物理与三次技术革命

科学突飞猛进，新技术层出不穷。物理学作为20世纪的主导学科，已经进入了一个从古典到现代、从宏观到微观的全新发展阶段。20世纪物理学的两大成就是狭义相对论(爱因斯坦)和量子力学(普朗克)。诺贝尔奖得主李政道教授说:“没有狭义相对论和量子力学的诞生，就不会有所有科学和文化的后续发展，如原子结构、分子物理学、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等。”20世纪物理学的成就表明，物理学已经成为所有自然科学的基础。在当今社会，几乎没有哪个科学技术部门不应用物理学的成就。生产、生活、食品、服装、住房和交通，哪里有人类活动，哪里就有物理文化氛围。物理学已经渗透到社会生活的所有领域。

物理学在过去100年的巨大发展使我们进一步认识到，物理学不仅是高科技发展的源泉，也是所有自然科学发展的基础。物理学的基础研究没有发展。不会有任何现代科学和文化。因此，物理学是自然科学的“领导者”:主要进步与其密切相关:原子能、计算机、电子技术...它有许多分支:现代力学、现代热机和燃烧科学、电子工程、半导体工程、光学和机械科学、材料科学...并渗透到其他科学领域:现代化学、现代生物学、医学、计算机科学...(24对遗传基因，DNA双螺旋结构，经典通讯，量子通讯...)，物理学是人类文明的第一推动力。

1.物理学的起源

物理学是研究物质世界最基本和最深刻的规律的科学分支。这也是一门在最基本的层面上研究物质运动规律的科学。李政道先生指出，物理学这个词来源于唐肃宗在甘源元年(公元758年)写的杜甫的《衢江二票》。“一朵飞来的花可以减少春天的风，但是风却飘成了成千上万个点，这是令人担忧的，如果一个人想要花光他所有的花，进入一个唇河上的小大厅，在玉带上筑巢，在高高的土墩上，躺在独角兽上，并小心地推动物理学，那么他就不应该对更多的酒感到厌恶。为什么一个人会被一个浮动的名字绊倒？”

2.1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》出版，标志着经典物理学的诞生

古典物理学一诞生，就推动了第一次工业革命，给人类带来了物质文明的第一次飞跃。早在100多年前，马克思就“首次将科学视为历史的有力杠杆和最高意义上的革命力量”其中，“物理研究提高了我们对自然的基本认识，产生了对人类具有深远意义的知识。它孕育的新技术根植于我们的文化。”因此，物理学的每一次革命都会促进人类社会的伟大进步。

从1543年，哥白尼提出了日心说，开普勒从大量精确的天文观测数据中总结出了行星运动的三大定律。伽利略为捍卫、发展和传播哥白尼学说做出了艰苦的努力。伽利略用他自制的望远镜进行了天文观测，这有力地证实了地球与宇宙中的其他行星没有什么不同。特别是在1632年，他发表了《托勒密和哥白尼两个世界体系的对话》(以下简称《对话》)，批判亚里士多德并指出发现恒星视差是因为恒星离地球太远。他用惯性原理解释了投掷物体的后仰。教会传唤他，折磨他，逼他招供。伽利略最终被判终身监禁，对话也被禁止。日心说和地心说进行了一场残酷的较量。牛顿的《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)于1687年出版，赢得了历史性的胜利。原理建立了经典力学的理论体系。提出了三个运动定律和万有引力定律，揭示了行星围绕太阳运动的根本原因，完成了物理学史上的第一次大综合。牛顿的“原理”不仅继承和发展了知识体系中“巨人”的成就，而且在研究方法上也有所创新。因此，达朗贝尔认为牛顿统一了数学、实验和观察，创造了一门真正的新科学。牛顿的《原理》被认为是科学史上最伟大的作品。这场革命对整个人类的意识形态和文化产生了历史性的影响。“牛顿的思想影响是巨大的；无论这些思想是否被正确理解，整个启蒙计划(尤其是在法国)都是有意识地基于牛顿的原则和方法，并从牛顿辉煌的成就中获得启蒙信心及其广泛的影响。这后来变成了现代西方文化的一些核心概念和发展方向。道德、政治、技术、历史、社会等。没有人的思想和生活领域能逃脱这种文化的影响。”

第一次工业革命是由新占统治地位的英国资产阶级进行的生产方式的革命。它始于17世纪，18世纪达到高潮，19世纪发展起来。这场革命的象征是蒸汽机的使用。17世纪，英国资本主义的伟大发展遇到了三大问题(采矿、武器开发和航海)。当时，物理学家积极参与相关的发明创造，有效地解决了上述问题。其中最著名的有牛顿、哈雷、惠更斯、胡克、瑞安、博伊尔、埃德姆·马略特、托尔斯泰等等。然而，采矿、战争和航海都涉及到动力机器的问题。自17世纪初以来，许多人开始在这个地区工作，直到18世纪初。英国的纽科门发明了第一台蒸汽驱动活塞泵。1765年，瓦特安排了蒸汽在汽缸外的冷凝过程，这是对原蒸汽机的一项关键改革。物理学(力学和热学)是第一次工业革命的理论基础和工作指南。牛顿力学是机械设计和制造的理论基础，蒸汽机的发展是以力学和热学为基础的。那时，温度计、量热法(比热、潜热)、热传导和热的性质的研究取得了很大进展。瓦特在改造蒸汽机的过程中受到布莱克理论的指导，布莱克是一位对量热法的研究做出突出贡献的科学家。因此，当时的工厂“不再交给无知的工人；相反，他们中的大多数都有非常博学的人和受过良好教育的物理学家。为了促进有用技能的进步，我们必须依靠它们。”

第一次工业革命把人类带入了机械化时代，大大提高了劳动生产率。瓦特的成功使蒸汽机广泛应用于国民经济的各个领域。作为织机的动力机器，蒸汽机将工作效率提高了40倍。1807年，富尔顿建造了第一艘蒸汽机船“克莱门特”。1814年，斯蒂芬森制造了第一台实用的蒸汽机车。后来，它被改进为90t的负载和每小时24公里的速度。简而言之，蒸汽机在100年里创造的生产力超过了所有前几代人。一些西方历史学家对第一次工业革命的评论如下:“一场史无前例、影响深远的革命改变了英国的面貌。从那以后，世界也发生了变化。没有一场革命像工业革命那样具有革命性——也许新石器时代的革命除外。新石器时代的革命已经把人类从狩猎原始部落的分散居住区转移到了在不同程度上相互依赖的农业社会。工业革命已经把人类从农民和牧羊人变成了由无生命能量驱动的机器司机。”第一次工业革命也促进了科学(物理)的发展。为了生存，人类必须首先解决食物、衣服、住房和交通等需要生产的问题。为了生产，我们必须使用能源和制造工具，从而生产技术。如何充分利用已知能源，开发新能源，如何改进劳动工具，以提高劳动生产率，我们必须探索自然规律，这导致了科学。事实上，从18世纪末到19世纪，为了提高蒸汽机和金属冶炼的热效率，并解决工业、交通和军事方面的一些技术问题，物理学的研究得到了大力推动:拉格朗日分析力学于1788年出版。牛顿力学，特别是热力学和统计物理得到了发展，从而完成了形成、发展和成熟的全过程。1798年，拉姆福德提出了热的运动理论。1824年，卡诺设计了一台理想的热机，并提出了卡诺定理。从1842年到1847年，默特尔、焦耳和亥姆霍兹提出了能量守恒定律。1848年，汤姆逊创立了热力学温标，并提出绝对零度是温度下限的论点。从1850年到1865年，克劳修斯和汤姆森提出了热力学第二定律。

3.从19世纪末到20世纪末，以量子力学和相对论(以及电磁理论)为支撑的现代物理学推动了科学技术的第二次大发展。它给人类带来了第二次物质文明的飞跃——20世纪的物质文明的飞跃。

英国的吉尔伯特是历史上第一个系统研究电磁现象的人。他在1600年出版了《磁体》，并得出结论说电和磁是两种完全不同的东西。18世纪，当工业革命达到高潮时，电磁研究复兴了。19世纪80年代，富兰克林通过他著名的风筝实验证明了天空中的闪电和地面上的电荷是一样的。他定义了正电荷和负电荷。提出了电荷守恒定律。1784年，库仑发明了扭转天平。第二年，他利用扭转平衡实验获得了静电作用的平方反比定律。1820年奥斯特发现了电流的磁效应，这首次揭开了磁电统一的神秘面纱。其次，安培对此进行了深入的研究，提出了电流间相互作用的安培定律，为电动力学的建立做了开创性的工作。电能产生磁性，磁性能产生电吗？物理学家对此进行了艰苦的探索。经过10年的努力，法拉第终于在1831年发现了电磁感应现象，并发现了磁发电定律。为了解释电磁现象，法拉第还提出了力线或“场”的概念。自1861年以来，麦克斯韦在数学上模拟了法拉第的“力线”，并在1873年建立了经典的电磁理论——麦克斯韦方程。麦克斯韦提出了“涡旋电场”和“位移电流”的假说，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了光是电磁波。十年后，德国的赫兹通过实验证明了电磁波的存在，并且还证明了电磁波具有反射、折射、干涉、衍射等现象。，实现物理学的伟大综合。即电、磁和光的结合。电磁理论促进了社会进步。电磁理论使人类社会从机械化向电气化飞跃。发电机和电动机的发明实现了机械能、热能、光能(以及后来的原子能)和电能的相互转化，形成了二次能源。由于电能的转换和使用方便快捷，人类已经把能源的利用提高到了一个新的水平。长距离传输技术的出现。恩格斯高度赞扬了这一发明，它使能源的使用远离其产生的地方:“这一发明使工业摆脱了当地条件规定的几乎所有限制，并使使用极其遥远的水力成为可能。如果一开始只对城市有利，它最终将成为消除城乡对立的最有力的杠杆。”1879年，爱迪生发明了电灯，它把夜晚变成了白天，延长了人们的生产和生活时间。1895年，这部电影出版了。1898年，磁带录音和放音机被发明。这些发明丰富了人们的精神生活。同时，电是清洁、卫生和无污染的，大大提高了人们的生活质量。在电磁理论的基础上，各种各样的电器和电动机相继被发明，这极大地促进了技术进步，从而极大地提高了劳动生产率。以前，物理学家自己的结构主要是:物理学家+数学家+哲学家。在电气化时代，物理学家+工程师+企业家等新科学家出现了。其中，爱迪生、贝尔和西门子最为著名。这是科学领先技术和生产的必然结果。有线和无线通信是迈向信息时代的第一步。1835年，第一部实用电报出现在美国。1849年，西门子铺设了第一条长途大陆电报线。1854年，w·汤姆森发明了潜水电报。1876年，贝尔发明了世界上第一部电话。1881年，特斯拉发明了电话中继器。从那时起，电话已经成为人们重要的信息传输工具。1895年，俄罗斯的波波夫发明了无线电发射机和接收机，但遭到冷遇。同年，意大利的马可尼成功地进行了电磁波通信试验。1901年，他首次实现了大西洋两岸远距离无线电信号的传输。1904年，弗莱明基于“爱迪生效应”发明了二极管。1906年，发明了三重奏。同年，美国应用调制技术实现了无线电音频广播。1908年，英国的肯珀等人提出了电子扫描原理，为现代电视技术奠定了基础。从那以后，无线电技术被广泛应用于通信领域，人类传输和获取信息的能力也大大增强。

4.“经典物理学”和“现代物理学”分别给人类带来了两次重大的物质文明飞跃。

谁将发动物质文明的第三次*？它将通过将量子力学和量子力学应用于生命科学、材料科学和信息科学等各种学科而启动。人类社会已经进入了信息时代、核能时代、新材料时代和空间时代，也就是说，进入了高科技时代。所有这些都是基于20世纪物理学革命的产物——相对论和量子力学。

19世纪，经典物理学的成就达到了顶峰。然而，本世纪末的孙鹤芝-莫雷实验和黑体辐射实验在物理学的晴空中形成了“两朵乌云”。1905年，爱因斯坦以“同时性”的相对论为突破，提出了惯性系统物理定律不变性的“光速不变性原理”和“相对论原理”，并推导出洛伦兹变换，从而驱散了第一个“乌云”。在此基础上，他得到了质量和能量相等的推论E=mc2。这表明了利用原子能的可能性。从1913年到1916年，爱因斯坦受到引力场中所有物体都有相同加速度这一事实的启发，提出了“加速度参考系与引力场的等价性”和“相对论原理”，即物理定律在非惯性系统中是常数，从而得到引力场方程。他预言光线经过太阳时会弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿通过观测日全食证实了这一预测。这开创了现代天文学的新时代。1900年，普朗克提出了“能量光子”假说来驱散第二个“乌云”，量子理论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出了“光量子”假说，并成功地用光的波粒二象性解释了“光电效应”。同年，他将量子的概念应用于晶格振动来解释固体的比热。1912年，爱因斯坦还从量子概念提出了光化学等效定律。1916年，他从玻尔的原子理论中提出了自发辐射和受激辐射的概念，从而诞生了激光技术。此后，对量子力学的建立做出重要贡献的其他著名物理学家包括1923年提出物理粒子也具有波粒二象性的德布罗意、1925年建立量子力学矩阵力学体系的玻恩和海森堡等。薛定谔在1926年建立了量子力学的波动方程。同年，玻恩给出了波函数的统计解释，海森堡提出了反映微观世界特征的“不确定关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理、固体物理、核物理和粒子物理的发展奠定了理论基础。这是20世纪物理学革命的高潮。

量子力学对人类文明产生了深远的影响。量子力学是信息技术的源泉，是信息技术的原始理论基础。信息技术是量子力学理论的技术应用和发展。1928年，普朗克应用量子力学研究金属导电时，提出了固体能带理论的基本思想——能带理论。1931年，英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上提出了半导体的物理模型。1939年，肖特基、莫特和达维多夫基于弗兰克尔的金属半导体接触表面理论，应用金属半导体接触中的“势垒”概念，建立了解释金属半导体接触整流效应的“扩散理论”。因此，三个相互关联并逐渐发展起来的半导体理论模型，能带理论、传导机制模型和扩散理论，一般构成了确立晶体管技术发明目标的理论背景。1952年，达默尔在一次学术会议上公开提出:“随着晶体管的发明和半导体研究的进展，目前，人们似乎有理由期望电子设备将在没有引线的固体半导体板上制造。这个实心板由几个绝缘、导电、整流和放大材料层组成。每一层的分离区域直接相连，以实现某些功能。”这就是半导体集成电路的概念，可以说是电子学概念的一次革命。1959.德克萨斯仪器公司于1962年首次建造了世界上第一条集成电路生产线，并生产了世界上第一个正式的集成电路产品。集成电路的发明是电子技术的重大突破，电子技术主要是基于电子元件。这一突破使电子技术能够沿着集成电路开创的电子元件小型化的新道路大步前进。它不仅是微电子技术发展的标志，也是现代计算机技术的基础，也是现代信息技术的基石。随着集成电路集成度的不断提高，1964年中型集成电路得到了成功的发展。1968年，一个大规模集成电路被成功开发出来。1973年，大规模集成电路开始进入工业化生产阶段。在这个阶段，集成了20多万个组件的芯片已经出现。与小规模集成电路相比，元件的功能发生了质的变化。后者需要大量的部件，甚至整个设备能够完成的功能都被前者的一个部件所代替。有源元件、无源元件和电路之间的内部矛盾也发生了根本性的变化。矛盾的主要方面已经从开关逻辑元件转变为传输线连接系统。逻辑元件的主要矛盾也从逻辑简单性转变为逻辑规律性和多样性的单一性，这为大规模集成电路的大规模生产创造了条件。因此，大规模集成电路的出现是以电子元件为主要元件的电子技术的又一重大突破。80年代是超大规模集成电路的时代。集成水平实际上已经突破了百万大关。自20世纪80年代末以来，集成电路技术已经进入1微米和亚微米时代，并真正实现了小型化。进入21世纪，集成水平将以平均每年100倍的速度增长。集成电路的集成度已经达到数十亿。以集成电路为核心的微电子技术的发展，极大地推动了现代通信技术、微电子技术、计算机技术、光导技术、人工智能技术等多领域技术的进步和发展，创造了以上述技术为基础的现代信息技术，并且发展迅速。由此可见，在信息技术发展的源头和过程中，量子力学等物理科学的研究成果发挥了巨大的作用。事实上，物理科学的研究成果也在其他新技术的发展中发挥了巨大的作用，如空间技术、核能技术、材料技术、生物工程技术等。可以说，没有物理科学的创新成果，就不会有这些新技术的发明或快速发展。

量子力学的建立将化学和生物学推向了一个新的高峰。19世纪末，化学也取得了巨大成就，但也遇到了巨大困难。主要原因是“原子不能分离，元素不能改变”的概念根深蒂固。20世纪物理学的革命从根本上改变了化学的基本概念，使它获得了许多新的研究方法。物理学家提出的化学键理论，X射线衍射方法的应用，都促进了结构化学的发展。20世纪后的化学主要通过研究电子在分子和原子中的分布和运动来揭示物质的本质和化学变化的规律。因此，诺贝尔奖获得者李远哲说:化学定律就是量子力学。分子生物学创立于20世纪50年代，物理学在它的形成和发展中起着决定性的作用。首先，X射线衍射方法的应用使得分析生物大分子的晶体结构成为可能。特别是，薛定谔在1944年出版的书《生命是什么》呼吁意识形态上的生物革命。这本书从量子力学的角度展示了基因的稳定性和突变的可能性。他预言，一定有一种由异构连续体组成的非周期性晶体，其中包含大量的排列和组合。遗传密码手稿。德尔布鲁克接受了薛定谔的观点，即“生物学的核心问题是信息问题”。他利用病毒噬菌体发现了基因自我复制的秘密，揭示了遗传的物质性，并开创了分子生物学的先河。在用统计物理学的概念分析了生命现象之后，这本书指出，生命物质的运动必须遵守已知的物理定律。这激发了人们用物理学的思想和方法探索生物的运动规律。

相对论、量子力学和原子能的使用。原子能是在相对论和量子力学基础上发现的一种新能源。为了赢得二战后期的反法西斯战争，罗斯福接受了爱因斯坦的建议，启动了“曼哈顿计划”，并开始研制原子弹。从纯科学的角度来看，这是狭义相对论和量子力学第一次被成功地转化为真正的战斗力(生产力)。今天，核能除了用于军事目的外，还用于发电。核电厂几乎遍布世界各地，占总发电量的30%。

可以看出，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究新成果的推动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步发展，新的工业部门层出不穷。他们的影响已经扩散到生产、科研、国防、医学甚至每个家庭，极大地改变了当代社会的结构和面貌，甚至影响了人们的思维方式。历史和经验告诉我们，无论是过去还是现在，甚至在未来，社会和经济的发展都将依赖于科学技术的进步，科学技术的进步将依赖于物理科学的创新成果，而物理科学的创新成果又依赖于高素质的物理科学人才。