近代物理與古典物理

1. 學科領域心得-物理學 近代物理與古典物理

2. 物理學簡介 拉丁語：Physica 希臘語：Φυσική 英語：Physics 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，物理學探索分析大自然所發生的現象，以了解其規則。 物理學是最古老的學術之一。

3. 物理學歷史 「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、日文裏，這詞源自明末清初科學家方以智的百科全書式著作《物理小識》。 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。」

4. 從古代開始，人們就嘗試著了解大自然的奧妙：為什麼物體會往地面掉落，為什麼不同的物質會具有不同的性質？如此等等。其中有一個意義非凡的謎題，即宇宙的性質，比如地球、太陽及月亮這些星體究竟是遵循著什麼規律在運動，而又是什麼力量決定著這些規律？人們提出了各種理論，試圖解釋宇宙的規律，然而其中大多數理論都不正確。以現代準則來看，早期的物理理論更像是一些哲學理論：現代的理論都需要經過系統的實驗檢驗，而那些早期的理論並沒有經過嚴格證實。從古代開始，人們就嘗試著了解大自然的奧妙：為什麼物體會往地面掉落，為什麼不同的物質會具有不同的性質？如此等等。其中有一個意義非凡的謎題，即宇宙的性質，比如地球、太陽及月亮這些星體究竟是遵循著什麼規律在運動，而又是什麼力量決定著這些規律？人們提出了各種理論，試圖解釋宇宙的規律，然而其中大多數理論都不正確。以現代準則來看，早期的物理理論更像是一些哲學理論：現代的理論都需要經過系統的實驗檢驗，而那些早期的理論並沒有經過嚴格證實。

5. 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（約前624年－約前546年）曾經遠渡地中海，在埃及學習天文學與幾何，還加以推廣延伸，發揚光大。他預測到公元前585年發生的日蝕，並且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。公元前5世紀古希臘哲學家留基伯率先提出原子論，認為所有物質皆是由不會毀壞、不可分割的原子所構成。希臘的思想家阿基米德在作用力方面推導出許多正確的定量結論，如對於槓桿原理的解釋。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（約前624年－約前546年）曾經遠渡地中海，在埃及學習天文學與幾何，還加以推廣延伸，發揚光大。他預測到公元前585年發生的日蝕，並且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。公元前5世紀古希臘哲學家留基伯率先提出原子論，認為所有物質皆是由不會毀壞、不可分割的原子所構成。希臘的思想家阿基米德在作用力方面推導出許多正確的定量結論，如對於槓桿原理的解釋。

6. 中世紀時期，印度及波斯的學者也對物理學做出諸多貢獻。印度天文學家阿耶波多（Aryabhata）構建了描述太陽系的地心說模型；在這模型裏，太陽和月亮分別搭載於本輪（epicycle），繞著地球轉動。穆斯林科學家海什木對於光學研究貢獻良多。波斯科學家納西爾·艾德丁·圖西（Nasir al-Din al-Tusi）指出了托勒密體系的重大缺陷。

7. 近代時期，歐洲出現了很多物理大師；其中最具影響力的當屬伽利略·伽利萊、約翰內斯·克卜勒和艾薩克·牛頓。克卜勒發表的克卜勒定律正確地解釋了行星繞著太陽公轉的機制。大約同時，伽利略用抽象數學定律解釋物體運動。牛頓提出的牛頓運動定律和萬有引力定律為經典力學奠定了穩固的基礎。由於這些近代的物理學者堅持使用實驗方法與定量方法來研究與發現物理定律，經典物理學成為一門獨立學科。近代時期，歐洲出現了很多物理大師；其中最具影響力的當屬伽利略·伽利萊、約翰內斯·克卜勒和艾薩克·牛頓。克卜勒發表的克卜勒定律正確地解釋了行星繞著太陽公轉的機制。大約同時，伽利略用抽象數學定律解釋物體運動。牛頓提出的牛頓運動定律和萬有引力定律為經典力學奠定了穩固的基礎。由於這些近代的物理學者堅持使用實驗方法與定量方法來研究與發現物理定律，經典物理學成為一門獨立學科。

8. 二十世紀初期，物理學家發現經典物理學有很嚴重的瑕疵。邁克生-莫立實驗所測量得到的零結果否定了乙太存在。經典統計力學的能量均分定理引起了紫外災難在頻率趨向於無窮大時，黑體輻射的理論結果和實驗數據無法吻合）。在原子層次，經典理論無法解釋能級的機制。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和量子力學的出現，進而開啟了現代物理學的紀元。二十世紀初期，物理學家發現經典物理學有很嚴重的瑕疵。邁克生-莫立實驗所測量得到的零結果否定了乙太存在。經典統計力學的能量均分定理引起了紫外災難在頻率趨向於無窮大時，黑體輻射的理論結果和實驗數據無法吻合）。在原子層次，經典理論無法解釋能級的機制。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和量子力學的出現，進而開啟了現代物理學的紀元。

9. 現代物理學 古典物理學通常論述正常觀察尺寸的系統，而現代物理學通常論述極端或非常大尺寸、非常小尺寸系統。例如，化學元素可以被辨識的最小尺寸是原子物理學或核子物理學探索物質所操作的尺寸。而粒子物理學操作的尺寸更為微小，它論述的是基礎粒子或由基礎粒子組成的粒子。由於使用大型粒子加速器來製成粒子需要非常巨大的能量，粒子物理學又稱為高能量物理學。對於這類尺寸的物理系統，一般關於空間、時間、物質、能量的認知不再成立。 1927年召開的第五次索爾維會議，全世界那時最卓越的物理學者共聚一堂、腦力激盪，商討量子理論。

10. 現代物理學的兩種核心理論給出關於空間、時間、物質、能量的嶄新繪景。量子力學論述發生於原子層級與亞原子層級各種現象的離散性質，以及在關於這些現象的描述裏的粒子與波動的互補性質。相對論闡述，處於某參考系的觀察者，所觀察到在另外一個以相對速度移動的參考系發生的現象。相對論又可分為狹義相對論與廣義相對論。狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及重力（彎曲時空），即狹義相對論只涉及那些沒有重力作用或者重力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是研討那些涉及重力的論題。現代物理學的兩種核心理論給出關於空間、時間、物質、能量的嶄新繪景。量子力學論述發生於原子層級與亞原子層級各種現象的離散性質，以及在關於這些現象的描述裏的粒子與波動的互補性質。相對論闡述，處於某參考系的觀察者，所觀察到在另外一個以相對速度移動的參考系發生的現象。相對論又可分為狹義相對論與廣義相對論。狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及重力（彎曲時空），即狹義相對論只涉及那些沒有重力作用或者重力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是研討那些涉及重力的論題。

11. 古典物理學 經典物理學所涉及的物理學領域通常是一些在量子力學與相對論之前發展出來的理論。經典物理學所概括的精確範圍必須依上下文而定。當研討狹義相對論時，經典物理學指的是在相對論之前的牛頓物理，也就是說，以在相對論與量子力學之前所發展出來的理論為基礎的物理學。當研討廣義相對論時，經典物理學指的是將狹義相對論納入考量後的牛頓物理。當研討量子力學時，它指的是包括狹義相對論與廣義相對論在內的非量子物理。換句話說，它指的是在所研討的物理領域之前形成的物理學。

12. 經典物理學包括那些在二十世紀初已漸趨成熟的傳統分支學術領域：宏觀力學、熱力學、統計力學、古典電磁理論。經典物理學包括那些在二十世紀初已漸趨成熟的傳統分支學術領域：宏觀力學、熱力學、統計力學、古典電磁理論。

13. 二者之間的差異 雖然物理學的一大研究目標是在發現普適定律（universal law），但似乎每一種物理理論都只適用於某些明確值域。大致而言，古典物理學的定律能夠準確地描述長度遠大於原子尺寸、速度遠小於光速的系統。在這適用域範圍以外，實驗結果並不符合理論預測。狹義相對論徹底的摧毀了絕對時間與絕對空間的概念，且以四維時空取而代之，因此得以準確地描述速度接近光速的系統，即相對論性系統。

14. 量子力學以機率方式描述微觀系統的物理行為，能夠在原子尺寸和亞原子尺寸得到準確的解答。稍後，量子場論統一了量子力學和狹義相對論，是粒子物理學不可或缺的基礎理論。電磁交互作用，強交互作用，弱交互作用，都能夠用量子場論精緻地描述。電磁交互作用與弱交互作用也已被合併為電弱交互作用。廣義相對論將時空延伸為動態的彎曲時空，能夠描述大質量系統和宇宙的大尺寸結構。但是，廣義相對論尚未能將重力交互作用與其他基礎作用統一為單一理論；科學家仍舊在發展幾種可能的量子重力理論。量子力學以機率方式描述微觀系統的物理行為，能夠在原子尺寸和亞原子尺寸得到準確的解答。稍後，量子場論統一了量子力學和狹義相對論，是粒子物理學不可或缺的基礎理論。電磁交互作用，強交互作用，弱交互作用，都能夠用量子場論精緻地描述。電磁交互作用與弱交互作用也已被合併為電弱交互作用。廣義相對論將時空延伸為動態的彎曲時空，能夠描述大質量系統和宇宙的大尺寸結構。但是，廣義相對論尚未能將重力交互作用與其他基礎作用統一為單一理論；科學家仍舊在發展幾種可能的量子重力理論。