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理论物理
发布时间:2018-06-15 浏览次数:0
理论物理

理论物理学是一门理论上探索物质结构,相互作用和物质运动的基本定律的学科,这些定律在本质上是未知的。理论物理学的研究领域涉及粒子物理学和核物理学,统计物理学,凝聚态物理学,宇宙学等,几乎包括物理学各个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。它随着文明的进步而不断发展。它是人类物质创造和精神思维的结果。同时,它有力地促进了人类文明的进一步发展。可以说,物理学是现代人类社会最重要的塑造力量之一。它不仅是各种宏伟而精确的物质成就的直接基础,而且深刻地影响着人类的哲学观,政治观,经济文化活动。这种方式重塑了人类对自身和宇宙的理解。理论物理作为物理学的重要分支起着重要作用。它的功能和意义不仅完全具备上述所有方面,而且还有其自身的特点。

理论物理知识体系起源于欧洲十五和六世纪的现代革命时期。哥白尼首先提出“天心论”来挑战宗教神学体系,创造现代天文学;和开普勒的同时代人开普勒一直致力于用严格的数学语言对“日新”进行正确而完整的描述。该理论奠定了更加坚实的基础。伽利略创立了现代科学研究方法:将实验方法与数学方法和逻辑论证相结合。爱因斯坦曾评论说,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,也是物理学的真正开端。

通过对哥白尼现代思想家到伽利略的总结和传承,牛顿率先建立了一套逻辑严谨的理论体系,开创了物理学史上的第一个新时代。牛顿建立了经典的绝对时空观,提出了三种力的定律,揭示了光的颜色之谜。他开发了强大的数学方法,如微积分,对物理问题进行严格的逻辑推理分析,并制作自己的望远镜。用诸如棱镜的实验设备进行实验观察。这些研究方法为现代物理学研究设定了最基本的规范。牛顿建立的时空哲学和力学系统是两百多年物理学研究的基础。拉格朗日,欧拉,拉普拉斯,傅立叶和汉密尔顿等经典物理学家继续使用数学分析作为完善牛顿的手段。机械系统,安培,法拉第,麦克斯韦等人创造并完善了经典的电磁理论。 Carnot,Clausius,Gibbs,Boltzmann等人开发并完善了经典热力学和统计理论。牛顿的理论体系及其产品也使人类认识到物质运动的规律可以被掌握和利用。对遥远宇宙和外星恒星的理解改变了人们对人类在宇宙中的位置的感知,以及对生物的解剖学分析。而进化史的痕迹完全改变了人类对自身的理解。人类开始放弃宗教和迷信的教条主义,神秘主义和不可知论。追求事物的起源,运动规律,内在逻辑和相互关系构成了理性主义和科学。事实上,这种方法的基础是推动现代人类文明发展的真正动力。

经典物理系统的高度完善使得理论本身达到了它的能力的边缘,它产生的复杂实验方法发现理论基础本身存在重大问题,这促使庞加莱,洛伦兹,爱因斯坦和玻尔。海森堡和其他人开始认真考虑经典物理系统的基础是否正确。这种对牛顿系统进行批判性重新审视的浪潮导致了二十世纪初的物理学革命:二十世纪初相对论和量子理论的出现彻底颠覆了牛顿的时空概念和经典物理基础,以及物理学。迎来了一个新的。车轮发展迅速。应该指出的是,虽然新物理理论取代了旧理论的基本思想,但经典物理学的价值并未被否定。这是因为经典物理学建立的运动定律的精神,实验和理论研究方法,在数学语言中描述物理定律的原理具有永恒的价值,经典物理在某些物理条件下仍然足够准确。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一次重塑了人们对时间和空间的概念,为“相对性与绝对性”,“时间与空间与物质”,“决定论与不确定性”,“连续与不连续”等概念赋予了新的含义。经典系统中的物理概念和物理定律可以在新的物理框架下进行测试和重新呈现。它们在某种意义上被抛弃,但它们同时被保留和升级。通过量子力学对黑体辐射和原子光谱的完美诠释,电磁理论理论的完善以及质量和能量转换的预测,以及广义相对论对行星进动的精确解释,新的物理系统很快被人们接受。作为物理研究的新基础。以此为出发点,在20世纪20年代和30年代,人类对自然的认知在微观层面迅速渗透到原子和核水平。原子光谱被清楚地理解,核物理现象和法律最初被理解和开始。核能的应用;宏观上扩展到星系和宇宙学尺度,基于广义相对论的现代宇宙学为宇宙的进化史提供了一个理论框架,距离数十亿光年远。对星系的观察以前所未有的方式扩展了人类的知识,对黑洞的讨论已经成为引力理论的长期主题。

随着对微观粒子知识的积累,人们发现粒子不是永久性的,它们不断产生和消灭,并相互作用,这促使物理学家在20世纪30年代和50年代发展了量子场论。早在法拉第和马克斯韦尔时代就建立了该领域的概念。它是现代物理学的基本概念之一。量子场论将场论与狭义相对论和量子力学相结合,以充分解释粒子的波动性和粒子。性相互关系,质量和能量之间的关系。在此期间,理论物理知识呈指数增长,人才涌现出来:海森伯格提出了“不确定性原理”,保利提出了不相容原理,狄拉克提出了描述电子的方程,与马克斯博恩,乔丹和维格纳一起。他们与他们一起完善了量子力学,并在场量化方面进行了大量的早期探索。在20世纪30年代和40年代,Chao Yongzheng Ichiro,Schwinger和Feynman建立了一个描述电磁场和电子 - 量子电动力学之间相互作用的量子场论。他们构建了完全满足相对论和量子力学要求的理论,并成功开发出来。一组扰动理论用于计算特定问题的近似解。电子异常磁矩的理论计算结果与实验结果吻合良好,达到十亿分之一,充分说明了理论方法的有效性。对这一时期微观量子世界的研究也揭示了其独特的对称原理。建立了时空CPT对称理论和粒子理论的C破坏,P破坏和T破坏。发现并总结了粒子的内部对称性和自旋。同位旋,重子(轻子)等的定律

20世纪60年代和70年代的理论物理经历了另一个发展时期。虽然S矩阵理论在此期间蓬勃发展,但人们仍然意识到量子场方法在理解动力学方面具有不可替代的优势。作为基本物理原理的规范对称性为描述物质相互作用提供了理论框架。非阿贝尔范数理论(杨 - 米尔斯场论)成为构建现代场论和粒子物理标准模型的基石。四种已知的力量三种重力被消除:电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用都可以用规范理论来描述。随着夸克理论的引入,弱统一理论的建立以及量子色动力学对渐近自由夸克相互作用的正确描述,我们知道费米粒子构成了物质世界的基本成分,而规范粒子则起着相互作用的作用。角色传播者。理论上,威尔逊的重整化理论以一种新的视角审视了量子场论的基本结构,提出了重整化流的概念,阐明了有效量子场论的意义; Nambu,Goldstone,Higgs等发展自发的对称破坏机制; Hooft和Veltman证明了非阿贝尔范数理论的可重复性; Weinberg-Salam-Glashow建立了弱电均匀性的量子理论;量子色动力学也被证实可以描述夸克 - 胶子正确的相互作用理论;磁单极子和瞬时的研究揭示了场论的一些非微扰性质。在实验方面,大量的高能实验,如核的深弹性散射和PP碰撞的喷射现象,证实了夸克的存在和量子色动力学的渐近自由特性。中性流和重玻色子的检测证实了弱电理论的正确性。到20世纪80年代初,粒子物理学的基本砖块已经到位,统一理论的建立似乎已近在咫尺。然而,事实表明,统一互动理论的难度远远超出了人们的想象。

为了统一弱电流和强行动理论,人们试图利用SO(10),SU(5)和其他范数群的大群理论来满足所有对称性要求,并提出了超对称性的概念来改进紫外线的理论性质。关于这方面的大量研究尚未得到实验支持。从理论上讲,量子场论的扰动理论已经得到了很好的理解,但非微扰量子场理论仍然困扰着人们。格子范数理论远远不足以完全解决像杨米尔斯理论这样的约束问题。引力理论和量子力学之间的矛盾更为尖锐。长期以来发现,不利于其他领域的量化方法被应用于重力场并且失败。通过直接量化重力获得的量子场不可重新归一化。这意味着这个理论不能做任何有意义的量子计算。然而,量子引力理论对于完善理论物理系统是不可或缺的:对黑洞性质的经典研究表明,黑洞具有热力学性质,具有宏观熵和温度。半经典研究甚至表明,量子力学使黑洞具有热辐射,黑洞特性。微观机制所需的量子引力理论;当宇宙大爆炸宇宙学成功地追溯到宇宙演化的前三分钟时,粒子宇宙学正确地解释了宇宙中光质量元素的丰富程度,但继续追求宇宙的起源。必须考虑重力的量子效应。

为了解决理论物理学的这些主要问题,从20世纪70年代开始,物理学家提出了各种理论机制,其中一些基于相对论和量子力学,并作出了相对保守的新扩展:超对称性是针对庞加莱对称性的扩展,弦理论将自然界的基本成分从点粒子改变为一维弦。额外维度理论认为除了宏观四维时空之外还有一些额外的小额外空间。这些理论往往很简单。然而,它带来了许多有趣的研究成果。一些理论从根本上重新审视了相对论和量子力学的理论基础,试图通过激进的革命性变革解决问题,量子力学和圆量子引力的各种替代理论在这方面做了一些探索。这些理论导致了大量的形式理论研究,但它们始终缺乏实验结果的决定性支持。一些理论研究和实验研究逐渐消失,这引发了辩论,这些研究偏离了物理研究的正确路径。

无论如何,理论物理学仍然是一个未完成的系统,它充满活力和充满挑战。一方面,理论物理探索了基本粒子的运动规律,同时探讨了各种复杂条件下物理定律的表现形式。随着技术的迅速发展,理论物理研究在越来越多的领域中继续发挥着重要作用:量子信息理论加深了我们对量子力学基础知识的理解,同时不断挑战量子理论的解释极限。边界物理学和纳米技术揭示了宏观和微观过渡区域丰富的物理定律;超低温和强激光等极端环境表现出独特的物理特性;强相关多电子系统对分析和数值研究提出了挑战;物理系统和非线性物理系统不断出现新问题。

在新世纪,作为宇宙学的重大发现,我们的宇宙处于加速扩张的状态。暗物质和暗能量分别构成宇宙成分的23%和73%。熟悉的重子材料仅占该地区的4%!理论与实验之间的冲突是如此尖锐,理论本身也面临着一个自洽的逻辑问题。新的物理学是不可避免的,理论物理学再次面临重大突破的机会。随着大型强子对撞机LHC的完工,新一代天文探测器的发射,引力波探测实验的进展以及未来几个大型实验项目的实施,我们有机会探测到超出标准型号。准确测量宇宙中大大爆炸的余辉,研究遥远宇宙中的黑洞和其他奇怪物体。随着我们获得越来越多的实验结果,理论物理学家将获得更多启示。一些新的物理学将以自然的方式出现并正确地解释上述谜团。我们对自然法则的理解将进入一个新的水平。

培养目标博士学位

应具备扎实的理论物理基础和广泛的现代物理知识,了解理论物理学科的现状和发展方向,有扎实的数学基础,掌握现代计算技术,可运用现代理论物理方法处理相关理论。学科。问题。他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风格,在国际前沿或交错领域进行了深入研究,取得了创造性成果。至少掌握一门外语,能够阅读本专业的外语资料,具备一定的写作能力和开展国际学术交流的能力。毕业后,他可以独立从事前沿理论课题的研究,开辟新的研究领域。学位持有者应具备高等教育机构,研究机构和高科技企业的教学研究,开发和管理能力。

硕士学位

应具备扎实的理论和物理基础及相关背景知识,了解理论物理学科的现状和发展方向,掌握用于物质微观和宏观现象研究的专业理论和相关数学计算方法,以及严谨而现实。科学的态度和风格,具有从事前沿主题研究的能力。你应该熟悉一门外语,并能够阅读这门专业的外语材料。毕业后,他具备高等教育机构,研究所和高科技企业的教学,研究,开发和管理资格。

业务范围研究范围

理论物理学基于实验现象,利用理论方法和模型研究基本粒子,原子核,原子,分子,等离子体和凝聚态物质运动的基本规律,并解决学科本身和学科中提出的基本理论问题。高科技探索。 。他的研究兴趣包括粒子物理理论,原子核理论,凝聚态理论,统计物理学,光子学理论,原子与分子理论,等离子体理论,量子场论和量子力学,引力理论,数学物理,理论生物物理学,非线性物理学。 ,计算物理等。

课程设置

先进的量子力学,高级统计物理,高等数学,量子场论,群论,规范场理论,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 - 线性物理学,广义相对论,量子光学,理论生物物理学,天体物理学,微分几何学,拓扑学等。

相关学科

粒子物理与核物理,原子与分子物理,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,天体物理学,宇宙学,材料科学,信息科学与生命科学

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和基本相互作用的物理学前沿。作为量子场的基本理论,粒子物理理论取得了巨大的成功。建立粒子物理标准模型是二十世纪物理学的主要成就之一。它可以均匀地描述人类已知的最小“粒子”(夸克,轻子,光子,胶子,中间玻色子,希格斯粒子)。权力,电力和弱点的性质和三个基本的相互作用。粒子物理学有许多研究方向,如:强子物理学,重物理学,轻子物理学,中微子物理学,标准模型的精确测试,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。它属于重要的前沿领域,其研究成果直接影响着许多理论物理学科的进步。弦理论是在量子场论的基础上发展起来的一种新的物理模型。它避免了场论中遇到的紫外发散问题,是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种非常成功的经典引力理论。建立自洽的量子引力理论是当前理论物理学的一项重要任务。与广义相对论相比,标量张量引力理论具有很强的竞争力。广义相对论在宇宙学和天体物理学(包括宇宙大爆炸宇宙模型,中子星和黑洞,引力透镜和引力波预测)中的应用取得了巨大成功,但许多难题仍有待解决。例如,奇点的难度,暗物质的组成及其存在形式,物理性质,宇宙中的比例及其在宇宙演化中的作用,物质反物质的不对称性,宇宙常数的问题和暗能量,原始核合成,宇宙早期相变过程中的拓扑缺陷问题,宇宙早期膨胀模型的建立,黑洞的量子力学,以及引力的全息性质。

未来几年将投入使用几种大型空间和地面天文观测装置(包括大型望远镜,引力波观测台,等效原理检测装置等),适用于现有的宇宙学模型和引力波。预言的正确性和等价原则提供了更准确的测试,随后是宇宙学和万有引力的快速发展,为理论工作提供了更多获得重要成果的机会。

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,其规律性的探索是凝聚态理论研究的核心。这一领域的每一次突破,如BCS理论和超导性的建立,都极大地改变了量子多物理学的应用和对微观世界的理解。结果与数学,化学,材料和信息相交叉。 ,计算机和许多其他学科和领域。陶瓷材料,半导体异质结和其他低维固体材料中发现的大量异常物理现象需要新电子理论的诞生。研究这些新的物理现象是研究人员的中心任务。主要研究方向包括:

量子霍尔效应,高温超导和巨磁电阻等强相关系统的物理机制,量子液和量子临界现象;

量子多体理论方法的探索与应用,特别是数值计算方法。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;

纳米材料,半导体材料或结构(如量子点,线和碳纳米管)中的非平衡量子传输和自旋电子学

晶格系统中量子背散射与可积问题的研究。

统计物理与理论生命科学

统计物理学研究方法极为普遍,具有广泛的研究对象。它是一个微观到宏观的桥梁,从简单到复杂的阶梯,从理论到应用。从生物大分子的分析到理解它们的空间结构,到了解生命活动中的物理和化学过程,生命科学提出了许多具有挑战性的统计物理问题。对这些问题的研究将加深对生命现象本质的理解,也将促进统计物理学本身的发展。

理论生物物理

两亲性分子膜是凝聚态物理软质材料,或复杂流体的前沿研究对象,是物理学,化学和生物学的研究课题。这方面的研究正在扩大单分子膜,生物大分子及其生物学功能(DNA单分子弹性,蛋白质折叠等)的理论探索。

原子核理论

从20世纪90年代中期到本世纪初,一些超大型核物理实验装置已在国际上投入使用,如TJNAF(CEBAF),RIB,RHIC等。核物理学的发展已进入新的阶段。这些新型巨型装置为研究核 - 核相互作用,核心中的短程行为和核结构,各种极端条件下的核现象,核性质以及更深层次的多体理论方法提供了良好的机会。 。

量子物理、量子信息和原子分子理论

高科技的发展使得过去无法获得的极端物理条件(例如极强场,超低温和受控中尺度)在实验室中得以实现。在这些特殊条件下,物质与光场之间的相互作用过程将呈现出一系列新的物理现象,使人们能够重新认识物理学的基本问题,并导致建立新兴学科的分支(如量子信息)。 。

量子信息基于量子力学的基本原理,充分利用量子相干的独特性质(量子并行和量子纠缠),以全新的方式探索计算,编码和信息传输的可能性,为芯片组件的限制。新概念,新想法和新方法。量子力学和信息科学的结合充分证明了跨学科交互的重要性,并可能导致信息科学概念和模型的重大变化。

计算物理

辛算法和保存结构算法由中国着名数学家冯康和他的学校在20世纪80年代中期提出,改进和发展。他们在这一领域的工作不仅领先,而且在计算数学领域也占有非常重要的地位,并获得了国际认可。在计算数学和计算物理学中,重要的是引入计算的哈密顿系统的辛结构,或维持接触系统的系统相关几何结构。在国际上,沿着维护结构的想法,在相关领域取得了新的进展。例如,提出了多辛算法和李群算法。这些是无穷维系统的多辛结构和系统李群对称性的算法。