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一、现代自然科学的发展和重要成就

20世纪以来的自然科学发展历程中，出现了以对论、量子力学、基因理论和系统理论创立为主要内容的现代科学革命，从而使自然科学的认识领域突破了宏观世界，迅速向宏观、微观和中观世界进军。

（一）现代物理学

19世纪末物理学三大发现拉开了现代物理学的序幕。物理学研究领域也由宏观低速运动进入微戏高速运动领域。相对论和量子力学是这场物理学革命的两大硕果，构成了现代物理学的两大基础理论。1.三大发现

（1）X射线的发现。德国著名物理学家伦琴在实验中发现真空放电管放出的射线不仅能促使些物质发出荧光而且还具有很强的穿透力。这些性质都不是阴极射线所具有的。伦琴称这种性质末知的射线为X射线。1895年12月2日伦琴宣布了自己的这一发现。

（2）天然放射性的发现。法国物理学家贝克勒尔发现发射射线是铀原子本身的性质。这就是最早发现的放射性现象，成为人们发现的第一个放射性元素。

对放射性研究作出重大贡献的是波兰出生的物理学家居里夫人。居里夫人不仅发现了的放射性，1898年7月居里夫妇两人合作工作找到新放射性元素钋:1898年11月，他们又宜布发现了一种比强得多的新放射性元素镭。

（3）电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊对阴极射线作了定性和定量的研究，终于弄清了阴极发出的射线实际是带负电的粒子流，种金属作阴极都会发射出同样的粒子流，其荷质比是恒定值。汤姆逊把这种粒子称为电子。

2.原子核物理学

原子是由原子核和电子组成的，原子核含中子和质子，统称核子。原子核裂变产生巨大能量即原子能。

1919年，著名物理学家卢瑟福用a粒子做炮弹轰击原子核时首次发现了质子。1932年，英国的查德威克又在实验中发现了构成原子核的另一种基本粒子，即中子。质子和中子统称为核子。

意大利物理学家费米提出了原子核裂变的链式反应观点，即认为用铀核裂变时放出的新中子去击其他核使之发生连锁反应裂变时由于质量亏损会放出巨大能量。这就是原子弹和原子能反应堆的基本原理。1942年费米制成世界上第一个原子能反应堆后，原子能便从实验转向应用。现代原子能工业已得到迅速发展，为人类的能源开发创造了极其美好的前景。

3.粒子物理学

（1）三类基本粒子。迄今为止人们已认识到构成物质的最小组分:轻子（只参加弱相互作用、电磁互作用的费米子）夸克（感受强作用力的带电拉子）媒介子（传递相互作用的粒子）

（2）三种作用力。所有作用在物质上的力可归结为三种:引力一由引力子传递的最弱的力，但在宇宙大距离、大质量尺度上却是强有力的一种力；强力由胶子携带仅在原子核内夸克之间起作用的短程力，即将克胶结在一起的色力，使原子核保持为一个整体；统一的电弱力以电磁力和弱力两种表现形式出现的同一基本力，经受了实验检验的电弱统一理论描述的一种力。

4.量子力学

量子力学是描述微观世界结构、运动与变化律的物理科学，它的产生和发展，标志着人类对自然的认识实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。

1905年，爱因斯坦提出了光量子说，直接推动了量子力学的产生和发展。1924年，德布罗意提出，通常的粒子，如电子、质子、中子等粒子有波动性。随原子核物理学的发展，质子、中子、原子、分子的波动性都被证实波动性是物质粒子普遍具有的基本性质。1925年，海森学从可观测的原子光谱线的频率和强度出发，建立了量子力学的一种数学表达式一矩阵力学。1926年，奥地利科学家薛定提出了波函数的概念，给出描述物质波的运动方程，建立了量子力学的又一种数学形式波动力学。

将阵力学与活动力学统一起来，统称量子力学回强子是有内部结构的粒子。

强子内即更小的点状拉子为（）

A.电子

B.中子

C.质子

D.夸克

【答案】D。在20世纪60年代早期，物理学家盖尔曼发现强子的结构可以用更加基本的粒子解释，这种粒子即夸克。

5.相对论

相对论是爱因斯坦创立的物理学理论描述物体的高速运动和相关的时空性质，相对论引发了现代物理学革命，同时也深刻影响了人类的时空观。包括义相对论和广义相对论。

（1）狭义相对论

狭义相对论假定:光的传播不需媒介，真空中的光速在一切惯性坐标中均是一个常数（C）。在此基础上进一步认为:一切客观物体的运动规律，在各个不同的惯性坐标中均有相同的形式。根据义相对论，运动的尺子要缩短，运动的钟会变慢，光速是物质运动的极限，两个事件的同时发生是相对的。

（2）广义相对论

爱因斯坦从牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质量两者相等的事实出发，提出著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论广又相对论。根据广义和对论，时空的性质不但取决于物质的运动，而且也取决于物质在空间的几何分布。物质和运动在决定时空性质方面有等价性，在引力场中，空间不再平直，而是弯曲的。物质密度高的地方引力场强度大，时空也弯曲得厉害，其中时间的弯曲是指时间流逝的节奏。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”物质、运动和时空三者之间有不解之缘。