物理學與人類文明

【摘 要】人類生活在宏觀物質世界里，人類歷史的發展離不開對物質世界的探索。物理學就是解釋一切自然現象，推動人類進步的重要推動力。人類發展史的各個階段都與物理學息息相關。物理學促進了各個領域科學技術的進步，是一門基礎科學。沒有物理學的發展就沒有如此發達的現代人類文明。

【關鍵詞】物理學；牛頓力學；工業革命；人類文明

俗話說：“學好數理化，走遍天下都不怕。”這其中的“理”就是指的“物理”。此話雖然有些片面，但也道出了物理學的重要性。物理學一詞，源自希臘文physikos，很長時期內，它和自然哲學（natural philosophy）同義，探究物質世界最基本的變化規律。隨著生產的發展，社會的進步和文化知識的擴展、深化，物理學以純思辨的哲學演變到以實驗為基礎的科學。物理學研究的對象包括力、熱、電、光、磁、聲，從宏觀領域到微觀領域，得到了一系列對自然現象的科學解釋并形成理論，最終形成發明創造，推動了人類文明的進步。物理學的高技術和強滲透性也使之成為社會發展的重要推動力。物理學給人類提供了大量的物質財富，同時也提供了精神財富。

迄今為止，物理學所創造出來的所有成果無一不是人類身體某一部位的延伸和替代。人造衛星、顯微鏡、望遠鏡、照相機等等是人類眼睛的延伸；手機、電話、雷達等等是人類耳朵的延伸；汽車、輪船飛機等運輸工具是人類腿和腳的延伸；槍炮、導彈和火箭等等是人類胳膊和手的延伸；電腦、機器人是整個人的延伸；現代醫學的診療手段也離不開物理學，X光、核磁共振、CT、B超、放射性療法等等都是基于物理學。縱觀人類文明的發展史，就是一部物理學的發展史。

一、物理學初建

古時候人們就嘗試著理解這個世界：為什么物體會往地上掉，為什么不同的物質有不同的性質，地球、太陽以及月亮這些星體究竟是遵循著什么規律在運動，人們提出了各種理論試圖解釋這個世界。這些早期的理論在今天看來更像是一些哲學理論。古希臘哲學家亞里士多德創造了物理這門學科的名稱，但由于歷史的局限性，他對物理的很多認識卻是錯誤的，比如他認為，物體下落的速度與物體的重量有關，物體越重，下落越快。這一理論最終被伽利略的“大球小球同時落地”的實驗所推翻。古希臘哲學家、物理學家阿基米德發現了浮力定律和杠桿原理，并發明設計制造了多種機械，如螺旋揚水器、軍用投射器。德謨克利特最先提出了原子論，認為萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的最小微粒。天文學從強勢的“地心說”到開普勒發現了行星運動的三大定律：軌道定律、面積定律和周期定律，哥白尼、布魯諾等天文學家付出了巨大努力。電磁學方面發現了摩擦起電、磁石吸鐵等物理現象，并在此基礎上發明了指南針。古代物理學還稱不上真正的科學，更多的是基于思辨，對于生活經驗和自然現象的總結。

二、牛頓出版《自然哲學的數學原理》

牛頓出版的《自然哲學的數學原理》是人類歷史上第一次科學革命的集大成之作。這部巨著闡述了萬有引力定律和運動三大定律（慣性定律、力和運動關系的定律、作用力與反作用力定律），把物體運動統一在一個嚴密的理論中——牛頓力學。根據牛頓力學，我們知道了：蘋果為什么總是落到地上；慣性是什么；為什么劃槳能使船前行；為什么月球圍繞地球運轉并出現陰晴圓缺等等。這是經典力學的第一部經典著作，也是人類掌握的第一個完整的科學的宇宙論和科學理論體系，其影響所及遍布經典自然科學的所有領域，并發展出許多學科：宇宙天文學、航空航天科學、工程力學、建筑學、機械制造、原子核科學等等。宇宙天文學的發展，使我們對宇宙的起源有了更進一步的認識。航天科學的發展讓人類的飛天夢成為現實。

三、物理學與第一次工業革命

18世紀中期，以蒸汽機的廣泛使用為標志的第一次工業革命開始了人類的工業化進程。蒸汽機的發明是基于熱學的發展。蒸汽機利用水沸騰產生的高壓蒸汽推動活塞做功，產生動力帶動機器工作。從18世紀晚期開始，蒸汽機廣泛應用在采礦、冶煉、紡織、機械制造、化工等領域，并出現蒸汽輪船、蒸汽機車、蒸汽汽車，蒸汽機成為了當時各行業的主要動力機械。蒸汽機的發明，解放了人類的雙手，促成了傳統手工業向機械化大生產的轉變，陸上和海上長途運輸成為可能，極大地提高了生產生活效率。

四、物理學與第二次工業革命

電的使用開啟了人類歷史上的第二次工業革命。1820年，丹麥物理學家奧斯特發現了電流有磁效應，開始人類研究電與磁的相互關系的序幕。1831年，英國物理學家法拉第建立了電磁感應定律，創立了電磁學的基礎，使發電機和發動機的制造成為可能。德國工程師西門子根據閉合線圈的磁通量發生改變可能產生電流的原理，發明了第一臺自饋式發電機，可以產生較大的功率，同時體積也較輕巧。從此，電能開始成為主要能源并推動工業向前發展，繼而出現了電動機、電機車、電燈、電視機和電工儀器儀表等許多改變人類生活方式的電器設備。1873年，蘇格蘭物理學家麥克斯韋發表的《論電與磁》開創了電動力學，是現代電工學的開端。麥克斯韋提出了光的電磁說，并預言了電磁波的存在。電磁波是現代通信的基礎，無線電、手機、衛星就是通過電磁波進行信號傳輸，實現人類遠距離傳輸和交換信息。

五、物理學與第三次工業革命

進入二十世紀，由于原子能、電子計算機、微電子技術、航天技術、分子生物學和遺傳工程等領域的研究進展，出現了第三次工業革命，這是一場不同于傳統工業的信息技術革命，標志著工業進入自動化時代。

（1）物理學與微電子技術

1947年，美國貝爾實驗室的肖克萊、巴丁和布拉頓研究出一種點接觸鍺晶體管。晶體管是20世紀一項重大發明，開啟了微電子革命的先聲。1954年，貝爾實驗室研制出第一臺使用晶體管集成電路的計算機。以晶體管為基礎的集成電路，也叫芯片，使信息處理設備小型化、便攜化。如今，大到工業設備、交通工具，小到各種生活設備，凡是有電的設備，幾乎都有芯片對信息進行處理。在當今信息大爆炸的時代，微電子技術使得信息接收、存儲、處理更加便捷和高效。計算機以及各種“人機控制系統”廣泛應用，使生產、辦公、家庭生活自動化。人類社會從機械化、電氣化進入到一個更高級的自動化時代。

（2）物理學與能源

工業的發展離不開能源的供應，傳統的電能、水能、化學能越來越不能滿足日益增長的能源需求。核能作為一種高效、清潔能源能極大緩解能源危機。核能的利用得益于原子核物理的發展。從19世紀末發現放射性到1932年發現中子、正電子和氘，原子核理論為核物理奠定了基礎。1938年，德國化學家哈恩和斯特拉斯曼發現了鈾核的裂變，從而找到了一種利用核能的途徑。1942年，美國成功建造了世界上第一座核反應堆，它顯示核能時代的到來。目前，我國也有兩座正在運行的核電站：秦山和大亞灣核電站，產生的電能為長三角和珠三角地區的經濟建設做出了巨大貢獻。現在科學家們正在研究可控核聚變，這種核聚變可以用海水和輕核作為原料的，是真正意義上的取之不竭，用之不盡的能源。

（3）物理學與航天技術

20世紀50年代興起的航天技術使得人類的飛天夢成為現實。1957年，前蘇聯成功發射第一顆人造地球衛星，開創了人類航天新紀元。如今，人類發射的偵察、預警、通信導航、天文氣象、海洋監視、測地探礦等應用衛星，在經濟、軍事和科研中發揮了巨大的作用。航天技術是一門綜合性很強的技術，和物理學密切相關，每一步的發展都離不開物理學的指導和運用。火箭推進技術、人造衛星運行軌道計算、空間通信、載人航天器設計技術、登月技術、深空探測技術等一系列航天技術涵蓋了基礎物理學的力學、熱學、電磁學、光學各個領域。可以預見，未來人類移居外星球、發現外星人、尋找宇宙的起源等等都離不開基于物理學的航天技術的發展。

六、物理學與人類未來

物理學是一門不斷改變人類生活和推動社會進步的科學，從宏觀的經典物理學發展到微觀的電動力學、量子力學等，并將在未來深入到粒子物理、納米材料物理、天體物理（引力波）、生命科學物理領域。宇宙是怎么產生的，宇宙的組成是什么，物質的最基本粒子是什么，人類是否能穿越時空，人類是否能實現長生不老，這些問題都需要物理學去解決。物理學將繼續推動人類文明向前發展！

【作者簡介】

駱明鈞，男，（1999-），四川省宜賓市翠屏區人，現就讀于宜賓市三中（高三·七班）。