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评论:物理学应对环境和能源挑战应如何发展

http://www.sina.com.cn 2008年01月10日 09:53  科学时报

  作者:陈欢欢

  接到《科学时报》记者的采访提纲之后,欧阳钟灿院士向中科院理论物理所的几位研究员布置了一份“作业”——物理学在应对环境和能源的挑战下应该如何发展?

  欧阳钟灿说,整个2007年物理学的发展就是国际纯粹应用物理联合会(IUPAP)的观点——物理结合能源和气候问题。

  IUPAP副主席陈佳洱院士最近从巴西带回了一封IUPAP主席关于能源问题的公开信,其中提出物理学要注意两件世界大事:能源短缺和气候变暖,认为物理学如果不参加进来,将很可能被边缘化。IUPAP在其关于能源和气候问题的报告中专门提到中国、印度、巴西的经济发展对世界能源的压力。

  欧阳钟灿说:“周光召先生强调物理学研究一定要有重大目标。什么是重大目标?这就是。大家都在研究能源和气候,物理学不能不动。”

  2007年10月举行的理论物理所学术委员会第一次大会,北京大学甘子钊院士因有事不能参加,特地让欧阳钟灿转达一个建议:物理学已经为IT服务了50年,但是现在要从IT转到ET,即服务能源(Energy)和环境(Environment)科技。

  欧阳钟灿举例说,1998年诺贝尔化学奖得主、美国凝聚态物理学家沃尔特·科恩最近几十年来一直关注能源问题,其自费制作的纪录片《太阳的能量》将在世界范围内发行。

  “也不是只有外国人关注能源问题。”欧阳钟灿说,彭桓武先生在去世前最关心的问题就是能源,认为物理不能只关注纯粹的理论,还要关心国家需求。理论物理所何祚庥院士也为发展我国可再生能源呼吁了多年。“所以现在老一辈科学家都很注意这个问题。”

  欧阳钟灿说:“盘点2007年物理学的进展,我们不想重复Science与Nature的综述,我们更关注中国自己的问题。所以这次我找了几个一线年轻人,想听听他们的看法。”2007年12月底,带着完成的“作业”,理论物理所4位一线研究人员向《科学时报》记者介绍了他们眼中2007年的物理学。

  高能物理:建成大科学装置

  高能物理是需要大型装置且依赖国际合作的学科。2007年国内最大的进展就是大科学装置的建立。

  2007年12月24日,中国科学院上海应用物理研究所的光源储存环成功实现3GeV电子束储存,获得同步辐射光。

  中科院高能所的北京正负电子对撞机BEPC2将于2008年夏天开始运行,亮度比BEPC1高2个量级,期望取得一些有重要意义的实验结果。

  国际上,从2007年起,一些老的对撞机已经完成既定科学任务,相继退出基础科学研究,转入应用研究。费米实验室的Tevatron大概还要运行两年。而2008年高能物理方面最值得期待的事件是欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)计划夏天开始取数,其对撞能量高达14TeV,预期一两年内就可能发现Higgs粒子。Higgs粒子是理论上预言存在、标准模型中唯一还没有被发现的粒子。

  据陈裕启研究员介绍,2007年,费米实验室对W玻色子和top夸克质量进行了更精确的测量,由此在标准模型框架内把Higgs粒子的质量限定到更低——95%的置信度下小于144GeV。

  阿根廷Pierre Auger天文观察台的观测结果显示,极高能量宇宙线(能量约为6×1019eV)可能来自活动星系核区域。该发现有助于解决超高能量宇宙线的起源问题。

  日本KEK的B工厂观测到了带电的质量为4.43GeV、能衰变到 粒子的强子态。如得到进一步证实,这将是四夸克态存在的有力证据。陈裕启表示,国内在这方面也做了一些很好的理论工作。

  另外,费米实验室的miniBooNE短基线中微子实验排除了LSND实验关于存在第四种中微子—— sterile中微子的解释。

  不过,费米实验室在2007年遭到一次巨大打击,甚至准备裁员200人。原来,在美国国会2008年度财政拨款中,国际直线对撞机(ILC)的R&D经费比预期减少了75%,这些经费转而投入可再生能源、清洁煤燃烧等方面的研究。而从2007年10月到2007年底,负责ILC设计的费米实验室已经花完了剩下的25%经费。

  陈裕启表示,这意味着美国ILC的R&D研究从2008年1月起就只能停止。同时受到影响的还有美国SLAC的B工厂,将比预计提前7个月结束取数。另外,英国也从ILC的R&D研究中撤出。美国国会2008年度财政拨款还同时撤出了国际热核聚变实验堆(ITER)项目中美国应承担的部分。陈裕启说,可以预见,LHC开始运行后,世界高能物理实验研究的中心将转移到欧洲。

  不过,欧阳钟灿认为:“美国削弱对高能物理的支持并不是完全没道理的——如果关系人类生存的问题还不能解决,高远的目标也只能放一放。”

  核物理:复苏中前行

  同高能物理一样,核物理也是需要大科学装置的学科。

  2007年,耗资约3亿元人民币的“九五”重大科学工程项目——兰州中科院近代物理所的重离子加速器冷却储存环建成。利用重离子加速器,近代物理所进行了重离子治癌临床试验,使我国成为国际上第四个有能力开展重离子治癌研究的国家。目前已对51例浅层肿瘤患者作了临床治疗,疗效明显。周善贵介绍,利用新建成的冷却储存环,将来可以治疗更深层的癌症。

  其他大科学工程,如散裂中子源、先进研究堆以及重大国际合作项目——大亚湾反应堆中微子实验项目也在顺利进行。

  值得一提的是,我国的这些大科学装置多是自己设计建造的,如在兰州重离子加速器冷却储存环工程中,自主研制的设备占70%。

  在基础研究方面,超重元素的探索涉及许多重大科学问题。周善贵副研究员说:“如果发现一种新元素,说不准有什么用,也许可以用做新的能源、材料、武器。”

  目前得到广泛认可的最重元素为112号元素,是德国重离子研究中心(GSI)1996年发现的。而俄罗斯杜布纳联合核子研究所利用另一种核反应机制发现的112至116和118号元素一直没有得到承认。不过,2007年,GSI重复了联合核子研究所112号元素的实验结果。周善贵说:“虽然只重复了一个,但是大家很关注,因为其他更重元素的结果也有可能重复。”

  在我国,2007年11月,国务院批准并公布了《国家核电发展专题规划(2005-2020年)》,预计到2020年,我国核电比重将从不到2%提高到4%,将建设30多座核电站。

  随着需求的增加,核物理人才培养重现生机。欧阳钟灿指出,研制“两弹一星”时我国很重视核物理,后来学科慢慢萎缩,很多高校都取消了相关专业,因此我国现在人才短缺。

  据统计,仅核电工业每年需要约4000名本科以上在校学生,而目前在校生尚不足1000人。周善贵表示,据日本核物理学会的统计,日本有900多名核物理学家,而我国“算来算去也就日本的一半左右”。在投入上,日本也是我国的10倍或更多。如2007年开始运行的日本理化学研究所的放射性核束工厂,仅一期就耗资约4亿美元。

  好消息是,到2007年,全国已建立20多个核科学技术学院;同时,全国唯一的国家核物理理科人才培养基地在北京大学建立;我国第一个核物理与核技术国家重点实验室也在北京大学筹建;放射性核束物理与核天体物理研究继2000~2005年得到国家“973”项目的支持,取得重要成果之后,在2007年的“973”项目中又得到批准。

  统计物理:视野要开阔

  周海军研究员首先向记者介绍了2007年他所了解的几项有意思的工作。

  NP完备问题是同庞加莱猜想并列的七大数学难题之一,但是人们却一直不知道这类问题为何如此困难。2007年,法国和意大利的联合研究组用统计物理的方法研究一个N完备问题解空间的精细结构,发现当约束变大时,NP完备问题的解空间会出现一系列相变行为。这就从物理角度直观地解释了NP完备问题的困难性,对以后设计更好的算法和证明NP≠P都有帮助。据悉,国内的一组作者对同一问题基于不同途径独立进行了研究,但可惜的是由于所在单位计算能力的不足而落后一步。

  在统计物理和神经科学的结合方面,周海军表示,统计物理同基因调控网络、新陈代谢网络等系统的结合已经有很多工作,但对大脑这个更复杂的系统却相对研究很少。2007年,意大利一个研究组把统计物理的方法用到简单神经系统中,研究其学习过程,给出了一个大脑处理简单信号并给出判断的算法。周海军表示:“统计物理和脑科学结合是个很大的领域,以后可能会很热门。”

  聚类问题用处很大,如蛋白质分类、社会科学中的分类。聚类问题也很古老,至少有1000种解决方式,不过以前大多用计算科学的解决方法。2007年,加拿大一个研究组用统计物理的思路解决了聚类问题,文章发表在《科学》上。他们在系统每两个元单位之间传递信号,信号在系统中不断迭代演化,最后稳定时信号指向最多的几个元单位就可以作为系统的代表。周海军解释道:“如果把一份文件放入该算法,系统就能自动找出主题,产生最具代表性的几句话。预计以后还有其他方面的发展。”

  而我国的统计物理研究并没有形成大的潮流,周海军认为研究的问题总体较为抽象,和实际困难问题联系也许较少。2007年,一个有趣的题目是中国科技大学和中国人民大学研究的网上推荐系统。“比如网友对一部电影的评价会影响后来人的判断。但是很多信息并不权威,需要通过处理得到更好的结果。这不仅有学术意义,也可能发展成软件。”周海军说。

  “总体来说,2007年统计物理的一个动向就是把方法和思想应用到很多具体学科中。”周海军说:“研究统计物理的人视野可以更开阔一些,从物理的角度去看数学、计算科学、生命科学和社会科学,也许能解决很多以前想都不能想的难题。在一定程度上,可以说统计物理学现在是一门交叉学科。”

  凝聚态物理:担子越来越重

  2007年,凝聚态物理中最热门的话题是诺贝尔奖授予了发现巨磁电阻效应的法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔。

  罗洪刚副研究员认为除了为ET服务,物理学还会继续为IT服务,诺贝尔奖就是一个最好的例子,今后“物理的担子将更重”。

  巨磁电阻效应的根本起源是电子除了有电性还有磁性,即自旋。利用这个性质,多层膜中的磁阻效应能达到50%,因此可以用于信息存储。罗洪刚表示,用到自旋的好处就是能耗低、记录密度高,存储单元的尺寸可以做得很小,目前达到50纳米×200纳米,而磁头读取器只有10纳米。据悉,现在用巨磁电阻效应做成的磁记录介质的商业规模已经达到约600亿美元。

  2007年,磁阻效应的研究又有了新进展。3月,美国科学家发现了量子化的磁阻效应;5月,德国汉堡大学Bode等人在以钨为衬底的锰单层原子中观察到螺旋磁有序现象。利用这两种性质,磁记录密度将进一步大大提高。

  罗洪刚说:“自旋电子学现在是个很重要的方向,因为需求是没有止境的,人们总是希望器件越小越好、容量越大越好。”

  高温超导和能源密切相关。罗洪刚举例说,电力在从发电站到用户的过程中大约有10%损失在线路输运中,而超导体做成的输运线路至少能节省一半的能源,直流输电甚至能节省70%。然而,高温超导从1986年发现至今,在机理方面还没有形成统一的理论,其现象的理解仍是凝聚态物理的重要挑战之一。

  欧阳钟灿表示,IT转向ET并不是说半导体就没用了,半导体研究中一个跟国家需求密切相关的领域是发光半导体材料(LED)。2007年,日本计划3年内用荧光灯全面取代白炽灯,但是荧光粉并不环保。欧盟则更进一步,在10~15年之后将用LED取代荧光灯。因此,欧阳钟灿认为半导体研究跟能源和环境是有关系的,有很多工作做。

  中国:巨龙飞腾

  事实上,最近英国《新科学家》杂志在评述2007年中国科技进展中,特别报道了无锡尚德公司施振荣博士对发展太阳能产业的贡献及潘建伟等人在量子计算领域的重大突破。“这表明中国物理学家在ET及未来的IT方面都作出了世界领先的贡献。”欧阳钟灿说。

  2007年,中国科技大学教授潘建伟和他的同事与英国牛津大学的研究人员合作,首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法。量子分解算法是1995年美国科学家Peter Shor提出的,是迄今量子计算领域最著名的算法。它利用量子计算的并行性,可以快速分解出大数的质因子,将使量子计算机很容易破解目前广泛使用的各种密码。然而,Shor算法在量子计算机上的实验实现一直是公认的难题。潘建伟等人在国际上首次用光子比特、也是首次用真正的纯态量子系统,实现了“15=3×5”这一质因子分解。美国物理学会评论道:“这一富有创造性的工作将有助于进一步应用于物理化学建模和超快搜索。”《新科学家》杂志在作长篇报道的同时还配发了一幅中华巨龙飞腾的插图。

  有意思的是,2008年新年伊始,第一期《自然—物理学》在题为《慈善的宗旨》的社论中同样配发了中华龙图片。据文章介绍,Kavli基金会将在2008年颁发第一个Kavli奖,奖金为100万美元,旨在鼓励有潜力的年轻人;而最新成立的两个Kavli研究所也准备2008年在中国拓展名声。文章详细介绍了2007年5月中国Kavli理论物理所成立的情况,指出为了融入Kavli研究所的国际网络,中国当地的强力资助是必须的,年轻一代物理学家也必须接受将会出现的挑战。作者说,中外的文化差异总是存在,但这种差异应视为机遇的互补而不是障碍。

  欧阳钟灿总结道:“两篇外电报道、两幅中华巨龙飞腾的插图,都表明中国物理界在过去一年中的工作令世界瞩目。”

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