物理学

各種不同的物理現象。

物理學(希臘文Φύσις自然)是研究物質能量的本質與性質,以及它們彼此之間交互作用的自然科學[1]由於物質與能量是所有科學研究的必須涉及的基本要素,所以物理學是自然科學中最基礎的學科之一。物理學是一種實驗科學,物理學者從觀測與分析大自然的各種基於物質與能量的現象來找出其中的模式。這些模式(假說)稱為「物理理論」,經得起實驗檢驗的常用物理理論稱為物理定律,直到有一天被證明是有錯誤為止(具可否證性)。物理學是由這些定律精緻地建構而成。物理學是自然科學中最基礎的學科之一。化學、生物學、考古學等等科學學術領域的理論都是建構於這些物理定律。[2]:1-2[3]:2-3

物理學是最古老的學術之一。[3]:2物理學、化學生物學等等原本都歸屬於自然哲學的範疇,直到十七世紀至十九世紀期間,才漸漸地從自然哲學中分別成長為獨立的學術領域。[4]:193-194物理學與其它很多跨領域研究有相當的交集,如量子化學生物物理學等等。物理學的疆界並不是固定不變的,物理學裡的創始突破時常可以用來解釋這些跨領域研究的基礎機制,有時還會開啟嶄新的跨領域研究。[2]:1-2

通過創建新理論與發展新科技,物理學對於人類文明有極為顯著的貢獻。例如,由於電磁學的快速發展,電燈電動機家用電器等新產品纷纷涌现,人類社會的生活水平也得到大幅提升。[2]:1[5]由於核子物理學日趨成熟,核能發電已不再是藍圖構想,但其所引致的安全問題也使人們意識到地球環境、生態與人類的脆弱渺小。

歷史

「物理」一詞在英文裏是「physics」,最先出自於古希臘文φύσις」,原意是「自然」。在中文裏,這詞最早可在戰國時期佚書《鹖冠子·王鈇篇》找到,「願聞其人情物理所以嗇萬物與天地總與神明體正之道。」在這裏,「物理」指的是一切事物之道理。[6]三國時期, 楊泉著有《物理論》,是最早的書名含有「物理」一詞的著作。[7]明末清初科學家方以智受到西學影響,撰寫了百科全書式著作《物理小識》,在這裏,「物理」的含義已演化為學術之理,包括自然科學的各門領域與人文學的部分領域。[8][9]

清朝鴉片戰爭後,西方科學傳入中國,此時的譯者將「physics」翻譯為「格致學」或「格物學」。「格物致知」這詞源自於《禮記大學》:「致知在格物,格物而後致知」,用白話說,「若要增進知識,必須窮究事物之理,唯有窮究事物之理,才可增進知識」。這句話指出,明瞭事物是增進知識的關鍵方法。在物理學裡,時常會利用觀察、模擬、實驗、推論、演繹等方法來獲得知識。因此,將「physics」翻譯為「格致學」或「格物學」似乎有道理。[10]:2-3

中国战国哲学家名家惠施邓析公孙龙,以及墨家,曾努力钻研宇宙间万物构成的原因。惠施有十个命题,主要是对自然界的分析,其中有些含有辩证的元素。他说:“至大无外,谓之大一;至小无内,谓之小一。”。“大一”是指整个空间大到无所不包,不再有外部;“小一”是指物质最小的单位,小到不可再分割,不再有内部[11]。名家的思想合同异以惠施为代表,认为“天与地卑,山与泽平”,万物“毕异”本为“毕同”,并无区别[11]。后期墨家认为物质世界是由微小的不可再分割的物质粒子所构成[11]

古希臘物理學

1824年,在倫敦發行的《機械雜誌》內的一副刻畫。阿基米德說:「給我一個支點,我就可以撬起整個地球。」[12]:65-66

从古代以來,人们就尝试着了解大自然的奥妙:为什么物体会往地面掉落,为什么不同的物质会具有不同的性质?如此等等。從觀測與分析大自然的現象,早期人們找到其中的樣式,並針對這些樣式提出了各种理论,试图解释大自然的奥妙,然而他們所提出的大多數理論都不正确。以現代準則來看,早期的物理理论更像是一些哲学理论:现代的理论都需要经过嚴格的实验檢驗,而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密亞里士多德提出的理論中,有些就与日常所能观察到的事实相悖。[13]:1, 28

儘管如此,仍有許多古學者貢獻出相當正確的理論。古希臘哲學家泰勒斯(约前624年-约前546年)曾經遠渡地中海,在美索不達米亞埃及學習天文學與幾何,還加以推廣延伸,發揚光大。他預測出公元前585年發生的日蝕,還能夠估算船隻離岸邊的距離,又從金字塔的陰影計算出其高度。泰勒斯拒絕倚賴玄異或超自然因素來解釋自然現象,他主張,任何事件的發生都有其不變與普適的因果關係。[12]:8-10, 28[14]公元前5世紀古希臘哲學家留基伯與學生德謨克利特率先提出原子論,认为所有物質皆是由不會毀壞、不可分割的原子所構成。[12]:14-15古希腊的思想家阿基米德作用力方面推导出许多正确的定量结论,如對於槓桿原理的解釋[12]:65-66

中世紀伊斯蘭世界的物理學

從西元850年至950年間,大量希臘學術被翻譯成阿拉伯文。穆斯林科學家從希臘人繼承了亞里士多德物理學。在伊斯蘭黃金時代,他們將這些學術發揚光大,特別強調觀測的動作,發展出一種早期形式的科學方法[12]:130-131.[15]:362-363

海什木是光學的拓荒者

伊本·沙爾英语Ibn Sahl肯迪海什木伊本·西那等等科學家在光學與視覺領域給出創新理論。海什木在著名著作《 光學書英语Book of Optics》(Kitab al-Manazir)裏,堅定地駁斥了古希臘的視覺理論——發射說,並且給出新理論。倚賴蓋倫關於眼睛內部解剖結構的信息,他說明了光線如何進入眼睛,如何被聚焦與投射至眼睛的後部,他認為眼睛就如同「暗室」,光線進入一個小洞後,在暗室形成顛倒影像。很明顯地,在這裡,他所指的是針孔相機暗箱。他還描述怎樣用暗室來觀測日蝕。[16]:6-7

海什木的成就在阿拉伯世界並沒有得到應有的重視。十二世紀,他的著作被翻譯成拉丁文,書名為《透視》(Perspectiva)。直至十七世紀,這著作在歐洲是光學的標準參考書,強烈影響了後來约翰内斯·开普勒 威鐵魯英语Witelo羅傑·培根等等科學家的研究。[16]:6-7[17]:86, 209

經典物理學

艾薩克·牛頓(1643年-1727年)

經典物理學指的是不涉及到量子力學或相對論的物理學,例如,牛頓力學熱力學馬克士威電磁學等等。[18]經典物理學的盛期開始於十六世紀的第一次科學革命,終止於十九世紀末。[19]:67[20]:11尼古拉·哥白尼打響了科學革命的第一槍,他於1543年提出了描述太陽系統的日心說,這理論推翻了托勒密的地心說。在1609年與1619年期間,約翰內斯·克卜勒發表了主導行星運動的定律,他用數學方程準確估算出從天文觀測獲得的行星繞著太陽的公轉數據,從而給予日心說強而有力的理論支持。伽利略·伽利萊做實驗研究物體運動,發現落體定律,並且展示出實驗方法對於科學研究的重要性。他倚賴使用實驗或觀測所獲得的證據,而不是倚靠純粹推理,來證實任何假說的正確性。他強調使用數學來描述物理現象,大自然的語言是數學,假若不懂數學,則無法明白大自然。1687年,艾薩克·牛頓提出的牛頓運動定律萬有引力定律为經典物理學奠定了穩固的基础,他創建了微積分,給出一種新的高功能數學方法來研析物理問題。他為第一次科學革命畫上了完美的終止符。[21][19]:84, 98物理學展現出兩個獨門特徵:使用實驗證據來檢視物理定律、採用數學語言來表述物理定律。物理學逐漸發展進步,成為一門獨立學科。[19]:100[4]:193-194

現代物理學

二十世紀初期,物理學者發現經典物理學存在著極嚴重的瑕疵:邁克生-莫立實驗的零結果不符合經典物理學的預測,黑體輻射譜不符合熱力學的預測,經典電磁學無法解釋光電效應與原子光譜,放射性物質的物理性質貌似與經典物理學的決定論背道而馳。這些瑕疵給學術界帶來了一場前所未有的考驗,徹底地動搖了舊理論體系的基石,導致了二十世紀物理學兩大理論體系相對論量子力學的出現,进而開始了現代物理學的紀元。相對論和量子力學對於這些難題給出合理解答。不僅如此,物理學者應用相對論和量子力學於像原子、分子等等的微觀系統,以及各種凝聚態宏觀系統,從而更為深切地揭示大自然的工作機制,並且促進物質文明蓬勃發展。[22]:1-2