物理学与当代科学技术，本文主要内容关键词为：物理学论文,科学技术论文,当代论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学作为严格的、定量的自然科学带头学科，一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。过去如此，现在如此，展望将来亦是如此。
物理学与数学
物理学与数学的关系密切，源远流长。历史上有许多著名科学家如牛顿、欧拉、高斯等，对于这两门科学都做出重要贡献。此风一直延伸到19世纪末、20世纪初。当时的一些大数学家如庞加莱、克莱因（F.Klein）、希尔伯特等，尽管学术倾向不尽相同，但都精通理论物理。到20世纪前半段，数学与物理学开始有分道扬镳的趋势，双方之间的信息交流有所梗阻。但应看到，仍有不少有名的数学家如外尔（C.H.H.Weyl）、冯·诺伊曼、柯尔莫哥洛夫（A.N.Kolmogorov）等，对理论物理甚至于具体物理问题感兴趣且做出贡献。但总的来看，抽象数学之风日益鼎盛，到20世纪中叶布尔巴基学派的问世而登峰造极。
当然，数学家埋首致力于自身学科的建设，本来是无可非议之事，但在两门学科之间存在一条难以逾越的鸿沟，却对双方都极为不利。物理学家往往希望多懂一些数学，苦于不得其门而人；而数学家则过于关注论证的严密性，对丰富多彩的物理世界视而不见，也难以理解。但是，物理学与数学之间毕竟存在深刻的内在联系，这种相互隔阂的情况不可能长期持续下去。
转机果然出现了。一方面是来自理论物理学的新发展。1950年代初，杨振宁等提出的规范场论，赋予了微分几何中纤维丛这类相当抽象概念具体的物理意义，不啻是物理学与数学之间内在联系的见证。1990年，作为数学界最高荣誉的菲尔兹奖，破天荒地授予一位从事超弦理论研究的理论物理学家威滕（E.Witten），也是一种表明两大学科在重新靠拢的信号。另一方面是电子计算机发展的结果。它的发展得到了一些有远见的数学家如冯·诺伊曼、图灵（A.Turing）等的关注。计算机的高速发展，不仅在技术上成果累累，理论上也有其重要意义。过去物理学所津津乐道的是运动方程式的可积问题，特别是可以用函数解析式来表示的问题（如谐振子、二体运动等），显示出对于运动状态高度精确的可预测性。经典物理是如此，量子物理也是如此。但可积问题只是少数特殊情况，多数问题是不可积的，由于数学上求解困难，只有数值计算的结果，因而对于这类问题的物理本质理解不透。计算技术的进展，大大地促进了这一领域的发展，为现代非线性物理这一新学科分支奠定了基础。
物理学与天文学
物理学与天文学的关系更是密不可分，也可以追溯到早期的开普勒与牛顿。到了当代，提供天文学信息的已从可见光扩展到无线电波乃至X射线宽广的电磁波频段，这依赖于现代物理学所提供的各种探测手段。另一方面，天文学提供了地球上实验室所不具备的极端条件，如高温、高压、高能粒子、强引力等，是检验物理学理论的理想实验室。因此，毫不奇怪，几乎所有广义相对论的证据都来自天文观测。正电子和μ子都是首先在宇宙线研究中观测到的，为粒子物理学的创建做出了贡献。贝特（H.Bethe）的热核反应理论是首先为解释太阳能源问题而提出的。朗道（L.D.Landau）、奥本海默（R.Oppenheimer）等人的中子星理论，由休伊什（A.Hewish）与贝尔（J.Bell）发现脉冲星而得到证实。而现代宇宙论的标准模型——大爆炸理论，是完全建立在粒子物理理论基础上的。从1970年代以来，诺贝尔物理学奖频频授予天文学家，也是天文学与现代物理学密不可分的一个标志。
物理学与化学
物理学与化学唇齿相依、息息相关。热力学、统计物理和量子力学都在化学中获得了重要应用。19世纪吉布斯（W.Gibbs）的工作横跨了这两个学科，得到学术界的尊重；在20世纪德拜（P.Debye）、昂萨格（L.Onsager）也复如此。但是，在物理学与化学之间也存在阻梗理解的壁障。经典物理学几乎将所有涉及具体材料的物性问题让给了化学，它本身只关心比较理想化的简单系统。随着量子力学的诞生及随后固体物理学的发展，情况发生了很大改变，但是思维的惯性仍然存在。物理学家看到包括许多苯环的复杂分子结构式往往望而生畏，感到手足无措；同时又不满足甚至轻视从大量实验结果总结出来的经验规律。
另外，概念与术语上的差异也是一个现实问题。例如谈到固体的电子结构，化学家习用由量子化学导来的化学键；而物理学家则习用以固体物理学引入的能带。两者实际上是互为补充、不可偏废的。随着固体物理学发展为凝聚态物理学，研究的对象日益深入到更加复杂的物质结构层次：就半导体而言，从硅、锗等元素半导体，到Ⅲ-Ⅴ与Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体，乃至于聚乙炔这类有机半导体；就超导体而言，从合金超导体，到氧化物和有机超导体，也都反映了结构复杂化的趋势，愈来愈需要化学家的配合与协助。凝聚态物理学的概念和方法，也促进了液晶科学、高分子科学和分子膜科学的日趋成熟，导致了软物质科学的建立。这是化学家和物理学家共同努力的成果。另一方面，化学反应动力学这一化学的基本问题，得到分子束、激光束等新实验技术的推动；和量子力学、统计物理、原子物理、分子物理等理论分析的配合，成为当今化学发展的前沿领域，也是物理学家大有用武之地的一个领域。还有在原子、分子和大块凝聚态物质之间新开辟的研究领域，即团簇，得到物理学界和化学界的共同关注。
物理学与生命科学
从聚合物和复杂结构的分子再前进一步，就到达生物大分子，接触到分子生物学的核心问题。从19世纪后期起，生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作，在孟德尔、摩尔根、缪勒（H.J.Muller）等人所得规律的基础上提出了基因假设。但是，基因的物质基础仍是一个疑问和挑战。在1940年代，物理学家德尔布吕克（M.Delbrtick）和薛定谔对生命的基本问题感兴趣，提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点，由于薛定谔在小册子《生命是什么》中对此进行阐述而广为人知。1940年代，英国剑桥大学的卡文迪什实验室在布拉格（W.L.Bragg）的领导之下，开展了对蛋白质晶体的X射线结构分析，这是一项工作量极大、甚为艰巨的工作，持续时间超过15年，以肯德鲁（J.C.Kendrew）与佩鲁茨（M.Perutz）获得诺贝尔奖而告终。
与此同时，美国化学家鲍林则利用他熟谙的化学知识和搭模型的方法，解决了α螺旋的晶体结构。受德尔布吕克与薛定谔的影响，生物学家沃森与物理学家克里克，在晶体学家富兰克林（R.Franklin）与威尔金斯（M.Wilkins）的X射线衍射图的启发下，采用搭模型的捷径，终于在卡文迪什实验室定出了DNA（脱氧核糖核酸）的晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物科学最重大的突破。
从那时起，分子生物学就构成了生命科学发展的前沿领域。目前人类（和若干其他生物）的基因组测序工作业已完成，累积了大量数据。如何利用这些珍贵资料来发展生物学，是当前生物学家所面临的最重大挑战。显然这需要物理学家参与，因而当今生物物理学家是大有可为的。目前，基于自旋玻璃理论的神经网络学说给出了很有启发性的结果。但是，它与真实的神经网络之间毕竟还存在较大差距。如何填补中间的缺失环节，将是今后的重要问题。看来尚有待于复杂体系中凝聚态物理学的进一步发展。生物电子学的情况也复相似。
物理学与地球科学
下面讨论物理学与地球科学的关系。20世纪地球科学的重大突破在于板块理论的确立。当然，板块理论可以溯源于20世纪初威格纳所提出的大陆漂移说，但是由于缺乏佐证，没有得到学术界的公认。1945年以后，物理学家布拉凯特（P.M.S.Blackett）倡导岩石磁学的研究，形成了古磁学这一新的交叉学科。后来，在大西洋脊附近的古磁学研究揭示了洋脊扩展的时序，为板块理论的确立奠定基础。板块运动的驱动力问题，又涉及下地幔的缓慢对流问题，是非线性科学中的一个课题。地球的内核也存在着许多挑战性的疑难问题，诸如地球磁场的产生和其反转等。可以预期，将有更多的物理学家被吸引到这一领域中去。
大气物理学是气象学与物理学相接触的领域，两者也存在强烈的相互作用。气象学中有重要意义的洛斯贝涡旋，以及气象学家洛伦兹（E.N.Lorenz）为探讨长期天气预报的可能性而导出的洛伦兹方程，在现代非线性科学中扮演重要的角色。
物理学与信息技术
物理学一直是一门十分开放的学科，它与现代技术有密切关系。一般而论，物理学与技术的关系存在两种基本模式：其一是由于生产实践的需要而创建了技术（例如蒸汽机等热机技术），然后提高到理论上来（建立了热力学），再反馈到技术中去，促进技术的进一步发展。其二是先在实验室中揭示基本规律，建立比较完整的理论，然后再在生产中发展全新的技术部门。19世纪电磁学的发展，提供了这一模式的范例，创建了现代的电机工程与无线电技术。
在今天，上述的两种模式都还在起作用。从物理学的角度来看，第二类模式的重要性越发明显。这也正是美国科学家布什（V.Bush）的观点。在他写的《科学——没有止境的前沿》一书中强调指出：“我们需要许多有活力的新企业。然而，新产品和新工艺过程并不是生来就完善的。它们依赖于新的原理与新的观念，而这些新原理与新观念本身又是来自基础研究的。基础科学研究是科学的资本。”应该强调指出，经典物理学已经孕育出一系列的工程技术：建立在经典力学基础上的机械工程、土木建筑工程和航空航天工程；建立在经典电磁学基础上的电机工程、无线电工程和电子工程；建立在热力学上的则有动力工程和工程热物理。
信息技术在现代工业中的地位日趋重要。计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。如果说第一次工业革命是动力或能量的革命，那么第二次工业革命就是信息的革命。应该强调指出，整个信息技术离不开物理学。
信息技术的物理基础首先体现在电子学的建立。第一代信息技术所用的电子学器件是真空电子管。早在19世纪末，汤姆孙在阴极射线的研究中发现了电子，随后理查孙（O.W.Richardson）通过热电子发射的基础研究，对于发展真空电子管技术起了关键作用。应该说真空电子管技术的重要性已经减弱，但有些地方仍未被取代，如雷达技术中磁控管与速调管，电视技术中显像管等。第二代信息技术所用电子学器件中则是半导体晶体管。
1947年，贝尔实验室的巴丁（J.Bardeen）、布拉顿（W.H.Brattain）与肖克利（W.Shockley）发明了晶体管，标志着信息时代的开始。实际上晶体二极管早就被应用了，早期收音机中的矿石检波器、氧化亚铜硒整流器，乃至第二次世界大战中雷达用的锗、硅检波器，都是其实例。但是，这些是单凭经验凑合起来的器件，原理不明，也缺乏可靠性。而贝尔实验室的发明则是在基于量子力学的固体能带理论指导下进行的，又有坚实的材料研究作为基础，所以一问世就不同凡响，随即发展了一系列半导体器件，建立了半导体工业。
对于基础研究投资的效益，安德森（P.W.Anderson）有“无限大乘零”的说法，即每一项基础研究取得实际效益的概率几乎为零，但一旦一炮打响，就可能取得“无限大”的效益。显然，贝尔实验室对于晶体管的研究，就是取得“无限大”效益的实例，目前半导体工业的年产值已经达到几千亿美元的量级。从离散的晶体管，到将有源器件和无源元件合为一体即集成电路，又是一个飞跃，这是在1950年代末实现的。而后集成电路向微型化方向发展，集成度约以每两年翻一倍的摩尔定律在增长。在1940年代中建成的第一台大型电子计算机ENIAC，使用了18000个真空管，1500个继电器，几十万枚电阻与电容，自重达30吨，耗电200千瓦，真是一个庞然大物。而在今天，一台笔记本计算机的性能完全可以超过它，显示了半导体技术对电子计算机发展的决定性影响。
集成电路的微型化基本上是采用工艺手段使电路的几何尺寸缩小。其中最关键的是光刻技术：多种物理手段如紫外光、电子束和X射线（包括同步辐射），用来改善刻线的细度。目前，工业生产上已经达到0.12微米左右，而实验室中却由亚微米向纳米推进。这一微型化的趋势一直到现在仍然保持其势头。以后如何呢？微型化不可能无限地持续下去，必然存在物理的极限。一个电子器件如果只包含少量的原子和电子，就不可能正常工作了。物质的不连续结构将给出器件尺寸的下限。但是，近年来的一些研究表明，这一极限比原来设想的要大得多。到了几十纳米的尺度，量子限制效应就凸现出来了。显然，原来半导体器件的工作原理就不再适用了。十多年以后，可能需要用全新的技术来取代目前成熟的半导体芯片工艺。这一挑战是当代纳米科技异军突起的主要根源。目前，量子阱、量子线、量子点等这类呈现新的物理效应的器件，其构想及可行性的演示都已受到重视。有点像八仙过海各显神通，但最终鹿死谁手，还很难说。
另一项取得了“无限大”效益的基础研究就是激光器的发明，导致光子学作为信息技术的另一根物理支柱。早在1917年，爱因斯坦就认识到两能级系统的辐射问题中必须要引入和受激吸收相对应的受激发射项。但由于在热平衡态，高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数，因而受激发射为受激吸收所掩盖，不易观察到。1950年代初，汤斯（C.H.Townes）及普罗霍罗夫（A.M.Prokhorov）、巴索夫（N.G.Basov）分别使氨分子束实现了粒子数反转，从而观察到微波的受激发射。1958年，汤斯与肖洛（A.L.Schawlow）提出了利用法布里·贝洛干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。1960年，梅曼（T.H.Maiman）制出了第一台红宝石激光器，为光子学揭开了序幕。
激光器一经问世，首先想到的重要应用就是光通信，因为高频的光波具有特大通信容量。但是，早期的进展都令人沮丧。大气通信由于天气对光的传播影响太大而宣告此路不通，光缆通信也困难重重，进展迟缓。在激光器问世15周年时，人们对其应用情况做了检阅，虽然在测距、加工、准直、计量等方面取得了重要成果，唯独光通信仍然停滞不前。在贝尔实验室，由于科学家的远见卓识和锲而不舍，几个阻碍光通信实施的关键问题逐一解决了。他们制出了低损耗的光纤，其每千米的损耗低于相应的电缆；制出稳定可靠长寿命半导体激光器，其寿命超过一万小时。这样，就使光通信走出了实验室，成为一种重要的现代通信手段。
光子学的发展，也使人们设想用光计算机来取代电子计算机。当然，从理论上来看，光计算机是有其优点的。光的传播速度高于电子导线上的传播速度，而光的信息处理是平行式，对图像的处理应有其突出的优越性。光计算机的基本元件是高速的光双稳态元件，量子阱就是一个候选者。应该指出，光计算机尚处于探索、构想和模型性试验阶段，距离实际应用还有一定距离。当然，在电子计算机中采用部分的光学部件，如用于存储信息的光盘，已大量应用了。
利用铁磁性或亚铁磁性物质构成的磁存储器一直是计算机的重要配件。在量子力学建立之后，科学家就认识到电子不仅具有电荷，同时也存在自旋。但传统的电子学器件只是应用了电荷的输运，而忽略了自旋的输运。1988年，费特（A.Fert）等在铁磁与非铁磁金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，使自旋输运问题取得了突破。几年以后，自旋阀问世了，用于硬盘的读出磁头，产生了可观的经济效益。另一方面巨隧道磁阻效应作为不擦除的磁随机存储器也可能获得更大规模的应用。因为操纵自旋输运比操纵电荷输运所需的能耗更小，目前自旋电子学这门从基础研究脱颖而出的新技术科学受到科技界的普遍关注。当然还存在许多问题有待解决，如何将自旋极化的电流注入半导体，如何获得居里点高于室温的铁磁半导体等等，而在信息技术中的可能应用更是有远大的前程。
1962年，约瑟夫森（B.D.Josephson）提出了超导电子对的隧道效应并获得实验证实后，电子学又产生了一个新分支，即超导电子学。两个或更多个约瑟夫森结可以组成超导量子干涉器件（SQUID）。SQUID是一种灵敏的磁强计，除了在实验室中作为精密测量磁场的仪器外，在野外地质探矿和测量人体的微弱磁性方面都有重要应用。超导体也能用于微波技术，比如作为高Q谐振腔的材料；而约瑟夫森结也可用于探测微波、毫米波和亚毫米波。科学家还注意到，由于SQUID可以作为门电路，因而有可能做成计算机的逻辑元件。
1948年香农（C.E.Shannon）创立的信息论，是建立在经典统计物理的基础上的，它提供了现代信息技术的理论基础。到1990年代，科学家发展了量子信息理论。基于量子力学的叠加原理，量子位（qubit）同时是既为0又为1，与经典位（0与1中选取一种）截然不同。目前，许多实验已经演示了少量量子位的实现。量子信息的发展将是本世纪值得关注的一件事。将来能否成为重要实用技术，可与经典信息技术并驾齐驱，甚至进而超越经典信息技术，目前还很难说。但至少在某些特殊的信息技术领域中可能有用，例如量子密码学就已接近于实用化。
物理学与材料技术
材料技术的核心，是新材料的研制和传统材料性能的提高。传统材料的发展依赖于经验的长期累积和不断炒菜式的试验，在其中理论指导并不起太大的作用。即使在对钢中相变尚一无所知的时代，熟练的技工已经掌握了淬火使钢硬化的秘诀，就很足以说明问题。20世纪初，基于热力学的复相平衡规律的应用，为研究材料相图与相结构提供了依据，进而相变动力学理论得到了发展。到1930年代，固体能带理论提供了理解材料电子性质的依据，而晶体的位错理论则为理解金属的塑性提供依据。到1940年代，物理金属学或金属物理学得以建立，率先成为材料科学中首先成熟的分支。对于锗、硅等半导体的研究，揭开了材料技术的新篇章。区熔提纯、单晶制备、外延生长、掺杂工艺等方法相继问世，彻底变革了材料工艺的面貌。制备出高纯度、高完整性和可控掺杂的单晶材料，使得固体物理学家美妙的理论设想成为现实，犹如一张白纸让艺术家画出了最新、最美的图画。应该指出，这方面的研究工作除了在半导体器件上开花结果外，也促使材料科学在定量化、微观化和现代化方面迈出了一大步。这一实践指出了材料发展的新趋向，即不仅单纯地依赖经验的积累，也需要理论的指导。
对金属材料行之有效的多种研究方法也成功地向陶瓷材料的领域延拓。铁氧体与铁电体等新型功能材料，丰富了陶瓷学的内涵。到1960年代物理陶瓷学趋于成熟。
金属、半导体和陶瓷共同点较多：以晶态为主，辅以非晶态的玻璃，而以高分子为主的有机材料的发展途径和研究工具，与无机材料有较大的差异。天然高分子材料如棉布和丝绸沿用已久。19世纪中硫化橡胶获得广泛应用，到19世纪末人造丝也流行起来了。但高分子科学的研究始于20世纪。通过施陶丁格（H.Staudinger）、库恩（R.Kuhn）与弗洛里（P.J.Flory）等化学家的努力，高分子科学趋于成熟。到1970年代，液晶物理学受到物理学家的关注。随后，德热纳（P.-G.de Gennes）等人又将临界现象的标度律引入高分子科学，并关注于胶体或更复杂的系统，如水、油与表面活性剂的混合物。这样，处理软物质的材料科学也诞生了，从而使材料科学朝向一体化迈出了一大步。
物理学与能源技术
能源的取得和利用是工业生产的头等大事。20世纪物理学的一项重大贡献就在于核能的利用。这可以说是由基础研究生长出来的全新的技术部门。但也应该承认，核电事业的发展速度和普及程度并没有达到1950年代科学界的期望。其原因是多方面的，经济成本比设想的要昂贵，核燃料的原料不像原来设想的那么丰富，核废料处理尚缺乏一劳永逸的妥善办法，以及对于核事故的恐惧心理等。但是，核电厂已是工业上的现实，这是不争的事实。在我国，由于大亚湾和秦山核电厂的建设，核电的发展也提到工业发展的议事日程上来。实际上，核电厂对环境的污染小于通常的火力发电厂。如何进一步降低成本，充分而经济地利用核燃料，将是一个重要的研究方向。
如果说核裂变能的利用是今天的现实，那么核聚变能的研究则是为了解决21世纪的能源问题开辟道路。可控热核聚变能的研究也经历了不少波折，比原来预期的要困难得多，但还是在向前推进。两种相互竞争的方案——磁约束型和惯性约束型，目前都尚未达到输出能量与输入能量“得失相抵”（breakeven）的目标，但距离都已不太远了。不过，实现这一目标的日期一再延迟，也表明原来的估计过于乐观。即使在这一目标实现之后，下一步的目标还是“点火”（ignition）。目前国际合作筹建的利用磁约束的国际热核反应装置（ITER）和美国利弗莫尔国家实验室的惯性约束点火装置，都是为这一目标而建立的。即使实现了“点火”，也只是验证可控聚变物理上的可行性，而工业与经济上的可行性仍尚待解决。
在能源和动力方面，可以无损耗地传输电流的超导体的广泛应用，也可能导致一场革命。在液氦温区工作的常规超导体所绕成的线圈，已在加速器、磁流体发电装置乃至托卡马克装置等大型实验设备中用来产生强磁场，可以节约大量电能；在发电机和电动机上应用超导体，已经制成接近实用规模的试验性样机。由于这些成功的应用，再加上超导储能、超导输电和悬浮列车等的应用前景，使人们对之存有很高期望。自从1987年液氮温区的超导体问世以来，它在强电中的应用前景是最激动人心的。进展虽然并不像预期那样迅速，但通过15年的努力，这方面应用的物理可行性已得到证实：已经掌握了制备长线材的工艺技术，但还需要进一步降低成本。2001年初日本科学家又发现金属间化合物MgB[，2]的Tc为39开，虽然不及氧化物超导体，但加工容易，某些应用有可能后来居上。太阳能的利用也对物理学提出了挑战，如何制出价廉而高效的太阳能电池将是一个关键性问题。至于更加常规的能源利用，如石油勘探、煤的燃烧、氢能的利用、节能技术等，也有不少涉及物理学的问题有待于进行研究。
除了信息、材料、能源技术之外，医疗卫生技术也是物理学发挥作用甚大的领域：诸如X射线透视和层析技术，核磁共振透视与层析技术等，引发了诊断技术的革命；放射线元素和加速器提供了治癌有效的手段。这里就不详加细述了。值得注意，有一些纯属基础的物理学研究，也为技术发展提供意想不到的机遇。在这方面，高能物理学就是一个很好的例子。高能物理学是为了探索微观世界最基本规律——基本粒子及其相互作用而进行的，涉及了大量数据的提取、处理和传输，因而在信息处理和网络技术中发挥了极其关键性的作用。在国际上，欧洲核子中心（CERN）为因特网的诞生立下了汗马功劳，而中国科学院高能物理所也为我国因特网的建立起到了关键作用。
1930年代，爱因斯坦与玻尔曾对量子力学的理论解释展开激烈的争议。1935年，爱因斯坦及其合作者曾经提出EPR佯谬，来非难量子力学的流行解释。但1980年代以后，实验证实了EPR态确实存在，而且构成了当今迅速发展中的量子信息技术的基础。一场带哲学意味的争论产生了技术性的后果，也是始料不及的。这说明在基础科学与技术应用的问题上，也可能出现“有心栽花花不开，无意插柳柳成荫”的现象，不能采取过于急功近利的态度。