物理學作為嚴格的、定量的自然科學帶頭學科，一直在科學技術的發展中發揮着極其重要的作用。過去如此，現在如此，展望將來亦是如此。

物理學與數學

物理學與數學的關係密切，源遠流長。歷史上有許多著名科學家如牛頓、歐拉、高斯等，對於這兩門科學都做出重要貢獻。此風一直延伸到19世紀末、20世紀初。當時的一些大數學家如龐加萊、克萊因(F.Klein)、希爾伯特等，儘管學術傾向不盡相同，但都精通理論物理。到20世紀前半段，數學與物理學開始有分道揚鑣的趨勢，雙方之間的信息交流有所梗阻。但應看到，仍有不少有名的數學家如外爾（C.H.H.Weyl）、馮·諾伊曼、柯爾莫哥洛夫（A.N.Kolmogorov）等，對理論物理甚至於具體物理問題感興趣且做出貢獻。但總的來看，抽象數學之風日益鼎盛，到20世紀中葉布爾巴基學派的問世而登峰造極。

當然，數學家埋首致力於自身學科的建設，本來是無可非議之事，但在兩門學科之間存在一條難以逾越的鴻溝，卻對雙方都極為不利。物理學家往往希望多懂一些數學，苦於不得其門而入；而數學家則過於關注論證的嚴密性，對豐富多彩的物理世界視而不見，也難以理解。但是，物理學與數學之間畢竟存在深刻的內在聯繫，這種相互隔閡的情況不可能長期持續下去。

轉機果然出現了。一方面是來自理論物理學的新發展。1950年代初，楊振寧等提出的規範場論，賦予了微分幾何中纖維叢這類相當抽象概念具體的物理意義，不啻是物理學與數學之間內在聯繫的見證。1990年，作為數學界最高榮譽的菲爾茲獎，破天荒地授予一位從事超弦理論研究的理論物理學家威滕（E.Witten），也是一種表明兩大學科在重新靠攏的信號。另一方面是電子計算機發展的結果。它的發展得到了一些有遠見的數學家如馮·諾伊曼、圖靈(A.Turing)等的關注。計算機的高速發展，不僅在技術上成果纍纍，理論上也有其重要意義。過去物理學所津津樂道的是運動方程式的可積問題，特別是可以用函數解析式來表示的問題（如諧振子、二體運動等），顯示出對於運動狀態高度精確的可預測性。經典物理是如此，量子物理也是如此。但可積問題只是少數特殊情況，多數問題是不可積的，由於數學上求解困難，只有數值計算的結果，因而對於這類問題的物理本質理解不透。計算技術的進展，大大地促進了這一領域的發展，為現代非線性物理這一新學科分支奠定了基礎。

物理學與天文學

物理學與天文學的關係更是密不可分，也可以追溯到早期的開普勒與牛頓。到了當代，提供天文學信息的已從可見光擴展到無線電波乃至X射線寬廣的電磁波頻段，這依賴於現代物理學所提供的各種探測手段。另一方面，天文學提供了地球上實驗室所不具備的極端條件，如高溫、高壓、高能粒子、強引力等，是檢驗物理學理論的理想實驗室。因此，毫不奇怪，幾乎所有廣義相對論的證據都來自天文觀測。正電子和?滋子都是首先在宇宙線研究中觀測到的，為粒子物理學的創建做出了貢獻。貝特（H.Bethe）的熱核反應理論是首先為解釋太陽能源問題而提出的。朗道（L.D.Landau）、奧本海默（R. Oppenheimer）等人的中子星理論，由休伊什（A.Hewish）與貝爾（J.Bell）發現脈衝星而得到證實。而現代宇宙論的標準模型——大爆炸理論，是完全建立在粒子物理理論基礎上的。從1970年代以來，諾貝爾物理學獎頻頻授予天文學家，也是天文學與現代物理學密不可分的一個標誌。

物理學與化學

物理學與化學唇齒相依、息息相關。熱力學、統計物理和量子力學都在化學中獲得了重要應用。19世紀吉布斯（W.Gibbs）的工作橫跨了這兩個學科，得到學術界的尊重；在20世紀德拜（P.Debye）、昂薩格（L.Onsager）也復如此。但是，在物理學與化學之間也存在阻梗理解的壁障。經典物理學幾乎將所有涉及具體材料的物性問題讓給了化學，它本身只關心比較理想化的簡單系統。隨着量子力學的誕生及隨後固體物理學的發展，情況發生了很大改變，但是思維的慣性仍然存在。物理學家看到包括許多苯環的複雜分子結構式往往望而生畏，感到手足無措；同時又不滿足甚至輕視從大量實驗結果總結出來的經驗規律。

另外，概念與術語上的差異也是一個現實問題。例如談到固體的電子結構，化學家習用由量子化學導來的化學鍵；而物理學家則習用以固體物理學引入的能帶。兩者實際上是互為補充、不可偏廢的。隨着固體物理學發展為凝聚態物理學，研究的對象日益深入到更加複雜的物質結構層次：就半導體而言，從硅、鍺等元素半導體，到Ⅲ-Ⅴ與Ⅱ-Ⅳ族化合物半導體，乃至於聚乙炔這類有機半導體；就超導體而言，從合金超導體，到氧化物和有機超導體，也都反映了結構複雜化的趨勢，愈來愈需要化學家的配合與協助。凝聚態物理學的概念和方法，也促進了液晶科學、高分子科學和分子膜科學的日趨成熟，導致了軟物質科學的建立。這是化學家和物理學家共同努力的成果。另一方面，化學反應動力學這一化學的基本問題，得到分子束、激光束等新實驗技術的推動；和量子力學、統計物理、原子物理、分子物理等理論分析的配合，成為當今化學發展的前沿領域，也是物理學家大有用武之地的一個領域。還有在原子、分子和大塊凝聚態物質之間新開闢的研究領域，即團簇，得到物理學界和化學界的共同關注。

物理學與生命科學

從聚合物和複雜結構的分子再前進一步，就到達生物大分子，接觸到分子生物學的核心問題。從19世紀後期起，生物學家在生物遺傳方面進行了大量的研究工作，在孟德爾、摩爾根、繆勒（H.J.Muller）等人所得規律的基礎上提出了基因假設。但是，基因的物質基礎仍是一個疑問和挑戰。在1940年代，物理學家德爾布呂克（M.Delbrück）和薛定諤對生命的基本問題感興趣，提出了遺傳密碼存儲於非周期晶體的觀點，由於薛定諤在小冊子《生命是什麼》中對此進行闡述而廣為人知。1940年代，英國劍橋大學的卡文迪什實驗室在布拉格（W. L. Bragg）的領導之下，開展了對蛋白質晶體的X射線結構分析，這是一項工作量極大、甚為艱巨的工作，持續時間超過15年，以肯德魯（J.C.Kendrew）與佩魯茨（M. Perutz）獲得諾貝爾獎而告終。

與此同時，美國化學家鮑林則利用他熟諳的化學知識和搭模型的方法，解決了?琢螺旋的晶體結構。受德爾布呂克與薛定諤的影響，生物學家沃森與物理學家克里克，在晶體學家富蘭克林（R. Franklin）與威爾金斯（M. Wilkins）的X射線衍射圖的啟發下，採用搭模型的捷徑，終於在卡文迪什實驗室定出了DNA（脫氧核糖核酸）的晶體結構，揭示了遺傳密碼的本質，這是20世紀生物科學最重大的突破。

從那時起，分子生物學就構成了生命科學發展的前沿領域。目前人類（和若干其他生物）的基因組測序工作業已完成，累積了大量數據。如何利用這些珍貴資料來發展生物學，是當前生物學家所面臨的最重大挑戰。顯然這需要物理學家參與，因而當今生物物理學家是大有可為的。目前，基於自旋玻璃理論的神經網絡學說給出了很有啟發性的結果。但是，它與真實的神經網絡之間畢竟還存在較大差距。如何填補中間的缺失環節，將是今後的重要問題。看來尚有待於複雜體系中凝聚態物理學的進一步發展。生物電子學的情況也復相似。

物理學與地球科學

下面討論物理學與地球科學的關係。20世紀地球科學的重大突破在於板塊理論的確立。當然，板塊理論可以溯源於20世紀初威格納所提出的大陸漂移說，但是由於缺乏佐證，沒有得到學術界的公認。1945年以後，物理學家布拉凱特（P.M.S.Blackett）倡導岩石磁學的研究，形成了古磁學這一新的交叉學科。後來，在大西洋脊附近的古磁學研究揭示了洋脊擴展的時序，為板塊理論的確立奠定基礎。板塊運動的驅動力問題，又涉及下地幔的緩慢對流問題，是非線性科學中的一個課題。地球的內核也存在着許多挑戰性的疑難問題，諸如地球磁場的產生和其反轉等。可以預期，將有更多的物理學家被吸引到這一領域中去。

大氣物理學是氣象學與物理學相接觸的領域，兩者也存在強烈的相互作用。氣象學中有重要意義的洛斯貝渦旋，以及氣象學家洛倫茲（E.N.Lorenz）為探討長期天氣預報的可能性而導出的洛倫茲方程，在現代非線性科學中扮演重要的角色。

物理學與信息技術

物理學一直是一門十分開放的學科，它與現代技術有密切關係。一般而論，物理學與技術的關係存在兩種基本模式：其一是由於生產實踐的需要而創建了技術（例如蒸汽機等熱機技術），然後提高到理論上來（建立了熱力學），再反饋到技術中去，促進技術的進一步發展。其二是先在實驗室中揭示基本規律，建立比較完整的理論，然後再在生產中發展全新的技術部門。19世紀電磁學的發展，提供了這一模式的範例，創建了現代的電機工程與無線電技術。

在今天，上述的兩種模式都還在起作用。從物理學的角度來看，第二類模式的重要性越發明顯。這也正是美國科學家布什（V.Bush）的觀點。在他寫的《科學——沒有止境的前沿》一書中強調指出：“我們需要許多有活力的新企業。然而，新產品和新工藝過程並不是生來就完善的。它們依賴於新的原理與新的觀念，而這些新原理與新觀念本身又是來自基礎研究的。基礎科學研究是科學的資本。” 應該強調指出，經典物理學已經孕育出一系列的工程技術：建立在經典力學基礎上的機械工程、土木建築工程和航空航天工程；建立在經典電磁學基礎上的電機工程、無線電工程和電子工程；建立在熱力學上的則有動力工程和工程熱物理。

信息技術在現代工業中的地位日趨重要。計算技術、通信技術和控制技術已經從根本上改變了當代社會的面貌。如果說第一次工業革命是動力或能量的革命，那麼第二次工業革命就是信息的革命。應該強調指出，整個信息技術離不開物理學。

信息技術的物理基礎首先體現在電子學的建立。第一代信息技術所用的電子學器件是真空電子管。早在19世紀末，湯姆孫在陰極射線的研究中發現了電子，隨後理查孫（O.W.Richardson）通過熱電子發射的基礎研究，對於發展真空電子管技術起了關鍵作用。應該說真空電子管技術的重要性已經減弱，但有些地方仍未被取代，如雷達技術中磁控管與速調管，電視技術中顯像管等。第二代信息技術所用電子學器件中則是半導體晶體管。

1947年，貝爾實驗室的巴丁（J.Bardeen）、布拉頓（W.H.Brattain）與肖克利（W.Shockley）發明了晶體管，標誌着信息時代的開始。實際上晶體二極管早就被應用了，早期收音機中的礦石檢波器、氧化亞銅硒整流器，乃至第二次世界大戰中雷達用的鍺、硅檢波器，都是其實例。但是，這些是單憑經驗湊合起來的器件，原理不明，也缺乏可靠性。而貝爾實驗室的發明則是在基於量子力學的固體能帶理論指導下進行的，又有堅實的材料研究作為基礎，所以一問世就不同凡響，隨即發展了一系列半導體器件，建立了半導體工業。

對於基礎研究投資的效益，安德森（P. W. Anderson）有“無限大乘零”的說法，即每一項基礎研究取得實際效益的概率幾乎為零，但一旦一炮打響，就可能取得“無限大”的效益。顯然，貝爾實驗室對於晶體管的研究，就是取得“無限大”效益的實例，目前半導體工業的年產值已經達到幾千億美元的量級。從離散的晶體管，到將有源器件和無源元件合為一體即集成電路，又是一個飛躍，這是在1950年代末實現的。而後集成電路向微型化方向發展，集成度約以每兩年翻一倍的摩爾定律在增長。在1940年代中建成的第一台大型電子計算機ENIAC，使用了18000個真空管，1500個繼電器，幾十萬枚電阻與電容，自重達30噸，耗電200千瓦，真是一個龐然大物。而在今天，一台筆記本計算機的性能完全可以超過它，顯示了半導體技術對電子計算機發展的決定性影響。

集成電路的微型化基本上是採用工藝手段使電路的幾何尺寸縮小。其中最關鍵的是光刻技術：多種物理手段如紫外光、電子束和X射線（包括同步輻射），用來改善刻線的細度。目前，工業生產上已經達到0.12微米左右，而實驗室中卻由亞微米向納米推進。這一微型化的趨勢一直到現在仍然保持其勢頭。以後如何呢？微型化不可能無限地持續下去，必然存在物理的極限。一個電子器件如果只包含少量的原子和電子，就不可能正常工作了。物質的不連續結構將給出器件尺寸的下限。但是，近年來的一些研究表明，這一極限比原來設想的要大得多。到了幾十納米的尺度，量子限制效應就凸現出來了。顯然，原來半導體器件的工作原理就不再適用了。十多年以後，可能需要用全新的技術來取代目前成熟的半導體芯片工藝。這一挑戰是當代納米科技異軍突起的主要根源。目前，量子阱、量子線、量子點等這類呈現新的物理效應的器件，其構想及可行性的演示都已受到重視。有點像八仙過海各顯神通，但最終鹿死誰手，還很難說。

另一項取得了“無限大”效益的基礎研究就是激光器的發明，導致光子學作為信息技術的另一根物理支柱。早在1917年，愛因斯坦就認識到兩能級系統的輻射問題中必須要引入和受激吸收相對應的受激發射項。但由於在熱平衡態，高能級上的粒子數小於低能級上的粒子數，因而受激發射為受激吸收所掩蓋，不易觀察到。1950年代初，湯斯（C.H.Townes）及普羅霍羅夫（A.M.Prokhorov）、巴索夫（N.G.Basov）分別使氨分子束實現了粒子數反轉，從而觀察到微波的受激發射。1958年，湯斯與肖洛（A.L.Schawlow）提出了利用法布里·貝洛干涉儀作為腔體實現光的受激發射的激光器的設想。1960年，梅曼（T.H.Maiman）制出了第一台紅寶石激光器，為光子學揭開了序幕。

激光器一經問世，首先想到的重要應用就是光通信，因為高頻的光波具有特大通信容量。但是，早期的進展都令人沮喪。大氣通信由於天氣對光的傳播影響太大而宣告此路不通，光纜通信也困難重重，進展遲緩。在激光器問世15周年時，人們對其應用情況做了檢閱，雖然在測距、加工、準直、計量等方面取得了重要成果，唯獨光通信仍然停滯不前。在貝爾實驗室，由於科學家的遠見卓識和鍥而不捨，幾個阻礙光通信實施的關鍵問題逐一解決了。他們制出了低損耗的光纖，其每千米的損耗低於相應的電纜；制出穩定可靠長壽命半導體激光器，其壽命超過一萬小時。這樣，就使光通信走出了實驗室，成為一種重要的現代通信手段。

光子學的發展，也使人們設想用光計算機來取代電子計算機。當然，從理論上來看，光計算機是有其優點的。光的傳播速度高於電子導線上的傳播速度，而光的信息處理是平行式，對圖像的處理應有其突出的優越性。光計算機的基本元件是高速的光雙穩態元件，量子阱就是一個候選者。應該指出，光計算機尚處於探索、構想和模型性試驗階段，距離實際應用還有一定距離。當然，在電子計算機中採用部分的光學部件，如用於存儲信息的光盤，已大量應用了。

利用鐵磁性或亞鐵磁性物質構成的磁存儲器一直是計算機的重要配件。在量子力學建立之後，科學家就認識到電子不僅具有電荷，同時也存在自旋。但傳統的電子學器件只是應用了電荷的輸運，而忽略了自旋的輸運。1988年，費特（A. Fert）等在鐵磁與非鐵磁金屬多層膜中發現了巨磁電阻效應，使自旋輸運問題取得了突破。幾年以後，自旋閥問世了，用於硬盤的讀出磁頭，產生了可觀的經濟效益。另一方面巨隧道磁阻效應作為不擦除的磁隨機存儲器也可能獲得更大規模的應用。因為操縱自旋輸運比操縱電荷輸運所需的能耗更小，目前自旋電子學這門從基礎研究脫穎而出的新技術科學受到科技界的普遍關注。當然還存在許多問題有待解決，如何將自旋極化的電流注入半導體，如何獲得居里點高於室溫的鐵磁半導體等等，而在信息技術中的可能應用更是有遠大的前程。

1962年，約瑟夫森（B.D.Josephson）提出了超導電子對的隧道效應並獲得實驗證實後，電子學又產生了一個新分支，即超導電子學。兩個或更多個約瑟夫森結可以組成超導量子干涉器件（SQUID）。SQUID是一種靈敏的磁強計，除了在實驗室中作為精密測量磁場的儀器外，在野外地質探礦和測量人體的微弱磁性方面都有重要應用。超導體也能用於微波技術，比如作為高Q諧振腔的材料；而約瑟夫森結也可用於探測微波、毫米波和亞毫米波。科學家還注意到，由於SQUID可以作為門電路，因而有可能做成計算機的邏輯元件。

1948年香農（C.E.Shannon）創立的信息論，是建立在經典統計物理的基礎上的，它提供了現代信息技術的理論基礎。到1990年代，科學家發展了量子信息理論。基於量子力學的疊加原理，量子位（qubit）同時是既為0又為1，與經典位（0與1中選取一種）截然不同。目前，許多實驗已經演示了少量量子位的實現。量子信息的發展將是本世紀值得關注的一件事。將來能否成為重要實用技術，可與經典信息技術並駕齊驅，甚至進而超越經典信息技術，目前還很難說。但至少在某些特殊的信息技術領域中可能有用，例如量子密碼學就已接近於實用化。

物理學與材料技術

材料技術的核心，是新材料的研製和傳統材料性能的提高。傳統材料的發展依賴於經驗的長期累積和不斷炒菜式的試驗，在其中理論指導並不起太大的作用。即使在對鋼中相變尚一無所知的時代，熟練的技工已經掌握了淬火使鋼硬化的秘訣，就很足以說明問題。20世紀初，基於熱力學的復相平衡規律的應用，為研究材料相圖與相結構提供了依據，進而相變動力學理論得到了發展。到1930年代，固體能帶理論提供了理解材料電子性質的依據，而晶體的位錯理論則為理解金屬的塑性提供依據。到1940年代，物理金屬學或金屬物理學得以建立，率先成為材料科學中首先成熟的分支。對於鍺、硅等半導體的研究，揭開了材料技術的新篇章。區熔提純、單晶製備、外延生長、摻雜工藝等方法相繼問世，徹底變革了材料工藝的面貌。製備出高純度、高完整性和可控摻雜的單晶材料，使得固體物理學家美妙的理論設想成為現實，猶如一張白紙讓藝術家畫出了最新、最美的圖畫。應該指出，這方面的研究工作除了在半導體器件上開花結果外，也促使材料科學在定量化、微觀化和現代化方面邁出了一大步。這一實踐指出了材料發展的新趨向，即不僅單純地依賴經驗的積累，也需要理論的指導。

對金屬材料行之有效的多種研究方法也成功地向陶瓷材料的領域延拓。鐵氧體與鐵電體等新型功能材料，豐富了陶瓷學的內涵。到1960年代物理陶瓷學趨於成熟。

金屬、半導體和陶瓷共同點較多：以晶態為主，輔以非晶態的玻璃，而以高分子為主的有機材料的發展途徑和研究工具，與無機材料有較大的差異。天然高分子材料如棉布和絲綢沿用已久。19世紀中硫化橡膠獲得廣泛應用，到19世紀末人造絲也流行起來了。但高分子科學的研究始於20世紀。通過施陶丁格（H. Staudinger）、庫恩（R.Kuhn）與弗洛里（P.J.Flory）等化學家的努力，高分子科學趨於成熟。到1970年代，液晶物理學受到物理學家的關注。隨後，德熱納（P.-G.de Gennes）等人又將臨界現象的標度律引入高分子科學，並關注於膠體或更複雜的系統，如水、油與表面活性劑的混合物。這樣，處理軟物質的材料科學也誕生了，從而使材料科學朝向一體化邁出了一大步。

物理學與能源技術

能源的取得和利用是工業生產的頭等大事。20世紀物理學的一項重大貢獻就在於核能的利用。這可以說是由基礎研究生長出來的全新的技術部門。但也應該承認，核電事業的發展速度和普及程度並沒有達到1950年代科學界的期望。其原因是多方面的，經濟成本比設想的要昂貴，核燃料的原料不像原來設想的那麼豐富，核廢料處理尚缺乏一勞永逸的妥善辦法，以及對於核事故的恐懼心理等。但是，核電廠已是工業上的現實，這是不爭的事實。在我國，由於大亞灣和秦山核電廠的建設，核電的發展也提到工業發展的議事日程上來。實際上，核電廠對環境的污染小於通常的火力發電廠。如何進一步降低成本，充分而經濟地利用核燃料，將是一個重要的研究方向。

如果說核裂變能的利用是今天的現實，那麼核聚變能的研究則是為了解決21世紀的能源問題開闢道路。可控熱核聚變能的研究也經歷了不少波折，比原來預期的要困難得多，但還是在向前推進。兩種相互競爭的方案——磁約束型和慣性約束型，目前都尚未達到輸出能量與輸入能量“得失相抵”（breakeven）的目標，但距離都已不太遠了。不過，實現這一目標的日期一再延遲，也表明原來的估計過於樂觀。即使在這一目標實現之後，下一步的目標還是“點火”（ignition）。目前國際合作籌建的利用磁約束的國際熱核反應裝置（ITER）和美國利弗莫爾國家實驗室的慣性約束點火裝置，都是為這一目標而建立的。即使實現了“點火”，也只是驗證可控聚變物理上的可行性，而工業與經濟上的可行性仍尚待解決。

在能源和動力方面，可以無損耗地傳輸電流的超導體的廣泛應用，也可能導致一場革命。在液氦溫區工作的常規超導體所繞成的線圈，已在加速器、磁流體發電裝置乃至托卡馬克裝置等大型實驗設備中用來產生強磁場，可以節約大量電能；在發電機和電動機上應用超導體，已經製成接近實用規模的試驗性樣機。由於這些成功的應用，再加上超導儲能、超導輸電和懸浮列車等的應用前景，使人們對之存有很高期望。自從1987年液氮溫區的超導體問世以來，它在強電中的應用前景是最激動人心的。進展雖然並不像預期那樣迅速，但通過15年的努力，這方面應用的物理可行性已得到證實：已經掌握了製備長線材的工藝技術，但還需要進一步降低成本。2001年初日本科學家又發現金屬間化合物MgB2的Tc為39開，雖然不及氧化物超導體，但加工容易，某些應用有可能後來居上。太陽能的利用也對物理學提出了挑戰，如何制出價廉而高效的太陽能電池將是一個關鍵性問題。至於更加常規的能源利用，如石油勘探、煤的燃燒、氫能的利用、節能技術等，也有不少涉及物理學的問題有待於進行研究。　

除了信息、材料、能源技術之外，醫療衛生技術也是物理學發揮作用甚大的領域：諸如X射線透視和層析技術，核磁共振透視與層析技術等，引發了診斷技術的革命；放射線元素和加速器提供了治癌有效的手段。這裡就不詳加細述了。值得注意，有一些純屬基礎的物理學研究，也為技術發展提供意想不到的機遇。在這方面，高能物理學就是一個很好的例子。高能物理學是為了探索微觀世界最基本規律——基本粒子及其相互作用而進行的，涉及了大量數據的提取、處理和傳輸，因而在信息處理和網絡技術中發揮了極其關鍵性的作用。在國際上，歐洲核子中心（CERN）為因特網的誕生立下了汗馬功勞，而中國科學院高能物理所也為我國因特網的建立起到了關鍵作用。

1930年代，愛因斯坦與玻爾曾對量子力學的理論解釋展開激烈的爭議。1935年，愛因斯坦及其合作者曾經提出EPR佯謬，來非難量子力學的流行解釋。但1980年代以後，實驗證實了EPR態確實存在，而且構成了當今迅速發展中的量子信息技術的基礎。一場帶哲學意味的爭論產生了技術性的後果，也是始料不及的。這說明在基礎科學與技術應用的問題上，也可能出現“有心栽花花不開，無意插柳柳成蔭”的現象，不能採取過於急功近利的態度。