物理學

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唔同嘅物理現象:物理學研究嘅係一啲最普遍-喺好多唔同現象當中都會見到-嘅自然法則。

物理學粵拼mat6 lei5 hok6英文physics希臘文φυσική,「fysiká」[1]),粵文簡稱物理,係自然科學一門。物理學主要研究嘅係宇宙嘅基本組成要素:物質、物質喺時間空間入面嘅運動、同好似係能量或者呢啲相關嘅概念都係物理學嘅研究題目-細至構成物質嘅基本粒子,大至成個宇宙,都係物理學嘅研究範圍。物理學會透過分析同發現宇宙最基本嘅定律(物理定律)嚟去了解宇宙點樣運行,而且因為宇宙入面幾乎所有嘢都會受制於呢柞定律,物理學可以話係自然科學之中最基本(fundamental),覆蓋面最廣嘅[2][3]

一條物理定律(law of physics)通常會用數學方程式嚟描述宇宙入面嘅某啲普遍嘅現象[4][5]。舉幾個出名嘅例子說明:

  • 牛頓第二定律(Newton's second law):-「一件物件受嘅淨力」()等如佢嘅質量)乘佢嘅加速度[6]
  • 歐姆定律(Ohm's law):-「經過兩個點之間嘅電壓」()等如「兩個點之間嘅電流」()乘「兩個點之間嘅電阻」([7]
  • 狹義相對論(special theory of relativity)當中嘅時間膨脹(time dilation):
  • -簡單講,「一個移動緊嘅觀察者所經過嘅時間」()等如「一個靜止嘅觀察者所經過嘅時間」()除以「1 減移動觀察者嘅速度嘅二次方)除光速嘅二次光()」嘅開方[8]

... 等等。

物理學係其中一門歷史最悠久嘅自然科學:物理呢家嘢喺成 2,000 年之前嘅古希臘已經有人喺度研究;雖然係噉,喺一至廿世紀嘅大多數時間,物理學都俾人睇成自然哲學(natural philosophy)嘅一門,要去到成 17 世紀左右,科學革命(The Scientific Revolution)打後,物理學先至自己分咗出嚟做一門獨立學科[9],而到咗廿一世紀,物理學嘅蓬勃發展令物理學下出咗好多子領域,而呢啲子領域所做嘅研究好多時都高度專化到彼此之間難以溝通[10][11]

物理學嘅悠久歷史表示,佢同好多科學領域都有住密切關係:首先,物理學同數學之間緊密合作,因為物理定律往往都係要用數學方程式嚟表達先至夠精確[5];而且其他自然科學-包括化學生物學、同地球科學等-研究嘅對象都係會遵守物理定律嘅,所以好多科學家都會同物理學家合作搞跨學科研究[12];另一方面,物理學亦都同各門嘅工程學有啦掕,好多科技上嘅發明都要靠物理學知識上嘅創新先至整到出嚟[13]。總體嚟講,物理學喺科學界裏面係一個好緊要、好有影響力嘅學科[2]

詞源[編輯]

「物理學」呢個詞語喺現代英文嗰度係「physics」,呢個字係由 1715 年開始俾用英文嘅人攞嚟指「對能量物質嘅特性嘅研究」嘅;而「物理學」喺希臘文嗰度係「φυσική」(羅馬字母:fysiká)。英文同希臘文呢兩個詞嘅源頭都係古希臘文名詞「ta physika」,呢個字嘅意思係「自然嘅事物」噉解[1]

喺眾漢文入面,「物理」呢個詞歷史悠久,最早可以喺戰國時期(公元前 5 至 2 世紀)嘅佚書《鶡冠子:王鈇篇》嗰度搵到-「願聞其人情物理所以嗇萬物與天地總與神明體正之道。」不過喺呢度,「物理」指嘅係「所有事物嘅道理」,而唔係「研究能量同物質嘅自然科學」[14]。打後喺三國時期(公元 3 世紀),楊泉著有《物理論》,係最早書名嗰度有「物理」呢個詞嘅著作[15],及後 15 世紀嘅江西學者方以智受到西人嘅影響,撰寫咗百科全書式著作《物理小識》,而喺呢啲地方,「物理」嘅含義已經演化成學術之理,包括咗自然科學嘅各個領域同人文學嘅部分領域[16][17]。不過要留意嘅係,中國同西方一樣,喺現代前嘅時期並未有將「研究能量同物質嘅自然科學」(現代「物理學」一詞指嘅嘢)視為一個獨立嘅領域[18][19]

喺 19 世紀晚期,西方科學傳入大中華地區。呢個時候嘅唐人翻譯者好興將「physics」譯做「格致學」或者「格物學」,源自「格物致知」-呢個詞源自於《禮記大學》:「致知在格物,格物而後致知」-用白話講就係「如果要增進知識,必須要窮究事物嘅道理,唯有窮究事物嘅道理,先至可以增進知識。」呢句話指出明瞭事物係增進知識嘅關鍵方法,而喺物理學當中,研究者成日會利用觀察、模擬、實驗、推論、同演繹等嘅方法嚟獲得知識,所以一般都認為將「physics」翻譯做「格致學」或者「格物學」有道理,不過呢個嗌法並冇廣受採用,最後大中華地區主流始終係以「物理學」稱呼「研究能量同物質嘅自然科學」[20]:p. 2-3

物理學哲學[編輯]

拉普拉斯嘅畫像;19 世紀畫嘅。
內文: 物理學哲學

基本哲學[編輯]

睇埋:科學方法

物理學哲學(philosophy of physics)係哲學嘅一門,指哲學家物理學家對於「物理學應該點搞」嘅一啲睇法。喺呢方面,物理同其他科學領域一樣,會跟足科學方法嚟去研究物理法則。物理學界會:

  1. 根據手上已知係真嘅事實,諗一啲理論出嚟(「基於我哋經已觀察到嘅呢啲現象,我推測啲現象背後嘅物理法則係噉噉噉,令物質能量有呢啲行為」),呢啲理論通常係用數學模型嘅方式表達嘅;
  2. 跟手就靠邏輯性嘅思考,去諗吓呢柞理論會做點樣嘅預測(「如果我提倡嘅呢個理論係真確嘅,理應會...」);
  3. 然後就做實驗觀察嚟攞數據,驗證吓個理論嘅預測係咪真確(「如果我呢個理論係真確,呢個實驗理應會得出某個某個結果,而個實際嘅實驗結果係...」);
  4. 如果數據顯示,個理論係做唔到準確嘅預測嘅話,就要一係根據攞到嘅數據睇吓個理論要點改先可以令佢做到準確啲嘅預測,一係就要諗新理論取代舊理論[21]

上述嘅過程會係噉不斷重複,直至手上嘅理論做得到完全準確嘅預測為止-於是乎物理學就有持續嘅發展,做到愈嚟愈準確嘅預測。到咗現代,物理學經已有龐大嘅理論體系,有多個理論解釋各種嘅物理現象,而呢啲理論每個都閒閒地俾物理學家重複驗證過上百次-非常經得起考驗,所以學界一般認為呢啲理論係有返噉上下正確嘅模型(approximately accurate models)-能夠充分噉描述現實。而且物理學家仲會不斷噉去搵新嘅現象研究,睇吓呢啲理論能唔能夠解釋新現象,又或者使唔使諗新嘅理論[22][23][24]

喺物理學研究當中,物理學家仲會有分工理論物理學(theoretical physics)專門負責諗理論,而實驗物理學(experimental physics)專門負責設計新穎嘅實驗方法,嚟驗證前者諗出嚟理論,兩者相輔相成。理論家諗嘅理論會話到俾實驗家聽,跟住落嚟要驗證啲乜假說同埋有啲乜可能性係未俾人發掘到嘅,而實驗家又會為理論家提供實驗數據-呢啲數據有陣時仲可以刺激理論家諗新嘅理論出嚟[25]。物理學嘅呢兩方面仲擴展咗工程學科技上嘅進步:涉及實驗物理研究嘅物理學家喺做實驗嗰陣,往往要用到好似係粒子加速器或者激光呢類先進嘅架生,所以實驗物理研究令工程師有誘因嘗試諗一啲新器材出嚟,而嗰啲做應用研究嘅物理學家又好多時會轉去喺科技行業嗰度做嘢開發新科技[13]

哲學影響[編輯]

物理學嘅研究成日會影響返哲學轉頭:物理學上嘅發展會啟發哲學上對於「宇宙到底係啲乜」同「時間到底係啲乜」等嘅觀念有所改變;例如係量子力學噉,好似法國博學者拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)噉嘅 19 世紀科學家普遍都仲係相信古典嘅決定論(determinism)-決定論係一種宇宙觀,認為只要人知道嗮宇宙喺某一個時間點嘅狀態同所需嘅物理定律,就會有能力完美噉預測跟住落嚟會發生乜嘢事[26];但係後嚟量子力學嘅研究發現,宇宙入面有啲現象係本質上就有隨機性嘅,即係話就算一個人知道嗮宇宙喺某一個時間點嘅狀態同相關嘅物理定律,都會有啲現象係佢冇辦法完美準確預測嘅[27]-所以家吓啲物理學家都好少可仲會堅定噉信古典決定論呢種世界觀,或者至少會諗吓有冇啲新版本嘅決定論[28][29][30]

遠古物理學[編輯]

睇埋:物理學史

物理學嘅歷史好悠久:物理呢家嘢早喺公元前 6 世紀嘅古希臘嗰陣經已有人喺度研究;當時嗰啲古希臘哲學家好興思考宇宙嘅本質等嘅課題,會喺度為「乜嘢係物質」等嘅問題作理論性討論[31],當中公元前 5 世紀嘅德謨克利特(Democritus,Δημόκριτος)提出原子論(atomic theory),主張宇宙萬物都係由好細粒嘅原子組成嘅,而呢個諗頭喺 2,000 年打後俾現代物理學家證實係真確[32][33];後嚟物理研究喺中世紀歐洲伊斯蘭世界都有繼續發展,亦都出咗唔少有睇頭嘅諗法,例如係由一班阿拉伯人波斯人學者所出版嘅《光學之書》(Book of Optics;阿拉伯文:كتاب المناظر‎),就有提出一啲連現代光學都仲會用嘅概念[34]。總括嚟講,早期嘅物理理論有唔少都俾現代研究證實咗係錯(或者唔完全準)嘅,但上述例子顯示,早期人類的確有零散噉出一啲經得考驗嘅物理理論[9]

不過喺 15 世紀之前嘅世界,世人並冇將物理學當做一門獨立嘅科學領域。例如西人直至中世紀結束為止都一路將「對能量同物質嘅研究」歸做自然哲學(natural philosophy)嘅一門-將呢啲研究同對物質成份嘅研究以及對生命體嘅研究包埋一齊做一個領域[9]

古典物理學[編輯]

伽利略嘅畫像;1636 年畫嘅。
牛頓嘅畫像;佢可以話係古典物理學嘅代表人物。
內文: 古典物理學

物理學知識喺 15 至 19 世紀期間嘅歐美地區有重大嘅躍進,而呢個時期嗰套物理學理論就係所謂嘅古典物理學(classical physics)。「古典物理學」一詞可以指廿世紀之前嘅物理學,而狹義上係指 15 世紀晚期至 19 世紀晚期嘅一柞物理理論;當時嘅西歐(同後嚟美國)喺各門嘅科學上有咗重大進展,出咗好似牛頓(Sir Isaac Newton)等嘅大科學家以及一套完整嘅科學方法思想,開始全面噉運用數學模型描述物理學所研究嘅現象(比起齋用文字描述現象更加精確),產生咗好多到咗今日都仲有用嘅理論同概念-呢啲物理理論可以喺一般地球環境下做非常準確嘅預測。另一方面,西人亦都係喺呢個時期開始將物理學視為一個獨立領域嘅[35][36]

古典物理學包含咗三大重要理論(以下嘅理論會用到微積分):

  • 古典力學(classical mechanics):由牛頓等人搞起嘅一套理論框架;呢套理論假設咗伽利略式相對性(Galilean relativity;運動定律喺所有慣性參考系入面都一樣),會運用牛頓運動定律(Newton's laws of motions)等嘅少數幾條定律嚟描述物件喺空間入面嘅郁動,喺一般地球環境下可以做到好準嘅預測。古典力學當中比較重要嘅定律有以下呢啲[37][38]
;「一件物件受嘅淨力)等如佢嘅質量)乘以加速度)」,呢條定律又可以寫做
係指動量(momentum;舊物體嘅質量同速度相乘),而 係動量隨住時間改變嘅率。
  • 由古典力學嘅推論嗰度仲可以帶出動能(kinetic energy,KE)嘅概念,一件物件帶嘅動能可以用以下呢條式表達:
,當中 係件物件嘅速度。
  • 古典電磁學(classical electromagnetism):建基於古典力學,用古典力學嘅方法嚟分析帶電荷物件嘅郁動,以及呢啲郁動會點樣影響電場磁場;古典電磁學包括咗麥士維方程組(Maxwell's equations)-由麥士維(James Clerk Maxwell)諗出嚟、用四條方程式解釋嗮(當時已知嘅)電磁現象嘅理論。以 表示電場, 代表磁場,用微分方程寫嘅話[39][40]
;簡單啲用口常用語講,即係「電荷嘅存在會產生電場,而一個封閉表面嘅電通量同電荷量成正比」。
;用口常用語講,即係「當一個磁偶極(magnetic dipole)產生磁場,成個空間嘅磁場總和會係 0」。
;簡單啲講就係「當一個空間有磁場改變嗰陣,就會產生電場」。
;簡單啲講就係「穩定嘅電場或者電場改變會產生磁場」。
  • 上述呢柞定律仲可以攞嚟分析等嘅電磁波(electromagnetic wave)嘅行為[41]
指一個封閉系統嘅能量改變, 指以形式供俾個系統嘅能量,而 指個系統作喺周圍嗰度嘅熱作功-簡單講就係,「一個封閉系統(closed system)嘅能量改變等如佢吸嘅能量同釋放嘅能量嘅總和,能量唔會無端端多咗或者少咗」。
,呢個 (entropy);簡單講,意思係兩個互相有能量交流嘅系統梗係會傾向最後變成平衡(equilibrium)嘅狀態。
(可以睇埋統計力學
... 等等。

古典物理學喺廿世紀前取得巨大嘅成功,而且當中嘅某啲諗法助長咗決定論嘅思潮:由呢柞理論組成嘅世界觀能夠解釋同預測大部份用肉眼觀察到嘅物理現象,而且呢啲理論做起預測嗰陣嘅誤差好細,勁到有物理學家仲揚言話呢套理論框架有能力解釋嗮所有嘢,未來嘅物理學家將會冇嘢做;除此之外,古典物理學好多諗法都同古典嘅決定論相容-呢個理論框架冇本質上隨機嘅現象(例如上述嗰啲方程式冇任何隨機變數),所以好多當時嘅哲學家同物理學家都認為,宇宙喺本質上係合乎決定論嘅-佢哋相信喺任何一個時間點,喺一個封閉系統入面,衹要人完全知道嗮嗰個系統嘅狀態,就會有能力完全預測個系統下一刻所有部份嘅狀態,而人做唔到呢樣嘢純粹係因為技術問題搞到佢哋做唔到完美嘅量度[44]。呢種世界觀係所謂嘅機械鐘宇宙(clockwork universe)-佢哋話一個噉樣嘅宇宙就好似一個機械鐘噉,係一部完美噉跟住物理定律嚟行嘅機械[45]

現代物理學[編輯]

愛因斯坦教書嘅相;幅相喺 1921 年影嘅。
內文: 現代物理學

現代物理學(modern physics)廣義上係指廿世紀起始嘅一套物理學理論:廿世紀初嗰陣,物理學界發現咗一啲打前嘅古典物理學理論解釋唔到嘅現象,於是有愛因斯坦(Albert Einstein)同普朗克(Max Planck)等一班有才華嘅物理學家合作諗出咗一啲新嘅理論。呢啲理論嘅特徵係,佢哋放棄咗一啲古典物理學當中有問題嘅假設,例如古典物理學假設咗能量同質量係兩樣獨立嘅嘢,而量子力學就放棄咗呢個諗法。狹義上,現代物理學嘅理論框架主要包括咗以下嘅理論[8][46]

  • 量子力學(quantum mechanics):講原子同原子啲組成部份嘅理論,並且提出咗一個重要嘅諗法-所有物質都可以想像成波動(wave;光同各種電磁波都屬波動),例如量子力學嘅呢條式:
  • 呢條式當中嘅 波長(wavelength),普朗克常數(Planck constant), 係舊物質嘅動量,而動量等如舊物質嘅質量()乘速度();呢條式顯示,一件物件可以同時具有波長(波動先有嘅特性)以及質量(物質先有嘅特性)-打破咗古典物理學嘅假設[47][48]
  • 狹義相對論(special theory of relativity)同廣義相對論(general theory of relativity):放棄咗絕對時空(absolute spacetime;牛頓假想嘅一個全宇宙通行嘅時間同空間框架)嘅諗法,探討時間空間、同重力呢啲嘢之間嘅相互關係嘅理論,好似係狹義相對論當中講嘅時間膨脹(time dilation)現象噉:
  • 呢條式講嘅係,「一個移動緊嘅觀察者所經過嘅時間」()等如「一個靜止嘅觀察者所經過嘅時間」()除以「1 減移動觀察者嘅速度嘅二次方)除光速嘅二次光()」嘅開方;呢條式顯示,兩件物件可以因為有相對速度而過嘅時間唔同-破除咗絕對時空(所有物件時間流逝率一樣噉快)嘅假設[49][50]

呢啲理論解釋得到好多古典物理學理論解釋唔到嘅實驗結果,例如係[51]

... 等等。

量子力學[編輯]

光電效應實驗嘅圖解
內文: 量子力學

量子力學呢個理論嘅一個基本諗法如下:能量呢家嘢唔係好似古典物理學所講嘅噉、分做幾細件都得,而係以一個定量(quantum;眾數係「quanta」)做單位、冇得砍到細過個定量嘅。以光電效應嘅實驗為例:想像有個實驗佈置似幅附圖嘅,實驗者駁好嗮電極,然後將一束光射落去兩支電極嗰度;理論上(同實驗上),兩支電極入面嘅電子會吸收能量,掙脫佢哋所屬嘅原子縛,並且喺個電路入面流動,產生電流。對於光電效應,古典物理學作出噉嘅預測:呢個實驗度產生嘅電流()理應同射落去支電極度嘅光嘅強度(intensity)成正比、同束光嘅頻率(frequency)唔拏更,而且因為能量係無限分得嘅,所以無論束光幾弱都好,都梗會有些少電子吸得到足夠嘅能量,嚟擺脱束縛並流動產生電流[47]

之但係個實驗結果並唔符合古典物理學作嘅預測。喺光電效應實驗入面,產生嘅電流同束光嘅頻率有關-如果束光嘅頻率低過某個特定數值,亦即係閾值(threshold),無論束光強度幾高都唔會有任何電流產生。呢一點同古典物理學理論講嘅相違背,而當時嘅新進物理學家就作出咗一個大膽嘅猜想,話噉係因為啲能量係論件計(in discrete small packets)嘅-光係論件計、冇得再砍件嘅能量。而一束光入面每「件」能量嘅大細同條光束嘅頻率成正比,亦即係話如果束光嘅頻率太低,每一「件」嘅能量就會細過頭,以致於一粒吸咗佢能量嘅電子都冇能力掙脫佢所屬嗰粒原子嘅束縛、嚟產生電流。噉樣光電效應就得到唨解釋。「光嘅能量唔係斬幾細件都得嘅」呢個諗法亦都表示,光具有「有限分得」(物質由原子組成)呢個本嚟認為係物質先有嘅特性[52]

相對論[編輯]

內文: 相對論

另一方面,相對論亦都係喺廿世紀早期崛起嘅。當時嘅物理學界俾幾個謎團困擾,其中一個係緲子(muon)之謎:緲子係一種特殊粒子,佢哋由地球地面以上幾公里嘅大氣層嗰度以超過光速 90% 嘅速度飛落地面。一般嚟講,緲子嘅半衰期(half-life)淨係得 2.197 微秒左右。根據古典物理學,如果一粒緲子以光速 99% 嘅速度飛向地面,佢大概率衹會飛大約 650 咁長距離-跟住喺下一刻佢就會消失。但出乎意料嘅事實係,非常之多嘅緲子依然可以飛超過 650 米咁長距離,撞落地球表面,俾地表嘅感應器探測到-呢點同古典物理學作嘅預測唔夾[53]

愛因斯坦喺呢段時期提出咗狹義相對論。呢個理論框架假設咗一樣嘢:無論一個觀察者嘅速度係點,佢所見到嘅光速都會係一樣嘅;由呢一點當中,愛因斯坦推導咗一柞公式出嚟,描述時間同速度之間嘅關係,包括咗時間膨脹嘅概念。根據時間膨漲,一件物體郁動速度趨近光速(光速數值係 299,792,458 米每秒)嗰陣時,佢過緊嘅時間會變慢,而嗰件物體過緊嘅時間(固有時間;proper time;)同佢嘅速度()之間嘅關係可以用一條方程式(時間膨脹方程式)嚟表達:

;當中 代表光速。

呢條式解釋得到緲子之謎:根據狹義相對論,當一粒緲子以光速 99% 嘅速度飛行嗰陣,佢過緊嘅時間會變慢-令佢可以喺自己消失之前飛到超過 650 米嘅距離。後嚟啲物理學研究者用條式計咗一計,發現呢條式真係準確噉預測到緲子嘅行為,為愛因斯坦個理論提供咗實證支持[54][55]

現代衝擊[編輯]

現代物理學個理論框架顛覆咗好多當時物理學界嘅固有諗法,令物理學界發現古典物理學查實係一套唔完整嘅世界觀-雖然古典物理學喺好多場合度都仲係有用,但係喺某啲情況下就會失效。一般嚟講,物理學界認為喺當研究嘅對象

  1. 明顯大過原子;同
  2. 速度明顯低過光速;

嗰陣時,古典物理學先至會啱用。根據條時間膨脹方程式,一件嘢郁動速度()明顯低過光速嗰陣、 就接近零-於是乎件嘢過緊嘅時間就近似外界嘅時間([8]

另一方面,量子力學入面「光係一束束嘅能量」呢個諗頭源自波粒二象性(wave-particle duality)嘅諗法。呢個諗法指出,微觀粒子同時會有波動(能量嘅一種擾動)同粒子(一種物質)嘅特性。例如係噉,光喺古典物理學當中俾人當係波動嘅一種,而唔係物質;但量子力學就話,光有某啲粒子先至有嘅特性(亦即係所謂嘅光子)-好似係光電效應所顯示咗嘅「冇得砍件」呢樣特質。而事實係,後嚟嘅實驗又發現咗,電子-本嚟俾人認為係粒子嘅一種-都好似波動噉樣、曉得繞射(diffraction;指波動喺通過物件嘅邊緣嗰陣轉彎嘅現象)。於是乎就產生咗一個問題:本嚟物理學界諗住波動同粒子-能量還能量,物質還物質-係完全唔同嘅兩樣嘢,但而家知道咗之前認為佢係粒子嘅嘢可以出現好似波動噉嘅行為,而之前認為佢係波動嘅嘢可以出現好似粒子噉嘅行為,噉到底代表咗啲乜[46]

一個有關波粒二象性嘅英文動畫;一般古典物理學嘅諗法係波動同粒子係兩樣唔同嘅嘢,但廿世紀頭半橛嘅物理實驗發現粒子有時會有好似波動噉嘅行為,例如係電子嘅繞射現象。

哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)係廿一世紀初最常見嘅量子力學詮釋。根據呢個詮釋,一粒粒子嘅波動係表示緊嗰粒粒子喺唔同位置嘅機會率-喺做量度前,粒粒子會喺空間入面有個波動,每個位置嘅波動大細表示「嗰粒粒子喺嗰個位嘅機會率」,當一粒粒子喺某個位置有大幅度嘅波動嗰陣,噉就表示佢有好大機會喺嗰個位置嗰度,而如果佢喺某個位置嘅波動幅度細嘅話,即係表示佢喺嗰個位置嘅機會好細。當有個觀察者做量度嗰陣,個波動會崩塌(collapse),然後粒粒子會出現喺其中一個位置。呢個諗法好大膽,而且又引致一個問題:如果呢個詮釋係啱嘅,噉即係話宇宙入面至少有一啲現象喺本質上係隨機嘅。呢點令到古典嘅決定論大受打擊。到咗今日,雖然仲有唔少物理學家詏緊應唔應該接受哥本哈根詮釋[56],但一般都認為古典嘅決定論已經崩潰-現代物理學改革咗世人對宇宙本質嘅了解[57][58]

同其他領域嘅拏褦[編輯]

伽利略親手寫嘅筆記;筆記上有好多數字。

同數學[編輯]

睇埋:數理物理學

"Mathematics is the language in which God has written the universe." (「數學係上帝用嚟編寫宇宙嘅語言。」)

Galileo Galilei (伽利略

物理學同數學相輔相成:數學係研讀物理學必備嘅工具之一,包括幾何學代數學、同微積分等方面嘅概念喺物理學理論入面成日會用嚟表達變數之間嘅關係-首先,重要嘅物理學理論冚唪唥都會為求簡潔清楚而會用數學方程式嚟表達。而且靠住呢啲數學工具,物理學研究者有得用推理嘅方去由舊嘅理論嗰度推導出一啲新嘅理論(由已知嘅物理方程式嗰度推論出新嘅)。因為噉,有志做物理學研究嘅人基本上一定會讀返噉上下程度嘅數學,仲會嘗試將數學上嘅新知識應用落去物理學思考當中[59][60]

數學喺物理學入面嘅角色唔淨衹係推導同計算嘅工具噉簡單:數學語言(language of mathematics;用數學符號嘅溝通方式)係一種抽象語言,唔似得自然語言(好似廣東話等日常講嘢用嘅語言)-數學語言每個符號都有好精確嘅定義,可以準確噉表達物理學上嘅諗法;相比之下,如果吓吓都係用自然語言講物理定律同理論,好多地方可能會有歧義性等嘅問題。數學語言嘅精確性令物理學家可以用佢哋啲算式做精確嘅預測-令到佢哋柞理論更加具有可否證性(falsifiability)[61][62]

對於數學喺物理學當中嘅重要性,伽利略喺佢 1623 年出嗰本書《分析者》(The Assayer;意大利文:Il Saggiatore)裏面噉講:「喺我哋眼前嘅宇宙呢一本巨著嗰度,寫滿咗精彩無比嘅哲理。但如果我哋唔學識宇宙嘅語言,唔能夠理解當中嘅符號,噉我哋就絕對冇可能識得呢本巨著嘅內容。呢本巨著係用數學語言寫嘅,內在嘅符號係三角形、圓形、同其他幾何圖樣。冇咗呢啲語言同符號,我哋絕對冇辦法識得當中任何一個字,我哋就會好似係喺黑暗迷宮入面嘥時間漫遊嘅流浪者[63]。」

應用[編輯]

睇埋:應用物理學

第啲科學[編輯]

物理學係一門純科學(pure science),但物理學上嘅發現對第啲科學領域嚟講可以好有價值:物理學目的在於探索大自然嘅奧秘,搵出大自然當中前所未知嘅法則;而物理學係純科學當中嘅基礎科學(fundamental science)-物理學所研究嘅變數,好似係速度、時間、同質量等,係宇宙入面絕大多數事物都擁有嘅屬性,所以物理學上嘅理論同定律會適用於宇宙嘅絕大多數事物;第啲自然科學-例如化學(研究物質成份)、地球科學(研究地球嘅各種特性)、同生物學(研究有生命嘅嘢)-研究嘅事物都會遵守物理定律,而呢啲領域嘅理論同定律多數都唔會適用於物理學研究,好似係生物學噉,生物學研究有生命嘅嘢,所以生物學上嘅理論同定律衹會適用於有生命嘅嘢,但物理定律所掌控嘅事物就包含嗮生物同非生物-物理學上嘅定律能夠掌控生物學嘅研究對象,而生物學上嘅定律唔會掌控物理學嘅研究對象[64]

呢一點意味,物理學嘅理論同定律成日會俾人攞嚟解釋第啲科學領域研究嘅現象,但物理學唔需要第啲領域嘅理論同定律。例如神經科學(neuroscience;研究神經系統嘅領域)上嘅基於電導模型(conductance-based model)噉,就運用咗古典電磁學電路電壓、同電流等嘅概念,用以下嘅模型剖析神經細胞(neuron;喺神經系統入面互傳電訊號嚟傳達訊息細胞)點樣用微電傳訊號,將一粒神經細胞想像成一個噉嘅簡單電路(註解:extracellular medium 係指粒細胞外嘅媒介,而 intracellular medium 係指細胞內嘅媒介,所以呢個模型描述嘅係神經細胞嘅表面)[65]

Hodgkin-Huxley.svg

工程學[編輯]

睇埋:機械

工程學(engineering)泛指運用科學知識創造新科技以及設計有經濟價值嘅產品嘅領域,包括機械工程學(mechanical engineering;設計同製作運用相關原理嘅機械)同建築學(architecture;設計建築物)等嘅領域,而物理學嘅知識對現代工程學(尤其係機械嘅設計)嚟講不可或缺。例如係工程學上對嘅研究噉,鐘係指用某啲能量計時間嘅機械,所以整鐘需要有一啲有固定週期(每隔若干時間會重複一次)嘅物理過程先會整得到,而 17 至 19 世紀期間好常見嘅擺鐘就用咗簡諧運動(simple harmonic motion,SHM)呢個古典力學現象嘅原理。根據古典力學上對簡諧運動嘅研究,如果有一個左右兩邊揈嘅鐘擺,衹要個鐘擺揈嘅幅度有返噉上下細,個鐘頭嘅週期(period)可以用以下呢條式計[66][67]

呢條式講嘅係,週期(;指個鐘擺每幾耐重複一次擺動)取決於三個數-圓周率兩倍)、(吊住個鐘擺條繩嘅長度)、同 標準重力),當中圓周率係常數地球上會係常數,而 要維持不變好容易-即係話一個噉嘅鐘擺嘅週期會係一個恆定不變嘅數值,於是人就可以靠數住個鐘擺擺咗幾多次嚟計時間,例:設計一個鐘,個鐘擺條繩嘅長度 設好咗,令個鐘擺會每 1 秒擺一次,如果個鐘擺有用齒輪等機制駁落去一支秒針嗰度,就會做得到用個鐘擺計時嘅效果[66][68]

子領域[編輯]

標準模型嘅圖解

物理學係其中一門最歷史悠久嘅科學。初頭物理學冇話分乜嘢子領域,但後嚟嘅物理學家做啲研究愈嚟愈深入,於是乎慢慢就令到某啲物理學課題嘅研究深入到唔係做嗰飯嘅物理學家連睇都睇唔明-就出咗有物理學嘅子領域呢家嘢。由廿世紀開始,物理學嘅各個領域專化到大多數嘅物理學家成個職業生涯都衹係可以專精搞某一個領域,好似愛因斯坦啲噉嘅全才大師已經買少見少[69]

現代物理學最重要嘅子領域有[70][71]

粒子物理學[編輯]

內文: 粒子物理學

粒子物理學(particle physics)研究組成物質嘅基本粒子(elementary particle)、呢啲基本粒子嘅結構、同基本粒子彼此之間嘅交互作用同關係,同現代科技相輔相成[72]:基本粒子有好多都唔會喺自然條件下存在、存在嘅生命周期極之短、或者係冇辦法單獨出現,物理學家要研究佢哋要用極高能量嘅粒子加速器(particle accelerator)去撞呢啲基本粒子出嚟,所以粒子物理學家會設計開發一啲做呢類研究需要嘅高能量加速器[73]、感應器、同電腦程式[74][75]-直接噉同科技領域有緊密合作。順帶一提,因為粒子物理學嘅研究要將高能量嘅粒子撞埋一齊,所以粒子物理學有時又會俾人嗌做「高能物理學」(high energy physics)[76]

標準模型(Standard model)係粒子物理學研究嘅一個重要理論貢獻,能夠好準確噉描述咗基本粒子之間嘅交互作用。呢個模型能夠說明嗮廿一世紀初 12 種已知嘅粒子(包括夸克輕子),想像呢啲粒子之間以強作用力弱作用力電磁力、同引力四種力交互作用,以及互相交換規範玻色子膠子光子、同 W 同 Z 玻色子)。呢個模型成功預測咗上帝粒子(Higgs boson)嘅存在-喺 2012 年,歐洲核子研究組織宣佈探測到上帝粒子,轟動咗成個物理學界[77][78]

原子分子同光[編輯]

內文: 原子物理學分子物理學、 同 光物理學

原子物理學(atomic physics)、分子物理學(molecular physics)、同光物理學(optical physics)關係好密切,好多時會俾人擺埋一齊講。呢幾門物理子領域專門研究原子分子、同,仲有係光同物質之間、以及物質同物質之間嘅相互作用[79][80]。呢啲領域嘅目標係要了解物質點樣喺原子同分子層次構成同埋光點樣同物質有相互作用,會發展關於控制原子、分子、同光嘅方法,並且精確噉測量同分析佢哋嘅物理性質。呢幾門物理發展出嚟嘅實驗同理論技術成日會俾人用喺其他科學領域度,例如係化學、生物學、天文學、同醫學等都會用到呢啲領域嘅知識[81][82]

  • 原子物理學顧名思義,專門研究原子(atom),主要可以分做三大門:第一係研究大自然嘅基礎定律;第二係了解原子嘅結構,以及原子同光嘅相互作用;第三係研究原子同電子之間、或者原子同離子之間嘅相互作用[80]:p. 53
  • 分子物理學嘗試了解分子(molecule)嘅結構同物理性質以及係更加複雜嘅物質狀態,例如係液體等等。分子物理學跨越咗物理同化學之間嘅邊界,主要嘅研究目標包括咗要了解分子嘅形狀同結構、分子嘅對稱性、分子嘅內部能量態、分子嘅光學性質同電磁性質、探測分子嘅方法、同呢啲嘢喺科技同醫藥等領域有乜嘢用途。分子物理學嘅常用工具有光譜學繞射共振、同埋質譜學等等[80]:p. 88[83]
  • 光物理學研究嘅性質,仲有係光同物質之間嘅交互作用,研究範疇包括咗光嘅生成、探測方法、同光譜學。光物理學嘅內容同應用光學以及光工程學好接近,例如係對激光嘅研究。光物理學專注喺光嘅基礎物理研究,而應用光學就注重將有關光嘅知識應用喺相關嘅科技同其他科學領域度。光工程學就注重光學器件嘅設計同發展[84]

凝聚態物理學[編輯]

原子氣體嘅速度分佈數據;唔同顏色代表唔同密度嘅區域,藍色密度最高。
內文: 凝聚態物理學

凝聚態物理學(condensed matter physics)研究物質嘅宏觀(macroscopic)性質。「凝聚態」指嘅係由大量粒子組成,而且粒子同粒子之間有強嘅交互作用嘅系統,為現代物理學提供一個分析同描述多粒子系統嘅理論框架[85]。凝聚態物理學研究嘅對象包括日常生活都會見到嘅各種固體液體,又會包括喺地球上少見嘅極端環境當中先會出現嘅凝聚態,好似係

... 呀噉。凝聚態物理學起源自 19 世紀對固體同低溫嘅物理學研究上嘅發展,而喺廿一世紀做咗物理學嘅最大子領域之一,對化學、材料科學(materials science;研究物料同點改善物料嘅領域)、納米科技(nanotechnology;研究點控制原子尺寸嘅物體嘅領域)等嘅研究好重要[85][90]

天體物理學[編輯]

遙遠太空當中嘅一個星雲
內文: 天體物理學

天體物理學(astrophysics)主要研究天體嘅性質以及結構-包括咗恆星行星星系星雲暗物質、以及黑洞等等[91][92]。天體物理學係天文學(astronomy)同埋宇宙學(cosmology)嘅姐妹領域,彼此之間關係密切,天文學對天體作出測量,搵出唔同天體嘅位置、郁動、同光度等嘅資訊,例如係某粒恆星嘅位置同光譜;天體物理學想要了解天體形成同死亡所涉及嘅物理機制,會(例如)攞天文學研究上有關「唔同恆星嘅大細」同「唔同恆星分別發乜色嘅光」嘅數據,推測呢啲恆星內部發生緊乜嘢物理過程;而宇宙學可以話係三個領域當中尺度最龐大嘅,企圖解釋宇宙嘅整體特性或者歷史,會(例如)攞天文學上有關「唔同天體嘅郁動」嘅資訊以及天體物理學上有關「重力點影響天體嘅郁動」嘅資訊,研究宇宙大爆炸(Big Bang)對今日宇宙嘅影響-呢三個領域相輔相成[93]

天文物理學係一門用到好多唔同方面嘅知識嘅領域:天文物理學家通常都需要用好多唔同嘅物理學理論,先可以完全了解一個天體嘅行為,好似係用古典力學計算個天體嘅運轉[94],用電磁學嚟研究太陽風(solar wind;指太陽射出嚟嘅帶電粒子)等嘅電磁現象[95],用量子力學嚟了解恆星點樣靠核聚變(nuclear fusion;兩粒或者以上原子核結合、釋放出龐大能量嘅過程)等嘅機制嚟產生能量[96],以及係用相對論嚟了解具有極強重力(例如係黑洞)嘅物體等等[97]

睇埋[編輯]

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