物理学照亮世界-赵凯华

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1、物理学照亮世界 Physics Enlightens the World,2004年6月10日，联合国大会鼓掌通过决议，规定2005年为“世界年”，决议确认：,物理学是认识自然界的基础； 物理学是当今众多技术的发展基石； 物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。,北京大学出版社 2005年9月,目 录 20世纪物理学对科学、技术的影响. 赵凯华 物理学与诺贝尔非物理学奖 秦克诚 刘寄星 地质中的物理学.郑亚东 物理学对医学发展的供献.喀慰波 你知道生物信息学吗？.陈润生 经济物理学一瞥.张建玮 王正行 固体物理学与材料科学.张 酣 物理学家以身许国，驯伏天火壮我神州郑绍唐 物理学与现代产业

2、宋菲君 中华古文物“青铜三宝”神奇效应蕴含的物理学.严燕来 请君莫奏前朝曲，听唱新翻杨柳枝赵凯华,一. 探索自然,物理学探讨物质结构和运动基本规律 研究宇宙间物质存在形式、物质性质、物质运动 规律、物质间相互作用、相互转化，物质内部结 构等的基本规律。 科学的动力 人类的求知欲，对自然的好奇心 。 (1) 宇宙奥秘地球、太阳系、银河系、大爆炸 (2) 物质结构分子、原子、核子、夸克 (3) 物质形态凝聚态、激光、等离子体 (4) 复杂系统混沌、分形、生命、经济、社会,(1) 宇 宙 奥 秘,哥白尼日心说(1543) 伽里略惯性原理和相对性原理(1632) 牛顿三定律和万有引力定律(1665-1

3、685) 海王星的发现(1846)和冥王星的发现(1930),牛顿定律把以前认为截然不同的地面运动规律和天体运动规律概括在一个严密的统一理论中，使人类第一次意识到天体运动是有规律可循的，自然是可以认识的。这是人类历史上从神学思想中解脱出来，树立科学世界观的开端，其历史意义是巨大的。,力学(机械)自然观,物质的粒子性：原子不可分割性、不可入性，不变性。 时空的绝对性：与物质及其运动无关。 机械决定论： 未来由现在完全确定，是可预测的。 还原论： 分析的方法，基本单元的综合决定整体。,力学(机械)自然观统治人类社会300年。力学(机械)自然观是理性的思维方法，至今在经典力学适用范围内发挥着巨大作用

4、。,银河系模型(18世纪-20世纪20年代) 发现河外星系(1924) 哈勃定律(1929): 宇宙在膨胀？ 大爆炸宇宙模型(伽莫夫1948) 微波背景辐射的发现(1965) 标准宇宙模型(20世纪70年代) 发现宇宙加速膨胀的证据(1998) 暗物质？暗能量？,(2) 物 质 结 构,道尔顿原子论(1800) 化学家认识分子、原子，周期表(19世纪) 汤姆森发现电子(1897) 卢瑟福原子的有核模型(1911) 玻尔的量子化原子模型(1913) 量子力学的建立(1925-1926) 中子的发现(1932), 原子核由质子和中子组成 核裂变的发现(1938) 重子的夸克模型(1963-1964

5、)，夸克禁闭 粒子物理标准模型(20世纪60-70年代),Fermi 1942,1942年世界上第一个核反应堆运行成功。由于战争时期保密，不允许拍照，这是一张油画。图中右上方是由三位青年物理学家组成的“敢死队”，他们手握大罐，万一发生意外，随时准备将吸收中子的镉溶液注入反应堆。站在下面的那位科学家正按照费米的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，将链式反应启动。,竖立在芝加哥大学足球场上的纪念碑铜牌上的文字是： “1942年12月2日人类在此完成了第一次 自持的链式反应，开始了受控的核能释放。”,(3) 物 质 形态,(1)凝聚态：20世纪20年代量子力学建立以来半导体晶体管 集成电路 超导体超

6、导磁体 SQUID器件液晶液晶显示 生物膜 表面结构吸附 固体催化 纳米材料量子点 碳纳米管 团簇 (2)激 光： 20世纪50年代末激光通讯 激光加工 激光手术 激光武器光电信息 激光化学 惯性受控聚变 ! ! ! !,(3)等离子体：受控热核聚变 天体等离子体 (4)软物质： 20世纪50年代末聚合物 胶体 电流变液 生物膜 蛋白质,(4) 复杂系统,(1)非线性系统混沌 分形 (2)生 命生物信息学 基因组排序 非编码DNA蛋白质折叠 蛋白质网络耗散结构与自组织行为 (3)经济物理学金融市场股市模型 (4)社会物理学？,M.H.Wilkins R.E.Franklin F.H.Crick

7、 J.D.Watson,J.D.Watson, F.H.Crick, Nature,171(1953),737. M.H.Wilkins,A.R.Stokes, H.R.Wilson, Nature,171(1953), 738. R.E.Franklin, R.G.Gosling, Nature,171(1953),740. J.D.Watson, F .H.Crick, Nature,171(1953),946.,物理学家 化学家 物理学家 生物学家,DNA 双 螺 旋 结 构,二. 驱动技术,(1) 18世纪的工业革命促进了热力学的发展 卡诺定理热机效率问题 热力学第一定律 热力学第二

8、定律 (2) 19世纪的电磁学把人类社会带进电气化时代 法拉第电磁感应定律发电机 电动机 麦克斯韦电磁波理论 赫兹实验无线电 (3) 20世纪30-40年代的核物理把人类社会带进 原子能时代 1938发现核裂变 1942链式反应 1945原子弹 1952氢弹 1954核电站 受控热核聚变研究(ITER) 核磁共振成像 示踪原子 放射性在医学、农业上的大量应用,物理拯救生命 核磁共振（NMR） Nuclear Magnetic Resonance 正常 肿瘤,正电子发射层析术(PET) Positron Emission Tomography 利用发射正电子的示踪原子 测量脑的活动功能，诊断异常

9、。,(4) 20世纪30-50年代的半导体物理学把人类社 会带进信息时代 量子力学建立后20余年，1947第一只晶体管 1962集成电路 规模集成电路 超大规模集成电路 大量使用基础物理研究实验室中发展出来的 新技术：离子注入 激光退火 俄歇电子谱 同步辐射等 (5) 20世纪50年代以来发展起来的激光技术具有 十分广泛的应用,尔后,指数式发展,Moore第一定律,Gordon Moore Intel 公司,激 光 的 应 用,激光切割 激光手术 条码判读,三. 素质教育,今天很难再从研究对象来区分什么是物理学。不管什么问题，当物理学家用物理学的方法去研究它们时，就把它变成了物理学问题。,物理

10、学是一门理论和实验高度结合的精密科学。物理学中有一套最全面最有效的科学方法。,(1) 提出命题命题 从新的观测或实验事实中， 或从实际目的或已有原理中 推演出来。 (2) 推测答案 答案有不同的层次： 唯象物理模型； 用已知原理推测，对现象作定性的解释； 据现有理论作逻辑和数学推演，对现象作定量解释； 新事实与旧理论不符时，提出新假说和原理去说明它； 。,(3) 理论预言 科学的论断， 必须提出能够为实验所证伪(falsify)的预言。 这是真、伪科学的分野。,(4) 实验检验 一切理论都以观测或实验事实为准则。 理论不是惟一的， 一个理论包含的假设愈少、愈简洁， 同时与之符合的事实愈多、愈普

11、遍， 它就愈是一个好的理论。,物理美！,(5) 修改理论当理论与实验事实不符合，或不完全符合时， 它就面临着修改或被推翻。 那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的， 只是部分地被修改，或确定其成立范围。,但是物理学中的许多重大突破和发现，预感、直觉和顿悟往往起很大作用。此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现。 顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人， 平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇。 所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸。,以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化进程。,科学实验的结果，远非尽如人愿。 不管你喜欢不喜欢， 实事求是的作风、

12、老老实实的科学态度是绝对必要的。 失误是任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是 勇于承认错误。伟大科学家坦荡的襟怀，是所有人的楷模。,基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要。根据公开发表的文献人人可以自己判断，独立思考。 在科学的王国里，真理面前人人平等。 这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从。 “实践是检验真理的惟一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决。 实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认。,科学品德,不迷信和屈从权威,自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的。 实验的结果验证了理论，固然可喜；与

13、理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋。 世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的。 四十多年的历史表明， 除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由。高能物理学界把这看作正常现象。 1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后， 曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果。人们反而说：现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事。这便是物理学界极富进取精神的得失观。,进取精神 得失观,因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的。 他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”。

14、理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图像来；实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理。 ,因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不把目光和兴趣局限于本门学科，而要放眼于更广阔的天地。 人们公认，当今最有生命力的是不同学科杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的。,科学的基础,事实证据 理性思维 (逻辑推理),科学的灵感并非神的启示，科学的内涵不简单地等同于我们的经验和感觉。科学的知识来自观察我们周围的世界，并用我们的头脑来理解和指导这样的观察。, 科学的动力人类的求知欲，对自然的好奇心。,兴趣的培养要靠物理学本身的魅力,The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible. A. Einstein, 科学的精神少些功利主义，多些理想主义。,克服浮燥情绪，踏踏实实学习，打好基础。,无论是中学还是大学， 在对学生的 科学素质教育中， 物理课有着 无可替代的作用,