力學竟是物理學重要分支？其發展歷程與衍生含義大揭秘
更新時間：2025-07-31 15:58:22作者：佚名
力學不一定與力有關
力學在物理學領域占據核心地位。伴隨著物理學的進步，力學的研究內容也在持續演變。在當代物理學中，部分被稱為力學的領域實際上與力的概念并無直接關聯。
Mechanics一詞起源于希臘語，原指與機械或機器相關的事物。隨著時間的推移，其含義逐漸轉變為研究物體機械運動本質的學科。而由其衍生出的單詞Mechanism，則用來表示機制或機理。
在17世紀，牛頓提出了聞名遐邇的三大定律，這些定律構成了經典力學的基石。值得注意的是，在牛頓的杰作《自然哲學的數學原理》中，Mechanics這一術語的使用頻率極低。
經典力學專注于探討物體所受的力、動量和能量，以及這些物理量之間的相互聯系。以牛頓第二定律為例，其表述為：作用在物體上的外力等于該物體的慣性質量與加速度的乘積。在經典力學的框架下，力扮演著至關重要的角色，物體所受的力是決定其運動狀態的關鍵因素。鑒于此，將“Mechanics”譯為“力學”是相當恰當的。
18世紀，數學家們創立了分析力學，這一理論以更為基礎的數學工具重新詮釋了經典力學，將牛頓定律轉化為等價的數學表達式，即拉格朗日方程和哈密頓方程。在分析力學的框架下，力的地位不再突出，取而代之的是能量這一核心物理量。
在20世紀，隨著量子力學的誕生，力學這一概念被完全摒棄。在量子力學領域，我們找不到經典力學中力的存在，取而代之的是質量、能量、動量等核心概念。
在英文中，“Mechanics”這個詞匯與“Force”在意義上并沒有直接關聯，并且在現代物理學中，許多被稱為“Mechanics”的學科實際上已經不再包含力的概念。于是，一個疑問隨之產生：我們是否還應該將“Mechanics”翻譯為“力學”呢？
Mechanics這一詞匯在歷史長河中經歷了諸多變遷，因此要精準地用中文詞匯來詮釋其所有內涵，實屬不易。然而，繼續使用大家普遍接受的“力學”這一術語，依舊是一種相當合適的選擇。
動力學是經典力學的組成部分，專注于探討運動產生的原因，尤其是運動與力之間的相互作用，這一領域在中文中被稱為動力學。在眾多現代英文資料和教材中，"Kinetics"這一術語已被"Dynamics"所替代。Dynamics主要研究物理系統隨時間推移的變化及其背后的動因。在中文文獻資料里，"Dynamics"依舊被譯作動力學。比如，"Electrodynamics"——研究電磁場隨時間變化規律的科學，被翻譯為電動力學。然而，在現代物理學領域，導致物理系統變化的原因與力的關系并不直接，因此，作者提出，將"Dynamics"翻譯為動力學是否恰當，確實值得進一步探討。
引力不是力
量子力學與力無涉，而20世紀物理學的另一項重大突破——廣義相對論——更是明確指出，引力并非是一種力。在物理學的發展歷程中，對于引力的理解已經經歷了多次的變革。
Gravitation這一術語源自拉丁語的Gravitas，意指重量，原本專指地球表面物體的重力現象。隨著牛頓的研究深入留學之路，他揭示了地球上的重力與宇宙中天體間的相互吸引本質上是同一種力量，并將其命名為萬有引力。
牛頓的萬有引力定律實現了顯著的成就。它不僅能夠圓滿地闡釋地球上的物體運動gravitation是什么意思，還能準確預測宇宙中天體的運行軌跡。盡管如此，牛頓并未揭示引力的成因，亦未闡明為何引力能夠實現超距作用——即為何兩個未接觸的物體之間仍能產生力的相互作用。
20世紀初，愛因斯坦提出了一種全新的引力理論，即廣義相對論。在這個理論框架下，引力被理解為時空的幾何形態變化，并且這種變化與存在于時空中的物質的質量和能量緊密相連。引力并非某物體對另一遠距離物體施加了神秘的遙遠影響，而是該物體的質量引發了時空的扭曲，而另一物體只是沿著時空彎曲后距離最短的那條路徑移動。在空間平坦的情況下，兩點之間的最短距離路徑是直線；而在空間彎曲的情況下，兩點之間的最短距離路徑則呈現出彎曲形態。物體運動軌跡的偏轉看似受到一種吸引力的作用，然而實際上，引力并非一種力，而是由于時空的彎曲所引起的，它使得物體的運動路徑發生了變化。
以地球繞太陽轉動這一眾人皆知的實例為例——依據經典力學的理論闡述：太陽所釋放的引力對地球施加影響，促使地球環繞太陽進行公轉，其軌跡呈現橢圓形。但廣義相對論提出了不同的見解：太陽的龐大質量導致其周圍的時空發生彎曲，地球則沿著這一彎曲時空中最短距離的路徑移動，而這路徑恰好形成了一個圍繞太陽的橢圓軌道。因此，并非是那遙遠的太陽在地球上施加了一種力量。引力并非超距離作用gravitation是什么意思，而是時空彎曲的必然產物。既然引力并非單純的力量，那么更恰當的說法應當是“吸引相互作用”。引力構成了自然界中四種基本相互作用之一。
圖1展示了太陽龐大的質量導致其周邊時空發生彎曲，因此地球沿著這一彎曲時空中最短路徑運行，而這路徑恰好形成了一個環繞太陽的橢圓軌道。
場是物質的根源
在現代物理中，力不再處于中心地位，場卻成為最重要的概念。
提出“場”這一物理概念的先驅是法拉第。距今一百六十余年前，在劍橋大學物理系的報告廳中，法拉第向世人展示了環繞磁鐵的磁力線，并首次闡述了磁場的理論。他之所以使用“場”這一術語，是因為聯想到農場中的田地，而田地在英文中被稱為Field。物理學所描述的場，指的是在空間中的每一個位置都對應著一個特定的物理量值，這如同在農田的每一個小坑洼中撒下種子。這個“場”的概念非常生動，自被物理學家首次提出后，便一直沿用至今。
19世紀末，麥克斯韋提出了一個理論，用以統一電磁場的描述，這一理論將電與磁緊密地結合在一起。根據這一理論，變化的磁場能夠生成電場，而變化的電場則能夠生成磁場。電磁場的能量以波的形式在空間中傳播，這一現象預言了電磁波的存在。后來，赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在。自那時起，物理學家們堅信電磁場真實不虛，場的觀念進而成為了現代物理學的核心模式。
20世紀初，愛因斯坦創立了廣義相對論，這一理論闡明了時間、空間與引力之間的本質聯系，將引力場視為時空結構的彎曲，同時預測了引力波的存在。引力波，即時空彎曲產生的波動，以波的形式自引力源向四周擴散。歷經百年，LIGO觀測站成功探測到了宇宙中的引力波。
在20世紀中后期，物理學家們基于量子力學的研究，成功構建了量子場論。這一理論提出，每一種基本粒子都與一種特定的量子場相對應，而這些基本粒子正是量子場被激發后所形成的。換句話說，除了引力之外，所有物質及其相互作用都源自量子場。量子場是量子化的，能量的存在是以離散的形式出現的。量子，這是能量最小的單元，它在實驗室中被發現是構成基本粒子的。比如，光子，它是電磁相互作用的傳播者，同時也是電磁場的量子，當電磁場被激發時，光子便產生了。再比如，膠子，它是強相互作用的傳播者，也是膠子場的量子。不僅限于傳播那些參與相互作用的粒子，構成物質的基礎粒子同樣是由量子場被激發而形成的。以電子場為例，它一旦被激發便會產生電子；同樣，夸克場被激發后則會生成夸克，以及其他類似的粒子。
真空并非真的空
最后來看一個名詞本身不能反映物理事實的例子——真空。
真空，即一種完全無物質占據的空間形態。但依照量子場論的觀點，場的存在意味著絕對真空是不可能實現的。即便我們將空間中的所有物質移除，量子場依然存在。量子場存在波動，這就意味著空間中仍有微小的能量存在。由于能量與物質是相互等價的，因此自然界中并不存在真正的絕對真空。真空狀態應當被視為物質的基本狀態，也就是能量最低的狀態，盡管這種能量并非零。
作者簡介
陳少豪，畢業于清華大學，獲得物理學學士學位，并在該校繼續深造，取得原子分子物理博士學位。他曾在科羅拉多大學博爾德分校擔任博士后研究員，此后，他又在路易斯安那州立大學和波士頓大學工作。目前，陳少豪在麻省理工學院工作，專注于高性能計算領域的研究。
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
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