通往物理學世界的地圖經典物理學、相對論和量子力學

最新 07-09

物理可以簡單的被定義為是研究物質和能量的一門科學。但是這個簡單的定義其實包含了許多的不同的分支。

為了幫助大家更好的了解物理學的不同領域，Dominic Walliman製作了下面這張物理學地圖：

物理學可以大致被分為三個分支：經典物理學、相對論和量子力學。

經典物理學

我們從經典物理學開始說起。

而這裡首先要提到的人物便是牛頓。他的運動定律描述了萬物是如何運動的。他的萬有引力定律把行星的運動和落在地球的物體優美的聯繫在一起。

他也發明了微積分，是一個強有力的數學工具，在物理學的各個分支都運用到了微積分。雖然微積分是數學的一個分支，但是數學對物理的重要性卻是不言而喻的。

牛頓還在光學領域做出了巨大貢獻。光學主要研究光的現象、性質與應用。它解釋了在稜鏡中看到的折射，以及透鏡是如何聚焦光線的，這對於望遠鏡、顯微鏡和照相機的製作都很重要。

望遠鏡的發明使我們能夠更加深入的去探索宇宙，觀測在宇宙中不同的天體。這促使了宇宙學和天體物理學的誕生。

光學跟波是緊密相連的，波理論研究的是能量如何通過媒介的擾動傳播的，比如池塘表面的漣漪，或通過空氣的聲音。光不需要通過任何介質傳播，它可以在真空中傳播，但也同樣服從反射、折射和衍射的原理。這引導我們進入電磁學。

電磁學主要研究電磁力，或者說是研究磁場和電場的一個學科。麥克斯韋對電磁理論的貢獻是里程碑的，他提出了電磁場的方程組，並發現了其實光就是電磁波。電磁學描述了所有的電學現象。

經典力學，是以牛頓運動定律為基礎。它研究物體是如何運動的，當它們連接在一起的時候會發生什麼，比如在齒輪、建築或橋樑。

流體力學是研究流體（包括液體、氣體和等離子體）是如何流動的科學。利用流體力學就可以計算出飛機機翼產生的升力是多少，以及汽車的空氣動力學是怎麼運作的。流體力學是出了名的難，因為在微觀尺度，分子的運動是非常複雜和快速的。而這就需要混沌理論。

混沌理論是對一個巨大的複雜系統的描述。初始狀態非常微小的差異是如何導致最後結果的巨大不同。

熱力學則是研究熱現象中物態轉變和能量轉換規律的學科。熱力學包含了熵的概念，它描述了系統的有序和無序，以及告訴我們不同能量類型有多有用。

這些就是經典物理學的全部了，在1900年代，我們對宇宙的理解都基於這些物理學分支。在那個時候物理學家認為宇宙中所有東西的運作就像時鐘，只要你能夠準確的測量，你就能夠預測未來。

但是，並不是所有的問題都得到解決，物理學家在實驗/觀測中看到了一些無法解釋的事情。比如天文學家發現水星環繞太陽的軌道有著牛頓力學無法解釋的擾動；同時，在微觀尺度，電子和光子也發生了一些怪異的事情。物理學家認為這些問題很快就會得到妥善的解決，而在尋找答案的這個過程中卻引來了一場革命——相對論和量子力學的誕生。而兩個學科的出現也徹底地改變了我們對宇宙的理解。

相對論

愛因斯坦無疑是史上最偉大的科學家之一，他提出了狹義和廣義相對論。狹義相對論預言，對於所有的觀測者，光速都是不變的。這意味著當你運動的非常快的時候，奇怪的事情開始發生了，比如時間變慢了。同時，愛因斯坦也將能量和質量通過著名的方程 E=mc2 聯繫了起來。

在相對論中，愛因斯坦將從前認為完全是不同的空間和時間聯繫在一起，稱為時空。根據廣義相對論，引力其實就是時空的彎曲。用一句話解釋愛因斯坦的引力理就是：「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。」

相對論是描述宏觀世界的理論，而其他物理學家則忙於理解對微觀尺度的量子世界進行研究。

量子物理

原子理論專註於探索原子的本性，原子的結構也逐漸得到了完善，從一個帶正負電的小球（梅子布丁模型），到電子繞著原子核運動（盧瑟福模型），到能量等級（玻爾模型），再到電子云（量子力學模型）。

凝聚態物理是研究固體和液體中的原子在一起的量子行為的學科，許多現代高科技都依賴它，比如計算機、激光和量子信息等。

核物理研究原子中的原子核的行為，解釋了輻射、在核電站中運用的核裂變，以及在太陽中正在進行的核聚變。物理學家希望在不就的將來能夠將在地球上建造核聚變發電站。

粒子物理學則是研究更基本的問題，粒子物理學家在加速器中尋找構成萬物的亞原子粒子，或者一些未發現的新離子。目前粒子物理學中最成功的理論被稱為「標準模型」。

量子場論是量子力學和狹義相對論相結合的物理理論，被廣泛應用在粒子物理學和凝聚態物理學中。這是目前描述宇宙最好的理論。不幸的是，量子場論並不包括引力。物理學家還不知道怎麼將量子物理和廣義相對論結合，這就表示我們還有一片未知的鴻溝。

未來

物理學家希望能夠找到一個描述所有物理現象的理論，稱為量子引力，而量子引力可以幫助我們填補這片鴻溝。已經有許物理學家在這條道路上奮鬥，他們發展了弦理論、圈量子引力及其他理論。但是量子引力並不是我們唯一無法理解的，我們還對構成宇宙95%的暗物質和暗能量也是一無所知。所有已知的物理都只描述了宇宙中的5%，剩下對我們來說是個巨大的謎題。還有許多其它的未解之謎，比如大爆炸，而超過這個我們甚至不知道我們不知道什麼。