理论物理是有试图将全部物理量终极归于最“根本”的见解的。对付一个演绎的体系，这些最根本的见解是“无法定义”的。
就如你所说的电磁学——（经典）电动力学的例子，电荷是电磁学最根本的物理量，这是最底子的缘故起因。电荷通过麦克斯韦方程引发出电磁场，也便是电势、磁矢势（关于电磁势的基天性是由AB实行表明的），而电磁势再与其他电荷相作用通过你熟知的洛伦兹力变化其他电荷的活动，这是电磁学根本的图景。电荷很难说有严格定义，你和我能指出它的特性，比如电荷要守恒，餍足连续性方程，但你很难说它的定义式是什么。而电流是为了形貌电荷活动而定义的，同时也是磁场孕育产生的缘故起因。电流密度定义为电荷对时间的微分，电流定义为电流密度对截面的积分，其他的量你要是翻翻电磁学大概最好是电动力学的书，就很明白了。而全部物理量的定义实际上是不依赖量纲的，关于量纲有很多套体系，也各有各的定义，但对理论来说这不紧张。
实行和汗青的生长并不是根据理论的逻辑次序来的，大概说两者的生长次序并不那么相干。高中教诲是一种半逻辑半汗青的展开方法，以是大概会造成一些利诱。要是你读物理，倒是会有机遇打仗到这些见解在理论上是怎么统合起来的，固然要借助很多很多数学的力气。
别的补充一点，电子电量最早是通过密立根油滴实行测到的，但库伦这个单位的定义是怎么来的我倒是没有把稳过……
别的再题外话，着实力的见解是牛顿力学中为了方便形貌活动而引入的，在深入到当代物理的理论的时间，这个见解就已经不well-defined了。乃至同样是经典力学的拉格朗日力学和哈密顿力学都很少谈及力的见解，而后两者是被相沿到当代物理中的。
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既然有人想听，以下就写写理论物理的根本逻辑，由于我不是做理论物理的，大概会出错，大概见解有些陈腐，请包涵……
物理是要形貌这个天下活动的规律，那么起首必要一种用数学来表述东西的方法。比如你和我用坐标形貌一个粒子的位置，用一个数形貌一个粒子的电荷。这些形貌可以被构造在肯定的数学布局之中，方便你和我利用数学已经生长出来的一套要领来将差别的事物接洽起来，方便利用。这种布局通常作为构建理论的框架而存在，用这种框架之内的语言来叙述理论。以是起首位置、速率、加快度等等定义，并不给出任何物理规律，只是一种数学上直接的形貌。真正物理的规律，是报告你物质怎样活动，以及差别的相互作用怎样影响物质的活动。
物理的全部根本均来自实行总结，并遭受来自实行的证伪危害，这是作为科学最根本的要求。但通常纵然是被证伪的理论，由于精度范畴充足餍足要求且方便利用，以是依然有它的代价。有无数实行已经表明，由于没有发明新种类的相互作用，物质之间的相互作用只有四种：电磁力，引力，强力，弱力。和一样平常生存痛痒相干的相互作用只有电磁力，但由于信息缺乏以及巨大度太高，一样平常生存中完全形貌这种相互作用在数学上险些是不大概的，以是你和我通常仅仅用一个势能函数来形貌巨大的守旧的相互作用，大概引入耗散项等等采取其他要领形貌，这些就略去不表了。
理论物理的底子理论是拉格朗日力学和哈密顿力学。拉格朗日力学是说假设你可以利用广义坐标和广义速率来形貌一个体系，并且这个体系有个叫做拉格朗日量的东西可以完全确定这个体系的举动，那么这个体系随时间的变革餍足最小作用量原理，即体系演化的路径是使拉格朗日量对时间的积分取得最小值的路径。根据这个原理，拉格朗日量随时间的变革餍足欧拉-拉格朗日方程。
哈密顿力学和拉格朗日力学是等价的，只是哈密顿力学思量一个叫做哈密顿量的东西来形貌体系的动力学，它不以广义速率为自变量，而引入了广义动量。而如许一来体系的动力学方程变为了正则方程，它和欧拉-拉格朗日方程是等价的，只是前者是2n个一阶微分方程，后者是n个二阶微分方程。除此以外将之推广还可以得到哈密顿-雅可比喻程。
这两个力学是最广泛的力学，固然没有给出任何实质性的信息，但从它仍旧可以得到一系列根本的定律，便是大家熟知的守恒律：能量守恒、动量守恒、角动量守恒。体系的每一个对称性会导致一个守恒律。要是一个别系的拉格朗日量不随时间变革，那么二阶的欧拉-拉格朗日方程可以直接举行一次积分，得到一个确定的不随时间变革的守恒量，叫做能量。雷同的，动量守恒、角动量守恒是从体系的平移稳固和旋转稳固得到的。
那么在牛顿的天下观中，仅仅必要欧几里得多少的数学框架就充足。要因此平凡的坐标和动量作为广义坐标和广义动量，粒子的拉格朗日量的定义可以大略地推测出来。在这个拉格朗日量和哈密顿量的定义之下，欧拉-拉格朗日方程与正则方程便是牛顿第二定律，而能量、动量、角动量的定义也就给出与高中讲义同等的款式。而拉格朗日量恰好是动能-势能，而哈密顿量则恰好是粒子的总能量，即动能+势能。对付多粒子体系乃至连续体系，拉格朗日量只是单纯地各部分相加，以是原则上是可以处理惩罚任何的体系的。但如大家所知，牛顿天下观已经被无数的实行证伪，牛顿力学仅在低速、宏观、弱引力以及不涉及太巨大的电磁相互作用的环境下可以或许保持很高精度而得以连续利用。
电磁相互作用有太多地方不克不及与牛顿力学兼容，于是必要一个新的力学框架，即狭义相对论。由于实行发明光速不随参考系变革，以是在狭义相对论中，这成为思量拉格朗日量的出发点。由于光速稳固，差别参考系的时隔断断和空隔断断不克不及同等，而必须餍足洛伦兹变更。因此必要将时空坐标统合在同一个数学空间中，称为闵可夫斯基空间，以和熟知的欧几里得空间做区分。拉格朗日量和作用量必须是随参考系变更稳固的标量，而时间不再餍足要求，最小作用量原理必要稍作修改，将对时间的积分改为另一个对体系而言的稳固标量：本征时（便是和粒子在同一个参考系中丈量到的时间）的积分。这时的拉格朗日量也很好推测，末了给出的动力学方程和牛顿第二定律很雷同，只是静质量要换成动质量。其他能量、动量的表达式也随之而出。质量与能量均不再是参考系稳固的量，新的质能守恒由此孕育产生。同样如大家所知，固然相对论性天下观还未被证伪，但狭义相对论无法形貌引力。
对付引力，你和我细致到一个征象：引起引力的参量，和决定物体惯性的参量，即质量，是完全雷同的。这表现了引力很大概是一种纯粹多少的征象，也便是所谓“引力场”底子不存在。这便是广义相对论的根本：时空的布局不再是平坦的，而是可以弯曲的（弯曲的一个直接表现，便是勾股定律不再餍足），于是利用黎曼多少而不是欧式多少来形貌。而时空的弯曲布局是由时空中的能量动量散布（细致质量也是一种能量情势）通过爱因斯坦方程决定的。而粒子如安在弯曲的时空中活动，则由测地线方程给出。在弱引力极限下，爱因斯坦方程还原为万有引力公式，测地线方程还原为牛顿第二定律。广义相对论是现今人类最可靠的关于引力的理论，但他明显的题目是无法形貌微观天下，这个困难至今另有待被办理。
对付电磁力，实行表明是通过电荷引发孕育产生的电磁场来对其他电荷孕育产生作用的，而场是一种随空间坐标连续变革的东西。在闵可夫斯基空间的框架下，电势与磁矢势可以归并为用一个四矢量场来形貌。这个矢量场的拉格朗日量很好布局，对其应用最小作用量原理就可以得到麦克斯韦方程组。而在场中活动的粒子的拉格朗日量也很容易布局，它的最小作用量原理给出洛伦兹力。如许就完成了电磁作用的形貌。
但对付微观，你和我必要完全差别的一套形貌体系。用位置和速率已经无法形貌一个粒子的状态，于是你和我假定可以用一个无穷维（希尔伯特空间）的矢量来形貌一个体系的状态，而作为矢量的性子，态与态的叠加给出新的态，即态叠加原理。而可丈量的量用此空间上的线性算符来形貌。接下来最紧张的假设是可观丈量的观察的结果只能是算符的本征值。要是本来的态不是算符的本征态，那么丈量结果是将实际的态根据态叠加原理分析本钱征态后，此中一个随机的本征态的本征值。而观察后的态也坍缩为这一本征态。那么根据这个假设，一个态不大概同时是不可互换的算符的本征态，于是对付每一对不可互换的可观丈量，都无法同时测准，比如位置和动量，这便是不确定性原理。活动方程依然由理论力学给出，只必要将经典理论中的量调换为对应的算符，泊松括号调换为对易子，哈密顿力学中的活动方程就可以转化为量子力学的方程。经典力学和量子力学更多的接洽可以从费曼路径积分中得到表现。量子力学这一框架并没有限定形貌的方法，以是有选择图像的自由度。要是采取薛定谔图象以为算符不随时间变革而态随时间变革，思量到哈密顿量与时间演化的干系，得到的活动方程是薛定谔方程。要是采取海森堡表象以为算符随时间变革而态不随时间变革，从泊松括号表述的活动方程得到的是海森堡方程。然而薛定谔方程黑白相对论性哈密顿量孕育产生的。要是利用相对论性的哈密顿量，可以得到Klein-Gordon方程，但是这个方程有很多题目。狄拉克将非线性的相对论哈密顿量分析成线性，并修改了波函数的定义，得到了狄拉克方程以实用于相对论环境。
然而在形貌场的时间，这套框架又孕育产生了新的题目，即真空零点能的发散。于是进一步引入场的量子化，以为形貌已经无法利用无穷维矢量来形貌场的状态，而改用算符形貌，成为量子场论。将Klein-Gordon方程、狄拉克方程等差别的粒子活动方程举行进一步量子化，可以得到差别自旋的粒子的形貌。然而量子场论通常会发散，于是物理学家引入错误的数学，发明白重整化要领，来抵消无穷大项。重整化另有更进一步的物理意义，不过这里之后的内容恕我学艺不精……接下来的范例场论、量子色动力学、标准模型等等都因此量子场论为框架来形貌的。
接下来关于弱力和强力我只能说些科普的东西了。弱力终极可以和电磁场同一在同一个场之中，称为弱电同一。而量子色动力学通过夸克模型形貌了强力。终极，标准模型得以将电磁、弱、强三种相互作用以及它们的媒介粒子、6种夸克、6种轻子以及孕育产生质量的Higgs波色子同一在一个框架之下，加上至今还不共同的引力终极构成了天下所包括的全部东西。如今随着Higgs粒子的发明，标准模型末了一块拼图也被证明了。固然，着着实很早过去理论学家就已经在思量逾越标准模型了。
接下来的理论试图统合引力，有很多实行。超弦理论是此中之一，但超弦理论如今仍旧是一个数学模型，自身也另有很多题目，并且至今无法被实行确定。圈量子理论也是此中之一，也还处于探索阶段。这些就看汗青接下来怎样生长了。
别的，统计力学从另一个完全差别的方向来思量多体体系的活动。对付形貌多体体系，过细的形貌每一个组分的动力学是不实际的。众所周知3体题目都是无法分析办理、乃至会孕育产生混沌征象，人类更无法丈量10^23个分子的位置和速率，也无法写出这么多活动方程去求解，何况这个解通常也是不必要的。人们通常只体贴诸如温度、压力等等有限的宏观量，因此物理学家告急于概率论，引入系综的见解。思量一大堆宏观状态一样，但微观状态可以差别的相似体系，只必要统计出物理量在此中的概率散布，就可以通过统计均匀得到你和我想要知道的、感兴趣的观丈量，这便是各态历经假设的一种表述。由于封闭体系概率散布对参考系的稳固性，它只能是能量的函数，由此得到的系综称为微正则系综。由微正则系综可以得到越发易用的正则系综，以及形貌开放体系的巨正则系综。从这些统计规律出发，可以还原得到均衡态热力学的绝大多数唯像理论。形貌弱相互作用的量子多体体系也可以由此框架举行阐发，比如费米散布与波色散布。
末了作为着末：理论物理并非物理的全部内容，理论物理是试图通过唯理的要领，赐与最根本的假设，通过完全逻辑的推演来举行形貌。在明白形貌了天下的同时，由于数学上的巨大困难，它的实用范畴也非常有限。唯像理论在物理中也占据相称的职位地方，通过征象来举行肯定程度的抽象总结，得到可以肯定程度上表明征象，又实用的理论。热力学、黏性等等理论有相称内容便是唯像的。
参考文献：
[1]Landau,CourseofTheoreticalPhysics.
[2]SeanCarroll,SpacetimeandGeometry:AnIntroductiontoGeneralRelativity.
[3]Dirac,ThePrincipleofQuantumMechanics.
[4]Greiner,FieldQuantization.