【物理科普】物理学世界地图（视频 + 图文）！

▲物理学世界地图（视频版）

▲物理学世界地图（图片版）

“日新月异的生物，恒久未变的物理”。对物理学的发展比较了解的人应该都知道，物理学近百年来都没有什么重大突破，上一次重大突破已经是20世纪初的事了，至今已经有100年了。

物理学是一门研究物质和能量的基础科学。它的内容大致可以分为三大块：经典物理学、相对论和量子物理。

下面小编领着亲们进入物理大世界，一窥物理学科的奥秘。

▲经典物理学地图（牛顿）

众所周知，经典物理学的代表是伟大的物理学家牛顿。牛顿的贡献非常大，主要是运动定律（经典力学）、万有引力定律、微积分、光学、宇宙学、天体物理学、波理论。

经典物理学的另一位大咖麦克斯韦做出贡献外化为电磁学、流体力学、混沌理论、热力学。

以上就是经典物理学的全部了，1900年前，普罗大众对宇宙的理解都是基于这些物理学分支。在那个年代，物理学家认为宇宙中所有东西的运作就像时钟周而复始，只要你能够准确的测量，就能够预测未来。

但是，并不是所有的问题都得到了解决，物理学家在探索中发现了一些无法解释的事情。比如天文学家发现水星环绕太阳的轨道有着牛顿力学无法解释的扰动；同时，在微观尺度，电子和光子也发生了一些怪异的事情。物理学家认为这些问题很快就会得到妥善的解决，而在寻找答案的这个过程中却引来了一场革命 —— 相对论和量子力学的诞生。而这两个学科的出现也彻底地改变了我们对宇宙的理解。

▲相对论地图（爱因斯坦）

爱因斯坦无疑是史上最伟大的科学家之一，他提出了狭义和广义相对论。

狭义相对论预言，对于所有的观测者，光速都是不变的。这意味着当你运动的非常快的时候，奇怪的事情开始发生了，比如时间变慢了。同时，爱因斯坦也将能量和质量通过著名的方程 E=mc²联系了起来。

在相对论中，爱因斯坦将从前认为完全是不同的空间和时间联系在一起，称为时空。

根据广义相对论，引力其实就是时空的弯曲。用一句话解释爱因斯坦的引力理就是：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”

相对论是描述宏观世界的理论，而其他物理学家则忙于理解对微观尺度的量子世界进行研究。

▲量子物理地图（玻尔）

原子理论专注于探索原子的本性，原子的结构也逐渐得到了完善，从一个带正负电的小球（梅子布丁模型），到电子绕着原子核运动（卢瑟福模型），到能量等级（玻尔模型），再到电子云（量子力学模型）。

凝聚态物理是研究固体和液体中的原子在一起的量子行为的学科，许多现代高科技都依赖它，比如计算机、激光和量子信息等。

核物理研究原子中的原子核的行为，解释了辐射、在核电站中运用的核裂变，以及在太阳中正在进行的核聚变。物理学家希望在不久的将来能够将在地球上建造核聚变发电站。

粒子物理学则是研究更基本的问题，粒子物理学家在加速器中寻找构成万物的亚原子粒子，或者一些未发现的新离子。目前粒子物理学中最成功的理论被称为“标准模型”。

量子场论是量子力学和狭义相对论相结合的物理理论，被广泛应用在粒子物理学和凝聚态物理学中。这是目前描述宇宙最好的理论。不幸的是，量子场论并不包括引力。物理学家还不知道怎么将量子物理和广义相对论结合，这就表示我们还有一片未知的鸿沟。

▲相对论和量子物理的统一

现代物理学的天空中已经出现了三朵乌云，它分别是参与引力作用的暗物质、导致宇宙加速膨胀的暗能量和神秘莫测的黑洞，现有物理理论对它们都不适用。根据科学家的研究，暗物质和暗能量占了宇宙质能总量的95%，而我们却对它一无所知。要想解决这三朵乌云，保守估计，至少也要等到21世纪末期。

Walliman想要传达的是关于物理学的一个重要事实：当科学家解开一个谜题时，比如运动定律或电磁学，他们的发现往往是打开了新的谜题。例如，经典力学所面临的问题直接导致了相对论和量子力学的诞生。虽然这张地图几乎显示了所有的物理学分支。但这或许仅仅只是一张完整地图的冰山一角，还有更大的一部分等待着我们去发现。

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