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答疑时间地点： （ 1 ） 1 月 15 日下午 2:00~5:00 地点：西 1 二楼教师休息室 （ 2 ） 1 月 16 日下午 2:00~5:00

答疑时间地点： （ 1 ） 1 月 15 日下午 2:00~5:00 地点：西 1 二楼教师休息室 （ 2 ） 1 月 16 日下午 2:00~5:00 地点：东 1~ 东 2 之间一楼教师休息室 （ 3 ） 1 月 17 日下午 2:00~5:00 地点：东 1~ 东 2 之间一楼教师休息室. 第十六讲 物理学的未来. 物理学 == > 应用物理学 ==> 工程技术 20 世纪物理学的辉煌 物理学 ==> 自然科学 ==> 社会科学 发展于20世纪后半叶 20世纪末

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答疑时间地点： （ 1 ） 1 月 15 日下午 2:00~5:00 地点：西 1 二楼教师休息室 （ 2 ） 1 月 16 日下午 2:00~5:00

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Presentation Transcript

  1. 答疑时间地点： （1） 1月15日下午2:00~5:00 地点：西1二楼教师休息室 （2） 1月16日下午2:00~5:00 地点：东1~东2之间一楼教师休息室 （3） 1月17日下午2:00~5:00 地点：东1~东2之间一楼教师休息室

  2. 第十六讲物理学的未来

  3. 物理学==> 应用物理学 ==>工程技术 20 世纪物理学的辉煌 物理学 ==> 自然科学 ==> 社会科学 发展于20世纪后半叶 20世纪末 物理化学 量子化学 生物物理 物理生物？ 地球物理 大气物理 …… 经济物理物理经济？ 社会物理 ……

  4. 二十世纪科学技术的发展是以物理学为龙头，带动各个学科的发展。二十世纪科学技术的发展是以物理学为龙头，带动各个学科的发展。 • 二十世纪是物理学的辉煌时代. • 二十一世纪呢？

  5. 二十世纪之物理学： • 量子物理学 • 相对论 • 二十世纪物理学的成功与十九世纪经典物理学的成功出现了类似的情况，给人的印象似乎这次物理学大厦真的建好了。情况果真如此吗？

  6. 相 对 论 ！

  7. 8.1 二十世纪物理学面临的问题及其展望 充满挑战和机遇的物理学 引力量子化与大统一理论 超高能物理及宇宙起源 复杂系统的研究 极端条件下的物理现象

  8. 引力量子化与大统一理论 相对论和量子论各自都非常成功，而且将相对论应用于量子论而建立起来的量子电动力学、量子色动力学同样非常成功，然而将量子论应用于由广义相对论描述的引力理论之中，即引力的量子化，问题却碰到了巨大的困难，也就说 二个非常基础、关键的理论之间存在着一定的不自恰性。

  9. 标准模型的不足 • 标准模型包含了多达61个的基本组分，其中物质粒子和反粒子48个，规范粒子12个，还有一个到目前还未找到的希格斯粒子。该理论的人为参数也太多，如果中微子质量不为零，则至少有22个参数，即使中微子质量为零，理论还有19个参数。 • 虽然统一描写强、弱、电三种相互作用的所谓标准模型取得了辉煌的成果，但是理论上还没有建立起将四种基本相互作用统一在一起的理论。引力在构造物质世界方面起着极为重要的作用，在宇宙学中更是主要角色。

  10. Basic laws Quantum field theory Relativity v~c Quantum mechanics Newton’s law v<<c micro macro Basic interactions 电 电磁力 弱电统一 磁 大统一 弱力 强力 超弦? 引力

  11. 粒子的引力半径与康普顿半径相当时，真空中充满了虚的黑洞，也就是说量子涨落效应可以导致相互靠得非常近的粒子变成黑洞，时空本身在此尺度下将开始塌陷，出现奇异性。

  12. 社会新闻 • 1999年7月，美国《星期日时报》上以“大爆炸机器可能摧毁地球”为题的一篇文章声称，地球正受到位于长岛的相对论性离子对撞机RHIC的严重威胁。该加速器将以极高的能量让一对金原子对撞，并有可能产生黑洞和奇异物质，从而吞噬整个地球。

  13. 超弦理论 弦理论可追溯到六十年代末期，当时为了描述不断发现的强子而建立起了弦理论。 认为：粒子不是由几何点而是弦构成的。

  14. 但发现要使弦理论成为一个简洁的理论， 时空必须是26维的。

  15. 八十年代，引入了超对称建立起了超弦理论，时空维数就从26维降到了10维，取得了突破性进展。八十年代，引入了超对称建立起了超弦理论，时空维数就从26维降到了10维，取得了突破性进展。 然而10维超弦理论却有五种不同的理论，再次被人们冷落。1994年N. Seiberg、E. Witten的一系列工作，使人们发现五种不同的超弦理论实际上是一个更大的理论的五个不同侧面而已。

  16. 量子力学中有测不准原理 • 超弦理论的一个结论是

  17. 超弦理论的目标 • 协调相对论与量子论 • 实现四种基本相互作用的统一 • 统一描述微观和宇观

  18. 8.1.2 超高能物理及宇宙起源 物质具有不同层次的结构，为了窥探深层次的物质结构，所需要的能量越来越高。要了解原子、分子的结构，人们只需要几个电子伏特或更少能量的探测粒子。 要探测核子乃至夸克的结构则需要Gev以上能量的探测粒子。 为了探索物质更深层次的结构，需要超高能量的加速器。

  19. 美国费米实验室的加速器能量可达2×1012电子伏特美国费米实验室的加速器能量可达2×1012电子伏特 布鲁海文国家实验室的相对论性重离子对撞机（RHIC），能把整个金核的能量达到2×1013电子伏特，以便使两个高能金核对撞，以达到改变局部真空的目的。 欧洲大型强子对撞机（LHC），质子对撞能量可达1.4×1013电子伏特，以寻找希格斯粒子H。 美国原计划建造超级超导对撞机（SSC），预算200亿美元，但终因费用太高，被迫中途停止。

  20. 二十一世纪一方面需要建造更高能量的加速器，需要在设计思想上需要大的突破。二十一世纪一方面需要建造更高能量的加速器，需要在设计思想上需要大的突破。 另一方面需要充分利用宇宙这个天然实验室。宇宙中存在着大量超高能宇宙射线。我国在宇宙线研究方面得天独厚，如云南高山站，西藏羊八井宇宙线观测站等海拔高，大气遮挡少。 宇宙大爆炸起始时，温度高、对应的粒子能量也高，人们可以利用那时遗留下来的信号检验粒子物理理论，反过来高能物理实验和理论的发展将促进宇宙学问题的解决，例如正、反物质为何不对称？暗物质到底是什么？宇宙刚爆炸时的状况如何等问题。

  21. 西藏羊八井宇宙线观测站

  22. 8.1.3 复杂系统的研究 • 介观物理，它介于微观和宏观之间。 • 纳米材料和纳米技术。 • 复杂系统介于有序与无序之间。 • 非线性物理。例如经济、金融物理学问题，也就是说用物理方法和模型来描述经济、金融问题，如用沙堆模型描述企业的不断扩张而突然失控的现象。生命科学。

  23. 8.1.4 极端条件下的物理现象 所谓极端条件是指偏离常规条件的特别条件。例如作为核聚变研究基础的高温、高密度等离子体物理的研究，超高压条件下的深海物理研究，失重条件、强辐射条件下的各种材料物理性能变化的研究，强电场、强磁场条件下凝聚态物理的研究，强关联、高温超导、超低温物理等等的研究都将成为二十一世纪物理学研究的热点，因为它们与高科技紧密相联，具有非常直接的应用前景。

  24. 表明物理学本身仍有巨大的发展空间 • 虽然它具有悠久的历史，但仍然是充满活力的学科。

  25. 有人说二十一世纪 是生命科学的时代， 是信息的时代， 物理学还有用武之地吗？

  26. 物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 • 物理学与生命科学 生命科学与物理学的紧密关系是不言而喻的。20世纪最伟大的发现之一------DNA的双螺旋结构就是英国剑桥大学的物理学家克里克和沃森发现的。

  27. 医院里最先进的设备往往也是物理学刚刚发展的技术，例如 X光机，B超，CT（计算机X射线断层扫描成像技术），核磁共振扫描仪，检测的精度越来越高。现在又有正电子成像技术；软X射线可以直接观察组织切片技术等

  28. 早期的X光诊断 伦琴(1845～1923) 德国物理学家

  29. 在CT技术（计算机X射线断层扫描成像技术）中起关键作用科学家之一是理论物理学家科马克。在CT技术（计算机X射线断层扫描成像技术）中起关键作用科学家之一是理论物理学家科马克。 1963年科马克提出了由电子计算 机操纵的X射线 断层照相诊断技 术的理论和设计方案； 1969年豪 斯菲尔德根据科马克的 设想，研制出了世界上第 一台电 子计算机X射线断层扫描仪（简 称CT）。 他们于1979年共同获 奖

  30. 拉比(1898～1988) 美国物理学家30年代发明了核磁共 振，于1944年获奖。 根据他的理论，50年 代诞生了核磁共振仪。

  31. 在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友 物理学的进展极大地推动了生物学的进展 1912 Laue 在 CuSO4·5H2O 晶体上得出 X 光衍射

  32. Bernal 及 Crowfoot 用衍射方法证明蛋白质如同晶 体一样，有确定的三维空间结构 1936 Bragg 及 Perutz 开始研究血红蛋白结构

  33. 1951 Linus Pauling 提出蛋白质的a 螺旋结构模型

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