本书是这样安排的。第一章作为基础，介绍了相对论、量子力学和量子场论三方面内容。对于前两方面内容，本书的读者在过去或许曾经学习赤字。但是考虑到它的重要性，以及在今后中学物理教学的内容和方法改革中的必要性，我们还是以概要的方式作了较全面的介绍，希望读者能从基本观点、基本理论以及基本方法上较全面地了解它们的基本内容。第二章介绍了在基本粒子和夸克层次上对于物质世界的知识，它代表了人们迄今对于深度微观领域探索研究的最前沿。第三章涉及到分子和原子层次上的一个重要领域——固体物理学，这门物理学分支学科直接由量子理论派生而来。前面提到的量子理论所导致的新技术领域中的许多方面都是通过固体物理学实现的。第四章介绍了近半个多世纪来关于宇宙和天体演化的理论，它再次显示了物理学家在相对论和量子理论创建过程中所领悟到的一个观念：只有能够能过实验在严格意义上观察测量到的客体和自然现象才是有意义的，而且是可以为人们所认识的。第五章介绍了近几十年来关于远离平衡区域和非线性自然现象的研究成果，这些复杂性现象在宏观、微观，甚至是宇观世界中都可能存在。第六章简要介绍了物理学在生命科学基础理论方面的作用。简单分子在合适的环境下能够相互结合，形成较复杂的分子，而这些分子又能自动复制它们自己。要弄清这其中的道理或许还要经过相当长时间。物理学家在物质结构分子层次上的这个领域还有许多工作可做。附录中列出了诺贝尔物理学奖的授奖情况，旨在简要回顾近一个世纪来的物理学成就，这些内容对于中学教学的实践和改革工作是有参考价值的。

目录

编者的话

第一章 现代物理学的两大支柱

1.1相对论和量子力学的产生背景

1 经典物理学及其不足

2 两朵乌云

3 经典物理学的适用范围

1.2光速不变和相对论

1 为什么要研究相对论

2 电磁学向伽利略一牛顿相对论提出挑战

3 光速不变——一个需要思考才能理解的事实

4 洛伦兹变换

5 四维时空与四维力学量

6 电磁学中的四维物理量

7 绝对时空观和相对时空观

1.3波粒二象性和量子力学

1 波粒二象性——一个精确的实验事实

2 什么是物质波

3 薛定谔方程——量子力学的基本运动方程

4 怎样表示力学量

5 量子力学的基本方法

6 相对论量子力学

1.4量子场——物质存在的基本形式

1 什么是量子场

2 量子电动力学

3 无穷大困难及其解决办法

4 什么是真空

第二章 基本粒子和基本相互作用

2.1向深度微观领域进军

1 分子、原子、原子核

2 核内微观世界的粒子家属

3.怎样进行高能粒子物理实验研究

2.2基本粒子的性质和基本相互作用

1 基本粒子发现简史

2 粒子的基本性质

3 四种基本相互作用

4 粒子的分类

2.3强子结构和夸克

1 奇异粒子的发现

2 质子的电荷分布

3 第三批大量强子的发现

4 强子“周期表”

5 夸克模型

2.4对称性与守恒定律，对称性破缺

1 对称性、守恒定律与守恒量

2 反演对称性和宇称

3 弱作用中宇称不守恒

4 弱作用中的CPT问题

2.5量子色动力学

1 新的量子数——“色”和“味”

2 量子色动力学

3 强相互作用的特点

4 探测夸克和胶子

5 第四批粒子的发现

6 夸克和轻子——构成物质的基础粒子

2.6规范对称性和规范场

1 规范对称性

2 强作用的规范场理论

3 弱电统一模型

4 基础粒子

5 寻找更大的统一理论

第三章 固体物理学

3.1固体物理学研究的内容和意义

1 概论

2 早期的固体研究

3 固体物理学的孕育过程

4 固体物理学的新发展

3.2 晶体结构与晶格动力学

1 晶体结构

2 倒格子和布里渊区

3 原子结合力

4 晶格动力学

5 晶格缺陷及其影响

3.3固体电子的能带和能级

1 单电子近似

2 能带和能带计算

3 载流子和导电机制

4 杂质能级和非本征导电

5 迁移率

6 能带理论的成功和局限性

3.4 表面、界面与人造低维结构

1 表面态和表面势

2 pn结及相关器件

3 肖特基结、MIS结、MOS结及相关器件

4 异质结及相关器件

5 超晶格、量子阱及其他低维结构

6 分子束外延技术与能带工程

3.5固体电子学和光电子技术

1 晶体管发明的启示

2 固体电子学和微电子学

3 固体激光器

4 固体光电子技术

3.6介观物理学与纳米技术

1 介观物理学的形成

2 介观物理学的要点

3 发展中的纳米器件

4 原子尺度的显微观察原理和方法

5 单原子操纵技术

6 新时代的曙光

第四章 现代宇宙学

4.1宇宙，时空与引力

1 引言

2 宇宙概观

3 牛顿无限宇宙的矛盾

4 爱因斯坦的有限无边宇宙

5 广义相对论

4.2标准宇宙模型

1 宇宙学原理

2 宇宙在膨胀

3 大爆炸宇宙学

4 “3K宇宙背景辐射”的发现及意义

4.3宇宙结构的形成

1 星系分布的大尺度结构

2 星系形成的理论模型

3 金斯长度与金斯质量的简单推导

4 恒星的诞生

5 恒星的演化

6 恒星的终结

4.4宇宙的起源与终结

1 普朗克时代

2 从无到有的创生说

3 宇宙的终结

4 宇宙结构与粒子物理学

5 宇宙的人择原理

第五章 非平衡态热力学和非线性动力学

5.1不可逆性和耗散结构

1 从平衡到非平衡

2 线性非平衡态热力学

3 非线性非平衡区的自组织结构

4 时间箭头

5.2非线性动力学和混沌现象

1 从线性到非线性

2 蝴蝶效应和奇怪吸引子

3 不简单的单摆运动

4 虫口模型和一维映射

5 通向混沌之路

6 混沌的控制和应用

5.3分形和分维

1 分形——大自然的几何学

2 分形维数

3 自然界的分形

4 分形的应用

5.4 孤立子

1 孤立波的发现

2 孤立子的物理特征

3 孤立子的数学基础

4 孤立子的应用

第六章 物理学在生命科学发展中的作用

6.1物理学与生命科学

1 什么是生命现象

2 生命科学与物理学

3 生命物质与非生命物质

4 耗散结构与生物进化

6.2生物大分子的结构与功能

1 生物大分子的结构

2 测定生物大分子结构的物理方法一览

3 空间结构与功能关系

4 分子间的相互作用

6.3细胞的结构与功能

1 细胞的结构

2 细胞膜

3.细胞核

6.4生命与信息

1 信息流、物质流和能量流

2 信息和调控

3 生命系统的活力

附录 谈谈诺贝尔物理学奖

经典物理学定律是好的“唯象定律”，但是它们并未告诉我们有

关宏观物质的一切情况。例如，牛顿定律可以描述飞机、火箭和人造

卫星等的运动轨道，但它没有告诉人们如何得到制造这些设备的又

轻又硬，且能忍耐成千上万度高温的特殊材料。卡诺定理指导了提

高热机效率的方向，但没有告诉人们燃料燃烧的过程究竟是怎样的，

也没有告诉我们怎样才能使燃料释放出更多内能或者别的什么能量

（如质能）。经典电磁学定律可以用于设计制造大容量发电机，但没

有告诉我们是否存在更有效的办法，例如采用超导磁体及无电阻绕

组，使发电设备体积减小，效率更高。再如，经典电动力学告诉我们

光就是电磁波，而且非常严格而完整地推导出了关于电磁波传播和

辐射的各种定律和各种规律，但是它没有告诉我们如何有效地产生

和利用各种波段的电磁波，也没有告诉我们怎样制造出小型高效设

备来传递声音、图象以及数据等各种信息。

可见，物理学家在创建了适用于宏观现象的经典物理学之后，必

然要向微观领域挺进。他们逐渐意识到，为了更好认识和利用宏观

自然界，必须研究微观领域。

2.两朵乌云

19世纪末，与牛顿力学相比较，电磁学理论在当时属于新兴学

科。尽管关于电磁场的观念与牛顿力学格格不入，但是长期来牛顿

力学的成就使当时许多物理学家的观念不可能很快转变。他们仍然

试图在牛顿力学的框架中解释涉及到电磁场运动及电磁场与微观物

质相互作用的一些实验。然而自然法则是无情的，这样的尝试必然

遇到矛盾，而这样的矛盾又必然为少数思想敏锐的物理学家首先注

意到。英国物理学家开尔文就是这些物理学家的代表。

开尔文曾经发现了热力学第二定律，建立了热力学温标，领导了

首次开通英吉利海峡的有线通信工程。他在20世纪前夕发表了一

篇题为“19世纪的乌云笼罩着热和光的动力学理论”的报告。在这

篇报告中，他提到了“两朵乌云”，指的是用牛顿力学，包括经典统计

力学无法解释的两类实验现象：一是迈克耳孙—莫雷实验；另一是黑

体辐射实验。

这是可以理解的，当时的物理学家首先是通过对与原子发生相

互作用的光或电磁波的实验来认识微观世界的，因为这种光或电磁

波带有微观物质粒子性质及微观结构的信息。其次，光或电磁场又

是一类静质量为零、在真空中恒以光速c运动的物质。因此涉及到

这类现象的实验中必然会反映出相对论特性（光速不变）以及微观世

界的特性（几率性，或波粒二象性）。实验物理学家和理论物理学家

互相合作沿着这一方向探索的结果必然是，发现牛顿力学理论在这

些领域不再适用。他们必然会通过进一步的努力，创建出既适用于

低速、又适用于高速，既适用于宏观、又适用于微观的更具有普遍性

的物理学。

3.经典物理学的适用范围

人们常常谈论由于相对论和量子力学的创建在物理学中引起了

“革命”，这似乎意味着推翻了某些东西。然而应当指出，对于注定要

用经典理论来描述的那些情况，经典物理学的定律没有被推翻。例

如，我们今天描述摆的运动的方法与19世纪所用的没有两样。我们

仍然运用牛顿定律去计算人造卫星和宇宙飞船的运动轨道，而且我

们还常常可以成功地用经典概念获得对微观现象的某些了解。我们

应当注意的是经典观念以及由此建立的基本理论和基本方法的适用

范围。

非相对论理论和相对论的分界线是光速c；经典理论与量子理

论的分界线是普朗克常量h。以人类生活的宏观领域的标准来衡量，

c的值是如此之大，h的值是如此之小。但是这反映了自然界的特

点。如果要问，为何如此？坦率地说，现今的物理学家无法回答这个

问题。

徐在新(1938—)，男，江苏宜兴人，华东师范大学物理系教授，研究方向为理论物理与粒子物理理论。