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1、物理学物理理学研究究宇宙间间物质存存在的各各种主要要的基本本形式，它们的的性质、运动和和转化以以及内部部结构；从而认认识这些些结构的的组元及及其相互互作用、运动和和转化的的基本规规律。地地学和生生命科学学都是自自然科学学的重要要方面，有重要要的社会会作用，但是像像地球这这样有生生物的行行星在宇宇宙中却却是少见见的，所所以地学学和生命命科学不不属于物物理学范范围。当当然，物物理学所所发现的的基本规规律，即即使在地地球现象象和生命命现象中中，也起起着重要要作用。物物理学的的各分支支学科是是按物质质的不同同存在形形式和不不同运动动形式划划分的。人对自自然界的的认识来来源于实实践，而而实践的的广度和和
2、深度有有着历史史的局限限性。随随着实践践的扩展展和深入入，物理理学的内内容也不不断扩展展和深入入。新的的分支学学科陆续续形成；已有的的分支学学科日趋趋成熟，应用也也日益广广泛。早早在古代代就形成成的天文文学和起起源于古古代炼金金术的化化学，始始终保持持着独立立的地位位，没有有被纳入入物理学学的范围围。在天天文学和和物理学学之间、化学和和物理学学之间存存在着密密切的联联系，物物理学所所发现的的基本规规律在天天文现象象和化学学现象中中也起着着日益深深刻的作作用。客观观世界是是一个内内部存在在着普遍遍联系的的统一体体。随着着物理学学各分支支科学的的发展，人们发发现物质质的不同同存在形形式和不不同运动
3、动形式之之间存在在着联系系，于是是各分支支学科之之间开始始互相渗渗透。物物理学逐逐步发展展成为各各分支学学科彼此此密切联联系的统统一整体体。物理理学家力力图寻找找一切物物理现象象的基本本规律，从而去去统一地地理解一一切物理理现象。这种努努力虽然然逐步有有所进展展，使得得这一目目标有时时显得很很接近；但与此此同时，新的物物理现象象又不断断出现，使这一一目标又又变得更更遥远。看来人人们对客客观世界界的探索索、研究究是无穷穷无尽的的。以下下大体按按照物理理学的历历史发展展过程来来叙述物物理学的的发展及及其内容容。 经 典典 力力 学学经典典力学研研究宏观观物体低低速机械械运动的的现象和和规律，宏观是
4、是相对于于原子等等微观粒粒子而言言的。人人们在日日常生活活中直接接接触到到的物体体常常包包含巨量量的原子子，因此此是宏观观物体。低速是是相对于于光速而而言的。最快的的喷气客客机的速速度一般般也不到到光速的的一百万万分之一一，在物物理学中中仍算是是低速。物体的的空间位位置随时时间变化化称为机机械运动动。人们们日常生生活直接接接触到到的并首首先加以以研究的的都是宏宏观低速速的机械械运动。自自远古以以来，由由于农业业生产需需要确定定季节，人们就就进行天天文观察察。166世纪后后期，人人们对行行星绕太太阳的运运动进行行了详细细、精密密的观察察。177世纪JJ.开普普勒从这这些观察察结果中中总结出出了行
5、星星绕日运运动的三三条经验验规律。差不多多在同一一时期，伽利略略进行了了落体和和抛物体体的实验验研究，从而提提出关于于机械运运动的初初步的现现象性理理论，并并把用实实验验证证理论结结果的方方法引入入了物理理学。II.牛顿顿深入研研究了这这些经验验规律和和初步的的现象性性理论，发现了了宏观低低速机械械运动的的基本规规律：包包括三条条牛顿运运动定律律和万有引引力定律律，为经典典力学奠奠定了基基础。根根据对天天王星运运行轨道道的详细细天文观观察，并并根据牛牛顿的理理论，预预言了海海王星的的存在；以后果果然在天天文观察察中发现现了海王王星。于于是牛顿顿所提出出的力学学定律和和万有引引力定律律被普遍遍接
6、受了了。经典力力学中的的基本物物理量是是质点的的空间坐坐标和动动量。一一个力学学系统在在某一时时刻的状状态由它它的每一一个质点点在这一一时刻的的空间坐坐标和动动量表示示。对于于一个不不受外界界影响，也不影影响外界界，不包包含其他他运动形形式（如如热运动动、电磁磁运动等等）的力力学系统统来说，它的总总机械能能就是每每一个质质点的空空间坐标标和动量量的函数数，其状状态随时时间的变变化由总总能量决决定。在在经典力力学中，力学系系统的总总能量和和总动量量有特别别重要的的意义。物理学学的发展展表明，任何一一个孤立立的物理理系统，无论怎怎样变化化，其总总能量和和总动量量数值是是不变的的，它们们是守恒恒量。
7、这这种守恒恒性质的的适用范范围已经经远远超超出了经经典力学学的范围围，还没没有发现现它们的的局限性性。在经典典力学中中出现了了三个最最普遍的的基本物物理概念念：质量量、空间和和时间。质量可可以作为为物质的的量的一一种度量量，空间间和时间间是物质质存在的的普遍形形式。现现有一切切物理量量的量纲纲原则上上都可以以由质量量、空间间、时间间的量纲纲结合起起来表达达。具有有不同量量纲的物物理量之之间存在在着质的的差异。量纲在在一定程程度上反反映物理理量的质质。量纲纲相同的的物理量量的质可可以相同同，但未未必一定定相同。在在经典力力学中，时间和和空间之之间没有有联系。空间向向上下四四方延伸伸，同时时间无关
8、关；时间间从过去去流向未未来，同同空间无无关。因因此，就就存在绝绝对静止止的参照照系，牛牛顿运动动定律和和万有引引力定律律原来是是在这种种参照系系中表述述的。相相对于绝绝对静止止的参照照系作匀匀速运动动的参照照系称为为惯性参参照系。任何一一个质点点的坐标标，在不不同的惯惯性参照照系中取取不同的的数值，这种不不同数值值之间的的变换关关系称为为伽利略略变换。在这种种变换中中，尺的的长度不不变，时时钟运行行的速度度不变，经典力力学基本本规律的的数学形形式也不不变。利利用力学学实验方方法，无无法确定定哪些惯惯性参照照系是绝绝对静止止的参照照系，因因而绝对对静止的的参照系系就成了了一个假假设。早在在19
9、世世纪，经经典力学学就已经经成为物物理学中中一个成成熟的分分支学科科，它包包含了丰丰富的内内容。例例如：质质点力学学、刚体体力学、分析力力学、弹性力力学、塑性力力学、流体力力学等。经典力力学的哈哈密顿正正则方程程已成为为物理学学中的重重要方程程，并应应用到统统计物理理学、量子力力学等近近代物理理学的理理论中。经典力力学的应应用范围围，涉及及到能源源、航空空、航天天、机械械、建筑筑、水利利、矿山山建设直直到安全全防护等等各个领领域。当当然，工工程技术术问题常常常是综综合性的的问题，还需要要许多学学科进行行综合研研究，才才能完全全解决。机机械运动动中，很很普遍的的一种运运动形式式是振动动和波动动。
10、声学学就是系系统研究究这种运运动的产产生、传传播、转转化和吸吸收的分分支学科科。声波波是传递递信息的的重要媒媒介，而而且常常常是其中中不可缺缺少的环环节。人人的声带带、口腔腔和耳就就是声波波的产生生器和接接收器。人们通通过声波波传递信信息。有有许多物物体，不不易为光光波和电电磁波透透过，却却能为声声波透过过。利用用声波研研究这种种物体的的内部性性质，例例如利用用声波在在媒质中中的传播播特性研研究地层层结构和和海洋深深处及海海底的现现象和性性质，就就有优越越性。频频率非常常低的声声波能在在大气和和海洋中中传播到到遥远的的地方，因此能能迅速传传递地球球上任何何地方发发生的地地震、火火山爆发发或核爆
11、爆炸的信信息；频频率很高高的声波波和声表表面波已已经用于于固体的的研究、微波技技术、医医疗诊断断等领域域；非常常强的声声波已经经用于工工业加工工。 热学学、热力力学和经经典统计计力学热学学研究热热的产生生和传导导，研究究物质处处于热状状态下的的性质和和这些性性质如何何随着热热状态的的变化而而变化。人们很很早就有有冷热的的概念。利用火火是人类类文明发发展史中中的一个个重要的的里程碑碑。对于于热现象象的研究究逐步澄澄清了关关于热的的模糊概概念（例例如：区区分了温温度和热量，发发现它们们是密切切联系而而又有区区别的两两个概念念）。在在此基础础上开始始探索热热现象的的本质和和普遍规规律。关关于热现现象
12、的普普遍规律律的研究究称为热热力学。到199世纪，热力学学已趋于于成熟。能量量可以有有许多种种存在形形式，力力学现象象中物体体有动能能和位能能。物体体有内部部运动，因此有有内部能能量。119世纪纪的系统统实验研研究证明明：热是是物体内内部无序序运动的的能量的的表现，因此称称这种能能量为内内能，以以前称作作热能。19世世纪中期期，J.P.焦焦耳等用用实验确确定了热热量和功功之间的的定量关关系，从从而建立立了热力力学第一一定律：宏观机机械运动动的能量量与内能能可以互互相转化化。就一一个孤立立的物理理系统来来说，不不论能量量形式怎怎样相互互转化，总的能能量的数数值是不不变的，热力学学第一定定律就是是
13、能量守守恒与转转换定律律的一种种表现。在在S.卡卡诺研究究结果的的基础上上，R.克劳修修斯等提提出了热热力学第第二定律律。它提提出了一一切涉及及热现象象的客观观过程的的发展方方向，表表达了宏宏观非平平衡过程程的不可可逆性。例如：一个孤孤立的物物体，其其内部各各处的温温度不尽尽相同，那么热热就从温温度较高高的地方方流向温温度较低低的地方方，最后后达到各各处温度度都相同同的状态态，也就就是热平平衡的状状态。相相反的过过程是不不可能的的，即这这个孤立立的、内内部各处处温度都都相等的的物体不不可能自自动回到到各处温温度不尽尽相同的的状态。应用熵熵的概念念，还可可以把热热力学第第二定律律表达为为：一个个
14、孤立的的物理系系统的熵熵不能随随着时间间的流逝逝而减少少，只能能增加或或保持不不变。当当熵达到到最大值值时，物物理系统统就处于于热平衡衡状态。热热力学是是一种唯唯象的理理论。深深入研究究热现象象的本质质，就产产生了统统计力学学。统计计力学根根据物质质的微观观组成和和相互作作用，研研究由大大量粒子子组成的的宏观物物体的性性质和行行为的统统计规律律，是理理论物理理的一个个重要分分支。宏观观物体内内部包含含着大量量的粒子子。要研研究其中中每一个个分子在在每一时时刻的状状态实际际上办不不到。为为了认识识热现象象的规律律，也无无需那么么详细的的知识。统计力力学应用用统计系系综的方方法，研研究大量量粒子的
15、的平均行行为。220世纪纪初，JJ.W.吉布斯斯奠定了了平衡态态的统计计力学的的基础。它的关关于统计计分布的的基本假假设是：对于一一个具有有给定能能量的给给定物理理系统，各种可可能的状状态出现现的几率率是等同同的。热热力学中中的各种种物理量量以及它它们之间间的关系系都可以以用这种种统计分分布的平平均值表表达。温温度一方方面同物物体内部部各分子子无序运运动的那那部分能能量有关关，另一一方面也也决定了了这种内内部能量量在物体体内部运运动状态态之间的的分布。非非平衡统统计力学学所研究究的问题题复杂，直到220世纪纪中期以以后才取取得了比比较大的的进展。对于一一个包含含有大量量粒子的的宏观物物理系统统
16、来说，无序状状态的数数目比有有序状态态的数目目大得多多，实际际上多得得无法比比拟。系系统处于于无序状状态的几几率超过过了处于于有序状状态的几几率。孤孤立物理理系统总总是从比比较有序序的状态态趋向比比较无序序的状态态。在热热力学中中，这就就相应于于熵的增增加。处于于平衡状状态附近近的非平平衡系统统的主要要趋向是是向平衡衡状态过过渡。平平衡态附附近的主主要非平平衡过程程是弛豫豫、输运运和涨落落。这方方面的理理论逐步步发展，已趋于于成熟。近200300年来人人们对于于远离平平衡态的的物理系系统如耗耗散结构构等进行行了广泛泛的研究究，取得得了很大大的进展展，但还还有很多多问题等等待解决决。在一定定时期
17、内内，人们们对客观观世界的的认识总总是有局局限性的的，认识识到的只只是相对对的真理理，经典典力学和和以经典典力学为为基础的的经典统统计力学学也是这这样。经经典力学学应用于于原子、分子以以及宏观观物体的的微观结结构时，其局限限性就显显示出来来，因而而发展了了量子力力学。与与之相应应，经典典统计力力学也发发展成为为以量子子力学为为基础的的量子统统计力学学。 经典电电磁学、经典电电动力学学经典典电磁学学研究宏宏观电磁磁现象和和客观物物体的电电磁性质质。人们们很早就就接触到到电的现现象和磁磁的现象象，并知知道磁棒棒有南北北两极。在188世纪，发现电电荷有两两种：正正电荷和和负电荷荷。不论论是电荷荷还是
18、磁磁极都是是同性相相斥，异异性相吸吸，作用用力的方方向在电电荷之间间或磁极极之间的的连接线线上，力力的大小小和它们们之间的的距离的的平方成成反比。在这两两点上和和万有引引力很相相似。118世纪纪末发现现电荷能能够流动动，这就就是电流流。但长长期没有有发现电电和磁之之间的联联系。199世纪前前期，HH.C.奥斯特特发现电电流以力力作用于于磁针。而后 A.-M.安安培发现现作用力力的方向向和电流流的方向向以及磁磁针到通通过电流流的导线线的垂直直线方向向相互垂垂直。不不久之后后，M.法拉第第又发现现，当磁磁棒插入入导线圈圈时，导导线圈中中就产生生电流。这些实实验表明明，在电电和磁之之间存在在着密切切
19、的联系系。两个质质点之间间的万有有引力沿沿着它们们之间的的连接线线起作用用。两个个电荷之之间的作作用力也也是这样样。这些些力曾经经被认为为是超距距作用。也就是是说：这这种力的的传递既既不需要要时间，也不需需要媒介介。但是是在电和和磁之间间的联系系被发现现以后，就认识识到电磁磁力的性性质在一一些方面面同万有有引力相相似，另另一些方方面却又又有差别别。为此此法拉第第引进了了力线的的概念，认为电电流产生生围绕着着导线的的磁力线线，电荷荷向各个个方向产产生电力力线，并并在此基基础上产产生了电电磁场的的概念。现在人人们认识识到，电电磁场是是物质存存在的一一种特殊殊形式。电荷在在其周围围产生电电场，这这个
20、电场场又以力力作用于于其他电电荷。磁磁体和电电流在其其周围产产生磁场场，而这这个磁场场又以力力作用于于其他磁磁体和内内部有电电流的物物体。电电磁场也也具有能能量和动动量，是是传递电电磁力的的媒介。它弥漫漫于整个个空间。119世纪纪下半叶叶，J.C.麦麦克斯韦韦总结了了宏观电电磁现象象的规律律，并引引进位移移电流的的概念。这个概概念的核核心思想想是：变变化着的的电场能能产生磁磁场；变变化着的的磁场也也能产生生电场。在此基基础上他他提出了了一套偏偏微分方方程来表表达电磁磁现象的的基本规规律。这这套方程程称为麦麦克斯韦韦方程组组，是经经典电磁磁学的基基本方程程，其中中包含着着电荷、电流如如何产生生电
21、磁场场的规律律；也包包含着电电场和磁磁场相互互影响，导致它它们在时时间和空空间中如如何变化化的规律律。麦克克斯韦的的电磁理理论预言言了电磁磁波的存存在，其其传播速速度等于于光速。这这一预言言后来为为H.RR.赫兹兹的实验验所证实实。遂使使人们认认识到麦麦克斯韦韦的电磁磁理论正正确地反反映了宏宏观电磁磁现象的的规律，肯定了了光也是是一种电电磁波。由由于电磁磁场能够够以力作作用于带带电粒子子，一个个运动中中的带电电粒子既既受到电电场的力力，也受受到磁场场的力，H.AA.洛伦伦兹把运运动电荷荷所受到到的电磁磁场的作作用力归归结为一一个公式式，人们们就称这这个力为为洛伦兹兹力。描描述电磁磁场基本本规律
22、的的麦克斯斯韦方程程组和洛洛伦兹力力就构成成了经典典电动力力学的基基础。事实实上发电电机无非非是利用用电动力力学的规规律，将将机械能能转化为为电磁能能；电动动机无非非是利用用电动力力学的规规律将电电磁能转转化为机机械能。电报、电话、无线电电、电灯灯也无一一不是经经典电磁磁学和经经典电动动力学发发展的产产物。经经典电动动力学对对生产力力的发展展起着重重要的推推动作用用，从而而对社会会产生普普遍而重重要的影影响。 光 学 和 电电 磁 波光学研究究光的性质质及其和和物质的的各种相相互作用用，光是是电磁波波。虽然然可见光光的波长长范围在在 410-5 7.6110-55cm之之间，只只占电磁磁波中很
23、很窄的一一个波段段，但早早在认识识到光是是电磁波波以前，人们就就对光进进行了研研究。117世纪纪对光的的本质提提出了两两种假说说：一种种假说认认为光是是由许多多微粒组组成的；另一种种假说认认为光是是一种波波动。119世纪纪在实验验上确定定了光有有波的独独具的干干涉现象象，以后后的实验验证明光光是电磁磁波。220世纪纪初又发发现光具具有粒子子性，人人们在深深入研究究微观世世界后，才认识识到，光光具有波波粒二象象性。光光可以为为物质所所发射、吸收、反射、折射和和衍射。当所研研究的物物体或空空间的大大小远大大于光波波的波长长时，光光可以当当作沿直直线进行行的光线线来处理理；但当当研究深深入到现现象细
24、节节，其空空间范围围和光波波波长差差不多大大小的时时候，就就必须着着重考虑虑光的波波动性。而研究究光和微微观粒子子的相互互作用时时，还要要考虑光光的粒子子性。光学学方法是是研究大大至天体体、小至至微生物物以至分分子、原原子结构构的非常常有效的的方法。利用光光的干涉涉效应可可以进行行非常精精密的测测量。物物质所放放出来的的光携带带着关于于物质内内部结构构的重要要信息，例如：原子所所放出来来的原子子光谱就就和原子子结构密密切相关关。近年年来利用用受激光光辐射机机制所产产生的激激光能够够达到非非常大的的功率，且光束束的张角角非常小小，其电电场强度度甚至可可以超过过原子内内部的电电场强度度。利用用激光
25、已已经开辟辟了非线线性光学学等重要要研究方方向；激激光在工工业技术术和医学学中已经经有重要要的应用用。现在用用人工方方法产生生的电磁磁波的波波长，长长的已经经达几千千米，短短的不到到一百万万亿分之之一厘米米，覆盖盖了近220个数数量级的的波段。电磁波波传播的的速度大大，波段段又如此此宽广，已成为为传递信信息的非非常有力力的工具具。在经典典电磁学学的建立立与发展展过程中中，形成成了电磁磁场的概概念。在在物理学学尔后的的发展中中，场成成了非常常基本、非常普普遍的概概念，变变得十分分重要。在现代代物理学学中，场场的概念念已经远远远超出出了电磁磁学的范范围，成成为物质质的一种种基本的的、普遍遍的存在在
26、形式。 狭义义相对论论和相对对论力学学在经经典力学学取得很很大成功功以后，人们习习惯于将将一切现现象归结结为由机机械运动动所引起起的。在在电磁场场概念提提出以后后，人们们假设存存在一种种名叫“以太”的媒质质，它弥弥漫于整整个宇宙宙，渗透透到所有有的物体体中，绝绝对静止止不动，没有质质量，对对物体的的运动不不产生任任何阻力力，也不不受万有有引力的的影响。电磁场场被认为为是以太太中的应应力，电电磁波是是以太中中的弹性性波，它它在以太太中向各各方向的的传播速速度都一一样大（见以太太论）。可可以将以以太作为为一个绝绝对静止止的参照照系，因因此相对对于以太太作匀速速运动的的参照系系都是惯惯性参照照系。在
27、在相对于于以太作作匀速运运动的惯惯性参照照系中观观察，电电磁波的的传播速速度应该该随着波波的传播播方向而而改变。例如：在一个个运动的的惯性参参照系中中观察，沿着参参照系运运动方向向传播的的光的速速率看起起来应该该慢一些些；逆着着参照系系运动方方向传播播的光的的速率看看起来应应该快一一些。这这就给利利用测量量不同方方向光速速的方法法，在所所有的惯惯性参照照系中确确定那些些是绝对对静止的的参照系系提供了了可能性性。但实实测的结结果却出出乎意料料之外，在不同同的、相相对作匀匀速运动动的惯性性参照系系中，测测得的光光速同传传播方向向无关，都完全全相等。特别是是A.AA.迈克克耳孙和和E.WW.莫雷雷进
28、行的的非常精精确的实实验，可可靠地证证明了这这一点。这一实实验事实实显然同同经典物物理学中中关于时时间、空空间和以以太的概概念相矛矛盾。AA.爱因因斯坦从从这些实实验事实实出发，对空间间、时间间的概念念进行了了深刻的的分析，从而建建立了新新的时空空观念，在此基基础上他他提出了了狭义相相对论。狭义相相对论的的基本假假设是：在一切切惯性参参照系中中，基本本物理规规律都一一样，都都可用同同一组数数学方程程来表达达；对于任任何一个个光源发发出来的的光，在在一切惯惯性参照照系中测测量其传传播速率率，结果果都相等等。在狭义义相对论论中，空空间和时时间是彼彼此密切切联系的的统一体体，空间间距离是是相对的的，
29、时间间也是相相对的。在相对对于尺和和钟作匀匀速运动动的惯性性参照系系中的观观察者看看来，尺尺变短了了，钟变变慢了。因此尺尺的长短短， 时时间的长长短都是是相对的的。但在在狭义相相对论中中，并不不是一切切都是相相对的。例如：设在空空间、时时间中有有两点，它们的的坐标分分别为(x1，t1)和(x2，t2)，那那末在任任何惯性性参照系系中，量量(x1-x2)2-2(t1-t2)2的数值值是不变变的，因因此是绝绝对的，其中代表光光速。空空间坐标标、时间间坐标和和一系列列物理量量，如：动量和和能量、电场强强度和磁磁场强度度等等，在不同同惯性参参照系之之间的变变换关系系称为洛洛伦兹变变换。基基本物理理规律
30、必必须对于于洛伦兹兹变换具具有不变变性。麦克克斯韦方方程组对对于洛伦伦兹变换换具有不不变性。经典力力学规律律对于伽伽利略变变换具有有不变性性；但对对于洛伦伦兹变换换却不具具有不变变性，因因此必须须加以修修改。修修改后的的力学称称为相对对论力学学，它对对于洛伦伦兹变换换具有不不变性。在相对对论力学学中，光光速是机机械运动动速度的的极限，不可逾逾越。当当物体速速度无限限地趋近近光速时时，它的的动量、能量、惯性质质量均将将趋于无无穷大。这些结结论在实实验中都都得到了了证实。相相对论力力学的另另一个重重要结论论是:一一个具有有质量mm的物体体一定具具有能量量E，并有有 Em2，即使物体体静止时时也是如
31、如此。假假使质量量是物质质的量的的一种度度量，能能量是运运动的量量的一种种度量，则上式式表明：物质和和运动之之间存在在着不可可分割的的联系。不存在在没有运运动的物物质，也也不存在在没有物物质的运运动。对对于静止止物体来来说，EE代表它它的内部部运动的的量。11克物质质内部所所蕴藏的的能量相相当于22万多吨吨TNTT炸药爆爆炸时所所释放的的能量。这一规规律已在在核能的的研究和和实践中中得到了了证实。当当物体的的速度远远小于光光速时，相对论论力学定定律就趋趋近于经经典力学学定律。因此在在低速运运动时，经典力力学定律律仍然是是很好的的相对真真理。例例如：地地球绕太太阳运行行的速率率约为330kmm/
32、s。这同日日常生活活中遇到到的机械械运动的的速度相相比是很很大的速速度；但但同光速速相比，却是很很小的速速度，仅仅为光速速的万分分之一。因此处处理这类类问题，经典力力学定律律仍然是是很好的的相对真真理，仍仍然能用用来解决决工程技技术中的的力学问问题。狭义义相对论论对空间间和时间间的概念念进行了了革命性性的变革革，并且且否定了了以太的的概念，肯定了了电磁场场是一种种独立的的、物质质存在的的特殊形形式。由由于空间间和时间间是物质质存在的的普遍形形式，因因此狭义义相对论论对于物物理学产产生了广广泛而又又深远的的影响。 广义相对对论和万万有引力力的基本本理论狭义义相对论论给牛顿顿万有引引力定律律也带来
33、来了新问问题。牛牛顿提出出的万有有引力被被认为是是一种超超距作用用，它的的传递不不需要时时间，产产生和到到达是同同时的。这同狭狭义相对对论提出出的光速速是传播播速度的的极限相相矛盾。而且在在狭义相相对论中中，“同同时”是是一种相相对的概概念。因因此，必必须对牛牛顿的万万有引力力定律也也加以改改造。改改造的关关键来自自R.VV.厄缶缶的实验验，它以以很高的的精确度度证明：惯性质质量和引引力质量量相等，因此不不论行星星的质量量多大多多小，只只要在某某一时刻刻它们的的空间坐坐标和速速度都相相同，那那末它们们的运行行轨道都都将永远远相同。引力所所决定的的运行轨轨道和运运行物体体的质量量无关，对于所所有
34、物体体都一样样。这个个结论提提供了一一个线索索，启发发爱因斯斯坦设想想：万有有引力效效应是空空间、时时间弯曲曲的一种种表现，从而提提出了广广义相对对论。根根据广义义相对论论，空间间、时间间的弯曲曲结构决决定于物物质的能能量密度度、动量量密度在在空间、时间中中的分布布；而空空间、时时间的弯弯曲结构构又反过过来决定定物体的的运行轨轨道。在在引力不不强，空空间、时时间弯曲曲很小的的情况下下，广义义相对论论的预言言就同牛牛顿万有有引力定定律和牛牛顿运动动定律的的预言趋趋于一致致；引力力较强，空间、时间弯弯曲较大大的情况况下，就就有区别别。但这这种区别别常常很很小，很很难在实实验中观观察到。从广义义相对
35、论论提出到到现在已已经过去去了700年，至至今还只只有四种种实验能能检验出出这种区区别。所所有这四四种实验验观察结结果都支支持广义义相对论论而不支支持牛顿顿万有引引力定律律的结论论。广义相相对论不不仅对于于天体的的结构和和演化的的研究有有重要意意义，对对于研究究宇宙的的结构和和演化也也有重要要意义。 原子物理理学、量量子力学学、量子子电动力力学原子子物理学学研究原原子的性性质、内内部结构构、内部部受激状状态，以以及原子子和电磁磁场、电电磁波的的相互作作用以及及原子之之间的相相互作用用。原子子是一个个很古老老的概念念。古代代就有人人认为：宇宙间间万物都都是由原原子组成成的。原原子是不不可分割割的
36、、永永恒不变变的物质质最终单单元。118977年J.J.汤汤姆孙发发现了电电子。这这才使人人们认识识到原子子不是不不可分割割的、永永恒不变变的，而而是具有有内部结结构的粒粒子。于于是在119世纪纪末，经经典物理理学的局局限性进进一步暴暴露出来来。根据据经典物物理学和和原子中中存在着着电子的的实验事事实可以以推导出出：假使使空腔壁壁的温度度不为零零，一个个具有有有限体积积的空腔腔内的电电磁辐射射的能量量是无穷穷大的。这显然然不符合合客观事事实（见见黑体辐辐射）。经典物物理学也也无法解解释光电电效应。为此，M.普普朗克和和爱因斯斯坦提出出了同经经典物理理学相矛矛盾的假假设：光光是由一一粒一粒粒光子
37、组组成的，每一粒粒光子的的能量EE为 Ehvv，式中v为为光的频频率，hh是一个个常数，称为普普朗克常常数。这这一假设设导出的的结论和和黑体辐辐射及光光电效应应的实验验结果符符合。于于是，119世纪纪初被否否定了的的光的微微粒说又又以新的的形式出出现。19911年年，E.卢瑟福福用粒粒子散射射实验(见原子子结构)发现原原子的质质量绝大大部分以以及内部部的正电电荷集中中在原子子中心一一个很小小的区域域内，这这个区域域的半径径只有原原子半径径的万分分之一左左右，因因此称为为原子核核。这才才使人们们对原子子的内部部结构得得到了一一个定性性的、符符合实际际的概念念。在某某些方面面，原子子类似一一个极小
38、小的太阳阳系，只只是太阳阳和行星星之间的的作用力力是万有有引力，而原子子核和电电子间的的作用力力是电磁磁力。用经经典物理理学来解解释原子子的内部部结构和和原子发发射出来来的光的的频谱遇遇到了不不可克服服的困难难。按照照经典电电动力学学理论，围绕原原子核运运行的电电子因加加速运动动会辐射射电磁波波，从而而损失能能量，电电子轨道道的半径径将逐渐渐缩小，放出的的电磁波波的频率率会愈来来愈高，并连续续改变；最后，电子因因损失能能量而落落入原子子核中。因此，原子不不可能有有稳定的的结构。但实验验表明：原子有有很稳定定的结构构，放出出来的电电磁波的的频谱并并不连续续，而是是分立的的，而且且这种分分立的频频
39、谱具有有明显的的规律性性。为了解解释原子子的结构构和原子子光谱的的规律，N.玻玻尔提出出了他的的氢原子子理论，在经典典力学所所容许的的所有运运动状态态中，只只有那些些电子的的轨道角角动量为为 的整数倍倍的状态态才是客客观规律律所允许许的状态态（见玻玻尔氢原原子理论论）。因因此原子子内部电电子围绕绕原子核核运动的的能量只只能取一一系列分分立的数数值，称称为能级级。原子子吸收或或放出光光子时，就从一一个能级级跃迁到到另一个个能级，光的频频率v和光子子的能量量 E之间有有如上述述爱因斯斯坦光子子假说的的公式所所表达的的关系。光子的的能量 E为这两两个能级级的能量量差。玻玻尔的氢氢原子理理论在解解释氢
40、原原子的结结构和光光谱时取取得了很很大的成成功；但但是用来来研究氦氦原子结结构时就就遇到了了困难。显然，经典物物理学的的可用范范围不包包括微观观世界；而上述述普朗克克、爱因因斯坦、玻尔的的学说虽虽包含了了微观世世界的部部分真理理，但都都不是微微观世界界物理现现象的完完整的基基本理论论。原子物物理学的的基本理理论是在在20世世纪200年代中中期和后后期由LL.V.德布罗罗意、W.KK.海森森伯、E.薛薛定谔、P.AA.M.狄喇克克、W.泡泡利等所所创建的的量子力力学和量子电电动力学学。它们们区别于于经典力力学和经典电电动力学学的主要要特点是是：物理量量所能取取的数值值常常是是不连续续的，当当然，
41、某某些物理理量在一一定范围围内也可可以取连连续的数数值；它们所所反映的的规律不不是确定定性的规规律，而而是统计计规律。这这两个特特点之间间又存在在着密切切的联系系。量子子力学和和量子电电动力学学应用于于研究原原子结构构、原子子光谱、原子发发射、吸吸收、散散射光的的过程以以及电子子、光子子和电磁磁场的相相互作用用和相互互转化过过程非常常成功。理论结结果同最最精密的的实验结结果相符符合。微观观客体的的一个基基本性质质是波粒粒二象性性。所有有一切微微观粒子子如：光光子、电电子、原原子等都都具有波波粒二象象性。对对于所有有微观粒粒子，能能量E和频率率v之间、动量pp和波长长之间间都有如如下的关关系：
42、。这两个关关系式表表达了微微观客体体的粒子子性和波波动性之之间的深深刻联系系。粒子子和波是是人在宏宏观世界界的实践践中形成成的概念念，它们们各自描描述了迥迥然不同同的客体体。但从从宏观世世界实践践中形成成的概念念未必恰恰巧适合合于描述述微观世世界的现现象。现现在看来来，需要要粒子和和波动两两种概念念互相补补充，才才能全面面地反映映微观客客体在各各种不同同的条件件下所表表现的性性质。这一一基本特特点的另另一种表表现方式式是海森森伯的测测不准关关系。这这一关系系说明：不可能能同时测测准一个个粒子的的位置和和动量，位置测测得愈准准，动量量必然测测得愈不不准；动动量测得得愈准，位置必必然测得得愈不准准
43、。测不不准关系系的表达达式是： xph，式中xx是位置置测量的的误差，p是动量量测量的的误差。波波粒二象象性已经经包含在在量子力力学的数数学形式式中：在在量子力力学中物物理量由由算符表表示，物物理量所所能取的的数值就就是算符符的本征征值，本本征值常常常是不不连续的的，粒子子性就是是这种不不连续性性的一种种表现；物理状状态由波波函数表表达，波波动性就就是波函函数所描描述的统统计性质质的一种种表现。量量子力学学和量子子电动力力学产生生于原子子物理学学研究，但是它它们起作作用的范范围远远远超出原原子物理理学。量量子力学学是所有有微观、低速现现象所遵遵循的规规律，因因此不仅仅应用于于原子物物理，也也应
44、用于于分子物物理学、原子核核物理学学以及宏宏观物体体的微观观结构的的研究。量子电电动力学学则是所所有微观观电磁现现象所必必须遵循循的规律律，直到到现在，还没有有发现量量子电动动力学的的局限性性。当所研研究的现现象中，坐标值值和动量量值的乘乘积远远远大于hh时，量量子力学学和量子子电动力力学所得得到的结结果就趋趋近于经经典力学学和经典典电动力力学所得得到的结结果。例例如，观观察不到到宏观物物体的波波动性的的原因是是因为相相应的波波长太短短。一个个质量为为 1gg的物体体以1ccm/ss的速度度运动，相应的的波长为为6110-227cmm，远远远小于目目前实验验技术所所能测量量出来的的最小距距离。
45、因因此经典典力学和和经典电电动力学学仍然是是反映宏宏观力学学现象和和宏观电电磁现象象的规律律的很好好的相对对真理。分分子物理理学研究究原子如如何结合合成为分分子，分分子的内内部结构构、内部部运动状状态、它它的电学学性质、磁学性性质和光光学性质质等等。分子物物理现象象服从量量子力学学和量子子电动力力学所反反映的规规律。简简单的分分子用量量子力学学和量子子电动力力学来分分析处理理，得到到的结果果和实验验结果相相符合，但用量量子力学学和量子子电动力力学来处处理复杂杂的分子子，数学学上非常常复杂和和困难，很难得得到比较较准确的的结果。由于XX射线衍衍射技术术、中子子衍射技技术、激激光技术术等的发发展，
46、为为研究分分子提供供了有力力的实验验手段。生命物物质内部部的分子子结构非非常复杂杂，但应应用现有有的实验验技术已已经能够够对它们们的结构构包括细细胞内染染色体中中携带遗遗传密码码的分子子结构进进行详细细的分析析。分子子物理的的实验研研究正在在不断取取得进展展。 量子统计计力学以量量子力学学为基础础的统计计力学，称为量量子统计计力学(见量子子统计法法)。经经典统计计力学以以经典力力学为基基础，因因而经典典统计力力学也具具有局限限性。例例如：随随着温度度趋于绝绝对零度度固体的的比热容容趋于零零的实验验现象，就无法法用经典典统计力力学来解解释。在宏宏观世界界中，看看起来相相同的物物体总是是可以区区别
47、的；在微观观世界中中，同一一类粒子子却无法法区分。例如：所有的的电子的的一切性性质都完完全一样样。在宏宏观物理理现象中中，将两两个宏观观物体交交换，就就得到一一个和原原来状态态不同的的状态，进行统统计时必必须将交交换前和和交换后后的状态态当作两两个不同同的状态态处理；但是在在一个物物理系统统中，交交换两个个电子后后，得到到的还是是原来的的状态，因此进进行统计计时，必必须将交交换前和和交换后后的状态态当作同同一个状状态来处处理。微观观粒子还还有其他他特殊性性。自旋旋为媡 的半整整倍数的的粒子，如电子子，服从从费密-狄喇克克统计，这类粒粒子统称称为“费费密子”；自旋旋为媡的的整数倍倍的粒子子，如光光子，服服从玻色色-爱因因斯坦统统计(见见全同粒粒子)，这类粒粒子统称称为“玻玻色子”。根据据微观世世界的这这些规律律改造经经典统计计力学，就得到到量子统统计力学学。应用用量子统统计力学学就能使使一系列列经典统统计力学学无法解解释的现现象，如如黑体辐辐射、低低温下的的固体比比热容、固体中中的电子子为什么么对比热热的贡献献如此小小等等，得到了了合理的的解释。