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物理学

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物理学(PHYSICS)是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学,简称物理。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。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和观测来检验。

物理学(英语:Physicses)是一种自然科学,主要研究的是物质,声光热力电的科学,在时空中物质的运动,和所有相关概念,包括能量和作用力。更广义地说,物理学是对于大自然的研究分析,目的是为了要明白宇宙的行为。

物理学是最古老的学术之一。在过去两千年,物理学与哲学,化学等经常被混淆在一起,相提并论。直到十六世纪科学革命之后,才单独成为一门现代科学。

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。

物理学与其他许多自然科学息息相关,如数学、化学、生物、天文和地质等。特别是数学和化学。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,而数学是物理的基本工具,也就是物理依赖着数学。  

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和观测来检验。

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。 

物理学是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展起来的,它经历了漫长的发展过程。纵观物理学的发展史,根据它不同阶段的特点,大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。

● 牛顿力学(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)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)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现

相对论(Relativity)研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律

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。

从石器时代起,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,比如地球、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,再举例如希腊的思想家阿基米德(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。

在十七世纪末期,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Dignāga及Dharmakirti所发展之光即为能量粒子之理论、由穆斯林科学家Ibn al-Haitham(Alhazen)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Nasir al-Din Tusi所指出托勒密体系之重大缺陷。

同样是在十七世纪,学者开始慎密地研查这性质。古中国人观测到某些石头(磁石),会通过某种看不见的作用力互相吸引,这性质后来称为磁性。也是在十七世纪,学者开始严格地穷究。经过燃膏继晷、废寝忘食的努力,物理学者终于明白了这两种自然现象的基本原因电和磁。但是,在二十世纪,经过更高深的研究,物理学者发现这两种作用力是电磁力的两个不同方面。今天,这统一各种各样作用力的程序仍旧方兴未艾,物理学者认为电磁力和弱核力是电弱作用(electroweak interaction)的两个不同方面。物理学者的终极目标是找到一个完美的万有理论,能够解释大自然的一切本质。

伽利略(1564年-1642年)人类现代物理学的创始人,奠定了人类现代物理科学的发展基础。

● 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;

⑤⑥一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,现在了解到了什么程度,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,甚至是所有学科所共同追求的目标。

以物理学为基础的相关科学:化学天文学,自然地理学及生物学等。

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