万维百科粤语版

物理學本文重定向自 物理

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,係自然科學嘅一門。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以及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)嚟去了解宇宙係點樣運行嘅,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

「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

拉普拉斯嘅畫像;19 世紀畫嘅。
內文: 物理學哲學

基本哲學

睇埋:科學方法

物理學哲學(philosophy of physics)係科學哲學嘅一門,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咁上下正確嘅模型(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

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

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

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]