从20世纪到21世纪的物质变化

从20世纪到21世纪的物质变化
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20世纪
20世纪初科学革命两大成就
20世纪的科学是在19世纪的重大理论成果如热力学与电磁学理论、化学原子论、生物进化论与细胞学说等基础上发展起来的.19世纪的三大发现（X射线、放射性、电子）导致了20世纪前30年的物理学革命,诞生了相对论和量子力学,成为20世纪科学发展的先导和基础.
1、相对论
1905年,20世纪最伟大的科学天才爱因斯坦在他26岁时创立了狭义相对论,提出了不同于经典物理学的崭新的时空观和质（m）能（E）相当关系式E＝mc2（此处光速C＝3×108米／秒）,在理论上为原子能的应用开辟了道路.
关于E＝mc2,即物体贮藏的能量等于该物体的质量乘以光速的平方,这个数量大到令人难以想象的程度.我们不妨打个比方说,1克物质全部转化成的能量,相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能；或者说,1克质量相当于2500万度的电能.
1915年,爱因斯坦又创立了广义相对论,深刻揭示了时间、空间和物质、运动之间的内在联系——空间和时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的.它成为了现代物理学的基础理论之一.
从1923年开始,爱因斯坦用他的后半生致力于统一场论的探索,企图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论,虽然他没有取得成功,但是杨振宁和米尔斯于50年代创立了“杨—米尔斯场方程”,发展了所谓“规范场”的理论,使爱因斯坦梦寐以求的统一场论可望在规范场的基础上得以实现.
2、量子力学
1900年,普朗克创立了量子论,提出能量并非无限可分、能量的变化是不连续的新观念.1905年,爱因斯坦提出了光量子论,揭示了光的“波粒二象性”.1913年,玻尔把量子化概念引进原子结构理论.1923年,德布罗意提出物质波理论.1925年,海森伯和薛定谔分别建立矩阵力学和波动力学.1928年,26岁的狄拉克提出电磁场中相对论性电子运动方程和最初形式的量子场论,使包括矩阵力和波动力学在内的量子力学取得了重大的进展.
20代末量子力学的建立,是继1905-1915年相对论建立之后对经典物理学的又一次革命性的突破,它成功地揭示了微观物质世界的基本规律,加速了原子物理学和固态物理学的发展,为核物理学和粒子物理学准备了理论基础,同时也促进了化学键理论和分子生物学等的产生.因此,量子力学可以说是20世纪最多产的科学理论,迄今仍具有强大的生命力.
20世纪中后期5大科学成就
30年代以来,物质基本结构、规范场、宇宙大爆炸、遗传物质分子双螺旋结构、大地构造板块学说以及信息论、控制论、系统论等理论的创建,使人类的视野进一步拓展到更为宇观、宏观和微观的领域,成为人类文明进步的巨大推动力.
1、物质的基本结构
从远古时代开始,人们就在探讨物质是由什么组成的,有没有公共的基本单元.直到19世纪末,人们都认为这种共同的基元就是原子.1911年,卢瑟福发现原子内部有一个核；1913年,玻尔指出放射性变化发生在原子核内部,于是研究原子核的组成、变化规律以及内部结合力的核物理学应运而生.
1932年,查德威克发现了中子.从此,人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的,于是把这三种粒子和光子称为基本粒子.
但是,基本粒子并不“基本”.一方面,正电子、中微子、介子等新的基本粒子相继发现；另一方面,基本粒子还有其内部结构.60年代以来,出现了基本粒子结构的“夸克模型”、“层子模型”等,使40年代末诞生的一门新的独立学科——基本粒子物理学（又称高能物理学）至今方兴未艾,成果累累.
2、宇宙大爆炸理论
现代宇宙学的研究发端于爱因斯坦.他在1915年创立广义相对论后,用它来考察宇宙的结构问题,于1917年提出有限无边的宇宙模型.1922年,弗里德曼提出的非静态宇宙模型,认为宇宙是可能膨胀的.1929年,哈勃确定了星系红移（即退行速度）和距离之间的线性关系,证实了宇宙膨胀理论.1932年,勒梅特提出了宇宙爆炸说.
1948年,伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来,发展了大爆炸理论,并用它来说明化学元素的起源.这一宇宙大爆炸理论在1965年发现的宇宙背景辐射现象和1998年哈勃望远镜探测到距地球120亿光年之遥的星系中得到了有力的支持.
3、DNA分子双螺旋模型
1953年4月25日,英国《自然》杂志刊登了25岁的沃森和37岁的克里克合作研究的成果——DNA双螺旋结构的分子模型,这一成就后来被誉为20世纪生物学方面最伟大的发现,也被认为是分子生物学诞生的标志.
DNA是遗传基因的物质载体——脱氧核糖核酸的英文简称.1915至1928年间,摩尔根通过果蝇实验,证明了坐落在细胞核内染色体上的基因决定着生物性状,从而创立了基因理论.染色体是由蛋白质和DNA组成的.过去生物学界一直认为蛋白质是遗传信息的载体,直到1944年埃弗里等人通过实验才证明了遗传载体不是蛋白质,而是DNA.1953年DNA分子结构双螺旋模型的建立是打开遗传之谜的关键.60年代尼伦柏格等人破译了遗传密码,证明地球上所有生物的遗传密码都是相同的——DNA的4种核苷酸碱基的序列代表了基因的遗传信息,决定着蛋白质的20种氨基酸的组成和排列顺序.作为基因载体的DNA是生命的后台指挥者,生命的一切性状通过受DNA决定的蛋白质来表现.
4、大地板块构造学说
1912年,魏格纳提出大陆漂移说,认为在地质历史上的古生代,全球只有一块巨大陆地,周围是一片大洋；中生代以来,这块古陆开始分裂、漂移,逐渐成为现在的几个大陆和无数岛屿,原来的大洋则分割成几个大洋和若干小海.
大陆漂移说经半个多世纪的发展,由地幔对流说（1928年）、海底扩张说（1961年）等阶段,到1968年勒比雄等提出了全球大地板块构造学说,建造了全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和若干小板块的结构模型,得到了越来越多的科学验证,特别是海洋地质学的有力支持.
5、信息论、控制论、系统论
1948年,申农《通讯的数学理论》、维纳《控制论：关于动物和机器中控制和通信的科学》、贝塔朗菲《生命问题》的出版,标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生；1957年,古德等《系统工程学》的出版为系统工程论奠定了基础.60年代以来,又出现了新的交叉科学——突变论、协同论和耗散结构理论.
交叉科学不仅沟通了为数众多的自然科学学科,而且在方路易斯诞生、1996年克隆羊多莉的出现都是细胞工程的杰作；加酶洗衣粉和嫩肉粉等则是酶工程的产品；现代发酵工业始于青霉素的生产,现已大规模利用发酵工程生产抗生素等.至于根据需要对天然蛋白质的基因进行改造,生产出新的、自然界原本不存在的优质蛋白质,更是日益受到重视,被誉为第二代基因工程.
20世纪科技发展带给21世纪的遗产将包括科学的全球化、社会化,社会的科学化,科学的交叉性、复杂性和综合性,科学、技术与社会的密切结合并相互作用,科学技术促进世界和平和人与自然的协调发展等等.有了这些基础,人类可以满怀信心地去迎接全球化知识经济的新时代!