物理學(xué)與人類文明

【摘 要】人類生活在宏觀物質(zhì)世界里，人類歷史的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)物質(zhì)世界的探索。物理學(xué)就是解釋一切自然現(xiàn)象，推動(dòng)人類進(jìn)步的重要推動(dòng)力。人類發(fā)展史的各個(gè)階段都與物理學(xué)息息相關(guān)。物理學(xué)促進(jìn)了各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)。沒(méi)有物理學(xué)的發(fā)展就沒(méi)有如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)代人類文明。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)；牛頓力學(xué)；工業(yè)革命；人類文明

俗話說(shuō)：“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕?！边@其中的“理”就是指的“物理”。此話雖然有些片面，但也道出了物理學(xué)的重要性。物理學(xué)一詞，源自希臘文physikos，很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，它和自然哲學(xué)（natural philosophy）同義，探究物質(zhì)世界最基本的變化規(guī)律。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步和文化知識(shí)的擴(kuò)展、深化，物理學(xué)以純思辨的哲學(xué)演變到以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。物理學(xué)研究的對(duì)象包括力、熱、電、光、磁、聲，從宏觀領(lǐng)域到微觀領(lǐng)域，得到了一系列對(duì)自然現(xiàn)象的科學(xué)解釋并形成理論，最終形成發(fā)明創(chuàng)造，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。物理學(xué)的高技術(shù)和強(qiáng)滲透性也使之成為社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。物理學(xué)給人類提供了大量的物質(zhì)財(cái)富，同時(shí)也提供了精神財(cái)富。

迄今為止，物理學(xué)所創(chuàng)造出來(lái)的所有成果無(wú)一不是人類身體某一部位的延伸和替代。人造衛(wèi)星、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等等是人類眼睛的延伸；手機(jī)、電話、雷達(dá)等等是人類耳朵的延伸；汽車(chē)、輪船飛機(jī)等運(yùn)輸工具是人類腿和腳的延伸；槍炮、導(dǎo)彈和火箭等等是人類胳膊和手的延伸；電腦、機(jī)器人是整個(gè)人的延伸；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的診療手段也離不開(kāi)物理學(xué)，X光、核磁共振、CT、B超、放射性療法等等都是基于物理學(xué)?？v觀人類文明的發(fā)展史，就是一部物理學(xué)的發(fā)展史。

一、物理學(xué)初建

古時(shí)候人們就嘗試著理解這個(gè)世界：為什么物體會(huì)往地上掉，為什么不同的物質(zhì)有不同的性質(zhì)，地球、太陽(yáng)以及月亮這些星體究竟是遵循著什么規(guī)律在運(yùn)動(dòng)，人們提出了各種理論試圖解釋這個(gè)世界。這些早期的理論在今天看來(lái)更像是一些哲學(xué)理論。古希臘哲學(xué)家亞里士多德創(chuàng)造了物理這門(mén)學(xué)科的名稱，但由于歷史的局限性，他對(duì)物理的很多認(rèn)識(shí)卻是錯(cuò)誤的，比如他認(rèn)為，物體下落的速度與物體的重量有關(guān)，物體越重，下落越快。這一理論最終被伽利略的“大球小球同時(shí)落地”的實(shí)驗(yàn)所推翻。古希臘哲學(xué)家、物理學(xué)家阿基米德發(fā)現(xiàn)了浮力定律和杠桿原理，并發(fā)明設(shè)計(jì)制造了多種機(jī)械，如螺旋揚(yáng)水器、軍用投射器。德謨克利特最先提出了原子論，認(rèn)為萬(wàn)物都是由原子組成的，原子是不可分割的最小微粒。天文學(xué)從強(qiáng)勢(shì)的“地心說(shuō)”到開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律：軌道定律、面積定律和周期定律，哥白尼、布魯諾等天文學(xué)家付出了巨大努力。電磁學(xué)方面發(fā)現(xiàn)了摩擦起電、磁石吸鐵等物理現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了指南針。古代物理學(xué)還稱不上真正的科學(xué)，更多的是基于思辨，對(duì)于生活經(jīng)驗(yàn)和自然現(xiàn)象的總結(jié)。

二、牛頓出版《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

牛頓出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是人類歷史上第一次科學(xué)革命的集大成之作。這部巨著闡述了萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三大定律（慣性定律、力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的定律、作用力與反作用力定律），把物體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在一個(gè)嚴(yán)密的理論中——牛頓力學(xué)。根據(jù)牛頓力學(xué)，我們知道了：蘋(píng)果為什么總是落到地上；慣性是什么；為什么劃槳能使船前行；為什么月球圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)并出現(xiàn)陰晴圓缺等等。這是經(jīng)典力學(xué)的第一部經(jīng)典著作，也是人類掌握的第一個(gè)完整的科學(xué)的宇宙論和科學(xué)理論體系，其影響所及遍布經(jīng)典自然科學(xué)的所有領(lǐng)域，并發(fā)展出許多學(xué)科：宇宙天文學(xué)、航空航天科學(xué)、工程力學(xué)、建筑學(xué)、機(jī)械制造、原子核科學(xué)等等。宇宙天文學(xué)的發(fā)展，使我們對(duì)宇宙的起源有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。航天科學(xué)的發(fā)展讓人類的飛天夢(mèng)成為現(xiàn)實(shí)。

三、物理學(xué)與第一次工業(yè)革命

18世紀(jì)中期，以蒸汽機(jī)的廣泛使用為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命開(kāi)始了人類的工業(yè)化進(jìn)程。蒸汽機(jī)的發(fā)明是基于熱學(xué)的發(fā)展。蒸汽機(jī)利用水沸騰產(chǎn)生的高壓蒸汽推動(dòng)活塞做功，產(chǎn)生動(dòng)力帶動(dòng)機(jī)器工作。從18世紀(jì)晚期開(kāi)始，蒸汽機(jī)廣泛應(yīng)用在采礦、冶煉、紡織、機(jī)械制造、化工等領(lǐng)域，并出現(xiàn)蒸汽輪船、蒸汽機(jī)車(chē)、蒸汽汽車(chē)，蒸汽機(jī)成為了當(dāng)時(shí)各行業(yè)的主要?jiǎng)恿C(jī)械。蒸汽機(jī)的發(fā)明，解放了人類的雙手，促成了傳統(tǒng)手工業(yè)向機(jī)械化大生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，陸上和海上長(zhǎng)途運(yùn)輸成為可能，極大地提高了生產(chǎn)生活效率。

四、物理學(xué)與第二次工業(yè)革命

電的使用開(kāi)啟了人類歷史上的第二次工業(yè)革命。1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流有磁效應(yīng)，開(kāi)始人類研究電與磁的相互關(guān)系的序幕。1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第建立了電磁感應(yīng)定律，創(chuàng)立了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，使發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成為可能。德國(guó)工程師西門(mén)子根據(jù)閉合線圈的磁通量發(fā)生改變可能產(chǎn)生電流的原理，發(fā)明了第一臺(tái)自饋式發(fā)電機(jī)，可以產(chǎn)生較大的功率，同時(shí)體積也較輕巧。從此，電能開(kāi)始成為主要能源并推動(dòng)工業(yè)向前發(fā)展，繼而出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)、電機(jī)車(chē)、電燈、電視機(jī)和電工儀器儀表等許多改變?nèi)祟惿罘绞降碾娖髟O(shè)備。1873年，蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表的《論電與磁》開(kāi)創(chuàng)了電動(dòng)力學(xué)，是現(xiàn)代電工學(xué)的開(kāi)端。麥克斯韋提出了光的電磁說(shuō)，并預(yù)言了電磁波的存在。電磁波是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)，無(wú)線電、手機(jī)、衛(wèi)星就是通過(guò)電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)人類遠(yuǎn)距離傳輸和交換信息。

五、物理學(xué)與第三次工業(yè)革命

進(jìn)入二十世紀(jì)，由于原子能、電子計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)、航天技術(shù)、分子生物學(xué)和遺傳工程等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，出現(xiàn)了第三次工業(yè)革命，這是一場(chǎng)不同于傳統(tǒng)工業(yè)的信息技術(shù)革命，標(biāo)志著工業(yè)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代。

（1）物理學(xué)與微電子技術(shù)

1947年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊、巴丁和布拉頓研究出一種點(diǎn)接觸鍺晶體管。晶體管是20世紀(jì)一項(xiàng)重大發(fā)明，開(kāi)啟了微電子革命的先聲。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)使用晶體管集成電路的計(jì)算機(jī)。以晶體管為基礎(chǔ)的集成電路，也叫芯片，使信息處理設(shè)備小型化、便攜化。如今，大到工業(yè)設(shè)備、交通工具，小到各種生活設(shè)備，凡是有電的設(shè)備，幾乎都有芯片對(duì)信息進(jìn)行處理。在當(dāng)今信息大爆炸的時(shí)代，微電子技術(shù)使得信息接收、存儲(chǔ)、處理更加便捷和高效。計(jì)算機(jī)以及各種“人機(jī)控制系統(tǒng)”廣泛應(yīng)用，使生產(chǎn)、辦公、家庭生活自動(dòng)化。人類社會(huì)從機(jī)械化、電氣化進(jìn)入到一個(gè)更高級(jí)的自動(dòng)化時(shí)代。

（2）物理學(xué)與能源

工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)能源的供應(yīng)，傳統(tǒng)的電能、水能、化學(xué)能越來(lái)越不能滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。核能作為一種高效、清潔能源能極大緩解能源危機(jī)。核能的利用得益于原子核物理的發(fā)展。從19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)放射性到1932年發(fā)現(xiàn)中子、正電子和氘，原子核理論為核物理奠定了基礎(chǔ)。1938年，德國(guó)化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變，從而找到了一種利用核能的途徑。1942年，美國(guó)成功建造了世界上第一座核反應(yīng)堆，它顯示核能時(shí)代的到來(lái)。目前，我國(guó)也有兩座正在運(yùn)行的核電站：秦山和大亞灣核電站，產(chǎn)生的電能為長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在研究可控核聚變，這種核聚變可以用海水和輕核作為原料的，是真正意義上的取之不竭，用之不盡的能源。

（3）物理學(xué)與航天技術(shù)

20世紀(jì)50年代興起的航天技術(shù)使得人類的飛天夢(mèng)成為現(xiàn)實(shí)。1957年，前蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，開(kāi)創(chuàng)了人類航天新紀(jì)元。如今，人類發(fā)射的偵察、預(yù)警、通信導(dǎo)航、天文氣象、海洋監(jiān)視、測(cè)地探礦等應(yīng)用衛(wèi)星，在經(jīng)濟(jì)、軍事和科研中發(fā)揮了巨大的作用。航天技術(shù)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，和物理學(xué)密切相關(guān)，每一步的發(fā)展都離不開(kāi)物理學(xué)的指導(dǎo)和運(yùn)用?；鸺七M(jìn)技術(shù)、人造衛(wèi)星運(yùn)行軌道計(jì)算、空間通信、載人航天器設(shè)計(jì)技術(shù)、登月技術(shù)、深空探測(cè)技術(shù)等一系列航天技術(shù)涵蓋了基礎(chǔ)物理學(xué)的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)人類移居外星球、發(fā)現(xiàn)外星人、尋找宇宙的起源等等都離不開(kāi)基于物理學(xué)的航天技術(shù)的發(fā)展。

六、物理學(xué)與人類未來(lái)

物理學(xué)是一門(mén)不斷改變?nèi)祟惿詈屯苿?dòng)社會(huì)進(jìn)步的科學(xué)，從宏觀的經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到微觀的電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等，并將在未來(lái)深入到粒子物理、納米材料物理、天體物理（引力波）、生命科學(xué)物理領(lǐng)域。宇宙是怎么產(chǎn)生的，宇宙的組成是什么，物質(zhì)的最基本粒子是什么，人類是否能穿越時(shí)空，人類是否能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)生不老，這些問(wèn)題都需要物理學(xué)去解決。物理學(xué)將繼續(xù)推動(dòng)人類文明向前發(fā)展！

【作者簡(jiǎn)介】

駱明鈞，男，（1999-），四川省宜賓市翠屏區(qū)人，現(xiàn)就讀于宜賓市三中（高三·七班）。