前进中的我国物理学研究.ppt

前进中的我国物理学研究,张 杰 中国科学院 物理研究所,黑体辐射 （紫外灾难）,麦克尔逊莫雷 以太实验,1905奇迹年(Miraculous Year),德国权威杂志物理学纪事 Annalen der Physik,Einstein in 1905, 26岁,3月：“关于光的产生和转化的一个 推测性观点”,4月：“分子大小的新测定法”,5月：“热的分子运动论所要求的静 液体中悬浮粒子的运动”,6月：“论动体的电动力学”,9月：“物体的惯性同它所含的能量 有关吗？”,量子力学,狭义相对论,对于科学、哲学都有其深远的意义 现代电气化的支撑,化学运动、半导体、 原子运动的规律,原子能,半导体,计算机,激光器,20世纪的两大理论和四个重大发明,国防、能源、生物技术,计算机、通讯、电子工业、军事,科学技术计算 、信息产业,国防、科研、信息、工业加工、医疗,“科学技术是第一生产力”，基础研究是科技发展的源泉。,我们面临的重大科学问题,宇宙起源,物质本质,为什么夸克不能单独存在？ 夸克还有没有结构？ 物质的质量是如何产生的？ ,地球生命来自何方？ 生命体中物质、能量、信息的转换过程 生物的进化过程,生命起源,脑与认知,喝奶瓶？,发呆？,睡大觉？,上大街？,玩玩具？,吃果冻？,抱狗狗？,思维逻辑是数学逻辑还是量子逻辑？ 大脑思维的物理、化学过程是什么？ ,我国老一代科学家在基础研究领域的伟大成就,人工合成牛胰岛素,层子模型,两弹一星,时不我待，奋起直追,研发经费投入, 综合国力、研发投入、科技能力都在大幅度增长,SCI论文数,一、高能物理,LHCCERN大型强子对撞机,北京正负电子对撞机重大成果 轻子质量精确测量, 轻子质量、探测效率和最大似然函数值的三维图像,北京谱仪利用独创的方法，精确测量了 轻子质量，中心值移动了3倍标准差，精度提高了10倍。从而证明了 轻子的确具有与电子相同的性质。这项成果被誉为当年国际高能物理最重要的成果，获国家自然科学二等奖。,2-5 GeV 正负电子到强子反应截面 精确测量,正负电子到强子的反应截面是粒子物理最基本的物理量之一。许多重要的物理量和关键的计算都要依赖他的测量精度。 北京谱仪完成了2-5 GeV能区正负电子到强子的反应截面测量，精度达7%，比原有精度提高 了2-3倍，得到国际高能物理界高度赞扬。 获国家自然科学二等奖。,同步辐射光源 揭示微观世界的理想探针,二、核物理,自1993年以来，在重离子加速器上合成了25种新核素,三、理论物理,粒子物理理论和量子场论进展,正反粒子和左右镜像（CP）对称性破坏与起源 对K介子衰变中的直接CP破坏 给出更精确的理论预言,与国际 上两个重要实验测得的结果一致 Y-L,Wu, Phys. Rev. D64 (2001) 016001,通过CP变换相转换, 完整地分析了CP对称性自发破缺的双黑格斯模型,不仅解释了标准模型中CP破坏的起源，还发现一类新的重要CP破坏源. Y-L. Wu and L. Wolfenstein，Phys. Rev. Lett. 73（1994）1762,导出量子色动力学的动力学自发对称 破缺机制,得到标量和赝标介子质量 谱等二十多个与实验相自洽的预言. Y.B. Dai and Y-L. Wu, Euro. Phys. J. C (DOI) (2004) 创建了一类参数最少的超对称大 统一模型, 给出夸克和轻子质量 等十多个与实验相自洽的预言. K. C. Chou and Y-L. Wu， Phys. Rev. D53 (1996) R 3492 发展了新的消除量子场论无穷大的圈正规化方法。 Y-L,Wu，Intern. J. Mod. Phys. A18 (2003) 5363, 夸克-轻子味物理和量子场论,标量介子,夸克,赝标介子,四、材料科学,神奇的纳米孪晶,Lu, et al, Science, Vol. 304, 426 (2004),steel,鱼和熊掌可以兼得 高强度和高导电性的挛晶铜,扫描探针显微镜是 科学家观察和操纵原子和分子的“眼”和“手”,在物质底层还有很大空间 我不怀疑,如果我们能够对物质微观尺度上的排列加以控制的话,我们就有可能获得许多具有各种特性的新物质 费曼,化学键分辨的C60结构图,双键表现为亮条,单分子扫描隧道显微学,C60单分子的结构观测,C60分子结构 包含60个单键 和30个双键,J.G.Hou et al. Nature 409, 304 (2001) L.F.Yuan et al. JACS 125, 169 (2003),用硫醇隔开金衬底影响， 探测C60二维岛本征性质,“透视”DyC82分子 单分子电子态密度能量层析,K.D.Wang et al. PRL 91, 185504 (2003),DyC82结构模型,实验与理论计算的结合有力的说明了笼内金属原子与碳笼间除了电荷转移外还存在轨道杂化相互作用,电子态密度能量层析技术,横向生长中结晶学方向的连续旋转 与长程有序形态的形成,M. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 94, 125505 (2005) M. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 80, 3089 (1998) D. W. Li et al., J. Phys. Chem. B107, 96（2003） C. Strom et al., J. Phys. Chem. B 104, 9638 (2000),一种新的横向生长模式,M. Wang, et al. Phys. Rev. Lett. 86, 3827 (2001) S. Zhong et al. Phys. Rev. E 67, 061601 (2003) Y. Wang, et al., Phys. Rev. E 69, 021607 (2004) M. Zhang et al., Adv. Mater. 16, 409 (2004),M. Wang. et al, Nature 367, 438 (1994),超薄电化学沉积系统中规则 结构的自组织生长,发展了一种强烈抑制对流扰动/噪音的方法和一种自组织电化学生长方。,物理学和新材料的发展,给定某个材料，其基本参量和性质是确定的 (电阻率、比热、热膨胀系数等等),硅衬底上的原子级平整的金属Pb薄膜,超导转变温度随薄膜的厚度的振荡现象 (美国科学家在1963年用理论预期，40年后我们给出确定性的证明),STM照片,一个原子层的厚度是0.3纳米,Pb的超导温度不是常数! (体材料的Pb， Tc=7.18K),Science 306, 1915 (2004) (2004年12月10日),厚度只有7.2纳米！,Filled State at -2V,2 inch Si wafer,100nmx100nm,27nmx27nm,Li et al., Phys. Rev. Lett. 88, 066101 (2002),铝纳米团簇有序排列的两维人造晶格,五、半导体物理,半导体技术的巨大困难,“微芯片上集成的晶体管数目每12个月(后修正为18个月)翻一番” 电子, 1965,摩尔定律,自旋电子学,D. Qian et al., Phys. Rev. Lett., 87, 227203 (2001),自旋密度波,Fe/Cu(100),六、光物理,由非线性光学材料(如铌酸锂、钽酸锂)制备的一维人工准晶,S. N. Zhu et al., Science 278, 843 (1997),1.570m 1.570m/3= 0.523 m,同时实现多个变换过程 的第一个实验验证,常规方法实现三倍频需要两步过程,用一维(非线性)准晶实现三倍频只需一步,基于一维(非线性)准晶的可见光 多波长全固态激光器,同时3个变换过程1342+1342671 1064+1064532 1342 + 671447,红绿蓝三基色激光器,J. Liao et al. Appl. Phys. Lett. 82 (19), 3159 (2003),目前已有的激光器难以实现同时(红黄绿蓝)输出,可见光(红黄绿蓝)激光器的主要用途之一 激光显示,飞秒激光在大气传输中的奇异现象,1cm,Z = 105m,Z = 130m,Z = 2m,Z = 90m,能量吸引？,七、生物物理,菠菜捕光复合物 晶体结构,Zhenfen Liu et al., Nature Mar.18, 287, 2004,分别在北京同步辐射装置和PF采集实验数据,Haitao Yang et al., Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100, 13190 (2003),SARS 病毒主蛋白酶 3CLMpro,细胞周期网络的动力学性质,生物定态正好是非线性动力学中的超级吸引子，它保证了生物定态的全局稳定性。 生物路径是全局的吸引路径，它保证了整个生物路径的全局稳定性