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第十六讲物理学的未来

物理学 ==> 应用物理学 ==> 工程技术 20 世纪物理学的辉煌物理学 ==> 自然科学 ==> 社会科学 发展于 20 世纪后半叶 20 世纪末 物理化学 量子化学 生物物理 物理生物？ 地球物理 大气物理 …… 经济物理 物理经济？ 社会物理 ……

• 二十世纪科学技术的发展是以物理学为龙头，带动各个学科的发展。

• 二十世纪是物理学的辉煌时代 .

• 二十一世纪呢？

二十世纪之物理学：• 量子物理学• 相对论二十世纪物理学的成功与十九世纪经典物理学的成功出现了类似的情况，给人的印象似乎这次物理学大厦真的建好了。情况果真如此吗？

•• 1919世紀世紀»»牛頓牛頓 VS VS 麦克斯韦麦克斯韦

光的速度永遠是3x108m/s

光速有多快？視乎你自己走得多快

相 对 论 ！相 对 论 ！

8.1 二十世纪物理学面临的问题及其展望充满挑战和机遇的物理学引力量子化与大统一理论超高能物理及宇宙起源复杂系统的研究极端条件下的物理现象

引力量子化与大统一理论相对论相对论和量子论量子论各自都非常成功，而且将相对论应用于量子论而建立起来的量子电动力学、量子色动力学同样非常成功，然而将量子论应用于由广义相对论描述的引力理论之中，即引力的量子化，问题却碰到了巨大的困难，也就说二个非常基础、关键的理论之间存在着一定的不二个非常基础、关键的理论之间存在着一定的不自恰性。自恰性。

标准模型的不足•标准模型包含了多达标准模型包含了多达 6161 个的基本组分个的基本组分，其中物质粒子和反粒子 48 个，规范粒子 12 个，还有一个到目前还未找到的希格斯粒子。该理论的人为参数也太该理论的人为参数也太多多，如果中微子质量不为零，则至少有 22 个参数，即使中微子质量为零，理论还有理论还有 1919 个参数个参数。•虽然统一描写强、弱、电三种相互作用的所谓标准模型取得了辉煌的成果，但是理论上还没有建立起理论上还没有建立起将四种基本相互作用统一在一起的理论。将四种基本相互作用统一在一起的理论。引力在构造物质世界方面起着极为重要的作用，在宇宙学中更是主要角色。

Quantum field theory

Quantum mechanics Newton’s law v<<c

v~cRelativity

micro macro

Basic laws

Basic interactions

大统一引力

弱电统一强力

电磁力弱力

电磁

超弦 ?

粒子的引力半径与康普顿半径相当时，真空中充满了虚的黑洞，也就是说量子涨落效应可以导致相互靠得非常近的粒子变成黑洞，时空本身在此尺度下将开始塌陷，出现奇异性。

社会新闻社会新闻• 1999 年 7 月，美国《星期日时报》上以“大爆炸机器可能摧毁地球”为题的一篇文章声称，地球正受到位于长岛的相对论性离子对撞机 RHIC 的严重威胁。该加速器将以极高的能量让一对金原子对撞，并有可能产生黑洞和奇异物质，从而吞噬整个地球。

R GMc2

2

超弦理论超弦理论 弦理论可追溯到六十年代末期，当时为了描述不断发现的强子而建立起了弦理论。认为：粒子不是由几何点而是弦构成的。

但发现要使弦理论成为一个简洁的理论，时空必须是时空必须是 2626 维的。维的。

八十年代，引入了超对称建立起了超弦理论，时空维数就从 26维降到了 10维，取得了突破性进展。

然而 10维超弦理论却有五种不同的理论，再次被人们冷落。 1994 年 N. Seiberg 、 E. Witten 的一系列工作，使人们发现五种不同的超弦理论实际上是一个更大的理论的五个不同侧面而已。

• 量子力学中有测不准原理

• 超弦理论的一个结论是2/ xpx

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超弦理论的目标• 协调相对论与量子论• 实现四种基本相互作用的统一• 统一描述微观和宇观

8.1.2 超高能物理及宇宙起源物质具有不同层次的结构，为了窥探深层次的物质结构，所需要的能量越来越高。要了解原子、分子的结构，人们只需要几个电子伏特或更少能量的探测粒子。要探测核子乃至夸克的结构则需要 Gev 以上能量的探测粒子。为了探索物质更深层次的结构，需要超高能量的加速器。

美国费米实验室的加速器能量可达 2×1012 电子伏特布鲁海文国家实验室的相对论性重离子对撞机（ RHIC ），能把整个金核的能量达到 2×1013 电子伏特，以便使两个高能金核对撞，以达到改变局部真空的目的。欧洲大型强子对撞机（ LHC ），质子对撞能量可达 1.4×1013 电子伏特，以寻找希格斯粒子 H 。

美国原计划建造超级超导对撞机（ SSC ），预算 200亿美元，但终因费用太高，被迫中途停止。

二十一世纪一方面需要建造更高能量的加速器，需要在设计思想上需要大的突破。另一方面需要充分利用宇宙这个天然实验室。宇宙中存在着大量超高能宇宙射线。我国在宇宙线研究方面得天独厚，如云南高山站，西藏羊八井宇宙线观测站等海拔高，大气遮挡少。宇宙大爆炸起始时，温度高、对应的粒子能量也高，人们可以利用那时遗留下来的信号检验粒子物理理论，反过来高能物理实验和理论的发展将促进宇宙学问题的解决，例如正、反物质为何不对称？暗物质到底是什么？宇宙刚爆炸时的状况如何等问题。

西藏羊八井宇宙线观测站

8.1.3 复杂系统的研究•介观物理，它介于微观和宏观之间。•纳米材料和纳米技术。•复杂系统介于有序与无序之间。•非线性物理。例如经济、金融物理学问题，也就是说用物理方法和模型来描述经济、金融问题，如用沙堆模型描述企业的不断扩张而突然失控的现象。生命科学。

8.1.4 极端条件下的物理现象所谓极端条件是指偏离常规条件的特别条件。例如作为核聚变研究基础的高温、高密度等离子体物理的研究，超高压条件下的深海物理研究，失重条件、强辐射条件下的各种材料物理性能变化的研究，强电场、强磁场条件下凝聚态物理的研究，强关联、高温超导、超低温物理等等的研究都将成为二十一世纪物理学研究的热点，因为它们与高科技紧密相联，具有非常直接的应用前景。

• 表明物理学本身仍有巨大的发展空间

• 虽然它具有悠久的历史，但仍然是充满活力的学科。

有人说二十一世纪是生命科学的时代生命科学的时代，是信息的时代信息的时代，物理学还有用武之地吗？

物理学在其他自然科学及高新技术中的应用•物理学与生命科学生命科学与物理学的紧密关系是不言而喻的。 20 世纪最伟大的发现之一 ------DNA

的双螺旋结构就是英国剑桥大学的物理学家克里克和沃森发现的。

医院里最先进的设备往往也是物理学刚刚发 展 的 技 术 ， 例 如 X 光 机 ， B

超， CT（计算机 X射线断层扫描成像技术），核磁共振扫描仪，检测的精度越来越高。现在又有正电子成像技术；软 X

射线可以直接观察组织切片技术等

早期的 X 光诊断伦琴 (1845 ～ 1923) 德国物理学家

• 在 CT技术（计算机 X射线断层扫描成像技术）中起关键作用科学家之一是理论物理学家科马克。

1963 年科马克提出了由电子计算机操纵的 X 射线 断层照相诊断技术的理论和设计方案；1969 年豪 斯菲尔德根据科马克的设想，研制出了世界上第 一台电子计算机 X 射线断层扫描仪（简称 CT ）。 他们于 1979 年共同获奖

拉比 (1898 ～ 1988) 美国物理学家30 年代发明了核磁共 振，于 1944 年获奖。 根据他的理论， 50 年 代诞生了核磁共振仪。

在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友物理学的进展极大地推动了生物学的进展

1912 Laue 在 CuSO4·5H2O 晶体上得出 X 光衍射

1934 Bernal 及 Crowfoot 用衍射方法证明蛋白质如同晶 体一样，有确定的三维空间结构

1936 Bragg 及 Perutz 开始研究血红蛋白结构

1951 Linus Pauling 提出蛋白质的螺旋结构模型

蛋白质是由 20种小分子（氨基酸）连接而成的生物大分子

不同氨基酸连接而成的蛋白质具有不同的形状（空间结构）

血红蛋白

影响生命科学发展方向的四位物理学家

Niels Bohr (1885—1962)

1932 “Light and Life” (1933 Nature)

互补原理用于生命现象的研究 物理分析（细分） 生物学现象（自我维持、自我繁殖）

互补性关系承认“生命的存在”为研究前提1965 “Light and Life Revisit”

Erwin Schroedinger (1887—1961)

1943 ： What is Life?

遗传物质是一种有机分子 染色体中基因的活动决定遗传 遗传密码传递遗传性状的假说 非周期性晶体 负熵维持生命的概念 量子跃迁式的突变 在宏观和微观尺度上物理学基本定律适用

1953

Crick 及 Watson 证明 DNA 的双螺旋结构

结构生物学建立

基因决定一切吗？基因决定一切吗？ 2000 年 6 月 26 日，人类基因组序列框架图的公布使生命科学家非常激动。 基因和基因组引起了媒体和社会的广泛注意，似乎一个人的健康、疾病、乃至以后的社会地位都由基因决定的，果真如此吗？ 非线性科学的结论告诉人们，对于非线性系统，小小的输入误差可以导致巨大的输出差异！ 基因并不决定一切！

• 二十一世纪的计算机集成电路的集成度越来越高，器件的尺寸越来越小。一方面元器件要表现出量子效应。另一方面线度越小，芯片发热越厉害，因此有必要研制原理上全新的新一代计算机。二十一世纪的计算机可能的方向有：二十一世纪的计算机可能的方向有： 量子计算机、光子计算机和模拟人脑功能的神经网络计算机等。

量子计算机量子计算机 量子计算机就是利用量子效应而研制的计算机，目前的方案有： 利用原子与光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操做、超导量子干涉等。 2000 年 8 月美国 IBM公司、斯坦福大学及卡加利大学的研究人员联合研制成以 5 个原子作处理器及记忆体的实验性量子计算机。

光子计算机光子计算机 光学计算机光学计算机利用光信号进行处理，所以具有并行处理能力，速度更快，由于光信号对电磁脉冲的抗干扰性比电信号强，可以抵抗电磁脉冲炸弹的影响。目前已经研制成了它的雏形。

• 二十一世纪的通讯、能源与交通• 国际互联网 Internet 和信息高速公路发展迅猛，已成为世界上最大的信息交流和资源利用系统• 光弧子通讯技术最有希望成为二十一世纪的主要通讯技术。已经实现了二万公里以上无中继站的光弧子通讯，脉冲间隔可小于飞秒（即 10-15秒），单位时间的信息传输量是传统光纤通讯的十万倍以上。

ITER WWW site: www.iter.org

中德两国总理在龙阳路车站

为上海磁浮列车通车剪彩

• 物理学与国防现代化《司马法》：国虽大，好战必亡；天下虽安，忘战必危。二十一世纪国防现代化的概念非常广泛，包括核子武器的小型化，纯聚变核武器的发展以及核武器的防护；高新技术武器的发展，如军用航天技术（含弹道导弹、军用卫星、导弹防御）、精确制导武器（雷达制导、红外制导、激光制导、巡航导弹）、隐身和反隐身对抗（雷达波隐身、红外隐身、声波隐身）等；新概念武器，如强激光武器、高功率微波武器、电磁炮、等离子体武器、粒子束武器、反物质武器等

8.4 科学技术与人类文明• 科学技术作为“第一生产力” 。• 科学技术的进步对社会各个领域、各个层面都有巨大的影响。例如科学技术的发展将不断改变社会的经济结构，改变人们的劳动和生活方式，改变国家的安全观念、防卫方式以及全球的政治格局。• 科学技术是一把双刃箭。• 广大公众，有权也有必要更多地参与科技决策与立法及科技监督

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