現代自然科學

自然科學是研究自然界物質形態、結構、性質和運動規律的科學。包括數學、物理、化學、天文學、地球科學、生命科學等。它不僅是巨大的生產力，推動經濟的發展，而且對人類思想文明的進步起著巨大的推動作用，成為提高人類認識世界能力的源泉、建立科學世界觀的重要基礎、加強道德建設的重要條件，培養人們勇於為科學真理獻身的精神。

基本介紹

• 中文名：現代自然科學
• 研究：自然界物質形態
• 包括：數學、物理、化學
• 意義：推動經濟的發展

粒子世界的新發現

19世紀末20世紀初的物理學革命從原子“實體”破門而入，隨之而來的是物質結構的秘密逐層被揭開，給人類展示出微觀領域的豐富多彩的自然圖景，微觀物理學的發展對整個自然科學產生了巨大的影響。20世紀上半葉的各門學科都向自己的小尺度領域進軍，並把較深層次的考察同更大尺度層次的探索結合起來，在巨觀、微觀研究上均有了新的突破。

現代自然科學的發展是在巨觀研究與微觀研究的相互促進中實現的，高度的分化與高度的綜合是現代科學發展的一個重要的特點。下面就現代自然科學發展的幾個方面做一概述：

原子核

原子核（英語：Atomicnucleus）是原子的核心部分，位於原子的中央，占有原子的大部分質量。原子核由質子和中子組成。當周圍有和其中質子等量的電子圍繞時，構成的是原子。原子核極其渺小。

α粒子散射實驗

實驗用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小，但有少數α粒子發生角度比湯姆孫模型所預言的大得多的偏轉，大約有1/8000的α粒子偏轉角大於90°，甚至觀察到偏轉角等於150°的散射，稱大角散射，更無法用湯姆生模型說明。

湯姆生模型

湯姆生模型認為，原子的正電荷均勻地分布在整個原子球體中（球直徑的數量級是10的-10次方米），帶負電的電子則散布在正電荷內。這些電子分布在對稱的位置上，有如葡萄乾均勻地分布在蛋糕中似的。故人們把它稱為“葡萄乾蛋糕”模型。當這些電子靜止在平衡位置時，電子就會振動而使原子發光。

1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱原子的核式結構模型），與正電荷聯繫的質量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式後來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統地驗證。根據大角散射的數據可得出原子核的半徑上限為10-14米[1]，此實驗開創了原子結構研究的先河。這個實驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄乾圓麵包模型，認為原子的正電荷和質量聯繫在一起均勻連續分布於原子範圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動，為建立現代原子核理論打下了基礎。

實驗結果表明，絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，但有少數α粒子發生了較大的偏轉，並有極少數α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現象。

3、基本粒子

電子、組成原子核的質子和中子，以及作為輻射單元的光子，人們將其稱為基本粒子。其中：

（1）質子的發現

1919年，盧瑟福在用強射線源轟擊氮時，發現產生出一種新的粒子，它帶正電荷，質量比。粒子小，射程很長。這是用人工的方法第一次實現了原子核的蛻變，即：(14,7)N+(4,2)He→(17,8)O+(1,1)H，括弧表示質量數和質子數。同年，盧瑟福又用α粒子轟擊氫，證明了所產生的帶正電的粒子(1,1)H乃是氫原子核，並命名為質子。確證了原子核中存在著質子，質子是組成原子核的基本粒子。質子的電性與電子相反而電荷量則相等，原子對外呈電中性。

（2）中子的發現

1932年，盧瑟福的研究生和合作者、英國的查德威克(公元1891—1974)重複了他們的實驗，經過詳細的分析研究，證明鈹射線正是盧瑟福所預言的中性粒子即中子，這一反應是：(9,4)Be+(4,2)He→(1,0)n+(12,6)C。

質子和中子的發現，揭開微觀領域的奧秘提供了新的武器——質子和中子炮彈

1930年~1932年間發明了能獲得：高速質子的回旋加速器、靜加速器、高壓倍加器。還有了能發射快中子的鐳一鈹中子源的建立，頻譜儀等各種探測手段的完善，也是核物理研究的重要條件。1934年~1937年，製造出了200多種人工放射性同位素，到1937年底，研究過的核反應已達600種之多。在1934年至1939年間，美籍義大利物理學家費米(公元1901—1954)、德國物理學家哈恩(公元1879—1968)等人用中子去轟擊各種元素，發現了多种放射性同位素和鈾核被打碎的人工核裂變反應，且鈾分裂時又會放出中子，形成鏈式連鎖反應，並放出巨大的能量，由此開始了原子能的利用。

宇宙射線

（1）什麼是宇宙射線

人們向微觀世界進軍中，除了運用天然放射線和通過加速器所產生的快速粒子，還發現一個天然的“實驗室”，就是宇宙射線。

宇宙射線亦稱為宇宙線，是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。大約89%的宇宙線是單純的質子或氫原子核，10%是氦原子核或α粒子，還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。孤獨的電子(像是β粒子，雖然來源仍不清楚)，構成其餘1%的絕大部分；γ射線和超高能中微子只占極小的一部分。

（2）宇宙射線的發現過程

1912年，德國科學家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發現電離室內的電流隨海拔升高而變大，從而認定電流是來自地球以外的一種穿透性極強的射線所產生的，於是有人為之取名為“宇宙射線”。

宇宙射線的發現

（1）正電子

（2）正負電子對與光子的相互轉化

（3）介子的發現

1）參與核力作用的π介子

2）與原子核幾乎不發生作用(只參與弱作用)的μ介子

第一代粒子的發現

到1947年，人們一共認識到14種基本粒子，如果按照質量遞增的次序來排列，就是光子、輕子(包括上正負電子、正負μ子和預言中的微子和反中微子)、3種π介子、重子(包括中子、質子和預言巾的反中子、反質子)。

第二代粒子的發現

在1947年，基本粒子研究十齣現了理論上無法解釋的事情，這就是在宇宙線中找到了大約為電子質量1000倍的K介子和大約為電子質雖2200倍的超子。這些粒子有著奇異的特性，即都產生得快，而衰變得慢，故稱奇異粒子。使已認識的基本粒子達到30種。這批奇異粒子被稱為第二代基本粒子。

第三代粒子的發現

從20世紀60年代起，物理學家們又發現了一大批壽命極短的共振態的粒子，使基本粒子的總數達到400餘種。共振態粒子又被叫做第三代基本粒子

基本粒子的大量發現和對它們的系統分類又使人們認識到，基本粒子也不是物質結構的最終實體，也有內部結構。

1956年，日本物理學家坂田昌一(公元1911—1970)從物質無限可分的思想出發，認為所有參與強相互作用的粒子(強子)都是由質子、中子、超子這三種基礎粒子構成的。坂田模型解釋了一些事實，又與某些實驗明顯牴觸。

1964年，美國物理學家蓋爾曼(公元1929—)在建立了強子的周期表後提出了夸克模型,認為帶分數電荷的3種夸克(及其反夸克)組成了基本粒子。

1965年至1966年，我國物理學家在基本粒子研究中提出了新的見解，他們認為對稱性的產生和破壞都只能是強子內部有某種結構的反映，並在分析了前人的研究成果的基礎上提出了層子模型。各國物理學家正在對夸克模型和層子模型進行深入的研究，但至今還沒有找到“自由夸克”的存在，也沒有發現夸克或層子能夠單獨存在的證據。一些人認為，夸克或層子將永遠被幽禁在強子中。

粒子之間相互作用力的探索

粒子的新發現促使人們開始了粒子之間相互作用方式的探討。粒子之間的相互作用的基本形式有四種，即四種基本力。四種基本力的主要特徵見下表：

四種基本力的主要特徵

早在20世紀40年代就有人在探討弱相互作用和電磁相互作用的統一。1961年美國的格拉肖發表了第一篇有實際進展的論文，奠定了弱—電位—理論的基礎。 1967年美國的溫伯格(公元1933一)和巴基斯坦的薩拉姆(公元1926一)分別提出了弱電相互作用統一模型理論。這一理論已得到一系列實驗的支持。在這個理論的啟發下，人們又在探討強、弱、電三種相互作用的理論，即大統一理論，這種探索還在繼續。

基本粒子

強子

強子就是所有參與強力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成，已發現的夸克有六種，它們是：頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。其中理論預言頂夸克的存在，2007年1月30日發現於美國費米實驗室。現有粒子中絕大部分是強子，質子、中子、π介子等都屬於強子。(另外還發現反物質，有著名的反夸克，現已被發現且正在研究其利用方法，由此我們推測，甚至可能存在反地球，反宇宙)奇怪的是夸克中有些竟然比質子還重，這一問題還有待研究。

輕子

輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種，包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。電子、μ子和τ子是帶電的，所有的中微子都不帶電，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年發現的重要粒子，不參與強作用，屬於輕子，但是它的質量很重，是電子的3600倍，質子的1.8倍，因此又叫重輕子。

傳播子

傳播子也屬於基本粒子。傳遞強作用的膠子共有8種，1979年在三噴注現象中被間接發現，它們可以組成膠子球，由於色禁閉現象，至今無法直接觀測到。光子傳遞電磁相互作用，而傳遞弱作用的W+，W-和Z0，膠子則傳遞強相互作用。重矢量玻色子是1983年發現的，非常重，是質子的80一90倍。

費米子

基本費米子分為 2 類：夸克和輕子夸克

實驗顯示共存在6種夸克（quark），和他們各自的反粒子。這6種夸克又可分為3“代”。他們是

第一代：u（上夸克） d（下夸克）

第二代：s（奇異夸克） c（粲夸克）

第三代：b（底夸克） t（頂夸克）

另外值得指出的是，他們之所以未能被早期的科學家發現，原因是夸克決不會單獨存在（頂夸克例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實驗無法製造）。他們總是成對的構成介子，或者3個一起構成質子和中子這一類的重子。這種現象稱為夸克禁閉理論。這就是為什麼早期科學家誤以為介子和重子是基本粒子。

玻色子

玻色子（英語：boson） 是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。規範玻色子是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱為“規範玻色子”，是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規範場理論有很密切的關係。

自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規範玻色子分成四類。

引力相互作用：引力子（graviton）

電磁相互作用：光子（photon）

弱相互作用（使原子衰變的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有3種。

強相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子（gluon）

62種基本粒子

一、輕子 （12種）輕子主要參與弱作用，帶電輕子也參與電磁作用，不參與強作用。
01、電子
02、正電子（電子的反粒子）
03、μ子
04、反μ子
05、τ子
06、反τ子
07、電子中微子
08、反電子中微子
09、μ子中微子
10、反μ子中微子
11、τ子中微子
12、反τ子中微子
二、夸克 （36種）Quark，層子、虧子 (6味×3色×正反粒子=36種)
13、紅上夸克
14、反紅上夸克
15、綠上夸克
16、反綠上夸克
17、藍上夸克
18、反藍上夸克
19、紅下夸克
20、反紅下夸克
21、綠下夸克
22、反綠下夸克
23、藍下夸克
24、反藍下夸克
25、紅粲夸克
26、反紅粲夸克
27、綠粲夸克
28、反綠粲夸克
29、藍粲夸克
30、反藍粲夸克
31、紅奇夸克
32、反紅奇夸克
33、綠奇夸克
34、反綠奇夸克
35、藍奇夸克
36、反藍奇夸克
37、紅頂夸克
38、反紅頂夸克
39、綠頂夸克
40、反綠頂夸克
41、藍頂夸克
42、反藍頂夸克
43、紅底夸克
44、反紅底夸克
45、綠底夸克
46、反綠底夸克
47、藍底夸克
48、反藍底夸克
三、規範玻色子（規範傳播子） （14種）
49、引力型-中性膠子(Ⅰ型開弦) 上夸克-上夸克
50、引力型-中性膠子(Ⅰ型開弦) 反上夸克-反上夸克
51、磁力型-中性膠子(Ⅰ型閉弦) （反）下夸克-（反）下夸克
52、磁力型-中性膠子(Ⅰ型閉弦) 夸克-反夸克
53、陽電力型膠子 上夸克-下夸克
54、陰電力型膠子 上夸克-下夸克
55、陽電力型膠子 反上夸克-反下夸克
56、陰電力型膠子 反上夸克-反下夸克
57、光子（光量子）
58、引力子（還是一個假設）
59、W+玻色子
60、W-玻色子
61、Z玻色子
62、希格斯玻色子Higgs Boson

從凝聚態物理到天體物理

完整的物理學體系

夸克——基本粒子——原子核和原子——分子——凝聚態(固體和流體)——地球和其他天體——星系和整個宇宙

凝聚態物理的新進展

首先是與超高壓、高真空、超高溫、極低溫、強磁場等特殊條件的獲得有關。

1905年，美國的布里奇曼(公元1882—1961)發明了1萬大氣壓的超高壓裝置，他還利用這種裝置進行了高壓下岩石物性的實驗研究。高壓物理學成為高壓工程(如人造金剛石)的理論基礎。

19世紀電照明的套用，特別是電子管的發明推進了真空技術的發展。

電子管二級管

1910年至1915年，德國的蓋達(公元1878—1945)先後發明了油封轉動的分子泵和汞擴散型真空泵，從而能造成10+一10—’托(1托等於133．3224帕)的真空，高真空的獲得是研究固體表面性質、雷射、材料加工等的必不可少的條件。

極低溫狀態下的物性研究是固體物理學的重要分支。人們較早就知道，氣體液化時的吸熱反應會導致低溫出現。1881年荷蘭的范德瓦爾斯（公元1837-1923）就開展了低溫下氣態和液態相互關係的研究。

1906年至1913年，德國人能斯脫（公元1864-1941）低溫研究提出了熱力學第三定律，證明了絕對零度是不可能達到的。

荷蘭物理學家翁納斯（公元1853-1926）發現汞、鉛、錫等金屬在超低溫時電阻突然降到正常值的10-9以下的超導電性。

前蘇聯科學家皮爾查（公元1894-）在1937年發現了液態氦在極低溫時的超流動性（即液體的粘滯性極小）。在這個基礎上，物理學家們提出了超導和液態氦的二流體模型，同卡皮爾一起工作的朗道（公元1908-1968建立了超流動性的量子力學理論。

美國著名物理學家巴登（公元1908-）與庫珀(公元1930-)、施里弗（公元1931-）合作，提出了超導微觀模型。

巴登與肖克利（公元1910-）、布拉坦（公元1902-）合作，在半導體材料的研究中取得了重要成就，發明了電晶體。

固體物理學的其他方面（晶體結構、金屬物理、固體磁性、電介質物理、固體發光等）都在20世紀特別是近30年發展起來。

天體物理

就非生命現象的領域來看，凡空間尺度大於10ˉ6~10ˉ4厘米的均屬於巨觀對象，這不僅包括空氣中的塵埃、地面上的物體，還要包括山川湖海、地質構造體系，乃至行星、恆星以及行星系(如太陽系)。

在略大一些尺度的巨觀範圍里，19世紀的地質學已對地層的分類、構造和起源進行了初步的研究，但那時的對象主要還限於地球表面的局部地域。19世紀和更早些的天文學也主要是研究太陽系和少數恆星的運動軌跡、大小、質量，對更多的天體和星際物質的光度、溫度、磁性、密度、結構、化學組成、能量來源等則缺乏了解。地球物理、天體物理還處於形成過程中。

人類地球觀的變化史

1）19世紀人們普遍接受地球是由熾熱物體逐漸冷縮而形成的觀點，在發現地殼岩石中的放射現象後，逐漸形成了地球具有內部熱動力的看法。然而，19世紀的科學家雖然認識到地球有它演化的歷史，但又認為地球上的陸地、海洋在生成之後基本上沒有大的變化，陸地是固定的，大洋也是永存的。

2）大陸漂移說

20世紀，地質學上的一些新發現打破了這種地球觀。1921年，德國科學家魏格納（公元1880-1930）根據大西洋兩岸海岸線形狀相似、生物和古生物有親緣關係以及地質地理現象的連續性，提出了大陸漂移的構想。他認為，在地質歷史上的古生代，全球只有一塊巨大的陸地——聯合古陸，周圍是一片大洋。中生代以來，聯

大陸漂移說

合古陸開始分裂、漂移，逐漸形成為現在的幾個大陸和一些島嶼，大洋被隔開形成幾個大洋和若干個小海。

3)地幔對流說

1928年英國人霍姆斯（公元1890-1965）提出了地幔對流說，認為地幔物質存在著非常緩慢的熱對流，牽引大陸向某個方向水平運動，對漂移機制

最新做出了解釋。

4）海底擴張說

1961年，美國的赫斯和狄茲分別根據大量古地磁資料創立了海底擴張說。他們認為地幔物質從大洋中脊和裂谷湧出並冷凝形成新的海底，推動先形成的海底以每年約1—5厘米的速度向兩側擴張，老地層到深海溝時又下沉鑽入地幔物質中去，大約二三億年更新一次。海底擴張說是大陸漂移說的發展。

海底擴展說

5）板塊構造說

1965年，威爾遜、赫斯和劍橋大學的地質學家們齊集英國劍橋，在總結前人的一系列成果的基礎上創立了板塊構造學說，認為整個地球的岩石圈可分為六大板塊和若干小板塊，全球地質構造的基本原因是由於這些板塊的相互作用。板塊學說闡明了地球形成和發展的基本面貌，使大陸漂移學說以新的形式出現。
　　

天體物理的進展

天體演化學是20世紀天文學研究最重要的領域，提出了恆星從超密物質或稀薄的瀰漫物質生成並逐漸演化的假說。對宇宙和宇宙演化的研究為許多天體物理學所關注，提出了膨脹宇宙模型。20世紀40年代末，美籍科學家迦莫夫（公元1904-1968）把基本粒子研究同宇宙膨脹論聯繫起來，提出了大爆炸宇宙說，認為人類的宇宙起源於極高密度的“原始火球”的大爆炸，而後經過百億年以上的演化成為今日的世界。在60年代，由於30K微波背景輻射等的發現，大爆炸假說被多數天文學家所接受。

（1）宇宙的演化

1）宇宙演化的極早期，基本粒子形成階段。從宇宙演化時間的0秒到10-36秒，宇宙急劇膨脹，產生了夸克粒子。10_6秒前，強子生成，10_2秒前輕子產生。在這個階段中，由於中子衰變成質子放出電子和中微子，電子和正電子相遇而湮滅為兩個光子，因而光子輻射占了優勢。

2)輻射階段和核合成階段。從1秒開始持續到104年。起初宇宙以輻射為主，實物只占次要地位。3分鐘時，溫度下降到109K，開始進行核反應，中子與質子合成氘核，進而合成氦核，實物逐漸占優勢。

3）實物階段。104年後，溫度下降到10’K，形成穩定的原子，宇宙中輻射退居次要地位，實物占據主要地位，實物間的萬有引力開始起主要作用。之後，宇宙中稀疏的氣態物體開始形成原始星雲，進而形成星系團，再從星系團分化出星系(如銀河系)。

4）未來階段。一種模型認為，在萬有引力作用下宇宙膨脹將逐漸減慢，到了某一最大體積後又開始收縮，一直收縮到“原始火球”狀態，再發生爆炸而膨脹。

　　

（2）恆星的演化

1）引力收縮階段，這是恆星的幼年期。起主要作用的是瀰漫物質由於萬有引力而引起的自吸引。瀰漫物質較快收縮形成恆星胚體，溫度升高，再逐漸收縮成表面溫度達幾百攝氏度、能夠發出紅外線的恆星。

2）主序星階段，這是恆星的成年期。收縮使恆星中心溫度上升到近百萬度，開始氫核聚變為氦核的反應，釋放巨大的能量，溫度繼續升高，排斥和吸引勢均力敵，恆星既不收縮也不膨脹，成為比較穩定的主序星並發出燦爛星光。恆星在這一階段停留的時間最長，如太陽正處於主序星階段，已經過去46億年，還要經過50億年才進入下一階段。

3）紅巨星階段，這是恆星的中老年期。由氫核聚變而成的氦核在恆星中心部分積累起來，在它邊緣進行的氫核聚變反應所提供的輻射壓頂不住引力，吸引超過排斥，使恆星中心區收縮。釋放的引力勢能一部分加熱中心區，把它的溫度提高到1億度，恆星外殼急劇膨脹，表面積擴大，表面溫度降低而發出紅光，所以稱為紅巨星。

4）脈動和爆發階段，這是恆星的老年期。恆星中心區氦燃料耗盡後，又會先後出現碳聚變、氧聚變、矽聚變等熱核反應，恆星的體積和亮度發生周期性的變化。在周期性的脈動中，很大一部分恆星還會發生爆發，大量拋出物質以恢復內部的平衡。由於比較重的元素的核聚變的吸熱反應，恆星急劇坍縮，引起劇烈的爆發。爆發後，有的恆星全部瓦解，有的恆星則留下一部分物質成為高密恆星。

5）高密階段，這是恆星的衰亡期。新星或超新星爆發後留下的中心部分會收縮為各種高密星體。其中質量較小的收縮成為白矮星，白矮星靠冷卻發光，一直到熱能散盡，成為不發光的黑矮星。如果爆發後留下的質量較大，則收縮成為中子星，乃至演化為黑洞。

（3）地球的演化

1）地球誕生於46億年前，經過“天文時期”，即瀰漫物質收縮為原始地球，進入地球內部的圈層形成和演化的時期，再進入“地質時期”，即地殼運動和海陸的變化時期。在原始地球形成時的熔融分化，以重元素為主的物質下沉而形成地核，較輕物質上浮而形成地幔，隨後地幔又分化出更輕一些的物質形成地殼，造成了圈層結構。

2）在地球內熔融和分化的過程中，大量氣體逸出地表，形成原始大氣圈。由於太陽輻射的紫外線等的作用，原始大氣逐漸演變成為以氮和氧為主的大氣。原始大氣中含有的大量水蒸氣凝結，形成原始的水圈，並逐漸形成今日的江河湖海。

3）地殼形成以後，仍在不斷運動。現代的“板塊構造學說”認為，整個地殼可劃分為若干板塊，這些板塊“浮”在地幔軟流圈上緩慢地移動。板塊之間相對位置不斷變動使大陸漂移，形成今天各大洲和各大洋分布的格局。板塊之間的相互擠壓，使地殼發生垂直運動，造成了山脈的隆起。板塊也是有生有滅的。

在現代宇宙學研究中特別應該提及的是史蒂芬，霍金的貢獻。霍金被認為是當今世界上繼愛因斯坦之後最傑出的理論物理學家。他生於1942年，因患肌萎縮性側索硬化病，被禁錮在輪椅上達20年之久。由於他堅信我們能夠完全理解宇宙，“努力尋求完整的理解總比對人類精神的絕望奸得多”，正是憑藉這種探索精神，使他對星系黑洞、夸克、大統一理論、反物質、“時間箭頭”等進行了深入探討。他把量子理論的方法套用於形成黑洞的過程。證明了在黑洞視界可以產生純量子粒子。這一發現成為把相對論和量子理論統一起來的最初嘗試。他揭示了當日益膨脹的宇宙崩潰時，時間將要倒溯，他的“沒有邊界”的宇宙理論可能取代大爆炸理論。他的一系列見解正在改變人們對宇宙的看法。圍繞現代宇宙學所提出的各種學說，曾展開了十分尖銳的爭論。天體物理的各種學說還要發展，並需經受新的事實的檢驗和理論論證而決定取捨。

四大演化

宇宙演化

（1）光輻射

宇宙誕生初期是由均勻且各向同性的高密高溫高壓物質構成的，並在極早期發生了非常快速的膨脹和冷卻。大約在膨脹進行到10^-37秒時，產生了一種相變使宇宙發生暴漲，在此期間宇宙的膨脹是呈指數增長的。當暴漲結束後，構成宇宙的物質包括夸克－膠子電漿以及其他所有基本粒子。

（2）粒子形成

時標-10^-43秒 宇宙從量子背景出現。

時標-10^-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。

時標-10^-5秒 10萬億開，質子和中子形成。

時標0.0001秒，溫度達幾十萬億開，大於強子和輕子的閾溫，光子碰撞產生正反強子和正反輕子，同時其中也有湮滅成光子。在達到平衡狀態時，粒子總數大致與光子總數相等，未經湮滅的強子破碎為“夸克”，此時夸克處於沒有任何相護作用的“漸進自由狀態”。宇宙中的粒子品種有：正反夸克，正反電子，正反中微子。最後，有十億分之一的正粒子存留下來。

時標0.01秒溫度1000億開，小於強子閾溫大於輕子閾溫。光子產生強子的反應已經停止，強子不再破碎為夸克，質子中子各占一半，但由於正反質子正反中子不斷湮滅，強子數量減少。中子與質子不斷相互轉化，到1.09秒時，溫度100億開，質子：中子=76：24

時標13.82秒，溫度小於30億開，物質被創造的任務完成。中子衰變現象出現，衰變成質子加電子加反中微子。這時質子：中子=83：17

時標3分46秒，溫度9億開，反粒子全部湮滅，光子：物質粒子=10億：1，中子不再衰變，質子：中子=87：13（一直到如今）；這時出現了一個非常重要的演化：由2個質子和2箇中子生成1個氦原子核，中子因受核力約束而保存下來。宇宙進入核合成時代。（如果沒有氦核產生，中子將全部衰變，也沒有以後其它的原子核）

時標30萬—70萬年，溫度4000—3000開，能量和物質處於熱平衡狀態。開始出現穩定的氫氦原子核，宇宙進入複合時代。在後期宇宙逐步轉變為以物質為主的時代。（光子隨著溫度的降低而可以自由穿行，即今天的3開宇宙背景輻射！）

時標4億—5億年，溫度100開。物質粒子開始凝聚，引力逐漸增大，度過“黑暗時代”後，第一批恆星星系形成。

恆星演化

（1）原子核聚變

宇宙最開始，沒有物質只有能量，大爆炸後物質由能量轉換而來（質能轉換E=mc2），當代粒子物理學告訴我們，在足夠高的溫度下（稱為“閾溫”），物質粒子可以由光子的碰撞產生出來。

隨著第一批恆星的形成，原子在恆星的內部發生了核聚變反應，進而出現了氦，碳、氧、鎂，鐵等元素原子核。核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。（值得注意的是，不同質量的恆星能引發的核聚變程度不同，太陽主要為氫—氦聚變，重一點的會引發碳—氧—鎂聚變，再重的會引發下一輪聚變。總的順序簡略依次為：氫—氦—碳—氧—鎂—矽—鐵。但無論恆星多重，最終的聚變結果只能是鐵，恆星內部不能產生比鐵更重的原子核！）凡是元素周期表上有的（除人造元素外），都是在恆星大煉爐里形成的，鐵以後的原子核，只能在超爆中產生。

（2）星系形成

宇宙誕生之初，在宇宙中分布著極廣闊的瀰漫星雲，這些星雲在萬有引力的作用下，逐漸開始收縮，先形成很多的引力中心，這些引力中心大小不等，距離遠近也不同，於是周圍的物質開始向這些引力中心“下落”，在星雲物質向某一引力中心下落的過程中，由於下落方向受到其它引力中心的干擾，並不是指向這個引力中心的“球心”，於是產生了角動量，在下落的過程中，由於角動量守恆，於是這些物質一邊下落，一邊旋轉，這樣就形成了一個一個的旋渦星系或棒旋星系。至於橢圓星系，則是由旋渦星系碰撞合併後，形成的巨大的、年老的星系。最初形成的星系中只有星雲物質，星系中的最初的恆星是在星系形成的過程中同步收縮形成的，並且在星系形成後，組成星系的物質仍有很大的比例處於星雲的狀態，如銀河系中的旋臂中仍有很多瀰漫星雲，尚未形成恆星。

地球演化

（1）天文時期

距今約46億年前，在地球的內部重力收縮和放射性衰變發熱等的作用下，地球內部的物質也發生了變化，一些物質出現了局部熔融的現象。

（2）地質時期

岩石圈：在重力作用下，本來處在地球外部的較重的物質開始慢慢下沉，液態的鐵等重元素沉到了地球中心，形成地核。同時，地球內部較輕的物質上升，逐漸形成了地殼、地幔、地核等圈層。

氣圈：緊接著就是地球大氣層的形成。在地球形成初期，原始大氣全部跑到了宇宙空間。後來，地球上的溫度上升，地球內部的物質重新組合，地球內部氣體也上升到地面，形成地球大氣層。這層大氣在綠色植物出現之後又得到了進一步的發展。在綠色植物光合作用的影響下，它逐漸發展成為現代的大氣層。

水圈：地球形成之初，大量的小天體，以每秒10千米的速度，不停地撞擊地球，使得地球剛剛形成的地殼一次又一次地破裂，構造活動、火山噴發頻繁發生，大量的火山噴氣進入地球上空，形成次生大氣。大氣中充滿CO2，呈現出黃色的“天空”，而沒有氧氣。隨著地球溫度的逐漸下降，地球上空的大氣凝結成水滴，在重力作用下，形成了降雨。這地球上的第一次降雨，無休止地下了幾千年、幾萬年、甚至幾百萬年，原先地球表面的坑窪溝谷成為江河湖海，但那時的水是灼熱地球表面近於沸騰的水。

生物圈：有水才有生命。目前發現的地球上最古老的生命，距今38億年。至距今35億年，出現了能進行光合作用的藍藻。原始生命在缺氧、沸騰的水中掙扎了20多億年，改造著原始海洋，從而影響了原始大氣。終於，在大約距今17億年前後，現代海洋及現代大氣圈形成。水圈、大氣圈反饋生物，使地球生命迅速由低級向高級進化。到距今4億年前，出現陸生植物，隨之，動物登入，地球表面被生物覆蓋，真正的生物圈形成了。至此，地球外三圈最終形成。

生物演化

（1）有機小分子

大氣在閃電、紫外線、衝擊波、射線等能源下，形成一系列有機小分子化合物，有胺基酸、核苷酸等（這已被美國科學家米勒設計的模擬雷鳴閃電的火花放電裝置使無機物合成有機物這個實驗得到證實）。

（2）有機大分子

有機小分子化合物或直接落入原始海洋，或經由湖泊、河流匯集到原始海洋，在海洋中層長期積累、相互作用，在適當條件下，進一步縮合成結構原始、功能不專一的蛋白質、核酸等生物大分子，這些生物大分子在原始海洋中積累，濃度不斷增加，凝聚成小滴狀，形成多分子體系。

（3）生物大分子

在一定的進化機率和適宜的環境條件下，再經過長期不斷進化，大約在35億年前終於形成了具有新陳代謝和自我繁殖能力的原始生命體。此為生命演化的第一階段，即非細胞生命階段，實現了從非生命到生命轉變的過程。

（4）原始生物

從距今30億年左右到5.7億年這段時間，地球進入前古生代時期。雖然這個時期延續時間十分漫長，大氣、水、生物圈也都有很大發展，可是生物界的進化卻很緩慢，直到前古生代末期，地球上也還只是有菌類、藻類和一些低等原生動物、腕足類動物等。距今14億年左右生物界的發展進入第二階段，即原核細胞階段，這一階段生命已經有了細胞形態，有真正的細胞膜，但是還沒有真正的細胞核，分不出真正的核膜和核仁。主要以在28～20億年前最為盛行的藍藻為代表，它能進行真正的光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣，使早期地球的還原性大氣逐步被氧化型大氣所替代，其後接著進入到第三階段的進化，出現了真核細胞，從原核細胞發展到真核細胞是生物界完成的最重要的一次進化。

（5）生物進化

按界門綱目科屬種分類的現代生物進化史。

結構化學與高分子化學

什麼是結構化學

結構化學是在原子-分子水平上研究物質分子構型與組成的相互關係以及結構和各種運動的相互影響的化學分支學科。它又是闡述物質的微觀結構與其巨觀性能的相互關係的基礎學科。結構化學不但與其他化學學科聯繫密切，而且與生物科學、地質科學、材料科學和醫藥學等各學科的研究相互關聯、相互配合、相互促進。

對於化學來說，原子結構研究的結果首先使元素周期律獲得了新的解釋。門捷列夫周期律開始揭示了元素之間的內在聯繫，但是元素的性質為什麼會隨原子量的增加而呈周期性的變化，這種內在聯繫的根據並不清楚。當揭示了原子的內部結構和有了x射線、o射線作為探測手段之後，情況就不同了。1913年，英國人莫斯萊(公元1887—1915)用不同元素作為產生X射線的靶子，發現它們所產生的特徵X射線的波長不同。他把各元素按所產生的特徵X射線的波長排列，又發現其排列次序與元素在周期表中的次序是一致的。他把這個次序叫原子序數。1920年，英國的查德威克(公元1891—1974)進一步做了不同元素的。散射實驗，測定各元素的核電荷，證明原子序數在數量上正好等於核電荷數。也就是說，元素周期性的根據並不基於表觀上的原子量，而是基於原子內部的構造即原子核所帶的電荷多少。到1925年，由於量子力學的產生和泡利不相容原理的提出，使元素周期律獲得了更科學的解釋。人們認識到：核外電子按一定殼層分布，最裡面的電子殼層只能容納2個電子，然後依一定規律分布，電子層越多，最外層電子離核越遠，核對它的吸引力越小，故它容易失去電子；外層電子越少，越是容易失去電子；最外層電子越多，則越容易奪得電子，達到8個電子時為飽和狀態；外層電子數相同的元素的化學性質相近，外層電子增多，元素的金屬性隨之減弱。

人類提出原子價概念到認識化學鍵的歷史過程

19世紀已有了原子價的概念，但是當時的原子價概念還是較為直觀的描述，對原子之間究竟是怎樣以一定的原子價而發生作用，並且相互結合在一起並不真正了解。

(1)電子發現之後，人們才認識到原子結合時的正價數是一個原子在結合時失去的電子數；而負價數則是一個原子得到的電子數，這是人們對原子價概念的進一步了解。

(2)1916年，德國化學家柯塞爾(公元1888—1956)在玻爾的原子結構模型的影響下又發展了原子價理論。他認為，原子因失去電子或奪得電子而達到與惰性元素相近的電子結構，就形成了穩定的離子，這些穩定離子中一部分因失去電子而顯正電性；另一部分又因奪得電子而顯負電性，這些分別帶正負電性的離子之間又因庫侖引力而相互結合。柯塞爾把這種因庫侖引力而形成的正負離子間的價鍵，稱之為電價鍵。

(3)1916年，美國化學家路易斯(公元1875—1946)又提出了共價鍵理論。

(4)嶄新的化學鍵概念，“電子云”。

(5)價鍵理論，另一種叫分子軌道理論。

(6)與價鍵理論平行發展的就是用分子軌道法來進行分子鍵力的研究。

進入20世紀以後，微觀客體的自然規律不斷被揭示，實驗手段日新月異，便整個化學改變廠面貌，形成為一個分支繁多的大家族。為要了解物質的組成與結構，就要進行化學分析。

隨著20世紀各門科學和技術的發展，特別是光學、電學等的發展，位化學分析手段迅速改觀，為化學研究的更加定量化和精確化提供了前提。光學分析法(包括光譜分析和光度分析法)、色層分析法(包括色譜法、層析法)以及電化學分析法的廣泛套用，使得化學分析已從測定巨觀發展到微觀，從總體擴展到微觀區，從整體深入到表面和薄層，從靜態伸展到動態。分析的內容也已遠遠超過了單純物質的成分，而涉及到物質的內部結構。

有機合成化學和高分子化學的建立

由於化學工業的發展，人類已不僅能從天然產物、農產品、煤、煤焦油中提取有機物質，在20世紀裡又能用電石、石油等為原料製造出各種有機化合物。而且，還能利用簡單的有機分子人工製成多種合成染料、合成纖維、合成藥物、合成橡膠、合成塑膠、合成蛋白質等高分子化合物，形成了研究大分子結構與性能之間相互關係的高分子科學。

長期以來，人們一直認為纖維素、澱粉、蛋白質等是由許多環狀結構的小分子締合而成的，直到1920年，德國化學家施道丁格(公元1881—1965)才把環狀化合物同長鏈高分子化合物區別開來，證明天然橡膠、纖維素等不是多元環狀的小分子的物理締合，而是具有鏈狀結構且分子量很高的大分子。但是，大分子的概念在當時沒有立即被廣泛接受，不少化學家仍然支持環式結構的見解。到1930年，由於施道丁格、瑞典化學家斯維德貝格(公元1884一)等測定了高分子的分子量，美國化學家卡羅澤斯(公元1896—1937)通過二元酸與二元醇的綜合反應合成了分子高達2萬左右的高分子纖維絲，才證實了高分子長鏈結構理論。20世紀30年代，化學家們又建立了高分子結晶的結構模型，提出了高分子長鏈的統計理論和分子運動理論，併合成了維生素A，B2，C，D，E，K和合成樹脂等。核磁共振法的套用、電子顯微鏡的發明，使現代高分子化學的研究取得了更多的成果，出現了大量的高效催化劑，高強度的或具有特殊功能的高分子材料。高分子化學與生物學之間的相互滲透，又使生物化學取得了巨大的進步。

從細胞水平向分子水平深入的生物學研究

1、物種進化論、遺傳定律和基因論是19世紀生物學的重要發現。20世紀初以來，農作．物優良品種的定向培育，生物激素的套用，遺傳性疾病和腫瘤的診斷、防治與控制，病原菌的抗藥性研究等，都要求從理論上作深入的說明和實踐上提供有效的措施，要求生物學從巨觀定性考察進入它的微觀定量探索領域，從而查明生物進化、遺傳和變異的內部機制。

（1）1909年美國生物學家摩爾根(公元1866—1945)在孟德爾遺傳學說的基礎上，提出了基因說，把基因看做是位於染色體上的球狀顆粒，基因在功能上是決定遺傳性狀的差別、突變和重組的三位一體的最小單位。

（2）19世紀末20世紀初，在生物化學、生物物理、細菌學、病毒學等的相互滲透中，誕生了一門新的科學——分子生物學。

（3）從19世紀發現了細胞並把它作為生命的基本單位之後，人們便開始了對細胞內部的結構與功能的研究。 2、在分子水平上研究生命現象

在分子水平上研究生命現象，並促成分子生物學誕生的主要是以下幾個方面的發現：

第一，用實驗方法揭示了基因與酶的關係。

他們用射線和紫外線照射紅色麵包黴菌，使它們的某些基因發生突變，然後探索基因的改變對黴菌營養需求的影響。紅色麵包霉可以在由糖、鹽和一種生長素構成的培養基中生長，但是，通過照射得到的某些突變型紅色麵包霉卻喪失生長能力。這是因為突變體把製造精氨酸的酶的基因破壞了，而沒有這種霉，黴菌就不能自己製造所需要的精氨酸，因而不能生長。他們經過大量研究，在基因與性狀發育的關係上得到了一個新的概念：一個基因不管影響什麼性狀，首先決定酶，酶決定代謝作用，代謝作用決定各種性狀。比德爾據此提出了“一個基因，一個酶”的理論。它表明基因與遺傳性狀的關係並不是原先所認為的是直接對應的關係，每一基因都是通過一種特殊酶而起作用的，或者說基因是通過調節一定的化學過程而起作用的。“一個基因，一個酶”的理論描述了遺傳與代謝過程之間的關係，從而使人們構想：基因是形成酶的一個模板。

第二，關於DNA是攜帶遺傳信息載體的發現。

1944年美國的3名生化學家艾威瑞（公元1861-1955）和麥克勞德（公元1909-）麥卡蒂（公元1911-）合作，從一種肺炎球菌中提取DNA，並將它轉移到另一種細菌中，證明一種細菌獲得了前一種細菌的遺傳特性，從而表明DNA可能是遺傳性狀的化學和物理的基礎。這一發現具有深遠的意義，它引起了更多人的興趣，然而也引起了有些人的懷疑。美國的德爾伯呂克（公元1906-）從義大利來到美國的盧利亞以及郝爾希（公元1908-）等人也在40年代組成了噬菌體研究小組，他們發現單一的噬菌體進入大腸桿菌後，會在半小時內自我複製100次。1952年，郝爾希等用同位素標記方法發現，侵入寄生細菌並進行繁殖的只是噬菌體的DNA部分，而蛋白質外殼卻留在大腸桿菌以外。這個實驗更加明確地證明DNA攜帶了噬菌體自我複製的全部信息，DNA是遺傳信息（遺傳信息指的是DNA中的鹼基序列）的載體。

第三，DNA分子的雙螺旋結構。

關於DNA分子結構的研究在英國同時有幾個人在分別進行，他們是倫敦金斯學院的維爾金斯（公元1916-）、女科學家弗蘭克林（公元1920-）以及劍橋大學的沃森（公元1928-）和克里克（公元1916-）。沃森原始美國噬菌體研究小組的成員，後到英國學習用X射線衍射方法分析蛋白質的晶體結構；克里克原是學物理的，後來對生物學發生了興趣，並與沃森一起從事同樣的研究。沃森和克里克在分析研究X射線衍射所獲得的資料的基礎上，得到了一個非常重要的結論：DNA分子是由雙螺旋構成的，兩個磷酸糖鏈形成骨架，並通過一系列成對的核苷酸鹼基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C、鳥嘌呤G)上的氫鍵相聯，其中A-T、G-C各自配對，每個單螺旋都形成自己的互補螺旋。遺傳信息由核苷酸的序列表達出來，核苷酸序列的基本特徵是A與T互補，G與C互補。由於這種互補特徵，DNA能自行複製。雙螺旋結構相互關係就像是鎖和鑰匙的關係一樣，當分開以後，每一個都能形成自己的互補物，這樣又重建了全部的雙股DNA分子。人們早已知道細胞分裂的過程是將母細胞遺傳基因傳給子細胞，而現在卻通過DNA的結構表示出來了。DNA雙螺旋結構的發現被稱為20世紀生物學最偉大的發現，是分子生物誕生的標誌。

第四，DNA和RNA的功能

1955年，美籍西班牙人奧阿巧（公元1905-）和美國的孔勃（公元1918-）首先用酶促法人工合成了DNA和RNA。人們對基因如何控制細胞中一種特定的蛋白質合成的研究中，法國生物化學家雅各布（公元1902-）、樂沃夫(公元1902-）和莫諾(公元1910-1976）發現了在細胞核內一種使信使RNA（或稱mRNA），進一步揭示了DNA和RNA的功能，認識了通過DNA分子的複製而把遺傳信息傳給下一代的具體過程。在這一過程中，DNA只作為一個模板，它決定了mRNA中核苷酸的順序；當mRNA被合成時，即所謂轉錄完成時，mRNA就從細胞核進入細胞質中，mRNA宛如一個信使帶來了合成蛋白質的密碼。雅可布、莫諾等人根據對細菌（一般是大腸桿菌）的研究，已辨認出三種基因，並建立了一個轉錄水平上如何定量控制蛋白質合成的模型。開始人們認為DNA分子自我複製之後，把遺傳信息轉錄給mRNA，mRNA再把遺傳信息翻譯為蛋白質，這個方向是不可逆的，稱之為中心法則；後來人們發現，不能將這一法則絕對化，在某些情況下，RNA也可以是遺傳信息的攜帶者，遺傳信息也可以由RNA傳遞給DNA，稱之為反中心法則。

第五，遺傳密碼錶的問世

不同的核苷酸順序決定不同胺基酸順序的方式，被稱之為遺傳密碼。美國生物化學家霍利（公元1922-）、克阿納（公元1922-）等人首先在闡明遺傳密碼方面做出了重要貢獻；而對於後來的發展具有重大意義的則是美國科學家尼倫伯格（公元1927-）和法國科學家馬太，他們分別在實驗室內測定了各種胺基酸的遺傳密碼。到1969年64種遺傳密碼的含義已全部測出，並列出了遺傳密碼錶。

3、綜合進化論

在分子層次上對生命現象的研究，進一步豐富了達爾文的進化論，出現了現代達爾文主義，或稱綜合進化論。

1900年以後，孟德爾主義者開始對進化的某些事實進行實驗研究，得出了與達爾文主義某些原則不同的結論，這時不但遺傳學家反對達爾文主義，甚至持有進化淪觀點的人也開始攻擊達爾文主義。這種爭論早已有之。在1859年達爾文的《物種起源》一書問世不久，1864年德國胚胎學家柯里克爾就提出了異源生殖說，反對緩慢進化、自然選擇和生存鬥爭。他認為進化是在生物內部發展規律作用下，以飛躍方式進行的，以後又有人依據對月見草的實驗和觀察形成突變理論，認為遺傳特性和性狀可以突然發生變異，新種通過飛躍形式而產生，並不依賴於外界環境的影響。這些學說既與達爾文的“自然界沒有飛躍”的緩慢進化理論相對立，又否認自然選擇的作用。遺傳學與進化論的對立只是暫時的現象，隨著研究的深入又開始了遺傳學與進化論結合的過程。

4、綜合進化論的評價：綜合進化論不但重新肯定了自然選擇的巨大作用，而且用自然選擇可以解釋古典達爾文主義無法解釋的許多事實，還徹底推翻了一切陳舊的進化假說(如獲得性遺傳、自體發生、外因發生、預選適應等)和一切用某種單因子(突變、遺傳漂變、隔離等)解釋進化的種種理論。從達爾文進化論到綜合進化論的歷史過程中，人們可以看到科學理論發展的一般過程。人們對突變和自然選擇作用的認識也是按照肯定、否定、否定之否定的規律發展著。”科學本來就是一個發展著的概念，科學理論也在發展著。科學技術史表明，在人們對自然的認識上，並沒有放之四海(空間)四時(時間)而皆準的真理，任何已有的科學理論都有需要進一步探索的餘地。