• 首  页
  • 视  频
  • 图  片
  • 上海科技报
  • 上海市科技传播学会
看似无关紧要的研究可能推动重大技术应用
2019年11月21日  作者:张民全   编辑:chunchun   审核:刘纯  版面:B2

  10月29日至31日,第二届世界顶尖科学家论坛在上海临港举办。诺贝尔奖获得者们坦言,没有基础研究,许多新技术就不可能产生。2012年诺贝尔物理学奖获得者阿罗什被问到量子力学有什么用时,他说:“我也没法回答这个问题。”但他明确指出,一些重大的应用往往是从一些看似无关紧要的研究中获得的。

  阿罗什所言很在理,在科学史上不乏这方面的事例,电力、X射线、原子能和激光等的应用都得益于基础研究。

  1820年,丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应,激起了英国的法拉第对电磁现象的极大的兴趣。他认为既然电能够产生磁,反过来,磁也应该能产生电。他自1821年起企图以磁力对静止的导线或线圈的作用中产生电流,但都失败了。经过近10年的不断实验,到1831年,法拉第发现,当缠在磁铁环上的通电线圈的电流刚接通或中断的时候,另一个线圈中连接的电流计指针有微小偏转。经过反复实验,法拉第证实了当磁作用力发生变化时,另一个线圈中就有电流产生。他终于发现了电磁感应定律,从而开通了大量产生电流的新途径。法拉第继而发明了史上第一个发电机——圆盘发电机,拉开了大规模产生和利用电力的序幕。

  1895年11月,德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体的放电过程中,发现了一个意外现象。为防止管内的可见光漏出管外,他用黑色硬纸板把放电管严密封起来。当管子接上高压电流后,他看到1米以外的一个荧光屏发出微弱的闪光,把荧光屏移远至2米左右,屏上仍有荧光出现。这一新奇现象不可能是阴极射线引起的,因为阴极射线只能在空气中行进几厘米。伦琴经过反复试验,确认这是一种新的射线,因其性质不明,暂名为“X射线”。X射线具有比阴极射线强得多的穿透能力,只有铅等少数物质对它有较强的吸收能力。伦琴用X射线给自己的夫人照了一张手骨像,公之于众后,引起了轰动。很快,X射线在探究晶体结构,在医疗诊断、工业探伤和安检等方面得到了广泛的应用。

  1905年,爱因斯坦在狭义相对论里提出著名的质能转换公式E=mc2,为原子能的利用奠定了理论基础。此后,尽管原子物理学有了很大的发展,但是连爱因斯坦在内的许多科学家都没看到实际利用原子能的可能性。1938年,德国物理学家哈恩用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象,意大利物理学家费米提出了链式反应的概念,很快得到了实验证实。科学家们认识到,链式反应一开始,无比巨大的能量就会在短时间里爆发出来。1942年12月美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日、9日,美国把两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1954年,苏联建成了世界上第一座商用核电站——奥布灵斯克核电站。人类开启了原子能时代,将核能广泛运用于军事、能源、工业、航天等领域。

  爱因斯坦在1916年指出,在场和物质的相互作用除了吸收和自发辐射外,还存在着受激辐射。他预言了辐射光量子和受激光量子的绝对一致性,即相干性。在上世纪30年代,光学家试图利用受激辐射来放大光,未能成功。1953年,美国的汤斯利用氨分子的受激辐射实现微波的放大,制成第一台微波激射器——氨分子种,它在几千年里走时误差不超过1秒,是当时最精确的时间标准。1958年,汤斯等人指出,可以把微波激射器的原理推广到光波段,制造成光激射器。1960年,美国的梅曼利用红宝石制得了世界上第一台激光器。他用强光使红宝石中的铬离子发生受激辐射,发现红宝石一端发出的光增强,方向性和相干性变好,经过反复验证,这是一种新的光源——激光。在梅曼成功以后,不同类型、不同性能的激光器不断问世。激光与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。

  阿罗什说不知道量子力学有什么用,他是很谦虚的。其实,现代物理学家都了解量子力学的建立过程及其应用。1900年,德国物理学家普朗克研究黑体辐射,提出了辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)进行的,正确地给出了黑体辐射的能量分布的公式。1905年,爱因斯坦用量子说解释了光电效益。1913年,玻尔在有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。在上世纪20年代,描述微观粒子的波动力学和矩阵力学建立,标志着研究微观领域的一门新学科——量子力学的诞生。量子力学为核技术、半导体技术、信息技术、生物技术等提供理论依据。激光、电子显微镜、原子钟和核磁共振的医学图像显示装置,都用到了量子力学的原理。人们正在研制量子计算机,利用量子密码安全地传输信息。

  基础研究具有强大的推动力,是社会变革的源泉,为解决人类社会面临的各类问题提供支撑。然而,自然规律的发现和利用是艰难曲折的过程,基础研究价值的体现并不是一蹴而就的,有些研究的未来价值甚至是难以预测的,具有风险性。公众不应以急功近利的价值观去苛求基础研究,对于研究人员为满足自己的好奇心和兴趣去追求那些看似无用的知识,应给予理解和宽容;对于有风险但具有创新性的基础研究项目,也不妨给予支持。

  • 热门话题

我国科幻事业走出困境了吗

随着《三体》横空出世、《流浪地球》成为爆款,中国科幻文艺界一扫之前的晦暗底色,频频引发“中国科幻迎来黄金时代”的热议。2019中国科幻大会日前在京举行,科学家、科幻作家、科普作家和科幻迷们聚在一起,共同诠释...