物理科研

截至目前，全国各地高考志愿填报已陆续结束，同学们即将迎来崭新的大学生活，进入不同的专业学科学习。你或许正暗暗立下远大的志愿，或许正在畅想美好的大学生活，或许正努力拓展知识面，为将来的专业发展做准备。下面就和小编一起回顾一下今年北京大学校园开放日上的精彩瞬间，一起来看看北大教授们是如何理解专业精神与北大情怀吧！今天我们为大家分享的是北京大学物理学院院长高原宁教授的演讲内容：什么是物理？高原宁教授演讲者介绍：高原宁，男，1963年生，1979-1989年于北京大学物理系学习，获理学博士学位。现任北京大学物理学院院长、教授，主要研究方向为高能物理实验。各位同学，各位家长还有各位老师，我很高兴能来。当时他们叫我的时候，我一高兴就答应了，然后就很纠结到底要说什么。刚才龚校长说了，我是79年到的北大，我和我们的年轻同学们隔着40年。我们物理学院百年历史的辉煌在你们的招生简章里头说得很清楚了，我们物理学几百年的辉煌，都写在一摞一摞的教科书里，你们将来会一个一个学过。那么我今天要跟大家说的只是一个老物理学者的一点非常感性的认识，每当我看到这张跨越几十个量级的片子，我自己都感觉到非常震撼。我们这样的一个人，就像我，努力成长也没有长过两米。大到宇宙小到夸克，有几十个零。但是我们看到，我们人类在过去的几百年间，居然把我们的智慧，把我们的文化，把我们的心灵洒在了这些星星点点上。我喜欢这样的黑暗的部分，因为这意味着整个物质世界在我们面前，实际上是很黑的，我们知道的东西很少很少。我们的知识和文化就像这些零一样，那都是散在整个宇宙当中的星星，它很微弱，但很顽强，照亮了整个物质世界。用米表示的空间尺度我们如果静下心来，仔细聆听一下宇宙的声音，你会发现宇宙真的并不那么平静。你会看到，宇宙实际上发生着一些非常剧烈的事情。例如这是我们在几年以前，第一次知道宇宙当中这样的两个黑洞，经过了短暂的时间以后，它们融合到了一起。整个过程的发生实际上非常短暂。那是来自于十亿光年以外的一个世界。你会看到在这样一个世界里头，在这样一个短短的、不到一秒的时间内，有三个太阳质量那么多的能量散发到空间中。我们人类在那一时刻过了十亿年以后，居然听到了这样的声音。我们用的是什么？就是引力波干涉的天文台。人类首次观测到引力波图中有两个长臂，这两个长臂当中原子量级的差别，我们居然都能够感知到。用这样的感知，我们观测到了外太空的引力波。也许你不见得非常喜欢这种气吞宇宙的事情，也许想要让你的日子过得更小资一点，那就讨论一杯水吧，讨论一杯盐水。往水里头放一勺盐，你知道会发生什么事情吗？我们叫它水合物，做了很多年的研究，希望知道这样的一个水到底是什么样的。我们现在已经可以干这样的事情了：在下面的是氯化钠，上面那些是我们拿了一个针尖，可以不断的在这里头把氯离子提起来，把水分子塞进去，经过一系列操作我们造出了这样的一些东西，我们可以用各种各样不同的显微镜，比如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等等，去看到他那些微小的东西，从而真正地理解这样的一个水合物内部粒子是怎么运动的。我们说到分子，你一定觉得很小。的确是很小了，操纵一个一个分子的时候的确是非常不容易，这样的工作基本上集中了人类最高的科技。但是对我自己的专业来说，对粒子物理专业来说，这个东西太大了。我要做的事情比还小九个量级。我们是在一个叫做基本粒子，也就是夸克和轻子的世界。那么这些东西是什么样子呢？全人类为了把视野推进到十的负十八次方米这样一个层面而进行了巨大的投入。在过去的三四十年里，人类投入了大量的资金，建成了这样一个大型强子对撞机，这是在瑞士和法国交界处一个二十七公里的环。人类终于借助这样的一个加速技术，把我们的视野推进到了十的负十八次方米这样一个程度。大型强子对撞机（LHC）利用这个设备，我们完成了一个理论，叫做粒子物理的标准模型。也就是说，所有的基本粒子的运动可以被杯子上那一串公式描述。我本来想穿这样一件T恤过来，但是回国之后，由于北大的食堂太好，我的体重增长了不少，今早一试发现穿不上了，就很遗憾。杯子上的公式我想举了这么一些例子之后，我们应该说一些严肃的事情了：什么是物理学？这是维基百科上的定义，很多很多的话，当然最重要的是红字部分：研究物质、能量的本质与性质的自然科学，那几乎包含了所有的事情。在我们刚才列出的空间尺度上，很大的部分都属于物理学研究的范围。定义的解释多少显得有些不自信，就是想说物理学哪里都有。物理学的定义我们知道，物理学非常重要，它是各个科学的基础。从物理开始在这个园子里成长开始，至今已经超过了百年。在这百年里我们也产生了很多很多杰出的校友。百年物理学院今天的物理学院是我们北大里面最大的几个学院之一，包含了方方面面的有关物理学和各种科学的方向。这是物理学院的课程设置，在招生简章里大家也可以看到。北大物理学院课程设置不管怎么说，我觉得对“什么是物理”这个问题的回答，还是太学究气了，不太符合今天的这样一个气氛，是吧？它太古板了。我自己心里的物理实际上是这样一张图。说到底就是在干嘛？物理就是一段不懈的、要把不可见的东西变到可见、把不可知的东西把它弄明白的过程。这就是我心目中的物理学。“我心目中的物理学”最后，这样结束多多少少我自己有点接受不了。那么我们说，在科学之上，还有家国情怀，有哲学，还有诗，对吧？那么最后我希望在场的同学跟我一起来回答一个问题。这个事情，在我在北大这四十年里真的有很大变化。对于我这代人来说，“这个世界会好吗？”是梁漱溟先生的父亲抛给他的一个世纪之问。但是对我们在座的很多人来说，这好像是一个流行歌曲的歌名是吧？但是不管它是什么，我还是想问问大家，你们觉得，或者你们相信这个世界会好吗？为什么呢？聚精会神的同学们我不知道，也许你们将来要经过很多很多的年头，在北大院子里头慢慢的去体会。也许你过四十年以后会和我有一样的感受，或者非常不一样的答案。但此时此刻我能把我的结论，我的感受告诉大家。一百多年前，北京大学创设物理门，奏响我国高等物理教育的先声。北大物理的上一个时代属于以李政道先生、于敏院士为代表的一代学者。那么下一个时代的物理风光，我们期待你的参与！我相信，有了你的参与，我们的物理会更好，我们的世界会更好！关于北京大学物理学院1902年，京师大学堂设格致科（数学物理部），这是我国数理学科高等教育的开端。1913年北京大学设物理门，1919年更名为物理系，这是我国最早的物理学本科专业。北大物理学科为国家培养了大批优秀人才，其中包括130多名两院院士，当选美国物理学会会士（Fellow）的总人数居全国名高校之首。23名“两弹一星”元勋中，12名在北京大学物理学科学习和工作过。目前拥有教授106位，其中中国科学院院士20位（含9位双聘院士）。学院拥有2个国家重点实验室及1个北京市重点实验室。2018年科研和教学经费约3.13亿元，学科总体实力居国内高校首位。在美国《美国新闻与世界报道》的2019年世界大学排名中，北京大学物理学科排名全世界第22名。在英国QS的世界大学排名中,北大物理学科近几年都排在中国大学的首位。2018年底物理学院进行了国际评估，以Allan MacDonald为组长的15位专家（包括9位美国科学院院士）把北大物理本科教育誉为“The School of Physics is already one of the premier instiutions globally for undergrade ecation in physics”即：（北京大学）物理学院已经是全球物理学本科教育的最重要机构之一。北京大学物理学院也成为我国物理学科顶尖科研人才的摇篮。来源：北京大学招生办 编辑，制图：郭曜齐、刘威摄影：刘月玲、光军、黄洪翔、肖卜凡审校：王俊棋美编：佘宜轩部分图片来源于网络

我们从初中就开始学习物理，不知道小伙伴们有没有考虑过，物理学究竟是在研究些什么东西？可能会有小伙伴说，物理就是研究力、热、声、光、电……等等啊。这么说当然也不能算错，但是你只说出了物理的一些侧面。其实物理的最终目的是想发现这个世界运行的最本质上的规则。发现规则又是个啥意思呢？我打个比方，就好比让不会下围棋的人去看下围棋，通过看棋来学习下围棋，没有人教，没有人告诉我们围棋的规则是什么，能不能学会，我不知道，但是通过大量的看别人下棋，肯定会发现一些规律是吧？其实物理就是这样，我们一群人，当中聪明的那部分，在观察自然的运作规则的时候，发现的规则多的，或者是那些掌握了规则多的，就成为了物理学家。在几百年前，这些最聪明的人中有人提出了一种发现宇宙“下棋”规则的方法，这个方法就是观察、推理、实验和数学描述。后来的人，把这个方法叫做科学方法。物理学家们，企图利用这个方法去发现宇宙“这盘棋”的全部规则，来还原出一个完整的宇宙是如何在这个“规则”下变成今天这个样子的。本文就来做一下这样的尝试，通过对宇宙的经典规则的探讨，来描述一下物理学究竟都是在研究些啥。经典宇宙的样子经典的宇宙是活跃在欧几里得几何所描绘的三维空间之中，事务在叫做时间的媒介中变化。舞台上的基本元素是粒子，比如原子，它们有很多自身的属性。第一个属性是惯性：如果一个粒子在运动，它将继续沿同一个方向运动下去，除非它受到力的作用。嘿嘿，有没有很熟悉啊，对啦，这就是牛顿第一定律，也叫做惯性定律。第二个基本元素就是力，当时（1920年之前）物理学家们认为力有两种：第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力，它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中，它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些。另一种当时已知的力是一种长程相互作用，一种变化平缓的、悄悄的吸引力，与距离的平方成反比，叫做万有引力。当然了，那时候关于物体为什么会保持运动状态，以及为什么会存在万有引力定律大家还都是不知道的。即使是现在，其实也还没有完全搞清楚。虽然发现了“上帝粒子”，但是科学家同样发现，并不是所有的质量都是由“上帝粒子”贡献的。这个不是本文的话题，这里不多讨论了。总之，我们是发现粒子运动的一些规律的。按照当时的观点，对物质的描述，气体和实际上一切物质，都是大量运动着的粒子。这样，我们可以把很多身边的事物之间的关系建立起联系。比如压强，它来自粒子与容器壁或别的什么东西的碰撞。粒子的移动如果平均而言沿着一个方向运动，那就是风；而无规则的内部运动就是热。大量的粒子聚集在一起使密度超过平均值，它们将成堆的粒子不断向外散开，这就生成了波，这种过剩密度的波就是声音。能够理解这么多的事务，这是一个重大的成就。那时候的科学家们认为粒子的种类有92种，我们现在已经知道的元素种类已经超过110多种，这些不同的粒子有不同的名称和不同的化学性质。在化学反应中，这些粒子的种类不变。超短程力面对着这些化学元素中的粒子，我们都会很好奇为什么氧气分子是两个氧原子组合在一起，而不是3个或者是4个，原子之间相互作用的机制是什么？是万有引力吗？当然不是万有引力了，它实在是太弱了。但是想象有这样一种力，它与万有引力相似，也随距离的平方成反比变化，但强得多，并且有一个重要差别：在万有引力下一切物体都是相互吸引的，但是现在想象存在有两类“东西”，这种“新力”就是电力，具有同性相斥、异性相吸的性质。携带这样的强的相互作用的东西叫做电荷。那么，我们最终会得到些什么结果呢？让我们把两个等量的异种电荷放在一起，这很容易办到，异性电荷相吸嘛，一正一负，紧紧地贴在一起。我们再在距离它们一定距离之外放上另外一个电荷（第三个电荷）。这个电荷会感到任何吸引吗？它实际上不会感受到任何力的作用，因为前两个电荷大小相等，那么一个的吸引力和另一个的排斥力就会抵消。因此在任何可观的距离上的力都很小。但是，如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近，就会产生吸引，因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些，并使同号电荷远离。这样排斥力就将小于吸引力。这就是由正电荷和负电荷组成的原子，在它们相隔一个可观的距离时，相互作用的力很小（万有引力除外）的原因。当它们靠近时，它们就能够相互“看到内部”，重新安排它们的电荷，结果它们之间就产生了很强的相互作用。原子之间的相互作用的终极原因是电的作用。由于这个力是如此之大，一切正电荷和一切负电荷通常 会结合成一个尽可能紧密的组合。万事万物，包括我们自己，都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成，正电荷和负电荷相互抵消。偶尔，我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子（当然了，擦下来带负电的粒子要比较容易一些），这时候电力不再抵消，我们就会看到电的吸引作用。考虑两粒沙子，大小为1毫米，距离30米。如果它们之间的力不被抵消，也就是说，如果所有的电荷都相互吸引而不是同号电荷相斥，因此没有抵消，那么，它们之间的力有多大呢？有300万吨！你瞧，正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点，就足以产生可观的电效应了。当然，这就是你（用非电学方法）看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及粒子数目如此之少，它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别。有了这幅图像，原子就比较容易理解了。人们设想在原子的重心有一个“原子核”，它带正电并且有很大的质量，周围环绕着一定数目的“电子”，电子很轻并且带负电。当然了，现在我们都知道原子核本身也包含两种粒子：质子和种子，他们的质量几乎相同，非常重。质子带电而中子不带电。如果我们有一个原子，它的原子核里有2个质子，外面环绕着2个电子（通常的物质世界中的负电粒子都是电子，它们比组成原子核的质子和中子轻得多）。这是元素周期表中的第2号元素（或者说其原子序数为2），叫做氦。第8号元素叫做氧，等等。因为化学性质取决于核外的电子，并且事实上只取决于那里有多少个电子。因此，一种物质的化学性质完全取决于一个数，电子的个数。关于电力还有更多的发现电相互作用的一个自然的解释是，两个物体简单地相互吸引，正的吸引负的。但是后来发现，用这个概念来表示电相互作用并不恰当。对电相互作用的一个更恰当的表示是，正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”，或在空间产生了一种新“状态”，使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。把一个电子放进电场，它就会受到一个“拉力”。于是我们就得到两条规则：1、电荷产生一个电场；2、电场中的电荷会受到力的作用而运动。讨论下面的现象，用电场来表示电作用的理由就更清楚了。如果我们使一个物体比如一根玻璃棒带电（哈哈，之所以用这个案例，是因为我们初中学习摩擦起电就是用的这个道具），然后把一张带电的纸放在离玻璃棒一段距离外。前后移动玻璃棒，纸片会有反应，总是指向玻璃棒。如果把玻璃棒摇动得更快，就会发现纸片的运动要落后一些，即作用有所滞后。（在第一个阶段，当我们相当慢地移动玻璃棒时，我们还看到一种并发症，那就是是磁。做相对运动的电荷必定有磁作用，因此磁力和电力实际上可以归结为一个场，就像同一事物的两个不同侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。）如果我们把带电的纸片移动到更远的地方，滞后就更大。这时观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化，但却发现，当我们摇动一个电荷时，其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多。这就是说，这个效应下降得比平方反比律慢。现在让我们一起来做一个小实验：在一个水池里，近旁有一个漂浮的软木塞。用另一个软木塞划水，可以直接使前一个软木塞运动。如果你只注意看两个软木塞，你将会看到一个的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种“相互作用”。当然，实际上我们所做的是搅动水，然后水再去扰动另一个软木塞。我们可以建立一条“定律”；如果轻轻划动水，水里邻近的物体就会运动。如果第二个软木塞离得更远，它就几乎不动，因为我们只是局部地搅动水。反之，如果我们使软木塞上下运动，就发生一种新现象，水的运动带动了周围的水，形成了向外传播的波，波的效应，它无法从直接相互作用的观点理解。因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念，或者在电的情况下，代之以所谓的电磁场。电磁场能够传送范围广泛的波；其中一部分是光波，别的则用在无线电广播中，它们总的名字是电磁波。这些震荡的波可以有各种频率。一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于震荡的频率。如果我们把一个电荷摇动得越来越快，看它产生的效应，我们将得到整整一系列不同的效应，它们由一个数，即每秒钟的震荡次数，统一在一起。建筑物墙上的电线中的电流产生的“干扰信号”的频率大约是每秒50周左右。如果我们把频率增加到每秒500或1000千周，那就是无线电光波所用的频率范围。英文中“正在广播”是on the air，当然广播和空气（Air）毫无关系！没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播。如果我们再次提高频率，我们就进入了调频广播和电视所用的波段。频率进一步增高就是短波，例如雷达用的波。频率再高，就不需要用仪器来“看”这些波了，我们可以用肉眼来看。在5*10^14~5*10^15赫兹的频率范围内，只要我们能把玻璃棒摇得这么快，我们的眼睛能够看见带电玻璃棒的振荡。我们将看到红光、蓝光或紫光，以它们的频率而定。低于这个频率的叫做红外光，高于这个范围的叫紫外光。从一个物理学家的观点看，我们能够看见特定频率范围的波这一个事实，并不会让这一段电磁波谱比别的波段更特别，但是从一个人的观点看，当然这个波段更令人感兴趣。如果频率再高，我们就得到X射线。X射线不是别的，只不过是频率很高的光。频率再高，就得到伽马射线。X射线和伽马射线这两个名称，几乎是当作同义词来使用。通常把从原子核发出的电磁波射线叫做伽马射线，而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线，但是不论它们起源在那里，它们的频率相同时，在物理上是无法分别的。频率更高的波，比方说10^24赫兹，我们可以人工生成，比方用同步加速器。在宇宙射线中，我们可以发现频率极高的波，其振荡频率甚至更快1000倍。这些波我们目前还不能控制。到这里，本文就写完了，可能有些小伙伴觉得文章写得很散，所以我还需要总结一下。其实，本文的所要表达内容就是在经典物理学的范围内，对1920年之前科学所作出的成就，对我们这个世界的理解做一般阐述，从而表达出物理学的最终目的是要做什么。小伙伴们，您明白了吗？如果您还有什么疑问，欢迎在文章的评论区里面留言讨论。

早在几百年前，人类就已经开始对物理进行了研究。早期亚里士多德提倡哲学式的思考，但这也造成了许多错误。到了伽利略时代，他就开始用实验来研究物理，后来伽利略也被称为近代物理的开端。到了现代，物理学已经基本上可以解释宇宙万物的现象了，特别是相对论和量子力学的发现，更是锦上添花。可以这么说，人类的物理学一直被颠覆，宇宙的秘密让科学家们陷入沉思！自从牛顿发现了万有引力定律之后，物理学家们第一次解开了引力的一些秘密。引力遵循距离平方的反比定律，也就是说随着距离的增加，引力的强度就会成平方的下降。例如，距离增加到原来的两倍，引力就降为原来的四分之一。但是，距离平方的反比定律不是精确的，在黑洞或太阳这样的大质量物体的附近，引力并不完全遵循距离平方的反比定律，它是有些差异的。如果根据牛顿引力定律的预测，水星的轨道应该是封闭的椭圆。然而，天文学家发现，水星的轨道是进动的，每次的近日点位置都有所不同。1915年爱因斯坦的广义相对论很好地对水星轨道的进动作了预测，这是人类物理学的又一次颠覆。我们还曾以为，光是沿着直线传播的，这一认识影响我们数十年的时间。但是广义相对论认为，质量造成了时空的弯曲，光在这弯曲的时空中也会随之弯曲。简而言之，引力能使光线弯曲。后来，爱丁顿在一次日食中验证了这个理论。爱因斯坦还预言了黑洞的存在，因为黑洞的引力是如此之大，以至于连光都掏不出来。恒星发出的光的红移也是引力作用的结果。当恒星发出光向外辐射之后，这束光要克服引力的作用，于是它的能量就要减小，光的频率就要变小，波长就向红端移动。提起引力波，相信大家都不会陌生。2016年，LIGO首次发现了两个黑洞合并产生的引力波。引力波是时空的涟漪，通过波的方式向外传播。其实我们也能产生引力波，但是因为它非常微弱，以至于我们都感觉不到。早在1916年，广义相对论就已经预言了引力波的存在，但是鉴于当时的科技水平，人们还无法探测到引力波。100年后，随着科技水平的进步，我们终于探测到引力波了，这也是物理学的一大颠覆。在对宏观大物体有了巨大的进展之时，物理学家在微观上也有很多颠覆性的认识。从卢瑟福的原子实验和原子模型之后，人们又陆陆续续地发现了很多微观上的秘密。我们知道了原子是由原子核和核外电子组成，而原子核由中子和质子组成，中子和质子又是由一系列的夸克组成。在2012年，科学家发现了上帝粒子“希格斯玻色子”的存在，完成了标准模型的最后一块拼图。双缝实验的诡异性造就了量子力学的开端。量子力学中最著名的要数薛定谔的猫，这只猫既是活着也是死的，它是两种状态的叠加。虽然这很令人费解，但是也是相当有趣。除了这些，还有卢森堡的测不准原理，你知道粒子的动量就不能知道它的准确位置，知道位置就不能知道动量。还有泡利的不相容定理等等。现在，很多人都在研究量子力学在微观上的应用。已经有公司宣布实现了量子霸权了，还有人在研究利用量子效应制作新型材料。这些研究都是对物理的颠覆性认识。

新高考改革的问题集中在物理选不选上，这是个不争的事实。选不选要因人而异，并没有绝对的对错。但是如果我们连大学物理要学什么？学到什么程度？哪些大学的物理研究什么都不知道，我们的选择就是盲目的。为了避免这类盲目的问题带来的后果，我把国内目前物理学的发展现状和各顶尖高校的物理学相关情况做个粗略的介绍，希望给新高一的家长和学生带来帮助。如果您的孩子高考后进行志愿填报的时候想考虑物理学，也请认真阅读这篇文章。想中国物理学的现状，首先要知道世界物理学的现状，因为中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。近300年物理学经历了三次重大突破：1、是牛顿力学的建立和热力学的发展；牛顿力学的建立和热力学的发展，导致了蒸汽机的发明，使人类进入蒸汽动力时代，进入了第一次工业革命；19世纪，从法拉第发现电磁感应，导致了发电机的发明，使人类进入了电气时代。第一次工业革命，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这是牛顿力学和热力学发展的结果。2、麦克斯韦创立了电磁理论；麦克斯韦电磁理论基础的电学和磁学的经验定律包括：静电学的库仑定律，涉及磁性的定律，关于电流的磁性的安培定律，法拉第电磁感应定律。麦克斯韦把这四个定律予以综合，导出麦克斯韦方程，该方程预言：变化的电磁场以波的形式向空间传播。第二次工业革命，主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现，这是电磁现象的研究和经典电磁场理论的重大突破的结果。3、相对论、量子力学的创立。相对论和量子力学，前者补充了经典力学在高速，强引力场下的缺失，而后者填补经典力学在次原子世界的理论空白。第三次科技革命以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。这都离不开20世纪以相对论和量子力学为主要内容的近代物理的发展。接下来我们说说国内物理学的状况。首先给大家提供一个最新的好消息：2月28日凌晨，来自中国科学院物理研究所、南京大学和普林斯顿大学的3个研究组分别在Nature杂志发布了最新研究成果。他们的研究结果表明，数千种已知材料都可能具有拓扑性质，即自然界中大约24%的材料可能都具有拓扑结构。这个数字让人震惊。因为在这之前，科学家知道的拓扑材料只有几百种，其中被详细研究过的只有十几种。这个消息对大部分普通人而言不太好理解，毕竟涉及到了拓扑这类的专业词汇。不过，大家只要知道我国物理研究现在有很多方向的成功居于世界前列就可以了。下面是重点。国内将物理学列为一级学科，其下有理论物理，粒子物理及原子核物理，原子分子物理，凝聚态物理，光学，声学，等离子体物理，无线电物理八个二级学科。上次我在科普文章里给大家介绍过凝聚态物理。凝聚态物理是现在物理学最大的分支领域。大家比较熟悉的凝聚态物理的重大成就是半导体的发现及应用。这个发现的社会价值只需看一眼身边的电脑和手机我想所有人都会明白。凝聚态物理最近最热的方向，一个是“超导”，另一个是“纳米”。可以肯定的说，作为物理学最大的分支方向，它已经逐渐发展为整个物理学的主干和中心，无论是新高一的同学还是高考选报物理学相关专业的同学，你们中超过半数的人在将这个领域辛勤地工作着为人类造福。光学目前是物理学最接近应用领域的一个分支，因为它的应用性太强了，在实际应用中即可成为能量的载体也可成为信息的载体。激光的发现重要性丝毫不亚于半导体，它使得光学发展为仅次于凝聚态物理的物理学第二大分支，并且目前比凝聚态物理更接近实际应用。物理所，中科院里神一样的存在。物理所是以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构，研究方向以凝聚态物理为主，包括凝聚态物理、光学物理、原子分子物理、等离子体物理、软物质物理、凝聚态理论和计算物理等。战略定位是“面向国家战略需求，面向世界科技前沿”，发展目标是“建成国际一流物质科学研究基地”。在中科院基础科学园区里，规模最大的研究所就是中国科学院物理研究所，以其为载体的凝聚态物理国家实验室，是国家最重要的凝聚态物理研究基地，具有国际一流的研究水平。物理所第一个国家级实验室就是大名鼎鼎的超导国家重点实验室，是中国基础科学研究的一支王牌之师。有志于此的孩子在高考不能选择这里，但是可以考虑好专业方向，本科学习超导相关专业或理论物理，将来读博或博士后到这里继续深造。北京大学物理学，全国最好的物理系（学院）北京大学理科专业从建国以来一直是全国高校中最好的，北大物理最大的特点是各个二级学科方向都很强，尤其理论物理领域远远领先于其他高校，其它的几个二级学科方向也在全国位列三甲，北大物理一共有理论物理，粒子物理和核物理，凝聚态物理，光学四个国家重点学科。南京大学物理系，凝聚态物理和声学物理全国高校最强。凝聚态物理专业在国内高校中首屈一指，凭借这个优势奠定了南京大学在国内物理系（学院）的地位。南大物理共有理论物理，凝聚态物理，声学，无线电物理四个国家重点学科，其中除凝聚态物理外和它的声学专业也是全国高校中最强的。如果把天文学纳入物理学领域的话，由于比邻紫金山天文台，它的天体物理专业在国内更是一枝独秀。南大物理系冯端院士与中科院半导体所的黄昆院士可以并称为中国固体物理学（凝聚态物理学的核心部分）的泰山北斗。中国科学技术大学，全国唯一有两个物理系的高校，中国科学院博士生培养基地。。物理系以研究凝聚态物理和光学两个大的应用方向为主。它的近代物理系以研究理论物理，粒子物理及核物理，原子分子物理，等离子物理等理论及实验方向为主，对应过去中科院的近代物理所（现分裂为北京高能所，兰州近物所和原子能研究院）。科大物理有五个国家重点学科，分别是理论物理，粒子物理及核物理，凝聚态物理，光学，等离子物理，比北大和南大还要多出一个，它的近代物理领域一直是全国高校中最强的。复旦大学物理系，光学领域全国高校最强。和南大抓住凝聚态物理一样，复旦大学物理系抓住了物理学的第二大应用领域光学，从而也奠定了其国内一流物理系的地位。复旦物理有理论物理，凝聚态物理，光学三个国家重点学科，其中光学领域是全国高校中最强的。复旦大学物理系办学理念“办大学就是大师办学，无大师就无大学”武汉大学物理科学与技术学院，来最美之大学，成就最美之人生。钱学森曾说：“物理学是自然科学的基础之基础”。从自强学堂的格致门，到21世纪的武汉大学物理科学与技术学院，在这里，有师德厚重、学术顶尖的教学师资，有门类齐全、紧跟前沿的科研平台，有各具特色、国际范儿十足的联合培养班。在这里，你可以与大师为友，以同窗为伴，沿着美丽的武大梦追逐科学之梦、真理之梦、强国之梦，“判天地之美，析万物之理”，开启新的人生征程！“黄鹤楼中吹玉笛，江城五月落梅花”此外国内还有很多高校的物理系都非常优秀，篇幅关系就不一一列举了。“疯了老陈”，用内容影响世界！

有人说，高中物理、化学和数学的难题对搞科研的人来说有用吗？大部分的难题没有用。01为什么没有用？因为高中绝大部分的难题，至少99%的题目没有难度。比如高中物理的难题，有的非常怪，很烦，其实根本问题是你不懂微积分，如果懂了微积分，很多难题就不是难题了。而且，物理很少研究题目，研究的是自然。在研究中重要的是寻找和发现问题的能力。像牛顿、爱因斯坦的理论很深奥，但从现象上来说，却是非常简单的。牛顿苹果的故事，虽然说是伏尔泰可能是编造的，但这确实是一个非常常见的现象，也只能用万有引力的概念来解释。爱因斯坦的相对论则是怎么出来的呢？爱因斯坦从小就想一个问题，如果人和光一起运动，那看到的世界是什么样的，世界的运行规则又会变成什么样？还有物理学家用油膜测分子的直径。把一勺橄榄油倒到水面上，等油不再扩散，算出油膜的面积，用一开始就知道的体积除面积，就知道这个单分子的直径了。上面几件事都是生活中会遇到，或者自己能想到的，但大科学家们能想出这么深刻的理论来。这就是做科研的能力。在物理界，科研能力跟做难题能力几乎不相干，要的是自己寻找问题、发现问题的能力。当然啦，部分科研跟难题有点关系。这个先不说，等会说。我先说数学。02佩雷尔曼数学的研究经常是研究难题，只是这些难题是真正的难题，不是高中时候的难题，高中的内容都是几百年前的东西，离数学界的难题距离非常非常远。像黎曼猜想、ABC猜想、庞加莱猜想、费马大定理等等，这些都是著名的难题。在2000年的时候，美国克雷数学研究所曾经公布过7个数学难题，只要有人回答了一个难题，就给百万美元的奖金。这是学术界著名的千禧年七大难题。讲完数学的难题，接着讲物理的难题。物理中的很多题是现实世界的简化模型。物理最讲究简化、建模，比如在初中物理里面，一辆小车就简化为一个没有形状，质量都集中在质心的一个理想物理。这些模型虽然简化了，但有可能实际极为复杂，编题的人想简单了，题目可能会不符合物理规律，或者答案的可能性有好几种。或者，题目中的解释就是错误。比如，冰鞋上的冰刀跟冰之间的相互作用关系，远比题目说的复杂。因此，有些厉害的学生会对这些题目着手进行科研，重新建模，讨论各种可能的情况。这种也是科研的一种。我曾经见过好几位教授讨论高中的一道力学题，讨论了很久。化学我不懂，就不做评价了。03爱因斯坦总体来说，高中难题对科研的作用非常小。因为题目都是人编的，学生解题有时候不单单是思考题目本身，很多时候是站在出题人的角度，考虑出题人想考什么。就是说，题目都是有目的，有一条已知路径。但搞科研，可没有出题人，你不知道思路，也没有路径。就是俗话说的开放性。开放性的才是最难的。因此，爱因斯坦说，科学最重要的是好奇心，发现问题，解决问题，发现问题最重要。

在我国院士群体中，张文佑与张肇西被誉为“父子院士”。父亲张文佑先生（1909—1985年）是我国著名大地构造学家、创立了断裂体系与断块大地构造学说，1955年当选为中国科学院第一届院士。张肇西是我国著名的粒子物理学家。2011年当选中国科学院院士。1940年7月，张肇西在广西出生，随后和家人一同迁居北京，中学就读于北京市第四中学。1960年，张肇西考入中国科学技术大学近代物理系，走上了物理学科研道路。1963年，大学毕业后，张肇西以优异的成绩考取了中国科学院原子能研究所就读研究生，师从我国著名物理学家朱洪元先生。“朱洪元先生带着我们调研了量子力学的诞生史，他的教育方式别具一格，这对我们的影响很大，使我们感觉重大科学发现也不是那么高不可攀，或者是多么的神秘。”跟随朱洪元先生的这段科研经历，为张肇西的粒子物理研究打下了扎实的基础。在随后的研究中，他率先在理论上计算出b夸克到Bc介子的碎裂函数，计算了Bc介子的主要衰变道的宽度及Bc介子的寿命等数据，认为实验可以发现Bc介子的途径和可能性。直到1998年，美国发现了Bc介子，张肇西院士的理论得到验证，成为当时轰动粒子物理学界的重要突破。“做科研创新的时候，任何一步，只有100分和0分。”张肇西说，“我们国家很需要创新，方方面面都需要，小的创新成果也有可能解决大问题。创新并不神秘，只要每个人都把基础打牢，如果基础没打牢，也许会在99分时与创新成果失之交臂。”五十年专注粒子物理的理论研究，让张肇西院士对基础科学领域的创新探索有着更深刻的理解。在他看来，要想在科学探索中有所发现，不仅要有扎实的基础，还要有创新的勇气。“勇于创新，山穷水尽疑无路时要勇于再迈出一步。” 张肇西认为，具有创新的勇气后，首先要敢于去做。“父亲讲过，人家没说的，你第一个说；人家没看到的，你第一个看到；人家也看到的，你第一个指出来。”父亲的指引，对张肇西的科研道路影响深远。本作品为“科普中国-科技前沿大师谈”原创，转载时务请注明出处。【来源：新华社】声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。 邮箱地址：newmedia@xxcb.cn

新甘肃客户端兰州讯（新甘肃·甘肃日报记者 李满福）近日，中科院近代物理所科研成果“首次合成近质子滴线百纳秒寿命超铀新核素222Np”入选《科技导报》评选出的2020年度“中国十大重大科学进展。222Np是近代物理所继发现新核素219,220,223, 224Np之后，在该同位素链中发现的又一个新核素。科研人员利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置，首次合成了Np新同位素核222Np。这几乎达到了该类装置研究短寿命核素的极限。该成果于2020年7月13日发表在Physical Review Letters上。入选2020年度“中国十大重大科学进展”报道截图。另外，中科院近代物理所团队参与的“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”入选 《科技导报》评选出的2020年度“中国十大重大工程进展”。该团队发挥在强流离子源技术方面的优势，根据深地实验的极低本底要求，研制成功深地实验强流离子源系统，并于2020年12月14日在锦屏深地实验室成功出束。参与项目入选2020年度“中国十大重大工程进展”报道截图。《科技导报》1980年由杨振宁、李政道等美籍华裔科学家倡议在美国创办，1984年转至中国办刊并正式建社，1986年成为中国科协学术会刊。《科技导报》以发表国内外科学技术各学科专业原创性学术论文为主，为中国科协的综合性学术会刊。（文中素材由中科院近代物理所提供）

父母肯定都是＂望子成龙，望女成凤＂，而以前大多数父母，都认为养男儿才能读书成大器，养女不求成大器，唯望她可以清白于世。所以父亲给他的长女起名王业莲，而给小女儿，也就是王业宁叫做王业莲。希望女儿可以向莲花，菱角一样出淤泥而不染。而菱角又有出头露角的秉性，也就希望王业宁能够拥有自强不息，敢为人先的性格特点，可是，后来父亲希望他能够事业安宁，所以又改名为王业宁了。但是王燕宁的事迹完全推翻了他父亲的结论，女孩子一样可以成才，因为王业宁自幼耳濡目染，刻苦勤学所以从小就被亲戚们称为小才女，所以即使是在动乱年代四处辗转求学时期，她的成绩就是名列前茅，还有上学时特别搞笑，那是在课堂上，＂如果老师盯着王业宁时，出现了无措和歉意的表情，那么肯定是老师出错了＂，所以当时就有＂王业宁咳一声，先生也要抖一抖＂的笑谈，如此说明王业宁当时已经很优秀了。之后她迎难而上，挑战自我报考了物理系，是当时他被医学院录取了，但是她不喜欢那个专业，所以她凭着自己的努力，也去了那个最难考的院校，学习了最难的物理系，也完全是因为她喜欢。因为家庭的原因，父亲的教导和自己的经历，因此她一直养成了争当人杰，女人当自强的思想，追求这种精神是她不竭的动力源泉，这些都是因为她小时候看到家庭中女性的种种遭遇，小小的年纪，她就悟出了＂女人当自强＂的道理因为她知道自己的母亲有文化，目不识丁，所以在经济上要依附于父亲，对父亲言听计从，然而就算这样也好景不长，父亲很快让她独居故里，母亲这样，而姐姐也是被包办婚姻，嫁给了一个富豪，虽然日子富裕可是精神却备受折磨，这样的例子使她立志一定要自己主宰自己的人生。所以靠着顽强的斗志，自强不息的勇气，永不言弃的毅力，完成自己的学业，终于通过自己的努力以总分第二名的优异成绩获得了物理学士学位。自从搞科研以来，她从不因循守旧，也不跟在别人后面亦步亦趋。有一次他在铁錳合金实验中测量到内耗曲线上共出现了三个内耗峰，经过反复的实验分析初步断定两个内耗峰是马氏体相变过程引起的，最后她以这个结论脱颖而出，而且她还自己发明了一组振子高频内耗仪，这些仪器在科研上发挥了很大的作用。向我们证明了女性的强大。王业宁为国家的科研事业可谓是鞠躬尽瘁，她用近半个世纪的顽强，坚持和巨大热情登上了物理学领域的高峰，她的人生是精彩的，教会我们不应该向现实低头，无论怎样都可以过自己想要过的日子，再困难我们要迎头赶上，因为我们心中有目标。父母希望她成为莲花，可是她通过自己的努力让自己成为了一朵霸王花，成为了世界瞩目的人物，而且为国家做出了巨大的贡献，使国家科学又向前进一步，我们不得不钦佩她啊！

人类文明能取得今天的辉煌成果，离不开无数科学家的付出，就如同牛顿所说的那样：假如我能够比别人瞭望的略微远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上！诚然，科学的发展是一个逐步积累的过程，也许某些伟大的科学家对人类的贡献比较大，但归根结底，人类文明是由无数科学家将知识不断传承才发展出来的！科学的本质是认识自然，其中尤以物理学最为重要，尤其是量子力学和相对论的创立，使得人们能够透过现象了解到物质之间最基本的作用，让人类拥有了飞出地球，走向宇宙的可能性！虽然人类依靠积累起来的知识，发展出了灿烂的文明，但这些知识就是正确的吗？就像1+1=2只是人类创造出来认识世界的工具而已，或许宇宙的本质根本没有这些概念，而宇宙最本质的东西才是物理学真正的研究方向！宇宙最基本粒子特斯拉作为最接近神的男人，就曾对物理学的方向产生了怀疑！我们知道，特斯拉拥有着天才的头脑，在其辉煌的一生中，他一共获得了大约1000项发明，其中包含交流发电机、收音机、雷达、X光摄影技术、传真机、飞弹导航等等，而这些发明几乎都与我们现代生活息息相关！雷达相信任何人如果拥有了这些发明中的百分之一，其生活一定过得很舒服，但特斯拉却过得非常清贫，这些发明并没有为他带来物质上的改变，当然，像特斯拉这样伟大的人，物质生活也许根本不是他想要追求的。晚年的特斯拉做出了一个令人费解的举动，他几乎烧掉了自己所有的研究手稿！这另所有人都大吃一惊！要知道，这些手稿的重要性不言而喻，其中甚至可能包含着改变世界格局发明！尼古拉特斯拉据传，特斯拉在去世前一直致力于反重力飞行器的研究，而且取得了不菲的成果。他甚至在自己的研究笔记中写到：不需要任何的化学能推进，反重力飞行器就可以在空中保持静止，这是不是看起来很像是UFO？特斯拉反重力飞船手稿或许是在研究反重力飞行器的过程中发现了什么可怕的事情，才让特斯拉烧毁了自己的手稿，目的便是不让危险的发明公之于众！但也有另外一种说法，据传特斯拉完成了宇宙大统一场的研究，而这些手稿则记录了研究过程。甚至有人曾听到特斯拉说：空间根本不会弯曲，因为弯曲拉伸的部分会被宇宙中的其它物质（以太）抵消！也就是说，特斯拉很可能完成了宇宙大统一场的研究，至少是基础理论的建立！扭曲的空间但是宇宙大统一场理论或许跟我们现代物理学是完全相反的两条路，也就是说，现代物理学的前进方向也许是错误的，至少，我们可以有更加简单的捷径来直达宇宙最本质的东西！宇宙但特斯拉本身并不能完全确定研究的正确性，尤其是自己有生之年并不能完善的情况下，这样动摇整个物理学根基的理论如果面世，很可能为整个人类文明带来灾难般的倒退！所以特斯拉烧毁了自己的手稿！当然，一切都是传言，究竟手稿的内容是什么，也许有人见到过，也许从未有人看到过