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绪论1

上篇 经典物理基础21

第1章 时空与运动的经典表述21

1.1 绝对时空观的形成21

1.1.1 古希腊的地心宇宙21

1.1.2 哥白尼革命24

1.1.3 伽利略的贡献27

1.1.4 牛顿的绝对时空观31

1.1.5 物质世界的空间尺度与时标33

1.2 牛顿与经典力学37

1.2.1 牛顿力学的建立37

1.2.2 牛顿运动三定律38

1.2.3 伽利略和牛顿的科学方法41

1.2.4 伽利略相对性原理和伽利略坐标变换42

1.2.5 万有引力定律的建立45

1.2.6 混沌53

1.3 守恒定律和航天原理58

1.3.1 动量守恒和火箭推进原理58

1.3.2 机械能守恒定律与宇宙速度65

1.3.3 角动量守恒与航天器的运动73

1.3.4 搜寻地外文明75

第2章 场和波80

2.1 法拉第的贡献80

2.1.1 奥斯特实验的启示81

2.1.2 法拉第电磁感应定律的建立82

2.1.3 法拉第力线和场的概念84

2.2 麦克斯韦电磁场理论的建立86

2.3 电磁波88

2.3.1 电磁波的发现88

2.3.2 电磁波谱91

2.3.3 无线电波的应用92

2.4 光的波动性101

2.4.1 波动说与微粒说的对立101

2.4.2 波动说的复兴102

2.4.3 光的颜色与光谱学107

2.4.4 全球臭氧枯竭110

2.4.5 光的散射111

2.4.6 光学与电磁学的统一114

2.4.7 电磁场的物质性115

第3章 温度 能量 熵118

3.1 温度119

3.1.1 热力学第零定律——测温原理119

3.1.2 生理热平衡120

3.1.3 温度大观121

3.1.4 绝对零度的探索123

3.2 热力学第一定律127

3.2.1 能量守恒定律的确立127

3.2.2 热力学第一定律的表述131

3.2.3 温室效应与全球变暖132

3.3 热力学第二定律138

3.3.1 自然现象的不可逆性138

3.3.2 热力学第二定律的表述138

3.3.3 熵和熵增加原理139

3.3.4 玻尔兹曼熵140

3.3.5 熵与人口143

3.3.6 熵与信息147

3.3.7 熵与社会、经济和管理148

3.3.8 能量效率和运输效率152

3.4 气体动理论154

3.4.1 气体动理论的建立154

3.4.2 布朗运动与分形155

3.4.3 布朗运动与股票、期权160

第4章 19世纪物理学的成就和危机164

4.1 经典物理框架的完善164

4.1.1 19世纪物理学发展的特征164

4.1.2 经典物理框架的完善166

4.2 世纪之交物理学的三大发现167

4.2.1 电子的发现168

4.2.2 X射线的发现172

4.2.3 放射性的发现176

4.3 世纪之交的两朵乌云181

4.3.1 “以太漂移”的探索182

4.3.2 黑体辐射规律的探索185

中篇 现代物理基础195

第5章 时空理论的变革之秀——相对论195

5.1 什么是相对论196

5.1.1 从延拓相对性原理的涵义说起196

5.1.2 狭义相对论的建立198

5.1.3 时空可变释义202

5.1.4 相对论动力学的主要结论206

5.2 引力场中的时空结构210

5.2.1 等效原理和马赫原理210

5.2.2 相对性原理的再延拓212

5.2.3 时空结构的变更——弯曲时空概念的确立214

5.3 相对论时空观——现代文明的奇丽瑰宝217

5.3.1 时空与物质运动217

5.3.2 时空的动力学机制218

5.3.3 相对性原理的延拓与物理学理论的发展219

5.3.4 相对论建树对现代文明建设的影响221

第6章 茫茫玉宇 谁主沉浮——相对论宇宙学概述226

6.1 广义相对论的大尺度印证227

6.1.1 光线弯曲和引力透镜效应227

6.1.2 引力辐射229

6.1.3 天文新发现和广义相对论的再度辉煌231

6.2 标准宇宙模型234

6.2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说234

6.2.2 宇宙红移及其哈勃定律237

6.2.3 暴胀、暗能量、加速膨胀239

6.2.4 宇宙微波背景辐射及其各向异性242

6.2.5 有限动态宇宙模型与现代宇宙观的确立245

6.3 黑洞探索方兴未艾248

6.3.1 黑洞、白洞，交相衬映249

6.3.2 黑洞与时空结构的奇异性250

6.3.3 黑洞探索的宇宙学意义252

第7章 现代物质观的理论基石——量子论257

7.1 量子概念，量子物理之灵魂259

7.1.1 能量子和光量子259

7.1.2 量子（定）态和量子跃迁262

7.1.3 物质波和微观粒子的波粒二象性264

7.1.4 波函数的概率解释和概率波概念267

7.1.5 海森伯不确定性原理270

7.2 量子真谛，明乎霭乎272

7.2.1 量子论的统计特色和测量特征273

7.2.2 玻尔互补原理与观测概念之认定274

7.2.3 “薛定谔猫佯谬”之解析与“物理实在”定义之修改277

7.2.4 量子纠缠概念的认同与量子信息论基础的奠定281

7.2.5 作用量子h释义283

7.3 量子场——物质存在的基本形式285

7.3.1 场量子化与量子场论286

7.3.2 真空——量子场的基态287

7.3.3 相互作用描述方式的演变289

7.4 量子论与相对论的形式结合291

7.4.1 相对论量子力学与正电子预言291

7.4.2 用量子理论讨论时空结构的奇异性295

7.4.3 时空量子化298

7.4.4 现代物质观要义299

第8章 探深入微 堪与评说——物质结构简论303

8.1 物质层层分割：分子→原子→原子核→核子304

8.1.1 分割原子——物质微观结构探索的起始304

8.1.2 原子核的构成307

8.1.3 核力、强相互作用以及介子理论309

8.1.4 弱相互作用以及中微子理论312

8.1.5 核反应、核裂变和核聚变以及核能开发的理论依据313

8.2 亚核层次的美学特征315

8.2.1 “粒子世界”概貌315

8.2.2 粒子和反粒子318

8.2.3 对称性和对称性破缺319

8.2.4 美哉，夸克模型322

8.2.5 “基底”粒子的对称性325

8.3 相互作用及其统一性探讨327

8.3.1 爱因斯坦对统一场论的探讨328

8.3.2 规范协变原理开辟作用场统一的通途329

8.3.3 弱作用和电磁作用的成功统一330

8.3.4 “大统一”和“超统一”332

8.3.5 对于物质世界统一性之探索概况336

8.3.6 宇宙极早期的统一性描绘336

8.4 堪与评说：对物质结构及其理论描述的再认识338

8.4.1 “夸克禁闭”简介339

8.4.2 对物质结构及其理论描述的再认识340

8.4.3 现代理论物理的百余年总结342

下篇 物理学与现代科技第9章 物理学与新材料346

9.1 新材料与人类文明346

9.1.1 晶体346

9.1.2 非晶固体351

9.1.3 液体353

9.2 超导材料353

9.2.1 超导电性353

9.2.2 迈斯纳效应355

9.2.3 BCS理论356

9.2.4 高温超导357

9.2.5 超导的应用359

9.2.6 富勒烯——C60360

9.3 人工设计材料361

9.3.1 超晶格材料361

9.3.2 光子晶体364

9.3.3 左手材料：开辟材料世界的另一个半边天370

9.4 纳米材料375

9.4.1 纳米微粒材料375

9.4.2 纳米多孔材料378

第10章 激光与通讯382

10.1 激光的发现和机理382

10.1.1 现代通讯史话382

10.1.2 激光原理384

10.2 激光器的种类和应用386

10.2.1 普通激光器的种类386

10.2.2 激光的应用389

10.3 光纤通讯网络391

10.3.1 信息高速公路391

10.3.2 光纤网络传输393

10.3.3 数字信号技术393

10.4 激光器的新发展394

10.4.1 自由电子激光器394

10.4.2 准分子激光器396

10.4.3 X射线激光器397

第11章 物理学与新能源402

11.1 能源利用与能源危机402

11.1.1 能源的利用和发展402

11.1.2 能源危机及其前景404

11.2 留住太阳能408

11.2.1 光电导和光生伏特效应408

11.2.2 太阳能电池409

11.3 核裂变能的应用411

11.3.1 原子核的裂变411

11.3.2 链式反应与临界质量413

11.3.3 原子弹414

11.3.4 核电站417

11.4 核聚变能的应用421

11.4.1 原子核的聚变421

11.4.2 氢弹422

11.4.3 磁约束聚变422

11.4.4 惯性约束聚变424

11.5 氢能源427

11.5.1 干净的氢燃料427

11.5.2 氢的制备428

11.5.3 氢的储存428

11.6 可燃冰429

11.6.1 可燃烧的冰429

11.6.2 可燃冰资源的开发430

第12章 物理学与生命科学433

12.1 力学与生命科学434

12.2 非平衡态热力学与生命现象438

12.3 生物电现象440

12.4 生物磁现象442

12.5 量子力学与生命科学444

12.6 生物芯片技术447

结语452

第二版后记462

人名索引464

主题索引470