物理學是自然科學和工程技術的基礎

賈森

摘 要：現行高考改革中物理學變成了選考科目，很多科學家擔憂這一改變會使我國整體科學研究受到沖擊，因為物理學與眾多學科有著較深的關聯。本文討論了物理學與天文學、化學、材料科學、生物學、核能工程、計算機技術、建筑學、通信技術之間的關系，證明物理學是這些自然科學和工程技術的基礎，高中生應加大對物理學的重視。本文對高中生選擇報考物理學科具有一定的指導意義。

關鍵詞：物理學；自然科學；工程技術

中圖分類號：TU892 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0243-01

隨著我國高考制度改革的推進，學生可以根據自我興趣和未來發展方向選擇考試科目，學生學習自主性越來越高，極大地促進了我國整體教育水平的進步。但是在改革的初期，很多學生出于各種考慮沒有選擇報考物理學，這一現象引起了眾多專家的擔憂。各學科科學家認為物理學是其他學科的基礎，放棄物理學將會直接影響到我國未來科學進步。由此，科學家們呼吁高中生不要放棄物理學，而應學好物理學為未來各行各業的發展打好基礎。本文討論了物理學與常見自然科學和工程技術的關系，證實物理學對側重基礎的自然科學和側重應用的工程技術而言，既是基礎奠定者又是發展推動者，支持科學家們對物理學是其他學科基礎的觀點，對未來高中生選擇報考物理學具有一定的指導意義。

1 物理學與自然科學的關系

在所有的自然學科中，天文學與物理學的關系是最為密切的，很多時候天文和物理不分家。例如，對星體運動狀態進行觀測，找出其中隱藏的規律，并用理論加以解釋，是天文學家和物理學家的共同任務。伽利略、牛頓、哥白尼等偉人，都是身兼物理學家與天文學家的雙重身份。在天文學中，解釋行星的運動需要依靠牛頓運動定律，解釋恒星的能源問題需要使用質能方程，解釋引力波需要利用相對論，這充分說明了物理學是研究天文學的重要基礎，物理學和天文學是密不可分的。物理學的發展為天文學中的天文現象和天體運動規律等知識的研究提供了最基本的理論支持。

物理學和化學之間也有著千絲萬縷的聯系，化學中原子分子之間存在離子鍵、共價鍵，而這些化學鍵的形成可以利用物理學理論解釋。正負離子之間通過靜電作用而形成了離子鍵，原子間通過共用電子對而形成的相互作用對應的是共價鍵。除了原子間的化學鍵，決定更為基礎的電子分布的化學定理——構造定理實際上也是由物理學家尼爾斯波爾利用量子力學理論提出的。化學中最基礎的部分均有物理學的貢獻，物理學為化學提供了重要支撐。

物理學與材料科學也有緊密的聯系。現代材料科學的快速發展完全得益于物理學理論的支撐。例如當前熱點材料——拓撲絕緣體的發現就是首先由物理理論給出了其存在的預言，再研究發現其存在及相應特性。2006年張首晟等人通過物理理論研究，預測HgTe/CdTe超晶格結構是二維拓撲絕緣體。一年之后Molenkamp等人證實了張首晟的預測。同年Kane預測Bi1-xSbx（0.07

物理學還為生物學的發展奠定了基礎，兩者有著密切的聯系，英文中物理學家（physicist）和醫師（physician）有著相同的詞根。物理學家伽利略在研究物理之前學習過醫學，伽利略后期利用單擺測量過人的心率，還制作了第一個現代意義上的顯微鏡。顯微鏡的出現極大地促進了生物學的發展，而現代生物學更是將物理學原理應用到了極致，創造出多種顯微鏡，例如：偏光顯微鏡，電子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，原子力顯微鏡等。除了顯微鏡，諸如X射線技術等物理學技術也應用到生物學，正是借助X射線晶體衍射技術，人們發現了DNA的雙螺旋結構，開啟了遺傳學高速發展的大門。可以說，生物學的每一步技術進步都離不開物理學的支撐。[2]

2 物理學與工程技術的關系

核能工程技術的發展完全得益于物理學。在物理學奠定基礎之前，人類沒有能力進行核能的實踐，更無法從實踐角度總結核能知識。物理學的發展為核能的發展建立了客觀基礎。愛因斯坦的著名論文《物體的慣性同他所包含的能量有關嗎？》中提出了質能關系，這個方程點燃了核能的高速發展。之后又有多為物理學家推動了核能研究，盧瑟福提出了原子的核式模型，波爾完善了原子結構理論，查德威克發現了中子，海森堡和伊凡寧柯提出了原子核有質子和中子組成，居里夫婦利用人工方法制備出放射性同位素……這些物理學研究奠定了核能研究的基礎，揭開了核能工程技術發展的時代。[3]

對于在各個領域都有廣為使用的計算機，它的發展與物理學緊密相連。第一代計算機源于電子管原件的發明。第二代計算機源于小巧可靠的晶體管。第三代計算機源于集成電路的問世。第四代計算機源于利用大規模集成電路的邏輯元件和存儲器。可見，計算機每一次跨時代發展的背后都是物理學發展變革為基礎的。[4]

傳統建筑工程技術也得益于物理學得到了快速發展。建筑學與光學有關。夏季太陽光透過6mm厚的窗玻璃時約有84%的能量進入室內，進而使室內溫度劇增。利用物理學中光的干涉原理制備的金屬性反射玻璃能夠使大幅提升玻璃反射紅外線的能力，大大降低了室內溫度。建筑學與聲學有關。要想使建筑物內音質符合需求，就要使用適當的吸聲材料，而這些吸聲材料的工作原理就是物理學中的亥姆霍茲共振原理。[5]

現代通信技術的發展也離不開物理學。現代通信必須要用到激光器和光纖，激光器產生的激光來源于物質的受激輻射，相關物理概念是愛因斯坦于1917年提出的；光纖的創造更是利用了光學中全反射原理。正是有了現代通信技術，當代社會才能夠通過互聯網連接起來，當今信息傳遞速度才會與日俱增，極大地改變我們的生活。隨著物理學的發展，未來通信技術會進一步躍升，現階段我們可以預測未來借助量子力學理論，量子光纖通信會走入現實。量子密碼、量子遠程傳態等新技術會像傳統光通信改變世界一樣改變整個人類的信息交流方式。物理學的發展決定了未來人類信息交流的方式。未來通信技術對人才的要求首先就是掌握物理學。[6]

3 結語

從常見的自然科學和工程技術的討論中我們可以看出，物理學對其他同樣側重基礎的自然科學和側重應用的工程技術而言，既是基礎奠定者又是發展推動者。未來各行業的優秀人才首先應該是掌握物理學的人才，未來國家科學技術的發展首先應該是物理學的發展。物理學如此重要，關系著每一個人的發展和國家的進步，值得我們更大的重視。高中生在學習時應該排除功利性的因素，努力學好物理學這門基礎學科，為未來個人和社會的發展打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]呂衍鳳，陳曦，薛其坤.拓撲絕緣體簡介[J].物理與工程，2012，（22）：7.

[2]郝柏林.物理學與生物學（上）[J].物理，2003，（4）：213.

[3]杜祥琬.淺談現代物理學與工程技術[J].物理，2005，（7）：480.

[4]劉亞娟.淺談物理學與計算機技術的關系[J].計算機與網絡，2008，（21）：1632.

[5]張秀榮，王彤業.物理學在建筑工程中的應用[J].河北建筑工程學院學報，1996，（2）：39.

[6]戴峰，楊伯君.第六講 物理與光纖通信[J].物理，2005，（06）：450.