跨世纪物理学的几个活跃领域和进展趋势

1、跨世纪物理学的几个活跃领域和进展趋势20世纪是科学技术飞速进展的时期。在那个时期，目击了人类割裂原 子、拼接基因、克隆动物、开通信息高速公路、纳米加工和探讨太空。 很难假想，假设没有科学技术的飞速进展，没有原子能、没有运算机、 没有半导体，现代生活将是什么样子。与科学技术的进展一样，物理 学也经历了极为深刻的革命。能够说，物理学不时刻刻都在不断的进 展，其活跃的前沿领域很多，是最有生命力、功效最多的学科之一。 一、21世纪物理学的几个活跃领域 蒸蒸日上的凝聚态物理学自从80年代中期发觉了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应 用潜力专门大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。 这种

2、新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材 料的研究仍是尔后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家 的科学工作者仍在分秒必争，继续进行竞争，向更高温区，乃至室温 温区超导材料的研究和应用尽力。能够估量，那个势头尔后也可不能 减弱，另外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成 材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术 问题能够取得解决并将有普遍的应用前景，有可能会引发一场新的工 业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导运算机等将会面 向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的

3、微电子、 光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30 年的时刻内，已慢慢揭露出其微观机制和物理图像。目前己利用半导 体超晶格材料研制成许多新器件，它能够在原子尺度上对半导体的组 分搀杂进行人工“设计”，从而能够研究一样半导体中全然不存在的物 理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新时期。但目前关于其他 类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的尽力。一些科学家预测，下 一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子 工业的革命。微结构物理的研窕还有许多新的物理现象有待于揭露。 21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。最近几年来，两种与磁阻有关的引发人们强烈爱好的现

4、象确实是所谓 的巨磁阻和超巨磁阻现象。一样磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生 轻微的转变，而巨磁和超巨磁能够是几倍或数千倍的转变。超巨磁现 象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变成导体，这种 缘故尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的缘故难以捉摸一样。 目前，巨磁和超巨磁实现应用的要紧障碍是强磁场和低温的要求，估 量下世纪初在这方面会有专门大的进展，并会有诱人的应用前景。能够估量，新材料的进展是21世纪凝聚态物理学研究重要的进展方向 之一。新材料的进展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结 构微观化。如，成份密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时刻条 件而转变的智能材料；变形速度

5、快的压电材料和精细陶瓷材料等都将 成为下世纪重要的新材料。材料专家估量，21世纪新材料品种可能冲 破100万种。等离子体物理与核聚变海水中含有大量的氢和它的同位素笊和氟。笊既重氢，氧化笊确实是 重水，每一吨海水中含有140克重水。若是咱们将地球海水中所有的 笊核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类利用数百亿年。 但笊和病的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，那个进程称为热 核反映，也叫核聚变。核聚变反映的温度大约需要几亿度，在如此高的温度上，笊笳混合燃 料形成高温等离子体态，因此等离子体物理是核聚变反映的理论基矗 1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在 tftr

6、实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点 火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的jet实验装置上第一次成功 地进行了笊氟等离子体聚变实验。在圆形圈内，2亿度的温度下，m 前气体相遇爆炸成功，产生了 200千瓦的能量，尽管只维持了秒，但 这为人类探讨新能源一一核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代 核能研究最有冲破性的工作。但目前核聚变反映距实际应用还有相当 大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如如何将等离子加热到如 此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，不然等离 子体要降温，容器也会被烧环，这确实是如何约束问题。21世纪初有 可能在该领域的研究工作中有所冲

7、破。纳米技术向咱们走来所谓纳米技术确实是在10 -9米（即十亿分之一米）水平上，研究应 用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的进展令人们有可 能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各类东西，令人类开始 进入一个能够在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器 件的时期。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生 物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。纳米材料具有常规材料所不具有的反常特性，如它的硬度、强度，韧 性和导电性等都超级高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一 研究机构以为：任何经营材料的企业，若是此刻还不采取方法研究纳 米材料的开发，尔后必将会处于

8、竞争的劣势。纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究 纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为要紧内容的一门新技术。例 如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为1012毕特/平方厘 米，其信息贮存量为常规光盘的106倍。纳米机械和加工，也称为分子机械，它能够不用部件制造几乎无任何 裂缝的物体，它每秒能完成几十亿次操作，能够做人类想做的任何情 形，能够制造出人类想取得的任何产品。目前采纳分子机械加工己研 制避世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微 型马达、微型机械人和微型手术刀。微型机械人可进入血管清理血管 壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型

9、手术刀 只有一根头发丝的百分之一大小，能够不用 开胸破腹就能够完成 手术。21世纪的生物分子机械将会显现可放在人脑中的纳米运算机， 实现人机对话，而且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智 能生命和实现物种再构。“无穷大”和“无穷斜系统物理学“无穷大”和“无穷斜系统物理学是现今物理学进展的一个超级活跃 的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无穷大”系统物理学的范围, 它从初期对太阳系的研究，慢慢进展到银河系，直到对整个宇宙的研 究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成绩之一是 当之无愧的。利用该模型已经成功地说明宇宙观测的最新结果。如宇 宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，

10、宇宙在大尺度范围是 各向同性等重要结果。能够说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型己为 现代宇宙学奠定了必然的基矗可是到目前为止，关于宇宙的起源问题 仍没有取得解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能够 取得一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的尽力 和探讨。“无穷大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗 物质”。“类星体”是1961年发觉的，一个类星体发出的光相当于几千 个星云，而每一个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，因此对类星 体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发觉一个编号为 3c271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，究竟是什么缘故使 它

11、的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具 有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的 物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”究竟是什么？咱们至今仍不 清楚，也有待于下世纪去解决。原子核物理和粒子物理学那么属于“无穷斜系统物理学的范围，它从 初期对原子和原子核的研究，慢慢进展到对粒子的研究。粒子要紧包 括强子（中子、质子、超子、口介子、k介子等）、轻子（电子、口子、 t轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强彼此作用粒子 的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部份；轻子是参与弱彼此作用 和电磁彼此作用的，它们不参与强彼此作用；而媒介子是传递彼此作 用的。

12、目前，人们己经明白参与强彼此作用的粒子都是由更小的粒子 “夸克”组成的，可是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观 看到它们能够自由地存在。什么缘故“夸克”独立不出来呢？还有一 个不能说明的问题是“非对称性”，目前咱们已有的定理都是对称的， 可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻觅独立的夸克 和电弱统一理论预言的、致使对称性自发破缺的h粒子、说明“对称” 与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。 从表面上看“无穷大”系统物理学与“无穷斜系统物理学似无必然的 联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和 宇宙的“无穷大”结构，即可观看的宇宙范围；而

13、粒子物理学家那么 利用量子力学来处置一些“无穷斜微观区域的现象。其实宇宙系统与 原子系统在某些方面有着惊人的相似性。估量21世纪“无穷大”系统 物理学将会与“无穷斜系统物理学结合得加倍紧密，即宏观宇宙物理 学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型确实是这种结 合的典范，事实上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上成 立起来的。能够估量，这种结合对科技进展和应用都会产生庞大的阻 碍。二、跨世纪科学技术的进展趋势 科学技术可否取得重大冲破的关键取决于基础科学的进展。因此，第 一必需重视基础科学的研究，不能轻忽更不能简单地以那时基础科学 功效是不是有效来衡量其价值。相对论和量子力学成立时

14、仿佛与其他 学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学 领域中引发深刻的变革才引发人们的足够重视。能够说，20世纪几乎 所有的重大科技冲破，像原子能、半导体、激光、运算机等，都是因 为有了相对论和量子力学才得以实现。能够说，没有基础科学就没有 科学技术、社会和人类的进展。20世纪重大科技功效的成功体会证明，不同窗科间的相互交叉、配合 和渗透是产生新的发明与发觉，说明新现象，取得科学冲破的关键条 件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理 与计算技术的交叉产生了运算机。能够估量，21世纪待人类把握核聚 变能的那一天，必然是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技 术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的进展趋势之o跨世纪科学技术进展的另一个趋势是“极端化”研究。所谓“极端化” 研究，包括两方面内容，一是要制造或克服某些实验的“极端化”条 件才能有所冲破。例如，有时实验需要超低