MIT 物理 研究领域
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下面是MIT物理系物理专业的研究领域，具体到每个方向。
Astrophysics Observation, Instrumentation, and Experiment（天体物理观测、仪器和实验）
天体物理学试图理解宇宙及其组成部分的本质和演化，使用极端物体作为实验室来检查物质和领域的行为，这些领域超出了地球实验室容易进入的领域。天体物理学教授通过许多电磁波带和引力波研究宇宙。目前的工作重点是宇宙学，包括结构形成和再电离时代的研究，河外和星系天体物理学，第一批恒星，中子星和黑洞，以及系外行星。MIT物理系的许多教师都积极开发新的仪器和技术，推动这些研究的前沿。
Astrophysics Theory（天体物理理论）
天体物理学部门的理论家使用计算，模拟和观测的组合来描述和理解广泛尺度上的天体物理现象，从系外行星，黑洞和中子星，到恒星和星系的动力学，一直到整个宇宙。目前活跃的研究领域包括宇宙学、星系的生长和演化、广义相对论和引力波、暗物质和系外行星。
Atomic Physics（原子物理）
原子物理学试图在最小的尺度上理解和控制物质的量子行为。单个原子、离子、分子和光子的基本性质是什么?一旦我们把它们结合在一起，支配诸如超流体和磁性等涌现的多体现象的定律是什么呢?我们能创造和研究自然界中从未存在过的物质的新状态吗?我们如何控制量子特性来设计有用的系统，比如精确的时钟、新的传感器、从根本上改进的测量方法和量子计算的新范式?
在麻省理工学院，研究人员捕获并操纵单个离子、光子、自旋以及原子和分子云。它们将气体冷却到比深空低一百万倍的温度，在单原子水平上控制和成像物质，寻找暗物质，驯服光的单光子，控制原子与光的相互作用，以产生量子粒子之间的纠缠和相关性。这项研究得益于不断扩展的原子物理工具箱，包括超稳定激光器、原子和离子陷阱、光子结构的纳米制造、高分辨率显微镜和光学镊子。
Biophysics（生物物理）
近年来，生物物理学领域经历了巨大的发展，让人感到兴奋。麻省理工学院物理系的生命系统物理学小组包括60多名科学家，分布在8个研究小组。其目标是将严格的物理训练与跨学科的方法结合起来，解决生物物理学中的现代问题。该系的研究生受益于互动性和支持性的知识社区，包括获得生物物理学研究生证书的机会。
该系的生物物理学研究跨越多个尺度，从聚合物的结构组织到种群的进化和生态动态。Nikta Fakhri教授将生物学，软物质和统计物理学的概念结合起来，解码活性生物物质中的非平衡机制。杰夫·戈尔教授研究多物种微生物群落中出现的新兴进化和生态现象。
在理论方面，Mehran Kardar教授是一位统计物理学家，对模式形成，蛋白质结和免疫反应感兴趣。Max Tegmark教授目前专注于智能物理学:使用基于物理的工具来更好地理解生物和人工智能。此外，两名理论家在该部门有共同任命。Leonid Mirny教授是一名计算系统生物学家，主要致力于描述基因组的空间组织和癌症的进化动力学。Arup Chakraborty教授使用统计力学方法来补充生物实验和临床数据，以了解适应性免疫系统是如何工作的。他还对相分离在哺乳动物基因调控中的作用感兴趣。
Condensed Matter Experiment（凝聚态实验）
凝聚态实验研究(CMX)涵盖了广泛的主题和技术，旨在研究固体的量子特性。这些努力旨在扩大量子系统知识的前沿，并评估其作为新量子技术平台的潜力。
主要科学主题包括强相关电子系统，拓扑状态，非平衡量子系统，光-物质相互作用，电荷分分化，量子磁性，电子对称破缺和非常规超导性。一个统一的方面是二维量子材料的研究，从外延异质结构到脱落范德华(vdW)层到自然层状晶体。除了他们的研究之外，我们的研究小组还积极通过薄膜，体晶体和二维vdW/moiré合成和组装来开发这些和其它量子材料。CMX的一个标志是小组之间的强大合作，依赖于实验室的各种测量方法，包括超快，非线性和纳米级光学，先进光谱学，量子输运和光子散射。
CMX越来越多地致力于探索量子固体中的纠缠，作为量子凝聚态物质和量子信息科学的前沿。新的量子材料合成、表征和测量方法正在这一前沿发展。
Condensed Matter Theory（凝聚态理论）
凝聚态物质理论组涵盖了广泛的主题，可以大致分为三个领域:量子凝聚态物质，光子学和软凝聚态物质。
量子凝聚态物质关注的是量子物理和多体相互作用在创造新的物理现象中起关键作用的情况。我们的理论小组的兴趣跨越了这个广阔领域的全部范围-从理解特定材料实验的挑战到对在强相互作用中出现的可能的新状态进行分类的抽象挑战。具体的重点领域是拓扑量子物质，金属中的新型输运机制，如粘性电子流体，非费米液体，量子自旋液体，量子临界性，高温超导性，以及最近的莫尔材料。我们的理论工作与MIT量子材料研究的高质量实验工作很好地结合在一起，在实验和理论小组之间来回流动的新概念和新发现有很大的协同作用。光子学的研究涉及光的物理性质、光在纳米结构材料中的行为以及光与物质的相互作用。软凝聚态物质领域使用统计物理作为其基本工具，既平衡又强烈非平衡。这项工作与麻省理工学院更广泛的生物物理学社区密切相关，在生物物理学部分有更详细的描述。
该系物理学家(跨越许多研究小组)感兴趣的另一个新兴领域是物理学和人工智能(AI)的接口。我们目前的兴趣是人工智能在物理上的应用，特别是在光子学上。
High Energy and Particle Theory（高能与粒子理论）
理论物理中心(CTP)高能和粒子理论研究的目标是通过对标准模型本身的精确测试和对可能的新现象的详细研究，使超越标准模型(BSM)的物理发现成为可能。随着2012年大型强子对撞机(LHC)对希格斯玻色子的重大发现，粒子物理学的标准模型现在已经完成，但它的缺点比以往任何时候都更加突出。例如，标准模型不能解释暗物质的性质和起源，也不能解释电弱尺度和普朗克尺度之间令人困惑的等级关系。在宇宙学的尺度上，是什么推动了宇宙的加速膨胀，无论是在今天还是在暴胀时期，问题仍然存在。
因此，CTP的高能和粒子理论家正在开发新的理论框架，以解决标准模型内外的物理学问题。CTP目前的工作包括对实验有直接影响的研究，以及追求更正式的理论方向的研究。CTP研究人员在暗物质探测实验、宇宙天文台、大型强子对撞机等加速器、高强度实验和小型台式设备上研究可能的新物理特征。与此同时，粒子理论的研究为推动量子场论(QFT)知识的边界提供了机会，量子场论的创新和创造力长期以来一直是CTP研究的一个主题。
暗物质和BSM模型的建设
QCD和对撞机物理
希格斯和精密物理
量子场论
宇宙学和天体粒子物理学
Nuclear Physics Experiment（核物理实验）
麻省理工学院物理系(NUPAX)的核与粒子实验部由世界领先的教师组成，他们都从事人类知识前沿的前沿研究。它的研究活动包括广泛的实验，重点是对核物理和粒子物理的基本定律有更深入的了解。委员会成员要求提出的一些问题包括:
是否存在已知之外的新力或新粒子?
宇宙中的基本力是如何相互作用的?
早期宇宙和中子星中热而致密的物质的本质是什么?
暗物质的本质是什么?
我们宇宙中质量的本质是什么?
为什么宇宙是由物质而不是反物质主导的?
中微子质量的性质和规模是什么?
QCD的基本夸克-胶子相互作用如何产生有效的核相互作用?
质子和原子核的三维结构是什么?
关于天体物理过程和自然界的基本力量，外来核告诉了我们什么?
宇宙中原子核的性质是什么?
对这些问题的洞察源于一系列不同的核和粒子实验，这些实验遍布全球，从美国、亚洲和欧洲，到南极洲和太空深处。
Particle Physics Experiment（粒子物理实验）
麻省理工学院物理系核与粒子实验（(NUPAX)部由世界领先的教师组成，他们都从事人类知识前沿的前沿研究。它的研究活动包括广泛的实验，重点是对核物理和粒子物理的基本定律有更深入的了解。委员会成员要求提出的一些问题包括:
是否存在已知之外的新力或新粒子?
宇宙中的基本力是如何相互作用的?
早期宇宙和中子星中热而致密的物质的本质是什么?
暗物质的本质是什么?
我们宇宙中质量的本质是什么?
为什么宇宙是由物质而不是反物质主导的?
中微子质量的性质和规模是什么?
QCD的基本夸克-胶子相互作用如何产生有效的核相互作用?
质子和原子核的三维结构是什么?
关于天体物理过程和自然界的基本力量，外来核告诉了我们什么?
宇宙中基本粒子的性质是什么?
对这些问题的洞察源于一系列不同的核和粒子实验，这些实验遍布全球，从美国、亚洲和欧洲，到南极洲和太空深处。
Quantum Gravity and Field Theory（量子引力和场论）
量子物理学和爱因斯坦的广义相对论是现代物理学的两大支柱。理解这两个公认的理论是如何相互关联的，仍然是理论物理学中一个悬而未决的中心问题。在过去的几十年里，在这个方向上的努力已经导致了广泛的新的物理思想和数学工具。近年来，弦理论和量子场论在全息术的背景下得到了融合，全息术将特定时空的量子引力与低维时空的相应(共形)场论联系起来。这些发展和联系不仅加深了我们对量子引力、宇宙学和粒子物理学的理解，而且加深了我们对中间尺度物理学的理解，如凝聚态系统、夸克-胶子等离子体和无序系统。弦理论也为许多数学领域的问题带来了新的见解。
量子物理和引力的结合目前正在引领令人兴奋的新进展领域，并有望在未来十年保持活力。理论物理中心(CTP)的研究人员一直站在这些方向发展的最前沿。CTP的教职员工从事弦理论基础、弦理论解的范围、广义相对论和量子宇宙学、与黑洞相关的量子物理问题以及全息方法在强耦合场论中的应用。
近年来，一组新的发展已经开始在引力、黑洞、量子信息和凝聚态系统等方面的许多问题之间建立意想不到的联系。越来越清楚的是，量子纠缠、量子纠错和计算复杂性在通过全息二象性出现的时空几何中起着重要作用。此外，这些工具在著名的黑洞信息问题上取得了实质性进展，为寻找解决黑洞物理学和量子力学之间的紧张关系提供了新的途径。
全息对偶性既为量子场论中编码的量子引力现象提供了一个新的视角，也为利用引力对偶探索强耦合场论提供了一种方法。CTP教师在全息二象性的几个应用中发挥了先锋作用。liu Hong和Krishna Rajagopal站在了利用全息术寻找夸克-胶子等离子体物理学新见解的最前沿。刘是最早指出黑洞物理与高温超导体的奇怪金属相之间可能存在联系的人之一，近年来，他结合了有效场论、全息学和凝聚态物理的见解，解决了关于非平衡系统的各种问题，包括超流体湍流、纠缠生长、量子混沌、热化和波动流体力学的完整公式。引力波有效场论在引力波观测的解释中起着关键作用。米哈伊尔·伊万诺夫(Mikhail Ivanov)在这些领域的交叉点工作，目的是在新的精密前沿测试强场重力。
尽管他们对弦理论的理解比过去几十年有所提高，但仍然没有对这个理论在所有情况下都有效的明确的基本描述，而且四维解的集合，或弦真空，仍然知之甚少。华盛顿·泰勒(Washington Taylor)和巴顿·兹维巴赫(Barton Zwiebach)的工作将物理理解与现代数学方法相结合，以解决这些问题，并对观察到的物理如何适应弦理论的框架以及新的数学结果和思想的发展产生了新的见解。Alan Guth在暴胀宇宙学方面的基础性工作使他专注于在许多弦理论真空的背景下自然产生的多元宇宙的基本物理问题，这为观测到的小而正的宇宙常数提供了目前唯一的自然解释。
Quantum Information Science（量子信息科学）
全世界都在努力探索量子力学的应用潜力。该领域始于1981年费曼在麻省理工学院恩迪科特学院提出的建造一台利用量子力学的计算机的建议，自1994年彼得·肖尔提出量子分解算法以来，该领域得到了极大的发展。利用量子力学来处理信息的想法已经从计算和通信发展到涵盖生物和化学中的传感和模拟等各种主题。除了构建可控的大规模量子器件的大量实验工作外，量子信息科学(QIS)的理论研究还研究了几个主题:
量子算法与复杂性
1）如果建造了一台功能完美的量子计算机，它能比传统计算机更快地解决哪些问题，哪些问题不允许任何加速?
2）由量子力学控制的宇宙计算能力的基本限制是什么?
量子信息理论
1）在噪声存在的情况下，我们如何存储、传输或操纵量子信息?
2）在存在错误的情况下，我们如何有效地进行通信和计算?
3）量子纠缠和信息的基本特性是什么?
测量与控制
1)我们如何才能有效地操纵和表征量子器件?
2)除了计算和通信，还有哪些应用可以从量子硬件中受益?
3)如何改进超灵敏传感器或精确时钟等应用?
应用和连接:
1)QIS的思想如何为其它研究领域做出贡献，如凸优化、黑洞和物质的奇异量子相?
2)是否有一个统一的框架来有效地描述复杂系统中的量子纠缠和信息?
麻省理工学院的QIS理论研究涵盖了所有这些领域。
Strong Interactions and Nuclear Theory（强相互作用与核理论）
理解强相互作用的挑战是一个统一的主题，它跨越了CTP研究的许多领域，并且在凝聚态物理，核天体物理和超冷原子的物理方面也起着核心作用，特别是在超冷气体的费米子原子，其耦合已被调到尽可能强。量子色动力学(QCD)描述的夸克和胶子之间的强相互作用特别重要，因为它们表现出强耦合理论的许多特征和具有挑战性的特征，同时它们在短长度尺度上被一个很好理解和经过良好测试的理论描述，QCD是标准模型的核心部分。
理解强QCD相互作用对于解释对撞机在标准模型内外寻找新的短距离物理现象，以及理解充满微秒旧宇宙的热物质和中子星中心致密物质的性质至关重要。这些相互作用也是理解夸克和胶子如何形成质子、中子和其他强子的关键——这些强子是宇宙中最早形成的复杂结构——以及随后形成的原子核。QCD提供了一个理论的定义例子，在这个理论中，它所描述的实体和阶段并不像构成它们的基本成分。这一特征是许多物理领域中强相互作用系统的特征，使它们既有趣又具有挑战性。
参考来源：MIT理学院物理系
