热烈庆祝世界物理年

2005 年 6 月

我国物理学的发展历程 -----回顾与展望

陈佳洱2005 年 6 月 3 日

1. 中国古代文明中的物理之光2. 在旧中国的苦难中艰辛创业3. 在新中国的建设中发展壮大4. 改革开放、科教兴国与物理学的春天5. 新世纪的机遇与挑战

中国古代文明中的物理之光

• “物理”一词在 2300 前的先秦时期就出现了，当时的含义比现在的“物理”要广泛得多。它泛指人类对自然界及人类自身的理性认识或世界万物的道理。•中国古代的学者很关注对自然现象的观察和理解，他们认为对自然规律的认识，对于每个人的人生观与人格的形成至关重要。• 当时的思想家认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的，人文社会的法则也应该归结为天地、自然的法则；后来有人把这个观点概括为“天人合一”。说明当时物理与哲学混为一体。

物格而后致知，致知而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。 (“物格者，物理之极处无不到也。知至者，吾心之所知无不尽也”。朱熹）人们首先要尽力探求世界万物的道理，深入理解得到的各种知识，才会有坚定的信念，修养好个人的品德；每个人有了崇高的品德，就能处理好家族、社会与国家的关系，达到天下大同。

屈原 （ 339-278 BC ）

遂 古 之 初， 誰 傳 道 之？ 上 下 未 形， 何 由 考 之？ 冥 昭 瞢 闇， 誰 能 極 之？ 馮 翼 惟 像， 何 以 識 之？ 圜 則 九 重， 孰 營 度 之？ 惟 玆 何 功 ？ 孰 初 作 之？ 斡 維 焉 繫 ？ 天 極 焉 加？ 八 柱 何當 ？ 東 南 何 虧？ 九 天 之 際， 安 放 安 屬？ 隅 隈 多 有， 誰 知 其 數？ 天 何 所 沓 ？ 十 二 焉 分？ 日 月 安 屬 ？ 列 星 安 陳？ 东 西 南 北， 其 修 熟 多？南 北 顺 椭， 其 衍 几 何？

天 问天 问

公元前 13 世纪时，中国以甲骨文记录的世界最早的超新星爆发事件

Astronomical observation facilities in 1442, Beijing Celestial Globe of

Zhang Heng in 125

通过长期的观测，中国创造了与农业经济相结合的农历，促进了农业经济的发展，并延用至今。

• 在乐器制作、声音传播规律的掌握以及具备完美听觉的音乐殿堂的建造上都取得了突出的成就。• 如被誉为 20 世纪考古学的重大事件的湖北随县出土的曾侯乙编钟是中国古代声学的杰作。

The 65 Chime Bells of Marquis Yi of Zeng

Each bell can produce 2 tones when struckEach bell can produce 2 tones when struck

(Warring States Period (475-221 B.C.) )

Achievements in musical instruments

Performance with Chime Bells in Paris (2000)

这组于公元前 500 年由青铜铸成的编钟，共 8 组 65 件。钟形如同两片相合的扁瓦，而不是圆的。 每个钟具有双音性质，各自可以发频率相差大三度或小三度的两个音。 整个编钟的音域包括 5 个八度，中音区 12 个半音俱全，音高几乎与现代器件音高一致。编钟的延音短 , 能够演奏旋律快的音乐，钟上突起的钟枚起到滤波的作用 , 使音质更为优美，无论是中国民族乐还是西方的交响乐曲都能演奏。

• 在光学方面，在墨子的“墨经”中对几何光学的现象已有相当完整的表述，当时已发现了小孔成像技术，发展了金属放大镜技术… .等• 力学方面在杠杆原理、静力平衡原理以及在秤量工具和建筑结构等方面也很早就有很多建树

历史上，中华民族以高度的智慧和能力通过各种各样的发明创造，为人类文明的发展做出了光辉灿烂的贡献。在 16 世纪之前的相当长的一个时期中，中国科技领先世界 , 其中对物理现象及其规律的研究和应用起了十分重要的作用。

中国近代物理学的起步比西方晚了 200 多年！• 长期封建统治下的伦理道德与文化观念不利于近代科学的萌发 • 清朝“闭关锁国” 政策阻止西方近代科学的传入• 我国的传统文化比较讲究实用 , 缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力。尽管科学研究与技术研究在形式和方法上并没有什么不同，但技术研究的动机在于应用，而基础科学代表着一种探索，其目标在于揭示和认识客观世界的基本规律；它的动机是求知、求真，对真理的追求！

15 世纪欧洲世纪文艺复兴运动之后， 物理学上的伟大变革接踵而来• 17 世纪牛顿综合了哥白尼、伽利略、开普勒等成果的大成，建立了一套完整的理论体系，奠定了以系统的实验方法得到完整的物理因果关系的理性思维体系，树立了理性与科学的权威• 麦克斯韦通过总结大量实验获得的电磁学四大定律，完成电磁学的麦克斯韦方程，建立了经典场论。 “场”作为自然界一个基本构成 , 进一步拓展了人们的物质观，并促进了电气工程和整个通讯事业的发展

• 20 世纪以爱因斯坦等的相对论和量子论相对论和量子论为代表的物理学的革命性发展，形成了人类崭新的时空观、运动观和物质观，极大地深化了人类对自然界从微观、宏观到宇观的各个尺度层次的基本规律的认识，使整个科学发生了质的飞跃• 物理学上接踵而来的伟大变革推动了 18 世纪以来的多次技术革命，包括机械化、电气化、电子与通讯技术以及原子核科学与技术的飞速发展，引起了生产力与生产方式的巨大飞跃，使中国的经济与科技能力远远落后于西方列强，形成了前所未有的被动挨打的局面

• 鸦片战争的惨痛教训，激励国人“兴学救国”开始以译书、建学、派遣留学生等方式向西方学习现代科学技术• 我国正式用物理学作为 Physics 的学名是1900 年从日文翻译的 “物理学”出版开始的• 1919 年的“五四” 运动高举“科学、民主”的大旗，使发展近代物理和科学成为中国人民摒弃陈腐思想、制度，争取民族独立解放，建立新中国的重要组成部份

近代物理在苦难中艰辛创业近代物理在苦难中艰辛创业

• 1919 年我国首次在北京大学设立“物理学系” 何育杰、丁燮林、夏元粟、饶毓泰、吴大猷等先后任主任，开设完整的本科课程和实验• 1925 年清华成立大学部，梅贻琦、叶企孙等先后任主任并先后延聘吴有训、周培源、赵忠尧等教授大力建设实验室，开展科学研究• 同期，胡刚复、严济慈等在南京东南、中央等大学建立物理教育中心

许多在殴美学有所成的先辈毅然回国， 投身中国物理教育与研究的发展

• 1930 年前后，全国有 20 多所高等院校设物理系。其中北大、清华、浙大、中大、燕京等若干大学等已开展物理学研究。 • 1928 年中央研究院物理研究所于上海成立； 1929 年北平研究院物理所于北京成立。• 1930 年左右，全国的物理学工作者发展到三百人左右。

1931 年 保尔·朗之万在北京建议中国物理学工作者联合起来成立中国物理学会并参加 IUPAP

中国物理学会的成立• 中国物理学会于 中国物理学会于 19321932 年年 88 月月 2323 日在清华大日在清华大学成立。第一任会长北京大学教授学成立。第一任会长北京大学教授李书华李书华，副，副会长会长叶企孙叶企孙，秘书，秘书吴有训吴有训，会计，会计萨本栋萨本栋。成立。成立大会到会代表大会到会代表 1919 人，登记在会会员约 人，登记在会会员约 8080 人。人。初期只有大学教师参加，不吸收中学教师。初期只有大学教师参加，不吸收中学教师。•中国物理学会成立之后，即为发展中国的物理中国物理学会成立之后，即为发展中国的物理学努力奋斗。在日军侵华战争爆发、暴风雨来学努力奋斗。在日军侵华战争爆发、暴风雨来临的前夕，学会坚持不渝地每年举行一次年会，临的前夕，学会坚持不渝地每年举行一次年会，坚持出版物理学报，论文用英、法、德三种文坚持出版物理学报，论文用英、法、德三种文字发表，附以中文摘要，做了大量的工作字发表，附以中文摘要，做了大量的工作

• 1937 年 7 月 7 日日寇在卢沟桥发起侵华战争。八年抗战中，各地区的教育和研究机构被迫西迁到四川、云南、广西、贵州、陕西等地区，在极端艰难困苦的条件下，坚持物理教学和研究。在海外从事前沿研究的爱国学者也不断回国工作 ,竭尽全力使中国物理教育达到先进水平。周培源关于湍流模式理论的奠基性工作、王淦昌提出的中微子探测方法、吴大猷的《多原子分子结构和振动光谱》专著、王竹溪和汤佩松关于植物细胞水势的研究等，都是当时具有国际影响的成果。西南联大等校还培养出以杨振宁、李政道、黄昆等为杰出代表的一批优秀学者。

1932-1949 历届学会理事长（会长）

•抗战期间中国物理学会坚持开了六次年会，出版了六期学报。 1942 年还开报告会纪念牛顿诞生 300周年 向为中国物理学艰苦创业的先辈们致以崇高敬意！

近代物理学在新中国的建设中 成长壮大

工作者回来参加祖国建设，并成为中坚力量。物理学在新中国得到了蓬勃的发展。 1951 年 8 月，举行了中国物理学会第一届全国会员代表大会，通过新 的会章，选出周培源钱三强分别任正副理事长。全国会员总数达到 1,226 人。新的学会团结在各条战线上工作的广大物理工作者，为新中国建设贡献力量

新中国成立后，建设了数十个大学的物理系和研究机构，自力更生地建设自己的教育和研究体系，培养了大量的物理学专业人才，在基础和应用基础研究领域做出了有影响的工作。一批海外学有所成的物理周培源和钱三强

在物理学的基础前沿领域，老一辈的物理学家依靠自己的力量做出了一批重要的工作，例如王淦昌在杜布纳联合核子研究所发现反希格马负超子、周光召在基本粒子研究中提出螺旋态并证明赝矢量流部分守恒、朱洪元、胡宁等人提出的基本粒子层子模型等，都为中国物理学在在国际上争得一席之地做出了重要贡献。

• 五十年代后期，许多优秀的物理工作者，坚决根据国家需要，毅然放弃自己熟悉的专业以及工作和生活环境，投入到“两弹一星”的研制工作中去。• 面对当时国家经济困难、科技基础薄弱、国际技术封锁和工作生活环境十分艰苦的条件，物理学家和参与研制工作的其他专家、干部、工人、解放军指战员一起，依靠自主创新，用较少的投入和较短的时间，突破原子弹、氢弹和人造卫星等尖端技术，取得了举世瞩目的成就。

聂荣臻元帅和朱光亚 王淦昌先生在核试验基地

“两弹一星功勋奖章”获得者王淦昌、邓稼先、钱三强、郭永怀、于 敏、王大珩、朱光亚、吴自良、陈能宽、周光召、钱学森、程开甲、彭桓武等他们是中国物理学工作者的优秀代表和楷模。他们的功绩也体现了物理学的发展对国防建设和综合国力竞争的重要意义

改革开放、科教兴国与

中国物理的春天

• 国家大幅度增加了对科技教育的投入，建立国家大幅度增加了对科技教育的投入，建立自然科学基金，资助自由探索；建设了一批重自然科学基金，资助自由探索；建设了一批重大科学工程和国家重点实验室。科教兴国以来大科学工程和国家重点实验室。科教兴国以来国家对基础科学的投入平均年增长高于 国家对基础科学的投入平均年增长高于 22%22%

国家自然科学基金资助情况

国家研发经费

• 国家培育大批物理学人才，近十年来获得物理学博士人才的达 4500余人。物理学科的国家杰出青年 150余人，优秀创新群体 7 个

93 95 2000 2003

物理学科历年获得博士学位人数

北京高能正负电子对撞机

重大科学工程的建设

合肥国家同步辐射实验室800 MeV 同步辐射光为物理、化学、生命科学、材料科学、微电子等提供先进的分析工具。

KSFC = 70

KSSC = 450~1011pps(Kr—Xe)~1010pps(>Xe)

(Z<30 ，Ｅ～ 5MeV/A)I ： ~3 1013pps (C—Ne) >51012pps(Mg—Ar) >11012pps(Ca— *Zn,*Ge,*Kr)

兰州重离子加速器

放射性离子束流线

Department of Nuclear PhysicsCIAE

In beam

GIRAFFE

Q3D

Neutron physics

Atomic Physics

AMS

China Southwest Institute of PhysicsChina Southwest Institute of Physics Major Radius R=1.02mMajor Radius R=1.02m Minor Radius r=0.26m Minor Radius r=0.26m Toroidal Field BToroidal Field BTT=2 =2 3T 3T Plasma Current Plasma Current I I pp=80 =80 350kA 350kA Discharge Duration Discharge Duration TT 3s 3s

Institute of Plasma Physics, CAS Major Radius R=1.22mMinor Radius r=0.30m Toroidal Field BT=2.5TPlasma Current I p =100 250kA Discharge Duration T =10s

粉碎“四人帮”

的胜利迎来了科学的春天，

中国物理学会迅速恢复工作和正常活动。

1982 年第三届全国代表大会，出席代表 219名。全国会员达到二万余人。

“中国物理学会秋季学术会议”，是中国物理学会主办的系列年会，每年举办一次，已成为研讨国内物理界热点课题、发表最新研究成果的高级“品牌”会议，在促进学科发展、科技进步方面学会发挥重要的作用 。

2001 年中国物理学会秋季学术会议

第七届亚洲及太平洋地区物理会议在京举行

举办地区国际学术会议

第十七届国际光子轻子会议在京举行

主办国际系列专业学术会议

第 17 届国际拉曼光谱学大会

颁发物理学奖学会每两年一次的举办以我国著名物理学家胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、 王淦昌命名的物理奖推荐和评选活动

青少年物理竞赛为激发青少年对物理学的兴趣和爱好组织中学生参加各种物理竞赛

• 组织国际物理奥林匹克竞赛 • 全国中学生物理竞赛 , 参赛学生达 708,564人

05000100001500020000250003000035000

1932 1951 1982 2002

人数

Membership of CPS

Journals published by CPS

中国物理学会会员和物理期刊的进展

1999 年第 23届 IUPAP 执委会杨国桢同志当选为副主席

中科院物理 所 李 方 华 院士 获 得 “ 2003年 欧 莱 雅 — 联合 国 教 科 文 组织 世 界 杰 出 女科 学 家 成 就奖 ” ， 使 得 国内 女 物 理 工 作者倍受鼓舞

1949-1995 历届理事长（会长）

向领导新中国物理学发展壮大的前辈们致敬！

有利的科学环境，激励物理学人奋起直追SCI 论文数

轻子质量的精密证明了它的确具有与电子相同的性质。这项成果被誉为当年国际高能物理最重要的成果

轻轻轻轻轻轻轻轻

自 1993 年以来，在兰州重离子加速器上合成了 25 种新核素

Haitao Yang  et al.,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100, 13190 (2003)

SARS 病毒主蛋白酶 3CLMpro

自由空间量子通讯

•Physical Review Letter 94, 150501 (2005)

•13 公里不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。 •《物理评论快报》的审稿人称，这一成果“有重大的意义”、“是一项相当了不起的成就”。

•基于自由空间的量子通讯是实现全球化量子通信的基础。•在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。

五光子纠缠和开放终端隐形传态五光子纠缠和开放终端隐形传态•世界上首次实验实现五光子纠缠，这是普适的量子纠错所需要的最少的粒子数，走出了线性光学量子计算的实现的第一步。•实验实现终端开放的量子隐形传态 ，为分布式量子信息处理打下基础。

•被美国物理学会选入“ 04 年度重大物理学事件”，被欧洲物理学会选入“ 04 年度十大科技进展”。

24 层的厚度只有 7.2 纳米！

2mx2m

2mx2m

硅衬底上的原子级平整的金属 Pb 薄膜

Science 306, 1915 (2004)

22 23 24 25 26 27 28

5.1

5.4

5.7

6.0

6.3

6.6

Tc (

K)Thickness (ML)22 23 24 25 26 27 28

厚度（原子层数）超

导转

变温

度22 23 24 25 26 27 28

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K)Thickness (ML)22 23 24 25 26 27 2822 23 24 25 26 27 28

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Tc (

K)Thickness (ML)22 23 24 25 26 27 28

厚度（原子层数）超

导转

变温

度

一个原子层的厚度是 0.3 纳米

Pb 的超导温度不是常数 !!!( 体材料的 Pb: Tc=7.18K)

超导转变温度随薄膜的厚度的振荡现象( 美国科学家在 1963 年用理论预期， 40 年后我们给出确定性的证明 )

横向生长中结晶学方向的连续旋转与长程有序形态的形成

M. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 94, 125505 (2005)M. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 80, 3089 (1998)D. W. Li et al., J. Phys. Chem. B107, 96 （ 2003 ）C. Strom et al., J. Phys. Chem. B 104, 9638 (2000)

一种新的横向生长模式

Compact Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)Laser Facility (16.7TW/120fs)

徐至展等人 , 强场激光物理国家重点实验室 , 中科院上海光机所

Opt. Lett., 27, 1135(2002)Chin. Opt. Lett., 1, 24(2003)

•波长： 1064nm

•末级光学参量放大器能量转换效率： 25.5 ％•放大系统能量增益：61010

在超强超短激光与 Xe 原子团簇相互作用物理实验中发现了高达1.3MeV 的高能离子，高于世界上曾报道的最好结果。

1 04 1 05 1 061 0 -3

1 0 -2

1 0 -1

1 00

Ion

Ener

gyD

istri

butio

n(a

rb.u

nits

)

X e Io n E n e rg y (e V )

M e a n Io n E n g e r y = 11 0 K e V

X eX e

Xe 离子最高能量达 1.3MeV ，平均能量为 110 keV

for Xe, clustering occurs at 0.5 bar.

徐至展等人 , 强场激光物理国家重点实验室 , 中科院上海光机所

飞秒激光在大气传输中的奇异现象能量吸引？

Z = 2m

Z = 105m

扭秤调制法检验光子静止质量上限扭秤调制法检验光子静止质量上限考虑光子有静止质量时电磁场能量密度为 :2 2W E H 2A222

电磁场的势变成可测量量 !

511.2 10m g 将国际上同类实验上限提高约 20

倍 !

PRL 90 (2003)0818012002年扭秤调制实验结果给出：

A New Limit on Photon Mass —— The AIP Bulletin of Physics News, Feb 19,2003 2004 年被 PDG 收录 —— PLB 592 (2004)1 Review Article —— Rep.Prog.Phys. 67(2005)77

—— Proca 方程

最近改进方案实验结果：521.8 10m g

细胞周期网络的动力学性质

•生物定态生物定态正好是非线性动正好是非线性动力学中的力学中的超级吸引子超级吸引子，它保，它保证了生物定态的全局稳定性证了生物定态的全局稳定性。。•生物路径生物路径是全局的是全局的吸引路吸引路径径，它保证了整个生物路径，它保证了整个生物路径的全局稳定性。的全局稳定性。

系统的流形图。蓝线：生物学路径，最后的蓝点：生物学定态。Proceeding of National Academy of Science, 101, (2004) 4781

新世纪的挑战和机遇•从微观到宇观的各个尺度上我们现在的认识还不能理解的现象和问题大量涌现—物理学上空的一团乌云•各种跨学科的研究，特别是生命科学和信息科学的崛起，如纳米 - 生物 - 信息 - 认知技术的汇聚和发展都呼唤着物理学发展新思想、新理论和新设备、新方法 •人类社会在可持续发展上所面临的严重挑战，包括能源、环保、人口健康和自然灾害预测等也都要求物理学提供应对这些挑战的科学基础

宇宙起源的大爆炸时期的基本物理时什么 ?

微波背景辐射分析宇宙早期星系团发现 :一种暗能量正在驱动着宇宙加速膨胀

人类目前还不理解暗能量和暗物质的本质

宇宙的组成宇宙的组成 重元素重元素0.03%0.03%

中微子中微子0.3%0.3%

星系物质星系物质0.5%0.5%

自由氢和氦自由氢和氦3.17%3.17%

暗物质暗物质23%23%

暗能量暗能量73%73%

重新认识和改造世界以及人类自身，可能大大提高人类的生存能力，拓展人类认知与交流的潜能，提高社会生产和产品的智能化程度，增强国家安全，被推崇为新的“科技复兴”。

◇ NBIC ：纳米(Nano), 生物 (Bio), 信息 (Info), 认知 (Cogno)四大领域的结合与汇聚，将使人类在纳米、分子的层次

分子水平的器官功能治疗与恢复人工扩展人的感知、认知能力和耐力、发力等

与智力共同进化的遗传增强

细胞 / 神经修复 细胞 / 神经介面

把握机遇才可能后来居上面对未来的科学革命，大家都处于探索阶段，谁抓住了机遇，在知识和科技创新上占有优势，谁就在发展上占据主导地位，掌握未来社会经济发展的先机。回顾历史教训，我们一定要抓住今天的有利时机，乘势而上，赶上国际先进水平的步伐！

结束语• 历史表明中华民族具有高度的智慧和创造能力，物理学的先辈们又有着不畏艰辛、爱国奉献、坚忍不拔、自主创新的优良传统，这是中国物理学至为宝贵的重要财富• 繁荣发展作为现代科学、教育和技术文明重要基石的物理学，对于提高全社会的自主创新能力、支持社会经济可持续发展、应对未来挑战至关重要• 我们一定要抓住出现新一轮物理革命涌动的机遇，在科学发展观指导下，乘势而上，团结进取，开拓创新，为赶上国际先进水平努力奋斗 !

谢谢！

EXtreme Light II (XL-II) 极光二号20 TW laser facility capableto provide relativisticintensity

Deformable mirrorwas installed to provide a 1.5xDL

640mJ/30fs, 20TW=2x1013W , 聚焦功率密度 >3x1019W/cm2