量子力学
虽然物理学的各个部门有不同的实验方法和理论方法,特定的一般原则适用于所有人。当代的前沿物理学的进步在于亚微观的制度,无论是在原子、核、凝聚态,等离子体,或粒子物理,或者在量子光学,甚至在恒星结构的研究。都是基于量子理论(例如,量子力学和量子场理论),相对论,一起构成了现代物理学的理论基础。许多物理量的经典同行不断变化可能值的范围在量子理论约束不连续,或者离散值。此外,在经典物理学的内在确定性特征值是在量子理论所取代内在不确定性。
根据量子理论,电磁辐射并不总是由连续吗波;相反,它必须被作为一个粒子光子的集合,在某些情况下能源和每个被直接正比于其势头频率(或成反比波长光子仍然拥有一些波状的特征)。相反,电子和其他对象时出现粒子在经典物理学被量子理论赋予了类似波的性质,这种粒子的量子波长动量成反比。在这两种情况下,比例常数是行动的量子特征(行为被定义为能量×时间)——也就是说,普朗克常数除以2π,或者ℏ。
原则上,所有的原子与分子物理,包括原子及其结构动力学,元素周期表和它们的化学行为,以及光谱,电,和其他物理性质的原子,分子,可以占到凝聚态,量子力学。大致说来,电子的原子原子核周围必须符合一些吗驻波(给出的薛定谔方程)类似的上海浪把小提琴和吉他弦。决定了波长的量子波,它必然决定了它能量状态。因此,原子系统局限于特定的离散,或量化的能量。当一个原子发生不连续过渡或量子跃迁,其能量变化突然大幅量定义,和一个光子的能量释放出来,并且未被阻挡,当原子的能量减少,或相反的吸收情况。
虽然原子能量可以大幅定义,电子在原子的位置不能,量子力学只给电子的概率有一定的位置。这是一个的结果特性,量子理论有别于其他物理方法,不确定性原理德国物理学家维尔纳·海森堡。这一原则认为,测量一个粒子的位置增加精度必然增加了不确定性,因为粒子的动能,反之。终极程度的不确定性是由普朗克常数的大小,这是如此之小,除了在微观结构没有明显影响。在后一种情况下,然而,因为一个粒子的位置和速度或动量必须清楚一些即时来预测其未来的历史,量子理论排除了这种特定的预测,从而逃脱决定论。
波和粒子方面的互补,或波粒二象性,材料的电磁辐射和粒子提供不确定性原理的另一个例证。当一个电子展品波浪般的行为现象的电子衍射,这个不包括同样表现出粒子行为的观察。同样的,当电磁辐射光子与物质相互作用的形式,如康普顿效应在x射线光子与电子相撞,结果就像一个粒子碰撞电磁辐射波的性质是杜绝。的互补的原则,由丹麦物理学家宣称尼尔斯·玻尔开创了原子结构理论,指出自身物理世界呈现出不同的形式互补图片,没有人本身是完整的,所有的这些照片是必不可少的我们总理解。因此波和粒子的照片需要理解电子或光子。
虽然处理概率和不确定性,量子理论成功地解释着实难以进入的原子现象和在每个实验测试到目前为止会议。其预测,特别是那些的QED,是最精确和最好的检查任何物理学;他们中的一些已经测试并发现准确比十亿分之一。
相对论力学
在经典物理学,空间是构思具有绝对的空阶段,随着时间的流动起独立事件自然发展;事件同时发生一个观察者为其他被假定是同步的;质量被认为是不可能创造或毁灭;和一个粒子获得足够的能量可以无限制的增加的速度。的狭义相对论开发主要是通过阿尔伯特·爱因斯坦在1905年和现在所以充分证实了实验物理定律的状态,表明所有这些,以及其他明显明显的假设,是错误的。
具体的和不寻常的相对论效应流直接从爱因斯坦的两个基本假设,这是制定的所谓的惯性参考系。这些是参考系统,移动的方式艾萨克·牛顿的第一定律惯性定律,是有效的。的惯性系由那些集以恒定的速度彼此(加速帧因此被排除)。爱因斯坦的假设是:(1)所有的观察者,无论他们的状态吗运动相对于光源、测量相同速度光;(2)物理定律在所有惯性系都是相同的。
第一个假设,持之以恒的光的速度是一个实验事实,遵循独特的相对论现象的空间(或收缩Lorentz-FitzGerald收缩),时间膨胀,同时性的相对性:以一个观察者认为是静止的,一个物体在运动是简约的方向运动,和移动时钟运行缓慢;两个空间分离事件同时对于静止的观察者发生顺序移动的观察者。因此,在三维空间间隔空间与时间间隔有关,形成所谓的四维时空。
第二个假设是相对论的原理。它是在古典同样有效力学(但不是在经典电动力学,直到爱因斯坦重新解释)。这个假设意味着,例如,乒乓球在一列火车以恒定的速度就像乒乓球运动玩火车在休息,休息和运动身体无法区分。在相对论动量和能量等机械量形式不同于古典同行但给相同的值的速度与光速相比非常小,最大允许速度在自然界(大约300000公里每秒,或每秒186000英里)。根据相对论,质量和能量是等价的,可以互换,所表示的等价爱因斯坦著名的质能方程E=米c2,在那里米一个物体的质量和吗c是光速。
的广义相对论是爱因斯坦的万有引力利用万有引力的等效的原则和当地加速参照系。爱因斯坦的理论具有特殊的数学之美;它概括了狭义相对论的“平”时空概念的曲率。现代宇宙学理论形成的背景。与莎士比亚一些流行的概念,混淆了道德和其他形式的相对主义,爱因斯坦的理论并不认为”都是相对的。”相反,它在很大程度上是一个理论基于那些不改变的物理属性,或者,在的语言理论中,是不变的。
守恒定律和对称性
从现代物理学的早期,有守恒定律国家,某些物理量,如总电荷一个孤立系统的身体,不改变的时间。在20世纪已经证明在数学上,这种法律遵循的对称自然的属性,如物理定律表示。的保护转换的一个孤立的系统,例如,遵循物理定律的假设可能依赖于时间间隔,但不是法律应用的特定时间。对称性和守恒定律,从现代物理学家都被看作是更基本的法律本身,因为它们能够限制法律的可能形式,提出了未来。
守恒定律是有效的在经典、相对论和量子理论的转换,动量、角动量和电荷。(分别在非相对论物理,质量和能量是守恒的。)动力,直接量等于一体的质量乘以速度或总质量乘以速度两个或两个以上的物体的质量中心,是守恒的,只有当,没有外部力行为。类似的角动量旋转运动有关,是守恒的系统中没有净的旋转力,叫道转矩,行为。外力和力矩打破对称条件,相应的守恒定律。
在量子理论中,特别是在基本粒子理论,有额外的对称性和守恒定律,一些完全和其他人只有约有效,在经典物理学没有显著作用。其中包括所谓的保护量子数与左右反射(称为对称的空间奇偶校验)和对称的运动(称为逆转时间反转)。这些量子数守恒以外的所有进程弱力。
其他对称特性没有明显相关的时间和空间(也称为内部对称性)描述不同家庭的基本粒子,通过扩展,他们的复合材料。夸克举个例子,有一个属性称为重子数,一样质子,中子、核和不稳定夸克复合材料。所有的这些除了夸克被称为重子。重子数守恒的失败将展览本身,例如,通过一个质子衰变成轻非重子粒子。事实上,密集的搜索这些质子衰变了,但到目前为止,它已经徒劳。类似的对称性和守恒定律的类似地定义的轻子数量,他们也出现,重子的法律保护,绝对。
基本力和字段
自然界的四种基本力,为了增加力量,被认为是:(1)粒子之间的引力质量;(2)粒子电荷或之间的电磁力磁性或两者兼而有之;(3)颜色夸克之间的力、强大的力量;和(4)的弱相互作用,例如,夸克可以改变自己的类型,这样一个中子衰变为质子,一个电子和一个反中微子。强大的力量,结合质子和中子在原子核和负责裂变,融合和其他核反应原则上由色彩的力量。核物理相关量子色作为化学是原子物理学。
根据量子场理论,每个四种基本的相互作用介导的交换广达电脑,称为向量规玻色子具有某些共同特征。都有一种内在的自旋一个单位,测量的普朗克常数ℏ。(轻子和夸克自旋1/2单位。)规范理论研究了集团或李群的转换,使基本的量子物理学场不变的。李群,19世纪的挪威数学家命名的索菲的谎言,具有一种特殊类型的对称和连续性第一个有用的研究微分方程在光滑的集合管(一个抽象的数学建模的空间物理过程)。这种对称首次出现的电磁势的方程,电磁场可以派生的数量。它是由八个质量拥有在纯形式胶子量子色,但在电弱理论——电磁和弱相互作用的统一理论interactions-gauge对称部分坏了,所以只剩下光子质量,与其他规范玻色子(W+W−,Z)获得大量。理论物理学家继续寻求进一步统一和电弱理论和量子色,更加雄心勃勃,统一引力的量子版本的力量将会通过两个单位的质量量子自旋引力子。