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清华前沿科学聚焦

科学时报 2002年6月20日

编者按:日前,清华大学召开“前沿科学国际研讨会”。以“弘扬科学精神,提高学术水平,促进国际交流”为宗旨的本次研讨会为期两天半,在此期间,多位著名学者为大会做了精彩的学术报告。我们编发部分报告的摘要以飨读者:

中国科学院院士 郝柏林:

从完全基因组出发对细菌分类

生物分类学是一门重要的学科。高等生物由于存在着很多形态上的差别,使人们更容易加以辨认并按照形态差异来进行较为准确的分类。但是细菌与高等生物不一样,细菌的形态特征、显微镜下的染色特征和生化特征等都比较少,这就给细菌分类带来了大问题。1995年以后虽然有了细菌的完全基因组,但并没有像人们预期那样通过完全基因组将细菌的分类更加细化,反而还带来了一片混乱并由此产生了一个问题,即如何有效地利用好完全基因组的数据来做好细菌分类。

经过研究后科学家们提出了一种新的分类计算方法,而这一方法本身不需要调节,也没有参数的调整问题。使用这一方法,通过计算机输入数据以后,直接得到的就是细菌分类。

目前细菌的分类要解决两个问题,一是鉴定,即这个细菌是什么;另一个是从进化论的角度描述细菌彼此间的演化、进化关系,谁更古老一些,细菌的从属关系等等,这一方法主要是用于解决第二个方面的问题。准确的细菌分类对深入了解不同种属间细菌的功能差异和抗菌新药的研发具有重要的指导意义。

美国犹他大学物理系教授 吴咏时:

用光学格子中的玻色—爱因斯坦凝聚来造一个“猫”

“猫”是两个宏观量子态的线性叠加,是一个在经典的物理里面没有的概念,但其在发展量子计算和量子通讯等方面都有着重要的现实意义。以往其他的实验方法在实现这种“猫”态时都遇到了困难,而利用激光的光学格子对宏观的量子态进行研究却是完全有可能的。

在量子光学和多体理论交叉研究中发现的玻色—爱因斯坦凝聚是物质的一种新的状态,被称为宏观的量子态,宏观量子态为量子物理学的理论研究和实验研究提供了新的手段和方法。理论方面,以前认为量子力学只适应于微观研究,因此宏观量子态的存在本身在理论上就有很重要的意义,说明量子力学也同样适用于宏观研究。在将来的技术应用方面,宏观量子态的操作,为量子计算、量子信息、量子计算机开辟了很广阔的前景。

如何用玻色—爱因斯坦凝聚来造一个“猫”,新的实验方法是把宏观量子态和多体理论结合起来,把玻色—爱因斯坦凝聚这种新的物质状态放到激光照射的光学格子里面,并从中发现了新的量子相变现象;此外除了玻色—爱因斯坦凝聚这一宏观量子态以外,随着光学系统参数的改变还会出现一种新的状态,叫做特别的绝缘体状态,这种改变不是由温度变化而产生的,而是由量子的涨落而造成的,有关实验还需要继续得到实验物理学等学科的协作。

中山大学物理系教授 李华中:

物理研究需要整体描述

在过去的大部分时间里,科学家们喜欢用传统的物理学和局域的观点和方法来描述和研究物理现象,对物理世界整体性的现象和理论的认识比较零散或未被重视,其实对物理现象的整体解释中国古代就已经有了。1974年杨振宁先生就已经撰文提出了自己有关物理整体描述的观点。所谓整体性是指物理性质是由系统的整体拓扑性质所决定,它不可以由局域性单纯而发展到全体,系统的时间演化不单由某一时刻去决定下一时的状态,而是依赖它所经历的历史。

近20年来,物理整体性的研究有了很大的发展,内容涉及经典力学、光学和量子物理现象等,从AB(Aharonov——Bohm)效应到贝里几何效应,几乎包罗了分子、原子、核物理、粒子物理和凝聚态物理等多种物理现象和理论,强调整体性现象的实验观测和应用。

与局域研究中使用的数学微分方程不同,整体研究采用了更高一级的几何拓扑方程运算,现代物理学发展证明,整体描述是局域描述不可缺少的补充。

上海同济大学物理系教授 郑浩平:

物理算法计算蛋白质大分子电子结构

物质的电子结构是理解和检测微观材料性质的一个基础,30年来全世界成千上万的科学家一直致力于凝聚态物理和量子化学等方面的研究。21世纪是生命科学的世纪,生物信息学的发展成为人们认识生命现象本质的最有力的武器。但是目前由于受计算机技术条件和运算速度等的限制,常用的计算蛋白质大分子电子结构的方法由于计算量太大,即使是使用世界上最快的计算机,人们也还无法计算出其结构,为此研究人员开始考虑是否有其它的捷径能解决这个问题,并从用凝聚态物理来计算晶体等材料的物理计算方法中找到了答案。

几年前人们开始实验用这种方法计算蛋白质大分子的电子结构,发现在不降低精度的情况下可将计算量从N的3次方降低到N的1次方,由于减少了计算量,使用现有的超级计算机就可以计算出蛋白质大分子的电子结构,这也是目前国际上唯一的一种能够计算蛋白质大分子的方法,而它的重要意义在于,精确描述蛋白质大分子电子结构是人类理解生命功能和过程,揭示生命奥秘的金钥匙。

台湾大学物理系教授 黄伟彦:

杨—米尔斯理论所预测的相变与早期宇宙问题研究

宇宙学研究在进入新世纪以后已经成为一项集观测和试验检验为一体的试验科学,特别是有关早期宇宙的研究正在引起各国科学家的浓厚兴趣。也正因如此,近两、三年来世界各大媒体,如New York Time及Times等均以大篇幅报道了多项新的宇宙观测结果,其中包括宇宙在大爆炸之前曾有大爆胀的阶段。

Yang-Mills理论虽是一种数学的推广,但却是当代物理发展中的一项奇迹。粒子物理的标准模型描述了至今所有粒子物理的实验,Yang-Mills理论预测到了宇宙早期曾经过了两项重要的相变,即早期宇宙从一个相到另一个相,许多不可思议的物理现象也因此而产生。正确描述早期宇宙的EW及QCD相变是帮助人类进一步了解宇宙起源和演化发展规律的基础,也是宇宙学研究中一项最重要和最有意义的课题。

(以上报告摘要均系本报记者潘锋整理)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2002-06-21]
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