当代科学技术讲义.doc

当代科学技术讲 义2013年9月当代科学技术第一章 科学技术是第一生产力内容：科学和技术的内涵、相互关系以及它们与社会和经济发展的关系、第一节 科学、技术和科学研究一、科学及科学的作用Science，来源于中世纪拉丁文Scientia，是“知识”、“才能”的意思。综合19世纪以来中外关于科学的各种定义，建立起较为完整的科学概念的内涵：科学是系统化、理论化的知识体系，是创造知识的社会活动，是一种社会建制。三层意思：1. 科学是人对客观知识的认识，是反映客观事实和规律的知识2. 科学是反映客观事实和规律的知识体系3. 科学是一项反映客观事实和规律的知识体系相关活动的事业二、技术及技术的作用1. 技术概念与科学的概念一样，技术概念也是一个历史范畴。它是随着社会科技的进步和社会的发展，技术的概念也在不断地发生变化。在古代，技术乃是技巧、技艺、技能的总称。在现代社会，由于科学技术的飞跃发展，技术活动的领域扩大了，涉及到人类活动的各个领域；技术中科学知识的因素增加了，科学成了技术的先导；技术活动中的物质手段，不仅指工具和设备，即硬件，而且还包括引导、协调和规范工具和设备相互作用方式、活动程序和过程的软件。概括当代技术的整体面貌，我们把技术定义为：技术是指人类运用知识、经验和技能，并借助物质手段以达到利用、控制和影响自然和社会的系统，它是人们的知识能力同物质手段的结合。现代技术的物化倾向越来越明显。2. 技术与科学的关系既有区别，又有密切的联系，而且，随着科学技术的发展，两者的关系日益密切。科学与技术的区别表现在三个方面：形态不同科学主要表现为知识形态，技术总具有一定的物质形态。目的不同科学活动的目的是认识世界，发现、揭示客观规律，主要回答“是什么”、“为什么”的问题；技术的目的则是改造世界，是要利用客观规律，使人们适应和影响自然界，主要解决“做什么”、“怎么做”的问题。方式和效应不同科学活动的方式主要表现为自由探索，而技术活动一般都有明确的实用目标。科学需要经过技术转化才能成为现实生产力，故它的使用价值往往是不确定的、长远的；而技术与生产的关系极为密切，技术是直接是生产力，故它可以达到直接的、确定的经济效果。科学与技术的联系表现在：现代科学与技术相互作用、相互促进，科学引导着技术的进步，出现了“科学技术生产”的发展模式。对于科学来说，技术是科学的延伸；对于技术来说，科学是技术的升华。三、科学研究与开发及其重要意义1. 科学研究的概念科学研究（research）创造知识和整理、修改知识，以及开拓知识新用途的探索工作。知识的整理、积累与创造知识是不可分割的。2. 科学研究的类型基础研究、应用研究、开发研究。3. 开发研究新解建立大科学研究的概念。四、科学研究与经济和社会的关系科学研究已是一项事业，广泛渗透到社会与经济的各个方面，如何使之协调发展和发挥作用一直是国家、政府能不能取得成就与进步的关键。一个国家科技水平的高低，不仅是经济和社会问题，也是政治问题。第二节 科学技术是生产力的历史过程古代科学技术发祥在人类四大文明古国。近代和现代科学技术则产生在西方。物理学和天文学的进展是近代科学技术发展的主要标志。微观物理学、电子学、固体物理学、系统科学的发展则是现代科学技术发展的标志。一、古代科学技术形成生产力的源流1. 劳动：对自然现象的观察、认识、思考。远古时代：公元前4000年。2. 人类“第一发明”：弓箭。新石器时代：公元前4000前3000年。3. 第一次技术革命：钻木取火，熟食、制陶。4. 从石器时代到铜器时代：畜牧时代农业时代。农业时代持续的时间，1750（阿托夫勒第三次浪潮）。5. 生产力发达的先驱文明古国四大文明古国：古埃及、巴比伦、古印度、中国。6. 奴隶社会生产文明的代表古希腊：当代西方文明的发祥地。7. 世界首次生产力高潮中国的辉煌时代：封建社会的科学文化高峰。中国科学文化源于汉朝，盛于唐宋。二、世界第二次生产力高潮的前奏文艺复兴运动元末、明、清期间，中国封建社会陷于思想僵化、闭关锁国的状态，迷信盛行，科学技术发展停滞不前，世界科学技术的中心西移，第一次：中国意大利，时间：13-16世纪。1. 四大发明对欧洲科学技术的推动作用2. 文艺复兴运动巨人的时代3. “科学实验时代”的代表人物哥白尼、维萨留斯、伽利略4. 科学方法论的伟大启蒙作用培根和迪卡儿的方法论三、世界第二次生产力高潮产业革命17世纪到1830年，世界科学技术中心由意大利转移到英国（第二次转移）。这期间欧洲大陆处于动乱，英国利用这一时机赶超大陆，成为世界新的科学技术中心。1. 生产力大发展的背景利用国际环境，思想启蒙，科学探索。2. 技术革命的先驱在瓦特之前，不少入开展了各种技术革新，包括工具机，如珍尼纺织机，效率提高8倍。蒸汽机已经出现，但效率太低。3. 蒸汽机改变了世界瓦特的蒸汽机可以提高工效5倍，节约燃料75%，与任何工具及连接都可以使用。纺织工业因蒸汽机、工具机的改进得到极大发展，成为英国实现工业化的龙头。四、世界第三次生产力高潮化工技术革命1851-1900年间，世界科学技术中心第三次转移，由英国转到德国。背景：英国受牛顿机械自然观的束缚，科学停步不前，德国出现了思想革命的高潮。1. 注重人才培养2. 找到突破口煤化学工业的发展使人类进入“化学合成时代”。3. 利用国际环境发展自己在英国，牛顿被神化，其机械自然观束缚了人们的思想，使科学停步不前。而德国则出现一批哲学家、思想家、科学家，如康德、黑格尔、费尔巴哈、马克思、李比希等。五、世界第四次生产力高潮电力技术革命18791930年，世界兴起电力技术革命，世界科学技术中心也由欧洲转移到美国。在此期间，欧洲正忙于世界大战，美国后来居上，成为世界科学技术中心，至今保持着这种地位。欧洲的动荡使大批科学家和产业工人移居美国，成为美国科技发展的重要力量。1. 从全盘照搬欧洲的技术到工业技术创新，后来居上。 2. 制度创新，大规模生产，科学的管理体制实现工业现代化。专业化、产品单一化和标准化实现大规模生产；现代管理学的诞生地。泰勒的工厂管理法和科学管理原理为现代管理学奠定了基础。六、世界第五次生产力发展高峰技术综合创新的高技术时代继电力技术革命之后，微观物理学理论的突破，电子学、固体物理学、系统科学的发展导致了原子能的利用以及材料、生物、空间、通讯、电子计算机等技术的出现。尤其是电子计算机的发明与应用，使人类开始进入一个新的时代信息时代。它对社会经济、政治、法律、教育、哲学、心理、道德伦理等方面均产生了巨大影响。1946年，世界上第一台电子计算机诞生于美国。短短50年多一点的时间，电脑已经渗透到人类工作和生活的各个领域，以无以伦比的力量和前所未有的速度改变着人类的思想观念与行为方式，对人类的经济和社会生活均产生了深刻的影响。以遗传学、分子生物学和生物化学的发展和应用为基础，人类将进入另一个崭新的时代生命科学时代，它对人类社会的影响将更加深刻。生命科学发生巨变，缘起于20世纪初。由于数学、物理、化学广泛深刻地渗入，给现代生物科学奠定了基础。1953年，DNA的双螺旋结构被发现。从70年代开始，分子生物学逐步形成，生命科学面目一新。1972 编后年，世界上第一个重组DNA分子诞生于美国耶鲁大学。近20年来，前沿的分子生物学和基础的生物化学出现了惊人的进展，并扩及整个生命科学，极大地影响了人类的生活，生命科学遂成了自然科学领域的带头学科。当前，分子水平和细胞水平的生命科学已全面进入重大转变时期。以被称为龙头的人类基因组的研究为例，它的解密将使遗传、变异、生长、发展、衰老、死亡等生命现象获得认识上的飞跃。基因组的解密（结构基因组学）只是解决遗传信息的问题，每一生命活动都是由基因表达产物蛋白质的特定群体所执行。“后基因组”研究（功能基因组学）必然落实到“蛋白质组”研究上，也就是基因组表达的全部蛋白质的整体研究。“后基因组”时代已经到来。近年来，人们发现糖在生命活动中担负着极为重要的信息功能。人体中有着4050兆个细胞群，各个细胞相互黏连，细胞对底物间的相互识别，发生作用等等都依赖着细胞间的分子识别。这4050兆个细胞群沿着空间坐标和时间坐标秩序井然地发生、发展构成了生命现象。担当这样复杂生命活动的识别功能，只有比核酸链、多肽链的信息量大几百、几千倍的糖链才能做到。糖链的这种功能已有很多实验证实，“糖生物学”也正兴起。“基因组学”“后基因组学”“蛋白质组学”“糖生物学”。战后日本经济奇迹的启示关键是政策，引进国外先进技术，做好吸收、综合、创新，形成自己的技术并迅速应用于生产。钢铁工业汽车工业家电与电子工业等第三节 现代科学技术发展的基本特点一、科学技术加速发展和急剧变革（加速化趋势）随着时间的推移，现代科技正以几何级数的态势不断加速地向前发展。高技术及高技术产业的飞速发展，尤其是电子信息科学技术、生命科学技术的迅速发展，鲜明地体现了现代科技发展的加速化趋势。电子计算机在诞生后50年多一点的时间里，其运算速度提高了3.9亿倍。从第一个重组DNA分子诞生至今仅20多年的时间，转基因动、植物已摆上人类的餐桌，克隆动物出现，人类基因组测序与框架图构建完成，基因药物面世。二、科学技术发展的高层化（高层化趋势）现代科技所涉及的对象，从物质内部的微观结构到整个宇宙太空，研究的水平和层次都很高，并且还在以跳跃式为主的态势不断向高层化迈进。现代自然科学基础理论的若干重要前沿，研究的层次、水平的提高，充分体现了现代科技发展的高层化趋势。三、科学技术发展的综合化（综合化趋势）首先是科学与技术的综合，现代科学与技术已经紧密结合，界限越来越模糊。现代科学的进步已经依赖最新的复杂技术装备的支持，而高技术就是包含密集科学知识的技术。现代科技的发展，各学科之间既高度分化，又高度综合，互相渗透，边缘学科、交叉学科不断出现。四、科学技术与人文社会科学的结合（协调化趋势）现代科技日益强烈地渗透到经济和社会的各个领域中，成为经济和和会发展的强大动力；经济和社会的发展也对现代科技的发展起到导向、输入、兼容等巨大作用。科学技术具有两重性、“双刃剑”的效应。当今世界出现的各种全球性问题，在一定意义上说是由科学技术广泛应用于社会而引发的，其中，人口激增、资源短缺和环境污染三大危机，是人类社会可持续发展的严重威胁和障碍。这些问题的解决超出了国家的范围，也超出了自然科学技术的范围。必须上升到文化的高度来思考和寻找解决问题的办法。协调化发展的实质，是可持续发展。自然科学与人文、社会科学相结合，从人与自然和谐相处，经济、社会和生态环境实现良性循环、可持续发展的高度来学习、研究和应用现代科学技术，才能真正提高我们认识和运用现代科技的水平，达到预期的目标。第三节 科学技术是第一生产力科学技术是生产力，这是马克思主义科技观的基本观点。科学技术是第一生产力，是邓小平理论对马克思主义科技观的重要发展。一、马克思关于“科学技术是生产力”的观点这一观点在资本论、经济学手稿等著作中多处可见。二、邓小平关于“科学技术是第一生产力”的思想1. 科学技术成为生产力诸要素的主导因素，成为决定生产力发展的第一要素科学技术的生产力功能科学技术的生产力功能，是指科学技术在社会生产过程中的渗透。或者说，是科学技术对社会生产力发展的作用。科学技术生产力功能的体现科学技术既通过变革生产力三要素体现其生产力功能，又通过科学管理提高生产力水平。现代科学技术与生产力的关系公式： 生产力科学技术（劳动者劳动工具劳动对象生产管理）从这个公式中，可概括出科学技术所具有的生产力功能：激活功能、放大功能和整合功能。科学技术向社会全面渗透，科学技术的发展，不仅推动着生产力的进步和经济形态的变革，而且影响到社会的政治、军事、文化、教育等各个方面。2. 现代科学技术的明显超前性，是科学技术成为第一生产力的客观依据科学、技术与生产的相互关系：20世纪以前：生产技术科学当代：科学技术生产3. 科学技术以成为现代经济发展中最主要的驱动力主要表现：（1）产业高次化 产业高次化标志着科技知识在产业中的密集程度，各次产业率反映一个国家的发达程度。一次产业率占优势的国家为农业国；二次产业率占优势的国家为工业国；三次产业率占优势的国家以进入后工业社会。这三次产业的从业人口，在一些发达国家20世纪70年代末的比例分别是：美国为3：32：65；英国为3：35：62；日本为7：37：56。可以认为，第三产业所占比重超过50%，科学技术的贡献超过劳力和资本，已经成为第一生产力。“后工业时代”又称为“知识经济时代”。“知识经济”的概念：1996年，“经济合作与发展组织”（OECD）首次正式使用了“以知识为基础的经济”（Knowledge Based Economy）这个新概念，也就是知识经济的概念。在OECD的报告中，对知识经济的内涵作了如下界定：知识经济是建立在知识和信息的生产、分配和使用之上的经济。即知识经济在本质上是以智力资源的占有和配置，以知识和技术的生产、分配和消费（使用）为最重要因素的经济。科学技术与经济发展阶段的关系：农业经济阶段：劳动力是经济发展的主要因素。工业经济阶段：经济发展取决于对自然资源的占有和支配，资本在这一阶段也起重要作用。知识经济阶段：经济发展主要依靠对智力资源的配置和使用。（2）产品科技含量高密化衡量指标：产品单位重量价格比。20世纪50年代，钢材：1元/公斤；60年代；汽车、洗衣机、电冰箱：30,60和90元/公斤；70年代，微机：1000多元/公斤；80年代，软件：？元/公斤。（3）科技应用于生产的周期大为缩短产品发明到应用所用的时间：电动机65年，电话机56年，无线电通讯35年，真空管31年，雷达15年，喷气发动机14年，电视机12年，尼龙11年，从发现核裂变反应到制成第一个核反应堆仅用了4年，集成电路从无到有仅2年，激光器仅用了1年时间。据统计，在发达国家科学技术对国民经济总产值增长速度的贡献，20世纪初为5-20%，20世纪中叶上升到50%，80年代上升到60-80%。科技进步对经济增长的贡献已明显超过资本和劳力的作用。4. 高科技及其产业的崛起和发展，是“科学技术是第一生产力”的重要体现三、深刻理解“科学技术是第一生产力”的思想内涵1. “科学技术是第一生产力”的使命是把经济搞上去“发展是硬道理”。2. “科学技术是第一生产力”的真谛在于科技与经济要一体化计划经济体制下科技工作与经济严格分工，科技成果难以转化为生产力，这一问题在实行市场经济的今天得到一定程度的解决，但还没能完全解决。3. “科学技术是第一生产力”是巩固和发展社会主义制度的重要保证综合国力的竞争，根本的问题是科技水平的竞争。当前，我国经济尚未完成工业化的任务，面对知识经济的到来，如何把握机遇，经受挑战，实现国民经济的跨越式发展，是摆在我们面前的一项重要课题。挑战和机遇无处不在，例如：人口增长，社会经济发展与环境问题；加入WTO的权力与义务的关系等等。4. 发挥“科学技术是第一生产力”作用的关键是提高全社会的科技意识小资料：我国科技发展状况1. 中国的科技发展状况（大纲辅导P.51-52）1998年卷中国科学技术指标即第4号科学技术黄皮书的统计指标显示，到1997年底：我国从事科学技术活动人员：288.6万人，其中专门从事研究与发展（R & D）活动的人员：83.1万人；全国科技活动经费投入：1063.1亿元，其中R & D活动经费481.9亿元；1997年，我国国有企事业单位专业技术人员：2049.5万人，比1991年增长19.4%，其中35岁以下的青年专业技术人员已占50%左右。企业科技活动人员数量已占全国科技人员总数的62%。1997年，我国R & D人员保持继续上升的趋势，其中科学家与工程师我为58.9万人年，已成为仅次于美国（96.3万人年）的世界上R & D人力资源投入的第二大国。在R & D人员总量中，我国投入基础研究的人力资源占8.6%，应用研究占30.4%，试验发展占61%。基于庞大的人口基数，1997年我国每万名劳动力中从事R & D活动的科学家与工程师仅有8.4名，而发达国家和新兴工业化国家均达到50名，日本达到81.4名。科技论文、发明专利、技术进出口等方面的情况，与发达国家相比，也都有相当大的差距（大纲辅导P.52）。2. 广东高新科技发展状况广东高新技术优先发展的产业：电子信息、新材料、生物技术和光机电一体化。尤其IT产业是广东高新科技的重点产业。广东高新科技产业的特点：发展迅速，有相当大规模，有一批新产品和动植物新品种。问题和不足之处：产品国际竞争力不强，具有民族品牌和自主知识产权、能在国际市场上占有一席之地的高新技术产品太少，同时高新技术产业还未成为经济发展的主导产业等。第二章 当代自然科学的重大根本问题第一节 揭示物质结构之谜一、物质构成之谜一个古老而年轻的哲学命题1. 古代思想家和哲学家对物质结构的思辨和猜想周代五行说，万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成，五行同属可指五方（西、东、北、南、中）、五季、五色、五音、五气、五化、五味、五志、五体、五官、五脏、五腑、天干、地支、八卦等。周易中有“太极生两仪、两仪生四象，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，它们演化出世界万物。战国时代老子提出：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。道是万物存在的基本规律，最初为混纯一片，轻者上升，浊者下沉，分开为阴阳两极，阴阳统一为“冲气”，三者产生万物。等等。古希腊人认为水、火、空气和泥土构成物质的基本元素。古希腊哲学家把构成物质的最小单位叫做“原子”。2. 化学元素概念的提出300多年前，（英）R. 玻义耳提出化学元素的概念；100多年前，（俄）D. 门捷列夫：元素周期表。3. 原子模型20世纪初提出的原子模型：原子由原子核与核外运动的电子组成，原子核由质子组成，30年代之后相继发现了中子、正电子等粒子。4. 粒子现代物理学所说的粒子，是指比原子核更小的，下一层次的微小颗粒，如电子、质子、中子、正电子、光子、m子、p介子等。迄今已发现的400多种粒子，绝大多数是在高能试验室里产生的。5. 基本粒子基本粒子，是一个具有相对性的概念，依粒子物理学的发展水平不同而不同。就目前而言，基本粒子主要是指夸克层次的粒子。现已发现的夸克有6种，轻子有6种。三代夸克和三代轻子第一代第二代第三代轻子电子电子中微子m子m子中微子t子t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二、物质结构研究的当代进展1. 四种基本力指引力、弱力、电磁力和强力。引力和电磁力已经为人们所熟悉，弱力和强力在宏观世界中不能直接观测到，他们都是在很小的距离内才起作用，只有在微观世界即粒子间的相互作用中才显示出来。弱力在中子及其粒子衰变过程中出现，强力是夸克间的相互作用力。引力、弱力、电磁力、强力，强度从小大。四种基本力力的类型引力弱力电磁力强力发生作用的距离延伸到非常大的距离约10-17厘米延伸到非常大的距离约10-13厘米力的强度10-3810-1310-21传递此力的粒子没有发现中间玻色子W+, W-和Z0光子胶子粒子的质量不知道约90吉电子伏0假定为02. 粒子的性质根据作用力的性质，分成三类：强子所有参与强相互作用的粒子的总称。轻子不直接参与强力作用的粒子。传播子传递作用力的媒介粒子。也属于基本粒子。粒子的特征和性质：a. 尺度非常小，质量范围大；b. 有一定的寿命；c. 具有对称性d. 具有波粒二象性e. 有自旋属性3. 标准模型近代粒子物理理论的基础标准模型是以夸克、轻子作为基本粒子，以弱-电统一理论和量子色动力学理论为框架的一种粒子物理理论。弱-电统一理论是描述弱力与电磁力之间相互关系的理论；量子色动力学是描述强相互作用的理论。“大统一”理论试图把弱力、电磁力和强力统一起来。三、粒子物理学实验技术的进步庞大的高能实验装置是研究物质结构的有力工具。高能加速器（对撞机）和粒子探测器的应用，大大加快了粒子物理学的发展。根据爱恩斯坦的“质能公式”，E=mc2其中m是粒子质量，c是光速，E是产生质量为m的粒子所需的能量。粒子质量越小，产生该例子所需的能量越大，随着研究的深入，研究对象的尺度越来越小，质量也越来越小，产生这些例子所需的能量也越来越大，对加速器的要求也越来越高。高能加速器的新发展：超高能对撞机。四物质结构研究的与其它学科的交叉及高技术1. 粒子物理学将人们对物质构成的认识大大向前推进。亚原子（或亚原子核）阶段，人们对物质结构认识的尺度分别缩小到原来的十亿分之一（相对于原子）和一万分之一（相对于原子核）。2. 粒子物理学的研究和发展衍生出许多新的学科，推动了技术的发展和应用学科：宇宙学和天体物理学，原子核物理，凝聚态物理，等。技术：高能加速器和探测器的建造得益于技术的发展，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；高能物理的发展又对这些技术提出更新更高的要求和发展的机会，因而也促进了相应工业的发展。如：癌症治疗，医用放射性同位素；工业辐照和工业探伤；大功率发射管技术广播通讯事业；同步辐射技术凝聚态物理、原子分子物理、材料科学、生物学、化学、冶金学、地矿学、医学等。第二节 宇宙的形成和演化天文学研究地球以外宇宙环境中各种天体的运动、结构、起源和演化的学科。一宇宙概观地球太阳系银河系（星系）星系团超星系团星系：恒星星云银河系：2000亿棵恒星星云宇宙：数以10亿计星系(隆德星空图)未解之谜：黑暗物质：宇宙物质可能大半是看不见的黑暗物质，究竟是什么则有待研究。可能是一种几乎没有质量的微粒，称为中微子，重量仅为电子的二万分之一。天体物理学家估计，宇宙大爆炸时产生了大量的中微子，数量约达1090。中微子与其它物质的相互作用极弱，因此极难探测，探测中微子是现代粒子物理学研究的热点之一，2002年3位诺贝尔物理奖得主中有两位是因为研究中微子的探测方法而得奖的。黑暗物质有可能是传递引力的基本粒子，果真如此，则这种黑暗物质可能占宇宙质量的的99%，这将关系到宇宙未来的命运。二、人类宇宙观念的发展古代中国盖天说：“天圆如张盖，地方如棋局”。混天说：“天体圆如弹丸，地如鸡子中黄”。古希腊地心说：以地球为中心，依次排列月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星等“九重天”。古代中西方宇宙观念的共同点：宇宙是生来如此的，是一成不变的。这符合封建统治者和教会的根本利益，因此在1000多年间被奉为真理，不容怀疑。16世纪，哥白尼日心说。1718年，哈雷比较不同时代观测的结果，发现恒星的位置有变化。证明了恒星恒定不变的观点是错误的。1912年，勒维特发现造父变星的光变周期同光度之间存在确定的关系，使测定包含这类变星在遥远恒星集团的距离成为可能。1918年，沙普利推算出银河系的直径为10万光年，指出太阳系不处于银河系的中心。1924年，哈勃发现仙女座远在银河系之外，使人类认识的宇宙范围扩展到银河系以外的更广阔的世界。1930s以来，观测手段的改善使人类认识宇宙的深度和广度大大提高，为研究宇宙的起源和演化奠定了坚实的基础。三宇宙的起源和演化1. 宇宙起源和演化理论诞生于20世纪17世纪以后，自然科学的发展，为宇宙起源和演化的研究奠定了基础。2. 现代宇宙学的诞生以爱恩斯坦的广义相对论应用于宇宙学研究（1917年）为标志。3. 宇宙膨胀的发现1924年，弗里德曼宇宙模型：宇宙要么膨胀，要么收缩，不可能是静止的。1929年，哈勃观测星系光谱时，发现绝大多数星系的光谱出现红移现象，根据多谱勒效应，则说明行星间在彼此远离，退行速度与彼此间距离成正比（哈勃常数），结论：宇宙处于普遍的膨胀之中。4. 大爆炸宇宙学(1) 宇宙的年龄根据哈勃常数推算宇宙的年龄距今约100200亿年。宇宙诞生的那一刻成为“大爆炸”。不同方法推算的宇宙天体的年龄均不超过宇宙年龄。(2) 轻元素的起源大爆炸发生后的1秒钟内，宇宙只有基本粒子存在，随后，中子和质子合成氘核，两个氘核合成氦核，则宇宙中氢和氦的质量比应为1：4，这已经为天文观测所证实。(3) 微波背景辐射热大爆炸模型最有力的证据19505，伽莫夫等人提出，作为大爆炸的遗迹，目前宇宙中应普遍存在微波背景辐射，后来被证实。5. 宇宙的物理演化史(1) 宇宙发端于距今100多亿年前的大爆炸。大爆炸发生的瞬间，就是时间和空间的起点。(2) 大爆炸后10-44秒，超统一相变发生，引力作用出现。(3) 大爆炸后10-36秒，大统一相变发生，强作用出现。(4) 大爆炸后10-10秒，弱电相变发生，弱作用和电磁作用出现，完成了四种相互作用逐一分化出来的历史，这一刻以前的宇宙称为极早期宇宙。大爆炸后1秒钟时，宇宙的温度为100亿K。(5) 从3分钟以后经过70万年，宇宙的温度降到3000K，电子与原子核结合成稳定的原子。(6) 再过几十亿年，中性原子在引力作用逐渐凝聚成为原星系，原星系一方面互相聚集成为星系集团，一方面本身又分裂形成千千万万的恒星。在某些恒星的周围，冷的气尘会坍塌缩成一个旋转的薄盘。这些尘粒通过相互吸引碰撞粘合，最后形成行星，如太阳的情况。6. 宇宙的前景未明（图片）不断膨胀走向漆黑的未来？还是：迈向“大收缩”？假如宇宙主要是由天文学家观测得到发光气体和恒星组成，并无大量黑暗物质，那么引力的内聚作用就不足以阻止大爆炸引发的膨胀，宇宙会一直膨胀下去，恒星会因核心燃料耗尽而熄灭，宇宙变成漆黑一片，许多恒星和星系会坍缩，形成黑洞，我们所知的宇宙就会发生蜕变。如果宇宙中的主要物质不是恒星或星系，前景将大大不同，环绕每个星系的也许是一些一些地球上看不见的物质。这种黑暗的物质可能占宇宙物质总量的99%，其引力最终可能止住宇宙的膨胀过程，甚至可能使之逆转，于是星系开始互相靠拢，终于相撞起来。宇宙的温度将会上升，其厄运会加快来临。最后引力坍缩，宇宙将完全毁灭，重归于一点。有些物力学家猜测，届时可能会有另一个宇宙诞生，宇宙历史于是重演。四、星系的形成和演化1. 星系胚胎的形态尚不清除收缩、冷却2. 原始星云碎片第一代恒星3. 恒星的演化增加星系中重元素的含量4. 化学组成：星系越年轻，重元素的含量越低。5. 形态多样性，潮汐形变或合并等。（银河系图片）五、恒星的一生1. 恒星的形成星际气体和尘埃因引力作用收缩聚集而成。2. 恒星的演化氢聚变为氦的过程产生光和热。氢燃料耗尽，恒星收缩，压力、温度上升，引发氦燃烧，3个氦核聚合成1个碳核，氧、硅、铁，多次收缩。3. 恒星的归宿恒星的归宿与其初始质量有关。初始质量小于太阳8倍的恒星白矮星初始质量为太阳850倍的恒星超新星初始质量大于太阳50倍以上的恒星黑洞恒星的演化可分为四个阶段：“成长期”、“壮年期”、“更年期”和“老年期”。演化的恒星进入“老年期”，核心多次收缩直至出现一种新的排斥力为之，温度上升，外层的氢气体继续燃烧聚变，迅速膨胀成为巨大的红巨星，恒星的最后归宿可有下列三种情况之一： 初始质量小于太阳8倍的恒星（包括太阳），红巨星将系内行星全部吞没，氦核心的温度和密度持续增加，再次强烈燃烧，外层气体进入太空，核心变成微小而光亮的“白矮星”，最后白矮星冷却下来，成为冰冷的黑矮星，密度很高，不再发出辐射能，根本观测不到。 质量为太阳8-50倍的恒星，红巨星的核心氦聚变成碳，碳聚变成为更重的元素，最后形成了铁，聚变结束，核心因引力的作用不断坍缩，释放能量，传到外部，发生宇宙中已知最强烈的爆炸，成为超新星。爆炸之后，超新型把大量尘埃气体云抛入太空，形成新一代的恒星（如太阳，属于第二代的恒星），核心形成中子星密度奇高的天体，直径仅数公里，高速自转，每秒达30次，发出强力射电束，地球上能观测到它的脉冲。 质量为太阳50倍以上的特大恒星，可能在较平静的情况下坍缩，最终成为黑洞，在这里物质结构全部粉碎，物质成分瓦解，时间和空间被压缩称紧密的圆圈，最后压缩成一点，支配宇宙其它地方的物理规律在这里完全不适用了。黑洞的引力极大，连光线也逃不出其强大的引力场，没有东西快逃出黑洞，宇宙物质消失在黑洞中。黑洞吸收外来物质，就会释放大量能量，尤其是X射线，由此可以指导黑洞的存在。（图片恒星：从宇宙尘到核反应堆及太阳内部构造2幅）六、太阳系的起源1. 太阳系的基本特征太阳系是由太阳、九大行星及其卫星、小行星、彗星及行星际物质构成的天体系统。太阳的质量占整个系统的99.8%。（图片太阳帝国等2幅）说明：图中各行星的相对大小符合实际比例，彼此间相对距离与实际情况有出入，下部小图内各行星的相对距离则符合实际比例。九大行星的化学成分及其它特性，取决于跟太阳的距离。火星外侧有一条小行星带，带内行星称为类地行星，固态，密度较大；带外行星称为类目行星，它们差别较大，通常含大量气体，体积庞大，氢、氦等轻元素呈气态或液态。2. 太阳系的起源和演化近代关于太阳系起源的理论始于18世纪康德提出的星云假说。50亿年前，一团弥漫的缓慢转动的气体云，因其它天体的引力扰动或邻近超新型爆发的冲气波的冲击，开始坍缩，稠密的核心变成原始太阳周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘原太阳星云。原太阳星云分裂为小团块（星子），部分星子变为今天的小行星和彗星，另一些星子通过碰撞合并长大称星胚。星胚继续吸收周围的物质，最后变成大行星及其卫星。3. 人类对太阳系的探索（图片地球的兄弟）1961.2.12发射“金星”1号，后失去联系；1972.3.8发射“先锋”10号，1973.12.4“先锋”10号掠过木星；1973.4.6发射“先锋”11号，1974.12.3掠过木星，1979.9.1掠过土星；1973.11.3发射“水手”10号，1974.3.29掠过水星；1975.6.8发射“金星”9号，1975.10.22在金星着陆；1975.8.20发射“维京”1号，1976.7.20在火星着陆；1975.9.9发射“维京”2号，1976.9.3在火星着陆；1977.820发射“航行者”2号，1979.7.9掠过木星，1981.8.25掠过土星，1986.1.24掠过天王星，1989.8.24掠过海王星；1977.9.5发射“航行者”1号，1979.3.5掠过木星，1980.11.12掠过土星；第三节 地球起源、演化与地球系统科学人类对地球的探索从古到今没有停止过，当代对地球的了解，认识到地球表面是由若干板块拼成，此所谓“板块学说”。由于地学传统学科的成熟，现代技术的发展使人类有条件从空间对地球进行全球性的、新的观察，以及在全球环境变化中对人类作用的共同认识等重大进展，人类对地球的认识有了新的观念，即将地球看作一个不停地变化着的综合系统。一、地球行星及其特点关于地球的基本数字：是太阳系的第三颗行星，与太阳的平均距离约1.496亿公里，以椭圆轨道绕太阳公转，平均速度29.79公里/秒；地球赤道半径约6378公里，极半径约6357公里；地球表面形状复杂，有高山、海盆和各种构造。大陆面积约占40%，但露出海平面以上的只有29%。地球的内部构造（从里到外）：地核固态铁质地核（内核），液态金属地核（外核）；地幔下地幔，过渡层，上地幔（又称岩流圈或软流圈），地幔由炽热的、液态的岩石组成；地壳大陆和海洋。(图2-2, 表2-3)地球成为太阳系中惟一有生物，特别是人类的星球的原因：1. 和太阳的距离适中地球表面的温度不冷不热，正好是适合声明生存与发展的范围。2. 大小适当太小会因为引力不够而失去大气，太大了又会保持太厚的大气圈和太多的有害气体。3. “发动机”运转的快慢适度地球内部犹如一部由放射性元素为燃料的巨大的“发动机”。这部发动机运转太慢，火山就不会喷出，大洋和大气圈也难以形成，铁就不会熔融并分异沉降为液态的地核，磁场也就不存在，地球便成为死地球；运转太快，火山气体和灰尘就会遮蔽太阳，大气被压缩，地表会因火山爆发和地震到处频繁发生而变形。地球至今仍是一颗变化着的行星。二、地球的起源和早期过程1. 原始地球的的诞生地球是大约47亿年前，由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的。原始地球表面又冷又暗，陨星经常轰击地球。由于下述效应开始变热，开始了全球性的发育过程。 冲击效应，由于星子的冲击产生能量； 压缩效应，在重力作用下原始地球开始收缩，产生热量，热量被保存在内部； 放射性衰变，放射性元素的衰变产生热积聚。2. 分异地球的形成 46到42年前，地球变热融化，分层； 42到38亿年前，形成地壳； 水和气体从地球内部释放出来，具备了孕育生命的条件。(图片地球的演化)三、早期事件后地球的演化1. 地核和地幔过程地核，其一，向地幔提供热量，其二，对地幔施加一种机械的转矩，决定了地球转轴在空间的方向。地幔，地幔的热对流作用很可能就是地球演化的驱动力。2. 板块构造地球表面是厚约100公里的坚硬岩石层，成为岩石圈（包括地壳）。岩石圈由持续不断地相对运动着的若干个刚性板块组成：欧亚板块、美洲板块、非洲板块、大平洋板块、印度澳大利亚板块、南极板块。板块构造对大陆陆块的联结和分离，对生物物种的迁移和进化具有重要意义。板块的迁移：5.6亿年前，初期的大陆，4大块。2.7亿年前，超级大陆（联合古陆），隔开泛古洋（太平洋的前身）。2-1.3亿年前，陆块分离（离散、汇聚），北美洲与欧亚大陆分离，南美洲与非洲分离，印度澳洲脱离南极洲，漂移到亚洲附近。今天，过去0.4亿年内，地球上发生两次最大规模的早山运动，非洲板块与欧亚大陆相撞，造成阿尔卑斯山脉，印度撞向亚洲，造成喜马拉雅山脉。最终形成今天的6大板块。未来，太平洋逐渐缩小，大西洋逐渐扩大，非洲一分为二，东非、南极洲与向亚洲靠拢，澳洲与北美洲合并，1亿年之后，大西洋收缩闭合，美洲和欧亚大陆再度合并。2.5亿年后，再次出现联合大陆。板块迁移的证据：生物化石。地球上层的大地构造运动和地震活动主要是这些板块相互作用的结果。板块相撞时，发生火山喷发，地震，两个板块汇聚区出现海沟，板内因受到揉皱上升形成山脉。（图片板块相撞，火山喷发，喜马拉雅山脉，安第斯山脉）。板块相撞与挤压是地震频繁发生的主要原因，太平洋四周都有板块潜没的现象，由此形成了环太平洋地震带，大西洋四周则很少地震活动。（图片大西洋，太平洋）3. 太阳驱动过程地球表层的演化，是以太阳的驱动为主要动力。地球表层的演化，包括大气、海洋、海气、陆气以及气候的重大事件，侵蚀作用、搬运和形成新的沉积物，水的循环及其降水、地下水、地表河网、冰的流动以及风、尘土和沙漠等。更重要的是创造了适合生命的开始和进化的环境，影响着地球上的植物区系和动物区系。太阳的辐射，为地球提供光和热，造就了地球的一定环境，如对地球表面和大气层加热，形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环流，尤其在对流层中造成了各种大气现象。又如紫外线是造成臭氧层和电离层的主要来源，而太阳风与地球磁场的相互作用形成了地球磁层。（图片大气层：地球的屏障）太阳活动引起生物圈的一系列效应，例如，树木年轮的增长、粮食的收获量、蝗虫的飞行、鱼类的繁殖和回游、人体中白细胞数的变化和神经病症的发展等。4. 岩石记录与地址年表地球表面的各种火成岩、沉积岩、变质岩以及它们之间的接触特征和赋存在不同岩石中的各种化石，是地球过去发生事件的能见记录。地质学家根据这些岩石、化石所显示的时间和空间关系，建立地质年表，用于确定地球历史中地质事件的时间（地质年表）。（图片岩石：记载地球历史的物证）地质年表地质年代距今年龄值（百万年）宙代纪显生宙新生代第四纪 人类进化2.4823.365鸟类哺乳动物出现135208250290360410440500600 甲壳生物出现真核细胞生物出现100018002500生命起源，叠石层出现4000第三纪晚第三纪早第三纪中生代白垩纪侏罗纪三叠纪古生代二叠纪石炭纪泥盆纪志留纪奥陶纪寒武纪元古宙太古宙四、作为一个大系统的地球地球上的生命取决于所依存的、所适应的环境。环境本身又受生物进化的反馈影响。人类在改造自然的过程中逐渐认识到，不顾自然规律，任意地改变环境来适应自己，将会导致大自然的报复。当今人类面临的种种环境问题，均与人类的活动有关，如环境污染、温室效应与全球变暖、海平面上升、臭氧层破坏、气候异常、植被破坏、水土流失、土地荒漠化、淡水资源趋势性减少、生物多样性破坏等，威胁着人类社会的生存与可持续发展。因此，必须建立地球大系统的观点。1. 地球系统科学观点：从整体的高度出发，将地球的各组成部分大气圈、水圈、岩石圈、生物圈视为一个相互作用着的大系统来看待；强调研究发生在该系统中能够主导全球变化的、相互作用的物理、化学和生物过程，特别是人类活动诱发全球环境变化；最终揭示全球变化规律，提高人类认识和预测全球变化的能力。目标：最终目标是更深刻地认识影响所有时间尺度的地球演化的各种过程。研究方法：按不同的时间尺度来分析全球变化，强调几千年到几百万年尺度和几十年到数百年尺度的全球变化研究。2. 几十年至几百年的全球变化研究大时间和空间尺度研究的意义：全球许多大的气候和环境的变化都是长期积累的结果，最终造成极为严重的后果，但短时间、小范围内难以察觉，容易被忽视。大时间、空间尺度的研究可揭示这些变化，为人类的活动提供借鉴。第四节 生命与智力起源一生命的本质1. 生物大分子的自我复制(1) DNA的双螺旋结构由脱氧核苷酸组成的大分子链，每个脱氧核苷酸由一个脱氧核糖、一个磷酸和一个含氮碱基组成。4种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。稳定的双螺旋结构，主要特点： DNA分子是由两条方向相反的单链盘旋而成； 脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，碱基排列在内侧； 两条链上的碱基通过氢键互相配对连接，配对的原则：单环对双环，即A-T, G-C。(2) DNA的自我复制半保留复制：双链DNA分子首先解链，以单链为模板，各合成一条新的单链，这样形成的每一条双链，均含有一条旧的单链和一条新的单链。这个过程需要酶的作用（见右图）。(3) 基因与人类基因组基因控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。是有遗传效应的DNA片段。多个基因共同控制某一性状，构成一个基因家族。人类基因组：30亿个核苷酸，约10万个基因排列在23条染色体上，这些基因只占整个DNA序列的25%，其余为基因外DNA。(4) RNA也是遗传物质。功能： 将遗传信息从DNA传递给蛋白质（mRNA信使核糖核酸）， 是合成蛋白质的场所（rRNA核糖体核糖核酸）， 识别并转移氨基酸以合成蛋白质（tRNA转移核糖核酸）。组成：U（尿嘧啶）代替T（胸腺嘧啶）。结构：mRNA为单链经过后修饰形成tRNA的空间结构复杂的空间结构，rRNA与蛋白质结合成两个单体，构成哑铃形的结构，tRNA为三叶草结构。(5) 生命语言（遗传信息）的转录和翻译转录以DNA为模板，合成mRNA的过程。遗传信息从DNA传递给RNA。翻译以mRNA为模板，在rRNA上合成蛋白质。遗传信息从mRNA传递给蛋白质。中心法则：遗传信息从DNARNA蛋白质，DNA自我复制。6) 遗传密码遗传信息的基本单位密码子，也叫三联体密码，即3个碱基共同决定一个氨基酸。为什么是3个碱基，而不是1, 2或4个碱基决定一个氨基酸？根据排列组合的规律：41=442=16均无法满足决定20个氨基酸的要求。44=256，超过20太多，造成资源浪费。43=64是最好的选择。遗传密码与组成蛋白质的20种氨基酸的对应关系见下表。遗传密码具有通用性，从病毒到人类都适用。20种氨基酸的遗传密码字典第一碱基(5-端)第二碱基第三碱基（3-端）UCAGUUUU苯丙氨酸UCU丝 氨 酸UAU酪 氨 酸UGU