后記

　　本書歷經(jīng)一年多的艱辛勞動，洋洋數(shù)十萬言，終于完稿即將付梓。首先，我要感謝華中科技大學(xué)前校長、教育部前素質(zhì)教育委員會主任楊叔子院士。沒有他極力創(chuàng)導(dǎo)將人文素質(zhì)教育與科學(xué)精神的傳揚緊密結(jié)合，沒有他對于出版事業(yè)的關(guān)心和對華中科技大學(xué)出版社的信任，沒有他對于本書作者的學(xué)識和素養(yǎng)的高度信任和極力推薦，本書是不可能問世的。華中科技大學(xué)出版社是我非常景仰和尊重的出版社。1986年，我所翻譯的《高等量子理論》(美國P.羅曼著)作為改革開放后早出版的研究生教材之一，就是該社出版的，并且被載入《中國優(yōu)秀科技圖書要覽》；其后，2001年，我所撰寫的研究生教材《應(yīng)用群論導(dǎo)引》在該社出版以后也廣受歡迎。難能可貴的是，這本屬于銷路很少的學(xué)術(shù)著作，居然還一再印刷�，F(xiàn)在《物理發(fā)現(xiàn)啟思錄》一書的出版，沒有華中科技大學(xué)出版社阮海洪社長、總編輯姜新祺和人文社科分社副社長周曉方諸位領(lǐng)導(dǎo)盛情邀請之，熱誠鼓勵之，諄諄關(guān)心之，細致照顧之，我以76歲的高齡，是不敢接受這個艱巨任務(wù)的。即使接受了，也是難以如此順利高效完成的。本書的寫作體例，頗有創(chuàng)新，但是這個創(chuàng)意的來源卻是周曉方女士。

　　出版社原副總編輯包以健先生是我的老朋友，以80余歲的高齡兢兢業(yè)業(yè)、一絲不茍，完成了浩大繁重的編輯工作，指出了原稿中的許多疏誤，甚至于提供了新的信息材料，供我參考。由于彼此配合默契、相互尊重，合作十分愉快。因而使得本書的后文本不僅避免了許多不應(yīng)有的疏漏和錯誤，而且改善了語句的流暢性和語義的暢通。我尤其要感謝的是，華中科技大學(xué)物理學(xué)院杜欣怡同學(xué)。她不僅擔(dān)負了絕大部分本書的打印、輸入和電子版的排版任務(wù)，而且在本書的材料收集和選擇，本書插圖的修飾(甚至于個別插圖的繪制)等工作中，不畏勞苦、成效卓著。我后要提到的是該出版社編輯楊玲博士，在出版社與作者之間的協(xié)調(diào)方面起到了特殊的不可替代的作用，對于本書的出版功不可沒。

　　本書的寫作宗旨在緒論中已詳細論及。簡言之，通過新的物理學(xué)領(lǐng)域的突破和發(fā)現(xiàn)，普及其中蘊含的科學(xué)精神和科學(xué)方法，進而從中提取更深層次的人文領(lǐng)悟和啟示，從而使讀者在豐富科學(xué)知識的同時，提升自身的科學(xué)精神和人文素質(zhì)。因此在材料的選取上，突出材料的科學(xué)性、前沿性和時效性。21世紀(jì)以來，物理學(xué)與整個自然科學(xué)領(lǐng)域一樣，發(fā)展態(tài)勢有不斷加快之勢，特別是我國物理學(xué)的發(fā)展極為迅猛，大有一日千里之勢。本書寫作時間不算長，但由于不斷有新的重大發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，其間已幾易其稿，仍然不能完全反映新的事態(tài)發(fā)展。好在讀者能夠鑒諒，畢竟專著不能像報紙、電臺、電視和雜志一樣容易及時反映現(xiàn)實。

　　后記為減少遺憾，在此我們提及2016年的諾貝爾物理學(xué)獎和國際物理學(xué)科領(lǐng)域在本書未涉及的幾個重大進展，以供讀者參考。

　　索利斯(1934—)(左)、霍爾丹(1951—)(中)和科斯特利茲(1942—)(右)2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予華盛頓大學(xué)教授大衛(wèi)?J?索利斯(David J.Thouless)、普林斯頓大學(xué)教授F?鄧肯?M?霍爾丹(F.Duncan M.Haldane)和布朗大學(xué)教授J?邁克爾?科斯特利茲(J.Michael Kosterlitz)，以表彰他們在拓撲材料的拓撲相變和拓撲相研究領(lǐng)域做出的重要理論發(fā)現(xiàn)。三位獲獎?wù)邽榇蠹掖蜷_了一扇新世界的大門。在過去的10年中，這個領(lǐng)域發(fā)展迅速，拓撲材料極有可能成為下一代全新的電子和超導(dǎo)材料，也可以應(yīng)用于未來的量子計算機。

　　也許應(yīng)該說明，本書作者利用華中科技大學(xué)新建的國家工程中心——脈沖強磁場工程中心的平臺，對拓撲絕緣體材料進行了前瞻性的理論和實驗研究。本書作者是國際上較早進入該領(lǐng)域的學(xué)者之一，與其博士楊鳳霞(后為博士后)在2003年就成功研制出一種拓撲絕緣體材料，在初步對其性質(zhì)進行了表征以后，結(jié)果隨即在國際刊物上發(fā)表。其后進一步測量出該材料具有特異的正磁阻效應(yīng)：在高達60特斯拉的強磁場下，依然保持線性規(guī)律不變。這個發(fā)現(xiàn)是當(dāng)時國際上該領(lǐng)域好的結(jié)果之一。上述工作于2006年發(fā)表在《Journal of Applied Phyiscs,98:036103～036105》上。2014年我們發(fā)表了進一步的測試結(jié)果。［見Fengxiayang，Duanming Zhang.J.Alloy.Compd.555，708(2014).］與此同時，本書作者與其博士生徐潔合作，利用兩維楊�裁谞査箞龀晒Φ貥�(gòu)建了這種材料的物理模型，模擬表明，這種材料不僅應(yīng)該具有奇異的正磁阻效應(yīng)，而且還應(yīng)具有奇異的縱向霍爾效應(yīng)。這個物理模型表明這種材料的拓撲性質(zhì)應(yīng)該是同倫群Z2所描述的。這項工作于2008年12月發(fā)表在《Journal of Applied Phyiscs,104(11):Art.No.113922》上�？上У氖牵�由于本書作者當(dāng)時正面臨退休，其博士畢業(yè)，而且身體不好、行動不便，加之強磁場中心新建，測試設(shè)備尚不夠穩(wěn)定，以致耽誤了大好時間，沒有將理論和實驗的結(jié)果綜合在一起，及時作為“重磅炸彈”發(fā)表。

　　至于我國物理學(xué)在2016年重大進展，正文中未提到或需要補充的，我覺得應(yīng)有如下幾項。

　　一、天宮二號和神舟十一號載人飛行任務(wù)圓滿成功

　　2016年9月15日，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射并進入預(yù)定軌道。10月17日，神舟十一號載人飛船成功發(fā)射，并于19日凌晨與天宮二號成功對接，兩名航天員景海鵬、陳冬進入天宮二號空間實驗室，開展了為期30天的科學(xué)實驗。天宮二號是中國第一個真正意義上的空間實驗室，第一次實現(xiàn)航天員中期駐留，并成功開展了50余項空間科學(xué)實驗與應(yīng)用實驗。天宮二號與神舟十一號載人飛行任務(wù)是接近未來中國空間站要求的一次載人飛行，也標(biāo)志著中國具備了開展較大規(guī)�？臻g應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。這是中國發(fā)射第一個真正意義上的空間實驗室。

　　神舟十一號升空

　　二、我國可控核聚變出現(xiàn)巨大進展

　　據(jù)香港《南華早報》2016年12月8日報道，我國合肥等離子體研究院在他們研制的EAST(先進超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置)中讓電離氣體穩(wěn)定燃燒了兩次，聚變實驗持續(xù)了100多秒，其中被極強電磁場屏蔽的一個環(huán)形室中的等離子體被控制在一種高效穩(wěn)定態(tài)H�瞞ode(高約束模式)。這是一次具有里程碑意義的事件，它增強了人類利用核聚變能的信心。這將有助于加快政府批準(zhǔn)建設(shè)世界第一座核聚變電站——擬建的中國聚變工程試驗堆(CFETR)——的速度，中國在合肥啟動強流氘氚聚變中子源(HINEG)，目標(biāo)是用核聚變技術(shù)生成世界強的中子束。擬建的CFETR將在2030年投入運轉(zhuǎn)，初的發(fā)電量為200兆瓦，在隨后10年把發(fā)電量提升至1千兆瓦左右，超過大亞灣所有商業(yè)裂變反應(yīng)堆的發(fā)電量。

　　我國研制的EAST(先進超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置)

　　三、科學(xué)家發(fā)現(xiàn)距離地球近的宜居行星

　　2016年8月25日，英國倫敦瑪麗王后大學(xué)的科學(xué)家吉列姆?安格拉達�舶Ｋ蛊醯�(Guillem Anglada�睧scude)在《自然》雜志上宣布，他利用歐洲南方天文臺(ESO)的望遠鏡，以及其他天文觀測設(shè)施，找到了一顆圍繞比鄰星運行的宜居行星，它是人類已發(fā)現(xiàn)的3 500顆系外行星中接近地球的一顆。比鄰星是距離太陽系近的恒星(一顆紅矮星)，僅有4.2光年的距離。這顆行星被命名為比鄰星b，是1995年以來發(fā)現(xiàn)的3 500顆系外行星中，接近地球的一顆。而且，科學(xué)家認為比鄰星b的表面溫度允許水以液態(tài)的形式存在，溫和的紅矮星也可能給這顆行星營造一個適合生命繁衍生息的環(huán)境。

　　比鄰星b四、量子計算機首次成功模擬高能物理實驗

　　2016年6月，奧地利物理學(xué)家在《自然》雜志上宣稱，他們利用4個“量子比特”組成的量子計算機，實現(xiàn)了第一個高能物理實驗的完整模擬。

　　量子計算機模擬實驗示意圖此次試驗，在真空電磁場中，4個離子排成一行，每個離子編碼為1個量子比特，組成了一臺“菜鳥”量子計算機。研究人員用激光束操控離子的自旋，誘導(dǎo)離子執(zhí)行邏輯運算。100多步計算后，科學(xué)家們對量子電動力學(xué)的一個預(yù)言成功地進行了證實：高能γ光子的能量轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子和其反粒子(一個正電子)。模擬結(jié)果讓人興奮。

　　在本書付梓前夕,我國科技戰(zhàn)線傳來振奮人心的喜訊，我國首創(chuàng)，世界首條量子通信保密干線“京滬干線”已于2017年9月4日通過總技術(shù)驗收，這意味著世界第一條量子保密通信骨干線路已具備開通條件。實際上，這是量子通信科學(xué)首次進入人類的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)志著我國在量子技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化方面繼續(xù)走在世界前列。

　　“京滬干線”/圖片來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站

　　作為世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”于2016年全線貫通，全長2000多公里，從北京出發(fā)，經(jīng)過濟南、合肥，到達上海，全線覆蓋4省3市。在本書正文已經(jīng)談到，2016年8月，以“墨子號”命名的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射。至2017年8月10日，“墨子號”圓滿完成了三大科學(xué)實驗任務(wù)：量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)，從而開啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為了國際同行的標(biāo)桿，實現(xiàn)了從“跟蹤者”到“領(lǐng)跑者”的角色轉(zhuǎn)變。

　　京滬干線北京接入點實現(xiàn)與“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星興隆地面站的連接，全線密鑰率大于5kbps，已形成星地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，大大擴展了京滬干線應(yīng)用能力。不久的將來，“京滬干線”將真正作為一條實用化和商用化的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)向金融、電力、廣電、政務(wù)等各行業(yè)開放，為廣大用戶提供量子層面的安全服務(wù)，從而大力推動以量子創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動新興產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

　　2016年11月9日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。新華社資料圖

　　本書涉獵范圍極廣，領(lǐng)域極多，盡管作者在理論物理和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域從事多年科研工作和教學(xué)實踐，對本書的內(nèi)容反復(fù)核對材料的可靠性和真實性，編審者又反復(fù)斟酌，但恐怕謬誤之處在所難免，切望各位先進賢達不吝指教。作者誠摯希望讀者、青年才俊們在閱讀、學(xué)習(xí)本書的過程中，多提寶貴的意見，尤其是建設(shè)性的修改意見，以便在本書再版時進一步修改提高。

　　張端明

　　于2017年9月18日