第一章 物理学照亮世界.docx
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第一章物理学照亮世界
第一章物理学照亮世界
——20世纪物理学对世界的贡献
阳光普照大地,是太阳照亮了地球,但在任何时刻阳光只照亮了半个地球。
那么是什么照亮了整个地球呢?
是物理学,特别是20世纪物理学的发展,它对现代社会文明的贡献,核能、激光、半导体、现代通讯、电视、航天等这一系列技术的发展与进步,处处闪耀着物理学的光辉,物理学的光芒普照到了地球的每一个角落。
2004年6月10日,联合大会鼓掌通过决议,规定2005年为“世界物理年”。
决议确认:
物理学是认识自然界的基础;
物理学是当今众多技术发展的基石;物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。
我们知道,以相对认和量子力学的建立为代表的近代物理学对整个人类文明的进步起到了前所未有的推动作用。
由于这个原因,2005年被联合国大会确定为“世界物理年”。
作为一个自然科学领域的一个一级学科,得到整个世界的如此重视,这足以反映了物理学在一百多年以来对整个科学和技术发展所起到的极为重要的作用。
一、核物理与核技术的发展
20世纪初发展起来的以相对论和量子力学为代表的现代物理学,首先推动的是核物理与核技术的发展。
20世纪物理学家从化学家手里接过接力棒,向物质结构的亚原子层次进军。
1897年汤姆森(J.JThomson)发现质量比原子小得多的粒子——电子,显然,原子可分了,1911年卢瑟福(E.Rutherford)
世界物理年中有一项活动,叫做“物理学照亮世界”(PhysicsEnlightenstheWorld),即通过通讯光缆并经过各地接力,将一个从普林斯顿高等研究所发出的激光信号在24小时内传到世界各地并返回原地。
Enlighten这个词除原义“照亮”外,还有“教导”“启迪”的意思,这句话生动地表现了物理学在认识世界和在正确认识世界的基础上改变世界的作用。
“物理学照亮世界”的活动之所以从美国普林斯顿高等研究所发出激光信号,是因为2005年规定为世界物理年,同时为纪念伟大的物理学家爱因斯坦逝世50周年,他的狭义相对论诞生100周年。
根据ɑ粒子散射实验的结果提出:
原子的质量几乎全部集中在很小的硬核里,即所谓原子核,按照库仑定律,电荷之间的作用力与万有引力一样,也与距离的平方成反比,人们很自然会想到,原子像个小太阳系,原子核相当于太阳,电子相当于行星,电子绕着原子核旋转,这便是原子的有核模型,然而根据经典电磁学理论,加速运动的电子,其能量必因辐射而减少,最后掉到原子核上,这样的原子是不稳定的,为了”拯救”原子免遭此命运,玻尔(N.Bohr)于1913年为电子轨道设下了“量子化条件”,硬性规定它的角动量只能取某个基本份额,玻尔的量子化条件为电子设置了一系列定态轨道,无论怎样变化,电子只能回到某个定态轨道之上,这便是玻尔的量子化原子模型。
肯定原子有核,探索物质结构旅程的下一站就应该是原子核了,起先一种流行的看法认为原子核由质子和电子组成,1923年查德威克发现中子,原子核由质子和中子组成的模型立即被普遍接受。
在探索原子和原子核结构方面,在探索亚原子粒子运动规律方面,粒子加速器发挥了重要作用,加速器是直接体现量子力学和相对论规律的一个重要的实验设备。
加速器是1931年劳伦兹发明的,当时加速器直径只有十厘米,但很快各国建造了更大的加速器。
目前美国的弗米(Fermi)实验室的加速器。
它的周长有6公里。
利用加速器20世纪发现了众多的新的物质粒子,包括各种反粒子,使人类对物质结构的认识大大深入了。
我们国家近几十年来,亦建立了正负电子对撞机、兰州重离子加速器等,很快上海将建成大型回旋加速器,称为“上海光源”。
这些大型实验设备,为人类探索物质层次结构,提供了有力的武器。
爱因斯坦的相对论给出了E=MC2的公式,奠定了原子核能利用的理论基础。
物理学在探索原子核结构方面经过40多年的努力,核物理才开始被应用,经过众多科学家几代人的努力,才为人类社会迎来了核能时代。
下表给出了核物理与核技术发展的一个框架。
表1核物理与核技术发展大事记
1896
A.H.贝勒尔发现铀的天然放射性
1897
J.J.汤姆逊发现电子
E.卢瑟福发现α,β射线
1900
P.维拉德发现γ射线
1902
居里夫妇发现更强的天然放射性元素钋和镭
1905
爱因斯坦创立狭义相对论,得到质能公式E=MC2
1909
盖革、马斯登用α粒子轰击原子,发现大偏转角散射
1911
卢瑟福提出原子的有核模型
1913
玻尔建立量子化的原子模型
1914
弗兰克-赫兹实验
1925-1926
量子力学建立
1932
查德威克发现中子
1933
海森伯、伊万年科提出原子核的质子中子模型
1939
约里奥居里夫妇发现人工放射性
1941
哈恩等人实现重核裂变
1945
费米实现核的链式反应
1952
原子弹
1954
氢弹
近半个世纪
现在美国的核电在整个能源中所占的比例超过30%,欧洲一些国家核电超过50%,法国高达到78%。
科学家意识到核能的巨大社会意义是从1938年发现核裂变(德国化学家哈恩的实验,奥地利女物理学家迈特纳的理论解释)开始的。
当时正处在第二次世界大战期间。
第一个意识到其可怕后果的,是匈牙利裔物理学家西拉德(L.Szilard)。
1933年希特勒上台时西拉德在德国,因为自己的犹太血统,西拉德1934年去了英国,1938年到了美国,西拉德清楚地构想出一种应称为“核弹”的东西有骇人的破坏力,深恐希特勒德国先造出这种炸弹,1939年约了另外两位逃亡在美国的犹太血统匈牙利物理学家一起去找爱因斯坦,劝说他共同签发给美国总统罗斯福的一封信,说明制造核弹的可能性,并极力主张美国不要让潜在的敌人先掌握这种武器,1941年12月6日,罗斯福总统决定组织一支庞大的研究队伍,秘密研制原子弹,曼哈顿(Manhattan)工程启动了。
二战后开始了原子能的和平利用,1954年苏联建立了第一座核电站,1976年世界核电装机容量突破1亿千瓦,1999年世界上已有30多个国家和地区436座核电机组在运行,装机容量约3.5亿千瓦,美国是世界上第一核电大国,装机总量占全世界的27.6%。
欧洲许多国家核电所占比例都比较高,最高的是法国(78%),其余有6个国家超过40%,我国核电的比例只有1.6%,电力部门规划2020年将达到3.9%。
目前已建立的有广东大亚湾、浙江秦山等核电站。
以上谈的是核裂变能,其燃料铀是有限的,更美好的的是核聚变能,其燃料氘(即重氘)可以从海水中提取,几乎取之不尽、用之不竭,从20世纪50年代起,世界各国的物理学家和工程师们在研究热核聚变装置上付出了巨大的努力,目前在原理性
除能源外,核技术在工业、农业、医学上的应用,如核分析、核检测、材料的辐射改性、辐射消毒、辐射育种、示踪原子、放射性诊断、放射性治疗、医学影像等,十分广泛且卓有成效。
物理学对医学方面的贡献尤其突出,国际纯粹物理和应用联合会(IUPAP)1999年第23届代表大会上提出的三句口号是:
“ExploringtheNature(探索自然),DrivingtheTechnology(推动技术),SavingtheLife(拯救生命)”。
的研究中已有重大的突破,走向实用也许还要几十年。
二、半导体物理为基础的电子信息技术的发展迅速改变了20世纪的面貌
1947年12月23日巴丁(J.Bardeen)、肖克莱(W.Schokley)、布拉顿(W.Brattain)正式演示他们制作的世界上第一支晶体管的功率放大作用,开辟了一个新时代——电子信息时代。
晶体管的到来使人类的生产结构、科研手段、战争模式,乃至生活方式、思想方式,都产生了跃变;它所引起的技术革命比历史上任何一次革命对社会经济、政治、文化等带来的冲击都更为巨大。
值得指出,在1925~1926年建立量子力学以来,对固体(特别是半导体)的认识,从泡利原理、能带理论、电子和空穴的概念,到n型、p型半导体和p-n结的制备、肖特基的整流理论与场效应原理等,是一步一个脚印走过来的,没有这些准备就不可能在1947年发明出晶体管。
1947年以后,随着硅平面工艺的发展和集成电路的发明,从小规模、中规模集成电路,到大规模、超大规模、甚大规模集成电路,集成度以每1年半翻一番的速度增长,出现了微电子技术和产业在几十年中持续的蓬勃发展。
下表列出了电子信息技术发展大事记。
表2电子信息技术发展大事记
1925-1926
量子力学的建立
1926
费米·狄拉克统计法的提出,得知固体中的电子服从泡利不相容原理。
1927
布洛赫理论的建立,得知理想品格中电子无散射
1928
索末菲提出能带的猜想
1929
派尔斯提出禁带、空穴的猜想;
威尔孙和布洛赫从理论上解释了导体、绝缘体、半导体的性质和区别;
莫特和琼斯用电子轰击,X射线发射和吸收等方法验证了能带理论;
贝特提出费米面的概念;
朗道提出费米面可测量。
1939
达维多夫、莫特、肖特基独立提出金属、半导体结整流作用的理论;
达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用;
肖特基和莫特提出“扩散理论”
1947
巴丁、肖克莱、布拉顿发明晶体管
1957
皮帕德测量了第一个费米面(铜的);
尔后,剑桥学派建立费米面编目。
1962
制成集成电路(IC)
1970年代后期
制成大规模集成电路(VLIC);
尔后,超大规模集成电路;
集成度电路以每1年半翻一番的速度增长。
电子计算机飞速发展靠的是集成电路的进步,集成电路技术进步的源泉又是什么?
许多最有竞争力的新技术来源于基础研究的实验室,例如卢瑟福
ɑ粒子背散射实验,当初为原子有核模型的建立奠定了基础,而今却被引进成为一种大规模集成电路的加工方法,又如同步辐射本来是高能加速器中一种不可避免的能量损失,后来却被用来作为一种高分辨率的微刻蚀技术。
下表列出的是集成电路技术对基础物理研究的依赖关系。
表3甚大规模集成电路(VLSI)进步所依赖的技术与基础物理研究的关系
加
工
方法
离子注入
由基础研究移植到工业
卢瑟福背散射谱(RBS)
激光退火
刻
蚀
技
术
光学光刻的极限
高能物理研究的副产品
软X射线光刻可达小于10
电子束刻蚀掩模达4
同步辐射
反应性离子刻蚀(RIE)
当前仍以坚挺的势头发展的微电子技术有没有极限?
英特尔(Intel)公司的莫尔(G.Moore)注意到,集成在一块芯片上的晶体管数目是与时间按指数律增长的,大约每1年半翻一番,这一规律人称莫尔第一定律(见图1)。
集成电路的加工成本也是指数增长的,大约每3年翻一番,这称为莫尔第二定律(见图2)。
什么因素会使莫尔定律失效?
美国半导体产业协会1997年公布了一个图表(见图3),图中只预见到2012年,曲线并没有继续延伸,到那时芯片的最小特征长度(譬如线宽)已深入到纳米范围(几十纳米),在这个领域内将出现一系列从来未遇到过的新问题。
首先,今天打开或关闭一个晶
体管逻辑门大约需要量10个电子,按莫尔定律推算,
图1
图2
到2010年,只需要8个电子,2020年则需要不到一个电子,譬如说通过半个电子,这在经典物理中不可理解的,显然这里遇到了基本的物理极限,我们需要发展一种量子开关,其次,纳米尺度已是大分子的尺度,很难设想,在此尺度下仍沿用现有的逻辑器件加工方法,恐怕要代之以化学组装方法来产生纳米晶体。
化学方法加工出来的东西具有统计性涨落,不可能像人工设计的那样完美,这就要求对线路的缺陷有较大的容错性,也许需要依靠规则的结构,采用诸如元胞自动机、格气动力学、神经网络的模式来进行计算。
最后,现有计算机的硬件是量子的,但算法是经典的布尔代数。
上面两点以经典算法为依据来探讨莫尔定律的限度。
按量子理论,电子有波粒二象性,纳米尺寸已小于电子波的相干长度,电子的量子干涉效应将会起重要的作用,是
图3
否要推进一种全新的量子逻辑来代替经典和算法?
这正是当前的一个研究热点,并已取得可喜的进展,一旦量子算法的相应的量子计算机得以实现,对人类社会所造产生的冲击,决不亚于现在的这次信息革命。
1946年第一台电子计算机ENIAC问世,那是一个包含17468只真空管、占用空间460m3的庞然大物,耗能174千瓦,其性能比当时的机械计算机还是优越多了,1949年有专家颇为自信地预言。
未来与ENIAC同等功能的计算机只用1500只真空管,像一辆汽车那样大小,耗能10千瓦。
当时第一只晶体管已经诞生,不过研制以晶体管为基础的计算机需要有相当的风险投资,但还是有些公司这样做了,并终于获得成功,而像汽车大小的真空管计算机的预言成为历史的笑柄。
以上是新的物理第一次解救计算机于困境,反过来,近代计算机给物理学的进步以不可估量的回报。
今天计算机产业的状况与历史有惊人的相似,是沿着现有技术路线的切线延伸呢,还是在新的物理基础上另辟蹊径?
三、激光科学与技术的发展
激光是20世纪60年代出现的一种新型新型光源,与普通光源比较,激光在相干性、方向性、单
色性和高亮度等方面具有一系列独特的优点,它一出现,就引起了人们普遍的重视,并很快在生产和科学技术中得到广泛的应用。
对人类社会文明产生了划时代的影响,说起激光的发展历史,要追溯到它出现前的100年。
1860年麦克斯韦建立光的电磁理论,知道光是一种电磁波,这是对光的经典本性的了解,1900年普朗克提出量子假说,物理学家开始对光的量子本性有所认识。
“激光”是“光的受激发射与放大”的简称,受激发射的理论是爱因斯坦1917年提出的,我们从表4列出的激光发展大事记中可以看出,自1917到1957年,其间有40年的空档,是技术手段不成熟吗?
恐怕不是,看起来实现激光
表4激光发展大事记
1860
麦克斯韦建立光的电磁理论
1900
普朗克提出量子假说
1917
爱因斯坦提出受激发射理论
1953
汤斯建立第一台微波激射器
1958
汤斯和肖洛、巴索夫和普罗霍罗夫分别提出构建激光器方案
1960
梅曼制成第一台红宝石激光器
1961-1965
激光光谱,用于大气污染分析:
半导体激光器,用于激光通讯:
CO2激光器,用于激光熔炼、激光切割、激光钻孔
1968-1969
月球上设置激光反射器:
地面与卫星通过激光联系
1982
激光全息术用于信用卡防伪
80-90年代
激光外科手术、激光通讯、光盘、激光武器、激光致冷……。
所需要的技术早些年已经具备了,主要是没人想到,即未产生发明激光的物理构想,这一点就连爱因斯坦当年也没有想到。
1953年量子电子学家汤斯(C.H.Townes)建立了微波激射器,1958年美国的汤斯和肖洛(A.L.Schawlow)、苏联的普罗霍罗夫(A.M.Prochorov)和巴索夫(N.G.Basov)分别设想
以法布里.珀罗干涉仪作谐振腔构建近红外或可见光波段的激射器,即激光器,有了这个想法,两年之内,梅曼(H.Maiman)的第一台红宝石激光器诞生了。
这里要提到一位大家不是很了解的中国科学家王天眷先生,他在激光器发明过程中起了重要作用,做出了贡献。
当时王天眷先生在美国哥伦比亚大学工作,在著名的物理学家汤斯教授指导下与合作者一起完成了微波量子放大器的研究。
什么叫微波量子放大器?
激光器的前身就是微波量子放大器。
从物理学观点看,微波的波长比激光长,而它们都是电磁波,其他性质是一样的。
在微波量子放大器的发现中,王先生与汤斯一起发表了一系列文章,汤斯教授由此获得了诺贝尔物理学奖,而其中王先生做出了应有的贡献。
例如其中一篇主要文章,王天眷先生是第三作者。
激光器在1960年发明时是很简单的装置。
现在有各种各样的激光器,波长从红外、可见到紫外,功率也可以很高很高。
激光在各个方面:
医学、通讯、信息、军事等方面带来了广泛的应用。
与激光器发明初期大不一样,现在能够产生各种频率即各种颜色的光,黄的、绿的、红的等等。
用激光的办法还可以把原子进行冷却。
冷却了以后,得到了非常重要的实验结果。
在这个实验中激光把原子冷却了以后,可以冷却到百万分之一度开尔文(K,称绝
对温度)。
原子运动的速度变得很小,或者趋于零。
那么这个现象以后可以做什么呢?
可以做原子激光。
现在激光与普通光的差别,同学们是很清楚的。
而通过这个实验,可以看到,人们不仅能制造出由一颗颗孤立的原子组成的原子束,也可以制造出具有像激光束一样具有优异性能的原子束,在这种原子束中的原子之间彼此的位相是相关的。
这种原子束和普通原子束的差别,就像激光与普通光的差别一样。
因此人们把这种相干原子束叫做原子激光。
这个领域的工作如果再深入研究发展,可能对整个科学技术的发展带来很重要的影响。
关于这方面的用途,现在仅仅举一个例子。
原子冷却以后,可以冷却到百万分之一度K或者更低的温度。
冷却了以后的原子可以做精确的原子钟,精度可以到l0-14,换句话说,在一千万年里时钟的误差仅为一秒。
这个时钟一些发达国家有,我们国家也有这样的时钟,但精度稍微差一点。
原子时钟可以做精确定位用。
现在距离的测量,不是用尺直接测量的。
现在测量的办法就是测量时间。
发送一个信号,例如无线电波和光波,到达—个目标反射的信号或者由目标直接发射过来的信号到达探测器的时间,测量的是时间,光速乘以时间就是距离。
精确测量的关键因素是需要时间的标准是很精确的。
原子钟恰好给出了精确的时间基准。
由于时间测量精确,现在从太空测量地球物体的距离已经可以精确测量到米的数量级,例如说在卫星上看到一辆汽车,可以看的比较清楚。
这方面的用处很多,同学们一定熟悉全球定位系统,即GPS系统。
现在北京、上海等城市的有些出租汽车上已经
装有GPS系统,可以知道出租汽车在什么位置。
这些东西已经从实验室开始变成了商品。
四、分子生物学与生命科学的发展
若干世纪以来关于生命现象—直有“活力论”与“机械论”之争,迄今为止,生命仍旧是个没有完全解开的谜。
物理学家最关心的问题是生命现象是否可以完全用物理的和化学的规律来解释,这问题在物理学界也是有争论的。
20世纪以来,随着物理学和化学的进展,许多新理论、新思想和新技术被引用到生命科学中,愈来愈多的生命现象被解释了,人们愈来愈相信生命现象并不是超自然的神秘“活力”的作用,但物理学和化学究竟能对生命现象解释到什么程度?
看法仍是很不一致的。
量子力学创始人之一薛定谔(E.Schrodinger)于1943年在英国作了一次报告,次年出版了一本小册子,名为《生命是什么(WhatisLife)?
》。
薛定谔认为基因既稳定又能发生突变,这只能用量子论中能级的离散性和量子跃迁的突发性来说明。
薛定谔认为基因的变化是生物大分子同分异构体之间的量子跃迁,其间的能量阈值保证了基因在室温下的稳定性.薛定谔在《生命是什么?
》一书中提出了两个重要观点:
·生命的物质载体是非周期件晶休,遗传基因分子正是这种有大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性晶体的结构。
可以有无限可能的排列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码;
·生命之所以能存在,就在于从环境中不断得到“负熵”。
有机体是依赖负熵为生的。
遗传密码的概念是薛定谔首先提出来的。
20世纪50年代以后生命科学的发展(DNA螺旋结构的发现,耗散结构理论的提出)证实了薛定谔的预见。
虽然薛定谔的深刻思想在当时并未得到充分的理解,但对后来产生了深刻的影响,尤其是把许多有才华的年轻物理学家吸引到生命科学的研究中来了。
20世50年代生命科学进入分子水平。
很少有一项科学成果像DNA分子双螺旋结构的发现那样轰动和广为人知.由此引出遗传密码的破译并开创了遗传工程,对人类和社会产生了深远的影响。
可以说,这项成果与相对论、量子力学一样,同是20世纪最重要的科学发现之一。
参与DNA分子双螺旋结构发现的有四位科学家,其中两位物理学家:
威尔金斯(M.H.P.Wilkins)和克里克(F.H.C.Crick);一位化学家:
富兰克林(R.EFranklin);一位生物学家:
沃森(J.D.Watson)。
富兰克林女士患子宫癌于1958年英年早逝,其他三位学者荣获1962年诺贝尔生理学或医学奖。
在这个发现中说明了科学的交叉的极端重要性,各个领域的科学家都做出了相应的贡献。
其实我们作为科学工作者来讲,很容易理解这一点。
DNA的重要性和制备方法当然是生命科学家的专长,DNA的结构的测量方法却是物理学家和化学家拿手的本领。
这两个方面的专家一合作,取长补短,就能做出彼此都难以做出的事情来。
作为生命科学很主要的研究工具是X射线。
物理学发展为不同波长X射线产生提供非常重要的工
具,就是所谓的同步辐射装置。
这个在欧洲的装置有多大呢?
周长有17英里长;是个很大很大的科学实验设备,除带电粒子加速的大的圆周外,还有一个小的圆周产生同步辐射。
现在同步辐射主要是用在X射线波段,为什么用X射线波段?
因为物质的微观结构,原子分子的大小就是纳米(10-9米)或者是0.1纳米的数量级,正好是X射线的波段范围。
利用X射线的干涉装置,可以用它来看什么呢?
除了刚才提到的DNA结构外,还可以用来研究各种蛋白质的结构。
一种抗癌药物的蛋白质结构,分辨率达到1.9A,也就是0.19纳米,可以看到非常清楚的结构。
与物质结构测量有关系的工具还有电子显微镜,电子显微镜是上世纪30年代发现的,利用电子显微镜的照片。
可以显示癌细胞吞食细菌或者其它的微小组织。
而DNA的透射电子显微镜照片,可以放大一万五千倍。
在医学方面与物理学有关系的,还有非常重要的就是核磁共振,核磁共振是1938年拉比(Rabi)发现的。
上世纪40年代玻塞尔(Purcell)和布洛赫(B10ch)在早期研究原子和分子的基础上,他们把核磁共振方法扩展到研究固体材料等方面,后来发展成了核磁成像技术。
核磁成像技术在医学上是非常有用的,利用核磁成像可以观察人类大脑的组织。
在医学中X射线诊断技术一直是很重要的,现在发展出了CT技术。
这里向大家显示一张伦琴夫人的手的X射线照片,是人类第一张X射线的医学照片。
这是我们国家的科学家用北京的同步辐射装置看到的SARS病毒的照片,这是研究蛋白质结构非常重要的照片之一。
除大家都知道的心电图外,同
样可以用磁性做心磁图。
最后我想告诉同学们:
物理学在整个一百年以来的人类科学与技术的发展上,是起了决定性的作用;物理学是在培养训练有素的人才方面是很好的工具。
物理学同时对人类的精神文明的建设也起了非常重要的作用。
未来物理学的发展将怎么样?
我们研究的空间尺度是从10-15一直到1027米,10-15米是基本粒子,甚至是更小的粒子。
物质有很多层次,从基本粒子到原子核、原子、分子、团簇、凝聚态、生命物质、生物体、恒星、星系、宇宙,每个层次都有自己的基本规律,而这些规律又相互联系。
21世纪物理学发展的目标,既要对各个层次的规律展开全面的探索,更要寻找那些将不同层次的现象联系起来的规律。
中国科学院路甬祥院长在去年一次报告中指出:
“相对论和量子论在科学各个领域的扩展和应用,虽然已经取得了很大的成功,但是还未到达止境。
看来一直作为精密科学典范的物理学还是魅力未减,作为其他经验科学基础的地位短时期内不会改变。
”他还说:
“一些传统学科仍将保持相当的独特性,物理科学作为自然科学发展的基础地位,大概还不会动摇。
”量子力学的建立,相对论的提出和DNA双螺旋结构的确定,是20世纪最伟大的三大科学成就,使人类对于自然规律的认识达到前所未有的深度。
然而,物质世界和生命世界的奥秘不可穷尽,大量挑战问题还摆在人们的面前。
在21世纪,物理学家将与自然科学各学科的科学家一起,共同迎接这些挑战。
一位外国的物理学家俏皮地说:
“Whatisphysics?
Physicsis
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- 第一章 物理学照亮世界 物理学 照亮 世界