物理的学与教---中国科学院物理研究所曹则贤

1Whatisphysics？－兼谈物理的学与教曹则贤中国科学院物理研究所2010.07.152¾Whatisphysics?Ÿ物理学是人类的创造Ÿ物理学的powerŸHowaphysicistdoeshisjob?ŸHowaphysicistseestheworld?ŸThephysicists¾物理的学与教内容提要3Thisisamarvelousbook.Itposesthequestion,butdoesnotintendstoanswerthequestioninanexplicitway.Rather,itteachesyousomemathematics,andyoumayfindsomecluetotheanswertothisquestionincasethatyoueventuallycanunderstandsomemathematics!-CaoZexian4什么是医学？医学是一门不确定的科学和什么都可能的艺术。什么是物理学？物理学是一种什么都想理解的渴望，或曰野心。在达成理解的基础上，凭借物理学我们创造。－曹则贤，《现代物理知识》22，68（2010）5物理学是怎样的事业？“少年心事当拿云”－唐.李贺《致酒行》Physical：Natural；Physics:PhilosophiererumNatura学科性质：用思想去理解世界，认识世界，创造生活研究对象：Everything(concreteorabstract)空间尺度：从10－15m到整个宇宙，分辨本领0.1Å时间尺度：从BigBang到现在（1017s），分辨本领10－15s化学物理，生物物理，社会物理学…..6natural=ησικαΦ7~2600YearsArchimedes~2300What?When?Where?Whodidit?Why?Andthen?8物理学是人类的创造物理学是人类的创造Thephysicalworldisoverthere,butphysicsisourscreation!世界作用于人，而后人依据其自身的响应构造关于世界的物理。Length:meter身高Time:second眨眼Visiblelight:~390-780nm视力如果牛有上帝的话，那上帝一定长犄角。－Engels9PiezoelectricCeramicandInchworminaScanningTunnelingMicroscopethat“sees”and“moves”atoms.Buthowarethesepossible?物理来自生活inchworm10g/l∝τ物理来自生活11FromOilLamptoQuantumMechanicsMehrLicht!-GoetheKeroseneLamp)/1(/22hvUUhvkUSvvvv+−=∂∂QuantumMechanicsemerges12物理学的power：认知、预测与创造Heliocentrism,Nebula,元素的起源，生命的起源……Dirac’spredictionofpositronPauli’spredictionofneutrinoBoltzmanntrustedatom222222422cpcmEcpcmE+±=+=eepnν++⇒为热力学奠定统计力学的基础131915年，爱因斯坦的广义相对论预言大质量物体附近空间是弯曲的。1919日全食时观测证实！14物理学改善生命的质量RoentgenX-raySpin,NuclearspinNMR,CT15宇宙背景辐射物理学创造光明激光人类的杰作量子力学16ActualizationofdreamofflightWrightBrothers,airplane17物理学改变生活－通讯18物理学改变生活-通讯LabALabB3.14159262.71828E-mailHtml-互联网的出现，社会政治生态全变了！Itkilledtoomanyromances19物理学承诺更好的生活20Howdoesaphysicistdohiswork?21Observation&Interpretation物理学家是怎样工作的!Hehasmadearatheraccurateobservation,andproposedabeautifulandreasonableinterpretation.Heisaquitegoodphysicist,onlythathedoesn’trevealtheuglytruth.22本特利在风箱照相机前加装了一个显微镜，因此才能第一次成功拍到精美的雪花照片。他在1931年出版了具有开创性的书《雪晶(SnowCrystals)》，记录了2500张美丽的带有花边设计的雪花图案。他说：“在显微镜下，我发现雪花美得惊人，如果这种美丽无法看到，不能与人分享，就太可惜了。每片晶体都是一个杰出的设计作品，而且没有一片是重复的。一旦雪花融化，这个设计也就永远消失了。”Recordingtheworld23Interpreting?DeNiveSexangula-Kepler24FraunhoferLinesJosephvonFraunhoferdemonstratedspectroscopyRecordingtheworld25一个小发明就足以影响世界！！Inventionforfunandmore有了它（保鲜膜）就有了卫生的保证，摊主不怕顾客买剩下半个瓜，顾客不在乎别人买剩下的半个瓜，双方都能接受，遂使半个西瓜的买卖风靡京城。－－郑也夫26CERN的大型强子对撞机TheymadetinyaswellasgiantthingsRadioTelescope,绝对温度计27Atrueexperimentalistheoretical!Galileo,Einstein:Gedankenexperiment!Whenappearswhenyourunonabeamoflight?Shouldtwobodiesfallsynchronously?Experiment,Thought&Gedankenexperiment?不带思想的实验不过是对金钱和时间的浪费；不顾及物理现实的理论不过是臆想。如果不满足于仅仅作测量与记录的工作，一个人是不愿意被人贴上experimentalist的标签的，如JohnBellofCERN.真正的实验一定体现思想的闪光，如质能关系的电子湮灭验证实验。而同为验证质能关系的一些测量质量损失与能量释放之间关系的实验则反应了对质能关系的无知。28TheFouriertransformofa64mraddiameterpatchfromasimulatedelectronRonchigramof4nmthickstrontiumtitanate[100].DevelopandapplyaMachinery-say,FourierTransformation量子力学热力学固体物理电动力学CT（衍射）晶体学图像处理统计……..ComputerTomographyRadonTransformation29Analysis-Tomography-Atom-Reductionism?Mesonsppeep,e,nucleismaller,nnucleusnn,p,eatomAtompiecesballglassballglass⇒+γ⇒+⇒+⇒+⇒+−+Reductionismintocul-de-sac30MakingVisible-seetheinvisibledirectlyFBAB×∇=Aφ=i0eAAThisisreal31Spectre--Spectrum,Spectrometry,Spectroscopy32BasicphysicsExploration,ExtensionandmanipulationMaterialization/RealizationApplicationtodoresearch,toservetheSociety.Appliedphysics-aboutmassspectrometriesEmedtdv=),(txE33Discovery:nottomisuse,buttoharnessitforthebenefitofthehumanraceIkata:PressuredwaterNuclearPowerplant2mcE=34存在，在常识之外：地效飞行器35如果在别人为高深的知识，在你不过是常识，oh,lavie,c’estbene.进一步地，如果有一天（一次），你将高深的知识变成了常识，那会是怎样的感觉？有些物理学家们是体验过这种感觉的，强烈羡慕他们。Howaphysicistseestheworld?36反常统计现象:骗子被留在车厢的一端,其他乘客自动挪到车厢另一端.--截自电影疯狂的石头Diffusion&Segregation:thedrivingforcebehind37Pigment,orstructure?2-Dperiodicintwodirections3-Dperiodicinthreedirections1-Dperiodicinonedirectionphotoniccrystal38为什么金刚石感觉最凉？最大热导率！固体量子论，固体比热为什么金属丝导电木材不？导电玻璃、导电塑料！！Regent“SupremePurpleStar”Toanswerquestionsthatconfrontsusdaily,itisnoteasy.39炒货工艺中的科学用导热率高、熔点高的物质将待超的食物如核桃、栗子包裹着，形成均匀的三维热传导体系取代直接同锅接触的二维热传导。表现为对热传导方程之热源项的设计！Theconstructionofoverductsprovidesacheapexampletosolvingthe2DJamproblembyintroducinglocal3Dnetwork.Thisisillustrativeforaclassofproblemsinnaturesuchasconnectionlayingincomputerboardorlayingofveinsinanimalsandplants?Whythestudyofsymmetryofa3Dsolidsonthesurfaceofasphere?Dimension：morethanjustadegreeoffreedom40BubblePhysics从洗涤剂到Kelvinconjecture数学物理化学材料娱乐41Raleigh-BenardMarangoni42流体-气象-混沌－复杂性VortexstreetTheequationsthatgoverntheLorenzoscillator(equationsofconvectionrolls)whereσiscalledthePrandtlnumberandρiscalledtheRayleighnumbner.zxyy)z(x)xy(dtdzdtdydtdxβ−=−−ρ=−σ=43等离子体TemperatureTime?Solid,liquid,gas,plasma,primordialsoup44对称性原理：searchingtheunderlyingprinciple美的理解大原则Law,PrincipleandUniversality45SymmetriesEverywhere46SymmetriesEverywhere47对称性原理：searchingtheunderlyingprincipleEvaristeGalois:AlgebraicequationstoGroupTheorySophusLie:DiscreteGroupstocontinuousGroupsEmmyNoether:SymmetryandconservationlawsFieldTheory,DifferentialGeometr