第4章现代科学与新的自然观

第4章现代科学与新的自然观以辩证唯物主义自然观为指导，以现代科技革命的成果为基础，探索新的自然观。温故第3章科学的发展及其对自然观的影响近代科学的形成和发展与机械论自然观19世纪科学发展与辩证唯物主义自然观的形成20世纪科学革命19世纪20世纪之交的物理学革命X射线、放射性和电子的发现量子论和相对论的提出物理学新发现1895年，伦琴（1845-1923）研究阴极射线时意外发现X射线；获得1901年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖人。1896年，贝克勒耳（1852-1908）意外发现放射线；1897年，汤姆逊证实了电子的存在；提出原子结构理论居里夫妇发现放射线元素（钍、钋和镭）；证实元素的嬗变；促使元素嬗变理论建立（卢瑟福，1902年）列宁的《唯物主义和经验批判主义》动摇了几千年原子和元素观念——认为原子不可分、是物质组成最小单元；认为元素不变。批判了当时认为物质消失的观点；物质观：认为物质不灭；提出著名的物质的哲学定义。运动观：重申，没有运动的物质和没有物质的运动都是不可想象的。时空观：时空是客观存在的，人们对时空结构的认识是发展的、可变化的。两朵乌云中的两道闪电以太漂移实验的零结果－－相对论黑体辐射的紫外灾难－－量子论爱因斯坦与相对论爱因斯坦（1879-1955）针对经典物理学与新的实验结果之间的矛盾，1905年发表了“论动体的电动力学”这篇划时代的论文，提出了相对论原理和光速不变原理，狭义相对论从此诞生了。狭义相对论提出了一些重要的结论，如时缓效应、尺缩效应、质量速度关系式、质能关系式（即E=mC2）。广义相对论“双生子佯谬”引发的思考；1916年爱因斯坦完成了广义相对论。广义相对论能解释长期困扰科学家的一种天文现象——水星运动不规则；广义相对论还预言空间和时间会发生弯曲。1919年英国天文学家在考察日全食时，证实了爱因斯坦关于光线经过太阳表面时会发生弯曲的预言。相对论的建立，从根本上突破了牛顿绝对时空观，把时间、空间和物质的运动联系起来了，引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。是人类思想史上最伟大的成就之一。量子论德国科学家普朗克针对黑体辐射现象中理论与实验的矛盾，1900年提出了量子概念，指出能量并不是连续发射的，而是一份一份跳跃性地发射的，这最小的能量单位就是量子。量子论的发展1905年，爱因斯坦首先将量子论的思想应用到光电效应的研究，这项成果使他荣获了诺贝尔物理学奖。海森堡测不准原理玻尔的量子论原子模型；德布洛意提出物质波假说1923年；薛定谔提出波动力学，薛定谔方程1925-26年量子论的意义量子力学是继相对论之后对经典物理学的又一次严重的冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械决定论的经典观点，揭示了连续和间断、主观和客观相互统一的崭新的自然观。哲学上的争论：世界是决定论的（爱因斯坦），世界是非决定论（玻尔）。20世纪其他领域的革命生物学革命宇宙学重大观测发现和大爆炸理论板块构造理论系统理论的建立生态学和环境科学DNA2现代技术革命现代技术革命，又称新技术革命，是指二战之后兴起的以信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术为主要内容的技术革命。如果说，第一、第二次技术革命的主攻方向是动力，是人类对潜在的“力”的发掘，是“力的革命”，那么，现代技术革命的主攻方向则是信息，是对潜在信息资源的发掘，是“信息革命”。原子能时代1945～1955年，第一个十年，是以原子能的释放与利用为标志，人类开始了利用核能的新时代。爱因斯坦著名的公式E=MC2奠定了核技术的理论基础。1938年德国科学家发现铀受到中子的轰击，会发生核裂变，释放巨大的能力。1942年第一座可控核链式反应装置在美国建成。1945年美国研制原子弹成功，1954年又研制出氢弹，人类掌握了释放核能的技术。我国在60年代也掌握了核技术。1954年前苏联建成世界上第一座5000KW的核电站，开始了人类和平利用的进程。迄今为止，世界上已有500座核电站在运行，核电占世界发电总量的20以上，法国等国的核电已占全国发电总量的70％。1979年美国三里岛和1986年前苏联切尔诺贝利的核事故，警示人类必须重视核电站的安全控制问题。空间时代1955～1965年，第二个十年，是以人造地球卫星的发射成功为标志，人类摆脱了地球引力，向外层空间进军。第二次世界大战后，美苏展开了激烈的太空争夺战。前苏联领先一步，1957年10月4日，用运载火箭成功地将第一颗人造卫星送入轨道。1961年4月，前苏联发射载人飞船成功。美国不甘落后，1969年7月20日，美国两名宇航员成功地登上了月球。我国于1970年4月24日将我国自行研制的第一个人造地球卫星——东方红一号发射成功。1971年4月19日，前苏联将“礼炮一号”空间站送上太空轨道。1981年4月12日，美国首次发射多次往返地球的“哥伦比亚号”航天飞机。1986年2月20日，前苏联的“和平号”空间站升空。1990年，哈勃天文望远镜进入预定的轨道。1997年7月4日，美国太空总署的遥控探测车在火星表面登陆成功。生命科技时代1965～1975年，第三个十年，是以1973年重组DNA实验的成功为标志，人类进入了可以控制遗传和生命过程的新阶段。1953年DNA的双螺旋结构被发现。此后科学家经过近20年的艰苦努力，于1973年发明了分子生物学的人工组装技术，现代生物工程由此诞生。现代生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。1997年问世的“克隆羊”、1998年问世的转基因牛、羊等、人类基因组，是近来生物技术的最惊人的成就。计算机时代1975～1985年，第四个十年，是以微处理机大量生产和广泛使用为标志，揭开了人类脑力的新篇章。1946年第一台电子计算机ENIAC投入运行。它是个笨大的家伙，重176吨，占地380平方米，用了18000个电子管。50年代，随着半导体出现，第二代计算机问世。60年代，集成电路的诞生使第三代计算机出现。70年代以来，出现大规模集成电路，此后，电子元件的集成度直线上升，平均每3年翻一番，计算机出现了微型化趋势，体积变小，功能翻番。90年代出现便携式计算机。计算机不断提速：90年代初，出现了每秒10亿次的计算机；1994年提高到1000亿次，1997年达到了3000亿次。信息时代1985～1995年，第五个十年，是以软件开发和大规模产业化为标志，人类进入了信息革命的新纪元。网络时代1995年至今，第六个十年，是以因特网的应用为标志，人类进入了网络时代。科学技术发展的特点和趋势1从数量上看，科学技术知识呈现出加速增长的趋势2从性质上，科学向大科学和高技术的转型3从地域上看，世界科技的中心在不断的转移4从科学技术与生产的关系上看，科学、技术、生产一体化展望21世纪科学技术121世纪仍将是信息革命的时代，信息科技仍将是最活跃、发展最迅速、影响最广泛和深刻的科技领域。221世纪将是生命科技的世纪。321世纪将是新材料和先进制造技术迅速发展和广泛应用的时代。421世纪将是发展和利用高效、洁净和安全新能源的时代。521世纪还将是继续向空间、海洋、地球深部不断拓展的世纪。621世纪将式人、自然、社会协调发展的世纪。万物一体的系统自然观系统科学系统是由要素及其相互关系组成的一个整体。1）系统是由要素组成的；2）系统的各要素之间存在着特定的关系；3）系统的结构使它成为一个有特定功能的整体；4）功能是在系统与外部环境的相互作用中表现出来的。系统的分类：（1）从系统与环境的关系看：孤立系统、封闭系统、开放系统（2）从人对自然的认识程度来看：黑（箱）系统、白（箱）系统、灰（箱）系统。自然界层次性在非生命系统最低层次是夸克，到基本粒子，到原子核；原子；分子。宏观层次，宇观层次。在生命系统分子，生物大分子，细胞，器官，个体，种群，生态系统，生物圈。万物一体的系统自然观万物普遍联系自然界以系统的方式而存在自然界的系统表现出层次性生生不息的自组织自然观宇宙的起源和演化元素的起源和演化生命的起源和生物的进化大爆炸理论原始火球大爆炸基本粒子形成阶段10－6秒钟后，强子时代，轻子时代（宇宙汤）核合成阶段3分钟之后发生，中子与质子形成原子核实物阶段1万年后，原子、分子、星云宇宙演化链宇宙时物质形态0秒原始火球大爆炸10-6秒质子与反质子湮灭0.01秒宇宙汤1秒电子与反电子湮灭3分钟氦合成2x109年星系合成15.2x109年原始星际云形成15.4x109年行星地球形成16.1x109最古老的岩石形成19x109生命起源19.55x109初期的鱼类19.6x109初期的陆生植物19.95x109哺乳动物20x109年人类起源支持大爆炸理论宇宙大爆炸理论真是一部“天书”。但是,它有科学事实的有力支持。哈伯红移3K背景辐射氦的丰度宇宙的年龄宇宙演化的几个阶段恒星的起源和演化：现代星云说引力收缩主序星红巨星高密恒星元素的起源B2FH理论元素在恒星的摇篮中诞生氢燃烧：聚变为氦氦燃烧：聚变为碳、氧碳燃烧：聚变为钠、镁、氖氧燃烧：聚变为硅、磷、硫铁分解：裂变为氦，大量吸热重元素的形成：铀、钍等生命的起源和演化恩格斯曾预言,生命的起源必定是通过化学的途径。此预言得到科学家大量模拟实验的证实。从无机物到有机小分子(氨基酸)从有机小分子到生物大分子(蛋白质核酸)从生物大分子到原始生命原始生命出现以后,经历了从非细胞到细胞从单细胞到多细胞从低等生物到高等生物的过程。自组织耗散结构理论“自组织”：系统在与外界不断交换物质、能量和信息的基础上，能够自发地从无序走向有序的过程和趋势。生命世界、无机界、社会中均存在自组织机制。自组织演化观：自然界是演化的，演化是一个自组织过程。阅读教材：“第二章现代科学技术与自然观的新发展”思考题根据现代科学，论证“自然界不是存在着，而是生成着并消逝着。”阐述现代自然观的基本内容。