物理学对文明的贡献，信息科学与生命科学

物理学对文明的贡献

1．相对论与量子力学

20世纪物理学三大基础是爱因斯坦狭义相对论、广义相对论和普朗克（见图20－4）等人的量子论，以此为基础的现代物理学的发展，扩大了人类的科学视野，让科学深入到崭新的两个极端物理世界——微观粒子世界和宏观宇宙世界。

图20－4　普朗克（左图为他1878年学生时代的照片）

普朗克在1900年首先形成他的量子论，这一理论同5年后爱因斯坦发表的相对论一起，对物理学产生了深远的影响。量子假说是物理学进入新的发展阶段的标志，它在经典物理学的宏大体系中打开第一个缺口，为现代物理学基本理论的建立奠定了新的基础。但是，受过严格经典物理学训练的普朗克看到自己为形势所迫而不得不提出的量子假说对经典物理学理论的“破坏”，心中有说不出的难过，从而限制了他进一步超越经典物理学论的界限，建立起崭新物理学理论的研究。

1900年，爱因斯坦从苏黎世联邦工业大学毕业后即失业，直至1902年才在瑞士专利局找到一份固定的工作。1905年爱因斯坦发表了5篇论文，所覆盖的3个领域分别是光电效应、布朗运动和狭义相对论。虽然这些文章主题不同，但都是各自领域的奠基之作。仅就爱因斯坦在1905年6月和9月发表的两篇有关狭义相对论的论文而论，就具有改变历史进程的深远意义，它们提出了关于时间和空间的全新概念。

狭义相对论深化了牛顿所奠定的牛顿力学，深化了牛顿所提出的时空观，从而影响到当代物理学的各个领域。人们公允地认为这是物理学领域里的重大突破，是对传统的时间、空间、运动、物质等最基本的物理学概念全新的考察。

狭义相对论使用了洛伦兹变换，洛伦兹（1853～1928，见图20－5）等科学家的工作为爱因斯坦的贡献奠定了基础。

图20－5　洛伦兹（左）、塞曼（中）、韦伯和高斯（右）

狭义相对论是由宏观低速运动领域进入到宏观高速领域的突破。这一突破的重要后续成果之一，是爱因斯坦于是1915年发现的质能等价互换公式E＝mc²，这是人类文明历史上最简单、最深刻、最漂亮的一个等式，它为人类利用原子能指出了方向。

然而，1921年将当年的物理学奖授予爱因斯坦时回避了他对相对论的贡献，宣称爱因斯坦“因在数学物理方面的成就，特别是发现了光电效应的规律”而获奖。诺贝尔奖评选委员会在以后也没有直接表彰爱因斯坦在狭义相对论和广义相对论方面的伟大贡献。这给人们提供了很多思考：对科学真理的认同需要实践和时间考验，也需要科学真理被社会和公众接受，真正有价值的科学真理并非是一类奖项可以肯定或否定的。

顺便指出：爱因斯坦不仅是伟大的科学家，还是一位和平主义者。1955年4月，弥留之际的爱因斯坦签署了《罗素─爱因斯坦宣言》，呼吁人们团结起来，防止新的世界大战爆发。

2．信息科学与生命科学

1895年，贝可勒尔（1852～1908）发现放射性，人们开始进入物质的分子、原子、原子核内部；1900年，普朗克提出量子论；1905年，爱因斯坦提出相对论力学，10年后又提出“广义相对论”；1944年，原子弹试爆成功；1948年，推出了维纳（1894～1964）的控制论、香农（1916～2001）的信息论和贝塔朗菲（1901～1972）的系统论。最后，终于出现核武器、核发电、信息科学和自动化理论，人类社会进入成熟工业化阶段。

建立在物理学的重要分支——电子学基础上，1946年，电子管计算机ENIAC诞生，数字技术出现；1948年，发明了二极管；1958年，第一块集成电路出现；1978年，微型计算机8086出现；20世纪80年代初，Internet开通。信息技术经过50年的助跑，进入高速增长的辉煌时期。由信息技术带动一系列新技术，经济全球化初见端倪。电子技术、激光技术、超导技术、微电子技术、信息技术、纳米技术等划时代的技术革命，构筑起了雄伟、壮丽的现代科技大厦。

物理学的贡献不止如此，物理学对相邻较远的科学也产生了重大的影响。生命科学的初期，是以观测、解剖、分析为主要手段的科学，物理学为生命科学提供了越来越精细的观测手段，直到进入分子水平，开始介入到生命的本质。人类基因组启动，借助的海量分析、测量、计算工具都是物理学的成果。生命科学的产生历史、当今的现实和今后的发展无可争议地表明：离开物理学理论和实验方法、手段，离开物理学家的直接投入和共同努力，生命科学的发展将会遭遇不可克服的困难。

现代生态学、地理学，借助于物理学对地球看得更早、更高、更远、更精细。显微镜、光学和射电望远镜这些来源于光学、电子学原理的仪器已经成为常规观测手段。这是物理学方法对现代生态学、地理学、古人类学、历史学的重要贡献。现在，通过3S技术（遥感技术、地球信息系统和全球定位系统），可以从空间对地球的环境和生态的变化进行从厘米波段电磁波到X射线、红外等多波段的定量扫描和观测，使生态学、地理学、地质学进入到全新的辉煌时期。

物理学对近代技术的贡献也是直接的，没有量子力学的创立，就没有固体电子理论和半导体物理学，就不能发明晶体管、集成电路，因而就不会有现代信息技术。类似的例证还有很多：没有激光物理，就没有激光照排为基础的现代化出版业；没有物理学，就没有电视、广播、网络等。

建立在基因研究基础上的生命科学，本身就是物理学家和生物学家携手努力的伟大创举。现代医学的诸多诊治方法，如X光、B超、CT、核磁共振、γ射刀等，都是直接应用了现代物理学的成果。

物理学不断追求的前沿问题，带动人类不断前进和走向未来，已经形成一种不断追求真理的物理文化，已经成为人类不断发展的思想体系的一部分。