高新技術(shù)中的物理學(xué)不高冷

張敬巍

物理學(xué)并不是束之高閣的、晦澀艱深的枯燥理論，而是鮮活的、觸手可及的體現(xiàn)在了自己的生活中方方面面的。物理學(xué)開啟了我們認(rèn)識(shí)現(xiàn)代科技的新視野。物理學(xué)內(nèi)容的更新，往往更能在整個(gè)科技領(lǐng)域里掀起一場(chǎng)巨變，更能引導(dǎo)新興技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

首先，紅外這個(gè)詞在平時(shí)的學(xué)習(xí)和生活中仿佛時(shí)時(shí)被提起，比如人體紅外感應(yīng)模塊等。那么什么是紅外物理學(xué)呢？總的來說，它研究了紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)及其與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。主要包括黑體的紅外輻射規(guī)律、實(shí)際物體的紅外輻射規(guī)律等，這些規(guī)律被應(yīng)用于諸如紅外遙感、遠(yuǎn)紅外研究、紅外探測(cè)、空間科學(xué)、天體物理、等離子體物理以及激光科學(xué)等方面，極大地推進(jìn)了現(xiàn)代科技的發(fā)展。

第二，物理學(xué)在生物學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)手段，如核磁共振、掃描隧道顯微鏡等；二是為生命科學(xué)提供理論概念和方法。物理學(xué)推動(dòng)生物學(xué)上升到一個(gè)新的層次，受到薛定諤講演啟發(fā)的生物學(xué)家沃森和克里克揭開了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的秘密，演講者是波動(dòng)力學(xué)理論的創(chuàng)建人奧地利物理學(xué)家薛定諤。隨著脈沖傅里葉變換技術(shù)和超導(dǎo)磁體的發(fā)展和普及，諸如二維核磁共振譜等新技術(shù)和新方法出現(xiàn)和完善，核磁共振波譜法在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。科學(xué)家利用NMR測(cè)定了酶等蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并利用NMR研究與核糖體項(xiàng)鏈的新生多肽鏈結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

第三，空間技術(shù)?？臻g的物理學(xué)研究將不僅帶動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究，而且將引領(lǐng)我國(guó)航天技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，有效促進(jìn)空間科學(xué)與航天科技水平的協(xié)調(diào)發(fā)展。根據(jù)我國(guó)空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，將利用返回式衛(wèi)是進(jìn)行微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)探討進(jìn)行引力理論驗(yàn)證的專星方案?？臻g的物理學(xué)研究涉及空間基礎(chǔ)物理、微重力流體物體、微重力燃燒、空間材料科學(xué)和空間生物技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域?？臻g基礎(chǔ)物理涉及當(dāng)今物理學(xué)的許多前沿的重大基礎(chǔ)問題，在科學(xué)上極為重要，在我國(guó)還是薄弱領(lǐng)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長(zhǎng)，應(yīng)該適時(shí)地安排引力理論家驗(yàn)證的專星研究?？臻g引力實(shí)驗(yàn)與引力波探測(cè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究檢驗(yàn)現(xiàn)有引力理論的假設(shè)和預(yù)言、尋找新的相互作用和引力波探測(cè)將為認(rèn)識(shí)引力規(guī)律和四種相互作用的統(tǒng)一理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。加強(qiáng)空間引力實(shí)驗(yàn)和空間天文觀測(cè)對(duì)于我國(guó)在空間基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展高新空間技術(shù)具有重要牽引意義。

第四，激光技術(shù)。光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生。早在19世紀(jì)，物理學(xué)家們就進(jìn)行了基礎(chǔ)性探究性的研究，科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越研究，1900年普朗克引入了能量量子概念，揭示了輻射的波粒二象性，在1916年他發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》，其中提出了受激發(fā)射的概念，為激光技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年末50年代初，人們?cè)谘芯课⒉úㄗV學(xué)時(shí)注意到利用物質(zhì)體系特定能級(jí)間粒子數(shù)分布的反轉(zhuǎn)和相應(yīng)的受激輻射過程，對(duì)入射的微波電磁輻射信號(hào)進(jìn)行相干放大的可能。在此設(shè)想的啟發(fā)下，美國(guó)和蘇聯(lián)的兩國(guó)科學(xué)家分別在1954年前后研制成一批微波激射器。由此人們聯(lián)想到用相同原理推廣到電磁波譜的光頻波段，以產(chǎn)生強(qiáng)的相干光輻射。1960年，美國(guó)的梅曼博士，在紐約宣布他于5月15日研制成了紅寶石激光器。這是世界上第一束激光。從此，激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段。

第五，信息技術(shù)。信息技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位日趨重要，計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)已經(jīng)從根本上改變了當(dāng)代社會(huì)的面貌。如果說第一次工業(yè)革命是動(dòng)力或能量的革命，那么第二次工業(yè)革命就是信息或負(fù)熵的革命。人類邁向信息時(shí)代，面對(duì)著內(nèi)容繁雜、數(shù)量龐大、形式多樣的日趨增值的信息，迫切要求信息的處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)燃夹g(shù)從原來依賴于“電”的行為，轉(zhuǎn)向于“光”的行為，從而促進(jìn)了“光子學(xué)”和“光電子學(xué)”的興起。光電子技術(shù)最杰出的成果是在光通信、光全息、光計(jì)算等方面。光通信于60年代開始提出，70年代得到迅速發(fā)展，它具有容量大 、抗 干 擾 強(qiáng) 、保 密 性 高 、傳 輸 距 離 長(zhǎng) 的 特 點(diǎn) 。光 通 信 以 激 光 為 光 源 ，以 光 導(dǎo) 纖 維為傳輸介質(zhì)，比電通信容量大10億倍。一根頭發(fā)絲細(xì)的光纖可傳輸幾萬路電話和幾千路電視，20根光纖組成的光纜每天通話可達(dá)7.6萬人次，光通信開辟了高效、廉價(jià)、輕便的通信新途徑。以光盤為代表的信息存儲(chǔ)技術(shù)具有存儲(chǔ)量大、時(shí)間長(zhǎng)、易操作、保密性好、低成本的優(yōu)點(diǎn)，光盤存儲(chǔ)量是一般磁存儲(chǔ)量的1000倍。新一代的光計(jì)算機(jī)的研究與開發(fā)已成為國(guó)際高科技競(jìng)爭(zhēng)的又一熱點(diǎn)。

第六，新材料技術(shù)。其中最值得人稱道的便是納米技術(shù)。那么什么是納米技術(shù)呢？納米技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如：納米物理學(xué)。納米物理學(xué)較系統(tǒng)地介紹了研究納米團(tuán)簇、量子點(diǎn)、納米管、納米線、量子阱結(jié)構(gòu)、納米功能薄膜等納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征與表征、受限量子效應(yīng)及其電聲子性質(zhì)與物理現(xiàn)象等的理論與方法，以及納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)器件及其在微納電子學(xué)中的應(yīng)用。

牛頓說過：“如果說我曾經(jīng)看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏?。我不知道世人?duì)我的看法如何，我只覺得自己好像是個(gè)在海濱游戲的男孩，有時(shí)為了找到一塊光滑的石子或比較美麗的貝殼而高興，而真理的海洋仍然在我的前面而未被現(xiàn)?！蔽覀兪钦驹诰奕思绨蛏系男∧泻ⅲ瑧?yīng)該像牛頓一樣以堅(jiān)忍不拔，積極創(chuàng)新的態(tài)度對(duì)待物理學(xué)，源源不斷地為其增添新的活力。

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[2]陳斌，胡祥云，劉道涵，張?jiān)葡?磁共振測(cè)深技術(shù)的發(fā)展歷程與新進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29（02）：650-659.