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物理学小结
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1. 物理学是研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构；从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。2. 经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律，宏观是相对于原子等微观粒子而言的。人们在日常生活中直接接触到的物体常常包含巨量的原子，因此是宏观物体。低速是相对于光速而言的。最快的喷气客机的速度一般也不到光速的一百万分之一，在物理学中仍算是低速。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。
3. 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每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，它们是守恒量。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，还没有发现它们的局限性。
4. 质量可以作为物质的量的一种度量，空间和时间是物质存在的普遍形式。现有一切物理量的量纲原则上都可以由质量、空间、时间的量纲结合起来表达。具有不同量纲的物理量之间存在着质的差异。量纲在一定程度上反映物理量的质。量纲相同的物理量的质可以相同，但未必一定相同。
5.在经典力学中，时间和空间之间没有联系。空间向上下四方延伸，同时间无关；时间从过去流向未来，同空间无关。因此，就存在绝对静止的参照系，牛顿运动定律和万有引力定律原来是在这种参照系中表述的。相对于绝对静止的参照系作匀速运动的参照系称为惯性参照系。任何一个质点的坐标，在不同的惯性参照系中取不同的数值，这种不同数值之间的变换关系称为伽利略变换。在这种变换中，尺的长度不变，时钟运行的速度不变，经典力学基本规律的数学形式也不变。利用力学实验方法，无法确定哪些惯性参照系是绝对静止的参照系，因而绝对静止的参照系就成了一个假设。
6. 机械运动中，很普遍的一种运动形式是振动和波动。声学就是系统研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。声波是传递信息的重要媒介，而且常常是其中不可缺少的环节。人的声带、口腔和耳就是声波的产生器和接收器。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。利用声波研究这种物体的内部性质，例如利用声波在媒质中的传播特性研究地层结构和海洋深处及海底的现象和性质，就有优越性。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。
7. 热学、热力学和经典统计力学热学研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质和这些性质如何随着热状态的变化而变化。能量可以有许多种存在形式，力学现象中物体有动能和位能。物体有内部运动，因此有内部能量。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尽相同的状态。热力学是一种唯象的理论。深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。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。
8. 对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，无序状态的数目比有序状态的数目大得多，实际上多得无法比拟。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。
9.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。变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上提出的一套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。其中包含着电荷、电流如何产生电磁场的规律；也包含着电场和磁场相互影响，导致它们在时间和空间中如何变化的规律。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦兹力就构成了经典电动力学的基础。
10.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。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，就必须着重考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。
11. 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。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学尔后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念，变得十分重要。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。
12. 狭义相对论的基本假设是：
①在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；②对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。
在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。在相对论力学中，光速是机械运动速度的极限，不可逾越。当物体速度无限地趋近光速时，它的动量、能量、惯性质量均将趋于无穷大。
13. 根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲很小的情况下，广义相对论的预言就同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致；引力较强，空间、时间弯曲较大的情况下，就有区别。广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。
14. 原子物理学、量子力学、量子电动力学是研究原子的性质、内部结构、内部受激状态，以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。它们区别于经典力学和经典电动力学的主要特点是：
①物理量所能取的数值常常是不连续的，当然，某些物理量在一定范围内也可以取连续的数值；②它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。
这两个特点之间又存在着密切的联系。微观客体的一个基本性质是波粒二象性。
15. 波粒二象性已经包含在量子力学的数学形式中：在量子力学中物理量由算符表示，物理量所能取的数值就是算符的本征值，本征值常常是不连续的，粒子性就是这种不连续性的一种表现；物理状态由波函数表达，波动性就是波函数所描述的统计性质的一种表现。
量子力学和量子电动力学产生于原子物理学研究，但是它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，因此不仅应用于原子物理，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。
16. 分子物理学研究原子如何结合成为分子，分子的内部结构、内部运动状态、它的电学性质、磁学性质和光学性质等等。分子物理现象服从量子力学和量子电动力学所反映的规律。简单的分子用量子力学和量子电动力学来分析处理，得到的结果和实验结果相符合，但用量子力学和量子电动力学来处理复杂的分子，数学上非常复杂和困难，很难得到比较准确的结果。由于Ｘ射线衍射技术、中子衍射技术、激光技术等的发展，为研究分子提供了有力的实验手段。生命物质内部的分子结构非常复杂，但应用现有的实验技术已经能够对它们的结构包括细胞内染色体中携带遗传密码的分子结构进行详细的分析。
17. 固体物理学是研究固体的性质，它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质（如力学性质、热学性质、光学性质、电磁性质等等）的关系。每立方厘米固体中包含巨量的原子，因此上述问题是多体问题。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。
18. 固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子（离子、分子）有规则地排列，形成点阵。在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。电子不可能具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质（如力学性质、光学性质、电磁性质等）常常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发。晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响。
19．晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变。相变会导致晶体物理性质的改变。温度不断升高，晶体可以经历几次相变。温度升高了，晶体就会熔化为液体；温度更高时，液体就会沸腾而转化为气体；温度再升高，气体中的分子就分解为原子；温度再升高，原子就分解为离子和电子，气体就转化为等离子体。这些变化都称为相变。
20.点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷；化学成分也不会绝对纯，内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质（包括力学、电学、磁学、发光学等）以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的。晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。
21. 原子核物理学研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程。地球上的原子核绝大多数是稳定的；只有一些质量很大的原子核在没有外来影响下能自行转化为质量较小的其他原子核。在这种自行转化的过程中会放出射线。放出的射线有三种：一种由波长很短、能量很高的光子组成，相应的转化过程是由电磁相互作用产生的；第二种射线由氦原子核组成，相应的转化过程是强相互作用和电磁相互作用结合产生的；第三种射线由电子组成，在相应的转化过程中还同时放出一种叫做中微子的粒子。
22. 原子核主要由强相互作用将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如铀原子核）在吸收一个中子以后，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出很大的能量。这种原子核熔合过程也叫作聚变。
粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成使人能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子，用以轰击原子核，以便系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。
高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个远较原子结构为复杂的研究领域。目前，已有的关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论。
23.等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性。实验表明：波粒二象性以及粒子的产生和消灭是微观、高速物理过程中的普遍现象。量子力学能反映波粒二象性，但不能反映粒子的产生和消灭。在量子场论中，各种粒子如光子、中间玻色子、轻子、层子等均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对易关系或反对易关系。量子场的确既能反映波粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
24. 对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：物理基本规律在空间各处都一样，与之相应就有动量守恒定律；假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律；假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。
假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。物理学同其他自然科学和技术之间的关系物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。
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