物理学与现代技术

物理学与现代技术第一页，共五十页，2022年，8月28日第一章物理学对人类的影响第二章物理学对当代科技的影响第三章物理学与其他学科的关系第四章物理学在各领域中的技术应用目录第二页，共五十页，2022年，8月28日§3-4物理学与生物学的关系生命是物质的，所以物理学的发展也必定要涉及涵盖生命物质的规律的研究。物理学与其他自然科学交叉与相互作用，曾经产生并形成了科学物理学、生物物理学和心理物理学、天体物理学、地球物理学、大气物理学、海洋物理学和空间物理学等诸多的交叉学科，这种交叉和相互作用最突出的表现还在于，20世纪的生命科学在物理学的基础上发生了革命性的变化，也就是DNA双螺旋结构的发现以及分子生物学的信息。第三页，共五十页，2022年，8月28日DNA双螺旋结构沃森、克里克DNA双螺旋结构模型_高清.mp4DNA分子结构立体模型_标清.flv第四页，共五十页，2022年，8月28日

在生物学的成长过程中，物理学曾从各方面予以慷慨的援助和及时的扶持。从历史上看，若没有显微镜的发明，那么细胞生物学和胚胎发育学的研究将流于空泛；同样从现代来看，若没有X-衍射技术的帮助，DNA双螺旋模型结构的发现只能是一个神话，直至今天，由于最新扫描隧道显微镜的应用，用它不仅可以直接观察DNA双螺旋结构，而且还由此发现了三链状DNA结构的存在。第五页，共五十页，2022年，8月28日

但是，比这些物理仪器更为重要的是，物理学家的思维方式、工作态度对生物学研究所产生的深远影响，这种影响来自于物理学家与生物学家的频繁接触，更来自于物理学家直接跨入生物学研究的行列，分子生物学的孕育、诞生过程就明显地体现了这一点。第六页，共五十页，2022年，8月28日

牛顿在方法论上的重大成功之处即在于从复杂多变的客体中，分解抽象出一个简单的“质点”模型，经典力学的宏伟大厦即奠基于这一模型之上。于是，从复杂多变的世界中寻找简单性、同一性，寻找"质点"模型，就成了经典物理学思维的一个显著特征。值得注意的是，这种求同思维恰与传统生物学中的求异思维形成截然不同的两种研究风格。第七页，共五十页，2022年，8月28日

因为生命世界自有其多样性，高等生物(如大象)与低等生命(如病毒）之间，在体制结构、生理功能上所显示出来的巨大差异，使生物学家往往习惯于从差异性方面去总结生物界的规律。正是在这一境况中，物理学家求同性、简单性思维方式的引入，犹如一股清新之风，打破了生物学家固有的思维定式，从而开辟了一个崭新的研究领域，这就是以噬菌体、细菌为主要研究对象的分子生物学时代的到来。揭开分子生物学时代惟幕的中心人物之一，是德国物理学家德尔布吕克。第八页，共五十页，2022年，8月28日

作为量子力学奠基人玻尔的学生，德尔布吕克对互补性原理感受颇深。玻尔认为互补性现象同样可在生物学中发现，由此激发了德尔布吕克对生物学研究的浓厚兴趣。于是在20世纪30年代中期，德尔布吕克在柏林从事铀分裂研究之余，常常参加一个由物理学家和遗传学家共同组成的小型讨论组，关注遗传学的前沿问题。柏林小组的成立，标志着物理学家开始涉及遗传学领域。

第九页，共五十页，2022年，8月28日分子生物学时代诞生的标志是DNA双螺旋模型的建立。它代表着生物学与物理学的完美结合。1953年，美国生物学家沃森和英国化学家克里克发现了DNA双螺旋结构。1954年，俄国籍的美国物理学家伽莫夫提出核苷酸三联体的遗传密码。1958年，克里克提出了遗传信息传递从DNA到RNA再到蛋白质的中心法则。1961年，法国生物学家雅各布和莫诺提出了基因的功能分类和调节基因的概念等。第十页，共五十页，2022年，8月28日在这些以后，几乎所有对生命现象的研究，都深入到了分子水平，去寻找生命本质规律，分子生物学成为生命现象研究的核心领域，发展成为了发展生物技术的源泉。

1970年，基因重组开辟了基因技术工程应用的可能性，从而使人类看到了运用生物技术造福人类的广阔的前景。生命科学的这种革命性的变革正是物理学、化学和生物学等相互交叉的结果，在这个过程中，物理学的概念与方法以及物理学家深入到生命科学领域进行探索，为此做出了重要的贡献。

第十一页，共五十页，2022年，8月28日所以现在看来，生命科学与物理学之间，包括与数学之间，没有不可跨越的鸿沟，许多有成就的生命科学家，有些就是来自于物理学，化学等其他领域。有许多原本学物理的科学家，成名以后兴趣转移到去参与生命科学的研究。量子力学的创立者薛定谔，1944年写过《生命是什么》，这一书曾深刻影响了一批物理学家和生物学家的思想，促成了分子生物学诞生出了三个基本的学派。即比德尔代表的化学学派、德尔布吕克代表的信息学派以及肯德鲁代表的结构学派。第十二页，共五十页，2022年，8月28日物理学家伽莫夫率先提出了三联体有力地推动信息学派的成长等，但是我们相信，三个学派最终是要共同的合作，才能根本揭示生命现象的整体奥秘。

结构是重要的，生命现象内部以及内外之间的信息传递也肯定是重要的。它的生命现象的信息传递、能量传递、物质传递，许多是通过化学方法转化的。因此生化也依然是生命科学一个重耍的基础，这是毫无疑问的。第十三页，共五十页，2022年，8月28日同时我们也要重视生命科学对物理学的影响，量子论的重要创立者之一波尔曾经号召物理学家关心生命现象研究，他当时的目的，主要还是想在生命现象中寻找量子物理适用的界限。当今，物理学家已经把一部分眼光注意力转到软物质，生命物质方面来，这是一个大的趋势。第十四页，共五十页，2022年，8月28日软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。它们与人们生活休戚相关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等，在技术上也有广泛应用，如液晶、聚合物等，生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。

软物质第十五页，共五十页，2022年，8月28日

弱力引起大变化科普作品《软物质与硬科学》一书中以橡胶为例，说明了软物质的性质。放进一点硫，液态的橡胶树就变成了固态的橡胶；一点骨胶可以使墨汁多年不变质；一点卤汁使豆浆变成豆腐；非常微弱的电流，就能使液晶从透明变成不透明。这些现象告诉我们：你只须施加微小的作用，软物质的形状和性质就会大变。软物质特征第十六页，共五十页，2022年，8月28日软物质物理学体系

如果你处身于一个满是蚊子的房间里，你会躲到哪里呢？答案是靠着墙，躲在角落里，这样身后就不会有蚊子来了，只需对付前面的蚊子就可以了。

1998年的物理评论快报上发表了宾夕法尼亚大学物理和天文系的A.D.Dinsmore,D.T.Wong,PhilipNelson和A.G.Yodh合作的一个有趣的实验。这个实验与我们的蚊子事件有着异曲同工之处。实验中几位科学家先将一个直径只有0.474微米大的“大球”放到一个微型的梨形容器里。实验第十七页，共五十页，2022年，8月28日

通过长时间多次光学摄影的方法，我们看到这个大球在这个容器中任何一处都可以出现（图1b，亮处为大球所处位置）。然后他们又将很多的更小的球（半径0.042微米）放了进去（如图1a所示）。这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待在边上了（图1c，小球远小于可见光波长，因此看不到）。这个结果是如何发生的呢？我们来仔细看看。第十八页，共五十页，2022年，8月28日躲避首先我们知道容器中的大球、小球都在不停地做随机运动，同时小球也在不停地从各个方向撞击着大球。在每一时刻，大球在不同方向上受到的小球撞击一般来说是不一样多的，大球就会因为受力的不同而向某个方向运动。当大球碰到了容器壁的时候，大球会发现靠着容器的一边不会有东西撞它了，所有的撞击都来自另一边。于是这些撞击就迫使它靠在容器的边缘上了。实际的过程比我们这里的分析的要复杂，但大体的情况就是如此—大球为了躲避小球“蚊子”的“叮咬”而藏在了墙边上。上面讲的这个实验讨论的物理体系就是属于被称为软物质的物理体系。第十九页，共五十页，2022年，8月28日§3-4物理学与地球科学的关系

地球是人类赖以生存和繁衍生息以及可持续发展的源泉。地球上的各种物理条件，与人类的生存、生活和生产活动密切相关。作为地球科学和物理学的结合，地球物理学运用物理学的原理和方法研究地球本身的结构和发展，以及各种地质现象。人类从观察地球物理现象到地球物理学在20世纪真正发展起来，三次科技革命在地球物理学的发展史上起着至关重要的作用。 第二十页，共五十页，2022年，8月28日

18世纪中叶以后，发生了人类历史上的第一次科技革命。第一次科技革命以牛顿1687年的《自然哲学的数学原理》及牛顿力学体系的形成为标志。牛顿的经典力学体系的建立对地球物理学尤其是对重力勘探和重力测量有着革命性的作用。在牛顿以前，人们对地球的研究基本是静态的三角几何问题。而牛顿提出的运动定律和万有引力定律，给地球的形状和构造动力学提供了理论基础。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日

从这个意义上来说，牛顿无疑应该被认为是固体地球物理学的先驱，牛顿对地球物理学主要有两大贡献。牛顿的第一大贡献是第一个估计了地球的质量。根据万有引力定律，可以得出在一级近似的公式：g=（GM）/(R2)，其中g为重力测量值，G为万有引力常数，M为地球质量，R为地球半径。牛顿的第二大贡献是第一个估计了地球扁率f的值，为了得到数学模式，他把地球看成密度恒定的旋转流体，由此推导出f=（a-b）/a,a、b分别为地球的赤道长轴和极短轴。第二十二页，共五十页，2022年，8月28日

第二次科技革命发生于19世纪20-60年代，即从1819年奥斯特实验开始，到1860年麦克斯韦发表《电磁场的动力学理论》建立电磁场结构为止。第二次科技革命对地球物理学的巨大推动力体现在：在第二次科技革命的巨大推动下，以法拉第和麦克斯韦为代表的科学家建立起了电磁学理论，这直接推动了19世纪应用地球物理电磁法得到了一系列的发展。麦克斯韦建立的麦克斯韦方程组是勘探地球物理学电法勘察中最重要的基础理论。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日1870年，泰朗和铁贝尔制成了寻找磁铁矿的万能磁力仪，这是应用地球物理学开始发展的一个重要标志。

第三次科技革命从20世纪50年代开始兴起的，以原子能、电子计算机和空间技术的开发利用，以及合成材料和生物技术的相继出现为标志的第三次科技革命极大地推动生产力的发展。第三次科技革命在对地球物理方面的推动作用主要体现在：第二十四页，共五十页，2022年，8月28日第一，电子计算机技术、微电子以及通信技术的发展极大地推动了地球物理学尤其是地震勘探的发展。计算机价格的降低及计算速度的提高使得在实际工作解决了很多数据处理的问题。大大节省了解释人员的工作时间。第二，新兴技术和新兴科学的发展也极大地推动了地球物理这一学科的发展。（光学的发展、非线性科学中的算法、混沌理论、量子力学等）第二十五页，共五十页，2022年，8月28日§3-6物理学与艺术§3-6-1艺术美的意义

美的哲学定义:美是具体事物的组成部分和表现形式，是具体环境、现象、事情、行为、物体对人类的生存发展具有的公益性能、正面意义和正价值，是人们在接触个别具体事物的过程中，受其作用、刺激和影响产生愉悦和满足的美好感觉的客观原因，是人们通过反思和寻找美感产生的原因，从个别具体事物中分解和抽取出来的有别于丑的相对抽象事物或元实体。美是具体事物的组成部分，美不能够离开具体事物单独存在。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日

美存在于具体环境、具体现象、具体事情、具体行为、具体物体之中。美景、美酒、美玉、美事、美的生活都是包含美的具体事物。中国人对美的认识和研究具有悠久的历史，为美学的发展做出了杰出的贡献。20世纪50-60年代，围绕美的本质问题，中国学界展开了一场大讨论，形成了一些基本观点。

一是以高尔泰为代表的主观论，认为美完全是主观的，美作为一种意识与客观对象无关。二是以吕荧为代表的社会意识说，认为美是人的社会意识，"它是社会存在的反映，第二性的现象"。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日

三是以蔡仪为代表的客观典型论，认为美是客观的，"美的本质就是事物的典型性"，"是个别之中显现着种类的一般"，"典型就是美"。

四是以朱光潜为代表的客观和主观统一说，认为美是“客观与主观的统一”。

五是以李泽厚、刘纲纪等为代表的客观社会说，认为美既有客观性，也有社会性，是“客观性与社会性的统一”。

第二十八页，共五十页，2022年，8月28日从人类关于美的思想发展史可以看到，人们己经认识到美不是具有可感形态的具体事物，美是同个别具体事物相联系的抽象事物，是个别具体事物具有的能够引起人产生美感的性能和原因，是同人的生存发展需要、功利或价值相联系的认识对象。但是由于受到以往哲学本体论和认识论的限制，人们关于美的本质、美的定义、审美问题的观点还存在一些缺陷和不足之处，存在很大争议。第二十九页，共五十页，2022年，8月28日

§3-6-2物理学与美物理学具有美的研究目的。物理美不仅具有欣赏价值，物理学是合理、简单、对称、和谐、有序、守恒的。物理学家始终把物理美作为思考问题的一条主线。更重要的它是一种重要的思想方法。非常规的创造性思维方法。在物理学习中要注重物理学美的体会。

第三十页，共五十页，2022年，8月28日混沌之美

在非线性科学中，混沌现象指的是一种确定的但不可预测的运动状态。它的外在表现和纯粹的随机运动很相似，即都不可预测。但和随机运动不同的是，混沌运动在动力学上是确定的，它的不可预测性是来源于运动的不稳定性。混沌现象是自然界中的普遍现象，天气变化就是一个典型的混沌运动。混沌现象的一个著名表述就是蝴蝶效应：南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀，就会在佛罗里达引起一场飓风。并由此提出了天气的不可准确预报性。第三十一页，共五十页，2022年，8月28日（一）从一滴水中见太阳—小中见大

混沌为宇宙之源。许多宗教故事和神话传说中都有“混沌初开”的自然起源说。在道家哲学中，混沌就是老子的“道”。老子为了定义和描述道而引入一系列同义或近义的概念，如混成、混一、恍惚、惚恍等，后人均理解为混沌。混沌所指，内涵十分丰富。其中，最有代表性的是"有物混成，先天地生"。描述宇宙演化的初始状态。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天地母。

第三十二页，共五十页，2022年，8月28日

有一个东西混然而成，在天地形成以前就已经存在。听不到它的声音也看不见它的形体，寂静而空虚，不依靠任何外力而独立长存永不停息，循环运行而永不衰竭，可以作为万物的根本。

（二）从混沌的本源性上看，中国古代只能笼统地表述"道生一、一生二、二生三、三生万物"。自然界未分化为有形的实体和时空关系之前，仍是道，即混沌。现代宇宙学的发展对极早期宇宙的状态认识上还不统一，但有一点基本上认识是一致的，即可观测宇宙起源于混沌态，最终必将复归于混沌。第三十三页，共五十页，2022年，8月28日

从混沌的精微性和深奥性上来看，自然界的道，看起来是那样朴实。它们按照共同的统一性存在着，运动着，体现着令人惊叹的简单性和一致性;另外，自然界的事物和过程又永远没有重复。人们甚至无法找到两片完全相同的树叶;在大海中的波涛那永恒的运动中，同样包含着新生和死亡、演变和更替。第三十四页，共五十页，2022年，8月28日

在西方，认识到“混沌出秩序”的，首推哲学家康德。在康德看来，混沌是物质运动不完美的形态。它们是宇宙的原始形态，在向着有规则的宇宙演化的过程中，要经历若干发展阶段，通过同“混乱和混沌状态作斗争”，才能逐步达到应有的完美程度。他还认为，能够欣赏到自然界从混沌到有序演化的生动过程，是一种难得的审美享受，可惜很多人被传统的观念所束缚，不能理解这种假说，因而使他失去了这样的享受。下图所示为混沌的自相似性。 第三十五页，共五十页，2022年，8月28日在整个西方古典美学中，几乎没有人谈过混沌的美，原因很简单，因为他们都认为，混沌就是混乱，因而同秩序是对立的。第三十六页，共五十页，2022年，8月28日（二）混沌的结构美因陀罗之网和无穷嵌套现代科学的混沌研究自70年代复兴以来，至今已形成一些基本的共识，即内在随机性、自相似性及测度维数。第三十七页，共五十页，2022年，8月28日（三）洛伦兹吸引子（混沌吸引子）混沌吸引子有几个“奇异”的特性，首先是它的分形性质，它作为相空间的一个子集，具有精细的嵌套自相似结构，得到的图形的维数不是一个整数。其次是混沌吸引子有两种运动方向，一切在吸引子之外的运动都向它靠拢，对应着稳定方向；而一切到达吸引子内部的运动轨道都相互排斥，对应着不稳定的方向。它作为一个整体是动力系统最终的归宿，对于微小扰动是稳定的，即最终运动方向会到达吸引子上；但是吸引子内部的运动却对初始条件非常敏感，进入奇异吸引子的部位稍有差异，运动轨道变会截然不同。第三十八页，共五十页，2022年，8月28日

这也是混沌的初值敏感依赖性根本原因之所在。必须指出，只有耗散系统才存在混沌吸引子，但并非只有耗散系统才存在混沌。相空间形成了一种奇特的类似蝴蝶翅膀那样的图像—洛伦兹吸引子，显示出动态、流畅的美感，或构成妙不可言的对称图案。下图所示为洛伦兹吸引示意图。第三十九页，共五十页，2022年，8月28日

其次，混沌吸引子仍然充分地显示了科学理论的简洁之美。虽然混沌系统的演化有其不稳定性的一面，而且这种不稳定性在演化中还有重要的作用，但最终仍能趋于一种稳定的状态。在物理和数学的世界里是否有这种混沌的秩序?在非周期运动中是否还有某种普适性?经过几个月的计算，他终于找到了倍周期分叉的普适常数α为4.6692016090。这已足以显示混沌现象背后隐藏的规则性。混沌的动态美不仅展现出世界统一性中的无限多样性，简单性中蕴含的无限复杂性，而且展现出自然系统自我运动中的无限生命力。第四十页，共五十页，2022年，8月28日

当费根鲍姆最初指出混沌是从有序演化而来的结论时，人们总以为这是奇谈怪论。试想，如果没有混沌和分叉这种导致多样性的运动方式，无机的自然界怎样生长出有生命的生物直到智慧的人类?如果没有费根鲍姆那种浪漫的、貌似模糊甚至是不着边际的思考，倍周期分叉中的清晰性又如何能够被发现?开放系统的自组织使随机性同有序性相互沟通。物理学的应用（01）_标清.flv第四十一页，共五十页，2022年，8月28日

蝴蝶效应是气象学家洛伦兹1963年提出来的。其大意为：一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后在美国德克萨斯引起一场龙卷风。其原因在于：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变