❶ 物理學的都是什麼
物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科。作為自然科學的帶頭學科,物理學研究大至宇宙,小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律,因此成為其他各自然科學學科的研究基礎。它的理論結構充分地運用數學作為自己的工作語言,以實驗作為檢驗理論正確性的唯一標准,它是當今最精密的一門自然科學學科。
物理學研究的領域可分為下列四大方面:
1. 凝聚態物理:研究物質宏觀性質,這些物相內包含極大數目的組元,且組員間相互作用極強。最熟悉的凝聚態相是固體和液體,它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態相包括超流和波色-愛因斯坦凝聚態(在十分低溫時,某些原子系統內發現);某些材料中導電電子呈現的超導相;原子點陣中出現的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態物理一直是最大的的研究領域。歷史上,它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出,採用此名。
2. 原子、分子和光學物理:研究原子尺寸或幾個原子結構范圍內,物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法;從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層,集中在原子和離子的量子控制;冷卻和誘捕;低溫碰撞動力學;准確測量基本常數;電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂,核合成等核內部現象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結構以及它們,內外部和物質及光的相互作用,這里的光學物理只研究光的基本特性及光與物質在微觀領域的相互作用。
3. 高能/粒子物理:粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用;也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界不存在,只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。據基本粒子的相互作用標准模型描述,有12種已知物質的基本粒子模型(誇克和輕粒子)。它們通過強,弱和電磁基本力相互作用。標准模型還預言一種希格斯-波色粒子存在。
4. 天體物理:天體物理和天文學是物理的理論和方法用到研究星體的結構和演變,太陽系的起源,以及宇宙的相關問題。因為天體物理的范圍寬。它用了物理的許多原理。包括力學,電磁學,統計力學,熱力學和量子力學。1931年卡爾發現了天體發出的無線電訊號。開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需用紅外,超紫外,伽瑪射線和x-射線。物理宇宙論研究在宇宙的大范圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期哈勃從圖中發現了宇宙在膨脹,促進了宇宙的穩定狀態論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發現,證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上:愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了ACDM宇宙演變模型;它包括宇宙的膨脹,黑能量和黑物質。 從費米伽瑪-射線望運鏡的新數據和現有宇宙模型的改進,可期待出現許多可能性和發現。
物理學(Physics):物理現象、物質結構、物質相互作用、物質運動規律
物理學研究的范圍 ——物質世界的層次和數量級
空間尺度:
原子、原子核、基本粒子、DNA長度、最小的細胞、太陽山哈勃半徑、星系團、銀河系、恆星的距離、太陽系、超星系團等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質空間尺寸的層次。
微觀粒子Microscopic:質子 10⁻¹⁵ m
介觀物質mesoscopic
宏觀物質macroscopic
宇觀物質cosmological 類星體 10²⁶m
時間尺度:
基本粒子壽命 10⁻²⁵s
宇宙壽命 10¹⁸s
按空間尺度劃分:量子力學、經典物理學、宇宙物理學
按速率大小劃分: 相對論物理學、非相對論物理學
按客體大小劃分:微觀、介觀、宏觀、宇觀
按運動速度劃分: 低速,中速,高速
按研究方法劃分:實驗物理學、理論物理學、計算物理學
分類簡介
●牛頓力學(Mechanics)與理論力學(Rational mechanics)研究物體機械運動的基本規律及關於時空相對性的規律
●電磁學(Electromagnetism)與電動力學(Electrodynamics)研究電磁現象,物質的電磁運動規律及電磁輻射等規律
●熱力學(Thermodynamics)與統計力學(Statistical mechanics)研究物質熱運動的統計規律及其宏觀表現
●相對論(Relativity)研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規律
●量子力學(Quantum mechanics)研究微觀物質運動現象以及基本運動規律
此外,還有:
粒子物理學、原子核物理學、原子與分子物理學、固體物理學、凝聚態物理學、激光物理學、等離子體物理學、地球物理學、生物物理學、天體物理學等等。
研究領域
物理學研究的領域可分為下列四大方面:
1.凝聚態物理——研究物質宏觀性質,這些物相內包含極大數目的組元,且組員間相互作用極強。最熟悉的凝聚態相是固體和液體,它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態相包括超流和波色-愛因斯坦凝聚態(在十分低溫時,某些原子系統內發現);某些材料中導電電子呈現的超導相;原子點陣中出現的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態物理一直是最大的的研究領域。歷史上,它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出,採用此名。
2.原子,分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個原子結構范圍內,物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法;從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層,集中在原子和離子的量子控制;冷卻和誘捕;低溫碰撞動力學;准確測量基本常數;電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂,核合成等核內部現象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結構以及它們,內外部和物質及光的相互作用,這里的光學物理只研究光的基本特性及光與物質在微觀領域的相互作用。
3.高能/粒子物理——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用;也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界不存在,只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。據基本粒子的相互作用標准模型描述,有12種已知物質的基本粒子模型(誇克和輕粒子)。它們通過強,弱和電磁基本力相互作用。標准模型還預言一種希格斯-波色粒子存在。現正尋找中。
4.天體物理——天體物理和天文學是物理的理論和方法用到研究星體的結構和演變,太陽系的起源,以及宇宙的相關問題。因為天體物理的范圍寬。它用了物理的許多原理。包括力學,電磁學,統計力學,熱力學和量子力學。1931年卡爾發現了天體發出的無線電訊號。開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需用紅外,超紫外,伽瑪射線和x-射線。物理宇宙論研究在宇宙的大范圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期哈勃從圖中發現了宇宙在膨脹,促進了宇宙的穩定狀態論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發現,證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上:愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了ACDM宇宙演變模型;它包括宇宙的膨脹,黑能量和黑物質。 從費米伽瑪-射線望運鏡的新數據和現有宇宙模型的改進,可期待出現許多可能性和發現。尤其是今後數年內,圍繞黑物質方面可能有許多發現。
物理學史
●伽利略·伽利雷(1564年-1642年)人類現代物理學的創始人,奠定了人類現代物理科學的發展基礎。
● 1900-1926年 建立了量子力學。
● 1926年 建立了費米狄拉克統計。
● 1927年 建立了布洛赫波的理論。
● 1928年 索末菲提出能帶的猜想。
● 1929年 派爾斯提出禁帶、空穴的概念,同年貝特提出了費米面的概念。
● 1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發明了晶體管,標志著信息時代的開始。
● 1957年 皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子。
● 1958年傑克.基爾比發明了集成電路。
● 20世紀70年代出現了大規模集成電路。
物理與物理技術的關系:
● 熱機的發明和使用,提供了第一種模式:技術—— 物理—— 技術
● 電氣化的進程,提供了第二種模式:物理—— 技術—— 物理
當今物理學和科學技術的關系兩種模式並存,相互交叉,相互促進「沒有昨日的基礎科學就沒有今日的技術革命」。例如:核能的利用、激光器的產生、層析成像技術(CT)、超導電子技術、粒子散射實驗、X 射線的發現、受激輻射理論、低溫超導微觀理論、電子計算機的誕生。幾乎所有的重大新(高)技術領域的創立,事先都在物理學中經過長期的醞釀。
物理學的方法和科學態度:提出命題 → 理論解釋 → 理論預言 → 實驗驗證 →修改理論。
現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學,它的產生過程如下:
①物理命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來,或從已有原理中推演出來;
②首先嘗試用已知理論對命題作解釋、邏輯推理和數學演算。如現有理論不能完美解釋,需修改原有模型或提出全新的理論模型;
④新理論模型必須提出預言,並且預言能夠為實驗所證實;
⑤一切物理理論最終都要以觀測或實驗事實為准則,當一個理論與實驗事實不符時,它就面臨著被修改或被推翻。
● 怎樣學習物理學?
著名物理學家費曼說:科學是一種方法,它教導人們:一些事物是怎樣被了解的,什麼事情是已知的,了解到了什麼程度,如何對待疑問和不確定性,證據服從什麼法則;如何思考事物,做出判斷,如何區別真偽和表面現象?著名物理學家愛因斯坦說:發展獨立思考和獨立判斷的一般能力,應當始終放在首位,而不應當把專業知識放在首位.如果一個人掌握了他的學科的基礎理論,並且學會了獨立思考和工作,他必定會找到自己的道路,而且比起那種主要以獲得細節知識為其培訓內容的人來,他一定會更好地適應進步和變化 。
● 學習的觀點:從整體上邏輯地,協調地學習物理學,了解物理學中各個分支之間的相互聯系。
● 物理學的本質:物理學並不研究自然界現象的機制(或者根本不能研究),我們只能在某些現象中感受自然界的規則,並試圖以這些規則來解釋自然界所發生任何的事情。我們有限的智力總試圖在理解自然,並試圖改變自然,這是物理學,甚至是所有自然科學共同追求的目標。
以物理學為基礎的相關科學:化學,天文學,自然地理學等。
學科性質
基本性質
物理學是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結。這種運動和轉變應有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸,二是近代人們通過發明創造供觀察測量用的科學儀器,實驗得出的結果,間接認識物質內部組成建立在的基礎上。物理學從研究角度及觀點不同,可分為微觀與宏觀兩部分,宏觀是不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果,是最早期就已經出現的,微觀物理學隨著科技的發展理論逐漸完善。
其次,物理又是一種智能。
誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言:「如其說是因為我發表的工作里包含了一個自然現象的發現,倒不如說是因為那裡包含了一個關於自然現象的科學思想方法基礎。」物理學之所以被人們公認為一門重要的科學,不僅僅在於它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示,還因為它在發展、成長的過程中,形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此,使得物理學當之無愧地成了人類智能的結晶,文明的瑰寶。
大量事實表明,物理思想與方法不僅對物理學本身有價值,而且對整個自然科學,乃至社會科學的發展都有著重要的貢獻。有人統計過,自20世紀中葉以來,在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎,甚至經濟學獎的獲獎者中,有一半以上的人具有物理學的背景;——這意味著他們從物理學中汲取了智能,轉而在非物理領域里獲得了成功。——反過來,卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智能的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出:沒有物理修養的民族是愚蠢的民族!
總之,物理學是對自然界概括規律性的總結,是概括經驗科學性的理論認識。
六大性質
1.真理性:物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘,反映出物質運動的客觀規律。
2.和諧統一性:神秘的太空中天體的運動,在開普勒三定律的描繪下,顯出多麼的和諧有序。物理學上的幾次大統一,也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和萬有引力定律把天上和地上所有宏觀物體統一了。麥克斯韋電磁理論的建立,又使電和磁實現了統一。愛因斯坦質能方程又把質量和能量建立了統一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動性實現了統一。愛因斯坦的相對論又把時間、空間統一了。
3.簡潔性:物理規律的數學語言,體現了物理的簡潔明快性。如:牛頓第二定律,愛因斯坦的質能方程,法拉第電磁感應定律。
4.對稱性:對稱一般指物體形狀的對稱性,深層次的對稱表現為事物發展變化或客觀規律的對稱性。如:物理學中各種晶體的空間點陣結構具有高度的對稱性。豎直上拋運動、簡諧運動、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質和反物質、正電和負電等。
5.預測性:正確的物理理論,不僅能解釋當時已發現的物理現象,更能預測當時無法探測到的物理現象。例如麥克斯韋電磁理論預測電磁波存在,盧瑟福預言中子的存在,菲涅爾的衍射理論預言圓盤衍射中央有泊松亮斑,狄拉克預言電子的存在。
6.精巧性:物理實驗具有精巧性,設計方法的巧妙,使得物理現象更加明顯。
❷ 關於物理學,你知道它涉及到哪些領域嗎
物理學是一門研究化學或生物學所不能研究的非生命物質和能量的性質和特性以及物質宇宙的基本定律的科學。因此,這是一個龐大而多樣的研究領域。
為了弄懂它,科學家們把注意力集中在該學科的一兩個較小的領域。這使得他們能夠成為這一狹窄領域的專家,而不會陷入關於自然世界的大量知識中。
現代物理學包括原子及其組成部分,相對論和高速的相互作用,宇宙學和空間探索,以及介觀物理學,即那些大小在納米和微米之間的宇宙碎片。現代物理學的一些領域是:
❸ 經典物理和現代物理,現代物理有哪些呢
現代物理學(Modern physics)所涉及的物理學領域包括量子力學與相對論,與牛頓力學為核心的經典物理學相異。現代物理研究的對象有時小於原子或分子尺寸,用來描述微觀世界的物理現象。愛因斯坦創立的相對論經常被視為現代物理學的范疇。歷史19世紀未,物理學家相信他們已經明白了物理學的大部份,牛頓力學、電磁學、熱力學和光學對日常生活所見的各種現象提供了完滿的解釋和准確的預測。20世紀初,量子力學和相對論先後被發展出來,並大大改變了人類對自然的了解。「現代物理學」一詞通常指20世紀往後所發展的物理學理論,特別是量子力學和相對論。
❹ 現代物理學的分類
主要分經典物理學和現代物理學,經典物理學體系包括牛頓力學、麥克斯韋電磁理論、熱力學;現代物理學主要是愛因斯坦相對論和量子力學,從本質上動搖了整個經典物理的根基,經典物理在只是現代物理的一個特例
❺ 現代物理學包括哪幾部分
目前我們學物理是包括了力學,光學,熱學,電磁學,原子物理學,理論力學,熱力學,統計物理學,電動力學,量子力學,數學物理方法,固體物理學這些學科的
❻ 現代物理學的核心內容是
現代物理學的核心內容是
1、量子力學
2、電磁學(電動力學)
3、熱動力學
4、統計力學
5、狹義相對論
6、廣義相對論
相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱
❼ 現代物理有哪些呢
前期量子論
經典物理學並不能恰當地解釋比熱、黑體輻射、光電效應、原子穩定性等問題。普朗克、愛因斯坦和玻爾用量子化的思想解決了這些問題。
新量子論
就事論事的量子化奏效了,但是沒有一個人知道為什麼——那時基本理論還不存1925~1930年間,出現了三種形式的量子理論——海森伯的矩陣力學,薛定諤的波動力學,狄拉克的算符力學。所有這三種形式的量子力學
都沒有考慮相對論效應。狄拉克方程解決了這個問題。
量子謎團
量子理論很管用,但是沒有一個人知道如何來解釋這些方程。玻爾在不確定性原理和互補原理的基礎上提出了哥本哈根詮釋。但是,愛因斯坦並不能接受它。爭論在繼續,然而,實驗結果支持的是量子理論。
量子力學
人們試圖解釋光和物質是如何相互作用的努力卻導致了無窮大的難題。1948年費恩曼和朝永振一郎創立了一種新的量子場論——量子電動力學(縮寫為QED)。l962年歐洲原子核研究組織(CERN)舉辦了第ll屆國際高能物理學術會議
解釋物質
原子和核
對陰極射線的研究表明,原予不是不可分割的一一所有原子都包含有電子。a粒子散射實驗向世人揭示了核。瑟福提出原子核的「行星模型」。查德威克發現中子。盧瑟福解釋了核嬗變和放射性。湯川提出了束縛核子的強核力模型。提出核的液滴模型和作軌道運動的核子模型。
標准模型
對宇宙線、放射性和粒子碰撞的研究發現了許多歸人不同家族的新粒子:輕子——類電子粒子和中微子;強子——重子和介子,受強核力的作用而運動;強子圖式促使人們想到了更深的層次——誇克。規范玻色子起粒子相互作用媒介的作用。
粒子加速器
高能物理學的研究使用兩種最基本的工具:加速器——從范德格拉夫的高壓靜電發生器到大型強子對撞機(LHC).探測器——從驗電器到大型正負電子對撞機物理探測器(ALEPH).
萬物論
統一是物理學的遠大目標。電磁學是第一個重要的物理學的統一理論。電弱相互作用統一理論。從對稱到超對稱。從量子電動力學到量子色動力學以及量子引力問題。弦理論。
空間與時間
光速
麥克新韋證明了,光的速度可以從電磁定律推導出來。邁克耳孫畢其一生精益求精地進行光速的測量,並力圖尋找支持所謂以太的媒質。邁克耳孫一莫雷實驗並沒有檢測到這種「光以太」。光的速度是一切速度的極限。
狹義相對論
牛頓力學和麥克斯韋的電磁理論在處理空間一時間和運動問題上並不一致。愛因斯坦提出物理學的定律對所有觀測者都應該是一樣的,而與他們的運動狀態無關。相對論的原理導致了許多與人們的直覺不一致的結果:時間延緩、長度收縮、質能等效等。閔可夫斯基則把相對論解釋為一個四維空間一時間幾何學的理論。
廣義相對論
怎樣才能把引力和加速度包容進相對論?愛因斯坦認識到,自由下落的觀察者是感覺不到引力的。等效原理則把引力和加速度聯結了起來,並預言了一些新的物理現象:光在引力場中的偏折、引力的時間延緩以及近日點的進動。引力又可解釋為閔可夫斯基的四維空間一時間的畸變:「物質告訴空間該怎樣彎曲,而空間告訴物質該怎樣運動。理論預言了引力波和黑洞。
天體物理
編輯
天文觀測
人類在地球表面觀測天體的范圍以及成像的清晰度受到地球大氣層以及望遠鏡孔徑衍
射效應的制約。克服這種限制的方法之一就是將望遠鏡送人太空。天文學始於可見光波段的觀測,現已擴展到電磁波譜的全部波段。
恆星
為測量到恆星乃至星系的距離,我們需要一系列技術手段,涉及恆星發光、生長和死亡
的詳盡的理論。恆星光譜提供了包含恆星的本質、宇宙的歷史以及元素起源的信息寸赫一羅圖匯總了恆星的種類和特點。圖中主序帶以外包括了紅巨星、白矮星、中子星和黑洞。超新星爆發冶煉出的各種重元素推動了整個星系化學成分的演化,同時超新星可以作為標准燭光用於測量宇宙大尺度的距離。
宇宙學
宇宙中有數量極多的星系,彼此相距遙遠。銀河系只是其中的一個星系。哈勃定律指出,星系的紅移量正比於其距離。宇宙正在膨脹中心宇宙的膨脹意味著它的大爆炸起源。微波背景輻射和高豐度輕核的證據都支持這一學說。宇宙的年齡大約為150億年(譯註:更准確的數據為137億年)。早期的宇宙可能是處於一種按指數規律暴脹的狀態々這是由不穩定的真空態坍縮引起的。宇宙的未來取決於它的密度。當前我們只能檢測到它的部分質量,可以解釋恆星和星系的運動。
時間溫度
熱力學第二定律表明物理過程固有的不可逆性。熵永不減少。玻爾茲曼對熵和不可逆性作了有效的微觀解釋,但也引起了爭議。諸如麥克斯韋妖這樣的思想實驗表明,熵與信息是相互關聯的。霍金開創了黑洞熱力學。
向絕對零度進軍
盡管人們對溫度很熟悉,但它是一個微妙的、與熵和能量有關的概念。絕對零度是不可能達到的。按照熱力學定律,利用從有序到無序的轉變可以獲得很低的溫度。昂內斯將氦液化從而開創了低溫物理學,揭示出物質的一些奇特的新性質——超導性和超流性。接近絕對零度時,這種奇異行為涉及量子統計以及費米子和玻色子之間的區別。最近的研究已經創造了一種新的宏觀物質態——玻色一愛因斯坦凝聚。
18、正反共軛(C)、空間反射(P)和時間反演(T)
守恆定律與對稱性原理有關。在某些粒子相互作用中,單獨的正反共軛、空間反射和時間反演對稱性都遭到破壞,但是它們的聯合效應(CPT)應當守恆。在某些衰變反應中,時間反演對稱性的破壞表明有一個基本的微觀時間箭頭,它與熱力學箭頭並沒有明顯的聯系。
❽ 現代物理學的核心內容是
1、量子理論:
量子論是現代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關於自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律,為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。
它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。
2、相對論:
相對論是關於時空和引力的基本理論,主要由阿爾伯特·愛因斯坦創立,依據研究的對象不同分為狹義相對論和廣義相對論。相對論的基本假設是相對性原理,即物理定律與參照系的選擇無關。
❾ 現代物理學包括
現代物理學包括:力學,熱學,電磁學,光學,統計物理學,量子力學,原子和原子核物理學,凝聚態(固態和液態)物理學,粒子物理學(高能物理)等等。