梳理學科發展脈絡，有助于我們認清學科現狀、展望學科未來。物理學的歷史非常悠久，我們不可能面面俱到。我們只是從牛頓開始，牛頓之前的許多開創性工作都不得不省略。
20世紀之前物理學的三大綜合
從17世紀到19世紀，物理學經歷了三次大綜合。牛頓力學體系的建立標志著物理學的第一次綜合，第二次綜合是麥克斯韋電磁理論的建立，第三次綜合是熱力學兩大定律的建立和相應統計理論的發展。
第一個綜合——牛頓力學
17世紀，牛頓力學形成了完整的體系。可以說，這是物理學的第一次大綜合。牛頓把天上行星的運動和地上蘋果下落的運動總結為一條定律，建立了所謂的經典力學。至于蘋果落下啟發牛頓的故事有沒有歷史依據，那是另一回事，但它說明了人們對形象思維的偏愛。
牛頓力學的建立
牛頓實際上建立了兩條定律，一條是運動定律，一條是萬有引力定律。運動定律描述了物體在力的影響下如何運動；萬有引力定律描述了物體之間的基本相互作用。牛頓將這兩個定律結合在一起應用，因為行星的運動或地球上拋射體的運動受到重力的影響。牛頓從物理學中總結出這兩個重要的力學定律的同時，也發展了數學，成為微積分的發明者。他使用微積分和微分方程來解決機械問題。
由運動定律建立的運動方程可以具體地用數學方法求解，這體現了牛頓力學的強大之處——它解決實際問題的能力。例如，要計算一顆行星的軌道，只需根據牛頓給出的物理思想和數學方法求解運動方程即可。
根據行星當前在其軌道上的位置，可以估計出行星在數千年前或預計未來數千年的位置。海王星的發現充分體現了這一點。當時，人們發現天王星的軌道偏離了牛頓定律的預期。問題出在哪里？后來發現天王星軌道之外有一顆行星對天王星產生了影響，導致天王星的軌道偏離了預期的軌道。隨后人們利用牛頓力學估計了行星的位置，并在預期位置附近發現了海王星。這說明牛頓定律是非常成功的。
根據牛頓定律寫出運動方程。如果初始條件——物體的位置和速度——已知，你就可以在未來的任何時刻求出物體的位置和速度。這一思想被拉普拉斯概括并表述為普遍決定論：由于構成世界的所有粒子在某一時刻都有特定的位置和速度，并且它們都遵守一定的規律，那么世界上任何后續的粒子都會出現這種情況。完全確定，無一例外。這就是拉普拉斯決定論。它與宿命論的思想不謀而合，但又不同于我們在日常生活中的感受（我們經常遇到不確定的、不可預測的情況）。這個富裕問題直到20世紀才得到解決。
牛頓力學的新表述
19世紀，經典力學的發展表現為科學家以新的、更簡潔的形式重新表達牛頓定律，如拉格朗日方程、哈密頓方程等。這些表達形式不同，但本質沒有改變。這是19世紀牛頓力學發展的一個方面。另一方面，牛頓定律推廣到連續介質的力學問題，出現彈性力學、流體力學等。在這方面，20世紀出現了更大的發展，尤其是流體力學，最終導致了航空甚至航天的出現。因此，牛頓定律直到今天仍然非常重要，牛頓定律仍然是大學課程中不可或缺的一部分。當然，它的表現方式應該隨著時代的發展而變化。
牛頓對力學的研究成果寫成了一部巨著，名叫《自然哲學的數學原理》。只要翻一下書，你就會發現它非常難懂。牛頓的一個重要貢獻是從萬有引力定律和運動定律推導出行星運動的軌道。現在，在學習理論力學時，行星運動的橢圓軌道問題并不是太難，可以通過求解微分方程來解決。但牛頓在《自然哲學數學原理》中并沒有使用微積分，更沒有使用求解微分方程的方法，而是純粹使用幾何方法來推導橢圓軌道。
現代科學家可能無法理解他的東西。理論物理學家費曼曾說過，他在現代數學方面比牛頓強得多，但他不一定掌握了牛頓在17世紀所熟悉的所有幾何學。他花了很多時間試圖用牛頓的思想來證明所有行星的橢圓軌道，但他仍然無法證明一些聯系。最終他不得不調整自己的做法。雖然沒有完全遵循牛頓法，但基本上用幾何方法證明了這個問題。
科學理論的表達隨著時間的推移而變化?，F在看來，牛頓運動定律的關鍵方面，例如行星的橢圓軌道，應該可以在普通物理學中教授，因為簡單的微分方程已經可以通過計算機求解。由于計算機的發展，也許以后在講授牛頓定律時，可以在課堂上講清楚行星運動橢圓軌道的一些基本概念。
不可積問題
牛頓定律取得了巨大的成功，并且具有完全確定的規律性。但它與拉普拉斯決定論到底有什么關系呢？這是值得探討的。
另外值得一提的是所謂的三體問題。單體問題是最簡單的。物體在固定的中心力場中運動。二體問題并不復雜。這是兩個物體相互吸引的運動問題。結果是兩個物體都圍繞質心移動。大質量物體的軌道較小，小質量物體的軌道較大。如果加上另一個物體，即三個物體之間存在吸引力，它們的運動規律就是天體力學中著名的三體問題。天體力學中的軌道計算涉及三體問題，通常通過攝動理論來解決，即將第三個物體的影響視為攝動。例如，地球和太陽是二體問題，月球加在一起就構成了三體問題。月球對地球軌道也有影響，但這種影響很小，可以用攝動法來處理。當三個物體不能被視為擾動時，它就是三體問題。
在19世紀，三體問題是天體力學中非常引人注目的問題。為了解決太陽系的穩定性問題，當時的挪威國王設立了獎金。該獎項最終頒給了法國著名數學家龐加萊。龐加萊證明三體問題是無法解決的，或者更確切地說是不可積的。對于有解的運動方程，位置和時間之間的關系最終可以表達為積分。在最理想的情況下，這個積分可以通過積分得到。即使無法求出積分，至少也可以表示為定積分。這是物理學中常見的可積性問題。
大學物理課程教授的內容幾乎總是局限于可積問題，例如行星的運動和擺系統中擺的運動。這類可積問題的規則是確定的，計算出的軌道也是確定的。一旦知道了初始條件，接下來的所有情況就可以一一推導出來。
如果問題不可積，像龐加萊證明的三體問題，情況就完全不同了，就會出現所謂的對初始條件的敏感性。如果是可積問題，初始條件需要稍作調整，最終軌道只需要稍作修改；如果是不可積問題，初始條件的微小變化就會導致軌道完全不同。中國有句古話——差之毫厘，失之千里。這意味著有些情況對初始條件敏感。
通過對三體問題的研究，發現有些運動對初始條件極其敏感。如果說 20 世紀經典力學有一些發展，其中之一就是 20 世紀 40 年代和 1950 年代發展的 KAM 理論。在可積和不可積之間，存在一個近可積區域。 KAM 理論討論了這個近可積區域的運動定律。 KAM理論是由前蘇聯科學家柯爾莫哥洛夫提出的
(AN)、阿諾德 (VI) 和瑞士科學家莫澤 (JK Moser) 證明了這一點。
20世紀力學的另一個發展是20世紀70年代出現的混沌理論，它表明不可積系統中粒子的軌道是不確定的。換句話說，雖然牛頓定律本身是確定性的，但它所描述的具體事物很可能表現出隨機性。這樣看來，拉普拉斯的決定論是站不住腳的。人對初始條件的控制能力是有限的，不可能無限準確。因此，初始條件的微小變化可能會導致運動軌跡完全不可預測。這說明經典力學的內容非常豐富，其中有些內容還有待進一步探討。
第二綜合——麥克斯韋電磁理論
歷史上，電和磁是分別發現和研究的。后來又發現了電與磁的聯系，如奧斯特（HC）發現的電流磁效應和安培發現的電流與電流相互作用定律。后來法拉第提出了電磁感應定律，使電和磁融為一體。
19世紀中葉，麥克斯韋提出了統一電磁場理論，實現了物理學的第二次大綜合。電磁定律和力學定律之間有一個完全不同的點。根據牛頓的假設，力學中考慮的相互作用，尤其是引力相互作用，都是遠距離相互作用，不存在力傳遞的問題（當然，從現代的角度來看，引力也應該存在傳遞問題），而電磁相互作用是場相互作用。從粒子的遠距離作用到電磁場的相互作用，概念上發生了很大的變化。場效應突出顯示。
電場和磁場的不斷相互作用導致電磁波的傳播，這一點已被赫茲在實驗室中證實。電磁波不僅包括無線電波，實際上還包括非常廣泛的頻譜，其中重要的一部分就是光波。過去光學是完全獨立于電磁學而發展的。麥克斯韋電磁理論建立后，光學成為電磁學的一個分支，電、磁、光統一。
這種統一在技術上具有重要意義。發電機和電動機幾乎都是基于電磁感應。電磁波的應用催生了現代無線電技術。迄今為止，電磁學在技術中一直發揮著主導作用。因此，電磁學在基礎物理學中始終保持著重要的地位。
電磁學涉及觀察問題的參考系統，并涉及移動導體的電動力學。直觀地講，電流的流動，即電荷的流動，會產生磁效應，但判斷電荷是否流動就涉及到觀察者的問題——參考系的問題。光學是電磁學的一部分，所以這個問題也可以表達為光的傳播與參考系之間的關系是什么。邁克爾遜-莫雷實驗表明，真空中的光速在慣性系中是不變的。這樣就證實了電磁學在慣性系統中也遵循同樣的定律。這實際上導致了愛因斯坦的狹義相對論。狹義相對論基本上是電磁學的進一步發展和延伸。邁克爾遜-莫雷實驗在19世紀還無法得到清楚的解釋。這是19世紀遺留下來的一個重要問題。
物理學第三綜合——熱力學基本定律
物理學的第三次綜合始于熱力學，它涉及大量物體的運動定律。
這個綜合涉及到熱力學的兩個基本定律——熱力學第一定律和第二定律，即能量守恒定律和熵不斷增加原理。這兩條定律決定了熱力學的基本定律，但人們不滿足于簡單、宏觀地描述物理現象，于是發展了分子動力學，從微觀角度解釋氣體狀態方程等宏觀定律。與此同時，玻爾茲曼的經典統計力學也成立了。
進行這些研究是為了了解物質的性質，特別是熱力學性質。這一領域的發展促進了物理學和現代化學的發展。一些具有實證主義哲學傾向的學者，如E.馬赫等人，對玻爾茲曼的原子理論進行了激烈的批評，形成了19世紀末物理學界的一場重大爭論：原子是否真實存在？ ，還是人們為了解釋問題而提出的假設？直到1905年愛因斯坦提出布朗運動理論并得到實驗證實后，這一點才得到充分解釋。原子論終于得到學術界的認可。
19世紀末，許多問題被提出，如黑體熱輻射能譜問題、多原子氣體比熱問題等，這些問題都無法用經典統計理論來解釋。
現代物理學-20世紀物理學
20世紀初，物理學取得了兩大突破：一是普朗克的作用量子概念，二是愛因斯坦提出的狹義相對論時空觀。
量子力學和相對論的建立
1900年，英國物理學家開爾文在贊揚19世紀物理學成就的同時指出：在物理學晴空的遠處，有兩朵令人不安的小烏云。這兩朵烏云指的是當時物理學無法解釋的兩個實驗，一個是黑體輻射實驗，另一個是邁克爾遜-莫雷實驗。正是這兩片烏云導致了量子論和相對論的誕生。
1905年，愛因斯坦在《論運動物體的電動力學》一文中系統地提出了后來被稱為狹義相對論的理論。之所以稱為相對論，是因為該理論的出發點是兩個基本假設。第一是相對性原理，即所有慣性系中物理定律都是相同的；二是真空中的光速無論處于哪個慣性系統中都保持不變。在該系統中，測量到的真空中的光速是相同的。這兩個假設并不矛盾。在所有慣性系統中貝語網校，麥克斯韋方程組都是相同的，因此在所有慣性系統中，真空中電磁波的速度必然相同，即光速。狹義相對論拋棄了牛頓的絕對時空觀，認為空間、時間和運動是相關的，并推導出質量與能量的簡單關系，以及高速運動物體的力學定律。這對于粒子加速器技術的后續發展至關重要。
1915年，愛因斯坦創立了廣義相對論，從而填補了經典力學的另一個漏洞，即無法解釋物體在強引力場中的行為。根據牛頓定律計算出的水星近日點進動量小于天文觀測值。廣義相對論是一種引力理論，認為引力是時空彎曲的結果。它很好地解釋了水星近日點的進動。廣義相對論預言，引力會引起光頻率的變化，即引力頻移。它還預測光會在引力場中彎曲。這些都已被天文觀測所證實。
盡管廣義相對論取得了巨大成功，但它對地球問題影響甚微。同時，它所使用的數學過于復雜，因此在普通物理學中往往不予討論。廣義相對論引入了物體的慣性質量和引力質量的概念。慣性質量和引力質量具有相同的值，這僅在牛頓力學中得到承認但無法解釋。愛因斯坦基于這兩個質量相等提出了等效原理。接受等效原理，慣性質量和引力質量自然相等。事實上，大量實驗已經證實，在一定精度內（比如10-9），兩者確實是一樣的。相對論將經典物理學推向了頂峰。
1900年，德國科學家普朗克提出了能量量子的概念。 1925年至1926年，海森堡和薛定諤最終建立了量子力學，解決了原子物理、光譜學等基本問題，取得了巨大成功。
此后，量子力學有兩個重要的發展方向。一是將量子力學應用到更小的尺度（例如原子以下）。原子的中心是原子核物理學家歷史，原子核是由中子和質子組成的，所以下一步就是將量子力學應用到原子核上。原子核經歷各種衰變，也可以經歷人工轉變。核物理學是在量子力學的指導下發展起來的。更進一步就是現代所謂的基本粒子物理學?；具@個詞通常只在一段時間內被認為是基本的?，F在人們相信物質的基本組成部分是最小的輕子、夸克、膠子和其他中間玻色子。
量子力學的另一個發展方向是利用量子力學來處理更大規模的問題，例如分子問題（即量子化學問題）以及固態物理或凝聚態物理中的問題。從研究對象規模來看，研究范圍越來越廣，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理、宇宙物理。奇怪的是，宇宙的研究與基本粒子的研究聯系在一起。兩個不同方向的發展，一波三折，終于再次走到了一起。
統一理論
在發展過程中，物理學逐漸加深了對相互作用的認識?，F在可以歸結為四種基本相互作用：引力、電磁、弱相互作用和強相互作用。引力和電磁相互作用是大家都熟悉的，而弱相互作用和強相互作用是短程的，基本上表現在原子核尺度上。一般來說，在大塊物質中，看不到弱相互作用和強相互作用的痕跡。
各種相互作用有強度差異。若強相互作用的強度為1，則電磁相互作用比強相互作用稍弱，約為10-2；較弱的相互作用就是弱相互作用。交互作用值約為10-13~10-19；引力相互作用在日常生活中似乎能感覺到，但它是最弱的，只有10-39。
物理學家一直試圖統一這四種力。愛因斯坦晚年幾乎用了半輩子的時間試圖統一電磁相互作用和引力相互作用。應該說，他的研究方向是對的，但并沒有取得實實在在的成果。真正取得進展的是量子場論。 20世紀30年代和20世紀40年代，量子電動力學的發展成功地解釋了電磁相互作用。 20 世紀 60 年代，量子色動力學被發展來解釋強相互作用。隨后，弱相互作用和電磁相互作用得到了統一，即溫伯格-薩拉姆電弱統一理論，向各種相互作用的統一理論邁出了成功的第一步。后來有人希望將強相互作用統一起來，稱之為大統一理論。大統一理論迄今為止缺乏實驗證據。
物理結構有不同的層次。隨著物質尺寸的減小，能量變得越來越高。根據電弱統一理論，原子尺度（10-10米）對應的能量約為10-2GeV。費米實驗室目前所能達到的最大加速器。為了建造更高能量的加速器，美國有超導超級對撞機（super super，SSC）計劃，設計能量為40太電子伏特。但這個計劃被否決了，因為成本太高，耗電超過100太電子伏特。十億美元?，F在可能建造的是歐洲大型強子對撞機（LHC），設計能量為14太電子伏特。電弱統一所需的能量現已觸手可及，因此該理論得到了證實。大一統所需的能量幾乎是遙不可及的，無論加速器有多大，似乎都無法達到如此大的能量。當所有四種相互作用統一時，相應的長度就是普朗克尺度，這可能無法使用人工方法實現。
現代宇宙學提出了大爆炸理論。大爆炸的時刻應該是能量最高的時刻。理論上估計普朗克尺度出現在大爆炸后大約10-43秒。此時此刻，四種互動統一在一起，這是一種超級合一的局面。隨著時間的推移，大爆炸后10-35秒，引力效應已經分離，這是大統一的情況；那么強互動就分開了，大團結也就瓦解了。
至于大爆炸理論，應該說是有其實驗基礎的。我們現在看到的宇宙正在膨脹。另外，根據大爆炸理論預測，現在應該存在所謂的3K微波背景輻射，這一點已經被觀測所證實。根據大爆炸理論計算出的各種化學元素的一些豐度分布也得到了天文觀測的證實。這種大爆炸理論基本上是一種物理理論，因此被稱為宇宙的標準理論。
在粒子物理領域，也有一個標準理論。基本粒子的夸克模型、電弱統一理論和色動力學理論相結合，形成了粒子的標準模型。這個標準模型至今依然無敵，所有的實驗事實都與這個標準模型一致。然而，如果能量進一步增加，實驗結果可能會偏離這個標準模型。物理學家希望測試和改進標準模型，這就是粒子加速器變得越來越大的原因。目前，粒子物理理論取得了巨大成就，但也存在一些問題。最重要的是能量無法增加。這個問題可以通過建造高能加速器，或者利用宇宙射線中的高能粒子來解決，這是近年來天體物理學中極其活躍和具有挑戰性的領域。
因此，現代物理學的研究領域非常廣闊，從最微小的基本粒子一直延伸到浩瀚的宇宙。顯然，在極小和極大的兩個極端處，存在著大片未開發的處女地。兩者看似截然相反，但在早期宇宙中卻辯證地趨同。需要強調的是，在物質結構的眾多層次中，隨著復雜性的增加，層出不窮的問題不斷出現物理學家歷史，給物理學家帶來了新的挑戰。比如玻色-愛因斯坦凝聚、超流性、超導性等。這些問題不僅在基礎理論上具有重要意義，而且還可能引發技術上的重大變革。
