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引言：21世纪的新物理学 1

第一部分 物质和宇宙 13

第1章 宇宙学 13

1.1 引言 13

1.2 热大爆炸宇宙学 15

1.2.1 宇宙的膨胀 18

1.2.2 宇宙的均匀与各向同性 20

1.2.3 宇宙微波背景辐射 22

1.2.4 轻元素丰度 25

1.3 宇宙学的现代进展 26

1.3.1 暗物质 26

1.3.2 暗能量 29

1.3.3 暴胀 31

1.4 再电离后的宇宙 32

1.4.1 宇宙再电离历史 32

1.4.2 星系的形成和演化 33

1.4.3 活动星系核 34

1.4.4 γ射线暴 34

1.5 宇宙学的未来 35

1.5.1 探测暗物质 35

1.5.2 暗能量与基础物理学的联系 36

1.5.3 暴胀与基础物理学的联系 37

1.5.4 弦宇宙学 38

1.5.5 新的观测工具 38

1.6 总结 40

进一步阅读 40

作者简介 41

第2章 引力 42

2.1 引力的吸引作用 42

2.2 引力的一些奇特的性质 42

2.3 广义相对论和弯曲时空 43

2.4 弱引力和实验检验 45

2.5 引力辐射和脉冲双星 48

2.6 强引力、中子星和黑洞 51

2.7 引力和宇宙、暗物质和暗能量 54

2.8 引力和早期宇宙 58

2.9 引力和量子论、普朗克尺度 60

2.10 黑洞和量子理论 62

2.11 为一无所有费尽心机、宇宙学常数 64

2.12 量子引力理论 66

2.13 现在来讨论关于时空的一些完全不同的东西 68

进一步阅读 71

作者简介 72

第3章 新天文学 73

3.1 引言 73

3.2 观测天文学进展 73

3.3 宇宙演化的标准模型 77

3.4 恒星演化的标准理论 78

3.5 天体物理学的研究前沿 85

3.5.1 脉冲星和反常脉冲星 85

3.5.2 微类星体 86

3.5.3 γ射线暴 86

3.5.4 吸积盘和喷射流 87

3.5.5 宇宙加速器 87

3.6 超出标准模型的物理学 88

3.7 遥远行星和天体生物学 88

3.8 结束语 89

进一步阅读 89

作者简介 90

第4章 粒子及其标准模型 91

4.1 粒子物理学的由来 91

4.2 标准模型 95

4.2.1 强相互作用 98

4.2.2 弱作用和电磁相互作用 99

4.2.3 隐藏的电弱对称性 101

4.3 充满发现的过去十年 102

4.4 重大问题 105

4.4.1 基元性 105

4.4.2 对称性 105

4.4.3 统一 106

4.4.4 本体证认 106

4.4.5 地形学 106

4.5 希格斯玻色子 106

4.6 统一理论 109

4.7 质量的起源 111

4.8 中微子振荡 113

4.9 超对称性 116

4.10 引力和粒子物理学 118

4.11 粒子物理学的新工具 121

4.12 改变观念 122

4.13 我们面前的路 123

进一步阅读 124

作者简介 125

第5章 超弦理论 126

5.1 引言 126

5.2 点粒子引起的问题 126

5.3 狭义相对论、量子理论和标准模型 128

5.4 引力、时空和量子理论 132

5.5 弦论——前驱者和早期发展 133

5.6 统一各种力的弦论 135

5.6.1 弦之间的相互作用 137

5.7 超越朴素的微扰近似 141

5.8 弦构成的宇宙 143

5.8.1 3膜上的物理 143

5.8.2 黑洞的量子性质 144

5.8.3 全息宇宙 144

5.8.4 宇宙学和弦论 145

5.9 前景 146

进一步阅读 147

作者简介 147

第二部分 量子物质 151

第6章 用光子操控原子 151

6.1 引言 151

6.2 原子内态的操控 152

6.2.1 原子和光子的角动量 152

6.2.2 光抽运 153

6.2.3 光展宽和光移 154

6.3 电磁力和陷俘 155

6.3.1 带电粒子的陷俘 156

6.3.2 磁偶极力 157

6.3.3 电偶极力 158

6.3.4 辐射压力 161

6.4 原子的冷却 163

6.4.1 多普勒冷却 163

6.4.2 Sisyphus冷却 164

6.4.3 亚反冲冷却 166

6.5 超冷原子的应用 168

6.5.1 原子钟 169

6.5.2 原子光学和原子干涉学 170

6.5.3 Ramsey-Borde干涉仪 171

6.6 结束语 173

进一步阅读 173

作者简介 174

第7章 超冷原子的量子世界 175

7.1 引言 175

7.2 什么是“温度”？ 175

7.3 激光冷却 178

7.4 磁陷俘 180

7.5 蒸发冷却 183

7.6 量子效应 184

7.6.1 玻色-爱因斯坦凝聚 187

7.6.2 原子凝射器 188

7.7 驻波光场对原子的衍射和布拉格干涉仪 190

7.7.1 原子的布拉格衍射 190

7.8 非线性原子光学——四波混频 193

7.9 超冷原子之间的可控碰撞 194

7.10 费米简并 196

7.11 结论 199

进一步阅读 199

作者简介 200

第8章 超流体 201

8.1 什么是超流？ 201

8.2 量子液体 201

8.3 液体氦-4 203

8.4 超导电性 210

8.5 液体氦-3：一种各向异性超流体 215

8.6 非常规的超导体 220

8.7 有关历史的后记 224

进一步阅读 228

作者简介 229

第9章 量子相变 230

9.1 引言 230

9.2 实验室中相互作用的量子比特 231

9.3 压缩玻色-爱因斯坦凝聚体 238

9.4 铜基氧化物超导体 244

9.5 结论 254

进一步阅读 254

作者简介 254

第三部分 运作中的量子 259

第10章 实质性的量子纠缠 259

10.1 这一切是怎么开始的 259

10.2 纠缠的物理学 260

10.3 纠缠和信息 265

10.4 量子远程传态 266

10.5 基于纠缠的量子加密术 267

10.6 展望 268

进一步阅读 269

作者简介 270

第11章 量子、密码和计算机 271

11.1 简介 271

11.2 从比特到量子比特 273

11.3 量子纠缠 275

11.4 量子布尔网络及其复杂性 276

11.5 量子算法 278

11.5.1 Shor算法 278

11.5.2 Grover算法 279

11.6 建造量子计算机 280

11.7 安全通信的技艺 282

11.8 量子密钥分发 284

11.9 结束语 286

进一步阅读 287

作者简介 287

第12章 小尺寸结构与“纳米科学” 288

12.1 引言 288

12.2 介观物理学与纳米物理学，工具与能力 291

12.3 电导量子化 295

12.4 Aharonov-Bohm电导振荡 297

12.5 环和圆筒中的持续流 299

12.6 库仑堵塞 300

12.7 退相干——量子干涉的退相 302

12.8 纳米体系的例子 305

12.9 结论 307

进一步阅读 309

作者简介 309

第四部分 计算物理学 313

第13章 混沌系统的物理学 313

13.1 引论 313

13.2 不稳定性：奇异吸引子 316

13.3 奇异吸引子的刻画 320

13.3.1 用观测时间序列进行预测 324

13.4 混沌振子的同步；混沌通信 327

13.4.1 混沌的控制 332

13.5 简单物理系统中的混沌：展望 335

进一步阅读 336

作者简介 336

第14章 复杂系统 337

14.1 引言 337

14.2 改变描述的层次 339

14.3 宏观结构的出现 340

14.4 一个范例：复数金兹堡-朗道方程 341

14.5 连接微观世界和宏观世界 344

14.6 湍流 350

14.7 自组织临界性 352

14.8 颗粒介质 357

14.9 玻璃态行为 360

14.10 计算方法 364

14.11 脑中的信息处理 367

14.12 展望 369

进一步阅读 370

作者简介 371

第15章 合作式物理学、e科学、网格——实现利克里德的梦想 372

15.1 引言 372

15.1.1 e科学与利克里德 372

15.1.2 计算机基础设施、e基础设施和网格 374

15.1.3 本章概述 375

15.2 合作式物理学项目 376

15.2.1 粒子物理学 376

15.2.2 实验粒子物理学：LHC计算网格 378

15.2.3 理论粒子物理学：QCDGrid 381

15.2.4 天文学：国际虚拟天文台 382

15.2.5 天体物理学与宇宙学 384

15.2.6 聚变物理学 385

15.2.7 凝聚态物理学 386

15.2.8 原子物理学 388

15.2.9 闲置周期利用模式的各种应用 389

15.3 e基础设施和网格 391

15.3.1 用户要求 391

15.3.2 历史 391

15.3.3 分布式计算与Web服务 392

15.3.4 其他用户问题 396

15.3.5 网格管理 397

15.4 工业与商业网格 398

15.4.1 工程应用 398

15.4.2 应对灾难 399

15.4.3 健康网格 400

15.4.4 虚拟组织 400

15.5 结论 401

进一步阅读 402

作者简介 403

第五部分 行动中的科学 407

第16章 生物物理学与生物分子材料 407

16.1 引言 407

16.2 膜 410

16.2.1 具有大弯曲刚度的液体膜间的相互作用 412

16.2.2 柔性液体膜间的Helfrich振荡相互作用 413

16.2.3 柔性流体分层膜的X射线同步散射揭示了Helfrich振荡相互作用的存在 414

16.3 DNA-膜络合物 418

16.3.1 正离子脂质体-DNA络合物的分层L C α相 419

16.3.2 反荷离子释放驱动DNA-膜络合物的自组装 424

16.3.3 CL-DNA络合物的过量荷电；与活体DNA-组蛋白络合物的相似 424

16.3.4 CL-DNA络合物的反六角H C Ⅱ相 427

16.3.5 CL-DNA络合物的结构与基因递送之间的关系 428

16.3.6 二维空间的DNA 430

16.4 多层洋葱相 433

16.5 囊质体-膜泡内的脂质体 434

16.6 蛋白质的活体组装 436

16.7 未来的研究方向 441

进一步阅读 445

作者简介 445

第17章 医学物理学 447

17.1 前言 447

17.2 放射诊断学的未来——低剂量与对比度的较量 448

17.3 放射治疗——从钴弹到重离子 452

17.4 核医学——趋势和展望 458

17.5 核磁共振成像——视野进入体内 465

17.6 生物电和生物磁的测量——追踪运动和情绪 474

17.7 超声和激光的医学应用 477

17.8 脑部研究——一个综合应用 479

进一步阅读 483

作者简介 483

第18章 材料物理学 485

18.1 引言 485

18.2 杂质和掺杂 486

18.3 同位素 490

18.4 太阳能（光伏）电池 492

18.5 液晶和平板显示器 495

18.6 光导纤维 499

18.7 磁存储器 502

18.8 金刚石，富勒碳球和纳米管 506

进一步阅读 508

作者简介 508

第19章 物理学与社会 510

19.1 引言 510

19.2 社会对物理学的影响 510

19.3 物理学带给社会的副产品 513

19.4 知识 514

19.5 技术 516

19.6 方法 521

19.7 人才 523

19.8 从基础研究到技术转让的途径 527

19.9 对水晶球的大胆窥探 528

19.10 物理学的社会形象 530

19.11 展望 533

进一步阅读 534

作者简介 535

全书参考文献 536

汉英对照索引 542

译后记 567