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科学家造转速最快人造物体：每分钟6亿转
　　一组科学家近日宣布他们创造出了迄今转速最快的人造物体――他们在实验中成功地让一颗微型球体悬空，并达到每分钟6亿次的转速
　　新浪科技讯 北京时间9月2日消息，据英国广播公司(BBC)报道，一组科学家近日宣布他们创造出了迄今转速最快的人造物体――他们在实验中成功地让一颗微型球体悬空，并达到每分钟6亿次的转速。这一转速相当于普通家用洗衣机转速的50万倍以上，比牙科用钻头的转速还要快大约1000倍。目前，有关这项由英国圣安德鲁斯大学科学家所取得成果的论文已经发表在《自然-通讯》杂志上。
　　尽管国际上有很多研究者一直致力于探寻经典物理学与量子力学的交汇点究竟是在哪里，但是他们在这方面进行实验时一般都是利用原子或分子进行的。而此次圣安德鲁斯大学的研究组则希望了解在宏观物体的情况下将会发生何种情况，相比单个的原子和分子，这些宏观物体由数以万亿计的原子组成。
　　为了进行这项实验，他们使用碳酸钙制作了一个微型球体，直径仅有400万分之一米。(4微米)。随后研究组利用一束激光提供的辐射压将小球悬空，这就有点像是利用水柱将沙滩排球托举起来一样。当激光通过这个小球体时，科学家们可以对其偏振特性进行研究。将这个小球体置于真空环境之中相比放置在有空气的环境下将大大降低其所受到的阻力，从而让研究组得以让小球体达成很高的转速。
　　除了极高的转速之外，研究组还对粒子在三维空间内的晃动现象进行观察，这可以被理解为一种运动的“冷却”。最终，这颗小小颗粒的表现就像是世界上最小的陀螺仪，围绕其自转轴形成了一种稳定状态。
　　圣安德鲁斯大学物理与天文学院的有田J彦博士表示：“这是一项令人兴奋，具有启发性的实验，它加深了我们对于旋转体性质的理解。”他说：“我现在非常想知道如果是一个由多个物体组成的组合体来组成这样一个转动体系将会怎样。我们甚至有可能在量子摩擦领域获得一些进展，具体来说就是：假如我们在一个接近完美真空的环境下进行这类实验，一个运动体或转动体，在没有任何其它摩擦源的情况下，是否会在量子效应的作用下发生减速？”
　　米歇尔?马兹洛(Michael Mazilu)是圣安德鲁斯大学新近就职的一位讲师，他评论道：“这项实验提出了一个有趣的热力学问题，对于模型构建也提出了挑战。”他说：“这个微型球体的转动太快了，其表面的角加速度几乎是地球表面的10亿倍以上。在这样的情况下这个小球竟然没有土崩瓦解，这让我很惊讶。”
　　研究组的第三位成员，吉萨?多拉卡(Kishan Dholakia)教授则表示，他认为这是一项“突破性的进展”，并认为它将在国际学术界引起震动。他说：“除了令人兴奋的基本物理领域之外，这项实验还将让我们有机会深入了解存在于一个微型体系内摩擦现象的本质，这对于设计下一代微型设备具有重要意义。当然还有，保持一项世界纪录的感觉总是很不错的――即便这项纪录或许只能保持很短的一段时间。”(晨风)
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看过本文的人还看过篇一：适合小学生做的科学实验1筷子的神力思考：把一根筷子插入装着米的杯子中，然后将筷子上提，筷子会把米和杯子提起吗？ 材料：塑料杯一个、米一杯、竹筷子一根操作：1．将米倒满塑料杯。2．用手将杯子里的米按一按。3．用手按住米，从手指缝间插入筷子。4．用手轻轻提起筷子，杯子和米一起被提起来了。讲解：由于杯内米粒之间的挤压，使杯内的空气被挤出来，杯子外面的压力大于杯内的压力，使筷子和米粒之间紧紧地结合在一起，所以筷子就能将成米的杯子提起来。2 瓶子赛跑思考：装有沙子和装有水的两个同等重量的瓶子从一个高度滚下来，谁先到达终点？ 材料：同等大小、重量相等的瓶子两个、沙子、水、长方形木板一块、两本厚书操作：1．用长方形木板和两本书达成一个斜坡2．将水倒入另一个瓶子中，将沙子倒入瓶子中3．把两只瓶子放在木板上，在同一起始高度让两只瓶子同时向下滚动4．装水的瓶子比装沙子的瓶子提前到达终点讲解：沙子对瓶子内壁的摩擦比水对瓶子内壁的摩擦要大得多，而且沙子之间还会有摩擦，因此它的下滑速度比装水的瓶子要慢。创造：将瓶子里的物质换一换，再让它们比比赛吧！3思考：火柴在蜡烛的上空点燃，蜡烛为什么会燃烧呢？
材料：蜡烛、火柴操作:1、点燃一支蜡烛 2、燃烧一会儿的蜡烛顶端烧成了杯状 3、将点燃的蜡烛吹灭 4、吹灭后的蜡烛冒出了青烟 5、用火柴点燃刚刚熄灭的蜡烛冒出的青烟时，蜡烛会立刻复燃讲解:点着蜡烛后，可看到蜡烛顶端的蜡慢慢熔化，顶端明显地烧成了杯状，在“杯”中盛着熔成液状的烛油。然后，烛油沿着烛芯爬升上去，在烛芯上端达到燃点而烧起来，在燃烧产生的热量的作用下，烛油会汽化成“青烟”。显然，“青烟”就是蜡的气体状态。创造：你知道水的气体状态是什么？你能用什么办法制造水蒸气4与小朋友一起看了录像的小石头，对巨大的龙卷风把一个村庄卷得顿时无影无踪的恐怖场面记忆犹新。小石头对为什么会产生龙卷风感到很好奇。他去请教老师，老师笑着说：“我们做一下实验好吗？”怎么做呢？
必备用品：塑料瓶2个（盖要多备几个）、锥子、绝缘带（缠电线用）。
1．在一个瓶里装入1/3左右的水，在另一个塑料瓶上盖上扎两个锥子孔大小的瓶盖。2．在装有水的瓶上扣上盖了盖的瓶子，并用绝缘带紧紧缠绕两瓶连接处，以防漏水。3．倒过来让装有水的瓶子在上，然后像画圆圈似地摇动。摇动后放在原处观察。 如果不太顺利，再换一个盖子试试。为什么会那样呢？
水产生旋涡并缓慢流下来。
所谓的“龙卷风”是指发生在美国的强旋风。
上面瓶中的水在旋转过程中，通过小孔流到了下面的瓶里。这时，我们就会看到“旋风”的模样。上面瓶中的水在旋转时要流到底面，这就等于水从旁边聚到中央而流下来。
从气象学上说，高气压向低气压快速移动时就会产生这样的旋风。5你能拉动一本书吗？拿一本精装的大书（字典或杂志合订本）和一根166厘米长的绳子，把书打开纵向放在绳子上，书脊朝上。再把绳子在书脊当中打一个结。两手分别握住绳子的两头，使手和书至少保持50厘米的距离。两手拉动绳子，你能把绳子拉到与打结的地方成一水平直线吗？不管你怎样用力，你也无法把它拉成一条直线。这是因为手臂的力量抵消不了书的重力。当绳子垂直吊着书的时候，你所使用的阻止书往下落的力，等于书本身的重量。但是当你的手向两边拉书时，所用的力与水平方向成一定角度，在这种情况下，施加的力必须大于你所克服的书的重力。所用的力与水平方向成的角度越小，所需要的力也越大，这就是你越把绳子拉到接近水平位置，越是要花大力气的原因。绳子往往在被拉成水平位置之前，因吃不住这么大的力而断掉。这个游戏实际上是游戏者与书的重力之间的拔河比赛，书的重力总是赢家，不信你试试看。 6你能让球和笔跳得一样高吗？拿一个实心皮球和一支圆珠笔，把笔插进球里，要插得足够深，也不要把整个笔头插进去，以手拿笔时球不会掉下来为合适。一手拿笔，手臂伸直，插着笔的球朝下（注意：不要在灯底下做这个游戏，以免发生事故），准备好了，松手！看哪样东西跳得高，是球呢？还是笔？球着地后，笔象射箭那样从球里弹出来。如果在室内做这个游戏，笔会弹到天花板上。相反，球根本不跳，或者比平时跳得低。在通常情况下，从100厘米高的距离落下的球，可以弹跳到90厘米的高度，仅仅失去很小一部分动能。但是把笔插进球里，球着地时不仅影响到球，也会影响到笔。如果没有笔，球落地时的动能会使球弹跳起来；插上一支笔，球的一部分动能就转移到笔上了，笔就会弹得很高。由于笔的质量比球小，同样的动能，可以使笔弹起的高度是球的若干倍，所以球是无法跳到笔那么高的。7你能把一张纸撕成三片吗？把一张纸折成三等分，打开后沿折缝剪开或撕开，但不要完全剪断，留出3.3厘米左右的地方连在一起。双手各拿住这张纸的上方相连处的一端，你能一次把这张纸撕成三片吗？你的力气再大也无法做到这一点。这是因为纸和其他材料一样，都是在最薄弱的地方受力，纸上的两个剪口就是受力点。虽然两个剪口看来似乎完全一样，但实际上是不可能剪得完全一样的。当你把纸向两边拉时，两个剪口中较为薄弱的那个剪口首先受力开裂了，使得这一处地方更为薄弱，再加一点力都会直接用到这一点上，直到剪口完全断开。所以一次把一张纸撕成三片是不可能的。8试验名称：摩擦起电准备器具：薄纸，铅笔步骤：1、把薄纸撕得尽量碎2、把铅笔在头发上来回摩擦n下3、把摩擦后的铅笔靠近碎纸堆现象：碎纸被铅笔吸起结论：一些容易起电的材料进行相互摩擦，两个摩擦表面就能够出现带电现象。 9带电的报纸思考：不用胶水、胶布等粘合的东西，报纸就能贴在墙上掉不下来。你知道这是为什么吗？
材料：1支铅笔；1张报纸。步骤：1. 展开报纸，把报纸平铺在墙上。2. 用铅笔的侧面迅速地在报纸上摩擦几下后，报纸就像粘在墙上一样掉不下来了。3. 掀起报纸的一角，然后松手，被掀起的角会被墙壁吸回去。4. 把报纸慢慢地从墙上揭下来，注意倾听静电的声音。说明：1. 摩擦铅笔，使报纸带电。2. 带电的报纸被吸到了墙。3. 当屋子里的空气干燥（尤其是在冬天），如果你把报纸从墙上揭下来，就会听到静电的劈啪声。创造：请试一试，还有什么物品能不用粘和剂，而用静电粘在墙上10胡椒粉与盐巴的分离思考：不小心将厨房的佐料：胡椒粉与盐巴混在了一起，用什么方法将他们分离开呢？
材料：胡椒粉、盐巴、塑料汤勺、小盘子操作：1、将盐巴与胡椒粉相混在一起。2、用筷子搅拌均匀。3、塑料汤勺在衣服上摩擦后放在盐巴与胡椒粉的上方。4、胡椒粉先粘附在汤勺上。5、将塑料汤勺稍微向下移动一下。6、盐巴后粘附在汤勺上。讲解：胡椒粉比盐巴早被静电吸附的原因，是因为它的重量比盐巴轻。创造：你能用这种方法将其他混合的原料分离吗？11带电的气球思考：两个气球什么情况下会相互吸引, 什么情况下会相互排斥?材料：打好气的气球2个、线绳1根、硬纸板1张操作：1 将两个气球分别充气并在口上打结。2 用线将两个气球连接起来。3 用气球在头发（或者羊毛衫）上摩擦。4 提起线绳的中间部位，两个气球立刻分开了。5 将硬纸板放在两个气球之间，气球上的电使它们被吸引到纸板上。讲解：1 一个气球上的电排斥另一个气球上的电。2 两个气球上的电使它们被吸引到纸板上。创造：你能用其它小实验说明气球带电吗？12可爱的浮水印思考：宣纸上漂亮的图案不是画出来的，是怎样制作出来的？材料：脸盆1个、宣纸1—2张、筷子1支、棉花棒1根、墨汁1瓶、水（约半盆）
操作：1、在脸盆里倒入半盆水，用蘸了墨汁的筷子轻轻碰触水面，即可看到墨汁在水面上扩展成一个圆形。2、拿棉花棒在头皮上摩擦二、三下。3、然后轻碰墨汁圆形图案的圆心处，看看有什么现象。4、把书法用纸轻轻覆盖在水面上，然后缓缓拿起，纸上印出什么图案呢？讲解：1、棉花棒碰触时，墨汁会被扩展成一个不规则的圆圈图形。2、棉花棒在头皮上摩擦所涂上的少量油，就会影响水分子互相拉引的力量。3、水印会呈现不规则的同心圆图形。创造：试试其他的方法，改变水面上墨汁的图形。13分合的水流思考：多股的水流用手一抹，竟变成一股水流这是为什么呢？材料：铁罐盒一个、锥子、水操作：1、在空的铁罐盒底部用一根钉子在上面钻5个小孔（小孔间隔只在5毫米左右）。2、将罐内盛满水，水是分成5股从5个小孔中流出的。3、用大拇指和食指将这些水流捻合在一起。4、手拿开后，5股水就会合成一股。5、如果你用手再擦一下罐上的小孔，水就又会重新变成5股。讲解：水的表面张力使水流进行分、合。14漂浮的针思考：针为什么会浮在水面上？材料：一碗水、针、叉子、液体清洁剂操作：1、在杯子里倒一杯清水2、用一个叉子，小心地把一根针放到水的表面2、慢慢地移出叉子，针将会浮在水面上3、向水里滴一滴清洁剂，针就沉下去了讲解：1、是水的表面张力支撑住了针，使之不会沉下。表面张力是水分子形成的内聚性的连接。这种内聚性的连接是由于某一部分的分子被吸引到一起，分子间相互挤压，形成一层薄膜。这层薄膜被称做表面张力，它可以托住原本应该沉下的物体。2、清洁剂降低了表面张力，针就浮不住了。说明：针有危险，请家长帮助操作。15神奇的牙签思考：放在水里的牙签，会随着放在水里的方糖游动，还是随着放在水里的肥皂游动？
材料：牙签、一盆清水、肥皂、方糖操作：1. 把牙签小心地放在水面上。2. 把方糖放入水盆中离牙签较远的地方。牙签会向方糖方向移动。3. 换一盆水，把牙签小心地放在水面上，现在把肥皂放入水盆中离牙签较近的地方。牙签会远离肥皂。讲解：当你把方糖放入水盆的中心时，方糖会吸收一些水分，所以会有很小的水流往方糖的方向流，而牙签也跟着水流移动。但是，当你把肥皂投入水盆中时，水盆边的表面张力比较强，所以会把牙签向外拉。创造：请你试一试，如果将糖和肥皂换成其它物质，牙签会向哪个方向游去16有孔纸片托水思考：有孔的纸为什么能拖住水?材料：瓶子一个、大头针一个、纸片一张，有色水一满杯操作：1、在空瓶内盛满有色水。2、用大头针在白纸上扎许多孔。3、把有孔纸片盖住瓶口。4、用手压着纸片，将瓶倒转，使瓶口朝下。篇二：适合给小学生做的科普趣味实验 适合给小学生做的科普趣味实验一、电池取火实验材料
5电池一节、锡箔纸（口香糖锡纸）、剪刀实验步骤1、将锡箔纸剪成1cm宽的长条2、将锡箔纸中间部分剪窄成宽约1mm3、将锡箔纸的两端接在电池的正负极原理：锡箔纸的电阻很小，联通电池后整个电路中电流很大，但是中间部分窄，电阻相对较大，因此产热大，达到纸的着火点而着火。二、电极写字实验材料干电池、滤纸（或者普通纸张）、酚酞溶液、饱和食盐水、导线实验步骤1、在饱和食盐水中加入少量的酚酞溶液2、在滤纸上涂上上述溶液3、电池的两端接上导线，使导线在滤纸上移动。可以看到连在电池阴极的导线写出红色的字，连在电池阳极的碳棒则写出白字。实验原理电解饱和食盐水在阴极附近生成氢氧化钠溶液可以使酚酞溶液变红，在阳极产生氯气有漂白作用。三 、变色的百合实验材料
百合一支（白色花朵） 清水 玻璃瓶 墨水（蓝墨水、红墨水、食品红）实验步骤
在清水中滴入几滴墨水，将百合插在里面，约半个小时之后白色的花瓣变蓝。 实验原理
植物吸水四、“刀割手腕”实验材料
碳酸钠溶液 酚酞溶液
镊子 棉花实验步骤1、用镊子夹上棉花蘸取酚酞溶液在实验者手腕上2、稍等片刻，用镊子夹上另一棉花蘸取碳酸钠溶液在刀子上擦拭3、用刀子在实验者手腕轻轻滑动。可以看到在实验者手腕上出现红色的“血迹” 实验原理
碳酸钠溶液显碱性可以使酚酞变红五、花朵颜色的奥妙（自制指示剂）实验材料
花朵数支 酒精（白酒） 研钵
碳酸钠溶液实验步骤1、先记录花朵的颜色2、将花朵在研钵中捣碎，加入酒精继续研磨使花朵中的液体溶解到酒精中。3、用多层纱布过滤，收集滤液4、分别取滤液加入醋和碳酸钠溶液观察颜色5、在加入醋的溶液中加入过量的碳酸钠溶液，在加入碳酸钠的溶液中加入过量的醋，观察溶液的颜色变化。实验原理
花朵中含有石蕊，能够溶解在酒精中，石蕊遇酸变红遇碱变蓝。六、自制捕蚊器实验材料
可乐瓶 剪刀 胶带 蜂蜜实验步骤1、用剪刀剪下可乐瓶子的上半部2、瓶口朝下放入另一半瓶子里，用透明胶把口封上。3、在瓶中倒入蜂蜜，放到苍蝇多的地方七、自制捕蚊器实验材料
可乐瓶 剪刀
胶带 红糖 发酵粉 黑纸实验步骤1、用剪刀剪下可乐瓶子的上半部2、瓶口朝下放到另一瓶子中，用胶带封住口3、两勺红糖加一勺发酵粉加100ml水搅拌溶解4、将配好的溶液倒入瓶中，瓶子外层用黑纸蒙住。5、将瓶子放到文字多的地方，除了可以诱捕蚊子还可以诱捕蟑螂。实验原理
蚊子喜欢黑暗的地方，红糖加发酵粉产生二氧化碳吸引蚊子进入瓶中。八、自制捕鸟神器实验材料
白酒 大米粒实验步骤
将大米放入白酒中浸泡一个礼拜左右拿出，撒在鸟多的地方，鸟吃了会被麻醉。九、人造云雾实验器材
二氧化碳灭火器（成分为液体二氧化碳） 布袋子
水盆 水实验步骤用布袋子蒙住二氧化碳的灭火器口子用绳子系好，打开灭火器几分钟，在布袋子中可以生成固体的干冰，将干冰放到盆子里加入水，就可以产生烟雾弥漫的云雾实验原理
液体二氧化碳从灭火器中喷出时，气体膨胀，瞬间温度降到零下，低于二氧化碳的凝固点，使得二氧化碳凝固为干冰。干冰在水中迅速气化吸热使得空气中水蒸气凝结为夜里小颗粒，成为云雾。实验原理
液体二氧化碳汽化吸热使得二氧化碳凝固为干冰，干冰气化吸热使得空气中水蒸气凝固为雾。十、趣味影印实验材料
铁氰化钾 草酸 0.5%盐酸、烧杯、茶色细口瓶、白体恤（天博睿星白t恤）或者白手帕 玻璃片 漏斗、滤纸。实验步骤1、配制感光液 取2.5克柠檬酸铵和2.5克硫酸铁铵在小烧中溶解于10ml的水中，配成柠檬铁案溶液。另取2.5克铁氰化钾在另一小烧杯中溶解于10ml中。将两种溶液混合后，过滤除去固体杂质，再加入少许草酸，搅拌溶液后装入茶色瓶中备用。2、在暗室中，用棉花蘸上感光液，均匀涂在白t恤上的适当位置，挂起晾干备用。33、用自制的不透明纸做成的图案，草、花、树叶的标本等，覆盖在t恤感光的部位，再用两片玻璃夹好放在阳光下照射，直到透光部位的感光液变蓝为止，约10分钟。4、将t恤投入水中，洗出影像，放入0.5%的稀盐酸中数分钟，再用清水漂洗、晾干。 实验原理感光剂柠檬酸铁在光在条件下，发生自身氧化还原反应，其中三价铁被柠檬酸还原为亚铁，当手帕放入水中，亚铁与铁氰化钾反应生成蓝色的铁氰化亚铁，于是底片透光部分t恤显出
十一、水果电池实验材料
水果（西红柿、西瓜、香蕉、苹果、柠檬等）铜片、锌片、导线若干 实验步骤 十二、放大镜取火实验材料
放大镜（直径10cm以上） 纸张 火柴 等可燃物实验步骤
在（中午最好）阳光下将放大镜聚焦到可燃物上，很快就能燃烧。实验原理
放大镜的对光线有聚焦作用。十三、制作望远镜十四、制作显微镜十五、自制苏打水（碳酸饮料）实验材料白开水 瓶子 苏打 柠檬酸 食用色素（食品红、食品绿） 食盐 白糖等实验步骤瓶子中在白开水中加入适量苏打和食用色素柠檬酸，以及白糖食盐适量，盖住瓶子摇晃均匀。即可做成各种颜色口味的苏打水（碳酸饮料）。十六、可乐充电器（用可乐电池给mp3充电）实验材料
铜片锌片各4条
带有夹子的导线若干 usb线一条 改装usb接线（充电器上拆卸） mp3一个实验步骤：1、制作可乐电池
将可乐倒入4个纸杯
每个纸杯放入铜片和锌片各一个，用带有夹子的导线分别连接各个杯子中的铜片和锌片。2、将最边上的铜片和锌片接到usb上，接到mp3上，可以看到充电。十八、风能发电机实验材料 小马达（玩具车拆卸） 导线 小灯泡（或小喇叭）
手折纸风车 用完圆珠笔芯 实验步骤1、用圆珠笔芯将大风车固定在小马达的上端，使得风车可以带动马达转动2、用导线将小灯泡接在马达的正负极3、吹动风车可以看到小灯泡发亮实验原理 转动马达切割磁感线产生电流十九、自制3d眼镜实验材料
硬纸板 红色玻璃纸
绿色玻璃纸
剪刀 签字笔实验步骤1、画眼睛模板，用现成的眼镜做对照，把形状用签字笔描在厚纸板上；镜框画得厚一点，2、才出眼睛的形状，镜框中间用见到才出来3、用双面胶把红色玻璃纸贴在做眼镜框，蓝色塑料纸贴在有眼镜框，若单层颜色塑料颜色不够深的话，把塑料纸对折成两层在贴上去。在手机上或电脑上的暴风影音可以观看3d电影二十、水底花园实验材料 沙子、颗粒状氯化钙、硫酸铜、氯化铁、硫酸亚铁、硫酸镍、20％的水玻璃（na2sio3） 实验步骤① 取一只大烧杯，在其底部铺一层洗净的沙子，加入20％的水玻璃（na2sio3）溶液（约占容积的2/3）。② 把粒状的氯化钙、硫酸铜、氯化铁、硫酸亚铁、硫酸镍（绿豆大小）分别小心地放入烧杯中不同地位置。约半小时后会看到烧杯中长出各种不同颜色的“枝条”，有的甚至浮出水面，开出色彩艳丽的“花朵”，犹如一座美丽的“水底花园”。实验原理
金属盐溶解在水玻璃溶液内与na2sio3生成沉淀，在盐晶体表面形成一层薄膜。这种薄膜具有半透性，可使水渗透到晶体中，这样使更多的盐溶解，并使膜内压增加，最后胀破。由膜内逸出的金属盐与na2sio3相遇，形成新膜，这个过程不断继续下去，直到金属盐全部溶解。由于重力场的作用，在薄膜顶点处盐的浓度最低，膜最薄，从而顶点胀破，表现为晶体向上生长金属盐溶解在水玻璃溶液内与na2sio3生成沉淀，在盐晶体表面形成一层薄膜。这种薄膜具有半透性，可使水渗透到晶体中，这样使更多的盐溶解，并使膜内压增加，最后胀破。由膜内逸出的金属盐与na2sio3相遇，形成新膜，这个过程不断继续下去，直到金属盐全部溶解。由于重力场的作用，在薄膜顶点处盐的浓度最低，膜最薄，从而顶点胀破，表现为晶体向上生长二十一、彩色喷泉篇三：小学生科学实验报告筷子的神力思考：把一根筷子插入装着米的杯子中，然后将筷子上提，筷子会把米和杯子提起吗？材料：塑料杯一个、米一杯、竹筷子一根操作：1、将米倒满塑料杯。2、用手将杯子里的米按一按。3、用手按住米，从手指缝间插入筷子。4、用手轻轻提起筷子，杯子和米一起被提起来了。讲解：由于杯内米粒之间的挤压，使杯内的空气被挤出来，杯子外面的压力大于杯内的压力，使筷子和米粒之间紧紧地结合在一起，所以筷子就能将成米的杯子提起来。瓶子赛跑思考：装有沙子和装有水的两个同等重量的瓶子从一个高度滚下来，谁先到达终点？材料：同等大小、重量相等的瓶子两个、沙子、水、长方形木板一块、两本厚书操作：1、用长方形木板和两本书达成一个斜坡2、将水倒入另一个瓶子中，将沙子倒入瓶子中3、把两只瓶子放在木板上，在同一起始高4、装水的瓶子比装沙子的瓶子提前到达终点讲解：沙子对瓶子内壁的摩擦比水对瓶子内壁的摩擦要大得多，而且沙子之间还会有摩擦，因此它的下滑速度比装水的瓶子要慢。创造：将瓶子里的物质换一换，再让它们比比赛吧！带电的报纸思考：不用胶水、胶布等粘合的东西，报纸就能贴在墙上掉不下来。你知道这是 为什么吗？材料：1支铅笔；1张报纸。步骤：1. 展开报纸，把报纸平铺在墙上。2. 用铅笔的侧面迅速地在报纸上摩擦几下后，报纸就像粘在墙上一样掉不下来 了。3. 掀起报纸的一角，然后松手，被掀起的角会被墙壁吸回去。4. 把报纸慢慢地从墙上揭下来，注意倾听静电的声音。
说明：1. 摩擦铅笔，使报纸带电。2. 带电的报纸被吸到了墙。3. 当屋子里的空气干燥（尤其是在冬天），如果你把报纸从墙上揭下来，就会听到静电的劈啪声。创造：请试一试，还有什么物品能不用粘和剂，而用静电粘在墙上胡椒粉与盐巴的分离思考：不小心将厨房的佐料：胡椒粉与盐巴混在了一起，用什么方法将他们分离 开呢？ 材料：胡椒粉、盐巴、塑料汤勺、小盘子
操作：1、将盐巴与胡椒粉相混在一起。2、用筷子搅拌均匀。3、塑料汤勺在衣服上摩擦后放在盐巴与胡椒粉的上方。4、胡椒粉先粘附在汤勺上。5、将塑料汤勺稍微向下移动一下。6、盐巴后粘附在汤勺上。讲解：胡椒粉比盐巴早被静电吸附的原因，是因为它的重量比盐巴轻。创造：你能用这种方法将其他混合的原料分离吗？带电的气球思考：两个气球什么情况下会相互吸引, 什么情况下会相互排斥? 材料：打好气的气球2个、线绳1根、硬纸板1张操作：1 将两个气球分别充气并在口上打结。2 用线将两个气球连接起来。3 用气球在头发（或者羊毛衫）上摩擦。4 提起线绳的中间部位，两个气球立刻分开了。
5 将硬纸板放在两个气球之间，气球上的电使它们被吸引到纸板上。讲解：1 一个气球上的电排斥另一个气球上的电。
2 两个气球上的电使它们被吸引到纸板上。
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科学技术与社会进步
科学技术与社会进步第一篇 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1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。 现代科学的社会结构， 是由科学研究体系， 科研后勤部门和科研管理机构等方面构成。 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2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、3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。4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 命。 现代自然科学已成为技术性很强的科学， 使技术真正成为科学化技术――技术科学化。 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5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 业， 构成了庞杂而严密的科学体系结构。 科学的研究从过去的个体研究代之于集体研究方式。 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产之间起到中介作用，也就是说 科学对生产力的发展只有通过技术这个中介环节才能实现。 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6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 测与宇航研究、南极考察研究等许多综合性很强的科技项目都出现了国际合作的新趋势。 （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7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（science technology society） ，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，8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。 秦汉时期的农业耕作已非常发达，发明了历法（阴阳历）观测天文天象，预报日、月食。 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。9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（）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（）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（）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（）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（）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。10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。 T12 a 13 G 为万有引力常数 ＝ T22 a 23 ＝ 4π2 GMM 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（） 。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， ） 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（） 。 （2）赖尔的地质演化学说揭示地球地质演化进程（1838） 。11（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） （）他提出 ，其要点： 以自然选择为核心的生物进化学说（1859） 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 七种不同职业的十几位科学家， 分别从不同 19 世纪 30~40 年代间在五个国家由六、 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? Joule P? ） ，他经过近 40 年的努力（）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（）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（）创立了电磁学说，还推导出电磁场的12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（）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 （） 首先提出物质由原子组成的基本概念（） ；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（）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 2.3.1 19 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（）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（）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（）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13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（）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（）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=30×104 Km/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 光年 （1 （1.Y） =30×104×365×24×8 ×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）A 0.75C L 0.96L 1H H=0.96H A 0.75CL A-B 的相对距离， 运动物体指示时间， 静止物体时间。 H h 由此会得出惊人的结果：14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。15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； 水星在近日点加速 运动――近日点进 动，也是广义相对 论所观察的一种现象。水星 匀速 加速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（）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（）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（）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（）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（）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（） 、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 （） 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。16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（）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（）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（）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。17在第 4 个 10 年（）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（）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。 第三， 综合应用多种门类技术的复杂大系统的研制开发成为技术发展的主要途径之一。 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18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，19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第三章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20物质结构研究的当代进展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 ―层次序列 大小数量级 （CM） 分子 10 ～0-6 -7从分子到夸克、 从分子到夸克、轻子的结构层次原子 10-8原子核 10-13质子、中子 10-15夸克、轻子 10-17长度的十进制倍数的词头及符号 词头 metre decimetre centimetre millimetre decimillimetre centimillimetre micrometre nanometre picometre 符号 1m 1dm 1cm 1mm 1dmm 1cmm 1um 1nm 1pm 中文名 米 分米 厘米 毫米 丝米 忽米 微米 纳米 微微米-9 -7数值 1m=1metre 1dm=1/10m=10 metre 1cm=1/100m=10 metre 1mm=1/1000m=10 metre 1dmm=1/10 m=10 metre 1cmm=1/10 m =10 metre 1um=1/10 m =10 metre 1nm=1/10 m =10 metre 1pm=1/10 m=1012 －12 9 －9 6 －6 5 －5 4 －4 －3 －2 －1metre1 毫微米=1nm 纳米=10 m=10 cm表 3― 2词头 tera giga mega kilo hecto deca deci centi milli micro nano pico国际单位制中十进制倍数的词头及符号符号 T G M K h da d c m u n p21中文名 垓、千京、兆兆 京、千兆 兆 千 百 十 分 厘 毫 微 纳、毫微 皮、微微数值 101210 10 10 10963210 10 10 10 10 10 10-1-2-3-6-9-123.2 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 I 万有引力 牛顿三大定律、爱因斯坦相对论表述其运动规律，属于宏观物体作用的长 程力。 II 电磁力 电――磁间的相互作用和相互转换，属于电磁体之间的作用力，也是属长程 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。22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力 的 类 型 发生作用的范围 相对作用强度 传播子 传播子质量 引起过程所需时间 引 力四种基本力及其性质弱 约＜10 10 力－15电 磁 力 延伸到非常大 的范围 10－2强 约＜10 1力－13延伸到非常大 的范围 10－38cmcm－13未 知 未 知 未 知中间玻色子 w+、w 和 z0 约 90GeV 10 9S－ －光子 O 10－21胶子 假定为 OS10－23S表 3―4 ―名 称 符 u D s c b t 号夸克的有关参数电荷（e） 2/3 －1/3 －1/3 2/3 2/3 －1/3 自 旋 质量（GeV/C2） 0.02 0.02 0.4 1.5 5 （＞5）？上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/223表 3―5 ―三代夸克和三代轻子间对称性关系第二代 μ子 μ子中微子 粲夸克 奇异夸克 第三代 τ子 τ子中微子 顶夸克 底夸克第一代 轻子 夸克 电子 电子中微子 上夸克 下夸克表 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24（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4.1 宇宙概观宇宙的起源与演化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25最根本的问题。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法。但人类对宇宙的真正认识在有自 己几千年漫长的文明史中， 只是最近几十年的事， 而且对于这一认识还有待于进一步深化。 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。向观察者开来的火车 声音增强 （相对于静止）向观察远去的火车H1 声音减弱(相对于静止) △H＝h2－h1静止火车静止火车 H2 H2 静止火车音量 H1 行进火车音量射向观察者的光 红 黄 绿 紫背向观察者的光 紫 绿 黄 红 静止的光 h2 红 h2 △h＝h2－h1 观察者 背向观察者光向低 频谱线(红光)移动静止的光 红 黄 绿紫紫绿黄面向观察者的光谱向高频紫光移动 h2 静止物质光谱红光谱线位置 2h1 行进中物质光谱红光谱线位置 126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 1929 年美国天文学家哈勃发现几乎所有的星系都有红移现象，红移星△h=Z=(入 0－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 入 o－入 e － Z= = △h 入 o―实验室观察实验光源的波长， e 某天体同一谱线的波长） （ 入 入o V―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） S=vt（S-距离，v 速度，t-时间）按牛顿力学S将星系的距离 S，除以星系运行速度，可求出运行时间 t=V，就得到我们所观察到的许多星系距今约 100~200 亿年，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 H= T271（因为 S=Vt）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。28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