开源大世界

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====== 物理学 ======

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物理学是研究物质与运动的基本规律的科学，其内容包 括物质的结构，物质间的各种基本相互作用和物质的一些基本运动形态等。 

===== 物质世界 =====

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物质世界包罗万象，层次繁多。在小尺度（小于纳米）的微观领域内，存在有不同层次的粒子 ，诸如基本粒子、原子核 、原子与分子等，相应地有物理学的分支学科，如粒子物理、原子核物理以及原子与分子物理。在人们感官可感知的宏观领域内，存在有不同的聚集态，诸如固态、液态、气态和等离子态，相应地有凝聚态（包括固态与液态）物理和等离子体物理等。众多物相可以汇聚成尺度更大的体系，诸如行星、恒星、星系、星系团等，乃至于囊括一切的宇宙，均可以作为物理学研究的对象。这些就构成与地球科学、天文学的交叉学科：地球物理 、天体物理与宇宙学。 

===== 物质的基本相互作用 =====

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物质的基本相互作用目前已知共有４种，即长程的万有引力与电磁作用力和短程（局限10<sup>-15</sup>m 之内）的弱作用力与强作用力。长程的 相互作用是人们感官得以直接感知的，而短程相互作用仅出现在原子核内部和一些基本粒子之间相互作用是通过场的媒介来传递的，引力场 、电磁场与规范场即为其实例。因而对场的研究在现代物理学中也占有重要地位。 

===== 运动形态 =====

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 物理学所关注的运动形态，有宏观的，如机械运动、电磁现象与热现象，相应的学科为力学与声学、电磁学与光学、热学；也有微观的，如各个层次粒子的运动、跃迁与反应，构成了粒子物理、原子与分子物理所研究的对象。物质的运动总是在一定的空间和时间里呈现的 ， 
这样空间、时间及其参考系也成为物理学研究的对象。

===== 实验研究 =====

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实验研究是物理学的基础。精密的定量测量构成了物理学的特色。只有在取得大量的经验规律之后，方始可能建立融会贯通的理论体系。而这些理论又会对某些特定问题提出具体的预言，有待于物理实验来对之甄别，即予以证实或证伪。这样，经过了实验物理学家与理论物理学家的大量工作和反复推敲，去伪存真，使得物理学的理论具有了一定程度的可信性。当然，随着研究范围的扩大以及研究深度与精确度的提高，又会发现一些现象的实验结果与原有理论相悖，导致对理论的修正和更改，在某些情况下，甚至推翻原有的理论，建立新的理论。大量的例证存在于物理学史之中。

===== 历史 =====

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经典力学是物理学中最早成熟的分支学科。17世纪初开普勒根据天文学的观测数据导出了行星运动三定律这个重要的经验规律。几乎同时，伽利略通过落体、抛物体和摆的实验，总结出动力学的初步理论。随后牛顿进行了深入的研究，总结出三条运动定律和万有引力定律，为经典力学奠定了基础。以后的发展体现于许多方面，一方面在应用上大见成效，其次是在表述上变换得更加精巧和具有普适性，进而推广到不同性质的媒质，分别创建了刚体力学，弹性力学，流体力学和声学（处理机械波的传播） 。

电磁学在18 、19世纪取得重大进展，通过库仑、安培、法拉第等人的实验研究，建立了有关静电、静磁与电磁现象的若干基本规律。集其大成的是19世纪下半叶的麦克斯韦，他总结出了能够全面描述电磁现象的基本理论，即麦克斯韦方程组。这一理论预言了电磁波，随后即为赫兹的实验所证实。原来独立发展的光学，至此归结为可见频段的电磁波的研究，从而纳入了电磁学的范围。探索和研究宽广的电磁波谱，从无线电波到微波与厘米波，从红外光、可见光到紫外光，从Χ 射线到γ 射线，一直持续到20世纪。

对热现象的研究导致19世纪中叶热力学的建立。其第一定律就是能量守恒定律，适用于任何宏观与微观过程，其有效性遍及物理学和整个自然科学；其第二定律就是熵恒增定律，确定了不可逆过程中的时间之矢。对热现象在微观层次上进行探究，导致了分子动理学和经典统计物理学的问世，麦克斯韦、玻尔兹曼与吉布斯对它作出了重要贡献。这是在物理学中首次明确地引入了微观粒子（分子与原子）的概念。

在20世纪初物理学出现了两大突破，即相对论与量子论。由于迈克尔逊与莫雷的精确测量不能发现地球的运动对光速的影响，1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，指出了一切惯性参考系应具相同的物理规律，肯定了经典电磁学的规律对于一切惯性参考系都有效，引入了相对论力学来处理高速运动的问题，也更新了人们对时空的概念并揭示新的质能关系。1916 年他基于惯性质量与引力质量等同的实验事实，提出了广义相对论。这是引力的几何理论，将引力和时空曲率相联系，从而提供了处理强引力场力学问题的有效方法。相对论弥补了经典物理学的一些漏洞，也为处理大尺度的天体和宇宙问题提供了合适的理论框架。

在19 、20 世纪之交，由于黑体辐射与光电效应的实验结果与经典物理学有明显矛盾，普朗克与爱因斯坦提出了初步的量子论。1913年玻尔提出了量子论的原子模型来解释氢光谱线系的经验规律。随后德布罗意提出粒子与波动二象性的概念。1925 年海森伯与薛定谔表述了量子力学，给出了统一描述微观粒子行为的基本理论。量子力学问世之后，科学家用它来较全面地解决原子结构与分子结构问题，显示了它具有非凡的解决问题的能力。另一方面，量子力学也提供了理解化学周期表的物理基础，进而发展了量子化学和化学物理，进一步沟通了物理学和化学两大学科。1928 年狄拉克表述了（狭义）相对论的量子力学，到20世纪中叶量子电动力学开花结果，成功地从微观上来处理电磁相互作用问题。

从20世纪之初到20世纪40年代，从放射性的研究逐步开拓成以原子核结构与其反应为主要内容的原子核物理学。核裂变与核聚变的发现和应用创建了全新的原子能技术。加速器的能量一再提高，促进了以研究基本粒子为对象的高能物理学的发展。大量基本粒子（包括各种类型的轻子、夸克与中间玻色子） 被发现或推证，对它们进行测量、分类并理顺其关系，从而得出了粒子物理的标准模型（ 包括强子的夸克模型、量子色动力学与弱电磁互作用的统一理论） 。迄今为止，此模型未遇反例，成为20世纪后半叶物理学的重大成果之一。当前面临的挑战在于如何超越标准模型的框架，扩大统一场论和对称性的范围，以期将量子力学和广义相对论相融合起来。

20世纪也是天体物理学极其活跃的时代。现代天文学的视野开阔，观测手段先进，因而可以将星体、星系和宇宙视为无比庞大的实验用来甄别物理学的基础理论。一些观测的结果已可对宇宙演化模型提供若干制约。目前获得学界认可的是宇宙学标准模型，是从大爆炸的高能态开始的。这样一来，就将高能粒子物理学和早期宇宙联系在一起，标志了微观与宏观的两个极端却迂回地合二为一了。

原子与分子物理在20世纪50、60年代出现了新的转机。受激发射在微波和光波频段先后得到了实现，从而导致激光器的发明，开创有重大应用前景的激光技术，同时也使光学和原子与分子物理学焕发出新的生命力。

在20世纪30年代将量子力学与统计物理应用于固体中的电子和原子，创建了固体物理学。电子在周期晶格中传播导致了固体的能带理论，格波在周期晶格中传播导致了晶格动力学，通过实验和理论的研究得以确立。1947年晶体管的发明就是固体物理学对技术的重大贡献，导致了电子学技术的重大革命，成为当今信息技术的基础。电子间的相互作用引起了铁磁性和超导电性，其探讨既具实际意义又有理论价值，使理论进入了多体问题物理学的领域。另一方面研究对象也越出常规的晶体，准晶、玻璃、液晶、胶体、聚合物、生物聚合物等，都进入了视野。相应地固体物理学也不动声色地转化为凝聚态物理学。凝聚态物理学与材料科学密切相关，也成为发展新型电子学（微电子学、纳米电子学、磁电子学、超导电子学等）和光子学的基础。

经典物理学在20世纪亦萌发出一些新枝，如相变与临界现象以及非线性动力学（远离平衡态的失稳、图像形成、分形、混沌与湍流等） ，将为进一步理解复杂性这一疑难问题铺路架桥，也将促进物理学与化学、生物学、地学等相邻学科的相互交叉和渗透。可以说，物理学已成为自然科学、技术科学和工程科学的基础。