化学是什么?-第9章 化学是自然科学的探索者(3)

发布时间:2022-07-01   来源:北达燕园微构分析测试中心

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上一篇文章回顾:化学是什么?-第9章 化学是自然科学的探索者(2)


9.4.1 人们对宇宙的认识
2010年,美国天文学家庆贺哈勃望远镜升空工作20周年,展示这20年间由这个望远镜所取得的巨大成果和经历的各种困难。哈勃望远镜是天文学、物理学和化学等学科发展的结晶,它的主要设备实质上是化学光谱分析实验室的一部分。该望远镜距离地面约600千米,由地面的工作站进行操作,发出指令,指挥望远镜收集太空中各个星系射向地球的辐射,传送到地面,由工作站的人员对收集的信息进行处理、分析和研究。哈勃望远镜在20多年中观察到距离地球约150亿光年内空间中的星系和各种天体景象,收集到极为丰富的信息和图像。根据这些观察所得的资料以及天文学家长期以来对宇宙天体的研究成果,人们对宇宙的认识已取得很大的进展。下面列举一些相关内容:

(1)宇宙由上千亿个各种类型的星系组成,每个星系有许多恒星。地球所处的银河星系约有2000亿个像太阳那样能发光的恒星。有人估计宇宙中恒星的数目为7×1022个,即700万亿亿个。太阳这个恒星的周围有八大行星以及矮行星、彗星和其他小天体等围绕着它运行。有的行星,如土星在其周围有多个卫星围绕它运转,地球只有一个卫星,它就是月亮。我国民间常流传这样一句谚语:“天上一颗星,地上一个人”,认为地球上几十亿个人每人都对应着天上的一颗星星。由于人口数目和星星数目相比实在太少了,有人改用地球上存在的砂粒数目和天上恒星的数目相比,两者数目相近,这种比较更接近实际。


(2)在上千亿个星系的中心,都有质量极大的黑洞,有人认为它是能吸收光和各种物质的天体。在广大宇宙空间还存在着许多暗物质和暗能量。在宇宙的物质组成中,由质子、中子和电子组成的原子所形成的普通物质约占4.4%,非原子形态的暗物质约占23%,而人们至今仍一无所知的暗能量约占73%。


(3)宇宙处在永恒的运动状态,时刻都在发生变化。这些变化中观测到发生辐射的爆炸规模有大有小;星系间相互作用引发的爆炸是大范围的爆炸;星系内形成恒星的爆炸属于中等规模爆炸;恒星内部爆炸发射出辐射,爆炸局限在恒星内部,属小规模爆炸。太阳系的形成发生在50亿年前,是在银河系内部的爆炸。太阳系有诞生之时,也就有消亡之日。据估计太阳的寿命还约有50亿年。太阳爆炸发光,很少一部分照到大地,成为地球上人们生长所需的能量,人们歌颂它:“万物生长靠太阳。”太阳的这种爆炸在宇宙中是小规模爆炸的一个。另一方面,在宇宙中像太阳这样不停地爆炸的星球数目大约和地球上砂粒的数目相当。


(4)宇宙中的各种变化以及天体星球的运动都存在着“向内收缩”的引力和“向外扩张”的斥力。宇宙中各种形式的爆炸就是剧烈斥力的表现。万有引力是人们已经可以用数学公式计算表达星体间相互吸引作用的力量,据此计算天体运行的规律,准确可靠。而向外扩张的“万有斥力”究竟和哪些因素有关,怎样进行计算等还不清楚,有待人们去探索。两种力量的作用同时存在,使宇宙中星体的运动和发生的变化永远没有终结。


在探索研究宇宙无穷尽的演变中,天文学、物理学和化学融合在一起,作出了巨大的贡献。例如:①制造哈勃望远镜关键的部件透镜时,化学家要精确地配料达到期望的组成,并均匀熔合、退火、冷却、分析最后成品的组成和性质。② 根据恒星辐射的光谱了解星体物质的组成,如人们现在已经知道太阳由哪些原子组成、月球以及其他行星表面物质的化学成分等。③ 各种辐射所对应的变化机理,如光谱中的每条谱线是由什么原子从哪个能级向哪个能级跃迁产生。

2017年10月哈勃望远镜已坠入地球大气层,烟消云散。人们正在根据近几十年来科学技术发展所得的成果,以及对宇宙认识水平的提高,制造比哈勃望远镜更好的探测宇宙的仪器。2017年在我国贵州装置的500米口径球面射电望远镜就是其中之一。


9.4.2 宇宙创生大爆炸理论可信否

1.大爆炸理论对宇宙创生的描述

关于宇宙的形成提出过许多理论,目前流行的主要是大爆炸理论,它于1948年由伽莫夫提出,以后经其他一些学者加以论证,具体地描述大爆炸的情景。对该理论在不同的文献中表述不完全相同,以下从参考文献[19]~[21]([19]刘金寿.现代科学技术概论[M].北京:高等教育出版社,2008.[20]蔡志东.现代科技概览[M].南京:东南大学出版社,2010.[21]帕特里克·摩尔,布赖恩·梅,克里斯·林陶特,著.李元,曹军,李鉴,等译.大爆炸:宇宙通史[M].南昌:广西科学技术出版社,2010.)所描述的内容摘录出来:宇宙诞生于距今137亿年前。那时的宇宙占据一个极小的空间(小到直径为1.6×10-35m),凝聚了极大的能量,密度高达1093kg·m-3,温度高达1032K。宇宙诞生时间由爆炸发生时10-43秒开始计算。

‍‍时间到达10-6秒,温度降为1014K。

时间到达10-2秒,温度降为1012K。

时间到达1~10秒,温度降为1010K,这时出现中子、质子、电子、光子等组成的等离子体。

时间到达3分钟,温度降低到109K,质子、中子、电子等发生相互熔合的核反应,产生氢和氦等原子核,宇宙直径膨胀到约1光年。

时间到达半小时,温度降低到108K,轻原子核已逐渐形成,但数量最多的是光子。

时间到达1千~2千年,温度降至105K,物质密度大于辐射密度。

时间到达10万~100万年,温度降至5000~300K,原子形成,但只能产生较轻元素,较重元素要在星系和恒星形成后在其内部形成,超过铁的更重元素则是在星系碰撞爆发或超新星爆发中形成。宇宙变得透明。

时间到达1亿年,辐射温度降至100 K,星系开始形成。

时间到达10亿年,辐射温度降至12 K,恒星、行星、类星体和生命开始出现。

时间到达100亿年,辐射温度降至3 K,太空逐渐形成我们今天所观察到的情景。‍‍


2.对大爆炸理论的评价

大爆炸理论对宇宙的形成作了详细的描述,特别是爆炸后的3分钟,作了非常具体的分析。这个理论发表后,有的学者持不同意见,他们不赞成将宇宙的创生过程描绘过细。他们认为,与宇宙的古老和广阔深遂相比,人类的文明史不过5000年,现在对物质的结构和相互作用的认识还差得很远,因而对宇宙早期处在极高温状态作详尽的描述是靠不住的。

另一部分人认为,宇宙大爆炸模型能较多而且较好地解析现时对宇宙观察到的许多事实。这个模型将宇宙膨胀论推向一个新的高度,成为目前影响最大的宇宙学说。

近年我国学者纷纷写文章和著书对大爆炸理论加以介绍。从中学的化学教科书到科技专著都有这方面的内容。主要供青少年参观、进行科学普及的中国科学技术馆中也有专门介绍宇宙创生大爆炸的音像图景展室,播放影片解说大爆炸的过程。


3.宇宙创生大爆炸不可信

作为一名化学家,笔者从事的化学研究内容与宇宙创生大爆炸理论不在同一学科,隔行如隔山,但由于学科的相互渗透、融合和协作,化学和物理学在许多方面有着密切的关系。化学的研究必须严格遵循所用到的物理学定律。例如,化学反应的研究必须遵循质量守恒和能量守恒定律,包括E=mc2联系的质能关系,它们是研究物质发生化学反应进行转化的理论基础,也是化学家和物理学家通过长期的实验共同建立起来的基本定律。又如,化学热力学这个化学的分支学科,是将物理学中的热力学四大定律应用于实际的化学反应过程而建立起来的,这四大定律是这个学科的理论基础。
化学在发展进程中也经常和物理学一起纠正一些错误观点而前进。例如,根据熵增加定理:即在一个孤立体系中的自发过程都是熵增加过程。热寂说将宇宙看作一个孤立体系,热量不断自发地通过辐射和传导从高温物体流向低温物体,最终宇宙将达到各处的温度都一样的状态,那时宇宙的熵将达到最大,处在静止的平衡状态,宇宙就不会发生变化,即宇宙热寂了。化学和物理学纠正了热寂说夸大定理的应用条件的错误,又健康地向前发展。
宇宙创生大爆炸理论中最不可信的一点是爆炸的起始态是怎么形成的。爆炸发生后能以秒计列出各个时间段宇宙的大小、温度、组成等内容,试问爆炸前几分钟宇宙是否存在?是否处在极小的体积、极高的温度的状态?为什么那时不发生爆炸呢?起爆前这些物质从何而来?计算爆炸时的起始态宇宙的大小、密度和温度的公式真的正确适用吗?
赞同宇宙创生大爆炸理论的观点是:“数学上的结论是空间-物质-时间都是同时产生的。”“时间和宇宙一同开始,所以在这点之前不存在‘以前’。”“提出爆炸前的任何问题都是没有意义的。”作为一名化学工作者,笔者虽然对宇宙学是门外汉,但是笔者根据迄今已得到的各种自然规律,认为真正没有意义和价值的是那个超出了适用范围和适用条件的数学上的推论。
按宇宙创生大爆炸模型所描述的大爆炸过程,在爆炸开始后的3分钟,宇宙的直径膨胀到了1光年。由此,人们可以算得这时宇宙前沿的“东西”(这里不用通常所说的物质),在爆炸开始3分钟后和爆炸中心的距离,光要走半年。这“东西”不仅能克服巨大的万有引力的吸引,而且能以极高速度离开爆炸中心向外膨胀运动,它的平均运动速度是光速的87600倍,即


式中:指半个光年,365×24×60指1光年时间有几分钟的数目,分母3指爆炸后的3分钟。现在天文学家都是按照恒星爆炸时发出的光向外传播的速度了解恒星间的距离,还没有发现超过光速的物质,更没有发现超过87600倍光速的天文现象。宇宙创生大爆炸模型可信吗?

中国科学技术馆对宇宙创生大爆炸作了形象的对比:盘古用一把大斧开天辟地,将混沌世界分为上天和大地;“神”用7天时间创造了世界。展馆中用具体图像说明这两种观点只是人们早期对宇宙形成的一种想象,它们并不是科学,是不可信的。那么宇宙创生大爆炸发生前是不是“超神”用它的神手紧紧地捧住宇宙不让它爆炸呢?这个理论无视现有的自然规律,只以个人的想象外推。笔者呼吁将这些描述宇宙创生大爆炸的理论和图像从中国科学技术馆以及化学教科书中删去。

从哈勃望远镜看到发生在太空中近期、几万年前、几亿年前和100多亿年前宇宙中各处所发生的爆炸,说明宇宙永不停顿地在演变着。爆炸的图像辉煌美丽、恢宏神奇,多么令人向往!多么希望天文学家、物理学家和化学家一起探究其奥秘!

宇宙永远无止境地演变着,在已观察到的相距150亿光年的星系之间,不可能聚集在一起出现创生大爆炸中描述的体积极小、温度极高的起始态。宇宙和单个恒星不一样,它是不会死亡的,当然也就不会有诞生和宇宙创生大爆炸。
对未来化学而言,宇宙中发现的暗物质、暗能量以及处在太空中的星体和有机分子等等,它们是怎样形成的,它们具有什么样的性质,人们怎样去研究和利用它们?这些问题正期待化学家和物理学家探索出新的方法和新的谱学分析方法去研究。


9.5 开拓可持续发展的研究

可持续发展和化学密切相关。化学变化一般是不可逆的,是将一类物质转变为另一类物质。例如,煤和氧气通过燃烧的化学变化是剧烈的氧化反应,它形成二氧化碳和水,并获得热能。但是将二氧化碳和水变成煤则需要漫长的地质年代,经过几百万年到上亿年的复杂变化才形成煤。靠烧煤得到能量总会“坐吃山空”,存在自然资源日益短缺、不能持续发展的问题。

为了人类社会稳定地可持续发展,联合国指定世界环境与发展委员会对此进行重点研究,于1987年发表了题为《我们共同的未来》的研究报告。它首次提出了可持续发展的定义:“既满足当代人的需求又不危及后代人满足其需求的发展。”这个定义蕴含着两层意思:一是人类为了满足自己的需要而必须发展,二是当代人的发展以不危及后代人的发展为限度。

“可持续发展”的提出是人类认识的一次飞跃,是科学发展观的重要内容,是为建立人、自然、社会和谐系统,实现人力资源、自然资源、生态环境、经济和社会诸方面的协调发展。可持续发展的理念在短短几年间风靡全世界,深入人心,因为它是人类安全前途的唯一选择。
要实现可持续发展,给化学提出了许多机遇和挑战,提出了许多刻不容缓、亟待解决的问题,成为未来化学发展的指路明灯。可持续发展不是消极过程,而是促进科技高度发展、多方渗透,它的核心是化学,因为它决定着全过程的物质基础。社会的需求和人类认识的提高,将迫使化学进行以可持续发展为导向的创新研究。


可持续发展密切地和低碳、绿色、环保等发展的新理念相联系,而这些理念的核心是化学,可以明确地表达为低碳化学、绿色化学和环保化学。以能源化学为例,随着化石能源的应用和枯竭,人们常将19世纪称为煤炭、柴薪世纪,20世纪称为石油世纪,21世纪称为后石油世纪,22世纪及其以后称为新能源(太阳能、风能、核聚变能)世纪。其中21世纪是能源转型的世纪,即石油将消耗完而退出能源舞台,煤转化为液态燃料用于交通需要(航空、汽车、火车)在经济上很难达到要求;由煤直接燃烧或用以发电作为能源主角又和低碳、绿色、环保等新理念相悖。新能源在21世纪是大发展的世纪,估计到21世纪后半叶才会成为主角,不能称21世纪为新能源世纪,而是在本世纪逐渐实现微排能源,即在能源生产过程中,能够实现微量排放二氧化碳和其他氮氧化物和硫氧化物,微量排放粉尘,微量排放垃圾和废水,将低碳化学、绿色化学和环境化学融合在一起,创造出一个人类舒适宜居的新环境。可见,单从能源来分析,未来化学要以可持续发展作为思考问题的中心,和其他学科融合在一起开拓可持续发展的研究。


徐光宪教授曾提出,21世纪的化学发展趋势有“五多”:

(1)多学科交叉。化学不仅在化学内部各个学科之间交叉发展,它还和生命科学、电子科学、纳米科学、材料科学、能源科学等多个学科之间交叉发展。

(2)多层次发展。化学不会满足于合成、制造新的化合物,还要向分子以上多层次发展,如制造分子器件、分子机器等。

(3)多尺度分布。化学科学不断深入地调控产品颗粒的大小尺寸和形貌,改变物质的性能,例如控制纳米尺度的石墨烯,使它显示出和石墨性质不同的新材料和新发展领域。

(4)多整合生产。将各类化合物的特异结构和性质结合在一起,例如将化合物中的刚性部分和柔性部分结合起来,制成刚柔结合的超强度、超细的纤维,以及多功能的新材料和新器件。

(5)多方法协作。将化学研究的分子合成、组装、分离、分析、性能测试相结合,实验和理论并进,利用化学、物理学、信息学等各个学科的多种方法协作联合起来,解决前进中遇到的各种问题。

化学是什么?化学是一门为社会发展、改善人们的生活创造物质财富的基础科学。要使化学快速发展以适应社会发展的需求,要关注化学发展的“五多”趋势,为我们的生活和我们的未来奠定坚实的物质基础。

END


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