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1、物理工程与人类未来第1页，共58页，编辑于2022年，星期一天体物理和宇宙学，基本粒子和原子核天体物理和宇宙学，基本粒子和原子核空间和时间、空间和时间、能量和物能量和物质质的基本结构。的基本结构。天体物理和宇宙学天体物理和宇宙学 粒子物理粒子物理 原子核原子核物质的构成单元，恒星的燃料物质的构成单元，恒星的燃料 量子世界一瞥量子世界一瞥 快、更快、最快快、更快、最快超短激光脉冲超短激光脉冲 从微结构自备新材料从微结构自备新材料 等离子体等离子体物质的第四种状态物质的第四种状态原子、分子、量子光学和等离子体原子、分子、量子光学和等离子体光与物质的相互作用光与物质的相互作用第2页，共58页，编辑于
2、2022年，星期一凝聚态物质凝聚态物质从基础研究到未来的技术从基础研究到未来的技术 半导体半导体 凝聚态物质中的奇异电子态凝聚态物质中的奇异电子态 超导性超导性 磁性磁性与新技术相关的古老现象与新技术相关的古老现象 表面表面 纳米结构纳米结构 软物质软物质 有机半导体有机半导体第3页，共58页，编辑于2022年，星期一自组织和结构的形成自组织和结构的形成自组织和结构的形成自组织和结构的形成普适的原理普适的原理普适的原理普适的原理 热力学，一个普适的理论热力学，一个普适的理论热力学，一个普适的理论热力学，一个普适的理论 流动的晶体、固态液体流动的晶体、固态液体流动的晶体、固态液体流动的晶体、固态
3、液体 形变、相变形变、相变形变、相变形变、相变 临界现象临界现象临界现象临界现象 普适性和标度不变性普适性和标度不变性普适性和标度不变性普适性和标度不变性 好！现在让铸造开始好！现在让铸造开始好！现在让铸造开始好！现在让铸造开始(席勒的钟之歌席勒的钟之歌席勒的钟之歌席勒的钟之歌)成长和成熟成长和成熟成长和成熟成长和成熟 分形世界分形世界分形世界分形世界 沙子的轨迹，颗粒动力学沙子的轨迹，颗粒动力学沙子的轨迹，颗粒动力学沙子的轨迹，颗粒动力学 流动、向前流动，不断地伸展（歌德的魔术师的学徒流动、向前流动，不断地伸展（歌德的魔术师的学徒流动、向前流动，不断地伸展（歌德的魔术师的学徒流动、向前流动，
4、不断地伸展（歌德的魔术师的学徒)决定性混沌决定性混沌决定性混沌决定性混沌,混乱中的方法混乱中的方法混乱中的方法混乱中的方法 生存的结构和生命的结构生存的结构和生命的结构生存的结构和生命的结构生存的结构和生命的结构第4页，共58页，编辑于2022年，星期一物理学和生物学物理学和生物学历史上的姐妹历史上的姐妹生物材料的魔力生物材料的魔力自组织在复杂结构中产生有序性自组织在复杂结构中产生有序性结构的阐明结构的阐明从原子到毫米尺度从原子到毫米尺度从从单单分分子子到到系系统统，一一座座连连接接生生物物信信息息学学和和物物 理理学学的的桥梁桥梁生物纳米机器生物纳米机器展望展望物理学和生物学物理学和生物学生
5、命的物质结构及基本过程生命的物质结构及基本过程第5页，共58页，编辑于2022年，星期一物理学和物理学和“地球系统地球系统”地震、海洋、气候和环境地震、海洋、气候和环境 地球地球-一个热机一个热机 地震学地震学-地球内部的窗口地球内部的窗口 测量地球的人造卫星测量地球的人造卫星 地球磁场地球磁场 地球科学和固体物理地球科学和固体物理成功的一对成功的一对 气候气候 地球，我们的生存环境地球，我们的生存环境第6页，共58页，编辑于2022年，星期一 宇宙中物质演化宇宙中物质演化模拟结果。立方体边模拟结果。立方体边长为长为1212亿光年。亿光年。亮结构是由引力亮结构是由引力物质凝聚形成的，物质凝聚形
6、成的，带颜色的点是星系。带颜色的点是星系。12亿光年第7页，共58页，编辑于2022年，星期一第8页，共58页，编辑于2022年，星期一核物质的相图第9页，共58页，编辑于2022年，星期一第10页，共58页，编辑于2022年，星期一半导体芯片半导体芯片摩尔定律摩尔定律第11页，共58页，编辑于2022年，星期一第12页，共58页，编辑于2022年，星期一不同超导体的转变温度不同超导体的转变温度第13页，共58页，编辑于2022年，星期一原子尺度的原子尺度的“20002000”字样字样用扫描隧道显微用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面镜的针尖在铜表面上直接移动了上直接移动了4747个个COCO分子。
7、分子。第14页，共58页，编辑于2022年，星期一用有机材料做的明亮的彩色屏幕聚合物柔性聚合物柔性显示器显示器低分子量材料有源陈列驱动低分子量材料有源陈列驱动OLED全全色显示屏色显示屏第15页，共58页，编辑于2022年，星期一 自组织形成的序。自组织形成的序。共晶合金有形成有规则的纤共晶合金有形成有规则的纤维或片状结构的倾向。用内维或片状结构的倾向。用内部生长有碳化钽纤维的定向部生长有碳化钽纤维的定向凝固的镍合金来制造飞机发凝固的镍合金来制造飞机发动机和发电站的涡轮叶片。动机和发电站的涡轮叶片。图为一个腐蚀的截面，纤维间距为图为一个腐蚀的截面，纤维间距为8 8微米。微米。第16页，共58页
8、，编辑于2022年，星期一沙丘上常形成波纹，是一个至今尚未被完全了解的过程。神秘的沙波第17页，共58页，编辑于2022年，星期一喘流未解之迷。水流射到静止的水中，形成了喘流漩涡。图像可见是因为流体内加入了荧光燃料。第18页，共58页，编辑于2022年，星期一收到立体声音乐时人类大脑听觉中心活动的原位直接观测图黄色部分表示空中移动的声源的识别中心通过功能核磁共振成像技术发现。第19页，共58页，编辑于2022年，星期一细胞生物中力学方法的微缩图第20页，共58页，编辑于2022年，星期一老鼠大脑中一个神经细胞固定在硅芯片的场效应晶体管线列中。第21页，共58页，编辑于2022年，星期一第22页
9、，共58页，编辑于2022年，星期一物理学是为工业和技术进行的研究。汽车中的物理学医学中的物理学能源技术中的物理学我们的能源 光伏效应-来自太阳的电能 高温超导体-使电能没有损失 聚变，地球上的受控太阳燃烧 半导体技术中的物理学 物物理理学学从从来来没没有有被被认认为为纯纯科科学学或或非非应应用用科科学学，长长期期以以来来，强强烈烈的的实实际际应应用用需需求求推推动动着着物物理理学学研研究究，同同时时物物理理学学也也对对工工业业和社会产生了巨大的影响。和社会产生了巨大的影响。第23页，共58页，编辑于2022年，星期一 经经济济学学家家指指出出，大大约约23%23%的的美美国国国国民民生生产产
10、总总值值可可以以归归因因于于物物理理学学中中的的量量子子力力学学引引导导的的科科学学突突破破。这这个个数数字字可可能能与与德德国国的的差差不不多多。尽尽管管晶晶体体管管、计计算算机机、激激光光和和核核能能不不仅仅基基于于量量子子力力学学，但但没没有有量量子子力力学学他他们们是难以想像的。是难以想像的。-德德国国前前总总理理罗罗曼曼赫赫尔尔佐佐克克（Roman Roman HerzogHerzog），19951995年年1111月月8 8日日在在维维尔尔茨茨堡堡大大学纪念伦琴百年诞辰上的讲话。学纪念伦琴百年诞辰上的讲话。在物理学和工程科学之在物理学和工程科学之间出现工作内容的分工（尤间出现工作内
11、容的分工（尤其在过去的几年里），纯物其在过去的几年里），纯物理学研究发现新的效应和方理学研究发现新的效应和方法，这些新发现由研究机构法，这些新发现由研究机构和工业部门的工程师和物理和工业部门的工程师和物理学家进行下一步开发，直到学家进行下一步开发，直到在工业界可以应用。现代工在工业界可以应用。现代工业的发展极大受益于并且愈业的发展极大受益于并且愈加依赖于物理学的最新研究加依赖于物理学的最新研究成果。工业界确实需要物理成果。工业界确实需要物理学家和物理学。学家和物理学。第24页，共58页，编辑于2022年，星期一 当当前前工工艺艺固固体体物物理理和和表表面面的的研研究究，与与计计算算机机和和通通
12、讯讯产产业业非非常常密密切切。新新的的研研究究成成果果可可能能给给这这些些产产业业带带来来质质量量或或功功能能上上决决定性的改进，并产生相应的效益。定性的改进，并产生相应的效益。哪些物理学领域对未来工业和社会发展至关重要？哪些物理学领域对未来工业和社会发展至关重要？事事实实上上，较较早早时时期期物物理理学学研研究究的的每每个个领领域域都都为为今今天天的的经经济济效效益益做做出出了了贡贡献献。因因此此，社社会会应应当当对对纯纯物物理理学学研研究究给给于于投投入入，因因为为这个投资迟早会得到回报。这个投资迟早会得到回报。电电动动力力学学的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组发发表表于于1919世世纪纪最
13、最后后3 3年年，那那时时是是“纯纯”理理论论。由由于于有有了了这这个个科科学学基基础础，导导致致短短短短几几年年后后无无线线电电报报的的诞诞生，并被进一步发展成现代通讯技术。生，并被进一步发展成现代通讯技术。对对于于液液晶晶的的研研究究，多多年年来来被被看看做做是是纯纯科科学学。但但现现在在以以液液晶晶为为基础的液晶显示技术已进入每个家庭。基础的液晶显示技术已进入每个家庭。第25页，共58页，编辑于2022年，星期一 物物理理学学、物物理理学学家家和和物物理理学学方方法法不不仅仅与与计计算算机机或或者者通通讯讯产产业业的的最最新新产产品品有有关关，而而且且与与日日常常消消费费品品，例例如如汽
14、汽车车有有关关。物物理理学学能能在在医医学学领领域域开开发发新新的的诊诊断断和和治治疗疗方法，也必定会对解决急迫的能源问题做出贡献。方法，也必定会对解决急迫的能源问题做出贡献。第26页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例1 1：通过：通过ESPESP（电子稳定程序）来保证安全（电子稳定程序）来保证安全电子稳定系统（电子稳定系统（ESPESP)防止拐弯太快防止拐弯太快时突然变向时突然变向当然它一定会受到物理当然它一定会受到物理学定律的限制学定律的限制具有具有ESPESP汽车的横向动力学汽车的横向动力学第27页，共58页，编辑于2022年，星期一yawyaw用用微微系系统统技技术术制制作作
15、的的yawyaw速速率率传传感感器示意图器示意图yawyaw速率传感器模拟过程的各种因素速率传感器模拟过程的各种因素第28页，共58页，编辑于2022年，星期一 力学、电动学、流体力学和电子学知识非常严密地联结在力学、电动学、流体力学和电子学知识非常严密地联结在yawyaw速率传感器中速率传感器中第29页，共58页，编辑于2022年，星期一 实实例例2 2：高高压压直直接接柴柴油油注注入入技技术术-高高功功率率输输出出，低能耗和低污染。低能耗和低污染。第30页，共58页，编辑于2022年，星期一燃烧过程模拟第31页，共58页，编辑于2022年，星期一在玻璃内燃机进行燃烧过程的测量通过火焰发光强
16、度监测燃烧过程的传播第32页，共58页，编辑于2022年，星期一过程测 量注入喷射特性，喷射解体液滴速度液滴直径喷射壁相互作用气化流体蒸气比液滴温度相对速度汽化速率混合蒸汽分布流场/喘流点火燃料/空气比温度流场 残留排放部分点火延迟时间燃烧离析物和产物火焰传播流场温度污染物形成氧化氮碳黑碳氢化合物第33页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例实例实例3 3 3 3：医学中的成像技术。：医学中的成像技术。：医学中的成像技术。：医学中的成像技术。医医学学诊诊断断的的成成像像技技术术得得益益于于物物理理学学医医生生在在不不开开刀刀的的情情况况下下，观观察察患患者者体体内内情情况况。189518
17、95年年，伦伦琴琴首首次次公公开开使使用用x x射射线线照照相相，他他展展示示了了他他夫夫人人的的手手像像。没没出出几几年年，x x射射线线技技术术在在医医学学领领域域得得到到空空前前广广泛泛的的应应用用。大大约约2020年前，年前，x x射线层析术能产生人体内部特别包括致密的骨骼结构的三维图像。射线层析术能产生人体内部特别包括致密的骨骼结构的三维图像。利利用用量量子子力力学学中中核核自自旋旋性性质质，核核磁磁共共振振成成像像(MRI(MRI，也也叫叫NMRNMR成成像像)技技术术能能够够产产生生软软组组织织图图像像。最最近近几几年年，利利用用高高温温超超导导体体研研制制的的高高灵灵敏敏度度超
18、超导导量量子子干干涉涉器器件件(SQUID)(SQUID)探探测测器器使使成成像像方方法法得得到到进进一一步步改改进进，从从而而使使患患者者更更加加舒舒适适。图图像像分分辨辨率率提提高高，能能增增加加确确诊诊率率磁磁场场强强度度降降低低，成成像像时时间间缩缩短短，减减轻轻了了对对患患者者的的压压力力。功功能能成成像像也也取取得得了了重重要要进进展展，不不仅仅在在解解剖剖学学上上，而而且且在在生生理理学学上上展展现现身身体体有有关关的的详详细细情情况况。例例如如，可可用用功功能能MRIMRI显显示示脑脑部部功功能能异常。异常。第34页，共58页，编辑于2022年，星期一吸进核自旋极化的氦吸进核自
19、旋极化的氦3 3，使，使MRIMRI能诊断肺部疾病能诊断肺部疾病肺的外部或肺的外部或非呼吸区非呼吸区（黑色区）（黑色区）移植的肺移植的肺正常区（绿色）正常区（绿色）患者被损伤的和完全患者被损伤的和完全被破坏的肺（红、橙、被破坏的肺（红、橙、黄）黄）第35页，共58页，编辑于2022年，星期一 共共振振信信号号可可用用来来示示踪踪氦氦3 3原原子子在在整整个个肺肺部部的的扩扩散散途途径径，并并分分辨辨正正常常的的胞胞状组织和病变组织的差别。状组织和病变组织的差别。能能够够在在l lIOIO秒秒时时间间间间隔隔摄摄制制肺肺部部三三维维图图像像，由由此此可可得得到到肺肺在在呼呼吸吸时时所所发发生生过
20、过程的录像。这个录像可以帮助我们查出肺中的问题和障碍。程的录像。这个录像可以帮助我们查出肺中的问题和障碍。与与空空气气进进入入肺肺中中的的氧氧接接触触后后，氦氦3 3极极化化特特征征会会在在几几秒秒钟钟之之内内消消失失。精精确确测测定定此此极极化化衰衰变变时时间间，能能测测定定肺肺部部局局部部含含氧氧量量和和肺肺部部氧氧的的消消耗耗量量。这这样样，人人们首次用空间分辨和非侵人方式诊断肺部主要功能们首次用空间分辨和非侵人方式诊断肺部主要功能vvv第36页，共58页，编辑于2022年，星期一 实例实例4 4：用激光治病，用重离子加速器治疗癌。：用激光治病，用重离子加速器治疗癌。用用nd:YAGnd
21、:YAG激激光光器器成成功功治治疗疗长长在婴儿脚上的血管瘤在婴儿脚上的血管瘤第37页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例5:5:光伏效应光伏效应-来自太阳的电能来自太阳的电能光光伏伏效效应应能能把把阳阳光光直直接接转转换换成成电电能能。如如果果光光子子，即即光光的的粒粒子子，被被适适当当的的材材料料吸吸收收，就就能能在在材材料料里里产产生生或或多多或或少少接接近近自自由由运运动动的的带带正正负负电电荷荷的的载载流流子子。在在此此过过程程中中，光光子子将将大大部部分分能能量量转转换换给给这这些些电电荷荷载载体体。在在光光伏伏型型能能量量转转换换中中，正正负负电电荷荷被被分分离离，并并分分
22、别别向向小小同同电电极极运运动动，从从而而使使两两电电极极带带电电，并并产产生生电电压压。此此电电压压在在外外电电路路中中产产生生电电流流，做做功功。其能量就是从太阳能转换过来的。其能量就是从太阳能转换过来的。第38页，共58页，编辑于2022年，星期一应应该该完完全全清清楚楚地地认认识识到到有有3 3个个问问题题影影响响这这个个原原理理的的技技术术实实用用性性。首首先先，由由于于材材料料中中有有些些过过程程会会使使带带电电载载流流子子重重新新损损失失掉掉，必必须须尽尽快快地地将将由由光光激激发发的的电电荷荷转转移移到到电电极极上上。否否则则，大大部部分分能能量量会会在在这这些些复复合合过过程
23、程中中转转变变成成不不希希望望有有的的热热能能。其其次次，必必须须保保证证，能能量量转转换换器器能能把把覆覆盖盖宽宽的的太太阳阳光光谱谱的的不不同同能能量量(能能量量差差别别高高至至8 8倍倍)的的光光子子高高效效转转化化为为电电能能。同样重要的最后一点，是低成本地生产所需的能量转换器。同样重要的最后一点，是低成本地生产所需的能量转换器。第39页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例实例实例6 6 6 6：高温超导体：高温超导体：高温超导体：高温超导体-使电能没有损失使电能没有损失使电能没有损失使电能没有损失大大约约1515年年前前，发发现现3030多多种种金金属属元元素素和和10001
24、000种种以以上上台台金金和和化化合合物物在在低低于于临临界界温温度度T Tc c时时转转变变成成超超导导状状态态。在在此此状状态态下下，它它们们能能够够传传输输临临界界电电流流密密度度J Jc c以以下下的的电电流流而而没没有有损损失失，一一旦旦电电流流密密度度超超过过这这个个J Jc c值值，超超导导体体就就恢恢复复为为普普通通导导体体。那那时时所所有有已已知知超超导导体体的的T Tc c值值都都低低于于-250-250或或2 2 3 3 K K。这这些些超超导导体体目目前前统统称称为为低低温温超超导导体体(LTSCs)(LTSCs)。19861986年年，缪缪勒勒和和柏柏诺诺兹兹(198
25、7(1987年年诺诺贝贝尔尔奖奖得得主主)发发现现Ba-La-Cu-O(Ba-La-Cu-O(钡钡镧镧铜铜氧氧)化化合合物物有有超超导导电电性性，很很快快发发现现许许多多高高温温超超导导体体，它它们们的的临临界界温温度度在在某某些些情情况况下下比比LTSCsLTSCs高高100K100K。目目前前，在在常常压压下下最最高高T Tc c值值是是由由A Asehillingsehilling等等和和朱朱经经武武等等在在Hg-Ba-La-Cu-OHg-Ba-La-Cu-O化化合合物物中中测测得得的的，分分别别为为133K133K和和135K135K。目目前前已已知知在在5050多多种种HTSCsHT
26、SCs中中有有些些T Tc c值值高高于于液液氮氮的的沸沸点点(77K(77K或或-196)-196)。这这就就给给超超导导体体技技术术应应用用提提供供了了新新的的可可能能性性，因因为为用用液液氮氮冷冷却却比比用用在在LTSCsLTSCs的的液液氦氦冷冷却便宜却便宜1 150501 1100100。第40页，共58页，编辑于2022年，星期一具具有有垂垂直直磁磁铁铁轨轨道道的的超超导导慈慈悬悬浮浮列列车车第41页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例7 7，聚变，地球上的受控太阳燃烧，聚变，地球上的受控太阳燃烧 像像所所有有恒恒星星一一样样，太太阳阳辐辐射射的的能能量量来来自自于于聚聚变
27、变。这这种种聚聚变变能能是是在在各各种种氢氢同同位位素素的的轻轻原原子子核核形形成成氦氦的的聚聚变变过过程程中中释释放放出出来来的的。在在聚聚变变反反应应中中，根根据据爱爱因因斯斯坦坦方方程程E=mcE=mc2 2，原原子子核核的的一一小小部部分分质质量量转转变变成成聚聚变变产产物物的的动动能能。这这就就是是太太阳阳能能产产生生10102626瓦瓦的的巨巨大大辐辐射射功功率率的的原原因因。将将核核聚聚变变用用于于发发电电，以以一一种种可可控控的的方方式式使使核核聚聚变变在在地地球球上上生生产产能能量量，是是一一个个国国际际性性目目标标。虽虽然然实实现现“地地面面太太阳阳的的燃燃烧烧”己己被被证
28、证实实比比上上世世纪纪5050年年代代和和6060年年代代预预想想的的要要困困难难得得多多，但但是是，目目前前第第一一个个试试验验堆堆计计划划显显示示，我我们们较较前前几几年年更更加加接接近近了了聚聚变变发发电电站站的的实实现现。受受控控核核聚聚变变是是个个长长远远的的目目标标。一一旦旦这这个个目目标标实实现现，能能源源就就会会得得到到保保证证，甚甚至至当当化化石石燃燃料料用用尽尽也也没没问问题题。这这种种前前景景足足以以证证明明高高度度工工业业化化国家为建造第一个聚变发电站所付出的巨大努力是正确的。国家为建造第一个聚变发电站所付出的巨大努力是正确的。第42页，共58页，编辑于2022年，星期
29、一聚变发电站产生能量的聚变反应示意图第43页，共58页，编辑于2022年，星期一国际热核实验堆ITER示意图第44页，共58页，编辑于2022年，星期一实例实例8 8：纳米世界：纳米世界综合了许多技术制造的高集成度芯片在基底上沉积的碳纳米管的结构第45页，共58页，编辑于2022年，星期一纳米电子学有许多通向未来的发展路线第46页，共58页，编辑于2022年，星期一工工业业界界：商商业业和和工工业业是是物物理理学学家家主主要要的的雇雇主主，超超过过半半数数的的物物理理学学家家在在这这两两个个领领域域工工作作。过过去去，他他们们的的基基础础物物理理方方面面的的研研究究成成就就非非常常显显著著。国
30、国际际知知名名的的公公司司，诸诸如如贝贝尔尔实实验验室室、IBMIBM、西西门门子子,蔡蔡司司等等等等，它它们们享享誉誉世世界界，不不仅仅仅仅依依靠靠产产品品开开发发，而而且且依依靠靠基基础础研研究究的的成成果果。它它们们的的雇雇员员获获得得过过诺诺贝贝尔尔奖奖，编编著著教教科科书书，在在国国际际会会议议上上用用基基础础研研究究的的前前沿沿课课题题成成果果发发表表专专题题演演讲讲。在在许许多多情情况况下下，他他们们自自己己组组织织这这样样的的会会议议。工工业业界界基基础础研研究究人人员员对对主主要要全全国国性性会会议议的的贡贡献献，诸诸如如德德国国物物理理学学会会春春季季会会议议，都都是是非非
31、常常显显著著，而而且且令令人人感感兴兴趣趣。对对于于大大学学和和政政府府研研究究机机构构的的物物理理学学家家来来说说，基基础础物物理理研研究究的的个个人人成成就就不不仅仅是是重重要要的的，也也接接触触了了工工业业界界的的物物理理学学家家，联联络络了了潜潜在在的的雇雇主主，而而且且，通通常常是是提提高竞争力，强化基础物理研究的一个主要的动力。高竞争力，强化基础物理研究的一个主要的动力。第47页，共58页，编辑于2022年，星期一交叉学科，物理学的前沿和未来的创新技术交叉学科，物理学的前沿和未来的创新技术 大规模科学计算，超级计算中心和软件产业。大规模科学计算，超级计算中心和软件产业。1 1、在物
32、理学未来的发展中，两个方面可能起着决定性作用。首先，最需、在物理学未来的发展中，两个方面可能起着决定性作用。首先，最需要研究的重要问题和研究项目将是关于交叉学科的，而要从事这样的研究，要研究的重要问题和研究项目将是关于交叉学科的，而要从事这样的研究，必须具备多领域、多学科的技巧和能力。纳米技术领域的最新发展可以看必须具备多领域、多学科的技巧和能力。纳米技术领域的最新发展可以看做各学科之间或交叉学科研究项目的一个很好的例子。对纳米结构的研究做各学科之间或交叉学科研究项目的一个很好的例子。对纳米结构的研究和自然科学的和自然科学的3 3个研究领域有关，物理学家、化学家和生物学家共同努力于个研究领域有
33、关，物理学家、化学家和生物学家共同努力于理解和制造纳米尺度的物体。只需想想有关富勒烯的研究，用少数的碳原理解和制造纳米尺度的物体。只需想想有关富勒烯的研究，用少数的碳原子制成非常有意义的微管，以及大量的生物学上非常重要的大分子，就令子制成非常有意义的微管，以及大量的生物学上非常重要的大分子，就令人异常激动。人异常激动。第48页，共58页，编辑于2022年，星期一物物理理学学家家、化化学学家家和和分分子子生生物物学学家家各各自自将将其其不不同同的的技技巧巧用用于于纳纳米米结结构构的的实实验验室室制制造造和和分分析析中中。他他们们或或者者从从一一个个指指定定的的宏宏观观结结构构开开始始，例例如如，
34、要要么么利利用用物物理理的的方方法法对对表表面面进进行行处处理理，直直到到要要寻寻找找的的纳纳米米结结构构出出现现（从从上上而而下下的的方方法法），或或者者直直接接从从原原子子和和分分子子层层次次开开始始，系系统统地地何何曾曾那那种种离离出出发发点点越越来来越越复复杂杂的的结结构构（从从下下而而上上的的方方法法）。另另外外一一个个有有发发展展前前景景的的方方法法，是是研研究究和和利利用用自自然然界界中中已已经经存存在在的的极极小小结结构构的的功功能能特特性性。纳纳米米技技术术研研究究的的这这3 3种种方方法法是是紧紧密密地地联联系系在一起的。其中任何一个学科的进步通常都包含着其它学科进步的结果
35、。在一起的。其中任何一个学科的进步通常都包含着其它学科进步的结果。第49页，共58页，编辑于2022年，星期一 2 2、交交叉叉学学科科在在未未来来将将起起到到更更加加重重要要的的作作用用，它它既既能能激激发发“旧旧”科科学学，又又能能使使之之完完善善并并紧紧密密联联系系在在一一起起。这这种种综综合合性性的的科科学学涉涉及及各各单单个个学学科科曾曾使使用用过过的的那那些些正正规规的的结结构构和和概概念念。尤尤其其需需要要指指出出的的是是，计计算算机机科科学学是是基基于于工工程程科科学学和和自自然然科科学学而而繁繁衍衍成成长长的的。同同时时，以以生生物物计计算算机机和和量量子子计计算算机机为为例
36、例，它它们们表表明明，其其发发展展也也对对技技术术有有持持续续的的影影响响，新新知知识识对对于于技技术术的的发发展展极极有有助助益益。很很明明显显，技技术术进进步步是是不不会会被被学学科科局局限限性性所限制的，而应对技术挑战需要不同学科领域的结合。所限制的，而应对技术挑战需要不同学科领域的结合。第50页，共58页，编辑于2022年，星期一 3 3、物物理理学学作作为为标标准准方方法法的的一一门门学学科科，将将来来仍仍然然会会在在以以下下3 3个个方方面面起起到到重重要要作作用用。首首先先，物物理理学学中中的的研研究究方方法法和和评评价价标标准准，也也就就是是说说狭狭义义条条件件下下的的物物理理
37、学学方方法法准准则则是是科科学学研研究究的的基基本本方方针针，而而且且将将来来仍仍然然如如此此。第第二二，物物理理学学中中的的理理论论和和数数学学化化发发展展成成为为精精密密科科学学中中理理论论研研究究的的标标杆杆。第第三三，即即使使在在将将来来，其其它它学学科科尚尚需需借借助助于于由由物物理理学学发发展展起起来来的的（测测量量）仪仪器器，从从而而解解决决那那些些最最初初与与物物理理无无关关的的问问题题（例例如如，核核磁磁共共振振、光光刻刻等等）。在在研研究究内内容容方方面面，课课题题和和学学科科间间的的界界限限将将会会变变得得更更加加开开放放，一一门门学学科科的的方方法法将将会会越越来来越越
38、多多地地应应用用到到另另一一门门学学科科中中。纵纵使使如如此此，生生物物学学和和其其它它自自然然科科学学于于物物理理学学相相结结合合必必将将构构成成一一种种新新的的世世界界观观，物物理理学学作作为为如如上上所所述述标标准准学学科，将仍然是自然科学的理论和方法的基础。科，将仍然是自然科学的理论和方法的基础。第51页，共58页，编辑于2022年，星期一20052005年年9 9月月上上海海超超算算中中心心举举行行了了：“高高性性能能计计算算战战略略研研讨讨会会”中中国国科科学学院院数数理理、信信息息技技术和技术学部三学部和中科院浦东院士活动中心联办。术和技术学部三学部和中科院浦东院士活动中心联办。
39、涉涉及及航航空空航航天天、核核科科学学、地地球球物物理理、大大气气科科学学、纳纳米米材材料料、工工程程力力学学、生生命命科科学学、计计算机科学及软件工程等学科。算机科学及软件工程等学科。涉涉及及虚虚拟拟仿仿真真及及CAECAE技技术术，大大规规模模数数值值并并行行计计算算，多多尺尺度度模模拟拟与与计计算算，数数学学建建模模，算算法法语语言言，大大规规模模科科学学计计算算的的置置信信评评估估，高高性性能能计计算算机机与与数数理理基基础础研研究究互互动动等等技技术术和和学学科科交交叉的问题。叉的问题。传传统统的的理理论论研研究究，实实验验研研究究加加上上高高性性能能计计算算成成为为现现代代科科技技
40、和和工工程程设设计计的的三三大大支支柱柱，是是国国民民经经济济发发展展国国家家安安全全和和科科技技进进步步的的关关键键因因素素之之一一，一一门门重重要要的的交交叉叉学学科科（计计算算物理）正在迅速发展。物理）正在迅速发展。四个需加强建设的方面的建议：四个需加强建设的方面的建议：1 1、高性能计算系统和相关技术的研发和自主创新。、高性能计算系统和相关技术的研发和自主创新。2 2、大规模科学计算应用软件，建模和算法，加强集成创新。大规模科学计算应用软件，建模和算法，加强集成创新。3 3、交叉学科人才培养。交叉学科人才培养。4 4、中长期发展战略，管理体制和机制，统筹协调和组织实施。中长期发展战略，
41、管理体制和机制，统筹协调和组织实施。建议上海浦东超算中心发展计算物理学科，成为我国大规模科学和工程应用软件的研制和集成建议上海浦东超算中心发展计算物理学科，成为我国大规模科学和工程应用软件的研制和集成中心，高性能计算的交叉学科人才培养中心。中心，高性能计算的交叉学科人才培养中心。第52页，共58页，编辑于2022年，星期一 商商务务顾顾问问：那那些些穿穿着着上上等等西西服服的的人人，必必定定是是学学习习商商业业管管理理的的吗吗？错错！在在一一家家著著名名的的咨咨询询公公司司中中相相对对于于受受过过其其它它专专业业教教育育的的人人才才而而言言，“商商务务专专业业人人才才“如如今今几几乎乎只只占占
42、小小部部分。分。自自然然科科学学家家，尤尤其其是是物物理理学学家家，构构成成该该公公司司的的德德国国各各分分公公司司中中最最大大一一群群咨咨询询顾顾问问。目目前前（20002000年年5 5月月）。有有132132名名物物理理学学者者被被聘聘为为咨咨询询顾顾问问，并并且且德德国国老老板板就就具具有有物物理理博博士士学学位位。顾顾问问这这一一职职业业并并不不是是物物理理学学者者取取得得毕毕业业证证书书或或博博士士头头衔衔之之后的传统职业，但它是一项非常值得考虑的选择。后的传统职业，但它是一项非常值得考虑的选择。第53页，共58页，编辑于2022年，星期一仔仔细细考考虑虑，这这一一点点儿儿也也不不
43、令令人人惊惊奇奇。毕毕竟竟，给给苛苛求求的的客客户户提提建建议议，物物理理学学者者还还是是有有相相当当多多的的优优势势：精精通通于于处处理理复复杂杂的的问问题题，具具有有很很好好的的结结合合实实际际的的理理论论与与分分析析基基础础。他他们们尤尤其其易易被被具具有有技技术术需需求求的的客客户户所所接接受受，而而那那些些具具有有商商业业管管理理背背景景的的同同僚僚们们，虽虽然然能能够够理理解解每每一一种种高高科科技技商商业业或或能能讲讲工工程程师师的的语语言言，客客户对他们却可能缺乏信心。户对他们却可能缺乏信心。第54页，共58页，编辑于2022年，星期一结束语：物理学是人类文化的一部分，是技术的
44、基础。结束语：物理学是人类文化的一部分，是技术的基础。现现代代生生活活基基于于科科学学理理性性的的成成就就。换换句句话话说说，科科学学是是现现代代世世界界必必不不可可少少的的要要素素，同同时时也也是是技技术术文文化化理理性性的的缩缩影影，而而后后者者构构成成今今日日世世界界的的实实体体。如如果果没没有有科科学学，现现代代世世界界将将失失去去它它的的生生命命力力，也也将将失失去去它它的的未未来来。从从开开始始起起，正正是是物物理理学学成成为为欧欧洲洲科科学学发发展展的的核核心心。它它是是科科学学的的原原范范，是是技技术术的的基基础础和和理理性性文文化化的的组组成成部部分分。未未来来，它它仍仍将将
45、是是表表准准方方法法论论的的训练科目，它的优势也将日益有效地被用于各学科间以及跨学科协作中。训练科目，它的优势也将日益有效地被用于各学科间以及跨学科协作中。第55页，共58页，编辑于2022年，星期一当当前前，教教育育和和职职业业教教育育体体系系因因为为忽忽略略自自然然科科学学而而声声名名狼狼藉藉，同同时时，那那些些谈谈论论两两种种文文化化（即即科科学学文文化化、艺艺术术和和人人文文文文化化）的的人人，认认为为教教育育和和学学术术是是属属于于艺艺术术和和人人文文文文化化。按按照照这这种种观观点点，读读过过莎莎士士比比亚亚的的书书，就就是是博博学学的的标标志志，而而知知道道热热力力学学第二定律不
46、是博学。显然，这些事实表明我们的评论并非多余。第二定律不是博学。显然，这些事实表明我们的评论并非多余。毫毫无无疑疑问问，上上述述观观点点虽虽流流布布甚甚广广，但但被被证证明明是是对对教教育育缺缺乏乏理理解解。任任何一个按照这种教育观而想要独立于世的人就像与世隔绝一样。何一个按照这种教育观而想要独立于世的人就像与世隔绝一样。第56页，共58页，编辑于2022年，星期一从亚里士多德德物理到牛顿的物理从亚里士多德德物理到牛顿的物理从从法法拉拉第第和和麦麦克克斯斯韦韦电电动动力力学学到到爱爱因因斯斯坦坦的的相相对对论论和和量量子子力学。力学。物理学是一种科学文化物理学是一种科学文化是构成现代社会本质的基础是构成现代社会本质的基础是人类文化的一部分是人类文化的一部分是现代技术的基础。是现代技术的基础。第57页，共58页，编辑于2022年，星期一第58页，共58页，编辑于2022年，星期一