高二物理校本课程 物理照耀世界.pdf

高二物理校本课程一 物理照耀世界目录1.天涯若比邻一一物理与通讯2.知人者智，自知者明一一物理与生命科学3.好风凭借力，送我上青天一一物理与飞行器4.不辩风云色，安知天地心一一物理与天文5.更快、更高、更强一一物理与计算机6.海阔凭鱼跃，天高任飞一一物理与现代农牧业 第一节 天涯若比邻一一物理与通讯第一讲：微波通讯1931年，在英国多佛与法国加莱之间建起了世界上第一条微波通信电路，使无线电通 信技术进入了一个新时代。此后，迅速发展的微波接力通信系统遍及全球，它的应用与发展 促进了诸多领域的科技进步。收音机收到的声音，电视机屏幕上的图像，都是由电台、电视台通过电磁波送来的。电 磁波有长波短波，而波长在1米至0.1毫米之间的电磁波，称为微波。使用微波进行的通信 被称为微波通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点 对点、一点对多点或广播等通信方式。19世纪末，意大利人马可尼和俄国人波波夫成功地完成了用电磁波进行的无线电通信 实验，开创了人类通信的新纪元。1931年，随着微波技术的形成和发展，微波通信使人类 的无线电通信进入了一个新的时代。这一年，在英国多佛与法国加莱之间建起了世界上第一 条微波通信电路。此后，迅速发展的微波接力通信系统遍及全球，它的应用与发展促进了诸 多领域的科技进步，像传送电报、电话、传真、图像、数据以及广播和电视节目等通信业务，还有遥控遥测、报警以及雷达导航、海上救援等特种业务都有了巨大进步。第二次世界大战后，微波接力通信得到了迅速发展。1955年，对流层散射通信在北美 试验成功。20世纪50年代开始进行卫星通信试验，60年代中期投入使用。由于微波波段频 率资源极为丰富，而微波波段以下的频谱十分拥挤，于是移动通信等也向微波波段发展。此 1外数字技术及微电子技术的发展，也促进了微波通信向数字微波通信过渡。微波接力通信系统可用于传输电话、电报、数据、图像及新的电信业务。模拟微波接务 通信系统多用于传输多路电话及电视节目。微波接力通信可用于长途干线通信，并可采用车 载式微波站以供紧急通信用。微波接力通信与短波、米波通信相比，具有通信频带宽、传输 容量大、传输质量好、外界干扰小等优点；与地下电缆通信相比，建设投资和维护费用较少，施工周期短，因此适用于中距离或远距离通信。从建立世界上第一条微波通信线路到今天，迅速发展的微波接力通信系统遍及全球，它 的应用与发展促进了诸多领域的科技进步。1丝米（频率为300兆赫3000吉赫）的无线电通信。微波的传播类似于光的传播，对障 碍物的绕射能力很弱，适于进行视距内的通信。在一定条件下，微波对刃形障碍有一定的绕 射能力，如果选择适当的地形也可以建立山峰绕射超视距通信。实现微波超视距通信普遍有 效的办法是，采用视距接力通信，多站接力全程可达数千公里（见无线电接力通信）。在 10吉赫以下的微波频段，还可利用大气对流层不均匀体的散射传播进行超视距通信，称为 对流层散射通信。其通信距离平地单跳一般约300公里，多站接力可达数千公里（见散射 通信）。微波还广泛应用于空间通信，包括利用空间站（或通信卫星）转发信号的地球站之 间的通信，空间站之间的通信，地球站与空间站之间的通信。微波通信的主要优点是：频段宽，通信容量大，采用高增益天线，可实现强方向性通信。微波视距通信传输较稳定，设备轻小便于机动；微波对流层散射通信单跳传输距离远，适于 在边防、海岛、人烟稀少地区以及跨越敌占地区使用；卫星通信组网机动灵活，能迅速扩展 到任一地区。微波通信已成为许多国家民用和军事通信的主要手段。在军事通信方面，除作 为国防通信网的干线外，车（或机）载微波通信系统还是战时军队各级司令部实施指挥的重 要手段，并可用来快速抢通被毁的电路或开通新的通信干线。微波信道代替电缆作为一种遥 控手段，可以提高移动通信枢纽的快速机动能力。微波通信还可广泛用于对车辆、飞机、舰 艇等的通信。但微波视距通信受地形的影响很大，当频率高于12吉赫时，受雨和大气中水 气的影响袁减很大；对流层散射通信的传输损耗大，设备较庞大；卫星通信（见通信卫星）也存在卫星寿命短、战时可能受破坏和干扰等缺点。1887年德国物理学家H.R.赫兹在分米波波段进行的实验，可以看作是微波技术的起点。1931年从英国多佛尔到法国加来建立了世界上第一条微波通信线路。到20世纪40年代初，随着磁控管、速调管和行波管等微波器件相继发明以及电视和雷达广泛使用以后，微波通信 才迅速发展起来。第二次世界大战中，有些国家的军队除使用微波作移动通信外，还使用了 2长距离多路微波接力通信系统作为干线通信。1957年美国首次在微波频段开通了单跳长达 350公里的对流层散射电路。60年代频分多路宽带微波接力系统得到了广泛的应用。自1965 年世界上第一颗国际商用卫星“晨鸟”使用以来，卫星通信已成为国际通信的主要手段，在军 事上也得到了广泛的应用。70年代以来，随着数字通信以及微波元器件的迅速发展，新的 远距离大容量数字微波接力系统，数字卫星通信系统和对流层散射通信系统日趋完善，小功 率的微波设备已实现了全固体化。目前许多国家大部分长途电话和电视都依靠微波信道传 输。第二讲：光纤通信光纤通讯是光导纤维传送信号的一种通讯手段。光纤通讯的特点是通讯容量大，比 电通讯容量大千万倍，在两根光纤上可以传递万路电话，或上千路电视；保密性能好，抗干扰性很强。1875年，世界上第一台电话问世。5年后，贝尔发明了一种利用光波 作载体的光电话，但是由于找不到理想的光源和传输媒介，因此光纤通讯长期得不到发 展。直到1966年，英籍华人高银博士首次利用无线电波传导信号的原理，提出了利用 光纤长距离传输光波的设想，并且还认为可以生产出一种有实用意义的低损耗光纤。这 一产品问世后，在世界各国出现了一个研究光纤通讯的高潮。1975年，美国亚特兰大 实验系统的光纤通讯实验成功。1983年，美国贝尔实验室在美国东、西海岸铺设了长 度分别为600公里和270公里的两条光纤通讯的主干线。此后，世界其他国家也先后 建立了许多中短距离的光纤通讯系统。1972年，我国开始进行光纤通讯研究，而今已 广泛用于邮电、电视等部门。信息社会的到来使得人们对光纤通信厚爱有加。从理论上讲，一根头发丝粗细的光导纤维 可以同时传送1 000亿对电话通话。如果把全世界50亿人口分成两半同时进行通话，也只 占用了它的容量的四分之一。为什么纤巧的光导纤维具有如此神奇的功能呢？光导纤维由芯子和包层组成。芯子直径在10 p m以下，主体材料为二氧化硅，为了提 高光的折射率可掺杂少量氧化铭或氧化磷；包层的直径一般在100 p m上下，由纯二氧化 硅构成，或者在其中加入少量氧化硼或氟元素，以减少光的折射率。这样可以使芯子和包层 的折光率不一致，从而保证光只能在芯子内传输。光导纤维在工作时，首先要有激光器为它 提供光源。光线在光纤的芯子与包层的交界处发生反射，经过反复反射呈“之”字形传播。但是一般的光并不带有信息。要让光带上信息，就要把电信号加以调制转换成光信号，传输 到接收端，再把光信号解调为电信号，进而把电信号还原成声音。由于光纤通信是利用光波传输信息的有线光通信，所以在信息容量上就表现出十分显著 3的优越性。这是因为光波的频率比微波要高数千倍，相应地能容纳的信号频谱就更宽。同时,光纤通信具有极微的能量消耗，同样距离的光缆所需的中继站要比电缆少得多。这一点在远 距离通信中表现出明显的优势。光纤通信是目前世界上最先进的通信方式，在传输电话、电报、传真、数据和图像时具 有很好的稳定性和保密性，在军事通信领域有广泛应用光纤光纤光纤通信是以光波作为信息载体，运用光反射原理，用光信号取代电信号，以光导纤维 作为传输媒介的一种通信方式。1955年，英国伦敦帝国学院的卡帕尼(Narinder Kapany)博士根据光的折射原理，发 明了用玻璃制成了极细的光导纤维。1966年，华裔英国科学家高银(1933)博士提出利用低吸收率的石英玻璃光学纤维 作为通信介质。高银奠定了光纤通信的基础，被称为“光纤通信之父”。1973年，第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成。1977年，美国电报电话公 司在芝加哥市内开通了世界上第一条光纤通信线路。光纤通信系统现已经历了 5个发展阶段:70年代后期的85微米波段多模光纤为第一代,1981年出现的1.3微米多模光纤为第二代，1984年实现的1.3微米单模光纤为第三代，80 年代中后期实现的1.55微米单模光纤为第四代，用光波放大增长传输距离的光纤通信系统 为第五代。光纤通信传输信息量大、抗干扰性强，其使用成本也逐渐降低。它不仅成为今天 大容量、高速通信线路的首选，并将在未来信息社会中承担主要传送工具的角色。第三讲：无线电通讯4好处利用无线电波传输信息的通信方式。能传输声音、文字、数据和图像等。与有线电 通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性好，建立迅速；但传输质 量不稳定，信号易受干扰或易被截获，保密性差。是谁发明的争论在英国，人们把麦克斯韦奉为无线电的开创人，认为他最先指出电磁波的存在。在美国，有人认为德福雷斯特是无线电之父，因为他发明了三极管，而三极管是无 线电通信器材的心脏。在俄国，只承认波波夫是无线电通信的创始人。在西方科学家的眼中，意大利人马可尼是无线电通信的发明人，他因此获得诺贝尔 物理奖。在德国，人们认为赫兹才是无线电的开创者，因为他最早证明了电磁波的存在。电 磁波的振动频率的单位，就是以他的姓命名的。到底是谁发明了无线电通信呢？可以这么认为，无线电的发明是众多科学家共同研 究的成果，也是历史发展的产物。发明历史人类发明了电报和电话后，信息传播的速度不知比以往快了多少倍。电报、电话的 出现缩短了各大陆、各国家人民之间的距离感。但是，当初的电报、电话都是靠电流在 导线内传输信号的，这使通信受到很大的局限。譬如，要通信首先要有线路，而架设线 路受到客观条件的限制。高山、大河、海洋均给线路的建造和维护带来很大的困难。况 且，极需要通信联络的海上船舶，以及后来发明的飞机，因它们都是会移动的交通工具，所以是无法用有线方式与地面人们联络。1 9世纪发明的无线电通讯技术，使通信摆脱 了依赖导线的方式，是通信技术上的一次飞跃，也是人类科技史上的一个重要成就。在科学的道路上获得成功的人总是那些永远孜孜不倦，善于总结前人经验，汲取前 5人教训的勇敢者。谁能坚持下来，谁的灵感突然迸发，他就能摘取胜利的果实。俄国人 波波夫和意大利人马可尼就是这样的人。波波夫于1 8 5 9年出生在俄国的一个牧师家庭中。1 8岁那年，他考进了彼得堡 大学数学物理系。不久转入森林学院学习。森林学院学术气氛活跃，使他打下了扎实的 基础，几年后波波夫以优异的成绩毕业了。1 8 8 8年，赫兹发现电磁波的消息传到了 俄国，2 9岁的波波夫一下子改变先前要把电灯装遍俄国的主意，树立了要指挥电磁波 飞越全世界的理想。1 8 9 4年，波波夫做了一台磁波接收机。这台机器的原理与英国 科学家洛奇的那台相似，但灵敏度却远比洛奇那台要高得多。波波夫对无线电通信的杰出贡献，是他发现了天线的作用。在一次实验中，波波夫 发现金属屑检波器的灵敏度异常地高。接收电磁波的距离比起平时有明显的增加。他没 放过这个异常现象，仔细地观察了周围环境，也没发现什么变化。找了很多原因，但都-排除了。他感到很奇怪，再试一次，灵敏度还是异常的高。忽然，他瞥见有一根导 线搭在检波器上。很明显，这根导线增加了检波器的接收能力，增加了灵敏度。波波夫 真是喜出望外，提高机器的灵敏度，增加传收距离的愿望竟在这无意中达到了。他使用 的这根导线是世界上的第一根天线。波波夫用这架机器首先去检测雷电。他把莫尔斯电 报机接在机器上，在一个雷电风雨交加的夏夜，他的接收机收到了空中的雷电，并用英 尔斯电报机上的纸条记录了下来。1 8 9 5年5月7日，波波夫带着他发明的无线电接收机来到彼得堡的俄罗斯物理 化学学会物理分会会场，在宣读论文后，当场进行演示。他让助手在演讲大厅的一头安 放好电磁波发生器，自己在讲台上调好接收机，装好天线，接收机连接了继电器和电铃。一切就绪后，助手接通电磁波发生器，接收机带动电铃响了起来。当助手把电磁波发生 器电源切断，电铃声嘎然而止。面对事实，过去支持他的人，反对他的人，怀疑他的人，都上前握手祝贺他。此后波波夫又改进了他的机器，用电报机替换了电铃。这样，就形 成了一台完整的无线电收报机。1 8 9 6年3月2 4日，波波夫和助手又进行了一次正式的无线电传递莫尔斯电码 的表演。波波夫把接收机安放在物理学会会议大厅内，他的助手把发射机安装在森林学 院内，两地距离2 5。米左右。时间一到，助手沉着地把信号发射出去，波波夫这边的 接收机清晰地收到信号。此时俄罗斯物理学会分会长把接收到的字母一个个地写在黑板 o最后，黑板上出现一行字母：“海因里希赫兹”。这是世界上的第一份无线电报，内 容是纪念赫兹这位电磁波发现者。6马可尼1 8 7 4年出生在意大利，父亲是意大利人，农庄主，母亲是爱尔兰人。1 8 9 4年，即赫兹去世的那年，马可尼刚满2 0岁，他在电气杂志上读到了赫兹的实验 和洛奇的报告。从小就喜欢摆弄线圈、电铃的他，便一头钻进了电磁波的研究中。他想 既然赫兹能在几米外测出电磁波，那么只要有足够灵敏的检波器，也一定能在更远的 地方测出电磁波。经过多次的失败，他终于迈出了可喜的第一步。他在家中的楼上安装 了发射电波的装置，楼下放置了检波器，检波器与电铃相接。他在楼上一接通电源，楼 下的电铃就响了起来。晚上，当父亲看到了这个新奇的装置，把以前憋在肚子里的火气 和不满都抛到九霄云外，再也不叫他“不切实际的空想家”了。并开始给儿子经济资助，让他一心搞实验。马可尼初次告捷后，信心增强了。他大量收集资料和文章，木管这些 文章的作者是有名气的还是无名气的，只要对他有用，有所启发的文章，他都耐心阅读，仔细分析。他把各家的缺点分析清楚，把各人的长处集合起来，改进自己的机器。第二年夏天，马可尼又完成了一次非常成功的实验。到了秋天，实验又获得很大的 进步。他把一只煤油桶展开，变成一块大铁板，作为发射的天线。把接收机的天线高挂 在一棵大树上，用以增加接收的灵敏度。他还改进了洛奇的金属粉末检波器，在玻璃管 中加入少量的银粉，与银粉混合，再把玻璃管中的空气排除掉。这样一来，发射方增大 了功率，接收方也增加了灵敏度。他把发射机放在一座山岗的一侧，接收机安放在山岗 另一侧的家中。当给他当助手的同伴发送信号时，他守候着的接收机接收到了信号，带 动电铃发出了清脆的响声。这响声对他来说比动人的交响乐更悦耳动听。这次实验的距 离达到2.7公里。1 9 3 7年，马可尼与世长辞，在意大利罗马有近万人为他送葬，同时，英国所有 无线电报和无线电话，以及大不列颠广播协会的广播电台停止工作2分钟，向这位无线 电领域的伟大人物致哀。马可尼、波波夫以及其他为无线电通信领域作出贡献的科学家 虽然离开了人间，可是他们发明的无线电通信留给了后人，并将造福于人类的子子孙孙。迅速和准确地传递信息，历来都是和社会生活“息息”相关的。用任何方法，通过任何媒介，将信息从一地传到另一地，都称为通信。古代我国的烽火台便是一种“光通信”设施，统治者 借助它的缭绕烟和熊熊火焰来传递战事警报。至于那时平民百姓两地之间的信息往来，只有 靠托人“捎信”，辗转传递，中途往往要经过成年累月的时日。有时因为事情被传得走了样，还造成了不少历史悲欢离合的故事。由于通信关系重大，历史上各个国家的统治者无不 设立“御用邮政，在中国从汉朝开始，就有了官方传递信件和机构一驿站。为了快速传递信 件，当时的驿卒，头戴红色头巾，身穿红袖衣服；沿路的车马行人，远远看见飞马奔驰的驿 7卒，都要让路(邮政人员身着专门色彩服装的习惯，各国一直沿袭至今)。对一些十万火急 的公事，往往还采取“加急”的办法传递，但即使“驿马如星流”，仍然是“日驰三百自嫌迟”。至于担负通信任务的劳力一一驿卒们的劳顿和辛苦，更是可想而知了。各式各样以人工传递 为主的通信方式，对于“老天爷”的捣乱都束手无策；面对高山恶水的阻拦，也都一筹莫展。随着资本主义生产方式的产生和发展，通信方式发生了巨大的变革，从“驿马邮政”发展 到“火车邮政 航空邮政”，出现了为社会公众服务的邮政业务。之后，由于电和磁的被认 识，人们开拓了通信方式的新途径一一有线电通信和无线电通信。从那时开始，人类社会就 进入现代通信一一电气通信的新纪元。所谓电气通信(简称电通信或电信)，就是使用电或电子的设施传递信息的方式。按照 传输媒质的不同，电气通信分为有线电通信和无线电通信。利用导线传输代表声音，文字，图象等信息的电信号的通信方式，称为有线电通信；利用无线电波在空间的传播来传送电信 号的通信方式，称为无线电通信。电通信技术自问世以来，便出人意料地得到飞速的发展，其发展速度之快和传递信息量 之大，最近的百年时间超过了以往的几千年。现代电通信，广泛应用在政治，经济，军事，生产，科研和社会生活的各个领域，和我们每个人都结下了不解之缘。让我们回顾一下现代通信史上几个激动人心的镜头吧！1837年莫尔斯(1791-1872)发明了电报以后，1844年5月24日，他用激动得发抖的 手，从华盛顿向40英里外的巴尔的摩城拍发了世界上第一份长途有线电报，电文是圣经 上的一句话：“上帝创造了何等奇迹！”奇迹当然并非上帝创造的，而是人类智慧的成果。人 类社会电通信的时代，便从此开始了。电话的发展更加说明问题。1876年美国人贝尔(184719222)发明了电话，过了 40 年美国建成第一条横贯国土东西的长途电话线。这条线路的修建，足足耗费了 2960吨铜和 13万根电线杆。但是，仅仅又过了 50多年的时间，电话这个当年的“科学玩具、就已发展 成为现代生活中不可缺少的通信工具了。现在，世界上拥有近5亿部电话机。人们可以通过 四通八达的电话网和远隔重洋的亲人互致问候，和异国的同行洽谈公务；可以通过可视电话“千里相会”，坐在屋子里到处“参观访问”。多功能的电话，将成为人们周到的“电子仆人、人们还可以把甩掉了“尾巴”的移动式电话-无线电话-带在身上，随时随地和各处进行通信 联系。在有线电通信发明前后，1864年年轻的英国人麦克斯韦(1831-1879)提出了电磁波理 论，成为无线电通信的报春人。1887年德国人赫兹(1857-1894)同样在他的青年时代第一 8次人工产生了电磁波。1896年，时值青春年华的俄国人波波夫(1859-1906)和意大利人马 可尼(1874-1937),在电磁波理论和实践的台阶上，分别成功地进行了无线电通信的实验，在电气通信史上写了光辉的一页。1901年，无线电信号跨越了大西洋。随后，人类便第一 次听到了从无线电接收机里传出的话音和音乐。世界上第一次广播是106年在美国的一个实 验室里进行的，广播的内容是节日前夕的庆祝节目，听“众”只有一艘船上的几名报务员。而 到了 20世纪80年代的今天，利用无线电波传送声音和图象节目的广播和电视，已深入到社 会生活的各个角落，成了亿万人的伴侣。电子器件的发展，对无线电通信技术起着举足轻重的作用。电子器件经历了从电子管到 半导体器件，再到集成电路的演变过程；具有功能组件化、遥控、自动调整特点的器件的出 现，使无线电通信面貌大为改观。1963年第一颗同步卫星进入轨道，无线电通信发生了“天 上人间”的变化。现在，卫星通信可以把各种信息“轻而易举”地传送到地球的各个角落。1970 年制成了世界上第一根光导纤维，开始了通信技术史上又一场新的革命，吹响了向光通信时 代迈进的号角。现代通信的发展正展现着巨大的魅力。在结束这一节的时候，我们想特别指出：在无线电通信事业的开创史上，许多灿烂的华 章，都是由当时的年轻人书就的，同时，业余无线电爱好者的贡献出很突出。有志于无线电 事业青年朋友们，让我们踏着先人光辉的足迹，继往开来，一起来探索当代无线电的秘密，把未来的无线电事业推向新的高峰吧！第二节 知人者智，自知者明一一物理学和生命科学厦门六中物理教研组卢雅明第一课时21世纪物理学取得了辉煌的成就，为推动人类社会的进步和生命科学的发展作出了 巨大贡献，21世纪的物理学，将面临着生命科学的挑战和发展机遇，本文立足于世纪之交,顾后瞻前，追求物理学对生命科学的贡献，阐述生命科学对物理学的挑战，展望新世纪物理 学和生命科学相互交融、共振共荣的前景。9在世纪之交的伟大历史转折时期，许多科学家认为，21世纪的科学发展趋势，是各门科学 不断交叉、加速综合，不同学科的作用和地位将发生变化1。如果说20世纪的主导学科 是物理学的话，那么21世纪的主导学科将是生命科学2,生命科学之所以将在21世纪成 为主导学科，在各学科中起核心作用，一是作用因为它是从现象到本质研究生命与生命活动 密切相关的学科，二是因为物理、化学、计算机科学为生命科学的研究提供了有力的仪器 和方法，为生命科学的进一步发展奠定了基础，而这一主导学科的世纪交替，也充分说明了 物理学与生命科学的历史渊源和它们在整个自然科学中的作用和地位。一、物理学的重要贡献20世纪的物理学、在微观、宏观、复杂系统和现代生物学四个基本方向上，把人类对自然 界的认识推进到前所未有的深度和广度，物理学的两大理论支柱一量子论和相对论，促使人 类整个自然科学的改观，物理学的发展为人类提供了核能新能源、半导体、激光、计算机等 新技术，导致人类社会的进步，改变了人类的生产方式和生活方式，尤其是物理学，为生命 科学奠定了坚实的理论基础，提供了大型的实验研究手段和精密的科学仪器，为生命科学成 为21世纪的主导学科打了坚实的基础。1.生命现象的物理理论研究生命现象首先遇到的一个根本性问题，即“什么是生命”？对此，量子力学的主要创始人 薛定谓，于1994年在他著名的什么是生命一书中就预言了遗传密码的存在和生命赖“负“商”以生存，同时指出：量子力学应当成为生命科学的基础，这是物理学家解释生命现象的 前所未有的突破。60年代，普里高津(Prigogine)提出的“耗散结构理论”，使热学与生 命科学融合在一起3,80年代，联邦德国科学家艾根提出“超循环”理论，建立了一种从多 分子体系向原始生命进化的理论模型，90年代，美国地球物理学家路易斯?勒曼提出了一条 最新颖的“泡沫理论“，他认为沫很可能是万物生命的起源，我国物理学家钱三强教授认为：生物世界也有“馄饨现象”，人类致死的心跳、癫痫以及精神分裂症都涉及混沌，生物的进化 也靠混沌，著名科学家周光召院士也认为：在地球刚开始的时候并没有生物，是混沌的4,而山东大学张颖清教授创立的“全息生物学”理论，深化了人类对生物体的认识，香港发明家 余新河先生的“磁学一生命学猜想”，则为揭开生命之谜开辟了新的途径。2.物理学理论对生命科学的影响 10物理学处理宏观体系的理论（如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论等）,使人们可 以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关系；物理学的微观理论（如 分子帮原子物理、量子力学、粒子物理等），使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子 聚集体（膜、细胞、组织等）的结构；运动与动能、非浅性理论、混沌理论则为脑科学的研究 提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来，而生物物理学的创立则是人类用 物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个 无限美好的前景。英国物理学家汤姆逊发现电子和1901年普朗克量子论的建立，标志着从经典物理学现象的 宏观描述跨入了微观世界的分析，这一跨跃在物理学中激起的巨大浪潮，极大地影响了 20 世纪的物理学思想，即大的物质由小的物质组成，小的由更小的组成，找到最基本的粒子就 知道了最大的构造，这个思想不仅影响了物理学的发展，而且影响了 20世纪生物学的发展,即要了解生命就应研究它的基因，了解了基因就可能会了解生命，因此，生命科学的一些前 沿学科，如细胞生物学、分子生物学、量子生物学、遗传基因工程等相继兴起，并加速发展，另一方面，生命系统又是宏观的，是有机体的最高存在形式，是一个开放的复杂的巨系统，它最具有整体性，所以，研究生命现象，仅采用那种机械的无限分割的方法已不适用，还需 要用整体的方法，以系统论、控制论、信息论为理论基础。以量过程是生命系统中的基本过程，而能量的转化与传递正是物理学的分支学科一热学研究 的范畴，因此，生命科学与热学早已紧密地联系在一起，目前工程热物理在生物领域已经能 够做到的事情包括：对生物伟热过程的定量描述，从而在一定程度上解决了医疗工程中提出 的最佳“热疗剂量”和超声治疗中温度控制与焦域的描述；生物工程（冷冻保存）中的相变问题 也是热物理学的研究对象，抑制冰晶生长机理的研究已初已成效，从热力学的角度看，生命 系统又是非平衡开放系统，热力学的角度看，生命系统又是非平衡开放系统，热力学的基本 定律和物理学的非线性理论也成了生命科学的基础知识。从力学角度研究生命现象的历史，一直可以追溯到伽里略、牛顿和哈维，本世纪30年代，希尔（AV.Hill）将力学方法和生理学、解剖学等方法相结合，研究组织和器官层次上的生命现 象，指出重力、超重和失重对细胞、组织、器官均可产生影响5,6。我国著名的生物物理学 家贝时璋研究员认为：生物系统各层次一分子、分子聚集体、亚细胞、细胞组织等的有序结 构主要决定于分子内和分子间的各种力发生有组织的协同作用。113.物理学为生命科学提供了现代化的实验手段和技术早在1791年，解剖学家、物理学家伽 伐尼(L.Galvani)用电刺激蛙神经，发现了生物的导电现象，德国生理学家杜布瓦雷蒙(E.H.Dubois-Reymond)终生都在用物理学中电的技术进行生物电的实验研究，为电生理学 的建立和发展作出了贡献，19世纪中叶，杜布瓦雷蒙同另外三位生理学家布吕克(E.W.von Brucke)、路德维希(C FW.Ludwing)和亥姆霍兹(H.vonHelmholtz)相遇，一致表示要用物理 的分子和原子的机理来研究、解释全部生命过程，可以说这种表示，是他们认识了物理学的 理论和技术在研究生命过程中的重要作用。总之，19世纪的生物学不仅在理论上有重大的 建树，而且已经建立起实验的与物理学不仅在理论上有重大的建树，而且已经建立起实验的 与物理学、化学相结合的研究方法，这种方法成为推动20世纪生物学快速发展的主要技术手 段。X射线对生物学的发展有着十分重要的影响，而且意义深远，1927年，马勒(H JMuller)用X射线人工话发果蝇突变，是一个被公认的用人工方法改变基因的事例，开辟了遗传学 研究和实际应用的新领域，X经射线衍射技术使人们发现了 DNA(脱氧核糖核酸)分子的双螺 旋结构，根据这一结构，破译了其上所载的遗传密码，DNA结构的发现和遗传密码的破译，标志着分子生物学的诞生，人们依据分子生物学理论在DNA的复制模式、蛋白质的合成、核糖核酸(RNA)的功能、遗传信息的转录和翻译以及遗传密码的获解等方面取得了一个又一 个的丰硕成果，最近，瑞士科学家用X射线晶体成像法在世界上首次发现了 DNA关键部位 的原子结构，从而为人类从原子角度揭开生命之谜奠定了基础。功能磁共振成像、高分辩率 的脑电图和脑磁图成像等，使人们有了观察大脑认识活动的望远镜，对开发人脑的智力提供 了科学依据，核磁共振成像可产生多核种(氢核、磷核)、多参数(密度、弛豫时间)的物理图 像，它不仅能显示人体任意断层的解剖图像，还能显示内脏功能和生理、生化过程信息的空 间分布，为人体病变组织的诊断提供了先进、可靠的手段。本世纪初，物理学揭示了粒子的波粒二象性，特别是认识了电子这一基本粒子的波粒二象性 后，人们利用电子的波动性研制成电子显微镜，使得显微镜的分辩率达到1nm的数量级，从而可直接观察细胞内的超微结构，使生物学的实验方法和实验手段实现了飞跃，推动了生 物科学的发展，现在，电子显微镜已深入生物医学的各个领域，比如细胞生物学、分子生物 学，遗传学、微生物学、病理学等7,8。在病毒学的研究中，电镜成了观察病毒的唯一工具，对病毒学的发展起阑重要的作用，而且用电镜拍摄到了 DNA,观察到了核糖体由大小来单 位的组成，拍出了 mRNA翻译时把核糖串连成多聚体的电镜照片，对核酸的研究有助于医 学、遗传学等生命科学的发展，现在，用扫描隧道显微镜(STM)可以观察DNA双螺旋结构 12的清淅图像；用原子力显微镜(AFM)可以观察血液细胞和细菌等，可以说，多种功能、高分 辩率的显微镜，在生物学的发展中功不可没。近年来，随着激光研究的深入，X射线激光全息术的问世，为生物学的研究提供了全新的研 究方法和强有力的实验手段，因为X射激光全息术能够拍摄生物活细胞的三维结构全息像,生物样品可完全处于水合物状态，使活细胞能在与原状况相同的生理条件下成像，X射线 激光还能够拍摄限度为1nm的“快照”，从而消除了细胞或细胞器布朗运动产生的模糊；生 物界对此评价说，这对现代生物基因研究是划时代的革命性变化。纳米技术和微电子学的发展为生物学提供了精细、先进的技术，最近，用原子力显微镜对 DNA分子链上的任何确立部位进行了分了分割，这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米 尺度上改造基因的重要进展9。1994年发明的一种新型微碳纤电极(聚丙烯C FE),分辩率 提高了约十倍，为细胞的分泌研究提供了最灵敏的控针。贝克莱尔发现放射性核素，奠定了现代核技术包括核医学技术的基础，利用放射性元素或示 踪剂，通过射线达到了解体内特定生物活动的目的，是当前在活体元素水平观测人体和生物 过程最具潜力的技术，而且用它可以找到从生命本来水平探索生命奥秘的最佳途径10,11,核医学成像技术也是目前仅有的，可以从整体、器官、细胞及分子四级结构水平，反映生物 功能和代谢信息的显像技术。物理学中的模型、方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的 应用，用分子涨落的方式对DNA与RNA的结构和动力学特征所做的量子力学计算，其精 确度已达到令人满意的程度，在细胞生理学和神经生物学中，物理学方法对于了解生物分子 的传输，膜的结构以及在脑、神经和肌肉中的信号过程始终是关键的，通过单跨膜分子通道 对离子流进行最新的物理测量，为了解单跨膜分子通道离子流的机理，提供了最重要的直接 途径；由于这种机理支配着脑和神经的信号处理过程，所以这种物理测量有可能是揭开大脑 之谜的关键途径。纵观生物学在20世纪中的发展，正是继承了 19世纪的传统，走与物理学、化学相结合的 符合生物学性质的实验研究道路，才取得了辉煌的成就，而且生物学用物理学与化学相合的 方法，不但没有把复杂的生命现象简单化，反而用基本的物理学、化学的原理和敏锐的方法 及其仪器探索复杂的生命运动，揭开了许多生命的奥秘，这进一步证明了物理学和化学的基 本理论是研究生命运动的基础。13二、生命科学的挑战物理学的理论、方法、技术等，虽然是推动生物科学发展的强大动力，但生物科学的对象是 复杂的、多层次性的，在许多方面超出了传统物理学的范围和观念，因此，生命科学将会向 物理学提出很多挑战性的问题。(1)21世纪高技术的核心，导致社会的智能化，在智能社会里，彻底揭开大脑的奥秘、发展 人工智能的研究，是自然科学面临的最大挑战之一，脑科学更广泛地传递、储存、组织、处 理，现在虽然有不少理论、假设，但离对它本质的认识还相差甚远，如果仅仅靠实验，也许 得至的只是零星的、点滴的、不太系统的认识；而最终要揭开这个奥秘，也许还需要理论物 理方面的突破。生命现象和大分子结构存在着相互关系，同样的大分子，它们的结构开矿不一样，有的有 活性，具有生命现象；有的没有活性，没有生命现象，它们的结构与功能之间存在着什么样 的关系，生命科学家可以研究，但要从物质上认识它，还需要物理学家的参与，因为物理学 是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，所以解开生命系统的难解、必解之题，也是 物理学家不可推卸的责任。随着个体发育和系统发育的进展，生物的物质结构越来越复杂，能量利用越来越精密，信 息量越来越大，这对物理学来说是一个新问题，尤其是给量子力学和热力学增加了不少麻烦,生物物理学要把这些任务承担起来，以生物在其分子水平为出发点，一方面要深入研究亚分 子水平，如电子、质子、离子、自由基、各种作用力等的运动规律及其如何影响分子；另一 方面要在分子水平上找出生命活动的规律，以及如何影响和带动亚细胞、细胞、器官以至整 体各层次生命的活动，由于生物是开放系统，经常与外界交换物质、能量和信息、炮和嫡的 问题非常复杂，可逆过程和不可逆过程交叉在一起，因此，生物物理学要借助于物理学的研 究阐明这些问题。对生命物质认识到分子水平，就要用分了机器对生命物质进行切割和分析研究，改变基因 组成需要遗传工程技术；获得全新的蛋白质需要计算机显示和辅助设计，提出新的分子设计 方案；从事分子水平的遗传机制和遗传工程机制的研究，在试管里创造生命，探索人的神经 和大脑思维过程和查清人类基因图谱，基因与疾病的对应关系等，都需要微电子学、纳米电 子学、纳米生物学等有很大发展。14生物功能多种多样，生命现象有高等与低等之分，要了解生命的本质，需要物理学与生物 科学从根本上相结合，物理学方面，特别像对生物大分子和细胞这样的复杂体系的力学和统 计处理，需要有新的突破。三、新世纪的物理学与生命科学21世纪生命科学(包括医学、农学等)的发展，无论从速度、深度和广度来看都会出乎人们的 预料，将带来新的科学革命，但生命科学的发展仍需物理学、化学、数学、计算机科学等学 科提供新的理论基础、先进的实验技术和研究手段，可以说，物理学现在发展到如此高的水 平，我们能够在分子和多体组织这两个层次上谈论基础生物科学的巨大复杂性，如生物凝聚 态物理、生物细胞中能量和信息的转移中的物理问题、脑功能的物理过程、用生物芯片和生 物电脑模仿人脑的功能等，都是十分重要的前沿，所以，物理学和生命科学在主层次上的结 合是21世纪科学发展的大趋势。生命现象属于高级的物质运动形式，这些运动形态又是以物理学的运动形态为基础的，例 如，呼吸、消化、血液循环、排泄等这些生理过程者和力学、热学、电学分不开。因此，21世纪的物理学知识仍是了解生命现象所不可缺少的基础。上前，由于基因操纵技术的发展，使得任何潜在蛋白质的有系统的改良和生产成为可能，稀有蛋折质能够大量地生产，就足以满足利用物理学和化学方法进行结构的研究，并且能够 控制活细胞中天然的和改良的蛋白质的表达，从而辨认结构功能关系，生物技术和生物物理 学的结合为未来富有成果的研究展现了极好的强劲前景。脑的多细胞组织及其信息存取原理提出了关于人体网络(physicalnetwork)的基本问题，它 受到广大数学物理学家的关注，最近，局部有序系统的理论物理学于脑功能研究的典型特性 获得了成功，这就导致学科间有重大意义的最佳协同；这种协同涉及到神经科学、统计物理 学，最终或许能够获得有关处理脑器官故障所需要的知识。量子力学与高速电子计算机相结合，通过计算生物大分子的局部电子结构，在量子水平研 究遗传、变异、袁老、癌变等生命现象，这必将对生命科学在理论上的重大突破同贡献，另 外，研究生命的本质，还必须追溯到生命的物质性质，X射线显微技术、激光显微术、微电 子技术等在迫近探索生命物质性质中将具有强大的优势。15生命系统具有特殊的结构系统，在其内部及其与环境之间发生着不间断的物质、能量与信 息的交换，这是它存在的必要条件和基本形式，物质的传递与信息的传递都必然伴随着能量 的传递，而热是能量过程的重要表现形式，生命现象的各个层次无不包含热效应，因此，热 科学的研究是提示生命奥秘的一座重要的桥梁;在分子层次上的热休克蛋白的基因表达与调 控，细胞层次上膜的结构、相变、损伤、稳定等问题均与热有联系；在组织与生物个体层次 上，工程热物理已经在肿瘤的高低温治疗、组织与器官的冷冻保存、作物的低温保鲜等方面 得到了应用，今后应在精确定量方面进一步深入研究，对生命系统的研究也必将促进热物理 学中新概念、新理论、新技术的探索和建立，这不仅会建立起一个真正独立的生物热物理学 科，而且会使热物理学科本身得到发展。物理学将不断地为生命科学的前