基礎(chǔ)物理學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的聯(lián)系及影響?yīng)?/h1>
2018-01-30 16:58:57余江楠
考試周刊 2017年86期
摘要：物理學(xué)作為自然科學(xué)領(lǐng)域的一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，它旨在探究物質(zhì)世界的組成以及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律并總結(jié)解釋各種運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系與關(guān)系。從自然哲學(xué)到物理學(xué)的演變，物理學(xué)的發(fā)展史蘊(yùn)藏著豐富的財(cái)富，同時(shí)它也是推動(dòng)人類文明進(jìn)步的動(dòng)力基礎(chǔ)。物理學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的理論知識(shí)框架，而基于這些理論知識(shí)而發(fā)展的應(yīng)用科學(xué)研究也已經(jīng)遍及我們生活的方方面面，并締造了一個(gè)又一個(gè)輝煌的里程碑。本文旨在討論基礎(chǔ)物理學(xué)對(duì)應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的聯(lián)系及影響。
關(guān)鍵詞：物理學(xué)；應(yīng)用科學(xué)；生命科學(xué)；聯(lián)系；影響
一、 物理學(xué)的發(fā)展史
從早期的自然哲學(xué)，到我們普遍意義的經(jīng)典物理學(xué)，再到如今包含量子物理的現(xiàn)代物理學(xué)，物理學(xué)的發(fā)展是伴隨著人類社會(huì)實(shí)踐的發(fā)展而產(chǎn)生、成形及發(fā)展起來(lái)的，它的發(fā)展歷史可以認(rèn)為是涵蓋了人類文明對(duì)自然社會(huì)探索認(rèn)識(shí)的發(fā)展史。
在早期社會(huì)，人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)可以認(rèn)為是物理學(xué)的前身——自然哲學(xué)的范疇。中國(guó)古代就有很多關(guān)于物理現(xiàn)象的描述，如戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的《墨經(jīng)》中提到“端”具有“非半”的性質(zhì)，被認(rèn)為是世界上關(guān)于“原子論”的最早起源。而在沈括的《夢(mèng)溪筆談》中對(duì)“虹”這一自然現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致的記錄與研究，指出“虹”為雨止初晴時(shí)出現(xiàn)的自然現(xiàn)象。這便是早期涉及光學(xué)的觀察和分析。此外，該書與宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》等著作中還涉及了不少關(guān)于力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)乃至電磁學(xué)等的相關(guān)知識(shí)。雖然這些觀察分析并沒(méi)有被進(jìn)一步地分析量化，并總結(jié)其規(guī)律做深入探究，但是這些古代哲學(xué)觀對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展仍然具有不容置疑的作用。
公元前6～7世紀(jì)，古希臘進(jìn)入了繁榮發(fā)展的時(shí)代，希臘文明也隨之崛起，學(xué)術(shù)研究熱潮空前高漲。在這期間發(fā)展了既有自然哲學(xué)也有科學(xué)技術(shù)方面的知識(shí)。他們認(rèn)為火、水、土、氣四種元素組成萬(wàn)物。德謨克利特（公元前460～前371）提出的“原子論”，認(rèn)為原子的數(shù)量和種類都無(wú)限多并處于永恒的運(yùn)動(dòng)中。
這為近代的“原子論”奠定了基礎(chǔ)并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在此期間，歐幾里得的幾何學(xué)以及亞里士多德的著作《物理學(xué)》、阿基米德的浮力定律等均對(duì)現(xiàn)代物理的起源做出了杰出的貢獻(xiàn)。
到公元7～8世紀(jì)的中東地區(qū)，阿拉伯人架起了東西方文化交流的橋梁，他們積極地學(xué)習(xí)希臘文化以及古代中國(guó)文化，將中國(guó)的造紙術(shù)、火藥，印度的阿拉伯?dāng)?shù)字以及十進(jìn)制等傳至歐洲，并在光學(xué)領(lǐng)域做出了一定的貢獻(xiàn)。
公元5～15世紀(jì)的歐洲中世紀(jì)階段，科學(xué)發(fā)展相對(duì)緩慢，一直到中世紀(jì)末，許多學(xué)者開(kāi)始懷疑亞里士多德的力學(xué)定律，并利用阿拉伯人的光學(xué)知識(shí)發(fā)展了玻璃制造業(yè)。古代中國(guó)的指南針則發(fā)展了磁學(xué)，這些發(fā)展為近代科學(xué)的誕生準(zhǔn)備好了條件。
公元15～16世紀(jì)的文藝復(fù)興，推進(jìn)了資本主義的萌芽，也加速了航海業(yè)和相關(guān)貿(mào)易的發(fā)展。哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸，麥哲倫環(huán)球航行，波蘭天文學(xué)家哥白尼的“日心說(shuō)”，以及其著作的《天體運(yùn)行論》都極大地促進(jìn)了天文學(xué)、地理學(xué)以及物理學(xué)的發(fā)展。
意大利科學(xué)家伽利略利用物理學(xué)理論支持日心說(shuō)，他發(fā)展了物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，被稱為“近代物理學(xué)之父”。再之后的法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家笛卡兒提出的“運(yùn)動(dòng)量守恒”“慣性定律”，荷蘭科學(xué)家惠更斯建立的光的波動(dòng)性說(shuō)，英國(guó)科學(xué)家牛頓提出的力學(xué)三定律及萬(wàn)有引力律等成為了物理學(xué)史上重要的里程碑。其中，牛頓作為科學(xué)史上的巨人，人們也把經(jīng)典力學(xué)稱為牛頓力學(xué)。
時(shí)間進(jìn)入19世紀(jì)，隨著中國(guó)的指南針傳入歐洲，美國(guó)的富蘭克林利用風(fēng)箏把電引入了實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)的卡文迪許證明靜電力與距離的平方成反比，法國(guó)人庫(kù)侖提出了庫(kù)侖定律。
后來(lái)的歐姆建立的電路的歐姆定律，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)，慢慢發(fā)展出了“電磁學(xué)”這一學(xué)科。法國(guó)人安培進(jìn)行深入研究并確定了電流之間相互作用的安培定律。
之后，英國(guó)物理學(xué)家法拉第確立了電磁感應(yīng)定律，麥克斯韋則發(fā)展了完整的電磁場(chǎng)理論，這一發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了無(wú)線電通信的發(fā)明。19世紀(jì)時(shí)已經(jīng)確定了能量轉(zhuǎn)換定律和守恒定律，這標(biāo)志著熱力學(xué)的發(fā)展。
20世紀(jì)后，科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論，發(fā)起了向微觀世界和宇宙空間進(jìn)軍的號(hào)令。自盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核，海森伯、薛定諤建立量子力學(xué)，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)拓展到了微觀領(lǐng)域，同時(shí)牛頓力學(xué)也不再適用，而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論又將人類的視野拓展到了浩瀚的宇宙空間，這標(biāo)志著人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)深度和廣度的進(jìn)一步提高。
進(jìn)入21世紀(jì)后，物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域更加拓展，從固體物理到各種新型材料，從原子物理到化學(xué)物理再到環(huán)境物理及醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)物理。物理學(xué)研究的領(lǐng)域開(kāi)始拓展到各種新型學(xué)科，并挑戰(zhàn)科學(xué)領(lǐng)域的各種復(fù)雜性。
在各種發(fā)展趨勢(shì)中，物理學(xué)始終是與各類應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域結(jié)合最為密切的學(xué)科，并逐漸與它們進(jìn)行互為影響和滲透。
二、 物理學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的聯(lián)系及影響
對(duì)物理學(xué)普遍的定義為它是探究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的一門自然科學(xué)。它對(duì)自然界中物質(zhì)轉(zhuǎn)變、能量變化等做出規(guī)律性總結(jié)形成基本的物理理論，而這些物理理論通常以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行表達(dá)。
物理學(xué)作為一門最古老的學(xué)科之一，在發(fā)展過(guò)程中，不斷地開(kāi)拓新領(lǐng)域，分化出不同的分支學(xué)科，如力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)以及相對(duì)論、量子力學(xué)、核物理和粒子物理學(xué)等。
這些學(xué)科之間相互滲透，互相綜合，又會(huì)形成許多新興學(xué)科，如生命物理學(xué)、醫(yī)學(xué)物理學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、環(huán)境物理學(xué)和新型材料物理學(xué)等。
無(wú)論是哪一種學(xué)科，它發(fā)展的最終目的是應(yīng)用，應(yīng)用的目的則是造福于人類。物理學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是許多科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)和起源，也是對(duì)某些科學(xué)技術(shù)進(jìn)行革新的基本依據(jù)。因此，了解物理學(xué)與其他應(yīng)用科學(xué)之間的聯(lián)系及影響可以得到有利的啟示。
1. 物理學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的影響
物理學(xué)與醫(yī)院的結(jié)合大約可以追溯到400年前的伽利略時(shí)代。伽利略作為一名物理學(xué)家，也曾是一名醫(yī)學(xué)學(xué)生，他通過(guò)很多醫(yī)學(xué)問(wèn)題探究物理學(xué)規(guī)律，為醫(yī)學(xué)物理做出了杰出的貢獻(xiàn)。托馬斯·楊是英國(guó)的物理學(xué)家，他利用彈性理論研究動(dòng)脈血流的脈動(dòng)，用光的衍射理論測(cè)量細(xì)胞的大小，利用光學(xué)知識(shí)研究人眼的調(diào)節(jié)機(jī)制和散光現(xiàn)象。endprint
法國(guó)醫(yī)生和生理學(xué)家泊肅葉利用水銀壓力計(jì)測(cè)量動(dòng)脈血壓，研究血液的黏滯性流動(dòng)原理，并提出了泊肅葉公式。物理學(xué)家赫姆霍茲研究了眼的聚焦機(jī)理，并發(fā)明了研究眼球晶體變化的晶體鏡和觀察視網(wǎng)膜的眼底鏡。近代物理中出現(xiàn)的X射線、放射性、激光、核磁共振等一系列物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)為醫(yī)學(xué)研究和臨床研究做出了杰出的貢獻(xiàn)。這些技術(shù)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、腫瘤治療等領(lǐng)域。物理學(xué)的發(fā)展與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步有著密切的關(guān)聯(lián)。
2. 物理學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的影響
在1943年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，著名的量子物理學(xué)家薛定諤做了幾場(chǎng)報(bào)告，探究“生命是什么”。他認(rèn)為生命科學(xué)與物理學(xué)有著密不可分的聯(lián)系。首先，生命有熱力學(xué)基礎(chǔ)。其次，生命具有分子基礎(chǔ)。再次，生命具有量子力學(xué)基礎(chǔ)，如X射線能引起基因突變現(xiàn)象。這些觀點(diǎn)的提出奠定了物理學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的相互滲透關(guān)系?，F(xiàn)階段，人們對(duì)生命科學(xué)的研究有很大一部分是基于理論計(jì)算模擬手段，而這個(gè)手段框架的建立就依賴于物理學(xué)的基本定律。
目前，對(duì)生命體進(jìn)行研究的流程可以歸納為幾個(gè)步驟，大分子—蛋白質(zhì)與核酸—結(jié)構(gòu)與功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)它的研究歷史也可以歸納為幾個(gè)階段，利用X射線分析結(jié)構(gòu)階段，大分子溶液構(gòu)想研究階段以及目前廣泛應(yīng)用的分子動(dòng)力學(xué)模擬階段。
而最新的動(dòng)力學(xué)模擬階段，主要思想為利用構(gòu)建合適的物理模型來(lái)模擬生物大分子、蛋白質(zhì)、DNA等結(jié)構(gòu)，然后在事先構(gòu)建的力場(chǎng)中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，而這個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中就涉及力學(xué)定律、熱力學(xué)定律等物理學(xué)基本定律。可見(jiàn)，許多生命科學(xué)領(lǐng)域的難題需要在物理學(xué)的幫助下才能解決，尤其是對(duì)微觀領(lǐng)域的研究。
3. 物理學(xué)在材料科學(xué)領(lǐng)域的影響
美國(guó)著名的物理學(xué)家R.P.Feynman在1959年提出設(shè)想“如果有一天人類可以按照自己的意志安排每一個(gè)原子和分子，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡呢”。
現(xiàn)如今，這個(gè)美好的設(shè)想已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)。21世紀(jì)的納米科學(xué)技術(shù)能夠制備幾十到幾萬(wàn)個(gè)原子的納米粒子，并將它們作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維、二維甚至三維的結(jié)構(gòu)排列，制備具有特殊性能的納米材料。而這些納米材料應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，在催化方面、磁記錄方面、工程應(yīng)用乃至醫(yī)學(xué)生物工程領(lǐng)域。而這些納米材料的制備手段則利用了物理和化學(xué)方法，如
物理方法中的蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機(jī)械研磨法、低溫等離子體法等。另外，對(duì)納米尺度上的電子行為的描述也是利用介觀物理、量子物理與及混沌物理學(xué)的規(guī)律。
4. 物理學(xué)在環(huán)境生物學(xué)領(lǐng)域的影響
一般認(rèn)為，環(huán)境生物學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)的原理與方法來(lái)探究自然界中的物理因子對(duì)生物體的影響，闡述其作用機(jī)理，以及各物理因子與生物體之間相互作用相互關(guān)系的一門學(xué)科。這里提到的環(huán)境物理學(xué)中的環(huán)境一般指作用于以人類為中心的生物的所有外界環(huán)境影響的總和。
1841年邁耶發(fā)現(xiàn)在熱帶地區(qū)的人們靜脈血液與動(dòng)脈血液顏色一樣紅潤(rùn)，由此推斷，在環(huán)境溫度上升時(shí)，人體維持恒定體溫只需要較少的能量，并提出能量守恒的普遍定律。
目前，環(huán)境生物體學(xué)又可細(xì)分為輻射生物學(xué)、生物電磁學(xué)、生物光學(xué)、生物聲學(xué)、低溫生物學(xué)等部分。研究發(fā)現(xiàn)，各種物理因子對(duì)生物體的作用過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，各種物理因子包括磁場(chǎng)、電場(chǎng)輻射場(chǎng)等都會(huì)影響生物體內(nèi)酶活性，通過(guò)調(diào)節(jié)酶活性機(jī)理可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)生物體的活動(dòng)機(jī)制。
目前，人們對(duì)環(huán)境生物物理學(xué)中所涉及的很多微觀機(jī)理還不清楚，這為日后的深入研究提出了要求。另外，對(duì)研究方向由定性轉(zhuǎn)換成定量，由現(xiàn)象深化至機(jī)理，由機(jī)理總結(jié)至規(guī)律，逐步建立以數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及量子生物學(xué)為基礎(chǔ)的研究體系。探究全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，生命體系對(duì)外界因素作用的應(yīng)答和調(diào)控，生物體運(yùn)行過(guò)程中的能量、物質(zhì)和信息等的傳遞與轉(zhuǎn)換，外界環(huán)境因素的作用機(jī)理等。
三、 總結(jié)與展望
世界的發(fā)展如此之快，我們?cè)谫澝揽茖W(xué)技術(shù)帶來(lái)的杰出功勛之外，不得不承認(rèn)物理學(xué)在這其中所立下的汗馬功勞。物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。
從微觀到宇宙，從地面運(yùn)動(dòng)到航天技術(shù)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到人造衛(wèi)星，從波到廣播電視、無(wú)線電波、微波雷達(dá)，從自然光到激光再到同步輻射光源，從簡(jiǎn)單的物質(zhì)構(gòu)造到復(fù)雜的人造材料、超導(dǎo)材料、新型磁功能材料，從簡(jiǎn)單的能量信息傳遞到遙感技術(shù)、移動(dòng)通信手段、光纖通信，從基礎(chǔ)能源到各種新型能源如太陽(yáng)能、氫能、核能，再到我們醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的生物電磁效應(yīng)、超聲診斷、放射性治療診斷、粒子手術(shù)刀，再到細(xì)胞水平、DNA或RNA領(lǐng)域?qū)ι茖W(xué)的探索。可以說(shuō)物理學(xué)構(gòu)建了我們對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，也提供了我們改造自然、創(chuàng)新技術(shù)的理論依據(jù)。因此，我們深入探究物理學(xué)與這些學(xué)科的相互滲透有著重要意義。
作者簡(jiǎn)介：余江楠，浙江省天臺(tái)縣天臺(tái)中學(xué)。endprint
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一、 物理學(xué)的發(fā)展史
從早期的自然哲學(xué)，到我們普遍意義的經(jīng)典物理學(xué)，再到如今包含量子物理的現(xiàn)代物理學(xué)，物理學(xué)的發(fā)展是伴隨著人類社會(huì)實(shí)踐的發(fā)展而產(chǎn)生、成形及發(fā)展起來(lái)的，它的發(fā)展歷史可以認(rèn)為是涵蓋了人類文明對(duì)自然社會(huì)探索認(rèn)識(shí)的發(fā)展史。
在早期社會(huì)，人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)可以認(rèn)為是物理學(xué)的前身——自然哲學(xué)的范疇。中國(guó)古代就有很多關(guān)于物理現(xiàn)象的描述，如戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的《墨經(jīng)》中提到“端”具有“非半”的性質(zhì)，被認(rèn)為是世界上關(guān)于“原子論”的最早起源。而在沈括的《夢(mèng)溪筆談》中對(duì)“虹”這一自然現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致的記錄與研究，指出“虹”為雨止初晴時(shí)出現(xiàn)的自然現(xiàn)象。這便是早期涉及光學(xué)的觀察和分析。此外，該書與宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》等著作中還涉及了不少關(guān)于力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)乃至電磁學(xué)等的相關(guān)知識(shí)。雖然這些觀察分析并沒(méi)有被進(jìn)一步地分析量化，并總結(jié)其規(guī)律做深入探究，但是這些古代哲學(xué)觀對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展仍然具有不容置疑的作用。
公元前6～7世紀(jì)，古希臘進(jìn)入了繁榮發(fā)展的時(shí)代，希臘文明也隨之崛起，學(xué)術(shù)研究熱潮空前高漲。在這期間發(fā)展了既有自然哲學(xué)也有科學(xué)技術(shù)方面的知識(shí)。他們認(rèn)為火、水、土、氣四種元素組成萬(wàn)物。德謨克利特（公元前460～前371）提出的“原子論”，認(rèn)為原子的數(shù)量和種類都無(wú)限多并處于永恒的運(yùn)動(dòng)中。
這為近代的“原子論”奠定了基礎(chǔ)并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在此期間，歐幾里得的幾何學(xué)以及亞里士多德的著作《物理學(xué)》、阿基米德的浮力定律等均對(duì)現(xiàn)代物理的起源做出了杰出的貢獻(xiàn)。
到公元7～8世紀(jì)的中東地區(qū)，阿拉伯人架起了東西方文化交流的橋梁，他們積極地學(xué)習(xí)希臘文化以及古代中國(guó)文化，將中國(guó)的造紙術(shù)、火藥，印度的阿拉伯?dāng)?shù)字以及十進(jìn)制等傳至歐洲，并在光學(xué)領(lǐng)域做出了一定的貢獻(xiàn)。
公元5～15世紀(jì)的歐洲中世紀(jì)階段，科學(xué)發(fā)展相對(duì)緩慢，一直到中世紀(jì)末，許多學(xué)者開(kāi)始懷疑亞里士多德的力學(xué)定律，并利用阿拉伯人的光學(xué)知識(shí)發(fā)展了玻璃制造業(yè)。古代中國(guó)的指南針則發(fā)展了磁學(xué)，這些發(fā)展為近代科學(xué)的誕生準(zhǔn)備好了條件。
公元15～16世紀(jì)的文藝復(fù)興，推進(jìn)了資本主義的萌芽，也加速了航海業(yè)和相關(guān)貿(mào)易的發(fā)展。哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸，麥哲倫環(huán)球航行，波蘭天文學(xué)家哥白尼的“日心說(shuō)”，以及其著作的《天體運(yùn)行論》都極大地促進(jìn)了天文學(xué)、地理學(xué)以及物理學(xué)的發(fā)展。
意大利科學(xué)家伽利略利用物理學(xué)理論支持日心說(shuō)，他發(fā)展了物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，被稱為“近代物理學(xué)之父”。再之后的法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家笛卡兒提出的“運(yùn)動(dòng)量守恒”“慣性定律”，荷蘭科學(xué)家惠更斯建立的光的波動(dòng)性說(shuō)，英國(guó)科學(xué)家牛頓提出的力學(xué)三定律及萬(wàn)有引力律等成為了物理學(xué)史上重要的里程碑。其中，牛頓作為科學(xué)史上的巨人，人們也把經(jīng)典力學(xué)稱為牛頓力學(xué)。
時(shí)間進(jìn)入19世紀(jì)，隨著中國(guó)的指南針傳入歐洲，美國(guó)的富蘭克林利用風(fēng)箏把電引入了實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)的卡文迪許證明靜電力與距離的平方成反比，法國(guó)人庫(kù)侖提出了庫(kù)侖定律。
后來(lái)的歐姆建立的電路的歐姆定律，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)，慢慢發(fā)展出了“電磁學(xué)”這一學(xué)科。法國(guó)人安培進(jìn)行深入研究并確定了電流之間相互作用的安培定律。
之后，英國(guó)物理學(xué)家法拉第確立了電磁感應(yīng)定律，麥克斯韋則發(fā)展了完整的電磁場(chǎng)理論，這一發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了無(wú)線電通信的發(fā)明。19世紀(jì)時(shí)已經(jīng)確定了能量轉(zhuǎn)換定律和守恒定律，這標(biāo)志著熱力學(xué)的發(fā)展。
20世紀(jì)后，科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論，發(fā)起了向微觀世界和宇宙空間進(jìn)軍的號(hào)令。自盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核，海森伯、薛定諤建立量子力學(xué)，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)拓展到了微觀領(lǐng)域，同時(shí)牛頓力學(xué)也不再適用，而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論又將人類的視野拓展到了浩瀚的宇宙空間，這標(biāo)志著人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)深度和廣度的進(jìn)一步提高。
進(jìn)入21世紀(jì)后，物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域更加拓展，從固體物理到各種新型材料，從原子物理到化學(xué)物理再到環(huán)境物理及醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)物理。物理學(xué)研究的領(lǐng)域開(kāi)始拓展到各種新型學(xué)科，并挑戰(zhàn)科學(xué)領(lǐng)域的各種復(fù)雜性。
在各種發(fā)展趨勢(shì)中，物理學(xué)始終是與各類應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域結(jié)合最為密切的學(xué)科，并逐漸與它們進(jìn)行互為影響和滲透。
二、 物理學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的聯(lián)系及影響
對(duì)物理學(xué)普遍的定義為它是探究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的一門自然科學(xué)。它對(duì)自然界中物質(zhì)轉(zhuǎn)變、能量變化等做出規(guī)律性總結(jié)形成基本的物理理論，而這些物理理論通常以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行表達(dá)。
物理學(xué)作為一門最古老的學(xué)科之一，在發(fā)展過(guò)程中，不斷地開(kāi)拓新領(lǐng)域，分化出不同的分支學(xué)科，如力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)以及相對(duì)論、量子力學(xué)、核物理和粒子物理學(xué)等。
這些學(xué)科之間相互滲透，互相綜合，又會(huì)形成許多新興學(xué)科，如生命物理學(xué)、醫(yī)學(xué)物理學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、環(huán)境物理學(xué)和新型材料物理學(xué)等。
無(wú)論是哪一種學(xué)科，它發(fā)展的最終目的是應(yīng)用，應(yīng)用的目的則是造福于人類。物理學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是許多科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)和起源，也是對(duì)某些科學(xué)技術(shù)進(jìn)行革新的基本依據(jù)。因此，了解物理學(xué)與其他應(yīng)用科學(xué)之間的聯(lián)系及影響可以得到有利的啟示。
1. 物理學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的影響
物理學(xué)與醫(yī)院的結(jié)合大約可以追溯到400年前的伽利略時(shí)代。伽利略作為一名物理學(xué)家，也曾是一名醫(yī)學(xué)學(xué)生，他通過(guò)很多醫(yī)學(xué)問(wèn)題探究物理學(xué)規(guī)律，為醫(yī)學(xué)物理做出了杰出的貢獻(xiàn)。托馬斯·楊是英國(guó)的物理學(xué)家，他利用彈性理論研究動(dòng)脈血流的脈動(dòng)，用光的衍射理論測(cè)量細(xì)胞的大小，利用光學(xué)知識(shí)研究人眼的調(diào)節(jié)機(jī)制和散光現(xiàn)象。endprint
法國(guó)醫(yī)生和生理學(xué)家泊肅葉利用水銀壓力計(jì)測(cè)量動(dòng)脈血壓，研究血液的黏滯性流動(dòng)原理，并提出了泊肅葉公式。物理學(xué)家赫姆霍茲研究了眼的聚焦機(jī)理，并發(fā)明了研究眼球晶體變化的晶體鏡和觀察視網(wǎng)膜的眼底鏡。近代物理中出現(xiàn)的X射線、放射性、激光、核磁共振等一系列物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)為醫(yī)學(xué)研究和臨床研究做出了杰出的貢獻(xiàn)。這些技術(shù)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、腫瘤治療等領(lǐng)域。物理學(xué)的發(fā)展與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步有著密切的關(guān)聯(lián)。
2. 物理學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的影響
在1943年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，著名的量子物理學(xué)家薛定諤做了幾場(chǎng)報(bào)告，探究“生命是什么”。他認(rèn)為生命科學(xué)與物理學(xué)有著密不可分的聯(lián)系。首先，生命有熱力學(xué)基礎(chǔ)。其次，生命具有分子基礎(chǔ)。再次，生命具有量子力學(xué)基礎(chǔ)，如X射線能引起基因突變現(xiàn)象。這些觀點(diǎn)的提出奠定了物理學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的相互滲透關(guān)系?，F(xiàn)階段，人們對(duì)生命科學(xué)的研究有很大一部分是基于理論計(jì)算模擬手段，而這個(gè)手段框架的建立就依賴于物理學(xué)的基本定律。
目前，對(duì)生命體進(jìn)行研究的流程可以歸納為幾個(gè)步驟，大分子—蛋白質(zhì)與核酸—結(jié)構(gòu)與功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)它的研究歷史也可以歸納為幾個(gè)階段，利用X射線分析結(jié)構(gòu)階段，大分子溶液構(gòu)想研究階段以及目前廣泛應(yīng)用的分子動(dòng)力學(xué)模擬階段。
而最新的動(dòng)力學(xué)模擬階段，主要思想為利用構(gòu)建合適的物理模型來(lái)模擬生物大分子、蛋白質(zhì)、DNA等結(jié)構(gòu)，然后在事先構(gòu)建的力場(chǎng)中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，而這個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中就涉及力學(xué)定律、熱力學(xué)定律等物理學(xué)基本定律。可見(jiàn)，許多生命科學(xué)領(lǐng)域的難題需要在物理學(xué)的幫助下才能解決，尤其是對(duì)微觀領(lǐng)域的研究。
3. 物理學(xué)在材料科學(xué)領(lǐng)域的影響
美國(guó)著名的物理學(xué)家R.P.Feynman在1959年提出設(shè)想“如果有一天人類可以按照自己的意志安排每一個(gè)原子和分子，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡呢”。
現(xiàn)如今，這個(gè)美好的設(shè)想已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)。21世紀(jì)的納米科學(xué)技術(shù)能夠制備幾十到幾萬(wàn)個(gè)原子的納米粒子，并將它們作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維、二維甚至三維的結(jié)構(gòu)排列，制備具有特殊性能的納米材料。而這些納米材料應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，在催化方面、磁記錄方面、工程應(yīng)用乃至醫(yī)學(xué)生物工程領(lǐng)域。而這些納米材料的制備手段則利用了物理和化學(xué)方法，如
物理方法中的蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機(jī)械研磨法、低溫等離子體法等。另外，對(duì)納米尺度上的電子行為的描述也是利用介觀物理、量子物理與及混沌物理學(xué)的規(guī)律。
4. 物理學(xué)在環(huán)境生物學(xué)領(lǐng)域的影響
一般認(rèn)為，環(huán)境生物學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)的原理與方法來(lái)探究自然界中的物理因子對(duì)生物體的影響，闡述其作用機(jī)理，以及各物理因子與生物體之間相互作用相互關(guān)系的一門學(xué)科。這里提到的環(huán)境物理學(xué)中的環(huán)境一般指作用于以人類為中心的生物的所有外界環(huán)境影響的總和。
1841年邁耶發(fā)現(xiàn)在熱帶地區(qū)的人們靜脈血液與動(dòng)脈血液顏色一樣紅潤(rùn)，由此推斷，在環(huán)境溫度上升時(shí)，人體維持恒定體溫只需要較少的能量，并提出能量守恒的普遍定律。
目前，環(huán)境生物體學(xué)又可細(xì)分為輻射生物學(xué)、生物電磁學(xué)、生物光學(xué)、生物聲學(xué)、低溫生物學(xué)等部分。研究發(fā)現(xiàn)，各種物理因子對(duì)生物體的作用過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，各種物理因子包括磁場(chǎng)、電場(chǎng)輻射場(chǎng)等都會(huì)影響生物體內(nèi)酶活性，通過(guò)調(diào)節(jié)酶活性機(jī)理可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)生物體的活動(dòng)機(jī)制。
目前，人們對(duì)環(huán)境生物物理學(xué)中所涉及的很多微觀機(jī)理還不清楚，這為日后的深入研究提出了要求。另外，對(duì)研究方向由定性轉(zhuǎn)換成定量，由現(xiàn)象深化至機(jī)理，由機(jī)理總結(jié)至規(guī)律，逐步建立以數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及量子生物學(xué)為基礎(chǔ)的研究體系。探究全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，生命體系對(duì)外界因素作用的應(yīng)答和調(diào)控，生物體運(yùn)行過(guò)程中的能量、物質(zhì)和信息等的傳遞與轉(zhuǎn)換，外界環(huán)境因素的作用機(jī)理等。
三、 總結(jié)與展望
世界的發(fā)展如此之快，我們?cè)谫澝揽茖W(xué)技術(shù)帶來(lái)的杰出功勛之外，不得不承認(rèn)物理學(xué)在這其中所立下的汗馬功勞。物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。
從微觀到宇宙，從地面運(yùn)動(dòng)到航天技術(shù)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到人造衛(wèi)星，從波到廣播電視、無(wú)線電波、微波雷達(dá)，從自然光到激光再到同步輻射光源，從簡(jiǎn)單的物質(zhì)構(gòu)造到復(fù)雜的人造材料、超導(dǎo)材料、新型磁功能材料，從簡(jiǎn)單的能量信息傳遞到遙感技術(shù)、移動(dòng)通信手段、光纖通信，從基礎(chǔ)能源到各種新型能源如太陽(yáng)能、氫能、核能，再到我們醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的生物電磁效應(yīng)、超聲診斷、放射性治療診斷、粒子手術(shù)刀，再到細(xì)胞水平、DNA或RNA領(lǐng)域?qū)ι茖W(xué)的探索。可以說(shuō)物理學(xué)構(gòu)建了我們對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，也提供了我們改造自然、創(chuàng)新技術(shù)的理論依據(jù)。因此，我們深入探究物理學(xué)與這些學(xué)科的相互滲透有著重要意義。
作者簡(jiǎn)介：余江楠，浙江省天臺(tái)縣天臺(tái)中學(xué)。endprint
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