自然科學(xué)史世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展演示文稿

自然科學(xué)史世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展演示文稿當(dāng)前1頁，總共99頁。（優(yōu)選）自然科學(xué)史世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)展當(dāng)前2頁，總共99頁。觀測手段的進(jìn)步1.由于天文學(xué)研究對象的特殊性，它的現(xiàn)代發(fā)展離不開觀測手段的改進(jìn)，這里主要指射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展和應(yīng)用。2.1937年，美國的雷伯制造了第一臺射電望遠(yuǎn)鏡，拋物面直徑達(dá)9米。3.1942年，英國海伊用軍用的超高頻雷達(dá)首先發(fā)現(xiàn)了太陽射電。4.六十年代天文學(xué)上的4大發(fā)現(xiàn)——類星體、脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子，都是靠射電探測工具獲得的。當(dāng)前3頁，總共99頁。當(dāng)今主要的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，

Keck、VLT、HST當(dāng)前4頁，總共99頁。當(dāng)今主要的射電望遠(yuǎn)鏡，Effelsberg、Arecibo、VLA當(dāng)前5頁，總共99頁。當(dāng)今主要的X射線望遠(yuǎn)鏡，XMM，Chandra當(dāng)前6頁，總共99頁。中國現(xiàn)有和準(zhǔn)備建造的望遠(yuǎn)鏡。2.16m興隆25m上海佘山新疆天山FASTLAMOSTHXMT當(dāng)前7頁，總共99頁。類星體類星體是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”之一。這種天體在一般光學(xué)觀測中只是一個(gè)光點(diǎn)，類似恒星。然而在分光觀測中，它的譜線具有很大的紅移，又不像恒星，因此稱它為類星體。1993年底，已確認(rèn)7383個(gè)類星體。2002年的星表列出23760顆類星體。

當(dāng)前8頁，總共99頁。類星體當(dāng)前9頁，總共99頁。脈沖星脈沖星是在1967年首次被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，還是一名女研究生的貝爾，檢測射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號，它們的周期十分穩(wěn)定，經(jīng)過仔細(xì)分析，科學(xué)家認(rèn)為這是一種未知的天體。因?yàn)檫@種星體不斷地發(fā)出電磁脈沖信號，人們就把它命名為脈沖星。脈沖星發(fā)射的射電脈沖的周期性非常有規(guī)律。一開始，人們對此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向我們發(fā)電報(bào)聯(lián)系。據(jù)說第一顆脈沖星就曾被叫做“小綠人一號”。后來證實(shí)，脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星（恒星演化晚期形成的）。脈沖星具有超高壓、超高溫、超密度、超強(qiáng)磁場和超強(qiáng)輻射等極端物理?xiàng)l件。當(dāng)前10頁，總共99頁。射電脈沖星當(dāng)前11頁，總共99頁。微波背景輻射

來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。20世紀(jì)60年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K。1965年，他們又訂正為3K0，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎金。當(dāng)前12頁，總共99頁。

微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大成就。它對現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)前，流行的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據(jù)當(dāng)時(shí)已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料，發(fā)展了熱大爆炸學(xué)說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾K或幾十K。3K微波背景輻射的實(shí)測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。微波背景輻射當(dāng)前13頁，總共99頁。宇宙微波背景輻射1.1965年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯（ArnoPenzias）和威爾遜（RobertWilson），正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計(jì)的反射天線。2.他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個(gè)方向，對應(yīng)的溫度大約是3K。3.他們向迪克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料獲悉他正在積極尋找他們已經(jīng)找到的東西。4.宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個(gè)有力的支持。當(dāng)前14頁，總共99頁。微波背景輻射來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。20世紀(jì)60年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K。1965年，他們又訂正為3K，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎金。當(dāng)前15頁，總共99頁。星際有機(jī)分子星際分子：1963年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)星際羥基分子（OH），此后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大量星際有機(jī)分子。到90年代末，已發(fā)現(xiàn)了120多種，而且許多都是很復(fù)雜的有機(jī)分子，少數(shù)分子是地球上很難找到的或者根本找不到的。星際分子的發(fā)現(xiàn)有助于人類對星云特性的深入了解，可以幫助揭開生命起源的奧秘。當(dāng)前16頁，總共99頁。星際有機(jī)分子當(dāng)前17頁，總共99頁。現(xiàn)代恒星演化理論恒星是由星云產(chǎn)生的，星云經(jīng)過自吸引形成星胚，星胚不斷收縮，溫度不斷升高，當(dāng)溫度升高到氫核聚變反應(yīng)可以進(jìn)行時(shí)，就意味著恒星的誕生。恒星誕生后，它內(nèi)部氫核聚變成了它的主要能源，恒星在這個(gè)階段的停留時(shí)間最長，這就是中年的主序星階段。核能耗盡后，恒星進(jìn)入老年的紅巨星階段。最后不同大小的恒星以不同的方式死亡，

或變成白矮星，或變成中子星，或成黑

洞等。當(dāng)前18頁，總共99頁。宇宙大爆炸模型宇宙演化過程起始于大約150億年前宇宙開始是一個(gè)高溫、高密度的“原始火球”，球內(nèi)充滿輻射和基本粒子；后來火球內(nèi)的基本粒子發(fā)生核衰變反應(yīng)，引起大爆炸而向外急劇膨脹，輻射溫度核物質(zhì)密度急劇下降，核反應(yīng)便停止；其間所產(chǎn)生的各種元素就形成了今天宇宙中的各種物質(zhì)，膨脹過程中輻射物質(zhì)逐漸凝聚成星云，進(jìn)而演化為今天的各種天體。此理論得到天文觀測事實(shí)的支持：例如星系紅移是宇宙膨脹的反應(yīng)，微波背景輻射是宇宙大爆炸高溫的直接遺跡等等。當(dāng)前19頁，總共99頁。廣義相對論直到二十世紀(jì)初期，愛因斯坦（AlbertEinstein）提出廣義相對論之后，關(guān)于時(shí)間和空間的起始和終結(jié)問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生問題，才真正變成了一個(gè)科學(xué)問題，或者說物理學(xué)問題，甚至數(shù)學(xué)問題。當(dāng)前20頁，總共99頁。廣義相對論引力場方程、宇宙項(xiàng)1.愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)行宇宙學(xué)研究。2.愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。3.因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個(gè)宇宙項(xiàng)，這個(gè)所謂的宇宙項(xiàng)具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇宙項(xiàng)的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。4.換言之，由宇宙項(xiàng)產(chǎn)生的負(fù)時(shí)空曲率能抵消由宇宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時(shí)空曲率。當(dāng)前21頁，總共99頁。愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型1.愛因斯坦得到一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型：2.宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境的。就是說宇宙是有限無界的。3.假如一個(gè)光子向任何一個(gè)方向輻射出去，那么它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方也不會碰到空間的邊緣，最后還會回到出發(fā)地。4.愛因斯坦的宇宙半徑大約35億光年。當(dāng)前22頁，總共99頁。星系紅移1.愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時(shí)，另有一群實(shí)測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，也不接觸愛因斯坦的理論。但是他們用當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡孜孜不倦地觀測天空。2.大概從1910年起，天文學(xué)家們在研究河外星系的光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到1917年，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個(gè)離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠(yuǎn)，紅移越顯著。當(dāng)前23頁，總共99頁。哈勃定律1.1929年美國天文學(xué)家哈勃（EdwinHubble）提出了著名的“哈勃定律”：2.星系退行的速度（V）與它們離地球的距離（R）大致成正比，即V=HR，H稱為哈勃常數(shù)，3.現(xiàn)在確定其值為50公里/（秒·百萬秒差）。4.哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算得宇宙年齡大概在200億年左右。當(dāng)前24頁，總共99頁?！按蟊ɡ碚摗?.哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是錯(cuò)誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項(xiàng)稱作“一生中最大的錯(cuò)誤”。2.后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（GeorgeGamow）等人提出的后來被稱作“大爆炸理論”的最為著名。當(dāng)前25頁，總共99頁。該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫高密的“原始火球”的大爆炸。在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射和核粒子的原初混合物中形成。2.該理論還預(yù)言了大爆炸的一個(gè)結(jié)果，在今天的整個(gè)宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上5度（5K）。當(dāng)前26頁，總共99頁。迪克的理論1.美國普林斯頓大學(xué)的迪克（RobertH.Dicke）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在1964年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。2.迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測這種輻射以檢驗(yàn)這一理論。當(dāng)前27頁，總共99頁。什么是黑洞

1795年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯曾指出：有一個(gè)發(fā)光體，它的密度與地球密度一樣，其直徑比太陽的直徑大250倍，可是由于被吸引的緣故，無法使其光線達(dá)到地球。黑洞與宇宙當(dāng)前28頁，總共99頁。黑洞：黑洞是時(shí)空中這樣的一個(gè)區(qū)域，任何物質(zhì)一旦進(jìn)入該區(qū)域，便永遠(yuǎn)不能出來。黑洞是一種看不見的異常天體；60年代以后，成為天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天體相比，黑洞正是最強(qiáng)的引力場源，能使鄰近處時(shí)空彎曲得相當(dāng)厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，甚至光線也不能幸免。

右圖形象地表示了這一點(diǎn)：一旋轉(zhuǎn)黑洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)宛若一個(gè)大漏斗，把萬物全部吞下。當(dāng)前29頁，總共99頁。

以克爾黑洞為例：克爾黑洞有一個(gè)靜界和一個(gè)外視界，靜界是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界是一個(gè)球面，包含在靜界和外視界之間的空間稱為能層。物體進(jìn)入能層尚還可以從中再返回到黑洞外部的空間，一旦物體進(jìn)入了外視界，便永遠(yuǎn)不能再逃出來了。克爾黑洞靜界和視界當(dāng)前30頁，總共99頁?；艚?.從1965年到1970年間，霍金跟彭羅斯進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。2.也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)；同時(shí)，在黑洞中必然存在無限大密度和無限大時(shí)空曲率的奇點(diǎn)。3.這樣，時(shí)間起始于大爆炸奇點(diǎn)，終止于大擠壓奇點(diǎn)（整個(gè)宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點(diǎn)（局部區(qū)域的坍縮）。4.這是霍金在經(jīng)典廣義相對論框架里取得的一個(gè)重要成果。當(dāng)前31頁，總共99頁。黑洞不黑1.1970年11月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠(yuǎn)不會減少。2.美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（JacobD.Bekenstein）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟熱力學(xué)第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界面積就是黑洞熵的量度。3.1973年9月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按照量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生和輻射粒子。4.霍金接著通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)第二定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒子和輻射能量。當(dāng)前32頁，總共99頁。霍金輻射1.按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考慮了量子效應(yīng)之后，黑洞會蒸發(fā)，面積會減少，甚至?xí)殡S著大量的γ輻射而消失。2.霍金在這里首次把二十世紀(jì)初發(fā)展起來的兩個(gè)物理理論，即廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來用在同一個(gè)對象的研究中，并看到了量子效應(yīng)能去掉經(jīng)典廣義相對論預(yù)言的奇點(diǎn)的第一個(gè)跡象。3.由于黑洞存在輻射，大大增加了黑洞被觀測到的可能性。當(dāng)前33頁，總共99頁。量子引力宇宙論1.經(jīng)典廣義相對論的奇性不可避免，所以標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中時(shí)空存在著零點(diǎn)，給了上帝一個(gè)容身之地。2.1981年左右霍金提出考慮到量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，一些基本量度，譬如長度和時(shí)間，具有測不準(zhǔn)性。3.測不準(zhǔn)的程度由普朗克常數(shù)確定，從該常數(shù)可以定出最小的長度量子，即普朗克長度，為10E－33厘米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子核的尺度。測量任何長度不可能比這個(gè)更精確，而且比普朗克長度更短的長度是沒有意義的。當(dāng)前34頁，總共99頁。不存在數(shù)學(xué)上的時(shí)空點(diǎn)1.同樣，作為時(shí)間量子的最小間隔，即普朗克時(shí)間，為10E－43秒。2.沒有比這更短的時(shí)間存在。3.這就是說，我們不可能把黑洞縮減為數(shù)學(xué)上的一個(gè)點(diǎn)，同樣也不能追溯到大爆炸的真正開始時(shí)刻。當(dāng)前35頁，總共99頁。量子力學(xué)排除了奇點(diǎn)1.直徑比普朗克長度更小的體積是沒有意義的，所以零體積點(diǎn)和無限密度點(diǎn)的概念也沒有意義了。2.在宇宙誕生之時(shí)，盡管物質(zhì)密度高得驚人，但不會是無限大。3.宇宙誕生之初的無限性和奇點(diǎn)被消除，就有可能找到一組方程來描述宇宙的起源和結(jié)局。當(dāng)前36頁，總共99頁。完全自給自足、自我包容的宇宙1.到目前為止，還沒有一套完整而協(xié)調(diào)的理論將量子力學(xué)和引力理論結(jié)合在一起，2.努力的方向：應(yīng)用量子引力理論，給出一個(gè)完全自給自足、自我包容的宇宙，在這個(gè)宇宙里將完全排除上帝的作用。當(dāng)前37頁，總共99頁。人擇原理

宇宙之所以是這種樣子，是因?yàn)榉駝t的話，我們就不會在這里觀測它。當(dāng)前38頁，總共99頁。超弦理論1.超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點(diǎn)粒子的假設(shè)而代之以基本粒子是一維弦的假設(shè)而建立起來的理論，認(rèn)為自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動模式。2.研究發(fā)現(xiàn)，在十維空間中有5種自洽的超弦理論，它們分別是兩個(gè)IIA和IIB，一個(gè)規(guī)范為Apin(32)/Z2的雜化弦理論，一個(gè)規(guī)范群為E8×E8的雜化弦理論和一個(gè)規(guī)范為SO（32）的I型弦理論。當(dāng)前39頁，總共99頁。M理論1.1995年人們才得到一個(gè)比較完美的關(guān)于這5種超弦理論統(tǒng)一的圖像：即存在一個(gè)唯一的理論－M理論。2.超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射，第一次從微觀理論出發(fā)，利用統(tǒng)計(jì)物理和量子力學(xué)的基本原理，嚴(yán)格了導(dǎo)出了宏觀物體黑洞的熵和輻射公式。3.將5種超弦理論和十一維超引力統(tǒng)一到M理論的嘗試是有成效的，但M理論在提出時(shí)并沒有一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述，因此尋找M理論的數(shù)學(xué)表述和仔細(xì)研究M理論的性質(zhì)就成了這一時(shí)期理論物理研究熱點(diǎn)。當(dāng)前40頁，總共99頁?，F(xiàn)代地學(xué)的發(fā)展大地構(gòu)造理論學(xué)的新進(jìn)展大陸漂移說海地?cái)U(kuò)張說板塊構(gòu)造理論當(dāng)前41頁，總共99頁。大陸漂移說——魏格納(1880-1930年)魏格納是德國氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家、天文學(xué)家，大陸漂移說的創(chuàng)始人。1880年11月1日生于柏林，1930年11月在格陵蘭考察冰原時(shí)遇難。1910年魏格納在偶然翻閱世界地圖時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇特現(xiàn)象：大西洋的兩岸——?dú)W洲和非洲的西海岸遙對北南美洲的東海岸，輪廓非常相似，這邊大陸的凸出部分正好能和另一邊大陸的凹進(jìn)部分湊合起來；如果從地圖上把這兩塊大陸剪下來，再拼在一起，就能拼湊成一個(gè)大致上吻合的整體。這就是著名大陸漂移假說的最初思想。

當(dāng)前42頁，總共99頁。我們生活的七大洲四大洋當(dāng)前43頁，總共99頁。大陸漂移說——魏格納(1880-1930)

1911年秋，在一個(gè)偶然的機(jī)會里，魏格納又從一個(gè)論文集中看到了“根據(jù)古生物的證據(jù)，巴西與非洲間曾經(jīng)有過陸地相連接”的論述。于是他便在大地測量學(xué)與古生物學(xué)的范圍內(nèi)研究。

1912年，在法蘭克福召開的地質(zhì)學(xué)會上，魏格納作了題為《大陸與海洋的起源》的演講，提出了關(guān)于“大陸漂移”的假說，引起了地質(zhì)界的震動。他于1915年出版了《海陸的起源》一書，系統(tǒng)地闡述了大陸漂移說。由于這一假想如此偶然，如此富于幻想離奇色彩，使得當(dāng)時(shí)許多地質(zhì)學(xué)家都目瞪口呆，直至今日仍有人稱這一遐想為“一個(gè)大詩人的夢”。為此，魏絡(luò)納也獲得了“地質(zhì)浪漫詩人”的稱號。當(dāng)前44頁，總共99頁。大陸漂移說——魏格納(1880-1930年)大陸漂移說認(rèn)為﹐地球上所有大陸在中生代以前曾經(jīng)是統(tǒng)一的巨大陸塊﹐稱之為泛大陸或聯(lián)合古陸﹐中生代開始﹐泛大陸開始分裂并漂移﹐逐漸達(dá)到現(xiàn)在的位置，形成目前的海陸布局。由于不能更好地解釋漂移的機(jī)制問題﹐當(dāng)時(shí)曾受到地球物理學(xué)家的反對。20世紀(jì)50年代中期至60年代﹐隨著古地磁與地震學(xué)﹑宇航觀測的發(fā)展﹐使一度沉寂的大陸漂移說獲得了新生﹐并為板塊構(gòu)造學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)前45頁，總共99頁。19世紀(jì)海洋探險(xiǎn)調(diào)查：1871年“獵犬號”五年環(huán)球探險(xiǎn)，迅速擴(kuò)大和加深了人類對海洋的認(rèn)識。1872年“挑戰(zhàn)者號”四年探險(xiǎn)，圍繞海洋學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)等對三大洋進(jìn)行了全面考察。二戰(zhàn)后，海洋地質(zhì)學(xué)成了熱門，深海探測技術(shù)迅速發(fā)展?，F(xiàn)代深潛器配備了攝象設(shè)備，各種傳感器，采樣器和靈活的機(jī)械手等。

歷史背景

海地?cái)U(kuò)張說——赫斯(1906-1969)當(dāng)前46頁，總共99頁。海地?cái)U(kuò)張說——赫斯(1906-1969)1962年，美國地質(zhì)學(xué)家赫斯教授發(fā)表了他的著名的論文《海洋盆地的歷史》。這篇論文被人們稱為“地球的詩篇”。其中，赫斯教授以先人之見，首先提出了“海底擴(kuò)張學(xué)說”。海底擴(kuò)張說認(rèn)為，海底是冷卻了的地幔，地幔中有對流存在。高熱流的地幔物質(zhì)沿大洋中脊的裂谷上升，不斷形成新洋殼；同時(shí)，以大洋脊為界，背道而馳的地幔流帶動洋殼逐漸向兩側(cè)擴(kuò)張；運(yùn)動的洋殼碰到大陸地殼就下沉鉆入地幔深部，并形成海溝，大陸地殼前緣被擠壓抬升形成山脈或島弧?！昂５讛U(kuò)張”說，恰好可以解釋當(dāng)年魏格納無法解釋的大陸漂移理論。當(dāng)前47頁，總共99頁。板塊構(gòu)造理論1967－1968年，美國的勒皮雄、摩根和英國的麥肯齊等人先后獨(dú)立提出了板塊構(gòu)造理論。這個(gè)理論認(rèn)為，整個(gè)地球的巖石圈不是一個(gè)完整的殼體，而是由若干巨大的板塊構(gòu)成的。由于巖石圈下面的地幔中的軟流圈的循環(huán)運(yùn)動，導(dǎo)致板塊發(fā)生相對運(yùn)動。板塊互相撞擠而形成山脈，互相錯(cuò)動而形成水平斷層，互相交匯俯沖而形成海溝和島弧，互相分離而形成洋脊或海嶺和裂谷。當(dāng)前48頁，總共99頁。全球板塊構(gòu)造圖當(dāng)前49頁，總共99頁?，F(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展孟德爾遺傳定律及重新發(fā)現(xiàn)摩爾根的基因理論分子生物學(xué)的誕生和發(fā)展DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立遺傳密碼的破譯當(dāng)前50頁，總共99頁?，F(xiàn)代遺傳之父—孟德爾孟德爾（1822－1884）出生于奧地利，1840年畢業(yè)于特羅保的預(yù)科學(xué)校后進(jìn)入奧爾米茨哲學(xué)院學(xué)習(xí)。1843年因家貧而輟學(xué)，同年10月到布爾諾的奧古斯丁修道院做修道士。1847年成為神父。1851年到1853年間孟德爾在維也納大學(xué)學(xué)習(xí)。當(dāng)前51頁，總共99頁。1853年孟德爾從維也納大學(xué)畢業(yè)回修道院。1854年夏天孟德爾開始用豌豆進(jìn)行他的雜交實(shí)驗(yàn)。1865年在2月孟德爾在“布隆布爾諾學(xué)會自然科學(xué)研究會”上宣讀了作為他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的《植物雜交實(shí)驗(yàn)》論文，這篇論文后來于1866年發(fā)表于該學(xué)會的會議錄上。他揭示出遺傳學(xué)的兩個(gè)基本定律——分離定律和獨(dú)立分配定律。這兩個(gè)重現(xiàn)代遺傳之父—孟德爾要規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和提出，為遺傳學(xué)的誕生和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也正是孟德爾名垂后世的重大科研成果。與會者固然很有興致地聽取了他的報(bào)告，但大多不理解其中的內(nèi)容。因?yàn)榧葲]有人提問題，也沒有人進(jìn)行討論。當(dāng)前52頁，總共99頁。黃色豌豆F1代F2代黃色種子綠色種子純種親本當(dāng)前53頁，總共99頁。AAAaaAaaAa性狀分離定律AAaaAaA

顯性特征

a

隱性特征

顯性定律

分離定律

3:1當(dāng)前54頁，總共99頁。孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)1900年3-5月，三位生物學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)孟德爾遺傳定律。切馬克（奧地利）柯林斯（德國）德弗里斯（荷蘭）當(dāng)前55頁，總共99頁。孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)1.1900年孟德爾關(guān)于遺傳的定律重新被荷蘭的德弗里斯(H.DeVries)、德國的科倫斯(C.Correns)和奧地利的丘歇馬克(E.Seysenegg-Tschermak)三位遺傳學(xué)家分別發(fā)現(xiàn)，從而吸引了整個(gè)生物學(xué)界的注意。2.德弗里斯于1900年3月26日發(fā)表了同孟德爾的發(fā)現(xiàn)相同的論文；科侖斯的論文被雜志收到的時(shí)間是1900年4月24日；丘歇馬克的論文收時(shí)間是1900年6月20日。在這年他們也都各自發(fā)現(xiàn)了孟德爾的論文，才明白自己的工作，早在35年前就由孟德爾做過了。

當(dāng)前56頁，總共99頁?！斑z傳學(xué)”、“基因”定名1.20世紀(jì)頭的10年里，科學(xué)家們除驗(yàn)證孟德爾遺傳規(guī)律的普遍意義外，還確立了一些遺傳學(xué)的基本概念，1906年英國生物學(xué)家貝特森首次提出了“遺傳學(xué)”一詞，以稱呼這門研究生物遺傳問題的新學(xué)科。2.1909年約翰遜稱孟德爾假定的“遺傳因子”為“基因”。1910年孟德爾遺傳規(guī)律被改稱為孟德爾定律。當(dāng)前57頁，總共99頁。摩爾根的基因理論1909年摩爾根(美國，1866-1945)利用果蠅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)遺傳學(xué)的研究。用孟德爾的理論，可以解釋果蠅的眼睛顏色遺傳的現(xiàn)象。從孟德爾理論的懷疑者，轉(zhuǎn)變成為熱情的擁護(hù)者。發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳的規(guī)律，證明了遺傳變異與細(xì)胞中染色體的變化密切相關(guān)。他和他的學(xué)生還在連鎖、交換和不分離規(guī)律等的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步證明基因在染色體上呈直線排列，從而發(fā)展了染色體遺傳學(xué)說。摩爾根還給出了第一個(gè)果蠅染色體連鎖圖，從而確立了基因作為遺傳基本單位

的概念。1919年和1926年摩爾根又相繼出版了《遺傳學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)》和《基因論》，建立了完整的基因遺傳理論體系。摩爾根因此而獲得了1933年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。當(dāng)前58頁，總共99頁。白眼雄性YXXXYXXXYXXXYXXX紅眼

雌性當(dāng)前59頁，總共99頁。分子生物學(xué)的誕生現(xiàn)代物理學(xué)與現(xiàn)代生物學(xué)的結(jié)合20世紀(jì)40年代細(xì)胞遺傳學(xué)、微生物學(xué)和生化遺傳學(xué)領(lǐng)域取得的成就，吸引了一些物理學(xué)家投身到遺傳的分子基礎(chǔ)和基因的自我復(fù)制這兩個(gè)領(lǐng)域的研究中來，從而注入了物理學(xué)的新理論、新概念和新方法。1951年用生物物理學(xué)家威爾金斯給出了DNA纖維的X射線衍射圖，為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。當(dāng)前60頁，總共99頁。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)1.1953年剛剛離開校門的大學(xué)生沃森和物理學(xué)家克里克發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時(shí)代。2.分子生物學(xué)使生物大分子的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次。3.沃森、克里克獲得了1962年的諾貝爾獎。當(dāng)前61頁，總共99頁。遺傳密碼的破解1.1959年克里克支持三聯(lián)密碼假說，認(rèn)為DNA將遺傳信息由細(xì)胞核傳送到細(xì)胞質(zhì)，并決定蛋白質(zhì)的合成，這被后來的一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2.1961年尼倫貝格和馬太利用三聯(lián)體密碼合成了由苯丙氨酸組成的多肽長鏈。3.到1963年64種遺傳密碼的含義全部得到了解答，形成了一部密碼辭典。4.由此科學(xué)家們可以認(rèn)為：基因是DNA分子的一個(gè)個(gè)片斷。

尼倫貝格（美國）

當(dāng)前62頁，總共99頁。分子生物學(xué)的發(fā)展1.隨著遺傳密碼的破譯誕生了一門新的學(xué)科――基因工程。2.20世紀(jì)70年代，內(nèi)森、史密斯和阿爾伯發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶在分子遺傳中的作用，為基因工程奠定了基礎(chǔ)。3.1973年伯格成功地實(shí)現(xiàn)了DNA的體外重組，人類開始進(jìn)入按需要設(shè)計(jì)并改造物種，創(chuàng)造自然界原先不存在的新物種的基因工程時(shí)代。4.并由此而興起了以基因工程為主體的生物工程新學(xué)科。分子遺傳學(xué)和生物工程已成為當(dāng)今生物科學(xué)中最活躍最前沿的新領(lǐng)域。當(dāng)前63頁，總共99頁。系統(tǒng)論信息論控制論當(dāng)前64頁，總共99頁。一、系統(tǒng)論

亞里斯多德說過“整體大于部分之和”。但作為現(xiàn)代系統(tǒng)論的基本思想最初產(chǎn)生于本世紀(jì)20年代初由奧地利生物學(xué)家貝朗塔菲（L.Von.Bertalanffy）提出的，強(qiáng)調(diào)生命現(xiàn)象不能用機(jī)械論觀點(diǎn)，而只能把它看作一個(gè)整體或系統(tǒng)來加以考察。1948年，貝朗塔菲發(fā)表了《生命問題》該書標(biāo)志著系統(tǒng)論的正式誕生。1968年，他又發(fā)表了《一般系統(tǒng)理論——基礎(chǔ)發(fā)展與應(yīng)用》。成為系統(tǒng)論的代表著作。當(dāng)前65頁，總共99頁。機(jī)械論的錯(cuò)誤貝塔朗菲認(rèn)為機(jī)械論的觀點(diǎn)主要錯(cuò)誤是：1、簡單相加的觀點(diǎn)，即把有機(jī)體分解為各要素，并采用簡單地相加來說明有機(jī)體的屬性；2、機(jī)械觀點(diǎn)，即把生命現(xiàn)象簡單地比作機(jī)器；3、被動反映的觀點(diǎn)，即把有機(jī)體看作只有受到刺激時(shí)才能反映。當(dāng)前66頁，總共99頁。機(jī)械論的錯(cuò)誤貝塔朗菲認(rèn)為機(jī)械論的觀點(diǎn)主要錯(cuò)誤是：1、簡單相加的觀點(diǎn)，即把有機(jī)體分解為各要素，并采用簡單地相加來說明有機(jī)體的屬性；2、機(jī)械觀點(diǎn)，即把生命現(xiàn)象簡單地比作機(jī)器；3、被動反映的觀點(diǎn)，即把有機(jī)體看作只有受到刺激時(shí)才能反映。當(dāng)前67頁，總共99頁。1、系統(tǒng)的基本概念

系統(tǒng)——有相互作用的元素的綜合體。要素——系統(tǒng)中原子系統(tǒng)即基本組成部分。結(jié)構(gòu)——是系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系和相互作用的方式。它表現(xiàn)為各要素在時(shí)間和空間上的組合形式。功能——是系統(tǒng)在與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用過程中所具有的行為、能力和功效。是系統(tǒng)對外的表現(xiàn)。當(dāng)前68頁，總共99頁。2、系統(tǒng)基本特征系統(tǒng)論認(rèn)為，整體性、關(guān)聯(lián)性，等級結(jié)構(gòu)性、動態(tài)平衡性、時(shí)序性等是所有系統(tǒng)的共同的基本特征。系統(tǒng)論顯然把那些不具備這些屬性的集合體不看成系統(tǒng)。常常把一團(tuán)散沙和系統(tǒng)相對立。當(dāng)前69頁，總共99頁。整體性和相關(guān)性系統(tǒng)是由若干部分組成，各部分之間有機(jī)的聯(lián)系的復(fù)雜程度是系統(tǒng)的主要特征。構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)部分可以具有不同的功能，但系統(tǒng)的整體功能往往不是各部分功能的簡單組合。子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)越強(qiáng)，系統(tǒng)的整體功能功能就越顯示出與部分功能的組合不同。1+1=2;1+1<2;1+1>2當(dāng)前70頁，總共99頁。系統(tǒng)與要素關(guān)系⑴整體的性質(zhì)不一定是要素具備的。如H2O的性質(zhì)與H或O都不同。⑵要素的性質(zhì)影響整體。如一臺機(jī)器中，一個(gè)部件出錯(cuò)，機(jī)器就會不正常。⑶要素性質(zhì)之間相互影響。改變要素間的相互作用是改變系統(tǒng)性質(zhì)的方法之一。當(dāng)前71頁，總共99頁。例②拿破侖說數(shù)量小時(shí)較多數(shù)法國人不敵少數(shù)馬克留木人，數(shù)量大時(shí)較少法國人可以戰(zhàn)勝較多數(shù)馬克留木人。③人們常說"三個(gè)臭皮匠等于一個(gè)諸葛亮"。④上網(wǎng)游戲、吸毒、賭博等往往是哥兒們相互影響上隱的。⑤"三個(gè)和尚沒水吃"，其原因是他們的能量消耗在內(nèi)耗上。①鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就大于鋼筋、水泥、沙石的強(qiáng)度之和。當(dāng)前72頁，總共99頁。功能和目的性大多數(shù)系統(tǒng)的活動或行為可以完成一定的功能，但不一定所有系統(tǒng)都有目的，例如太陽系或某些生物系統(tǒng)。一個(gè)水桶具有儲水的功能，但它沒有思維，本身沒有目的。動物的行為有一定的目的性，但主要就是為了筧食存活。人類具有思想，行為的目的性明顯增強(qiáng)?？梢娸^為高級的系統(tǒng)才有目的性。人造系統(tǒng)或復(fù)合系統(tǒng)都是根據(jù)系統(tǒng)的目的來設(shè)定其功能的。當(dāng)前73頁，總共99頁。結(jié)構(gòu)與功能⑴要素不變時(shí)，結(jié)構(gòu)決定功能。如種類無數(shù)的有機(jī)物幾乎都主要是碳、氫、氧、氮組成。常常是組成結(jié)構(gòu)不同。又如電子元件不同的組合可以形成各種家電。（反過來，結(jié)構(gòu)相同，要素不同，功能不同）⑵結(jié)構(gòu)、要素都不同則可以有相同的功能。如人腦系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在部分功能上相似。利用這一原則，可以設(shè)計(jì)各種仿真系統(tǒng)。⑶同一結(jié)構(gòu)可能有多種功能。如一付中藥可能有多種療效。當(dāng)前74頁，總共99頁。環(huán)境適應(yīng)性一個(gè)系統(tǒng)和包圍該系統(tǒng)的環(huán)境之間通常都有物質(zhì)、能量和信息的交換，外界環(huán)境的變化會引起系統(tǒng)特性的改變，相應(yīng)地引起系統(tǒng)內(nèi)各部分相互關(guān)系和功能的變化。為了保特和恢復(fù)系統(tǒng)原有特性，系統(tǒng)必須具有對環(huán)境的適應(yīng)能力，例如反饋系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)等。不同的系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力是不同的，但也不是非常高級的系統(tǒng)才有適應(yīng)能力。當(dāng)前75頁，總共99頁。有序性、層次性和等級高級的復(fù)雜的系統(tǒng)不僅是有序的，而且往往具有復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)和很高的目的性。一般系統(tǒng)論的一個(gè)重要成果是把生物和生命現(xiàn)象的有序性和目的性同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性聯(lián)系起來。行政系統(tǒng)分為科、處、局、部、委…；軍事系統(tǒng)分為排、連、營、團(tuán)、師、軍…，表現(xiàn)出系統(tǒng)的層次性。根據(jù)系統(tǒng)層次的有序程度和目的性程度可以劃分不同的等級。一般來說，結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜有序，目的性很強(qiáng)，則系統(tǒng)等級就高。比如說人比動物等級高級，就在于人因獲取信息處理信息的能力比動物強(qiáng)了多，則人的目的性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比動物強(qiáng)。當(dāng)前76頁，總共99頁。系統(tǒng)劃分按組成要素的性質(zhì)（按人類干預(yù)的情況）分：自然系統(tǒng)——原始的系統(tǒng)都是自然系統(tǒng)，如天體、海洋、生態(tài)系統(tǒng)等。又如呼喚系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等。人造系統(tǒng)——如人造衛(wèi)星、海運(yùn)船只、機(jī)械設(shè)備等。又如：交通系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、教育系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、文藝系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等等。復(fù)合系統(tǒng)——既包含人造系統(tǒng)又包含自然系統(tǒng)。系統(tǒng)工程所研究的對象大多復(fù)合系統(tǒng)。當(dāng)前77頁，總共99頁。按系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系分：開放系統(tǒng)：物質(zhì)、能量和信息都有交換。有活力有生命的系統(tǒng)如：商業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)或生態(tài)系統(tǒng)，都是開放系統(tǒng)。只有開放系統(tǒng)才有可能在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，開放系統(tǒng)通過系統(tǒng)中要素與環(huán)境的交互作用以及系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)。但并不是說開放系統(tǒng)都是進(jìn)化的。封閉系統(tǒng)：沒有物質(zhì)的交換，但有能量和信息的交換。如密閉罐中的物體。孤立系統(tǒng)：則沒有任何交換。理論和實(shí)踐證明它是退化系統(tǒng)。當(dāng)前78頁，總共99頁。按系統(tǒng)的規(guī)模分：小型系統(tǒng)、中型系統(tǒng)、大型系統(tǒng)和巨型系統(tǒng)。按學(xué)科領(lǐng)域分：自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和思維系統(tǒng)。按狀態(tài)劃分：有靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。還有平衡系統(tǒng)、非平衡系統(tǒng)、近平衡系統(tǒng)、遠(yuǎn)平衡系統(tǒng)等等。還有：實(shí)體系統(tǒng)和抽象(概念)系統(tǒng)；宏觀系統(tǒng)、微觀系統(tǒng)。當(dāng)前79頁，總共99頁。3、系統(tǒng)方法系統(tǒng)論思想觀點(diǎn)，也是系統(tǒng)方法的基本原則，具有科學(xué)方法論的含義，這正是系統(tǒng)論這門科學(xué)的特點(diǎn)。貝塔朗菲對此曾作過說明，英語SystemApproach直譯為系統(tǒng)方法，也可譯成系統(tǒng)論，因?yàn)樗瓤纱砀拍?、觀點(diǎn)、模型，又可表示數(shù)學(xué)方法。系統(tǒng)方法應(yīng)用于工程產(chǎn)生了系統(tǒng)工程。當(dāng)前80頁，總共99頁。系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程——是從整體出發(fā)合理開發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的工程技術(shù)。根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，綜合應(yīng)用自然科學(xué)和社會科學(xué)中有關(guān)的思想、理論和方法，利用電子計(jì)算機(jī)作為工具，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、要素、信息和反饋等進(jìn)行分析，以達(dá)到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。

1957年古德和邁克爾出版了《系統(tǒng)工程學(xué)》標(biāo)志了它的誕生。當(dāng)前81頁，總共99頁。霍爾

三維結(jié)構(gòu)邏輯維步驟問題形成時(shí)間維知識維目標(biāo)選擇系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析最優(yōu)化決策實(shí)施計(jì)劃規(guī)劃

計(jì)劃

研制

生產(chǎn)

安裝

更新

運(yùn)行

社會科學(xué)法律工程管理醫(yī)學(xué)環(huán)境教育當(dāng)前82頁，總共99頁。都江堰

2200年前，中國古代的都江堰是運(yùn)用系統(tǒng)工程的成功的范例。它主要由三項(xiàng)主體工程：“魚嘴”岷江分水工程、“飛沙堰”分洪排沙工程、“寶瓶口”工程以及120個(gè)附屬工程巧妙合成。其中每一部分都是不可缺的。都江堰水利工程在四川都江堰市城西當(dāng)前83頁，總共99頁。地圖當(dāng)前84頁，總共99頁。照片弧灌溉排洪“魚嘴”分水提把岷江水一分為二“飛沙堰”溢洪道“寶瓶口”引水口當(dāng)前85頁，總共99頁。最優(yōu)化問題運(yùn)用系統(tǒng)論討論問題往往是為最好的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。方法是通過改變要素和結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)功能最佳。如田忌賽馬的故事；戰(zhàn)爭時(shí)的布陣；材料的人工設(shè)計(jì)等。運(yùn)籌學(xué)、決策論主要就是討論優(yōu)化問題。

1950年美國的莫爾斯和基博爾出版《運(yùn)籌學(xué)方法》，標(biāo)志著運(yùn)籌學(xué)的誕生。當(dāng)前86頁，總共99頁。二、控制論控制論是自動控制、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、行為科學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)相互滲透形成的一門橫斷性學(xué)科。1948年美國數(shù)學(xué)家維納出版了《控制論》一書，標(biāo)志