【基础】物理学到底是什么?主要包括什么?
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【基础】物理学到底是什么?主要包括什么?
　　 物理学（英语：Physics）是研究大自然现象及规律的学问。在物理学的领域中，主要研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解相关系统。在经典时代，物理学时常会与其暹罗双胞胎自然哲学合并在一起。直到十九世纪物理学才从哲学中分离出来成为一门实证科学。　　在现代，物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。物理学理论通常以数学的形式表达出来。经过大量严格的实验验证的物理学规律被称为物理学定律。然而如同其他很多自然科学理论一样，这些定律不能被证明，其正确性只能经过反复的实验来检验。　　物理学与其他许多自然科学息息相关，如天文学、地质学、生物学，特别是化学。化学与某些物理学领域的关系深远，如量子力学、热力学和电磁学。　　尽管物理学的研究范围十分广泛，相对应的理论也很众多，但有一些理论被证明是最基本的，其正确性是被普遍接受的。这些理论被看作是物理学的中心学说和基础理论。他们也是成为一个物理学家所必备的知识。　　1) 理论 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、力矩、动量、角动量、能量、功、功率、振动、波、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 　　热力学和统计力学 热机、分子运动论 温度、热量、内能、自由能、熵、压强、配分函数、平衡态、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 　　2) 主要领域　　物理学的研究领域主要依据研究对象的尺度划分。　　领域 分支领域 主要理论 　　天体物理学 宇宙学、等离子体天体物理学等 大爆炸宇宙学、暴涨宇宙模型、广义相对论、ΛCDM模型 　　凝聚态物理学 固体物理学、低温物理学、介观物理学、高分子物理学、纳米科技 BCS理论、费米气体理论、布洛赫波、费米液体理论、多体理论 　　原子物理学、分子物理学和光学 原子天文物理学、分子动力学、非线性光学、光谱学 量子光学、量子化学、量子计算机 　　粒子物理学 核子物理学、粒子物理学、粒子天文物理学、加速器物理学 标准模型、量子场论、量子色动力学、规范场论、大统一理论、超对称、超弦理论、M理论 　　等离子体物理学 等离子体天体物理学等 　　3)相关领域　　应用学科：声学 - 电子学 - 材料物理学 - 高分子物理学　　交叉学科：计算物理学 - 数学物理 - 物理化学 - 生物物理学
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物理学陷入困境：接下来该怎么办？
19世纪末，由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善，一些物理学家认为，&物理学的发展实际上已经结束，物理学已经走到穷途末路了&。殊不知，彼时彼刻，物理学正酝酿着两场翻天覆地变化。爱因斯坦的相对论彻底地改变了人们对时间、空间、重力以及宏观宇宙的理解；而量子力学则揭示出一个奇异的微观宇宙。然而，事情并没有就此结束，物理学的车轮仍然在科学的驱使下滚滚前行。将量子理论和粒子物理学标准模型这两大20世纪的支柱理论整合起来，创建出一个最终解释万事万物运行规律的&万物之理&，仍旧是科学家们一直在苦苦追寻的梦想。
只有通过无畏的付出和追寻，我们才能深切地了解到我们的局限性
19世纪末，由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善，一些物理学家认为，&物理学的发展实际上已经结束，物理学已经走到穷途末路了&。殊不知，彼时彼刻，物理学正酝酿着两场翻天覆地的大革命：爱因斯坦的相对论彻底地改变了人们对时间、空间、重力以及宏观宇宙的理解；而量子力学则揭示出一个奇异的微观宇宙。这两大横空出世的革命令人惊觉宇宙之神奇以及人类直觉之不可靠。
然而，事情并没有就此结束，物理学的车轮仍然在科学的驱使下滚滚前行。将量子理论和粒子物理学标准模型这两大20世纪的支柱理论整合起来，创建出一个最终解释万事万物运行规律的&万物之理&，仍旧是科学家们一直在苦苦追寻的梦想。疑似希格斯玻色子的发现或许只是一个启示，告诉我们到了我们再次刷新物理学面貌的时候了。当然，一切还是要从最基本的问题出发。
为此，英国《新科学家》网站集结了众多当代著名物理学家的真知灼见，为我们梳理了物理学的现状和面临的困境，以帮助我们消除心头的疑问。
第一部分：
物理学陷入的困境
布赖恩&格林：美国哥伦比亚大学的理论物理学教授，以下文字摘自于他2011年出版的著作《隐藏的现实》。格林被公认在超弦理论中做出了很多具有开拓性的发现，他曾在20多个国家开过普及和专业讲座，著有《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等书。
数学是现实之根吗？
　　是什么让我们如此确定数学能揭示自然界最深处的奥秘呢？
19世纪晚期，英国物理学家、数学家詹姆斯&克拉克&麦克斯韦意识到光是一种电磁波，他基于此创立的麦克斯韦方程组表明，光速应该为30万千米/秒。这一数据与实验测得的数值相差无几。但是，麦克斯韦方程组给后人留下了一点小小烦恼，那就是，30万千米/秒这一数值是相对于什么而言的呢？
爱因斯坦为了解决光速的参考系问题，人为地引入了&以太（aether）&这一概念。爱因斯坦设想在宇宙中充满了一种均匀的无质量的物质，他把它叫做&以太&，光速就是以这种&以太&为参照系的。但是，后来的理论发展和实验却证明，&以太&是不存在的，光速在任何参考系中都是一样的。这也是狭义相对论的一个基础。
爱因斯坦创立的狭义相对论颠覆了几个世纪以来与空间、时间、物质和能量有关的一切思想，但爱因斯坦并没有止步于此，最终，他创立了广义相对论。广义相对论认为，万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现。广义相对论目前仍然是宇宙模型的基础。
上述细节具有重大的历史意义，但又不仅如此，所有人都看到了麦克斯韦方程组背后的数学，而只有天才的爱因斯坦才花费了很大的精力和心血来研究它，并最终基于此做出了伟大的发现。
这个故事很好地阐释了诺贝尔奖得主史蒂芬&温伯格的一段话。温伯格曾经表示：&我们的错误并不在于我们太把已有的理论当回事，而在于我们并没有对它们给予足够的重视。&
温伯格的这段话指的是天文学上的另一个重大突破&&美国科学家拉尔夫&阿尔法、罗伯特&赫尔曼以及乔治&伽莫夫的预测，即大爆炸之后的瞬间会产生宇宙微波背景辐射。其实，只要科学家们将广义相对论与基本的热力学理论结合在一起考虑，就会自然而然地得出上述结论。
1948年，阿尔法和赫尔曼预言，宇宙大爆炸产生的残留辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度（零下273摄氏度）以上5开，或者说5K。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。
直到1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺&彭齐亚斯和罗伯特&威尔逊在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线时，十分意外地发现了这种宇宙辐射场。与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特&迪克领导的科学小组也已独立地发现了阿尔法和赫尔曼作过的预言，并着手设计出了一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度&&这与阿尔法和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。科学家们将其称为&宇宙微波背景辐射&。宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论提供了有力的支持。
无可否认，温伯格的这句话具有很强的现实意义。尽管多年来，已经有很多实验证明与现实世界有关的数学是他埋首于书桌得到的，但是这并不是说我们的理论学家们随便涂抹的任何方程式都能达到温伯格的水平。没有令人信服的实验结果，认定哪个方程式值得认真对待，这可真是一件艺术活。
当然，爱因斯坦就是这方面的艺术大师。在他于1905年发表了狭义相对论公式之后的几十年内，他就对数学的各个领域烂熟于心了，而同时代的大多数物理学家则对这些领域知之甚少甚至一无所知。在他迈向广义相对论的最终等式的过程中，在将这些数学结构同他的物理学直觉结合在一起这个方面，爱因斯坦展示出了罕见的天赋。
比如，1919年，当爱因斯坦看到一条消息说，科学家们对日全食的观测证实了广义相对论的预测&&光应沿着曲线行进时，他强调说，要是结果不一样，&他只能对上帝说&抱歉&了，因为他确信他的理论是正确的&。
我非常确信，当能够颠覆广义相对论的有说服力的数据出现时，爱因斯坦肯定会换种口气说话。但是，爱因斯坦的这句话，却很好地展示了一套数学方程式如何通过它们条理清晰的内部逻辑、优雅美妙的结构以及广泛的适用性来精确地彰显现实。几个世纪的发现已经为我们提供了丰富的证据，表明数学能够揭示世间万事万物不为人知的运行奥秘，而且，物理学也在数学的引领下，一次次迎来了不朽的巨变。
然而，爱因斯坦对于他本人提出的数学方程，接受程度也是有限的。他并没有&足够认真&地看待他的广义相对论，他并不相信广义相对论能预测出黑洞或者宇宙在不断膨胀。但是，其他科学家却比爱因斯坦本人更重视广义相对论的方程式，而且，这些科学家研究爱因斯坦理论所取得的成就在近百年来已经为人们理解宇宙学确定了航向。
相反，在其生命的最后20年里，爱因斯坦将全副身心都投入到了数学领域，希望能够为物理学创立一个大一统的理论。不过，当我们检阅历史时，我们不得不承认，那些年里，爱因斯坦对他所处的数学丛林过于执着了，甚至有人都觉得他好像被数学牵着鼻子走，有点过于&盲目&了。在应该认真严肃地对待哪个方程式这一问题上，甚至爱因斯坦有时也会犯错。
量子力学却为这种物理学和数学之间的困境提供了另外一种可能的解决办法。1926年，埃尔温&薛定谔写下了他的量子波等式，在此后的几十年间，人们认为这个等式仅仅与分子、原子和亚原子粒子等一些微小的领域相关。但是，1957年，普林斯顿大学的休&艾福雷特博士对爱因斯坦在半个世纪之前的建议&&要严肃对待数学作出了回应。艾福雷特认为，薛定谔的等式应该可以适用于任何方面，因为所有的物质，无论大小，都由原子、分子和亚原子粒子组成，而这些粒子全部遵循薛定谔提出的概率法则。按照这种逻辑推演下去，我们可以得出一个结论，那就是，不仅实验装置会遵循薛定谔方程，实验对象也是如此。艾福雷特据此提出了他的&多重宇宙理论&。该理论认为，宇宙在第一次&大爆炸&后还在不断&大爆炸&，形成无数宇宙，因此，在一系列平行世界中，所有可能的结果都可能会实现。
只有天才的爱因斯坦，才毫无保留地接受了麦克斯韦方程组背后的数学，并由此提出了狭义相对论。
50多年过去了，我们仍然不知道艾福雷特的推论方法是否正确。但是，通过非常严肃认真地对待量子理论背后的数学，他可能已经做出了科学探索领域内最有意义的一个。从此，旨在帮助我们更深入地理解现实的很多数学方程式，都普遍引入了各种版本的多重宇宙。简而化之，&多重宇宙&指的是在数学上允许存在的每个可能的宇宙都对应着一个真实的宇宙。极端一点来说就是，数学即现实。
如果迫使我们思考平行世界的某些数学方程式或者所有的数学方程式都被证明与现实有关，那么，爱因斯坦著名的&追问&&&该宇宙拥有它所具有的特征是否仅仅因为没有其他宇宙可能具有该特征这一问题将有一个确定无疑的答案：不。我们的宇宙并非唯一一种可能，其性质可能与现在不同，而且，其他宇宙的性质确实也可能不同。如果真是如此，那么，为什么某些事情会是现在这种情况？为其寻找一个基本的解释将是一件徒劳无功的事情。毫无疑问，统计可能或者纯粹是偶然无疑会进入我们对于巨大宇宙的理解中。
我并不知道事情最终会有一个怎样的结局，也没有任何人知道。但是，只有通过无畏的付出和追寻，我们才能深切地了解到我们的局限性。只有通过理智地追寻理论，通过严肃地对待数学，即使有些数学方程式会将我们引入完全陌生的领域，我们也有机会揭示隐藏着的现实。
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