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绪论 1

上篇 经典物理基础 23

第一章 时空与运动的经典表述 23

1 绝对时空观的形成 23

1.1 哥白尼革命 23

1.2 伽利略的贡献 27

1.3 牛顿的绝对时空观 31

1.4 物质世界的空间尺度和时标 33

2 牛顿与经典力学 38

2.1 牛顿力学的建立 38

2.2 牛顿运动三定律 38

2.3 伽利略和牛顿的科学方法 42

2.4 伽利略相对性原理和伽利略坐标变换 43

2.5 万有引力定律的建立 45

3 守恒定律和航天原理 53

3.1 动量守恒和火箭推进原理 53

3.2 机械能守恒定律与宇宙速度 59

3.3 角动量守恒与航天器的运动 66

3.4 搜寻地外文明 67

第二章 场和波 72

1 法拉第的贡献 72

1.1 奥斯特实验的启示 73

1.2 法拉第电磁感应定律的建立 74

1.3 法拉第力线和场的概念 76

2 麦克斯韦电磁场理论的建立 78

3 电磁波 80

3.1 电磁波的发现 80

3.2 电磁波谱 84

3.3 无线电波的应用 84

4 光的波动性 94

4.1 波动说与微粒说的对立 94

4.2 波动说的复兴 95

4.3 光的颜色与光谱学 100

4.4 光的散射 102

4.5 光学与电磁学的统一 105

4.6 电磁场的物质性 106

第三章 温度 能量 熵 109

1 温度 110

1.1 热力学第零定律——测温原理 110

1.2 生理热平衡 111

1.3 温度大观 112

1.4 绝对零度的探索 115

2 热力学第一定律 119

2.1 能量守恒定律的确立 119

2.2 热力学第一定律的表述 122

2.3 地球表面的温度与温室效应 123

3 热力学第二定律 124

3.1 自然现象的不可逆性 124

3.2 热力学第二定律的表述 125

3.3 熵和熵增加原理 126

3.4 玻尔兹曼熵 126

3.5 熵与人口 128

3.6 熵与信息 131

3.7 熵与社会、经济和管理 132

4 气体动理论 136

4.1 气体动理论的建立 136

4.2 布朗运动与分形 137

4.3 布朗运动与股票、期权 139

第四章 19世纪物理学的成就和危机 144

1 经典物理框架的完善 144

1.1 19世纪物理学发展的特征 144

1.2 经典物理框架的完善 146

2 世纪之交物理学的三大发现 147

2.1 电子的发现 148

2.2 X射线的发现 152

2.3 放射性的发现 156

3 世纪之交的两朵乌云 161

3.1 “以太漂移”的探索 162

3.2 黑体辐射规律的探索 166

中篇 现代物理基础 177

第五章 时空理论的变革之秀——相对论 177

1 什么是相对论 178

1.1 从延拓相对性原理的涵义说起 178

1.2 狭义相对论的建立 180

1.3 时空可变释义 185

1.4 相对论动力学的主要结论 189

2 引力场中的时空结构 191

2.1 等效原理和马赫原理 192

2.2 相对性原理的再延拓 193

2.3 时空结构的变更——弯曲时空概念的确立 194

3 相对论时空观——现代文明的奇丽瑰宝 198

3.1 时空与物质运动 199

3.2 时空的动力学机制 199

3.3 相对性原理的延拓与物理学理论的发展 200

3.4 相对论建树对现代文明建设的影响 202

第六章 茫茫玉宇谁主沉浮——相对论宇宙学概述 208

1 广义相对论的大尺度印证 209

1.1 光线弯曲和引力透镜效应 210

1.2 引力辐射 211

1.3 天文新发现和广义相对论的再度辉煌 213

2 标准宇宙模型 215

2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说 216

2.2 宇宙红移及其哈勃定律 218

2.3 有限无界动态宇宙模型与现代宇宙观的确立 221

3 黑洞探索方兴未艾 223

3.1 黑洞、白洞，交相衬映 224

3.2 黑洞与时空结构的奇异性 226

3.3 黑洞探索的宇宙学意义 228

第七章 现代物质观的理论基石——量子论 232

1 量子概念，量子物理之灵魂 233

1.1 能量子和光量子 234

1.2 量子（定）态和量子跃迁 237

1.3 物质波和微观粒子的波粒二重性 239

1.4 波函数的概率解释和概率波概念 242

1.5 海森伯不确定性原理 246

2 量子真谛，明乎霭乎 247

2.1 量子论的统计特色和测量特征 249

2.2 玻尔互补原理与观测概念之认定 250

2.3 “薛定谔猫佯谬”之解析与“物理实在”定义之修改 253

2.4 作用量子h释义 257

3 量子场——物质存在的基本形式 258

3.1 场量子化与量子场论 259

3.2 真空——量子场的基态 261

3.3 相互作用描述方式的演变 262

4 量子论与相对论的形式结合 264

4.1 相对论量子力学与正电子预言 264

4.2 用量子理论讨论时空结构的奇异性 268

4.3 时空量子化 271

4.4 现代物质观要义 273

第八章 探深入微堪与评说——物质结构简论 276

1 物质层层分割：分子→原子→原子核→核子 277

1.1 分割原子——物质微观结构探索的起始 277

1.2 原子核的构成 280

1.3 核力、强相互作用以及介子理论 282

1.4 弱相互作用以及中微子理论 285

1.5 核反应、核裂变和核聚变以及核能开发的理论依据 286

2 亚核层次的美学特征 288

2.1 “粒子世界”概貌 289

2.2 粒子和反粒子 290

2.3 对称性和对称性破缺 292

2.4 美哉，夸克模型 296

2.5 “基底”粒子的对称性 298

3 相互作用及其统一性探讨 300

3.1 爱因斯坦对统一场论的探讨 301

3.2 规范协变原理开辟作用场统一的通途 302

3.3 弱作用和电磁作用的成功统一 303

3.4 “大统一”和“超统一” 305

3.5 对于物质世界统一性之探索概况 309

3.6 宇宙极早期的统一性描绘 309

4 堪与评说：对物质结构及其理论描述的再认识 311

4.1 “夸克禁闭”简介 312

4.2 对物质结构及其理论描述的再认识 313

4.3 现代理论物理的百年总结 314

下篇 物理学与现代科技 318

第九章 物理学与新材料 318

1 新材料与人类文明 318

1.1 晶体 318

1.2 非晶固体 323

1.3 液体 325

2 超导材料 326

2.1 超导电性 326

2.2 迈斯纳效应 328

2.3 BCS理论 328

2.4 高温超导 330

2.5 超导的应用 332

2.6 富勒烯-C60 332

3 人工设计材料 334

3.1 超晶格材料 334

3.2 光子晶体 337

4 纳米材料 342

4.1 纳米微粒材料 343

4.2 纳米多孔材料 346

第十章 激光与信息科学 350

1 激光的发现和机理 350

1.1 现代通讯史话 350

1.2 激光原理 351

2 激光器的种类和应用 353

2.1 普通激光器的种类 353

2.2 激光的应用 356

3 光纤通讯网络 359

3.1 信息高速公路 359

3.2 光纤网络传输 361

3.3 数字信号技术 361

4 激光器的新发展 362

4.1 自由电子激光器 362

4.2 准分子激光器 364

4.3 X射线激光器 365

第十一章 物理学与新能源 370

1 能源利用与能源危机 370

1.1 能源的利用和发展 370

1.2 能源危机及其前景 372

2 留住太阳能 376

2.1 光电导和光生伏特效应 376

2.2 太阳能电池 377

3 核裂变能的应用 379

3.1 原子核的裂变 379

3.2 链式反应与临界质量 381

3.3 原子弹 382

3.4 核电站 385

4 核聚变能的应用 389

4.1 原子核的聚变 389

4.2 氢弹 390

4.3 磁约束聚变 391

4.4 惯性约束聚变 392

5 氢能源 395

5.1 干净的氢燃料 395

5.2 氢的制备 395

5.3 氢的储存 396

第十二章 物理学与生命科学 398

1 力学与生命科学 399

2 非平衡态热力学与生命现象 403

3 生物电现象 406

4 生物磁现象 408

5 量子力学与生命科学 410

结语 414

附录 教学辅助手段 424

后记 447

人名索引 448

主题索引 453