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绪论 1

上篇 经典物理基础 21

第1章 时空与运动的经典表述 21

1.1 绝对时空观的形成 21

1.1.1 古希腊的地心宇宙 21

1.1.2 哥白尼革命 24

1.1.3 伽利略的贡献 27

1.1.4 牛顿的绝对时空观 31

1.1.5 物质世界的空间尺度与时标 33

1.2 牛顿与经典力学 37

1.2.1 牛顿力学的建立 37

1.2.2 牛顿运动三定律 38

1.2.3 伽利略和牛顿的科学方法 41

1.2.4 伽利略相对性原理和伽利略坐标变换 42

1.2.5 万有引力定律的建立 45

1.2.6 混沌 53

1.3 守恒定律和航天原理 58

1.3.1 动量守恒和火箭推进原理 58

1.3.2 机械能守恒定律与宇宙速度 65

1.3.3 角动量守恒与航天器的运动 73

1.3.4 搜寻地外文明 75

第2章 场和波 80

2.1 法拉第的贡献 80

2.1.1 奥斯特实验的启示 81

2.1.2 法拉第电磁感应定律的建立 82

2.1.3 法拉第力线和场的概念 84

2.2 麦克斯韦电磁场理论的建立 86

2.3 电磁波 88

2.3.1 电磁波的发现 88

2.3.2 电磁波谱 91

2.3.3 无线电波的应用 92

2.4 光的波动性 101

2.4.1 波动说与微粒说的对立 101

2.4.2 波动说的复兴 102

2.4.3 光的颜色与光谱学 107

2.4.4 全球臭氧枯竭 110

2.4.5 光的散射 111

2.4.6 光学与电磁学的统一 114

2.4.7 电磁场的物质性 115

第3章 温度 能量 熵 118

3.1 温度 119

3.1.1 热力学第零定律——测温原理 119

3.1.2 生理热平衡 120

3.1.3 温度大观 121

3.1.4 绝对零度的探索 123

3.2 热力学第一定律 127

3.2.1 能量守恒定律的确立 127

3.2.2 热力学第一定律的表述 131

3.2.3 温室效应与全球变暖 132

3.3 热力学第二定律 138

3.3.1 自然现象的不可逆性 138

3.3.2 热力学第二定律的表述 138

3.3.3 熵和熵增加原理 139

3.3.4 玻尔兹曼熵 140

3.3.5 熵与人口 143

3.3.6 熵与信息 147

3.3.7 熵与社会、经济和管理 148

3.3.8 能量效率和运输效率 152

3.4 气体动理论 154

3.4.1 气体动理论的建立 154

3.4.2 布朗运动与分形 155

3.4.3 布朗运动与股票、期权 160

第4章 19世纪物理学的成就和危机 164

4.1 经典物理框架的完善 164

4.1.1 19世纪物理学发展的特征 164

4.1.2 经典物理框架的完善 166

4.2 世纪之交物理学的三大发现 167

4.2.1 电子的发现 168

4.2.2 X射线的发现 172

4.2.3 放射性的发现 176

4.3 世纪之交的两朵乌云 181

4.3.1 “以太漂移”的探索 182

4.3.2 黑体辐射规律的探索 185

中篇 现代物理基础 195

第5章 时空理论的变革之秀——相对论 195

5.1 什么是相对论 196

5.1.1 从延拓相对性原理的涵义说起 196

5.1.2 狭义相对论的建立 198

5.1.3 时空可变释义 202

5.1.4 相对论动力学的主要结论 206

5.2 引力场中的时空结构 210

5.2.1 等效原理和马赫原理 210

5.2.2 相对性原理的再延拓 212

5.2.3 时空结构的变更——弯曲时空概念的确立 214

5.3 相对论时空观——现代文明的奇丽瑰宝 217

5.3.1 时空与物质运动 217

5.3.2 时空的动力学机制 218

5.3.3 相对性原理的延拓与物理学理论的发展 219

5.3.4 相对论建树对现代文明建设的影响 221

第6章 茫茫玉宇 谁主沉浮——相对论宇宙学概述 226

6.1 广义相对论的大尺度印证 227

6.1.1 光线弯曲和引力透镜效应 227

6.1.2 引力辐射 229

6.1.3 天文新发现和广义相对论的再度辉煌 231

6.2 标准宇宙模型 234

6.2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说 234

6.2.2 宇宙红移及其哈勃定律 237

6.2.3 暴胀、暗能量、加速膨胀 239

6.2.4 宇宙微波背景辐射及其各向异性 242

6.2.5 有限动态宇宙模型与现代宇宙观的确立 245

6.3 黑洞探索方兴未艾 248

6.3.1 黑洞、白洞，交相衬映 249

6.3.2 黑洞与时空结构的奇异性 250

6.3.3 黑洞探索的宇宙学意义 252

第7章 现代物质观的理论基石——量子论 257

7.1 量子概念，量子物理之灵魂 259

7.1.1 能量子和光量子 259

7.1.2 量子（定）态和量子跃迁 262

7.1.3 物质波和微观粒子的波粒二象性 264

7.1.4 波函数的概率解释和概率波概念 267

7.1.5 海森伯不确定性原理 270

7.2 量子真谛，明乎霭乎 272

7.2.1 量子论的统计特色和测量特征 273

7.2.2 玻尔互补原理与观测概念之认定 274

7.2.3 “薛定谔猫佯谬”之解析与“物理实在”定义之修改 277

7.2.4 量子纠缠概念的认同与量子信息论基础的奠定 281

7.2.5 作用量子h释义 283

7.3 量子场——物质存在的基本形式 285

7.3.1 场量子化与量子场论 286

7.3.2 真空——量子场的基态 287

7.3.3 相互作用描述方式的演变 289

7.4 量子论与相对论的形式结合 291

7.4.1 相对论量子力学与正电子预言 291

7.4.2 用量子理论讨论时空结构的奇异性 295

7.4.3 时空量子化 298

7.4.4 现代物质观要义 299

第8章 探深入微 堪与评说——物质结构简论 303

8.1 物质层层分割：分子→原子→原子核→核子 304

8.1.1 分割原子——物质微观结构探索的起始 304

8.1.2 原子核的构成 307

8.1.3 核力、强相互作用以及介子理论 309

8.1.4 弱相互作用以及中微子理论 312

8.1.5 核反应、核裂变和核聚变以及核能开发的理论依据 313

8.2 亚核层次的美学特征 315

8.2.1 “粒子世界”概貌 315

8.2.2 粒子和反粒子 318

8.2.3 对称性和对称性破缺 319

8.2.4 美哉，夸克模型 322

8.2.5 “基底”粒子的对称性 325

8.3 相互作用及其统一性探讨 327

8.3.1 爱因斯坦对统一场论的探讨 328

8.3.2 规范协变原理开辟作用场统一的通途 329

8.3.3 弱作用和电磁作用的成功统一 330

8.3.4 “大统一”和“超统一” 332

8.3.5 对于物质世界统一性之探索概况 336

8.3.6 宇宙极早期的统一性描绘 336

8.4 堪与评说：对物质结构及其理论描述的再认识 338

8.4.1 “夸克禁闭”简介 339

8.4.2 对物质结构及其理论描述的再认识 340

8.4.3 现代理论物理的百余年总结 342

下篇 物理学与现代科技第9章 物理学与新材料 346

9.1 新材料与人类文明 346

9.1.1 晶体 346

9.1.2 非晶固体 351

9.1.3 液体 353

9.2 超导材料 353

9.2.1 超导电性 353

9.2.2 迈斯纳效应 355

9.2.3 BCS理论 356

9.2.4 高温超导 357

9.2.5 超导的应用 359

9.2.6 富勒烯——C60 360

9.3 人工设计材料 361

9.3.1 超晶格材料 361

9.3.2 光子晶体 364

9.3.3 左手材料：开辟材料世界的另一个半边天 370

9.4 纳米材料 375

9.4.1 纳米微粒材料 375

9.4.2 纳米多孔材料 378

第10章 激光与通讯 382

10.1 激光的发现和机理 382

10.1.1 现代通讯史话 382

10.1.2 激光原理 384

10.2 激光器的种类和应用 386

10.2.1 普通激光器的种类 386

10.2.2 激光的应用 389

10.3 光纤通讯网络 391

10.3.1 信息高速公路 391

10.3.2 光纤网络传输 393

10.3.3 数字信号技术 393

10.4 激光器的新发展 394

10.4.1 自由电子激光器 394

10.4.2 准分子激光器 396

10.4.3 X射线激光器 397

第11章 物理学与新能源 402

11.1 能源利用与能源危机 402

11.1.1 能源的利用和发展 402

11.1.2 能源危机及其前景 404

11.2 留住太阳能 408

11.2.1 光电导和光生伏特效应 408

11.2.2 太阳能电池 409

11.3 核裂变能的应用 411

11.3.1 原子核的裂变 411

11.3.2 链式反应与临界质量 413

11.3.3 原子弹 414

11.3.4 核电站 417

11.4 核聚变能的应用 421

11.4.1 原子核的聚变 421

11.4.2 氢弹 422

11.4.3 磁约束聚变 422

11.4.4 惯性约束聚变 424

11.5 氢能源 427

11.5.1 干净的氢燃料 427

11.5.2 氢的制备 428

11.5.3 氢的储存 428

11.6 可燃冰 429

11.6.1 可燃烧的冰 429

11.6.2 可燃冰资源的开发 430

第12章 物理学与生命科学 433

12.1 力学与生命科学 434

12.2 非平衡态热力学与生命现象 438

12.3 生物电现象 440

12.4 生物磁现象 442

12.5 量子力学与生命科学 444

12.6 生物芯片技术 447

结语 452

第二版后记 462

人名索引 464

主题索引 470