现代科学技术概论.ppt

1,现代科学技术概论,2,教学目的：通过讲授，使学生对当前现代技术的起源发生和发展有一概要了解，达到文理、理工渗透的初步目标。,主要内容： 1. 科学技术的历史回顾； 2. 21世纪科学技术的发展态势； 3. 中国的科技工作蓝图； 4. 基础科学的前沿领域； 5. 高技术及其产业； 6. 现代技术领域与发展现状； 7. 现代技术与可持续发展战略。,课程名称：现代科学技术概论 课程代号： 课时：36 学分：2,课程简介,3, 第一章 科学与技术 第二章 科学技术发展简史 第三章 现代科学技术发展的特点和趋势 第四章 科学技术的体系结构 第五章 科学技术方法论 第六章 现代科学进展 第七章 现代科学技术发展成就 第八章科学技术是第一生产力 第九章 现代科学技术与可持续发展,课程简介,4,教 材：赵则海、李方满、李军，现代科学技术概论，广东人民出版社，2006年 参考书： 1. 王德胜，现代科技精华，宁夏人民出版社，1993年 2. 宋健，现代科学技术基础知识，科学出版社，1994年 3. 周光召，共同走向科学，新华出版社，1997年 4. 扬立忠，高技术战略，军事科学出版社，1991年,课程简介,5,一、科学的基本概念 二、科学的特征 三、现代科学四大基本理论 四、现代科学五大基本模型,第一节 科学,6,1、科学一词的来源 科学一词，英文为science，源于拉丁文scientia。 英国自然科学史学家丹皮尔(Sir William Dampier, 1651-1715)在其所著的科学史一书中曾指出：“拉丁语词scientia就其最广泛意义而言，是学问或知识的意思。” 日本著名科学启蒙思想家福泽瑜吉（1834-1901）把“science”译为“科学”。 1893年，我国著名学者康有为引进并使用“科学”一词。 近代启蒙思想家严复在翻译天演论等科学著作时，也进一步使用“科学”一词。 此后，“科学”一词便在中国广泛运用。,一、科学的基本概念,第一节 科学,7,2、科学概念的理解 科学是生产知识的活动 科学是反映客观事实和规律的知识 科学是反映客观事实和规律的知识体系 科学是科学的世界观、态度和方法 科学是一项社会事业,一、科学的基本概念,第一节 科学,8,一、科学的基本概念,3、科学的严格定义 科学是反映自然界各种物质运动的客观规律，是经过实践检验和逻辑论证的理论知识体系。 简要地说，科学是系统化、理论化的知识体系。科学是一种知识体系，但并不是所有的知识都能称之为科学。 科学包括自然科学、社会科学和思维科学等。,在2004年“艺术与科学国际作品展”中展出的月球概念车，它是按照清华大学设计的一款无人遥控月球车的真实技术参数，等比例缩小制成的。,第一节 科学,9,1、科学的客观真理性 现代科学是系统化、理论化的知识体系，是一种社会活动，是一种特殊的社会生产形式。 2、科学的系统性 科学是对个别对象的一般性、共同性、规律性的系统化的描述。 科学是极为严谨、必须建立在可以重复的实验的基础上的客观描述。 3、科学的探索性 科学的探索常带来超越常规的，有时甚至会得到意想不到的结果。 科学家们用自己顽强的努力去体现和满足这种好奇心。 只要科学探索是严肃的、认真的，科学探索得到的结果是客观的、正确的，它对科学就是重要的。,二、科学的特征,第一节 科学,10,4、科学认识形式的抽象性 科学不仅仅是知识的本体，而且是一种思维方法。 这种思维方法有三个最明显的特征： 第一是真理性。 第二是科学思想所表达的创造性。 第三是开放性。 5、科学理论的解释性和预见性 科学要对统一性和预测性做解释,这是科学家的愿望，但很多时候是做不到的。 科学知识的扩张，遵循着一系列自身的规律。 科学是不可替代的，然而科学并不能解决一切问题。,二、科学的特征,第一节 科学,11,科学知识来源于实践，虽大量运用假设，但决不武断，并不断接受实践检验，尽可能排除主观臆想；而伪科学大量使用主观臆想，将不同的现象之间乱联系。 科学是系统的知识，即知识与知识之间强调相互联系，尽可能形成严密地逻辑关系（当代大统一理论是其中的典型）；而伪科学的体系是乱拼凑的，经不起推敲，并不敢面对事实的证伪。总以信则灵，不信则不灵来回避证伪。 科学是建立在科学的科学方法的基础上的，最早系统的科学方法是培根和笛卡尔建立起来的，即强调实践和数学贯穿在科学研究的整个过程中；而伪科学不讲方法的正确性，回避用数学定量地描述。 科学强调主客观结合，概念的确是人造的，但概念的引入仅为了描述清晰，推理方便。在探求本质时，常常要引入主观设想，但在未充分验证前，总把它看成假设，只有经过无数事实证实后，才上升为定理。不仅如此，而且允许人们有条理的怀疑；伪科学则相反，不允许别人怀疑，不允许争论，把信仰放在至高无上的地位。 客观的依据、理性的怀疑、多元的思考、平权的争论、实践的检验、宽容的激励。这是我国科学家蔡德诚提出的科学精神六大要素。,科学与伪科学的主要区别,12,科学和技术一开始是相对独立发展的，科学和技术的充分结合乃是近代以来的事情。严格意义上的科学从培根和笛卡尔时代开始。但一般认为哥白尼吹响了科学的第一号角。 历史上科学中心有过多次转移。其转移顺序为： 意大利英国法国德国美国,科学技术的发展,转移周期大约为80年，科学史界称为“汤浅现象”。 东方科学是在与西方科学几乎完全独立情况下发展起来的。方法上有显著不同。中国古代科学技术十分辉煌，但主要在技术领域。中国的四大发明对世界文明产生巨大影响。,13,1962年，日本神户大学科学史家汤浅光朝对科学和技术编年表等三种文献资料进行统计分析，以数据形式论证了英国学者贝尔纳关于科学中心及其转移过程的见解 汤浅光朝 1979。 文革期间，我国学者赵红州也基于类似的文献资料（复旦大学学报所载的“自然科学大事记”）、类似的分析方法得出了类似的结论 赵红州 1984。,“汤浅现象”,汤浅光朝以下述方式定义“科学中心”：当一个国家在一定时段内的科学成果数超过全世界科学成果总数的25%，则称该国家在此时段内成为科学中心，该国家保持为世界科学中心的时段为其科学兴隆期。 (1)世界科学活动中心在发生着周期性的转移。 (2)科学中心在欧洲的兴隆期平均值为80年，因此，科学中心的转移周期是80年。 (3)以此为基础，他预言说，若美国科学将遵循欧洲科学的同样规律，则美国的科学兴隆期将终止于2000年 。,汤浅的预言已为今天的事实所否定。美国的科学兴隆期至今已愈80年（按照汤浅的起始年计算），苏联、中国或其他任何国家并没有替代美国成为新的科学中心；而且从目前的情形来看，没有任何迹象表明，在不久的将来，将会再次上演这种科学中心转移现象。,14,1、相对论 2、量子力学 3、基因理论 4、系统理论,第一节 科学,三、现代科学四大基本理论,15,爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），举世闻名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。 爱因斯坦1900年毕业于苏黎士工业大学，1909年开始在大学任教，1914年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，1940年入美国籍。,爱因斯坦生平,16,引言 相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙，这是我们难以理解相对论的主要原因。 自相对论诞生之日起，它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解。从相对论中，人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中。,1、相对论,光锥，由时间三维空间（X、Y和Z）中的光速绘图而成，它定义了一个事件所有的过去和未来的联系,青年时期的爱因斯坦,17,相对论包括两部分， 一是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论（惯性系） 一是爱因斯坦在1915年创立的广义相对论（非惯性系） 相对论从根本上改变了牛顿力学中关于时间和空间的概念，建立了新的时空观。,狭义广义相对论和广义相对论,18,爱因斯坦于1905年提出的狭义相对论则认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。,狭义相对论,牛顿力学时空观： 力学相对性原理： 在所有的惯性系中，所有的力学现象都是按相同的力学规律发生和进行的。 力学规律对所有的惯性系都是等价的。,狭义相对论和光速不变原理的提出，打破了传统的绝对时空观，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。,爱因斯坦的两个基本假设及本质含义： 相对性原理：所有物理规律对所有惯性系都是等价的； 光速不变原理：在所有惯性系测量真空中的光速都是相等的。,19,爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。 但如果接近光速的运动能变成现实的话，一个以这样速度运动的人，在另 一个静止的观察者看来就可能只是一条线。 另外还会出现这样的景象：一个人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去做星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年”就可用相对论得到解释。,狭义相对论,20,时间过得越快 人老得越慢,人们用两个超精密度相同的原子钟进行实验，一个放在陆地上，一个放在时速超过3000公里的军用飞机或空间探测器上。实验证实了这样的假设：旅行过的钟比另一个钟走得慢。,狭义相对论,21,广义相对论,22,广义相对论是关于时空性质与物质分布及运动的相互依赖关系的学说，是研究物质在时空中如何进行引力相互作用的理论。,广义相对论是近代宇宙论的理论基础，也是宏观物质运动现代研究领域的重要理论基础。,引言,23,24,对于一个均匀引力场而言，引力场与一匀加速参考系等效。换句话说，对于一均匀引力场而言，引力与惯性力在物理效果上等效。,等 效 原 理,25,基于等效原理，在非惯性系中引入引力场的概念，就有可能将狭义相对性原理推广到任意参考系。,为解决这个问题，爱因斯坦将空间和时间合为一体，建立四维空间，并提出了著名的广义相对性原理。该原理的文字表述如下：,任何参考系对于描述物理现象来说都是等效的。换句话说，在任何参考系中，物理定律的形式不变。,26,广义相对论表明，时空可以不是平坦的，而是弯曲的。 我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞，然后用某种“奇异物质”把洞口撑开，使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道，让我们在瞬间到达遥远的彼岸。然后当我们返回时，虫洞的奇异性质让我们年轻了很多。,广义相对论,27,相对论的几个证据,光线引力偏移 光谱线引力红移 水星近日点的进动 黑 洞 原子裂变,28,光的引力偏移,29,谱线引力红移,30,水星近日进动,31,广义相对论表明，引力场可以造成空间弯曲，强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲，那么无限强大的引力场会产生什么情况呢？ 1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久，德国物理学家卡尔史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的。他证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，比如一个天体的质量与太阳相同，而半径只有3公里时，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，在这样的时空中，连光都不能逃逸！由于没有了光信号的联系，这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域，那个分割球面就是视界。,黑洞大发现,这就是我们今天耳熟能详的黑洞，但在那个年代，几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在，甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物，爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名。,32,黑洞,33,20世纪30年代，美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”，即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的 1.44倍以上时，将不可能变成白矮星，而会继续坍塌收缩，变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体，即中子星。 1939年，美国物理学家奥本海默进一步证明，一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时，其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围。,随着经验的积累，关于黑洞的理论变得成熟起来，人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它，到20世纪60年代，人们已普遍接受黑洞的概念，黑洞的奥秘被逐渐研究出来。,黑洞大发现,34,1905年11月，爱因斯坦同样在德国物理学纪事杂志上发表了关于狭义相对论的文章：物体的惯性同它所包含的能量有关吗？，这是一篇短文，在这篇论文中，他提出一个物体的质量并不是恒定不变的，而是随着运动速度的增加而增加。这就是运动中物体的“质增效应”。 在我们想象我们在推一辆小板车，板车很轻，上面什么东西也没有。假设这是一辆在真空中的“理想”板车，没有任何摩擦力、也没有任何阻力，因此，只要我们持续地推它，它的速度就越来越快，但随着时间的推移，它的质量也越来越大，起初像车上堆满了钢铁，然后好像是装着一座山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系当小板车接近光速时，好像整个宇宙都装在它上面它的质量达到无穷大。这时，你无论施加多大力，无论推多长时间，它都不可能运动得再快。 由此可见，光子既然以光速传播，它的静止质量就必须等于零，它的运动质量就会无穷大。,原子裂变,35,当物体运动接近光速时，我们不断地对物体施加外力，供给能量，可物体速度的增加越来越困难，我们施加的能量去哪儿了呢？其实能量并没有消失，而是转化为了质量。这就是说，物体质量的增加与动能增加有着密切联系，或者说物体的质量与能量之间有着密切联系。爱因斯坦在说明这种联系的过程中，提出了著名的质能关系式： E=mc2 遗憾的是，没人能随便减少质量，譬如一块石头，我们尽可以用锤子砸成小块，然后碾成碎末，可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。,原子裂变,36,链式反应使原子能成为杀伤力巨大的新武器。 仅仅在几年后，人类第一颗原子弹在美国爆炸成功，紧接着日本人遭受了人类历史上最残酷的惩罚，几十万人死伤，其中一部分人瞬间还被原成基本粒子。 E=mc2在给人间带来希望之前，带来的先是致命的创伤，这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是一记重拳，直至临死前他仍为此痛心不已。,但是，十几年后的1939年，约里奥居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应，使人类找到了释放巨大原子能的方法。铀235的核收到中子轰击就会发生裂变，分裂成两个中等质量的新原子核，放出13个中子，并释放出巨大能量，这些中子又能引发其它铀核再分裂，如此反复，形成连锁反应，不断释放巨大能量。这就是链式反应。,广岛原子弹爆炸,37,美军曾在长崎投下的代号为“胖子”的原子弹,广岛长崎遭遇原子弹后,1945年8月，二战期间，遭受美军原子弹袭击的日本广岛。8月6日，美军向广岛投掷了世界上第一枚原子弹，导致成千上万的平民死亡，以及更多的人由于核辐射而随后死去。美军的这一攻击主要原因是逼迫日军无条件投降以结束第二次世界大战。,世界上第一个受原子弹轰炸的国家,38,2、量子力学,“量子”一词意指“一个量”或“一个离散的量”。 在日常生活范围里，我们已经习惯于这样的概念，即：一个物体的性质，如它的大小、重量、颜色、温度、表面积以及运动，全都可以从一物体到另一物体以连续的方式变化着。例如，在各种形状、大小与颜色的苹果之间并无显著的等级。,然而，在原子范围内，事情是极不相同的。原子粒子的性质，如它们的运动、能量和自旋，并不总是显示出类似的连续变化，而是可以相差一些离散的量。经典牛顿力学的一个假设是：物质的性质是可以连续变化的。当物理学家们发现这个观念在原子范围内失效时，他们不得不设计一种全新的力学体系量子力学，以说明标志物质的原子特征的团粒性。,39,量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。,什么是量子力学,黑体辐射理论,40,3、基因理论,在20世纪，随着化学、物理学的新成就渗透到生命科学之后，科学家对生命现象的研究从整体深入到细胞、亚细胞和分子水平。 分子生物学，包括分子遗传学，在生命科学中占有主流的地位。到20世纪20年代建立起决定性状遗传的基因理论。 基因理论认为，生命的遗传物质是核酸，包括DNA和RNA。核酸所包含的遗传信息，通过遗传密码指导蛋白质的合成。蛋白质形成生物的各种性状。,41,染色体,普通型TMV的RNA与M型的TMV的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的普通型的病毒完全一样，即亲本RNA决定了后代的RNA和蛋白质。 说明在不含有DNA的TMV中RNA是遗传物质。,42,T2噬菌体分别感染大肠杆菌,显微镜下的细胞,43,基因战,1.仿制病毒：指可能通过基因工程技术仿制的病毒，比如重造曾经造成4000万人死亡的1918年“西班牙”流感病毒。一些科学家认为，尽管评论家称重造像1918年流感病毒等致命病毒的可能性微乎其微，但却有可能存在“生化恐怖主义的巨大潜力”。 2.旨在消灭某个种族的武器：研究人员正在研制基因治疗方法，这种方法能够研制出只攻击具有反常结构的基因。在治疗过程中，医务人员使用一种能识别有害细胞的基因，触发它释放出摧毁疾病的病毒或毒物。健康细胞在治疗过程中毫发无损。这种武器的工作原理大体相似，那就是通过受害者的基因组成识别他们的身份，然后释放出消灭他们的病毒。,据外电报道，21世纪是生物工程大发展的一个世纪，但这种生物技术的飞跃却是喜忧参半。一些科学家担心，能够消灭某个或某些种族的基因武器将在5年内问世。 一些科学家于10月25日警告说，能够使一个种族从地球上消失的基因武器有可能在5年内变成现实，原因是解决基因武器发展的“机会窗口”正在迅速缩小。此前，英国医学会(BMA)的一份报告称，未来十年内，基因研究的发展将催生出能够消灭一个种族的可怕的新型生化武器。,44,3.控制农作物：英国医学会的研究认为，人类应更加小心恐怖分子对农业系统可能发起的生化攻击。因为从技术上讲，恐怖分子能比较容易地实施这种攻击，同时又可能对食品生产造成严重破坏。,4.生物调节剂：有些科学家也称生物调节剂为“大脑炸弹”。生物调节剂是指能够攻击人类免疫和神经系统的药剂，比如俄罗斯当局用于结束2002年莫斯科剧院人质危机的芬太奴。,滴灌工程,基因战,45,5.通过基因工程技术制造的炭疽热：研究人员现在已能够改变炭疽热基因，这种研究也带来新的疑问，那就是西方普遍使用的疫苗是否能有效预防新细菌。,6.合成小儿麻痹病毒：一些科学研究报告显示，用于制造合成小儿麻痹病毒的复制手段有可能被用于合成制造像埃博拉病毒一类病毒。,基因战,46,非典冠状病毒图,果子狸,加拿大非典疫情严重,47,基因武器,基因武器是指利用基因工程技术而研制出的新型生物战剂。它是在基因工程的基础上，采用遗传的方法，通过基因重组，把特殊的致病基因移植到微生物体内而制造出的新一代生物武器。,鼠疫杆菌,美国国防部前部长科恩在注射炭疽疫苗,48,显微镜下可致命的炭疽杆菌,侵华日军731,49,侵华日军细菌战 10万粤港难民丧命,大批香港难民集结在上环一带的码头，准备登船前往广州。,南石头有日军方面的粤港海关海港检疫所，难民被遣到这里都要经过检疫所的检查才能上岸。,肖老伯手绘的南石头难民收容所图示：日军办公楼。刑具房。医务所。化骨池。病房（停尸房）。难民宿舍。岗哨。通电铁丝网。厕所。,南石头，是如今广州市海珠区的一条行政街，在上世纪之初，曾是菜田连野，民风平和之地，自1942年，这里的南石头难民收容所，却成为侵华日军在华南负责研施细菌战、番号叫“旧军波字8604部队”的试验场，十多万粤港难民惨死在“细菌杀人工场”。,50,4、系统理论,20世纪以来，在科学系统中产生深远影响的横断科学如信息论（学）、控制论（学）和系统论等都得到了迅速的发展。它们与另一门典型的横断科学数学科学，一起广泛地向其他学科渗透，从横断面上把众多分支学科联结为一体。人类对信息的利用几乎伴随人类的出现就已经开始。,51,物质、能量和信息是构成世界的三大要素，因而人类所面对的大千世界的一切，不外是物质变化、能量转换和信息控制这三种客观的基本过程及其相互关系。 事物运动的形式、结构、关系等都可以用信息来表征，因而信息比物质和能量显得更为基本。 狭义信息论是研究信息的基本性质、度量方法以及信息的获取、传输、存贮、处理和交换的一般规律的学科； 而被称为信息科学的广义信息论，它不仅包括了狭义信息论和一般信息论的主要内容，而且还研究语义信息、有效信息和模糊信息等等，其涉及的领域更为广阔。,4、系统理论,52,53,1、宇宙演化的大爆炸模型 2、粒子物理标准模型 3、遗传物质DNA双螺旋结构模型 4、智力活动的计算模型 5、地壳构造的板块模型,四、现代科学五大基本模型,第一节 科学,54,令我们这些当代人感到惊诧的是，迟至1917年，那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙，而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的，既不会变大也不会变小，这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观。 1917年，爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型，但他发现，在这样一个只有引力作用的模型中，宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念宇宙常数，它表示的是一种斥力，同引力相反，它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。 然而，爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现，宇宙实际上是膨胀的！,1、宇宙大爆炸,55,最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃。1929年，哈勃发现所有星系都在远离我们而去，这表明宇宙正在不断膨胀。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀，因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。 著名物理学家伽莫夫也为宇宙膨胀理论的支持人之一。1945年，人类史上第一颗原子弹爆炸成功，看着蘑菇云升起的照片，伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大，不就成了宇宙爆炸吗？他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来，逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系。 1948年，伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文，系统地提出了宇宙起源和演化的理论。与我们惯常的想法不同，这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是空间本身在扩展，星系物质随着空间的扩展而分开。 根据大爆炸宇宙论，极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，不过温度已降到6K左右。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气.,1、宇宙大爆炸,56,1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师彭齐亚斯和威尔逊，因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射，经过测量和计算，得出这个残余辐射的温度是2.7K(比伽莫夫预言的温度要低)，一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。 广义相对论的智慧之处就在于，它从诞生起就能描述整个完整的宇宙，即使那些未知的领域也被全部囊括进去。让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了。,1、宇宙大爆炸,57,2、原子模型,1903年，汤姆逊发展了他前一年提出的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。 同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。 1911年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有10-10米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明汤姆逊的模型更接近于物理真实。,58,基因理论有三个方面的基本内容： （1）核酸的结构与功能。核酸中有由四种碱基组成的64个遗传密码，这些遗传密码编码20种氨基酸合成各种蛋白质。 （2）“中心法则”。即生物信息是指从核酸生产蛋白质的信息。 （3）基因突变。基因突变是自发的和随机的。,3、遗传物质DNA双螺旋结构模型,59,DNA是遗传信息的载体，基因携带的信息由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能而实现的，因此所有生命现象的机制追根到底都与基因的结构与功能相关。因此，一些著名的遗传学家把遗传学改称为基因学。,3、遗传物质DNA双螺旋结构模型,60,4、智力活动的计算模型,20世纪70年代以来，由于认知科学、神经科学、心理科学和计算机科学的迅速发展，使得人们可以在现代科学的基础上研究知觉、注意、记忆、动作、语言、推理、思考乃至意识等空前困难的问题。 早在17世纪，莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716）就提出过思维可计算的设想，即符号语言和思维演算的思想。 直到20世纪30年代，哥德尔（Kurt Gdel，1906-1978）提出了一般递归函数的概念，后来把可计算的函数归结为一般递归函数。,61,图灵机是图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954）在1936年提出的一种理想的计算模型，它是一个具有无限记忆的自动机，是离散自动机的最一般形式，如果在下图所示的信息变换器中，令辅助存储器是一个具有无限容量的随机存储器，它的信息变换就是一个图灵机。 通常见到的图灵机的结构图是这个标准的信息变换器的变形表示：即将输入带，输出带和辅助存储器画在一起，成为一个可随机读写的无限长的磁带，把输入头、输出头和读写头合并成一个具有读写功能的磁头。但是这种变形对自动机的功能没有带来丝毫影响，它们之间是等价的。图灵计算是按某种规则将一组数值或符号串转换成另一组数值或符号串的操作过程。,图灵机,62,图灵在计算机与智力一文中提出计算机能思维的观点，并进行了检验：一个人在不接触对象的情况下，同对象进行一系列对话，如果他不能根据这些对话判断出对象是人还是机器，那么，就可以认为这台计算机具有与人相当的智能。符号处理学说有力地推动了人工智能的发展，人们用机器模拟人类智能，以至认为，神经元的基本功能是计算、思维，即计算、思维由神经元的计算功能逐级整合而形成。 图灵最大的贡献就是用他的图灵机模型完成了算法的概念，基于这些认识，认知科学家建立了认知的计算理论，特别是提出了在图灵机意义下的“计算”的基本概念。在图灵奠定的理论基础上，人们才有可能发明20世纪以来甚至是人类有史以来最伟大的发明：计算机。,图灵机,63,5、地壳构造的板块模型,1915年魏格纳（Alfred Lothar Wegener，1880-1930）在大陆与大洋的起源一书中提出了大陆漂移的概念。,(1) 大陆漂移,大陆漂移过程示意图,64,大陆的漂移由扩张的海底也能得到证实。纵贯大洋底部的洋中脊，是形成新洋底的地方；地幔物质上升涌出，冷凝形成新的洋底，并推动先形成的洋底向两侧对称地扩张；海底与大陆结合部的海沟，是洋底灭亡的场所。当洋底扩展移至大陆边缘的海沟处时，向下俯冲潜没在大陆地壳之下，使之重新返回到地幔中去。,5、地壳构造的板块模型,65,地球表层是由一些板块合并而成.这些板块就像浮在海面的冰山，在熔融的地幔岩浆上漂浮运动。所谓板块构造，讲的就是这些坚硬的岩石板块以及它们的运动体系。地球表层主要有六个基本板块，板块是坚如磐石，其内部是稳定的，地壳处于比较宁静之中，而板块之间的交界处是地壳运动激烈的地带，经常发生火山喷发、地震、岩层的挤压褶皱及断裂。 六大板块：太平洋板块完全由大洋岩石圈组成，而大西洋由洋中央海底山脉分开，一半属于亚欧板块和非洲板块，一半属于美洲板块。印度洋，也由人字形的海底山脉分开，使印度洋洋底分别属于非洲板块、印度板块和南极板块。,(2) 板块构造说,由洋中脊，海沟和转换断层构成边界的主要构造板块,5、地壳构造的板块模型,66,板块运动的动力主要是地幔深处的热对流作用。 地幔的热对流是在大洋中的海底山脉（又称洋中脊）处上升，沿着海底水平运动，沿海沟带下沉，又回到高温的地幔层中消失。 地幔的热对流带动板块运动。板块从大洋中脊两侧各自做分离的运动。当大洋板块与大陆板块相碰撞，大洋板块密度大而重，就插到大陆板块之下，在插入处就形成大洋边缘的深海沟。 两个大陆板块互相挤压，使两个板块的接触带挤压变形，形成巨大的山系，如喜马拉雅山系就是欧亚板块与印度板块挤压而形成的。,67,板块学说逐渐在地学界取得了普遍的承认，它看似简单，其实有深刻的道理。 板块构造，也可以说是缝块构造，在地球表面各种尺度的构造中都有表现，甚至在变形最剧烈的台湾碰撞带上，陡立的褶皱也是由一系列相对完整的灰岩块体和它们之间的断裂所组成。 从构造物理观点来看，由于岩石流变性质的非线性，地壳变形主要集中在一些狭长的带上，而这些活动带之间的广阔区域则只承担很小的变形。 这些广阔区域就是块体，而狭长的活动带则是块体间的边界。流变学本构关系的非线性主要表现为应变速率与应力关系中应力项的指数n上，n越大则非线性越强烈，活动带越窄。,板块边界和地震发生之间的密切关系,5、地壳构造的板