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物理学百年辉煌

(2005年03月05日 16:52:43)

□作者:

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爱因斯坦开辟了近代科学的新纪元
 爱因斯坦开辟了近代科学的新纪元
  爱因斯坦1879年3月出生于德国乌耳姆的一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后,全家迁居慕尼黑。他的父亲和任电气工程师的叔叔在那里合办了一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。在其叔叔的影响下,爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。
  爱因斯坦早期从业余研究工作开始他的科学生涯。1905年,26岁的爱因斯坦一连创作了6篇论文,先后发表在德国莱比锡《物理学杂志》上,震撼了世界。因此,这一年被称为人类历史上的“奇迹年”,以其三个不同领域取得了划时代的成就,奠定了爱因斯坦作为20世纪科学巨人的基础。
  一是光量子假说。爱因斯坦在1905年3月发表的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,是关于光的基本性质的论述,提出“光量子”理论,把1900年普朗克创立的量子论概念进一步扩充到光辐射的发射和吸收,这是人类历史上第一次揭示微观客体的波粒二象性,这篇论文也成为爱因斯坦以后(1921年)获得诺贝尔物理学奖的重要论文。
  二是分子运动论。爱因斯坦在1905年4月发表的《分子大小的新测定法》、5月发表的《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》和12月发表的《关于布朗运动的理论》中,不仅在理论上完全解决了1827年发现的布朗运动,而且提出了测定分子大小的新方法。此后,他的理论预测被科学家的实验证实,并得到各国科学家一致认可,分子和原子的实在性问题已无任何怀疑的余地。
  三是狭义相对论。爱因斯坦1905年6月发表论文《论动体的电动力学》中,总结了他青少年时代多年的探索结果,从更高的着眼点和更广的视角出发,提出了狭义相对论的基本思想和基本内容,大胆地摒弃了牛顿的绝对空间和绝对时间概念,代之为三维空间加上时间的四维空一时新概念,并把伽利略发现的力学运动的相对性提升为相对性原理,认为自然规律与观察者的运动状态无关。同时,又把光速对于任何观察者都是不变的这一实验事实也提升为光速不变原理。从这两条原理出发,他建立起一套完整的理论,后来被人们称为“相对论”。
  爱因斯坦又在同年发表论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗》,它作为相对论的一个重要推论,提出了质(m)能(E)关系式:E=mc2(此处光速C=3X108米/秒)。上式表明,一个具有质量m的物体,一定具有能量E。假使质量是物质的量的一种度量,能量是运动的量的一种度量,则不存在没有运动的物质,也不存在没有物质的运动,物质和运动之间存在着不可分割的联系。从E=mc2来看,某物体贮存的能量等于该物体的质量与光速平方的乘积,这个数量大到令人难以想象的程度。例如,l克物质全部转化成的能量,相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能,或相当于2500万度的电能,或相当于22500吨TNT爆炸时所释放的能量。这在理论上为原子能的释放和利用开辟了道路,也被后来核能的利用所证实。

  20世纪现代物理的全面发展,深刻地改变了人类社会的面貌
  在爱因斯但随后的研究中,他于1915年又发表了《关于广义相对论》和《引力的场方程》,建立了广义相对论,提出了广义相对论引力场方程的完整形式。特别是深刻地揭示了时空和物质的统一性,并引发了一场科学、哲学和思想方法的伟大变革。20世纪初叶量子力学的建立和发展,以普明克、薛定谔、海森堡、波尔和狄拉克等为代表的著名物理学家做出了重要贡献。相对论和量子力学实质上奠定了整个现代科学与技术的基础,为人类社会的文明与进步做出了前所未有的贡献。例如,现代化学和生命科学的基础都是相对论和量子力学,得以在较高的层次上表现为物理学、化学与生物学的更加紧密联系和更加明显的相互促进,尤其以分子水平的生命现象是以物理、化学的运动形式为基础。又如,相对论和量子力学同样是现代新技术的重要基础,人们熟知的激光技术,其原理是基于爱因斯坦1916年提出的受激辐射概念。
  人们看到,物理学是自然科学中最基本的科学。它研究物质运动的一般规律及其基本结构,这不仅影响着自然科学各个领域的发展,而且对高新技术和工程科学的发展产生巨大的推动。回顾上个世纪,以相对论和量子力学奠基现代物理发展,其主要特征为:一是向微观世界深处探索,研究原子核、基本粒子等层次的物质微观结构、相互作用和相互转化运动的规律;二是向广阔的宇宙扩展,与天文学相结合,研究大尺度天区的结构、运动和演化;三是研究更加复杂的物质结构和运动现象,并向其他学科广泛渗透,如研究化学和生物过程中的规律。当今,物理学已发展成为相当庞大的一门科学,并形成了众多分支学科,如高能物理(又称粒子物理)、核物理、凝聚态物理、原子分子和光物理、等离子体物理、声学、理论物理,等等。与此同时,物理学与其他基础学科相结合又形成许多交叉学科,如化学物理(量子化学)、生物物理、天体物理、地球地理、海洋物理等。
  20世纪物理学的蓬勃发展,使人类对物质世界的认识深入到新的层次和领域,为现代自然科学和技术科学提供了理论基础。同时,由物理学研究衍生的新技术、新方法及新手段层出不穷,其中包括新能源技术、核技术、半导体技术和微电子技术、信息技术、空间技术、激光技术、材料技术、极端物理技术、生物医学技术、农业技术等。以这些高技术的重大进步和创新为基础,支撑着高技术产业群的形成和发展,并迅速向经济和社会各领域渗透,推动社会生产力的飞跃发展,从而导致人类生活方式及人们观念的深刻变化。

  迎接2005世界物理年
  50年前(1955年),76岁的爱因斯坦在他创立相对论50年后,在美国普林斯顿与世长辞。然而,他的名字,他的相对论,他的科学功绩,在人们心中矗立起一座无形的丰碑。“2005世界物理年”的倡议最初是由欧洲物理学会在2000年召开的“第三届世界物理学会大会”上提出的。2002年,国际纯粹与应用物理联合会第24次全体大会一致通过了该倡议。联合国教科文组织在2003年召开的32次全体会议上,表决通过了支持2005年为世界物理年的倡议。2004年6月10日,联合国召开第58次会议通过了2005年为“国际物理年”的决议。这是全球物理学界的共同心声和意愿,是值得庆贺与行动的,已有许多国家纷纷出台纪念活动计划。
  从历史上看,物理学的发展对全世界三次大的技术革命起到了最为关键的主导作用。因此,可以毫不夸张地说,很难举出人类哪一方面的知识领域是和物理学无关的。物理现象存在于生活的每一个角落,发生在宇宙的每一个地方。物理学的研究成果源源不断地得到应用,而社会又对物理学不断提出新的研究课题。在科学以空前的规模和速度突飞猛进的今天,尤其需要从各种角度、各种层次来考察和探讨:物理学将给人们提供什么新的观念?物理学怎样推动社会前进?社会又将如何有效地发挥物理学的作用并促进物理学的发展?但是,近年来,社会公众的物理意识在削弱、淡薄,长此下去,物理学的发展势必受到影响。全球举行“2005世界物理年”,其主题是“物理学与社会”,它的宗旨是一方面鼓励和推动物理学工作者继续为人类社会的进步与文明做出新的贡献,同时,通过展示物理在社会、经济、技术、文化等方面的重要作用,在全球范围内争取公众对物理学的理解与支持,坚定公众对物理学的信念,推动物理教育,培育物理人才,使物理学在21世纪得到新的发展。
  中国物理学会作为“2005世界物理年”活动的国内主要组织单位之一,从学会创立开始,始终将推动中国物理学事业的发展、促进中国物理人才的培养工作放在首位。在“2005世界物理年”到来之际,中国物理学会将组织或参与组织系列纪念、宣传活动,为提高全民科学文化素养做出应有贡献。作为“2005世界物理年”的组成部分,国内活动计划主要是:编制和出版介绍100年来物理学发展的大型海报;推荐出版40余种物理学优秀科普图书;举办“2005世界物理年”大型报告会(2005年6月,北京);举办物理与交叉科学专题研讨会,计划在中国科协2005年学术年会(新疆)组织分会场,主题为其他学科领域的科学家谈物理;在中国物理学会2005年秋季学术会议上(2005年9月18~20日,武汉),邀请现任欧洲物理学会主席马丁·休伯(MartinHuber)教授做报告,并组织“2005世界物理年”专题报告;组织知识竞赛及夏令营、发行邮资封等活动。参与国际性纪念活动有:“物理照耀世界”全球性光束传递活动(2005年4月19日),国内主办单位为中国科协青少年工作部、中国物理学会;欧洲物理学会(EPS)“2005世界物理年”系列庆祝活动(2005年7月,瑞士);物理学与可持续发展世界大会(2005年10月底,南非),主办单位为联合国教科文组织、国际纯粹与应用物理联合会、国际理论物理中心。

  展望物理学未来的发展
  物理学与数学、化学等其他基础学科共同成为当代自然科学迅猛发展的基础。人类在20世纪构筑的相对论、量子论和基因论等基础理论和所认识的自然现象,形成了创造自然、改造自然的强大力量。特别是对于物质变化、能量转化、生命本质以及信息交换等领域的发展引发根本性的变革。物理学在上述研究领域中,其研究对象主要为:超大体系,如天体起源等;超小体系,如原子核、基本粒子等;多元复杂体系,如流体、高分子、生物分子;以及物质在超强电、磁场,超光场,超高质,超低温、超快过程等极端条件下的运动规律及其性质。在新世纪中,物理学更应把宏观和微观结合成一体,尤其是物质科学领域仍向时空极端方向扩展,研究其中若干基本物理学问题,如宇宙与物质结构等。这是物理学进一步发展的背景和动力的一个重要方面,使物理学科自身在不同层次上不断得到丰富和发展。
  物理学向其他学科的渗透与交叉在21世纪将会更加明显。物理学工作者投身到研究生命、研究材料的队伍中去,并在化学、生物学、材料科学等交叉领域中,使物理学为解决生命科学与生物技术、纳米技术等重大科技问题有所作为。例如,物理学的非线性理论和混沌理论等新理论、新方法将对多元复杂体系的研究产生影响。与物理学联系的信息技术与计算机技术方面,发展量子通讯和量子计算方法,以及按照预定性能要求设计新型分子或纳米体系,为其芯片材料和系统开辟新的方向,进一步扩展信息与通信领域的开发和应用等。
  当前,我国所面临的挑战有人口控制、公共健康、环境保护、资源利用等重要问题,这是关系着国家可持续发展的重大社会经济问题,对促进国民经济稳定健康发展、改善国民生活质量息息相关,应引起物理学工作者的关注。物理学者们从物理学的角度,通过物理学的理论、方法和技术解决其中的某些问题,为我国的持续发展和民族振兴作出应有贡献。
  应该看到,我国物理学近年来得到了很大发展,但与世界一流水平相比还有相当差距。目前,我国物理学界要克服浮躁情绪,树立远大目标,增强自信心,大胆做前人或别人没有做过的工作,持之以恒,以10年或20年的努力,使我国物理学研究有更多的领域跻身于国际先进行列。
  让我们在新世纪积极行动起来,坚信物理学这门20世纪被誉为“科学先驱”的基础学科,在全球物理学工作者及社会公众、各国政府的共同努力与支持下,创造物理学更加光辉的未来!并预祝“2005世界物理年”圆满成功!
 


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文章评论:
  1. 我不能离开地球吗?试试看! (2007年03月15日 07:29:14 - 游客)
    如果像氢气球一样,我没什么速度,只不过一直向上升,然道不能离开地球吗?注意我一直往地球引力的反方向上升,而没有外星的其它方向引力!
  2. 7fyyj (2006年04月12日 13:56:12 - 游客)
    gwggebdzv
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