Prologue

说到物理专业,大家脑海里是不是都会浮现出了爱因斯坦那顽皮的笑容?或是Sheldon鄙视众生的口吻?对物理学历史更为熟悉的同学们亦会想到麦克斯韦、玻尔、普朗克、薛定谔等科学家的成果。这一期我们就来深入介绍美国大学开设的物理学专业。

Why Physics 为什么学物理

在申请物理系时招生官都会问一句:

Why physics? 

在解答这个问题之前我们有必要理解物理学研究的中心到底是什么。

                                          Physics                                    φυσική 

英文单词Physics 从希腊语 φυσική 变形而来,指代关于自然的知识 Knowledge of nature。

作为一项最基本的学科之一,物理学着重研究物质在时间/空间中的的特性、运动过程和行为。

宇宙中的大部分基本量都是物理学家定义的,例如光速Speed of light重力常数Gravitational Constant普朗克常数Planck’s Constant玻尔兹曼常数Boltzmann’s Constant等,可以说现代科学大部分的内容都是构筑在稳固的物理学基础上的。学习物理对理解物质世界的有着举足轻重的作用。

Where 哪些学校?

大部分美国综合性大学都开设物理学专业,美国联邦政府对STEM(Science/Technology/Engineering/Mathematics) 专业的重视也使得物理系有着坚实的财政和人力支持。在顶级的美国学府,物理系能享受到教学和研究资源令人瞩目。根据USNews 2018年的报告,麻省理工、斯坦福大学、加州理工、哈佛、普林斯顿、加州大学伯克利分校等学府榜上有名。

 

麻省理工学院 Massachusetts Institute of Technology

 

作为理工科学子心中的梦想大学之一,每年吸引了无数申请者的眼光。

MIT在物理、生物、生物、数学、地理科学、工程和心理学等学科名列美国大学前茅。除开政府提供的资源,MIT每年有超过7亿美元的研究预算。仅物理系,麻省理工就有足足八位诺贝尔物理学奖获得者。

最近的得奖者为Rainer Weiss教授,因直接探测到了引力波Gravitational Waves,他和LIGO科学合作组织的其他两位成员Barry Barish和Kip Thorne博士在2017年共同分享了此项大奖。

普林斯顿大学 Princeton University

普林斯顿大学成立于1746年,是美国最为古老的私立大学之一。校园坐落于新泽西周边的小镇普林斯顿,少了很多都市诱惑,因此本科生能专心于学术。学校超过75%的课程都少于20人,尽力提供最优质的面对面小班化教学来提高教学质量。根据2019 USNews的排名,Princeton在综合排名、教学质量和最有价值学校等几大方面均排名第一。

加州理工学院 California Institute of Technology

加州理工学院专注于科学与工程,每年全校的本科学生不超过1000人。作为理科狂魔的大本营之一,加州理工每年都和NASA、Intel等联邦机构和商业公司有着深度合作。加州理工的毕业生也成为了各大公司和机构趋之若鹜的招揽对象。著名的喷气推进实验室Jet Propulsion Laboratory就是在加州理工学生的火箭实验的课外延伸。我国两弹一星元勋钱学森博士就是五位创始人之一。

斯坦福大学 Stanford University

作为一所国际知名的综合性私立大学,斯坦福每年有超过7千本科学生在读。斯坦福大学十分注重教职员工和学生的良性交流,每年提供大量的研究机会和小型项目给学生练手。斯坦福相信学术、体育、艺术及音乐之间的合理平衡是学生成功的关键。斯坦福共有19位诺贝尔奖得主和四位普利策奖得主。可见其在科学和人文届的影响力之巨大。

 

除开这些顶级的物理系殿堂,还有很多在物理系研究中也占有一席之地的大学。比如:

 

伊利诺伊大学香槟分校

University of Illinois – Urbana Champaign

密西根大学安娜堡分校

University of Michigan Ann Arbor 

威斯康星大学麦迪逊分校

University of Wisconsin – Madison

乔治亚理工学院

Georgia Institute of Technology

莱斯大学

Rice University

卡耐基梅隆大学

Carnegie Mellon University

圣路易斯华盛顿大学

Washington University in St. Louis

南加州大学

University of Southern California

……

这些大学也都处于全美物理系排名的前沿。

What Courses

 

那我们在美国顶尖大学中需要完成怎样一系列的课程才能完成项目呢?下面我们就以斯坦福大学的物理学士学位为例子来阐述。

 学习目的:

“The mission of the undergraduate program in Physics is to provide students with a strong foundation in both classical and modern physics.”
“Students develop an understanding of the fundamental laws that govern the universe, and a strong foundation of mathematical, analytical, laboratory, and written communication skills.”

 

在斯坦福物理系专业的介绍中,学校就注明了此项目的根本任务就是给本科生提供在经典/现代物理中的基本概念,稳固基础。在完成这个项目之后毕业生会具有精湛的数学、分析、实验和交流协作技巧。

对于新生来说

对于新生来说,第一年有许多基础物理学的课程需要研习,其中包括力学、经典力学实验、电磁学、电磁学实验、光学和热学、光学和热学实验、力学和相对论、力学和相对论实验、量子力学和热力学、实验物理入门等课程。可以看到每一门授课形式的课程都会有相对应的实验课程,毕竟物理学是一门实验科学,在上课时听结论而不动手操作的话只是纸上谈兵,毫无用处。

 

除开基础物理学,物理系还要求本科生具有基本的数学分析能力,因此基础数学课程也成为了必须。

线性代数、多元微积分、常微分方程、偏微分方程等基本数学技巧都被划入了必修的范畴。

此外斯坦福还要求物理系学生修一门计算机相关或者统计学相关的高级课程。毕竟在物理学实验中,处理数据和构造模型都需要这方面的知识和技巧。

对于高年级来说

 

到了高年级,大家就可以选修一些自己感兴趣的课程。不过在此之前要和学校的Advisor咨询自身的研究方向。

斯坦福一共提供了大致五种精研方向Concentration:应用物理、天文物理、生物物理以及医学物理、地质物理以及理论物理。

每一种精研方向都有自身必修的课程系列,在安排课程表的同时有可能和其余的精研方向有冲突,所以必须提前规划好,以免耽误毕业时间。

以生物物理作为例子来说,必修的课程有生物统计学、放射性核素为基础的医学影像之原理、活细胞的医学影像之原理、计算生物学:细胞和生物分子的结构和组织。

与此同时,学校还强烈建议修习生物物理专业的同学辅修生物学。

物理系还提供一些选修的连接课程来给同学们补充知识上的盲区。

设计实验和小组课程

 

我们可以看出物理系有很多设计实验和小组完成项目的课程,甚至有些整个学期就是为了做一个完整的Project。

在这里的建议是多参加这样的课程,因为在未来的物理学习中,这样的课程就是一个个小试牛刀的项目,其中包含了如何和小组成员合作、如何设计实验、如何解决实际问题、如何处理数据、如何合理分配人力、如何用简洁精准的语言写下一份报告等种种技巧。

在本科期间能多参加这样的课程会对未来的研究之路有不计其数的好处。

 

The department offers Physics majors the opportunity to complete a senior thesis. These are the guidelines:

Students must submit a Senior Thesis Application form once they identify a physics project, either theoretical or experimental, in consultation with individual faculty members. Proposal forms are available from the undergraduate coordinator and must be submitted by the week prior to the Thanksgiving break of the academic year in which the student plans to graduate.

Credit for the project is assigned by the adviser within the framework of PHYSICS 205 Senior Thesis Research. A minimum of 3 units of PHYSICS 205 Senior Thesis Research must be completed for a letter grade during the senior year. Work completed in the senior thesis program may not be used as a substitute for regular required courses for the Physics major.

A written report and a presentation of the work at its completion are required for the senior thesis. By mid-May, the senior thesis candidate is required to present the project at the department’s Senior Thesis Presentation Program. This event is publicized and open to the general public. The expectation is that the student’s adviser, second reader, and all other senior thesis candidates attend.

在斯坦福完成物理系学士学位的最后一关就是提交一份论文,在论文成文的每一个阶段都有Advisor来给你提供帮助。最后论文会以书面报告和口头演讲的形式来展示给所有人,这也是一个很好的未来物理研究的预演。

 

总体来说物理学研究的方向有:

凝聚态物理Condensed Matter Physics

粒子物理Experimental Partile Physics

天体物理学Astrophysics

生物物理学Biophysics

化学物理学Chemical Physics

地球物理学Geophysics

数理物理学Mathematical Physics

医学物理学Medical Physics

物理化学Physical Chemistry

理论物理Theoretical Physics

……等分支

Future Career 职业方向

 

短短本科四年对于一个物理学家来说是远远不够的,因此大部分致力于研究工作、想在学术界闯出一番事业的物理系毕业生都会申请硕士/博士学位。以后做纯物理研究的职位只有在大学中或者大型商业公司中才会有,这些职位都会要求应聘者有博士学位。

 

教育领域:

大部分大学的教职也需要讲师拥有博士学位,不过目前美国学术界的职位数量不像上个世纪80年代时充沛,大家颇要花一番拼杀才能拿下理想的工作。

 

美国大学的研究生申请并没有要求专业对口,所以物理系毕业生亦可以申请和物理相关的专业。工程系、计算机科学系、统计学系、金融系、数学系都有物理学本科生的身影。医学院、法学院也会招收一部分物理系背景的申请者。

 

咨询公司:

在本科时期就有实习经验的物理系毕业生很受咨询公司的青睐。在物理研究中培养出的对于数据的敏感度和解决复杂问题的能力使其在咨询工作中游刃有余。在复杂问题面前,他们可以去伪存真,找到关键思路,尽快抓到主要矛盾。

 

研发和政府部门:

物理学家能在研发部门和政府部门担当顾问的角色。不过近年来在跨学科的研究物理学中越来越起到关键性的作用,物理学在化学、生物学、人体工程学等一系列应用科学中都有紧密的联系。

 

Epilogue

 

选择物理学作为本科专业的同学们一定是对物理有着无比的热爱,想要在学术界做出一番事业。不过科学研究往往和你想象中大相径庭,只有在本科期间积极探索科研生涯,多去实验室露露脸才能知道到底科研生涯是不是适合作为你一辈子的追求。

 

如果非常热爱,那在本科就开始的实验室生涯会对你未来的研究工作大大加分;如果磕磕盼盼并不如你想的那样,那积极转行,寻找自己更适合的专业也非常好。毕竟只有自己才知道什么是最适合的。