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　　正如物理不是关于世界的事实罗列，历史也不是人物和时间的罗列，它更是一种强有力的启发性思维方式。
　　在现代物理学教育中，老师们通常不太重视传授某些方面的问题，例如：与人相处、团队协作、误解、对手和同盟等。物理学家通常并不看重这些方面，认为它对科学研究没什么帮助。但是，社会互动确实会对他们的研究有很大的影响。而物理学家通常通过很困难的方式才意识到这一点。在如今这个科学合作的时代，独自行走可是不行的。
　　历史就能帮助物理学家这一点，历史这门学科会研究很多这方面的问题。我们这些科学史学家的工作就是挖掘那些鲜为人知的故事，并与大家分享。而我们讲述这些历史的方式可以改变人们对历史的看法。从历史的角度来看科学可以让物理学家们明白得更透彻，也能为他们提供很多有用的工具。
　　物理是社会性事业
　　研究是由人做的，人有喜欢和不喜欢，有自负和偏见。物理学家也不例外，他们也会有特别喜欢的观念，也会坚守一些早该放弃的概念。一个典型的案例是电磁以太，这个概念几乎吸引了整个19世纪的物理学家。到最后发现以太的概念给他们造成的困难比解决的问题要多得多，可物理学家依然将其视为核心的解释工具。1905年，爱因斯坦的狭义相对论宣布以太是多余的，但物理学家对电磁以太的狂热也没有立马消退。
　　人们来自不同地方，物理学家和其他人一样都想捍卫自己的国家。100年前，一战爆发后，英国科学家拒绝与德国的科学家合作。一战结束后，德国及其法西斯同盟国依然被禁止加入国际科学组织。二战期间，希特勒手上具有原子弹的能力震慑了反法西斯同盟国的科学家，使他们打开了核武器的潘多拉盒子。虽然许多参与的科学家事后很懊悔，但战争和民族主义成为发展核武器的动力。
　　上述情况并非例外，物理学家并不是没有政治观点、哲学偏好和个人情感的特殊群体。而科学史的作用就是剥掉“不食人间烟火”的隐士天才的神秘面纱，使物理更有人情味。
　　物理更有人情味是一件好事。对于初学者，尤其是学生，他们会觉得物理学更容易进入。许多有潜力的学生之所以中途放弃科学，是因为他们所学的东西似乎和他们的生活没有关系。科学教育专家发现，那些放弃的学生求知欲非常强，他们想了解几乎所有的事情，包括他们现在所学习的各种研究方法是怎么来的？为什么物理学家和化学家理解自然的方式是这样的？他们学习的东西和世界有什么联系？等等。如果在教学中不涉及这方面的知识，学生很容易失去好奇心。从历史的角度自然提出概念、政治、哲学、伦理或社会等问题，这些问题揭示了物理对学生自己生活的重要性。把人看作人的学科比把人看作计算机器的学科更具有吸引力。
　　了解物理人文的一面还能帮助学生了解物理学家究竟要做些什么。物理是团队合作的，物理学家需要沟通，物理是社会性事业，思想和实验设备需要经常交流。爱因斯坦提出广义相对论后的一段时间，其他的科学家很难靠自己的能力解读这个理论。要想彻底读懂这个理论，必须与爱因斯坦和他的小组取得直接联系。可那时正值一战的爆发，很少有科学家能够联系到他。直到荷兰的物理学家威廉?德?西特（Willem de Sitter）联系到爱因斯坦本人，并将这个理论传给英国的物理学家及非战主义者亚瑟?爱丁顿（Arthur Eddington）后，广义相对论才被大众所知。物理研究需要人与人之间的沟通，而有时沟通并不简单。
　　物理学不是显而易见
　　从回顾的角度来看，任何事情似乎都显而易见。教科书上的实验结果是非常清晰的，一些理论只需要几页纸的计算就能论证。但在这些清晰说明的背后是科学家们付出巨大的心血和不断纠正的错误。物理学的历史提醒我们，物理理论的验证是多么的困难，即使今天看似显而易见的理论，例如地心说、原子论等。
　　复杂性而非简单性是科学实践的法则。每一项发现的背后包含了许多人、想法、事故和争论。一般来讲，理解一个理论的含义需要巨大的努力。比如密立根油滴实验，在教科书上被视为清晰实验设计的典型和有说服力的理论解释。可要是你看一眼罗伯特?密立根的实验笔记，你就知道这个实验有多难。（图为笔记中的一页）
　　罗伯特?密立根的实验笔记本里每一页都像这页一样，到处都是数据、计算、修正，有时会偶尔加一些评论。要完善这个著名的油滴实验和获得电子电荷需要大量的时间和精力。这个笔记本的记录时间为日
　　自然界很少直接给出答案。因此研究人员有时需要盲目探索，需要尝试、失败和猜测。一旦他们取得了明确的结果，那些艰辛付出就会被他们抛在脑后。他们认为简单比复杂更有说服力，而实际上，复杂更让人放心。人们告诉学生和年轻的研究人员：物理研究是困难的，他们实际的付出要比教科书上展示的困难得多。混乱就是标准，错误是正常的。由大家不断努力、挣扎取得的科学成就要比灵光乍现的科学成就更有意义。物理的成果从来就不是不证自明的。
　　每当物理学家对一组数据的解读出现不同时，都会为物理不是显而易见提供新的证据。一些数据只有在特定的角度上才有意义。阿诺?彭齐亚斯和罗伯特?威尔逊在天线中首先发现的是低频率噪音，并不是宇宙微波背景，当他们从宇宙大爆炸的角度去看待这些低频率噪音时，才发现它们的价值。
　　物理学的历史告诉我们：解决一个问题通常有好几种方法。
　　量子电动力学的出现并不是由于它明显的优越性，而是弗里曼?戴森（Freeman Dyson）证明了理查德?费曼、朱利安?施温格和朝永振一郎的重整化方法都是一致的。他们所有人的方法都是对的，只不过需要重新组织一下。如今必不可少的费曼图在刚出现的时候并没有受到大家的重视。费曼图是混乱的，如何使用并不清晰。戴森乐于接受新观点：他必须告诉人们费曼图的好处，传播费曼图的重要性。所以我们现在看到的那些简单清晰的理论在形成时都是很困难的。
　　罗伯特?威尔逊（左）和阿诺?彭齐亚斯在检查他们的天线。他们因发现了宇宙微波背景辐射而共同获得了1978年诺贝尔物理学奖。而他们起初发现的只是来自天线的一些低频率的声音
　　物理需要各种各样的人
　　好的物理需要创造性。一个奇怪的想法或许能帮助阐明一个混乱的观察结果，或许还能成为理解一个方程的关键。
　　历史告诉人们：物理学的发展需要概念的奇特碰撞。
　　拿热力学第二定律为例，这个定律的形成和解读很大程度上要归功于开尔文。可开尔文一开始的研究动机并不是什么第二定律。他是一个宗教信徒，他看到《圣经》诗篇102中写道天堂和地球总有一天会被耗尽，他就想研究宇宙的热寂问题。由于开尔文的个人背景，他获得了很多有关第二定律的数据。你可以看到开尔文独特的观点与其他研究热力学的物理学家相比是多么重要。各种不同方法的互相作用才会产生新的观点，如果没有开尔文的奇特观点，我们也不会有热力学第二定律。
　　开尔文
　　奇特但有用的观点通常来自与当前需解决问题截然不同的领域。詹姆斯?克拉克?麦克斯韦是从历史学家那儿学到统计方差的；粒子物理学家路易斯?阿尔瓦雷兹（Luis Alvarez）将同位素的专业知识带给了他儿子沃尔特的地理研究，最终帮助解决了恐龙灭绝的谜团。科学史向我们展示了跨领域科学家的沟通是有多么的重要，不同小组之间的沟通是有益的。表面孤立的问题通常联系非常紧密，你永远不知道：何时何地你会发现能够解决问题的奇怪想法。
　　鼓励不同想法的最好策略就是培育多样性的群体。经常提供不同思维方式的小团体往往是灵感和新方法的源泉。很多例子表明：边缘团体最后成为主流。
　　例如：玛丽埃塔?布劳（Marietta Blau），她发展了核乳胶技术（粒子物理中最重要的发明之一），而布劳本人在当时就属于物理学的外围。作为一名奥地利的犹太女人，布劳在大战期间受到双重排斥。女人通常被拒绝进入实验室，有时的理由是她们的头发很容易引起着火。而犹太人就很少允许拥有高层的位置，即使在纳粹崛起之前。这些限制意味着：如果布劳要研究粒子的话，她必须用非常普通的材料制作便宜、可携带的实验器材。正因为如此，她研发了基本的观测工具，最终震惊了当时大部分同质化的物理学共同体的物理学家。
　　玛丽埃塔?布劳（Marietta Blau，），作为战争期间奥地利的犹太女性，一度受到物理学家的排斥。在边缘的研究让她研发了核乳胶技术
　　代表性不够的小团体经常被边缘化的原因是长期形成的文化惰性或蓄意决定。正因为这个原因，很多想增加物理多样性的物理学家都认为自己在帮助纠正社会错误。费曼在学生时代就被哥伦比亚大学拒绝，因为有些人认为：不应该招收那么多犹太学生。现在看来这似乎是一个荒谬的决定，而这一决定使麻省理工学院得益，接受了来自边缘的费曼。
　　2015年，美国最高法院的首席大法官约翰?罗伯茨（John G. Roberts Jr）对于多样性有利于物理学的观点感动困惑，罗伯茨的评论令人失望，即使其评论背后的观点并非不正常。作为纯粹理性的独立王国，科学的完美有效掩盖了不同观点和见解的重要性。然而，不同观点的重要性在科学史上有清晰记载。这些记录能澄清：为什么物理学绝大多数由白人完成，为什么依靠白人会成为物理学未来发展的限制性因素。而物理学史是智能和制度多样化的重要性的极好范例。许多不同的思维方式可以用来解决问题，因此应该鼓励多样化。
　　物理学没有结束
　　观点和诠释的多样化提醒我们：物理是一门正在发展的学科，所有的知识都是暂时的，总会有新的方法解决问题，总会有新的东西值得学习。物理史应该做到让人们质疑现在的理论是否能保持永久正确。
　　一些人担心，承认这种不确定性会使科学失去魅力。实际上，这反而会增加科学的魅力。如果物理研究几近结束，谁还会去研究？在一面快完工的墙上加砖块并不令人兴奋，但扩大一个没有限制的建筑会是令人兴奋的挑战。因此，知道并非所有事情已经发现是很鼓舞人心的。
　　承认不确定性意味着我们要改变物理和（更广意义）科学的教育方式。物理学通常就是一张清单，上面罗列了物理学家认为是对的事情。我们把这种清单叫做“教科书”。它们并没有把物理学家或其他科学家真正做的事情反映出来。教科书除了教授学生物理学家已经知道的东西，还应当强调关于物理的未知现象。它们可以告诉学生还有很多东西需要研究：有哪些未解之谜，有哪些很难解决的问题。好奇心应该获得赞赏，应该鼓励每个人提问“还有什么问题？”
　　这样的教育转变的效果之一就是降低对证据的关注。极少事情可以严格证明为真。在实践中，科学家为特定论断积累证据。这些证据提供了某种程度的可信度。坚持每个科学概念符合或应当符合证据的标准是危险的，这会使知识很容易受到攻击，因为每个论断都有值得怀疑的地方。如果科学家不对自己的疑虑坦诚相见的话，一旦不确定性出现，信任危机也会随之而来。谈论证据和疑虑会使科学在大众中更强大。
　　物理是会变化的
　　接受物理将来会变得不同就是接受物理过去与现在也是不同的。每个人都倾向于认为：事物现在的方式是准则。但历史已经表明：事情并不是一直都是这样。过去的人们会有不同的想法，理解这一点对理解现代的人有很大的帮助。历史就是通过对过去的关注来告诉我们如何开始关注现在。
　　没有人比爱因斯坦更喜欢历史方法。早年的他读过恩斯特?马赫有关科学史的论著，他认为就是马赫让他能够对科学原理有了批判性的思考。爱因斯坦曾写道过：有历史和哲学背景的知识可以免受偏见的烦恼。他抱怨物理学家把现在接受的观点看成是永久不变的规律。他建议：物理学家应该研究这些观点的历史，理解这些观点获得证实的情况。这样的话，处在边缘的青年物理学家（如1905年作为专利秘书的爱因斯坦）就会有胆量进入新领域，提出创造性的新建议。
　　历史能训练你对已接受的观点持有批判性思维。对于神秘的量子物理来说，可以有很多方法进行思考。普遍认同的哥本哈根诠释并不是最好的诠释，也并不是唯一有效的一个。爱因斯坦就是想让物理学家能够对量子力学的基础采取批判性的态度。
　　历史学家兼哲学家哈索克?张（Hasok Chang）曾认为：科学诠释的多样性可以使科学史作为现代科学研究的资源。他把他的方法称为补充科学，即将过去遗忘和未解决的谜题重新揭示出来。把这种补充科学带到实际应用中需要自我检查，对假设和理论进行深度思考和批判在专业科学的背景下也是很困难的，但科学历史鼓励这种做法。
　　基础物理小组，1975年成立于加州伯克利，励志探索神秘主义和基础量子物理。照片上为该小组的四个成员，站着的从左至右分别是杰克?萨尔法蒂、索尔?西拉格和尼克?赫尔伯特，坐着的是弗雷德?沃尔夫
　　戴维?凯泽的《嬉皮士如何拯救物理学》揭示了如何养成批判性思维。20世纪60~70年代，一些物理学家并不满足圈内的“关上门来自己研究”的风气。他们对方程背后的更深层次的哲学意义感兴趣。因此，他们同时研究了那个时代的反主流文化以及量子物理的历史。通过这些方面的努力，他们对贝尔定理和量子纠缠有了更深刻的了解。因此意识到：人们过去的想法是不同的这一点很重要。
　　物理没有严格的规律
　　首次读科学史的人都会惊讶地发现：科学的实际操作根本没有按照课本上写的顺序来。科学家并没有遵守严格、线性的解决问题的系统。科学家的研究可以来源于一个假设，可以来源于一个奇怪的观察结果，也可来自实验中的某个异常现象。爱因斯坦在晚年的时候总结道：科学家必须是一个狡猾的投机分子，在新挑战来临时，不断变化自己的应对方式。
　　实际上，科学家并没有一套严格的研究方法，他们需要根据掌握的证据开展工作，提出最好的解释。19世纪前期，天王星的轨道似乎与牛顿引力出现了偏差。当时人们可以声称：牛顿的引力理论被证伪，当然，只有极少数人那么做。牛顿的引力理论已经证明如此强大，一次异常现象不足以放弃这个伟大的理论。因此，科学家们找到了一个更简单的解决方法，即天王星的偏移是因为存在新的行星（躲在暗中的海王星）。后来当水星的轨道也出现了偏移时，人们采用了相同的解释。为了拯救牛顿的引力理论，天文学家寻找躲在太阳光后的火神星。但是，爱因斯坦最终提出：水星的轨道异常是放弃牛顿理论和偏向自己理论的充分原因。
　　有时候，偏差是放弃某个理论的理由，但有时候，需要提出全新的实体来拯救理论。不同的情况需要不同的方法。物理学家在做出选择时通常都有很好的理由，但他们要承认：他们的选择具有难度和复杂性。
　　历史故事会告诉我们科学发现的过程。但人们可以发现狭义相对论来源的完全不同版本：是从迈克尔逊-莫雷的实验结果中直接推导来的？或者是从爱因斯坦关于时空性质的哲学性思考得来的？或许来源于麦克斯韦方程的抽象推理呢？人们定义物理的方式取决于其听到的故事。因此，讲故事的人必须确保他们的故事是有历史依据的。
　　人们不必过于担心自己的研究可能损害科学方法。研究物理的方法有很多，攻击弦理论违背了方法论的指导是不公平的。如今的物理学家通常没有受过科学哲学的训练（爱因斯坦和尼尔斯?波尔接受过），他们引用的哲学原则已经过时。卡尔?波普尔的科学可证伪的理论已经没有太大作用。例如：占星术就是可证伪的，可它并不是科学。科学史揭示了科学的定义和标准是如何随着时间而改变的，希望科学史有动力参与科学哲学家的重要工作。
　　概念的本义
　　历史告诉我们，知识不是固定不变的。通过历史性的思考我们会问：为什么以前的人会认为这是真的？为什么我觉得它是假的？
　　研究历史能帮助你了解概念的本义。亚里士多德并不是牛顿物理的反对者，他只不过有完全不同的看法。过去的人担心的事不同，解决问题的方法也不同。历史学家最忌讳的就是用现在的角度看待过去。
　　历史性思考可以使研究的主题动态化，历史性思考有助于人们将科学看做一系列问题而不是一系列论断。这些问题将会持续到未来，知道到目前为止的相关问题很有帮助。
　　必须指出：科学史是有趣的，有许多令人激动的故事。詹姆斯?焦耳的实验成功是依赖于他对啤酒的精通，而牛顿为了了解更多有关颜色的问题，亲手往自己的眼睛里插了把匕首！读了这些小故事后，难道你不想了解更多吗？
　　但我也听到过一些顾虑，认为学习历史会占用科学教育及定量研究的时间。最好的方法就是把历史融入到教学和思考中。这么做对于物理学家和物理专业的学生都有帮助，会吸引优秀学生从事科学研究。即使对于非科学专业的学生，科学史也是增加科学素养和熟悉科学观念的好方式。
　　詹姆斯?焦耳，在19世纪对能量守恒的探索得益于其对啤酒的专长。科学史揭示一些逸闻趣事，使物理研究变得更好玩
　　最后，科学史可以使科学家获得新的思考方式，促使他们重新检查他们所知道的知识。这样的知识灵活性对于任何学科都是必要的，尤其对于像物理学和其他有影响和权威的学科。
　　本文转自世界科学。作者马特?斯坦利（Matt Stanley），文章为作者独立观点，不代表主办机构立场。
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漫谈相关信息的过去、现在与未来
冯 端
(南京大学物理系 固体微结构物理国家重点实验室 南京 210093)
摘 要 文章试图对物理学的发展历史作一透视，从而理解其现状，并进而窥测其未来的前景。我们希望这一看法对于当今从事物理学教学与科研的人士有所助益。由于物理世界的层次化，诸层次之间既可能存在耦合，又可能出现脱耦。因而大量粒子所构成的复杂体系中所涌现的各种层展性质就不能简单地还原成个别粒子所服从的规律。我们根据这一观点并结合物理学的未来前景，讨论了当今物理学研究的若干前沿问题。一切迹象预示着物理学将有光明的前景。
关键词 物理学，历史，现状，前景，前沿，物理世界的层次化，层展性质
本文系国家自然科学基金资助项目
“物理学的过去、现在和未来”是一个非常大而且重要的题目，也是一个非常难讲的题目，特别是涉及物理学的未来，结果往往是贻笑大方。这里以历史的透视为主线，提出一些个人不成熟的看法，抛砖引玉，希望得到大家的批评和指正。
1 历史的透视
对物理学的发展...
漫谈相关信息的过去、现在与未来
冯 端
(南京大学物理系 固体微结构物理国家重点实验室 南京 210093)
摘 要 文章试图对物理学的发展历史作一透视，从而理解其现状，并进而窥测其未来的前景。我们希望这一看法对于当今从事物理学教学与科研的人士有所助益。由于物理世界的层次化，诸层次之间既可能存在耦合，又可能出现脱耦。因而大量粒子所构成的复杂体系中所涌现的各种层展性质就不能简单地还原成个别粒子所服从的规律。我们根据这一观点并结合物理学的未来前景，讨论了当今物理学研究的若干前沿问题。一切迹象预示着物理学将有光明的前景。
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本文系国家自然科学基金资助项目
“物理学的过去、现在和未来”是一个非常大而且重要的题目，也是一个非常难讲的题目，特别是涉及物理学的未来，结果往往是贻笑大方。这里以历史的透视为主线，提出一些个人不成熟的看法，抛砖引玉，希望得到大家的批评和指正。
1 历史的透视
对物理学的发展历史进行透视，将有助于我们来理解其现状并进而展望其未来。历史很长，不能样样都讲到。我想从牛顿开始，牛顿以前还有很多先驱性的工作，只好从略了。
1.1 经典物理学的盛世(17世纪至19世纪末)
我们不想详细讨论历史，主要考虑那些还在用的物理学知识。
第一次综合(统一)是l7世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿力学实际上是将天上的行星运动与地上的苹果下坠概括到一个规律里面去了，建立了经典力学。至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据是另一回事，但它说明了人们对于形象思维的偏爱。牛顿实际上建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律。运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律；万有引力是一种特定的物体之间存在的基本相互作用力。牛顿将两个定律结合起来运用，因为行星的运动或者地球上的抛物体运动都离不开万有引力的影响。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时，也发展了数学。他也是微积分的发明人。他用微积分来解决力学问题。由运动定律得出来的运动方程，可以用数学方法把它具体解出来。这体现了牛顿力学的威力，它具有解决具体问题的能力。假如你要计算行星运动的轨道，基本上可以按照牛顿所给出来的物理规律，加上用数学方法解运动方程就行了。根据现在的轨道上行星位置，倒推千百年前或预计千百年后它们的位置都是轻而易举的，从而开拓了天体力学这一学科。海王星的发现史就充分显示了这一点。人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的要求，问题在哪里呢？结果认为牛顿定律正确无误，而是在天王星轨道外面还有一颗星，对它造成影响，并估计出这个星球的位置。果然在预计的位置附近发现了这颗星，命名为海王星。这表示牛顿定律是很成功的。按照牛顿定律写出运动方程，若己知初始条件位置和速度，原则上就可以求出以后任何时刻的粒子位置。
到19世纪，经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律。重新表述有拉格朗日(Lagrange)方程组、哈密顿(Hamilton)方程组。这些重新表述形式不一，实质并没有改变。在不改变实质的条件下，用新的、更简洁的形式来表述牛顿定律。这是一个方面。
另一个方面，就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中去，就出现了弹性力学、流体力学等。在这一方面,20世纪有更大的发展，特别是流体力学，空气动力学和航空技术的发展密切相关,而气动力学的发展又和喷气技术密切相关，进而牛顿力学还构成了航天技术的理论基础。因此我们说牛顿定律到现在为止还是非常重要的，牛顿定律还是我们大学课程中不可缺少的一个组成部分。当然，其表述方法应随时代发展而有所不同。读者如果有兴趣，不妨去翻一翻牛顿当年的表述。牛顿关于力学研究的成果，写在一本叫《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)的巨著中。只要稍微翻一下这本书，就会发现它非常难懂。牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定律把行星运动的轨道推了出来。我们现在学理论力学时，行星运动的椭圆轨道问题是不太难的，解微分方程就可以求出来。但牛顿在《原理》里，没有用他的微积分，更没有用解微分方程的方法，他纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的。现代科学家就不一定能看懂他这一套东西。举个例子来说，费曼(R.Feyman),有名的理论物理学家，他写过一本书，他说他自己对现代数学比牛顿强得多，但对17世纪牛顿当时熟悉的几何学他就不一定能全部掌握，他花了好些时间，想用牛顿的思路把椭圆轨道全部证出来，结果，中间还是有些环节证不出来，最后他不得已调整了一下方法，没有完全依照牛顿的证法，但基本上还是用几何方法把这个问题证明出来了。科学理论的表达是随时代变化的。现在来看，牛顿运动定律的关键问题，譬如行星运动是椭圆轨道，现在应有可能在普通物理中讲了，因为简单的微分方程已经可以用计算机求解了。由于计算机的发展，也许今后在普通物理中讲牛顿定律时，就可以在课堂上把行星运动椭圆轨道的一些基本概念说清楚了。在这里也可以说，教学问题与现代科技发展是息息相关的。
第二次综合是麦克斯韦的电磁学。大家都知道，最初是库仑定律，用以表达电荷与电荷间的相互作用力，也表达磁极与磁极之间的相互作用力。然后电与磁之间的关联被发现了：奥斯特的电流磁效应，安培发现的电流与电流之间相互作用的规律，然后是法拉弟的电磁感应定律，这样电与磁就连通成为一体了。最后，19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一的电磁场理论。电磁定律与力学规律有一个很大的不同。力学考虑的相互作用，特别是万有引力相互作用，根据牛顿的设想，是超距的相互作用，没有力的传递问题(当然用现代观点看，引力也应该有传递问题)。现在从粒子的超距作用改成电磁场的场的相互作用，这在观点上有很大变化，重点从粒子转移到场。麦克斯韦考虑电磁场的相互作用，导致电磁波，电场与磁场不断相互作用造成电磁波的传播，后来赫芝在实验室中证实电磁波的发射。另外，电磁波不但包括无线电波，实际上包括很宽的频谱，很重要的一部分就是光波。光学在过去是与电磁学完全分开发展的，到了麦克斯韦的电磁理论出来以后，光学也变成了电磁学的一个分支了，在这里，电学、磁学、光学得到了统一。这在技术上有重要意义，发电机、电动机几乎都是建立在电磁感应的基础上的，电磁波的传播导致现代的无线电技术。电磁学直到现在，在技术上还是起主导作用的一门学科，故在基础物理学中电磁学始终保持它的重要地位。
第三次综合是从热学开始的，涉及到宏观与微观两个层次。根据热学研究总结出热力学的两大基本规律：第一定律，即能量守恒律；第二定律，即熵恒增律。但科学家不满足于单纯在宏观层次上来描述，还想追根问底，企图从分子和原子的微观层次上来阐明物理规律。气体分子动理学便应运而生，用以阐述气体物态方程、气体导热性与粘滞性等物性参量的微观基础。进一步就是玻尔兹曼与吉布斯所发展的经典统计力学。热力学与统计物理的发展，促使物理学家接触到具体的物性问题，加强了物理学与化学的联系，建立了物理化学这一门交叉学科。
1.2 转折与突破(19世纪至20世纪初)
正是由于经典物理学取得了非凡的成就，给人们印象太深刻了，遂使有些科学家产生了错觉，认为巨大发现的时代业已过去。这种悲观的论点在上世纪末相当流行。具有典型意义的据称是著名物理学家迈克耳孙(A.A.Michelson)说过的一段话，“当然无法绝然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹，但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立，而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。一位卓越的物理学家曾经说过，物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”，(1898年芝加哥大学导学手册)。值得注意，这类悲观论点，在20世纪科学的重大发展之后，又在本世纪末重新问世。具有代表性的是美国资深科学记者霍根(J.Horgan)访问许多知名学者之后，写出了《科学的终结》一书，在断章取义地引述若干科学家的谈话之后，得出了荒谬的结论，不仅是物理学走向了穷途末路，而是一切自然科学都到了散场的地步，堪称为上一世纪末悲观论点变本加厉的新版本，其命运必将重蹈前者的覆辙。
富有洞见的是英国著名物理学家凯尔文(L.Kelvin)于1900年所作的演说。他在对19世纪物理学的成就表示满意的同时，提出了“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云”。这两朵乌云指的是：其一实验察觉不到物体和以太的相对运动；其二是气体多原子分子的低温比热不符合能量均分定理。这两朵乌云迅速导致倾盆大雨，即相对论和量子论的两场物理学的革命。
19世纪的科学家不满足于用麦克斯韦方程组来解释电磁现象，热衷于采用机械模型来说明问题，即使是大师麦克斯韦本人也不例外。以太被引入作为真空中传播电磁波的媒质。迈克耳孙与莫莱(Morley)设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动，取得了负的结果。爱因斯坦提出了狭义相对论(1905年)，其物理洞见在于摒弃了不必要的以太假设，进而肯定电磁学的规律对于一切惯性参考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不变，不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换。我们知道，牛顿力学也是对于惯性参考系才成立，而不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换。这样经典力学和经典电磁学之间就存在矛盾。爱因斯坦肯定了经典电磁学，而对经典力学作了相应的修正，摒弃了牛顿的绝对的时空观，认为空间、时间与运动有关，并首创性地提出了质量与能量的对等关系，将牛顿力学修正后成功地应用于高速运动的情形。
牛顿力学的另一局限性表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动，这从它无法定量地解释水星轨道近日点的进动问题而初露端倪。另一带根本性的问题是它对万有引力的存在没有任何理论解释。这些缺陷尚有待发展进一步的理论来弥补。l916年，爱因斯坦的广义相对论应运而生。这一理论的出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理(这己为实验所证实)，将非惯性参考系中观测到的惯性力与局域的引力等同起来。进而提出一切参考系均有相同的物理规律这一广义相对性原理。广义相对论成功地预言了一些效应，如强引力场中光线的弯曲，引力强度与光谱线频移的关系，并用空间的弯曲很自然地解释了引力的存在。由于广义相对论是针对强引力场和大质量物体而提出来的，因而广泛应用于天体物理学，也构成了现代宇宙论的基础。
如果说相对论消除了经典物理学的内在矛盾并推广其应用范围，那么量子论就开启了微观物理学的新天地。在l9世纪，化学家道尔顿提出了原子论，物理学家也提出原子-分子微观运动的概念来构筑分子动理学和统计物理学。特别是著名物理学家玻尔兹曼在发展原子-分子运动理论，推动统计物理学的发展上作出了杰出的贡献。但是这些工作受到马赫(E.Mach)与奥斯特瓦尔德(W.F. Ostoold)等人从实证论哲学观点的质疑。按照实证论的观点，只有为人们所感知的事物是存在的。而当时由于显微术观测条件的制约，原子与分子都无法直接看到，因而有关的理论受到实证论者的否定。玻尔兹曼为捍卫原子-分子理论进行了激烈的争辩。爱因斯坦于1905年提出布朗运动的理论，为分子运动的图像提供了有力的旁证。随后,佩兰(J.B.Perrin)的实验观测提供了更加确凿的证据。
在明确了宏观世界之外存在有微观世界后，进一步的问题在于探索微观世界的物理规律。上世纪90年代中叶后，有一系列重要发现，对这方面的研究起了很大促进作用：1895年，伦琴发现了X射线，随后X射线成为揭示物质的微观结构的重要工具；1896年贝克勒尔发现了放射性，随后居里夫妇发现了强放射性元素镭，卢瑟福确认了a,β,γ射线的本质，这些工作揭开了原子核科学研究的序幕。l897年,汤姆孙发现了电子，这是最早发现的一种基本粒子，随后也被作为重要的工具应用于研究物质的微观结构，而操纵电子的器件成为现代信息技术的基础。作出这些重大发现的科学家也都获得了新世纪初诺贝尔奖的桂冠。
如果说证实原子与分子的存在就意味着揭示物质结构在微小尺度上具有不连续性，那么早期量子论则揭示了能量在微小尺度上的不连续性。1900年,普朗克为拟合黑体能量分布的实验数据，在经典物理学的理论无效之后，挺而走险，提出了包括作用量子h的量子论。随后，1905年，爱因斯坦根据光电效应存在能量阈值的规律提出了在物理上更明确的具有能量为hv的光子这一种基本粒子。1911年，卢瑟福根据金箔对于a粒子的散射实验结果，提出了有核的原子模型：正电荷集中在原子核这一微小区域之内，而外围则为电子所环绕。1913年,玻尔提出了量子论的原子模型，认为原子中的电子处于确定的轨道上,处于定态，在定态之间的量子跃迁则导致发光。玻尔用这种半经典的量子理论相当满意地解释了氢原子的线系光谱，面对着更复杂的原子光谱问题就遇到了困难。科学家需要改弦易辙，发展更全面的量子理论。1924年,德布罗意正确地指出，正如电磁波也具有粒子性质(光子)，而具有粒子性质的电子等也将具有波动性。年,海森伯与薛定谔分别完成了量子力学的两种表述，矩阵力学与波动力学,强调了波动与粒子的二象性。电子衍射的实验结果证实了电子具有波动性，而量子力学的理论全面地解读了纷纭繁复的原子光谱实验结果,一举解决了原子结构的问题。随后狄拉克将非相对论的薛定谔方程推广到(狭义)相对论的情形，建立了狄拉克方程，为量子力学作了重要的补充。这样，微观世界的物理规律终于确立。
2 当代情景
在量子力学确立之后，物理学进入了新的时期，这里统称为当代物理学。由于当代情景错综复杂，头绪繁多，难以用甚短的篇幅来进行概括。下面就以实验和理论这两条主线，对此作一粗略的介绍。
2.1 实验技术
20世纪是实验技术突飞猛进的时期。早期卢瑟福的a粒子散射实验为随后的核物理与粒子物理的研究树立了样版。但技术上的改进是多方面的。轰击的粒子束有质子、中子、电子和各种离子等。30年代初,中子被发现后，由于其散射截面大，容易引起核反应，受到学术界的重视。费米及其合作者系统地用中子来轰击周期表中不同元素，发现了一系列的核反应和新的放射性元素。1938年，哈恩(0.Hahn)与迈特纳(L.Meitner)终于发现和确认铀的裂变。随后原子核裂变的链式反应得的实现，导致了裂变反应堆的问世。它为实验技术提供了新的手段，又为裂变能的军事与和平利用鸣锣开道。随后,轻元素的聚变提供了另一种核能源。聚变能的爆炸式的军事应用于50年代初即已实现，但可控的和平利用却经历了漫长的发展过程。两种方法,磁约束与惯性约束，虽则取得不少科学成果，但作为能源，尚处于得失相抵(breakeven)的前夕，要点火尚需继续努力。
到30年代，科学家开始认识到天然放射性元素发射的粒子能量太低，束流也不够强，不能适应实验物理学的要求。在这种情况下，加速器技术就应运而生。早期有高压倍加器和静电加速器，主流是劳伦斯开创的回旋加速器及其变型。以后加速器的能量愈做愈高,技术愈来愈精。能量已从早期的MeV量级升高到如今的TeV量级。一代代的加速器为核物理和粒子物理的研究立下了汗马功劳，发现了几百种粒子。与之并行发展的还有粒子检测技术，从早期的盖革计数器、云雾室，到照相乳胶、气泡室、火花室和闪烁晶体列阵等。虽然技术的进展十分引人注目，但许多物理实验的基本思路,例如通过质子对高能电子的深度非弹性散射来论证质子具有夸克结构，仍然和卢瑟福的原型实验十分相似。值得注意,加速器与反应堆也被用于非核物理学以至于其他科学的研究，同步辐射和高通量中子源就是例证。
另一高速发展的物理科学领域是天体物理学。光学望远镜愈做愈大；射电望远镜是在第二次世界大战中由雷达技术推动而发展起来的，也朝向巨型发展；而依据射电望远镜发展起来的综合孔径技术也反馈到光学望远镜的技术中去了。新波段，如红外、X射线和γ射线的望远技术得到了发展，还有新的检测技术如CCD列阵。为了超越大气层的吸收和干扰，还将望远镜放到太空中去，如哈勃、爱因斯坦、康普顿望远镜等。可以说当代也是天体物理学的黄金时代。大量天体谱线红移的数据为宇宙膨胀提供证据，3K微波背景、脉冲星、类星体及γ射线爆等重大发现，为理论天体物理和宇宙论提供了大量数据，使星体和宇宙成为检验物理理论的庞大实验室。
现代高能物理学(包括部分核物理)及天体物理学已经成为大科学主宰的领域。其特征在于设备庞大，人员众多，经费数额巨大，计划实施时间漫长。
到30年代，光谱学研究已有盛况不再之感。但第二次世界大战中雷达技术的发展又为微波波谱及磁共振的研究提供机遇。50年代初，首先在微波频段实现了受激发射，随后转移到光学频段，导致激光器的问世。激光技术引起了光学和光谱学的一场革命,导致量子光学的诞生，影响十分深远。应该指出,早在1917年,爱因斯坦就提出了受激发射的理论，而实验室中的实现却延迟到40年之后。激光技术引入物理实验室，为小型精巧的实验研究提供了机会。
X射线和由之衍生的电子衍射与中子衍射，导致了晶体结构分析的发展。它为凝聚态物理和材料科学奠定基础，而且大大地促进了化学、生物学和矿物学的研究。出自这一领域的科学家获得了诺贝尔奖多达十几次。电子显微术超越了光学显微术的分辨极限，并实现了原子尺度的成像。80年代以后，扫描隧道显微术发展成为花样繁多的显微探针技术，不仅实现了原子尺度的成像，还实现了多种原子尺度的测量和操纵技术，充分显示了小规模精巧创新的实验技术仍然富有生命力。
为了消除热运动对固体中许多现象的干扰，将试样冷却到低温下进行研究成为重要的手段。现代低温技术始于氮的液化(4.2K)，进一步采取稀释致冷机可以达到mK的温度，再进行核退磁致冷，可以达到μK的量级。近年来发展起来的激光冷却，再加上蒸发致冷，可以使原子气体达到μK以下的温度。低温物性的研究取得许多重要的成果：金属与合金的超导电性，4He液体的超流动性，3He液体的超流动性，多种非常规的超导性(如有机化合物、重费米子、铜氧化物超导电性，其中最后一种已经超出低温的范围)。1995年起，又在μK温度以下观测到碱金属气体的玻色-爱因斯坦凝聚，随后，相位相干的原子束得到了实验演示，即所谓原子波激射(atomic laser)。
晶体纯度和完整性对物性有重要的影响，促使固体制备技术有了较大的发展：单晶拉制、区熔提纯、控制掺杂等技术成功地应用于半导体的制备。1947年,晶体管的发明也许是20世纪中物理学家所作出的取得最大经济与社会效益的一项成就。70年代后，超高真空技术成为实验室中的常规手段，在超高真空下的结构与能谱测试手段相继问世，开拓了表面物理的新领域。以分子束外延为代表的当代薄膜与异质结制备技术的开发，引起量子纳米结构(量子阱、量子线与量子点等)的热潮，并向磁性材料(巨磁阻效应)和超导电体方面延伸。许多新的物理效应的发现，诸如整数与分数量子霍尔效应、介观量子输运等，显示了凝聚态物理尚大有可为。
2.2 理论与计算
在量子力学建立之后，理论发展就分道扬镳，其中一条道路是深入到更加微小尺度的微观世界中去。首先发展的是原子核结构与动力学理论。虽然核子之间存在强相互作用，但基于平均势场中作有效单粒子运动的壳模型也取得成功。还有强调核的集体行为的液滴模型和复合核模型，也有将单粒子运动和集体运动结合起来的综合模型，核子配对的相互作用玻色子模型等，颇成功地说明原子核的某些性质。
进入更深层次的物质结构就到达了粒子物理学的研究领域。50和60年代，除核子以外,又发现大量的强子(具有强相互作用的粒子)，其中多数是不稳定的。1964年,盖尔曼(M.GellMann)等提出了强子的夸克模型，认为强子并非基本粒子，而是由具有分数电荷(1/3或2/3电子电荷)、还具有色荷(红、蓝、绿三种颜色之一)的夸克所构成的。质子的夸克结构已为实验所证实。理论所预言三色六味的各种夸克，一一被实验所揭示，最后一种顶夸克是到1995年才发现的。夸克虽然存在于强子结构中，但独立存在的自由夸克却一直没有观测到。科学家又提出夸克禁闭模型来说明这一事实。
到本世纪中叶，已经明确了自然界只有四种基本相互作用，即引力、电磁力、弱力与强力。其中引力和电磁力是长程的，而弱力与强力是短程的，限于原子核的范围之内。爱因斯坦晚年致力于统一场论，试图将引力和电磁力统一起来，未取得成功。量子力学建立之后，处理量子体系与互作用场的理论(量子场论)得到了发展。首先发展的是，处理电磁相互作用的量子场论，即量子电动力学。在40年代末，利用重正化消除了发散的困难，使量子电动力学的理论预言得到了高精确度的实验证实(有效数字高达十几位)。随后，处理强相互作的量子场论、量子色动力学得到了发展。弱相互作用的理论始于费米的自衰变理论，60年代末，温伯格(S.Weinberg)与萨拉姆(A.Saiam)成功地将电磁相互作用与弱相互作用统一起来。在量子场论中，一些粒子被理解为场的激发态，而另一些粒子则成为传递相互作用的玻色子。
进一步探索各种相互作用的统一理论尚在进行之中。大统一理论企图将统一的范围包括强相互作用，尚有待实验的证实。进而将引力包括在内的超大统一理论的设想也被提出。
三代夸克与轻子的粒子模型，量子色动力学与电-弱统一理论，被统称为粒子物理学的标准模型，在概括和预言实验事实取得了非凡的成功。它预言了62种基本粒子，其中60种已被发现，只剩下希格斯玻色子与引力子尚待发现。
但标准模型仍带有唯象性质，它包含十几个参量，而且对粒子的质量不提供理论解释。如何超越标准模型，并从更根本的微观模型来解释粒子物理，就成为对理论物理学家的重大挑战。在这方面的努力以超弦理论最引人注目。这一理论极其精巧，也推动了相关数学问题的研究。但最终如何评价这一理论尚有待于实践来检验。
当代天文学研究总结出来的大爆炸理论被称为宇宙论的标准模型。按此理论设想，宇宙起源于一百数十亿年前的一次大爆炸：原先是时空奇点(密度和曲率却无限大),各种相互作用统一在一起。到10-44s,发生了引力与其他相互作用分离的对称破缺，到10-36s,发生强力与其他相互作用分离，到10-10s又发生弱力与电磁力的分离，成为如今四种相互作用并存的世界。到10-6s时,开始合成强子,到3min后形成原子核，再逐步形成各种原子及各种星体与星系。大爆炸宇宙论是建立在若干天文学观测的结果上的：哈勃定律所描述的宇宙膨胀，3K宇宙背景辐射的发现，星体一些元素的丰度数据，是一种持之有效的物理学理论，当然还有许多问题尚有待于澄清。值得注意的是，早期的宇宙(3min之前)是粒子物理学的天下。著名物理学家温伯格的有名科普著作《最初三分钟》即以此而命名的。
量子力学建立之后，另一条发展道路在于进入较大尺寸的物质体系。将量子力学应用于分子，建立了量子化学；将量子力学与统计物理学应用于固体，建立了固体物理学，随后发展为凝聚态物理学。涉及了这些问题，就需要明确区分量子力学和经典物理学的各自适用的范围。通常的提法是量子力学适用于微观体系，而经典物理学适用于宏观体系，这显然不够精确，因为也存在宏观量子体系。对于特定粒子构成的系统，可以采用量子简并温度(即粒子的德布罗意波长等于粒子的平均间距对应的温度)
来区分。这里h是普朗克常数，m为质量，kB为玻尔兹曼常数，α为平均间距。如果温度远大于T0，则可以放心采取用于经典物理学的理论方法来处理这一体系，否则，就得用量子力学的方法。至于T0的高低则取决于粒子的质量m和体系的平均间距α(或密度)。对于固体和液体，α约为0.3nm，对电子系统而言，T0～105K，从而表明处理电子系统的问题，离不开量子力学。对于原子核或离子而言，T0～(50/A)K，A为原子质量数，对于轻元素(如氮与氢)，在低温下要考虑量子力学的效应。因而在通常情况下处理大量原子核(或离子)与电子的混合体系，对于电子这一子系统，必须采用量子力学的理论方法，而对于原子核这一子系统，则不妨采用经典物理学的理论方法。凝聚态物理学和量子
其他答案（共2个回答）
是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。
物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。
随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。
物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。
经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动
自远古以来，由于...
相关信息是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。
物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。
随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。
物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。
经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动
自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察。16世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观察。17世纪开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动现象的初步理论。
牛顿深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在，以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。
经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式(如热运动、电磁运动等)的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。
在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。
早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。
械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。
热学、热力学和经典统计力学
热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。
物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。
在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。
深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。
非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态，在热力学中，这就相应于熵的增加。
处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近20～30年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。
在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。
经典电磁学、经典电动力学
经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。
19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。
在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。
现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。
19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。
由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。
事实上，发电机无非是利用电动力学的规律，将机械能转化为电磁能：电动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用，从而对社会产生普遍而重要的影响。
光学和电磁波
光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是早在人们认识到光是电磁波以前，人们就对光进行了研究。
17世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性。
光可以为物质所发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线进行的光线来处理；但当研究深入到现象细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。
光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。
近年来利用受激辐射机制所产生的激光能够达到非常大的功率，且光束的张角非常小，其电场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。利用激光已经开辟了非线性光学等重要研究方向，激光在工业技术和医学中已经有了很多重要的应用。
现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广已成为传递信息的非常有力的工具。
在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。
狭义相对论和相对论力学
在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系
物理学是研究物质世界最普遍运动形式及其相互转换规律的基础学科。它与人类社会的发展，现代物质文明的建立有着极其密切的关系。很多新兴学科和技术的诞生都是以物理学的发展为基础的。原子能的研究和应用，激光技术的出现，半导体材料的发现，及电子计算机的飞速发展都与本世纪物理学中的两个伟大发现 相对论和量子理论的建立有着极其紧密的联系。随着新世纪的到来，可以预见物理学对人类文明发展将起着越来越重要的作用。
物理学是一门以实验为基础的自然科学，它是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议《物理学对社会的重要性》指出的，物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。
物理学简介
物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结。这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸，二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果，间接认识物质内部组成建立在的基础上。物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善。
其次，物理又是一种智能。
诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“如其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。
大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；——这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。——反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族!
总之物理学是概括规律性的总结，是概括经验科学性的理论认识。
物理学理论和实验
对于物理学理论和实验来说，物理量的定义和测量的假设选择，理论的数学展开，理论与实验的比较是与实验定律一致，是物理学理论的唯一目标。
人们能通过这样的结合解决问题，就是预言指导科学实践这不是大唯物主义思想，其实是物理学理论的目的和结构。
物理与形而上学的关系
在不断反思形而上学而产生的非经验主义的客观原理的基础上，物理学理论可以用它自身的科学术语来判断。而不包依赖于它们可能从属于哲学学派的主张。在着手描述的物理性质中选择简单的性质，其它性质则是群聚的想象和组合。通过恰当的测量方法和数学技巧从而进一步认知事物的本来性质。实验选择后的数量存在某种对应关系。一种关系可以有多数实验与其对应，但一个实验不能对应多种关系。也就是说，一个规律可以体现在多个实验中，但多个实验不一定只反映一个规律。
对于物理学来说理论预言与现实一致与否是真理的唯一判断标准。
我来加上近100年的：
1900年 普朗克提出物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍的假说，称为量子假说，标志着量子物理学的开始。庞加...
《费曼物理学讲义》中的一段话来说明一下吧：
“实际上，如果我们回过去考虑一下矢量的来源，就知道“右手定则”只是一种习惯而已，其实角动量，角速度之类的量根本不是...
不太一定。物理杂志有很多分类的。偏理论这一块的还是PRL系列，物理评论快报。影响因子到14以上。
而Science 和nature在物理方面的影响因子只有3多点...
电磁场理论基础（第2版）作者：柯亨玉，龚子平人民邮电出版社出版
化学的角度:分子是保持物质性质的最小粒子,
原子是化学变化中的最小粒子.
物理的角度:分子是由原子组成的.
分子与原子的相同点: -①质量和体...
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