物理学院

本文于2013年录入/高2008级20班 肖瑞卿

学术氛围：浓厚

活动氛围：浓厚

学院专业

物理系设置“物理学”一个本科专业，分“物理学”和“应用物理”两个专业方向。

专业介绍：

我现在是理论物理方向的博士生，在物理专业学习有好几年了，对物理这个领域有比较多的了解，这里对物理学的多方面情况及在这领域学习工作的情况,按我现在的理解，作下一般介绍，说下自己的感受。物理学是人类寻求描述真实世界的通用规律的学科，处在人类认识世界的最前沿。先说一下现在物理学研究些什么东西。力学是最早学习也是物理学最早研究的内容，但一百多年前就已经把基本原理搞清楚，物理学家就不会再感兴趣，剩下的主要是工程技术问题，力学早已是一门单独的学科。同样的，热学，电磁学也是基本原理已搞清楚，不再是物理学家研究的内容，成为若干门独立的学科。光学目前的状况是一部分独立出去，一部分还留在物理学家研究的范围内，留下来的主要和量子力学效应有关，涉及到前沿。当然以上内容还是学习现代物理的起点。现代物理学研究的研究的主要有这几个方面：

粒子物理，宇宙学，量子引力和超弦理论。这个嘛，就是沿着人类一直追问的基本问题延续下来的物理学内容：物质的基本组成，基本相互作用，时间和空间，宇宙的演化等等自然界最基本的问题。因为涉及到的能量尺度非常高（可以比核能高十的N次方倍），所以又称为高能物理。从事这方面的理论研究，一般来说是对物理和数学思维能力要求最高的，传统意义上的理论物理就是指高能物理理论。理论研究的方式大概两种倾向，唯象理论和形式理论，前者从实验现象出发，更要 求有物理直觉，后者从数学形式出发，更要求数学抽象能力。实验方面需要各种大型装置：反应 堆，加速器，对撞机，天文台，太空望远镜等各种太空探测器等等。需要人员很多且学科复杂，耗 资巨大（可达百亿美元以上），需要国家和国际投入，比如欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机，丁肇中领导的阿尔法磁谱仪。与天文学关系紧密。核物理现在有时算在高能物理内，有时单独划为中能物理。高能物理对于数学和计算有着极高的需求（很多方面是人类对数学和计算的最高需求）。很多数学理论就是为高能物理理论的需求而建立或者是虽然之前已有但不能用于实际，因 为物理理论的需要才被使用。由于有着巨大的计算量，高能物理一直是计算机技术发展的重要动力，CERN在计算机的早期发展中作用巨大，对于国内，中科院高能物理所也是如此。现在及将来也都会一直追求计算机的更快更强。高能物理目前所达到的成果，简单地是发现所有可见物质是由62种基本粒子通过希格斯机制和四种相互作用组成，粒子和作用通过量子场来描述，知道宇宙138 亿年的大部分时间的大尺度的演化过程和物质分布。现在的问题主要有可见物质只占宇宙总质量的 不到5%，剩下的暗物质暗能量知之甚少；描述基本粒子和除引力外的相互作用的量子场论和描述引力的广义相对论在极高能的情况下有矛盾，意味着它们会是一个统一的理论在非极高能情况下的 近似，需要一个统一的量子引力理论，超弦理论是一种可能的选择，但是因为极高能是目前及将来 相当长时间人类实验无法达到（现在所知也只有宇宙极早期及黑洞之类达到），所以量子引力理论 难以检验；还有的问题如正反物质数 量不对称，宇宙早期暴涨等等。高能物理现在最大的困难是 由于实验成本太高，实验远落后于理论。

凝聚态物理。这个是目前物理学最重要，从事人员最多的一个分支。凝聚态就是指大量粒子聚集在一起，固液气等都可以算。长期以来，人们的研究多沿着这么一个思路：基元构造法，即去研究的最基本的组成，搞清楚最基本结构的性质就能推算出整体的性质。但是无论牛顿力学和量子力学，能精确求解就只有单体和二体物体，三体以上一般情况就只能做数值，并且计算量随物体数量几何倍数增加，精确算一个阿伏伽德罗常数级数量物体的系统是不可能的。如果这些大量物体相对于少量物体并没有多什么特别的性质，那算不了也没什么，比如写个简单的化学反应式，可以看成 两个原子在反应，也可以看成两种物质在反应。但更普遍的情况是正如现代凝聚态物理的开山级人物菲利普安德森所说：“More is different.”大量粒子聚集在一起会出现从少量粒子出发根本想不到的性质，比如超导。因此，虽然我们已经知道可见物质的最基本组成和相互作用，但远不足以知道它们所组成的各种物质千奇百怪的性质，更无法从此知道更复杂的结构生命体的性质，由基本粒子组成的人的活动也无法直接从基本粒子得知。物理最早从凝聚态的角度研究是热力学和统计力学，但最开始搞清楚的只有气体，因为相互作用极小甚至可以忽略不计（理想气体），但对于固体液体这样分子间有很强相互作用的就困难了。一百多年前德拜，爱因斯坦等才开始建立一些简单的固体理论模型。二十世纪中期，朗道，安德森等开始以量子力学和统计力学为基础建立现代的凝聚态物理理论和方法。有了这些，很多以前只能实验测的物理量，如密度，比热容，电导率等等，都可以以量子统计为基础理论计算出来，这样人类不但可以对天然的材料进行理论解释，还可以完全从理论上设计材料，可以制造出拥有天然的物质不具备的性质的材料，如超导体，拓扑绝缘体等等。凝聚态物理的成果成为了最近几十年材料，电子，计算机技术飞跃的根基。因此，凝聚态物理这几十年就从产生变为现代物理学最大的分支，过半物理学家属于这个领域，从基础理论，计算，实验，技术，到产业联系紧密。凝聚态物理在技术层面给人类发展带来的改变是非常明显的，而在思想层面，引入的集体激发，准粒子，序，自发性对称破缺等概念革新了对世界的认识。从事凝聚态物理的人员范围很广，在一端，从事基础理论的深度可以不亚于高能物理，在另一端则是进入技术产业应用。现在研究的热点有高温超导，纳米材料，表面物理，冷原子，量子霍尔效应，强关联系统等等。

量子物理，量子信息，量子计算。以量子力学本身为中心的相关研究。量子力学诞生近百年，还有很多问题悬而未决。量子力学的基本解释，量子力学的数学物理结构，宏观量子现象，退相干（大量粒子集团的相互作用如何从较复杂的量子形式退化到经典力学）。还有两个可能的紧密相关 的应用，一个是量子信息，通过量子态来传递信息，目前实验上实现了一些量子态的短距离的传输，如果完全成功，将远远超出现有的通信效率。量子计算是以两个量子态代表计算机运算的0和 1，如果能够控制大量的量子态，就可以制造出远超过现在计算机速度的量子计算机，但目前也还只能控制少量量子态。

统计物理，非线性，复杂系统，生物物理等。这些其实也属于凝聚态，不过研究的系统比较特别。统计物理是物理学各方面都要用的，很多物理学家的工作都直接关于统计物理，但现在摆在这里的时候多指的是和后面有关的或其他一些复杂情况。关于非线性，人类到目前能解的基本都是线性方程，非线性只有少数特殊的弄得出解析解，对于非线性系统基本就只有找数值解，而非线性系统是比线性系统更普遍存在的，这里的研究除了包括无机界的非线性现象，还包括生物，经济，社会的各种非线性复杂的系统。生物物理这个词只有两个意思，对于生物和工程领域这个词多指物理 在生物上的应用，而在物理研究中这个词是指生命现象的物理本质，理论生命科学是理论物理的一个研究方向。这一方面研究的人不多，尤其国内很少。这方面研究的问题其实很重要但是很复杂，目前还没有多少很有用的研究成果。

应用方向：光学，等离子等。光学是和应用非常接近的，很多分支都成了独立的专业，留下的部分一些属于应用，多与生活和各行业所需的光学器材有关。但同时，光是有量子效应的物质，现代物理学的相当大部分实验是通过光学实现，有的还是只有通过光来做，如光晶格。等离子物理主要应用在人工控制核聚变的研究上，因为核聚变时物质处于等离子态，比如太阳。国际间的人工可控核聚变INTE计划始于美苏合作，由于意识到实现这一技术的巨大困难，迫使这两国在这个核领域合作， 现在是世界的主要强国在联合研究这个项目。但是，当初美苏科学家认为五十年后可以做出来，现 在五十年已过去，参与国家更多，还是看不出什么时候能做出来。由于关系到对于人类极其重要的 能源问题，各国会持续研究下去。

以上我对我比较熟悉的高能物理和凝聚态物理说得比较多，其他方向说得比较少，方向也没说全，有的方向可能说得不够准确。网上也能查到很多说明。在这里只是说进入物理专业以后可能做什么，物理专业入学时是没有方向划分，如果进入物理专业还有几年时间找想做的方向。

课程介绍

因为物理学本身的特点，物理专业所学的课程主干部分国内各所学校基本一样，就全世界来说，也是安排结构的区别，需要掌握的内容还是那些。第一部分普通物理，包括力学，热学，电磁学，光学，原子物理学。对于物理专业来说，普通物理只是入门。中学物理竞赛的内容已涵盖了力学，热学，电磁学，几何光学的绝大部分。物理光学和原子物理，竞赛涉及得不多，不过也不算难。同一时期所学的数学课程有微积分，线性代数，概率统计，这些课程属于理工商等都必修的课程。微积分是整个现代科学的基础数学工具，没有它就不会有现在的科学技术，算是大学的数学课 程里最简单的一个。线性代数，这门课虽然也不难，但在开始会搞明白这东西是干嘛的，不像微积分是伴随着近代科学诞生，线性代数的普遍使用应该是二十世纪后的事，从物理学方面看，量子力学创立后线性代数才显得非常重要，不过到了现在，这同样是科学和工程的最基础工具了。概率统计，这是对理解世界有特别意义的一个内容，数学的绝大部分课程都是在描述必然事件，而真实世界的绝大多数实际是随机事件，搞懂概率统计才能搞清楚很多事情，逻辑（这里特指必然的情况） 和统计是科学最重要的思维方法。

第一个难度上升的课程是数学物理方法（一些非物理专业也有这门课程，但一般内容减少，难度降低），分为两部分，一是复变函数，二是数学物理方程。有的学校上一学期，有的一年。复变函数，简单地说，就是把实数的微积分扩展到复数域，这一扩展也会多出很多实数域中没有的东西出来，可以处理更复杂的物理问题。数学物理方程，以偏微分方程为主。很多方程要好几个小时才解得出来。这是第一门要以小时为时间量级解一个普通的题的课。这门课叫数学物理方法，学的是 数学，而对于物理极其重要（类似于线性代数，在没有学到后续课程之前，很多东西不知道是做什么的）。

接下来的课程是现代物理学的核心，四门理论物理课程，又称四大力学。理论力学，电动力 学，量子力学，统计力学。理论力学（工科有同名课程，但不是一样的内容）分为两部分，前一部分是矢量力学，其实就是力学的一些比较高级的方法，而实际这些方法也是物理竞赛中用到的，如果这些在力学课中已涉及，那这门课就只包含第二部分分析力学。分析力学主要指两种形式，拉格朗日力学和哈密顿力学，是牛顿力学两种数学上等价的形式，牛顿力学只是经典力学最简单和直观的形式，对于处理复杂体系不好用。而拉格朗日力学和哈密顿力学不单更容易处理经典力学复杂体系，而且可以推广到电动力学，量子力学，统计力学及其他学科。电动力学和电磁学描绘同样的现象，不同于电磁学是从各种现象入手，电动力学就用麦克斯韦方程组，加上具体条件，计算出各种结果。量子力学是现代物理学最核心的内容，基本上一个人很难第一遍就学懂量子力学。量子力学会对旧的世界观造成颠覆，许多常识经验在量子力学上多是反作用，必须重新建立一套规则，这套规则与经验冲突但只有这套规则才满足实验结果。因为人类开始了解完全超出日常经历外的区域， 经验行不通是很正常的。很多人认为相对论那就是对旧世界观的颠覆，其实那只叫扩展，量子力学才是颠覆，以至于爱因斯坦等人都不能接受量子力学解释。但是这么多年过去了，量子力学才是符合实验观测的，之后的物理学发展都在量子力学的基础上。如果说现代物理学各研究方向通用部分是什么就是量子力学。也是因此很多事情只有物理学家能理解能做。统计力学在现代物理学的地位 仅次于量子力学，也是各方向都需要。像前面所说的，统计对于现代科学极其重要，统计力学就是 一种统计用到实际系统的方法。 其他主要专业相关课程。物理实验，会分成很多部分，持续很多学期，应该说难度不大，只是写报告比较麻烦，理工科其他专业也一样。科学是以实验为基础，这句话在中学很难真正体会到，因为 基本都在学理论，高考也只考理论上的实验。而实际上绝大多数科学研究都是在做实验。计算机程 序设计相关，一般以C语言作为第一门课程，相对数学物理课程，没多大难度。如果学过信息技术竞赛的，不管用的什么语言，基本思路都知道。当然要在这方面成为高手还是有难度的，很好的程序设计能力也是非常有用的。现代科学和工程的绝大多数计算都不是人能做的了，复杂的计算需要超级计算机连续几个月进行计算。现在理工科的研究，除了做实验的，剩下的大部分就是在搞代码了。

之后的专业课根据所选方向不一样就不同了。通常固体物理也是一门必修的主干课程，这是凝聚态物理的基础。不过无论是不是凝聚态方向，这门课意义很大，因为这是第一门需要量子力学，统计力学为主，之前学的物理和数学的各种知识综合运用的课程。

笔者看法

关于学校，由于物理学的基础地位，一般物理强的学校也是综合实力强的学校。在课程那里讲过，物理学的主干课程没有什么学校差异，好的学校可以大二大三就参与到科研训练中。目前大陆的北大，清华，中科大，南大算是物理最好的学校，各有所长，对于本科阶段也没什么本质区别， 另外本科一个学校物理专业在重庆也就招个一两个人，分数不用多说，如果自主招生招够了可能都不再有名额了，所以也没多少选择余地，不过也能大一结束转专业。从结果上看，本科在这几所学校的优势是，几乎只有在这些学校中最优秀的学生才能拿得到美国物理顶尖学校的录取。香港中文大学，香港大学，香港科技大学的物理研究水平也很高。复旦浙大上交北师大等物理都比较强，这些网上都能查到。另外，十几所大学中国家设立了物理学基地班，也可以从二三年级开始参与到科研训练中，在本科阶段也是比较好的，对重庆学生来说其中川大是最稳当的，现在那里几个理论物理老师特别强。

作为基础学科，物理是只读完本科远远不够的，只有很少数本科结束就工作。有部分会转向读其他专业的研究生，而从事物理研究必须有博士学位。研究生（包括硕博）有国外国内两种选择，国外以美国为主，美国物理顶尖的六所学校加州理工，麻省理工，斯坦福，哈佛，伯克利，普林斯顿，近年排名就是前六就是这几所学校，每年谁前谁后不一样。从本科直接进这些学校基本上必须是国内顶尖学校中还顶尖的学生，硕士读完再去难度会降低，不过等于要多读三年。在国内读研有 高校和中科院两类选择。不同于本科招生是高考统招为主，国内顶尖高校和中科院的主要研究所的 研究生招生绝大部分是保送生，比如清华物理系12年招的七十多研究生中，只有六个是考的。对于物理，直博或硕博连读的多，硕士少。保送的条件是本科前三年平均分名列前茅，能获得保送资格，并通过高校或研究所的面试。物理保研应该算是件简单的事情。对于出国，主要是指美国，需要通过托福和GRE的考试，需要大量的时间和精力去准备，比如背GRE要求的两万个单词，同时也 要保证平均分名列前茅，并且当大四开始的时候保研的都完事了，申请出国还有很多事要做。对于出国的学校要求，从两种目的看。一是想长期从事物理研究的，那基本上必须要全美物理前二三十位或者其他国家同样水平的学校才容易回国内得到好的职位，在欧美拿到终生职位难度更大，如果能在美国大学拿到终生职位，那已经算很强的人物了。如果是以出国为主要目的，以后很大可能不做物理研究，那只要托福GRE达到最低要求，平均分有八十多，多申几个排名靠后点的学校，基本上都至少拿得到个录取。这里说的都是提供全额奖学金，物理很少自费留学的，因为物理这一行本身短期内赚不了什么钱的，留学靠勤工俭学对于物理也没好处，物理本身是难度大，并且需要有事没事就去想的。在国内拿得博士学位也最好去国外做几年博士后，目前各种人才计划都要求数年的 海外工作经历，除政策外，研究本身也是需要到不同地方交流的。关于高校的信息有很多，多说一下一般外界不了解的中科院，一般外界不了解的中科院，名义上说中科院中国科研的领导机构，中国物理学会等组织都是挂靠在中科院下面的研究所。物理方面，以物理所，理论物理所，高能物理所为代表。科学院能独立培养研究生算是中国特色，中国国内授予的第一个博士是在高能所而非高校。选择高校还是科学院，各有利弊。对于中科院毕业最大的麻烦是，如果转行，而外界对它不了解，它不是985，211什么的，它根本不在那个评价系统内，找工作可能吃亏。去年中科院研究生院改名中科院大学，有传言明年开始招本科生。近年来随着经济发展，经费增多，国内在物理方面的研究水平确实有很大提高，目前国内最好几所学校和中科院已比美国二流学校好，出国交流的也机会很多。在实验仪器方面已达到世界顶尖水平（不过最好的仪器都得靠国外生产，国内工业技术水平还达不到），人员制度方面还和世界顶尖有差距。

最后说些杂项，包括方方面面。关于从事物理的一般经历，首先要把博士学位拿到，然后一般两种选择，一是到某所高校从讲师做起，另外是先做几年博士后。目前来说最好是在海外做几年博士后。无论在国内还是国外读博，极少数能博士毕业就能成为副教授以上。在美国的竞争难度会比国内强，但国内的制度也在向美国靠拢。一般都要三十出头才能有正式职位。同时虽然最开始物理这个专业的学生就比大多数专业的少，但本科毕业就会一大批转向，博士毕业又会一大部分人转行，几年博士后之后也会有很多离开，最后留下来的是少数。转行的有去计算机，电子等各种工程领域，经济金融等等。对于有好的物理基础，掌握这些领域的知识不会有什么困难。也有很多转向和物理或数学完全没有关系的工作。物理研究是要求智力，精力，创造力的，因而物理的大部分工作实际是由二三十岁的人做出来的，尤其是对于理论物理来说。相对来说，实验可能经验能起的作用要大些。对于理论物理来说，理论课程的内容要求掌握得很好，对于实验来说，可能很多用不到，但需要很多具体技术的掌握和更多合作领导的能力。这领域集中了大量聪明人，因此要在这群 人作出突出作用必须要努力，尤其到了现在，已经很难找到什么重要但容易做出来的东西了。对于某些词句，比如“天才”，“XX 数学不好”，物理学家的标准是和一般人不同的。搞理论物理的很多都是，中小学时觉得数学和物理没啥难度，到一定阶段也各种搞不懂，因为确实很难。但是会不断有这种感觉，当学一门更深入抽象的课时，会觉得以前觉得难的课程其实也算简单，另外是当 越来越多的人已经搞不懂自己做的研究时，还会发现有很多人做的内容自己看不懂。只有极少数人能一直觉得容易掌握。当经历了这一过程，世界观会极大改变，会感受到人类对世界的认识以远超 出以前的想象，而世界也不是任何以前的人所能想清楚的，纯粹的思维是完全靠不住的，实验观测量才能作为标准。课程学完后，物理研究的前沿比教材上还走得远得多，工作中需要读大量的文献，知道别人已经到哪一步了，才能在此基础上继续走。做得很成功就是增加了人类的知识库，做得不怎么样感觉就像灌水，其实很多都在灌水。有句话说，什么是工科，就是去造桥，99个是好的，1个垮了，就进监狱了；什么是理科，就是发文章，99篇错的，1篇对了，就得诺贝尔奖了。这是在人类认识的前沿，站在一个角上，周围全是未知，遇到的问题很多人类之前从没想过，对一个就很不容易，极少数最后能被证实，留在教科书上。

物理专业本科通常来说男女比例不会低于四比一，平均可能是六比一，研究生阶段一般也是这样，清华我们这届直博生是三比二，这种情况很罕见。女生虽然人少，但成绩靠前很大比例是女生。由于巨大性别比例差距，保研和出国的接收方通常同等条件下优先考虑女生，但也有些例外， 有的实验组的老师因为活很重不太愿招女生。有很多实验组，晚上十二点能回寝室算早的。相对来说，搞理论的好处是纸笔电脑就够，不用守到实验，时间自由些。关于恋爱，由于性别比例差距大，还有物理专业的参与组织活动之类的都属于倾向度相对很低的，而研究生阶段活动圈子更小， 再加上从大学到三十出头有了固定职位这段时间，基本上每隔几年可能就要换个地方甚至换个国家，所以会有很多问题。我认识的老师，少数是在本科毕业就结婚，很多是四十岁左右孩子才两三岁。在其他学术专业也可能出现类似的情况。 进行物理研究的动机主要就是兴趣：觉得这有趣，或者想知道它的原理等等。这需要长期耐得 住寂寞沉得住气，试图解决人类之前没想到过的问题。客观条件还需家庭没有什么经济困难，博士和博士后期间的收入基本除开日常开销不会剩太多。而为这努力是因为兴趣或者理想。物理这个圈子有些附带的好处，风气正，国内经常说到的学术造假腐败什么的很少牵扯到物理，物理研究有难度，是难以混水摸鱼的，学物理自然包含判断真假，物理学家对真伪的判断力是远超一般人群的。氛围自由，思想超前，受政治干预少。有同学说物理是理想主义者的乐园。做物理研究多少是带有理想主义的。是想做点不一般的事情，而非只想找工作挣钱。只要学术水平能够取得一定职位，经济方面就是学校或国家（包括中国和其他国家）解决的问题。但不要把这idealism按唯心主义理解，物理一定是以实证为最终判定标准的。理想也不是空想，需要具备相应的能力才能做到。

提一下美剧《生活大爆炸》，虽然艺术是比生活夸张，但剧中确实有很多故事，我亲身经历或者看见过完全相似的，主要是在前几季。像Sheldon，Lenard这些人物我也能在认识的人中找到对应，有很多相似的教育背景和思想行为。

南开我这一届我知道的有好几个现在在攻读物理学博士，多数是以前物理竞赛的同学。南开的校友中，在物理学界最有名的是周光召，他也在国际上被视为中国理论物理学家的代表人物。其他还有很多。这里写的算是对物理专业的说明而非宣传，只是把我现在想到的主要的，不管有利的不利的都写出来，供有兴趣，有志于从事科学研究的学弟学妹参考。