科学前沿常识

 

1.物质结构

道尔顿原子论将原子视为物质的最小单位。汤姆生发现电子，它是任何金属中都存在的东西，带负电，电量e是电荷的基本单位。电子的发现预示原子中还存在更小粒子。

原子核是由质子和中子组成的。质子和中子之间由于交换介子，产生强相互作用力，把核子结合在一起，形成稳定的原子核。这种理论后来得到证实，而且发现了越来越多的基本粒子及其反粒子。至今已发现了400多种基本粒子。

参与强相互作用的中子、质子、介子是由三种夸克及其反夸克所组成。夸克带的电荷有分数值。夸克概念的引入，为强子的分类和研究提供了统一的解释。随着新粒子的发现，物理学家把夸克增到六种，在实验中验证了其存在。但夸克却不能以自由夸克的形态出现。这便是所谓的“夸克禁闭”。

2.宇宙演化

宇宙是包括银河系在内的由大约1000亿个星系组成的总星系。它的大小是用光走过的时间来计量的。

20世纪初，斯里弗发现河外星系的谱线红移现象。根据多普勒效应，远处的星系均在离我们而去。哈勃发现，离我们越远的星系，飞离我们的速度越快。这便是哈勃关系式。

根据哈勃给出的距离和速度的关系，20世纪天文学家提出了大爆炸宇宙论，认为宇宙起始于120亿～150亿年前的一次大爆炸。在此之前，宇宙可能存在一个在强大万有引力作用下的收缩时期，在收缩到某个尺度较小的时空的“奇点”后，宇宙就由收缩转化为大爆炸。宇宙大爆炸后经历了一系列时代，合成了基本粒子和物质，宇宙逐步透明，形成星系和星系团、恒星和恒星系。

3.生命起源

生命的物质基础是蛋白质和核酸，探索生命起源也就是追问它们来自何处。

实验证明原始地球产生生命物质的可能性。由此提出生命的海相起源说和陆相起源说。原始生命的形式可能是蛋白质、DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）三角共存，进化是发生在这个三角关系中的自组织现象。不过，研究还发现，RNA可起基因和催化剂的双重作用，许多病毒只含RNA，也能合成蛋白质，RNA在这时既是载体又是模板。所以，生命更可能起源于RNA。有人提出地球生命的“宇宙胚种说”。

4.人类起源和进化

人类起源问题，包括地球上直立人的出现和与我们体质特征相同的现代人的出现两大问题。针对这两个问题主要存在古人类学研究和基因研究两个分野，主要有一中心（非洲）起源和多地区起源两种假说。

从猿到人，乃至从直立人到现代人的进化，不论是在非洲发生的，还是在亚洲或欧洲发生的，也都存在许多缺环。19世纪，恩格斯就指出劳动在从猿到人的过程中的作用，但自然选择和基因突变也起作用，它们之间有复杂的关系。

5.人类基因组计划

人类基因组中包含着决定人体发育和衰老、健康和病亡的遗传信息。通过基因组织研究，搞清30亿对碱基如何交替组成，就有望弄清楚人类各种疾病的根源，从而揭示生命的所有奥秘。它是一项改变世界、影响到我们每个人的科学计划，专家形容其为“生物学的阿波罗登月计划”。

“人类基因组计划”（HGP）于1990年由4个国家的资助机构开始启动，先后有6个国家加入。1999年9月，中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1％，也就是3号染色体上的3000万个碱基对，使中国成为继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的惟一发展中国家。2000年6月，人类基因组工作草图宣布绘就。2001年2月，科学家们联合发表论文，正式公布了人类基因组草图的具体测定和分析结果。2003年4月，包括中国政府总理在内的六国政府首脑发表联合声明，对人类基因组计划的完成表示祝贺，标志着在包括中国在内的有关国家科学家的共同努力下，人类基因组序列的“完成图”已经完成。

6.认知科学

人的学习，在社会和生活中也就是认识和求知。

现代认知科学运用自然科学、社会科学和人文科学的综合知识、手段和方法，探索人类的认识活动和求知过程。

由于认知活动是复杂而高级的智力活动，所以，认知科学是一个领域广泛的科学群，其中包括哲学中的认识论和逻辑学，生命科学中的心理学、脑科学、神经科学，以及社会学、语言学、行为科学（包括对动物认知行为的研究）、人类学、系统科学（系统论、控制论、信息论、混沌学等），也包括计算机科学技术中的人工智能、机器人、传感器、人工语言研究等。在具体研究中，认知科学并不是以上各种学科的叠加和拼凑，而是在多学科的学术空间开辟新领域，甚至进行实验研究。

7.脑科学

动物神经系统的活动，特别是大脑的活动，是已知最复杂的物质和意识运动。从猿到人、劳动工具的制造和使用、高级语言的发明和运用等，既是大脑进化的结果，又反过来推动了大脑的进化。

大脑是一个整体，思维是一个极其复杂的过程，对大脑的研究都只是分析性和局部性的。为了深刻理解大脑，科学家也研究了感觉现象，并在计算机和数学基础上开始人工智能研究，目标是创造接近人脑学习能力的智能系统。

总之，大脑是能够思维和产生意识的物质，因而可以说是最高级的物质。