跨世纪物理学的几个活跃领域和发展趋势

20世纪是科学技术飞速发展的时代。在这个时代，我们目睹了人类分裂原子、拼接基因、克隆动物、开放信息高速公路、纳米加工和探索太空。很难想象没有科学技术的快速发展，没有原子能，没有计算机和半导体，现代生活会是什么样子。如同科学技术的发展一样，物理学也经历了一场极其深刻的革命。可以说，物理学一直在不断发展。它有许多活跃的前沿领域，是最具活力和成就的学科之一。首先，21世纪在几个活跃的物理领域蓬勃发展的凝聚态物理，自20世纪80年代中期发现所谓的高临界温度超导体以来，世界上对这种具有巨大应用潜力的新材料的研究热情和乐观情绪时断时续。这种新材料可以在液氮温区无阻抗地传导电流。高临界温度超导材料的研究仍是未来凝聚态物理的活跃领域之一。目前，许多国家的科学家仍在与时间赛跑，并继续在高温区域，甚至室温区域争夺超导材料的研究和应用。可以预测，这一势头在未来不会减弱。此外，高临界温度超导材料的力学性能、韧性和强度以及成品加工工艺有待进一步提高和解决。科学家预测，在21世纪初，这些技术问题可以得到解决，并将有广阔的应用前景，这可能导致一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船舶、超导计算机等。将被引入市场。届时，世界超导材料市场有望达到2000亿美元。由不同材料的交替薄膜组成的超晶格材料有望成为新一代微电子和光电材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在不到30年的时间里逐渐揭示了它们的微观机制和物理图像。目前，已经使用半导体超晶格材料开发了许多新的器件，其可以在原子尺度上人工“设计”半导体成分的掺杂，从而研究在普通半导体中不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向新的阶段。然而，仍然需要进一步的努力来制备其他类型的超晶格材料。一些科学家预测，下一代电子器件可能会被微结构器件所取代，这可能会给电子工业带来一场革命。微观结构物理研究中仍有许多新的物理现象有待揭示。21世纪可能是富有成果的，其前景不可低估。近年来，与磁阻相关的两种现象引起了人们的极大兴趣，即所谓的巨磁阻和超巨磁阻。一般来说，磁阻意味着物质的电阻率在磁场中会有轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以变化几倍或几千倍。超级巨磁现象中令人惊讶的是，在非常强的磁场中，一些绝缘体会突然变成导体。原因并不清楚，正如高临界温度超导材料的超导性的原因是难以捉摸的一样。目前，巨磁和超巨磁应用的主要障碍是强磁场和低温的要求。预计在下个世纪初，这一领域将会取得巨大的进展，并有着诱人的应用前景。可以预见，新材料的发展是21世纪凝聚态物理研究的重要发展方向之一。新材料的发展趋势是:复合化、功能专门化、性能限制和微观结构。例如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；能够随空间和时间条件变化的智能材料；变形速度快的压电材料和精细陶瓷材料将成为下个世纪的重要新材料。材料专家预测，21世纪可能会有100多万种新材料。等离子体物理学和核聚变海水含有大量的氢及其同位素氘和氚。氘是重氢，氧化氘是重水。每吨海水含有140克重水。如果我们从地球的海水中释放所有的申命记能量，它产生的能量将足以提供数百亿年的人类使用。然而，氘和氚的原子核只能在高温下聚集释放能量。这个过程叫做热核反应，也叫做核聚变。核聚变反应的温度需要几亿度。在这样的高温下，氘和氚混合燃料形成高温等离子体状态，因此等离子体物理是核聚变反应的理论基础。1986年，美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成就。他们在TFTR实验设备上的超级启动放电达到20千电子伏，远远超过“点火”要求。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实验。在一个圆环中，氘和氚气体相遇并在2亿度成功爆炸，产生200千瓦的能量。虽然它只持续了1.3秒，但它是人类探索新能源核聚变能源的一大进步。这是20世纪90年代核能研究中最具突破性的工作。然而，核聚变反应离实际应用还很远，还有许多技术问题需要解决，比如如何将等离子体加热到如此高的温度？高温等离子体不能与装有它的容器壁接触，否则等离子体将被冷却，容器将被烧毁。这是如何抑制问题的。21世纪初，这一领域的研究工作可能会有所突破。纳米技术正向我们走来。所谓的纳米技术是在10[-9米(即十亿分之一米)的水平上研究原子和分子现象及其结构信息的应用的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量水平上处理物质并生产各种各样的东西，从而使人类进入一个新的材料和设备可以在纳米尺度上人工设计、加工和制造的时代。粗略地说，纳米技术可以分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工。纳米材料具有传统材料所不具备的特殊特性，如硬度、强度、韧性和导电性都很高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一家研究所认为，如果不采取措施研究纳米材料的发展，任何经营材料的企业在未来都将处于竞争劣势。纳米电子学是纳米技术和电子学交叉形成的新技术。这是一项新技术，主要研究纳米芯片、器件和超高密度信息存储。例如，目前，超高密度信息存储器的最高存储密度是每平方厘米10[比特，其信息存储量是常规光盘的10[6倍。纳米机械和加工，也称为分子机器，可以制造几乎无缝的物体而不需要零件。它可以每秒完成数十亿次操作，可以做人类想要的任何事情，可以制造人类想要的任何产品。目前，世界上最小的(米粒大小)蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀都是由分子机器加工而成的。微型机器人可以进入血管，清理血管壁上沉积的脂肪，杀死癌细胞，修复受损的组织和基因。迷你手术刀只有1%的细丝大小，无需开胸和腹部切口即可完成手术。在21世纪，生物分子机器将有一台纳米计算机，可以放入人脑中实现人机对话，并具有自我复制的能力。人类也有可能创造新的智能生命，实现物种重组。“无限”和“无限斜系统物理学”以及“无限斜系统物理学”是当今物理学发展中非常活跃的领域。天体物理学和天体物理学属于“无限”系统物理学的范畴。它已经从早期对太阳系的研究逐渐发展到对银河系和整个宇宙的研究。作为本世纪下半叶自然科学的四大成就之一，热大爆炸宇宙模型当之无愧。这个模型已经被成功地用来解释宇宙观测的最新结果。例如宇宙的膨胀，宇宙的年龄下限，宇宙物质的等级结构，以及宇宙在大尺度上的各向同性。可以说，具有膨胀机制的热大爆炸宇宙学模型为现代宇宙学奠定了一定的基础，但迄今为止，关于宇宙起源的问题仍未解决，膨胀宇宙学也并不完善。事实上，一次很难得到一个完美的宇宙学理论，这需要进一步的努力和探索。在“无限”系统的物理学中还有两个更重要的问题:类星体和暗物质。“类星体”于1961年被发现。类星体发出的光相当于数千个星云，每个星云相当于1万亿个太阳发出的光。因此，类星体的研究具有重要意义。20世纪60年代末，科学家发现了一个编号为3C271的类星体。它的能量在一天内增加了一倍。到底是什么导致它的能量增长如此之快？这在21世纪仍有待解决。“暗物质”是一种有重力、看不见、不发光的物质。宇宙中90%以上的物质是所谓的“暗物质”。这是什么“暗物质”？我们仍然不知道，我们仍然必须在下个世纪解决它。核物理和粒子物理属于“无限斜系统物理”的范畴，它是从原子和原子核的早期研究逐渐发展到粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、с介子、k介子等)。)，轻子(电子、μ子、τ轻子等。)和介质(光子、胶子等。)。强子是涉及强相互作用的粒子的总称，其数量几乎占绝大多数粒子类型。轻子参与弱相互作用和电磁相互作用，而不参与强相互作用。调解人传递互动。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子是由更小的粒子“夸克”组成的，但是到目前为止，它们还不能把单个的“夸克”分开，而且也没有观察到它们*存在。为什么夸克不能独立存在？另一个无法解释的问题是“不对称”。目前，我们所有的定理都是对称的，但世界是不对称的。这是一个有待解决的矛盾。寻找由夸克和弱电统一理论预测的导致自发对称性破缺的独立氢粒子，解释“对称性”和“非对性”之间的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。从表面上看，“无限”系统物理和“无限倾斜系统物理”之间似乎没有必然的联系。事实上，这不是真的。宇宙学家和天体物理学家用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限”结构，即可观测的宇宙。另一方面，粒子物理学家使用量子力学来处理“无限倾斜微观区域”的现象。事实上，宇宙系统和原子系统在某些方面有惊人的相似之处。预计21世纪“无限”系统物理学将与“无限斜系统物理学”更紧密地结合在一起，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学将融为一体。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的模型。事实上，该模型是建立在粒子物理中的弱电统一理论基础上的。可以预料，这种结合将对科学技术的发展和应用产生巨大的影响。第二，下个世纪科学技术的发展趋势取决于基础科学的发展。因此，首先，我们必须重视基础科学的研究，而不能忽视，更不能简单地衡量当时基础科学成果的价值。相对论和量子力学在建立时似乎与其他学科和日常生活毫无关系。直到20世纪中叶，相对论和量子力学在许多科学领域引起了深刻的变化，人们才对此给予足够的重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，如原子能、半导体、激光、计算机等。，都是因为相对论和量子力学而实现的。可以说，没有基础科学，就没有科学技术、社会和人类发展。20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科之间的交叉、合作和渗透是产生新发明和新发现、解释新现象和实现科学突破的关键条件之一。例如，核物理和军事技术的结合产生了原子弹。半导体物理学和计算技术的交叉产生了计算机。可以预见，21世纪人类掌握核聚变能源的那一天将是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术交叉和协调的结果。这也是21世纪科技发展的趋势之一。本世纪科学技术发展的另一个趋势是“极端”研究。所谓“极端”研究包括两个方面:一是创造或克服某些实验的“极端”条件，以取得突破。例如，实验有时需要超低温、超高温、超真空、超高压、超精细和超洁净的工作条件，有时需要克服温度、湿度、重力、磁场等环境的影响。第二，科学技术研究已经深入到接近“极限”和突破“极限”取得突破的困难时期。例如，很难将高温超导体的临界温度Tc逐点提高。本世纪科学技术发展的另一个趋势是科学与技术的结合，即技术的科学化和科学化。在下一个世纪，技术突破将变得越来越困难，只有通过科学研究和理论积累，才能有发明创造。同时，技术的发展和实验水平的提高促进了科学的发展。