第二章自然科學的若干重大基本問題第一節物質結構研究的當代進展一、物質構成之謎兩千多年來人們關于物質是由原子構成的思想，由哲學的推理，變成了科學的現實，而且在這個階段終了時，形成了現代的基本粒子的思想。

根據現代科學研究的最新成果，物質的最小構成單元不再是分子、原子，而是夸克和輕子（電子是其中的一種）。這樣，人們對微觀世界的認識深入到10-17cm數量級的尺度。從分子到夸克、輕子的結構層次層次序列分子原子原子核質子、中子

夸克、輕子

……

大小數量級（CM）

10-6～10-7

10-8

10-13

10-15

10-17

……

二、物質結構研究的進展半個世紀以來，在對相繼發現的數百種粒子的性質的研究中，科學家們總結出微觀粒子相互作用的規律：①所有基本粒子的運動遵循四種基本力的相互作用規律；②夸克、輕子和傳播子（即傳遞力的粒子）是更為基本的粒子。四種基本力、基本粒子的性質和夸克、輕子模型構成當代對基本粒子研究的主要成果。（一）四種基本力1、萬有引力：牛頓三大定律、愛因斯坦相對論表述其運動規律，屬于宏觀物體作用的長程力。2、電磁力：電磁體之間的相互作用和相互轉換，屬于電磁體之間的作用力，也是屬長程力。3、弱力：是微觀粒子間的相互作用短力，主要表現在支配一些粒子的衰變和俘獲現象，如β衰變、μ介子衰變和K介子衰變等。4、強力：是強子及夸克間的相互作用力，這種力使質子和中子組合成原子核，使夸克組合成強子。（二）基本粒子及其性質

基本粒子歸類強子第一、二代粒子重子介子輕子光子第三代粒子重子共振態粒子介子共振態粒子（三）夸克模型及夸克和輕子的對稱性將已發現的強子按電荷、自旋等特征排列，則構成一幅類似于元素周期表的規律性的對稱圖，稱為夸克模型。

夸克和輕子都是更基本的粒子。實驗和理論研究發現它們之間存在某種驚人的相似性和對應性，具有某些關聯。

三代夸克和三代輕子間對稱性關系

第一代第二代第三代輕子電子電子中微子

μ子μ子中微子

τ子τ子中微子

夸克上夸克下夸克粲夸克奇異夸克頂夸克底夸克

三、物質結構研究與其它學科及高新技術發展的關系第一，粒子物理學的貢獻首先是將人們對物質構成的認識大大向前推進了一大步，了解到構成物質的最小組元小到夸克和輕子（10-17cm數量級）。而認識的尺度相對于原子（10-8cm數量級）來說已縮小到原來的十億分之一，或縮小到原子核的萬分之一。第二，粒子物理學對基礎科學的發展也帶來新的機遇。

第三，粒子物理學推動發展的高能加速器為相應的工業技術帶來了發展的機會和條件，促進了廣泛的經濟領域中的應用，從而導致了許多高新技術的發展。

而高能物理的發展又對這些技術提出更高更新的要求和發展的機會，促進了相應工業的發展。同時，粒子物理的實驗技術開辟了在醫療衛生、工農業生產及其它領域的廣泛應用。

第二節宇宙的起源和演化一、宇宙的概況

目前，運用地面射電望遠鏡以及繞地球的哈勃望遠鏡及飛向太空的宇宙探測器，人類已可觀測到距離地球約200億光年的時空區域。太陽系只不過是銀河系中一個恒星，銀河系有1000多億顆恒星。銀河系之外，有10億個龐大天體系統——河外星系。地球八大行星｝→地月系｝→太陽系月球太陽｝→銀河系｝→總星系小行星千萬顆恒星河外星系（宇宙）二、宇宙的起源和演化（一）觀測事實1、河外星系的譜線紅移所謂譜線紅移，就是光譜線向長波方向（即光譜紅端）移動的物理現象。例如，當一列離觀測者遠去的火車，其聲音漸遠，而另一列離觀察者漸近的火車，其聲音則漸近，這種遠去的火車與相應定點火車聲音的差距稱為“紅移”現象。2、物質在大尺度空間（約5億～150億光年）的分布是均勻的和各向同性的3、宇宙微波背景輻射4、氦的豐富度很高5、所有天體的年齡都小于200億年（二）宇宙是膨脹的（三）大爆炸宇宙模型（四）宇宙的物理演化史三、恒星的一生（一）恒星的形成（二）恒星的演化（三）恒星的三種歸縮（白矮星、中子星和黑洞）。

四、太陽系的起源（一）太陽系基本特征太陽系是由太陽、九大行星及其衛星、小行星、慧星、流行及行星際物質構成的天體系統。類地行星:水星、金星、地球、火星

類木行星:木星、土星、天王星、海王星、冥王星

（二）太陽系的起源第三節地球起源、演化與地球系統科學一、地球概況及其構成特點地球是一個具有復雜圈層結構的天體，由陸圈（地殼、地幔、地核）、水圈、大氣圈和生物圈組成。地球的四周包圍著厚厚的一層“被子”－－大氣，科學家們稱之為大氣圈。

水圈是指地球上的各種水體，包括地表水、地下水、大氣中的水及保存在一切生命有機體中的水分等，它是一個連續而不規則的圈層。

生物圈就是由生存在地球表面、大氣中、水中所有生命有機體組成的龐大而復雜的生物系統。大氣的垂直分層對流層平流層對流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增來溫度減，只因熱源是地面；天氣復雜且多變，風云雨雪較常見氣溫初穩后升熱只因層中臭氧多水平流動天氣好高空飛行很適合上冷下熱高空對流電離層高層大氣電離層能反射無線電波，對無線電通訊有重要作用海洋水97.47%1231湖泊咸水和地下咸水09.4%45678910淡水2.53%其中1、冰川2、地下淡水3、其他淡水4、永久凍土5、湖泊淡水6、土壤水7、大氣水8、沼澤水9、河水10、生物水世界水儲量（100%）

水圈的構成二、地球的起源及演化據近代關于太陽系起源的理論，太陽系是在約50億年前由氣體塵埃云形成的。在太陽系形成的過程中，由原始太陽星云分裂出的大量星子通過碰撞合并長大成星胚，并繼續吸積周圍的物質而形成原始星體，其中之一就是原始地球。