物理学与科学技术的关系
摘要物理学的发展与完善导致了历史上三次工业革命,现代工业及科学发展离不开物理学理论。物理学实验既为物理学发展创造条件,同时也为现代工农业生产技术的研究打下了物质基础。当前我国为了积极跟踪世界新科学技术,要努力在生物工程、电子技术、自动化技术、新材料、新能源、航空航天、海洋工程、激光、超导、通讯等新技术领域取得新的科技发展。这些科技发展,都是与物理学的应用有着非常密切关系的,物理学是科学技术的基础。
关键词物理学 工业革命 科学 技术
中图分类号:O4文献标识码:A
1 物理学与工业革命
物理学研究自然界的基本运动规律,包括机械运动、分子物理的运动、电磁运动及基本粒子的运动,是其它一切运动的基础;物理学与数学一并成为工程技术科学的基础,同时也是自然哲学的基础。
物理学作为一门基础科学,可以使人们很好地认识世界、了解自然。同时,它对人们改造自然、推动社会发展也起着极其重要的作用。技术体现了生产力的进步,与物理学有着十分密切的关系,它们之间总是相互作用,共同发展,从而共同改变了人类的生活,乃至整个世界。
在经典物理学形成之初,技术的发展往往先给物理学以有力的帮助和促进。例如,眼镜发明于14世纪,当时人们是先有光学知识,还是先学会磨制镜片,今天不得而知。到了17世纪,人们无意中用两块镜片组成了望远镜和显微镜,却为物理学家、天文学家以至于生物学家提供了极好的观察工具。他们用这些简陋而新奇的工具来观察靠肉眼无法直接看到的外部世界和内部世界,并进一步研究光学成象的原理,几何光学由此得到发展。反过来,工程师和技师又根据光学原理设计制造了更为完善的光学仪器,物理学家借以测量光速,土木工程师借以测量地基,航海家借以确定航线。蒸汽机的发明是在已有的热力学知识基础上作出的。17世纪前后,人们已经掌握了热胀冷缩、温度计量等基本知识,但是热力学的科学体系并未建立。起初,蒸汽机的热机效率极低,大约只有5%。为提高蒸汽机的效率,工程师和科学家纷纷进行试验和理论研究。纽康门(T.Newomen)和瓦特(J.Watt)都曾对蒸汽机作过重大改进,但是由于没有掌握热机中能量守恒与转化的基本规律,始终未能找到理想的方案。只是等到19世纪前半叶,由于卡诺定理的提出和克劳修斯(R.Clausius)等人建立了热力学第二定律,才为蒸汽机效率的提高指明了正确道路。应该说,蒸汽动力的需求推动了热力学的发展,并为热力学提供了研究资料。所以对于热力学来说,技术对物理学的推动作用是很明显的,总的说来,是热工技术在前,热力学理论在后。先有实践,再有科学。这方面的实例,在自然科学的其他环节也可以找到,不过大多是在19世纪以前。蒸汽机的发展是由于经典力学及热力学理论的完善,才大量地应用于工业实际,产生了第一次工业革命。
电磁学的发展则正好相反。电磁学几乎所有的重大成果都是在实验室里首先取得的,都是先进行探索性研究,然后再应用到实际生活中去。伏特(C.A.Volta)在实验室里首先试验成功化学电堆,这才有可能在生产和生活中运用化学电池来获得稳定电流。奥斯特(H.C.Oersted)在实验室里发现了电流的磁效应,法拉第(M.Faraday)在实验室里发现了电磁感应,这才有可能出现第一台电动机和发电机。在这以前,找不到任何电磁学工程技术之先例。而其他各种电气设备的创制和改造,也无不是先在物理学家手里进行充分的实验研究和理论分析,掌握了严格的物理规律,并建立了严密的物理理论后,才有可能实现。相应的工程技术和生产工艺,也是按照已知的规律、在理论的指导下进行的,基本上是科学研究在前,工程技术在后。或者说是发现在前,发明在后。 麦克斯韦(J.C.Maxwell)的电磁场理论和赫兹(H.R.Hertz)的电磁波实验为20世纪无线电事业大发展奠定了基础;由于电磁学理论的完善,使电能由实验室推向生产生活,又产生了以电话、电报为标志的雏形通讯业,产生了第二次工业革命。
固体和半导体理论指导了晶体管的发明和改进产生了以电子计算机为标志的第三次工业革命。在20世纪里大概很难找到不需要理论指导,盲目实践就取得成功的工程技术实例了。
20世纪里,物理学成果对技术的影响莫过于爱因斯坦(A.Einstein)的相对论及量子论尤其是质能关系E=MC2,这些导致了新能源的诞生:光能及核能。爱因斯坦的受激辐射原理导致激光的应用,当然又是一个鲜明的例证。
2 物理学与高科技
2.1 二十世纪的高科技与物理学
对于二十世纪的物理学与社会的关系,人们已经达成共识:二十世纪是物理学的世纪。这一共识,来自于有目共睹的物理学对高科技的影响和对提高社会生活品质的贡献。
(1)基于相对论和量子理论的物理学的各个分支学科的发展产生了二十世纪的新技术。核物理与量子物理导致原子弹和氢弹的出现,以及核能与核技术的发展;半导体物理导致晶体管、集成电路、计算机的出现,以及信息与通信技术的发展;量子光学是激光技术、光学通讯、光学工程的科学基础;原子分子物理、材料科学、量子化学导致人工新材料的产生;天体物理学与宇宙科学是宇航技术的科学基础,它们导致了新的宇宙观的形成。
(2)二十世纪的物理学促进了其他学科的发展。化学:物理学促进了量子化学、化学热力学和化学反应动力学的发展;物理学的方法、仪器与探测技术在化学中得到了广泛的应用,使化学研究发生了质的飞跃。生物学:物理学与生物学相结合,产生了生物物理学、量子生物学等交叉学科;物理学的方法、仪器与探测技术在生物学中得到了广泛的应用,使生物学逐步成为精密的、定量的科学。数学:广义相对论、量子促进了非欧几何、泛函分析和希伯特空间理论、微分几何与纤维从理论、拓扑学、量子群、非对易几何等数学分支的发展,计算机的出现还使机器证题和计算数学得到空前发展。
2.2 二十一世纪的物理学与高科技
物理学在自然科学群体中的地位是由自然科学群体的知识结构决定的,是长期的、稳定的。在自然科学群体中,物理学处于基础的领导地位。
这一观点会招致来自其他学科的争议。对这些争议的回答是:(1)对于数学:首先,数学本身不能回答其本身的数学形式逻辑体系的客观真实性的问题,数学形式体系的真实性要靠物理学体系去认证。其次,数学的发展有两个动力,即数学内部逻辑发展需要和外部的物理学等学科的发展需要。然而,数学是定量的语言,是人类交流和表达思维的工具,对现代科学技术,它更是不可缺少的工具。(2)对于化学:量子力学和统计物理学是表述化学定律的基础,现代化学在理论上离不开量子力学,在实验上离不开现代物理学测量技术。③对于生物学:量子力学和统计物理学是在分子层次上认识生命现象的基础,生物物理学是生物学更定量、更准确。
综上所述,物理学在自然科学体系中的领导地位而是不可否认的。
预期二十一世纪的高科技与物理学有如下对应关联:
3 物理学在科学技术发展中的作用与地位
现代科学技术正以惊人的速度发展。而在物理学中每一项科学的发现都成为了新技术发明或生产方法改进的基础。
物理学本身就是以实验为基础的科学,物理学实验既为物理学发展创造条件,同时也为现代工农业生产技术的研究打下了物质基础。当前我国为了积极跟踪世界新科学技术,要努力在生物工程、电子技术、自动化技术、新材料、新能源、航空航天、海洋工程、激光、超导、通讯等等新技术领域取得新的科技发展。这些科技发展,都是与物理学的应用有着非常密切关系的。
参考文献
[1]张礼.近代物理学进展[M].清华大学出版社,1997.2.
[2]申漳.简明科学技术史话[M].中国青年出版社,1982.7.
[3]潘永祥.自然科学发展史[M].北京大学出版社,1984.9.