Теоретическая физика

Визуальное представление о червоточине Шварцшильда . Черволи никогда не наблюдались, но прогнозируется, что они существуют посредством математических моделей и научной теории .

Теоретическая физика - это ветвь физики , которая использует математические модели и абстракции физических объектов и систем для рационализации, объяснения и прогнозирования природных явлений . Это в отличие от экспериментальной физики , которая использует экспериментальные инструменты для исследования этих явлений.

Содействие науке обычно зависит от взаимодействия между экспериментальными исследованиями и теорией . В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математической строгости , в то же время придавая экспериментам и наблюдениям небольшой вес. ^{[ А ]} Например, при разработке специальной относительности , но , Альберт Эйнштейн был обеспокоен трансформацией Лоренца , которая оставила инвариантные уравнения Максвелла по -видимому, не заинтересовался в эксперименте Майкельсона -Морли на Земли дрейфу через световой эфир . ^{[ 1 ]} И наоборот, Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение фотоэлектрического эффекта , ранее экспериментальный результат, в котором отсутствовал теоретическая формулировка. ^{[ 2 ]}

Обзор

Физическая теория - это модель физических событий. Он оценивается по степени, в которой его прогнозы согласуются с эмпирическими наблюдениями. Качество физической теории также оценивается по его способности делать новые прогнозы, которые могут быть проверены новыми наблюдениями. Физическая теория отличается от математической теоремы тем, что, хотя оба основаны на какой -либо форме аксиомов , суждение о математической применимости не основано 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 ]}

$\mathrm {Ric} =kg$ Уравнения для эйнштейнового коллектора , используемых в общей относительности для описания кривизны пространства -времени

Физическая теория включает в себя одну или несколько взаимосвязи между различными измеримыми величинами. Архимеда понял, что корабль плавает, вытесняя свою массу воды, Пифагор понимал связь между длиной вибрирующей струны и музыкальным тоном, который он производит. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Другие примеры включают энтропию как меру неопределенности в отношении положений и движений невидимых частиц и квантовой механической идеи о том, что ( действие и) энергия не постоянно изменяют.

Теоретическая физика состоит из нескольких разных подходов. В связи с этим теоретическая физика частиц является хорошим примером. Например: « феноменологи » могут использовать ( полу- ) эмпирические формулы и эвристику, чтобы согласиться с экспериментальными результатами, часто без глубокого физического понимания . ^{[ C ]} «Модельеры» (также называемые «модельными строителями») часто кажутся очень похожими на феноменологов, но стараются моделировать спекулятивные теории, которые имеют определенные желательные особенности (а не для экспериментальных данных) или применить методы математического моделирования к проблемам физики. ^{[ D ]} Некоторые пытаются создать приблизительные теории, называемые эффективными теориями , потому что полностью развитые теории могут рассматриваться как неразрешимые или слишком сложные . Другие теоретики могут попытаться объединить , формализовать, переосмыслить или обобщать существующие теории или создавать совершенно новые. ^{[ E ]} Иногда видение, предоставляемое чистыми математическими системами, может дать подсказку о том, как может быть смоделирована физическая система; ^{[ f ]} Например, понятие, из -за Римана и других, это само пространство может быть изогнуто. Теоретические проблемы, которые требуют вычислительного исследования, часто являются проблемой вычислительной физики .

Теоретические достижения могут состоять в отмене старых, неверных парадигм (например, теория эфира распространения света, теория тепла калорий, сжигание, состоящее из развивающегося флогистона или астрономических тел, вращающихся вокруг Земли ) или может быть альтернативной моделью, которая дает ответы, которые являются более точно или это может быть более широко применено. В последнем случае принцип соответствия потребуется для восстановления ранее известного результата . ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Иногда, однако, достижения могут идти по разным путям. Например, по существу правильная теория может понадобиться некоторые концептуальные или фактические изменения; Атомная теория , впервые постулированная тысячелетия назад ( несколькими мыслителями в Греции и Индии ) и с двумя плодами. теория электроэнергии ^{[ 9 ]} два случая в этой точке. Тем не менее, исключением со всем вышеперечисленным является двойственность волн -частиц , теория, объединяющая аспекты разных противоположных моделей через принцип взаимодополняемости BOR .

Физические теории становятся принятыми, если они способны делать правильные прогнозы и нет (или мало) неправильных. Теория должна иметь, по крайней мере, в качестве вторичной цели, определенной экономики и элегантности (по сравнению с математической красотой ), понятие, которое иногда называется « бритва Оккама » после английского философа 13-го века Уильям Оккама (или Окхама), в котором Проще из двух теорий, которые описывают один и тот же вопрос так же, как и адекватно, является предпочтительным (но концептуальная простота может означать математическую сложность). ^{[ 10 ]} Они также с большей вероятностью будут приняты, если они соединяют широкий спектр явлений. Тестирование последствий теории является частью научного метода .

Физические теории могут быть сгруппированы в три категории: основные теории , предлагаемые теории и теории .

История

Теоретическая физика началась не менее 2300 лет назад, под предварительной философией и продолжилась Платоном и Аристотелем , чьи взгляды держались на тысячелетие. Во время роста средневековых университетов единственными признанными интеллектуальными дисциплинами были семь гуманитарных искусств тривия, таких как грамматика , логика и риторика , а также квадривия , такой как арифметика , геометрия , музыка и астрономия . В средние века и эпохи Возрождения концепция экспериментальной науки, контрапункт теории, началась с таких ученых, как Ибн аль-Хейтем и Фрэнсис Бэкон . Поскольку научная революция набирала темп, концепции материи , энергии, пространства, времени и причинности постепенно начали приобретать форму, которую мы знаем сегодня, и другие науки оказались от рубрики естественной философии . Таким образом, началась современная эра теории с сдвигом Парадигмы Коперника в астрономии, вскоре после чего последовали выражения Йоханнеса Кеплера для планетарных орбит, которые суммировали тщательные наблюдения за тихо -Брахе ; Считается, что произведения этих людей (наряду с Галилей) можно считать научной революцией.

Большой толчок к современной концепции объяснения начался с Галилея , одного из немногих физиков, который был и непревзойденным теоретиком, и великим эксперименталистом . Аналитическая геометрия и механика Декарта были включены в исчисление и механику , Исаака Ньютона еще одного теоретика/экспериментатора самого высокого порядка, написания принципиального принципа Matematica . ^{[ 11 ]} В нем содержался грандиозный синтез работы Коперника, Галилея и Кеплера; а также теории механики и гравитации Ньютона, которые продолжали показаться мировоззрением до начала 20 -го века. Одновременно прогресс был также достигнут в оптике (в частности, теории цвета и древней науке геометрической оптики ), любезно предоставленной Ньютоном, Декартом и голландцами Снеллом и Хейгенсом. В 18-м и 19-м веках Джозеф-Луи Лагранж , Леонхард Эйлер и Уильям Роуэн Гамильтон, значительно расширили бы теорию классической механики. ^{[ 12 ]} Они взяли интерактивное переплетение математики и физики, начавшиеся два тысячелетия ранее Пифагора.

Среди великих концептуальных достижений 19 -го и 20 -го веков была консолидация идеи энергии (а также ее глобальное сохранение) путем включения тепла , электричества и магнетизма , а затем света . Законы термодинамики и, что наиболее важно, введение единственной концепции энтропии начало предоставлять макроскопическое объяснение свойств материи. Статистическая механика (следовала, статистическая физика и квантовая статистическая механика ) стали в конце 19 -го века от ответвления термодинамики. Другим важным событием в 19 -м веке было открытие электромагнитной теории , объединяющая ранее отдельные явления электричества, магнетизма и света.

Столпы современной физики и, возможно, самыми революционными теориями в истории физики, были теория относительности и квантовая механика . Ньютона Ньютоновская механика была включена в соответствии с особой относительностью, а гравитация получила кинематическое объяснение общей теорией . Квантовая механика приводила к пониманию черного тела излучения (которое действительно была оригинальной мотивацией для теории) и аномалий в специфических нагревах твердых веществ - и, наконец, к пониманию внутренних структур атомов и молекул . Квантовая механика вскоре уступила место формулированию теории квантовых поля (QFT), начатой в конце 1920 -х годов. После второй мировой войны больший прогресс вызвал большой интерес к QFT, который, с тех пор, как он стал, стагнировал. В том же периоде также наблюдались новые атаки на проблемы сверхпроводимости и фазовых переходов, а также первое применение QFT в области теоретического сгущенного вещества. В 1960 -х и 70 -х годах составил формулировку Стандартная модель физики частиц с использованием QFT и прогресса в физике конденсированных веществ (теоретические основы сверхпроводимости и критических явлений , среди прочего ), параллельно применению относительности с проблемами астрономии и космологии соответственно .

Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущейся силы как для предложения экспериментов, так и для консолидации результатов - часто путем изобретательного применения существующей математики, или, как в случае Декарта и Ньютона (с Лейбнизом ), изобретая новую математику. Фурье Исследования теплопровода привели к новой ветви математики: бесконечный, ортогональный сериал . ^{[ 13 ]}

Современная теоретическая физика пытается объединить теории и объяснить явления в дальнейших попытках понять вселенную , от космологической до элементарной шкалы частиц . Там, где эксперименты не могут быть проведены, теоретическая физика по -прежнему пытается продвинуться через использование математических моделей.

Основные теории

Основные теории (иногда называемые центральными теориями )-это совокупность знаний как фактических, так и научных взглядов и обладает обычным научным качеством тестов повторяемости, согласованности с существующей устоявшейся наукой и экспериментами. Существуют основные теории, которые являются общепринятыми теориями, основанными исключительно на их последствиях, объясняющих широкий спектр данных, хотя обнаружение, объяснение и возможный состав являются субъектами дебатов.

Примеры

Предложенные теории

Предлагаемые теории физики обычно представляют собой относительно новые теории, которые касаются изучения физики, которые включают научные подходы, средства для определения достоверности моделей и новых типов рассуждений, используемых для достижения теории. Тем не менее, некоторые предложенные теории включают теории, которые существуют в течение десятилетий и ускользали от методов открытия и тестирования. Предлагаемые теории могут включать в себя теории бахромы в процессе становления (а иногда и более широкого признания). Предложенные теории обычно не были проверены. В дополнение к теориям, подобным те, которые перечислены ниже, существуют также разные интерпретации квантовой механики , которые могут или не могут рассматриваться как разные теории, поскольку спорно, дают ли они различные прогнозы для физических экспериментов, даже в принципе. Например, соответствие ADS/CFT , теория Черна -Симонов , Гравитон , Магнитный монополь , Теория струн , теория всего .

Теории

Теории Fringe включают в себя любую новую область научных усилий в процессе становления и некоторых предлагаемых теорий. Это может включать спекулятивные науки. Это включает в себя физические поля и физические теории, представленные в соответствии с известными доказательствами, и в соответствии с этой теорией был сделан объем связанных прогнозов.

Некоторые теории Fringe становятся широко распространенной частью физики. Другие теории Fringe в конечном итоге являются опровергнутыми. Некоторые теории Fringe - это форма протологии , а другие - форма лженауки . Фальсификация первоначальной теории иногда приводит к переформулированию теории.

Примеры

Мыслительные эксперименты по сравнению с реальными экспериментами

«Мысль» эксперименты - это ситуации, созданные в своем уме, задавая вопрос, сродни «Предположим, что вы находитесь в этой ситуации, предполагая, что это правда, что последует?». Они обычно создаются, чтобы исследовать явления, которые не легко переживают в повседневных ситуациях. Известными примерами таких мыслительных экспериментов являются кошка Шредингера , эксперимент с EPR , простые иллюстрации дилатации времени и так далее. Они обычно приводят к реальным экспериментам, предназначенным для проверки того, что заключение (и, следовательно, предположения) мыслительных экспериментов является правильным. Эксперимент по мысли EPR привел к неравенству колокола , которое затем было протестировано в различных степени строгости , что привело к принятию текущей формулировки квантовой механики и вероятности как рабочей гипотезы .

Смотрите также

Примечания

^ Есть некоторые дебаты о том, использует ли теоретическая физика математика для создания интуиции и иллюстрации для извлечения физической проницательности (особенно когда нормальный опыт терпит неудачу), а не в качестве инструмента в формализации теорий. Это связано с вопросом об этом с использованием математики в менее формально строгой и более интуитивно понятной или эвристической форме, чем, скажем, математическая физика .
^ Иногда слово «теория» может использоваться в этом смысле неоднозначно, чтобы не описывать научные теории, а исследовательские (суб) поля и программы. Примеры: теория относительности, теория квантовой поля, теория струн.
^ Работа Иоганна Балмера и Йоханнеса Ридберга по спектроскопии, а также полуэмпирическая массовая формула ядерной физики являются хорошими кандидатами для примеров такого подхода.
^ Модели Ptolemaic и Copernican Солнечной системы, модель атомов водорода и модели ядерной оболочки, являются хорошими кандидатами для примеров этого подхода.
Возможно , это самые знаменитые теории в физике: теория гравитации Ньютона, теория относительности Эйнштейна и теория электромагнетизма Максвелла.
^ Этот подход часто предпочитается (чистыми) математиками и математическими физиками.

Ссылки

^ Van Dongen, Jeroen (2009). «О роли эксперимента Майкельсона-Морли: Эйнштейн в Чикаго» . Архив для истории точных наук . 63 (6): 655–663. Arxiv : 0908.1545 . doi : 10.1007/s00407-009-0050-5 .
^ «Нобелевская премия по физике 1921» . Нобелевский фонд . Получено 2008-10-09 .
^ Теоремы и теории архивированы 2014-08-19 на The Wayback Machine , Сэм Нельсон.
^ Марк С. Чу-Карролл, 13 марта 2007 года: теории, теоремы, леммы и следствие. Хорошая математика, плохой математический блог.
^ Шоузу С. Рао (2007). Вибрация непрерывных систем (иллюстрировано изд.). Джон Уайли и сыновья 5,1 ISBN 978-0471771715 . ISBN 9780471771715
^ Эли Маор (2007). Пифагорейская теорема: 4000-летняя история (иллюстрировано изд.). ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА . С. 18 –20. ISBN 978-0691125268 . ISBN 9780691125268
^ Бокулих, Алиса, « Принцип переписки Бора », Стэнфордская энциклопедия философии (издание весны 2014 года), Эдвард Н. Залта (ред.)
^ Enc. Britannica (1994), стр. 844.
^ Enc. Britannica (1994), стр. 834.
^ Простота в философии науки (извлечено 19 августа 2014 г.), Интернет -энциклопедия философии .
^ См. «Переписка Исаака Ньютона, том 2, 1676–1687» изд. HW Turnbull, издательство Кембриджского университета 1960; На странице 297, документ № 235, письмо от Хука в Ньютон от 24 ноября 1679 года.
^ Пенроуз, Р. (2004). Дорога к реальности . Джонатан Кейп. п. 471 .
^ Пенроуз, Р. (2004). «9: декомпозиции Фурье и гиперфункции». Дорога к реальности . Джонатан Кейп.

Дальнейшее чтение

Физические науки . Encyclopædia Britannica (макропедия). Тол. 25 (15 -е изд.). 1994.
Духем, Пьер. La Théorie Physicique - Son Objet, SA Structure , (по -французски). 2 -е издание - 1914. Английский перевод: физическая теория - ее цель, ее структура . Переиздано Джозефом Врином Философским книжным магазином (1981), ISBN 2711602214 .
Feynman, et al. Лекции Фейнмана по физике (3 тома). Первое издание: Аддисон -Уэсли, (1964, 1966).

Бестселлеры из трехтомного учебника, охватывающего промежуток физики. Ссылка как для (под) аспирантов, так и для профессионального исследователя.

Landau et al. Курс теоретической физики .

Известная серия книг, посвященных теоретическим концепциям в физике, охватывающих 10 томов, переводится на многие языки и перепечатана во многих изданиях. Часто известен просто как «Ландау и Лифшиты» или «Ландау-Лифшиты» в литературе.

Longair, MS. Теоретические понятия 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, проведенных в 1909 году в Колумбийском университете .

Соммерфельд, Арнольд. Лекции по теоретической физике ( лекции по теоретической физике ); Немецкий, 6 томов.

Серия уроков от главного педагога -теоретических физиков.

Внешние ссылки

MIT Центр теоретической физики
Как стать хорошим физиком -теоретиком , веб -сайт, созданный Джерардом Т -Хофтом

[1] Есть некоторые дебаты о том, использует ли теоретическая физика математика для создания интуиции и иллюстрации для извлечения физической проницательности (особенно когда нормальный опыт терпит неудачу), а не в качестве инструмента в формализации теорий. Это связано с вопросом об этом с использованием математики в менее формально строгой и более интуитивно понятной или эвристической форме, чем, скажем, математическая физика .

[6] Иногда слово «теория» может использоваться в этом смысле неоднозначно, чтобы не описывать научные теории, а исследовательские (суб) поля и программы. Примеры: теория относительности, теория квантовой поля, теория струн.

[9] Работа Иоганна Балмера и Йоханнеса Ридберга по спектроскопии, а также полуэмпирическая массовая формула ядерной физики являются хорошими кандидатами для примеров такого подхода.

[10] Модели Ptolemaic и Copernican Солнечной системы, модель атомов водорода и модели ядерной оболочки, являются хорошими кандидатами для примеров этого подхода.

[11] Возможно , это самые знаменитые теории в физике: теория гравитации Ньютона, теория относительности Эйнштейна и теория электромагнетизма Максвелла.

[12] Этот подход часто предпочитается (чистыми) математиками и математическими физиками.

[2] Van Dongen, Jeroen (2009). «О роли эксперимента Майкельсона-Морли: Эйнштейн в Чикаго» . Архив для истории точных наук . 63 (6): 655–663. Arxiv : 0908.1545 . doi : 10.1007/s00407-009-0050-5 .

[Ref_s-3] «Нобелевская премия по физике 1921» . Нобелевский фонд . Получено 2008-10-09 .

[Nelson-4] Теоремы и теории архивированы 2014-08-19 на The Wayback Machine , Сэм Нельсон.

[Chu-5] Марк С. Чу-Карролл, 13 марта 2007 года: теории, теоремы, леммы и следствие. Хорошая математика, плохой математический блог.

[7] Шоузу С. Рао (2007). Вибрация непрерывных систем (иллюстрировано изд.). Джон Уайли и сыновья 5,1 ISBN 978-0471771715 . ISBN 9780471771715

[8] Эли Маор (2007). Пифагорейская теорема: 4000-летняя история (иллюстрировано изд.). ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА . С. 18 –20. ISBN 978-0691125268 . ISBN 9780691125268

[13] Бокулих, Алиса, « Принцип переписки Бора », Стэнфордская энциклопедия философии (издание весны 2014 года), Эдвард Н. Залта (ред.)

[14] Enc. Britannica (1994), стр. 844.

[15] Enc. Britannica (1994), стр. 834.

[16] Простота в философии науки (извлечено 19 августа 2014 г.), Интернет -энциклопедия философии .

[hooke1679nov24-17] См. «Переписка Исаака Ньютона, том 2, 1676–1687» изд. HW Turnbull, издательство Кембриджского университета 1960; На странице 297, документ № 235, письмо от Хука в Ньютон от 24 ноября 1679 года.

[18] Пенроуз, Р. (2004). Дорога к реальности . Джонатан Кейп. п. 471 .

[19] Пенроуз, Р. (2004). «9: декомпозиции Фурье и гиперфункции». Дорога к реальности . Джонатан Кейп.

[ А ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ B ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ C ]

[ D ]

[ E ]

[ f ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

v Т и Основные филиалы физики
Подразделения	Чистый Применяемый Инженерный
Подходы	Экспериментальный Теоретический Вычислительный
Классический	Классическая механика Ньютоновский Аналитический Небесный Континуум Акустика Классический электромагнетизм Классическая оптика Луча Волна Термодинамика Статистический Неравновесие
Современный	Релятивистская механика Особенный Общий Ядерная физика Квантовая механика Физика частиц Атомная, молекулярная и оптическая физика Атомный Молекулярный Современная оптика Конденсированная физика
Междисциплинарный	Астрофизика Атмосферная физика Биофизика Химическая физика Геофизика Материаловая наука Математическая физика Медицинская физика Физика океана Квантовая информационная наука
Связанный	История физики Нобелевская премия по физике Философия физики Физическое образование Временная шкала физических открытий