凝聚态物质与光学;量子信息与量子计算;量子力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:费朗克斯 (Jean-Pierre Francoise)

出品人:

页数:356

译者:

出版时间:2008-6-1

价格:85.00元

装帧:精装

isbn号码:9787030216434

丛书系列:数学物理学百科全书

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宏观世界的交响：经典力学与热力学的原理与应用 导言：理解我们所处的世界 人类对自然现象的探索从未停歇，而要精确描述和预测宏观世界的运行规律，经典力学与热力学构成了我们最坚实的两大理论支柱。本书旨在深入浅出地剖析这两大经典物理学分支的基石原理，并探讨它们在工程、材料科学乃至更广阔的自然科学领域中的实际应用。我们致力于构建一个完整、连贯的知识体系，使读者能够清晰地认识到，从行星的轨道运行到蒸汽机的效率极限，这些看似截然不同的现象，是如何被一套优雅而有力的数学框架所统一描述的。 第一部分：牛顿的遗产——经典力学的核心 经典力学，通常以艾萨克·牛顿爵士的运动定律为开端，它构建了我们对物体运动、力和能量交换的直观理解。 第一章：运动的几何学与动力学的基石 本章首先回顾了描述物体运动的基本概念：位置、速度和加速度。我们不满足于简单的直线运动，而是深入探讨了如何使用矢量分析来处理复杂的三维空间运动。接着，我们将重点阐述牛顿三大运动定律，它们是整个经典力学的出发点。特别地，我们将详细分析“力”的概念——作为物体间相互作用的量度，以及动量和角动量在系统演化中的守恒特性。我们将通过对抛体运动、圆周运动的精确分析，展示这些定律的强大预测能力。 第二章：保守系统与能量的视角 纯粹基于力的分析有时会显得繁琐，因此，引入能量的概念成为更高效的描述工具。本章专注于保守力场中的运动。我们将详细推导功和动能的关系，引出势能的概念。势能的存在标志着一个系统可以被存储能量的潜力。通过对重力势能、弹性势能的分析，我们确立了机械能守恒定律——在没有非保守力做功的情况下，系统的总机械能保持不变。我们将探讨如何利用能量原理来解决那些仅通过牛顿定律难以求解的复杂动力学问题，例如振动系统和轨道力学。 第三章：从拉格朗日到哈密顿——更优雅的力学表述 对于更复杂的系统，如包含约束条件的运动（例如，在曲面上滑动的物体，或多摆系统），直接应用牛顿定律往往需要引入复杂的约束力。本章将引入分析力学的视角。 拉格朗日力学以能量为核心，通过虚功原理和达朗贝尔原理，构造出拉格朗日量 $L=T-V$（动能减去势能）。以最小作用量原理为指导，欧拉-拉格朗日方程能够自动地导出力学的运动方程，极大地简化了约束问题的求解过程。 进一步地，我们将从拉格朗日力学过渡到哈密顿力学。哈密顿量 $H=T+V$（在某些条件下等于总能量）成为新的核心函数。通过正则方程，我们得以在新的相空间中描述系统的演化。哈密顿力学不仅是解决复杂动力学问题的有力工具，更是通往统计力学和现代物理学的关键桥梁。 第二部分：热寂的边缘——热力学的基本原理 如果说经典力学描述了“微观粒子”的精确轨迹，那么热力学则关注于描述大量粒子集合体的宏观状态以及能量的转换和传递。 第四章：温度、热量与状态函数 本章奠定热力学的描述基础。我们首先定义了温度的概念，并阐述了热平衡的本质——热力学第零定律。随后，我们将系统地介绍热力学中最基本的宏观量：压强、体积、温度，以及内能 $U$。我们将考察理想气体的行为，回顾理想气体状态方程，并引入比热容的概念。在本章中，热量 $Q$ 被视为一种能量传递的形式，而非物质本身。 第五章：能量的守恒与转化——热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的具体体现。我们将详细阐述该定律的数学形式 $Delta U = Q + W$，其中 $W$ 是系统获得的功。我们将分析各种热力学过程（如等温、等压、等容、绝热过程）中内能、热量和功的计算方法。通过对各种发动机和制冷循环（如卡诺循环）的分析，本章旨在揭示能量转换的效率极限。 第六章：不可逆性与熵的引入——热力学第二定律 第一定律告诉我们能量总量不变，但它没有说明能量转化的方向性。热力学第二定律解决了这个问题，它引入了熵 $S$ 这一关键的宏观状态函数，以量度系统的无序程度或能量不可用性。我们将从克劳修斯和开尔文的表述出发，理解第二定律的本质：在一个孤立系统中，自发过程总是朝着熵增加的方向进行（$Delta S_{total} ge 0$）。熵的概念不仅定义了时间的方向，也为理解热力学过程的不可逆性提供了核心工具。 第七章：绝对零度的追求——热力学第三定律与统计力学的展望 热力学第三定律（能斯特热力学定理）规定了在绝对零度下纯晶体的熵趋于零。这为熵的绝对值计算提供了参考点。本章最后将简要勾勒出从宏观热力学到统计力学的过渡。我们将看到，虽然热力学成功地描述了宏观现象，但其本质的微观根源——粒子涨落和统计平均——需要更深入的理论支撑，为后续对物质更深层次的探索铺平了道路。 结论：经典物理学的统一与局限 经典力学与热力学共同构成了我们理解宏观世界的坚实框架。它们在工程学、天文学和化学中取得了无与伦比的成功。然而，本书在展示其辉煌成就的同时，也应认识到其在描述微观世界（原子和亚原子层面）以及高速运动（接近光速）时的局限性，这恰恰是现代物理学（量子理论和相对论）兴起的起点。掌握了这些经典理论，读者就具备了分析和解决绝大多数日常物理问题的强大能力。

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阅读这本书，我更希望能够获得的是一种对“为什么”的理解，而不仅仅是“是什么”。例如，量子力学之所以非直观，其根本原因是什么？凝聚态物质之所以展现出如此丰富的相变和奇特性质，其背后的量子机制又是什么？量子信息技术之所以能够带来革命性的突破，其核心优势究竟在哪里？我期待书中能够深入探讨这些“为什么”，提供更深层次的物理洞察，而不是停留在现象的描述层面。例如，在解释量子纠缠时，我希望看到对贝尔不等式和EPR佯谬的详细讨论，以及它们如何颠覆了我们对定域实在性的经典认知。在讨论凝聚态物质时，我希望了解费米液体理论、朗道理论等经典理论是如何解释电子在晶体中的行为，以及它们在解释一些反常现象时的局限性，从而引出现代凝聚态物理的研究方向。对于量子计算，我也希望能够理解为什么量子算法能够加速某些问题的求解，这背后是否与量子叠加态和量子干相干性有关？如果这本书能够解答这些深层次的“为什么”，那么它将不仅仅是一本知识的堆砌，更是一本能够激发思考、培养物理直觉的优秀读物。

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这本书的整体逻辑结构和叙事方式是我非常关心的一个方面。我希望它能够提供一个清晰的学习路径，从基础概念到前沿研究，循序渐进地带领读者进入这些复杂而迷人的领域。我个人倾向于那种并非简单罗列知识点，而是能够建立起知识点之间内在联系的书籍。例如，作者是否会先从量子力学的基本原理出发，然后逐步深入到凝聚态物质的量子行为，再引申到利用这些量子行为来发展量子信息和量子计算？或者，是否会从凝聚态物质的光学特性入手，然后探讨这些光学现象背后的量子力学解释，最终引向量子光学在量子信息领域的应用？我希望能够看到清晰的过渡和自然的衔接，而不是知识点的生硬拼凑。同时，书中是否会穿插一些历史发展的脉络，介绍那些重要的理论发现和实验突破，这将有助于我理解这些领域是如何一步步发展到今天的。如果书中能够做到论证严谨，逻辑严密，并且在关键概念上给予充分的解释和例证，那么这本书的价值将会非常大。我期待的是一种“引人入胜”的讲述方式，能够激发我的求知欲，而不是让我望而却步。

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这本书的量子力学部分，我希望它能提供一种不同于我以往接触到的教材的讲解方式。我曾尝试阅读过一些经典的量子力学教材，但很多时候，那些抽象的数学公式和概念对我来说就像是难以逾越的鸿沟。我更倾向于那种能够从物理图像出发，循序渐进地引导读者理解量子世界“怪异”行为的书籍。例如，书中是否会着重讲解波粒二象性、量子叠加态、量子隧穿等现象的实际意义和潜在应用？是否会通过一些生动有趣的思维实验，比如薛定谔的猫，来帮助读者建立对量子现象的直观认识？此外，对于量子力学的数学表述，我希望作者能提供清晰的推导过程，并且在必要时给出一些基础数学知识的回顾，以便于我这样的非数学专业背景的读者能够更好地理解。我特别关注的是，这本书是否会探讨量子力学在理解凝聚态物质和量子信息中的核心作用，例如，量子力学是如何解释材料的电子结构、导电性以及光学性质的？又或者，量子计算的强大能力，是否完全建立在量子力学的基本原理之上？这本书如果能在这几个方面做到位，那将极大地提升我学习的效率和乐趣。

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这本书的书名实在是太引人注目了，简直就像是把物理学中最迷人的两个领域——凝聚态物质和量子信息——直接捆绑在一起，再加上量子力学这个基础的基石。作为一个对这些领域都充满好奇但又感到些许畏惧的读者，我拿到这本书的时候，内心是既兴奋又忐忑的。兴奋在于，终于有一本书能将这些看似遥不可及的概念联系起来，让我有机会窥探它们之间深层的内在联系，而忐忑则是因为，我知道量子世界和凝聚态世界的复杂性，担心这本书的内容会不会过于晦涩难懂，像一本天书一样摆在我的书架上落灰。我尤其关注的是“凝聚态物质与光学”这部分，因为我对光的奇妙性质和它在固态材料中的表现一直很着迷，比如超导现象中的磁场屏蔽，或是半导体材料的光电效应，这些都让我觉得物理学充满了无穷的魅力。而“量子信息与量子计算”更是我一直以来梦寐以求想要深入了解的领域，那些关于量子比特、量子纠缠、量子叠加的描述，在我的脑海中如同科幻电影中的情节，我渴望能在这本书中找到理解它们的钥匙，了解它们是如何在实际的计算和信息传输中发挥作用的。至于“量子力学”，虽然它是基础，但其非直观的性质常常让我感到困惑，希望这本书能提供一种全新的视角，帮助我更好地理解微观世界的运行规律。总而言之，这本书的标题就像一个承诺，承诺要带我踏上一段探索未知、解开奥秘的精彩旅程，我迫不及待地想翻开它，看看它究竟能给我带来怎样的惊喜和启迪。

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这本书的装帧设计给我留下了深刻的第一印象。封面采用了深邃的蓝色调，点缀着抽象的光学线条和星点般的粒子，营造出一种既神秘又充满科技感的氛围。书页的纸质也非常优良，触感细腻，印刷清晰，字体大小适中，即使长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。我尤其欣赏的是书中大量的插图和示意图，它们并非简单地堆砌，而是巧妙地融入到文字的叙述中，为那些抽象的物理概念提供了直观的具象化表达。例如，在解释量子纠缠的部分，作者用非常形象的比喻和简洁的图示，将两个粒子之间那种“心有灵犀”的神秘联系描绘得淋漓尽致，这对于我这样一个并非专业物理背景的读者来说，是极其友好的。同时，书中对实验的描述也相当详尽，从早期的光电效应实验，到如今的量子计算原型机，都配有相应的实验装置图，让我能够更具体地了解这些理论是如何通过实验验证和发展的。我注意到书中还引用了大量最新的研究成果，这说明作者在内容上紧跟时代前沿，力求为读者呈现最前沿的物理学进展。对于一本涵盖凝聚态、量子信息和量子力学这样庞大而深奥的领域的书籍来说，能够做到内容丰富、逻辑清晰，并且辅以如此精良的视觉呈现，实属不易。这本书不仅仅是一本知识的载体，更是一件艺术品，一本值得细细品味的科学读物。

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我特别想了解书中是如何将凝聚态物质、光学以及量子信息与量子计算这三个看似独立的领域有机地联系起来的。在我个人的理解中，凝聚态物质的研究主要集中在材料的宏观性质和微观结构，而光学则关注光的传播和相互作用，量子信息和量子计算则是利用量子力学的奇特性质来处理信息和进行计算。这三者之间究竟存在着怎样的内在关联，是这本书最让我感到好奇的地方。例如，某些凝聚态材料，如超导体或拓扑材料，是否在量子信息处理方面具有独特的优势？它们的光学特性又如何被利用来操控量子态？作者是否会从材料学的角度出发，深入探讨这些材料的制备、表征以及它们在量子科技应用中的潜力？我期待书中能够提供一些具体的例子，比如利用光与凝聚态物质的相互作用来实现量子比特的读写，或者利用某些具有特殊光学性质的材料来构建高效的量子传感器。如果这本书能够深入浅出地解释这些跨学科的联系，那将是一次非常宝贵的学习经历。我希望能在这本书中看到，那些在实验室里进行的精巧实验，是如何一步步揭示出这些深层联系的，并且这些联系又将如何引领未来的科技发展。

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我对书中关于实验方法和技术的部分也抱有极大的兴趣。物理学的发展离不开实验的支撑，而量子信息和凝聚态物质的研究更是对实验技术提出了极高的要求。我希望书中能够详细介绍一些用于探测和操控量子态的关键实验技术，例如，在凝聚态物质领域，核磁共振（NMR）、扫描隧道显微镜（STM）、角分辨光电子能谱（ARPES）等技术是如何帮助我们了解材料的电子结构和性质的？在量子光学和量子信息领域，单光子探测器、光学腔、激光冷却技术等又是如何实现对量子态的精确制备和测量的？我尤其关注书中是否会提及一些前沿的实验技术，例如，量子模拟器、量子点、囚禁离子阱等，以及它们在模拟复杂量子系统和构建量子计算机中的作用。了解这些实验技术，不仅能让我更具体地理解理论的实现过程，还能让我对当前物理学研究的实验水平和发展方向有一个更清晰的认识。如果书中能够结合理论讲解，详细介绍相关的实验装置、实验原理以及实验结果的解读，那将是一次非常充实和有价值的学习。

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从“凝聚态物质与光学”这个角度来看，我非常好奇这本书会如何将这两者融会贯通。我对那些能够影响光性质的材料，或者能够通过光学手段来操纵的材料特别感兴趣。例如，光子晶体、超材料等新兴材料，它们的光学特性往往与其独特的结构密切相关，而这种结构又可能源自凝聚态物理中的某些原理。书中是否会探讨如何利用这些材料来实现新型的光学器件，比如高效的LED、激光器，甚至是光子集成电路？此外，我关注的还有光与物质在量子层面上的相互作用，比如激子（exciton）、极化子（polaron）等准粒子，它们在半导体和绝缘体中的行为，以及如何通过光学手段来研究和利用它们。我特别希望书中能够提及一些与量子光学相关的概念，比如光子的量子态、相干性等，以及这些概念在理解凝聚态物质光学性质中的作用。更进一步，如果书中能够探讨如何利用光学技术来制备和操控凝聚态物质中的量子态，比如利用飞秒激光脉冲来诱导和调控材料的超导态或磁性，那将是一次非常令人兴奋的探索。我期待在这本书中找到将光与物质的量子特性巧妙结合的线索，理解它们如何共同构建出更为复杂而有趣的物理世界。

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关于“量子信息与量子计算”的部分，我的期望非常高。我一直对量子计算机的潜在能力感到着迷，尤其是在密码学、药物研发、材料科学等领域，量子计算有望带来颠覆性的变革。我希望书中能够详细介绍量子计算的基本原理，包括量子比特（qubit）的表示方式、量子门（quantum gate）的操作以及量子算法（quantum algorithm）的设计思路。例如，能否详细讲解一下像Shor算法和Grover算法这样经典的量子算法，以及它们是如何在理论上实现比经典算法更快的计算速度的？我更想知道的是，目前量子计算机的发展现状如何，有哪些主流的技术路线，例如超导量子比特、离子阱量子比特、拓扑量子比特等等，它们各自的优缺点是什么？书中是否会探讨构建大规模、容错性量子计算机所面临的挑战，以及研究人员正在如何克服这些挑战？另外，量子信息部分的理论基础，如量子纠缠、量子通信、量子密钥分发（QKD）等，我也非常希望能有深入的介绍。了解这些理论，不仅能帮助我理解量子计算的原理，还能让我对量子通信的安全性有更清晰的认识。这本书如果能在这些方面提供详实且易于理解的解释，那将是一次非常宝贵的知识增长。

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对于这本书的理论深度，我有着非常明确的期待。我希望它能够在保持一定的可读性的同时，展现出严谨的物理理论框架。这意味着，书中在讲解概念时，能够引用必要的数学工具，但同时又不会让数学公式的推导过程过于冗长或晦涩。我期待的是一种“恰到好处”的数学讲解，能够支撑起物理概念的理解，而不是压倒性的存在。例如，在介绍量子力学时，狄拉克符号（bra-ket notation）是必不可少的，我希望书中能清晰地介绍它的用法和意义。在讨论凝聚态物质时，晶格振动（声子）、能带理论等概念的引入，势必会涉及到一些傅里叶变换等数学工具，我希望这些工具的使用能够有清晰的说明。而对于量子信息，量子信息论的一些基本概念，如熵、压缩极限等，也需要一定的数学基础。如果书中能够在这些方面做到既严谨又不失可读性，并且在必要时提供一些数学背景的补充，那么这本书将会是物理学爱好者和初学者都非常友好的选择。我希望它能成为一座连接基础物理和前沿研究的桥梁。

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