目錄
前言
《物理學(xué)前沿問(wèn)題》前言
第一篇 物理學(xué)前沿問(wèn)題
第1章 物理學(xué)與高科技 3
1.1 21世紀(jì)的高科技與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 3
1.1.1 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代 3
1.1.2 支撐知識(shí)經(jīng)濟(jì)的高科技 3
1.1.3 21世紀(jì)的高科技需要教育去培育 4
1.2 21世紀(jì)的高科技與物理學(xué) 4
1.2.1 20世紀(jì)的高科技與物理學(xué) 4
1.2.2 21世紀(jì)的高科技與物理學(xué) 5
1.2.3 21世紀(jì)的物理學(xué)家的責(zé)任 6
1.3 21世紀(jì)的物理學(xué)的前景與可能面臨的變革 6
1.3.1 20世紀(jì)的物理學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 6
1.3.2 21世紀(jì)的物理學(xué)的前景與可能面臨的變革 7
1.3.3 21世紀(jì)的物理學(xué)家將要面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇 8
1.4 大學(xué)本科的物理學(xué)和數(shù)學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu) 8
參考文獻(xiàn) 10
第2章 凝聚態(tài)物理學(xué)與介觀物理學(xué) 11
2.1 凝聚態(tài)物理學(xué)的現(xiàn)狀 11
2.1.1 凝聚態(tài) 11
2.1.2 凝聚態(tài)物理學(xué) 11
2.1.3 凝聚態(tài)理論 11
2.1.4 凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念 12
2.2 新有序相 15
2.2.1 金屬 S 15
2.2.2 重電子金屬 15
2.2.3 氧化物高溫超導(dǎo)體 16
2.2.4 C60 (C70 ) 20
2.2.5 維格納晶體 21
2.2.6 金屬多層膜（超晶格） 21
2.2.7 拓?fù)湎?21
2.2.8 拓?fù)浣^緣體 21
2.2.9 石墨烯 22
2.3 低維系統(tǒng)與小系統(tǒng)：介觀物理與表面物理、團(tuán)簇物理與納米科技 24
2.3.1 量子霍爾效應(yīng) 24
2.3.2 表面物理學(xué) 25
2.3.3 準(zhǔn)一維系統(tǒng)與有機(jī)鏈狀分子 27
2.3.4 零維體系與介觀系統(tǒng) 28
2.3.5 納米顆粒與納米科技 33
2.3.6 自旋電子學(xué) 35
2.4 等離子體物理學(xué)與核聚變 35
2.4.1 等離子體物理的基本問(wèn)題 35
2.4.2 等離子體物理新的研究領(lǐng)域 35
2.4.3 聚變等離子體物理 35
2.4.4 空間和天體等離子體物理 35
2.4.5 低溫等離子體物理與技術(shù) 36
2.5 人造系統(tǒng)：超晶格、準(zhǔn)晶格與人造原子 36
2.5.1 超晶格 36
2.5.2 準(zhǔn)晶格 36
2.5.3 人造原子 37
2.5.4 固體或液體環(huán)境中的原子、分子 37
2.6 極端條件下的凝聚態(tài)物理學(xué) 37
2.6.1 高溫高壓下的凝聚態(tài) 37
2.6.2 超強(qiáng)電磁場(chǎng)中的凝聚態(tài) 37
2.7 復(fù)雜性與自組織 37
2.7.1 復(fù)雜性與復(fù)雜性科學(xué) 37
2.7.2 自組織與耗散結(jié)構(gòu) 39
2.7.3 生物凝聚態(tài) 40
2.7.4 非平衡態(tài)物理學(xué) 40
2.7.5 軟凝聚態(tài)物理 40
參考文獻(xiàn) 41
第3章 原子、分子物理學(xué)與光學(xué) 42
3.1 引言 42
3.2 原子結(jié)構(gòu)與原子動(dòng)力學(xué) 42
3.2.1 原子結(jié)構(gòu) 43
3.2.2 原子動(dòng)力學(xué) 43
3.2.3 近期發(fā)展 44
3.3 高精度測(cè)量與基本定律的檢驗(yàn) 44
3.3.1 高精度測(cè)量 44
3.3.2 對(duì)基本定律（如弱電統(tǒng)一理論）的檢驗(yàn) 45
3.4 分子結(jié)構(gòu)與分子動(dòng)力學(xué) 45
3.4.1 分子結(jié)構(gòu) 45
3.4.2 分子碰撞和反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 46
3.5 介質(zhì)環(huán)境中的原子和分子 47
3.5.1 固體中的雜質(zhì)原子 47
3.5.2 液體（水）中的雜質(zhì)分子 47
3.6 原子的控制與操縱——分子剪切與原子組裝 47
3.6.1 控制和操縱的手段 47
3.6.2 控制和操縱原子的類型 48
3.6.3 實(shí)例（圖 3-2~圖 3-11) 48
3.7 光學(xué) 51
3.7.1 現(xiàn)代光學(xué) 51
3.7.2 光學(xué)的主要分支學(xué)科 52
3.7.3 電磁場(chǎng)引起的透明 53
參考文獻(xiàn) 54
第4章 原子核物理學(xué) 55
4.1 引言 55
4.2 低能原子核物理學(xué)：結(jié)構(gòu)與反應(yīng)、裂變與衰變問(wèn)題 56
4.2.1 作為質(zhì)子、中子組成的強(qiáng)作用系統(tǒng)的原子核 56
4.2.2 低能核物理學(xué)有結(jié)構(gòu)、反應(yīng)與衰變?nèi)�方面的�?wèn)題 57
4.3 放射性核與超重核 58
4.3.1 核物理在廣度和深度兩方面面臨著巨大變革 58
4.3.2 在廣度方面的挑戰(zhàn)與機(jī)遇：放射性束流核物理開創(chuàng)的新天地 59
4.4 中高能原子核物理學(xué) 61
4.4.1 核內(nèi)介子、超子自由度 61
4.4.2 核內(nèi)夸克自由度和夸克-膠子等離子體 62
4.4.3 在深度上的變革：基于QCD的核物理深入到夸克層次 62
4.4.4 發(fā)展基于QCD的核物理的有利條件 63
4.5 天體核物理學(xué)一一宇宙元素的合成及其豐度 64
4.5.1 從大爆炸到宇宙原初核的產(chǎn)生與合成：終止于氦 64
4.5.2 太陽(yáng)等恒星的核燃燒與平穩(wěn)的核合成 65
4.5.3 超新星爆發(fā)與爆發(fā)式核合成 65
4.5.4 宇宙化學(xué)元素的形成、演化與豐度 65
參考文獻(xiàn) 65
第5章 基本粒子物理學(xué)與量子場(chǎng)論 66
5.1 基本粒子物理學(xué)的現(xiàn)狀與成就 66
5.1.1 基本粒子物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn) 66
5.1.2 組成物質(zhì)的基本粒子 67
5.1.3 基本粒子的相互作用 68
5.1.4 基本粒子物理學(xué)和量子場(chǎng)論的內(nèi)容 70
5.1.5 基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的成就 71
5.2 基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的基本問(wèn)題 71
5.3 引力的統(tǒng)一與超弦 74
5.3.1 弦理論的歷史 74
5.3.2 超弦理論的需要 75
5.3.3 超弦 75
5.3.4 M 理論 76
5.3.5 對(duì)萬(wàn)有理論的理解 76
5.4 粒子物理學(xué)與核物理學(xué)的交叉 76
5.5 粒子物理學(xué)與天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的關(guān)聯(lián) 77
參考文獻(xiàn) 77
第6章 廣義相對(duì)論、天體物理學(xué)與宇宙學(xué) 78
6.1 宇宙的層次結(jié)構(gòu) 78
6.1.1 天體的層次結(jié)構(gòu) 78
6.1.2 太陽(yáng)和恒星 78
6.1.3 致密天體：白矮星、脈沖星和中子星 81
6.1.4 星際物質(zhì) 82
6.1.5 星系：銀河系與河外星系 83
6.1.6 宇宙 86
6.2 黑洞與類星體 87
6.2.1 黑洞 87
6.2.2 類星體 88
6.3 廣義相對(duì)論與（經(jīng)典）宇宙學(xué)模型 90
6.3.1 現(xiàn)代宇宙學(xué)的四大基石 90
6.3.2 宇宙的重要數(shù)據(jù) 92
6.3.3 宇宙學(xué)原理 93
6.3.4 廣義相對(duì)論與標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型 93
6.4 大爆炸（量子）宇宙學(xué) 95
6.5 宇宙的加速膨脹與暗物質(zhì)、暗能量 96
6.5.1 暗物質(zhì) 96
6.5.2 宇宙加速膨脹與暗能量 97
6.6 天體物理學(xué)問(wèn)題：宇宙學(xué)問(wèn)題與粒子物理學(xué)問(wèn)題的關(guān)聯(lián) 99
參考文獻(xiàn) 99
第7章 量子信息、量子通信與量子計(jì)算 100
7.1 量子力學(xué)簡(jiǎn)介 100
7.1.1 量子力學(xué)基本原理 100
7.1.2 量子力學(xué)的特點(diǎn) 102
7.1.3 純態(tài)與混合態(tài) 103
7.2 量子力學(xué)與信息論 106
7.2.1 自然界和社會(huì)的三大要素 106
7.2.2 信息論 106
7.2.3 信息論與物理學(xué) 106
7.2.4 經(jīng)典信息論與量子信息論 107
7.2.5 量子計(jì)算與量子通信 107
7.2.6 量子計(jì)算與量子通信的優(yōu)點(diǎn)和必要性 107
7.2.7 量子信息學(xué)與量子計(jì)算已取得的成績(jī) 107
7.3 量子信息 108
7.3.1 量子糾纏 108
7.3.2 量子編碼 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 量子邏輯門 112
7.4.3 量子通信 114
7.5 量子噪聲與量子運(yùn)算（操作） 115
7.5.1 密度矩陣量子態(tài)p的變化 115
7.5.2 量子態(tài)變化的一般描述 116
7.6 量子計(jì)算 119
7.6.1 量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算 119
7.6.2 幾種量子算法 121
7.6.3 量子糾錯(cuò) 121
7.7 量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)一一量子計(jì)算機(jī) 121
7.7.1 量子計(jì)算機(jī)模型 121
7.7.2 量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn) 124
7.7.3 量子計(jì)算機(jī)的困難 124
7.7.4 對(duì)量子通信和量子計(jì)算機(jī)的展望 125
7.8 量子信息和量子通信提出的量子論的基本問(wèn)題 125
參考文獻(xiàn) 125
第8章 生物物理學(xué) 127
8.1 生物物理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 127
8.1.1 生物物理學(xué) 127
8.1.2 生物物理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 127
8.1.3 生物物理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 128
8.1.4 生物物理學(xué)發(fā)展的主要特征 128
8.1.5 必要的知識(shí) 128
8.2 生物物理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 130
8.2.1 分子生物物理學(xué) 130
8.2.2 膜與細(xì)胞生物物理學(xué) 131
8.2.3 感官與神經(jīng)生物物理學(xué) 132
8.2.4 生物控制論與生物信息論 133
8.2.5 理論生物物理學(xué) 133
8.2.6 光生物物理學(xué) 135
8.2.7 自由基與環(huán)境輻射的生物物理學(xué) 136
8.2.8 生物力學(xué)與生物流變學(xué) 138
8.2.9 生物物理學(xué)技術(shù) 138
8.3 生物系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)：生物系統(tǒng)的層次性與復(fù)雜性 139
8.3.1 生命是非平衡系統(tǒng)的一個(gè)過(guò)程，而非一種物質(zhì)狀態(tài) 139
8.3.2 生命是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)過(guò)程 140
8.3.3 生命有復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)一一從生物分子到生物系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng) 140
8.4 生物信息學(xué) 140
8.5 討論與展望 141
參考文獻(xiàn) 141
第9章 結(jié)語(yǔ)——21世紀(jì)的物理學(xué) 142
9.1 21世紀(jì)物理學(xué)面臨的變革 142
9.1.1 物理學(xué)基本理論——粒子物理學(xué)和宇宙論在縱深方面的深刻變革 142
9.1.2 多粒子系統(tǒng)物理學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)物理學(xué)在橫向方面的重大進(jìn)展 142
9.1.3 交叉學(xué)科的興起與新發(fā)現(xiàn) 143
9.1.4 對(duì)高科技的巨大促進(jìn) 143
9.2 物理學(xué)的研究方法 143
9.3 21世紀(jì)中國(guó)的物理學(xué) 144
9.3.1 21世紀(jì)中國(guó)物理學(xué)（中期）前景的預(yù)期（部分） 144
9.3.2 中國(guó)發(fā)展物理學(xué)的策略 144
9.3.3 21世紀(jì)中國(guó)物理學(xué)家的責(zé)任 145
參考文獻(xiàn) 145
第10章 物理前沿問(wèn)題討論 146
第二篇 物理學(xué)基礎(chǔ)探討
第11章 關(guān)于相對(duì)論和引力的思考 151
參考文獻(xiàn) 163
第12章 狹義相對(duì)論的客觀物理與美學(xué)修飾 164
12.1 引言 164
12.2 時(shí)空幾何的物理基礎(chǔ) 165
12.3 光速不變性的物理基礎(chǔ) 166
12.4 洛倫茲時(shí)空幾何的客觀物理成分與美學(xué)修飾成分 168
12.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相對(duì)性原理的物理基礎(chǔ)與物理內(nèi)涵 172
12.6 結(jié)論 175
參考文獻(xiàn) 176
第13章 物理真空介質(zhì)的超流性 177
13.1 摘要 177
13.2 正文177
參考文獻(xiàn) 181
第14章 守恒定律約束的真空量子漲落與量子糾纏和量子同步 182
14.1 量子糾纏 182
14.2 對(duì)宏觀量子糾纏形成機(jī)理的設(shè)想 183
14.3 次微觀時(shí)空中量子漲落的描述：兩個(gè)示例 184
14.4 次微觀量子漲落動(dòng)力學(xué) 187
14.5 守恒定律與量子漲落關(guān)聯(lián)和量子糾纏的關(guān)系的深入分析 191
14.6 可引出的物理結(jié)論 193
14.7 量子漲落的整體性和對(duì)宏觀量子糾纏的質(zhì)疑 193
14.8 結(jié)語(yǔ) 195
參考文獻(xiàn) 196