物理学

物理学（英文名：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，是其他自然科学和工程技术科学的研究基础，从事物理学研究工作的科学家被称为物理学家。物理学的研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律。

physics（物理学）是拉丁语physiica的中性复数，源自希腊语φυύσιs ，字面意思是“自然的事物”，演变从希腊语的φυύσιs （意为自然） 到φυσική （意为自然的）再到拉丁语的physica （意为自然哲学）最后才是英语的physics，在科学或学科（声学、经济学等）的名称中，会使用形容词的中性复数-ics后缀，“关于的”来表示“与之有关的事情”，-ics后缀来源于希腊语后缀-ika的中性复数变化-ikos和拉丁语后缀-ica的中性复数变化-icus，主要表示学科名称。

物理学在经典时代是由与它类似的自然哲学的研究所组成的，直到十九世纪物理学才从自然哲学中分离出来成为一门实证科学。

天文学是最古老的自然科学之一。公元前4000-前3000年左右，在底格里斯河和幼发拉底河的两河流域（美索不达米亚）、尼罗河流域（古埃及），印度河流域（古印度）以及中国的黄河流域等，先后出现了原始的农业定居区，在这些地区，天文学发展起来。古时的人们虽然开始了对天象的观测，并取得了某些成果，但对宇宙的认识却还处于十分幼稚的状态。他们通常是按照自己的生活环境，根据一些零星片断的观测事实来想象宇宙的构造。巴比伦人最早把天和地设想为浮在水上的两个扁盘，后来，建立新巴比伦王国的迦勒底人则进一步设想地是半球形的，周围是大洋，正中是高山，幼发拉底河就从那里发源，天穹则是一个在大地之上的更大的半球，在浮着地的大洋之外以及在天上居住着神灵，在天的东西两侧各有一根管子，太阳每天从东口升起，而从西口落下，翌晨再出于东口，古埃及人认为，世界象一只长方形的盒子，大地是盒底，天是盒盖，四周架在从大地四角隆起的四座大山顶上，天顶稍微拱起，环绕大地周围的是宇宙之河，尼罗河是宇宙之河从南方分出来的一个支流，流过大地的中央。我国最早的盖天说认为“天圆如张盖，地方如棋局”，认为天穹象倒扣着的锅，而大地是平的。后来经过改进后的盖天说则认为“天象盖笠，地法复槃”，进一步认为大地也是中央凸起的，在印度则把大地想象为负在几只大象上，而象则站在巨大的龟背上。那时候，居住在古代文明地区的各个民族，都把自己看成位于世界的中心，大地的中央，他们把四季的循环，昼夜的交替，日月食、彗星、新星的出现等种种自然现象都看成是至高无上的“神明”的有意安排。

公元前2953年—前2838年，伏羲发明了八卦，用阴爻（yáo）（符号为--）和阳爻（符号为-）交错顺序排列，构成八种元素，代表着八种自然现象：天、地、山、泽、风、雷、水、火，认为是八种元素相互组合，相互作用，引起了自然界的演化，产生了世界万物。

伏羲

约殷商时期（公元前1600年—前1046年）前，古代中国人发明了滑轮用于改变用力的方向或搬运重物，并称其为“滑车”。公元前1152年—前1056年，周文王对八卦进行了系统的研究和全面的阐释，并撰《周易》，《周易》记载：“是故易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”大意是说，万物的本源是处于原始状态的“太极”，生出天、地两仪，再生出春夏秋冬四象，又生出天、地、山、泽、风、火、雷、泽这八种“八卦”物质，八卦物质的变化产生了万物。

周文王

公元前1046年，武王提出五行说，认为组成世界万物的是水、火、木、金、土这五种物质要素。西周时期（公元前1046年—前771年），古代中国人形成了阴阳的概念，认为万物可分为“阴”和“阳”两个对立的属性，用阴阳的概念来解释天地的分离，四季的变化，解释干湿、冷热、升降等大量既对立又相互关联的现象，认为阳气的性质是蒸发上升，阴气的性质是沉滞下降，阳气上升形成天、阴气下沉形成地。

阴阳图

古希腊时期（公元前800-前30年左右，希腊古风时期到希腊化时期）米利都的哲学家泰勒斯（Thales）被称为“科学之父”，他和他的弟子是第一批从理性的角度探索自然现象奥秘而拒绝对自然现象的神话解释的人，被称为米利都学派。公元前580年左右，泰勒斯提出万物源于水的理论，他认为所有构成物质，包括土壤、空气、植物和动物等的都是由水构成，而地球是浮在广阔的海面上的一个圆盘，是处于凝固过程中的水，这一理论被视为探讨万物之本的科学研究的开端。公元前585年，泰勒斯记录了用木块摩擦过的琥珀能吸引碎草屑等轻小物体的能力。公元前 611-前546 年，泰勒斯的学生阿那克西曼德（Anaximander）提出无限理论，他认为事物的本源不是泰勒斯所假设的水而是一种无限的、充满空间的有生命的质料，将事物的所有性质归于这一无限，事物通过分离从中无限产生出来。

泰勒斯

公元前500年左右，赫拉克利特（Heraclitus）提出“永恒的变化”的学说，认为万物都处于流变的状态中；而同时期的巴门尼德（Parmenides）则提出了“思想与存在是同一的”命题，认为存在是永恒、不动、真实，可以被思想的；感性世界的具体事物是非存在、假象，不能被思想的。没有存在之外的思想，被思想的东西和思想的目标是同一的。

春秋战国时期（公元前770年—前221年）古代中国人发明了天平与杆秤，并称它们为“权衡”或“衡器”。“权”就是砝码或秤锤，“衡”是指秤杆，战国时期（公元前475年—前221年）以鲁国人墨翟为首的墨家学派著《墨经》，《墨经》记述了秤的杠杆原理，并对杠杆平衡的各种情形进行了讨论，墨翟在《墨经》中将滑轮称为“绳制”，并讨论了它的力学原理。墨家学派的学者把原子称作“端”，《墨经》中指出：“端，体之无厚而最前者也。”“（端）是无问也。”“端”的意思是萌芽的尖，墨家认为，端的尺寸非常小（“无厚”），因此，其内部是无间隙的，由于端是最小的，已无法对它再进行分割。还指出，端按一维方向积累就构成了“尺”、按二维积累就构成了“区”、按三维积累就构成了“穴”，最后构成了万物。

墨翟

同时期的道家学派创始人老子认为，“道生、一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，冲气以为和。”即万物生成前是一个混沌状态的世界，“道”是无形无象的混沌状态的精气，“一”与“道”在“老子”的哲学思想里是同义词“，”一生二“即混沌解离而诞生为阴阳二气，阴阳二气互相冲击而产生的中和气叫做“冲气”，阴气、阳气和冲气产生方物。宋钘、尹文从道家学派的理论出发，确立了精气学说，认为，精气和“道”一样，是宇宙间一切事物的最基本要素，按一定秩序结合起来就能生出方物。”鬼神“也只是精气派中出来的变格影像，精与气的本质都是基本要素，其差别仅在于，精是气中最精华的部分，是气的渊源。

老子

公元前428一前347年，柏拉图（Plato）将建立了一个“两球（地球天球）宇宙”的模型与“地球中心说”的天文学假设，将宇宙分成地球区域与天体区域两大区块。

柏拉图的两球宇宙模型

公元前367-前347年，柏拉图的学生亚里士多德（Aristotle）完成了著作《物理学》（phusikes akroaseos），他认为，世上所有的物体都由4种元素-—土、水、气和火构成.并假设土比水重、水比气重、而火为轻。他引入了“自然位置”的概念，认为每一个物体都有其“自然位置”，当物体处在自然位置时，就保持静止；偏离自然位置时，就要借助自然运动返回自然位置；提出了地心说，认为地球是宇宙的中心，地球静止不动，星星围绕地球运动.并解释地球所以不能运动，是因为它主要由土元素组成，土元素的自然位置在地心。他注意到，某些运动（如下落）无需外界帮助即可维持；而另外一些运动只有借助外界作用才能维持（如推车），他把前者称为“自然运动”，后者称为“强迫运动”，认为宇宙中所有的运动不是自然的，就是强迫的。

亚里士多德

公元前240年左右，埃拉托斯特尼（Eratosthenes of Cyrene）在没有使用任何精密的测量仪器的情况下首次测量了出地球的周长。公元前270年，阿里斯塔克斯（Aristarchusof Samos）提出日心说，认为所有的行星都围绕着太阳运转， 并测量了日、月、地之间的距离和相对大小。公元前 287-前212 年，阿基米德（Archimedes）创立了杠杆、滑轮和质点的理论，开发了复杂的滑轮和杠杆系统，以用最小的力移动大型物体。他在他的著作《论浮体》（On floating bodies）中提出了阿基米德浮力定律，当一个物体放入液体中时，物体的重量就会减轻，减轻的重量与被它所取代的那部分液体的重量相等。公元前190-前125年，喜帕恰斯（Hipparchus）继承了亚里士多德的观点，认为地球处于宇宙中心，行星围绕地球的运行是一个大圆，同时行星还有另一种小圆运动，实际运行就是类似于环状的运动。这些小圆套上大圆的模式，他称之为本轮模型，借助太阳系的均轮本轮模型以及观测记录，喜帕恰斯准确地预测日食和月食，并运用三角学方法计算出月球与地球距离。

阿基米德

希腊化时期后的罗马帝国时期，托勒密（Ptolemy，约 85—168年）对地心学说进行了改进，形成了自己系统化的一套地心说理论，在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行，为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮-均轮体系，以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。中世纪的西方教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分。

托勒密

约27-97年，东汉学者王充对精气学说作了全面的继承和发展，提出了较为完整的以气为基础的“元气自然论”，认为天地万物都是由“元气”构成的，元气是自然界万物的基础，元气是与云雾相似的最原始的物质元素。利用元气说解释了一些自然现象，如日食和月食、雷电、气候变化等。

王充

10-11世纪，伊本·海瑟姆（Ibn al-Haytham）做了大量的光学实验，确认了光线在不同介质的界面上发生折射时，入射线、折射线和入射点的法线同在一个平面之上，他还研究了球面镜、抛物面镜以及球面影像差别的问题，认识到了平凸透镜的放大作用，正确地解释了太阳和月亮在接近地平线时看起来要比在空中大些的原因；并著有《光学》（《optics》）一书，奠定了近代光学研究的基础。

伊本·海瑟姆

阿维森纳·伊本·西纳（AvicennaIbn Sina）在《治愈之书》（《 The Book of Healing》）发表了他的运动理论，其中他认为投掷者会给抛射物带来动力，并指出这种动力是暂时性的，即使在真空中也会减弱。他区分了“力”和“倾向”（称为“mayl”），并认为当物体与其自然运动相反时，该物体就获得了mayl。他将运动的连续性归因于传递给物体的“倾向”的大小，认为物体将一直运动到“倾向”耗尽为止。11-12世纪，阿布·巴拉卡特·巴格达迪（Abu'l-Barakāt al-Baghdādī）发展了阿维森纳·伊本·西纳的“倾向”理论，他认为，移动者会给予被移动物体强烈的倾向，但随着被移动物体远离移动者，这种倾向会减弱。他还提出了通过连续增量的功率与连续增量的速度的累积来解释下落物体的加速度。

阿维森纳·伊本·西纳

16-17世纪，哥白尼（Mikołaj Kopernik）出版了《天体运行论》（《De Revolutionibus Orbium Coelestium》），在这部书中，哥白尼阐述了他的日心和地动的观点：太阳是宇宙的中心，行星都围绕太阳运转；地球是运动的，是绕太阳运转的一个普通行星，它本身也在绕轴自转；月亮是地球的卫星，绕地球一周为一个月。地球带着月亮绕太阳运行。该书以全新的视角，把地球从居于宇宙的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况，使人类重新认识宇宙、地球乃至人类自身在宇宙中的位置，彻底打破了“地心说”，使天文学成为一门科学。

哥白尼

伽利略（Galileo Galilei）开创了动力学；伽利略对动力学的主要贡献是他的惯性原理和加速度实验。他研究了地面上自由落体、斜面运动、抛射体等运动，在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念并发现了匀加速运动的规律，采用科学实验和理论分析相结合的方法，指出了传统的亚里士多德的运动观点的错误，用自己的望远镜进行天文观测证实了哥白尼的日心说。伽利略（在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（《Dialogo sopra i due massimi systemi del mondo， tolemaico e copernicano》）一书中给出了伽利略相对性原理，认为在不同的参考系中的力学的基本规律相同，即在一切惯性参考系中力学规律都具有相同的数学形式，并提出了与力学相对性原理相应的伽利略变换。

伽利略

笛卡尔（René Descartes）认为，机械运动、位置移动，是物质运动的唯一形式。他在《哲学原理》（《The Principles of Philosophy》）中写道：所谓运动就是指“一个物体由此到彼地的动作”，他认为，如果一个物体改变了它的位置，为了防止出现真空，另一个物体必需同时发生位置的移动，而且，只有通过沿着一个封闭的循环运动，有限数目的物体，才能通过改变位置而不造成真空。他提出了以太旋涡说，认为宇宙是一个以太的海洋，每一个宇宙物质粒子让出一个位置后，其位置就被邻近的另一个物质粒子所占据，而所空出的新位置又同时被第三个物质粒子所占据。物质粒子的这种不断调换位置的运动，就是作循环的旋转运动，结果形成了物质的涡流。他指出，太阳是一个大旋涡的中心，巨大的旋涡推动行星绕太阳运动。旋涡如同一个研磨机，最小的物质粒子是火元素也是构成恒星的材料，球状的物质粒子是气元素，构成宇宙空间，各种形状的物质块，就是地球、行星与彗星。

笛卡尔

17世纪到19世纪间，从伽利略首先把实验、物理思维和数学演绎结合起来，经牛顿（Newton）发展，完成了经典力学体系的建立，开始了物理学作为一门系统定量的学科的历程。惠更斯（Christiaan Huygens）以伽利略所创建的基础为出发点，阐明了许多动力学概念和规律（包括摆的运动方程，离心力、摆动中心、转动惯量的概念）。他发现弹性体的碰撞规律，提出能量守恒原理：在两个物体的碰撞中，它们的质量和速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变；他是能量守恒理论的先驱。把动量概念引进了物理学，提出动量守恒原理。惠更斯原理认为：对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此相交而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论做了发展和补充，创立了“惠更斯—菲涅耳原理”，较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。惠更斯认为，光是一种机械波。光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”。惠更斯还发现了光的偏振现象。

惠更斯

牛顿在《自然哲学的数学原理》（《Philosophiae Naturalis Principia Mathematica》）中把伽利略提出并经笛卡尔完善的惯性定律写下来作为第一条运动定律，定义了质量、力和动量，指出动量的改变与外力的关系，并把它作为第二定律。同时，提出了关于作用力与反作用力之关系的第三定律。另外，他还总结了力的独立作用原理、伽利略相对性原理和动量守恒定律，阐述了他的绝对时空观。在《自然哲学的数学原理》中，牛顿继承了哥白尼（Mikołaj Kopernik）、开普勒（J.Kepler）、伽利略等人对行星运动的研究，首次提出向心力的概念，并把日常所见的重力和天体之间的引力统一起来，得出万有引力定律。这是物理学理论的第一次统一，万有引力定律说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律，还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象，根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对后续物理学和天文学的发展具有深远的影响。万有引力第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。

在《光学》（《optics》）中，牛顿记载了他对各种光学现象提出的问题。这些问题涉及光的颜色、光的反射与折射、光与真空、太阳光与物质的相互作用等诸多方面。关于光的本性，牛顿曾经支持光的“微粒说”，但他并非“微粒说”的坚持者，因为他也曾提出过“以太的振动”的说法。

牛顿

伯努利（Daniel Bernoull）开辟并命名了流体动力学这一学科，区分了流体静力学与动力学的不同概念。他出版了《流体动力学》（《Hydrodynamica》）一书，用流体的压强、密度和流速等作为描写流体运动的基本概念，引入了"势函数”“势能”来进行讨论，表述了关于理想流体稳定流动的伯努利方程。托马斯·杨（T.Young） 发现了散光的原理，用光的干涉试验证明了光的波动性，解释了肥皂泡的彩色。他把彩色和光的波长联系起来，计算出了色光的波长，又提出了光波是纵波的理论，解释了偏振现象。

伯努利

19世纪，亥姆霍兹 （H.L.F.Holmhotz）发展了电动力学，提出了等效电压源定理，当时没有引起重视，多年后后法国电气工程师戴维南详细论述了这个理论，成为现代电路计算的基础，称为亥-戴定理。亥姆霍兹的很多实验促进了他的学生赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）发现了无线电波。

亥姆霍兹

法拉第（Michael Faraday）发现：当导线回路所交链的磁通量随时间改变时，回路中将产生感应电动势，从而引起感应电流，并且发现感应电动势正比于磁通（或磁链）的时间变化率，这一结论称为法拉第定律。电磁感应现象显示了电、磁现象之间的相互联系和转化。法拉第还提出了电力线和磁力线的新概念来解释电、磁现象，用实验证实了光和磁的相互作用，为电、磁和光的统一理论奠定了基础。焦耳（James Prescott Joule）精确地定出机械功和热当量，证明了能量守恒定律。他指出，在能用实验检验的所有情况下，能量守恒都能成立，当量比率与能量的不同形式转换无关，焦耳所确立的原理，实际上是热力学的第一定律。它表明，能量不能产生或者消灭，而只能转移。

法拉第

麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在《论物理力线》（《On Physical Lines of Force》）中提出了一个关于力线的机械模型，即电磁“以太”模型，创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大假设。提出光波就是电磁波的理论： “光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动。”将电、磁、光理论进行了一次综合。在《电磁场的动力学理论》（《A dynamical theory of the electromagnetic field》）中用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。在《电磁学通论》（《Treatise on electricity and magnetism》）中进一步将电磁学实验规律和定理定律，综合概括在一个方程组中，以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。

麦克斯韦建立电磁场的动力学理论是物理学理论的第二次大统一。麦克斯韦的电磁理论是建立在法拉第工作基础之上的，当时法拉第虽然已经解释了电与磁的相互联系与转化，但由于缺乏数学技巧，始终不能将其构造出一个综合统一的理论，这为麦克斯韦发挥其数学能力留下了空间。数学独具的简单性以及论证论证的严密性，再加上麦克斯韦本身对数学方法的偏爱，激发了他希望通过用数学语言表达物理规律的愿望。他建的方程式可以精确的和严格的表明所有业已发现的电磁现象规律，将电、磁、光等过去认为互不联系的现象统一起来，实现了经典物理学的大综合，彻底改变了人们原来对于电、磁、光的观点，完成一次物理学上的革命。

麦克斯韦

20世纪，物理学的发展经历了较大的变革，在微观领域诞生了量子力学，在近光速的高速领域，经典时空观不再成立，被相对论时空观替代，诞生了相对论，开始了近代物理学。

迈克尔孙与莫雷合作，采用多次反射法，试图观测由以太引起的干涉条纹变化以验证以太的存在，最后实验结果表明，以太并不存在，光沿着各个不同方向传播速度的大小相同，与地球的运动状态无关，即光速不变。光速不变的实验结果，动摇了表征经典时空理论的伽里略变换的客观真理性，新的实验事实与旧时空概念发生这样深刻的矛盾，促使人们重新考虑对时空的认识问题。普朗克（Max Planck）为了解决用经典理论解释黑体辐射规律所出现的“紫外灾难”，提出了能量子（量子）概念，打破了能量只能连续变化的思维框架，宣告了量子物理的诞生。

普朗克

赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应；赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波，另一套作为接收器，他意外发现，接收电磁波的电极受到紫外线的照射时火花放电更容易产生。赫兹发表论文《紫外线对放电的影响》（《On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators》）对这一发现进行了说明。

赫兹

爱因斯坦（Albert Einstein）在1905 年，发表了论文，这一年被称为他的“奇迹之年”。第一篇论文是关于光电效应的，在普朗克量子假说的基础上提出了光量子假说，认为光（电磁辐射）是由光量子组成的，每个光量子的能量

与辐射频率

的关系是

（

为普朗克常数）。第二篇论文则讨论了布朗运动，爱因斯坦表示，可以使用气体动力学理论加上统计学来描述这种运动。第三篇论文阐述了为狭义相对论，爱因斯坦提出，经典力学定律不再适用于接近光速运动的物体，并且他还以一种全新的方式将时间、空间、质量和能量等基本物理参数联系在一起。这一理论的基础是光速不变性，即光速的大小不依赖于任何特定观察者的位置或者运动状态。第四篇论文提出了质能方程E=mc，爱因斯坦主张物质和能量是等价的，他认为即使是完全静止的粒子也可能具有很高的能量。

爱因斯坦

康普顿（A.H.Compton）研究了X射线经质散射的实验。实验发现，在散射的X射线中，除了有与原射线相同波长的成分外，还有波长较长的成分这种有波长改变的散射称为康普顿散射（Compton scattering）或康普顿效应（Compton effect）康普顿效应可用光子理论圆满地解释，从而进一步证实了爱因斯坦光量子理论的正确性。

海森堡（Heisenberg）提出了原子和亚原子粒子的微观尺度上的不确定性原理，其是指在一个量子力学系统中，一个运动粒子的位置和它的动量不可被同时确定，位置的不确定性

和动量的不确定性

是不可避免的，它们的乘积不小于

（

为普朗克常数），即

（

）。狄拉克结合相对论独自提出的场论。费曼（Richard Feynman）、施温格（Julian Schwinger）和朝永振-郎（Sin ItiroTomonaga）开创了量子电动力学。

海森堡

玻恩（Born）提出了物质波的统计性解释，认为大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律，将粒子的波动性和粒子性联系起来。微观粒子的运动状态可以用波函数

表示，

表示t时刻粒子处于看见

处

体积元内的几率，

为几率密度，表示t时刻粒子在空间

处单位体积中的几率。动量为p的电子通过双窄缝后在空间

处单位体积中出现的几率为：

，式中，

与

分别代表来自窄缝S1与S2的波长

，初位相相同的波函数，对

与

分选择合适的函数，就可以由上式解释实验观察到的干涉现象。

玻恩

薛定谔给出了薛定谔方程以描述微观粒子的运动，三维空间中的一般定态薛定谔（Erwin Schrödinger）方程为：

，令

则有式中，

为拉普拉斯（Laplace）算符，

为波函数，

为粒子的坐标，

为粒子质量，

为势能，

为粒子所具有的总能量。对于质量为

（不考虑相对论效应）并在势能为

的势场中运动的一个粒子来说，有一个波函数

与这粒子运动的稳定状态相联系并满足薛定谔方程式。只要给出粒子在系统中的势能

，通过求解薛定谔方程，就可以求出稳定状态的波函数和相应的能量。只有当总能量具有某些特定值的薛定谔方程才有解，即量子化的能量。

薛定谔

21世纪，在欧洲核子研究中心大型强子对撞机工作的物理学家宣布，他们发现了一种与希格斯玻色子非常相似的新亚原子粒子，这是理解基本粒子为何具有质量的潜在关键，实际上也是理解宇宙中多样性和生命存在的潜在关键。

物理学家们试图统一基本力、基本相互作用，他们的最终目标是找到统一场论，统一场论是物理学中尚未解决但又重要的问题。有四种基本力仍然尚未完全统一：引力和电磁相互作用，它们是远程力，在日常生活中的可以直观感受到；强相互作用和弱相互作用，它们在微小的亚原子距离产生力控制着核的相互作用。电磁和弱相互作用被广泛认为是电弱相互作用的两个方面。物理学者尝试将量子力学和广义相对论统一为单一的量子引力理论，这种尝试已经持续了半个多世纪，但尚未得到决定性的解决。

物理学学科有不同的分类，如力学、理论物理学、热学、声学、光学、电磁学、原子物理学、原子核物理学、固体物理学等，每一部门又各自包含若干分支学科。物理学的分类不是固定不变的，力学经历长期的发展已成为独立的学科。随着物理学的广泛应用，与其他学科的结合而出现了一系列边缘科学。

GB/T 13745-2009分类

《物理学与天文学分类法》 （Physicsand Astronomy Classification Scheme，简称PACS ）

《物理文摘》分类（也是国际分类法）（Physics Abstracts Classification and Contents，简称PACC）

经典物理学是量子物理学诞生之前的物理学。经典物理学包括描述质点运动的牛顿运动方程、麦克斯韦-法拉第电磁场理论和爱因斯坦广义相对论。但它不局限于描述特定现象的特定理论，而是一个包括一系列原理和规则的集合，是一种当量子不确定性影响不显著时支配一切现象的底层逻辑，这些底层规则被称作经典力学。

经典物理学分为力学、热学、电磁学、声学和光学五个部分。这五个部分又可以合并而总结成三门学科：经典力学、热力学和经典统计力学、经典电动力学。经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律，其基本理论有三种表述形式：牛顿运动方程形式、拉格朗日的微分形式和哈密顿的积分形式。经典力学包含质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等；理论的基本部分还可分为运动学、静力学和动力学。

现代物理学是建立在相对论和量子力学这两大基础之上的物理学体系。爱因斯坦于 1905 年建立的狭义相对论，1916年又建立了广义相对论，在本章中，我们仅对狭义相对论的基本原理和概念作些简单的介绍，狭义相对论所给出的是惯性参考系中高速运动物体所遵从的规律，它从根本上改变了许多世纪以来形成的有关时间、空间和运动的原有观念，建立了新的时空观，并揭示了质量和能量之间的内在联系。当物体以接近于真空中光速c的速度运动时，狭义相对论的结果与经典理论的结果的差异很明显地表现了出来。但当物体作低速（速度远小于光速）运动时，狭义相对论的结果与经典物理学的结果十分接近，因此经典物理学可以认为是狭义相对论在低速条件下的近似，而在处理高速运动问题时，必须采用相对论。量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态；而量子态又受到测量的影响，所以是“测不准”的。测不准关系则提出了改变主体与客体的认识关系。根本哈根几率诠释是被广为接受的对量子力学的解释。现代物理学已发展成形成了许多独立的分支，如原子分子物理学、原子核物理学、粒子物理学、凝聚态物理学、等离子体物理学、现代光学、低温物理学、耗散结构理论、混沌物理学等。

经典物理学对可观察到的问题进行研究：在速度小于光速，尺寸大于原子的前提下，对运动的研究和对宇宙的基本理解。与经典物理学相反，现代物理学对极高的速度和微小的距离进行观察，并覆盖核物理学和量子理论的研究。经典物理学不考虑量子效应，不涉及相对论的讨论。现代物理学关注更极端的条件，与光速相当的高速（狭义相对论）、与原子半径相当的小距离（量子力学）以及非常高的能量（相对论）

经典物理学建立在一组数学上可以严格把握的公理上的，这些公理既不需要证明，也不需要讨论。经典物理学的真理性表现为其命题是精确的而且是带有决定性的。然而具有严格决定论特征的经典物理学不能解释物质结构的稳定性和质的特定性，不能解释世界的初始条件，不能解释世界的历史。现代物理的发展动摇了经典物理学的公理（如绝对时间、绝对空间等，使人们对世界的认识变得更加深刻，现代物理学的研究方法，体现了一些新的特点。20 世纪初以来，科学技术与生产力的巨大发展，为物理实验提供了电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机等大型、精密的实验装置，光谱分析、质谱分析、X射线衍射等技术也得到很大发展，物理学实验在精密、高能、快速和自动化方面达到了新的水平。

物理学的研究方法主要有：建立理想模型也叫抽象方法，它是根据问题的内容和性质，抓住主要因索，撇开次要的、局部的和偶然的因素，建立一个与实际情况差距不大的理想模型进行研究。例如，“质素点”和“刚体”都是物体的理想模型。把物体看作“质点”时，“质量”和“点”是主要因素，物体的“形状”和“大小”是可以忽略不计的次要因素；把物体看作“刚体”时，物体的“形状”“大小”和“质量分布”是主要因素，物体的“形变”是可以忽略不计的次要因素。科学实验的方法，科学实验和观察是科学研究的基本方法，科学实验是在人工控制的条件下，使现象反复重演，进行观察研究的方法。大多数科学规律都是通过实验观察总结发现的。实验是科学研究中非常重要的方法。根据假说的逻辑推理方法，为了寻找事物的规律，对于现象的本质所提出的一些说明方案或基本论点等统称为假说。假说是在一定的观察、实验的基础上提出来的。进一步的实验论据便会证明这些假说，即取消一些或改进一些。在一定范围内经过不断的考验，经证明为正确的假说最后上升为原理或定律。例如，在一定的实验基础上，提出的物质结构的分子原子假说以及所推论出来的结构，因为能够解释物质的气、液、固各态的许多现象，最后就发展成为物质分子运动理论。又如，量子假说的建立和量子理论的演变，最后发展为量子力学理论。

物理学科的研究领域可分为凝聚态物理；原子、分子和光学物理；粒子/高能物理；天体物理。凝聚态物理研究凝聚态物质，包括晶态、非晶态和液态物质的物理现象、物理特性和规律。凝聚态是指由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的物态。低温下的超流态、超导态、玻色-爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁态、反铁磁态等都是凝聚态，生活中最常见的凝聚态是固态和液态。原子分子物理研究原子尺寸或几个原子结构范围内的原子、分子或原子集团的结构、运动规律、周围环境影响及相互作用，包括原子、分子的电子结构，原子、分子光谱和波谱学研究，原子和分子碰撞过程及相互作用，原子、分子与光子的相互作用等。光学物理研究光的基本特性及光与物质在微观领域的相互作用。

粒子物理学又称高能物理，研究组成物质和射线的最小单元（探索的物质尺寸可以到达 10m）及它们之间相互作用。这些最小单元，在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家使用粒子物理加速器在高能相撞的条件下才能产生和研究它们。天体物理是用物理学的理论、方法和技术来研究天体的形态、结构、物理性质、化学结构和演化规律，是物理学与天文学的交叉领域。研究内容包括各个层次天体的形成、活动与演化、极端条件下的天体物理、与人类生存环境密切相关的天文问题、地外文明、地外生命、天文探测技术。

物理学是定量的科学，数学为物理学提供了定量表述和预言的能力，是物理学重要的工具，物理通过以数学形式建立的理论体系描述自然界及其变化，伽利略说过，“自然这本伟大的书永远在我们眼前打开着，不过它是用数学字符写成的”，达·芬奇也认为，“人类的任何探讨，如果不是通过数学的证明进行的，就不能说是真正的科学，力学是数学的乐土，通过力学可以收获数学的果实”。”牛顿的《自然哲学的数学原理》是总结了前人力学的研究成果，全书的结构完全以欧几里德（Euclid）的《几何原本》为样本，而牛顿又用他的微积分，对力学规律进行表述和推演，使力学成为有简明数学形式的统一理论体系。

物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）在成功地创立狭义相对论以后，发现很难得到令人满意的引力理论，就开始寻求解决引力问题的新出路，但他在数学处理方面遇到了困难，他的大学同学也是朋友的格罗斯曼（Marcel Grossmann）是苏黎世工业大学的数学教授，发现爱因斯坦遇到的数学问题已经被黎曼（Bernhard Riemann、里奇（Ostilio Ricci）和勒维·契维塔（Tulio Levi Civita）解决了，帮助他将黎曼张量运算引入物理学，把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间，成功地建立了广义相对论。数学和物理的发展又是相互促进的，经常是一个领域里的新发现导致另一个领域的进步。17世纪初期，法国数学家费马（Pierre de Fermat，1601-1665）创造出绘制曲线的切线的一种粗略的方法；牛顿知道后很受启发，就开始研究怎样确定运动质点的速度，这样，就又导致牛顿发明了微积分的牛顿版本。物理学中涉及的很多数学概念，比如微商、积分和矢量等，都是从物理问题中自然地产生出来的；然后，这些数学概念又帮助人们去了解自然。”

物理学和哲学在研究对象上具有共同的交集——物质世界，使得物理学和哲学的关系复杂且紧密。古代时期，无论是在中国还是在西方，科学和哲学都是一体的，到文艺复兴以后，自然科学才开始与哲学分离而成为独立的学科，物理学也逐渐成为自然学科中的一个重要分支。物理学的重大成就直接推动着哲学的发展，另一方面，哲学给物理学家们提供思维工具和准则，物理学上的重大突破往往来自思想的突破。16—18 世纪建立起来的以牛顿力学、机械运动为基础的经典物理学勾画了一幅世界的机械图景——世界万物都是由原子组成的，原子按牛顿力学规律在无限的绝对时间和绝对空间中作机械运动，于是产生一个合乎逻辑的结论，即整个自然只不过是一架巨大而精准的机器。对应在哲学上，就形成了具有机械性、形而上学性和不彻底性的近代的机械唯物主义。机械唯物主义的局限性在很大程度上就来自当时的物理学上牛顿力学的局限性，强调把整体分解成部分来进行分析，甚至作为孤立的部分进行分析，而忽视了部分之间的相互联系及对合成整体的影响，于是产生了形而上学；认为时间、空间是绝对的，而不是相对的，最后走向客观唯心主义，即不彻底的唯物主义。

机械唯物主义无法指导物理学和其他自然科学继续前进。于是从 19世纪末开始，一批物理学家自觉或不自觉地突破机械唯物主义在思想上的限制，着手探索新的物理学理论。他们先是打破绝对时间、绝对空间的概念，在相对时间、相对空间的基础上，提出了狭义相对论；而后在物质粒子性和波动性辩证统一的基础上创立了近代量子理论，表明微观粒子遵循和宏观物体不同的物理学定律，有不同的运动方式。狭义相对论和近代量子理论都打破了机械论的藩篱。再后来他们通过研究时间、空间、质量、惯性、引力等看似相互孤立的基本物理量间的关系，创立了广义相对论，将看似没有联系的基本物理量有机地统一在一起，表明时间、空间、质量、惯性、引力等都源于物质，统一于物质，由此解释了时间和空间的真正来源，彻底否定了绝对时间、绝对空间的存在，否定了客观唯心主义，验证了辩证唯物主义的观点。现代粒子理论指出，物质世界是由基本粒子构成的，为物质世界的统一性提供了微观支撑。因此，从一定角度看，与近现代物理学相对应的哲学思想应当是辩证唯物主义。

物理学的原子理论在很大程度上是由化学实验证实的。无机化学研究一系列关于物质与物质结合以及如何结合的组成规律，而这些规律在原则上都可被量子力学解释，理论化学最艰深的部分也是量子力学。任何化学都有大量的原子参与其中，这些原子都以一种非常随机且复杂的方式在抖动；要准确预测在给定的化学反应中会发生什么是非常困难的，如果我们能够分析每一次碰撞，并能够详细跟踪每个分子的运动，就有可能预测将会发生什么，但是跟踪所有这些分子所需的大量数字远远超过了任何计算机的能力，于是，一种另辟蹊径的，应用于力学定律成立情况下的统计学方法——统计力学出现了，统计力学研究热现象的科学，又称热力学。化学的另一个分支是有机化学（即与生物有关的物质的化学）。与生物有关的物质和无机化学中的物质是一样的，只是原子的排列要复杂得多，物理化学和量子力学方法和解释不仅可以应用于无机化合物，也可以应用于有机化合物。

天文学通过展示恒星和行星运动的美丽的简单性而开启了物理学，对这一点的理解是物理学的开端。天文学中最引人注目的发现是，恒星是由与地球上相同种类的原子构成的。原子释放出具有确定频率的光，就像乐器的音色一样，具有确定的音高或声音频率。通过分光镜可以分析光波的频率，由此可以的到不同恒星中原子的频率从而确定恒星元素组成。如：在太阳上发现的氦，在某些寒冷的恒星中发现的锝。用统计力学可以分析恒星的行为，利用基本的物理定律，往往可以准确地、或非常接近地预测星体将要发生的事情。氢的核“燃烧”提供了太阳的能量；氢转化为氦，各种化学元素在恒星的中心从氢开始制造，通过观察各元素同位素的比例，可以发现推测最初的星体构成。

生命是复杂分子系统内发生的物理过程和化学过程的一种特殊表现。以光合作用为例，绿色植物利用太阳光能来制造所需要的物质，这是生命现象。但是深入研究发现，叶绿体中的叶绿素是接受光能的，能量的吸收还必须有转移和转换过程，才能把二氧化碳转变为碳水化合物，同时释放出氧。所以在光合作用中，这种把能量从最初的吸收部位向其它部位转移的过程就是简单的物理过程，而能量从一种形式转换成另一种形式就发生了化学变化。

如果仔细地观察活体动物的生物过程，会看到许多物理现象：血液循环、泵、压力等。在对神经的研究中，生物学家得出结论：神经是非常精细的管道，有着非常薄且复杂管壁；生物分子团通过这层壁泵送离子，使得正离子在外面，负离子在里面，就像电容器一样，当某处的正（负）离子穿过管壁到达里（外）面，该处的电压就会降低，这种电影响会对附近的离子产生影响，使其也能在邻近的点上通过管壁，以此往复实现信号传输。在细胞中，有非常大的分子，它们以某种复杂的方式控制小分子，使生物反应容易发生，这些非常大而复杂的东西叫做酶。酶本身并不直接参与反应。它们不会改变；他们只是让原子从一个地方移动到另一个地方。所有的生物分子都是由原子组成的，理论上，生物所做的一切都可以通过原子来理解。

生物学与物理学相辅相成，迈耶（Mayer）通过对生物血液颜色与含氧量的关系探究生物体的热量来源，第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量。亥姆霍兹（H.I. Von. Helmholtz）将能量守恒定律用于生物系统，研究了肌肉收缩时热量的产生与神经脉冲的传导速度，认为物质世界包括生命在内都可以归纳为运动。薛定谔（Erwin Schrodinger）在《What is life》中明确地提出了生命现象中的量子跃迁、遗传密码和非平衡态热力学等基本观点，特别是他对遗传中基因的稳定性所作的量子解释，为后人从量子水平上阐明生命过程的分子机制作出了贡献。

地球科学的基本问题是：地球演变历程和驱动力；常见的如河流的侵蚀过程，风的作用，在侵蚀发生的同时，还有其他过程在发生，平均而言，山脉并不一定比过去低，也有形成山脉的作用在发生。地震的成因也是一个理论，一个大陆板块推动另一个大陆板块，它会折断，会滑动，于是发生了地震。理论认为，地球内部存在电流——由于内外温差造成的循环电流，在其运动过程中，会轻微地推动地球表面。因此，如果有两个相反的环流相互靠近，物质就会聚集在它们相遇的地方，形成处于不利压力条件下的山脉带，从而产生火山和地震。地震波穿过地球的速度和地球的分布密度有关。地球科学中，气象学的仪器是物理仪器，实验物理学的发展使得这些仪器得以成功制造。但物理学家还没有构建出一个完美的气象学理论，可以写出描述空气运动的方程，但无法准确预测天气，因为到处都是旋转和扭曲的空气，天气系统非常敏感，甚至不稳定。

物理学家是专门研究物理领域的科学家，该领域物理学的研究范围非常广，从最小的基本粒子一直到广阔的宇宙，从最快的 10秒时间尺度内发生的事件到宇宙从大爆炸开始以来物质的演变过程（已经 100 多亿年），从最冷的接近绝对零度的冷原子、冷分子到上亿度的热核聚变等离子体和温度更高的天体，全都囊括在内。对于物理学家来说，已经发展起来的数学推理方法具有巨大的力量和用处，在探索自然规律的过程中，他们会试图将对自然的理解转换成数学语言，并对数学推理过程的特殊情况感兴趣。

该领域通常包括两类物理学家：专门从事自然现象观察以及实验的开发和分析的实验物理学家，以及专门研究物理系统数学建模以合理化、解释和预测自然现象的理论物理学家。

实验物理学家与自然现象有直接的联系，他们通过实验来探索自然，每个实验都是向大自然提出的疑问，期望大自然给出答案。他们计划实验，设计，制造，构思和组装实验设备进行实验，对仪器进行调试和校准，确保一切平稳而可靠地运行。可能每个实验都需要进行很多次，在实验过程中收集数据，处理数据以获得有意义的结果，然后发表结果，期望其他人对结果进行验证。被证实的结果将成为理论物理学家的素材。他们试图把结果放在更广泛的背景下，把它们与其他实验结果联系起来，并获得对它们的理解。

理论物理学家的领域是思想、概念、模型、关系、概括、抽象和统一的领域，数学是理论物理学家以连贯的方式表达并获得可与实验相比较的结果的基本工具。理论物理学目标是发现自然现象和实验结果中的模式和规律，从而可以预测新的现象和结果。例如斯特凡-玻尔兹曼定律：“黑体发出的电磁辐射的总功率与该物体绝对温度的四次方成正比”；这个定律由近似黑体的情况下对温度和辐射功率进行多次测量的实验结果进行分析得到；可以预测所有温度下的辐射功率，比如恒星的温度。理论物理学家的另一个目标是对自然规律的作出解释；这种解释被称为理论。理论物理学家的提出的理论可以是一个尚未得到充分证实的推测性理论，也可以是一个得到充分证实的的理论。例如，阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论就是一个得到充分证实并被普遍接受的理论，是对大量已有理论的合理统一。

诺贝尔物理学奖已经在1901年至2023年间颁发了117次，约翰·巴丁是唯一两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者，分别在1956年和1972年获奖，总共有224个个人获得了该奖项。

物理学和哲学对物质世界研究的角度不同，物理学侧重研究物质世界中物质的组成和运动规律，哲学侧重研究物质世界中世界的本质、发展的根本规律。而这两个角度又是紧密关联和互相支撑的。从研究对象上说，物理学是研究的物理规律的科学；哲学则是研究自然界、人类社会和思维的共同本质及其运动和发展的普遍规律的学说，它反映了一切具体科学的共性。从理论体系的形式来说，物理学是由实验观察材料（陈述性知识），实证性定律、定理、原理（程序性知识），假说、学说、理论（解释性知识）等知识单元组成的系统；哲学则是从最抽象的概念的逻辑引申，即具体化的过程中所展开的哲学概念、哲学原理所构成的理论体系。

从目标设定上来说，科学活动的直接目标是求得真理，科学对现实的反映不是对现实的虚幻的、歪曲的反映，而是实事求是地反映客观世界及其规律性，获得具有客观真理性的知识。哲学活动的目标是真、善、美统一。哲学尽管有唯物、唯心之分，有辩证法、形而上学之别，但是只要是有价值的哲学观点，总是以某种形式、从特定方面揭示出某些真理性认识，给人以智慧和启迪。另外，它总是反映社会中人们一定的利益和美好的愿望，总是要从理论中说明人们在实际活动中表现出来的世界观、人生观和价值观。 哲学和物理的最大区别就在于物理需要做实验，主要的结论都经过实验验证 。科学研究需要反复验证，把一切可能出错的地方都考虑到，并采取措施尽量避免。哲学的研究不需要实验验证，主要是观察、概括或归纳。