物理学的进步对社会的贡献

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推荐于2018-05-08

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物理学的发展和人类科技的进步世界从蒙昧到明丽，科学关照的光辉几乎从没有终止过任何瞬间，一切模糊而不可能的场景和一切超乎寻常的想象，都极可能在科学的轻轻点缀之下变得顺从、有序、飘逸而稳定。风送来精确和愉悦的气息，一个与智慧和灵感际遇的成果很可能转眼之间就以质感的方式来到人间。它在现实中矗立，标明今天对于昨天的胜利；或者标志人们昨天的生活方式已经一去不复返；或者标志一个科学伟人已徐徐来到人间……在人类的黎明，或我们的知识所能知道的过去的那些日子，我们确实可以看到科学在广博而漫长的区域里经历了艰难与失败，但它更以改变一切举足轻重的力量推动着历史滚滚前行，卓然无匹地建立了一座座一望无际的光辉丰碑。信心、激情、热望与无限的快乐就是这些丰碑中任何一座丰碑所暗示给我们的生活指向，使我们笃信勤奋、刻苦钻研、热爱生活、深思高举……　与此同时，我们也更加看到了科学本身深深的魅力，人文的或自然的，科学家的或某个具体事物的，都如一面垂天可鉴的镜子矗立在我们面前，我们因为要前进和向上就无可回避地站在它的面前梳理自己的理性和情感，并在它映照灿烂光辉中汲取智慧和力量，从而使我们的创造性更加有所依托，更加因为积累的丰厚显得更加强劲可靠。
在人类发展的每一个阶段，物理学始终站在解放生产力的前沿，而在物理学发展中的每一次小小的进步，都伴随着极大的艰难与曲折，都是在传统与现实之间的长期碰撞中才得以获得发展和进步，其间既闪耀着拓荒者们智慧的灵光，同时也有让无数科学先辈们在追求科学真理的道路上进行不曲不挠的斗争中挥洒的血光与泪光。作为新时期的青少年，非常有必要踏寻这条荆棘之路，我们并不期望大家每一次在这条路上都能采撷到烂漫的鲜花，哪怕每一次只要能在这条路上闻到沁人心脾的花香，也算是对无数科学先辈们英魂的告慰。这就是我们开展本次科普知识系列讲座的初衷。（一）物理学的启蒙与发展阶段物理学的发展经历了十分漫长的启蒙阶段。在中世纪以前，物理学一直没有被确认为一门独立的科学，它在相当长的时间内被划分到哲学这一范畴。在这一漫长的时期内，人们都是根据当时生产力的需求或者统治者的意志去开发和利用物理学知识（从无意识到潜意识），是以我根据人类发展进程中生产力的发展水平以及应用物理学知识的程度，把这个时期物理学的启蒙阶段作以下划分：
1、火器时代：
人类的祖先首先进行了手和脚的分工，用自由之手制造工具，提高了劳动效率。这一时期人类最早制造的工具就是石器，石器的制造宣告了劳动的开始，同时也宣告了简单物理学的启蒙。
随着石器的发展，出现了较为复杂的工具―――弓箭，从而产生了“狩猎”这个最早的生产部门。人类祖先凭自己的智慧和经验制造了石斧、石刀和弓箭，我们在这里可以用物理学的原理说明其优越性：压强和压力成正比，和受力面积成反比。石斧的石刀的锋刃做得很薄就是为了通过减小受力面积来增大压强，使它们在不大的压力作用下就能够进入到物体里去；弓箭的使用不仅用到了物理学中的压强知识，还用到了牛顿第三定律――当箭给弓弦一个作用力时，弓弦同时也给箭一个反作用力，这样才能把箭射出。当时这种微妙的思想也被祖先们挖掘出来，足见祖先思想的进步。　
我们知道，“钻木取火”在人类发展史上有着巨大的意义。可以毫不夸张地讲这是人类科技史上的第一次伟大的革命。随着人工取火的实现，标志着人类已经“在实践上发明机械运动可以转化为热”，“第一次使人类支配了一种自然力，从而最终把人同动物分开”。
有了随时可以制造火的技术，才能使火进入到人类生产和生活的各个领域。在生产上，人们首先发明了用火烧制陶器―――制陶技术的出现，标志着人类对材料的加工第一次改变了材料的性质，从而创造了一种人工材料，并在加工过程中第一次使用了自然能源。后来人类又学会了炼铜和炼铁的技术。世界上最早的生铁冶炼技术，出现在我国春秋时代，到战国时代，铁器已被广泛应用。至东汉时期，已有高五、六米、容积三四十立方米的大型冶铁高炉。在铁的基础上，中国还最早发明了炼钢技术，与炼钢工艺同时还发展了淬火技术。这样，大约到汉末，中国古代的冶铁、铸锻、炼钢和淬火技术已经形成了一个比较完整的体系，各种工艺方法已大致齐备，在当时世界上处于绝对领先地位。从而奠定了整个封建时代最基本的材料的加工技术基础。
在取火和用火的技术条件下，人类实现了从石器向铜器和铁器时代的转换在人类历史上引起了生产工具的革命，大大地推动了农业和手工业的发展，从而使生产力有了前所未有的进步。而且铁器文明不只是技术的发展，还推动了科学的诞生。2、领先世界的中世纪中国物理学
在中国几千年的封建社会里，在战乱不断的历史缝隙里，中国的科学技术并没有放慢前进的步伐，中国古代的科学技术系统逐渐得以提高和充实。并涌现出如王充、张衡、刘徵、祖充之、贾思勰、毕升、沈括等著名的科学家。其中张衡曾制造了世界上最早的利用水力转动的浑象，即浑天仪，以及一种能测定地震震中方向的仪器，定名为“候风地动仪”，这是世界上第一台地震仪，其灵敏度很高，比欧洲地动仪早1700多年；在度量衡这个领域里，不论是我国在远古时期发明的在天文上通过立圭表测影进行观象授时，还是后来人们在实践中发明的利用静水压强来量度时间的仪器―――漏刻，在没有钟表的古代是一项非常了不起的发明，在远距离计量长度时，那时候还发明了计量里程的鼓车，当车前进时，利用车轮的转动，可直接或间接地把车行驶的距离表示出来，这在当时世界上都堪称是首屈一指的；到宋元时期，由于生产的发展，经济的繁荣，实行扶植科技的政策及民族之间、中外之间的科学技术交流，宋元时期的科学和技术在隋唐的基础上，达到了整个古代科学技术发展的高峰。这一时期，冶金技术、名窑瓷器、建筑技术、纺织技术、水利建设、造船和航海技术都有巨大的发展，特别值得一提的是作为中国古代四大发明之一的指南针在不断的改进中已被广泛应用到航海，作为四大发明之一的火药在火器和兵器的改进技术上大显神威，史书上记载的“飞空击贼震天雷炮”和“神火飞鸦”，至今仍作为现代火箭与火箭炮的雏形，作为四大发明之一的胶泥活版印刷术对世界文明的发展与进步起到巨大的推动作用……
总之，中世纪中国科学技术发展的成绩是喜人的，但随着时间的发展，中国科技在以后的岁月里进入缓慢发展时期，而欧洲科技在度过科学的“黑暗时期”之后，正一日千里地兴起，并很快地赶超了中国。 3、后来崛起的辉煌灿烂的西方物理学
在这里值得一提的是西方在这个时期的文明。在封建社会以前，古希腊的科学和文化在欧洲处于领先地位：当时最著名的学者就是后来被西方史学家称为“科学之父”的泰勒斯，他提出了影子与实物长度成正比关系的原理，并利用这一原理准确地测量计算了埃及金字塔的高度；同一时期还出现了另一位为后世称颂不已的古希腊的学者―――毕达哥拉斯，他提出了数学是宇宙万物之本的学说，并以提出毕达哥拉斯定理（即勾股弦定理）而闻名，他还发现了无理数，引起了第一次“数学危机”；还有当时很有影响的科学权威―――留基伯，他和他的继承人德谟克利特提出了原子论，要知道原子论是现代科学的基石；在古希腊学者中，对后世影响最大的人物是集雅典学派之大成的亚里斯多德，他对天文学、物理学、生物学、医学等方面都有深入研究，在当时的自然科学的发展中作出很大的贡献；古希腊学者中还有一位声名显赫的科学家―――阿基米德，他发现了浮力定律、杠杆原理等，并利用杠杆原理，巧妙地发明了滑轮、螺旋器，以阿基米德命名的阿基米德螺线，在现代机械中应用极为广泛，他是一位非常重视实验的发明家，曾创造了许多仪器和机械，特别在军事上发明甚多，此外他在天文学、几何学、数学、圆周率等方面均有特别的贡献。所以科学史上称阿基米德是“站在整个希腊、罗马古代科学家的最高峰而为亚历山达里亚时期增添了光彩”，“是理论天才与实践天才集于一身的理论化身，与近代的伟大人物相匹比，在很多领域都有巨大的独创和真正的发现”……
在中世纪，欧洲在天文物理学方面发展迅猛，成效卓然。其中的代表人物是哥白尼、布鲁诺、第谷和刻卜勒。哥白尼的伟大之处是实现了太阳中心说和前人已有的数学方法的结合，使太阳中心说牢固树立在实际观测与科学运算之上，使科学进入了新纪元。他在1543年出版的《天体运行论》中指出：⑴、地球不是宇宙的中心，而仅仅是引力月球轨道的中心；⑵、所有天体都绕太阳运转，所以太阳在宇宙处于中心位置；⑶、地球到太阳的距离远远小于地球到恒星的距离，所以恒星看起来是不动的；⑷、地球像其他行星一样绕太阳运转，太阳的视运动起因于地球的运动；⑸、行星的表现逆动不是它本身运动引起的，而来自于地球的运动。哥白尼还大体上描绘了太阳系结构的真实图景―――人们看到的日月星辰东升西落，乃是地球自身转动的结果；火星、木星等行星在天空中有时顺行，有时逆行，并非天皇教会所说的“动作奇特，行踪诡秘”，而是由于它的绕日运行的轨道和速度不同所造成的综合表现。哥白尼作为一名天主教徒，十分了解他的学说的“危险性”，所以他迟迟没有发表。经过他的朋友再三敦促，在他去逝的那一年（1543年）才把《天体运行论》手稿复印发表。
意大利天文学家布鲁诺是哥白尼学说的积极宣传者和捍卫者，1584年他发表了《论无限性、宇宙与世界》一书，发展了哥白尼的学说，成著名的天文学家。不幸的是，由于他极力反对地心说，拥护哥白尼的日心说，主张宇宙是无限的，被教会打成异教徒，并于1600年3月17日在罗马的鲜花广场上被活活烧死。
1600年后，刻卜勒当了第谷的助手，开始与第谷合作，这是科学史上科学合作的美妙范例。1601年第谷去世时把他一生中收集的极其珍贵的全部天文资料都留给了刻卜勒，刻卜勒经过认真总结和研究，于1609年出版了他的著作，公布了关于行星运动的两个定律―――“轨道定律”和“面积定律”，又经过9年的研究和无数次运算后，他发现了第三定律―――“周期定律”（关于三大定律，这里不作一一赘述）。刻卜勒行星三大定律的伟大贡献，在于把哥白尼的理论向前推进了一步，为专业天文学家和数学家提供了支持日心说的强有力的论据，被后人称誉他为“天文立法者”。
这里要说的另一位科学家伽利略大家可能比较熟悉（摆的等时性原理和著名的比萨斜塔落体实验），他在近代科学史上，是一位划时代的代表人物，他在天文学、力学、物理学、数学等许多方面都有重大贡献，被公认为近代实验科学的创始人，为后来经典物理学的建立作出不可磨灭的贡献，是当之无愧的“近代物理学之父”。（二）物理学发展的第一个黄金阶段―――经典力学体系的建立
伽利略的出现，开辟了实验物理学的先河，为后来经典物理学的建立提供了大量的论据，但是他的许多发现都是对亚里斯多德学说的否定，因此也受到罗马教廷的警告。他于1632年发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，更加激怒了教会甚至教皇本人。1633年伽利略被宗教裁判所传唤，并被判处终身监禁。在监禁中他克服重重困难，写出了科学巨著《关于两种新科学的对话》。伽利略设法将此著作秘密送到荷兰，于1638年出版，为近代科学的发展作出了巨大的贡献。他在新对话中关于力学知识一系列基本概念和基本定律的总结，成为后来牛顿提出力学三大宣言的基础，不仅如此，他还创立了实验和数学相结合的现代科学研究方法。所以说他是近代物理学的奠基人，是科学的斗士，是打开近代科学大门的人，是不足为过的。
1642年，伽利略逝世了，但另一位未来的科学诞生了，他就是未来的英国物理学家、数学家、天文学家、经典物理学的创始人牛顿。
1661年，18岁的牛顿进入剑桥大学，有机会学到欧几里德的《几何原本》。后来他按照欧几里德的《几何原本》，撰写出他的辉煌之作《自然哲学的数学原理》。1664年，牛顿成为他老师巴罗的助手，1665年伦敦流行瘟疫，牛顿不得不回到家乡。表面上看来，牛顿隐居于穷乡僻壤的田舍山村之中，但是在他的头脑中却掀起科学革命的巨浪。在家乡的一年半时间里，是牛顿一生中创造性得到充分发挥的时期，也是近代科学史上数学、光学、力学的“黄金时代”。他发明了微积分，提出了著名的“万有引力”，他还通过三棱镜把光分解成7种颜色的单色光，从而奠定了现代光学的理论基础。
1666年，牛顿制成了能够放大40多倍的反射望远镜。1671年，他向皇家学会正式提交关于反射望远镜问题的论文；第二年，他又向皇家学会提交《光与色的新理论》。这些光学论文是牛顿显示自己科学才能并把它们公诸于世的第一批科学成果。牛顿在物理学方面，除了取得力学、热学、光学等多方面的成就外，更主要的是他还是经典物理学的开创者。他在伽利略等人工作的基础上，进行了深入的研究，总结出了三大定律，创立了经典力学体系：
牛顿第一定律：
任何物体在受到外力作用而被迫改变自己的状态之前，将保持静止或匀速直线运动状态。
（这就我们今天学习的惯性定律的最初表达）
牛顿第二定律：
动量的改变与所加的力成正比，其方向沿着该作用力的作用方向
（该定律我们将在高中一年级学到牛顿第二定律“力是使物体产生加速度的原因”的最初表达）
牛顿第三定律：
作用力与反作用力大小相等、方向相反。换句话说，两个物体间的相互作用力大小相等、方向相反。
（该定律我们目前初中阶段已经学过，只是没有以定律形式呈现）
牛顿关于物体运动的这三条定律是我们认识一切力学现象的依据，也是整个经典力学的基础。
关于牛顿发现万有引力定律，广泛流传着“苹果落地”的故事，其实这不过是故事而已。即使此事确实发生过，也不应过分夸大这件事本身的意义，只是我们要从这个故事中有所启发，要留心观察自己身边发生的每一个现象。如果说牛顿由于看到苹果落地就发现了万有引力定律，那就历史过于简单化（不过西方一直流传着这个说法，并且有“上帝说：让牛顿去做吧”的普遍说法，足见牛顿当时在科学界的威望）。站在历史的高度客观评价，在对万有引力定律的发现中做出贡献的科学巨人之中，要首推刻卜勒和伽利略。牛顿不过是集大成者，并解决了别人未能解决的问题，走完了最后、最高的一步罢了。德国著名的哲学家黑格尔说过：“被德国人饿死的刻卜勒是现代天体力学的真正奠基者；而牛顿的万有引力定律已经包含在刻卜勒的所有三个定律之中，在第三定律中甚至明显表示出来了。”难怪他在谈到他在自然科学领域的成就时说过这样的谦逊的言辞“就象一个在沙滩上玩耍的小孩拾到几个贝壳而高兴不已”、“我的一切成就都是因为站在巨人肩膀上的缘故”。总之，万有引力定律的诞生，对当时的天体力学乃至于当代天体力学的研究，都提供了最重要的理论保障。
在经典力学创立和不断完善的过程中，人们开始意识到科学方法的重要性，特别是实验方法的重要性。历史上第一个探索新方法的是英国著名的哲学家培根，他在《新工具》一书中主张把经验和理性的职能统一起来，要获得科学知识，首先要进行实验，最后在实践中得出结论，另一位提出实验的科学家是伽利略，他认为真正的科学就是宇宙、自然界，人们必须通过实验去阅读这部“自然之书”。可以说，正是培根和伽利略站在实践和理论上的工作给科学指明了方向，使自然科学脱离了哲学而成为一门独立的学科。要知道雄辩术―――优雅的语言和争论的技巧，在自然科学领域中，是没有用处的，自然科学必须要通过实验事实来说话。事实也无不说明了这一点：后来的托里拆利、帕斯卡、波义尔、牛顿、托马斯.扬、梅曼等科学家的研究成果，都是建立在实验基础之上的。
到了18世纪，牛顿力学向着深度和广度两方面进军。一方面，通过人的努力，近代数学方法广泛用于力学，形成了“分析力学”，它甚至被看做是新的数学分支；另一方面，牛顿力学又与具体物性相结合，形成了“固体力学”、“弹性力学”、“流体力学”等许多力学分支，使力学达到了相当完美的地步。
可以说在伽利略和牛顿时代，力学已形成了严密、完整、系统的科学体系，成为物理学发展史上第一个“黄金时代”。正是由于力学的带动，物理学科已初具规模，并且在另一批科学家的努力下向着更深更广的领域进军。