跨世紀物理學的幾個活躍領域和發展趨勢

跨世紀物理學的幾個活躍領域和發展趨勢

　　20世紀是科學技術飛速發展的時代。在這個時代，目睹了人類分裂原子、拼接基因、克隆動物、開通信息高速公路、納米加工和探索太空。很難設想，若沒有科學技術的飛速發展，沒有原子能、沒有計算機、沒有半導體，現代生活將是什么樣子。與科學技術的發展一樣，物理學也經歷了極其深刻的革命。可以說，物理學每時每刻都在不停的發展，其活躍的前沿領域很多，是最有生命力、成果最多的學科之一。
　　　　　　一、21世紀物理學的幾個活躍領域
　　蒸蒸日上的凝聚態物理學
　　自從80年代中期發現了所謂高臨界溫度超導體以來，世界上對這種應用潛力很大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時斷時續。這種新材料能在液氮溫區下傳導電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導材料的研究仍是今后凝聚態物理學中活躍的領域之一。目前，許多國家的科學工作者仍在爭分奪秒，繼續進行競爭，向更高溫區，甚至室溫溫區超導材料的研究和應用努力。可以預計，這個勢頭今后也不會減弱，此外，高臨界溫度的超導材料的機械性能、韌性強度和加工成材工藝也需進一步提高和解決。科學家們預測，21世紀初，這些技術問題可以得到解決并將有廣泛的應用前景，有可能會引起一場新的工業革命。超導電機、超導磁懸浮列車、超導船、超導計算機等將會面向市場，屆時，世界超導材料市場可望達到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70年代末，在短短不到30年的時間內，已逐步揭示出其微觀機制和物理圖像。目前已利用半導體超晶格材料研制成許多新器件，它可以在原子尺度上對半導體的組分摻雜進行人工“設計”，從而可以研究一般半導體中根本不存在的物理現象，并將固態電子器件的應用推向一個新階段。但目前對于其他類型的超晶格材料的制備尚需做進一步的努力。一些科學家預測，下一代的電子器件可能會被微結構器件替代，從而可能會帶來一場電子工業的革命。微結構物理的研究還有許多新的物理現象有待于揭示。21世紀可能會碩果累累，它的前景不可低估。
　　近年來，兩種與磁阻有關的引起人們強烈興趣的現象就是所謂的巨磁阻和超巨磁阻現象。一般磁阻是物質的電阻率在磁場中會發生輕微的變化，而巨磁和超巨磁可以是幾倍或數千倍的變化。超巨磁現象中令人吃驚的是，在很強的磁場中某些絕緣體會突變為導體，這種原因尚不清楚，就像高臨界溫度超導材料超導性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實現應用的主要障礙是強磁場和低溫的要求，預計下世紀初在這方面會有很大的進展，并會有誘人的應用前景。
　　可以預計，新材料的發展是21世紀凝聚態物理學研究重要的發展方向之一。新材料的發展趨勢是：復合化、功能特殊化、性能極限化和結構微觀化。如，成分密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時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陶瓷材料等都將成為下世紀重要的新材料。材料專家預計，21  世紀新材料品種可能突破100萬種。
　　　　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，那么它所產生的能量足以提供人類使用數百億年。但氘和氚的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，這個過程稱為熱核反應，也叫核聚變。
　　核聚變反應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，所以等離子體物理是核聚變反應的理論基礎。1986年美國普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績，  他們在TFTR實驗裝置上進行的超起動放電達到20千電子伏，  遠遠超過了“點火”要求。1991年11月在英國卡拉姆的JET  實驗裝置上首次成功地進行了氘氚等離子體聚變試驗。在圓形圈內，2億度的溫度下，  氘氚氣體相遇爆炸成功，產生了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——核聚變能的實現邁進了一大步。這是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚變反應距實際應用還有相當大的距離，技術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，容器也會被燒環，這就是如何約束問題。21世紀初有可能在該領域的研究工作中有所突破。
　　　　納米技術向我們走來
　　所謂納米技術就是在10[-9]米（即十億分之一米）水平上，研究應用原子和分子現象及其結構信息的技術。納米技術的發展使人們有可能在原子分子量級上對物質進行加工，制造出各種東西，使人類開始進入一個可以在納米尺度范圍，人為設計、加工和制造新材料、新器件的時代。粗略的分，納米技術可分為納米物理、納米化學、納米生物、納米電子、納米材料、納米機械和加工等幾方面。
　　納米材料具有常規材料所不具備的反常特性，如它的硬度、強度，韌性和導電性等都非常高，被譽為“21世紀最有前途的材料”。美國一研究機構認為：任何經營材料的企業，如果現在還不采取措施研究納米材料的開發，今后勢必會處于競爭的劣勢。
　　納米電子是納米技術與電子學的交叉形成的一門新技術。它是以研究納米級芯片、器件、超高密度信息存儲為主要內容的一門新技術。例如，目前超高密度信息存儲的最高存儲密度為10[12]畢特／平方厘米，其信息儲存量為常規光盤的10[6]倍。
　　納米機械和加工，也稱為分子機器，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品。目前采用分子機器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽機、微型汽車、微型發電機、微型馬達、微型機器人和微型手術刀。微型機器人可進入血管清理血管壁上的沉積脂肪，殺死癌細胞，修復損壞的組織和基因。微型手術刀只有一根頭發絲的百分之一大小，可以不用開胸破腹就能完成手術。21世紀的生物分子機器將會出現可放在人腦中的納米計算機，實現人機對話，并且有自身復制的能力。人類還有可能制造出新的智能生命和實現物種再構。
　　　　“無限大”和“無限小”系統物理學
　　“無限大”和“無限小”系統物理學是當今物理學發展的一個非常活躍的領域。天體物理和宇宙物理學就屬于“無限大”系統物理學的范疇，它從早期對太陽系的研究，逐步發展到銀河系，直到對整個宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀后半葉自然科學中四大成就之一是當之無愧的。利用該模型已經成功地解釋宇宙觀測的最新結果。如宇宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質的層次結構，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結果。可以說具有暴脹機制的熱大爆炸宇宙模型已為現代宇宙學奠定了一定的基礎。但是到目前為止，關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，事實上想一次就能得到一個十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進一步的努力和探索。
　　“無限大”系統物理學還

有兩個比較重要的問題是“類星體”和“暗物質”。“類星體”是1961年發現的，一個類星體發出的光相當于幾千個星云，而每個星云相當于1萬億個太陽所發出的光，  所以對類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，  科學家們發現一個編號為3C271的類星體，一天之內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世紀去解決。“暗物質”是一種具有引力，看不見，什么光也不發射的物質。宇宙中百分之九十以上的物質是所謂的“暗物質”，這種“暗物質”到底是什么？我們至今仍不清楚，也有待于下世紀去解決。
　　原子核物理和粒子物理學則屬于“無限小”系統物理學的范疇，它從早期對原子和原子核的研究，逐步發展到對粒子的研究。粒子主要包括強子（中子、質子、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）。強子是對參與強相互作用粒子的總稱，其數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，它們不參與強相互作用；而媒介子是傳遞相互作用的。目前，人們已經知道參與強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“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”獨立不出來呢？還有一個不能解釋的問題是“非對稱性”，目前我們已有的定理都是對稱的，可是世界是非對稱的，這是一個有待于解決的矛盾。尋找獨立的夸克和電弱統一理論預言的、導致對稱性自發破缺的H粒子、  解釋“對稱”與“非對性”的矛盾，是21世紀粒子物理學研究的前沿課題之一。
　　從表面上看“無限大”系統物理學與“無限小”系統物理學似無必然的聯系。其實不然，宇宙和天體物理學家利用廣義相對論來描述引力和宇宙的“無限大”結構，即可觀察的宇宙范圍；而粒子物理學家則利用量子力學來處理一些“無限小”微觀區域的現象。其實宇宙系統與原子系統在某些方面有著驚人的相似性。預計21世紀“無限大”系統物理學將會與“無限小”系統物理學結合得更加緊密，即宏觀宇宙物理學和微觀粒子物理學整體聯系起來。熱大爆炸宇宙模型就是這種結合的典范，實際上該模型是在粒子物理學中弱電統一理論的基礎上建立起來的。可以預計，這種結合對科技發展和應用都會產生巨大的影響。
　　　　　　二、跨世紀科學技術的發展趨勢
　　科學技術能否取得重大突破的關鍵取決于基礎科學的發展。所以，首先必須重視基礎科學的研究，不能忽視更不能簡單地以當時基礎科學成果是否有用來衡量其價值。相對論和量子力學建立時好像與其他學科和日常生活無關，直到20世紀中期相對論和量子力學在許多科學領域中引起深刻的變革才引起人們的足夠重視。可以說，20世紀幾乎所有的重大科技突破，像原子能、半導體、激光、計算機等，都是因為有了相對論和量子力學才得以實現。可以說，沒有基礎科學就沒有科學技術、社會和人類的發展。
　　20世紀重大科技成果的成功經驗證明，不同學科間的互相交叉、配合和滲透是產生新的發明與發現，解釋新現象，取得科學突破的關鍵條件之一。例如，核物理與軍事技術的交叉產生了原子彈；半導體物理與計算技術的交叉產生了計算機。可以預計，21世紀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、凝聚態物理和激光技術等學科的交叉和配合的結果。這也是21世紀科學技術的發展趨勢之一。
　　跨世紀科學技術發展的另一個趨勢是“極端化”研究。所謂“極端化”研究，包含兩方面內容，一是要創造或克服某些實驗的“極端化”條件才能有所突破。例如，有時實驗需要超低溫、超高溫、超真空、超高壓、超細、超凈等工作條件，有時又需要克服溫度、濕度、重力、磁場等環境的影響。二是科學技術研究已深入到接近“極限”與沖破“極限”才能有所突破的艱難時期。例如，高溫超導臨界溫度Tc的提高，每提高一點都是非常困難的。
　　跨世紀科學技術發展的另一個趨勢是科學與技術的結合，即科學技術化、技術科學化。下世紀，技術突破會越來越困難，必須依靠科學研究和理論的積累，才能有所發明與創造。同時，技術的發展和實驗水平的提高又促進了科學的發展。
【責任編輯】榆文

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