物理力學

　　從物質的微觀結構及其運動規律出發，運用近代物理學、物理化學和量子化學等學科的成就，通過分析研究和數值計算闡明介質和材料的宏觀性質，並對介質和材料的宏觀現象及其運動規律作出微觀解釋的學科。力學的新分支。物理力學的基礎是量子力學、統計物理學、原子物理學和分子物理學。

　　產生背景　物理力學是20世紀50年代末出現的。首先提出這一名稱並對這個學科做瞭開創性工作的是中國學者錢錢學森。物理力學產生的背景是：①出現瞭極端條件下的工程技術問題，如火箭航天技術及原子能應用等，所涉及的溫度可高達幾千開到幾百萬開，壓力達幾萬到幾百萬大氣壓，應變率達10⁶～10⁸秒⁻¹等。又如在激光、等離子體作用下的物質，要考慮光輻射及電離等作用，介質和材料的性質在此條件下很難用實驗方法來直接測定。為瞭減少耗時費錢的實驗工作，需要用微觀分析的方法闡明介質和材料的性質。②在一些力學問題中，出現瞭特征尺度與微觀結構的特征尺度可比擬的情況，必須從微觀結構分析入手處理宏觀問題。③出現一些遠離平衡態的力學問題，必須從微觀分析出發，以求瞭解耗散過程的高階項。④對新材料的需求以及大批新型材料的出現，要求尋找一種從微觀理論出發合成具有特殊性能材料的“配方”或預見新型材料力學性能的計算方法。

　　物理力學之所以出現，一方面是迫切要求能有一種有效的手段，預知介質和材料在極端條件下的性質及其隨狀態參量變化的規律；另一方面是近代科學的發展，特別是原子物理、分子物理和統計力學的建立和發展，物質的微觀結構及其運動規律已經比較清楚，為從微觀狀態推算出宏觀特性提供瞭基礎和可能。

　　學科特點　物理力學的特點是：①註重機理分析。物理力學著重於分析問題的機理並借助建立理論模型來解決具體問題。隻有進行機理分析而感到資料不夠時，才求助於新的實驗。②註重運算手段。能直接利用物理力學的成果，而不滿足於問題的原則解決，要求作徹底的數值模擬。蒙特卡羅方法、分子動力學方法等模擬手段已經得到瞭廣泛的應用。③註重從微觀到宏觀。以往的技術科學和絕大多數的基礎科學，都是或從宏觀到宏觀，或從宏觀到微觀，或從微觀到微觀，而物理力學則建立在近代物理和近代化學成就之上，運用這些成就，建立起物質宏觀性質的微觀理論，這也是物理力學建立的主導思想和根本目的。

　　物理力學雖然引用瞭近代物理和近代化學的許多結果，但它並不完全是統計物理或者物理化學的分支。因為無論是近代物理還是近代化學，都不能完全解決工程技術裡所提出的各種具體問題。物理力學所面臨的問題要比基礎學科裡所提出的問題復雜得多，它不能單靠簡單的推演方法或者隻借助於某一單一學科的成就，而必須盡可能結合實驗和運用多學科的成果。

　　研究內容　物理力學的主要內容有：①平衡現象的研究。如氣體、液體、固體的狀態方程，各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對於這類問題，物理力學主要借助統計力學的方法。②非平衡現象的研究。包括四個方面：一是趨向於平衡的過程，如各種化學反應和弛豫現象的研究（包括能量弛豫和化學弛豫）；二是偏離平衡狀態較小的穩定的非平衡過程，如物質的擴散、熱傳導、黏性以及熱輻射等的研究；三是遠離平衡態的問題，如開放系統中所遇到的各種能量耗散過程的研究；四是平衡和非平衡狀態下所發生的突變過程，如相變等。解決這些問題要借助於非平衡統計力學和不可逆過程熱力學理論。

　　物理力學的研究工作主要集中在以下四個方面：①高溫氣體性質。研究氣體在高溫下的熱力學平衡性質（包括狀態方程）、輸運性質、輻射性質以及與各種動力學過程有關的弛豫現象。②稠密流體性質。主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學平衡性質（包括狀態方程）、輸運性質以及相變行為等。③固體材料性質。利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強度以及本構關系等（見固體力學）。④激光或等離子體對固體材料的作用機理。研究能量的轉換、相變、電離及固體表面結構和性質的改變等。

　　學科展望　物質的性質及其隨狀態參量變化規律的知識，無論對科學研究還是工程應用都極為重要。力學本身的發展就一直離不開物性和對物性的研究。近代工程技術和尖端科學技術迅猛發展，特別需要深入研究各種宏觀狀態下物體內部原子、分子所處的微觀狀態和相互作用過程，從而認識宏觀狀態參量擴大後物體的宏觀性質和變化規律。因此，物理力學的建立和發展，不但可直接為工程技術提供所需介質和材料的物性，也將為力學和其他學科的發展創造條件。

　　

推薦書目

　錢學森. 物理力學講義. 北京: 科學出版社, 1962.