物理學(xué)在科技創(chuàng)新中的效用

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摘要：論述了X射線的發(fā)現(xiàn)，不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大發(fā)現(xiàn)；半導(dǎo)體的發(fā)明，使微電子產(chǎn)業(yè)稱雄20世紀(jì)，并促進(jìn)信息技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)；原子能理論的提出，使原子能逐步取代石化能源，給人類提供巨大的清潔能源；激光理論的提出及激光器的發(fā)明，使激光在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、通信、軍事上得到廣泛應(yīng)用；藍(lán)光LED的發(fā)明，將點(diǎn)亮整個(gè)21世紀(jì).事實(shí)告訴我們，是物理學(xué)推動(dòng)科技創(chuàng)新，由此得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.昭示人們，高校作為培養(yǎng)人才的場(chǎng)所，理工科要重視大學(xué)物理課程.

關(guān)鍵詞：X射線；半導(dǎo)體；原子能；激光；藍(lán)光LED；科技創(chuàng)新；大學(xué)物理

1引言

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用以及最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[1-3]，其內(nèi)容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ).縱觀物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)：其蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識(shí)的形成，同時(shí)，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會(huì)帶動(dòng)人類社會(huì)的科技創(chuàng)新和科技發(fā)展.正因如此，大學(xué)物理成為了高等學(xué)校理、工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程.按照教育部頒發(fā)的相關(guān)文件要求[4-5]，大學(xué)物理課程最低學(xué)時(shí)數(shù)為126學(xué)時(shí)，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時(shí)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)最低學(xué)時(shí)數(shù)為54學(xué)時(shí)，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時(shí).然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒(méi)有嚴(yán)格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開設(shè)大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程.他們往往打著“寬口徑、應(yīng)用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，如今，大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程的總學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)際僅為32-96學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時(shí)）.試問(wèn)這么少的課時(shí)怎么講豐富、深?yuàn)W的大學(xué)物理？怎么能夠真正發(fā)揮出大學(xué)物理的作用？于是有的院、系要求只講力學(xué)，有的要求只講熱學(xué)，有的則要求只講電磁學(xué)，…面對(duì)這種情況，大學(xué)物理的授課教師在無(wú)奈狀態(tài)下講授大學(xué)物理.從《大學(xué)物理課程報(bào)告論壇》上獲悉，這不是個(gè)別學(xué)校的做法，在全國(guó)具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個(gè)完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可.這種以消減教學(xué)內(nèi)容為代價(jià)，解決課時(shí)不足的做法，就如同削足適履，是對(duì)教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識(shí)落后的一種體現(xiàn).本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，只論及物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對(duì)大學(xué)物理課程重要性的認(rèn)識(shí).

2物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉

且不說(shuō)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；且不說(shuō)庫(kù)倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創(chuàng)立的電磁學(xué)的發(fā)展，以電動(dòng)機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實(shí)現(xiàn)了電氣化.這兩次工業(yè)革命沒(méi)有發(fā)生在中國(guó)，使中國(guó)近代落后了.本文著重論述近代物理學(xué)的發(fā)展對(duì)科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)作用，從而得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.1895年，威廉•倫琴（WilhelmR魻ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線，這種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強(qiáng)，由于當(dāng)時(shí)不知道它是什么，故取名X射線.直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點(diǎn)陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長(zhǎng)為10-10m的數(shù)量級(jí)[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他發(fā)現(xiàn)的X射線開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，利用X光機(jī)探測(cè)骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測(cè)腸道梗塞.CT成像也是利用X射線成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現(xiàn)圖像，它可以清楚地展示被檢測(cè)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確確定病變位置.當(dāng)今，各醫(yī)院都設(shè)置放射科，X射線在醫(yī)學(xué)上得到充分利用.X射線的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn).1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•勞侖斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d為晶格常數(shù)，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長(zhǎng).布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)立了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)今，X射線衍射儀不僅在物理學(xué)研究，而且在化學(xué)、生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)、材料等學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數(shù)高等學(xué)校都有X射線衍射儀，它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的必備儀器.1907年，威廉•湯姆孫（W•Thomson）發(fā)現(xiàn)電子，電子質(zhì)量me=9.11×10-31kg，電子荷電e=-1.602×10-19C.電子的荷電性引發(fā)了20世紀(jì)產(chǎn)生革命.1947年，美國(guó)的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導(dǎo)體材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ge晶體具有放大作用，發(fā)明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發(fā)展.1958年，美國(guó)的工程師基爾比制成第一批集成電路.1971年，英特爾公司的霍夫把計(jì)算機(jī)的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個(gè)微處理器.80年代末，芯片上集成的元件數(shù)已突破1000萬(wàn)大關(guān).微電子技術(shù)改變了人類生活，微電子技術(shù)稱雄20世紀(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄.到各個(gè)工業(yè)區(qū)看看，發(fā)現(xiàn)電子廠比比皆是，這真是小小電子轉(zhuǎn)動(dòng)了整個(gè)地球??！電子不僅具有荷電性，還具有荷磁性.

1925年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假說(shuō)，每個(gè)電子都具有自旋角動(dòng)量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個(gè)數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個(gè)電子的磁矩為MSz=芎μB(μB為玻爾磁子）[7].電子的荷磁性沉睡了半個(gè)多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾•費(fèi)爾（AlberFert）和彼得•格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化呈顯著改變，其機(jī)理是相臨鐵磁層間通過(guò)非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場(chǎng)時(shí)電阻率大，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對(duì)電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運(yùn)，提出巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance,GMR），磁電阻MR定義MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)為零場(chǎng)下的電阻率，ρ(H)為加場(chǎng)下的電阻率[8].GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強(qiáng)烈關(guān)注，1994年IBM公司依據(jù)巨磁電阻效應(yīng)原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻MR只有1%-2%，而新型讀出磁頭的MR約50%，將磁盤記錄密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現(xiàn)筆記本電腦、MP3等，GMR效應(yīng)在磁傳感器、數(shù)控機(jī)庫(kù)、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等方面得到廣泛應(yīng)用.阿爾貝?費(fèi)爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達(dá)105%，稱為龐磁電阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲(chǔ)、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)科研人員的極大關(guān)注[10-12].然而，CMR效應(yīng)還沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，原因是要實(shí)現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級(jí)的外磁場(chǎng)，問(wèn)題出在CMR產(chǎn)生的物理機(jī)制還沒(méi)有真正弄清楚.1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，如果由于自身內(nèi)部的過(guò)程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)地減小.”提出著名的質(zhì)能關(guān)系式△E=△m莓C2式中△m.表示經(jīng)過(guò)反應(yīng)后粒子的總靜質(zhì)量的減小，△E表示核反應(yīng)釋放的能量.愛因斯坦又提出實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來(lái)驗(yàn)證這個(gè)理論，不是不可能成功的.”按照愛因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)重原子核裂變.核裂變首先被用于戰(zhàn)爭(zhēng)，1945年8月6日和9日，美國(guó)對(duì)日本的廣島和長(zhǎng)崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布無(wú)條件投降.后來(lái)原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發(fā)電站投入運(yùn)行.2009年，美國(guó)有104座核電站，核電站發(fā)電量占本國(guó)發(fā)電總量的20%，法國(guó)有59臺(tái)機(jī)組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國(guó)運(yùn)行的核電站有23座，在建核電站有26座，產(chǎn)能為21.4千兆瓦，核電站發(fā)電量占我國(guó)發(fā)電總量不足3%，所以我國(guó)提出大力發(fā)展核電，制定了到2020年核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到58千兆瓦的目標(biāo).核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機(jī).利用海水中的氘和氚發(fā)生核聚變可以產(chǎn)生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量.那時(shí)，能源危機(jī)徹底解除.

20世紀(jì)最杰出的成果是計(jì)算機(jī)，物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ).從1946年計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了第一至第五代，計(jì)算機(jī)硬件中的電子元件隨著物理學(xué)的進(jìn)步，依次經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路；主存儲(chǔ)器用的是磁性材料，隨著物理學(xué)的進(jìn)步，磁性材料的性能越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的硬盤越來(lái)越小.近日在第十六屆全國(guó)磁學(xué)和磁性材料會(huì)議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心、中科院物理所等，正在對(duì)斯格明子（skyrmions）進(jìn)行攻關(guān),斯格明子具有拓?fù)浼{米磁結(jié)構(gòu)，將來(lái)的筆記本電腦的硬盤只有花生大小，ipod平板電腦的硬盤縮小到米粒大小.量子力學(xué)催生出隧道二極管，量子力學(xué)指導(dǎo)著研究電子器件大小的極限，光學(xué)纖維的發(fā)明為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)通道.

1916年，愛因斯坦提出光受激輻射原理，時(shí)隔44年，哥倫比亞大學(xué)的希奧多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一臺(tái)激光器[14].由于激光具有單色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特點(diǎn)，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應(yīng)用.激光在其他方面的應(yīng)用暫不展開論述，只談?wù)劶す饧庸ぜ夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用.激光加工技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術(shù)具有突出特點(diǎn)：不接觸加工工件，對(duì)工件無(wú)污染；光點(diǎn)小，能量集中；激光束容易聚焦、導(dǎo)向，便于自動(dòng)化控制；安全可靠，不會(huì)對(duì)材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力；切割面光滑、無(wú)毛刺；切割面細(xì)小，割縫一般在0.1-0.2mm；適合大件產(chǎn)品的加工等.在汽車、飛機(jī)、微電子、鋼鐵等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用.2014年，僅我國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)總收入約270億人民幣，其中激光加工設(shè)備銷售額達(dá)215億人民幣.

2014年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學(xué)家，是因?yàn)樗麄儼l(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），幫助人們以更節(jié)能的方式獲得白光光源.他們的突出貢獻(xiàn)在于，在三基色紅、綠、藍(lán)中，紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但制造藍(lán)光LED長(zhǎng)期以來(lái)是個(gè)難題，他們?nèi)擞?0世紀(jì)90年明了藍(lán)光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來(lái)的LED燈用于照明使消費(fèi)者感到舒適.這種LED燈耗能很低，耗能不到普通燈泡的1/20，全世界發(fā)的電40%用于照明，若把普通燈泡都換成LED燈，全世界每個(gè)節(jié)省的電能數(shù)字驚人！物理學(xué)研究給人類帶來(lái)不可估量的益處.2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因發(fā)明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管.此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好.因此，石墨烯被普遍認(rèn)為會(huì)最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命[14].2012年，法國(guó)科學(xué)家沙吉•哈羅徹(SergeHaroche)與美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)•溫蘭德(DavidJ.win-land)，在“突破性的試驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”.他們的突破性的方法，使得這一領(lǐng)域的研究朝著基于量子物理學(xué)而建造一種新型超快計(jì)算機(jī)邁出了第一步[16].

2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng).早在2010年，我國(guó)理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反?；魻栃?yīng)的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng).我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題.這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗.而量子霍爾效應(yīng)則可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，電子自旋向上的在一個(gè)跑道上，自旋向下的在另一個(gè)跑道上，猶如在高速公路上，它們?cè)诟髯缘呐艿郎稀耙煌鶡o(wú)前”地前進(jìn)，不產(chǎn)生電子相互碰撞，不會(huì)產(chǎn)生熱能損耗.通過(guò)密度集成，將來(lái)計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大.因此，這一科研成果的應(yīng)用前景十分廣闊[17].物理學(xué)的每一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)、重大發(fā)明，都會(huì)開辟一塊新天地，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富.縱觀科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史，可以看出物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.

3結(jié)語(yǔ)

論述了X射線，電子、半導(dǎo)體、原子能、激光、藍(lán)光LED等的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明對(duì)人類進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用，自然得出結(jié)論，物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.打開國(guó)門看一看，美國(guó)的著名大學(xué)非常注重大學(xué)物理，加州理工大學(xué)所有一、二年級(jí)的公共物理課程總學(xué)時(shí)為540，英、法、德也在400-500學(xué)時(shí)[18].國(guó)內(nèi)高校只有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理課程做到了與國(guó)際接軌，以他們的數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)為例，大一開設(shè)：力學(xué)與熱學(xué)80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大二開設(shè)：電磁學(xué)80學(xué)時(shí)，光學(xué)與原子物理80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—綜合實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大三開設(shè)：理論力學(xué)60學(xué)時(shí)，大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)總計(jì)408學(xué)時(shí).在大力倡導(dǎo)全民創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新的今天，高等學(xué)校理所應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)教學(xué).各高校的理工科要按照教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)頒發(fā)的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程/實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本要求》給足大學(xué)物理課程及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí).

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〔8〕孫陽(yáng)（導(dǎo)師：張?jiān)：悖?鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物中的超大磁電阻效應(yīng)及相關(guān)物性[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2001.10-11.

作者：王聞琦 王桂英 朱光 彭振生 單位：宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院