物理学的发展与人类文明进步的关系

张府派

摘要：人类的文明程度与生产力的发展、科技的进步有着密切的关系，而在生产力的发展与科技的进步中物理学的发展起到了直接的推动作用，纵观人类的发展史，人类的每一次历史性的跨越都是生产力发展的推动下完成的。牛顿经典力学的建立及热学的发展使人类进入了机械化时代；电磁理论的建立使人类进入了电气化时代；相对论和量子力学的发展使人类进入了高科技时代。

关键词：人类文明；科技进步；工业革命；机械化时代；电气化时代；高科技时代

引言

2000多年前的物理学，中国、古希腊都有研究，但是真正意义上的精确科学，也就是说用数学、微积分这样的精确科学，实际上是在中世纪即在15世纪16世纪的时候，也就是牛顿、伽利略的时代，开创了物理学精确科学的先河，此后物理学得到了很大发展，后来的热学、电磁学、声学、连续介质动力学等问题也在十七、十八、十九三个世纪取得了很大发展。现在就从牛顿、伽利略时代起谈谈物理学的发展与人类的文明进步的关系。

一、工业革命前的人类文明

工业革命前的物理学虽然在漫长的历史进程中不断发展，但是并没有给人类带来生产力上的巨大改变，人类还处于刀耕火种的农业时代，那是的生产力很低下，人们的生活水平上千年来没有真正的突破。

二、人类的机械化时代

牛顿力学的建立和热力学的发展导致了第一次工业革命

1665年夏，年仅23的牛顿因英国爆发瘟疫而避居乡下，他一生最重要的成果，几乎所有的重要数学物理思想多诞生与不这个时期。在他45岁时，划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》出版，奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展产生了不可磨灭的推动和影响。

三、人类的电气化时代

经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。法拉第用过的线圈

电和磁之间的联系被发现后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。该理论实现了物理学的第三次综合，即电、磁、光的综合。

四、人类的高科技时代

人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代、新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物——相对论和量子力学。

19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。可是，世纪末的迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”；而电子、X射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。有的物理学家呼唤：“我们仍然在期待着第二个牛顿。”需要巨人的时代造就了巨人。这第二个牛顿便是爱因斯坦。

1905年，爱因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。这就是狭义相对论。在此基础上，他又得到的质能相当的推论E=mc2，预示了原子能利用的可能。

1913～1916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。这就是广义相对论。他预言，光线从太阳旁边通边时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代天文学的新纪元。爱因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克为驱散第二朵“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效变”。同年，他把量子概念用点阵振动来解释固体比热。1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。此后，对量子力学的建立作出重要贡献的著名物理学家还有：1923年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意，1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔。同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的高潮。

五、小结

纵观物理学的发展和人类科技进步的历史，物理学的发展在整个自然科学的发展中处于领先发展并对其他自然科学的发展产生深远影响，为人类进入机械化、电气化、高科技时代奠定了理论基础准备了技术方法，对人类社会生产力的飞跃发展和经济结构的调整起着直接的推动作用，物理学的新成就更是为现代科学技术提供了直接的动力。有过辉煌历史的物理学对人类科学技术发展的影响将更加壮丽！

参考文献：

[1]邹海林，徐建陪.科学技术史概論[M].北京科学出版社 2003

[2]赵峥.探求上帝的秘密---从哥白尼到爱因斯坦[M].北京师范大学出版社 1997

[3]秦关根.爱因斯坦[M].中国青年出版社 1979endprint