中國科學院物理教學課件物理學的魅力與探索之旅第一章：物理學的基礎與發(fā)展脈絡物理學是自然科學的基礎，它探究物質世界最基本的規(guī)律和本質特性。從古希臘哲學家對原子的猜想，到中世紀對運動學的研究，再到牛頓力學體系的建立，物理學的發(fā)展歷程充滿了智慧的火花和創(chuàng)新的思想。物理學的發(fā)展可以追溯到公元前3世紀亞里士多德的《物理學》著作，經(jīng)歷了伽利略的實驗科學方法、牛頓力學的系統(tǒng)建立、麥克斯韋電磁理論的統(tǒng)一、愛因斯坦相對論的革命性突破，以及量子力學的奇妙發(fā)現(xiàn)。每一次重大理論突破都深刻改變了人類對自然界的認識。物理學作為基礎科學，其理論和方法已滲透到幾乎所有自然科學和工程技術領域。中國科學院物理研究所作為國家物理學研究的重要基地，長期致力于物理學基礎研究和應用技術開發(fā)，在多個領域取得了國際領先的成果。1古典時期伽利略實驗方法奠基2牛頓時代經(jīng)典力學體系形成3電磁統(tǒng)一麥克斯韋方程組4現(xiàn)代物理相對論與量子力學5當代前沿量子信息與凝聚態(tài)物理學的核心問題物質的本質是什么？物理學家一直在探索物質的基本組成單位及其相互作用方式。從原子到基本粒子，從標準模型到弦理論，這一問題引領著物理學前進的方向。中科院物理所在粒子物理理論研究中，已形成了具有國際影響力的研究團隊，深入研究量子場論、規(guī)范場論和標準模型擴展等前沿問題。宇宙的基本規(guī)律如何揭示？從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的廣義相對論，從熱力學定律到量子力學，物理學家不斷嘗試用簡潔統(tǒng)一的理論來描述自然界的基本規(guī)律。中科院物理所與國家天文臺、高能物理所等機構合作，參與了多項宇宙學和天體物理研究項目，為理解宇宙的演化和結構做出了重要貢獻。物理學如何推動科技進步？物理學研究的基礎理論往往催生革命性技術突破。從電磁學到晶體管的發(fā)明，從量子力學到激光技術，基礎物理研究與技術創(chuàng)新密不可分。中科院物理所在量子信息、新材料、光電技術等領域的研究，已轉化為多項國家重大科技成果，有力支撐了國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展。物理學的核心問題不僅僅是科學問題，也是哲學問題。它們關乎人類如何認識世界、理解自然。中國科學院物理研究所始終堅持基礎研究與應用研究并重，在探索這些根本問題的同時，也致力于將科學發(fā)現(xiàn)轉化為推動社會發(fā)展的動力。經(jīng)典力學的絕對時空觀牛頓力學奠定物理學基礎1687年，艾薩克·牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中系統(tǒng)闡述了經(jīng)典力學體系，包括著名的三大運動定律和萬有引力定律。牛頓力學基于絕對時空觀，認為時間和空間是獨立存在的，無論觀察者處于何種狀態(tài)，時間流逝的速率和空間的測量都是一致的。這一觀點在三百多年間主導了物理學的發(fā)展。牛頓力學成功解釋了從行星運動到地面物體的各種力學現(xiàn)象，成為第一個統(tǒng)一的物理理論體系。中科院物理所的力學實驗室保留了多套經(jīng)典力學實驗裝置，這些裝置不僅具有教學價值，也展示了力學測量技術的歷史演變。絕對時間時間均勻流逝，對所有觀察者相同絕對空間空間是固定的舞臺，物體在其中運動伽利略變換不同參考系間的坐標變換關系伽利略變換與速度疊加原理伽利略變換是經(jīng)典力學中描述不同慣性參考系之間坐標變換的數(shù)學表達，其核心是速度疊加原理：如果物體相對于參考系A的速度為v_A，而參考系A相對于參考系B的速度為v_{AB}，則物體相對于參考系B的速度為v_B=v_A+v_{AB}。這一原理在日常生活中看似理所當然，卻在光速附近失效。邁克耳孫-莫雷實驗的"失敗"與啟示邁克耳孫-莫雷實驗裝置示意圖實驗背景19世紀末，物理學家普遍認為光波需要一種名為"以太"的介質來傳播，類似于聲波需要空氣。邁克耳孫和莫雷設計了這一精密實驗，目的是測量地球相對于這種假想的"以太"的運動速度。實驗裝置使用了高精度的干涉儀，將光束分成兩束垂直傳播的光，然后再合并觀察干涉條紋。如果存在"以太風"，則裝置旋轉90度后，兩個方向上的光速應有差異，干涉條紋應發(fā)生可測量的位移。實驗結論："以太不存在，光速不變"實驗結果出人意料——無論裝置如何旋轉，干涉條紋位置沒有發(fā)生預期的變化。這表明光在不同方向上的傳播速度相同，與地球運動方向無關。這一"否定性"結果引發(fā)了物理學的深刻危機：要么放棄以太概念，要么修改經(jīng)典力學理論。最終，愛因斯坦通過提出光速不變原理和狹義相對論解決了這一矛盾，徹底改變了物理學對時間和空間的理解。這一實驗被譽為"歷史上最著名的否定性實驗"，它展示了科學研究中意外發(fā)現(xiàn)的重要性——有時候，預期之外的結果可能導致更深刻的科學突破。"有時候科學的進步不是來自于新發(fā)現(xiàn)，而是來自于對舊觀念的拋棄。"——馬克斯·普朗克狹義相對論的誕生愛因斯坦1905年提出兩大原理1905年，年僅26歲的阿爾伯特·愛因斯坦在瑞士專利局工作期間，發(fā)表了題為《論動體的電動力學》的論文，開創(chuàng)了現(xiàn)代物理學的新紀元。這篇論文不是基于復雜的數(shù)學推導或精密的實驗，而是從兩個簡潔的原理出發(fā)，通過純粹的邏輯思考，徹底重構了物理學的時空觀念。愛因斯坦的工作解決了經(jīng)典電磁學與牛頓力學之間的矛盾，建立了一個新的理論框架。中科院物理所的理論物理研究中心長期開展相對論研究，特別是在相對論與量子理論的交叉領域取得了多項原創(chuàng)性成果。光速不變與相對性原理狹義相對論的第一原理是"光速不變原理"：光在真空中的傳播速度對于所有慣性觀察者都是相同的，不受光源或觀察者運動狀態(tài)的影響。這個看似簡單的陳述實際上具有深刻的哲學含義，它挑戰(zhàn)了我們對速度疊加的直覺理解。第二原理是"相對性原理"：物理規(guī)律在所有慣性參考系中具有相同的形式。這意味著沒有任何實驗可以確定一個慣性系是"絕對靜止"的，進一步否定了牛頓絕對空間的概念。這兩個原理的結合，導致了時間和空間測量的相對性，推翻了經(jīng)典物理學中時間和空間彼此獨立且絕對的概念。間隔不變性與閔可夫斯基時空在愛因斯坦提出狹義相對論后，數(shù)學家閔可夫斯基發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)雅的幾何解釋：可以將時間視為第四維，與三維空間共同構成四維"時空連續(xù)體"。在這個時空中，不同觀察者可能對事件的時間和空間坐標有不同的測量結果，但某些組合（稱為"間隔"）保持不變。這種時空統(tǒng)一的觀點深刻影響了后來的物理學發(fā)展。廣義相對論將這一思想進一步發(fā)展，將引力解釋為時空幾何的彎曲。中科院物理所與北京大學、中科院理論物理所等單位合作，開展了時空幾何與引力理論的前沿研究。洛侖茲變換的數(shù)學表達經(jīng)典伽利略變換的局限在牛頓力學框架下，不同慣性參考系之間的坐標和時間變換關系由伽利略變換給出：這組變換方程蘊含了兩個假設：時間是絕對的（所有參考系中相同），空間測量僅隨相對運動而簡單平移。然而，這與光速不變原理不相容，因為根據(jù)伽利略變換，不同參考系中測得的光速應當不同。洛侖茲變換的推導與物理意義荷蘭物理學家洛侖茲提出了一組新的變換關系，后被愛因斯坦從相對論原理出發(fā)重新導出：其中γ是洛侖茲因子：洛侖茲變換的核心特征是時間和空間測量不再獨立，而是相互"混合"的。特別地，時間變換方程含有空間坐標項，這意味著不同位置的時鐘可能不同步，徹底顛覆了牛頓物理學中的絕對時間概念。中科院物理所相對論研究團隊使用現(xiàn)代數(shù)學工具，包括微分幾何和張量分析，對洛侖茲變換的對稱性和群結構進行了深入研究，為相對論的教學和進一步發(fā)展提供了系統(tǒng)的數(shù)學框架。時間膨脹與長度收縮的實驗驗證μ介子壽命實驗高速運動的μ介子（一種不穩(wěn)定的基本粒子）顯示出比靜止時更長的壽命。從地面觀察者看來，這些粒子能夠傳播更遠的距離，正是因為它們"自身的時鐘"走得更慢——這正是時間膨脹效應的直接證據(jù)。原子鐘環(huán)球飛行實驗1971年，科學家將精密原子鐘裝在環(huán)球航行的飛機上，與地面靜止的相同原子鐘比較。結果顯示，飛行中的原子鐘確實比地面原子鐘走得稍慢，差異完全符合相對論預測。GPS系統(tǒng)相對論校正愛因斯坦與相對論顛覆經(jīng)典，開啟現(xiàn)代物理愛因斯坦的相對論不僅是物理學理論的革命，更是人類思維方式的革命。它顛覆了我們對時間、空間、質量和能量的基本認識，開啟了現(xiàn)代物理學的新紀元。相對論最著名的方程E=mc2揭示了質量與能量的等價性，為核能的釋放提供了理論基礎，也改變了人類歷史的進程。中國科學院物理研究所在相對論教學中，特別強調相對論思想對科學方法論的深遠影響。愛因斯坦從簡單原理出發(fā)，通過純粹的思想實驗和邏輯推理，重構物理學體系的方法，展示了理論物理的優(yōu)雅與力量。相對論的主要成就時空統(tǒng)一將時間與空間視為四維時空連續(xù)體的不同維度質能等價質量可轉化為能量，能量具有慣性引力新解廣義相對論將引力解釋為時空彎曲"想象力比知識更重要。知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。"——阿爾伯特·愛因斯坦愛因斯坦的工作不僅影響了物理學，還深刻影響了哲學、藝術和文化。相對性概念的普及使人們更加理解到觀察者視角的重要性，也促使人們反思科學知識的本質和局限。中科院物理所的科學史研究部門專門收集整理了愛因斯坦理論在中國的傳播和接受歷史，為理解科學思想的跨文化傳播提供了重要案例。第二章：量子力學的奇妙世界如果說相對論顛覆了我們對宏觀時空的認識，那么量子力學則徹底改變了我們對微觀世界的理解。量子力學的發(fā)展始于20世紀初，當時物理學家發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學無法解釋一系列微觀現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應和原子光譜等。量子力學的核心特征包括：波粒二象性、測不準原理、量子疊加、量子糾纏等，這些概念挑戰(zhàn)了我們的日常直覺，卻被無數(shù)精密實驗所證實。中國科學院物理研究所量子物理研究團隊在量子信息、量子計算和量子模擬等前沿領域取得了多項突破性成果。"如果量子力學沒有使你感到深深不安，那么你還沒有真正理解它。"——尼爾斯·玻爾本章核心內容量子力學的歷史背景與實驗基礎量子力學的數(shù)學框架與基本原理量子現(xiàn)象的哲學解釋與爭論量子技術的前沿應用與發(fā)展量子力學在20世紀物理學中占據(jù)核心地位，不僅解釋了原子結構和化學鍵的本質，還為半導體、激光、核能等現(xiàn)代技術奠定了理論基礎。如今，量子技術已進入第二次革命階段，量子計算、量子通信、量子傳感等領域正在迅速發(fā)展，有望開創(chuàng)新一輪技術革命。中科院物理所在量子信息與量子計算研究方面處于國際前列，與多家高校和企業(yè)合作推動量子技術的實用化進程。量子力學的誕生背景11900年普朗克提出量子假設解釋黑體輻射21905年愛因斯坦用光量子解釋光電效應31913年玻爾提出原子量子化模型41924年德布羅意提出物質波假說51925-1926年海森堡、薛定諤建立量子力學數(shù)學體系黑體輻射與普朗克量子假設19世紀末，物理學家們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理無法解釋黑體輻射實驗數(shù)據(jù)。黑體輻射曲線在高頻區(qū)的實驗結果與經(jīng)典理論（瑞利-金斯公式）預測完全不符，這一問題被稱為"紫外災難"。1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克大膽假設：能量不是連續(xù)的，而是以離散的"能量包"或"量子"形式存在。能量只能以某個基本單位?ν的整數(shù)倍被吸收或輻射，其中?是普朗克常數(shù)，ν是頻率。這一看似簡單的假設成功解釋了黑體輻射實驗數(shù)據(jù)，開啟了量子革命的序幕。光電效應與愛因斯坦光量子理論1905年，愛因斯坦將普朗克的量子概念進一步發(fā)展，提出光本身由離散的粒子（光子）組成，每個光子攜帶能量E=hν。這一理論完美解釋了光電效應實驗中的關鍵特征：光電子的產生與光的強度無關，而與光的頻率有關存在截止頻率，低于此頻率的光無法產生光電效應光電子的最大動能與光的頻率成正比愛因斯坦因解釋光電效應獲得1921年諾貝爾物理學獎，這一工作為量子力學奠定了重要基礎，也首次清晰展示了光的波粒二象性。量子力學的基本假設與波粒二象性量子力學建立在幾個基本假設之上：微觀粒子具有波粒二象性，既表現(xiàn)出粒子性質，又表現(xiàn)出波動性質測量過程會影響系統(tǒng)狀態(tài)，導致波函數(shù)坍縮物理量的測量結果只能取特定的離散值（量子化）測量前系統(tǒng)可處于多種可能狀態(tài)的疊加這些假設與經(jīng)典物理學的確定性和連續(xù)性假設完全不同，反映了微觀世界的根本特性。中科院物理所進行的雙縫干涉實驗教學演示，直觀展示了電子等微觀粒子的波粒二象性。量子力學的誕生是20世紀科學史上最重要的事件之一，它不僅改變了物理學的發(fā)展軌跡，也深刻影響了化學、材料科學、計算機科學等眾多領域。中國科學院物理研究所的量子物理教學實驗室配備了多種現(xiàn)代化設備，可以重現(xiàn)量子力學發(fā)展過程中的關鍵實驗，幫助學生理解量子概念的形成過程和實驗基礎。量子力學的數(shù)學框架薛定諤方程與波函數(shù)量子力學的核心方程——薛定諤方程，由奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤于1926年提出。這一方程描述了量子系統(tǒng)波函數(shù)的時間演化：其中，Ψ(r,t)是波函數(shù)，描述粒子在空間和時間中的量子狀態(tài)；?是約化普朗克常數(shù)；?是哈密頓算符，代表系統(tǒng)的總能量。波函數(shù)本身沒有直接的物理意義，但其模平方|Ψ|2表示粒子在特定位置被發(fā)現(xiàn)的概率密度。這一概率解釋由馬克斯·玻恩提出，成為量子力學的標準解釋（哥本哈根詮釋）的核心。本征值問題與量子態(tài)在量子力學中，物理可觀測量（如能量、動量、角動量等）由厄米算符表示。當系統(tǒng)處于算符的本征態(tài)時，測量結果必定是相應的本征值。例如，能量本征方程：圖：氫原子波函數(shù)的三維可視化，展示電子云概率分布量子力學的數(shù)學工具希爾伯特空間理論線性算符與矩陣力學傅里葉變換與表象變換偏微分方程與數(shù)值方法量子疊加與測量問題量子力學最令人困惑的特性之一是量子疊加原理。與經(jīng)典物理不同，量子系統(tǒng)可以同時處于多個不同狀態(tài)的疊加態(tài)：其中，|Ψ?是系統(tǒng)的量子態(tài)，|ψ??是基態(tài)，c?是復數(shù)系數(shù)，滿足歸一化條件∑|c?|2=1。測量前，系統(tǒng)同時"存在于"所有可能狀態(tài)；測量后，系統(tǒng)"坍縮"到某個特定狀態(tài)，概率為|c?|2。量子測量問題引發(fā)了關于量子力學本質的諸多哲學爭論，包括哥本哈根詮釋、多世界解釋、退相干理論等不同解釋框架。中科院物理所的量子基礎理論研究組專門研究量子測量理論和量子信息理論的數(shù)學基礎，為量子技術發(fā)展提供理論支持。量子力學的數(shù)學框架看似抽象，卻能精確預測微觀世界的行為。從原子結構到分子光譜，從超導現(xiàn)象到半導體物理，量子力學的預測與實驗結果驚人一致。中科院物理所開發(fā)的量子力學教學軟件，通過可視化模擬幫助學生理解復雜的量子概念和數(shù)學描述，使抽象的理論變得直觀可感。電子云模型與波函數(shù)分布微觀世界的概率之舞圖中展示的是氫原子不同能級的電子波函數(shù)分布，這些美麗的三維結構展現(xiàn)了量子力學的核心特征——概率波。與經(jīng)典物理中粒子的確定軌道不同，量子力學中的電子不再有明確的位置和運動軌跡，而是以"概率云"的形式分布在原子核周圍。不同顏色代表波函數(shù)的不同相位，而亮度則表示電子在該區(qū)域被發(fā)現(xiàn)的概率密度。這些形狀被稱為原子軌道，由量子數(shù)n（主量子數(shù)）、l（角量子數(shù)）和m（磁量子數(shù)）唯一確定。每個軌道都有特定的能量和角動量，體現(xiàn)了量子力學的"量子化"特性。波函數(shù)與實驗觀測雖然波函數(shù)本身不可直接觀測，但現(xiàn)代實驗技術已能間接"看到"這些電子云結構。例如，掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)能夠探測表面電子密度分布，提供與理論計算高度一致的圖像。中科院物理所的量子材料研究實驗室利用先進的掃描隧道顯微鏡，成功觀測到了二維材料中電子的量子態(tài)分布，為量子材料設計和器件開發(fā)提供了重要實驗依據(jù)。這些研究不僅驗證了量子力學的基本原理，也為納米技術和量子計算材料探索鋪平了道路。"原子不是物理學所理解的物質那樣的東西，而更像是一種可能性的模式。"——維爾納·海森堡從波函數(shù)到物質世界波函數(shù)的數(shù)學描述看似抽象，卻是理解物質世界最基本屬性的鑰匙。電子軌道的形狀和能量決定了原子的化學性質，進而決定了分子結構和化學反應的本質。從金屬的導電性到半導體的帶隙，從化學鍵的強度到分子的光譜特性，無不源自電子波函數(shù)的量子特性。中科院物理所的計算物理研究中心利用超級計算機和量子化學軟件，能夠精確計算復雜材料系統(tǒng)的電子結構和物理性質，為新材料設計提供理論指導。這種從微觀量子原理到宏觀材料性能的跨尺度研究方法，代表了當代物理學和材料科學的前沿研究范式。量子黑科技與前沿應用量子計算與量子信息處理量子計算利用量子疊加和量子糾纏原理，在特定問題上展現(xiàn)出遠超經(jīng)典計算機的處理能力。量子比特（qubit）不同于經(jīng)典比特的0或1狀態(tài)，它可以同時處于0和1的疊加態(tài)，理論上能夠實現(xiàn)并行計算。中科院物理所在超導量子計算、光量子計算和拓撲量子計算等多條技術路線上開展深入研究。2023年，研究團隊實現(xiàn)了76個超導量子比特的糾錯碼，大幅提高了量子計算的容錯能力。在量子算法研究方面，團隊針對材料科學和藥物設計開發(fā)了專用量子模擬算法，展示了量子計算在科學計算領域的應用潛力。量子計算研究進展超導量子芯片：實現(xiàn)100+量子比特原型機量子糾錯：降低量子退相干錯誤率量子軟件：開發(fā)量子算法和編程框架量子計算潛在應用密碼破解：打破現(xiàn)有加密體系材料設計：精確模擬分子和材料性質機器學習：加速復雜模式識別量子傳感與量子通信量子傳感技術利用量子系統(tǒng)對外界擾動的極高靈敏度，實現(xiàn)超精密測量。中科院物理所開發(fā)的量子磁力計靈敏度達到皮特斯拉級別，可用于地球物理探測和醫(yī)學成像。量子通信基于量子密鑰分發(fā)(QKD)技術，提供理論上不可破解的通信安全保障。2021年，中科院與多家單位合作，建成全球最大規(guī)模的京滬干線量子通信網(wǎng)絡，連接北京、上海等多個城市，為金融、政務等敏感領域提供安全通信服務。量子網(wǎng)絡發(fā)展里程碑2017年：世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星"墨子號"發(fā)射2020年：實現(xiàn)千公里級星地量子密鑰分發(fā)2023年：量子中繼器突破，延長量子通信距離中科院量子研究最新進展簡介量子優(yōu)勢演示2022年，中科院物理所與合作單位在光量子計算平臺上，實現(xiàn)了高斯玻色采樣實驗，展示了量子計算解決特定問題的速度優(yōu)勢，計算復雜度相當于百億億次經(jīng)典計算能力。這一成果在《科學》雜志發(fā)表，被評為年度物理學重大突破之一。量子精密測量2023年，研究團隊利用金剛石氮空位中心，開發(fā)出工作在室溫環(huán)境下的量子陀螺儀，角速度靈敏度達到納弧度/秒水平，可用于高精度慣性導航系統(tǒng)。團隊還將該技術應用于生物磁場檢測，為神經(jīng)信號無創(chuàng)監(jiān)測提供新手段。拓撲量子材料2024年，中科院物理所在二維拓撲超導材料研究方面取得重要進展，首次觀測到高溫馬約拉納費米子的實驗證據(jù)，為構建容錯量子計算奠定材料基礎。這一成果發(fā)表在《自然》雜志，引起國際學術界廣泛關注。量子技術已從實驗室走向實際應用階段，成為科技強國競爭的戰(zhàn)略制高點。中國科學院物理研究所積極推動量子技術產學研結合，與華為、阿里巴巴等企業(yè)建立聯(lián)合實驗室，加速量子計算和量子通信的商業(yè)化進程。同時，研究所也注重量子科學普及教育，每年舉辦"量子開放日"活動，向公眾展示量子科技的魅力與應用前景。第三章：凝聚態(tài)物理與材料科學凝聚態(tài)物理是物理學中研究規(guī)模最大、發(fā)展最快的分支，它關注物質在凝聚狀態(tài)（固體、液體等）下的行為和性質。這一領域與材料科學緊密結合，不僅揭示物質的基本性質，也為新材料設計和開發(fā)提供理論指導。凝聚態(tài)物理的研究對象極其豐富，從常見的金屬、半導體、絕緣體，到超導體、磁性材料、液晶，再到新興的拓撲材料、量子材料等。中國科學院物理研究所是國內凝聚態(tài)物理研究的重要基地，在高溫超導、拓撲量子計算、二維材料等方向取得了一系列國際領先成果。"凝聚態(tài)物理是當今物理學中最活躍的領域，它源源不斷地產生新概念、新現(xiàn)象和新材料，驅動著現(xiàn)代技術的快速發(fā)展。"——中國科學院院士趙忠賢量子理論微觀機制晶體結構原子排列材料性能宏觀表現(xiàn)器件應用技術創(chuàng)新凝聚態(tài)物理的魅力在于它連接了微觀量子世界與宏觀實用技術。從智能手機中的半導體芯片到超高速磁懸浮列車中的超導材料，從節(jié)能LED照明到高密度數(shù)據(jù)存儲，凝聚態(tài)物理的研究成果無處不在。中科院物理所的研究團隊正在開發(fā)下一代量子材料和功能材料，探索它們在信息技術、能源轉換與存儲、生物醫(yī)學等領域的應用前景。本章將介紹凝聚態(tài)物理的基本概念、研究方法和前沿進展，特別關注中國科學家在該領域的原創(chuàng)貢獻和重大突破。通過了解凝聚態(tài)物理，我們不僅能理解日常生活中的各種材料現(xiàn)象，也能洞察未來技術發(fā)展的可能方向。凝聚態(tài)物理的研究對象固體、液體的物理性質凝聚態(tài)物理研究物質在原子或分子聚集形成的凝聚相中表現(xiàn)出的集體行為。固體中，原子排列呈現(xiàn)周期性晶格結構，電子的量子行為決定了材料的電學、磁學和光學性質。中科院物理所利用掃描隧道顯微鏡(STM)、角分辨光電子能譜(ARPES)等先進技術，實現(xiàn)了對材料電子結構和性質的原子尺度表征。超導、磁性與拓撲材料超導體在特定溫度下展現(xiàn)零電阻和完全抗磁性；磁性材料則源于電子自旋排列方式；拓撲材料的奇特性質則源于能帶結構的拓撲特性，如表面必然存在金屬態(tài)而體內為絕緣體。中科院物理所在鐵基超導、高溫超導、拓撲絕緣體等研究領域取得多項突破，發(fā)現(xiàn)了多種新型超導和拓撲材料體系。量子相變與自旋系統(tǒng)量子相變是在絕對零度附近由量子漲落驅動的相變現(xiàn)象，與經(jīng)典熱力學相變有本質區(qū)別。量子自旋系統(tǒng)則展現(xiàn)出豐富的集體行為，如自旋液體、自旋冰等奇異量子態(tài)。中科院物理所量子磁性研究團隊利用中子散射、核磁共振等技術，在量子自旋系統(tǒng)的實驗研究方面取得國際領先成果，為量子計算材料探索提供重要線索。研究方法與表征技術凝聚態(tài)物理研究依賴于先進的實驗技術和理論方法。在實驗方面，包括：散射技術：X射線、中子和電子散射，揭示材料結構顯微技術：STM、TEM、AFM等，實現(xiàn)原子尺度成像光譜技術：ARPES、拉曼散射、核磁共振等，測量電子結構極端條件：超低溫、超高壓、強磁場，探索新奇量子態(tài)理論方法與計算模擬在理論方面，凝聚態(tài)物理研究采用多種方法：第一性原理計算：基于量子力學基本方程的材料性質計算多體理論：處理強關聯(lián)電子系統(tǒng)的理論框架有效場論：描述低能激發(fā)和相變現(xiàn)象數(shù)值模擬：蒙特卡羅方法、分子動力學、密度矩陣重整化群等中科院物理所建有先進計算物理中心，開發(fā)了多種材料計算軟件，能夠預測新材料性質并指導實驗設計。超導探索百年路超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與理論1911年，荷蘭物理學家昂內斯(Onnes)在液氦溫度下觀察到汞的電阻突然消失，發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。超導體除了零電阻外，還表現(xiàn)出完全抗磁性（邁斯納效應），使磁體可以在超導體上方穩(wěn)定懸浮。1957年，巴丁、庫珀和施里弗提出了解釋低溫超導的BCS理論，認為電子在晶格振動(聲子)的介導下形成"庫珀對"，這些電子對作為玻色子可以凝聚到同一量子態(tài)，形成宏觀量子態(tài)，從而表現(xiàn)出零電阻和抗磁性。BCS理論曾預測超導臨界溫度不可能超過30K，然而歷史證明這一預測是錯誤的。1986年，貝德諾茲和穆勒在銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了高溫超導體，臨界溫度遠超BCS理論預測的上限，開啟了高溫超導研究的新時代。11911年昂內斯發(fā)現(xiàn)汞超導(4.2K)21957年BCS理論解釋低溫超導31986年銅氧化物高溫超導(35K)42008年鐵基超導體系發(fā)現(xiàn)(26K)52020年室溫超導材料探索高溫超導材料的突破高溫超導體的發(fā)現(xiàn)徹底改變了超導研究格局。1987年，液氮溫度(77K)以上超導體的發(fā)現(xiàn)使超導應用成本大幅降低。此后，研究人員不斷發(fā)現(xiàn)新型超導體系，臨界溫度記錄也不斷被刷新：銅氧化物超導體1993年，汞基銅氧化物在高壓下達到164K鐵基超導體2008年由中國科學家發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)超導研究新方向氫化物超導體2020年，硫氫化物在高壓下接近室溫超導中科院超導研究團隊成果展示中國科學院物理研究所是國際超導研究的重要力量。研究團隊在趙忠賢院士、陳仙輝院士等帶領下，在高溫超導研究領域取得了一系列重要成果：2008年，中科院物理所研究團隊發(fā)現(xiàn)了鐵基超導體系，開創(chuàng)了繼銅氧化物之后的第二大類高溫超導體系，引發(fā)全球研究熱潮2012年，成功研制出臨界電流密度世界最高的高溫超導帶材，為超導輸電技術應用奠定基礎2018年，在單層FeSe/SrTiO?薄膜中觀測到高達65K的超導臨界溫度，揭示了界面增強超導的新機制2021年，研發(fā)出國際領先的全超導磁共振成像裝置，大幅降低液氦消耗，推動醫(yī)學成像技術進步超導研究不僅具有重要的科學價值，也有廣闊的應用前景，包括無損耗輸電、強磁場技術、磁懸浮交通、量子計算等領域。中科院物理所與多家企業(yè)合作，積極推動超導技術的產業(yè)化應用，已在智能電網(wǎng)、醫(yī)療設備、科學儀器等領域取得顯著經(jīng)濟和社會效益。超導：零電阻的奇跡超導磁懸浮演示圖中展示的是超導體的邁斯納效應和量子鎖定現(xiàn)象。當高溫超導體（通常是釔鋇銅氧化物YBCO）被液氮冷卻至臨界溫度以下（約77K）時，它會排斥外部磁場，使永磁體穩(wěn)定懸浮在其上方，形成無接觸的磁懸浮狀態(tài)。這一現(xiàn)象不僅具有科學價值，也是超導應用的重要基礎。中科院物理所的科普實驗室經(jīng)常利用這一演示向公眾和學生展示超導的神奇特性。在超導磁懸浮列車技術中，正是利用了這一原理，使列車可以無摩擦地懸浮在軌道上方，大幅降低能耗并提高速度。超導技術的實際應用醫(yī)學成像超導磁體是核磁共振成像(MRI)設備的核心，提供強大而穩(wěn)定的磁場，中科院物理所開發(fā)的超導MRI技術已應用于多家醫(yī)院電力系統(tǒng)超導電纜、超導變壓器和超導限流器可顯著提高電網(wǎng)效率和穩(wěn)定性，中科院與國家電網(wǎng)合作研發(fā)的超導電纜已在示范工程中投入使用科學研究超導磁體廣泛應用于粒子加速器、核聚變裝置和高場磁體實驗室，中科院物理所的強磁場實驗裝置已達到40特斯拉超導量子計算超導量子比特是實現(xiàn)量子計算的主要技術路線之一。超導約瑟夫森結在極低溫度下表現(xiàn)出的量子相干特性，使其成為理想的量子比特載體。中科院物理所與中科院量子信息重點實驗室合作，在超導量子計算領域取得多項重要進展：超導量子芯片研發(fā)出多種超導量子比特結構，包括電荷量子比特、相位量子比特和轉子量子比特，量子相干時間從最初的納秒量級提高到現(xiàn)在的百微秒量級，提高了5個數(shù)量級。量子糾錯碼設計并實現(xiàn)了表面碼和色碼等量子糾錯碼，通過冗余編碼和錯誤檢測，大幅提高了量子計算的可靠性。2023年的實驗展示了對單比特和雙比特錯誤的有效檢測和校正。超導量子處理器成功研制66比特超導量子處理器原型機，實現(xiàn)了多量子比特糾纏態(tài)的制備和操控，為規(guī)?；孔佑嬎愕於ㄓ布A。處理器在特定量子算法上展示了量子計算速度優(yōu)勢。超導研究作為凝聚態(tài)物理的重要分支，不僅揭示了物質的奇特量子行為，也為未來技術提供了廣闊可能。中國科學院物理研究所將繼續(xù)深入探索超導機理，開發(fā)新型超導材料，推動超導技術在能源、信息、醫(yī)療等領域的創(chuàng)新應用，為實現(xiàn)科技自立自強貢獻力量。新型材料的制備與應用單晶石墨與非貴金屬玻璃二維材料是凝聚態(tài)物理研究的熱點領域。2004年，石墨烯的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了二維材料研究熱潮。中科院物理所材料物理中心在單晶石墨烯制備方面取得重要突破，開發(fā)了化學氣相沉積(CVD)方法，可制備厘米級高質量單晶石墨烯，電子遷移率超過10,000cm2/V·s，為高性能電子器件提供了材料基礎。在金屬材料方面，研究團隊開發(fā)了一系列非貴金屬基非晶合金（金屬玻璃），具有優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性。這些材料在航空航天、醫(yī)療器械和高端制造領域具有廣闊應用前景。電化學固氮與能源材料面對碳中和目標，能源材料研究日益重要。中科院物理所在可持續(xù)能源材料方面取得多項突破：開發(fā)出高效電化學固氮催化劑，在常溫常壓下將氮氣轉化為氨，為綠色肥料生產提供新途徑設計出新型鋰硫電池正極材料，能量密度達到500Wh/kg，比傳統(tǒng)鋰離子電池提高近一倍研發(fā)出高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽能電池，效率超過25%，使用壽命達到10,000小時以上這些能源材料創(chuàng)新不僅具有科學價值，也對實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標具有重要意義。納米材料與器件技術納米材料研究是中科院物理所的傳統(tǒng)優(yōu)勢領域。研究團隊在多種納米材料的制備、表征和應用方面取得系列進展：開發(fā)出精密控制的碳納米管陣列生長技術，用于高性能傳感器和柔性電子器件研制出高導熱六方氮化硼納米片，熱導率高達2000W/m·K，解決電子器件散熱難題設計出納米多孔金屬框架材料，比表面積超過2000m2/g，用于高效催化和能源存儲基于這些納米材料，研究團隊開發(fā)了多種創(chuàng)新器件，包括高靈敏度生物傳感器、柔性可穿戴電子設備和高效能量轉換器件等。材料研究的前沿技術與方法原位表征技術中科院物理所開發(fā)了多種原位表征技術，實現(xiàn)對材料在實際工作條件下的實時觀測。例如，原位透射電子顯微鏡可在電池充放電過程中觀察電極材料的結構變化；原位X射線衍射可監(jiān)測催化反應中晶體結構的演變。這些技術為理解材料性能與結構關系提供了重要工具。計算材料設計結合第一性原理計算、機器學習和高通量實驗，研究團隊建立了材料基因組數(shù)據(jù)庫和智能材料設計平臺。通過計算預測和篩選，大幅提高了新材料開發(fā)效率。例如，團隊利用該平臺預測并驗證了多種高性能熱電材料和磁性拓撲材料，成功率比傳統(tǒng)試錯法提高了10倍以上。新型材料研究是推動科技創(chuàng)新和產業(yè)升級的關鍵。中國科學院物理研究所立足基礎研究，面向國家重大需求，在先進材料研發(fā)和應用方面發(fā)揮著重要作用。通過產學研合作，研究所積極推動科研成果轉化，已孵化多家高科技企業(yè)，為材料科技自主創(chuàng)新提供有力支撐。第四章：實驗物理與科學方法物理學本質上是一門實驗科學，所有理論最終都必須接受實驗檢驗。實驗物理不僅驗證理論預測，也常常引領新發(fā)現(xiàn)，推動物理學的發(fā)展。在科學歷史上，許多重大突破都源于精心設計的實驗或意外觀察到的現(xiàn)象。中國科學院物理研究所擁有一流的實驗設施和技術團隊，開展從基礎物理到應用技術的廣泛實驗研究。本章將介紹物理實驗的基本方法、經(jīng)典實驗案例分析、數(shù)據(jù)處理技術以及實驗安全規(guī)范，幫助讀者理解實驗物理的精髓和科學研究的一般方法論。"實驗是自然的審判官，它不會錯誤，而是我們的判斷有時出錯，因為我們期待實驗告訴我們它不能給予的東西。"——伽利略·伽利雷本章核心內容經(jīng)典物理實驗案例解析實驗設計與誤差分析現(xiàn)代物理實驗技術實驗安全與倫理規(guī)范物理實驗的基本原則提出問題明確研究目標和科學問題形成假設提出可檢驗的科學假說設計實驗控制變量，確?？芍貜托允占瘮?shù)據(jù)精確測量，記錄完整分析結果統(tǒng)計處理，評估誤差得出結論驗證或修正假設物理實驗強調客觀性、可重復性和精確性。一個好的物理實驗應具備明確的目標、嚴謹?shù)脑O計、精確的測量和合理的數(shù)據(jù)分析。中科院物理所教學實驗室設有從經(jīng)典力學到現(xiàn)代物理的系列實驗課程，通過親手操作和數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)學生的實驗技能和科學思維。同時，研究所的尖端實驗室配備了世界級的實驗設備，包括超導量子干涉儀、強磁場裝置、同步輻射光源等，為開展前沿物理研究提供了強大支撐。經(jīng)典實驗案例解析邁克耳孫-莫雷實驗邁克耳孫-莫雷實驗試圖測量地球相對于假想的"以太"的運動速度，結果意外發(fā)現(xiàn)光速在不同方向上保持不變，這一"否定性"結果最終導致了相對論的誕生。實驗核心是一個高精度干涉儀，光束被分成兩束垂直傳播，然后重新結合觀察干涉條紋。如果存在"以太風"，當裝置旋轉時，干涉條紋應發(fā)生可測量的位移。然而，實驗觀察到的位移遠小于預期，事實上與零位移一致（考慮實驗誤差）。這一實驗的關鍵在于其極高的精度。邁克耳孫設計的干涉儀能夠探測到波長的1/100的光程差，相當于10?1?米量級的精度。這種精度在當時是前所未有的，展示了精密測量技術在基礎物理研究中的重要性。實驗啟示邁克耳孫-莫雷實驗告訴我們："否定性"結果同樣重要實驗精度決定發(fā)現(xiàn)深度挑戰(zhàn)常識可能帶來突破技術創(chuàng)新驅動科學進步雙星系統(tǒng)光速驗證相對論預測光速在所有參考系中都相同，這一看似違反直覺的結論如何在天文尺度上驗證？雙星系統(tǒng)提供了絕佳的自然實驗室。當雙星繞共同質心旋轉時，一顆恒星在向地球靠近，另一顆在遠離。如果光速會受到源運動的影響，我們應該觀察到兩顆恒星的光到達時間不同步。然而，觀測表明雙星系統(tǒng)的軌道周期非常穩(wěn)定，光的傳播時間與恒星運動狀態(tài)無關，支持了光速不變原理。中科院物理所與國家天文臺合作，利用脈沖雙星系統(tǒng)進行了更精確的測試。脈沖星發(fā)出的射電脈沖像宇宙"時鐘"一樣精確，通過測量不同軌道位置的脈沖到達時間，科學家能夠以10??的精度驗證光速不變原理，進一步支持了相對論的預測。高速粒子實驗相對論預測高速運動的粒子會表現(xiàn)出質量增加、時間膨脹等效應。這些效應在日常生活中幾乎不可察覺，但在接近光速的粒子中變得顯著。中科院物理所參與的高能粒子實驗為驗證這些預測提供了有力證據(jù)：質量-能量關系粒子加速器中，輸入的能量完全轉化為粒子的相對論質量增加，與E=mc2預測一致時間膨脹效應高速μ介子的壽命比靜止時延長，延長因子與相對論預測完全一致粒子碰撞規(guī)律高能粒子碰撞必須使用相對論動量和能量守恒，經(jīng)典力學公式失效這些實驗不僅驗證了相對論，也為現(xiàn)代粒子物理學和加速器技術奠定了基礎。中科院物理所開發(fā)的教學演示裝置，可以直觀展示這些相對論效應，幫助學生理解這些抽象概念的實驗基礎。實驗設計與數(shù)據(jù)分析實驗誤差與不確定度物理實驗中，誤差分析是確保結果可靠性的關鍵步驟。誤差來源通常包括：系統(tǒng)誤差由儀器校準不準、測量方法缺陷等引起的固定偏差。系統(tǒng)誤差具有確定的方向和大小，可通過改進實驗方法或引入校正因子來減小。中科院物理所研發(fā)的自校準測量技術，能夠有效識別和消除多種系統(tǒng)誤差。隨機誤差由不可控因素引起的隨機波動，表現(xiàn)為重復測量結果的離散性。隨機誤差遵循統(tǒng)計規(guī)律，可通過增加測量次數(shù)和統(tǒng)計分析來評估和減小。物理所開發(fā)的貝葉斯統(tǒng)計分析軟件，能夠從有限數(shù)據(jù)中提取最大信息量，優(yōu)化實驗效率?，F(xiàn)代物理實驗強調用"不確定度"而非"誤差"來表征測量結果的可靠性，這反映了測量理論的進步。不確定度給出了測量結果的可信區(qū)間，通常以標準不確定度(u)或擴展不確定度(U=ku)表示，其中k是覆蓋因子，與置信水平相關。現(xiàn)代物理實驗技術現(xiàn)代物理實驗依賴于先進的技術和方法：自動化數(shù)據(jù)采集：計算機控制的實驗系統(tǒng)大幅提高了數(shù)據(jù)采集速度和精度。中科院物理所開發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣率可達10GS/s，適用于超快現(xiàn)象研究信號處理技術：鎖相放大、傅里葉變換、小波分析等技術能夠從噪聲中提取微弱信號，提高信噪比數(shù)個數(shù)量級遠程實驗控制：網(wǎng)絡化實驗平臺允許科學家遠程操作設備，實現(xiàn)全天候實驗和國際合作物理實驗安全與規(guī)范物理實驗安全是實驗室管理的首要任務。中科院物理所制定了嚴格的安全規(guī)范和操作流程：電氣安全高壓設備必須有明顯警示標識和安全聯(lián)鎖裝置；操作人員必須經(jīng)過專門培訓；實驗室配備漏電保護裝置和緊急斷電開關；定期檢查電氣設備絕緣狀況激光安全激光器按危害等級分類管理；高功率激光實驗室設置互鎖裝置和警示燈；配備適當?shù)姆雷o鏡和屏障；制定嚴格的操作規(guī)程和人員培訓計劃低溫與高壓安全低溫液體使用專用容器和個人防護裝備；高壓氣瓶固定存放，定期檢查閥門和管路；氧氣、氫氣等特殊氣體有專門存儲和使用規(guī)范除了硬件安全，實驗規(guī)范還包括數(shù)據(jù)管理和實驗倫理。中科院物理所實施了數(shù)據(jù)可靠性追蹤系統(tǒng)，確保實驗數(shù)據(jù)的真實性和可復現(xiàn)性。所有科研人員必須遵守學術誠信準則，準確記錄和報告實驗過程和結果，避免選擇性報告和數(shù)據(jù)篡改。物理實驗是連接理論與自然的橋梁，也是培養(yǎng)科學思維和研究能力的重要途徑。中科院物理所注重實驗教學與科研相結合，讓學生在參與前沿研究的過程中，掌握實驗技能，理解科學方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。物理實驗室實景科學探索的搖籃圖中展示了中國科學院物理研究所尖端物理實驗室的工作場景。這里配備了世界一流的實驗設備，包括超高真空系統(tǒng)、低溫強磁場裝置、高精度激光系統(tǒng)等。在這些精密儀器的輔助下，科學家們能夠探測物質的微觀結構和性質，驗證物理理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象。實驗室是物理研究的心臟，也是科學創(chuàng)新的源泉。從卡文迪許實驗室到勞倫斯伯克利國家實驗室，眾多重大物理發(fā)現(xiàn)都誕生于實驗室中的觀察和測量。中科院物理所的實驗室群不僅承擔基礎研究任務，也面向國家重大需求開展應用研究，在量子信息、新材料、能源技術等領域做出了重要貢獻。實驗室文化與團隊合作現(xiàn)代物理實驗越來越依賴團隊協(xié)作。一個成功的實驗往往需要多學科背景的研究人員共同參與，包括物理學家、工程師、計算機專家等。圖中可見研究人員正在討論實驗方案和數(shù)據(jù)分析，這種開放交流的氛圍是科學創(chuàng)新的重要條件。中科院物理所注重培養(yǎng)嚴謹、創(chuàng)新、合作的實驗室文化：鼓勵質疑精神，不迷信權威，尊重實驗事實強調細節(jié)重要性，精益求精，追求卓越提倡開放合作，跨學科交流，集思廣益重視青年培養(yǎng)，傳承技術，創(chuàng)新方法面向未來的實驗技術1人工智能輔助實驗中科院物理所正在開發(fā)基于人工智能的實驗系統(tǒng)，能夠自動優(yōu)化實驗參數(shù)，識別異常現(xiàn)象，甚至提出新的實驗假設。在材料科學領域，AI輔助系統(tǒng)已成功預測并驗證了多種新型功能材料，大幅提高了研究效率。2量子測量技術量子傳感和量子計量技術正在革新物理測量的極限。物理所量子精密測量實驗室開發(fā)的量子磁力計靈敏度達到飛特斯拉量級，比傳統(tǒng)設備提高三個數(shù)量級。這些技術將用于基礎物理常數(shù)測定、引力波探測和生物醫(yī)學成像。3極端條件實驗物理所與中科院高能物理所合作建設的極端條件實驗平臺，能夠模擬超高壓（百萬大氣壓）、超低溫（毫開）和超強磁場（100特斯拉）環(huán)境，為探索新奇量子態(tài)和新型材料提供了獨特條件。實驗室不僅是科研的場所，也是人才培養(yǎng)的基地。中科院物理所每年接收大量本科生、研究生和博士后進入實驗室參與科研，通過"做中學"培養(yǎng)下一代物理學家。實驗室還定期舉辦開放日活動，邀請公眾和中小學生參觀，激發(fā)青少年對科學的興趣，傳播科學精神和方法。第五章：物理學的前沿與未來物理學作為自然科學的基礎，其發(fā)展前沿一直引領著人類對自然界的認識和科技創(chuàng)新。21世紀的物理學正面臨諸多激動人心的挑戰(zhàn)與機遇，從宇宙起源到量子信息，從新型能源到生物物理，物理學家們正在多個方向上不斷突破認知邊界。中國科學院物理研究所積極布局物理學前沿領域，開展多學科交叉研究，同時密切關注物理學與國家重大需求的結合點。本章將介紹當前物理學最活躍的研究前沿，展望未來發(fā)展趨勢，并重點介紹中科院物理所在這些領域的創(chuàng)新成果和戰(zhàn)略部署。"物理學的歷史告訴我們，每一次重大理論突破都開啟了全新的技術可能性。今天的前沿研究，將成為明天的技術革命。"——中國科學院院士方忠本章核心內容宇宙物理與空間科學量子信息與量子計算交叉學科與新興領域中科院物理所最新研究動態(tài)物理學前沿：理論與實驗的雙重突破理論前沿物理學理論前沿正努力解決一系列根本性問題：量子引力理論的構建、標準模型之外的物理、暗物質和暗能量的本質、時間箭頭的起源等。這些問題涉及物理學最深層次的基礎，可能需要全新的概念框架和數(shù)學工具。中科院物理所理論物理中心正在量子場論、弦理論和宇宙學方面開展前沿研究，尋求這些根本問題的突破口。實驗前沿實驗物理前沿則聚焦于開發(fā)新的觀測和測量技術，探索極端條件下的物質行為，驗證新的理論預測。大型科學裝置如粒子對撞機、引力波探測器、中微子觀測站等，正在幫助物理學家探索未知領域。中科院物理所參與了多個國際大科學計劃，同時也在發(fā)展具有自主知識產權的實驗技術和方法，在量子調控、極端條件物理等方向取得了重要進展。物理學的發(fā)展已經(jīng)從還原論走向復雜性研究，從單一學科走向多學科交叉。面對日益復雜的科學問題和技術挑戰(zhàn)，中科院物理所正強化跨學科合作，與生命科學、信息科學、環(huán)境科學等領域攜手，開拓物理學新疆域。未來的物理學將更加關注復雜系統(tǒng)、非平衡態(tài)、涌現(xiàn)現(xiàn)象等研究，并與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術深度融合，展現(xiàn)出全新的發(fā)展前景。宇宙物理與空間科學宇宙射線探測與銀河系檔案宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子流，攜帶著豐富的天體物理信息。中國科學院與多家研究機構合作建設的"悟空"暗物質粒子探測衛(wèi)星(DAMPE)，能夠精確測量宇宙射線中電子、光子和重離子的能譜，為研究暗物質粒子特性、宇宙射線起源和傳播機制提供重要數(shù)據(jù)。2019年，DAMPE探測到宇宙射線電子能譜在約1TeV處存在異常結構，這可能是暗物質粒子湮滅的信號，也可能來自未知的天體加速機制。中科院物理所的理論團隊正結合多種模型解釋這一現(xiàn)象，試圖構建銀河系高能粒子的完整圖景。中國天眼與空間站科學實驗500米口徑球面射電望遠鏡（FAST，又稱"中國天眼"）是世界最大的單口徑射電望遠鏡，靈敏度達到國際同類設備的2.5倍。FAST已發(fā)現(xiàn)300多顆新脈沖星，為研究中子星物理、引力波背景輻射和宇宙學提供了重要觀測數(shù)據(jù)。中科院物理所參與了FAST早期科學數(shù)據(jù)分析工作，特別是在脈沖星計時和引力理論檢驗方面做出了貢獻。研究團隊利用FAST觀測數(shù)據(jù)，對廣義相對論和替代引力理論進行了高精度檢驗，結果支持愛因斯坦的廣義相對論預測。中國空間站天和核心艙已成功部署多項物理實驗裝置，包括微重力流體物理實驗、空間材料科學實驗和宇宙輻射效應研究等。中科院物理所參與了空間站冷原子物理實驗平臺的設計，該平臺將利用微重力環(huán)境研究玻色-愛因斯坦凝聚體等量子態(tài)，為量子物理提供地面無法實現(xiàn)的實驗條件。月球車與火星車探秘嫦娥與玉兔中國嫦娥探月工程已完成多次成功任務，玉兔月球車配備了多種科學儀器，包括月壤成分分析儀、地下探測雷達等。中科院物理所參與開發(fā)的粒子探測器，用于研究月球表面宇宙射線環(huán)境和太陽高能粒子事件。嫦娥五號帶回的月球樣本分析顯示，月球地質活動持續(xù)時間比之前認為的更長，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有月球演化模型。天問與祝融天問一號火星探測任務成功將祝融號火星車送上火星表面，開展了地形地貌、火星土壤特性、火星磁場等多項科學探測。中科院物理所與空間中心合作開發(fā)的火星表面磁場探測儀，首次詳細測量了火星局部磁場分布，為理解火星早期磁場演化提供了新證據(jù)。研究表明，火星曾擁有類似地球的全球性磁場，但在約40億年前突然減弱，這可能與火星核部動力學過程有關。引力波天文學中國正在籌建空間引力波探測計劃"太極"和"天琴"，旨在探測中頻段引力波，與國際地基引力波探測器互補。中科院物理所與中科院理論物理所合作，在引力波源物理、宇宙學應用等方面開展了系統(tǒng)研究。研究表明，空間引力波探測器可能探測到宇宙早期相變產生的隨機引力波背景，為研究大爆炸后極早期宇宙提供直接觀測窗口。宇宙物理與空間科學研究不僅能夠解答人類關于宇宙起源與演化的根本問題，也能孕育重要的技術創(chuàng)新。例如，脈沖星導航技術可能成為未來深空探測的關鍵；空間站材料實驗可能催生新型航天材料；引力波探測中開發(fā)的精密測量技術可用于地球科學和工程測量。中科院物理所將繼續(xù)深度參與國家航天科技創(chuàng)新，推動中國空間科學研究走向世界前列。交叉學科與新興領域腦科學中的物理方法腦科學是21世紀最具挑戰(zhàn)性的前沿領域之一，物理學方法正在其中發(fā)揮越來越重要的作用。中科院物理所與腦科學研究所合作，開發(fā)了多種神經(jīng)成像和神經(jīng)調控技術：基于光遺傳學的神經(jīng)元精準調控系統(tǒng)，可以毫秒級時間分辨率選擇性激活或抑制特定類型神經(jīng)元超高分辨率光學顯微技術，突破衍射極限，實現(xiàn)活體神經(jīng)元突觸結構的納米級成像功能性近紅外光譜技術，無創(chuàng)監(jiān)測大腦皮層活動，用于認知過程研究物理學的統(tǒng)計方法和復雜系統(tǒng)理論也被應用于神經(jīng)網(wǎng)絡動力學研究，幫助理解大腦信息處理機制、記憶形成和認知過程的物理基礎。人工智能與物理模擬人工智能與物理學的結合正在雙向推動兩個領域的發(fā)展。一方面，物理學為人工智能提供新型計算范式：量子機器學習算法，利用量子并行性加速特定類型的AI任務神經(jīng)形態(tài)計算，模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡的信息處理方式拓撲量子計算，利用拓撲保護態(tài)實現(xiàn)容錯計算另一方面，AI正在革新物理研究方法：深度學習輔助的物理實驗數(shù)據(jù)分析，從海量數(shù)據(jù)中提取規(guī)律機器學習加速的量子多體系統(tǒng)模擬AI驅動的材料設計與發(fā)現(xiàn)量子材料與未來電子學量子材料是指那些性質由量子效應主導的新型材料，它們展現(xiàn)出常規(guī)材料所沒有的奇特行為：拓撲絕緣體：內部絕緣而表面導電的新型量子態(tài)威爾半金屬：電子表現(xiàn)為無質量的狄拉克費米子量子自旋液體：即使在絕對零度也不形成有序磁結構的奇異磁性態(tài)這些材料為下一代電子器件提供了可能性：超低能耗自旋電子器件拓撲量子計算比特高效熱電轉換材料中科院物理所是國際量子材料研究的重要中心，在多種新型量子材料的發(fā)現(xiàn)和性質研究方面處于領先地位。新興交叉領域展望生物物理學研究生物大分子結構動力學、細胞力學、生物膜物理和生物光學等，為理解生命活動的物理基礎提供新視角能源物理學發(fā)展高效光伏材料、新型電池技術和可控核聚變等，為可持續(xù)能源轉型提供科學支撐量子生物學探索量子效應在光合作用、生物導航和酶催化等生物過程中的作用，揭示生命與量子世界的微妙聯(lián)系拓撲電子學利用材料的拓撲性質開發(fā)新型電子器件，實現(xiàn)低能耗、高速度的信息處理極端物理學研究極高壓、超低溫、強磁場等極端條件下的物質行為，發(fā)現(xiàn)新奇量子態(tài)和新型材料交叉學科研究需要打破傳統(tǒng)學科壁壘，建立多學科合作平臺。中科院物理所積極推動與生命科學、信息科學、材料科學等領域的交叉合作，建立了多個跨學科研究中心和聯(lián)合實驗室。通過交叉學科的探索，物理學將繼續(xù)擴展其應用邊界，為解決人類面臨的重大挑戰(zhàn)提供科學方法和技術手段。中科院物理所最新科研動態(tài)2025年凝聚態(tài)物理前沿技術培訓中科院物理研究所將于2025年1月舉辦"凝聚態(tài)物理前沿技術高級培訓班"，面向全國高校和科研院所青年科研人員開放。培訓內容包括：先進掃描探針技術（STM/AFM/SNOM）原理與應用角分辨光電子能譜（ARPES）測量與數(shù)據(jù)分析極端條件（低溫、高壓、強磁場）實驗技術同步輻射與中子散射表征方法第一性原理計算與材料模擬培訓班將邀請包括院士在內的多位知名專家授課，并安排實驗室參觀和實操訓練。此次培訓旨在促進國內凝聚態(tài)物理研究水平整體提升，加強學術交流與合作，培養(yǎng)下一代凝聚態(tài)物理研究人才。培訓信息時間：2025年1月5-19日地點：中科院物理所規(guī)模：60人報名：2024年10月開始聯(lián)系：training@方忠院士獲未來科學大獎中國科學院物理研究所方忠院士因在拓撲量子材料理論研究方面的突出貢獻，榮獲2024年度未來科學大獎物質科學獎。方忠院士團隊預測并引導實驗發(fā)現(xiàn)了多類拓撲量子態(tài)，包括拓撲絕緣體、拓撲半金屬和高階拓撲絕緣體等，為探索新奇量子態(tài)和開發(fā)新型量子器件奠定了重要基礎。方忠院士的研究開創(chuàng)了"材料基因組"設計方法，通過結合對稱性分析、第一性原理計算和數(shù)據(jù)挖掘技術，高效預測具有特定拓撲性質的材料。這一方法已成功預測并指導實驗發(fā)現(xiàn)了100多種新型拓撲材料，大幅提高了新材料研發(fā)效率。未來科學大獎評委會稱贊這些工作"為拓撲物質科學的發(fā)展做出了開創(chuàng)性貢獻"。重大科研項目與國際合作量子計算材料與器件中科院物理所牽頭的"量子計算材料與器件"重大研究計劃近期獲得國家自然科學基金委員會批準立項，總經(jīng)費3.5億元，為期8年。該計劃將系統(tǒng)研究量子比特材料物理、量子相干保護機制、量子糾錯編碼等基礎科學問題，研發(fā)新型量子計算材料和器件，為實現(xiàn)可擴展量子計算提供物質基礎和技術支撐。中歐量子材料聯(lián)合研究中心中科院物理所與德國馬克斯·普朗克固體物理研究所、法國國家科學研究中心共同建立"中歐量子材料聯(lián)合研究中心"，開展量子材料的設計、制備、表征和器件應用研究。該中心將促進研究人員交流、聯(lián)合培養(yǎng)學生、共享科研設施，構建國際一流的量子材料研究平臺。首批合作項目包括高溫超導體、拓撲磁性材料和二維量子材料等。碳中和材料物理研究針對國家碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標，中科院物理所啟動"碳中和材料物理"交叉研究項目，集中研究高效光伏材料、儲能材料、催化材料等關鍵領域的物理問題。項目已取得多項進展，包括開發(fā)出效率超過26%的鈣鈦礦/硅異質結太陽能電池，能量密度超過400Wh/kg的固態(tài)鋰電池，以及高效CO?電催化還原材料等。中科院物理所作為國家物理學研究的重要基地，始終堅持"面向世界科學前沿，面向國家重大需求，面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場"的研究定位。研究所積極參與國際科技合作，加強與國內高校、研究機構和企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，努力建設世界一流的物理研究中心，為中國科技自立自強做出貢獻。中科院物理所大樓與科研團隊科學家們的奮斗與夢想圖中展示的是中國科學院物理研究所的主樓外觀和科研團隊。這座現(xiàn)代化建筑是中國物理學研究的重要基地，承載著幾代物理學家的科學夢想和不懈奮斗。中科院物理所成立于1950年，是新中國成立后建立的第一批研究所之一，見證了中國物理學從弱到強的發(fā)展歷程。七十多年來，研究所培養(yǎng)了包括多位院士在內的大批杰出物理學家，取得了一系列具有國際影響力的科研成果。如今的中科院物理所已發(fā)展成為綜合性物理研究機構，擁有凝聚態(tài)物理、光物理、軟物質物理、原子分子物理等多個研究方向，以及多個國家重點實驗室和科研平臺。研究所現(xiàn)有研究人員近400人，其中包括12位中國科學院院士，形成了一支結構合理、創(chuàng)新活力強的科研隊伍?？蒲形幕c人才培養(yǎng)中科院物理所注重營造寬松活躍的學術氛圍，倡導學術民主和創(chuàng)新文化。研究所堅持"人才是第一資源"的理念，實施多元化人才培養(yǎng)和引進策略：青年人才培養(yǎng)"博新計劃"，支持青年科學家獨立開展創(chuàng)新研究"海外英才引進計劃"，吸引海外高層次人才回國工作"交叉研究種子基金"，鼓勵跨學科探索和創(chuàng)新嘗試"開放課題合作計劃"，促進與高校和企業(yè)的實質性合作研究所還建立了完善的研究生培養(yǎng)體系，每年招收物理學、材料科學等專業(yè)的碩士和博士研究生100余名，為國家培養(yǎng)高水平科技人才?？萍紕?chuàng)新與社會責任科技成果轉化中科院物理所重視科技成果轉化和產業(yè)應用，設立了科技成果轉化辦公室和技術轉移中心，建立了完善的知識產權管理和技術轉移機制。近五年來，研究所申請專利500余項，授權專利300余項，轉化科技成果50余項，孵化科技企業(yè)10余家，在新材料、量子技術、精密儀器等領域形成了一批具有市場競爭力的技術和產品?？茖W普及與教育研究所積極開展科學普及活動，每年舉辦"公眾科學日"、"科學沙龍"等活動，向公眾開放實驗室，普及物理學知識。研究所還與中小學合作開展科學教育項目，組織科學家進校園，激發(fā)青少年對科學的興趣。研究所編寫的《趣味物理學》系列科普讀物，已成為青少年科普讀物的經(jīng)典之作。國際學術交流作為中國物理學的重要窗口，中科院物理所每年舉辦多個國際學術會議和研討會，邀請國際知名學者訪問交流。研究所還與美國、德國、日本、英國等國家的多所知名研究機構建立了長期合作關系，開展聯(lián)合研究計劃和人員交流項目，積極參與國際大科學計劃和全球科技治理。中科院物理所秉持"創(chuàng)新科技、服務國家、造福人民"的宗旨，在基礎研究和應用研究方面都取得了顯著成績。展望未來，研究所將繼續(xù)瞄準世界科學前沿和國家重大需求，開展原創(chuàng)性、引領性科學研究，為建設世界科技強國貢獻物理學的智慧和力量。物理學家的故事曹則賢院士與物質形態(tài)研究曹則賢院士是中科院物理所著名凝聚態(tài)物理學家，長期從事非晶態(tài)物理和復雜系統(tǒng)研究。他1985年于中國科技大學物理系畢業(yè)后赴美國留學，獲得賓夕法尼亞州立大學物理學博士學位，之后在哈佛大學從事博士后研究。1995年，他婉拒多所美國著名大學的教職邀請，回到中科院物理所工作，開始了他的科研生涯。曹則賢院士的研究興趣集中在非晶態(tài)物質的結構和動力學，特別是玻璃轉變、非晶合金和軟物質等領域。他提出的"動力學不均勻性"理論為理解玻璃形成機制提供了新視角，被國際同行廣泛引用。他領導的團隊開發(fā)了多種非晶態(tài)材料表征新技術，揭示了非晶合金中原子團簇的組織結構，為設計高性能非晶合金提供了理論基礎。朱宗宏教授與黑洞大碰撞朱宗宏教授是中科院物理所引力物理研究中心主任，國際引力波天文學領域的知名專家。他本科畢業(yè)于北京大學物理系，在美國賓夕法尼亞州立大學獲得博士學位，曾在麻省理工學院和加州理工學院從事引力波研究。2010年，他通過"千人計劃"回國，在中科院物理所建立了引力波物理研究團隊。朱宗宏教授是LIGO科學合作組中國團隊的主要負責人之一，帶領團隊參與了歷史性的引力波直接探測工作。2015年9月14日，LIGO首次探測到來自兩個黑洞合并的引力波信號GW150914，這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了引力波天文學新紀元。朱宗宏團隊負責的引力波源參數(shù)估計工作，成功確定了這對黑洞的質量、自旋和距離等關鍵參數(shù)，為理解雙黑洞系統(tǒng)的形成和演化提供了重要數(shù)據(jù)。劉嘉麒院士的地球測量之路劉嘉麒院士是中科院地質與地球物理研究所研究員，同時也是中科院物理所特聘研究員，在地球物理與地球動力學領域做出了重要貢獻。他1962年畢業(yè)于北京大學地球物理系，后在中科院物理研究所獲得博士學位。他的研究生涯橫跨物理學和地球科學兩個領域，是跨學科研究的杰出代表。劉嘉麒院士將物理學方法引入地球科學研究，開創(chuàng)了中國現(xiàn)代大地測量學和地球動力學研究的新局面。他領導開發(fā)的高精度重力測量儀器和方法，為研究地殼運動、地震預測和礦產資源勘探提供了重要技術支持。他主持的"中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡"項目，建立了覆蓋全國的GPS連續(xù)觀測系統(tǒng)，精確測定了中國大陸板塊的運動速率和變形特征，為理解青藏高原隆升和東亞大陸構造演化提供了關鍵數(shù)據(jù)?？茖W精神與人生選擇這三位科學家的經(jīng)歷雖各不相同，但他們身上都體現(xiàn)了當代中國物理學家的共同特質：扎實的學術功底、開闊的國際視野、強烈的家國情懷和勇于創(chuàng)新的科學精神。他們都在海外取得了優(yōu)異的學術成就，卻選擇回國投身中國科學事業(yè)的建設，在各自領域做出了原創(chuàng)性貢獻。"我常對學生說，做科學研究最重要的不是聰明，而是執(zhí)著和堅持?？茖W道路充滿挑戰(zhàn)，但只要懷著真誠的好奇心和不懈的探索