物理专业课程论文
物理学对科学技术发展的作用 内容摘要
要了解物理学对科学技术发展的作用,必须明确物理学在整个科学技术中所处的地位。按照目前普遍的看法,整个科学技术可以分为两大类:其一是基础科学,包括天、地、数、理、化;其二是技术分支科学,包括各种技术学科分支,如机械技术、热工技术、电力技术、电子技术、原子能技术等。基础科学是技术科学的分支源泉,技术科学是基础科学的应用。基础科学,特别作为近代技术发展支柱的物理学,自它形成自己的理论体系以后,对新技术的形成和发展影响是相当深刻的。这种影响,可以从第一次工业革命(蒸汽机革命)、第二次工业革命(电力革命)、原子能革命和目前的信息革命四个阶段中明显体现出来,它带来的巨大技术进步,不仅直接推动着生产力的发展,而且还影响着社会各方面(包括政治、经济、文化、教育等)的进步,以至于发展到现阶段,人类物质文明和精神文明的生产,无不体现着物理学研究成果的广泛应用。 关键词:暗物质、暗能量、物理学、科学技术、推动进步。
一、物理学是怎样影响着新的科学技术的形成和发展呢? 其一,物理学为新的科学技术的形成提供科学原理
例如,牛顿力学为机械技术提供机械原理,热力学为热工技术提供热工原理,电磁理论为电力技术提供电工原理。机械技术、热工技术、和电力技术被称为近代工程技术的基础,一切新技术的形成和发展,都是在这三大技术基础上应用物理学原理的结果。20世纪形成和发展起来的新技术就是这样。火箭技术应用的是力学的反冲原理,无线电技术应用的是电磁波理论,原子能开发应用的是爱因斯坦的质能关系,激光技术应用的是光的受激发原理,高速测量技术应用的是多普勒原理等等。
其二,物理学为发展新科学技术开拓领域
这方面的事例,在现代技术发展中是层出不穷的,可以说,当代的一些重大技术,如电子技术、原子能技术等,都是应用物理学知识开拓的新德技术领域。但是,现代物理学得发展,往往已经远离了生产实际,而按自己的理论体系前进,因而也就很难评价出某一物理研究成果实用价值;只有当新的发现预示着新技术
领域开拓的时候,才能看清它的实用价值,当初就连研究原子核的头号科学家卢瑟福在临死时也持否定态度,但自从发现中子以后,情况便急转直下,特别是运用中子实现核裂变,只经过六年时间就研制成了原子弹,并形成了一整套的原子能开发技术。又如,在19世纪,在研究无线电越过大西洋实现远距离通讯的静电干扰时,发现有一个噪声源,怎么也消除不了。后来发现,这种噪声是来自银河系的一种电磁波。这表明,天体除了发光外,还有无线电辐射。不同的天体,不同的时间,辐射的电磁波频率不完全一样。这一现象的提出本出自对通讯技术的有害干扰,但利用无线电的技术,研究天体电磁波辐射频率的变化和规律,进而了解天体物质组成和演化规律,却开拓了射电技术领域,促进了射电天文学的发展。
其三,物理学为新科学技术的发展解决重大难题
技术发展到一定阶段,往往会出现妨碍它进一步发展的重大困难。这种困难的出现,往往是由于对物质的结构和规律缺乏认识造成的,一旦对这些有了进一步的认识,技术困难便得到顺利的解决。例如,在前面已经提到的光线纤维的制造就是这样。一根光学纤维要求制成直径为100微米、长数公里或数十公里而始终保持极高的透明度,才能实现激光通讯,开始处于盲目阶段,成功率极低,造价非常之昂贵,实用上碰到极大的困难;后来才发现使用率极低的原因主要是对这种材料微观结构的认识,结果运用固体理论,通过理论计算对生产的条件提出要求,从而创造出净化条件使光学纤维制造获得了成功。
其四,物理学与其它学科的紧密联系推动新科学技术的全面发展
物理学与数学之间有深刻的内在联系。物理学不满足于定性地说明现象,或者简单地用文字记载事实,为了尽可能准确地从数量关系上去掌握物理规律,数学就成为物理学不可缺少的工具,而丰富多彩的物理世界又为数学研究开辟了广阔的天地。物理学与数学的关系密切,渊源流长。历史上有许多著名科学家,如牛顿、欧拉、高斯等,对于这两门科学都做出了重要贡献。19世纪末、20世纪初的一些大数学家如彭加勒、克莱因、希尔柏特等,尽管学术倾向不同,但都精通理论物理。近代物理学中关于混沌现象的研究也是物理学与数学相互结合的结果。
物理学与天文学的关系更是密不可分,它可以追溯到早期开普勒与牛顿对行
星运动的研究。现在提供天文学信息的波段已经从可见光频段扩展到从无线电波到X 射线宽广的电磁波频段,已采用了现代物理所提供的各种探测手段。热核反应理论是首先为解释太阳能源问题而提出的,中子星理论则因脉冲星的发现得到证实,而现代宇宙论的标准模型——大爆炸理论,是完全建立在粒子物理理论基础上的。
其五,物理学研究的方法对新科学技术技术的发展有重大引导作用
物理学史告诉我们,新的物理概念和物理观念的确立是人类认识史上的一个飞跃,只有冲破旧的传统观念的束缚才能得以问世。例如普朗克的能量子假设,由于突破了“能量连续变化”的传统观念,而遭到当时物理学界的反对。普朗克本人由于受到传统观念的束缚,在他提出能量子假设后多年,长期惴惴不安,一直徘徊不前,总想回到经典物理的立场。同样,狭义相对论也是爱因斯坦在突破了牛顿的绝对时空观的束缚,形成了相对论时空观的基础上建立的。而洛伦兹由于受到绝对时空观的束缚,他提出了正确的坐标变换式,但不承认变换式中的时间是真实时间,一直提不出狭义相对论。这说明正确的科学观与世界观的确立,对科学的发展具有重要的作用。
物理学是理论和实验紧密结合的科学。物理学中很多重大的发现,重要原理的提出和发展都体现了实验与理论的辩证关系:实验是理论的基础,理论的正确与否要接受实验的检验,而理论对实验又有重要的指导作用,二者的结合推动物理学向前发展。一般物理学家在认识论上都坚持科学理论是对客观实在的描述,著名理论物理学家薛定谔声称物理学是“绝对客观真理的载体”
物理学的最前沿
2012年诺贝尔物理学获得者是塞吉·哈罗什和大卫·维恩兰德。这两位科学家开启了量子物理学实验领域的崭新大门,因为他们向我们展示了对于单个量子粒子进行直接测量而不破坏其量子状态是可能做到的。对于单个的光火物质粒子而言,经典物理学已经不适用,量子力学取而代之。但是单个粒子很难从其周围的环境中被分离出来,并且一旦它和周围环境发生相互作用便会立即丧失其神秘的量子特性。这样一来很多在量子力学中预言的怪异现象就将不再能被直接观察到,因此科学家们只能借助那些可能会影响其量子特性的实验方法来进行观察研究。量子物理学家塞吉·哈罗什和大卫·维恩兰德各自带领着自己的研究小组发
展出一种方法,可以用于测量并操控非常脆弱的量子态,而这在之前是被认为是不可能进行直接观察的。有了他们开发的新方法,物理学家们得以研究,操控粒子或对粒子进行计数。这两位科学家的开创性工作让研究者们向着研制具有惊人运算速度的量子计算机迈出了坚实的第一步。或许就在这个世纪,量子计算机敬爱那个彻底改变我们的日常生活,正如传统计算机在上个世纪彻底颠覆我们的生活方式一样。他们的工作还将帮助研制超高精度钟表,它将奠定未来精确计时的基础,其精确度将比今天所使用的铯原子钟高出数百倍。
当今物理学的几大难题
难题一:什么是暗物质
我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%。各种测算方法都证实,宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子: neutralino 和axions (轴子),但这仅是物理学的理论推测,并未探测到。据认为,这三种粒子都不带电,因此无法吸收或反射光,但其性质稳定,所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。
难题二:什么是暗能量
宇宙学最近的两个发现证实,普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分,它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的一个证据,来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为,所有物质都会改变它周围时空的形状。因此,宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对大爆炸剩余能量的研究显示,宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这也反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现,宇宙的质量密度仍
少了2/3。
难题三:从铁到铀的重元素如何形成
暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部,核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说,四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况,它提供了地球需要的热量。
当核聚变产生比铁重的元素时,就需要大量的中子。因此,天文学家认为,较重的原子形成于超新星爆炸过程中,其中有大量现成的中子,尽管其成因还不清楚。最近,一些科学家已确定,至少一些最重的元素,如金、铅等,是形成于更强的爆炸中,当两颗中子星——微型的、燃烧后的星球遗骸——相撞塌陷成为黑洞时。
难题四:中微子有质量吗
不久前,物理学家还认为中微子没有质量,但最近的进展表明,这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据,找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加,因为大爆炸留下了大量的中微子。
难题五:超高能粒子从哪里来
太空中能量最大的粒子,其中包括中微子、Y 射线光子和其他各种形式的亚原子榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球;当你读这篇文章的时候,可能正有几个穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大,以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中产生。科学家估计的来源是:创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波,以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质。了解这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量,将有助于研究这些物体的活动情况。
难题六:超高温度和密度之下是否有新的物质形态
在能量极大的情况下,物质经历一系列的变化,原子分裂成其最小的组成部分。这些部分就是基本的粒子,即夸克和轻子,据目前所知它们不能再分成更小的部分。夸克性质极其活跃,在自然状态下无法单独存在。它们会与其他夸克组成光子和中子,两者再与轻子结合形成整个原子。
这都是现有科学可以推测的,但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时,原子的基本成分有可能会完全分离开来。形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态,即一种夸克一胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下,等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。
要使这些力量结合起来,就必须要有一种新的超大粒子——规范玻色子,如果它存在的话,就可以使夸克转变为其他粒子,从而使每个原子中心的光子衰变。假如物理学家证明光子能够衰变,那么这一发现就会证明有新力量的存在。 难题七:光子是不稳定的吗
如果你担心组成你的光子会分解蜕变,将你变成一堆基本粒子和自由能量,那大可不必为此着急。各种观察和试验表明,光子的稳定时间至少在10的33次方年。然而,许多物理学家认为,如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式,前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来,使夸克及其组成的光子衰退。
如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病,那也是情有可原的,因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯的测不准原理,我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置,这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此,一个巨大的玻色子在一个夸克中生成,在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。
结束语
虽然现在物理学正面临着很大的挑战,但是物理学的每一次突破都将会促进科学技术的巨大进步,都将会给人类社会带来巨大的改变。我相信随着社会和科技的进步,这些难题都将会被克服,我们也将因此获得更大的益处。
当前我国为了积极跟踪世界新科学技术,要努力在生物工程、电子技术、自动化技术、新材料、新能源、航空航天、海洋工程、激光、超导、通讯等等新技术领域取得新的科技发展。这些科技发展,都是与物理学的应用有着非常密切关系的。
参考文献
《从古代物理到现代物理》 肖尚征、刘佳寿著
《简明科学技术史话》 申漳著
《物理学史》 【德】M.V . 劳厄著,范岱年、戴念祖译
《物理学的进化》爱因斯坦、英费尔德著,周肇咸译
《近代物理学介绍》 《物理通报》编辑委员会编
《普通物理学》福里斯、季莫列娃著,人民教育出版社出版
《狭义相对论和广义相对论》爱因斯坦著、杨润殷
物理学导论课论文
《物理学对科学技术发展的作用》
姓名:李亮亮
性别:男
学号:2012213917
班级:物理师范4班