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2019年 31卷 1期 刊出日期 2019-02-18 物理知识 物理前沿 科学源流 科学书屋 物理知识 3 漫谈量子：量子物理的诞生与发展 Hot! 徐晓帆, 谭惠文 当今世界，科技发展日新月异，人工智能、大数据、云计算、5G移动通信、虚拟现实和增强现实等新名词已经融入了大众茶余饭后的闲谈之中。尤其是"量子"这个最熟悉的陌生词，凭借着这两年我国"墨子号"量子卫星和地面量子通信网络的成功，已经通过电视、网络、报纸等各式各样的宣传报道深入到大家的心中。"量子"是怎么来的?究竟该怎样理解?许多物理学大师和专家都已经从专业的、概念性的、趣味性的等多个角度进行了阐述。然而，就像"量子"是捉摸不定的一样，每个人的理解都有所不同。这里，将根据笔者在从事量子物理研究过程中所学的、所听的、所读的、所想的方方面面，与大家聊一聊对量子物理的理解，并分享一些有趣的故事。 2019 Vol. 31 (1): 3-10 [摘要] ( 889 ) [HTML 1KB] [PDF 9866KB] ( 1251 ) 11 电荷与自旋的联姻：磁性半导体 Hot! 王海龙, 赵建华 上古时代，人类祖先就见识了电闪雷鸣带来的感官震撼，而摩擦起电和静电积累现象则不断激励人们去接近直至揭示其中的物理规律。从富兰克林风筝引电证明闪电与静电无异，到库仑提出平方反比定律指出电力与引力同形，标志着人类开始摆脱对电的原始崇拜与畏惧，迈进了电学研究的科学时代；从伏特制造电池提供连续高强度电流，到欧姆定律问世给电路设计带来巨大便利，意味着人类凭借过人的天赋，麦克斯韦更是洞察到了位移电流的隐秘存在，将电与磁的奥秘永远地写入了惊世骇俗的麦克斯韦方程组中，预言了电磁波的存在，激励后人孜孜不倦的找寻。直到1888年，赫兹十年磨一剑，终于在他密不透光的实验室中观察到由电磁波激荡而出的跳跃火花，向世人揭示了光的电磁波本质，为无线电通信和信息时代的到来开启了大门。学会了主动利用和创造，电学研究步入了发展的快车道。同样的时空里，磁学现象亦早早给人类带来了诸多惊喜——华夏民族的祖先就已经学会利用磁石制造司南，据传在炎黄大军征战四方的过程中发挥了重要作用，留名于世。电和磁，看似风马牛不相及，却在奥斯特、安培和法拉第等科学家的努力探索中被揭开了"一体两面"的神秘面纱。随后，凭借过人的天赋，麦克斯韦更是洞察到了位移电流的隐秘存在，将电与磁的奥秘永远地写入了惊世骇俗的麦克斯韦方程组中，预言了电磁波的存在，激励后人孜孜不倦的找寻。直到1888年，赫兹十年磨一剑，终于在他密不透光的实验室中观察到由电磁波激荡而出的跳跃火花，向世人揭示了光的电磁波本质，为无线电通信和信息时代的到来开启了大门。 2019 Vol. 31 (1): 11-16 [摘要] ( 907 ) [HTML 1KB] [PDF 6109KB] ( 1817 ) 17 诸引力理论喧嚣尘上中子星合并一扫乾坤 沈建其 弱电统一理论主要创建者之一、1979年诺贝尔物理学奖获得者温伯格曾讲过一件颇发人深省的事情。他在20世纪60年代曾与一位年轻博士后聊天，他问对方在研究什么课题，对方回答在研究广义相对论和天体物理学等问题，温伯格问他为何不研究具有更为丰富的理论和实验内容的粒子物理学。年轻博士后认为，粒子物理学中目前各路理论众说纷纭、零散杂乱，几百种"基本"粒子性质杂多，令人眼花缭乱。相比之下，他更喜欢研究引力理论，因为那里只有爱因斯坦广义相对论一家一统天下，一切都透明澄清，令人惬意。但温伯格并不这样认为。他的观点类似"乱世出英雄"，认为大乱之时，才更有机会可遇。的确，在20世纪60~70年代，经过盖尔曼的夸克模型、格拉肖-温伯格-萨拉姆弱电统一理论以及珀里策-格罗斯-威尔切克量子色动力学的提出，几百种"基本"粒子被归纳为少数几种夸克的复合粒子，各路诸侯理论都被收编进上述比较紧凑的统一理论当中，取得重大丰硕成果，至此粒子物理学中的大乱现象也不再存在。弱电统一理论与量子色动力学合称为粒子物理标准模型，它是20世纪下半叶物理学少数最重要的成果之一。正如温伯格本人所认为的，后世的粒子物理学研习者就不必特别辛苦地学习前几辈人所积累的零碎理论知识，只要学了上述这几个标准理论就可以了。 2019 Vol. 31 (1): 17-32 [摘要] ( 972 ) [HTML 1KB] [PDF 974KB] ( 109 ) 物理前沿 33 基本粒子物理学未来展望 戈登·凯恩, 王连涛 我们正走在探索自然规律的道路上。在这篇文章中，我们将总结这一探索的现状，并且讨论最终理解支配我们的世界的自然规律所必需的新的发现和认识。需要注意的是我们的目标是理解和认识我们的世界。实现这个目标并不要求解决很多尽管是很有趣的问题，例如黑洞信息悖论和多宇宙理论。我们的理论必须是一个同时有量子理论和引力的完整的理论。因此，所谓的等级问题就无法避免，解决这一问题需要有新物理。等级问题的最终解决需要一个新的对撞机。在这里我们会讨论对未来对撞机提出的一系列问题。我们同时强调，因为我们在探索未知的前沿，所以这样的探索必将同时带来新的技术和创意，从而产生上千亿的经济效益。我们会列举一些这方面的例子。产生巨大的经济效益的主要原因是对撞机为这些新的技术提供了孕育的市场，让它们更容易成功。这一点可以从加速器发展的历史中看出来。同时，对撞机的发展也有重要的文化效应。 2019 Vol. 31 (1): 33-43 [摘要] ( 1004 ) [HTML 1KB] [PDF 784KB] ( 201 ) 44 宇宙“小爆炸”中的“华尔兹”——高能重离子碰撞中的自旋极化 Hot! 高建华, 梁作堂, 王群 宇宙大爆炸（Big Bang）理论认为我们的宇宙诞生于137亿年前的一个致密炽热的奇点，在宇宙的早期，物质都是以基本粒子的等离子体形式而存在。而在我们地球上，能够重现这一宇宙早期物质形态的实验只有高能重离子碰撞，形成夸克胶子等离子体，所以高能重离子碰撞也被人们给予了一个更加形象的名字——宇宙"小爆炸"（Little Bang）。高能重离子碰撞是当前能够直接研究宇宙早期物质形态的性质和规律的唯一实验手段，是高能核物理的前沿领域。与宇宙大爆炸不同，宇宙"小爆炸"——高能重离子碰撞实验的一些初始物理条件，我们可以人为选择，从而可以自如的让碰撞后产生的夸克胶子等离子体展现更加丰富的状态。今天，我们就向大家介绍在高能非对心重离子碰撞中展现出来的独特的"华尔兹舞蹈"——涡旋与自旋极化。高能非对心碰撞中存在着很大的整体轨道角动量，这一轨道角动量可以诱发整个热密物质体系形成涡旋——华尔兹舞步，这一涡旋可以进一步带动微观层次上的具有自旋的粒子沿着相同的方向展现自己的华尔兹舞步——自旋极化。为了深入了解这一发生在宇宙小爆炸中的美妙华尔兹，我们需要深入了解作为现代物理学中最重要的基本物理量之一的自旋究竟是什么?为什么粒子有自旋?这是基础物理学中非常深刻的问题。本文将分成两个主要部分，第一部分我们首先介绍自旋的基本概念，自旋的发现和对称性起源；第二部分介绍高能重离子碰撞中的整体极化效应，包括协变自旋矢量、部分子碰撞的自旋轨道耦合、自旋涡旋耦合以及整体极化效应的理论和实验。 2019 Vol. 31 (1): 44-53 [摘要] ( 1141 ) [HTML 1KB] [PDF 5068KB] ( 1383 ) 54 γ光子对撞机及相关前沿研究 黄永盛 人类对物质世界的探索从宏观上讲，从地球，太阳系、银河系再到整个宇宙，从微观上讲，从分子、原子、原子核、质子、中子再到各种强子、夸克，甚至希格斯粒子，都在不停地拓展。在粒子物理的进展中，对撞机起着不可替代的至关重要的作用。对撞机是利用两束反向运行的高能粒子束对撞，来获得有效相互作用更强的高能物理实验设备。最早在1943年由挪威科学家Rolf Wideroe提出。随后在1962年，在意大利的弗拉斯卡蒂实验室建成了世界上第一台正负电子对撞机AdA，2×250 MeV。紧接着，美国和苏联也相继建成了CBX和VEP-1。从此之后，人类总共建造了20多台正负电子对撞机，5台质子-质子和重离子对撞机以及一台电子-质子对撞机。由于技术非常复杂，μ子对撞机在世界上仍处于研究阶段。到目前为止，世界上也还没有建造一台伽玛光子对撞机，原因我们后面会讲到。幸运的是，随着超强激光技术飞速发展，现在时机已经逐步成熟，在能区建造一台γ光子对撞机正适其时。 2019 Vol. 31 (1): 54-59 [摘要] ( 1104 ) [HTML 1KB] [PDF 2193KB] ( 66 ) 科学源流 60 物理学史中的一月 萧如珀, 杨信男 作曲家一向都知道演出场地音响效果的重要性，有许多作曲家还会修饰他们创作的音乐来配合场地。举例来说，以长残响时间著名的中世纪大教堂就很适合演出格雷果圣歌（Gregorian chants），也适合演出风琴曲目，例如巴哈的《D小调触技曲》。相较之下，莫扎特和海登所写的音乐则适合于陈设密集的室内，给小规模、近距离的听众演奏。他们的曲目在高度残响的空间演奏会失去曲子的清晰度。 2019 Vol. 31 (1): 60-61 [摘要] ( 800 ) [HTML 1KB] [PDF 2563KB] ( 98 ) 62 物理学史中的二月 萧如珀, 杨信男 女性在物理方面有长足的进步，她们在2012年所授予的博士总数中占有20%。然而，自从1895年设立诺贝尔物理奖以来，却只有2位女性获奖[1]：玛丽亚·居里（Marie Curie）于1903年，和玛丽亚·戈佩特·迈耶（Maria Goeppert Mayer）于1963年。在被不公平忽视的女性物理学家当中，最常被提及的就属迈特纳（Lise Meitner）了，爱因斯坦曾说她是"德国的玛丽亚·居里"。 2019 Vol. 31 (1): 62-63 [摘要] ( 879 ) [HTML 1KB] [PDF 2051KB] ( 80 ) 科学书屋 64 《20世纪物理学》书评 Hot! 姬扬 20世纪是物理学的世纪。在20世纪里，物理学的研究工作不仅改变了人们看待世界的基本观点，还在国计民生的各个方面彻底地改变了人们的生活和工作方式。物理学影响到我们生活的方方面面，然而，及时全面地介绍物理学进展的好书却并不太多。英国和美国的物理学会在20世纪90年代编辑出版的《20世纪物理学》是一套非常优秀的著作，由科学出版社在2014~2016年翻译出版，全方位地总结了20世纪物理学的进展，其内容涵盖了物理学各个分支学科和相关的应用领域。 2019 Vol. 31 (1): 64-65 [摘要] ( 855 ) [HTML 1KB] [PDF 932KB] ( 927 ) 66 关于自然本身 斯蒂芬·温伯格, 曹则贤 20世纪末科学的状态与世纪初相当不同。不只是我们现在知道的更多了——在这个世纪里我们还理解了科学知识的模式。在1900年的时候，许多科学家认为物理、化学和生物学是各自运作在一套独立的规律之下的。科学的版图据信由一些分立的共同体组成，它们和平相处且又各自为政。少数一些科学家抱持着牛顿的所有科学大融合的梦想，但对达成这样的大融合所依据的条件缺乏明确的想法。今天我们知道化学现象之所以如此是因为电子、电磁学和那一百种左右的原子核的物理性质。当然，生物学以一种不同于物理和化学的方式牵扯到历史偶发事件，但是驱动生物进化的遗传机制如今在分子的术语基础上得到理解，而生机论，即关于独有的生物学规律的信条，无疑地已消亡了。这实在是一个还原论获胜的世纪。 2019 Vol. 31 (1): 66-70 [摘要] ( 942 ) [HTML 1KB] [PDF 1093KB] ( 89 ) 71 让物理课程更有文化——读《物理文化与物理教学》有感 孔德有 科学知识的形成都有着其特定的社会背景和文化背景。物理学作为严格的、定量的自然科学的带头学科，自然也不例外。物理课程中对物理知识形成背景的介绍既能帮助学生深刻理解物理知识，同时也能使学生认识到物理科学对人类发展的巨大作用。只有这样，学生的学习才是卓有成效的。遗憾的是，在中国传统物理课堂教学中，通常对物理知识进行去背景化处理，强调的是教授给学生现成的物理知识，倾向于向学生展示那些剥离了物理学家的探索历程的最终成果：一个结论、一个数学表达式以及一系列数学证明，对物理课程教学也倾向于使学生记住这些给定的结论、数学表达式和数学证明的过程，而不是让学生自己亲身经历知识形成的过程。这样的课堂教学，只是一味地对物理概念、物理公式简单运用，其结果也只能是"照葫芦画瓢"，或是"囫囵吞枣"不知其味。学生在这样的教学模式下，"体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况"。只通过我们传统教科书来了解物理学的学生，往往会对物理学缺乏一种历史眼光，以为物理学是从一些天才的头脑里蹦出来的，物理定律和理论与生俱来正确，是万古不变的永恒真理，一旦问世就具有神圣不可侵犯的地位。 2019 Vol. 31 (1): 71-72 [摘要] ( 942 ) [HTML 1KB] [PDF 1003KB] ( 31 ) 编辑部公告 2018年全国物理科普大会通知 更多... 物理科普信息 更多...

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