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第1章 物理学与高科技1

1.1 21世纪的高科技与知识经济1

1.1.1 知识经济时代1

1.1.2 支撑知识经济的高科技2

1.1.3 21世纪的高科技需要教育去培育2

1.2 21世纪的高科技与物理学3

1.2.1 20世纪的高科技与物理学3

1.2.2 21世纪的高科技与物理学3

1.2.3 21世纪物理学家的责任4

1.3 21世纪物理学的前景与可能面临的变革5

1.3.1 20世纪物理学的现状与发展趋势5

1.3.2 21世纪物理学的前景与可能面临的变革5

1.3.3 21世纪的物理学家将要面临的挑战与机遇7

1.4 大学本科物理学和数学的知识结构7

第2章 凝聚态物理学与介观物理学10

2.1 凝聚态物理学的现状10

2.1.1 凝聚态10

2.1.2 凝聚态物理学10

2.1.3 凝聚态理论10

2.1.4 凝聚态物理学的基本概念11

2.2 新有序相14

2.2.1 金属氢14

2.2.2 重电子金属(重费米子系统)15

2.2.3 氧化物高温超导体16

2.2.4 C60(C70)18

2.2.5 Wigner晶体19

2.2.6 金属多层膜(超晶格)19

2.3 低维系统与小系统：介观物理、团簇物理与纳米科技19

2.3.1 量子Hall效应20

2.3.2 准一维系统与有机链状分子21

2.3.3 零维体系与介观系统21

2.3.4 纳米颗粒与纳米科技27

2.4 等离子体物理学与核聚变29

2.4.1 等离子体物理的基本问题29

2.4.2 等离子体物理新的研究领域30

2.4.3 聚变等离子体物理30

2.4.4 空间和天体等离子体物理30

2.4.5 低温等离子体物理与技术30

2.5 人造系统：超晶格、准晶格与人造原子31

2.5.1 超晶格31

2.5.2 准晶格31

2.5.3 人造原子31

2.5.4 固体或液体环境中的原子和分子31

2.6 极端条件下的凝聚态物理学32

2.6.1 高温高压下的凝聚态32

2.6.2 超强电磁场中的凝聚态32

2.7 复杂性与自组织32

2.7.1 复杂性32

2.7.2 自组织与耗散结构34

2.7.3 生物凝聚态35

2.7.4 非平衡态物理36

2.7.5 软凝聚态物理36

第3章 原子、分子物理学与光学37

3.1 引言37

3.2 原子结构与原子动力学37

3.2.1 原子结构38

3.2.2 原子动力学39

3.2.3 近期发展39

3.3 高精度测量与基本定律的检验40

3.3.1 高精度测量40

3.3.2 对基本定律(如弱电统一理论)的检验40

3.4 分子结构与分子动力学40

3.4.1 分子结构40

3.4.2 分子碰撞和反应动力学41

3.5 介质环境中的原子和分子43

3.5.1 固体中的杂质原子43

3.5.2 液体(水)中的杂质分子43

3.6 原子的控制与操纵——分子剪切与原子组装43

3.6.1 控制和操纵的手段43

3.6.2 控制和操纵原子的类型43

3.6.3 实例44

3.7 光学47

3.7.1 现代光学47

3.7.2 光学的主要分支学科47

3.7.3 电磁场引起的透明(EIT)49

附录 德国Max-Planck核物理研究所(Heidelberg)原子-分子物理研究现状(2000—2001)50

第4章 原子核物理学54

4.1 引言54

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56

4.3 放射性核与超重核57

4.3.1 核物理在广度和深度两方面面临着巨大变革57

4.3.2 放射性束流核物理开创的新天地58

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 核内夸克与QGP61

4.4.3 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合成：终止于氦64

4.5.2 太阳等恒星的核反应燃烧与平稳的核合成64

4.5.3 超新星爆发与爆发式核合成65

4.5.4 化学元素的形成、演化与丰度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69

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72

5.2.1 对称性自发破缺的本质与机制72

5.2.2 基本粒子质量的起源与本质72

5.2.3 赫格斯粒子存在的问题72

5.2.4 夸克禁闭的本质与机制73

5.2.5 夸克和轻子的三代及其对称性的本质73

5.2.6 基本粒子的种类和理论参数的数目73

5.2.7 大统一理论问题73

5.2.8 引力量子化73

5.2.9 发散问题74

5.2.10 规范对称性的本质74

5.2.11 真空的本质74

5.2.12 时空的本性74

5.3 引力的统一与超弦74

5.3.1 弦理论的历史75

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 超弦理论面临的问题76

5.4 粒子物理学与核物理学的交叉77

5.5 粒子物理学与天体物理学和宇宙学的关联77

第6章 广义相对论、天体物理学与宇宙学79

6.1 宇宙的层次结构79

6.1.1 天体的层次结构79

6.1.2 太阳与恒星80

6.1.3 致密天体83

6.1.4 星际物质83

6.1.5 银河系与河外星系84

6.1.6 宇宙89

6.2 黑洞与类星体89

6.2.1 黑洞89

6.2.2 类星体90

6.3 广义相对论与(经典)宇宙学模型92

6.3.1 现代宇宙学的四大基石92

6.3.2 宇宙数据94

6.3.3 宇宙学原理94

6.3.4 广义相对论与标准宇宙模型94

6.4 大爆炸(量子)宇宙学96

6.5 宇宙的加速膨胀与暗物质、暗能量97

6.5.1 暗物质98

6.5.2 宇宙加速膨胀与暗能量99

6.6 宇宙学问题与粒子物理学问题的关联100

第7章 量子信息、量子通讯与量子计算102

7.1 量子力学简介102

7.1.1 量子力学基本原理102

7.1.2 量子力学的特点104

7.1.3 纯态与混合态105

7.2 量子力学与信息论108

7.2.1 自然界和人类社会的三大要素108

7.2.2 信息论109

7.2.3 信息论与物理学109

7.2.4 经典信息论与量子信息论109

7.2.5 量子计算与量子通讯109

7.2.6 量子计算与量子通讯的优点和必要性109

7.2.7 量子信息学与量子计算已取得的成绩110

7.3 量子信息110

7.3.1 量子纠缠110

7.3.2 量子编码112

7.3.3 量子信息112

7.3.4 量子信息的特征113

7.4 量子通讯114

7.4.1 量子位114

7.4.2 量子逻辑门115

7.4.3 量子通讯117

7.5 量子噪音与量子运算(操作)118

7.5.1 密度矩阵量子态ρ的变化118

7.5.2 量子态变化的一般描述118

7.6 量子计算121

7.6.1 量子计算与经典计算121

7.6.2 几种量子算法123

7.6.3 量子纠错123

7.7 量子计算的物理实现——量子计算机124

7.7.1 量子计算机模型124

7.7.2 量子计算机的物理实现127

7.7.3 量子计算机的实现127

7.7.4 对量子通讯和量子计算机的展望128

第8章 生物物理学129

8.1 生物物理学的产生与发展129

8.1.1 生物物理学129

8.1.2 生物物理学的产生与发展129

8.1.3 生物物理学的主要研究内容130

8.1.4 生物物理学发展的主要特征130

8.1.5 必要知识130

8.2 生物物理学的主要研究内容132

8.2.1 分子生物物理学132

8.2.2 膜与细胞生物物理学133

8.2.3 感官与神经生物物理学135

8.2.4 生物控制论与生物信息论136

8.2.5 理论生物物理学136

8.2.6 光生物物理学138

8.2.7 自由基与环境辐射的生物物理学139

8.2.8 生物力学与生物流变学141

8.2.9 生物物理学技术141

8.3 生物系统与生态系统：生物系统的层次性与复杂性143

8.3.1 生命是非平衡系统的一个过程，而非一种物质状态143

8.3.2 生命是一个复杂的瞬态过程143

8.3.3 生命有复杂的层次结构143

8.4 生物信息学144

8.5 讨论与展望144

第9章 21世纪的物理学146

9.1 21世纪物理学面临的变革146

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146

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146

9.1.3 交叉学科的兴起与新发现147

9.1.4 物理学对高科技的巨大促进147

9.2 物理学的研究方法147

9.3 21世纪的中国物理学148

9.3.1 21世纪中国物理学(中期)前景的预期(部分)148

9.3.2 中国发展物理学的策略149

9.3.3 21世纪中国物理学家的责任149

第10章 物理学前沿问题讨论150

参考书目152