物理学与现代生命科学

 二十世纪五十年代以来,随着物理学理论、技术的发展和取得的辉煌成就,特别是生物学研究从现象的描述进入了现代生命科学新阶段,物理学参予和渗入生命科学的研究已成大势所趋,一门新兴的边缘学科——生物物理学也应运而生,并得到了迅速成长和发展.生命科学研究为什么受到人类的普遍重视?物理学对生命科学研究能发挥哪些作用?生物物理学研究些什么问题?这些都是物理学者感兴趣的问题.生命科学对人类科技、经济和社会发展的作用本世纪五十年代,对遗传物质DNA双螺旋结构的阐明,开创了分子生物学,被认为是二十世纪自然科学的重大突破之一.三十年来,分子生物学取得许多重大进展,如已阐明了许多蛋白质和核酸的一级和立体结构,揭示了生物的遗传、生长、分化、神经传导、肌肉收缩、免疫功能等生命现象的奥秘.     

生命科学发展过程中物理学的贡献

 生命科学是21世纪发展最快的一门学科，随着人类基因组计划的完成，生命科学已经进入到“后基因组”时代。生命科学的迅猛发展，离不开其他学科的相互促进。在20世纪中，发展最迅速的两门自然科学：前50年是物理学、后50年是生命科学。在此过程中物理和生命科学两门学科互相促进，尤其是物理学技术和手段的改进极大地促进了生命科学的发展。     

物理学在促进生命科学发展中的作用

本文是应中国物理学会学术交流委员会要求所作的报告，目的是向物理学工作者介绍物理学在生命科学研究中的作用．文中首先阐述了物理学在自然科学各个领域中所起到的带头作用，然后介绍了当代生命科学的重要问题，并举出几个例子说明物理学在生命科学的研究中已经发挥重要作用的状况以及尚待解决的问题，希望更多物理学工作者参与生命科学的研究．     

关于物理学为经济建设服务的问题(I)

物理学是新技术的先导．物理学的发展历史证明，物理学的基础研究和应用研究会直接或间接地导致新技术在生产上的应用，引起社会生产和生活发生革命性的变化．为了促进物理学研究更好地为经济建设服务，我刊从本期开始设立“物理学和经济建设栏”．该栏主要内容包括：（１）物理学及其分支学科在经济建设中的地位、作用和重要性的综合评述；（２）介绍国内外物理学家搞物理学应用研究工作取得成果的事例；（３）物理学成果在经济建设各部门应用取得显著经济效益的报道；（４）可以推广的物理学研究成果报道．我们衷心希望得到广大物理学工作者尤其是经济建设各部门中与物理学有关的科技人员、管理干部的热情支持，并欢迎大家踊跃投稿．     

生物物理学浅说

生物物理学是在本世纪物理学取得巨大成就的基础上和生命科学相互结合的产物,是介乎物理学与生命科学之间的一门新兴的边缘学科.由于它是新兴的学科,目前还处于形成阶段,因此关于它的定义、范围、研究内容和理论体系都还不够明确和成熟;由于它是一门边缘学科,因此它和其它学科领域的界限常常不能截然划清,不同专业的学者们看法也常有不同本文准备从作者自己从事生物物理学一些年来的体会谈谈自己的认识. 一、生物物理学及其产生的必然性 物理学以无生命物质为对象,研究其力学的、热的、电磁的运动形式以及物质结构的组成;生物学则以有生命的…     

物理学与生命科学的相互影响和促进

众所周知,自从达尔文（C．Darwin）于1859年发表了被他本人戏称为“魔鬼的圣经”——《物种的起源》一书后,“生物学从此站起来了!”（列宁语）。随后由于包括化学、计算机科学等的影响,尤其是“20世纪物理学的新思路、新理论、新技术和新方法对生物学的广泛渗入,使生物学发生了‘革命’,导致对生命现象的研究深入到了分子水平上,甚至向量子水平延伸,从而更加深了人们对生命物质基础的认识。”20世纪末,国际学术界就普遍认为,如果说20世纪的主导学科是物理学的话,那么21世纪的主导学科将是生命科学。这种主导学科的世纪交错,更充分地说明了物理学与生命科学的历史渊源和它们在整个自然科学中的地位与作用,以及两者之间水乳交融、互相驱动的内在联系。     

关于人体肺泡中物理问题的解析

物理学是生命科学的基础，人体内部发生的许多生理过程与物理过程均存在密切联系，利用物理知识分析生命科学中的规律具有重要的意义．     

从《BIO-X》计划看物理学在21世纪生命科学发展中的作用

在简述20世纪物理学和生物学交互融合、推动了生命科学现代化方面的成就之后,着重介绍了国外为了更进一步有计划地推进生命科学发展而提出的所谓《BIO－X》计划,并以蛋白质组学、单分子与纳米技术在生物学中的应用、神经生物学、技术的研究和计算生物学为例,说明物理学在21世纪将继续在生命科学中发挥更大的作用,由此说明学科间的融合已成为自然科学发展的必然趋势。     

量子信息学——源自量子力学的第二次信息革命

量子信息学是物理学的一个新兴分支学科,它将微观世界的量子态用作信息的载体,利用量子力学规律对信息进行传输和计算,可以完成经典信息技术所不能完成的任务.量子信息学主要包含量子通信和量子计算,量子通信已经走向产业化,量子计算也正在逐步走出实验室,它们将共同引领下一代信息技术革命.新兴的量子信息产业可为物理学专业毕业生提供更多的就业机会.     

两院院士在高校讲学

中国工程院与中国科协主办的工程科技论坛第45场11月25日和12月2日分别在北京航空航天大学、北京理工大学开讲．论坛本场的题目是“物理学与可持续发展”．中科院院士杨国桢，中国工程院院士刘德培、陈立泉、乐嘉陵、许健民等人给大学生们演讲了《物理学与可持续发展世界大会》、《物理学与生命科学》、《物理学与新能源》、《高超声速飞行中的气动物理》、《风云二号卫星的对地观测》等物理学的新话题．     

脑功能磁共振成像在人类嗅觉研究中的应用

在人类的5种主要感觉中,嗅觉是最广泛、古老、直接和内在的感觉.这些特性使人们对人类嗅觉的研究异常艰难,以致于直到今天人们对嗅觉的功能仍不清楚,而对大脑的功能机制所知更少.与其他基于物理原理的方法一样,磁共振成像技术的广泛应用极大地推动了整个生命科学的发展.脑功能磁共振成像的优势(高分辨率、高对比度、无损性和无放射性等)为人们研究嗅觉高级中枢以及与嗅觉相关行为的脑机制等提供了强有力的技术手段.文章在简单介绍嗅觉知识的基础上,着重讨论了近十年来,脑功能磁共振成像技术在人类嗅觉研究中所取得的成果.     

分子整流器的相关技术

分子整流器的相关技术是研究器件基础理论和未来付诸应用的关键问题之一。由于分子材料的特殊物理化学性质,原本成熟的普通半导体工艺不再适用。本文综述了目前在分子整流器研究领域广泛使用的相关技术,介绍了分子有序排列的各种组装技术,ＳＴＭ技术,电极制备技术等。分子器件的深入研究将会引起信息处理系统和材料科学的发展,对未来科学技术和社会发展产生深远的影响。     

Functional cDNA expression cloning: pushing it to the limit

The 1970s and the following decade are the era of the birth and early development of recombinant DNA technologies, which have entirely revolutionized the modern life science by providing tools that enable us to know the structures of genes and genomes and to dissect their components and understand their functions at the molecular and submolecular levels. One major objective of the life sciences is to achieve molecular and chemical understandings of the functions of genes and their encoded proteins, which are responsible for the manifestation of all biological phenomena in organisms. In the early 1980s, I developed, together with Paul Berg, a new technique that enables the cloning of full-length complementary DNAs (cDNAs) on the basis of their functional expression in a given cell of interest. I review the development, application and future implications in the life sciences of this gene-cloning technique.     

Converging Technologies for Improving Human Performance: Integrating From the Nanoscale

In the early decades of the twenty-first century, concentrated efforts can unify science based on the unity of nature, thereby advancing the combination of nanotechnology, biotechnology, information technology, and new humane technologies based in cognitive science. Converging technologies integrated from the nanoscale could determine a tremendous improvement in human abilities and societal outcomes. This is a broad, cross cutting, emerging, and timely opportunity of interest to individuals, society, and humanity in the long term.About eighty scientific leaders, industry experts, and policy makers across a range of fields have contributed to develop a vision for the potential to improve human physical, mental, and social capabilities through the convergence of the four technologies. Six major themes have emerged: (a) The broad potential of converging technologies; (b) Expanding human cognition and communication; (c) Improving human health and physical capabilities; (d) Enhancing group and societal outcomes; (e) National security, and (f) Unifying science and education. This article summarizes the observations, conclusions, and recommendations made in the report (Roco & Bainbridge, eds., 2002. Converging Technologies for Improving Human Performance, NSF-DOC Report, June 2002, Arlington VA, USA).     

Accomplishment and challenge of materials database toward big data

The history and current status of materials data activities from handbook to database are reviewed, with introduction to some important products. Through an example of prediction of interfacial thermal resistance based on data and data science methods, we show the advantages and potential of material informatics to study material issues which are too complicated or time consuming for conventional theoretical and experimental methods. Materials big data is the fundamental of material informatics. The challenges and strategy to construct materials big data are discussed, and some solutions are proposed as the results of our experiences to construct National Institute for Materials Science(NIMS) materials databases.     

X-Mechanics——An endless frontier

In contrast to the conventional wisdom that mechanics is a relatively mature subject, the new manifestation of mechanics in an extended or crossed form is unfolding. Mechanics is now powering all subjects, from physical sciences, life sciences to social sciences. We name this new phase for the development of mechanics X-Mechanics. The present article outlines the contents of X-Mechanics from four aspects: cross media, cross scales, cross compliances, and cross cyber/physical spaces. X-Mechanics constitutes an endless frontier of science and technology.     

An atomistic view of electrochemistry

One of the most important tasks of modern, physical electrochemistry is the development of an atomistic picture of the solid/liquid interface in order to provide the basis for a mechanistic understanding of electrochemical processes. Electrochemists seek answers to the same questions as their surface science colleagues (e.g., electronic and structure properties of surfaces and adlayers), but are faced with the fact that in electrochemistry the contact of the solid with a condensed phase, the electrolyte, makes life much more difficult. Nevertheless, electrochemists succeeded in the last 20 years to develop an electrochemical surface science by adopting experimental techniques and theoretical concepts from surface physicists.

This article describes the various routes electrochemists have used to obtain a detailed characterization of electrode surfaces in particular, and of the electrochemical interface in general. Success in physical electrochemistry is based on the development of non-traditional in situ methods to complement the classical, current- and voltage-based techniques. The former range from optical spectroscopies, linear and non-linear, to in situ X-ray diffraction and scanning tunneling microscopy. The current status of electrochemical surface science and its most important future goals are briefly addressed.     

Fundamentals of Multiferroic Materials and Their Possible Applications

Materials science is recognized as one of the main factors driving development and economic growth. Since the silicon industrial revolution of the 1950s, research and developments in materials and solid state science have radically impacted and transformed our society by enabling the emergence of the computer technologies, wireless communications, Internet, digital data storage, and widespread consumer electronics. Today's emergent topics in solid state physics, such as nano-materials, graphene and carbon nano-tubes, smart and advanced functional materials, spintronic materials, bio-materials, and multiferroic materials, promise to deliver a new wave of technological advances and economic impact, comparable to the silicon industrial revolution of the 1950s.

The surge of interest in multiferroic materials over the past 15 years has been driven by their fascinating physical properties and huge potential for technological applications. This article addresses some of the fundamental aspects of solid-state multiferroic materials, followed by the detailed presentation of the latest and most interesting proposed applications of these multifunctional solid-state compounds. The applications presented here are critically discussed in the context of the state-of-the-art and current scientific challenges. They are highly interdisciplinary covering a wide range of topics and technologies including sensors, microwave devices, energy harvesting, photo-voltaic technologies, solid-state refrigeration, data storage recording technologies, and random access multi-state memories. According to their potential and expected impact, it is estimated that multiferroic technologies could soon reach multibillion US dollar market value.     

我国医学物理工作者的任务

医学中的物理学问题涉及把物理学的概念、理论和方法应用于人类疾病的预防、诊断、治疗和康复的全过程．因此，由物理学和医学结合而形成的医学物理学科必须按照一个一级学科规范要求做出定义，使得这个专业的学生能够在与其他学科大体相当的时间内完成学业，成为这方面的专门人才．世界上50多年来形成并快速发展的医学物理学科已经定义了自己的学科范围和内容，人们可以从中获得启发．现在世界医学物理学的主流仍然是医学影像物理学和肿瘤放疗物理学，但是物理学的各个分支学科都已经和正在形成与医学结合的新的发展方向．很多新技术，例如超声技术、激光技术、纳米材料技术、电磁波技术、磁共振技术、同位素技术、光源和射线探测技术等等，也都是医学物理学科中广泛使用的关键技术．文章从医学的需求角度，把医学中的物理问题归纳为诊断、治疗、医疗装置和医学软件四个方面，并由此分析了医学物理工作的任务．     

Some problems of our natural sciences

Two categories of limitations of present-day physical science are discussed. The first relates to the inadequacy of physics to deal with the phenomena of life and consciousness. The second relates to weaknesses within physical theory itself, with regard to the definition of space-time points in general relativity and quantum mechanics as well as with regard to problems of quantum mechanical measurement theory.