麦克斯韦方程 [转载]物理的挑战12  物理学百年的回(3)

物理学还提供了强有力的探测和医疗设备，像五十年代就已经把X光用于生物分子的结构分析，最重要的是它在五十年代首次分析了DNA的双螺旋结构。而克利克和华生正是看到了这个照片以后，才提出了他们有名的双螺旋结构。像RosalynSussmanYalow发明了核放射分析的技术，成功地应用于生物学的研究，超导SQUID器件用在地质探矿或者研究生物体磁性的变化。而CT、核磁共振、正电子CT、PET、基因芯片、激光、超声、微波等等都广泛用于医疗和生物的研究。用现代物理学开发出来的显微镜，我们已经可以清楚地看到细胞的活动。这里是一个巨噬细胞在吞噬一个外来的细菌，这是我们拍摄出来真实的DNA长链，打开了的DNA。这是我们从核磁共振拍摄到的脑的图象。

在量子力学和相对论的指导下面，上个世纪的下半叶，物理学在凝聚态、激光、表面等离子体等等方向上面，又发现了很多种有广泛应用前景的现象。有新的集体振荡的模式，新的相变和宏观量子态等等，像量子霍尔效应、分数电荷、稀土永磁、高温超导、量子点、量子计算和信息传输，玻色-爱因斯坦的凝结态，相干原子束等等。同时也创造了崭新的探测和控制原子的手段，像同步辐射光源，快中子束和离子束，微光机电器件，功能核磁共振，隧道扫描显微镜，原子力显微镜，激光镊子等等，为开创纳米科技的研究提供了有力的工具。这是我们观察到一个在温度不断下降的时候所形成的玻色-爱因斯坦的一个凝结，这是用的铷原子做成的。纳米技术在上世纪末已经开始蓬勃地发展，这里面应用了大量的物理的新的思想和技术，它本身也是由一位有名的物理学家费尔曼所提出来的。这是用光刻技术所做出来的微机械，这里是移动单个的原子所做出来的一个算盘和写的字，这是世界上最小的字之一了。同时在量子场论还发展出一些新的计算的方法。譬如说重整化群的方法，这个对研究处于临界状态附近的各种自相似的结构非常之有用，已经广泛应用于各种不同的物质组成的复杂系统或者远离热平衡的开放的系统。在二十世纪企业已经成为物理学的应用研究开发的一个主力。在市场力量的推动下，我们看到有几项获得诺贝尔物理奖的重要的发现。譬如说晶体管、集成电路、电子隧穿效应、激光、隧道扫描显微镜、高温超导，这些都是获得诺贝尔物理学奖的。它们都在大工业的中央研究室里边完成的，所以在二十世纪有眼光的企业家，已经认识到基础研究在发展企业技术上的重要作用，从市场长远发展的需求，制定了他们研究的目标。他们不仅为大学基础研究提供了很多的资金，而且有组织地在企业内部开展了多学科的基础研究。企业的中央研究所，在世界上已经成为像物理学应用基础研究中间的非常重要的力量。

物理学在发展到历史过程中间，始终是先进文化的创造者，它始终激励一批科学家，在物理学的前沿去进行执着的追求。二十世纪物理学家在多层次变化无常而又丰富多彩的现象中间，去寻求宇宙所表现的真善美，寻求万物运动内在的统一规律，和理解外在显现的多样性，对人类的思维方式和世界观的进步做出了多方面的重要贡献。重要的我想有，一个是对宇宙观和认识论的贡献。相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论是从根本上改变了人类对物质运动、时空和相互作用的看法，使得十九世纪占统治地位的、绝对的决定论的宇宙观衰退，转变为辩证的惟实的宇宙观。

我们先看看古典物理学，从十七世纪开始，物理学一直处在科学研究的最前沿。到十九世纪末由牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学构成的古典物理学，不仅已经发展成为一个完整的理论体系，而且形成了根深蒂固的机械唯物主义的思潮。应该说在十七世纪的时候，机械唯物主义是一个进步，因为当时人们是被神学所统治。在与此同时，将古典物理学应用于社会生产和技术，它也取得了非凡的成功。到十九世纪末从牛顿力学就发展出来分析动力学，同时这里边建立了非常多深刻的观念。像广义坐标和广义动量，对称性和守恒定理,最小作用量原理，拉格朗日作用量函数，哈密顿方程，雅可比括弧等等。这些都对以后的量子力学的发展做出了重要的贡献。而麦克斯韦方程又系统地展示了场的观念，预见了电磁波的存在，提出了光的本性就是电磁波。在麦克斯韦方程中间还隐含了和伽利略对称性不同的洛伦兹对称性。