数学物理以研究物理问题为目标的数学理论和数学方法。它探讨物理现象的数学模型,即寻求物理现象的数学描述,并对模型已确立的物理问题研究其数学解法,然后根据解答来诠释和预见物理现象,或者根据物理事实来修正原有模型。“数理”也叫“数学物理”,是数学和物理学的交叉领域,指应用特定的数学方法来研究物理学的某些部分。对应的数学方法也叫数学物理方法。
中文名数学物理
mathematical physics
数学 物理
交叉领域
探讨物理现象的数学模型
数学物理方法
主要内容
1、微分方程的解算:很多物理问题,比如在经典力学和量子力学中求解运动方程,都可以被归结为求解一定边界条件下的微分方程。因此求解微分方程成为数学物理的最重要组成部分。相关的数学工具包括: 常微分方程的求解 偏微分方程求解 特殊函数 积分变换 复变函数论
2、场的研究(场论):场是现代物理的主要研究对象。电动力学研究电磁场;广义相对论研究引力场;规范场论研究规范场。对不同的场要应用不同的数学工具,包括: 矢量分析 张量分析 微分几何
3、对称性的研究:对称性是物理中的重要概念。它是守恒律的基础,在晶体学和量子场论中都有重要应用。对称性由对称群或相关的代数结构描述,研究它的数学工具是: 群论 表示论
4、作用量(action)理论:作用量理论被广泛应用于物理学的各个领域,例如分析力学和路径积分。相关的数学工具包括: 变分法 泛函分析
应用
数学物理 简介(用数学来解决物理问题):
数学和物理学的交叉领域,指应用特定的数学方法来来研究的物理学的某些部分。对应的数学方法也叫数学物理法。 数学和物理学的发展历史上一直密不可分。许多数学理论是在物理问题的基础上发展起来的;很多数学方法和工具通常也只在物理学中找到实际应用。
以研究物理问题为目标的数学理论和数学方法。它探讨物理现象的数学模型,并针对模型已确立的物理问题研究其数学解法,此解释和预见物理现象,或者根据物理事实来修正原有模型。物理问题的研究一直和数学密切相关。在牛顿力学中,质点和刚体的运动用常微分方程来描述,求解这些方程就成为牛顿力学中的重要数学问题。18世纪以来,在连续介质力学、传热学和电磁场理论中,归结出许多偏微分方程,通称数学物理方程。20世纪初,数学物理方程的研究开始成为数学物理的主要内容。
此后基于等离子体物理、固体物理、非线性光学、空间技术、核技术等方面的需要,又有许多新的偏微分方程问题出现,如孤立子波,间断解,分歧解,反问题等,它们使数学物理方程的内容进一步丰富起来。20世纪以来,由于物理学内容的更新,数学物理也有了新的面貌。伴随着对电磁理论和引力场的深入研究,人们对时空观念发生了根本的变化。这使得闵科夫斯基空间和黎曼空间的几何学成为爱因斯坦狭义相对论和广义相对论所必需的数学理论。
在探讨大范围时空结构时,还需要整体微分几何。量子力学和量子场论的产生,使数学物理添加了非常丰富的内容。物理对象中揭示出的多种多样的对称性使得群论显得非常有用。晶体的结构就是由欧几里得空间运动群的若干子群给出的。正交群和洛伦兹群的各种表示对讨论具有时空对称性的许多物理问题有很重要的作用。对基本粒子相互作用的内在对称性的研究更导致了杨-米尔斯理论的产生。这个理论以规范势为出发点,而它就是数学家所研究的纤维丛上的联络。有关纤维丛的拓扑不变量也开始对物理学发挥作用。微观的物理对象往往有随机性。
在经典的统计物理学中需要对各种随机过程的统计规律有深入的研究。随着电子计算机发展,数学物理里的许多问题能通过数值计算来解决。由此发展起来的计算力学、计算物理都发挥着越来越大的作用。科学的发展表明,数学物理的内容越来越丰富,解决物理问题的能力也越来越强。数学物理的研究对数学也有很大的促进作用,它是产生数学的新思想、新对象、新问题以及新方法的一个源泉。
课程设置
21世纪的社会是一个发展的社会,也是一个拼科技水平的社会。提高社会科技水平的前提就是培养掌握扎实数学物理基础的高层次研究型数理精英人才。[1]
数学物理方法是物理系本科各专业学生必修的重要基础课,也是海洋科学类、力学类、电子信息科学类、材料科学类等专业的重要公共基础课。本课程定位于在高等数学和普通物理的基础上,以讲授古典数学物理中的常用方法为主,适当介绍In recent years,的新发展,为后继有关专业课程作准备。所以,本课程受到了广大学生的高度重视 。
数学物理方程教学中存在一些问题:理论性强,数学推导复杂,计算量大、内容繁杂,学生知识储备不足,基础知识不够扎实,新旧知识衔接不畅,学生的主体地位没有得到体现。明确了数学物理方程课程教学改革方向:融入课程思政,开展问题导向学习,开展自主性启发式教学。立足课程教学内容,教师可借助知识点及数学学习方法等适时向学生渗透不急躁、刻苦钻研、求真务实的作风,运算过程的每一步都要有依据,在定理、讨论及证明中要实事求是。发展[2]
数学物理随着电子计算机的发展,数学物理中的许多问题可以通过数值计算来解决,由此发展起来的“计算力学”、“计算物理”都发挥着越来越大的作用。计算机直接模拟物理模型也成为重要的方法。此外各种渐近方法也继续获得发展。
科学的发展表明,数学物理的内容将越来越丰富,解决物理问题的能力也越来越强。其他各门科学,如化学、生物学、地学、经济学等也广泛地利用数学模型来进行研究。数学物理中的许多方法和结果对这些研究发挥了很好的作用。
在工程科学中,处处需要精确地求解物理问题,所以数学物理对于技术进步也有非常重要的意义。此外,数学物理的研究对数学有很大的促进作用。它是产生数学的新思想、新对象、新问题以及新方法的一个源泉。
参考资料1.高质量数学物理研究型人才培养的探索与实践·万方数据
2.数学物理方程课程教学改革与实践·中国知网