Теоретическая физика - это раздел физики, в котором используется математические модели и абстракции физических объектов и систем для рационализации, объяснения и предсказания природных явлений. Это контрастирует с экспериментальной физикой, которая использует экспериментальные инструменты для исследования этих явлений.
Развитие науки обычно зависит от взаимодействия между экспериментальными исследованиями и теорией. В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математической строгости, не придавая большого значения экспериментам и наблюдениям. Например, при разработке специальной теории относительности Альберт Эйнштейн занимался преобразованием Лоренца, которое оставило уравнения Максвелла инвариантными, но, по-видимому, его не интересовало в эксперименте Майкельсона-Морли на Земле, дрейфующей в светоносном эфире. И наоборот, Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение фотоэлектрического эффекта, ранее экспериментального результата, не имеющего теоретической формулировки.
A физическая теория - это модель физических событий. О нем судят по тому, насколько его прогнозы согласуются с эмпирическими наблюдениями. Качество физической теории также оценивается по ее способности делать новые прогнозы, которые могут быть подтверждены новыми наблюдениями. Физическая теория отличается от математической теоремы тем, что, хотя обе они основаны на некоторой форме аксиом, суждение о математической применимости не основано на согласии с какими-либо экспериментальными результатами. Физическая теория аналогичным образом отличается от математической теории в том смысле, что слово «теория» имеет другое значение в математических терминах.
Уравнения для многообразия Эйнштейна, используемые в общей теории относительности для описания кривизны пространства-времени
Физическая теория включает в себя одно или более отношений между различными измеряемыми величинами. Архимед понял, что корабль плавает, вытесняя свою массу воды, Пифагор понял связь между длиной вибрирующей струны и музыкальным тоном, который она производит. Другие примеры включают энтропию как меру неопределенности относительно положений и движений невидимых частиц и квантово-механическую идею, что (действие и) энергия не являются непрерывно изменяемыми.
Теоретическая физика состоит из нескольких различных подходов. В этом отношении хорошим примером является теоретическая физика элементарных частиц. Например: «феноменологи » могут использовать (полу- ) эмпирические формулы и эвристики для согласования с экспериментальными результатами, часто без глубокого физического понимания. «Разработчики моделей» (также называемые «строителями моделей») часто выглядят очень похоже на феноменологов, но пытаются смоделировать спекулятивные теории, которые имеют определенные желаемые характеристики (а не на экспериментальных данных), или применяют методы математического моделирования к задачам физики. Некоторые попытки создать приближенные теории, называемые эффективными теориями, потому что полностью разработанные теории могут считаться неразрешимыми или слишком сложными. Другие теоретики могут попытаться объединить, формализовать, переосмыслить или обобщить существующие теории или вообще создать совершенно новые. Иногда видение, обеспечиваемое чистыми математическими системами, может дать ключ к разгадке того, как можно моделировать физическую систему; например, идея, вызванная Риманом и другими, что пространство само по себе может быть искривленным. Теоретические проблемы, требующие компьютерного исследования, часто вызывают озабоченность вычислительной физики.
. Теоретические достижения могут заключаться в отказе от старых, неправильных парадигм (например, теории эфира распространения света, теория калорий тепла, горения, состоящего из эволюционирующего флогистона, или астрономических тел , вращающихся вокруг Земли ), или может быть альтернативной моделью, которая дает ответы, которые более точным или более широко применяемым. В последнем случае потребуется принцип соответствия для восстановления ранее известного результата. Однако иногда успехи могут идти разными путями. Например, по существу правильная теория может нуждаться в некоторых концептуальных или фактических изменениях; теория атома, впервые постулированная тысячелетия назад (несколькими мыслителями в Греции и Индии ), и двухжидкостная теория электричества - два случая в этом отношении. Однако исключением из всего вышеперечисленного является дуализм волна-частица, теория, объединяющая аспекты различных противоположных моделей посредством принципа дополнительности Бора.
Взаимосвязь между математикой и физикойPhysical теории становятся приемлемыми, если они могут делать правильные прогнозы и нет (или несколько) неверных. Теория должна иметь, по крайней мере, в качестве второстепенной цели, определенную экономию и элегантность (сравните с математической красотой ), понятие, которое иногда называют «бритвой Оккама » после английского языка XIII века. философ Уильям Оккам (или Оккам), в котором предпочтение отдается более простой из двух теорий, которые так же адекватно описывают один и тот же вопрос (но концептуальная простота может означать математическую сложность). Их также с большей вероятностью примут, если они связывают широкий спектр явлений. Проверка последствий теории является частью научного метода.
Физические теории можно разделить на три категории: основные теории, предлагаемые теории и второстепенные теории..
Теоретическая физика зародилась, по крайней мере, 2300 лет назад, в рамках докократической философии, и продолжена Платоном и Аристотелем, чьи взгляды господствовали на протяжении тысячелетия. Во время подъема средневековых университетов единственными признанными интеллектуальными дисциплинами были семь гуманитарных наук из Trivium подобных грамматики, логика и риторика и Quadrivium, например, арифметика, геометрия, музыка и астрономия. В Средние века и Ренессанс концепция экспериментальной науки, контрапункт теории, зародилась у таких ученых, как Ибн аль-Хайтам и Фрэнсис Бэкон. По мере того как научная революция набирала обороты, концепции материи, энергии, пространства, времени и причинности постепенно начали приобретать ту форму, которую мы знаем сегодня, и другие науки выделено из рубрики натурфилософия. Так началась современная эра теории со смены парадигмы Коперника в астрономии, за которой вскоре последовали выражения Иоганна Кеплера для планетных орбит, которые резюмировали тщательные наблюдения Тихо Браге. ; Работы этих людей (наряду с работами Галилея), возможно, можно рассматривать как научную революцию.
Большой толчок к современной концепции объяснения начался с Галилея, одного из немногих физиков, который был одновременно непревзойденным теоретиком и великим экспериментатором. аналитическая геометрия и механика Декарта были включены в исчисление и механику Исаака Ньютона, другого теоретика / экспериментатор высшей категории, пишущий Principia Mathematica. В нем содержится великий синтез работ Коперника, Галилея и Кеплера; а также теории механики и гравитации Ньютона, которые господствовали в мировоззрении до начала 20 века. Одновременно был достигнут прогресс в оптике (в частности, в теории цвета и древней науке геометрической оптике ) благодаря Ньютону, Декарту и голландцам Снеллю и Гюйгенсу. В XVIII и XIX веках Жозеф-Луи Лагранж, Леонард Эйлер и Уильям Роуэн Гамильтон значительно расширили теорию классической механики. Они уловили интерактивное переплетение математики и физики, начатое двумя тысячелетиями ранее Пифагором.
Среди великих концептуальных достижений XIX и XX веков было объединение идеи энергии (а также ее глобального сохранения) за счет включения тепла, электричество и магнетизм, а затем свет. законы термодинамики и, что наиболее важно, введение сингулярной концепции энтропии начали обеспечивать макроскопическое объяснение свойств материи. Статистическая механика (за которой следуют статистическая физика и квантовая статистическая механика ) возникла как ответвление термодинамики в конце XIX века. Другим важным событием XIX века было открытие теории электромагнетизма, объединяющей ранее отдельные явления электричества, магнетизма и света.
. Столпами современной физики и, возможно, наиболее революционными теориями в истории физики были теория относительности и квантовая механика. Механика Ньютона была включена в специальную теорию относительности, а гравитация Ньютона получила кинематическое объяснение в рамках общей теории относительности. Квантовая механика привела к пониманию черного тела излучения (что действительно было исходной мотивацией для теории) и аномалий в удельной теплоемкости твердых тел - и, наконец, к пониманию внутренней структуры атомов и молекул. Квантовая механика вскоре уступила место формулировке квантовой теории поля (КТП), начатой в конце 1920-х годов. После Второй мировой войны дальнейший прогресс привел к возобновлению интереса к QFT, который с первых же попыток угас. В тот же период были отмечены новые атаки на проблемы сверхпроводимости и фазовых переходов, а также первые применения КТП в области теории конденсированного состояния. В 1960-х и 70-х годах была сформулирована Стандартная модель физики элементарных частиц с использованием КТП и прогресса в физике конденсированного состояния (теоретические основы сверхпроводимости и критические явления, среди прочего ), параллельно с применением теории относительности к задачам астрономии и космологии соответственно.
Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущей силы как для предлагать эксперименты и закреплять результаты - часто гениальным применением существующей математики или, как в случае Декарта и Ньютона (с Лейбницем ), изобретением новой математики. Исследования Фурье теплопроводности привели к новому разделу математики: бесконечным ортогональным рядам.
Современная теоретическая физика пытается объединить теории и объяснить явления в дальнейших попытках понять Вселенную, от космологического до масштаба элементарных частиц. Там, где невозможно провести эксперименты, теоретическая физика по-прежнему пытается продвигаться вперед за счет использования математических моделей.
Основные теории (иногда называемые центральными теориями) представляют собой совокупность знаний как фактических, так и научных взглядов и обладают обычным научным качеством тестов на повторяемость, соответствие существующим устоявшаяся наука и эксперименты. Существуют господствующие теории, которые являются общепринятыми теориями, основанными исключительно на их эффектах, объясняющих широкий спектр данных, хотя их обнаружение, объяснение и возможная композиция являются предметами споров.
Предлагаемые теории физики обычно являются относительно новыми теориями, которые имеют дело с изучением физики, которые включают научные подходы, средства для определения достоверности моделей и новые типы рассуждений, используемые для получения теории. Однако некоторые предлагаемые теории включают теории, которые существовали десятилетиями и ускользнули от методов открытия и проверки. Предлагаемые теории могут включать второстепенные теории в процессе становления (а иногда и получения более широкого признания). Предлагаемые теории обычно не проверялись.
Теории края включают любую новую область научных усилий в процессе становления и некоторые предлагаемые теории. Он может включать в себя умозрительные науки. Сюда входят области физики и физические теории, представленные в соответствии с известными доказательствами, и множество связанных с ними предсказаний было сделано в соответствии с этой теорией.
Некоторые второстепенные теории становятся широко принятой частью физики. Другие второстепенные теории в конечном итоге опровергаются. Некоторые второстепенные теории являются формой протонауки, а другие - формой псевдонауки. Фальсификация исходной теории иногда приводит к переформулировке теории.
«Мысленные» эксперименты - это ситуации, созданные в сознании человека, в которых задается вопрос, похожий на «предположим, что вы находитесь в этой ситуации, предполагая, что это правда, что будет дальше?». Обычно они создаются для исследования явлений, которые нелегко пережить в повседневных ситуациях. Известными примерами таких мысленных экспериментов являются кот Шредингера, мысленный эксперимент EPR, простые иллюстрации замедления времени и так далее. Обычно они приводят к реальным экспериментам, предназначенным для проверки правильности выводов (и, следовательно, предположений) мысленных экспериментов. Мысленный эксперимент ЭПР привел к неравенствам Белла, которые затем были проверены с различной степенью строгости, что привело к принятию текущей формулировки квантовой механики и вероятностность как рабочая гипотеза.
В Викиучебнике есть книга по темам: Введение в теоретическую физику |