科學技術與社會進步-資料下載頁

【導讀】科學的詞原來自拉丁文scientia（知道）。后來演化成英文sciential和?？茖W是反映客觀事實和規律，關于自然、社會和思維的知識體系相關活動的事業。所以科學研究是一種神圣的事業，其最顯著的特點是嚴肅性、嚴謹性、客觀性。類所確認的公理。科學另一個顯著的特點是要經得住歷史的考驗，這就要求科學的發明、科學研究的新成果、工藝技術的新成就，為解決生產中的問題研究出來的新。各種科技信息，科學技術要發展是根本不可能的。現代科學的社會結構，是由科學研究體系，科研后勤部門和科研管理機構等方面構成。會生產力，而且與人類的文化密切聯系?？茖W文化和人文文化一起，共同構成社會文化。他在1871年《原始文化》一書中將“文化”的內涵界定為：包括。器物層次的科學文化形態，能夠較明顯和較全面地體現出一定社。次的科學文化形態對科學的發展能起到促進或延緩作用。第三個特征是技術是人們改造、控制、利用和保護自然的一種動態過程。

　　

【正文】 了原子物理的發展，使這兩個相關科學更加緊密聯系起來。核子由夸克構成以及核力通過膠子交換等概念直接影響了核物理。高能輕子對核的散射實驗表明，原子核不是一個簡單的多個核子的集合體。 粒子物理學與天體演化研究的相互滲透、巧妙結合，產生了一些交叉學科，如中微子天文學、射電天文學、高能天體物理學等，為天體演化的研究開辟了新途徑。 粒子物理中的量子場論的理論方法，已被用來解決固體物理、統計物理、等離子體物理、凝聚態物理等領域的物理問題，成為這些領域的一 種必要的理論工具。 第四章 宇宙的起源與演化 宇宙概觀 宇宙是空間和時間及物質三者相關的總體。 中國古代先哲曾提出：“四方上下曰宇，往古來今曰宙”。這是我們的祖先對宇宙最概要性的界定。 宇宙有沒有起源和終結，它是永恒的還是演化的？這是每一種宇宙論都必須回答的 26 最根本的問題。各種文明都有自己關于宇宙起源的看法。但人類對宇宙的真正認識在有自己幾千年漫長的文明史中，只是最近幾十年的事，而且對于這一認識還有待于進一步 深化。 宇宙的起源 大爆炸宇宙學 宇宙在遙遠的過去曾處于極高溫度和極 大密度狀態的“原始火球”，當溫度增大到某一時刻，火球發生了大爆炸，物質四散飛出，宇宙間充滿光子、電子和中微子等基本粒子。爆炸后的碎片，煙塵不斷向四周擴散，溫度很快下降，當溫度降到 10 億度左右時中子開始失去自由存在的條件，它或衰變為質子和電子，或者和質子結合成氘，氦等原子核，化學元素開始形成。 當溫度下降到數千度時，輻射作用減退，氣態物質逐漸凝聚成氣云。 此后溫度繼續下降，各種物質因凝聚而收縮，逐漸演變形成星系，物質的引力作用形成恒星、行星及其衛星、彗星等各種天體。 大爆炸的觀測事實依據 （Ⅰ）河外 星系的譜線紅移 所謂紅移，可用開普勒效應來比擬。 當一列離觀測者遠去的火車，其聲音漸遠，而另一列離觀察者漸近的火車，其聲音則漸近，這種遠去的火車與相應定點火車聲音的差距稱為“紅移”現象。 面向觀察者的光譜向高頻紫光移動 h1 行進中物 質光譜紅光譜線位置 h2 靜止物質光譜紅光譜線位置 聲音增強 （相對于靜止） H1 聲音減弱 (相對于靜止 ) △ H＝ h2－ h1 H2 H2 靜止火車音量 H1 行進火車音量 紅 黃 綠 紫 紫 綠 黃 紅 紅 黃 綠 紫 紫 綠 黃 紅 背向觀察者光向低 頻譜線 (紅光 )移動 h2 h2 觀察者 靜止的光 靜止的光 射向觀察者的光 背向觀察者的光 靜止火車 靜止火車 向觀察者開來的火車 向觀察遠去的火車 △ h＝ h2－ h1 27 天體光譜中紅光向外位移，說明該天體在遠離觀察而去 — 向外擴充 — 宇宙膨脹，這是大爆炸理論的觀察實驗依據。 紅移△ h= h2 h1 的距離 1929 年美國天文學家哈勃發現幾乎所有的星系都有紅移現象，紅移星 △ h=Z=(入 0－ 入 e)/入 0（ 入 0 為觀察波長， 入 e為天體發射波長），折合成運動速度，可用公式 V=Hr 表示 ——哈勃定律， H— 哈勃常數。由此可定量算出該天體遠離我們而去的速度，因為所觀察大部分星系譜線都有紅移現象，證明確實宇宙在膨脹，是大爆炸的結果。 （ II）宇宙 中 He 元素和 H 元素豐度很高（ He 在不同天體中占 25~30%），這是因為在大爆炸后一個很短時間內，早期溫度高（ 10 億度）中子失去自由存在的條件與質子結合成 He 和 21H（氘）。由于 He 很穩定，不易再參與反應而在宇宙中保存下來。 H 在宇宙中無氧氣存在條件下， H 也是很穩定，所以宇宙中 H 和 He 豐度高，而且 He 的豐度在不同天體中其豐度基本相同。這一事實也支持了大爆炸理論，各天體都是大爆炸物質所凝聚而形成的（按由 2 個質子與 2 個中子合成 He，推算出 He： H=1： 4）。 （ III）所有天體的年齡都小于 200 億年 —— 宇宙年齡 宇 宙的年齡如何計算？ 按照哈勃的發現，遙遠天體（星系）發出的光，光譜譜線紅移的事實，證明許多星系正在彼此遠離。 哈勃定律對于我們認識宇宙作出重大貢獻 哈勃的紅移量 入 o－ 入 e Z = = △ h（入 o— 實驗室觀察實驗光源的波長，入 e 某天體同一譜線的波長） 入 o V— 哈勃計算天體（星系）遠離我們而去的速度 V=HS 即紅移速度與距離成正比（ H哈勃常數） 按牛頓力學 S=vt（ S距離， v速度， t時間） 將星系的距離 S，除以星系運行速度，可求出運行時間 S t = ，就得到我們所觀察到的許多星系距今約 100~200 億年， V 這段時間對所有星系來說是共同的， 哈勃進一步推論 V=CZ=C△入 /入 0（ C—— 光速） 顯然 1 H = （因為 S=Vt） T 28 由此又算出星系遠離我們而去的速度 在已觀察到的眾多星系中，用哈勃定律算出其最大年齡都不超過 200 億年，哈勃的推論為我們推斷宇宙起源于大爆炸理論的觀察提供有力的證據。 （ IV）微波背景輻射 熱火球爆炸的另一個重要遺跡是微波背 景輻射。大爆炸后的煙塵，彌散物質及能量向四周空間擴散，隨著宇宙的膨脹，溫度也不斷下降，但只要有能量就有輻射，而且在宇宙空間的能量輻射與其所處溫度有關。 1964 年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架通訊電話在 波段（波長）處探測到一種來自宇宙空間的強度與方向無關的信號，這種信號因為是在從宇宙深處不同方向接收到同一個強度相同的信號，是在一定溫度下發生的能量輻射，由于這種輻射的峰值波長在 1mm 附近，處于微波段，又稱為微波背景輻射。 這種輻射譜線分布與溫度范圍是在 177。 176。（ t=176。 K+C176。），經測量宇宙不同方向的微波輻射，其相對溫度都小于十萬分之一！這再次毋容置疑地證明宇宙起源于同一大火球大爆炸之后形成了宇宙。而且各星系盡管會有千差萬別的物理化學因素，但其根本的共性是同一的！ 恒星的一生 大爆炸之后，宇宙空間布滿的彌散物質，氣體云，塵埃等靠自身的引力逐漸凝聚，密度逐漸增大。當向內的引力強到足以抵抗向外壓力時，它將迅速收縮落向中心，在收縮過程中釋放出的引力能使原始恒星（熾熱氣體云團）溫度上升，當中心溫度上升到 1000萬 K，足以引發熱核反應時，一顆恒星就誕生了。恒星的質 量則會由于產生的輻射太大而瓦解。恒星質量范圍在 ~100 個太陽質量之間，這類恒星比較穩定。近來，紅外天文衛星探測到成千上萬個正處于形成過程中的恒星。 29 恒星的演化 恒星形成之后，光和熱的來源，是其中心由氫聚變為氦的核反應（ 4 個氫原子聚合成 2 個氦原子）。當這種反應產生的輻射壓力達到與引力平衡時，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進入一個相對穩定的演化階段，恒星在這一階段停留的時間最長，占其生命的主要部分，稱為“壯年期”。至目前發現的恒星有 90%處于這一階段（包括我們的太陽）。這一階段的具體長度取決于恒星質量的大 小，對于我們的太陽約為 100 億年，到目前已經有 50 億歲了，大約還有 50 億年！對于質量比太陽大 10 倍的恒星其壽命只有 3000 萬年。 當恒星核心部分的氫全部聚變為氦以后，產能過程停止，輻射壓力下降，星核將在引力作用下收縮。收縮產生的熱將使溫度再次上升，達到引發氦燃燒的程度。結果將 3個 He 核聚變合成一個碳核，反應中釋放的能量使星體大大地膨脹，膨脹過程也不斷消耗能量，表面溫度降低，但體積膨脹到足以把水星、金星、地球都裝進去，此時發出的輻射主要是紅光，稱為紅巨星，恒星進入“中年期”階段。 經過紅巨星階段，恒星進入“晚 年期”，這時其核心部分產生一系列熱核反應，當核心的氦全部變成碳后，又再一次引力收縮，壓力和溫度又再一次升高，于是發生碳 —— 氧、碳 —— 鎂的反應，直至聚變為穩定的元素鐵為止，這一階段的恒星經歷多次的膨脹收縮，光度也周期性變化，因此這一階段的恒星極不穩定。 恒星的歸宿 當恒星內部的核燃料耗盡之后，原來由熱核反應維持的輻射壓力消失，星體將在引力作用下再次收縮，于是進入老年期。對于初始質量小于太陽８倍的恒星，最終將變成白矮星。白矮星是一種密度極大，體積很小溫度很高的晚年期恒星；質量為太陽８～ 5０倍的恒星在 其核燃料耗盡之后會發生猛烈的爆發在短短幾天中亮度陡增千萬倍甚至上億倍，稱為超新生。爆發后留下的星核的體積只有同質量年輕星的百萬分之一，幾乎全由中子緊緊堆成，稱為中子星。我國宋史記載宋仁宗至和元年（ 1054 年）出現的“客星”就是這樣一次超新星爆發。９００多年后，英國天文學家在那個位置發現的脈沖星（由于快速旋轉而發出脈沖式電波的中子星），就是那次爆發的遺跡；質量更大的恒星在晚年爆發后變成密度極大，大到足以將光線都吸進去，變成看不見但又確實存在的天體 —— 稱為黑洞。人們只能通過對它周圍物質的影響間接地探知其存在。一 些發射出Ｘ射線的雙星系統中，那個質量很大而又看不見的成員，其實就是黑洞。 形形色色的星系 星系是由數十億至數千億顆恒星和氣體塵埃等星際物質構成，占據幾千光年至幾十 30 萬光年的空間的龐大天體系統，是構成宇宙的基本成員。包括太陽系在內的由幾千億顆恒星組成的銀河系就是一個普通的星系。銀河系以外的星系稱為河外星系。恒星之間的引力吸引將星系保持為一整體。 星系具有形形色色的外貌，但基本上可分為旋渦星系和橢圓星系兩大類，還有一些形狀不規則的稱為不規則星系。銀河系就是屬于旋渦星系。旋渦星系的質量相差懸殊，有比銀河系大 100 多億倍達到十萬億（ 1013）倍太陽質量的巨旋渦星系。也有小到 1 千萬（ 107）倍太陽質量的矮旋渦星系。旋渦星系是盤狀的，中間有凸起的核球，像塊體育運動的鐵餅，旋渦星系的盤繞其中心旋轉，由此而形成其具有幾條旋臂的特征形狀，旋臂由許多最年輕、最亮和最熱的恒星“聯綴”而成，氣體云和塵埃集中在這里，因而也是恒星不斷誕生的區域。 宇宙是開放的 從哈勃對星系所發出的光，譜線紅移的觀察：光波與聲波一樣，也有類似開普勒效應，即面向觀察者運動的光源譜線（與靜止光源相比）將向高頻（光譜藍端）移動，而背向觀察者運動的光源 譜線（與靜光源相比）將向低頻（光譜紅端）移動。得出的哈勃定律，星系光譜紅移量與星系之間的距離成正比，證實宇宙是開放的、膨脹的。也就是說，所有星系都在遠離我們而去，其退行速度正比同我們的距離。哈勃定律對任何星系來說都是成立的，所以說宇宙中所有星系都在彼此遠離，即宇宙處于普遍的膨脹之中。 哈勃的這一發現為弗里德曼宇宙模型提供了直接的觀察依據，動搖了宇宙整體靜止的傳統觀念，為進一步研究宇宙的起源和演化奠定了基礎。 現代宇宙學包涵愛因斯坦關于空間、時間（時空）皆與物質和質量四維空間密不可分的概念，宇宙作為一個演化著 的整體被確認。在現代自然科學的發展中具有非常重要的意義，現代宇宙學對大宇宙的認識，是人類對自然界無限性認識的一個里程碑。 第五章 太陽系及其家族 太陽系天體運動的一般規律 我們的太陽在宇宙中是處在銀河系 4 條旋渦結構中的第 3 條旋臂（由內向外）上的一顆光譜型為 G2v 的恒星。以太陽為中心，其周圍由九大行星及其衛星、小行星、慧星、隕星及行星際物質、星云、宇宙塵等構成的天體系統稱為太陽系。 根據目前對太陽系所掌握的知識，可總結出如下特征： 行星運動的同向性、同面性和近圓性 31 行星繞太 陽公轉的方向大都是自西向東（個別例外）這稱為同向性；行星公轉軌道幾 乎都在同一個平面上，若取九大行星軌道平面的平均值稱為“不變平面”，九個大行 星除最內的 水星和最外的冥王星其公轉軌道面與不變平面交角分別是 6176。 17′和 15176。 33′之外，其余七大行星的傾角都小于 2176。 2′，其中木星的軌道面與不變平面相合得最好，這稱為共面性；大行星公轉軌道都接近正圓形的橢圓，只有水星和冥王星軌道偏心率較大 ,分別為 和 ，其余行星的軌道偏心率都小于 ，這可稱為近圓性。大行星的三個運動特征表現得最為突出，質量越大的行星又 更為明顯。 太陽系行星衛星運動的共性與個性 在太陽系已發現的 127 顆天然衛星其中 66 顆較大質量的衛星約有 1/3 個在繞本行星的軌道運動也有同向性、共面性和近圓性三個特征。但我們的月球是屬于不規則衛星，其偏心率 均大于其它八大行星半徑超過 1000km 的衛星（木衛一、木衛二、木衛三、木衛四、土衛六、海衛一其偏心率分別是 、 、 、 、 、）；此外月球軌道傾角（繞本行星公轉軌道與衛星赤道交角）也大于其它行星的衛星，其傾角 176。（木衛一、木衛二 、木衛三、木衛四、土衛六的軌道