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美国物理学专业分支

2019-03-11 12:59:04

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美国物理学专业分支

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(conense 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-boy effect)。超导(superconuctivity)、超固体(super soli)、波色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein conensation)、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。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(stanar moel)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。

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