物理學與三次技術革命

科學突飛猛進，新技術層出不窮。物理學作為20世紀的領頭學科，由經典走向現代，由宏觀到微觀，已步入一個嶄新的發展階段。20世紀物理學上的兩大重要成果是狹義相對論(愛因斯坦)和量子力學(普朗克)，諾貝爾獎得主李政道教授說：「如果沒有狹義相對論和量子力學的誕生，就不會有後來的原子結構、分子物理、核能、激光、半導體、超導體、超計算機等一切科學文化的發展。」20世紀物理學的成就表明，物理學已成為一切自然科學的基礎。當今社會，幾乎沒有一門科學和技術部門不應用物理學的成果；生產、生活、衣食住行，哪裡有人類活動，哪裡就有物理學文化氣息，物理學已滲透到社會生活的各個領域。

百年來物理學的巨大發展使我們進一步認識到物理學不僅是高新技術發展的源泉，而且也是一切自然科學得以發展的基礎，沒有物理學基礎研究的發展，就不會有現代一切科學文化的出現。因此物理學是自然科學的「領袖」，重大進展都與它密切相關，原子能、計算機、電子技術……且本身分流眾多，近代力學、近代熱機學和燃燒學、電子工程、半導體工程、光機科學、材料科學……並向其他科學滲透。近代化學、近代生物學、醫學、計算機科學……(24對遺傳基因、 DNA雙螺旋結構、經典通訊、量子通訊……)，物理學是人類文明的第一推動力。

「物理」一詞的探源

物理學是研究物質世界最基本、最深層次規律的科學分支，是在最基礎層面上研究物質運動規律的科學。李政道先生指出：物理一詞來源於杜甫於公元758年唐肅宗乾元元年作的《曲江二首》之一「一片飛花減卻春，風飄萬點正愁人。且看欲盡花經眼，莫厭傷多酒入唇。江上小堂巢翡翠，花邊高冢卧麒麟。細推物理須行樂，何用浮名絆此身。」(錄全唐詩上四函三冊分目杜甫第五四七頁)。

1687年，牛頓《自然哲學的數學原理》發表，標誌經典物理學的誕生——帶給人類第一次物質文明的第一次飛躍

經典物理學一誕生便推動了第一次工業革命，帶給人類第一次物質文明的飛躍。早在100多年前，馬克思就「把科學首先看成是歷史的有力的槓桿，看成是最高意義上的革命力量。」其中「物理學研究提高了我們對自然界的基本認識，產生了對人類有深遠意義的知識。它所孕育出的新技術紮根於我們的文化中。」 因此，物理學的每一次革命都會推動人類社會的巨大進步。

從1543年，哥白尼提出了日心說到開普勒從弟谷·布拉赫大量的精確天文觀測資料中，總結出了行星運動三定律。伽利略為捍衛、發展和傳播哥白尼學說做出了艱苦卓絕的努力。伽利略用自製的望遠鏡進行天文觀測，有力地證實了地球在宇宙中並不比其他星球特殊。尤其是1632年，他出版了《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》(下面簡稱《對話》)，對亞里士多德進行了批判。並指出沒發現恆星視差是因為恆星離地球太遠；他用慣性原理對上拋物體落回原處做出了解釋。教會傳訊了他並對他刑訊逼供，最後伽利略被判為終身監禁，《對話》也列為禁書。日心說與地心說進行了殘酷的較量，直到1687年，牛頓的《自然哲學的數學原理》(下面簡稱《原理》)出版，才取得了歷史性的勝利。《原理》建立了經典力學的理論體系，提出了運動三定律和萬有引力定律，揭示了行星繞太陽運動的根本原因，完成了物理學發展史上的第一次大綜合。牛頓的《原理》不僅僅是在知識體系上繼承和發展了「巨人」們的成果，在研究方法上也是一樣。因此，達朗貝爾認為牛頓將數學、實驗以及觀察統一起來，創造了一門真正的新科學。牛頓的《原理》被認為是科學史上最偉大的著作。這場革命對人類的整個思想文化都產生了歷史性的影響。「牛頓思想影響是巨大的；不管這些思想是否被正確理解，整個啟蒙運動的綱領(尤其是在法國)是自覺建立在牛頓原理和方法的基礎上的，並且從牛頓的輝煌成就派生出啟蒙運動的信心及其廣泛的影響。這在後來轉變為西方現代文化。道德、政治、技術、歷史、社會等等的某些中心概念和發展方 向，沒有哪一個思想和生活領域能夠逃脫這種文化的影響。」

第一次工業革命是剛取得統治地位的英國資產階級進行的一次生產方式的革命。它開始於17世紀，高潮在18世紀，發展在19世紀。這場革命的標誌是蒸汽機的使用。17世紀，英國的資本主義大發展遇到了三大難題(採礦、武器的研製、航海)；當時，物理學家都踴躍地參與了相關的發明創造，有效地解決了上述難題，其中最著名的有牛頓、哈雷、惠更斯、胡克、雷恩、波義耳、馬略特、托利拆利等。但無論是採礦、戰爭，還是航海都涉及一個動力機問題。從17世紀 初起就有很多人著手這方面的工作，直到18世紀初，英國的紐可門才發明了第一台蒸汽推動活塞工作的抽水機。1765年，瓦特把蒸汽的冷凝過程安排在汽缸外進行，這是對原始蒸汽機的關鍵改革。物理學(力學和熱學)是第一次工業革命的理論基礎和工作指南。牛頓力學是機械設計和製造的理論基礎，對蒸汽機的研製更是以力學和熱學為理論依據。那時，對溫度計、量熱學(比熱、潛熱)、熱傳導及熱的本質的研究等都取得了重大發展。瓦特在改革蒸汽機的過程中，就得到布萊克的理論指導，而布萊克是對量熱學的研究有卓越貢獻的科學家。因此那時的工廠「不再被交給無知的工作者；相反，在他們中的大多數人中，有非常有知識的人，有 受到良好教育的物理學家們，為了促進有用技藝的進步，我們必須指望他們。」

第一次工業革命使人類進入機械化時代，極大地提高了勞動生產率。瓦特的成功使蒸汽機在國民經濟各個領域得到了廣泛的應用。蒸汽機作為織機的動力機，使工作效率提高40倍。1807年，富爾頓造出了第一艘蒸汽機輪船「克萊蒙脫號」。1814年，斯蒂芬遜造出了第一台實用型蒸汽機車；後來經改進使其 載重量達90t，時速提高到24km。總之，蒸汽機在100年其所創造的生產力，比過去一切世代創造的全部生產力還要多、還要大。對第一次工業革命西方一些歷史學家是這樣評價的：「一場史無前例的影響深遠的革命改變了英國的面貌。從那以後，世界也變了樣。沒有一場革命具有像工業革命那樣顯著的革命性——也許除新石器時代的革命之外。新石器時代的革命使人類從狩獵的原始部落分散的聚居狀態，進入了在不同程度上相互依存的農業社會。而工業革命使人類從農夫、牧羊人變成了由非生命的能量驅駛的機器的駕馭者。」第一次工業革命也促進了科學(物理學)的發展。人類要生存，首先要解決衣食住行，這就得生產；要生產就必須利用能源和製造工具，於是產生了技術；怎樣才能充分利用已知能源和開發新能源，怎樣改進勞動工具才能提高勞動生產率，就得去探索自然規律，於是產生了科學。的確，從18世紀末到19世紀，為提高蒸汽機和金屬冶煉的熱效率，為解決工業、交通和軍事上的若干技術問題，有力地推動了物理學的研究：1788年，拉格朗日的《分析力學》出版，發展了牛頓力學。特別是熱力學和統計物理學，因此，完成了形成——發展——成熟的全過程。1798年，侖福特提出熱的運動 說。1824年，卡諾設計了理想熱機並提出卡諾定理。1842—1847年，邁耳、焦耳和赫姆霍茲等提出能量守恆定律。1848年，W·湯姆生創立熱力學溫標，提出絕對零度是溫度下限的論點。1850—1865年，克勞修斯和W·湯姆生提出熱力學第二定律。

19世紀末到20世紀末，以量子力學和相對論(以及電磁理論)為支柱的近代物理學推動了第二次科學和技術的大發展。為人類帶來第二次物質文明的大飛躍——20世紀物質文明的大飛躍

歷史上第一個對電磁現象進行系統研究的是英國的吉爾伯特。他於1600年出版了《磁鐵》一書，其結論是：電和磁是兩種截然不同的東西。到了18 世紀，工業革命進入高潮時，電磁研究復甦了。18世紀80年代，富蘭克林以著名的風箏實驗證明了天上的雷電與地上的電荷相同。他定義了正負電荷，提出了電荷守恆定律。1784年，庫侖發明了扭秤。次年，他用扭秤實驗得出了靜電作用的平方反比定律。1820年，奧斯特發現了電流的磁效應，首次揭開了磁電統一 的神秘面紗。接下來，安培對此作了深入研究，提出了電流間相互作用的安培定律，為電動力學的創立做了開創性的工作。電能生磁，磁能否生電？物理學家對此進行了艱苦的探索。經10年的努力，法拉第終於在1831年發現了電磁感應現象，找到了磁生電的規律。為了解釋電磁現象，法拉第還提出了力線，即「場」的概念。從1861年起，麥克斯韋對法拉第的「力線」進行數學化，於1873年建立了經典電磁理論——麥克斯韋方程組。其中，麥克斯韋提出了「渦旋電場」和 「位移電流」假說，預言了電磁波的存在，並從理論上證明了光是一種電磁波。10年後，德國的赫茲用實驗證明了電磁波的存在，還證明了電磁波具有反射、折 射、干涉、衍射等現象，實現了物理學的大綜合，即電、磁、光的綜合。電磁學理論推動了社會的進步。電磁理論使人類社會從機械化躍進為電氣化。發電機和電動機的發明，實現了機械能、熱能、光能(後來還有原子能)和電能間的相互轉化，形成了二次能源。由於電能的轉換和使用方便快捷，人類對能源的利用上了一個新 的台階。遠距離輸電技術的問世，使能源的使用地可遠離它的產生地。對此恩格斯給予了高度的評價：「這一發明使工業幾乎徹底擺脫地方條件所規定的一切界限，並且使極遙遠的水力的利用成為可能，如果最初它只對城市有利，那麼到最後它終將成為消除城鄉對立的最強有力的槓桿。」1879年，愛迪生髮明了電燈，使夜晚變成白晝，延長了人們的生產生活時間。1895年，電影問世；1898年，發明了磁帶錄音和放音機。這些發明豐富了人們的精神生活。同時，電能清潔衛生 無污染，大大改善了人們的生活質量。在電磁理論的基礎上各種電器、電機相繼發明，有力地促進了技術的進步，從而極大地提高了勞動生產率。此前，物理學家自 身的結構主要是：物理學家+數學家+哲學家；電氣化時代，出現了物理學家+工程師+企業家這類新型科學家。其中最著名的有愛迪生、貝爾和西門子。這是科學領先技術和生產的必然結果。有線和無線通訊是人類邁向信息化時代的第一步。1835年，美國出現了第一台實用電報機。1849年，西門子敷設了第一條長距 離大陸電報線。1854年，W·湯姆生髮明潛水電報，並提出了海底電纜信號傳遞衰減的理論，解決了敷設海底電纜的重大理論問題。1876年，貝爾發明了世界上第一部電話。1881年，特斯拉發明電話增音機。從此，電話成為人們重要的信息傳遞工具。1895年，俄國的波波夫發明了無線電收發報機，但受到冷遇。同年，義大利的馬可尼成功地進行了電磁波通訊試驗，並獲無線電報專利。1901年，他首先在大西洋兩岸實現遠距離無線電信號的傳送。1904年，弗萊 明在「愛迪生效應」基礎上發明了二極體。1906年，三極體問世。同年，美國應用調製技術，實現了無線電有聲廣播。1908年，英國的肯培爾等提出電子掃 描原理，奠定了現代電視技術的基礎。從此，無線電技術在通訊領域得到廣泛應用，人類傳遞和獲取信息的能力大大增強。

「經典物理學」和「近代物理學」已經分別為人類帶來了兩次物質文明的大飛躍，第三次物質文明的大飛躍又由誰來發動呢?

將由量子力學，量子力學向生命科學、材料科學、信息科學等各門學科的應用所發動。人類社會發展到今天，已進入信息時代、核能時代新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產物——相對論和量子力學。

19世紀，經典物理學的成就到達了頂峰。可是，該世紀末的邁克爾孫—莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的「兩朵烏雲」；而電子、X 射線和放射性等新發現，使經典物理學遇到了極大的困難。1905年，愛因斯坦以「同時」的相對性為突破口，提出了「光速不變原理」和物理規律在慣性系中不 變的「相對性原理」，導出了洛侖茲變換，從而驅散了第一朵「烏雲」。在此基礎上，他又得到了質能相當的推論E=mc2，這預示了原子能利用的可 能。1913—1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發，提出了「加速參照系與引力場等效」和物理規律在非慣性系中不變的「相對性原理」，從而得到了引力場方程。他預言，光線從太陽旁邊通過時會發生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創了現代 天文學的新紀元。1900年，普朗克為驅散第二朵「烏雲」，提出了「能量子」假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出「光量子」假說，用光的波粒二象性成功地解釋了「光電效應」。同年，他把量子概念用於點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發發射和受激發射的概念，孕育了激光技術。此後，對量子力學的建立做出重要貢獻的著名物理學家還有：1923 年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數的統計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的「不確定度關係」。量子力學揭示了微觀世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和 粒子物理學的發展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的高潮。

量子力學對人類文明產生了深遠的影響。量子力學是信息技術的源泉，是信息技術的原創理論基礎；信息技術是量子力學理論的技術應用和技術開發。1928年普朗克在應用量子力學研究金屬導電問題中，提出固體能帶理論的基本思想——能帶論。1931年英國物理學家威爾遜在能帶理論的基礎上，提出 半導體的物理模型。1939年肖特基、莫特和達維多夫，在弗蘭克爾金屬半導體接觸的表面理論基礎上，應用金屬與半導體接觸的「勢壘」概念，建立了解釋金屬 半導體接觸整流作用的「擴散理論」。這樣，能帶論、導電機理模型和擴散理論這三個相互關聯、逐步發展起來的半導體理論模型，便大體上構成了確立晶體管這一技術發明目標的理論背景。1952年，達默在一次學術會議上公開提出：「隨著晶體管的發明和半導體研究的進展，目前看來，有理由期待將電子設備製作在一個不用引線的固體半導體板塊中。這種固體板塊由若干個絕緣的、導電的、整流的以及放大的材料層構成，各層彼此分割的區域直接相連，可以實現某種功能。」這就是半導體集成電路的思想，它可以說是電子學觀念上的一次革命。1959年，德克薩斯儀器公司首先建成世界上第一條集成電路生產線，並於1962年生產出了 世界上第一塊集成電路正式產品。集成電路的發明，是以電子元件為主的電子技術的重大突破。這一突破，使電子技術沿著集成電路所開創的電子元件微型化的新道 路大踏步前進，它不僅是微電子技術發展的標誌，也是現代計算機技術發展的基礎，更是現代信息技術的基石。隨著集成電路集成度的不斷提高，到1964年研製成功了中規模集成電路；1968年又研製成功了大規模集成電路；1973年大規模集成電路開始進入工業化生產階段，這個階段已經出現了集成20多萬個元器件的晶元。大規模集成電路與小規模集成電路相比較，元件的功能發生了質的變化。後者需要大量的元件，甚至是整個設備才能完成的功能，由前者一個元件就代替了。有源元件、無源元件及線路三者之間的內部矛盾關係也發生了根本改變，矛盾的主要方面從開關邏輯元件轉化為傳輸線路連結系統，邏輯元件的主要矛盾也從邏輯的簡單性轉化為邏輯的規則性和品種的單一性，這就為成批生產大規模集成電路創造了條件。因此，大規模集成電路的出現，是以電子元件為主的電子技術的又一次重大突破。20世紀80年代則是超大規模集成電路時代，集成度實際上已經突破了百萬大關，從80年代後期開始，集成電路技術步入1微米和亞微米時代，真正實現了微型化。當進入21世紀，集成度則以每年100倍的平均速度增長，集成電路的集成度達到幾十億。以集成電路為核心的微電子技術發展極大地促進了現代通信技術、微電子技術、計算機技術、光導技術、人工智慧技術等許多領域技術的進步發展，從而開創了以上述技術為基礎的現代信息技術，並以迅猛的速度發展著。由此可見，在信息技術發展的源頭和過程中，量子力學等物理科學的研究成果起了極大的作用。其實，在空間技術、核能技術、材料技術、生物工程技術等其他 新技術的發展過程中，物理科學研究成果也同樣起到了很大的作用。可以說沒有物理科學的創新成果，就不可能有這些新技術的發明或迅速發展。

量子力學的建立把化學和生物學推向了新的高峰。19世紀末，化學也取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是「原子不可分，元素不能變」的觀念根深蒂固。20世紀物理學的革命，從根本上改變了化學的基本概念，並使之獲得了很多新的研究方法。由物理學家開創的化學鍵理論，X射線衍射法的運用，都推動了結構化學的發展。20世紀後的化學，主要是通過研究電子在分子和原子中的分布和運動，由此更深刻地揭示物質的性質和化學變化規律。所以，諾貝爾化學獎獲得者李遠哲說：化學規律是量子力學。分子生物學創立於20世紀50年代，物理學對其形成和發展產生了舉足輕重的作用。首先，X射線衍射方法 的運用使生物大分子晶體結構分析成為可能。特別是薛定諤於1944年出版的《生命是什麼》一書「從思想上喚起生物學革命」。該書用量子力學的觀點論證基因 的穩定性和突變發生的可能性。他預言，必定有一種由同分異構的連續體構成非周期性晶體，其中含有巨大數量的排列組合，構成遺傳密碼稿本。德爾布呂克接受了薛定諤「生物學的核心問題是信息問題」的思想，利用病毒噬菌體發現了基因自我複製的奧秘，揭示了遺傳的物質性並開創了分子生物學的先河。該書在運用統計物理的概念分析生命現象後指出，生命物質的運動必然服從已知的物理學定律。這啟發了人們用物理學的思想和方法去探討生命物質運動的規律。

相對論和量子力學與原子能的利用。原子能是在相對論和量子力學的基礎上發現的新能源。二戰後期，為了反法西斯戰爭的勝利，羅斯福接受了愛因斯坦的建議，搞起了「曼哈頓工程」，開始研製原子彈。從純科學的角度講，這是狹義相對論和量子力學第一次成功轉化為現實戰鬥力(生產力)。當今，核能除用在軍 事上外，更多的是用於發電，核動力發電站幾乎遍及全世界，核電已佔到了總發電量的30%。

可見，在21世紀的今天，我們仍然可以看到，在物理科學研究的新成果帶動下，許多領域的應用科學技術得到了進一步發展，並出現了一個又一個新的產業部門，其影響遍及生產、科研、國防、醫學，乃至每個家庭，大大改變了當代社會的結構和面貌，甚至影響到人們的思維方式。歷史和經驗告訴我們，無論是過去，還是現在，乃至將來，社會和經濟的發展總是離不開科學技術的進步，科學技術的進步離不開物理科學的創新成果，而物理科學的創新成果，靠的是具有高素質的物理科學人才。

文章來源物理小識，感謝原作者，如有侵權請告知刪除謝謝！

主編圈點：在物理學的大發展過程中，伴隨著人類的三次物質文明的飛躍，這不能不說物理學直接推動了技術的進步和生產力的大幅的提高，因此說物理說是生產力一點都不為過。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！