物理工程與人類未來

物理工程與人類未來第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三天體物理和宇宙學，基本粒子和原子核—空間和時間、能量和物質(zhì)的基本結構。

天體物理和宇宙學粒子物理原子核—物質(zhì)的構成單元，恒星的燃料

量子世界一瞥快、更快、最快—超短激光脈沖從微結構自備新材料等離子體—物質(zhì)的第四種狀態(tài)

原子、分子、量子光學和等離子體—光與物質(zhì)的相互作用第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三凝聚態(tài)物質(zhì)—從基礎研究到未來的技術

半導體凝聚態(tài)物質(zhì)中的奇異電子態(tài)超導性磁性—與新技術相關的古老現(xiàn)象表面納米結構軟物質(zhì)有機半導體第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三自組織和結構的形成—普適的原理

熱力學，一個普適的理論流動的晶體、固態(tài)液體形變、相變臨界現(xiàn)象普適性和標度不變性好！現(xiàn)在讓鑄造開始……(席勒的《鐘之歌》)成長和成熟分形世界沙子的軌跡，顆粒動力學流動、向前流動，不斷地伸展（歌德的《魔術師的學徒》)決定性混沌,混亂中的方法生存的結構和生命的結構第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三物理學和生物學—歷史上的姐妹生物材料的魔力—自組織在復雜結構中產(chǎn)生有序性結構的闡明—從原子到毫米尺度從單分子到系統(tǒng)，一座連接生物信息學和物理學的橋梁生物納米機器展望物理學和生物學—生命的物質(zhì)結構及基本過程第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三物理學和“地球系統(tǒng)”—地震、海洋、氣候和環(huán)境

地球----一個熱機地震學----地球內(nèi)部的窗口測量地球的人造衛(wèi)星地球磁場地球科學和固體物理—成功的一對氣候地球，我們的生存環(huán)境第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

宇宙中物質(zhì)演化模擬結果。立方體邊長為12億光年。亮結構是由引力物質(zhì)凝聚形成的，帶顏色的點是星系。12億光年第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三核物質(zhì)的相圖第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三半導體芯片摩爾定律第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三不同超導體的轉變溫度第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三原子尺度的“2000”字樣

用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上直接移動了47個CO分子。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三用有機材料做的明亮的彩色屏幕聚合物柔性顯示器低分子量材料有源陳列驅(qū)動OLED全色顯示屏第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

自組織形成的序。共晶合金有形成有規(guī)則的纖維或片狀結構的傾向。用內(nèi)部生長有碳化鉭纖維的定向凝固的鎳合金來制造飛機發(fā)動機和發(fā)電站的渦輪葉片。圖為一個腐蝕的截面，纖維間距為8微米。第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三沙丘上常形成波紋，是一個至今尚未被完全了解的過程。神秘的沙波第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三喘流－未解之迷。水流射到靜止的水中，形成了喘流漩渦。圖像可見是因為流體內(nèi)加入了熒光燃料。第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

收到立體聲音樂時人類大腦聽覺中心活動的原位直接觀測圖黃色部分表示空中移動的聲源的識別中心通過功能核磁共振成像技術發(fā)現(xiàn)。第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

細胞生物中力學方法的微縮圖第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

老鼠大腦中一個神經(jīng)細胞固定在硅芯片的場效應晶體管線列中。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三物理學是為工業(yè)和技術進行的研究。汽車中的物理學醫(yī)學中的物理學能源技術中的物理學

我們的能源光伏效應----來自太陽的電能高溫超導體----使電能沒有損失聚變，地球上的受控太陽燃燒

半導體技術中的物理學

物理學從來沒有被認為純科學或非應用科學，長期以來，強烈的實際應用需求推動著物理學研究，同時物理學也對工業(yè)和社會產(chǎn)生了巨大的影響。第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

經(jīng)濟學家指出，大約23%的美國國民生產(chǎn)總值可以歸因于物理學中的量子力學引導的科學突破。這個數(shù)字可能與德國的差不多。盡管晶體管、計算機、激光和核能不僅基于量子力學，但沒有量子力學他們是難以想像的。----德國前總理羅曼·赫爾佐克（RomanHerzog），1995年11月8日在維爾茨堡大學紀念倫琴百年誕辰上的講話。

在物理學和工程科學之間出現(xiàn)工作內(nèi)容的分工（尤其在過去的幾年里），純物理學研究發(fā)現(xiàn)新的效應和方法，這些新發(fā)現(xiàn)由研究機構和工業(yè)部門的工程師和物理學家進行下一步開發(fā)，直到在工業(yè)界可以應用?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展極大受益于并且愈加依賴于物理學的最新研究成果。工業(yè)界確實需要物理學家和物理學。第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

當前工藝固體物理和表面的研究，與計算機和通訊產(chǎn)業(yè)非常密切。新的研究成果可能給這些產(chǎn)業(yè)帶來質(zhì)量或功能上決定性的改進，并產(chǎn)生相應的效益。哪些物理學領域?qū)ξ磥砉I(yè)和社會發(fā)展至關重要？

事實上，較早時期物理學研究的每個領域都為今天的經(jīng)濟效益做出了貢獻。因此，社會應當對純物理學研究給于投入，因為這個投資遲早會得到回報。

電動力學的麥克斯韋方程組發(fā)表于19世紀最后3年，那時是“純”理論。由于有了這個科學基礎，導致短短幾年后無線電報的誕生，并被進一步發(fā)展成現(xiàn)代通訊技術。

對于液晶的研究，多年來被看做是純科學。但現(xiàn)在以液晶為基礎的液晶顯示技術已進入每個家庭。第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

物理學、物理學家和物理學方法不僅與計算機或者通訊產(chǎn)業(yè)的最新產(chǎn)品有關，而且與日常消費品，例如汽車有關。物理學能在醫(yī)學領域開發(fā)新的診斷和治療方法，也必定會對解決急迫的能源問題做出貢獻。第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三實例1：通過ESP（電子穩(wěn)定程序）來保證安全

電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP)防止拐彎太快時突然變向——當然它一定會受到物理學定律的限制具有ESP汽車的橫向動力學第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三yaw用微系統(tǒng)技術制作的yaw速率傳感器示意圖yaw速率傳感器模擬過程的各種因素第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

力學、電動學、流體力學和電子學知識非常嚴密地聯(lián)結在yaw速率傳感器中第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

注入和燃燒過程被分為多個子過程（上部），所有這些子過程都是目前理論和實驗研究的課題。這些課題還不包括相應的測量方法和測量設備（下部）。

實例2：高壓直接柴油注入技術----高功率輸出，低能耗和低污染。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三燃燒過程模擬第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三在玻璃內(nèi)燃機進行燃燒過程的測量

通過火焰發(fā)光強度監(jiān)測燃燒過程的傳播第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三過程測量注入噴射特性，噴射解體液滴速度液滴直徑噴射－壁相互作用氣化流體－蒸氣比液滴溫度相對速度汽化速率混合蒸汽分布流場/喘流點火燃料/空氣比溫度流場

殘留排放部分點火延遲時間燃燒離析物和產(chǎn)物火焰?zhèn)鞑チ鲌鰷囟任廴疚镄纬裳趸己谔細浠衔锏谌?，共五十八頁，編輯?023年，星期三實例3：醫(yī)學中的成像技術。

醫(yī)學診斷的成像技術得益于物理學——醫(yī)生在不開刀的情況下，觀察患者體內(nèi)情況。1895年，倫琴首次公開使用x射線照相，他展示了他夫人的手像。沒出幾年，x射線技術在醫(yī)學領域得到空前廣泛的應用。大約20年前，x射線層析術能產(chǎn)生人體內(nèi)部特別包括致密的骨骼結構的三維圖像。利用量子力學中核自旋性質(zhì)，核磁共振成像(MRI，也叫NMR成像)技術能夠產(chǎn)生軟組織圖像。最近幾年，利用高溫超導體研制的高靈敏度超導量子干涉器件(SQUID)探測器使成像方法得到進一步改進，從而使患者更加舒適。圖像分辨率提高，能增加確診率磁場強度降低，成像時間縮短，減輕了對患者的壓力。功能成像也取得了重要進展，不僅在解剖學上，而且在生理學上展現(xiàn)身體有關的詳細情況。例如，可用功能MRI顯示腦部功能異常。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三吸進核自旋極化的氦3，使MRI能診斷肺部疾病

肺的外部或非呼吸區(qū)（黑色區(qū)）

移植的肺正常區(qū)（綠色）患者被損傷的和完全被破壞的肺（紅、橙、黃）第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

共振信號可用來示蹤氦3原子在整個肺部的擴散途徑，并分辨正常的胞狀組織和病變組織的差別。能夠在l／IO秒時間間隔攝制肺部三維圖像，由此可得到肺在呼吸時所發(fā)生過程的錄像。這個錄像可以幫助我們查出肺中的問題和障礙。與空氣進入肺中的氧接觸后，氦3極化特征會在幾秒鐘之內(nèi)消失。精確測定此極化衰變時間，能測定肺部局部含氧量和肺部氧的消耗量。這樣，人們首次用空間分辨和非侵人方式診斷肺部主要功能

第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

實例4：用激光治病，用重離子加速器治療癌。

用nd:YAG激光器成功治療長在嬰兒腳上的血管瘤第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三實例5:光伏效應----來自太陽的電能

光伏效應能把陽光直接轉換成電能。如果光子，即光的粒子，被適當?shù)牟牧衔?，就能在材料里產(chǎn)生或多或少接近自由運動的帶正負電荷的載流子。在此過程中，光子將大部分能量轉換給這些電荷載體。在光伏型能量轉換中，正負電荷被分離，并分別向小同電極運動，從而使兩電極帶電，并產(chǎn)生電壓。此電壓在外電路中產(chǎn)生電流，做功。其能量就是從太陽能轉換過來的。第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

應該完全清楚地認識到有3個問題影響這個原理的技術實用性。首先，由于材料中有些過程會使帶電載流子重新?lián)p失掉，必須盡快地將由光激發(fā)的電荷轉移到電極上。否則，大部分能量會在這些復合過程中轉變成不希望有的熱能。其次，必須保證，能量轉換器能把覆蓋寬的太陽光譜的不同能量(能量差別高至8倍)的光子高效轉化為電能。同樣重要的最后一點，是低成本地生產(chǎn)所需的能量轉換器。第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三實例6：高溫超導體----使電能沒有損失

大約15年前，發(fā)現(xiàn)30多種金屬元素和1000種以上臺金和化合物在低于臨界溫度Tc時轉變成超導狀態(tài)。在此狀態(tài)下，它們能夠傳輸臨界電流密度Jc以下的電流而沒有損失，一旦電流密度超過這個Jc值，超導體就恢復為普通導體。那時所有已知超導體的Tc值都低于-250℃或23K。這些超導體目前統(tǒng)稱為低溫超導體(LTSCs)。1986年，繆勒和柏諾茲(1987年諾貝爾獎得主)發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O(鋇鑭銅氧)化合物有超導電性，很快發(fā)現(xiàn)許多高溫超導體，它們的臨界溫度在某些情況下比LTSCs高100K。目前，在常壓下最高Tc值是由A．sehilling等和朱經(jīng)武等在Hg-Ba-La-Cu-O化合物中測得的，分別為133K和135K。目前已知在50多種HTSCs中有些Tc值高于液氮的沸點(77K或-196℃)。這就給超導體技術應用提供了新的可能性，因為用液氮冷卻比用在LTSCs的液氦冷卻便宜1／50～1／100。第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三具有垂直磁鐵軌道的超導慈懸浮列車第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三實例7，聚變，地球上的受控太陽燃燒

像所有恒星一樣，太陽輻射的能量來自于聚變。這種聚變能是在各種氫同位素的輕原子核形成氦的聚變過程中釋放出來的。在聚變反應中，根據(jù)愛因斯坦方程E=mc2，原子核的一小部分質(zhì)量轉變成聚變產(chǎn)物的動能。這就是太陽能產(chǎn)生1026瓦的巨大輻射功率的原因。將核聚變用于發(fā)電，以一種可控的方式使核聚變在地球上生產(chǎn)能量，是一個國際性目標。雖然實現(xiàn)“地面太陽的燃燒”己被證實比上世紀50年代和60年代預想的要困難得多，但是，目前第一個試驗堆計劃顯示，我們較前幾年更加接近了聚變發(fā)電站的實現(xiàn)。受控核聚變是個長遠的目標。一旦這個目標實現(xiàn)，能源就會得到保證，甚至當化石燃料用盡也沒問題。這種前景足以證明高度工業(yè)化國家為建造第一個聚變發(fā)電站所付出的巨大努力是正確的。第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三聚變發(fā)電站產(chǎn)生能量的聚變反應示意圖第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三國際熱核實驗堆ITER示意圖第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三實例8：納米世界綜合了許多技術制造的高集成度芯片在基底上沉積的碳納米管的結構第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三納米電子學有許多通向未來的發(fā)展路線第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三工業(yè)界：商業(yè)和工業(yè)是物理學家主要的雇主，超過半數(shù)的物理學家在這兩個領域工作。過去，他們的基礎物理方面的研究成就非常顯著。國際知名的公司，諸如貝爾實驗室、IBM、西門子,蔡司等等，它們享譽世界，不僅僅依靠產(chǎn)品開發(fā)，而且依靠基礎研究的成果。它們的雇員獲得過諾貝爾獎，編著教科書，在國際會議上用基礎研究的前沿課題成果發(fā)表專題演講。在許多情況下，他們自己組織這樣的會議。工業(yè)界基礎研究人員對主要全國性會議的貢獻，諸如德國物理學會春季會議，都是非常顯著，而且令人感興趣。對于大學和政府研究機構的物理學家來說，基礎物理研究的個人成就不僅是重要的，也接觸了工業(yè)界的物理學家，聯(lián)絡了潛在的雇主，而且，通常是提高競爭力，強化基礎物理研究的一個主要的動力。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三交叉學科，物理學的前沿和未來的創(chuàng)新技術大規(guī)模科學計算，超級計算中心和軟件產(chǎn)業(yè)。

1、在物理學未來的發(fā)展中，兩個方面可能起著決定性作用。首先，最需要研究的重要問題和研究項目將是關于交叉學科的，而要從事這樣的研究，必須具備多領域、多學科的技巧和能力。納米技術領域的最新發(fā)展可以看做各學科之間或交叉學科研究項目的一個很好的例子。對納米結構的研究和自然科學的3個研究領域有關，物理學家、化學家和生物學家共同努力于理解和制造納米尺度的物體。只需想想有關富勒烯的研究，用少數(shù)的碳原子制成非常有意義的微管，以及大量的生物學上非常重要的大分子，就令人異常激動。第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三物理學家、化學家和分子生物學家各自將其不同的技巧用于納米結構的實驗室制造和分析中。他們或者從一個指定的宏觀結構開始，例如，要么利用物理的方法對表面進行處理，直到要尋找的納米結構出現(xiàn)（從上而下的方法），或者直接從原子和分子層次開始，系統(tǒng)地何曾那種離出發(fā)點越來越復雜的結構（從下而上的方法）。另外一個有發(fā)展前景的方法，是研究和利用自然界中已經(jīng)存在的極小結構的功能特性。納米技術研究的這3種方法是緊密地聯(lián)系在一起的。其中任何一個學科的進步通常都包含著其它學科進步的結果。第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

2、交叉學科在未來將起到更加重要的作用，它既能激發(fā)“舊”科學，又能使之完善并緊密聯(lián)系在一起。這種綜合性的科學涉及各單個學科曾使用過的那些正規(guī)的結構和概念。尤其需要指出的是，計算機科學是基于工程科學和自然科學而繁衍成長的。同時，以生物計算機和量子計算機為例，它們表明，其發(fā)展也對技術有持續(xù)的影響，新知識對于技術的發(fā)展極有助益。很明顯，技術進步是不會被學科局限性所限制的，而應對技術挑戰(zhàn)需要不同學科領域的結合。第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

3、物理學作為標準方法的一門學科，將來仍然會在以下3個方面起到重要作用。首先，物理學中的研究方法和評價標準，也就是說狹義條件下的物理學方法準則是科學研究的基本方針，而且將來仍然如此。第二，物理學中的理論和數(shù)學化發(fā)展成為精密科學中理論研究的標桿。第三，即使在將來，其它學科尚需借助于由物理學發(fā)展起來的（測量）儀器，從而解決那些最初與物理無關的問題（例如，核磁共振、光刻等）。在研究內(nèi)容方面，課題和學科間的界限將會變得更加開放，一門學科的方法將會越來越多地應用到另一門學科中?？v使如此，生物學和其它自然科學于物理學相結合必將構成一種新的世界觀，物理學作為如上所述標準學科，將仍然是自然科學的理論和方法的基礎。第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

2005年9月上海超算中心舉行了：“高性能計算戰(zhàn)略研討會”中國科學院數(shù)理、信息技術和技術學部三學部和中科院浦東院士活動中心聯(lián)辦。涉及航空航天、核科學、地球物理、大氣科學、納米材料、工程力學、生命科學、計算機科學及軟件工程等學科。涉及虛擬仿真及CAE技術，大規(guī)模數(shù)值并行計算，多尺度模擬與計算，數(shù)學建模，算法語言，大規(guī)模科學計算的置信評估，高性能計算機與數(shù)理基礎研究互動等技術和學科交叉的問題。傳統(tǒng)的理論研究，實驗研究加上高性能計算成為現(xiàn)代科技和工程設計的三大支柱，是國民經(jīng)濟發(fā)展國家安全和科技進步的關鍵因素之一，一門重要的交叉學科（計算物理）正在迅速發(fā)展。四個需加強建設的方面的建議：1、高性能計算系統(tǒng)和相關技術的研發(fā)和自主創(chuàng)新。2、大規(guī)?？茖W計算應用軟件，建模和算法，加強集成創(chuàng)新。3、

交叉學科人才培養(yǎng)。4、

中長期發(fā)展戰(zhàn)略，管理體制和機制，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和組織實施。建議上海浦東超算中心發(fā)展計算物理學科，成為我國大規(guī)?？茖W和工程應用軟件的研制和集成中心，高性能計算的交叉學科人才培養(yǎng)中心。第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

商務顧問：那些穿著上等西服的人，必定是學習商業(yè)管理的嗎？錯！在一家著名的咨詢公司中相對于受過其它專業(yè)教育的人才而言，“商務專業(yè)人才“如今幾乎只占小部分。自然科學家，尤其是物理學家，構成該公司的德國各分公司中最