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物理学与人类文明进步,樊明武,物：我们生存的世界，物质、时间、空间 理：客观规律 知己知彼，了解自然，利用自然，推动人类文明进步,从17世纪开始，物理学一直处于科学研究最活跃的前沿,任何真正的科学，随生产发展、社会进步而产生推动社会进步 元前的耕地，欧氏几何 西方的文艺复兴，资本主义兴起 牛顿力学 工业革命，热力学 麦克斯韦电动力学,古典物理学应用于社会生产和技术取得了非凡的成功人类社会以空前的速度向前发展，物理学起到巨大作用。,蒸汽机、电气化、汽车、电磁波与通讯、航空、火箭技术与航天,20世纪末，古典物理学及其衍生学科做出了一系列重要贡献,1926,实现电视 图象传输,1928,跨大西洋的图 象无线传输,1930,首次提出火箭 发动机专利,1938,基于硒在光照下变成良导体，XEROX公司应用它制成第一台复印机,实现调频广播,1939,1949,用X射线分析青霉素晶体结构,1957,人造卫星上天,1958,B超在医学上应用,1960,载人航天,1967,家用微波炉上市,1969,人类登上月球,无人探测车登上火星,1997,19世纪末物理学面临矛盾,光速与地球运动无关，形成电动力学与牛顿力学的矛盾 电动力学观点：带电粒子构成原子，必然不稳定 原子光谱不仅有连续部分，还有分离的线谱 发现放射性（1896），镭衰变为钋（1898），原子不再是不可破坏的稳定结构,人们在物理学上的努力,1895年, 伦琴发现X射线. (伦琴, W. C. Rontgen, 1845-1923, 德国物理学家, 1901年获首届诺贝尔物理学奖) 1896年, 贝克勒尔发现放射性. (贝克勒尔, H. A. Becquerel, 1852-1908, 法国物理学家, 1903年同居里夫妇 一起 获诺贝尔奖.) 1897年, 汤姆生发现电子. (J. J. Thomson, 1856-1940, 英国物理学家, 1906年获诺贝尔物理奖.),1900,42岁的普朗克（M Planck），为解释黑体辐射谱，提出量子论,1902年, 勒纳德得到光电效应的基本规律, 发现 电子的最大速度与光强无关. (勒纳德, P. Lenard, 1862-1947, 德国物理学家, 1905年因对阴极射线的研究获诺贝尔物理奖),1905,26岁的爱因斯坦，提出狭义相对论，用光量子解释光电效应,相对论和量子力学两大发现从根本上突破了古典物理学局限,1913,玻尔在原子模型中引入量子化条件，电子在原子中运动的轨道必须满足量子化条件，解决了原子稳定性问题和线状光谱现象,爱因斯坦对现代物理的贡献,爱因斯坦诞生于德国乌尔姆，人类历史上继牛顿之后的最伟大的物理学家，现代物理学有三大支柱：,狭义相对论（1905） 广义相对论（1916） 量子论（1900-1925）,两个半属于爱因斯坦的贡献,世界物理年，,世界物理年，相对论100周年 相对论改变了对宇宙的认识，现代物理学基础 1905年，5篇论文，三个内容，百年物理革命 光量子与光电效应 热的分子运动 狭义相对论，E=mc2,两句名言： 当一只甲虫沿弯曲树爬行，我知道它是弯的。 小时迟钝，成年考虑时、空，当然更深。 伟大、深刻，赢得尊敬 真诚、坦白，激起热爱,战后物理学,深入原子内部，探索物资的基本结构、对称性和相互作用力。 相对论和量子力学结合成量子场论、量子电动力学,近代物理的诞生,导致微电子、激光、光纤、微光电子、核动力、核分析、医学图像、纳米等技术的发展,20 世纪以来，物理学理论的发展，在三个层次上把人类对自然界的认识推进到了前所未有的深度和广度。 在微观领域内，已经深入到基本粒子的亚核世界（10-15 厘米），并建立起统一描述电磁、弱、强相互作用的标准模型，还引起了人们测量观、因果观的深刻变革。 在宇观领域内，研究的探针已达到1028 厘米的空间标度和1017 秒的宇宙纪元；广义相对论的理论预言，在巨大的时空尺度上得到了证实，引起了人们时空观、宇宙观的深刻变革。 在宏观领域内，关于物质存在状态和运动形式的多样性、复杂性的探索，也取得了突破性的进展。,在实践方面 现代物理学的发展导致了原子能的释放和应用，导致了半导体、光通讯等新兴工业的崛起，为激光技术、新材料研制、新能源开发开辟了新的技术途径，并推动了计算机革命的进展。 现代物理学在推动能源科学、空间科学、材料科学、信息科学、环境科学、海洋科学的发展中起到了关键性的作用，成为20 世纪下半叶以来蓬勃发展的现代科学技术革命的重要科学基础。 现代物理学以新兴高技术群为中介向生产力的转化，极大地改变了人类的生产方式和生活方式，成为推动现代社会发展的重要杠杆。,二十世纪的科学 发展特点 基础研究推动前所未有的技术成果出现，即高科技成果，如： 通讯、网络、电脑、交通等 改善生活质量， 提高健康水平,2000年美国工程院认为 20世纪20次最伟大工程,电气化、汽车、飞机、自来水系统、微电子 无线电广播和电视、农业机械化、计算机、电话、空调和冰箱 高速公路、卫星、因特网、摄影、家用电器 医疗技术、石油和石油化工、激光和光纤、核技术、高性能材料 它们直接或间接与物理学的发展有关,50 年代以来，物理学发展庞大的学科群 高能物理（粒子物理） 原子核物理 等离子体物理 凝聚态物理 原子分子物理 光物理 声学 计算物理 理论物理 其他分支学科,物理学内部各个分支学科的渗透和交叉，物理学和化学、生物学、材料科学、天文学等其他学科的渗透和交叉，又产生了许多新的、富有生命力的边缘学科，形成了众多极有发展前途的科学前沿。,在科学技术发展的推动下，物理学将加速地发展和分化，增强各个分支之间的交叉和非线性作用，导致更为广泛和深刻的综合。 物理学作为精密科学，探索视野广阔、研究层次的广谱、理论适用广泛，仍将发挥其中心科学和基础科学的作用。 将不断地推出新思想、新原理和新方法。 孕育出功能奇特、威力巨大的新技术，成为新技术和新兴产业部门的源泉和生长点。,高能物理的研究，向着更小尺度、更快时间、更强的相互作用、结构更为复杂的体系过渡。粒子物理学中的“标准模型”理论，被认为是迄今为止最有效的一个唯象理论，但是这个理论仍然存在着许多基本的疑难问题有待解决。粒子质量的来源，夸克和轻子更深层次的特征标度，标准模型更深层次上的基本规律等，都是今后主要的研究领域。寻找超出标准模型的新理论，是高能物理探索的一个重要任务。,核物理随着核探针能量和种类的增加，核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得新成果。对非核子（特别是夸克）自由度、更高能量自由度、质子-中子比自由度、角动量自由度的研究，将是今后的一个重要方向。特别是80 年代末出现的放射性核束，使核反应探针在核素图上从稳定核素发展到不稳定核素。远离稳定线的新核素，特别是滴线核以及超重核、奇特核的合成和研究，将会对原子核物理学的发展起到积极的推动作用。,凝聚态物理研究复杂多体系统，是物理学研究中最活跃领域。正在对其他学科产生了重大影响；诱发的高新技术进展，对人类生活产生影响。高性能的新材料、超导、磁、表面物理、固态发光物理、液态物理、生命现象中的物理问题、极端条件下的物理等研究。,等离子体物理认识宇宙、控制地球环境变化、以及最终解决能源问题的基础和保证。很多新技术与新应用的发展途径：热核聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体和技术与高技术等离子体的研究。,原子分子物理是微观世界的第一个层次，其发展直接或间接地推动了电子学和电子产业、光电子学和激光产业的诞生和发展，还形成了量子化学、分子反应动力学、分子生物学和分子天文学等一批交叉学科。原子分子激发态结构和动力学理论的研究最活跃的领域。这一学科的发展，推动科学技术发展、社会进步，提高国防能力。,光物理学激光问世以来的三十多年里，光学的面貌发生了深刻的变化。激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学、量子光学等学科正日趋成熟。孕育着光子学、超快光谱学和原子光学等新的分支学科。对生命科学、生物学、激光化学等领域的突破，以及光学、光电子、光通讯等高技术产业的发展，起到关键性的先导与推动作用。,引力物理广义相对论是对引力的最成功的描述，不仅把物理几何与非欧几何相联系，而且把时空结构与物质运动彻底结合起来，揭示了时间与空间的实在性，形成了时空与物质的完整性理论。  广义相对论的实验检验 落后于理论成果。,近二十多年来，射电和雷达天文学的技术进步，精确跟踪太阳系飞船能力，检验引力理论的技术的提高。引力波的存在，60 年代得到理论上的肯定；对脉冲双星PSR1913+16 运动的长期观测，已为人们提供了印象深刻的引力波存在的证据。人们期望，在最近十年二十年内，引力波可能被探测到。,以广义相对论为基础的大爆炸宇宙模型，已经得到越来越多的观测上的支持，但存在着基本的困难。近年提出的暴胀宇宙学方案，不仅能在奇点问题、平直性问题、视界问题与唯一性等问题上克服大爆炸理论的困难，而且还由于它涉及到普朗克尺度的极早期宇宙图景，一个全新的量子引力理论将由此诞生，而且人们所期望的四种基本相互作用的大统一，也将有可能在这一阶段相关的能量标度上变得明显。对极早期暴胀宇宙的量子引力理论的研究，受到世人瞩目。,非线性动力学、非平衡统计和热力学、不稳定性（如湍流）、混沌等研究领域，过去二三十年的探索已经提出了许多问题。在未来的几十年里，为寻求这些问题的答案所作的努力，一定会伴随着更多奇特的新现象的发现。,物理学在其他学科中的应用,50年代，X射线用于生物大分子结构分析，发现DNA双螺旋结构 核放射分析技术，成功应用于生物学研究 CT、MRI、PET、基因芯片、激光、超声、微波广泛用于医疗和生物研究 中子衍射确定原子核位置和运动，探测物体内应力分布，判定物资结构 同步辐射光源研究材料性能、结构、化学反应过程、生物细胞活动 超导器件用于地质探矿、研究生物体磁性变化,物理科学的诞生和发展，几乎与人类认识自然和利用自然的历史共久远；未来物理学的发展，仍将与人类文明的进步共生同行，,以研究物质结构和运动在各个层次上的基本规律，提出新概念、建立新理论为目标的物理学理论研究，将始终处于整个自然科学发展的前沿。,中国是世界上文明发达最早的国家之一，对人类文明和科学的发展作出过巨大的贡献。在物理学领域内，中国也曾以丰富的成果领先于世界一千多年。但是近代自然科学却没有出现在这个历史悠久的国度，中国现代自然科学仍然处在落后的地位。这一迟滞现象自有其深刻的社会根源、历史根源和认识根源。,‘学好数理化，走遍天下都不怕’已成过去？ 其他世界更精彩？ 缺乏原始创新，物理灵感？ 大量进口工程软件，物理基础？ 设计不了独立产权产品，物理思路、构想？ 用软件，不明白物理意义？,爱因斯坦给我们的启迪： 环境的艰难，默默忍受，在逆境中前进。 追求真理，永不停息。 把科学变成人类共同拥有的财富。,物理学发展的动力：,外部：社会经济需求的牵引 内部：为人类强烈追求对宇宙和物质结构的运动认识推动 两种动力都不会停止推动物理学发展,人们对物理学的提问：,质量如何产生？ 最基本的物资形态？暗物资？ 真空的结构和对称性？ 量子力学是最终的理论吗？ 宇宙和时空如何起源？是否存在多个宇宙？ 宇宙的结构和发展命运是唯一决定的吗？,看看外面的物理世界,,LEP 27 公里, 200GeV正负电子对撞机 探索轻子：电子、夸克、…,物理也是一把双刃剑,39年，爱因斯坦上书罗斯福，研制原子弹 41年，罗批准 43年，成立‘原子弹研究所’ 45年7月16日，新墨西哥，阿拉莫可德沙漠试爆,广岛一九四五年八月六日,‘伊诺拉 盖伊’飞机，‘小男孩’，4082公斤，长3.05米，径0.711米，10公斤铀235，1.25万吨TNT，死7.1万，伤6.8万，12平方公里，5万建筑,长崎一九四五年八月九日,伏雷德 奥列维 ‘博克之车’ 计划小仓 ‘胖子’ 3,35*1.52米 60公斤钚-239 2.2万吨TNT 死3.5万,伤6.0万,4.7平方公里 19587建筑,6天后,8月15日,日本投降,1949.8,1949.8 苏联 1952.10 英国 1960.2 法国 1974.5 印度,,,,1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功,1967年6月17日，我国第一颗氢弹实验成功,世界原子弹储量（法费加罗报）,全世界 5.2万 美、俄 各2.5万 法 500 英 250 以色列 150 核弹头： 俄 10580，美7900,我国研制的核潜艇,秦山核电站,大亚湾核电站,1979年3月28日，美‘Three Mile Island’，2号反应堆，机械设备故障，加上操作失误，燃料元件失去冷却，堆心部分熔化，放射性物质泄漏至安全壳，居民撤离电厂所在地。,事故,,前苏联基辅北130公里，切尔诺贝利，4号反应堆发生爆炸，引发大火，放射性物质大量泄漏，2.6亿居里，31人死亡，203人受伤，13.5万人疏散。周围7公里树木逐渐死亡，10公里不能耕作，10年内100公里禁止生产牛奶。,,1945年后最大的核灾难。 2003年，俄‘国际文传电讯社’报道：250万人患病，其中47.3万儿童。,关西核点站蒸汽泄漏，造成伤亡,正电子断层照相,核医学示踪技术从分子水平认识疾病,,病变组织受体密度与功能变化 细胞信息传递 生命现象本质,21世纪的物理学与相关技术发展动态,物理前沿：,宇宙与物质结构，生命起源。 中微子振荡及中微子其他特性研究 宇宙背景辐射研究 激光点阵导致量子相变 光子晶体自组装：探求光学线路代替电子线路 量子信息处理 ５夸克粒子,科技发展趋势,信息技术依然发挥主导作用 生命科学和生物技术会有突破 物质科学的新生机 新材料，人类文明的基石 资源的合理利用和环境保护 能源 空间和海洋科技 数学在科学、工程、社会的作用 学科交叉、科技与经济、教育、文化联系 社会组织、管理结构变革 科学技术改变国家安全格局,战争已进入数字化、信息化 核心：制信息权、制空权 关键：精确打击、光电、隐形、新慨念武器 对抗由军事威胁、经济制裁转向科技抑制 国家安全不仅是国防安全，还有信息安全、经济安全、资源安全、生态安全、国民健康安全等等。 科学技术是一把双刃剑，为人类带来幸福和发展机遇的同时，也带来新的挑战。,科学要对人类和自然负责，科学技术的承诺：创造物资财富，改善生存环境，提高生活健康质量，推进社会文明进步。,谢 谢！,