Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 21世纪初物理学发展趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Nov 16 20:41:36 2003), 站内信件

物理学是自然科学中最基本的学科，它研究物质运动的最一般规律及其基本结构。物理学
的
研究领域极其广泛： 在空间标度上，它从基本粒子的亚核世界(10^-15厘米)到整个宇宙

(10^28厘米)；在时间标度上，从小于10^-21秒的短寿命到宇宙纪元(10^17秒)。

在未来，物理学研究领域将继续朝着时空尺度的极端方向和复杂系统的方向发展。粒子物
理
学、核物理学、凝聚态物理学、原子分子物理学、光物理学以及引力物理学和宇宙物理学
等
都将成为得到充分发展的分支学科；研究复杂多体系统为主的凝聚态物理学将会有更多的
机
会得到突破性的进展；以研究物质结构和运动在各个层次上的基本行为，   提出基本概念

，发现基本规律为目标的理论物理学将始终处于学科发展的前沿；  一些和应用技术结合
紧
密的分支学科也将会有更多的发展和突破的机会。

1   物理学的地位和作用

物理学仍将是自然科学的基础。本世纪以来物理学的发展对现代社会的影响和人类对自然
规
律认识的深化尤突出， 以量子力学和相对论的创立为标志的物理学革命， 不仅导致了人
类
宇宙观的重大转变， 诱发或促进了整个自然科学的改观， 而且带来了人类社会空前的技
术
进步，极大地改变了人类的生产方式乃至生活方式。  电学和磁学现象的研究以及麦克斯
韦
的电磁理论为建立现代的电力工业和通讯系统奠定了基础，无线电、  电视、雷达的发明
极
大地改变了人们的生活；  本世纪物理学的另一重大进展是量子力学的建立，量子力学为
描
述自然现象提供了一个全新的框架，  现在人们认识到量子力学不仅是现代物理学的基础
，
而且也是化学、生物学等其他学科的基础。 此外， 量子力学还导致了半导体、光通讯等
新
兴工业的崛起， 并为激光技术的发展、 新材料发现和研制以及新型能源开发等开辟了新
的
技术途径。 半导体材料、 半导体物理和半导体器件研究的进展为计算机革命铺平道路，

而计算机革命给人类社会和技术进步所带来的影响是无法估计的。

今天物理学的作用仍然是多方面的。一方面，物理学将继续通过它和其他一切学科的交叉
、
渗透和相互作用产生出许多新的边缘学科；  另一方面，物理学仍会不断地提供新的理论
、
实验技术和新材料来影响其他学科、技术和社会的进步。  今天和将来的许多新技术都来
源
于物理学的基础研究。  在21世纪，物理学仍将是自然科学的基础。物理学将在继续保持
上
述作用之外， 在实现物理科学与生命科学的结合、 发展改善人类生存条件和促进社会进
步
的关键科学技术如能源科学、环境科学、  信息科学和材料科学诸方面不断发挥重要的基
础
作用。

2   21世纪初物理学发展趋势

当代物理学经过了学科本身的发展、壮大以及现代技术的相互作用，它已具有鲜明的时代
特
点：

①当代物理学本身已经发展成为一个相当庞大的学科，包含有若干相对独立的分支学科。
例
如高能物理（又称粒子物理）、原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、原子分子物理
、
光物理、声学、计算物理和理论物理等。  应该说，它们是当代科学、技术发展和推动社
会
进步的重要的基础之一。  它们仍将不断地涌现出新思想、新原理、新方法和新技术，成
为
新的技术和产业部门的源泉和生长点。

②物理学内部的各分支学科的相互渗透和交叉，物理学和化学、生物学、材料科学等其他
学
科的渗透和交叉以及相互作用，产生了许多新的、富有极强生命力的边缘学科。它们不但
大
大地丰富了自然科学的领域，而且往往成为最有希望和发展前途的科学前沿。它们对现代
技
术发展和推动社会进步的影响更是难以估计的。

③当代物理学正在微观、宇观和复杂系统这三个基本方向上把人类对自然界的认识推进到
前
所未有的深度和广度，并通过提供理论方法、实验手段和新型材料，推动科学、技术进步
和
社会的发展，甚至会改变人类思维的方法和模式。

一般说来，现代物理学的研究方向是研究超大体系（如天体起源），超小体系（如基本粒
子
）和复杂体系（如凝聚态和生命物质）中的物理问题，以及物质在各种极端条件下运动规
律
。

④物理学的基础研究和应用开发的相互结合将变得更加紧密。这表现在：基础研究和应用
开
发的界限越来越难以划分；开发工作中的基础研究的成分加大，随着基础研究工作的不断
地
精化，越来越需要新型技术和仪器设备，  也就是说基础研究更需要技术开发工作的支持
，
首先是计算机的广泛应用和计算技术的不断创新给物理学的研究开拓了新的领域，还有实
验
工具正在走向可探测或操纵单个原子、分子的水平 （ 如扫描隧道显微镜、钠米技术、激
光
冷却技术等）， 另外，飞秒激光技术提供的高时间分辩率都为新的基础研究领域的开拓提

供了必要的条件和能力；  更应加以强调的是物理学基础研究的成果走向开发研究和开发
研
究的成果走向市场并转化为生产力的时间越来越短，  特别是在凝聚态物理、光物理分支
学
科上，这个特点更加突出。 可以预计，但高温氧化循超导体的实用化、激光技术在国民经

济和日常生活方面的广泛应用都指日可待。

综上所述，当代物理学研究的综合性、深入性、复杂性、创新性和可应用性变得更加具有
时
代的特点。

A.理学的一些基本问题的认识更加深化
它表现在物理学研究的整体和手段都向更小尺度、更快时间、更强的相互作用的体系过渡
；
其次物理学的研究客体变得更为复杂， 复杂体系的表现为由有序向无序； 由无机到有机
；
由无生命到有生命的体系。 可以预料物理学与生命科学的高层次交叉， 结合将会在21世
纪
初出现崭新的面目。 深化的另一表现是学科和项目以及科学家面临的问题的综合性迅速加

强， 形成了若干个各个学科共同关心的重要问题， 如非线性问题、反应动力学问题、小
尺
寸体系的性质、 复杂体系的整体行为的问题。 单一分支学科的作用被加强的同时，各分
支
学科的交叉、渗透相应地加强。

B.物理学本身将会更激动人心的新原理和新现象出现
特别是在凝聚态物理，原子分子物理，光物理中的科研热点会此起彼落，为材料科学、信
息
科学的发展提供新的机会和可能性。另一方面，物理学将会继续不断地向化学、生物学以
及
其他自然科学提供新的实验手段和技术。

C.物理学的基础研究将和开发更紧密地结合
一些重大的社会和经济问题的解决将依赖于物理学上的重大突破。如聚变等离子体研究的
进
展和高温超导的实用化等会对能源问题的解决产生不可会估计的影响。

D.边缘学科或交叉学科将不断产生，物理学与生物科学将从根本上结合
面对21世纪物理学发展的潮流，我们应积极参与国际竞争，加强人力物力投入，力争在物
理
学重大科学前沿问题研究上做出应有的贡献。

3 物理学的前沿问题

物理学发展到至今，它已经形成了一系列的前沿领域，其数量之多，发展之快和此起彼落
的
局面，使得人们难于给以全面的论述。  我们将根据物理学的各个分支学科和它们的前沿
领
域在自然科学和社会发展、 技术进步中的地位和影响， 并考虑到当代物理学的发展趋势
和
特点， 结合我国的传统、优势和国力， 选择苦干当代物理学发展的前沿领域，并给予简
要
地描述。 此处，    我们提出判断物理学前沿领域的三条准则作为选择的依据：

A.重要性
它们对物理学本身的发展，具有重大的推动作用；对于形成新的边沿学科具有重大的推动
力
；对于其他自然科学和技术具有极大的辐射力。

B.可应用性
它们在满足科学技术进步和当代社会需求（如生命和医学、能源和环境、信息和交通、新
型
材料等）中具有重要的地位和作用； 具有重大的应用前景， 并能迅速地发展成为新型的
高
技术产业； 国家迫切需求的前沿领域， 对于建立节约型的国民经济体系有重要的作用；
能
够成为高新技术的生长点。

C.可实现性
它们应是国际上十分活跃的前沿领域，并具有广泛的内涵和发展前景，在此基础上，按照
我
国国情（国力、传统、基础），选择有限的前沿学科领域。

物理学发展的前沿领域有：

一、    能物理和核物理的前沿领域

A.高能物理
高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力、它们是由什么构
成
和如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。由于高能加
速
器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进
化
也有深刻的影响。其前沿领域有：

(1)发展“标准模型”
已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强
子
与轻子二类。强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。迄今我们
对
粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由
更
基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ），　（υμ,μ
）
，（υτ,τ）和三代夸克(u，d),(c，s),(t，b)。电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传

递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学
（
QCD）描述。  这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子
引
起的。虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合
。
“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。仍存在很多基本问
题
有待解决。例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。这样的模型显
然
不能成为高能物理的基本理论。因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向
基
本理论的发展，是今后重要的研究领域。

（2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究
这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：中微子质量比几个电子伏特还小
，
而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子

的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。希格斯粒子被引入标准模型以产生规范
对
称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。所有这些都是有
待
解决的研究前沿问题。

（3）新粒子和更深层次的粒子
实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。 也

没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代， 新的代意味着新的种类的粒子，每一

种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。  不计反粒子，目前构成物质结构的最小
基
本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。虽然直至10-17
厘
米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，但是面对这个不小的粒子数目，已经提出研究
它
们与希格斯粒子是否有结构并由更深层次粒子组成的问题。

（4）粒子相互作用力的深入了解
在粒子领域中对电磁力与弱力了解得较好，已经建立起一个统一的图像。对强作用力的了
解
次之，QCD至今未遇到严重的挑战，虽然人们对它的求解并不满意。 建立这三种力的统一
图
像是很吸引人的，它将继续是今后研究的方向。  至今引力在粒子的相互作用中可以忽略
。
但是在很高的能量下，引力将变得重要。它能否纳入目前量子场论的框架与能否和其他三
种
力有一个统一的图像，都是有待研究的重要问题。

（5）发展更高能量的基于及非基于加速器的实验装置
高能加速器是近年来发展粒子物理的最重要的实验装置，但随着能量的提高，目前建造费
用
已增加到非一个国家所能负担的程度，必须衡量发展本国科技的轻重缓急并走国际合作的
道
路。随着技术与探测手段的发展，在一些非基于加速器的装置上，如地下及高山的宇宙线
实
验装置、质子衰变探测器等，也做出重要的工作。总之，更高能量、更高精度与更高性能
这
三方面是今后实验设备的努力方向。

B．核物理

作为自然科学基础性研究最重要的基础分支学科之一，原子核物理学研究在近年来继续获
得
极为迅速的发展。 随着加速器技术和核探测技术的巨大进步， 原子核物理学在新的自由
度
和新的层次上不断取得令人瞩目的成果，  充分显示出原子核物理学科研究的活力和重要
意
义。前沿领域：

(1)核子（特别是夸克）自由度
对原子核研究的深入研究表明，把核看成只是核子组成的系统是不够的，随着实验的进展
，
介子、共振态等非核子自由度相继被揭示出来。近处高能物理的进展显示， 所有这些粒子

都是由夸克与胶子构成的，它们的相互作用遵从量子色动力学（QCD）。这个图像的引入，

对核物理的发展产生了强大的推动作用。非核子——特别是夸克自由度的研究将是今后的
一
个重要方向。其实验进展取决于优良性能的加速器与探测器，如各种介子工厂与高占空比
的
高能强流电子加速器等。

(2)能量（或温度，或密度）自由度
近十多年来中、高能重离子加速器的建造，使原子核物理研究从低入射能和低激发能条件
下
进行的核反应机制和核结构的研究， 扩展到更高入射能（ 所谓中、高能乃至相对论能区
）
、更高激发能、更高核温度区域。 随着能量、温度和密度的增高，高温核的形成和衰变，

原子核巨共振， 液汽相变，介质效应等研究获得了出色成果。 对核物质状态方程的研究
在
理论和实验上通过对多重碎裂、 集体流、 阈下介子发射等方面的研究取得了初步进展。

更高能量的重离子对撞机将有可能提供足够高的温度与密度以研究极端状态下核的状态方
程
，特别是探索夸克理论预言的新的物质形态：夸克-胶子等离子体（QGP）。原子核物理沿
能
量自由度的研究正孕育着新的突破。

(3)质子-中子比自由度——远离稳定线核素合成和研究
对远离稳定线的丰中子核或丰质子核（原子核的质子-中子比处于极端条件下）的研究，发

现一些全新的物理现象，如新的壳模型幻数、新的衰变方式（与极大的QB值相联系的β缓
发
1-4个中子，β缓发1-4个质子，β缓发α粒子和β缓发裂变，以及直接质子或重离子发射
等
），核形状、大小、电磁矩的变化，新的形变区等。这些研究不但对检验和发展原子核理
论
模型、而且对天体物理的研究起重要作用。近年来，轻质量极丰中子核11^Li中子晕及之相

联系的新集体运动模式的发现和研究，丰中子核中中子皮和丰质子核中质子皮的研究，极
丰
中子核10^He的观测，Z=N双幻核100^Sn的合成以及与天体物理学密切相关的一批远离核的
研
究被认为是原子核物理在质子-中子比自由度上取得的最重要的进展。理论上预期有大约

8000种核素，迄今只发现了约2700种，其中约2200种为远离稳定线的核素。远离稳定线的
新
核素，特别是滴线核，以及超重核、奇特核的合成和研究，是今后重要的发展方向。实验
在
上要求强的次级放射性核束流。

(4)角动量自由度
重离子与重元素的核反应可以形成很高角动量的复合核，这是近十多年来获得迅速发展的
一
个领域。对原子核高自旋超形变转动带的发现和研究，特别是高自旋超形变带的布居机制
，
组态结构，转动惯量、退激方式和电磁跃迁性质等研究是核结构领域最为重要的成就。对
关
联，中子质子相互作用的研究，超形变核结构的研究等，是高自旋核结构研究前沿，具有
重
要意义。

(5)高精密度的核物理实验
高能物理学和一些基本性问题也反映在核物理中，如标准模型、中微子质量、轻子数守恒
、
核内的宇称破坏等方面的研究。这些研究都要求进行极高精度的核物理实验，虽然这些实
验
有时看起来是“传统性”的，如核  衰变谱。在这方面的研究也反映了核物理与高能物理
、
天体物理等学科的交叉和相互促进。

二、    凝聚态物理的前沿领域

凝聚态物理研究由大量原子、分子以相当强的相互作用凝聚结合而形成的固体、液体、液
晶
形态的物质的物理性质与运动规律， 所研究的对象可以是金属、半导体、 超导体、超液
体
、准晶体、电介质、 磁性物质等等，是物理学中内容最丰富， 应用最广泛的一门分支学
科
，也是当今物理学最活跃的领域。 凝聚态物理在本世纪取得了巨大的成功，发展迅速。从

诺贝尔物理奖的情况看， 从1948-1967年的20次奖中，  凝聚态物理方面的奖只有两次，

而从1968年至1987年的20次奖中，凝聚态物理方面得奖有8.5次，占了三分之一强。凝聚态

物理与高新技术产业的联系十分密切。如果没有由肖克莱(Shockley,W.)，巴丁(Bardeen)
和
布喇顿(Brattain, W. H.)发现的晶体管效应，就没有当代的微电子工业和计算机产业。而

由巴丁，库珀（Cooper,l.N.）和旋里费（Schriger）建立的超导理论和高温氧化物超导体

的发现都有具有划时代的意义。

凝聚态物理的特点是：最富有创新性，研究内容极其广泛；基础研究与应用研究的界限越
来
越难以划分；研究前沿发展很快，此起彼伏，它将更使人感到眼花缭乱。它的发展的大趋
势
是将不断地开拓出新的领域，制备出新的材料、发现令人意想不到的新现象。在物理学和
化
学以及生物学和化学以及生物学的结合和交叉方面，毫无疑问，凝聚态物理将起到先导的
作
用。凝聚态物理的前沿领域中主要包括：超导电性物理、晶体学（新型功能晶体和晶体结
构
分析）、磁学、表面物理（表面和界面物理及材料）、固态发光物理、液态物理、生命科
学
中的物理问题、极端条件下物理等研究领域。其中，低维（二维、一维和零维体系）凝聚
态
物理：人工超结构中的物理问题、纳米材料和纳米体系物理、低维半导体量子系统和介观
系
统物理、低维系统的磁性等，反应了体系中受限电子态和相干电子态的性质，它具有与三
维
体系不同的行为。 特别是，当电子波函数的相干波长与体系的特征波长可比时更表现出全

新的物理效应和规律。这是凝聚态物理的重要发展前沿之一。凝聚态物理的另一重要发展
前
沿是以发现新的有序相和有序相的寻对称破缺以及这些新相所具有的新的物理性能为主要
目
标的研究：高温超导电性和超导物理研究、新功能晶体材料的探索和材料设计专家系统的
研
究、稀土——过渡族化合物磁性、表面物理（原子水平的界面生长，界面反应及界成材料
）
等是主要的研究内容，这也是凝聚态物理中最具有活力的领域。

液态物理，特别是复杂液体物理在揭示液体微观结构与性质的关系，固-液转变和固-液界
面
反应的机理上有重大的发展前景。

极端条件下（极低温、强磁场、超高压）物理也会得到迅速的发展。

在高温超导电性分支学科领域内，目前氧化物高温体的超导机制不清楚，迄今仍无任何定
论
，这无疑是对现在已有的固体理论的严重挑战。高温超导机制的问题不仅涉及到固体理论
的
最基本的框架， 而且可能在对复杂多体系统的最基本的物理图像认识上产生根本的影响；

另外，室温超导体仍然没有发现，而发现室温超导体一直是人类多年的追求； 在高温超导

体中所包含的丰富的、特有的物理现象如磁通点阵动力学和磁通钉扎等问题也是极待解决
的
。 在高温超导体实用化中的物理问题上，国内外都做出了高水平超导薄膜，得到高Tc薄膜

的临界电流密度jc超过去10^10安/米2^，用这些优质薄膜做成弱电器件，如SQUID、各种微

波探测器、参量放大器、红外探测器等等已无问题。在强电应用中，目前，能获得的线材

jc一般在10^8安/米2^量级，离实用还差一到两个量级，这不仅是工艺问题，还涉及到许多

基础研究内容。例如，jc和钉扎机制就是一个待解决的问题，因此，寻找室温超导体、超
导
机制的研究、jc和钉扎的研究，弱电器件实用化的研究是今后若干年发展的趋势。

在晶体学分支学科领域中，晶体学研究的成果将继续为各种材料和器件的发展奠定基础，
以
至开拓出新的技术和工业，导致重要的技术革新和突破。例如无位错硅单晶生长技术的突
破
，给半导体器件的大发展奠定了基础， 形成目前超大规模集成技术。随着大量晶体应用于

高技术领域以及结构分析方法和理论的发展，给晶体学赋予新的内容，提出新的课题。


向各高技术领域和产业部门提供各种优异性能的晶体是晶体生长的主要任务，一方面对已
经
比较成熟的非线性光学晶体、光折变晶体、激光基质晶体等应做好应用开发研究； 另一方

面，探索具有应用价值的新型功能晶体，以及研究具有特殊性质的单晶材料的晶体生长方
法
和技术， 从而为高技术领域提供高质量的单晶体。晶体结构分析是研究凝聚态物质的结构

与性质关系的重要手段，是晶体学研究的另一个重要领域。 随着晶体品种的俱增和晶体结

构分析技术的快速发展，晶体结构的研究已从简单结构到复杂结构，从三维材料到低维材
料
，从宏观尺度到原子级尺度。从头计算法(Ab initio)多晶材料晶体结构分析方法是一个长

期被关注的研究内容。人工结构低维材料(包括半导体材料、磁性材料和超导材料等)给予
晶
体结构分析从三维结构到低维结构新的内容。

低维半导体量子系统和介观系统物理是近年来在微电子技术，低维物理学等基础上发展起
来
的新兴学科。 在介观体系中（量子阱、量子线、量子点列阵组成的纳米结构）电子波函数

的相干长度与体系的特征尺寸相当。 这时电子不再能被看成处在外场中运动的经典粒子，

电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。 它导致了在实验上观察到的普适电导涨落、

非局域性电导、量子点接触中的弹道输运、阿哈阿诺夫-博姆(Aharanov-Bohm)振荡、相干
集
束、电子运动路经的弯折和聚焦和四端结构的负阻等量子效应。上述种种物理特性说明介
观
系统物理的研究已突破了经典固体物理学中有关输运过程的若干观念和规律。它可以在正
常
态金属和半导体中实现了宏观量子效应，使得人们必须重新研究这一体系中的物理过程。


介观系统中新表现出的独有的量子效应指出了以传统的观念、原理为基础的大规模或超大
规
模集成电路进一步微细化的物理极限。同时，在介观系统中新出现的量子效应，可能成为
新
一代技术的生长点。

目前介观系统物理的内容已超出原来单一的量子输运、光电性质的范围。材料的范围也涉
及
到半导体、金属、超导体、铁电体、铁磁体、氧化物陶瓷。作为联结宏观世界与微观世界
的
过渡区域，在许多领域中都已形成新学科和新技术的生长点，如：微腔物理，介孔和量子
液
体中的传输、凝固、相变，纳米工程中的力学问题，纳米生物学中的物理问题等等。

磁性研究在凝聚态物理发展中起着关键作用。一方面，对凝聚态物质电磁性质的认识历来
是
个根本问题，各种磁性经典及量子系统的研究推动了统计物理的进展及现代相变理论的建
立
。作为高温超导机制出发点的强关联电子系统、重费米子系统等无不得益于磁性物理学。
另
一方面，对铁磁、反铁磁、亚铁磁等基本磁性的研究，导致大量新型应用磁性材料的诞生
，
如铁氧体、非晶态磁性玻璃、永磁材料——钕铁硼等。近20年来，国际上凝聚态物理学诺
贝
尔奖得主中，法国奈尔、英国莫特、美国范弗列克、安特森、威尔逊等的研究工作都直接
涉
及磁性物理学领域。

高温超导的发现加强了超导性、磁性两学科的特殊关系。除了量子反铁磁体、强关联电子
系
统等基础问题外，还出现了含磁性元素的具有较高临界温度的超导体。对于凝聚态物理基
础
研究有很大冲击。1998年，发现磁性金属多层膜中的电阻变化率高达50%，称巨磁电阻效应

。 这样继半导体超晶格之后又一重要人工超晶格系统，目前倍受国际物理界重视。

纳米材料和纳米体系物理是凝聚态物理引人注目的研究对象，纳米材料问世仅有几年的历
史
，然而纳米材料科学所取得的创造性成果已使人令人信服地认为这一前沿领域的发展前景
方
兴未艾。人们现在可以获得尺寸可控，重复可靠的试样，探索了一些奇特物理现象，发现
了
一些普适的规律，为开展纳米材料体系物理研究提供了基本条件。当前，纳米材料的研究
已
在世界普遍开展起来。

表面物理是研究材料表面的物理和化学性质，即它的成分、结构、电子态、声子态以及它
与
外界的相互作用的规律。薄膜、多层膜以及超晶格膜以及纳米微颗粒等在现代科学技术中
有
重要和广泛的应用，它们是表面物理研究的主要对象。利用各种表面技术研究一些重要的
薄
膜或难长薄膜的生长和控制；多层膜和超晶格的生长和界面反应以及多层膜中界面效应和
耦
合；功能结构梯度薄膜的生长和功能等是十分重要的研究内容。

从原子水平上研究材料表面和界面所得到的物理规律和它和一些技术能在生长系统中原位
观
测薄膜、多层膜、超晶格膜以及结构梯度膜的生长全过程和伴随着的原子结构，电子结构
和
它的分布变化的全过程，它是研究薄膜生长、界面形成、界面效应及界面物理的极其有力
手
段。现在世界各国的科学家都看到了这一点，都在努力把表面知识和技术与各种膜的生长
、
界面形成及界面效应的研究相结合。

低维体系和生命物质中发光物理，近十多年来不断得到发展和开拓。其发展趋势之一是从
三
维向低维体系转化。同时，发光学与其他学科交叉领域的发展也十分迅速，如发光学与光
电
子学、农业以及生命科学等交叉，它包括：宽禁带II-VI族半导体量子阱蓝绿色激光器和光

双稳态、多孔硅发光、固体中单个粒子的荧光探测、 有机聚合物的电致发光和生命物质中

和发光。

液态作为物质存在的一种基本形态，与固态、气态相比，液态具有特殊的结构、性质和变
化
规律。液态物理是凝聚态物理的重要组成部分，其对象广泛，内容丰富的程度可与固体物
理
相比。

液态物理的研究，对于简单液体，主要是研究重微观结构、动力学行为和性质，了解其变
化
规律，从而加深对液体这一基本物态的认识。同时更深入地理解-固转变、材料制备、晶体

生长、矿物形成等的机理。在很多固体材料制备中，物相的形成、缺陷、杂质的产生、性
质
的改变等也与液相的状态有关。 许多化学反应、生命过程也是与液体输运性质密切相关的

。关于液-固界面及其相互作用也是极为重要的问题。
关于复杂液体的研究，它们某些特别的结构和特性，引起了广泛的关注。一些悬浮液（或
混
合液）中，液体和固体颗粒的相互作用及在外场下引起的奇特变化有重大的应用前景。磁
流
体在磁场中形成的自组织行为已有了较好了解并有了重要应用。电流变液（
electrorheolo_gical fluid）简称ER液体，则在电场作用下可以发生“液-固”转变，这
种
效应在电控机械传动、减震等许多技术领域有广泛应用前景。

在极低温、强磁场和超高压条件下的物理研究，形成了凝聚态物理学中独立的分支学科，
极
低温物理就是其中典型的例子。强磁场、超高压物理除了有各自的特点外，也常常与极低
温
结合在一起，在凝聚态物理中形成独特的重要领域。 强磁场能有效地改变物质内部的磁结

构和电子结构， 对物质的性质产生很大影响，而成为现代凝聚态物理研究不可缺少的重要

手段。 高压可以改变物理中原子、电子结构及相互作用，是改变物性和构成新物质的重要

手段，因些它也是凝聚态物理中一门重要学科。 以研究相变和状态方程、高压下的物性、

合成新材料以及超高压技术为内容。

当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点问题都离不开在极端条件下的研究，甚至很多是
以
极端条件下的研究作为基础，例如：高温超导的机理问题、新材料的探索、量子霍耳效应
研
究、介观体系物理问题、纳米体系物理问题、金属费米面研究、金属氢的问题等等。

除此之外，在发展极端条件中产生的各种高技术（如高压技术、低温制冷技术、低温支撑
技
术、超高真空技术、超导技术、磁体技术、高频核磁共振技术等）不但对科研工作超着重
要
作用，而且还会对国民以经济的发展起到重要的推动作用，有着良好的应用前景。

三、    等离子体物理的前沿领域

等离子体是由大量带电粒子组成的宏观体系，是物质存在的第四种状态（固、液、气、等
离
子体）。在宇宙中99%以上的物质以等离子体形式存在。由于带电粒子的运动与电磁场直接

耦合，并通过电磁场与其他粒子相互作用，等离子体的运动特征及规律远较其他物质存在
形
态为复杂。在很多情况下，等离子体的产生与维持也十分困难。因此等离子体物理是物理
学
科中的一个新的分支学科，它和新技术的发展是密切相关的。

虽然在20年代就已形成了等离子体物理的某些基本概念，但只是在50年代由受控热核聚变
研
究及人造地球卫星上天的推动，等离子体物理才形成了现代的面貌，有了可靠的实验基础
。
到70年代，人们对等离子体丰富的集体运动和极强的非线性行为有比较深刻的认识。由于
等
离子体存在的参数范围异常宽广，其运动形态受外界条件强烈影响，等离子体物理研究不
能
脱开具体的研究对象。

今天，等离子体物理研究已成为人类认识宇宙的重要基础，成为认识和控制地球环境变化
的
重要保证，是人类在未来最终解决能源的希望，它还开辟了很多新技术与新应用的发展前
景
。等离子体物理愈来愈受到重视。
等离子体物理大体可分为下列几个领域：

A．    热核聚变等离子体物理
它以实现可控热核聚变为目的的高温等离子体仍为世界范围内的研究热点。2004年，国际
合
作的实验聚变堆ITER将建成并实现连续氘氚运转；预计演示型的聚变堆和商用聚变堆将分
别
于2025和2040年建成。然而，等离子体物理的研究并不因受控聚变科学可行性的验证以及
聚
变堆的将建成而有所减弱。必须优先加以研究的物理课题有： 堆条件下的等离子体物理问

题，特别是聚变产物高能α粒子的作用问题；装置连续运转 （非感应电流驱动）和半连续

运转（交流运行）问题；涉及L-H模转换的反常输运问题； 决定第一壁选择的等离子体和
壁
的相互作用问题。 此外，随着托卡马克型变堆的建成，及其不足点逐步被认识，有可能对

其结构作较大的改变，如完全取消欧姆加热变压器。 对托卡马克以外的途径，特别是仿星

器和紧凑环，也将受到更大的重视。
作为另一受控聚变途径的惯性聚变，主要是激光聚变，由于可作为强X射线源和中子源，以

至在X射线激光方面的应用，也将得到很快的发展。 惯性聚变的实验堆也会在下一世纪建
成
。

B．空间等离子体物理
鉴于空间科学和技术在未来数十年的飞速发展，重大工程项目，如在月球上的移民、采矿
，
空间研究基地、空间太阳能电站建设，以及大规模气象工程的实施， 空间等离子体子体物

理的研究范围也将进一步拓展，对一些重要的过程的理解将进一步深化，这些理解对于日
地
关系、宇宙飞行器环境、气象预报等问题的解决是非常重要的。行星磁层物理也将有较大
进
展。我国应注意在开展空间技术的同时， 建立相应的空间等离子体观测手段，并积极开展

主动实验。

C．    天体等离子体物理
如果说传统的光学天文属于原子分子物理学过程的话，那么近年来发展的射电天文属于等
离
子体物理，目前正在发展的X射线、Υ射天文则属于高能等等离子体物理，如宇宙线过程。

一些天体等离子体的研究，特别是对涉及脉冲星、类星体、黑洞的研究，对探索宇宙的起
源
，理解基本物理规律是非常有益的。应开展必要的工程项目研究，建立新的观测手段。此
外
，预计对恒星内部物质存在形态（也应为一种等离子体）会有所进展。

D．    技术等离子体
在未来数十年内，作为技术手段的等离子体（主要是低温等离子体）将形成大规模的产业
，
如同激光一样。主要将用于材料工业（材料改性、表面涂层、新材料合成），电子工业（
刻
蚀），环境科学（废物处理），冶金和化学工业。这方面的研究和发展亟待加强和深入。


E．    高技术等离子体
将等离子体物理研究成果用于高技术是非常有前途的，如新的粒子加速原理、高功率微波
源
、动能武器、X射线激光。应注意一些新的趋势如强场物理。
在不同领域的等离子体物理研究中，都应注意一些共同的问题。例如：
①等离子体是一个自由度非常多的复杂系统，一些典型的非线性现象往往起着重要的作用
，
如孤立子、涡旋、混沌、湍流、高能分量的作用等。
②等离子体和其他形式物质的相互关系，如在合成纳米材料的作用， 如离子阱和尘埃等离

子体中的相变过程。
③新的等离子体诊断方法的使用往往在实验中得到新的发现，因此应注意发展诊断方法和
设
备。
④随着计算机的发展，等离子体过程的模拟计算将起越来越大的作用。应致力于相应软件
的
发展并注意实验、观测数据的处理和计算。

四、    原分子物理的前沿领域

原子分子物理是微观世界的第一层次，是认识我们周围世界的基础。它的基础性强，它在
推
动科学技术发展、社会进步和提高国防能力方面作用巨大。正是原子分子物理的深入研究
的
结果，直接或间接导致了电子学和电子产业；光电子学和激光产业等现代产业的诞生和发
展
。它的应用范围和渗透面广，随着原子分子物理学的发展，出现了一批交叉学科，如：量
子
化学，分子反应动力学，分子生物学和分子天文学。当前原子分子物理最为活跃的领域是
原
子分子激发态结构和动力学研究。在原子分子激发态的研究中，目前已经发现了许多新的
现
象和新的效应，引起人们的巨大的兴趣。 发现了原子中多个电子共同分享激发能的集合效

应，观察到强磁场中原子的准朗道共振及其多重结构，强电场中原子正能区共振精细结构
，
强场中原子在阈值附近的混沌现象。里德堡原子以其巨大的碰撞截面引起人们的兴趣，外
场
作用下里德堡原子碰撞可能出现新的碰撞通道和人为控制碰撞通道，利用多种外场作用和
激
光选择性激发可以制备各种特殊的高激发态原子，如圆态、椭圆态、准圆态等，这称为原
子
精密操纵或原子工程。
原分子物理主要的前沿领域包括：

A.原分子激发态结构和动力学理论研究
用多通道量子亏损理论计算原子分子里德堡态结构；原子高激发态相对论效应；分子里德
堡
态阈上反键势形共振结构；原子内壳层光电过程的动态屏蔽效应。

B.外场中原子分子激发态结构的研究
电离阈附近连续态和束缚态的相互作用及其对谱结构的影响；强外场中的光电离和自电离
；
强微波场中的原子特性； 强外场中特殊原子态的制备；电磁联合场中碱原子抗磁谱的非氢

特性及精细结构效应； 电磁交叉场中的双阱势及其可能的应用；分子里德堡态的外场效应

等。

C.囚禁离子激发态结构的精密测量
离子在不同外加场控制下的动力学特性；若干离子体系能级的高精度测量；离子冷却理与
技
术；离子阱频标机理和新方案及非中性等离子体等。

D.原子分子高分辩激发态结构和动力学过程的实验研究
利用高分辩电子能量损失谱仪，系统地对多种原子分子和团簇的能级结构、散射截面、振
子
强度开展实验研究。

五、光物理的前沿领域

光物理是近代物理学发展最活跃的领域之一。特别是近30年来，由于激光的问世，光学的
面
貌发生了深刻的变化， 光物理的研究内容也从传统的光学与光谱学迅速扩展到光学与物理

其他分支学科的交汇点。 诸如激光物理、非线性光学、高分辩率光谱学、强光光学和量子

光学正不断趋于完善和成熟。有的则正在积累形成新的分支学科，如光子学、超快光谱和
原
子光学等。光物理与化学、生物学、医学及生命科学的交叉也越来越广泛和深入。光物理
学
中的新理论、新概念和新方法已成为激光、光纤通讯等高技术产业发展的重要依托。可以
预
见，在21世纪中，光物理的研究将会有若干突破性的进展，并对生命科学、生物学等领域
的
突破，以及光学、光电子等高技术产业革命起到关键性的先导和推动作用。它的主要的前
沿
领域包括：

A．    非线性光学
非线性光学研究光与物质相互作用中和各种非线性效应及其产生机制与应用途径。近年来
，
新的热点课题集中在晶体、有机高聚物、半导体晶格、表面与界面、薄膜、纳米材料和超
微
粒非线性光学研究，半导体表面非线性光学研究，非线性光学系统中的时间-空间混沌、飞

秒时域内的超快过程，及波导非线性过程等。

B．    强光光学
近年来，短脉冲强激光的建立及迅速发展，使得强场及量子相干现象研究得到了迅速进展
。
它包括：与原子相互作用中的强场现象；与分子相互作用中的强场现象；强激光场非线性
量
子电动力学效应研究现象；量子相干现象。

C．    量子光学
量子光学是研究光场的量子统计性质及光与物质相互作用的量子特征的学科。它包括：非
经
典光场；激光操纵原子、分子及其应用；量子光学和量子力学的交叉与渗透的研究。

D．    光子学
“光子学”这一新名词是近年来提出的，它与电子学相对应。泛指对光子流进行控制的各
种
研究。它反映了光学与电子学越来越紧密的联系，以及半导体等光学介质材料在光学系统
中
所起的重要作用。

E．    超快光谱和高分辩率光谱
由于飞秒脉冲激光技术的发展，对于半导体材料中的超快过程、分子内部的能量转移以及
生
物中的光合作用等研究应予重视。而高分辩率光谱的研究在原子物理方面、物质痕量分析
、
激光分离同位素等方面有十分重要的意义。

F．    光物理与其他学科的交叉
光物理与生物学、医学的交叉学科在国际上十分活跃。有的科学家曾预言，未来的生命科
学
的突破必将以物理学包括光物理学中的进展为先导。光物理与化学的交叉已形成一门十分
活
跃的新学科——激光化学。它与固体物理的交叉为发展新兴宽频带固体激光器和新型半导
体
激光器提供了物质基础。

4   物理学的重大问题

在未来，物理学正在微观、宇观和复杂系统这三个基本方向上发展，并相应的存在着若干
重
大的科学问题。

在空间尺度极小范围（10^-15厘米），时间尺度极短（10^-23秒）的方向上粒子世界仍有
许
多需要研究的重大问题。在建立了标准模型之后，还存在探索相互作用理论， 检验和发展

标准模型理论， 寻找超出标准模型理论的下一个层次的基本理论，发展量子场论等问题。

在巨大的空间尺度范围（150亿光年即10^28厘米）和时间尺度（10^17秒）上，存在着如引

力理论、 宇宙学天体物理学、描述宇宙演化规律的大爆炸宇宙模型的量子起源等问题。在

凝聚态物质存在形式的多样化和物质运动复杂性的研究中， 存在着如介观系统物理研究，

强关联多电子系统的基态和元激发， 凝聚态多体系统中存在的服从分数统计的分数电荷元

激发，自旋、电荷自由度分离的元激发， 小量子系统和团簇系统的特性及新效应，非线性

系统的行为以及高温超导电性的机理等问题。 此外，物理学与化学、生物学等进行深层次

的结合和交叉所产生的重大问题。


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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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