世纪物理学与人类生活

人类的生活在20世纪发生了翻天覆地的变化，其中物理学起了至关重要的作用，同时物理学本身，也取得了令人惊人的发展。狭义相对论、广义相对论，量子力学使物理学发生了革命性的变化。20世纪也出现了许多伟大的科学家，如爱因斯坦、海森伯、卢瑟福等。

20世纪实验科学的发展速度之迅猛、新观察到的事实之多样、物理学所呈现的宇宙形式之奇妙，是令人难以想象的。各种复杂仪器和技术的发展与应用，大大超出了前人的预料。如巨型天文望远镜或者卫星载大型望远镜、能透视大型集装箱货车的自动化检测装置、能产生光束亮度比最强的探照灯还强百亿倍的激光器、能对DNA分子实施切割技术的扫描探针显微镜、用上万个新式微处理器连成巨大并行机的超级计算机、用航天飞机载往空间站并在太空运行的磁谱仪等。自20世纪60年代以来，集成电路的发展就一直遵循英特尔公司的创始人莫尔(Gordon E．Moore)于1965年预言的关于集成电路的发展规律，即莫尔定律。莫尔定律是说，集成电路的集成度(一块晶片上集成的晶体管和其他元件的数目)每3年增长4倍，而特征尺度每3年缩小一半。1958年基尔发明的最早的集成电路，一块硅片上只安装了12个元件，现在一块指甲皮大小的芯片上则含有数百万个独立的元件。

20世纪与物理学相关的自然科学，在横向和纵向上的延伸都超出了人们的预料。许多新兴学科，例如粒子物理学、原子核物理学、电子学、微电子学、等离子体物理学、低温物理学、宇宙线物理学、空间物理学、天体物理学、宇宙学、分子生物学、生物化学、量子化学、神经物理学和计算机科学等等，遍及宏观、宇观、介观、生物、微观领域。我们的祖先曾经用神话来描绘世界，例如“嫦娥奔月”和“盘古开天地”。而在20世纪60年代，人类已实现了登月的壮举，对“嫦娥”的居所进行了实地考察。如今物理学家用“大爆炸”理论解释了宇宙的起源，用相对论重离子对撞实验来生成原初物质，以模拟和再现宇宙诞生时的情景。

人类知道了自己赖以生存的氧气为何物，并知道气体到一定温度时会液化，由此会发生超导现象。对微观世界的研究，使人类认识了生物大分子DNA(脱氧核糖核酸)的双螺旋结构，认识了生命现象最本质的内容。通过对原子和原子核的解剖，发现了新能源，发现了奥妙无穷的粒子世界。探索自然奥秘的科学研究方法的发展和进步，使人类在认知过程中到达一个崭新的境界。

物质的尺度，在向着一大一小两个方面延伸，一个是极大的宇观尺度，一个是极小的微观尺度。我们的眼睛无法直接观察到这样的“大”和“小”。宇观世界指的是整个宇宙即总星系。总星系含有上百亿个星系。我们熟悉的银河系只是一个不算大的星系。人类已观测到的宇宙，假设为球状，其半径大于23千米。人类生存的地球，不过是个半径约为6385千米的较小的行星，它环绕着一颗半径约为70万千米的恒星——即太阳运行。太阳位于一个包含上亿颗星的巨大星系即银河系的边缘上。根据天文观测资料的证据和宇宙学标准模型的预言，银河系和其他星系正以每秒几百甚至几千米的速度各向远离我们而去。这种速率与星系间的距离成正比，即相距越远的星系，各向飞离的速度也越大。

眼睛看到某个物体，是看到这个物体发出或反射的光并将它转变成信号，由大脑将其理解为相应的图像。但是再好的眼睛，也无法辨别尺度小于视网膜上感光细胞间距的物体。科学家研究微观粒子是借助显微镜一类仪器或者其他探测工具。为了观察微观世界，物理学家们采用了各种各样的方法，主要是利用粒子加速器来产生越来越短的波长，以便探测到越来越精细的东西。现在比细菌的微米(10－6米)尺度还小4个数量级的原子竟有深层的内部结构，这点似乎不可思议。20世纪初期科学家研究确认，原子是由电子和原子核构成的。原子核的半径虽然只有10－15米，即大小仅为原子的十万分之一，却具有整个原子的几乎全部的质量。20世纪30年代，物理学家们进一步用实验研究得知原子核是由质子和中子组成的，当时以为质子中的中子就是微观世界中的最小粒子。可是，对来自外层空间的宇宙射线的研究和通过强大有力的加速器实验，在20世纪60年代发现了物质结构的更深层次，即发现质子和中子等基本粒子大都是由叫作夸克的更小的粒子组成的。

20世纪物理学的飞速发展已经能够解释大自然的很多现象。从极大尺度的宇宙到极小尺度的粒子世界，许多问题都得了合理的解释。关于宇宙的演化问题和物质的结构问题，早期物理学认为是两个互不相干的课题。而当人类感悟到的物质尺度，大的如此之大而小的如此之小时，却发现极大与极小之间有着密切的联系。例如，应用粒子物理知识，可以计算大约150亿年前宇宙诞生最初几分钟的化学元素的生成情况，而用其他方法都做不到这一点。20世纪物理学家在多层次变化无常而又丰富多彩的现象中间，去寻求宇宙所表现的真善美，寻求万物运动内在的统一规律，理解物质外在显现的多样性，对人类的思维方式和世界观的进步作出了多方面的重要贡献。