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本书中这些精彩文章的作者,多为荣获英国皇家学会研究基金支持的首席青年科学家;在他们撰写的文章中,除了分别描述了自己的研究成果之外,还评述了有关学科领域的发展前景。这些文章选自英国皇家学会创办的、全球历史最悠久的权威性科学杂志《自然科学会报》的新千年专辑。该杂志主编、皇家学会会员迈克尔?汤普森教授为本书精心遴选的这些重要文章,包括宇宙大爆炸创生学说;人类对太阳系的探测研究;地球深层结构以及现代对全球变暖与气候变化问题的科学分析。全书充满了这些年轻作者积极献身天文学和地球科学研究工作的信念与热情。本书还另有两册姊妹篇,分别是关于物理学与电子学,以及天文学与地球科学的。对于任何关心未来科学发展的读者来说,本书的所有文章,都提供了一些具有权威性的科学见解。
迈克尔.汤普森是皇家学会《自然科学会报》(A辑)的现任主编。1958年毕业于剑桥大学力学科学系,获得一级荣誉学位.并于1962和1977年分别获得科学博士与理学博士学位。曾担任斯坦福大学的奖学金研究员,并于1964进入伦敦大学学院任职。他已发表了的四部专著,分别论述了有关不稳定性、分枝现象、灾变理论以及混沌理论等方面的诸多问题。1977年被聘为伦敦大学学院教授。1985年被遴选为皇家学会会员,并荣获英国土木工程师学会授予的奖章。他曾是科学与工程研究委员会:资深研究员,并曾服务于国际矿物学协会理事会。1991年,他被任命为非线性动力学研究中心主任。2004年他获得国际矿物学协会金质奖章,以表彰他毕生在数学研究方面所作的贡献。
序言
第一章运动的原子与分子
1分子运动的激光瞬态图像
加雷思 罗伯茨
2酶学的量子飞跃进展
迈克尔 J.萨克利夫
奈杰尔 s.斯克鲁顿
第二章新工艺与新材料
3世界顶尖化学家:人与计算机
乔纳森 M.古德曼
4化学的内涵:中孔材料的绿色化学
邓肯 J.麦考尔瑞
5金刚石薄膜:21世纪的材料
保尔 W. 梅
第三章 生物的成长和形式
6自然界微观模式的奥秘
艾伦 R赫姆斯利、彼得.c.格里菲斯
7 骨架结构:力学与细胞生物学之集成
马乔莱蒽 C.R范德穆兰、帕特里克 J.普伦德加斯特
第四章理解人体
8虚拟心脏的制作
彼得 科尔、丹尼斯.诺布尔、
雷蒙德 L温斯洛、彼得.亨特
9用计算机探索人类器官
保尔 J.科尔斯顿
第五章理解人的头脑
10逆向运行人类的头脑
文森特 沃尔什
作者简介
索引
序言
本书所包含的内容,是一批首席青年科学家按照图文并茂的通俗化格调,撰写的十篇文章;其中包括了他们自己的研究成果以及他们对未来科学进展的看法。本书通篇充满了这些年轻作者献身科学的激情与热情,并为那些对于未来科学发展感兴趣的广大公众——其中包括科学研究人员以及具有科学意向的在校儿童,提供一些具有权威性的观点。
这些文章都是在皇家学会《自然科学会报》新千年三本特辑中正式发表过的权威性学术论文的通俗化版本。创办于1665年的《自然科学会报》,是世界上历史最悠久的权威性科学杂志。三百多年以来,它一直都在发表尖端性的科学论文。自从1672年艾萨克 牛顿在本刊发表自己的第一篇论文“光与色彩的新理论”开始,本刊便一直被他用来详述自己的科学生涯。从1703年牛顿当会长至1727年牛顿去世,英国皇家学会在牛顿的带领下,在欧洲的学者中牢固地树立了科学声望。现在,英国皇家学会成了英国科学院。本书的许多作者都得到了权威的英国皇家学会研究基金的资助。
《自然科学会报》A辑专注于整个物理科学,作为本刊主编,我对所涉及的那些正处于快速增长、并且可能具有长远意义和重要性的课题内容,进行了仔细挑选。每篇文章都描述了最新的尖端研究结果,比较广泛地说明其来龙去脉,并展望其未来的发展前景。这本文集对于处在千年之交转折点时刻的物理学态势,提供了一幅独具特色快照,而书末的作者简历及其照片,则提供了一些对个人的了解。
本刊新千年的三个特辑,由剑桥出版社分为三本书籍出版。其内容分别包括:天文学和地球科学(其中包括根据大爆炸理论描述宇宙的创生和演化,人类对太阳系的探测研究,地球深层结构,以及关于全球变暖和气候变化的现代科学见解);物理学和电子学(其中包括量子物理学和引力物理学,电子学,高级计算机和无线电通信);化学与生命科学(其中包括反应动力学,新的处理过程和材料,生物物理技术以及构建描述心脏的理论模型)。
J.M.T.汤普森
皇家学会《自然科学会报》主编,
非线性动力学研究中心主任,
伦敦大学学院教授
第一章
运动的原子与分子
1.分子运动的激光瞬态图像
1.1 引言
驱动物理、化学的和生物学中物质和能量转化的分子运动,就发生在一段非常短的时间内。在这样一个短暂的时间过程内,原子和分子相遇,交换能量,迁移原子,完成由一种物质向另一种物质转化的特定过程。为了在这个过程发生时将其用图像描述出来,就需用激光脉冲在飞秒的几十倍或最多几百倍的时间内来为其拍摄“快照”,从而实时地描绘出这些变化。
本章讨论的是,应用飞秒级激光来研究分子运动动力学,并力图描述出理论和实验的协同配合是怎样使物质的相互作用可以在极短时间内的曝光过程中实现,又是怎样从基础量子理论的角度来理解这个超快过程的发生情况。通过考虑以不同量级的激光诱导出的、处于气相和团簇中的分子所发生的反应来对该过程进行描述。根据一种对新的激光技术发展的预测,科研人员强调,通过探索更短的激光脉冲的方法,将使研究和控制原子核和分子中的电子动力学成为可能。
1.2强飞秒级激光与分子的相互作用
飞秒级激光与原子和分子之间的相互作用,和较长的激光脉冲与原子和分子之间的相互作用是完全不同的。这种产生于超短时间内的飞秒级激光脉冲,比原子运动的特性动态时间规模还要快,而且,它的超高的强度,形成了一系列前所未有的现象。当一束强烈的、超快的激光束辐射在分子样品上时所发生的确切的情形,很大程度取决于激光的强度。激光的强度决定提供到单个分子上的光子数,还可能强行改变分子的允许能量级;同样重要的还有激光的频率,频率和强度共同为不同的分子能态提供光通道。光/物质相互作用方面的详尽的物理学也将理所当然地取决于被辐射分子的结构,但不管它的本质特征如何,原子和分子被超快激光光子激发的一些特定性质已在全世界各个前沿研究组的研究中展现。
首先对激光场发生反应的是较轻的电子,反应过程的时间规模为阿托秒(即飞秒的千分之一):根据入射光的强度,被分子吸收一个或多个光量子,或将一个电子提升到分子的较高能态,或将一个电子完全从分子中释放出来,留下一个带正电荷的离子。如果强度极高,还有可能依据不同机理而发生多个电子被激发或离子化的情况。而在几十或几百飞秒的相对较长时间段内,分子中的原子核位置将重新排布,来适应突然发生的由超快激光脉冲造成的新的电子态占有率引起的新的静电相互作用。核的运动可能包含分子的振动和转动,或由于作用于原子上的离心力太强,分子可能会崩溃,从而不能保持原始的结构形态。另外,在超短的激光脉冲过程中,在入射强度很高的情况下,随激光束产生的电场会使约束分子中的电子和原子核的电稳定性发生变化,变化的程度之大,可以改变分子的特有能级。
上述的每一种现象都是值得开展深入研究的议题。图1.1提供了以上一些现象的简化的描述。图中表示被强激光脉冲所处理的原子的扭曲的势能结构中的电子的离子化,其路径是由电子对激光脉冲引起的振动电场的反应,放出高频的谐光子。当电子从离子核心散射时会发放出这种谐光子(高谐放射可用来产生阿托秒级激光脉冲,参见1.4.1节的讨论)。强激光照射下的分子会发生一系列相似的相互作用,有的只是细节不同而已。
通过对这些过程的详尽测量,可以开发出量化的模型来描述分子对脉冲式激光活化的动态反应。这些方法使我们能够根据量子理论,以波来描述物质与光的原理,去理解极强和超快激光与分子之间基本的相互作用。
根据对飞秒级激光的描述,本章此后的内容将集中在受到超快激光辐射的分子的核动力学,而不是电子的效应,目的是尽力去理解分子在飞秒时间尺度中如何分裂和碰撞。分子物理学的特殊兴趣集中在总时间进程中的关键和中介的阶段,在这个阶段,在短暂的分子形态内的快速变化的力操纵着质和能的流动。