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美国大学物理专业的发展及概述

来源:美国留学网 2011-12-20   美国留学   免费评估   答疑
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        伽利略创立了近代物理的实验方法论,为后世物理学家开创了道路。从此物理学开始了蓬勃的发展,近代和现代的技术发明和人类进步,大多最初源自物理学上的发现。没有物理学就没有计算机、相机、汽车等等现代生活中必不可少的工具。现代的技术发明,往往是在物理实验室研究到一定程度之后,进入工业界的研究室,再推广到市场。
      

        能级是物理学中的重要概念,标识物理过程中涉及的能量等级。当代的物理最大的两个分支是凝聚态物理(condensed matter)和高能物理(high energy),分别是在原子的能级和原子核内部粒子的能级。

        经过20世纪的发展,对单一原子的理解已经相当深入,但是当大量原子形成一定结构(如晶体(crystal))时,电子在其中的行为与在单一原子中有极大的不同。这就是凝聚态物理研究的主要对象:多体效应(many-body effect)。超导(superconductivity)、超固体(super solid)、波色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation)、量子计算机(quantum computer)、碳纳米管(carbon nanotube)和单层碳结构(graphene)、光学晶体(optical lattice)等等,都是凝聚态物理研究的最前沿。由于多体问题的数学复杂性,实验现象往往很难得到理论解释。许多理论都通过简化实际情形来抓住物理过程的主要本质,从而简化数学上的困难。也有一些从最基本的公式出发来推导,试图去拟合实验现象。

         原子核内部的运动的能量比原子和电子运动的能量要高很多,因此物理学的这个分支叫做高能物理。标准模型(standard model)比较好的描述了组成原子的粒子的物理性质,但是仍然有很多实验和理论问题是它不能描述的,如中微子(neutrino)的转化和质量,西格斯粒子(Higgs boson)的模型等等。要进行如此高能量的实验,主要借助遇加速器(accelerator),将粒子加速到非常高能量后轰击要研究的标靶(target)。高能物理往往同时存在有数种乃至数十种不同的理论,然而由于实验数据的匮乏,这些理论都暂时无法验证。实验能够达到的能级是高能物理的最大瓶颈。

         物理学的研究提供了许多有用的工具来为其他学科服务。生物物理(biophysics)就是利用物理的工具来研究生物过程,比如用光学扭矩(optical tweezers) 来研究DNA的分解和力矩。

         光学也是物理学中的一个重要分支,特别是在量子光学(quantum optics)的概念被提出后,这一领域得到了极大的发展。光有着波粒二像性,是一种量子波。一般认为光线是直的,乃是忽略了波的性质,因而光显得由粒子组成。在一定条件下,光的量子性会在物理系统中起到主要作用,不能被近似忽略掉。因而我们必须研究量子光学来描述这些体系。光学跟工业界有着非常的密切联系,很多成果走出实验室就上流水线了。

         物理是人类认识自然中走得最前的一个学科,它的分支、研究范围和方法都是一直变化,随时都可能出现或大或小的新前沿和交叉学科。进行物理的研究生学习,最重要的是习得物理的研究方法。许多其他的科学界、工业界、金融界的问题,都可以用物理的方法去研究,因而物理的毕业生未来就业的方向是很广的。
 

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