自然辯證法,自然界的演化發(fā)展

自然界的演化發(fā)展谷曉蕓guxiaoyun_2006@163.com1自然界的演化過程自然界不僅是存在著，而且是生成著并消逝著。自然界是由一系列轉(zhuǎn)化過程構(gòu)成的“過程的集合體”，一切事物都有其產(chǎn)生發(fā)展滅亡的過程。這里以下面幾個(gè)為例來說明一、宇宙的起源與演化二、恒星的起源與演化三、生命的起源與進(jìn)化四、人類的產(chǎn)生與發(fā)展2一、宇宙的起源與演化現(xiàn)代宇宙學(xué)是以廣義相對論為基礎(chǔ)的理論，以哈勃定律為觀測依據(jù)，并在宇宙學(xué)原理的假設(shè)下，研究宇宙整體的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和演化規(guī)律的一門學(xué)科?，F(xiàn)代宇宙學(xué)關(guān)于宇宙的模型較多，如愛因斯坦靜態(tài)有限無邊宇宙模型弗里德曼膨脹宇宙模型恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型為大多數(shù)科學(xué)家所接受，通常稱為“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”。這里著重講這個(gè)模型3愛因斯坦靜態(tài)有限無邊的宇宙模型（1917）這是歷史上第一個(gè)關(guān)于宇宙運(yùn)動(dòng)自洽而統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)模型。由于當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)河外星系普遍退行現(xiàn)象，愛因斯坦相信宇宙在大尺度上的特征是不應(yīng)該隨時(shí)間而變化的。1929年哈勃紅移發(fā)現(xiàn)后，這個(gè)模型被拋棄。但這個(gè)模型開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究。4弗里德曼膨脹宇宙模型（1922）弗里德曼在解愛因斯坦引力場方程時(shí)，得到一個(gè)均勻、各向同性的宇宙動(dòng)態(tài)時(shí)空度規(guī)。由此得到宇宙空間隨時(shí)間膨脹的觀念，哈勃紅移發(fā)現(xiàn)后，這個(gè)模型受到重視。奇點(diǎn)是演化態(tài)宇宙學(xué)的難題。注：哈勃定律：

V0=cZ=H0D

其中V0是星系退行速度，c是光速，Z是譜線的移量，D是星系離我們的距離，H0是哈勃常數(shù)。

H0=15（千米/秒）/百萬光年5恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型1948年英國天文學(xué)家H·邦迪、霍伊爾、戈?duì)柕鹿餐岢?。這個(gè)模型認(rèn)為宇宙是不斷膨脹的，其密度保持不變，好處在于不存在奇點(diǎn)問題，但困難在于如何說明物質(zhì)從虛空中產(chǎn)生。這個(gè)模型已經(jīng)證明是錯(cuò)誤的。6勒梅特的大爆炸假說1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特發(fā)表大爆炸(BigBang)理論，認(rèn)為宇宙在此之前是零體積，就是說宇宙內(nèi)任何兩點(diǎn)之間是零距離，物質(zhì)密度是無限大，宇宙在此之前沒有“從前”。突然間，這個(gè)零體積的原始原子發(fā)生爆炸(點(diǎn)無大小)，不僅物質(zhì)出現(xiàn)，時(shí)間－空間的結(jié)構(gòu)也存在了。勒梅特的假說是大爆炸理論的開始。7伽莫夫的大爆炸假說1948年，美國物理學(xué)家伽莫夫等人受奧本海默的核爆炸研究工作的啟發(fā)，把核物理知識與宇宙膨脹理論結(jié)合起來，提出宇宙起源于一個(gè)溫度極高（約150億度）、密度極大、由中子組成的"原始火球"的假說，這個(gè)假說發(fā)展了勒梅特的大爆炸理論，并說明了化學(xué)元素的起源。伽莫夫8伽莫夫的大爆炸假說伽莫夫認(rèn)為：“原始火球”充滿了輻射和基本粒子，后來由于球內(nèi)的基本粒子的相互作用發(fā)生核聚變反應(yīng)，引起了爆炸，并向外膨脹；后來輻射溫度和物質(zhì)密度急速下降，熱核反應(yīng)停止，其間產(chǎn)生了各種元素，這些元素的演變便形成了今天宇宙中的各種物質(zhì)。9根據(jù)大爆炸宇宙論，宇宙的演化經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1）、基本粒子形成階段2）、輻射或核合成階段3）、實(shí)物階段從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：大爆炸宇宙論（big-bangcosmology）：10大爆炸開始時(shí)150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。大爆炸后10-43秒宇宙從量子背景出現(xiàn)。大爆炸后10-35秒同一場分解為強(qiáng)力、電力、弱力和引力。大爆炸后10-5秒10萬億度（1013K），質(zhì)子和中子形成。大爆炸后0.01秒1000億度（1011K），光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。大爆炸后0.1秒后300億度（3×1010K），中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。11大爆炸后1秒后100億度（1010

K），中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。大爆炸后13.8秒后30億度（3×109

K），氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。大爆炸后35分鐘后3億度（3×108K），核過程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30萬年后3000度（3×103

K），化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。12大爆炸理論中宇宙的演化歷程13大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個(gè)觀測事實(shí)：1）河外星系的譜線紅移。觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。2）3K宇宙微波背景輻射。（彭齊斯、威爾遜）

3）氦的豐度。在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說明這一事實(shí)。4）天體的年齡。大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時(shí)間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點(diǎn)。14二、恒星的起源與演化根據(jù)彌漫說的理論（星云說），恒星的起源與演化可劃分為引力收縮、主序星、紅巨星、高密恒星等幾個(gè)階段。1、引力收縮階段（原恒星）星云物質(zhì)在演化過程中，由于自身的引力而收縮。在收縮過程中內(nèi)部溫度升高，當(dāng)云團(tuán)中心溫度達(dá)到2000K時(shí)，中心形成內(nèi)核，來自恒星內(nèi)部的輻射壓將周圍物質(zhì)驅(qū)散，恒星逐漸露出，恒星“嬰兒”——“紅外星”就誕生了。152、主序星階段當(dāng)恒星中心溫度達(dá)到700萬度以上時(shí)，開始核聚變反應(yīng)，氫聚變?yōu)楹?，恒星停止收縮，形成了正常的恒星，進(jìn)入了主序星階段。主序星階段占恒星一生壽命的90%，是恒星最穩(wěn)定的階段。質(zhì)量不同的恒星，主序星階段長短不同。質(zhì)量越大壽命越短。太陽約為100億年。3、紅巨星階段隨著核聚變的進(jìn)行，恒星中心的氦核越來越多，氦核周圍的氫越來越少，當(dāng)氦核質(zhì)量占到恒星質(zhì)量的12%時(shí)，反應(yīng)便逐漸從中心區(qū)向外停止，從而輻射壓力減少，恒星再次出現(xiàn)“引力坍縮”，釋放出巨大的引力勢能，使中心溫度升高至上億度，引起三個(gè)氦核聚變?yōu)橐粋€(gè)碳核的新的核反應(yīng)。恒星外層膨脹，體積急劇增大，表面溫度降低，內(nèi)部的引力和斥力又達(dá)到平衡。恒星脫離主序星階段，進(jìn)入了老年期——紅巨星。太陽將在這階段停留約10億年。164、高密恒星階段質(zhì)量小于1.44太陽質(zhì)量的恒星則比較平穩(wěn)地拋出物質(zhì)，形成行星狀星云，中央殘核留有一顆致密天體——白矮星。質(zhì)量1.44<m<3.2太陽質(zhì)量的恒星就可能演化為中子星；更大質(zhì)量的恒星后期要發(fā)生塌縮或大爆發(fā)，中心成為黑洞。171819三、生命的起源與進(jìn)化1、生命的起源生命的起源是通過化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的。目前認(rèn)為生命的化學(xué)演化過程大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：（1）、從無機(jī)分子到有機(jī)小分子地球的原始大氣中含有氨(NH3)、甲烷(CH4)、氰化氫(HCN)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、水(H2O)等成分，但沒有游離的氧氣。在宇宙射線、太陽紫外線、閃電、高溫等的作用下而自然合成了一系列的小分子有機(jī)化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、單糖、脂肪酸等。201953年，米勒用水（H2O）、

甲烷（CH4）、氨氣（NH3）

和氫氣（H2）但是不包括氧氣（O2）共同混合，他假定該混合物的成分類似于原始大氣，然后一起灌入到一個(gè)特殊的玻璃裝置中，給瓶內(nèi)混合物加熱，使之不斷沸騰，產(chǎn)生氣體。氣體經(jīng)過一個(gè)裝有兩個(gè)電極的小室，室內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生火花，猶如大自然的閃電和火山爆發(fā)，然后經(jīng)過冷卻又變成液體回到原處。經(jīng)過一個(gè)星期后，米勒使用紙?zhí)咨孀C明了瓶中現(xiàn)在含有幾個(gè)氨基酸和一些其它有機(jī)物。21（2）、從有機(jī)小分子到生物大分子當(dāng)氨基酸、核苷酸、單糖、脂肪酸等有機(jī)小分子物質(zhì)形成之后，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它們可以進(jìn)一步形成復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)。例如蛋白質(zhì)、核酸、多糖、類脂等大分子物質(zhì)。其中蛋白質(zhì)和核酸的形成對于生命現(xiàn)象具有非常重要的作用。對于它們的形成主要有兩種觀點(diǎn)。

①、陸相起源。他們認(rèn)為聚合反應(yīng)是發(fā)生在火山的局部高溫地區(qū)，聚合生成的生物大分子經(jīng)雨水沖刷匯集到海洋，并在一定的條件作用下，繼續(xù)發(fā)展成為復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)。（如?？怂梗?/p>

②、海相起源。認(rèn)為在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸等小分子有機(jī)物可以被吸附于粘土一類的物質(zhì)的活性表面，而在適當(dāng)縮合劑（如羥胺類化合物）存在時(shí)，可以發(fā)生聚合反應(yīng)。（如奧巴林）22（3）、從生物大分子到原始生命體系的誕生生物大分子并不能獨(dú)立表現(xiàn)生命現(xiàn)象，只有形成了眾多的、乃至成百萬的以蛋白質(zhì)、核酸為基礎(chǔ)的多分子體系時(shí)，才能表現(xiàn)生命萌芽。而生物大分子在溶液中自動(dòng)聚集，從而形成各種獨(dú)立的多分子體系，出現(xiàn)團(tuán)聚體或微球體。由于多分子體系可以起到有機(jī)表面的催化作用，而反過來作用于各類單體的聚合，促使產(chǎn)生更高級的蛋白質(zhì)和核酸，然后通過有序性逐漸提高的長期過程，其結(jié)構(gòu)、機(jī)能便愈益復(fù)雜和完善，由此產(chǎn)生出原始生命。這種原始生命是如何形成的，大致有兩種理論：一是奧巴林的團(tuán)聚體假說；另一種是福克斯的微球體假說。232、生命的進(jìn)化（1）、從非細(xì)胞形態(tài)到細(xì)胞形態(tài)的進(jìn)化①、由原始生命到原始細(xì)胞②、由原始細(xì)胞到原核細(xì)胞③、由原核細(xì)胞到真核細(xì)胞24（2）、從低等生物到高等生物的進(jìn)化真核細(xì)胞產(chǎn)生后，生物界分化為兩大支，出現(xiàn)了原始的單細(xì)胞植物和動(dòng)物。①、植物界的進(jìn)化菌藻植物苔蘚植物和蕨類植物裸子植物被子植物(藍(lán)藻是地球上最古老的綠色植物)25②、動(dòng)物界的進(jìn)化1）、從單細(xì)胞到多細(xì)胞2）、從二胚層到三胚層3）、從無脊椎到有脊椎4）、從水生到陸生無脊椎動(dòng)物脊椎動(dòng)物哺乳動(dòng)物靈長類動(dòng)物猿猴類動(dòng)物人類動(dòng)物進(jìn)化一覽表鳥類起源于恐龍2627四、人類的產(chǎn)生與發(fā)展1、人類的起源人類起源于動(dòng)物界。大約在2300萬年至1800萬年前。在熱帶雨林地區(qū)和廣闊的草原上，有一種古代靈長類動(dòng)物──森林古猿活躍在那里，它們是人類最早的祖先。而后來的臘瑪古猿和南方古猿是演化到人類的過渡階段。28臘瑪古猿：

臘瑪古猿大約生活在1400萬—800萬年前，身高僅1米多一點(diǎn)，體重在15—20公斤左右。

臘瑪古猿的地位：

現(xiàn)代人類

現(xiàn)代猿類

南方古猿

臘瑪古猿

森林古猿

29南方古猿：南方古猿大約生活在距今500萬—100萬年以前。我們?nèi)祟惥褪怯赡戏焦旁车囊恢а莼鴣淼?。大約200萬—300萬年前，南方古猿的一支脫離了古猿類，朝著人類的方向演化。南方古猿的地位：關(guān)于南方古猿在人科進(jìn)化中扮演的角色,有三種不同的觀點(diǎn)，如下圖所示：302、人類的發(fā)展可以把史前人類的發(fā)展粗略地分為四個(gè)階段：（1）、能人階段約在200萬年前出現(xiàn)在非洲，身高大約150公分左右，以樹上的漿果為食，也會(huì)找尋獸尸或捕獵一些小動(dòng)物。（2）、直立人階段約200萬年（或150萬年）開始到40萬年期間，其身高、體型和現(xiàn)代人差不多。已經(jīng)開始技術(shù)性狩獵，并已經(jīng)知道用火。東非猿人31北京人32（3）、早期智人（古人）階段大約20萬一5萬年前。特征是腦量進(jìn)一步增大，已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)代人的水平，腦結(jié)構(gòu)比猿人復(fù)雜得多，其打制的石器也比猿人規(guī)整，有石球和各種尖狀的石器，能人工生火，開始有埋葬的習(xí)俗，已經(jīng)開始穿所謂的衣服，不再是赤身裸體。尼人的葬禮尼安德特人33大荔人（陜西）馬壩人（廣東）34（4）、晚期智人（新人）階段大約開始于5萬年以前，新人在體態(tài)上與現(xiàn)代人幾乎沒有什么區(qū)別，其打制的石器相當(dāng)精致，器形多樣，各種石器在使用上已有分工，并且出現(xiàn)了骨器和角器。新人甚至已會(huì)制造裝飾品，進(jìn)行繪畫、雕刻等藝術(shù)活動(dòng)。此后，人類便進(jìn)入了現(xiàn)代人的發(fā)展階段?？肆_馬農(nóng)人35山頂洞人柳江人（廣西）資陽人（四川）36人種的差異:多數(shù)人類學(xué)家現(xiàn)在將全世界人類分作蒙古人種（黃色人種）、歐羅巴人種(白色人種)和尼格魯人種(又稱尼格羅-澳大利亞人種、赤道人種，即黑色人種）三大人種。也有人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)分為黃色人種、白色人種、黑色人種、棕色人種（從黑色人種中劃分出來）四大人種。37自然界演化的方向

自然界任何物質(zhì)系統(tǒng)都要經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展、衰落、滅亡的歷史過程。所有這些演化均可以歸為兩大類：進(jìn)化與退化。一般認(rèn)為：進(jìn)化對物質(zhì)世界更具有積極意義，而人類最早精確認(rèn)識并深入研究的演化現(xiàn)象卻是退化。38進(jìn)化與退化退化:是指物質(zhì)系統(tǒng)由有序向無序、由高序向低序的演化過程和趨勢。退化的理論根據(jù)就是熱力學(xué)第二定律。這一定律指出，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，任何物理過程或化學(xué)過程總是導(dǎo)致熵的增加，系統(tǒng)最終達(dá)到一個(gè)具有極大熵值的平衡態(tài)，而且這種熵增過程是一個(gè)不可逆的自發(fā)過程?？梢?，退化過程就是熵增過程?？藙谛匏沟臒峒耪f。39進(jìn)化與退化進(jìn)化:進(jìn)化是指物質(zhì)系統(tǒng)由無序到有序、由低序到高序的演化過程和趨勢。進(jìn)化的根據(jù)則是生物進(jìn)化論與自組織理論。根據(jù)自組織理論，一個(gè)系統(tǒng)具備以下條件就會(huì)進(jìn)入有序狀態(tài)。必須是一個(gè)開放系統(tǒng)；必須處于遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)；各要素之間存在著非線性的相互作用；漲落和突變是產(chǎn)生有序狀態(tài)的條件。40進(jìn)化與退化的關(guān)系進(jìn)化和退化是自然界中廣為存在的兩種趨勢和過程。當(dāng)代科學(xué)研究表明，進(jìn)化與退化是不可分割、辯證統(tǒng)一的。進(jìn)化與退化相互包含；進(jìn)化與退化互為條件；通過引進(jìn)負(fù)熵和正反饋循環(huán)進(jìn)化與退化依據(jù)一定條件以互相轉(zhuǎn)化。41有序與無序的熵增原理指出世界無序增加的一面；自組織理論指出，物質(zhì)系統(tǒng)除了熵增的一面，同樣也存在熵減的一面。既存在著無序增加的退化，同時(shí)也存在著有序增加的進(jìn)化。地球作為一個(gè)開放系統(tǒng)，與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，本身也有一定的自凈能力。特別是地球是人類活動(dòng)的場所，人類可以根據(jù)自己的生存需要有目的地利用和改造自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自然、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，即使按照熵增原理，地球也不會(huì)越來越走向無序。42自然界演化的規(guī)律性矛盾是自然界運(yùn)動(dòng)與演化的根本動(dòng)力吸引和排斥的矛盾是非生命世界運(yùn)動(dòng)發(fā)展的動(dòng)力；生物和環(huán)境的相互作用是生物進(jìn)化的動(dòng)力。漸變與突變是自然界演化發(fā)展的基本方式自然界運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的守恒性各種運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)化；量上的守恒；質(zhì)上的守恒。自然界演化的周期性43結(jié)語有關(guān)研究終將揭示彌散的物質(zhì)和能量重新聚集起來的途徑，從而從根本上揭示自然界的演化不但存在周期性，而且存在無限循環(huán)的可能。如恩格斯指出，當(dāng)自然科學(xué)的發(fā)展水平難以解決這個(gè)問題的時(shí)候，必須借助哲學(xué)思維的幫助才能使自己的自然觀成為一個(gè)和諧的整體。如果我們從質(zhì)的不滅性方面來理解物質(zhì)不滅原理和運(yùn)動(dòng)不滅原理，自然界的演化圖景就只能是周期性的無限循環(huán)發(fā)展。441028K10-35s1012K10-6s1011K10-2s1s108K3分鐘以后3×103K100萬年10億年100億年101億年120億年138億年140億年109K4s以后

爆漲

強(qiáng)子時(shí)代

輕子時(shí)代中子14％質(zhì)子86％遺留大量的中子和質(zhì)子核合成退耦代星系、恒星開始形成銀河系、太陽系形成始生代原生代中生代智人基本粒子形成階段核合成階段

實(shí)物階段溫度∞時(shí)間01032K10-43s

奇點(diǎn)真空場●45宇宙的未來：宇宙臨界密度的估計(jì)值是：ρc

=4.7×10-27㎏/m3若ρ＞ρc；震蕩式或脈動(dòng)式宇宙。若ρ≤ρc；開放式宇宙…46宇宙和天體的起源和演化多普勒效應(yīng)：光源遠(yuǎn)離我們時(shí)，光譜線會(huì)紅移（波長變長，頻率變小，能量變小），反之紫移（波長變短，頻率變大，能量變大）。這一效應(yīng)在天文學(xué)上應(yīng)用很廣泛，是測量天體運(yùn)動(dòng)速度的手段。47宇宙和天體的起源和演化宇宙膨脹1929年，美國天文學(xué)家，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。48宇宙和天體的起源和演化哈勃常數(shù)哈勃通過測量星云的光譜紅移計(jì)算它們的速率，并于２０年代末提出了著名的哈勃常數(shù)。哈勃常數(shù)的速率就是星系的速度同距離的比值；星云與地球的距離越遠(yuǎn)，其遠(yuǎn)離速度越高。隨著對宇宙的探測范圍越來越廣，哈勃獲得了一項(xiàng)更大的發(fā)現(xiàn)：所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去。宇宙在日益膨脹，似乎是在曾經(jīng)是高度集中的基礎(chǔ)上彼此分離而去（膨脹理論）。49宇宙和天體的起源和演化愛因斯坦的遺憾當(dāng)時(shí)天文學(xué)家普遍認(rèn)為宇宙是靜止的。因此，當(dāng)愛因斯坦提出廣義相對論假設(shè)的時(shí)候，為了回避爭論，他在自己的理論中加進(jìn)了宇宙靜止論，盡管其理論本身也表明宇宙必須是日益膨脹或收縮的。1931年，愛因斯坦在威爾遜山天文臺參觀的時(shí)候緊緊握住哈勃的手，承認(rèn)他犯了一生中最大的錯(cuò)誤。50宇宙和天體的起源和演化哈勃的遺憾哈勃在天文學(xué)研究方面取得的巨大成就，使他獲許多榮譽(yù)，甚至連羅馬教皇庇護(hù)12世也對他的成就給予高度評價(jià)。哈勃渴望能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，終因該獎(jiǎng)未設(shè)天文學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)而未能如愿。在他1953年逝世的時(shí)候，諾貝爾評獎(jiǎng)委員會(huì)正考慮授予他諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們在他逝世以后授予他多種榮譽(yù)，其中包括1990年發(fā)射的以他的名字命名的哈勃大空天文望遠(yuǎn)鏡。51“哈勃”

太空望遠(yuǎn)鏡

哈勃望遠(yuǎn)鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠(yuǎn)鏡。它上面的廣角行星相機(jī)可拍攝到幾十到上百個(gè)恒星照片，其清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，其觀測能力等于從華盛頓看到1.6萬千米外悉尼的一只螢火蟲。哈勃望遠(yuǎn)鏡長13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價(jià)近30億美元，于1990年4月25日由美國航天飛機(jī)送上高590千米的太空軌道。

52伽莫夫的大爆炸假說宇宙微波背景輻射預(yù)言

1948年科學(xué)家伽莫夫在一篇和拉夫·阿爾法合作的論文中作出驚人的預(yù)言，宇宙形成早期階段的輻射迄今還應(yīng)該留在周圍。就是說，我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，其溫度約為6K。正如一個(gè)火爐雖然不再有火了，還可以冒一點(diǎn)熱氣。53伽莫夫的大爆炸假說宇宙微波背景輻射證實(shí)1964年，美國貝爾電話公司的工程師彭齊亞斯和威爾遜，在調(diào)試他們那巨大的喇叭形天線時(shí)，出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲，各個(gè)方向上信號的強(qiáng)度都一樣，而且歷時(shí)數(shù)月而無邊化。難道是儀器本生有毛病嗎？或者是棲息在天線上的鴿子引起的？他們把天線拆開重新組裝，依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲不是來自人造衛(wèi)星，也不可能來自太陽、銀河系或某個(gè)河外星系射電源，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)天線時(shí)，噪聲強(qiáng)度始終不變。后來，經(jīng)過進(jìn)一步測量和計(jì)算。得出輻射溫度是2.7K，一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。54伽莫夫的大爆炸假說3K宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)的意義因?yàn)榕睚R亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預(yù)言的溫度如此接近，正是對宇宙大爆炸論的一個(gè)非常有力的支持！這是繼1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系譜線紅移后的又一個(gè)重大的天文發(fā)現(xiàn)。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為觀測宇宙開辟了一個(gè)新領(lǐng)域，也為各種宇宙模型提供了一個(gè)新的觀測約束，它因此被列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一。彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典科學(xué)院在頒獎(jiǎng)決定中指出：這一發(fā)現(xiàn)，使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時(shí)期所發(fā)生的宇宙過程的信息。55恒星的起源與演化：原始星云→原恒星→恒星引力收縮約1萬度，開始發(fā)光。8×105K，氫燃燒生成氦。8×106K，穩(wěn)定。主序星穩(wěn)定階段，氫燃燒生成氦。紅巨星較重的元素形成。高密恒星白矮星（M＜1.44M⊙）

彌漫狀星云超新星爆炸中子星（1.44M⊙＜M＜3.2M⊙）

黑洞（M＞3.2M⊙）

中子星和白矮星→紅矮星→黑矮星…56

肽鍵氨基酸蛋白質(zhì)的形成：57…DNA的結(jié)構(gòu)：A：腺嘌呤；G：鳥嘌呤；C：胞嘧啶；T：胸腺嘧啶58熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律能量不能無中生有，也不能無形消失，自然界中能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，總能量不變。違背熱力學(xué)第一定律的過程都不可能發(fā)生，第一類永動(dòng)機(jī)是不能造成的。高溫物體低溫物體Q不會(huì)自動(dòng)發(fā)生高溫物體低溫物體Q會(huì)自動(dòng)發(fā)生59熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律能量不能無中生有，也不能無形消失，自然界中能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，總能量不變。違背熱力學(xué)第一定律的過程都不可能發(fā)生，第一類永動(dòng)機(jī)是不能造成的。氣體自由膨脹會(huì)自動(dòng)發(fā)生氣體自動(dòng)收縮不會(huì)自動(dòng)發(fā)生60熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律能量不能無中生有，也不能無形消失，自然界中能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，總能量不變。違背熱力學(xué)第一定律的過程都不可能發(fā)生，第一類永動(dòng)機(jī)是不能造成的。功轉(zhuǎn)變成熱量會(huì)自動(dòng)發(fā)生熱量自行轉(zhuǎn)變成功不會(huì)自動(dòng)發(fā)生61第一類永動(dòng)機(jī)魔輪:右側(cè)重垂在重力作用下遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)軸，力矩隨之增大，驅(qū)動(dòng)魔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于左側(cè)重垂數(shù)量更多，平衡了系統(tǒng)力矩，永動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)20年代德國的一張明信片，拿愛因斯坦開玩笑。62可逆與不可逆過程可逆過程

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達(dá)末態(tài)后，如果還存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（即系統(tǒng)回到初態(tài)，又同時(shí)消除了原過程對外界引起的一切影響），則原過程稱為可逆過程?？赡孢^程是一種理想過程。不可逆過程一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達(dá)末態(tài)后，如果不存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原過程稱為不可逆過程。自然界的一切過程都是不可逆的。63熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律不可能將熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化，即熱量不會(huì)自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體。第二類永動(dòng)機(jī)也是不可造成的。64第二類永動(dòng)機(jī)A1T高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?T假想的自動(dòng)傳熱裝置卡諾熱機(jī)Q12Q2Q等價(jià)于1T高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?TQ12QQ1AQ165熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義以氣體的自由膨脹為例孤立容器用隔板分成AB兩格，A中四個(gè)理想氣體分子，即N=4，微觀上可分，宏觀上不可分。B中真空。取消隔板，氣體自由膨脹，每一個(gè)分子有兩種可能的等概率微觀分布狀態(tài)（在A或B），即：n=2四個(gè)可區(qū)分的分子出現(xiàn)在A、B兩半的可能分布方式，即系統(tǒng)的微觀分布狀態(tài)總數(shù)目是各分子微觀態(tài)數(shù)目的乘積：即：nN=16具體分析如下表：隔板AB66分子位置的分布分子數(shù)的分布（微觀態(tài)）（宏觀態(tài)）微觀態(tài)數(shù)目一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的宏觀態(tài)出現(xiàn)概率ABAB614411/164/164/161/166/16共16

種微觀態(tài)5種宏觀態(tài)67熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義由上分析可知，四個(gè)分子全部集中到A或B的概率最小。那么我們可以分如果有1mol分子，那么全部集中于A或B的概率是多少。概率這樣小的事件在宇宙中是事會(huì)出現(xiàn)。68熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熱力學(xué)概率一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目稱為該宏觀態(tài)的熱力學(xué)概率Ω。某宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率為：

P=Ω/nN氣體自由膨脹的不可逆性，從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋就是一個(gè)不受外界影響的理想氣體系統(tǒng)，其內(nèi)部所發(fā)生的過程總是向著P大或是Ω大的方向進(jìn)行69熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義一切孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程，總是由概率小（包含微觀態(tài)數(shù)目少）的宏觀態(tài)向概率大（包含微觀態(tài)數(shù)目多）的宏觀態(tài)方向進(jìn)行的。70熵熵的微觀表達(dá)式玻耳茲曼公式S=kln

表示系統(tǒng)處于某一宏觀態(tài)的熱力學(xué)概率

S是系統(tǒng)處于該宏觀態(tài)時(shí)的熵

k玻耳茲曼常量玻耳茲曼熵公式可以求出系統(tǒng)任一宏觀態(tài)（不管是否是平衡態(tài)）的熵；71熵熵的宏觀表達(dá)式克勞修斯熵公式熵變計(jì)算：關(guān)于熵值ds≥0不可逆過程取“>”可逆過程取“=”克勞修斯熵公式只對系統(tǒng)的平衡態(tài)才有意義；克勞修斯熵是玻耳茲曼熵的最大值。rsdsTABQdsdQdTsd072墑增原理熵是反映一個(gè)系統(tǒng)宏觀態(tài)所具有的微觀態(tài)數(shù)目，它與熱力學(xué)幾率的對數(shù)成正比，由于熱力學(xué)幾率愈大表示系統(tǒng)處于愈混亂的狀態(tài)，所以熵是系統(tǒng)無序的量度。孤立系統(tǒng)與外界無物質(zhì)和能量交換，因而，系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)經(jīng)一絕熱過程到達(dá)另一平衡態(tài)，它的熵永不減少。如果過程是可逆的，則熵的數(shù)值不變；如果過程是不可逆的，則熵的數(shù)值增加。73宇宙熱寂說1867年，克勞修斯《關(guān)于熱力學(xué)第二定律》一文把熵增原理推廣到整個(gè)宇宙，指出整個(gè)宇宙中的熱運(yùn)動(dòng)，必然遵循熵增原理，宇宙中的熵總是只增不減，隨著時(shí)間的推移，總有一天會(huì)達(dá)到最大值，到那時(shí)，宇宙中的一切變化都不會(huì)發(fā)生，就會(huì)進(jìn)入一個(gè)死寂的永恒狀態(tài)。此即所謂的宇宙熱寂說。74熵的哲學(xué)理解熵的增加是能量退化的量度退化的能量是與熵成正比的；熱源溫度愈高它所輸出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臐摿陀?，即較高溫度的熱能有較高的品質(zhì)。當(dāng)熱量從高溫?zé)嵩床豢赡娴膫鞯降蜏責(zé)嵩磿r(shí)，盡管能量在數(shù)量上守恒，但能量品質(zhì)降低。一切不可逆過程實(shí)際上都是能量品質(zhì)降低的過程，熱力學(xué)第二定律提供了估計(jì)能量品質(zhì)的方法。自然界的實(shí)際過程都是不可逆過程，即熵增加的過程，大量能源的使用加速了這一過程。而熵的增加導(dǎo)致了世界混亂度的增加。每利用一份能量，就會(huì)得到一定的懲罰——把一部分本來可以利用的能量變?yōu)橥嘶哪芰?；可以證明：退化的能量實(shí)際上就是環(huán)境污染的代名詞。節(jié)約能源就是保護(hù)環(huán)境。而保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)人類的生存條件，非同小可。75熵的哲學(xué)理解熵是事物無序度的量度熵與微觀狀態(tài)的對數(shù)成正比的，微觀狀態(tài)數(shù)越大，混亂度就越大。相反熵減小則有序度增加。以一個(gè)N個(gè)分子的物質(zhì)系統(tǒng)為例：讓其冷卻，放出熱量，先是碰撞次數(shù)減少，引起混亂的平均速率減小。繼而變?yōu)橐后w時(shí)這時(shí)分子以振動(dòng)為主，平動(dòng)為輔，位置相對固定，有序度增加，溫度再降低時(shí)，分子在平衡位置附近振動(dòng)更加序。事實(shí)上平衡態(tài)是最無序。76熵與耗散結(jié)構(gòu)無機(jī)界、無生命的世界總是從有序向無序變化，但生命現(xiàn)象卻越來越有序，生物由低級向高級發(fā)展、進(jìn)化。以致出現(xiàn)人類這樣高度有序的生物。意大利科學(xué)家普里高津提出了耗散結(jié)構(gòu)理論，解釋了這個(gè)問題。原來生命是一開放系統(tǒng)。其熵變由兩部分組成，開放系統(tǒng)---與外界有物質(zhì)和能量的交換的系統(tǒng)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熵，總為正值。與外界交換的熵流，其值可正可負(fù)。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)不斷消耗能源與物質(zhì)，從熵流中獲取負(fù)熵，從而使系統(tǒng)在較高層次保持有序。薛定諤指出來的：“生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不斷地獲得負(fù)熵”。77自組織理論統(tǒng)科學(xué)理論包括“老三論”：信息論、系統(tǒng)論、控制論；“新三論”：耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論；自組織理論：20世紀(jì)70年代以后興起，研究自然物質(zhì)系統(tǒng)演化過程中普遍存在的無序狀態(tài)和有序狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的機(jī)制和條件問題。研究一個(gè)混亂無序的系統(tǒng)，在什么條件下，通過什么樣的方式，會(huì)形成有序狀態(tài)。