Теоретическая физика

Визуальное представление червоточины Шварцшильда . Червоточины никогда не наблюдались, но их существование предсказано с помощью математических моделей и научной теории .

Теоретическая физика - это раздел физики, который использует 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 экспериментальных исследований и теории . В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математической строгости , не придавая большого значения экспериментам и наблюдениям. ^[а] Так , например, при разработке специальной теории относительности , Альберт Эйнштейн был озабочен преобразованием Лоренца , который оставил уравнения Максвелла инвариантны, но, по- видимому , незаинтересованные в эксперименте Майкельсона-Морли на Земле дрейфа «с помощью светоносного эфира . ^[1]Напротив, Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за объяснение фотоэлектрического эффекта , ранее являвшегося экспериментальным результатом, не имевшим теоретической формулировки. ^[2]

Обзор

Физическая теория представляет собой 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 предсказания, 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. ^{[3] [4]} Физическая теория аналогичным образом отличается от математической теории в том смысле, что слово «теория» имеет другое значение в математических терминах. ^[b]

${\ Displaystyle \ mathrm {Ric} = к \, g}$Уравнения для многообразия Эйнштейна , используемые в общей теории относительности для описания кривизны пространства-времени

Физическая теория включает одно или несколько соотношений между различными измеримыми величинами. Архимед понял, что корабль плавает, вытесняя массу воды, Пифагор понимал 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 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 . ^[c] «Разработчики моделей» (также называемые «строителями моделей») часто выглядят очень похоже на феноменологов, но пытаются смоделировать спекулятивные теории, которые имеют определенные желательные особенности (а не на экспериментальных данных), или применить методы математического моделирования к физическим проблемам . ^[d] Некоторые пытаются создать приближенные теории, называемые эффективными теориями , потому что полностью разработанные теории могут рассматриваться как неразрешимые или слишком сложные . Другие теоретики могут попытаться объединить , формализовать, переосмыслить или обобщить существующие теории или вообще создать совершенно новые. ^[e] Иногда видение, обеспечиваемое чистыми математическими системами, может дать ключ к разгадке того, как можно моделировать физическую систему; ^[f] например, идея Римана и других о том, что само пространство может быть искривленным. Теоретические проблемы, требующие вычислительного исследования, часто вызывают озабоченность вычислительной физики .

Теоретические достижения могут заключаться в отказе от старых, неправильных парадигм (например, теории распространения света эфира , теории теплоты сгорания, горения, состоящего из развивающегося флогистона или астрономических тел, вращающихся вокруг Земли ) или могут быть альтернативной моделью, которая дает ответы, более точным или более широко применяемым. В последнем случае потребуется принцип соответствия для восстановления ранее известного результата . ^{[7] [8] Однако} иногда успехи могут идти разными путями. Например, по существу правильная теория может нуждаться в некоторых концептуальных или фактических изменениях;атомная теория , впервые постулированная тысячелетия назад ( несколькими мыслителями в Греции и Индии ), и двухжидкостная теория электричества ^[9] - два случая в этом отношении. Однако исключением из всего вышесказанного является дуализм волна-частица , теория, объединяющая аспекты различных противоположных моделей посредством принципа дополнительности Бора .

Физические теории принимаются, если они могут делать правильные прогнозы и нет (или несколько) неправильных. Теория должна иметь, по крайней мере в качестве второстепенной цели, определенную экономию и элегантность (по сравнению с математической красотой ) - понятие, которое иногда называют « бритвой Оккама » в честь английского философа 13-го века Уильяма Оккама (или Оккама), в котором предпочтительнее более простая из двух теорий, которые так же адекватно описывают один и тот же вопрос (но концептуальная простота может означать математическую сложность). ^[10] Они также с большей вероятностью будут приняты, если они связывают широкий спектр явлений. Проверка следствий теории - часть научного метода .

Физические теории можно разделить на три категории: основные теории , предлагаемые теории и второстепенные теории .

История

Теоретическая физика зародилась, по крайней мере, 2300 лет назад, при досократической философии , и продолжена Платоном и Аристотелем , взгляды которых господствовали на протяжении тысячелетия. Во время подъема средневековых университетов , то только признанные интеллектуальные дисциплины были семь гуманитарных науки по Trivium , как грамматики , логика и риторика и о Quadrivium как арифметическая , геометрия , музыка и астрономия . В средние века иВозрождение , концепция экспериментальной науки, противостоящая теории, началось 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 ту форму, которую мы знаем сегодня, а другие науки выделились из рубрики натурфилософии . Так началась современная эра теории со сменой коперниканской парадигмы в астрономии, за которой вскоре последовали выражения Иоганна Кеплера для планетных орбит, в которых резюмировались тщательные наблюдения за планетными орбитами.Тихо Браге ; Работы этих людей (наряду с работами Галилея), вероятно, 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 механик Декарта были включены в исчисление и механику из Исаака Ньютона , другой теоретик / экспериментатора самого высокого порядка, написание Principia Mathematica . ^[11]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 и 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. ^[12] Они обнаружили интерактивное переплетение математики и физики. начат двумя тысячелетиями раньше Пифагором.

Среди великих концептуальных достижений XIX и XX веков было объединение идеи энергии (а также ее глобального сохранения) путем включения тепла , электричества и магнетизма , а затем и света . В законах термодинамики , а самые главное введение особой концепции энтропия начали предоставлять макроскопическое объяснение свойств вещества. Статистическая механика (затем статистическая физика и квантовая статистическая механика.) возникла как ответвление термодинамики в конце XIX века. Другим важным событием XIX века было открытие теории электромагнетизма , объединившей ранее отдельные явления электричества, магнетизма и света.

Столпами современной физики и, возможно, самыми 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 чернотельного излучения (который на самом деле, была оригинальной мотивацией для теории) и аномалий в теплоемкостях в твердых телах - и , наконец , к пониманию внутренних структур 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 также 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 прогресс в физике конденсированного состояния (теоретические основы сверхпроводимости и критических явлений , среди прочего ), параллельно с применением теории относительности кпроблемы астрономии и космологии соответственно .

Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущей силы как для предложения экспериментов, так и для закрепления результатов - часто путем гениального 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 масштаба элементарных частиц . Там, где невозможно провести эксперименты, теоретическая физика по-прежнему пытается продвигаться вперед, используя математические модели.

Основные теории

Основные теории (иногда называемые центральными теориями ) представляют собой совокупность знаний как фактических, так и научных взглядов и обладают обычным научным качеством тестов на повторяемость, согласованность с существующей устоявшейся наукой и экспериментами. 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.

Примеры

Предлагаемые теории

В предлагаемых теориях физики, как правило , относительно новых теорий , которые имеют дело с изучением физики , которые включают в себя научные подходы, средства для определения достоверности моделей и новых типов рассуждений используются , чтобы прийти к теории. Тем не менее, некоторые предлагаемые теории включают теории, которые существовали десятилетиями и ускользнули от методов открытия и тестирования. Предлагаемые теории могут включать второстепенные теории в процессе становления (а иногда и получения более широкого признания). Предлагаемые теории обычно не проверялись.

Примеры

Теории граней

Пограничные теории включают любую новую область научных исследований, которая находится в процессе становления, а также некоторые предлагаемые теории. Он может включать в себя умозрительные науки. Это включает 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 признанной частью физики. Другие второстепенные теории в конечном итоге опровергаются. Некоторые периферийные теории являются формой прото-науки, а другие - формой псевдонауки . Фальсификация исходной теории иногда приводит к переформулировке теории.

Примеры

Мысленные эксперименты против реальных экспериментов

«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 ЭПР , 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 нынешней формулировки квантовой механики и вероятности в качестве рабочей гипотезы .

Смотрите также

• Список физиков-теоретиков
• Философия физики
• Симметрия в квантовой механике
• Хронология развития теоретической физики

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Физические науки . Британская энциклопедия (Macropaedia) . 25 (15-е изд.). 1994 г.
• Дюгем, Пьер. "La théorie Physique - Son objet, sa structure" (на французском языке). 2-е издание - 1914 г. Английский перевод: «Физическая теория - ее цель, ее структура». Переиздано философским книжным магазином Джозефа Врина (1981), ISBN 2711602214 . 
• Фейнман и др. « Лекции Фейнмана по физике » (3 т.). Первое издание: Addison – Wesley, (1964, 1966).

Трехтомный учебник-бестселлер по физике. Справка как для аспирантов, так и для профессиональных исследователей.

• Ландау и др. « Курс теоретической физики ».

Знаменитая серия книг, посвященных теоретическим концепциям в физике, в 10 томах, переведенных на многие языки и переизданных многими изданиями. В литературе часто называют просто «Ландау и Лифщиц» или «Ландау-Лифщиц».

• Longair, MS. «Теоретические концепции в физике: альтернативный взгляд на теоретические рассуждения в физике». Издательство Кембриджского университета ; 2-е издание (4 декабря 2003 г.). ISBN 052152878X . ISBN 978-0521528788  
• Планк, Макс (1909). «Восемь лекций по теоретической физике» . Библиотека Александрии. ISBN 1465521887 , ISBN 9781465521880 .  

Набор лекций, прочитанных в 1909 году в Колумбийском университете .

• Зоммерфельд, Арнольд. "Vorlesungen über Theoretische Physik" ( Лекции по теоретической физике ); Немецкий, 6 томов.

Серия уроков от ведущего преподавателя физиков-теоретиков.

внешняя ссылка

В Викиучебнике есть книга на тему: Введение в теоретическую физику.

• Хронология теоретической физики
• Центр теоретической физики Массачусетского технологического института
• Как стать ХОРОШИМ физиком-теоретиком , сайт создан Джерардом т Хофтом