物理學(xué)的發(fā)展與人類文明進(jìn)步的關(guān)系

張府派

摘要：人類的文明程度與生產(chǎn)力的發(fā)展、科技的進(jìn)步有著密切的關(guān)系，而在生產(chǎn)力的發(fā)展與科技的進(jìn)步中物理學(xué)的發(fā)展起到了直接的推動作用，縱觀人類的發(fā)展史，人類的每一次歷史性的跨越都是生產(chǎn)力發(fā)展的推動下完成的。牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立及熱學(xué)的發(fā)展使人類進(jìn)入了機(jī)械化時代；電磁理論的建立使人類進(jìn)入了電氣化時代；相對論和量子力學(xué)的發(fā)展使人類進(jìn)入了高科技時代。

關(guān)鍵詞：人類文明；科技進(jìn)步；工業(yè)革命；機(jī)械化時代；電氣化時代；高科技時代

引言

2000多年前的物理學(xué)，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學(xué)，也就是說用數(shù)學(xué)、微積分這樣的精確科學(xué)，實際上是在中世紀(jì)即在15世紀(jì)16世紀(jì)的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創(chuàng)了物理學(xué)精確科學(xué)的先河，此后物理學(xué)得到了很大發(fā)展，后來的熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、連續(xù)介質(zhì)動力學(xué)等問題也在十七、十八、十九三個世紀(jì)取得了很大發(fā)展。現(xiàn)在就從牛頓、伽利略時代起談?wù)勎锢韺W(xué)的發(fā)展與人類的文明進(jìn)步的關(guān)系。

一、工業(yè)革命前的人類文明

工業(yè)革命前的物理學(xué)雖然在漫長的歷史進(jìn)程中不斷發(fā)展，但是并沒有給人類帶來生產(chǎn)力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農(nóng)業(yè)時代，那是的生產(chǎn)力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機(jī)械化時代

牛頓力學(xué)的建立和熱力學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發(fā)瘟疫而避居鄉(xiāng)下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數(shù)學(xué)物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》出版，奠定了整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，并對其他自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經(jīng)典電磁學(xué)是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負(fù)電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀(jì)前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)后，人們認(rèn)識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進(jìn)了力線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場的概念。

19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋總結(jié)宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進(jìn)位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認(rèn)識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現(xiàn)了物理學(xué)的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發(fā)展到今天，已進(jìn)入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進(jìn)入了高科技時代。而這一切的基礎(chǔ)是20世紀(jì)物理學(xué)革命的產(chǎn)物——相對論和量子力學(xué)。

19世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)的成就到達(dá)了頂峰。可是，世紀(jì)末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學(xué)萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學(xué)遇到了極大的困難。有的物理學(xué)家呼喚：“我們?nèi)匀辉谄诖诙€牛頓。”需要巨人的時代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

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(guī)律在慣性系中不變的“相對性原理”，導(dǎo)出了洛侖茲變換，從而驅(qū)散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎(chǔ)上，他又得到的質(zhì)能相當(dāng)?shù)耐普揈=mc2，預(yù)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(fā)，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規(guī)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。這就是廣義相對論。他預(yù)言，光線從太陽旁邊通邊時會發(fā)生彎曲。1919年，英國天文學(xué)家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預(yù)言，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代天文學(xué)的新紀(jì)元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅(qū)散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設(shè)，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎(chǔ)上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用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(xué)當(dāng)量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的概念，孕育了激光技術(shù)。此后，對量子力學(xué)的建立作出重要貢獻(xiàn)的著名物理學(xué)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(xué)的矩陣力學(xué)體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學(xué)的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關(guān)系”。量子力學(xué)揭示了微觀世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。它是20世紀(jì)物理學(xué)革命的高潮。

五、小結(jié)

縱觀物理學(xué)的發(fā)展和人類科技進(jìn)步的歷史，物理學(xué)的發(fā)展在整個自然科學(xué)的發(fā)展中處于領(lǐng)先發(fā)展并對其他自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為人類進(jìn)入機(jī)械化、電氣化、高科技時代奠定了理論基礎(chǔ)準(zhǔn)備了技術(shù)方法，對人類社會生產(chǎn)力的飛躍發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整起著直接的推動作用，物理學(xué)的新成就更是為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)提供了直接的動力。有過輝煌歷史的物理學(xué)對人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的影響將更加壯麗！

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