物理科学前沿简介

物理科学前沿简介 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

物理科学前沿简介

一、20世纪物理学发展的历史回顾

在19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很有名的话，就是“19世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。这两朵乌云指什么呢，一个是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问；另外一个是关于黑体辐射的，谱形没有得到很好的解释。这两个理论问题都没有很好的解决，所以说在晴朗的天空上还留有两朵乌云。这是19世纪物理学家说的话，没有想到这就成为了20世纪物理学发展的序幕。

第一朵乌云的驱散，导致了狭义相对论的诞

生，另外一朵乌云的澄清。导致了量子力学诞生。这两朵乌云一澄清以后，物理学就有飞速发展。我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。狭义相对论之所以提出来，是针对光速测量产生的。当时有好多实验，有的证明了以太是静止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太是随着物质的运动而部分地带运动的。所以这个以太就成为了一个“谜”。爱因斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光源的速度是多少，观察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在运行。根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱因斯坦就提出了狭义相对论，这是人们对事件空间的观念的一个转变。在狭义相对论中发现，牛顿力学需要有修正。牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候，运动规律就有很大的修改。同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现，比如钟慢尺缩。

20世纪另外一个重大的发现是量子力学，量子力学的发现是由于黑体辐射问题很难得到一

开尔文，英国物理学家

麦克斯韦,J.C.,英国物理学家,在经典电磁学方面贡献突出。

个统一的解决而产生出的问题。这一件事情，当时有一个大物理学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态来出现，这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光的频率。这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外，还具有动量，这个动量就是普朗克常数h乘以振动频率再除以光速c。光子就不再简单看作电磁波的振动，也看作是粒子，这个粒子既有能量又有动量。后

来康普顿和吴有训先生在实验上证明了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子；而普通称为粒子的电子，中子，质子，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的波粒二象性。这就是德布洛意波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成量子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。这两件事情就是20世纪物理的重大发现.

物理学的大发现，在历史上有三次。第一次是牛顿力学。牛顿力学以及当时跟牛顿力学有关系的科学所发现的物理学定律是宏观的低速运动的规律。因为牛顿力学讨论象地球，太阳，月球这些天体运动，即讨论对象的运动速度是慢的，物体是宏观的。普朗克，德国物理学家，量子力

学的奠基人。

吴有训，中国物理学家，曾任中

国科学院副院长

牛顿力学勾画的是经典物理学的图景。到后

来，人们研究了电磁相互作用的定律。电磁相互

作用定律的一个重要特点就是以光速而运动。电

磁波的运动可以说是一种宏观而高速的运动。到

了爱因斯坦的相对论，就把宏观低速运动和高速

运动有机的联系在一起，其中，描写光的高速运

动的麦克斯韦方程却自然而然的满足狭义相对

德布罗意L,V，法国物理学家论。这就是物理学的第二次突破，爱因斯坦，包

括他的前人麦克斯韦就发现了宏观高速运动的规

律。第三次突破是量子力学。量子力学回答的是

微观粒子的运动规律，而薛定鄂，海森堡的量子

力学是涉及微观低速作用下的规律。这三次突破

都引起了生产技术的重大变革。牛顿力学奠定的

是机械工程等方面的基础，麦克斯韦方程，狭义

相对论是我们现代电气化的支撑，至于第三次大

突破的量子力学的出现，就涉及化学运动的规

律，半导体的规律，原子核运动的规律等。我们

现在面临的原子能时代，电脑时代的技术，都是

量子力学的贡献。物理学每一次划时代的发现

都带来了划时代技术的进展。20世纪物理学最

重要的成就以上这些。

二、未来物理学发展的问题、难点与趋势

20世纪的物理学驱散了两片乌云，而物理学的天空并没有晴空万里，新的问题肯定会出现，那么21世纪物理要解决是哪些问题呢

物理学已经进行了三次大突破，如果要进一步

问物理学未来的发展应该是怎样的，非常自然的一个想法就是微观高速运动的规律是不是能有彻底的解决。也就是物理学的第四次大突破就是关于微观高速运动的规律的突破。这个问题需要分两个方面来说。第一，任何物理的突破都是关于物理的实体问题的突破，或者说是一种新的物质运动形态的突破。比如牛顿力学是人们对天体运动的规律有所了解，到了麦克斯韦方程，狭义相对论的出现，是人们对光的本性的研究，对电磁场的性质的研究，对接近光速的宏观物体的力学规律的研究，我们叫做宏观高速运动规律。到了量子力学，人们发现电子、质子、中子，以及有特殊运动规律的原子结构，也就是电子绕原子核运动有特殊的规律，这导致量子力学出现。所以，规律的突破，总是伴随着物质的新的实体形式的突破。现在要问，微观高速运动要跟什么样形态的物质实体相联系。有趣的是，这几年在这个领域有许多进展，人们在进一步研究粒子的同时，发现质子，中子等强子，有更深层次的结构，就是夸克，这是构成所有强相互作用的最深层次的物质。现在人们对基本粒子的观念已A.爱因斯坦，20世纪最伟大的自然

科学家

图7 爱因斯坦关于狭义相对论的著

名论文

经改变，认为夸克，加上轻子，一共六种粒子组成基本粒子。所以我们研究的微观高速运动粒子的规律就是在夸克和轻子层次的表现形态和它们的运动规律。在20世纪这一方面的研究有很大进展，人们对强相互作用规律就总结出了量子色动力学，关于轻子和强子的弱相互作用和电磁相互作用已得到

初步统一，我们叫做弱电统一理论。所以20世纪的物理学在微观高速运动上突破在于两个重要理论，一个是量子色动力学，是回答粒子之间强相互作用的理论;另外一个是关于弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论。但是，虽然在微观高速运动中得到许多成就，还不能够认为这是最终的成就，因为微观高速运动还涉及到很多人们未知的粒子的性质和运动，有可能还存在有某些尚未发现的粒子，这就是21世纪的物理要面临的问题。

物理学第四次大突破才刚刚开始。从物质运动形态来说，还有许许多多待研究的新的物质还没有发现。理论上讲，可能还存在一种超对称粒子。从宇宙中来说，还有暗物质，就是透明度很高，光可以自由穿过，而光照射到它上面也不会被反射的物质，人们对此有很多猜测，可能会与理论上正在猜测的超对称粒子有联系。如果这种猜测成立，将要进一步丰富发展人们对微观高速运动的认识。这方面的课题在世界很多国家都在开展研究。李政道教授也说过，暗物质是很重要的问题。另外一个和微观高速运动相联系的问题是真空是什么。当微观高速运动粒子的运动速度越来越高，粒子撞击会不会使得真空性质本身有所改变？在微观高速运动的情图8 我国发射的东方红一号卫星美籍华人物理学家杨振宁

图10 美籍华人物理学家李政道

况下，粒子引起真空中场的振荡非常激烈，激烈的程度可以使真空性质改变，这些都是微观世界里需要进一步讨论的问题。另外，已经知道，强相互作用有很好的理论，电磁相互作用和弱相互作用有一个统一的理论叫做弱电统一理论，非常自然的问题就是，强作用，电磁作用和弱作用能否进一步统一起来；另外，引力理论是不是也可能跟以上三种作用统一起来。现在引力理论还不知道它如何量子化，更不知道它们能否和三种作用统一，当前关于引力理论有很多不同意见，即便量子化成功后，还不一定能够有很好的、相应的量子场论，量子场论

化要求在引力理论中能够解决量子发散困难。这些问题都没有解决。从纯理论来说，这些都是要解决的重大的基本问题。

以上讨论的是当代物理学中粒子之小的问题，当代物理学还有另外一个发展前沿方向，宇宙之大。人们深入研究宇宙后发现，在130亿年或者150亿年前宇宙有个大爆炸，在这个大爆炸以后造成了宇宙膨胀。有人问，宇宙大爆炸从何而来？在大爆炸以前，有一个宇宙收缩的过程。宇宙空间的物质，在万有引力作用下，随着距离缩小，引力越来越大，最后低密度物质会被吸引成为高密度物质。在高密度物质激烈碰撞、冲击下，有可能真空会发生改变，而释放出能量，并在各种激烈的相互作用下会形成反弹。这样就形成宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的标准模型可以很好地解释天文学重很多观测结果，比如宇宙背景辐射，也能回答粒子物理中某些问题，比如中微子有多少代。还有现在氢气、

图11 DNA双螺旋结构

图12 以色列科学家研制的纳米级DNA计算机。一根试管可容纳一万亿个此类计算机，运算速度达到每秒10亿次，精确度高达99.8%。该项发明位于《Nature》评比的2001十大

发明之首。

氦气，还有各种原子核在宇宙中的分布。最为重要的是宇宙大爆炸曾预言有一种背景辐射，这个背景辐射很好的和实验观测相符合。但是这几年宇宙论有惊人发现，也就是说进一步研究关于背景辐射的不均匀度的时候，发现除了标准宇宙模型中要引入暗物质外，还要引进真空背景常数。这个背景常数当年爱因斯坦猜测过，一般认为等于0，而现在的

实验观测并且确定不等于0，这是2001年来一个重大发现。这个发现推进了宇宙论，发现宇宙论不完全能够从粒子的理论加以解释，还要从真空某些特殊性质来加以解释，这就进一步丰富了人们对物质运动基本规律的认识和了解。

以上是从“粒子之小、宇宙之大”两方面结合提出的新的问题。重要的是，要看到随着理论的突破，会带来一系列技术上重大的革新，甚至是革命。人们曾把量子力学运用到种种微观体系，从而回答和解决了许多理论问题。此后就转向量子力学的应用。大家知道量子力学非常重要的应用在于研究了凝聚态物理，半导体现象，导体，绝缘体。量子力学可以对这些固态的性能给予良好的解释。尤其是量子力学研究半导体，发现半导体是一种特殊的结构，里面有好多的能带，有好多的绝缘的禁带，在能带和禁带之间有一些空穴，可以有一些“载流子”在其中运动，从而形成半导体理论，半导体理论产生二极管，三极管，晶体管，然后是集成电路，然后是大规模集成电路，也就是现在的快速电子计算机元件。所以说量子力学开创了一个电脑时代，由于它对半导体的透彻研究，引起了半导中科院金属所研制的纳米碳纤维储氢

材料

高能粒子加速

浩瀚的宇宙

“大爆炸理论

体工业，芯片集成，也就是电脑的出现。

现在计算机的进展有一个很大的特点就是技术上芯片越做越小。人们就总结出摩尔定律，就是每18个月芯片集成度缩减一半。而且随之而来的是计算机的价格也在下降，每18个月下降一半。因此电脑工业迅速发展。这就提出一个问题，这样的下降是不是无限的，这也要从量子力学理论来回答。人们发现，随着集成度越来越高，芯片里面的工作单元就会越来越小，到一定程度以后，现有的规律就不一定完全适用。也就是人们对颗粒的性质的认识过去是近似用牛顿力学来描述，但是工作单元小到纳米量级，就要用量子力学来描述它的种种特征，这个时候就有新的规律出现，这就提出了纳米科学。为什么大家关注这一件事情，因为纳米科学关系到芯片能否进一步缩小。现在纳米技术还在实验当中。另外，计算机的原理也有新的改进。传统的计算机是做加减乘除，现在出现的一种新的计

算方法叫做量子计算。这种新的计算方法会在一定条件下对传统方法有所简化。量子通讯，量子计算的出现要求人们深入研究量子力学的理论问题。比如，爱因斯坦和玻尔就曾经争论过EPR佯谬，这样的问题就提到量子力学研究的日程上去了。从这个EPR佯谬人们提出了量子力学纠缠态的理论，这也成了量子力学的新发展和新动向。

进一步一个要深入的问题就是量子力学和生物的联系怎样。人们对客观事物的研究，除了沿着粒子之小、宇宙之大的线索去研究，还有就是研究的反映计算机芯片发展速度的摩

尔定律

对象越来越复杂。比如早先研究的是一个原子，然后是凝聚态中的晶体、半导体、二极管、三极管、集成电路、纳米电路，复杂纳米体系的组合等。所以物理学是向复杂性进军的。我们周围事物很复杂，而最高级，最复杂的就是生命。细菌，细胞这些在生物中最简单的，从物理观念来看都是高度复杂的物质。这些都是物理学要逐步研究的课题。以理解为现在物理学把自己的领域扩得越来越广，就是与其他学科的界限越来越小了。

如果追问一下当代科学发展的线索，我觉得回答之一就是物理学是一个很重要的线索。物理学由于

深入研究物质运动基本规律，所以就在深入的过程中向各个领域扩展。比如物理学就深入到了化学，以至有的化学家都同意这样一个说法，化学已经成为物理学的一个部门。化学研究的原子分子的运动，而原子分子的运动就是量子力学探讨的对象。这已经是在向较为复杂的体系进军了。更进一步，许多的分子组成大分子团，大分子团又组合得非常紧密，有许多特殊的性质等等。这方面也吸引了很多物理学家的关注。当代的自然科学的4大发展，相对论，量子力学，电脑，还有就是对于遗传物质的研究，就是双螺旋结构，其实这也是物理学家对生命问题的研究成果。很多物理学家也深受鼓舞向生命科学进军，我也认为这是一个大有前途的发展方向日本科学家发明纳米剪刀—调控生物分子

可。