第1节什么是物理学

第1节什么是物理学物理学（physics）即万物皆有理，指事物的内在规律，事物的道理，是研究物质（质量）结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，是一门以实验和观察为基础的自然科学。

指示在科学界中事物的道理。

它研究声、光、热、电、力等形形色色的物理现象。

由来及历史发展中文里的“物理”一词，最早出现在战国时期，《鹖冠子·王鈇》一文中最早出现：“庞子云：‘愿闻其人情物理’，意思是事物的道理，之后被广泛运用，在《淮南子》，《庄子》，《荀子》等中国典籍中都有运用。

而外语中的“物理”（physics ）一词最早出现于古希腊文，原意是指自然。

早在石器时代前，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（Ptolemy）和亚里士多德（Aristotle）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，再举例如古希腊的思想家、哲学家、数学家、物理学家阿基米德（Archimedes）在力学方面导出了许多正确的结论，像我们熟知的阿基米德定律。

在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。

那时，物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。

在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。

在《墨经》中，有力的概念（“力，形之所以奋也”）的记述；光学方面，积累了关于光的直径、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。

《墨经》上关于光学知识的记载就有八条。

在古希腊的欧几里德（公元前450-380）等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。

发现磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。

声学方面，由于音乐的发展和乐器的创造，积累了不少乐律、共鸣方面的知识。

物质结构和相互作用方面，提出了原子论、以太等假设。

在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。

例如，我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声音共振实验和图1-1物理实验仪器图1-2各类物理现象利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例。

总之，从远古直到中世纪，由于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件并做了一些实验，但是这些都还称不上系统的自然科学研究。

在这个时期，物理学尚处在萌芽阶段。

十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。

近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。

系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。

牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。

整个十八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。

新的科学思想、方法和理论，得到了传播、完善和扩展。

牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。

人们以力学的模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。

到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻于完善。

由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据。

十九世纪末叶，物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。

由于生产技术的发展，精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革。

这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况，研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。

相对论和量子力学的建立，克服了经典物理学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生了质的飞跃，改变了人们的物理世界图景。

1927年以后，量子场论、原子核物理学、粒子物理学、天体物理学和现代宇宙学，得到了迅速的发展。

物理学向其它学科领域的推进，产生了一系列物理学的新部门和边缘学科，并为现代科学技术提供了新思路和新方法。

现代物理学的发展，引起了人们对物质、运动、空间、时间、因果律乃至生命现象的认识的重大变化，对物理学理论的性质的认识也发生了重大变化。

越来越多的事实表明，物理学在揭开微观和宏观深处的奥秘方面，正酝酿着新的重大突破。

现代物理学的理论成果应用于实践，出现了象原子能、半导体、计算机、激光、宇航等许多新技术科学。

这些新兴技术正有力地推动着新的科学技术革命，促进生产的发展。

而随着生产和新技术的发展，又反过来有力地促进物理学的发展。

这就是物理学的发展与生产发展的辩证关系。

物理学研究的范围物理学的论题涵盖了广泛的自然现象，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。

在物理学里，很多千变万化、无奇不有的现象，都可以用更简单的的现象来做合理的描述与解释。

物理学致力于追根究底，发掘可观测现象的根本原因，并且试图寻觅这些原因的任何连结关系。

物理学是一门基础科学（fundamental science），研图1-3物理学运动究主宰这些自然现象的基本定律是个很重要的目标。

许多其它学术领域，像化学、生物学，地质学，工程学等等，所涉及的物质系统都遵守物理定律。

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。

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。

现在，物理学已成为自然科学中最基础的学科之一。

物理理论通常是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，其正确性只能靠着反复的实验来检验。

物理学是一门实验科学,没有实验就没有物理学。

物理教学时应该以物理实验作为出发点,作为帮助学生探究物理知识的桥梁。

物理学的影响深远，这是因为物理学的突破时常会造成新科技的出现，物理学的新点子很容易会引起其它学术领域产生共鸣。

例如，在电磁学的进展，直接地导致像电视，电脑，家用电器等等新产品，大幅度地提升了整个社会的生活水平；核裂变的成功，使得核能发电不再是梦想。

阅读物理学的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年由菲立普·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。

原子物理受核的影晌。

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。