物理学前沿问题探索
物理学前沿问题探索
物理学前沿问题探索
：从简单的自然规律出发，推导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的结构形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。合理的解释了时间的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子结构、原子核放射性规律、重核元素结构等。其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野，推进物理学的发展很有好处。
：万有引力万有斥力宇宙低温超导原子结构同位素放射性太阳系的起源
1.万有引力和万有斥力
弹簧振子作往复振动，压缩时, 弹簧产生一个向外伸展的弹力;拉长时, 产生一个向内拉伸的弹力;平衡位置时,弹簧不产生弹力。如同弹簧振子, 对于宇宙, 也具有类似的特性。现代天文学发现, 当今宇宙正好处在“拉伸”的状态, 正在向着要收缩的趋势发展. 既使宇宙今天仍在膨胀, 总
有一天, 整个宇宙将会膨胀到终极点后再向内收缩. 这就
是为什么现在存在万有引力的原因。
根据对称性原理, 宇宙在特定的条件下会产生万有斥力, 当宇宙收缩且通过其平衡位置(即万有引力和万有斥力的临界点)时, 宇宙中的所有物体就开始相互排斥. 但由于宇宙的巨大惯性, 仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥
力继续收缩, 直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止. 这时宇宙成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小。
在这宇宙的整个宏观运动过程中, 宇宙的运动动能和势能(引力势和斥力势)相互转换.当宇宙收缩到极点时, 宇宙的引力势能释放殆尽, 这时宇宙的万有斥力势能积蓄到最大值,物质间的万有排斥力达到顶峰, 宇宙瞬时静止. 紧接着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能, 当达到平衡位置时, 其斥力势能释放完毕, 引力势能开始诞生并发挥作用. 在引力势和斥力势的临界点(即平衡位置)的一瞬间, 宇宙中的物质不受斥力和引力的作用, 这时宇宙的膨胀速度达到最大值, 通过平衡位置后, 宇宙引力势能的逐渐积累, 导致宇宙的膨胀速度缓慢降低. 由于宇宙巨大的惯性作用, 将继续膨胀, 宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能, 当宇宙动能完全转变为引力势能时, 宇宙将停止膨胀, 这时宇宙膨胀体积达到最大, 其引力势能的积累也达到最大, 宇宙将有一个瞬间的静止. 紧接着, 宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 又将其积累的引力势能转变为宇宙动能. 如此往复, 以至无穷.
在宇宙膨胀(或收缩)的不同时期, 万有引力(或斥力)的大小是不相同的, 且呈周期性变化. 宇宙的膨胀(或收缩)的周期对人类来说大得惊人. 人类历史与宇宙运动周期相
比,仅相当于其中的一个极小极小极小的点. 所以人类无法用实验或观察的方法进行验证。
2.宇宙膨胀(或收缩)过程中的时间和时间矢
对于一个假想的处于宇宙外的观察者看来, 在宇宙运动过程中, 时间的流失也是不均匀的, 在引力或斥力较大的空间, 时间过得较快，反之亦然。对处于宇宙中的假想观察者,其自然生理周期也将随引力或斥力的大小而发生变化, 当其生理周期发生了变化时, 用来测量时间的时钟的运行速度也将发生同样的变化, 所以, 对观察者来说,他并不能发现其生理周期发生了变化. 对宇宙外的观察者来说, 这种变化是十分明显的。
无论宇宙是处于膨胀阶段还是处于收缩阶段，在其阶段内生存的所有物体都不会出现“破镜重圆”的时间倒流现象，宇宙中的时间矢永远是不可逆的，对于生存在其间的生物，始终是由诞生-发育-衰老-死亡进行的，永远不可能逆过来进行，这就是宇宙的时间矢和宇宙中的万物一样，永远不可逆。
宇宙运动的周期是多少? 宇宙膨胀后的最大体积和收缩后的最小体是多少? 宇宙的平衡位置在哪里? 在平衡位置时宇宙运动的最大速度是多少? 宇宙的总的引力势能和斥力势能是多少? 等等一切宇宙学方面的问题有待探讨如果人们能计算出现今宇宙的总的势能和宇宙的膨胀速
度，就可以计算出宇宙的总的机械能。宇宙中的物质从宇宙中心到宇宙边缘. 处于宇宙中不同位置的物质具有不同的
动能和势能, 另外, 人类现在所能探测到的宇宙空间仅是
宇宙总的空间的很小的一部分, 所以，人类在现代科学技术水平下, 还很难进行这样的计算。既使计算出了宇宙的机械能,宇宙还具有宇宙内能和场能。
3.原子核的放射性与宇宙的周期性运动
原子核的放射性也可以由宇宙的周期性运动得到圆满的
解释.
现今宇宙中, 到处都存在原子核的放射性, 从原子核的
内部不断发射出各种粒子和能量.宇宙在其膨胀的最初时期, 宇宙中的所有物质都聚集在一个相当小的球形体积内, 成
为一个巨大的唯一的原始原子核, 也是宇宙中最大的原子核.
由于能量的高度集中, 在聚集在核内的强大的万有斥力
作用下, 巨大的原子核难以保持稳定. 在极其短的时间内, 发生了宇宙大爆炸, 这时原子核一分为二, 二分为四, ……, 就这样一直分裂下去, 在刚开始裂变的极短的时间内，核子的链式裂变极其迅速，随着原子核的不断裂变而变小，宇宙的体积也不断增大，极其强大的斥力势能不断得到释放，裂变的剧烈程度也随之慢慢的降低，逐渐演变成形各种不同的原子核。在发生核裂变一个较短的时期内, 所有受斥力能作
用而破裂的原子核，其核内蕴含的斥力能远大于核子的结合能，都能自发分裂成小的原子核。
由于核的变小，宇宙的体积不断增大，斥力势能的进一步降低，在这个较短的时间过去后，有少部分破裂后体积较小的原子核，其斥力势能与其核子的结合能大小相比拟或更小时，核停止了自发分裂，暂时处于相对稳定时期，但是，大部分原子核内的斥力势仍十分巨大，原子核的结合能抵挡不了斥力能的作用而自发裂变。再过一段较长的时间，随着原子核的体积的进一步变小，斥力能的进一步释放，越来越多原子核的斥力能小于核的结合能而进入核的稳定时期，暂时不再分裂. 因而就失去了放射性。但有这些核仍具有多次分裂的潜在能力, 有潜在的放射性。
随着时间的推移, 放射性逐渐减弱, 能继续分裂的核越来越少, 当宇宙膨胀到最大时,仍有极少数核具有放射性. 这就是为什么现在宇宙中仍有数量可观的核具有放射性的原因。
原子核的放射性是相对的, 核在不同的时期具有不同的放射性, 随着宇宙的不断膨胀, 宇宙中物质密度的减小, 温度的降低, 以往某一时期失去了放射性的原子核, 这时又会进入一个新的不稳定时期, 核子又重新活跃起来产生新的放射性. 这是因为, 在不同的时期, 核子的温度和核周围物质的密度下降, 核子外部“抗放射性的背景压
力”(简称：抗放射背压)的降低, 使得核子又能克服抗放射背压重新具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙的密
度和宇宙背景辐射压力的降低, 在某阶段没有放射性的核子, 过一段时间后, 核子内部的结合力抵抗不住外界背景
压力的降低而产生放射性. 经过一次或多次放射后, 核子
又进入一个新的相对稳定期，须再经一段时间的相对稳定期, 待外界放射背景压力再一次下降后,又重新活跃起来产生新
的放射性。随着宇宙的不断膨胀，抗放射背压的不断降低，核的裂变也将不断的进行下去。
在同一时刻和宇宙中的不同位置, 对于具有相同结构的核，其放射性能也会大不一样.在宇宙中的某一区域具有放
射性的核子, 在宇宙中的另一区域不一定也具有放射性.
但具有放射性的潜力, 待抵抗放射性的背景压力下降到一
定程度后, 才能表现出其放射性. 也就是说, 物质是否具
有放射性, 要由它所处的宇宙中的位置的抗放射背景压力
的高低来定.
在宇宙的整个膨胀过程中, 宇宙中的核子相对地越变越小, 直到宇宙膨胀到最大且开始收缩时, 一些核子仍具有
放射性，只有等到宇宙收缩到一定程度, 待抗放射背景压力上升到核子不能放射出粒子为止。
由对称性原理，既然核子在一定时期具有放射性, 在其相对应的另一时期核子必定具有结合性。
当宇宙膨胀到极限，宇宙的引力势也积蓄到极限，这时，在引力势的作用下宇宙开始收缩, 核外的抗放射性背压开
始增加，随着抗放射背压的增加, 部分较小的核开始具有结合性，慢慢地，随着宇宙的进一步收缩, 核子的不断收缩，宇宙中的核子数会逐渐减少,核子的单个体积增大, 最后形成一个巨大的原子核. 这时宇宙的所有动能全都转换为宇
宙势能, 宇宙的斥力势能达到最大, 一个新的宇宙大爆炸
的条件又已具备, 并又进入新的一轮宇宙膨。.
值得一提的是, 在宇宙的同一区域内，在同一个放射背景压力的情况下，核子放射性和结合性是矛盾的统一体。部分较大的核具有放射性, 即此时的背压低于该核放射性终止
的背压, 不足以阻止该核停止放射. 而部分较小的核, 由
于其背压高得足以使其发生核的结合,所以在当今世界上核的裂变和聚变反应同时存在. 一般核的裂变都是大的核子, 核的聚变都是小的核子，对于中等质量的核, 由于外界的抗放射背景压力正好能阻止核的裂变和聚变, 暂时没有核的
裂变和聚变. 所以, 通过测量原子核的裂变和聚变能力,
以及核子体积的大小, 就可以计算出我们所在宇宙空间的
抗放射性背景压力的高低。
4.合成超大原子核的可能性
我们现在正生活在一个膨胀的宇宙中, 总的趋势是, 核的裂变占优势, 聚变处于次要地位.要想合成大于元素周期
表中的核子, 在现今实验室就能做到, 但是其寿命很短. 如果能制造出一个高的抗放射背景压力的容器或环境, 我们就可以将实验室制造出来的重核储存起来.但合成大的核子必须消耗相当多的能量，这个能力大于或等于在合成该核的环境下其自然裂变所释放出的能量，因为这个过程正好是核裂变的逆过程, 核裂变后放出多少能量,则核结合时必须付给它相对应的能量.
对于核的放射性, 正是一个由高的抗裂变背景压力环境过度到低的抗裂变背景压力环境的演变. 因为, 在原子核这个环境中, 核的密度比核外物质的密度要高出许多倍。这是一个在一定温度的情况下, 物质由高密度(即高抗核裂变背景压力环境)向低密度(低抗裂变背景压力环境)的节流裂变过程.
上面谈到的抗高放射背景压力的容器或环境, 如果能制造出来, 将会产生极其巨大的作用. 我们可以将当今不能很好保存的具有放射性的核子以及人类新合成的重的具有放射性的核放入其中, 这样这些具有放射性的核就不会再进行放射演变. 就相当于储存了核能. 由于没有核放射性, 也就没有核污染，也没有大量高纯放射性核子储放在一起会产生核爆炸的危险。宇航员可以带上装有放射性核的容器作为宇宙航行的动力。同时，也是研究宇宙起源和演变最好的科学手段. 如果这样的容器能抗很大的放射性背景压力,
人们就有可能制造出质量很大的单个的原子核, 或许这样的原子核重量能达到100kg以上. 这种大的原子核通过某种特殊装置, 将其节流后释放出来, 将会放射出大量的核裂变能量. 其裂变方式将会是一分为二, 二分为四, ……, 直到正常核的大小为止. 其释放出来的能量比起当今的仅一分为二的核裂变来说, 不知要大多少倍. 但是, 这种容器被破坏, 也将会发生巨大的核裂变反应.
同理，如果能制造出高的抗核裂变背景压力的容器, 一定也能制造出高的抗聚变背景压力的容器. 这样的容器能使具有聚变能力的核失去聚变能力, 使没有放射性的物质产生放射性. 那么, 我们将中等质量且无放射性的核通过节流装置让其进入, 则它就会发生裂变反应,放射出核能，但是, 如果这样的容器被破坏, 将会发生核聚变反应。
上面所说的两种容器, 对具有较高抗裂变背景压力的容器, 我们可以将小质量的元素(如氕、氘等)通过节流装置注入其中, 这时小质量的元素就会源源不断地发生核聚变反应释放出结合能, 这种设施叫低温核聚变装置. 这样的容器可以储存大质量的核, 储存放射性元素,也可以作为核聚变装置. 同样, 对具有较高抗结合背景压力的容器, 可以储存具有核聚变性的轻核元素, 也可以作为中等质量且无放射性的核的核裂变装置, 或者作为较大质量同时又具有放射性元素发生核裂变(包括深层次裂变)放射出核能的装
置.
5.制造储存放射性元素容器的设想.
自然界中的抗放射性背景压力的高低是与宇宙运动(膨胀或收缩)的不同时期、不同区域密切相关的. 宇宙爆炸的初期, 抗裂变背景压力极高, 只有极大的核才具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙中的物质的平均密度与温度也进一步降低, 斥力逐渐减小, 抗裂变背景压力也会随之减小. 当达到宇宙平衡位置时. 斥力降到零, 引力开始由零慢慢增加. 此时抗裂变背景压力达到中值; 由于宇宙巨大的惯性力作用, 宇宙将克服引力的收缩而继续膨胀, 但在引力的作用下, 其膨胀速度将逐渐减弱, 宇宙中物质的密度和温度将继续下降, 这时, 抗裂变背景压力仍在进一步下降; 当宇宙膨胀达到极点时, 物质的密度和温度降到最低,体积达到最大. 抗裂变背景压力降到最低值. 但并不意味着此时裂变就会终止, 部分大核将继续分裂, 仍具有放射性. 但比以往要弱得多. 此时宇宙的引力势能达到最大, 但静止是相对的, 紧接着宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 一旦收缩开始, 宇宙中物质的密度和温度就会上升, 抗裂变背景压力开始增加, 具有放射性的元素和物质越来越少, 具有结合能的物质越来越多. 到达一定时期, 物质的结合性占主要, 放射性处于劣势, 核的质量将会越来越大, 数量越来越少.
从上面的分析得出, 要想提高抗裂变背景压力, 可从提高物质的密度和温度两方面着手. 也就是提高物质的内能; 要想降低抗裂变背景压力, 必须降低物质的密度和温度. 事实上我们在实验室就是从这两个方面进行的. 例如要想物质发生核聚变, 通过提高小核元素的密度和温度, 来提高抗裂变背景压力, 从而达到聚合的目的;在合成大核时, 就用两核对撞提高结合时的温度和两核接近的可能性. 但碰撞后温度慢慢降下来, 抗裂变背景压力也降下来了, 这时, 刚刚合成的新的大核又将重新分裂为数个小核. 但降低抗裂变背景压力的实验还没有人做过, 如果尽量降低物质的密度和温度, 一定会使某些暂时不具有放射性的中等质量以上的核产生放射性。
6.低温超导现象和原子的特性
从以上的分析不难得出，很有可能低温超导现象的幕后幽灵就是物质在低温时产生了某种特殊的放射性物质后, 这些新的物质的电学性质发生了根本性的改变而使其导电性能发生了质的变化，因为在低温条件下, 物质的抗裂变背景压力下降了, 核子中的中子会克服外界的较低的背景压力衰变成质子和低能电子, 并发出一定的热能. 衰变出来的电子在低温约束时成为物质的自由电子. 由于原子核外自由电子数的增加, 原子半径也随之增大, 从而增加了物质的导电能力. 当物质温度恢复正常时, 抗裂变背景压力也
就增加了, 这时低温条件下产生的自由电子在高的抗裂变背景压力的作用下回到原子核内与质子结合变成中子. 吸收一定热量. 原子的核外电子数和核半径也缩回到原来的值, 这时物质的导电性能又降低而回复到原初态。中子衰变成质子和电子以及质子和中子结合成中子的过程中, 伴随有能量的发射和吸收. 温度升高, 电子吸收能量后动能增加, 从而提供了电子回到核内与质子结合所需的能量.
从低温核子放射出电子可知, 由于温度极低, 放射出来的电子的能量也极小, 所以能够滞留在放射出电子的物质附近而成为自由电子. 该电子具有遇冷就出、遇热就进的两重特性,人们很难摸清其运作的详细细节. 因为在超低温条件下所做的一切实验都显得不方面.
如果我们能找到一种物质, 能在较高的温度下发射出具有以上两重特性的电子, 超导的广泛应用就可以在不久的将来变成现实了, 这种物质必定是β放射性的.其放射出来的β粒子能量很小, 能够约束在物质的原子尺寸范围内, 在高温时又能回到原子核内.
根据以上分析我们还能得出，元素周期表中的原子序数是常温下的情况, 当物质温度发生变化时, 原子序数也将发生相应变化。物质密度不变时，温度升高, 核外电子进入原子核内的可能性就越大, 因为温度越高, 抗裂变背景压力就上升了, 核子的结合性增强了. 当温度进一步增加, 原
物理学最前沿八大难题
物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。
21世纪物理学的25个难题
21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯1[①] 编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.360docs.net/doc/d2532026.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。 作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
物理学前沿
陕西师范大学2014～2015学年第一学期期末考试 物理学院2012级教育硕士 物理学前沿试题 答卷注意事项： 1、学生必须用蓝色（或黑色）钢笔、圆珠笔或签字笔直接在答题纸上答题。 2、答卷前请将密封线内的项目填写清楚。 3、字迹要清楚、工整，不宜过大，以防试卷不够使用。 4 、本卷共4大题，总分为100分。 1.理论物理部分 ( 共5题，每题5分，共25分) 1.混沌现象的主要特征是什么 对于什么是混沌，目前科学上还没有确切的定义，但 随着研究的深入，混沌的一系列特点和本质的被揭示，对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。它包括如下特征： （1）内在随机性。它虽然貌似噪声，但不同于噪声，系统是由完全确定的方程描述的，无需附加任何随机因数，但系统仍会表现出类似随机性的行为； （2）分形性质。前面提到的lorenz 吸引子，Henon 吸引子都具有分形的结构； （3）标度不变性。是一种无周期的有序。在由分岔导致混沌的过程中，还
遵从Feigenbaum常数系。 （4）敏感依赖性。只要初始条件稍有偏差或微小的扰动，则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的 2.分形结构的特点是什么请举例说明。 特点是无定形，不光滑，具有自相似性。如弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面，变幻无常的浮云，九曲回肠的河流，纵横交错的血管，令人眼花缭乱的满天繁星等。它们的特点都是，极不规则或极不光滑。即每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息，从而可以通过部分来印象整体。 3.分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。 共同点：都是用特征路径长度和聚合系数来衡量网络特征。不同点：在网络理论中，小世界网络是一类特殊的复杂网络结构，在这种网络中大部份的节点彼此并不相连，但绝大部份节点之间经过少数几步就可到达。规则网络具有很高的聚合系数，大世界（largeworld，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（smallworld，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log(n)增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。无标度网络具有严重的异质性，其各节点之间的连接状况（度数）具有严重的不均匀分布性：网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接，而大多数节点只有很少量的连接。少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。从广义上说，无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。随机网络，任意两个点之间的特征路径长度短，但聚合系数低。而小世界网络，点之间特征路径长度小，接近随机网络，而聚合系数依旧相当高，接近规则网络。发现规则网络具有很高的聚合系数，大世界（large world，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（small world，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log(n)增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。 4.从自组织临界态的角度来看，地震的物理原理是什么
物理学最前沿八大难题资料
物理学最前沿八大难 题
物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形
物理学前沿简介
放射物理与防护绪论 物理学是自然科学中基本的学科，是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。在尺寸标度上涉及从基本粒子到整个宇宙，在时间标度上从飞秒级的短寿命到宇宙纪元。物理学确立的新概念和理论，已经成为人类对周围世界认识的不可分割的部分，直接影响到社会生产和生活，对社会发展起着推动作用。一、物理学的发展 纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。 (一)物理学萌芽时期 在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。那时，物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。 在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。在《墨经》中，有力的概念(“力，形之所以奋也”)的记述；光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。《墨经》上关于光学知识的记载就有八条。在古希腊的欧几里德(公元前450-380)等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。电磁学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。声学方面，由于音乐的发展和乐器的创造，积累了不少乐律、共鸣方面的知识。物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设。 在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。例如，我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例。 总之，从远古直到中世纪(欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪)末，由于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件
《物理学前沿》 思考题和习题精解
《物理学前沿》思考题和习题精解 第1章 1.1 你喜欢宇宙学吗？为什么？ 1.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？ 1.3 爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！ 1.4 宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做宇宙学原理。 1.5 宇宙究竟是什么？古人的定义：“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。” 宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，“宇”是空间的概念，是 无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。 1.6 在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说和 宣夜说，此外还有昕天论、穹天论、安天论等。 1. 7 西方古宇宙说种种古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释 为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说。在西 方有古西方的宇宙鸟龟塔说。 1.8 1924年，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）发现T 仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出“仙女座大星云远在 银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统”的结论。这一重大发现最终 结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论，将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星系组成的广阔世界，开启了研究浩 瀚宇宙的新航程。 第2章 2.1 .1 仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？ 2.2 图2.1-4中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？ 2.3 描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球 壳上，这些球壳以复杂的方式旋转，但总是以地球为中心，行星就是这样绕地球 运行的（地心说）。 2.4我们怎么知道地球是圆的？ 答：研究教材。 2.5 开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？ 答：开普勒喜欢哥白尼的理论中的太阳作为宇宙的中心, 不喜欢圆轨道。 2.6 哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系 表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的地心说中，对环绕地球运动的太阳 河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把太阳 作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。 第3章 3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？ 答：研究教材。 3.2 从哥白尼日心说的诞生过程看宗教对科学的作用是推动还是阻碍？ 3.3 开普勒在第谷的观测数据的基础上，经过各种尝试，认识到了行星运动轨道不是圆而是椭圆，由此他提出了两个定律，分别是： ①椭圆定律，即每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点上； ②等面积定律，即在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时
物理学前沿论文
物理学前沿课程作业 题目：一、超导材料的研究与发展 光催化反应机理 二、TiO 2 姓名：谭琳 学号：S130720032
一、超导材料的研究与发展 1、 引言 1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。 2、 分类 2.1按成分分为： 元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。 2.2按Meissner 效应分为： 第一类超导体： 超导体在磁场中有一同的规律，如图a 所示：当H
物理化学-化学前沿与进展资料
砷钼酸盐化学研究进展与展望 巩培军104753140807 物理化学 摘要：多金属氧酸盐以其丰富多彩的结构及其自身的优良分子特性，包括极性、氧化还原电位、表面电荷分布、形态及酸性，使其在很多领域，尤其是材料、催化、药物等方面具有潜在应用前景，因而受到人们的广泛关注。本文选择目前报道尚少的砷钼杂多化合物为研究重点。 Abstract: Polyoxometalates (POMs), a fascinating class of metal–oxygen cluster compounds with a unique structural variety and interesting physicochemical properties, have been found to be extremely versatile inorganic building blocks in view of their potential applications in catalysis, medicine, and materials. In this paper, the main work has been focused on the rare reported arsenomolybdates. Keywords: polyoxometalates; physicochemical properties; applications 1 多酸概述 多金属氧酸盐化学至今已有近二百年的历史，它是无机化学中的一个重要研究领域[1-3]。早期的多酸化学研究者认为无机含氧酸经缩合可形成缩合酸：同种类的含氧酸根离子缩合形成同多阴离子，其酸为同多酸；不同种类的含氧酸根离子缩合形成杂多酸阴离子，其酸为杂多酸[4]。现在文献中多用Polyoxometalates (多金属氧酸盐) 及Metal-oxygen clusters (金属氧簇)来代表多酸化合物。 从结构上多酸是由前过渡金属离子通过氧连接而形成的金属氧簇类化合物，它的基本的结构单元主要是八面体和四面体。多面体之间通过共角、共边或共面相互连接。根据多面体的连接方式不同，多金属氧酸盐可划分为不同的结构类型，如Keggin、Dawson、Silvertone、Anderson、Lindqvist 和Waugh 结构等，它们被称为多金属氧酸盐最常见的六种基本结构类型（图1）。（1）Keggin 结构，其阴离子通式可表示为[XM12O40]n– (X = P、Si、Ge、As、B、Al、Fe、Co、Cu 等；M = Mo、W、Nb 等)；（2）Wells—Dawson 结构，其阴离子通式可表示为[X2M18O60]n– (X = P、Si、Ge、As 等；M = Mo、W 等)；（3）Silverton 结构，其阴离子通式为[XM12O42]n– (X = Ce IV等；M = Mo VI 等)；（4）Anderson 结构，其阴离子通式为[XM6O24]n– (X = Al、Cr、Te、I 等；M = Mo 等)；（5）Lindqvist 结构，其阴离子的通式为[M6O19]n– (M = Nb V、Ta V、Mo VI、W VI等)；（6）Waugh 结构，其阴离子通式为[X2M5O23]n– (X = P V等；M = Mo VI等)。其结构又决定其特殊性质的，如强酸性、氧化性、催化活性、光致变色、电致变色、导电性、磁性等。多金属氧酸盐由于各种确定的结构和特异、优越的物理化学性质，使它们在催化[5]、材料科学[6]、化学及医药学[7]等方面具有重要的应用前景。多金属氧酸盐可根据组成不同分为同多(iso)和杂多(hetero)金属氧酸盐两大类。这种分类方法一直沿用早期化学家的观点:即由同种含氧酸盐缩合形成的称同多酸(盐)，由不同种含氧酸盐缩合形成的称为杂多酸(盐)。多酸化学经过近两个世纪的发展，已经成为无机化学的一个重要分支和研究领
物理学前沿问题探究
课程名称：前进中的物理学 论文题目：物理学前沿问题探究 学号： 姓名： 年级： 专业： 学院： 完成日期：
物理学前沿问题探究 我是南开大学物理学院的学生，自然对物理学的前沿问题较一般的同学有更多的了解，对这方面也更感兴趣，我希望能更多地了解这方面的知识，以使自己对物理学的未来有一个更清晰的认识。 物理学——一门非常严肃的科学，源自哲学，由于数学方法的引进而成为一门独立的科学，其终极目的是探知宇宙的精神。 我们的物理学发展到现在已经为我们认识和改造世界提供了一件又一件法宝： 光学显微镜，使生物学拥有了细胞学说； 蒸汽机，引发了工业革命； 引力理论，成为了太空航行的理论依据； 电力的发现，让化学出现了新的分支——电化学； 能量守恒定律，使人们不在盲目建造永动机； 热力学第二定律，指出了时间的方向性； 电子显微镜，使生命科学进入分子生物学时代； 电子计算机，引领世界进入信息时代； 将来，量子通信，量子计算机，必将使世界进入全新的量子时代！ 我相信物理学必将继续引领世界前进的步伐，但是其基础是一个个前沿难题的解决或新发现，物理领域有着大量的前沿课题，相信我们年轻的一代，以及其他未来的科学家必将在这些方面有所建树。 下面我将对这些疑难问题做一个概述： 1、关于整个宇宙和天体的创生和演化 宇宙起源问题、黑洞的研究、宇宙年龄问题、宇宙有怎样的结构、暗物质、暗能量、类星体的结构、引力波的存在问题、太阳系诞生问题、地-月创生和演化、生命起源于哪里、外星生命是否存在、宇宙加速膨胀之谜…… 2、微观世界中物质结构和基本粒子的相互作用及其运动规律 物质深层结构之谜（质子自旋危机）、概率论和决定论的争论、统一场论的最终导出（大统一、超统一）、超弦、真空不空问题、量子计算机、量子隐形传态、量子非局域性、量子论与相对论之矛盾、狭义相对论与超光速疑难…… 3、宏观范围内的非线性复杂性问题 自组织与耗散结构、分形与分维、多体问题、混沌理论、孤立波、
物理学前沿学习心得
物理学前沿学习心得 专业班级：物联网13-01 姓名：司文哲 学号：311309080116
物理学前沿这门课是我看名字就选的一门选修课，因为本身对于物理拥有极大的兴趣，喜欢物理这门学科，并且还因为对物理前沿的知识感到好奇和前沿物理学的研究对世界的改变让我感到惊奇而选的这门课。在上前几节课的时候，一直听老师讲的是有关物理学历史的问题，这让我有困惑和不解，为什么报了个物理学前沿却在这听物理学历史，后来在一节课中老师也说到这个问题，然后思考过后，才觉得对于物理学的历史学习还是很有必要的，有助于整个对物理学的发展有个看法和了解，这样对物理学前沿问题才会感到有兴趣。经过4个星期的上课，多多少少也了解了点屋里前沿知识的大概皮毛，这篇心得就把老师提到的几个21世纪物理学的发展方向以及各个前沿的基本概念、前景总结一下，也算是对物理学前沿这门课程的学习总结。 在查阅物理前沿的资料之前，我先对有一节课老师放的宇宙的视频说一点我对宇宙的看法和认识，我觉得我们生活在繁杂世界中，纷纷扰扰，喜怒哀乐，总以为人才是世界的中心，殊不知这是多么渺小的想法。一个大自然就能轻轻松松把人类毁灭，更不用说浩瀚无边的宇宙了，宇宙就像心胸广袤，坐定如山的巨大长者。又如各个地方都在发生着变换，停歇不得的魔鬼。我们对宇宙的认识从华夏大地的人们认为的盖天说和巴比伦的拱形天地被大海环绕的世界，到无锡拉人从美学观念觉得地球是圆形的，认为天体和我们居住的大抵都是圆形的，再到地心说，日心说和万有引力定律的发现，再到发现银河系以外的星系，期间经过了人类多少的努力和困难，才认识到我们生活千万年的外界是什么东西，然而宇宙却千万年间一直在这里，巍然无比，让人心生敬畏。 21世纪物理学发展的前景还是非常巨大的，有许多我认为改变世界的发现还在研究当中在本篇中我查阅一些物理前沿的研究分支，作为自己简单的学习。 1.暗物质和暗能量 暗能量和暗物质是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。根据“普朗克”探测器收集的数据，科学家对宇宙的组成部分有了新的认识，宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设(73%)，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占不到70%。]暗能量是宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。暗能量是什么，它的存在意味着什么？科学家才刚开始尝试回答这些问题。暗能量对宇宙整体的作用泄漏了它的行踪，而人们逐渐意识到，暗能量不仅对整个宇宙有影响，似乎也能操控宇宙的居民，指引恒星、星系和星系团的演化进程。虽然以前并没有意识到暗能量对这些结构的影响，但天文学家们几十年来一直在研究它们的演化过程。 讽刺的是，暗能量的无处不在，反而让人们很难意识到它的存在。暗能量与物质不同，它是均匀分布的，不会在某个地方聚集成团。不论是在你家的厨房，还是在星际空间，暗能量的密度都完全一样，约为10^-26千克/立方米，相当于几个氢原子的质量。太阳系中所有的暗能量加起来，与一颗小行星的质量差不多，在行星的“舞蹈”中，几乎起不了作用。只有在巨大的空间尺度上和时间跨度上，才能体现出暗能量的影响力。 2.广义相对论 广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为
物理学前沿问题
书名:物理学前沿问题(研究生系列教材) ISBN:756143009 作者:王顺金著 出版社:四川大学出版社 定价:25 页数:152 出版日期:2005-1-1 版次: 开本:小16开 包装:平装 简介:本书简要介绍物理学各个主要分支的研究现状、前沿问题和发展趋势，包括：物理学与高科技，凝聚态物理学与介观物理学，原子、分子物理学与光学，原子核物理学，基本粒子物理学与量子场论，广义相对论、天体物理学与宇宙学。对凝聚态物理学和原子、分子物理学与光学，强调了其新发现和新进展与21世纪高科技的密切关系；对原子核物理学、基本粒子物理学、广义相对论、天体物理学与宇宙论，则探讨了21世纪物理学基本理论可能面临的重大变革。此外，还简要地介绍了物理学与信息论和计算机科学，物理学与生物学的交叉，包括：量子信息、量子通讯与量子计算，生物物理学。最后，介绍了物理学的研究方法，物理学、数学与哲学的相互关系，以及中国物理学的发展前景。本书对所讨论的问题提供了实用的数据与资料，其中包含了作者本人对物理学基本问题的观点和研究心得，以及对物理学发展前景的看法。 作者著述本书的目的是：1、开阔本科高年级学生和研究生的物理学视野，使他们对物理学的各个前沿问题有一些初步的了解，以便于今后选择适合的研究或作领域；2、给学生今后的学习与研究提供一个向导；3、激发学生对物理学，特别是对基础物理学和理论物理学的热情，鼓励他们从事物理学教学与研究工作，为发展中国和世界的物理学做出项献。 本书适合物理学各专业的研究生、本科高年级学生和研究人员阅读，也可供相邻学科的学生和研究人员参考。 目录: 第1章物理学与高科技 1.1 21世纪的高科与知识经济 1.2 21世纪的高科技与物理学 1.3 21世纪物理学的前景与可能面临的变革 1.4 大学本科物理学和数学的知识结构 第2章凝聚态物理学与介观物理学 2.1 凝聚态物理学的现状 2.2 新有序相 2.3 低维系统与小系统:介观物理、协和簇物理与纳米科技 2.4 等离子体物理学与核聚变 2.5 人造系统:超晶格、准晶格与人造原子 2.6 极端条件下的凝聚态物理学 2.7 复杂性与自组织 第3章原子、分子物理学与光学 3.1 引言
物理学前沿知识
《九年义务教育三年制初级中学教师教学用书第二册物理》试用修订版上海科学技术出版社华东地区初中物理教材编写协作组编2002年8月第一版第一次印刷 参考资料P346 1、物理学——前沿科学的支柱 自然界是无限广阔庭丰富多彩的。物理学是自然科学中最基本的科学，它研究物质运动的形式和规律，物质的结构及其相互作用，以及如何应用这些规律去改造自然界。因此，物理学又是许多科学技术领域的理论基础。 从本世纪开始，物理学经历了极其深刻的革命，从对宏观现象的研究发展到对微观现象的研究，从研究低速运动发展到研究高速运动，由此诞生了相对论和量子力学，并在许多科技领域中引发了深刻的变革。 物理学在认识、改造物质世界方面不断取得伟大成就，不断揭示物质世界内部的秘密；而社会的发展又对物理学提出无穷无尽的研究课题。例如，原子能的利用，使人类掌握了武器和新能源；激光技术的出现，焕发了经典光学物理的青春，使许多以往光学技术办不到的事情，现还能办到了；半导体科学技术的发展，导致了计算技术、无线电通信和自动控制的革命；超导电性、纳米固体材料和非晶态材料的出现，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、表面与界面物理、高压物理、低温物理等。此外，物理学与其他学科之间的渗透，又产生了许多边缘交叉学科，如天体物理、大气物理、生物物理、地球物理、化学物理和最近发展起来的考古物理等。 我们可以说，物理现象存在于人类生活和每个角落，发生在宇宙的每一地方，物理学是推动科学技术发展的重要支柱，它是自然科学中应用广泛、影响深刻、发展迅速的一门基础科学和带头科学。 2、“无限大”和“无限小”系统物理学 “无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展一个非常活跃的领域之一。天体物理学和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直至对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为20世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型可以成功地解释宇宙观测的最新结果，如宇宙膨胀、宇宙年龄下限、宇宙物质的层次结构、宇宙在大尺度范围内是各向同性的等重要结果。可以说，具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了可靠的基础。但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到根本解决，还有待于科学工作者进一步的努力和探索。 原子核物理学和粒子物理学等属于“无限小”系统物理学的范畴。它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对基本粒子的研究。 基本粒子是在物质结构层次中属于比原子核更深层次的物质单元，如光子、质子、中子、π介子等。迄今已确认有400余种基本粒子，它们都是通过宇宙射线和加速器实验发现的。基本粒子的性质可用一系列描述其内禀性质的物理量，如质量、电荷、自旋、宇称、同位旋、轻子数、重子数、奇异数、超荷等表征。基本粒子之间存在着弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用（见下面介绍的“物质间的基本相互作用”）。通过这些相互作用，基本粒子可发生创生、湮没以及相互转化等现象。 按照参与相互作用的类型，通常将基本粒子区分为三大类：轻子、强子、和规范玻色子。轻子如电子、μ子和中微子等；它们仅参与弱作用和电磁作用。强子如质了、中子、π介子等，它们参与上述全部三种作用。规范玻色子如光子、中间玻色子（W±，Z0）、胶子等，它们是传递相互作用的媒介粒子，光子传递电磁作用，中间玻色子传递弱作用，胶子传递强作用，目前人们已经知道，强子都是由更小的粒子——“夸克”构成。至今已经发现了多种夸克。
物理学前沿问题探索(1)
物理学前沿问题探索(1) 摘要：从简单的自然规律出发，推 导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的结构形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。合理的解释了时间 的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子结构、原子核放射性规律、 重核元素结构等。其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野，推进物理学的 发展很有好处。 关键词：万有引力万有斥力宇宙低温超导原子结构同位素放射性太阳系的起源 1．万有引力和万有斥力 弹簧振子作往复振动，压缩时, 弹簧产生一个向外伸展的弹力；拉长时, 产生 一个向内拉伸的弹力；平衡位置时,弹簧不产生弹力。如同弹簧振子, 对于宇宙, 也具有类似的特性。现代天文学发现, 当今宇宙正好处在“拉伸”的状态, 正 在向着要收缩的趋势发展. 既使宇宙今天仍在膨胀, 总有一天, 整个宇宙将会 膨胀到终极点后再向内收缩. 这就是为什么现在存在万有引力的原因。 根据对称性原理, 宇宙在特定的条件下会产生万有斥力, 当宇宙收缩且通过其 平衡位置（即万有引力和万有斥力的临界点）时, 宇宙中的所有物体就开始相 互排斥. 但由于宇宙的巨大惯性, 仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥 力继续收缩, 直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止. 这时宇宙 成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小。 在这宇宙的整个宏观运动过程中, 宇宙的运动动能和势能（引力势和斥力势） 相互转换. 当宇宙收缩到极点时, 宇宙的引力势能释放殆尽, 这时宇宙的万有 斥力势能积蓄到最大值, 物质间的万有排斥力达到顶峰, 宇宙瞬时静止. 紧接 着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能, 当达到平 衡位置时, 其斥力势能释放完毕, 引力势能开始诞生并发挥作用. 在引力势和 斥力势的临界点（即平衡位置）的一瞬间, 宇宙中的物质不受斥力和引力的作用, 这时宇宙的膨胀速度达到最大值, 通过平衡位置后, 宇宙引力势能的逐渐 积累, 导致宇宙的膨胀速度缓慢降低. 由于宇宙巨大的惯性作用, 将继续膨胀, 宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能, 当宇宙动能完全转变为引力势能时, 宇宙 将停止膨胀, 这时宇宙膨胀体积达到最大, 其引力势能的积累也达到最大, 宇 宙将有一个瞬间的静止. 紧接着, 宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 又将其积累的引力势能转变为宇宙动能. 如此往复, 以至无穷. 在宇宙膨胀（或收缩）的不同时期, 万有引力(或斥力)的大小是不相同的, 且 呈周期性变化. 宇宙的膨胀（或收缩）的周期对人类来说大得惊人. 人类历史 与宇宙运动周期相比, 仅相当于其中的一个极小极小极小的点. 所以人类无法 用实验或观察的方法进行验证。 2．宇宙膨胀（或收缩）过程中的时间和时间矢 对于一个假想的处于宇宙外的观察者看来, 在宇宙运动过程中, 时间的流失也 是不均匀的, 在引力或斥力较大的空间, 时间过得较快，反之亦然。对处于宇 宙中的假想观察者, 其自然生理周期也将随引力或斥力的大小而发生变化, 当
物理学前沿专题
《物理前沿专题》教学大纲 本课程教学大纲依据应用物理学专业2015版人才培养方案制定。 课程名称：物理前沿专题 课程代码：B1509121 课程管理：数理学院应用物理学教研室 教学对象：应用物理学专业 教学时数：总时数 32学时，其中理论教学 32 学时，实验实训 0 学时。 课程学分：2 课程开始学期：5 课程性质：专业教育拓展课程 课程衔接：（1）先修课程：无先修课程 （2）后续课程：多门专业课 一、课程教学目标及要求 本课程的教学的目标是：1、开阔本科高年级学生和研究生的物理学视野，使他们对物理学的各个前沿问题有一些初步的了解，以便于今后选择适合的研究或作领域；2、给学生今后的学习与研究提供一个向导；3、激发学生对物理学，特别是对基础物理学和理论物理学的热情，鼓励他们从事物理学教学与研究工作，为发展中国和世界的物理学做出项献。 二、教学内容及要求 第一专题信息技术前沿（发展趋势） （一）教学目标 使学生对信息技术前沿（发展趋势）有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 低维半导体结构中量子信息基础研究 2．单个小量子结构物理 3．硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能研究（三）教学重点与难点
重点难点： 低维半导体结构中的量子信息、单个小量子结构物理、硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能 第二专题分子层面的信息技术及相关技术 （一）教学目标 使学生对分子层面的信息技术及相关技术有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 固态量子信息过程与分子电子器件 2．在分子层次上的基本问题与应用研究 （三）教学重点与难点 重点难点： 固态量子信息过程与分子电子器件 在分子层次上的基本问题与应用研究 学生掌握要点： 1. 固态量子信息过程与分子电子器件 2．在分子层次上的基本问题与应用研究 第三专题材料科学技术前沿 （一）教学目标 使学生对材料科学技术前沿有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 自旋电子学 2．有机固体材料的机理研究及设计与合成 3．半导体材料中与自旋有关的量子现象 （三）教学重点与难点 重点难点： 自旋电子学、有机固体材料的机理研究及设计与合成 、半导体材料中与自旋有关的量子现象
物理学前沿思考题和习题精解
读书破万卷下笔如有神 《物理学前沿》思考题和习题精解 第1章 1.1 你喜欢宇宙学吗？为什么？ 1.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？ 1.3 爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！ 。宇宙学原理1.4 宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做 ”“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。 1.5 宇宙究竟是什么？古人的定义： “宇”是空间的概念，是宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。和在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说1.6 等。宣夜说，此外还有昕天论、穹天论、安天论 古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释西方古宇宙说种种 1. 7 。在西为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说宇宙鸟龟塔说。方有古西方的T年，美国天文学家1924哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）发现1.8 “仙女座大星云远在仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出 这一重大发现最终的结论。银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统” 的争论，“宇宙岛”结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的开启了研究浩将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星系组成的广阔世界，瀚宇宙的新航程。第2章 2.1 .1 仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？ 2.1-4图2.2 描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球2.3 行星就是这样绕地球这些球壳以复杂的方式旋转，壳上，但总是以地球为中心，运行的（地心说）。2.4我们怎么知道地球是圆的？答：研究教材。开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？2.5 答：开普勒喜欢哥白尼的理论中的太阳作为宇宙的中心, 不喜欢圆轨道。 哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系2.6 对环绕地球运动的太阳地心说中，表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的太阳河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。 3第章 3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？研究教材。答： 3.2 从哥白尼日心说的诞生过程看宗教对科学的作用是推动还是阻碍？开普勒在第谷的观
物理学前沿之引力波原理与研究现状
物理学前沿之引力波原理与研究现状 引力波由来，性质与原理：1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在。引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。引力波天文学是观测天文学20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支，其发展基础是广义相对论中引力的辐射理论在各类相对论性天体系统研究中 的应用。与基于电磁波观测的传统观测天文学相对比，引力波天文学是通过引力波这个途径来观测发出引力辐射的天体系统。由于万有引
力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。 引力波的探测史： 虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。 1最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+16的观测。这系统被认为具有两颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近(in-spiral)，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释为：广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。 21959年，美国马里兰大学教授J?韦伯发表了证实引力波存在的消息，引起了一阵狂热的激动。韦伯首创用铝棒做“天线”，接收天体辐射的引力波的方法。为了提高灵敏度，“天线”很重，往往达到数吨；为了排除干扰，“天线”置于－270℃左右的超低温环境中。当时参加研究的有十几个小组，但只有J?韦伯宣布接收到了可能是来自其他天体的引力波信号。其后不断有人重复这个实验，但终未得到肯定的结果。 3射电天文学的蓬勃发展为物理学家们新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多，美国天文物理学家泰勒等人在1974