物理学

定义

物理学的研究对象是物质最基本的组成、最普遍的运动形式以及彼此间的相互作用，同时涵盖能量、空间与时间这些基本要素及其关系。中国科学界常把它表述为研究物质及运动基本规律的基础科学，内容包括物质结构、相互作用、运动形式以及这些形式之间的转化^[1]。

物理学以实验为立足点，用数学语言把观测到的规律写成理论，理论能否成立最终取决于实验检验；经过反复验证的规律被称为物理定律^[2]。学科的空间跨度极大，小到基本粒子，大到星系与整个宇宙，均在其视野之内^[3]。

把物理量之间的关系写成方程，是物理学表述规律的典型方式，例如能量与质量的关系可写作 $E=mc^2$，牛顿第二定律可写作 $F=ma$^[4]。

按研究对象与方法，学科内部通常区分实验物理、理论物理与计算物理三条路径，三者结论都必须回到实验测量与观测中去核实^[5]。

背景

在近代科学成形之前，关于自然的知识长期归在自然哲学之下，物理学、化学、生物学尚未分化。17 世纪至 19 世纪，这些领域才陆续从自然哲学中独立出来^[2]。

中文「物理」一词早期指万物之理，与今日含义并不相同。明清之际西学东渐，physics 曾被译作「格致学」；此后才逐渐改用「物理学」作为学科名称，日本译名在这一过程中也起过作用^[2]。

古代对自然的解释多依赖思辨与直觉，缺乏定量检验。伽利略与牛顿确立了用数学描述、并由实验证实或证伪的研究方式，物理学由此获得现代意义上的形态^[6]。1687 年牛顿的《自然哲学的数学原理》给出运动三定律与万有引力定律，把地面物体与天体运动纳入同一套规律^[5]。

经典体系在 19 世纪末趋于完备，热力学、统计力学、光学与电磁学相继建立。麦克斯韦在 1865 年提出电磁场方程组，并指出光即电磁波，构成经典物理的又一次大综合^[5]。

内容

经典力学以牛顿定律与分析力学为核心，刻画宏观物体的运动；热学与统计物理处理大量微观粒子的宏观统计行为；电磁学与光学研究电磁场及光的性质；原子物理与量子力学则面对微观结构与量子现象^[5]。

1900 年普朗克提出能量量子化假说；1905 年爱因斯坦提出光量子并解释光电效应；1925 年海森伯建立矩阵力学，1926 年薛定谔建立波动力学，量子理论的基本框架由此形成。爱因斯坦另于 1905 年与 1915 年分别建立狭义与广义相对论，把时间与空间统一为时空，并以时空弯曲描述引力^[5]。

按当前研究布局，学科主要分支包括高能物理、核物理、天体物理与宇宙学、原子分子物理与光学、凝聚态物理以及生物物理等。其中凝聚态物理研究的对象是固体、液体等大量粒子的集合体，已成为现代物理学中规模最大、分支最多的部分^[7]。

研究方法上，物理命题多从新的观测或实验事实中提炼，也可由已有原理推演得出；随后以数学推理作出预言，再由实验判定取舍，与事实不符的理论须修改或放弃。这一「命题—解释—预言—验证」的循环构成学科的基本工作方式^[8]。

影响与争议

物理学的突破常转化为新技术。电磁学的进展带来电灯、电动机等电器产品；核物理的成熟使核能发电成为现实，同时也引出安全与环境方面的持续讨论^[2]。力学与热学的研究曾推动蒸汽机改进，电磁理论与电磁感应研究促成了发电机、电动机与无线电通讯，相对论与量子力学则为原子能、电子计算与航天技术提供了理论基础^[5]。

研究者曾以为经典体系已接近完备，19 世纪末的若干观测却难以用旧理论解释，微观尺度上电子与光子的行为尤为突出。正是这些缺口促成了相对论与量子力学，旧理论并未被全盘推翻，而是被限定在各自的适用范围内继续使用^[4]。

方法层面看，物理学长期以还原论为主导，把现象归结为最基本组成单元；20 世纪中叶以来，凝聚态研究转而关注大量粒子集体涌现出的新性质，即所谓衍生现象，这被视为学科思路的一次重要调整^[7]。

学科边界并不固定，与化学、生物学、地球科学、天文学等的交叉产生了物理化学、生物物理、地球物理等方向；物理学与其他学科的关系，因此常被描述为提供基础理论与工具的一方^[9]。

参见

• 相对论 —— 关于时空结构与引力的理论，现代物理学的两大支柱之一

• 量子力学 —— 描述微观尺度物质行为的理论体系

• 凝聚态物理 —— 研究固体、液体等大量粒子体系的分支

• 牛顿 —— 经典力学体系的奠基者

• 爱因斯坦 —— 狭义与广义相对论的提出者