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物理学分支

各种不同的物理现象

物理学是一种自然科学,注重于研究物质能量空间时间,尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识;更广义地说,物理学探索分析大自然所发生的现象,以了解其规则。

核心理论

虽然物理学的研究范围十分广泛,但有些理论仍常被物理学者使用到,这些理论都已经过做实验多次检验,被证实为大自然的正确近似(可以适用于某设定值域内)。例如,经典力学的理论能够准确地描述物体的运动,前提是物体必须满足尺寸远大于原子、速度超小于光速这两个条件。经过多年的研究后,这些核心理论仍旧是很热门的研究领域。例如,二十世纪后半期,即在艾萨克·牛顿原本表述经典力学整整三个世纪之后,学者发现与创建了混沌理论,一门非线性系统相关经典力学理论。这些核心理论大致包括于经典力学量子力学热力学统计力学电磁学相对论等等基础物理学领域,是进阶研究的重要工具。任何物理学者,不论专长领域为何,通常都需要熟读精通这些理论。

基础领域 重要主题 重要概念
经典力学 牛顿运动定律拉格朗日力学哈密顿力学运动学静力学动力学声学流体力学连续介质力学混沌理论 时间空间转动位移速度加速度质量力矩动量角动量能量功率振动振动学
电磁学 电学磁学电动力学光学 电荷电流电导电阻电场磁场磁通电磁场电磁感应电磁辐射电磁波
热力学统计力学 热机分子运动论 温度热量内能自由能压力配分函数热力学平衡态函数涨落、相、相变
相对论 狭义相对论广义相对论爱因斯坦场方程 时空引力场引力波四维动量劳仑兹变换相对性原理等效原理协变性
量子力学 旧量子论矩阵力学波动力学量子场论相对论量子力学 波函数哈密顿量全同粒子自旋波粒二象性不确定原理零点能量子量子化能级

研究领域

现代物理研究大致分类为天文物理学原子物理学分子物理学光波物理学粒子物理学凝聚态物理学等等。有些大学的物理系也支持物理教育研究。自二十世纪以来,物理学的各个领域越加专业化,大多数物理学家的整个职业生涯只专精于一个领域,像阿尔伯特·爱因斯坦列夫·朗道这样的全才大师现在已寥若晨星。

物理学研究领域、分支领域和涉及的主要理论与重要概念:

研究领域 分支领域 主要理论 重要概念
天文物理学 天文学天文测量学宇宙学引力物理学高能天文学行星科学等离子体天文物理学太阳物理学太空物理学恒星物理学 大爆炸宇宙暴胀广义相对论牛顿万有引力定律ΛCDM模型磁流体力学 黑洞宇宙微波背景辐射、 宇宙弦、 暗能量暗物质星系引力引力波引力奇点行星太阳系恒星超新星宇宙
原子、分子和光波物理学 原子物理学分子物理学、 原子和分子天文物理学、 光波物理学光子学 量子光学量子化学量子信息学 光子原子分子衍射电磁辐射激光偏振谱线卡西米尔效应
粒子物理学 核子物理学、 核子天文物理学、 粒子天文物理学粒子物理现象学 标准模型量子场论量子电动力学量子色动力学电弱理论、 晶格场论、 晶格规范理论、 规范场论超对称大统一理论超弦理论M理论 引力相互作用电磁相互作用强相互作用弱相互作用基本粒子自旋反物质自发对称性破缺中微子振荡量子引力万有理论真空能量
凝聚态物理学 固体物理学、 高压物理学、 低温物理学表面物理学奈米科技高分子物理 BCS理论布洛赫波密度泛函理论费米气体、 费米液体、 统计力学 气体液体固体玻色-爱因斯坦凝聚电传导声子自我组织半导体超导体超流体
应用物理学 加速器物理学声学生物物理学工程物理学流体力学地球物理学材料科学医学物理光电工程太阳能光伏物理化学等离子体物理学固体物理学量子化学量子电子学、 量子信息学、 车辆动力学

注释

  1. ^ 费曼提到他认为关于所有科学知识的最精简句子:
    假设有那么一天,地球发生巨大灾难,把已有的科学知识悉数吹毁,只剩下一句话,让侥幸活下来的人传递给子孙。什么样的句子能够以最少的字,包含最多的知识呢?我相信那就是一般所谓的原子假说——所有东西皆由原子构成。原子是很小很小的粒子,永远不停地动来动去。个别原子之间,若稍有一点距离时,它们会互相吸引。但一当受到外力挤压,彼此因而靠得太近时,又会互相排斥。 — 费曼,费曼物理学讲义 I ─力学、辐射与热(1)基本观念,第41-42页

参见


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