物理學(xué)與第一次工業(yè)革命

17世紀(jì)，英國(guó)的資本主義生產(chǎn)大發(fā)展，采礦業(yè)，航海業(yè)甚至戰(zhàn)爭(zhēng)等的規(guī)模擴(kuò)大都遇到了一定的困難。然而，它們都涉到動(dòng)力機(jī)問(wèn)題。絕大多數(shù)工廠，都仍舊依賴于已經(jīng)使用兩千年的風(fēng)車，水排。這種依靠自然界獲取的動(dòng)力源，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)。因此哪個(gè)國(guó)家將最先制造出適應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)力機(jī)器，哪個(gè)國(guó)家就能在競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位。

從17世紀(jì)初已經(jīng)有很多人著手這方面的工作，但都沒(méi)取得重大進(jìn)展。直到1698年，英國(guó)的Thomas Savery才研制成功實(shí)用的蒸汽水泵。1705年，英國(guó)的Thomas Newcoman，發(fā)明了第一臺(tái)蒸汽推動(dòng)活塞工作的抽水機(jī)。但這些蒸汽機(jī)，轉(zhuǎn)化效率都非常低。

Matthew Boulton預(yù)見(jiàn)到工業(yè)上將大量使用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力，因此找到了正失業(yè)的James Watt。后來(lái)，當(dāng)Boulton和Watt聯(lián)手制造第一臺(tái)蒸汽機(jī)時(shí)，英國(guó)的國(guó)王前來(lái)參加的工廠，國(guó)王問(wèn)他們正在制造什么東西。Boulton回答道：我們正在制造君主們夢(mèng)寐以求的商品。國(guó)王不解地道：到底是什么？Boulton回答道：是力量，陛下。

James Watt對(duì)蒸汽機(jī)的改革取得了歷史性的突破。1765年，他把蒸汽的冷凝過(guò)程安排在汽缸外進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了汽缸的恒溫。這是對(duì)原始蒸汽機(jī)的關(guān)鍵改革。蒸汽機(jī)的研制是以力學(xué)和熱學(xué)為基礎(chǔ)的。Watt在制造蒸汽機(jī)的時(shí)候，沒(méi)有走憑經(jīng)驗(yàn)辦事的彎路，為了對(duì)舊式蒸汽機(jī)進(jìn)行脫胎換骨的改造，Watt曾鉆研過(guò)力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)，做過(guò)的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，并仔細(xì)計(jì)算過(guò)氣缸的熱效能。那時(shí)，對(duì)溫度計(jì)、量熱學(xué)、熱傳導(dǎo)及熱的本質(zhì)的研究等都取得了重大發(fā)展。瓦特在改革蒸汽機(jī)的過(guò)程中，就得到J. Black的理論指導(dǎo)。因此， M. H. Cohen指出：“我們的制造廠不再被交給無(wú)知的工作者；相反，在他們中的大多數(shù)人中，有非常有知識(shí)的人，有受到良好教育的物理學(xué)家們，為了促進(jìn)有用技藝的進(jìn)步，我們必須指望他們”。

蒸汽技術(shù)革命引起了社會(huì)的全面變革，帶來(lái)了社會(huì)生產(chǎn)力的極大飛躍，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，機(jī)械制造業(yè)和加工業(yè)取代了農(nóng)牧業(yè)而成為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中核心支柱產(chǎn)業(yè)。

牛頓力學(xué)和蒸汽機(jī)的發(fā)明，使人類進(jìn)入了機(jī)械化時(shí)代。

物理學(xué)與第二次工業(yè)革命

第二次工業(yè)革命發(fā)生在十九世紀(jì)下半葉，它以電磁理論的建立和發(fā)展，電氣技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用為基礎(chǔ)，極大促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，引起了社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的巨大變革。同時(shí)，電磁場(chǎng)理論的發(fā)展拓展了科學(xué)研究領(lǐng)域，帶動(dòng)了一些新興學(xué)科和相關(guān)交叉學(xué)科的發(fā)展。

歷史上第一個(gè)對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究的是英國(guó)的William Gilbert，但其研究停留于現(xiàn)象層面。此后一百多年，電和磁的研究非常緩慢。18 世紀(jì)，美國(guó)的Benjamin Franklin證明了電的同一性，還定義了正負(fù)電荷，提出了電荷守恒定律。法國(guó)科學(xué)家Charles Augustin Coulomb借助扭秤實(shí)驗(yàn)得到了靜電作用的平方反比定律。1820年，丹麥的奧斯特Hans Christian Oersted發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，首次得出了電磁統(tǒng)一的思想。不久，法國(guó)的Andre Marie Ampere提出了電流相互作用的安培定律，為電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)立作了開創(chuàng)性的工作。后來(lái)，英國(guó)的Michael Faraday通過(guò)10年的努力，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力線思想和場(chǎng)的概念，為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論奠定了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。麥克斯韋于1873年建立了經(jīng)典電磁理論方程組——麥克斯韋方程組。其中，麥克斯韋提出了“渦旋電場(chǎng)”和“位移電流”假說(shuō)，預(yù)言了電磁波的存在，算出了電磁波的傳播速度，從理論上證明了光是一種電磁波。電磁理論發(fā)展到了一個(gè)輝煌的時(shí)期。10年后，德國(guó)的Heinrich Hertz在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)送和接收規(guī)律，還證明了電磁波的一系列光學(xué)性質(zhì)，為麥克斯韋理論的確立給出了權(quán)威性的證明。這樣就實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第三次大綜合即電、磁、光的綜合。

在電磁理論完成后不久，就誕生了第二次工業(yè)革命。19世紀(jì)六七十年代開始，出現(xiàn)了一系列重要發(fā)明。1866年，德國(guó)人Ernst Werner von Siemens發(fā)明了發(fā)電；到了70年代，實(shí)際可用的發(fā)電機(jī)問(wèn)世。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了電力工業(yè)最重要的基礎(chǔ)；對(duì)電磁波運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究也是電訊技術(shù)發(fā)展所不可缺少的。19世紀(jì)80年代，歐洲各國(guó)的物理學(xué)家相繼發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)、變壓器、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和輸電系統(tǒng)。這些研究和發(fā)明, 為建造大容量電機(jī)，獲得強(qiáng)大電力提供了技術(shù)上的可能性；實(shí)驗(yàn)室里成功的技術(shù)開發(fā)，引發(fā)了電力技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致第二次工業(yè)革命。

在第一次工業(yè)革命中，科學(xué)與技術(shù)尚未完全緊密的結(jié)合起來(lái)，但是到了第二次工業(yè)革命，自然科學(xué)的新發(fā)展，開始與工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合起來(lái)。

物理學(xué)與第三次工業(yè)革命

信息革命始于20世紀(jì)40年代，以計(jì)算機(jī)問(wèn)世為標(biāo)志，目前方興未艾。從1904年發(fā)明二極管起，到1946年世界上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)研制成功止，是信息技術(shù)史上的“電子管時(shí)期”。1947年隨著半導(dǎo)體晶體管問(wèn)世，信息技術(shù)史進(jìn)入了“晶體管時(shí)期”。此后，集成電路的發(fā)明，打破了電路與元件分離的傳統(tǒng)觀念，使電子設(shè)備微形化。經(jīng)過(guò)大規(guī)模集成電路階段后，超大規(guī)模集成電路又在迅猛發(fā)展。而計(jì)算機(jī)就是由這些物理元件組成的信息處理工具。

電子和信息技術(shù)具有物理基礎(chǔ)。首先是1925年~1926年量子力學(xué)的建立。1926年費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)法的提出，得知固體中的電子服從泡利原理。1927年Bloch理論的建立，得知理想晶格中無(wú)電子散射。1928年Sommerfeld提出能帶的猜想。1929年P(guān)eiels提出禁帶、空穴的猜想；Wlson和Bloch從理論上解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的性質(zhì)和區(qū)別；Mott和Jones用電子轟擊、X射線發(fā)射和吸收等方法驗(yàn)證了能帶理論；Bethe提出費(fèi)米面的概念；Landau提出費(fèi)米面可測(cè)量。1947年Bardeen，Shockley，Brattain發(fā)明晶體管。1957年P(guān)ippard測(cè)量了第一個(gè)費(fèi)米面(銅的)；而后，劍橋?qū)W派建立費(fèi)米面編目。1962年制成集成電路（IC）。 70年代中后期，制成大規(guī)模集成電路（LIC）；制成超大規(guī)模集成電路（VLIC）；集成度以每10年一千倍的速度增長(zhǎng);巨型機(jī)的向量運(yùn)算超過(guò)每秒億次；微機(jī)進(jìn)入家庭。80年代以后智能計(jì)算機(jī)、光學(xué)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的研制取得一定成果，巨型機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)數(shù)萬(wàn)億次；網(wǎng)絡(luò)時(shí)代隨即到來(lái)，新物理技術(shù)，如光纖的應(yīng)用，掀起了信息技術(shù)革命的又一次高潮。

?

后話

可以總結(jié)，每一次工業(yè)革命的開始，都是以物理學(xué)的重要進(jìn)展作為先導(dǎo)，以物理學(xué)作為理論支撐。從時(shí)間上看，我們這一代可以經(jīng)歷第四次工業(yè)革命。百度李彥宏斷言:人工智能堪稱第四次工業(yè)革命。但是顯然，現(xiàn)在的技術(shù)無(wú)法造出一個(gè)具有智慧的頭腦。對(duì)人工智能的研究，還停留在非常低級(jí)的——機(jī)器學(xué)習(xí)——的階段。這樣做出來(lái)的東西，依然是工具，并非智慧。危軟小冰，QQ聊天機(jī)器人，原理只是些學(xué)習(xí)算法。Alphago倘若不教它其他的，也只會(huì)下圍棋。它們，距離智慧，還相差甚遠(yuǎn)。沒(méi)有更先進(jìn)的硬件支持，再高級(jí)的算法也難為無(wú)米之炊。阿西莫夫在機(jī)器人系列中，有一個(gè)設(shè)定，叫做“正子腦”，還有對(duì)應(yīng)的“正子場(chǎng)論”，它們構(gòu)成了機(jī)器人的靈魂。所以，期待下一步物理學(xué)的重大進(jìn)展吧。在重大進(jìn)展之前，所有的AI熱都是泡沫。

也或許強(qiáng)人工智能永遠(yuǎn)也造不出來(lái)。進(jìn)化出大腦，不也花費(fèi)了幾十億的時(shí)間嗎？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的论物理学与技术革命之间的关系的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。