为了帮助大家更好地了解物理不同领域,制作了以下物理图:
经典物理学
让我们从经典物理学开始。
这里第一个要提到的人是牛顿。 他的运动定律描述了万物如何运动。 他的万有引力定律巧妙地将行星的运动与落在地球上的物体联系起来。
他还发明了微积分,这是一种用于物理学所有分支的强大数学工具。 虽然微积分是数学的一个分支,但是数学对于物理学的重要性是不言而喻的。
牛顿在光学领域也做出了巨大贡献。 光学主要研究光的现象、性质和应用。 它解释了棱镜中的折射以及透镜如何聚焦光线,这对于望远镜、显微镜和相机的构造非常重要。
望远镜的发明让我们能够更深入地探索宇宙,观察宇宙中不同的天体。 这产生了宇宙学和天体物理学。
光学与波密切相关,波动理论研究能量如何通过介质中的扰动传播,例如池塘表面的波纹或空气中的声音。 光不需要通过任何介质传播。 它可以在真空中传播,但也遵循反射、折射和衍射原理。 这将我们引向电磁学。
电磁学主要研究电磁力,或者说是研究磁场和电场的学科。 麦克斯韦对电磁理论的贡献是一个里程碑。 他提出了电磁场方程组,并发现光实际上是一种电磁波。 电磁学描述了所有电现象。
经典力学基于牛顿运动定律。 它研究物体如何移动以及它们连接在一起时会发生什么,例如齿轮、建筑物或桥梁。
流体力学是研究流体(包括液体、气体和等离子体)如何流动的学科。 使用流体力学,您可以计算飞机机翼产生的升力以及汽车的空气动力学原理。 流体力学是出了名的困难,因为在微观尺度上,分子的运动极其复杂和快速。 这需要混沌理论。
混沌理论是对一个巨大复杂系统的描述。 初始条件的微小差异如何导致最终结果的巨大差异。
热力学是研究热现象中状态转变和能量转换规律的学科。 热力学包括熵的概念,它描述了系统的有序和无序,并告诉我们不同类型的能量有多么有用。
这就是经典物理学的全部内容,在 20 世纪 00 年代,我们对宇宙的理解就是基于这些物理学分支。 当时的物理学家认为,宇宙中的一切都像时钟一样运转,只要能准确地测量它物理,就可以预测未来。
然而,并不是所有的问题都得到了解决,物理学家在实验/观察中看到了一些无法解释的事情。 例如,天文学家发现水星绕太阳运行的轨道存在牛顿力学无法解释的扰动; 与此同时,电子和光子在微观尺度上也发生了一些奇怪的事情。 物理学家相信这些问题很快就会得到妥善解决,但对答案的探索引发了一场革命——相对论和量子力学的诞生。 两个学科的出现也彻底改变了我们对宇宙的认识。
相对论
爱因斯坦无疑是有史以来最伟大的科学家之一,他发展了狭义相对论和广义相对论。 狭义相对论预测光速对于所有观察者来说都是恒定的。 这意味着当你移动得非常快时,奇怪的事情就会开始发生,比如时间变慢。 同时,爱因斯坦还通过著名的方程E=mc⊃2;将能量和质量联系起来。
在他的相对论中,爱因斯坦将以前被认为完全不同的空间和时间联系在一起,形成他所谓的时空。 根据广义相对论,引力实际上是时空的曲率。 用一句话来解释爱因斯坦的引力理论:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何移动。”
相对论是描述宏观世界的理论,而其他物理学家则忙于试图在微观尺度上理解量子世界。
量子物理学
原子理论重点探索原子的本质,原子的结构也逐渐完善,从带正电和负电的球(李子布丁模型),到绕原子核运动的电子(卢瑟福模型),到能级(玻尔模型) ),然后到电子云(量子力学模型)。
凝聚态物理学是研究固体和液体中原子的量子行为的学科。 许多现代高科技都依赖于它,例如计算机、激光和量子信息。
核物理学研究原子内原子核的行为,并解释辐射、核电站中使用的核裂变以及太阳中发生的核聚变。 物理学家希望在不久的将来在地球上建造聚变发电厂。
粒子物理学研究更基本的问题。 粒子物理学家在加速器中寻找构成一切的亚原子粒子,或者一些未被发现的新离子。 目前粒子物理学中最成功的理论被称为“标准模型”。
量子场论是一种结合了量子力学和狭义相对论的物理理论,广泛应用于粒子物理学和凝聚态物理学。 这是目前描述宇宙最好的理论。 不幸的是,量子场论不包括引力。 物理学家还不知道如何将量子物理与广义相对论结合起来,这意味着我们仍然存在未知的差距。
未来
物理学家希望找到一种描述所有物理现象的理论,称为量子引力,可以帮助我们弥合这一差距。 许多物理学家已经在沿着这条道路努力,发展弦理论、圈量子引力和其他理论。 但量子引力并不是我们唯一不理解的东西。 我们对构成宇宙 95% 的暗物质和暗能量也一无所知。 所有已知的物理学只描述了宇宙的 5%,其余部分对我们来说是一个巨大的谜团。 还有许多其他未解之谜,例如大爆炸,除此之外我们甚至不知道我们不知道什么。
哲学
尽管许多物理学家嘲笑哲学,但有许多重大的哲学问题促进了物理学的发展。 例如,什么是真实本质? 宇宙为何存在? 我们有自由意志吗? 等等,这些都是大问题。 我们可能会也可能永远不会找到答案,但没有人有任何理由阻止我们寻找答案。
这就是物理图的意义所在。
我想传达的是关于物理学的一个重要事实:当科学家解决一个谜团时,例如运动定律或电磁学定律,他们的发现往往会开辟新的发现。 例如,经典力学面临的问题直接导致了相对论和量子力学的诞生。
最后,请记住物理,尽管这张图显示了物理学的所有分支。 但这可能只是完整地图的冰山一角,还有更大的部分等待我们去发现。