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物理学
2025-08-29
物理学（Physics），是研究物质最一般的运动规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。
物理学起始于伽利略和牛顿的年代，它已经成为一门有众多分支的基础科学。物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。物理学充分用数学作为自己的工作语言，它是当今最精密的一门自然科学学科。
2021年，中国物理学自然指数排名世界第一。
基本概念
物理学是一门自然科学，注重于研究物质、能量（相互作用）、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，物理学探索并分析大自然所发生的现象，以了解其规则。
物理学的研究对象：物理现象、物质结构、物质相互作用、物质运动规律。
物理学研究的尺度（物质世界的层次和数量级）：
1. 空间尺度：
原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团、哈勃半径等。人蛇吞尾图形象地表示了物质空间尺寸的层次。
微观粒子（microscopic）：质子 〔10-15 m〕
介观物质（mesoscopic）
宏观物质（macroscopic）
宇观物质（cosmological）：类星体〔1026 m〕
2. 时间尺度：
基本粒子寿命 ：10-25s
宇宙寿命： 1018s
按空间尺度划分：量子力学、经典物理学、宇宙物理学。
按速率大小划分： 相对论物理学、非相对论物理学。
按客体大小划分：微观、介观、宏观、宇观。
按运动速度划分：低速、中速、高速。
按研究方法划分：实验物理学、理论物理学、计算物理学。
学科分类
●牛顿力学（Newtonian mechanics）与分析力学（analytical mechanics）研究物体机械运动的基本规律及关于时间、空间相对性的规律。
●电磁学（electromagnetism）与电动力学（electrodynamics）研究经典的电磁现象，主要包括：带电物质的动力学、宏观材料的导电/介电性质和导磁/介磁性质、经典电磁场的基本性质及运动规律、带电物质与电磁场的相互作用。00:00/05:34
●热力学（thermodynamics）与统计力学（statistical mechanics）研究物质热运动的宏观表现及其微观统计规律。
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00●相对论（theory of relativity）是关于四维时空的结构和性质，及与之相关的运动学和动力学的理论。其中：
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• 狭义相对论（special relativity）研究物体的高速运动效应以及物体在平直四维时空中的动力学规律。
• 广义相对论（general relativity）研究在大质量物体附近，时空的弯曲效应，及物体在强引力场下的运动学和动力学行为。
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●量子力学（quantum mechanics）与量子场论（quantum field theory）研究在微观尺度下，物质的基本性质、运动现象，以及基本动力学规律。
此外，还有：
粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学等。
研究领域
物理学研究的领域可分为下列四大方面：
1. 凝聚态物理——研究物质宏观性质，这些物质内包含极大数目的组元，且组元间相互作用极强。最熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成。更多的凝聚态相包括超流和玻色-爱因斯坦凝聚态（在十分低温时，某些原子系统内发现）；某些材料中导电电子呈现的超导相；原子点阵中出现的铁磁和反铁磁相。凝聚态物理一直是最大的的研究领域。历史上，它由固体物理生长出来。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。
2. 原子、分子和光学物理——研究原子尺寸或几个原子结构范围内，"物质-物质"和"光-物质"的相互作用。这三个领域是密切相关的。因为它们使用类似的方法和有关的能量标度。它们都包括经典和量子的处理方法；从微观的角度处理问题。原子物理处理原子的壳层，集中在原子和离子的量子控制；冷却和诱捕；低温碰撞动力学；准确测量基本常数；电子在结构动力学方面的集体效应。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核内部现象则属高能物理。 分子物理集中在多原子结构以及它们，内外部和物质及光的相互作用，这里的光学物理只研究光的基本特性及光与物质在微观领域的相互作用。
3. 高能/粒子物理——粒子物理研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用；也可称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界原本并不存在，只在粒子加速器中与其它粒子高能碰撞下才出现。据基本粒子的相互作用标准模型描述，有12种已知物质的基本粒子模型（夸克和轻粒子）。它们通过强、弱和电磁基本力相互作用。2023年，欧洲核子研究中心（CERN）的实验团队找到了希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子的首个证据。
4. 天体物理——天体物理和现代天文学是将物理的理论和方法应用于研究星体的结构和演变、太阳系的起源，以及宇宙的相关问题。因为天体物理的范围宽，它利用了物理的许多原理，包括力学、电磁学、统计力学、热力学和量子力学。1931年，卡尔发现了天体发出的无线电讯号，开始了无线电天文学。天文学的前沿已被空间探索所扩展。地球大气的干扰使观察空间需要用到红外、超紫外、伽玛射线和X射线。物理宇宙论研究在宇宙的大范围内宇宙的形成和演变。爱因斯坦的相对论在现代宇宙理论中起了中心的作用。20世纪早期哈勃从图中发现了宇宙在膨胀，促进了宇宙的稳定状态论和大爆炸之间的讨论。1964年宇宙微波背景的发现，证明了大爆炸理论可能是正确的。大爆炸模型建立在二个理论框架上：爱因斯坦的广义相对论和宇宙论原理。宇宙论已建立了ACDM宇宙演变模型，它包括宇宙的膨胀、暗能量和暗物质。 从费米伽玛-射线望远镜的新数据和现有宇宙模型的改进，可期待出现许多可能性和发现。尤其是今后数年内，围绕暗物质方面可能有许多发现。
