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近代物理学的发展-杨国桢院士讲座(转载）
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——纪念2005世界物理年 视频观看： http://www.kepu.net.cn/gb/basic/ ... s/05061202.html#div 演讲文稿： （主持人： 谢谢张杰院士，张杰院士在演讲中对在座的每一个人，特别是每一位青少年朋友提出期望。下面请中国科学院物理研究所杨国桢院士做报告。） 杨国桢： 各位老师，各位同学，早上好。我非常高兴今天能到这儿来跟同学们讲一讲。我高兴的理由至少有两块，第一，每一个人都有中学时代，我进了四中，就想我的中学时代。第二个原因是张杰院士最后的一张片子，整个物理学的发展，或者整个科学技术的发展都要靠在座的中学生，你们是我们未来的希望，希望以后的爱因斯坦或者类似的伟大科学家就产生在你们中间跟没有来听报告的中学生里面。 我今天讲的题目是《近代物理学的发展——纪念2005世界物理年》。报告分成四个部分。第一部分，介绍一下2005世界物理年。1905年，也就是一百年以前，爱因斯坦连续发表了5篇著名的文章。这5篇著名的文章分布在三个主要领域，第一是关于光量子假说。我想把光看成是具有量子，爱因斯坦给出了公式。第二部分的工作发表了两篇文章，提出了分子运动论，从实验上证明了，至少从一个角度证明了分子、原子的存在。第三是非常重要的，第三个工作的第一篇文章是狭义相对论，第二篇文章给出了现在原子能利用的主要理论基础，也就是质量跟能量的等价性，1＝MC平方。 1905年爱因斯坦发表文章的照片，这是1907年的照片。上世纪初叶，除了爱因斯坦，在另外一个方面，相对论以外的量子力学做了贡献，就是光量子假说以外，量子力学的建立，以普朗克、薛定谔、海森堡、波尔和狄拉克都做出了重要贡献。你们在中学里学到的牛顿的经典力学，运动速度很高，可以跟光速比较，这是狭义相对论研究的领域，这个研究领域跟以后有什么关系呢？在原子体系里面利用率很高。光的运动速度本身就是光速，所以涉及到光的事情，往往就用相对论。什么叫量子力学呢？牛顿力学同学们都很熟悉，但是我们的研究工作越来越深入到研究原子、分子的运动规律，就是量子力学。量子力学要研究的微观体系里面的一些规律问题，就是量子力学。量子力学规律正像你们学到的牛顿力学，可以看到的宏观的运动的规律同样重要的规律。 五位量子力学做出重大贡献的，普朗克1900年，他是量子力学的奠基人。波尔建立了原子结构的量子理论。薛定谔，建立了量子力学的活动——波动力学。海森堡建立了量子力学的矩阵力学的形式。狄拉克提出了相对论的量子力学。 由于相对论和量子力学的建立为代表的近代物理学对整个人类的文明和进步起到了前所未有的推动作用。由于这个原因，去年联合国大会上通过了今年作为世界物理年，作为一个学科，由联合国大会决定作为某某年，应该说这是很稀有的现象。从这点本身也反映了物理学在100年以来对整个科学跟技术发展所取得的重要作用。 这是物理学会设计的世界物理年的海报。 第二部分，把张杰院士的报告更具体化一点，以相对论和量子力学为代表的现代物理学，已经成为了现代科学和技术的重要基础。为什么这么说呢？张杰院士做了很多介绍，我再具体一点。 第一，已经成为了原子核科学与技术的基础。这里当然有很多很多，关于原子跟原子核质量的结构，都是基于量子力学跟相对论理论基础上的。质量跟能量转化的规律，1＝MC平方或者等价的规律，也是爱因斯坦相对论的狭义相对论的一个最主要的推论之一。 跟这个有关系的，要讲到加速器。加速器可以直接体现量子力学跟相对论的一个重要的仪器。加速器是1931年劳伦兹发明的。当时发明的加速器直径大概只有十厘米。离子的运动是靠磁场，在这个方向加了磁场，在这个区域加了电场，离子在电场的运动就加速了，一个伟大的发明在初期看起来是非常简单的。 现在国际上重要的加速器之一，是美国的Fermi实验室的加速器，圆周长约为6公里。 现在加速器的探测器有多大？大概这么大。这是我们国家高能所的正负电子对撞机，在北京的西郊，周长大概有200、300米。高能所的正负电子对撞机里用的北京谱仪，用北京谱仪进行探测。我们国家兰州重离子加速器，是很大的科学工程。 加速器发现以后，量子力学和相对论以后，人类的第一个反物质就是正电子的发现，1932年Anders发现的，在原子里一个离子，传过铅板，有一个轨迹，通过测量这个轨迹就可以知道电耗跟质量。如果电子跟正电子，运动的方向是相反的，如果是这个方向是电子，这个方向就是正电子，第一个发现正电子是1932年。 在正电子发现过程里，赵忠尧院士正好在美国留学，是1927年，他是诺贝尔奖金获得者，当时在加州理工学院工作。博士论文题目是“硬r射线在物质中的吸收系数的测量”。发现r射线通过重元素时，吸收系数就会产生反差，吸收就会大的多，这个结果后来发表了，在美国科学院的院刊上。暗示什么呢？为什么系数会大呢？实际上是r射线通过了重的元素的时候，产生了正负电子。另外，为了弄清楚“反常吸收”，赵忠尧先生又设计了第二轮实验，更加精确，他从大量的康普顿散射的本底中发现了另一种r射线，强度是各向同性的，能量在0.5百万电子是能量的概念，实际上爱因斯坦的狭义相对论的一个贡献就是质量跟能量等价，所以换成质量就相当于电子的质量。实际上预示着为什么有各向同性的0.5MeV的r射线产生的，实际上是电子跟正电子混合的结果。 后来赵忠尧先生所在的加州理工学院的安德逊在文章中写到，我在加州理工学院作为一名研究生所做的论文工作，是用威尔逊云室研究X射线作用在各种不同气体上产生的光电子的空间分布，在我做这项工作期间，赵忠尧博士在离我不远的屋中正在用静电计测量Thcr射线的吸收和不散射，他的发现吸引了我极大兴趣。他的工作是在赵忠尧工作的基础上，为了进一步看到刚才谈到的一些反常现象，在这个过程里看到了正电子。我们可以看到正电子的产生与发现，正负电子淹没现象的发现，在物理学的发展史上是里程碑的工作，是第一个人发现的反物质。赵忠尧先生在这个贡献里留下了深深的足迹，他的工作是载入史册的。 原子能的发现跟原子能有关研究的深入，基于量子力学跟相对论，当然带来了一连串的应用，这两个图片，在我们国家的秦山的核发电站跟切尔诺贝利发电站，切尔诺贝利发电站出现的问题比较多，所以大家都知道。 物质有一个所谓的第四态等离子体，除了固态、液态、气态以外。用等离子体态做什么事情？一个重的元素变成轻的元素，发生了有爱因斯坦预言的1＝mc平方给出了大量的能源就是原子能。另外一种就是氢弹氢能，用氢的原子愈合成一个重的原子，在愈合的过程里能量转换，从质量的差别就可以算出来，可以释放出来大量的能量，D跟D的反应产生He跟中子，一个个原子就可以产生很高的能量。这个能量现在用在突然的释放，用在氢弹上。当然，人们希望能够用在能源上。用在能源上，由于氢弹发生的压力跟温度都很高，比如温度可能有一亿度，现在所有的物质都是不能把它直接控制起来的，所以现在想到的办法就是用磁场。这是聚变的装置。人们花了几百万年才能形成石油跟煤等等，现在预计不一样，都预计可能在几十年或者上百年，由自然界形成的几百万年形成的资源可能很快用掉，当然要找寻其它能源的来源。据我个人的了解，太阳能等等都是，但是基本解决问题，根本解决问题，要用原子，特别是要用聚变产生的能量，因为聚变在海水里有很丰富的资源。 实验室聚变的装置，这也是很大的装置。另外一个办法就是张杰掩饰的专长，他的领域，用激光，激光的能量可以做的很好，激光的功率可以做的很大，用激光短时间产生温度极高的压力，一亿度的温度跟压力，每实现聚变，回答是肯定的。另外一个做法是用激光，除了用磁以外，就是用激光的办法。这是我们国家神光三号的原型装置，激光通过各种各样的放大等等。 下面谈谈半导体。 半导体的技术实际上是基于由量子力学派生出来的能带论，或者固体的能带论跟量子力学里的一些重要的结论。半导体的前身就是三极管，1906年，一个世纪以前发明的三极管。早期的电子计算机，1939年做出来的第一代电子计算机。1941年电子计算机的照片。当时的电子计算机的开关，用继电器作为电子计算机的开关。 1945年，由电子管做成的电子计算机，在美国的MIT，确实是很大的工程，很多间房间才能够造一个功能很低的计算机。在这个基础上半导体的发展，中间很重要的事件就是1947年Bardeen等几位发明了第一个晶体三级管，发明时的晶体三级管是一个非常简单的东西，但是它确实有三极管的功能。1966年做出来的第一台半导体的计算机大概有一个房间那么大。它的功能远远不如我们现在花几块钱能够买到的加减乘除的功能的机器。但是由于产生了三极管，又产生了大规模集成电路等等，所谓集成电路的集成度，是按照Moore的规律在进行变化，差不多每三年集成度就增加一倍，每三年增加一倍。比如20年以前我们看到的是8086的计算机，现在是奔腾2，集成的晶体管的集成度差别是几个数量级呢？差不多三个数量级。一个方向三个数量级，如果是两维的两个数量就是六个数量级。 在这种情况下，大规模集成电路，1985年发展的非常快，有一百万个晶体管组成大规模的集成电路的照片。90年代英特尔，做晶体管、集成电路，做芯片是最有名的公司，在手指大小的区间里，大概就有500万个晶体管。 有了计算机基础的大规模集成电路的发展，计算机的应用，无论作为生产跟人类日常的应用，有更广泛的应用。事情还会继续往前发展，这个照片就是扫描隧道显微镜的示意图，可以做成什么样的？通过一个原子进行操纵跟观测。这个照片在铜的薄膜上面放了48个铁原子，大家可以看的非常清楚，一个个铁原子进行排列。由于铁原子是以原子的大小，一个个进行排列，可以看到所谓的原子外面的电子，外面的电子形成的波里面的干涉都可以看到，这是现在在继续发展的技术。 现在大规模的集成电路里面，要运作一个开关，计算机运算，开跟关，需要有一百个电子进行驱动。把计算机的能力更提高的话，需要更灵敏，所谓的单电子晶体管，原则上由一个电子就可以实现一次开关的作用。 所谓的纳米科学跟技术，纳米管的粗细一般只有一到几个纳米，有什么用处呢？可以做非常精密的探桢，还可以有其它的用处。超灵敏的传感器，可以测量到多少厘米的程度呢？可以测量一个电子的变化。现在大规模的集成电路的基础上，我刚才给出的一系列的照片可以说明人们还想往更深层次、更小的测度上继续努力。用微加工的基础，跟现在在发展的另外一个领域，微光机电，50微米的标志，做一些小的齿轮等等。现在小的齿轮慢慢可以做到一分钟转几十万次，当然做了以后，科学家可以设想有各种各样的用处，一个用处，比如如果血管堵了，放一个小的机电打通，还有各种各样的可能的用处，比如有人在设想遥感或者军事的目的，做一些小的卫星，可能像鸟那么大，甚至做成苍蝇那么大，需要用非常精密的机械。 第三，讲一下关于激光方面的情况。激光是基于爱因斯坦1905年的光电子理论和爱因斯坦1916年提出来的受激辐射理论。这是第一个激光体1960年第一台激光器，红宝石激光器，多长呢？大概几个厘米那么长。 中国的科学家王天眷先生，实际上在激光领域里起了作用，做出了贡献。当时王天眷先生在美国哥伦比亚大学，在著名的物理学家汤斯教授完成了微波的量子放大器。什么叫微波的量子放大器？激光的前身就是微波，微波的波长比激光大、长的。王天眷先生是张杰先生的老师。在微波方面，跟汤斯一起发表了一系列的文章，汤斯教授获得了诺贝尔物理学奖。这是我听到的一个故事，有相当大的可靠性，汤斯拿了诺贝尔奖以后给了一千美元王天眷，40年前的一千美元跟现在的一千美元是很不一样的概念。我再说的具体一点，汤斯的主要文章，王天眷先生是第三作者。为了证明这一点，当时王天眷先生跟汤斯研究组的其它密切合作的，在那个年代发表的一些文章。 这是现代的激光实验室，跟过去不一样，能够产生各种频率、各种颜色的光，黄的、绿的、红的等等。用激光的办法把原子进行冷却。冷却了以后，在十年以前得到了非常重要的实验，这个实验激光把原子冷却了以后，可以冷却到10的负6到负7次方k。原子运动的速度会趋于零，从速度比较宽的分布到温度更低，就可以是没有速度，或者速度趋于零。 有了这个现象以后可以做什么呢？原子可以做原子激光，现在激光跟普通光的差别，同学们都是很清楚的，是光。而通过这个实验，你们可以在以后一段时间内看到，我们可以用激光跟普通光同样优异的激光能力，在很多原子束里出现，原子束也具有像光束的相关性或者强度等等。光是原子，原子束比如纳原子束，出来的不仅是一颗一颗，并且是相干的一串，就像激光跟普通光的差别。这个工作如果再深入研究发展，应该对整个科学技术会带出一个很重要的发展前景。这个图是现在能够产生的原子激光，也是脉冲的，但是连续性比较好，这是几个研究者做出来的原子激光。激光可以实现干涉，这就是原子束，就是原子激光实现的干涉的图片。 这些东西有什么用呢？原子冷却了以后，可以冷却到10的负6、负7或者更低的温度，冷却了以后可以做什么用呢？一个是做原子，这是原子的时钟，精度可以到10的负14次方，就是一秒钟里误差只是10的负14次方，换句话说，在一千万年里误差是一秒。这个时钟一些发达国家有，我们的计量院也有这样的时钟，但精度稍微差一点。 时钟可以做什么用呢？可以做定位用。现在测量距离跟方位，不是用距离直接测量的，那是不可能的，现在测量的办法就是测量时间，一个信号，或者无线电波，一个光波，到了一个目标反射的信号，或者发射过来的信号，测量时间，光束测量的很精确，光速乘上时间就是距离。精确测量的关键需要时间的标准是很精确的，频率的标准是非常重要的。现在已经可以精确测量到米的数量级，比如说在卫星上看一辆汽车，可以看的比较清楚，用处比较多，一个是北京的出租汽车上现在也已经开始有GPS系统，可以看到出租汽车在什么位置。这些东西已经从实验室变成了商品，并且价格不是太高的商品。 激光器从1960年是很简单的，现在有各种各样的激光器，不但是可见红外、紫外，强度很高很高，这是激光器发展的方向。同时由激光器的发展，激光在各个方面，在医学、通讯、存储、军事带来了很多很多应用。 第四，通讯科学技术的发展。 通讯科学技术实际上是半导体跟激光技术的结合。1892年贝尔发明了电话，这是他演示电话的照片。这是早期的电话。现在用光通讯，用光缆来做通讯，已经是非常普遍的事情。由于光的频率比无线电波要短的多，所以信息的载量比无线电波高几个数量级，通讯的容量可以大大增加，可以从声音到视频，这是可视电话。 物理学最新成果的大量采用，使光通信、移动通信产业以空前的速度和规模发展，仅在我国手机的用户现在已经超过2亿，这个数字可能现在不太对。物理学的发展必将使21世纪信息技术发生革命性的飞跃。 [ Last edited by bird007 on 2005-12-7 at 10:01 ] |
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