论物理学与技术革命之间的关系

物理学与第一次工业革命

17世纪，英国的资本主义生产大发展，采矿业，航海业甚至战争等的规模扩大都遇到了一定的困难。然而，它们都涉到动力机问题。绝大多数工厂，都仍旧依赖于已经使用两千年的风车，水排。这种依靠自然界获取的动力源，严重制约了生产。因此哪个国家将最先制造出适应于工业生产的动力机器，哪个国家就能在竞赛中处于领先地位。

从17世纪初已经有很多人着手这方面的工作，但都没取得重大进展。直到1698年，英国的Thomas Savery才研制成功实用的蒸汽水泵。1705年，英国的Thomas Newcoman，发明了第一台蒸汽推动活塞工作的抽水机。但这些蒸汽机，转化效率都非常低。

Matthew Boulton预见到工业上将大量使用蒸汽机作为动力，因此找到了正失业的James Watt。后来，当Boulton和Watt联手制造第一台蒸汽机时，英国的国王前来参加的工厂，国王问他们正在制造什么东西。Boulton回答道：我们正在制造君主们梦寐以求的商品。国王不解地道：到底是什么？Boulton回答道：是力量，陛下。

James Watt对蒸汽机的改革取得了历史性的突破。1765年，他把蒸汽的冷凝过程安排在汽缸外进行，实现了汽缸的恒温。这是对原始蒸汽机的关键改革。蒸汽机的研制是以力学和热学为基础的。Watt在制造蒸汽机的时候，没有走凭经验办事的弯路，为了对旧式蒸汽机进行脱胎换骨的改造，Watt曾钻研过力学、热学、化学，做过的系统的实验，并仔细计算过气缸的热效能。那时，对温度计、量热学、热传导及热的本质的研究等都取得了重大发展。瓦特在改革蒸汽机的过程中，就得到J. Black的理论指导。因此， M. H. Cohen指出：“我们的制造厂不再被交给无知的工作者；相反，在他们中的大多数人中，有非常有知识的人，有受到良好教育的物理学家们，为了促进有用技艺的进步，我们必须指望他们”。

蒸汽技术革命引起了社会的全面变革，带来了社会生产力的极大飞跃，使产业结构发生了巨大变化，机械制造业和加工业取代了农牧业而成为产业结构中核心支柱产业。

牛顿力学和蒸汽机的发明，使人类进入了机械化时代。

物理学与第二次工业革命

第二次工业革命发生在十九世纪下半叶，它以电磁理论的建立和发展，电气技术开发和应用为基础，极大促进了社会生产力的发展，引起了社会经济结构和生产结构的巨大变革。同时，电磁场理论的发展拓展了科学研究领域，带动了一些新兴学科和相关交叉学科的发展。

历史上第一个对电磁现象进行系统研究的是英国的William Gilbert，但其研究停留于现象层面。此后一百多年，电和磁的研究非常缓慢。18 世纪，美国的Benjamin Franklin证明了电的同一性，还定义了正负电荷，提出了电荷守恒定律。法国科学家Charles Augustin Coulomb借助扭秤实验得到了静电作用的平方反比定律。1820年，丹麦的奥斯特Hans Christian Oersted发现了电流的磁效应，首次得出了电磁统一的思想。不久，法国的Andre Marie Ampere提出了电流相互作用的安培定律，为电动力学的创立作了开创性的工作。后来，英国的Michael Faraday通过10年的努力，终于在1831年发现了电磁感应现象，并在实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了重要的理论基础和实验基础。麦克斯韦于1873年建立了经典电磁理论方程组——麦克斯韦方程组。其中，麦克斯韦提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，预言了电磁波的存在，算出了电磁波的传播速度，从理论上证明了光是一种电磁波。电磁理论发展到了一个辉煌的时期。10年后，德国的Heinrich Hertz在实验室实现了电磁波的发送和接收规律，还证明了电磁波的一系列光学性质，为麦克斯韦理论的确立给出了权威性的证明。这样就实现了物理学的第三次大综合即电、磁、光的综合。

在电磁理论完成后不久，就诞生了第二次工业革命。19世纪六七十年代开始，出现了一系列重要发明。1866年，德国人Ernst Werner von Siemens发明了发电；到了70年代，实际可用的发电机问世。电磁感应现象的发现奠定了电力工业最重要的基础；对电磁波运动规律的研究也是电讯技术发展所不可缺少的。19世纪80年代，欧洲各国的物理学家相继发明了交流发电机、变压器、交流感应电动机和输电系统。这些研究和发明, 为建造大容量电机，获得强大电力提供了技术上的可能性；实验室里成功的技术开发，引发了电力技术的广泛应用，导致第二次工业革命。

在第一次工业革命中，科学与技术尚未完全紧密的结合起来，但是到了第二次工业革命，自然科学的新发展，开始与工业生产紧密结合起来。

物理学与第三次工业革命

信息革命始于20世纪40年代，以计算机问世为标志，目前方兴未艾。从1904年发明二极管起，到1946年世界上第一台电子管计算机研制成功止，是信息技术史上的“电子管时期”。1947年随着半导体晶体管问世，信息技术史进入了“晶体管时期”。此后，集成电路的发明，打破了电路与元件分离的传统观念，使电子设备微形化。经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展。而计算机就是由这些物理元件组成的信息处理工具。

电子和信息技术具有物理基础。首先是1925年~1926年量子力学的建立。1926年费米—狄拉克统计法的提出，得知固体中的电子服从泡利原理。1927年Bloch理论的建立，得知理想晶格中无电子散射。1928年Sommerfeld提出能带的猜想。1929年Peiels提出禁带、空穴的猜想；Wlson和Bloch从理论上解释了导体、绝缘体和半导体的性质和区别；Mott和Jones用电子轰击、X射线发射和吸收等方法验证了能带理论；Bethe提出费米面的概念；Landau提出费米面可测量。1947年Bardeen，Shockley，Brattain发明晶体管。1957年Pippard测量了第一个费米面(铜的)；而后，剑桥学派建立费米面编目。1962年制成集成电路（IC）。 70年代中后期，制成大规模集成电路（LIC）；制成超大规模集成电路（VLIC）；集成度以每10年一千倍的速度增长;巨型机的向量运算超过每秒亿次；微机进入家庭。80年代以后智能计算机、光学计算机和量子计算机的研制取得一定成果，巨型机的运算速度已达数万亿次；网络时代随即到来，新物理技术，如光纤的应用，掀起了信息技术革命的又一次高潮。

后话

可以总结，每一次工业革命的开始，都是以物理学的重要进展作为先导，以物理学作为理论支撑。从时间上看，我们这一代可以经历第四次工业革命。百度李彦宏断言:人工智能堪称第四次工业革命。但是显然，现在的技术无法造出一个具有智慧的头脑。对人工智能的研究，还停留在非常低级的——机器学习——的阶段。这样做出来的东西，依然是工具，并非智慧。危软小冰，QQ聊天机器人，原理只是些学习算法。Alphago倘若不教它其他的，也只会下围棋。它们，距离智慧，还相差甚远。没有更先进的硬件支持，再高级的算法也难为无米之炊。阿西莫夫在机器人系列中，有一个设定，叫做“正子脑”，还有对应的“正子场论”，它们构成了机器人的灵魂。所以，期待下一步物理学的重大进展吧。在重大进展之前，所有的AI热都是泡沫。

也或许强人工智能永远也造不出来。进化出大脑，不也花费了几十亿的时间吗？