Теоретическая физика
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 между экспериментальными исследованиями и теорией . В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математической строгости , придавая мало значения экспериментам и наблюдениям. [a] Например, при разработке специальной теории относительности Альберт Эйнштейн был озабочен 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 , который ранее был экспериментальным результатом, не имеющим теоретической формулировки. [2]
Физическая теория – это модель физических событий. О нем судят по тому, насколько его предсказания согласуются с эмпирическими наблюдениями. О качестве физической теории судят также по ее способности делать новые предсказания, которые можно проверить новыми наблюдениями. Физическая теория отличается от математической теоремы тем, что, хотя обе они основаны на той или иной форме аксиом , суждения о математической применимости не основаны 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. [б]
Уравнения для многообразия Эйнштейна , используемые в общей теории относительности для описания кривизны пространства -времени.
Физическая теория включает одно или несколько соотношений 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. [5] [6] Другие примеры включают энтропию как меру неопределенности в отношении положения и движения невидимых частиц и квантово-механическую идею о том, что ( действие и) энергия не являются непрерывно переменными.
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] «Моделисты» (также называемые «строителями моделей») часто кажутся во многом похожими на феноменологов, но пытаются моделировать спекулятивные теории, обладающие определенными желаемыми характеристиками (а не на экспериментальных данных), или применять методы математического моделирования к физическим проблемам . . [д] Некоторые пытаются создать приближенные теории, называемые эффективными теориями , потому что полностью разработанные теории могут рассматриваться как неразрешимые или слишком сложные . Другие теоретики могут попытаться унифицировать , формализовать, переинтерпретировать или обобщить существующие теории или вообще создать совершенно новые. [e] Иногда видение, обеспечиваемое чисто математическими системами, может дать ключ к пониманию того, как можно смоделировать физическую систему; [f] например, идея Римана и других, что само пространство может быть искривлено. Теоретические проблемы, требующие вычислительного исследования, часто являются предметом внимания вычислительной физики .