一、物理学的基础知识
1.1 物理学科
物理学的确是一个结构宏大且层次分明的学科，它试图用一套精密的数学语言来描述我们所在世界的根本规律。
分类维度 | 主要理论/领域 | 核心研究对象与范畴 |
|---|---|---|
按理论基础划分 (物理学的主干) | 经典物理学 | 宏观世界、低速现象的规律 |
相对论 | 高速运动、引力与时空结构 | |
量子力学 | 微观粒子的行为与规律 | |
按物质层次划分 | 粒子物理 | 物质最基本构成单元（夸克、轻子等） |
原子分子物理 | 原子、分子的结构与性质 | |
凝聚态物理 | 大量粒子聚集（固体、液体等）的宏观性质 | |
天体物理与宇宙学 | 恒星、星系乃至整个宇宙的起源与演化 | |
交叉与应用学科 | 生物物理学 | 生命过程中的物理现象与规律 |
计算物理学 | 利用计算机模拟解决复杂物理问题 | |
其他应用领域 | 将物理原理应用于工程、材料、医学等 |
物理学的核心理论体系
物理学的大厦建立在几块坚实的基石之上，它们通常按照其适用的范围和基本范式来划分。
经典物理学
这是我们所处日常世界的物理学，在20世纪之前已发展得非常完善。它主要包括：
经典力学：以牛顿运动定律和万有引力定律为核心，研究宏观物体的机械运动（静止、匀速或加速），以及力与运动的关系。其理论框架还包括分析力学（如拉格朗日方程和哈密顿原理）。
热力学与统计物理：热力学从宏观角度研究热现象的规律，核心是热力学四大定律，特别是揭示了过程方向性的熵增原理。统计物理则从微观粒子（原子、分子）运动的统计规律出发，为宏观热现象提供微观解释。
电磁学：研究电、磁现象及其相互作用规律，其顶峰是麦克斯韦方程组，它统一了电与磁，并预言了电磁波的存在，光就是一种电磁波。
近代物理革命
当研究深入到接近光速的高速领域和微观世界时，经典物理学的局限性显现，催生了两次伟大的物理学革命。
相对论：由爱因斯坦创立。狭义相对论提出了光速不变原理和相对性原理，揭示了时间膨胀、长度收缩和著名的质能方程 E=mc2。广义相对论则将引力解释为物质引起的时空弯曲，是研究宇宙大尺度结构的基础。
量子力学：描述分子、原子、基本粒子等微观世界规律的理论。其核心概念包括波粒二象性、不确定性原理和量子纠缠，其规律本质上是概率性的。量子力学和电磁学的结合产生了量子电动力学，而试图统一强、弱、电磁三种基本相互作用的粒子物理标准模型，是当前描述微观世界最成功的理论框架。
从微观到宇观的研究领域
物理学也按照所研究物质对象的空间尺度和复杂程度，形成了众多活跃的分支。
粒子物理：探索物质的基本构成单元和它们之间的基本相互作用，是物理学最前沿的领域之一。
原子、分子物理和光学：研究原子、分子的结构、动力学以及光与它们相互作用的科学。该领域发展出的精密测量技术（如原子钟）和激光技术等至关重要。
凝聚态物理：这是目前物理学中规模最大的分支，研究由大量粒子（如原子、分子）聚集而成的固体、液体等物质的状态。它解释了材料为何有导体、绝缘体、半导体、超导体等千差万别的性质，是半导体、激光、纳米材料等现代技术的物理基础。
天体物理与宇宙学：将物理定律应用于宇宙尺度，研究恒星、星系、黑洞等天体的性质、演化，以及宇宙的起源（如大爆炸理论）、结构和最终命运。
交叉与应用前沿
物理学的思想和方法还广泛地与其他学科交叉融合，催生了众多充满活力的新领域。
生物物理学：用物理学的概念和方法研究生命现象，例如生物力学、神经信号传导等。
计算物理学：运用计算机模拟和数值计算来解决理论分析和实验难以处理的复杂物理问题，是现代物理学研究不可或缺的“第三极”。
其他应用领域：如将物理学原理应用于医学的医学物理学，研究等离子体（电离气体）的等离子体物理（与可控核聚变密切相关），以及地球物理、大气物理、海洋物理、空间物理、非线性物理等。
1.2 经典力学与量子力学
经典力学与量子力学在基本假设和数学工具上存在根本性的差异，这使它们分别成为描述宏观世界和微观世界的强大理论。
比较维度 | 经典力学 | 量子力学 |
|---|---|---|
世界观与决定论 | 决定性：已知初始状态，未来一切可精确预测 | 概率性：结果本质上是概率性的，由波函数描述 |
物理量的性质 | 连续性：物理量（如能量）连续变化 | 量子化：物理量（如能量）是离散的，存在最小单位 |
局域性与关联 | 局域实在：信息传递速度不超过光速，物体属性独立于测量 | 量子纠缠：存在非定域关联，纠缠粒子间存在“幽灵般的超距作用” |
核心数学工具 | 常/偏微分方程、相空间 | 希尔伯特空间、算符、薛定谔方程 |
描述对象与状态 | 质点或系统在相空间中的轨迹 | 波函数（态矢量），系统状态是希尔伯特空间中的向量 |
物理量与运算 | 函数（如能量、动量），泊松括号 | 算符（矩阵），对易关系（如 [x^,p^]=iℏ） |
深入理解核心差异
这些差异背后是两种理论对物理现实截然不同的理解。
从决定论到概率诠释：在经典力学中，宇宙像一台精密的钟表，一旦初始条件确定，所有未来都已被决定。而量子力学表明，微观粒子的行为本质上是概率性的。在测量之前，粒子的状态由波函数描述，它代表了各种可能性的叠加（如著名的“薛定谔的猫”既死又活的状态）。测量行为本身会不可逆地破坏这种叠加，使系统“坍缩”到一个确定的状态。
从连续到离散：经典力学中，能量、角动量等物理量可以连续地取任意值。但在量子世界里，这些物理量是量子化的，只能取某些离散的特定值，就像台阶一样，不存在半个台阶的状态。例如，原子中电子的能量只能处于一系列不连续的“能级”上。
从局域实在到非定域关联：经典力学建立在“局域实在论”基础上，即一个物体本身具有确定的属性，且其影响无法超光速传递。量子力学则允许量子纠缠这种神奇的现象：两个纠缠粒子无论相距多远，当一个被测量时，另一个的状态会瞬间确定，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。这种关联是瞬时发生的，超越了经典物理的理解框架。
🔗 理论间的联系：经典极限
尽管存在巨大差异，量子力学并没有完全否定经典力学。当系统的尺度变大（宏观）、作用量远大于普朗克常数（S≫ℏ）时，量子效应变得不显著，量子力学的预言就会无限接近经典力学的结果。这个过渡区域被称为“经典极限”。例如，我们日常看到的棒球，其波动性极其微弱，遵循经典的轨道运动；但对于原子尺度的电子，其行为就必须用量子力学来描述。经典力学可以看作是量子力学在宏观条件下的一个非常成功的近似理论。
1.3
二、力学
2.1 力学基础
力学是一个博大精深的学科体系，其分支广泛渗透于自然科学与工程技术领域。
分类维度 | 主要分支 | 简要说明 |
|---|---|---|
按研究内容 | 静力学 (Statics) | 研究物体在力作用下的平衡规律，如结构稳定性分析。 |
运动学 (Kinematics) | 只描述物体的运动状态（位移、速度、加速度），不涉及运动的原因。 | |
动力学 (Dynamics) | 研究力与运动变化的关系，核心是牛顿定律等。 | |
按研究对象 | 一般力学 (General Mechanics) | 研究质点、质点系、刚体等离散系统的力学规律，如振动理论、分析力学。 |
固体力学 (Solid Mechanics) | 研究固体材料在外力作用下的应力、变形、破坏等，如材料力学、弹性力学、塑性力学。 | |
流体力学 (Fluid Mechanics) | 研究液体和气体的静止和运动规律，如空气动力学、水动力学。 | |
按研究手段 | 理论力学 (Theoretical Mechanics) | 通过数学推导建立理论模型。 |
实验力学 (Experimental Mechanics) | 通过实验和设备（如风洞、水洞）进行测量和验证。 | |
计算力学 (Computational Mechanics) | 利用计算机和数值方法（如有限元法）解决复杂问题。 |
核心分支详解
在上述分类基础上，一些分支学科因其重要性或应用广泛性而备受关注：
理论力学与分析力学
这是力学的基础理论部分，主要研究质点、刚体等理想模型的机械运动规律。它通常包括牛顿力学（以牛顿三定律为基础）和分析力学（以能量和功为基础，采用广义坐标，如拉格朗日方程和哈密顿原理），为其他力学分支提供理论基础。
固体力学的主要分支
材料力学：研究工程结构中构件的强度、刚度和稳定性，是机械、土木等专业的重要基础。
结构力学：在材料力学基础上，研究杆件组成的结构体系（如桥梁、建筑）的受力分析。
弹性力学：研究弹性物体在外力作用下的应力场和应变场，比材料力学考虑更一般的情况。
塑性力学：研究材料在超出弹性极限后发生不可恢复的塑性变形时的力学行为。
断裂力学：研究含裂纹构件的强度和裂纹扩展规律，对评估结构安全性和寿命至关重要。
流体力学的主要分支
流体静力学：研究静止流体的平衡规律，如水对坝体的压力。
流体动力学：研究运动流体的规律，核心方程是纳维-斯托克斯方程。
空气动力学：研究气体（尤其是空气）与相对运动的物体之间的相互作用，是航空航天技术的基石。
水动力学：研究水的运动规律，应用于船舶工程、水利工程等。
现代交叉与前沿领域
力学与其他学科的深度交叉融合，催生了许多充满活力的前沿领域：
生物力学：将力学原理应用于生物体，研究骨骼、肌肉、血管、血液流动等的力学特性。
环境力学：研究大气、水体等环境介质中的力学问题，如污染物扩散、沙尘暴模拟等。
物理力学：从微观结构出发，通过物理理论来预测材料的宏观力学性质。
爆炸力学：研究爆炸的发生、规律及其对介质的效应。
纳米力学：研究纳米尺度下的力学行为，是微纳机电系统（MEMS/NEMS）等领域的基础。
力学的研究方法
力学研究通常遵循“实践—理论—实践”的认知规律，主要方法包括：
理论分析：抓住问题本质建立简化模型（如质点、刚体、连续介质），运用数学工具进行演绎推导。
实验研究：通过科学实验和观测，获取数据，验证理论。
数值计算：利用计算机进行大规模数值模拟，解决理论分析和实验难以处理的复杂问题。这三种方法常常相互结合，互为补充。
2.2温度
温度是衡量物体冷热程度的物理量，其本质与微观粒子的热运动紧密相关。下面这个表格梳理了温度理论的核心框架，帮你先建立一个直观的印象。
理论层面 | 核心内容 | 关键概念/定律 |
|---|---|---|
宏观测量 | 温标的建立与测量方法 | 摄氏温标、华氏温标、热力学温标（开尔文温标） |
微观本质 | 温度与分子热运动的关系 | 分子平均动能、统计规律 |
理论基础 | 热力学与统计物理对温度的定义 | 热力学第零定律、麦克斯韦-玻尔兹曼分布 |
极限与前沿 | 理论上的温度边界与极端条件 | 绝对零度、负温度、普朗克温度 |
温度的微观本质
从根本上看，温度是物体内部分子、原子等微观粒子热运动剧烈程度的宏观体现。
分子运动论：物体内部的微观粒子永远处于无规则的运动状态，这种运动称为热运动。粒子热运动的平均动能越大，物体在宏观上就表现得越热，温度也越高。
统计规律：温度是一个具有统计意义的宏观量。它描述的是大量粒子运动的集体行为，对于单个或少数几个粒子，谈论温度是没有意义的。微观粒子的速度分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布。
温标：温度的标尺
为了定量地表示温度，需要建立统一的标尺，这就是温标。历史上曾出现多种温标，目前国际通用的标准是热力学温标。
常见温标
摄氏温标：由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯于1742年提出。在标准大气压下，将纯水的冰点定为0℃，沸点定为100℃，中间分为100等份，每份为1摄氏度（℃）。
华氏温标：由德国物理学家华伦海特于1714年建立。其结冰点是32°F，沸点为211.9532°F（在标准大气压下）。
热力学温标（开尔文温标）：由英国物理学家开尔文勋爵于1848年引入。它是一个不依赖于任何物质特性的理论温标，是国际单位制（SI）的七个基本量之一。
温标间的换算
它们之间的换算关系如下：
摄氏温度 (t) 与热力学温度 (T)：
T (K) = t (°C) + 273.15。摄氏温度 (C) 与华氏温度 (F)：
F = 1.8 × C + 32。
热力学定律与温度
温度概念的确立离不开热力学基本定律，尤其是热力学第零定律。
热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统彼此也必然处于热平衡。这一定律为温度的定义和测量提供了实验基础，它揭示了所有处于同一热平衡状态的系统都具有一个共同的宏观性质——温度相等。
热力学第三定律与绝对零度：绝对零度（0 K，即-273.15℃） 是热力学理论上的最低温度极限。热力学第三定律指出，绝对零度无法通过有限次步骤达到。在绝对零度下，理论上粒子的热运动将停止，但根据量子力学，粒子仍具有零点能。
温度的极限与奇观
在向温度极限挑战的过程中，物理学也揭示了一些奇妙的概念。
负温度
在特定条件下（如激光系统），某些拥有有限量子态的体系可以出现负热力学温度状态。值得注意的是，负温度并非比所有正温度更冷，而是比正无穷大温度更高，是比任何正温度都“热”的状态。
温度的上限
理论上，温度存在上限，即普朗克温度，约为1.4×10^32 K。这是宇宙大爆炸初始时刻的极限温度，当前人类在粒子对撞机中产生的最高瞬时温度（约5.5万亿度）与之相比也微不足道。
💡 实际应用与影响
温度理论的应用遍布科学研究和日常生活。
低温技术：低温环境能诱导出许多奇妙的物理现象，如超导（电阻为零）和超流（黏滞性几乎消失）等。这些现象不仅是前沿基础科学的研究重点，也在医疗（如核磁共振成像）、能源（如超导输电）、交通（如磁悬浮列车）和量子计算等领域有广泛应用。
日常生活中的温度：从气象预报到食品储存，从人体健康（如体温是重要生理指标）到工业生产，温度的精确测量和控制都至关重要。
希望这份梳理能帮助你更深入地理解温度这一既熟悉又深奥的物理概念。如果你对某个具体的方面，比如超导的原理或更详细的温标历史感兴趣，我很乐意继续探讨。
三、物理学科中的电学
3.1 电学知识
电学是物理学中研究电荷、电场、磁场及其相互作用规律，以及电磁能应用的基础学科。
研究领域 | 核心研究对象 | 关键规律与定理 |
|---|---|---|
静电学 | 静止电荷、静电场 | 电荷守恒定律、库仑定律、导体静电平衡条件 |
静磁学 | 恒定电流产生的磁场 | 电流的磁效应（奥斯特发现）、安培定律 |
电磁场 | 变化的电场和磁场 | 电磁感应定律（法拉第发现）、麦克斯韦方程组 |
电路 | 电流的通路 | 欧姆定律、基尔霍夫定律 |
电学的基本概念
要进入电学的世界，需要先理解以下几个最基础的物理量：
电荷：这是电现象的本质。物体带电的多少叫电荷量，单位是库仑（C）。电荷分为正电荷和负电荷，它们之间的相互作用规律是：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
电流：指电荷的定向移动。其强弱用电流强度（I）衡量，单位是安培（A）。历史上规定正电荷移动的方向为电流的方向，所以金属导体中自由电子移动的方向与电流方向相反。
电压：也叫电势差，是衡量电场力对电荷做功能力的物理量，用U表示，单位是伏特（V）。它就像是促使电荷流动的“压力”。
电阻：表示导体对电流阻碍作用的大小，用R表示，单位是欧姆（Ω）。电阻是导体本身的属性，其大小取决于导体的材料、长度、横截面积和温度。
电学的发展脉络
电学的建立并非一蹴而就，而是数个世纪以来一系列重大发现的积累：
古代观察：早在公元前6世纪，古希腊的泰勒斯就记载了琥珀摩擦后能吸引轻小物体的现象。中国西汉时期也有“玳瑁吸芥”的类似记录。
奠基时期（17-18世纪）：1600年，吉尔伯特首次对电现象进行系统性研究，创造了“电的”一词。1785年，库仑通过扭秤实验确立了库仑定律，为静电学奠定了数学基础。
突破性发展（19世纪）：1820年，奥斯特意外发现电流的磁效应，首次揭示了电与磁的深刻联系。1831年，法拉第发现电磁感应定律，为发电机和电动机的发明提供了理论依据。1865年，麦克斯韦集前人大成，提出麦克斯韦方程组，统一了电和磁的理论，并预言了电磁波的存在，指出光也是一种电磁波。
现代应用：1888年，赫兹用实验证实了电磁波。随后，马可尼和波波夫实现了无线电通信，人类从此进入了信息时代。
核心理论与定律
在上述框架和历史中，有几个理论是理解电学的关键：
库仑定律：这是静电学的基础，描述了两个静止点电荷之间相互作用力的规律，其大小与电荷量的乘积成正比，与距离的平方成反比。
欧姆定律：电路分析中最基本、最重要的定律。它指出，在同一电路中，通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比。公式表示为：I = U / R。
法拉第电磁感应定律：揭示了“磁生电”的原理，即当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势。
麦克斯韦方程组：这是整个经典电动力学的顶峰，用一组简洁的数学方程完美地概括了电场和磁场的基本规律，统一解释了从静电、静磁到电磁波的所有宏观电磁现象。
电学的现代应用
电学原理是现代科技文明的基石，其应用无处不在：
能源与电力：基于电磁感应原理的发电机和电动机，实现了机械能与电能的高效转换。高压输电技术则将电能远距离输送至千家万户。
电子信息技术：从电话、无线电通信到现代的智能手机、计算机和互联网，其核心都是电信号的产生、传输和处理。
测量与传感：利用各种电效应（如压电效应、热敏效应等）制成的传感器，能够精确测量温度、压力、光照等非电学量，并转换为电信号，实现了非电量的电测量。
3.2 电磁学
电磁学从本科的基础课程到博士后的前沿研究，是一个逐层深入、不断专业化的过程。
阶段 | 学习/研究重点 | 典型课程或研究方向 | 培养目标 |
|---|---|---|---|
本科 | 掌握经典电磁学的核心概念、基本定律和解题方法 | 电磁学、电动力学基础 | 建立完整的经典电磁理论知识体系，具备解决典型问题的能力 |
硕士 | 深化理论，学习数值计算方法，接触前沿专题 | 高等电磁理论、计算电磁学、微波技术、天线理论 | 能够运用先进工具研究和解决特定领域的复杂电磁问题 |
博士 | 进行原创性研究，深入某一尖端分支，提出新理论或方法 | 电磁场边值问题、电磁波传播与辐射、等离子体电动力学等 | 培养独立从事高水平科学研究的能力，做出创新性贡献 |
博士后 | 在特定方向进行深度探索，开拓新的研究领域 | 电磁成像、新型人工电磁材料、量子电磁学等交叉领域 | 成为能独立领导研究方向的成熟学者 |
下面，我们详细看看每个阶段的具体内容。
第一阶段：夯实基础
本科阶段是电磁学知识体系的奠基期，目标是系统掌握经典电磁学的基本理论。其内容安排通常遵循由静到动、由浅入深的逻辑：
静电场与静磁场：从库仑定律、高斯定理入手，学习电场强度、电势等概念的描述和计算；接着平行地研究恒定电流产生的磁场，学习比奥-萨伐尔定律、安培环路定理等。
电磁感应：进入动态变化领域，核心是法拉第电磁感应定律，揭示“磁生电”的规律，并学习自感、互感等概念。
麦克斯韦方程组与电磁波：这是整个经典电磁学的顶峰。学习麦克斯韦如何引入“位移电流”假说，完成对已有定律的修正，最终用一组简洁优美的麦克斯韦方程组统一描述电磁场，并预言电磁波的存在。
这一阶段的学习强调对基本概念和定律的深刻理解，以及解决典型问题的计算能力。常用的经典教材有赵凯华、陈熙谋著的《电磁学》和《新概念物理教程·电磁学》。
第二阶段：专精与进阶
进入研究生阶段，学习从广博转向专精，主要目标是掌握更深入的理论和现代化的研究工具。
理论深化：课程会以更严格的数学语言（如矢量分析、偏微分方程）重新表述和推导电磁场理论，例如详细研究电磁场的边值关系、规范变换等。
计算电磁学：这是一门至关重要的核心课程。它学习如何将电磁场基本方程转化为计算机可以处理的数值模型，并运用有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）、矩量法（MoM） 等算法，对复杂工程问题（如天线设计、电磁兼容）进行仿真模拟。
专题研究：根据导师方向和兴趣，可能会深入学习微波工程、天线理论与设计、电磁兼容（EMC） 等特定领域。
此阶段的关键是实现从“学习已知”到“探索未知”的过渡，开始阅读研究论文，并尝试运用先进工具解决小规模的科学研究或工程项目问题。
第三阶段：前沿探索
核心任务是进行原创性科学研究，推动电磁学知识的边界。课程学习相对较少，重点是独立研究。
研究方向专深：博士课题会聚焦于某个非常前沿和专门的方向，例如：
新型人工电磁材料（Metamaterials）：设计具有自然界材料所不具备的超常电磁特性的人工结构。
纳米尺度电磁学：研究可见光波甚至近可见光波段的电磁现象。
等离子体电动力学：研究等离子体与电磁场的相互作用。
量子电磁学：探索电磁场与量子体系相互作用的新现象。
深度与创新：需要对该领域的国内外最新进展了如指掌，并能发现现有理论的不足或未解之谜，提出自己的新模型、新方法或新解释，最终完成一篇具有创新性的博士学位论文。
综合能力：除了专业研究，还需培养撰写基金申请、进行学术报告、指导本科生或硕士生等综合能力。
第四阶段：独立开拓
博士后是正式成为独立研究人员的“预备期”。它不再是学生，而是职位。
深度探索：在博士研究的基础上，选择一个更精细的点进行深度挖掘，或者开拓一个相关的全新研究方向。
独立性：在合作导师的大方向下，需要自己提出研究计划、申请经费、组织开展研究，目标是形成自己独立的研究特色和方向。
交叉融合：很多研究高度跨学科，例如“电磁成像与感知”、“AI驱动的应用电磁技术”等，需要将电磁学与计算机科学、生物医学、材料科学等领域的知识相结合。
如何选择与准备
电磁学的理论体系庞大且与前沿科技紧密相连。无论你处于哪个阶段，或是对哪个方向感兴趣，关键都在于：
本科：扎实打好数学和物理基础。
硕士：积极学习专业软件，参与项目。
博士及以上：广泛阅读文献，参加学术会议，寻找前沿问题。
四、物理学中的结构学
研究尺度 | 主要研究对象 | 典型结构特征 |
|---|---|---|
微观尺度 | 基本粒子、原子、分子 | 量子结构，化学键，电子云 |
介观尺度 | 纳米材料、胶体 | 特殊的表面效应和量子效应 |
宏观尺度 | 晶体、非晶体、液体 | 晶体点阵，非晶体的近程有序远程无序 |
宇观尺度 | 行星、恒星、星系 | 引力主导的大尺度结构 |
微观世界的基础
微观尺度是理解一切物质结构的起点。
原子与分子：原子由原子核和核外电子构成，电子的运动状态用“电子云”来描述。分子则由原子通过化学键（离子键、共价键等）连接而成。
原子核与基本粒子：原子核由质子和中子构成，而质子和中子又由更基本的夸克组成。这些基本粒子之间通过四种基本相互作用（引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用）联系在一起。
有序与无序的凝聚态
在宏观世界，大量原子或分子聚集形成固体和液体，其结构决定了材料的诸多性质。
晶体：其内部原子、离子或分子在三维空间呈周期性重复排列，形成规则的点阵结构。这种高度的有序性使得晶体通常具有各向异性。
非晶体：像玻璃、琥珀等，其内部原子的排列没有长程的周期性，只在几个原子间距的范围内保持一定的秩序，即“短程有序，长程无序”。这是非晶态物质结构的关键特征。
研究方法与工具
要揭示这些结构，科学家们依赖一系列强大的方法。
理论模型与模拟：通过建立数学模型（如空间点阵理论描述晶体）并利用计算机进行大规模模拟，来预测和解释各种结构。
实验探测技术：X射线衍射是测定晶体结构的利器。此外，中子衍射、透射电子显微镜等技术也使我们能够直接观察或间接推测物质的微观结构。
应用与前沿
对结构的深刻理解直接推动了技术进步并直面科学前沿挑战。
新材料设计：在凝聚态物理与材料科学领域，通过调控物质的微观结构，可以设计和制备出具有特定性能的新材料，如超导材料、半导体材料等。
工程结构安全：在宏观工程领域，结构科学关注“应力”和“应变”等概念，研究如何平衡力，以确保从建筑到桥梁等各种结构的安全与稳定。
探索未知：结构科学也指向一些重大的未解之谜。例如，暗物质和暗能量的本质被推测与宇宙的宏观结构形成和演化密切相关，是当前研究的前沿。
