第四章 文化修养

第二节 科普知识

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、宏观、中观和微观世界进军。

命题点1：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。

(一)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，空间一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。这一思想由于其革命性和数学形式上的深奥，在一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一”。

(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。它描述了这样一种现象，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(即光谱红端)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一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。这一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。爱因斯坦根据这一发现，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X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。这一模型认为，宇宙起源于160亿年前温度和密度极高的“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸的时刻就是今天所观察到的宇宙质子、电子、光子和中微子等一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、弱力和电磁力逐一地分化出来;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，是一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一个有力的证据。

命题点2：现代物理学

(一)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。原子核物理学以原子核的物质结构、性质及其内在规律为研究对象，在20世纪20年代建立起来。

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一种基本粒子，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，也为进一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，费米制成世界上第一个原子能反应堆后，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。

(三)热力学三定律

热是最普遍的能量传递形式。气体温度是大量气体分子热运动的宏观表现，固体的热传导是物质原子在平衡位置附近机械振动时的能量传递。热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的电磁辐射。所以，热、电磁、光等现象和机械运动都是能量的不同形式，可以相互转化，并且遵循能量守恒定律。

1.热力学第一定律

热力学系统如不吸收外部热量却对外做功，须消耗内能;不可能造出既不需外界能量又不消耗系统内能的永动机。

2.热力学第二定律

热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分传给低温热源。根据这个定律，任何热机的效率都不可能达到100%。

3.热力学第三定律

在科学家研究固体、液体、分子和原子的自由能的基础上，能斯特提出，在温度达到绝对零度(一273℃)时，物质系统(分子或原子)无规则的热运动将停止。绝对零度不可能达到，但是可以无限趋近。

(四)电磁理论

1864年，麦克斯韦用一组偏微分方程概括了电场、磁场本身，以及电转化为磁、磁转化为电等全部电磁现象所满足的数学关系，预言了电磁波的存在，并预言光是一种电磁波。1888年，赫兹发现了电磁波。麦克斯韦的电磁理论成为描述电磁运动的基本理论，被称为自然科学的第三次理论大综合。电磁波的预言和发现，为无线电通信开辟了道路。

(五)相对论

相对论是爱因斯坦创立的物理学理论，描述物体的高速运动和相关的时空性质。相对论引发了现代物理学革命，同时也深刻地影响了人类的时空观。相对论包括狭义相对论和广义相对论。

相对论与量子力学、基因理论和系统理论被称为现代科学四大基础理论。广义相对论的两个基本原理是：①等效原理：引力与惯性力等效：②广义协变原理：即广义相对性原理，指所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。

　　(六)量子力学

量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。量子力学是现代物理学的基础理论，对半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展都具有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。

1905年，爱因斯坦提出了光量子说。

1924年，法国物理学家德布罗意证明了物质具有波粒二象性。

1925年，德国物理学家海森堡和玻尔，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。

1926年，奥地利科学家薛定谔提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程——薛定谔方程，给出了量子论的另一个数学描述——波动力学。后来，物理学家将矩阵力学与波动力学统一起来，统称量子力学。

命题点3：生命科学

(一)生命的物质基础

1.细胞

细胞是一切生命体的基本单位，植物和动物的发育过程就是新细胞形成的过程。细胞内部有细胞核，外部是细胞质和最外层的细胞膜。细胞质主要由蛋白质和核糖核酸(RNA)构成，细胞核中最重要的物质是脱氧核糖核酸(DNA)。

2.蛋白质.

蛋白质是一类极为复杂的含氮化合物，它是构成生物体的主要成分，是构成细胞的基本物质材料，占生物体干物质重的50%。所有的蛋白质都含有碳、氢、氧、氮四种元素。组成蛋白质的基本单位是氨基酸，它具有生物功能的多样复杂性，因而是重要的生命物质，在生命活动中起着重要作用。

3.核酸

核酸同生物的生长、发育、繁殖、遗传和变异有着密切的关系。核酸的基本单位是核苷酸，每个核苷酸分子由戊糖、磷酸和含氮碱基组成。组成核苷酸的戊糖有两种：核糖和脱氧核糖。组成核酸的含氮碱基有尿嘧啶(u)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。由核糖和A、G、C、u四种碱基及磷酸组成的核酸称为核糖核酸(RNA);由脱氧核糖与A、G、C、T四种碱基和磷酸组成的核酸称为脱氧核糖核酸(DNA)。

在DNA分子结构中，碱基的配对规律为：A与T配对，G与C配对，反之亦然。

4.新陈代谢

只要生命存在，生物体就要和外部环境不断进行物质和能量交换，这就是新陈代谢。这个过程包括从外部摄取养料，转换成自身的物质，并储存能量，同时也要将自身的一些物质分解，向外排出物质和释放能量。如绿色植物借光合作用以水、二氧化碳和无机盐等无机物制造有机物，并放出氧;非绿色植物可分解现成的有机物，释放出二氧化碳和水。

(二)基因的概念

基因是DNA中的最小遗传功能单位。基因在DNA分子中是以特定顺序排列的、含有几百到几千个核苷酸的特定区段，是传递指挥DNA复制命令和控制性状遗传指令的作用因子，也称遗传因子。

(三)生命的遗传和变异

生物最为引人注目的特征，就是能够通过繁殖将本物种的性状特征传递下去，产生与亲代相似的子代，即遗传现象。遗传过程实质上是遗传物质传递的过程。遗传信息的传递是依靠DNA的复制过程进行的。DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质中进行的，将DNA携带的遗传信息传递到细胞质中去的物质就是RNA。RNA是传达DNA信息的信使。DNA传递遗传信息遵守“中心法则”，即遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程;也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。

变异和遗传一样，也是生物运动的普遍规律。变异是指同种生物世代之间或同代不同个体之间的性状差异。变异可分为遗传的变异和不遗传的变异。不遗传的变异是仅由环境条件直接引起的变化，如动植物因营养不足而发育不良，因环境污染而器官畸变等，一般是定向的。在生物进化上，只有遗传的变异才是自然选择的材料。遗传的变异通过遗传物质的改变而变化，包括基因突变和染色体畸变，一般是不定向的。

(四)人类基因组计划

人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称的人类科学史上的重大工程。人类基因组计划的目标是测定和绘制人体的24条染色体(22条常染色体和X、Y性染色体)上30多亿个碱基对的全序列。

2000年6月26日，人类基因组计划已绘制出覆盖面达97%的人类基因组“工作框架图”。

2001年2月12日，六国科学家共同宣布，经过初步测定和分析，人类基因组共有32亿个碱基对，组成大约3万一3.5万个蛋白编码基因，远少于原先10万个基因的估计。2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六国政府首脑联名发表声明，宣布人类基因组序列图提前绘成。

命题点4：环境科学

(一)环境科学的概念

环境科学是研究人类在认识自然和改造自然中人与环境之间相互关系的科学。它是一门综合性很强的新兴科学，是以人类与其生存环境构成的“人类——环境”系统为对象，应用化学、生物学、物理学、地质学、自然地理学、土壤学、气象学和医学等学科的原理和方法，研究人类与其环境的相互联系、相互作用、相互制约和相互调适，研究由人类活动所引起的环境质量的变化及其评价、预测、控制、改善和保护的科学。

(二)环境科学发展的现状

1.环境问题与环境科学

(1)人类目前面临的环境问题，已日益影响到人类的正常生活。这些环境问题主要有人口问题、能源问题、资源问题和环境保护问题。

(2)环境问题主要是由人类生活和生产活动的飞速发展引起的。人类活动使环境条件发生变化，对人类生存环境造成污染和破坏，影响人类的正常生产和生活，给人类直至后代带来灾害，这就是环境问题的实质。

(3)目前的环境科学已由过去单纯的从环境问题出发的研究发展到从环境整体出发，进行跨学科合作的整体性研究;研究方法上也开始运用系统方法，以微观和宏观相结合的方法，以整体观念剖析环境问题，更加注意对生命维持系统的研究，扩大生态学原理的应用范围;已注意开展对全球性环境问题的国际性研究，发展高效益的环境污染控制技术。

2.生态科学

生态科学是研究生物体与其生存环境之间相互关系的一门学科，又称为环境生物学。按其研究的对象，生态学又可以分为个体生态学、种群生态学和群落生态学。目前，生态学研究的重点正转向以人类社会为主体，重视人与环境相互作用的研究，因而在社会经济的可持续发展中正发挥着越来越重要的作用。

(1)生态系统。在地球表面的一定空间中，生物群体与无机环境通过能量转换与物质循环联结成一个整体。生态系统，按其环境特征可分为陆地生态系统和水域生态系统。

(2)生态平衡。生态平衡又称“自然平衡”。在自然界中，不论森林、草原还是湖泊，都是由动物、植物、微生物等生物成分和光、水、土壤、空气、温度等非生物成分所组成。每一个成分都不是孤立存在的，而是相互联系、相互制约的统一综合体。它们之间通过相互作用达到一个相对稳定的平衡状态，称为生态平衡。

(3)生态安全。生态安全是以生态学方法来定义环境保护论之外的人类安全行为，并用于评定对人类社会的未来安全有着极为密切的四种发展关系：人与自然环境之间的关系;不同的人群之间的关系;人与其他物种的数量之间的关系;人与病原微生物之间的关系。生态安全将取决于保持这四种关系中任何一种的微妙平衡。

(4)生物多样性。生物多样性是指地球上的生物(包括动物、植物、微生物)在所有形式、层次和联合体中生命的多样化，包括遗传多样性、生物物种多样性和生态系统多样性。生物多样性是地球上生命经过几十亿年发展进化的结果，是人类赖以生存的物质基础。

(三)可持续发展

1.可持续发展的概念

联合国世界环境与发展委员会在其1987年发表的报告《我们共同的未来》中，提出了可持续发展概念。可持续发展是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。

虽然可持续发展概念是从生态学的角度提出的，但是，它实际上涵盖了自然环境的改善、经济的发展和社会的进步三个层次的内容。第一，可持续发展并不否定经济增长，但需要重新审视如何实现经济增长。第二，可持续发展以自然资源为基础，与环境承载能力相协调。第三，可持续发展以提高生活质量为目标，和社会进步相适应。

2.联合国环境与发展大会

1992年6月3日至14日在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会，是联合国成立以来规模最大、级别最高、参加人数最多、影响最为深远的一次国际会议。大会通过了《关于环境与发展的里约热内卢宣言》(又称《地球宪章》)《21世纪议程》《关于森林问题的原则声明》等重要文件，有150多个国家签署了《气候变化框架公约》和《生物多样性公约》。

这是一次拯救地球的历史性盛会，是国际社会对人类与自然的关系在认识史上的一次大飞跃，第一次从环境保护和经济发展有机联系的高度，提出了可持续发展战略及其行动纲领——《21世纪议程》，确定了面向21世纪国际环境和发展合作的原则，将可持续发展由概念、理论推向行动。在国务院各有关部门、机构和社会团体的广泛参与下，经中外专家的共同努力，于1993年4月完成了《中国21世纪议程》的第一稿。此项工作完成后，我国成为世界上第一个编制国家级21世纪议程的国家。