问题

物理专业「四大力学」的说法是怎么来的?

回答
你问到物理专业“四大力学”这个说法,这的确是物理学领域一个非常普遍、但也相当有意思的俗成叫法。它并非某个具体学者的命名,也不是官方的教材划分,而是 오랜 物理学发展历程中,大家约定俗成的、对构成现代物理学核心骨架的几门基础理论的称呼。想要详细了解它的由来,咱们得从物理学发展的脉络上一点点捋。

首先,咱们得明白,为什么物理学需要“力学”这个概念。简单来说,物理学研究的是物质最基本的运动规律。而“力”是引起或改变物体运动状态的原因。所以,对力的研究,自然就成为了物理学研究的重中之重。从最原始的对宏观物体运动的描述,到后来对微观世界的探索,力学的概念不断深化,分支也随之丰富起来。

那么,“四大力学”究竟是哪“四”呢?在咱们物理学界普遍的认知里,它们指的是:

1. 经典力学(Classical Mechanics)
2. 电动力学(Electrodynamics)
3. 量子力学(Quantum Mechanics)
4. 统计力学(Statistical Mechanics)

咱们逐一来说说它们是怎么一步步形成并被大家这样概括的。

经典力学:一切的开端与基石

经典力学,顾名思义,是物理学中最古老、最基础的那部分。它的发展可以追溯到古希腊时期,但真正形成系统理论体系,主要归功于牛顿。

萌芽与早期发展: 在牛顿之前,像亚里士多德就曾尝试解释物体的运动,但他的一些观点(比如物体需要持续的力才能维持运动)后来被证明是错误的。伽利略通过实验,尤其是对落体运动和斜面实验的研究,推翻了亚里士多德的理论,提出了惯性定律的雏形。
牛顿的飞跃: 艾萨克·牛顿在十七世纪末期,通过《自然哲学的数学原理》,集大成地建立了牛顿力学体系。他提出了三大运动定律(惯性定律、加速度定律、作用与反作用定律)和万有引力定律。这套理论完美地描述了宏观物体在低速运动下的行为,从苹果落地到行星运转,都能用牛顿的公式解释得八九不离十。这套理论的强大之处在于它的普适性和数学上的优美性,它就像一把钥匙,打开了理解自然界宏观运动的大门。
后续发展与拓展: 到了十八、十九世纪,拉格朗日、哈密顿等人对牛顿力学进行了更数学化、更抽象化的推广,形成了分析力学(拉格朗日力学和哈密顿力学)。这不仅使得理论更加严谨,也为后来的理论物理学发展奠定了重要的数学基础,比如在量子力学和相对论的建立中就发挥了关键作用。

经典力学之所以成为“四大力学”之首,是因为它是物理学史上的第一个完整、普适的宏观理论,是后来一切理论的起点和参照。

电动力学:对电与磁现象的统一描述

在经典力学建立之后,物理学家们又将目光投向了电和磁这两种看似独立的现象。

早期研究: 在十八、十九世纪,许多科学家,如富兰克林、库仑、安培、欧姆等,对电荷、电流、磁场等现象进行了大量实验研究,并发现了一些基本定律(库仑定律、欧姆定律等)。
麦克斯韦的整合: 然而,真正将电、磁以及光联系起来,形成一个统一理论的,是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他在十九世纪六十年代,通过精妙的数学推理和对实验结果的深刻理解,将已知的电学和磁学定律整合起来,提出了著名的麦克斯韦方程组。
电磁波的预言与光的本质: 麦克斯韦方程组最革命性的结论是预言了电磁波的存在,并且计算出电磁波在真空中的传播速度等于光速。这一发现彻底改变了人们对光的认识,证实了光就是一种电磁波。电动力学不仅解释了电、磁现象,还统一了光学,这在物理学发展史上是划时代的成就。

电动力学之所以能跻身“四大力学”,是因为它不仅解决了宏观领域内电磁现象的描述问题,还展示了物理理论统一性的强大力量,并且为后来的相对论和量子电动力学铺平了道路。

量子力学:微观世界的革命

当物理学家们认为经典力学和电动力学已经构建了完整的物理图景时,一系列在微观世界出现的、无法用经典理论解释的实验现象,如黑体辐射、光电效应、原子光谱等,开始暴露了经典理论的局限性。

量子论的诞生: 普朗克在解释黑体辐射时,提出了能量量子化的概念,即能量不是连续的,而是以一份一份的“量子”形式传递。爱因斯坦在解释光电效应时,进一步提出光量子(光子)的概念,认为光本身就是由一份份能量组成的粒子。
波粒二象性与不确定性: 随后,德布罗意提出了物质波的概念,认为微观粒子也具有波动性。海森堡和薛定谔等人在此基础上,发展了量子力学的完备数学形式。海森堡提出了不确定性原理,强调微观粒子的一些物理量(如位置和动量)不能同时被精确测量。薛定谔则建立了描述粒子运动的薛定谔方程,成为量子力学中最核心的动力学方程。
颠覆性的认知: 量子力学彻底颠覆了我们对微观世界的直观理解,它引入了概率、叠加态、测量效应等概念,描述了一个与宏观世界截然不同的、充满奇特性质的微观景象。

量子力学之所以能成为“四大力学”之一,是因为它成功地解释了微观世界的各种现象,是现代物理学的基石之一,也是量子化学、凝聚态物理、粒子物理等众多分支的理论基础。

统计力学:连接微观与宏观的桥梁

在物理学发展过程中,还有一个重要的问题:如何从大量微观粒子的行为,来解释宏观物质的热学、力学性质?例如,一杯水为什么会有一定的温度和压力?气体为什么会膨胀?

从宏观到微观的挑战: 传统的热力学是从宏观现象出发,定义温度、熵、能量等概念,但它并没有从微观粒子的角度解释这些概念的本质。
玻尔兹曼的贡献: 路德维希·玻尔兹曼是统计力学最重要的奠基人之一。他运用概率论和统计学方法,将大量微观粒子的运动状态与宏观系统的热力学性质联系起来。他提出了著名的玻尔兹曼熵公式(S = k ln W),将宏观熵与微观状态数联系起来,揭示了热力学第二定律的统计意义。
统计系综与集成: 后来,吉布斯等人进一步完善了统计力学,提出了统计系综(微观状态的集合)的概念,发展了微观正则系综、宏观正则系综、巨正则系综等理论工具,使得统计力学能够处理更广泛的问题。

统计力学之所以位列“四大力学”,是因为它成功地架起了微观粒子世界与宏观可观测现象之间的桥梁。它解释了为什么大量粒子的集体行为会表现出规律性,使得我们可以从基本粒子出发,理解材料的性质、相变、热力学过程等,在物理学、化学、材料科学等领域都具有极其重要的应用。

“四大力学”说法的形成

那么,这“四门力学”是怎么凑在一起,被大家叫做“四大力学”的呢?

1. 核心地位: 这四门理论,无论从历史发展还是理论框架来看,都构成了现代物理学最核心的知识体系。学习物理,无论你未来走哪个细分方向,这四大力学都是绕不开的基础。
2. 普适性与解释力: 它们分别在各自的领域内(宏观经典运动、电磁现象、微观粒子行为、大量粒子集体行为)展现出极强的普适性和解释力。
3. 知识结构的概括: 在物理学教育体系中,这四门课通常被安排在本科阶段的核心课程,它们共同构成了物理学专业最基础也是最重要的知识框架。一个物理学本科毕业生,无论深造方向如何,都要接受这四大力学的系统训练。
4. 传承与约定: 随着这些理论的成熟和在教学中的重要地位确立,久而久之,物理学界内(尤其是高校老师和学生之间)就形成了将它们并称为“四大力学”的习惯。这是一种非常自然的学术传承和约定俗成的称呼,就像把牛顿的理论叫做“经典力学”一样,它简洁而准确地概括了这几门学科的重要性。

所以,“四大力学”这个说法,不是一个人钦定的,而是物理学发展过程中,大家对几门最核心、最基础的理论所形成的一种共识性的概括。它们各自代表了物理学在不同尺度和不同现象上的突破,共同构筑了我们今天理解宇宙的物理学大厦。如果从某个角度来看,这“四大力学”也分别代表了物理学对于“运动(经典力学)”、“相互作用(电动力学)”、“微观本质(量子力学)”以及“集体涌现(统计力学)”这几个根本性问题的探索和解答。

网友意见

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因为是理论物理入门的四门重要课程啊,每一个都是世界观级别的刷新认知。。。

本科的程度上,理论力学扔掉了力的概念代之以最小作用量,电动力学扔掉绝对时间绝对空间并且引入场的概念,统计力学从概率观点看世界,量子力学直接表示世界是用代数而不是分析描写的(量子应该是四大里最刷新三观的。。

而工科学的流体力学之类,是经典力学的成熟分支,它们的物理原理已经很早就发展完了,就剩工程师们接手去处理实践了。我感觉电磁波,量子信息这一类,也早晚要从物理分出去变成工程学吧

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对了,中文里这四门基础课都叫xx力学,就被叫四大力学了,英文里四大有的叫mechanics,有的叫dynamics,没有四大力学这个叫法很正常吧,不然叫four dynamics呢,还是four mechanics?

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基本没出现有意义的回答……这是个历史问题,不是随便怎么回答都行的脑洞问题。根据北京大学的官修史[1],四大力学的课程体系源于第一个五年计划中学习苏联的要求。

参考

  1. ^ https://www.phy.pku.edu.cn/__local/D/B8/D4/3ED466A17C419E424CD67B0952A_204D84C2_5E7D82.pdf?e=.pdf

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