《物理學前沿--問題與基礎》(作者王順金)第一篇“物理學前沿問題”，針對物理學常規(guī)研究前沿，簡要介紹物理學各個主要分支的研究現(xiàn)狀、前沿問題和發(fā)展趨勢，包括物理學與高科技，凝聚態(tài)物理學與介觀物理學，原子、分子物理學與光學，原子核物理學，基本粒子物理學與量子場論，廣義相對論、天體物理學與宇宙學。對凝聚態(tài)物理學和原子、分子物理學與光學，強調了其新發(fā)現(xiàn)和新進展與21世紀高科技的密切聯(lián)系；對原子核物理學、基本粒子物理學、廣義相對論、天體物理學與宇宙學，則探討了21世紀物理學基本理論可能面臨的重大變革。此外，還簡要地介紹了物理學與信息論，計算機科學，物理學與生物學的交叉，包括量子信息、量子通信與量子計算，生物物理學。最后，介紹了物理學的研究方法，物理學、數(shù)學與哲學的相互關系，以及2l世紀物理學發(fā)展前景展望�！段锢韺W前沿--問題與基礎》對所討論的問題提供了有用的數(shù)據(jù)與資料，包含了作者對物理學基本問題的觀點和研究心得，以及對物理學發(fā)展前景的看法。
本書第二篇“物理學基礎探討”，屬于物理學非常規(guī)研究與探索，包含了作者對物理學基礎問題的研究心得與初步成果。作者在這一部分中表述的觀點和研究的成果，希望能起到拋磚引玉的作用。作者深信，當代物理學的基礎正處于深刻變革的前夜，這一部分的內容反映了作者在新物理學黎明前的探索歷程、艱辛與迷茫。
這一部分專門針對對物理學基礎問題特別有興趣的專家學者和懷有科學使命感的年輕物理學家，其目的是吸引他們投身到潛心研究這些問題的偉大、艱巨而瑰麗的事業(yè)中來，為物理基礎的變革和新物理學的建立做出貢獻。
本書適合物理學各專業(yè)的研究生、本科高年級學生和研究人員閱讀，對相鄰學科的學生和研究人員也有參考價值。
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目錄
前言
《物理學前沿問題》前言
第一篇 物理學前沿問題
第1章 物理學與高科技 3
1.1 21世紀的高科技與知識經(jīng)濟 3
1.1.1 知識經(jīng)濟時代 3
1.1.2 支撐知識經(jīng)濟的高科技 3
1.1.3 21世紀的高科技需要教育去培育 4
1.2 21世紀的高科技與物理學 4
1.2.1 20世紀的高科技與物理學 4
1.2.2 21世紀的高科技與物理學 5
1.2.3 21世紀的物理學家的責任 6
1.3 21世紀的物理學的前景與可能面臨的變革 6
1.3.1 20世紀的物理學的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 6
1.3.2 21世紀的物理學的前景與可能面臨的變革 7
1.3.3 21世紀的物理學家將要面臨的挑戰(zhàn)與機遇 8
1.4 大學本科的物理學和數(shù)學的知識結構 8
參考文獻 10
第2章 凝聚態(tài)物理學與介觀物理學 11
2.1 凝聚態(tài)物理學的現(xiàn)狀 11
2.1.1 凝聚態(tài) 11
2.1.2 凝聚態(tài)物理學 11
2.1.3 凝聚態(tài)理論 11
2.1.4 凝聚態(tài)物理學的基本概念 12
2.2 新有序相 15
2.2.1 金屬 S 15
2.2.2 重電子金屬 15
2.2.3 氧化物高溫超導體 16
2.2.4 C60 (C70 ) 20
2.2.5 維格納晶體 21
2.2.6 金屬多層膜（超晶格） 21
2.2.7 拓撲相 21
2.2.8 拓撲絕緣體 21
2.2.9 石墨烯 22
2.3 低維系統(tǒng)與小系統(tǒng)：介觀物理與表面物理、團簇物理與納米科技 24
2.3.1 量子霍爾效應 24
2.3.2 表面物理學 25
2.3.3 準一維系統(tǒng)與有機鏈狀分子 27
2.3.4 零維體系與介觀系統(tǒng) 28
2.3.5 納米顆粒與納米科技 33
2.3.6 自旋電子學 35
2.4 等離子體物理學與核聚變 35
2.4.1 等離子體物理的基本問題 35
2.4.2 等離子體物理新的研究領域 35
2.4.3 聚變等離子體物理 35
2.4.4 空間和天體等離子體物理 35
2.4.5 低溫等離子體物理與技術 36
2.5 人造系統(tǒng)：超晶格、準晶格與人造原子 36
2.5.1 超晶格 36
2.5.2 準晶格 36
2.5.3 人造原子 37
2.5.4 固體或液體環(huán)境中的原子、分子 37
2.6 極端條件下的凝聚態(tài)物理學 37
2.6.1 高溫高壓下的凝聚態(tài) 37
2.6.2 超強電磁場中的凝聚態(tài) 37
2.7 復雜性與自組織 37
2.7.1 復雜性與復雜性科學 37
2.7.2 自組織與耗散結構 39
2.7.3 生物凝聚態(tài) 40
2.7.4 非平衡態(tài)物理學 40
2.7.5 軟凝聚態(tài)物理 40
參考文獻 41
第3章 原子、分子物理學與光學 42
3.1 引言 42
3.2 原子結構與原子動力學 42
3.2.1 原子結構 43
3.2.2 原子動力學 43
3.2.3 近期發(fā)展 44
3.3 高精度測量與基本定律的檢驗 44
3.3.1 高精度測量 44
3.3.2 對基本定律（如弱電統(tǒng)一理論）的檢驗 45
3.4 分子結構與分子動力學 45
3.4.1 分子結構 45
3.4.2 分子碰撞和反應動力學 46
3.5 介質環(huán)境中的原子和分子 47
3.5.1 固體中的雜質原子 47
3.5.2 液體（水）中的雜質分子 47
3.6 原子的控制與操縱——分子剪切與原子組裝 47
3.6.1 控制和操縱的手段 47
3.6.2 控制和操縱原子的類型 48
3.6.3 實例（圖 3-2~圖 3-11) 48
3.7 光學 51
3.7.1 現(xiàn)代光學 51
3.7.2 光學的主要分支學科 52
3.7.3 電磁場引起的透明 53
參考文獻 54
第4章 原子核物理學 55
4.1 引言 55
4.2 低能原子核物理學：結構與反應、裂變與衰變問題 56
4.2.1 作為質子、中子組成的強作用系統(tǒng)的原子核 56
4.2.2 低能核物理學有結構、反應與衰變三方面的問題 57
4.3 放射性核與超重核 58
4.3.1 核物理在廣度和深度兩方面面臨著巨大變革 58
4.3.2 在廣度方面的挑戰(zhàn)與機遇：放射性束流核物理開創(chuàng)的新天地 59
4.4 中高能原子核物理學 61
4.4.1 核內介子、超子自由度 61
4.4.2 核內夸克自由度和夸克-膠子等離子體 62
4.4.3 在深度上的變革：基于QCD的核物理深入到夸克層次 62
4.4.4 發(fā)展基于QCD的核物理的有利條件 63
4.5 天體核物理學一一宇宙元素的合成及其豐度 64
4.5.1 從大爆炸到宇宙原初核的產(chǎn)生與合成：終止于氦 64
4.5.2 太陽等恒星的核燃燒與平穩(wěn)的核合成 65
4.5.3 超新星爆發(fā)與爆發(fā)式核合成 65
4.5.4 宇宙化學元素的形成、演化與豐度 65
參考文獻 65
第5章 基本粒子物理學與量子場論 66
5.1 基本粒子物理學的現(xiàn)狀與成就 66
5.1.1 基本粒子物理學的重大發(fā)現(xiàn) 66
5.1.2 組成物質的基本粒子 67
5.1.3 基本粒子的相互作用 68
5.1.4 基本粒子物理學和量子場論的內容 70
5.1.5 基本粒子標準模型的成就 71
5.2 基本粒子標準模型的基本問題 71
5.3 引力的統(tǒng)一與超弦 74
5.3.1 弦理論的歷史 74
5.3.2 超弦理論的需要 75
5.3.3 超弦 75
5.3.4 M 理論 76
5.3.5 對萬有理論的理解 76
5.4 粒子物理學與核物理學的交叉 76
5.5 粒子物理學與天體物理學和宇宙學的關聯(lián) 77
參考文獻 77
第6章 廣義相對論、天體物理學與宇宙學 78
6.1 宇宙的層次結構 78
6.1.1 天體的層次結構 78
6.1.2 太陽和恒星 78
6.1.3 致密天體：白矮星、脈沖星和中子星 81
6.1.4 星際物質 82
6.1.5 星系：銀河系與河外星系 83
6.1.6 宇宙 86
6.2 黑洞與類星體 87
6.2.1 黑洞 87
6.2.2 類星體 88
6.3 廣義相對論與（經(jīng)典）宇宙學模型 90
6.3.1 現(xiàn)代宇宙學的四大基石 90
6.3.2 宇宙的重要數(shù)據(jù) 92
6.3.3 宇宙學原理 93
6.3.4 廣義相對論與標準宇宙模型 93
6.4 大爆炸（量子）宇宙學 95
6.5 宇宙的加速膨脹與暗物質、暗能量 96
6.5.1 暗物質 96
6.5.2 宇宙加速膨脹與暗能量 97
6.6 天體物理學問題：宇宙學問題與粒子物理學問題的關聯(lián) 99
參考文獻 99
第7章 量子信息、量子通信與量子計算 100
7.1 量子力學簡介 100
7.1.1 量子力學基本原理 100
7.1.2 量子力學的特點 102
7.1.3 純態(tài)與混合態(tài) 103
7.2 量子力學與信息論 106
7.2.1 自然界和社會的三大要素 106
7.2.2 信息論 106
7.2.3 信息論與物理學 106
7.2.4 經(jīng)典信息論與量子信息論 107
7.2.5 量子計算與量子通信 107
7.2.6 量子計算與量子通信的優(yōu)點和必要性 107
7.2.7 量子信息學與量子計算已取得的成績 107
7.3 量子信息 108
7.3.1 量子糾纏 108
7.3.2 量子編碼 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 量子邏輯門 112
7.4.3 量子通信 114
7.5 量子噪聲與量子運算（操作） 115
7.5.1 密度矩陣量子態(tài)p的變化 115
7.5.2 量子態(tài)變化的一般描述 116
7.6 量子計算 119
7.6.1 量子計算與經(jīng)典計算 119
7.6.2 幾種量子算法 121
7.6.3 量子糾錯 121
7.7 量子計算的物理實現(xiàn)一一量子計算機 121
7.7.1 量子計算機模型 121
7.7.2 量子計算機的物理實現(xiàn) 124
7.7.3 量子計算機的困難 124
7.7.4 對量子通信和量子計算機的展望 125
7.8 量子信息和量子通信提出的量子論的基本問題 125
參考文獻 125
第8章 生物物理學 127
8.1 生物物理學的產(chǎn)生與發(fā)展 127
8.1.1 生物物理學 127
8.1.2 生物物理學的產(chǎn)生與發(fā)展 127
8.1.3 生物物理學的主要研究內容 128
8.1.4 生物物理學發(fā)展的主要特征 128
8.1.5 必要的知識 128
8.2 生物物理學的主要研究內容 130
8.2.1 分子生物物理學 130
8.2.2 膜與細胞生物物理學 131
8.2.3 感官與神經(jīng)生物物理學 132
8.2.4 生物控制論與生物信息論 133
8.2.5 理論生物物理學 133
8.2.6 光生物物理學 135
8.2.7 自由基與環(huán)境輻射的生物物理學 136
8.2.8 生物力學與生物流變學 138
8.2.9 生物物理學技術 138
8.3 生物系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)：生物系統(tǒng)的層次性與復雜性 139
8.3.1 生命是非平衡系統(tǒng)的一個過程，而非一種物質狀態(tài) 139
8.3.2 生命是一個復雜的瞬態(tài)過程 140
8.3.3 生命有復雜的層次結構一一從生物分子到生物系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng) 140
8.4 生物信息學 140
8.5 討論與展望 141
參考文獻 141
第9章 結語——21世紀的物理學 142
9.1 21世紀物理學面臨的變革 142
9.1.1 物理學基本理論——粒子物理學和宇宙論在縱深方面的深刻變革 142
9.1.2 多粒子系統(tǒng)物理學和復雜系統(tǒng)物理學在橫向方面的重大進展 142
9.1.3 交叉學科的興起與新發(fā)現(xiàn) 143
9.1.4 對高科技的巨大促進 143
9.2 物理學的研究方法 143
9.3 21世紀中國的物理學 144
9.3.1 21世紀中國物理學（中期）前景的預期（部分） 144
9.3.2 中國發(fā)展物理學的策略 144
9.3.3 21世紀中國物理學家的責任 145
參考文獻 145
第10章 物理前沿問題討論 146
第二篇 物理學基礎探討
第11章 關于相對論和引力的思考 151
參考文獻 163
第12章 狹義相對論的客觀物理與美學修飾 164
12.1 引言 164
12.2 時空幾何的物理基礎 165
12.3 光速不變性的物理基礎 166
12.4 洛倫茲時空幾何的客觀物理成分與美學修飾成分 168
12.5 運動學和動力學的相對性原理的物理基礎與物理內涵 172
12.6 結論 175
參考文獻 176
第13章 物理真空介質的超流性 177
13.1 摘要 177
13.2 正文177
參考文獻 181
第14章 守恒定律約束的真空量子漲落與量子糾纏和量子同步 182
14.1 量子糾纏 182
14.2 對宏觀量子糾纏形成機理的設想 183
14.3 次微觀時空中量子漲落的描述：兩個示例 184
14.4 次微觀量子漲落動力學 187
14.5 守恒定律與量子漲落關聯(lián)和量子糾纏的關系的深入分析 191
14.6 可引出的物理結論 193
14.7 量子漲落的整體性和對宏觀量子糾纏的質疑 193
14.8 結語 195
參考文獻 196
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