世界科技文化史第七章.docx
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世界科技文化史第七章
第七章二十世纪的科学革命
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19世纪末,近代自然科学的宏伟大厦已经矗立在世人面前,正当人们沉浸在科学不断取得成功的喜悦之中时,人类社会进入20世纪。
一场新的、前所未有的科学革命也随之拉开了序幕,一个更伟大的科学时代来临了。
科学技术的进步使社会生产力发展到前所未有的水平,人类对物质世界和生命现象的认识也提高到前所未有的程度。
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一经典物理学的危机
(—)迈克尔逊—莫雷实验
迈克尔逊与莫雷利用自己发明的干涉仪测量以太风速度,但实验“失败”了。
以后不同科学家一再重复实验,但结果没有改变。
人们开始怀疑经典物理学的适用范围了。
这种干涉仪是利用干涉条纹精度测定长度或长度改变的仪器,迈克尔逊在1881年设计成功。
迈克尔逊和莫雷应用这个仪器进行了测定以太风的著名实验。
第三页
第一节现代物理学革命的发端
(二)黑体辐射实验
有一类物体,它们会在相同的温度下发出同样形式的光谱,其表面能吸收所有的热辐射。
由于它们不反光,看起来是黑的,我们称之为“黑体”。
玻耳兹曼发现黑体的辐射能力和其绝对温度的四次方成正比,与黑体的形状、大小、材料无关。
维恩得出维恩位移定律:
公式与实验结果在短波部分与实验曲线相吻合,长波部分却低于实验值。
之后,瑞利与金斯推导出瑞利—金斯公式。
第五页
19、20世纪之交的经典物理学已经是危机四伏,1895年伦琴发现了X射线,1896年贝克勒尔发现了铀的放射性,1897年J.J.汤姆逊发现了电子。
这些发现猛烈地冲击了牛顿力学的基本概念。
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二狭义相对论及其推论
牛顿力学鼻血借助以太才能解释电磁现象。
为了解释迈克尔逊—莫雷实验所得的“零结果”,而又保留以太参考系,爱尔兰的物理学家菲兹拉德(GeorgeFrancisFitzGerald,1851-1901)和荷兰物理学家洛伦兹都独立提出了收缩假说。
第七页
洛伦兹在1904年得出“洛伦兹变换”。
在这个新理论中,相对论原理是城里的。
然而洛伦兹迷恋于“以太处于绝对精致的”的假设,认识不到已经被自己所证明了的“存在有无数个等价参考系”的物理价值。
数学家彭家勒1904年提出了“相对性原理”,还提出过狭义相对论的另一个假设:
“光速不变原理”。
第八页
(二)狭义相对论
狭义相对论确立的标志是爱因斯坦于1905年6月完成的论文《论动体的电动力学》。
狭义相对论基于如下两条假设:
(1)相对性原理
(2)光速不变原理
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根据狭义相对论,可以得出以下一些推论:
(1)同时性是相对的
(2)运动着的物体在它的运动方向上的长度将会缩短。
(3)运动着的始终将会变慢。
(4)运动着的物体质量将会增加。
狭义相对论所得出的最有影响的推论是质能方程:
E=mc2
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三 广义相对论及其实验验证
(—)广义相对论
爱因斯坦在1907年的论文《关于相对论原理和由此得出的结论》中提出了广义相对论原理。
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广义相对论表明:
在有引力场存在时,时空是弯曲的黎曼空间,弯曲的程度取决于物质的分布。
物质的密度越大,引力场越强,空间弯曲得越厉害。
这样就可将引力看作是弯曲时空本身,而不再是物质相互作用下的规律。
物质造成了是空的弯曲,弯曲又决定了引力场内物质的运动,所以说广义相对论的实质是引力理论。
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(二)广义相对论的验证
为了证明广义相对论的真理性,爱因斯坦通过计算说明了水星在近日点的进动是由于在天阳周围的空间造成的弯曲引起的,并计算出水星每百年有43.03’’+0.03’’的进动。
爱因斯坦根据引力场中空间的弯曲指出,光线在通过太阳边缘是将发生1.75’’的弯曲,后被证实。
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四爱因斯坦相对论的科学意义
狭义相对论和广义相对论的建立是人类认识史上一大革命,它极大地丰富了我们的无知与运动。
时间与空间等物理现象的认识。
它是人类自然的最伟大的成果之一。
他对于人类认识思想和哲学的发展也起到了推动作用。
第十四页
相对论在科学中的地位:
玻恩如此评价:
“1905年诞生的狭义相对论可以公正的看做是科学中古典时期的结束和新纪元的开始。
因为一方面它是以牢固确立的古物质概念和自然界因果律的概念为出发点,但另一方面,它却又导出了革命的空间和时间概念,给牛顿所建立的传统观念以决定性的批判。
这样,狭义相对论就给我们开辟了一天认识自然界的新途径。
这在我们今天被看成是爱因斯坦最杰出的功绩,这个功绩把他的工作与他前人的工作区分开来,把现代科学同古典科学区分开来。
”
第十五页
哲学的意义:
(1)它维护了实在论在科学中的地位。
(2)它揭示了事物运动的辩证性。
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第二节量子理论与量子力学的创立
一普朗克量子假说的提出
从1895年起,德国柏林大学的教授普朗克开始关注黑体辐射问题,通过对几个定律的比较,再结合新的实验事实,普朗克从出了一个新的公式:
这个公式能与实物吻合,并包含维恩和瑞利—金斯两者的公式,给出了两者之间的过渡方式。
第十七页
新的分布律是凭直觉拼凑出来的,缺乏坚实的理论基础。
为了寻找隐藏在公式后面的物理事实,普朗克提出了能量子假说。
第十八页
这一假说深刻地揭示了热辐射能量量子化物理本质。
普朗克在1900年12月24日发表的《论正常光谱的能量分布定律的理论》一文中阐发了能量子的观点,并给出了完整的普朗克公式,这标志着量子物理学的诞生。
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1905年爱因斯坦对普朗克的能量子理论进行了推广,提出光量子理论,得出了爱因斯坦方程。
光量子假说可以圆满结合四光电效应。
爱因斯坦将光的波动说和粒子说统一起来,揭示了光的波粒二象性。
第二十页
1924年法国物理学家德布罗意将粒子二象性从光子推广到所有微观粒子,突出了物质破的假说。
德布罗意的波粒二象性理论,将人类对物质世界的认识提高到一个新的层次。
第二十一页
三波动力学与矩阵力学
20世纪20年代以后,量子理论沿着两条线路独立地发展着:
波动力学和矩阵力学。
第二十二页
波动力学的基本概念是波动,强调的是连续性,运用的是微分方程,容易进行形象化的表示。
矩阵力学的基本概念是粒子,采用的是矩阵代数方法,藐视任何图像解释。
波动力学和矩阵力学在经过一定的数学表换后是完全等价的,后经狄拉克的完善将量子力学与相对论相结合建立了完整的量子力学体系。
第二十三页
四量子力学的几个重要的原理
1.互补原理
2.测不准原理
3.对应原理
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五量子力学的革命意义及其争论
革命意义:
量子力学的建立,是继相对论之后又一重大的革命变革,对自然科学和哲学的发展都产生了深刻的影响。
它为现代物理学提供了崭新的理论基础和思考方法,标志着人类在认识自然的过程中由宏观世界向微观世界的飞跃。
量子力学从根本上摆脱了传统理论的框架,这种全新的关于自然界的描述方法和思维方法在科学和哲学领域都引起了巨大的反响。
第二十五页
争论:
从量子力学起,围绕它的争论就一刻也没有停过,其中最引人注目的是爱因斯坦与以玻尔为首的哥本哈根学派之间的争论。
玻尔的“互补原理”是哥本哈根学派的重要支柱。
爱因斯坦坚决反对量子力学的概念解释,不赞抛弃因果性和决定性的概念。
以爱因斯坦和玻尔为代表的论战是科学史上持续最久、斗争最激烈、最富有哲学意义的论战之一,它一直持续到今天。
现在人们还不能做出谁是谁非的结论。
争论的双方现在既有正确的一面,也有不足或错误的一面。
第三节分子生物学的诞生与发展
第二十六页
分子生物学是从分子水平研究生物大分子结构域功能从而阐明生命现象本质的科学。
其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质—核酸体系(中心是分子遗传学)和蛋白质—脂质体系(即生物膜)。
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一摩尔根基因理论的确立
基因的染色体理论是在孟德尔主义成为主流之后,主要由美国遗传学家摩尔根领导的研究小组来完成的。
第二十八页
1910年摩尔根第一次用实验证明遗传基因是位于染色体上的物质。
1915年,摩尔根同他的学者们合著了《孟德尔遗传学原理》,该书的出版在学术界产生了相当大的影响。
摩尔根学派成了当时遗传学中最有影响的学派,该学派的亲密协作是生物学史中的佳话。
第二十九页
二蛋白质结构域核酸结构的研究
20世纪初费舍尔等人确定了蛋白质的基本成分,掌握了蛋白质的结晶技术,开始了人工合成蛋白质的漫长过程。
30年代,美国化学家鲍林论证了蛋白质的氨基酸是以各种方式紧密缠绕在一起的α螺旋,蛋白质的结构是一种三维结构。
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布喇格父子1912年左右提出和发展的X射线衍射结晶技术对生物分子结构的研究产生了重大的影响,同时直接影响了分子生物学的诞生。
佩鲁兹(MaxFerdinandPerutz,1914-2002)与肯德鲁(JohnCowderyKendrew,19917-1997)在20世纪60年代初,成功揭示了血红蛋白与肌红蛋白的结构。
第三十一页
核算结构的研究
1929年,俄籍美籍科学家列文(PhoebusAaronTheodoreLeven,1869-1940)发现核酸有两种核糖核酸(RNA)与脱氧核糖核酸(DNA)两种。
1934年他又提出著名的四核苷酸假说。
第三十二页
在1946年到19950年间,生物化学家查伽夫(ErwinChargaff,1905-2002)的研究证明了两个重要问题:
第一,DNA中的四种核苷酸的数量和相对比例在人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌中很不相同,但同一个生物体的DNA组成一致。
第二,不管不同的DNA中的四种核苷酸的量如何不同,腺嘌呤的量始终等于胸腺嘧啶的量,鸟嘌呤的量始终等于胞嘧啶的量。
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三基因的生化功能研究
20世纪20年代到50年代初,遗传的生化研究为基因理论提供了证据。
特别是在基因和蛋白质合成方面取得了的实验成果,为分子生物学的诞生奠定了基础。
1908年,伽罗德的研究间接地证明了基因可以通过影响代谢过程的特定步骤而行使其功能。
20世纪30年代,生物学家比德尔和塔特姆提出了“一个基因一个酶”假说,开启了生化遗传学的发展。
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1949年,尼尔(JamesVanGundiaNeel,1915-2000)证明了镰刀形贫血病是按照孟德尔方式遗传的;鲍林等人证明镰刀形贫血病患者的血红蛋白结构和正常人的血红蛋白结构不同。
1957年英格拉姆(VernonM.Ingram,1924-2006)指出这两种血红蛋白之间仅仅只有一个氨基酸不同。
20世纪50年代初,人们已经认识到,基因通过控制蛋白质的合成来控制细胞的代谢,这为生命的层次认识打下了坚实的基础。
第三十五页
四DNA双螺旋结构的揭示与遗传密码的破译
20世纪50年代初,威尔金斯(MauriceHughFrederickWilkins,1916-2004)、鲍林以及克里克与沃森都想致力于对DNA结构的研究。
三个小组在DNA结构研究上进行着激烈的竞争。
1953年4月25日,《自然》杂志发表了沃森与克里克不到2000子,以及一张DNA结构图的合作成果。
第三十六页
沃森和克里克为什么能够成功?
首先,他们的成功得益于两人的紧密合作。
他们两人的合作体现了科学思想与方法的完美融合,并且他们善于利用各种各样的资源去促成自身的成就。
同样不可忽视的是他们个人的聪明才智。
沃森极有远见,克里克思维敏捷、富有创造热情。
第三十七页
DNA双螺旋结构发现的意义
沃森与克里克的发现标志着分子生物学的诞生。
他们构建的模型说明了遗传物质的结构、生化特征以及遗传信息的传递过程。
尽管当时对很多细节问题并不清楚,但运用物理化学原理,在分子水平上研究生命现象充满了诱人的前景,生命科学史上的一个黄金时期已经到来。
它标志着分子生物学理论的成熟。
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五基因的表达与控制
1961年,法国巴斯德研究所的科学家雅各布和莫诺提出的操纵子模型使得人们对基因表达的复杂性和具体控制过程这一问题有了更深的认识。
从20世纪70年代开始,由于基因的表达控制研究的深入,使得人们有可能进一步改造生物,以解决人类面临的很多迫切性的问题。
分子生物学的发展转入了生物技术阶段。
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第四节横断科学及其方法论革命
一信息论语信息社会
信息论(InformationTheory)是关于信息的本质和传输规律的科学理论,是研究信息的计量、发送、传递、交换、接受和储存的一门新兴学科。
信息论的创始人是美国人申农。
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信息论分为两种:
狭义信息论和广义信息论。
信息一般具有如下特征:
可识别、可转换、可传递、可加工处理、可多次利用(无损耗性)、在流通中扩充、主客体二重性以及信息的能动性。
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二控制论:
迈向人工智能
控制论(Cybernetics)是研究各类系统的调节和控制规律的科学。
它是自动控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。
第四十二页
控制论的创始人维纳在他的《控制论》一书的副标题上表明,控制论是“关于在动物和机器中控制和通信的科学”。
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控制论大致经历三个发展时期
1.20世纪50年代是经典控制论时期
代表人物:
钱学森
2.60年代的现代控制论时期
3.70年代后的大系统理论时期
控制论已经或正在由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。
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三系统论:
一种整体的观念
创始人:
理论生物学家贝塔朗菲。
确立系统论学术地位的是1968年贝塔朗菲的专著《一般系统理论
——基础、发展和应用》。
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系统可定义为:
由若干要素以一定结构形式联接构成的、具有某种功能的有机整体。
在这个定义中包括了系统、要素、结构、功能四个概念,表明了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。
系统论的基本特征:
整体性、关联性、等级结构性、动态平衡性、时序性。
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四耗散结构理论:
从无序到有序
1969年,比利时科学家普利高津提出耗散结构理论,回答了系统演化的方向和演化的机制问题。
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耗散结构理论把热力学第二定律和达尔文进化论统一起来,把物理世界的规律性和生物世界的规律性统一起来,具体表现在:
(1)它使我们重新认识了时间的本质。
(2)它使我们认识到事物运动的复杂性。
(3)他向我们揭示了人与自然的统一性关系。
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五超循环论:
自然界的自组织
德国生化学家曼弗雷德.艾根于1970年提出了超循环理论。
该理论的研究对象可用艾根所写的一本书的书名来概括:
《超循环——自然界的一个自组织原理》。
他把循环分为不同层次:
反应循环;催化循环;超循环。
第四十九页
六协同学:
自然界的协作精神
协同学是由德国理论物理学家赫尔曼.哈肯在1977年提出来的,协同学的主要内容是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。
协同学在自然科学方面主要用于物理学、化学、生物学和生态学等方面。
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