五、物理学在自然基础学科中的地位和作用　　　
　　　　　　
　　这里所说的地位和作用，是指物理学的科学的发展对其他学科所产生的影响及其相互之间的关系，也包括这些学科对物理学的促进作用。这些均将在以后各专题中作详细的讨论。
（一） 物理学是新学科的先导
　　随着一些新现象的发现，一些新概念的产生以及一些物理概念含义的重新发掘，物理学向纵深发展，新分支学科应运而生。例如，用量子力学和相对论来研究原子核现象，建立了原子核物理学；将量子力学，相对论与电磁理论统一起来，形成了量子电动力学（后发展为量子场论）；量子力学和统计物理学相结合，出现了量子统计物理发生了深刻的变化，出现了新的光学现象和新的物理概念，从而形成现代光学物理。而相干性（不同与传统的相干性）、非线性和量子性则构成现代光学物理发展的基本特征。非线性光学、量子光学便是现代光学物理的重要分支和发展方向。另外，现代物理学作为带头学科主动联系其他分支，横向拓广，使物理学渗透到整个自然科学。物理学的基本概念、基本理论、基本实验手段和精密的测试方法，已经成为其他自然科学重要概念的基础和重要的实验手段。由此加速了自然科学内部的相互融合、展现了综合化趋势，使众多的交叉学科蜂拥出现。用物理学的理论与方法移植去研究另一学科，就会诞生一门交叉学科。例如，用量子力学的方法探讨化学问题，就形成了量子化学；量子力学与生物学交叉，产生量子生物学，它是应用量子学原理从电子水平上研究生命现象的科学。诸如此类新兴学科还有天体物理学、射电天文学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、地球物理学、海洋物理学等等。不仅如此，物理学还与社会科学相互联系，相互渗透，形成新兴汇流型学科。例如，热力学第二定律中的“熵”的概念的应用已经越来越广泛，熵理论早已超出物理学范围，在其他自然科学个社会科学的许多领域得到广泛应用。生命科学中有“生物熵”在系统科学的信息论中有“信息熵”，熵成为信息论这门学科的先导。信息与负熵相当，信息的失去为负熵的增加所补偿，因而使系统的熵减少。熵的概念也引进经济领域。难怪有人把20世纪看作物理世纪，把物理学看作是上一世纪的科学先驱，成为带头学科，这种评价是再恰当不过的了。即使在本世纪现代科学的学科结构重心转向生命科学，物理学不再是带头学科，但它仍然是最基本的科学，起着基础的作用。

　　我们知道，科学革命带动技术革命，技术革命带动产业革命。而前三次科学革命主要是物理学革命带动的，这次现代科学的学科结构重心转向生命科学，正在导致新的科学革命，在新的科学革命中，物理学仍将起着基础的作用，产生重要的影响。

（二） 物理学与数学和其他自然基础学科的伙伴关系

　　物理学与数学关系密切，源远流长，这点将在第二专题中有详尽的论述。历史上有许多著名科学家如牛顿，欧拉，高斯等对这两门学科都作出重要的贡献。19世纪末和20世纪初，当时的一些大科学家如庞加莱，克莱因，希尔伯特等，都精通理论物理，数学对物理的发展起了促进作用。20世纪50年代初，杨振宁等人复活了数学家赫曼.外尔老早提出的规范理论，并赋予了新的物理内容。后来，人们称为杨－米尔斯规范场理论，对场论的发展起了重要的作用。他们惊奇的发现微分几何中向纤维丛这一类抽象的概念也具有具体的物理内容。另外，像黎曼几何对广义相对论的作用，都不是物理与数学之间内在联系的见证。从非线性物理学发展的历程看，更清楚的说明了物理学和数学的伙伴关系，相互促进，共同前进。以孤立子为例，来说明这个问题。

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　　早在1834年8月，拉塞尔（J·S·Russel）就曾发现一个特别现象：有两匹马拉一条船沿运河迅速前进。当船突然停止时，船旁的水却不会停止，而是继续向前流去，水在船头周围堆了起来，并伴有强烈的扰动，而后以很大的速度向前运动。该水堆呈圆形，且光滑，孤立地高于周围的水流。水堆向前运动的速度不变，其形状也不变。后来，在行进很长一段路程后，该水堆的高度渐渐下降，终于在运河的拐弯处消失。

　　对于上述现象，线性理论无法作出合理的解释。因为按照传统的观念，上述周界分明而又光滑的水堆只能是一个波包，波包又是由一系列不同频率的平面波叠加而成的，这些不同频率的平面波在介质中传播的速度是不同的，产生色散现象，波包很快就会弥散掉。所以当时人们并不相信这样一种孤立波包会稳定存在。两位德国数学家考特维克（D·J·Korteweg）和德弗里斯（G·de·Vries）在1895年导出一个由弱非线性表水波所调节的方程（简称 KdV方程）解决了这个问题。直到20世纪60年代初，KdV方程又出现在等离子体物理问题中，于是 KdV方程的研究又进一步发展起来。此例清楚地说明了物理学与数学相互作用、相互渗透的重要意义。物理学之所以成为一门逻辑严密、高度定量化的学科，是须臾也离不开数学的。

　　物理学与化学本来是唇齿相依、息息相关的。这点将在第四专题中有更进一步的讨论。 热力学、 统计物理和量子力学都在化学中获得了重要应用。 吉布斯和昂萨格（L.Onsager）都横跨了这两门学科。当物理学研究的对象深入到更加复杂的物质结构层次的时候，愈来愈需要化学家的配合与协助，如聚合物半导体、有机超导体等就是这样。反过来，凝聚态物理学的概念和方法，也促进了高分子化学、液晶科学和分子膜科学的日趋成熟。另一方面，化学反应动力学在当今化学发展的前沿领域也得到了分子束、激光束等新技术的推动，和量子力学、统计物理、原子、分子物理理论的配合，形成亲密的伙伴关系，相互促进，共同发展。我们现在可以说，化学是原子、分子、水平上的物理学。

　　物理在生命科学中具有广阔的应用前景。1943年2月，量子力学创始人薛定谔在《生命是什么》一书中指出：1.生命以负熵为生。2.遗传的物质基础是有机分子，遗传是以密码形式通过染色体来传递的。3.生命体系中存在量子跃迁现象，X—射线照射可引起遗传的突变，就是论据。可见，生命是以量子规律为基础的。后来DNA的发现证实了薛定谔的预见。因此，不少人说第一代分子生物学家是被薛定谔这本书激发起来的。比利时非平衡统计物理学家“耗散结构”创始人普里高津进一步指出：“生物体是一个高度复杂的宏观有序的自组织系统”，既耗散结构系统。值得一提的是，DNA，RNA是在分子物理实验中发现的，这一发现开创了生物学领域研究的新纪元。诺贝尔物理学奖获得者朱棣文说过，我们即将进入一个令人激动的科学时代，既物理学与生物学统一的时代。

　　物理学与天文学的关系更是密不可分。天文学的一个重要分支——天体物理学，也是物理学的一个分支。近30年来，有越来越多的物理学家投入到天体物理的研究。近几十年来，学多重要的天文现象由物理学家发现的比例很大，物理学家对此作出了重要贡献。从20世纪70年代初到1999年的17次诺贝尔物理学奖当中，有四次是颁发给天体物理研究成果的，这也从一个侧面反映它们之间的密切关系和天体物理的地位与作用。目前，天体物理学与物理学已全面渗透，表现在：1.物理学是天体物理学的基础。天文学中对恒星、星际物质以及星系尺度上所发生的过程来说，用物理解释它们的观测结果竟是如此成功，以致我们敢于大胆地认为，所以一切天文过程都应该受物理学理论的支配。2.全面渗透的趋势。天体物理学与物理学各分支的渗透是全面的，几乎物理学所有方面，都与天体物理有缘。如引力和时空、离子物理、等离子体物理、固体、原子和分子、辐射和激光等，全面地渗透进了天体物理学。3.作为实验市的宇宙，可以说，引力时空物理就是把天体和整个宇宙做为实验室而发展起来的，牛顿的引力理论的建立是一个典型。爱因斯坦的饿引力理论——广义相对论，它的验证和应用，几乎全部都在天体物理范围中。其他物理分支，如离子物理也在利用宇宙学作为实验室，借助这个实验室，我们可以看到地面实验室中看不到的现象，获得从地面实验室中不易获得的概念。反过来，现代物理也给天体学提供各种探测手段，从可见光扩展到无线电波到X-射线、γ射线宽广的电磁波频段。而现代宇宙论的标准模型——大爆炸理论，完全建立在粒子物理理论基础上。这个问题将在第六专题中有详细的论述。

　　上一世纪地球科学的重大突破在于地址结构的板块模型。这一理论的确定是以古磁学为基础，而板块的运动，又涉及非线性科学中　的一个课题，这些都将在第七专题中进一步讨论。大气物理是气象学与物理学想接触的领域，两者也存在强烈的相互作用。气象学中有重要意义的洛斯贝涡旋，以及气象学家洛仑兹（E·M·Lorenz）为探讨长期天气预报的可能性而导出的洛仑兹方程，在现代非线性科学中扮演重要的角色，这些将在第三专题中有详细的论述。

（三）自然基础学科对物理学的促进作用

　　在上节讨论物理学与其他自然基础学科的伙伴关系时已经论述了，其他各门基础学科的发展也推动了物理学的发展，特别是数学学科。这里再补充几点：1．其他学科的发展为物理学研究提供新的课题。原子分子的概念首先是在化学研究中提出来的，19世纪70年代，化学上已经发现了元素的周期性排列，于是提出元素的排列为什么具有周期性？原子内部有结构吗？这些问题都被物理学家给解决了。量子力学建立之后，与之相关的分子结构的问题也被物理学家和熟悉物理的化学家给解决了。近代，随着化学、生物学的发展（包括物理学自身的发展）对于原子分子种种数据提出更多更精确的要求，推动了原子物理和分子物理的发展。生命体从简单到复杂、从无序到有序的发展也向物理学提出从无序到有序的发展的根源。这一更深刻的问题，物理学家给予了正确的回答。2.计算机在物理学研究中的应用更使物理学如虎添翼，不仅对物理实验，而且在理论计算中也起着重要作用（如对大量不可积问题的数值计算），有时甚至勿须进行实验，可以先假设种种情况，再利用计算机大量计算，然后从计算结果中去预言和发现新问题。3.科学技术的发展提供了物理学研究的新手段。