【物理新知】物理学与三次技术革命

科学突飞猛进，新技术层出不穷。物理学作为20世纪的领头学科，由经典走向现代，由宏观到微观，已步入一个崭新的发展阶段。20世纪物理学上的两大重要成果是狭义相对论(爱因斯坦)和量子力学(普朗克)，诺贝尔奖得主李政道教授说：“如果没有狭义相对论和量子力学的诞生，就不会有后来的原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超计算机等一切科学文化的发展。”20世纪物理学的成就表明，物理学已成为一切自然科学的基础。当今社会，几乎没有一门科学和技术部门不应用物理学的成果；生产、生活、衣食住行，哪里有人类活动，哪里就有物理学文化气息，物理学已渗透到社会生活的各个领域。

百年来物理学的巨大发展使我们进一步认识到物理学不仅是高新技术发展的源泉，而且也是一切自然科学得以发展的基础，没有物理学基础研究的发展，就不会有现代一切科学文化的出现。因此物理学是自然科学的“领袖”，重大进展都与它密切相关，原子能、计算机、电子技术……且本身分流众多，近代力学、近代热机学和燃烧学、电子工程、半导体工程、光机科学、材料科学……并向其他科学渗透。近代化学、近代生物学、医学、计算机科学……(24对遗传基因、 DNA双螺旋结构、经典通讯、量子通讯……)，物理学是人类文明的第一推动力。

 “物理”一词的探源

物理学是研究物质世界最基本、最深层次规律的科学分支，是在最基础层面上研究物质运动规律的科学。李政道先生指出：物理一词来源于杜甫于公元758年唐肃宗乾元元年作的《曲江二首》之一“一片飞花减却春，风飘万点正愁人。且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇。江上小堂巢翡翠，花边高冢卧麒麟。细推物理须行乐，何用浮名绊此身。”(录全唐诗上四函三册分目杜甫第五四七页)。

1687年，牛顿《自然哲学的数学原理》发表，标志经典物理学的诞生——带给人类第一次物质文明的第一次飞跃

经典物理学一诞生便推动了第一次工业革命，带给人类第一次物质文明的飞跃。早在100多年前，马克思就“把科学首先看成是历史的有力的杠杆，看成是最高意义上的革命力量。”其中“物理学研究提高了我们对自然界的基本认识，产生了对人类有深远意义的知识。它所孕育出的新技术扎根于我们的文化中。” 因此，物理学的每一次革命都会推动人类社会的巨大进步。

从1543年，哥白尼提出了日心说到开普勒从弟谷·布拉赫大量的精确天文观测资料中，总结出了行星运动三定律。伽利略为捍卫、发展和传播哥白尼学说做出了艰苦卓绝的努力。伽利略用自制的望远镜进行天文观测，有力地证实了地球在宇宙中并不比其他星球特殊。尤其是1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(下面简称《对话》)，对亚里士多德进行了批判。并指出没发现恒星视差是因为恒星离地球太远；他用惯性原理对上抛物体落回原处做出了解释。教会传讯了他并对他刑讯逼供，最后伽利略被判为终身监禁，《对话》也列为禁书。日心说与地心说进行了残酷的较量，直到1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》(下面简称《原理》)出版，才取得了历史性的胜利。《原理》建立了经典力学的理论体系，提出了运动三定律和万有引力定律，揭示了行星绕太阳运动的根本原因，完成了物理学发展史上的第一次大综合。牛顿的《原理》不仅仅是在知识体系上继承和发展了“巨人”们的成果，在研究方法上也是一样。因此，达朗贝尔认为牛顿将数学、实验以及观察统一起来，创造了一门真正的新科学。牛顿的《原理》被认为是科学史上最伟大的著作。这场革命对人类的整个思想文化都产生了历史性的影响。“牛顿思想影响是巨大的；不管这些思想是否被正确理解，整个启蒙运动的纲领(尤其是在法国)是自觉建立在牛顿原理和方法的基础上的，并且从牛顿的辉煌成就派生出启蒙运动的信心及其广泛的影响。这在后来转变为西方现代文化。道德、政治、技术、历史、社会等等的某些中心概念和发展方 向，没有哪一个思想和生活领域能够逃脱这种文化的影响。”

第一次工业革命是刚取得统治地位的英国资产阶级进行的一次生产方式的革命。它开始于17世纪，高潮在18世纪，发展在19世纪。这场革命的标志是蒸汽机的使用。17世纪，英国的资本主义大发展遇到了三大难题(采矿、武器的研制、航海)；当时，物理学家都踊跃地参与了相关的发明创造，有效地解决了上述难题，其中最著名的有牛顿、哈雷、惠更斯、胡克、雷恩、波义耳、马略特、托利拆利等。但无论是采矿、战争，还是航海都涉及一个动力机问题。从17世纪 初起就有很多人着手这方面的工作，直到18世纪初，英国的纽可门才发明了第一台蒸汽推动活塞工作的抽水机。1765年，瓦特把蒸汽的冷凝过程安排在汽缸外进行，这是对原始蒸汽机的关键改革。物理学(力学和热学)是第一次工业革命的理论基础和工作指南。牛顿力学是机械设计和制造的理论基础，对蒸汽机的研制更是以力学和热学为理论依据。那时，对温度计、量热学(比热、潜热)、热传导及热的本质的研究等都取得了重大发展。瓦特在改革蒸汽机的过程中，就得到布莱克的理论指导，而布莱克是对量热学的研究有卓越贡献的科学家。因此那时的工厂“不再被交给无知的工作者；相反，在他们中的大多数人中，有非常有知识的人，有 受到良好教育的物理学家们，为了促进有用技艺的进步，我们必须指望他们。”

第一次工业革命使人类进入机械化时代，极大地提高了劳动生产率。瓦特的成功使蒸汽机在国民经济各个领域得到了广泛的应用。蒸汽机作为织机的动力机，使工作效率提高40倍。1807年，富尔顿造出了第一艘蒸汽机轮船“克莱蒙脱号”。1814年，斯蒂芬逊造出了第一台实用型蒸汽机车；后来经改进使其 载重量达90t，时速提高到24km。总之，蒸汽机在100年其所创造的生产力，比过去一切世代创造的全部生产力还要多、还要大。对第一次工业革命西方一些历史学家是这样评价的：“一场史无前例的影响深远的革命改变了英国的面貌。从那以后，世界也变了样。没有一场革命具有像工业革命那样显著的革命性——也许除新石器时代的革命之外。新石器时代的革命使人类从狩猎的原始部落分散的聚居状态，进入了在不同程度上相互依存的农业社会。而工业革命使人类从农夫、牧羊人变成了由非生命的能量驱驶的机器的驾驭者。”第一次工业革命也促进了科学(物理学)的发展。人类要生存，首先要解决衣食住行，这就得生产；要生产就必须利用能源和制造工具，于是产生了技术；怎样才能充分利用已知能源和开发新能源，怎样改进劳动工具才能提高劳动生产率，就得去探索自然规律，于是产生了科学。的确，从18世纪末到19世纪，为提高蒸汽机和金属冶炼的热效率，为解决工业、交通和军事上的若干技术问题，有力地推动了物理学的研究：1788年，拉格朗日的《分析力学》出版，发展了牛顿力学。特别是热力学和统计物理学，因此，完成了形成——发展——成熟的全过程。1798年，仑福特提出热的运动 说。1824年，卡诺设计了理想热机并提出卡诺定理。1842—1847年，迈耳、焦耳和赫姆霍兹等提出能量守恒定律。1848年，W·汤姆生创立热力学温标，提出绝对零度是温度下限的论点。1850—1865年，克劳修斯和W·汤姆生提出热力学第二定律。

19世纪末到20世纪末，以量子力学和相对论(以及电磁理论)为支柱的近代物理学推动了第二次科学和技术的大发展。为人类带来第二次物质文明的大飞跃——20世纪物质文明的大飞跃

历史上第一个对电磁现象进行系统研究的是英国的吉尔伯特。他于1600年出版了《磁铁》一书，其结论是：电和磁是两种截然不同的东西。到了18 世纪，工业革命进入高潮时，电磁研究复苏了。18世纪80年代，富兰克林以著名的风筝实验证明了天上的雷电与地上的电荷相同。他定义了正负电荷，提出了电荷守恒定律。1784年，库仑发明了扭秤。次年，他用扭秤实验得出了静电作用的平方反比定律。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，首次揭开了磁电统一 的神秘面纱。接下来，安培对此作了深入研究，提出了电流间相互作用的安培定律，为电动力学的创立做了开创性的工作。电能生磁，磁能否生电？物理学家对此进行了艰苦的探索。经10年的努力，法拉第终于在1831年发现了电磁感应现象，找到了磁生电的规律。为了解释电磁现象，法拉第还提出了力线，即“场”的概念。从1861年起，麦克斯韦对法拉第的“力线”进行数学化，于1873年建立了经典电磁理论——麦克斯韦方程组。其中，麦克斯韦提出了“涡旋电场”和 “位移电流”假说，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了光是一种电磁波。10年后，德国的赫兹用实验证明了电磁波的存在，还证明了电磁波具有反射、折 射、干涉、衍射等现象，实现了物理学的大综合，即电、磁、光的综合。电磁学理论推动了社会的进步。电磁理论使人类社会从机械化跃进为电气化。发电机和电动机的发明，实现了机械能、热能、光能(后来还有原子能)和电能间的相互转化，形成了二次能源。由于电能的转换和使用方便快捷，人类对能源的利用上了一个新 的台阶。远距离输电技术的问世，使能源的使用地可远离它的产生地。对此恩格斯给予了高度的评价：“这一发明使工业几乎彻底摆脱地方条件所规定的一切界限，并且使极遥远的水力的利用成为可能，如果最初它只对城市有利，那么到最后它终将成为消除城乡对立的最强有力的杠杆。”1879年，爱迪生发明了电灯，使夜晚变成白昼，延长了人们的生产生活时间。1895年，电影问世；1898年，发明了磁带录音和放音机。这些发明丰富了人们的精神生活。同时，电能清洁卫生 无污染，大大改善了人们的生活质量。在电磁理论的基础上各种电器、电机相继发明，有力地促进了技术的进步，从而极大地提高了劳动生产率。此前，物理学家自 身的结构主要是：物理学家+数学家+哲学家；电气化时代，出现了物理学家+工程师+企业家这类新型科学家。其中最著名的有爱迪生、贝尔和西门子。这是科学领先技术和生产的必然结果。有线和无线通讯是人类迈向信息化时代的第一步。1835年，美国出现了第一台实用电报机。1849年，西门子敷设了第一条长距 离大陆电报线。1854年，W·汤姆生发明潜水电报，并提出了海底电缆信号传递衰减的理论，解决了敷设海底电缆的重大理论问题。1876年，贝尔发明了世界上第一部电话。1881年，特斯拉发明电话增音机。从此，电话成为人们重要的信息传递工具。1895年，俄国的波波夫发明了无线电收发报机，但受到冷遇。同年，意大利的马可尼成功地进行了电磁波通讯试验，并获无线电报专利。1901年，他首先在大西洋两岸实现远距离无线电信号的传送。1904年，弗莱 明在“爱迪生效应”基础上发明了二极管。1906年，三极管问世。同年，美国应用调制技术，实现了无线电有声广播。1908年，英国的肯培尔等提出电子扫 描原理，奠定了现代电视技术的基础。从此，无线电技术在通讯领域得到广泛应用，人类传递和获取信息的能力大大增强。

 “经典物理学”和“近代物理学”已经分别为人类带来了两次物质文明的大飞跃，第三次物质文明的大飞跃又由谁来发动呢?

将由量子力学，量子力学向生命科学、材料科学、信息科学等各门学科的应用所发动。人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物——相对论和量子力学。

19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。可是，该世纪末的迈克尔孙—莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”；而电子、X 射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。1905年，爱因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不 变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。在此基础上，他又得到了质能相当的推论E=mc²，这预示了原子能利用的可 能。1913—1916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。他预言，光线从太阳旁边通过时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代 天文学的新纪元。1900年，普朗克为驱散第二朵“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效应”。同年，他把量子概念用于点阵振动来解释固体比热。1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。此后，对量子力学的建立做出重要贡献的著名物理学家还有：1923 年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意，1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔。同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和 粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的高潮。

量子力学对人类文明产生了深远的影响。量子力学是信息技术的源泉，是信息技术的原创理论基础；信息技术是量子力学理论的技术应用和技术开发。1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想——能带论。1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出 半导体的物理模型。1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属半导体接触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属 半导体接触整流作用的“扩散理论”。这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联、逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。1952年，达默在一次学术会议上公开提出：“随着晶体管的发明和半导体研究的进展，目前看来，有理由期待将电子设备制作在一个不用引线的固体半导体板块中。这种固体板块由若干个绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成，各层彼此分割的区域直接相连，可以实现某种功能。”这就是半导体集成电路的思想，它可以说是电子学观念上的一次革命。1959年，德克萨斯仪器公司首先建成世界上第一条集成电路生产线，并于1962年生产出了 世界上第一块集成电路正式产品。集成电路的发明，是以电子元件为主的电子技术的重大突破。这一突破，使电子技术沿着集成电路所开创的电子元件微型化的新道 路大踏步前进，它不仅是微电子技术发展的标志，也是现代计算机技术发展的基础，更是现代信息技术的基石。随着集成电路集成度的不断提高，到1964年研制成功了中规模集成电路；1968年又研制成功了大规模集成电路；1973年大规模集成电路开始进入工业化生产阶段，这个阶段已经出现了集成20多万个元器件的芯片。大规模集成电路与小规模集成电路相比较，元件的功能发生了质的变化。后者需要大量的元件，甚至是整个设备才能完成的功能，由前者一个元件就代替了。有源元件、无源元件及线路三者之间的内部矛盾关系也发生了根本改变，矛盾的主要方面从开关逻辑元件转化为传输线路连结系统，逻辑元件的主要矛盾也从逻辑的简单性转化为逻辑的规则性和品种的单一性，这就为成批生产大规模集成电路创造了条件。因此，大规模集成电路的出现，是以电子元件为主的电子技术的又一次重大突破。20世纪80年代则是超大规模集成电路时代，集成度实际上已经突破了百万大关，从80年代后期开始，集成电路技术步入1微米和亚微米时代，真正实现了微型化。当进入21世纪，集成度则以每年100倍的平均速度增长，集成电路的集成度达到几十亿。以集成电路为核心的微电子技术发展极大地促进了现代通信技术、微电子技术、计算机技术、光导技术、人工智能技术等许多领域技术的进步发展，从而开创了以上述技术为基础的现代信息技术，并以迅猛的速度发展着。由此可见，在信息技术发展的源头和过程中，量子力学等物理科学的研究成果起了极大的作用。其实，在空间技术、核能技术、材料技术、生物工程技术等其他 新技术的发展过程中，物理科学研究成果也同样起到了很大的作用。可以说没有物理科学的创新成果，就不可能有这些新技术的发明或迅速发展。

量子力学的建立把化学和生物学推向了新的高峰。19世纪末，化学也取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困难。其主要原因是“原子不可分，元素不能变”的观念根深蒂固。20世纪物理学的革命，从根本上改变了化学的基本概念，并使之获得了很多新的研究方法。由物理学家开创的化学键理论，X射线衍射法的运用，都推动了结构化学的发展。20世纪后的化学，主要是通过研究电子在分子和原子中的分布和运动，由此更深刻地揭示物质的性质和化学变化规律。所以，诺贝尔化学奖获得者李远哲说：化学规律是量子力学。分子生物学创立于20世纪50年代，物理学对其形成和发展产生了举足轻重的作用。首先，X射线衍射方法 的运用使生物大分子晶体结构分析成为可能。特别是薛定谔于1944年出版的《生命是什么》一书“从思想上唤起生物学革命”。该书用量子力学的观点论证基因 的稳定性和突变发生的可能性。他预言，必定有一种由同分异构的连续体构成非周期性晶体，其中含有巨大数量的排列组合，构成遗传密码稿本。德尔布吕克接受了薛定谔“生物学的核心问题是信息问题”的思想，利用病毒噬菌体发现了基因自我复制的奥秘，揭示了遗传的物质性并开创了分子生物学的先河。该书在运用统计物理的概念分析生命现象后指出，生命物质的运动必然服从已知的物理学定律。这启发了人们用物理学的思想和方法去探讨生命物质运动的规律。

相对论和量子力学与原子能的利用。原子能是在相对论和量子力学的基础上发现的新能源。二战后期，为了反法西斯战争的胜利，罗斯福接受了爱因斯坦的建议，搞起了“曼哈顿工程”，开始研制原子弹。从纯科学的角度讲，这是狭义相对论和量子力学第一次成功转化为现实战斗力(生产力)。当今，核能除用在军 事上外，更多的是用于发电，核动力发电站几乎遍及全世界，核电已占到了总发电量的30%。

可见，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究的新成果带动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步发展，并出现了一个又一个新的产业部门，其影响遍及生产、科研、国防、医学，乃至每个家庭，大大改变了当代社会的结构和面貌，甚至影响到人们的思维方式。历史和经验告诉我们，无论是过去，还是现在，乃至将来，社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步，科学技术的进步离不开物理科学的创新成果，而物理科学的创新成果，靠的是具有高素质的物理科学人才。