理论物理
一、学科概况
理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构、相互作用和物质运动的基本规律的学科。理论物理的研究领域涉及粒子物理与原子核物理、统计物理、凝聚态物理、宇宙学等，几乎包括物理学所有分支的基本理论问题。
二、培养目标
1．博士学位 应具备坚实的理论物理基础和广博的现代物理知识，了解理论物理学科的现状及发展方向，有扎实的数学基础，熟练掌握现代计算技术，能应用现代理论物理方法处理相关学科中发现的有关理论问题。具有独立从事科学研究的能力，具有严谨求实的科学态度和作风，在国际前沿方向或交错领域中有较深入的研究，并取得有创造性的成果。至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力。毕业后可独立从事前沿理论课题的研究，并能开辟新的研究领域。学位获得者应能胜任高等院校、科研院所及高科技企业的教学”研究、开发和管理工作。
2．硕士学位 应有扎实的理论物理基础和相关的背景知识，了解理论物理学科的现状及发展方向，掌握研究物质的微观及宏观现象所用的模型和方法等专业理论以及相关的数学与计算方法，有严谨求实的科学态度和作风，具备从事前沿课题研究的能力。应较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料。毕业后能胜任高等院校、科研院所及高科技企业的教学、研究、开发和管理工作。
三、业务范围
1．学科研究范围 理论物理是在实验现象的基础上，以理论的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子、等离子体和凝聚态物质运动的基本规律，解决学科本身和高科技探索中提出的基本理论问题。研究范围包括粒子物理理论、原子核理论、凝聚态理论、统计物理、光子学理论、原子分子理论、等离子体理论、量子场论与量子力学、引力理论、数学物理、理论生物物理、非线性物理、计算物理等。
2．课程设置 高等量子力学、高等统计物理、量子场论、群论、规范场论、现代数学方法、计算物理、凝聚态理论、量子多体理论、粒子物理、核理论、非平衡统计物理、非线性物理、广义相对论、量子光学、理论生物物理、天体物理、微分几何、拓扑学等。
四、主要相关学科
粒子物理与原子核物理，原子和分子物理，凝聚态物理，等离子体物理，声学，光学，无线电物理，基础数学，应用数学，计算数学，凝聚态物理，化学物理，天体物理，宇宙学，材料科学，信息科学和生命科学
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目前主要研究方向：
(一)、粒子物理和量子场论
粒子物理学是研究物质微观结构及基本相互作用规律的物理学前沿学科。粒子物理理论作为量子场的基本理论，取得了极大的成功。粒子物理标准模型的建立是二十世纪物理学的重大成就之一，它能统一描述目前人类已知的最小"粒子"（夸克、轻子、光子、胶子、中间玻色子、Higgs 粒子）的性质及强、电、弱三种基本相互作用。粒子物理学有许多研究方向，例如：强子物理、重味物理、轻子物理、中微子物理、标准模型精确检验、对称性和对称性破坏、标准模型扩展等等。
当前，该所开展的粒子物理理论研究主要围绕粒子物理标准模型中尚未解决的一些基本问题和有关实验所暗示的新物理进行。其主要内容为：电弱对称性破缺机制，CP破坏和费米子质量起源，太阳和大气中微子失踪之谜以及粒子物理中的一些重要问题，量子色动力学的低能动力学，量子味动力学，手征微扰理论，重味夸克有效场论，手征对称性和夸克禁闭，格点规范理论，重味物理，中微子物理，强子结构和性质，超高能碰撞等。研究中特别注意各种新理论和新模型，如：超对称理论和模型，超对称大统一模型，两个或多个Higgs模型，味对称规范模型。在研究方式上注重紧密与实验结合，并以实验为基础，探索超出标准模型的新理论和新模型以及新的物理概念，运用和发展量子场论、群论、数学物理和计算物理等理论物理方法，开展与粒子物理前沿相关的量子场论研究。此外，重视与其他学科的交叉，开展粒子天体物理，粒子宇宙学和粒子核物理以及与粒子物理有关的超弦理论唯象学的研究。
(二)、超弦理论和场论
量子场论是研究微观世界的基本工具，属于重要的前沿领域，它的研究成果直接地影响理论物理许多分支领域的进展。弦理论是在量子场论基础上发展起来的一种新的物理模型，它避免了通常场论中遇到的紫外发散等问题，是当前统一四种相互作用理论的重要尝试。
目前该所在此方向的研究课题为：
1、量子场论及超弦理论，特别是其非微扰问题；弦理论的最新发展；
2、场论（特别是规范场论）及弦理论的数学工具，包括非对易几何，几何量子化等以及非对易空间上的规范场论、离散群或离散点集上规范场论、用非线性联络的规范场论等。
3、各种数学物理和计算物理问题；
4、低维场论，特别是与低维凝聚态物理有关的场论；
5、与粒子物理相联系的量子场论问题；弦理论在粒子物理中的应用；
6、与引力理论相关的量子场论问题，包括源于弦理论的量子引力、黑洞熵的起源等等。
(三)、引力理论与宇宙学
爱因斯坦的广义相对论是一个十分成功的经典引力理论,将引力量子化从而 建立一个自恰的量子引力理论是当前理论物理的一大重要任务。与广义相对论相比，标量－张量引力论具有很强的竞争力。广义相对论在宇宙学及天体物理中的应用（包括大爆炸宇宙模型、中子星和黑洞、引力透镜以及引力波的预言）已取得巨大成功，但是，许多疑难问题有待解决。例如，奇性困难，暗物质的构成及其存在形式、物理性质、在宇宙中的占有比例及其对宇宙演化的作用，物质反物质的不对称性，宇宙常数和暗能量问题，原初核合成，宇宙早期相变过程的拓扑缺陷问题,宇宙早期暴涨模型的建立,黑洞的量子力学,引力的全息性质等。
国际上若干大型的空间和地面天文观测装置（包括大型望远镜、引力波天文台、等效原理的检验装置等等）将在今后若干年内投入使用，这将对现有的宇宙学模型、引力波的预言以及等效原理的正确性提供更精确的检验，随之而来的将是宇宙学和引力论的迅速发展，为理论工作提供更多获取重要成果的机遇。
理论物理所在本方向的研究围绕上述疑难问题开展。 (四)、凝聚态理论和计算凝聚态物理
复杂性和多样性是多体微观量子世界的基本特征，对其规律性的探索是凝聚态理论研究的核心。这方面的每一次突破，例如能带论和超导的BCS理论的建立，都对量子多体物理的应用和微观世界的认识产生了深刻的变革，其成果交叉渗透到数学、化学、材料、信息、计算机等许多学科和领域。近年来，在陶瓷材料、半导体异质结及其它低维固体材料中发现的大量反常物理现象召唤着新的电子论的诞生。对这些新的物理现象的研究是该所研究人员的一个中心任务，主要的研究方向包括：
量子Hall效应、高温超导电性、巨磁阻等强关联系统的物理机理、量子液体及量子临界现象；
量子多体理论方法，特别是数值计算的方法的探索和应用。计算方法包括密度矩阵重整化群、量子蒙特-卡罗计算、从头计算等；
量子点、线、碳管等纳米材料、半导体材料或结构中的非平衡量子输运及自旋电子学；
格点系统中的量子反散射与可积问题研究。
(五)、统计物理与理论生命科学
统计物理学研究方法极为普遍，研究对象广泛，它是微观到宏观的桥梁，简单到复杂的阶梯，理论到应用的途径。从生物大分子序列分析，到认识其空间结构，到理解生命活动中的物理化学过程，生命科学提出了大量富有挑战性的统计物理问题。这些问题的研究将深化对生命现象本质的认识，同时也将促进统计物理学本身的发展。
该所过去在本研究方向上重点开展了相变理论与临界现象、非线性动力学等方面的研究，目前研究重点集中在有限系统临界现象、重整化群方法、生物大分子序列分析以及生物体系中的输运问题等方面，探讨由生命科学激发的具有普遍意义的统计物理问题。生物信息学研究是本方向的热点，该所研究人员与北京华大基因研究中心有很密切的合作关系，在水稻基因组研究工作中已作出重要创新性成果。
(六)、理论生物物理
双亲分子膜是凝聚态物理软物质，或者叫复杂流体的前沿研究对象，是物理、化学、生物学交叉学科的研究课题。该所研究人员主要是运用微分几何方法，以液晶为模型，研究双亲分子膜的形状及其相变问题，已作出一组有国际影响的工作。现在本方向的研究正在向单分子膜、生物大分子与它们的生物功能联系（DNA单分子弹性、蛋白质折叠等）的理论探索扩展。
(七)、原子核理论
从20世纪九十年代中期开始到本世纪初的十年内，国际上先后有一批超大型核物理实验装置投入运行，如TJNAF(CEBAF)，RIB，RHIC 等等，核物理的发展进入了一个新阶段。这些新的巨型装置为从更深入的层次上研究核子－核子相互作用、核内的短程行为和核结构、各种极端条件下的核现象、核性质和多体理论方法提供了很好的机遇。在未来十年中，该所的研究人员将集中力量开展超重元素的性质及其合成途径，极端条件下的原子核结构，核天体物理及核内夸克效应等方面的研究，以求得对原子核运动规律的新认识。
(八)、量子物理、量子信息和原子分子理论
目前高技术的发展使得以前无法得到的极端物理条件（如极端强场、超低温度和可控的介观尺度）在实验室中得以实现。在这些特殊条件下，物质与光场的相互作用过程会呈现出一系列全新的物理现象,使得人们能重新认识物理学基本问题，导致新兴学科分支（如量子信息）的建立。
量子信息是以量子力学基本原理为基础、充分利用量子相干的独特性质(量子并行和量子纠缠)，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片元件尺度的极限提供新概念、新思路和新途径。量子力学与信息科学结合,充分显示了学科交叉的重要性，可能会导致信息科学观念和模式的重大变革。该所本方向的研究将基于量子物理基本问题的理论和最新实验的结合, 鼓励学科间的交叉渗透。发挥理论物理对量子信息研究具有前瞻性和指导性的作用，瞄准国际前沿，立足思想创新、探索和解决当前量子信息前沿领域的关键理论性问题。
目前该所在此方向上的研究课题主要为:
1．量子测量和量子开系统的基本问题:包括量子系统与经典系统相互作用，量子到经典过渡的基本模型,微观信息宏观提取的理论机制，量子耗散和量子退相干理论；也包括发展和应用实际的量子测量理论，探讨提高探测量子态效率的可能性。
2. 特殊量子态的基本特性。包括研究各种宏观量子态（原子玻色－爱因斯坦凝聚和原子激光，介观电流，微腔激子-极化子）的基本特性和运动规律,并探索它们作为量子信息载体的可能性.也包括超冷囚禁原子、分子系统与受限光场的相互作用，如腔量子电动力学和原子光学。
3．量子信息方案的物理基础。包括演化过程的动力学控制、纠缠态的度量，多粒态的局域制备和纯化、已知量子态远程制备和未知量子态远程传输。还包括提出新的量子算法、量子编码和量子纠错的新型方案，研究量子信息中的计算复杂性理论和相应的各种数学物理问题。
4. 强场中的原子分子运动。主要兴趣集中在强磁场和强激光场中原子分子的动力学行为，其中，许多全新的实验现象要求发展处理非微扰问题的崭新概念和方法。这方面的研究对揭示混沌体系的动力学和利用外场控制分子、原子过程有着重要意义。
(九)、计算物理
辛算法和保结构算法是我国著名数学家冯康及其学派在80年代中期系统提出、并完善和发展起来的。他们在这个领域的工作不仅一直领先，而且在计算数学领域占有非常重要的地位并取得了国际上的公认。在计算数学和计算物理中，引入保持所计算的Hamilton系统的辛结构，或者对于接触系统等保持系统有关的几何结构的思想非常重要。最近，国际上沿着保结构的思想，有关领域又有新的进展。比如多辛算法和李群算法的提出等等，它们分别是保持无限维系统的多辛结构的算法和系统李群对称性的算法。
该所在本研究方向上研究辛算法、多辛算法等各种保结构算法 及其在物理中的应用。
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