物理工程和人类未来.ppt

物理工程和人类未来,沈文庆上海市科协SAST4Feb,2008,,天体物理和宇宙学，基本粒子和原子核空间和时间、能量和物质的基本结构。天体物理和宇宙学粒子物理原子核物质的构成单元，恒星的燃料量子世界一瞥快、更快、最快超短激光脉冲从微结构自备新材料等离子体物质的第四种状态,,,,,,,,原子、分子、量子光学和等离子体光与物质的相互作用,凝聚态物质从基础研究到未来的技术半导体凝聚态物质中的奇异电子态超导性磁性与新技术相关的古老现象表面纳米结构软物质有机半导体,,,,,,,,,自组织和结构的形成普适的原理热力学，一个普适的理论流动的晶体、固态液体形变、相变临界现象普适性和标度不变性好现在让铸造开始席勒的钟之歌成长和成熟分形世界沙子的轨迹，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决定性混沌,混乱中的方法生存的结构和生命的结构,物理学和生物学历史上的姐妹生物材料的魔力自组织在复杂结构中产生有序性结构的阐明从原子到毫米尺度从单分子到系统，一座连接生物信息学和物理学的桥梁生物纳米机器展望,,,,,,,物理学和生物学生命的物质结构及基本过程,物理学和“地球系统”地震、海洋、气候和环境地球----一个热机地震学----地球内部的窗口测量地球的人造卫星地球磁场地球科学和固体物理成功的一对气候地球，我们的生存环境,,,,,,,,宇宙中物质演化模拟结果。立方体边长为12亿光年。亮结构是由引力物质凝聚形成的，带颜色的点是星系。,,12亿光年,,,核物质的相图,半导体芯片,摩尔定律,,,不同超导体的转变温度,原子尺度的“2000”字样,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上直接移动了47个CO分子。,,用有机材料做的明亮的彩色屏幕,聚合物柔性显示器,低分子量材料有源陈列驱动OLED全色显示屏,,,自组织形成的序。共晶合金有形成有规则的纤维或片状结构的倾向。用内部生长有碳化钽纤维的定向凝固的镍合金来制造飞机发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8微米。,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,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。,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。,细胞生物中力学方法的微缩图,,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。,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,物理学从来没有被认为纯科学或非应用科学，长期以来，强烈的实际应用需求推动着物理学研究，同时物理学也对工业和社会产生了巨大的影响。,,,,,,经济学家指出，大约23的美国国民生产总值可以归因于物理学中的量子力学引导的科学突破。这个数字可能与德国的差不多。尽管晶体管、计算机、激光和核能不仅基于量子力学，但没有量子力学他们是难以想像的。----德国前总理罗曼赫尔佐克（RomanHerzog），1995年11月8日在维尔茨堡大学纪念伦琴百年诞辰上的讲话。,在物理学和工程科学之间出现工作内容的分工（尤其在过去的几年里），纯物理学研究发现新的效应和方法，这些新发现由研究机构和工业部门的工程师和物理学家进行下一步开发，直到在工业界可以应用。现代工业的发展极大受益于并且愈加依赖于物理学的最新研究成果。工业界确实需要物理学家和物理学。,当前工艺固体物理和表面的研究，与计算机和通讯产业非常密切。新的研究成果可能给这些产业带来质量或功能上决定性的改进，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,事实上，较早时期物理学研究的每个领域都为今天的经济效益做出了贡献。因此，社会应当对纯物理学研究给于投入，因为这个投资迟早会得到回报。,电动力学的麦克斯韦方程组发表于19世纪最后3年，那时是“纯”理论。由于有了这个科学基础，导致短短几年后无线电报的诞生，并被进一步发展成现代通讯技术。,对于液晶的研究，多年来被看做是纯科学。但现在以液晶为基础的液晶显示技术已进入每个家庭。,物理学、物理学家和物理学方法不仅与计算机或者通讯产业的最新产品有关，而且与日常消费品，例如汽车有关。物理学能在医学领域开发新的诊断和治疗方法，也必定会对解决急迫的能源问题做出贡献。,,,,,,实例1通过ESP（电子稳定程序）来保证安全,电子稳定系统（ESP防止拐弯太快时突然变向当然它一定会受到物理学定律的限制,具有ESP汽车的横向动力学,yaw用微系统技术制作的yaw速率传感器示意图,yaw速率传感器模拟过程的各种因素,力学、电动学、流体力学和电子学知识非常严密地联结在yaw速率传感器中,注入和燃烧过程被分为多个子过程（上部），所有这些子过程都是目前理论和实验研究的课题。这些课题还不包括相应的测量方法和测量设备（下部）。,实例2高压直接柴油注入技术----高功率输出，低能耗和低污染。,燃烧过程模拟,在玻璃内燃机进行燃烧过程的测量,通过火焰发光强度监测燃烧过程的传播,实例3医学中的成像技术。,医学诊断的成像技术得益于物理学医生在不开刀的情况下，观察患者体内情况。1895年，伦琴首次公开使用x射线照相，他展示了他夫人的手像。没出几年，x射线技术在医学领域得到空前广泛的应用。大约20年前，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。利用量子力学中核自旋性质，核磁共振成像MRI，也叫NMR成像技术能够产生软组织图像。最近几年，利用高温超导体研制的高灵敏度超导量子干涉器件SQUID探测器使成像方法得到进一步改进，从而使患者更加舒适。图像分辨率提高，能增加确诊率磁场强度降低，成像时间缩短，减轻了对患者的压力。功能成像也取得了重要进展，不仅在解剖学上，而且在生理学上展现身体有关的详细情况。例如，可用功能MRI显示脑部功能异常。,吸进核自旋极化的氦3，使MRI能诊断肺部疾病,肺的外部或非呼吸区（黑色区）,,移植的肺正常区（绿色）,患者被损伤的和完全被破坏的肺（红、橙、黄）,,共振信号可用来示踪氦3原子在整个肺部的扩散途径，并分辨正常的胞状组织和病变组织的差别。能够在l／IO秒时间间隔摄制肺部三维图像，由此可得到肺在呼吸时所发生过程的录像。这个录像可以帮助我们查出肺中的问题和障碍。与空气进入肺中的氧接触后，氦3极化特征会在几秒钟之内消失。精确测定此极化衰变时间，能测定肺部局部含氧量和肺部氧的消耗量。这样，人们首次用空间分辨和非侵人方式诊断肺部主要功能,,,,,,实例4用激光治病，用重离子加速器治疗癌。,,用ndYAG激光器成功治疗长在婴儿脚上的血管瘤,,实例5光伏效应----来自太阳的电能,光伏效应能把阳光直接转换成电能。如果光子，即光的粒子，被适当的材料吸收，就能在材料里产生或多或少接近自由运动的带正负电荷的载流子。在此过程中，光子将大部分能量转换给这些电荷载体。在光伏型能量转换中，正负电荷被分离，并分别向小同电极运动，从而使两电极带电，并产生电压。此电压在外电路中产生电流，做功。其能量就是从太阳能转换过来的。,,,应该完全清楚地认识到有3个问题影响这个原理的技术实用性。首先，由于材料中有些过程会使带电载流子重新损失掉，必须尽快地将由光激发的电荷转移到电极上。否则，大部分能量会在这些复合过程中转变成不希望有的热能。其次，必须保证，能量转换器能把覆盖宽的太阳光谱的不同能量能量差别高至8倍的光子高效转化为电能。同样重要的最后一点，是低成本地生产所需的能量转换器。,实例6高温超导体----使电能没有损失,大约15年前，发现30多种金属元素和1000种以上台金和化合物在低于临界温度Tc时转变成超导状态。在此状态下，它们能够传输临界电流密度Jc以下的电流而没有损失，一旦电流密度超过这个Jc值，超导体就恢复为普通导体。那时所有已知超导体的Tc值都低于-250℃或23K。这些超导体目前统称为低温超导体LTSCs。1986年，缪勒和柏诺兹1987年诺贝尔奖得主发现Ba-La-Cu-O钡镧铜氧化合物有超导电性，很快发现许多高温超导体，它们的临界温度在某些情况下比LTSCs高100K。目前，在常压下最高Tc值是由A．sehilling等和朱经武等在Hg-Ba-La-Cu-O化合物中测得的，分别为133K和135K。目前已知在50多种HTSCs中有些Tc值高于液氮的沸点77K或-196℃。这就给超导体技术应用提供了新的可能性，因为用液氮冷却比用在LTSCs的液氦冷却便宜1／50～1／100。,,具有垂直磁铁轨道的超导慈悬浮列车,实例7，聚变，地球上的受控太阳燃烧,像所有恒星一样，太阳辐射的能量来自于聚变。这种聚变能是在各种氢同位素的轻原子核形成氦的聚变过程中释放出来的。在聚变反应中，根据爱因斯坦方程Emc2，原子核的一小部分质量转变成聚变产物的动能。这就是太阳能产生1026瓦的巨大辐射功率的原因。将核聚变用于发电，以一种可控的方式使核聚变在地球上生产能量，是一个国际性目标。虽然实现“地面太阳的燃烧”己被证实比上世纪50年代和60年代预想的要困难得多，但是，目前第一个试验堆计划显示，我们较前几年更加接近了聚变发电站的实现。受控核聚变是个长远的目标。一旦这个目标实现，能源就会得到保证，甚至当化石燃料用尽也没问题。这种前景足以证明高度工业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。,聚变发电站产生能量的聚变反应示意图,国际热核实验堆ITER示意图,实例8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,纳米电子学有许多通向未来的发展路线,工业界商业和工业是物理学家主要的雇主，超过半数的物理学家在这两个领域工作。过去，他们的基础物理方面的研究成就非常显著。国际知名的公司，诸如贝尔实验室、IBM、西门子,蔡司等等，它们享誉世界，不仅仅依靠产品开发，而且依靠基础研究的成果。它们的雇员获得过诺贝尔奖，编著教科书，在国际会议上用基础研究的前沿课题成果发表专题演讲。在许多情况下，他们自己组织这样的会议。工业界基础研究人员对主要全国性会议的贡献，诸如德国物理学会春季会议，都是非常显著，而且令人感兴趣。对于大学和政府研究机构的物理学家来说，基础物理研究的个人成就不仅是重要的，也接触了工业界的物理学家，联络了潜在的雇主，而且，通常是提高竞争力，强化基础物理研究的一个主要的动力。,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。,1、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，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。对纳米结构的研究和自然科学的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，就令人异常激动。,物理学家、化学家和分子生物学家各自将其不同的技巧用于纳米结构的实验室制造和分析中。他们或者从一个指定的宏观结构开始，例如，要么利用物理的方法对表面进行处理，直到要寻找的纳米结构出现（从上而下的方法），或者直接从原子和分子层次开始，系统地何曾那种离出发点越来越复杂的结构（从下而上的方法）。另外一个有发展前景的方法，是研究和利用自然界中已经存在的极小结构的功能特性。纳米技术研究的这3种方法是紧密地联系在一起的。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。,2、交叉学科在未来将起到更加重要的作用，它既能激发“旧”科学，又能使之完善并紧密联系在一起。这种综合性的科学涉及各单个学科曾使用过的那些正规的结构和概念。尤其需要指出的是，计算机科学是基于工程科学和自然科学而繁衍成长的。同时，以生物计算机和量子计算机为例，它们表明，其发展也对技术有持续的影响，新知识对于技术的发展极有助益。很明显，技术进步是不会被学科局限性所限制的，而应对技术挑战需要不同学科领域的结合。,3、物理学作为标准方法的一门学科，将来仍然会在以下3个方面起到重要作用。首先，物理学中的研究方法和评价标准，也就是说狭义条件下的物理学方法准则是科学研究的基本方针，而且将来仍然如此。第二，物理学中的理论和数学化发展成为精密科学中理论研究的标杆。第三，即使在将来，其它学科尚需借助于由物理学发展起来的（测量）仪器，从而解决那些最初与物理无关的问题（例如，核磁共振、光刻等）。在研究内容方面，课题和学科间的界限将会变得更加开放，一门学科的方法将会越来越多地应用到另一门学科中。纵使如此，生物学和其它自然科学于物理学相结合必将构成一种新的世界观，物理学作为如上所述标准学科，将仍然是自然科学的理论和方法的基础。,2005年9月上海超算中心举行了“高性能计算战略研讨会”中国科学院数理、信息技术和技术学部三学部和中科院浦东院士活动中心联办。涉及航空航天、核科学、地球物理、大气科学、纳米材料、工程力学、生命科学、计算机科学及软件工程等学科。涉及虚拟仿真及CAE技术，大规模数值并行计算，多尺度模拟与计算，数学建模，算法语言，大规模科学计算的置信评估，高性能计算机与数理基础研究互动等技术和学科交叉的问题。传统的理论研究，实验研究加上高性能计算成为现代科技和工程设计的三大支柱，是国民经济发展国家安全和科技进步的关键因素之一，一门重要的交叉学科（计算物理）正在迅速发展。四个需加强建设的方面的建议1、高性能计算系统和相关技术的研发和自主创新。2、大规模科学计算应用软件，建模和算法，加强集成创新。3、交叉学科人才培养。4、中长期发展战略，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中心，高性能计算的交叉学科人才培养中心。,商务顾问那些穿着上等西服的人，必定是学习商业管理的吗错在一家著名的咨询公司中相对于受过其它专业教育的人才而言，“商务专业人才“如今几乎只占小部分。自然科学家，尤其是物理学家，构成该公司的德国各分公司中最大一群咨询顾问。目前（2000年5月）。有132名物理学者被聘为咨询顾问，并且德国老板就具有物理博士学位。顾问这一职业并不是物理学者取得毕业证书或博士头衔之后的传统职业，但它是一项非常值得考虑的选择。,仔细考虑，这一点儿也不令人惊奇。毕竟，给苛求的客户提建议，物理学者还是有相当多的优势精通于处理复杂的问题，具有很好的结合实际的理论与分析基础。他们尤其易被具有技术需求的客户所接受，而那些具有商业管理背景的同僚们，虽然能够理解每一种高科技商业或能讲工程师的语言，客户对他们却可能缺乏信心。,结束语物理学是人类文化的一部分，是技术的基础。,现代生活基于科学理性的成就。换句话说，科学是现代世界必不可少的要素，同时也是技术文化理性的缩影，而后者构成今日世界的实体。如果没有科学，现代世界将失去它的生命力，也将失去它的未来。从开始起，正是物理学成为欧洲科学发展的核心。它是科学的原范，是技术的基础和理性文化的组成部分。未来，它仍将是表准方法论的训练科目，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。,当前，教育和职业教育体系因为忽略自然科学而声名狼藉，同时，那些谈论两种文化（即科学文化、艺术和人文文化）的人，认为教育和学术是属于艺术和人文文化。按照这种观点，读过莎士比亚的书，就是博学的标志，而知道热力学第二定律不是博学。显然，这些事实表明我们的评论并非多余。毫无疑问，上述观点虽流布甚广，但被证明是对教育缺乏理解。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。,从亚里士多德德物理到牛顿的物理从法拉第和麦克斯韦电动力学到爱因斯坦的相对论和量子力学。物理学是一种科学文化是构成现代社会本质的基础是人类文化的一部分是现代技术的基础。,谢谢,