從宏觀到微觀

　　認(rèn)識和了解宇宙萬物的本質(zhì)和運動規(guī)律是人類自古以來的欲望和使命，物理學(xué)作為研究物質(zhì)及其在時空中運動的學(xué)科，是人類不斷履行這個使命的最古老也是最有生命力的專業(yè)之一。
　　物理學(xué)專業(yè)可分為“縱向深入”和“橫向擴(kuò)張”兩方向?！翱v向深入”是向更微觀和更高速領(lǐng)域的深入探索，獲得描述新的領(lǐng)域最核心的物理模型?！皺M向擴(kuò)張”是在“縱向深入”中得到的每一個區(qū)域的核心物理模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用該模型來探索和解決該領(lǐng)域每一個更具體和更復(fù)雜的問題，伸向更精細(xì)的世界。
　　
　　縱向世界
　　下圖是目前物理學(xué)的四個“基本理論”所統(tǒng)治的區(qū)域，它是一個普遍的力學(xué)系統(tǒng)，用一個數(shù)學(xué)模型來描述物質(zhì)、時間和空間，以及他們之間的關(guān)系。這四個“基本理論”是人類幾百年來“縱向深入”所得到的四個核心物理模型。
　　一、經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）
　　圖中左下區(qū)域是“宏觀低速”區(qū)域，稱為經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）領(lǐng)域，即最早的牛頓力學(xué)及其后續(xù)發(fā)展的拉格朗日力學(xué)，哈密頓力學(xué)等。在中學(xué)物理課程中主要涉及的部分是牛頓力學(xué)。這里基本的數(shù)學(xué)模型是：空間是最簡單的歐幾里得幾何的三維空間，時間是另外一個和空間維完全無關(guān)的維度。物質(zhì)是質(zhì)點，或者是有限體積的質(zhì)點集合（剛體，流體），或者是遍布全空間無限體積的質(zhì)點集合（場，如電磁場）。質(zhì)點在空間中的運動符合伽利略變換。
　　這個領(lǐng)域孕育了第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命。它的“縱向深入”突破點是麥克斯韋的電動力學(xué)，并由此導(dǎo)致量子力學(xué)和相對論力學(xué)領(lǐng)域的出現(xiàn)。
　　二、相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）
　　圖中的右下區(qū)域是縱向深入到“宏觀高速”的區(qū)域，即愛因斯坦的相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）領(lǐng)域。
　　這里基本的數(shù)學(xué)模型是：狹義相對論（Special Relativity）時空是閔可夫斯基四維時空，即一維時間和三維空間由光速不變原理緊密聯(lián)系，組成一個平直的四維時空背景。廣義相對論（General Relativity）的時空是黎曼時空，即一個彎曲的四維時空。相對論力學(xué)里物質(zhì)依然是經(jīng)典力學(xué)里的質(zhì)點、體或場，但是它會直接影響時空背景。質(zhì)點在四維時空中的運動符合洛侖茲變換。
　　這個模型揭示了時間和空間不再是經(jīng)典力學(xué)中和物質(zhì)運動獨立無關(guān)的背景，而是與物質(zhì)的質(zhì)量、能量和運動緊密聯(lián)系。
　　三、量子力學(xué)（Quantum Mechanics）
　　圖中左上區(qū)域是縱向深入到“微觀低速”的區(qū)域，即量子力學(xué)（Quantum Mechanics）的地盤。它的建立以普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意等物理學(xué)家的工作為先導(dǎo)，以海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學(xué)家的工作為主體。
　　這里基本的數(shù)學(xué)模型是：時空還是經(jīng)典力學(xué)中歐幾里得的三維空間加上獨立的一維時間，物質(zhì)運動還是符合伽利略變換，但物質(zhì)本身卻不再是質(zhì)點或者質(zhì)點的集合，而是分布在全空間的波函數(shù)。一切物理量的取值都要靠它與波函數(shù)在全空間的積分才能得到。
　　這個模型揭示了真實的微觀物質(zhì)不是只具備粒子性的質(zhì)點，而是同時具有波動性，即分布在全空間的波。
　　這個領(lǐng)域是現(xiàn)代物理學(xué)最大的領(lǐng)域，它孕育了20世紀(jì)后半葉的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，使人類全面步入信息時代。
　　四、量子場論（Quantum Field Theory）
　　圖中右上區(qū)域便縱向深入到“微觀高速”區(qū)域，即量子場論（Quantum Field Theory）領(lǐng)域。它是量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合。從量子力學(xué)的幾位創(chuàng)始人到標(biāo)準(zhǔn)模型的建立者，諸多20世紀(jì)物理學(xué)家們的工作完成了這個建立過程，其中包括楊振寧教授和李政道教授的貢獻(xiàn)。
　　這里基本的數(shù)學(xué)模型是：物質(zhì)的基本粒子是分布在完全的閔可夫斯基四維時空的波動場的激發(fā)態(tài)，場的基態(tài)是能量不為零的真空態(tài)。一個基本粒子的出現(xiàn)和消失（產(chǎn)生和湮滅）是它的場在該模式上的躍遷。場用量子化的拉格朗日密度來描述。
　　這個模型揭示了真實的物質(zhì)不僅是量子力學(xué)中分布在全空間的波，還和狹義相對論中的時空背景緊密相連。
　　從各個區(qū)域所建立起來的基本數(shù)學(xué)模型來看，量子場論區(qū)域是目前描述自然界最精確的模型，量子力學(xué)區(qū)域是描述自然界的低速近似，相對論力學(xué)區(qū)域是描述自然界的宏觀近似，經(jīng)典力學(xué)是描述自然界的宏觀低速近似（顯然關(guān)系已經(jīng)不大了）。
　　在這我們只能用“近似”兩個字，因為人類在了解和認(rèn)識自然界的過程中是一個不斷深入的漸進(jìn)的認(rèn)識過程，一個不斷積累的認(rèn)識過程，這個過程將永遠(yuǎn)不斷地有新的發(fā)現(xiàn)，就像我們觀賞大自然的美景一樣，沒有終極，越看越美麗，越看越新奇。
　　
　　橫向世界
　　一、經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）
　　經(jīng)典力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運動形式上就可建立剛體力學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)，以及經(jīng)典的光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、磁學(xué)等學(xué)科?，F(xiàn)在的物理學(xué)家已經(jīng)很少涉及這個領(lǐng)域，因為在這個領(lǐng)域里基本的模型早已建立完畢并經(jīng)受住了時間的考驗，物理學(xué)家也早已把這個地盤交到工程師的手上了，研究的主流變成是對這些規(guī)律的應(yīng)用，這個領(lǐng)域與人類日常生活關(guān)系最近。
　　對于有志于從事機(jī)械、建筑、汽車、航天、熱能動力等專業(yè)的學(xué)子來說，牛頓力學(xué)和熱力學(xué)等是必須要掌握的物理基礎(chǔ)，這些物理基礎(chǔ)引發(fā)了人類第一次工業(yè)革命。對于有志于從事電力、通訊、電子工程等專業(yè)的學(xué)子來說，經(jīng)典電磁學(xué)和電動力學(xué)是必須要掌握的物理基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)引發(fā)了人類第二次工業(yè)革命。
　　學(xué)好這些基礎(chǔ)，能讓你輕快地進(jìn)入到這些實用的領(lǐng)域中發(fā)展。
　　二、相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）
　　相對論力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運動形式上就可建立天體物理學(xué)、宇宙學(xué)等學(xué)科方向，研究宇宙大尺度物理現(xiàn)象，如引力等，從業(yè)人數(shù)在物理學(xué)界占較小的部分。
　　對于有志于研究天文學(xué)和恒星、地外行星、黑洞等各種天體以及宇宙奧秘的學(xué)子來說，這個領(lǐng)域便是其歸宿。這個領(lǐng)域的實驗主要以望遠(yuǎn)鏡觀測為主。相對論力學(xué)領(lǐng)域是人類認(rèn)識宇宙和了解宇宙的最前沿，它是人類了解太空的一扇窗口，但是離人類日常生活較遠(yuǎn)。工作單位一般是各個天文臺、大型的地面觀測站和太空觀測站等科研部門。
　　三、量子力學(xué)（Quantum Mechanics）
　　量子力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運動形式上就可建立原子物理學(xué)、分子物理學(xué)、量子光學(xué)、量子電子學(xué)，以及凝聚態(tài)物理學(xué)等學(xué)科。物理學(xué)家中在這個領(lǐng)域的人數(shù)最多，僅凝聚態(tài)物理專業(yè)的人數(shù)就要占所有物理學(xué)家的三分之一以上，是物理學(xué)最大的分支。保守估計以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論的這個區(qū)域中的物理學(xué)家人數(shù)應(yīng)該超過所有物理學(xué)家總?cè)藬?shù)的一半。近十年的諾貝爾物理學(xué)獎有6次頒給了這個領(lǐng)域的科學(xué)家。
　　這個領(lǐng)域的特點是基礎(chǔ)理論模型完善，計算方便。實驗規(guī)模小，可在實驗室桌面上進(jìn)行。理論和實驗課題數(shù)量多且分散，而且作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)領(lǐng)域，和化學(xué)與生物學(xué)等其他學(xué)科聯(lián)系緊密，因此它橫向擴(kuò)張的速度最快，成果也遠(yuǎn)多于物理學(xué)其他三個區(qū)域。
　　這個領(lǐng)域孕育了20世紀(jì)的現(xiàn)代科技革命，如半導(dǎo)體元件的發(fā)明、激光器的誕生、磁存儲介質(zhì)、液晶，以及最熱門的納米材料、超導(dǎo)體等都是拜他它所賜。因此這個領(lǐng)域不但適合想從事物理研究的學(xué)子加入，而且也適合想從事微電子學(xué)、納米材料、量子信息技術(shù)等新興專業(yè)的學(xué)子們學(xué)習(xí)。
　　四、量子場論（Quantum Field Theory）
　　量子場論模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運動形式上建立了量子電動力學(xué)（QED），電弱統(tǒng)一理論，量子色動力學(xué)（QCD）等理論，作為粒子物理（高能物理）的基礎(chǔ)理論，同時研究基本粒子的束縛態(tài)如重子、介子和原子核結(jié)構(gòu)等。這個領(lǐng)域是向物質(zhì)奧秘探索的最前沿，基本理論內(nèi)容最深奧、計算難度大，但是橫向擴(kuò)張的工作很多。實驗需要在大型的粒子加速器上進(jìn)行，規(guī)模龐大，課題集中，成果多是十年磨一劍，因此進(jìn)展緩慢。
　　對于有志于探索物理最前沿的學(xué)子來說，這個領(lǐng)域