物理学，自然科学学科

基本定义

物理学是一种自然科学，注重于研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识；更广义地说，物理学探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。

物理学（physics）：物理现象、物质结构、物质相互作用、物质运动规律。

物理学研究的范围 ——物质世界的层次和数量级

空间尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、太阳山哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等。人蛇吞尾图形象地表示了物质空间尺寸的层次。

微观粒子（microscopic）：质子m

介观物质（mesoscopic）宏观物质（macroscopic）宇观物质（cosmological）类星体m

创造出量子力学光物质界面,能让光与物质,产生强烈的相互作用时间尺度：

基本粒子寿命 10 s

宇宙寿命 10 s

按空间尺度划分：量子力学、经典物理学、宇宙物理学

按速率大小划分：相对论物理学、非相对论物理学

按客体大小划分：微观、介观、宏观、宇观

按运动速度划分：低速，中速，高速

按研究方法划分：实验物理学、理论物理学、计算物理学

分类简介

牛顿力学（Newton mechanics）与分析力学（analytical mechanics）研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律

电磁学（electromagnetism）与电动力学（electrodynamics）研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律

热力学（thermodynamics）与统计力学（statistical mechanics）研究物质热运动的统计规律及其宏观表现

狭义相对论（special relativity）研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律。

广义相对论（general relativity）研究在大质量物体附近，物体在强引力场下的动力学行为。

量子力学（quantum mechanics）研究微观物质运动现象以及基本运动规律

此外，还有：

粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学等等。

研究领域

物理学研究的领域可分为下列四大方面：

1.凝聚态物理——研究物质宏观性质，这些物相内包含极大数目的组元，且组员间相互作用极强。最熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成。更多的凝聚态相包括超流和波色-爱因斯坦凝聚态（在十分低温时，某些原子系统内发现）；某些材料中导电电子呈现的超导相；原子点阵中出现的铁磁和反铁磁相。凝聚态物理一直是最大的的研究领域。历史上，它由固体物理生长出来。1967年由菲利普·安德森最早提出，采用此名。

2.原子，分子和光学物理——研究原子尺寸或几个原子结构范围内，物质-物质和光-物质的相互作用。这三个领域是密切相关的。因为它们使用类似的方法和有关的能量标度。它们都包括经典和量子的处理方法；从微观的角度处理问题。原子物理处理原子的壳层，集中在原子和离子的量子控制；冷却和诱捕；低温碰撞动力学；准确测量基本常数；电子在结构动力学方面的集体效应。原子物理受核的影响。但如核分裂，核合成等核内部现象则属高能物理。分子物理集中在多原子结构以及它们，内外部和物质及光的相互作用，这里的光学物理只研究光的基本特性及光与物质在微观领域的相互作用。

3.高能/粒子物理——粒子物理研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用；也可称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中与其它粒子高能碰撞下才出现。据基本粒子的相互作用标准模型描述，有12种已知物质的基本粒子模型（夸克和轻粒子）。它们通过强，弱和电磁基本力相互作用。标准模型还预言一种希格斯-波色粒子存在。现正寻找中。

4.天体物理——天体物理和天文学是物理的理论和方法用到研究星体的结构和演变，太阳系的起源，以及宇宙的相关问题。因为天体物理的范围宽。它用了物理的许多原理。包括力学，电磁学，统计力学，热力学和量子力学。1931年卡尔发现了天体发出的无线电讯号。开始了无线电天文学。天文学的前沿已被空间探索所扩展。地球大气的干扰使观察空间需用红外，超紫外，伽玛射线和x-射线。物理宇宙论研究在宇宙的大范围内宇宙的形成和演变。爱因斯坦的相对论在现代宇宙理论中起了中心的作用。20世纪早期哈勃从图中发现了宇宙在膨胀，促进了宇宙的稳定状态论和大爆炸之间的讨论。1964年宇宙微波背景的发现，证明了大爆炸理论可能是正确的。大爆炸模型建立在二个理论框架上：爱因斯坦的广义相对论和宇宙论原理。宇宙论已建立了ACDM宇宙演变模型；它包括宇宙的膨胀，黑能量和黑物质。从费米伽玛-射线望远镜的新数据和现有宇宙模型的改进，可期待出现许多可能性和发现。尤其是今后数年内，围绕黑物质方面可能有许多发现。

物理学史

古希腊时期是物理学的启蒙时期，最初作为物理学的要素，主要来自于天文学、光学、力学、物理哲学领域的知识。例如：托勒密的地心说、亚里士多德的四因论、阿基米德发现浮力定律和杠杆原理、德谟克利特的原子论。

1609~1619年 天文学家约翰内斯·开普勒先后发现开普勒行星运动三大定律。

伽利略·伽利雷（1564~1642年）人类现代物理学的创始人，被誉为“现代物理学之父”。奠定了人类现代物理科学的发展基础。

1687年 艾萨克·牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，统一了“天上的”和“地上的”力学，奠定了世界物理和天文学的基础，成为现代工程学的基础。

1785年 物理学家查尔斯·库仑发现库仑定律，是电学史中的一块重要的里程碑。

开尔文勋爵（1824~1907年）认识到温度的下限（即绝对零度），将热力学第一、二定理公式化，绝对温标的发明人，被称为热力学之父。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831~1879年）提出了将电、磁、光统归为电磁场现象的麦克斯韦方程组，实现了物理学自艾萨克·牛顿后的第二次统一。

阿尔伯特·爱因斯坦（1879~1955年）量子力学的奠基人之一，提出相对论，发现光电效应。

1900~1926年 建立了量子力学。

1926年 建立了费米狄拉克统计。

1927年 建立了布洛赫波的理论。

1928年 索末菲提出能带的猜想。

1929年 派尔斯提出禁带、空穴的概念，同年贝特提出了费米面的概念。

1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始。

1957年 皮帕得测量了第一个费米面超晶格材料纳米材料光子。

1958年杰克 .基尔比发明了集成电路。

20世纪70年代出现了大规模集成电路。

物理与物理技术的关系：

热机的发明和使用，提供了第一种模式：技术—— 物理—— 技术

电气化的进程，提供了第二种模式：物理—— 技术—— 物理

当今物理学和科学技术的关系两种模式并存，相互交叉，相互促进“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。例如：核能的利用、激光器的产生、层析成像技术(CT)、超导电子技术、粒子散射实验、X 射线的发现、受激辐射理论、低温超导微观理论、电子计算机的诞生。几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。

物理学的方法和科学态度：提出命题 → 理论解释 → 理论预言 → 实验验证 →修改理论。

现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，它的产生过程如下：

①物理命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来，或从已有原理中推演出来；

②首先尝试用已知理论对命题作解释、逻辑推理和数学演算。如现有理论不能完美解释，需修改原有模型或提出全新的理论模型；

④新理论模型必须提出预言，并且预言能够为实验所证实；

⑤一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则，当一个理论与实验事实不符时，它就面临着被修改或被推翻。

怎样学习物理学？

著名物理学家费曼说：科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象？著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。

学习的观点：从整体上逻辑地，协调地学习物理学，了解物理学中各个分支之间的相互联系。

物理学的本质：物理学并不研究自然界现象的机制（或者根本不能研究），我们只能在某些现象中感受自然界的规则，并试图以这些规则来解释自然界所发生任何的事情。我们有限的智力总试图在理解自然，并试图改变自然，这是物理学，甚至是所有自然科学共同追求的目标。

以物理学为基础的相关科学：生物学，化学，天文学，自然地理学等。

学科性质

基本性质

物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结。这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸，二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果，间接认识物质内部组成建立在的基础上。物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善。

其次，物理又是一种智能。

诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“如其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。

大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；——这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。——反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！

总之，物理学是对自然界概括规律性的总结，是概括经验科学性的理论认识。

六大性质

1.真理性：物理学的理论和实验揭示了自然界的奥秘，反映出物质运动的客观规律。

物理学[自然科学学科]2.和谐统一性：神秘的太空中天体的运动，在开普勒三定律的描绘下，显出多么的和谐有序。物理学上的几次大统一，也显示出美的感觉。牛顿用三大定律和万有引力定律把天上和地上所有宏观物体统一了。麦克斯韦电磁理论的建立，又使电和磁实现了统一。爱因斯坦质能方程又把质量和能量建立了统一。光的波粒二象性理论把粒子性、波动性实现了统一。爱因斯坦的相对论又把时间、空间统一了。

3.简洁性：物理规律的数学语言，体现了物理的简洁明快性。如：牛顿第二定律，爱因斯坦的质能方程，法拉第电磁感应定律。

4.对称性：对称一般指物体形状的对称性，深层次的对称表现为事物发展变化或客观规律的对称性。如：物理学中各种晶体的空间点阵结构具有高度的对称性。竖直上抛运动、简谐运动、波动镜像对称、磁电对称、作用力与反作用力对称、正粒子和反粒子、正物质和反物质、正电和负电等。

5.预测性：正确的物理理论，不仅能解释当时已发现的物理现象，更能预测当时无法探测到的物理现象。例如麦克斯韦电磁理论预测电磁波存在，卢瑟福预言中子的存在，菲涅尔的衍射理论预言圆盘衍射中央有泊松亮斑，狄拉克预言电子的存在。

6.精巧性：物理实验具有精巧性，设计方法的巧妙，使得物理现象更加明显。

诺贝尔奖

历届诺贝尔物理学奖获得者：