前言

自20世纪以来，近代物理以磅礴之势登上世界历史舞台，突破了千百年的传统观念，改变了人类生活，开辟了崭新的时代！从经典物理的两朵乌云，到相对论和量子力学的诞生，人类对自然的认识发生了质的飞跃。从宇宙星辰的宏观运动，到分子、原子、粒子的微观运动，都彻底摈弃了经典物理学的观念。物理学的革命性发展，影响了整个自然科学，进而推动了科学技术的全面发展。尤其以量子力学为基础的电子学，更使人类社会进入了新时代。以量子通信和量子计算以及人工智能等为代表的当代科学技术的迅猛发展，更出现了所谓“第二次量子力学革命”的预言。

20世纪20年代诞生的量子力学，给人们打开了微观世界的大门，往往被称为“第一次量子力学革命”。量子力学有着一些奇特的性质，例如波函数的概率幅、波粒二象性、薛定谔猫、量子纠缠等。而围绕着这些奇特性质，有着各种疑惑和解释。

1935年，爱因斯坦等提出所谓EPR(EinsteinPodolskyRosen)的思想实验，开启了关于量子纠缠态即量子非局域性的探索。这个思想实验进一步启发了贝尔(J.Bell)提出贝尔不等式，将这些思想性的实验付诸于真实的实验。在2015 年，荷兰研究组利用两块相距1.5 km的金刚石色心中电子自旋，完成了所谓“无漏洞”的贝尔不等式的验证。这场爱因斯坦和玻尔之间的学术争论，揭示了量子世界更为深刻和基础的性质： 量子非局域性。可以预想，就像当年关于黑体辐射的深入研究，导致了量子力学的第一次革命，对于这些量子世界的奇特性质的更深入的探索，将导致量子力学的第二次革命！第一次量子革命之后，量子力学应用到各个领域，已经取得了非常丰硕的成果。而第二次量子革命，物理学家希望彻底弄明白量子力学的奇特性质到底为什么是这样。特别是关于量子力学最为奇特的属性之一： 量子非局域性，它的根源是什么？我们在近代物理实验中试图做一点最初步的尝试，激发起同学们的好奇心，鼓励他们去追踪物理学最基本的目标： 研究物质运动最一般规律和物质基本结构。

大学本科物理的教学，以经典物理为基础，重点在近代物理，尤其是建立在量子力学基础上的各门学科，包括粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、生物物理学等。实验物理的教学也相应地分为普通（即经典）物理和近代物理两个部分。

根据目前清华大学实验物理教学中心的实际教学内容，本书分为以下6个部分： 

①原子物理和量子物理； ②现代光学及应用； ③凝聚态物理与实验技术； ④等离子体物理； ⑤核物理及粒子物理与技术； ⑥实验技术与综合。这种划分，是本实验室几十年来教学科研建设的历史发展之自然结果，它与物理学的二级学科大致并行，也与清华大学物理系的科研教学大致吻合，一方面尽可能涵盖近代物理的主要分支和物理学发展过程中具有里程碑意义的重要实验，也试图反映当代物理学发展的最前沿的成果，例如量子纠缠实验。同时特别把实验技术独立列出，体现物理学是实验科学、与技术紧密相关的特点。具体来说，第1部分“原子物理和量子物理”代表了在量子力学的起源和发展中一些核心的相关实验，例如磁共振、光吸收和电子衍射，都是量子化能级间跃迁和粒子波粒二象性的表征，同时也包含了像量子纠缠这样前沿和深奥的课题。第2部分“现代光学及应用”，也可以说是量子光学，基本都与激光有关，也包括光学信息处理。2018年的诺贝尔物理学奖正是表彰美国和加拿大三位科学家在激光物理学领域的突破性贡献。许多人对光学在21世纪的发展和应用寄予厚望。第3部分“凝聚态物理与实验技术”，这是物理学最大的分支，也是与人类实际生活关系最密切的学科。在凝聚态物理学中，1980年发现的量子霍尔效应是一个具有历史意义的里程碑，从此各种量子效应在凝聚态中大显身手，例如本书所包含的巨磁电阻效应及其应用、高温超导体、半导体、太阳能电池和燃料电池、磁晶和液晶以及物相分析等。第4部分“等离子体物理”，专注于气、液、固三种物质形态之外的第四种物质形态： 等离子体。第5部分“核物理及粒子物理与技术”，介绍X射线、γ射线等在核物理研究中各种能谱仪器的应用，以及一些放射现象。第6部分“实验技术与综合”，包括近代物理实验中经常使用的微弱信号处理、真空和薄膜制备，以及质谱、超声、微波和扫描隧道显微镜等技术手段。

本书由清华大学实验物理实验教学中心组织编写，得到中心主任张留碗的大力支持。中心前主任葛惟昆和近代物理实验教学负责人王合英共同主编，参加编写的有近代物理实验室主任陈宜保，以及宁传刚、张慧云、侯清润、陈宏、孙文博、茅卫红、郑盟昆、王秀凤等各位老师。具体编写者的姓名列在各个实验的文字部分之后。

囿于经验及知识水平，本书偏颇或疏漏之处难免，敬祈指正！

葛惟昆

2020年10月于清华园