基本介紹
基本定義,分類簡介,研究領域,物理學史,研究方法,學科性質,基本性質,六大性質,諾貝爾獎,
基本定義
物理學是一門自然科學，注重於研究物質、能量、空間、時間，尤其是它們各自的性質與彼此之間的相互關係。物理學是關於大自然規律的知識；更廣義地說，物理學探索並分析大自然所發生的現象，以了解其規則。
物理學研究的空間尺度範圍與時間尺度範圍物理學研究的尺度——物質世界的層次和數量級
空間尺度：
微觀粒子（microscopic）：質子
m
介觀物質（mesoscopic）
巨觀物質（macroscopic）
宇觀物質（cosmological）類星體
m
時間尺度：
隨著物理學的發展，人類對“自然界基本構成”的理解也隨之變革。
隨著物理學的發展，人類對“自然界基本構成”的理解也隨之變革。基本粒子壽命 10s
宇宙壽命 10s
按速率大小劃分： 相對論物理學、非相對論物理學。
按運動速度劃分：低速、中速、高速。
分類簡介
●狹義相對論（special relativity）研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規律。
●量子力學（quantum mechanics）研究微觀物質的運動現象以及基本運動規律。
此外，還有：
研究領域
物理學研究的領域可分為下列四大方面：
2. 原子、分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個原子結構範圍內，物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層，集中在原子和離子的量子控制；冷卻和誘捕；低溫碰撞動力學；準確測量基本常數；電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核內部現象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結構以及它們，內外部和物質及光的相互作用，這裡的光學物理只研究光的基本特性及光與物質在微觀領域的相互作用。
3. 高能/粒子物理——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界原本並不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。據基本粒子的相互作用標準模型描述，有12種已知物質的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過強、弱和電磁基本力相互作用。標準模型還預言一種希格斯-玻色粒子存在。現正尋找中。
4. 天體物理——天體物理和現代天文學是將物理的理論和方法套用於研究星體的結構和演變、太陽系的起源，以及宇宙的相關問題。因為天體物理的範圍寬，它利用了物理的許多原理，包括力學、電磁學、統計力學、熱力學和量子力學。1931年，卡爾發現了天體發出的無線電訊號，開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需要用到紅外、超紫外、伽瑪射線和X射線。物理宇宙論研究在宇宙的大範圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期哈勃從圖中發現了宇宙在膨脹，促進了宇宙的穩定狀態論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發現，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上：愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了ACDM宇宙演變模型，它包括宇宙的膨脹、暗能量和暗物質。 從費米伽瑪-射線望運鏡的新數據和現有宇宙模型的改進，可期待出現許多可能性和發現。尤其是今後數年內，圍繞暗物質方面可能有許多發現。
物理學史
●伽利略·伽利雷（1564~1642），人類現代物理學的創始人，奠定了人類現代物理科學的發展基礎。
● 1900~1926年 建立了量子力學。
● 1927年 建立了布洛赫波的理論。
● 1928年 索末菲提出能帶的猜想。
● 1957年 皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子。
● 20世紀70年代出現了大規模積體電路。
物理與物理技術的關係：
● 熱機的發明和使用，提供了第一種模式：技術 —— 物理 —— 技術
● 電氣化的進程，提供了第二種模式：物理 —— 技術 —— 物理
研究方法
物理學的方法和科學態度：提出命題 → 理論解釋 → 理論預言 → 實驗驗證 → 修改理論。
現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，它的產生過程如下：
- 物理命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來，或從已有原理中推演出來；
- 首先嘗試用已知理論對命題作解釋、邏輯推理和數學演算。如現有理論不能完美解釋，需修改原有模型或提出全新的理論模型；
- 新理論模型必須提出預言，並且預言能夠為實驗所證實；
- 一切物理理論最終都要以觀測或實驗事實為準則，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或被推翻。
● 怎樣學習物理學？
著名物理學家費曼說：“科學是一種方法。它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什麼事情是已知的，了解到了什麼程度，如何對待疑問和不確定性，證據服從什麼法則；如何思考事物，做出判斷，如何區別真偽和表面現象？”著名物理學家愛因斯坦說：“發展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，並且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化。”
● 學習的觀點：從整體上邏輯地、協調地學習物理學，了解物理學中各個分支之間的相互聯繫。
● 物理學的本質：物理學並不研究自然界現象的終極機制（或者根本不能研究），我們只能在某些現象中感受自然界的規則，並試圖以這些規則來解釋自然界所發生任何的事情。我們有限的智力總試圖在理解自然，並試圖改變自然，這是物理學，甚至是所有自然科學共同追求的目標。
以物理學為基礎的相關科學有：化學、材料科學、天文學、自然地理學等。
學科性質
基本性質
物理學是人們對自然界中物質的運動和轉變的知識做出規律性的總結，這種運動和轉變應有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸；二是近代人們通過發明創造供觀察測量用的科學儀器，實驗得出的結果，間接認識物質內部組成建立在的基礎上。物理學從研究角度及觀點不同，可大致分為微觀與巨觀兩部分：巨觀物理學不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經出現的；微觀物理學的誕生，起源於巨觀物理學無法很好地解釋黑體輻射、光電效應、原子光譜等新的實驗現象。它是巨觀物理學的一個修正，並隨著實驗技術與理論物理的發展而逐漸完善。
其次，物理又是一種智慧型。
誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言：“如其說是因為我發表的工作里包含了一個自然現象的發現，倒不如說是因為那裡包含了一個關於自然現象的科學思想方法基礎。”物理學之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在於它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，還因為它在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學當之無愧地成了人類智慧型的結晶，文明的瑰寶。
大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有著重要的貢獻。有人統計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景——這意味著他們從物理學中汲取了智慧型，轉而在非物理領域裡獲得了成功。反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智慧型的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養的民族是愚蠢的民族！
總之，物理學是對自然界概括規律性的總結，是概括經驗科學性的理論認識。
六大性質
1. 真理性：物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘，反映出物質運動的客觀規律。
2. 和諧統一性：神秘的太空中天體的運動，在克卜勒三定律的描繪下，顯出多么的和諧有序。物理學上的幾次大統一，也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和萬有引力定律把天上和地上所有巨觀物體統一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實現了統一。愛因斯坦質能方程又把質量和能量建立了統一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動性實現了統一。愛因斯坦的相對論又把時間、空間統一了。
4. 對稱性：對稱一般指物體形狀的對稱性，深層次的對稱表現為事物發展變化或客觀規律的對稱性。例如：物理學中各種晶體的空間點陣結構具有高度的對稱性。豎直上拋運動、簡諧運動、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質和反物質、正電和負電等。
5. 預測性：正確的物理理論，不僅能解釋當時已發現的物理現象，更能預測當時無法探測到的物理現象。例如：麥克斯韋電磁理論預測電磁波存在、盧瑟福預言中子的存在、菲涅爾的衍射理論預言圓盤衍射中央有泊松亮斑、狄拉克預言電子的存在。
6. 精巧性：物理實驗具有精巧性。設計方法的巧妙，使得物理現象更加明顯。
諾貝爾獎
歷屆諾貝爾物理學獎獲得者：
1901年 | 威爾姆·康拉德·倫琴（德國人） | 發現X射線 |
1902年 | 亨德瑞克·安圖恩·洛倫茲、P. 塞曼（荷蘭人） | 研究磁場對輻射的影響 |
1903年 | 安東尼·亨利·貝克勒爾（法國人） | 發現物質的放射性 |
從事鐳元素的研究 | ||
1904年 | J. W. 瑞利（英國人） | 從事氣體密度的研究並發現氬元素 |
1905年 | P. E. A. 雷納爾德（德國人） | 從事陰極線的研究 |
1906年 | 約瑟夫·約翰·湯姆生（英國人） | 對氣體放電理論和實驗研究作出重要貢獻 |
1907年 | A. A. 麥可遜（美國人） | 發明了光學干涉儀並且藉助這些儀器進行光譜學和度量學的研究 |
1908年 | 加布里埃爾·李普曼（法國人） | 發明了彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律） |
1909年 | 伽利爾摩·馬可尼（義大利人）、K. F. 布勞恩（德國人） | 開發了無線電通信，研究發現理查森定律 |
1910年 | 翰尼斯·迪德里克·范德華（荷蘭人） | 從事氣態和液態議程式方面的研究 |
1911年 | W. 維恩（德國人） | 發現熱輻射定律 |
1912年 | N. G. 達倫（瑞典人） | 發明了可以和燃點航標、浮標氣體蓄電池聯合使用的自動節裝置 |
1913年 | H·卡末林-昂內斯（荷蘭人） | 從事液體氦的超導研究 |
1914年 | 馬克斯·凡·勞厄（德國人） | 發現晶體中的X射線衍射現象 |
1915年 | 威廉·亨利·布拉格、威廉·勞倫斯·布拉格（英國人） | 藉助X射線，對晶體結構進行分析 |
1916年 未頒獎 | ||
1917年 | C. G. 巴克拉（英國人） | 發現元素的次級X輻射的特徵 |
1918年 | 馬克斯·卡爾·歐內斯特·路德維希·普朗克（德國人） | 對確立量子理論作出巨大貢獻 |
1919年 | J. 斯塔克（德國人） | 發現極隧射線的都卜勒效應以及電場作用下光譜線的分裂現象 |
1920年 | C. E. 紀堯姆（瑞士人） | 發現鎳鋼合金的反常現象及其在精密物理學中的重要性 |
1921年 | 阿爾伯特·愛因斯坦（美籍猶太人） | 發現了光電效應定律等 |
1922年 | 尼爾斯·亨利克·大衛·玻爾（丹麥人） | 從事原子結構和原子輻射的研究 |
1923年 | R. A. 米利肯（美國人） | 從事基本電荷和光電效應的研究 |
1924年 | K. M. G. 西格巴恩（瑞典人） | 發現了X射線中的光譜線 |
1925年 | 詹姆斯·弗蘭克、G. 赫茲（德國人） | 發現原子和電子的碰撞規律 |
1926年 | J. B. 佩蘭（法國人） | 研究物質不連續結構和發現沉積平衡 |
1927年 | 阿瑟·霍利·康普頓（美國人） | 發現康普頓效應（也稱康普頓散射） |
C. T. R. 威爾遜（英國人） | 發明了雲霧室，能顯示出電子穿過水蒸氣的徑跡 | |
1928年 | O. W. 理查森（英國人） | 從事熱離子現象的研究，特別是發現理查森定律 |
1929年 | 路易斯·維克多·德布羅意（法國人） | 發現物質波 |
1930年 | C. V. 拉曼（印度人） | 從事光散方面的研究，發現拉曼效應 |
1931年 未頒獎 | ||
1932年 | 維爾納·K·海森伯（德國人） | 創建了量子力學 |
1933年 （1934年未頒獎） | 埃爾溫·薛丁格（奧地利人）、P. A. M. 狄拉克（英國人） | 發現原子理論新的有效形式 |
1935年 | J. 查德威克（英國人） | 發現中子 |
1936年 | V. F. 赫斯（奧地利人） | 發現宇宙射線 |
C. D. 安德森（美國人） | 發現正電子 | |
1937年 | C. J. 戴維森（美國人）、G. P. 湯姆森（英國人） | 發現晶體對電子的衍射現象 |
1938年 | E. 費米（義大利人） | |
1939年 （1940年～1942年未頒獎） | E. O. 勞倫斯（美國人） | 發明和發展了回旋加速器並以此取得了有關人工放射性等成果 |
1943年 | O. 斯特恩（美國人） | |
1944年 | I. I. 拉比（美國人） | 發明了著名氣核磁共振法 |
1945年 | 沃爾夫岡·E·泡利（奧地利人） | 發現不相容原理 |
1946年 | P. W. 布里奇曼（美國人） | 發明了超高壓裝置，並在高壓物理學方面取得成就 |
1947年 | E. V. 阿普爾頓（英國人） | 證實了電離層的存在 |
1948年 | P. M. S. 布萊克特（英國人） | 改進了威爾遜雲霧室方法，並由此導致系列發現 |
1949年 | 湯川秀樹（日本人） | 提出核子的介子理論，並預言介子的存在 |
1950年 | C. F. 鮑威爾（英國人） | 開發了用以研究核破壞過程的照相乳膠記錄法並發現各種介子 |
1951年 | J. D. 科克羅夫特（英國人）、E. T. S. 沃爾頓（愛爾蘭人） | 通過人工加速的粒子轟擊原子，促使其產生核反應（嬗變） |
1952年 | F. 布洛赫、E. M. 珀塞爾（美國人） | 從事物質核磁共振現象的研究並創立原子核磁力測量法 |
1953年 | F. 澤爾尼克（荷蘭人） | 發明了相襯顯微鏡 |
1954年 | 在量子力學和波函式的統計解釋及研究方面作出貢獻 | |
W. 博特（德國人） | 發明了符合計數法，用以研究原子核反應和γ射線 | |
1955年 | W. E. 拉姆（美國人） | 發明了微波技術，進而研究氫原子的精細結構 |
P. 庫什（美國人） | ||
1956年 | W. H. 布拉頓、J. 巴丁、W. B. 肖克利（美國人） | 從事半導體研究並發現了電晶體效應 |
1957年 | 對宇稱定律作了深入研究 | |
1958年 | P. A. 切倫科夫、I. E. 塔姆、I. M. 弗蘭克（俄國人） | 發現並解釋了切倫科夫效應 |
1959年 | E .G. 塞格雷、O. 張伯倫（美國人） | 發現反質子 |
1960年 | D. A. 格拉塞（美國人） | |
1961年 | R. 霍夫斯塔特（美國人） | 利用直線加速器從事高能電子散射研究並發現核子 |
R. L. 穆斯保爾（德國人） | 從事γ射線的共振吸收現象研究並發現了穆斯保爾效應 | |
1962年 | 列夫·達維多維奇·朗道（俄國人） | 開創了凝集態物質特別是液氦理論 |
1963年 | E. P. 威格納（美國人） | |
M. G. 邁耶（美國人）、J. H. D. 延森（德國人） | 從事原子核殼層模型理論的研究 | |
1964年 | C. H. 湯斯（美國人）、N. G. 巴索夫、A. M. 普羅霍羅夫（俄國人） | 發明微波射器和雷射器，並從事量子電子學方面的基礎研究 |
1965年 | 在量子電動力學方面進行對基本粒子物理學具有深刻影響的基礎研究 | |
1966年 | A. 卡斯特勒（法國人） | 發現和開發了把光的共振和磁的共振合起來，使光束與射頻電磁發生雙共振的雙共振法 |
1967年 | H. A. 貝蒂（美國人） | 以核反應理論作出貢獻，特別是發現了星球中的能源 |
1968年 | L. W. 阿爾瓦雷斯（美國人） | |
1969年 | M. 蓋爾曼（美國人） | 發現基本粒子的分類和相互作用 |
1970年 | L. 內爾（法國人） | 從事鐵磁和反鐵磁方面的研究 |
H. 阿爾文（瑞典人） | 從事磁流體力學方面的基礎研究 | |
1971年 | D. 加博爾（英國人） | 發明並發展了全息攝影法 |
1972年 | J. 巴丁、L. N. 庫柏、J. R. 施里弗（美國人） | 從理論上解釋了超導現象 |
1973年 | 江崎玲於奈（日本人）、I. 賈埃弗（美國人） | 通過實驗發現半導體中的“隧道效應”和超導物質 |
B. D. 約瑟夫森（英國人） | 發現超導電流通過隧道阻擋層的約瑟夫森效應 | |
1974年 | M. 賴爾、A. 赫威斯（英國人） | 從事射電天文學方面的開拓性研究 |
1975年 | A. N. 玻爾、B. R. 莫特爾森（丹麥人）、J. 雷恩沃特（美國人） | 從事原子核內部結構方面的研究 |
1976年 | 發現很重的中性介子 —— J/φ粒子 | |
1977年 | 從事磁性和無序系統電子結構的基礎研究 | |
1978年 | P. 卡爾察（俄國人） | 從事低溫學方面的研究 |
A. A. 彭齊亞斯、R. W. 威爾遜（美國人） | 發現宇宙微波背景輻射 | |
1979年 | 預言存在弱中性流，並對基本粒子之間的弱作用和電磁作用的統一理論作出貢獻 | |
1980年 | J. W. 克羅寧、V. L. 菲奇（美國人） | 發現中性K介子衰變中的宇稱（CP）不守恆 |
1981年 | K. M. 西格巴恩（瑞典人） | 開發出高解析度測量儀器 |
N. 布洛姆伯根、A. 肖洛（美國人） | 對發展雷射光譜學和高解析度電子光譜做出貢獻 | |
1982年 | K. G. 威爾遜（美國人） | 提出與相變有關的臨界現象理論 |
1983年 | S. 昌德拉塞卡、W. A. 福勒（美國人） | 從事星體進化的物理過程的研究 |
1984年 | C. 魯比亞（義大利人）、S. 范德梅爾（荷蘭人） | 對導致發現弱相互作用的傳遞者場粒子W±和Z_0的大型工程作出了決定性貢獻 |
1985年 | K·馮·克里津（德國人） | 發現量了霍耳效應並開發了測定物理常數的技術 |
1986年 | E. 魯斯卡（德國人） | 在電光學領域做了大量基礎研究，開發了第一架電子顯微鏡 |
G. 比尼格（德國人）、H. 羅雷爾（瑞士人） | 設計並研製了新型電子顯微鏡——掃描隧道顯微鏡 | |
1987年 | J. G. 貝德諾爾斯（德國人）、K. A. 米勒（瑞士人） | 發現氧化物高溫超導體 |
1988年 | L. 萊德曼、M. 施瓦茨、J. 斯坦伯格（美國人） | |
1989年 | W. 保羅（德國人）、H. G. 德默爾特、N. F. 拉姆齊（美國人） | 創造了世界上最準確的時間計測方法——原子鐘，為物理學測量作出傑出貢獻 |
1990年 | J. I. 弗里德曼、H. W. 肯德爾（美國人）、理察·E·泰勒（加拿大人） | 通過實驗首次證明了夸克的存在 |
1991年 | 皮埃爾-吉勒·德·熱納（法國人） | 從事對液晶、聚合物的理論研究 |
| 時間 | 人物 | 得獎原因 |
|---|---|---|
1992年 | G. 夏帕克（法國人） | 開發了多絲正比計數管 |
1993年 | R. A. 赫爾斯、J. H. 泰勒（美國人） | 發現一對脈衝雙星，為有關引力的研究提供了新的機會 |
1994年 | B. N. 布羅克豪斯（加拿大人）、C. G. 沙爾（美國人） | |
1995年 | M. L. 佩爾、F. 萊因斯（美國人） | |
1996年 | D. M. 李（美國人）、D. D. 奧謝羅夫（美國人）、理察·C·理查森（美國人） | 發現在低溫狀態下可以無摩擦流動的氦- 3 |
1997年 | 朱棣文（美籍華人）、W. D. 菲利普斯（美國人）、C. 科昂-塔努吉（法國人） | 發明了用雷射冷卻和俘獲原子的方法 |
1998年 | 發現了分數量子霍爾效應 | |
1999年 | H. 霍夫特（荷蘭）、M. 韋爾特曼（荷蘭） | 闡明了物理中電鍍弱互動作用的定量結構。 |
2000年 | 因其研究具有開拓性，奠定資訊技術的基礎，諾貝爾物理獎。 | |
2001年 | 克特勒（德國）、康奈爾（美國）和維曼（美國） | 在“鹼性原子稀薄氣體的玻色－愛因斯坦凝聚態”以及“凝聚態物質性質早期基礎性研究”方面取得成就。 |
2002年 | 在天體物理學領域做出的先驅性貢獻，打開了人類觀測宇宙的兩個新“視窗”。 | |
2003年 | 在超導體和超流體理論上作出的開創性貢獻。 | |
2004年 | 這三位科學家對夸克的研究使科學更接近於實現它為“所有的事情構建理論”的夢想。 | |
2005年 | 研究成果可改進GPS技術 | |
2006年 | 發現了黑體形態和宇宙微波背景輻射的擾動現象 | |
2007年 | ||
2008年 | 小林誠、益川敏、南部陽一郎（日） | 發現了次原子物理的對稱性自發破缺機制 |
2009年 | 英國籍華裔物理學家高錕 | “在光學通信領域中光的傳輸的開創性成就” |
“發明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像感測器CCD” | ||
2010年 | 在二維空間材料石墨烯的突破性實驗 | |
2011年 | 因發現宇宙加速膨脹最終能夠可能變成冰 | |
2012年 | 法國科學家沙吉·哈羅徹（Serge Haroche）與美國科學家大衛·溫蘭德（David J. Winland） | 實現對單個量子系統的操作和測量而不改變其量子力學屬性 |
