Fizyka teoretyczna - Theoretical physics

Wizualne przedstawienie tunelu czasoprzestrzennego Schwarzschilda . Nigdy nie zaobserwowano tuneli czasoprzestrzennych, ale przewiduje się, że będą istnieć na podstawie modeli matematycznych i teorii naukowych .

Fizyka teoretyczna to dziedzina fizyki, która wykorzystuje modele matematyczne i abstrakcje obiektów i układów fizycznych do racjonalizowania, wyjaśniania i przewidywania zjawisk naturalnych . Kontrastuje to z fizyką eksperymentalną , która wykorzystuje narzędzia eksperymentalne do badania tych zjawisk.

Postęp nauki zasadniczo zależy od wzajemnych oddziaływań między badaniami eksperymentalnymi a teorią . W niektórych przypadkach fizyka teoretyczna jest zgodna ze standardami ścisłości matematycznej, nie przywiązując wagi do eksperymentów i obserwacji. Na przykład, rozwijając szczególną teorię względności , Albert Einstein był zaniepokojony transformacją Lorentza, która pozostawiła niezmienne równania Maxwella , ale najwyraźniej nie był zainteresowany eksperymentem Michelsona-Morleya na ziemskim dryfie przez świecący eter . I odwrotnie, Einsteinowi przyznano Nagrodę Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego , który wcześniej był wynikiem eksperymentalnym, któremu brakowało teoretycznego sformułowania.

Przegląd

Teoria fizyczna jest modelem zdarzeń fizycznych. Ocenia się go na podstawie stopnia, w jakim jego przewidywania zgadzają się z obserwacjami empirycznymi. Jakość teorii fizycznej ocenia się również na podstawie jej zdolności do tworzenia nowych przewidywań, które można zweryfikować za pomocą nowych obserwacji. Fizyczna teoria różni się od twierdzenia matematycznego tym, że chociaż obie opierają się na jakiejś formie aksjomatów , ocena matematycznej stosowalności nie jest oparta na zgodności z jakimikolwiek wynikami eksperymentalnymi. W podobny sposób teoria fizyczna różni się od teorii matematycznej w tym sensie, że słowo „teoria” ma inne znaczenie w terminach matematycznych.

Równania dla rozmaitości Einsteina , używane w ogólnej teorii względności do opisu krzywizny czasoprzestrzeni

Teoria fizyczna obejmuje jedną lub więcej relacji między różnymi mierzalnymi wielkościami. Archimedes zdał sobie sprawę, że statek unosi się, przemieszczając swoją masę wody, Pitagoras rozumiał związek między długością wibrującej struny a dźwiękiem, jaki wytwarza. Inne przykłady obejmują entropię jako miarę niepewności dotyczącej pozycji i ruchów niewidocznych cząstek oraz koncepcję mechaniki kwantowej, zgodnie z którą ( działanie i) energia nie są zmienne w sposób ciągły.

Fizyka teoretyczna obejmuje kilka różnych podejść. Pod tym względem dobrym przykładem jest teoretyczna fizyka cząstek elementarnych . Na przykład: „ fenomenolodzy ” mogą stosować ( pół- ) empiryczne formuły i heurystyki, aby zgadzać się z wynikami eksperymentów, często bez głębokiego fizycznego zrozumienia . „Modelerzy” (zwani także „konstruktorami modeli”) często przypominają fenomenologów, ale starają się modelować teorie spekulatywne, które mają pewne pożądane cechy (a nie dane eksperymentalne), lub stosować techniki modelowania matematycznego do problemów fizycznych. Niektórzy próbują tworzyć teorie przybliżone, zwane teoriami skutecznymi , ponieważ w pełni rozwinięte teorie można uznać za nierozwiązywalne lub zbyt skomplikowane . Inni teoretycy mogą próbować ujednolicić , sformalizować, reinterpretować lub uogólnić istniejące teorie lub stworzyć zupełnie nowe. Czasami wizja dostarczana przez czyste systemy matematyczne może dostarczyć wskazówek, jak można modelować system fizyczny; np. pogląd, ze względu na Riemanna i innych, że sama przestrzeń może być zakrzywiona. Teoretyczne problemy, które wymagają analizy obliczeniowej, są często przedmiotem zainteresowania fizyki obliczeniowej .

Teoretyczne postępy mogą polegać na odstawieniu na bok starych, niepoprawnych paradygmatów (np. Eterowej teorii rozchodzenia się światła, kalorycznej teorii ciepła, spalania składającego się z ewoluującego flogistonu lub ciał astronomicznych krążących wokół Ziemi ) lub może być alternatywnym modelem, który dostarcza odpowiedzi, które są dokładniejsze lub mogą mieć szersze zastosowanie. W tym drugim przypadku do odzyskania wcześniej znanego wyniku wymagana będzie zasada zgodności . Czasami jednak postęp może przebiegać różnymi drogami. Na przykład zasadniczo poprawna teoria może wymagać pewnych pojęciowych lub faktycznych rewizji; teoria atomowa , postulowana po raz pierwszy tysiące lat temu (przez kilku myślicieli z Grecji i Indii ) oraz teoria elektryczności z dwoma fluidami to dwa przypadki w tym punkcie. Jednak wyjątkiem od powyższego jest dualizm korpuskularno-falowy , teoria łącząca aspekty różnych przeciwstawnych modeli poprzez zasadę komplementarności Bohra .

Związek między matematyką a fizyką

Teorie fizyczne zostają zaakceptowane, jeśli są w stanie dokonać trafnych przewidywań, a nie ma (lub kilka) błędnych. Teoria powinna mieć, przynajmniej jako cel drugorzędny, pewną ekonomię i elegancję (w porównaniu z matematycznym pięknem ), pojęcie czasami nazywane „ brzytwą Ockhama ” od XIII-wiecznego angielskiego filozofa Williama z Ockhama (lub Ockhama), w którym preferowana jest prostsza z dwóch teorii, które opisują tę samą sprawę tak samo adekwatnie (ale prostota pojęciowa może oznaczać złożoność matematyczną). Jest też bardziej prawdopodobne, że zostaną zaakceptowane, jeśli łączą szeroki wachlarz zjawisk. Testowanie konsekwencji teorii jest częścią metody naukowej .

Teorie fizyczne można podzielić na trzy kategorie: teorie mainstreamowe , zaproponowane teorie i teorie towarzyszące .

Historia

Fizyka teoretyczna rozpoczęła się co najmniej 2300 lat temu, w ramach filozofii przedsokratycznej , a kontynuowana była przez Platona i Arystotelesa , których poglądy obowiązywały przez tysiąclecie. Podczas powstania średniowiecznych uniwersytetach , gdy tylko potwierdzone dyscyplin intelektualnych było siedem sztuk wyzwolonych z Trivium jak gramatyki , logiki i retoryki i z Quadrivium jak arytmetyki , geometrii , muzyki i astronomii . W średniowieczu i renesansie koncepcja nauki eksperymentalnej , będąca kontrapunktem dla teorii, została zapoczątkowana przez takich uczonych jak Ibn al-Haytham i Francis Bacon . W miarę jak rewolucja naukowa nabierała tempa, pojęcia materii , energii, przestrzeni, czasu i przyczynowości zaczęły powoli przybierać formę, którą znamy dzisiaj, a inne nauki wyrosły z rubryki filozofii przyrody . W ten sposób rozpoczęła się nowoczesna era teorii wraz ze zmianą paradygmatu kopernikańskiego w astronomii, po której wkrótce pojawiły się wyrażenia Johannesa Keplera dotyczące orbit planet, które podsumowały skrupulatne obserwacje Tycho Brahe ; prace tych ludzi (obok Galileusza) można prawdopodobnie uznać za rewolucję naukową.

Wielki krok w kierunku nowoczesnej koncepcji wyjaśniania rozpoczął się od Galileusza , jednego z nielicznych fizyków, który był zarówno wytrawnym teoretykiem, jak i wielkim eksperymentalistą . Geometria analityczna i mechaniki Kartezjusza zostały włączone do rachunku i mechaniki od Isaaca Newtona , inny teoretyk / eksperymentatorem na najwyższym poziomie, pisanie Principia Mathematica . Zawierała wielką syntezę twórczości Kopernika, Galileusza i Keplera; a także teorie Newtona dotyczące mechaniki i grawitacji, które obowiązywały jako światopoglądy aż do początku XX wieku. Jednocześnie postęp dokonał się także w optyce (w szczególności w teorii koloru i starożytnej nauce optyki geometrycznej ), dzięki uprzejmości Newtona, Kartezjusza oraz Holendrów Snella i Huygensa. W XVIII i XIX wieku Joseph-Louis Lagrange , Leonhard Euler i William Rowan Hamilton znacznie rozszerzyli teorię mechaniki klasycznej. Podjęli interaktywne przeplatanie się matematyki i fizyki rozpoczęte dwa tysiące lat wcześniej przez Pitagorasa.

Do wielkich osiągnięć koncepcyjnych XIX i XX wieku należało utrwalenie idei energii (a także jej globalnej ochrony) poprzez włączenie ciepła , elektryczności i magnetyzmu , a następnie światła . Te zasady termodynamiki , a co najważniejsze wprowadzenie pojedynczej pojęcia entropii zaczęły dostarczać makroskopowy wyjaśnienie właściwości materii. Mechanika statystyczna (a następnie fizyka statystyczna i kwantowa mechanika statystyczna ) pojawiła się jako pochodna termodynamiki pod koniec XIX wieku. Innym ważnym wydarzeniem XIX wieku było odkrycie teorii elektromagnetycznej , jednoczącej odrębne wcześniej zjawiska elektryczności, magnetyzmu i światła.

Filary współczesnej fizyki i być może najbardziej rewolucyjne teorie w historii fizyki to teoria względności i mechanika kwantowa . Mechanika Newtona została podporządkowana szczególnej teorii względności, a grawitacja Newtona została wyjaśniona kinematycznie za pomocą ogólnej teorii względności . Mechaniki kwantowej doprowadziły do zrozumienia czarnego promieniowania (które rzeczywiście był pierwotnym motywację dla teorii) oraz nieprawidłowości w podgrzewa określonych w stałych - i wreszcie do zrozumienia struktury wewnętrznej atomów oraz cząsteczek . Mechanika kwantowa szybko ustąpiła miejsca sformułowaniu kwantowej teorii pola (QFT), zapoczątkowanej pod koniec lat dwudziestych XX wieku. W następstwie drugiej wojny światowej, większy postęp przyniósł znacznie odnowione zainteresowanie QFT, które od pierwszych starań uległo stagnacji. W tym samym okresie pojawiły się również nowe ataki na problemy nadprzewodnictwa i przejść fazowych, a także pierwsze zastosowania QFT w dziedzinie teoretycznej materii skondensowanej. 1960 i 70. ten preparat w modelu standardowym fizyki cząstek z zastosowaniem testu QFT i postęp w skróconym fizyki masy (teoretyczne podstawy nadprzewodnictwa i zjawiska krytyczne , między innymi ), równolegle do zastosowań wzgl do problemów astronomii i kosmologii odpowiednio .

Wszystkie te osiągnięcia zależały od fizyki teoretycznej jako siły poruszającej zarówno sugerowanie eksperymentów, jak i utrwalanie wyników - często poprzez pomysłowe zastosowanie istniejącej matematyki lub, jak w przypadku Kartezjusza i Newtona (z Leibnizem ), wynalezienie nowej matematyki. Badania Fouriera nad przewodnictwem ciepła doprowadziły do ​​nowej gałęzi matematyki: nieskończonych szeregów ortogonalnych .

Współczesna fizyka teoretyczna próbuje ujednolicić teorie i wyjaśnić zjawiska w dalszych próbach zrozumienia Wszechświata , od skali kosmologicznej po skalę cząstek elementarnych . Tam, gdzie nie można przeprowadzić eksperymentów, fizyka teoretyczna wciąż próbuje się rozwijać, stosując modele matematyczne.

Teorie głównego nurtu

Teorie głównego nurtu (czasami określane jako teorie centralne ) stanowią zbiór wiedzy zarówno z punktu widzenia faktów, jak i poglądów naukowych i posiadają zwykłą naukową jakość testów powtarzalności, spójności z istniejącą uznaną nauką i eksperymentami. Istnieją teorie głównego nurtu, które są ogólnie akceptowanymi teoriami opartymi wyłącznie na ich skutkach, wyjaśniających szeroką gamę danych, chociaż wykrycie, wyjaśnienie i możliwy skład są przedmiotem debaty.

Przykłady

Proponowane teorie

Te proponowane teorie fizyki są zwykle stosunkowo nowe teorie, które zajmują się badaniem fizyki, które obejmują podejście naukowe, środki do ustalania ważności modeli i nowych typów rozumowania stosowane przybyć na teorii. Jednak niektóre proponowane teorie obejmują teorie, które istnieją od dziesięcioleci i wymykały się metodom odkrywania i testowania. Proponowane teorie mogą obejmować teorie poboczne w procesie ugruntowywania się (a czasem zdobywania szerszej akceptacji). Proponowane teorie zwykle nie były sprawdzane. Oprócz teorii, takich jak te wymienione poniżej, istnieją również różne interpretacje mechaniki kwantowej , które mogą, ale nie muszą, być uważane za różne teorie, ponieważ jest dyskusyjne, czy dają one różne prognozy dla eksperymentów fizycznych, nawet w zasadzie.

Przykłady

Teorie poboczne

Teorie poboczne obejmują wszelkie nowe obszary badań naukowych w procesie ustalania się i niektóre proponowane teorie. Może obejmować nauki spekulatywne. Obejmuje to dziedziny fizyki i teorie fizyczne przedstawione zgodnie ze znanymi dowodami, a zgodnie z tą teorią dokonano szeregu powiązanych przewidywań.

Niektóre teorie poboczne stają się szeroko akceptowaną częścią fizyki. Inne skrajne teorie zostają obalone. Niektóre teorie poboczne są formą protonauki, a inne formą pseudonauki . Fałszowanie oryginalnej teorii czasami prowadzi do przeformułowania teorii.

Przykłady

Eksperymenty myślowe a prawdziwe eksperymenty

Eksperymenty „myślowe” to sytuacje tworzone w umyśle, zadające pytanie podobne do „przypuśćmy, że jesteś w takiej sytuacji, zakładając, że to prawda, co by się stało?”. Zwykle są tworzone w celu badania zjawisk, których nie można łatwo doświadczyć w codziennych sytuacjach. Znanymi przykładami takich eksperymentów myślowych są kot Schrödingera , eksperyment myślowy EPR , proste ilustracje dylatacji czasu i tak dalej. Zwykle prowadzą one do prawdziwych eksperymentów, których celem jest sprawdzenie, czy wnioski (a tym samym założenia) eksperymentów myślowych są poprawne. Eksperyment myślowy EPR doprowadził do nierówności Bella , które następnie przetestowano z różnym stopniem rygoru , co doprowadziło do przyjęcia obecnego sformułowania mechaniki kwantowej i probabilizmu jako hipotezy roboczej .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Nauki fizyczne . Encyclopædia Britannica (Macropaedia) . 25 (wyd. 15). 1994.
  • Duhem, Pierre. „La théorie physique - Son objet, sa structure” (po francusku). Wydanie 2 - 1914. Tłumaczenie angielskie: "Teoria fizyczna - jej cel, struktura". Opublikowane ponownie przez księgarnię filozoficzną Josepha Vrina (1981), ISBN   2711602214 .
  • Feynman i in. „ Wykłady Feynmana z fizyki ” (3 vol.). Wydanie pierwsze: Addison – Wesley, (1964, 1966).
Bestsellerowy trzytomowy podręcznik obejmujący zakres fizyki. Odniesienie zarówno dla (nie) absolwentów, jak i dla zawodowych naukowców.
Słynna seria książek traktujących o pojęciach teoretycznych z fizyki, obejmująca 10 tomów, przetłumaczona na wiele języków i wznawiana w wielu wydaniach. W literaturze często nazywane po prostu „Landau i Lifschits” lub „Landau-Lifschits”.
Zestaw wykładów wygłoszonych w 1909 roku na Uniwersytecie Columbia .
Cykl lekcji od mistrza edukatora fizyków teoretycznych.

Linki zewnętrzne