理论物理学和其交叉科学若干前沿问题doc.docx

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理论物理学及其交叉科学若干前沿问题

2001年度项目指南

　　理论物理学是对自然界各个层次物质结构和运动大体规律进行理论探索和研究的学科。

它的一些重大冲破常会带来科学新方向、新领域的产生，推动新的学科交叉及新的技术革命，乃至能致使人类时空观、自然观的革命性变革。

经历了以量子力学、相对论为代表的革命性变革和一个世纪的迅猛进展，二十一世纪的理论物理学正面临着来自学科进展内部矛盾、学科交叉渗透和高新技术进展需求所提出的尖锐的挑战。

　　物质各层次结构及其运动规律的基础性、多样性和复杂性不仅为理论物理学提供了强大的发展动力，而且使得它具有显著的多学科交叉性与知识原创性的特点。

七十年代以后，在高新技术发展的推动下，跨学科科学研究领域的大规模出现，使理论物理学不仅获得了促进其发展的又一动力，而且使它日益成为发展21世纪高新技术的创新源泉。

　　物理学及其相关交叉科学的基本理论的建立是一个艰苦的、需要长期积累的过程，它需要各种思维类型的科学工作者，特别是高素质的优秀人才，相互合作、多方探索方可取得突破。

而正确的理论一旦建立，常会出人意料地把许多表面上看起来互不相干的现象联系起来，发挥理论的指导作用，带动物理学、其它自然科学乃至技术科学的发展。

这些充分显示出理论物理研究作为基础研究的长期性、前瞻性和先导性，同时也清晰地表明同相关学科之间的相互交叉是理论物理适用范围的自然延伸。

　　本重大研究计划要求所申请的项目应在科学上具有特色及创新思想，欢迎各方面高素质的研究人员参与，并鼓励进行学科交叉及理论与实验相结合的研究。

本重大研究计划的设立，旨在充分发挥理论物理研究的前瞻性、基础性和原始创新的作用，造就出一批理论研究的杰出人才，增强我国自然科学研究的原始创新能力，使我国理论物理及其交叉科学在二十一世纪前期步入国际最先进行列。

一.整体科学目标：

　　1．按照二十一世纪理论物理前沿和交叉学科研究发展形势的要求，拓宽、调整我国理论物理研究方向的配置。

除了在我们已有较强力量和积累的传统研究方向上加强力量扩大优势之外，特别要注重在学科交叉和跨学科研究领域的一些相对薄弱的方面选择重要的研究方向，积极探索研究，逐步形成优势。

　　2．通过对理论和实验的结合点、学科交叉点和对于学科内部矛盾的认真分析，在与国际前沿紧密沟通的全国性的良好学术环境中取得一批原始创新性的成果。

发表一批高质量的学术论文和专著，力争在一定时期内率先解释或预言（预言后得到实验验证）两至三个有全局意义的重要实验结果；在某些方向上做出独创而后由外国人跟随的原始创新性工作。

　　3．通过在认真选定的研究方向上持续研究的实践，培养、锻炼和发现人才，特别注意不同思维类型人才的发现和培养，造就一批立足国内、为国际一流同行所承认的优秀理论物理学家和能在相关交叉学科起关键作用的理论科学家。

二.主要研究方向：

Ⅰ．量子场论及其相关问题的研究

　　量子论及其相对论性推行--量子场论--是描述物质世界运动的大体理论。

随着现代科学技术的进展，高能物理实验对标准模型的精准查验已达TeV能量，天体物理也发觉了黑洞存在的证据，这些成绩给量子场论提出了新的挑战和机缘。

除解决夸克禁闭，超对称破缺和引力的量子化及与其它三种彼此作使劲的统一之外，量子场论仍是新概念和新方式提出和产生的催化剂。

对量子场论的研究，不可能离开理论与实验的彼此配合，最近理论上提出存在实验可验证的额外维空间和与此相关的极低能量标度的超弦理论，引发了实验学家的极大兴趣，已经设计了多个实验验证这些预言。

若是这些预言在此后十年左右能被实验证明的话，量子场论和高能物理的研究将迎来另一个黄金时期，将对其他学科产生重要的影响。

　　我国在量子场论的研究上有一定的基础，曾在量子场论的大范围性质和反常的研究中做出过国际先进水平的一系列工作，在量子群和可积系统方面投入了较多的人力，取得了一定的优势。

最近，超弦理论的研究队伍在我国的某些单位已经形成。

因此，结合量子场论发展的前沿和我国国情，选择当前在量子场论前沿领域所提出的一些重大理论问题，重点在与超弦理论有关的问题上集中深入地开展研究，将对量子场论及其相关领域产生重要深远的影响。

　　科学目标

　　立足创新，瞄准前沿，以探索和解决量子场论中的非微扰问题（如夸克囚禁和超对称破缺）和四种相互作用的统一问题为研究方向，着重发挥量子场论研究中提出的新概念、新方向、新方法和对其他领域的指导作用。

鼓励学科之间的相互促进。

突出重点，争取在某些方面有所突破，达到国际先进水平，推动和促进我国高能物理和凝聚态物理等相关学科的进一步发展。

　　研究内容

　　1．Seiberg-Witten理论中的可积系统问题

　　2．量子场论中的对偶性和非微扰问题

　　3．弯曲空间中超弦理论的量子化、超弦理论的圈图计算和AdS/共形场论对应

　　4．非对易量子场论的性质、非交换几何和超弦理论的基本表述

　　5．超对称破缺和量子场论（尤其是对偶性）在高能物理和凝聚态物理等相关学科中的应用

Ⅱ．粒子物理中标准模型及相关宇宙学问题的理论研究

　　20世纪后半期人类对物质结构的熟悉已深切到了夸克-胶子的层次，在总结大量实验的基础上成立了粒子物理的标准模型理论，其中包括了弱电统一规范理论和量子色动力学。

这一理论成功地经受了大量实验的查验，但又面临着一些十分尖锐的挑战有待进一步的查验和进展：

电弱对称破缺机制是标准模型的基石，而它预言的Higgs粒子一直未在实验上发觉,即将运行的Tevatron和正在建造的LHC等对撞机实验有可能发觉Higgs粒子,或有可能揭露超出于标准模型的新物理；中微子质量是不是为零和CP破坏产生的机制和夸克禁闭机制等如此一些大体理论问题都尚未取得解决。

作为量子色动力学和电弱统一规范理论基础的量子场论面临非微扰求解困难。

所有这些围绕对称性自发破缺机制的本质和夸克囚禁的本质这两大难题为线索的挑战性矛盾正在推动着粒子物理的进展。

中国理论物理学家应抓住机会，紧密结合实验进展做出奉献并取得重要功效。

　　科学目标：

　　紧密结合BEPC/BES和国际上最新的实验结果进一步精确检验和发展粒子物理中标准模型理论，对标准模型的成功和存在问题有更深刻的理解并揭示超出于标准模型可能的新物理。

　　研究内容：

　　1．高能对撞机物理及新物理的理论研究。

即将运行Tevatron和正在造的LHC以及正在计划阶段的e+e-直线对撞机是高能物理实验研究最前沿，结合高能对撞机研究top夸克、Higgs粒子以及超出于标准模型的新物理（例如超对称理论是一种可能的新物理模型）。

　　2．重味物理和CP破坏机制。

紧密结合两个B介子工厂的实验结果从理论上研究B介子衰变中强子矩阵元计算、CP破坏机制以及稀有衰变。

也包括含有b夸克或c夸克的重味相关的理论研究。

　　3．J/y家族和t－charm物理。

紧密结合我国正负电子对撞机的实验结果研究胶球、混杂态、t轻子物理、Charm介子以及J/y家族相关的物理。

　　4．量子色动力学的微扰和非微扰理论研究。

QCD微扰计算中的相关问题，如重求和方法在物理过程的应用；发展QCD非微扰唯象方法以及格点规范理论的计算。

　　5．与宇宙学相关的科学问题。

宇宙中暗物质的本质是什么？

如何探索？

中微子实验的进展表明不同类中微子混合和中微子质量不为零。

构造现实模型研究中微子的质量和不同轻子味的动力学规律。

Ⅲ．相对论重离子碰撞中的新现象及低能强子物理的理论研究

　　相对论重离子碰撞中的新现象及低能强子物理的理论研究是深层次物质结构和动力学规律研究的前沿课题之一，对探索夸克-胶子等离子体这一全新的物质状态及量子色动力学的非微扰性质有重要意义。

　　科学目标

　　高能重离子碰撞的理论研究将密切结合相对论重离子的对撞机RHIC（BNL）的实验结果，探索高温高密度核物质、夸克-胶子等离子体和自旋物理等，特别是探索夸克-胶子等离子体的存在证据及其物理性质，揭示由强子物质状态到夸克-胶子等离子体的物质状态的相变规律。

低能强子物理的理论研究旨在通过对各种新强子态性质、强子结构和强子间相互作用的研究，进一步探索量子色动力学的非微扰效应和夸克禁闭的本质。

　　研究内容

　　1．紧密结合相对论重离子碰撞的实验结果研究高温高密度核物质和夸克-胶子等离子体的存在信号及其物理性质。

　　2．对夸克和胶子的禁闭相和退禁闭相相变规律的研究。

　　3．应用量子色动力学研究强子结构，如强子质量谱、跃迁、衰变和产生机制等。

　　4．新强子态（多夸克态、混合态）和核内夸克-胶子组态的研究。

Ⅳ．强关联多电子系统和低维凝聚态物理的理论研究

　　近半个世纪以来，朗道费米液体理论在凝聚态物理研究方面取得了庞大的成功，但目前却面临着强关联多电子系统的严峻挑战。

强关联效应不仅与彼此作用有关，而且也与空间维度有关。

空间维度对晶格和载流子的物理性质有重要影响，所以低维凝聚态系统有着丰硕的物理内涵。

高温超导体的正常态性质和超导机理、碳硼硅等化合物的金属行为和超导性质、低维多电子系统的物性、过渡金属化合物中局域自旋与传导电子之间的互换彼此作用和介观（纳米）系统中的关联效应等都涉及到咱们对强关联多电子系统和低维凝聚态系统的熟悉和了解。

所以，对强关联多电子体系和低维凝聚态物性的理论研究，不仅是现代量子多体理论进展的需要，也为解决包括高温超导、受限小量子系统在内的新物态、新材料、新器件的进展和设计提供坚实的理论基础。

　　科学目标：

　　考虑到这一方向前沿热点的实验研究难度较高，所以，一方面要推动我国理论研究队伍和国际一流同行，特别是国际有关重要实验基地的沟通，另一方面，要与国内优秀的实验群体加强合作，选择有意义的结合点，力争在较短的时间内进入国际前沿行列。

同时，也应努力发展强关联和低维凝聚态系统的数值模拟研究，以求早日形成在国际上有影响的研究基地。

　　研究内容：

　　1．低维多电子系统物理性质的理论研究。

　　2．氧化物高温超导体正常态性质和超导机理的研究；

　　3．碳硼硅系化合物超导机理和有关物性的研究；

　　4．关联系统各种金属-绝缘体转变的理论研究；

　　5．局域自旋与传导电子间交换相互作用系统的研究；

　　6．强关联系统理论模型的计算物理研究。

Ⅴ．受限小量子系统的理论研究

　　随着科学技术的不断进展，实验室中可实现一类丰硕多彩的、从微米尺度到纳米尺度的受限小量子系统，例如：

量子阱、量子线或量子点，准二维的超薄固体，C60分子、纳米碳管、光学微腔或光子晶体和被囚禁的超冷原子系统等等。

在这种小量子系统中，系统的量子相干长度常可与系统的尺度相较拟，系统的特征时刻尺度有可能短于各类元激发的产生和湮灭时刻。

受限的微观系统是由量子态波函数的相位因子所主导，而所受到的约束是由宏观系统所形成，系统的热力学极限很宝贵到知足。

量子力学测量问题：

宏观仪器和微观客体间彼此作用被迅速地推动到现代实验室，经受着各类类型实验的精准查验。

受限系统中的相位干与、耗散、关联效应和物理进程的演化和控制是这一研究方向的重要问题。

对此领域的理论研究是二十一世纪高新技术进展所急需的理论先导和支撑。

　　科学目标：

　　以小量子（纳米）系统国际前沿研究领域中的关键理论问题作为研究方向，在保持我们已有的特色及优势基础上，鼓励创新，鼓励理论与实验结合，加强与国内小量子（纳米）系统重要实验研究工作的合作，争取在整体上取得国际一流的研究成果，并力争解释一些有重要意义的实验，提出一些原创性的受限小量子结构和检验基本原理的实验设计。

　　研究内容：

　　1．受限小量子系统中的相位干涉、耗散、关联效应以及相干物理过程的演化和控制。

　　2．介观系统输运理论、量子限制效应、超快过程的多体理论。

　　3．电磁波在各类非常规介质中传播的研究。

　　4．受限光子系统如光子量子点及光子晶体和微腔量子电动力学（真空或介质极化）效应的理论研究。

　　5．BEC（玻色-爱因斯坦凝聚）新物态的理论研究。

Ⅵ．理论物理和生命科学交叉的新研究领域

　　生命科学的进展和研究表明：

蛋白质肽链折叠机制和基因组结构与遗传语言是生命科学的两大重要问题。

蛋白质如何由一级结构折叠成为有生物活性的天然的三级结构这一问题，尚未解决。

蛋白质折叠机制的阐明又被称为破译第二生物学密码，它是今世生物学的中心问题之一；细胞中DNA分子是生物遗传信息的载体。

生物遗传信息被记录在由不同数量的4种核苷酸或碱基（A、C、G、T）组成的序列当中。

粗略地说，细胞中DNA序列全部组成了该生物的基因组。

人类基因组含有约30亿碱基对，其中3%~5%编码了约10万个基因，其余95%~97%为非编码序列。

但最近发布的人类基因组图谱初步研究人类基因总数仅3～万个。

人类基因组计划产生了大量的序列信息，急需引进数学、物理学与运算机科学的方式来分析和消化。

基因组结构分析，编码区和非编码区不同统计性质的分析，基因的表达和调控和分子进化学等是又一重大核心科学问题，研究的最终目的是要阐明遗传语言和基因组结构的大体规律。

　　科学目标

　　紧密围绕生物大分子理论及生物信息学研究中的两大关键问题，开展蛋白质肽链折叠机理以及生物膜、生物大分子空间结构与相互作用理论的原创性研究，通过理论物理、数学和生物学相结合在DNA链复杂性、基因组序列信息的分析、编码区及非编码区的统计性质、基因组全信息的生物进化等方面提出新理论，建立新方法。

争取在这一重要的学科交叉领域做出有特色的研究成果并培养锻炼一支有众多年轻人参加的研究队伍。

　　研究内容

　　1．用统计学方法对已知结构的一万余种蛋白质进行分析，总结肽链折叠的经验规律；

　　2．研究预测蛋白质2级和3级结构的新方法；

　　3．用经典统计和量子力学对肽链的折叠过程进行理论和计算研究，研究并行算法和蛋白质结构的大规模和超大规模科学计算技术。

　　4．研究基因识别的新算法，包括编码区和启动子区域等的识别；

　　5．研究基因表达谱，提出分析表达谱的新方法；

　　6．提出分析和比较两个或两个以上基因组的新方法，在此基础上开展分子进化研究。

Ⅶ．有机固体和聚合物的理论物理研究

　　有机固体是70年代进展起来的新型交叉科学领域。

在有机固体中前后发觉了有机半导体、导电高聚物、有机超导体、有机铁磁体和非线性光学材料和金属-绝缘体转变和发光现象。

最近几年有机固体又取得了重大进展；实现了“有机激光”和观测到量子Hall效应，发觉了空穴注入使C60的超导温度高达52K。

同时，有机光电显示，有机发光和信息存贮也开始实用化。

2000年Nobel化学奖授予“导电高分子”的发觉和进展，美国“科学”期刊也将“有机光电子学”列为2000年十大科技功效之一。

这些都充分证明有机固体是21世纪光、电、磁功能材料和光电子学的重要进展方向。

　　有机固体中的共轭p-电子，分子间VandeWaals力接合，各向异性和低维度等特性以及像拓扑性孤子、非公度电荷密度波或自旋密度波等非线性集体激发在它的光、电、磁等各种现象中起着十分重要的作用。

另外，有机固体的最近发展也提出许多重要、深层次的理论物理问题。

因此，对有机固体的各种物理性质的理论研究、计算方法的改进与发展不仅有其固有的特色，而且它也是一个十分宽广而需要大量开拓的理论物理研究的重要领域。

　　聚合物的研究，自1934年W.Kuhn对聚合物稀溶液中单链形状和橡皮弹性的研究以来，从单链体系发展到了多链体系，包括：

分支聚合物，高分子共混体，嵌段共聚物的熔体，聚合物的晶体，玻璃体，聚合物的胶体，电介质，在无序表面和界面上的聚合物，DNA和其它高分子电解质等。

它是一个现象丰富，覆盖面宽广的化学、物理、生物和材料科学的多学科交叉领域。

这一领域事实上也是当前平衡和非平衡统计物理发展的最重要的推动力。

但是，除了一些唯象或半唯象的理论描述以外，人们至今对这一体系的基本规律还没有一个从微观到宏观的系统认识。

　　我国在有机固体和聚合物的化学与物理研究上有较好的基础。

虽然在该领域理论物理研究力量较薄弱，但是有机固体和聚合物是十分宽广和需要进行大量开拓性理论研究的重要领域。

结合科学发展的前沿和我国的国情，选择当前有机固体和聚合物领域提出的深层次理论问题并开展深入的研究将会极大地推动我国理论物理与有机固体和聚合物交叉学科的交叉发展。

　　科学目标

　　立足基础性、源头性和战略性，以探索和解决当前有机固体和聚合物领域中若干重大理论问题为研究方向，充分发挥理论物理的前瞻性和先导性对有机固体和聚合物的指导作用，重视理论物理和实验科学相结合，加强学科之间的渗透与交叉，突出重点，争取在某些方面有所创新和突破，推动和促进我国理论物理与有机固体和聚合物交叉学科的发展。

　　研究内容

　　1．有机固体中的电子激发、迁移和复合理论研究。

　　2．有机固体和分子固体中的导电和超导机理理论研究。

　　3．有机固体中的单分子、超分子理论研究。

　　4．有机固体中分子尺寸、空间维度和各向异性与光电磁功能相关性的理论研究。

　　5．有机固体中自旋产生和相互作用理论研究。

　　6．功能器件的设计及其原理的理论研究。

　　7．聚合物链的折叠和结晶理论的研究。

　　8．复合材料的界面及其作用的理论研究。

　　9．外场作用下的聚合物形态和结构演变的理论研究。

　　10．聚和物溶液和复杂流体的理论研究。

Ⅷ．材料设计的基础物理的理论研究

　　凝聚态理论和材料科学广为交叉，联系紧密。

对材料性质的理论分析和研究，是现今凝聚态理论的一个不可缺少的组成部份。

很多新功能材料的发觉和对材料改性的研究，为凝聚态理论提供了研究对象和进展的动力，反过来又会推动材料科学的进展。

以材料物理的理论模型为基础，应用和进展现代理论物理的方式，通过运算机，对具体材料组分、结构进行预设计和性能预测，组成了本研究方向上的主体。

　　科学目标

　　对材料设计上遇到的一些基础性的理论问题，进行深入的研究。

在下列各重要方向上，提出新理论、发展新算法、解释新实验，为材料性能的预测和设计提供坚实的理论基础。

　　研究内容：

　　1．基于第一原理计算中关联效应和低激发态性质计算方法的研究。

　　2．原子电子层次的高精度和动力学行为的理论计算方法。

　　3．纳米磁性材料的计算物理研究。

　　4．复杂大分子体系自由能的准确计算。

　　5．材料的服役行为、时效过程和失效的理论研究。

　　本研究计划2001年度经费投入预算为1500万元，每一个项目的资助经费范围为20-120万元（每位全年从事本项目研究的申请者和参加者的每一年平均资助经费4-7万元）。

年轻人（包括博士后、博士生）的资助经费酌情考虑。

项目执行期限为三年。

　　申请者应根据项目指南确定的研究内容，针对某一研究方向中的一个或者几个问题，提出选题新颖，开拓性强的研究项目，组织好研究队伍，向国家自然科学基金委员会提出申请（对于既有“另辟蹊径”的独到想法，又有科学根据的项目申请，可以不受指南研究内容的限制）。

以下是有关项目申请的一些具体问题，请申请者给予特别注意：

　　1．申请者必须填写《国家自然科学基金申请书》，并在封面左上方标明“重大研究计划”和“理论物理学及其交叉科学若干前沿问题”字样。

申请书简表中的学科代码根据实际研究内容填写。

项目类别填A（自由申请）或F（重点）。

　　2．申请者和参加者（不包括博士后和博士生等年轻人）都需提供各自的代表性论文5-10篇的目录和相应的SCI他引数目，以及各自已发表的全部论文的他引总数。

鼓励年轻人（包括博士后、博士生）参加，年轻人可根据各自的实际情况可附或不附代表性论文。

　　3．申请项目的查重按《国家自然科学基金重大研究计划（试点）实施方案》的有关规定执行。

对于已经承担两项基金面上项目和一项重点（或重大）项目的研究人员，如果所负责项目的研究内容与本研究计划指南所规定的内容相符，可申请将原来的项目纳入本研究计划，但仍需按第1条规定填写《国家自然科学基金申请书》，并在封面左上方标明“申请纳入理论物理学及其交叉科学若干前沿问题”字样，还需说明正在执行项目的研究任务、执行期限、资助经费和进展情况。

如果申请获得批准，将统一考虑工作量和研究经费。

　　4．有关申请项目的申报按2001年度基金项目受理的有关规定执行。

申请截止日期为2001年5月10日，邮寄材料以邮戳日期为准。

由数理学部、化学科学部、生命科学部，工程与材料科学部和信息科学部组成学科联合工作组受理申请，项目申请书一式八份及简表信息软盘送交数理科学部综合处。