21世纪物理学的25个难题
21世纪物理学的25个难题
大卫·格罗斯1[①]
编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.wendangku.net/doc/031348315.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。
作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。
1、宇宙起源
第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？”
根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。
1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
为了理解宇宙是如何开始的，我们需要了解什么是大爆炸。宇宙学家观察到微波背景辐射中临近大爆炸时发生的量子涨落的痕迹。这些涨落是宇宙大尺度结构的起源。因此，对于宇宙学和天体物理学而言，理解在大爆炸点真正发生了什么是一个急迫的任务。有没有方法能够直接观察到临近大爆炸时的物理状态？我们往回能够推多远？利用普通的辐射，我们能够回推到大爆炸之后的十万年左右，但是不能更早。这次会议上有许多这样的讨论：我们能否利用引力辐射或CMB中的信号来发展出新的观察或理论方法，从而将我们的观察回推到大爆炸点为止的整个过程。
那么理论的状况又如何？我们可以确切地说出在宇宙创生时发生了什么吗？弦理论已经成功地消除了广义相对论中产生的奇点。但是，弦理论能够处理的奇点不是大爆炸所产生的那种类型。大爆炸所产生的是与时间无关的静态奇点。弦理论能消除初始奇异点吗？能告诉我们宇宙是如何开始的吗？能告诉我们宇宙的初始状态是什么，或者宇宙的初始波函数是什么吗？一些人推测根本就不存在一个起点，而是宇宙很大，随后塌陷，然后再次膨胀。一些人鼓吹一个循环的宇宙。我相信更为可能的是，时间自身是一个突现的概念（emergent concept），如弦理论所暗示的一样。因此，为了回答诸如“宇宙是如何开始的”和“时间是如何开始的”这一类问题，我们需要重新明确表述这些问题或者改变这些问题，就如同在物理学中经常出现的那样。随后这些问题可能更容易回答。无论如何，上述问题无疑将在未来引导暴涨宇宙学和弦论宇宙学中的大量研究。
2、暗物质
第2个问题研究的是我们在最近几年内发现的暗物质的本质。现在看来，宇宙中绝大多数物质不是由构成我们的粒子组成的，而是某种我们不能直接看到的新类型的物质。这种“暗物质”不发出辐射，可以推想，它与普通粒子和辐射的相互作用非常微弱。我们只能通过它的引力效应而知道它的存在。我们可以通过观察星系边缘的普通物质的轨道而测量它的质量。结果是宇宙的25％由暗物质组成，而不是由质子、中子、夸克或电子构成。普通的重子物质，即组成我们的物质，仅占目前宇宙质量或能量密度的3-4％。因此什么是暗物质？我们能在实验室直接观察到它吗？它是如何与普通物质相互作用的？主流的假设是暗物质由弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）组成。粒子物理学家已经构造出许多推测模型，这些模型超出了粒子物理学的标准模型，通常包括许多可能组成暗物质的候选粒子。我喜欢的候选粒子是“neutralino”（中性伴随子），标准模型的超对称扩展中的最轻的中性粒子，它是构成暗物质的一个理想的候选粒子。但是暗物质也可能由“轴子”或其他粒子构成，轴子是为解决强CP问题而发明的另外一个预测粒子。于是出现了观测问题，我们是否能在实验室中制造和检测暗物质？我们能直接探测到充满和包围星系的暗物质吗？暗物质在宇宙中是如何分布的？关于星系的结构和形成，暗物质向我们提供了什么信息？在星系的形成和分布的当前模型中，暗物质扮演了一个至关重要的角色。正是暗物质进行了第一次塌陷，随后普通物质出现，并塌陷成为大块的暗物质（the clumps of dark matter）。我们还不能以充足的定量细节来理解星系是如何形成的，为了达到这个目标，我们需要真正理解暗物质的本质和特性。
3、暗能量
第3个问题与最近的发现有关，宇宙中的绝大部分能量是一种新形式的能量，即所谓的“暗能量”。暗能量施加负压力，负压力导致了宇宙膨胀的加速，通过观察这种加速作用，天体物理学家已经推断出当前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。这是最近一二十年内最神奇和最惊人的发现之一。什么是暗能量？最简单的假设是暗能量是恒定的，但是它也
可能会随着时间而发生变化，然而，如何从观察上确定暗能量真是恒定的还是随着时间变化？关于暗能量的最简单假设是它是“宇宙学常数”Λ，当初爱因斯坦将它引入他的方程以便得出一个静态的宇宙。但是随后（人们）认识到爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的；而且人们发现，宇宙不是静态的，它正在膨胀。因此，爱因斯坦放弃了宇宙学常数。他曾经说过Λ是他最大的错误。但是现在测量显示，看来存在一个不为零的、并具有负压力的能量，它看起来就像是一个宇宙学常数。它真是一个宇宙学常数吗？还是其他东西？我们应该怎样解释呢？宇宙中的绝大多数能量是真空能，然而却不可能“看到”它，除非您测量整个宇宙的膨胀，这真是令人惊奇。还有检测暗能量的其他方法吗？
4恒星、行星的形成
第4个问题研究的是更实际的天体物理问题：比星系小的恒星和行星物体的形成。现在有一个关于恒星形成的合理理论，但它并不是定量的，我们希望让它成为定量理论。我们能够真正理解恒星质量的范围吗？有多少双星形成？最初双星被认为是罕见的。现在认为所有恒星中至少有一半在双星中形成。我们可以计算双星的频率吗？恒星是如何成组的？新的观察已经回溯到第一批恒星形成的时期，这在一定程度上重新唤起了人们对这些问题的兴趣。第一批恒星形成时的环境与今天现存的环境是不同的。例如，那时没有天体物理学家所称的“金属”——比氦重的元素，因为比氦重的所有元素都是在恒星中形成的。第一批恒星只有氢和氦。如果恒星形成的理论足够完善，那么天体物理学家就可以告诉我们第一批形成的恒星的本质。但是，实际上，观测的结果出乎意料之外，它们与理论预测并不相符合。因此，关于恒星形成的理论以及检验这些理论的新途径，还有很多东西我们并不清楚。
一个出现只有大约10年的新论题，是行星形成的理论。我们第一次能够直接观察到我们自身的太阳系之外的行星。现在已经观察到几百颗行星，我们正在开始积累关于行星系统的真实数据。这是非常有趣的科学。其中最有趣的事情之一就是寻找我们太阳系之外的生命。因此，我们问道：适宜居住的行星有多大的频度？银河系中有多少行星能够支撑生命？我们能否发展出从观察上确定一个行星上面是否存在生命的技术？能否通过观察这些行星的大气层的谱线而确定它上面是否存在生命？这样看来，行星理论和行星科学突然变成一个非常有活力的领域，受到大部分非常年轻的天体物理学家的欢迎。这是一个非常令人激动的研究领域。
5、广义相对论
关于广义相对论（GR），爱因斯坦的引力理论，宇宙学的语言，以及讨论宇宙的大尺度结构的理论框架，存在许多问题。这次会议的一些与会者问到：我们目前对GR的理解在所有尺度上都是正确的吗？GR在一些案例中已经得到了令人十分信服的验证。但是有两个区域我们根本没有进行过实验。一个是短距离。事实上，对于小于一毫米的距离，我们的确没有检验过牛顿的引力理论。另一个区域是引力非常强的地方，那里强大的引力造成了空－时流形的极度弯曲，例如黑洞附近。一个好的问题是：我们能用观测来确定克尔度规（Kerr metric）是否正确描述了黑洞周围的几何学吗？在一个黑洞形成时，只要我们知道这个黑洞的质量和自旋，那么它周围的空间和时间的几何学便是完全确定的。现在人们相信，宇宙中有许多黑洞。事实上，看来在每个星系的中心都有一个质量巨大的黑洞。天体物理学家和理论物理学家正在设法解决如何利用对掉进黑洞的物质所发出的辐射的观测来确定空间－时
间几何。或许我们能够确定克尔度规是否正确描述了我们的星系中心的黑洞外部的空间－时间。
6、量子力学
现代物理学的另一个理论支柱是量子力学（QM）。有趣的是，这次会议上，许多最卓越的参与者都在询问，QM是不是自然的最终解释。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在极小距离上QM可能失效，并设想它将被一个决定论性的理论所代替。拉格特（Tony Leggett）关心QM是否会在大型的复杂系统上失效。理由如下：所有学习QM的人都知道，当你开始考虑薛定锷猫的时候，你就会有点不舒服。在理解猫是如何处于一种死了和活着的叠加态的时候，就会有点困难。或许QM不能描述猫；或许对于大型的复杂系统QM可能失效。实验家非常努力地设法解决这些问题。在大型的宏观复杂系统上检验QM的尝试，为实验物理学家提供了强大的动力。彭罗斯（Roger Penrose）相信，在你试图描述心灵（mind），或者一个具有意识的系统的时候，QM将会失效。维格纳（Eugene Wigner）也相信这一点。就个人来说，这三个问题对我构不成问题，量子力学我也看不出存在什么问题。但是第四个问题却是同样困扰着我。我们如何使用QM将宇宙作为一个整体加以描述？讨论宇宙的波函数的意义是什么呢？在当前的暴涨理论中，林德（Andrew Linde）等人在谈论宇宙的不同区域的内部暴涨，内部暴涨产生了一长串宇宙，所谓“多宇宙”（multiverse），不同的宇宙彼此之间没有任何交流。描述这样一个“多宇宙”的QM意味着什么？
7、粒子物理学
第7个问题，我们转向粒子物理学。对于基本粒子物理学的标准模型，电弱相互作用和强相互作用的理论，可以提出许多问题。标准模型是一个极为成功的理论，它符合所有现存的实验。但是它还有许多未解之谜，还有许多未定的问题，其中一些我们不认为可以容易地得到答案。标准模型最神秘的特征是物质的基本成分的质量和混合（mixing），我们现在相信这些基本成分就是夸克和轻子。它们具有非常奇怪的质量谱。顶夸克的质量是上夸克质量的十万倍。夸克在各种相互作用下混合。中微子甚至具有一种更为奇特的质量模式。这种质量谱来自于何处？标准模型，甚至标准模型的简单场理论的推广，对此确实给不出好的主意。
标准模型的许多其他特征同样是神秘的。我们如何解释重子的起源？重子数是守恒的吗？现在我们相信重子数是不守恒的，因为没有理由认为它应该守恒。假如是这样，在大爆炸演化成宇宙时，就会产生重子。我们知道这种情况会发生的途径，以及会产生宇宙中重子不对称的途径。但是迄今为止，我们在理论上还不能精确地计算宇宙中的重子数。我们应该能够做到这一点。我们的确不知道质子能够存活多久。还有许多其他问题不在标准模型之内，这些问题的解决，需要一个更全面的理论。
8、超对称
依我看来，粒子物理学的基本问题，无论对于理论家还是实验家，都是超对称的问题。超对称是空间和时间的相对论性对称的一个非凡的新扩展。如果它是真的，那么空间－时间还具有额外的量子维度。超对称理论表述在超空间中，超空间具有额外的费米子维度，这些维度用反对易数来度量。超对称理论在量子维度到普通空间－时间维度的旋转下是对称的，这就会导致这样的预言，即迄今所知的每个粒子都存在一个对应的超对称伙伴。支持超对称一个非常强的线索，来自于强、弱和电磁理论向极高能量的外推。现有的观察，对这些力作了极高精度的测量。基于现有的观察和我们手中的那些极其成功的和精确的理论工具，我们可以将标准模型的这些力外推到非常高的能量区域。借助于这些工具，我们发现，当能量达到引力作用变得明显的尺度时，所有的力都统一起来。但是只有在我们假定理论是超对称的，
并且超对称在TeV尺度以下自发破缺时，这种统一才会实现。幸运的是，这一能级正是新的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）准备探测的能级，两年内大型强子对撞机将在CERN运行。建造这台加速器的主要动机之一和粒子理论家最近十年的主要工作之一就是探索超对称存在的可能性。如果我们发现超对称，那么现在的新物理学在接下来的几十年内将有许多工作要做——设法理解超对称是如何破缺的，并测量超粒子的质量谱。有趣的问题是：如果我们测量超对称粒子的质量谱和耦合常数，那么我们能否利用这些信息对大统一尺度上，甚或在弦的尺度上的物理学有更直接的理解吗？
9、量子色动力学
最后，在标准模型中，还有一个问题，第9个问题，是关于我所喜欢的理论——量子色动力学（QCD）的。这个问题，三十年前我以为我就有了答案。我们能够解QCD吗？三十年前，我以为答案是肯定的，花上五年时间就差不多了。可是，我们至今也不会解QCD。在大距离处，相互作用力很强，我们还不能作解析处理。我认为，在这个方向上，最大的希望是构造一个强子和介子的对偶弦（dual string）描述。介子是夸克和反夸克组成的束缚态，看起来就像是流管（flux tubes），流管的末端是夸克和反夸克，其行为则像弦。事实上，我们现在有大量的证据表明，在弦理论和规范理论之中就存着这样的一个对偶弦描述。如果有人设想色（NC）的数目不是3，而是无穷，那么我们就确信存在一个经典弦，它将描述所有的介子。如果我们能够精确地写下对偶弦理论的经典方程（人们正在努力寻找），那么我们就可以期望以经典的方式求解，这可能并不太难。随后，我们可以解析地计算1/NC展开的首项中的强子质量谱。这是一个激动人心的目标，在过去的几年中，沿此方向已经取得了许多进展。在未来的许多年里，这个问题仍将指导人们探索非微扰的QCD和弦理论。
10、弦理论
现在我转向弦理论——构造一个所有相互作用的统一理论的雄心勃勃的尝试。这里的基本问题是：什么是弦理论？我们真的不理解弦理论的核心是什么。我们所有的，不过是在一个理论的某些局部情形中，有许多不同的描述或计算方法，而这个理论本身是什么，我们却不能真正表述清楚。这真是一种怪异的处境。弦理论的各种表述经常是完全不同的。起初，我们是先描述10维空时中一条弦的经典运动，随后将这个系统量子化。但是现在，我们是按普通的（超对称的）规范理论，即标准模型中的杨－米尔斯理论，来表述某些特定的空时背景中的弦理论。有极强的证据表明，这些规范理论在数学上等价于一个描述在5维反德西特空间（anti-de Sitter Space，具有一个负的宇宙学常数）中运动的、可视之为的弦的理论。对于弦理论，我们还有许多不同的对偶表述，但是我们不知道该理论以及所有这些对偶表述的本质是什么。这种对偶性的深层含义还没有被真正理解。理论有许多不同表述，这些不同的表述看起来差异很大，各自都有不同的基本的动力学对象，这一事实对我们所熟悉的基本性和局域性概念造成了极其严重的威胁。
11、空间－时间的本质
第11个问题是：什么是空间－时间？在弦理论中，许多人相信“空间和时间或许在劫难逃。”我们有许多例子表明在弦理论中空间是一个突现的概念。我们可以通过改变一个耦合的强度而轻易地改变空间的维数。按3维空间的规范理论表述的弦理论中，额外的6个维度和引力都是突现出来的。按量子力学矩阵模型表述的M-理论，其低能部分是用11维的超引力来描述的，其中全部10个空间维和引力似乎是描述宏观现象的近似方法。因此，我们有许多不同表述形式的弦理论，其中空间不再是一个基本概念，而是一个突现的概念。如果空间是一个突现的概念，那么时间也应该如此。但是我们如何想象时间是突现的呢？我不知
道如何从一开始就不用时间去表述一个物理学理论。我相信这一问题的答案，即空间－时间的真正本质，对于理解弦理论的真实含义将是必要的，解决这一问题将需要一些革命性的概念。
12、物理学是一门环境科学吗？
另一个引人入胜的问题，第12个问题，最近弦理论家讨论得很多，但比前述问题更普遍。这个问题就是：物理学是一门环境科学吗？我更喜欢将这个问题以下列方式提出：刻画物理宇宙的所有参数和定律原则上是可计算的吗？还是说，这些参数和定律在一定程度上是由历史的或量子力学的偶然事件所决定的？不可计算的物理参数的例子是我们太阳系中行星的半径。没有人相信我们可以计算这些半径。它们不是基本的。它们由历史偶然事件所决定的。精细结构常数和夸克与轻子的质量又如何呢？似乎，弦理论有许多解，许多可能的基态或真空。最近有些弦理论家已经发现了他们所谓的“景观”——宇宙的巨大数量的亚稳态。一些人认为这些亚稳态彼此十分不同。它们具有不同的空间－时间维数（很大的空间－时间维数），不同的规范耦合常数，不同的夸克和轻子的质量和数目。尤其是，它们具有不同的宇宙学常数。他们认为，当宇宙从大爆炸中突现时，它可能终结于这些状态中的任何一种，或者宇宙的不同区域可能经历暴胀，并终结于不同的状态。因此我们可能有一个多元宇宙。多元宇宙的有些部分看起来像这个，有些部分像那个，如此等等。那么我们在那一部分呢？生命存在、星系形成等等只能发生在多元宇宙中极少数的几个宇宙之中。因此他们诉诸“人择原理”（anthropic principle），来说明我们只能处于生命能够存在的那很小一部分宇宙之中。他们不去合理地计算自然常数的数值，不去推导出一些基本的规律，却希望通过人择原理保留一些预测能力。我个人根本不喜欢这种方法。我的确认为，爱因斯坦在表述自己的信念时所说的话是正确的，他说：大自然的立法，使得你最终能够计算一切；自然的法则如此强大，以至所有的参数都能够完全确定、不可更改，否则就会破坏整个理论。但是否如此，仍然是一个悬而未决的问题。
13、运动学和动力学
第13个问题是运动学和动力学之间的传统差别是否还将存在。在物理学中，传统上我们所说的运动学，指的是物理学的框架，比如量子场论或量子力学，或者早期的经典场论或经典力学。在这样一个框架中，我们引入一个特定的动力学，比如标准模型。但是你可以在同一运动学框架中引入不同的动力学规律；这取决于你。如果你仔细想一想，你就会觉得这种运动学和动力学的分离是多么奇怪。我相信，在我们试图理解弦理论和空间－时间的本质时，这种差别将会变得模糊。将来我们会有一个框架，不再被分成运动学和动力学，只有一个可想象的动力学，它与运动学框架交织在一起。随后，量子力学可能会作为不可避免的、不那么神秘的结论而突现出来。
14、凝聚态物理
凝聚态物理，与物理学其他领域相比，更多是由实验来推动的。因此当我请凝聚态物理学家为我提出问题时，他们许多人颇不情愿。他们说，“我们不提出问题，我们应对实验。”但是当我进一步询问时，我得到了一些好问题。其中之一涉及可能的新物质态，这是凝聚态物理中一个激动人心的领域，探索的是那些不能由朗道所发展的标准理论范式——费米液体理论——所描述的物理系统。量子霍尔系统就属于这一类，在过去的一二十年里，弄清它的结构一直是非常激动人心的工作。但是，是否存在其他种类的凝聚态相互作用系统，它们也表现出非费米液体的行为，并且可以通过常规的方式在实验中观察得到？理论家迄今已经发展出许多非常有趣的数学模型，这些模型已经超出了费米液体理论的描述范围。关于高温超
导，人们已经提出了不少模型，但迄今我们仍不理解高温超导。自然界中是否真的会有非费米液体行为的凝聚态物质系统，现在还是一个未知数。
15、复杂动力系统
25年前，KITP刚成立的时候，对呈现出复杂和混沌行为的动力学系统的研究，是一个非常时髦的领域。25年之后，这次会议的一个与会者问道：“现在，当我们发现一个复杂系统的时候，我们将它放到一个大型计算机上进行分析，我们从计算机模拟中得到数据，但是我们如何处理数据呢？我们如何理解它呢？”我们知道，这些复杂系统的预言能力具有内在的局限性。它们通常都有混沌的特征。但是仅凭模拟，理论家还不能断定，你所看到的究竟是一个复杂的难以计算的系统，还是一个具有某些有趣的混沌动力学行为的系统。因此对于理论家来说，急需开发工具去分析这些复杂的计算机模拟，以便了解隐藏在这些复杂数据之下的基础是什么。
16、量子计算机
量子计算是一个崭新的领域，大概只有10年之久，目标是建造一台使用量子元件的计算机。也已证明，在某些情况下，量子计算机的性能远远胜于传统计算机，优势是指数级的。对理论家来讲，这里最有趣的问题，第16个问题，是：量子计算机将是无声的或耳聋的吗？建造一台量子计算机，关键问题是防止量子系统退相干。如果一台量子计算机由于它与周围环境不可避免的相互作用而发生退相干，那么它就变成了一台传统计算机。防止一个量子态与环境发生相互作用是困难的。有两个策略：一个是“无声”策略——将计算机的量子比特与周围环境隔绝开来，从而尽可能地降低噪音。另外一个方法是建造一台“耳聋”的计算机，这里信息由拓扑性准粒子携带，拓扑性准粒子是非局域的，不能被破坏，因此不受环境噪音的影响。这是一个比较新的、使人着迷的量子计算机方案。这里的问题是，要证明存在这样的凝聚态物质系统，它们具有可以操控的拓扑激发态。
最后，我们真的能够建造一台量子计算机吗？量子计算机的基础是基本量子比特（qubits），例如像自旋；自旋可以向上或向下，对应于0或1，但实际上却是量子力学的。真正的计算需要10, 000个量子比特，但是此刻我们只能建造2或3个量子比特的计算机，距离10, 000个量子比特还有很长一段路。
17、高温超导体
我们的周年纪念会议上主要是从事基础研究的理论家，但下一个问题，即第17个问题，却是关于应用的，这是一个非常有趣的问题。我们能不能懂得如何制造室温甚至室温以上的超导材料？按凝聚态物理学家所说，没有理由相信你不能得到室温超导体。然而，当前的理论还不够好，不能断定是否可能获得室温超导体。另外一个吸引人的问题是：我们能不能懂得如何制造室温铁磁体——一种普通的，但不是由铁，而是由可加工处理的电子（半导体）材料制成的铁磁体？如果可以，那么人们就可以在微观层次上对它进行操作，对理论家来说这是一个非常有趣的目标和一个极好的题目。
18、生物学
现在我们转向生物学，它是许多软凝聚态物理学家开始感兴趣的一个领域。今天在生物学的世界中有许多漂亮的数据，例如人类基因组。我们能够基于所有这些数据来理解生命吗？存在一个生物学的理论吗？或者，生命仅是一个历史偶然事件吗？这看起来是一个非常困难的问题。理论物理学家很擅长理解复杂系统。但是生物系统与凝聚态物质系统是不同的。物理学家对此能有所帮助吗？除了计算和描述物理现象时所发展的数学，还需要新的数学去描述生物学吗？在生物学中我们必须处理许多不同时间尺度上的动力学，这可能是（需要新
数学的）一个原因。在你的神经元和你的基因组中，时时刻刻——在纳秒或更小的时间尺度上——都有重要的变化在发生。长此以往，这些变化会对生命造成经年累月的影响。物理学还没有处理过这类问题，因此估计需要新方法或新数学。
19、基因组学
物理学家特别感兴趣的，并且已开始投身其中的一个领域，就是基因组学。现在我们手中有了完整的蓝图，人类基因组。举例来说，我们可以利用基因组去理解进化吗？人们能够利用基因组去比较不同人之间的DNA，从而追溯物种在过去进化的历史。理论家能否用理论物理学的方法将进化史变成一个定量的甚至可预测的科学吗？我特别喜欢的一个问题是：我们能够通过基因组而获知一个有机体的形态吗？我想，20年之后，借助于物理学和物理学家的大量帮助，理论生物学可能会到达这样一个阶段：到那时，理论生物学课程的期终考试将会给学生们一小段DNA，要求他们基于这个DNA片段画出有机体的图像。
20、神经科学
神经科学是物理学家已经工作了许多年的另一个领域。这是因为理解大脑是如何工作的这一问题是一个激动人心和富有挑战性的问题。物理学家喜欢挑战性的问题。很清楚，我们需要一个理论去理解大脑是如何工作的，没有模型仅有观察达不到目的。在大脑研究中一个最吸引人的问题是意识的本质。更精确地讲：记忆和意识背后的原理是什么？我特别喜欢的一个问题是：我们能够测量一个婴儿的意识是何时开始的吗？子宫内的一个胚胎大概是无意识的。在你13岁的时候，你可能具有了意识。在胚胎和青少年之间的某个时间，意识出现了。什么时候？两天，两个星期，两年？你如何去测量是在什么时候意识开始出现的？它是突然出现的吗（一级相变，还是连续相变）？如果你能够告诉一个实验者如何去测量这个相变的本质，那么你对于意识可能是什么已经有了很多了解。另一个好问题是：我们是否能够制造出一台有意识的、有自由意志的、而且行为具有目的性的活机器吗？
21、计算物理学
围绕计算物理学产生了许多问题。作为理论物理学的一种方法，计算物理学在最近一些年变得非常重要。现在，许多科学家和物理学家，在遇到难题的时候，已经不是在纸上进行计算，而是在计算机上模拟这个问题。第21个问题是：计算机将会替代分析技术吗？如果这成为事实，那么我们需要改变对物理学家的训练吗？数百年来，我们一直使用同样的方法去教导学生。我们很少教导他们如何使用计算机，如何进行数值模拟。我们教导他们如何计算积分，如何解偏微分方程。我们要改变培养物理学家的方法吗？最终，维尔切克（Frank Wilczek）问道：“何时计算机将成为具有创造力的理论物理学家？”注意，他没有问“是否”，而是问“何时”。我们将如何培训它们呢？这是一个非常有趣的问题，在我们拥有一台可以成为具有创造力的理论物理学家的计算机之前，还有时间供我们作长期思考。我们是按照培训一个人的方式培训一台计算机，还是以一种不同的方式？对于人我们从经典力学开始，随后教授电学和磁学，然后是量子力学。对于计算机我们是否一开始就教它们弦理论，随后推导量子场论和作为近似的经典物理学？我不知道。这是一个可以思考的有趣问题。
22、物理学的统一
关于科学社会学，人们也提出了许多问题。尤其是，有不少问题涉及物理学王国的潜在割据局面。物理学变得如此庞大，有如此多不同的领域，因此有人问道：“物理学将会分裂成为不同的领域，不同的学科吗？”有些领域已经分裂了，例如化学就分裂成有机化学学科和无机化学。这些分离的领域使用不同的方法来教育它们的学生。我将此看作物理学面临的一个危险。物理学的伟大传统，是保持自己在普通教育和物理学家的文化中的核心地位，哪
怕这些物理学家是在相邻学科从事研究。事实上，物理学的统一由这次周年纪念会议的成功便可以得到证明，在此我们成功地让物理学各分支领域——从宇宙学到生物物理学——中的世界领袖人物聚集在一起，讨论作为一门思想和文化事业的物理学的未来。我希望并且相信物理学不会分裂成各自独立的领域。
23、还原论
第23个问题，是拉格特（Tony Leggett）提出的：“我们倾向于理所当然地认为，既然大物体是由小物体组成的，所以大物体的行为，至少在原则上，必定由小物体的行为所完全决定。这种观点比大自然能够区分她的左右手更为理所当然吗？”我是一个还原论者。我真的相信小物体能够决定大物体，但是我们应该保持一种开放的心态。甚至在弦理论中，我就能发现，在“大”和“小”之间存在着混淆的地方。
24、理论物理学的角色
另外一个社会学问题，第24个问题，是理论在物理学中所扮演的角色：“理论物理学的角色是什么？”对于理论物理学应该扮演的角色，存在两种极端的观点。一种观点认为，理论的角色是与实验和现象领域紧密联系在一起的，它帮助实验家解释他们的实验，辨别信号与噪音。另外一种观点认为，理论物理学的目标是获得一种更高层次的理解。为了获得这种理解，一个人可以将注意力集中于解决符合一般物理定律并且定义明确的数学模型，而不用考虑这些模型的真实与否。我们赋予简洁性和数学上的优美多大价值呢？这是第二组人群通常所关心的。对于理论描述复杂系统及其所有细节的能力，我们又赋予多大的价值？这是第一组人群所关心的。它们是两种不同的态度，两种不同的对待理论的方法。有些理论家喜欢第一种，有些喜欢第二种。依我的意见，两种方法都是好的，两种都是必要的。两种方法相互促进。我认为，作为一名理论物理学家，这两个部分都是必需的。
25、大科学的危险
最后，第25个问题是关于现代物理学所面临的一些危险。这个问题不是由一位粒子物理学家提出的，而是一位天体物理学家提出来的。他指出，不仅传统的大物理学——粒子物理学——需要更大和更昂贵的加速器，而且天体物理学的项目也开始变得难以上马，并且再过25年可能会无法落实。在粒子物理学中，危险已经隐约浮出地平线，天体物理学也是同样的情况。天体物理学家想要投入空间的仪器日益昂贵，以至于任何政府都难以承受。天体物理学中还存在一些大问题，但是我们可能没有能力去探索它们。因此：目前我们应该考虑什么新途径？是今天，而不是25年之后，到那时考虑就太迟了；理论家在应对这种危险时应该扮演什么角色？
这是我在会议上提出的25个问题。但是，我想要再增加一个我知道答案的问题。从现在开始的25年内，物理学是否会仍然重要，KITP是否会仍然重要？这里的答案很明确：“是的”。（李斌译，郝刘祥校）
初中物理速度计算
有关速度的计算 班级：________________姓名：_________________学号：__________________ 1、共汽车从甲站经乙站开到丙站，甲、乙两站相距S1=1200m，乙、丙两站相距S2=2160m。汽车从甲站开到乙站经历时间t1=2min，在乙站停车t0=1min后开往丙站，再经t2=3min到达丙站，求：汽车从甲站到乙站，从乙站开到丙站，从甲站开到丙站这三段路程中的平均速度各是多少？ 2、汽车沿平直公路从甲地开往乙地，两地相距90 km，开始时汽车以10 m/s的速度行驶了1.5h，然后余下的路程要在45min内匀速完成，求：后来汽车应以多大的速度行驶？ 3、已经测出自己正常步行时的速度是1.2m/s，从家门到校门要走15min，如果改骑自行车则需6min，问: （1）家门到校门的路程大约是多少？（2）骑自行车的平均速度是多少？ 4、森林“动物运动会”中，龟兔准备进行1千米赛跑。比赛开始后，乌龟和兔子同时从起点出发，兔子以8m/s的速度飞速奔跑，而乌龟只以0.36km/h的速度缓慢爬行，?1min后兔于发现远远超过了乌龟，便骄傲地睡起了觉，而乌龟却坚持以不变的速度爬行。2h后兔子醒来发见乌龟已快要爬到终点了！于是兔子赶紧用原来的速度追赶，请问最终谁取得了比赛的胜利？ 5、汽车在出厂前要进行测试。某次测试中，先让汽车在模拟山路上以8m／s的速度行驶500s，紧接着在模拟公路上以20m/s的速度行驶100s，求 （1）该汽车在模拟山路上行驶的路程？（2）汽车在这次整个测试过程中的平均速度？ 根据列车运行的时刻表，回答下列问题： （1）海驶往南京全程的平均速 度？ （2）计算列车从苏州驶往常州的平均速度？?? 7、甲、乙两车从相距30Km的两地同时出发。相向而行，甲车以24Km/h的速度行驶了18Km的路程时，刚好遇到乙车，求乙车的速度是多少？ 8、站在两判刑峭壁之间的山谷放一枪，在0.2s和0.6s后，听到前后两次回声，求山谷的宽度？ 9、从上海乘飞机去北京，飞行距离1040Km，所乘航班起飞时间是9:30，飞行速度为180m/s，她在北京的朋友李捷从北京的住地开轿车到机场接他，李捷住地离机场28Km，若轿车行驶速度为11m/s，为了按时接人，李捷从住地出发的时间应为几时几分？ 10、车从甲站到乙站正常行驶的速度是60km/n,有一次因故迟开了20min,为了准点到达乙站，火车司机把速度提高到72Km/h，求：甲乙两站的距离？火车从甲站到乙站正常行驶的时间？ 11、坦克炮瞄准一辆坦克，开炮后经0.6s看到炮弹在坦克上爆炸，又经2.1s听到爆炸的声音，求：（1）大炮距坦克多远？（2）炮弹飞行的速度多大？ 12、野兔在草地上以10m/s的速度向前方50m的树洞奔跑，秃鹰在野兔后方130m处以30m/s的速度贴着地 面飞行追击通过计算回答野兔能否安全逃进树洞（要求两种解法）。
21世纪物理学的25个难题
21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯1[①] 编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.wendangku.net/doc/031348315.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。 作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
实验在物理学发展中的作用
物理学史作业 2012届 实验在物理学发展中的作用 学生姓名赵孟冬 学号 08103137 院系数理信息学院 专业物理学 指导教师余国祥 完成日期2012年12月19日 实验在物理学发展中的作用 摘要 物理学是一门以实验为本科学。物理实验不仅是物理学理论的基础，更是物理学发展的基本动力。伽利略的实验研究特别是他把实验和数学方法结合来研究物理规律使物理学开始走上了真正的科学道路。实验在物理学的发展中有巨大的推动作用，在物理学中，每个概念的建立，每个规律的发现，无不有坚实的实验基础，而且在物理学史上，许多关键的问题的解决，最终都要诉诸实验。本文介绍了近代物理学的发展中四个着名的实验以及其在物理学发展中的作用。 关键词物理学；物理实验；发展；作用 目录 摘要 (2) 引言 (4) 1. 发现新事物.探索新规律 (4) . X射线的发现 (4) X射线的发现的过程 (4) 产生的影响 (5) 2. 验证物理理论 (5)
. 光电效应的研究 (5) 光电效应的发现 (6) 勒纳德的新发现 (6) 密立根的光电效应实验 (6) 研究光电效应的意义 (7) 3. 测定物理常量 (7) . 基本电荷的测定 (7) 汤森德电解法 (7) 汤姆逊的膨胀云室法 (8) 威尔逊的平板电极法 (8) 密立根的水珠平衡法 (8) 密立根油滴平衡法 (8) e的精确值 (9) 4. 推广应用新技术 (9) . 核磁共振 (9) 从核磁矩的研究谈起 (9) 珀塞尔小组的共振吸收实验 (9) 布洛赫的核感应实验 (10) 实际中的应用 (12) 参考文献 (12) 引言 物理学是以实验为本的科学，在物理学的发展中起来重要作用。在物理学的工作者中有90%从事实验工作。而从伦琴获得诺贝尔奖以来的一百年，176位获奖的物理学家中有67%
21世纪大学英语应用型综合教程修订版4课本练习答案
1. The police _blundered___ badly by arresting the wrong man. 2. The house was severely destroyed, so the couple spent thousands of dollars _renovating____ it. 3. The pilot was forced to _ditch___ the jet plane in the Gulf because of the hijacking. 4. Unlike the Satellite, it has no __internal____ battery, though it will accept external batteries made for the iPad. 5. The basis for training relies on the dog’s natural __instinct____ to hunt. 6. The __plaster___ was beginning to fall from the walls. 7. During each war the monopoly capitalists amassed ___fabulous____ wealth. 8. At college he studied English and did _amateur______ boxing Don’t _beat___ yourself up__ over something that you have no control over. They decided to _call in____ a doctor because the child was not any better. Ultimately, he said, the issue came ___down to __a dispute between the two countries. I always said he would _ wind up ____ in jail. Growth is a process of __ trial and error _________. You can learn as much from failure as you can from success. Maybe more. The bridge must be repaired within three days __ at all costs ____. 这座房子在地震中损毁严重，汤姆花了不少钱来修它。 The house was badly damaged in the earthquake, and Tom spent a lot of money renovating it. 正如史蒂夫·乔布斯所指出的，不断摸索一直都是苹果模式的一部分。 As Steve Jobs noted, trial and error has always been part of the Apple
初中物理速度计算完整版
初中物理速度计算 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
有关速度的计算 班级：________________姓名：_________________学号：__________________ 1、共汽车从甲站经乙站开到丙站，甲、乙两站相距S1=1200m，乙、丙两站相距S2=2160m。汽车从甲站开 到乙站经历时间t1=2min，在乙站停车t0=1min后开往丙站，再经t2=3min到达丙站，求：汽车从甲站到乙站，从乙站开到丙站，从甲站开到丙站这三段路程中的平均速度各是多少？ 2、汽车沿平直公路从甲地开往乙地，两地相距90 km，开始时汽车以10 m/s的速度行驶了1.5h，然后余下的路程要在45min内匀速完成，求：后来汽车应以多大的速度行驶？ 3、已经测出自己正常步行时的速度是1.2m/s，从家门到校门要走15min，如果改骑自行车则需6min，问:（1）家门到校门的路程大约是多少？（2）骑自行车的平均速度是多少？ 4、森林“动物运动会”中，龟兔准备进行1千米赛跑。比赛开始后，乌龟和兔子同时从起点出发，兔子 以8m/s的速度飞速奔跑，而乌龟只以0.36km/h的速度缓慢爬行，1min后兔于发现远远超过了乌龟，便 骄傲地睡起了觉，而乌龟却坚持以不变的速度爬行。2h后兔子醒来发见乌龟已快要爬到终点了！于是兔 子赶紧用原来的速度追赶，请问最终谁取得了比赛的胜利 5、汽车在出厂前要进行测试。某次测试中，先让汽车在模拟山路上以8m／s的速度行驶500s，紧接着在模拟公路上以20m/s的速度行驶100s，求 （1）该汽车在模拟山路上行驶的路程（2）汽车在这次整个测试过程中的平均速度 根据列车运行的时刻表，回答下列问题： （1）海驶往南京全程的平均速度？ （2）计算列车从苏州驶往常州的平均速度？ 7、甲、乙两车从相距30Km的两地同时出发。相向而行，甲车以24Km/h的速度行驶了18Km的路程时，刚好遇到乙车，求乙车的速度是多少？ 8、站在两判刑峭壁之间的山谷放一枪，在0.2s和0.6s后，听到前后两次回声，求山谷的宽度？ 9、从上海乘飞机去北京，飞行距离1040Km，所乘航班起飞时间是9:30，飞行速度为180m/s，她在北京的朋友李捷从北京的住地开轿车到机场接他，李捷住地离机场28Km，若轿车行驶速度为11m/s，为了按时接人，李捷从住地出发的时间应为几时几分？ 10、车从甲站到乙站正常行驶的速度是60km/n,有一次因故迟开了20min,为了准点到达乙站，火车司机把速度提高到72Km/h，求：甲乙两站的距离火车从甲站到乙站正常行驶的时间 11、坦克炮瞄准一辆坦克，开炮后经0.6s看到炮弹在坦克上爆炸，又经2.1s听到爆炸的声音，求： （1）大炮距坦克多远（2）炮弹飞行的速度多大
物理学最前沿八大难题
物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。
物理学与高新技术作业题
《物理学与高新技术》作业 （所有选修本课程的学生必须交作业，否则成绩为不及格） 一、简答题 1. 物理学是技术的基础。在近代物理学研究成果的基础上，产生了一系列的高新技术学术领域和产业，你所了解的有哪些？ 通信技术与产业、激光技术与产业、电子技术与产业、光子技术与产业、计算机技术与产业等等。 2. 自然科学的研究对象是什么？ 自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。科学是研究自然界不同事物的运动、变化和发展的专门知识，有着巨大的理论指导意义，为技术的发展提供理论和依据。 3. 技术的涵义是什么？ 技术是人类在利用自然、改造自然,为人类实现社会需要，促进社会发展而创造和发展起来的各种活动方式、手段、方法和技能的总和。 4. 物理学的研究对象是什么？ 物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学。物理学研究的内容极其广泛，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。 5. 物理学中常用的两种分析方法是什么？ 物理学中常用的两种分析方法是定性分析法和定量分析法，定性分析法是指判断性的分析，如判断某种因素是否存在，判断某种事物有何性质等；定量分析法是对事物作数量上的分析。从定性到定量，这是物理学发展的必然。 6. 物理实验创新的内容包括那些？ 物理实验创新包括：实验设计思想创新；实验仪器设备创新；实验研究方法创新；实验设计思想创新。其中，实验设计思想创新是关键。 7. 1877年，氧气被液化，液化点的温度是多少？氮气被液化，液化点的温度是多少？1898年，杜瓦（J. Dewar ) 第一次将氢气液化，液化点的温度是多少？1908年，荷兰，莱登实验室的卡末林·昂纳斯（Kamer lingh Onnes），第一次将氦气液化，液化点的温度是多少？ 1877年，氧气被液化，液化点：-183oC，绝对温度：90K。氮气被液化，液化点：-196oC，绝对温度：77K。1898年，杜瓦（J. Dewar ) 第一次将氢气液化，液化点：-253oC，绝对温度：20K。1908年，荷兰，莱登实验室的卡末林·昂纳斯（Kamer lingh Onnes），第一次将氦气液化，液化点：-268.75oC，绝对温度：4.25K。 8. 超导体的基本物理性质中零电阻效应指的是什么？超导体的迈斯纳效应指的是什么？ 超导体的基本物理性质中零电阻效应是指：（1）超导体的临界温度Tc。电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度。（2）超导体的临界磁场。超导电性可以被外加磁场所破坏，处于温度为T（T UNIT1 TEXT A 我的父亲温斯顿·丘吉尔是在40几岁开始迷恋上绘画的，当时他正身处逆境。1915年，作为海军大臣，他深深地卷入了达达尼尔海峡的一场战役。原本那次战役是能够缩短一场血腥的世界大战的，但它却失败了，人员伤亡惨重，为此丘吉尔作为公务员和个人都付出了代价：他被免去了海军部的职务，失去了显赫的政治地位。 “我本以为他会因忧伤而死的。”他的妻子克莱门泰因说。被这一不幸压垮的他同家人一起退隐到萨里郡的一个乡间居处---耘锄农场。在那儿，正如丘吉尔日后所回忆的，“绘画女神拯救了我!” 一天他正在花园里漫步，正巧碰上他的弟妹在用水彩画素描。他观看了她几分钟，然后借过她的画笔，试了一下身手----于是缪斯女神施展了她的魔法。自那天以后，温斯顿便爱上了绘画。 任何能让沉浸在忧思中的温斯顿分心的事情都让克莱门泰因高兴。于是，她赶紧去买来她所能找到的各种颜料和画具。水彩颜料、油画颜料、纸张、帆布画布---很快耘锄农场里便堆满了一个绘画者可能想要或需要的各样东西。 画油画最终成了温斯顿的一大爱好---但是最初几步却出奇地艰难。他凝视着他的第一块空白画布，异乎寻常地紧张。他日后回忆道：“我迟疑不决地选了一管蓝色颜料，然后小心翼翼地在雪白的底子上的画上蚕豆般大小的一笔。就在这时，我听到车道上传来一辆汽车的声音，于是惊恐地丢下我的画笔。当我看清是谁从汽车里走出来时，更是惊慌失措。来者正是住在附近的著名画家约翰·莱佛利爵士的妻子。 “…在画画呢!?她大声说道。…多么有趣。可你还在等什么呢? 把画笔给我---大的那支。?她猛地用笔蘸起颜料，还没等我缓过神来，她已经挥笔泼墨在惊恐不已的画布上画下了有力的几道蓝色。谁都看得出画布无法回击。我不再迟疑。我抓起那支最大的画笔，迅猛异常地向我可怜的牺牲品扑了过去。自那以后，我再也不曾害怕过画布。” 后来教丘吉尔画画的莱佛利曾经说起过他这位不同寻常的学生的艺术才能：“如果他当初选择的是绘画而不是政治，他定会成为一位驾驭画笔的大师。” 在绘画中，丘吉尔发现了一个将陪他走过大半人生的伴侣。1921年，他的母亲去世，两个月后，他又失去了他和克莱门泰因的3岁爱女玛丽戈尔德。那时，绘画是他的慰藉。悲痛欲绝的温斯顿住到了苏格兰朋友们的家中---并在他的绘画中寻得安慰。他写信给克莱门泰因：“我外出画了一条在午后阳光下的美丽的河流，背景是红色和金黄色的山峦。爱怜的思绪油然而生……啊，我一直感受到失去玛丽戈尔德的痛楚。” 生命、爱和希望慢慢地复苏了。1922年9月，克莱门泰因和温斯顿的另一个孩子出生了：那就是我。同年，温斯顿买下了查特威尔，这是他将在以后40年里画出其所有不同风貌的他所钟爱的家。 20世纪20年代中期，我父亲在伦敦举行的一次享有盛名的业余画展中赢得了一等奖，当时他一定颇为得意。参赛作品不署名，所以一些评委坚持认为温斯顿的画---有关查特威尔的第一批画作中的一幅---是一位专业画家而不是一位业余画家的作品，所以应该取消其参赛资格。但最后，他们同意信赖那位艺术家的诚实，而在得知那幅画为丘吉尔所作时他们都很高兴。 史学家们一直把1929年温斯顿再次被免职后的10年称为他无所作为的十年。也许政治上那些年（他）的确毫无作为，因为他一个人大声疾呼，想要唤醒英国人认识到来自希特勒的威胁，然而响应者寥寥无几。但在艺术上，那些年却硕果累累：现存的500多幅丘吉尔的油画中，约有一半作于1930年至1939年之间。 绘画始终是丘吉尔的一种乐趣，直到他生命的结束。“画家是幸福的，”他在他的《作为一种消遣的绘画》一书中写道，“因为他们不会孤独。光线与色彩，宁静与希望，将终日伴随着他们。”对我的父亲来说也是这样UNIT2 TEXT A 富克斯·巴特菲尔德 当郑金枝的父亲用积蓄的钱为她买了一张票，让她乘上一条将带她离开越南的渔船时，她才9岁。对这个家庭来说，将金枝送上小船，置身于陌生人中间，是一种令人心碎、代价昂贵的牺牲。他们只愿她最终能到达美国，在那儿受到良好的教育，享受更美好的生活。 对小女孩来说，这是一次充满危险的艰苦旅程。在小船到达安全之地以前很久，食物和水的贮备已经用完。当金枝最终到达美国后，她又不得不同一连3个收养家庭相处。但是当她1998年从圣地亚哥的帕特里克·亨利中学毕业时，她取得了全优的成绩以及这个国家最享盛名的几所大学提供的奖学金。 “我必须取得好成绩，”这个现为康奈尔大学二年级学生的19岁姑娘说，“这样我才对得起在越南的父母。” 金枝是一群聪明伶俐、积极进取的美籍亚裔中的一员，他们正突然潮水般地涌入我们最好的大学。虽然美籍亚裔只占全国人口的2.4%，但他们在哈佛的本科生中却占了17.1%，在麻省理工学院占了18%，在加州大学伯克利分校占了27.3%。 为什么美籍亚裔的成绩这样优秀呢? 他们是否像一些陈旧的看法所暗示的那样是些埋头用功的学生? 他们是否有更高 的智商? 或者在我们一向珍视，但也许已经丢失的价值观----如敬业、家庭和教育等方面，我们是否可以向他们学到一些有用的东西呢? 并非所有的亚裔人都学得一样好；比如，没受过什么教育的柬埔寨难民的孩子就常常需要特殊的帮助。许多美籍亚裔人不喜欢被称为“模范的少数民族”，他们感到这是美国白人的逆向歧视----虽与1965年以前排斥大多数亚洲移民进入美国的法律截然不同，但仍是一种偏见。 Unit1 1.被警察询问时，杰夫极力保持冷静，沉着地回答每个问题。(composure) Jeff tried to keep his composure and answer every question calmly when inquired by the policeman. 2.油价不断上涨，世界各国都不同程度地受到了影响。(one way or another) With oil prices keeping on increasing, all the countries in the world have been affected (in) one way or another 3.他在会上提出了一系列可能避免环境污染的措施。(ward off) At the meeting he proposed a series of measures that might ward off the environmental pollution. 4.迈克向他父亲保证他一定会全身心投入到即将到来的比赛上。(assure) Mike assured his father that he would put his whole heart into the coming competition. 5.一旦玛丽下定决心，就绝不会动摇。(waver) Mary will never waver once she makes up her mind. 中国人从小就相信英雄得具有大无畏和自我牺牲精神(self-sacrifice)。当国家利益和个人利益相冲突时，英雄们总是选择牺牲自己。刘胡兰和董存瑞在中国家喻户晓。1947年，15岁的刘胡兰由于积极投身中国解放运动而被敌人杀害。战士董存瑞手托炸药包(a pack of explosives)，炸毁了敌人的碉堡(blockhouse)，并献出了自己的生命。但是，随着时间的推移，英雄的标准已经多样化，人们开始质疑这些英雄是否仍然是当今的楷模(role model) 。 Chinese people are brought up to believe that a hero has to be associated with tremendous courage and self-sacrifice. Whenever there is a contradiction between the interest of nation and their own, Chinese heroes always choose to sacrifice themselves. Both Liu Hulan and Dong Cunrui are household names in China. Liu was a 15-year-old girl killed by the enemy in 1947 for being actively involved in liberation of China. And Dong was a soldier who blew off the enemy blockhouse by holding a pack of explosives in his hand and killed himself in the explosion. However, it is open to question whether they can still be role models today since the criteria for heroes have diversified along with the passage of time. Unit2 1.他们的一些罪行骇人听闻，简直令人毛骨悚然。 Some of their offences are so awful that they would chill the blood . 2. 材料包括但不限于洋葱、奶酪、西红柿和黑胡椒。 The ingredients included but were not limited to onions, cheese, tomatoes and black pepper 3.他认为总经理如此重视那些日常琐事很荒唐 He considered it ridiculous for the general manager to attach so much importance to those routine trifles. 4. 我们没人打破物理定律，不然就有人获诺贝尔奖了！ We didn’t break the laws of physics, or else someone would be getting the Nobel 1．如图所示，在一敞口玻璃瓶甲里盛适量的水，使之能浮 在一水槽中，将另一只同样的敞口空玻璃瓶乙瓶口朝下， 按入槽内水中，并固定位置，在标准大气压下，对槽内水 加热到沸腾时。() A．槽内甲、乙瓶内水温都不能达到100℃B. 甲瓶内 水沸腾，乙瓶内水不沸腾 C. 甲瓶内水不沸腾，乙瓶内水沸腾 D.甲、乙瓶中水都不沸腾2．一个物体在甲溶液中处于漂浮状态，在乙溶液中处于悬浮状态，且两溶液中液体的深度相同。则物体受到的浮力分别为F甲和F乙，容器底部受到的压强分别为P甲和P乙的关系是 A．F甲 近代物理进展作业物理学发展永无止境 班级： 学号: 姓名： 日期： 物理学发展永无止境 摘要： 经典力学，经典电动力学，经典热力学形成物理世界三大支柱。它们紧紧结合在一块，构建起一座华丽而雄伟的殿堂。物理学家甚至相信：这个世界的基本原理都已被发现，物理学已尽善尽美，已经走到了尽头，再也不可能有任何突破性的进展，如果说还有什么要做的事，那就是在一些细节上进行补充与修正。新的物理结论代替旧的物理结论也是必然，没有一种理论可以说绝对完美，即使我们提出的理论在完美，也终会有受局限的一天，所以我们没有必要一定要提出十分完美，别人永远攻不破的理论，我们要做的只是使物理大厦更加完善，所以我们要做只是努力向前看！ 物理学的开端源溯深远，但若说物理学真正意义上的征服世界还是在19世纪末，他的力量控制着一切人们所未知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打依旧屹立不倒，反而更凸显他的伟大与坚固。从天上的行星到地上的石头，万物皆毕恭毕敬的遵循它的规律。1846年海王星的发现更是它取得的伟大胜利之一。光学方面，波动论统一天下，神奇的麦式方程完美的诠释了这个理论并将其扩大到整个电磁领域。热学方面，热力学三大定律已基本建立，而在克劳修斯，范德瓦尔斯的努力下，分子动理论和统计热力学成功建立。 当然，更令人惊奇的是这一切似乎都彼此包含，形成了以经典物理联盟。经典力学，经典电动力学，经典热力学形成物理世界三大支柱。它们紧紧结合在一块，构建起一座华丽而雄伟的殿堂。 那当然是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。科学的力量从这一时期开始才真正变得如此强大，如此令人神往。我们认为自己已掌握了上帝造物的奥秘，在没有遗漏，我们所熟知的一切物理现象几乎都可以从现成的物理理论里得到解释。力，热，声，光，电等等一切的一切，似乎都被同一种手法控制。物理学家甚至相信：这个世界的基本原理都已被发现，物理学已尽善尽美，已经走到了尽头，再也不可能有任何突破性的进展，如果说还有什么要做的事，那就是在一些细节上进行补充与修正。一位著名的科学家说：“物理学的未来，将在小数点第六位后面去寻找.。”而普朗克的导师甚至劝他不要浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。 但历史再次体现了他惊人的不确定性，致使19世纪物理世界所闪烁的金色光芒注定只是昙花一现，而那喧嚣一时的空前繁盛的经典物理终究要像泡沫那样破败凋零！ 其实，今天回头来看，赫兹1887年的电磁波实验的意义远比实际得出的结论复杂而深远。它一方面彻底的建立了电磁理论，为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔；另一方面，它又埋下了促使经典自身毁灭的武器，孕育了革命的种子。当赫兹在卡尔斯鲁厄大学的那件实验室里通过铜环接收器的缺口爆发的电火花证明电磁波存在时，还发现了一个奇怪的现象：当有光照射到这个缺口上时，似乎火花出现 21世纪是一个大健康时代 21世纪是一个大健康时代。人类将追求心理、生理、环境的完全健康。富裕起来的中国百姓，面对生活水平的迅速提升越来越懂得健康是人生最宝贵的财富。它胜过银行里高额的存款，以及世界上所有的一切。人们对身心健康的重视标志着社会的进步。无论是人类自身的发展和自身价值的实现，还是社会发展的参与和成果的享有，必须以健康为前提。没有健康的身心一切都无从谈起，追求健康就是追求文明和进步。追求健康是社会发展和民族强大的保障。展开广泛深入的健康教育是关系到子孙万代的伟大工程，是中国老百姓迫切的需求。 一、健康的定义 1、定义 二十世纪七十年代，联合国世界卫生组织（WHO）在世界保健大宪章中对健康做了如下定义："健康不公是身体没有疾病。还要有完整的生理、心理状态和社会的适应能力"。（1）身体无病：是健康的最基础条件。 （2）生理健康：心态决定了人生的一切，良好的心理是一切的保证。 （3）生理健康：维持机体各组织的细胞，功能协调作用完善。 （4）适应社会的能力：当今社会的三大特征："速度、多变、危机"对策："学习、改变、创业"。 2、健康的十条标准： （1）精力充沛，能从容不迫地应付日常生活的压力而不感到过份紧张，你可以从事你渴望做的一切工作。 （2）处事乐观，态度积极，乐于承担责任，严于律已宽以待人。 （3）应变能力强，能够较好地适应环境的各种变化。 （4）对于一般***冒和传染有抵抗能力。 （5）体重标准，身体匀称，站立时身体各部位协调。 （6）眼睛明亮，反应敏捷无炎症。 （7）头发有光泽，无头屑或较少。 （8）牙齿清洁，无龋齿、无疼痛，牙龈颜色正常，无出血现象。 （9）肌肉、皮肤有弹性，走路感觉轻松。 （10）善于休息，睡眠好。 二、疾病与寿命 1、人类的理想寿： （1）根据生物学的原理： （2）哺乳动物的寿命是生长期的5－7倍，人类的生长期用最后一颗牙齿出来的时间（20－25岁）来计算的。因此人的寿命应是125岁到175岁，平均150岁。最低也应该是100岁。0－60岁为生命的第一个春天，播种耕耘，辛勤劳作。61－120岁是生命的第二个春天，金色收获，温馨从容。 （2）人类寿命的变化： 国人的平均寿命由解放前的35岁一跃上长为2000年底的71岁。过去：人活70古来稀。现在：活到80不算老，70还是正当年。 几种动物生长期和寿命 我国历代人的平均寿命 速度计算题专题 t s v = 计算题注意事项 1、必须有公式，求什么就用什么公式 2、必须带单位计算，而且单位要相互配套，如果不配套，需要提前换算成配套单位再计算 3、公式中的物理量和所带数值要一一对应 4、只有计算式子，物理中没有分数 5、计算过程中，遇到除不尽的情况，题目没有说保留小数位数，请保留小数点后面两位 6、声音在空气中的传播速度s m v /340=；光在空气中的速度s m v /1038?=可以直接当成已知条件使用 练习： 1.某列车从永川到重庆，发车时间为上午11：35，到站时间是下午2：35，如果列车行驶的速度是54千米/小时，求永川到重庆的距离。 2.闪电后4秒钟听到雷声，问：闪电处距观察者有多远？（V 声=340米/秒，V 光=3×108米/秒） 3、 ①方框中北京，60km是什么意思？ ②圆圈中40是什么意思？ ③从看到标牌处到北京用多长时间？ 4.在我州麻江县至贵阳的高速公路上，轿车司 机上午8时正，在高速公路甲地看见路边立 有如图14甲所示的标志牌，当轿车行驶到乙 地时司机又看见路边立有如图14乙所示的标 志牌，此时时钟指在8时30分，问(1)轿车 从甲地行驶到乙地的平均速度是多少km/h？ (2)司机在遵守交通法规的前提下，最快需要 用多少时间到达贵阳？几时几分到达贵阳？ 5、近年来我国铁路事业迅猛发展，如图所示。（1）以动车车次D3018为例，此趟车09：50从上海始发，途经南京等地，16：11到达终点站武昌，部分具体行程见下方的列车时刻表，该动车在南京到武昌间行驶的平均速度为多少km／h？合多少 m/s？（2）途中动车要穿过一条隧道，动车以72km／h的速度匀速行驶，用了2min 完全穿过长度为2000m的隧道，求这列动车的长度是多少m？动车全部都在隧道中的时间是多少s？ 车站到达时间发车时间里程/km 上海始发站09：500 南京12：0212：11301 合肥13：1913：21457 武昌16：11终点站841 物理学最前沿八大难 题 物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。 最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形 21世纪的世界格局 近年来，由于我国经济的持续发展和综合国力的不断提高，伴随着所谓‘中国威胁论和中国世纪论也开始在世界流行，国民生产总值已经上升到全球第二的位置，保持了近30年的高速增长，这在世界上也属奇迹。随着对外开放的进一步深入和社会主义市场经济体制的逐步建立和完善，中国经济将在未来较长时间内保持持续高速增长的态势。在世界经济增长中心向亚太地区移动的大背景下，21世纪将是中国世纪，但挑战不容小视。 对于21世纪是中国的世纪，我们不能过于乐观，仅仅在经济上取到了巨大的成就不足以让我们成为世界上的强国，我将从政治、经济、文化、国际环境四个方面来阐述21世纪世界变迁中的中国所面对的机遇与挑战，以及是否21世纪是中国的世纪。 在政治方面，国家的政治力是国家软实力的重要组成成分，它包含国内和国际两个方面。国内方面是指对内的能力，属于执政能力的范畴;国际方面属于久交的一部分。中国政治力爱中国政治发展进程表现两重性特点优势和劣势并在，即中国政治对内保持强大的凝聚力，而国际社会对中国民主政治了解不多，使中国在国际社会的感召力弱小。从国内与国孙超比较的角度来看，中国政治力的国内动员能力强大，而国际动员能力弱小，这样的特点可能在相当长时期内很难改 变。因此强强中国政治能力建设既是提高中国政治发展水平的必然要求，也是中国内部政治系统与外部政治系统相互交流的保证。 虽然中国经过改革开放后走上正规，未发生重大的变故，但国内政治制度和法律制度却存在极大的不完善性，对中国的稳定发展会带来潜在的危害。首先政府重要官员的选拔普通民众参与度不高，而他们的考核又以GDP为重，普通民众的感受似乎对他们的升迁没什么影响。往往官员为了自己的前途，大力发展经济而忽视了人民的利益，造成了中国社会矛盾的不断激化，表现为：一方面，社会冲突的总量在迅速主升，制度内和制度外的社会冲突都呈现上升态势;另一方面，制度内的社会冲突在社会冲突总量中的比例在下降，相应制度外的社会冲突的比例在上升。这些小范围的冲突没有转化为大规模的冲突，一是网络媒体的发展，官民对话互动的机会增加；二是中国政治日益开放的前提下，中国各级政府与民众的对话能力也得到了前所未有的提高。其次，宪法的权威未得到足够的维护，宪法对政治的稳定性不够。由于法律未能有效的独立于政治，容易造成国家的政策因领导人的改变而放变，极易造成个人凌驾于法律之上，又如“薄熙来事件”，应该引起我们极高的重视。最后，人民享有的权益我们应该得必要的保护，如果政府为了发经济发展而不顾人民的生活感受，那么我们发展的目的又何在呢？21世纪大学英语翻译
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