作者：陈雪星
出版社：吉林人民出版社
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现代物理科学技术创新与发展试读：
前言
我们处于一个科学技术高速发展和急剧变革的时代。其变化的显著特点是各门学科间的交叉渗透，科学与技术的密切结合，科学技术转化为生产力的周期缩短。这要求未来的科技人才有宽厚的基础和更强的适应性。需要了解现代科技的最新成果、思想方法和发展方向，以取得较高的立足点和拥有广阔的视角，才能跟上不断进步和变化的时代。
物理学是自然科学的基础，也是推动技术进步的重要源泉。物理学的思想方法已经广泛地渗透到各种自然科学技术领域，甚至管理科学、社会科学、行为科学之中。物理学所体现的不懈追求、求实创新的科学精神是社会发展和人类进步的一种基本推动力。
本书从当前物理学探索的三个主要方面——粒子物理、宇宙学、复杂性研究——来介绍现代物理前沿的基本知识和动态，以生物物理为例介绍学科间的交叉渗透，还从信息技术、能源技术、激光技术等角度阐述物理学与当代高新技术革命的关系。
全书分八章。第一章主要围绕现代物理科学和物理技术的发展进行回顾和展望。第二章至第八章分别从物质结构、天文、非线性、信息技术、能源技术、生物工程、激光技术等方面对现代物理科学的主要内容及发展研究进行介绍。其中，第二章主要对物质结构研究的新进展进行介绍；第三章重点介绍天文学及现代宇宙观；第四章主要介绍复杂性研究和非线性科学；第五章主要介绍信息科学技术；第六章主要介绍能源科学技术；第七章主要介绍生物物理工程；最后一章重点讲解激光技术。全书体系结构完整，内容设计合理，全面反映了现代物理科学技术创新与发展的成果。我们力求做到信息量大，资料新，着眼点高和简明通俗。我们相信，通过阅读本书，读者一定能有所收获。第一章现代物理学和技术的回顾与展望第一节概述
回顾作为科学先驱的物理学的成就，以及与之相关的技术进步和展望未来21世纪的物理学与技术前景是一件有意义的工作。一、科学与技术的关系
科学与技术是两个不同但又密切关联的概念。科学是研究物质的结构、相互作用及其运动的规律，探索的是本质问题。技术是解决实验、生产问题所形成的知识。科学研究的成果转换成技术应用于生产；生产中提出的课题，促进技术发展，推动科学研究工作。因此，科学、技术与生产相互促进，密切相关。但是，一般地说，科学高于和超前于技术和生产。二、物理学的地位
物理学是一门研究物质结构、物质相互作用和运动规律的学科。这些规律在其他学科领域都起作用，因而物理学及其相关的技术常常渗透到其他学科领域和技术领域，形成各类与物理学交叉的学科，如化学物理、生物物理、地球物理、海洋物理、大气物理、天体物理等。20世纪的物理学的研究方法、研究成果以及相关的实验方法和实验技术常常被移植到其他学科和技术中，因此可以说，物理学是20世纪科学技术的先驱，它在一定程度上带动其他学科和技术的发展。三、20世纪物理学的转折和突破
在19世纪末20世纪初，物理学出现了突破性的转折。在19世纪末，正当人们认为物理学的大厦已经建成，剩下的只是一些修补、完善工作的时候，物理学领域接连出现了三大重要发现：1895年，伦琴发现X射线，这被用来作为研究物质结构的重要工具；1896年，贝克勒尔发现了放射性，随之居里夫妇发现放射性元素镭，卢瑟福确认了γ射线和X射线，这揭开了研究原子核的序幕；1897年，汤姆孙发现了第一个基本粒子——电子，进入了物质结构的新层次，揭示了物质的进一步可分性。取得这些重大发现的科学家都分别获得了诺贝尔物理学奖。
上述三大发现，动摇了经典物理学的基础，鼓励科学家们继续深入地探索微观世界的新规律，取得了20世纪物理学的新突破，开创了近代物理学的新纪元。这些发现表明物质结构在微观尺度上和能量方面存在不连续性，为普朗克提出一大胆假设提供了依据。1900年，普朗克从理论上拟合黑体辐射能量分布的实验数据，大胆提出能量量子化的突破性新概念，认为能量是一份一份的而不是连续的，以h（普朗克常数）为作用量单位。随后，1905年爱因斯坦根据光电效应提出光的能量子概念。1911年卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。1913年N．玻尔为解释氢原子的光谱，提出了原子结构的量子论，通常称为旧量子论，认为原子中的电子处于确定的轨道上，环绕原子核运动，即处于定态，两个定态之间的跃迁，导致发射（或吸收光子），形成光谱。这些是描述微观世界的新理论——量子论的根基。与此同时，爱因斯坦于1905年冲破经典时空观的束缚，以崭新的时空观为基础，提出了描述物体高速运动规律的狭义相对论。量子论和相对论加在一起，开创了近代物理学，开始了从宏观低速的经典物理学到微观高速的近代物理学的转折和突破，这是19世纪末20世纪初物理学引人瞩目的成就。1924年德布罗意提出物质波的概念，阐明实物粒子（如电子等）具有波动性，1925到1926年间薛定谔和海森堡分别建立了量子力学的两种描述形式——波动力学和矩阵力学。它们反映了物质的二象性波动性和粒子性的统一，进一步完善了量子论。1915年爱因斯坦又提出了他的广义相对论。现在，量子论和相对论加在一起，构成了近代物理学的两大支柱。四、20世纪物理学的特点和成就
如前所述，物理学研究在20世纪取得了许多突破性进展，所取得的成果很难用简短的篇幅加以罗列，但从研究的特点和研究对象来说，可归纳如下：（一）从现象研究深入到本质研究
19世纪以前的经典物理学主要是研究各种物理现象（包括力、热、电磁、引力），总结遵从的规律。20世纪的物理学主要研究物质的结构、相互作用、运动规律，属于更加本质的问题。研究成果的主要标志可概括为：发现了支配物质运动的两个基本规律，建立起两个基本理论——相对论和量子力学，它们成为近代物理学的两大支柱，也是现代高新技术的理论基础；发现了两种新的相互作用——弱相互作用和强相互作用，确定了4种相互作用（引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用）。这4种相互作用是迄今为止的最基本的物质相互作用，并且在将这些相互作用统一起来的研究中，取得了开创性的成果，建立了弱电统一理论。（二）从研究宏观系统到微观系统和宇宙系统
20世纪物理学研究，从19世纪单纯的宏观系统转到以研究微观系统（尺度为10-8cm）为主，还有对大尺度的宇观系统（如天体、星际）的研究，以及介于宏观和微观之间的介观系统（尺度为10-7cm～10-5cm）的研究。研究发现了5个层次的物质系统：即分子系统、原子核系统、夸克系统、轻子系统和宇宙系统。获得了支配这些系统相互作用和运动变化的新规律，建立了相应的理论。在微观系统中，经典力学不再适用。在介观系统中，出现宏观量子现象，是从微观进入到宏观的一个过渡区。对宇宙系统（宇观）的研究，建立了宇宙膨胀（大爆炸）理论以及宇宙起源、宇宙演化（恒星演化、黑洞、中子星）等理论。（三）从单一的物理学拓展为多种分支学科和交叉学科
随着物理学研究的发展和深入，20世纪以前，物理学已从单一学科分解为力学、热学、电磁学和光学等多个分支学科，分别描述相应领域的物理现象。进入20世纪以后，由于技术和生产的需要，要求把这些分支学科结合起来，形成了物理学科内部的交叉学科，如电声学、光电子学等等。还有由于量子力学和相对论的诞生，又出现了一些新的更深层次的分支学科。例如：在量子力学与相对论结合研究原子核这个微观领域，建立起原子核物理学；量子力学与统计物理相结合的量子统计物理学；量子力学与光学结合的量子光学；量子力学与电磁学相结合，建立起量子电动力学。由于20世纪物理学研究了物质结构，相互作以及运动规律，这些在其他学科也起作用，因而产生了物理学与其他学科交叉的新学科，如化学物理学，生物物理学，地球物理学以及量子化学，量子生物学。甚至物理学还与社会科学互相渗透。例如，物理学中“熵”的概念渗透到系统科学的信息论中，形成“信息熵”，信息与负熵相当，信息的丢失，使系统的熵减少。熵的概念还渗透到经济领域和认知学科。用场的概念分析人的行为，创造出群体动力学。五、20世纪的物理技术和第三次技术革命
20世纪是物理技术迅猛发展的时期，而且由理论到实验再到生产的周期越来越短。第三次技术革命始于20世纪中期（第一次技术革命发生在18世纪60年代，以蒸汽机的应用为标志；第二次技术革命在19世纪70年代开始，以电力技术的应用为主要标志），这次技术革命同样是以物理技术为中心，但比前两次浪潮更大，影响更加深远。出现了半导体微电子技术、光电子技术、原子能技术、新材料技术以及与物理技术密切相关的空间技术、海洋技术、新能源技术，等等。
20世纪80年代以来，一场以计算机为核心的高科技的技术革命，揭开了世界科技史新的一页。其特点是形成以“高、新、尖”技术为核心的庞大的综合技术群。目前看法比较一致的是形成了六大高新技术群：能源技术、材料技术、信息技术、空间技术、海洋技术和生物技术。这些技术群没有一种不与物理学和物理技术密切相关。物理学和物理技术源源不断地在高新技术中获得应用，而高新技术的发展又对物理学研究提出层出不穷的研究课题，促进物理学和物理技术的发展。第二节20世纪的物理学
如上节所述，20世纪初，物理学出现转折和突破，这主要表现在研究层次的飞跃，从研究宏观、低速物理现象转入微观、高速物理现象。相应地，研究内容从比较现象、定性研究深入到更加本质、定量研究。由于研究向纵深发展，使得除原来一些传统学科如力学、热学、电磁学、光学逐渐成为单独学科外，又出现了许多相对独立的新的分支学科，如理论物理学、分子原子物理学、原子核物理学、粒子物理学（高能物理学）、凝聚态物理学、等离子体物理学等。
此外，还出现一些交叉学科。这里，我们主要讨论保留在物理学中一些主要的新的分支学科。一、理论物理学
理论物理学是将物理学中各个分支学科对物质运动规律的研究成果，作高度的概括并表述为定量关系和普遍的定律，建立起严密的理论体系。20世纪的理论物理学研究成果可概括为如下几个方面。（一）建立了近代物理学的基础——相对论和量子力学
1．相对论的建立
物理学研究的一条路线是深入研究高速运动现象，这从电磁运动入手。1864年，麦克斯韦（Maxwell）总结电磁规律后整理成以他的名字命名的麦克斯韦方程组，他从理论上预言了电磁波的存在。1888年赫兹从实验上证实了电磁波的存在，认为光也是一种电磁波。19世纪的经典力学定律是对任何惯性参考系都成立的，但人们发现，按照伽利略变换概括电磁运动的麦克斯韦方程组只对一个特定的惯性系成立，并认为这个特殊惯性系就是“以太”。1887年，迈克尔孙-莫雷实验否定了特殊参考系“以太”的存在。1905年，年仅26岁的爱因斯坦，不去弥补“以太”说和经典物理理论之间的裂缝，而是对牛顿的绝对时空的经典理论做了大胆否定，提出了全新的相对论新时空理论。他在原始论文《论动体的电动力学》中提出狭义相对论。狭义相对论的两个基本原理是：第一，相对性原理，认为所有惯性系都是等价的，物理规律对于所有惯性系都可表达为相同的形式；第二，光速不变原理，认为真空中的光速相对任何惯性系，沿任何方向恒为c，并与光源运动无关。狭义相对论提出了同时相对性等新时空理论，并认为时间、空间组成四维协变量服从洛伦兹变换，四维间隔222222（ds=cdt-dx-dy-dz）才是绝对不变的。同时所有基本物理量组成四维协变量，服从洛伦兹变换，所在基本运动规律都具有洛伦兹不变性，给出了在高速运动情况下新的物量概念和服从的运动方程——相对论力学。物体质量与运动速度有关，质量为m的物体具有能量2E=mc（1g物质内部所蕴藏的能量相当22500tTNT爆炸时释放出来的能量）。现在已有大量实验支持狭义相对论。
狭义相对论不但摧毁了一般的经典力学，而且对经典引力理论提出挑战。牛顿的万有引力是一种超距作用，而狭义相对论指出光在真空中的速度，是传播速度的极限。1890年，厄缶的实验以很高精度证明了惯性质量与引力质量相等，在这些基础上，1915年爱因斯坦提出了广义相对论。这是关于时间空间性质与物质分布及运动相互依赖关系的理论——认为引力是存在物质时，时空弯曲的一种表现。物质的存在使时空结构弯曲，弯曲的时空结构反过来决定物质的运动。广义相对论的理论体系也是由两个基本原理出发建立起来的。第一，广义相对性原理，认为物理规律在任何参考系（不仅是惯性系）具有相同的形式；第二，等效原理，认为惯性质量与引力质量等效（即加速运动参考系中的惯性力与某一小范围内的万有引力等效）。目前有4种实验结果支持广义相对论。它对研究宇观世界，特别是宇宙演化初期和星体演化的后期非常重要。
2．量子力学的建立
物理理论研究的另一条路径是深入微观领域。这首先从研究分子、原子开始，逐步深入到原子核，进一步深入到层子（夸克）。对微观领域的研究，建立起量子论、量子力学和量子场论（规范场理论）等，出现了新的物理概念和数学工具。
在1900年普朗克的能量子理论，1905年爱因斯坦的光量子论，1913年N．玻尔的旧量子论之后，1924年德布罗意提出物质波概念，认为物质具有波粒二象性，这为量子力学的建立准备了思想基础。1925到1926年间薛定谔和海森堡分别建立了量子力学的波动力学（用解微分方程的方法处理量子力学问题）和矩阵力学（用算符代数的方法处理量子力学问题），使量子论进入定量的系统理论阶段。像以往任何新理论一样，量子力学是建立在以下几条基本原理（假设）的基础上：（1）物理体系的状态由波函数（希尔伯特空间的矢量）来描述，服从态叠加原理。（2）物理体系的动力学可观察量用线性厄米算符（希尔伯特空间完备本征矢集的厄米算符）来表示。（3）算符服从一定的对易关系——量子化条件。（4）状态随时间的演化服从薛定谔方程。（5）全同性原理，全同粒子是不可区分的，描写全同粒子的状态的波函数只能是对称（对玻色子）或反对称（对费米子）。
量子力学在处理分子、原子等微观世界问题中十分成功，到目前为止，还没有发现与量子力学相违背的事实。
1933年，狄拉克在《量子力学中的拉氏函数》一文中，提出了量子力学的第三种形式——路径积分形式。1948年，费曼发展了这一思想，在他与希布斯（Hibbs）合著的《量子力学与路径积分》一书中，系统表述了这种形式的理论体系。（二）建立了量子场论
上述量子力学又称为非相对论量子力学，只适用于研究粒子数不变的低速微观物理现象，当涉及原子核、粒子物理（高能物理）这类高速微观问题时会出现粒子的产生和消灭现象。这促使人们寻求建立新的理论——量子场论。量子场论的基本原理（假设）是：量子场函数用算符表示；量子场服从一定的对易关系。
首先，为了描述高速运动，必须建立相对论性波动方程，这一工作由克莱因、戈登和狄拉克完成，1926年建立Klein-Gordon方程，1928年建立Dirac方程，分别用来描述自由的玻色子和费米子的运动。1927年狄拉克将电磁场量子化，将电磁场分解为基本振动，场的能量E对应于基态，对应于第一、二、三……激发态，场的激发相当于产生粒子，这一理论可以用来描述粒子的产生和消灭。随后，1928年约旦和维格纳将电子场量子化；1929年，海森堡和泡利建立了描述电磁相互作用的量子电动力学的普遍数学形式；其他物质场的量子化也相继于1930年以后完成，并建立起量子场论的普遍数学形式。但这种数学形式，当用微扰论计算跃迁概率时，在低阶还好，计算到高阶时出现发散困难（概率无穷大）。这一困难于1946到1947年由朝永振一郎、施温格和费曼提出的“重整化方法”加以克服，使量子场理论牢固地建立起来。
1954年，杨振宁和米尔斯（Mills）提出规范对称性的数学理论，这是一个以定域规范不变性为基础的理论——规范场论。这一理论认为某些整体对称性定律，当把它推广到定域对称变换不变时，就必须引人一个新的场——规范场。这一理论取得了巨大的成功，目前已经公认，不仅电磁作用，而且对描述弱作用和强作用的量子场论都是规范场理论，都要满足定域规范变换不变性，都是通过规范粒子来传递相互作用的。（三）建立了粒子物理学和宇宙论的理论模型
20世纪，在对物质结构及其运动规律的研究中，人们提出了许多物理模型（理论模型）。在粒子物理方面，比较成功的被公认的有：描述物质结构层次的粒子模型——三代夸克-轻子模型；描述强相互作用的理论模型——量子色动力学；以及将弱相互作用与电磁相互作用统一描述的弱电统一理论——温伯格-萨拉模型。这三个模型在概括和预言实验事实方面取得非凡的成功，且是被公认的，所以又称为粒子物理学的标准模型。
根据天文研究和观测总结出来的大爆炸宇宙模型，称为宇宙论的标准模型。这一理论模型认为：宇宙起源于100多亿年前的一次大爆炸。原先宇宙是一个密度和曲率都为无穷大的奇点，各种相互作用统一在一起。到10-44s出现引力与其他相互作用分离的对称性破缺，在10-36s时出现强作用力与其他作用力分离，到10-l0s时发生了电磁力与弱作用力的分离，而形成现在四种作用力分离的世界。到10-6s时开始合成强子，到3min（分钟）后形成原子核，然后逐步形成各种原子、各种星体与星系（包括我们的地球）。这个理论是建立在哈勃定律描述的宇宙膨胀、3K宇宙背景辐射、星体一些元素的丰度数据等观测基础上的，已被公认。二、原子和分子物理学
物理学研究物质的基本结构以及自然现象的最基本规律。从空间和时间的尺寸来划分，可分成微观、宏观和宇观以及介于宏观与微观系统之间的所谓介观系统。19世纪以前的经典物理学主要研究宏观系统，20世纪的物理学开创了对微观系统和宇观系统的研究，而对介观系统的研究，则是20世纪末的事情。原子分子系统、原子核系统、夸克-轻子系统都属微观系统，因此，对原子、分子的研究是在20世纪建立了微观理论——量子理论之后才获得突破性的发展。（一）原子物理学
原子物理学是研究原子结构，原子光谱，原子发射、吸收和散射光的过程，以及电子、光子、电磁场相互作用和相互转化的过程。
20世纪用量子力学、量子电动力学作为理论体系对原子开展的研究，非常成功。原子结构和原子光谱过去和现在都是原子物理学最活跃的领域之一。
1897年，汤姆逊发现电子，表示原子并不是组成物质的不可分割的最小单元（1808年道耳顿提出原子论假说，认为原子是不可分的）。1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验提出原子的核式结构模型：认为原子有一个带正电的中心体——原子核，但未涉及核外电子分布问题。1913年，N．玻尔将原子的核式模型与量子概念结合起来，提出卢瑟福-玻尔原子模型：认为核外电子是在一些不连续的轨道上绕原子核作稳定的运动（定态）。这种模型能解释氢原子和类氢原子的谱线频率，但不能解释谱线强度，更不能解释较复杂的原子（如氦原子）的谱线。直到建立量子力学之后，利用这种新的量子理论解释原子现象，才使得原子模型更加完善。
原子结构和原子光谱的研究在20世纪经历了两次飞跃。第一次是在20世纪30年代，量子力学建立之后，物理学家利用这一新理论解释来自太阳耀斑和其他天体辐射的原子光谱。40年代以后，带有摄谱仪的火箭和卫星的升空，拍摄到来自太阳和其他星体的VUV和软X射线光谱，这为分析恒星的温度、密度和成分提供了丰富的数据资料，并推动了原子光谱学的研究。第二次是20世纪60年代中期至70年代，由于强光源的问世（如重离子加速器、高功率激光），束箔光谱装置以及巨型计算机研制成功，使原子结构和光谱研究取得长足的进步。理论与实验更加符合，理论模型更加完善。
20世纪80年代初，对原子结构和光谱的研究转向重金属元素结构以及它们的禁戒跃迁，如Mo，W，Au，这些重金属在核聚变装置中可作为容器的涂料层，也作为杂质用来诊断等离子体的密质和温度。
由于精度的提高，现在已能制造出原子钟作为计时的基准，利用激光使光谱分辨本领提高100万倍以上，利用激光可以观察到原子运动和如何发生化学反应。
当前，这方面的研究着重在如下两个方面：一方面是转向高精度、高计算速度，以期获得大量原子结构和光谱数据，满足核聚变和X射线激光理论模拟的需要。另一方面是用高精度计算技术，如高精度变分技术、多体微扰论来考虑量子电动力学效应和原子核的有限大小对原子能级结构的影响，以研究原子内部的相互作用细节。（二）分子物理学
分子物理学研究原子如何结合成分子，研究分子的内部结构、内部运动规律以及它的电磁学和光学性质。量子力学出现以后，利用这一理论研究分子出现了新的飞跃，加上近年计算机技术的迅速发展，在计算分子结构波函数、能级以及其他性质方面取得了显著进展，X射线衍射技术、中子衍射技术、激光技术、原子束技术、分子束技术为分子物理学研究提供了强有力的先进手段。
利用量子理论在分子水平上研究化学反应的机理及其与分子激发态内部结构的关系，是分子物理学研究的一个重要方向，这是分子物理学也是化学物理基础研究的前沿课题。可以认为化学反应是这样一个物理过程：先是反应物（原子或分子）相互碰撞形成反应复合体，然后反应复合体再分解为生成物（原子或分子）。
可以预见，21世纪初原子分子物理学会有许多新的进展。首先，在实验方面，随着测量技术的发展，如新型探测束源或探针（先进的同步辐射光源、X射线激光、纳米尺寸扫描探针等）的出现，使得人类能对看不见、摸不着的原子、分子进行灵敏的探测，认别甚至控制。其次，在理论方面，利用量子多体理论和计算物理使我们能在原子、分子、簇团的层次上定量掌握物质的性质，从而为新材料的理性设计提供理论基础，以至理解生命现象和起源。三、原子核物理学
比原子分子深一个层次的是原子核系统，原子核物理学研究原子核结构、相互作用及其运动规律。1896年，贝克勒耳（H．Becquerel）发现铀放射现象，这是人类在实验室中首次观察到的原子核现象。1932年，查德维克（J．Chadwick）发现中子，并提出原子核由质子和中子组成，这可认为是原子核物理学研究的开始。一个世纪以来，原子核物理学研究的物质结构层次不断深入，研究领域不断扩大。（一）核物理研究的三个层次
从物质结构方面说，核物理学发展可分成三个层次：
第一个层次是20世纪30年代以来，由于中子的发现，人们确认了原子核是由质子和中子组成，并提出一些唯象模型。把原子核看成一个带电的液滴，这就是核结构的液滴模型。由于核子是费米子，把核子当成没有相互作用的费米子气体，服从泡利不相容原理，这就是所谓的费米气体模型。50年代前后，由于实验数据的积累，人们发现，对原子序数为某些幻数（2，8，20，28…）的核特别稳定，类似原子的壳层结构，迈耶尔（M．G．Mayer）和简森（J．J．H．D．Jensen）于1949年提出原子核的壳层模型，对核内核子的运动作了唯象的描述。随后，1952年，奥格·玻尔（A．Bohr）和莫特尔逊（B．Mottelson）提出核的集体模型，对核的集体运动（振动、转动等）作了唯象的描述。在这一阶段将原子核看成多核子体系，认为核子间的相互作用是由二介子传递（交换二介子）的短程相互作用，服从1934年汤川秀树的二介子理论，用非相对论量子力学方法进行研究，这在低能区取得较好的成就。
第二个层次是20世纪50年代以来，人们发现原子核内部还存更多的自由度，把原子核看成是由多种强子（重子与介子）组成的多粒子体系，并用相对论场论的方法作为理论工具开展研究，仿照和推广量子电动力学，建立起以各类介子运动来传递重子间的相互作用的定域场论，又称为量子强子动力学（QHD）。
第三个层次是考虑到核子和介子还有内部结构，即从夸克-胶子这一结构层次上来研究原子核，考虑到除电磁作用外，弱作用和强作用在核子动力学中起重要作用，因此，对原子核的研究建立在“标准模型”的基础上（包括夸克-轻子模型、弱电统一模型和量子色动力学（QCD）。弱电统一模型中，以光子7和中间玻色子W-，Z0作为传递相互作用的粒子，量子色动力学以带色的胶子g来传递夸克之间的强相互作用。这些模型已取得初步的成功。理论预计，在很高能量的原子核碰撞时，可能产生相变，生成夸克-胶子等离子体（通常强子内部的带色的夸克和胶子是被禁闭，地球上从未发现这种退禁闭）。（二）核物理研究领域的扩充o
传统的核物理只局限在零温（T=0）和正常核密度（P=P）的小区域内，随着弹核能量的提高和类型的扩充，核研究的领域也不断扩充，有的区域可借助天体，有的可利用高能重离子碰撞来进行研究，另外，由于加速器技术和探测技术的迅速提高，高中子通量反应堆的陆续建成，使核研究领域不断扩充。现在人们已人工转变成近千种地球上以前没有的原子核，原子序数高达109（以往地球上原子序数最0高的铀原子核Z=92）。即使在T=0，P=P附近，核的类型也有扩充。如超铀核及超重核，Z=105，106，107，108，109…，高自旋态，超核（奇异数0，如Li，Si，Y…）等。（三）核技术的广泛应用
20世纪原子核物理研究除理论成果外，还有随之发展起来的各种核技术，这些核技术包括核的裂变、聚变、辐射、放射性等，已广泛应用于国防、工业、农业、医学以及科学研究各个方面。四、粒子物理学
当前实验上能探测到的物质结构最深层次的研究，称为粒子物理学，因为研究的是微观领域高能粒子，所以又称为高能物理。19世纪末20世纪初，人们对原子和原子核以及宇宙射线的研究取得突破性进展，使物质结构研究进入微观领域，先后发现了一些粒子。除电子是1897年发现外，20世纪开始又发现了中子和早已预言存在的光子。开始，人们认为这些粒子是不可再分割的最基本的粒子，故称为基本粒子。
1948年，人们利用当时能量最高的同步回旋加速器首次人工产生了π介子。20世纪50年代又相继建成几台高能加速器，并发展了探测技术，能够对高能物理现象开展系统的研究。于是，粒子物理开始成为物理学的一个独立分支学科。随后加速器技术、探测技术、数据处理技术获得迅速发展（加速器能量大到开始时的数千倍），使粒子物理学研究取得丰硕的成果。这些成果主要有：（一）发现了大量粒子
发现了数以百计的粒子以及相应的反粒子，并且发现这些粒子反粒子都能产生和消灭，互相转化。现在已确认的粒子（包括共振态）在700种以上。（二）发现绝大多数粒子都存在内部结构
发现绝大多数粒子都存在内部结构，都是由更深层次的基本单位──夸克组成（中国部分科学家称为层子）。这些都有实验支持，如作高能电子与质子的深度非弹性散射实验时，存在大角度的散射，这暗示质子内部存在结构。（三）发现和研究了基本相互作用。
20世纪以前，人们只知道引力作用和电磁力作用，20世纪人们又发现了强相互作用和弱相互作用。20世纪50年代在研究原子核内核子的相互作用时，提出核子之间存在由π介子传递的强相互作用，现在发现，所有强子之间都参与强相互作用，轻子参与弱相互作用。
引力作用强度最弱（10-38量级），力程很长（无穷大），强作用强度最大（1量级），力程很短（10-18m）。（四）建立了粒子物理三个标准模型
像其他科学一样，粒子物理学也是在理论与实验相互配合中获得发展的，人们总结和概括研究成果，建立起一些被公认的所谓粒子物理理论标准模型：夸克-轻子模型、弱电统一模型和量子色动力学。
1．夸克-轻子模型
现在认为构成物质的基本单位是夸克、轻子和规范粒子（传递相互作用的粒子），以及还有一种Higgs粒子。夸克有三代，每代有三组（三种颜色），每组有二种（二味）一共18种夸克，对应地还有18种反夸克；轻子也有三代，每代二种，共6种，对应地还有6种反轻0子；规范粒子有光子（传递电磁相互作用），W和Z粒子（传递弱相互作用）、胶子（传递强相互作用，电中性、带色荷，有8种）；加上尚未发现的Higgs粒子（是使规范粒子获得质量的粒子）和传递引力作用的引力子（尚未发现），共62种，它们是组成物质及相互作的基本粒子。其中夸克在强子内自由运动具有渐近自由性质，但不能单独存在（禁闭）。
2．弱电统一模型
温柏格（Weinberg）和萨拉（Salam）在格拉肖工作的基础上建立了一个弱电统一模型，预言存在传递弱相互作用的规范粒子W，0Z（已于1983年发现）。这一理论是继麦克斯韦将电和磁统一起来之后的又一次取得成功的统一理论，已被公认并于1979年获得诺贝尔物理学奖。
3．量子色动力学（QCD）
QCD是研究强相互作用的动力学理论，创建于1973年，认为强相互作用是夸克之间通过交换胶子（电中子、带色粒子）来实现的，夸克在强子内部是自由的（渐近自由），但被禁闭在强子内部（色禁闭）。目前，这些理论在解释强相互作用方面取得很大成功，还没有发现与理论相违背的实验，但还存在许多问题有待解决，预言的质子衰变尚未真正被发现。（五）发现一些深层次的基本规律
20世纪由于深入到物质更深层次（微观、高速）的研究，发现了一些新的深层次的基本的物理规律。上一个世纪，我们已经发现一些重要的物理规律，如能量守恒，动量守恒，机械能转化与守恒定律，功能原理，等等。这些都与体系的外部自由度有关。20世纪，除了对这些外部自由度有关的规律建立起理论解释（如能量、动量守恒是由于时空均匀性引起的，角动量守恒是由于空间各向同性引起的）外，又发现了许多新的内部自由度，如同位旋、宇称、重子数、轻子数、色荷，等等。人们发现这些外部和内部自由度对许多变换具有不变性，并且建立起对称性，不变性，守恒定律，相互作用之间的联系。
1．基本物理规律对整体变性具有不变性时，将存在守恒定律和相应的守恒量。
2．基本物理规律对局域变换具有不变性时，除了存在守恒定律和守恒量外，还导致某种相互作用。由于时空均匀性（一种对称性），物理规律对时空坐标平移具有局域不变性，与之相应，除导致能量、动量守恒外，又导致引力相互作用。基本物理规律对同位旋空间的定域SU变换和超荷空间定域U变换具有不变性，除导致同位旋守恒和电荷守恒外，还导致弱相互作用和电磁相互作用。同样色空间的定域SU变换不变性，除导致色荷守恒定律（色荷守恒）外，还导致强相互作用。五、凝聚态物理学
固体物理学是人们较早开展研究的学科，对固体研究所采用的一些概念和实验技术常常在一些非固体材料中获得应用。研究领域在不断扩大，从研究原子（或分子）呈周期性排列的晶体到没有规则的非晶固体，进而研究结构与非晶固体相似的液体以及在一些方向上有规则排列，在另一些方向上无规则排列的液态晶体（液晶）。固体和液体都是由原子、分子、离子聚集起来，而且都是具有很强内聚力的物质状态，两者的结构、物理性质、微观运动规律有许多相同之处。现在人们将固态物质和液态物质合起来称为凝聚态物质。对这些物质状态的研究形成了凝聚态物理学。凝聚态物理学是研究由大量原子、分子以相当强的相互作用（内聚力）凝聚结合而成的固体、液体以及液晶形态的物质的结构、物理性质及其运动规律的学科。研究对象包括金属、半导体、超导体、超流体、准晶体、电介质、磁性物质等等。是一个以固体物理学为主干的涉及范围极广的学科，它的发展与材料技术的发展息息相关，因而具有重要的地位。
凝聚态物理学是从固体物理学发展起来的，到19世纪，固体物理学的研究还停留在总结一些经验定律的基础上。20世纪，随着量子论的出现，特别是量子力学的建立，利用量子力学研究原子、分子，使固体物理学获得突破性进展。随后，建立起一批分支学科。限于篇幅，这里只能对一些主要分支作简要介绍。（一）金属电子论
1907年爱因斯坦率先把普朗克的量子论应用于固体中原子的振动，取得很大成功。1912年德拜推广爱因斯坦理论，解释了许多经典物理未能解释的问题。1900年Dmde将气体动理学理论应用到金属中的电子，建立了电导热导理论。1927年，Pauli将费米-狄拉克统计应用于金属中的电子气，解释顺磁性问题。1928年，Sommerfeld将费米-狄拉克统计用于金电子解释电子比热问题，这些都在一定范围内取得成功。但金属电子论的一个重要进展要算1928年Bl℃h理论的提出。他把薛定谔方程应用于电子（布洛赫电子），用平面波函数描述电子，产生了能带概念，并指出，在理想周期性晶格中传播的电子波不受散射，电子自由程为无穷大，解释了完整金具有高导电率。以后，能带理论发展成为凝聚态物理学中一个极其重要的理论部分。（二）磁学
早在公元前4世纪，我国就有了天然磁铁具有磁性的记录，并最早发明了指南针，但一直到20世纪初，量子力学的建立才使磁学获得发展。1928年，弗仑克尔和海森堡把自发磁化作用归结于量子力学的交换作用，建立起局域电子的海森堡交换作用模型。几乎同时，另一学派提出巡游电子模型，认为d电子不像f电子那样局域，也不像电子那样自由，而是在各个原子的d电子轨道上依次巡游而形成窄能带，因而需采用能带方法处理。以后又有不少学者对这些模型进行补充、改进，甚至寻求统一两个模型的理论，这是当前一个引人瞩目的课题，新型磁性材料的研究是当前磁学研究的热门课题。
随着磁学理论研究的发展，磁性材料及磁器件的研究和成果在技术应用方面发挥重要作用，例如磁存储材料广泛应用于计算机等现代科技产品之中。（三）半导体物理
半导体物理许多基本概念是在20世纪30年代由布洛赫和威尔逊（A．H．Wilson）建立起来的，1931年G．H．Wannier提出激子概念，1935年J．Frenkel用光生电子-空穴对、载流子扩散等概念解释2CuO的光磁效应。但是，作为半导体物理科学技术的飞跃发展是始于1947年，这一年，John Bardeen和Walter研制成功了第一只接触晶体管，1948年，他们又提出P-N结理论，并发明了结型晶体管。
50年代半导体物理是理论和技术齐头并进获得迅速发展的时期，高纯度、低缺陷的锗单晶研制成功，保证了晶体管的批量生产。技术进步推动理论研究，建立了典型半导的复杂能带模型。实验和理论结合，1957年L．Esaki发明了隧道二极管，因此获得了诺贝尔物理学奖。
60年代进入了集成化时期，集成化规模迅速发展，出现金属氧化物半导体晶体管MOS，1964年就制成了200位静态移位寄存器（约1400个元件）。从1958年第一块硅集成电路出现，到1968年硅大规模集成电路产业化生产，现在集成电路已达到超大规模，集成电路工艺的线宽已达0.1ηm。
半导体微结构-半导体超晶格研究是当前半导体物理学的前沿。1970年江畸（Esaki）和朱兆祥（Tsu）在研究一维周期性势阱中电子输运性质时，最早提出超晶格。所谓超晶格是指用计算机控制交替改变组分或掺杂浓度而获得的人造多薄层周期性结构，这是一个低维（二维、一维、零维，其相应势场称为量子阱、量子线和量子点）物理系统，它具有三维系统所没有的独特性能，其应用价值可与40年代的P-N结、晶体管相提并论。（四）液晶物理学
液晶态（介于固态和液态之间的中间态）物质早在1888年就被奥地利生物学家和化学家F．Reinitzer发现。但直到20世纪30年代中期才有较系统的了解，其后冷落了20年，在50年代末才建立起较正确的液晶物理学。70年代开始发展，80年代达到欣欣向荣的阶段，液晶的电、光、热性质在显示技术上获得广泛应用（如电子表、计算器显示、挂壁电视屏）。（五）高分子物理
高分子物理是凝聚态物理中一个最年轻的分支学科之一，是非晶物理学的一个分支，在70年代开始有比较快的发展。动植物细胞中的蛋白质、DNA分子，食物中的淀粉、棉花和木材纤维素都是天然的高分子化合物，还有人工合成的高分子材料（塑料、人造橡胶等）。各种高分子化合物基本上是由若干个碳（C）氢（H）氧（O）分子22按一种特定的分子结构重复组成，如聚乙烯的结构是-[CH-CH]n-（线型）。每一个重复的特定结构称为链节，n为重复链节的数目，称45为高分子聚合度。n的数值约为10～10，如果将高分子拉直，长度4约为2.5×10nm，直径约为0.1nm。
目前，对高分子化合物的性质的研究发现，大量问题可归纳为单5个高分子链问题，而单个分子链约包含10个普通分了，故本身可看成一个宏观体系，可用统计物理来处理，当然各个分子链之间会有相互作用。目前研究的课题除了高分子的空间构象外，还有高分子溶液与胶体间的相变、高分子在不良溶剂中的行为以及它的玻璃化转变等，这是一个边缘学科，尚待进一步探索。
凝聚态物理学科包括超导态物理学、晶体与非晶体物理学等，限于篇幅不再介绍。六、等离子体物理学
等离子体物理学是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙空间大部分物质是等离子体。
20世纪初开始了对高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作，建立了空间等离子体物理；20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，开展等离子体磁约束核聚变的研究，成为一个新的热门课题（关于等离子体物理学可参阅专题七──等离子体物理与技术）。第三节20世纪的物理技术
20世纪物理理论取得突破性进展，建立了近代物理学，伴随出现的是技术的空前进步，本节介绍与物理学相关的物理技术，这些技术构成了第三次技术革命的关键性技术。一、物理效应的发现及其技术应用
20世纪，人们发现了许多新的物理效应，这些物理效应很快转换成技术应用，往往一种物理效应就产生一项技术。（一）光电效应
光照射到物质上，使物质的电性能发生变化的现象称为光电效应。利用这些效应，研制成光电倍增管、光敏电阻等，获得了广泛的技术应用。（二）电光效应
电场引起物质光学性质发生变化的现象称为电光效应。例如场致发光效应就是物质在外电场作用下，吸收电能量，从低能态跃迁至激发态，然后再返回低能态时放出光子的现象，利用这种效应制成发光二极管、半导体激光器（发射相干光）等，获得了广泛应用。（三）磁光效应
在磁场作用下，物质的电磁性质发生变化，从而使光的传输性能（频率、光强、相位、偏转、传播方向等）发生变化的现象，称为磁光效应。例如，磁光克尔效应，是偏转光入射到磁化介质表面时，反射光振动面相对入射光振动面发生旋转的现象。由于反射光偏转面旋转角度大小依赖于物质的磁化强度，故可用这种效应来观测物质的磁化强度。人们利用这一性质，制成磁光盘，用激光读出磁光盘上磁记录的信息。这属高技术应用。（四）磁电效应
由磁场引发电变（包括产生电动势、电阻变化等）的现象称为磁电效应。如磁致产生电动势的霍尔效应。用半导体霍尔效应制成敏感元件在自动化、信息测量、机器人中获得了广泛应用，磁阻效应在传感器中获得了应用。（五）热电效应
由热引起电变（如产生电动势等）的现象称为热电效应。塞贝克效应是利用两种不同金属组成回路时，若两接头处存在温差，电路中就出现电动势和电流。利用这种性质可制成热电偶、温差电池等，获得了技术应用。利用塞贝克效应的逆效应（珀耳帖效应）可制造半导体制冷器。（六）磁热效应
由磁场致热的现象称为磁热效应。如艾廷豪森效应：将带流样品置于磁场中时，样品中出现温度梯度的现象。（七）力（声）电（磁）效应
由力（声）作用，产生电位差，或应力引起电阻率、磁化强度变化的现象，以及反之，电（磁）作用产生应力、伸缩的现象称为力（声）电（磁）效应。电（磁）致伸缩可制成电（磁）声换能器、超声波发生器等。在测量技术、家用电器中有广泛应用。（八）声光效应及光（声）参照系效应
声波在物质中传播时会引起光的传播特性变化的现象，称为声光效应。这是因为声波使物质的密度变化，引起物质折射率变化，从而导致光传播特性的变化。
强度被调制的光照射介质（气体、液体或固体），会在介质中产生声信号，这种由光转为声的现象称为光声效应，Bell光电话机就是利用光声效应原理制成的。光（声）参考系效应，又称多普勒效应，是观测者相对光（声）源运动时，光（声）频率改变的现象。利用这一性质可制成测速计等。
此外，利用绝热去磁制冷效应、绝热膨胀制冷效应可制造制冷器；利用迈斯纳效应（完全抗磁性）可制成磁悬浮列车；利用约瑟夫逊效应可制成超导量子干涉仪；等等。这里不能一一列举，但从上面可见，物理效应具有广泛的技术应用。二、20世纪几个主要物理技术系统
一般来说，上面谈到的物理效应，是建立在某一种物理原理的基础上而形成的技术基元或单项技术。根据技术依托的主要理论门类或者共同的技术方法而形成的一些实际应用的小技术群体，我们暂且称为技术系统。下面是20世纪发展起来的几个主要物理技术系统。（一）传感技术
现代的自动测量（探测）系统，按信息流程可划分成如下几点：
1．信息的获取利用传感器（又称为变送器、换能器）。
2．信息的转换利用放大器，变换器。
3．信息的处理利用调节器、数据分析仪、电子计算机。
4．信息显示利用指示仪、记录仪、报警器。
可见，传感器是自动化测量系统中的“先行官”，它是把需要测量的非电量变换成电量的装置。例如，电阻传感器是把要测量的非电量变换成电阻值，然后通过测量电阻达到测量非电量的目的。此外，还有电容、电感、压电传感器，光纤传感器，频率传感器，光电传感器等。（二）微波技术
波长在1mm～lm范围的电磁波称为微波。是在1939年得到产生不衰减的微波振荡方法后发展起来的一项微波技术。应用微波特性发展起来的技术称为微波技术。其包括如下几个方面：
1．微波检测技术，如用微波物位计检测物体高度位置。
2．微波加工技术，如微波杀菌、级波加热、微波处理种子等。
3．微波通信技术，微波通信是在1931年开始出现的一种通信技术，采用的波长为18cm（频率为1.667GHz）。1947-1951年间相继出现5GHz，480路电话或一个电视波道的多路微波中继通信系统，通信距离达4800km。1963年发展了超视距多路微波通信系统。目前，人们采用毫米波通信系统。
4．雷达波隐身技术。通过减少雷达回波强度而达到隐身目的的技术称为雷达波隐身技术。可借助外形设计和涂上雷达波吸收材料达到隐身目的。（三）红外技术
波长在0.75-1000μm之间的电磁波称为红外光波，利用红外波的特性（如热效应等）形成的技术称为红外技术，例如：
1．红外探测技术。红外探测器是用红外线的热（光电）效应制成的探测仪器。
2．红外照相技术。光学照相的基本原理是利用被照物体表面对光线反射比的差异成像的。红外照相是利用热像仪将物体（目标）各部分之间，以及物体与环境之间的热辐射的差异构成红外图像（热像），然后再将热像转换成可见光图像。红外成像具有全天候优点，广泛应用于夜间照相，在军事上（如在海湾战争中）有重要应用。
此外，还有红外加工技术和红外医学技术的应用。（四）超声技术
频率在20～20000Hz范围的声波称为超声波。它具有方向性好、穿透本领大、在杂质或界面上有显著的反射等特性。利用超声的特性形成的技术，称为超声技术。它在探伤、定位等探测技术方面，以及加工处理方面有着广泛的应用。（五）激光技术
激光是20世纪60年代发现的重大科技成果，激光具有高亮度、方向性强、高单色性和高相干性的特点，利用激光特性而发展起来的技术称为激光技术。它包括以下几个方面：
1．激光检测技术，如激光测距、激光测速等。
2．激光加工技术，如激光处理、激光焊接、激光切割、激光雕刻等。
此外激光在医学、军事上也有广泛应用，如激光刀、激光雷达、激光武器、激光制导等。（六）光纤技术
光纤是光导（光学）纤维的简称，是一种利用石英、玻璃、稀土石英玻璃等光透射率很高的介质拉制而成的极细纤维。利用光纤在外界环境（如温度、压力、电磁场）变化时光波量（如光强、相位、频率、偏振）产生变化的特性形成的技术称为光纤技术。光纤技术是20世纪后半期才发明并获得广泛应用的一项技术。它主要有两个方面：
1．光纤通信技术。光纤通信系统包括信号的发送、传输和接收三个部分。首先在发送部分将电信号通过光端机（电光转换机）转换成光信号，然后通过光纤传输到接收端，并借助光端机（光电转换机）转换电信号。光纤传输具有容量大、损耗小、抗干扰力强等特点。
2．光纤传感技术。利用光纤特性（长度、芯径、折射率等）与光波特性（振幅、相位、偏振面、频率等）随被测对象状态变化而变化的关系，可制成光纤传感器。（七）等离子体技术
等离子体是物质的第四种状态，它是由带电粒子组成的电离状态物质，它可以是由电子和离子（有时含中性粒子）组成的电中性体系，也可以是由单种电荷（电子或离子、正电子或反质子）组成的非电中性体系。宇宙中99％的物质都是以等离子状态存在的。等离子体技术包括等离子体产生和应用。主要用于磁流体发电、等离子体磁约束受控核聚变，以及应用于材料技术中。（八）空间技术
将无人或载人的空间飞行器（航天器）送入太空并在那里航行的综合性技术，称为空间技术。20世纪后半叶，随着空间科学研究和技术的进步，空间技术获得高速发展。空间技术包括火箭技术和空间飞行器技术。空间技术主要是将飞行器送入轨道。下面谈谈空间飞行器的进展。
目前，空间飞行器分成三类，即地球人造卫星、载人（或不载人）的飞船和空间探测器。
1．人造地球卫星。1957年10月4日，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，接着美国等许多国家先后发射各类卫星，我国也发射了人造地球卫星。现在太空中各种军用卫星、气象卫星、通信卫星的数量不胜其数。人造地球卫星技术已成为一门比较成熟的技术。
2．载人飞船（包括航天站和航天飞机）。这类飞行器环绕地球在空间运行，完成任务后，安全返回地面或者停留在轨道上（空间站），可供人在其中工作。1961年4月12日苏联宇航员加加林，驾驶“东方号”首次飞向太空，绕地球一周后返回地面。1971年4月苏联发射了第一个空间站“礼炮1号”。我国于1999年11月20日将“神舟号飞船”（未载人）送入轨道绕地球运行若干周后于次日安全返回。
3．空间探测器。这类飞行器脱离地球引力飞往月球或其他行星际空间。1969年7月20日，美国利用空间探测器成功地把两名宇航员（阿斯特朗和奥德林）送上月球。
空间技术是一项综合性很强的技术，有赖于科学和技术的高度发展，也是强大国力的一种象征。
相对独立的物理技术系统还有核技术、加速器技术、超导技术、半导体微电子技术等，可参阅本书有关专题，这里不一一叙述。第四节物理学对其他科学技术的影响
由于物质的各种存在形式和运动形式以及相互作用规律之间普遍存在着联系，而物理学是研究物质结构，物质相互作用以及运动规律的学科，物理学的一些基本概念、基本理论、基本实验手段自然会向其他自然科学学科渗透，并产生一系列交叉学科，如天体物理学、化学物理、生物物理、地球物理、天体物理、大气物理、海洋物理等。一、物理学促进其他学科的发展（一）物理学与宇宙学
在原子光谱研究的基础上，20年代发现天体的谱线红移，促使宇宙膨胀理论的建立；20世纪70年代借助射电望远镜发现宇宙的2.7K辐射背景，促使宇宙大爆炸宇宙论的诞生；现代宇宙模型——大爆炸理论是建立在粒子物理理论的基础上，物理学与天文学、宇宙学结合形成交叉学科天体物理学。（二）物理学与化学
物理学与化学联系密切，热力学、统计物理和量子力学在化学中获得重要应用。如量子力学应用于化学形成化学链概念；分子束、激光束技术和量子力学、统计物理结合形成化学反应动力学。
在分子、原子和大块凝聚态物质之间的新研究领域——团簇就是物理学与化学的结晶；量子力学与化学结合已经形成了一门新的交叉学科——量子化学，物理学与化学结合形成交叉学科——物理化学。（三）物理学与生物学
20世纪，物理学进入了原子、分子层次，促使生物学也进入分子层次，X射线衍射、电子衍射、核磁共振、电子显微镜的应用促使一系列生物学研究成果的诞生。例如：利用这些物理学技术，可以观测蛋白质的分子结构、观察脱氧核糖核酸（DNA）的复制过程，40年代物理学家德尔布吕克和薛定谔提出遗传密码存储于非周期晶体的观点，现在已发现了遗传的物质基础——DNA的分子晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物学的重大突破。现在已建立起物理学与生物学的交叉学科——生物物理学。（四）物理学与地球科学
20世纪20年代在对电磁波传播机制的研究中，发现地球大气层中存在电离层；50年代探测高空宇宙射线时发现地球内辐射带而促使发现了太阳风；与此同时，对洋底岩石磁性的研究在板块结构学说的建立中起重要作用，这是地球科学的突破性进展。现在已形成一门交叉学科——地球物理学。
此外，物理学与气象学结合形成大气物理学；物理学与海洋学结合形成海洋物理学等。二、物理学与六大技术群
物理学与技术的关系，或者更确切地说，科学与技术的关系有两种模式：第一，由生产需要而创建技术，然后提高到理论。如17世纪在发明蒸汽机等热机技术之后，逐步建立起热力学理论；第二，先在实验室发现新的物理规律，建立起比较完整的新理论，然后转换成技术，应用于生产。19世纪的电磁学就属于这种模式（如电磁理论预言电磁波的存在，然后转换成无线电技术，应用于生产）。20世纪，后一种模式越来越突显。
20世纪，物理学取得突破性进展，建立起以相对论和量子力学为基础的近代物理学，出现许多新概念、新规律和新方法，这些是高新技术发展的源泉。这就引发了始于20世纪初的第三次技术革命。80年代以来，这场技术革命蓬勃发展，并以高新技术为核心，形成若干个尖端技术群，目前公认的是六大技术群，即能源技术、材料技术、信息技术、生物技术、空间技术和海洋技术。下面谈谈物理学对这些技术群的影响。（一）物理学与能源技术
能源技术包括新能源的开发、节能和储能技术。20世纪物理学对能源技术的重大贡献，首先是原子能（包括核裂变和可控核聚变）的开发和利用。核物理、高能物理对原子核和粒子的组成、结构、相互作用的研究，以及相对论关于能量、质量的关系理论为开发原子能提供了直接的理论基础和方法；等离子体物理理论也对受控核聚变技
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