Теоретическая физика — это раздел физики , который использует математические модели и абстракции физических объектов и систем для рационализации, объяснения и прогнозирования природных явлений . Это отличается от экспериментальной физики , которая использует экспериментальные инструменты для исследования этих явлений.
Развитие науки в целом зависит от взаимодействия экспериментальных исследований и теории . В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математической строгости , придавая мало значения экспериментам и наблюдениям. [a] Например, разрабатывая специальную теорию относительности , Альберт Эйнштейн интересовался преобразованием Лоренца , которое оставило уравнения Максвелла инвариантными, но, по-видимому, не интересовался экспериментом Майкельсона-Морли по дрейфу Земли через светоносный эфир . [1] И наоборот, Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение фотоэлектрического эффекта , ранее экспериментального результата, не имеющего теоретической формулировки. [2]
Физическая теория — это модель физических событий. Она оценивается по тому, в какой степени ее предсказания согласуются с эмпирическими наблюдениями. Качество физической теории также оценивается по ее способности делать новые предсказания, которые могут быть проверены новыми наблюдениями. Физическая теория отличается от математической теоремы тем , что, хотя обе они основаны на некоторой форме аксиом , суждение о математической применимости не основывается на согласии с какими-либо экспериментальными результатами. [3] [4] Физическая теория также отличается от математической теории в том смысле, что слово «теория» имеет другое значение в математических терминах. [b]
Уравнения для многообразия Эйнштейна , используемые в общей теории относительности для описания кривизны пространства-времени.
Физическая теория включает в себя одно или несколько соотношений между различными измеримыми величинами. Архимед понял, что корабль плавает, вытесняя свою массу воды, Пифагор понял связь между длиной вибрирующей струны и музыкальным тоном, который она производит. [5] [6] Другие примеры включают энтропию как меру неопределенности относительно положений и движений невидимых частиц и квантово-механическую идею о том, что ( действие и) энергия не являются непрерывно изменчивыми.
Теоретическая физика состоит из нескольких различных подходов. В этом отношении теоретическая физика элементарных частиц является хорошим примером. Например: « феноменологи » могут использовать ( полу- ) эмпирические формулы и эвристики для согласования с экспериментальными результатами, часто без глубокого физического понимания . [c] «Моделисты» (также называемые «строителями моделей») часто выглядят во многом как феноменологи, но пытаются моделировать спекулятивные теории, которые имеют определенные желаемые характеристики (а не на экспериментальных данных), или применять методы математического моделирования к физическим проблемам. [d] Некоторые пытаются создать приближенные теории, называемые эффективными теориями , потому что полностью разработанные теории могут считаться неразрешимыми или слишком сложными . Другие теоретики могут пытаться объединить , формализовать, переосмыслить или обобщить существующие теории или создать совершенно новые. [e] Иногда видение, предоставляемое чистыми математическими системами, может дать ключи к тому, как можно смоделировать физическую систему; [f] например, представление, принадлежащее Риману и другим, о том, что само пространство может быть искривлено. Теоретические проблемы, требующие вычислительного исследования, часто являются предметом внимания вычислительной физики .
Теоретические достижения могут заключаться в отказе от старых, неверных парадигм (например, эфирной теории распространения света, теплородной теории тепла, горения, состоящего из развивающегося флогистона , или астрономических тел, вращающихся вокруг Земли ) или могут быть альтернативной моделью, которая дает ответы, которые являются более точными или которые могут быть более широко применены. В последнем случае для восстановления ранее известного результата потребуется принцип соответствия . [7] [8] Однако иногда достижения могут идти по разным путям. Например, по сути правильная теория может нуждаться в некоторых концептуальных или фактических пересмотрах; атомная теория , впервые постулированная тысячелетия назад ( несколькими мыслителями в Греции и Индии ), и двухжидкостная теория электричества [9] являются двумя случаями в этом отношении. Однако исключением из всего вышесказанного является корпускулярно-волновой дуализм , теория, объединяющая аспекты различных, противоположных моделей посредством принципа дополнительности Бора .
Физические теории принимаются, если они способны делать правильные предсказания и не делать никаких (или мало) неправильных. Теория должна иметь, по крайней мере, в качестве вторичной цели, определенную экономию и элегантность (сравните с математической красотой ), понятие, иногда называемое « бритвой Оккама » в честь английского философа 13-го века Уильяма Оккама (или Оккама), в котором более простая из двух теорий, которые описывают один и тот же вопрос так же адекватно, отдается предпочтение (но концептуальная простота может означать математическую сложность). [10] Они также с большей вероятностью будут приняты, если они связывают широкий спектр явлений. Проверка следствий теории является частью научного метода .
Физические теории можно разделить на три категории: основные теории , предлагаемые теории и дополнительные теории .
Теоретическая физика началась по крайней мере 2300 лет назад, в рамках досократической философии , и продолжилась Платоном и Аристотелем , чьи взгляды господствовали в течение тысячелетия. Во время подъема средневековых университетов единственными признанными интеллектуальными дисциплинами были семь свободных искусств тривиума , таких как грамматика , логика и риторика , и квадривиума , таких как арифметика , геометрия , музыка и астрономия . В Средние века и эпоху Возрождения концепция экспериментальной науки, контрапункта теории, началась с 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 форму, которую мы знаем сегодня, и другие науки отделились от рубрики естественной философии . Так началась современная эра теории со сменой парадигмы Коперника в астрономии, за которой вскоре последовали выражения Иоганна Кеплера для планетарных орбит, обобщившие скрупулезные наблюдения Тихо Браге ; труды этих людей (наряду с трудами Галилея) можно, пожалуй, считать началом научной революции.
Великий толчок к современной концепции объяснения начался с Галилея , одного из немногих физиков , который был и непревзойденным теоретиком, и великим экспериментатором . Аналитическая геометрия и механика Декарта были включены в исчисление и механику Исаака Ньютона , другого теоретика/экспериментатора высочайшего порядка, написавшего Principia Mathematica . [11] В нем содержался грандиозный синтез работ Коперника, Галилея и Кеплера; а также теории механики и гравитации Ньютона, которые господствовали как мировоззрения до начала 20-го века. Одновременно прогресс был также достигнут в оптике (в частности, в теории цвета и древней науке геометрической оптики ), любезно предоставленной Ньютоном, Декартом и голландцами Снеллиусом и Гюйгенсом. В XVIII и XIX веках Жозеф-Луи Лагранж , Леонард Эйлер и Уильям Роуэн Гамильтон значительно расширили теорию классической механики. [12] Они подхватили интерактивное переплетение математики и физики , начатое двумя тысячелетиями ранее Пифагором.
Среди великих концептуальных достижений 19-го и 20-го веков были консолидация идеи энергии (а также ее глобального сохранения) путем включения тепла , электричества и магнетизма , а затем света . Законы термодинамики и, что наиболее важно, введение сингулярной концепции энтропии начали давать макроскопическое объяснение свойств материи. Статистическая механика (а затем статистическая физика и квантовая статистическая механика ) возникла как ответвление термодинамики в конце 19-го века. Другим важным событием в 19-м веке было открытие электромагнитной теории , объединившей ранее отдельные явления электричества, магнетизма и света.
Столпы современной физики и, возможно, самые революционные теории в истории физики — это теория относительности и квантовая механика . Ньютоновская механика была включена в специальную теорию относительности, а общая теория относительности дала кинематическое объяснение гравитации Ньютона . Квантовая механика привела к пониманию излучения черного тела (что, действительно, было изначальной мотивацией для этой теории) и аномалий в удельной теплоте 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 принес значительно возобновившийся интерес к КТП, который со времени первых попыток застопорился. В тот же период также произошли новые атаки на проблемы сверхпроводимости и фазовых переходов, а также первые применения КТП в области теоретического конденсированного состояния. В 1960-х и 1970-х годах была разработана Стандартная модель физики элементарных частиц с использованием КТП и наблюдался прогресс в физике конденсированного состояния (теоретические основы сверхпроводимости и критических явлений , среди прочего ), параллельно с приложениями теории относительности к проблемам астрономии и космологии соответственно .
Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущей силы, как для предложения экспериментов, так и для консолидации результатов — часто путем изобретательного применения существующей математики, или, как в случае Декарта и Ньютона (с Лейбницем ), путем изобретения новой математики. Исследования Фурье теплопроводности привели к новому разделу математики: бесконечным ортогональным рядам . [13]
Современная теоретическая физика пытается объединить теории и объяснить явления в дальнейших попытках понять Вселенную , от космологического до элементарного масштаба частиц . Там, где экспериментирование невозможно, теоретическая физика все еще пытается продвигаться вперед с помощью математических моделей.
Основные теории (иногда называемые центральными теориями ) представляют собой совокупность знаний как фактических, так и научных взглядов и обладают обычным научным качеством тестов повторяемости, согласованности с существующей устоявшейся наукой и экспериментами. Существуют основные теории, которые являются общепринятыми теориями, основанными исключительно на их эффектах, объясняющих широкий спектр данных, хотя обнаружение, объяснение и возможная композиция являются предметами дискуссий.
Предложенные теории физики обычно являются относительно новыми теориями, которые имеют дело с изучением физики, которые включают научные подходы, средства для определения обоснованности моделей и новые типы рассуждений, используемых для получения теории. Однако некоторые предложенные теории включают теории, которые существуют уже десятилетия и избегают методов открытия и проверки. Предложенные теории могут включать периферийные теории, находящиеся в процессе становления (и, иногда, получения более широкого признания). Предложенные теории обычно не были проверены. В дополнение к теориям, подобным перечисленным ниже, существуют также различные интерпретации квантовой механики , которые могут или не могут считаться разными теориями, поскольку спорно, дают ли они разные предсказания для физических экспериментов, даже в принципе. Например, соответствие AdS/CFT , теория Черна–Саймонса , гравитон , магнитный монополь , теория струн , теория всего .
Теории пограничья включают любую новую область научных исследований в процессе становления и некоторые предлагаемые теории. Они могут включать спекулятивные науки. Это включает физические области и физические теории, представленные в соответствии с известными доказательствами, и корпус связанных предсказаний был сделан в соответствии с этой теорией.
Некоторые крайние теории становятся общепринятой частью физики. Другие крайние теории в конечном итоге опровергаются. Некоторые крайние теории являются формой протонауки , а другие — формой псевдонауки . Фальсификация исходной теории иногда приводит к переформулированию теории.
«Мысленные» эксперименты — это ситуации, создаваемые в уме человека, задающего вопрос, похожий на «предположим, что вы находитесь в этой ситуации, и если предположить, что это правда, что из этого следует?». Обычно они создаются для исследования явлений, которые нелегко испытать в повседневных ситуациях. Известными примерами таких мысленных экспериментов являются кот Шредингера , мысленный эксперимент ЭПР , простые иллюстрации замедления времени и т. д. Они обычно приводят к реальным экспериментам, предназначенным для проверки того, что вывод (и, следовательно, предположения) мысленных экспериментов верны. Мысленный эксперимент ЭПР привел к неравенствам Белла , которые затем были проверены с различной степенью строгости , что привело к принятию текущей формулировки квантовой механики и теории вероятностей в качестве рабочей гипотезы .
