物理学前沿问题,山东师范大学,孟庆田教授

1、12主要内容：主要内容：一一. 物理学科的分类物理学科的分类二二. 几个有趣的前沿问题几个有趣的前沿问题3一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理4一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物

2、理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理相对论和量子力学相对论和量子力学天体物理天体物理新的时空观新的时空观 宇宙爆炸理论宇宙爆炸理论5一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学

3、 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理高能粒子加速器高能粒子加速器发现新的粒子发现新的粒子发现新的核素发现新的核素6一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子原子与分子物理与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理研究物质的基本结构及研究物质的基本结构及运动规律运动规律原子原子生物分子生物分子新的实验手段的结合新的实验手段的结合7一一. 物

4、理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理离子化气体状物质离子化气体状物质 物质的第四形态物质的第四形态认识宇宙、环境变化、认识宇宙、环境变化、能源问题，新应用能源问题，新应用 等粒子体电视等粒子体电视8一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学

5、科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理由很强相互作用的大由很强相互作用的大量粒子组成的系统。量粒子组成的系统。最活跃、最能激发人的最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域创造智力的研究领域 前沿研究此起彼伏，前沿研究此起彼伏，使人目不暇接使人目不暇接 9一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）

6、粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理从建筑声学、电声学到从建筑声学、电声学到分子分子量子声学、等离子量子声学、等离子体声学、地声学等等体声学、地声学等等 研究媒质中机械波的产生、研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理传播、接收和效应的物理学分支学科学分支学科 生命探测仪生命探测仪 10一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理

7、（2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理几何光学、物理光学和量几何光学、物理光学和量子光学子光学 研究光的行为和性质以及研究光的行为和性质以及光和物质相互作用的学科光和物质相互作用的学科 光物理研究在光物理研究在21世纪将会世纪将会有若干突破性的进展有若干突破性的进展11一一. 物理学科的分类物理学科的分类 1. 一级学科：一级学科：物理学物理学 2. 二级学科：二级学科： （1）理论物理）理论物理 （2）粒子物理与原子

8、核物理）粒子物理与原子核物理 （3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4）等离子体物理）等离子体物理 （5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6）声学）声学 （7）光学）光学 （8）无线电物理）无线电物理无线通讯、无线通讯、 雷达与天线技雷达与天线技术、广播与电视、空间全术、广播与电视、空间全球遥球遥 感、地球物理能源资感、地球物理能源资源探测、射电天文等等源探测、射电天文等等 研究电磁场和波与物质相研究电磁场和波与物质相互作用和信息传输的理论、互作用和信息传输的理论、方法及技术方法及技术12二二. 几个有趣的前沿问题几个有趣的前沿问题 1. 物质存在的状态：物质存在的状态：等离子体态等离子体态玻色玻

9、色-爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态费米凝聚态费米凝聚态固态、液态、气态固态、液态、气态13绝对零度下粒子将尽可绝对零度下粒子将尽可能占据能量最低状态。能占据能量最低状态。对于玻色子，一个量子态所能容纳的粒子数对于玻色子，一个量子态所能容纳的粒子数目不受限制。目不受限制。在绝对零度下将全部处在绝对零度下将全部处在能量为零的最低能级，在能量为零的最低能级，形成玻色形成玻色-爱因斯坦凝聚爱因斯坦凝聚体体(BEC，1995年年)玻色子组成的体系玻色子组成的体系14泡利不相容原理泡利不相容原理费米子组成的体系费米子组成的体系在极低温下，金属中的电子费米子会彼此在极低温下，金属中的电子费米子会彼此结合成对（

10、库柏对）结合成对（库柏对）,表现出玻色子的特性。表现出玻色子的特性。费米冷凝体，费米冷凝体，2004年年对常温超导材料的研究具有重要意义对常温超导材料的研究具有重要意义15 2. 新材料：新材料：（1）高温超导材料）高温超导材料超导现象，临界温度超导现象，临界温度优点优点体积小体积小 重量轻重量轻 效率高效率高缺点缺点材料？材料？ 温度？温度？ 新突破：新突破： 今年年初，一种新型的铁基超导材料横空出世，打破了今年年初，一种新型的铁基超导材料横空出世，打破了以往传统意义上铜氧化物材料称霸于世的神话。而出乎西方以往传统意义上铜氧化物材料称霸于世的神话。而出乎西方人意料之外的是，这次在舞台上唱主角

11、的，居然是黄皮肤、人意料之外的是，这次在舞台上唱主角的，居然是黄皮肤、黑眼睛的中国人。黑眼睛的中国人。 温162008年年3月月28日，中国科学院日，中国科学院物理研究所赵忠贤物理研究所赵忠贤氟掺杂镨氧铁砷化合物氟掺杂镨氧铁砷化合物临界温度临界温度: 52开尔文开尔文(零下零下221.15摄氏度摄氏度)。4月月13日该科研小组又有新发现日该科研小组又有新发现氟掺杂钐氧铁砷化合物氟掺杂钐氧铁砷化合物临界温度临界温度: 55开尔文开尔文(零下零下218.15摄氏度摄氏度)。2008年年3月初，中科院物理所闻海虎科研小组月初，中科院物理所闻海虎科研小组锶掺杂镧氧铁砷化合物锶掺杂镧氧铁砷化合物临界温度

12、临界温度: 25开尔文开尔文(零下零下248.15摄氏度摄氏度)。 17用不了多久，湖北人可以前往随州坐上用不了多久，湖北人可以前往随州坐上“ “ 如飞行一般的火车如飞行一般的火车”世界首条高温超导磁悬浮列车示范线将在随州市建成。世界首条高温超导磁悬浮列车示范线将在随州市建成。 18（2）磁性材料磁性材料 放在磁场中被磁化后能保持磁性的材料。放在磁场中被磁化后能保持磁性的材料。分为软磁性材料和硬磁性材料。分为软磁性材料和硬磁性材料。 由于磁性材料在信息的储存、能量转换及由于磁性材料在信息的储存、能量转换及逻辑运算等方面的功能，在电子计算机、自逻辑运算等方面的功能，在电子计算机、自动控制等科学技

13、术中有着重要的应用。动控制等科学技术中有着重要的应用。 随着计算机技术的飞速发展，对磁性材料随着计算机技术的飞速发展，对磁性材料的要求越来越高。特别是记忆储存的能力方的要求越来越高。特别是记忆储存的能力方面。面。19体积越来越小，体积越来越小，容量越来越大容量越来越大期待期待。 “巨磁电阻巨磁电阻“效应效应的发现，使人们的发现，使人们的这种期待变成的这种期待变成了现实。了现实。 “巨磁电阻巨磁电阻”效应：磁性材料的电阻率在有外磁效应：磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应现象。巨磁阻是一种量子力学效

14、应 。常用的移动硬盘常用的移动硬盘 20意义：意义：大幅度提升单位面积介质存储的信息量。目前根据大幅度提升单位面积介质存储的信息量。目前根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 1988年，法国的费尔和年，法国的费尔和德国的格林贝格尔就各德国的格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊自独立发现了这一特殊现象：现象：非常弱小的磁性变化就非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。常显著的电阻变化。 共同获得共同获得2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 21（3）纳米材料）纳米材料 纳米纳米10-9m纳米材料纳

15、米材料物质到纳米尺度，物质性能物质到纳米尺度，物质性能 就发生突变。就发生突变。其特殊性能不同于原来组成其特殊性能不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏的原子、分子，也不同于宏观的物质。观的物质。 科学家们发现，当铜、银等科学家们发现，当铜、银等导体做成纳米尺度以后，将导体做成纳米尺度以后，将失去原来的性质。而磁性材失去原来的性质。而磁性材料的磁性要高料的磁性要高1000倍。倍。 碳纳米管碳纳米管22最近，科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺最近，科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺子等，血管机器人可以在血管里用这些工具子等，血管机器人可以在血管里用这些工具来进行操作，这就是纳米工具。来进行操作，这就

16、是纳米工具。 日本科学家发明纳米剪刀日本科学家发明纳米剪刀 调控生物分子调控生物分子人们经常说的纳人们经常说的纳米洗衣机、纳米米洗衣机、纳米冰箱等，有的有冰箱等，有的有科学依据，大多科学依据，大多数纯粹是商业炒数纯粹是商业炒作！作！纳米新材料纳米新材料23（4）液晶）液晶1888年，奥地利植物学家赖尼泽尔年，奥地利植物学家赖尼泽尔胆甾醇苯酸酶晶体胆甾醇苯酸酶晶体 145.5-混浊液体混浊液体 178.5 -清澈透明清澈透明 冷却冷却-液体从紫液体从紫橙橙绿各色变化绿各色变化 同年，德国物理学家勒曼在偏光显微镜同年，德国物理学家勒曼在偏光显微镜下发现，这种液体具有与晶体类似的双下发现，这种液体具

17、有与晶体类似的双折射性质并命名为液晶。折射性质并命名为液晶。 由于名分之争没有获得由于名分之争没有获得Nobel Prize.24液晶的特点：液晶的特点：电场能控制液晶中分子的排列方向，同时磁场对电场能控制液晶中分子的排列方向，同时磁场对液晶分子排列也有转变效应液晶分子排列也有转变效应 也能也能在外电场作用在外电场作用下产生热光、电光或磁光效应下产生热光、电光或磁光效应液体的液体的可流动性、可流动性、 粘滞性粘滞性晶体的晶体的各向异性，各向异性， 发生双折射、发生双折射、 布拉格反射、布拉格反射、 衍射等衍射等正是基于这种认识，上世纪七八十年代以来，才正是基于这种认识，上世纪七八十年代以来，才

18、出现了出现了液晶平板彩色电视液晶平板彩色电视 25液晶本身是不会显色和发光的液晶本身是不会显色和发光的只能通过光源的照射显示图像。只能通过光源的照射显示图像。 26是继液晶显示器之后的最新显示技术之一是继液晶显示器之后的最新显示技术之一适应数字化时代的多媒体显示器适应数字化时代的多媒体显示器 发光原理发光原理利用气体放电显示装置利用气体放电显示装置等离子体电视：等离子体电视：27显著特点：显著特点： (1)亮度、对比度高亮度、对比度高 (2)纯平面图像无扭曲纯平面图像无扭曲 (3)超薄设计、超宽视角超薄设计、超宽视角 (4)具有良好的防电磁干扰功能具有良好的防电磁干扰功能 (5)环保无辐射环保

19、无辐射 (6)散热性能好，无噪音困优。散热性能好，无噪音困优。 等离子屏幕等离子屏幕上的等离子上的等离子 显示单元显示单元 28另一个问题：另一个问题： 数字电视和模拟电视数字电视和模拟电视 模拟电视模拟电视 传统的手段传统的手段电视显示的原理主要是把模拟的信号转化电视显示的原理主要是把模拟的信号转化为图像，每一个像素都对应一个点。为图像，每一个像素都对应一个点。 数字电视数字电视 二进制数编码二进制数编码掌上数字电视掌上数字电视29可以发现：可以发现： 数字电视和模拟电视是按照图象信号的产数字电视和模拟电视是按照图象信号的产生、传输、处理到接收机的复原等过程的生、传输、处理到接收机的复原等过

20、程的模式来分的。模式来分的。而液晶电视和等离子体电视是在终端上信而液晶电视和等离子体电视是在终端上信号的还原与呈现的载体来分的。号的还原与呈现的载体来分的。 两种分类没有必然的联系。两种分类没有必然的联系。 30 3. 新能源：新能源：（2）氢能）氢能 （4）水能）水能 （3）原子能）原子能 都与太阳能有密切关系都与太阳能有密切关系 能源危机能源危机 （1）太阳能）太阳能 太阳能电池太阳能电池 31321/20亿到达地球大气层亿到达地球大气层 30%被大气层反射，被大气层反射， 23%被大气层吸收，被大气层吸收，其余的到达地球表面，其余的到达地球表面，其功率为其功率为8105亿亿kW，太阳每秒

21、钟照射到地球太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。万吨煤释放的热量。 太阳能电池：太阳能电池：对光有响应并能将光能转换成对光有响应并能将光能转换成 电力的器件，如硅、砷化镓等电力的器件，如硅、砷化镓等 原理：光原理：光硅原子硅原子电子跃迁电子跃迁电位差电位差电流电流33其其主要优点主要优点有：有： 燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油 的的3倍，酒精的倍，酒精的3.9倍，焦炭的倍，焦炭的4.5倍。倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。 资源丰富，氢气可以由水制

22、取资源丰富，氢气可以由水制取 循环利用、持续发展循环利用、持续发展 氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。种举足轻重的二次能源。34几大瓶颈及进展：几大瓶颈及进展：制备制备电解水，矿物燃料，生物质制氢，电解水，矿物燃料，生物质制氢， 化工副产品化工副产品储存储存气态、低温储氢，气态、低温储氢， 金属氢化物，储氢材料的研制金属氢化物，储氢材料的研制运输运输象煤气那样象煤气那样 但有自身问题但有自身问题 特别轻，特别轻， 易泄漏，易泄漏， 液氢的温度极低液氢的温度极低35 4. 激光及其应用：激光及其应用：激光激光Laser,

23、 镭射镭射 特点特点用途用途 军用高能激光器 36三超激光三超激光超高强度超高强度 1022W/cm2 超短脉冲超短脉冲 fs, as 超短波长超短波长 100101nm用途：用途： 激光武器激光武器 跟踪核振动、电子跟踪核振动、电子 研究生物分子研究生物分子激光操控激光操控立体反应动力学立体反应动力学药物设计药物设计37OPOOSOPOOSR4R338 5. 科学研究的两个相反方向：科学研究的两个相反方向：物理参数越小越美！物理参数越小越美！时间时间飞秒，阿秒飞秒，阿秒距离距离纳米，埃纳米，埃温度温度纳开纳开数目数目单分子单分子单分子操控单分子操控光镍操控烟草细胞光镍操控烟草细胞39物理参数

24、越大越壮观！物理参数越大越壮观！浩瀚的宇宙浩瀚的宇宙“嫦娥飞天嫦娥飞天” 没有隐私的地球没有隐私的地球40“大爆炸理论大爆炸理论”最近，英国科学家霍金用量子理论、引力理论和广最近，英国科学家霍金用量子理论、引力理论和广义相对论解释了宇宙膨胀理论。下一步是找出能进义相对论解释了宇宙膨胀理论。下一步是找出能进行实验的特殊预测结果。行实验的特殊预测结果。 41科学理论的标准科学理论的标准能预测结果并为实验所证实能预测结果并为实验所证实能解释已有的现象能解释已有的现象理论本身自洽理论本身自洽近近30年来，观测事实和天体现象的理论分析表年来，观测事实和天体现象的理论分析表明，宇宙中普遍存在有暗物质明，宇

25、宙中普遍存在有暗物质这些暗物质是什么，科学家们提出了多种猜测，这些暗物质是什么，科学家们提出了多种猜测，但至今都没有为观测所证实。但至今都没有为观测所证实。42问题：问题：Eintein的相对论是否就是完全正确的相对论是否就是完全正确的的 理论？理论？对一种科学理论的科学态度：辨证思想对一种科学理论的科学态度：辨证思想宇宙之大，宇宙之大，研究理论逐渐完善研究理论逐渐完善天外生命是否存在？天外生命是否存在？UFO到底是怎么回事？到底是怎么回事？太多的未知世界需要科学家们去研究！太多的未知世界需要科学家们去研究！43 6. 关于混沌：关于混沌：中国古代所说的中国古代所说的“混沌混沌”，一般是指天地

26、合一、阴一般是指天地合一、阴阳未分、万物相混的状态。阳未分、万物相混的状态。古代西方认为，古代西方认为，世界万物都是从混沌中分离出来的。世界万物都是从混沌中分离出来的。数学中的混沌数学中的混沌发生在确定性系统中发生在确定性系统中的不规则运动不的不规则运动不可重复、不可预测，可重复、不可预测，这就是混沌现象。这就是混沌现象。44在物理学中，混沌理论被认为是在物理学中，混沌理论被认为是20世纪与量子力学世纪与量子力学与相对论并列的一种理论。与相对论并列的一种理论。两个物理的相互作用两个物理的相互作用-有精确解有精确解三个及以上物理的相互作用三个及以上物理的相互作用-无精确解无精确解 混沌状态混沌状态意义：意义：自然现象，生命，宇宙自然现象，生命，宇宙天气预报天气预报奥运天气奥运天气初始条件的重要性初始条件的重要性有效数字