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知识 技术 思想－－物理学的发展、应用带来的思考与启迪
作者：佚名    文章来源：本站原创    点击数：    更新时间：2004-7-23    
知识 技术 思想－－物理学的发展、应用带来的思考与启迪
2004年7月5日  作者：姜民  
我们正处于世纪之交的年代，而上个世纪末经典物理学与现代物理学的交锋似仍历历在目。被开尔文勋爵称之为《19世纪热和光的动力理论上空的乌云》波动理论和能量统计方面的问题的深入研究和解决，带来了物理学翻天覆地的变化。量子论和相对论，开辟了物理学的新纪元。

    20世纪中，物理学已发展成相当庞大的中心科学，形成了许多独立的分支，如原子分子物理、原子核物理、粒子物理、凝聚态物理、等离子体物理、现代光学、低温物理学、耗散结构理论、混沌物理学等；而物理学与其他基础学科的结合，又形成许多边缘学科：如化学物理、生物物理、天体物理、地球物理、大气与海洋物理学等。在推进人类对自然的观察认识中，物理不断扩大人类的视野，大到上天入地——天体、宇宙物理学，海洋声学等；小到探微览幽——粒子物理学等，构成了向微观、宏观、宇观等领域的复杂的探索前沿。指出了新世纪物理学发展的艰苦道路和灿烂前景。

    另一方面，物理学的基础理论成果，更是新技术的驱动力，包括一系列高新技术的现代技术群中，几乎没有一项与物理无密切关系。如新能源技术(核能、潮汐能、风能、地热能和太 阳能的利用)；核技术(同位素与辐射技术的应用等)；微电子技术(各种大规模集成电路的应用)；计算机技术(光子计算机、神经网络、智能计算机及量子计算机的研制)；信息技术(信息传输、接收、存储、处理等，光纤通信)；激光技术(各波段及类型的激光器在各领域的应用)；空间技术(卫星发射及通信、遥感、遥测、遥控、各种航天器及宇宙探测装置等)；材料技术(导电、半导体、绝缘、耐高温、热电、光电、抗辐射等多种材料)；极端物理条件技术(强电、强磁、强光、超高温、超高压、超真空，极低温、超导等)；生物技术与海洋技术等。而这些高新技术为支柱支撑起的高技术产业群正蜂拥形成并快速发展，给传统生产方式和产业结构带来深刻变革，渗透到经济和社会的各个领域，并导致人类生活方式、社会结构和思维方式的变革与发展。这其间物理学的作用是显而易见和未可限量的。

    随着物理学理论的不断重大突破，我们也更加意识到每再迈出关键的一步要付出的努力更加艰辛。古代科学家可以根据日常生活的现象发现和总结出物理规律；十八九世纪的试验也有很多在普通试验条件下即可完成并有重大发现；可现在就必须在特定环境、条件下，特定设备和雄厚资金支持下，艰难地去实现。就拿1998年获诺贝尔物理学奖的内容——分数量子霍尔效应的发现而言：早在1879年，身为学生的霍尔就在试验中意外地发现了霍尔效应；而直到1980年，德国物理学家冯·克利青才发现了整数量子霍尔效应(试验需极低温和强磁场的条件)；而分数量子霍尔效应的研究又是在整数量子霍尔效应发现两年后，在著名的贝尔实验室，由美国斯坦福大学的劳克林、哥伦比亚大学的施特默与普林斯顿大学的崔琦(美籍华人)等人经过大量艰苦试验和理论分析得出的。从这个实例不难看出，物理学未来发展并不是一条坦途，它需要深厚的理论基础、科学的思想方法和持之以恒的努力。特别是需要一大批投身物理事业的生力军。但是，实际情况却不容乐观，不少国家(包括中国)物理工作人员的年龄呈逐渐老化趋势，后备力量不足。造成这种情况的原因当然是多方面的，如经济效益的冲击，安逸的感召使年轻人择业时更倾向于选择新兴时髦效益好的职业，而冷落了需埋头钻研而见效较慢的物理研究。但我认为，在中国还有一个很重要的原因是中学物理基础教育的内容和思想相对滞后，为应试而进行的一系列知识与技巧的强化训练掩盖了物理思维方式、研究方法本身的科学魅力，较为陈旧的内容也使学生看不到物理与飞速发展的现实生活的密切联系。说白了，不少学生就是因为高考要考物理才学习这门课，这样被动地学习，怎么可能让他投身物理事业呢?

    要改变这种现状，我们中学物理教师有着义不容辞的责任。当然我们也许无力改变社会的、经济的诸多因素，但我们却可以通过自己的努力，去让学生认识到物理学对人类的重要意义物理学的科学美；帮助学生树立正确的科学方法论和现代的科学思想，特别是后者，将影响他们一生的事业、理想与追求。如果我们真能达到这个目的，受益的就不仅仅是物理这一门学科了。总而言之，我们要以物理自身为武器，争夺下一代人才。

    要达到上述目的，首先我们教师就要不断吸取新知识、新思想，更新认识和观念。特别是要加强物理学科学方法论的学习。随着物理学理论的重大突破，物理学的思想方法也取得了一些重要进展。首先是现代物理学的发展，使从前由大量经验归纳得出结论的方法，逐渐让位给探索性的演绎法，也就是以完整的概念、有效的基本定律为基础，用逻辑推理得出结论的“唯理论”方法。换言之，理论的发现可以超前于试验现象的出现。如爱因斯坦广义相对论的提出。当然仅有理论是不够的，还需在实践中不断由试验去修正、完善理论。这种思想方式称为“唯理论的实在论”，它为我们提出了理论与实践的一种新型关系，更利于物理学的发展。其次，物理学家曾长期追求“简单性原则”——用尽可能少的假说的公理通过逻辑演绎，概括尽可能多的试验事实，这种思想一度取得了很完美的结果，不少科学家也被自然界展现的令人震惊的简单性和完整性所吸引而致力于大统一的理论。但随着科学的发展，自然界的复杂性和多样性逐渐被揭示，仅用一些简单的、线性的对称、平衡、可逆的关系来解释自然现象已远远不够。因此耗散结构理论、混沌理论等一批非线性相互作用的学科正在形成和发展，把这种复杂性的探索引向深入，打破已有的封闭的体系，以揭开更多的自然奥秘。例如长期统治物理学的“对称”思想，就受到对称性破缺的冲击，虽然表面的完美破坏了，但是却打破了均衡、静止、不变的秩序，带给我们更为多彩的物理现象，从而促进人类对自然的认识和文明的发展。再有，物理学发展中数学的作用日益扩展，物理学规律的表述、思考、推理和营构理论框架都离不开数学，在一定意义上，数学成了物理的收敛中心。而现代物理学理论上的突破，都与某种数学方法的引入相联系。如爱因斯坦相对论与四维对称性的数学结构，量子力学与矩阵运算及波动方程，以及与现代物理内容密切相关的黎曼几何、纤维丛、群论、混沌与分形等抽象的数学知识，无一不说明着数学“入侵”物理学的重要性。更令人惊讶的是某些数学中被认为有意义的规则，最后大多能在物理学中找到它的应用和试验基础，也就是数学对物理起到了一定的引导作用。可见，这两门学科的深层基础中，存在着内在的一致和统一，这就是科学的神奇和魔力。同时，近年来现代科学的发展，也显示出东方古老哲学思想的整体性与辩证性在物理研究中的意义……这些新的思想不断冲击着我们的头脑，我们必须不断地吐故纳新，树立起正确的科学方法论，并在教学中逐步渗透给学生。我想这些会非常有利于把年轻人重新吸引到探索自然奥秘的工作中，为物理学、为自然科学、最终为人类自身的文明与发展而努力奋斗。
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