后記

　　本書歷經(jīng)一年多的艱辛勞動，洋洋數(shù)十萬言，終于完稿即將付梓。首先，我要感謝華中科技大學前校長、教育部前素質(zhì)教育委員會主任楊叔子院士。沒有他極力創(chuàng)導將人文素質(zhì)教育與科學精神的傳揚緊密結合，沒有他對于出版事業(yè)的關心和對華中科技大學出版社的信任，沒有他對于本書作者的學識和素養(yǎng)的高度信任和極力推薦，本書是不可能問世的。華中科技大學出版社是我非常景仰和尊重的出版社。1986年，我所翻譯的《高等量子理論》(美國P.羅曼著)作為改革開放后早出版的研究生教材之一，就是該社出版的，并且被載入《中國優(yōu)秀科技圖書要覽》；其后，2001年，我所撰寫的研究生教材《應用群論導引》在該社出版以后也廣受歡迎。難能可貴的是，這本屬于銷路很少的學術著作，居然還一再印刷�，F(xiàn)在《物理發(fā)現(xiàn)啟思錄》一書的出版，沒有華中科技大學出版社阮海洪社長、總編輯姜新祺和人文社科分社副社長周曉方諸位領導盛情邀請之，熱誠鼓勵之，諄諄關心之，細致照顧之，我以76歲的高齡，是不敢接受這個艱巨任務的。即使接受了，也是難以如此順利高效完成的。本書的寫作體例，頗有創(chuàng)新，但是這個創(chuàng)意的來源卻是周曉方女士。

　　出版社原副總編輯包以健先生是我的老朋友，以80余歲的高齡兢兢業(yè)業(yè)、一絲不茍，完成了浩大繁重的編輯工作，指出了原稿中的許多疏誤，甚至于提供了新的信息材料，供我參考。由于彼此配合默契、相互尊重，合作十分愉快。因而使得本書的后文本不僅避免了許多不應有的疏漏和錯誤，而且改善了語句的流暢性和語義的暢通。我尤其要感謝的是，華中科技大學物理學院杜欣怡同學。她不僅擔負了絕大部分本書的打印、輸入和電子版的排版任務，而且在本書的材料收集和選擇，本書插圖的修飾(甚至于個別插圖的繪制)等工作中，不畏勞苦、成效卓著。我后要提到的是該出版社編輯楊玲博士，在出版社與作者之間的協(xié)調(diào)方面起到了特殊的不可替代的作用，對于本書的出版功不可沒。

　　本書的寫作宗旨在緒論中已詳細論及。簡言之，通過新的物理學領域的突破和發(fā)現(xiàn)，普及其中蘊含的科學精神和科學方法，進而從中提取更深層次的人文領悟和啟示，從而使讀者在豐富科學知識的同時，提升自身的科學精神和人文素質(zhì)。因此在材料的選取上，突出材料的科學性、前沿性和時效性。21世紀以來，物理學與整個自然科學領域一樣，發(fā)展態(tài)勢有不斷加快之勢，特別是我國物理學的發(fā)展極為迅猛，大有一日千里之勢。本書寫作時間不算長，但由于不斷有新的重大發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，其間已幾易其稿，仍然不能完全反映新的事態(tài)發(fā)展。好在讀者能夠鑒諒，畢竟專著不能像報紙、電臺、電視和雜志一樣容易及時反映現(xiàn)實。

　　后記為減少遺憾，在此我們提及2016年的諾貝爾物理學獎和國際物理學科領域在本書未涉及的幾個重大進展，以供讀者參考。

　　索利斯(1934—)(左)、霍爾丹(1951—)(中)和科斯特利茲(1942—)(右)2016年諾貝爾物理學獎授予華盛頓大學教授大衛(wèi)?J?索利斯(David J.Thouless)、普林斯頓大學教授F?鄧肯?M?霍爾丹(F.Duncan M.Haldane)和布朗大學教授J?邁克爾?科斯特利茲(J.Michael Kosterlitz)，以表彰他們在拓撲材料的拓撲相變和拓撲相研究領域做出的重要理論發(fā)現(xiàn)。三位獲獎者為大家打開了一扇新世界的大門。在過去的10年中，這個領域發(fā)展迅速，拓撲材料極有可能成為下一代全新的電子和超導材料，也可以應用于未來的量子計算機。

　　也許應該說明，本書作者利用華中科技大學新建的國家工程中心——脈沖強磁場工程中心的平臺，對拓撲絕緣體材料進行了前瞻性的理論和實驗研究。本書作者是國際上較早進入該領域的學者之一，與其博士楊鳳霞(后為博士后)在2003年就成功研制出一種拓撲絕緣體材料，在初步對其性質(zhì)進行了表征以后，結果隨即在國際刊物上發(fā)表。其后進一步測量出該材料具有特異的正磁阻效應：在高達60特斯拉的強磁場下，依然保持線性規(guī)律不變。這個發(fā)現(xiàn)是當時國際上該領域好的結果之一。上述工作于2006年發(fā)表在《Journal of Applied Phyiscs,98:036103～036105》上。2014年我們發(fā)表了進一步的測試結果。［見Fengxiayang，Duanming Zhang.J.Alloy.Compd.555，708(2014).］與此同時，本書作者與其博士生徐潔合作，利用兩維楊�裁谞査箞龀晒Φ貥嫿�了這種材料的物理模型，模擬表明，這種材料不僅應該具有奇異的正磁阻效應，而且還應具有奇異的縱向霍爾效應。這個物理模型表明這種材料的拓撲性質(zhì)應該是同倫群Z2所描述的。這項工作于2008年12月發(fā)表在《Journal of Applied Phyiscs,104(11):Art.No.113922》上�？上У氖牵�由于本書作者當時正面臨退休，其博士畢業(yè)，而且身體不好、行動不便，加之強磁場中心新建，測試設備尚不夠穩(wěn)定，以致耽誤了大好時間，沒有將理論和實驗的結果綜合在一起，及時作為“重磅炸彈”發(fā)表。

　　至于我國物理學在2016年重大進展，正文中未提到或需要補充的，我覺得應有如下幾項。

　　一、天宮二號和神舟十一號載人飛行任務圓滿成功

　　2016年9月15日，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射并進入預定軌道。10月17日，神舟十一號載人飛船成功發(fā)射，并于19日凌晨與天宮二號成功對接，兩名航天員景海鵬、陳冬進入天宮二號空間實驗室，開展了為期30天的科學實驗。天宮二號是中國第一個真正意義上的空間實驗室，第一次實現(xiàn)航天員中期駐留，并成功開展了50余項空間科學實驗與應用實驗。天宮二號與神舟十一號載人飛行任務是接近未來中國空間站要求的一次載人飛行，也標志著中國具備了開展較大規(guī)�？臻g應用的基礎條件。這是中國發(fā)射第一個真正意義上的空間實驗室。

　　神舟十一號升空

　　二、我國可控核聚變出現(xiàn)巨大進展

　　據(jù)香港《南華早報》2016年12月8日報道，我國合肥等離子體研究院在他們研制的EAST(先進超導托卡馬克實驗裝置)中讓電離氣體穩(wěn)定燃燒了兩次，聚變實驗持續(xù)了100多秒，其中被極強電磁場屏蔽的一個環(huán)形室中的等離子體被控制在一種高效穩(wěn)定態(tài)H�瞞ode(高約束模式)。這是一次具有里程碑意義的事件，它增強了人類利用核聚變能的信心。這將有助于加快政府批準建設世界第一座核聚變電站——擬建的中國聚變工程試驗堆(CFETR)——的速度，中國在合肥啟動強流氘氚聚變中子源(HINEG)，目標是用核聚變技術生成世界強的中子束。擬建的CFETR將在2030年投入運轉，初的發(fā)電量為200兆瓦，在隨后10年把發(fā)電量提升至1千兆瓦左右，超過大亞灣所有商業(yè)裂變反應堆的發(fā)電量。

　　我國研制的EAST(先進超導托卡馬克實驗裝置)

　　三、科學家發(fā)現(xiàn)距離地球近的宜居行星

　　2016年8月25日，英國倫敦瑪麗王后大學的科學家吉列姆?安格拉達�舶Ｋ蛊醯�(Guillem Anglada�睧scude)在《自然》雜志上宣布，他利用歐洲南方天文臺(ESO)的望遠鏡，以及其他天文觀測設施，找到了一顆圍繞比鄰星運行的宜居行星，它是人類已發(fā)現(xiàn)的3 500顆系外行星中接近地球的一顆。比鄰星是距離太陽系近的恒星(一顆紅矮星)，僅有4.2光年的距離。這顆行星被命名為比鄰星b，是1995年以來發(fā)現(xiàn)的3 500顆系外行星中，接近地球的一顆。而且，科學家認為比鄰星b的表面溫度允許水以液態(tài)的形式存在，溫和的紅矮星也可能給這顆行星營造一個適合生命繁衍生息的環(huán)境。

　　比鄰星b四、量子計算機首次成功模擬高能物理實驗

　　2016年6月，奧地利物理學家在《自然》雜志上宣稱，他們利用4個“量子比特”組成的量子計算機，實現(xiàn)了第一個高能物理實驗的完整模擬。

　　量子計算機模擬實驗示意圖此次試驗，在真空電磁場中，4個離子排成一行，每個離子編碼為1個量子比特，組成了一臺“菜鳥”量子計算機。研究人員用激光束操控離子的自旋，誘導離子執(zhí)行邏輯運算。100多步計算后，科學家們對量子電動力學的一個預言成功地進行了證實：高能γ光子的能量轉化成物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子和其反粒子(一個正電子)。模擬結果讓人興奮。

　　在本書付梓前夕,我國科技戰(zhàn)線傳來振奮人心的喜訊，我國首創(chuàng)，世界首條量子通信保密干線“京滬干線”已于2017年9月4日通過總技術驗收，這意味著世界第一條量子保密通信骨干線路已具備開通條件。實際上，這是量子通信科學首次進入人類的應用技術領域，標志著我國在量子技術的實用化和產(chǎn)業(yè)化方面繼續(xù)走在世界前列。

　　“京滬干線”/圖片來自中國科學技術大學網(wǎng)站

　　作為世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”于2016年全線貫通，全長2000多公里，從北京出發(fā)，經(jīng)過濟南、合肥，到達上海，全線覆蓋4省3市。在本書正文已經(jīng)談到，2016年8月，以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射。至2017年8月10日，“墨子號”圓滿完成了三大科學實驗任務：量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)，從而開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為了國際同行的標桿，實現(xiàn)了從“跟蹤者”到“領跑者”的角色轉變。

　　京滬干線北京接入點實現(xiàn)與“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星興隆地面站的連接，全線密鑰率大于5kbps，已形成星地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡雛形，大大擴展了京滬干線應用能力。不久的將來，“京滬干線”將真正作為一條實用化和商用化的量子通信骨干網(wǎng)絡向金融、電力、廣電、政務等各行業(yè)開放，為廣大用戶提供量子層面的安全服務，從而大力推動以量子創(chuàng)新技術驅動新興產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

　　2016年11月9日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。新華社資料圖

　　本書涉獵范圍極廣，領域極多，盡管作者在理論物理和凝聚態(tài)物理領域從事多年科研工作和教學實踐，對本書的內(nèi)容反復核對材料的可靠性和真實性，編審者又反復斟酌，但恐怕謬誤之處在所難免，切望各位先進賢達不吝指教。作者誠摯希望讀者、青年才俊們在閱讀、學習本書的過程中，多提寶貴的意見，尤其是建設性的修改意見，以便在本書再版時進一步修改提高。

　　張端明

　　于2017年9月18日