1、1,物理学照亮世界Physics Enlightens the World20世纪物理学对世界的贡献华东师范大学物理系钱振华,2,20世纪初，相对论和量子力学的建立标志着现代物理学的诞生，物理学不仅在探究物质的本质，揭示宇宙的奥秘方面取得了巨大的理论成果，而且在核能、激光、半导体、现代通讯、信息技术等一系列技术的发展与进步方面作出了重要贡献。20世纪是物理学的世纪,3,2004年6月10日，联合大会鼓掌通过决议，规定2005年为“世界物理年”。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发展的基石； 物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。,1905年，26岁的爱因斯坦一连创
2、作了5篇论文，先后发表在德国莱比锡物理学杂志上，震撼了世界。因此，这一年被称为人类历史上的“奇迹年”，以其3个不同领域取得了划时代的成就，奠定了他作为20世纪科学巨人的基础。,5,在伯尔尼瑞士专利局的Einstein，1905,6,一、核物理与核技术的发展 二、以半导体物理为基础的信息技术发展 三、激光科学与技术的发展 四、分子生物学与生命科学的发展 五、现代宇宙学的发展,7,一、核物理与核技术的发展,1905年爱因斯坦创立狭义相对论发现质能关系式 E = mc2 1925年1926年 玻尔、薛定鄂、海森堡、狄拉克等人建立量子力学。 1939年，哈恩发现重核裂变。 1941年，费米实现核链式反
3、应。 1945年，第一颗原子弹。 1952年，第一颗氢弹。 1954年，第一座核电站。,8,9,核能,美国 核电站装机容量占全世界的27.6%法国 核电占发电量的78%欧洲六国 核电占发电量的40%我国目前核电只占1.6%2020年将达3.9%。,10,切尔诺贝利发电站,秦山发电站,11,12,我国的原子弹与氢弹,1964年10月16日第一颗原子弹试爆成功，采用先进的内爆法，当量为2万吨TNT。1967年6月17日我们又成功试爆了第一氢弹，技术采用自创先进模式，称为于敏构型。氢弹离原子弹爆炸仅隔两年八个月。美国用7年，苏联用4年，英国用5年，法国用8年。,联,13,磁压缩聚变(未来能源),D+
4、D He(0.82Mev)+n(2.45Mev)；DD T(1.01Mev)+p(3.03Mev) ,14,Takamak 装置(Princeton),15,2006年11月21日这是值得记录的日子 国际热核聚变实验反应堆计划协议在法国巴黎签署。 这是一个人类探索聚变能源开发的历史性时刻。,16,总投资99亿欧元，实验室建在法国； 这是一次大型国际合作，欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度参加，成果平等共享； 计划历时35年（10年建成，20年试验运行，5年停运关闭）； 计划新建一座圆环型磁悬浮实验室，把聚合反应堆置于其中。,17,核技术 在工业、农业、医学等方面的应用,核分析 核检测
5、材料辐射改性 辐射消毒 辐射育种 伽玛刀,18,19,核磁成象,20,二、以半导体物理为基础的信息技术发展,17、18世纪 蒸汽机时代 19世纪 电气化时代 20世纪 核能 信息化时代 信息化所引起的技术革命比历史上任何一次技术革命对社会经济、政治、文化等带来的冲击都更为巨大、而无法比拟的！,21,19251926 量子力学建立 19281929 半导体理论：能带、空穴、n和p型半导体 1947年 发明晶体管 1962年 制成集成电路 1970年 制成大规模集成电路、超大规模集成电路 90年代一块手指甲大小的芯片上有500万个晶体管,22,第一个晶体三极管(Bardeen等，1947),23,
6、由大规幕集成电路组成的处理器 (Intel,1985，1百万个),24,芯片(Intel，90年代，500万个),25,大规模集成电路与基础物理的关系,加工方法：离子导入、粒子散射、激光退火（基础研究） 材料：单晶、多晶硅、金属-氧化物薄膜结构（表面物理） 光刻技术：光、电子束射、同步辐射、核反应离子刻蚀（高能物理）,26,27,28,29,30,强子对撞机和同步辐射装置(CERN的强子对撞机，17英里周长，在地下，小圈是同步辐射 ),31,扫描隧道显微镜,32,扫描隧道显微镜图象 (图中为Cu表面上放48个Fe原子，可看到表面电子态的干涉),33,发展方向,开关电子数：今天 （1000个）2
7、010年 （8个）2020年 （一个不到） 尺度：纳米级（大分子）电子干涉长度 矛盾：经典算法与器件的量子化 前景：量子计算机、量子逻辑代替经典算法。,34,单电子晶体管 (目前晶体管开关工作一次约1000个电子驱动),35,贝尔在演示电话（1892）,36,光纤通讯,37,三、激光科学与技术的发展,激光：20世纪60年代出现的新型光源。相干性、方向性、单色性、高亮度 应用：测量、通讯、全息技术、信息存 储、信息传输、武器、医学、制冷。 原理：量子力学,38,激光发展史,1860年 麦克斯韦建立光的电磁理论 1917年 爱因斯坦提出受激辐射理论 1953年 汤斯建立第一台微波激光器 1958年
8、 汤斯、肖洛提出构建激光器 1960年 梅曼建成第一台红宝石激光器 90年代 激光通讯、激光冷却,39,40,第一台激光器（Maiman, 1960）,41,现代的激光实验室,42,激光冷却,43,第一个Bose-Einstein凝聚实验（Colorado,1995）,44,原子激光,45,原子钟 （铯钟，NIST, 精度1014 ,一千万年误差一秒),46,计时与定位,47,四、分子生物学与生命科学的发展,1953年 威尔金斯、克里克、沃森和富兰克林发现了DNA分子双螺旋结构，全世界为之轰动！ 这是20世纪继相对论与量子力学后最重要的发现之一。这三大科学发现为20世纪创造了辉煌！,48,DN
9、A发现的启示,1.多学科合作研究的重要性 两位物理学家：威尔金斯、克里克 一位生物学家：沃森 一位化学家：富兰克林 2.物理学的发展为生物学提供了研究工具： 射线、同步辐射、干涉装置。,49,用X射线测定DNA的双螺旋结构(1953，Watson, Wilkins(生物),Crick(物理),Franklin(化学）),50,DNA结构的计算机图(双螺旋，碱基配对(白色）被磷酸糖连接在一起 ),51,DNA分子的透射电镜照片 （1983,放大1万5千倍 ）,52,五、现代宇宙学的发展,1917年爱因斯坦发表第一篇宇宙学的论文根据广义相对论对宇宙学所做的考察 1929年哈勃（Habble）发现了
10、哈勃定律，即星系的视向退行速度与距离成正比。这是宇宙膨胀的直接证据。,53,1948年伽莫夫（G.Gamow）在广义相对论宇宙论的基础上提出了宇宙大爆炸的起源说，提出了两大预言： 1.宇宙早期的氦（He）元素丰度约为25%； 2.今天还应该残存10k左右电磁辐射背景，这是宇宙早期退耦光子留下的痕迹。,54,1964年彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）在卫星通信的研究中无意间发现了3k的微波背景辐射，最有力支持了大爆炸宇宙学使其成为标准宇宙模型。,55,56,1980年古斯（Guth），1982年林达（Linda）提出了暴涨宇宙论（Inflation）克服了大爆炸宇宙学的一些疑难
11、。,57,2003年根据WMAP（微波各向异性探测器）的观测记录确认 1.宇宙年龄约 13.7109 年 2.宇宙空间时间是平坦的 3.哈勃常数等于 71km s-1 Mpc-1 4.宇宙物质构成为：普通物质4%暗物质23%暗能量73%,58,宇宙的组成,重元素 0.03%,中微子 0.3%,星系物质 0.5%,自由氢和氦 3.17%,暗物质 23%,暗能量 73%,59,关于天体物理及宇宙学获Nobel物理奖记录,1967年，贝特（H.A.Bethe）发现恒星能源机制（能量产生理论） 1974年，休伊什（A.Hewish）发现了脉冲星（中子星） 1978年，彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊
12、（Wilson）1964年发现了宇宙微波背景辐射 1983年，钱德拉塞卡（S.Chandrasekhar）对恒星结构和演化过程的研究。福勒（W.Fowler）宇宙中化学元素的形成理论,60,1993年，赫尔斯（R.Hulse）、泰勒（J.Taylor）发现脉冲双星，间接证实了引力波的存在。 2006年约翰.麦泽尔（John C.Mather）和乔治.斯莫特（George F.Smoot），获奖工作：1989年利用COBE卫星发现了宇宙微波背景辐射的黑体辐射形式和各向异性。,61,62,63,64,65,66,“相对论和量子论在科学各个领域的扩展和应用，虽然已经取得很大的成功，但是还远未到达止境。看来一直作为精密科学典范的物理学还是魅力不减，作为其他经验科学基础的地位短时期内不会改变。”“一些传统学科仍将保持相当的独特性，物理科学作为整个自然科学发展的基础地位大概还不会动摇。”路甬祥 2005.06.03,67,一位外国的物理学家俏皮地说：,“What is physics？Physics is what physicists do”,68,物理学中有一套最全面最有效的科学方法，实践证明，把这套方法运用到自然科学的许多领域，乃至社会科学，都是卓有成效的在教育中，对于学生的科学素质培，物理课有着无可替代的作用。无论学生将来干什么，多学点物理，都会大有好处。,69,谢 谢！,
