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物理学

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各種不同的物理現象。

物理學拉丁语Physica希腊语Φυσική英语Physics)是一門自然科學,注重于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[1];更廣義地說,物理學探索分析大自然所發生的現象,以了解其規則[2][註 1]

物理學是最古老的學術之一。在過去兩千多年間,物理學與化學天文學都歸屬於自然哲學的範疇,直到十七世紀歐洲的科學革命之後,物理學才從自然哲學中獨立出來,成為了一門自然科學[註 2][3]:307。物理學與其它很多跨領域研究有相當的交集,如量子化學生物物理學等等。物理學的疆界並不是固定不變的,物理學裡的創始突破時常可以用來解釋這些跨領域研究的基礎機制,有時還會開啟嶄新的跨領域研究。

物理學是自然科學中最基礎的學科之一。經過嚴謹思考論證,物理學者會提出表述大自然現象與規律的假说。倘若這假说能夠通過大量嚴格的實驗檢驗,則可以被歸類為物理定律。但正如很多其他自然科學理論一樣,這些定律不能被證明,其正確性只能靠著反覆的實驗來檢驗[4][5]:5

通過創立新理論與發展新科技,物理學對於人類文明有極為顯著的貢獻。例如,由於電磁學的快速進展,電燈電動機家用電器等新產品纷纷涌现,人類社會的生活水平也得到大幅提升。由於核子物理學日趨成熟,核能發電不再是藍圖構想,但引致的安全問題也使人們意識到地球的嬌弱。

歷史[编辑]

「物理」一詞在英文裏是「physics」,最先出自於古希臘文φύσις」,原意是自然。在中文裏,這詞最早可在戰國時期佚書《鹖冠子·王鈇篇》找到,在這本書裏,「物理」指的是一切事物之道理。[註 3]明末清初科學家方以智受到西學影響,他撰寫了百科全書式著作《物理小識》,在這裏,「物理」的含義已演化為學術之理,包括了自然科學的各門領域與人文學的部分領域。[6][7]

1824年,在倫敦發行的《機械雜誌》內的一副刻畫。阿基米德說:「給我一個支點,我就可以撬起整個地球[8]:15-16。」

从古代开始,人们就尝试着了解大自然的奥妙:为什么物体会往地面掉落,为什么不同的物质会具有不同的性质?如此等等。其中有一個意義非凡的謎題,即宇宙的性质,比如地球太阳月亮这些星体究竟是遵循著什么规律在运动,而又是什么力量决定着这些规律?人们提出了各种理论,试图解释宇宙的规律,然而其中大多數理論都不正确。以現代準則來看,早期的物理理论更像是一些哲学理论:现代的理论都需要经过系统的实验檢驗,而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密亞里士多德提出的理論中,有些就与日常所观察到的事实相悖[9]

儘管如此,仍有許多古學者貢獻出相當正確的理論。古希臘哲學家泰勒斯(约前624年-约前546年)曾經遠渡地中海,在埃及學習天文學與幾何,還加以推廣延伸,發揚光大。他預測到公元前585年發生的日蝕,並且能夠估算船隻離岸邊的距離,又從金字塔的陰影計算出其高度。泰勒斯拒絕倚賴玄異或超自然因素來解釋自然現象[8]。公元前5世紀古希臘哲學家留基伯率先提出原子論,认为所有物質皆是由不會毀壞、不可分割的原子所構成。[8]:15-16希腊的思想家阿基米德作用力方面推导出许多正确的定量结论,如對於槓桿原理的解釋[8]:65-66

中世紀時期,印度波斯的學者也對物理學做出諸多貢獻。印度天文學家阿耶波多Aryabhata)构建了描述太陽系的地心說模型;在這模型裏,太陽月亮分別搭載於本輪epicycle),繞著地球轉動[10]穆斯林科學家海什木對於光學研究貢獻良多[11][12]。波斯科學家纳西尔丁·图西指出了托勒密體系的重大缺陷[13]

艾薩克·牛頓(1643年-1727年)

近代時期,歐洲出現了很多物理大師;其中最具影響力的當屬伽利略·伽利萊約翰內斯·克卜勒艾薩克·牛頓。克卜勒發表的克卜勒定律正確地解釋了行星繞著太陽公轉的機制。大約同時,伽利略用抽象數學定律解釋物體運動。牛頓提出的牛頓運動定律萬有引力定律为經典力學奠定了穩固的基础。由於這些近代的物理學者堅持使用實驗方法與定量方法來研究與發現物理定律經典物理學成為一門獨立學科[14][15][16]

二十世紀初期,物理學家發現經典物理學有很嚴重的瑕疵。邁克生-莫立實驗所測量得到的零結果否定了乙太存在。經典統計力學能量均分定理引起了紫外災變(在頻率趨向於無窮大時,黑體輻射的理論結果和實驗數據無法吻合)[17]:63-64。在原子層次,經典理論無法解釋能級的機制。這些瑕疵給學術界帶來了一場前所未有的考驗,徹底地動搖了舊理論體系的基石,導致了二十世紀物理學兩大理論體系相對論量子力學的出現,进而開啟了現代物理學的紀元[17]:9, 58

範疇與目標[编辑]

物理學涵蓋廣泛的自然現象,從微乎其微的基本粒子(像夸克微中子電子)到龐大無比的超星系團都是研究对象。很多千變萬化、無奇不有的現象,都可基于更基礎的現象來做合理的描述與解釋。物理學是一門基礎科學[5]:3ff。物理學者致力於追根究底,發掘這些現象的根本原因,並試圖尋覓這些原因之間的任何連結關係。這些經過物理學者近百年努力所得到的結果,可以大致歸納為一些明確的基礎定律。其它許多學術領域,像化學生物學地質學工程學等等,所涉及的物質系統都遵守這些基礎定律。但是,這些基礎定律仍不完全。物理學對於自然現象所給出的描述與解釋,只是最好的近似事實,而不是完全的絕對事實。

舉例而言,古希臘人知道像琥珀一類的物質,當與毛皮磨擦時,會出現吸引力,使得這兩種磨擦物互相吸引[18]。這性質後來稱為電性。在十七世紀,學者開始慎密地研查這性質[19]:8。另外,在亞洲大陸的那一端,古中國人觀測到某些石頭(磁石),會通過某種看不見的作用力互相吸引[20][21]。這性質後來稱為磁性。也是在十七世紀,學者開始嚴格地窮究其起因[19]:8。經過燃膏繼晷、廢寢忘食的努力,物理學者終於明白了這兩種自然現象的基本成因——電和磁。但是,在二十世紀,經過更深入的研究,物理學者發現這兩種作用力是電磁力的兩種不同表現。今天,這統一各種各樣作用力的程序仍舊方興未艾,物理學者認為電磁力和弱核力電弱相互作用的兩種不同表現。物理學者的終極目標是找到一個完美的萬有理論,能夠解釋大自然的一切本質[22]

科學方法[编辑]

科學方法指的是查核自然現象、獲取新知識、修正或整合先前的知識时,所使用的一整套技術[23][24]:66ff。為了合乎科學精神,這方法必須建立於收集與總結可觀察、可實驗、可量度的證據,並且合乎明確的推理原則[25]梅里亞姆-韋伯斯特辭典如此定義[26]

科學方法是一種系統性地尋求知識的程序,涉及了以下三個步驟:問題的辨識與表述、假說的構成與測試、實驗數據的收集。

與其它種獲得知識的方法相比,科學研究方法有一個主要特徵:科學家設法讓事實自己說清楚、講明白,當得到符合假说的預測结果時支持這理論,反之则質疑這理論。雖然從一種學術領域到另外一種學術領域,程序或許會有所改變,但科學研究仍擁有可辨認的特徵,能夠明顯地跟其它種學術研究做區分切割。科學研究者提出假說來解釋自然現象,然後設計實驗來檢驗這些假說,核對從這些假說所推導出的預言是否正確無誤。為了要防範在做實驗時發生錯誤或誤解,這些步驟必須具有可重複性。一個假說在被學術界廣泛接受之前,必須先通過科學方法的嚴格驗證,以有條有理的方式來將理論結果與實驗數據互相比較。只有當理論結果和實驗數據互相吻合時,這假說才能被學術界接受。涉及比較廣泛學術領域的理論,可能會融合許多獨立推出的假說,使之配搭一致、相輔相成。通過嚴格檢驗的理論,又可以觸類旁通,幫助形成新假說,或者設定其它假說的上下文[27]

為了避免結果偏差,科學研究通常越客觀越好。所有測量數據與實驗程序都須詳細紀錄,存檔於安全的資料庫,並且可供適當學者共享。這樣,適當學者可以仔細檢查,通過複製實驗來核對結果。這種行為方式,即為「充分公開」(full disclosure),容許根据統計學确认這些數據的可信度reliability)。

理論與實驗[编辑]

閃電是一種電流現象。
透過鐵粉顯示出的磁場線。將條狀磁鐵放在白紙下面,鋪灑一堆鐵粉在白紙上面,這些鐵粉會依著磁場線的方向排列,形成一條條的曲線,在曲線的每一點顯示出磁場線的方向。

實驗物理學家設計與完成實驗,借之檢驗理論的預測與探索新的物理現象。雖然,理論和實驗一般是分開進行的,它們彼此之間息息相關。當實驗者發現一個新現象,而已知理論無法解釋這新現象,或者當根据新理論所作出的預測,可以通過設計精緻實驗來檢驗時,持著大膽假設,小心求證的研究態度,物理學往往會有所進展。[28]:6-10

實驗物理學主要使用兩種實驗研究方法,受控實驗controlled experiment)與自然實驗natural experiment)。受控實驗通常是在實驗室內進行完成,因為實驗室能夠提供一個可控制的環境。自然實驗的實驗環境则無法控制與調整;例如,在天文物理學裏,當觀測星體時,科學家無法控制星體的物理性質、化學成分、運動狀態等等[29][30]

實驗物理學與工程學工業技術學(industrial technology)時常會互通有无。涉及基礎研究的實驗者,在做實際實驗時,會接觸到像粒子加速器光學鐘一類的先進器材;而那些涉及應用研究的實驗者,時常會在工業就職,开發像正電子發射計算機斷層掃描量子計算機一類的科技。有時候,某些很有意思的區域,雖然理論物理學者尚未探索論證,實驗者也會先行做實驗檢驗測試[31]

實驗物理學比較不強調研究者的數學素質。例如,麥可·法拉第沒有受过良好的正統數學教育,只懂得一點微積分。實際上,他對數學不感興趣。法拉第認為數學家很容易會與大自然失去接觸;他希望能夠腳踏實地,越接近大自然越好,而实現這目標的方法就是做實驗。法拉第勤於做筆記,他將實驗的所有相關細節都一絲不苟的詳盡記錄。巨著《電學實驗研究》(Experimental Researches in Electricity)就是這些筆記的結晶。法拉第具有豐富的想像力,喜歡問問題,不停地問問題,然後做實驗來尋求這些問題的答案。在這些層出不窮的問題中,存在著一個核心思想——這大自然的實際狀況為何?法拉第強烈地反對許多理論定律所意味的超距作用。他提出磁場線的概念,從磁鐵周圍一條條連接的磁場線,可以觀察到,這些填滿了整個空間的磁場線,明確地顯示出磁場的鄰接性質[32]

理論物理學家致力於發展數學模型;這模型必須能夠合理地解釋其所針對的物理現象,其計算結果也必須與實驗數據互相吻合。豐富的想像力、精湛的數學造詣、嚴謹的治學態度都是成為理論物理學家所必需的優良素質。例如,在十九世紀中期,物理大師詹姆斯·馬克士威覺得電磁學的理論雜亂無章、急需整合,尤其是其中許多理論都涉及超距作用action at a distance)的概念[註 4]。馬克士威的觀點與法拉第一致,他認為超距作用概念不正確,他主張用場論來解釋。例如,磁鐵會在四周產生磁場,而磁場會施加磁場力於鐵粉,使得這些鐵粉依著磁場力的方向排列,形成一條條的磁場線;磁鐵並不是直接施加力量於鐵粉,而是經過磁場施加力量於鐵粉;馬克士威嘗試朝著這方向開闢一條思路。他想出的「分子渦流模型」,借用流體力學的一些數學框架,能夠解釋所有那時已知的電磁現象。更進一步,這模型還展示出一個嶄新的概念——電位移。由於這概念,他推理電磁場能夠以波動形式傳播於空間,又計算出其波速恰巧等於光速,于是推斷光波就是一種電磁波。這樣,他將電學、磁學、光學整合成為電磁學[33]:56ff[34]:93-98

唯象專家phenomenologist)努力探索理論與實驗之間錯綜複雜的交集區;他們專注於研究從實驗所觀測到的複雜現象,試圖找到這些複雜現象與物理理論之間的關係。唯象理論將觀察現象表達為數學結果,不注重其中基礎意義[35]

核心理論[编辑]

雖然物理學的研究範圍十分廣泛,但有些理論仍常被物理學者使用到,這些理論都已經過做實驗多次檢驗,被證實為大自然的正確近似(可以適用於某設定值域內)。例如,經典力學的理論能夠準確地描述物體的運動,前提是物體必須滿足尺寸遠大於原子、速度远小於光速這兩個條件。經過多年的研究后,這些核心理論仍舊是很熱門的研究領域。例如,二十世紀後半期,即在艾薩克·牛頓(1642年–1727年)原本表述經典力學整整三個世紀之後,學者發現與創建了混沌理論,一門很有意思的非線性系統相關經典力學理論。[28]:319-325

這些核心理論大致包括於經典力學量子力學熱力學統計力學電磁學相對論等等基礎物理學領域,是進階研究的重要工具。任何物理學者,不論他或她的專長領域為何,都需要熟讀精通這些理論。

經典物理學[编辑]

經典物理學包括那些在二十世紀初已漸趨成熟的傳統分支學術領域:經典力學熱力學統計力學電磁學

經典力學研究受力物體的運動狀況,所應用的基礎定律是牛頓定律。經典力學分為靜力學(計算處於靜力平衡的物體所感受到力與力矩)、運動學(描述物體的運動,完全不考慮力或質量等等影響運動的因素)和動力學(研究改變物體運動的因素與物體運動如何因此改變)。按照表述方式的不同,經典力學又可分為向量力學分析力學。向量力學著重於分析位移速度加速度、力等等向量間的關係,而分析力學則從受力物體運動時的拉格朗日量哈密頓量來分析物體的運動行為[36]。聲學研究傳播於介質的各種各類的機械波,這包括振動聲音超聲波次聲波等等。聲學時常會被視為經典力學的一門分支,因為機械波的傳播是由於氣體液體固體的組成粒子振動而表現出的一種力學現象,可以用力學的定律來解釋。

熱力學研究熱量機械功或其它能量形式之間的關係。在熱力學裏,有一些描述物理系統平均性質的宏觀變量,像溫度內能壓強等等。熱力學研究這些宏觀變量彼此之間的關係(如麦克斯韦关系式)、以及它們的改變對於物理系統的影響。[37]:51-56學習熱力學的起跑點是熱力學定律。熱力學不研究物質的微觀性質,這屬於統計力學領域。從統計力學的理論可以推導出熱力學定律。[37]:195統計力學應用機率論來研究由大量粒子組成的物理系統的熱力學行為。統計力學將單獨原子或分子的微觀性質橋接至大塊物質的宏觀性質,對於這些宏觀性質給出微觀層級的詮釋。在平常實驗中可以測量到這些宏觀性質,在日常生活中也可以觀測到像溫度、壓強一類的宏觀性質。

電磁學描述帶電粒子電場磁場的交互作用。電磁學的分支有靜電學靜磁學電動力學等等。靜電學研究靜止帶電粒子彼此之間的交互作用。靜磁學研究所有涉及常定磁場的現象。電動力學研究所有涉及加速度帶電粒子、電磁輻射、時變電場與時變磁場的現象。經典電磁學的基礎理論是馬克士威方程式勞侖茲力方程式[38]光波是從加速度帶電粒子產生、傳播於空間的電磁場光學研究光波的傳播與性質。光學的理論可以約化為關於電磁交互作用的理論。

現代物理學[编辑]

1927年召開的第五次索爾維會議,全世界那時最卓越的物理學者共聚一堂、腦力激盪,商討量子理論。

經典物理學通常論述正常觀察尺寸的系統,而現代物理學通常論述極端或非常大尺寸、非常小尺寸系統。例如,化學元素可以被辨識的最小尺寸是原子物理學核子物理學探索物質所操作的尺寸。而粒子物理學操作的尺寸更為微小,它論述的是基本粒子或由基本粒子組成的粒子。由於使用大型粒子加速器來製成粒子需要非常巨大的能量,粒子物理學又稱為高能量物理學。對於這類尺寸的物理系統,一般關於空間、時間、物質、能量的認知不再成立。

現代物理學的兩種核心理論給出關於空間、時間、物質、能量的崭新繪景。量子力學論述發生於原子層級與亞原子層級各種現象的離散性質,以及在關於這些現象的描述裏的粒子與波動的互補性質。相對論闡述,處於某參考系的觀察者,所觀察到在另外一個以相對速度移動的參考系發生的現象。相對論又可分為狹義相對論廣義相對論。狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及重力(彎曲時空),即狹義相對論只涉及那些沒有重力作用或者重力作用可以忽略的問題,而廣義相對論則是研討那些涉及重力的論題。

經典物理學與現代物理學之間的差異[编辑]

按照尺寸与速度分类,物理学的四大领域。

雖然物理學的一大研究目標是在發現普適定律universal law),但似乎每一種物理理論都只適用於某些明確值域。大致而言,經典物理學的定律能夠準確地描述長度遠大於原子尺寸、速度远小於光速的系統。在這適用域範圍以外,實驗結果並不符合理論預測。狹義相對論徹底的摧毀了絕對時間與絕對空間的概念,且以四維時空取而代之,因此得以準確地描述速度接近光速的系統,即相對論性系統。量子力學機率方式描述微觀系統的物理行為,能夠在原子尺寸和亞原子尺寸得到準確的解答。稍後,量子場論統一了量子力學和狹義相對論,是粒子物理學不可或缺的基礎理論。電磁交互作用強交互作用弱交互作用,都能夠用量子場論精緻地描述。電磁交互作用弱交互作用也已被合併為電弱交互作用廣義相對論將時空延伸為動態的彎曲時空,能夠描述大質量系統和宇宙的大尺寸結構。但是,廣義相對論尚未能將重力交互作用與其他基礎作用統一為單一理論;科學家仍舊在發展幾種可能的量子重力理論。

與其它學術領域之間的關係[编辑]

物理與數學相輔相成[编辑]

數學是研讀物理必備的工具,這包括幾何、代數、微積分等等。應用這些數學工具,物理學者可以從物理定律推導與演算出很多有意思的結果。例如,1912年,圖利奧·勒維奇維塔獲知阿爾伯特·愛因斯坦在探索重力的相對性理論中,遇到一些挫折,他便力勸愛因斯坦學習張量微積分。愛因斯坦採納了勒維奇維塔的建議,勤學張量微積分,并於1915年成功創立了廣義相對論[39]

數學在物理學裏的主要角色並不是推導與演算的優良工具,它還扮演了一個更關鍵的角色:作为一種抽象語言,担当精準地表述物理定律之任。實際而言,物理定律必須先用數學語言來表述,然後才能將數學工具的功能發揮至極。伽利略在1622年著作《分析者》(Il Saggiatore)裏提到,數學是大自然表達其內涵所用的語言,假若棄之不用,則無法瞭解大自然的任何一句話[40]。物理學依賴數學來給出準確的公式、準確或近似的解答、定量的結果或預測[41]理查·費曼在著作《物理之美》(The Character of Physical Law)裏也有類似的表示,他认为,不知道數學的人很難真正地理解大自然的美,尤其是最深刻的自然之美……假如你想知道任何有關大自然的事物,或者想鑑賞大自然,就必須瞭解大自然所用的語言[4]

數學語言在表述物理定律的同時,也表述出內含的數學概念。例如,根據量子力學的數學表述,在量子力學裏,有兩個基礎概念:物理系統的量子態是以希爾伯特空間的單位向量來代表,從觀察物理系統得到的可觀察量是以作用於這些向量的厄米算符來代表。一旦找到了這兩個基礎物理概念的對應數學概念,整個線性代數的理論都可以立刻應用於量子力學。這凸顯出數學的重要性與適應性[42]

在數學理論裏瀰漫著數學語言,其伴隨的數學概念往往會指出前進的道路,有時甚至會衍生出經驗預測。這並不只是巧合,而恰恰反映出在數學與物理之間無比深奧的關係。例如,1915年,广义相对论最初创立之时,尚没有甚麼牢靠的经验性观测基础,它在当时所能解释的最著名现象就是牛顿力学无法解释的水星近日点的反常进动。1919年天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士观测到了广义相对论预言的光线在太阳引力场中的偏折(这一实验直到1959年才开始被精确地定量测量),这在当时是对广义相对论最有力的支持。時至今日,广义相对论的理論預測已由實驗測量結果证实[39]

應用與影響[编辑]

人腦縱切面的核磁共振成像
計算機模擬顯示出太空梭重回大氣層時的受熱狀況。

物理學是一種基礎科學,不是應用科學[43]。物理學也被認為是基礎科學中的基礎科學,因為其它自然科學的分支,像化學、天文學、地球物理學、生物學的理論都必須遵守物理定律[24]:94ff。例如,化學研究物質的性質、結構、化學反應(化學專注於原子尺寸,這是化學與物理的主要界線)。結構的形成是因為粒子與粒子之間彼此施加靜電力於對方。能量守恆、質量守恆、電荷守恆等等,這些物理定律主導了物質性質和化學反應。

應用物理學指的是針對實際用途而進行的物理研究。應用物理學的課程規畫通常會選修一些應用學科的課程,像地質學電機工程學。應用物理學與工程學不同,應用物理學不會特別地設計某種元件或機器,而是用物理理論或從事物理研究來發展某種新科技或解析某問題。

工程學應用到很多物理理論。例如,在學習建造橋樑與其它建築物的技術之前,必須先學會靜力學的理論。設計世界一流的音樂廳,必須先學會聲學。設計與製造更優良的光學元件必須先熟讀精思光學。經過考慮種種物理因素而設計出來的飛行模擬器電子遊戲電影等等,會顯得更加維妙維肖、栩栩如生。

物理學使用的一些探本溯源、格物致知的方法也可用於跨學科領域。物理學或多或少地影響了很多重要學術領域,例如,經濟物理學econophysics)應用很多物理學裏的理論與方法來解析經濟學問題;這些問題時常會涉及不確定性混沌

研究領域[编辑]

現代物理研究大致分類為天文物理學原子物理學分子物理學光波物理學粒子物理學凝聚態物理學等等。有些大學的物理系也支持物理教育研究。

自二十世紀以來,物理學的各個領域越加專業化,大多數物理學家的整個職業生涯只專精於一個領域,像阿爾伯特·愛因斯坦(1879–1955)和列夫·朗道(1908–1968)這樣的全才大師現在已寥若晨星[44]

天文物理學[编辑]

哈柏超深空是以可見光拍攝的最深遠的宇宙影象之一。

天文物理學是研究宇宙的物理學,這包括星體的物理性質(光度密度溫度化學成分等等)和星體與星體彼此之間的交互作用。應用物理理論與方法,天文物理學探討恆星結構恆星演化太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。由於天文物理學是一門很廣泛的學問,天文物理學家通常需要應用很多不同的學術領域,像經典力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學等等。

大多數天文物理實驗需依賴觀測電磁輻射獲得數據。比較寒冷的星體,像星際物質星際雲會發射無線電波大爆炸後,經過紅移,遺留下來的微波,稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要用到無線電望遠鏡

太空探索大大地擴展了天文學的疆界。由於地球大氣層的干擾,紅外線紫外線伽瑪射線X射線天文學必須使用人造衛星在地球大氣層外做觀測實驗。

光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層會干涉觀測數據的品質,還必須配備調適光學系統,或改用太空望遠鏡,才能得到最優良的影像。在這頻域裏,恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜,可以分析恆星星系星雲的化學成份。

理論天文物理學家的工具包括分析模型計算機模擬。天文過程的分析模型時常能使學者更深刻地理解內中奧妙;計算機模擬可以顯示出一些非常複雜的現象或效應。

大爆炸模型的兩個理論棟樑是廣義相對論宇宙學原理。由於太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實驗證實,科學家確定大爆炸模型正確無誤。最近,學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化,這模型涵蓋了宇宙暴脹暗能量暗物質等等概念[45]

原子、分子及光物理學[编辑]

原子物理學、分子物理學及光物理學都是在研究尺寸為單原子或少數原子結構的物質,及其與別的物質之間或與光波之間的交互作用。這三個研究領域會被合併在一起討論,是因為它們之間的密切關係:它们都使用類似的方法,所涉及的能量尺寸也很相近。

原子物理學研究原子的結構和性質,即環繞著原子核、束縛於原子內部的電子的排列方式,排列所產生的現象與效應,以及促使排列改變的過程。當今的研究焦點為個體原子和離子離子阱內部的囚禁冷卻與操控、低溫碰撞動力學、電子關聯對於結構與動態的效應。原子物理學與核子有關,例如超精細結構hyperfine structure)。

分子物理學專注於研究分子的物理性質以及將原子結合為分子的化學鍵性質。它和原子物理學密切相關。分子物理學中最重要的實驗方法是光譜分析。除了從原子得知的電子激發態以外,分子可以旋轉與振動。由於這些旋轉與振動具有量子性質,伴隨的能級也是離散的。純旋轉運動光譜位于紅外線譜域(波長大約為30-150微米);振動光譜位于近紅外線譜域(大約為1-5微米);電子躍遷光譜则位于可見光紫外線譜域。從測量旋轉運動和振動光譜,可以獲得分子的物理性質,例如,原子核與原子核之間的距離。原子物理學的原子軌域理論,在分子物理學裏,擴展為分子軌域理論。

光物理學研究電磁輻射的生成與性質、電磁輻射與物質之間的微觀交互作用,特別是其控制與操縱。從微波X射線,橫跨整個電磁波譜,對於每一個頻率,研究者嘗試开發出具有更優良性質的發光源。研究者也會對於各種線性或非線性光學過程做詳細分析。光物理學的研究成果,時常會促成通訊業、製藥業、製造業甚至娛樂業的驚人進展[46]

粒子物理學[编辑]

模擬在大型強子對撞機緊湊緲子線圈裏,希格斯玻色子出現的一個事件。

粒子物理學研究組成物質和射線的基本粒子,以及它們之間的交互作用。由於在大自然的一般條件下,許多基本粒子不存在或不單獨出現,物理學家使用高能量粒子加速器來製成這些基本粒子,因此粒子物理學也被稱為高能物理學

標準模型可以正確地描述基本粒子之間的交互作用。這模型能夠計算12種已知的粒子(夸克輕子),彼此之間以強力弱力電磁力引力作用於對方。這些粒子會互相交換規範玻色子(分別為膠子光子W及Z玻色子)。標準模型還預測了希格斯玻色子的存在[47]

凝聚態物理學[编辑]

銣原子氣體的速度分佈數據,由此確定了一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚的新物態

凝聚態物理學研究物質的宏觀物理性質。凝聚態指的是由大量粒子組成,並且粒子間有很強的交互作用的系統。[48]常見的凝聚態有固態液態,這是由原子與原子之間的化學鍵電磁力形成的物態。比較罕见的凝聚態包括發生於非常低溫的系統裏的超流體玻色-愛因斯坦凝聚態、在某些物質裏的傳導電子展現的超導態、在某些磁性物質內部因為原子晶格自旋而出現的鐵磁態反鐵磁態

凝聚態物理學起源於十九世紀固體物理學低溫物理學的發展,是現代物理學最大的分支,與化學材料科學奈米科技有相當程度的重疊。[48][49]

近期研究[编辑]

理察·費曼的親筆簽字和他發明的費曼圖
物理學理論能夠正確地描述邁斯納效應Meissner effect)——磁鐵懸浮於超導體的上方。

雖然物理學是最古老的學術之一,於今,許多具突破性的劃時代研究依然在物理的各個分支領域夜以繼日、如火如荼地進行中。

凝聚態物理學領域,某些物質在溫度高於50 K仍舊具有超導電性,物理學者不清楚促成這高溫超導現象的機制為何,[50]。很多凝聚體實驗的目標是製成可使用的自旋電子學元件和量子計算機元件[48]

粒子物理學領域,支持後標準模型物理学(physics beyond the Standard Model)的實驗证据已開始陸續出现。在這些結果之中,比較重要的是微中子具有非零質量的徵象。這實驗結果似乎合理解答了矚目良久的太陽微中子缺失問題,即有些微中子在從太陽傳播到地球的路途中,會轉換為實驗無法偵測的別種類微中子的现象。帶質量微中子的物理研究是很熱門的理論與實驗題目。高能粒子加速器已開始偵測TeV能量域,希望能夠找到希格斯玻色子超對稱粒子的一鱗半爪。2012年7月4日,歐洲核子研究組織(CERN)宣布已發現一種新玻色子,这玻色子极像希格斯玻色子,但还有待物理學者进一步分析来完全确定是否為希格斯玻色子。[51]

理論物理學家嘗試將量子力學廣義相對論統一成為量子引力理論。這研究已延續了大半個世紀,但至今仍未得到滿意的答案。現今幾個比較成功的理論為M理論超弦理論迴圈量子重力理論

許多天文宇宙現象仍舊沒有找到合意的解答,如超高能量宇宙射線重子不對稱性宇宙加速膨脹星系自轉問題等等。

雖然,高能物理、量子物理、天文物理等領域有很大的突破與進展,但對於許多涉及複雜系統混沌湍流等等日常發生的現象,科學家仍是一知半解。自1970年以來,這些複雜現象關注度不断提升,主要原因有很多,包括現代數學方法和電子計算機的出現,使以新方式模擬複雜系統成为可能。還有,複雜物理學已成為一門多學科研究領域。在空氣動力學裏,關於湍流的研究代表了這發展趨勢。

参见[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 費曼提到他認為關於所有科學知識的最精簡句子:

    假設有那麼一天,地球發生巨大災變,把已有的科學知識悉數吹毀,只剩下一句話,讓僥倖活下來的人傳遞給子孫。甚麼樣的句子能夠以最少的字,包含最多的知識呢?我相信那就是一般所謂的原子假說——所有東西皆由原子構成。原子是很小很小的粒子,永遠不停地動來動去。個別原子之間,若稍有一點距離時,它們會互相吸引。但一當受到外力擠壓,彼此因而靠得太近時,又會互相排斥。

    ——費曼,《費曼物理學講義I ─力學、輻射與熱(1)基本觀念,第41-42頁》

  2. ^ 法蘭西斯·培根於1620年發表的著作《新工具論》對於科學方法的發展極為重要
  3. ^ 在《汉书·艺文志》存有這篇文章。龐子曰:「願聞其人情物理所以嗇萬物與天地總與神明體正之道。」
  4. ^ 假設粒子A和粒子B處於空間的某兩不同位置,則根據牛頓萬有引力定律,兩粒子互相直接施加於對方的引力,其大小F必定與距離r的平方成反比:
    F=G \frac{m_A m_B}{r^2}
    其中,G萬有引力常數m_Am_B分別是粒子A和粒子B的質量。 從這方程式,可以觀察出萬有引力是一種超距作用,牛頓萬有引力定律只提到兩粒子互相直接作用於對方的引力,並沒有解釋傳播過程,而且這定律與時間無關,意味著瞬時直接地超距作用。

參考文獻[编辑]

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外部連結[编辑]