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一、21世纪物理学的几个活跃领域
(一)蒸蒸日上的凝聚态物理学
自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来,世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情待续不断。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前,全球的科学家仍在继续向更高温区,甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。此外,高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测,21世纪初,这些技术问题如能得到解决将有可能引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场。
(二)等离子体物理与核聚变
海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢,氧化氘就是重水,每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来,那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量,这个过程称为热核反应,也叫核聚变。 核聚变反应的温度大约需要几亿度,在这样高的温度上,氘氚混合燃料形成高温等离子体态,所以等离子体物理是核聚变反应的理论基础。
1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内2亿度的温度下,氘氚气体相遇爆炸成功,产生了200千瓦的能量,虽然只维持了1.3秒,但这为人类探索新能源--核聚变能的实现迈进了一大步。这是核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离,技术上尚有许多难题需要解决,如怎样将等离子加热到如此高的温度?高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触,否则等离子体要降温,容器也会被烧环,这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。
(三)纳米技术向我们走来
所谓纳米技术就是在10[-9]米(即十亿分之一米)水平上,研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工,制造出各种东西,使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围,人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分,纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。
纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如,目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特/平方厘米,其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。
(四)"无限大"和"无限小"系统物理学
"无限大"和"无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于"无限大"系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直到对整个宇宙的研究。大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的,利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,宇宙年龄下限,宇宙物质的层次结构,宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基础。但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到解决,暴胀宇宙论也并非十全十美,这还有待于进一步的努力和探索。
原子核物理和粒子物理学则属于"无限小"系统物理学的范畴,它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、€%浣樽印介子等)、轻子(电子、€%e子、€%m轻子等)和媒介子(光子、胶子等)。强子是对参与强相互作用粒子的总称,其数量几乎占粒子种类的绝大部分;轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的,它们不参与强相互作用;而媒介子是传递相互作用的。目前,人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子"夸克"组成的,但是至今不能把单个"夸克"分离出来,也没有观察到它们可以自由地存在。为什么"夸克"独立不出来呢?还有一个不能解释的问题是"非对称性",目前我们已有的定理都是对称的,可是世界是非对称的,这是一个有待于解决的矛盾。也是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。
二、跨世纪科学技术的发展趋势
科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以,首先必须重视基础科学的研究,不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关,直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说,20世纪几乎所有的重大科技突破,像原子能、半导体、激光、计算机等,都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说,没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。
20世纪重大科技成果的成功经验证明,不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现,解释新现象,取得科学突破的关键条件之一。例如,核物理与军事技术的交叉产生了原子弹;半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。跨世纪科学技术发展的另一个趋势是"极端化"研究。所谓"极端化"研究,包含两方面内容,一是要创造或克服某些实验的"极端化"条件才能有所突破。
跨世纪科学技术发展的另一个趋势是科学与技术的结合,即科学技术化、技术科学化。下世纪,技术突破会越来越困难,必须依靠科学研究和理论的积累,才能有所发明与创造。同时,技术的发展和实验水平的提高又促进了科学的发展。
(一)蒸蒸日上的凝聚态物理学
自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来,世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情待续不断。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前,全球的科学家仍在继续向更高温区,甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。此外,高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测,21世纪初,这些技术问题如能得到解决将有可能引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场。
(二)等离子体物理与核聚变
海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢,氧化氘就是重水,每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来,那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量,这个过程称为热核反应,也叫核聚变。 核聚变反应的温度大约需要几亿度,在这样高的温度上,氘氚混合燃料形成高温等离子体态,所以等离子体物理是核聚变反应的理论基础。
1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内2亿度的温度下,氘氚气体相遇爆炸成功,产生了200千瓦的能量,虽然只维持了1.3秒,但这为人类探索新能源--核聚变能的实现迈进了一大步。这是核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离,技术上尚有许多难题需要解决,如怎样将等离子加热到如此高的温度?高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触,否则等离子体要降温,容器也会被烧环,这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。
(三)纳米技术向我们走来
所谓纳米技术就是在10[-9]米(即十亿分之一米)水平上,研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工,制造出各种东西,使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围,人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分,纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。
纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如,目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特/平方厘米,其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。
(四)"无限大"和"无限小"系统物理学
"无限大"和"无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于"无限大"系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直到对整个宇宙的研究。大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的,利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,宇宙年龄下限,宇宙物质的层次结构,宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基础。但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到解决,暴胀宇宙论也并非十全十美,这还有待于进一步的努力和探索。
原子核物理和粒子物理学则属于"无限小"系统物理学的范畴,它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、€%浣樽印介子等)、轻子(电子、€%e子、€%m轻子等)和媒介子(光子、胶子等)。强子是对参与强相互作用粒子的总称,其数量几乎占粒子种类的绝大部分;轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的,它们不参与强相互作用;而媒介子是传递相互作用的。目前,人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子"夸克"组成的,但是至今不能把单个"夸克"分离出来,也没有观察到它们可以自由地存在。为什么"夸克"独立不出来呢?还有一个不能解释的问题是"非对称性",目前我们已有的定理都是对称的,可是世界是非对称的,这是一个有待于解决的矛盾。也是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。
二、跨世纪科学技术的发展趋势
科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以,首先必须重视基础科学的研究,不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关,直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说,20世纪几乎所有的重大科技突破,像原子能、半导体、激光、计算机等,都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说,没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。
20世纪重大科技成果的成功经验证明,不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现,解释新现象,取得科学突破的关键条件之一。例如,核物理与军事技术的交叉产生了原子弹;半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。跨世纪科学技术发展的另一个趋势是"极端化"研究。所谓"极端化"研究,包含两方面内容,一是要创造或克服某些实验的"极端化"条件才能有所突破。
跨世纪科学技术发展的另一个趋势是科学与技术的结合,即科学技术化、技术科学化。下世纪,技术突破会越来越困难,必须依靠科学研究和理论的积累,才能有所发明与创造。同时,技术的发展和实验水平的提高又促进了科学的发展。