现代物理学前沿选讲（第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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黄祖洽 著

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• 物理学
• 现代物理学
• 前沿
• 科普
• 学术
• 高等教育
• 教材
• 量子力学
• 相对论
• 凝聚态物理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030368508

版次：2

商品编码：11215793

包装：平装

开本：16开

出版时间：2013-03-01

用纸：胶版纸

页数：227

字数：230000

正文语种：中文

内容简介

　　《现代物理学前沿选讲（第2版）》从宇观、微观和宏观三方面分别介绍一些关于现代物理学前沿发展的概况。大到宇宙的结构，其过去发展的历史和未来发展的趋势；小到组成物质的原子和亚原子结构：中间涉及极端条件（低温、高压、强电磁场）下物质所表现出的各种新现象和新规律．既试图扼要地讲述相关的物理内容，也尽可能介绍一些现代物理学发展过程中的故事。希望引起读者了解和学习物理的兴趣，认识物理对于发展社会物质文明和精神文明的意义，体会研究物理学的方法。
　　现在的这本小书是以授课讲义为基础，经过修改、补充、整理出来的。书中所介绍内容涉及51个诺贝尔奖（包括近12年的诺贝尔物理学奖）的有关内容。
　　本书可供大学低年级学生或讲授有关课程的大、中学教师参考，也可供对现代物理学前沿发展有兴趣的读者作为高级科普读物来阅读。

内页插图

目录

第1讲 前言
1.1 大家都可以来了解现代物理学前沿
1.2 为什么要选修物理学
1.3 现代物理学中的不同专业
1.4 现代物理学的前沿
1.5 关于参考书
第2讲 时空观念的变化——从牛顿到爱因斯坦
2.1 引言
2.2 牛顿的时空观和决定论
2.3 宇宙学原理
2.4 白夜佯谬
2.5 爱因斯坦的贡献
第3讲 相对论浅释
3.1 历史背景
3.2 狭义相对论
3.3 动尺缩短和动钟变慢
3.4 速度的合成
3.5 质能（质量和能量的）等价关系
3.6 爱因斯坦的引力理论（广义相对论）
3.7 广义相对论的三个关键性检验及其他
第4讲 我们的宇宙一膨胀的宇宙
4.1 爱因斯坦方程的宇宙解
4.2 哈勃定律
4.3 热大爆炸宇宙论
4.4 宇宙残余的背景辐射
4.5 暗物质和暗能量
4.6 天体物理观测卫星的应用
4.7 宇宙学的自然单位制和普朗克尺度
第5讲 我们的宇宙——宇宙演化简史
5.1 宇宙的创生时期（0〈t〈10-43s）
5.2 普朗克时期（t-10-43s）
5.3 大统一时期（tpl〈t〈10-35及暴胀时期（10-35s〈t〈10-32s）
5.4 夸克-轻子时期（10-32s〈t〈10-6s）
5.5 强子-轻子时期（10-6s〈t〈1S）
5.6 辐射时期和核合成时期（1s〈t〈2×l0年）
5.7 星系时期（2×lO年〈t〈10年）
5.8 恒星时期（t〉10年）
5.9 关于人择原理
第6讲 量子物理学的发展
6.1 宇观物理学中的微观粒子
6.2 经典物理学在微观世界出了问题
6.3 量子观念的提出
6.4 原子结构和光谱的研究引到旧量子论
6.5 新量子力学的第一个方案——矩阵力学的产生
6.6 新量子力学的第二个方案——波动力学的产生
6.7 波函数的统计诠释
6.8 海森伯的不确定关系
6.9 相对论性量子力学的提出
6.10 2012年的诺贝尔物理奖——量子世界里的粒子控制
第7讲 微观世界的层次
7.1 中子的发现和原子核组成的确定
7.2 大量强子的发现
……
第8讲 基本粒子的标准模型
第9讲 对称性和守恒量
第10讲 微观物理学和宇观物理学的联系
第11讲 宏观物质世界的复杂性
第12讲 量子流体和量子光学
第13讲 激光冷却和捕获原子
第14讲 数量子堆尔效应
第15讲 高压物理学
习题
数学附注
外国人名及专用名索引
书中出现的诺贝尔奖索引

精彩书摘

　　1.1 大家都可以来了解现代物理学前沿
　　我们今天开始上这个课。这个课的名字很大：现代物理学前沿选讲。其实这个课可以在任何水平上来讲。比如说，如果给研究生开这个课，给他们介绍一些可能的研究方向，我想是很合适的；如果在你们上大学三年级或四年级时讲，给你们进一步选择专业做参考，也是可以的。我们现在就和刚进大学的同学们讨论这方面的问题，是不是太早一点呢？我想也未必。记得在大概1947、1948年的时候，我还在清华大学念书，课余曾经给工人夜校的青年工人们讲过一点科学知识，有几次我就试着跟他们谈了一些关于物质的组成和运动的问题。工人们知道我是物理系的，跟我提出了许多他们听到和想到的物理问题。我看他们的兴趣还挺广，就跟他们谈了一些有关相对论和宇宙起源的、当时还算相当前沿的物理知识，他们好像也可以理解。事实上，对于希望了解物理学的青年人来说，重要的不是知道许多描写现代物理学前沿问题细节的高等数学公式和推导这些公式的数学技巧，而是了解：有关这些问题，我们今天已经从物理上解答了多少？还有些什么问题需要我们继续努力去寻求解答？也就是说，当你们面临物理学这一大片原野时，尽早鸟瞰一下这片原野开垦的大致情况和前沿在哪里，还是很有必要的。所以我说这种问题可以在任何水平上来讨论。当然，随着学习的深入，会要求大家从定性的鸟瞰进入定量的描述。所以，随着对象的不同，讲这个课的方式也不一样。如果是跟高年级同学来讲或跟研究生同学来讨论这方面的问题，那么就会有许多数学牵涉进来，像线性代数、微积分、高等代数、高等几何等一些中学没有教过的数学。对于还没有学过这些数学的同学，开始的时候可以对有关公式的推导跳过去，但是把问题记下来，等到你们在数学课上或自己看数学参考书学到有关知识时，再联系起来加以解决。这时，你们就会像遇到久已向往的人那样，感到由衷的喜悦。不过，考虑到大多数同学的学习进度，在开始的半个学期，我还是尽量只用中学已经学过的那些数学知识。实在要用到一些高等数学的观念时，简单的我就在黑板上临时说明，复杂的就在书末以数学附注的形式从头开始加以介绍。写这些附注的目的，完全是为了同学们现在和将来学习时参阅方便，既不试图代替专门的数学课程，也不追求系统完备。另外，我假设同学们都掌握了中学时代应当掌握的那些基础物理知识。不过，如果有同学听讲的时候感到有问题不太清楚，请随时举手示意向我提问，或者先记下来，等到课间休息时或课后再来和我讨论。要是时间来不及，自己下课后再去查书也是可以的。
　　1.2 为什么要选修物理学
　　我不知道我们同学选学物理这个学科都经过了一些什么考虑。我只回想起当初我是为什么要选修物理的。我记得初中时候教物理的老师很好。他上课的时候，我听不懂时向他提一些问题，有的问题他当时就解释了，有些问题一时解释不了的，他就让我课后上他的休息室去，并且把他大学时的教科书翻出来。我还记得就是《Dufr物理学》。他借给我，让我自己看。我看后经过自己的思考，并且自己动手做了些计算，搞清楚了原来不懂的问题，感到很高兴。从那个时候开始我就对物理有了兴趣。后来上高中时，我也常找这位老师或到校图书馆借物理方面的书自学。越学兴趣越大，后来考西南联大时就选择了物理系。我想同学们选修物理多半也是因为你们对物理有了兴趣。
　　……

前言/序言

现代量子信息科学概览：从基础到前沿 书籍简介 本书旨在为对现代量子信息科学领域感兴趣的读者提供一个全面且深入的概览。它并非对特定领域（如您提到的“现代物理学前沿选讲（第2版）”）内容的简单复述或替代，而是专注于构建量子信息这一跨学科领域的知识框架，涵盖其理论基础、关键技术进展以及未来潜在应用。 全书结构清晰，逻辑严谨，从量子力学的基本原理出发，逐步深入到量子计算、量子通信和量子测量的核心概念。我们力求在保持科学严谨性的同时，使内容易于理解，尤其适合具有一定物理或数学背景，希望系统了解该领域前沿动态的研究人员、高年级本科生及研究生。 第一部分：量子信息学的基石 本部分着重于奠定理解量子信息所需的理论基础。我们不会直接涉及经典物理学或传统光学领域的深入讨论，而是聚焦于如何用现代物理学的视角来描述信息载体——量子比特（Qubit）。 第一章：量子力学基础的回顾与重塑 本章将简要回顾量子力学的核心概念，如态叠加原理、波函数坍缩、以及薛定谔方程。重点在于引入“量子比特”这一信息载体的数学表示——用二维复向量空间描述，即希尔伯特空间（Hilbert Space）的概念。我们将详细讨论狄拉克符号（Bra-Ket Notation）的运用，这是量子信息处理的通用语言。此外，本章会区分经典比特与量子比特在信息存储和处理能力上的本质差异。 第二章：量子态的描述与度量 本章深入探讨量子态的描述方法。我们将详细介绍单比特和多比特系统的状态表示，包括张量积在描述复合系统中的应用。重点内容包括： 1. 量子态的几何表示： 布洛赫球（Bloch Sphere）在可视化单量子比特状态中的核心作用。 2. 量子信息的度量： 引入冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）来量化量子态的纯度和纠缠程度。我们将解释为什么信息熵在量子世界中需要新的定义。 3. 纯态与混合态： 清晰区分这两种状态，并探讨密度矩阵（Density Matrix）在处理开放量子系统时的不可或缺性。 第三章：量子演化与酉变换 量子态的演化由酉算符（Unitary Operators）描述，这是保证信息守恒的关键。本章将系统介绍描述量子门操作的数学框架： 1. 单比特门： 详细分析泡利（Pauli）矩阵群（X, Y, Z）、Hadamard 门（H）的作用及其在创建叠加态中的关键地位。 2. 多比特门： 重点讨论受控非门（CNOT）的构造与意义，它是实现量子逻辑运算和纠缠生成的核心。此外，也将介绍 Toffoli 门等通用门集的概念。 3. 量子线路图： 介绍如何使用图形化语言——量子线路图来描述复杂的量子算法和物理过程，这是信息处理流程的标准表示方法。 第二部分：量子纠缠与多体系统 纠缠是量子信息区别于经典信息的最核心特征。本部分将专注于这一现象的理论描述、量化以及其在信息科学中的应用。 第四章：纠缠的本质与量化 本章是全书的理论高地之一。我们将明确区分可分离态（Separable States）与纠缠态（Entangled States）。 1. 贝尔态（Bell States）： 作为最基础的二体最大纠缠态，贝尔态的构造、测量及其在量子隐形传态中的应用是本章的核心案例。 2. 纠缠的度量： 介绍纠缠熵（Entanglement Entropy）的概念，并讨论可分离性的判定标准，例如 PPT 判据（Positive Partial Transpose）。 3. GHZ 态与其他多体纠缠： 将讨论如何将纠缠扩展到三个或更多量子比特的系统，以及GHZ态在基础物理验证中的特殊地位。 第五章：量子测量的再思考 量子测量是经典世界与量子世界发生交互的界面。本章将避免陷入关于“测量问题”的哲学争论，而是专注于测量操作的数学描述及其对量子态的影响。 1. 投影公设（Projection Postulate）： 详细阐述测量如何导致波函数坍缩，并引入概率幅（Probability Amplitudes）与概率之间的关系。 2. 弱测量与后向演化： 介绍非破坏性测量技术的前沿概念，以及弱测量如何允许我们在不完全破坏量子态的情况下获取信息。 3. 量子与经典的接口： 讨论如何从量子测量中提取经典信息，以及信息泄漏对量子态保真度的影响。 第三部分：量子信息技术的实现途径 本部分将视角转向实验物理和工程应用，介绍当前主流的量子信息技术平台及其面临的挑战。我们聚焦于实现量子计算和通信所需的物理载体。 第六章：主流量子计算平台综述 本章系统性地比较目前最有希望实现通用量子计算的几种物理系统，强调它们各自的优势（如相干时间长、操作精度高）和劣势（如可扩展性差、连接性受限）。 1. 超导电路量子比特： 基于约瑟夫森结的量子比特，重点讨论其架构、微波控制机制以及谷歌、IBM等机构的研究进展。 2. 离子阱技术： 依赖于囚禁在电磁场中的单个离子，重点讨论其极高的门操作保真度和全局连接性。 3. 中性原子与光子系统： 简要介绍基于里德堡原子（Rydberg Atoms）的阵列，以及光量子计算（如线性光学量子计算 LOQC）的独特优势和挑战。 第七章：量子纠错与容错计算 由于环境噪声对量子态的破坏（退相干），容错计算是实现大规模量子计算机的必经之路。本章专注于信息保护的理论和实践。 1. 退相干机制： 详细分析环境噪声（如弛豫和去相位）对量子比特的影响，并引入退相干时间 $T_1$ 和 $T_2$ 的概念。 2. 量子纠错码（QECC）： 介绍Shor码、Steane码等经典量子纠错方案，核心在于如何用冗余的物理量子比特编码一个逻辑量子比特。 3. 容错门操作： 探讨如何设计能在纠错码保护下运行的逻辑量子门，这是通往容错量子计算的关键一步。 第八章：量子通信与网络 量子纠缠不仅是计算资源，也是通信的基石。本章探讨如何利用量子力学原理实现超越经典限制的通信安全。 1. 量子密钥分发（QKD）： 详细介绍 BB84 协议的工作原理，强调其基于物理定律的绝对安全性保证，并区分其与后量子密码学的区别。 2. 量子隐形传态（Quantum Teleportation）： 从贝尔态和CNOT门出发，详细解析信息的无克隆传输过程，这在分布式量子计算中具有重要意义。 3. 量子中继器与网络： 展望未来量子互联网的构想，讨论建立长距离量子链路所必需的纠缠交换（Entanglement Swapping）技术。 结语：展望量子信息科学的未来 本章对全书内容进行总结，并展望该领域未来十年的研究热点，包括变分量子算法（VQE）、量子模拟的最新进展，以及跨学科研究（如量子生物学）的潜力。本书力求提供一个坚实的知识储备，使读者能够紧跟该领域飞速发展的步伐。

评分☆☆☆☆☆

这本书我还在犹豫要不要入手，主要是看中了“前沿选讲”这几个字，感觉应该会有一些我之前没接触过的内容。我最近对一些比较抽象的物理概念很感兴趣，比如量子纠缠、黑洞信息悖论之类的，希望能在这本书里找到一些深入浅出的讲解。当然，我也知道这类书籍有时候会写得非常晦涩，比如我之前读过一本讲引力波的，虽然讲的内容很有意思，但很多公式和推导我实在跟不上，最后只能囫囵吞枣地看个大概。所以，我特别希望这本书在讲解前沿理论的时候，能多一些类比和直观的解释，即使牺牲一点点严谨性，能让我这个非专业人士也能体会到其中的美妙之处。我比较反感那种上来就扔一大堆数学公式，然后让你自己去领会的讲法。另外，我也想知道这本书的案例分析部分怎么样，有没有一些实际的实验或者观测数据来佐证理论，这样会更有说服力，也更容易理解。总之，我希望这本书能像一位经验丰富的向导，带领我穿越物理学迷人的未知领域，而不是把我扔进一个充满公式的迷宫。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我只能说，它给了我一个完全出乎意料的体验。我本来以为会是一本硬核的理论科普，没想到作者在里面融入了大量的历史背景和思想演变过程。比如，在讲到量子力学的发展时，作者不仅仅是介绍了哥本哈根诠释或者多世界诠释，而是花了很长的篇幅去梳理那些伟大的物理学家们是如何一步步从经典物理的困境中走出来，如何争论、如何修正，最终才形成我们今天看到的量子理论框架。这种“人”的故事，让那些抽象的概念变得鲜活起来。我还特别喜欢作者在处理一些争议性理论时的态度，他没有简单地站队，而是尽可能地呈现不同学派的观点和论据，让读者自己去思考。当然，这本书的学术深度也是毋庸置疑的，很多地方的推导还是相当精密的，这对于我这种想更进一步了解物理学的人来说，是非常宝贵的。我个人觉得，如果对物理学史或者科学哲学感兴趣的读者，这本书绝对会带来很多启发，它不只是在讲“是什么”，更在讲“为什么会是这样”。

评分☆☆☆☆☆

我最近在学习一些与粒子物理相关的内容，所以特意找了这本《现代物理学前沿选讲》。这本书涵盖的范围相当广泛，从量子场论的基本概念，到弦理论和圈量子引力的一些最新进展，都有所涉猎。我印象最深刻的是作者在讲解一些非常前沿但尚未被完全证实或证伪的理论时，所采取的那种审慎的态度。他没有把这些理论当作既定事实来宣传，而是详细地介绍了它们出现的背景、解决的问题，以及面临的挑战，并引用了大量最新的研究文献。这让我觉得这本书非常严谨，不是那种为了吸引眼球而过度简化的科普读物。当然，有些部分的数学推导还是比较复杂的，我需要反复阅读和参考其他的资料才能理解。但整体而言，它为我提供了一个很好的概览，让我对当前粒子物理和宇宙学的一些热点问题有了更清晰的认识。我特别期待后面关于暗物质和暗能量的章节，希望能从中获得一些新的见解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和设计让我眼前一亮。不像我之前看过的很多物理学书籍，要么就是密密麻麻的文字，要么就是只有冷冰冰的图表，这本书在视觉呈现上做得非常用心。我尤其喜欢它在关键概念旁边设置的“思考题”或者“拓展阅读”的提示，这让我感觉作者不仅仅是单方面地输出知识，还在鼓励读者主动参与到学习过程中。还有，书中大量的插图和示意图，画得既美观又准确，很多复杂的物理过程，通过这些图就能立刻豁然开朗。比如，讲到相对论的弯曲时空，书中就用了非常形象的比喻和几何图示，这比纯粹的数学方程要直观得多。虽然我承认，这本书的某些章节确实需要一些基础的物理知识才能完全理解，但总的来说，它在努力降低阅读门槛，让更多非专业人士也能接触到现代物理学的魅力。我个人认为，对于想要培养孩子对物理学兴趣的家长来说，这本书也是一个不错的选择。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我最先注意到的是它独特的叙事风格。作者似乎非常擅长用故事和类比来阐释复杂的物理概念。比如，在讲到量子纠缠的时候，他用了一个非常生动的“分身术”的比喻，让我一下子就抓住了核心思想，而不是被那些看似玄乎其玄的量子态描述搞晕。我还喜欢他穿插在理论讲解中的一些“物理学家轶事”，这些小故事不仅增加了阅读的趣味性，也让我对那些伟大的思想家有了更深的理解。当然，我也知道，这种风格可能在某些严谨的物理学家看来会稍显不够“科学”，但对我这种只想领略现代物理学魅力的普通读者来说，却是恰到好处。我比较好奇的是，这本书在解释一些更具争议性的理论，比如量子计算的潜在应用或者多重宇宙的猜想时，会有怎样的论述。我希望它能提供一些基于现有证据的分析，而不是纯粹的科幻想象。总的来说，这本书给我一种“温故而知新”的感觉，它帮助我重新审视了一些我以为已经理解的概念。

评分☆☆☆☆☆

这本书的介绍说是平装，但实际上是精装版！希望京东及时更正介绍！

评分☆☆☆☆☆

第一层次指的是对过去实际发生的事情的述说，第二层次则是指对这种述说背后起支配作用的观念进行反思和解释，后者有时也称或。我们可以分别称之为一阶科学史和二阶科学史。一阶的科学史和二阶的科学史是密切关联的。我们称之为“历范围、不同内容和不同到牛顿这段历史时期。这段时期，科学思想发生戏剧性的变革，为迎接新思想的到来所需要的细节上的改变，一环紧扣一环，每一环节都由一个伟大的人物来完成，整个科学的进展仿佛是早已安排好了的一幕戏剧的开演。这样的历史当然使思想史或观念史大有用武之地，可是这种情况在科学史上并不总是出现。到了18世纪，科学发展的线索就不那么分明了，科学史不再是在少数几个成熟学科中观念的变革史，而是许多新学科的诞生史。美国科学史和科学哲学家托马光学与静力学这五大学科属于古科学在科学革命时期的转变，更多地归因于人们以新的眼光去看旧现象，而较少得力于一系大地依赖实验，库恩称之为培根科学，因为培根曾在他的发展设计过兰图。库恩指出，数学传统的古典科学和实验传统的培根科学直到19世纪仍然是分离的、独立发展的，不能用一种发展模式来套全部的科学史。库恩的观点对我们认识思想史编史方法的局限性是有帮助的。

评分☆☆☆☆☆

无论是印刷还是纸的质量，都很好，非科普类书籍。

评分☆☆☆☆☆

还行，不过对于非物理人群来说，还是有些内容复杂了

评分☆☆☆☆☆

一部近代物理学史。。。

评分☆☆☆☆☆

非常不错的一套书，内容和装帧设计都是很不错的，买来看看的！

评分☆☆☆☆☆

多位专家撰写，能够通过这些了解现代物理的概貌！推荐！

评分☆☆☆☆☆

书很满意 写的翔实 推荐购买 20世纪物理学发展的脉络很齐 还有历史介绍和发展的故事 让人看到物理学如何进步的故事 感动

评分☆☆☆☆☆

好书一本，值得收藏与阅读，定有大收获。