物理学前沿问题

1物理学前沿问题2主要内容：一.物理学科的分类二.几个有趣的前沿问题3一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理4一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理相对论和量子力学天体物理新的时空观…宇宙爆炸理论5一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理高能粒子加速器发现新的粒子发现新的核素6一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理研究物质的基本结构及运动规律原子—生物分子新的实验手段的结合7一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理离子化气体状物质物质的第四形态认识宇宙、环境变化、能源问题，新应用等粒子体电视8一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理由很强相互作用的大量粒子组成的系统。最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域前沿研究此起彼伏，使人目不暇接9一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理从建筑声学、电声学到分子—量子声学、等离子体声学、地声学等等研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科生命探测仪10一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理几何光学、物理光学和量子光学研究光的行为和性质以及光和物质相互作用的学科光物理研究在21世纪将会有若干突破性的进展11一.物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理无线通讯、雷达与天线技术、广播与电视、空间全球遥感、地球物理能源资源探测、射电天文等等研究电磁场和波与物质相互作用和信息传输的理论、方法及技术12二.几个有趣的前沿问题1.物质存在的状态：等离子体态玻色-爱因斯坦凝聚态费米凝聚态固态、液态、气态13绝对零度下粒子将尽可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目不受限制。在绝对零度下将全部处在能量为零的最低能级，形成玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC，1995年)玻色子组成的体系14泡利不相容原理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结合成对（库柏对）,表现出玻色子的特性。费米冷凝体，2004年对常温超导材料的研究具有重要意义152.新材料：（1）高温超导材料超导现象，临界温度优点—体积小重量轻效率高缺点—材料？温度？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的，居然是黄皮肤、黑眼睛的中国人。温162008年3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤氟掺杂镨氧铁砷化合物临界温度:52开尔文(零下221.15摄氏度)。4月13日该科研小组又有新发现氟掺杂钐氧铁砷化合物临界温度:55开尔文(零下218.15摄氏度)。2008年3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临界温度:25开尔文(零下248.15摄氏度)。17用不了多久，湖北人可以前往随州坐上“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。18（2）磁性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。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，对磁性材料的要求越来越高。特别是记忆储存的能力方面。19体积越来越小，容量越来越大——期待。“巨磁电阻“效应的发现，使人们的这种期待变成了现实。“巨磁电阻”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现象。巨磁阻是一种量子力学效应。常用的移动硬盘20意义：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。1988年，法国的费尔和德国的格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。共同获得2007年诺贝尔物理学奖21（3）纳米材料纳米—10-9m纳米材料—物质到纳米尺度，物质性能就发生突变。其特殊性能不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质。科学家们发现，当铜、银等导体做成纳米尺度以后，将失去原来的性质。而磁性材料的磁性要高1000倍。碳纳米管22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来进行操作，这就是纳米工具。日本科学家发明纳米剪刀—调控生物分子人们经常说的纳米洗衣机、纳米冰箱等，有的有科学依据，大多数纯粹是商业炒作！纳米新材料23（4）液晶1888年，奥地利植物学家赖尼泽尔胆甾醇苯酸酶晶体→145.5℃--混浊液体→178.5℃--清澈透明→冷却--液体从紫→橙→绿各色变化同年，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折射性质并命名为液晶。由于名分之争没有获得NobelPrize.24液晶的特点：电场能控制液晶中分子的排列方向，同时磁场对液晶分子排列也有转变效应也能在外电场作用下产生热光、电光或磁光效应液体的可流动性、粘滞性晶体的各向异性，发生双折射、布拉格反射、衍射等正是基于这种认识，上世纪七八十年代以来，才出现了液晶平板彩色电视25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。26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发光原理—利用气体放电显示装置等离子体电视：27显著特点：(1)亮度、对比度高(2)纯平面图像无扭曲(3)超薄设计、超宽视角(4)具有良好的防电磁干扰功能(5)环保无辐射(6)散热性能好，无噪音困优。等离子屏幕上的等离子显示单元28另一个问题：数字电视和模拟电视模拟电视—传统的手段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。数字电视—二进制数编码掌上数字电视29可以发现：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模式来分的。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。两种分类没有必然的联系。303.新能源：（2）氢能（4）水能（3）原子能都与太阳能有密切关系能源危机（1）太阳能太阳能电池31能源类型定义实例一次能源直接来自自然界而未经加工转化的能源化石燃料、太阳能、核能、生物燃料、水能二次能源由一次能源直接或间接转化而来的能源电能、煤气、汽油、沼气、氢能等。可再生能源不随其本生的转化或被人利用而减少的能源太阳能、生物能、水能、风能、地热能等非再生能源人类随其本身的转化或的利用而减少的能源化石燃料、核燃料等321/20亿到达地球大气层30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×105亿kW，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。太阳能电池：对光有响应并能将光能转换成电力的器件，如硅、砷化镓等原理：光→硅原子→电子跃迁→电位差→电流33其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取循环利用、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种举足轻重的二次能源。34几大瓶颈及进展：①制备—电解水，矿物燃料，生物质制氢，化工副产品②储存—气态、低温储氢，金属氢化物，储氢材料的研制③运输—象煤气那样但有自身问题特别轻，易泄漏，液氢的温度极低354.激光及其应用：激光—Laser,镭射特点—方向性强穿透力强功率密度高线宽窄用途—生活、科研的方方面面：激光切割、激光唱片、激光测距仪、激光手术激光枪、激光炮……军用高能激光器36三超激光—超高强度1022W/cm2超短脉冲fs,as超短波长100~101nm用途：激光武器跟踪核振动、电子研究生物分子激光操控立体反应动力学药物设计37OPOOSOPOOSR4R3385.科学研究的两个相反方向：物理参数越小越美！时间—飞秒，阿秒距离—纳米，埃温度—纳开数目—单分子单分子操控光镍操控烟草细胞39物理参数越大越壮观！浩瀚的宇宙“嫦娥飞天”没有隐私的地球40“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。41科学理论的标准③能预测结果并为实验所证实①能解释已有的现象②理论本身自洽近30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。42问题：Eintein的相对论是否就是完全正确的理论？对一种科学理论的科学态度：辨证思想宇宙之大，研究理论逐渐完善天外生命是否存在？UFO到底是怎么回事？太多的未知世界需要科学家们去研究！436.关于混沌：中国古代所说的“混沌”，一般是指天地合一、阴阳未分、万物相混的状态。古代西方认为，世界万物都是从混沌中分离出来的。数学中的混沌发生在确定性系统中的不规则运动－－不可重复、不可预测，这就是混沌现象。44在物理学中，混沌理论被认为是20世纪与量子力学与相对论并列的一种理论。两个物理的相互作用----有精确解三个及以上物理的相互作用----无精确解混沌状态意义：自然现象，生命，宇宙…天气预报—奥运天气初始条件的重要性—有效数字鸟巢上空云图15分钟更新一次45地震预报用科学的思路和方法，对未来地震（主要指强烈地震）的发震时间、地点和强度（震级）作出预报。世界性的难题，准确率只有20%是地球物理学家、理论物理学家及其他相关科学家的重要任务。汶川震后废墟46我国科学家的贡献47值得一提的是，该预测方法的创始人翁文波院士也利用此方法成功预测了1976年的唐山地震。但理论成果和应用是两回事这种混沌事件，不会准确到某几天小小的“周老虎”事件都要折腾八个多月！完了彻底完了！48混沌理论中有序和无序任何孤立系统中都有一种不容改变的倾向，使系统的有序度不断降低而无序度不断增加，这就是物理过程不可逆性的实质。49耗散结构理论的创始人普里戈金：“平衡结构”不与外界进行任何能量和物质交换就可以维持的“死”的有序结构只有通过与外界不断交换能量和物质才能维持其有序状态，这是一种“活”的结构。“耗散结构”熵增加原理—负熵流对自然科学和社会科学都具有重要意义对学习的启发希望对中学物理教学起一个负熵流的作用。