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物理学简称物理。欧洲“物理”一词的最先出自希腊文φυσικός,原意是指自然。古时欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。
从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问。汉语、日语中“物理”一词起自于明末清初科学家方以智的百科全书式著作《物理小识》。在物理学的领域中,研究的是宇宙的基本组成要素:物质、能量、空间、时间及它们的相互作用;借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。物理在经典时代是由与它极相像的自然哲学的研究所组成的,直到十九世纪物理才从哲学中分离出来成为一门实证科学。在现代,物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。物理学理论通常以数学的形式表达出来。经过大量严格的实验验证的物理学规律被称为物理学定律。然而如同其他很多自然科学理论一样,这些定律不能被证明,其正确性只能经过反覆的实验来检验。
物理学与其他许多自然科学息息相关,如化学、生物、天文和地质等。特别是化学。化学与某些物理学领域的关系深远,如量子力学、热力学和电磁学。
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从古时候起,人们就尝试着理解这个世界:为什么物体会往地上掉,为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质同样是一个谜,譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动,并且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这个世界,然而其中的大多数都是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论,它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒密和亚里士多德提出的理论,其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。当然也有例外,譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和天文学方面所给出的许多描述是正确的,再举例如希腊的思想家阿基米德在力学方面导出了许多正确的结论,比如阿基米德定律。
在17世纪末期,由于人们乐意对原先持有的真理提出疑问并寻求新的答案,最后导致了重大的科学进展,这个时期现在被称为科学革命。科学革命的前兆可回溯到在印度及波斯所做出的重要发展,包括:印度数学暨天文学家阿耶波多(Aryabhata)以日心的太阳系引力为基础所发展而成的行星轨道之椭圆的模型、哲学家Hindu及Jaina发展的原子理论基本概念、由印度佛教学者陈那(Dignāga)及法称(Dharmakirti)所发展之光即为能量粒子之理论、由穆斯林科学家伊本‧海萨姆(Ibn al-Haitham)所发展的光学理论、由波斯的天文学家Muhammad al-Fazari所发明的星象盘,以及波斯科学家纳西尔.艾德丁.图西(Nasir al-Din al-Tusi)所指出托勒密体系之重大缺陷。
仅管物理学的研究范围十分广泛,相对应的理论也很众多,但有一些理论被证明是最基本的,其正确性是被普遍接受的。这些理论被看作是物理学的中心学说和基础理论。他们也是成为一个物理学家所必备的知识。
| 理论 | 重要主题 | 重要概念 |
|---|---|---|
| 经典力学 | 牛顿运动定律、拉格朗日力学、哈密顿力学、转动学、静力学、动力学、声学、流体力学、连续介质力学、混沌理论 | 时间、空间、转动、位移、速度、加速度、质量、力、力矩、动量、角动量、能量、功、功率、振动、波、振动学 |
| 电磁学 | 电学、磁学、电动力学、马克斯威尔方程组、光学 | 电荷、电流、电导、电阻、电场、磁场、磁通、电磁场、电磁感应、电磁辐射、电磁波 |
| 热力学和统计力学 | 热机、分子运动论 | 温度、热量、内能、自由能、熵、压力、配分函数、平衡态、态函数、涨落、相、相变 |
| 相对论 | 狭义相对论、广义相对论、爱因斯坦场方程 | 时空、引力场、引力波、四维动量、洛仑兹变换、相对性原理、等效原理、协变性 |
| 量子力学 | 薛定谔方程、路径积分、量子场论、量子统计 | 波函数、哈密顿量、全同粒子、自旋、波粒二象性、不确定原理、零点能、量子、量子化、能级 |
物理学的研究领域主要依据研究对象的尺度划分。
| 领域 | 分支领域 | 主要理论 |
|---|---|---|
| 天体物理学 | 宇宙学、等离子体体物理学 | 大爆炸宇宙学、暴涨宇宙模型、广义相对论 |
| 凝聚态物理学 | 固体物理学、低温物理学、介观物理学 | BCS理论、费米气体理论、费米液体理论、多体理论 |
| 原子和分子物理 | 原子物理学、分子物理学、光学 | 量子光学、量子化学 |
| 亚原子和基本粒子物理 | 核子物理学、粒子物理学 | 标准模型、大统一理论、M理论 |
|
物理学分支 |
| 基础理论 |
| 经典力学 | 连续介质力学 | 热力学 | 统计力学 | 电动力学 | 相对论 | 量子力学 | 流体力学 | 固体力学 | 哈密顿力学 | 拉格朗日力学 | 天体力学 | 航天动力学 | 材料力学 | 运动学 | 动力学 | 静力学 |
| 研究领域 |
| 力学 | 声学 | 热学 | 电磁学 | 光学 凝聚态物理学 | 固体物理学 | 等离子体物理学 | 分子物理学 | 原子物理学 | 原子核物理学 | 粒子物理学 |
| 交叉和应用学科 |
| 天体物理学 | 生物物理学 | 物理化学 | 材料科学 | 电子科学 | 非线性物理学 | 计算物理学 |
| 自然科学 |
|---|
| 物理学 | 天文学 | 地球科学 | 化学 | 生物学 |
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