物理学 | 复杂而又单纯

千百年来，我们所生活的世界引发着无数人的好奇心：世间万物都是由什么组成的？时间从哪里来又要到哪里去？广袤无垠的宇宙又是否有尽头？而物理学，正是研究自然界中各种物质和能量的本质与性质，以及它们相互作用规律的一门学科。一代代物理学家们用他们的智慧，创造了一套又一套的理论来解释我们对这个世界的疑问，这些理论或被实验验证，或被推翻，又或着被不断完善补充，但只要我们的好奇心没有终止，物理学的探索就会无休无止。

还记得刚刚高考完填报志愿的时候，身边总有人会问我：物理好难啊，你怎么会想去学物理呢？那时的自己，回想着高中时做不完的物理题，实在谈不上对物理有多么热爱。也许是因为师兄师姐说学物理可以打下更牢固的基础，也许是因为有人说学物理将来方便转专业，然而这些毕竟是别人说说而已，让自己心甘情愿选择物理的原因，大概还是自己内心对这个世界的好奇吧。因为好奇，想知道天空为什么是蓝色的，想知道为什么会有引力常数，想知道原子为什么会有能级，想知道黑洞到底有多可怕，这世间的规律，物理总可以给你最基本的思路，引发内心无限的遐想。只要你还怀着好奇心，物理就可以带给你意料之外的乐趣。

高中时，物理对我们来说似乎就是考官出的一道一道难解的试题；大学中的物理，更多的却是看前辈们如何漂亮地解出自然界里一个又一个费解的问题，然后自己牛刀小试，品味探索过程的酸甜苦辣。大学物理专业的学习主要围绕三个方面：理论，实验和科研。理论是物理学已有的基础，实验是对理论的验证，科研就是自己牛刀小试了。

理论方面的课程主要围绕四大力学，了解各种物质的运动和相互作用的规律。在理论力学里求解旋转陀螺不倒的秘密，在电动力学里探索电磁波是怎样传播的，在量子力学里感受那若有若无的概率事件，在统计力学中了解玻色粒子如何“群居”而费米粒子如何“独处”。

除了物理理论基础，还需要有数学、化学、计算机、电路等各方面的基础。这些理论课程看似枯燥杂乱，实则互相关联，支撑起物理这座大厦。学习这样多种多样的知识，也足够为转向其他专业提供坚实的基础。

Ø基础物理课：经典力学，电磁学，热学，原子物理学，光学

Ø四大力学：理论力学，电动力学，统计力学，量子力学

Ø其他物理课程：固体物理，粒子物理，量子场论，广义相对论，激光原理，非线性光学，傅里叶光学，原子核物理等等

Ø数学基础课：高等数学，线性代数，常微分方程，数学物理方法

Ø计算机基础课：C语言，数据结构，汇编语言

Ø电路基础课：模拟电路，数字电路

实验方面，学院会提供各种实验课程，一般有四类，第一是热学与力学实验，第二是电磁学实验，第三是光学实验，最后还有近代物理实验。这些实验主要是为了训练动手能力，对知识的运用能力以及数据的处理和分析能力。我自己最喜欢光学实验了，虽然每次调光路都会头晕目眩，但是看到那些漂亮的干涉条纹、七彩的折射光，还是会兴奋不已，不住地感叹世间怎么会有光这样美丽的物质。

（a）两套干涉条纹分开 （b）两套干涉条纹重合

图1. 钠黄光双线干涉条纹

（由于钠黄光含有两种不同波长的光，因此会出现两套干涉条纹，在不同条件下两套干涉条纹会出现重叠与分开的现象，由此可以测出对应的波长。）

图2. 光学器件及光学实验平台

除了这些必须的实验课程以外，一年一度的中国大学生物理学术竞赛（简称CUPT）为我们提供了另一种学习物理实验的机会。正是这个实验竞赛，让我感受到了物理研究的真正乐趣，才让我敢说自己选择继续学习物理是因为自己热爱物理。这个竞赛的题目都是基于现实生活中各种常见却又不一定引人注意的现象，要求我们以五人为一个团队，查阅资料，自行设计实验，分析数据，完善理论，尽可能地解释这些有趣的现象。记得那年我们研究的一个题目是：将水滴放置在冷却到-20°C左右的板上，结冰后液滴可能会成为有锋利的顶部的圆锥状，调查这种现象。在用简单的冰和盐就创造出-20°C左右的环境时，我们兴奋不已；在观察到水滴结冰顶部变尖的时候，我们忍不住赞叹冰晶的美貌；在利用方程给出拟合图像的时候，我们第一次感受到了探索的成就感。这才是我心目中的物理的模样，有数学公式的精巧，也不失自然的美貌。

（a）大水滴没有结冰，小水滴刚结冰 （b） 大水滴结冰后顶部变尖，小水滴尖部出现冰树 （c） 拟合水滴结冰过程

图3.  水滴结冰（图片来自我们组的实验展示ppt）

最后科研方面，在对物理理论有了一定了解后，学生一般选择自己感兴趣的研究方向，加入到课题组，在老师以及师兄师姐的指导下参与一些基本的研究项目。也有同学会利用出国交流的机会，参与到国外科研小组的工作中，积累经验。物理学现在的前沿主要包括以下几个研究方面：

Ø原子分子光物理：主要研究原子、分子和光的相互作用，例如原子钟（原子频标）、原子喷泉等。

Ø凝聚态物理：以固体物理为基础，从微观的角度研究由大量粒子组成的凝聚态物质的结构、性质。

Ø量子信息：以量子力学为基础，研究量子系统的计算、编码和信息传输的过程。

Ø高能物理：在高能量作用下，研究基本粒子的相互作用。

Ø核物理：研究原子核的成分和相互作用。

Ø天体物理学：研究宇宙、星体之间的相互作用。

这个初步接触科研的经历，给了我们应用我们前面所积累的各种理论实验知识的一个机会。然而真正的科学研究并不会一直都是欢乐无比，在探索未知事情的过程中，总会遇到公式求解不出，计算程序一直报错，实验数据一直异常等等各种情况。在一次次分析处理这些问题的过程中，锻炼的不仅仅是技能，还有自己的耐心。那最初的好奇心，依然是支持自己一直走下去的最原始的力量。

本科毕业以后，如若还想继续在物理的各个领域进行科研工作，大多数同学会选择继续读研。如果在国内读研，可以通过保研或者考研的方法进入清华、北大、中科大或中科院继续研究物理。也有很多愿意出国体验一下不同学术生活的同学，会申请去美国、加拿大、德国、法国、澳大利亚等国家的大学攻读物理博士（PHD）。当然，如果毕业后不再想研究物理了，通常会直接工作或是转到其他专业读研。不少同学在毕业后进入到了各种科技公司工作，也有不少同学申请到了国外大学电子、材料、经济等各个专业的录取，继续在不同的领域应用他们所学到的物理知识。

回顾自己这四年的大学时光，从当初怀着一颗好奇心走进物理，到慢慢体会到物理的美妙，喜欢上物理，收获的是探索这个世界的一段纯粹而宝贵经历，学到的是处理和分析问题的基本方法。物理复杂而又单纯，会带着好奇的我们体会这万千世界背后的美妙。希望你也能和我一同领略这种美妙。

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首发于公众号“高校专业指南针”；已经正式出版书籍《高校专业指南针》