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物理學分支

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各種不同的物理現象

物理學是一種自然科學,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]

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、速度超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。

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。

基礎領域 重要主題 重要概念
經典力學 牛頓運動定律拉格朗日力學哈密頓力學運動學靜力學動力學聲學流體力學連續介質力學混沌理論 時間空間轉動位移速度加速度質量力矩動量角動量能量功率振動振動學
電磁學 電學磁學電動力學光學 電荷電流電導電阻電場磁場磁通電磁場電磁感應電磁輻射電磁波
熱力學統計力學 熱機分子運動論 溫度熱量内能自由能壓强配分函數熱力學平衡態函數漲落、相、相變
相對論 狹義相對論廣義相對論愛因斯坦場方程 時空引力場引力波四維動量勞侖兹變換相對性原理等效原理協變性
量子力學 舊量子論矩陣力學波動力學量子場論相對論量子力學 波函數哈密頓量全同粒子自旋波粒二象性不確定原理零點能量子量子化能級

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·愛因斯坦列夫·朗道這樣的全才大師現在已寥若晨星[3]

物理學研究領域、分支領域和涉及的主要理論與重要概念:

研究領域 分支領域 主要理論 重要概念
天文物理學 天文學天文測量學宇宙學引力物理學高能天文學行星科學等离子体天文物理學太陽物理學太空物理學恒星物理学 大爆炸宇宙暴脹廣義相對論牛頓萬有引力定律ΛCDM模型磁流體力學 黑洞宇宙微波背景輻射宇宙弦暗能量暗物質星系引力引力波引力奇點行星太陽系恆星超新星宇宙
原子、分子和光波物理學 原子物理學分子物理學原子和分子天文物理學光波物理學光子學 量子光學量子化學量子資訊學 光子原子分子衍射電磁輻射雷射偏振譜線卡西米爾效應
粒子物理學 核子物理學核子天文物理學粒子天文物理學粒子物理現象學 標準模型量子場論量子電動力學量子色動力學電弱理論晶格場論晶格規範理論規範場論超對稱大統一理論超弦理論M理論 引力交互作用電磁交互作用強交互作用弱交互作用基本粒子自旋反物質自發對稱性破缺微中子振盪量子引力萬有理論真空能量
凝聚態物理學 固體物理學高壓物理學低溫物理學表面物理學奈米科技高分子物理 BCS理論布洛赫波密度泛函理論費米氣體費米液體統計力學 氣體液體固體玻色-愛因斯坦凝聚電傳導聲子自我組織半導體超導體超流體
應用物理學 加速器物理學聲學生物物理學工程物理學流體力學地球物理學材料科學醫學物理光電工程太陽能光伏物理化學等离子体物理學固體物理學量子化學量子電子學量子資訊學車輛動力學

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,地球發生巨大災難,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》

參考文獻[编辑]

  1. ^ J.C. Maxwell. Matter and Motion. D. Van Nostrand. 1878: 9. ISBN 0486668959. "物理學是關於大自然規律的知識,換句話說,關於事件的正常先後順序的知識。" 
  2. ^ H.D. Young, R.A. Freedman, University Physics with Modern Physics 11th, Addison Wesley, 2, 2004, "物理學是一種實驗科學。物理學者觀察大自然的現象,嘗試找到這些現象地規則。這些規則稱為「物理理論」。經得起實驗檢驗的常用理論稱為「物理定律」或「物理原理」。" 
  3. ^ 然而,物理文化也積極鼓勵普適性。例如,全球資訊網是在歐洲核子研究組織蒂姆·伯纳斯-李創始與發展成功的,原先設計目标為向組織內部和全世界的物理學者提供資訊傳播服務。廣受歡迎的arXiv網站也是在類似狀況下創立的。

参见[编辑]