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第一 科学世界图景的演变（第2页）

三、量子力学与不确定的世界

牛顿力学有一个基本假设：物质的性质是可以连续变化的。这一观念在原子范围内变得无效，量子力学是表述亚原子世界物质运动规律的全新力学体系，它的建立和发展与人们对微观世界的认识密切相关。1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了X射线；1896年，法国物理学家贝克勒尔在做荧光试验时发现了天然放射性；1897年，英国物理学家汤姆逊在对阴极射线作定性和定量实验时发现了电子。物理学的三大发现，打破了原子不可分的观念。1906年，英国物理学家卢瑟福在他的助手盖革的帮助下开始从事α散射实验，提出了原子的核式模型--原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在原子内部极小的区域内，称为原子核，质量极小的电子围绕原子核不停地转动。原子核被发现后，它的结构问题成为科学家关心的问题。1919年，卢瑟福发现了质子。1932年，他的学生查德威克发现了中子。从20世纪30年代开始，一系列新的粒子被发现，粒子物理学的时代到来了。

（一）从黑体辐射到量子论

马克斯·普朗克是柏林大学的物理学教授，他从1878年开始关注热辐射问题。1900年10月，他在一次讲座中将辐射描述为热物体中的原子和电子的振动，推导出了既适合长波又适合短波的辐射公式。其基本观点是：任何波长的振动都有权利得到能量，它们得到的能量受自身特性的限制，每一振动只能吸收与它的频率成比例的某一最小单位的能量，或者是这一最小单位的整数倍的能量。这个最小单位的能量被称为普朗克常数。“在能量分配问题上，波长越长得到能量的可能越小，波长越短得到能量的可能越大。普朗克指出，如果黑体辐射是由量子不连续地发射出来，而一个量子的能量是和辐射频率成比例的，低温度就有利于接近光谱红端的长波的发射，因为量子的能量较小，但在高温时，由于有更多的能可用，就有利于发射短波长的较大量子。”[8]量子论打破了“自然界无跳跃”的传统观念。

1905年，爱因斯坦的光电效应实验支持了普朗克的量子学说。照射在固体金属表面的光，可以使金属发射出电子。这些电子的能量不随光的强度变化，而是随光的颜色变化。为了解释这种现象，爱因斯坦提出能量是以微小份额的形式由光线携带的，他把它称为光量子。1913年，尼尔斯·玻尔把量子论和原子结构连接起来，他证明了存在着电子轨道的离散序列。当一个原子被激发时，电子从一个轨道跃迁到另一个轨道。就在这一瞬间，原子吸收或释放一个光子，其频率相当于电子在这两个轨道上运行时所具有的能量差，这个能量差用爱因斯坦的能量和频率联系起来的公式计算。1926年，物理化学家列维斯建议把光量子命名为光子。

（二）波粒二象性

光的反射现象是坚持微粒说的最直接的证据，衍射现象是波动说的有力支持。光电效应实验使微粒说具有坚实的基础，电子散射实验证明单个量子具有某种波动性。在这些事实面前，两种竞争的学说互相修正。1925年，路易斯·德布罗意提出一切物质皆是波的观点。电子波得到了证实，德布罗意也因此获得了1929年度诺贝尔物理学奖。实验证明质子、中子等粒子同样具有波动性。波粒二象性成为公认的微观世界粒子的基本属性，是解释微观世界现象的出发点。波粒二象性是量子世界的奇特特征。依据此观点，当我们研究固体、**和气体时，我们面对的是量子的海洋，一切微观现象都是由次一层级的粒子涨落引起的。每一粒子的行为是无规则的，但整个层级的总体表现是可以把握的。我们不再妄图寻找每一事物间的因果联系，但却要通过层级间的差别与不同的表观来认识世界。从波粒二象性出发，我们可以发现一个更简单、更清晰的内在世界。

四、相对论的形成

19世纪的物理学家接受了牛顿的绝对时空观念：绝对空间与任何外界事物无关地存在着，绝对时间同样与外界事物无关地流逝着。运动定律对所有匀速运动的观察者都是相同的。爱因斯坦的相对论打破了牛顿的绝对时空观念，他把三百年来物理科学的发展推向了顶峰。

（一）狭义相对论的创立

1905年，爱因斯坦提出了两条全新的物理学原理：相对性原理和光速不变原理。前者是指宇宙中各处的物理规律都是相同的，不论观测者的运动速度如何；后者是指光速是一个常数，它与光源的运动无关。当物体运动的速度接近光速时，牛顿定律失效了，许多奇怪的现象出现了。爱因斯坦指出，接近光速运动的物体，在一个静止的观察者看来，会在运动的方向上变扁。收缩的程度取决于运动物体的实际速度；同时性的概念取决于观测者的速度，而不再是绝对的。在相对论中，运动的时钟比静止的时钟走得慢。当物体运动的速度接近光速时，它的质量会变得无限大，因为光速不变，所以没有质量无限大的运动物体。只有静止质量是零的粒子才能以光速运动，比如光子。

（二）广义相对论的建立和验证

爱因斯坦没有停止对时空本性的探索，他清醒地知道狭义相对论的局限：狭义相对论是针对接近光速的匀速运动的观察者而言的，然而，实际的观测者都在经受着加速度。他试图提供一种适合于所有观测者的物理描述，把加速运动和引力的影响包括在内。1907年，爱因斯坦提出了等效原理：引力和加速度是等效的。经过8年的努力，他创立了广义相对论。在广义相对论的宇宙中，引力被转化到时空的几何曲率中。时空弯曲的程度，由宇宙中物质的分布所决定：一个区域内物质的密度越大，时空的曲率就越大。1919年，英国天文学家爱丁顿在观测日食时，发现星光经过太阳附近时光线发生弯曲。他自己把对广义相对论的验证看作是一生中最伟大的时刻。爱因斯坦也因此获得了世界性的声誉。广义相对论对于我们认识高能量、大质量、大距离的天体来说是至关重要的，它把宇宙学变成了数学和几何学的一个分支，这是现代科学重大的智力成就之一。

五、进化论与生命之谜

（一）进化论的生命科学意义

1859年，达尔文《物种起源》的发表标志着19世纪思想发展的历史性转变。进化论指出了生命世界的变化趋势。自然选择学说是达尔文进化论的核心，它的真正功能在于说明生物如何适应变化的环境。为了解释子代和亲代之间的相似性，达尔文在1868年出版的《动物和植物在家养下的变异》一书中提出：生物体中各个部分，各种组织细胞中都能产生一种微粒，这种微粒经过循环系统集中到生殖细胞内传给后代，后代因而获得两个亲本的微粒，在一定条件下微粒发育成对应的器官。当全部微粒在正确的部位、正确的时间长出正确的器官时，生物完成发育；当微粒发生变化时，生物就发生变异。达尔文在历史上第一次把生物遗传变异的物质基础作为一个独立的问题提了出来。

（二）寻找基因的历程

1887年，比利时的细胞学家贝尔登发现了有关染色体的两个新现象：生物体内每个细胞都具有相同数目的染色体，同一物种内每个成员的染色体数目相同；在形成性细胞时，细胞在一次分裂中染色体数目并未增加一倍，精细胞和卵细胞的染色体数目只有一般细胞的一半。1902年，美国哥伦比亚大学生物系的研究生萨顿发现了和贝尔登相同的现象，他看到了染色体的行为和孟德尔遗传因子行为的相似性，于是，提出了一个大胆的假设：遗传因子位于染色体上。

1914年，摩尔根的学生布里奇斯通过研究性染色体的错误分配与性别异常的关系，证实在具体性状（性别）与特定染色体之间存在着平行的关系，随后，摩尔根的助手们把多个基因定位到多个染色体上，并证明基因在染色体上呈线性排列。摩尔根在1926年出版的《基因论》中这样写道：“我们自然很难放弃这样一个假设，基因之所以稳定，是因为它代表着一个有机化学的实体。”

1952年，德尔布吕克、卢里亚、赫尔希设计了有名的噬菌体感染实验，发现噬菌体的DNA主导着噬菌体的生命的繁衍，DNA才是遗传物质。美国哥伦比亚大学的查伽夫对DNA进行了一系列严格的生物化学分析，发现DNA并不是由单调的四种核苷酸重组出现组成的4种不同的含氮碱基的任意顺序排列，4种碱基的含量并不相等。

1953年2月28日，沃森和克里克搭建了DNA的双螺旋模型，这个三维的DNA构型像一架沿反时针方向扭转的梯子，梯子的两边骨架由核糖和磷酸组成，连接配对碱基的氢键如同梯子的横桉。4月15日，沃森和克里克在《自然》杂志上发表了有关DNA双螺旋结构的论文。

（三）遗传的中心法则

DNA位于细胞核中，蛋白质在细胞质中。克里克认为DNA不可能直接控制蛋白质的合成。克里克猜测在蛋白质合成的第一步中，一定是DNA先指导合成RNA，然后RNA游离到细胞质中，再指导合成蛋白质。RNA在这个过程中是信息的传递者，可以称之为信使。沃森提出细胞信息流动向：DNA→RNA→蛋白质，处于细胞核中的DNA把信息传递给细胞质中的RNA，各种氨基酸遵照RNA传递的信息合成各种各样的蛋白质，蛋白质的多样性决定了生物的性状，生命世界由此变得丰富多彩。信息从细胞的中心发出，这个法则叫中心法则。

1961年，蛋白质的合成机制被大致澄清。人们发现RNA有3种：一种是核糖体RNA，它提供合成蛋白质的场所；一种是转运RNA，它负责把氨基酸连接到模板RNA上；一种是信使RNA，它是DNA的复制品，蕴涵着蛋白质合成的指令信息。中心法则和遗传密码只是告诉我们基因是怎样决定蛋白质的结构和功能的，但未阐明基因与基因之间的相互关系。