梳理学科发展脉络，有助于我们认清学科现状、展望学科未来。物理学的历史非常悠久，我们不可能面面俱到。我们只是从牛顿开始，牛顿之前的许多开创性工作都不得不省略。
20世纪之前物理学的三大综合
从17世纪到19世纪，物理学经历了三次大综合。牛顿力学体系的建立标志着物理学的第一次综合，第二次综合是麦克斯韦电磁理论的建立，第三次综合是热力学两大定律的建立和相应统计理论的发展。
第一个综合——牛顿力学
17世纪，牛顿力学形成了完整的体系。可以说，这是物理学的第一次大综合。牛顿把天上行星的运动和地上苹果下落的运动总结为一条定律，建立了所谓的经典力学。至于苹果落下启发牛顿的故事有没有历史依据，那是另一回事，但它说明了人们对形象思维的偏爱。
牛顿力学的建立
牛顿实际上建立了两条定律，一条是运动定律，一条是万有引力定律。运动定律描述了物体在力的影响下如何运动；万有引力定律描述了物体之间的基本相互作用。牛顿将这两个定律结合在一起应用，因为行星的运动或地球上抛射体的运动受到重力的影响。牛顿从物理学中总结出这两个重要的力学定律的同时，也发展了数学，成为微积分的发明者。他使用微积分和微分方程来解决机械问题。
由运动定律建立的运动方程可以具体地用数学方法求解，这体现了牛顿力学的强大之处——它解决实际问题的能力。例如，要计算一颗行星的轨道，只需根据牛顿给出的物理思想和数学方法求解运动方程即可。
根据行星当前在其轨道上的位置，可以估计出行星在数千年前或预计未来数千年的位置。海王星的发现充分体现了这一点。当时，人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的预期。问题出在哪里？后来发现天王星轨道之外有一颗行星对天王星产生了影响，导致天王星的轨道偏离了预期的轨道。随后人们利用牛顿力学估计了行星的位置，并在预期位置附近发现了海王星。这说明牛顿定律是非常成功的。
根据牛顿定律写出运动方程。如果初始条件——物体的位置和速度——已知，你就可以在未来的任何时刻求出物体的位置和速度。这一思想被拉普拉斯概括并表述为普遍决定论：由于构成世界的所有粒子在某一时刻都有特定的位置和速度，并且它们都遵守一定的规律，那么世界上任何后续的粒子都会出现这种情况。完全确定，无一例外。这就是拉普拉斯决定论。它与宿命论的思想不谋而合，但又不同于我们在日常生活中的感受（我们经常遇到不确定的、不可预测的情况）。这个富裕问题直到20世纪才得到解决。
牛顿力学的新表述
19世纪，经典力学的发展表现为科学家以新的、更简洁的形式重新表达牛顿定律，如拉格朗日方程、哈密顿方程等。这些表达形式不同，但本质没有改变。这是19世纪牛顿力学发展的一个方面。另一方面，牛顿定律推广到连续介质的力学问题，出现弹性力学、流体力学等。在这方面，20世纪出现了更大的发展，尤其是流体力学，最终导致了航空甚至航天的出现。因此，牛顿定律直到今天仍然非常重要，牛顿定律仍然是大学课程中不可或缺的一部分。当然，它的表现方式应该随着时代的发展而变化。
牛顿对力学的研究成果写成了一部巨著，名叫《自然哲学的数学原理》。只要翻一下书，你就会发现它非常难懂。牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定律推导出行星运动的轨道。现在，在学习理论力学时，行星运动的椭圆轨道问题并不是太难，可以通过求解微分方程来解决。但牛顿在《自然哲学数学原理》中并没有使用微积分，更没有使用求解微分方程的方法，而是纯粹使用几何方法来推导椭圆轨道。
现代科学家可能无法理解他的东西。理论物理学家费曼曾说过，他在现代数学方面比牛顿强得多，但他不一定掌握了牛顿在17世纪所熟悉的所有几何学。他花了很多时间试图用牛顿的思想来证明所有行星的椭圆轨道，但他仍然无法证明一些联系。最终他不得不调整自己的做法。虽然没有完全遵循牛顿法，但基本上用几何方法证明了这个问题。
科学理论的表达随着时间的推移而变化。现在看来，牛顿运动定律的关键方面，例如行星的椭圆轨道，应该可以在普通物理学中教授，因为简单的微分方程已经可以通过计算机求解。由于计算机的发展，也许以后在讲授牛顿定律时，可以在课堂上讲清楚行星运动椭圆轨道的一些基本概念。
不可积问题
牛顿定律取得了巨大的成功，并且具有完全确定的规律性。但它与拉普拉斯决定论到底有什么关系呢？这是值得探讨的。
另外值得一提的是所谓的三体问题。单体问题是最简单的。物体在固定的中心力场中运动。二体问题并不复杂。这是两个物体相互吸引的运动问题。结果是两个物体都围绕质心移动。大质量物体的轨道较小，小质量物体的轨道较大。如果加上另一个物体，即三个物体之间存在吸引力，它们的运动规律就是天体力学中著名的三体问题。天体力学中的轨道计算涉及三体问题，通常通过摄动理论来解决，即将第三个物体的影响视为摄动。例如，地球和太阳是二体问题，月球加在一起就构成了三体问题。月球对地球轨道也有影响，但这种影响很小，可以用摄动法来处理。当三个物体不能被视为扰动时，它就是三体问题。
在19世纪，三体问题是天体力学中非常引人注目的问题。为了解决太阳系的稳定性问题，当时的挪威国王设立了奖金。该奖项最终颁给了法国著名数学家庞加莱。庞加莱证明三体问题是无法解决的，或者更确切地说是不可积的。对于有解的运动方程，位置和时间之间的关系最终可以表达为积分。在最理想的情况下，这个积分可以通过积分得到。即使无法求出积分，至少也可以表示为定积分。这是物理学中常见的可积性问题。
大学物理课程教授的内容几乎总是局限于可积问题，例如行星的运动和摆系统中摆的运动。这类可积问题的规则是确定的，计算出的轨道也是确定的。一旦知道了初始条件，接下来的所有情况就可以一一推导出来。
如果问题不可积，像庞加莱证明的三体问题，情况就完全不同了，就会出现所谓的对初始条件的敏感性。如果是可积问题，初始条件需要稍作调整，最终轨道只需要稍作修改；如果是不可积问题，初始条件的微小变化就会导致轨道完全不同。中国有句古话——差之毫厘，失之千里。这意味着有些情况对初始条件敏感。
通过对三体问题的研究，发现有些运动对初始条件极其敏感。如果说 20 世纪经典力学有一些发展，其中之一就是 20 世纪 40 年代和 1950 年代发展的 KAM 理论。在可积和不可积之间，存在一个近可积区域。 KAM 理论讨论了这个近可积区域的运动定律。 KAM理论是由前苏联科学家柯尔莫哥洛夫提出的
(AN)、阿诺德 (VI) 和瑞士科学家莫泽 (JK Moser) 证明了这一点。
20世纪力学的另一个发展是20世纪70年代出现的混沌理论，它表明不可积系统中粒子的轨道是不确定的。换句话说，虽然牛顿定律本身是确定性的，但它所描述的具体事物很可能表现出随机性。这样看来，拉普拉斯的决定论是站不住脚的。人对初始条件的控制能力是有限的，不可能无限准确。因此，初始条件的微小变化可能会导致运动轨迹完全不可预测。这说明经典力学的内容非常丰富，其中有些内容还有待进一步探讨。
第二综合——麦克斯韦电磁理论
历史上，电和磁是分别发现和研究的。后来又发现了电与磁的联系，如奥斯特（HC）发现的电流磁效应和安培发现的电流与电流相互作用定律。后来法拉第提出了电磁感应定律，使电和磁融为一体。
19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一电磁场理论，实现了物理学的第二次大综合。电磁定律和力学定律之间有一个完全不同的点。根据牛顿的假设，力学中考虑的相互作用，尤其是引力相互作用，都是远距离相互作用，不存在力传递的问题（当然，从现代的角度来看，引力也应该存在传递问题），而电磁相互作用是场相互作用。从粒子的远距离作用到电磁场的相互作用，概念上发生了很大的变化。场效应突出显示。
电场和磁场的不断相互作用导致电磁波的传播，这一点已被赫兹在实验室中证实。电磁波不仅包括无线电波，实际上还包括非常广泛的频谱，其中重要的一部分就是光波。过去光学是完全独立于电磁学而发展的。麦克斯韦电磁理论建立后，光学成为电磁学的一个分支，电、磁、光统一。
这种统一在技术上具有重要意义。发电机和电动机几乎都是基于电磁感应。电磁波的应用催生了现代无线电技术。迄今为止，电磁学在技术中一直发挥着主导作用。因此，电磁学在基础物理学中始终保持着重要的地位。
电磁学涉及观察问题的参考系统，并涉及移动导体的电动力学。直观地讲，电流的流动，即电荷的流动，会产生磁效应，但判断电荷是否流动就涉及到观察者的问题——参考系的问题。光学是电磁学的一部分，所以这个问题也可以表达为光的传播与参考系之间的关系是什么。迈克尔逊-莫雷实验表明，真空中的光速在惯性系中是不变的。这样就证实了电磁学在惯性系统中也遵循同样的定律。这实际上导致了爱因斯坦的狭义相对论。狭义相对论基本上是电磁学的进一步发展和延伸。迈克尔逊-莫雷实验在19世纪还无法得到清楚的解释。这是19世纪遗留下来的一个重要问题。
物理学第三综合——热力学基本定律
物理学的第三次综合始于热力学，它涉及大量物体的运动定律。
这个综合涉及到热力学的两个基本定律——热力学第一定律和第二定律，即能量守恒定律和熵不断增加原理。这两条定律决定了热力学的基本定律，但人们不满足于简单、宏观地描述物理现象，于是发展了分子动力学，从微观角度解释气体状态方程等宏观定律。与此同时，玻尔兹曼的经典统计力学也成立了。
进行这些研究是为了了解物质的性质，特别是热力学性质。这一领域的发展促进了物理学和现代化学的发展。一些具有实证主义哲学倾向的学者，如E.马赫等人，对玻尔兹曼的原子理论进行了激烈的批评，形成了19世纪末物理学界的一场重大争论：原子是否真实存在？ ，还是人们为了解释问题而提出的假设？直到1905年爱因斯坦提出布朗运动理论并得到实验证实后，这一点才得到充分解释。原子论终于得到学术界的认可。
19世纪末，许多问题被提出，如黑体热辐射能谱问题、多原子气体比热问题等，这些问题都无法用经典统计理论来解释。
现代物理学-20世纪物理学
20世纪初，物理学取得了两大突破：一是普朗克的作用量子概念，二是爱因斯坦提出的狭义相对论时空观。
量子力学和相对论的建立
1900年，英国物理学家开尔文在赞扬19世纪物理学成就的同时指出：在物理学晴空的远处，有两朵令人不安的小乌云。这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是黑体辐射实验，另一个是迈克尔逊-莫雷实验。正是这两片乌云导致了量子论和相对论的诞生。
1905年，爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》一文中系统地提出了后来被称为狭义相对论的理论。之所以称为相对论，是因为该理论的出发点是两个基本假设。第一是相对性原理，即所有惯性系中物理定律都是相同的；二是真空中的光速无论处于哪个惯性系统中都保持不变。在该系统中，测量到的真空中的光速是相同的。这两个假设并不矛盾。在所有惯性系统中贝语网校，麦克斯韦方程组都是相同的，因此在所有惯性系统中，真空中电磁波的速度必然相同，即光速。狭义相对论抛弃了牛顿的绝对时空观，认为空间、时间和运动是相关的，并推导出质量与能量的简单关系，以及高速运动物体的力学定律。这对于粒子加速器技术的后续发展至关重要。
1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，从而填补了经典力学的另一个漏洞，即无法解释物体在强引力场中的行为。根据牛顿定律计算出的水星近日点进动量小于天文观测值。广义相对论是一种引力理论，认为引力是时空弯曲的结果。它很好地解释了水星近日点的进动。广义相对论预言，引力会引起光频率的变化，即引力频移。它还预测光会在引力场中弯曲。这些都已被天文观测所证实。
尽管广义相对论取得了巨大成功，但它对地球问题影响甚微。同时，它所使用的数学过于复杂，因此在普通物理学中往往不予讨论。广义相对论引入了物体的惯性质量和引力质量的概念。惯性质量和引力质量具有相同的值，这仅在牛顿力学中得到承认但无法解释。爱因斯坦基于这两个质量相等提出了等效原理。接受等效原理，惯性质量和引力质量自然相等。事实上，大量实验已经证实，在一定精度内（比如10-9），两者确实是一样的。相对论将经典物理学推向了顶峰。
1900年，德国科学家普朗克提出了能量量子的概念。 1925年至1926年，海森堡和薛定谔最终建立了量子力学，解决了原子物理、光谱学等基本问题，取得了巨大成功。
此后，量子力学有两个重要的发展方向。一是将量子力学应用到更小的尺度（例如原子以下）。原子的中心是原子核物理学家历史，原子核是由中子和质子组成的，所以下一步就是将量子力学应用到原子核上。原子核经历各种衰变，也可以经历人工转变。核物理学是在量子力学的指导下发展起来的。更进一步就是现代所谓的基本粒子物理学。基本这个词通常只在一段时间内被认为是基本的。现在人们相信物质的基本组成部分是最小的轻子、夸克、胶子和其他中间玻色子。
量子力学的另一个发展方向是利用量子力学来处理更大规模的问题，例如分子问题（即量子化学问题）以及固态物理或凝聚态物理中的问题。从研究对象规模来看，研究范围越来越广，从固体物理到地球物理、行星物理，再到天体物理、宇宙物理。奇怪的是，宇宙的研究与基本粒子的研究联系在一起。两个不同方向的发展，一波三折，终于再次走到了一起。
统一理论
在发展过程中，物理学逐渐加深了对相互作用的认识。现在可以归结为四种基本相互作用：引力、电磁、弱相互作用和强相互作用。引力和电磁相互作用是大家都熟悉的，而弱相互作用和强相互作用是短程的，基本上表现在原子核尺度上。一般来说，在大块物质中，看不到弱相互作用和强相互作用的痕迹。
各种相互作用有强度差异。若强相互作用的强度为1，则电磁相互作用比强相互作用稍弱，约为10-2；较弱的相互作用就是弱相互作用。交互作用值约为10-13~10-19；引力相互作用在日常生活中似乎能感觉到，但它是最弱的，只有10-39。
物理学家一直试图统一这四种力。爱因斯坦晚年几乎用了半辈子的时间试图统一电磁相互作用和引力相互作用。应该说，他的研究方向是对的，但并没有取得实实在在的成果。真正取得进展的是量子场论。 20世纪30年代和20世纪40年代，量子电动力学的发展成功地解释了电磁相互作用。 20 世纪 60 年代，量子色动力学被发展来解释强相互作用。随后，弱相互作用和电磁相互作用得到了统一，即温伯格-萨拉姆电弱统一理论，向各种相互作用的统一理论迈出了成功的第一步。后来有人希望将强相互作用统一起来，称之为大统一理论。大统一理论迄今为止缺乏实验证据。
物理结构有不同的层次。随着物质尺寸的减小，能量变得越来越高。根据电弱统一理论，原子尺度（10-10米）对应的能量约为10-2GeV。费米实验室目前所能达到的最大加速器。为了建造更高能量的加速器，美国有超导超级对撞机（super super，SSC）计划，设计能量为40太电子伏特。但这个计划被否决了，因为成本太高，耗电超过100太电子伏特。十亿美元。现在可能建造的是欧洲大型强子对撞机（LHC），设计能量为14太电子伏特。电弱统一所需的能量现已触手可及，因此该理论得到了证实。大一统所需的能量几乎是遥不可及的，无论加速器有多大，似乎都无法达到如此大的能量。当所有四种相互作用统一时，相应的长度就是普朗克尺度，这可能无法使用人工方法实现。
现代宇宙学提出了大爆炸理论。大爆炸的时刻应该是能量最高的时刻。理论上估计普朗克尺度出现在大爆炸后大约10-43秒。此时此刻，四种互动统一在一起，这是一种超级合一的局面。随着时间的推移，大爆炸后10-35秒，引力效应已经分离，这是大统一的情况；那么强互动就分开了，大团结也就瓦解了。
至于大爆炸理论，应该说是有其实验基础的。我们现在看到的宇宙正在膨胀。另外，根据大爆炸理论预测，现在应该存在所谓的3K微波背景辐射，这一点已经被观测所证实。根据大爆炸理论计算出的各种化学元素的一些丰度分布也得到了天文观测的证实。这种大爆炸理论基本上是一种物理理论，因此被称为宇宙的标准理论。
在粒子物理领域，也有一个标准理论。基本粒子的夸克模型、电弱统一理论和色动力学理论相结合，形成了粒子的标准模型。这个标准模型至今依然无敌，所有的实验事实都与这个标准模型一致。然而，如果能量进一步增加，实验结果可能会偏离这个标准模型。物理学家希望测试和改进标准模型，这就是粒子加速器变得越来越大的原因。目前，粒子物理理论取得了巨大成就，但也存在一些问题。最重要的是能量无法增加。这个问题可以通过建造高能加速器，或者利用宇宙射线中的高能粒子来解决，这是近年来天体物理学中极其活跃和具有挑战性的领域。
因此，现代物理学的研究领域非常广阔，从最微小的基本粒子一直延伸到浩瀚的宇宙。显然，在极小和极大的两个极端处，存在着大片未开发的处女地。两者看似截然相反，但在早期宇宙中却辩证地趋同。需要强调的是，在物质结构的众多层次中，随着复杂性的增加，层出不穷的问题不断出现物理学家历史，给物理学家带来了新的挑战。比如玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导性等。这些问题不仅在基础理论上具有重要意义，而且还可能引发技术上的重大变革。
