「物理學」專業是一門什麼樣的專業？

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「物理學」專業的主要課程有哪些？

開設院校及專業排名是怎樣的？

就業方向和發展前景如何？

活動時間：2019/05/20-06/20

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首先來點序（fèi）言（huà）

百科書上定義：物理學是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學。世間萬物、宇宙縱橫、古往今來、已知未知都是物理學涉及的領域，由此可謂物理就是格萬物而致窮理的學科，是諸多自然科學的基礎。為什麼人們要去格物窮理？是因為人類對自身生存的這個世界充滿了好奇心和求知慾，而物理正是滿足人類好奇心和求知慾的手段和途徑。在對未知了解越多的進程中，人類也試圖利用獲得的知識改進生產和生活，從而進一步推進對未知的了解。在對物理的學習和探求中，人們總是不斷盼望得到好奇心的滿足和對未知的解答。因此，物理之路應該是充滿驚喜和愉悅的。遺憾的是，我們中學的教育往往把奇妙的物理變成一堆枯燥的公式，許多剛接觸物理的同學往往對抽象的公式無所適從，於是物理成了許多同學厭惡甚至畏懼的學科。學習大學物理，我們最好從興趣開始，讓物理從此變得有趣。

大學的物理專業學習，主要有三部分：基礎物理、近代物理和前沿物理。

基礎物理是基於中學物理的延伸和系統化，分力學、光學、熱學、電磁學和原子物理學等基礎理論課（即有人提及的五小力學）以及基礎物理實驗，基礎理論課是採用近代數學中的微積分、矢量代數等工具對經典物理學中的知識進行系統化講授，而相關的基礎物理實驗則是重複物理史上一些經典的實驗同時掌握物理學中最基本的一些實驗操作和數據處理分析等方法。學習基礎物理是跨入物理學習的第一步，也是興趣的起點。只有系統掌握了物理中常用的方式方法，培育物理的思維，才能體會物理的美妙之處。

近代物理則是在基礎物理知識的前提下，進一步介紹近代物理中更加深入和系統的知識。其中最為重要四門課又稱「四大力學」，即理論力學、電動力學、量子力學和統計力學（又稱熱力學與統計物理）。這些理論都是目前已經非常成熟和相對完善的，「四大力學」是整個大學物理最關鍵也是最重要更是最難學的部分，是現代物理知識的基礎和源泉。學好「四大力學」對今後繼續深入學習物理前沿知識是非常重要的，也因為其「難學」而成了諸多本科生最痛苦的方面，各人的悟性和理解方式以及學習方式不同將會導致完全不一樣的學習效果。大學一位教授常對我們說，「四大力學」學的好的同學足以給其他同學講課了，學的不好的同學肯定會感到「痛不欲生」的。尤其是量子力學，「用經典的腦袋去理解量子的問題本來就是非常困難的」，「如果說你懂了量子力學，那你肯定不懂，因為世界上沒有人懂得量子力學；如果你說還沒學懂量子力學，那也許你是懂了一點點了」。為什麼學習會令人感到痛苦？事實上，還是方式方法不對路。因為高中物理階段大都是應試型的教育，學一個物理原理，不是為了理解它，而是記住它在什麼情況下可以用，然後做題的時候套一套公式看能不能出來結果，把題目解答完了就行了。物理試題是可以無窮盡地編出來的，你永遠都會有解答不完的題目。推導對物理原理的學習固然重要，但是如果忽略了對物理原理的理解，那你腦子裡永遠都是一堆枯燥的數學公式，無任何美妙可言，忘了也就忘了罷。如果沿用高中物理的學習方法，初始時候學習基礎物理恐怕問題不大，但若到了近代物理，推導和計算都大大複雜了許多，定律和公式也不再一成不變，它們往往就受到不同物理背景的限制，常常就會使得自己無所適從甚至感到厭煩。所以，學習近代物理時，必須努力去體會物理定律和原理下的物理背景，讓每個物理過程都能在腦海中形成清晰的物理圖像，這時物理公式自然就會出來，而無需費盡腦汁去琢磨該用哪個公式。四大力學可以很複雜，系統化的知識架構和不同的應用環境會有許多衍生的物理原理出來。四大力學也可以很簡單，簡單到每個「力學」可以簡化到幾個方程：理論力學核心是哈密頓量和最小作用量原理，電動力學是麥克斯韋方程組，量子力學是薛定諤方程，熱力學與統計物理是熱力學四大定律（第零定律、第一定律、第二定律和第三定律）、配分函數和劉維方程。這些方程不只是簡單的字母和符號組合，它們是有生命的，可以生出整個近代物理大廈！如果說要記公式，那麼「四大力學」就這麼幾個公式需要記，因為其他公式都是它們的子孫。這就是物理學，既可以複雜困難，又可以簡潔輕鬆。華羅庚常說讀數學書要「從厚到薄，再從薄到厚」，學習物理也是如此。走進龐大的經典物理和近代物理大廈，你會感到茫然失措，等你看清它的整個支撐架構又是如此簡潔時就會感到愉悅舒服，而從這些基本原理出發去體會整個大廈的藝術感時就是美感無窮。

基礎物理從一種唯象的角度來解釋物理過程，而近代物理則從唯理的角度再次看待這些物理過程。最終兩方面能達到和諧和交融。在基礎物理和近代物理學習之後，高年級本科生將開始接觸現代前沿物理。系統地學習基礎物理和近代物理，則給出了認識現代前沿物理的一把鑰匙。物理學發展到今天，已經有眾多分支專業了，我們姑且不論力學、電子學、天文學等一些派生專業，單純就物理學基礎研究而言，也是琳琅滿目的。做物理學基礎研究的人員，相當一部分又屬於凝聚態物理專業，其研究的物理性質包括力學、磁學、光學、電學、熱學等諸多方面，這些研究中面對的物理現象和物理過程非常豐富，如鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁、自旋玻璃、超導、超流、超固等等。還有其他物理領域，如等離子體物理、量子光學、激光物理、核物理、粒子物理與宇宙學。學習現代前沿物理，若把精力放在那些更為複雜的公式上是要不得的，而應該注重對新概念的理解和體會這個物理概念是如何提出的。前沿物理的意思就是許多物理現象是新近發現而且尚未有完善的物理理論來解釋，這就需要發展已有的物理概念，更多的是突破一些固有的思維障礙。現代物理學無論從研究手段還是研究方法上都有了巨大飛躍，對物理現象的認識也勢必更加全面和深入，而面臨的物理問題也更加複雜。一個物理問題的最終解決，往往很難通過個人的力量來實現，多學科合作和充分的學術交流已經是必不可少的。所以，我們就必須從多個角度來學習認識現代前沿物理。同一個物理現象，可能在多種實驗測量手段上得到體現，也可以用多種理論來得到解釋，而不存在誰對誰錯的問題。這個階段正是學生對某個物理領域產生更加濃厚興趣的時候，這是大部分物理系本科生決定繼續從事物理研究的主要動力。

大學物理學習過程除了以上這些理論方面知識外，另一大部分就是物理實驗了。可能物理實驗課時比重並不到一半，但是物理學本質上是實驗科學，要真正認識物理，就必須從實驗開始。大學物理實驗一般分為普通物理實驗、近代物理實驗、專題項目實驗和其他選修實驗。做實驗是培養動手和觀察能力的重要途徑，也將培養你的認真、細心、嚴謹等科學態度。做實驗前必須對你的實驗原理和目的非常清楚，而觀察和分析是第一位的。站在實驗儀器面前，先是觀察儀器的結構和原理，然後才是動手調節儀器設備，再是做實驗測量並記錄數據。不少同學一上來就著急擺弄儀器，結果折騰了三個多小時也沒調出所要的東西來，而有的同學只需要站著觀察五分鐘，然後動手三分鐘就可以調試好儀器的狀態。倘若對實驗原理和目的不清楚，那就根本不知道怎麼擺弄了。對於實驗數據也必須認真客觀對待，實驗數據永遠都是反映的你實驗過程的真實狀態，但未必是你測量的物理現象的真實狀態。在實驗數據統計分析前提下，剔除一些極其不合理的實驗數據是允許的，但是隨意篡改實驗數據就失去了實驗本身的意義。國內許多高校的實驗儀器都比較陳舊落後，有時總會出各種各樣莫名其妙的錯誤數據，這是現實情況，可即使如此也不能隨意捏造實驗數據杜撰實驗結果，這是做物理實驗的基本原則。有了一些實驗基礎後，一般在大三大四階段可以選擇一個專題實驗，也可以參與到某個課題組的某項前沿研究中去，以培養良好的綜合實驗素質。而大學階段也有許多可選修的實驗課，完全可以依據自己的興趣選擇。如電子學實驗就可以教你如何製作電動機和紅綠燈系統等，如電子電路實驗可以教你製作簡單的集成電路和微機控制電子儀器等。可別小瞧這些貌似與物理學不相關的實驗，倘若以後有機會搭建研製科學儀器，這些訓練絕對讓你捷足先登。以筆者所在的儀器搭建的課題組為例，焊電路、做DSP、調試電路板、編程絕對是日常科研的重要組成部分。

學習完四年大學物理，即將面臨畢業的選擇。可以說物理系的就業前景是非常廣闊的，許多著名的化學家、哲學家、經濟學家、心理學家甚至文學家都曾表示對物理的學習對其事業非常有幫助，或者他們就是物理科班出身的。物理系四年的學習，會培養你嚴謹的數學頭腦、深邃的物理思維、敏銳的觀察力、靈巧的動手能力等，這些方面在如今幾乎每個行業都是需要的。具體來說，物理專業的就業途徑可以是如下幾條：一是從事物理前沿研究（一條道走到黑），這些研究包括對基礎物理問題的研究和對物理現象的應用研究；二是從事物理相關的領域研究或技術改進（適當的旁敲側擊一下），如微納電子學、通訊工程、機械製造和加工、自動化工程、生物、化學等；三是從事物理學的教學工作（授人以漁），向別人講物理其實比學物理還要難，因為這必須保證你理解透了才能向別人講清楚；四是從事和物理關係不大但卻需要物理思維來增添活力的領域（三界之外無量天），比如經濟學、哲學、心理學等，不要以為物理系的學生就做不了文科，相反物理是理科和文科交流的最好的踏板。物理系畢業的同學，除了一般不從事數學行業外，其他都沒有問題。因為數學到了物理學裡往往變得不那麼嚴格，而是根據實際物理圖像做出適當的近似，以使得模型更為理想化和簡潔化，也更容易得出物理結論。有不少大數學家也是大物理學家，不過確實很少物理學家後來轉行去做數學的，因為數學家常問：「你們怎麼可以這麼近似？」

總而言之，學習大學物理是非常有用也是非常有價值的，通過對物理知識的學習可以塑造一個人靈活深邃的思維方法和嚴謹認真做事態度，這不正是我們在生活中所追求的么？當然，正確的物理學習方法很重要，如果仍然採用機械化推公式的中學物理學習方法的話，那整個大學物理的學習必將越來越痛苦，因為方程總是越來越複雜的。學習大學物理，必須從物理實驗現象出發形成清晰的物理圖像，然後才是構造物理模型和解釋物理問題，這個過程的不斷進行就是對物理興趣的不斷培養。要格萬物而致窮理，沒有好奇心帶來的濃厚興趣，終究是徒勞無益。

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本文參考了筆者所在的物理所羅會仟老師的博文《物理學：格萬物而致窮理》，在此致謝羅老師的精彩文章。

作為上海大學物理系「應用物理」專業的一名老師，我想我可以說兩句。

一所大學的物理學專業，具有普通的師資力量，一定必修「五小力學」（力學熱學光學電磁學原子物理學）「四大力學」（理論力學電動力學統計力學量子力學）「固體物理」和「數學物理方法」，以及相應的實驗課－－普通物理實驗、近代物理實驗、專業實驗。上述是每個學校的物理系都會開的課程，但是講的內容大相徑庭。比如我本科天津大學，上述四大力學、數學物理方法都是兩學期的課程。而我在研究生招生面試時，發現許多學生連傅立葉變換都說不上來。例子：復旦大學有生物物理二級學科，本科會開設「生物物理」課程；上海大學的應用物理專業特色為：擁有上海市「高溫超導市屬重點實驗室」，「量子與分子結構國際中心」，所以超導類、計算物理的課程較為充足。我們也有全職引進的外籍教授5人（兼職有許多，每年頂多講兩周暑假小學期課程，沒有計算在內）。另有「量子人工智慧研究中心」，引進外籍教授2人。我們的部分本科生課為全英語授課。
我執教的上海大學物理系「應用物理」專業培養計劃如下（這東西許多學校都放在網上隨意看的，比如南京大學、清華大學、中科大、北大的我都讀過）：一、培養目標

本專業培養掌握廣泛物理學基礎和實驗技能，具備良好科學技術應用和創新能力，能適應知識更新和高新技術發展，在高科技應用領域得到全面強化訓練。在物理學、信息技術、新材料、能源開發、自動控制等高新技術領域成為高級專門人才，能夠勝任相關領域的科研、教學、技術開發和管理工作。

二、培養要求

本專業學生主要學習物理學的基本理論與方法，具有良好的數學基礎和實驗技能，受到應用基礎研究、應用研究和技術開發以及工程技術的初步訓練，具有良好的科學素養，適應高新技術發展的需要，具有較強的知識更新能力和較廣泛的科學適應能力。

三、畢業生應有的知識和能力

1. 掌握系統的數學、計算機等方面的基本原理、基本知識；

2. 掌握較堅實的物理學基礎理論、較廣泛的應用物理知識、基本實驗方法和技能；具備運用物理學中某一專門方面的知識和技能進行技術開發、應用研究、教學和相應管理工作的能力；

3. 了解相近專業以及應用領域的一般原理和知識；

4. 了解我國科學技術、知識產權等方面的方針、政策和法規；

5. 了解應用物理的理論前沿、應用前景和最新發展動態以及相關高新技術產業的發展狀況；

6. 掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取最新參考文獻的基本方法；

7. 具有一定的實驗設計、實驗條件創建、實驗結果和數據的歸納整理分析、撰寫論文、參與學術交流的能力；

8. 普通話水平達到二級乙等以上。

上海大學物理系「應用物理」專業必修課有：

近代物理實驗A(1-3)材料物理磁性物理與器件固體材料測試原理超導物理與器件專業選修課有（有英語的為全英語課程）：材料理化性能物理專業英語訓練(Effective Scientific Writing in English)物理中的機器學習(Machine Learning in Physics)

Python數值計算基礎(Python for basic numerical computing)

低溫物理激光原理與技術A電磁測量技術虛擬儀器技術軟物質物理模擬(Soft Matter Physics Modeling) 量子力學(II)電子薄膜物理及技術電磁場與電磁波計算物理學導論(Introduction to Computational Physics)

感測器技術

應用物理學專業實驗(1) 這倆課保證了對實驗有興趣的同學可以從大一學到大四。信息功能材料納米材料與器件新能源材料導論應用物理學專業實驗(2)這倆課保證了對實驗有興趣的同學可以從大一學到大四。上述選修課基本上4學分一門，學生只要選夠38學分即可。另有高年級研討課，必須選2門：研究方法和前沿(材料模擬與設計)研究方法和前沿(微電子技術)研究方法和前沿(廣義相對論)

研究方法和前沿(冷原子物理)

研究方法和前沿(超導電力技術)