標籤: 暫無標籤

理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構、相互作用和物質運動的基本規律的學科。理論物理的研究領域涉及粒子物理與原子核物理、統計物理、凝聚態物理、宇宙學等,幾乎包括物理學所有分支的基本理論問題。

1 理論物理 -理論物理 Theoretical Physics —發展歷史

物理學是人類現代文明的重要組成部分,它伴隨著文明的進步而不斷發展,是人類的物質創造和精神思考的成果,同時它強有力地推動了人類文明進一步發展。可以說,物理學是現代人類社會最重要的塑造力量之一,它不僅是各種宏偉的、精密的物質成果的直接基礎,而且深刻地影響了人類的哲學觀點、政治觀點、經濟和文化活動方式,重塑了人類對自身和對宇宙的認識。理論物理學作為物理學的重要分支起著基礎作用,其功能和意義不僅完全具備上述的各個方面,而且具有自身的特點。

理論物理的知識體系發源於近代歐洲在十五、六世紀的思想革命時期。哥白尼首先提出「日心說」挑戰宗教神學體系,開創現代天文學;與哥白尼同時代的開普勒再接再厲,以嚴謹的數學語言對「日心說」做出了正確的、完整的描述,為這個理論奠定了更堅實的基礎。伽利略承前啟後,創立了現代自然科學研究的方法:對物理理象進行實驗研究並把實驗的方法與數學方法、邏輯論證相結合。愛因斯坦曾經評價伽利略的科學研究方法是人類思想史上最偉大的成就之一,是物理學的真正開端。

牛頓通過對哥白尼到伽利略這些近代思想家的學說總結和繼承,開創性地建立了一整套邏輯嚴密的理論體系,開始了物理學史上的第一個新紀元。牛頓建立了經典的絕對時空觀,提出了關於引力的三大定律,揭示了光的顏色之謎,他發展了微積分等強有力的數學手段對物理問題進行嚴密的邏輯推理分析,自己製作望遠鏡和三稜鏡等實驗設備進行實驗觀察,這些研究方式為現代物理學的研究樹立了最基本的規範。牛頓建立的時空哲學觀和力學體系是此後兩百多年物理研究的基礎,拉格朗日、歐拉、拉普拉斯、傅立葉、哈密爾頓等經典物理學家繼續以數學分析為手段完善了牛頓力學體系,安培、法拉第、麥克斯韋等人創立並完善了經典電磁理論,卡諾、克勞修斯、吉布斯、波爾茲曼等人則發展和完善了經典熱力學和統計理論。到十九世紀末期,以牛頓理論體系為基礎的經典物理學大廈已經相當宏偉,直到這個時期研究物理的兩大方法?實驗方法和理論方法?的有效性已經得到充分證明,尤其是大量的機械在第一次工業化進程中以及電器和電磁通信在第二次工業革命中的巨大作用,理論物理研究對物理實驗和技術實踐的指導作用已經不可置疑。牛頓理論體系及其產物也使得人類認識到物質運動的規律是可以掌握和利用的,對遙遠宇宙和地外星體的理解改變了人們對人類在宇宙中的位置的認知,對生物的解剖分析和演化史的追溯完全改變了人類對自身的認識,人類開始摒棄宗教和迷信的教條主義、神秘主義和不可知論,對事物本源、運動規律、內在邏輯、相互聯繫的追求構成了理性主義和科學方法的基礎,事實上是推動現代人類文明進步的真正動力。

經典物理體系的高度完善使得理論本身已經達到其能力邊緣,而它催生的精密實驗手段卻發現了理論基礎本身存在著重大的問題,這促使龐加萊、洛侖茲、愛因斯坦、玻爾、海森堡等人開始嚴肅地思考經典物理體系的基礎是否正確。這一波對牛頓體系的批判性重新檢驗引發了二十世紀初的物理學革命:二十世紀初期相對論和量子理論的出現徹底顛覆了牛頓的時空觀念和經典物理基礎,物理學迎來新一輪快速發展。需要說明的是,雖然新的物理理論取代了舊理論的基本觀點,但經典物理的價值卻並沒有被否認,這是因為經典物理所確立的探索運動規律的精神、實驗和理論的研究方式、以數學語言描述物理規律等原則具有永恆的價值,而且在一定的物理條件下經典物理依然是足夠精確的理論,相對論和量子力學帶來的修正不會影響具體的物理實踐。

相對論和量子力學再次重新塑造了人們的時空觀念,賦予了「相對性與絕對性」、「時空與物質」、「確定性與不確定性」、「連續與非連續」等概念新的意義,經典體系里的物理概念和物理規律都可以在新的物理框架下得到檢驗和重新表述,它們在某種意義上被摒棄,卻同時被保留並升級換代了。隨著量子力學對黑體輻射和原子光譜的完美解釋,狹義相對論對電磁理論基礎的完善和對質能轉換的預言,廣義相對論對行星進動的精確解釋,新物理體系很快得到了人們的接受並作為物理研究的新基礎。以此為出發點,在二十世紀二三十年代,人類對自然的認知迅速地在微觀上深入原子和核子的層次,原子光譜得到清晰的理解,核物理現象和規律得到初步理解並且開始了核能的應用;宏觀上則擴大到星系和宇宙尺度,以廣義相對論為基礎的現代宇宙學提供了關於宇宙長達一百多億年的演化史的理論框架,對數十億光年之遠的星系的觀測前所未有地擴展了人類的知識,對黑洞的探討則成了引力理論的經久不衰的課題。

隨著關於微觀粒子的知識積累,人們發現粒子並非恆久不變,它們不斷產生和湮滅,並且相互作用,這促使物理學家在三十年代到五十發展了量子場理論。場的觀念早在法拉第和麥克斯韋的時代就已經得到確立,是現代物理的基本觀念之一,量子場論融合了場理論和狹義相對論、量子力學,完全自洽地解釋了粒子的波動性和粒子性的相互關係,質量和能量的關係。這個時期理論物理知識成倍增長,人才輩出:海森堡提出「測不準原理」、泡利提出不相容原理、狄拉克提出描述電子的方程,與波恩、約旦和維格納等人一道他們完善了量子力學並對場量子化作了大量的早期探索。三四十年代,朝永振一郎、施溫格和費因曼建立了描述電磁場和電子相互作用的量子場理論?量子電動力學,他們構建的理論完全滿足相對論和量子力學的要求,並且成功地發展了一套微擾計算手段邏輯自洽來處理髮散問題,對電子反常磁矩的理論計算結果與實驗符合到好於十億分之一,充分顯示了理論方法的威力。這個時期對微觀量子世界的研究還揭示出其特有的對稱性原理,建立了粒子理論的時空CPT對稱和C破壞、P破壞和T破壞的理論,發現並總結了粒子的內部對稱性?自旋、同位旋、重子(輕子)數等的規律。

理論物理弱電統一的量子理論-結構模型圖

六十年代和七十年代理論物理經歷了另外一個發展高峰時期,這個時期雖然S-矩陣理論曾經興盛一時,但人們還是認識到量子場方法對理解動力學問題具有無法替代的優勢。規範對稱性作為基本的物理原理提供了描述物質相互作用的理論框架,非阿貝爾規範理論(Yang-Mills場論)成為構築現代場論和粒子物理標準模型的基石,已知的四種作用力中的除去引力的三種:電磁作用、弱相互作用和強相互作用都可以用規範理論描述。隨著夸克理論的提出、弱電統一理論的建立和量子色動力學對漸近自由夸克相互作用的正確描述,現在我們知道:費米粒子作為基本組分構成了物質世界,而規範粒子則扮演了相互作用傳遞者的角色。理論方面,Wilson的重整化理論以全新的觀點審視量子場論的基礎結構,提出了重整化流的概念,闡述清楚了有效量子場論的意義;NAMBU、Goldstone、Higgs等人發展了自發對稱性破缺機制;『t Hooft和Veltman證明了非阿貝爾規範理論的可重整性;Weinberg-Salam-Glashow建立了弱電統一的量子理論;量子色動力學也被證實為描述夸克-膠子相互作用的正確理論;磁單極和瞬子的研究揭示了場論的一些非微擾性質。實驗方面,核子的深度彈性散射、PP對撞的噴注現象等大量高能實驗都證實了夸克的真實存在以及量子色動力學的漸近自由性質,中性流和重玻色子的探測證實了弱電理論的正確性。到八十年代初,粒子物理的基本磚塊已經具備,統一理論的大廈似乎近在咫尺,然而事實表明相互作用的統一理論的難度遠遠超過了人們的想象。

理論物理磁單極-內部結構模型圖
理論物理夸克-膠子相互作用-內部結構模型圖

為了統一弱電理論和強作用理論,人們嘗試過用SO(10)、SU(5)等規範群構造滿足所有對稱性要求的大統一理論,提出了超對稱概念以改善理論在紫外的性質,然而關於這方面的大量研究都沒有獲得實驗支持。理論上,量子場論的微擾理論已經得到較好的理解,然而非微擾量子場論依然困擾著人們,格點規範理論還遠不足以完全解決諸如Yang-Mills理論的禁閉問題。引力理論和量子力學的矛盾顯得更為尖銳,人們很早就發現了對其它場而言無往不利的量子化方法應用到引力場時慘遭失敗:直接量子化引力得到的量子場是不可重整化的,這意味著這個理論無法做任何有意義的量子計算。然而,量子引力理論對理論物理體系的完善不可或缺:對黑洞性質的經典研究表明黑洞具有熱力學特性,具有宏觀熵和溫度,半經典的研究甚至表明量子力學使得黑洞具有熱體輻射,黑洞性質的微觀機理要求的量子引力理論;同時大爆炸宇宙學成功地追溯到宇宙演化史的最初三分鐘,粒子宇宙學正確地解釋了宇宙中輕質量元素的丰度,然而要繼續追究宇宙的起源則必須考慮引力的量子效應。

為了解決這些理論物理的重大難題,從七十年代開始,物理學家提出了各種理論機制,有的立足於相對論和量子力學的基礎而作相對保守的新擴展:超對稱是對龐加萊對稱性的擴充,弦理論則把自然界的基本組份從點粒子改為一維的弦,額外維理論則認為除了宏觀的四維時空外還有一些極其微小的額外空間,這些理論往往出發點簡單,然而卻引發了大量有趣的研究成果。有的理論則從根本上重新檢驗相對論和量子力學的理論基礎,企圖以激進的革命性改變解決問題,各種量子力學的替代理論、圈量子引力在這個方向上作了一些探索。這些理論引發了大量的形式理論研究,卻始終缺少決定性的實驗結果支持,有的理論研究與實驗研究漸行漸遠,引發了這些研究是否已經脫離物理研究正確道路的爭議。

無論如何,理論物理依然是一個未完成的體系,它生機勃勃而又充滿了挑戰。理論物理一方面探索基本粒子的運動規律,同時也探索各種複雜條件下物理規律的表現形式。隨著技術的高度發展,理論物理的研究在越來越多的領域繼續發揮著致關重要的作用:量子信息理論加深了我們對量子力學基礎的理解,同時又在不斷挑戰量子理論的解釋極限;界觀物理、納米技術揭示著宏觀和微觀過渡區域豐富的物理規律;超低溫、強激光等極端環境顯示出獨特的物理性質;強關聯多電子體系則對解析和數值研究都提出了挑戰;複雜物理系統、非線性物理系統不斷湧現新的問題。

理論物理我們的宇宙處於加速膨脹的狀態,暗物質和暗能量分別構成了宇宙組分的23%和73%,我們熟悉的重子物質不過占區區4%而已

在新的世紀,作為宇宙學的重大發現,我們的宇宙處於加速膨脹的狀態,暗物質和暗能量分別構成了宇宙組分的23%和73%,我們熟悉的重子物質不過占區區4%而已!理論和實驗的衝突如此尖銳,而理論本身也面臨著自洽的邏輯問題,新物理已經不可避免,理論物理再次面臨著重大突破的時機。隨著大型強子對撞機LHC的完成,新一代天文探測器的升空,引力波探測實驗的推進,以及數個未來的大型實驗計劃的實施,我們有機會探測到超出標準模型的新粒子,精確測量宇宙極早期大爆炸的餘輝,研究遙遠宇宙空間的黑洞和其它奇異天體。當我們擁有越來越多的實驗結果時理論物理學家將得到更多的啟示,某種新物理將水到渠成地出現並正確地解釋上述謎團,我們對自然規律的認識將邁入新的層次。 [1]

2 理論物理 -主要研究方向

 
理論物理三代輕子及三代夸克圖
(一)、粒子物理和量子場論
  粒子物理學是研究物質微觀結構及基本相互作用規律的物理學前沿學科。粒子物理理論作為量子場的基本理論,取得了極大的成功。粒子物理標準模型的建立是二十世紀物理學的重大成就之一,它能統一描述目前人類已知的最小"粒子"(夸克、輕子、光子
理論物理光子-內部結構模型圖
、膠子、中間玻色子、Higgs 粒子)的性質及強、電、弱三種基本相互作用。粒子物理學有許多研究方向,例如:強子物理、重味物理、輕子物理、中微子物理、標準模型精確檢驗、對稱性和對稱性破壞、標準模型擴展等等。
理論物理中間玻色子-內部結構模型圖
理論物理膠子-內部結構模型圖

  當前,該所開展的粒子物理理論研究主要圍繞粒子物理標準模型中尚未解決的一些基本問題和有關實驗所暗示的新物理進行。其主要內容為:電弱對稱性破缺機制,CP破壞和費米子質量起源,太陽和大氣中微子失蹤之謎以及粒子物理中的一些重要問題,量子色動力學的低能動力學,量子味動力學,手征微擾理論,重味夸克有效場論,手征對稱性和夸克禁閉,格點規範理論,重味物理,中微子物理,強子結構和性質,超高能碰撞等。研究中特別注意各種新理論和新模型,如:超對稱理論和模型,超對稱大統一模型,兩個或多個
Higgs模型Higgs模型
,味對稱規範模型。在研究方式上注重緊密與實驗結合,並以實驗為基礎,探索超出標準模型的新理論和新模型以及新的物理概念,運用和發展量子場論、群論、數學物理和計算物理等理論物理方法,開展與粒子物理前沿相關的量子場論研究。此外,重視與其他學科的交叉,開展粒子天體物理,粒子宇宙學和粒子核物理以及與粒子物理有關的超弦理論唯象學的研究。
  (二)、超弦理論和場論
  量子場論是研究微觀世界的基本工具,屬於重要的前沿領域,它的研究成果直接地影響理論物理許多分支領域的進展。弦理論是在量子場論基礎上發展起來的一種新的物理模型,它避免了通常場論中遇到的紫外發散等問題,是當前統一四種相互作用理論的重要嘗試。
  目前該所在此方向的研究課題為:
  1、量子場論及超弦理論,特別是其非微擾問題;弦理論的最新發展;
  2、場論(特別是規範場論)及弦理論的數學工具,包括非對易幾何,幾何量子化等以及非對易空間上的規範場論、離散群或離散點集上規範場論、用非線性聯絡的規範場論等。
  3、各種數學物理和計算物理問題;
  4、低維場論,特別是與低維凝聚態物理有關的場論;
  5、與粒子物理相聯繫的量子場論問題;弦理論在粒子物理中的應用;
  6、與引力理論相關的量子場論問題,包括源於弦理論的量子引力、黑洞熵的起源等等。
  (三)、引力理論與宇宙學
  愛因斯坦的廣義相對論是一個十分成功的經典引力理論,將引力量子化從而建立一個自恰的量子引力理論是當前理論物理的一大重要任務。與廣義相對論相比,標量-張量引力論具有很強的競爭力。廣義相對論在宇宙學及天體物理中的應用(包括大爆炸宇宙模型、中子星和黑洞、引力透鏡以及引力波的預言)已取得巨大成功,但是,許多疑難問題有待解決。例如,奇性困難,暗物質的構成及其存在形式、物理性質、在宇宙中的佔有比例及其對宇宙演化的作用,物質反物質的不對稱性,宇宙常數和暗能量問題,原初核合成,宇宙早期相變過程的拓撲缺陷問題,宇宙早期暴漲模型的建立,黑洞的量子力學,引力的全息性質等。
  國際上若干大型的空間和地面天文觀測裝置(包括大型望遠鏡、引力波天文台、等效原理的檢驗裝置等等)將在今後若干年內投入使用,這將對現有的宇宙學模型、引力波的預言以及等效原理的正確性提供更精確的檢驗,隨之而來的將是宇宙學和引力論的迅速發展,為理論工作提供更多獲取重要成果的機遇。
  理論物理所在本方向的研究圍繞上述疑難問題開展。 (四)、凝聚態理論和計算凝聚態物理
  複雜性和多樣性是多體微觀量子世界的基本特徵,對其規律性的探索是凝聚態理論研究的核心。這方面的每一次突破,例如能帶論和超導的BCS理論的建立,都對量子多體物理的應用和微觀世界的認識產生了深刻的變革,其成果交叉滲透到數學、化學、材料、信息、計算機等許多學科和領域。近年來,在陶瓷材料、半導體異質結及其它低維固體材料中發現的大量反常物理現象召喚著新的電子論的誕生。對這些新的物理現象的研究是該所研究人員的一個中心任務,主要的研究方向包括:
  量子Hall效應、高溫超導電性、巨磁阻等強關聯繫統的物理機理、量子液體及量子臨界現象;
  量子多體理論方法,特別是數值計算的方法的探索和應用。計算方法包括密度矩陣重整化群、量子蒙特-卡羅計算、從頭計算等;
  量子點、線、碳管等納米材料、半導體材料或結構中的非平衡量子輸運及自旋電子學;
  格點系統中的量子反散射與可積問題研究。
  (五)、統計物理與理論生命科學
  統計物理學研究方法極為普遍,研究對象廣泛,它是微觀到宏觀的橋樑,簡單到複雜的階梯,理論到應用的途徑。從生物大分子序列分析,到認識其空間結構,到理解生命活動中的物理化學過程,生命科學提出了大量富有挑戰性的統計物理問題。這些問題的研究將深化對生命現象本質的認識,同時也將促進統計物理學本身的發展。
  該所過去在本研究方向上重點開展了相變理論與臨界現象、非線性動力學等方面的研究,目前研究重點集中在有限系統臨界現象、重整化群方法、生物大分子序列分析以及生物體系中的輸運問題等方面,探討由生命科學激發的具有普遍意義的統計物理問題。生物信息學研究是本方向的熱點,該所研究人員與北京華大基因研究中心有很密切的合作關係,在水稻基因組研究工作中已作出重要創新性成果。
  (六)、理論生物物理
  雙親分子膜是凝聚態物理軟物質,或者叫複雜流體的前沿研究對象,是物理、化學、生物學交叉學科的研究課題。該所研究人員主要是運用微分幾何方法,以液晶為模型,研究雙親分子膜的形狀及其相變問題,已作出一組有國際影響的工作。現在本方向的研究正在向單分子膜、生物大分子與它們的生物功能聯繫(DNA單分子彈性、蛋白質摺疊等)的理論探索擴展。
  (七)、原子核理論
  從20世紀九十年代中期開始到本世紀初的十年內,國際上先後有一批超大型核物理實驗裝置投入運行,如TJNAF(CEBAF),RIB,RHIC 等等,核物理的發展進入了一個新階段。這些新的巨型裝置為從更深入的層次上研究核子-核子相互作用、核內的短程行為和核結構、各種極端條件下的核現象、核性質和多體理論方法提供了很好的機遇。在未來十年中,該所的研究人員將集中力量開展超重元素的性質及其合成途徑,極端條件下的原子核結構,核天體物理及核內夸克效應等方面的研究,以求得對原子核運動規律的新認識。
  (八)、量子物理、量子信息和原子分子理論
  目前高技術的發展使得以前無法得到的極端物理條件(如極端強場、超低溫度和可控的介觀尺度)在實驗室中得以實現。在這些特殊條件下,物質與光場的相互作用過程會呈現出一系列全新的物理現象,使得人們能重新認識物理學基本問題,導致新興學科分支(如量子信息)的建立。
  量子信息是以量子力學基本原理為基礎、充分利用量子相干的獨特性質(量子并行和量子糾纏),探索以全新的方式進行計算、編碼和信息傳輸的可能性,為突破晶元元件尺度的極限提供新概念、新思路和新途徑。量子力學與信息科學結合,充分顯示了學科交叉的重要性,可能會導致信息科學觀念和模式的重大變革。該所本方向的研究將基於量子物理基本問題的理論和最新實驗的結合, 鼓勵學科間的交叉滲透。發揮理論物理對量子信息研究具有前瞻性和指導性的作用,瞄準國際前沿,立足思想創新、探索和解決當前量子信息前沿領域的關鍵理論性問題。
  目前該所在此方向上的研究課題主要為:
  1.量子測量和量子開系統的基本問題:包括量子系統與經典系統相互作用,量子到經典過渡的基本模型,微觀信息宏觀提取的理論機制,量子耗散和量子退相干理論;也包括發展和應用實際的量子測量理論,探討提高探測量子態效率的可能性。
  2. 特殊量子態的基本特性。包括研究各種宏觀量子態(原子玻色-愛因斯坦凝聚和原子激光,介觀電流,微腔激子-極化子)的基本特性和運動規律,並探索它們作為量子信息載體的可能性.也包括超冷囚禁原子、分子系統與受限光場的相互作用,如腔量子電動力學和原子光學。
  3.量子信息方案的物理基礎。包括演化過程的動力學控制、糾纏態的度量,多粒態的局域製備和純化、已知量子態遠程製備和未知量子態遠程傳輸。還包括提出新的量子演算法、量子編碼和量子糾錯的新型方案,研究量子信息中的計算複雜性理論和相應的各種數學物理問題。
  4. 強場中的原子分子運動。主要興趣集中在強磁場和強激光場中原子分子的動力學行為,其中,許多全新的實驗現象要求發展處理非微擾問題的嶄新概念和方法。這方面的研究對揭示混沌體系的動力學和利用外場控制分子、原子過程有著重要意義。
  (九)、計算物理
  辛演算法和保結構演算法是中國著名數學家馮康及其學派在80年代中期系統提出、並完善和發展起來的。他們在這個領域的工作不僅一直領先,而且在計算數學領域佔有非常重要的地位並取得了國際上的公認。在計算數學和計算物理中,引入保持所計算的 Hamilton系統的辛結構,或者對於接觸系統等保持系統有關的幾何結構的思想非常重要。最近,國際上沿著保結構的思想,有關領域又有新的進展。比如多辛演算法和李群演算法的提出等等,它們分別是保持無限維繫統的多辛結構的演算法和系統李群對稱性的演算法。


研究範圍
1.學科研究範圍 理論物理是在實驗現象的基礎上,以理論的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子、等離子體和凝聚態物質運動的基本規律,解決學科本身和高科技探索中提出的基本理論問題。研究範圍包括粒子物理理論、原子核理論、凝聚態理論、統計物理、光子學理論、原子分子理論、等離子體理論、量子場論與量子力學、引力理論、數學物理、理論生物物理、非線性物理、計算物理等。
2.課程設置 高等量子力學、高等統計物理、量子場論、群論、規範場論、現代數學方法、計算物理、凝聚態理論、量子多體理論、粒子物理、核理論、非平衡統計物理、非線性物理、廣義相對論、量子光學、理論生物物理、天體物理、微分幾何、拓撲學等。
主要相關學科
粒子物理與原子核物理,原子和分子物理,凝聚態物理,等離子體物理,聲學,光學,無線電物理,基礎數學,應用數學,計算數學,凝聚態物理,化學物理,天體物理,宇宙學,材料科學,信息科學和生命科學

附:美劇fringe(迷離檔案)涉及相關理論物理、生命科學的探索層面。

上一篇[妾大不如妻]    下一篇 [收入確認]

相關評論

同義詞:暫無同義詞