请详细介绍物理学与其他自然科学的关系
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## 物理学与其他自然科学的关系

物理学作为严格的、定量的自然科学的基础学科之一，一直在科学技术的发展中发挥着重要的作用。过去如此，现在和将来亦复如是。这里首先讨论物理学与其他自然科学的关系，进而再论述物理学与现代技术的关系。

### 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、L.欧拉、C.F.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H.庞加莱、M.D.克列因、D.希尔伯特等，尽管学术倾向不尽相同，但都精通理论物理。到20世纪前期，数学与物理学开始有分道扬镳的趋势，但仍有不少有名的数学家如H.外尔、J.冯·诺伊曼、A.N.科尔莫戈罗夫等还对理论物理甚至于具体的物理问题感兴趣而且做出贡献。总的来看，抽象数学之风日益鼎盛，到20世纪中叶因布尔巴基学派的问世而达到新的水平高度。转机的出现，一方面是来自理论物理学的新发展。20世纪50年代初，杨振宁等提出的规范场论，赋予了微分几何中像纤维丛这一类相当抽象的概念也具有具体的物理内容。1990年作为数学界最高荣誉的菲尔兹奖破天荒地授予从事超弦理论研究的理论物理学家E.威顿，表明两大学科在重新靠拢。另一方面是电子计算机发展的结果。计算技术高速发展，不仅技术上成果累累，理论上也有其重要意义。过去物理学所乐道的是运动方程式的可积问题，特别是可以将物理解以解析函数来表示（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。但可积问题只是少数特殊情况，多数的问题是不可积的，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。

### 天文学

物理学与天文学的关系更是密不可分，可追溯到早期的开普勒与牛顿。到当代提供天文学信息的已从可见光扩展到从无线电波到X射线宽广的电磁波频段，必然采用现代物理所提供的各种探测手段。而宇宙空间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，构成了检验物理学理论的理想的实验室。因此，几乎所有的广义相对论的证据都来自天文观测。正电子和μ子都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。H.A.贝特的热核反应理论首先是为解释太阳能源问题而提出的。L.D.朗道、J.R.奥本海默等人的中子星理论由A.海威什与J.贝尔发现了脉冲星而得到证实。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20世纪70年代以来，诺贝尔物理学奖不仅授予物理学家，也授予天文学家，这也是天文学与现代物理学密不可分的一个标志。

### 化学

物理学与化学息息相关。热力学、统计物理和量子力学都在化学中得到重要应用。19世纪吉布斯的工作横跨了这两个学科。20世纪的P.J.W.德拜、L.昂萨格也复如是。但是，在物理学与化学之间也存在阻梗理解的壁障。经典物理学几乎将所有涉及具体材料的物性问题让给了化学，它本身只关心较理想化的简单系统。量子力学诞生后，固体物理学得到发展，情况就有很大的改变，但思维的惯性仍然存在。物理学家看到包括许多苯环的复杂分子结构式，往往望而生畏，同时又不满足甚至轻视从大量实验结果总结出来的经验规律。另外，概念与术语上的差异也是一个现实问题。如谈到固体的电子结构，化学家习用由量子化学导来的化学键，而物理学家则立论于以固体物理学引入的能带。随着固体物理学发展为凝聚态物理学，研究的对象日益深入到更加复杂的物质结构的层次。就超导体而言，从合金超导体到氧化物和有机超导体，都反映了结构复杂化的趋势，化学家的配合与参与愈加重要。凝聚态物理学的概念和方法促进了液晶科学、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。另一方面，化学反应动力学这一化学的基本问题，也得到了分子束、激光等实验技术的推动。它和量子力学、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。在原子、分子和大块凝聚态物质之间新开辟的研究领域，即团簇和纳米材料，得到物理学界和化学界的共同关注。

### 生物学

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世纪起，生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作，他们在前人所得规律的基础上于20世纪提出了基因的假设。当时对基因的物质基础问题，仍是一个疑问和挑战。在40年代，物理学家M.德尔布吕克和薛定谔对生命的基本问题，提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点，并在薛定谔的《生命是什么？》中进行了阐述。几乎同时，英国剑桥大学卡文迪什实验室在W.L.布拉格的领导之下，开展了对肌红蛋白和血红蛋白的X射线结构分析，持续时间超过25年，为此J.C.肯德鲁与M.F.佩鲁兹于1962共同获得诺贝尔化学奖，推动了对生物大分子结构的物理学研究。美国化学家L.鲍林利用他熟谙的化学知识，利用搭模型的方法，解决了α螺旋的晶体结构。受德尔布吕克与薛定谔的影响，生物学家J.D.沃森与物理学家F.H.C.克里克，在晶体学家R.E.富兰克林与M.威尔金斯的X射线衍射图的启发下，采用搭模型的捷径，在卡文迪什实验室定出了DNA的晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物科学的最重大的突破。人类的基因组测序的工作业已完成，如何利用这些珍贵的资料来发展生物学是当前生物学家面临的重大的挑战。显然这需要物理学家的参与。当今生物物理学家是大有可为的。随着单分子操纵与探测技术的发展，已经可以对细胞与分子层次的生化功能过程进行实时单分子探测和实验，为生命科学从定性走向定量以来革命性进展。单分子研究、DNA动力学模型、神经系统物理学、亚细胞结构物理学、生物物理学复杂系统、生物分子结构与动力学、生物纳米技术与表面科学等，代表了21世纪理论与应用生物物理学的发展全貌。

### 地球科学

20世纪地球科学的重大突破在于板块理论的确立。1945年以后，物理学家P.M.S.布莱克特倡导岩石磁学的研究，形成了古磁学这一新的交叉学科。后来，在大西洋脊附近的古磁学研究中揭示了洋脊扩展的时序，为板块理论的确立奠定了基础。板块运动的驱动力问题，又涉及下地幔的缓慢对流问题，是非线性科学中的一个课题。地球的内核也存在着许多挑战性的疑难问题，诸如地球磁场的产生及其反转等。大气物理学是气象学与物理学相接触的领域，两者存在强烈的相互作用。气象学中有重要意义的洛斯贝涡旋，以及气象学家E.N.洛伦兹为探讨长期天气预报的可能性而导出的洛伦兹方程，在现代非线性科学中扮演重要的角色。
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