物理学最新动态与发展趋势

物理学最新动态与发展趋势 日常教学工作非常忙碌，很少有时间去探讨、了解与中学教学直接关联的物理问题。本次参加全国物理教师国培活动，有幸认识了当今物理学界的物理大家、泰山北斗，使我们知道了作为中学物理教师搞好常规教学的同时，还需要了解新的教学理念和教学方法，尤其要知道物理学的最新动态、最新发展趋势。这样才能更好的驰骋讲坛，站的高、望的远，才有可能为祖国培养一流的人才。学习之余，我们通过研讨、读书、上网，了解到当今科学研究中三个突出的基本问题：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持；所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 物理学发展的前沿领域有： 一、能物理和核物理的前沿领域 A.高能物理：高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力、它们是由什么构成和如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。由于高能加速器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进化也有深刻的影响。其前沿领域有： (1)发展“标准模型” 已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强子与轻子二类。强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。迄今我们对粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由更基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ），　（υμ,μ），（υτ,τ）和三代夸克(u，d),(c，s),(t，b)。电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学（QCD）描述。这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子引起的。虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合。“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。仍存在很多基本问题有待解决。例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。这样的模型显然不能成为高能物理的基本理论。因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向基本理论的发展，是今后重要的研究领域。 （2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究 这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：中微子质量比几个电子伏特还小，而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。希格斯粒子被引入标准模型以产生规范对称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。所有这些都是有待解决的研究前沿问题。 （3）新粒子和更深层次的粒子 实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。也没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代，新的代意味着新的种类的粒子，每一种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。不计反粒子，目前构成物质结构的最小基本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。虽然直至10-17厘米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，但是面对这个不小的粒子数目，已经提出研究它们与希格斯粒子是否有结构并由更深层次粒子组成的问题。 （4）粒子相互作用力的深入了解 在粒子领域中对电磁力与弱力了解得较好，已经建立起一个统一的图像。对强作用力的了解次之，QCD至今未遇到严重的挑战，虽然人们对它的求解并不满意。建立这三种力的统一图像是很吸引人的，它将继续是今后研究的方向。至今引力在粒子的相互作用中可以忽略。但是在很高的能量下，引力将变得重要。它能否纳入目前量子场论的框架与能否和其他三种力有一个统一的图像，都是有待研究的重要问题。 （5）发展更高能量的基于及非基于加速器的实验装置 高能加速器是近年来发展粒子物理的最重要的实验装置，但随着能量的提高，目前建造费用已增加到非一个国家所能负担的程度，必须衡量发展本国科技的轻重缓急并走国际合作的道路。随着技术与探测手段的发展，在一些非基于加速器的装置上，如地下及高山的宇宙线实验装置、质子衰变探测器等，也做出重要的工作。总之，更高能量、更高精度与更高性能这三方面是今后实验设备的努力方向。 B．核物理 作为自然科学基础性研究最重要的基础分支学科之一，原子核物理学研究在近年来继续获得极为迅速的发展。随着加速器技术和核探测技术的巨大进步，原子核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得令人瞩目的成果，充分显示出原子核物理学科研究的活力和重要意义。前沿领域： (1)核子（特别是夸克）自由度 对原子核研究的深入研究表明，把核看成只是核子组成的系统是不够的，随着实验的进展，介子、共振态等非核子自由度相继被揭示出来。近处高能物理的进展显示，所有这些粒子都是由夸克与胶子构成的，它们的相互作用遵从量子色动力学（QCD）。这个图像的引入，对核物理的发展产生了强大的推动作用。非核子——特别是夸克自由度的研究将是今后的一个重要方向。其实验进展取决于优良性能的加速器与探测器，如各种介子工厂与高占空比的高能强流电子加速器等。 (2)能量（或温度，或密度）自由度 近十多年来中、高能重离子加速器的建造，使原子核物理研究从低入射能和低激发能条件下进行的核反应机制和核结构的研究，扩展到更高入射能（所谓中、高能乃至相对论能区）、更高激发能、更高核温度区域。随着能量、温度和密度的增高，高温核的形成和衰变，原子核巨共振，液汽相变，介质效应等研究获得了出色成果。对核物质状态方程的研究在理论和实验上通过对多重碎裂、 集体流、阈下介子发射等方面的研究取得了初步进展。更高能量的重离子对撞机将有可能提供足够高的温度与密度以研究极端状态下核的状态方程，特别是探索夸克理论预言的新的物质形态：夸克-胶子等离子体（QGP）。原子核物理沿能量自由度的研究正孕育着新的突破。 (3)质子-中子比自由度——远离稳定线核素合成和研究 对远离稳定线的丰中子核或丰质子核（原子核的质子-中子比处于极端条件下）的研究，发现一些全新的物理现象，如新的壳模型幻数、新的衰变方式（与极大的QB值相联系的β缓发1-4个中子，β缓发1-4个质子，β缓发α粒子和β缓发裂变，以及直接质子或重离子发射等），核形状、大小、电磁矩的变化，新的形变区等。这些研究不但对检验和发展原子核理论模型、而且对天体物理的研究起重要作用。近年来，轻质量极丰中子核11^Li中子晕及之相联系的新集体运动模式的发现和研究，丰中子核中中子皮和丰质子核中质子皮的研究，极丰中子核10^He的观测，Z=N双幻核100^Sn的合成以及与天体物理学密切相关的一批远离核的研究被认为是原子核物理在质子-中子比自由度上取得的最重要的进展。理论上预期有大约8000种核素，迄今只发现了约2700种，其中约2200种为远离稳定线的核素。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，是今后重要的发展方向。实验在上要求强的次级放射性核束流。 (4)角动量自由度 重离子与重元素的核反应可以形成很高角动量的复合核，这是近十多年来获得迅速发展的一个领域。对原子核高自旋超形变转动带的发现和研究，特别是高自旋超形变带的布居机制，组态结构，转动惯量、退激方式和电磁跃迁性质等研究是核结构领域最为重要的成就。对关联，中子质子相互作用的研究，超形变核结构的研究等，是高自旋核结构研究前沿，具有重要意义。 (5)高精密度的核物理实验 高能物理学和一些基本性问题也反映在核物理中，如标准模型、中微子质量、轻子数守恒、核内的宇称破坏等方面的研究。这些研究都要求进行极高精度的核物理实验，虽然这些实验有时看起来是“传统性”的，如核衰变谱。在这方面的研究也反映了核物理与高能物理、天体物理等学科的交叉和相互促进。 二、 凝聚态物理的前沿领域 凝聚态物理研究由大量原子、分子以相当强的相互作用凝聚结合而形成的固体、液体、液晶形态的物质的物理性质与运动规律，所研究的对象可以是金属、半导体、超导体、超液体、准晶体、电介质、 磁性物质等等，是物理学中内容最丰富，应用最广泛的一门分支学科，也是当今物理学最活跃的领域。凝聚态物理在本世纪取得了巨大的成功，发展迅速。从诺贝尔物理奖的情况看，从1948-1967年的20次奖中，凝聚态物理方面的奖只有两次，而从1968年至1987年的20次奖中，凝聚态物理方面得奖有8.5次，占了三分之一强。凝聚态物理与高新技术产业的联系十分密切。如果没有由肖克莱(Shockley,W.)，巴丁(Bardeen)和布喇顿(Brattain, W. H.)发现的晶体管效应，就没有当代的微电子工业和计算机产业。而由巴丁，库珀（Cooper,l.N.）和旋里费（Schriger）建立的超导理论和高温氧化物超导体的发现都有具有划时代的意义。 凝聚态物理的特点是：最富有创新性，研究内容极其广泛；基础研究与应用研究的界限越来越难以划分；研究前沿发展很快，此起彼伏，它将更使人感到眼花缭乱。它的发展的大趋势是将不断地开拓出新的领域，制备出新的材料、发现令人意想不到的新现象。在物理学和化学以及生物学和化学以及生物学的结合和交叉方面，毫无疑问，凝聚态物理将起到先导的作用。凝聚态物理的前沿领域中主要包括：超导电性物理、晶体学（新型功能晶体和晶体结构分析）、磁学、表面物理（表面和界面物理及材料）、固态发光物理、液态物理、生命科学中的物理问题、极端条件下物理等研究领域。其中，低维（二维、一维和零维体系）凝聚态物理：人工超结构中的物理问题、纳米材料和纳米体系物理、低维半导体量子系统和介观系统物理、低维系统的磁性等，反应了体系中受限电子态和相干电子态的性质，它具有与三维体系不同的行为。特别是，当电子波函数的相干波长与体系的特征波长可比时更表现出全新的物理效应和规律。这是凝聚态物理的重要发展前沿之一。凝聚态物理的另一重要发展前沿是以发现新的有序相和有序相的寻对称破缺以及这些新相所具有的新的物理性能为主要目标的研究：高温超导电性和超导物理研究、新功能晶体材料的探索和材料设计专家系统的研究、稀土——过渡族化合物磁性、表面物理（原子水平的界面生长，界面反应及界成材料）等是主要的研究内容，这也是凝聚态物理中最具有活力的领域。 液态物理，特别是复杂液体物理在揭示液体微观结构与性质的关系，固-液转变和固-液界面反应的机理上有重大的发展前景。极端条件下（极低温、强磁场、超高压）物理也会得到迅速的发展。 在高温超导电性分支学科领域内，目前氧化物高温体的超导机制不清楚，迄今仍无任何定论，这无疑是对现在已有的固体理论的严重挑战。高温超导机制的问题不仅涉及到固体理论的最基本的框架，而且可能在对复杂多体系统的最基本的物理图像认识上产生根本的影响；另外，室温超导体仍然没有发现，而发现室温超导体一直是人类多年的追求；在高温超导体中所包含的丰富的、特有的物理现象如磁通点阵动力学和磁通钉扎等问题也是极待解决的。在高温超导体实用化中的物理问题上，国内外都做出了高水平超导薄膜，得到高Tc薄膜的临界电流密度jc超过去1010安/米2，用这些优质薄膜做成弱电器件，如SQUID、各种微波探测器、参量放大器、红外探测器等等已无问题。在强电应用中，目前，能获得的线材jc一般在10^8安/米2^量级，离实用还差一到两个量级，这不仅是工艺问题，还涉及到许多基础研究内容。例如，jc和钉扎机制就是一个待解决的问题，因此，寻找室温超导体、超导机制的研究、jc和钉扎的研究，弱电器件实用化的研究是今后若干年发展的趋势。 在晶体学分支学科领域中，晶体学研究的成果将继续为各种材料和器件的发展奠定基础，以至开拓出新的技术和工业，导致重要的技术革新和突破。例如无位错硅单晶生长技术的突破，给半导体器件的大发展奠定了基础，形成目前超大规模集成技术。随着大量晶体应用于高技术领域以及结构分析方法和理论的发展，给晶体学赋予新的内容，提出新的课题。 向各高技术领域和产业部门提供各种优异性能的晶体是晶体生长的主要任务，一方面对已经比较成熟的非线性光学晶体、光折变晶体、激光基质晶体等应做好应用开发研究；另一方面，探索具有应用价值的新型功能晶体，以及研究具有特殊性质的单晶材料的晶体生长方法和技术，从而为高技术领域提供高质量的单晶体。晶体结构分析是研究凝聚态物质的结构与性质关系的重要手段，是晶体学研究的另一个重要领域。随着晶体品种的俱增和晶体结构分析技术的快速发展，晶体结构的研究已从简单结构到复杂结构，从三维材料到低维材料，从宏观尺度到原子级尺度。从头计算法(Ab initio)多晶材料晶体结构分析方法是一个长期被关注的研究内容。人工结构低维材料(包括半导体材料、磁性材料和超导材料等)给予晶体结构分析从三维结构到低维结构新的内容。 低维半导体量子系统和介观系统物理是近年来在微电子技术，低维物理学等基础上发展起来的新兴学科。在介观体系中（量子阱、量子线、量子点列阵组成的纳米结构）电子波函数的相干长度与体系的特征尺寸相当。这时电子不再能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。它导致了在实验上观察到的普适电导涨落、非局域性电导、量子点接触中的弹道输运、阿哈阿诺夫-博姆(Aharanov-Bohm)振荡、相干集束、电子运动路经的弯折和聚焦和四端结构的负阻等量子效应。上述种种物理特性说明介观系统物理的研究已突破了经典固体物理学中有关输运过程的若干观念和规律。它可以在正常态金属和半导体中实现了宏观量子效应，使得人们必须重新研究这一体系中的物理过程。 介观系统中新表现出的独有的量子效应指出了以传统的观念、原理为基础的大规模或超大规模集成电路进一步微细化的物理极限。同时，在介观系统中新出现的量子效应，可能成为新一代技术的生长点。 目前介观系统物理的内容已超出原来单一的量子输运、光电性质的范围。材料的范围也涉及到半导体、金属、超导体、铁电体、铁磁体、氧化物陶瓷。作为联结宏观世界与微观世界的过渡区域，在许多领域中都已形成新学科和新技术的生长点，如：微腔物理，介孔和量子液体中的传输、凝固、相变，纳米工程中的力学问题，纳米生物学中的物理问题等等。 磁性研究在凝聚态物理发展中起着关键作用。一方面，对凝聚态物质电磁性质的认识历来是个根本问题，各种磁性经典及量子系统的研究推动了统计物理的进展及现代相变理论的建立。作为高温超导机制出发点的强关联电子系统、重费米子系统等无不得益于磁性物理学。另一方面，对铁磁、反铁磁、亚铁磁等基本磁性的研究，导致大量新型应用磁性材料的诞生，如铁氧体、非晶态磁性玻璃、永磁材料——钕铁硼等。近20年来，国际上凝聚态物理学诺贝尔奖得主中，法国奈尔、英国莫特、美国范弗列克、安特森、威尔逊等的研究工作都直接涉及磁性物理学领域。 高温超导的发现加强了超导性、磁性两学科的特殊关系。除了量子反铁磁体、强关联电子系统等基础问题外，还出现了含磁性元素的具有较高临界温度的超导体。对于凝聚态物理基础研究有很大冲击。1