跨世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)

跨世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)　　20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，目睹了人類分裂原子、拼接基因、克隆動(dòng)物、開通信息高速公路、納米加工和探索太空。很難設(shè)想，若沒有科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，沒有原子能、沒有計(jì)算機(jī)、沒有半導(dǎo)體，現(xiàn)代生活將是什么樣子。與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一樣，物理學(xué)也經(jīng)歷了極其深刻的革命。可以說，物理學(xué)每時(shí)每刻都在不停的發(fā)展，其活躍的前沿領(lǐng)域很多，是最有生命力、成果最多的學(xué)科之一。
　　　　　　一、21世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域
　　蒸蒸日上的凝聚態(tài)物理學(xué)
　　自從80年代中期發(fā)現(xiàn)了所謂高臨界溫度超導(dǎo)體以來，世界上對(duì)這種應(yīng)用潛力很大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時(shí)斷時(shí)續(xù)。這種新材料能在液氮溫區(qū)下傳導(dǎo)電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導(dǎo)材料的研究仍是今后凝聚態(tài)物理學(xué)中活躍的領(lǐng)域之一。目前，許多國(guó)家的科學(xué)工作者仍在爭(zhēng)分奪秒，繼續(xù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，向更高溫區(qū)，甚至室溫溫區(qū)超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用努力�？梢灶A(yù)計(jì)，這個(gè)勢(shì)頭今后也不會(huì)減弱，此外，高臨界溫度的超導(dǎo)材料的機(jī)械性能、韌性強(qiáng)度和加工成材工藝也需進(jìn)一步提高和解決。科學(xué)家們預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初，這些技術(shù)問題可以得到解決并將有廣泛的應(yīng)用前景，有可能會(huì)引起一場(chǎng)新的工業(yè)革命。超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等將會(huì)面向市場(chǎng)，屆時(shí)，世界超導(dǎo)材料市場(chǎng)可望達(dá)到2000億美元。
　　由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的微電子、光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀(jì)70年代末，在短短不到30年的時(shí)間內(nèi)，已逐步揭示出其微觀機(jī)制和物理圖像。目前已利用半導(dǎo)體超晶格材料研制成許多新器件，它可以在原子尺度上對(duì)半導(dǎo)體的組分摻雜進(jìn)行人工“設(shè)計(jì)”，從而可以研究一般半導(dǎo)體中根本不存在的物理現(xiàn)象，并將固態(tài)電子器件的應(yīng)用推向一個(gè)新階段。但目前對(duì)于其他類型的超晶格材料的制備尚需做進(jìn)一步的努力。一些科學(xué)家預(yù)測(cè)，下一代的電子器件可能會(huì)被微結(jié)構(gòu)器件替代，從而可能會(huì)帶來一場(chǎng)電子工業(yè)的革命。微結(jié)構(gòu)物理的研究還有許多新的物理現(xiàn)象有待于揭示。21世紀(jì)可能會(huì)碩果累累，它的前景不可低估。
　　近年來，兩種與磁阻有關(guān)的引起人們強(qiáng)烈興趣的現(xiàn)象就是所謂的巨磁阻和超巨磁阻現(xiàn)象。一般磁阻是物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生輕微的變化，而巨磁和超巨磁可以是幾倍或數(shù)千倍的變化。超巨磁現(xiàn)象中令人吃驚的是，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中某些絕緣體會(huì)突變?yōu)閷?dǎo)體，這種原因尚不清楚，就像高臨界溫度超導(dǎo)材料超導(dǎo)性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的主要障礙是強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫的要求，預(yù)計(jì)下世紀(jì)初在這方面會(huì)有很大的進(jìn)展，并會(huì)有誘人的應(yīng)用前景。
　　可以預(yù)計(jì)，新材料的發(fā)展是21世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)研究重要的發(fā)展方向之一。新材料的發(fā)展趨勢(shì)是：復(fù)合化、功能特殊化、性能極限化和結(jié)構(gòu)微觀化。如，成分密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時(shí)間條件而變化的智能材料；變形速度快的壓電材料以及精細(xì)陶瓷材料等都將成為下世紀(jì)重要的新材料。材料專家預(yù)計(jì)，21  世紀(jì)新材料品種可能突破100萬(wàn)種。
　　　　等離子體物理與核聚變
　　海水中含有大量的氫和它的同位素氘和氚。氘既重氫，氧化氘就是重水，每一噸海水中含有140克重水。  如果我們將地球海水中所有的氘核能都釋放出來，那么它所產(chǎn)生的能量足以提供人類使用數(shù)百億年。但氘和氚的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，這個(gè)過程稱為熱核反應(yīng)，也叫核聚變。
　　核聚變反應(yīng)的溫度大約需要幾億度，在這樣高的溫度上，氘氚混合燃料形成高溫等離子體態(tài)，所以等離子體物理是核聚變反應(yīng)的理論基礎(chǔ)。1986年美國(guó)普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績(jī)，  他們?cè)赥FTR實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的超起動(dòng)放電達(dá)到20千電子伏，  遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“點(diǎn)火”要求。1991年11月在英國(guó)卡拉姆的JET  實(shí)驗(yàn)裝置上首次成功地進(jìn)行了氘氚等離子體聚變?cè)囼?yàn)。在圓形圈內(nèi)，2億度的溫度下，  氘氚氣體相遇爆炸成功，產(chǎn)生了200千瓦的能量，雖然只維持了1.3秒，但這為人類探索新能源——核聚變能的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步。這是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚變反應(yīng)距實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離，技術(shù)上尚有許多難題需要解決，如怎樣將等離子加熱到如此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，否則等離子體要降溫，容器也會(huì)被燒環(huán)，這就是如何約束問題。21世紀(jì)初有可能在該領(lǐng)域的研究工作中有所突破。
　　　　納米技術(shù)向我們走來
　　所謂納米技術(shù)就是在10[-9]米（即十億分之一米）水平上，研究應(yīng)用原子和分子現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。納米技術(shù)的發(fā)展使人們有可能在原子分子量級(jí)上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工，制造出各種東西，使人類開始進(jìn)入一個(gè)可以在納米尺度范圍，人為設(shè)計(jì)、加工和制造新材料、新器件的時(shí)代。粗略的分，納米技術(shù)可分為納米物理、納米化學(xué)、納米生物、納米電子、納米材料、納米機(jī)械和加工等幾方面。
　　納米材料具有常規(guī)材料所不具備的反常特性，如它的硬度、強(qiáng)度，韌性和導(dǎo)電性等都非常高，被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。美國(guó)一研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為：任何經(jīng)營(yíng)材料的企業(yè)，如果現(xiàn)在還不采取措施研究納米材料的開發(fā)，今后勢(shì)必會(huì)處于競(jìng)爭(zhēng)的劣勢(shì)。
　　納米電子是納米技術(shù)與電子學(xué)的交叉形成的一門新技術(shù)。它是以研究納米級(jí)芯片、器件、超高密度信息存儲(chǔ)為主要內(nèi)容的一門新技術(shù)。例如，目前超高密度信息存儲(chǔ)的最高存儲(chǔ)密度為10[12]畢特／平方厘米，其信息儲(chǔ)存量為常規(guī)光盤的10[6]倍。
　　納米機(jī)械和加工，也稱為分子機(jī)器，它可以不用部件制造幾乎無任何縫隙的物體，它每秒能完成幾十億次操作，可以做人類想做的任何事情，可以制造出人類想得到的任何產(chǎn)品。目前采用分子機(jī)器加工已研制出世界上最小的（米粒大�。┱羝麢C(jī)、微型汽車、微型發(fā)電機(jī)、微型馬達(dá)、微型機(jī)器人和微型手術(shù)刀。微型機(jī)器人可進(jìn)入血管清理血管壁上的沉積脂肪，殺死癌細(xì)胞，修復(fù)損壞的組織和基因。微型手術(shù)刀只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，可以不用開胸破腹就能完成手術(shù)。21世紀(jì)的生物分子機(jī)器將會(huì)出現(xiàn)可放在人腦中的納米計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，并且有自身復(fù)制的能力。人類還有可能制造出新的智能生命和實(shí)現(xiàn)物種再構(gòu)。
　　　　“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)
　　“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)非�；钴S的領(lǐng)域。天體物理和宇宙物理學(xué)就屬于“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對(duì)太陽(yáng)系的研究，逐步發(fā)展到銀河系，直到對(duì)整個(gè)宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀(jì)后半葉自然科學(xué)中四大成就之一是當(dāng)之無愧的。利用該模型已經(jīng)成功地解釋宇宙觀測(cè)的最新結(jié)果。如宇宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結(jié)果�？梢哉f具有暴脹機(jī)制的熱大爆炸宇宙模型已為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了一定的基礎(chǔ)。但是到目前為止，關(guān)于宇宙的起源問題仍沒有得到解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實(shí)上想一次就能得到一個(gè)十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進(jìn)一步的努力和探索。
　　“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)還有兩個(gè)比較重要的問題是“類星體”和“暗物質(zhì)”。“類星體”是1961年發(fā)現(xiàn)的，一個(gè)類星體發(fā)出的光相當(dāng)于幾千個(gè)星云，而每個(gè)星云相當(dāng)于1萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)所發(fā)出的光，  所以對(duì)類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，  科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個(gè)編號(hào)為3C271的類星體，一天之內(nèi)它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世紀(jì)去解決�！鞍滴镔|(zhì)”是一種具有引力，看不見，什么光也不發(fā)射的物質(zhì)。宇宙中百分之九十以上的物質(zhì)是所謂的“暗物質(zhì)”，這種“暗物質(zhì)”到底是什么？我們至今仍不清楚，也有待于下世紀(jì)去解決。
　　原子核物理和粒子物理學(xué)則屬于“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對(duì)原子和原子核的研究，逐步發(fā)展到對(duì)粒子的研究。粒子主要包括強(qiáng)子（中子、質(zhì)子、超子、л介子、K介子等）、輕子（電子、  μ子、τ輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強(qiáng)子是對(duì)參與強(qiáng)相互作用粒子的總稱，其數(shù)量幾乎占粒子種類的絕大部分；輕子是參與弱相互作用和電磁相互作用的，它們不參與強(qiáng)相互作用；而媒介子是傳遞相互作用的。目前，人們已經(jīng)知道參與強(qiáng)相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”組成的，但是至今不能把單個(gè)“夸克”分離出來，也沒有觀察到它們可以自由地存在。為什么“夸克”獨(dú)立不出來呢？還有一個(gè)不能解釋的問題是“非對(duì)稱性”，目前我們已有的定理都是對(duì)稱的，可是世界是非對(duì)稱的，這是一個(gè)有待于解決的矛盾。尋找獨(dú)立的夸克和電弱統(tǒng)一理論預(yù)言的、導(dǎo)致對(duì)稱性自發(fā)破缺的H粒子、  解釋“對(duì)稱”與“非對(duì)性”的矛盾，是21世紀(jì)粒子物理學(xué)研究的前沿課題之一。
　　從表面上看“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)與“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)似無必然的聯(lián)系。其實(shí)不然，宇宙和天體物理學(xué)家利用廣義相對(duì)論來描述引力和宇宙的“無限大”結(jié)構(gòu)，即可觀察的宇宙范圍；而粒子物理學(xué)家則利用量子力學(xué)來處理一些“無限小”微觀區(qū)域的現(xiàn)象。其實(shí)宇宙系統(tǒng)與原子系統(tǒng)在某些方面有著驚人的相似性。預(yù)計(jì)21世紀(jì)“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)將會(huì)與“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)結(jié)合得更加緊密，即宏觀宇宙物理學(xué)和微觀粒子物理學(xué)整體聯(lián)系起來。熱大爆炸宇宙模型就是這種結(jié)合的典范，實(shí)際上該模型是在粒子物理學(xué)中弱電統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上建立起來的。可以預(yù)計(jì)，這種結(jié)合對(duì)科技發(fā)展和應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
　　　　　　二、跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　　科學(xué)技術(shù)能否取得重大突破的關(guān)鍵取決于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。所以，首先必須重視基礎(chǔ)科學(xué)的研究，不能忽視更不能簡(jiǎn)單地以當(dāng)時(shí)基礎(chǔ)科學(xué)成果是否有用來衡量其價(jià)值。相對(duì)論和量子力學(xué)建立時(shí)好像與其他學(xué)科和日常生活無關(guān)，直到20世紀(jì)中期相對(duì)論和量子力學(xué)在許多科學(xué)領(lǐng)域中引起深刻的變革才引起人們的足夠重視�？梢哉f，20世紀(jì)幾乎所有的重大科技突破，像原子能、半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)等，都是因?yàn)橛辛讼鄬?duì)論和量子力學(xué)才得以實(shí)現(xiàn)�？梢哉f，沒有基礎(chǔ)科學(xué)就沒有科學(xué)技術(shù)、社會(huì)和人類的發(fā)展。
　　20世紀(jì)重大科技成果的成功經(jīng)驗(yàn)證明，不同學(xué)科間的互相交叉、配合和滲透是產(chǎn)生新的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)，解釋新現(xiàn)象，取得科學(xué)突破的關(guān)鍵條件之一。例如，核物理與軍事技術(shù)的交叉產(chǎn)生了原子彈；半導(dǎo)體物理與計(jì)算技術(shù)的交叉產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)�？梢灶A(yù)計(jì)，21世紀(jì)待人類掌握核聚變能的那一天，一定是核物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理和激光技術(shù)等學(xué)科的交叉和配合的結(jié)果。這也是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。
　　跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)是“極端化”研究。所謂“極端化”研究，包含兩方面內(nèi)容，一是要?jiǎng)?chuàng)造或克服某些實(shí)驗(yàn)的“極端化”條件才能有所突破。例如，有時(shí)實(shí)驗(yàn)需要超低溫、超高溫、超真空、超高壓、超細(xì)、超凈等工作條件，有時(shí)又需要克服溫度、濕度、重力、磁場(chǎng)等環(huán)境的影響。二是科學(xué)技術(shù)研究已深入到接近“極限”與沖破“極限”才能有所突破的艱難時(shí)期。例如，高溫超導(dǎo)臨界溫度Tc的提高，每提高一點(diǎn)都是非常困難的。
　　跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)是科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合，即科學(xué)技術(shù)化、技術(shù)科學(xué)化。下世紀(jì)，技術(shù)突破會(huì)越來越困難，必須依靠科學(xué)研究和理論的積累，才能有所發(fā)明與創(chuàng)造。同時(shí)，技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)水平的提高又促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。
【責(zé)任編輯】榆文

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