物理科学的边界

物理学是巨大的，这门学科涵盖了许多不同的主题，从太空深处的星系到亚原子粒子。如果你还不了解物理，有时很难理解所有这些不同学科之间的联系。

物理学可以大致分为三个主要部分:经典物理学、量子物理学、相对论。

我们从经典物理开始。一个好的开始就是艾萨克·牛顿。

他的运动定律描述了由物质构成的一切事物是如何运动的，他的万有引力定律将天空中行星的运动与地球上物体的下落联系在一起，形成了一个优雅而笼统的描述。

他还发明了微积分，这是一种极其强大的数学工具，几个世纪以来一直被用于推动新的物理学。微积分确实是数学的一部分，但物理和数学是不可分割的。数学是物理的语言，你可以把它想象成建立物理世界的基石。

牛顿在光学领域也取得了长足的进步，光学是光的物理以及它如何穿过不同的材料。它解释了在透镜中看到的折射，这些透镜用于在望远镜中聚焦光线。显微镜和望远镜使我们能够窥视空间的深处，观察宇宙深处的星体阵列，在此基础之上发展出天体物理学和宇宙学。

光学与波理论密切相关，波理论主要研究的是能量如何通过介质的扰动传播，比如池塘表面的涟漪，或者声音如何通过空气光传播。光不需要媒介来传播，它可以在真空的空间中传播。但它仍然遵循着同样的原理，即反射、折射和折射。

光学与波理论把我们引向了电磁学，或者更一般地说，电场和磁场。是一位叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的物理学家发现了这是同一事物的两个方面，并推导出了电磁学的奇妙而优雅的公式。理论上，认为光也是是电磁波，电磁学也可以解释所有的电学。

稍微往回一点，经典力学与牛顿定律有关，它涵盖了固体的性质和运动，当力撞击它们时它们是如何运动的，当它们连接在一起时会发生什么，比如在齿轮或建筑或桥梁中。

流体力学是对液体和气体流动的描述。使用流体力学，你可以计算出飞机机翼产生了多大的升力，或者汽车的空气动力学性能如何。流体力学是出了名的难，主要是因为像分子这样的微小物体的运动很快就变得非常复杂。

这就引出了混沌理论。混沌理论是对大型复杂系统的描述，以及初始条件的微小差异如何导致非常不同的最终结果。

热力学是对能量以及能量如何从一种形式转化为另一种形式的描述。它还包括熵，熵是衡量有序和无序的一个指标，它基本上告诉你不同种类的能量有多有用。能量是物理学的基本性质。尽管我在这里写了能量，我应该在地图上的每个地方都写，因为所有东西都有能量。

这就是经典物理学的全貌。

经典物理

这是我们在1900年左右看到的宇宙景象。它告诉我们，我们生活在一个一切都像钟表一样运转的宇宙中。如果你能足够准确地衡量每件事，未来就可以预知，然而，并不是每件事都能解决。实验中只有几个缺陷暗示了更多的东西。水星的运行速度有点快，在最小的尺度上电和光发生了一些奇怪的事情，这些都无法解释。当时的物理学家认为他们很快就能解决和解释这些问题。随着对这些问题的探索，它们揭示了相对论和量子物理学的新领域，并彻底颠覆了我们对宇宙的理解。

爱因斯坦是发展狭义相对论和广义相对论的天才。狭义相对论预言，光速对所有观察者来说都是恒定的，这意味着当你运动得非常快时，奇怪的事情开始发生，就像时间慢下来。它还指出，能量和物质是不同的通过著名的形式E=MC²。

广义相对论认为空间和时间是相同结构的一部分叫做时空，那就是重力来自于物体对时空的弯曲，使得其他物体相对地落向。她描述了非常大的其他物理学家谁在量子物理的世界里忙于工作非常小，原子理论探索原子的本质。对原子的描述越来越详细，从微小的球体到电子的轨道，再到能级，再到电子的波状带电分布。

凝聚态物理描述了凝聚态时原子间的量子物理，也是许多伟大技术的起源。核物理学描述了新的原子尺度上的性质，并解释了辐射。

粒子物理学更深入地证明了发现基本的亚原子粒子是一切事物的组成，并在粒子物理学的标准模型中加以描述。

量子场论囊括了所有的量子物理并与狭义相对论相结合，它是对宇宙最好的描述。

物理学家不知道如何将量子物理学和广义相对论结合起来，导致了无知的巨大鸿沟。在未来的某一天，我们希望能弥合这一鸿沟并提出一个关于所有物理学的理论。我们称之为量子引力，已经有很多尝试了。一些弦理论或环量子引力的例子，还有更多。

但量子引力并不是唯一我们观测到但不理解的东西。还有关于暗能量和暗物质的主要谜题，它们似乎构成了宇宙的95%。所以我们所有的物理学只描述了我们所知的5%，而其他的一切目前都是一个谜。

还有很多其他的谜团，比如宇宙大爆炸。毫无疑问，除此之外还有我们不知道的东西，我们不知道的东西。它会到达高云之上，飘浮在所有的物理学和哲学之上，尽管许多物理学家取笑哲学，但正是这些大的哲学问题激发了许多物理学的研究，比如，什么是现实的基本本质？宇宙是怎么存在的？如果我们只是由物理构成，我们有自由意志吗？那么，我们怎么知道我们研究物理和科学的方法实际上得到了单位的基本真理呢？为什么所有的物理学都是这样的呢？嗯，这些都是相当大的问题，我们可能会，也可能永远不会回答，但没有理由放弃尝试。毕竟，物理学家不是轻易放弃的人。

这就是物理学的地图。