论物理学在科技创新中的作用

王闻琦，王桂英，朱 光，彭振生

（宿州学院 机械与电子工程学院， 安徽 宿州 234000）

论物理学在科技创新中的作用

王闻琦，王桂英，朱 光，彭振生

（宿州学院 机械与电子工程学院， 安徽 宿州 234000）

论述了 X 射线的发现，不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响 20 世纪许多重大发现；半导体的发明，使微电子产业称雄 20 世纪，并促进信息技术的高速发展，物理学是计算机硬件的基础；原子能理论的提出，使原子能逐步取代石化能源，给人类提供巨大的清洁能源；激光理论的提出及激光器的发明，使激光在工农业生产、医疗、通信、军事上得到广泛应用；蓝光 LED 的发明，将点亮整个 21 世纪.事实告诉我们，是物理学推动科技创新，由此得出结论：物理学是科技创新的源泉.昭示人们，高校作为培养人才的场所，理工科要重视大学物理课程.

X 射线；半导体；原子能；激光；蓝光 LED；科技创新；大学物理

1 引言

物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础.纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展.正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程.

按照教育部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为 126 学时，其中理科、师范类非物理专业不少于 144 学时；大学物理实验最低学时数为 54 学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64 学时.然而调查显示，众多高校（尤其是新建本科院校）并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程.他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为 32-96 学时，远远低于教育部要求的最低标准（180 学时）.试问这么少的课时怎么讲丰富、深奥的大学物理？怎么能够真正发挥出大学物理的作用？于是有的院、系要求只讲力学，有的要求只讲热学，有的则要求只讲电磁学，…面对这种情况，大学物理的授课教师在无奈状态下讲授大学物理.从《大学物理课程报告论坛》上获悉，这不是个别学校的做法，在全国具有普遍性.殊不知，力、热、光、电磁、原子是一个完整的体系，相互联系，缺一不可.这种以消减教学内容为代价，解决课时不足的做法，就如同削足适履，是对教育规律不尊重，是管理者思想意识落后的一种体现.本文且不论述物理学是理工科必修的一门基础课，只论及物理学是科技创新的源泉这一命题，以期提高教育管理者对大学物理课程重要性的认识.

2 物理学是科技创新的源泉

且不说力学和热力学的发展，以蒸汽机为标志引发了第一次工业革命，欧洲实现了机械化；且不说库伦、法拉第、楞次、安培、麦克斯韦等创立的电磁学的发展，以电动机为标志引发了第二次工业革命，欧美实现了电气化.这两次工业革命没有发生在中国，使中国近代落后了.本文着重论述近代物理学的发展对科学技术的巨大推动作用，从而得出结论：物理学是科技创新的源泉.

1895 年，威廉·伦琴（Wilhelm RÖntgen）发现X 射线，这种射线在电场、磁场中不发生偏转，穿透能力很强，由于当时不知道它是什么，故取名 X 射线.直到 1912 年，劳厄（Max von Laue）用晶体中的点阵作为衍射光栅，确定它是一种光波，波长为10-10m 的数量级[6].伦琴获 1901 年 诺贝尔物理学奖，他发现的 X 射线开创了医学影像技术，利用 X光机探测骨骼的病变，胸腔X光片诊断肺部病变，腹腔 X 光片检测肠道梗塞.CT 成像也是利用 X 射线成像，CT 成像既可以提供二维（2D）横切面又可以提供三维（3D）立体表现图像，它可以清楚地展示被检测部位的内部结构，可以准确确定病变位置.当今，各医院都设置放射科，X 射线在医学上得到充分利用.X 射线的发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响 20 世纪许多重大科学发现.1913 -1914 年，威廉·享利·布拉格（willian Henrg Bragg）和威廉·劳仑斯·布拉格 （Willian Lawrence Bragg）提供布拉格方程[6，P140]

式中 d 为晶格常数，α 为入射光与晶面夹角，λ为 X 射线波长.布拉格父子提出使用 X 射线衍射研究晶体原子、分子结构，创立了 X 射线晶体结构分析这一学科，布拉格父子获 1915 年诺贝尔物理学奖.当今，X 射线衍射仪不仅在物理学研究，而且在化学、生物、地质、矿产、材料等学科得到广泛应用，所有从事自然科学研究的科研院所和大多数高等学校都有X射线衍射仪，它是研究物质结构的必备仪器.

1907 年，威廉·汤姆孙（W·Thomson）发现电子，电子质量 me=9.11×10-31kg，电子荷电 e=-1.602 × 10-19C.电子的荷电性引发了 20 世纪产生革命.1947年，美国的巴丁、布莱顿和肖克利研究半导体材料时，发现 Ge 晶体具有放大作用，发明了晶体三极管，很快取代电子管，随后晶体管电路不断向微型化发展.1958 年，美国的工程师基尔比制成第一批集成电路.1971 年，英特尔公司的霍夫把计算机的中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，制成世界上第一个微处理器.80 年代末，芯片上集成的元件数已突破 1000 万大关. 微电子技术改变了人类生活，微电子技术称雄 20 世纪，进入 21 世纪微电子产业仍继续称雄.到各个工业区看看，发现电子厂比比皆是，这真是小小电子转动了整个地球啊！

电子不仅具有荷电性，还具有荷磁性.1925 年，乌伦贝克—哥德斯密脱（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假说，每个电子都具有自旋角动量S→，它在空间任意方向上的投影只可能取两个数值电子具有荷磁性，每个电子的磁矩为 MSz=∓μB(μB为玻尔磁子）[7]. 电子的荷磁性沉睡了半个多世纪，直到 1988 年阿贝尔·费尔（Alber Fert）和 彼 得·格林贝格尔（Peter Gr ünberg）发现在 Fe/Cr 多层膜中，材料的电阻率受材料磁化状态的变化呈显著改变，其机理是相临铁磁层间通过非磁性 Cr产生反铁磁耦合，不加磁场时电阻率大，当外加磁场时，相邻铁磁层的磁矩方向排列一致，对电子的散射弱，电阻率小.利用磁性控制电子的输运，提出巨磁电阻效应（giant magnetoresistance,GMR），磁电阻 MR定义

式中 ρ(0)为零场下的电阻率，ρ(H)为加场下的电阻率[8].GMR 效应的发现引起科技界强烈关注，1994 年 IBM 公司依据巨磁电阻效应原理，研制出“新型读出磁头”，此前的磁头是用锰铁磁体，磁电阻 MR 只有 1%-2%，而新型读出磁头的 MR 约50%，将磁盘记录密度提高了 17 倍，有利于器件小型化，利用新型读出磁头的MR才出现笔记本电脑、MP3 等，GMR 效应在磁传感器、数控机库、非接触开关、旋转编码器等方面得到广泛应用.阿尔贝?费尔和彼得? 格林贝格尔获 2007 年诺贝尔物理学奖.

1993 年，Helmolt等人[9]在 La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到 MR 高达 105%，称为庞磁电阻（Colossal magnetoresistance,CMR），钙钛矿氧化物中有如此高的磁电阻，在磁传感、磁存储、自旋晶体管、磁制冷等方面有着诱人的应用前景，引起凝聚态物理和材料科学科研人员的极大关注[10-12].然而，CMR 效应还没有得到实际应用，原因是要实现大的MR需要特斯拉量级的外磁场，问题出在CMR产生的物理机制还没有真正弄清楚.

1905 年 ，爱因 斯 坦提出[13]：“就一 个 粒 子来 说 ，如果由于自身内部的过程使它的能量减小了，它的静质量也将相应地减小.”提出著名的质能关系式

式中△m.表示经过反应后粒子的总静质量的减小，△E 表示核反应释放的能量.爱因斯坦又提出实现热核反应的途径：“用那些所含能量是高度可变的物体（比如用镭盐）来验证这个理论，不是不可能成功的.”按照爱因斯坦的这一重大物理学理论，1938 年物理学家发现重原子核裂变. 核裂变首先被用于战争，1945 年 8 月 6 日和 9 日，美国对日本的广岛和长崎各投下一颗原子弹，迫使日本接受《波茨坦公告》，于 8 月 15 日宣布无条件投降.后来原子能很快得到和平利用，1954 年莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行.2009 年，美国有 104 座核电站，核电站发电量占本国发电总量的20%，法国有 59 台机组，占 80%；日本有 55 座核电站，占 30%.截至 2015 年 4 月，我国运行的核电站有 23 座，在建核电站有 26 座，产能为 21.4 千兆瓦，核电站发电量占我国发电总量不足 3%，所以我国提出大力发展核电，制定了到 2020 年核电装机总容量达到 58 千兆瓦的目标.核能的利用，一方面减少了化石能源的消耗，从而减少了产生温室效应的气体——二氧化碳的排放，另一方面有力地解决能源危机.利用海水中的氘和氚发生核聚变可以产生巨大能量，受控核聚变正在研究中，若受控核聚变研究成功将为人类提供取之不尽用之不竭的能量.那时，能源危机彻底解除.

20世纪最杰出的成果是计算机，物理学是计算机硬件的基础.从 1946 年计算机问世以来，经历了第一至第五代，计算机硬件中的电子元件随着物理学的进步，依次经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路；主存储器用的是磁性材料，随着物理学的进步，磁性材料的性能越来越高，计算机的硬盘越来越小.近日在第十六届全国磁学和磁性材料会议（2015 年10 月 21—25 日）上获悉，中科院强磁场中心、中科院物理所等，正在对斯 格 明 子（skyrmions）进行攻关,斯格明子具有拓扑纳米磁结构，将来的笔记本电脑的硬盘只有花生大小，ipod 平板电脑的硬盘缩小到米粒大小.量子力学催生出隧道二极管，量子力学指导着研究电子器件大小的极限，光学纤维的发明为计算机网络提供数据通道.

1916 年，爱因斯坦提出光受激辐射原理，时隔44 年，哥伦比亚大学的希奥多·梅曼（Theodore Maiman）于 1960 制成第一台激光器[14].由于激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点，在医疗、农业、通讯、金属微加工，军事等方面得到广泛应用.激光在其他方面的应用暂不展开论述，只谈谈激光加工技术在工业生产上的应用.激光加工技术对材料进行切割、焊接、表面处理、微加工等，激光加工技术具有突出特点：不接触加工工件，对工件无污染；光点小，能量集中；激光束容易聚焦、导向，便于自动化控制；安全可靠，不会对材料造成机械挤压或机械应力；切割面光滑、无毛刺；切割面细小，割缝一般在 0.1-0.2mm；适合大件产品的加工等.在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业得到广泛应用.2014 年，仅我国激光加工产业总收入约270 亿人民币，其中激光加工设备销售额达 215 亿人民币.

2014 年，诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科学家，是因为他们发明了蓝色发光二极管（LED），帮助人们以更节能的方式获得白光光源.他们的突出贡献在于，在三基色红、绿、蓝中，红光 LED 和绿光 LED 早已发明，但制造蓝光 LED 长期以来是个难题，他们三人于 20 世纪90 年代发明了蓝光 LED，这样三基色 LED 全被找到了，制造出来的 LED 灯用于照明使消费者感到舒适.这种 LED 灯耗能很低，耗能不到普通灯泡的1/20，全世界发的电 40%用于照明，若把普通灯泡都换成 LED 灯，全世界每个节省的电能数字惊人！物理学研究给人类带来不可估量的益处.

2010 年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），因发明石墨烯材料，获得诺贝尔物理学奖.目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于 10 纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1 个分子大小的单电子晶体管.此外，石墨烯高度稳定，即使被切成 1 纳米宽的元件，导电性也很好.因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命[14].

2012 年 ， 法 国 科 学 家 沙 吉·哈 罗 彻 (Serge Haroche)与美国科学家大卫·温兰德(David J.winland)，在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”.他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步[16].

2013 年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应. 早在 2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系，薛其坤等在这一理论指导下开展实验研究，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题.这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗.而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，电子自旋向上的在一个跑道上，自旋向下的在另一个跑道上，犹如在高速公路上，它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，不产生电子相互碰撞，不会产生热能损耗.通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的 iPad 那么大. 因此，这一科研成果的应用前景十分广阔[17].

物理学的每一个重大发现、重大发明，都会开辟一块新天地，带来产业革命，推动社会进步，创造巨大物质财富.纵观科学与技术发展史，可以看出物理学是科技创新的源泉.

3 结语

论述了 X 射线，电子、半导体、原子能、激光、蓝光 LED 等的发现或发明对人类进步的巨大推动作用，自然得出结论，物理学是科技创新的源泉.打开国门看一看，美国的著名大学非常注重大学物理，加州理工大学所有一、二年级的公共物理课程总学时为 540，英、法、德也在 400-500 学时[18].国内高校只有中国科学技术大学的大学物理课程做到了与国际接轨，以他们的数学与应用数学为例，大一开设：力学与热学 80 学时，大学物理—基础实验54 学时；大二开设：电磁学 80 学时，光学与原子物理 80 学时，大学物理—综合实验 54 学时；大三开设：理论力学 60 学时，大学物理及实验总计 408 学时.在大力倡导全民创业万众创新的今天，高等学校理所应当重视物理学教学.各高校的理工科要按照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会颁发的《非物理类理工学科大学物理课程 /实验教学基本要求》给足大学物理课程及大学物理实验课时.

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O59；N41

：A

：1673-260X（2016）02-0011-04

2015 年 10 月 15 日

安徽省省级精品资源共享课程（2012gxk103）；安徽省省级教学研究项目（2014jyxm387）；2015 省级质量工程项目：大学物理大规模在线开放课程（MOOC）示范项目（2015mooc086）；宿州学院学术技术带头人后备人选（2014XJHB01）；宿州学院学术骨干（2014XJGG01）

彭振生（1948-），男，安徽怀远人，教授，机械与电子工程学院，从事大学物理教学物理教育及凝聚态物理研究