物理工程和人类未来

Page1物理工程和人类未来沈文庆上海市科协(SAST)4Feb,2008Page2天体物理和宇宙学，基本粒子和原子核—空间和时间、能量和物质的基本结构。天体物理和宇宙学粒子物理原子核—物质的构成单元，恒星的燃料量子世界一瞥快、更快、最快—超短激光脉冲从微结构自备新材料等离子体—物质的第四种状态原子、分子、量子光学和等离子体—光与物质的相互作用Page3凝聚态物质—从基础研究到未来的技术半导体凝聚态物质中的奇异电子态超导性磁性—与新技术相关的古老现象表面纳米结构软物质有机半导体Page4自组织和结构的形成—普适的原理热力学，一个普适的理论流动的晶体、固态液体形变、相变临界现象普适性和标度不变性好！现在让铸造开始……(席勒的《钟之歌》)成长和成熟分形世界沙子的轨迹，颗粒动力学流动、向前流动，不断地伸展（歌德的《魔术师的学徒》)决定性混沌,混乱中的方法生存的结构和生命的结构Page5物理学和生物学—历史上的姐妹生物材料的魔力—自组织在复杂结构中产生有序性结构的阐明—从原子到毫米尺度从单分子到系统，一座连接生物信息学和物理学的桥梁生物纳米机器展望物理学和生物学—生命的物质结构及基本过程Page6物理学和“地球系统”—地震、海洋、气候和环境地球----一个热机地震学----地球内部的窗口测量地球的人造卫星地球磁场地球科学和固体物理—成功的一对气候地球，我们的生存环境Page7宇宙中物质演化模拟结果。立方体边长为12亿光年。亮结构是由引力物质凝聚形成的，带颜色的点是星系。12亿光年Page8Page9核物质的相图Page10Page11半导体芯片摩尔定律Page12Page13不同超导体的转变温度Page14原子尺度的“2000”字样用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上直接移动了47个CO分子。Page15用有机材料做的明亮的彩色屏幕聚合物柔性显示器低分子量材料有源陈列驱动OLED全色显示屏Page16自组织形成的序。共晶合金有形成有规则的纤维或片状结构的倾向。用内部生长有碳化钽纤维的定向凝固的镍合金来制造飞机发动机和发电站的涡轮叶片。图为一个腐蚀的截面，纤维间距为8微米。Page17沙丘上常形成波纹，是一个至今尚未被完全了解的过程。神秘的沙波Page18喘流－未解之迷。水流射到静止的水中，形成了喘流漩涡。图像可见是因为流体内加入了荧光燃料。Page19收到立体声音乐时人类大脑听觉中心活动的原位直接观测图黄色部分表示空中移动的声源的识别中心通过功能核磁共振成像技术发现。Page20细胞生物中力学方法的微缩图Page21老鼠大脑中一个神经细胞固定在硅芯片的场效应晶体管线列中。Page22Page23物理学是为工业和技术进行的研究。汽车中的物理学医学中的物理学能源技术中的物理学我们的能源光伏效应----来自太阳的电能高温超导体----使电能没有损失聚变，地球上的受控太阳燃烧半导体技术中的物理学物理学从来没有被认为纯科学或非应用科学，长期以来，强烈的实际应用需求推动着物理学研究，同时物理学也对工业和社会产生了巨大的影响。Page24经济学家指出，大约23%的美国国民生产总值可以归因于物理学中的量子力学引导的科学突破。这个数字可能与德国的差不多。尽管晶体管、计算机、激光和核能不仅基于量子力学，但没有量子力学他们是难以想像的。----德国前总理罗曼·赫尔佐克（RomanHerzog），1995年11月8日在维尔茨堡大学纪念伦琴百年诞辰上的讲话。在物理学和工程科学之间出现工作内容的分工（尤其在过去的几年里），纯物理学研究发现新的效应和方法，这些新发现由研究机构和工业部门的工程师和物理学家进行下一步开发，直到在工业界可以应用。现代工业的发展极大受益于并且愈加依赖于物理学的最新研究成果。工业界确实需要物理学家和物理学。Page25当前工艺固体物理和表面的研究，与计算机和通讯产业非常密切。新的研究成果可能给这些产业带来质量或功能上决定性的改进，并产生相应的效益。哪些物理学领域对未来工业和社会发展至关重要？事实上，较早时期物理学研究的每个领域都为今天的经济效益做出了贡献。因此，社会应当对纯物理学研究给于投入，因为这个投资迟早会得到回报。电动力学的麦克斯韦方程组发表于19世纪最后3年，那时是“纯”理论。由于有了这个科学基础，导致短短几年后无线电报的诞生，并被进一步发展成现代通讯技术。对于液晶的研究，多年来被看做是纯科学。但现在以液晶为基础的液晶显示技术已进入每个家庭。Page26物理学、物理学家和物理学方法不仅与计算机或者通讯产业的最新产品有关，而且与日常消费品，例如汽车有关。物理学能在医学领域开发新的诊断和治疗方法，也必定会对解决急迫的能源问题做出贡献。Page27实例1：通过ESP（电子稳定程序）来保证安全电子稳定系统（ESP)防止拐弯太快时突然变向——当然它一定会受到物理学定律的限制具有ESP汽车的横向动力学Page28yaw用微系统技术制作的yaw速率传感器示意图yaw速率传感器模拟过程的各种因素Page29力学、电动学、流体力学和电子学知识非常严密地联结在yaw速率传感器中Page30注入和燃烧过程被分为多个子过程（上部），所有这些子过程都是目前理论和实验研究的课题。这些课题还不包括相应的测量方法和测量设备（下部）。实例2：高压直接柴油注入技术----高功率输出，低能耗和低污染。Page31燃烧过程模拟Page32在玻璃内燃机进行燃烧过程的测量通过火焰发光强度监测燃烧过程的传播Page33过程测量注入喷射特性，喷射解体液滴速度液滴直径喷射－壁相互作用气化流体－蒸气比液滴温度相对速度汽化速率混合蒸汽分布流场/喘流点火燃料/空气比温度流场残留排放部分点火延迟时间燃烧离析物和产物火焰传播流场温度污染物形成氧化氮碳黑碳氢化合物Page34实例3：医学中的成像技术。医学诊断的成像技术得益于物理学——医生在不开刀的情况下，观察患者体内情况。1895年，伦琴首次公开使用x射线照相，他展示了他夫人的手像。没出几年，x射线技术在医学领域得到空前广泛的应用。大约20年前，x射线层析术能产生人体内部特别包括致密的骨骼结构的三维图像。利用量子力学中核自旋性质，核磁共振成像(MRI，也叫NMR成像)技术能够产生软组织图像。最近几年，利用高温超导体研制的高灵敏度超导量子干涉器件(SQUID)探测器使成像方法得到进一步改进，从而使患者更加舒适。图像分辨率提高，能增加确诊率磁场强度降低，成像时间缩短，减轻了对患者的压力。功能成像也取得了重要进展，不仅在解剖学上，而且在生理学上展现身体有关的详细情况。例如，可用功能MRI显示脑部功能异常。Page35吸进核自旋极化的氦3，使MRI能诊断肺部疾病肺的外部或非呼吸区（黑色区）移植的肺正常区（绿色）患者被损伤的和完全被破坏的肺（红、橙、黄）Page36共振信号可用来示踪氦3原子在整个肺部的扩散途径，并分辨正常的胞状组织和病变组织的差别。能够在l／IO秒时间间隔摄制肺部三维图像，由此可得到肺在呼吸时所发生过程的录像。这个录像可以帮助我们查出肺中的问题和障碍。与空气进入肺中的氧接触后，氦3极化特征会在几秒钟之内消失。精确测定此极化衰变时间，能测定肺部局部含氧量和肺部氧的消耗量。这样，人们首次用空间分辨和非侵人方式诊断肺部主要功能Page37实例4：用激光治病，用重离子加速器治疗癌。用nd:YAG激光器成功治疗长在婴儿脚上的血管瘤Page38实例5:光伏效应----来自太阳的电能光伏效应能把阳光直接转换成电能。如果光子，即光的粒子，被适当的材料吸收，就能在材料里产生或多或少接近自由运动的带正负电荷的载流子。在此过程中，光子将大部分能量转换给这些电荷载体。在光伏型能量转换中，正负电荷被分离，并分别向小同电极运动，从而使两电极带电，并产生电压。此电压在外电路中产生电流，做功。其能量就是从太阳能转换过来的。Page39应该完全清楚地认识到有3个问题影响这个原理的技术实用性。首先，由于材料中有些过程会使带电载流子重新损失掉，必须尽快地将由光激发的电荷转移到电极上。否则，大部分能量会在这些复合过程中转变成不希望有的热能。其次，必须保证，能量转换器能把覆盖宽的太阳光谱的不同能量(能量差别高至8倍)的光子高效转化为电能。同样重要的最后一点，是低成本地生产所需的能量转换器。Page40实例6：高温超导体----使电能没有损失大约15年前，发现30多种金属元素和1000种以上台金和化合物在低于临界温度Tc时转变成超导状态。在此状态下，它们能够传输临界电流密度Jc以下的电流而没有损失，一旦电流密度超过这个Jc值，超导体就恢复为普通导体。那时所有已知超导体的Tc值都低于-250℃或23K。这些超导体目前统称为低温超导体(LTSCs)。1986年，缪勒和柏诺兹(1987年诺贝尔奖得主)发现Ba-La-Cu-O(钡镧铜氧)化合物有超导电性，很快发现许多高温超导体，它们的临界温度在某些情况下比LTSCs高100K。目前，在常压下最高Tc值是由A．sehilling等和朱经武等在Hg-Ba-La-Cu-O化合物中测得的，分别为133K和135K。目前已知在50多种HTSCs中有些Tc值高于液氮的沸点(77K或-196℃)。这就给超导体技术应用提供了新的可能性，因为用液氮冷却比用在LTSCs的液氦冷却便宜1／50～1／100。Page41具有垂直磁铁轨道的超导慈悬浮列车Page42实例7，聚变，地球上的受控太阳燃烧像所有恒星一样，太阳辐射的能量来自于聚变。这种聚变能是在各种氢同位素的轻原子核形成氦的聚变过程中释放出来的。在聚变反应中，根据爱因斯坦方程E=mc2，原子核的一小部分质量转变成聚变产物的动能。这就是太阳能产生1026瓦的巨大辐射功率的原因。将核聚变用于发电，以一种可控的方式使核聚变在地球上生产能量，是一个国际性目标。虽然实现“地面太阳的燃烧”己被证实比上世纪50年代和60年代预想的要困难得多，但是，目前第一个试验堆计划显示，我们较前几年更加接近了聚变发电站的实现。受控核聚变是个长远的目标。一旦这个目标实现，能源就会得到保证，甚至当化石燃料用尽也没问题。这种前景足以证明高度工业化国家为建造第一个聚变发电站所付出的巨大努力是正确的。Page43聚变发电站产生能量的聚变反应示意图Page44国际热核实验堆ITER示意图Page45实例8：纳米世界综合了许多技术制造的高集成度芯片在基底上沉积的碳纳米管的结构Page46纳米电子学有许多通向未来的发展路线Page47工业界：商业和工业是物理学家主要的雇主，超过半数的物理学家在这两个领域工作。过去，他们的基础物理方面的研究成就非常显著。国际知名的公司，诸如贝尔实验室、IBM、西门子,蔡司等等，它们享誉世界，不仅仅依靠产品开发，而且依靠基础研究的成果。它们的雇员获得过诺贝尔奖，编著教科书，在国际会议上用基础研究的前沿课题成果发表专题演讲。在许多情况下，他们自己组织这样的会议。工业界基础研究人员对主要全国性会议的贡献，诸如德国物理学会春季会议，都是非常显著，而且令人感兴趣。对于大学和政府研究机构的物理学家来说，基础物理研究的个人成就不仅是重要的，也接触了工业界的物理学家，联络了潜在的雇主，而且，通常是提高竞争力，强化基础物理研究的一个主要的动力。Page48交叉学科，物理学的前沿和未来的创新技术大规模科学计算，超级计算中心和软件产业。1、在物理学未来的发展中，两个方面可能起着决定性作用。首先，最需要研究的重要问题和研究项目将是关于交叉学科的，而要从事这样的研究，必须具备多领域、多学科的技巧和能力。纳米技术领域的最新发展可以看做各学科之间或交叉学科研究项目的一个很好的例子。对纳米结构的研究和自然科学的3个研究领域有关，物理学家、化学家和生物学家共同努力于理解和制造纳米尺度的物体。只需想想有关富勒烯的研究，用少数的碳原子制成非常有意义的微管，以及大量的生物学上非常重要的大分子，就令人异常激动。Page49物理学家、化学家和分子生物学家各自将其不同的技巧用于纳米结构的实验室制造和分析中。他们或者从一个指定的宏观结构开始