什么是物理学？2025年3月17日 | 阅读13分钟 研究物质的组成部分、物质的结构以及可观测宇宙的基本组成部分之间的相互作用的科学分支，称为物理学。物理学源自希腊语“physikos”，意为“自然研究”或“自然知识”，因此，广义上说，物理学是研究涉及自然各个方面和自然现象的科学，无论是亚微观层面还是宏观层面。  物理学的研究不仅包括物体在给定力下的行为，其范围还包括物体在自然界所有力的作用下的行为。因此，物理学研究也涉及自然界所有力的起源和作用，例如电磁力、引力、核力场等等，以及这些力在特定系统或特定物体上如何作用。物理学的最终目标是制定几个全面的原理，这些原理共同有效地解释所有一类自然现象。 对物理学的其他定义包括：“它是研究自然科学，研究与力与能量、空间和时间中的物体的运动与行为、物质及其基本组成部分相关的实体。”简而言之，物理学是科学中最基础的学科之一，其最终目标是理解宇宙如何运行和表现。物理学是历史最悠久的科学学科之一（如果算上天文学，可能是最古老的）。在17世纪科学革命之前，物理学、数学、生物学、化学和其他科学分支都属于自然哲学。但随着科学革命的发生，这些分支都从自然哲学或自然科学中独立出来，成为各自独特的研究领域。就今天而言，物理学与其他许多自然科学学科和其他领域交叉，从而形成了物理学家跨学科的研究领域。量子化学、生物物理学、热力学等都是物理学跨学科领域的例子，它们包含了其他自然科学分支的研究领域。 即使在今天，在17世纪科学革命近三个世纪后，也无法明确界定物理学的严格界限并将其与其他自然科学学科区分开来。物理学中不断涌现出许多新思想，这些思想常常能解释一些物理学研究的现象以及其他自然科学学科研究的基本机制。这些新兴思想也为哲学、数学等许多学科的学术研究开辟了新途径。 随着当今世界在物理学方面取得进步，这也为技术的发展和进步打开了大门，并直接导致了新产品的开发，这些产品以积极的方式改变了现代社会的格局。让我们通过以下示例来说明这一点： 示例 1：电磁学理解的进步直接导致了电视、计算机、手机、收音机等有用且重要的设备的开发 示例 2：核力领域的发展导致了核能、核电站和核武器的开发 示例 4：热力学及其概念的发展推动了工业化的进步 示例 4：固态物理学概念的进步导致了许多家用电器的开发 示例 5：力学概念的进步促成了微积分的诞生（微积分是物理学和数学中的一个跨学科研究领域） 物理学分支通常，物理学被分为以下两类或两种类型
但这两种物理学又进一步细分为许多分支，因此不能说物理学只有两个分支。物理学从自然现象中汲取了许多实验性和建设性的理论。物理学的不同分支是通过将这些理论组织成特定的类别而形成的。物理学的所有分支都属于其中一类，有些分支甚至是由两种物理学类型的理论和定律组成的。物理学的每个分支都有其现实生活中的范围和应用，人们可以在任何一个分支中获得出色的职业生涯并成为一名伟大的物理学家。但是，在追求任何一个物理学分支的职业之前，应该充分了解在该特定分支中将要学习和研究的内容，以免以后需要转到另一个分支。以下是物理学的不同分支及其详细解释 1) 力学力学，也称为经典力学，是物理学的一个分支，研究物体在特定运动状态下受力的物理模型。力学是来自希腊语“μηχανικ?”的数学和物理学的一个交叉学科。简单来说；力学是研究与力、运动和物质之间的关系相关的性质和理论的分支。力学的起源可以追溯到古希腊的物理学著作，如阿基米德和亚里士多德。在现代科学发展早期，牛顿、开普勒和伽利略等科学家为我们今天所知的经典力学奠定了基础。力学也被定义为物理学中研究速度小于光速或完全静止的粒子或物体的分支。 当力作用于粒子（无论静止还是运动）时，它会导致物体相对于其环境的位置发生变化或物体的位移。力学领域中，受牛顿运动定律、冷却系统以及其他物理现象支配的称为牛顿力学。以下是经常被视为独立物理学分支的力学子分支：
2) 热力学可以通过将物质或物质建模为硬球集合来描述气体的动理论，基于此，一个物理学分支（热力学）得以建立。在他的《费曼物理学讲义》一书的第一章中，这本书系统地解释了原子的存在和性质，费曼认为其中描述的陈述是物理学所有分支中最精炼的陈述。费曼在研究热力学时，认为利用热力学的理论和定律，即使所有其他自然科学知识都丢失，科学也能轻易地得出一些有用的理论。 物理学中研究宏观系统上体积、温度和压力变化对物理系统的影响的分支，称为热力学。热力学研究还包括能量以热量的形式传递所引起的变化。历史上，由于提高蒸汽机效率和生产率的愿望，热力学研究得到了发展和新的进展。学习热力学的起点是从热力学定律开始，这些定律表明熵（一个量的值）的存在可以被定义和计算任何给定的系统。热力学有四条定律，它们也指出两个给定系统之间的能量可以通过热量或功的形式相互传递。热力学中的一个系统由粒子组成，以表示热力学势和系统的内能，这两个量在确定自发过程和平衡过程的有利条件方面非常有帮助。 除了作为物理学的一个分支，热力学还在以下科学和工程领域得到广泛应用和使用
热力学有自己的分支，这些分支也被归类为物理学的子分支。以下是基于热力学定律的五种主要热力学分支：
上面列出的一些热力学分支是跨学科的，并在其他科学和工程领域具有应用范围。除此之外，许多应用热力学领域起源于该物理学分支中陈述的理论和定律。这些领域在有用技术和技术的开发中具有广泛的应用前景。以下是受热力学定律支配的应用热力学领域，它们也是自然科学的跨学科领域：
3) 电磁学研究电磁力（一种仅发生在带电粒子之间的力或相互作用）、电动势的物理学分支，简称为电磁学。由电场和磁场组成的电磁场携带带电粒子的电磁力，它们也负责光等电磁辐射。电磁力是自然界四种基本力（相互作用）之一，与引力、弱相互作用和强相互作用并列。高能条件下，电磁力和弱力统一为电弱力。 所有电磁现象都由电磁力定义，也称为洛伦兹力（因为他是第一个发现电磁力的人），它包括磁和电，但它们是同一现象的不同表现。日常生活中遇到的绝大多数物体都具有一套明确定义的内部性质，这是由于电磁力和它们的性质才得以实现。原子之所以能够结合在一起，是因为其电子和原子核之间存在电磁力。化学键之所以能够形成分子间力和分子力，也是因为化学键中存在的电磁力。化学各个分支和交叉学科领域研究的所有化学现象，都受电磁力性质的支配，因为邻近原子之间的电子会相互作用。 所有类型的邻近原子电子之间的化学反应都受原子之间存在的电磁力以及原子形成的化学键的支配。电子学（包括数字技术）和电力工程都基于电磁理论，并且电磁学在日常生活中使用的所有现代技术中都得到了广泛应用。除此之外，电磁学还有许多数学描述，其中描述电流、磁场和电场流动的麦克斯韦方程组最为突出。 电磁理论包括电理论和磁理论，因此，用于描述电磁力的单位是电和磁单位系统的一部分。这些单位主要基于电流的磁性以及带电粒子周围的磁场。以下是电磁学分支研究中使用的一些重要 SI 单位：
4) 相对论力学狭义相对论，它与力学和电磁学有着密切的关系，是物理学相对论力学分支的基础，相对论支配着该分支中的大多数原理。阿尔伯特·爱因斯坦首先提出了狭义相对论，它支配着从力学的静止作用原理到相对性原理的所有原理。这些原理被用来推导麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组也采用该理论的一些原理。阿尔伯特·爱因斯坦于1905年发表了一篇题为“论运动物体的电动力学”的文章，这是他首次发表或描述狭义相对论的文章。这篇文章也有助于解决经典力学原理和麦克斯韦方程组之间存在的矛盾。 5) 量子力学基于原子和亚原子系统相互作用时释放的能量的观察来处理原子和亚原子系统的物理学分支，称为量子力学。原子或亚原子系统相互作用时释放的能量以称为量子的小离散数据包或束的形式释放。量子力学是与物理学量子力学原理相关的以下交叉学科的基础
量子力学出现之前的经典物理学是一套只描述宏观尺度上存在的系统和物体并描述该尺度许多方面的原理和理论。但经典物理学的理论在描述原子和亚原子尺度系统时会失败。一个非常有趣的现象是，大多数经典物理学的理论都是从量子力学原理推导出来的，因为近似在宏观系统上也是有效的。 角动量、线动量、能量以及其他被限制在离散系统值（如量子化）内的量，是量子力学与经典物理学不同的方面或性质。量子力学包括物体的二重性，即物体的波粒二象性以及有界系统的其他量。 量子理论有许多重要的应用，常用于揭示构成所有物质的单个亚原子粒子（如光子、质子、电子、中子等）的行为。当今运行的大多数现代技术都显著地实现了量子力学和量子理论。以下是量子理论在现代技术和研究中的一些重要应用：
这些都是当今非常重要的话题，它们都与量子理论相关或受其支配。量子理论也是一个跨学科的分支或研究课题，因为它也与其他许多科学理论相关。以下是直接或间接与量子理论相关的科学理论：
以上列出的所有理论都非常有名，而且都以某种方式与量子理论相关。 6) 光学物理学分支，研究光的性质和行为，包括用于探测光及其与物质相互作用的仪器和元件的构造。通常，光学中的理论描述了红外线、紫外线和可见光，因为其他形式的光是电磁波，如无线电波、微波、X射线，它们构成了其他形式的电磁辐射。所有其他形式的光（电磁辐射）的行为和性质都通过电磁理论（包括电磁学）来描述。虽然实际的光学研究使用简化的光学模型和理论，但大多数光学现象仍然可以通过从电磁辐射理论中描述光来解释。 几何光学是实际光学中最常见的应用，在该类型光学中，光被视为射线的集合。在几何光学理论中，认为光沿直线传播，并在反射或穿过不同表面时移动或弯曲。另一种实际应用的光学类型是物理光学，它代表了一个更全面的光模型。在物理光学中，光被认为是具有波的性质，包括干涉和衍射等波动现象，这些现象无法用几何光学中的定律和理论来解释。几何光学中使用的光模型称为光线模型，它是首先发展起来的；在光波模型发展之前。在电磁学研究取得进展后，后来发现光波实际上是电磁辐射。 光学研究分为以下几个部分，然后根据光的性质和在每个部分下显示的不同现象进一步细分 (i) 经典光学：这部分光学根据光的波粒二象性进一步分为以下两类
(ii) 现代光学：它是光学的一部分，包括20世纪以来流行的光学工程和科学领域，如光学工程、光学物理学等。以下是属于光学工程类别的主要研究领域
光学是每个人日常生活的一部分，光学应用可以在许多技术中看到，如车辆中的透镜、激光、人眼等。以下是可以在日常使用中看到的一些主要光学应用：
7) 宇宙学它通常被认为是天文学的主要分支，但由于天文学和物理学的研究非常密切，因此也被视为物理学的一个分支。研究宇宙的起源、最终命运、其大尺度结构以及支配这些研究领域乃至宇宙的科学定律，称为物理宇宙学。物理宇宙学是天文学和物理学的一个交叉学科分支，它包含了两个领域的理论，并且该领域的许多发展都是因为物理学定律。 物理学的跨学科分支除了上面提到的所有物理学分支，它还有许多物理学的跨学科分支，其中包括物理学与其他学科（如化学、社会学等）的定律和理论。以下是一些著名的物理学跨学科分支，它们包含两个或多个领域的研究：
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