物理學

物理學是一門自然科學，注重於研究物質、能量、空間、時間，尤其是它們各自的性質與彼此之間的相互關係。物理學是關於大自然規律的知識；更廣義地説，物理學探索並分析大自然所發生的現象，以瞭解其規則。

物理學的研究對象：物理現象、物質結構、物質相互作用、物質運動規律。

物理學研究的尺度（物質世界的層次和數量級）：

1.空間尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA長度、最小的細胞、星系團、銀河系、恆星的距離、太陽系、超星系團、哈勃半徑等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質空間尺寸的層次。

微觀粒子（microscopic）：質子

m

介觀物質（mesoscopic）

宏觀物質（macroscopic）

宇觀物質（cosmological）：類星體

m

2.時間尺度：

基本粒子壽命 ：10^-25s

宇宙壽命： 10¹⁸s

按空間尺度劃分：量子力學、經典物理學、宇宙物理學。

按速率大小劃分： 相對論物理學、非相對論物理學。

按客體大小劃分：微觀、介觀、宏觀、宇觀。

按運動速度劃分：低速、中速、高速。

按研究方法劃分：實驗物理學、理論物理學、計算物理學。

●牛頓力學（Newtonian mechanics）與分析力學（analytical mechanics）研究物體機械運動的基本規律及關於時空相對性的規律。

●電磁學（electromagnetism）與電動力學（electrodynamics）研究電磁現象、物質的電磁運動規律及電磁輻射等規律。

●熱力學（thermodynamics）與統計力學（statistical mechanics）研究物質熱運動的統計規律及其宏觀表現。

●狹義相對論（special relativity）研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規律。

●廣義相對論（general relativity）研究在大質量物體附近，物體在強引力場下的動力學行為。

●量子力學（quantum mechanics）與量子場論（quantum field theory）研究微觀尺度下物質的運動現象以及基本運動規律。

此外，還有：

粒子物理學、原子核物理學、原子與分子物理學、固體物理學、凝聚態物理學、激光物理學、等離子體物理學、地球物理學、生物物理學、天體物理學等。

物理學研究的領域可分為下列四大方面：

1. 凝聚態物理——研究物質宏觀性質，這些物質內包含極大數目的組元，且組元間相互作用極強。最熟悉的凝聚態相是固體和液體，它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態相包括超流和玻色-愛因斯坦凝聚態（在十分低温時，某些原子系統內發現）；某些材料中導電電子呈現的超導相；原子點陣中出現的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態物理一直是最大的的研究領域。歷史上，它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出，採用此名。

2. 原子、分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個原子結構範圍內，物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層，集中在原子和離子的量子控制；冷卻和誘捕；低温碰撞動力學；準確測量基本常數；電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核內部現象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結構以及它們，內外部和物質及光的相互作用，這裏的光學物理只研究光的基本特性及光與物質在微觀領域的相互作用。

3. 高能/粒子物理——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界原本並不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。據基本粒子的相互作用標準模型描述，有12種已知物質的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過強、弱和電磁基本力相互作用。標準模型還預言一種希格斯-玻色粒子存在。現正尋找中。

4. 天體物理——天體物理和現代天文學是將物理的理論和方法應用於研究星體的結構和演變、太陽系的起源，以及宇宙的相關問題。因為天體物理的範圍寬，它利用了物理的許多原理，包括力學、電磁學、統計力學、熱力學和量子力學。1931年，卡爾發現了天體發出的無線電訊號，開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需要用到紅外、超紫外、伽瑪射線和X射線。物理宇宙論研究在宇宙的大範圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期哈勃從圖中發現了宇宙在膨脹，促進了宇宙的穩定狀態論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發現，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上：愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了ACDM宇宙演變模型，它包括宇宙的膨脹、暗能量和暗物質。 從費米伽瑪-射線望遠鏡的新數據和現有宇宙模型的改進，可期待出現許多可能性和發現。尤其是今後數年內，圍繞暗物質方面可能有許多發現。

●伽利略·伽利雷（1564年~1642年），人類現代物理學的創始人，奠定了人類現代物理科學的發展基礎。

● 1900~1926年 建立了量子力學。

● 1926年 建立了費米-狄拉克統計。

● 1927年 建立了布洛赫波的理論。

● 1928年 索末菲提出能帶的猜想。

● 1929年 派爾斯提出禁帶、空穴的概念，同年貝特提出了費米麪的概念。

● 1947年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發明了晶體管，標誌着信息時代的開始。

● 1957年 皮帕得測量了第一個費米麪超晶格材料納米材料光子。

● 1958年 傑克·基爾比發明了集成電路。

● 20世紀70年代出現了大規模集成電路。

物理與物理技術的關係：

● 熱機的發明和使用，提供了第一種模式：技術 —— 物理 —— 技術

● 電氣化的進程，提供了第二種模式：物理 —— 技術 —— 物理

當今物理學和科學技術的關係兩種模式並存，相互交叉，相互促進。“沒有昨日的基礎科學，就沒有今日的技術革命”。例如：核能的利用、激光器的產生、層析成像技術（CT）、超導電子技術、粒子散射實驗、X 射線的發現、受激輻射理論、低温超導微觀理論、電子計算機的誕生。幾乎所有的重大新（高）技術領域的創立，事先都在物理學中經過長期的醖釀。

物理學的方法和科學態度：提出命題 → 理論解釋 → 理論預言 → 實驗驗證 → 修改理論。

現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，它的產生過程如下：

● 學習物理的方法

著名物理學家費曼説：“科學是一種方法。它教導人們：一些事物是怎樣被瞭解的，什麼事情是已知的，瞭解到了什麼程度，如何對待疑問和不確定性，證據服從什麼法則；如何思考事物，做出判斷，如何區別真偽和表面現象？”著名物理學家愛因斯坦説：“發展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，並且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化。”

● 學習的觀點：從整體上邏輯地、協調地學習物理學，瞭解物理學中各個分支之間的相互聯繫。

● 物理學的本質：物理學並不研究自然界現象的終極機制（或者根本不能研究），人只能在某些現象中感受自然界的規則，並試圖以這些規則來解釋自然界所發生任何的事情。人類有限的智力總試圖在理解自然，並試圖改變自然，這是物理學，甚至是所有自然科學共同追求的目標。

以物理學為基礎的相關科學有：化學、材料科學、天文學、自然地理學等。

物理學是人們對自然界中物質的運動和轉變的知識做出規律性的總結，這種運動和轉變應有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸；二是近代人們通過發明創造供觀察測量用的科學儀器，實驗得出的結果，間接認識物質內部組成建立在的基礎上。物理學從研究角度及觀點不同，可大致分為微觀與宏觀兩部分：宏觀物理學不分析微粒羣中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經出現的；微觀物理學的誕生，起源於宏觀物理學無法很好地解釋黑體輻射、光電效應、原子光譜等新的實驗現象。它是宏觀物理學的一個修正，並隨着實驗技術與理論物理的發展而逐漸完善。

其次，物理又是一種智能。

誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言：“如其説是因為我發表的工作裏包含了一個自然現象的發現，倒不如説是因為那裏包含了一個關於自然現象的科學思想方法基礎。”物理學之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在於它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，還因為它在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學當之無愧地成了人類智能的結晶，文明的瑰寶。

大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有着重要的貢獻。有人統計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景——這意味着他們從物理學中汲取了智能，轉而在非物理領域裏獲得了成功。反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智能的力量。

總之，物理學是對自然界概括規律性的總結，是概括經驗科學性的理論認識。

1. 真理性：物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘，反映出物質運動的客觀規律。

2. 和諧統一性：神秘的太空中天體的運動，在開普勒三定律的描繪下，顯出多麼的和諧有序。物理學上的幾次大統一，也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和萬有引力定律把天上和地上所有宏觀物體統一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實現了統一。愛因斯坦質能方程又把質量和能量建立了統一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動性實現了統一。愛因斯坦的相對論又把時間、空間統一了。

3. 簡潔性：物理規律的數學語言，體現了物理的簡潔特性。例如：牛頓第二定律、愛因斯坦的質能方程、法拉第電磁感應定律。

4. 對稱性：對稱一般指物體形狀的對稱性，深層次的對稱表現為事物發展變化或客觀規律的對稱性。例如：物理學中各種晶體的空間點陣結構具有高度的對稱性。豎直上拋運動、簡諧運動、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質和反物質、正電和負電等。

5. 預測性：正確的物理理論，不僅能解釋當時已發現的物理現象，更能預測當時無法探測到的物理現象。例如：麥克斯韋電磁理論預測電磁波存在、盧瑟福預言中子的存在、菲涅爾的衍射理論預言圓盤衍射中央有泊松亮斑、狄拉克預言電子的存在。

6. 精巧性：物理實驗具有精巧性。設計方法的巧妙，使得物理現象更加明顯。

2021年，中國物理學在自然指數排名中超越美國成為世界第一，且貢獻率逐年提高。 ^[4]