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第一篇 物理学前沿问题3

第1章 物理学与高科技3

1.1 21世纪的高科技与知识经济3

1.1.1知识经济时代3

1.1.2支撑知识经济的高科技3

1.1.3 21世纪的高科技需要教育去培育4

1.2 21世纪的高科技与物理学4

1.2.1 20世纪的高科技与物理学4

1.2.2 21世纪的高科技与物理学5

1.2.3 21世纪的物理学家的责任6

1.3 21世纪的物理学的前景与可能面临的变革6

1.3.1 20世纪的物理学的现状与发展趋势6

1.3.2 21世纪的物理学的前景与可能面临的变革7

1.3.3 21世纪的物理学家将要面临的挑战与机遇8

1.4大学本科的物理学和数学的知识结构8

参考文献10

第2章 凝聚态物理学与介观物理学11

2.1凝聚态物理学的现状11

2.1.1凝聚态11

2.1.2凝聚态物理学11

2.1.3凝聚态理论11

2.1.4凝聚态物理学的基本概念12

2.2新有序相15

2.2.1金属氢15

2.2.2重电子金属15

2.2.3氧化物高温超导体16

2.2.4 C60（C70）20

2.2.5 维格纳晶体21

2.2.6金属多层膜（超晶格）21

2.2.7拓扑相21

2.2.8拓扑绝缘体21

2.2.9石墨烯22

2.3低维系统与小系统：介观物理与表面物理、团簇物理与纳米科技24

2.3.1量子霍尔效应24

2.3.2表面物理学25

2.3.3准一维系统与有机链状分子27

2.3.4零维体系与介观系统28

2.3.5 纳米颗粒与纳米科技33

2.3.6自旋电子学35

2.4等离子体物理学与核聚变35

2.4.1等离子体物理的基本问题35

2.4.2等离子体物理新的研究领域35

2.4.3聚变等离子体物理35

2.4.4空间和天体等离子体物理35

2.4.5低温等离子体物理与技术36

2.5人造系统：超晶格、准晶格与人造原子36

2.5.1超晶格36

2.5.2准晶格36

2.5.3人造原子37

2.5.4固体或液体环境中的原子、分子37

2.6极端条件下的凝聚态物理学37

2.6.1高温高压下的凝聚态37

2.6.2超强电磁场中的凝聚态37

2.7复杂性与自组织37

2.7.1复杂性与复杂性科学37

2.7.2自组织与耗散结构39

2.7.3 生物凝聚态40

2.7.4非平衡态物理学40

2.7.5软凝聚态物理40

参考文献41

第3章 原子、分子物理学与光学42

3.1引言42

3.2原子结构与原子动力学42

3.2.1原子结构43

3.2.2原子动力学43

3.2.3近期发展44

3.3高精度测量与基本定律的检验44

3.3.1高精度测量44

3.3.2对基本定律（如弱电统一理论）的检验45

3.4分子结构与分子动力学45

3.4.1分子结构45

3.4.2分子碰撞和反应动力学46

3.5介质环境中的原子和分子47

3.5.1固体中的杂质原子47

3.5.2液体（水）中的杂质分子47

3.6原子的控制与操纵——分子剪切与原子组装47

3.6.1控制和操纵的手段47

3.6.2控制和操纵原子的类型48

3.6.3实例（图3-2～图3-11）48

3.7光学51

3.7.1现代光学51

3.7.2 光学的主要分支学科52

3.7.3电磁场引起的透明53

参考文献54

第4章 原子核物理学55

4.1引言55

4.2低能原子核物理学：结构与反应、裂变与衰变问题56

4.2.1作为质子、中子组成的强作用系统的原子核56

4.2.2低能核物理学有结构、反应与衰变三方面的问题57

4.3放射性核与超重核58

4.3.1核物理在广度和深度两方面面临着巨大变革58

4.3.2在广度方面的挑战与机遇：放射性束流核物理开创的新天地59

4.4中高能原子核物理学61

4.4.1核内介子、超子自由度61

4.4.2核内夸克自由度和夸克-胶子等离子体62

4.4.3在深度上的变革：基于QCD的核物理深入到夸克层次62

4.4.4发展基于QCD的核物理的有利条件63

4.5天体核物理学——宇宙元素的合成及其丰度64

4.5.1从大爆炸到宇宙原初核的产生与合成：终止于氦64

4.5.2太阳等恒星的核燃烧与平稳的核合成65

4.5.3超新星爆发与爆发式核合成65

4.5.4宇宙化学元素的形成、演化与丰度65

参考文献65

第5章 基本粒子物理学与量子场论66

5.1基本粒子物理学的现状与成就66

5.1.1基本粒子物理学的重大发现66

5.1.2组成物质的基本粒子67

5.1.3基本粒子的相互作用68

5.1.4基本粒子物理学和量子场论的内容70

5.1.5基本粒子标准模型的成就71

5.2基本粒子标准模型的基本问题71

5.3引力的统一与超弦74

5.3.1弦理论的历史74

5.3.2超弦理论的需要75

5.3.3超弦75

5.3.4 M理论76

5.3.5 对万有理论的理解76

5.4粒子物理学与核物理学的交叉76

5.5粒子物理学与天体物理学和宇宙学的关联77

参考文献77

第6章 广义相对论、天体物理学与宇宙学78

6.1宇宙的层次结构78

6.1.1天体的层次结构78

6.1.2 太阳和恒星78

6.1.3致密天体：白矮星、脉冲星和中子星81

6.1.4星际物质82

6.1.5星系：银河系与河外星系83

6.1.6宇宙86

6.2黑洞与类星体87

6.2.1黑洞87

6.2 2类星体88

6.3广义相对论与（经典）宇宙学模型90

6.3.1现代宇宙学的四大基石90

6.3.2宇宙的重要数据92

6.3.3宇宙学原理93

6.3.4广义相对论与标准宇宙模型93

6.4大爆炸（量子）宇宙学95

6.5宇宙的加速膨胀与暗物质、暗能量96

6.5.1暗物质96

6.5.2 宇宙加速膨胀与暗能量97

6.6天体物理学问题：宇宙学问题与粒子物理学问题的关联99

参考文献99

第7章 量子信息、量子通信与量子计算100

7.1量子力学简介100

7.1.1量子力学基本原理100

7.1.2量子力学的特点102

7.1.3纯态与混合态103

7.2量子力学与信息论106

7.2.1自然界和社会的三大要素106

7.2.2 信息论106

7.2.3信息论与物理学106

7.2.4经典信息论与量子信息论107

7.2.5量子计算与量子通信107

7.2.6量子计算与量子通信的优点和必要性107

7.2.7量子信息学与量子计算已取得的成绩107

7.3量子信息108

7.3.1量子纠缠108

7.3.2 量子编码110

7.3.3量子信息110

7.3.4量子信息的特征110

7.4量子通信111

7.4.1量子位111

7.4.2 量子逻辑门112

7.4.3量子通信114

7.5量子噪声与量子运算（操作）115

7.5.1密度矩阵量子态ρ的变化115

7.5.2量子态变化的一般描述116

7.6量子计算119

7.6.1量子计算与经典计算119

7.6.2几种量子算法121

7.6.3量子纠错121

7.7量子计算的物理实现——量子计算机121

7.7.1量子计算机模型121

7.7.2量子计算机的物理实现124

7.7.3量子计算机的困难124

7.7.4对量子通信和量子计算机的展望125

7.8量子信息和量子通信提出的量子论的基本问题125

参考文献125

第8章 生物物理学127

8.1生物物理学的产生与发展127

8.1.1生物物理学127

8.1.2生物物理学的产生与发展127

8.1.3生物物理学的主要研究内容128

8.1.4生物物理学发展的主要特征128

8.1.5必要的知识128

8.2生物物理学的主要研究内容130

8.2.1分子生物物理学130

8.2.2膜与细胞生物物理学131

8.2.3感官与神经生物物理学132

8.2.4生物控制论与生物信息论133

8.2.5理论生物物理学133

8.2.6光生物物理学135

8.2.7自由基与环境辐射的生物物理学136

8.2.8 生物力学与生物流变学138

8.2.9生物物理学技术138

8.3生物系统与生态系统：生物系统的层次性与复杂性139

8.3.1生命是非平衡系统的一个过程，而非一种物质状态139

8.3.2生命是一个复杂的瞬态过程140

8.3.3生命有复杂的层次结构——从生物分子到生物系统和生态系统140

8.4生物信息学140

8.5讨论与展望141

参考文献141

第9章 结语——21世纪的物理学142

9.1 21世纪物理学面临的变革142

9.1.1物理学基本理论——粒子物理学和宇宙论在纵深方面的深刻变革142

9.1.2多粒子系统物理学和复杂系统物理学在横向方面的重大进展142

9.1.3交叉学科的兴起与新发现143

9.1.4对高科技的巨大促进143

9.2物理学的研究方法143

9.3 21世纪中国的物理学144

9.3.1 21世纪中国物理学（中期）前景的预期（部分）144

9.3.2中国发展物理学的策略144

9.3.3 21世纪中国物理学家的责任145

参考文献145

第10章 物理前沿问题讨论146

第二篇 物理学基础探讨151

第11章 关于相对论和引力的思考151

参考文献163

第12章 狭义相对论的客观物理与美学修饰164

12.1引言164

12.2 时空几何的物理基础165

12.3光速不变性的物理基础166

12.4洛伦兹时空几何的客观物理成分与美学修饰成分168

12.5运动学和动力学的相对性原理的物理基础与物理内涵172

12.6结论175

参考文献176

第13章 物理真空介质的超流性177

13.1摘要177

13.2正文177

参考文献181

第14章 守恒定律约束的真空量子涨落与量子纠缠和量子同步182

14.1量子纠缠182

14.2对宏观量子纠缠形成机理的设想183

14.3次微观时空中量子涨落的描述：两个示例184

14.4次微观量子涨落动力学187

14.5守恒定律与量子涨落关联和量子纠缠的关系的深入分析191

14.6可引出的物理结论193

14.7量子涨落的整体性和对宏观量子纠缠的质疑193

14.8结语195

参考文献196