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郝柏林，张淑誉 著

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• 数字文明
• 物理学
• 计算机科学
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• 科技史
• 复杂系统
• 计算物理
• 人工智能
• 科学哲学
• 交叉学科

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030477248

商品编码：29489403936

包装：平装-胶订

出版时间：2017-05-01

图书基本信息
图书名称	数字文明:物理学和计算机
作者	郝柏林,张淑誉
定价	38.00元
出版社	科学出版社
ISBN	9787030477248
出版日期	2017-05-01
字数
页码
版次	1
装帧	平装-胶订
开本	128开
商品重量	0.4Kg

内容简介

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机中的物理，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的可能前景。本书内容丰富、取材多面，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。

作者简介

目录

目录 丛书修订版前言 / i 丛书序 / iii 2017年修订版说明 / v 2005年再版前言 / vii 初版前言 / xi 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 / 3 卡片计算机 / 5 什么因素限制了计算速度？ / 6 数的进制和存储 / 9 大数和小数 / 12 第二章用真空管和延迟线制造的电子计算机 / 15 “逻辑控制”：一问便知是天才 / 15 “蛤蟆”继电器和逻辑电路 / 18 真空管“开关” / 24 记忆屏幕和延迟线存储器 / 26 内部程序控制的冯？诺伊曼计算机 / 27 一张假想的“机器指令”表 / 30 磁性存储元件 / 36 我国的台电子计算机 / 38 第三章“于无声处听惊雷”——半导体的崛起 / 40 没有用武之地的半导体 / 41 电子能带、p型和n型半导体 / 42 半导体器件的崛起 / 48 MOS和硅“平面工艺” / 52 半导体逻辑电路 / 56 半导体存储器 / 59 SSI、MSI、LSI、UISI、VLSI和GSI / 63 半导体异质结构 / 68 磁盘和光盘 / 71 第四章计算机世界 / 75 计算机和“算计”机 / 77 软、硬、虚、实的关系 / 78 计算机语言 / 82 从POP到OOP / 87 操作系统 / 90 知识产权和软件共享 / 94 巨机不巨、微机不微 / 97 从单机到网络 / 104 并行计算的兴起 / 109 从网络到超级计算机 / 113 第五章物理学家的好助手 / 122 实验控制和数据采集 / 122 模拟信号和数字信号 / 123 中断处理 / 124 并行接口和串行接口 / 125 USB通用串行总线 / 127 PCI外部设备连接总线 / 127 核电子学标准的兴衰 / 129 高能物理实验 / 132 从头算起 / 134 计算机“代数” / 137 物理学中的人工智能 / 139 第六章计算机带来的物理学 / 142 费米-巴斯塔-乌勒姆“实验” / 142 “孤子”和“孤波” / 146 遍历问题和“反KAM”定理 / 148 非线性系统中的混沌现象 / 151 分子动力学和“长尾巴”行为 / 154 “夸克禁闭”和“渐近自由” / 157 计算物理和实验数学的诞生 / 160 生物信息学和计算生物学 / 162 第七章计算方法中的物理学 / 167 人工黏滞性 / 167 列昂多维奇边界条件 / 168 采样定理和测不准关系式 / 170 由演化过程计算定态分布 / 172 差分格式里的物理 / 174 元胞自动机和格子流体力学 / 175 重要性抽样法 / 178 遗传算法 / 182 NP完备问题和“自旋玻璃” / 183 可算性、有限性和递归 / 186 语言和计算机的复杂性 / 188 第八章计算机受到的物理限制 / 194 快能多快？ / 195 小能多小？ / 196 可以不消耗能量进行计算吗？ / 198 发热和冷却 / 201 联线问题 / 203 有没有量子限制？ / 205 第九章物理学和未来的计算机 / 208 量子阱、量子线和量子点 / 209 光计算机 / 213 自旋微电子学 / 217 超导计算机 / 219 分子电子学 / 222 DNA计算 / 224 量子信息和量子计算 / 227 第十章没有结束的话 / 231 英汉对照兼索引 / 238 后记 / 242

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文摘

序言

《数字文明：物理学与计算的交织》 一、 引言：探寻文明的底层逻辑 在人类文明的长河中，物理学与计算无疑是推动其发展最为核心的两大驱动力。物理学揭示了宇宙运行的根本规律，从微观粒子的奇妙舞蹈到宏观天体的壮丽图景，一切皆在精确的数学语言下得以阐释。而计算，作为一种信息处理与逻辑推演的强大工具，则将人类的智慧边界不断拓展，重塑着我们认识世界、改造世界的方式。 本书《数字文明：物理学与计算的交织》并非简单罗列这两大学科的知识点，而是深入挖掘它们之间深邃而迷人的内在联系，以及这种联系如何形塑了我们当下所处的“数字文明”。我们并非要探讨具体的物理学公式或计算机编程技巧，更不是要讲述某个特定时代的物理学发现或计算机发明史。本书的核心在于，通过一种宏观而深刻的视角，去审视物理学如何为计算的诞生提供了理论基石，计算又如何反过来成为探索物理学奥秘的强大引擎。从牛顿力学到量子力学，从机械计算到人工智能，我们将看到一个由理性思维、精确测量与逻辑演算构建起来的全新世界。 本书的读者无需拥有深厚的物理学或计算机科学背景。我们旨在以一种引人入胜、富有启发性的方式，引导您理解科学与技术如何相互促进，共同编织出我们今日所见的数字时代。我们将一同追溯那些看似遥远却又与我们息息相关的思想火花，感受科学精神的魅力，洞悉数字浪潮背后那股强大而持久的理性力量。 二、 物理学的启示：理解世界的基石 物理学，作为研究物质、能量、空间和时间最基本规律的科学，其发展史本身就是一部人类理性不断突破的史诗。从古希腊哲学家对自然现象的朴素观察，到伽利略、牛顿对运动和引力的精确描述，再到爱因斯坦的相对论和量子力学的诞生，每一次理论的飞跃都极大地拓展了我们对宇宙的认知。 在物理学发展的早期，其核心在于建立能够精确描述和预测自然现象的数学模型。这种对精确性的不懈追求，以及对因果关系的深刻理解，为后来的计算科学奠定了思想基础。牛顿的万有引力定律不仅解释了行星的运行轨迹，也展示了通过简洁的数学公式来模拟复杂物理系统的可能性。这种“模型化”和“公式化”的思维方式，正是计算的灵魂所在。 随着科学研究的深入，尤其是对微观世界的探索，物理学面临着前所未有的挑战，同时也催生了更为精密的测量手段和数据处理方法。例如，在天文学领域，望远镜捕捉到的海量星系数据，需要强大的计算能力才能进行分析和分类。在粒子物理学中，对基本粒子碰撞产生的海量轨迹和能量信息进行解读，更是离不开超级计算机的支持。物理学的实验数据往往庞大而复杂，这直接催生了对高效数据处理和分析工具的需求。 更深层次上，物理学对“信息”的概念的理解，也为计算科学提供了重要的启示。在量子力学中，粒子的状态本身就包含了信息，而信息的测量与纠缠等概念，更是与信息论和计算理论产生了深刻的共鸣。例如，量子计算的诞生，很大程度上就是受到了量子力学原理的启发，它探索利用量子叠加和量子纠缠等特性来实现经典计算机无法企及的计算能力。 物理学的研究对象，从宏观到微观，都展现出一种内在的秩序和规律。这种秩序和规律，并非神秘莫测，而是可以通过逻辑推理和数学语言来揭示。物理学的发展，不断证明了宇宙是可以被理解的，而理解宇宙的关键在于发现其背后运行的“算法”。这种“算法”的思维，正是连接物理学与计算的天然桥梁。 三、 计算的诞生与发展：赋能人类的智慧之翼 计算，从最朴素的计数工具到如今的超级计算机和人工智能，其发展历程充满了人类对效率和智能的不懈追求。早期的计算，例如算盘，本质上是对数字进行物理操作的工具。机械式计算器，如帕斯卡和莱布尼茨发明的机器，则开始利用齿轮和杠杆来实现自动化运算。 然而，真正意义上的计算革命，是随着电子技术的发展而到来的。图灵在20世纪30年代提出的“图灵机”理论，为计算机的抽象模型奠定了理论基础，定义了“可计算性”的概念。这标志着计算不再局限于具体的物理机器，而是一种可以被形式化和算法化的逻辑过程。 第二次世界大战期间，为了解决复杂的弹道计算问题，第一批通用电子计算机应运而生，如ENIAC。这些庞然大物虽然笨重，但其强大的计算能力极大地改变了科学研究和工程设计的面貌。晶体管的发明，以及集成电路的出现，将计算机的体积不断缩小，性能不断提升，成本不断降低，从而将计算机从实验室和军事部门带入了千家万户。 计算机的发展，不仅是硬件的进步，更是软件和算法的革新。操作系统、编程语言、数据库等软件技术的出现，使得计算机的功能日益强大，应用领域不断拓展。算法，作为解决特定问题的步骤和指令，成为计算的核心。从简单的排序算法到复杂的机器学习算法，算法的效率和优化直接决定了计算的成败。 计算的发展，极大地加速了物理学研究的进程。过去需要数年甚至数十年才能完成的复杂模拟和数据分析，如今可以在短时间内完成。这使得科学家能够探索更深奥的物理问题，例如气候变化模型、天体演化模拟、粒子碰撞轨迹预测等。超级计算机的应用，让那些仅凭人力和纸笔无法企及的计算任务成为可能，从而推动了物理学前沿的不断突破。 同时，计算的强大能力也催生了新的科学领域，例如计算物理学、计算化学、计算生物学等。这些交叉学科利用计算工具来模拟和研究物理、化学、生物等领域的复杂现象。 四、 数字文明的崛起：物理学与计算的共舞 物理学与计算的交织，并非单向的赋能，而是一种双向互动的共舞，共同塑造了我们今天所处的“数字文明”。 1. 精确测量与海量数据：物理实验的数字化转型 物理学实验，尤其是在现代科学领域，往往产生海量的、高精度的实验数据。例如，大型强子对撞机（LHC）在粒子碰撞实验中，每秒钟产生的数据量是惊人的。如果没有强大的计算能力来收集、存储、处理和分析这些数据，这些宝贵的实验结果将毫无意义。 计算机化的数据采集系统、高速数据传输网络、以及高效的数据处理算法，使得物理学家能够从海量数据中提取出有用的信息，发现微观世界的奥秘。物理学家不仅需要理解物理原理，更需要掌握如何利用计算机工具来处理实验数据，构建统计模型，进行可视化分析。 2. 模拟与预测：数字世界的“虚拟实验室” 计算能力的飞跃，使得物理学家能够构建复杂的物理系统模型，并在计算机上进行模拟。这种“虚拟实验室”极大地降低了实验的成本和风险，并且能够探索一些在现实世界中难以实现的实验条件。 例如，在天体物理学中，通过数值模拟，科学家可以研究黑洞的形成、星系的演化、宇宙大爆炸后的早期宇宙状态。在材料科学领域，通过分子动力学模拟，可以预测新材料的性质，优化材料的设计。在气候科学中，复杂的地球气候模型，依赖于庞大的计算资源，能够对未来的气候变化进行预测。 这些模拟不仅仅是简单的数值计算，更包含了深刻的物理学理论和精密的数学模型。计算的进步，使得这些模型能够更精确地描述物理世界的复杂性。 3. 信息论与计算理论的物理根源 信息论，作为研究信息量、信息的传输和处理的学科，其发展也与物理学有着不解之缘。香农的信息论，在数学上提供了度量信息的方法，而物理学中的熵，在统计力学中也扮演着重要角色，两者之间存在深刻的联系。 量子力学对量子比特、量子纠缠等概念的揭示，直接催生了量子计算这一新兴领域。量子计算利用量子力学的独特属性，有望在特定问题上实现远超经典计算机的计算速度，例如破解当前的加密算法，或者模拟复杂的分子系统。这表明，对物理世界底层规律的探索，能够为计算能力的突破提供全新的方向。 4. 驱动智能的演进：从算法到人工智能 数字文明的最终形态，很大程度上体现在人工智能（AI）的飞速发展上。AI的本质，是利用计算和算法来模拟和增强人类的智能。而AI算法的灵感，很多也来源于对人类大脑和自然界运作方式的理解，这些理解往往离不开物理学和生物学的研究。 例如，神经网络算法，其结构和运作方式在一定程度上受到了神经科学的启发，而神经科学的研究又与生物物理学紧密相连。深度学习的强大能力，更是依赖于海量的计算资源和精密的算法优化。AI在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域的突破，使得人机交互更加自然，也为科学研究提供了新的工具。 五、 结语：展望数字文明的未来 《数字文明：物理学与计算的交织》正是希望勾勒出这样一幅图景：物理学揭示了构成世界的基本规律，而计算则提供了探索、理解和改造这些规律的强大工具。它们相互依存，相互促进，共同将人类文明推向了一个前所未有的高度。 我们所处的数字时代，并非孤立的技术产物，而是建立在对宇宙深刻理解和强大计算能力之上的文明形态。从探索宇宙的奥秘到解决人类社会面临的重大挑战，物理学与计算的结合，正在以前所未有的力量改变着我们的生活。 展望未来，随着物理学研究的不断深入，例如对暗物质、暗能量、量子引力等问题的探索，以及计算能力的持续提升，尤其是量子计算和新型计算范式的出现，数字文明必将迎来更加激动人心的发展。我们有理由相信，人类对宇宙的理解将更加深刻，解决复杂问题的能力将更加强大，文明的未来也将更加光明。本书旨在提供一个独特的视角，帮助读者理解这场正在发生的深刻变革，并激发对科学与技术未来发展的思考。

评分☆☆☆☆☆

当我看到《数字文明:物理学与计算机》这个书名时，我的第一反应是：“这肯定不是一本泛泛而谈的书。” 我喜欢那些能够挖掘学科深层联系，并且能够用清晰、引人入胜的方式解释复杂概念的书籍。我设想，这本书可能会从一个非常宏观的角度出发，比如宇宙的起源和演化，然后通过物理学的视角来解释其中的规律。接着，它会转向计算机的出现，分析计算机技术是如何一步步发展起来，以及它如何改变了我们观察和理解世界的方式。我特别希望，书中能够探讨物理学中的“信息”和“计算”这两个概念是如何相互影响、相互塑造的。比如，信息熵的概念在物理学和计算机科学中都有着至关重要的地位，这本书是否会深入解析它们之间的联系？此外，我也对书中可能涉及的“计算物理学”领域感到兴奋，即如何利用计算机来解决复杂的物理学问题。我希望这本书能够带领我进入一个充满智慧挑战的探索之旅。

评分☆☆☆☆☆

这本书名《数字文明:物理学与计算机》光是看名字就让我充满了好奇。我一直对科学的交叉领域很感兴趣，尤其喜欢那种能够将看似毫不相干的学科联系起来，揭示背后深层规律的著作。物理学，作为研究宇宙最基本构成和运行法则的学科，其严谨的逻辑和抽象的思维方式，总是让人着迷。而计算机，这个现代社会不可或缺的工具，它的发展速度之快，影响之深远，已经渗透到我们生活的方方面面。将这两者结合，我脑海中立刻浮现出无数的可能性：量子计算对物理学理论的颠覆，模拟物理过程所需的庞大计算能力，信息论在物理学中的应用……我特别期待书中能够探讨物理学中的哪些概念（比如熵、信息、涌现）在计算机科学中找到了新的映射，反之亦然。它是否会涉及一些前沿的研究，比如用物理模型来解释人工智能的学习机制，或者通过设计新的计算架构来突破物理学的某些限制？我希望这本书不是一本枯燥的科普，而是能带我进入一个充满智慧火花的思想实验室，让我看到科学最激动人心的前沿。

评分☆☆☆☆☆

我对《数字文明:物理学与计算机》的期待，很大程度上源于我对“计算”本身的好奇。我总觉得，我们人类对世界的理解，很大程度上依赖于我们所能进行的“计算”。物理学描绘的是世界的“硬件”和“软件”，而计算机则是我们用来“运行”和“分析”这个世界的工具。这本书名让我联想到，作者是否会深入探讨“计算”在物理学中的本质意义？例如，宇宙是否本身就是一个巨大的计算过程？量子力学的概率性行为，是否可以理解为一种信息处理机制？而我们的大脑，又是否可以被视为一种高度复杂的生物计算机？我渴望书中能够提供一些关于计算复杂性理论在物理学现象中应用的例子，比如模拟湍流、预测天气，甚至是理解黑洞的形成。我还好奇，书中是否会探讨某些物理现象，例如非线性动力学，其复杂性在一定程度上超出了现有计算机的处理能力，从而催生了新的计算范式，比如量子计算或生物计算。

评分☆☆☆☆☆

在翻开《数字文明:物理学与计算机》之前，我已经在脑海中勾勒出了一些可能的内容。我设想，它或许会从经典物理学的基石讲起，比如牛顿力学和电磁学，然后逐步过渡到量子力学和相对论，探讨这些革命性的理论是如何深刻影响了我们对物质、能量和时空的理解。同时，我也期待看到计算机科学的发展历程，从最初的图灵机概念，到集成电路的出现，再到如今的人工智能浪潮。最吸引我的是，书中可能会深入分析物理学中的一些核心思想，比如“信息”这个概念，是如何在数字世界中被重新定义和利用的。也许它会解释，为何某些物理定律在宏观世界和微观世界表现出截然不同的行为，而计算机模拟又如何在其中扮演关键角色，帮助我们理解这些复杂现象。我希望这本书能够提供一些令人耳目一新的视角，让我看到物理学不仅仅是关于“是什么”，更是关于“如何运作”，而计算机则是实现这种“运作”的强大工具。

评分☆☆☆☆☆

《数字文明:物理学与计算机》这个书名，立即唤起了我对科学边界探索的兴趣。我一直相信，真正的突破往往发生在学科的交叉点上。物理学，作为探索自然界基本规律的科学，其严谨的数学框架和深刻的洞察力，总能为其他学科提供新的视角。而计算机，作为现代人类最强大的工具之一，其计算能力和信息处理能力，正在以前所未有的方式重塑我们的世界。我非常期待这本书能够阐释物理学中的某些核心概念，比如“对称性”、“守恒定律”、“量子纠缠”，在数字世界中是如何体现或被利用的。反之，我也想知道，计算机科学的发展，例如算法的创新、并行计算的突破，是否为物理学研究带来了新的方法和可能性？这本书能否帮助我理解，我们是如何通过构建越来越精密的计算模型，来模拟和预测越来越复杂的物理现象？我渴望它能够展现物理学和计算机科学之间那种既独立又密不可分的共生关系。