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如果你平时喜欢思考，那么在观察生活和大自然的时候，这些问题可能会经常萦绕在你的心头：
水是由什么组成的，为什么会流动？
云彩为什么会浮在天空而人不行？
我们能否回到过去？
宇宙到底有多大？星辰距离我们有多远？我们能看到宇宙的边界吗？
从宏观到微观，从宇宙到原子，这些问题都是我们在观察现象的过程中总结出来的。事实上，这些现象从何而来，是物理学要研究的问题，也是物理学要回答的问题。
什么是物理？用一句话讲，物理学是研究物质结构、相互作用及其运动规律的基础学科。物理学的英文名Physics一词由拉丁文Physica演变而来，而Physica源自古希腊文
，就是“自然”的意思。
“物理”这一名词的中文起源，还要追溯到明代，在西学影响下方以智所著的《物理小识》这本书。这本书以百科全书的形式收集整理了天文、地理、博物、医药等属于自然科学范畴的知识。在这本物理学史典籍的语境中，物理泛指事物之理，内容甚广，并非当今物理学的意思。
虽然这本书也被收入《四库全书》，不过其在当时的中国并非声名显赫的名作。但这本书以一种曲折的方式影响至今。彼时日本正处于江户时期，引入了大批汉文西书，其中就包含这本《物理小识》。书中包罗万象的自然科学名词进入日语词汇，如“蒸馏”“恒星”“乘除”“经纬”等，而书名中的“物理”一词，也不再被理解为自然科学和人文科学杂糅的万物之理，而是真正被视为自然科学的总称。此后，日本人将Physics一词译为“物理”，后重新传入中国。
提起物理，在今天中国许多大学的物理学院或者物理系的宣传介绍中，会提及类似“格物致知”的标语和口号，源自《大学》：“致知在格物。”清末学者将Physics翻译为“格致学”或“格物学”也有一定道理。
按照教育部学科分类，物理学作为一级学科，下辖理论物理、粒子物理与原子核物理、原子与分子物理、等离子体物理、凝聚态物理、声学、光学、无线电物理等二级学科。其中涉及的领域不仅从微观到宏观，也从理论到应用。
不过在17世纪前，物理还主要是从生活的体验中发现和总结规律。古希腊时期，人们把所有对自然的观测和思考统称为自然哲学，这里面包括现在的物理学、化学、天文学、地学、生物学等。从解释物质基本构成的四元素说、原子说，到利用双脚和太阳丈量地球半径的测量实践，再到托勒密构建的细致庞大的地心说……人类对于天空星辰运动的预测和畅想从未间断。现今我们虽然知道这些学说中大部分都不一定对，但依旧可以看出古希腊人对于归纳总结自然规律的朴素探索。
从生活观测中发现和总结规律，浮力定律就是一个现成的例子。
有一年，国王请金匠用纯金打造了一顶王冠。王冠做好以后，国王怀疑金匠有可能造假，掺了银在里面，就请阿基米德前来鉴定。对古希腊人而言，要在不破坏王冠的前提下对其进行鉴定，这当然是一个非常难的问题。阿基米德一开始也一筹莫展，不知道怎么解决。有一天，他在洗澡的时候坐进了浴盆，里面的水位上升了，于是这个现象启发了他。他就想，如果把王冠放在水里，上升的水位就应该正好等于王冠的体积。所以只要拿与王冠重量相等的金子放到水里，看看它们的体积是否相同，就能判别是否有假。
阿基米德想到这里，高兴地从浴盆里跳了出来，赤身裸体地跑了出去，边跑还不停地喊：“Eureka！Eureka！”（意为“我发现了”。）
后来阿基米德在这一发现的基础上进一步发展出浮力定律，也就是我们在中学时学的定律：物体在液体中所受的浮力等于物体所排开液体的重量。
物理学从哲学中分化出来还是最近几百年的事。至少在牛顿时代，科学和哲学还是一家。我们知道牛顿有一本非常著名的作品《自然哲学的数学原理》（ Mathematical Principles of Natural Philosophy ），你现在所能见到的牛顿三大定律、万有引力定律乃至高中课本中会出现的运动的合成与分解、力的合成与分解等知识，这本书都有涉及。但这本书的内容呈现方式迥异于现在的物理教科书乃至物理论文专著，将经典力学的相关知识以一个个定理和推论的方式进行编排。如果真的想要找一本与之类似的书，比起在物理学或自然科学范畴内寻找，它更像是《几何原本》（ Elements of Geometry ）之类的数学书。
而且我们可以从书名里的“自然哲学”看出来，这里并没有任何一个物理的词。甚至在书的序言中，牛顿自谦地说这只是在“致力于发展与哲学相关的数学”—— “如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上”。
到了今天，各个大学的理学博士生在完成学业课程和研究，取得博士学位以后，可以被称为Ph.D.，也就是哲学博士（Philosophiae Doctor）。在一些英语国家，取得博士学位者可根据自身偏好，将Dr.（博士）放在自己的名字之前或在名字后接Ph.D.。虽然如今理学和哲学已经分家，但之前的历史渊源仍旧能由此管中窥豹。
对于自然哲学时代的物理研究，人们更注重的仍旧是哲学的思辨，而不是现代意义上的科学。在那个文艺复兴刚开始的年代，物理研究还受到了来自宗教的巨大束缚。任何一个与宗教信念不同的观点，都很难被大众接受。
比如从古至今，人们都对天上的星辰充满了浓厚的兴趣和好奇心。屈原《天问》中的“日月安属？列星安陈？”表达了古人对于日夜变换、星辰运动最纯真的好奇和探索精神。在西方，古希腊人认为地球是宇宙的中心，而恒星犹如镶嵌在以地球为圆心的同心圆上，环绕地球运动。托勒密将这一观点进一步完善和体系化，提出了本轮和均轮概念，进一步地解释了行星逆行的现象。在这样的宇宙观下，行星在小圆上运动，这个小圆被称为“本轮”，而本轮环绕地球运动，此轨道被称为“均轮”。因为这样的模型和天主教教会的世界观相吻合，所以地心说理论深入人心。文艺复兴时期，人们制造出了望远镜，以前所未有的视角重新观察星空。面对越来越多更加精确的天文观测结果，本轮和均轮对于行星运动的解释变得越来越羸弱，不堪重负。
打破来自宗教的束缚，也正是从16世纪文艺复兴发生的地方开始的。人们在思想与方法上有了新的突破，而这种突破也带动了欧洲科学的启蒙。所谓思想的突破，我们现在已经非常熟悉了，哥白尼提出日心说，认为地球不是宇宙的中心，地球作为行星之一要围绕太阳运动。他的学说最终推翻了托勒密的地心说，打响了科学思想革命的第一枪，而科学方法的突破则起源于实验科学方法的建立，这一突破最终释放了人类对于物理学领域范畴内，乃至整个科学领域范畴内的研究潜力。
科学方法的突破要归功于两个人。一个是英国哲学家培根，他是归纳法的创始人，也被誉为“科学方法之父”。他从哲学上认证了科学实验的重要性，认为科学研究应该使用以观察和实验为基础的归纳法，而不是基于宽泛的、未经证实的猜想和推测。关于归纳法，虽然大家感觉这个名词可能有些陌生，但其实我们在日常生活中经常不知不觉地使用它。比如夏天的时候，我们经常观察到午后天空会慢慢阴下来，昆虫在地面低飞，接下来往往就会下雨。经过日积月累的观察总结，人们创造了“江猪（乌云）过河（天河），大雨滂沱”之类的俗语并代代流传，这就是人类知识的来源。
另一个人则是实验科学的开创者伽利略，他被誉为“现代科学之父”。伽利略由于捍卫日心说而受到教会的迫害，直到20世纪90年代，准确来说是1992年才得到平反。伽利略通过实例展示了实验方法对科学研究的重要性，强调要使用实验和观测所得到的证据验证假设的正确性。
伽利略一生研究成果颇丰，比如为人所熟知的木星的四颗卫星的发现。值得一提的是，他创立的实验和数学有机结合的科学研究方法，对现代科学的发展产生了更为深远的影响。比如惯性原理的发现就一举挑战了横亘在人们心中上千年的认知，开阔了后世科学家的视野。
惯性，是一个大家在生活里经常能注意到的稀松平常的现象。我们投篮时，手掌推动篮球，篮球应声入网；我们踢球时，面对球门临门一脚，足球飞向球门死角。物体在脱离了施力对象以后，仍能往前运动一段距离并最终停下来，这似乎就是“惯性”。事实上，早在2000多年前，中国著名的思想家、科学家墨子就曾经说过：“止，以久也。”翻译过来就是阻力作用让运动的物体停止， 如果没有阻力，物体会永远运动下去 。这其实也是我们现在所说的惯性原理。
在亚里士多德的《物理学》（ Physics ）一书中，他将物体只受重力时下落运动的快慢（也就是速度的大小）归结于与物体的重量和流体的密度大小相关。他认为下落速度和物体的质量成正比，和所处流体的密度成反比，也就是重的物体会比轻的物体下落更快。物体要运动就必须施力，如果不对物体施加力的作用，运动就会停止。这当然和惯性原理并不一致。事实上，伽利略所总结的惯性原理也并不是之前的1000多年学界的主流观点。伽利略的双斜面实验（见图1-1）让人们的认识迈出了突破性的一步。
图1-1 双斜面实验示意图
伽利略并不认可亚里士多德的观点，并通过实验来证明这个观点是错的。他为此做了非常著名的双斜面实验。伽利略设置了两段光滑的斜面轨道，中间用一段弧面连接，金属小球可以在其上从一端向下滚动，然后再向上运动到另外一个斜面轨道上。在实验过程中，伽利略注意到小球从斜面轨道滚下去，并最终回到最高点的过程中，小球在终点处与地面的相对高度和小球在起点处与地面的相对高度是一致的。当然，我们现在知道，这是因为小球的势能在向下滑动的过程中转换成动能，再在上升阶段转换成势能，由于整个过程能量守恒，因此终点和起点的高度必须是一样的。
上述实验并不是整个实验的全部。伽利略接着做实验，他把右边的斜面轨道放得比较平一点，让它的斜率变小，减小与水平地面间的倾角。这时候再做实验，让金属小球从一侧斜面轨道滚下去，然后从另一侧斜面轨道滚上去，这个时候小球滚的距离更长了。但是他发现当最后小球到了最高点，它与地面的相对高度依然跟起点处是一样的。他接着想，如果在实验的过程中继续减小斜面轨道与水平地面的倾角，把右侧斜面轨道放下去直至放平，那么实验结果会怎么样？小球从左边斜面滚下去以后，再继续向前走，它将永远不会停下来。
通过这个实验，伽利略证明了即使物体不受外力作用，它也会保持原来的运动状态不断地运动下去。物体之所以停下来，是因为它受到地面的摩擦力。这就是惯性原理，也就是牛顿第一定律的内容。
让我们重新把话题拉回到刚开始讨论的日心说。日心说在刚被提出的时候并没有那么完美，运动的大地和静止的太阳，一切都不符合人们的“直觉”。尽管哥白尼早就总结出日心说的思想，但直到他生命走到终点前最后几个月，才开始准备出版。而且当时的哥白尼其实也并没有办法回答“为什么大地在运动，空气也要跟随大地一起运动？”“运动的地球为什么不会土崩瓦解？”之类的问题。甚至因为最初的日心说假设地球绕太阳运动的轨道是正圆形，其对于天文现象的预测和解释也比不上地心说来得精确。日心说真的对吗？时至今日我们重新回顾这段历史，依旧能感受到其中的惊心动魄。这一切的谜底还需要等到开普勒发现行星运动三定律（即开普勒定律），牛顿建立起经典力学体系之后才能揭晓。
同样，归纳法也不是完美无缺的，英国哲学家罗素曾经提出过著名的“归纳主义者火鸡”。罗素借此陈述归纳法的局限性以及对于滥用归纳法的批判。虽然看似前进得颤颤巍巍，但我们其实并不惧怕哪天这座科学大厦会轰然倒塌。经由大量科学实验而观察、分析、总结得到的定律仍旧适用于我们的生活，这些实验构成了整座大厦的地基，稳如磐石。随着认识的深入、技术手段的进步，我们会发现越来越多原来的理论不适用的场景，就像相对论、量子力学之于牛顿力学，越来越多的定律需要被改写，人类也借此不断地扩充对大自然的认识。
科学正是这样不断地前进着。
人们对物理学家，或者科学家的想象大致可以分为两类：第一类，穿着白大褂穿梭在高精尖的实验设备中，这些实验设备上的数字在不时地变换，闪烁着神秘的光；第二类，枯坐在桌子前，面前堆积着厚厚的草稿纸，上面写满密密麻麻的公式和符号，他们的大脑中产生一条又一条定理。尤其是人们对于后一类形象的想象，经过众多科幻小说和电影的渲染，更是夸张到无所不能的程度。
虽然物理学是一门实验学科，但在部分实验条件达不到的情况，利用想象力来“完成实验”，其实倒未尝不可。比如大家调侃时经常提到的“薛定谔的猫”，就是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1935年提出的思想实验。他指出在宏观物体上使用量子力学的诸多诠释之一——哥本哈根诠释可能会产生一定问题。还有诸如麦克斯韦妖、EPR佯谬、双生子佯谬等思想实验，都对物理学中人们对于概念的澄清和认识产生了十分积极的作用。
而将思想实验应用在科学研究中，并确定其在科学研究中的作用，仍旧是由伽利略完成的。比如，他通过实验验证自由落体运动和物体的质量无关，而且是加速运动。
在科学史上有一个非常著名的故事，在比萨斜塔上同时把质量不相同的两个球扔下去，结果它们会同时落地。虽然在很多书中都把这个故事的主角写成伽利略，但是经过考证并不是伽利略。虽然历史上并没有这个实验，但伽利略曾经做过另一个和这个相关的实验。实验是这样设置的，假想存在两个物体，其中的一个比另一个更重一些，两个物体中间用轻质的绳子连接，两者一起从高塔的上方被释放，从而做自由落体运动。如果我们认同前文所述的亚里士多德的观点，自由落体运动时质量大的物体下落得更快，那么绳子将很快被拉直，从而给下方原本应该下落更快的重物拉力，使得质量大的物体速度减慢；但是假如把两个物体看作一个整体，整体的重量比起每一个的单个物体都会更大一些，下落速度应该更快才对，由此导出矛盾。
上述思想实验设置精巧，看起来无懈可击，但这一切并不是偶然。在看似偶然的发现中，科学家往往付出了极大的心力，这些发现其实都有一定的必然性。早在牛顿之前，伽利略就已经注意到了加速度和运动的关系。而且在思想实验被提出之前，伽利略针对这个问题其实已经进行了大量的实验探索。
我们都听说过伽利略在单摆上的发现。他在教堂中静坐等待时发现，教堂顶部挂着的吊灯会在风的吹拂下左右摇摆。虽然吊灯摆动的轨迹不尽相同，但是在与自己的脉搏做对比之后，他发现无论摆动的距离为多少，吊灯摆动一个来回的时间总是对应着大致相同的脉搏跳动次数，也就是说吊灯的摆动周期总是固定一致的，而和吊灯的大小、形状没有关系。
在发现吊灯运动规律之后，伽利略将上述现象抽象为单摆，针对单摆进行了一系列的研究，最终证明摆长是影响单摆摆动周期的唯一因素。在伽利略的著作《关于两门新科学的对话》（ Dialogues Concerning Two New Sciences ）中，他借书中主人公之口，说出了自己单摆实验的研究结论： “铅制钟摆和软木钟摆具有不同的质量，而其他方面类似。比较这两个实验中小球的运动情况，质量不同似乎并不对运动本身产生影响。”
伽利略还做过另外一个斜面实验。这个实验仅需要一个倾斜的轨道，伽利略在斜面上方释放小球，观察小球滚动的距离随着时间如何变化。他发现小球的运动距离和运动时间的平方成正比。现在我们知道，这实际上是牛顿第二定律的一个推论。他并没有满足于这个结论，在进行该斜面实验时，将原本的实验用球换成另外一个轻一点的球——质量不一样。在同样的实验条件下，他发现无论小球的质量是多少，在相同的时间里，这两个球走过的距离都是一样的，与质量无关。他接着把斜面抬高一些，让它的倾角变得更大，发现结果依然是这样。于是他想，假如把斜面竖直，那么让两球同时滚下，也就是自由下落，两者会同时落到地上。这个结论同样启迪伽利略挑战亚里士多德的观点，提出上述思想实验。
关于思想实验，在历史上还有另一个例子——相对性原理的发现。这也是后来爱因斯坦在建立狭义相对论和广义相对论时使用的最基本的原理之一。这个原理的发现不是通过实物实验，而是通过思想实验。伽利略想象，如果一个人被关到一个平稳运行、没有窗户的船舱里做物理实验，比如自由落体实验，球被松开后落到船的地板上。那么，球运动需要多少时间、最终落在什么位置等结果，其实和船是不是在运动没有关系。换句话说，船舱中的人无法通过实验判断船是静止的还是保持匀速直线运动的。
这个思想实验更深层次的含义在于物理定律应该放之四海而皆准，对于一切参考系保持相同的形式，无论是以地面为参考系，还是以运动的船舱为参考系。这就是相对性原理。
随着科学思想与研究方法的突破，人们对于自然界的认识变得越来越完善。如牛顿所言“站在巨人的肩膀上”，在汇总整合众多前人研究的基础上，牛顿创建了微积分这一分析工具，终于建立了经典力学体系。
牛顿力学包括两部分，第一部分是牛顿运动三定律。 第一定律 ，也就是 惯性定律 ：如果施加于某物体的外力为0，则该物体的运动状态保持不变。 第二定律 ，也就是 加速度定律 ： F=ma ，物体的加速度大小跟它所受的作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。 第三定律 是 作用力与反作用力定律 ：当两个物体相互作用于对方时，彼此施加于对方的力大小相等、方向相反。通过对物体进行受力分析，将牛顿第二定律所给出的方程和系统的约束条件联立起来就能完整求解得到系统的运动。
牛顿力学的另一部分是万有引力定律：两个质点之间所受的万有引力，和它们之间距离的平方成反比，而和它们两者质量的乘积成正比，比例系数 G 被称为“万有引力常数”。表示为：
因为与其他相互作用相比，物质之间的万有引力实在太过微弱，所以万有引力常数的测量殊为不易，时至今日其仍然是测量精度最低的物理学常数之一。
牛顿基于开普勒的行星运动三定律，利用微积分总结得到万有引力定律。万有引力定律的建立是物理学的第一次统一。虽然恒星之间相互作用力可能是平方反比的这一猜想，在牛顿提出万有引力定律之前就已经存在了，但大家并不知道如何证明，更不能把地面上受到的重力与太阳和地球之间的引力联系起来，而牛顿把这两种看似尺度完全不一样、截然不同的力统一在一个理论框架里。这是一件非常重要的事情！他第一次通过天文观测与丰富的天体力学计算证明了这个物理学规律是普适的。
当然，这里同样有一个很有名的故事，一个有关苹果树的故事。牛顿22岁时，正好遇到英国暴发瘟疫。为了躲避瘟疫，他从求学的剑桥回到老家林肯郡。一天，当他在院子里散步时，突然看到有苹果从树上掉下来。这实际上是司空见惯的一件事情，却引起了他的注意。他想：苹果为什么是直接落到地面，而不是斜着掉的，也不是往上去的？
这个观察当然很简单，却启发了牛顿思考引力与重力之间是否存在着某种联系。他想到苹果之所以往下掉，是因为它受到来自地球重力的作用。假如重力并不是局限于地球表面附近，而是可以作用于距离很远的星辰，比如月球，会怎么样？他意识到苹果受到的力和地球受到的太阳引力实际上是一种力，因此这种力就被称为“万有引力”。
而在牛顿力学建立之后，物理学也迎来了快速发展的阶段。特别是在18世纪和19世纪，法国的物理学家库仑发现了静电相互作用的规律（即库仑定律）：两个点电荷之间的相互作用力与它们之间的距离平方成反比，和所带电量的乘积成正比。静电相互作用的规律和万有引力非常相似。在几乎同一个时代，位于丹麦的奥斯特深信电场和磁场之间一定存在着某种物理上的关联。他发现当导线通电后会产生磁性，使得周围的磁铁发生偏转。
这个结果令人十分振奋，奥斯特发表他的电生磁这一著名实验结果的时间是1820年7月，而到了9月，这个消息传到了法国。物理学家安培兴奋异常，立即开始进一步的研究。得益于深厚的数学功底，安培在后来总结出了电生磁的基本规律——安培环路定律。
尽管库仑和安培两位科学家都在法国，但是他们并没有意识到这两个规律之间更进一步的联系。
这个联系最终是被谁发现的？在上述定律被提出之后又经过了几十年，英国物理学家法拉第才最终揭示了磁生电的秘密。他发现，在一个用导线绕成的闭合线圈里通过一块磁铁，那么在线圈里最终会产生电流。与之类似，假如磁铁保持不动而让线圈运动，在线圈内部同样会产生电流。这就是电磁感应定律，补上了之前人们对于电场和磁场关系中缺少的一块拼图。由此，法拉第的发现把安培和库仑发现的电和磁的关系统一了。
虽然此时人类对于电和磁的认识似乎已经比较到位了，但其实一直在盲人摸象，难以一窥全貌。比如电磁感应定律告诉我们变化的磁场可以产生电场，奥斯特发现的电生磁却是恒定的电流可以产生恒定的磁场，看似相同的规律其实中间依旧存在着巨大的鸿沟。在法拉第的鼓励下，英国物理学家麦克斯韦把这些独立的规律总结成了一组方程组，称之为“麦克斯韦方程组”，这是一组非常漂亮的数学公式。而且基于这个方程组，麦克斯韦预言，光，也就是我们现在看见的光，其实是一种电磁波，由此他把光和电磁波现象也统一了。
到了19世纪末，前面我们介绍的牛顿力学、电磁学都发展得非常完善。实际上在同一时期，热学、光学等领域的发展同样如火如荼，物理学的发展似乎有了一种达到巅峰的感觉。此时的学术界盛行一个观点，好像物理学的大厦已经建成了，下面只需要做一些装修就够了。
现在我们教科书中的很多物理大家，当时实际上持有类似的观点。比如著名的美国物理学家迈克耳孙就这么认为：“虽然肯定不能确定物理学的未来没有比过去更令人惊讶的奇迹，但似乎大多数宏伟的基本原理已经牢固确立……物理学未来的发现将要从第六位小数点上去找。”
而在大西洋的彼岸，同一个时代还有一位德国的著名物理学家——普朗克。在普朗克18岁选择专业进入大学学习时，他的老师就劝告他说：“在物理学这个领域，几乎所有的发现都已经完成了，剩下的只是填补一些不重要的洞。”普朗克回复：“我并不想开辟新天地，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”
正当大家感觉物理学好像已经走到头的时候，两朵乌云却悄然飘来。在1900年4月27日，著名物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会进行了一场后来广为人知的演讲。他一上来就做了一个大胆的判断。他断言：“热和光是运动模式的优美和清晰的动力学理论，目前被两朵乌云笼罩。”结果一语成谶，后来这两朵乌云发展成为颠覆经典物理体系的相对论和量子力学。
那么，到底是哪两朵乌云？其中一朵乌云来自“要从第六个小数点寻找新发现”的迈克耳孙。他和莫雷合作进行了一个非常有名又十分精巧的实验——迈克耳孙-莫雷实验。实验装置架设在一个1米见方的厚石板上，并且为了尽可能消除外界的影响，利用水银让整块石板悬浮起来。迈克耳孙认为地球上的光速会随着地球在宇宙中位置、速度的不同而发生变化。他设计这个实验的初衷是观察到这种变化，从而确认以太的存在。实验结果令他始料未及，虽然否定了他之前的想法，但实际上奠定了相对论的基础。相对论的诞生是物理学史上一件非常重要的事情，是爱因斯坦的杰作。相对论基于两个看似十分简单的物理原理： 相对性原理 ，也就是物理定律在一切坐标系中都具有相同的形式； 光速不变原理 ，光速在所有坐标系中都是一样的。最终它居然把时间、空间和引力都统一在了一起。
另外一团乌云则是黑体辐射。黑体辐射的难题在于经典理论根本无法解释全部的实验现象。后来，普朗克为了从理论上解释黑体辐射，提出了量子论的假设，“并不期望开辟新天地”的他，成了发现“量子新大陆”的第一人。虽然量子理论仅适用于原子尺度的微观世界，但它其实离我们的生活非常近。比如，量子力学实现了把物理和化学统一在一个理论框架下。课本上经常能看到的元素周期表，就可以用量子力学解释得非常好。量子力学让我们理解为什么锂离子电池的锂元素和食盐中的钠元素化学性质如此相像。同一族里的元素一般都具有非常相似的化学性质——因为物理和化学研究的原子和电子，都符合量子力学的规律。
当然，颠覆的过程并非一蹴而就，量子力学的发展来自一大群人集体的贡献，这里面包括前面提到的德国物理学家普朗克、丹麦物理学家玻尔、德国物理学家海森伯（他提出与量子力学等效描述的矩阵力学时才20多岁）、奥地利物理学家薛定谔、英国物理学家狄拉克、德国物理学家玻恩等。当然还有一些你觉得可能有点意外的人的名字，也包括爱因斯坦。玻恩与中国颇有渊源，他培养了四位非常优秀的中国学生，其中程开甲先生和彭桓武先生是我国“两弹一星”功勋奖章获得者。还有两位，一位是半导体物理学家黄昆先生，另一位是核物理学家杨立铭先生。
回望历史，每一次科学思想的突破，其实不仅意味着颠覆，更是新的开始。从16世纪到现在，物理学的发展大致经过了两个阶段。第一个阶段是经典物理学的发展阶段，从16世纪开始到19世纪结束，经典物理学包括经典力学、声学、光学、热力学和电磁学等。20世纪以后，现代物理学肇始于相对论和量子力学的发现。如今，现代物理学已经成为包括广义相对论、量子场论、粒子物理、核物理、原子分子物理、凝聚态物理、等离子体物理、量子信息等领域在内的一门庞大的学科。
从宏观到微观，从宇宙到原子，人们对自然界的认识日渐丰富。什么是物理？参考答案的可选项正快速增加，物理学的内涵也正变得丰富且多样。我们可以很乐观地预见物理学仍会快速地发展，相信在未来，还有越来越多新的分支会不断出现。