應(yīng)用物理是運(yùn)用物理學(xué)原理解決科學(xué)、工程及技術(shù)問(wèn)題的一個(gè)學(xué)科。應(yīng)用物理的研究貫穿于物理學(xué)發(fā)展的整個(gè)歷程。早期的物理研究與生產(chǎn)和生活中的實(shí)際問(wèn)題緊密相連。例如，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展雖然源自于物理學(xué)家對(duì)自然規(guī)律的深刻探究，但也與航海、軍事和天文觀測(cè)等實(shí)際需求的推動(dòng)密不可分。到了19世紀(jì)，科技體系變得更加復(fù)雜，許多物理學(xué)家開始專注于以發(fā)現(xiàn)新自然規(guī)律為目標(biāo)的純粹物理，但這些研究與應(yīng)用物理依然有著密切互動(dòng)。例如，提升蒸汽機(jī)效率的研究直接推動(dòng)了熱力學(xué)的形成；電磁學(xué)的研究為第二次工業(yè)革命奠定了基礎(chǔ)；熱機(jī)和照明技術(shù)等工業(yè)需求推動(dòng)了黑體輻射的研究，進(jìn)而揭示了經(jīng)典物理的局限性。20世紀(jì)是物理學(xué)的黃金世紀(jì)，不僅引領(lǐng)了以量子力學(xué)和相對(duì)論為代表的科學(xué)革命，同時(shí)在應(yīng)用物理領(lǐng)域也取得了驚人的成就，摧生了原子彈、雷達(dá)、晶體管、激光、核磁共振成像等眾多變革性技術(shù)。這一時(shí)期，基礎(chǔ)研究的規(guī)模不斷擴(kuò)大，自由探索的重要性也得到了廣泛認(rèn)同；政府直接資助并以“應(yīng)用物理”命名的研究機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)，如1942年在美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)成立的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室，以及1950年重組后成立的中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所。

中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所(1950—1958)物理樓，位于北京東皇城根

改革開放以來(lái)，我國(guó)綜合國(guó)力飛速提升，科研條件大幅改善，物理基礎(chǔ)研究迅速與國(guó)際接軌，研究力量不斷擴(kuò)充，取得了許多令國(guó)際同行矚目的研究成果。然而，在發(fā)展過(guò)程中也出現(xiàn)了一些新問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)侯建國(guó)曾指出：“部分科研人員跟風(fēng)逐熱、各自為戰(zhàn)，難以潛心致研、協(xié)同攻關(guān)，不利于原始創(chuàng)新和組織實(shí)施重大科技任務(wù)”。習(xí)近平總書記在2021年兩院院士大會(huì)上要求：“基礎(chǔ)研究更要應(yīng)用牽引、突破瓶頸，從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全面臨的實(shí)際問(wèn)題中凝練科學(xué)問(wèn)題，弄通‘卡脖子’技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)原理?！苯?，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek撰文，呼吁物理學(xué)界要向數(shù)學(xué)家馮?諾依曼學(xué)習(xí)，重視基礎(chǔ)物理研究與實(shí)際相結(jié)合的傳統(tǒng)。他稱贊馮?諾依曼利用其數(shù)學(xué)天賦，成為博弈論和計(jì)算機(jī)科學(xué)的先驅(qū)，從而在純科學(xué)與實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域都留下了巨大的科學(xué)遺產(chǎn)。

四年前，筆者曾在溧陽(yáng)長(zhǎng)三角物理研究中心組織過(guò)一次“21世紀(jì)的應(yīng)用物理學(xué)”戰(zhàn)略研討會(huì)，楊國(guó)楨、陳立泉、方忠、常凱、姚裕貴、王東進(jìn)、趙元富等30余名來(lái)自產(chǎn)學(xué)研各界的學(xué)者深入探討了我國(guó)應(yīng)用物理的發(fā)展策略，大家普遍的感受是，應(yīng)用物理研究在當(dāng)下需要大力推進(jìn)，但除科研生態(tài)仍有待完善等問(wèn)題外，還面臨其他諸多挑戰(zhàn)。其一，傳統(tǒng)的應(yīng)用物理內(nèi)涵，即所謂“物理的應(yīng)用”，范圍過(guò)寬，其內(nèi)容與大學(xué)工科院系及工業(yè)界研究機(jī)構(gòu)的布局重疊甚多；其二，應(yīng)用物理與基礎(chǔ)物理的邊界也比較模糊，如何處理基礎(chǔ)和應(yīng)用研究之間的關(guān)系需要慎重把握，不能因強(qiáng)調(diào)應(yīng)用而減弱對(duì)原創(chuàng)性的追求；其三，許多從事基礎(chǔ)研究的同行對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求了解不多，缺乏與產(chǎn)業(yè)界研發(fā)人員進(jìn)行有效溝通的渠道，難以針對(duì)真正的應(yīng)用痛點(diǎn)提出關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

盡管存在上述困難，但面對(duì)當(dāng)前復(fù)雜多變、科技競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈的國(guó)際環(huán)境，廣大物理同行要肩負(fù)起時(shí)代的責(zé)任，敢于離開自己的“舒適區(qū)”，發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，從應(yīng)用需求中凝練出重要的科學(xué)問(wèn)題，多做產(chǎn)業(yè)界不愿做、做不了或做不好的挑戰(zhàn)性、基礎(chǔ)性物理問(wèn)題；同時(shí)在把握好科學(xué)前沿的基礎(chǔ)上，積極發(fā)展原創(chuàng)性、變革性技術(shù)。

《物理》特推出“應(yīng)用物理專題”，用研究綜述的形式介紹應(yīng)用物理領(lǐng)域的前沿進(jìn)展，一方面可為物理工作者提供典型的應(yīng)用物理研究范例，另一方面也可為從事工程應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)人員介紹具有應(yīng)用潛力的科學(xué)前沿。此外，還希望通過(guò)通俗易懂的文章吸引更多的青年學(xué)者從事應(yīng)用物理研究。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)和合作者近期研制的基于Yb三角晶格阻挫磁性材料的小型固態(tài)制冷器件，可實(shí)現(xiàn)30 mK以下的極低溫物性測(cè)試

本期“應(yīng)用物理專題”的三篇文章各具特色，體現(xiàn)了應(yīng)用物理研究模式的多樣性。中國(guó)科學(xué)院物理研究所孫培杰等的文章介紹了低溫固態(tài)制冷的前沿，展示了自旋超固態(tài)等量子材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)性突破有望帶來(lái)顛覆性的極低溫制冷技術(shù)。北京航空航天大學(xué)王璐丁等的文章綜述了自旋存儲(chǔ)技術(shù)的前沿進(jìn)展，這個(gè)領(lǐng)域的特點(diǎn)是部分技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的商業(yè)應(yīng)用，相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究長(zhǎng)期緊密結(jié)合，互相促進(jìn)，相得益彰。第三篇文章來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所的周正榮等。這個(gè)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事低溫工程材料研究，在文中介紹了幾種典型的低溫材料及其在航天、儲(chǔ)能和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，從工程應(yīng)用角度揭示了低溫物理研究的重要性。

北京航空航天大學(xué)自旋芯片與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近期成功研制的新一代MRAM芯片

希望越來(lái)越多的物理同行能為“應(yīng)用物理專題”貢獻(xiàn)自己的力量。相信在大家的共同努力下，這個(gè)專題能夠成為一座聯(lián)系物理學(xué)和工程應(yīng)用的橋梁，成為科學(xué)家和工程師產(chǎn)生創(chuàng)新思維火花的一個(gè)源泉，成為推進(jìn)中國(guó)應(yīng)用物理研究和教育的一個(gè)助推器。

(中國(guó)科學(xué)院物理研究所 應(yīng)用物理中心 李永慶 供稿)

本文選自《物理》2025年第12期

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