在初中，大家已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些物理知識(shí)和科學(xué)方法。進(jìn)人高中之后，你們將會(huì)見識(shí)更為豐富多彩的物理現(xiàn)象，學(xué)到更為深刻的物理知識(shí)，進(jìn)一步領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法，增進(jìn)對(duì)科學(xué) 的感情，受到科學(xué)精神的陶冶。
現(xiàn)在，讓我們?cè)谛碌母叨壬细乓私庖幌?，物理學(xué)研究哪些問題，它與其他科學(xué)和技術(shù)的關(guān)系，以及它對(duì)人類文明所起 的作用。
長征二號(hào)” F型火箭載著神舟號(hào)載人航天器直入云霄。物理學(xué)的基本理論是空間技術(shù)的基礎(chǔ)
物理學(xué)是一門自然科學(xué)。它起始于伽利略和牛頓的年代。 經(jīng)過三個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，它已經(jīng)成為一門有眾多分支的、令人尊敬和熱愛的基礎(chǔ)科學(xué)。
在遠(yuǎn)到宇宙深處，近至題尺之間，大到廣袤蒼穹，小到微觀粒子的浩瀚而又精細(xì)的時(shí)空中，物理學(xué)研究物質(zhì)存在的基本 形式，以及它們的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物理學(xué)還研究物質(zhì)的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)，在不同層次上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的各種組成部分及其相互作用， 以及它們運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的規(guī)律。因此，說物理學(xué)是關(guān)于“萬物之 理”的學(xué)問并不為過。
物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，也是一門崇尚理性、重視邏輯推 理的科學(xué)。由于自然界并不自動(dòng)地展現(xiàn)其背后的本質(zhì)、規(guī)律和 內(nèi)在聯(lián)系，所以物理學(xué)叉是極富洞察力和想像力的科學(xué)。在物 理學(xué)研究中形成的基本概念和理論、基本實(shí)驗(yàn)方法和精密測試 技術(shù)，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于其他學(xué)科，進(jìn)而極大地豐富了 人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命， 極大地促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步。
物理學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步，引發(fā)了—次又一次產(chǎn)業(yè)革命?，F(xiàn)代物理學(xué)更是成為高新科技的基礎(chǔ)。通過下圖展示的內(nèi)容可以窺見一斑。
電視機(jī)的顯像管
帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域都有重大意義。電子顯微鏡、電視顯像管、磁控 管、粒子加速器等都與它密切相關(guān)。
患腫瘤的病人在接受放射治療
原子核物理學(xué)的進(jìn)展，使人類直接利用射線與核能成為現(xiàn)實(shí)。
半導(dǎo)體芯片的照片
20世紀(jì)初相對(duì)論和量子力學(xué)的建立，是物理學(xué)史上驚天動(dòng)地的大事。由此誕生的近代物理學(xué)以雷霆萬鈞之勢(shì)將世界帶入高科技時(shí)代。組成物質(zhì)的微粒服從量子規(guī)律，因此，半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)業(yè)離不開量子力學(xué)的理論支撐?？梢哉f，沒有量子力學(xué)就沒有現(xiàn)代技術(shù)，也就沒有現(xiàn)代化的生活。
光彩奪目的激光束
20世紀(jì)60年代初，激光器誕生。激光物理的進(jìn)展為激光在制造業(yè)、醫(yī)療技術(shù)和國防工業(yè)中的應(yīng)用打開了大門。
光彩奪目超導(dǎo)磁懸浮照片。 圖中上面是用超強(qiáng)永磁體制成的圓片，下面是液氮冷卻的“高溫”超導(dǎo)體。的激光束
當(dāng)溫度低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，超導(dǎo)體具有完全抗磁性，下方的超導(dǎo)體如同一塊和上方的永磁體同極相對(duì)的磁鐵一樣，使永磁體片飄浮起來。20世紀(jì)80年代，高溫超導(dǎo)的研究取得重大突破，為超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用開辟了道路。
量子圍欄。它是用掃描隧道顯徽鏡把 48個(gè)Fe原子搬到Cu表面上構(gòu)成的。
20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的納米科技，使人們可以按自己的需要去設(shè)計(jì)并重新排列原子或原子團(tuán)，使其具有人們希望的特性。這使人類在材料科學(xué)的 研究中邁出了極其重要的一步。
DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
生命科學(xué)的重大進(jìn)展離不開物理學(xué)的基礎(chǔ)。脫氧核糖核酸（DNA）是存在于細(xì)胞核中的一種重要物質(zhì)，它是儲(chǔ)存和傳遞生命信息的物質(zhì)基礎(chǔ)。1953年，生物學(xué)家沃森和物理學(xué)家克里克利用X射線衍射的方法在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室成功地測定了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。
物理學(xué)的發(fā)展學(xué)育了技術(shù)的革新，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮，改變了人類的生產(chǎn)和生活方式，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。下圖表示這一進(jìn)程的幾個(gè)重大事件。
第一輛蒸汽機(jī)車（模型）
18世紀(jì)中葉，蒸汽機(jī)的改進(jìn)和廣泛應(yīng)用 得益于熱學(xué)的研究。蒸汽機(jī)的廣泛使用，促進(jìn)了手工生產(chǎn)向機(jī)械化大生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，并使陸上和海上大規(guī)模的長途運(yùn)輸成為可能，這大大推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展。
我們生活在電氣化的時(shí)代
19世紀(jì)后半葉，在電磁學(xué)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電力工業(yè)，給生產(chǎn)和生活帶來深刻的影響，使人類社會(huì)進(jìn)入了電氣時(shí)代。
信息時(shí)代
20世紀(jì)70年代，微觀物理方面的重大突破開創(chuàng)了微電子工業(yè)，從而觸發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命世界開始進(jìn)入以電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用為特證的信息時(shí)代。
物理學(xué)極大地豐富了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，也改變和擴(kuò)展著人類的思維方式。物理學(xué)的每一個(gè)重大進(jìn)展，都是人類思維觀念進(jìn)步的偉太階梯。下圖反映了這一階梯的幾個(gè)臺(tái)階。
古人心中的“宇宙
16世紀(jì)，人們認(rèn)識(shí)到地球和行星都在繞太陽運(yùn)動(dòng)
現(xiàn)代天文學(xué)家己經(jīng)觀測到距我們約140億光年的天體
在人類文明的初期，人們認(rèn)為大地是一個(gè)大扁盤，物理學(xué)的發(fā)展使人類對(duì)大地乃至宇宙的認(rèn)識(shí)發(fā)生了翻天覆地的變化。從“天圓地方”到“地心說”從“地心說”到“日心說”；從太陽系到河外星系；從靜態(tài)的宇宙到膨脹的宇宙；從“盤古開天地”到“大爆炸”的宇宙演化論……
哈雷慧星和它的公轉(zhuǎn)軌道。公元前 613年至公元1910年，中國有它31次回歸的記錄。1705年，英國天文學(xué)家哈雷根據(jù)半頓的萬有引力定律正確地預(yù)言了它的回歸。
哈雷慧星
單變量數(shù)值仿真。洛倫茲將僅僅相差0.0001的兩個(gè)初始條件輸入一個(gè)數(shù)學(xué)方程，計(jì)算得出的兩條曲線不久就分道揚(yáng)鑣，南轅北轍。真是“差之毫厘，謬以千里”。
在牛頓力學(xué)建立后，人們能精確地預(yù)言哈雷彗星每76年回歸地球一次。這意味著，已知受力情況和初始條件——物體的位置和速度，就可以求出以后任何時(shí)刻物體的位置和速度。 由此，人們形成了 “機(jī)械決定論”的思維方式。很自然地，人們夢(mèng)想對(duì)天氣也能做同樣的預(yù)報(bào)。20世紀(jì)60年代初，美國氣象學(xué)家洛倫茲研究了服從三個(gè)含有非線性項(xiàng)方程的氣象模型系統(tǒng)，揭示了復(fù)雜系統(tǒng)的行為對(duì)微小初值差異的敏感依賴性，從而斷言長期天氣預(yù)報(bào)不可能實(shí)現(xiàn)。為此，他提出了 “一只蝴蝶在巴西扇動(dòng)翅膀，有可能在美國得克薩斯引起一場龍卷風(fēng)” 的說法，被稱為“蝴蝶效應(yīng)”。這就動(dòng)搖了長期在人們頭腦中占主導(dǎo)地位的“機(jī)械決定論”的思維方式。
我國的秦山核電站
科學(xué)活動(dòng)是人類認(rèn)識(shí)自然的活動(dòng)，現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng) 與科學(xué)活動(dòng)密不可分了。科學(xué)技術(shù)方面的突破，對(duì)于 社會(huì)發(fā)展會(huì)起到至關(guān)重要的作用。正是科學(xué)成果在技 術(shù)上的應(yīng)用，才創(chuàng)造了我們今天的物質(zhì)文明，然而事 實(shí)表明，技術(shù)是一把“雙刃劍' 當(dāng)人類合理而明智 地利用技術(shù)時(shí)，它給人類帶來許多恩惠；但是，如果利用不當(dāng)，甚至濫用，就會(huì)給人類帶來諸如生態(tài)失衡、資源枯竭等問題。人們有責(zé)任避免技術(shù)的濫用， 既要大力發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)，還必須細(xì)致分析技術(shù)的正、負(fù)面效應(yīng)，積極開展技術(shù)評(píng)價(jià)和技術(shù)預(yù)見工讓技術(shù)更好地服務(wù)于人類。
19世紀(jì)下半葉，以經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)為主要內(nèi)容的物理學(xué)，幾乎能解釋當(dāng)時(shí)已知的所有物理現(xiàn)象。因此，當(dāng)20世紀(jì)第一個(gè)春天來臨之際，久負(fù)盛名的英國物理學(xué)家、被英王授予“開爾文勛爵”的威廉·湯姆孫在《新春獻(xiàn)詞》的演說中， 躊躇滿志地宣吿：“科學(xué)大廈已經(jīng)基本建成……后輩物理學(xué)家只需做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了，但話音剛落，他的預(yù)言就被一個(gè)接一個(gè)的重大發(fā)現(xiàn)所粉碎。
從下表中可以看出，在20世紀(jì)，物理學(xué)捷報(bào)頻傳，重大發(fā)現(xiàn)此伏彼起，從來沒有停止過。
1900~1909：陰極射線，黑體輻射理論，狹義相對(duì)論，光電效應(yīng)
1910~1919：晶體的X射線衍射理論及實(shí)驗(yàn)，超導(dǎo)現(xiàn)象，廣義相對(duì)論，烕爾遜云室
1920~1929：量子力學(xué)，康普頓效應(yīng)，晶體電子衍射
1930~1939：發(fā)現(xiàn)中子、正電子和宇宙射線，產(chǎn)生人工放射性元素，核磁共振理論
1940~1904：半導(dǎo)體及晶體管，發(fā)現(xiàn)介子，氫光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)
1950~1959：弱相互作用下宇稱不守恒，發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子，穆斯堡爾效應(yīng)
1960~1969：激光器，超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)，宇宙微波背景輻射
1970~1979：發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子和τ輕子，弱電統(tǒng)一理論，非線性物理
1980~1989：發(fā)現(xiàn)w±和z°粒子，掃描隧道顯微鏡，高溫超導(dǎo)材料，超弦與大統(tǒng)一理論
1990~1999：介觀物理理論及器件，發(fā)現(xiàn)C60及其家族，納米材料與納米結(jié)構(gòu)
那么，21世紀(jì)又會(huì)怎樣呢？還會(huì)有重要的發(fā)現(xiàn)嗎？
著名法國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者德布羅意在《物理學(xué)的未來》一文中說：
我們的知識(shí)越是發(fā)展，自然就越是以其多種表現(xiàn)證明它擁有無盡的財(cái)富；甚至在很先進(jìn) 的科學(xué)領(lǐng)域，如物理學(xué)，我們也沒有理由認(rèn)為我們已經(jīng)“耗盡” 了自然財(cái)富，或者認(rèn)為我們 已經(jīng)接近完整地掌握了自然界的全部財(cái)富。
事實(shí)正是這樣，當(dāng)前還有許多困擾物理學(xué)的難題a例如，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論中，認(rèn)為“夸克”構(gòu)成了質(zhì)子、中子等強(qiáng)子，但是，夸克為什么不能單獨(dú)存在？尋找傳遞強(qiáng)相互作用的 膠子的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊竦贸鲱A(yù)期的結(jié)果？如何將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合起來，以解釋宇宙的起源和演化？此外，自然界中,最常見的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，往往既不是完全確定的，也不是完全隨機(jī)的，而是介于二者之間，但為理解這類現(xiàn)象的混沌理論還遠(yuǎn)未成熟……所有這些都有待人們?nèi)ヌ剿亍?/p>
綜觀世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展史，許多科學(xué)家的重要發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，都產(chǎn)生于風(fēng)華正茂、思想敏捷的青年時(shí)期，這是一條普遍性的規(guī)律。哥白尼提出日心說時(shí)是38歲；牛頓和萊布尼茨發(fā)明微積分時(shí)分別是22歲和28歲；愛迪生發(fā)明留聲機(jī)時(shí)是29歲，發(fā)明電燈時(shí)是31歲；貝爾發(fā)明電話時(shí)是29歲；居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳、社、釙三種元素的放射性時(shí)是31歲；愛因斯坦提出 狹義相對(duì)論時(shí)是26歲，提出廣義相對(duì)論時(shí)是37歲；李政道和楊振寧指出弱相互作用下宇 稱不守恒時(shí)分別為：30歲和34歲；沃森和克里克提出DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋摸型時(shí)分別是 25歲和37歲……
盡管年輕人的知識(shí)不如老年人豐富，但卻很少保守思想，最具創(chuàng)新精神。雖然多數(shù)同 學(xué)今后未必進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)的研究，但是，不論從事什么職業(yè)，髙中物理學(xué)習(xí)中樹立的創(chuàng)新 精神，學(xué)到的科學(xué)方法，積累的科學(xué)知識(shí)，將會(huì)使你終身受益。
“扛山代有人才出，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年。”同學(xué)們，努力啊！
說明：本來選自一本物理書，如有侵權(quán)必刪之。我從11點(diǎn)半整到現(xiàn)在1點(diǎn)50，累了，睡覺。
聯(lián)系客服
