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。
　　(－)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－”。
　　(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
　　(－)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。