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物理学

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各种不同的物理现象。

物理学(希腊文φύσις自然)是研究物质能量的本质与性质,以及它们彼此之间相互作用的自然科学[1]由于物质与能量是所有科学研究的必须涉及的基本要素,所以物理学是自然科学中最基础的学科之一。物理学是一种实验科学,物理学者从观测与分析大自然的各种基于物质与能量的现象来找出其中的模式。这些模式(假说)称为“物理理论”,经得起实验检验的常用物理理论称为物理定律,直到有一天被证明是有错误为止(具可否证性)。物理学是由这些定律精致地建构而成。物理学是自然科学中最基础的学科之一。化学、生物学、考古学等等科学学术领域的理论都是建构于这些物理定律。[2]:1-2[3]:2-3

物理学是最古老的学术之一。[3]:2物理学、化学生物学等等原本都归属于自然哲学的范畴,直到十七世纪至十九世纪期间,才渐渐地从自然哲学中分别成长为独立的学术领域。[4]:193-194物理学与其它很多跨领域研究有相当的交集,如量子化学生物物理学等等。物理学的疆界并不是固定不变的,物理学里的创始突破时常可以用来解释这些跨领域研究的基础机制,有时还会开启崭新的跨领域研究。[2]:1-2

通过创建新理论与发展新科技,物理学对于人类文明有极为显著的贡献。例如,由于电磁学的快速发展,电灯电动机家用电器等新产品纷纷涌现,人类社会的生活水平也得到大幅提升。[2]:1[5]由于核子物理学日趋成熟,核能发电已不再是蓝图构想,但其所引致的安全问题也使人们意识到地球环境、生态与人类的脆弱渺小。

历史[编辑]

“物理”一词在英文里是“physics”,最先出自于古希腊文φύσις”,原意是“自然”。在中文里,这词最早可在战国时期佚书《鹖冠子·王𫓧篇》找到,“愿闻其人情物理所以啬万物与天地总与神明体正之道。”在这里,“物理”指的是一切事物之道理。[6]三国时期,杨泉著有《物理论》,是最早的书名含有“物理”一词的著作。[7]明末清初科学家方以智受到西学影响,撰写了百科全书式著作《物理小识》,在这里,“物理”的含义已演化为学术之理,包括自然科学的各门领域与人文学的部分领域。[8][9]

清朝鸦片战争后,西方科学传入中国,此时的译者将“physics”翻译为“格致学”或“格物学”。“格物致知”这词源自于《礼记大学》:“致知在格物,格物而后致知”,用白话说,“若要增进知识,必须穷究事物之理,唯有穷究事物之理,才可增进知识”。这句话指出,明了事物是增进知识的关键方法。在物理学里,时常会利用观察、模拟、实验、推论、演绎等方法来获得知识。因此,将“physics”翻译为“格致学”或“格物学”似乎有道理。[10]:2-3

中国战国哲学家名家惠施邓析公孙龙,以及墨家,曾努力钻研宇宙间万物构成的原因。惠施有十个命题,主要是对自然界的分析,其中有些含有辩证的元素。他说:“至大无外,谓之大一;至小无内,谓之小一。”。“大一”是指整个空间大到无所不包,不再有外部;“小一”是指物质最小的单位,小到不可再分割,不再有内部[11]。名家的思想合同异以惠施为代表,认为“天与地卑,山与泽平”,万物“毕异”本为“毕同”,并无区别[11]。后期墨家认为物质世界是由微小的不可再分割的物质粒子所构成[11]

古希腊物理学[编辑]

1824年,在伦敦发行的《机械杂志》内的一副刻画。阿基米德说:“给我一个支点,我就可以撬起整个地球。”[12]:65-66

从古代以来,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。从观测与分析大自然的现象,早期人们找到其中的样式,并针对这些样式提出了各种理论,试图解释大自然的奥妙,然而他们所提出的大多数理论都不正确。以现代判据来看,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严格的实验检验,而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密亚里士多德提出的理论中,有些就与日常所能观察到的事实相悖。[13]:1, 28

尽管如此,仍有许多古学者贡献出相当正确的理论。古希腊哲学家泰勒斯(约前624年-约前546年)曾经远渡地中海,在美索不达米亚埃及学习天文学与几何,还加以推广延伸,发扬光大。他预测出公元前585年发生的日蚀,还能够估算船只离岸边的距离,又从金字塔的阴影计算出其高度。泰勒斯拒绝倚赖玄异或超自然因素来解释自然现象,他主张,任何事件的发生都有其不变与普适的因果关系。[12]:8-10, 28[14]公元前5世纪古希腊哲学家留基伯与学生德谟克利特率先提出原子论,认为所有物质皆是由不会毁坏、不可分割的原子所构成。[12]:14-15古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,如对于杠杆原理的解释[12]:65-66

中世纪伊斯兰世界的物理学[编辑]

从公元850年至950年间,大量希腊学术被翻译成阿拉伯文。穆斯林科学家从希腊人继承了亚里士多德物理学。在伊斯兰黄金时代,他们将这些学术发扬光大,特别强调观测的动作,发展出一种早期形式的科学方法[12]:130-131.[15]:362-363

海什木是光学的拓荒者。

伊本·沙尔英语Ibn Sahl肯迪海什木伊本·西那等等科学家在光学与视觉领域给出创新理论。海什木在著名著作《光学书英语Book of Optics》(Kitab al-Manazir)里,坚定地驳斥了古希腊的视觉理论——发射说,并且给出新理论。倚赖盖伦关于眼睛内部解剖结构的信息,他说明了光线如何进入眼睛,如何被聚焦与投射至眼睛的后部,他认为眼睛就如同“暗室”,光线进入一个小洞后,在暗室形成颠倒影像。很明显地,在这里,他所指的是针孔相机暗箱。他还描述怎样用暗室来观测日蚀。[16]:6-7

海什木的成就在阿拉伯世界并没有得到应有的重视。十二世纪,他的著作被翻译成拉丁文,书名为《透视》(Perspectiva)。直至十七世纪,这著作在欧洲是光学的标准参考书,强烈影响了后来约翰内斯·开普勒威铁鲁英语Witelo罗杰·培根等等科学家的研究。[16]:6-7[17]:86, 209

经典物理学[编辑]

艾萨克·牛顿(1643年-1727年)

经典物理学指的是不涉及到量子力学或相对论的物理学,例如,牛顿力学热力学麦克斯韦电磁学等等。[18]经典物理学的盛期开始于十六世纪的第一次科学革命,终止于十九世纪末。[19]:67[20]:11尼古拉·哥白尼打响了科学革命的第一枪,他于1543年提出了描述太阳系统的日心说,这理论推翻了托勒密的地心说。在1609年与1619年期间,约翰内斯·开普勒发表了主导行星运动的定律,他用数学方程准确估算出从天文观测获得的行星绕着太阳的公转数据,从而给予日心说强而有力的理论支持。伽利略·伽利莱做实验研究物体运动,发现落体定律,并且展示出实验方法对于科学研究的重要性。他倚赖使用实验或观测所获得的证据,而不是倚靠纯粹推理,来证实任何假说的正确性。他强调使用数学来描述物理现象,大自然的语言是数学,假若不懂数学,则无法明白大自然。1687年,艾萨克·牛顿提出的牛顿运动定律万有引力定律为经典物理学奠定了稳固的基础,他创建了微积分,给出一种新的高功能数学方法来研析物理问题。他为第一次科学革命画上了完美的终止符。[21][19]:84, 98物理学展现出两个独门特征:使用实验证据来检视物理定律、采用数学语言来表述物理定律。物理学逐渐发展进步,成为一门独立学科。[19]:100[4]:193-194

现代物理学[编辑]

二十世纪初期,物理学者发现经典物理学存在着极严重的瑕疵:迈克耳孙-莫雷实验的零结果不符合经典物理学的预测,黑体辐射谱不符合热力学的预测,经典电磁学无法解释光电效应与原子光谱,放射性物质的物理性质貌似与经典物理学的决定论背道而驰。这些瑕疵给学术界带来了一场前所未有的考验,彻底地动摇了旧理论体系的基石,导致了二十世纪物理学两大理论体系相对论量子力学的出现,进而开始了现代物理学的纪元。相对论和量子力学对于这些难题给出合理解答。不仅如此,物理学者应用相对论和量子力学于像原子、分子等等的微观系统,以及各种凝聚态宏观系统,从而更为深切地揭示大自然的工作机制,并且促进物质文明蓬勃发展。[22]:1-2

核心理论[编辑]

虽然物理学的研究范围十分广泛,物理学者时常会使用到某些物理学的核心理论。这些理论皆已通过很多不同实验的多次检验,并且对于自然现象的预测被认为足够准确,例如,经典力学的理论能够准确地描述物体的运动,但必须满足两个前提,一是物体尺寸超大于原子、二是物体运动速度超小于光速[23]:2当今,这些核心理论仍旧是很热门的研究领域。例如,二十世纪后半期,即在牛顿(1642年–1727年)表述经典力学整整三个世纪之后,学者发现与创建了混沌理论,其揭示了力学系统的决定论可预测性英语deterministic predictability是一个错误的观念。[24]

这些核心理论大致包括于经典力学量子力学热力学统计力学电磁学狭义相对论等等基础物理学领域,是进阶研究专门论题的重要工具。[25]

经典物理学[编辑]

经典物理学包括那些在二十世纪初已成熟的传统学术分支领域:经典力学声学光学热力学电磁学等等。[18]

经典力学研究受力物体的运动状况。牛顿定律是经典力学的基础定律。经典力学分为静力学运动学动力学。静力学论述处于静力平衡的物体所感受到力与力矩。运动学描述物体的运动,完全不考虑力或质量等等影响运动的因素。动力学研究改变物体运动的因素与物体运动如何因此改变。按照表述方式的不同,经典力学又可分为矢量力学分析力学。矢量力学着重于论述位移速度加速度、力等等矢量间的关系,而分析力学则从受力物体运动时的拉格朗日量哈密顿量来分析物体的运动行为。[26]:绪论[27]:5-6

声学是研究声音的制造、控制、传播、接收与效应的学术领域。[28]超声波学生物声学英语bioacoustics电声学英语electroacoustics是声学所包含的一些重要现代分支领域。超声波学研究超过人类听觉能力的高频率声波,在医学诊断与医学治疗方面有很多重要用途。生物声学研究涉及动物的声波。电声波学研究电声设备的操控。[29]

光学专注于光的性质与行为的物理学分支领域。[30]光在几何光学里被视为光线,能够以直线移动,直到遇到不同介质时,才会改变方向。反射、折射等现象都可以用几何光学的理论来解释。光在物理光学里被视为光波,能够用来描述衍射干涉偏振等等现象。[31]:149

热力学主要研究热量机械功彼此之间的转换。在热力学里,通常透过描述物理系统平均性质的宏观变量,像温度内能压强等等来解释自然现象。热力学研究这些宏观变量彼此之间的关系(如麦克斯韦关系式)、以及它们的改变对于物理系统的影响。[32]:51-56学习热力学的起跑点是热力学定律。热力学不研究物质的微观性质,这属于统计力学领域。从统计力学的理论可以推导出热力学定律。[32]:195统计力学应用概率论来研究由大量粒子组成的系统的物理行为。统计力学将单独原子或分子的微观性质桥接至大块物质的宏观性质,对于这些宏观性质给出微观层级的诠释。在大尺度的实验中可以测量到这些宏观性质,[33]:ix-x

电磁学描述带电粒子电场磁场的相互作用。电磁学的分支有静电学静磁学电动力学等等。静电学研究静止带电粒子彼此之间的相互作用。静磁学研究所有涉及常定磁场的现象。电动力学研究所有涉及加速度带电粒子、电磁辐射、时变电场与时变磁场的现象。经典电磁学的基础理论是麦克斯韦方程洛伦兹力方程[34]光波电磁波的一种,可由带电粒子的加速度运动产生。[35]

现代物理学[编辑]

于1927年召开的第五次索尔维会议,全世界当时最卓越的物理学者齐聚一堂、脑力激荡,商讨量子理论。

经典物理学通常用以阐述日常可观察尺寸的系统现象,而现代物理学通常用以阐述极端或非常大尺寸、非常小尺寸的系统现象。例如,化学元素可以被辨识的最小尺寸是原子物理学核子物理学探索物质所操作的尺寸。而粒子物理学操作的尺寸则更为微小,它论述的是基本粒子或由基本粒子组成的粒子。由于使用大型粒子加速器来产生基本粒子需要非常巨大的能量,所以通常粒子物理学又称为高能量物理学。对于粒子物理学所研究的物理系统,那些关于空间、时间、物质、能量的普通常识不再适用,必须加以修改。[22]:269, 477, 561

现代物理学的两种核心理论给出关于空间、时间、物质、能量的崭新绘景。量子力学论述发生于原子层级与亚原子层级各种现象的离散性质,以及在关于这些现象的描述里的粒子与波动的互补性质。相对论阐述,处于某参考系的观察者,所观察到在另外一个以相对速度移动的参考系发生的现象。相对论又可分为狭义相对论广义相对论。狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及重力(弯曲时空),即狭义相对论只涉及那些没有重力作用或者重力作用可以忽略的问题,而广义相对论则是研讨那些涉及重力的论题。[22]:1-4, 115, 185-187

经典物理学与现代物理学之间的差异[编辑]

按照尺寸与速度分类,物理学的四大领域。[23]:2

物理学的一大研究目标是在发现普适定律英语universal law,即毫无例外的规律,但似乎每一种物理理论都只适用于某些明确值域。[36]:第9.1节大致而言,经典物理学的定律能够准确地描述长度超大于原子尺度、速度超小于光速的系统。在这适用范围以外,实验结果与理论预测并不相符合。狭义相对论彻底地丢弃了绝对时间与绝对空间的概念,且以四维时空取而代之,因此得以准确地描述速度接近光速的系统,即相对论性系统。[22]:11-12量子力学不似经典物理学一般决定性地描述宏观物体的物理行为,而是统计性地描述微观系统的物理行为,它成功地通过了当今任何检试其正确性的精密复杂实验。[22]:221-225[37]

量子场论统一了量子力学和狭义相对论,是粒子物理学不可或缺的基础理论。[23]:2电磁相互作用弱相互作用也已被合并为弱电相互作用[23]:338-346物理学者期望在不久的未来,电磁相互作用强相互作用弱相互作用能够被收敛在大统一理论的论述内。[23]:84-85广义相对论将时空延伸为动态的弯曲时空,能够描述大质量系统和宇宙的大尺寸结构。[22]:3-4但是,广义相对论与其它种基础相互作用表述尚未能被统一为单一理论;科学家仍旧在发展几种可能的量子引力理论。[38]

与其它学术领域之间的关系[编辑]

物理与数学相辅相成[编辑]

数学是研读物理必备的工具之一,这包括几何、代数、微积分等等。应用这些数学工具,物理学者可以从物理定律推导与演算出很多有意思的结果。例如,1912年,图利奥·勒维奇维塔获知阿尔伯特·爱因斯坦在探索重力的相对性理论中,遇到一些挫折,他便力劝爱因斯坦学习张量微积分。爱因斯坦采纳了勒维奇维塔的建议,勤学张量微积分,并于1915年成功创立了广义相对论[39]。如同大多数英国的理论物理学者,罗杰·彭罗斯读大学时专修数学,因此有深厚的数学造诣,能够将拓扑学方法引入相对论研究,证明在每一个黑洞的中心存在着一个奇点,这就是在宇宙学里著名的奇性定理[40]:462, 469

数学在物理学里的主要角色并不是推导与演算的优良工具,它还扮演了一个更关键的角色:作为一种抽象语言,担当精准地表述物理定律之任。实际而言,物理定律必须先用数学语言来表述,然后才能将数学工具的功能发挥至极。伽利略在1622年著作《分析者英语Il Saggiatore》里提到,数学是大自然表达其内涵所用的语言,假若弃之不用,则无法了解大自然的任何一句话[41]。物理学依赖数学来给出准确的公式、准确或近似的解答、定量的结果或预测[42]理查·费曼在著作《物理之美英语The Character of Physical Law》里也有类似的表示,他认为,不知道数学的人很难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关大自然的事物,或者想鉴赏大自然,就必须了解大自然所用的语言[43]

数学语言在表述物理定律的同时,也表述出内含的数学概念。例如,根据量子力学的数学表述,在量子力学里,有两个基础概念:物理系统的量子态是以希尔伯特空间的单位矢量来代表,从观察物理系统得到的可观察量是以作用于这些矢量的厄米算符来代表。一旦找到了这两个基础物理概念的对应数学概念,整个线性代数的理论都可以立刻应用于量子力学。这凸显出数学的重要性与适应性[44]

在数学理论里弥漫着数学语言,其伴随的数学概念往往会指出前进的道路,有时甚至会衍生出经验预测。这并不只是巧合,而恰恰反映出在数学与物理之间无比深奥的关系。例如,1915年,广义相对论最初创立之时,尚没有什么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年天体物理学者亚瑟·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。时至今日,广义相对论的理论预测已由实验测量结果证实[39]

应用与影响[编辑]

人脑纵切面的核磁共振成像
计算机模拟显示出航天飞机重回大气层时的受热状况。

物理学是一门基础科学,不是应用科学[45]。物理学也被认为是基础科学中的基础科学,因为其它自然科学的分支,像化学天文学地球物理学生物学的理论都必须遵守物理定律[46]:94ff。例如,化学研究物质的性质、结构、化学反应(化学专注于原子尺寸,这是化学与物理的主要界线)。结构的形成是因为粒子与粒子之间彼此相互作用。能量守恒、动量守恒、电荷守恒等,这些物理定律主导了物质性质和化学反应。

应用物理学指的是针对实际用途而进行的物理研究。应用物理学的课程规划通常会选修一些应用学科的课程,像地质学电机工程学。应用物理学与工程学不同,应用物理学不会特别地设计某种元件或机器,而是用物理理论或从事物理研究来发展某种新科技或解析某问题。

工程学应用到很多物理理论。例如,在学习建造桥梁与其它建筑物的技术之前,必须先学会静力学的理论。设计世界一流的音乐厅,必须先学会声学。设计与制造更优良的光学元件必须先精思熟读光学。经过考虑种种物理因素而设计出来的飞行模拟器电子游戏电影等等,会显得更加维妙维肖、栩栩如生。

物理学使用的一些探本溯源、格物致知的方法也可用于跨学科领域。物理学或多或少地影响了很多重要学术领域,例如,经济物理学英语econophysics应用大量物理学里的理论与方法来解析经济学问题,这些问题时常会涉及不确定性混沌

学术研究[编辑]

科学方法[编辑]

科学方法是一种用来解答问题的系统性程序,通过这种程序,可以发展出对于大自然现象的合理解释。从观察自然现象、阅读书籍或讨论中,时常会找到有意义的问题。假若问题过于复杂,则必须剥除其无关紧要部分,找到核心思想,将问题简化,[47]:191-192进而发展出能够解释这问题并且被实验检试的假说。经过实验检试后,或许需要对于假说加以改善或驳回。这严格过程可能会重复多次,直到假说的预测能够符合实验结果为止,这假说才能被学术界接受成为科学理论。[48]:295-297[49][46]:66ff

实验检试必须拥有抓出科学理论的瑕疵的能力。卡尔·波普尔强调,科学理论必须具有可证伪性。换句话说,必须能够对于理论预言与实验结果做比较,假若两者不一致,则不能承认这科学理论的正确性。[50]然而近期,有些弦理论学者与宇宙学学者主张,一个足够精致并且能够对相关问题给出解释的理论不需要通过实验检试,例如,至今为止,弦理论是唯一能够统一四种基本相互作用的理论,但是它所提出的额外维度概念,是无法做实验观测到的。在宇宙学方面,多重宇宙论前大爆炸理论都涉及到无法观测到的论述。理论物理学者保罗·斯泰恩哈特表示,宇宙暴胀理论不是科学理论,因为所有观测结果都会与它的预测相符合,换句话说,它不具可证伪性。对于这些理论是否为科学理论这问题,必须更加仔细研究与辩论。[51]

理论与实验[编辑]

物理学研究大致分为理论研究与实验研究。理查·费曼表明两者的相同与不同之处:[46]:39

理论物理学者想像、推演与猜想新的定律,但不做实验,而实验物理学者则是做实验、想像、推演与猜想。

理论研究和实验研究一般是分开进行的,然而它们彼此之间息息相关、缺一不可。实验结果对于理论发展给出建议,理论预测对于实验设计给出引领。[52]:148 过去几百年来,实验结果驱使了理论物理的进展,最近几十年来,物理学的演进方式已大幅度改变,在某些物理学分支领域,理论预测驱使了实验物理的方向。通常而言,当实验者发现一个新现象,而已知理论无法解释这新现象时,或者当根据新理论所作出的预测,可以通过设计精致实验来检验时,持着大胆假设,小心求证的研究态度,物理学往往会有所进展。[53]例如,在大型强子对撞机进行的各项研究完美地展示出理论物理学与实验物理学的相辅相成。由于先前理论物理学者预测希格斯玻色子存在,实验物理学者才会坚持不断地做实验探索其踪迹,在经过几十年努力后,终于证实了希格斯玻色子确切存在。当今,理论物理学者正等待更多实践数据来指示未来的理论研究方向。[54]

实验物理学者设计与完成实验来检试理论的预测与探索新的物理现象。[55]实验物理学者探索大自然奥秘的方式有两种,一种是消极方式,如同天文观测者的作法,因为无法操控宇宙星体的物理行为,另一种是积极方式,如同粒子实验者的作法,操控粒子来展示其行为与性质。[56][57]:1-2

实验物理学扩展了工程学科技,也被工程学与科技所扩展。涉及基础研究的实验者,在做实验时,时常会接触到像粒子加速器激光一类的先进器材;而那些涉及应用研究的实验者,时常会在工业就职,开发像正电子发射计算机断层扫描晶体管一类的科技。有时候,某些很有意思的区域,虽然理论物理学者尚未探索论证,实验者也会先行做实验检验测试。[57]:30-31[43]:157

理论物理学者试图发展数学模型,这模型必须能够合理地解释其所针对的物理现象,这模型的预测还必须与实验数据相符合。[58]:9理论物理学应该可能是影响最大、成本最少的基础研究领域。理论物理学推进了人类对于大自然的基本知识,又对于明日科技撒播了珍贵的种子。半导体太阳能电池激光全球定位系统发光二极管核裂变核磁共振等等对于人类文明有重大贡献的科技皆是源于理论物理学者给出的突破。[59]

唯象专家努力探索理论与实验之间错综复杂的交集区;他们专注于研究从实验所观测到的复杂现象,试图找到这些复杂现象与物理理论之间的关系。唯象专家计算理论模型的预测,并将这些预测跟实验数据做比较。[60]:111[61]

范畴与目标[编辑]

物理学涵盖广泛的自然现象,从微乎其微的基本粒子(像:夸克中微子电子)到庞大无比的超星系团都是研究对象。很多千变万化的现象,都可用更基础的现象来做合理的描述与解释。物理学是一门基础科学[46]:94ff物理学者致力于追根究底,发掘这些现象的根本原因,并试图寻觅其中任何连结关系。物理学者努力研究所得到的结果大致可归纳为一些明确的基础定律。其它许多学术领域,像生物学化学地质学工程学等等,所涉及的物质系统都遵守这些基础定律。但是,这些基础定律仍不完全。物理学对于自然现象所给出的描述与解释,只是近似事实,而不是绝对事实。[62]:3ff[46]:66-71

举例而言,古希腊人知道像琥珀一类的物质,当与毛皮磨擦时,会出现吸引力,使得这两种磨擦物互相吸引。[63]:50这性质后来称为电性。在十七世纪,学者开始慎密地研查这性质。[64]:8另外,在亚洲大陆的那一端,古中国人观测到某些石头(磁石),会通过某种看不见的作用力互相吸引。[65][66]这性质后来称为磁性。也是在十七世纪,学者开始严格地穷究其起因。[64]:8经过燃膏继晷、废寝忘食的努力,物理学者终于明白了这两种自然现象的基本成因——电和磁。但是,在二十世纪,经过更深入的研究,物理学者发现电和磁是电磁相互作用的两种不同表现。今天,这统一各种各样相互作用的程序仍旧方兴未艾,物理学者认为电磁相互作用和弱相互作用弱电相互作用的两种不同表现。物理学者的终极目标是找到一个完美的万有理论,其能够解释大自然的一切本质。[67]

研究领域[编辑]

现代物理研究大致分类为天文物理学原子分子与光物理学粒子物理学凝聚态物理学应用物理学等等。[68][69]有些大学的物理系也提供物理教育研究。[70]

自二十世纪以来,物理学的各个领域越加专业化,大多数物理学者整个职业生涯只专精于一个领域,像阿尔伯特·爱因斯坦(1879–1955)和列夫·朗道(1908–1968)这样的全才大师现在寥若晨星。[71]

粒子物理学[编辑]

模拟在大型强子对撞机紧凑μ子线圈里,希格斯玻色子出现的一个事件。

粒子物理学研究组成物质的基本粒子,它们的结构与它们彼此之间的相互作用和关系.[72]另外,粒子物理学者设计与发展做研究所需要的高能量加速器、[73]探测器与计算机程序。[74][75]由于在大自然的一般条件下,许多基本粒子不存在、存在的生命周期极短或无法单独出现,需待物理学者使用极高能量的粒子加速器碰撞来产生这些基本粒子,因此粒子物理学也被称为高能物理学[76]

标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这模型能够说明12种已知粒子(夸克轻子),这些粒子彼此之间以强力弱力电磁力引力进行相互作用。这些粒子会互相交换规范玻色子(分别为胶子光子W及Z玻色子)。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。2012年,欧洲核子研究组织宣布,探测到希格斯玻色子。[23]:49-52[77]

原子分子与光物理学[编辑]

原子分子与光物理学专注于研究原子、分子与光,以及研究光与物质之间、物质与物质之间的相互作用。阐明物理的基础定律、了解物质是怎样在原子与分子层次组构而成、明白光与物质之间的相互作用、发展出新技术与新器件,这些是原子分子与光物理学的中心目标。原子分子与光物理学发展出的实验与理论技术,时常会被应用于其它科学领域,例如,化学、天文物理学、生物学、医药学等等。对于很多其它科学领域,通过发展关于控制与操纵原子、分子与光的方法,或通过精确测量与分析它们的物理性质,或通过发展出新方法来制成具有某种特定性质的光,原子分子与光物理学扮演着赋能的角色。[78][79]:1

原子物理学研究原子的结构与物理性质。[80][81]:148原子物理学的研究主要分为三种趋势。第一是研究自然基础定律,这通常会涉及到高精确度测量。第二是了解原子的结构,以及原子与光的相互作用。第三是研究原子与电子之间、原子和离子之间的相互作用。[79]:53

分子物理学尝试了解分子的结构与物理性质,分子与分子之间怎样相互作用与进行反应,以及更复杂的物质状态,例如液体等等。分子物理学是跨立于物理与化学之边界的一门学问,其常用的重要工具有光谱学衍射共振分子束英语molecular beam质谱学等等。分子物理学的主要研究目标为:分子的形状与结构、分子的对称性、分子的内部能量态、分子的光学性质与电磁性质、探测分子的方法、在科技与生物学与医药学领域的应用。[79]:88[82]:10-13

光物理学研究的性质、光与物质之间的相互作用,这包括光的生成与探测、线性非线性光学过程、光谱学。光物理学的内容与应用光学、光工程学很邻近。光物理学专注于光的基础物理研究,应用光学注重于应用相关科技在其它科学领域,而光工程学则注重于光学器件的设计与发展。一些前瞻性研究领域为激光激光光谱学量子光学量子相干飞秒光学英语femtosecond optics激光冷却激光捕捉等等。[79]:110

凝聚态物理学[编辑]

铷原子气体的速度分布数据,由此确定了一种称为玻色-爱因斯坦凝聚的新物态

凝聚态物理学研究物质的宏观物理性质,例如,从测量物质的密度磁化强度电导率热导率等等所获得的数据可以得知它们对于外界影响的反应。在粒子与粒子之间的相互作用都是已知的相互作用的前提下,凝聚态物理学对于分析与描述多粒子系统给出工作框架。凝聚态物理学专注于多粒子系统,凝聚态指的是由大量粒子组成,并且粒子与粒子之间存在很强的相互作用的系统。[83][84]:1-3常见的凝聚态有固态液态,由于原子与原子之间因电磁力而形成的化学键,才会出现这些物态。比较罕见的凝聚态包括发生于非常低温系统里的超流体玻色-爱因斯坦凝聚态[85][86]在某些物质里的传导电子展现的超导态[87] 在某些磁性物质内部因为定域于原子晶格自旋而出现的铁磁态反铁磁态[84]:85-87

守恒定律对称性破缺主导了物质的宏观性质,这是凝聚态物理学的一个重要概念。在由大量粒子组成的孤立系统里,粒子数、能量、动量、电荷量等等都是守恒量。在足够高温度状况下,这系统具有较高的对称性,例如在自由空间里的旋转对称性平移对称性。假设降低温度,则会凝聚出新的热力学稳定态,其具有越来越多的对称性破缺,因此,对称性会变得越来越低。[84]:1-3

凝聚态物理学起源于十九世纪固体物理学低温物理学的发展,当今是物理学的最大分支,与化学材料科学纳米科技有相当程度的重叠。[83][88]

天文物理学[编辑]

哈勃超深空是以可见光拍摄的最深远的宇宙影象之一。

天文物理学主要研究的是宇宙星体的性质与结构。[89][90]这包括恒星行星星系星云暗星黑洞等等。天文学宇宙学是它的姊妹学术领域,很难将它们做严格区分。简略而言,天文学测量星体的位置、运动、光度等等,例如,某恒星的位置与光谱,天文物理学尝试了解星体的本质,例如,某恒星的内部结构与形成机制,宇宙学企图解释宇宙的整体或大尺度结构的本质,例如,大爆炸宇宙暴胀的机制。[91]

由于天文物理学是一门很广泛的学问,天文物理学者通常需要用到很多不同的学术理论,例如,经典力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等等,将这些学术理论应用于天文研究,例如,类星体致密双星大尺度结构恒星动力学等等,时常可以得到很有意义的答案。[92][93]

近期研究[编辑]

凝聚态物理学领域里,迈斯纳效应促使磁铁悬浮于超导体的上方。

虽然物理学是最古老的学术之一,时至今日,仍有许多具突破性的划时代研究在物理的各个分支领域夜以继日、如火如荼地进行中。

比如在电磁学领域里,液态的外部地核之所以常被比喻为发电机便是含有大量磁性物质的它不停热对流而产生电流与磁场。但人类至今仍无法解释同时受到柯氏力与对流影响的地磁,究竟为什么会翻转,而且上次翻转的时间间隔又远比历来长久。[来源请求]

凝聚态物理学领域里,某些物质在温度高于50 K仍旧具有超导电性,物理学者不清楚促成这高温超导现象的机制为何[94]。很多凝聚态实验的目标是制成可使用的自旋电子学元件和量子计算机元件[95][83]

粒子物理学领域,支持后标准模型物理学的实验证据已开始陆续出现。在这些结果之中,比较重要的是中微子具有非零质量的征象。这实验结果合理解答了瞩目已久的太阳中微子缺失问题,即有些中微子在从太阳传播到地球的路途中,会转换为实验无法侦测的别种类中微子的现象。带质量中微子的物理研究是很热门的理论与实验题目。辨明中微子震荡与反中微子震荡的不同之处也是个重要题目,其可以对于为什么宇宙里到处都是物质,而不是反物质这个宇宙学难题给出解答。很多实验都在寻找惰性中微子的蛛丝马迹。[96]

高能量大强子对撞器已开始侦测14TeV能量域,精致的后标准模型超对称理论所预测的粒子,或是约占宇宙物质85%的暗物质,这些都是大强子对撞器的探索目标。欧洲核子研究组织(CERN)宣布,大强子对撞机已发现希格斯玻色子,但数量有限,无法详细观察其性质,未来通过搜集更多数据,例如希格斯玻色子的各种衰变管道的频率,预期将能够发现任何不符合标准模型之物理行为,以及找到任何不同种类的希格斯玻色子。[97]

理论物理学领域,理论物理学者尝试将量子力学广义相对论统一成为量子引力理论。这研究已延续了大半个世纪,但至今仍未得到满意的答案。现今几个比较成功的理论为M理论超弦理论圈量子引力论[98][99]:296

天文物理学领域,许多天文宇宙现象仍旧没有找到合意的解答,如超高能量宇宙射线重子不对称性星系自转问题等等。[100][101]:60, 187-188.[102]以下列出一些重要论题:[103][104]

  • 研究宇宙的初始与命运:尝试解释大爆炸宇宙微波背景宇宙暴胀宇宙加速膨胀暗物质暗能量等等难题。
  • 研究宇宙的演化机制:宇宙怎样从大爆炸演化至当今的浩瀚星空?初始的恒星、星系与黑洞是怎样形成的?它门怎样影响后来天文星体的形成?各种天文星体是怎样形成的?
  • 研究邻近的系外行星:它们是否适合居住、是否已孕育生命?怎样才能观察到更多关于它们的信息?

虽然,高能物理、量子物理、天文物理等领域有很大的突破与进展,但对于许多涉及复杂系统混沌湍流等等日常发生的现象,科学家仍是一知半解。[105][106]:30[107]地震、断裂、生命等等现象只会发生于离平衡很远的状况,其所出现的系统称为离逖平衡系统英语far-from-equilibrium system。很多关于平衡系统或近平衡系统的物理行为都已被了解,但是,物理学者只知道些许主导离逖平衡系统的基本原理。[108]

参见[编辑]

注释[编辑]

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外部链接[编辑]