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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QGP 61

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