第一篇 物理学前沿问题 3
第1章 物理学与高科技 3
1.1 21世纪的高科技与知识经济 3
1.1.1知识经济时代 3
1.1.2支撑知识经济的高科技 3
1.1.3 21世纪的高科技需要教育去培育 4
1.2 21世纪的高科技与物理学 4
1.2.1 20世纪的高科技与物理学 4
1.2.2 21世纪的高科技与物理学 5
1.2.3 21世纪的物理学家的责任 6
1.3 21世纪的物理学的前景与可能面临的变革 6
1.3.1 20世纪的物理学的现状与发展趋势 6
1.3.2 21世纪的物理学的前景与可能面临的变革 7
1.3.3 21世纪的物理学家将要面临的挑战与机遇 8
1.4大学本科的物理学和数学的知识结构 8
参考文献 10
第2章 凝聚态物理学与介观物理学 11
2.1凝聚态物理学的现状 11
2.1.1凝聚态 11
2.1.2凝聚态物理学 11
2.1.3凝聚态理论 11
2.1.4凝聚态物理学的基本概念 12
2.2新有序相 15
2.2.1金属氢 15
2.2.2重电子金属 15
2.2.3氧化物高温超导体 16
2.2.4 C60（C70） 20
2.2.5 维格纳晶体 21
2.2.6金属多层膜（超晶格） 21
2.2.7拓扑相 21
2.2.8拓扑绝缘体 21
2.2.9石墨烯 22
2.3低维系统与小系统：介观物理与表面物理、团簇物理与纳米科技 24
2.3.1量子霍尔效应 24
2.3.2表面物理学 25
2.3.3准一维系统与有机链状分子 27
2.3.4零维体系与介观系统 28
2.3.5 纳米颗粒与纳米科技 33
2.3.6自旋电子学 35
2.4等离子体物理学与核聚变 35
2.4.1等离子体物理的基本问题 35
2.4.2等离子体物理新的研究领域 35
2.4.3聚变等离子体物理 35
2.4.4空间和天体等离子体物理 35
2.4.5低温等离子体物理与技术 36
2.5人造系统：超晶格、准晶格与人造原子 36
2.5.1超晶格 36
2.5.2准晶格 36
2.5.3人造原子 37
2.5.4固体或液体环境中的原子、分子 37
2.6极端条件下的凝聚态物理学 37
2.6.1高温高压下的凝聚态 37
2.6.2超强电磁场中的凝聚态 37
2.7复杂性与自组织 37
2.7.1复杂性与复杂性科学 37
2.7.2自组织与耗散结构 39
2.7.3 生物凝聚态 40
2.7.4非平衡态物理学 40
2.7.5软凝聚态物理 40
参考文献 41
第3章 原子、分子物理学与光学 42
3.1引言 42
3.2原子结构与原子动力学 42
3.2.1原子结构 43
3.2.2原子动力学 43
3.2.3近期发展 44
3.3高精度测量与基本定律的检验 44
3.3.1高精度测量 44
3.3.2对基本定律（如弱电统一理论）的检验 45
3.4分子结构与分子动力学 45
3.4.1分子结构 45
3.4.2分子碰撞和反应动力学 46
3.5介质环境中的原子和分子 47
3.5.1固体中的杂质原子 47
3.5.2液体（水）中的杂质分子 47
3.6原子的控制与操纵——分子剪切与原子组装 47
3.6.1控制和操纵的手段 47
3.6.2控制和操纵原子的类型 48
3.6.3实例（图3-2～图3-11） 48
3.7光学 51
3.7.1现代光学 51
3.7.2 光学的主要分支学科 52
3.7.3电磁场引起的透明 53
参考文献 54
第4章 原子核物理学 55
4.1引言 55
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 57
4.3放射性核与超重核 58
4.3.1核物理在广度和深度两方面面临着巨大变革 58
4.3.2在广度方面的挑战与机遇：放射性束流核物理开创的新天地 59
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核内夸克自由度和夸克-胶子等离子体 62
4.4.3在深度上的变革：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的产生与合成：终止于氦 64
4.5.2太阳等恒星的核燃烧与平稳的核合成 65
4.5.3超新星爆发与爆发式核合成 65
4.5.4宇宙化学元素的形成、演化与丰度 65
参考文献 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 68
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 71
5.3引力的统一与超弦 74
5.3.1弦理论的历史 74
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 对万有理论的理解 76
5.4粒子物理学与核物理学的交叉 76
5.5粒子物理学与天体物理学和宇宙学的关联 77
参考文献 77
第6章 广义相对论、天体物理学与宇宙学 78
6.1宇宙的层次结构 78
6.1.1天体的层次结构 78
6.1.2 太阳和恒星 78
6.1.3致密天体：白矮星、脉冲星和中子星 81
6.1.4星际物质 82
6.1.5星系：银河系与河外星系 83
6.1.6宇宙 86
6.2黑洞与类星体 87
6.2.1黑洞 87
6.2 2类星体 88
6.3广义相对论与（经典）宇宙学模型 90
6.3.1现代宇宙学的四大基石 90
6.3.2宇宙的重要数据 92
6.3.3宇宙学原理 93
6.3.4广义相对论与标准宇宙模型 93
6.4大爆炸（量子）宇宙学 95
6.5宇宙的加速膨胀与暗物质、暗能量 96
6.5.1暗物质 96
6.5.2 宇宙加速膨胀与暗能量 97
6.6天体物理学问题：宇宙学问题与粒子物理学问题的关联 99
参考文献 99
第7章 量子信息、量子通信与量子计算 100
7.1量子力学简介 100
7.1.1量子力学基本原理 100
7.1.2量子力学的特点 102
7.1.3纯态与混合态 103
7.2量子力学与信息论 106
7.2.1自然界和社会的三大要素 106
7.2.2 信息论 106
7.2.3信息论与物理学 106
7.2.4经典信息论与量子信息论 107
7.2.5量子计算与量子通信 107
7.2.6量子计算与量子通信的优点和必要性 107
7.2.7量子信息学与量子计算已取得的成绩 107
7.3量子信息 108
7.3.1量子纠缠 108
7.3.2 量子编码 110
7.3.3量子信息 110
7.3.4量子信息的特征 110
7.4量子通信 111
7.4.1量子位 111
7.4.2 量子逻辑门 112
7.4.3量子通信 114
7.5量子噪声与量子运算（操作） 115
7.5.1密度矩阵量子态ρ的变化 115
7.5.2量子态变化的一般描述 116
7.6量子计算 119
7.6.1量子计算与经典计算 119
7.6.2几种量子算法 121
7.6.3量子纠错 121
7.7量子计算的物理实现——量子计算机 121
7.7.1量子计算机模型 121
7.7.2量子计算机的物理实现 124
7.7.3量子计算机的困难 124
7.7.4对量子通信和量子计算机的展望 125
7.8量子信息和量子通信提出的量子论的基本问题 125
参考文献 125
第8章 生物物理学 127
8.1生物物理学的产生与发展 127
8.1.1生物物理学 127
8.1.2生物物理学的产生与发展 127
8.1.3生物物理学的主要研究内容 128
8.1.4生物物理学发展的主要特征 128
8.1.5必要的知识 128
8.2生物物理学的主要研究内容 130
8.2.1分子生物物理学 130
8.2.2膜与细胞生物物理学 131
8.2.3感官与神经生物物理学 132
8.2.4生物控制论与生物信息论 133
8.2.5理论生物物理学 133
8.2.6光生物物理学 135
8.2.7自由基与环境辐射的生物物理学 136
8.2.8 生物力学与生物流变学 138
8.2.9生物物理学技术 138
8.3生物系统与生态系统：生物系统的层次性与复杂性 139
8.3.1生命是非平衡系统的一个过程，而非一种物质状态 139
8.3.2生命是一个复杂的瞬态过程 140
8.3.3生命有复杂的层次结构——从生物分子到生物系统和生态系统 140
8.4生物信息学 140
8.5讨论与展望 141
参考文献 141
第9章 结语——21世纪的物理学 142
9.1 21世纪物理学面临的变革 142
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 142
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 142
9.1.3交叉学科的兴起与新发现 143
9.1.4对高科技的巨大促进 143
9.2物理学的研究方法 143
9.3 21世纪中国的物理学 144
9.3.1 21世纪中国物理学（中期）前景的预期（部分） 144
9.3.2中国发展物理学的策略 144
9.3.3 21世纪中国物理学家的责任 145
参考文献 145
第10章 物理前沿问题讨论 146
第二篇 物理学基础探讨 151
第11章 关于相对论和引力的思考 151
参考文献 163
第12章 狭义相对论的客观物理与美学修饰 164
12.1引言 164
12.2 时空几何的物理基础 165
12.3光速不变性的物理基础 166
12.4洛伦兹时空几何的客观物理成分与美学修饰成分 168
12.5运动学和动力学的相对性原理的物理基础与物理内涵 172
12.6结论 175
参考文献 176
第13章 物理真空介质的超流性 177
13.1摘要 177
13.2正文 177
参考文献 181
第14章 守恒定律约束的真空量子涨落与量子纠缠和量子同步 182
14.1量子纠缠 182
14.2对宏观量子纠缠形成机理的设想 183
14.3次微观时空中量子涨落的描述：两个示例 184
14.4次微观量子涨落动力学 187
14.5守恒定律与量子涨落关联和量子纠缠的关系的深入分析 191
14.6可引出的物理结论 193
14.7量子涨落的整体性和对宏观量子纠缠的质疑 193
14.8结语 195
参考文献 196