來源：創意工坊實驗室微信公眾號（ID：AtelierCreatif），原文來自《科學大眾》，作者：李登仟。
物理學家費曼曾說過「一杯葡萄酒蘊含著整個物理學世界」。一杯葡萄酒怎麼可能蘊含著浩瀚的物理世界呢？擁有對未知世界充滿好奇的你，是否知道我們這個現實世界怎麼運作的呢？
2017年10月3日，美國的三位物理學家因在引力波探測方面的突出貢獻，而獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。其實，不管是如此高大上的引力波還是蕩漾在湖水中的水波紋，它們都遵循著各自美妙的物理定律。到底有多妙不可言，接下來讓我們一探究竟。
圖1 雙黑洞合併，引起時空的漣漪——引力波
經典物理學
物理學的框架大致可以分為經典物理學、相對論和量子力學。一般而言，我們把19世紀末以前的物理學都稱為經典物理學，它主要是由伽利略、牛頓、麥克斯韋和玻爾茲曼等人建立起來的；而相對論又可以分為狹義相對論和廣義相對論，這絕大部分都是愛因斯坦建立起來的；至於量子力學，它主要是由普朗克、海森堡、薛丁格和泡利等人所創建的。
在經典物理學中，可細分為經典力學、光學、天文學、流體力學、熱力學和電磁學。
經典力學主要由伽利略和牛頓打頭陣，最著名的便是牛頓三定律了。如今，我們生活環境中運動的物體都無時無刻在遵循著牛頓三定律，打個比方來說，當我們用手拋出籃球時，在不考慮空氣阻力的情況下，我們可以根據牛頓力學精確的算出你是否能投中籃筐。
光學主要是由惠更斯和牛頓發展起來的，不過他們兩個是冤家，因為惠更斯主張光具有波動性，而牛頓則認為光是具有粒子性。從光的反射和折射現象的確能讓光具有粒子性的學說站住腳，但是光的衍射、干涉等現象卻說明了光的波動性。儘管他們的觀點最終都被德布羅意的「波粒二象性」所終結，但是由牛頓和惠更斯發展的幾何光學卻影響著物理學的進程。
圖2 光的色散（光通過三稜鏡後散射出五顏六色的光）
伽利略通過一塊凹透鏡和一塊凸透鏡之城折射式望遠鏡，從而將人類的視線引向了宇宙，牛頓通過三稜鏡，將自然光分解成了五顏六色的光，三原色的面紗逐漸被揭開。而列文虎克則通過對一塊鏡子不斷研磨，製成了放大鏡，打開了微觀世界的大門。
提及天文學，首先應該提及牛頓和開普勒，開普勒的三定律加上牛頓的萬有引力定律讓人們知道了為何月球對地球不離不棄，為何地球上有春夏秋冬。
圖3 月球繞著地球公轉
當有飛機從天上飛過時，我們應該慶幸於流體力學真的起作用了。直升飛機可以依靠著牛頓第三定律——力的作用是相互的，通過螺旋槳高速旋轉向下推動氣流獲得反作用力而飛行，但是具有固定翼的民航客機或戰鬥機卻是依靠著伯努利原理——流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大，來獲得向上的升力，進而展翅翱翔在天際。當然流體力學的應用不止於此，還有小到液體的各種計量儀器，大到海洋環流的監控預測。
圖4 依靠壓強差翱翔的飛機
民以食為天。每當我們吃到熱騰騰的飯菜時，我們卻未曾想過，飯菜是通過燃氣加熱的物理機制。當燃氣點燃時，火焰中大量高速運動的分子便開始猛烈的撞擊鍋具底部，組成鍋具的分子受火焰分子的撞擊也開始躁動起來，鍋具內部表面開始發燙（其實是鍋具的分子狂亂的運動），這時，組成飯菜的分子受鍋具內表面的分子撞擊也開始活躍起來，飯菜便由冷變熱了。液態的水經過高溫可以對大米不斷的「轟擊」，讓飯菜軟化，多餘的水則逃逸了。所以，熱力學影響著我們的溫飽啊！
最後，粉墨登場的便是電磁學啦！說起電磁學，我們不應該忘記法拉第和麥克斯韋啊，前者從實驗上證明了電磁可以相互轉換，後者從理論上做出了完美的解釋並預言的電磁波神一樣的存在。當麥克斯韋預言了電磁波存在後，赫茲便在實驗室中證實了它的存在，而貝爾則將電磁波運用到了電話通信上了。
圖5 通電螺線管（中學最常見的電磁研究對象，通有電流的螺線管產生磁場）
咋一看來，有了經典物理學，我們的衣食住行已經完全可以得到保證了，但是似乎好像天上的衛星，地上的手機電腦等並未提及。別急，有兩朵烏雲把它們帶來了。這兩朵烏雲是什麼呢？一朵被稱為「紫外災難」，一朵被稱為「以太漂移實驗」，前者導致了量子力學的誕生，後者導致了催生了相對論的誕生。
相對論
當人們談論到相對論的時候，最先想到的應該是愛因斯坦。的確，不管是狹義相對論還是廣義相對論，都是由愛因斯坦一手創建的。
狹義相對論適用於高速運動的情況，尤其是微觀粒子的高速運動。這裡的高速是指粒子的運動速度能夠接近光速，當粒子的速度接近光速的時候，相對論效應便會顯現出來。比如粒子的尺度變短，時間變慢，質量增加等等。當然，對於核物理來說，如果沒有狹義相對論的產物——質能方程，我們或許永遠不知道居里夫人的鐳是怎麼衰變的，也不知道太陽能如何能長期不斷地向外輻射如此巨大的能量，地球上也不能通過核力發電了。
圖6 太陽內部發生的核反應為太陽提供了源源不斷的能量
提及廣義相對論，人們的目光應該會轉向近年來LIGO所探測到的引力波。為什麼引力波一經發現，就在全世界範圍內引起軒然大波呢？因為引力波是作為廣義相對論的最後一塊尚未被證實的拼圖，另外引力波的探測能夠讓我們從以往只能依靠天文望遠鏡觀測宇宙，轉變為可以通過引力波來探測宇宙中星體的分布。更重要的是，黑洞這個只吸收光卻不輻射光的物體無法通過光學望遠鏡探測到，卻可以通過引力波來探測到。
廣義相對論作為描述物質間引力致使時空彎曲的一種理論，而牛頓的萬有引力定律在不太精確的程度上仍然適用，只不過用廣義相對論來描述引力更加精確而已。
圖7 太陽的質量使周圍的時空彎曲，讓地球繞著自己公轉
量子力學
最後出場的應該是改變人類文化進程的重量級嘉賓了——量子力學。對於物理學專業的學生來說，他們之間常常流傳著這樣一句話：不自量力的含義是什麼？不要自學量子力學！費曼也曾說過，「如果有人對量子力學不感到困惑，那麼他一定沒有懂量子力學」。就連愛因斯坦也曾因對量子力學的機率性感到迷惑不解而認為「上帝不會擲骰子」。讓人捉摸不透的量子力學，造就了諸如半導體、石墨烯、超導體等材料，我們今天使用的手機、電腦、量子衛星、粒子加速器等，都是量子力學的現代化產物。
圖8 墨子號量子衛星
量子力學大致可分為粒子物理學、凝聚態物理學、量子場論（這樣分為三大類有些粗糙）。粒子物理學研究的是粒子的本身的結構以及粒子的最基本單元；凝聚態則是研究許多原子分子聚集成液體或固體而表現出來的集體行為；而量子場論則是將狹義相對論和量子力學結合起來，作為一個數學工具來給粒子物理學和凝聚態物理學使用。
如今，只要是電子產品，都會涉及到量子力學的產物——半導體。不管是手機還是電腦上的主板，都會有集成電路，而半導體滲入到集成電路的每一個角落。半導體不僅僅可以導電，它還可以發電，屋頂上的太陽能面板就是依靠著半導體矽吸收太陽光而發電的。
圖9 半導體集成電路
毫無疑問，半導體是作為凝聚態最具有代表性的產物，但是凝聚態遠不止於此。半導體滲入到我們的生活中，我們才能如此接近量子力學的產物，而作為粒子物理學最具代表性的產物——大型粒子加速器和對撞機來說，離我們就遙遙不可及了。
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