從宏觀到微觀

　　認識和了解宇宙萬物的本質和運動規律是人類自古以來的欲望和使命，物理學作為研究物質及其在時空中運動的學科，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之一。
　　物理學專業可分為“縱向深入”和“橫向擴張”兩方向?！翱v向深入”是向更微觀和更高速領域的深入探索，獲得描述新的領域最核心的物理模型。“橫向擴張”是在“縱向深入”中得到的每一個區域的核心物理模型基礎上，應用該模型來探索和解決該領域每一個更具體和更復雜的問題，伸向更精細的世界。
　　
　　縱向世界
　　下圖是目前物理學的四個“基本理論”所統治的區域，它是一個普遍的力學系統，用一個數學模型來描述物質、時間和空間，以及他們之間的關系。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、經典力學（Classical Mechanics）
　　圖中左下區域是“宏觀低速”區域，稱為經典力學（Classical Mechanics）領域，即最早的牛頓力學及其后續發展的拉格朗日力學，哈密頓力學等。在中學物理課程中主要涉及的部分是牛頓力學。這里基本的數學模型是：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的維度。物質是質點，或者是有限體積的質點集合（剛體，流體），或者是遍布全空間無限體積的質點集合（場，如電磁場）。質點在空間中的運動符合伽利略變換。
　　這個領域孕育了第一次工業革命和第二次工業革命。它的“縱向深入”突破點是麥克斯韋的電動力學，并由此導致量子力學和相對論力學領域的出現。
　　二、相對論力學（Relativistic Mechanics）
　　圖中的右下區域是縱向深入到“宏觀高速”的區域，即愛因斯坦的相對論力學（Relativistic Mechanics）領域。
　　這里基本的數學模型是：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。相對論力學里物質依然是經典力學里的質點、體或場，但是它會直接影響時空背景。質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典力學中和物質運動獨立無關的背景，而是與物質的質量、能量和運動緊密聯系。
　　三、量子力學（Quantum Mechanics）
　　圖中左上區域是縱向深入到“微觀低速”的區域，即量子力學（Quantum Mechanics）的地盤。它的建立以普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意等物理學家的工作為先導，以海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學家的工作為主體。
　　這里基本的數學模型是：時空還是經典力學中歐幾里得的三維空間加上獨立的一維時間，物質運動還是符合伽利略變換，但物質本身卻不再是質點或者質點的集合，而是分布在全空間的波函數。一切物理量的取值都要靠它與波函數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不是只具備粒子性的質點，而是同時具有波動性，即分布在全空間的波。
　　這個領域是現代物理學最大的領域，它孕育了20世紀后半葉的高新技術產業革命，使人類全面步入信息時代。
　　四、量子場論（Quantum Field Theory）
　　圖中右上區域便縱向深入到“微觀高速”區域，即量子場論（Quantum Field Theory）領域。它是量子力學和狹義相對論的結合。從量子力學的幾位創始人到標準模型的建立者，諸多20世紀物理學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。
　　這里基本的數學模型是：物質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態，場的基態是能量不為零的真空態。一個基本粒子的出現和消失（產生和湮滅）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不僅是量子力學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。
　　從各個區域所建立起來的基本數學模型來看，量子場論區域是目前描述自然界最精確的模型，量子力學區域是描述自然界的低速近似，相對論力學區域是描述自然界的宏觀近似，經典力學是描述自然界的宏觀低速近似（顯然關系已經不大了）。
　　在這我們只能用“近似”兩個字，因為人類在了解和認識自然界的過程中是一個不斷深入的漸進的認識過程，一個不斷積累的認識過程，這個過程將永遠不斷地有新的發現，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、經典力學（Classical Mechanics）
　　經典力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立剛體力學、流體力學、聲學，以及經典的光學、電學、熱力學、磁學等學科?，F在的物理學家已經很少涉及這個領域，因為在這個領域里基本的模型早已建立完畢并經受住了時間的考驗，物理學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律的應用，這個領域與人類日常生活關系最近。
　　對于有志于從事機械、建筑、汽車、航天、熱能動力等專業的學子來說，牛頓力學和熱力學等是必須要掌握的物理基礎，這些物理基礎引發了人類第一次工業革命。對于有志于從事電力、通訊、電子工程等專業的學子來說，經典電磁學和電動力學是必須要掌握的物理基礎，這些基礎引發了人類第二次工業革命。
　　學好這些基礎，能讓你輕快地進入到這些實用的領域中發展。
　　二、相對論力學（Relativistic Mechanics）
　　相對論力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立天體物理學、宇宙學等學科方向，研究宇宙大尺度物理現象，如引力等，從業人數在物理學界占較小的部分。
　　對于有志于研究天文學和恒星、地外行星、黑洞等各種天體以及宇宙奧秘的學子來說，這個領域便是其歸宿。這個領域的實驗主要以望遠鏡觀測為主。相對論力學領域是人類認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。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（Quantum Mechanics）
　　量子力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立原子物理學、分子物理學、量子光學、量子電子學，以及凝聚態物理學等學科。物理學家中在這個領域的人數最多，僅凝聚態物理專業的人數就要占所有物理學家的三分之一以上，是物理學最大的分支。保守估計以量子力學為基礎理論的這個區域中的物理學家人數應該超過所有物理學家總人數的一半。近十年的諾貝爾物理學獎有6次頒給了這個領域的科學家。
　　這個領域的特點是基礎理論模型完善，計算方便。實驗規模小，可在實驗室桌面上進行。理論和實驗課題數量多且分散，而且作為研究物質結構的基礎領域，和化學與生物學等其他學科聯系緊密，因此它橫向擴張的速度最快，成果也遠多于物理學其他三個區域。
　　這個領域孕育了20世紀的現代科技革命，如半導體元件的發明、激光器的誕生、磁存儲介質、液晶，以及最熱門的納米材料、超導體等都是拜他它所賜。因此這個領域不但適合想從事物理研究的學子加入，而且也適合想從事微電子學、納米材料、量子信息技術等新興專業的學子們學習。
　　四、量子場論（Quantum Field Theory）
　　量子場論模型應用到具體的物質運動形式上建立了量子電動力學（QED），電弱統一理論，量子色動力學（QCD）等理論，作為粒子物理（高能物理）的基礎理論，同時研究基本粒子的束縛態如重子、介子和原子核結構等。這個領域是向物質奧秘探索的最前沿，基本理論內容最深奧、計算難度大，但是橫向擴張的工作很多。實驗需要在大型的粒子加速器上進行，規模龐大，課題集中，成果多是十年磨一劍，因此進展緩慢。
　　對于有志于探索物理最前沿的學子來說，這個領域