❶ 物理学的都是什么
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科,物理学研究大至宇宙,小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律,因此成为其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言,以实验作为检验理论正确性的唯一标准,它是当今最精密的一门自然科学学科。
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。
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-射线望运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。
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 10⁻¹⁵ m
介观物质mesoscopic
宏观物质macroscopic
宇观物质cosmological 类星体 10²⁶m
时间尺度:
基本粒子寿命 10⁻²⁵s
宇宙寿命 10¹⁸s
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(Mechanics)与理论力学(Rational 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
●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。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-射线望运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
●伽利略·伽利雷(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;
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?
着名物理学家费曼说: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?着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: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。
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。
❷ 关于物理学,你知道它涉及到哪些领域吗
物理学是一门研究化学或生物学所不能研究的非生命物质和能量的性质和特性以及物质宇宙的基本定律的科学。因此,这是一个庞大而多样的研究领域。
为了弄懂它,科学家们把注意力集中在该学科的一两个较小的领域。这使得他们能够成为这一狭窄领域的专家,而不会陷入关于自然世界的大量知识中。
现代物理学包括原子及其组成部分,相对论和高速的相互作用,宇宙学和空间探索,以及介观物理学,即那些大小在纳米和微米之间的宇宙碎片。现代物理学的一些领域是:
❸ 经典物理和现代物理,现代物理有哪些呢
现代物理学(Modern physics)所涉及的物理学领域包括量子力学与相对论,与牛顿力学为核心的经典物理学相异。现代物理研究的对象有时小于原子或分子尺寸,用来描述微观世界的物理现象。爱因斯坦创立的相对论经常被视为现代物理学的范畴。历史19世纪未,物理学家相信他们已经明白了物理学的大部份,牛顿力学、电磁学、热力学和光学对日常生活所见的各种现象提供了完满的解释和准确的预测。20世纪初,量子力学和相对论先后被发展出来,并大大改变了人类对自然的了解。“现代物理学”一词通常指20世纪往后所发展的物理学理论,特别是量子力学和相对论。
❹ 现代物理学的分类
主要分经典物理学和现代物理学,经典物理学体系包括牛顿力学、麦克斯韦电磁理论、热力学;现代物理学主要是爱因斯坦相对论和量子力学,从本质上动摇了整个经典物理的根基,经典物理在只是现代物理的一个特例
❺ 现代物理学包括哪几部分
目前我们学物理是包括了力学,光学,热学,电磁学,原子物理学,理论力学,热力学,统计物理学,电动力学,量子力学,数学物理方法,固体物理学这些学科的
❻ 现代物理学的核心内容是
现代物理学的核心内容是
1、量子力学
2、电磁学(电动力学)
3、热动力学
4、统计力学
5、狭义相对论
6、广义相对论
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱
❼ 现代物理有哪些呢
前期量子论
经典物理学并不能恰当地解释比热、黑体辐射、光电效应、原子稳定性等问题。普朗克、爱因斯坦和玻尔用量子化的思想解决了这些问题。
新量子论
就事论事的量子化奏效了,但是没有一个人知道为什么——那时基本理论还不存1925~1930年间,出现了三种形式的量子理论——海森伯的矩阵力学,薛定谔的波动力学,狄拉克的算符力学。所有这三种形式的量子力学
都没有考虑相对论效应。狄拉克方程解决了这个问题。
量子谜团
量子理论很管用,但是没有一个人知道如何来解释这些方程。玻尔在不确定性原理和互补原理的基础上提出了哥本哈根诠释。但是,爱因斯坦并不能接受它。争论在继续,然而,实验结果支持的是量子理论。
量子力学
人们试图解释光和物质是如何相互作用的努力却导致了无穷大的难题。1948年费恩曼和朝永振一郎创立了一种新的量子场论——量子电动力学(缩写为QED)。l962年欧洲原子核研究组织(CERN)举办了第ll届国际高能物理学术会议
解释物质
原子和核
对阴极射线的研究表明,原予不是不可分割的一一所有原子都包含有电子。a粒子散射实验向世人揭示了核。瑟福提出原子核的“行星模型”。乍得威克发现中子。卢瑟福解释了核嬗变和放射性。汤川提出了束缚核子的强核力模型。提出核的液滴模型和作轨道运动的核子模型。
标准模型
对宇宙线、放射性和粒子碰撞的研究发现了许多归人不同家族的新粒子:轻子——类电子粒子和中微子;强子——重子和介子,受强核力的作用而运动;强子图式促使人们想到了更深的层次——夸克。规范玻色子起粒子相互作用媒介的作用。
粒子加速器
高能物理学的研究使用两种最基本的工具:加速器——从范德格拉夫的高压静电发生器到大型强子对撞机(LHC).探测器——从验电器到大型正负电子对撞机物理探测器(ALEPH).
万物论
统一是物理学的远大目标。电磁学是第一个重要的物理学的统一理论。电弱相互作用统一理论。从对称到超对称。从量子电动力学到量子色动力学以及量子引力问题。弦理论。
空间与时间
光速
麦克新韦证明了,光的速度可以从电磁定律推导出来。迈克耳孙毕其一生精益求精地进行光速的测量,并力图寻找支持所谓以太的媒质。迈克耳孙一莫雷实验并没有检测到这种“光以太”。光的速度是一切速度的极限。
狭义相对论
牛顿力学和麦克斯韦的电磁理论在处理空间一时间和运动问题上并不一致。爱因斯坦提出物理学的定律对所有观测者都应该是一样的,而与他们的运动状态无关。相对论的原理导致了许多与人们的直觉不一致的结果:时间延缓、长度收缩、质能等效等。闵可夫斯基则把相对论解释为一个四维空间一时间几何学的理论。
广义相对论
怎样才能把引力和加速度包容进相对论?爱因斯坦认识到,自由下落的观察者是感觉不到引力的。等效原理则把引力和加速度联结了起来,并预言了一些新的物理现象:光在引力场中的偏折、引力的时间延缓以及近日点的进动。引力又可解释为闵可夫斯基的四维空间一时间的畸变:“物质告诉空间该怎样弯曲,而空间告诉物质该怎样运动。理论预言了引力波和黑洞。
天体物理
编辑
天文观测
人类在地球表面观测天体的范围以及成像的清晰度受到地球大气层以及望远镜孔径衍
射效应的制约。克服这种限制的方法之一就是将望远镜送人太空。天文学始于可见光波段的观测,现已扩展到电磁波谱的全部波段。
恒星
为测量到恒星乃至星系的距离,我们需要一系列技术手段,涉及恒星发光、生长和死亡
的详尽的理论。恒星光谱提供了包含恒星的本质、宇宙的历史以及元素起源的信息寸赫一罗图汇总了恒星的种类和特点。图中主序带以外包括了红巨星、白矮星、中子星和黑洞。超新星爆发冶炼出的各种重元素推动了整个星系化学成分的演化,同时超新星可以作为标准烛光用于测量宇宙大尺度的距离。
宇宙学
宇宙中有数量极多的星系,彼此相距遥远。银河系只是其中的一个星系。哈勃定律指出,星系的红移量正比于其距离。宇宙正在膨胀中心宇宙的膨胀意味着它的大爆炸起源。微波背景辐射和高丰度轻核的证据都支持这一学说。宇宙的年龄大约为150亿年(译注:更准确的数据为137亿年)。早期的宇宙可能是处于一种按指数规律暴胀的状态々这是由不稳定的真空态坍缩引起的。宇宙的未来取决于它的密度。当前我们只能检测到它的部分质量,可以解释恒星和星系的运动。
时间温度
热力学第二定律表明物理过程固有的不可逆性。熵永不减少。玻尔兹曼对熵和不可逆性作了有效的微观解释,但也引起了争议。诸如麦克斯韦妖这样的思想实验表明,熵与信息是相互关联的。霍金开创了黑洞热力学。
向绝对零度进军
尽管人们对温度很熟悉,但它是一个微妙的、与熵和能量有关的概念。绝对零度是不可能达到的。按照热力学定律,利用从有序到无序的转变可以获得很低的温度。昂内斯将氦液化从而开创了低温物理学,揭示出物质的一些奇特的新性质——超导性和超流性。接近绝对零度时,这种奇异行为涉及量子统计以及费米子和玻色子之间的区别。最近的研究已经创造了一种新的宏观物质态——玻色一爱因斯坦凝聚。
18、正反共轭(C)、空间反射(P)和时间反演(T)
守恒定律与对称性原理有关。在某些粒子相互作用中,单独的正反共轭、空间反射和时间反演对称性都遭到破坏,但是它们的联合效应(CPT)应当守恒。在某些衰变反应中,时间反演对称性的破坏表明有一个基本的微观时间箭头,它与热力学箭头并没有明显的联系。
❽ 现代物理学的核心内容是
1、量子理论:
量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。
它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。
2、相对论:
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立,依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。
❾ 现代物理学包括
现代物理学包括:力学,热学,电磁学,光学,统计物理学,量子力学,原子和原子核物理学,凝聚态(固态和液态)物理学,粒子物理学(高能物理)等等。