现代物理学前沿选讲 （第二版）

本书从宇观、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。

黄祖洽，男，1924年10月出生于湖南长沙，理论物理和核物理学家。1950年清华大学理论物理研究生毕业后，先后在中国原子能研究院及二机部九院工作，从事原子核理论、反应堆理论及氢弹理论的研究。1980年当选为中国科学院院士，同年到北京师范大学任教。先后培养6名硕士和14名博士，共发表论文及专著等130余篇（种）。曾获国家自然科学一等奖、国家教委科技进步一、二等奖及何梁何利科技进步奖；被评为北京市师德先进个人，北京市优秀党员。自1999年开始在北京师范大学为物理系和相关院、系、所一年级本科生讲授选修课《现代物理学前沿选讲》，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，并以授课讲义为基础，结合多年的讲授经验，经过修改、补充，整理成书。希望本书对大学低年级的同学、讲授有关课程的大、中学教师和对现代物理学前沿发展有兴趣的读者有所帮助。

第二版序言

第1讲前言1

1.1大家都可以来了解现代物理学前沿1

1.2为什么要选修物理学2

1.3现代物理学中的不同专业5

1.4现代物理学的前沿7

1.5关于参考书14

第2讲时空观念的变化——从牛顿到爱因斯坦17

2.1引言17

2.2牛顿的时空观和决定论21

2.3宇宙学原理24

2.4白夜佯谬25

2.5爱因斯坦的贡献27

第3讲相对论浅释33

3.1历史背景33

3.2狭义相对论34

3.3动尺缩短和动钟变慢38

3.4速度的合成41

3.5质能（质量和能量的）等价关系42

3.6爱因斯坦的引力理论（广义相对论）43

3.7广义相对论的三个关键性检验及其他46

第4讲我们的宇宙——膨胀的宇宙52

4.1爱因斯坦方程的宇宙解52

4.2哈勃定律53

4.3热大爆炸宇宙论55

4.4宇宙残余的背景辐射56

4.5暗物质和暗能量58

4.6天体物理观测卫星的应用59

4.7宇宙学的自然单位制和普朗克尺度62

第5讲我们的宇宙——宇宙演化简史64

5.1宇宙的创生时期(0<t<10-43s)64

5.2普朗克时期(t~10-43s)65

5.3大统一时期(tpl<t<10-35s)及暴胀时期(10-35s<t<10-32s)65

5.4夸克-轻子时期(10-32s<t<10-6s)66

5.5强子-轻子时期(10-6s<t<1s)66

5.6辐射时期和核合成时期(1s<t<2×105年)67

5.7星系时期(2×105年<t<109年)68

5.8恒星时期(t>109年)68

5.9关于人择原理69

第6讲量子物理学的发展72

6.1宇观物理学中的微观粒子72

6.2经典物理学在微观世界出了问题73

6.3量子观念的提出74

6.4原子结构和光谱的研究引到旧量子论75

6.5新量子力学的第一个方案──矩阵力学的产生77

6.6新量子力学的第二个方案──波动力学的产生78

6.7波函数的统计诠释80

6.8海森伯的不确定关系81

6.9相对论性量子力学的提出82

6.102012年的诺贝尔物理奖——量子世界里的粒子控制84

第7讲微观世界的层次86

7.1中子的发现和原子核组成的确定86

7.2大量强子的发现87

7.3强子的对称性和夸克模型的提出89

7.4粲夸克的提出和J/Ψ粒子的发现91

7.5底夸克的发现和B介子92

7.6第六味夸克──顶夸克的发现92

7.7电子性质的深入研究和量子电动力学的重正化93

7.8μ子的发现和“e-μ之谜”95

7.9τ子的发现和“e-μ-τ之谜”96

7.10中微子的发现和有关它们的“谜”97

7.11轻子和夸克的分代100

第8讲基本粒子的标准模型101

8.1基本粒子和相互作用101

8.2引力相互作用102

8.3电磁相互作用103

8.4弱相互作用104

8.5中间玻色子理论和弱电统一理论107

8.6强相互作用和标准模型109

8.7一些讨论114

8.8中微子振荡115

第9讲对称性和守恒量118

9.1对称性和不变性118

9.2诺特(A.E.Nother)定理118

9.3处理对称性的数学工具──群论119

9.4麦克斯韦方程的规范不变性120

9.5量子力学中的规范不变性122

9.6作用量原理123

第10讲微观物理学和宇观物理学的联系127

10.1极早期宇宙和粒子物理理论127

10.2关于大统一理论127

10.3强子及轻核形成的问题130

10.4宇宙早期核合成的理论130

10.5宇宙学信息对中微子代数Nν的限制133

10.6正反物质不对称的问题135

第11讲宏观物质世界的复杂性138

11.1引言138

11.2宏观物理学的两类问题139

11.3凝聚态物理学及其重要性140

11.4物质在分子层次的复杂性143

11.5高温（高超导转变温度Tc）超导物理144

11.6低维物理和介观物理145

11.7决定论和随机性145

11.8交叉科学146

第12讲量子流体和量子光学148

12.1什么是量子流体148

12.2低温物理学的进展148

12.3超流性的发现150

12.4玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）151

12.53He超流体及其相变的发现152

12.6量子光学154

12.7激光精密光谱学157

第13讲激光冷却和捕获原子161

13.1从1997年的诺贝尔物理学奖说起161

13.2激光冷却和捕获原子技术在科学上的应用161

13.3激光冷却和捕获原子技术的发展162

13.4激光冷却原子的物理机制164

13.5激光捕获原子──原子阱──的物理机制166

13.6BEC和2001年的诺贝尔物理学奖167

第14讲分数量子霍尔效应170

14.1霍尔效应170

14.2量子霍尔效应170

14.3电磁计量的量子基准172

14.4半导体异质结174

14.5分数量子霍尔效应176

第15讲高压物理学180

15.1高压物理学的意义和研究领域180

15.2高压物理学的先驱者181

15.3高压物理学的发展183

15.4超高压的产生184

15.5超高压下的凝聚态物理学186

15.6毛河光(H.K.Mao)在超高压物理学方面的工作186

15.7超高压下地壳和地幔物质的研究190

习题192

数学附注200

1矢量200

2矩阵206

3群210

4张量215

外国人名及专用名索引218

书中出现的诺贝尔奖索引226