新闻公告
教务新闻
罗民兴院士主讲“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂:名师面对面”(第二十三期)
发布日期:2024-04-12 浏览次数:
  供稿:孙琰  |   图片:曹含笑、周墨   |   编辑:时畅   |   审核:罗民兴、高原宁

2024年4月7日晚,由8455新葡萄娱集团am、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂:名师面对面”(第二十三期)在北京大学理科教学楼208教室举行。北京计算科学研究中心讲座教授、主任罗民兴院士应邀讲授“星星为什么会发光?——从基本作用力到太阳聚变”。本期讲堂由8455新葡萄娱集团am院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

万物生长靠太阳。作为生命的源泉、光明的象征,太阳是宇宙中与人类关系最密切、对人类生产生活影响最大的恒星,也是人类迄今唯一能够进行高时空分辨率、高光谱分辨率观测的恒星,在地球演化和人类文明进步的历程中发挥着不可替代的作用。

人类对太阳的向往与探索由来已久。早在西汉时期(公元前28年),我国就有肉眼观测太阳黑子的记录。1610年,伽利略(G. Galilei)用自制望远镜证实了太阳黑子的存在,标志人类对太阳进行科学观测的开始。1687年,牛顿(I. Newton)提出万有引力定律,揭开日月星辰运行的内在奥秘,成为人类理解和认识世界的重要基石。19世纪50年代,基尔霍夫(G. R. Kirchhoff)、本生(R. W. Bunsen)通过光谱学的分析方法解释了太阳可见光谱中的暗线,确定氢元素是太阳最主要的化学组分。1913年,玻尔(N. H. D. Bohr)提出量子化的原子结构,解释了氢原子的能级结构和光谱(获1922年诺贝尔物理学奖)。1905年,爱因斯坦(A. Einstein)提出质能方程E=mc2(其中E表示能量,m表示质量,c为光速),颠覆了人类对物质和能量之间的关系的认识。经过四百多年的发展,尤其自20世纪50年代末进入“太空时代”之后,随着地基太阳望远镜、天基太阳探测器的研制与组合观测,人类不断刷新着对太阳的认知。目前,太阳正处在有记录以来的第25个活动周期,日面黑子数目预计在2024年下半年至2025年上半年达到极大。

罗民兴说,“嫦娥”探月、“祝融”探火、“羲和”逐日使远古神话梦想一个个变成现实

20世纪初叶,阿斯顿(F. W. Aston,1922年诺贝尔化学奖获得者)用质谱仪证实了氦原子的质量略小于4个氢原子的质量之和。在一定条件下,由1个质子、1个中子和1个电子组成的氘核和由1个质子、2个中子和1个电子组成的氚核会发生聚变反应,生成由2个质子、2个中子组成的氦核,并放出1个中子。精密测量结果表明,反应后的氦与中子的质量之和小于反应前的氘与氚的质量之和。在人们意识到化学能、引力势能向热能转换(后者称为开尔文-亥姆霍兹机制)并非太阳真正的能量来源之后,爱丁顿(A. S. Eddington)根据质能方程推测,这一反应过程中产生的质量损失被转化为巨大的能量释放;也就是说,太阳的能量可能源自其内部的核聚变(即较轻的原子核融合生成较重的原子核)。

1928年,伽莫夫(G. Gamow)用量子隧穿效应解释原子核α衰变,揭示了核聚变的关键机制。1938年,贝特(H. Bethe)等人指出质子-质子(pp)链反应和碳氮氧(CNO)循环是太阳和其他恒星获取能量的两类途径;前者是与太阳大小类似的恒星的主要能量来源,后者则是较大质量恒星的主要能量来源。罗民兴阐述了这两类反应过程所蕴含的物理原理及与之相关的20世纪粒子物理学的重大科学成就。1914年,查德威克(J. Chadwick,1935年诺贝尔物理学奖获得者)发现了原子核β衰变中的能量亏损现象。1930年,泡利(W. Pauli,1945年诺贝尔物理学奖获得者)预言了中微子的存在。1934年,费米(E. Fermi)提出四费米子相互作用理论,解释了原子核β衰变过程(获1938年诺贝尔物理学奖)。20世纪50年代,莱因斯(F. Reines)利用核反应堆首次探测到中微子(获1995年诺贝尔物理学奖)。1968年、1987年,戴维斯(R. Davis Jr.)、小柴昌俊(M. Koshiba)先后探测到来自太阳的中微子和来自超新星的中微子(获2002年诺贝尔物理学奖)。1988年、2000年,梶田隆章(T. Kajita)、麦克唐纳(A. B. McDonald)相继发现中微子振荡现象,揭示了中微子具有质量(获2015年诺贝尔物理学奖)。太阳聚变所发射的中微子几乎不与其他物质发生作用,是探测太阳内部结构的绝佳载体。近年来,物理学家通过捕捉太阳发出的中微子,填补了核聚变为太阳和其他恒星提供能量的最终细节。

罗民兴说,被称为“幽灵粒子”的中微子是连接宇宙中极大与极小尺度的理想信使

罗民兴还讲述了粒子物理学科史上与太阳发光发热机制有关的其他重大科学突破,例如:盖尔曼(M. Gell-Mann)提出了夸克模型(获1969年诺贝尔物理学奖);格拉肖(S. L. Glashow)、萨拉姆(A. Salam)、温伯格(S. Weinberg)建立了弱相互作用与电磁相互作用的统一理论(获1979年诺贝尔物理学奖);弗里德曼(J. I. Friedman)、肯德尔(H. W. Kendall)、泰勒(R. E. Taylor)对电子-核子的深度非弹性散射进行开创性研究,证实了夸克的存在(获1990年诺贝尔物理学奖);格罗斯(D. J. Gross)、普利策(H. D. Politzer)、维尔切克(F. Wilczek)发现了量子色动力学的渐近自由现象(获2004年诺贝尔物理学奖)。

处于物理学、天文学、行星科学、空间科学交叉前沿的太阳物理学领域等待同学们去探究

课后,罗民兴就量子引力、快速射电暴、全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)、锦屏地下实验室(CJPL)等与同学们展开交流。他指出,从现代物理学的两大支柱——相对论和量子论,到20世纪物理学的辉煌成就——粒子物理标准模型,物理学家不懈地追寻将四种基本相互作用统合为一体的理论框架,推进人类对物质微观结构、宇宙起源与演化的探索和发现。

8455新葡萄娱集团am吴学兵教授、杨振伟教授、朱华星长聘副教授、王一男助理教授等现场出席。

罗民兴(一排右五)、高原宁(一排右三)、吴学兵(一排左四)、杨振伟(一排左三)、朱华星(一排左二)、王一男(一排左一)与同学们以“物”之语、解“星”之道