物理发现启思录:全2册_张端明编著_9787568030649

　　本书分为三大部分：现代宇宙学素描、高能粒子物理学剪影和应用物理撷英，通过生动典型的物理发现案例，尤其以21世纪以来的重大发现为载体，介绍物理学发展的新内容、新态势，阐明基础研究与高新技术的相互促进、相互依存的密切关系——重大的基础研究突破往往导致新的技术跃进和产业提升，使读者感染到科学家在探求真理中所表现的崇高科学精神（求实精神、实证精神、探索精神、理性精神、创新精神、怀疑精神、独立精神和原理精神等），从而达到普及科学思想和科学精神，陶冶性情，提升人文素养的目的。因此本书选材新颖、内容丰富、深入浅出、体例别致、文辞优美，是一本集科学普及、科学精神与人文素质教育三位一体的别具创意的优秀科学读物。

　　本书面向所有具有中学及以上文化水准干部、学生、工农兵，尤其适用于高等学校或者职业技术学院作为人文素质教育、科学精神教育的教材或参考书。

　　后记

　　本书历经一年多的艰辛劳动，洋洋数十万言，终于完稿即将付梓。首先，我要感谢华中科技大学前校长、教育部前素质教育委员会主任杨叔子院士。没有他极力创导将人文素质教育与科学精神的传扬紧密结合，没有他对于出版事业的关心和对华中科技大学出版社的信任，没有他对于本书作者的学识和素养的高度信任和极力推荐，本书是不可能问世的。华中科技大学出版社是我非常景仰和尊重的出版社。1986年，我所翻译的《高等量子理论》(美国P.罗曼著)作为改革开放后早出版的研究生教材之一，就是该社出版的，并且被载入《中国优秀科技图书要览》；其后，2001年，我所撰写的研究生教材《应用群论导引》在该社出版以后也广受欢迎。难能可贵的是，这本属于销路很少的学术著作，居然还一再印刷。现在《物理发现启思录》一书的出版，没有华中科技大学出版社阮海洪社长、总编辑姜新祺和人文社科分社副社长周晓方诸位领导盛情邀请之，热诚鼓励之，谆谆关心之，细致照顾之，我以76岁的高龄，是不敢接受这个艰巨任务的。即使接受了，也是难以如此顺利高效完成的。本书的写作体例，颇有创新，但是这个创意的来源却是周晓方女士。

　　出版社原副总编辑包以健先生是我的老朋友，以80余岁的高龄兢兢业业、一丝不苟，完成了浩大繁重的编辑工作，指出了原稿中的许多疏误，甚至于提供了新的信息材料，供我参考。由于彼此配合默契、相互尊重，合作十分愉快。因而使得本书的后文本不仅避免了许多不应有的疏漏和错误，而且改善了语句的流畅性和语义的畅通。我尤其要感谢的是，华中科技大学物理学院杜欣怡同学。她不仅担负了绝大部分本书的打印、输入和电子版的排版任务，而且在本书的材料收集和选择，本书插图的修饰(甚至于个别插图的绘制)等工作中，不畏劳苦、成效卓著。我后要提到的是该出版社编辑杨玲博士，在出版社与作者之间的协调方面起到了特殊的不可替代的作用，对于本书的出版功不可没。

　　本书的写作宗旨在绪论中已详细论及。简言之，通过新的物理学领域的突破和发现，普及其中蕴含的科学精神和科学方法，进而从中提取更深层次的人文领悟和启示，从而使读者在丰富科学知识的同时，提升自身的科学精神和人文素质。因此在材料的选取上，突出材料的科学性、前沿性和时效性。21世纪以来，物理学与整个自然科学领域一样，发展态势有不断加快之势，特别是我国物理学的发展极为迅猛，大有一日千里之势。本书写作时间不算长，但由于不断有新的重大发现出现，其间已几易其稿，仍然不能完全反映新的事态发展。好在读者能够鉴谅，毕竟专著不能像报纸、电台、电视和杂志一样容易及时反映现实。

　　后记为减少遗憾，在此我们提及2016年的诺贝尔物理学奖和国际物理学科领域在本书未涉及的几个重大进展，以供读者参考。

　　索利斯(1934—)(左)、霍尔丹(1951—)(中)和科斯特利兹(1942—)(右)2016年诺贝尔物理学奖授予华盛顿大学教授大卫?J?索利斯(David J.Thouless)、普林斯顿大学教授F?邓肯?M?霍尔丹(F.Duncan M.Haldane)和布朗大学教授J?迈克尔?科斯特利兹(J.Michael Kosterlitz)，以表彰他们在拓扑材料的拓扑相变和拓扑相研究领域做出的重要理论发现。三位获奖者为大家打开了一扇新世界的大门。在过去的10年中，这个领域发展迅速，拓扑材料极有可能成为下一代全新的电子和超导材料，也可以应用于未来的量子计算机。

　　也许应该说明，本书作者利用华中科技大学新建的国家工程中心——脉冲强磁场工程中心的平台，对拓扑绝缘体材料进行了前瞻性的理论和实验研究。本书作者是国际上较早进入该领域的学者之一，与其博士杨凤霞(后为博士后)在2003年就成功研制出一种拓扑绝缘体材料，在初步对其性质进行了表征以后，结果随即在国际刊物上发表。其后进一步测量出该材料具有特异的正磁阻效应：在高达60特斯拉的强磁场下，依然保持线性规律不变。这个发现是当时国际上该领域好的结果之一。上述工作于2006年发表在《Journal of Applied Phyiscs,98:036103～036105》上。2014年我们发表了进一步的测试结果。［见Fengxiayang，Duanming Zhang.J.Alloy.Compd.555，708(2014).］与此同时，本书作者与其博士生徐洁合作，利用两维杨米尔斯场成功地构建了这种材料的物理模型，模拟表明，这种材料不仅应该具有奇异的正磁阻效应，而且还应具有奇异的纵向霍尔效应。这个物理模型表明这种材料的拓扑性质应该是同伦群Z2所描述的。这项工作于2008年12月发表在《Journal of Applied Phyiscs,104(11):Art.No.113922》上。可惜的是，由于本书作者当时正面临退休，其博士毕业，而且身体不好、行动不便，加之强磁场中心新建，测试设备尚不够稳定，以致耽误了大好时间，没有将理论和实验的结果综合在一起，及时作为“重磅炸弹”发表。

　　至于我国物理学在2016年重大进展，正文中未提到或需要补充的，我觉得应有如下几项。

　　一、天宫二号和神舟十一号载人飞行任务圆满成功

　　2016年9月15日，天宫二号空间实验室成功发射并进入预定轨道。10月17日，神舟十一号载人飞船成功发射，并于19日凌晨与天宫二号成功对接，两名航天员景海鹏、陈冬进入天宫二号空间实验室，开展了为期30天的科学实验。天宫二号是中国第一个真正意义上的空间实验室，第一次实现航天员中期驻留，并成功开展了50余项空间科学实验与应用实验。天宫二号与神舟十一号载人飞行任务是接近未来中国空间站要求的一次载人飞行，也标志着中国具备了开展较大规模空间应用的基础条件。这是中国发射第一个真正意义上的空间实验室。

　　神舟十一号升空

　　二、我国可控核聚变出现巨大进展

　　据香港《南华早报》2016年12月8日报道，我国合肥等离子体研究院在他们研制的EAST(先进超导托卡马克实验装置)中让电离气体稳定燃烧了两次，聚变实验持续了100多秒，其中被极强电磁场屏蔽的一个环形室中的等离子体被控制在一种高效稳定态Hmode(高约束模式)。这是一次具有里程碑意义的事件，它增强了人类利用核聚变能的信心。这将有助于加快政府批准建设世界第一座核聚变电站——拟建的中国聚变工程试验堆(CFETR)——的速度，中国在合肥启动强流氘氚聚变中子源(HINEG)，目标是用核聚变技术生成世界强的中子束。拟建的CFETR将在2030年投入运转，初的发电量为200兆瓦，在随后10年把发电量提升至1千兆瓦左右，超过大亚湾所有商业裂变反应堆的发电量。

　　我国研制的EAST(先进超导托卡马克实验装置)

　　三、科学家发现距离地球近的宜居行星

　　2016年8月25日，英国伦敦玛丽王后大学的科学家吉列姆?安格拉达埃斯契德(Guillem AngladaEscude)在《自然》杂志上宣布，他利用欧洲南方天文台(ESO)的望远镜，以及其他天文观测设施，找到了一颗围绕比邻星运行的宜居行星，它是人类已发现的3 500颗系外行星中接近地球的一颗。比邻星是距离太阳系近的恒星(一颗红矮星)，仅有4.2光年的距离。这颗行星被命名为比邻星b，是1995年以来发现的3 500颗系外行星中，接近地球的一颗。而且，科学家认为比邻星b的表面温度允许水以液态的形式存在，温和的红矮星也可能给这颗行星营造一个适合生命繁衍生息的环境。

　　比邻星b四、量子计算机首次成功模拟高能物理实验

　　2016年6月，奥地利物理学家在《自然》杂志上宣称，他们利用4个“量子比特”组成的量子计算机，实现了第一个高能物理实验的完整模拟。

　　量子计算机模拟实验示意图此次试验，在真空电磁场中，4个离子排成一行，每个离子编码为1个量子比特，组成了一台“菜鸟”量子计算机。研究人员用激光束操控离子的自旋，诱导离子执行逻辑运算。100多步计算后，科学家们对量子电动力学的一个预言成功地进行了证实：高能γ光子的能量转化成物质，产生一个电子和其反粒子(一个正电子)。模拟结果让人兴奋。

　　在本书付梓前夕,我国科技战线传来振奋人心的喜讯，我国首创，世界首条量子通信保密干线“京沪干线”已于2017年9月4日通过总技术验收，这意味着世界第一条量子保密通信骨干线路已具备开通条件。实际上，这是量子通信科学首次进入人类的应用技术领域，标志着我国在量子技术的实用化和产业化方面继续走在世界前列。

　　“京沪干线”/图片来自中国科学技术大学网站

　　作为世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”于2016年全线贯通，全长2000多公里，从北京出发，经过济南、合肥，到达上海，全线覆盖4省3市。在本书正文已经谈到，2016年8月，以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星成功发射。至2017年8月10日，“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态，从而开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了从“跟踪者”到“领跑者”的角色转变。

　　京沪干线北京接入点实现与“墨子号”量子科学实验卫星兴隆地面站的连接，全线密钥率大于5kbps，已形成星地一体的广域量子通信网络雏形，大大扩展了京沪干线应用能力。不久的将来，“京沪干线”将真正作为一条实用化和商用化的量子通信骨干网络向金融、电力、广电、政务等各行业开放，为广大用户提供量子层面的安全服务，从而大力推动以量子创新技术驱动新兴产业和市场发展的战略需求。

　　2016年11月9日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。新华社资料图

　　本书涉猎范围极广，领域极多，尽管作者在理论物理和凝聚态物理领域从事多年科研工作和教学实践，对本书的内容反复核对材料的可靠性和真实性，编审者又反复斟酌，但恐怕谬误之处在所难免，切望各位先进贤达不吝指教。作者诚挚希望读者、青年才俊们在阅读、学习本书的过程中，多提宝贵的意见，尤其是建设性的修改意见，以便在本书再版时进一步修改提高。

　　张端明

　　于2017年9月18日

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