基础物理学与应用科学的联系及影响
摘要：物理学作为自然科学领域的一门重要的基础学科，它旨在探究物質世界的组成以及其运动规律并总结解释各种运动之间的联系与关系。从自然哲学到物理学的演变，物理学的发展史蕴藏着丰富的财富，同时它也是推动人类文明进步的动力基础。物理学发展到今天，已经形成了一个庞大的理论知识框架，而基于这些理论知识而发展的应用科学研究也已经遍及我们生活的方方面面，并缔造了一个又一个辉煌的里程碑。本文旨在讨论基础物理学对应用科学领域的联系及影响。
关键词：物理学；应用科学；生命科学；联系；影响
一、 物理学的发展史
从早期的自然哲学，到我们普遍意义的经典物理学，再到如今包含量子物理的现代物理学，物理学的发展是伴随着人类社会实践的发展而产生、成形及发展起来的，它的发展历史可以认为是涵盖了人类文明对自然社会探索认识的发展史。
在早期社会，人们对自然界的认识可以认为是物理学的前身——自然哲学的范畴。中国古代就有很多关于物理现象的描述，如战国时代的《墨经》中提到“端”具有“非半”的性质，被认为是世界上关于“原子论”的最早起源。而在沈括的《梦溪笔谈》中对“虹”这一自然现象进行了细致的记录与研究，指出“虹”为雨止初晴时出现的自然现象。这便是早期涉及光学的观察和分析。此外，该书与宋应星的《天工开物》等著作中还涉及了不少关于力学、光学、声学乃至电磁学等的相关知识。虽然这些观察分析并没有被进一步地分析量化，并总结其规律做深入探究，但是这些古代哲学观对现代物理学的发展仍然具有不容置疑的作用。
公元前6～7世纪，古希腊进入了繁荣发展的时代，希腊文明也随之崛起，学术研究热潮空前高涨。在这期间发展了既有自然哲学也有科学技术方面的知识。他们认为火、水、土、气四种元素组成万物。德谟克利特（公元前460～前371）提出的“原子论”，认为原子的数量和种类都无限多并处于永恒的运动中。
这为近代的“原子论”奠定了基础并产生了深远的影响。在此期间，欧几里得的几何学以及亚里士多德的著作《物理学》、阿基米德的浮力定律等均对现代物理的起源做出了杰出的贡献。
到公元7～8世纪的中东地区，阿拉伯人架起了东西方文化交流的桥梁，他们积极地学习希腊文化以及古代中国文化，将中国的造纸术、火药，印度的阿拉伯数字以及十进制等传至欧洲，并在光学领域做出了一定的贡献。
公元5～15世纪的欧洲中世纪阶段，科学发展相对缓慢，一直到中世纪末，许多学者开始怀疑亚里士多德的力学定律，并利用阿拉伯人的光学知识发展了玻璃制造业。古代中国的指南针则发展了磁学，这些发展为近代科学的诞生准备好了条件。
公元15～16世纪的文艺复兴，推进了资本主义的萌芽，也加速了航海业和相关贸易的发展。哥伦布发现美洲大陆，麦哲伦环球航行，波兰天文学家哥白尼的“日心说”，以及其著作的《天体运行论》都极大地促进了天文学、地理学以及物理学的发展。
意大利科学家伽利略利用物理学理论支持日心说，他发展了物理学的实验方法，被称为“近代物理学之父”。再之后的法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿提出的“运动量守恒”“惯性定律”，荷兰科学家惠更斯建立的光的波动性说，英国科学家牛顿提出的力学三定律及万有引力律等成为了物理学史上重要的里程碑。其中，牛顿作为科学史上的巨人，人们也把经典力学称为牛顿力学。
时间进入19世纪，随着中国的指南针传入欧洲，美国的富兰克林利用风筝把电引入了实验室，英国的卡文迪许证明静电力与距离的平方成反比，法国人库仑提出了库仑定律。
后来的欧姆建立的电路的欧姆定律，丹麦物理学家奥斯特发现的电流的磁效应，慢慢发展出了“电磁学”这一学科。法国人安培进行深入研究并确定了电流之间相互作用的安培定律。
之后，英国物理学家法拉第确立了电磁感应定律，麦克斯韦则发展了完整的电磁场理论，这一发现，促进了无线电通信的发明。19世纪时已经确定了能量转换定律和守恒定律，这标志着热力学的发展。
20世纪后，科学巨匠爱因斯坦建立相对论，发起了向微观世界和宇宙空间进军的号令。自卢瑟福发现原子核，海森伯、薛定谔建立量子力学，人们对世界的认识拓展到了微观领域，同时牛顿力学也不再适用，而爱因斯坦的相对论又将人类的视野拓展到了浩瀚的宇宙空间，这标志着人类对自然界认识深度和广度的进一步提高。
进入21世纪后，物理学的主要研究领域更加拓展，从固体物理到各种新型材料，从原子物理到化学物理再到环境物理及医学、生命科学物理。物理学研究的领域开始拓展到各种新型学科，并挑战科学领域的各种复杂性。
在各种发展趋势中，物理学始终是与各类应用科学领域结合最为密切的学科，并逐渐与它们进行互为影响和渗透。
二、 物理学与应用科学的联系及影响
对物理学普遍的定义为它是探究物质世界的基本结构、相互作用和运动规律所使用的实验手段和思维方法的一门自然科学。它对自然界中物质转变、能量变化等做出规律性总结形成基本的物理理论，而这些物理理论通常以数学形式进行表达。
物理学作为一门最古老的学科之一，在发展过程中，不断地开拓新领域，分化出不同的分支学科，如力学、热学、电磁学、光学以及相对论、量子力学、核物理和粒子物理学等。
这些学科之间相互渗透，互相综合，又会形成许多新兴学科，如生命物理学、医学物理学、分子动力学、环境物理学和新型材料物理学等。
无论是哪一种学科，它发展的最终目的是应用，应用的目的则是造福于人类。物理学是一门基础学科，它是许多科学技术的基础和起源，也是对某些科学技术进行革新的基本依据。因此，了解物理学与其他应用科学之间的联系及影响可以得到有利的启示。
1. 物理学在医学领域的影响
物理学与医院的结合大约可以追溯到400年前的伽利略时代。伽利略作为一名物理学家，也曾是一名医学学生，他通过很多医学问题探究物理学规律，为医学物理做出了杰出的贡献。托马斯·杨是英国的物理学家，他利用弹性理论研究动脉血流的脉动，用光的衍射理论测量细胞的大小，利用光学知识研究人眼的调节机制和散光现象。
法国医生和生理学家泊肃叶利用水银压力计測量动脉血压，研究血液的黏滞性流动原理，并提出了泊肃叶公式。物理学家赫姆霍兹研究了眼的聚焦机理，并发明了研究眼球晶体变化的晶体镜和观察视网膜的眼底镜。近代物理中出现的X射线、放射性、激光、核磁共振等一系列物理学新发现为医学研究和临床研究做出了杰出的贡献。这些技术广泛地应用于医学成像、肿瘤治疗等领域。物理学的发展与医学领域的进步有着密切的关联。
2. 物理学在生命科学领域的影响
在1943年，诺贝尔奖获得者，著名的量子物理学家薛定谔做了几场报告，探究“生命是什么”。他认为生命科学与物理学有着密不可分的联系。首先，生命有热力学基础。其次，生命具有分子基础。再次，生命具有量子力学基础，如X射线能引起基因突变现象。这些观点的提出奠定了物理学与生命科学领域的相互渗透关系。现阶段，人们对生命科学的研究有很大一部分是基于理论计算模拟手段，而这个手段框架的建立就依赖于物理学的基本定律。
目前，对生命体进行研究的流程可以归纳为几个步骤，大分子—蛋白质与核酸—结构与功能的实现。对它的研究历史也可以归纳为几个阶段，利用X射线分析结构阶段，大分子溶液构想研究阶段以及目前广泛应用的分子动力学模拟阶段。
而最新的动力学模拟阶段，主要思想为利用构建合适的物理模型来模拟生物大分子、蛋白质、DNA等结构，然后在事先构建的力场中进行动力学计算，而这个分子运动的过程中就涉及力学定律、热力学定律等物理学基本定律。可见，许多生命科学领域的难题需要在物理学的帮助下才能解决，尤其是对微观领域的研究。
3. 物理学在材料科学领域的影响
美国著名的物理学家R.P.Feynman在1959年提出设想“如果有一天人类可以按照自己的意志安排每一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢”。
现如今，这个美好的设想已经变成了现实。21世纪的纳米科学技术能够制备几十到几万个原子的纳米粒子，并将它们作为基本结构进行一维、二维甚至三维的结构排列，制备具有特殊性能的纳米材料。而这些纳米材料应用前景相当广泛，在催化方面、磁记录方面、工程应用乃至医学生物工程领域。而这些纳米材料的制备手段则利用了物理和化学方法，如
物理方法中的蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、低温等离子体法等。另外，对纳米尺度上的电子行为的描述也是利用介观物理、量子物理与及混沌物理学的规律。
4. 物理学在环境生物学领域的影响
一般认为，环境生物学是运用物理学的原理与方法来探究自然界中的物理因子对生物体的影响，阐述其作用机理，以及各物理因子与生物体之间相互作用相互关系的一门学科。这里提到的环境物理学中的环境一般指作用于以人类为中心的生物的所有外界环境影响的总和。
1841年迈耶发现在热带地区的人们静脉血液与动脉血液颜色一样红润，由此推断，在环境温度上升时，人体维持恒定体温只需要较少的能量，并提出能量守恒的普遍定律。
目前，环境生物体学又可细分为辐射生物学、生物电磁学、生物光学、生物声学、低温生物学等部分。研究发现，各种物理因子对生物体的作用过程是一个极其复杂的过程，各种物理因子包括磁场、电场辐射场等都会影响生物体内酶活性，通过调节酶活性机理可以进一步调节生物体的活动机制。
目前，人们对环境生物物理学中所涉及的很多微观机理还不清楚，这为日后的深入研究提出了要求。另外，对研究方向由定性转换成定量，由现象深化至机理，由机理总结至规律，逐步建立以数学、物理学以及量子生物学为基础的研究体系。探究全球变化对生态系统的影响，生命体系对外界因素作用的应答和调控，生物体运行过程中的能量、物质和信息等的传递与转换，外界环境因素的作用机理等。
三、 总结与展望
世界的发展如此之快，我们在赞美科学技术带来的杰出功勋之外，不得不承认物理学在这其中所立下的汗马功劳。物理学作为一门基础学科，已经渗透到我们生活的方方面面。
从微观到宇宙，从地面运动到航天技术，卫星运动到人造卫星，从波到广播电视、无线电波、微波雷达，从自然光到激光再到同步辐射光源，从简单的物质构造到复杂的人造材料、超导材料、新型磁功能材料，从简单的能量信息传递到遥感技术、移动通信手段、光纤通信，从基础能源到各种新型能源如太阳能、氢能、核能，再到我们医学领域中应用的生物电磁效应、超声诊断、放射性治疗诊断、粒子手术刀，再到细胞水平、DNA或RNA领域对生命科学的探索。可以说物理学构建了我们对自然世界的认识基础，也提供了我们改造自然、创新技术的理论依据。因此，我们深入探究物理学与这些学科的相互渗透有着重要意义。
作者简介：余江楠，浙江省天台县天台中学。
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