數字文明：物理學和計算機

序言
再版前言
初版前言
第一章 從「結繩記事」到卡片計算機1
人類有史以來進行過多少次算術運算?2
曼哈頓計划4
卡片計算機6
什麽因素限制了計算速度8
數的進制和存儲10
大數和小數15
第二章 用真空管和延遲線制造的電子計算機
「邏輯控制」：一問便知是天才18
「蛤蟆」繼電器和邏輯電路21
真空管「開關」28
記憶屏幕和延遲線存儲器31
內部程序控制的馮·諾伊曼計算機32
一張假想的「機器指令」表35
磁性存儲元件43
我國的第一台電子計算機46
第三章 「於無聲處聽驚雷」——半導體的崛起48
沒有用武之地的半導體49
電子能帶、p型和n型半導體51
半導體器件的崛起58
MOS和 「平面工藝」63
半導體邏輯電路68
半導體存儲器72
SSI、MSI、LSI、UISI、VLSI和GSI76
半導體異質結構83
磁盤和光盤86
第四章 計算機世界91
計算機和「算計」機93
軟、硬、虛、實的關系95
計算機語言100
從POP到OOP106
操作系統110
知識產權和軟件共享115
巨機不巨、微機不微119
從單機到網絡127
並行計算的興起133
從網絡到超級計算機139
第五章 物理學家的好助手146
實驗控制和數據采集147
模擬信號和數字信號147
中斷處理149
並行接口和串行接口150
USB 通用串行總線152
PCI 外部設備連接總線153
核電子學標准的興衰155
高能物理實驗159
從頭算起161
計算機「代數」164
物理學中的人工智能167
第六章 計算機帶來的物理學171
費米-巴斯塔-烏勒姆「實驗」171
「孤子」和「孤波175
遍歷問題和「反KAM」定理178
非線性系統中的混沌現象181
分子動力學和「長尾巴」行為185
「誇克禁閉」和「漸近自由」189
計算物理和實驗數學的誕生193
生物信息學和計算生物學195
第七章 計算方法中的物理學202
人工黏滯性202
列昂多維奇邊界條件204
采樣定理和測不准關系式205
由演化過程計算定態分布208
差分格式里的物理211
元胞自動機和格子流體力學213
重要性抽樣法216
遺傳算法221
NP 完備問題和「自旋玻璃」223
可算性、有限性和遞歸226
語言和計算機的復雜性228
第八章 計算機受到的物理限制236
最快能多快?237
最小能多小?239
可以不消耗能量進行計算嗎?241
發熱和冷卻244
聯線問題248
有沒有量子限制?250
第九章 物理學和未來的計算機254
量子阱、量子線和量子點255
光計算機261
自旋微電子學265
超導計算機268
分子電子學272
DNA計算273
量子信息和量子計算
第十章 沒有結束的話
英漢對照兼索引
後記

20世紀是科技創新的世紀。

世紀上葉，物理界出現了前所未見的觀念和思潮，為現代科學的發展打下了堅實的基礎。接著，一波又一波的科技突破，全面改造了經濟、文化和社會，把世界推進了嶄新的時代。進入21世紀，科技發展的勢頭有增無減，無窮盡的新知識正在靜候著青年們去追求、發現和運用。

早在1978年——我國改革開放起步之際，一些老一輩的物理學家就看到「科教興國」的必然性。他們深知科技力量的建立必須來自各方各面，不能單靠少數精英。再說，精英本身產生於高素質的溫床。群眾的知識面要廣、教育水平高，才會不斷出現拔尖的人才。科普讀物的重要性不言而喻。「物理學基礎知識叢書」的編輯和出版，是在這種共識下發動的。當時在一群老前輩跟前還是「小伙子」的我，雖然身在美國，但是經常回來與科學院的同事們交往、切磋，感受到老前輩們高尚的風格和無私的熱情，也就斗膽參加了他們的隊伍。

一瞬間，27年就這樣過去了。這27年來，我國出現了驚人的、可喜的變遷，用「天翻地覆」來形容，並不過甚。雖然老一輩的物理學家已經退的退了、走的走了，他們當時的共識卻深入人心。科學的地位在很多領域里達到了高峰；科普的重要性更加顯著。可是在新的經濟形勢下，願意投入心血撰寫科普讀物的在職教授專家，看來反而少了。或許「物理改變世界」這套修訂再版的叢書，能夠為青年學子和社會人士——包括政界、工商界、文化界的決策層——提供一些扎實而有趣的參考讀物，重燃科普的當年火頭。

2005年是「世界物理年」。低頭想想，我們這個13億人口的大國，為現代物理所做的貢獻，實在不算很多。歸根結底還是群眾的科學底子太薄；而經濟起飛當前，不少有識之士又過分急功近利。或許在這當兒發行一些高質量的科普讀物能夠加強公眾對物理的認識，從而激勵對基礎科學的熱情。

這一次在「物理改變世界」名下發行的5本書，是編輯們從22種「物理學基礎知識叢書」里精選出來的，可以說是代表了「物理學基礎知識叢書」作者和編委的心聲。於淥、郝柏林、馮端、陸琰等都是當年常見的好朋友。見其文如見其人，我在急促期待中再次閱讀了他們的大作，重溫了多年來給行政工作淹沒幾盡的物理知識。

這一批應該只是個開端。但願「物理改變世界」得到年輕一代的支持、推動和參與，在為國為民為專業的情懷下，書種越出越多，內容越寫越好。