物理學的發展與人類文明進步的關系

張府派

摘要：人類的文明程度與生產力的發展、科技的進步有著密切的關系，而在生產力的發展與科技的進步中物理學的發展起到了直接的推動作用，縱觀人類的發展史，人類的每一次歷史性的跨越都是生產力發展的推動下完成的。牛頓經典力學的建立及熱學的發展使人類進入了機械化時代；電磁理論的建立使人類進入了電氣化時代；相對論和量子力學的發展使人類進入了高科技時代。

關鍵詞：人類文明；科技進步；工業革命；機械化時代；電氣化時代；高科技時代

引言

2000多年前的物理學，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學，也就是說用數學、微積分這樣的精確科學，實際上是在中世紀即在15世紀16世紀的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創了物理學精確科學的先河，此后物理學得到了很大發展，后來的熱學、電磁學、聲學、連續介質動力學等問題也在十七、十八、十九三個世紀取得了很大發展。現在就從牛頓、伽利略時代起談談物理學的發展與人類的文明進步的關系。

一、工業革命前的人類文明

工業革命前的物理學雖然在漫長的歷史進程中不斷發展，但是并沒有給人類帶來生產力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農業時代，那是的生產力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機械化時代

牛頓力學的建立和熱力學的發展導致了第一次工業革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發瘟疫而避居鄉下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數學物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學之數學原理》出版，奠定了整個經典物理學的基礎，并對其他自然科學的發展產生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經典電磁學是研究宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質。人們很早就接觸到電和磁的現象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯系。

19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而后安培發現作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯系被發現后，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，并在此基礎上產生了電磁場的概念。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結宏觀電磁現象的規律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現了物理學的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發展到今天，已進入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產物——相對論和量子力學。

19世紀，經典物理學的成就到達了頂峰。可是，世紀末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發現，使經典物理學遇到了極大的困難。有的物理學家呼喚：“我們仍然在期待著第二個牛頓。”需要巨人的時代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規律在慣性系中不變的“相對性原理”，導出了洛侖茲變換，從而驅散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎上，他又得到的質能相當的推論E=mc2，預示了原子能利用的可能。

1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預言，光線從太陽旁邊通邊時會發生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創了現代天文學的新紀元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發發射和受激發射的概念，孕育了激光技術。此后，對量子力學的建立作出重要貢獻的著名物理學家還有：1923年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數的統計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關系”。量子力學揭示了微觀世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學的發展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的高潮。

五、小結

縱觀物理學的發展和人類科技進步的歷史，物理學的發展在整個自然科學的發展中處于領先發展并對其他自然科學的發展產生深遠影響，為人類進入機械化、電氣化、高科技時代奠定了理論基礎準備了技術方法，對人類社會生產力的飛躍發展和經濟結構的調整起著直接的推動作用，物理學的新成就更是為現代科學技術提供了直接的動力。有過輝煌歷史的物理學對人類科學技術發展的影響將更加壯麗！

參考文獻：

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