物理学是人类不断认识自然界的重要科学基础，物理学的研究及其应用一直是、并将继续是科学和技术发展的一个重要基础。为应对21世纪各种挑战(如能源短缺、环境保护及大众健康等)，物理学将发挥重要的作用。众所周知，20世纪初叶发生了以相对论与量子力学为标志的物理学革命，前者使人类对宇宙存在的历史、时间和空间有了革命性的认识，产生了核能的利用；而后者使物理学、化学、生物学、地学发生了革命性的变化。20世纪后半叶，正是由于一批物理学家、化学家进入生物学研究领域，发现了DNA双螺旋结构，才导致了分子生物学的诞生，为人类从分子水平认识生命过程提供了坚实的物理基础，也为农业、林业、医学、环保等领域提供了新的发展途径。21世纪新涌现的科学技术领域，如纳米科学技术、信息技术、能源开发以及生物技术等都是由物理学基础研究及其应用所驱动。

为促进物理学与众多学科的交叉融合，推动新世纪我国物理学的发展，中国科学院数学物理学部组织有关院士专家成立咨询组，就我国物理学与其它学科交叉的主要相关领域的现状、问题与对策进行了深入、全面的调查研究，完成了本咨询报告。

报告认为，在我国需要自主创新、加快发展科学和技术的新时期里，要加强物理学与材料科学、能源科学、信息科学以及生命科学等的交叉与融合，关注新的发展，及时抓住机遇。本报告就强激光核物理、核科学技术和生命科学、量子纳米科学、量子信息、理论生物物理及生物信息、软物质物理6个方面进行阐述，并提出建议。

一 强激光核物理

最近10年，激光技术有了显著的进展，激光功率密度已超过1021W/cm2，电场强度达到1.2×1012V/cm，比氢原子中电子波尔轨道上的库仑场大240倍。在未来10年中，功率密度可能会提高到1026—1028W/cm2，这样高强度的激光将产生极高的加速电场(2×1014—2×1015V/cm)，可以将粒子加速到很高的能量。高功率超短脉冲激光技术的发展，在实验室中创造了前所未有的极端物态条件，如高电场、强磁场、高能量密度、高光压、高的电子抖动能量和高的电子加速度。这种极端的物理条件，目前只有在核爆中心、恒星内部、黑洞边缘才能存在。在超强激光和物质的相互作用中，产生了高度的非线性和相对论效应。在小型太瓦(1012W)级强激光的强电场作用下，所有的原子都会在极短的时间内被电离，产生从几MeV到几十MeV的电子、质子、中子以及韧致辐射，这些粒子可以产生核反应。超强激光脉冲开辟了崭新的物理学领域，也为多个交叉学科前沿研究领域带来了历史性的机遇和拓展的空间，并将成为研究核物理、粒子物理、引力物理、非线性场论、超高压物理和天体物理等的一个有力工具。

目前具有超短超强激光装置的研究单位并不少，但将它们运行好，做出好的物理工作的成果还不多。同时还存在着一个问题，即搞强激光技术的专家，一般对光学的基础和造诣比较好，但对等离子体物理尤其是核物理、高能物理了解的就少一些；而核物理、粒子物理的专家对超强超短激光的最新进展缺乏了解，这就需要发展强激光核物理这一交叉学科。

建议：为专家们的交流和讨论提供更多的机会和更好的条件；国家自然科学基金委员会和科技部“973”计划的前沿基础研究计划中能对这类前沿交叉基础研究内容给以立项支持；完善超强激光装置的诊断测试设备，培养有经验的维护技术人员，保证开展有意义的物理研究。

二 核科学技术与生命科学

核科学技术是一门基于核性质、核反应、核效应、核辐射、核谱学和核装置的学科。当今核科学技术和非核科学技术相互渗透，相互促进，已形成了众多的交叉学科，如核医学、核药物学、放射生态学、辐射生物学、核农学、环境放射化学等 重点是与生命科学的交叉。当前重大研究方向包括：新型核方法的建立，尤其是可用于超微量、微区、实时和化学种态的核检测方法；分子核医学用于脑功能、癌症和心血管疾病的诊断和治疗；用同位素示踪技术研究癌细胞的生长、繁殖、转移和凋亡；离子束生物效应的机制研究及其与生命起源的关系；辐射生物和环境毒理学的研究 用同步辐射X射线衍射和中子散射等方法测定蛋白质的结构 以满足蛋白质组学发展的需求；用新型自由电子激光研究生命科学中的许多重要课题等。民用核技术还具有巨大的经济效益。中国2005年民用核技术的产值约300亿元 其中核电约200亿元。而美国在1995年的民用核技术产值就高达3310亿美元 并提供了400万工作岗位，其中核电为900亿美元和40万个岗位。

自上世纪80年代以来，我国的核科学技术基本上是走下坡路。主要标志是：

(1)设置核科学技术专业的高等院校数目下降；(2)就读核科学技术专业的学生数量急骤减少；(3)核科学技术专业人才大量流失。近年来 核技术专业的大学本科生和研究生的数量和质量都无法满足社会的需求，更不能适应我国未来发展核电、国家安全、核技术应用的需要；(4)放射性和辐射防护科普宣传和教育薄弱。社会公众对核科学技术缺乏正确了解，对核辐射产生不必要的恐惧。加强核科学技术发展的关键是人才，而人才的基础是教育。

建议：吸引和鼓励青年学生学习核科学技术专业；加强核科学技术的大学本科和研究生教育；在一些重点大学开设核科学技术与生命科学、环境医学等交叉学科的专业；加强放射性和辐射防护的研究和教育；加强核技术相关设备和仪器的研制和产业化。

三 量子纳米科学

量子纳米科学是纳米科学的重要部分。纳米材料分为两类，第一类是基于量子效应的纳米材料和结构，称为量子纳米材料，它主要由半导体组成。第二类纳米材料主要是利用它的表面和界面效应，称为工业纳米材料。工业纳米材料在化工、陶瓷、建材和医药等领域中已有许多应用，产生或正在产生巨大的经济效益。量子纳米结构的电子、光子和微机械将成为下一代量子微电子和光电子器件的核心。它与电子学、光电子学以及通讯技术、计算机技术密切相关，将在21世纪引起一场新的技术革命。2000年美国发布的《国家纳米技术发展计划》中提到：“纳米结构将孕育一场信息技术硬件的革命，类似于30年前那一场微电子革命，半导体电子学取代了真空管电子学。”未来的纳米器件将几百万倍地提高计算机的速度和效率；极大地增加存储量 (达1012比特)；通讯系统的带宽将增加100倍；平面显示器将比现在的显示器亮度提高100倍；生物和非生物器件集成到一个相互作用系统将产生新一代的传感器、处理器和纳米器件。

目前存在的问题是：对发展纳米科学的认识具有片面性，对量子纳米科学的重视和投入不足，存在重短期行为，轻长期性的基础研究；重材料制备，轻物理、化学、生物等物性的深入研究和纳米器件的设计、制造和应用；重单个器件的研究，轻器件的集成；以及重视单学科的研究，忽视综合性的、多学科的交叉研究等倾向。实际上量子纳米科学目前虽然还没有进入大量应用阶段，但是从长远来说，它对未来的信息高技术产业将产生重大影响。

建议：对量子纳米科学给予足够的重视，加强对量子纳米科学研究的投入和有关的平台建设，鼓励多学科的交叉。在制备和发展纳米材料的同时，加强对纳米材料的物性以及纳米器件的研究。

四 量子信息

量子信息是利用量子态作为信息载体进行信息存储、处理、计算和传送的一门学科，它能完成经典信息系统难以胜任的高速计算、大容量信息传输通讯和安全保密等的信息处理任务。它是量子物理与信息科学、计算机科学所形成的交叉领域，主要包括量子计算、量子通讯和量子密码学。量子信息的研究、特别是量子计算的研究将可能为突破传统计算机芯片的尺度极限提供新的启示和革命性的解决方案，从而导致未来计算机构架体系根本性的变革。量子信息的研究不只是两个不同学科的简单交叉 它涉及到怎样从物理学的角度，在物质科学层面上深入理解什么是信息、什么是物质、能量和信息关系等基础性问题。反过来，这些问题的解决也有助于推动量子物理的发展。近年由于量子信息的深入研究 在新的实验技术平台上 许多量子力学原理上的一些争论得以检验和进一步澄清。

我国的量子信息研究虽然取得了一些有国际影响的结果 但总体水平与国际量子信息研究还有一段距离，主要问题是：

(1)原理方面缺少原始创新的理论，实现固态量子计算和量子信息处理的研究才刚开始；(2)实验研究工作的布局不合理，实验工作大都集中在光学系统在一定程度上造成技术设备和研究人员的重复投入；(3)与计算机科学和数学方面的交叉不够。

建议：加强固态系统的量子计算的理论和实验研究，以固态量子计算研究作为未来量子信息研究的主攻方向；促进物理学与信息、计算机科学的交叉 鼓励更多的数学家和信息学家投身于量子信息的研究；加强以实际应用为目标的量子密码学和量子通讯研究；加强基础理论研究 鼓励具有原始创新性的研究工作。

五 理论生物物理及生物信息学

传统生物物理学发展面临许多新的问题，现有的观念和方法难以解决这些新问题，因此理论生物物理学应运而生。基因研究的最新成果向物理学提出了与生命过程联系更为深刻的课题，如DNA和染色质的力学性质在基因转录调控中的作用，如何理解细胞中DNA超螺旋、分子马达运转、核仁形成和染色体包装等多种非平衡过程的物理机制及其生物学效应等。理论上研究大分子在生物体内的结构有可能带来重大突破。理论生物物理的另一个重要研究方向是与非线性物理、复杂性科学的交叉。随着分子生物学向定量研究的深入开展，已积累了大量的蛋白质相互作用与基因调控机制的信息，这使得从整体的角度定量研究生物动力学系统成为可能。从蛋白质相互作用与基因调控网络出发，研究生物网络的拓扑性质、动力学性质、生物功能及其它们之间的相互关系，是理论生物物理的一个重要研究内容。生物信息学的方法正在渗透到分子结构预测以及生物网络拓扑结构的分析中，有望在细胞生物学和生物物理学中发挥作用。

目前，我国的理论生物物理研究的基础比较薄弱，人才比较缺乏。

建议：在一些重点高等学校物理系和相关研究所成立以研究基础生命理论问题为中心的实验室，建立研究模式生物的实验平台，培养硕士和博士研究生；加大对交叉学科的支持，提供合理比例的经费，提供交叉学科创新群体平台，近年应设立若干项目，给以重点支持。

六 软物质物理

软物质是指处于固体和理想流体之间的物质。它一般由大分子或基团组成，如液晶、聚合物、胶体、膜、双亲体系、泡沫、颗粒物质、生命体系物质等。软物质中的复杂相互作用和流体热涨落导致了它的特殊性质，其基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为等。软物质在自然界、日常生活和工业生产中广泛存在。另一方面，生物体基本上均由软物质组成，如DNA、蛋白、细胞、体液等。对软物质的深入研究将对生命科学、化学化工、医药、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活有广泛影响。

我国软物质物理研究起步较晚，没有受到应有的重视，软物质物理和液体物理的研究几乎处于空白状态。

建议：在一些重点高校物理系和相关研究所成立软物质物理研究组、研究室，开展软物质物理研究，培养研究生；通过举办软物质物理讲习班、暑期学校和研讨会等方式普及和推广软物质研究；加大对软物质物理研究的支持，提供合理比例的经费。近年应设立若干项目，给以重点支持。

七 问题与建议

综上所述，我国近代科学主要从西方输入，经几代科学家近百年前仆后继的奋斗，我国的科学水平已经有了长足的发展，但仍然比较落后。21世纪交叉学科的发展，为世界各国提供了新的机遇。如果决策部门能够未雨绸缪，加强对交叉学科发展的支持与部署，中国在物理科学上的崛起，后来者居上是完全有可能的。

目前存在的普遍问题：

(1)交叉学科的发展缺乏系统规划，缺少具体支持措施；(2)学科之间的交叉研究还停留在低层次的形式上，缺乏实质性的融合；(3)现有的科技评价体系缺乏长远观念，不利于交叉学科的发展；(4)交叉学科的人才培养缺乏计划，造成交叉学科人才的短缺。

对策建议：

(1)科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等相关部门应加大对交叉学科的支持，制定可实施的发展交叉学科的中长期规划，提供合理比例的经费。近年设立若干项目，给以重点支持；(2)在一些研究型高校和相关研究所成立交叉学科研究中心和设立有关专业，开设相关课程，培养本科生和研究生；(3)建立有利于交叉学科发展的机制和相应的研究平台，鼓励不同领域的科研人员的合作，促进多学科交叉；(4)建立科学合理的科技评价体系，创造一个有利于交叉学科发展的环境；(5)开展国际学术交流，举办各种类型的讲习班、暑期学校和研讨会等，培训交叉学科研究人员。