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电子计算机的发展使人类进入了数字文明时代。计算机原来应物理学的需求而出现，也由物理学准备了它诞生的物质条件。在20世纪，物理学首先成为立足于实验、理论和计算支柱之上的成熟的科学。在21世纪，包括生命科学在内的整个自然科学正在沿相似的道路前进。电子计算机正在全面进入生产技术、科学研究和社会生活的各个领域，改变着整个人类文明的进程。

本书从数字文明的高度回顾了物理学与计算机相辅相成的历史，讨论了计算机和计算中的物理，分析了计算机发展所面临的物理限制和物理学为未来计算技术所提供的可能前景。本书内容丰富、取材多面新颖，可帮助理工科大学生、研究生以及物理和计算机专业的科学技术工作者开阔眼界、了解全局，为进一步深入钻研准备背景知识。

序言

再版前言

初版前言

章 从“结绳记事”到卡片计算机1

人类有史以来进行过多少次算术运算?2

曼哈顿计划4

卡片计算机6

什么因素限制了计算速度8

数的进制和存储10

大数和小数15

第二章 用真空管和延迟线制造的电子计算机

“逻辑控制”：一问便知是天才18

“蛤蟆”继电器和逻辑电路21

真空管“开关”28

记忆屏幕和延迟线存储器31

内部程序控制的冯·诺伊曼计算机32

一张假想的“机器指令”表35

磁性存储元件43

我国的台电子计算机46

第三章 “于无声处听惊雷”——半导体的崛起48

没有用武之地的半导体49

电子能带、p型和n型半导体51

半导体器件的崛起58

MOS和硅“平面工艺”63

半导体逻辑电路68

半导体存储器72

SSI、MSI、LSI、UISI、VLSI和GSI76

半导体异质结构83

磁盘和光盘86

第四章 计算机世界91

计算机和“算计”机93

软、硬、虚、实的关系95

计算机语言100

从POP到OOP106

操作系统110

知识产权和软件共享115

巨机不巨、微机不微119

从单机到网络127

并行计算的兴起133

从网络到超级计算机139

第五章 物理学家的好助手146

实验控制和数据采集147

模拟信号和数字信号147

中断处理149

并行接口和串行接口150

USB 通用串行总线152

PCI 外部设备连接总线153

核电子学标准的兴衰155

高能物理实验159

从头算起161

计算机“代数”164

物理学中的人工智能167

第六章 计算机带来的物理学171

费米-巴斯塔-乌勒姆“实验”171

“孤子”和“孤波175

遍历问题和“反KAM”定理178

非线性系统中的混沌现象181

分子动力学和“长尾巴”行为185

“夸克禁闭”和“渐近自由”189

计算物理和实验数学的诞生193

生物信息学和计算生物学195

第七章 计算方法中的物理学202

人工黏滞性202

列昂多维奇边界条件204

采样定理和测不准关系式205

由演化过程计算定态分布208

差分格式里的物理211

元胞自动机和格子流体力学213

重要性抽样法216

遗传算法221

NP 完备问题和“自旋玻璃”223

可算性、有限性和递归226

语言和计算机的复杂性228

第八章 计算机受到的物理限制236

最快能多快?237

最小能多小?239

可以不消耗能量进行计算吗?241

发热和冷却244

联线问题248

有没有量子限制?250

第九章 物理学和未来的计算机254

量子阱、量子线和量子点255

光计算机261

自旋微电子学265

超导计算机268

分子电子学272

DNA计算273

量子信息和量子计算

第十章 没有结束的话

英汉对照兼索引

后记

郝柏林，1934年6月生于北京市。1959年毕业于乌克兰国立哈尔科夫大学物理数学系。后在中国科学院物理研究所工作。1978年晋升为研究员、副所长。1980年11月当选为中国科学院院士。现任物理学系研究员、博士生导师。兼任中国博士后基金会副理事长、陈嘉庚国际学会常务董事。曾任中国科学院理论物理研究所副所长、所长。

主要从事理论物理、计算物理、非线性科学和理论生命科学的研究。涉及固体电子能谱和声子谱、金属红外性质、高分子半导体理论、统计物理模型、相变和临界现象、临界动力学、闭路格林函数方法、动力电网计算、天线计算、地震活动性统计分析、群论知识工程系统、计算机程序设计、混沌动力学和符号动力学、DNA序列分析等领域。

1997年夏，在把英文专著《实用符号动力学与混沌》书稿送出之后，郝柏林着重转向理论生命科学领域研究。早在1985年，他就着手补充生物学知识。之后，又访问国际生物学数据库并下载软件。1995年与生物学部邹承鲁院士，共同组织香山会议，并主编出版《理论物理与生命科学》一书。1999年郝柏林在一份《院士建议》中提出，尽快建立国家级的生物医学信息中心，引起政府有关部门的重视。第二年，他与合作者共同撰写《生物信息学手册》。之后又在联合举办的研究生班系统讲课，批量培养年青一代生物信息学人才。

发表论文130余篇，出版中英文著作11种。“套磁介质天线的研究”，获1978年中国科学院重大成果奖；“三维晶格统计模型的封闭近似解”，获1987年中国科学院重大成果奖；《漫谈物理学和计算机》一书，获1990年中国物理学会第一届优秀科普书刊编著奖；“实用符号动力学的研究”，获1992年中国科学院自然科学奖一等奖和1993年国家自然科学奖二等奖；《实用符号动力学》一书，获1995年国家新闻出版署第7届全国优秀科技图书奖二等奖，1997年获国防科工委科技进步奖二等奖；“统一描述平衡和非平衡系统的格林函数理论研究”，获1999年中国科学院自然科学奖一等奖和2000年国家自然科学奖二等奖，相关论文获美国ISI颁发的1981-1998年度“经典引文奖”。2001年获“何梁何利基金科学与技术进步奖”。

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到了20世纪中叶，物理学已经成为实验和理论密切结合的科学，理论物理工作者的人数也日益增多。“物理学是实验科学”早就成为过时的片面提法。一般来说，只有在物理学比较落后的地方，才一再发生在“理论联系实际”的要求下取消理论研究的怪事，结果更加延缓了那里整个物理学和技术科学的发展。

我国多晶硅的研究和生产虽在20世纪50年代后期就已起步，现在年产量仍在100~200吨之间徘徊

训练有素的理论物理工作者，每算100页稿纸犯几次错误，几乎是一个常数。

然而，还有影响了苏联计算技术进步的两个事件，似乎并没有引起科学史界的重视和分析。第一，曾对苏联科学政策举足轻重的约飞院士对于半导体的发展方向做了错误判断。本人就是半导体专家的约飞，认为半导体的主要用途在于光电、热电、制冷等功能，严重忽视了其电子性质的潜力。苏联科学院在20世纪50年代初发表的两大卷《半导体技术和应用》（有汉译全本），集中反映了这种观点。第二，由于意识形态的原因，把控制论等对计算技术发展至关重要的科学理论批判成“资产阶级伪科学”（见尤金院士主编的《建明哲学词典》）。科学决策的失误和政治对科学的过分干预，对于那片土地上计算机技术发展的负面影响延续了几十年。

编辑推荐

极少数"聪明人"研制出五花入门的"自动"、"遥控"、"智能"设备，供大多数普通人在劳动中使用，在休息时"享受"。亿万"傻瓜"们正在不自不觉、舒舒服服地成为计算机的奴仆。

　　从结绳记事到卡片计算机，可以不消耗能量进行计算吗？一问便知是天才的冯·诺伊曼，巨机不巨，微机不微……

　　电子计算机是人类学会用火以来最伟大的发明。步行和乘坐空中客车，速度提高不超过200倍。从1945到2005年60年中，电子计算机的速度提高了1000亿倍。1958年一只半导体三极管的价值，在2000年可以购买一枚含1亿只管子的功能强大的芯片。性能价格比的大幅度提高并不来自生产厂家的经济核算，而是源于物理学家从自然规律中发掘出的可能性和工程师们把科学可能性变成技术现实性的努力。正是物理学的发展把人类推入了数字文明的时代。

　　《物理改变世界：数字文明物理学和计算机》内容丰富、取材多面新颖，可帮助理工科大学生、研究生以及物理和计算机专业的科学技术工作者开阔眼界、了解全局，为进一步深入钻研准备背景知识。

书籍介绍

《物理改变世界:数字文明物理学和计算机》从数字文明的高度回顾了物理学与计算机相辅相成的历史，讨论了计算机和计算中的物理，分析了计算机发展所面临的物理限制和物理学为未来计算技术所提供的可能前景。电子计算机的发展使人类进入了数字文明时代。计算机原来应物理学的需求而出现，也由物理学准备了它诞生的物质条件。在20世纪，物理学首先成为立足于实验、理论和计算三大支柱之上的成熟的科学。在21世纪，包括生命科学在内的整个自然科学正在沿相似的道路前进。电子计算机正在全面进入生产技术、科学研究和社会生活的各个领域，彻底改变着整个人类文明的进程。