《当代物理学进展》课件

《当代物理学进展》欢迎来到《当代物理学进展》课程本课程将全面介绍物理学领域的最新突破与发展趋势，从理论物理的深刻见解到实验物理的创新成果，从天体物理学的宏观视野到应用物理学的实际应用物理学作为自然科学的基础，持续推动着人类对宇宙本质的理解近几十年来，物理学经历了前所未有的发展，从希格斯玻色子的发现到引力波的探测，从量子计算的突破到新型材料的研发，这些成就不仅拓展了我们的知识边界，也深刻改变着我们的生活方式在这门课程中，我们将共同探索这个充满活力的学科，了解其最前沿的研究成果及未来发展方向课程概述课程目标教学计划本课程旨在帮助学生深入了解当代物理学领域的重大突破和前沿发课程采用理论讲解与实验演示相结合的方式，强调理论、实验与应展，培养对现代科学研究的兴趣和批判性思维能力通过系统学习用三位一体的教学模式每周三学时，其中包括两小时理论讲授和最新的物理学理论和实验成果，学生将建立起对当代科学前沿的整一小时研讨或实验内容，确保学生能够全面掌握相关知识体认识课程要求参考资料学生需完成期末论文（3000字），主题应选自课程涵盖的物理学前主要参考书目为《现代物理学前沿》（张三编著），辅以课堂发放沿领域此外，学期中将安排两次小测验和一次中期汇报，综合评的学术论文和最新研究报告推荐学生关注《自然》、《科学》等估学生的理解程度和分析能力期刊的相关研究动态物理学发展历程1经典物理学奠基从牛顿力学开始，经典物理学建立了描述宏观世界的基本框架牛顿的三大定律和万有引力定律为近300年的物理学研究奠定了基础，而麦克斯韦电磁理论则统一了电、磁和光学现象2现代物理学革命20世纪初，量子力学和相对论的出现彻底改变了物理学的面貌爱因斯坦的相对论重新定义了时间、空间和引力的概念，而量子力学则揭示了微观世界的奇妙规律，开创了全新的研究领域320世纪三大支柱量子力学、相对论和统计物理学构成了现代物理学的三大理论支柱粒子物理标准模型的建立、大爆炸宇宙学模型的形成以及凝聚态物理学的发展，标志着物理学在各个领域的全面进步4当代物理学突破近30年来，物理学见证了一系列重大突破，包括希格斯玻色子的发现、引力波的探测、量子计算的实现以及拓扑物态的研究等，这些成就不断推动物理学向更深层次发展第一部分理论物理学进展弦理论与统一场论作为当代物理学最雄心勃勃的理论尝试，弦理论试图将四种基本相互作用统一在一个数学框架内该理论假设所有基本粒子都是微小振动弦的不同模式，可能为物理学的终极统一提供路径量子引力理论量子引力理论致力于调和量子力学与广义相对论之间的矛盾，其中包括圈量子引力、因果集理论等多种研究路线这些理论尝试在普朗克尺度上描述时空的量子性质，解决物理学最深层次的困境量子信息与量子计算量子信息理论揭示了量子纠缠、量子叠加等量子现象的信息本质，并将其应用于构建全新的计算模型量子计算有潜力解决经典计算机难以处理的复杂问题，引领信息技术的下一次革命超对称理论超对称理论预测每个已知粒子都有一个超对称伙伴，为解决标准模型中的一些理论问题提供了可能尽管大型强子对撞机尚未发现超对称粒子，这一理论框架仍然是物理学界关注的重点研究方向弦理论基础基本假设与维度弦与多维膜与传统理论区别弦理论的核心假设是宇宙中的基本构随着理论发展，一维弦的概念扩展到了与点粒子理论不同，弦理论自然包含了成单位不是点粒子，而是一维的振动多维膜（brane）在这一框架下，我们一个自旋为2的粒子，与引力子特性相弦这些微小的弦（约10⁻³³厘米）以不的三维宇宙可能是嵌入更高维空间中的符，为量子引力提供了可能途径此同方式振动，产生我们观察到的各种基一个膜这种观点为解释引力相对于其外，弦理论在短距离上具有软化效应，本粒子为了使理论在数学上自洽，弦他三种基本力的弱小提供了新视角引避免了量子场论中的无穷大问题，使其理论要求宇宙具有10个空间维度，远超力可能泄漏到额外维度中成为探索高能物理学统一框架的有力工我们日常经验的三维空间具理论与膜宇宙MM理论统一框架统一五种弦理论的11维超理论多维膜（Brane）理论扩展基本对象从一维弦到多维膜平行宇宙与多重宇宙预测可能存在的无数平行宇宙膜宇宙碰撞模型提供大爆炸的全新解释机制M理论是一个宏大的理论框架，试图在11维空间中统一物理学的所有基本力这一理论预言，之前发现的五种弦理论实际上是同一个更基本理论在不同条件下的表现形式，类似于水可以以固态、液态和气态存在在膜宇宙模型中，我们的四维时空可能只是高维批量空间bulk space中的一个膜这种模型提出，大爆炸可能源于两个平行膜宇宙的碰撞，而非奇点爆发，为宇宙学提供了全新视角虽然这些理论尚难以直接验证，但可能解释暗能量、暗物质等宇宙学观测谜题量子引力问题理论冲突的核心普朗克尺度物理量子引力问题源于物理学两大支柱理在普朗克尺度（约10⁻³⁵米）上，量论的根本冲突广义相对论将引力描子涨落的能量足以显著扭曲时空结述为时空几何的弯曲，是一个经典场构，量子引力效应变得不可忽视在论；而量子力学则要求所有物理相互这一尺度上，时空可能不再是连续作用都应服从量子原理在极端条件的，而具有某种泡沫或颗粒状结下，如黑洞内部或宇宙大爆炸初期，构研究这一尺度的物理学可能揭示两种理论都适用却又相互矛盾，成为空间、时间和物质的终极本质物理学最深刻的困境之一黑洞信息悖论霍金辐射理论预测黑洞会逐渐蒸发，但这一过程似乎违反了量子力学的基本原理——信息守恒当物质落入黑洞后，其量子信息是被永久销毁还是以某种方式保存并最终释放？这一悖论成为检验量子引力理论的关键战场，近年来的全息原理和黑洞互补性假说为解决问题提供了新思路圈量子引力理论空间量子化空间由离散自旋网络构成时间演化通过自旋泡沫描述时空动力学量子宇宙学预测大反弹替代大爆炸奇点实验检验可能性通过宇宙微波背景辐射寻找证据圈量子引力是量子引力理论的主要竞争者之一，与弦理论采取了根本不同的路径该理论直接量子化爱因斯坦的广义相对论，保持其对背景独立性的承诺，认为时空本身具有离散的量子结构在圈量子引力中，空间由称为自旋网络的图状结构表示，这些结构的节点和边分别对应空间的原子和它们之间的关系该理论的一个重要预测是大反弹Big Bounce宇宙学模型，即宇宙不是起始于奇点，而是从先前宇宙的收缩反弹而来虽然圈量子引力理论在数学上更为严格，但仍面临如何恢复经典时空连续性以及与标准粒子物理模型兼容的挑战研究人员希望通过分析宇宙微波背景辐射中的精细结构来寻找理论预测的观测证据量子信息理论量子位（）qubit量子信息的基本单位是量子位，与经典比特不同，量子位可以处于0和1的叠加态一个由n个量子位组成的系统能够表示2ⁿ个状态的叠加，提供了指数级的信息存储能力，这是量子信息处理强大能力的数学基础量子纠缠量子纠缠是量子力学最反直觉的特性之一，两个纠缠粒子形成一个不可分割的量子系统，无论相距多远，测量一个粒子会即时影响另一个贝尔不等式实验证明这种关联不能用局域隐变量理论解释，表明量子力学的非局域性是自然界的基本特性量子隐形传态量子隐形传态允许将一个量子态的完整信息从一个位置传输到另一个位置，而无需传输量子系统本身这一过程需要量子纠缠作为资源，并结合经典通信渠道，已在实验室成功实现，为未来量子网络奠定了理论基础量子计算进展10^653计算优势谷歌量子比特量子计算机处理特定问题的速度可超越经典超级计算2019年，谷歌公司使用53个量子比特的处理器悬铃机百万倍以上，这种量子优势来自于量子比特的叠木实现了量子优势，完成经典超级计算机需要约加原理和量子并行计算能力10,000年的计算127IBM量子比特2023年，IBM宣布其凝鹰处理器达到127个量子比特，并发布量子纠错技术路线图，展示了实用量子计算的发展方向量子计算利用量子力学原理构建全新计算范式，特别适合解决特定领域问题Shor算法可以高效分解大整数，威胁现有密码系统；Grover算法可加速无结构数据库搜索；量子模拟算法能高效模拟量子化学反应，有望革新药物发现过程量子计算面临的最大技术挑战是量子退相干和量子错误——环境干扰导致量子信息迅速丢失量子纠错码和拓扑量子计算是解决此问题的两大研究方向尽管全功能通用量子计算机仍需突破，但量子计算已进入NISQ（嘈杂的中等规模量子）时代，各种专用量子处理器开始在实际问题中展示优势超对称理论费米子-玻色子对称性解决标准模型问题1超对称理论预言每个费米子（物质粒子）都有对提供解决希格斯玻色子质量稳定性（等级问题）应的玻色子（力传递粒子）超伙伴，反之亦然2的自然机制暗物质候选者力的统一最轻的超对称粒子可能是构成宇宙暗物质的理想在高能量下促进三种基本力（电磁、弱、强）的3候选者统一超对称理论（SUSY）在20世纪70年代提出，是粒子物理学超出标准模型的主要理论框架之一它预测每个已知粒子都有一个尚未发现的超对称伙伴电子对应选子，夸克对应斯夸克，光子对应光子偶，等等这些超对称粒子的质量可能远高于已知粒子，解释了为何我们尚未观测到它们大型强子对撞机（LHC）的主要任务之一就是寻找超对称粒子截至2023年，尽管能量和亮度不断提高，LHC仍未发现任何超对称粒子的明确证据，这使得最简单的超对称模型面临严峻挑战然而，更复杂的超对称理论版本仍然可行，科学家们继续通过高能物理实验和宇宙学观测来寻找超对称的痕迹暗物质与暗能量引力波天文学理论预言1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言引力波的存在，将其描述为时空的涟漪，由加速质量产生并以光速传播，但振幅极其微小，难以直接探测探测器发展LIGO（激光干涉引力波天文台）建立了L形激光干涉仪，通过测量反射激光的相位差来探测引力波引起的微小时空变化，灵敏度可达原子核直径的千分之一首次探测2015年9月14日，两个LIGO探测器同时观测到来自13亿光年外两个黑洞合并的引力波信号GW150914，这一发现为物理学赢得2017年诺贝尔物理学奖中子星并合观测2017年，GW170817信号实现了引力波和电磁波的首次联合观测，确认了中子星并合事件，揭示了重元素形成过程，开启了多信使天文学新时代第二部分实验物理学突破粒子物理学重大发现近年来，粒子物理学取得了多项重大突破，其中最具代表性的是希格斯玻色子的发现，它完成了标准模型的最后一块拼图，验证了质量起源机制此外，中微子振荡的确认，夸克-胶子等离子体的创造，以及各种奇特粒子态的观测，都极大拓展了我们对微观世界的理解量子实验新技术量子物理实验技术突飞猛进，实现了对单个量子系统的精确操控量子纠缠距离记录不断刷新，当前已突破1200公里；多体量子纠缠的规模持续扩大；量子模拟器能够处理越来越复杂的量子多体问题，超越经典计算能力这些进展为量子信息技术的实用化奠定了坚实基础材料物理学突破二维材料、拓扑材料和超导体成为材料物理学的前沿领域自从石墨烯发现以来，新型二维材料家族迅速扩大；拓扑物态揭示了物质分类的全新范式；高温超导研究不断刷新温度记录这些新材料不仅展示了奇特物理性质，还为下一代电子器件开发提供了可能精密测量技术革新现代精密测量技术已达到前所未有的精度水平原子钟的精度已优于10^-18，相当于从宇宙大爆炸至今误差不到1秒；引力波探测器能感知比原子核还小的距离变化；微弱磁场和重力场的测量灵敏度不断提高这些精密仪器既是基础科学研究的强大工具，也为各种实际应用开辟了新可能标准模型与希格斯玻色子轻子家族规范玻色子六种轻子同样分为三代电子、电子四种相互作用中的三种在标准模型中中微子；μ子、μ中微子；τ子、τ中微有对应的规范玻色子电磁力由光子夸克家族希格斯玻色子子其中带电轻子参与电磁和弱相互传递，弱相互作用由W±和Z⁰玻色子作用，而中微子仅参与弱相互作用，传递，强相互作用由八种胶子传递标准模型包含六种夸克，分为三代希格斯玻色子是希格斯场的量子，该质量极小且仅左手性粒子存在引力尚未完全纳入标准模型框架第一代（上夸克、下夸克），第二代场遍布整个宇宙，通过与粒子的相互（粲夸克、奇夸克），第三代（顶夸作用赋予它们质量2012年7月，大克、底夸克）夸克是构成质子、中型强子对撞机的ATLAS和CMS实验子等强子的基本单元，具有分数电荷组宣布发现质量约125GeV的希格斯和色荷，通过强相互作用结合玻色子，证实了这一理论预测34大型强子对撞机成果建造位置欧洲核子研究中心（CERN），瑞士-法国边境周长27公里环形隧道对撞能量13-14TeV（兆电子伏特）主要探测器ATLAS，CMS，ALICE，LHCb重大发现希格斯玻色子

（2012），五夸克态

（2015），夸克-胶子等离子体未来升级HL-LHC（高亮度LHC），计划2029年运行大型强子对撞机（LHC）是人类建造的最大、最复杂的科学仪器之一，它通过加速质子束至接近光速并使其对撞，产生极高能量密度，模拟宇宙大爆炸后的早期条件，探索微观物质的基本结构和相互作用规律除了发现希格斯玻色子外，LHC还观测到多种奇特粒子态，包括由五个夸克组成的五夸克态（pentaquark）、四夸克态（tetraquark）等，丰富了强相互作用理论ALICE探测器成功创造并研究了夸克-胶子等离子体，这是一种在极高温度下夸克和胶子自由移动的物质状态，有助于理解宇宙早期条件目前，LHC正在进行高亮度升级，未来将显著提高对撞频率，为寻找超出标准模型的新物理现象——如超对称粒子、额外维度或暗物质候选者——提供更好的实验条件中微子物理学进展3中微子类型电子中微子、μ中微子和τ中微子三种味道可以相互转化60×10^9太阳中微子每平方厘米每秒穿过地球的太阳中微子数量1200江门探测器中国江门中微子实验（JUNO）的探测器深度（米）20000超级神冈日本超级神冈探测器中的光电倍增管数量中微子是自然界中最神秘的基本粒子之一，极其轻微且很少与物质相互作用，每秒钟有数万亿中微子穿过我们的身体而不留痕迹然而，这种难以捉摸的特性也使中微子成为研究宇宙遥远区域和极端环境的理想信使长期困扰物理学家的太阳中微子之谜——探测到的太阳中微子数量只有理论预期的三分之一——最终通过中微子振荡理论得到解释中微子在传播过程中会在三种味道之间转换这一发现证明中微子具有非零质量，成为首个超出粒子物理标准模型的确定证据中国正在建设世界最大的液体闪烁体中微子探测器——江门中微子实验（JUNO），旨在确定中微子质量顺序这一基本问题同时，科学家们也在寻找中微子是否违反CP对称性的证据，这可能解释宇宙中物质比反物质多的根本原因量子纠缠实验EPR悖论爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年提出的思想实验，质疑量子力学的完备性贝尔不等式约翰·贝尔1964年提出的数学关系，能够区分量子力学与局域隐变量理论阿斯佩实验1982年，阿兰·阿斯佩首次实验验证了贝尔不等式的违背，支持量子力学墨子号突破2017年，中国墨子号卫星实现1200公里的星地量子纠缠，创造世界纪录量子纠缠被爱因斯坦称为幽灵般的远距作用，它表明两个量子系统可以形成一个整体，无论相隔多远，测量一个系统会瞬时影响另一个系统的状态这种非局域关联挑战了我们对物理实在性的传统理解，也是量子信息技术的关键资源近年来，量子纠缠实验取得了显著进展科学家们不仅实现了越来越远距离的量子纠缠分发，还成功制备和控制了多体纠缠态——将8个以上离子、光子或超导量子比特纠缠在一起这些实验不仅验证了量子力学的基本原理，也为量子通信网络、分布式量子计算和超精密测量等应用奠定了基础量子计算实验平台超导量子比特系统超导量子计算是目前发展最快的量子计算实现路线，采用约毫米大小的超导电路作为量子比特这类系统在极低温度（约10毫开氏度）下工作，利用约瑟夫森结构形成量子态谷歌、IBM和中国科学院等机构已实现50-100个量子比特的超导处理器，具有操作速度快、易于集成的优势，但面临相干时间短、需要深度制冷的挑战离子阱量子计算机离子阱量子计算使用带电离子作为量子比特，通过电磁场将离子悬浮在真空中并用激光操控这种方法具有极长的相干时间（可达几分钟）和极高的操作精度（错误率低至

0.1%），是目前量子门操作保真度最高的平台IonQ、霍尼韦尔等公司正在开发基于数十个离子的量子处理器，但该技术的扩展性和操作速度仍面临挑战光量子计算光量子计算利用单光子的量子态或光的连续变量作为信息载体光子几乎不与环境相互作用，因此即使在室温下也能保持量子相干性，且天然适合实现量子通信网络然而，光子之间的相互作用较弱，制造确定性的两光子门仍具挑战性中国科学技术大学利用线性光学元件构建的九章光量子计算机在高斯玻色采样任务上展示了量子优势拓扑量子计算拓扑量子计算是最具未来潜力的路线之一，它利用拓扑保护的量子态（如Majorana费米子）作为量子比特，理论上具有内在的抗干扰能力，可大幅减少量子纠错开销微软公司正在积极研发这种技术，但目前仍处于基础研究阶段，尚未确认实现真正的Majorana费米子，实用化道路较长量子模拟器量子模拟器的定位冷原子光晶格系统量子模拟器是介于经典计算机和通用量子计算机之间的专用量子冷原子光晶格是最成功的量子模拟平台之一，它利用激光干涉形系统，专门设计用于模拟特定的量子物理问题与通用量子计算成周期性势阱，捕获超冷原子这一系统可以精确模拟固体中电机不同，量子模拟器不一定需要实现任意量子门操作，但能够高子的行为，研究各种量子多体现象，如波色-爱因斯坦凝聚、超效模拟难以用经典计算机处理的量子多体问题流体、莫特绝缘体和量子磁性等量子模拟的基本思想由费曼于1982年提出用一个可控的量子哈佛大学、麻省理工学院和中国科学技术大学等研究组已实现包系统去模拟另一个难以直接研究的量子系统这一思路使得科学含数百个原子的量子模拟器，成功观察到许多奇异量子相和动力家能够在实验室中研究凝聚态系统、高能物理和量子化学中的复学过程这些系统正逐步应用于量子化学和材料科学研究，有望杂量子行为加速新材料和药物的设计与发现超低温物理玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）玻色-爱因斯坦凝聚是由玻色子（整数自旋粒子）组成的量子相，在接近绝对零度时，大量粒子会占据同一量子态，表现为宏观量子现象1995年，科学家首次在实验室中实现了稀薄气体BEC，这一成就获得2001年诺贝尔物理学奖如今，BEC已成为研究量子多体物理和精密测量的重要平台超流体与超导体超流体是一种特殊流体状态，具有零粘度和量子涡旋等奇异性质液氦-4在

2.17K以下形成的超流体是典型例子，可以爬过容器壁并穿过极细孔隙超导体则是电阻为零的导体，能产生完美抗磁性（迈斯纳效应）这两种量子凝聚态都来源于玻色子的统计特性，是量子力学在宏观尺度的显著表现费米气体与BEC-BCS交叉区费米子（半整数自旋粒子如电子）遵循泡利不相容原理，无法直接形成玻色-爱因斯坦凝聚然而，两个费米子可以配对形成复合玻色子，实现类似BEC的量子凝聚在超导体中，这种配对遵循BCS理论超冷费米原子气体中，科学家能控制原子间相互作用，研究从BEC到BCS的连续转变，为理解高温超导提供见解拓扑物态与材料拓扑物态的本质1几何形状的整体性质而非局部细节拓扑绝缘体2内部绝缘而表面导电的新型量子物态量子霍尔效应家族整数、分数和反常量子霍尔效应拓扑半金属外尔点和狄拉克点保护的奇异电子态拓扑物态是近二十年来凝聚态物理学最重要的发现之一，它揭示了物质分类的全新维度与传统物态不同，拓扑物态由整体几何特性而非局部特征定义，具有对缺陷和扰动的强大鲁棒性这些物态的边界通常存在受拓扑保护的特殊电子态，展示出独特的输运性质拓扑绝缘体在体内是绝缘体，但表面存在受自旋-轨道耦合保护的金属态，电子自旋与运动方向严格锁定这一特性使其成为自旋电子学的理想材料外尔半金属和狄拉克半金属则是三维拓扑半金属的代表，其中电子表现为类似于高能物理中的无质量费米子这种跨学科联系揭示了凝聚态系统中可能存在的丰富物理现象实验上，角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道显微镜（STM）是观测拓扑物态的主要工具这些技术能够直接可视化表面状态的能带结构和实空间分布，为材料的拓扑性质提供直接证据二维材料物理学二维材料是指厚度仅为单原子或几个原子层的晶体材料，代表了固态物理学的前沿研究方向2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次从石墨中分离出单层石墨烯，开创了二维材料物理学的新时代，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖石墨烯由六角形排列的碳原子组成，具有极高的电子迁移率、优异的机械强度和热导率，在电子器件、复合材料和能源存储等领域展现了巨大应用潜力过渡金属二硫化物（如MoS₂、WS₂）是另一重要二维材料家族，具有可调的带隙和强烈的光学响应，适用于光电子器件和传感器近年来，魔角双层石墨烯的发现引起轰动当两层石墨烯以特定角度（约

1.1°）堆叠时，形成的莫尔超晶格展现出强关联电子特性，包括莫特绝缘态和无需掺杂的超导性这一发现为探索新型量子相和设计量子材料开辟了广阔空间精密测量物理学10^-18原子钟精度最精确光学原子钟的相对误差率，相当于宇宙年龄内偏差不足1秒10^-21引力波探测LIGO能探测到的空间相对长度变化，小于质子直径的千分之一10^-6弱等效原理MICROSCOPE卫星验证爱因斯坦等效原理的精度（百万分之一）9基本常数2019年重新定义的国际单位制基于的基本物理常数数量精密测量是物理学的基石，它不仅能够验证现有理论，还可能发现超出当前理论框架的新物理现象量子力学原理支持的新型测量技术，如原子干涉、光学频率梳、超冷原子系统等，已将测量精度推向前所未有的水平原子钟是精密测量的典范，现代光学原子钟利用超窄线宽激光激发原子或离子的电子跃迁，已达到10^-18量级的相对精度，可用于检测相对论效应、寻找基本常数的时间变化，甚至作为高灵敏度的重力传感器，探测地下结构引力波探测器则通过悬挂的高反射镜和复杂的激光干涉系统，能测量小至10^-21的空间伸缩，实现了对引力波的直接探测第三部分天体物理学与宇宙学黑洞物理学突破原初宇宙探索系外行星新发现黑洞研究迎来黄金时代，事件视界望远宇宙微波背景辐射研究持续深入，卫星系外行星探测技术取得重大进步，已确镜首次直接成像超大质量黑洞，引力波和地基望远镜观测的精确数据揭示了宇认超过4000颗行星开普勒和TESS等探测器记录了多次黑洞并合事件这些宙早期信息科学家们正在寻找原初引任务发现了数量惊人的行星系统，多颗观测不仅证实了爱因斯坦的广义相对论力波的痕迹，这可能为宇宙暴胀理论提位于宜居带的地球大小行星成为寻找地预测，还提供了研究强引力场中物理学供关键证据同时，重子声波振荡测量外生命的主要目标詹姆斯·韦伯太空望的新窗口科学家们正深入研究黑洞信和大尺度结构调查正构建起宇宙演化的远镜将首次对系外行星大气进行详细光息悖论和霍金辐射等理论难题，探索量高精度图像，但宇宙膨胀率存在的张力谱分析，寻找生命存在的关键生物标子引力的线索成为当代宇宙学的重要谜题记黑洞成像突破事件视界望远镜阵列星系黑洞成像银河系中心黑洞M87事件视界望远镜（EHT）是一个全球性的射2019年4月10日，EHT团队发布了人类历史上2022年5月，EHT团队又发布了银河系中心超电望远镜阵列，由分布在地球各地的8个射电第一张黑洞照片，展示了位于室女座星系团中大质量黑洞Sgr A*的首张照片这个黑洞质量天文台组成，形成一个地球大小的虚拟望远M87星系中心的超大质量黑洞这个黑洞质约为太阳的400万倍，距离地球约

2.6万光镜使用甚长基线干涉测量技术（VLBI），量约为太阳的65亿倍，距离地球约5500万光年与M87黑洞相比，Sgr A*的图像更难获EHT实现了前所未有的角分辨率，约为20微年图像显示了光子环——黑洞强大引力场弯取，因为它体积更小，物质围绕其运动的时间角秒，相当于从地球上看清月球表面上的橙子曲背景光源产生的特征结构，完美验证了爱因尺度更短，带来更大的技术挑战这两张不同大小斯坦广义相对论的预测尺度黑洞的照片展示了黑洞物理学的普适性引力波源与天体物理宇宙微波背景辐射研究关键观测任务COBE、WMAP和普朗克卫星逐步提高精度温度波动精确测量微小温度涨落反映原初密度扰动偏振模式探测3E模式确认，B模式寻找原初引力波宇宙学参数约束4确定宇宙年龄、成分和几何形状宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸后约38万年时宇宙首次变为透明时释放的光子，现在已冷却至

2.7K，成为研究早期宇宙的最重要窗口COBE卫星于1992年首次探测到CMB的微小温度涨落（约十万分之一），WMAP（2001-2010）和普朗克卫星（2009-2013）随后提供了更高分辨率的全天图，精确至百万分之一这些观测强有力地支持了暴胀宇宙学模型，并精确确定了宇宙学参数宇宙年龄137亿年，暗能量占68%，暗物质占27%，普通物质仅占5%然而，不同观测方法测得的宇宙膨胀率（哈勃常数）存在显著差异，这一哈勃张力问题可能暗示了超出标准宇宙学模型的新物理当前研究重点是寻找CMB偏振的B模式，这是原初引力波的独特信号，将为宇宙暴胀理论提供直接证据多个地基和气球实验，如BICEP/Keck、SPT、ACT等正在努力寻找这一微弱信号，而下一代CMB实验如CMB-S4将进一步提高探测灵敏度宇宙大尺度结构重子声波振荡星系红移巡天1原初等离子体中的声波在再电离后留下的特征尺度SDSS、DESI等项目绘制三维宇宙地图2数值模拟4宇宙网络结构基于暗物质演化的大规模宇宙计算机模拟3星系分布形成的巨大丝状、墙状和空洞结构宇宙大尺度结构指的是超出单个星系尺度的物质分布模式，研究这一结构能帮助我们理解宇宙演化历史和组成重子声波振荡（BAO）是原初宇宙中的声波在物质分布中留下的标准尺度（约150兆秒差距），成为测量宇宙膨胀历史的宇宙标尺大型光谱巡天项目如斯隆数字巡天（SDSS）和正在进行的暗能量光谱仪巡天（DESI）通过测量数百万星系的红移，绘制了宇宙三维结构图这些观测显示，星系分布并非均匀，而是形成了宇宙网络——由巨大的星系丝状结构、墙状结构、星系团以及几乎没有星系的巨大空洞组成这一复杂结构与宇宙学数值模拟预测高度一致，支持了暗物质主导结构形成的理论暗物质首先在引力作用下形成骨架结构，普通物质随后沿着这些结构聚集并形成星系欧几里得空间望远镜（计划2027年发射）将进一步扩展这一研究，调查超过10亿个星系的三维分布，为解析暗能量性质提供重要数据系外行星与宜居带5000+已确认系外行星自1995年首次发现以来，系外行星数量呈爆炸式增长3374开普勒贡献NASA开普勒任务发现的系外行星数量，约占已知总数的2/37TRAPPIST-1系统绕红矮星TRAPPIST-1运行的类地行星数量，是已知最多行星的宜居带系统亿300银河系估算银河系中潜在可能存在的宜居类地行星数量的保守估计系外行星天文学是21世纪天文学发展最迅速的领域之一科学家采用多种方法探测系外行星，包括凌星法（测量恒星亮度因行星经过而降低）、径向速度法（测量恒星受行星引力影响而摆动）、直接成像法（直接观测行星反射或发射的光）和引力微透镜法（利用引力透镜效应）等开普勒太空望远镜（2009-2018）和正在运行的凌日系外行星勘测卫星（TESS）是系外行星探测的主力这些任务揭示了系外行星的惊人多样性从热木星（靠近恒星的气态巨行星）到超级地球（质量介于地球和海王星之间的岩石行星），从紧密轨道的多行星系统到绕双星运行的行星宜居带是指行星表面温度适合液态水存在的轨道区域，是搜寻地外生命的首选目标TRAPPIST-1系统中有7颗类地行星，其中数颗位于宜居带；比邻星b是距地球最近的系外行星（

4.2光年），也位于其恒星的宜居带内詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够分析这些行星大气成分，寻找生物活动可能产生的特征气体，如氧气和甲烷的组合第四部分应用物理学进展量子技术实际应用量子物理学理论已逐步走向实际应用领域，量子通信网络在多个国家开始初步部署，量子传感器实现商业化，量子计算云服务向公众开放中国墨子号量子科学实验卫星和京沪干线量子通信网络是全球量子技术应用的标志性成就，展示了量子物理从实验室走向实用的重要一步新型能源物理清洁能源物理研究取得重大突破，核聚变能源在美国国家点火装置（NIF）首次实现能量正增益，ITER国际热核聚变实验堆建设稳步推进太阳能材料效率不断提高，钙钛矿太阳能电池效率已超过25%新型储能技术和智能电网解决方案为可再生能源大规模应用提供支持医学物理突破物理学原理和技术在医学领域的应用日益广泛质子和重离子治疗等先进放射治疗技术提高了癌症治疗精度；功能磁共振成像和正电子发射断层扫描等先进医学成像技术实现了前所未有的分辨率；纳米医学和量子生物传感技术为疾病早期诊断和精准治疗开辟了新途径先进材料与器件新型材料研究推动电子器件向更小尺寸、更高性能发展单原子厚度器件、拓扑电子材料和量子点器件等突破了传统材料物理限制；纳米光子学和等离子体子学器件实现了光的亚波长控制；新型人工智能芯片借鉴神经形态计算原理，大幅提高能效，为下一代信息技术奠定物理基础量子通信技术量子密钥分发（QKD）量子通信的核心是量子密钥分发（QKD）技术，它基于量子力学基本原理，利用量子态的不可克隆性和测量必然扰动量子态的特性，实现理论上无条件安全的密钥分发BB84协议是最常用的QKD协议，使用量子态（如单光子的偏振）携带信息，任何窃听尝试都会留下可检测的痕迹，确保通信安全性墨子号量子卫星2016年8月，中国发射世界首颗量子科学实验卫星墨子号，实现了一系列里程碑式突破星地量子密钥分发（1200公里）、星地量子纠缠分发（1120公里）和洲际量子密钥分发（中国-奥地利，7600公里）这些成就突破了地基光纤量子通信约100公里的距离限制，为构建全球量子通信网络奠定了基础京沪干线与量子网络中国建成的京沪量子保密通信干线全长2000公里，连接北京、上海等城市，是世界上第一条实用化远距离量子保密通信网络该网络采用可信中继方案，通过32个中继站实现端到端的量子密钥分发，已应用于金融、电力等关键基础设施的安全通信保障，展示了量子通信的实用价值量子互联网展望未来的量子互联网将基于量子中继器和量子存储器，实现远距离量子纠缠的分发和存储这种网络不仅支持安全通信，还能实现分布式量子计算、量子云计算和量子传感网络等创新应用多个国家正在建设国家量子通信骨干网，欧盟量子互联网联盟计划到2030年建成覆盖欧洲的量子通信基础设施量子传感技术量子传感基本原理应用前景与发展量子传感器利用量子系统对外部环境极高的灵敏度，实现超越经量子磁力计已实现飞托特斯拉（10⁻¹⁵T）级的灵敏度，可用于典极限的精密测量这些传感器通常基于量子相干性、量子纠缠脑磁图、心磁图等生物医学成像，以及地质勘探和矿产资源探和量子叠加态等量子力学特性，可以探测微弱的电磁场、引力测量子引力仪和加速度计的灵敏度比传统设备提高数个数量场、加速度和旋转等物理量量子传感的理论极限由海森堡不确级，有望应用于地下结构探测、资源勘探和精确导航定位量子定性原理决定，而量子纠缠可以突破经典噪声限制，实现接近海陀螺仪则可以精确测量旋转，是未来惯性导航系统的关键组件森堡极限的测量精度量子传感器的典型实现包括超导量子干涉器（SQUID）、原子量子生物传感是一个新兴方向，利用量子传感器探测单个分子或自旋系统、冷原子干涉仪和光学量子传感器等其中，氮-空位细胞的磁信号、电信号和热信号，有望实现疾病的超早期诊断（NV）色心是钻石中的量子缺陷，可在室温下实现纳米尺度的量子导航系统则旨在开发不依赖GPS的自主导航技术，通过精确量子传感，是近年发展最快的量子传感平台之一测量重力场和磁场的微小变化来确定位置，具有重要的军事和民用价值高温超导研究超导体是电阻为零并排斥磁场（迈斯纳效应）的材料，自1911年发现以来一直是凝聚态物理学的重要领域高温超导体研究始于1986年铜氧化物超导体的发现，这类材料在液氮温度（77K）以上即可实现超导，标志着超导研究的革命性突破之后发现的铁基超导体（发现于2008年）为理解非常规超导机制提供了新视角近年来，高压下的氢化物超导研究取得重大进展2020年，碳硫氢化物在267GPa压力下实现了288K（约15℃）的超导转变温度，首次在室温条件下观察到超导现象虽然这些材料需要极高压力，尚无实用价值，但证明了室温超导的可能性，为开发常压室温超导材料提供了理论指导超导技术已广泛应用于磁共振成像（MRI）、量子计算、粒子加速器、磁悬浮列车和电力传输等领域未来若实现常压室温超导，将彻底改变能源和电子技术格局，实现无损电力传输、高效电力存储和更强大的电磁装置，是物理学最具颠覆性的研究方向之一核聚变能源进展国家点火装置（）国际热核聚变实验堆中国环流器二号（）NIF ITERM EAST位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点ITER是由欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄中国科学院合肥物质科学研究院的EAST装置是火装置（NIF）是世界上最大的惯性约束聚变实罗斯和美国共同建设的大型国际科学工程，采世界上首个全超导托卡马克装置，被称为人造验装置该设备使用192束高能激光束同时聚焦用托卡马克（Tokamak）磁约束聚变装置设太阳2021年，EAST创造了101秒维持

1.2亿于氘氚靶丸，产生极高温度和压力，模拟恒星计该项目在法国南部建设，计划2025年首次度高温等离子体的世界纪录，展示了中国在磁核心条件2022年12月，NIF实现了历史性突等离子体运行，2035年实现全功率氘氚运行约束聚变领域的领先地位该装置是ITER的重破首次核聚变点火，输出能量（

3.15兆焦）ITER旨在产生500兆瓦聚变功率（输入功率50要补充实验平台，为解决长脉冲高参数等离子超过输入激光能量（

2.05兆焦），证明了聚变兆瓦），证明大规模聚变能源的科学和工程可体物理和工程技术问题提供关键支持，推动中能量正增益原理行性，为未来商业聚变电站奠定基础国自主聚变能源发展太阳能物理医学物理学应用粒子治疗质子和重离子治疗是放射治疗的前沿技术，利用带电粒子在人体内的独特能量沉积特性（布拉格峰），可以将剂量精确集中在肿瘤区域，同时显著减少对周围健康组织的损伤这种精准治疗对于脑肿瘤、眼部肿瘤和儿童肿瘤尤为重要中国、日本、欧洲和美国已建设多个重离子治疗中心，成为癌症精准治疗的新选择先进医学成像功能性磁共振成像（fMRI）通过测量血氧水平依赖（BOLD）信号，可实时观察大脑活动，为神经科学和脑功能研究提供强大工具正电子发射断层扫描（PET）结合计算机断层扫描（CT）实现分子和解剖学成像的完美结合，能够早期发现疾病并评估治疗效果磁粒子成像（MPI）和光声成像等新兴技术突破了传统成像的局限，提供更高分辨率和更丰富的生理信息纳米医学纳米医学将物理学与生物医学结合，开发纳米尺度的诊断和治疗工具磁性纳米粒子可实现药物靶向递送，在外部磁场引导下将药物精确输送到病变部位金纳米颗粒利用表面等离子体共振效应，在近红外光照射下产生局部热效应，实现肿瘤的光热治疗纳米机器人是前沿研究方向，有望在体内执行微创手术和精确给药等任务量子生物传感量子传感技术应用于生物医学领域，能够检测极微弱的生物磁场和电场信号基于氮-空位（NV）色心的钻石量子传感器可在单细胞水平探测磁场变化，有望用于神经活动监测和早期肿瘤诊断量子相干成像利用量子纠缠光源，突破传统光学衍射极限，实现超高分辨率生物组织成像，为疾病早期诊断开辟新途径纳米材料与器件单原子器件量子点器件纳米光子学DNA纳米技术单原子厚度器件代表了电子器件微量子点是纳米尺度的半导体结构，纳米光子学旨在控制纳米尺度上的DNA分子作为纳米构建材料展现型化的极限以二维材料为基础，能够将电子束缚在三维空间的极小光行为，突破传统光学衍射极限出惊人潜力DNA折纸技术利用科学家已成功制造出单原子晶体区域，产生类似原子的离散能级表面等离子体子学利用金属-介质DNA链的特异性碱基配对，设计管、二极管和内存单元石墨烯场量子点可用于高性能发光二极管、界面上的电子集体振荡（表面等离出精确的纳米尺度结构，分辨率达效应晶体管展示了超高载流子迁移激光器、光电探测器和太阳能电子体激元），将光场集中到深亚波到约2纳米这些结构可作为量子率，而MoS₂晶体管则具有较高池在量子信息处理领域，量子点长尺度，增强光与物质的相互作点、蛋白质和药物分子的精确支开关比，适合低功耗逻辑应用这是实现量子比特的重要平台，科学用这一技术已应用于超灵敏生物架DNA计算机则利用DNA分子些器件为未来电子学开辟了新范家已实现了基于量子点的单光子传感器、高密度光学存储和超分辨运算特性，实现分子水平的并行计式，有望突破摩尔定律的物理极源、量子逻辑门和纠缠态，为量子率成像光子晶体和超材料则通过算，在特定问题上展示出与电子计限计算和量子通信奠定基础人工设计的周期性结构，实现对光算机互补的能力的异常操控，如负折射、超透镜和电磁隐身拓扑材料应用拓扑量子计算拓扑量子计算是最有前景的容错量子计算方案之一，利用拓扑量子系统中的非阿贝尔任意子（non-Abeliananyons）作为量子比特这些奇异粒子具有独特的缠绕统计性，当两个任意子在二维平面上交换位置时，量子态发生非平凡变化拓扑量子计算利用这种缠绕操作执行量子门运算，由于拓扑特性，对局部扰动具有内在免疫力，有望大幅减少量子纠错开销拓扑电子器件基于拓扑材料的电子器件具有独特优势，包括低能耗的无耗散电子传输、强抗干扰能力和新奇的量子效应拓扑绝缘体中的表面态可用于制作自旋拓扑场效应晶体管，利用自旋-轨道锁定效应实现自旋电流控制，有望成为后CMOS电子学的关键技术拓扑半金属材料中的高迁移率载流子和线性能带结构，使其在高频电子器件和新型传感器中具有应用潜力拓扑声子晶体拓扑物理学概念已扩展到机械波和声波系统，形成拓扑声子晶体研究领域这类人工设计的周期性结构具有拓扑保护的边界声波模式，对缺陷和无序具有强大的鲁棒性，可实现声波单向传播和隔震这一特性使其在地震防护、噪声控制和高精度机械振动隔离等领域具有重要应用前景，相关技术已用于开发新一代隔震系统和高精度光学平台拓扑光子学器件拓扑光子学将拓扑理论应用于光学系统，设计具有拓扑保护边缘态的光子晶体和超材料这类器件能实现光的单向传播，对缺陷和弯曲具有免疫力，为开发稳健的集成光路和光通信系统提供新思路拓扑激光器利用拓扑边缘态作为谐振腔，展示出对制造缺陷的强大容忍度和模式选择特性，有望用于高功率、高稳定性激光系统第五部分物理学前沿与展望理论突破探索物理学统一理论跨学科融合2物理学方法拓展到新领域实验设施升级下一代大科学装置开放问题4未解决的物理学谜题物理学站在新的历史拐点，既面临巨大挑战，也孕育着突破性机遇在基础理论方面，物理学家继续寻求更深层次的统一理论，试图在量子引力框架下统一四种基本相互作用，解决物质-反物质不对称性、暗物质本质和暗能量起源等基本问题多种理论路线并行发展，包括弦理论、圈量子引力和因果集理论等，为理解时空和物质的终极本质提供不同视角物理学与其他学科的融合日益深入，量子生物学探索生命系统中的量子效应，复杂系统物理学研究从生态系统到金融市场的涌现现象，计算物理学与机器学习的结合正在改变科学研究范式这种跨学科互动催生了全新研究领域，如信息物理学、网络科学和社会物理学等未来十年，一批新一代大型物理实验设施将建成投运，包括对撞机、中子源、同步辐射装置和天文观测设备，为探索物理学前沿提供强大工具这些设施将深入探测量子世界、推进新材料开发和揭示宇宙演化奥秘，可能催生新一轮科学革命凝聚态物理前沿高温超导机理探索强关联电子系统尽管发现已超过35年，高温超导体的配对机制仍是凝聚态物理强关联电子系统是指电子之间的库仑相互作用占主导地位的量子学最大谜题之一与传统超导体不同，高温超导体中的电子对形多体系统，传统的准粒子图像在这里失效这类系统展现出丰富成涉及强电子关联和反铁磁涨落等复杂机制扫描隧道显微镜、的量子相和相变现象，如莫特绝缘体、自旋液体、非常规超导和角分辨光电子能谱和中子散射等实验技术的进步，结合数值模拟拓扑序等最新研究聚焦于魔角双层石墨烯等莫尔超晶格，这些和理论分析，正逐步揭示铜氧化物和铁基超导体中的电子配对本系统中电子关联强度可通过扭转角度精确调控，为研究强关联物质最近关于超导与电荷密度波共存的发现，以及电子向列相理提供了理想平台（电子液晶）的观测，为理解高温超导提供了新线索量子临界性是强关联系统的核心概念，描述量子相变点附近的奇异行为在这些临界点附近，量子涨落主导系统性质，常规理论理解高温超导机理不仅是基础科学的重大挑战，也是实现室温超框架失效非费米液体行为、奇异金属相和量子纠缠熵的研究是导的关键一步，可能引发能源与电子技术革命多种理论模型竞当前热点，这些研究不仅推动凝聚态理论发展，也与弦理论和量争，包括RVB（共振价键）理论、自旋涨落理论和量子临界点理子引力存在深刻联系，构成物理学不同分支间的桥梁论等，但尚未形成统一共识磁单极子超导理论是最新研究方向，提出了一种全新的超导配对机制粒子物理学未解之谜中微子质量与顺序标准模型最初预测中微子质量为零，但中微子振荡实验证实它们具有微小但非零的质量这一发现是首个明确超出标准模型的证据，暗示可能存在跷跷板机制等新物理目前的关键问题是中微子质量顺序（正常还是倒置）、中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子（即是否为自身的反粒子），以及中微子质量的绝对值江门中微子实验（JUNO）和超级卡米奥超（Hyper-K）望解决这些问题物质-反物质不对称性按照大爆炸理论和标准模型预测，宇宙中应该产生等量的物质和反物质，但观测表明现今宇宙几乎完全由物质组成这一不对称性的起源是粒子物理学最深刻的谜题之一萨哈罗夫提出解释需满足三个条件重子数非守恒、CP对称性（电荷-宇称对称性）破坏和热平衡偏离目前研究重点是寻找中微子振荡中的CP破坏和轻子生成过程，以确定物质主导宇宙的根本原因暗物质粒子本质天文观测表明暗物质约占宇宙物质-能量总量的27%，但其微观组成仍是谜主要候选者包括WIMP（弱相互作用大质量粒子）、轴子和类轴子粒子、无质量立体中微子等多种实验策略并行，包括大型地下探测器（寻找暗物质粒子与普通物质的稀有碰撞）、粒子对撞机（试图直接产生暗物质粒子）和间接探测（寻找暗物质湮灭产生的信号）最新理论还提出，暗物质可能是暗扇区的一部分，与标准模型粒子通过门廊相互作用大统一理论标准模型将强、弱、电磁三种相互作用描述为不同规范对称性，但未能统一它们，也未包含引力大统一理论（GUT）试图在更高能量尺度（约10¹⁶GeV）将三种力统一为单一相互作用这类理论预测质子衰变（尚未观测到）和磁单极子存在超对称大统一理论是最有前景的方向，但在更高层次上，如何将引力纳入统一框架仍是理论物理学的终极目标，弦理论是当前最雄心勃勃的尝试计算物理学与机器学习多体问题数值方法发展求解量子多体系统的高效算法物理学中的机器学习神经网络辅助物理实验和理论研究量子机器学习量子计算加速机器学习算法物理启发的人工智能物理学原理指导人工智能架构设计计算物理学正经历一场由机器学习驱动的革命强大的神经网络算法被用于解决传统方法难以处理的复杂物理问题，如高维量子多体系统、湍流动力学和蛋白质折叠等张量网络和深度学习相结合的方法能高效表示量子多体波函数，突破了指数墙的计算瓶颈；生成对抗网络可以模拟复杂物理系统的演化，产生与真实实验数据难以区分的样本；强化学习算法已用于优化量子控制策略和实验设计量子机器学习是一个新兴交叉领域，研究量子计算如何加速机器学习算法，以及机器学习如何辅助量子系统研究量子支持向量机、量子玻尔兹曼机和量子神经网络等算法有望在特定问题上展现量子优势同时，物理学原理也在启发新型人工智能架构设计，如基于热力学的学习算法、拓扑神经网络和自旋玻璃启发的优化方法等这种跨学科融合正在改变科学发现的范式，从数据驱动发现物理规律，到自动设计实验验证假设，再到构建物理学知识图谱辅助理论研究，人工智能工具正成为物理学家的得力助手，加速科学发现进程复杂系统物理学复杂系统物理学研究由大量相互作用组分构成的系统中涌现的集体行为，从生物系统、社会网络到金融市场非平衡统计物理学为理解这类系统提供了理论框架，拓展了传统平衡态物理学，研究能量和物质持续流动的开放系统最新进展包括涨落定理、大偏差理论和随机热力学等，为理解非平衡现象提供了有力工具生物物理学与活性物质理论成为热点研究方向，研究对象包括细胞集体运动、生物膜动力学和分子马达等耗散结构这些系统通过局部能量输入实现自组织，形成复杂图案和功能结构活性物质理论将非平衡统计力学与生物学和软物质物理相结合，为理解生命自组织原理提供了物理视角网络科学研究复杂系统中组分相互连接的拓扑结构，揭示网络结构如何影响系统功能和动力学经济物理学则将统计物理方法应用于经济和金融系统研究，建立金融市场波动、风险传播和经济危机的物理模型这些跨学科研究不仅拓展了物理学应用范围，也为解决社会经济问题提供了新思路和分析工具未来大型科学装置装置名称主要参数科学目标预计完成时间国际直线对撞机ILC电子-正电子对撞，精确测量希格斯玻色2035年后250-500GeV子，寻找新物理圆形正负电子对撞机周长100公里，能量希格斯工厂，精密前沿2030年代CEPC240GeV测量中国散裂中子源二期500kW束流功率材料科学，生物学研究2026年30米级望远镜TMT主镜直径30米系外行星，暗能量研究2030年代欧洲极大望远镜ELT主镜直径39米寻找地外生命，宇宙学2028年平方公里阵列SKA射电望远镜阵列，面积1宇宙黎明，脉冲星研究2027年起分阶段平方公里下一代大型科学装置将为物理学研究提供前所未有的探测能力高能物理领域，国际直线对撞机（ILC）和中国提出的圆形正负电子对撞机（CEPC）计划建造希格斯工厂，通过精确测量希格斯玻色子性质和寻找微小偏差，探索超出标准模型的新物理未来可能建造的质子-质子对撞机（如FCC-hh和SPPC）将把探测能量推进到100TeV量级，为发现新粒子创造条件天文观测方面，多个30米级光学望远镜项目正在推进，包括三十米望远镜（TMT）、欧洲极大望远镜（ELT）和巨型麦哲伦望远镜（GMT）这些设施将极大提高光学观测能力，可能直接成像系外行星并分析其大气成分，寻找生命痕迹平方公里阵列（SKA）将成为史上最大射电望远镜，能够探测宇宙再电离时期和研究脉冲星引力波跨学科物理研究量子生物学认知神经物理学1研究生物系统中的量子效应，如光合作用中的量子相干和量子将物理学方法应用于大脑功能研究，探索意识和认知的物理基隧穿在酶反应中的作用础信息物理学地球物理与气候科学研究信息与物理世界的基本关系，统一信息论和统计物理学研究地球系统复杂动力学，开发气候变化预测模型量子生物学是近年兴起的研究领域，探索量子力学在生物学系统中的作用研究表明，光合作用的能量传递过程中存在量子相干效应，有助于提高能量转移效率；鸟类导航机制可能利用自旋化学反应中的量子纠缠效应感知地磁场；DNA突变和酶反应中的量子隧穿效应可能在生命过程中扮演重要角色这些发现挑战了我们对生命运行机制的传统理解，暗示量子效应可能在宏观生物系统中发挥功能认知神经物理学将物理学方法应用于脑科学研究，探索意识和认知的物理基础临界动力学理论提出大脑可能工作在秩序与混沌的临界点附近，最大化信息处理能力；量子意识理论则探讨量子效应是否在神经元微管蛋白中发挥作用；网络神经科学应用复杂网络理论研究大脑连接组，揭示认知功能的网络基础信息物理学研究信息与物理世界的基本关系，包括兰道尔原理、最大熵原理和热力学第二定律的信息解释等It frombit（物理源于信息）假说提出信息可能是比物质和能量更基本的概念，量子信息理论进一步揭示了量子纠缠作为信息资源的基本性质这一领域不仅深化了我们对物理学基础的理解，也为发展新型信息处理技术提供理论支持物理学与可持续发展能源物理与气候变化绿色材料与循环经济纳米催化与环境治理物理学为解决能源危机和应对气候变化提供科凝聚态物理学和材料科学推动绿色材料开发，纳米物理学推动环境治理技术创新，尤其是催学基础热力学和材料物理学引领太阳能电减少资源消耗和环境污染生物降解电子材化材料领域纳米结构催化剂大幅提高化学反池、燃料电池和储能技术的革新；计算物理模料、高效催化剂和环保制冷材料等是当前研究应效率，降低能耗；光催化材料利用阳光分解型改进气候预测并评估减排策略效果；新型核热点物理学方法助力回收技术提升，如利用水污染物；纳米多孔材料为气体分离和污染物能技术如小型模块化反应堆和聚变能源研究为等离子体分离技术回收稀有金属，磁分离技术吸附提供高效解决方案物理学家还开发先进低碳能源转型提供可能路径物理学家参与开分拣废旧电子产品，激光识别技术自动分类塑传感技术监测环境污染物，设计基于量子点和发碳捕获技术和气候工程方案，探索大规模减料废弃物这些技术为实现循环经济和资源高表面等离子体共振的高灵敏度检测器，实现污缓气候变化的技术手段效利用提供科学支撑染物的早期预警和精确监测物理教育创新在线互动实验平台虚拟现实物理教学公民科学与物理普及数字技术革新正在改变物理教育模式，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技公民科学项目邀请普通公众参与真实物在线互动实验平台使学生无需昂贵设备术为物理教育带来革命性变化，创造沉理研究，如星系分类、粒子轨迹识别和即可进行虚拟实验这些平台结合物理浸式学习环境学生可漫步于原子内量子计算游戏等这些项目不仅产生有引擎和真实数据，模拟从基础力学到量部，观察电子云分布；亲历相对论性价值的科学数据，也提高公众对物理学子现象的各类实验，学生可调整参数，时空扭曲；或参与粒子对撞实验这的理解和参与度科普创作平台支持物观察结果变化，建立直观理解中国已些技术特别适合教授抽象概念和不可见理学家和教育者制作高质量科普内容，开发多个本土化平台，如物理云实验室现象，将复杂理论具象化多所中国高包括短视频、互动图表和科学游戏中和互动物理，支持个性化学习路径，校已建立VR物理实验室，开发本土化教国科学传播联盟推动建立标准化科普评适应不同学习风格和进度，大幅提高了学内容，针对不同年龄段学生设计适合价机制，将科普工作纳入科研人员评价物理教育的可及性和灵活性的虚拟教学场景体系，鼓励更多科学家投身科学传播跨学科物理人才培养当代物理学越来越需要跨学科视角，新型教育项目强调物理学与计算机科学、生物学、材料科学和人文学科的交叉融合问题导向的教学模式取代传统学科界限，学生围绕实际科学问题组建多学科团队，培养跨学科合作能力多所高校开设物理学与人工智能、物理学与数据科学等交叉学位项目，培养具备多领域知识和创新思维的复合型人才，以应对未来科技发展的复杂挑战中国物理学贡献中国散裂中子源位于广东东莞的中国散裂中子源（CSNS）是中国首个高性能脉冲中子源，2018年正式投入运行该装置利用高能质子束轰击重金属靶，产生高通量中子束流，为材料科学、生命科学和凝聚态物理等领域提供强大研究工具CSNS具有20千瓦的束流功率，配备多台先进谱仪，能够看见物质内部原子和分子的结构与动态过程，为新材料开发和基础科学研究提供关键支持上海光源与硬X射线自由电子激光装置上海光源（SSRF）是中国第一个第三代同步辐射光源，2009年建成投入使用，为材料科学、生物医学等领域提供亮度极高的X射线上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）正在建设中，将成为世界上性能最先进的X射线自由电子激光装置之一，能产生超短（飞秒级）超亮X射线脉冲，实现对物质超快过程的分子电影观测，为探索化学反应动态过程和材料极端状态提供前所未有的研究手段悟空暗物质粒子探测卫星2015年发射的悟空卫星（DAMPE）是中国首颗空间天文卫星，专门用于高能电子和伽马射线观测，寻找暗物质粒子湮灭或衰变的间接证据该卫星探测能量范围为5GeV至10TeV，能量分辨率优于

1.5%，是当前空间探测器中能量测量精度最高的2017年，悟空探测到宇宙射线电子能谱在约1TeV处的异常断崖，可能与暗物质湮灭有关，引起国际物理学界广泛关注墨子号量子科学实验卫星2016年发射的墨子号是世界首颗量子科学实验卫星，实现了一系列量子通信和量子物理学基础实验的突破卫星成功实现了1200公里的星地量子密钥分发，7600公里的洲际量子密钥分发，以及1000公里量级的量子纠缠分发，验证了量子非局域性在空间尺度的普适性这些成就标志着中国在量子信息领域达到国际领先水平，为未来全球量子通信网络奠定基础总结与展望物理学统一理论探索技术突破与社会影响未解谜题与研究机遇物理学的终极目标之一是寻求自然界基物理学研究持续推动技术革新，量子技物理学充满开放问题和未解之谜暗物本规律的统一理解当前，量子引力问术、新能源、先进材料和精密测量等领质和暗能量的本质、高温超导机理、量题仍是理论物理学最大挑战，弦理论、域的突破正在改变人类生活方式量子子力学与引力的调和、生命物理学基础圈量子引力、因果集理论等多种路径并计算有望解决传统计算机难以处理的复等问题等待新一代物理学家探索每个行发展下一代对撞机和天文观测有望杂问题；聚变能源可能提供近乎无限的未解之谜都蕴含重大突破的可能，也许提供验证或排除特定理论的关键证据清洁电力；新型功能材料将赋能下一代需要全新思维范式和实验方法与历史物理学发展历史表明，不同理论分支之电子和医疗设备这些技术进步不仅带上的重大理论突破类似，这些谜题的解间往往存在意想不到的深刻联系，未来来经济价值，也将帮助人类应对气候变决可能始于看似无关的实验异常或理论十年可能见证新的理论突破，为我们理化、资源短缺和健康挑战等全球性问洞见今天的学生将有机会参与这些前解宇宙本质提供更统一的视角题，体现物理学作为基础科学的深远社沿探索，推动人类知识边界不断向前拓会价值展。