从诺贝尔物理学奖看物理对社会发展的影响(3)

2019-03-28 15:12

理学奖来代表:1956年肖克利、巴丁和布拉坦因为对半导体的研究和晶体管效应的发现获奖;1952年布洛赫和珀塞尔因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现获奖;1916年穆斯堡尔因为γ辐射的共振吸收的研究和发现与此联系的以他的名字明明的效应获奖;1962年朗道因为作出了凝聚态特别是液氨的先驱性理论获奖;1964年汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫因为从事量子电子学方面的基础工作,这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器获奖;1970年阿尔文以内对磁流体动力学的基础工作和发现、奈尔因为对反铁磁性和铁氧性所作的基础研究和发现获奖;1927年巴丁、库珀和施里弗因为合作发展了通常称为BCS理论的超导电性理论获奖;1973年江崎玲於奈、贾埃沃因为在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现、约瑟夫森因为约瑟夫森效应的发现获奖;1996年戴维·李、奥谢罗夫和R·C里查森因为他为他们在1972年发现了氨-3中的超流动性获奖。2004年戴维·格罗斯、戴维·波利策和弗兰克·维尔切克这三人因1973年发表揭示了粒子物理强相互作用理论中的渐进自由现象的论文而获得诺贝尔物理学奖。

3.4 20世纪第四个25年至现在:物理学发展奇花

怒放

进入20世纪最后一个25年后,物理学的发展更是奇花怒放,其中仍以粒子物理学、凝聚态物理学和天体物理学最为壮观。随着粒子物理学的发展,在自然力的统一性方面取得了新的成果。里克特和丁肇中因为J/ψ粒子的发现获得1976年诺贝尔物理学奖;格拉肖、萨拉姆和温伯格因为建立了弱电统一理论而获1979年诺贝尔物理学奖,克罗宁和菲奇因为C-P破坏的发现获1980年诺贝尔物理学奖;鲁比亚和范德米尔因为发现弱相互作用的传播体W±和Z0的大规模研究方案中所起的决定性贡献而获1984年诺贝尔物理学奖;莱德曼、施瓦茨和斯坦博格因发展了中微子束方法以及通过μ中微子的发现显示轻子的二重态结构所作的贡献而获1988年诺贝尔物理学奖;佩尔因发现了τ轻子、莱因斯因检测中微子而获1995年诺贝尔物理学奖。其中值得注意的是,探测

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和研究微观粒子的手段又有很大进步,有些新的进展甚至是前人无法想象的:拉姆奇因为发明了分离振荡场方法及用之于氢微波激射器及其他原子钟、德墨尔特和保罗因发展了离子捕集技术获得1989年诺贝尔物理学奖;弗里德曼、肯德尔和理查德·泰勒因运用高能加速器进行深度非弹性散射所进行的研究而获得1990年诺贝尔物理学奖;布罗克豪斯因为发展了中子谱学、沙尔因为发展了中子衍射技术而获1994年诺贝尔物理学奖;朱棣文、科恩·塔诺季和菲利普斯因为发展了激光冷却和捕捉原子的方法而获1997年诺贝尔物理学奖。

在凝聚态物理学方面的新进展有:P·W·安德森和范弗勒克对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究(1977年奖);卡皮查在低温研究和磁学方面的成果(1978年奖);凯·西格班在高分辨率电子能谱学方面(1981年奖);K·威尔逊对相变有关的临界现象所作的理论贡献(1982年奖);冯·克利青发现了量子霍尔效应(1985年奖);鲁斯卡发明了电子显微镜、宾尼希和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜(1986年奖);柏诺兹与缪勒发现陶瓷材料中的高温超导电性(1987年奖);德然纳把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物质态,特别是液晶和聚合物(1991年奖)以及劳克林、沃尔夫冈、凯特纳和卡尔·E·威依迈对凝聚态物质性质早期基础性研究(2001年奖)、维他利·金茨堡、阿列克谢·阿布里科索夫及安东尼·莱格特在超导性和超流态两个量子物理学领域的研究(2003年奖)。

在天体物理学方面:彭齐亚斯和R·威尔逊发现了宇宙北京微波辐射(1978年奖);钱德拉塞卡尔对恒星结构和演变的理论研究、福勒对宇宙中化学元素的形成的理论和实验研究(1983年奖);赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了一种新型的脉冲星,这一发现为研究引力开辟了新的可能性(1993年奖);小雷蒙德·戴维斯、小柴昌俊和卡尔多·贾科尼在天体物理学领域做出的先驱性贡献打开了人类观测宇宙的两个新“窗口”(2002年奖)。

诺贝尔物理学奖是20世纪物理学伟大成就的缩影,折射出了现代物理学发展的轨迹和趋势,对科学进步有很大的促进作用。它的颁发体

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现了科学成果的社会价值和历史价值。

第四章 物理学对社会发展的作用

4.1 概述

由历年的诺贝尔物理学奖可以清晰地看出现代物理学发展的轨迹。在现代物理学当中,先进的研究成果,深刻的理论体系,渗透到社会生活的各个领域和层面,对社会的发展起着强有力的推动作用。 从人类的文明出现开始,物理知识便已经和人们的生活紧密联系在一起了。从日常的生产、生活当中,人们总结出了物质的结构、性质及运动的规律等,将其系统化,成为一门崭新的自然学科--科学。那时,科学所包含的知识是广博的,囊括了自然科学的所有领域。人们将通过实践活动总结出来的知识不断积累,不断补充到科学中去。

随着社会的不断发展和人类对客观世界的认识的逐步深入,科学被细分为物理、医学、数学、生理等方面,而其中物理是与人们的生产、生活联系最为紧密的一门科学。日益丰富的物理原理应用于人们的各种实践活动中,使各领域的实践活动的效率不断提高,也推动着社会的发展和社会各领域的变革。其中最为突出的是瓦特蒸汽机的发明。蒸汽机的出现从根本上提高了整个社会的生产力,直接导致了轰轰烈烈的欧洲工业革命。

物理实践的发展促使物理学家们不断完善物理理论。19世纪,在伽利略、牛顿等人建立的经典力学的基础上,物理学的各分支学科都得到了发展。经典物理学达到了颠峰时期。而此时,经典物理学的知识已经完全应用于人们对世界的探索和认识,成为社会实践活动的理论指导,人类社会的面貌有了很大的进步和提高。其中最具有代表性的是将电磁场理论应用到社会生产和生活从而使人类进入了电气化时代。 随后,物理的理论研究与实践活动不断深化,从物理中分离出化学成为单独的学科。与此同时,物理学却出现了一些“不和谐”的音符,一些实验现象是传统的经典物理学观点所不能够合理解释的。于是,新

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的理论在曲折中诞生了,这就是量子论和相对论。新理论颠覆了旧的知识体系,开创了现代物理学,印发了物理学一系列新理论、新发现,并迅速使科学转化为技术,如X射线的广泛应用、核技术在生产、军事等领域的应用等,诞生了影响生活的IT产业、无线电报产业等等。

4.2 物理学与当代科学技术

4.2.1物理学与数学

物理学与数学的关系密切,源远流长。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重要贡献。此风一直延伸到19世纪末、20世纪初。当时的一些大数学家如庞加莱、克莱因、希尔伯特等,尽管学术倾向不尽相同,但都精通理论物理。

1950年代初,杨振宁等提出的规范场论,赋予了微分几何中纤维丛这类相当抽象概念具体的物理意义,不啻是物理学与数学之间内在联系的见证。1990年,作为数学界最高荣誉的菲尔兹奖,破天荒地授予一位从事超弦理论研究的理论物理学家威滕,也是一种表明两大学科在重新靠拢的信号。另一方面是电子计算机发展的结果。它的发展得到了一些有远见的数学家如冯·诺伊曼、图灵等的关注。计算机的高速发展,不仅在技术上成果累累,理论上也有其重要意义。过去物理学所津津乐道的是运动方程式的可积问题,特别是可以用函数解析式来表示的问题(如谐振子、二体运动等),显示出对于运动状态高度精确的可预测性。经典物理是如此,量子物理也是如此。但可积问题只是少数特殊情况,多数问题是不可积的,由于数学上求解困难,只有数值计算的结果,因而对于这类问题的物理本质理解不透。计算技术的进展,大大地促进了这一领域的发展,为现代非线性物理这一新学科分支奠定了基础。

4.2.2 物理学与天文学

物理学与天文学的关系更是密不可分,也可以追溯到早期的开普勒与牛顿。到了当代,提供天文学信息的已从可见光扩展到无线电波乃至X射线宽广的电磁波频段,这依赖于现代物理学所提供的各种探测手

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段。另一方面,天文学提供了地球上实验室所不具备的极端条件,如高温、高压、高能粒子、强引力等,是检验物理学理论的理想实验室。因此,毫不奇怪,几乎所有广义相对论的证据都来自天文观测。正电子是首先在宇宙线研究中观测到的,为粒子物理学的创建做出了贡献。贝特的热核反应理论是首先为解释太阳能源问题而提出的。朗道、奥本海默等人的中子星理论,由休伊什与贝尔发现脉冲星而得到证实。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。从二十世纪七十年代以来,诺贝尔物理学奖频频授予天文学家,也是天文学与现代物理学密不可分的一个标志。

4.2.3物理学与化学

物理学与化学唇齿相依、息息相关。热力学、统计物理和量子力学都在化学中获得了重要应用。在19世纪,吉布斯的工作横跨了这两个学科,得到学术界的尊重;在20世纪德拜、昂萨格也是如此。

物理和化学实际上是互为补充、不可偏废的。随着固体物理学发展为凝聚态物理学,研究对象日益深入到更加复杂的物质结构层次:就半导体而言,从硅、锗等元素半导体,到Ⅲ-Ⅴ与Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体,乃至于聚乙炔这类有机半导体;就超导体而言,从合金超导体,到氧化物和有机超导体,也都反映了结构复杂化的趋势,愈来愈需要化学家的配合与协助。凝聚态物理学的概念和方法,也促进了液晶科学、高分子科学和分子膜科学的日趋成熟,导致了软物质科学的建立。这是化学家和物理学家共同努力的成果。另一方面,化学反应动力学这一化学的基本问题,得到分子束、激光束等新实验技术的推动;和量子力学、统计物理、原子物理、分子物理等理论分析的配合,成为当今化学发展的前沿领域,也是物理学家大有用武之地的一个领域。还有在原子、分子和大块凝聚态物质之间新开辟的研究领域,即团簇,得到物理学界和化学界的共同关注。

4.2.4物理学与生命科学

从聚合物和复杂结构的分子再前进一步,就到达生物大分子,接触到分子生物学的核心问题。从19世纪后期起,生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作,在孟德尔、摩尔根、缪勒等人所得规律的基

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