物理学与世界的变化

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改变世界与物理


一、技术革命

1. 牛顿力学与热力学

(蒸汽机与热机)

  • 机械代替手工
    机械、纺织、造船、冶金工业

  • 汽火车飞机卫星
    火箭太空(热做功)

    • 英国

2. 电磁学与电磁感应

(电动机与发电机)

  • 电力的广泛应用与无线电通信
    铁路、煤炭、钢材、舰艇制造等

    • 电汽时代、电磁波通信(卫星/电视/基站)
      家用电器(电磁/微波炉/空调/冰箱)

      • 美德

3. 量子力学与相对论

(固体电子理论与半导体)

  • 原子能的开发与电子计算机发明
    物理学是现代物质文明的基础

    • 集成电路与电子计算机( 芯片与计算设备 )
    • 欧洲核子研究中心与万维网(共享数据)
    • 量子通信与量子计算
    • 相对论探索宇宙与卫星导航
    • 质能方程与核能(核武器/核电站)

二、新材料与硬件赋能

1. 半导体材料

  • 电子工业革命与硅
  • 激光器与光纤通信

2. 纳米材料

  • 按人类意愿安排一个原子或分子—理查德·费曼

  • 纳米材料与隐性战斗机

    • 高强度与韧性(石墨烯)
  • 扫描隧道显微镜(工具)

    • 纳米机器人

3. 超导材料

  • 低温超导、高温超导

  • 零电阻、完全抗磁性

    • 无焦耳热与能量损失
  • 远距离输电

    • 磁悬浮与核磁共振

      • 高精度磁检测仪

4. 磁性材料

  • 电磁器件

    • 电磁脉冲炮

      • 指南针与考古

三、新光源与微观世界

1. 受激辐射与激光

  • 激光导致现代光学革命

    • 光电效应与光子

2. 光子与光通信(光纤)

  • 光存储(光盘)

    • 光计算(光子计算机)

3. 激光加工/检测/医学手术刀

  • 全息照相与投影(3维信息)

    • 激光防伪与超市收银

4. 微观世界的序幕

  • 伦琴与X射线

    • 居里夫人与放射性

      • 汤姆逊与电子的发现

5. 物质的本源与还原论

  • 原子电子云模型

    • 中子的发现与核反应

      • 强子与夸克模型

6. 微观世界的眼睛

  • 电子显微镜与原子力显微镜

四、信息时代与计算机

1. 信息存储

  • 磁存储

    • 磁滞现象与磁盘

      • 巨磁电阻与U盘
  • 光存储

    • 激光束与光盘

      • 三维存储与体全息存储

2. 信息处理

  • 光学信息处理与透镜傅里叶变换与反变换

    • 衍射与信息

3. 网络通信与量子通信

  • 光纤通信与大气激光通信

    • 光通信替代电通信电信变光信
  • 通信安全与单光子量子通信

    • 量子检测与量子雷达(F22等隐性飞机的克星/引力波探测)

4. 集成电路与电子计算机

  • 三极管与PN结晶体管

    • 晶体管–>大规模集成电路–>电子芯片
  • 曼哈顿计划与卡片计算机

    • 两篇硕士论文:图灵与图灵机/香农与基于继电器的图灵机实现
    • 冯诺依曼到超级计算机

5. 光子计算机

  • 摩尔定律失效与电子计算机放缓光子替代电子

    • 运算速度高,功耗低,未来台式机的潜在替代者

6. 量子计算机

  • 遵循量子力学,处理量子信息,运行量子算法

    • 可逆计算与低能耗到量子计算
    • 多量子比特纠缠与并行
  • 理查德费曼的猜想:用量子系统构成的计算机来模拟量子现象

    • 从量子质因子分解算法提出
    • 到实验室/跨国公司(IBM/Google)的热潮

五、物理与生命(熵与生物学)

1. 热力学第二定律与熵增、熵减

  • 非线性科学与复杂性科学

    • 圣塔菲研究所
    • 普利高津学派

2. 能量守恒与卡诺热机的矛盾

  • 统计物理与克劳修斯的孤立系统自发过程的熵增

3. 熵与能量品质

  • 能源危机与能量守恒的矛盾

    • 不可逆过程导致能量品质降低不能做功利用

4. 熵与生命

  • 耗散结构开放系统与生命

    • 通过食物获负熵流维持生命活动与生命的有序性与非平衡状态
    • 管理生命与管理熵

5. 熵与信息

  • 布朗运动与麦克斯韦的妖思想实验

    • 孤立系统的熵减是由于麦克斯韦妖获取信息而引起的
  • 依靠外界熵增获取信息完成实验

    • 香农将熵引入信息论,奠定信息时代理论基础

6. 熵与社会经济学

  • 经济学家尼古拉斯《熵定律与经济过程》

    • 经济社会学家杰里米《熵:一种新的世界观》
  • 号称研究经济学的物理学家(普利高津的学生)陈平

    • 运用复杂性科学研究社会经济活动的学派

7. 物理与生命

  • 生命活动帮助发现能量守恒定律

    • 显微镜帮助生物学看到了微观世界
  • 波尔的光与生命

    • 薛定谔的生命是什么 What is Life ?

      • 从热力学与量子力学解释生命的本质
    • 薛定谔并提出三个观点与猜想:
      1、遗传物质是有机大分子
      2、生命以负熵为生
      3、生命存在量子跃迁现象

    • 导致三个新的理论或学科诞生:
      1、理论分子生物学 (发现DNA)
      2、耗散结构理论(普利高津)
      3、量子生物学 (量子跃迁与生命变异)

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