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获得的多项十分感兴趣的研究成果促进了相关科学的发展
发表时间 2017-10-27 13:57 来源 本站原创

  导语:庞小峰,男,教授,博士生导师,享受国务院颁发的政府津贴。1982年研究生毕业于中国科学院研究生院,1999年作为特殊人才引进到电子科技大学,在电子科技大学生命科学与技术学院和物理电子学院工作,是学校的生物物理学科带头人,电磁生物学和生物电子技术省重点实验室主任。1994-1995年在德国慕尼黑大学,德国癌症研究中心和国际生物物理研究所做访问教授,1996年在斯洛伐克科学院物理所和捷克Palacky大学从事研究工作,1998年在德国Kaiserslautern大学和意大利国际理论物理研究中心工作,2002、2003 和2008年在新加坡国立大学物理系从事科学研究,2010年2月在香港大学做学术访问。

  曾担任中国高等科学技术中心成员和中国科学院国际材料物理中心的客座成员和中国生物电磁学专业委员会委员,现任四川省纳米协会理事、国家科技部重大科技项目评审专家组成员和重庆市科技项目评审专家,并担任国际国内多个著名杂志, 如“物理评论和物理评论通讯”(Physical Review and Physical Review Letters)等的评审成员。2010年被评为全国优秀科技工作者。

  创造性地建立了非线性量子力学新理论

  爱因斯坦、玻尔等科学巨匠建立的量子力学,改变和提高了人们对微观客体本质的认识,并为现代科学技术的发展打下根基。但是量子力学理论自身存在很多困难和问题,例如,利用其来研究量子问题时仅能得出微观粒子的波动性,但始终不能给出微观粒子真实存在的波-粒二象性, 并也存在开始的假设与最后结果等众多矛盾。科学界也因此一直备受困扰。

  庞小峰教授历经三十余年探索和研究,最终发现和找到了量子力学面临困难的具体表现、详细内容及它们产生的根源。他指出,这些矛盾产生的原因在于量子力学的线性, 因此这一特征认为系统哈密顿函数是与微观粒子的状态无关的,粒子的动力学方程完全忽略了客观存在的粒子与另外粒子,或与背景场之间客观存在的非线性相互作用。如果忽略或抛弃这些限制和弱点,那么量子力学存在的从多矛盾和困难就可能被消除。

  在宏观量子效应及其本质、超导和超流态中粒子的特征及孤子特性的研究成果基础上,庞小峰大胆地突破原有量子力学的线性性,独创地提出了非线性量子力学的基本原理,建立起了完整的非线性量子力学的理论。其基本原理是:(1).微观粒子的状态是用一个波函数表示;(2).在非相对论下,这个波函数满足非线性薛定谔方程;在相对论下,它满足非线性克莱因-高登方程。于是,相应的系统的哈密顿函数和拉格朗日函数就能很容易从上述的动力学方程得出。

  庞教授介绍、阐述并使用这个非线性量子力学的基本原理,能够研究和求出微观粒子的状态和相应的系统的的特征。从研究中他们得到在任何物理的系统中使用这个非线性量子力学的理论总能得到微观粒子都具有一个波-粒二象性,这与实际情况或实验结果完全一致。从而彻底消除量子力学存在的众多困难和矛盾。这也意味着现在建立的非线性量子力学的理论是正确的。

  基于以上非线性量子力学理论,庞教授求得和建立了非线性量子力学波函数的叠加原理、表象变换,付立叶原理及动力学方程的二次量子化表示和求解的方法, 建立起和得出了非线性量子力学的本征值问题和本征函数及它们的特点, 微观粒子的碰撞规则, 微观粒子运动的牛顿方程,欧拉-拉格朗日方程以及动量和坐标的最小测不准则,等等诸多非线性量子力学的一些基本规则和运算法则。从而建立起了一个完整的非线性量子力学理论, 更进一步应用这些基本规则和运算法则庞求解和研究包括各种物理和生物物理学中出现的多种非线性量子力学的问题。

  针对非线性量子力学理论中的非线性相互作用是否真实存在这一根本问题,庞教授进行了长期,细致,深入的研究,得出了不同系统有不同的非线性相相互作用, 它们是由于在微观粒子之间,或微观粒子与背景场之间通过自陷、自聚焦、自凝聚、自局域和自相互作用等不同机制在不同的物理系统中产生的结论。并由此建立起了完整的非线性量子力学学科,这在国际上属于首创。他们不仅从理论和实验上系统地证明了其正确性,而且通过推广和应用到各种不同物理和生物物理系统去获得了许多新的和有趣的结果, 也解释了许多疑难问题。庞的这些研究结果是被详细地在他在国内外著名出版社出版的4本英文和2本中文专著及30多篇学术论文中。这些专著是在Germany LAP LAMBERT的<> (2012) , 在singapore 的WorldScientic 的, <>(2005), 在New YorK, NoVA的<< nonlinear quantum and its applications>>在London, IOP publisher的E-book :nonlinear quantum mechanics and its correctness及《非线性量子力学理论》 和<<非线性量子力学》中和大约40多篇学术文章。 庞的理论是世界上第一本和唯一一本非线性量子力学,尽管它已在国内外发表了十多年,但至今没有发现有人对它持反对意见,相反,它已获得多人的好评,例如著名专栏书刊评论专家Dan GrecuYe Yeo 博士,我国著名科学家苟清泉教授和吴大诚教授等对庞的理论作了系统和全面的好评。因此,这些研究成果大大促进了物理学, 生命科学和非线性科学的发展。

  独立地建立了生物能量传递的新理论

  庞小峰教授的另一项重要成果是提出和建立了较完善的生物能量传递的新理论,并用实验证明了其正确性,同时将之应用到生物中解释了许多生物现象, 成为一个新的生物理论。

  众所周知,在生物中能量是中心,信息是关键,物质是基础, 三者的有机结合和相互协调便构成了生命体的整个生命活动。其中最麻烦和困难的问题是去阐明生物能量传递的机理、特性和规律,此能量主要来源于细胞的线粒体中的三磷酸腺苷(ATP)分子的水解反应所释放的生物能量(每次反应它释放了0.43eV的能量),它主要供给肌肉的收缩、DNA的复制和转录、蛋白质的合成、神经信号在神经纤维中的传导和钙泵与钠泵及钾泵的工作等很多基本生物学现象与过程。在这种情况下,就始终存在这能量从ATP水解反应出现的地方传递到需要地方的能量传递过程, 对它的研究包括了传递的机理,载流子的特性和传递的理论等诸多问题。此问题已被研究了超过半个世纪,但一个完善理论一直未能建立。庞基于Davydov机理的局限性,提出和建立起了一个完整正确的新生物能量传递理论,在这种情况下庞用标准和准相干态分别表示激子和由氨基酸残基的振动产生的声子的的集体激发状态,并全面考虑在这种情下它们之间的各种相互作用。在此情况下形成的孤立子能完整地完成在蛋白质中的生物能量的传递。 并且大量实验也证明了它的正确性,还进一步将它应用到生物学和生物医学中去揭示和解释许多重要问题。在庞教授的研究中,确立了生物能量的传递是由一个孤立子来完成和实现的,这个孤立子由吸附于蛋白质上的三磷酸腺苷(ATP)分子的水解化学反应释放的生物能量(0.43eV)引起了蛋白质中的酰氨键(amide-I)的振动,所出现的振动量子(激子)(0.205eV)与氨基酸残基的位移相耦合。此时氨基酸残基提供的势阱使激子自陷为孤立子,它携带其能量,并保持其能量、动量和其它特性不变地沿蛋白质分子从产生地传到需要的组织。孤立子所具有的这一新奇特性保证了在传递过程中生物能量的无耗损本性,从而使生物体能正常生存。同时,这个传递生物能量的孤立子在生理温度时,在热扰动、量子涨落和结构无序及杂质浸染等多种情况的影响下时都有热稳定性。庞氏孤立子的寿命也较长,从而也保证了由它传递的生物能量能在生命活动中扮演的重要的角色。因此庞小峰提出的新生物能量传递的理论是正确的和成功的。这些研究成果是被描写在英文专著: <>和在生物物理学和分子生物学科学的国际著名综合评论刊物:《Progress in Biophysics and Molecular Biology》和《Physics of Life Review> 上发表了三篇综述论文:“The Properties Of Bio-Energy Transport and Influence of Structure Nonuniformity And Temperature of Systems on Energy Transport Along Polypeptide Chains”,”The theory of bio-energy transport in protein molecules and its properties”和“ The correctness and completeness of the bio-energy transport“以及在国内外其它杂志发表的五十多篇学术论文中找到答案.许多人对庞发表的文章都作过评论, 并称之为Davydov-Pang's模型,评论人员的评论中称庞为:“obviously a distinguish authority on soliton in molecular crystals”。

  此外,庞教授也使用这一新理论第一次揭示和阐明了电磁场的生物效应的机理和电子在生物体中传递的机理和特性, 在国际上也引起了广泛的注意。这些研究成果大大促进了物理学, 生命科学和非线性科学的发展。

  提出了质子在氢键高分子和生物分子系统中传递新理论

  在英文专著<< proton transfer in hydrogen bonded systems and its applications>>和中文书<<孤子物理学>>及国内外知名学术期刊上发表的20余篇学术论文中,庞小峰教授提出和建立了质子在氢键高分子和生物分子系统中传递的新理,并用实验证明了它的正确性,同时将这些理论应用与生物中解释了许多生物现象。

  “所谓氢键系统就是由氢离子和包括氧离子在内的重粒子组成的链和环状系统。在这些系统中存在质子(或氢离子) 的传递。它广泛存在于高分子和生物分子等物质中。在这些系统中质子是以一个孤立子形态进行传播的。”庞小峰教授说。他提出和建立起了质子在氢键高分子和生物分子系统中传递的新理论,不但精确表达了质子的双阱势作用形式,还详细考虑了在质子和重离子之间由共价相互作用和耦合作用所引起的质子的弹性作用及相邻重离子的位置变化引起的相邻质子之间的偶极-偶极相互作用的改变。

  使用这一新理论,庞教授研究了在氢键高分子和生物分子系统中质子传递的特点和规律, 并用数值模拟和很多实验结果证明这一理论的正确性。同时他们还使用这个新理论去研究和解释了DNA的复制和转录的机理和特性,以及阐明和解释了在视觉系统中的视紫红质(Rh) 和视紫质(Ph)蛋白质分子中的质子运动和传递的特点及在这些蛋白质分子在光作用下出现的光循环中的质子的泵出和泵入等光学现象。从而证明了庞提出和建立起了质子在氢键系统中传递的新理论的正确性,它具有广泛的应用价值。这些研究成果大大促进了高分子科学, 生命科学和非线性科学的发展。

  首创了水的分子新结构理论和确定了水中存在纳米级的分子结构

  在研究工作中,庞小峰教授从水分子结构特性的数值模拟和包括水的红外光谱测试等在内的众多实验结果得知,水不仅是由单个水分子(H2O)组成的均匀液体,实际上,它还是由众多单个水分子和多个水分子构成的长链和环状链以及湍簇结构组成的复杂体。其原因是水分子是极性分子,它具有1.84德拜的电偶极矩,因此它们很容易通过氢键相结合,形成上述的各种结构形态。但是,这些成分所占的比例不是固定的,而是敏感于温度的变化而改变,在100度时,水基本上仅由单个水分子构成,但在0度时,它仅是由四面体结构的水分子组成。因此,水的分子结构是复杂的和多变的,这和传统的关于水的分子结构的认识不同。

  基于此项新的水分子结构理论,庞教授研究了由这些新的水的分子结构决定的水的新的或奇妙的特性,在国际上第一次提出了水的新分子结构和水中存在纳米级水分子结构的概念, 从实验和理论上证明了水能磁化,同时具有一定的磁性,并建立了完善的水的磁化理论和水的导电的机理,将磁化水应用到农副业中,使用磁化水去浇灌和培养蔬菜和坪姑,使坪姑增产20%, 蔬菜增产7%的好结果。另外他们还得出了磁化水和纳米四氧化三铁(Fe3O4)相互作用的液体的X-射线谱,相对于纯净水和纳米四氧化三铁(Fe3O4)相互作用的液体,X-射线谱发生的相对移动以及磁化水能被悬浮在强磁场的超导磁铁的磁场中等实验事实, 这些结果强有力地证明了磁化水具有一定的磁性。进而庞从实验和理论两个方面完整地确定和证明了水真能被磁化,磁化水真正具有一定的磁性,从而彻底否定了水不能被磁化的错误认识.并确定了 磁化水在农业等中有广泛应用。这些成果大大促进了水科学,物理学和工农业的发展。

  完整了孤立子物理学的创建与发展

  “孤立子”问题最早是一个非线性偏微分方程的数学研究问题,但后来研究得知孤立子不但有波动性,而且还有颗粒特性, 因此“孤立子”概念是被引入物理学中的。庞小峰还首次在国际上(1985年)提出了超导电子和超流液氦原子是一类特殊孤立子。

  基于孤立子的基本特性,他们论证了超导性和超流性是由于这类孤立子的运动引起的。同时他们还将孤立子”楷念到微观物理系统中, 撰写了<<孤子物理学>>,并得出了微观粒子具有波-粒二象性,从而建起立了较完整的非线性量子力学理论。并且将孤立子”概念引到生物物理学中,建立了较完整地建立了较完善的生物能量传递的新理论, 等等。基于这些成果庞小峰教授先后完成了3本专著,并发表近20篇文章,探讨“孤立子”问题,并与郭百灵院士合著了《孤立子》和在德国出版的<>两部著作。这些研究成果大大促进了水科学,物理学和非线性科学的发展。

  并提出和建立了开放的、具有自组织结构的非平衡生命系统的能量、物质和信息相互变化的新的热力学关系和生物光子发射的理论,同时对红外光和微波的生物效应也进行了研究,提出和揭示了红外和微波的热和非热生物效应的机理和特征。

  除此外,庞教授还提出了具有重要意义强耦合电-声子系统的新的状态函数等, 并正式出版了《生物物理学》和《生物电磁学》等两本教材,它们长期用于博士和硕士生的教学工作中。