物理學的進步對社會發(fā)展的貢獻

6/6物理學的進步對社會發(fā)展的貢獻物理學的進步對社會發(fā)展的貢獻

早在1000多年前，馬克思就把科學首先看成是歷史的有力的杠桿，看成是最高意義上的革命力量。其中，物理學研究提高了我們對自然界的基本認識，產生了對人類有深遠意義的知識。它所孕育出的新技術扎根于我們的文化中。因此，物理學的每一次革命都會推動人類社會的巨大進步。

一、日心說的建立——科學戰(zhàn)勝神學

古希臘曾創(chuàng)造過燦爛的科學文化。從公元5世紀起，西方進入了黑暗的中世紀。此后，“科學只是教會恭順的婢女”。地心說的思想博大精深并計算精確，基督教將它與神學融為一體，形成了封建神權的思想基礎。由于神學的桎梏，在此后1000多年的歷史長河中西方科學停滯不前。中世紀末，先進的思想家們發(fā)起了文藝復興運動，同時宗教界也興起了改革。這二者的結合，為科學和文藝的復興鳴鑼開道?？茖W，從此開始了艱難的革命。

1543年，哥白尼提出了日心說。日心說與地心說比較，最大的區(qū)別就是把宇宙的中心由地球換成了太陽。也將宇宙的中心放在一個“象征性的太陽”上在計算精度方面，哥白尼的星表“并不遠比那些被它們所代替的表好”。另外，日心說還存在兩個無法解答的問題：如果地球在運動，第一，為什么看不到恒星的視差?第二，豎直上拋的物體為什么會落回原處所以直到臨終前，哥白尼才出版了《天體運行論》。但日心說在客觀上產生了向宗教神學挑戰(zhàn)的效果。

對地心說進行脫胎換骨的改造的是開普勒。他從弟谷·布拉赫大量的精確有天文觀測資料中，總結出了行星運動三定律。其第一定律指出：行星繞太陽運動的軌道是一個橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上，從而確立了太陽在宇宙中真正的中心地位這樣一來，開普勒引起了教會的極度不滿。他雖然被任命為“皇家數(shù)學家”，但長期領不到薪俸，只能靠為皇室貴族算命維持生計。開普勒說：“如果‘占星術’女兒不爭來兩份面包，那么‘天文學’母親就準會餓死。”1630年11月，開普勒因貧病交加而死。

伽利略為捍衛(wèi)、發(fā)展和傳播哥白尼學說作出了特殊的貢獻。

首先，伽利略用自制的望遠鏡進行天文觀測，有力地證實了地球在宇宙中并不比其他星球特殊。1610年，他發(fā)行了《星界信使》，公開了自己的觀測成果。1632年，他又出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，對亞里士多德進行了批判，在書中，他為日心說的兩大困難做了辯護：指出沒發(fā)現(xiàn)恒星視差是因為恒星離地球太遠；他用慣性原理對上拋物體落回原處作出了解釋。由于該書是用意大利語寫成，又是以對話的形式出現(xiàn)，通俗易懂，使哥白尼學說廣為傳播。

在1615年，伽利略受到過教會的警告?！秾υ挕钒l(fā)表后的第二年，教會傳訊了他并對他刑訊逼供最后伽利略被判為監(jiān)禁終身，《對話》也列為禁書。相傳伽利略被迫公開認錯之后，還自語道：“可是，地球是在運動。”在監(jiān)禁之中，他又完成了《兩門新科學的對話》——這是近代自然科學誕生的標志性著作。

日心說與地心說進行了殘酷的較量，直到1687年，牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》出版，才取得了歷史性的勝利?！对怼方⒘私浀淞W的理論體系提出了運動三定律和萬有引力定律，揭示了行星繞太陽運動的根本原因，完成了物理學發(fā)展史上的第一次

大綜合。于是，傳統(tǒng)的地上與天上世界的分隔自然與超自然的劃分都被拋棄或者動搖了。牛頓的《原理》不僅僅是在知識體系上繼承和發(fā)展了

“巨人”們的成果，在研究方法上也是一樣。因此，達朗貝爾認為牛頓將數(shù)學、實驗以及觀察統(tǒng)一起來，創(chuàng)造了一門真正的新科學。牛頓的《原理》被分認為科學史上最偉大的著作。

這場革命對人類的整個思想文化都產生了歷史性的影響。

“牛頓思想影響是巨大的；不管這些思想是否被正確理解，整個啟蒙運動的綱領(尤其是在法國)是自覺建立在牛頓原理和方法的基礎上的，并且從牛頓的輝煌成就派生出啟蒙運動的信心及其廣泛的影響。這在后來轉變?yōu)槲鞣浆F(xiàn)代文化。道德、政治、技術、歷史、社會等等的某些中心概念和發(fā)展方向，沒有哪一個思想和生活領域能夠逃脫這種文化的影響。”無怪乎后來的一兩百年中，不僅僅是自然科學界，連心理學、經濟學和社會學工都企圖用力學或準力學的方式來解決他們所研究的問題。

二、力學熱學與第一次工業(yè)革命

第一次工業(yè)革命是剛取得統(tǒng)治地位的英國資產階級進行的一次生產方式的革命。它開始于17世紀，高潮在18世紀，發(fā)展在19世紀。這場革命的標志是蒸汽機的使用。

17世紀，英國的資本主義大發(fā)展遇到了三大難題。第一是采礦；隨著采礦量的急劇上升，礦井越挖越深，排水、空氣供給和礦物的提升阻撓了采礦業(yè)的進一步發(fā)展。第二是武器的研制；資本主義的特點是虐奪，虐奪就要打仗；要想打勝仗就得提高槍炮的射擊精度和打擊力量。第三是航海；要對外擴張，就得遠航；航海首先是對船只定位，其次是提高船速，另外還要增加船的強度。

于是英國皇家學會、國王和貴族們號召人們研究“有用的東西”。當時，物理學家都涌躍地參與了相關的發(fā)明創(chuàng)造，有效地解決上述難題，其中最著名的有牛頓、哈雷、惠更斯、胡克、雷恩、波義耳、馬略特、托利拆利等。

但無論是采礦、戰(zhàn)爭，還是航海都涉及一個動力機問題。從17世紀初起就有很多人著手這方面的工作，直到18世紀初，英國的紐可門才發(fā)明了第一臺蒸汽推動活塞工作的抽水機。這是蒸汽機發(fā)展史上的轉折點。

1765年，瓦特把蒸汽的冷凝過程安排在汽缸外進行，這是對原始蒸汽機的關鍵改革。1781年，瓦特設計了把活塞的直線運動轉變成旋轉運動的多種方法。1782年，他又將單向作用汽缸變?yōu)殡p向作用，并設置飛輪，使其轉動更平穩(wěn)。蒸汽機成熟了。物理學(力學和熱學)是第一次工業(yè)革命理論基礎和工作指南。牛頓力學是機械設計和制造的理論基礎。對蒸汽機的研制更是以力學和熱學為理論依據。那時，對溫度計、量熱學(比熱、潛熱)、熱傳導及熱的本質的研究等都取得了重大發(fā)展。瓦特在改革蒸汽機的過程中，就得到布萊克的理論指導，而布萊克是對量熱學的研究有卓越貢獻的科學家。因此那時的工廠“……不再被交給無知的工；相反，在他們中的大多數(shù)人中，有非常有知識的人，有受到良好教育的物理學家們，為了促進有用技藝的進步，我們必須指望他們。”

第一次工業(yè)革命延伸了人的肢體功能。從此，人類進入機械化時代。首先，它極大地提高了勞動生產率。瓦特的成功使蒸汽機在國民經濟各個領域得到了廣泛的應用。蒸汽機作為織機的動力機，使工作效率提高40倍。1807年，富爾頓造出了第一艘輪船

“克萊蒙脫號”。1814年，斯蒂芬遜造出了第一臺實用型蒸汽機車；后來經改進使其載重量達9”噸，時速提高到24公里?？傊?，蒸汽機在100年使所創(chuàng)造的生產力，比過去一切世代創(chuàng)造的全部生產力還要多，還要大。

其次，第一次工業(yè)革命深刻地改變了社會形態(tài)。西方一些歷史學家是這樣評價的：“一場史無前例的影響深遠的革命改變了英國的面貌。從那以后，世界也變了樣?！瓫]有一場革命具有像工業(yè)革命那樣顯著的革命性——也許除新石器時代的革命之外?！率鲿r代的革命使人類從狩獵的原始部落分散的聚居狀態(tài)，進入了在不同程度上相互依存的農業(yè)社會。……而工業(yè)革命使人類從農夫、牧羊人變成了由非生命的能量驅駛的機器的駕馭者?！?/p>

第三，第一次工業(yè)革命也促進了科學(物理學)的發(fā)展。

人類要生存，首先要解決衣食住行，這就得生產；要生產就必須利用能源和制造工具，于是產生了技術；怎樣才能充分利用已知能源和開發(fā)新能源，怎樣改進勞動工具才能提高勞動生產率，就得去探索自然規(guī)律，于是產生了科學。這種關系我們可以概括成：生產→技術→科學。

的確，從18世紀末到19世紀，為提高蒸汽機和金屬冶煉的熱效率，為解決工業(yè)、交通和軍事上的若干技術問題，有力地推動了物理學的研究：1788年，拉格朗日的《分析力學》出版，發(fā)展了牛頓力學。特別是熱力學和統(tǒng)計物理因此完成了形成)發(fā)展)成熟的全過程。1798年，侖福特提出熱的運動說。1824年，卡諾設計了理想熱機并提出卡諾定理。1842~1847年，邁耳、焦耳和赫姆霍茲等提出能量守恒定律。1848年，W

·湯姆生創(chuàng)立熱力學溫標，提出絕對零度是溫度下限的論點。1850~1865年，克勞修斯和W·湯姆生提出熱力學第二定律。對統(tǒng)計物理作出重大貢獻的有麥克斯韋、吉布斯和玻爾茲曼等。

三、電磁理論與電氣化

歷史上第一個對電磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究的是英國的吉爾伯特。他于1600年出版了《磁鐵》一書，介紹了自己的研究成果，其結論是：電和磁是兩種不同的東西。此后100多年，電磁研究進展甚微。到了18世紀，工業(yè)革命進入高潮時，電磁研究復蘇了。80年代，富蘭克林以著名的風箏實驗證明了天上的雷電與地上的電荷相同。他定義了正負電荷，提出了電荷守恒定律。1784年，庫侖發(fā)明了扭秤。次年，他用扭秤實驗得出了靜電作用的平方反比定律。

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，首次揭開了磁電統(tǒng)一的神秘面紗。接下來，安培對此作了深入研究，提出了電流間相互作用的安培定律，為電動力學的創(chuàng)立作了開創(chuàng)性的工作。電能生磁，磁能否生電?物理學家對此進行了艱苦的探索。經10年的努力，法拉第終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，找到了磁生電的規(guī)律。

為了解釋電磁現(xiàn)象，法拉第還提出了力線，即“場”的概念。從1861年起，麥克斯韋對法拉第的“力線”進行數(shù)學比，于1873年建立了經典電磁理論——麥克斯韋方程組。其中，麥克斯韋提出了“渦旋電場”和“位移電流”假說，預言了電磁波的存在并從理論上證明了光是一種電磁波。10年后，德國的赫茲用實驗證明了電磁波的存在，還證明了電磁波具有反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象，實現(xiàn)了物理學的第三次大綜合，即電、磁、光的綜合(第二次大綜合是能量的轉化和守恒定律)。

電磁學理論使人的肢體功能再次延伸，又一次推動了社會的進步。

第一，電磁理論使人類社會從機械化躍進為電氣化。

發(fā)電機和電動機的發(fā)明，實現(xiàn)了機械能、熱能、光能(后來還有原子能)和電能間的相互轉化，形成了二次能源。由于電能的轉換和使用方便快捷，人類對能源的利用上了一個新的臺階。

遠距離輸電技術的問世，使能源的使用地可遠離它的產生地。對此恩格斯給予了高度的評價：“這一發(fā)明使工業(yè)幾乎徹底擺脫地方條件所規(guī)定的一切界限，并且使極遙遠的水力的利用成為可能，如果最初它只對城市有利，那么到最后它終將成為消除城鄉(xiāng)對立的最強有力的杠桿。”

1879年，愛迪生發(fā)明了電燈，使夜晚變成白晝，延長了人們的生產生活時間。1895年，電影問世；1898年，發(fā)明了磁帶錄音和放音機。這些發(fā)明豐富了人們的精神生活。同時，電能清潔衛(wèi)生無污染，大大改善了人們的生活質量。

第二，這場革命把生產、技術和科學三者間的關系倒置過來。

電磁學的最初研究并沒有為生產服務的目的，而是出于科學家探索自然規(guī)律的興趣和事業(yè)心，更有甚者是為宮庭中達官貴人們消遣。比如萊頓瓶發(fā)明后，法國的諾特萊就為路易十五作過用萊頓瓶放電讓700名修道士同時被電擊的表演。又如法拉第發(fā)現(xiàn)電流磁效應后，到宮庭里去演示他的實驗。演示完畢，一位貴夫人問法拉第：“先生，你的表演有什么用?”法拉第回答：”請問夫人，嬰兒有什么用?”法拉第的反問石破天驚。

不久，在電磁理論的基礎上各種電器、電機相繼發(fā)明，有力地促進了技術的進步，從而極大地提高了勞動生產率?？茖W、技術和生產的關系的倒置是人類社會的一大進步。發(fā)生這種變化是因為電磁現(xiàn)象已不再像力、熱、光那樣可被人的感覺器官直接感受到，只能靠科學家通過科學實驗來感覺它、認識它、掌握它，最終讓它為人類服務。此前，物理學家自身的結構主要是：物理學家+數(shù)學家+哲學家；電氣化時代，出現(xiàn)了物理學家+工程師+企業(yè)家這類新型科學家。其中最著名的有愛迪生、貝爾和西門子。這是科學領先技術和生產的必然結果。

第三，電磁理論擴展了人類認識自然的范圍。我們知道，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，后來庫侖又發(fā)現(xiàn)了靜電作用的平方反比定律。那物體與物體之間，電荷與電荷之間到底是怎樣發(fā)生作用的呢?自牛頓以來，科學界存在一種超距作用的觀點，認為這種作用的傳遞既不需要物質也不需要花時間。法拉第提出了力線即“場”概念，指出靜電作用和磁作用是通過場來傳遞的；麥克斯韋由法拉第的思想計算出光的傳播速度，也就是電磁作用的傳播速度，從而否定了超距作用的觀點。后來，科學家們又把這一思想擴大到引力，提出了引力場的概念，加深了對引力的認識。由此，人們認識到“場”和實物是物質存在的兩種形式，從而大大改變了牛頓自然科學的框架。

第四，有線和無線通訊是人類邁向信息化時代的第一步。

1835年，美國出現(xiàn)了第一臺實用電報機。1849年，西門子敷設了第一條長距離大陸電報線。1854年，W·湯姆生發(fā)明潛水電報，并提出了海底電纜信號傳遞衰減的理論，解決了敷設海底電纜的重大理論問題。

1876年，貝爾發(fā)明了世界上第一部電話。1881年，特斯拉發(fā)明電話增音機。從此，電話成為人們重要的信息傳遞工具。

1895年，俄國的波波夫發(fā)明了無線電收發(fā)報機，但受到冷遇。同年，意大利的馬可尼成功地進行了電磁波通訊試驗，并獲無線電報專利。1901年，他首先在大西洋兩岸實現(xiàn)遠距離無線電信號的傳送。

1904年，弗萊明在“愛迪生效應”基礎上發(fā)明了二極管。1906年，三極管問世。同年，美國應用調制技術，實現(xiàn)了無線電有聲廣播。1908年，英國的肯培爾等提出電子掃描原理，奠定了現(xiàn)代電視技術的基礎。從此，無線電技術在通訊領域得到廣泛應用，人類傳遞和獲取信息的能力大大增強。

四、相對論量子力學與現(xiàn)代社會

人類社會發(fā)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?？墒?，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(fā)現(xiàn)，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?！毙枰奕说臅r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(guī)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?shù)耐普揈=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(fā)，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規(guī)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(fā)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(chuàng)了現(xiàn)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(fā)發(fā)射和受激發(fā)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(shù)的統(tǒng)計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的