自然科學(xué)史1120世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展

1、 20世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展二十世紀(jì)天文學(xué)的發(fā)展二十世紀(jì)天文學(xué)的發(fā)展n觀測手段的進(jìn)步觀測手段的進(jìn)步n20世紀(jì)世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)年代四大發(fā)現(xiàn)q類星體q脈沖星q微波背景輻射q星際有機(jī)分子n兩大基本理論兩大基本理論q恒星演化q宇宙大爆炸模型 觀測手段的進(jìn)步觀測手段的進(jìn)步1.由于天文學(xué)研究對象的特殊性，它的現(xiàn)代發(fā)展離不開觀測手段的改進(jìn)，這里主要指射電望遠(yuǎn)鏡射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展和應(yīng)用。2.1937年，美國的雷伯制造了第一臺第一臺射電望遠(yuǎn)鏡，拋物面直徑達(dá)9米。3.1942年，英國海伊用軍用的超高頻雷達(dá)首先發(fā)現(xiàn)了太陽射電太陽射電。4.六十年代天文學(xué)上的4大發(fā)現(xiàn)類星體類星體、脈沖星脈沖星、微波背景輻射微波

2、背景輻射和星際有機(jī)分子星際有機(jī)分子，都是靠射電探測工具獲得的。類星體類星體n類星體是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”之一。這種天體在一般光學(xué)觀測中只是一個光點，類似恒星類似恒星。然而在分光觀測中，它的譜線具有很大的紅移，又不像恒星，因此稱它為類星體類星體。n1993年底，已確認(rèn)7383個類星體。n2002年的星表列出23760顆類星體。 類星體類星體脈沖星脈沖星n脈沖星是在1967年首次被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時，還是一名女研究生的貝爾，檢測射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號時無意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號，它們的周期十分穩(wěn)定，經(jīng)過仔細(xì)分析，科學(xué)家認(rèn)為這是一種未知的天體。因為這種星體不斷地發(fā)出電磁脈沖信號，人們就

3、把它命名為脈沖星。n脈沖星發(fā)射的射電脈沖的周期性非常有規(guī)律。一開始，人們對此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向我們發(fā)電報聯(lián)系。據(jù)說第一顆脈沖星就曾被叫做“小綠人一號”。后來證實，脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星（恒星演化晚期形成的）。n脈沖星具有超高壓、超高溫、超密度、超強磁場和超強輻射等極端物理條件。射電脈沖星射電脈沖星微波背景輻射微波背景輻射 來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。20世紀(jì)60年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.35

4、厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5 K。1965年，他們又訂正為3 K0，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎金。n 微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)天文學(xué)的一項重大成就。它對現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)前，流行的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據(jù)當(dāng)時已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料，發(fā)展了熱大爆炸學(xué)說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾K或幾十K。3 K微波背景輻射的實測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。微波背景輻射微波背景輻射宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射1. 1

5、9651. 1965年貝爾電話實驗室的兩位工程師彭齊亞斯年貝爾電話實驗室的兩位工程師彭齊亞斯（Arno PenziasArno Penzias）和威爾遜（）和威爾遜（Robert WilsonRobert Wilson），正在），正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計的反射天線。校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計的反射天線。2. 2. 他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，對現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，對應(yīng)的溫度大約是應(yīng)的溫度大約是3K3K。3. 3. 他們向迪克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料獲他們向迪

6、克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料獲悉他正在積極尋找他們已經(jīng)找到的東西。悉他正在積極尋找他們已經(jīng)找到的東西。4. 4. 宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個有力宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個有力的支持。的支持。微波背景輻射微波背景輻射 來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。19641964年，他年，他們用它測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現(xiàn)總有消除

7、不掉的背們用它測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.357.35厘米的微厘米的微波噪聲相當(dāng)于波噪聲相當(dāng)于3.5 K3.5 K。19651965年，年，他們又訂正為他們又訂正為3 K3 K，并將，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲此獲19781978年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎金。獎金。星際有機(jī)分子星際有機(jī)分子n星際分子：1963年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)星際羥基分子（OH），此后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大量星際有機(jī)分子。到90年代末，已發(fā)現(xiàn)了120多種，而且許多都是很復(fù)雜的有機(jī)分子，少數(shù)分子是地球上很難找到的或者根

8、本找不到的。n星際分子的發(fā)現(xiàn)有助于人類對星云特性的深入了解，可以幫助揭開生命起源的奧秘。星際有機(jī)分子星際有機(jī)分子現(xiàn)代恒星演化理論現(xiàn)代恒星演化理論n恒星是由星云產(chǎn)生的，星云經(jīng)過自吸引形成星胚，星胚不斷收縮，溫度不斷升高，當(dāng)溫度升高到氫核聚變反應(yīng)可以進(jìn)行時，就意味著恒星的誕生。n恒星誕生后，它內(nèi)部氫核聚變成了它的主要能源，恒星在這個階段的停留時間最長，這就是中年的主序星階段。n核能耗盡后，恒星進(jìn)入老年的紅巨星階段。n最后不同大小的恒星以不同的方式死亡， 或變成白矮星，或變成中子星，或成黑 洞等。主序星階段引力收縮高密恒星紅巨星階段宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型n宇宙演化過程起始于大約150億年前n宇

9、宙開始是一個高溫、高密度的“原始火球”，球內(nèi)充滿輻射和基本粒子；后來火球內(nèi)的基本粒子發(fā)生核衰變反應(yīng)，引起大爆炸而向外急劇膨脹，輻射溫度核物質(zhì)密度急劇下降，核反應(yīng)便停止；其間所產(chǎn)生的各種元素就形成了今天宇宙中的各種物質(zhì)，膨脹過程中輻射物質(zhì)逐漸凝聚成星云，進(jìn)而演化為今天的各種天體。n此理論得到天文觀測事實的支持：例如星系紅移是宇宙膨脹的反應(yīng)，微波背景輻射是宇宙大爆炸高溫的直接遺跡等等。廣義相對論廣義相對論 直到二十世紀(jì)初期，愛因斯坦（直到二十世紀(jì)初期，愛因斯坦（Albert Albert EinsteinEinstein）提出廣義相對論之后，關(guān)于時間）提出廣義相對論之后，關(guān)于時間和空間的起始和終結(jié)

10、問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生和空間的起始和終結(jié)問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生問題，才真正變成了一個科學(xué)問題，或者說問題，才真正變成了一個科學(xué)問題，或者說物理學(xué)問題，甚至數(shù)學(xué)問題。物理學(xué)問題，甚至數(shù)學(xué)問題。廣義相對論引力場方程、宇宙項廣義相對論引力場方程、宇宙項1. 1. 愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)行宇愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)行宇宙學(xué)研究。宙學(xué)研究。2. 2. 愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇宙是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。3. 3. 因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇宙項

11、，因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇宙項，這個所謂的宇宙項具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇這個所謂的宇宙項具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇宙項的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。宙項的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。4. 4. 換言之，由宇宙項產(chǎn)生的負(fù)時空曲率能抵消由宇宙中換言之，由宇宙項產(chǎn)生的負(fù)時空曲率能抵消由宇宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時空曲率。質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時空曲率。愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型1. 1. 愛因斯坦得到一個靜態(tài)的宇宙模型：愛因斯坦得到一個靜態(tài)的宇宙模型：2. 2. 宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境的。就是說宇宙是有限無界的。的。就

12、是說宇宙是有限無界的。3. 3. 假如一個光子向任何一個方向輻射出去，那假如一個光子向任何一個方向輻射出去，那么它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方么它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方也不會碰到空間的邊緣，最后還會回到出發(fā)也不會碰到空間的邊緣，最后還會回到出發(fā)地。地。4. 4. 愛因斯坦的宇宙半徑大約愛因斯坦的宇宙半徑大約3535億光年。億光年。星系紅移星系紅移1. 1. 愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時，另有一愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時，另有一群實測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深的數(shù)學(xué)群實測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，也不接觸愛因斯坦的理論。但是他們用當(dāng)訓(xùn)練，也不接

13、觸愛因斯坦的理論。但是他們用當(dāng)時世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡孜孜不倦地觀測天空。時世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡孜孜不倦地觀測天空。2. 2. 大概從大概從19101910年起，天文學(xué)家們在研究河外星系的年起，天文學(xué)家們在研究河外星系的光譜時，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到光譜時，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到19171917年，年，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠(yuǎn)，紅所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠(yuǎn)，紅移越顯著。移越顯著。哈勃定律哈勃定律1. 19291. 1929年美國天文學(xué)家哈勃（年美國天文學(xué)家哈勃（Edwin H

14、ubbleEdwin Hubble）提）提出了著名的出了著名的“哈勃定律哈勃定律”：2. 2. 星系退行的速度（星系退行的速度（V V）與它們離地球的距離（）與它們離地球的距離（R R）大致成正比，即大致成正比，即V=HRV=HR，H H稱為哈勃常數(shù)，稱為哈勃常數(shù)，3. 3. 現(xiàn)在確定其值為現(xiàn)在確定其值為5050公里公里/ /（秒（秒百萬秒差）。百萬秒差）。4. 4. 哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算得宇宙年齡大概在得宇宙年齡大概在200200億年左右。億年左右。“大爆炸理論大爆炸理論”1. 1. 哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是哈勃紅

15、移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是錯誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項稱作錯誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項稱作“一生中最一生中最大的錯誤大的錯誤”。2. 2. 后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（George GamowGeorge Gamow）等人提出的后來被稱作等人提出的后來被稱作“大爆炸理論大爆炸理論”的最為著名。的最為著名。1.1.該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫高密的高密的“原始火球原始火球”的大爆炸。的大爆炸。在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射在爆炸開始幾分鐘里元素從

16、輻射和核粒子的原初混合物中形成。和核粒子的原初混合物中形成。2. 2. 該理論還預(yù)言了大爆炸的一個結(jié)果，在今天的整個該理論還預(yù)言了大爆炸的一個結(jié)果，在今天的整個宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上對零度以上5 5度（度（5K5K）。）。迪克的理論迪克的理論1. 1. 美國普林斯頓大學(xué)的迪克（美國普林斯頓大學(xué)的迪克（Robert H. Robert H. DickeDicke）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在19641964年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。度的背景輻射。2

17、. 2. 迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測這種輻射以檢驗這一理論。這種輻射以檢驗這一理論。 什么是黑洞什么是黑洞 17951795年，著名的數(shù)學(xué)家年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯曾指出：有一個發(fā)拉普拉斯曾指出：有一個發(fā)光體，它的密度與地球密度光體，它的密度與地球密度一樣，其直徑比太陽的直徑一樣，其直徑比太陽的直徑大大250250倍，可是由于被吸引的倍，可是由于被吸引的緣故，無法使其光線達(dá)到地緣故，無法使其光線達(dá)到地球。球。黑洞與宇宙黑洞與宇宙黑洞：黑洞是時空中這樣的一個區(qū)域，任何物質(zhì)一黑洞：黑洞是時空中這樣的一個區(qū)域，任何物質(zhì)一旦進(jìn)入該區(qū)域，便永遠(yuǎn)不能出來。旦進(jìn)入該

18、區(qū)域，便永遠(yuǎn)不能出來。 黑洞是一種看不見的異常天體；黑洞是一種看不見的異常天體；6060年代以后，成為年代以后，成為天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天體相比，天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天體相比，黑洞正是最強的引力場源，能使鄰近處時空彎曲得相當(dāng)黑洞正是最強的引力場源，能使鄰近處時空彎曲得相當(dāng)厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，甚至光線也不能幸厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，甚至光線也不能幸免。免。 以克爾黑洞為例：以克爾黑洞為例： 克爾黑洞有一個靜界和一個外視界，靜界是一個克爾黑洞有一個靜界和一個外視界，靜界是一個旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界是一個球面，包含在靜界和外視界之旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界

19、是一個球面，包含在靜界和外視界之間的空間稱為能層。物體進(jìn)入能層尚還可以從中再返回到間的空間稱為能層。物體進(jìn)入能層尚還可以從中再返回到黑洞外部的空間，一旦物體進(jìn)入了外視黑洞外部的空間，一旦物體進(jìn)入了外視界，便永遠(yuǎn)不能再逃出來了。界，便永遠(yuǎn)不能再逃出來了。外視界H靜界S外視界H靜界S霍金霍金1. 從從1965年到年到1970年間，霍金跟彭羅斯年間，霍金跟彭羅斯進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。奇性不可避免。2. 也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個大爆炸奇點；同時，在黑洞中起源于一個大爆炸奇點；同時，在黑

20、洞中必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點。必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點。3. 這樣，時間起始于大爆炸奇點，終止于大擠壓奇點這樣，時間起始于大爆炸奇點，終止于大擠壓奇點（整個宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點（局部區(qū)域的（整個宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點（局部區(qū)域的坍縮）。坍縮）。4. 這是霍金在經(jīng)典廣義相對論這是霍金在經(jīng)典廣義相對論框架里取得的一個重要成果?？蚣芾锶〉玫囊粋€重要成果。黑洞不黑黑洞不黑1. 1970年年11月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠(yuǎn)不會月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠(yuǎn)不會減少。減少。2. 美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（Ja

21、cob D. Bekenstein）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟熱力學(xué)）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟熱力學(xué)第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界面積就是第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界面積就是黑洞熵的量度。黑洞熵的量度。3. 1973年年9月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按照月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按照量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生和輻量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生和輻射粒子。射粒子。4. 霍金接著通過計算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)第二霍金接著通過計算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)第二定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒子和輻射能量。定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒子和輻射能量?；艚疠椛浠艚?/p>

22、輻射1. 按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考慮了按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考慮了量子效應(yīng)之后，黑洞會蒸發(fā)，面積會減少，甚至?xí)孔有?yīng)之后，黑洞會蒸發(fā)，面積會減少，甚至?xí)殡S著大量的伴隨著大量的輻射而消失。輻射而消失。2. 霍金在這里首次把二十世紀(jì)初發(fā)展起來的兩個物理霍金在這里首次把二十世紀(jì)初發(fā)展起來的兩個物理理論，即廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來用在同一理論，即廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來用在同一個對象的研究中，并看到了量子效應(yīng)能去掉經(jīng)典廣個對象的研究中，并看到了量子效應(yīng)能去掉經(jīng)典廣義相對論預(yù)言的奇點的第一個跡象。義相對論預(yù)言的奇點的第一個跡象。3. 由于黑洞存在輻射，大大增加

23、了黑洞被觀測到的可由于黑洞存在輻射，大大增加了黑洞被觀測到的可能性。能性。量子引力宇宙論量子引力宇宙論1. 經(jīng)典廣義相對論的奇性不可避免，所以標(biāo)準(zhǔn)大爆經(jīng)典廣義相對論的奇性不可避免，所以標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中時空存在著零點，給了上帝一個容身之炸模型中時空存在著零點，給了上帝一個容身之地。地。2. 1981年左右霍金提出考慮到量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原年左右霍金提出考慮到量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，一些基本量度，譬如長度和時間，具有測不理，一些基本量度，譬如長度和時間，具有測不準(zhǔn)性。準(zhǔn)性。3. 測不準(zhǔn)的程度由普朗克常數(shù)確定，從該常數(shù)可以測不準(zhǔn)的程度由普朗克常數(shù)確定，從該常數(shù)可以定出最小的長度量子，即普朗克長度，為定出

24、最小的長度量子，即普朗克長度，為10E33厘米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子核的尺度。測量任何長厘米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子核的尺度。測量任何長度不可能比這個更精確，而且比普朗克長度更短度不可能比這個更精確，而且比普朗克長度更短的長度是沒有意義的。的長度是沒有意義的。不存在數(shù)學(xué)上的時空點不存在數(shù)學(xué)上的時空點1. 同樣，作為時間量子的最小間隔，即普朗克同樣，作為時間量子的最小間隔，即普朗克時間，為時間，為10E43秒。秒。2. 沒有比這更短的時間存在。沒有比這更短的時間存在。3. 這就是說，我們不可能把黑洞縮減為數(shù)學(xué)上這就是說，我們不可能把黑洞縮減為數(shù)學(xué)上的一個點，同樣也不能追溯到大爆炸的真正開的一個點，同樣也不能追

25、溯到大爆炸的真正開始時刻。始時刻。量子力學(xué)排除了奇點量子力學(xué)排除了奇點1. 直徑比普朗克長度更小的體積是沒有意義直徑比普朗克長度更小的體積是沒有意義的，所以零體積點和無限密度點的概念也的，所以零體積點和無限密度點的概念也沒有意義了。沒有意義了。2. 在宇宙誕生之時，盡管物質(zhì)密度高得驚人，在宇宙誕生之時，盡管物質(zhì)密度高得驚人，但不會是無限大。但不會是無限大。3. 宇宙誕生之初的無限性和奇點被消除，就宇宙誕生之初的無限性和奇點被消除，就有可能找到一組方程來描述宇宙的起源和有可能找到一組方程來描述宇宙的起源和結(jié)局。結(jié)局。完全自給自足、自我包容的宇宙完全自給自足、自我包容的宇宙1. 到目前為止，還沒有

26、一套完整而協(xié)調(diào)的理論到目前為止，還沒有一套完整而協(xié)調(diào)的理論將量子力學(xué)和引力理論結(jié)合在一起，將量子力學(xué)和引力理論結(jié)合在一起，2. 努力的方向：應(yīng)用量子引力理論，給出一個努力的方向：應(yīng)用量子引力理論，給出一個完全自給自足、自我包容的宇宙，在這個宇完全自給自足、自我包容的宇宙，在這個宇宙里將完全排除上帝的作用。宙里將完全排除上帝的作用。人擇原理人擇原理 宇宙之所以是這種樣子，是因為宇宙之所以是這種樣子，是因為否則的話，我們就不會在這里觀否則的話，我們就不會在這里觀測它。測它。超弦理論超弦理論1. 超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點粒子超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點粒子的假設(shè)而代之以基本粒子是一維弦的

27、假設(shè)的假設(shè)而代之以基本粒子是一維弦的假設(shè)而建立起來的理論，認(rèn)為自然界中的各種而建立起來的理論，認(rèn)為自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動模式。不同粒子都是一維弦的不同振動模式。2. 研究發(fā)現(xiàn)，在十維空間中有研究發(fā)現(xiàn)，在十維空間中有5種自洽的超弦種自洽的超弦理論，它們分別是兩個理論，它們分別是兩個IIA和和IIB，一個規(guī)范，一個規(guī)范為為Apin(32)/Z2的雜化弦理論，一個規(guī)范群的雜化弦理論，一個規(guī)范群為為E8E8的雜化弦理論和一個規(guī)范為的雜化弦理論和一個規(guī)范為SO（32）的）的I型弦理論。型弦理論。M M理論理論1. 1995年人們才得到一個比較完美的關(guān)于這年人們才得到一個比較完美的關(guān)于

28、這5種超弦理論統(tǒng)種超弦理論統(tǒng)一的圖像：即存在一個唯一的理論一的圖像：即存在一個唯一的理論M理論。理論。2. 超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射，第一次從微觀理超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射，第一次從微觀理論出發(fā)，利用統(tǒng)計物理和量子力學(xué)的基本原理，嚴(yán)格了導(dǎo)論出發(fā)，利用統(tǒng)計物理和量子力學(xué)的基本原理，嚴(yán)格了導(dǎo)出了宏觀物體黑洞的熵和輻射公式。出了宏觀物體黑洞的熵和輻射公式。3. 將將5種超弦理論和十一維超引力統(tǒng)一到種超弦理論和十一維超引力統(tǒng)一到M理論的嘗試是有理論的嘗試是有成效的，但成效的，但M理論在提出時并沒有一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述，理論在提出時并沒有一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述，因此尋找因此尋找M理論的數(shù)學(xué)

29、表述和仔細(xì)研究理論的數(shù)學(xué)表述和仔細(xì)研究M理論的性質(zhì)就成理論的性質(zhì)就成了這一時期理論物理研究熱點了這一時期理論物理研究熱點。現(xiàn)代地學(xué)的發(fā)展現(xiàn)代地學(xué)的發(fā)展大地構(gòu)造理論學(xué)的新進(jìn)展大地構(gòu)造理論學(xué)的新進(jìn)展n大陸漂移說大陸漂移說n海地擴(kuò)張說海地擴(kuò)張說n板塊構(gòu)造理論板塊構(gòu)造理論大陸漂移說大陸漂移說魏格納魏格納(1880-1930年)n 魏格納是德國氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家、天文學(xué)家，大陸漂移說的創(chuàng)始人。1880年11月1日生于柏林，1930年11月在格陵蘭考察冰原時遇難。n 1910年魏格納在偶然翻閱世界地圖時，發(fā)現(xiàn)一個奇特現(xiàn)象：大西洋的兩岸歐洲和非洲的西海岸遙對北南美洲的東海岸，輪廓非常相似，這邊大陸的凸出

30、部分正好能和另一邊大陸的凹進(jìn)部分湊合起來；如果從地圖上把這兩塊大陸剪下來，再拼在一起，就能拼湊成一個大致上吻合的整體。n 這就是著名大陸漂移假說的最初思想。 我們生活的七大洲四大洋我們生活的七大洲四大洋大陸漂移說大陸漂移說魏格納魏格納(1880-1930)n 1911年秋，在一個偶然的機(jī)會里，魏格納又從一個論文集中看到了“根據(jù)古生物的證據(jù)，巴西與非洲間曾經(jīng)有過陸地相連接”的論述。于是他便在大地測量學(xué)與古生物學(xué)的范圍內(nèi)研究。n 1912年，在法蘭克福召開的地質(zhì)學(xué)會上，魏格納作了題為大陸與海洋的起源的演講，提出了關(guān)于“大陸漂移”的假說，引起了地質(zhì)界的震動。他于1915年出版了海陸的起源一書，系統(tǒng)地

31、闡述了大陸漂移說。n 由于這一假想如此偶然，如此富于幻想離奇色彩，使得當(dāng)時許多地質(zhì)學(xué)家都目瞪口呆，直至今日仍有人稱這一遐想為“一個大詩人的夢”。為此，魏絡(luò)納也獲得了“地質(zhì)浪漫詩人”的稱號。大陸漂移說大陸漂移說魏格納魏格納(1880-1930年)n 大陸漂移說認(rèn)為地球上所有大陸在中生代以前曾經(jīng)是統(tǒng)一的巨大陸塊稱之為泛大陸或聯(lián)合古陸中生代開始泛大陸開始分裂并漂移逐漸達(dá)到現(xiàn)在的位置，形成目前的海陸布局。n 由于不能更好地解釋漂移的機(jī)制問題當(dāng)時曾受到地球物理學(xué)家的反對。20世紀(jì)50年代中期至60年代隨著古地磁與地震學(xué)宇航觀測的發(fā)展使一度沉寂的大陸漂移說獲得了新生并為板塊構(gòu)造學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 191

32、9世紀(jì)海洋探險調(diào)查：世紀(jì)海洋探險調(diào)查：n1871年“獵犬號”五年環(huán)球探險，迅速擴(kuò)大和加深了人類對海洋的認(rèn)識。n1872年“挑戰(zhàn)者號”四年探險，圍繞海洋學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)等對三大洋進(jìn)行了全面考察。n二戰(zhàn)后，海洋地質(zhì)學(xué)成了熱門，深海探測技術(shù)迅速發(fā)展。n現(xiàn)代深潛器配備了攝象設(shè)備，各種傳感器，采樣器和靈活的機(jī)械手等。 歷史背景歷史背景 海地擴(kuò)張說海地擴(kuò)張說赫斯赫斯(1906-1969)海地擴(kuò)張說海地擴(kuò)張說赫斯赫斯(1906-1969)n 1962年，美國地質(zhì)學(xué)家赫斯教授發(fā)表了他的著名的論文海洋盆地的歷史。這篇論文被人們稱為“地球的詩篇”。其中，赫斯教授以先人之見，首先提出了“海底擴(kuò)張學(xué)說”。n

33、海底擴(kuò)張說認(rèn)為，海底是冷卻了的地幔，地幔中有對流存在。高熱流的地幔物質(zhì)沿大洋中脊的裂谷上升，不斷形成新洋殼；同時，以大洋脊為界，背道而馳的地幔流帶動洋殼逐漸向兩側(cè)擴(kuò)張；運動的洋殼碰到大陸地殼就下沉鉆入地幔深部，并形成海溝，大陸地殼前緣被擠壓抬升形成山脈或島弧。n “海底擴(kuò)張”說，恰好可以解釋當(dāng)年魏格納無法解釋的大陸漂移理論。板塊構(gòu)造理論板塊構(gòu)造理論n19671968年，美國的勒皮雄、摩根和英國的麥肯齊等人先后獨立提出了板塊構(gòu)造理論。n這個理論認(rèn)為，整個地球的巖石圈不是一個完整的殼體，而是由若干巨大的板塊構(gòu)成的。由于巖石圈下面的地幔中的軟流圈的循環(huán)運動，導(dǎo)致板塊發(fā)生相對運動。板塊互相撞擠而形成山

34、脈，互相錯動而形成水平斷層，互相交匯俯沖而形成海溝和島弧，互相分離而形成洋脊或海嶺和裂谷。全球板塊構(gòu)造圖全球板塊構(gòu)造圖現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展n現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展q孟德爾遺傳定律及重新發(fā)現(xiàn)q摩爾根的基因理論n分子生物學(xué)的誕生和發(fā)展qDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立q遺傳密碼的破譯現(xiàn)代遺傳之父現(xiàn)代遺傳之父孟德爾孟德爾n孟德爾（18221884）出生于奧地利，1840年畢業(yè)于特羅保的預(yù)科學(xué)校后進(jìn)入奧爾米茨哲學(xué)院學(xué)習(xí)。n1843年因家貧而輟學(xué)，同年10月到布爾諾的奧古斯丁修道院做修道士。1847年成為神父。 1851年到1853年間孟德爾在維也納大學(xué)學(xué)習(xí)。n1853年孟德爾從維也納大學(xué)畢業(yè)回修道院。

35、n1854年夏天孟德爾開始用豌豆豌豆進(jìn)行他的雜交實驗。n1865年在2月孟德爾在“布隆布爾諾學(xué)會自然科學(xué)研究會”上宣讀了作為他的實驗結(jié)果的植物雜交實驗植物雜交實驗論文，這篇論文后來于1866年發(fā)表于該學(xué)會的會議錄上。他揭示出遺傳學(xué)的兩個基本定律分離定律和獨立分配定律。這兩個重現(xiàn)代遺傳之父現(xiàn)代遺傳之父孟德爾孟德爾要規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和提出，為遺傳學(xué)的誕生和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，這也正是孟德爾名垂后世的重大科研成果。與會者固然很有興致地聽取了他的報告，但大多不理解其中的內(nèi)容。因為既沒有人提問題，也沒有人進(jìn)行討論。 F1代代F2代代純種親本純種親本性狀分離定律性狀分離定律 A 顯性特顯性特征征 a 隱性特隱

36、性特征征 顯性定律顯性定律 分離定律分離定律 3: 13: 1孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn) 1900 1900年年3-53-5月，三位生物學(xué)家?guī)缀跬瑫r獨月，三位生物學(xué)家?guī)缀跬瑫r獨立發(fā)現(xiàn)孟德爾遺傳定律。立發(fā)現(xiàn)孟德爾遺傳定律。切馬克（奧地利）柯林斯（德國）德弗里斯（荷蘭）孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)1.1900年孟德爾關(guān)于遺傳的定律重新被荷蘭的德弗里斯(H. De Vries )、德國的科倫斯(C. Correns)和奧地利的丘歇馬克(E. Seysenegg-Tschermak)三位遺傳學(xué)家分別發(fā)現(xiàn)，從而吸引了整個生物學(xué)界的注意。2.德弗里斯于1900年3月26日發(fā)表了同

37、孟德爾的發(fā)現(xiàn)相同的論文；科侖斯的論文被雜志收到的時間是1900年4月24日；丘歇馬克的論文收時間是1900年6月20日。在這年他們也都各自發(fā)現(xiàn)了孟德爾的論文，才明白自己的工作，早在35年前就由孟德爾做過了。 “遺傳學(xué)遺傳學(xué)”、“基因基因”定名定名1.20世紀(jì)頭的10年里，科學(xué)家們除驗證孟德爾遺傳規(guī)律的普遍意義外，還確立了一些遺傳學(xué)的基本概念，1906年英國生物學(xué)家貝特森首次提出了“遺傳學(xué)”一詞，以稱呼這門研究生物遺傳問題的新學(xué)科。2.1909年約翰遜稱孟德爾假定的“遺傳因子”為“基因”。1910年孟德爾遺傳規(guī)律被改稱為孟德爾定律。 摩爾根的基因理論摩爾根的基因理論n1909年摩爾根(美國，1866-1945)利用果蠅進(jìn)行實驗遺傳學(xué)的研究。用孟德爾的理論，可以解釋果蠅的眼睛顏色遺傳的現(xiàn)象。從孟德爾理論的懷疑者，轉(zhuǎn)變成為熱情的擁護(hù)者。發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳的規(guī)律，證明了遺傳變異與細(xì)胞中染色體的變化密切相關(guān)。n他和他的學(xué)生還在連鎖、交換和不分離規(guī)律等的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步證明基因在染色體上呈直線排列，從而發(fā)展了染色體遺傳學(xué)說。摩爾根還給出了第一個果蠅染色體連鎖圖，從而確立了基因作為遺傳基本單位 的概念。n 191