物理学图片
理论物理
发布时间:2018-06-15 浏览次数:0

理论物理

理论物理(Theoretical Physics)是从理论上探索自然界未知的物质结构、相互作用和物质运动的基本规律的学科。理论物理的研究领域涉及粒子物理与原子核物理、统计物理、凝聚态物理宇宙学等,几乎包括物理学所有分支的基本理论问题。

发展历史

物理学是人类现代文明的重要组成部分,它伴随着文明的进步而不断发展,是人类的物质创造和精神思考的成果,同时它强有力地推动了人类文明进一步发展。可以说,物理学是现代人类社会最重要的塑造力量之一,它不仅是各种宏伟的、精密的物质成果的直接基础,而且深刻地影响了人类的哲学观点、政治观点、经济和文化活动方式,重塑了人类对自身和对宇宙的认识。理论物理学作为物理学的重要分支起着基础作用,其功能和意义不仅完全具备上述的各个方面,而且还具有自身的特点。

理论物理的知识体系发源于近代欧洲在十五、六世纪的思想革命时期。哥白尼首先提出日心说挑战宗教神学体系,开创现代天文学;与哥白尼同时代的开普勒再接再厉,以严谨的数学语言对日心说做出了正确的、完整的描述,为这个理论奠定了更坚实的基础。伽利略承前启后,创立了现代自然科学研究的方法:对物理理象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合。爱因斯坦曾经评价伽利略的科学研究方法是人类思想史上最伟大的成就之一,是物理学的真正开端。

牛顿通过对哥白尼伽利略这些近代思想家的学说总结和继承,开创性地建立了一整套逻辑严密的理论体系,开始了物理学史上的第一个新纪元。牛顿建立了经典的绝对时空观,提出了关于的三大定律,揭示了的颜色之谜,他发展了微积分等强有力的数学手段对物理问题进行严密的逻辑推理分析,自己制作望远镜和三棱镜等实验设备进行实验观察,这些研究方式为现代物理学的研究树立了最基本的规范。牛顿建立的时空哲学观和力学体系是此后两百多年物理研究的基础,拉格朗日欧拉拉普拉斯傅立叶哈密尔顿经典物理学家继续以数学分析为手段完善了牛顿力学体系,安培法拉第麦克斯韦等人创立并完善了经典电磁理论,卡诺、克劳修斯吉布斯波尔兹曼等人则发展和完善了经典热力学和统计理论。牛顿理论体系及其产物也使得人类认识到物质运动的规律是可以掌握和利用的,对遥远宇宙和地外星体的理解改变了人们对人类在宇宙中的位置的认知,对生物的解剖分析和演化史的追溯完全改变了人类对自身的认识,人类开始摒弃宗教和迷信的教条主义神秘主义不可知论,对事物本源、运动规律、内在逻辑、相互联系的追求构成了理性主义科学方法的基础,事实上是推动现代人类文明进步的真正动力。

经典物理体系的高度完善使得理论本身已经达到其能力边缘,而它催生的精密实验手段却发现了理论基础本身存在着重大的问题,这促使庞加莱洛仑兹爱因斯坦玻尔海森堡等人开始严肃地思考经典物理体系的基础是否正确。这一波对牛顿体系的批判性重新检验引发了二十世纪初的物理学革命:二十世纪初期相对论量子理论的出现彻底颠覆了牛顿的时空观念和经典物理基础,物理学迎来新一轮快速发展。需要说明的是,虽然新的物理理论取代了旧理论的基本观点,但经典物理的价值却并没有被否认,这是因为经典物理所确立的探索运动规律的精神、实验和理论的研究方式、以数学语言描述物理规律等原则具有永恒的价值,而且在一定的物理条件下经典物理依然是足够精确的理论,相对论和量子力学带来的修正不会影响具体的物理实践。

相对论和量子力学再次重新塑造了人们的时空观念,赋予了相对性与绝对性时空与物质确定性与不确定性连续与非连续等概念新的意义,经典体系里的物理概念和物理规律都可以在新的物理框架下得到检验和重新表述,它们在某种意义上被摒弃,却同时被保留并升级换代了。随着量子力学对黑体辐射和原子光谱的完美解释,狭义相对论对电磁理论基础的完善和对质能转换的预言,广义相对论对行星进动的精确解释,新物理体系很快得到了人们的接受并作为物理研究的新基础。以此为出发点,在二十世纪二三十年代,人类对自然的认知迅速地在微观上深入原子和核子的层次,原子光谱得到清晰的理解,核物理现象和规律得到初步理解并且开始了核能的应用;宏观上则扩大到星系和宇宙尺度,以广义相对论为基础的现代宇宙学提供了关于宇宙长达一百多亿年的演化史的理论框架,对数十亿光年之远的星系的观测前所未有地扩展了人类的知识,对黑洞的探讨则成了引力理论的经久不衰的课题。

随着关于微观粒子的知识积累,人们发现粒子并非恒久不变,它们不断产生和湮灭,并且相互作用,这促使物理学家在三十到五十年代发展了量子场理论。的观念早在法拉第和麦克斯韦的时代就已经得到确立,是现代物理的基本观念之一,量子场论融合了场理论和狭义相对论、量子力学,完全自洽地解释了粒子的波动性和粒子性的相互关系,质量和能量的关系。这个时期理论物理知识成倍增长,人才辈出:海森堡提出测不准原理泡利提出不相容原理狄拉克提出描述电子的方程,与马克斯·玻恩、约旦和维格纳等人一道他们完善了量子力学并对场量子化作了大量的早期探索。三四十年代,朝永振一郎施温格费因曼建立了描述电磁场和电子相互作用的量子场理论量子电动力学,他们构建的理论完全满足相对论和量子力学的要求,并且成功地发展了一套微扰理论来计算具体问题的近似解,对电子反常磁矩的理论计算结果与实验符合到好于十亿分之一,充分显示了理论方法的威力。这个时期对微观量子世界的研究还揭示出其特有的对称性原理,建立了粒子理论的时空CPT对称和C破坏、P破坏和T破坏的理论,发现并总结了粒子的内部对称性与自旋同位旋重子轻子)数等的规律。

六十年代和七十年代理论物理经历了另外一个发展高峰时期,这个时期虽然S-矩阵理论曾经兴盛一时,但人们还是认识到量子场方法对理解动力学问题具有无法替代的优势。规范对称性作为基本的物理原理提供了描述物质相互作用的理论框架,非阿贝尔规范理论(Yang-Mills场论)成为构筑现代场论和粒子物理标准模型的基石,已知的四种作用力中的除去引力的三种:电磁作用、弱相互作用强相互作用都可以用规范理论描述。随着夸克理论的提出、弱电统一理论的建立和量子色动力学渐近自由夸克相互作用的正确描述,我们知道:费米粒子作为基本组分构成了物质世界,而规范粒子则扮演了相互作用传递者的角色。理论方面,Wilson重整化理论以全新的观点审视量子场论的基础结构,提出了重整化流的概念,阐述清楚了有效量子场论的意义;NambuGoldstoneHiggs等人发展了自发对称性破缺机制;‘t HooftVeltman证明了非阿贝尔规范理论的可重整性;Weinberg-Salam-Glashow建立了弱电统一的量子理论;量子色动力学也被证实为描述夸克-胶子相互作用的正确理论;磁单极瞬子的研究揭示了场论的一些非微扰性质。实验方面,核子的深度弹性散射PP对撞的喷注现象等大量高能实验都证实了夸克的真实存在以及量子色动力学渐近自由性质,中性流和重玻色子的探测证实了弱电理论的正确性。到八十年代初,粒子物理的基本砖块已经具备,统一理论的大厦似乎近在咫尺,然而事实表明相互作用的统一理论的难度远远超过了人们的想象。

为了统一弱电理论和强作用理论,人们尝试过用SO10)、SU5)等规范群构造满足所有对称性要求的大统一理论,提出了超对称概念以改善理论在紫外的性质,然而关于这方面的大量研究都没有获得实验支持。理论上,量子场论的微扰理论已经得到较好的理解,然而非微扰量子场论依然困扰着人们,格点规范理论还远不足以完全解决诸如Yang-Mills理论的禁闭问题。引力理论和量子力学的矛盾显得更为尖锐,人们很早就发现了对其它场而言无往不利的量子化方法应用到引力场时惨遭失败:直接量子化引力得到的量子场是不可重整化的,这意味着这个理论无法做任何有意义的量子计算。然而,量子引力理论对理论物理体系的完善不可或缺:对黑洞性质的经典研究表明黑洞具有热力学特性,具有宏观熵和温度,半经典的研究甚至表明量子力学使得黑洞具有热体辐射,黑洞性质的微观机理要求的量子引力理论;同时大爆炸宇宙学成功地追溯到宇宙演化史的最初三分钟,粒子宇宙学正确地解释了宇宙中轻质量元素的丰度,然而要继续追究宇宙的起源则必须考虑引力的量子效应

为了解决这些理论物理的重大难题,从七十年代开始,物理学家提出了各种理论机制,有的立足于相对论和量子力学的基础而作相对保守的新扩展:超对称是对庞加莱对称性的扩充,弦理论则把自然界的基本组份从点粒子改为一维的弦,额外维理论则认为除了宏观的四维时空外还有一些极其微小的额外空间,这些理论往往出发点简单,然而却引发了大量有趣的研究成果。有的理论则从根本上重新检验相对论和量子力学的理论基础,企图以激进的革命性改变解决问题,各种量子力学的替代理论、圈量子引力在这个方向上作了一些探索。这些理论引发了大量的形式理论研究,却始终缺少决定性的实验结果支持,有的理论研究与实验研究渐行渐远,引发了这些研究是否已经脱离物理研究正确道路的争议。

无论如何,理论物理依然是一个未完成的体系,它生机勃勃而又充满了挑战。理论物理一方面探索基本粒子的运动规律,同时也探索各种复杂条件下物理规律的表现形式。随着技术的高度发展,理论物理的研究在越来越多的领域继续发挥着致关重要的作用:量子信息理论加深了我们对量子力学基础的理解,同时又在不断挑战量子理论的解释极限;界观物理、纳米技术揭示着宏观和微观过渡区域丰富的物理规律;超低温、强激光等极端环境显示出独特的物理性质;强关联多电子体系则对解析和数值研究都提出了挑战;复杂物理系统、非线性物理系统不断涌现新的问题。

在新世纪,作为宇宙学的重大发现,我们的宇宙处于加速膨胀的状态,暗物质暗能量分别构成了宇宙组分的23%73%,我们熟悉的重子物质不过占区区4%而已!理论和实验的冲突如此尖锐,而理论本身也面临着自洽的逻辑问题,新物理已经不可避免,理论物理再次面临着重大突破的时机。随着大型强子对撞机LHC的完成,新一代天文探测器的升空,引力波探测实验的推进,以及数个未来的大型实验计划的实施,我们有机会探测到超出标准模型的新粒子,精确测量宇宙极早期大爆炸的余辉,研究遥远宇宙空间的黑洞和其它奇异天体。当我们拥有越来越多的实验结果时理论物理学家将得到更多的启示,某种新物理将水到渠成地出现并正确地解释上述谜团,我们对自然规律的认识将迈入新的层次。

培养目标

博士学位

应具备坚实的理论物理基础和广博的现代物理知识,了解理论物理学科的现状及发展方向,有扎实的数学基础,熟练掌握现代计算技术,能应用现代理论物理方法处理相关学科中发现的有关理论问题。具有独立从事科学研究的能力,具有严谨求实的科学态度和作风,在国际前沿方向或交错领域中有较深入的研究,并取得有创造性的成果。至少掌握一门外国语,能熟练地阅读本专业的外文资料,具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力。毕业后可独立从事前沿理论课题的研究,并能开辟新的研究领域。学位获得者应能胜任高等院校、科研院所及高科技企业的教学研究、开发和管理工作。

硕士学位

应有扎实的理论物理基础和相关的背景知识,了解理论物理学科的现状及发展方向,掌握研究物质的微观及宏观现象所用的模型和方法等专业理论以及相关的数学与计算方法,有严谨求实的科学态度和作风,具备从事前沿课题研究的能力。应较为熟练地掌握一门外国语,能阅读本专业的外文资料。毕业后能胜任高等院校、科研院所及高科技企业的教学、研究、开发和管理工作。

业务范围

研究范围

理论物理是在实验现象的基础上,以理论的方法和模型研究基本粒子、原子核原子、分子、等离子体凝聚态物质运动的基本规律,解决学科本身和高科技探索中提出的基本理论问题。研究范围包括粒子物理理论、原子核理论、凝聚态理论、统计物理学、光子学理论、原子分子理论、等离子体理论、量子场论量子力学引力理论数学物理、理论生物物理非线性物理计算物理等。

课程设置

高等量子力学高等统计物理高等数学量子场论群论规范场论现代数学方法计算物理、凝聚态理论、量子多体理论、粒子物理、核理论、非平衡统计物理、非线性物理广义相对论量子光学、理论生物物理、天体物理学、微分几何、拓扑学等。

相关学科

粒子物理与原子核物理,原子和分子物理凝聚态物理,等离子体物理,声学,光学,无线电物理计算数学,化学物理,天体物理,宇宙学,材料科学信息科学和生命科学

研究方向

粒子物理和量子场论

粒子物理学是研究物质微观结构及基本相互作用规律的物理学前沿学科。粒子物理理论作为量子场的基本理论,取得了极大的成功。粒子物理标准模型的建立是二十世纪物理学的重大成就之一,它能统一描述目前人类已知的最小"粒子"(夸克、轻子、光子、胶子、中间玻色子、Higgs粒子)的性质及强、电、弱三种基本相互作用。粒子物理学有许多研究方向,例如:强子物理、重味物理、轻子物理、中微子物理、标准模型精确检验、对称性和对称性破坏、标准模型扩展等等。

超弦理论和场论

量子场论是研究微观世界的基本工具,属于重要的前沿领域,它的研究成果直接地影响理论物理许多分支领域的进展。弦理论是在量子场论基础上发展起来的一种新的物理模型,它避免了通常场论中遇到的紫外发散等问题,是当前统一四种相互作用理论的重要尝试。

引力理论与宇宙学

爱因斯坦的广义相对论是一个十分成功的经典引力理论,将引力量子化从而建立一个自恰的量子引力理论是当前理论物理的一大重要任务。与广义相对论相比,标量-张量引力论具有很强的竞争力。广义相对论在宇宙学及天体物理中的应用(包括大爆炸宇宙模型中子星黑洞引力透镜以及引力波的预言)已取得巨大成功,但是,许多疑难问题有待解决。例如,奇性困难,暗物质的构成及其存在形式、物理性质、在宇宙中的占有比例及其对宇宙演化的作用,物质反物质的不对称性,宇宙常数和暗能量问题,原初核合成,宇宙早期相变过程的拓扑缺陷问题,宇宙早期暴涨模型的建立,黑洞的量子力学,引力的全息性质等。

国际上若干大型的空间和地面天文观测装置(包括大型望远镜、引力波天文台等效原理的检验装置等等)将在今后若干年内投入使用,这将对现有的宇宙学模型、引力波的预言以及等效原理的正确性提供更精确的检验,随之而来的将是宇宙学和引力论的迅速发展,为理论工作提供更多获取重要成果的机遇。

凝聚态理论和计算凝聚态物理

复杂性和多样性是多体微观量子世界的基本特征,对其规律性的探索是凝聚态理论研究的核心。这方面的每一次突破,例如能带论和超导BCS理论的建立,都对量子多体物理的应用和微观世界的认识产生了深刻的变革,其成果交叉渗透到数学、化学、材料、信息、计算机等许多学科和领域。在陶瓷材料、半导体异质结及其它低维固体材料中发现的大量反常物理现象召唤着新的电子论的诞生。对这些新的物理现象的研究是研究人员的一个中心任务,主要的研究方向包括:

量子Hall效应、高温超导电性、巨磁阻等强关联系统的物理机理、量子液体及量子临界现象;

量子多体理论方法,特别是数值计算的方法的探索和应用。计算方法包括密度矩阵重整化群、量子蒙特-卡罗计算、从头计算等;

量子点、线、碳管等纳米材料、半导体材料或结构中的非平衡量子输运及自旋电子学

格点系统中的量子反散射与可积问题研究。

统计物理与理论生命科学

统计物理学研究方法极为普遍,研究对象广泛,它是微观到宏观的桥梁,简单到复杂的阶梯,理论到应用的途径。从生物大分子序列分析,到认识其空间结构,到理解生命活动中的物理化学过程,生命科学提出了大量富有挑战性的统计物理问题。这些问题的研究将深化对生命现象本质的认识,同时也将促进统计物理学本身的发展。

理论生物物理

双亲分子膜是凝聚态物理软物质,或者叫复杂流体的前沿研究对象,是物理、化学、生物学交叉学科的研究课题。本方向的研究正在向单分子膜、生物大分子与它们的生物功能联系(DNA单分子弹性、蛋白质折叠等)的理论探索扩展。

原子核理论

20世纪九十年代中期开始到本世纪初的十年内,国际上先后有一批超大型核物理实验装置投入运行,如TJNAF(CEBAF)RIBRHIC 等等,核物理的发展进入了一个新阶段。这些新的巨型装置为从更深入的层次上研究核子-核子相互作用、核内的短程行为和核结构、各种极端条件下的核现象、核性质和多体理论方法提供了很好的机遇。

量子物理、量子信息和原子分子理论

高技术的发展使得过去无法得到的极端物理条件(如极端强场、超低温度和可控的介观尺度)在实验室中得以实现。在这些特殊条件下,物质与光场的相互作用过程会呈现出一系列全新的物理现象,使得人们能重新认识物理学基本问题,导致新兴学科分支(如量子信息)的建立。

量子信息是以量子力学基本原理为基础、充分利用量子相干的独特性质(量子并行和量子纠缠),探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性,为突破芯片元件尺度的极限提供新概念、新思路和新途径。量子力学与信息科学结合,充分显示了学科交叉的重要性,可能会导致信息科学观念和模式的重大变革。

计算物理

辛算法和保结构算法是我国著名数学家冯康及其学派在80年代中期系统提出、并完善和发展起来的。他们在这个领域的工作不仅一直领先,而且在计算数学领域占有非常重要的地位并取得了国际上的公认。在计算数学和计算物理中,引入保持所计算的Hamilton系统的辛结构,或者对于接触系统等保持系统有关的几何结构的思想非常重要。国际上沿着保结构的思想,有关领域又有新的进展。比如多辛算法和李群算法的提出等等,它们分别是保持无限维系统的多辛结构的算法和系统李群对称性的算法。