Sun Changpu: Teorik Fizikte Altı Trend
Akademisyen Sun Changpu
Fizik, madde ve hareket yasalarını inceleyen temel bilimdir. Araştırma içeriği aşağıdaki iki yönden özetlenebilir: birincisi, maddi dünyanın derin yapısını ve etkileşim yasalarını daha yüksek bir enerji ölçeğinde ve daha küçük bir zaman-uzay ölçeğinde keşfetmek; ikincisi, çok sayıda kişiyle yüzleşmek Bileşenlerden oluşan karmaşık sistem, bireysel özellikleri aşan ve "gelişen" düzen ve işbirliği olgusunu araştırır. Bu iki yön, indirgemecilik ve ortaya çıkış olmak üzere iki temel bilimsel görüşü temsil eder. İlki, fizikçilerin nesillerinin bilimsel rüyası olan mikrokozmostan nihai birleşik teori oluşturmayı amaçlayan mikroskobik bileşenler arasındaki etkileşime maddenin doğasını atfetti; ikincisi, çok gövdeli sistemlerin genel düzenini ve işbirlikçi etkilerini vurgular. , Doğanın temel kanunları olarak "evrim" yasalarını farklı düzeylerde incelemek. Katı sistemlerden yumuşak yoğunlaştırılmış yaşam maddesine kadar çeşitli çok gövdeli sistemleri içerir ve günlük yaşamdaki pratik uygulamalarla doğrudan ilgilidir.
Modern fizik genellikle yukarıdaki ana bilimsel konuları hem teorik hem de deneysel perspektiflerden araştırır. Bilimsel deneysel yöntemleri kullanarak, teorik modeller veya felsefi düşünceyle desteklenen doğal dünyanın aktif gözlemi yoluyla, önce bir ön bilimsel teorik hipotez ileri sürün ve ardından kesin bir test yapmak için daha fazla deney kullanın. Son olarak, buna dayanarak, genel bilimsel yasaları doğru ve nicel olarak ifade etmek için katı matematiksel dil kullanın ve böylece deneylerle tekrar test edilebilecek daha fazla yeni fiziksel etki tahmin edin. Mevcut teoriler bir grup yeni deneysel keşifleri açıklayamadığında, fizik benzeri görülmemiş zorluklarla karşılaşacak ve büyük atılımlar ve yeni teoriler üretebilir. Yeni teori mevcut deneysel sonuçları açıklarken, aynı zamanda daha genel teorik tahminler verecek ve yeni deneysel araştırmaları tetikleyecektir. Fizikteki bu içsel özelliklerin incelenmesi, teorik fiziğin bağımsız bir disiplin olarak gerekliliğini ve çağdaş doğa bilimlerindeki merkezi konumunu belirler.
Teorik fizik, matematiksel araçlar, mantıksal akıl yürütme ve kavramsal spekülasyon yardımıyla, maddenin zaman ve uzamının varlığını ve etkileşim yasasını incelemek ve temel teorileri evrensel anlamıyla genellemek ve özetlemek için bilimsel deneylere ve gözlemlere dayanmaktadır. Bu sadece doğada bilinen çeşitli fiziksel olayları tanımlayıp açıklamakla kalmaz, aynı zamanda önceden bilinmeyen fiziksel etkileri de tahmin edebilir. Teorik fiziğin, fizik yasalarının çağdaş matematik dili ve ideolojik çerçeve aracılığıyla daha doğru tanımlanmasını sağladığını belirtmek gerekir. Bu yasanın ardından, teorik fiziğin en temel parçası olarak, 20. yüzyılın başlarında doğan görelilik teorisi ve kuantum mekaniği, günümüzde çağdaş doğa bilimlerinin iki ayağı haline geldi ve teorik fiziğin modern bilimdeki temel konumunu ortaya koydu. İstatistik fizik, ikisinin gerekli bir tamamlayıcısı olan olasılık, istatistik ve rastgelelik fikirlerine dayanan çok parçacıklı sistemlerin hareketini ele alır. Kuantum ölçer alan teorisi, mikroskobik parçacıkların simetri perspektifinden temel etkileşimini tanımlar ve doğadaki dört temel etkileşimin birleştirilmesi için sağlam bir temel sağlar.
Teorik fiziğin önemli rolü ve disiplinin gelişme eğilimi ile ilgili olarak, aşağıda belirtilenleri altı noktada kısaca açıklıyoruz.
1. Teorik fizik araştırması derin ve kapsamlıdır ve teorisi tüm deneylerin toplamına dayanmaktadır. Maddenin yapısı seviyelere bölündüğü için her seviyenin kendi temel kanunları vardır ve farklı seviyelerdeki kanunlar birbiriyle ilişkilidir. Madde hiyerarşisinin ve onun hareket yasalarının temeli, çeşitliliği ve karmaşıklığı, yalnızca teorik fizik için çok sayıda araştırma nesnesi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda teorik fizikçiler için büyük bir entelektüel zorluk oluşturur ve insanları doğayı keşfetmeye teşvik eder. Bu nedenle, teorik fiziğin oldukça genelleştirilmiş kapsamlı araştırması, dikkate değer çok disiplinli kesişme ve özgün bilgi özelliklerine sahiptir. Teorik fizikte, bazı disiplinler (parçacık fiziği, yoğun madde fiziği vb.) Deneysel araştırmalarla yakından ilgilidir, ancak geçici olarak birleştirilen bazı daha temel alanlar (istatistiksel fizik, yerçekimi teorisi ve kuantum temel teorileri gibi) vardır. Doğrudan deneyleri içermez. Fiziğin kendisi deneysel bir bilim olmasına rağmen, fizik teorisi sadece bireysel deneyler için değil, uzun bir süre boyunca yapılan tüm deneylerin toplamına dayanmaktadır. Teorinin doğruluğunun deneysel testlerde uygulanması gerekmesine rağmen, fiziğin gelişimi sırasında, bazı aşamalı teorik araştırmalar ve saf teorik keşif araştırmasının başlangıçta belirli deneysel testleri vurgulamasına gerek yoktur. Aslında, büyük bilimsel buluşlara ve hatta bilimsel devrimlere yol açan genel görelilik teorisi, ayar alanı teorisi ve Bose-Einstein yoğunlaşması bunun tipik örnekleridir: Saf teoriden başlarlar, ancak deneysel doğrulama için onlarca yıl hatta neredeyse yüz yıl beklemişlerdir. Yaklaşık yüz yıl önce, Einstein'ın genel görelilik teorisi, ışık-yerçekimi dalgaları hızında hareket eden bir tür uzay-zaman dalgalanmalarını öngördü. Amerikalı bilim adamları, insanların ilk kez doğrudan yerçekimi dalgalarını tespit ettiklerini Şubat 2016'ya kadar açıkladılar. Kütleçekim dalgalarının tahmini, teorik fiziğin gelişiminde bir kilometre taşıdır.Gözlemleri ve keşifleri, yeni bir kütleçekim dalgası astronomi araştırması alanı yaratacak ve evrenin gizemlerini daha derinlemesine ortaya çıkaracaktır.
2. Giderek karmaşıklaşan teknik zorluklar ve çağdaş deneysel bilimin büyük finansman gereksinimleri karşısında, teorik fizik, önde gelen fizik için vazgeçilmezdir. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, büyük ölçekli hızlandırıcılara dayanan parçacık fiziği, yeni bir büyük ölçekli bilimsel mühendislik çağını başlattı ve bu da fiziğin gelişimini finansman gereksinimlerindeki büyük zorluklarla karşı karşıya getirdi. Bu nedenle, deneylerin ve teorilerin fiziğin gelişimi üzerindeki etkilerindeki bariz farklılıklar ile teorik fiziğin yönlendirici rolü giderek daha fazla önem kazanıyor. Yüksek enerji fiziği alanında, leptonların ve kuarkların yalnızca üç nesli saf teorinin sonucudur.Yakın zamanda Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) keşfedilen üst kuarklar ve Higgs parçacıkları ilk olarak teorik tahminlerden geldi. Günümüzün yüksek enerjili fizik deneyleri temelde teorik rehberlik altında tasarlanır ve gerçekleştirilir.Teorik bir motivasyon ve rehberlik yoktur.Yüksek enerjili fizik deneyleri samanlıkta iğne bulmak gibidir. Her büyük parçacık çarpıştırıcısının ve diğer büyük deneysel cihazların belirli bir teori ile yakından ilişkili olduğu söylenebilir. Bu özellikle astrokozmolojinin gözlemi için geçerlidir. Astronomik gözlemler, evren hakkında sadece bazı ön bilgiler verecektir, ancak fiziksel açıklaması belirli teorik modellere dayanmalıdır. Evren yalnızca bir kez gelişti ve hem başlangıç durumu hem de son durumu şu ana kadar bilinmiyor. Kozmoloji çalışması sıradan fiziksel deneyler gibi olamaz ve evrimi hakkında bilgi elde etmek için başlangıç ve son durumunu keyfi olarak ayarlamak imkansızdır. Bu nedenle, yalnızca gözlemlere dayalı olarak tamamen makul bir evren modeli oluşturmak imkansızdır. Evrenin evrimine dair gerçek bir anlayışa sahip olmak ve kendi kendine tutarlı bir kozmolojik model ve teori oluşturmak için, kendisini parçacık fiziği ve genel görelilik gibi fiziksel teorilere dayandırmak gerekir.
3. Teorik fizik, temelde çapraz entegre bir bilimdir. Hepimizin bildiği gibi, 20. yüzyılda kuantum mekaniğinin temel bilimsel teorilerinden biri, insanların mikroskobik dünyadaki hareket yasalarını anlamaları için modern fiziksel temeldir. Kuruluşu, insanlığın maddi ve manevi yaşamını derinden etkileyen ve sosyal ve ekonomik kalkınmanın itici güçlerinden biri haline gelen lazerler, yarı iletkenler ve nükleer enerjiyle temsil edilen yeni bir teknolojik devrime yol açtı. Bununla birlikte, kuantum mekaniği temelinde birçok tartışma vardır ve Kopenhag Okulu, kuantum mekaniğinin "standart" yorumunda birçok zorlukla karşılaştı. Bununla birlikte, bu akademik tartışmalar sadece kuantum teorisinin gelişimini teşvik etmekle kalmadı, aynı zamanda kuantum mekaniğini çapraz bilim alanına teşvik etti, kuantum fiziğini gözlem ve yorum aşamasından itibaren yeni bir otonom düzenleme çağına girdi ve o zamandan beri kuantum dünyası kendi içinde bir şeyden kendi içinde bir şeye dönüştü. Geçtiğimiz yirmi yılda, teorik fiziğin kapsamlı kesişimdeki önemli ilerlemesi, kuantum bilimi ile kuantum bilişim, kuantum iletişimi ve ana gövde olarak kuantum hassas ölçümünü oluşturan kuantum fiziğinin ve bilgi hesaplama biliminin kesişimidir: kuantumdan tam olarak yararlanır. Mekanik, hesaplama, kodlama, bilgi aktarımı ve benzersiz kuantum tutarlılığına dayalı hassas ölçümün temel ilkeleri, çip sınırını aşan ve bilgi güvenliğini sağlayan yeni kavramları ve yeni fikirleri keşfetme. İstatistik fizik, biyofizik ve yumuşak yoğun madde fiziği gibi teorik fizik araştırmaları için daha geniş bir çapraz entegre alan yelpazesi açtı. İstatistik fiziğin fikir ve yöntemleri sürekli olarak çeşitli yeni alanlara uygulanmakta ve temel teorisi ve kendi gelişimi için daha yüksek gereksinimler ortaya konmaktadır. Yumuşak madde, doğada var olan en kapsamlı kompleks yoğunlaştırılmış madde olduğu için, katı ve ideal sıvı arasında yer alır ve insanların günlük yaşamı ve endüstriyel teknolojiyle yakından ilgilidir. Örneğin, su yumuşak yoğunlaşmış bir maddedir ve araştırmasında yer alan temel bilimsel konular, bugün insan toplumunun karşı karşıya olduğu su kriziyle ilgilidir.
4. Teorik fizik, belirli sistemlerin uygulanmasında yenilikçi gelişmeyi gerçekleştirir ve temel düzeyde kendisine geri verir. Kuantum mekaniği ve istatistiksel fiziğin katı sistemlere özel uygulamasından başlayarak, yoğunlaştırılmış madde fiziği son yarım yüzyılda çağdaş fiziğin en büyük dalı haline geldi. Sadece malzeme, bilgi ve enerji bilimlerinin temeli değil, aynı zamanda kimya ve biyoloji gibi disiplinlerle kesişme ve entegrasyon ve içinde keşfedilen yeni fenomenler ve etkiler, yoğunlaştırılmış madde fiziğinin yeni bir disiplinin veya alanının doğmasına yol açabilir. Teorik fizik araştırması için daha geniş bir beklenti gösterir. Bir yandan, yoğunlaştırılmış madde fiziğinin teorisinin kendisi son derece hızlı ve kapsamlı bir şekilde gelişmiştir.Yarı iletkenleri ve metalleri tanımlayan enerji bandı teorisi ve Fermi sıvı teorisi, elektronik, bilgisayar ve bilgi gibi disiplinlerin gelişimi için teorik bir temel oluşturmuştur; diğer yandan yoğunlaştırılmış maddeden Teorik araştırmadan çıkarılan evrensel kavramlar ve yöntemler, yüksek enerji fiziği de dahil olmak üzere diğer fizik konularının gelişimini teşvik etmede önemli bir rol oynamıştır. BCS süperiletkenlik teorisindeki spontan simetri kırılması kavramı, elektrozayıf etkileşimlerin birliğini tanımlayan Yang-Mills ayar alanı teorisine uygulanır ve teorik fizikteki bir başka gelişme olan ara bozon kütle evriminin Higgs mekanizmasına yol açar. Önemli bir kilometre taşı. Son yirmi yılda, yoğunlaştırılmış madde fiziği alanında, çok sayıda yeni düşük boyutlu malzemenin sentezi ve keşfi, özel işlevlere sahip kuantum cihazlarının tasarımı ve gerçekleştirilmesi ve yüksek sıcaklık süperiletkenleri ve topolojik yalıtıcılar gibi çok sayıda yeni kuantum fenomeni sergilenmiştir. Bu fenomenler, monomer yaklaşımına dayalı Fermi sıvı teorik çerçevesi altında açıklanamaz.Yeni bir teorik çerçevenin kurulması yakın, eğer başarılı olursa, yoğunlaştırılmış madde fiziğinin temeli ve uygulamalı araştırması yeni bir tarihsel seviyeye ulaşacaktır. Teorik fiziğin en uç noktaya kadar başrol oynaması.
5. Teorik fiziğin önemli bir gelişme eğilimi, teorik modellerin ve güçlü modern hesaplama yöntemlerinin birleşimidir. Karmaşık malzeme dünyası (kuvvetle ilişkili madde ve karmaşık sistemler gibi) karşısında, basit, analitik olarak çözülmüş teorik fiziksel modeller, karışık olmama ve yüksek doğrusal olmama gibi karmaşık malzeme yapılarının tüm özelliklerini kapsamak için yeterli değildir. Modern bilgisayarların icadı ve hızlı gelişimi, bu karmaşık sorunları çözmek için güçlü araçlar sağlamıştır. Nesneye yönelik bilimsel hesaplama yöntemleriyle (birinci ilke hesaplamaları, Monte Carlo yöntemleri ve hassas köşegenleştirme teknikleri gibi) desteklenen karmaşık teorik modellerin yaklaşık çözümü, malzeme hareketinin gerçek yasasına kademeli olarak yaklaşabilen son derece yüksek doğruluk elde edecektir. Bu nedenle, analitik yöntemler karmaşık problemleri çözemediğinde, teorik fizik, teorik tahminleri daha da ölçmek ve geliştirmek için sayısal analiz ve simülasyonu kullanmalıdır. Bu alandaki araştırmalar, fiziksel deneyler ve teorik modeller arasında vazgeçilmez bir bağlantı haline gelen önemli bir hesaplamalı fizik dalının oluşmasına yol açmıştır.
6. Teorik fizik, ulusal savunma ve güvenlik ile diğer önemli ulusal ihtiyaçlarda daha önemli bir rol oynayacaktır. II.Dünya Savaşı'nın kesin zaferi, Soğuk Savaş döneminin stratejik dengesi veya Çin'in ulusal stratejik konumunun iyileştirilmesi ne olursa olsun, teorik fiziğin ülkenin başlıca stratejik ihtiyaçlarını karşılamada yeri doldurulamaz bir rol oynadığını herkes bilir. Teorik fizikçiler Einstein, Oppenheimer, Fermi, Peng Huanwu, Yu Min, Zhou Guangzhao ve diğerleri de tarihe damgasını vurdu. Stratejik silahların geliştirilmesiyle yakından ilgilidir. II.Dünya Savaşı'ndan sonra, fizikte yeni bir büyük ölçekli bilimsel mühendislik dönemi açıldı. Büyük hızlandırıcılara dayanan büyük bilimsel keşifler, standart modellerin kurulması gibi teorik fizik için geniş bir kapsam sağladı. Ulusal savunma ve güvenlik gibi büyük ulusal ihtiyaçlar, genellikle özgürce keşfedilmesi kolay olmayan temel bilimsel soruları ortaya çıkarır.Teorik fiziğe yeni zorluklar sunarken, aynı zamanda teorik fizik araştırmaları için kaynak inovasyonu için bir platform sağlar. Bu nedenle teorik fizik, ulusal ekonomik kalkınma ve ulusal savunma güvenliği gibi temel ulusal ihtiyaçları da ele almalı, kilit bir rol oynayabilecek bilimsel konuları yoğunlaştırmalı ve keşfetmeli ve pratik uygulamalarda ve teorik yeniliklerde büyük atılımlar yapmalıdır.
Çin'in teorik fiziğinin her yönden hızlı gelişimini desteklemek için, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı 1993 yılında "Teorik Fizik için Özel Fon" kurdu ve bir akademik liderlik grubu kurdu (ilk grup lideri, Çin'in ünlü teorik fizikçisi Bay Peng Huanwu'dur). Yıllar içinde, Çinli teorik fizikçilerin kolektif bilgeliğini yoğunlaştırdı, teorik fiziğin özelliklerine ve gelişim yasalarına uyan fon modellerini sürekli araştırdı, teorik fizikte olağanüstü yenilikçi yetenekler geliştirdi, olağanüstü araştırma sonuçları elde etti ve ulusal ekonomik ve teknolojik stratejik kararlara rehberlik etti. Ve danışmanlık. Çinin teorik fiziğini daha kapsamlı bir şekilde desteklemek için, "Teorik Fizik Özel Fonu" bu seti düzenlememizi ve yayınlamamızı desteklemeye devam ediyor "21. Yüzyıl Teorik Fiziği ve Disiplinlerarası Sınır Serisi" Amaç, modern teorik fiziğin temel içeriğini, kesişen alanlarını ve konunun sınır gelişimini, ayrıca Çinli teorik fizikçiler tarafından yapılan bilimsel katkıları ve büyük ilerlemeyi sistematik ve kapsamlı bir şekilde tanıtmaktır. Bu kitap serisinin, üniversite öğrencilerinin, yüksek lisans öğrencilerinin, doktora sonrası araştırmacıların, genç öğretmenlerin ve araştırmacıların teorik fizik araştırmalarının ilerlemesini tam olarak anlamalarına, fizik araştırmalarına ilgi duymalarına, teorik fiziğin sınır araştırma alanına hızla girmelerine ve kendilerini teoriye adamaları için daha fazla genci çekmelerine yardımcı olabileceği umulmaktadır. Fizik taahhüdü, ülkemizin bilimsel araştırmalarının dünyada bir yer edinmesine kendi katkısını yapmıştır.
Sun Changpu
Çin Bilimler Akademisi Akademisyeni, Gelişmekte Olan Ülkeler için Bilimler Akademisi Akademisyeni
Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı "Teorik Fizik için Özel Fon" Akademik Lider Grubu Lideri
kısa giriş
"21. Yüzyıl Teorik Fiziği ve Disiplinlerarası Sınır Serisi" İlgili mesleki alanlardaki lisansüstü öğrencilerden başlayarak Çince ve İngilizce monografiler ve temel teoriler dahil. Ana içerik şunları içerir (bunlarla sınırlı olmamak üzere):
(1) Madde yapısının ve dinamiklerinin en derin seviyesinin sınırı: kuantum alan teorisi ve kozmoloji; parçacık fiziği ve kozmoloji; hadron fiziğinde yüksek enerjili ağır iyon çarpışmaları ve dinamik yasaları.
(2) Yoğun madde teorisi: kuvvetle ilişkili çok elektronlu sistemler üzerine teorik araştırma; sınırlı küçük kuantum sistemleri.
(3) Disiplinlerarası teorik araştırmanın yeni alanları: teorik fizik ve yaşam bilimleri; organik katılar ve polimerler üzerine teorik fizik araştırması; nanomateryal tasarımın temel teorileri; kuantum bilgisi.
Bu makale, editörün eklediği "The Frontier Series of Theoretical Physics and Interdisciplinary in the 21st Century" yayın önsözünden bir alıntıdır.
