物理學(xué)的作用與意義

1、物理學(xué)的作用與意義物理學(xué)的作用與意義 物理學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué)，它研究的是物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律。不同的運(yùn)動形式具有不同的運(yùn)動規(guī)律，因而要用不同的研究方法處理，基于此，物理學(xué)又分為力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)等各個(gè)部分。按照物理學(xué)的歷史發(fā)展又可以分為經(jīng)典物理與近代物理兩部分。近代物理是相對于經(jīng)典物理而言的，泛指以相對論和量子論為基礎(chǔ)的20世紀(jì)物理學(xué)。由于物理學(xué)研究的規(guī)律具有很大的基本性與普遍性，所以它的基本概念和基本定律是自然科學(xué)的很多領(lǐng)域和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于物理學(xué)知識構(gòu)成了物質(zhì)世界的完整圖象，所以它也是科學(xué)的世界觀和方法論賴以建立的基礎(chǔ)。1、物理學(xué)是自然科學(xué)的帶頭學(xué)科 物理學(xué)作為嚴(yán)格的、定

2、量的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，一直在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。它與數(shù)學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)之間有密切的聯(lián)系，它們之間相互作用，促進(jìn)了物理學(xué)及其它學(xué)科的發(fā)展。 物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。物理學(xué)不滿足于定性地說明現(xiàn)象，或者簡單地用文字記載事實(shí)，為了盡可能準(zhǔn)確地從數(shù)量關(guān)系上去掌握物理規(guī)律，數(shù)學(xué)就成為物理學(xué)不可缺少的工具，而豐富多彩的物理世界又為數(shù)學(xué)研究開辟了廣闊的天地。物理學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系密切，淵源流長。歷史上有許多著名科學(xué)家，如牛頓、歐拉、高斯等，對于這兩門科學(xué)都做出了重要貢獻(xiàn)。19世紀(jì)末、20世紀(jì)初的一些大數(shù)學(xué)家如彭加勒、克萊因、希爾柏特等，盡管學(xué)術(shù)傾向不同，但都精通理論物理。近代

3、物理學(xué)中關(guān)于混沌現(xiàn)象的研究也是物理學(xué)與數(shù)學(xué)相互結(jié)合的結(jié)果。 物理學(xué)與天文學(xué)的關(guān)系更是密不可分，它可以追溯到早期開普勒與牛頓對行星運(yùn)動的研究?，F(xiàn)在提供天文學(xué)信息的波段已經(jīng)從可見光頻段擴(kuò)展到從無線電波到X射線寬廣的電磁波頻段，已采用了現(xiàn)代物理所提供的各種探測手段。另一方面，天文學(xué)提供了地球上實(shí)驗(yàn)室所不具備的極端條件，如高溫、高壓、高能粒子、強(qiáng)引力等，構(gòu)成了檢驗(yàn)物理學(xué)理論的理想的實(shí)驗(yàn)室。因此，幾乎所有的廣義相對論的證據(jù)都來自天文觀測。正電子和子都是首先在宇宙線研究中觀測到的，為粒子物理學(xué)的創(chuàng)建做出了貢獻(xiàn)。熱核反應(yīng)理論是首先為解釋太陽能源問題而提出的，中子星理論則因脈沖星的發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，而現(xiàn)代宇宙論的

4、標(biāo)準(zhǔn)模型大爆炸理論，是完全建立在粒子物理理論基礎(chǔ)上的。 物理學(xué)與化學(xué)本是唇齒相依、息息相關(guān)的。化學(xué)中的原子論、分子論的發(fā)展為物理學(xué)中氣體動理論的建立奠定了基礎(chǔ)，從而能夠?qū)ξ镔|(zhì)的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)做出滿意的解釋；而物理學(xué)中量子理論的發(fā)展，原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的建立又從本質(zhì)上說明了各種元素性質(zhì)周期性變化的規(guī)律。量子力學(xué)的誕生以及隨后固體物理學(xué)的發(fā)展，使物理學(xué)與化學(xué)研究的對象日益深入到更加復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次，對半導(dǎo)體、超導(dǎo)體的研究，愈來愈需要化學(xué)家的配合與協(xié)助，在液晶科學(xué)、高分子科學(xué)和分子膜科學(xué)取得的進(jìn)展是化學(xué)家、物理學(xué)家共同努力的結(jié)果。另一方面近代物理的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)又推動了化學(xué)的發(fā)展。 物理學(xué)

5、在生物學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)手段，如電子顯微鏡、X射線衍射、核磁共振、掃描隧道顯微鏡等；二是為生命科學(xué)提供理論概念和方法。從19世紀(jì)起，生物學(xué)家在生物遺傳方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出了基因假設(shè)。但是，基因的物質(zhì)基礎(chǔ)問題，仍然是一個(gè)疑問。在本世紀(jì)40年代，物理學(xué)家薛定諤對生命的基本問題感興趣，提出了遺傳密碼存儲于非周期晶體的觀點(diǎn)，由于在他的小冊子生命是什么？中對此進(jìn)行了闡述而廣為人知。40年代，英國劍橋大學(xué)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室開展了對肌紅蛋白的X射線結(jié)構(gòu)分析，經(jīng)過長期的努力終于確定了DNA（脫氧核糖核酸）的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了遺傳密碼的本質(zhì)，這是20世紀(jì)生物科學(xué)的

6、最重大突破。分子生物學(xué)已經(jīng)構(gòu)成了生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域，生物物理學(xué)顯然也是大有可為的。2、物理學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)革命的先導(dǎo) 一般說來，物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系存在兩種基本模式：其一是由于生產(chǎn)實(shí)踐的需要而創(chuàng)建了技術(shù)，例如18世紀(jì)至19世紀(jì)蒸汽機(jī)等熱機(jī)技術(shù)，然后提高到理論上來，建立了熱力學(xué)，再反饋到技術(shù)中去，促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；其二是先在實(shí)驗(yàn)室中揭示了基本規(guī)律，建立比較完整的理論，然后再在生產(chǎn)中發(fā)展成為一種全新的技術(shù)。19世紀(jì)電磁學(xué)的發(fā)展，提供了第二種模式的范例。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)和麥克斯韋確立了電磁場方程組的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了今日的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電報(bào)、電視、雷達(dá)，創(chuàng)建了現(xiàn)代的電力工程與無線電技術(shù)。正如美籍華裔

7、物理學(xué)家李政道所說：“沒有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)就沒有今日的技術(shù)革命”。 在當(dāng)今世界中，第二種模式的重要性更為顯著，物理學(xué)已成為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)與基礎(chǔ)學(xué)科。反過來，高技術(shù)發(fā)展對物理學(xué)提出了新的要求，同時(shí)也提供了先進(jìn)的研究條件與手段。所謂高技術(shù)指的是那些對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起極大推動作用的當(dāng)代尖端技術(shù)。下面就物理學(xué)的基礎(chǔ)研究在當(dāng)前最引人注目的高技術(shù)，即核能技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)中所起的突出作用，作一概略的介紹。 能源的獲取和利用是工業(yè)生產(chǎn)的頭等大事，20世紀(jì)物理學(xué)的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)就在于核能的利用，這可以說是由基礎(chǔ)研究生長出來的一項(xiàng)全新的技術(shù)。1905年愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式的提出，確立了核

8、能利用的理論基礎(chǔ)。物理學(xué)家1932年發(fā)現(xiàn)中子，1939年發(fā)現(xiàn)在中子引起鈾核裂變時(shí)可釋放能量，同時(shí)有更多的中子發(fā)射，于是提出利用“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”來獲得原子能的概念。40年代，根據(jù)重核裂變能量釋放的原理，建立了原子反應(yīng)堆，使核裂變能的利用成為現(xiàn)實(shí)。50年代，根據(jù)輕核在聚變時(shí)能量釋放的原理，設(shè)計(jì)了受控聚變反應(yīng)堆。聚變能不僅豐富，而且安全清潔?？煽?zé)岷司圩兡艿难芯繉榻鉀Q21世紀(jì)的能源問題開辟道路。 在能源和動力方面，可以無損耗地傳輸電流的超導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，也可能導(dǎo)致一場革命。1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯（Onners）發(fā)現(xiàn)純的水銀樣品在4.2K附近電阻突然消失，接著又發(fā)現(xiàn)其它一些金屬也有這樣的現(xiàn)象，這一

9、發(fā)現(xiàn)開辟了一個(gè)嶄新的超導(dǎo)物理領(lǐng)域。1957年BCS理論進(jìn)一步揭示超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理，1962年約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)又將超導(dǎo)的應(yīng)用擴(kuò)展到量子電子學(xué)領(lǐng)域。在液氦溫區(qū)（1K5.2K）工作的常規(guī)超導(dǎo)體所繞成的線圈已在加速器、磁流體發(fā)電裝置及大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備中用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場，可以節(jié)約大量電能；在發(fā)電機(jī)和電動機(jī)上應(yīng)用超導(dǎo)體，已經(jīng)制成接近實(shí)用規(guī)模的試驗(yàn)性樣機(jī)。由于這些成功的應(yīng)用，再加上超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)輸電和懸浮列車等的應(yīng)用，可以看到高溫超導(dǎo)體具有廣闊的應(yīng)用前景。自從1987年美籍華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)院趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)（63K80K）的高溫超導(dǎo)體問世以來，超導(dǎo)材料的實(shí)用化已取得較大進(jìn)展，它在大電流技術(shù)中

10、的應(yīng)用前景是最激動人心的。 信息技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位日趨重要，計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)已經(jīng)從根本上改變了當(dāng)代社會的面貌。如果說第一次工業(yè)革命是動力或能量的革命，那么第二次工業(yè)革命就是信息或負(fù)熵的革命。人類邁向信息時(shí)代，面對著內(nèi)容繁雜、數(shù)量龐大、形式多樣的日趨增值的信息，迫切要求信息的處理、存儲、傳輸?shù)燃夹g(shù)從原來依賴于“電”的行為，轉(zhuǎn)向于“光”的行為，從而促進(jìn)了“光子學(xué)”和“光電子學(xué)”的興起。光電子技術(shù)最杰出的成果是在光通信、光全息、光計(jì)算等方面。光通信于60年代開始提出，70年代得到迅速發(fā)展，它具有容量大、抗干擾強(qiáng)、保密性高、傳輸距離長的特點(diǎn)。光通信以激光為光源，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)，比

11、電通信容量大10億倍。一根頭發(fā)絲細(xì)的光纖可傳輸幾萬路電話和幾千路電視，20根光纖組成的光纜每天通話可達(dá)7.6萬人次，光通信開辟了高效、廉價(jià)、輕便的通信新途徑。以光盤為代表的信息存儲技術(shù)具有存儲量大、時(shí)間長、易操作、保密性好、低成本的優(yōu)點(diǎn)，光盤存儲量是一般磁存儲量的1000倍。新一代的光計(jì)算機(jī)的研究與開發(fā)已成為國際高科技競爭的又一熱點(diǎn)。21世紀(jì)，人類將從工業(yè)時(shí)代進(jìn)入信息時(shí)代。 激光是20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的一門新興科學(xué)技術(shù)。1917年愛因斯坦提出了受激輻射概念，指出受激輻射產(chǎn)生的光子具有頻率、相、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的特點(diǎn)，而且受激輻射的光獲得了光的放大。他又指出實(shí)現(xiàn)光放大的主要條件是使高能

12、態(tài)的原子數(shù)大于低能態(tài)的原子數(shù)，形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，從而為激光的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。50年代在電氣工程師和物理學(xué)家研究無線電微波波段問題時(shí)產(chǎn)生了量子電子學(xué)。1958年湯斯等人提出把量子放大技術(shù)用于毫米波、紅外以及可見光波段的可能性，從而建立起激光的概念。1960年美國梅曼研制成世界上第一臺激光器。經(jīng)過30年的努力，激光器件已發(fā)展到相當(dāng)高的水平：激光輸出波長幾乎覆蓋了從X射線到毫米波段，脈沖輸出功率達(dá)1019W/cm2，最短光脈沖達(dá)610-15s等。激光成功地滲透到近代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。利用激光高亮度、單色性好、方向性好、相干性好的特點(diǎn)，在材料加工、精密測量、通信、醫(yī)療、全息照相、產(chǎn)品檢測、同

13、位素分離、激光武器、受控?zé)岷司圩兊确矫娑极@得了廣泛的應(yīng)用。 電子技術(shù)是在電子學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1906年，第一支三極電子管的出現(xiàn)，是電子技術(shù)的開端。1948年物理學(xué)家發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，這是物理學(xué)家認(rèn)識和掌握了半導(dǎo)體中電子運(yùn)動規(guī)律并成功地加以利用的結(jié)果，這一發(fā)明開拓了電子技術(shù)的新時(shí)代。50年代末發(fā)明了集成電路，而后集成電路向微型化方向發(fā)展。1967年產(chǎn)生了大規(guī)模集成電路，1977年超大規(guī)模集成電路誕生。從1950年至1980年的30年中，依靠物理知識的深化和工藝技術(shù)的進(jìn)步，使晶體管的圖形尺寸（線寬）縮小了1000倍。今天的超大規(guī)模集成電路芯片上，在一根頭發(fā)絲粗細(xì)的橫截面積上，可以制備40個(gè)

14、左右的晶體管。微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使得信息處理能力和電子計(jì)算機(jī)容量不斷增長。40年代建成的第一臺大型電子計(jì)算機(jī)，自重達(dá)30t，耗電200kW，占地面積150m2，運(yùn)算速度為每秒幾千次，而在今天一臺筆記本電腦的性能完全可以超過它。面對超大規(guī)模電路中圖形尺寸不斷縮小的事實(shí)，人們已看到，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的微電子技術(shù)已接近它的物理上和技術(shù)上的極限。要求物理學(xué)家從微結(jié)構(gòu)物理的研究中，制造出新的能滿足更高信息處理能力要求的器件，使微電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。3、物理學(xué)是科學(xué)的世界觀和方法論的基礎(chǔ) 物理學(xué)描繪了物質(zhì)世界的一幅完整的圖象，它揭示出各種運(yùn)動形態(tài)的相互聯(lián)系與相互轉(zhuǎn)化，充分體現(xiàn)了世界的物質(zhì)性與物質(zhì)世界

15、的統(tǒng)一性，19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律，被恩格斯稱為偉大的運(yùn)動基本定律，它是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一及唯物辯證法的自然科學(xué)基礎(chǔ)。著名的物理學(xué)家法拉第、愛因斯坦對自然力的統(tǒng)一性懷有堅(jiān)強(qiáng)的信念，他們一生始終不渝地為證實(shí)各種現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系而努力。 物理學(xué)史告訴我們，新的物理概念和物理觀念的確立是人類認(rèn)識史上的一個(gè)飛躍，只有沖破舊的傳統(tǒng)觀念的束縛才能得以問世。例如普朗克的能量子假設(shè)，由于突破了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，而遭到當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的反對。普朗克本人由于受到傳統(tǒng)觀念的束縛，在他提出能量子假設(shè)后多年，長期惴惴不安，一直徘徊不前，總想回到經(jīng)典物理的立場。同樣，狹義相對論也是愛因斯坦在突破了牛頓的絕對時(shí)空觀的束縛，形成了相對論時(shí)空觀的基礎(chǔ)上建立的。而洛倫茲由于受到絕對時(shí)空觀的束縛，他提出了正確的坐標(biāo)變換式，但不承認(rèn)變換式中的時(shí)間是真實(shí)時(shí)間，一直提不出狹義相對論。這說明正確的科學(xué)觀與世界觀的確立，對科學(xué)的發(fā)展具有重要的作用。 物理學(xué)是理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的科學(xué)。物理學(xué)中很多重大的發(fā)現(xiàn)，重要原理的提出和發(fā)展都體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與理論的辯證關(guān)系：實(shí)驗(yàn)是理論的基礎(chǔ)，理論的正確與否要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，而理論對實(shí)驗(yàn)又有重要的指導(dǎo)作用，二者的結(jié)合推動物理學(xué)向前發(fā)展。一般物理學(xué)家在認(rèn)識論上都堅(jiān)持科學(xué)理論是對客觀實(shí)在的描述，著名理論物理學(xué)家薛定諤聲稱物理學(xué)是“絕對客觀真理的載體”。 綜上所