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科学的科普(2) 物质进化和学科鄙视链 精选

已有 4988 次阅读 2024-5-24 13:52 |系统分类:科研笔记

科学的科普(2) 物质进化和学科鄙视链

张武昌 2024年5月24日星期五

 

 

免责声明:此处鄙视链是学科特点比较的意思,不是情感方面的鄙视。由于学科复杂,本文为极简表达,不准确之处请各位自行更正。

 

 

上一讲我们介绍了学科的划分,这一讲比较一下各个学科的特征。比较各个学科有多种方法,此处我们从研究客体的演化历史来切入。

物质进化

根据大爆炸理论,物质(存在状态)的进化(演化)过程是这样的。

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138亿年(也有说267亿年)前,宇宙诞生之初,在极小的空间内汇聚了几乎无限的物质和能量,它们是目前宇宙的物质和能量的总量,宇宙的最高温度是普朗克温度(宇宙大爆炸瞬间温度)1.416833×10^32℃(1.4乘以10的32次方度席)。

这些能量分散到所有的物质中,变成了动能,物质的温度开始降低。最初温度在数万亿摄氏度都是高温的等离子体,质子和电子不能结合,大爆炸后0.00001秒,温度降到了2万亿摄氏度质子和中子就诞生,在最初三分钟的时候,氕核(即一个质子)、氘核(一个质子和一个中子)、氚核(一个质子和两个中子)、氦核、锂核已经形成。

宇宙只有120,000岁时,温度终于足够低(多么低,不知道),原子核终于能捕获电子形成原子,氦原子就形成了。

当有两个或多个原子通过化学键连接的时候,就形成了一个分子。第一个形成的分子是氢化氦,这时的温度称为氢化氦温度。然后形成的第二个分子是氢分子。

这些分子尘埃弥散在空间,重力的作用使它们聚集在一起,巨大的势能转化成动能和热能,形成了恒星、黑洞、中子星。中子星的核心温度很可能达到60亿摄氏度,中子星的表面温度在1000万摄氏度以上。太阳核心温度突破1500万摄氏度,太阳表面温度大约在6000摄氏度左右。

恒星的诞生和爆炸性毁灭制造出各种原子量更大的元素,经过多轮的恒星爆炸,元素和分子聚合成混合物,混合物堆积,形成行星。

行星的温度范围很窄,在条件合适的行星(如地球)上,分子继续进化产生了越来越大分子量的分子,高分子,包括核酸、蛋白等。

终于有一天,生命产生了,一团物质被一层膜包裹与周围的环境分割开来,核酸被上帝吹了一口气,成了精了,它奴役着周围的分子为他服务,进行复制,这就是自我意识的产生。目前只能确认地球上有生命,地球年龄为45.5亿年,生命在38亿年开始出现。

细胞的堆叠最终产生了更为高级的生命形式,它们能通过大脑形成外界环境的图像,也就是第一代数字孪生,这就是(狭义的)意识的产生。

人类产生以后,生态学的一个分支——人类生态学最终升格命名为社会科学。

所有的物质都以电磁波的形式向外释放能量,低温的物体放射红外线,高温的物体放射可见光,再高温放射紫外线,再高温放射γ射线,这些电磁辐射(电磁波)的能量一个比一个大。能量又被其他物质吸收。物体的温度逐渐降低,生命最终会消失(消失原因不止温度降低)。

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最终,宇宙的能量会平均分配到所有的物质中,宇宙无限接近绝对零度。在实验室中,人类取得最接近绝对零度的成果是将一个铑原子冷却到0.000000 0001开尔文,也就是高于-273.15摄氏度0.0000000001度。绝对零度依然只能出现在理论中,现实世界没有物质能够真正达到绝对零度。

宇宙如果以这种方式结局(还有其他可能的方式),还需要1000多亿年。

可见,物质在时间上和复杂程度上存在进化:最小粒子(弦理论、夸克)>电子>质子>原子>分子>大分子(含生命)>混合物>星球>星系星云>星系团。

 学科鄙视链

现有的学科是以研究客体(物质)来进行划分的。

物理学是研究从最小的颗粒到星云宇宙的运动规律,

化学是研究原子和原子之间、原子和分子之间、分子之间相互作用的规律,最大的物质是生物大分子(蛋白,核酸),

地学是研究混合物的科学,是行星科学和物理学的小分支,

生物学是研究细胞内部的化学变化和生物个体之间的关系,

医学是研究人体内部的变化,属于生物学的特别分支,

社会科学是人类社会的关系。

 

所有的学科都是对物质的存在状态的定量。存在状态包括大小(体积大小质量大小和由此得来的密度大小)位置、温度、速度(根据位置随时间的变化而来)。温度的定义是物体分子热运动的剧烈程度。剧烈程度越高,物体的温度越高。反之,剧烈程度越低,物体的温度越低,当物体内部的分子全部静止时的温度就是温度的下限——绝对零度(-273.15摄氏度,又称0卡尔文)。

各个物质都存在于能量谱、时间谱和空间谱的不同位置上。

物理学研究的温度范围为绝对零度到普朗克温度,化学研究的温度为绝对零度到氢化氦温度,生物学研究的温度是正负100度,医学研究的温度为正负50度,社会学研究的温度为零下20度到零上40度。

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物理学研究的时间为138亿年加1000亿年=1138亿年,化学的时间为物理时间减去12万年(分子产生的时间),生物学的时间为38亿年+???,社会科学的时间为5000年+??。

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宇宙的空间是以光年来计算的,目前没有找到宇宙的边界,由于空间的膨胀,可观测宇宙的半径为465亿光年。在这么大的宇宙体积中,大部分质量位于恒星之中,以太阳系为例,太阳在太阳系中质量占比为99.86%。物理学研究的空间为全部宇宙空间,化学研究的空间为恒星以外的空间,生物学研究的空间为少数行星(目前只有地球),社会科学研究的空间为地球。

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所以从各个学科研究客体的能量、空间、时间来比较(即学科的基础性和适用广度),鄙视链为物理学鄙视化学鄙视生物学鄙视社会学。根据其他的指标会出现不同的鄙视链,如果以人为中心,医学和社会学就是最高等的。从分子进化的角度看,意识和大分子无疑是高等一些。 等等、等等。

下一讲,我们谈谈科学的诞生和李约瑟之问。



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