物理学研究领域



天文物理学

天文物理学是研究宇宙的物理学,这包括星体的物理性质(光度,密度,温度,化学成分等等)和星体与星体彼此之间的相互作用。应用物理理论与方法,天文物理学探讨恒星结构、恒星演化、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题。由于天文物理学是一门很广泛的学问,天文物理学家通常需要应用很多不同的学术领域,像经典力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等等。

原子、分子及光物理学

原子物理学、分子物理学及光物理学都是在研究尺寸为单原子或少数原子结构的物质,其与别的物质之间或与光波之间的相互作用。这三个研究领域会被合并在一起讨论,是因为它们之间的密切关系:它们都使用类似的方法,所涉及的能量尺寸也很相近。

原子物理学研究原子的结构和性质,即环绕着原子核、束缚于原子内部的电子的排列方式,排列所产生的现象与效应,以及促使排列改变的过程。当今的研究焦点为个体原子和离子在离子阱内部的囚禁冷却与操控、低温碰撞动力学、电子关联对于结构与动态的效应。原子物理学与核子有关,例如超精细结构。

分子物理学专注于研究分子的物理性质以及将原子结合为分子的化学键性质。它和原子物理学密切相关。分子物理学中最重要的实验方法是光谱分析。除了从原子得知的电子激发态以外,分子可以旋转与振动。由于这些旋转与振动具有量子性质,伴随的能级也是离散的。纯旋转运动光谱位于红外线谱域(波长大约为30-150微米);振动光谱位于近红外线谱域(大约为1-5微米);电子跃迁光谱则位于可见光和紫外线谱域。从测量旋转运动和振动光谱,可以获得分子的物理性质,例如,原子核与原子核之间的距离。原子物理学的原子轨域理论,在分子物理学里,扩展为分子轨域理论。

光物理学研究电磁辐射的生成与性质、电磁辐射与物质之间的微观相互作用,特别是其控制与操纵。从微波到X射线,横跨整个电磁波谱,对于每一个频率,研究者尝试开发出具有更优良性质的发光源。研究者也会对于各种线性或非线性光学过程做详细分析。光物理学的研究成果,时常会促成通讯业、制药业、制造业甚至娱乐业的惊人进展。

粒子物理学

粒子物理学研究组成物质和射线的基本粒子,以及它们之间的相互作用。由于在大自然的一般条件下,许多基本粒子不存在或不单独出现,物理学家使用高能量粒子加速器来制成这些基本粒子,因此粒子物理学也被称为高能物理学。

标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这模型能够计算12种已知的粒子(夸克和轻子),彼此之间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子(分别为胶子、光子、W及Z玻色子)。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。

凝聚态物理学

凝聚态物理学研究物质的宏观物理性质。凝聚态指的是由大量粒子组成,并且粒子间有很强的相互作用的系统。常见的凝聚态有固态和液态,这是由原子与原子之间的化学键和电磁力形成的物态。比较罕见的凝聚态包括发生于非常低温的系统里的超流体和玻色-爱因斯坦凝聚态、在某些物质里的传导电子展现的超导态、在某些磁性物质内部因为原子晶格的自旋而出现的铁磁态和反铁磁态。

凝聚态物理学起源于十九世纪固体物理学和低温物理学的发展,是现代物理学最大的分支,与化学、材料科学、纳米科技有相当程度的重叠。