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物理学与技术的关系
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## 物理学与技术的关系

物理学一直和现代技术有密切关系。一般而论，它与技术的关系存在两种基本模式：其一是由于生产实践的需要而创建了技术（如蒸汽机等热机技术），然后提高到理论上来（建立了热力学），再反馈到技术中去，促进技术的进步。其二是先在实验室中揭示基本规律，建立完整的理论，再在生产中发展全新的技术部门。19世纪电磁学的发展，提供了这一模式的范例，创建了现代的电机工程与无线电技术。在当今世界中，上述的两种模式都还在起作用。从物理学的角度来看，第二类模式的重要性越发明显。经典物理学已经孕育出一系列的工程技术，诸如建立在经典力学基础上的机械工程、土木建筑工程和航空航天工程，建立在经典电磁学基础上的电机工程、无线电工程和电子工程，建立在热力学上的有动力工程和工程热物理。下面就现代物理学的基础研究在信息、材料、能源等当代技术中所起的突出作用，做一概略的叙述。

### 信息技术

信息技术在现代工业中的地位日趋重要。计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。信息技术的物理基础首先体现在电子学的建立。第一代信息技术所用的电子器件是真空电子管。早在19世纪末，汤姆孙在阴极射线的研究中发现了电子，随后L.F.李查孙通过热电子发射的基础研究，对于发展真空电子管技术起了关键作用。应该说真空电子管技术的重要性已经减弱，但有些地方仍然未被取代，如雷达技术中磁控管与速调管，电视技术中显像管等。第二代信息技术所用电子器件中则是半导体晶体管。1947年贝尔实验室的J.巴丁、W.H.布拉坦与W.B.肖克莱发明了晶体管标志了信息时代的开始。他们的发明是基于量子力学的固体能带理论启发下进行的，又有坚实的材料研究作为基础。随即发展了一系列半导体器件，建立了半导体工业。从离散的半导体器件到将有源器件和无源元件合为一体，即集成电路，又是一个飞跃，这是在20世纪50年代末实现的。而后集成电路向微型化方向发展，集成度约以每两年翻一倍的摩尔定律在增长。在40年代中建成的第一台大型电子计算机ENIAC，使用了18000个真空管，1500个继电器，几十万枚电阻器与电容器，自重30吨，耗电200千瓦。而今天一台笔记本计算机的性能完全可以超过它，显示了半导体技术对电子计算机发展的决定性影响。集成电路的微型化基本上是采用工艺手段使电路的几何尺寸缩小。最关键的是光刻技术；多种物理手段，如紫外线、电子束和X射线（包括同步辐射），用来减小刻线的细度。工业生产上已达到7纳米左右，实验室中却向更小的尺度推进。但微型化必然存在物理的极限。研究表明，到了几十纳米的量级，量子限制效应即已凸现出来。原来半导体器件工作的原理就不再适用。今后，可能需要用全新的技术来取代业已成熟半导体芯片工艺。量子阱、量子线、量子点等这类呈现新的物理效应的器件，都已受到重视。芯片性能的提高，取决于电路的运算速率和能耗的降低。用高迁移率的量子阱来代替常规的硅器件，在物理上是可行的。对于以砷化镓为基质的集成电路的研制工作也早已在进行。但砷化镓材料的质量控制比硅要困难得多，一系列工艺技术尚难于达到硅的水平，因而要用砷化镓集成电路来取代硅还并不现实。激光器的发明导致了光子学作为信息技术的另一物理支柱。早在1917年，爱因斯坦就认识到两能级的辐射中必须引入与受激吸收相对应的受激发射。但由于在热平衡态，在高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数，因而受激发射为受激吸收所掩盖。50年代初C.H.汤斯及A.M.普罗霍罗夫与N.G.巴索夫分别使氨分子束实现了粒子数反转，观察到微波的受激发射。1958年，汤斯与A.L.肖洛提出了利用法布里-珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。1960年，T.H.梅曼制出了第一台红宝石激光器，为光子学揭开了序幕。激光器一经问世，首先想到的重要应用就是光通信，因为高频的光波具有更大通信容量。但早期的进展都令人沮丧。激光器问世15周年时，虽然在测距、加工、准直、计量等方面取得了重要的成果，唯独光通信仍然停滞不前。在贝尔实验室，由于科学家的远见卓识和锲而不舍，研制出了低损耗的光纤，研制出稳定可靠、寿命超过一万小时的半导体激光器。这样就使光通信走出实验室成为一种重要的现代通信手段。光子学的发展，人们设想用光计算机来取代电子计算机。光的传播速度高，光的信息处理是平行式，对图像的处理应有其突出的优越性。光计算机的基本元件是高速的光双稳态元件，量子阱就是一个候选者。应该指出，光计算机尚处于探索的阶段，离实用还有相当的距离。当然，在电子计算机中采用部分的光学部件，如用于存储信息的光盘业已大量应用。铁磁性或亚铁磁性物质构成的磁存储器一直是计算机的重要配件。但传统的电子器件只是应用了电荷的输运，而忽略了自旋的输运。1988年A.费尔等在铁磁与非铁磁金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，自旋输运问题取得了突破。几年后自旋阀问世，用于硬盘的读出磁头。另外，隧道磁电阻效应作为可擦除的磁随机存储器也可能获得更大规模的应用，从自旋电子学基础研究脱颖而出的这项新技术，受到科技界的普遍关注。操纵自旋输运比操纵电荷输运所需的能耗更小。之后的如何将自旋极化的电流注入半导体，如何获得居里点高于室温的铁磁半导体等研究，在信息技术中的应用有远大前程。1962年，B.D.约瑟夫森提出了超导电子对的隧道效应并获得实验的证实后，电子学又产生了一个新分支，即超导电子学。两个或更多个约瑟夫森结可以组成超导量子干涉器件（SQUID）。SQUID除在实验室中作为精密测量磁场的仪器外，在地质探矿和测量人体的微弱磁性方面都有重要的应用。超导体也用于微波技术，可以作为高Q谐振腔的材料。而约瑟夫森结也可用于探测微波、毫米波和亚毫米波。SQUID也可作为门电路，用于计算机的逻辑元件。1949年，C.E.香农创立的信息论是建立在经典统计物理的基础上的，它提供了现代信息技术的理论基础。到20世纪的90年代，科学家发展了量子信息理论。基于量子力学的叠加原理，量子位同时是既为0又为1，与经典位（0与1中选取一种）截然不同。许多实验已演示了少数量子位的实现。量子信息的发展将是21世纪中值得关注的一件事，将来能否发展为重要实用技术还很难说。但至少在某些特殊的信息技术领域中可能有用，如量子密码学就已经接近于实用化。量子通信由于其保密性强的特点，已经在有限的领域中得到应用。

### 材料技术

材料技术的核心为新材料的研制和传统材料性能的提高。20世纪初，基于热力学的复相平衡规律的应用，为研究材料相图与相结构提供了依据，进而相变动力学理论得到了发展。到30年代，固体能带理论提供了理解材料电子性质的依据，晶体的位错理论为理解金属的塑性提供了依据。到40年代，物理金属学或金属物理学得以建立。对于锗、硅等半导体的研究，揭开了材料技术的新篇章。区熔提纯、单晶制备、外延生长、掺杂工艺等方法相继问世，彻底变革了材料工艺的面貌。这方面的研究工作，除了在半导体器件上开花结果外，也促使材料科学在定量化、微观化和现代化方面迈出了一大步。对金属材料行之有效的多种研究方法也成功地向陶瓷材料的领域延拓。铁氧体与铁电体等新型功能材料也丰富了陶瓷学的内涵。到60年代，物理陶瓷学趋于成熟。金属、半导体和陶瓷共同点较多：以晶态为主，辅以非晶态的玻璃。而以高分子为主的有机材料的发展途径和研究工具与无机材料有较大的差异。高分子科学的研究始于20世纪。通过H.施陶丁格、W.库恩与P.J.弗洛里等化学家的努力，高分子科学也趋于成熟。到20世纪70年代，液晶物理学受到物理学家的关注。随后，P.-G.de 热纳等人又将临界现象的标度律引入高分子科学，并关注于胶体或更复杂的系统，如水、油与表面活性剂的混合物等，从而引发了处理软物质的材料科学的诞生，使材料科学朝向一体化方向迈出了一大步。

### 能源

能源的取得和利用是工业生产的大事。20世纪物理学的一项重大贡献在于核能的利用。然而，核电事业的发展速度和普及程度并没有达到40～50年代科学界的期望。其原因是多方面的，但核电厂已是工业上的现实。在中国大亚湾、秦山等核电厂的建设，核电的发展已经作为工业发展的一部分。如何进一步降低成本，充分而经济地利用核燃料，将是一个重要的研究方向。如果说核裂变能的利用是今天的现实，则核聚变能的研究便是为解决21世纪的能源问题开辟道路。可控热核聚变能的研究，比原来预期要困难得多，但还是在向前推进。在能源和动力方面，可无损耗地传输电流的超导体的广泛应用，也可能导致一场革命。在液氦温区工作的常规超导体所绕成的线圈，已在粒子加速器、磁流体发电装置乃至托卡马克装置等大型实验设备中用来产生强磁场，可节约大量电能；在发电机和电动机上应用超导体，已制成接近实用规模的试验性样机；超导储能、超导输电和磁悬浮列车等的应用前景与开发的价值是不言而喻的。自从1987年液氮温区的超导体问世以来，它在强电中的应用前景是最激动人心的。通过30多年的努力，这方面应用的物理可行性已得到证实：已经掌握制备长线材的工艺技术，但还需要进一步降低成本。2001年初日本科学家又发现金属间化合物MgB2的（超导临界温度）为39开，虽然不及氧化物超导体，但加工容易，某些应用有可能后来居上。太阳能的利用也对物理学提出了挑战，如何制出价廉而高效的太阳能电池将是一个关键性的问题。至于更加常规的能源利用，如石油勘探、煤的燃烧、氢能的利用、节能技术等，也有不少涉及物理学的问题有待于进一步研究。

### 其他技术

除了信息、材料、能源技术之外，医疗卫生技术也是物理学发挥作用甚大的领域：诸如X射线透视和层析技术，核磁共振透视与层析技术等，引发了诊断技术的革命；放射线元素和加速器的利用提供了治癌的有效手段。高能物理学是探索微观世界最基本规律——基本粒子及其相互作用的学科领域，涉及大量数据的提取、处理和传输，因而在信息处理和网络技术中发挥了极其关键性的作用。欧洲核子研究中心（CERN）为因特网的诞生做出了贡献，而中国科学院高能物理研究所也为中国因特网的建立起了关键的作用。20世纪的30年代爱因斯坦与玻尔曾对量子力学的理论解释展开激烈的争议。1935年爱因斯坦及其合作者曾经提出EPR佯谬，来非难量子力学的流行解释。但20世纪80年代实验证实了EPR态确实存在，并构成了当今迅速发展中的量子信息技术的基础。一场带哲学意味的争论产生了技术性的后果，也是前人始料不及的。这说明在基础科学与技术应用的问题上，不能采取过于急功近利的态度。
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