物理学与人类文明

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【摘 要】人类生活在宏观物质世界里，人类历史的发展离不开对物质世界的探索。物理学就是解释一切自然现象，推动人类进步的重要推动力。人类发展史的各个阶段都与物理学息息相关。物理学促进了各个领域科学技术的进步，是一门基础科学。没有物理学的发展就没有如此发达的现代人类文明。

【关键词】物理学；牛顿力学；工业革命；人类文明

俗话说：“学好数理化，走遍天下都不怕。”这其中的“理”就是指的“物理”。此话虽然有些片面，但也道出了物理学的重要性。物理学一词，源自希腊文physikos，很长时期内，它和自然哲学（natural philosophy）同义，探究物质世界最基本的变化规律。随着生产的发展，社会的进步和文化知识的扩展、深化，物理学以纯思辨的哲学演变到以实验为基础的科学。物理学研究的对象包括力、热、电、光、磁、声，从宏观领域到微观领域，得到了一系列对自然现象的科学解释并形成理论，最终形成发明创造，推动了人类文明的进步。物理学的高技术和强渗透性也使之成为社会发展的重要推动力。物理学给人类提供了大量的物质财富，同时也提供了精神财富。

迄今为止，物理学所创造出来的所有成果无一不是人类身体某一部位的延伸和替代。人造卫星、显微镜、望远镜、照相机等等是人类眼睛的延伸；手机、电话、雷达等等是人类耳朵的延伸；汽车、轮船飞机等运输工具是人类腿和脚的延伸；枪炮、导弹和火箭等等是人类胳膊和手的延伸；电脑、机器人是整个人的延伸；现代医学的诊疗手段也离不开物理学，X光、核磁共振、CT、B超、放射性疗法等等都是基于物理学。纵观人类文明的发展史，就是一部物理学的发展史。

一、物理学初建

古时候人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地上掉，为什么不同的物质有不同的性质，地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动，人们提出了各种理论试图解释这个世界。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论。古希腊哲学家亚里士多德创造了物理这门学科的名称，但由于历史的局限性，他对物理的很多认识却是错误的，比如他认为，物体下落的速度与物体的重量有关，物体越重，下落越快。这一理论最终被伽利略的“大球小球同时落地”的实验所。古希腊哲学家、物理学家阿基米德发现了浮力定律和杠杆原理，并发明设计制造了多种机械，如螺旋扬水器、军用投射器。德谟克利特最先提出了原子论，认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒。天文学从强势的“地心说”到开普勒发现了行星运动的三大定律：轨道定律、面积定律和周期定律，哥白尼、布鲁诺等天文学家付出了巨大努力。电磁学方面发现了摩擦起电、磁石吸铁等物理现象，并在此基础上发明了指南针。古代物理学还称不上真正的科学，更多的是基于思辨，对于生活经验和自然现象的总结。

二、牛顿出版《自然哲学的数学原理》

牛顿出版的《自然哲学的数学原理》是人类历史上第一次科学革命的集大成之作。这部巨著阐述了万有引力定律和运动三大定律（惯性定律、力和运动关系的定律、作用力与反作用力定律），把物体运动统一在一个严密的理论中――牛顿力学。根据牛顿力学，我们知道了：苹果为什么总是落到地上；惯性是什么；为什么划桨能使船前行；为什么月球围绕地球运转并出现阴晴圆缺等等。这是经典力学的第一部经典著作，也是人类掌握的第一个完整的科学的宇宙论和科学理论体系，其影响所及遍布经典自然科学的所有领域，并发展出许多学科：宇宙天文学、航空航天科学、工程力学、建筑学、机械制造、原子核科学等等。宇宙天文学的发展，使我们对宇宙的起源有了更进一步的认识。航天科学的发展让人类的飞天梦成为现实。

三、物理学与第一次工业革命

18世纪中期，以蒸汽机的广泛使用为标志的第一次工业革命开始了人类的工业化进程。蒸汽机的发明是基于热学的发展。蒸汽机利用水沸腾产生的高压蒸汽推动活塞做功，产生动力带动机器工作。从18世纪晚期开始，蒸汽机广泛应用在采矿、冶炼、纺织、机械制造、化工等领域，并出现蒸汽轮船、蒸汽机车、蒸汽汽车，蒸汽机成为了当时各行业的主要动力机械。蒸汽机的发明，解放了人类的双手，促成了传统手工业向机械化大生产的转变，陆上和海上长途运输成为可能，极大地提高了生产生活效率。

四、物理学与第二次工业革命

电的使用开启了人类历史上的第二次工业革命。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流有磁效应，开始人类研究电与磁的相互关系的序幕。1831年，英国物理学家法拉第建立了电磁感应定律，创立了电磁学的基础，使发电机和发动机的制造成为可能。德国工程师西门子根据闭合线圈的磁通量发生改变可能产生电流的原理，发明了第一台自馈式发电机，可以产生较大的功率，同时体积也较轻巧。从此，电能开始成为主要能源并推动工业向前发展，继而出现了电动机、电机车、电灯、电视机和电工仪器仪表等许多改变人类生活方式的电器设备。1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦发表的《论电与磁》开创了电动力学，是现代电工学的开端。麦克斯韦提出了光的电磁说，并预言了电磁波的存在。电磁波是现代通信的基础，无线电、手机、卫星就是通过电磁波进行信号传输，实现人类远距离传输和交换信息。

五、物理学与第三次工业革命

进入二十世纪，由于原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域的研究进展，出现了第三次工业革命，这是一场不同于传统工业的信息技术革命，标志着工业进入自动化时代。

（1）物理学与微电子技术

1947年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿研究出一种点接触锗晶体管。晶体管是20世纪一项重大发明，开启了微电子革命的先声。1954年，贝尔实验室研制出第一台使用晶体管集成电路的计算机。以晶体管为基础的集成电路，也叫芯片，使信息处理设备小型化、便携化。如今，大到工业设备、交通工具，小到各种生活设备，凡是有电的设备，几乎都有芯片对信息进行处理。在当今信息大爆炸的时代，微电子技术使得信息接收、存储、处理更加便捷和高效。计算机以及各种“人机控制系统”广泛应用，使生产、办公、家庭生活自动化。人类社会从机械化、电气化进入到一个更高级的自动化时代。

（2）物理学与能源

工业的发展离不开能源的供应，传统的电能、水能、化学能越来越不能满足日益增长的能源需求。核能作为一种高效、清洁能源能极大缓解能源危机。核能的利用得益于原子核物理的发展。从19世纪末发现放射性到1932年发现中子、正电子和氘，原子核理论为核物理奠定了基础。1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了铀核的裂变，从而找到了一种利用核能的途径。1942年，美国成功建造了世界上第一座核反应堆，它显示核能时代的到来。目前，我国也有两座正在运行的核电站：秦山和大亚湾核电站，产生的电能为长三角和珠三角地区的经济建设做出了巨大贡献。现在科学家们正在研究可控核聚变，这种核聚变可以用海水和轻核作为原料的，是真正意义上的取之不竭，用之不尽的能源。

（3）物理学与航天技术

20世纪50年代兴起的航天技术使得人类的飞天梦成为现实。1957年，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星，开创了人类航天新纪元。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星，在经济、军事和科研中发挥了巨大的作用。航天技术是一门综合性很强的技术，和物理学密切相关，每一步的发展都离不开物理学的指导和运用。火箭推进技术、人造卫星运行轨道计算、空间通信、载人航天器设计技术、登月技术、深空探测技术等一系列航天技术涵盖了基础物理学的力学、热学、电磁学、光学各个领域。可以预见，未来人类移居外星球、发现外星人、寻找宇宙的起源等等都离不开基于物理学的航天技术的发展。

六、物理学与人类未来

物理学是一门不断改变人类生活和推动社会进步的科学，从宏观的经典物理学发展到微观的电动力学、量子力学等，并将在未来深入到粒子物理、纳米材料物理、天体物理（引力波）、生命科学物理领域。宇宙是怎么产生的，宇宙的组成是什么，物质的最基本粒子是什么，人类是否能穿越时空，人类是否能实现长生不老，这些问题都需要物理学去解决。物理学将继续推动人类文明向前发展！

【作者简介】

骆明钧，男，（1999-），四川省宜宾市翠屏区人，现就读于宜宾市三中（高三・七班）。