物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学⑤物理学对人类社会文明的贡献

物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学

5——物理学对人类社会文明的贡献

物理学对人类社会文明的作用和贡献主要体现在两个方面，一是对人的自然观产生深刻的影响。二是不断地推动了人类社会的物质文明和技术进步。

一、 物理学的发展改变了人的自然观

物理学作为一种知识体系，构成了现代文化的一个方面。它以尊重客观事实、推崇科学理念、追求和谐统一的观念，改变着人的思维方式。物理学的发展促使人们的自然观不断深化。物理学是人类战胜愚昧的武器，是走近文明的向导，是认识世界和改造世界的原动力。物理学对自然的解释和对自然规律的发现实现了从对自然界愚昧的认识到古代朴素的自然观、再到机械自然观以至现代科学自然观的多次飞跃。物理学的观点、理论、思维和研究方法和它的科学的思想精神渗透到社会科学和哲学等领域，对人们的世界观的转变必然产生积极的影响。物理学对经济和技术的促进作用，使人类的生产方式和人们的生活观念也发生了巨大变化。从亚里士多德关于物体运动的解释到力和力的本质的理解再到基本相互作用的认识，从托勒密地心说到哥白尼日心说再到现代宇宙观，从中国和古希腊的关于万物本原的认识到原子分子学说再到波粒二象性以及场和基本粒子的认识，人们对宇宙万物起源、物质结构、物质本性、运动和相互作用的理解经历了一次又一次的观念的转变。相对论改变了人们对时间、空间和运动的认识。科学革命从物理学开始，使人的思想从封建神学中的束缚中解放出来、以科学的理性去认识大自然的规律，这对于人类的整个思想文化都产生了历史性的影响。物理学研究扩展了关于大自然知识的疆界，物理学理论的发展已在多个方面把人类对自然界的认识提升到一个前所未有的高度。在微观领域内的研究已深入到基本粒子和亚核世界并引起了人们测量观、因果观的深刻变革。在宇观领域内的研究已扩展到10²⁶m的宇宙范围和10¹⁷s的宇宙纪元并引起了人们时空观、宇宙观的变化。在宏观领域内的研究涉及到物质形态和运动形式多样性、复杂性，凝聚态和混沌现象等研究成果对已有知识体系形成了巨大冲击。尤其是近年来在介观领域内的研究(如原子团簇、纳米结构)又拓宽了人们对自然的认识范围。物理学也扩展和提高了人们对其它学科的理解如化学、生物学、农业科学、环境科学、地球科学、天文学、宇宙学等，使人们对自然界的认识更加全面而深入。

二 、物理学是技术革命的源泉和动力

物理学是各种技术学科和工程学科的共同基础。物理学的研究成果通过技术的方式直接转化为生产力，从根本上改变了人类的生产与生活方式，极大地推动了人类社会的发展与进步。

1.力学和热学直接促进了第一次技术革命

开始于十八世纪的第一次技术革命的主要标志是蒸汽机的发明和使用。蒸汽机的发明和改进以及动力机械技术吸取了当时许多物理学（力学和热学）研究成果，并非完全依靠经验。机器设计需要力学。在蒸汽机发明之前，已有一些热学研究的初步成果。托利拆里1643年发现了真空。德国的格里凯于1645年进行了有关大气压性质的马德堡半球实验，指出在真空状态下大气压可以转变为机械动力，并发明了真空泵。英国的波意耳1662年发现了气体实验定律之一—波意耳定律。有关热的现象与本质也有一些初步探索。牛顿力学理论也已经建立。正是在这样的物理学背景下，法国的巴本（1647-1714）于1690年发明了活塞式水蒸汽机，英国的塞维利（1650-1715）于1698年发明了蒸汽泵，英国的纽可门于1705年发明了空气蒸汽机。这些蒸汽动力装置被广泛地用于矿井排水作业和农田灌溉，但存在耗煤太多、效率很低、只能做往复直线运动的缺点。英国的瓦特运用当时萌芽的热学理论（比热、潜热概念等）对纽可门机进行了根本性的改进，于1765年研制成了与主汽缸分离的冷凝器，后来又变单纯的往复运动为转动、变单动为双动、采用1/2冲程利用蒸汽膨胀做功，大幅度提高了蒸汽机的效率。在瓦特以后的关于蒸汽机的发明大都是机械结构的完善。蒸汽机的发明促进了热学的发展，热学的发展又进一步推动了蒸汽动力技术的完善。在热力学定律的基础上，1876年，奥托发明了四冲程活塞机。以后，热机效率不断提高，同时利用膨胀蒸汽作功和力学原理研制出了气轮机、水轮机、内燃机及各种高压锅炉等，从而奠定了工业生产的动力基础。在力学和热学理论的指导下，蒸汽动力技术和机械技术的发明与改进，极大地推动了机械加工业、航海业、纺织业、交通运输业、矿业以及军事技术等各行业的迅速发展。

2．经典电磁理论的创立为第二次技术革命开辟了道路

以电的发明和使用为主要标志的第二次技术革命发生于十九世纪70年代。从此，人类开始了以电动力、电照明、无线电通信为基础的现代文明生活，电气化时代随即取代了机械化时代。十九世纪是电磁学的世纪，奥斯特、安培、法拉第等科学家在电磁相互作用、电磁感应等方面的划时代的研究成果奠定了电力电气技术的基础，使人类在生产生活中大规模利用电能的设想变成事实。麦克斯韦以其天才的数学才能，在法拉第有关“场”的思想和有关电磁现象的实验规律的基础上建立了经典电磁理论。经典电磁学理论是电工电子技术、电机电器制造、电力传输技术、有线和无线电通信、光学、微波和红外技术、电光源技术等技术领域的基础。发电机、电动机、变压器的发明，实现了电能与机械能等其他形式能量的转换及电能方便快捷的远距离输送。随着电机电器技术的发展，电能作为一种极为方便的二次能源的应用范围不断扩大，火力水力发电、电解、电镀、电热、电冶金等生产技术领域迅速扩展。与“电”有关的发明大大地提高了劳动生产率，也改变了人类的生活方式和生活质量。1879年爱迪生发明的电灯延长了人们的生产生活时间。电影的问世（1895年）、磁带录音和放音机（1898年）的发明丰富了人们的精神生活。1829年，美国的亨利进行了电报机的早期实验。1835年美国出现了第一台实用电报机。1849年西门子铺设了第一条长距离陆地电报线。1895年俄国的波波夫发明了无线电收发报机、同年意大利的马可尼成功地进行了无线电通讯试验并在1901年实现了大西洋两岸的的无线电信号传递。1876年贝尔发明了第一部电话机。1906年，美国实现了无线电有声广播。上述有线和无线通讯的发明使人类获取和传递信息的能力大大提高，是人类社会走向信息化时代的第一步。总而言之，没有电磁学理论，就不可能有第二次技术革命。

3．以相对论和量子力学为基石的近代物理学引发了第三次技术革命

20世纪40年代，人类社会迎来了以原子能、电子计算机和空间技术为主要标志的第三次技术革命。随之而来的是一系列高新技术如半导体与微电子、激光、超导、新能源技术、空间技术、海洋技术、信息技术、生物工程技术、新材料技术等迅猛崛起。半个多世纪以，各种高科技产业的形成和发展，深刻地改变着人们的物质与精神生活，使世界面貌发生了翻天覆地的变化。高新技术的理论基础是物理学尤其是近代物理学。爱因斯坦的相对论质能关系和核物理学的研究成果，使核能的利用成为现实。 爱因斯坦《关于辐射的量子理论》的论文中提出的受激辐射概念为激光器的问世奠定了理论基础。由量子力学而导致的第一只晶体管的发明为人类带来了规模空前的微电子产业，其中超大规模集成电路技术使计算机、卫星电视、移动电话、各种自动控制器等一系列高科技产品进入了现代社会。原子分子物理直接推动了电子、光电子、激光产业的发展，以量子理论为基础的凝聚态物理是新材料产业发展的动力。信息的获取、处理、和传输，离不开物理学原理的支持。信息处理的关键技术是计算机技术，为了大幅度提高计算机运算速度，全新概念的新一代计算机（量子计算机、超导计算机、光计算机、模拟人脑的神经网络计算机）是重要的发展方向，物理学将在理论和实验上提供雏形。物理学的发展使通讯技术实现了从有线通讯到无线通讯、微波通讯、卫星通讯，再到光纤通讯的飞跃，正在研究的光孤子通讯的信息传输量将是光纤通讯的10万倍以上。实现信息获取与转换的传感技术也必须依赖于物理学原理。生命科学、生物技术、医疗设备与物理学密切相关。物理学为生命科学提供了各种研究手段。源于物理技术的x光照片机、核磁共振扫描仪、正电子和x光断层扫描成象设备、γ刀、激光、超声波探测装置（B超）等高科技产品广泛地用于医学诊断和治疗。新能源包括核能、太阳能、风能、地热能等，新材料和新器件包括各种结构材料和功能材料器件，军事尖端武器包括核武器、小型核子武器、弹道导弹、巡航导弹、导弹防御系统、军用卫星、隐身飞机、强激光武器、高功率微波武器、粒子束武器、反物质武器、电磁炮等，新的交通技术如磁悬浮列车，以及各种高新技术都依赖于物理学的研究成果。

三 、物理学与技术进步的关系

物理学和技术的发展有着互相依赖、互相推动的关系。在历史上，物理学与技术的相互关系曾表现出两种模式。对以蒸汽机的使用为特征的第一次技术革命来说，尽管蒸汽机的发明吸取了早期物理学的研究成果，但更多的是生产和技术向物理学提出问题和挑战，从而促进物理学理论的发展。反过来，物理学又更深刻地影响技术的进步和生产力的发展。这就是所谓的“生产、技术—物理—技术、生产”的发展模式。例如，热机的发明和不断改善及其在工业上的广泛应用，促使人们去深入研究各种物质的热性质和热运动规律，对热现象的研究走上了实验科学的道路，逐渐形成了完整的热学理论。热学理论又指导热机技术的改进，热机效率不断提高。18世纪末，蒸汽机的效率只有5-8%，20世纪蒸汽机的效率达到15% ，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机的效率达50%。从根本上改变人类社会面貌的是第二种发展模式即“物理—技术、生产—物理”，这在第二次和第三次技术革命中充分体现了出来。在这种模式中，开始基本上是对自然现象、规律的探索和知识的积累，并没有实际的应用研究和为生产服务的目的。一旦物理学理论被人们所掌握并在实践中得到应用，带来的将是技术的巨大进步和生产力的大解放，技术进步又将物理学推向一个新的发展起点。库仑、奥斯特、安培、麦克斯韦等人长期研究所建立的电磁学理论，导致了以电气化、无线电通讯为特征的第二次技术革命。第三次技术革命所诞生的高新技术，无一不需要前期的物理学理论和实验知识的积累。例如，没有爱因斯坦的相对论质能关系以及量子力学和核物理的研究成果，就不会有原子能。没有爱因斯坦的受激辐射理论，就不会有激光技术。没有量子力学以及在它基础上建立的固体理论、半导体理论，就不会有晶体管，也不会有大规模集成电路和今天的信息技术。然而，现代物理学发展十分迅速，物理分支学科和边缘学科大量涌现，也得益于技术进步。

物理学是现代科学技术的基础，反过来科学技术又促进了物理学的发展。物理学在过去、现在乃至今后都处于中心学科的地位。它将不断推出新思想、新原理和新方法，孕育着高新技术和新兴产业的生长点，其发展关系到整个社会的进步和变化。物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转。物理与技术相互促进，是推动人类社会向前发展的强大动力。