19世紀中葉之前，物理學曾是完完全全的實驗科學。力學中的理論問題被認為是數學家的事。19世紀末，在當時處於世界物理學中心的德國的大學裡，開始設置理論物理學教授的席位，此後，隨著人類的認識能力逐步深入，逐步深入到不能靠直覺把握的微觀、高速宇觀現象，

　　20世紀初建立了狹義和廣義相對論，以及量子力學這些深刻的物理理論。到了20世紀中葉，物理學已經成為實驗和理論緊密結合的科學。20世紀後半葉由於電子計算機的發展，既改變了理論物理的工作方式，也擴大了實驗的涵義。

　　目前物理學已經成為實驗物理、理論物理、計算物理三足鼎立鼎力的科學。實驗提供的條件比自然界出現的更富變化和更靈活可控，而物理理論則給出了對自然界的數學描述。計算物理學是重要的新分支，有自己獨特的研究方法。計算機實驗可以提供比通常的實驗更為變化豐富和靈活控制的條件，不過通常需要用到超級計算機。

　　物理學中最重要的基本理論下面有5個:

　　牛頓力學或經典力學(Mechanics)研究物體的機械運動

　　熱力學(Themodynamics)研究溫度、熱、能量守恆以及熵原理等等

　　電磁學()研究電、磁及電磁輻射等等

　　相對論()研究高速運動、引力、時間和空間等等

　　量子力學(Quantum mechanics)研究微觀世界

　　後兩個理論主要是在20世紀發展起來的，通常認為是現代物理學的核心，以上理論中沒有一個被完全推翻過，也沒有一個永遠正確的。例如，牛頓力學在高速情形下，應該用狹義相對論代替;而對於強引力，它偏離於廣義相對論，但在它的適用范圍內仍然是精確的。科學的理論總是要發展的，需要根據新發現的事實進行修正。在教科書中隻介紹一種版本的做法很可能導致“理論是唯一的”這樣的觀念，事實上，理論決不是唯一的，科學理論往往在美學上令人賞心悅目，在數學上優雅而普適，但是僅僅有這些是絕不可能流傳下來的。理論和思想必須經受實驗的檢驗和驗證。物理學的理論和實驗在相互促進和豐富中得到發展。

　　一個沒有思想的實驗工作者可以發現無窮無盡的事實，不過毫無用處，理論家如果不受實驗檢驗這一約束也可能產生出極其豐富的思想，不過與大自然毫無關系而已。

　　通常科學研究的方法是:

　　通過觀測、實驗、計算機模擬得到事實和數據;

　　用已知的可用原理分析這些事實和數據;

　　形成假說和理論以解釋事實;

　　預言新的事實和結論;

　　用新的事例修改和更新理論

　　一個物理理論通常由以下幾個部分組成

　　概念，通常是抽象的、不能直接感知的

　　關於這些概念的數學表示(物理量)的假定

　　一個或一組方程，表示物理量之間的關系

　　物理概念的數學表示決不是天然存在的，比如用矢量表示速度，用標量表示溫度

　　基本的物理量是通過測量來定義的，稱此為操作性定義。

　　通過基本概念、基本物理量而得到的物理量稱作導出物理量。大多數物理量是導出物理量。單位或標準的數目也具有一定任意性。

　　國際計量大會(General Conference on Weight and Measure)選擇了少數幾個量作為基本量。

　　長度

　　米

　　m

　　質量

　　千克

　　kg

　　時間

　　秒

　　s

　　電流

　　安【培】

　　A

　　熱力學溫度

　　開【爾文】

　　K

　　物質的量

　　摩【爾】

　　mol

　　發光強度

　　坎【德拉】

　　cd

　　長度標準起初是標準米，它是國際計量局(the Bureau of Weights and Measure)保存的一個鉑銥(-iridium alloy)原器上兩個刻度間的距離。1960年第11屆國際計量大會決定采用原子標準，規定:1米為氪(Krypton)同位素(86Kr)發射特定的紅橙光(5d5-2p10)波長的1650763.73倍，1983年第17屆國際計量大會采用了真空光速

　　c=299792458m/s

　　這一常量來定出長度單位，規定:米是光在真空(1/299792458)s時間間隔內所經路程的長度。

　　長度測量儀是一個比較的過程，但決不是一件簡單的事情，觀察者如何測量相對於自身運動的物體呢?這需要采取特別的步驟，根據狹義相對論，長度與運動有關。在量子力學中，空間是量子化的，即離散的。很可能存在一個基本長度，它限制了經典的空間描述，據認為這一基本長度不小於10^(-35m)，典型的長度見表，大小相差10^(61)倍

　　哈勃半徑

　　10^26

　　m

　　地球半徑

　　6.4x10^6

　　m

　　人的典型高度

　　1.8x10^0

　　m

　　書頁的厚度

　　1x10^(-4)

　　m

　　氫原子半徑

　　5x10^(-11)

　　m

　　質子有效半徑

　　1.2x10^(-15)

　　m

　　弱電統一的特征長度

　　10^(-18)

　　m

　　普朗克()長度

　　10^(-35)

　　M

　　對於宇觀和微觀尺度，如下所示單位，但它們不是SI單位

　　天文單位(Astronomical Unit， AU)

　　1.49597870x10^11m

　　光年(light year，ly)

　　9.460530x10^15m

　　秒差距( ，parsec，pc)

　　3.261633 l.y.

　　埃(Angstrom，A)

　　1.0x10^m

　　1pc=1AU/【1〃(1°/3600〃)(π/180°)】

　　質量標準是鉑合金製作的圓柱形國際千克原器的質量，規定原子質量單位是:

　　lu=1.66053873(13)x10^(-27)kg=1/12 m12c

　　質量測量似乎也是很簡單的，我們可以用天平來稱量物體的質量，我們稱這樣測出的質量為引力質量，實際上天平是用來比較物體所受引力的大小的。

　　當我們認為質量是慣性的量度時，我們有衡量物體慣性大小的慣性質量，沒有理由認為兩者一定相等。實際上同一物體的引力質量和慣性質量彼此是相等的，在10^-11的精度下沒發現差別。

　　沒有理由反對說“質量也是與運動有關的”。靜止質量是物體和觀察者相對靜止時測得的質量。在微觀角度上，靜止的質量並不守恆。

　　在原子核的裂變和聚變反應中，釋放能量的同時總是伴隨著質量的減少，以光速運動的粒子其靜止質量為零。典型質量表如下，大小相差10^84

　　已知宇宙

　　10^53kg

　　銀河系

　　2.2x10^41kg

　　地球

　　6.0x10^24kg

　　人

　　6.0x10^1kg

　　灰塵

　　6.7x10^-10kg

　　煙草花葉病毒

　　2.3x10^-13kg

　　質子

　　1.7x10^-27kg

　　電子

　　9.1x10^-31kg

　　民用事件的單位是(平均太陽)秒，即一天(平均太陽日)的1/86400。1956年國際計量局規定1秒等於1900年1月1日0時整回歸年的1/31556925.9747。

　　1967年國際計量大會選擇銫原子(133Cs)兩個超級精細能級躍遷所對應的輻射的周期T作為時間間隔基準:

　　1s=9192631770T

　　秒與這一輻射的頻率的關系是

　　v=9192631770/s

　　時間與運動是密切相關的，事實上，鍾表只是記錄重複運動事件而已。就計時而言，我們同樣可以說運動的時鍾對我們靜止的時鍾快慢不一樣，從而雙胞胎之一如果作為星際飛行歸來的生物年齡將發生變化。

　　典型時間表大小相差10^60倍

　　宇宙的年齡

　　3x10^17s

　　地球的年齡

　　1.3x10^17s

　　人的平均壽命

　　2x10^9s

　　1天

　　8.6x10^4s

　　典型的分子旋轉周期

　　1x10^-12s

　　快速運動粒子穿越原子核的時間

　　3x10^-24

　　普朗克時間

　　10^-43s

　　真空光速以及下面兩個普適物理量非常重要:

　　普朗克常量 h-bar=h/2π=1.054571596(82)x10^-34J·s

　　引力常量 G=6.673(10)x10^-11N·m^2/kg^2

　　這些數值具有深刻的物理意義，例如，光速的值(確切地說其他速率和它的比值)決定了相對論效應是否明顯。

　　而普朗克常數量則與量子力學有關。

　　伽莫夫(Geroge Gamow)和斯坦納德(Russell Stannard)所寫的有關這方面的科普讀物《物理世界奇遇記(最新版)》為我們描述了在普適常量具有不同數值的奇異世界裡將是怎樣的景象，值得一讀。

　　幾何上，面積是(長度)^2，就說平面對象是2維的;體積(長度)^3，就說立體的對象是三維的。實際上2、3正是要研究的量，以此來描述它們和基本量之間的關系。

　　比如說速度是長度/時間，我們就說速度的量綱()是(長度)^1(時間)^-1。若以L、M和T分別表示3個基本量長度、質量和時間的量綱，則速度的量綱為dim v=LT^-1。哈勃(Hubble)常量H0是

　　H0=50～100km·s^-1·Mpc^-1

　　其倒數是時間量綱:H0^-1≈10^9～10^10a(a為年的符號)，這是宇觀問題的時間尺度，用光速乘以這一常量，得到哈勃半徑——可觀察宇宙半徑，量綱比起單位來更基本，它是檢查方程是否正確的基本手段。

　　無量綱的量常常有重要的應用。例如，流體力學中雷諾(Reynold)數Re=ρvd/n就是無量綱量，它的大小可以作為運動狀態的判據。另一個例子是等離子體參數T=Be^2/a，它是耦合強度的度量，事實上， 它是等離子平均勢能和運動動能之比。

　　無量綱量可以有單位，例如，行星軌道周期變短的速率的單位是秒/世紀。兩個時間單位不能約掉。在這裡我們可以看到量綱和單位是有聯系的，但是完全不同的兩個概念

　　在各個不同領域，我們常常用一些特征量作為單位來使得方程無量綱化。這樣的方程往往除了無量綱的變量以外隻包含一些數值常數，最多還包含極少數(例如一個)由這些特征量組成的無量綱量。因此，這樣的方程有較大的普遍性。

　　有些理論物理學家喜歡采用“自然單位”，他們把c、h-bar、me都取作1，在運算的結果中再將其恢復。我們可以用一定的量構成指定量綱的量或無量綱量。某些無量綱量，特別是用普適常量G、h-bar、c、e等構成的無量綱量，往往聯結著不同領域中的效應。

　　用三個普適常量G、h-bar、c構造一個長度量綱的量

　　lg=Gαhbarβcγ

　　於是dimGαhbarβcγ=L

　　籠統地認為近似總不如嚴格解的觀點是不可取的，正確地、巧妙地運用近似、是有經驗的科學工作者的基本技能。有時候我們似乎能嚴格地解一些問題。實際上這可能包含著更本的近似——模型近似，所有的理論模型都是近似的，它隻把主要的效應考慮在內。

　　例如，在粒子物理學中，重力一般都不考慮。又如，當我們用一個統一的重力加速度的時候，實際上已假定了地球是一個均勻的圓球。此外，當我們用庫倫定律