中科院物理教学课件

中国科学院物理教学课件物理学的魅力与探索之旅第一章物理学的基础与发展脉络古典时期物理学是自然科学的基础，它探究物质世界最基本的规律和本质特性从古希腊哲学家对原子的猜想，1到中世纪对运动学的研究，再到牛顿力学体系的建立，物理学的发展历程充满了智慧的火花和创新的思想伽利略实验方法奠基牛顿时代物理学的发展可以追溯到公元前3世纪亚里士多德的《物理学》著作，经历了伽利略的实验科学方法、2牛顿力学的系统建立、麦克斯韦电磁理论的统

一、爱因斯坦相对论的革命性突破，以及量子力学的奇妙发现每一次重大理论突破都深刻改变了人类对自然界的认识经典力学体系形成电磁统一物理学作为基础科学，其理论和方法已渗透到几乎所有自然科学和工程技术领域中国科学院物理研究3所作为国家物理学研究的重要基地，长期致力于物理学基础研究和应用技术开发，在多个领域取得了国麦克斯韦方程组际领先的成果现代物理4相对论与量子力学当代前沿5量子信息与凝聚态物理学的核心问题物质的本质是什么？宇宙的基本规律如何揭示？物理学如何推动科技进步？物理学家一直在探索物质的基本组成单位及从牛顿的万有引力到爱因斯坦的广义相对物理学研究的基础理论往往催生革命性技术其相互作用方式从原子到基本粒子，从标论，从热力学定律到量子力学，物理学家不突破从电磁学到晶体管的发明，从量子力准模型到弦理论，这一问题引领着物理学前断尝试用简洁统一的理论来描述自然界的基学到激光技术，基础物理研究与技术创新密进的方向中科院物理所在粒子物理理论研本规律中科院物理所与国家天文台、高能不可分中科院物理所在量子信息、新材究中，已形成了具有国际影响力的研究团物理所等机构合作，参与了多项宇宙学和天料、光电技术等领域的研究，已转化为多项队，深入研究量子场论、规范场论和标准模体物理研究项目，为理解宇宙的演化和结构国家重大科技成果，有力支撑了国家战略性型扩展等前沿问题做出了重要贡献新兴产业发展物理学的核心问题不仅仅是科学问题，也是哲学问题它们关乎人类如何认识世界、理解自然中国科学院物理研究所始终坚持基础研究与应用研究并重，在探索这些根本问题的同时，也致力于将科学发现转化为推动社会发展的动力经典力学的绝对时空观牛顿力学奠定物理学基础绝对时间1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中系统阐述了经典力学体系，包括著名的三时间均匀流逝，对所有观察者相同大运动定律和万有引力定律牛顿力学基于绝对时空观，认为时间和空间是独立存在的，无论观察者处于何种状态，时间流逝的速率和空间的测量都是一致的这一观点在三百多年间主导绝对空间了物理学的发展牛顿力学成功解释了从行星运动到地面物体的各种力学现象，成为第一个统一的物理理论体空间是固定的舞台，物体在其中运动系中科院物理所的力学实验室保留了多套经典力学实验装置，这些装置不仅具有教学价值，伽利略变换也展示了力学测量技术的历史演变不同参考系间的坐标变换关系伽利略变换与速度叠加原理伽利略变换是经典力学中描述不同惯性参考系之间坐标变换的数学表达，其核心是速度叠加原理如果物体相对于参考系A的速度为v_A，而参考系A相对于参考系B的速度为v_{AB}，则物体相对于参考系B的速度为v_B=v_A+v_{AB}这一原理在日常生活中看似理所当然，却在光速附近失效迈克耳孙莫雷实验的失败与启示-迈克耳孙莫雷实验装置示意图-实验背景实验结论以太不存在，光速不变19世纪末，物理学家普遍认为光波需要一种名为以太的介质来传播，类似于声波需要空实验结果出人意料——无论装置如何旋转，干气迈克耳孙和莫雷设计了这一精密实验，目涉条纹位置没有发生预期的变化这表明光在的是测量地球相对于这种假想的以太的运动不同方向上的传播速度相同，与地球运动方向速度无关实验装置使用了高精度的干涉仪，将光束分成这一否定性结果引发了物理学的深刻危机两束垂直传播的光，然后再合并观察干涉条要么放弃以太概念，要么修改经典力学理论纹如果存在以太风，则装置旋转90度后，最终，爱因斯坦通过提出光速不变原理和狭义两个方向上的光速应有差异，干涉条纹应发生相对论解决了这一矛盾，彻底改变了物理学对可测量的位移时间和空间的理解这一实验被誉为历史上最著名的否定性实验，它展示了科学研究中意外发现的重要性——有时候，预期之外的结果可能导致更深刻的科学突破有时候科学的进步不是来自于新发现，而是来自于对旧观念的抛弃——马克斯·普朗克狭义相对论的诞生爱因斯坦年提出两大原理光速不变与相对性原理间隔不变性与闵可夫斯基时空19051905年，年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦在瑞狭义相对论的第一原理是光速不变原理光在在爱因斯坦提出狭义相对论后，数学家闵可夫斯士专利局工作期间，发表了题为《论动体的电动真空中的传播速度对于所有惯性观察者都是相同基发现了一种优雅的几何解释可以将时间视为力学》的论文，开创了现代物理学的新纪元这的，不受光源或观察者运动状态的影响这个看第四维，与三维空间共同构成四维时空连续体篇论文不是基于复杂的数学推导或精密的实验，似简单的陈述实际上具有深刻的哲学含义，它挑在这个时空中，不同观察者可能对事件的时而是从两个简洁的原理出发，通过纯粹的逻辑思战了我们对速度叠加的直觉理解间和空间坐标有不同的测量结果，但某些组合考，彻底重构了物理学的时空观念（称为间隔）保持不变第二原理是相对性原理物理规律在所有惯性爱因斯坦的工作解决了经典电磁学与牛顿力学之参考系中具有相同的形式这意味着没有任何实这种时空统一的观点深刻影响了后来的物理学发间的矛盾，建立了一个新的理论框架中科院物验可以确定一个惯性系是绝对静止的，进一步展广义相对论将这一思想进一步发展，将引力理所的理论物理研究中心长期开展相对论研究，否定了牛顿绝对空间的概念这两个原理的结解释为时空几何的弯曲中科院物理所与北京大特别是在相对论与量子理论的交叉领域取得了多合，导致了时间和空间测量的相对性，推翻了经学、中科院理论物理所等单位合作，开展了时空项原创性成果典物理学中时间和空间彼此独立且绝对的概念几何与引力理论的前沿研究洛仑兹变换的数学表达经典伽利略变换的局限在牛顿力学框架下，不同惯性参考系之间的坐标和时间变换关系由伽利略变换给出洛仑兹变换的核心特征是时间和空间测量不再独立，而是相互混合的特别地，时间变换方程含有空间坐标项，这意味着不同位置的时钟可能不同步，彻底颠覆了牛顿物理学中的绝对时间概念这组变换方程蕴含了两个假设时间是绝对的（所有参考系中相同），空间测量仅随相对运动而简单平移然而，这与光速不变原理不相容，因为根据伽利略变换，不同参考系中测得的光速应当不同洛仑兹变换的推导与物理意义中科院物理所相对论研究团队使用现代数学工具，包括微分几何和张量分析，对洛仑兹变换的对称性和群结构进行了深入研究，为相对论的教学和进一步发展提供了系统的数学框架荷兰物理学家洛仑兹提出了一组新的变换关系，后被爱因斯坦从相对论原理出发重新导出其中γ是洛仑兹因子时间膨胀与长度收缩的实验验证介子寿命实验原子钟环球飞行实验系统相对论校正μGPS高速运动的μ介子（一种不稳定的基本粒子）显示出比静止时更长的寿命1971年，科学家将精密原子钟装在环球航行的飞机上，与地面静止的相同原从地面观察者看来，这些粒子能够传播更远的距离，正是因为它们自身的时子钟比较结果显示，飞行中的原子钟确实比地面原子钟走得稍慢，差异完钟走得更慢——这正是时间膨胀效应的直接证据全符合相对论预测爱因斯坦与相对论颠覆经典，开启现代物理相对论的主要成就爱因斯坦的相对论不仅是物理学理论的革命，更是人类思维方式的革命它颠覆了我们对时间、空间、质量时空统一和能量的基本认识，开启了现代物理学的新纪元相对论最著名的方程E=mc²揭示了质量与能量的等价性，为核能的释放提供了理论基础，也改变了人类历史的进程将时间与空间视为四维时空连续体的不同维度中国科学院物理研究所在相对论教学中，特别强调相对论思想对科学方法论的深远影响爱因斯坦从简单原质能等价理出发，通过纯粹的思想实验和逻辑推理，重构物理学体系的方法，展示了理论物理的优雅与力量质量可转化为能量，能量具有惯性引力新解广义相对论将引力解释为时空弯曲想象力比知识更重要知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉——阿尔伯特·爱因斯坦爱因斯坦的工作不仅影响了物理学，还深刻影响了哲学、艺术和文化相对性概念的普及使人们更加理解到观察者视角的重要性，也促使人们反思科学知识的本质和局限中科院物理所的科学史研究部门专门收集整理了爱因斯坦理论在中国的传播和接受历史，为理解科学思想的跨文化传播提供了重要案例第二章量子力学的奇妙世界如果说相对论颠覆了我们对宏观时空的认识，那么量子力如果量子力学没有使你感到深学则彻底改变了我们对微观世界的理解量子力学的发展深不安，那么你还没有真正理解始于20世纪初，当时物理学家发现经典物理学无法解释它一系列微观现象，如黑体辐射、光电效应和原子光谱等——尼尔斯·玻尔本章核心内容量子力学的核心特征包括波粒二象性、测不准原理、量子叠加、量子纠缠等，这些概念挑战了我们的日常直觉，却被无数精密实验所证实中国科学院物理研究所量子物·量子力学的历史背景与实理研究团队在量子信息、量子计算和量子模拟等前沿领域验基础取得了多项突破性成果·量子力学的数学框架与基本原理·量子现象的哲学解释与争论·量子技术的前沿应用与发展量子力学在20世纪物理学中占据核心地位，不仅解释了原子结构和化学键的本质，还为半导体、激光、核能等现代技术奠定了理论基础如今，量子技术已进入第二次革命阶段，量子计算、量子通信、量子传感等领域正在迅速发展，有望开创新一轮技术革命中科院物理所在量子信息与量子计算研究方面处于国际前列，与多家高校和企业合作推动量子技术的实用化进程量子力学的诞生背景年19001普朗克提出量子假设解释黑体辐射年21905爱因斯坦用光量子解释光电效应年19133玻尔提出原子量子化模型年41924德布罗意提出物质波假说年1925-19265海森堡、薛定谔建立量子力学数学体系黑体辐射与普朗克量子假设光电效应与爱因斯坦光量子理论量子力学的基本假设与波粒二象性19世纪末，物理学家们发现经典物理无法解释黑体辐射实验数据黑体辐射曲线1905年，爱因斯坦将普朗克的量子概念进一步发展，提出光本身由离散的粒子量子力学建立在几个基本假设之上在高频区的实验结果与经典理论（瑞利-金斯公式）预测完全不符，这一问题被称（光子）组成，每个光子携带能量E=hν这一理论完美解释了光电效应实验中的

1.微观粒子具有波粒二象性，既表现出粒子性质，又表现出波动性质为紫外灾难关键特征

2.测量过程会影响系统状态，导致波函数坍缩1900年，德国物理学家马克斯·普朗克大胆假设能量不是连续的，而是以离散·光电子的产生与光的强度无关，而与光的频率有关ℎ

3.物理量的测量结果只能取特定的离散值（量子化）的能量包或量子形式存在能量只能以某个基本单位ν的整数倍被吸收或辐·存在截止频率，低于此频率的光无法产生光电效应ℎ

4.测量前系统可处于多种可能状态的叠加射，其中是普朗克常数，ν是频率这一看似简单的假设成功解释了黑体辐射实·光电子的最大动能与光的频率成正比验数据，开启了量子革命的序幕这些假设与经典物理学的确定性和连续性假设完全不同，反映了微观世界的根本特爱因斯坦因解释光电效应获得1921年诺贝尔物理学奖，这一工作为量子力学奠定性中科院物理所进行的双缝干涉实验教学演示，直观展示了电子等微观粒子的波了重要基础，也首次清晰展示了光的波粒二象性粒二象性量子力学的诞生是20世纪科学史上最重要的事件之一，它不仅改变了物理学的发展轨迹，也深刻影响了化学、材料科学、计算机科学等众多领域中国科学院物理研究所的量子物理教学实验室配备了多种现代化设备，可以重现量子力学发展过程中的关键实验，帮助学生理解量子概念的形成过程和实验基础量子力学的数学框架薛定谔方程与波函数量子力学的核心方程——薛定谔方程，由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1926年提出这一方程描述了量子系统波函数的时间演化Ĥ其中，Ψr,t是波函数，描述粒子在空间和时间中的量子状态；ℏ是约化普朗克常数；是哈密顿算符，代表系统的总能量图氢原子波函数的三维可视化，展示电子云概率分布波函数本身没有直接的物理意义，但其模平方|Ψ|²表示粒子在特定位置被发现的概率密度这一概率解释由马克斯·玻恩提出，成为量子力学的标准解释（哥本哈根诠释）的核心量子力学的数学工具本征值问题与量子态·希尔伯特空间理论在量子力学中，物理可观测量（如能量、动量、角动量等）由厄米算符表示当系统处于算符的本征态时，测量结果必定是相应的本征值例·线性算符与矩阵力学如，能量本征方程·傅里叶变换与表象变换·偏微分方程与数值方法量子叠加与测量问题量子力学最令人困惑的特性之一是量子叠加原理与经典物理不同，量子系统可以同时处于多个不同状态的叠加态ᵢᵢᵢᵢ其中，|Ψ⟩是系统的量子态，|ψ⟩是基态，c是复数系数，满足归一化条件∑|c|²=1测量前，系统同时存在于所有可能状态；测量后，系统坍缩到某个特定状态，概率为|c|²量子测量问题引发了关于量子力学本质的诸多哲学争论，包括哥本哈根诠释、多世界解释、退相干理论等不同解释框架中科院物理所的量子基础理论研究组专门研究量子测量理论和量子信息理论的数学基础，为量子技术发展提供理论支持量子力学的数学框架看似抽象，却能精确预测微观世界的行为从原子结构到分子光谱，从超导现象到半导体物理，量子力学的预测与实验结果惊人一致中科院物理所开发的量子力学教学软件，通过可视化模拟帮助学生理解复杂的量子概念和数学描述，使抽象的理论变得直观可感电子云模型与波函数分布微观世界的概率之舞波函数与实验观测图中展示的是氢原子不同能级的电子波函数分布，这些美丽的三维结构展现了量子力学的核心特征——虽然波函数本身不可直接观测，但现代实验技术已能间接看到这些电子云结构例如，扫描隧道显微概率波与经典物理中粒子的确定轨道不同，量子力学中的电子不再有明确的位置和运动轨迹，而是镜STM和原子力显微镜AFM能够探测表面电子密度分布，提供与理论计算高度一致的图像以概率云的形式分布在原子核周围中科院物理所的量子材料研究实验室利用先进的扫描隧道显微镜，成功观测到了二维材料中电子的量不同颜色代表波函数的不同相位，而亮度则表示电子在该区域被发现的概率密度这些形状被称为原子态分布，为量子材料设计和器件开发提供了重要实验依据这些研究不仅验证了量子力学的基本原子轨道，由量子数n（主量子数）、l（角量子数）和m（磁量子数）唯一确定每个轨道都有特定的能理，也为纳米技术和量子计算材料探索铺平了道路量和角动量，体现了量子力学的量子化特性原子不是物理学所理解的物质那样的东西，而更像是一种可能性的模式——维尔纳·海森堡从波函数到物质世界波函数的数学描述看似抽象，却是理解物质世界最基本属性的钥匙电子轨道的形状和能量决定了原子的化学性质，进而决定了分子结构和化学反应的本质从金属的导电性到半导体的带隙，从化学键的强度到分子的光谱特性，无不源自电子波函数的量子特性中科院物理所的计算物理研究中心利用超级计算机和量子化学软件，能够精确计算复杂材料系统的电子结构和物理性质，为新材料设计提供理论指导这种从微观量子原理到宏观材料性能的跨尺度研究方法，代表了当代物理学和材料科学的前沿研究范式量子黑科技与前沿应用量子计算与量子信息处理量子传感与量子通信量子计算利用量子叠加和量子纠缠原理，在特定问题上展现出远超经典计算机的处理能力量子比特（qubit）不同于经典比特的0或1状态，它可以同时处于0和1的叠加态，理论上能够实现并行计算中科院物理所在超导量子计算、光量子计算和拓扑量子计算等多条技术路线上开展深入研究2023年，研究团队实现了76个超导量子比特的纠错码，大幅提高了量子计算的容错能力在量子算法研究方面，团队针对材料科学和药物设计开发了专用量子模拟算法，展示了量子计算在科学计算领域的应用潜力量子计算研究进展量子传感技术利用量子系统对外界扰动的极高灵敏度，实现超精密测量中科院物理所开发的量子磁力计灵敏度达到皮特斯拉级别，可用于地球物理探测和医学成像·超导量子芯片实现100+量子比特原型机·量子纠错降低量子退相干错误率量子通信基于量子密钥分发QKD技术，提供理论上不可破解的通信安全保障2021年，中科院与多家单位合作，建成全球最大规模的京沪干线量子通信网络，连接北京、上海等多个城市，为金融、政务等敏感领域提供安全通信服务·量子软件开发量子算法和编程框架量子网络发展里程碑量子计算潜在应用·2017年世界首颗量子科学实验卫星墨子号发射·密码破解打破现有加密体系·2020年实现千公里级星地量子密钥分发·材料设计精确模拟分子和材料性质·2023年量子中继器突破，延长量子通信距离·机器学习加速复杂模式识别中科院量子研究最新进展简介量子优势演示量子精密测量拓扑量子材料2022年，中科院物理所与合作单位在光量子计算平台上，实现了高斯玻色采样实2023年，研究团队利用金刚石氮空位中心，开发出工作在室温环境下的量子陀螺2024年，中科院物理所在二维拓扑超导材料研究方面取得重要进展，首次观测到高验，展示了量子计算解决特定问题的速度优势，计算复杂度相当于百亿亿次经典计算仪，角速度灵敏度达到纳弧度/秒水平，可用于高精度惯性导航系统团队还将该技温马约拉纳费米子的实验证据，为构建容错量子计算奠定材料基础这一成果发表在能力这一成果在《科学》杂志发表，被评为年度物理学重大突破之一术应用于生物磁场检测，为神经信号无创监测提供新手段《自然》杂志，引起国际学术界广泛关注量子技术已从实验室走向实际应用阶段，成为科技强国竞争的战略制高点中国科学院物理研究所积极推动量子技术产学研结合，与华为、阿里巴巴等企业建立联合实验室，加速量子计算和量子通信的商业化进程同时，研究所也注重量子科学普及教育，每年举办量子开放日活动，向公众展示量子科技的魅力与应用前景第三章凝聚态物理与材料科学凝聚态物理是物理学中研究规模最大、发展最快的分支，它关注物质在凝聚状态（固体、液体等）下的行为和性质这一领域与材料科学紧密结合，不仅揭示物质的基本性质，也凝聚态物理是当今物理学中最活跃的领域，它源源不断地产生新概念、新现象和新材料，驱动着现代技术的快速发展为新材料设计和开发提供理论指导——中国科学院院士赵忠贤凝聚态物理的研究对象极其丰富，从常见的金属、半导体、绝缘体，到超导体、磁性材料、液晶，再到新兴的拓扑材料、量子材料等中国科学院物理研究所是国内凝聚态物理研究的重要基地，在高温超导、拓扑量子计算、二维材料等方向取得了一系列国际领先成果量子理论微观机制晶体结构原子排列材料性能宏观表现器件应用凝聚态物理的研究对象固体、液体的物理性质超导、磁性与拓扑材料量子相变与自旋系统凝聚态物理研究物质在原子或分子聚集形成的凝聚相中表现出的集体行超导体在特定温度下展现零电阻和完全抗磁性；磁性材料则源于电子自旋量子相变是在绝对零度附近由量子涨落驱动的相变现象，与经典热力学相为固体中，原子排列呈现周期性晶格结构，电子的量子行为决定了材料排列方式；拓扑材料的奇特性质则源于能带结构的拓扑特性，如表面必然变有本质区别量子自旋系统则展现出丰富的集体行为，如自旋液体、自的电学、磁学和光学性质中科院物理所利用扫描隧道显微镜STM、角分存在金属态而体内为绝缘体中科院物理所在铁基超导、高温超导、拓扑旋冰等奇异量子态中科院物理所量子磁性研究团队利用中子散射、核磁辨光电子能谱ARPES等先进技术，实现了对材料电子结构和性质的原子尺绝缘体等研究领域取得多项突破，发现了多种新型超导和拓扑材料体系共振等技术，在量子自旋系统的实验研究方面取得国际领先成果，为量子度表征计算材料探索提供重要线索研究方法与表征技术理论方法与计算模拟凝聚态物理研究依赖于先进的实验技术和理论方法在实验方面，包括在理论方面，凝聚态物理研究采用多种方法·散射技术X射线、中子和电子散射，揭示材料结构·第一性原理计算基于量子力学基本方程的材料性质计算·显微技术STM、TEM、AFM等，实现原子尺度成像·多体理论处理强关联电子系统的理论框架·光谱技术ARPES、拉曼散射、核磁共振等，测量电子结构·有效场论描述低能激发和相变现象·极端条件超低温、超高压、强磁场，探索新奇量子态·数值模拟蒙特卡罗方法、分子动力学、密度矩阵重整化群等中科院物理所建有先进计算物理中心，开发了多种材料计算软件，能够预测新材料性质并指导实验设计超导探索百年路超导现象的发现与理论1911年，荷兰物理学家昂内斯Onnes在液氦温度下观察到汞的电阻突然消失，发现了超导现象超导体除了零电阻外，还表现出完全抗磁性（迈斯纳效应），使磁体可以在超导体上方稳定悬浮1957年，巴丁、库珀和施里弗提出了解释低温超导的BCS理论，认为电子在晶格振动声子的介导下形成库珀对，这些电子对作为玻色子可以凝聚到同一量子态，形成宏观量子态，从而表现出零电阻和抗磁性年BCS理论曾预测超导临界温度不可能超过30K，然而历史证明这一预测是错误的1986年，贝德诺兹和穆勒在铜氧化物中发现了高温超导体，临界温度远超BCS理论预测的上限，开启了高温超导研19111究的新时代昂内斯发现汞超导

4.2K年21957BCS理论解释低温超导年19863铜氧化物高温超导35K年42008铁基超导体系发现26K年20205室温超导材料探索高温超导材料的突破高温超导体的发现彻底改变了超导研究格局1987年，液氮温度77K以上超导体的发现使超导应用成本大幅降低此后，研究人员不断发现新型超导体系，临界温度记录也不断被刷新铜氧化物超导体铁基超导体氢化物超导体1993年，汞基铜氧化物在高压下达到164K2008年由中国科学家发现，开创超导研究新方向2020年，硫氢化物在高压下接近室温超导中科院超导研究团队成果展示中国科学院物理研究所是国际超导研究的重要力量研究团队在赵忠贤院士、陈仙辉院士等带领下，在高温超导研究领域取得了一系列重要成果·2008年，中科院物理所研究团队发现了铁基超导体系，开创了继铜氧化物之后的第二大类高温超导体系，引发全球研究热潮·2012年，成功研制出临界电流密度世界最高的高温超导带材，为超导输电技术应用奠定基础₃·2018年，在单层FeSe/SrTiO薄膜中观测到高达65K的超导临界温度，揭示了界面增强超导的新机制·2021年，研发出国际领先的全超导磁共振成像装置，大幅降低液氦消耗，推动医学成像技术进步超导零电阻的奇迹超导磁悬浮演示超导技术的实际应用图中展示的是超导体的迈斯纳效应和量子锁定现象当高温超导体（通常是钇钡铜氧化物YBCO）被液氮冷却至临界温医学成像度以下（约77K）时，它会排斥外部磁场，使永磁体稳定悬浮在其上方，形成无接触的磁悬浮状态这一现象不仅具有科学价值，也是超导应用的重要基础中科院物理所的科普实验室经常利用这一演示向公众和学生展超导磁体是核磁共振成像MRI设备的核心，提供强大而稳定的磁场，中科院物理所开发的超导MRI技术已应用于多示超导的神奇特性在超导磁悬浮列车技术中，正是利用了这一原理，使列车可以无摩擦地悬浮在轨道上方，大幅降低家医院能耗并提高速度电力系统超导电缆、超导变压器和超导限流器可显著提高电网效率和稳定性，中科院与国家电网合作研发的超导电缆已在示范工程中投入使用科学研究超导磁体广泛应用于粒子加速器、核聚变装置和高场磁体实验室，中科院物理所的强磁场实验装置已达到40特斯拉超导量子计算超导量子比特是实现量子计算的主要技术路线之一超导约瑟夫森结在极低温度下表现出的量子相干特性，使其成为理想的量子比特载体中科院物理所与中科院量子信息重点实验室合作，在超导量子计算领域取得多项重要进展超导量子芯片量子纠错码超导量子处理器研发出多种超导量子比特结构，包括电荷量子比特、相位量子比特和转子量子设计并实现了表面码和色码等量子纠错码，通过冗余编码和错误检测，大幅提成功研制66比特超导量子处理器原型机，实现了多量子比特纠缠态的制备和操比特，量子相干时间从最初的纳秒量级提高到现在的百微秒量级，提高了5个高了量子计算的可靠性2023年的实验展示了对单比特和双比特错误的有效控，为规模化量子计算奠定硬件基础处理器在特定量子算法上展示了量子计数量级检测和校正算速度优势超导研究作为凝聚态物理的重要分支，不仅揭示了物质的奇特量子行为，也为未来技术提供了广阔可能中国科学院物理研究所将继续深入探索超导机理，开发新型超导材料，推动超导技术在能源、信息、医疗等领域的创新应用，为实现科技自立自强贡献力量新型材料的制备与应用单晶石墨与非贵金属玻璃电化学固氮与能源材料纳米材料与器件技术二维材料是凝聚态物理研究的热点领域2004面对碳中和目标，能源材料研究日益重要中纳米材料研究是中科院物理所的传统优势领年，石墨烯的发现引发了二维材料研究热潮科院物理所在可持续能源材料方面取得多项突域研究团队在多种纳米材料的制备、表征和中科院物理所材料物理中心在单晶石墨烯制备破应用方面取得系列进展方面取得重要突破，开发了化学气相沉积CVD·开发出高效电化学固氮催化剂，在常温常·开发出精密控制的碳纳米管阵列生长技方法，可制备厘米级高质量单晶石墨烯，电子压下将氮气转化为氨，为绿色肥料生产提术，用于高性能传感器和柔性电子器件迁移率超过10,000cm²/V·s，为高性能电子器供新途径件提供了材料基础·研制出高导热六方氮化硼纳米片，热导率·设计出新型锂硫电池正极材料，能量密度高达2000W/m·K，解决电子器件散热难在金属材料方面，研究团队开发了一系列非贵达到500Wh/kg，比传统锂离子电池提高题金属基非晶合金（金属玻璃），具有优异的力近一倍·设计出纳米多孔金属框架材料，比表面积学性能和耐腐蚀性这些材料在航空航天、医·研发出高稳定性钙钛矿太阳能电池，效率超过2000m²/g，用于高效催化和能源存疗器械和高端制造领域具有广阔应用前景超过25%，使用寿命达到10,000小时以上储基于这些纳米材料，研究团队开发了多种创新这些能源材料创新不仅具有科学价值，也对实器件，包括高灵敏度生物传感器、柔性可穿戴现碳达峰、碳中和目标具有重要意义电子设备和高效能量转换器件等材料研究的前沿技术与方法原位表征技术中科院物理所开发了多种原位表征技术，实现对材料在实际工作条件下的实时观测例如，原位透射电子显微镜可在电池充放电过程中观察电极材料的结构变化；原位X射线衍射可监测催化反应中晶体结构的演变这些技术为理解材料性能与结构关系提供了重要工具计算材料设计结合第一性原理计算、机器学习和高通量实验，研究团队建立了材料基因组数据库和智能材料设计平台通过计算预测和筛选，大幅提高了新材料开发效率例如，团队利用该平台预测并验证了多种高性能热电材料和磁性拓扑材料，成功率比传统试错法提高了10倍以上新型材料研究是推动科技创新和产业升级的关键中国科学院物理研究所立足基础研究，面向国家重大需求，在先进材料研发和应用方面发挥着重要作用通过产学研合作，研究所积极推动科研成果转化，已孵化多家高科技企业，为材料科技自主创新提供有力支撑第四章实验物理与科学方法物理学本质上是一门实验科学，所有理论最终都必须接受实验检验实验物理不仅验证理论预测，也常常引领新发现，推动物理学的发展在科学历史上，许多重大突破都实验是自然的审判官，它不会错误，而是我们的判断有时出错，因为我们期待实验告诉我们它不能给予的东源于精心设计的实验或意外观察到的现象西中国科学院物理研究所拥有一流的实验设施和技术团队，开展从基础物理到应用技术的广泛实验研究本章将介绍物理实验的基本方法、经典实验案例分析、数据处理技术——伽利略·伽利雷以及实验安全规范，帮助读者理解实验物理的精髓和科学研究的一般方法论本章核心内容·经典物理实验案例解析·实验设计与误差分析·现代物理实验技术·实验安全与伦理规范物理实验的基本原则提出问题形成假设明确研究目标和科学问题提出可检验的科学假说得出结论设计实验验证或修正假设控制变量，确保可重复性分析结果收集数据统计处理，评估误差精确测量，记录完整经典实验案例解析迈克耳孙莫雷实验-迈克耳孙-莫雷实验试图测量地球相对于假想的以太的运动速度，结果意外发现光速在不同方向上保持不变，这一否定性结果最终导致了相对论的诞生实验核心是一个高精度干涉仪，光束被分成两束垂直传播，然后重新结合观察干涉条纹如果存在以太风，当装置旋转时，干涉条纹应发生可测量的位移然而，实验观察到的位移远小于预期，事实上与零位移一致（考虑实验误差）⁻⁰这一实验的关键在于其极高的精度迈克耳孙设计的干涉仪能够探测到波长的1/100的光程差，相当于10¹米量级的精度这种精度在当时是前所未有的，展示了精密测量技术在基础物理研究中的重要性实验启示迈克耳孙-莫雷实验告诉我们·否定性结果同样重要·实验精度决定发现深度·挑战常识可能带来突破·技术创新驱动科学进步双星系统光速验证相对论预测光速在所有参考系中都相同，这一看似违反直觉的结论如何在天文尺度上验证？双星系统提供了绝佳的自然实验室当双星绕共同质心旋转时，一颗恒星在向地球靠近，另一颗在远离如果光速会受到源运动的影响，我们应该观察到两颗恒星的光到达时间不同步然而，观测表明双星系统的轨道周期非常稳定，光的传播时间与恒星运动状态无关，支持了光速不变原理⁻⁶中科院物理所与国家天文台合作，利用脉冲双星系统进行了更精确的测试脉冲星发出的射电脉冲像宇宙时钟一样精确，通过测量不同轨道位置的脉冲到达时间，科学家能够以10的精度验证光速不变原理，进一步支持了相对论的预测高速粒子实验相对论预测高速运动的粒子会表现出质量增加、时间膨胀等效应这些效应在日常生活中几乎不可察觉，但在接近光速的粒子中变得显著中科院物理所参与的高能粒子实验为验证这些预测提供了有力证据质量能量关系时间膨胀效应粒子碰撞规律-粒子加速器中，输入的能量完全转化为粒子的相对论质量增加，与E=mc²预测一致高速μ介子的寿命比静止时延长，延长因子与相对论预测完全一致高能粒子碰撞必须使用相对论动量和能量守恒，经典力学公式失效这些实验不仅验证了相对论，也为现代粒子物理学和加速器技术奠定了基础中科院物理所开发的教学演示装置，可以直观展示这些相对论效应，帮助学生理解这些抽象概念的实验基础实验设计与数据分析实验误差与不确定度现代物理实验技术物理实验中，误差分析是确保结果可靠性的关键步骤误差来源通常包括系统误差由仪器校准不准、测量方法缺陷等引起的固定偏差系统误差具有确定的方向和大小，可通过改进实验方法或引入校正因子来减小中科院物理所研发的自校准测量技术，能够有效识别和消除多种系统误差随机误差现代物理实验依赖于先进的技术和方法由不可控因素引起的随机波动，表现为重复测量结果的离散性随机误差遵循统计规律，可通过增加测量次数和自动化数据采集计算机控制的实验系统大幅提高了数据采集速度和精度中科院物理所开发的高速数据采集系统，采统计分析来评估和减小物理所开发的贝叶斯统计分析软件，能够从有限数据中提取最大信息量，优化实验效样率可达10GS/s，适用于超快现象研究率信号处理技术锁相放大、傅里叶变换、小波分析等技术能够从噪声中提取微弱信号，提高信噪比数个数量级远程实验控制网络化实验平台允许科学家远程操作设备，实现全天候实验和国际合作现代物理实验强调用不确定度而非误差来表征测量结果的可靠性，这反映了测量理论的进步不确定度给出了测量结果的可信区间，通常以标准不确定度u或扩展不确定度U=ku表示，其中k是覆盖因子，与置信水平相关物理实验安全与规范物理实验安全是实验室管理的首要任务中科院物理所制定了严格的安全规范和操作流程电气安全激光安全低温与高压安全高压设备必须有明显警示标识和安全联锁装置；操作人员必须经过专门培激光器按危害等级分类管理；高功率激光实验室设置互锁装置和警示灯；低温液体使用专用容器和个人防护装备；高压气瓶固定存放，定期检查阀训；实验室配备漏电保护装置和紧急断电开关；定期检查电气设备绝缘状配备适当的防护镜和屏障；制定严格的操作规程和人员培训计划门和管路；氧气、氢气等特殊气体有专门存储和使用规范况除了硬件安全，实验规范还包括数据管理和实验伦理中科院物理所实施了数据可靠性追踪系统，确保实验数据的真实性和可复现性所有科研人员必须遵守学术诚信准则，准确记录和报告实验过程和结果，避免选择性报告和数据篡改物理实验是连接理论与自然的桥梁，也是培养科学思维和研究能力的重要途径中科院物理所注重实验教学与科研相结合，让学生在参与前沿研究的过程中，掌握实验技能，理解科学方法，培养创新精神物理实验室实景科学探索的摇篮实验室文化与团队合作图中展示了中国科学院物理研究所尖端物理实验室的工作场景这里配备了世界一流的实验设备，包括超高真空系统、低温强现代物理实验越来越依赖团队协作一个成功的实验往往需要多学科背景的研究人员共同参与，包括物理学家、工程师、计算磁场装置、高精度激光系统等在这些精密仪器的辅助下，科学家们能够探测物质的微观结构和性质，验证物理理论，发现新机专家等图中可见研究人员正在讨论实验方案和数据分析，这种开放交流的氛围是科学创新的重要条件现象中科院物理所注重培养严谨、创新、合作的实验室文化实验室是物理研究的心脏，也是科学创新的源泉从卡文迪许实验室到劳伦斯伯克利国家实验室，众多重大物理发现都诞生于·鼓励质疑精神，不迷信权威，尊重实验事实实验室中的观察和测量中科院物理所的实验室群不仅承担基础研究任务，也面向国家重大需求开展应用研究，在量子信息、新材料、能源技术等领域做出了重要贡献·强调细节重要性，精益求精，追求卓越·提倡开放合作，跨学科交流，集思广益·重视青年培养，传承技术，创新方法面向未来的实验技术123人工智能辅助实验量子测量技术极端条件实验中科院物理所正在开发基于人工智能的实验系统，能够自动优化实验参数，识量子传感和量子计量技术正在革新物理测量的极限物理所量子精密测量实验物理所与中科院高能物理所合作建设的极端条件实验平台，能够模拟超高压别异常现象，甚至提出新的实验假设在材料科学领域，AI辅助系统已成功预室开发的量子磁力计灵敏度达到飞特斯拉量级，比传统设备提高三个数量级（百万大气压）、超低温（毫开）和超强磁场（100特斯拉）环境，为探索新奇测并验证了多种新型功能材料，大幅提高了研究效率这些技术将用于基础物理常数测定、引力波探测和生物医学成像量子态和新型材料提供了独特条件实验室不仅是科研的场所，也是人才培养的基地中科院物理所每年接收大量本科生、研究生和博士后进入实验室参与科研，通过做中学培养下一代物理学家实验室还定期举办开放日活动，邀请公众和中小学生参观，激发青少年对科学的兴趣，传播科学精神和方法第五章物理学的前沿与未来物理学作为自然科学的基础，其发展前沿一直引领着人类对自然界的认识和科技创新21世纪的物理学正面临诸多激动人心的挑战与机遇，从宇物理学的历史告诉我们，每一次重大理论突破都开启了全新的技术可能性今天的前沿研宙起源到量子信息，从新型能源到生物物理，物理学家们正在多个方向上不断突破认知边界究，将成为明天的技术革命中国科学院物理研究所积极布局物理学前沿领域，开展多学科交叉研究，同时密切关注物理学与国家重大需求的结合点本章将介绍当前物理学——中国科学院院士方忠最活跃的研究前沿，展望未来发展趋势，并重点介绍中科院物理所在这些领域的创新成果和战略部署本章核心内容·宇宙物理与空间科学·量子信息与量子计算·交叉学科与新兴领域·中科院物理所最新研究动态物理学前沿理论与实验的双重突破理论前沿实验前沿物理学理论前沿正努力解决一系列根本性问题量子引力理论的构建、标准模型之外的物理、暗物质和暗能量的本实验物理前沿则聚焦于开发新的观测和测量技术，探索极端条件下的物质行为，验证新的理论预测大型科学装置质、时间箭头的起源等这些问题涉及物理学最深层次的基础，可能需要全新的概念框架和数学工具中科院物理如粒子对撞机、引力波探测器、中微子观测站等，正在帮助物理学家探索未知领域中科院物理所参与了多个国际所理论物理中心正在量子场论、弦理论和宇宙学方面开展前沿研究，寻求这些根本问题的突破口大科学计划，同时也在发展具有自主知识产权的实验技术和方法，在量子调控、极端条件物理等方向取得了重要进展物理学的发展已经从还原论走向复杂性研究，从单一学科走向多学科交叉面对日益复杂的科学问题和技术挑战，中科院物理所正强化跨学科合作，与生命科学、信息科学、环境科学等领域携手，开拓物理学新疆域未来的物理学将更加关注复杂系统、非平衡态、涌现现象等研究，并与人工智能、大数据等新兴技术深度融合，展现出全新的发展前景宇宙物理与空间科学宇宙射线探测与银河系档案中国天眼与空间站科学实验宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流，携带着丰富的天体物理信息中国科学院与多家研究机构合作建设的悟空暗500米口径球面射电望远镜（FAST，又称中国天眼）是世界最大的单口径射电望远镜，灵敏度达到国际同类设备的

2.5物质粒子探测卫星DAMPE，能够精确测量宇宙射线中电子、光子和重离子的能谱，为研究暗物质粒子特性、宇宙射线倍FAST已发现300多颗新脉冲星，为研究中子星物理、引力波背景辐射和宇宙学提供了重要观测数据起源和传播机制提供重要数据中科院物理所参与了FAST早期科学数据分析工作，特别是在脉冲星计时和引力理论检验方面做出了贡献研究团队利2019年，DAMPE探测到宇宙射线电子能谱在约1TeV处存在异常结构，这可能是暗物质粒子湮灭的信号，也可能来自未用FAST观测数据，对广义相对论和替代引力理论进行了高精度检验，结果支持爱因斯坦的广义相对论预测知的天体加速机制中科院物理所的理论团队正结合多种模型解释这一现象，试图构建银河系高能粒子的完整图景中国空间站天和核心舱已成功部署多项物理实验装置，包括微重力流体物理实验、空间材料科学实验和宇宙辐射效应研究等中科院物理所参与了空间站冷原子物理实验平台的设计，该平台将利用微重力环境研究玻色-爱因斯坦凝聚体等量子态，为量子物理提供地面无法实现的实验条件月球车与火星车探秘嫦娥与玉兔天问与祝融引力波天文学中国嫦娥探月工程已完成多次成功任务，玉兔月球车配备了多种科学仪天问一号火星探测任务成功将祝融号火星车送上火星表面，开展了地形地中国正在筹建空间引力波探测计划太极和天琴，旨在探测中频段引力器，包括月壤成分分析仪、地下探测雷达等中科院物理所参与开发的粒貌、火星土壤特性、火星磁场等多项科学探测中科院物理所与空间中心波，与国际地基引力波探测器互补中科院物理所与中科院理论物理所合子探测器，用于研究月球表面宇宙射线环境和太阳高能粒子事件嫦娥五合作开发的火星表面磁场探测仪，首次详细测量了火星局部磁场分布，为作，在引力波源物理、宇宙学应用等方面开展了系统研究研究表明，空号带回的月球样本分析显示，月球地质活动持续时间比之前认为的更长，理解火星早期磁场演化提供了新证据研究表明，火星曾拥有类似地球的间引力波探测器可能探测到宇宙早期相变产生的随机引力波背景，为研究这一发现挑战了现有月球演化模型全球性磁场，但在约40亿年前突然减弱，这可能与火星核部动力学过程有大爆炸后极早期宇宙提供直接观测窗口关宇宙物理与空间科学研究不仅能够解答人类关于宇宙起源与演化的根本问题，也能孕育重要的技术创新例如，脉冲星导航技术可能成为未来深空探测的关键；空间站材料实验可能催生新型航天材料；引力波探测中开发的精密测量技术可用于地球科学和工程测量中科院物理所将继续深度参与国家航天科技创新，推动中国空间科学研究走向世界前列交叉学科与新兴领域脑科学中的物理方法人工智能与物理模拟量子材料与未来电子学脑科学是21世纪最具挑战性的前沿领域之一，物理学方法正在其中发挥越来越重要的作用中科院物理所人工智能与物理学的结合正在双向推动两个领域的发展一方面，物理学为人工智能提供新型计算范式量子材料是指那些性质由量子效应主导的新型材料，它们展现出常规材料所没有的奇特行为与脑科学研究所合作，开发了多种神经成像和神经调控技术·拓扑绝缘体内部绝缘而表面导电的新型量子态·基于光遗传学的神经元精准调控系统，可以毫秒级时间分辨率选择性激活或抑制特定类型神经元·量子机器学习算法，利用量子并行性加速特定类型的AI任务·威尔半金属电子表现为无质量的狄拉克费米子·超高分辨率光学显微技术，突破衍射极限，实现活体神经元突触结构的纳米级成像·神经形态计算，模拟生物神经网络的信息处理方式·量子自旋液体即使在绝对零度也不形成有序磁结构的奇异磁性态·功能性近红外光谱技术，无创监测大脑皮层活动，用于认知过程研究·拓扑量子计算，利用拓扑保护态实现容错计算这些材料为下一代电子器件提供了可能性物理学的统计方法和复杂系统理论也被应用于神经网络动力学研究，帮助理解大脑信息处理机制、记忆形另一方面，AI正在革新物理研究方法·超低能耗自旋电子器件成和认知过程的物理基础·深度学习辅助的物理实验数据分析，从海量数据中提取规律·拓扑量子计算比特·机器学习加速的量子多体系统模拟·高效热电转换材料·AI驱动的材料设计与发现中科院物理所是国际量子材料研究的重要中心，在多种新型量子材料的发现和性质研究方面处于领先地位新兴交叉领域展望能源物理学生物物理学发展高效光伏材料、新型电池技术和可控核聚变等，为可持续能源转型提供科学支撑研究生物大分子结构动力学、细胞力学、生物膜物理和生物光学等，为理解生命活动的物理基础提供新视角量子生物学探索量子效应在光合作用、生物导航和酶催化等生物过程中的作用，揭示生命与量子世界的微妙联系极端物理学研究极高压、超低温、强磁场等极端条件下的物质行为，发现新奇量子态和新型材料拓扑电子学利用材料的拓扑性质开发新型电子器件，实现低能耗、高速度的信息处理中科院物理所最新科研动态年凝聚态物理前沿技术培训2025中科院物理研究所将于2025年1月举办凝聚态物理前沿技术高级培训班，面向全国高校和科研院所青年科研人员开放培训内容包括·先进扫描探针技术（STM/AFM/SNOM）原理与应用·角分辨光电子能谱（ARPES）测量与数据分析·极端条件（低温、高压、强磁场）实验技术·同步辐射与中子散射表征方法培训信息·第一性原理计算与材料模拟·时间2025年1月5-19日培训班将邀请包括院士在内的多位知名专家授课，并安排实验室参观和实操训练此次培训旨在促进国内凝聚态物理研究水平整体提升，加强学术交流与合作，培养下一代·地点中科院物理所凝聚态物理研究人才·规模60人·报名2024年10月开始·联系training@iphy.ac.cn方忠院士获未来科学大奖中国科学院物理研究所方忠院士因在拓扑量子材料理论研究方面的突出贡献，荣获2024年度未来科学大奖物质科学奖方忠院士团队预测并引导实验发现了多类拓扑量子态，包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和高阶拓扑绝缘体等，为探索新奇量子态和开发新型量子器件奠定了重要基础方忠院士的研究开创了材料基因组设计方法，通过结合对称性分析、第一性原理计算和数据挖掘技术，高效预测具有特定拓扑性质的材料这一方法已成功预测并指导实验发现了100多种新型拓扑材料，大幅提高了新材料研发效率未来科学大奖评委会称赞这些工作为拓扑物质科学的发展做出了开创性贡献重大科研项目与国际合作量子计算材料与器件中欧量子材料联合研究中心碳中和材料物理研究中科院物理所牵头的量子计算材料与器件重大研究计划近期获得国家自然科学基金委员中科院物理所与德国马克斯·普朗克固体物理研究所、法国国家科学研究中心共同建立中针对国家碳达峰碳中和战略目标，中科院物理所启动碳中和材料物理交叉研究项目，集会批准立项，总经费

3.5亿元，为期8年该计划将系统研究量子比特材料物理、量子相干欧量子材料联合研究中心，开展量子材料的设计、制备、表征和器件应用研究该中心将中研究高效光伏材料、储能材料、催化材料等关键领域的物理问题项目已取得多项进保护机制、量子纠错编码等基础科学问题，研发新型量子计算材料和器件，为实现可扩展促进研究人员交流、联合培养学生、共享科研设施，构建国际一流的量子材料研究平台展，包括开发出效率超过26%的钙钛矿/硅异质结太阳能电池，能量密度超过400Wh/kg的₂量子计算提供物质基础和技术支撑首批合作项目包括高温超导体、拓扑磁性材料和二维量子材料等固态锂电池，以及高效CO电催化还原材料等中科院物理所作为国家物理学研究的重要基地，始终坚持面向世界科学前沿，面向国家重大需求，面向国民经济主战场的研究定位研究所积极参与国际科技合作，加强与国内高校、研究机构和企业的协同创新，努力建设世界一流的物理研究中心，为中国科技自立自强做出贡献中科院物理所大楼与科研团队科学家们的奋斗与梦想科研文化与人才培养图中展示的是中国科学院物理研究所的主楼外观和科研团队这座现代化建筑中科院物理所注重营造宽松活跃的学术氛围，倡导学术民主和创新文化研究是中国物理学研究的重要基地，承载着几代物理学家的科学梦想和不懈奋斗所坚持人才是第一资源的理念，实施多元化人才培养和引进策略·青年人才培养博新计划，支持青年科学家独立开展创新研究中科院物理所成立于1950年，是新中国成立后建立的第一批研究所之一，见证·海外英才引进计划，吸引海外高层次人才回国工作了中国物理学从弱到强的发展历程七十多年来，研究所培养了包括多位院士·交叉研究种子基金，鼓励跨学科探索和创新尝试在内的大批杰出物理学家，取得了一系列具有国际影响力的科研成果·开放课题合作计划，促进与高校和企业的实质性合作如今的中科院物理所已发展成为综合性物理研究机构，拥有凝聚态物理、光物研究所还建立了完善的研究生培养体系，每年招收物理学、材料科学等专业的理、软物质物理、原子分子物理等多个研究方向，以及多个国家重点实验室和硕士和博士研究生100余名，为国家培养高水平科技人才科研平台研究所现有研究人员近400人，其中包括12位中国科学院院士，形成了一支结构合理、创新活力强的科研队伍科技创新与社会责任科技成果转化科学普及与教育中科院物理所重视科技成果转化和产业应用，设立了科技成果转化办公室研究所积极开展科学普及活动，每年举办公众科学日、科学沙龙等活和技术转移中心，建立了完善的知识产权管理和技术转移机制近五年动，向公众开放实验室，普及物理学知识研究所还与中小学合作开展科来，研究所申请专利500余项，授权专利300余项，转化科技成果50余项，学教育项目，组织科学家进校园，激发青少年对科学的兴趣研究所编写孵化科技企业10余家，在新材料、量子技术、精密仪器等领域形成了一批的《趣味物理学》系列科普读物，已成为青少年科普读物的经典之作具有市场竞争力的技术和产品国际学术交流作为中国物理学的重要窗口，中科院物理所每年举办多个国际学术会议和研讨会，邀请国际知名学者访问交流研究所还与美国、德国、日本、英国等国家的多所知名研究机构建立了长期合作关系，开展联合研究计划和人员交流项目，积极参与国际大科学计划和全球科技治理中科院物理所秉持创新科技、服务国家、造福人民的宗旨，在基础研究和应用研究方面都取得了显著成绩展望未来，研究所将继续瞄准世界科学前沿和国家重大需求，开展原创性、引领性科学研究，为建设世界科技强国贡献物理学的智慧和力量物理学家的故事曹则贤院士与物质形态研究朱宗宏教授与黑洞大碰撞刘嘉麒院士的地球测量之路曹则贤院士是中科院物理所著名凝聚态物理学家，长期从事非晶态物理和复杂朱宗宏教授是中科院物理所引力物理研究中心主任，国际引力波天文学领域的刘嘉麒院士是中科院地质与地球物理研究所研究员，同时也是中科院物理所特系统研究他1985年于中国科技大学物理系毕业后赴美国留学，获得宾夕法尼知名专家他本科毕业于北京大学物理系，在美国宾夕法尼亚州立大学获得博聘研究员，在地球物理与地球动力学领域做出了重要贡献他1962年毕业于北亚州立大学物理学博士学位，之后在哈佛大学从事博士后研究1995年，他婉士学位，曾在麻省理工学院和加州理工学院从事引力波研究2010年，他通过京大学地球物理系，后在中科院物理研究所获得博士学位他的研究生涯横跨拒多所美国著名大学的教职邀请，回到中科院物理所工作，开始了他的科研生千人计划回国，在中科院物理所建立了引力波物理研究团队物理学和地球科学两个领域，是跨学科研究的杰出代表涯朱宗宏教授是LIGO科学合作组中国团队的主要负责人之一，带领团队参与了刘嘉麒院士将物理学方法引入地球科学研究，开创了中国现代大地测量学和地曹则贤院士的研究兴趣集中在非晶态物质的结构和动力学，特别是玻璃转变、历史性的引力波直接探测工作2015年9月14日，LIGO首次探测到来自两个黑球动力学研究的新局面他领导开发的高精度重力测量仪器和方法，为研究地非晶合金和软物质等领域他提出的动力学不均匀性理论为理解玻璃形成机洞合并的引力波信号GW150914，这一发现开创了引力波天文学新纪元朱宗壳运动、地震预测和矿产资源勘探提供了重要技术支持他主持的中国大陆制提供了新视角，被国际同行广泛引用他领导的团队开发了多种非晶态材料宏团队负责的引力波源参数估计工作，成功确定了这对黑洞的质量、自旋和距构造环境监测网络项目，建立了覆盖全国的GPS连续观测系统，精确测定了表征新技术，揭示了非晶合金中原子团簇的组织结构，为设计高性能非晶合金离等关键参数，为理解双黑洞系统的形成和演化提供了重要数据中国大陆板块的运动速率和变形特征，为理解青藏高原隆升和东亚大陆构造演提供了理论基础化提供了关键数据科学精神与人生选择这三位科学家的经历虽各不相同，但他们身上都体现了当代中国物理学家的共同特质扎实的学术功底、开阔的国际视野、强烈的家国情怀和勇于创新的科学精神他们都在海外取得了优异的学术成就，却选择回国投身中国科学事业的建设，在各自领域做出了原创性贡献我常对学生说，做科学研究最重要的不是聪明，而是执着和坚持科学道路充满挑战，但只要怀着真诚的好奇心和不懈的探索精神，总能在真理的殿堂中找到属于自己的一席之地——曹则贤院士这些科学家不仅在科研上取得了卓越成就，也在人才培养方面发挥了重要作用他们指导的学生遍布国内外高校和研究机构，形成了具有影响力的学术流派他们的科学精神和人生选择，为青年一代树立了榜样，激励着更多年轻人投身科学研究，为中国科技发展贡献力量物理学学习的思考与建议理论与实验相结合持续关注前沿动态物理学是一门理论与实验紧密结合的学科一方面，坚实的理论基础是理解物理现象和发展新理论的前提；另一方面，物理学是一个快速发展的领域，新理论、新发现和新技术不断涌现保持对学科前沿的关注，对于物理学习者至关重实验技能是验证理论和发现新现象的关键因此，物理学学习应当注重理论与实验的平衡发展要中科院物理所建议中科院物理所推荐的学习路径·定期阅读《自然》、《科学》、《物理评论快报》等顶级学术期刊·参加学术讲座和会议，了解最新研究进展

1.打牢数学基础，特别是微积分、线性代数、复变函数、微分方程等·关注物理学家个人网站和学术社交媒体

2.系统学习经典物理（力学、电磁学、热学、光学）和现代物理（量子力学、统计物理、相对论）·参与线上学习资源，如MIT开放课程、Coursera等平台的物理专业课程

3.参与基础物理实验，掌握实验设计、数据采集和分析的基本方法·利用arXiv等预印本平台了解最新研究成果

4.根据兴趣选择专业方向，深入学习相关专业课程

5.尽早参与科研项目，在实践中提升研究能力中科院物理所定期在官网发布物理学前沿进展栏目，为物理学习者提供精选的前沿研究综述和解读培养批判性思维与创新能力批判性思维创新能力合作与交流物理学要求我们不断质疑、验证和完善已有知识培养批判性思维的方法物理学的进步依赖于创新思维培养创新能力的途径包括跨学科学现代物理研究越来越依赖团队合作和跨学科交流提升合作能力的建议包括学会提问（为什么会这样？还有其他可能性吗？）；寻求证据（这习（物理学与数学、化学、生物学、计算机科学等交叉领域往往蕴含积极参与小组讨论和合作项目；学习有效沟通和表达科学思想的技巧；培一结论基于什么实验或理论？）；考虑替代解释（是否有其他理论可以解创新机会）；思考实验（爱因斯坦等物理学家常用的创新方法）；尝养团队协作精神，理解和尊重不同学科背景的思维方式；参与国际交流项释同样的现象？）；识别假设和前提（这一理论的适用条件和局限性是什试用新方法解决老问题；关注异常现象（科学突破常源于对异常的目，拓展全球视野中科院物理所为学生提供多种国际交流机会，包括联么？）中科院物理所的研究生培养特别强调批判性思维训练，鼓励学生关注）中科院物理所设立了创新思维训练营，通过案例研究、创合培养项目、国际会议资助和短期访问计划等挑战权威观点，提出自己的见解新实践和导师指导，帮助学生培养创新思维和解决问题的能力物理学不仅是一门学科，更是一种思维方式它教会我们如何系统性地分析问题，如何在复杂现象中寻找简单规律，如何用数学语言精确描述自然这些能力对任何领域的发展都有价值——中国科学院物理研究所所长中科院物理所欢迎有志于物理研究的学生报考研究生或申请访问学习研究所提供开放、国际化的科研环境，一流的实验设施和指导团队，以及广阔的学术发展和职业发展空间物理学的道路充满挑战，但也充满乐趣和成就感无论将来从事何种职业，物理学习所培养的逻辑思维、问题解决和创新能力，都将成为宝贵的终身财富结语物理学，探索无止境物理学连接自然与人类未来物理学教会我们，宇宙远比我们想象的更奇妙，真理远比我们想象的更深刻，而人类的探索精神远比我们想象的更顽强物理学是人类认识自然、理解宇宙的基础学科，也是推动技术革命和社会进步的强大动力从宏观宇宙到微观粒子，从基本相互作用到复杂系统，物理学的探索范围几乎涵盖了所有自然现象物理学的核心魅力回顾物理学的发展历程，我们看到了人类智慧的光芒和科学精神的力量牛顿力学系统化了对自然规律的认识；麦克斯韦电磁理论统一了电与磁·揭示自然的基本规律的现象；爱因斯坦相对论彻底改变了人类对时空的理解；量子力学揭示了微观世界的奇特行为每一次重大理论突破，都深刻改变了人类的世界观，也带来了革命性的技术创新·提供理解世界的框架·培养严谨的科学思维物理学不仅帮助我们理解过去和现在，也指引我们探索未来量子计算、人工智能、新能源技术、空间探索等前沿领域的发展，都离不开物理学·激发无限的创新可能的基础支撑物理学与其他学科的交叉融合，正在创造新的知识增长点和技术突破口，为解决人类面临的重大挑战提供科学方案·连接过去、现在与未来中科院物理所助力科学梦想中国科学院物理研究所作为国家物理学研究的重要基地，始终站在科学前沿，引领学科发展，培养杰出人才，服务国家需求研究所的使命是探索培养服务推动前沿科学创新人才国家战略科技转化开展原创性基础研究，推动物理学理论和实验方法的创新培养具有国际视野和创新能力的高水平物理学家和工程技面向国家重大需求，开展应用基础研究和关键技术攻关促进科研成果转化应用，为经济社会发展提供科技支撑发展术人才邀请你加入这场伟大的探索旅程物理学的发展需要一代又一代人的接力探索无论你是正在学习物理的学生，还是对物理学充满好奇的公众，我们都邀请你加入这场伟大的探索旅程了解物理学的基本概念，关注物理学的最新进展，体验物理学的思维方式，感受物理学的无穷魅力中科院物理所将继续秉持创新、求实、合作、奉献的精神，与国内外同行一道，推动物理学研究走向更广阔的未来我们相信，在科学共同体的不懈努力下，人类对自然奥秘的认识将不断深入，科学技术将持续造福人类社会正如爱因斯坦所说最美妙的经历是对神秘的体验它是所有真正的科学和艺术的源泉让我们怀着对自然的敬畏和好奇，继续这场永无止境的物理探索之旅！。