20世纪物理学对人类社会的深刻影响

　黔南民族师范学院学报2005年第6期　

20世纪物理学对人类社会的深刻影响

李先荣

(黔南民族师范学院物理与电子科学系,贵州都匀　558000)

摘　要:相对论和量子力学奠定了20世纪近代物理学的发展基础,相继取得了人们在原子能、航天、激光、超导、信息、纳米等一系列现代高新技术的广泛应用,对人类社会产生了深刻的影响“微观世界”和“宇观空间”进军,向“新事物”和“复杂性”进军,;物理学发展的基本观点是“彻底唯物”和“批判性”的,关键词:相对论;量子力学;;;中图分类号:O4-1:1005-6769(2005)06-0060-04

TheInfluenceofPhysicsontheHumanSocietyinthe20thCentury

LIXian-rong

(DepartmentofPhysicsandElectronics,QiannanNormalUniversityofNationalities,Duyun558000,China)Abstract:Relativityandquantummechanicsweretwocornerstonesofmodernphysicsandplayedanimportantroleinthehistoryofthe20thcentury,givingbirthtoatomicenergy,spacetechnology,laser,superconductor,informationtechnology,nanoscience,andotherhigh-techappli2cations.Themostimportantdirectionsoftheresearchanddevelopmentofmodernphysicsaretounderstandthemicroscopicandmacroscopicworld,andtoexplorenewthingsandcomplexphenomena,whichleadstotheformationofanewdevelopmentpattern,fromfundamentalresearchtoreal-worldapplications.Thephilosophyofphysicsiscriticalandobjective,andinthemeantimeexhibitsthebeautyofthenature:simplicity,symme2try,andharmony.

Keywords:relativity;quantummechanics;microscopicworld;macroscopicworld;universe;high-tech.

在20世纪100年中,科学技术非常明显地表现出它是生产力中最活跃、最起决定作用的因素,而物理学又被公认为是推动科学技术取得重大进展中的一门最重要的理论带头学科。如今纪念世界物理年暨爱因斯坦相对论创立100周年,使我们能进一步了解在过去100年中,物理学怎样极大地推动了科学技术的进步,怎样极大地改变了人们的生存状态和思维方式,从而进一步理解物理学在人类社会发展中所起到的重要作用。

1　20世纪物理学的进展及相关的重大发现和发明

在19世纪末短短的五年中,德国实验物理学家伦琴、法国物理学家贝克勒尔、英国物理学家J J

(X射线、汤姆逊的“三大发现”放射性和电子)和法国物理学家居里夫人提炼放射性元素钋和镭的成

功,拉开了20世纪物理学大发展的壮丽的序幕。

20世纪初叶的30年内是物理学发展最活跃、取得成果最重大的时期。1900年德国物理学家普朗克的量子论诞生;1901年意大利物理学家马可尼发明无线电报;1905年德国理论物理学家爱因斯坦创立狭义相对论和光的量子论;1911年英国物理学家卢瑟福发现原子核;美籍挪威化学、物理学家昂内斯发现了超导;1913年丹麦物理学家玻尔建立原子模型;1915年爱因斯坦创立广义相对论。在1925-1926

收稿日期:2005-09-16

作者简介:李先荣(1948-),男,贵州贵阳人,黔南民族师范学院物理与电子科学系副教授,研究方向:电磁场理论。 60

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处短短一年中,德国、奥地利物理学家海森伯、薛定谔创立量子力学;美国实验物理学家哈恩,斯特拉斯曼发现核裂变;美藉意大利物理学家费米建成了第一个核反应堆;美藉物理学家奥本海默等第一颗原子弹爆炸成功;同时期还有了中子的发现和晶体管的发明等。

从20世纪50年代到20世纪末,美国物理学家汤克斯、肖洛、梅曼等发明激光;美、德物理学家贝特、诺兹、绍勒发现高温超导;以相对论和量子力学为基础的近代物理学进一步促进了原子能、计算机、航天、激光、红外线、超导、通信、纳米等现代高新技术的广泛应用。1961年,苏联宇航员加加林乘载人航天飞船翱翔太空,1969年美国宇航员阿姆斯特朗等首次登上月球;1970年以后光纤通信逐步进入实用化、大规模集成电路计算机研制成功;1978年以后,计算机(电脑)大量普及,可见在这100年中,物理学取得了多么巨大的成就,对人类社会的发展产生了多么巨大的影响。

在这激动人心的100年中,爱因斯坦和牛顿是迄今为止,。正如2004年3月14日杨振宁教授在德国纪念爱因斯坦诞生125个伟大的概念上的革命,两个归功于爱因斯坦,;克在量子論的建立过程中,─爱因斯坦凝聚的设想而起了重要的作用。

2　20　　2.1向“微观世界”和“宇宙空间”进军。紧接三大发现之后,1905年爱因斯坦创立狭义相对论,发动了一场关于时空观的革命;1911年卢瑟福发现原子核并对原子稳定性的研究导致1913年玻尔量子论的建立;1925—1926年,海森伯、薛定谔等创立的量子力学,证明了在微观领域里关于粒子运动的牛顿力学已不再适用;爱因斯坦的质能关系和对原子核的认识,直接导致20世纪40年代原子能的利用和进一步深入到粒子物理的研究。在对小宇宙到大宇宙的渐近认识过程中,人们认识范围的尺度从小到-174510cm大到1023km即100亿光年,相差达10数量级,人类的视野一下扩展到神奇的微观世界和广阔无垠的宇宙空间,爱因斯坦感叹到:“宇宙间最不可理解的事物就是:宇宙是可以理解的。”

2.2向“新事物”和“复杂性”进军。20世纪初叶,物理学主要研究的是自然界天然存在的“物”之“理”,把各种金属、非金属晶体,气体和液体作为当初物理学研究的主要对象。但从20世纪下半叶以后,大量人工制造的材料问世,物理学研究的对象逐渐演变为含义更广的凝聚态物理,进入了物质存在的“离子体态”的研究,因为宇宙空间和天体的大都以“等离子体态”存在,等离子体物理与天体物理有着非常密切的关系。在对更为复杂的大分子体系的研究中,相继产生了原子物理、分子物理、化学物理和生物物理等,问题一旦涉及大量粒子(多体)的复杂体系,复杂所带来的不仅是量的改变,在质上也产生了新的规律,例如非线性动力学和自组织耗散结构等;这种复杂性也与科学界至今尚未解决的“生命现象”紧密相联,日益成为新一代物理学家高度重视的研究对象。

2.3产生了从基础性研究到促进高新技术应用的新发展模式。19世纪的热力学是在各种热机已经发明的基础上建立起来的,可以说是一种从生产技术到物理学理论再由理论进一步指导、提高生产技术的发展模式。在20世纪,物理学与高新技术的发展却出现了新的特点,如:原子能的利用是在核物理的理论和实验的基础上发展出来的;半导体晶体管的发明是在量子力学和半导体物理中的能带理论预言的基础上得以实现的,其过程是先从实验室的基础性研究(发现阶段)到应用性研究(发明阶段),再到开发性研究(中间试验阶段),成功后形成规模化生产变为商品进入市场。这是一种由基础性研究到形成高新技术的全新的发展模式,而这一发展链正日益呈现加速的趋势。

2.420世纪物理学正持续深入地影响着现代科技的进步。由三大发现和电子波粒二象性的发现诞生的相对论和量子力学,奠定了20世纪近代物理学的基础,相继产生了各个领域中高新技术的重大突破,而其影响正持续、深入和不断扩大,为社会现代化进程的迅速推进起着不可估量的作用,这从以下几项主要的现代高新技术发展前沿中可以看到:

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(1)航天技术。自1957年以来,世界上各国已在地球稠密的大气层之外的空间区域成功发射了5000多个各类航天器,60余个国家投巨资发展航天技术,总投资高达1万亿美元。人类在外层空间中可进行卫星通信、卫星观测、卫星导航、太空生产等,直接为国民经济、文化、教育、军事服务并已取得了丰硕的成果。迄今为止,人类宇宙探测的触角已达到火星、水星和太阳系以外的许多星系。

(2)激光技术。激光器的发明是20世纪中能与原子能、半导体、计算机相齐名的重大科技成就。激光的高亮度以及非常好的方向性、单色性和相干性使它自1960年问世以来,在短短的几十年中得到了迅速发展并已在精确测距、光纤通讯、受控核聚变,临床医学、诱发种子的遗传变异、研制新型激光器武器等方面有着重要的应用。

(3)纳米技术。纳米技术实际上是人类能按照自己的意愿,在纳米尺度(毫微米)中操纵单个原子或分子根据需要制造新型物质或材料的高新技术,目前被世界各国列为21。1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额已达500春雨润物细无声”地悄然渗透到我们日常生活中衣、食、住、体内对任何一个器官进行修复和治疗,千倍。未来学家们预测,,它的(4),敏锐地感觉到它蕴含着的巨大科学应用价值:利用超导技术,在遍及世界的电力领域里,可制造出功率大、体积小、效率高的超导发电机和各类供电设备,可实现无损耗长距离输电而大大减少所耗金属材料、节省巨大的投资。问题的关键是:如何提高超导体发生超导的温度,在近半个世纪的探索中,1987我国科学家赵忠贤领导的科研组已将钇钡氧化铜材料的超导温度提高到了92.8K(约零下180℃)以上,产生了超导体从研究到应用的新突破。高温超导的研究是目前世界各国科学家们的密切关注的重大科研课题,利用超导技术,世界上已研制出时速超过550km的磁悬浮列车。

(5)现代信息技术。现代信息技术是以微电子技术为核心的计算机技术、现代通信技术和人工智能技术,称为人类历史上的第三次技术革命。从1946年第一台计算机在美国诞生开始,计算机技术经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及智能计算机五个时代的发展历程。第五代人工智能技术研究的是如何使计算机具有人的左脑的形式逻辑功能;同时,科学家们也在开发如何使计算机具有人的右脑功能,即比左脑复杂得多的思维逻辑功能的“神经网络计算机”。信息技术极大地扩展了人类活动的空间,极大地改变了人们的工作、学习、生活方式,对整个人类社会产生了巨大而深远的影响,使人类社会迈入了一个崭新的时代。

(6)一个震惊人类的生物技术—克隆技术。20世纪量子力学建立后,薛定谔等物理学家先后介入生命科学的研究,遗传密码的物质负荷者“DNA”的双螺旋结构模型,就是美国遗传学家沃森和英国物理学家克里克于1953年共同提出的。DNA的自我复制和通过信息使DNA分子控制生命物质———蛋白质合成的两个特殊功能,为生物体的克隆提供了理论依据。20世纪末21世纪初,美国宣布实施克隆人体胚胎干细胞的研究,从而标志着对生物体的克隆技术取得重大突破和进入应用阶段。克隆技术具有十分广阔的应用前景,应用克隆技术可复制品种优良的家畜,挽救濒危动物,治疗人类各种器官性疾病。据美国商务部预测,21世纪初生物克隆技术产品每年的市场规模将超过5000亿美元。然而,克隆技术涉及对生命的操作,将会震撼而持久引发人们对伦理价值的反思。

可以预期,在21世纪,如果物理学在基本粒子领域内实现又一次重大突破,即能够全面揭露基本粒子的内部结构和它们之间的相互转化、相互作用的规律,则人类社会的生活和自然科学的各个领域必将会产生又一次新的巨大变化。

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3　20世纪物理学的基本观点

把物理学仅仅看成为一门非常专业性的自然科学是不全面的,从物理学的发展史可以看出,物理学是人类在对物质世界的不断探索中,逐渐形成的自然观和宇宙观的产物,是从无知和偏见中不断解放出来的过程;每一次物理学上的大革命,都是人类思想史上的又一次伟大解放,那么,物理学的基本观点是什么呢?

3.1物理学是“彻底唯物”的。物理学研究的是“物”之“理”,物理学发展中必须的、特定的“实验”方法,具有其它学科对物质世界研究中所达不到的精密程度。从其对物质世界的反复观测、严谨推理中,逐渐发展成一套成功的、彻底唯物的研究方法。物理学家清醒地懂得:一切具体的真理都必须经过实践的检验,并且是相对的而非绝对的,只能在不断的实验(实践),一步步逼进绝对真理,因此,,不可能的。

3.2物理学的本质是“批判性”的,每,在本质上都是批判性的。新理论,是认识上一种螺旋式的上升。人类认识的发,新理论必然地把旧理论中经过实践检验为正确的那一部分自然地包容在其自身之中。物理学家们在追求真理的进程中,总是不断地在肯定、否定,再肯定、再否定,总是感叹自己是“不断地站在巨人的的肩膀上,向着真理的不变目标前进。”正是由于他们的这种对真理孜孜不倦的追求和严谨的治学精神,铸就了物理学金子般的大厦。

3.3物理学体现了“简单、对称、和谐”的“美”。几百年来,人们对物理学中的的美赞叹不已。对这三个词涵义的理解,也在不断地随时间而深化。首先,物理规律在各自适用的范围内有其普遍的适用性、统一性和简单性,这本身就是一种深刻的美;表达物理规律的语言是数学,而且往往是非常简单的数学形式,这是一种微妙的美;其中,物理学家不仅发现了对称的美,也发现了不对称的美,更妙的是发现了对称中的不对称的美。再说“和谐”,人们曾经认为,只有将相同的东西放在一起才是和谐的,而物理学家特别是量子物理学家发现和揭示的真理,证明了古希腊哲学家河拉克利特的话:“自然……是从对立的东西产生和谐,而不是从相同的东西产生和谐。”爱因斯坦也说过:“从那些看来与直接可见的真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。”科学的统一性本身就是一种崇高的和谐的美。

物理学在这100年中所走过路,是一条人类在不断征服自然、改造自然的永恒奋斗中,从基础研究到高新技术应用之间的相互促进、共同发展、走向永恒的发展道路。回顾物理学的百年历史,我们无不赞叹:是物质世界产生了物理学,而物理学又以其巨大的生命力极大地改变了整个物质世界!参考文献:

[1]张礼.近代物理学进展[M].中国人民大学出版社,1997.

[2]王鸿生.世界科学技术史[M].中国人民大学出版社,1996.

[3]倪光炯,王炎森.改变世界的物理学[M].上海:复旦大学出版社,1999.

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