中科院物理教学课件

中国科学院物理教学课件物理学的魅力与探索之旅第一章：物理学的基础与发展脉络物理学是自然科学的基础，它探究物质世界最基本的规律和本质特性。从古希腊哲学家对原子的猜想，到中世纪对运动学的研究，再到牛顿力学体系的建立，物理学的发展历程充满了智慧的火花和创新的思想。物理学的发展可以追溯到公元前3世纪亚里士多德的《物理学》著作，经历了伽利略的实验科学方法、牛顿力学的系统建立、麦克斯韦电磁理论的统一、爱因斯坦相对论的革命性突破，以及量子力学的奇妙发现。每一次重大理论突破都深刻改变了人类对自然界的认识。物理学作为基础科学，其理论和方法已渗透到几乎所有自然科学和工程技术领域。中国科学院物理研究所作为国家物理学研究的重要基地，长期致力于物理学基础研究和应用技术开发，在多个领域取得了国际领先的成果。1古典时期伽利略实验方法奠基2牛顿时代经典力学体系形成3电磁统一麦克斯韦方程组4现代物理相对论与量子力学5当代前沿量子信息与凝聚态物理学的核心问题物质的本质是什么？物理学家一直在探索物质的基本组成单位及其相互作用方式。从原子到基本粒子，从标准模型到弦理论，这一问题引领着物理学前进的方向。中科院物理所在粒子物理理论研究中，已形成了具有国际影响力的研究团队，深入研究量子场论、规范场论和标准模型扩展等前沿问题。宇宙的基本规律如何揭示？从牛顿的万有引力到爱因斯坦的广义相对论，从热力学定律到量子力学，物理学家不断尝试用简洁统一的理论来描述自然界的基本规律。中科院物理所与国家天文台、高能物理所等机构合作，参与了多项宇宙学和天体物理研究项目，为理解宇宙的演化和结构做出了重要贡献。物理学如何推动科技进步？物理学研究的基础理论往往催生革命性技术突破。从电磁学到晶体管的发明，从量子力学到激光技术，基础物理研究与技术创新密不可分。中科院物理所在量子信息、新材料、光电技术等领域的研究，已转化为多项国家重大科技成果，有力支撑了国家战略性新兴产业发展。物理学的核心问题不仅仅是科学问题，也是哲学问题。它们关乎人类如何认识世界、理解自然。中国科学院物理研究所始终坚持基础研究与应用研究并重，在探索这些根本问题的同时，也致力于将科学发现转化为推动社会发展的动力。经典力学的绝对时空观牛顿力学奠定物理学基础1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中系统阐述了经典力学体系，包括著名的三大运动定律和万有引力定律。牛顿力学基于绝对时空观，认为时间和空间是独立存在的，无论观察者处于何种状态，时间流逝的速率和空间的测量都是一致的。这一观点在三百多年间主导了物理学的发展。牛顿力学成功解释了从行星运动到地面物体的各种力学现象，成为第一个统一的物理理论体系。中科院物理所的力学实验室保留了多套经典力学实验装置，这些装置不仅具有教学价值，也展示了力学测量技术的历史演变。绝对时间时间均匀流逝，对所有观察者相同绝对空间空间是固定的舞台，物体在其中运动伽利略变换不同参考系间的坐标变换关系伽利略变换与速度叠加原理伽利略变换是经典力学中描述不同惯性参考系之间坐标变换的数学表达，其核心是速度叠加原理：如果物体相对于参考系A的速度为v_A，而参考系A相对于参考系B的速度为v_{AB}，则物体相对于参考系B的速度为v_B=v_A+v_{AB}。这一原理在日常生活中看似理所当然，却在光速附近失效。迈克耳孙-莫雷实验的"失败"与启示迈克耳孙-莫雷实验装置示意图实验背景19世纪末，物理学家普遍认为光波需要一种名为"以太"的介质来传播，类似于声波需要空气。迈克耳孙和莫雷设计了这一精密实验，目的是测量地球相对于这种假想的"以太"的运动速度。实验装置使用了高精度的干涉仪，将光束分成两束垂直传播的光，然后再合并观察干涉条纹。如果存在"以太风"，则装置旋转90度后，两个方向上的光速应有差异，干涉条纹应发生可测量的位移。实验结论："以太不存在，光速不变"实验结果出人意料——无论装置如何旋转，干涉条纹位置没有发生预期的变化。这表明光在不同方向上的传播速度相同，与地球运动方向无关。这一"否定性"结果引发了物理学的深刻危机：要么放弃以太概念，要么修改经典力学理论。最终，爱因斯坦通过提出光速不变原理和狭义相对论解决了这一矛盾，彻底改变了物理学对时间和空间的理解。这一实验被誉为"历史上最著名的否定性实验"，它展示了科学研究中意外发现的重要性——有时候，预期之外的结果可能导致更深刻的科学突破。"有时候科学的进步不是来自于新发现，而是来自于对旧观念的抛弃。"——马克斯·普朗克狭义相对论的诞生爱因斯坦1905年提出两大原理1905年，年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦在瑞士专利局工作期间，发表了题为《论动体的电动力学》的论文，开创了现代物理学的新纪元。这篇论文不是基于复杂的数学推导或精密的实验，而是从两个简洁的原理出发，通过纯粹的逻辑思考，彻底重构了物理学的时空观念。爱因斯坦的工作解决了经典电磁学与牛顿力学之间的矛盾，建立了一个新的理论框架。中科院物理所的理论物理研究中心长期开展相对论研究，特别是在相对论与量子理论的交叉领域取得了多项原创性成果。光速不变与相对性原理狭义相对论的第一原理是"光速不变原理"：光在真空中的传播速度对于所有惯性观察者都是相同的，不受光源或观察者运动状态的影响。这个看似简单的陈述实际上具有深刻的哲学含义，它挑战了我们对速度叠加的直觉理解。第二原理是"相对性原理"：物理规律在所有惯性参考系中具有相同的形式。这意味着没有任何实验可以确定一个惯性系是"绝对静止"的，进一步否定了牛顿绝对空间的概念。这两个原理的结合，导致了时间和空间测量的相对性，推翻了经典物理学中时间和空间彼此独立且绝对的概念。间隔不变性与闵可夫斯基时空在爱因斯坦提出狭义相对论后，数学家闵可夫斯基发现了一种优雅的几何解释：可以将时间视为第四维，与三维空间共同构成四维"时空连续体"。在这个时空中，不同观察者可能对事件的时间和空间坐标有不同的测量结果，但某些组合（称为"间隔"）保持不变。这种时空统一的观点深刻影响了后来的物理学发展。广义相对论将这一思想进一步发展，将引力解释为时空几何的弯曲。中科院物理所与北京大学、中科院理论物理所等单位合作，开展了时空几何与引力理论的前沿研究。洛仑兹变换的数学表达经典伽利略变换的局限在牛顿力学框架下，不同惯性参考系之间的坐标和时间变换关系由伽利略变换给出：这组变换方程蕴含了两个假设：时间是绝对的（所有参考系中相同），空间测量仅随相对运动而简单平移。然而，这与光速不变原理不相容，因为根据伽利略变换，不同参考系中测得的光速应当不同。洛仑兹变换的推导与物理意义荷兰物理学家洛仑兹提出了一组新的变换关系，后被爱因斯坦从相对论原理出发重新导出：其中γ是洛仑兹因子：洛仑兹变换的核心特征是时间和空间测量不再独立，而是相互"混合"的。特别地，时间变换方程含有空间坐标项，这意味着不同位置的时钟可能不同步，彻底颠覆了牛顿物理学中的绝对时间概念。中科院物理所相对论研究团队使用现代数学工具，包括微分几何和张量分析，对洛仑兹变换的对称性和群结构进行了深入研究，为相对论的教学和进一步发展提供了系统的数学框架。时间膨胀与长度收缩的实验验证μ介子寿命实验高速运动的μ介子（一种不稳定的基本粒子）显示出比静止时更长的寿命。从地面观察者看来，这些粒子能够传播更远的距离，正是因为它们"自身的时钟"走得更慢——这正是时间膨胀效应的直接证据。原子钟环球飞行实验1971年，科学家将精密原子钟装在环球航行的飞机上，与地面静止的相同原子钟比较。结果显示，飞行中的原子钟确实比地面原子钟走得稍慢，差异完全符合相对论预测。GPS系统相对论校正爱因斯坦与相对论颠覆经典，开启现代物理爱因斯坦的相对论不仅是物理学理论的革命，更是人类思维方式的革命。它颠覆了我们对时间、空间、质量和能量的基本认识，开启了现代物理学的新纪元。相对论最著名的方程E=mc²揭示了质量与能量的等价性，为核能的释放提供了理论基础，也改变了人类历史的进程。中国科学院物理研究所在相对论教学中，特别强调相对论思想对科学方法论的深远影响。爱因斯坦从简单原理出发，通过纯粹的思想实验和逻辑推理，重构物理学体系的方法，展示了理论物理的优雅与力量。相对论的主要成就时空统一将时间与空间视为四维时空连续体的不同维度质能等价质量可转化为能量，能量具有惯性引力新解广义相对论将引力解释为时空弯曲"想象力比知识更重要。知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。"——阿尔伯特·爱因斯坦爱因斯坦的工作不仅影响了物理学，还深刻影响了哲学、艺术和文化。相对性概念的普及使人们更加理解到观察者视角的重要性，也促使人们反思科学知识的本质和局限。中科院物理所的科学史研究部门专门收集整理了爱因斯坦理论在中国的传播和接受历史，为理解科学思想的跨文化传播提供了重要案例。第二章：量子力学的奇妙世界如果说相对论颠覆了我们对宏观时空的认识，那么量子力学则彻底改变了我们对微观世界的理解。量子力学的发展始于20世纪初，当时物理学家发现经典物理学无法解释一系列微观现象，如黑体辐射、光电效应和原子光谱等。量子力学的核心特征包括：波粒二象性、测不准原理、量子叠加、量子纠缠等，这些概念挑战了我们的日常直觉，却被无数精密实验所证实。中国科学院物理研究所量子物理研究团队在量子信息、量子计算和量子模拟等前沿领域取得了多项突破性成果。"如果量子力学没有使你感到深深不安，那么你还没有真正理解它。"——尼尔斯·玻尔本章核心内容量子力学的历史背景与实验基础量子力学的数学框架与基本原理量子现象的哲学解释与争论量子技术的前沿应用与发展量子力学在20世纪物理学中占据核心地位，不仅解释了原子结构和化学键的本质，还为半导体、激光、核能等现代技术奠定了理论基础。如今，量子技术已进入第二次革命阶段，量子计算、量子通信、量子传感等领域正在迅速发展，有望开创新一轮技术革命。中科院物理所在量子信息与量子计算研究方面处于国际前列，与多家高校和企业合作推动量子技术的实用化进程。量子力学的诞生背景11900年普朗克提出量子假设解释黑体辐射21905年爱因斯坦用光量子解释光电效应31913年玻尔提出原子量子化模型41924年德布罗意提出物质波假说51925-1926年海森堡、薛定谔建立量子力学数学体系黑体辐射与普朗克量子假设19世纪末，物理学家们发现经典物理无法解释黑体辐射实验数据。黑体辐射曲线在高频区的实验结果与经典理论（瑞利-金斯公式）预测完全不符，这一问题被称为"紫外灾难"。1900年，德国物理学家马克斯·普朗克大胆假设：能量不是连续的，而是以离散的"能量包"或"量子"形式存在。能量只能以某个基本单位ℎν的整数倍被吸收或辐射，其中ℎ是普朗克常数，ν是频率。这一看似简单的假设成功解释了黑体辐射实验数据，开启了量子革命的序幕。光电效应与爱因斯坦光量子理论1905年，爱因斯坦将普朗克的量子概念进一步发展，提出光本身由离散的粒子（光子）组成，每个光子携带能量E=hν。这一理论完美解释了光电效应实验中的关键特征：光电子的产生与光的强度无关，而与光的频率有关存在截止频率，低于此频率的光无法产生光电效应光电子的最大动能与光的频率成正比爱因斯坦因解释光电效应获得1921年诺贝尔物理学奖，这一工作为量子力学奠定了重要基础，也首次清晰展示了光的波粒二象性。量子力学的基本假设与波粒二象性量子力学建立在几个基本假设之上：微观粒子具有波粒二象性，既表现出粒子性质，又表现出波动性质测量过程会影响系统状态，导致波函数坍缩物理量的测量结果只能取特定的离散值（量子化）测量前系统可处于多种可能状态的叠加这些假设与经典物理学的确定性和连续性假设完全不同，反映了微观世界的根本特性。中科院物理所进行的双缝干涉实验教学演示，直观展示了电子等微观粒子的波粒二象性。量子力学的诞生是20世纪科学史上最重要的事件之一，它不仅改变了物理学的发展轨迹，也深刻影响了化学、材料科学、计算机科学等众多领域。中国科学院物理研究所的量子物理教学实验室配备了多种现代化设备，可以重现量子力学发展过程中的关键实验，帮助学生理解量子概念的形成过程和实验基础。量子力学的数学框架薛定谔方程与波函数量子力学的核心方程——薛定谔方程，由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1926年提出。这一方程描述了量子系统波函数的时间演化：其中，Ψ(r,t)是波函数，描述粒子在空间和时间中的量子状态；ℏ是约化普朗克常数；Ĥ是哈密顿算符，代表系统的总能量。波函数本身没有直接的物理意义，但其模平方|Ψ|²表示粒子在特定位置被发现的概率密度。这一概率解释由马克斯·玻恩提出，成为量子力学的标准解释（哥本哈根诠释）的核心。本征值问题与量子态在量子力学中，物理可观测量（如能量、动量、角动量等）由厄米算符表示。当系统处于算符的本征态时，测量结果必定是相应的本征值。例如，能量本征方程：图：氢原子波函数的三维可视化，展示电子云概率分布量子力学的数学工具希尔伯特空间理论线性算符与矩阵力学傅里叶变换与表象变换偏微分方程与数值方法量子叠加与测量问题量子力学最令人困惑的特性之一是量子叠加原理。与经典物理不同，量子系统可以同时处于多个不同状态的叠加态：其中，|Ψ⟩是系统的量子态，|ψᵢ⟩是基态，cᵢ是复数系数，满足归一化条件∑|cᵢ|²=1。测量前，系统同时"存在于"所有可能状态；测量后，系统"坍缩"到某个特定状态，概率为|cᵢ|²。量子测量问题引发了关于量子力学本质的诸多哲学争论，包括哥本哈根诠释、多世界解释、退相干理论等不同解释框架。中科院物理所的量子基础理论研究组专门研究量子测量理论和量子信息理论的数学基础，为量子技术发展提供理论支持。量子力学的数学框架看似抽象，却能精确预测微观世界的行为。从原子结构到分子光谱，从超导现象到半导体物理，量子力学的预测与实验结果惊人一致。中科院物理所开发的量子力学教学软件，通过可视化模拟帮助学生理解复杂的量子概念和数学描述，使抽象的理论变得直观可感。电子云模型与波函数分布微观世界的概率之舞图中展示的是氢原子不同能级的电子波函数分布，这些美丽的三维结构展现了量子力学的核心特征——概率波。与经典物理中粒子的确定轨道不同，量子力学中的电子不再有明确的位置和运动轨迹，而是以"概率云"的形式分布在原子核周围。不同颜色代表波函数的不同相位，而亮度则表示电子在该区域被发现的概率密度。这些形状被称为原子轨道，由量子数n（主量子数）、l（角量子数）和m（磁量子数）唯一确定。每个轨道都有特定的能量和角动量，体现了量子力学的"量子化"特性。波函数与实验观测虽然波函数本身不可直接观测，但现代实验技术已能间接"看到"这些电子云结构。例如，扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)能够探测表面电子密度分布，提供与理论计算高度一致的图像。中科院物理所的量子材料研究实验室利用先进的扫描隧道显微镜，成功观测到了二维材料中电子的量子态分布，为量子材料设计和器件开发提供了重要实验依据。这些研究不仅验证了量子力学的基本原理，也为纳米技术和量子计算材料探索铺平了道路。"原子不是物理学所理解的物质那样的东西，而更像是一种可能性的模式。"——维尔纳·海森堡从波函数到物质世界波函数的数学描述看似抽象，却是理解物质世界最基本属性的钥匙。电子轨道的形状和能量决定了原子的化学性质，进而决定了分子结构和化学反应的本质。从金属的导电性到半导体的带隙，从化学键的强度到分子的光谱特性，无不源自电子波函数的量子特性。中科院物理所的计算物理研究中心利用超级计算机和量子化学软件，能够精确计算复杂材料系统的电子结构和物理性质，为新材料设计提供理论指导。这种从微观量子原理到宏观材料性能的跨尺度研究方法，代表了当代物理学和材料科学的前沿研究范式。量子黑科技与前沿应用量子计算与量子信息处理量子计算利用量子叠加和量子纠缠原理，在特定问题上展现出远超经典计算机的处理能力。量子比特（qubit）不同于经典比特的0或1状态，它可以同时处于0和1的叠加态，理论上能够实现并行计算。中科院物理所在超导量子计算、光量子计算和拓扑量子计算等多条技术路线上开展深入研究。2023年，研究团队实现了76个超导量子比特的纠错码，大幅提高了量子计算的容错能力。在量子算法研究方面，团队针对材料科学和药物设计开发了专用量子模拟算法，展示了量子计算在科学计算领域的应用潜力。量子计算研究进展超导量子芯片：实现100+量子比特原型机量子纠错：降低量子退相干错误率量子软件：开发量子算法和编程框架量子计算潜在应用密码破解：打破现有加密体系材料设计：精确模拟分子和材料性质机器学习：加速复杂模式识别量子传感与量子通信量子传感技术利用量子系统对外界扰动的极高灵敏度，实现超精密测量。中科院物理所开发的量子磁力计灵敏度达到皮特斯拉级别，可用于地球物理探测和医学成像。量子通信基于量子密钥分发(QKD)技术，提供理论上不可破解的通信安全保障。2021年，中科院与多家单位合作，建成全球最大规模的京沪干线量子通信网络，连接北京、上海等多个城市，为金融、政务等敏感领域提供安全通信服务。量子网络发展里程碑2017年：世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射2020年：实现千公里级星地量子密钥分发2023年：量子中继器突破，延长量子通信距离中科院量子研究最新进展简介量子优势演示2022年，中科院物理所与合作单位在光量子计算平台上，实现了高斯玻色采样实验，展示了量子计算解决特定问题的速度优势，计算复杂度相当于百亿亿次经典计算能力。这一成果在《科学》杂志发表，被评为年度物理学重大突破之一。量子精密测量2023年，研究团队利用金刚石氮空位中心，开发出工作在室温环境下的量子陀螺仪，角速度灵敏度达到纳弧度/秒水平，可用于高精度惯性导航系统。团队还将该技术应用于生物磁场检测，为神经信号无创监测提供新手段。拓扑量子材料2024年，中科院物理所在二维拓扑超导材料研究方面取得重要进展，首次观测到高温马约拉纳费米子的实验证据，为构建容错量子计算奠定材料基础。这一成果发表在《自然》杂志，引起国际学术界广泛关注。量子技术已从实验室走向实际应用阶段，成为科技强国竞争的战略制高点。中国科学院物理研究所积极推动量子技术产学研结合，与华为、阿里巴巴等企业建立联合实验室，加速量子计算和量子通信的商业化进程。同时，研究所也注重量子科学普及教育，每年举办"量子开放日"活动，向公众展示量子科技的魅力与应用前景。第三章：凝聚态物理与材料科学凝聚态物理是物理学中研究规模最大、发展最快的分支，它关注物质在凝聚状态（固体、液体等）下的行为和性质。这一领域与材料科学紧密结合，不仅揭示物质的基本性质，也为新材料设计和开发提供理论指导。凝聚态物理的研究对象极其丰富，从常见的金属、半导体、绝缘体，到超导体、磁性材料、液晶，再到新兴的拓扑材料、量子材料等。中国科学院物理研究所是国内凝聚态物理研究的重要基地，在高温超导、拓扑量子计算、二维材料等方向取得了一系列国际领先成果。"凝聚态物理是当今物理学中最活跃的领域，它源源不断地产生新概念、新现象和新材料，驱动着现代技术的快速发展。"——中国科学院院士赵忠贤量子理论微观机制晶体结构原子排列材料性能宏观表现器件应用技术创新凝聚态物理的魅力在于它连接了微观量子世界与宏观实用技术。从智能手机中的半导体芯片到超高速磁悬浮列车中的超导材料，从节能LED照明到高密度数据存储，凝聚态物理的研究成果无处不在。中科院物理所的研究团队正在开发下一代量子材料和功能材料，探索它们在信息技术、能源转换与存储、生物医学等领域的应用前景。本章将介绍凝聚态物理的基本概念、研究方法和前沿进展，特别关注中国科学家在该领域的原创贡献和重大突破。通过了解凝聚态物理，我们不仅能理解日常生活中的各种材料现象，也能洞察未来技术发展的可能方向。凝聚态物理的研究对象固体、液体的物理性质凝聚态物理研究物质在原子或分子聚集形成的凝聚相中表现出的集体行为。固体中，原子排列呈现周期性晶格结构，电子的量子行为决定了材料的电学、磁学和光学性质。中科院物理所利用扫描隧道显微镜(STM)、角分辨光电子能谱(ARPES)等先进技术，实现了对材料电子结构和性质的原子尺度表征。超导、磁性与拓扑材料超导体在特定温度下展现零电阻和完全抗磁性；磁性材料则源于电子自旋排列方式；拓扑材料的奇特性质则源于能带结构的拓扑特性，如表面必然存在金属态而体内为绝缘体。中科院物理所在铁基超导、高温超导、拓扑绝缘体等研究领域取得多项突破，发现了多种新型超导和拓扑材料体系。量子相变与自旋系统量子相变是在绝对零度附近由量子涨落驱动的相变现象，与经典热力学相变有本质区别。量子自旋系统则展现出丰富的集体行为，如自旋液体、自旋冰等奇异量子态。中科院物理所量子磁性研究团队利用中子散射、核磁共振等技术，在量子自旋系统的实验研究方面取得国际领先成果，为量子计算材料探索提供重要线索。研究方法与表征技术凝聚态物理研究依赖于先进的实验技术和理论方法。在实验方面，包括：散射技术：X射线、中子和电子散射，揭示材料结构显微技术：STM、TEM、AFM等，实现原子尺度成像光谱技术：ARPES、拉曼散射、核磁共振等，测量电子结构极端条件：超低温、超高压、强磁场，探索新奇量子态理论方法与计算模拟在理论方面，凝聚态物理研究采用多种方法：第一性原理计算：基于量子力学基本方程的材料性质计算多体理论：处理强关联电子系统的理论框架有效场论：描述低能激发和相变现象数值模拟：蒙特卡罗方法、分子动力学、密度矩阵重整化群等中科院物理所建有先进计算物理中心，开发了多种材料计算软件，能够预测新材料性质并指导实验设计。超导探索百年路超导现象的发现与理论1911年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes)在液氦温度下观察到汞的电阻突然消失，发现了超导现象。超导体除了零电阻外，还表现出完全抗磁性（迈斯纳效应），使磁体可以在超导体上方稳定悬浮。1957年，巴丁、库珀和施里弗提出了解释低温超导的BCS理论，认为电子在晶格振动(声子)的介导下形成"库珀对"，这些电子对作为玻色子可以凝聚到同一量子态，形成宏观量子态，从而表现出零电阻和抗磁性。BCS理论曾预测超导临界温度不可能超过30K，然而历史证明这一预测是错误的。1986年，贝德诺兹和穆勒在铜氧化物中发现了高温超导体，临界温度远超BCS理论预测的上限，开启了高温超导研究的新时代。11911年昂内斯发现汞超导(4.2K)21957年BCS理论解释低温超导31986年铜氧化物高温超导(35K)42008年铁基超导体系发现(26K)52020年室温超导材料探索高温超导材料的突破高温超导体的发现彻底改变了超导研究格局。1987年，液氮温度(77K)以上超导体的发现使超导应用成本大幅降低。此后，研究人员不断发现新型超导体系，临界温度记录也不断被刷新：铜氧化物超导体1993年，汞基铜氧化物在高压下达到164K铁基超导体2008年由中国科学家发现，开创超导研究新方向氢化物超导体2020年，硫氢化物在高压下接近室温超导中科院超导研究团队成果展示中国科学院物理研究所是国际超导研究的重要力量。研究团队在赵忠贤院士、陈仙辉院士等带领下，在高温超导研究领域取得了一系列重要成果：2008年，中科院物理所研究团队发现了铁基超导体系，开创了继铜氧化物之后的第二大类高温超导体系，引发全球研究热潮2012年，成功研制出临界电流密度世界最高的高温超导带材，为超导输电技术应用奠定基础2018年，在单层FeSe/SrTiO₃薄膜中观测到高达65K的超导临界温度，揭示了界面增强超导的新机制2021年，研发出国际领先的全超导磁共振成像装置，大幅降低液氦消耗，推动医学成像技术进步超导研究不仅具有重要的科学价值，也有广阔的应用前景，包括无损耗输电、强磁场技术、磁悬浮交通、量子计算等领域。中科院物理所与多家企业合作，积极推动超导技术的产业化应用，已在智能电网、医疗设备、科学仪器等领域取得显著经济和社会效益。超导：零电阻的奇迹超导磁悬浮演示图中展示的是超导体的迈斯纳效应和量子锁定现象。当高温超导体（通常是钇钡铜氧化物YBCO）被液氮冷却至临界温度以下（约77K）时，它会排斥外部磁场，使永磁体稳定悬浮在其上方，形成无接触的磁悬浮状态。这一现象不仅具有科学价值，也是超导应用的重要基础。中科院物理所的科普实验室经常利用这一演示向公众和学生展示超导的神奇特性。在超导磁悬浮列车技术中，正是利用了这一原理，使列车可以无摩擦地悬浮在轨道上方，大幅降低能耗并提高速度。超导技术的实际应用医学成像超导磁体是核磁共振成像(MRI)设备的核心，提供强大而稳定的磁场，中科院物理所开发的超导MRI技术已应用于多家医院电力系统超导电缆、超导变压器和超导限流器可显著提高电网效率和稳定性，中科院与国家电网合作研发的超导电缆已在示范工程中投入使用科学研究超导磁体广泛应用于粒子加速器、核聚变装置和高场磁体实验室，中科院物理所的强磁场实验装置已达到40特斯拉超导量子计算超导量子比特是实现量子计算的主要技术路线之一。超导约瑟夫森结在极低温度下表现出的量子相干特性，使其成为理想的量子比特载体。中科院物理所与中科院量子信息重点实验室合作，在超导量子计算领域取得多项重要进展：超导量子芯片研发出多种超导量子比特结构，包括电荷量子比特、相位量子比特和转子量子比特，量子相干时间从最初的纳秒量级提高到现在的百微秒量级，提高了5个数量级。量子纠错码设计并实现了表面码和色码等量子纠错码，通过冗余编码和错误检测，大幅提高了量子计算的可靠性。2023年的实验展示了对单比特和双比特错误的有效检测和校正。超导量子处理器成功研制66比特超导量子处理器原型机，实现了多量子比特纠缠态的制备和操控，为规模化量子计算奠定硬件基础。处理器在特定量子算法上展示了量子计算速度优势。超导研究作为凝聚态物理的重要分支，不仅揭示了物质的奇特量子行为，也为未来技术提供了广阔可能。中国科学院物理研究所将继续深入探索超导机理，开发新型超导材料，推动超导技术在能源、信息、医疗等领域的创新应用，为实现科技自立自强贡献力量。新型材料的制备与应用单晶石墨与非贵金属玻璃二维材料是凝聚态物理研究的热点领域。2004年，石墨烯的发现引发了二维材料研究热潮。中科院物理所材料物理中心在单晶石墨烯制备方面取得重要突破，开发了化学气相沉积(CVD)方法，可制备厘米级高质量单晶石墨烯，电子迁移率超过10,000cm²/V·s，为高性能电子器件提供了材料基础。在金属材料方面，研究团队开发了一系列非贵金属基非晶合金（金属玻璃），具有优异的力学性能和耐腐蚀性。这些材料在航空航天、医疗器械和高端制造领域具有广阔应用前景。电化学固氮与能源材料面对碳中和目标，能源材料研究日益重要。中科院物理所在可持续能源材料方面取得多项突破：开发出高效电化学固氮催化剂，在常温常压下将氮气转化为氨，为绿色肥料生产提供新途径设计出新型锂硫电池正极材料，能量密度达到500Wh/kg，比传统锂离子电池提高近一倍研发出高稳定性钙钛矿太阳能电池，效率超过25%，使用寿命达到10,000小时以上这些能源材料创新不仅具有科学价值，也对实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。纳米材料与器件技术纳米材料研究是中科院物理所的传统优势领域。研究团队在多种纳米材料的制备、表征和应用方面取得系列进展：开发出精密控制的碳纳米管阵列生长技术，用于高性能传感器和柔性电子器件研制出高导热六方氮化硼纳米片，热导率高达2000W/m·K，解决电子器件散热难题设计出纳米多孔金属框架材料，比表面积超过2000m²/g，用于高效催化和能源存储基于这些纳米材料，研究团队开发了多种创新器件，包括高灵敏度生物传感器、柔性可穿戴电子设备和高效能量转换器件等。材料研究的前沿技术与方法原位表征技术中科院物理所开发了多种原位表征技术，实现对材料在实际工作条件下的实时观测。例如，原位透射电子显微镜可在电池充放电过程中观察电极材料的结构变化；原位X射线衍射可监测催化反应中晶体结构的演变。这些技术为理解材料性能与结构关系提供了重要工具。计算材料设计结合第一性原理计算、机器学习和高通量实验，研究团队建立了材料基因组数据库和智能材料设计平台。通过计算预测和筛选，大幅提高了新材料开发效率。例如，团队利用该平台预测并验证了多种高性能热电材料和磁性拓扑材料，成功率比传统试错法提高了10倍以上。新型材料研究是推动科技创新和产业升级的关键。中国科学院物理研究所立足基础研究，面向国家重大需求，在先进材料研发和应用方面发挥着重要作用。通过产学研合作，研究所积极推动科研成果转化，已孵化多家高科技企业，为材料科技自主创新提供有力支撑。第四章：实验物理与科学方法物理学本质上是一门实验科学，所有理论最终都必须接受实验检验。实验物理不仅验证理论预测，也常常引领新发现，推动物理学的发展。在科学历史上，许多重大突破都源于精心设计的实验或意外观察到的现象。中国科学院物理研究所拥有一流的实验设施和技术团队，开展从基础物理到应用技术的广泛实验研究。本章将介绍物理实验的基本方法、经典实验案例分析、数据处理技术以及实验安全规范，帮助读者理解实验物理的精髓和科学研究的一般方法论。"实验是自然的审判官，它不会错误，而是我们的判断有时出错，因为我们期待实验告诉我们它不能给予的东西。"——伽利略·伽利雷本章核心内容经典物理实验案例解析实验设计与误差分析现代物理实验技术实验安全与伦理规范物理实验的基本原则提出问题明确研究目标和科学问题形成假设提出可检验的科学假说设计实验控制变量，确保可重复性收集数据精确测量，记录完整分析结果统计处理，评估误差得出结论验证或修正假设物理实验强调客观性、可重复性和精确性。一个好的物理实验应具备明确的目标、严谨的设计、精确的测量和合理的数据分析。中科院物理所教学实验室设有从经典力学到现代物理的系列实验课程，通过亲手操作和数据分析，培养学生的实验技能和科学思维。同时，研究所的尖端实验室配备了世界级的实验设备，包括超导量子干涉仪、强磁场装置、同步辐射光源等，为开展前沿物理研究提供了强大支撑。经典实验案例解析迈克耳孙-莫雷实验迈克耳孙-莫雷实验试图测量地球相对于假想的"以太"的运动速度，结果意外发现光速在不同方向上保持不变，这一"否定性"结果最终导致了相对论的诞生。实验核心是一个高精度干涉仪，光束被分成两束垂直传播，然后重新结合观察干涉条纹。如果存在"以太风"，当装置旋转时，干涉条纹应发生可测量的位移。然而，实验观察到的位移远小于预期，事实上与零位移一致（考虑实验误差）。这一实验的关键在于其极高的精度。迈克耳孙设计的干涉仪能够探测到波长的1/100的光程差，相当于10⁻¹⁰米量级的精度。这种精度在当时是前所未有的，展示了精密测量技术在基础物理研究中的重要性。实验启示迈克耳孙-莫雷实验告诉我们："否定性"结果同样重要实验精度决定发现深度挑战常识可能带来突破技术创新驱动科学进步双星系统光速验证相对论预测光速在所有参考系中都相同，这一看似违反直觉的结论如何在天文尺度上验证？双星系统提供了绝佳的自然实验室。当双星绕共同质心旋转时，一颗恒星在向地球靠近，另一颗在远离。如果光速会受到源运动的影响，我们应该观察到两颗恒星的光到达时间不同步。然而，观测表明双星系统的轨道周期非常稳定，光的传播时间与恒星运动状态无关，支持了光速不变原理。中科院物理所与国家天文台合作，利用脉冲双星系统进行了更精确的测试。脉冲星发出的射电脉冲像宇宙"时钟"一样精确，通过测量不同轨道位置的脉冲到达时间，科学家能够以10⁻⁶的精度验证光速不变原理，进一步支持了相对论的预测。高速粒子实验相对论预测高速运动的粒子会表现出质量增加、时间膨胀等效应。这些效应在日常生活中几乎不可察觉，但在接近光速的粒子中变得显著。中科院物理所参与的高能粒子实验为验证这些预测提供了有力证据：质量-能量关系粒子加速器中，输入的能量完全转化为粒子的相对论质量增加，与E=mc²预测一致时间膨胀效应高速μ介子的寿命比静止时延长，延长因子与相对论预测完全一致粒子碰撞规律高能粒子碰撞必须使用相对论动量和能量守恒，经典力学公式失效这些实验不仅验证了相对论，也为现代粒子物理学和加速器技术奠定了基础。中科院物理所开发的教学演示装置，可以直观展示这些相对论效应，帮助学生理解这些抽象概念的实验基础。实验设计与数据分析实验误差与不确定度物理实验中，误差分析是确保结果可靠性的关键步骤。误差来源通常包括：系统误差由仪器校准不准、测量方法缺陷等引起的固定偏差。系统误差具有确定的方向和大小，可通过改进实验方法或引入校正因子来减小。中科院物理所研发的自校准测量技术，能够有效识别和消除多种系统误差。随机误差由不可控因素引起的随机波动，表现为重复测量结果的离散性。随机误差遵循统计规律，可通过增加测量次数和统计分析来评估和减小。物理所开发的贝叶斯统计分析软件，能够从有限数据中提取最大信息量，优化实验效率。现代物理实验强调用"不确定度"而非"误差"来表征测量结果的可靠性，这反映了测量理论的进步。不确定度给出了测量结果的可信区间，通常以标准不确定度(u)或扩展不确定度(U=ku)表示，其中k是覆盖因子，与置信水平相关。现代物理实验技术现代物理实验依赖于先进的技术和方法：自动化数据采集：计算机控制的实验系统大幅提高了数据采集速度和精度。中科院物理所开发的高速数据采集系统，采样率可达10GS/s，适用于超快现象研究信号处理技术：锁相放大、傅里叶变换、小波分析等技术能够从噪声中提取微弱信号，提高信噪比数个数量级远程实验控制：网络化实验平台允许科学家远程操作设备，实现全天候实验和国际合作物理实验安全与规范物理实验安全是实验室管理的首要任务。中科院物理所制定了严格的安全规范和操作流程：电气安全高压设备必须有明显警示标识和安全联锁装置；操作人员必须经过专门培训；实验室配备漏电保护装置和紧急断电开关；定期检查电气设备绝缘状况激光安全激光器按危害等级分类管理；高功率激光实验室设置互锁装置和警示灯；配备适当的防护镜和屏障；制定严格的操作规程和人员培训计划低温与高压安全低温液体使用专用容器和个人防护装备；高压气瓶固定存放，定期检查阀门和管路；氧气、氢气等特殊气体有专门存储和使用规范除了硬件安全，实验规范还包括数据管理和实验伦理。中科院物理所实施了数据可靠性追踪系统，确保实验数据的真实性和可复现性。所有科研人员必须遵守学术诚信准则，准确记录和报告实验过程和结果，避免选择性报告和数据篡改。物理实验是连接理论与自然的桥梁，也是培养科学思维和研究能力的重要途径。中科院物理所注重实验教学与科研相结合，让学生在参与前沿研究的过程中，掌握实验技能，理解科学方法，培养创新精神。物理实验室实景科学探索的摇篮图中展示了中国科学院物理研究所尖端物理实验室的工作场景。这里配备了世界一流的实验设备，包括超高真空系统、低温强磁场装置、高精度激光系统等。在这些精密仪器的辅助下，科学家们能够探测物质的微观结构和性质，验证物理理论，发现新现象。实验室是物理研究的心脏，也是科学创新的源泉。从卡文迪许实验室到劳伦斯伯克利国家实验室，众多重大物理发现都诞生于实验室中的观察和测量。中科院物理所的实验室群不仅承担基础研究任务，也面向国家重大需求开展应用研究，在量子信息、新材料、能源技术等领域做出了重要贡献。实验室文化与团队合作现代物理实验越来越依赖团队协作。一个成功的实验往往需要多学科背景的研究人员共同参与，包括物理学家、工程师、计算机专家等。图中可见研究人员正在讨论实验方案和数据分析，这种开放交流的氛围是科学创新的重要条件。中科院物理所注重培养严谨、创新、合作的实验室文化：鼓励质疑精神，不迷信权威，尊重实验事实强调细节重要性，精益求精，追求卓越提倡开放合作，跨学科交流，集思广益重视青年培养，传承技术，创新方法面向未来的实验技术1人工智能辅助实验中科院物理所正在开发基于人工智能的实验系统，能够自动优化实验参数，识别异常现象，甚至提出新的实验假设。在材料科学领域，AI辅助系统已成功预测并验证了多种新型功能材料，大幅提高了研究效率。2量子测量技术量子传感和量子计量技术正在革新物理测量的极限。物理所量子精密测量实验室开发的量子磁力计灵敏度达到飞特斯拉量级，比传统设备提高三个数量级。这些技术将用于基础物理常数测定、引力波探测和生物医学成像。3极端条件实验物理所与中科院高能物理所合作建设的极端条件实验平台，能够模拟超高压（百万大气压）、超低温（毫开）和超强磁场（100特斯拉）环境，为探索新奇量子态和新型材料提供了独特条件。实验室不仅是科研的场所，也是人才培养的基地。中科院物理所每年接收大量本科生、研究生和博士后进入实验室参与科研，通过"做中学"培养下一代物理学家。实验室还定期举办开放日活动，邀请公众和中小学生参观，激发青少年对科学的兴趣，传播科学精神和方法。第五章：物理学的前沿与未来物理学作为自然科学的基础，其发展前沿一直引领着人类对自然界的认识和科技创新。21世纪的物理学正面临诸多激动人心的挑战与机遇，从宇宙起源到量子信息，从新型能源到生物物理，物理学家们正在多个方向上不断突破认知边界。中国科学院物理研究所积极布局物理学前沿领域，开展多学科交叉研究，同时密切关注物理学与国家重大需求的结合点。本章将介绍当前物理学最活跃的研究前沿，展望未来发展趋势，并重点介绍中科院物理所在这些领域的创新成果和战略部署。"物理学的历史告诉我们，每一次重大理论突破都开启了全新的技术可能性。今天的前沿研究，将成为明天的技术革命。"——中国科学院院士方忠本章核心内容宇宙物理与空间科学量子信息与量子计算交叉学科与新兴领域中科院物理所最新研究动态物理学前沿：理论与实验的双重突破理论前沿物理学理论前沿正努力解决一系列根本性问题：量子引力理论的构建、标准模型之外的物理、暗物质和暗能量的本质、时间箭头的起源等。这些问题涉及物理学最深层次的基础，可能需要全新的概念框架和数学工具。中科院物理所理论物理中心正在量子场论、弦理论和宇宙学方面开展前沿研究，寻求这些根本问题的突破口。实验前沿实验物理前沿则聚焦于开发新的观测和测量技术，探索极端条件下的物质行为，验证新的理论预测。大型科学装置如粒子对撞机、引力波探测器、中微子观测站等，正在帮助物理学家探索未知领域。中科院物理所参与了多个国际大科学计划，同时也在发展具有自主知识产权的实验技术和方法，在量子调控、极端条件物理等方向取得了重要进展。物理学的发展已经从还原论走向复杂性研究，从单一学科走向多学科交叉。面对日益复杂的科学问题和技术挑战，中科院物理所正强化跨学科合作，与生命科学、信息科学、环境科学等领域携手，开拓物理学新疆域。未来的物理学将更加关注复杂系统、非平衡态、涌现现象等研究，并与人工智能、大数据等新兴技术深度融合，展现出全新的发展前景。宇宙物理与空间科学宇宙射线探测与银河系档案宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流，携带着丰富的天体物理信息。中国科学院与多家研究机构合作建设的"悟空"暗物质粒子探测卫星(DAMPE)，能够精确测量宇宙射线中电子、光子和重离子的能谱，为研究暗物质粒子特性、宇宙射线起源和传播机制提供重要数据。2019年，DAMPE探测到宇宙射线电子能谱在约1TeV处存在异常结构，这可能是暗物质粒子湮灭的信号，也可能来自未知的天体加速机制。中科院物理所的理论团队正结合多种模型解释这一现象，试图构建银河系高能粒子的完整图景。中国天眼与空间站科学实验500米口径球面射电望远镜（FAST，又称"中国天眼"）是世界最大的单口径射电望远镜，灵敏度达到国际同类设备的2.5倍。FAST已发现300多颗新脉冲星，为研究中子星物理、引力波背景辐射和宇宙学提供了重要观测数据。中科院物理所参与了FAST早期科学数据分析工作，特别是在脉冲星计时和引力理论检验方面做出了贡献。研究团队利用FAST观测数据，对广义相对论和替代引力理论进行了高精度检验，结果支持爱因斯坦的广义相对论预测。中国空间站天和核心舱已成功部署多项物理实验装置，包括微重力流体物理实验、空间材料科学实验和宇宙辐射效应研究等。中科院物理所参与了空间站冷原子物理实验平台的设计，该平台将利用微重力环境研究玻色-爱因斯坦凝聚体等量子态，为量子物理提供地面无法实现的实验条件。月球车与火星车探秘嫦娥与玉兔中国嫦娥探月工程已完成多次成功任务，玉兔月球车配备了多种科学仪器，包括月壤成分分析仪、地下探测雷达等。中科院物理所参与开发的粒子探测器，用于研究月球表面宇宙射线环境和太阳高能粒子事件。嫦娥五号带回的月球样本分析显示，月球地质活动持续时间比之前认为的更长，这一发现挑战了现有月球演化模型。天问与祝融天问一号火星探测任务成功将祝融号火星车送上火星表面，开展了地形地貌、火星土壤特性、火星磁场等多项科学探测。中科院物理所与空间中心合作开发的火星表面磁场探测仪，首次详细测量了火星局部磁场分布，为理解火星早期磁场演化提供了新证据。研究表明，火星曾拥有类似地球的全球性磁场，但在约40亿年前突然减弱，这可能与火星核部动力学过程有关。引力波天文学中国正在筹建空间引力波探测计划"太极"和"天琴"，旨在探测中频段引力波，与国际地基引力波探测器互补。中科院物理所与中科院理论物理所合作，在引力波源物理、宇宙学应用等方面开展了系统研究。研究表明，空间引力波探测器可能探测到宇宙早期相变产生的随机引力波背景，为研究大爆炸后极早期宇宙提供直接观测窗口。宇宙物理与空间科学研究不仅能够解答人类关于宇宙起源与演化的根本问题，也能孕育重要的技术创新。例如，脉冲星导航技术可能成为未来深空探测的关键；空间站材料实验可能催生新型航天材料；引力波探测中开发的精密测量技术可用于地球科学和工程测量。中科院物理所将继续深度参与国家航天科技创新，推动中国空间科学研究走向世界前列。交叉学科与新兴领域脑科学中的物理方法脑科学是21世纪最具挑战性的前沿领域之一，物理学方法正在其中发挥越来越重要的作用。中科院物理所与脑科学研究所合作，开发了多种神经成像和神经调控技术：基于光遗传学的神经元精准调控系统，可以毫秒级时间分辨率选择性激活或抑制特定类型神经元超高分辨率光学显微技术，突破衍射极限，实现活体神经元突触结构的纳米级成像功能性近红外光谱技术，无创监测大脑皮层活动，用于认知过程研究物理学的统计方法和复杂系统理论也被应用于神经网络动力学研究，帮助理解大脑信息处理机制、记忆形成和认知过程的物理基础。人工智能与物理模拟人工智能与物理学的结合正在双向推动两个领域的发展。一方面，物理学为人工智能提供新型计算范式：量子机器学习算法，利用量子并行性加速特定类型的AI任务神经形态计算，模拟生物神经网络的信息处理方式拓扑量子计算，利用拓扑保护态实现容错计算另一方面，AI正在革新物理研究方法：深度学习辅助的物理实验数据分析，从海量数据中提取规律机器学习加速的量子多体系统模拟AI驱动的材料设计与发现量子材料与未来电子学量子材料是指那些性质由量子效应主导的新型材料，它们展现出常规材料所没有的奇特行为：拓扑绝缘体：内部绝缘而表面导电的新型量子态威尔半金属：电子表现为无质量的狄拉克费米子量子自旋液体：即使在绝对零度也不形成有序磁结构的奇异磁性态这些材料为下一代电子器件提供了可能性：超低能耗自旋电子器件拓扑量子计算比特高效热电转换材料中科院物理所是国际量子材料研究的重要中心，在多种新型量子材料的发现和性质研究方面处于领先地位。新兴交叉领域展望生物物理学研究生物大分子结构动力学、细胞力学、生物膜物理和生物光学等，为理解生命活动的物理基础提供新视角能源物理学发展高效光伏材料、新型电池技术和可控核聚变等，为可持续能源转型提供科学支撑量子生物学探索量子效应在光合作用、生物导航和酶催化等生物过程中的作用，揭示生命与量子世界的微妙联系拓扑电子学利用材料的拓扑性质开发新型电子器件，实现低能耗、高速度的信息处理极端物理学研究极高压、超低温、强磁场等极端条件下的物质行为，发现新奇量子态和新型材料交叉学科研究需要打破传统学科壁垒，建立多学科合作平台。中科院物理所积极推动与生命科学、信息科学、材料科学等领域的交叉合作，建立了多个跨学科研究中心和联合实验室。通过交叉学科的探索，物理学将继续扩展其应用边界，为解决人类面临的重大挑战提供科学方法和技术手段。中科院物理所最新科研动态2025年凝聚态物理前沿技术培训中科院物理研究所将于2025年1月举办"凝聚态物理前沿技术高级培训班"，面向全国高校和科研院所青年科研人员开放。培训内容包括：先进扫描探针技术（STM/AFM/SNOM）原理与应用角分辨光电子能谱（ARPES）测量与数据分析极端条件（低温、高压、强磁场）实验技术同步辐射与中子散射表征方法第一性原理计算与材料模拟培训班将邀请包括院士在内的多位知名专家授课，并安排实验室参观和实操训练。此次培训旨在促进国内凝聚态物理研究水平整体提升，加强学术交流与合作，培养下一代凝聚态物理研究人才。培训信息时间：2025年1月5-19日地点：中科院物理所规模：60人报名：2024年10月开始联系：training@方忠院士获未来科学大奖中国科学院物理研究所方忠院士因在拓扑量子材料理论研究方面的突出贡献，荣获2024年度未来科学大奖物质科学奖。方忠院士团队预测并引导实验发现了多类拓扑量子态，包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和高阶拓扑绝缘体等，为探索新奇量子态和开发新型量子器件奠定了重要基础。方忠院士的研究开创了"材料基因组"设计方法，通过结合对称性分析、第一性原理计算和数据挖掘技术，高效预测具有特定拓扑性质的材料。这一方法已成功预测并指导实验发现了100多种新型拓扑材料，大幅提高了新材料研发效率。未来科学大奖评委会称赞这些工作"为拓扑物质科学的发展做出了开创性贡献"。重大科研项目与国际合作量子计算材料与器件中科院物理所牵头的"量子计算材料与器件"重大研究计划近期获得国家自然科学基金委员会批准立项，总经费3.5亿元，为期8年。该计划将系统研究量子比特材料物理、量子相干保护机制、量子纠错编码等基础科学问题，研发新型量子计算材料和器件，为实现可扩展量子计算提供物质基础和技术支撑。中欧量子材料联合研究中心中科院物理所与德国马克斯·普朗克固体物理研究所、法国国家科学研究中心共同建立"中欧量子材料联合研究中心"，开展量子材料的设计、制备、表征和器件应用研究。该中心将促进研究人员交流、联合培养学生、共享科研设施，构建国际一流的量子材料研究平台。首批合作项目包括高温超导体、拓扑磁性材料和二维量子材料等。碳中和材料物理研究针对国家碳达峰碳中和战略目标，中科院物理所启动"碳中和材料物理"交叉研究项目，集中研究高效光伏材料、储能材料、催化材料等关键领域的物理问题。项目已取得多项进展，包括开发出效率超过26%的钙钛矿/硅异质结太阳能电池，能量密度超过400Wh/kg的固态锂电池，以及高效CO₂电催化还原材料等。中科院物理所作为国家物理学研究的重要基地，始终坚持"面向世界科学前沿，面向国家重大需求，面向国民经济主战场"的研究定位。研究所积极参与国际科技合作，加强与国内高校、研究机构和企业的协同创新，努力建设世界一流的物理研究中心，为中国科技自立自强做出贡献。中科院物理所大楼与科研团队科学家们的奋斗与梦想图中展示的是中国科学院物理研究所的主楼外观和科研团队。这座现代化建筑是中国物理学研究的重要基地，承载着几代物理学家的科学梦想和不懈奋斗。中科院物理所成立于1950年，是新中国成立后建立的第一批研究所之一，见证了中国物理学从弱到强的发展历程。七十多年来，研究所培养了包括多位院士在内的大批杰出物理学家，取得了一系列具有国际影响力的科研成果。如今的中科院物理所已发展成为综合性物理研究机构，拥有凝聚态物理、光物理、软物质物理、原子分子物理等多个研究方向，以及多个国家重点实验室和科研平台。研究所现有研究人员近400人，其中包括12位中国科学院院士，形成了一支结构合理、创新活力强的科研队伍。科研文化与人才培养中科院物理所注重营造宽松活跃的学术氛围，倡导学术民主和创新文化。研究所坚持"人才是第一资源"的理念，实施多元化人才培养和引进策略：青年人才培养"博新计划"，支持青年科学家独立开展创新研究"海外英才引进计划"，吸引海外高层次人才回国工作"交叉研究种子基金"，鼓励跨学科探索和创新尝试"开放课题合作计划"，促进与高校和企业的实质性合作研究所还建立了完善的研究生培养体系，每年招收物理学、材料科学等专业的硕士和博士研究生100余名，为国家培养高水平科技人才。科技创新与社会责任科技成果转化中科院物理所重视科技成果转化和产业应用，设立了科技成果转化办公室和技术转移中心，建立了完善的知识产权管理和技术转移机制。近五年来，研究所申请专利500余项，授权专利300余项，转化科技成果50余项，孵化科技企业10余家，在新材料、量子技术、精密仪器等领域形成了一批具有市场竞争力的技术和产品。科学普及与教育研究所积极开展科学普及活动，每年举办"公众科学日"、"科学沙龙"等活动，向公众开放实验室，普及物理学知识。研究所还与中小学合作开展科学教育项目，组织科学家进校园，激发青少年对科学的兴趣。研究所编写的《趣味物理学》系列科普读物，已成为青少年科普读物的经典之作。国际学术交流作为中国物理学的重要窗口，中科院物理所每年举办多个国际学术会议和研讨会，邀请国际知名学者访问交流。研究所还与美国、德国、日本、英国等国家的多所知名研究机构建立了长期合作关系，开展联合研究计划和人员交流项目，积极参与国际大科学计划和全球科技治理。中科院物理所秉持"创新科技、服务国家、造福人民"的宗旨，在基础研究和应用研究方面都取得了显著成绩。展望未来，研究所将继续瞄准世界科学前沿和国家重大需求，开展原创性、引领性科学研究，为建设世界科技强国贡献物理学的智慧和力量。物理学家的故事曹则贤院士与物质形态研究曹则贤院士是中科院物理所著名凝聚态物理学家，长期从事非晶态物理和复杂系统研究。他1985年于中国科技大学物理系毕业后赴美国留学，获得宾夕法尼亚州立大学物理学博士学位，之后在哈佛大学从事博士后研究。1995年，他婉拒多所美国著名大学的教职邀请，回到中科院物理所工作，开始了他的科研生涯。曹则贤院士的研究兴趣集中在非晶态物质的结构和动力学，特别是玻璃转变、非晶合金和软物质等领域。他提出的"动力学不均匀性"理论为理解玻璃形成机制提供了新视角，被国际同行广泛引用。他领导的团队开发了多种非晶态材料表征新技术，揭示了非晶合金中原子团簇的组织结构，为设计高性能非晶合金提供了理论基础。朱宗宏教授与黑洞大碰撞朱宗宏教授是中科院物理所引力物理研究中心主任，国际引力波天文学领域的知名专家。他本科毕业于北京大学物理系，在美国宾夕法尼亚州立大学获得博士学位，曾在麻省理工学院和加州理工学院从事引力波研究。2010年，他通过"千人计划"回国，在中科院物理所建立了引力波物理研究团队。朱宗宏教授是LIGO科学合作组中国团队的主要负责人之一，带领团队参与了历史性的引力波直接探测工作。2015年9月14日，LIGO首次探测到来自两个黑洞合并的引力波信号GW150914，这一发现开创了引力波天文学新纪元。朱宗宏团队负责的引力波源参数估计工作，成功确定了这对黑洞的质量、自旋和距离等关键参数，为理解双黑洞系统的形成和演化提供了重要数据。刘嘉麒院士的地球测量之路刘嘉麒院士是中科院地质与地球物理研究所研究员，同时也是中科院物理所特聘研究员，在地球物理与地球动力学领域做出了重要贡献。他1962年毕业于北京大学地球物理系，后在中科院物理研究所获得博士学位。他的研究生涯横跨物理学和地球科学两个领域，是跨学科研究的杰出代表。刘嘉麒院士将物理学方法引入地球科学研究，开创了中国现代大地测量学和地球动力学研究的新局面。他领导开发的高精度重力测量仪器和方法，为研究地壳运动、地震预测和矿产资源勘探提供了重要技术支持。他主持的"中国大陆构造环境监测网络"项目，建立了覆盖全国的GPS连续观测系统，精确测定了中国大陆板块的运动速率和变形特征，为理解青藏高原隆升和东亚大陆构造演化提供了关键数据。科学精神与人生选择这三位科学家的经历虽各不相同，但他们身上都体现了当代中国物理学家的共同特质：扎实的学术功底、开阔的国际视野、强烈的家国情怀和勇于创新的科学精神。他们都在海外取得了优异的学术成就，却选择回国投身中国科学事业的建设，在各自领域做出了原创性贡献。"我常对学生说，做科学研究最重要的不是聪明，而是执着和坚持。科学道路充满挑战，但只要怀着真诚的好奇心和不懈的探索