跨世紀物理學的幾個活躍領域和進展趨勢

1、跨世紀物理學的幾個活躍領域和進展趨勢20世紀是科學技術飛速進展的時期。在那個時期，目擊了人類割裂原 子、拼接基因、克隆動物、開通信息高速公路、納米加工和探討太空。 很難假想，假設沒有科學技術的飛速進展，沒有原子能、沒有運算機、 沒有半導體，現(xiàn)代生活將是什么樣子。與科學技術的進展一樣，物理 學也經歷了極為深刻的革命。能夠說，物理學不時刻刻都在不斷的進 展，其活躍的前沿領域很多，是最有生命力、功效最多的學科之一。 一、21世紀物理學的幾個活躍領域 蒸蒸日上的凝聚態(tài)物理學自從80年代中期發(fā)覺了所謂高臨界溫度超導體以來，世界上對這種應 用潛力專門大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時斷時續(xù)。 這種

2、新材料能在液氮溫區(qū)下傳導電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導材 料的研究仍是爾后凝聚態(tài)物理學中活躍的領域之一。目前，許多國家 的科學工作者仍在分秒必爭，繼續(xù)進行競爭，向更高溫區(qū)，乃至室溫 溫區(qū)超導材料的研究和應用盡力。能夠估量，那個勢頭爾后也可不能 減弱，另外，高臨界溫度的超導材料的機械性能、韌性強度和加工成 材工藝也需進一步提高和解決?？茖W家們預測，21世紀初，這些技術 問題能夠取得解決并將有普遍的應用前景，有可能會引發(fā)一場新的工 業(yè)革命。超導電機、超導磁懸浮列車、超導船、超導運算機等將會面 向市場，屆時，世界超導材料市場可望達到2000億美元。由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的

3、微電子、 光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀70年代末，在短短不到30 年的時刻內，已慢慢揭露出其微觀機制和物理圖像。目前己利用半導 體超晶格材料研制成許多新器件，它能夠在原子尺度上對半導體的組 分攙雜進行人工“設計”，從而能夠研究一樣半導體中全然不存在的物 理現(xiàn)象，并將固態(tài)電子器件的應用推向一個新時期。但目前關于其他 類型的超晶格材料的制備尚需做進一步的盡力。一些科學家預測，下 一代的電子器件可能會被微結構器件替代，從而可能會帶來一場電子 工業(yè)的革命。微結構物理的研窕還有許多新的物理現(xiàn)象有待于揭露。 21世紀可能會碩果累累，它的前景不可低估。最近幾年來，兩種與磁阻有關的引發(fā)人們強烈愛好的現(xiàn)

4、象確實是所謂 的巨磁阻和超巨磁阻現(xiàn)象。一樣磁阻是物質的電阻率在磁場中會發(fā)生 輕微的轉變，而巨磁和超巨磁能夠是幾倍或數(shù)千倍的轉變。超巨磁現(xiàn) 象中令人吃驚的是，在很強的磁場中某些絕緣體會突變成導體，這種 緣故尚不清楚，就像高臨界溫度超導材料超導性的緣故難以捉摸一樣。 目前，巨磁和超巨磁實現(xiàn)應用的要緊障礙是強磁場和低溫的要求，估 量下世紀初在這方面會有專門大的進展，并會有誘人的應用前景。能夠估量，新材料的進展是21世紀凝聚態(tài)物理學研究重要的進展方向 之一。新材料的進展趨勢是：復合化、功能特殊化、性能極限化和結 構微觀化。如，成份密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時刻條 件而轉變的智能材料；變形速度

5、快的壓電材料和精細陶瓷材料等都將 成為下世紀重要的新材料。材料專家估量，21世紀新材料品種可能沖 破100萬種。等離子體物理與核聚變海水中含有大量的氫和它的同位素笊和氟。笊既重氫，氧化笊確實是 重水，每一噸海水中含有140克重水。若是咱們將地球海水中所有的 笊核能都釋放出來，那么它所產生的能量足以提供人類利用數(shù)百億年。 但笊和病的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，那個進程稱為熱 核反映，也叫核聚變。核聚變反映的溫度大約需要幾億度，在如此高的溫度上，笊笳混合燃 料形成高溫等離子體態(tài)，因此等離子體物理是核聚變反映的理論基矗 1986年美國普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績，他們在 tftr

6、實驗裝置上進行的超起動放電達到20千電子伏，遠遠超過了“點 火”要求。1991年11月在英國卡拉姆的jet實驗裝置上第一次成功 地進行了笊氟等離子體聚變實驗。在圓形圈內，2億度的溫度下，m 前氣體相遇爆炸成功，產生了 200千瓦的能量，盡管只維持了秒，但 這為人類探討新能源一一核聚變能的實現(xiàn)邁進了一大步。這是90年代 核能研究最有沖破性的工作。但目前核聚變反映距實際應用還有相當 大的距離，技術上尚有許多難題需要解決，如如何將等離子加熱到如 此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，不然等離 子體要降溫，容器也會被燒環(huán)，這確實是如何約束問題。21世紀初有 可能在該領域的研究工作中有所沖

7、破。納米技術向咱們走來所謂納米技術確實是在10 -9米（即十億分之一米）水平上，研究應 用原子和分子現(xiàn)象及其結構信息的技術。納米技術的進展令人們有可 能在原子分子量級上對物質進行加工，制造出各類東西，令人類開始 進入一個能夠在納米尺度范圍，人為設計、加工和制造新材料、新器 件的時期。粗略的分，納米技術可分為納米物理、納米化學、納米生 物、納米電子、納米材料、納米機械和加工等幾方面。納米材料具有常規(guī)材料所不具有的反常特性，如它的硬度、強度，韌 性和導電性等都超級高，被譽為“21世紀最有前途的材料”。美國一 研究機構以為：任何經營材料的企業(yè)，若是此刻還不采取方法研究納 米材料的開發(fā)，爾后必將會處于

8、競爭的劣勢。納米電子是納米技術與電子學的交叉形成的一門新技術。它是以研究 納米級芯片、器件、超高密度信息存儲為要緊內容的一門新技術。例 如，目前超高密度信息存儲的最高存儲密度為1012畢特/平方厘 米，其信息貯存量為常規(guī)光盤的106倍。納米機械和加工，也稱為分子機械，它能夠不用部件制造幾乎無任何 裂縫的物體，它每秒能完成幾十億次操作，能夠做人類想做的任何情 形，能夠制造出人類想取得的任何產品。目前采納分子機械加工己研 制避世界上最小的（米粒大?。┱羝麢C、微型汽車、微型發(fā)電機、微 型馬達、微型機械人和微型手術刀。微型機械人可進入血管清理血管 壁上的沉積脂肪，殺死癌細胞，修復損壞的組織和基因。微型

9、手術刀 只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，能夠不用 開胸破腹就能夠完成 手術。21世紀的生物分子機械將會顯現(xiàn)可放在人腦中的納米運算機， 實現(xiàn)人機對話，而且有自身復制的能力。人類還有可能制造出新的智 能生命和實現(xiàn)物種再構?！盁o窮大”和“無窮斜系統(tǒng)物理學“無窮大”和“無窮斜系統(tǒng)物理學是現(xiàn)今物理學進展的一個超級活躍 的領域。天體物理和宇宙物理學就屬于“無窮大”系統(tǒng)物理學的范圍, 它從初期對太陽系的研究，慢慢進展到銀河系，直到對整個宇宙的研 究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀后半葉自然科學中四大成績之一是 當之無愧的。利用該模型已經成功地說明宇宙觀測的最新結果。如宇 宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質的層次結構，

10、宇宙在大尺度范圍是 各向同性等重要結果。能夠說具有暴脹機制的熱大爆炸宇宙模型己為 現(xiàn)代宇宙學奠定了必然的基矗可是到目前為止，關于宇宙的起源問題 仍沒有取得解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實上想一次就能夠 取得一個十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進一步的盡力 和探討?！盁o窮大”系統(tǒng)物理學還有兩個比較重要的問題是“類星體”和“暗 物質”。“類星體”是1961年發(fā)覺的，一個類星體發(fā)出的光相當于幾千 個星云，而每一個星云相當于1萬億個太陽所發(fā)出的光，因此對類星 體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學家們發(fā)覺一個編號為 3c271的類星體，一天之內它的能量增加了一倍，究竟是什么緣故使 它

11、的能量增加如此迅速？有待于21世紀去解決?！鞍滴镔|”是一種具 有引力，看不見，什么光也不發(fā)射的物質。宇宙中百分之九十以上的 物質是所謂的“暗物質”，這種“暗物質”究竟是什么？咱們至今仍不 清楚，也有待于下世紀去解決。原子核物理和粒子物理學那么屬于“無窮斜系統(tǒng)物理學的范圍，它從 初期對原子和原子核的研究，慢慢進展到對粒子的研究。粒子要緊包 括強子（中子、質子、超子、口介子、k介子等）、輕子（電子、口子、 t輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強子是對參與強彼此作用粒子 的總稱，其數(shù)量幾乎占粒子種類的絕大部份；輕子是參與弱彼此作用 和電磁彼此作用的，它們不參與強彼此作用；而媒介子是傳遞彼此作 用的。

12、目前，人們己經明白參與強彼此作用的粒子都是由更小的粒子 “夸克”組成的，可是至今不能把單個“夸克”分離出來，也沒有觀 看到它們能夠自由地存在。什么緣故“夸克”獨立不出來呢？還有一 個不能說明的問題是“非對稱性”，目前咱們已有的定理都是對稱的， 可是世界是非對稱的，這是一個有待于解決的矛盾。尋覓獨立的夸克 和電弱統(tǒng)一理論預言的、致使對稱性自發(fā)破缺的h粒子、說明“對稱” 與“非對性”的矛盾，是21世紀粒子物理學研究的前沿課題之一。 從表面上看“無窮大”系統(tǒng)物理學與“無窮斜系統(tǒng)物理學似無必然的 聯(lián)系。其實不然，宇宙和天體物理學家利用廣義相對論來描述引力和 宇宙的“無窮大”結構，即可觀看的宇宙范圍；而

13、粒子物理學家那么 利用量子力學來處置一些“無窮斜微觀區(qū)域的現(xiàn)象。其實宇宙系統(tǒng)與 原子系統(tǒng)在某些方面有著驚人的相似性。估量21世紀“無窮大”系統(tǒng) 物理學將會與“無窮斜系統(tǒng)物理學結合得加倍緊密，即宏觀宇宙物理 學和微觀粒子物理學整體聯(lián)系起來。熱大爆炸宇宙模型確實是這種結 合的典范，事實上該模型是在粒子物理學中弱電統(tǒng)一理論的基礎上成 立起來的。能夠估量，這種結合對科技進展和應用都會產生龐大的阻 礙。二、跨世紀科學技術的進展趨勢 科學技術可否取得重大沖破的關鍵取決于基礎科學的進展。因此，第 一必需重視基礎科學的研究，不能輕忽更不能簡單地以那時基礎科學 功效是不是有效來衡量其價值。相對論和量子力學成立時

14、仿佛與其他 學科和日常生活無關，直到20世紀中期相對論和量子力學在許多科學 領域中引發(fā)深刻的變革才引發(fā)人們的足夠重視。能夠說，20世紀幾乎 所有的重大科技沖破，像原子能、半導體、激光、運算機等，都是因 為有了相對論和量子力學才得以實現(xiàn)。能夠說，沒有基礎科學就沒有 科學技術、社會和人類的進展。20世紀重大科技功效的成功體會證明，不同窗科間的相互交叉、配合 和滲透是產生新的發(fā)明與發(fā)覺，說明新現(xiàn)象，取得科學沖破的關鍵條 件之一。例如，核物理與軍事技術的交叉產生了原子彈；半導體物理 與計算技術的交叉產生了運算機。能夠估量，21世紀待人類把握核聚 變能的那一天，必然是核物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理和激光技 術等學科的交叉和配合的結果。這也是21世紀科學技術的進展趨勢之o跨世紀科學技術進展的另一個趨勢是“極端化”研究。所謂“極端化” 研究，包括兩方面內容，一是要制造或克服某些實驗的“極端化”條 件才能有所沖破。例如，有時實驗需要超低