數字文明

《物理改變世界:數字文明物理學和計算機》從數字文明的高度回顧了物理學與計算機相輔相成的歷史，討論了計算機和計算中的物理，分析了計算機發展所面臨的物理限制和物理學為未來計算技術所提供的可能前景。電子計算機的發展使人類進入了數字文明時代。計算機原來應物理學的需求而出現，也由物理學準備了它誕生的物質條件。在20世紀，物理學首先成為立足於實驗、理論和計算三大支柱之上的成熟的科學。在21世紀，包括生命科學在內的整個自然科學正在沿相似的道路前進。電子計算機正在全面進入生產技術、科學研究和社會生活的各個領域，徹底改變着整個人類文明的進程。

郝柏林，1934年6月生於北京市。1959年畢業於烏克蘭國立哈爾科夫大學物理數學系。後在中國科學院物理研究所工作。1978年晉升為研究員、副所長。1980年11月當選為中國科學院院士。現任物理學系研究員、博士生導師。兼任中國博士後基金會副理事長、陳嘉庚國際學會常務董事。曾任中國科學院理論物理研究所副所長、所長。

主要從事理論物理、計算物理、非線性科學和理論生命科學的研究。涉及固體電子能譜和聲子譜、金屬紅外性質、高分子半導體理論、統計物理模型、相變和臨界現象、臨界動力學、閉路格林函數方法、動力電網計算、天線計算、地震活動性統計分析、羣論知識工程系統、計算機程序設計、混沌動力學和符號動力學、DNA序列分析等領域。

1997年夏，在把英文專著《實用符號動力學與混沌》書稿送出之後，郝柏林着重轉向理論生命科學領域研究。早在1985年，他就着手補充生物學知識。之後，又訪問國際生物學數據庫並下載軟件。1995年與生物學部鄒承魯院士，共同組織香山會議，並主編出版《理論物理與生命科學》一書。1999年郝柏林在一份《院士建議》中提出，儘快建立國家級的生物醫學信息中心，引起政府有關部門的重視。第二年，他與合作者共同撰寫《生物信息學手冊》。之後又在聯合舉辦的研究生班系統講課，批量培養年青一代生物信息學人才。

發表論文130餘篇，出版中英文著作11種。“套磁介質天線的研究”，獲1978年中國科學院重大成果獎；“三維晶格統計模型的封閉近似解”，獲1987年中國科學院重大成果獎；《漫談物理學和計算機》一書，獲1990年中國物理學會第一屆優秀科普書刊編著獎；“實用符號動力學的研究”，獲1992年中國科學院自然科學獎一等獎和1993年國家自然科學獎二等獎；《實用符號動力學》一書，獲1995年國家新聞出版署第7屆全國優秀科技圖書獎二等獎，1997年獲國防科工委科技進步獎二等獎；“統一描述平衡和非平衡系統的格林函數理論研究”，獲1999年中國科學院自然科學獎一等獎和2000年國家自然科學獎二等獎，相關論文獲美國ISI頒發的1981-1998年度“經典引文獎”。2001年獲“何梁何利基金科學與技術進步獎”。

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

曼哈頓計劃4

卡片計算機6

什麼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 用真空管和延遲線製造的電子計算機

“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和硅“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、實的關係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

實驗控制和數據採集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

核電子學標準的興衰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

“夸克禁閉”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

採樣定理和測不準關係式205

由演化過程計算定態分佈208

差分格式裏的物理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

語言和計算機的複雜性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

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