判天地之美，析万物之理。
——庄子
电子课文·物理学与人类文明
在初中，大家已经学习了一些物理知识和科学方法。进入高中之后，你们将会见识更为丰富多彩的物理现象，学到更为深刻的物理知识，进一步领悟科学研究的方法，增进对科学的感情，受到科学精神的陶冶。
现在，让我们在新的高度上概要了解一下，物理学研究哪些问题，它与其他科学和技术的关系，以及它对人类文明所起的作用。
物理学
物理学是一门自然科学。它起始于伽利略和牛顿的年代。经过三个多世纪的发展，它已经成为一门有众多分支的、令人尊敬和热爱的基础科学。
在远到宇宙深处，近至咫尺之间，大到广袤苍穹，小到微观粒子的浩瀚而又精细的时空中，物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和运动规律。物理学还研究物质的内部结构，在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用，以及它们运动和转化的规律。因此，说物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。
物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。由于自然界并不自动地展现其背后的本质、规律和内在联系，所以物理学又是极富洞察力和想像力的科学。在物理学研究中形成的基本概念和理论、基本实验方法和精密测试技术，已经越来越广泛地应用于其他学科，进而极大地丰富了人类对物质世界的认识，极大地推动了科学技术的创新和革命，极大地促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。
物理学与其他科学技术
物理学的发展，促进了技术的进步，引发了一次又一次产业革命。现代物理学更是成为高新科技的基础。通过图0-1到图0-10展示的内容可以窥见一斑。
带电粒子在电磁场中的运动规律在科学技术的许多领域都有重大意义。电子显微镜、电视显像管、磁控管、粒子加速器等都与它密切相关。
原子核物理学的进展，使人类直接利用射线与核能成为现实。
20世纪初相对论和量子力学的建立，是物理学史上一场惊天动地的革命。由此诞生的近代物理学以雷霆万钧之势将世界带入高科技时代。组成物质的微粒服从量子规律，因此，半导体芯片等产业离不开量子力学的理论支撑。可以说，没有量子力学就没有现代技术，也就没有现代化的生活。
20世纪60年代初，激光器诞生。激光物理的进展为激光在制造业、医疗技术和国防工业中的应用打开了大门。
当温度低于超导转变点时，超导体具有完全抗磁性，下方的超导体如同一块和上方的永磁体同极相对的磁铁一样，使永磁体片飘浮起来。20世纪80年代，高温超导的研究取得重大突破，为超导的实际应用开辟了道路。
20世纪90年代发展起来的纳米科技，使人们可以按自己的需要去设计并重新排列原子或原子团，使其具有人们希望的特性。这使人类在材料科学的研究中，迈出了极其重要的一步。
生命科学的重大进展离不开物理学的基础。脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础。1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构。
物理学与社会进步
物理学的发展孕育了技术的革新，促进了物质生产的繁荣，改变了人类的生产和生活方式，推动了社会的进步。图0-9到图0-11表示这一进程的几个重大事件。
18世纪中叶，蒸汽机的改进和广泛应用得益于热学的研究。蒸汽机的广泛使用，促进了手工生产向机械化大生产的转变，并使陆上和海上较大规模的长途运输成为可能，这大大推动了社会发展。
19世纪后半叶，在电磁学研究的基础上发展起来的电力工业，给生产和生活带来深刻的影响，使人类社会进入电气时代。
20世纪70年代，微观物理方面的重大突破开创了微电子工业，从而触发了第三次产业革命。世界开始进入以电子计算机应用为特征的信息时代。
物理学与思维观念
物理学极大地丰富了人类对物质世界的认识，也改变和扩展着人类的思维方式。物理学的每一个重大进展，都是人类思维观念进步的伟大阶梯。图0-12到图0-14反映了这一阶梯的几个台阶。
在人类文明的初期，人们认为大地是一个大扁盘，物理学的发展使人类对大地乃至宇宙的认识发生了翻天覆地的变化。从“天圆地方”到“地心说”；从“地心说”到“日心说”；从太阳系到河外星系；从静态的宇宙到膨胀的宇宙；从“盘古开天地”到“大爆炸”的宇宙演化论……
图0-13丙 单变量数值仿真。洛伦兹将仅仅相差0.0001的两个初始条件输入一个数学方程，计算得出的两条曲线不久就分道扬镳，南辕北辙。真是“差之毫厘，谬以千里”。
在牛顿力学建立后，人们能精确地预言哈雷彗星每76年回归地球一次。这意味着，已知受力情况和初始条件——物体的位置和速度，就可以求出以后任何时刻物体的位置和速度。由此，人们形成了“机械决定论”的思维方式。很自然地，人们梦想对天气也能做同样的预报。20世纪60年代初，美国气象学家洛伦兹研究了服从三个含有非线性项方程的气象模型系统，揭示了复杂系统的行为对微小初值差异的敏感依赖性，从而断言长期天气预报不可能实现。为此，他提出了“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，有可能在美国得克萨斯引起一场龙卷风”的说法，被称为“蝴蝶效应”。这就动摇了长期在人们头脑中占主导地位的“机械决定论”的思维方式。
科学活动是人类认识自然的活动，现代技术已经与科学活动密不可分了。科学技术方面的突破，对于社会发展会起到至关重要的作用。正是科学成果在技术上的应用，才创造了我们的物质文明。然而，事实表明，技术是一把“双刃剑”，当人类合理而明智地利用技术时，它会给人类带来许多恩惠。但是，如果利用不当，甚至滥用，就会给人类带来诸如生态失衡、资源枯竭等问题。人们有责任避免技术的滥用，既要大力发展和应用先进的技术，还必须细致分析技术的正、负面效应，积极开展技术评价和技术预见工作，让技术更好地服务于人类。
物理学的未来
19世纪下半叶，以经典力学、热力学、统计物理和电磁场理论为主要内容的物理学，几乎能解释当时已知的各种物理现象。因此，当20世纪第一个春天来临之际，久负盛名的英国物理学家、被英王授予“开尔文勋爵”的威廉·汤姆孙在《新春献词》的演说中，踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成……后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就行了。”但话音刚落，他的预言就被一个接一个的重大发现所粉碎。
从表0-1中可以看出，在20世纪，物理学捷报频传，重大发现此伏彼起，从来没有停止过。
那么，21世纪又会怎样呢？还会有重要的发现吗？
著名法国物理学家、诺贝尔奖获得者德布罗意在《物理学的未来》一文中说：
我们的知识越是发展，自然就越是以其多种表现证明它拥有无尽的财富；甚至在很先进的科学领域，如物理学，我们也没有理由认为我们已经“耗尽”了自然财富，或者认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。
事实正是这样，当前还有许多困扰物理学的难题。例如，在物质结构理论中，认为“夸克”构成了质子、中子等强子，但是，夸克为什么不能单独存在？寻找传递强相互作用的胶子的实验能否得出预期的结果？如何将量子力学和广义相对论结合起来，以解释宇宙的起源和演化？此外，自然界中最常见的运动状态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介于二者之间，但为理解这类现象的混沌理论还远未成熟……所有这些都有待人们去探索。
综观世界科学技术发展史，许多科学家的重要发现和发明，都是产生于风华正茂、思想最敏捷的青年时期。这是一条普遍性的规律。哥白尼提出日心说时是38岁；牛顿和莱布尼茨发明微积分时分别是22岁和28岁；爱迪生发明留声机时是29岁，发明电灯时是31岁；贝尔发明电话时是29岁；居里夫人发现镭、钍、钋三种元素的放射性时是31岁；爱因斯坦提出狭义相对论时是26岁，提出广义相对论时是37岁；李政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒定律时分别为30岁和34岁；沃森和克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型时分别是25岁和37岁……
尽管年轻人的知识不如老年人丰富，但却很少保守思想，最具创新精神。虽然多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是，不论从事什么职业，高中物理学习中树立的创新精神会使你终身受益。
“江山代有人才出，各领风骚数百年。”同学们，努力啊！