物理可以簡(jiǎn)單的被定義為是研究物質(zhì)和能量的一門(mén)科學(xué)。但是這個(gè)簡(jiǎn)單的定義其實(shí)包含了許多的不同的分支。

為了幫助大家更好的了解物理學(xué)的不同領(lǐng)域，Dominic Walliman制作了下面這張物理學(xué)地圖：

物理學(xué)可以大致被分為三個(gè)分支：經(jīng)典物理學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)。

我們從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始說(shuō)起。

而這里首先要提到的人物便是牛頓。他的運(yùn)動(dòng)定律描述了萬(wàn)物是如何運(yùn)動(dòng)的。他的萬(wàn)有引力定律把行星的運(yùn)動(dòng)和落在地球的物體優(yōu)美的聯(lián)系在一起。

他也發(fā)明了微積分，是一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具，在物理學(xué)的各個(gè)分支都運(yùn)用到了微積分。雖然微積分是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，但是數(shù)學(xué)對(duì)物理的重要性卻是不言而喻的。

牛頓還在光學(xué)領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。光學(xué)主要研究光的現(xiàn)象、性質(zhì)與應(yīng)用。它解釋了在棱鏡中看到的折射，以及透鏡是如何聚焦光線的，這對(duì)于望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡和照相機(jī)的制作都很重要。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使我們能夠更加深入的去探索宇宙，觀測(cè)在宇宙中不同的天體。這促使了宇宙學(xué)和天體物理學(xué)的誕生。

光學(xué)跟波是緊密相連的，波理論研究的是能量如何通過(guò)媒介的擾動(dòng)傳播的，比如池塘表面的漣漪，或通過(guò)空氣的聲音。光不需要通過(guò)任何介質(zhì)傳播，它可以在真空中傳播，但也同樣服從反射、折射和衍射的原理。這引導(dǎo)我們進(jìn)入電磁學(xué)。

電磁學(xué)主要研究電磁力，或者說(shuō)是研究磁場(chǎng)和電場(chǎng)的一個(gè)學(xué)科。麥克斯韋對(duì)電磁理論的貢獻(xiàn)是里程碑的，他提出了電磁場(chǎng)的方程組，并發(fā)現(xiàn)了其實(shí)光就是電磁波。電磁學(xué)描述了所有的電學(xué)現(xiàn)象。

經(jīng)典力學(xué)，是以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)。它研究物體是如何運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)它們連接在一起的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么，比如在齒輪、建筑或橋梁。

流體力學(xué)是研究流體（包括液體、氣體和等離子體）是如何流動(dòng)的科學(xué)。利用流體力學(xué)就可以計(jì)算出飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生的升力是多少，以及汽車的空氣動(dòng)力學(xué)是怎么運(yùn)作的。流體力學(xué)是出了名的難，因?yàn)樵谖⒂^尺度，分子的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜和快速的。而這就需要混沌理論。

混沌理論是對(duì)一個(gè)巨大的復(fù)雜系統(tǒng)的描述。初始狀態(tài)非常微小的差異是如何導(dǎo)致最后結(jié)果的巨大不同。

熱力學(xué)則是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科。熱力學(xué)包含了熵的概念，它描述了系統(tǒng)的有序和無(wú)序，以及告訴我們不同能量類型有多有用。

這些就是經(jīng)典物理學(xué)的全部了，在1900年代，我們對(duì)宇宙的理解都基于這些物理學(xué)分支。在那個(gè)時(shí)候物理學(xué)家認(rèn)為宇宙中所有東西的運(yùn)作就像時(shí)鐘，只要你能夠準(zhǔn)確的測(cè)量，你就能夠預(yù)測(cè)未來(lái)。

但是，并不是所有的問(wèn)題都得到解決，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)/觀測(cè)中看到了一些無(wú)法解釋的事情。比如天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)水星環(huán)繞太陽(yáng)的軌道有著牛頓力學(xué)無(wú)法解釋的擾動(dòng)；同時(shí)，在微觀尺度，電子和光子也發(fā)生了一些怪異的事情。物理學(xué)家認(rèn)為這些問(wèn)題很快就會(huì)得到妥善的解決，而在尋找答案的這個(gè)過(guò)程中卻引來(lái)了一場(chǎng)革命——相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。而兩個(gè)學(xué)科的出現(xiàn)也徹底地改變了我們對(duì)宇宙的理解。

愛(ài)因斯坦無(wú)疑是史上最偉大的科學(xué)家之一，他提出了狹義和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論預(yù)言，對(duì)于所有的觀測(cè)者，光速都是不變的。這意味著當(dāng)你運(yùn)動(dòng)的非?？斓臅r(shí)候，奇怪的事情開(kāi)始發(fā)生了，比如時(shí)間變慢了。同時(shí)，愛(ài)因斯坦也將能量和質(zhì)量通過(guò)著名的方程 E=mc2 聯(lián)系了起來(lái)。

在相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦將從前認(rèn)為完全是不同的空間和時(shí)間聯(lián)系在一起，稱為時(shí)空。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力其實(shí)就是時(shí)空的彎曲。用一句話解釋愛(ài)因斯坦的引力理就是：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)?！?/p>

相對(duì)論是描述宏觀世界的理論，而其他物理學(xué)家則忙于理解對(duì)微觀尺度的量子世界進(jìn)行研究。

原子理論專注于探索原子的本性，原子的結(jié)構(gòu)也逐漸得到了完善，從一個(gè)帶正負(fù)電的小球（梅子布丁模型），到電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)（盧瑟福模型），到能量等級(jí)（玻爾模型），再到電子云（量子力學(xué)模型）。

凝聚態(tài)物理是研究固體和液體中的原子在一起的量子行為的學(xué)科，許多現(xiàn)代高科技都依賴它，比如計(jì)算機(jī)、激光和量子信息等。

核物理研究原子中的原子核的行為，解釋了輻射、在核電站中運(yùn)用的核裂變，以及在太陽(yáng)中正在進(jìn)行的核聚變。物理學(xué)家希望在不就的將來(lái)能夠?qū)⒃诘厍蛏辖ㄔ旌司圩儼l(fā)電站。

粒子物理學(xué)則是研究更基本的問(wèn)題，粒子物理學(xué)家在加速器中尋找構(gòu)成萬(wàn)物的亞原子粒子，或者一些未發(fā)現(xiàn)的新離子。目前粒子物理學(xué)中最成功的理論被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。

量子場(chǎng)論是量子力學(xué)和狹義相對(duì)論相結(jié)合的物理理論，被廣泛應(yīng)用在粒子物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)中。這是目前描述宇宙最好的理論。不幸的是，量子場(chǎng)論并不包括引力。物理學(xué)家還不知道怎么將量子物理和廣義相對(duì)論結(jié)合，這就表示我們還有一片未知的鴻溝。

物理學(xué)家希望能夠找到一個(gè)描述所有物理現(xiàn)象的理論，稱為量子引力，而量子引力可以幫助我們填補(bǔ)這片鴻溝。已經(jīng)有許物理學(xué)家在這條道路上奮斗，他們發(fā)展了弦理論、圈量子引力及其他理論。但是量子引力并不是我們唯一無(wú)法理解的，我們還對(duì)構(gòu)成宇宙95%的暗物質(zhì)和暗能量也是一無(wú)所知。所有已知的物理都只描述了宇宙中的5%，剩下對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大的謎題。還有許多其它的未解之謎，比如大爆炸，而超過(guò)這個(gè)我們甚至不知道我們不知道什么。

雖然有許多物理學(xué)家嘲笑哲學(xué)，但是有許多大哲學(xué)問(wèn)題促使了物理的發(fā)展。比如真實(shí)的本性是什么？為什么宇宙會(huì)存在？我們有自由意志嗎？等等，這些都是大問(wèn)題，我們或許有或許永遠(yuǎn)沒(méi)有答案，但沒(méi)人任何理由可以阻止我們?nèi)ふ掖鸢浮?/p>

這就是物理學(xué)地圖的全部。

Walliman 想要傳達(dá)的是關(guān)于物理學(xué)的一個(gè)重要事實(shí)：當(dāng)科學(xué)家解開(kāi)一個(gè)謎題時(shí)，比如運(yùn)動(dòng)定律或電磁學(xué)，他們的發(fā)現(xiàn)往往是打開(kāi)了新的謎題。例如，經(jīng)典力學(xué)所面臨的問(wèn)題直接導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。

最后，記住，雖然這張地圖顯示了所有的物理學(xué)分支。但這或許僅僅只是一張完整地圖的冰山一角，還有更大的一部分等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。