力学

力学是物理学的一个分支，主要研究能量和力以及它们与物体的平衡、变形或运动的关系。人们在日常劳动中使用杠杆、打水器具等等，逐渐认识物体受力，及平衡的情况。古希腊时代阿基米德曾对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等，作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学，即平衡理论的基础，古希腊科学家亚里斯多德也提出作用力造成运动的主张，即物体不受力，必将停止。自文艺复兴之后，科学革命兴起，伽利略的自由落体运动规律，以及牛顿的三大运动定律皆奠定了动力学的基础。力学从此开始成为一门科学。此后弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。到20世纪初，在流体力学和固体力学中，实际应用跟数学理论的互相结合，使力学蓬勃起来，创立了许多新理论，同时也解决了工程技术中大量关键性问题。力学主要可分为经典力学及量子力学。若以发现的时间来看，经典力学较早被发现，启源于牛顿的三大运动定律，量子力学则是20世纪初才由许多科学家所创立。经典力学主要研究低速或静止的宏观物体。开普勒、伽利略，尤其是牛顿是经典力学的奠基人。量子力学应用范围较广，不过主要是针对微观的物质。根据对应原理，量子数相当大的量子系统可以与经典力学中的行为模式相对应，使得量子力学及经典力学不会相冲突。量子力学可以解释及预测分子、原子及基本粒子的许多行为。不过针对一般常见的巨观系统，若使用量子力学会复杂到无法处理粒子间的交互作用，因此，巨观系统透过经典力学的方式处理仍较为恰当。量子力学将力学延伸到经典力学以外的范围，而爱因斯坦的广义相对论及狭义相对论也将原来牛顿及伽利略的力学扩展到更大的范围。在物体速度接近光速时，因相对论而产生的效应会主导物体的行为，也会使其速度不会超过光速。量子力学也需要配合相对论进行修正，量子场论就是量子力学和狭义相对论的结合。不过量子场论和广义相对论目前仍无法整合，这是大一统理论希望可以克服的问题。在力学中，常用到一个名词“物体”。物体可能是质点、抛体、太空船、星体、某些流体、某些固体、某些机械或某些土木建筑。力学中的一些分支也和所探讨的“物体”特性有关。例如质点就是小的物体，在经典力学中只视为一个有质量的点。而刚体有固定的大小及尺寸，不允许形变，和质点比较，刚体增加了一些称为自由度的参数，例如在空间中的方向。物体也有可能是可允许形变的半刚体，如弹性体，或者根本没有固定的形状，如流体。这些物体可利用经典力学的方式研究，也可以利用量子力学来分析。例如一颗棒球的运动常使用经典力学来分析，而原子核内质子及中子的行为则通常会用量子力学来描述。在物理学的研究中，也有用“场”来描述物质的行为，称为场论。其描述方式和力学使用的方式有些不同，可分为经典场论及量子场论。不过在实务上，场论及力学要探讨的内容常常有密切的关系。例如作用在物体上的力常常是因为电磁场或重力场而产生，而当物体对其他物体产生作用力时，也常常会产生场。事实上，若以量子力学的观点，物体也是场，可以用波函数来描述。