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