四大力學
基礎理論課程
理論物理四大力學由傳統的《理論力學》、《電動力學》、《量子力學》和《熱力學與統計物理》組成,它是本科生在普通物理的基礎上,為了進一步把感性認識提高到理性認識而必須學習的基礎理論課程,在物理系本科生的基礎課教學中佔有核心的地位。
理論物理本身具有概念抽象、數學工具覆蓋範圍廣的特點,其中理論力學以分析力學為核心,以完美的理論體系描述了粒子的機械運動,同時也為學習其它理論課程鋪路。熱力學與統計物理是凝聚態理論的基礎理論,熱力學總結了物質的宏觀熱現象(如壓強、溫度、體積的變化,物體間的能量轉換等),而統計物理則從微觀的觀點(即認為物質由原子、分子組成,這些粒子間存在著相互作用)對宏觀熱現象作出了解釋。電動力學以麥克斯韋方程為核心,以簡潔的理論形式,高度概括了與電和磁相關的物理現象(包括電磁波的傳播)。而量子力學講述支配微觀世界的規律,由於在21世紀人類對自然界的探索(如對生物過程的研究)將更多、更深入地在微觀的層次進行,量子力學的重要性是不言而喻的。
鑒於我國部分高校物理系將相對論列入專業課當中,有時也將四大力學與相對論統稱為“五大力學”。
討論經典力學問題。用分析力學(即拉格朗日力學和哈密頓力學)的觀點處理牛頓力學問題,並加入混沌等較新的內容。
電動力學是研究電磁現象的經典的動力學理論,它主要研究電磁場的基本屬性、運動規律以及電磁場和帶電物質的相互作用。同所有的認識過程一樣,人類對電磁運動形態的認識,也是由特殊到一般、由現象到本質逐步深入的。人們對電磁現象的認識範圍,是從靜電、靜磁和似穩電流等特殊方面逐步擴大,直到一般的運動變化的過程。
(鑒於不同文獻作者編寫思路不盡相同,以下歸納僅供參考)。
第一部分 電動力學的基本理論
這部分系統闡述電動力學的基本原理、理論方法及其應用。先從幾個守恆定律和電磁波的知識出發,對電磁相互作用的局域場論和電磁波性質形成一個整理的了解。接下來學習勢的概念,及規範變換與規範不變性等相關理論,以及相對論電動力學,以便於與近代物理的銜接。
第二部分 介質電動力學
這部分是電動力學基本理論在介質中的應用。從物理本質上來說,各類介質顯示出來的宏觀電磁(光學)效應,尤其是非線性效應,決定於介質內部的微觀結構和一定的外部條件(環境溫度、作用場強和頻率等),其中的動力學機制,只有通過量子理論才能解決。經典電動力學結合一定的宏觀唯象模型,只可以在某種程度上近似描述介質中的電磁現象。這部分主要包括:介質中的場方程和邊值問題,有介質存在時電磁波的傳播,以及電動力學對超導體、等離子體和晶體的電磁性質的描述。
相對論是關於時空和引力的理論,主要由愛因斯坦創立,依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化,它們共同奠定了現代物理學的基礎。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念,提出了“同時的相對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。
量子力學的基本原理包括量子態的概念,運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。
該部分是研究熱運動的規律和熱運動對物質宏觀性質的影響。熱力學是熱運動的宏觀理論,用“唯象”的方法,迴避了宏觀物體的微觀結構,使用有限的宏觀量(如溫度、能量、體積、熵、比熱等)來描述,這種描述的基礎是能量守恆等幾個來自實踐經驗的宏觀基本規律(熱力學第零~第三定律)。統計物理是熱運動的微觀理論,它用統計的方法去處理複雜的微觀運動,認為物質的宏觀性質可看成是大量粒子運動的集體表現,宏觀量是微觀量的某種統計平均值。熱力學和統計物理是針對宏觀和微觀這兩個極端情形發展起來的,是相輔相成的。