論物理學在科技創新中的作用

王聞琦，王桂英，朱 光，彭振生

（宿州學院 機械與電子工程學院， 安徽 宿州 234000）

論物理學在科技創新中的作用

王聞琦，王桂英，朱 光，彭振生

（宿州學院 機械與電子工程學院， 安徽 宿州 234000）

論述了 X 射線的發現，不僅對醫學診斷有重大影響，還直接影響 20 世紀許多重大發現；半導體的發明，使微電子產業稱雄 20 世紀，并促進信息技術的高速發展，物理學是計算機硬件的基礎；原子能理論的提出，使原子能逐步取代石化能源，給人類提供巨大的清潔能源；激光理論的提出及激光器的發明，使激光在工農業生產、醫療、通信、軍事上得到廣泛應用；藍光 LED 的發明，將點亮整個 21 世紀.事實告訴我們，是物理學推動科技創新，由此得出結論：物理學是科技創新的源泉.昭示人們，高校作為培養人才的場所，理工科要重視大學物理課程.

X 射線；半導體；原子能；激光；藍光 LED；科技創新；大學物理

1 引言

物理學是一門研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用以及最一般的運動規律的科學[1-3]，其內容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學的基礎.縱觀物理學發展歷史可以發現：其蘊含的科學思維和科學方法能夠有效促進學生能力的培養和知識的形成，同時，其每一次新的發現都會帶動人類社會的科技創新和科技發展.正因如此，大學物理成為了高等學校理、工科專業必修的一門基礎課程.

按照教育部頒發的相關文件要求[4-5]，大學物理課程最低學時數為 126 學時，其中理科、師范類非物理專業不少于 144 學時；大學物理實驗最低學時數為 54 學時，其中工科、師范類非物理專業不少于64 學時.然而調查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴格按照教育部頒發的課程基本要求開設大學物理及其實驗課程.他們往往打著“寬口徑、應用型”的晃子，大幅壓縮大學物理和大學物理實驗課程的學時，如今，大學物理及其實驗課程的總學時數實際僅為 32-96 學時，遠遠低于教育部要求的最低標準（180 學時）.試問這么少的課時怎么講豐富、深奧的大學物理？怎么能夠真正發揮出大學物理的作用？于是有的院、系要求只講力學，有的要求只講熱學，有的則要求只講電磁學，…面對這種情況，大學物理的授課教師在無奈狀態下講授大學物理.從《大學物理課程報告論壇》上獲悉，這不是個別學校的做法，在全國具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個完整的體系，相互聯系，缺一不可.這種以消減教學內容為代價，解決課時不足的做法，就如同削足適履，是對教育規律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現.本文且不論述物理學是理工科必修的一門基礎課，只論及物理學是科技創新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對大學物理課程重要性的認識.

2 物理學是科技創新的源泉

且不說力學和熱力學的發展，以蒸汽機為標志引發了第一次工業革命，歐洲實現了機械化；且不說庫倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創立的電磁學的發展，以電動機為標志引發了第二次工業革命，歐美實現了電氣化.這兩次工業革命沒有發生在中國，使中國近代落后了.本文著重論述近代物理學的發展對科學技術的巨大推動作用，從而得出結論：物理學是科技創新的源泉.

1895 年，威廉·倫琴（Wilhelm R?ntgen）發現X 射線，這種射線在電場、磁場中不發生偏轉，穿透能力很強，由于當時不知道它是什么，故取名 X 射線.直到 1912 年，勞厄（Max von Laue）用晶體中的點陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長為10-10m 的數量級[6].倫琴獲 1901 年 諾貝爾物理學獎，他發現的 X 射線開創了醫學影像技術，利用 X光機探測骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔 X 光片檢測腸道梗塞.CT 成像也是利用 X 射線成像，CT 成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現圖像，它可以清楚地展示被檢測部位的內部結構，可以準確確定病變位置.當今，各醫院都設置放射科，X 射線在醫學上得到充分利用.X 射線的發現不僅對醫學診斷有重大影響，還直接影響 20 世紀許多重大科學發現.1913 -1914 年，威廉·享利·布拉格（willian Henrg Bragg）和威廉·勞侖斯·布拉格 （Willian Lawrence Bragg）提供布拉格方程[6，P140]

式中 d 為晶格常數，α 為入射光與晶面夾角，λ為 X 射線波長.布拉格父子提出使用 X 射線衍射研究晶體原子、分子結構，創立了 X 射線晶體結構分析這一學科，布拉格父子獲 1915 年諾貝爾物理學獎.當今，X 射線衍射儀不僅在物理學研究，而且在化學、生物、地質、礦產、材料等學科得到廣泛應用，所有從事自然科學研究的科研院所和大多數高等學校都有X射線衍射儀，它是研究物質結構的必備儀器.

1907 年，威廉·湯姆孫（W·Thomson）發現電子，電子質量 me=9.11×10-31kg，電子荷電 e=-1.602 × 10-19C.電子的荷電性引發了 20 世紀產生革命.1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導體材料時，發現 Ge 晶體具有放大作用，發明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發展.1958 年，美國的工程師基爾比制成第一批集成電路.1971 年，英特爾公司的霍夫把計算機的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個微處理器.80 年代末，芯片上集成的元件數已突破 1000 萬大關. 微電子技術改變了人類生活，微電子技術稱雄 20 世紀，進入 21 世紀微電子產業仍繼續稱雄.到各個工業區看看，發現電子廠比比皆是，這真是小小電子轉動了整個地球啊！

電子不僅具有荷電性，還具有荷磁性.1925 年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假說，每個電子都具有自旋角動量S→，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個數值電子具有荷磁性，每個電子的磁矩為 MSz=?μB(μB為玻爾磁子）[7]. 電子的荷磁性沉睡了半個多世紀，直到 1988 年阿貝爾·費爾（Alber Fert）和 彼 得·格林貝格爾（Peter Gr ünberg）發現在 Fe/Cr 多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態的變化呈顯著改變，其機理是相臨鐵磁層間通過非磁性 Cr產生反鐵磁耦合，不加磁場時電阻率大，當外加磁場時，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運，提出巨磁電阻效應（giant magnetoresistance,GMR），磁電阻 MR定義

式中 ρ(0)為零場下的電阻率，ρ(H)為加場下的電阻率[8].GMR 效應的發現引起科技界強烈關注，1994 年 IBM 公司依據巨磁電阻效應原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻 MR 只有 1%-2%，而新型讀出磁頭的 MR 約50%，將磁盤記錄密度提高了 17 倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現筆記本電腦、MP3 等，GMR 效應在磁傳感器、數控機庫、非接觸開關、旋轉編碼器等方面得到廣泛應用.阿爾貝?費爾和彼得? 格林貝格爾獲 2007 年諾貝爾物理學獎.

1993 年，Helmolt等人[9]在 La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到 MR 高達 105%，稱為龐磁電阻（Colossal magnetoresistance,CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應用前景，引起凝聚態物理和材料科學科研人員的極大關注[10-12].然而，CMR 效應還沒有得到實際應用，原因是要實現大的MR需要特斯拉量級的外磁場，問題出在CMR產生的物理機制還沒有真正弄清楚.

1905 年 ，愛因 斯 坦提出[13]：“就一 個 粒 子來 說 ，如果由于自身內部的過程使它的能量減小了，它的靜質量也將相應地減小.”提出著名的質能關系式

式中△m.表示經過反應后粒子的總靜質量的減小，△E 表示核反應釋放的能量.愛因斯坦又提出實現熱核反應的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來驗證這個理論，不是不可能成功的.”按照愛因斯坦的這一重大物理學理論，1938 年物理學家發現重原子核裂變. 核裂變首先被用于戰爭，1945 年 8 月 6 日和 9 日，美國對日本的廣島和長崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于 8 月 15 日宣布無條件投降.后來原子能很快得到和平利用，1954 年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發電站投入運行.2009 年，美國有 104 座核電站，核電站發電量占本國發電總量的20%，法國有 59 臺機組，占 80%；日本有 55 座核電站，占 30%.截至 2015 年 4 月，我國運行的核電站有 23 座，在建核電站有 26 座，產能為 21.4 千兆瓦，核電站發電量占我國發電總量不足 3%，所以我國提出大力發展核電，制定了到 2020 年核電裝機總容量達到 58 千兆瓦的目標.核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產生溫室效應的氣體——二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機.利用海水中的氘和氚發生核聚變可以產生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量.那時，能源危機徹底解除.

20世紀最杰出的成果是計算機，物理學是計算機硬件的基礎.從 1946 年計算機問世以來，經歷了第一至第五代，計算機硬件中的電子元件隨著物理學的進步，依次經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路；主存儲器用的是磁性材料，隨著物理學的進步，磁性材料的性能越來越高，計算機的硬盤越來越小.近日在第十六屆全國磁學和磁性材料會議（2015 年10 月 21—25 日）上獲悉，中科院強磁場中心、中科院物理所等，正在對斯 格 明 子（skyrmions）進行攻關,斯格明子具有拓撲納米磁結構，將來的筆記本電腦的硬盤只有花生大小，ipod 平板電腦的硬盤縮小到米粒大小.量子力學催生出隧道二極管，量子力學指導著研究電子器件大小的極限，光學纖維的發明為計算機網絡提供數據通道.

1916 年，愛因斯坦提出光受激輻射原理，時隔44 年，哥倫比亞大學的希奧多·梅曼（Theodore Maiman）于 1960 制成第一臺激光器[14].由于激光具有單色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特點，在醫療、農業、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應用.激光在其他方面的應用暫不展開論述，只談談激光加工技術在工業生產上的應用.激光加工技術對材料進行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術具有突出特點：不接觸加工工件，對工件無污染；光點小，能量集中；激光束容易聚焦、導向，便于自動化控制；安全可靠，不會對材料造成機械擠壓或機械應力；切割面光滑、無毛刺；切割面細小，割縫一般在 0.1-0.2mm；適合大件產品的加工等.在汽車、飛機、微電子、鋼鐵等行業得到廣泛應用.2014 年，僅我國激光加工產業總收入約270 億人民幣，其中激光加工設備銷售額達 215 億人民幣.

2014 年，諾貝爾物理學獎授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學家，是因為他們發明了藍色發光二極管（LED），幫助人們以更節能的方式獲得白光光源.他們的突出貢獻在于，在三基色紅、綠、藍中，紅光 LED 和綠光 LED 早已發明，但制造藍光 LED 長期以來是個難題，他們三人于 20 世紀90 年代發明了藍光 LED，這樣三基色 LED 全被找到了，制造出來的 LED 燈用于照明使消費者感到舒適.這種 LED 燈耗能很低，耗能不到普通燈泡的1/20，全世界發的電 40%用于照明，若把普通燈泡都換成 LED 燈，全世界每個節省的電能數字驚人！物理學研究給人類帶來不可估量的益處.

2010 年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），因發明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學獎.目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當硅材料尺寸小于 10 納米時，用它制造出的晶體管穩定性變差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1 個分子大小的單電子晶體管.此外，石墨烯高度穩定，即使被切成 1 納米寬的元件，導電性也很好.因此，石墨烯被普遍認為會最終替代硅，從而引發電子工業革命[14].

2012 年 ， 法 國 科 學 家 沙 吉·哈 羅 徹 (Serge Haroche)與美國科學家大衛·溫蘭德(David J.winland)，在“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統成為可能”.他們的突破性的方法，使得這一領域的研究朝著基于量子物理學而建造一種新型超快計算機邁出了第一步[16].

2013 年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃? 早在 2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導下開展實驗研究，從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題.這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗.而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，電子自旋向上的在一個跑道上，自旋向下的在另一個跑道上，猶如在高速公路上，它們在各自的跑道上“一往無前”地前進，不產生電子相互碰撞，不會產生熱能損耗.通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成現在的 iPad 那么大. 因此，這一科研成果的應用前景十分廣闊[17].

物理學的每一個重大發現、重大發明，都會開辟一塊新天地，帶來產業革命，推動社會進步，創造巨大物質財富.縱觀科學與技術發展史，可以看出物理學是科技創新的源泉.

3 結語

論述了 X 射線，電子、半導體、原子能、激光、藍光 LED 等的發現或發明對人類進步的巨大推動作用，自然得出結論，物理學是科技創新的源泉.打開國門看一看，美國的著名大學非常注重大學物理，加州理工大學所有一、二年級的公共物理課程總學時為 540，英、法、德也在 400-500 學時[18].國內高校只有中國科學技術大學的大學物理課程做到了與國際接軌，以他們的數學與應用數學為例，大一開設：力學與熱學 80 學時，大學物理—基礎實驗54 學時；大二開設：電磁學 80 學時，光學與原子物理 80 學時，大學物理—綜合實驗 54 學時；大三開設：理論力學 60 學時，大學物理及實驗總計 408 學時.在大力倡導全民創業萬眾創新的今天，高等學校理所應當重視物理學教學.各高校的理工科要按照教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導委員會頒發的《非物理類理工學科大學物理課程 /實驗教學基本要求》給足大學物理課程及大學物理實驗課時.

〔1〕 祝 之 光 .物 理 學 [M].北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ，2012.1-10.

〔2〕馬文蔚，周雨青.物理學教程[M].北京：高等教育出版社，2006.I-V1.

〔3〕倪致祥，朱永忠，袁廣宇，黃時中，大學物理學[M]. 合肥： 中國科學技術大學出版社，2005.前言.

〔4〕教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導分委員會.非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求[J].物理與工程，2006，16（5）：1-8.

〔5〕教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導分委員會.非物理類理工學科大學物理實驗課程教學基本要求[J].物理與工程，2006,16（4）：1-3.

〔6〕姚啟鈞，光學教程[M].北京；高等教育出版社，2002.138-139.

〔7〕張怪慈.量子力學簡明教授[M].北京：人民教育出版社，1979.182-183.

〔8〕孫陽（導師：張裕恒）.鈣鈦礦結構氧化物中的超大磁電阻效應及相關物性[D].中國科學技術大學，2001.10-11.

〔9〕R．von Helmolt，J．Wecker，B．Holzapfel，L．Schultz and K．Samwer． Giantnegative magnetoresistance in perovskitelike La2/3Ba1/3MnOx ferromagnetic films [J]．PhysicalReview Letters，1993，71(14)：2331-2334．

〔10〕Jin S,O’Bryan H.M,Tiefel T.H,Mc-Cormack M,and Rhodes W.W.Large magnetoresistance in polycrystalline La-Y-Ca-Mn-O[J].Appl.phys.lett.,1995,66：382-384.

〔11〕Steven R,White Inou J,and Maekawa S. Equivalence of the antiferromagnetic Heisenberg ladder to a single S=1 chain[J].Phys. Rev.B,1996,53：52-55.

〔12〕Khelifi J,Tozri A,Dhahri E.The influence of disorder on magnetocaloric effectand the order of transition in ferromagnetic manganite(La1-xNdx)2/3(Ca1-ySry)1/3MnO3[J].Appl. Phys.A,2014,116：1041-1051.

〔13〕張三慧.大學物理（第一冊）——力學[M].北京：清華大學出版社，1999.327-328.

〔14〕張三慧.大學物理（第五冊）—量子物理[M].北京：清華大學出版社，2000.115-116.

〔15〕 科學 網.2010 諾貝爾 物理學 獎 揭曉[ER/OL]. news.sciencene.cn/htm…322.shtm.

〔16〕財 新 網.諾 貝 爾 物 理 學 獎 揭 曉[ER/OL].china. caixin.com.

〔17〕中國科學院.“量子反?；魻栃毖芯咳〉弥卮笸黄芠ER/OL].www.cds.cn.

〔18〕 趙凱華. 工科要不要學物理？ [J]. 工科物理，1998，8（1）：3-5.

O59；N41

：A

：1673-260X（2016）02-0011-04

2015 年 10 月 15 日

安徽省省級精品資源共享課程（2012gxk103）；安徽省省級教學研究項目（2014jyxm387）；2015 省級質量工程項目：大學物理大規模在線開放課程（MOOC）示范項目（2015mooc086）；宿州學院學術技術帶頭人后備人選（2014XJHB01）；宿州學院學術骨干（2014XJGG01）

彭振生（1948-），男，安徽懷遠人，教授，機械與電子工程學院，從事大學物理教學物理教育及凝聚態物理研究