试论物理学在21世纪科技发展中的地位及作用，本文主要内容关键词为：科技发展论文,物理学论文,试论论文,地位论文,作用论文，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。
摘要 从物理学的现状及发展前景，物理学与自然科学的关系、与高新技术的关系、与高科技人才培养的关系四个方面论述了物理学在21世纪仍将是整个科学技术领域中的带头学科，物理学在21世纪将继续辉煌，并可能更加辉煌。
众所周知，20世纪以来物理学取得了突飞猛进的发展和极其辉煌的成就，物理学一直是整个科学技术领域中的带头学科并成为整个自然科学的基础，成为推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉，并对人类社会文明进步产生了极其深刻的影响。正如杨振宁教授所说：“在20世纪，物理学产生了奥妙的观念革命，从而改变了人类对空间、时间、运动和力这几种基本概念的认识；深入探索了物质内部结构的奥秘，通过技术进步为人类生产力带来了空前增长。”〔（1）〕
历史即将进入21世纪。在未来世纪中，物理学在科技领域中又将处于什么样的地位呢？对此，众说纷纭。在舆论界和学术界曾流行一种观点，说什么“理论物理学的末日似乎已经为期不远了”〔（2）〕，“21世纪物理学作为学科已进入暮年”，“中国目前不是发展物理学的基础研究和高技术的时候”〔（3）〕等等。近年来在高等院校还出现了砍杀物理课程学时的风浪。因此，正确认识物理学的发展前景及其在21世纪科技领域中的地位，对教育的改革和发展，对高科技人才的培养，对科学技术的研究和发展，乃至于社会和经济的发展，都是至关重要的。
我们认为，在21世纪，物理学将进一步获得迅速发展，物理学仍将是整个自然科学的基础，物理学的进展仍是推动整个自然科学发展的一个最重要的动力，物理学将继续是整个科学技术领域中的带头学科，这应是毋庸置疑的。
1 世纪之交的物理学
当前，正值世纪交替之际，20世纪物理学已取得的辉煌成就是有目共睹的。它在宏观、微观和宇观各个领域，都发展到空前的深度和广度。当前物理学在各个方面的研究，都取得了巨大的成就，其中的很多方面，如受控核聚变研究、高温超导研究、超晶格及半导体超晶格研究、表面物理研究等，正在酝酿着新的突破。但与此同时，当前物理学在观念上、在基本理论上，也面临着一系列的巨大困难与疑惑。
例如，作为现代物理学两大台柱的相对论与量子论，“在二论框内，光与实物处于不平等的地位，微观粒子的波粒二重性极难获得合理的关联，而更困难的要数二论本身的融合问题了，物理学家几乎落到了山穷水尽的地步”。〔（4）〕霍夫曼曾指出：“虽然在我们寻求知识当中，这两个理论一起作出了最深刻的进展，然而它们必将彼此为敌，要等到一个更加有力的理论把这两个理论都征服了，它们的根本分歧才会得到解决。新理论会消除我们现在煞费苦心获得的关于象空间、时间、物质和辐射及因果性等的幻想”〔（5）〕。贝耳近年也曾指出：“现代理论的两根台柱于最深层次上看来有矛盾。”〔（6）〕当代著名物理学家狄拉克也曾指出，带有非决定论色彩的“现代量子力学具有一种过渡性质，它并不是物理学的终结，而是通向将来更完善的理论的一个阶梯，在理论的进一步发展中，我们关于测不准的整套观念将要改变”，“很可能过些时候我们可以得到一种改进了的量子力学”，“它将使我们更远离经典观念，但它们将完全改变测不准关系的讨论”。〔（7）〕
目前，在物理学的研究中还存有两大困惑，即所谓的“夸克幽禁”和“对称性破缺”。人们在对微观粒子的研究中，已经发现基本粒子由更小的粒子—夸克组成，夸克与夸克之间靠胶子传递相互作用；夸克和胶子的存在与性质已经得到了充分的实验证据。但是，迄今为止，在任何实验中都没有直接观察到自由的夸克和胶子。这表明夸克和胶子只能存在于基本粒子内部，而不能单独跑出来，这被称为“夸克幽禁”。其原因至今未搞清楚，成为现代物理学的一大疑难。现代物理学已实现了弱、电两种基本相互作用的统一，成功地建立了弱、电、强相互作用的统一规范理论，这被称为物理学发展的里程碑和二十世纪后半叶的四大成就之一。但是统一规范理论还不能包括引力作用，因此该理论还存在着相当大的不完备性，并且这一标准模型是在实现定域规范对称性自发破缺的希格斯机制下提出的。而为什么有对称性自发破缺？对称性自发破缺的实质是什么？人们对此尚不清楚，这成为当代物理学的又一困惑。
面对当今物理学的这两大困惑，不由得使我们想起19世纪末物理学的两大困惑—黑体辐射实验和迈克尔逊—莫雷实验。正是19世纪末的这两大困惑，从根本上动摇了经典物理学的基础，引发了物理学的一场革命，导致了现代物理学，乃至整个自然科学两大台柱——相对论和量子论的建立，从而开始了一个科学技术迅猛发展的时代。
历史往往有惊人的相似之处。那么，当前物理学的困惑将会对物理学的发展带来什么影响呢？可以预见，它不是物理学的末日，它不会给物理学带来停滞或后退，而只能随着一系列难题的解决，使物理学获得根本性突破，从而大大促进现有的物理学理论的进一步完善和突飞猛进的发展；也有可能证明现有的物理学存在着根本性的困难或局限性，从而引发一场新的更伟大的物理学革命。21世纪物理学将会更加辉煌。
2 物理学的发展将进一步推动整个自然科学的发展
当今物理学已经发展成为研究宇宙间物质的基本组元及其基本相互作用和基本运动规律的学科。物理学的学科性质决定了它是整个自然科学的基础。物理学的基本概念、基本理论、基本实验手段和研究、测试方法，已经成为并将继续成为自然科学的各个学科（诸如宇宙学、天文学、地学、化学、生物学、医学等）的重要概念、理论的基础和实验、研究方法，从而推动各个学科深入而迅速地发展。物理学向自然科学各个学科的广泛渗透和移植，促使一系列交叉学科、边缘学科不断涌现。而正是这些交叉学科、边缘学科，有可能成为未来学科中最有希望、取得成果最多的领域。
宇宙学就是在物理学一系列研究成果的基础上而获得了迅速发展。作为宇宙学理论基础的热大爆炸理论，就是依赖于广义相对论以及粒子物理学的飞速发展和射电望远镜等天文观察手段的提高而诞生的。热大爆炸宇宙论被称为20世纪后半叶自然科学的四大成就之一。然而，该理论还存在着很多不完备性和局限性，尤其关于宇宙的起源问题仍然没有得到最终的回答。对此朱洪元教授曾指出：“高能物理的研究成果将对甚早期宇宙的演化的理解起推进作用”。〔（8）〕可以相信，随着物理学尤其是高能物理研究的不断深入发展，宇宙的起源和演化过程将逐步被认识、理解，宇宙学将被推进到一个崭新的阶段。
物理学对地球科学的影响是深远的。地球物理学就是地学受物理学的影响而产生的一门交叉学科，正是由于对电磁波传播机制的研究而发现了大气电离层，对宇宙线的研究而发现了地球内辐射带并从而导致太阳风的发现；而对洋底岩石磁性的研究，则是确定板块构造学说——这一地球科学的革命性进展——的关键因素。地球科学所需要的实验测量技术也在很大程度上依赖于现代物理学。近年来，电子自旋共振、质子激发荧光分析技术和氡测量技术等核分析技术的研究对地质学正在产生越来越重要的影响。高压物理研究则对解决深部地质问题具有重要意义。随着地质学研究范围的扩大和核探测技术的不断提高，地质学的发展与核物理学的关系将日益密切。地质科学的前沿与尖端技术融为一体，它们所开辟的科研领域和所达到的知识深度已超过了以往任何时代。现代地质学将沿纵向和横向交叉的方向发展，核物理与地质学的衔接日益紧密，它们的交叉点将可能成为学科或新方向的生长点。
物理学与化学之间的关系也愈来愈密切。物理学发展中出现的理论工具和实验方法，使化学科学得以如虎添翼般的飞速发展。传统的物理化学就是着重应用物理理论和实验方法去处理化学问题而形成的一门化学分支学科，并已成为化学科学的理论核心之一。化学物理是由物理学与化学之间的密切结合而产生的一门正在蓬勃发展中的交叉学科，它以化学和物理学的新成就及近代实验方法来研究原子、分子及其聚集态的结构、性质和变化规律。物理分析方法（如光谱、色谱和快速流动等）的发展，使得对化学反应过程的跟踪成为可能，从而使化学动力学发展到基元反应研究的重要阶段。基元反应研究的进一步深入，产生了非平衡化学反应过程的新领域，并进而使化学动力学深入到态—态反应的程度。而态—态反应的研究，无论在理论上和实验方法上，都使化学动力学与物理学中的碰撞动力学融为一体。表面科学包含在一些最重要和令人迷惑的化学过程之中，多相催化包含着表面和发生在其上的化学反应之间的深奥的相互作用。为此人们调动了几乎所有的现代物理学的理论方案和实验手段来进行研究，诸如表面电子能谱、扫描电镜、原子力电镜、X射线衍射、同步辐射、傅里叶变换光谱和分子束——表面散射等最现代化的实验装置、仪器和技术。1985至1994年的10项诺贝尔化学奖，其中就有4项与物理学密切交叉。可以相信，与物理学的进一步密切结合，将会更加促进化学的迅速发展。
物理学对生物学、生命科学发展的影响更是重大而深远的。20世纪50年代以来，随着物理学的发展及取得的辉煌成就，使生物学的研究从现象的描述进入了现代生命科学的新阶段，物理学参与和渗入生命科学的研究已成大势所趋。物理学对生命科学的巨大贡献，首先是为生命科学提供了现代化的实验手段。例如，正是利用X射线衍射技术而促成了人们对DNA双螺旋结构主体模型的认识，开创了分子生物学的新时代。其次，物理学为生命科学提供了概念、理论和方法。物理学和信息科学处理宏观体系的理论（如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论、控制论等），使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关系；物理学的微观理论（如分子和原子物理、量子力学、粒子物理等）及有关结构分析技术，使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体（膜、细胞、组织等）的结构、运动与功能。非线性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命——智能革命的到来。而生物物理学的创立，则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学，为生物工程展现出一个无限美好的前景。一些有远见的科学家预言，21世纪将是生命科学的世纪。物理学家将与生物学家等携手并进、一起共同开创和迎接新的生命科学的世纪。
3 物理学是现代高技术发展的先导和基础
科技发展史表明，物理学与技术的关系变得愈来愈密切。如果说发生于18世纪60年代的以蒸汽机的应用为主要标志的第一次技术革命，开始了物理学（主要是力学、热学）与技术的互相影响的话，那么，开始于19世纪70年代的以电力技术的广泛应用为重要标志的第二次技术革命，则是以物理学的发展（主要是电磁理论）为重要基础的。而发生于20世纪50年代的第三次技术革命（或称第三次浪潮），则是以20世纪初的物理学革命为先导，物理学开始全方位渗透到技术领域，成为推动技术进步的主导力量、主要源泉。物理学的研究成果直接导致了一系列新技术的产生，物理学的研究方法和手段也越来越普遍地转变为技术的方法和手段，而且转变的时间间隔愈来愈短。物理学革命导致现代科学的分化和综合的同时，也引起了技术领域的分化和综合，从而形成了目前正蓬勃发展的新高技术群：材料技术、信息技术、能源技术、生物技术、空间技术和海洋技术等。新高技术群是科学理论与技术的高度密集和综合应用，在其今后的发展中，物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。未来技术的进步，将更极大地依赖于物理学以及与物理学有关的边缘学科和交叉学科的进展。
材料、能源和信息技术是人类社会现代文明的三大支柱。科技发展史表明，每一项重大的技术新发明、新发现，往往都有赖于新材料的发展。因此，新材料被称为“发明之母”和“产品粮食”。而被称为近代材料科学技术的三大支柱的电子显微学、电子理论和晶体缺陷理论，对了解材料的微观结构及变化规律发挥了重要作用，为一系列新材料的研制提供了启示和指导。而电子显微学的发展正是建立在物理学的理论基础之上的。电子理论和晶体缺陷理论，实际就是凝聚态物理学的一部分。凝聚态物理的主要任务就是研究凝聚态物质的宏观性质和微观结构以及宏、微观间的联系，从而为按指定性能创制新材料的“分子设计”或“分子工程”提供科学途径和理论指导。例如，对无损耗输电、大型强磁体、高速计算机和高灵敏度、高精度测电压、磁场的高Tc超导材料的研究，以及对被誉为“21世纪最有前途的材料”—纳米固体材料的研究和对可能带来一场电子工业革命的微结构器件的研究等，都是当前凝聚态物理学中最活跃的前沿课题。因此材料科学技术将随着物理学的发展而获得迅速发展，从而为未来21世纪的科学技术的发展乃至整个人类社会文明进步奠定基础。
能源是人类社会活动的物质基础。当前，在人们正在开发的各种能源中，最理想、最有前途的新能源当属裂变核能和聚变核能。尤其是聚变能，是一种取之不尽，用之不竭（燃料从海水中提取）的最干净、最完整、最经济的理想能源，它没有如裂变堆那样产生大量放射性废物，故其发展远景很好，预计在21世纪中叶可得到广泛应用。而原子核物理和高能物理、等离子体物理，为核能的开发、利用提供了最直接、最基本的理论基础和方法。
21世纪被称为信息时代，人类社会已开始进入信息社会。信息资源已成为现代社会最主要的战略资源。第三次技术革命就是以信息技术为核心内容的。现代信息技术是以微电子学、光电子学为基础，以计算机、通信、控制技术为核心的综合化技术。微电子学、光电子学都是当代物理学中最活跃的前沿分支学科。兴起于本世纪90年代的纳米电子学和纳米科学技术，是光电子学的重要组成部分。纳米电子学将立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统；将超越传统的极限，实现信息采集和处理能力的革命性突破；将进一步开发物质内潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上。作为纳米科技重要组成部分的分子组装技术，单原子、分子测控科学与技术，就是面向21世纪高科技发展的技术基础之一，将是21世纪信息科学发展的关键技术。
空间技术是探索、开发和利用太空以及地球以外天体的高度综合性的现代科学技术。它以基础科学和技术科学为基础，集中应用了力学、热学、材料学、医学、电子技术、自动控制、喷气推进、计算机、真空技术、制造工艺等多项现代科学技术新成就。而力学、热学、电子技术等就是物理学的分支学科，自动控制、计算机、喷气推进，真空技术等也都与物理学直接密切相关。
海洋开发技术是以大海及其资源为开发、利用对象的综合性现代科学技术群。在对海洋资源的开发、利用中所形成的诸如海水淡化技术、海水提取稀有化学元素技术、海洋能发电技术、深海底锰结核开采技术等，也都与物理学的知识如力学、热学、电学、声学、电子技术等密切相关。例如，海洋中的底质、地层、地貌、测探、定位、目标探测、识别、通信、导航、遥控、内波、寻找油气、开发矿产、海洋内部及海底的遥感等一系列问题，都广泛地应用到声学技术。
另外，战争对人类社会的影响极大。海湾战争的事实表明，现代战场已经成为高科技武器的竞技场。展望未来，将会有更多的高科技武器投入战场。除核武器外，目前世界各国正在研制、试验并进展较快、有希望投入实用的高科技未来武器有激光武器、微波波束武器、粒子束武器、电磁炮和次声武器等，还有军用隐形技术、夜视技术等等。这些都是以基本的物理学理论为依托的。所以物理学对未来战争将产生极其重要的影响。
总之，物理学是当今高新技术的水之源、木之本。物理学在未来高新技术发展中将继续发挥基础、主导作用，并对整个人类社会产生重要影响。
4 物理学是各种高科技人才科学素质的基本要素
由物理学的基础性、带动性以及它和人类文化的深刻联系决定了它应是各类高科技人才的科学素质中的极其重要的基本要素。
（1）物理学是形成高科技人才的优化知识结构的重要基础
物理学是一门重要的基础科学，是整个自然科学的基础，是推动整个自然科学发展的最重要的动力，是当代及未来技术发展的最主要的源泉。因此，物理学的知识对于一切高科技人才都是不可缺少的，是形成他们的知识结构的重要基础。缺乏物理学的知识，就无法形成高科技人才的优化的知识结构，培养跨世纪的高科技人才就只能是一句空话。
（2）学习物理学，有助于研究正确的物质观、时空观、宇宙观
物理学是研究宇宙物质的基本组元及其基本相互作用、基本运动规律的学科，具有深沉博大的哲学气度，它的发展，对人类物质观、时空观、宇宙观的形成产生了极其深刻的影响。从一定意义上说，当今人类的物质观、时空观、宇宙观，就是在物理学的基础上，随着物理学的发展而逐步形成的。因此，物理学对人们树立正确的物质观、时空观、宇宙观具有极其重要的作用。而正确的哲学观点，对一切科学研究都具有重要的指导作用。正如爱因斯坦所说：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可被认为是全部科学研究之母”。〔（9）〕
（3）物理学可为科学研究提供思维方式和研究方法
物理学作为一门发展最早、基础性最强、影响最大的学科，在发展过程中形成了一系列思维方式及研究方法，诸如求同性、简单性的思维方式，观察实验方法、理想化方法、类比方法、假说方法、数学方法等等。它们对其他学科的发展起到了重要作用，并逐步成为自然科学研究中普遍应用的方法。例如，物理学家的求同性、简单性思维方式和理想化方法引入生物学，打破了生物学家固有的思维定势，使他们能够从纷繁无比的生命世界中，敏锐地挑出噬菌体——类似于物理学中的质点——作为研究对象，从而开辟了分子生物学这一崭新的研究领域。同时，物理学研究中的精密定量的实验方法和数学方法，对从根本上改变生物学研究中的流于空洞思辨的哲学味，克服在构造和测试概念模型时的模糊性，使生物学的研究从模糊的经验论转变为精确的科学，产生了重要影响。
另外，物理学本身所反映出来的崇尚理性、崇尚实践和不畏艰险、追求真理的精神，对任何一位科研人员都是必须的，是其科学素养的重要组成部分。
总之，物理学对各类高科技人才的优化知识结构的形成及良好科学素质的培养都具有重要作用。
综上所述，物理学在21世纪将仍是整个科学技术领域中的一个带头学科，物理学的进展仍将是推动整个自然科学发展的一个最重要的动力。确立这一观点，对我国的科技和教育事业的发展，对“科教兴国”战略的实施，都将具有重要的意义。