物理照亮世界-n

1、1 物理学照亮世界 Physics Enlightens the World20世纪物理学对世界的贡献华东师范大学物理系 钱振华2l20世纪初，相对论和量子力学的建立标志着现代物理学的诞生，物理学不仅在探究物质的本质，揭示宇宙的奥秘方面取得了巨大的理论成果，而且在核能、激光、半导体、现代通讯、信息技术等一系列技术的发展与进步方面作出了重要贡献。l 20世纪是物理学的世纪3l2004年6月10日，联合大会鼓掌通过决议，规定2005年为“世界物理年”。决议确认：l物理学是认识自然界的基础；l物理学是当今众多技术发展的基石；l物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。 19051905年，年，26

2、26岁的爱因斯坦一连创岁的爱因斯坦一连创作了作了5 5篇论文，先后发表在德国莱比篇论文，先后发表在德国莱比锡锡物理学杂志物理学杂志上，震撼了世界。上，震撼了世界。因此，这一年被称为人类历史上的因此，这一年被称为人类历史上的“奇迹年奇迹年”，以其，以其3 3个不同领域取得个不同领域取得了划时代的成就，奠定了他作为了划时代的成就，奠定了他作为2020世世纪科学巨人的基础。纪科学巨人的基础。56一、核物理与核技术的发展二、以半导体物理为基础的信息技术发展三、激光科学与技术的发展四、分子生物学与生命科学的发展五、现代宇宙学的发展7l1905年爱因斯坦创立狭义相对论l 发现质能关系式 E = mc2l1

3、925年1926年 玻尔、薛定鄂、海森堡、狄拉克等人建立量子力学。l1939年，哈恩发现重核裂变。l1941年，费米实现核链式反应。l1945年，第一颗原子弹。l1952年，第一颗氢弹。l1954年，第一座核电站。89 美国 核电站装机容量占全世界的27.6%法国 核电占发电量的78%欧洲六国 核电占发电量的40% 我国目前核电只占1.6%2020年将达3.9%。10切尔诺贝利发电站切尔诺贝利发电站秦山发电站秦山发电站1112 1964年10月16日第一颗原子弹试爆成功，采用先进的内爆法，当量为2万吨TNT。 1967年6月17日我们又成功试爆了第一氢弹，技术采用自创先进模式，称为于敏构型。氢

4、弹离原子弹爆炸仅隔两年八个月。美国用7年，苏联用4年，英国用5年，法国用8年。 13磁压缩聚变磁压缩聚变( (未来能源未来能源) ) D+D He(0.82Mev)+n(2.45Mev)；DD T(1.01Mev)+p(3.03Mev) .14Takamak Takamak 装置装置(Princeton)(Princeton)15l2006年11月21日l这是值得记录的日子l国际热核聚变实验反应堆计划协议在法国巴黎签署。l这是一个人类探索聚变能源开发的历史性时刻。16l总投资99亿欧元，实验室建在法国；l这是一次大型国际合作，欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度参加，成果平等共享；l计划

5、历时35年（10年建成，20年试验运行，5年停运关闭）；l计划新建一座圆环型磁悬浮实验室，把聚合反应堆置于其中。17核分析核检测材料辐射改性辐射消毒辐射育种伽玛刀1819核磁成象核磁成象 20l17、18世纪世纪 蒸汽机时代蒸汽机时代l19世纪世纪 电气化时代电气化时代l20世纪世纪 核能核能 信息化时代信息化时代信息化所引起的技术革命比历史上任信息化所引起的技术革命比历史上任何一次技术革命对社会经济、政治、文何一次技术革命对社会经济、政治、文化等带来的冲击都更为巨大、而无法比化等带来的冲击都更为巨大、而无法比拟的！拟的！21l19251926 量子力学建立l19281929 半导体理论： 能

6、带、空穴、n和p型半导体l1947年 发明晶体管l1962年 制成集成电路l1970年 制成大规模集成电路、超大规模集成电路l90年代一块手指甲大小的芯片上有500万个晶体管22第一个晶体三极管第一个晶体三极管(Bardeen(Bardeen等，等，1947) 1947) 23由大规幕集成电路组成的处理器由大规幕集成电路组成的处理器(Intel,1985(Intel,1985，1 1百万个百万个) ) 24芯片芯片(Intel(Intel，9090年代，年代，500500万个万个) ) 25l加工方法：离子导入、粒子散射、激光退火（基础研究）l材料：单晶、多晶硅、金属-氧化物薄膜结构（表面物理

7、）l光刻技术：光、电子束射、同步辐射、核反应离子刻蚀（高能物理）2627282930强子对撞机和同步辐射装置强子对撞机和同步辐射装置(CERN(CERN的强子对撞机，的强子对撞机，1717英里周长，在地下，小圈是同步辐射英里周长，在地下，小圈是同步辐射 ) ) 31扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜32扫描隧道显微镜图象扫描隧道显微镜图象( (图中为图中为CuCu表面上放表面上放4848个个FeFe原子，可看到表面电子态的干涉原子，可看到表面电子态的干涉) )33l开关电子数：今天 （1000个）l 2010年 （8个）l 2020年 （一个不到）l尺度：纳米级（大分子）l 电子干涉长度l矛盾：经典

8、算法与器件的量子化l前景：量子计算机、量子逻辑代替经典算法。34单电子晶体管单电子晶体管( (目前目前晶体管晶体管开关工作一次约开关工作一次约10001000个电子驱动个电子驱动) ) 35贝尔在贝尔在演示电话（演示电话（18921892）36光纤通讯光纤通讯 37l激光：20世纪60年代出现的新型光源。 相干性、方向性、单色性、高亮度l应用：测量、通讯、全息技术、信息存 储、信息传输、武器、医学、制冷。l原理：量子力学38l1860年 麦克斯韦建立光的电磁理论l1917年 爱因斯坦提出受激辐射理论l1953年 汤斯建立第一台微波激光器l1958年 汤斯、肖洛提出构建激光器l1960年 梅曼建

9、成第一台红宝石激光器l90年代 激光通讯、激光冷却3940第一台激光器（第一台激光器（Maiman, 1960Maiman, 1960） 41现代的激光实验室现代的激光实验室 42 激光冷却激光冷却43第一个第一个Bose-EinsteinBose-Einstein凝聚实验（凝聚实验（Colorado,1995Colorado,1995）44原子激光原子激光45原子钟原子钟（铯钟，（铯钟，NISTNIST, , 精度精度10101414 , ,一千万年误差一秒一千万年误差一秒) )46计时与定位计时与定位 47l1953年 威尔金斯、克里克、沃森和富兰克林发现了DNA分子双螺旋结构，全世界为之

10、轰动！l这是20世纪继相对论与量子力学后最重要的发现之一。这三大科学发现为20世纪创造了辉煌！481.多学科合作研究的重要性l两位物理学家：威尔金斯、克里克l一位生物学家：沃森l一位化学家：富兰克林2.物理学的发展为生物学提供了研究工具：射线、同步辐射、干涉装置。49用用X X射线测定射线测定DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构( (19531953，Watson, Watson, Wilkins(Wilkins(生物生物),Crick(),Crick(物理物理),Franklin(),Franklin(化学）化学）) )50DNADNA结构的计算机图结构的计算机图( (双螺旋，碱基配对双螺旋

11、，碱基配对( (白色）被磷酸糖连接在一起白色）被磷酸糖连接在一起 ) ) 51DNADNA分子的透射电镜照片分子的透射电镜照片（1983,1983,放大放大1 1万万5 5千倍千倍 ）52l1917年爱因斯坦发表第一篇宇宙学的论文根据广义相对论对宇宙学所做的考察l1929年哈勃（Habble）发现了哈勃定律，即星系的视向退行速度与距离成正比。这是宇宙膨胀的直接证据。53l1948年伽莫夫（G.Gamow）在广义相对论宇宙论的基础上提出了宇宙大爆炸的起源说，提出了两大预言：1.宇宙早期的氦（He）元素丰度约为25%；2.今天还应该残存10k左右电磁辐射背景，这是宇宙早期退耦光子留下的痕迹。54l

12、1964年彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）在卫星通信的研究中无意间发现了3k的微波背景辐射，最有力支持了大爆炸宇宙学使其成为标准宇宙模型。 5556l1980年古斯（Guth），1982年林达（Linda）提出了暴涨宇宙论（Inflation）克服了大爆炸宇宙学的一些疑难。57l2003年根据WMAP（微波各向异性探测器）的观测记录确认1.宇宙年龄约 13.7109 年2.宇宙空间时间是平坦的3.哈勃常数等于 71km s-1 Mpc-1 4.宇宙物质构成为： 普通物质4% 暗物质23% 暗能量73%1171MpcsKm58人类目前还人类目前还不理解不理解暗能量暗能量和和暗物

13、质暗物质的本质的本质59l1967年，贝特（H.A.Bethe）发现恒星能源机制（能量产生理论）l1974年，休伊什（A.Hewish）发现了脉冲星（中子星）l1978年，彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）1964年发现了宇宙微波背景辐射l1983年，钱德拉塞卡（S.Chandrasekhar）对恒星结构和演化过程的研究。 福勒（W.Fowler）宇宙中化学元素的形成理论60l1993年，赫尔斯（R.Hulse）、泰勒（J.Taylor）发现脉冲双星，间接证实了引力波的存在。l2006年约翰.麦泽尔（John C.Mather）和乔治.斯莫特（George F.Smoot），

14、获奖工作：1989年利用COBE卫星发现了宇宙微波背景辐射的黑体辐射形式和各向异性。616263646566 “相对论和量子论在科学各个领域的扩相对论和量子论在科学各个领域的扩展和应用，虽然已经取得很大的成功，但展和应用，虽然已经取得很大的成功，但是还远未到达止境。看来一直作为精密科是还远未到达止境。看来一直作为精密科学典范的物理学还是魅力不减，作为其他学典范的物理学还是魅力不减，作为其他经验科学基础的地位短时期内不会改变。经验科学基础的地位短时期内不会改变。” “一些传统学科仍将保持相当的独特一些传统学科仍将保持相当的独特性，物理科学作为整个自然科学发展的基性，物理科学作为整个自然科学发展的基础