哪些學(xué)校的理論物理是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科

【專(zhuān)家解說(shuō)】：有北京師范大學(xué)、浙江大學(xué)、華中師范大學(xué)、湖南師范大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院—清華大學(xué)醫(yī)學(xué)部、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。
理論物理（Theoretical Physics ）是從理論上探索自然界未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的學(xué)科。理論物理的研究領(lǐng)域涉及粒子物理與原子核物理、統(tǒng)計(jì)物理、凝聚態(tài)物理、宇宙學(xué)等，幾乎包括物理學(xué)所有分支的基本理論問(wèn)題。

物理學(xué)是人類(lèi)現(xiàn)代文明的重要組成部分，它伴隨著文明的進(jìn)步而不斷發(fā)展，是人類(lèi)的物質(zhì)創(chuàng)造和精神思考的成果，同時(shí)它強(qiáng)有力地推動(dòng)了人類(lèi)文明進(jìn)一步發(fā)展。可以說(shuō)，物理學(xué)是現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)最重要的塑造力量之一，它不僅是各種宏偉的、精密的物質(zhì)成果的直接基礎(chǔ)，而且深刻地影響了人類(lèi)的哲學(xué)觀點(diǎn)、政治觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)和文化活動(dòng)方式，重塑了人類(lèi)對(duì)自身和對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。理論物理學(xué)作為物理學(xué)的重要分支起著基礎(chǔ)作用，其功能和意義不僅完全具備上述的各個(gè)方面，而且還具有自身的特點(diǎn)。
理論物理的知識(shí)體系發(fā)源于近代歐洲在十五、六世紀(jì)的思想革命時(shí)期。哥白尼首先提出“日心說(shuō)”挑戰(zhàn)宗教神學(xué)體系，開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代天文學(xué)；與哥白尼同時(shí)代的開(kāi)普勒再接再厲，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)“日心說(shuō)”做出了正確的、完整的描述，為這個(gè)理論奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。伽利略承前啟后，創(chuàng)立了現(xiàn)代自然科學(xué)研究的方法：對(duì)物理理象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究并把實(shí)驗(yàn)的方法與數(shù)學(xué)方法、邏輯論證相結(jié)合。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)評(píng)價(jià)伽利略的科學(xué)研究方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，是物理學(xué)的真正開(kāi)端。
牛頓通過(guò)對(duì)哥白尼到伽利略這些近代思想家的學(xué)說(shuō)總結(jié)和繼承，開(kāi)創(chuàng)性地建立了一整套邏輯嚴(yán)密的理論體系，開(kāi)始了物理學(xué)史上的第一個(gè)新紀(jì)元。牛頓建立了經(jīng)典的絕對(duì)時(shí)空觀，提出了關(guān)于力的三大定律，揭示了光的顏色之謎，他發(fā)展了微積分等強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯推理分析，自己制作望遠(yuǎn)鏡和三棱鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，這些研究方式為現(xiàn)代物理學(xué)的研究樹(shù)立了最基本的規(guī)范。牛頓建立的時(shí)空哲學(xué)觀和力學(xué)體系是此后兩百多年物理研究的基礎(chǔ)，拉格朗日、歐拉、拉普拉斯、傅立葉、哈密爾頓等經(jīng)典物理學(xué)家繼續(xù)以數(shù)學(xué)分析為手段完善了牛頓力學(xué)體系，安培、法拉第、麥克斯韋等人創(chuàng)立并完善了經(jīng)典電磁理論，卡諾、克勞修斯、吉布斯、波爾茲曼等人則發(fā)展和完善了經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論。牛頓理論體系及其產(chǎn)物也使得人類(lèi)認(rèn)識(shí)到物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是可以掌握和利用的，對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙和地外星體的理解改變了人們對(duì)人類(lèi)在宇宙中的位置的認(rèn)知，對(duì)生物的解剖分析和演化史的追溯完全改變了人類(lèi)對(duì)自身的認(rèn)識(shí)，人類(lèi)開(kāi)始摒棄宗教和迷信的教條主義、神秘主義和不可知論，對(duì)事物本源、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、內(nèi)在邏輯、相互聯(lián)系的追求構(gòu)成了理性主義和科學(xué)方法的基礎(chǔ)，事實(shí)上是推動(dòng)現(xiàn)代人類(lèi)文明進(jìn)步的真正動(dòng)力。
經(jīng)典物理體系的高度完善使得理論本身已經(jīng)達(dá)到其能力邊緣，而它催生的精密實(shí)驗(yàn)手段卻發(fā)現(xiàn)了理論基礎(chǔ)本身存在著重大的問(wèn)題，這促使龐加萊、洛侖茲、愛(ài)因斯坦、玻爾、海森堡等人開(kāi)始嚴(yán)肅地思考經(jīng)典物理體系的基礎(chǔ)是否正確。這一波對(duì)牛頓體系的批判性重新檢驗(yàn)引發(fā)了二十世紀(jì)初的物理學(xué)革命：二十世紀(jì)初期相對(duì)論和量子理論的出現(xiàn)徹底顛覆了牛頓的時(shí)空觀念和經(jīng)典物理基礎(chǔ)，物理學(xué)迎來(lái)新一輪快速發(fā)展。需要說(shuō)明的是，雖然新的物理理論取代了舊理論的基本觀點(diǎn)，但經(jīng)典物理的價(jià)值卻并沒(méi)有被否認(rèn)，這是因?yàn)榻?jīng)典物理所確立的探索運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精神、實(shí)驗(yàn)和理論的研究方式、以數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述物理規(guī)律等原則具有永恒的價(jià)值，而且在一定的物理?xiàng)l件下經(jīng)典物理依然是足夠精確的理論，相對(duì)論和量子力學(xué)帶來(lái)的修正不會(huì)影響具體的物理實(shí)踐。
相對(duì)論和量子力學(xué)再次重新塑造了人們的時(shí)空觀念，賦予了“相對(duì)性與絕對(duì)性”、“時(shí)空與物質(zhì)”、“確定性與不確定性”、“連續(xù)與非連續(xù)”等概念新的意義，經(jīng)典體系里的物理概念和物理規(guī)律都可以在新的物理框架下得到檢驗(yàn)和重新表述，它們?cè)谀撤N意義上被摒棄，卻同時(shí)被保留并升級(jí)換代了。隨著量子力學(xué)對(duì)黑體輻射和原子光譜的完美解釋?zhuān)M義相對(duì)論對(duì)電磁理論基礎(chǔ)的完善和對(duì)質(zhì)能轉(zhuǎn)換的預(yù)言，廣義相對(duì)論對(duì)行星進(jìn)動(dòng)的精確解釋?zhuān)挛锢眢w系很快得到了人們的接受并作為物理研究的新基礎(chǔ)。以此為出發(fā)點(diǎn)，在二十世紀(jì)二三十年代，人類(lèi)對(duì)自然的認(rèn)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(xiàn)象和規(guī)律得到初步理解并且開(kāi)始了核能的應(yīng)用；宏觀上則擴(kuò)大到星系和宇宙尺度，以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代宇宙學(xué)提供了關(guān)于宇宙長(zhǎng)達(dá)一百多億年的演化史的理論框架，對(duì)數(shù)十億光年之遠(yuǎn)的星系的觀測(cè)前所未有地?cái)U(kuò)展了人類(lèi)的知識(shí)，對(duì)黑洞的探討則成了引力理論的經(jīng)久不衰的課題。
隨著關(guān)于微觀粒子的知識(shí)積累，人們發(fā)現(xiàn)粒子并非恒久不變，它們不斷產(chǎn)生和湮滅，并且相互作用，這促使物理學(xué)家在三十到五十年代發(fā)展了量子場(chǎng)理論。場(chǎng)的觀念早在法拉第和麥克斯韋的時(shí)代就已經(jīng)得到確立，是現(xiàn)代物理的基本觀念之一，量子場(chǎng)論融合了場(chǎng)理論和狹義相對(duì)論、量子力學(xué)，完全自洽地解釋了粒子的波動(dòng)性和粒子性的相互關(guān)系，質(zhì)量和能量的關(guān)系。這個(gè)時(shí)期理論物理知識(shí)成倍增長(zhǎng)，人才輩出：海森堡提出“測(cè)不準(zhǔn)原理”、泡利提出不相容原理、狄拉克提出描述電子的方程，與馬克斯·玻恩、約旦和維格納等人一道他們完善了量子力學(xué)并對(duì)場(chǎng)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(fèi)因曼建立了描述電磁場(chǎng)和電子相互作用的量子場(chǎng)理論—量子電動(dòng)力學(xué)，他們構(gòu)建的理論完全滿(mǎn)足相對(duì)論和量子力學(xué)的要求，并且成功地發(fā)展了一套微擾理論來(lái)計(jì)算具體問(wèn)題的近似解，對(duì)電子反常磁矩的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合到好于十億分之一，充分顯示了理論方法的威力。這個(gè)時(shí)期對(duì)微觀量子世界的研究還揭示出其特有的對(duì)稱(chēng)性原理，建立了粒子理論的時(shí)空CPT對(duì)稱(chēng)和C破壞、P破壞和T破壞的理論，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了粒子的內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性?自旋、同位旋、重子(輕子)數(shù)等的規(guī)律。
六十年代和七十年代理論物理經(jīng)歷了另外一個(gè)發(fā)展高峰時(shí)期，這個(gè)時(shí)期雖然S-矩陣?yán)碚撛?jīng)興盛一時(shí)，但人們還是認(rèn)識(shí)到量子場(chǎng)方法對(duì)理解動(dòng)力學(xué)問(wèn)題具有無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。規(guī)范對(duì)稱(chēng)性作為基本的物理原理提供了描述物質(zhì)相互作用的理論框架，非阿貝爾規(guī)范理論(Yang-Mills場(chǎng)論)成為構(gòu)筑現(xiàn)代場(chǎng)論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)相互作用都可以用規(guī)范理論描述。隨著夸克理論的提出、弱電統(tǒng)一理論的建立和量子色動(dòng)力學(xué)對(duì)漸近自由夸克相互作用的正確描述，我們知道：費(fèi)米粒子作為基本組分構(gòu)成了物質(zhì)世界，而規(guī)范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(diǎn)審視量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出了重整化流的概念，闡述清楚了有效量子場(chǎng)論的意義；Nambu、Goldstone、Higgs等人發(fā)展了自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制；‘t Hooft和Veltman證明了非阿貝爾規(guī)范理論的可重整性；Weinberg-Salam-Glashow建立了弱電統(tǒng)一的量子理論；量子色動(dòng)力學(xué)也被證實(shí)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(chǎng)論的一些非微擾性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)方面，核子的深度彈性散射、PP對(duì)撞的噴注現(xiàn)象等大量高能實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了夸克的真實(shí)存在以及量子色動(dòng)力學(xué)的漸近自由性質(zhì)，中性流和重玻色子的探測(cè)證實(shí)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(jīng)具備，統(tǒng)一理論的大廈似乎近在咫尺，然而事實(shí)表明相互作用的統(tǒng)一理論的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人們的想象。
為了統(tǒng)一弱電理論和強(qiáng)作用理論，人們嘗試過(guò)用SO(10)、SU(5)等規(guī)范群構(gòu)造滿(mǎn)足所有對(duì)稱(chēng)性要求的大統(tǒng)一理論，提出了超對(duì)稱(chēng)概念以改善理論在紫外的性質(zhì)，然而關(guān)于這方面的大量研究都沒(méi)有獲得實(shí)驗(yàn)支持。理論上，量子場(chǎng)論的微擾理論已經(jīng)得到較好的理解，然而非微擾量子場(chǎng)論依然困擾著人們，格點(diǎn)規(guī)范理論還遠(yuǎn)不足以完全解決諸如Yang-Mills理論的禁閉問(wèn)題。引力理論和量子力學(xué)的矛盾顯得更為尖銳，人們很早就發(fā)現(xiàn)了對(duì)其它場(chǎng)而言無(wú)往不利的量子化方法應(yīng)用到引力場(chǎng)時(shí)慘遭失?。褐苯恿孔踊Φ玫降牧孔訄?chǎng)是不可重整化的，這意味著這個(gè)理論無(wú)法做任何有意義的量子計(jì)算。然而，量子引力理論對(duì)理論物理體系的完善不可或缺：對(duì)黑洞性質(zhì)的經(jīng)典研究表明黑洞具有熱力學(xué)特性，具有宏觀熵和溫度，半經(jīng)典的研究甚至表明量子力學(xué)使得黑洞具有熱體輻射，黑洞性質(zhì)的微觀機(jī)理要求的量子引力理論；同時(shí)大爆炸宇宙學(xué)成功地追溯到宇宙演化史的最初三分鐘，粒子宇宙學(xué)正確地解釋了宇宙中輕質(zhì)量元素的豐度，然而要繼續(xù)追究宇宙的起源則必須考慮引力的量子效應(yīng)。
為了解決這些理論物理的重大難題，從七十年代開(kāi)始，物理學(xué)家提出了各種理論機(jī)制，有的立足于相對(duì)論和量子力學(xué)的基礎(chǔ)而作相對(duì)保守的新擴(kuò)展：超對(duì)稱(chēng)是對(duì)龐加萊對(duì)稱(chēng)性的擴(kuò)充，弦理論則把自然界的基本組份從點(diǎn)粒子改為一維的弦，額外維理論則認(rèn)為除了宏觀的四維時(shí)空外還有一些極其微小的額外空間，這些理論往往出發(fā)點(diǎn)簡(jiǎn)單，然而卻引發(fā)了大量有趣的研究成果。有的理論則從根本上重新檢驗(yàn)相對(duì)論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，企圖以激進(jìn)的革命性改變解決問(wèn)題，各種量子力學(xué)的替代理論、圈量子引力在這個(gè)方向上作了一些探索。這些理論引發(fā)了大量的形式理論研究，卻始終缺少?zèng)Q定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持，有的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究漸行漸遠(yuǎn)，引發(fā)了這些研究是否已經(jīng)脫離物理研究正確道路的爭(zhēng)議。
無(wú)論如何，理論物理依然是一個(gè)未完成的體系，它生機(jī)勃勃而又充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)。理論物理一方面探索基本粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)也探索各種復(fù)雜條件下物理規(guī)律的表現(xiàn)形式。隨著技術(shù)的高度發(fā)展，理論物理的研究在越來(lái)越多的領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮著致關(guān)重要的作用：量子信息理論加深了我們對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解，同時(shí)又在不斷挑戰(zhàn)量子理論的解釋極限；界觀物理、納米技術(shù)揭示著宏觀和微觀過(guò)渡區(qū)域豐富的物理規(guī)律；超低溫、強(qiáng)激光等極端環(huán)境顯示出獨(dú)特的物理性質(zhì)；強(qiáng)關(guān)聯(lián)多電子體系則對(duì)解析和數(shù)值研究都提出了挑戰(zhàn)；復(fù)雜物理系統(tǒng)、非線(xiàn)性物理系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)新的問(wèn)題。
在新世紀(jì)，作為宇宙學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙處于加速膨脹的狀態(tài)，暗物質(zhì)和暗能量分別構(gòu)成了宇宙組分的23%和73%，我們熟悉的重子物質(zhì)不過(guò)占區(qū)區(qū)4%而已！理論和實(shí)驗(yàn)的沖突如此尖銳，而理論本身也面臨著自洽的邏輯問(wèn)題，新物理已經(jīng)不可避免，理論物理再次面臨著重大突破的時(shí)機(jī)。隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的完成，新一代天文探測(cè)器的升空，引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，以及數(shù)個(gè)未來(lái)的大型實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)施，我們有機(jī)會(huì)探測(cè)到超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，精確測(cè)量宇宙極早期大爆炸的余輝，研究遙遠(yuǎn)宇宙空間的黑洞和其它奇異天體。當(dāng)我們擁有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)理論物理學(xué)家將得到更多的啟示，某種新物理將水到渠成地出現(xiàn)并正確地解釋上述謎團(tuán)，我們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)將邁入新的層次。