Теоретическая физика

Визуальное изображение червоточины Шварцшильда . Червоточины никогда не наблюдались, но их существование предсказывается 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 прогнозирования природных явлений . В этом отличие от экспериментальной физики , 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. Например, разрабатывая специальную теорию относительности , Альберт Эйнштейн был озабочен преобразованием Лоренца , которое оставило уравнения Максвелла инвариантными, но, очевидно, его не интересовал Майкельсона-Морли светоносный эксперимент по дрейфу Земли через эфир . И наоборот, Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение фотоэлектрического эффекта , ранее являвшегося экспериментальным результатом, не имевшим теоретической формулировки.

Обзор

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 , 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.

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

Физическая теория предполагает одно или несколько отношений между различными измеримыми величинами. Архимед понял, что корабль плавает, вытесняя массу воды, Пифагор понял связь между длиной вибрирующей струны и производимым ею музыкальным тоном. Другие примеры включают энтропию как меру неопределенности относительно положений и движений невидимых частиц , а также квантовомеханическую идею о том, что ( действие и) энергия не являются постоянно меняющимися.

Теоретическая физика состоит из нескольких различных подходов. В этом отношении теоретическая физика элементарных частиц хорошим примером является . Например: « феноменологи » могут использовать ( полу ) эмпирические формулы и эвристики для согласования с экспериментальными результатами, часто без глубокого физического понимания . «Моделисты» (также называемые «строителями моделей») часто похожи на феноменологов, но пытаются моделировать умозрительные теории, которые имеют определенные желательные особенности (а не на основе экспериментальных данных), или применять методы математического моделирования к физическим проблемам. Некоторые пытаются создать приближенные теории, называемые эффективными теориями , поскольку полностью разработанные теории могут считаться неразрешимыми или слишком сложными . Другие теоретики могут попытаться унифицировать , формализовать, переосмыслить или обобщить существующие теории или вообще создать совершенно новые. Иногда видение, обеспечиваемое чистыми математическими системами, может дать ключ к пониманию того, как можно смоделировать физическую систему; например, идея Римана и других о том, что само пространство может быть искривленным. Теоретические проблемы, требующие компьютерного исследования, часто являются предметом заботы вычислительной физики .

Теоретические достижения могут заключаться в отказе от старых, неправильных парадигм (например, эфирной теории распространения света, калорической теории тепла, горения, состоящего из развивающегося флогистона , или астрономических тел , вращающихся вокруг Земли ) или могут представлять собой альтернативную модель, которая дает ответы, которые более точные или которые могут быть более широко применены. В последнем случае принцип соответствия потребуется для восстановления ранее известного результата . Однако иногда прогресс может идти по разным путям. Например, по существу правильная теория может нуждаться в некоторых концептуальных или фактических пересмотрах; атомная теория , впервые постулированная тысячелетия назад ( несколько мыслителей в Греции и Индии ) и двухжидкостная теория электричества. В этом вопросе есть два случая. Однако исключением из всего вышесказанного является корпускулярно -волновой дуализм , теория, объединяющая аспекты различных, противоположных моделей посредством принципа дополнительности Бора .

Связь между математикой и физикой

Физические теории становятся общепринятыми, если они способны делать правильные предсказания и не делать (или иметь мало) неверных. Теория должна иметь, по крайней мере в качестве второстепенной цели, определенную экономность и элегантность (по сравнению с математической красотой ), понятие, которое иногда называют « бритвой Оккама » в честь английского философа XIII века Уильяма Оккама (или Оккама), в котором Предпочтительна более простая из двух теорий, которые одинаково адекватно описывают один и тот же вопрос (но концептуальная простота может означать математическую сложность). Они также с большей вероятностью будут приняты, если связывают широкий круг явлений. Проверка следствий теории является частью научного метода .

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

История

Дополнительная информация: История физики.

Теоретическая физика началась по крайней мере 2300 лет назад, во времена досократической философии , и была продолжена Платоном и Аристотелем , чьи взгляды господствовали на протяжении тысячелетия. Во время возникновения 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, противовеса теории, возникла у таких ученых, как Ибн аль-Хайсам 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 вышли из рубрики натурфилософии . Так началась современная эра теории со сдвигом парадигмы Коперника в астрономии, за которым вскоре последовали выражения Иоганна Кеплера для планетарных орбит, которые суммировали скрупулезные 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 превосходным теоретиком и великим экспериментатором . Аналитическая геометрия и механика Декарта были включены в исчисление и механику Исаака Ньютона , другого теоретика/экспериментатора высочайшего уровня, написавшего Principia Mathematica . В нем содержался грандиозный синтез работ Коперника, Галилея и Кеплера; а также теории механики и гравитации Ньютона, которые господствовали как мировоззрения до начала 20 века. Одновременно прогресс был достигнут и в оптике (в частности, теории цвета и древней науке геометрической оптики ), благодаря Ньютону, Декарту и голландцам Снеллу и Гюйгенсу. В XVIII и XIX веках Жозеф-Луи Лагранж , Леонард Эйлер и Уильям Роуэн Гамильтон значительно расширили теорию классической механики. Они подхватили интерактивное переплетение математики и физики, начатое Пифагором двумя тысячелетиями ранее.

Среди великих концептуальных достижений XIX и XX веков было консолидация идеи энергии (а также ее глобального сохранения) путем включения тепла , электричества и магнетизма , а затем света . Законы термодинамики и, самое главное, введение единой концепции энтропии начали давать макроскопическое объяснение свойств материи. Статистическая механика (за которой следовали статистическая физика и квантовая статистическая механика ) возникла как ответвление термодинамики в конце 19 века. Другим важным событием XIX века стало открытие электромагнитной теории , 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 . Ньютона Механика Ньютона была отнесена к специальной теории относительности, а гравитация получила кинематическое объяснение в общей теории относительности . Квантовая механика привела к пониманию черного тела излучения (которое действительно было первоначальным мотивом для теории) и аномалий 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 момента первых попыток находился в застое. В тот же период произошли новые атаки на проблемы сверхпроводимости и фазовых переходов, а также первые применения КТП в области теоретической конденсированной среды. В 1960-е и 70-е годы была сформулирована Стандартная модель физики элементарных частиц с использованием КТП и прогресса в физике конденсированного состояния (теоретические основы сверхпроводимости и критических явлений , среди прочего ), параллельно с применением теории относительности к проблемам астрономии и космологии соответственно .

Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущей силы, которая предлагала эксперименты и консолидировала результаты — часто за счет изобретательного применения существующей математики или, как в случае Декарта и Ньютона (с Лейбницем ), путем изобретения новой математики. Исследования Фурье теплопроводности привели к созданию новой отрасли математики: бесконечных ортогональных рядов .

Современная теоретическая физика пытается объединить теории и объяснить явления в дальнейших попытках понять Вселенную , от космологического до масштаба элементарных частиц . Там, где экспериментирование невозможно, теоретическая физика все еще пытается продвигаться вперед за счет использования математических моделей.

Основные

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 устоявшимся наукам и экспериментам. Существуют основные теории, которые являются общепринятыми теориями, основанными исключительно на их эффектах, объясняющих широкий спектр данных, хотя обнаружение, объяснение и возможный состав являются предметами дискуссий.

Примеры

• Большой взрыв
• Теория хаоса
• Классическая механика
• Классическая теория поля
• Теория динамо
• Теория поля
• Теория Гинзбурга – Ландау
• Кинетическая теория газов
• Классический электромагнетизм
• Теория возмущений (квантовая механика)
• Физическая космология
• Квантовая хромодинамика
• Квантовая теория сложности
• Квантовая электродинамика
• Квантовая теория поля
• Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени
• Квантовая теория информации
• Квантовая механика
• Квантовая термодинамика
• Релятивистская квантовая механика
• Теория рассеяния
• Стандартная модель
• Статистическая физика
• Теория относительности
• Корпускулярно-волновой дуализм

теории

Предлагаемые теории физики обычно представляют собой относительно новые теории, изучающие физику и включающие научные подходы, средства определения обоснованности моделей и новые типы рассуждений, используемые для создания теории. Однако некоторые предложенные теории включают в себя теории, существующие уже несколько десятилетий и ускользающие от методов открытия и проверки. Предлагаемые теории могут включать маргинальные теории, находящиеся в процессе утверждения (а иногда и получения более широкого признания). Предлагаемые теории обычно не проверялись. В дополнение к теориям, подобным перечисленным ниже, существуют также разные интерпретации квантовой механики , которые можно считать или не считать 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

К маргинальным теориям относятся любые новые области научных исследований, находящиеся в процессе становления, а также некоторые предлагаемые теории. Сюда можно отнести умозрительные науки. Сюда входят области физики и физические теории, представленные в соответствии с известными данными, а также множество связанных с ними предсказаний, сделанных в соответствии с этой теорией.

Некоторые маргинальные теории впоследствии стали широко признанной частью физики. Другие маргинальные теории в конечном итоге опровергаются. Некоторые маргинальные теории являются формой протонауки , а другие — формой псевдонауки . Фальсификация исходной теории иногда приводит к ее переформулировке.

Примеры

• Эфир (классический элемент)
  • Светоносный эфир
• Цифровая физика
• Электрогравитация
• Стохастическая электродинамика
• Динамическая теория гравитации Теслы

Мысленные эксперименты

Основная статья: Мысленный эксперимент

«Мысленные» эксперименты — это ситуации, создаваемые в уме человека, когда задается вопрос, похожий на «предположим, что вы находитесь в этой ситуации, если предположить, что это правда, что за этим последует?». Обычно они создаются для исследования явлений, с которыми нелегко столкнуться в повседневных ситуациях. Известные примеры таких мысленных экспериментов — кот Шрёдингера , мысленный эксперимент ЭПР , простые иллюстрации замедления времени и так далее. Обычно они приводят к реальным экспериментам, призванным проверить правильность 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 теории вероятности в качестве рабочей гипотезы .

См. также

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

Дальнейшее чтение

• Физические науки . Британская энциклопедия (Макропедия). Том. 25 (15-е изд.). 1994.
• Дюэм, Пьер. La theorie 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. Фейнмановские лекции по физике (3 тома). Первое издание: Аддисон-Уэсли (1964, 1966).

Бестселлер трехтомный учебник по физике. Справочник как для студентов (бакалавров), так и для профессиональных исследователей.

• Ландау и др. Курс теоретической физики .

Знаменитая серия книг, посвященная теоретическим концепциям физики, охватывающая 10 томов, переведенная на многие языки и переизданная во многих изданиях. В литературе часто известен просто как «Ландау и Лифшиц» или «Ландау-Лифшиц».

• Лонгэйр, Миссисипи. 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 . Александрийская библиотека. ISBN   1465521887 , ISBN   9781465521880 .

Серия лекций, прочитанных в 1909 году в Колумбийском университете .

• Зоммерфельд, Арнольд. по теоретической Лекции физике ; Немецкий, 6 томов.

Серия уроков от мастера-преподавателя физиков-теоретиков.

Внешние ссылки

• Центр теоретической физики Массачусетского технологического института
• Как стать ХОРОШИМ физиком-теоретиком , веб-сайт Джерарда 'т Хоофта