理論物理學

理論物理學

理論物理學通過為現實世界建立數學模型來嘗試理解所有物理現象的運行機製,通過物理理論條理化、解釋、預言物理現象。理論物理學,簡要地說,就是建立在一系列定律之上的數學理論體系,是否正確依賴于其理論體系所得出的結論(推斷)能否被實驗驗證。

  • 中文名稱
    理論物理學
  • 外文名稱
    Theoretical physics
  • 拼音
    lilunwulixue
  • 所屬
    物理學

概述

理論物理學之一 力學理論物理學之一 力學

物理學的分支學科。從各類物理現象的普遍規律出發,運用數學理論和方法,系統深入的闡述有關概念,現象及其套用。

理論物理學通過為現實世界建立數學模型來嘗試理解所有物理現象的運行機製。通過“物理理論”來條理化、解釋、預言物理現象。 豐富的想像力、精湛的數學造詣、嚴謹的治學態度,這些都是成為理論物理學家需要培養的優良貭素。例如,在十九世紀中期,物理大師詹姆斯·麥克斯韋覺得電磁學的理論雜亂無章、急需整合。尤其是其中許多理論都涉及超距作用(action at a distance)的概念。麥克斯韋對于這概念極為反對,他主張用場論來解釋。例如,磁鐵會在四周產生磁場,而磁場會施加磁場力于鐵粉,使得這些鐵粉依著磁場力的方向排列,形成一條條的磁場線;磁鐵並不是直接施加力量于鐵粉,而是經過磁場施加力量于鐵粉;麥克斯韋嘗試朝著這方向開闢一條思路。他想出的“分子渦流模型”,借用流體力學的一些數學架構,能夠解釋所有那時已知的電磁現象。更進一步,這模型還展示出一個嶄新的概念——電位移。由于這概念,他推理電磁場能夠以波動形式傳播于空間,他又計算出其波速恰巧等于光速。因此,麥克斯韋斷定光波就是一種電磁波

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、電漿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、電漿理論、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。

原子核的組成粒子-內部結構模型圖原子核的組成粒子-內部結構模型圖 原子內部組成的粒子-結構模型圖原子內部組成的粒子-結構模型圖

中國發展史

相對論、引力理論和宇宙學

民國十六年(1927年)至民國十七年(1928年),清華大學周培源在美國加州理工學院從事廣義相對論的研究工作。他採用附加物理條件,並引進一個條件從而獲得軸對稱引力場的一些解。民國二十八年(1939年),周培源證實,在均勻性(或各向同性)條件下,愛因斯坦引力場方程本身即可給出均勻的各向同性的Friedmann宇宙的度規張量,使此問題的求解大大簡化。他還計算了不同條件下靜止場不同類型的嚴格解。

民國三十二年(1943年)至民國三十四年(1945年),清華大學胡寧在美國普林斯頓高等研究院從事關于引力輻射阻尼的研究。他採用廣義相對論裏通常的坐標條件,改進並簡化了愛因斯坦等人的方法,首次計算出雙星系統的反阻尼結,引起廣泛的註意,被認為是在這方面理論研究的開創性貢獻。70年代末,正是在雙星輻射阻尼的觀察上得到引力波存在的第一個證據。他後來的工作指出坐標條件不是必須的,主張用符合實際的物理條件便可得出合理的結果。

80年代初,中科院理論物理所安瑛、張元仲等人完成了引力規範理論研究。

1981年至1983年,中科院理論物理所郭漢英、陸啓堅等,對70年代中期由H.D.Wahlquist和F.B.Estabrook(W·E)建立的“非線性演化方程的延拓結構”,進行重新考察和研究,用非線性聯絡Ⅰ形式和相應的曲率撓率Ⅱ形式代替了他們的Ⅰ形式組和Ⅱ形式理想,用非線性聯絡論的聯絡、曲率、撓率以及相應的Bicuchi等式給出了協變延拓結構的基本公式。在此基礎上,討論了一系列非線性系統,如Kdv方程、Mkdv方程、S-G方程、Ernst方程等的協變延拓結構,給出了它們的Lax對,無窮多對稱性,守恆流,把非線性方程的Backlund變換當成保持聯絡形式不變的規範變換;並利用相應的群性質,得到了他們的Riemann.Hilbert問題等。尤其是在Ernst方程討論中,利用上述理論給出了N重多孤子解和帶電的Ernst方程的N多重孤子解。

1987年,中科院理論物理所張元仲專著《狹義相對論的實驗基礎》出版。該書系統地闡述了有關狹義相對論的實驗檢驗。

1989年,北京大學周培源及其合作者,提出在諧和條件下的廣義相對論宇宙論,並用引力場中的電磁理論來計算宇宙中後移的星系所輻射出的光的強度,以此定出銀河系的距離,並推導出新的位移關系與該星系的質量有關。

80年代末,北京師範大學梁燦彬等人在奇異性的邊界理論方面作了較全面的研究,發現這一理論的缺陷。

量子場論

民國二十七年(1938年),清華大學張宗燧在哥本哈根大學理論物理研究所,隨量子物理學創始人之一N.Bohr研究量子場論。

民國三十二年(1943年)至民國三十四年(1945年),清華大學彭桓武在英國愛丁堡大學與M.Born等人進行場論方面的研究工作,並以個人名義發表了《關于量子場論的發散困難和輻射反作用的嚴格處理》論文。

民國三十二年(1943年)至民國三十四年(1945年),清華大學胡寧在美國普林斯頓高等研究院,運用介子場論方法對核力理論進行了系統研究。民國三十七年(1948年),胡寧在美國康奈爾大學進行相對論性量子場論和重整化理論有關的研究。他率先證明,把電磁場四個分量形式上平等處理的相對論協變理論的結果,同以前消去了縱場分量,而隻留下兩項物理上有意義的橫場分量的復雜得多的做法,所得結果是完全一致的。

40年代中期到50年代初,北京大學馬仕俊致力于介子場論和量子電動力學方面的研究,發表論文近40篇。50年代起,中科院理論物理所戴元本一直從事量子場論和粒子物理理論研究。主要研究方向為量子場論中的非微擾現象、TeV能量和重味誇克物理等。他發表論文70餘篇。

70年代,中科院高能所谷超豪、李華鍾等開始關于規範場的研究,並完成了經典規範場理論研究。

1976年至1986年,中科院理論物理所郭漢英、陳時等進行了規範場的主纖維叢表達與Kaluza-Klein理論的研究。

1978年至1988年,中科院理論物理所郭漢英、王世坤等研究了多極點代數、Beltrami代數及其在低維場論中的套用,發表論文15篇。其主要內容與創新點就是把共形代數為多極點型的Virasoro代數和Krichever-Novikov代數,在一般虧格黎曼面上用整體λ微分給出了它們的實現及中心擴張和運算元表示,並討論了它們在共形場中的套用。

1982年至1988年,中科院理論物理所周光召、侯伯宇等進行了量子場論大範圍性質的研究。

1986年至1990年,中科院理論物理所黃朝商、朱重遠等從事弦理論若幹特徵的研究。證明了對含標量場的玻色弦系統,從可重正化性、重參數化不變性、龐加萊不變性及負模態與物理態退耦的合理要求出發,不需用共形反常消除條件,即可自然地導致劉維型作用量,同時導出有邊界時作用量的一般形式。

1986年至1991年,周光召主持了理論物理若幹重大前沿課題研究,在混沌現象、凝聚態理論、場論、粒子物理理論等方面取得了一系列研究成果,如混沌理論中的實用符號動力學,量子反鐵磁體中的空穴運動,共形不變系統、量子場論及其大範圍性質等,發表論文420篇。

非線性物理學

1980年起,中科院理論物理所郝柏林等人,在國內率先開始非線性系統中混沌現象這一新領域的理論研究,經過十幾年的努力取得了系統的創造性成果,特別是在一維、二維符號及其套用方面取得實質性進展,寫出了《實用符號動力學》專著。

1982年至1986年,中科院理論物理所于淥、蘇肇冰及其合作者,對聚乙炔中局域型非線性元激發量子躍遷理論開展了系統的創造性研究,發表論文8篇。

數學物理

50年代至80年代,中科院計算所馮康在計算數學等領域取得多方面成就,獨立創造了“有限元方法”,並最先建立它的理論基礎。

80年代中期以後,中科院理論物理所郝柏林、許以超等嚴格求解簡單立方和體心立方格子上一個具有四元素的轉移概率的隨機行走問題,給出了三維伊辛模型的一個封閉的近似解和適用于全部溫度範圍的配分函式內插分式;嚴沐霖與外國學者合作,計算了有磁場的伊辛模型的關聯函式,進而又研究發現坡爾斯(Pollsp)模型的星-三角方程中虧格大于一的解;張昭慶、蒲富恪和李鐵城等嚴格求解一維多近鄰滲流問題,得到了長程滲流的判據;趙保恆在量子完全可積系統的研究中,解決了量子鐵磁鏈的問題,並得到其散射矩陣;趙保恆和蒲富恪等以非線性薛定鍔模型為例,建立起費米子的量子反射理論,重新引入束縛態運算元,推廣到同時包括費米子和玻色子最普遍的情形,並得到貝賽-安沙茨(Bethe-Ansatz)方程。

計算物理

1980年,中科院理論物理所郝柏林的《Fortran77程式設計》專著出版。1981年至1983年,郝柏林等人使中科院計算中心成了國內第一個配有解析運算語言的單位。

1980年以後,中科院物理所和理論物理所把解析推導和人工智慧方法引入計算物理學研究。1982年,在中科院套用數學所秦元勛倡導下,成立了中國計算物理學會,1984年9月創辦了《計算物理學報》,1984年10月出版了《計算物理學》一書。1990年,中科院理論物理所郝柏林、高俊銘、崔湛等研製成群論專家系統軟體。

傑出理論物理學家

* 艾薩克·牛頓

* 萊昂哈德·歐拉

* 約瑟夫·拉格朗日

* 皮埃爾-西蒙·拉普拉斯

* 威廉·哈密頓

* 詹姆斯·麥克斯韋

* 尼古拉·特斯拉

* 尼爾斯·玻爾

* 阿爾伯特·愛因斯坦

* 維爾納·海森堡

* 沃爾夫岡·泡利

* 保羅·狄拉克

* 恩裏科·費米

* 湯川秀樹

* 列夫·朗道

* 理察·費曼

* 朝永振一郎

* 楊振寧

* 李政道

* 史蒂芬·霍金

* 加來道雄

* 愛德華·威滕

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,電漿物理,聲學,光學,無線電物理,基礎數學,套用數學,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 。

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