的极限，环境污染和自然生态的破坏达到空前尖锐的程度。从而导致了生态问题的全球化。这个问题要靠人类理智地协同解决，否则会给人类带来灾难性的后果。1.3《科学技术与社会进步》研究和学习方法1.3.1 STS研究STS是科学技术与社会的英文缩写（sciencetechnologysociety），是20世纪60年代开始出现“大科学”观念的同时兴起的一门多元关联、交叉、综合性的新科学。STS研究目前已发展为把自然科学、技术科学、管理科学、人文科学、社会科学、思维科学相结合的一大类新科学群。包括科学社会学、科学文化学、科学学、科学认识论、科学价值论、科学文化学、科学伦理学、技术社会学、知识社会学、网络社会学、环境社会学、知识经济学、技术哲学、技术文化学、科学社会史、技术史、创造学、未来学、科学方法论、科技与管理学、科学与公共政策等众多学科。1.3.2学习方法理论联系实际，增加信息量，扩大知识面介绍科技发展前沿。开展多视角、多层次、多形式和多学科交叉、融合的关联性、综合性的理论研究及政策性的应用研究。介绍天文、地理、历史、生物、环境、健康、生态等方面的相关知识，联系社会历史事件和伦理道德观念得到启迪与思考。第二章科学与技术的社会功能2.1科学技术的起源与发展人类的历史还不到地球发展史的几十亿年的千分之一，而人类历史的99%以上的时间又是漫长的原始社会。人类创造自己的文明史只有五六千年，但是真正把科学技术广泛应用到生产上，并引起社会生产、生活的巨大变革还不到300年。而现代科学的建立并普遍认识到科学技术是生产力对人类社会进步所起的推动作用，则是近50年的事。人类远祖在前肢从爬行中进化成双手之后学会制造工具，不断地寻求劳动工具与劳动对象的客观规律，在体力劳动过程中寻求规律的思考就产生脑力劳动，也就是科学技术的开端。认识事物、寻求事物发展变化的规律，这是由个别到一般、由局部到整体、由实践到理论、由现实到规律的思考过程，就是这个过程推动了人类社会的进步。2.1.1早期科学技术萌芽（1）主要的技术成就人类历史大约可追溯至200~300万年之前。旧石器时代—工具—狩猎，发明弓箭，发明用火；新石器时代——制陶术，冶炼铜、红铜、青铜（合金）；铁器时代—制造工具、开始农业为产生科学文化准备物质基础。（2）主要科学成就探索世界本原的元素论和经典原子论，古代自然哲学原于古希腊。水论——泰勒斯（公元前624~547）认为世界的本原是水，即万物起源于水又复归于水。火论——赫拉克特（前500~480）认为火是生成万物的元素。原子论——留基伯（前500~440）和德谟克里特（前460~370）认为世界万物都是由最小的不可分的原子和原子间的虚空构成。发明几何学，早期几何学代表人物毕达哥拉斯（前580~500）。主要成就是证明了直角三角形定律(勾股弦定律)。欧几罗得(公元前450~374)全面系统总结了古希腊几何学的成果写成了《几何原本》不朽著作，是建立逻辑推理的最早典范。朴素的宇宙论和不断完善的地心说，托密勒(公元90~168)继承发展了亚里士多德(前384~前322)地心说几何模型，在欧洲天文学中占统治地位。力学\生物学和医学的创立公元323、古希腊科学文化中心由雅典转移到意大利亚历山大城进入罗马时代，阿基米德（前287~212）创立物理发现了杠杆原理和浮力定理，奠定了静力学基础。亚里士多德创立生物学，特别是在动物学方面，记述了约500种动物，并对其中的50种解剖记述和插图对生物进行初步分类。希波克拉底（前460~前377）创立医学形成学派，坚持把疾病看作是一种要服从自然法则过程强，调用细致的观察来研究疾病，因而对许多疾病进行了描述，并提出了适当的治疗方法，是现代临床医学的开端。人类奴隶社会科学文化高峰发生在古希腊和罗马时代，而封建社会科学文化高峰则发生在中国。中国古代数学体系在秦汉时期形成了《周髀算经》和《九章算术》发明了当时世界最先进的十进位记数系统。食。秦汉时期已建立医学，以华佗为代表的医学，在宋、元时期已形成生理病理学，临床诊断学，药物学，针灸学，推拿技术等。战国时期的冶金、纺织、建筑、造船、制漆等手工作坊的生产已很发达。美国科技史专家李约瑟博士在《中国科学技术史》中说：“中国古代的发明和发现往往是超过同时代的欧洲，特别是15世纪以前还是如此。”“在3~13世纪，中国保持一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。”2.2近代科学技术的产生2.2.1近代自然科学的产生（1）近代自然科学是文艺复兴运动的产物文艺复兴运动是14世纪至17世纪初，首先从意大利开始席卷欧洲，提倡思想解放，追求真理的科学精神，从根本上动摇了宗教神学强加于科学的沉重枷锁，为近代唯物主义哲学和实验科学的产生奠定了基础。这一时期的代表人物有达·芬奇、伽利略、哥白尼等一大批人类思想史和科学史的巨人，其中作为新的科学方法论的首创者——培根（1561~1626）积极倡导观察、实验、归纳、分析、比较、发现真理、验证真理的新三段思想方法，主张“学者深入实际”实现“学者与工匠的结合”，“知识与力量的结合”的学问大革新。（2）近代自然科学从神学中解放出来哥白尼的天文学革命。在此前1300多年里，人类对宇宙的认识始终被禁锢在神学划定的“地球中心说”。1543年哥白尼（1473～1543）出版了划时代意义的《天体运行》一书，用数学计算和实际观察，完整地提出“太阳中心说”，解释了昼夜和四季交替，确定了太阳系中几大行星排列次序，指明月亮是地球的卫星。在这场科学真理与宗教迷信的殊死搏斗中，布鲁诺、伽利略，开普勒等人都作出了悲壮与卓越的贡献。布鲁诺（1548~1600）宣传日心说，指出宇宙存在无数星系，太阳只是太阳系的中心，而不是宇宙的中心，还认为科学应当根据实验，不应该根据定义，因而只有一种真理，而没有宗教的“真理”，由于布鲁诺违反教义，在经历了16年流亡生涯后被罗马教皇活活烧死。伽利略（1564~1642）意大利著名的物理学家、天文学家，1610年他用自制的望远镜发现木星有4颗卫星、金星盈亏、太阳黑子等现象。由于支持、宣扬哥白尼学说，受到长年监禁，他的“罪名”直到350年后的20世纪80年代才得到彻底的“平反”。科学真理战胜迷信的道路是多么曲折而漫长！开普勒（1571~1630）著名天文学家，发现和总结了行星运动三大定律——开普勒定律：1、行星在通过太阳的平面内沿椭圆轨道运动，太阳位于焦点之一。2、行星绕太阳运动时，它的向径在相等的时间内扫过的面积相等，即面积速度为—常数。3、太阳系内所有行星公转周期T的平方与行星轨道半长径a的立方之比为一常数。GM4π2T12＝＝T2GM4π2T12＝＝T22a23a13G为万有引力常数M为太阳质量纠正了“一切天体运动是园运动”的偏见。2.2.2开创近代实验科学近代自然科学就是在科学实验的基础上产生和发展起来的，没有科学实验就没有真正意义下的近代科学和现代自然科学。实验物理学的创始人是伽利略，开创了通过实验总结物体运动的规律和定律，成为近代力学的创始人。现代医学的创始人是英国医师哈维（1578～1657）。通过实验论证了心脏运动的作用和血液循环的学说，在医学科学方面发动了一场革命，医学实验方法的成功为生物学和生命科学奠定了基础。2.2.3牛顿经典力学体系的形成牛顿（I·Newton，1643~1727）是人类认识自然的第一位理论大师，在他的巨著《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿对质量、动量、惯性、力以及时间、空间等基本物理概念予以严格的定义，根据实验和数学计算，系统地论述了著名的牛顿力学三大定律。运用演绎法推导出万有引力定律以及固体力学，流体静力学，流体动力学的各种定律。用已确立的力学规律对潮汐，岁差，彗星轨道等进行了科学的分析。牛顿力学是整个近代物理学和天文学的基础，也是现代一切机械、土木建筑、交通运输等工程技术的理论基础。2.２.４近代自然科学的发展18世纪下半叶到19世纪下半叶，近代自然科学进入了理论综合发展的阶段，揭示自然界中普遍存在的联系与自身运动成为自然科学研究的中心任务，近代自然科学取得了一系列重大成就，获得了全面发展。（一）天体演化和地球演化（1）康德—拉普拉斯太阳系星云形成说的客观性（1755～1796）。（2）赖尔的地质演化学说揭示地球地质演化进程（1838）。（二）生命世界的观察生命科学的诞生（1）细胞学说的创立德国植物学家莱登首次创立了植物细胞学说（1838）。德国动物学家施旺把施莱登的学说扩展到动物界形成了适用于整体生物界的细胞学说。细胞学说的建立，表明动植物之间没有绝对的区别，因为这两类有机体都是由细胞分裂，增殖和发展后形成的，揭示出有有机体起源的共同性，从而从细胞层次上论证了整个生命世界的内在联系和有机统一。（2）生物进化论的确立长期以来，物种不变论和神创论在生物学界占统治地位，第一个提出生物进化学说的是法国科学家马克（19世纪初）。他认为物种不是一成不变的，也不是上帝创造的，而是在环境影响下发生变异，并在逐渐演变，由一个类型演变成另一个类型。系统地建立科学进化论的博物学家是达尔文（Ch.R.Darwin）（1809～1882）他提出以自然选择为核心的生物进化学说（1859），其要点：a生物包括人在内都是在自然条件作用下，从简单到复杂，从低等到高等逐渐进化的。b环境的变异可引起生物物种的变异，变异是生物所具有的普遍现象。c在生物界进行激烈的生存斗争，变异后的物种，适于生存便保留下来并产生新的后代；不适应者则逐渐灭亡。即生存竞争，适者生存，不适者淘汰，这种过程称为“自然选择”法则。物种在生存斗争中经过自然选择，逐渐产生新的物种，实现生物的进化。（三）物理学的长足发展（1）能量守恒和转换定律19世纪30~40年代间在五个国家由六、七种不同职业的十几位科学家，分别从不同侧面独立地提出了能量守恒和转换定律。其中最著名的是英国物理学家焦耳（J·P·Joule1818~1887），他经过近40年的努力（1840~1878）确立了能量守恒定律：自然界中一切物质都具有能量，能量不能消灭，也不能创生，只能由一种形式转变为另一种形式，在转换和传递中，各种形式能量的总和不变。（2）经典电磁学1831年英国科学家法拉弟（1791~1867）发现了电磁感应，为发电机的发明提供了理论基础。1865年英国物理学家麦克斯韦（1831~1879）创立了电磁学说，还推导出电磁场的波动方程，预示了电磁波的存在，预言了光也是一种电磁波，把光、电、磁三种现象统一起来，使光学、电学、磁学形成一个具有统一理论基础的知识体系。奠定了现代电力、电子和无线电技术及其产业的理论基础，为近代第二次产业革命提供了理论的保证。（3）化学新成就a国化学家拉瓦锡（1743~1794）通过实验发现了氧，创立了“氧化学说”，推翻了“燃素说”b原子—分子论的创立英国化学家道尔顿（1766~1844）首先提出物质由原子组成的基本概念（1803~1808）；意大利物理学家阿弗加德罗提出了分子的概念（1811）使原子分子论得到初步确立，为化学奠定了重要的理论基础，推动了19世纪中叶实现对原子量的测定和分子组成的研究。C元素周期律和元素周期表的创立俄国化学家门捷列夫（1834~1907）在1869年发现周期律揭示了元素性质与原子量之间周期性关系，表明自然界存在着一个严整的元素自然序列体系。根据这个规律，不但可以有计划有目的地寻找新元素或人工合成新元素。而且可以全面把握各种元素的性质；周期律不但在化学领域具有重大意义，而且在物理学中对量子力学、原子物理以及核物理学中也具有重大意义，促成了原子能，核裂变理论与实践的重大发现和应用，同时对进一步揭示微观世界、微观粒子的研究具有划时代的意义。D有机合成与有机结构理论的建立1828年武勒人工合成尿素，此后一系列人工合成有机物获得成功并促进了有机结构理论的创立，为石油化工工业、塑料、化肥、化纤、染料、制药、炸药等新材料、新产品、新技术的应用奠定了坚实的理论与实验基础。2.3现代科学的发展2.3.119世纪末物理学的三大发现（1）X射线的发现德国物理学家伦琴（1945—1923）于1895年在研究阴极射线的实验中，意外地发现了一个穿透力很强的射线—X射线，孕育着新技术的诞生和广泛应用。（2）放射性的发现法国物理学家贝可勒尔（1852—1908）于1896年在研究X射线与荧光物质的关系时引导他发现了铀原子的天然放射性。1902年卢瑟福（1871—1937）又进一步阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地蜕变成另一种原子核的过程，与此同时放射出另一种能量很高的射线，随着发现了钍、钋、镭、等放射性元素。特别是铀235的放射性为原子能的利用奠定基础。（3）电子的发现英国物理学家汤姆生（1856—1940）于1897年在研究阴极射线时证实阴极射线的本质是带负电荷的一束粒子流、并测出了阴极射线粒子的质量约为氢原子质量的1/1837。他当时把这种组成原子的粒子称为微粒，即后来被称为“电子”。电子的发现否定了2000多年来认为原子是组成一切物质的不可再分基元的传统观念，预示着原子内部有特殊结构，为原子结构理论的创立和电子学、电子技术的利用立下了不可磨灭的功勋。2.3.2相对论的建立德国科学家爱因斯坦（1879—1955）于1905年创立了狭意相对论，主要论点：（1）同时性的相对性即两个事件是否同时，在不同的惯性系看来是不同的，同时性并不是绝对的而是相对的；（2）长度收缩运动着的物体在其运动方向上的长度要比静止时短；（3）时间延缓运动着的时钟要变慢；（4）动质量增大运动着的物体的质量随着速度的增大而增大；（5）光速是运动物体的极限速度，即任何物体的运动速度都不能超过光速；（6）物体的质量（m），能量（E）之间服从质能关系式：E=MC2（C为光速C=30×104Km/S）。狭意相对论揭示了时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。相对论的核心是观察物体运动的“四维”空间，即质量、速度、距离和时间，它们之间是相互联系的。相对论的理论依据是物体的运动速度极限是光速，光在真空中的速度始终保持不变，更重要的是，它与观察者的速度无关（1光年（1.Y）=30×104×365×24×3600=9.4608×1012Km）。相对论的实验依据是假设有两个飞船，若飞船A以0.75C的速度朝一个方向运动，飞船B从对面方向飞来，速度也是0.75C，按牛顿力学，A和B的相对速度A+B=1.5C，但实际情况并不是1.5C。而是必定小于1C（爱因斯坦计算应为0.96C）A0.75CA0.75CA0.75CA0.75CLL0.96L0.96L1H1HH=0.96HH=0.96HLA-B的相对距离，H运动物体指示时间，h静止物体时间。由此会得出惊人的结果：如果人能够以光速旅行，他最少会经历三件事：时间变得停滞（变慢）；自身的体积缩到无限小；本身的质量却变得无穷大。为什么会产生这种现象，原因是速度极限—光速。爱因斯坦的广义相对论要点：广义相对论是一种引力场理论，在引力场中，现实的物质空间不是平直的欧几里得几何空间，而是黎曼几何的弯曲空间，其弯曲度取决于物质在空间的分布情况，物质密度大其空间引场的强度大，空间弯曲得越厉害，即空间取决于引力强度，引力强度大，时间也会变慢。广义相对论进一步揭示时空的性质不仅取决于物质的运动情况，而且也取决于物质本身的分布状态。广义相对论的验证水星轨道近日点的进动；光谱线红移；光线在引力场中的偏转狭义相对论研究的物体是恒速运动的观察者。广义相对论研究的物体是加速运动的观察者。狭义相对论只考虑了恒速运动的观察。广义相对论是对加速运动的观察。爱因斯坦设想一架处于自由落体状态下运动的电梯。当一束光线进入墙上的一个小孔，电梯里的人观察到光线沿直线行进；但是对于电梯外面的观察者来说，光却是沿曲线进行。为什么会这样？爱因斯坦指出，这一弯曲是由于电梯正在加速引起的。由于引力是一种形式的加速，光会因此而弯曲。一张平铺的橡皮垫在中间放一重铁球，垫子被重球压迫而变形。同样，时空在一个像恒星这样大质量的物体周围因受恒星大引力作用，物体周围会扭曲。让一颗小球在靠近重球的橡皮垫上滚动，它沿着一条曲线滚动，恰似恒星附近的光线一样光会发生扭曲而偏转，时间出会变慢；光线在重引力场中会发生偏轨；水星在近匀速日点加速匀速加速水星运动——近日点进加速水星动，也是广义相对论所观察的一种现象。2.3.3量子论的创立所谓量子是指单个的，不连续的。1900年，德国物理学家普郎克（1858～1947）提出量子论学说，认为物体在辐射和吸收能量时，能量是不连续的，而是有一个最小能量单元，被称“能量子”，简称量子，1905年爱因斯坦认为光也是不连续的，提出了“光量子”，认为光是由不连续运动的光量子（粒子）组成。玻尔（1885～1962）的原子结构的量子化理论1913年丹麦物理学家把卢瑟福的原子核模型与普朗光的能量子学说结合起来，提出原子中的电子只能沿着一些特定的轨道上绕原子核运动，电子在这些轨道上运行时不吸收也不辐射能量，处于稳定状态，若电子吸收外界能量则成激发态发生跃迁；若电子受某种扰动也可产生辐射现象，为量子论建立奠定基础。量子力学的建立沿着两条不同途径通过四位科学家的独立研究共同创立的。一条是1924年法国物理学家德布罗意（1892～1987）提出物质波理论，认为任何粒子（光子、电子）运动都县有波动性，它的波长与它的动量成反比，并发展了波动方程的学说。1926年奥地利物理学家薛定谔（1887～1961）在他的导师德拜的指导和帮助下，发展了德布罗意量子力学波动说观点，系统地描述原子核外电子运动的薛定锷方程。量子力学另一条道路是德国物理学家海森堡（1901～1976）等人创立矩阵力学的探索之路，他首先提出测不准原理，即电子运动的轨迹和某时刻的位置不是固定不变的，两者不能准确的同时测量到。之后他和玻恩（1882～11970）、约尔丹（1902～）合作，共同建立了量子力学理论系统，即矩阵力学。英国物理学家，狄克拉（1902～1984）运用数学计算使量子力学成为更完整的体系。波动力学和矩阵力学两者成为量子论坚强的支柱。量子力学反映了微观世界物质运动规律的特殊性，使人们对自然界的认识实现了从宏观世界向微观世界的飞跃。量子力学的建立大大促进了原子物理，粒子物理，凝聚态物理等物理学前沿的发展，促进了量子化学的产生，及激光技术，虚拟技术的研究和开发应用。2.3.4现代自然科学的全面发展20世纪以来，现代自然科学不仅在涉及全局性的科学基础理论如相对论，量子论这样新的革命性的突破，而且在各个传统学科领域里也取得了革命性的进展。如地球科学中的板块构造理论学说的建立，开创了人类对地球史认识的新阶段。分子生物学的建立，实现了人类对遗传物质基础认识史上的一次划时代的突破，开辟的生物技术，细胞工程，基因工程、酶工程和发酵工程，使人类对生命科学的认识向纵深方向发展；天文学领域，天体演化学说和宇宙学的诞生，使人类的视野推进到200亿光年的大尺度的空间范围……。现代自然科学一方面向微观深层和宏观广度的纵向发展，另一方面又向综合，横向发展，出现了环境科学，能源科学，材料科学等综合型科学；出现了信息论，控制论，系统论，协同论，耗散结构理论，混沌学等横向型科学，边缘科学，交叉科学，成为新世纪自然科学基础理论科学突破性发展的一个重要方面，其特点是既高度分化又高度综合的全面发展中，对整个人类社会的各个方面也产生了极其广泛而深刻的影响。2.4现代科学技术的发展趋势和基本特点2.4.1科学技术迅速发展和急剧变革（1）现代科学技术发展呈指数增长的趋势截至1980年，人类获得的科学知识90%是第二次世界大战后的30多年中取得的，到2000年翻了一番，最近50年来人类所取得的科技成果、技术发明的数量远远超过以往5000年的总和。（2）当代科学技术发展的新阶段20世纪中叶以来，科学技术的发展经历了5次重大的变革在第一个10年（1945~1955）以原子能的研究与利用为标志，人类开始了核能利用的新时代。在第二个10年（1955~1965）以人造卫星的发射成功为标志，人类开始向外层空间进军。在第三个10年（1965~1975）以重组DNA成功为标志，基因工程正式踏上历史舞台，人类进入了可控制遗传和生命过程的新阶段。在第4个10年（1975~1985）随着微电子技术的迅速发展，以微处理机的大量生产和广泛使用为标志，揭开了以电脑扩大人脑能力的新纪元。在第五个10年（1985~1995）以软件的大规模开发与产业化为标志，人类迈入了知识经济的新时代。进入21世纪以计算机互联网为标志，人类进入了一个可在虚拟空间里实现信息交换与信息共享的信息时代。纳米科技与人类基因组计划的重大突破，预示人类将在进一步破译生命秘密的基础上展示神奇生命世界的诱人前景，预示着新一轮的科技革命即将到来。2.4.2现代科学的主要发展趋势物理学和生物学成为20世纪带头学科，基础自然科学的体系以它们为核心形成了物质科学和生命科学两大综合科学。自然科学发展的第一个主要趋势一方面物质科学继续揭示自然界更深，更广，更久远的层次和各种极限状态下的物质运动规律；另一方面，系统科学与生命科学正逐步阐明与人类的关系更密切的各类复杂系统的行为规律，系统科学和生命科学将是21世纪的带头科学。第二个主要趋势现代科学在高度分化的基础上产生了高度的综合，综合表现为多层次，多维度的科学交叉与渗透，更表现为横断学科和综合性的学科群不断出现，各门学科之间的界限日益模糊，而普遍联系日益强化。2.4.3现代技术的主要发展趋势第一，以基础自然科学新成果为先导的高新技术成为现代技术体系的带头技术。第二，各门技术相互渗透，相互促进围绕某一大问题、大目标的解决与实现形成庞大的综合性技术群。一。第四，以软科学为理论基础的多种社会技术成为现代技术体系的新门类。第五，大多数技术创新出现于新产品的研制过程中。2.4.4科学技术发展的综合化趋势（1）科学的技术化，技术的科学化相对应领域的科学与技术的衔接后相互渗透，相互包含以至融合成连续的整体。科学的技术化，是指在总体的科学活动中包含着大量的技术科学研究、技术发展研究和技术应用研究工作等方面的内容；技术的科学化，包涵双重含义，第一指已有的技术上升到技术科学，第二指技术创造发明是根据已有的基础科研成果，即技术进步是以科学的成果为依据。在19世纪中叶以前，科学与技术是分离的，它们各自独立发挥社会作用，其发展往往是脱节的。技术的进步通常是依靠传统技艺的提高和改进，只凭经验摸索前进。科学理论也经常是跟在实践之后来概括和总结人们在生产技术活动过程中积累起来的经验材料。因此，经常会出现在科学上还未搞清的理论，在技术上却可以实现，如发明用火却是远在燃烧说学之前；而科学上已发现了的某些规律，在技术上却久久不能实现，如太阳热核反应放出高能量的理论早已建立，但太阳能的综合利用至今仍步履艰难等。关键性的技术突破常常与科学理论没有直接联系，但科学技术发展到今天，科学与技术的关系已密不可分，现代的技术发明越来越依靠科学的趋势又不容忽视。现代的技术完全是建立在科学理论的基础之上，现代科学也装备了复杂的技术设施。科学技术化和技术科学化就是现代科技术的显著特征。在一定程度上，科学正在变成技术，越是新技术，包含的科学知识越密集。高技术就是包含密集科学知识的技术，现代科学的进步就是依赖最新的复杂装备的支持才得长足的发展。（2）当代科技发展的两种形式，当代科学技术发展有两种形式：一是突破，二是融合。突破是以研究开发新一代科技成果取代原有的一代科技成果；融合是组合多种专业不同领域的科技成果发展成为新技术。科技的突破与融合既相互联系又有区别，第一，科技突破是从实验室开始，科技融合则是以市场需求开始，以市场为主导，主导研究与发展，而不是由研究开发引导市场；第二，科技突破可来源某一专业领域的信息，而科技的融合则是来源于各行业、各专业领域广泛的信息；第三，科技突破可以是本门学科、专业范围内、某一科技领域的最新发现或发明创造，而科技融合需不同学科、不同专业、不同技术领域和不同产业之间的通力合作，参与跨行业的开发研究。现代科学与技术的结合已经形成了科学技术的统一体系，导致了新的跨学科研究领域的出现，促成了具有确定的特有概念和方法论的新科学和新领域的诞生，开辟了一个全新的研究系列。（3）科学技术综合化趋势中的现代科学发展特征Ⅰ研究的完整性现代科学研究正在向微观世界各层次和宏观世界各层次两个方面延伸。对自然的认识深入到过程的动力学机制和与此相联系的结构功能。从层次、过程、结构和功能诸多方向揭示自然界的规律。Ⅱ研究对象的多科学性 现代科学研究的方法从比较单一的方法转向多种科学的研究方法。综合运用各种科学方法研究某一特定对象，这是当代科学研究的一大特点，特别是在高科技领域，研究的对象和课题大都具有多学科性。组织多学科的联合攻关是高科技研究取得突破性进展的主要形式。Ⅲ学科的多对象性 现代科学研究的领域和研究方向与横向和纵向科学的联系越来起紧密。特别是在高科技领域，各门科学的研究需要紧密配合。如航天技术离不开计算机科学、信息科学、材料科学、能源科学、心理学、医学、物理学、化学、机械、电子等多种学科的配合，当代科学研究是有高度的综合性，必须是学科配套、同步前进、整体突破。Ⅳ科学研究的信息化 现代科学研究从立项到实施的整个过程信息处理技术系统是当代科学技术发展的主导领域。信息处理系统的进步和急剧换代是当代科学革命过程的核心。（4）科学技术综合化趋势中的现代技术发展特征Ⅰ技术一体化 现代技术最基础的机械制造和电力电器，从单一的机和电转变为机电一体化，光（包括激光）电一体化，光机一体化、声光电一体化等。即机械技术和电子技术的结合、光与电子技术的结合，用光来代替信息技术中的电子，以进一步提高在信息储存和加工方面的效率；声光电机多媒体系统等。这种一体化趋势加快了现代科技的进程。Ⅱ当代技术向标准化、大型化、组合化、高速化、集约化和信息化方向发展，集约化是相对于粗放型的人海战术耗竭资源和能源而言，即现代技术正朝着节约劳动力、节约资源和能源的方向发展。Ⅲ高新技术赋予现代技术的新内涵，高新技术的特点是高精密性、高可靠性、高灵活性、少工序性、少排放或少废性，既保证最佳技术性能，又保证最优工艺质量，从宏观的机械加工向微观的改变物质结构的新工艺方向发展。 科学技术的综合化，要求按崭新的原则组织研究工作和生产过程，要求对科研、教育、生产体制进行革命性的转变。这将引起一系列产业结构，经济结构和社会结构的重大变革。第二篇当代自然科学重大基本问题物质结构研究的当代进展3.1揭示物质构成之谜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），人们对微观世界的认识深入到10－17cm数量级。表3—1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长度的十进制倍数的词头及符号词头符号中文名数值metre1m米1m=1metredecimetre1dm分米1dm=1/10m=10－1metrecentimetre1cm厘米1cm=1/100m=10－2metremillimetre1mm毫米1mm=1/1000m=10－3metredecimillimetre1dmm丝米1dmm=1/104m=10－4metrecentimillimetre1cmm忽米1cmm=1/105m=10－5metremicrometre1um微米1um=1/106m=10－6metrenanometre1nm纳米1nm=1/109m=10－9metrepicometre1pm微微米1pm=1/1012m=10－12metre1毫微米=1nm纳米=10m=10cm表3—2国际单位制中十进制倍数的词头及符号词头符号中文名数值teraT垓、千京、兆兆10gigaG京、千兆10megaM兆10kiloK千10hectoh百10decada十10decid分10centic厘10millim毫10microu微10nanon纳、毫微10picop皮、微微103.2物质结构研究的新进展物质结构研究的当代科学前沿是微观粒子物理学，其目标是探索物质结构的基本组成和它们之间相互作用的规律。半个世纪以来在对相继发现的数百种粒子性质的研究中，科学家们总结出微观粒子相互作用的规律：所有基本粒子的运动遵循四种基本的相互作用规律；夸克、轻子和传播子（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成果。3.2.1四种基本力力。力。电磁力范围非常广，包括物体内部张力，化学键力，摩擦力，磁场、电场力等，它与万有引力所不同的是，电磁力既在宏观物体，也在微观领域中都起着重要作用。III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介子和K介子衰变等。IV强力是强子及夸克间相互作用力，这种力使质子和中子组合成原子核，使夸克组合成强子。弱力和强力只有在非常小的范围内才起作用，或者说只有微观粒子间的相互作用才显示出效应。在宏观物体中不能直接观察到。3.2.2基本粒子物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子、中子组成，质子由夸克、轻子、强子等一系列基本粒子组成。到目前为止，人类已发现的基本粒子有几百种，按照质量递增的次序和参与作用的性质分成四类：光子、轻子、介子、重子。微观粒子还具有双重性，即粒子性和波动性（波一粒二象性）。微观粒子在空间传播表现为波动性，而当它与物质相作用时则表现为粒子性。3.2.3夸克模型及夸克和轻子的对称性强子是由三个更基本的粒子（上夸克、下夸克和奇异夸克）组成。为了寻找强子的内部结构，科学家们受门捷列夫元素周期表的启发，将已发现的强子按电荷、自旋等特征排列，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。这一模型预言应存在一个新的粒子Ω－，后来果真在实验室中找到了它。1974年，丁肇中领导的一个小组和B·里克特领导的另一个小组独立地发现了新的粒子，表示为J/4，其质量相当重，是质子质量的3倍多（3.1GeV），寿命却很长，大约是10－20秒，比典型的3电子伏的强子寿命长约1000倍，3个夸克的模型已不能解释它的产生和衰变特性。为了解释它，物理学家引入第四种夸克—粲夸克。J/4粒子被看作是由粲夸克和反粲夸克组成的束缚态。1977年，美国哥伦比亚大学的莱德曼实验室又发现了一个称为r的新粒子，r粒子被看作是由第五种夸克—底夸克和反底夸克组成的束缚态。1995年，美国费米实验室两个研究小组宣布发现了顶夸克。研究表明，已发现的强子，都是由这六种夸克及相应的反夸克组成。如质子由2个上夸克和1个下夸克组成等。基本粒子微观世界，许多问题还未认识，正在探索中。表3—3四种基本力及其性质力的类型引力弱力电磁力强力发生作用的范围延伸到非常大的范围约＜10－15cm延伸到非常大的范围约＜10－13cm相对作用强度10－3810－1310－21传播子未知中间玻色子w+、w－和z0光子胶子传播子质量未知约90GeVO假定为O引起过程所需时间未知10－9S10－21S10－23S表3—4夸克的有关参数名称符号电荷（e）自旋质量（GeV/C2）上夸克u2/31/20.02下夸克D－1/31/20.02奇异夸克s－1/31/20.4粲夸克c2/31/21.5底夸克b2/31/25顶夸克t－1/31/2（＞5）？表3—5三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表3—5是按粒子发现的先后顺序分为代，每一列为一代，共有三列三代。是否还存在着更多的基本粒子？有没有第四代、第五代？是物质结构粒子物理学和宇宙学关心的新课题。3.3物质结构研究与其它科学技术发展的相互关系3.1微观粒子的研究促进高能加速器的发展按爱因斯坦“质能公式”E=mc2（m是物质的质量，c是光速，E是代表该物质所具有的能量），要产生一定质量的粒子，需要相应的能量。上世纪50年代的加速器只能产生一束高能粒子，用高能加速器产生的高能粒子作“炮弹”轰击固定的“靶”就产生出新粒子。“炮弹”的能量不同，产生的不同能量的粒子，又促进了粒子物学理的更进一步发展，使更多的粒子被发现。在粒子物理学中，100兆电子伏（100MeV）以下为低能（原子弹爆炸时的核反应作用在兆电子伏量级，在粒子物理中属低能）；100兆电子伏至3京电子伏（3GeV）为中能；3京电子伏以上称为高能。因此高能加速器是指粒子反应能在3京电子伏以上的加速器。目前在高能加速器的基础上又发展了对撞机，如正—负电子对撞机、质子—反质子对撞机、质子—质子对撞机和电子—质子对撞机等。对撞机的使用，又将粒子物理学大大推进了一步。3.2粒子物理学面临新的挑战半个世纪以来，粒子物理学获得了惊人的进展，但仍有许多基本问题需要解决，诸如夸克和轻子是否有类似于原子—电子结构？基本粒子还能再“分”下去吗？夸克和轻子为什么会有不同质量？夸克、轻子是否只有三代？代的基源是什么？弱作用下粒子与反粒子变换——宇称联合反演对称性破坏的来源是什么？这些问题都是微观世界粒子物理学研究的新课题。3.3粒子物理的贡献及其对其它科学技术的关系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（参见表3—1）。粒子物理学的研究使我们知道了除了万有引力和电磁力之外还存在着弱力和强力；除了原子、电子之外还有数百种粒子；了解能量、空间、时间之间深刻的关系和微观世界存在着许多神秘尚待发现的规律，其中有些规律对我们进一步认识宏观世界也具有重要意义，对整个科学技术也产生深远影响，深化我们对物质世界的认识。近50年来在粒子物理学研究中获诺贝尔奖的科学家就有30多位，其中包括华裔美籍科学家杨振宇、李政道和丁肇中。粒子物理学对基础科学的发展也带来新的机遇。粒子物理为宇宙学、天文学的研究与发展产生重大影响，使宏观世界和微观世界在粒子物理学中奇妙地结合起来。如对大爆炸理论模型的验证。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。如高频技术、强流技术、高真空技术、强磁场技术、超导技术、计算机应用等。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。粒子物理也促进了原子物理的发展，使这两个相关科学更加紧密联系起来。核子由夸克构成以及核力通过胶子交换等概念直接影响了核物理。高能轻子对核的散射实验表明，原子核不是一个简单的多个核子的集合体。粒子物理学与天体演化研究的相互渗透、巧妙结合，产生了一些交叉学科，如中微子天文学、射电天文学、高能天体物理学等，为天体演化的研究开辟了新途径。粒子物理中的量子场论的理论方法，已被用来解决固体物理、统计物理、等离子体物理、凝聚态物理等领域的物理问题，成为这些领域的一种必要的理论工具。第四章宇宙的起源与演化4.1宇宙概观宇宙是空间和时间及物质三者相关的总体。中国古代先哲曾提出：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。这是我们的祖先对宇宙最概要性的界定。宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是每一种宇宙论都必须回答的深化。4.2宇宙的起源4.2.1大爆炸宇宙学宇宙在遥远的过去曾处于极高温度和极大密度状态的“原始火球”，当温度增大到某一时刻，火球发生了大爆炸，物质四散飞出，宇宙间充满光子、电子和中微子等基本粒子。爆炸后的碎片，烟尘不断向四周扩散，温度很快下降，当温度降到10亿度左右时中子开始失去自由存在的条件，它或衰变为质子和电子，或者和质子结合成氘，氦等原子核，化学元素开始形成。当温度下降到数千度时，辐射作用减退，气态物质逐渐凝聚成气云。此后温度继续下降，各种物质因凝聚而收缩，逐渐演变形成星系，物质的引力作用形成恒星、行星及其卫星、彗星等各种天体。4.2.2大爆炸的观测事实依据（Ⅰ）河外星系的谱线红移所谓红移，可用开普勒效应来比拟。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。声音减弱(相对于静止)△H＝h2－h1H1声音增强（相对于静止）声音减弱(相对于静止)△H＝h2－h1H1声音增强（相对于静止）静止火车静止火车H2静止火车静止火车H2HH2静止火车音量H1行进火车音量背向观察者的光射向观察者的光背向观察者的光射向观察者的光紫绿黄红红黄绿紫紫绿黄红红黄绿紫静止的光静止的光背向观察者光向低频谱线(红光)移动h2静止的光静止的光背向观察者光向低频谱线(红光)移动h2红黄绿紫紫绿黄红红黄绿紫紫绿黄红h2h2观察者△h＝h2－h1观察者△h＝h2－h1面向观察者的光谱向高频紫光移动h1行进中物质光谱红光谱线位置h2静止物质光谱红光谱线位置天体光谱中红光向外位移，说明该天体在远离观察而去—向外扩充—宇宙膨胀，这是大爆炸理论的观察实验依据。红移△h=h2-h1的距离入e)/入0（入0为观察波长，入e为天体发射波长），折合成运动速度，可用公式V=Hr表示——哈勃定律，H—哈勃常数。由此可定量算出该天体远离我们而去的速度，因为所观察大部分星系谱线都有红移现象，证明确实宇宙在膨胀，是大爆炸的结果。（II）宇宙中He元素和H元素丰度很高（He在不同天体中占25~30%），这是因为在大爆炸后一个很短时间内，早期温度高（10亿度）中子失去自由存在的条件与质子结合成He和21H（氘）。由于He很稳定，不易再参与反应而在宇宙中保存下来。H在宇宙中无氧气存在条件下，H也是很稳定，所以宇宙中H和He丰度高，而且He的丰度在不同天体中其丰度基本相同。这一事实也支持了大爆炸理论，各天体都是大爆炸物质所凝聚而形成的（按由2个质子与2个中子合成He，推算出He：H=1：4）。（III）所有天体的年龄都小于200亿年——宇宙年龄宇宙的年龄如何计算？按照哈勃的发现，遥远天体（星系）发出的光，光谱谱线红移的事实，证明许多星系正在彼此远离。哈勃定律对于我们认识宇宙作出重大贡献哈勃的红移量Z==△h（入o—实验室观察实验光源的波长，入e某天体同一谱线的波长）入oV—哈勃计算天体（星系）远离我们而去的速度V=HS即红移速度与距离成正比（H-哈勃常数）按牛顿力学S=vt（S-距离，v速度，t-时间）将星系的距离S，除以星系运行速度，可求出运行时间St=，就得到我们所观察到的许多星系距今约100~200亿年，V这段时间对所有星系来说是共同的，哈勃进一步推论V=CZ=C△入/入0（C——光速）显然1H=（因为S=Vt）T由此又算出星系远离我们而去的速度在已观察到的众多星系中，用哈勃定律算出其最大年龄都不超过200亿年，哈勃的推论为我们推断宇宙起源于大爆炸理论的观察提供有力的证据。（IV）微波背景辐射热火球爆炸的另一个重要遗迹是微波背景辐射。大爆炸后的烟尘，弥散物质及能量向四周空间扩散，随着宇宙的膨胀，温度也不断下降，但只要有能量就有辐射，而且在宇宙空间的能量辐射与其所处温度有关。1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架通讯电话在7.35CM波段（波长）处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号，这种信号因为是在从宇宙深处不同方向接收到同一个强度相同的信号，是在一定温度下发生的能量辐射，由于这种辐射的峰值波长在1mm附近，处于微波段，又称为微波背景辐射。这种辐射谱线分布与温度范围是在2.735±0.06K°（t=273.15°K+C°），经测量宇宙不同方向的微波辐射，其相对温度都小于十万分之一！这再次毋容置疑地证明宇宙起源于同一大火球大爆炸之后形成了宇宙。而且各星系尽管会有千差万别的物理化学因素，但其根本的共性是同一的！4.3恒星的一生大爆炸之后，宇宙空间布满的弥散物质，气体云，尘埃等靠自身的引力逐渐凝聚，密度逐渐增大。当向内的引力强到足以抵抗向外压力时，它将迅速收缩落向中心，在收缩过程中释放出的引力能使原始恒星（炽热气体云团）温度上升，当中心温度上升到1000万K，足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。恒星的质量则会由于产生的辐射太大而瓦解。恒星质量范围在0.1~100个太阳质量之间，这类恒星比较稳定。近来，红外天文卫星探测到成千上万个正处于形成过程中的恒星。恒星的演化恒星形成之后，光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的核反应（4个氢原子聚合成2个氦原子）。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段，恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，称为“壮年期”。至目前发现的恒星有90%处于这一阶段（包括我们的太阳）。这一阶段的具体长度取决于恒星质量的大小，对于我们的太阳约为100亿年，到目前已经有50亿岁了，大约还有50亿年！对于质量比太阳大10倍的恒星其寿命只有3000万年。当恒星核心部分的氢全部聚变为氦以后，产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再次上升，达到引发氦燃烧的程度。结果将3个He核聚变合成一个碳核，反应中释放的能量使星体大大地膨胀，膨胀过程也不断消耗能量，表面温度降低，但体积膨胀到足以把水星、金星、地球都装进去，此时发出的辐射主要是红光，称为红巨星，恒星进入“中年期”阶段。经过红巨星阶段，恒星进入“晚年期”，这时其核心部分产生一系列热核反应，当核心的氦全部变成碳后，又再一次引力收缩，压力和温度又再一次升高，于是发生碳——>氧、碳——>镁的反应，直至聚变为稳定的元素铁为止，这一阶段的恒星经历多次的膨胀收缩，光度也周期性变化，因此这一阶段的恒星极不稳定。4.4恒星的归宿当恒星内部的核燃料耗尽之后，原来由热核反应维持的辐射压力消失，星体将在引力作用下再次收缩，于是进入老年期。对于初始质量小于太阳８倍的恒星，最终将变成０倍的恒星在其核燃料耗尽之后会发生猛烈的爆发在短短几天中亮度陡增千万倍甚至上亿倍，称为超新生。爆发后留下的星核的体积只有同质量年轻星的百万分之一，几乎全由中子紧紧堆成，称为中子星。我国宋史记载宋仁宗至和元年（1054年）出现的“客星”就是这样一次超新星爆发。９００多年后，英国天文学家在那个位置发现的脉冲星（由于快速旋转而发出脉冲式电波的中子星），就是那次爆发的遗迹；质量更大的恒星在晚年爆发后变成密度极大，大到足以将光线都吸进去，变成看不见但又确实存在的天体——称为黑洞。人们只能通过对它周围物质的影响间接地探知其存在。一些发射出Ｘ射线的双星系统中，那个质量很大而又看不见的成员，其实就是黑洞。4.5形形色色的星系星系是由数十亿至数千亿颗恒星和气体尘埃等星际物质构成，占据几千光年至几十万光年的空间的庞大天体系统，是构成宇宙的基本成员。包括太阳系在内的由几千亿颗恒星组成的银河系就是一个普通的星系。银河系以外的星系称为河外星系。恒星之间的引力吸引将星系保持为一整体。星系具有形形色色的外貌，但基本上可分为旋涡星系和椭圆星系两大类，还有一些形状不规则的称为不规则星系。银河系就是属于旋涡星系。旋涡星系的质量相差悬殊，有比银河系大100多亿倍达到十万亿（1013）倍太阳质量的巨旋涡星系。也有小到1千万（107）倍太阳质量的矮旋涡星系。旋涡星系是盘状的，中间有凸起的核球，像块体育运动的铁饼，旋涡星系的盘绕其中心旋转，由此而形成其具有几条旋臂的特征形状，旋臂由许多最年轻、最亮和最热的恒星“联缀”而成，气体云和尘埃集中在这里，因而也是恒星不断诞生的区域。4.6宇宙是开放的从哈勃对星系所发出的光，谱线红移的观察：光波与声波一样，也有类似开普勒效应，即面向观察者运动的光源谱线（与静止光源相比）将向高频（光谱蓝端）移动，而背向观察者运动的光源谱线（与静光源相比）将向低频（光谱红端）移动。得出的哈勃定律，星系光谱红移量与星系之间的距离成正比，证实宇宙是开放的、膨胀的。也就是说，所有星系都在远离我们而去，其退行速度正比同我们的距离。哈勃定律对任何星系来说都是成立的，所以说宇宙中所有星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中。哈勃的这一发现为弗里德曼宇宙模型提供了直接的观察依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念，为进一步研究宇宙的起源和演化奠定了基础。现代宇宙学包涵爱因斯坦关于空间、时间（时空）皆与物质和质量四维空间密不可分的概念，宇宙作为一个演化着的整体被确认。在现代自然科学的发展中具有非常重要的意义，现代宇宙学对大宇宙的认识，是人类对自然界无限性认识的一个里程碑。第五章太阳系及其家族5.1太阳系天体运动的一般规律 我们的太阳在宇宙中是处在银河系4条旋涡结构中的第3条旋臂（由内向外）上的一颗光谱型为G2v的恒星。以太阳为中心，其周围由九大行星及其卫星、小行星、慧星、陨星及行星际物质、星云、宇宙尘等构成的天体系统称为太阳系。根据目前对太阳系所掌握的知识，可总结出如下特征：5.1.1行星运动的同向性、同面性和近圆性行星绕太阳公转的方向大都是自西向东（个别例外）这称为同向性；行星公转轨道几星除最内的°33′之外，其余七大行星的倾角都小于2°2′，其中木星的轨道面与不变平面相合得最好，这称为共面性；大行星公转轨道都接近正圆形的椭圆，只有水星和冥王星轨道偏心率较大,分别为0.206和0.25，其余行星的轨道偏心率都小于0.1，这可称为近圆性。大行星的三个运动特征表现得最为突出，质量越大的行星又更为明显。5.1.2太阳系行星卫星运动的共性与个性在太阳系已发现的127颗天然卫星其中66颗较大质量的卫星约有1/3个在绕本行星的轨道运动也有同向性、共面性和近圆性三个特征。但我们的月球是属于不规则卫星，其偏心率0.055均大于其它八大行星半径超过1000km的卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一其偏心率分别是0.004、0.009、0.002、0.007、0.029、0.001）；此外月球轨道倾角（绕本行星公转轨道与卫星赤道交角）也大于其它行星的卫星，其倾角5.84°（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六的轨道倾角分别是0.04、0.47、0.21、0.28、0.33）；如果将地球的质量定为1，则其它八大行星的质量：水星0.0553、金星0.8149、火星0.1074、木星317.938、土星95.181、天王星14.531、海王星17.135、冥王星0.0022，若将月球的质量也定为1，则其它八大行星半径超过1000km的卫星的质量：木卫一1.2、木卫二0.66、木卫三2.0、木卫四1.5、土卫六1.84、海卫一0.291，则卫星与本行星的相对质量比分别是：月球1、木卫一0.0038、木卫二0.0021、木卫三0.0063、木卫四0.0047、土卫六0.019、海卫一0.017，可知月球与地球的相对质量比显得特别大。从这个角度看，在太阳系中地球、月球在某种意义上可视为“双星”；月球公转周期（绕本行星运行轨道周期）却特别慢，若轨道周期以天（24h）计，则月球27.322、木卫一1.769、木卫二3.551、木卫三7.155、木卫四16.689、土卫六15.945、海卫一5.877。5.1.3太阳系各天体质量或个体大小的不平衡性太阳系的质量重心99.85%集中在中心天体——太阳上，众多的行星、小行星、流星、卫星和慧星只占不到太阳系总质量的0.2%，九大行星在质量和大小方面分布也极不平衡。行星的质量和大小亦可用其体积与密度综合量度，现代天文学的观测已测得九大行星及其卫星的平均密度和体积。九大行星各自的平均密度（g/cm3）分别是：水星5.43、金星5.25、地球5.52、火星3.95、木星1.33、土星0.69、天王星1.29、海王星1.64、冥王星2.03、太阳1.41；如果将地球的体积（实际体积为1.0832×1012km3）定为1，则其它八大行星的相对体积为：水星0.055、金星0.834、火星0.15、木星1321、土星750、天王星67.2、海王星59.4、冥王星0.00544、太阳1.3036×106。太阳的体积是地球的1303600倍！木星的质量等于其它八大行星质量的总和的2.5倍，木、土二星的质量是其它七个行星质量和的12倍；木、土、天、海四星虽然体积大、质量大、但密度却很小，在0.7～1.6g/cm3之间，水、金、地、火四星体积小，质量小，但密度大，在4～5.5g/cm3之间。5.1.4太阳系类地行星与类木行星化学组成的差异性类地行星最明显的是由地幔和板块、岩石等组成的地壳，含有元素周期表中大部分金属与非金属元素，因而密度都较大，除水星外，金、地、火三星在早期地质过程中都储有大量的水，但目前金、火二星表面已完全干涸，液态水已完全消失！唯有地球至今仍保持大量的水；类木行星最明显的是没有固体表面地壳，组成元素主要是氢、氦、甲烷等，由于表面气温在-150℃～-240℃，而大气压力又很大，所以据推测其表面是氢、氦的海洋或气一液流体表面。5.1.5太阳系各天体角动量分布不均衡性太阳的角动量占不到太阳系总角动量的0.6%，行星占去94.4%，卫星和小行星所占微乎几微，这表明角动量不集中在中心天体太阳上，而是按动量守恒分配于各行星；但对于行星和卫星系统则恰好相反，卫星绕行星转动的角动量只为行星自转角动量的百分之零点几到百分之十，火卫系统仅为32万分之一；但对于地月系的情况又相反，月球绕地球公转的角动量比地球自转的角动量大5个数量级（即万倍），这都是由于月—地相对质量比特别大造成的，由此再次看出月—地系统在太阳