理论物理学
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理论物理学，也称理论物理（英語：Theoretical physics）是物理学的一个分支。理论物理学与实验物理学相对，专注于研究和发展理论模型以解释并预测自然现象。它基于物理实际借助数学工具构建数学模型，来试图理解物理现象的运行机制，以深入理解宇宙的基本规律。[1]: 9
核心理论
[编辑]理论物理包含多个领域，一般又被划分为经典物理学和现代物理学两个板块。经典物理包括经典力学、热力学和统计物理学、电磁学和电动力学。现代物理则包括相对论、量子力学、量子电动力学等。
经典力学专注于发展在宏观低速情况下的运动理论，主要描述宏观物体的低速运动。热力学和统计物理研究由大量分子（或其他组成粒子）构成的系统，涉及相变和能量的转换。电磁学和电动力学研究电磁场和电磁相互作用的规律。
相对论研究高速运动的物体，对物理学的诸多基础假设进行了更新，改变了经典力学对于时空概念的理解，是现代物理理论的一个重要支柱。量子力学研究微观粒子的运动，是现代物理理论的另一个关键支柱。量子力学通过将客观物体的状态使用线性空间中的矢量表示，并引入了线性算符这一数学工具借助本征值理论来表示可观测量。量子电动力学把电动力学中的经典场论和量子理论相结合，建立了一个描述物质和场的统一理论，兼容了相对论和量子力学理论框架。
20世纪，理论物理学的重大成就是标准模型的建立。该模型包括了我们所知的大部分基本粒子和相互作用，并且深化了我们对宇宙起源和演化的理解。
歷史
[编辑]十六到十九世纪
[编辑]对物理现象的研究历史可以追溯到古代希腊时代，但理论物理的真正开端则是在文艺复兴和科学革命的时期。16世纪，伽利略·伽利莱最早采用实验方法和数学分析来研究物体的运动，是现代科学的开端，也是理论物理研究的先驱。1687年，艾萨克·牛顿出版了 《自然哲学的数学原理》（简称《原理》），是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。他在书中提出了牛顿运动定律和万有引力定律，统一解释了地面和天上物体的运动，为经典理论物理奠定了基础。牛顿力学是经典力学的第一个完备表述。
1788年，拉格朗日出版了《分析力学》一书，用新发展的数学分析工具重新表述经典力学，以拉格朗日方程代替牛顿运动定律来描述运动。这是牛顿的《原理》之后的最重要的经典力学著作。1833年，哈密顿提出了哈密顿方程，给出经典力学的另一种数学分析表述方式。拉格朗日和哈密顿建立的新的表述形式被称为拉格朗日力学和哈密顿力学，或者合称为分析力学。它们更加抽象，但也更加普适，可用于非常复杂的系统，甚至量子系统。
1824年，尼古拉·卡诺发表著作《论火的动力》。卡诺对热机和热力学过程的研究是热力学做为现代科学的起点，卡诺也被视作热力学之父。19世纪50年代，通过鲁道夫·克劳修斯和威廉·汤姆森等人的工作，力学第一和第二定律得以形成，也标志着热力学逐渐成为一门完备的理论。19世纪后期，詹姆斯·麦克斯韦，路德维希·玻尔兹曼和乔赛亚·吉布斯等人建立了统计力学，利用统计方法从大量微观粒子的运动角度得出宏观热力学现象的解释。统计力学的方法，特别是吉布斯引入的系综理论，后来被应用于量子系统，发展出量子统计力学。
19世纪也见证了电磁学理论的崛起。1864年，麦克斯韦发表论文《电磁场的动力学理论》。他在安培和法拉第等人研究的基础上，总结出集电磁理论大成的麦克斯韦方程组，将电、磁和光现象统一于同一个概念电磁场之中。这标志着电磁学也发展成为一门完备的理论，人们习惯于称之为电动力学。电动力学的核心是研究电磁场。对“场”的研究标志着理论物理的一个重大发展，为相对论的发展提供了基础。
二十世纪
[编辑]二十世纪初期，理论物理学迎来了两次重大的发现。
阿尔伯特·爱因斯坦于1905年发表论文《论动体的电动力学》，建立了狭义相对论。狭义相对论重新定义了空间和时间的概念，解决了牛顿力学与电动力学之间的冲突。爱因斯坦随后在1915年提出广义相对论，将这一理论扩展到了引力。广义相对论将引力描述为由质量和能量的存在所导致的时空弯曲[2]该理论预测光线在经过大质量天体附近时会发生偏折，这一预测在1919年的日食期间得到了证实。它还预测了黑洞和引力波的存在，前者在20世纪70年代被天文观测所证实，后者直到整整一个世纪后才被观测到[3]。
量子力学发展于二十世纪20年代，主要是由维尔纳·海森堡、马克斯·玻恩、帕斯夸尔·约尔丹、埃尔温·薛定谔和保罗·狄拉克等人创立。量子力学摒弃了经典物理中具有连续轨道，确定位置和动量的粒子图像，代之以一种物理量取离散值并由几率幅描述的框架。量子力学成功解释了很多经典物理无法解释的现象，比如光电效应，原子和分子的结构，固体在低温下的比热容等。[4]
量子力学与狭义相对论的结合产生了量子场论，在其中粒子被理解为场的激发。量子场论最成功的应用是由理查德·费曼、朱利安·施温格和朝永振一郎于二十世纪40年代后期发展的量子电动力学。量子电动力学是对经典电动力学的改造和发展，对电磁力理论预测达到了极高的精度。这一理论随后被扩展到强核力和弱核力，并在二十世纪60年代和70年代期间建立了所谓标准模型。该模型囊括了除引力以外的所有基本相互作用，至今仍是目前对基本粒子及其相互作用最全面的解释。[5]
凝聚态物理在同一时期也取得了重要的理论进展。由约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗于1957年提出的BCS理论，通过以晶格振动为媒介而实现的电子配对解释了超导现象，并为作者赢得了1972年的诺贝尔物理学奖 [6]。
分支
[编辑]理论物理学的核心理论被用在各个物理领域的研究当中，现代物理研究中的主要分支包括：
研究前沿
[编辑]标准模型
[编辑]预言并发现希格斯玻色子（2012年被实验证实）。
弦理论
[编辑]认为基本粒子是“弦”的不同振动模式，而非点粒子。
量子引力和黑洞物理
[编辑]研究黑洞信息悖论，试图寻找引力和量子力学的最终融合。
參見
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參考文獻
[编辑]- ^ Michael P. Marder. Research Methods for Science. Cambridge University Press. 2011-01-27. ISBN 978-1-139-49388-8.
- ^ Einstein, Albert. Die Feldgleichungen der Gravitation. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. 1915: 844–847.
- ^ Penrose, Roger. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Jonathan Cape. 2004: 455–470. ISBN 978-0224044479.
- ^ Jammer, Max. The Conceptual Development of Quantum Mechanics. McGraw-Hill. 1966: 1–20.
- ^ Weinberg, Steven. The Quantum Theory of Fields, Volume I: Foundations. Cambridge University Press. 1995: 1–19. ISBN 978-0521550017.
- ^ Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. Theory of Superconductivity. Physical Review. 1957, 108 (5): 1175–1204. doi:10.1103/PhysRev.108.1175.
外部連結
[编辑]- 怎樣成為傑出的理論物理學者？ （页面存档备份，存于互联网档案馆）－1999年諾貝爾物理學獎得主傑拉德·特·胡夫特的金石良言。
- Timeline of Theoretical Physics
- MIT Center for Theoretical Physics （页面存档备份，存于互联网档案馆）
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