Θεωρητική φυσική

Η θεωρητικη φυσική είναι ο κλάδος της φυσικής ο οποίος μελετά τη φύση και τους νόμους που τη διέπουν χρησιμοποιώντας το μαθηματικό φορμαλισμό και άλλες εννοιολογικές τεχνικές. Σκοπός της είναι να αιτιολογήσει, να περιγράψει και να προβλέψει τα φυσικά φαινόμενα. Προσπαθεί να δώσει απαντήσεις σε βασικά ερωτήματα όπως ποια είναι τα βασικά σωματίδια που συνθέτουν την ύλη και τον κόσμο που μας περιβάλει και με ποιον τρόπο αυτά αλληλεπιδρούν. Αποτελεί το συνδετικό κρίκο μεταξύ της πειραματικής φυσικής και των μαθηματικών και έχει συμβάλει αρκετές φορές στην ανάπτυξη και των δύο. Μια φυσική θεωρία είναι ένα μοντέλο το οποίο ενσωματώνει τα έως τώρα πειραματικά δεδομένα ενώ ταυτόχρονα είναι σε θέση να προβλέψει μελλοντικές παρατηρήσεις. Βασική της διαφορά με μια θεωρία μαθηματικών είναι ότι δεν μπορεί να αποδειχθεί αξιωματικά. Η πειραματική επαλήθευση είναι αυτή που της δίνει κύρος. Ωστόσο, κανένας αριθμός σωστών προβλέψεων δεν είναι ικανός να την επιβεβαιώσει, ενώ μια λανθασμένη πρόβλεψη αρκεί για να τη διαψεύσει. Μια φυσική θεωρία γίνεται αποδεκτή όταν κατορθώνει να δίνει σωστές προβλέψεις και ταυτόχρονα να αποφεύγει τις λανθασμένες. Αρκετές φορές, η θεωρητική φυσική εμμένει στη μαθηματική αυστηρότητα ενώ δίνει μικρό βάρος στο πείραμα και την παρατήρηση. Στις περιπτώσεις ειδικά που η πειραματική επαλήθευση δεν είναι άμεσα δυνατή, η θεωρητική φυσική συνεχίζει το έργο της με τη χρήση αποκλειστικά των μαθηματικών. Η πρόοδος της θεωρητικής φυσικής κινείται προς δύο κατευθύνσεις, προς την απλούστευση των ήδη υπαρχουσών θεωριών και την γενίκευσή τους ώστε να περιγράφουν όλο και περισσότερα φαινόμενα. Μια φυσική θεωρία κομψά διατυπωμένη στη γλώσσα των μαθηματικών δεν είναι απαραίτητα σωστή, αλλά στην περίπτωση ισοδύναμων θεωριών, οι πιο απλά διατυπωμένες είναι αυτές που προτιμούνται σύμφωνα με τον κανόνα με το όνομα λεπίδα του Όκαμ. Αυτό σημαίνει ότι μια θεωρία είναι ισχυρή όταν μπορεί να συμπυκνώσει την περιγραφή ενός φαινομένου σε μερικές κομψά διατυπωμένες μαθηματικές εξισώσεις. Συνήθως, αυτή η κομψότητα κρύβει πίσω της προχωρημένα μαθηματικά εργαλεία. Επιπλέον, όταν μια φυσική θεωρία μπορεί να περιγράψει περισσότερα - αρχικά ασύνδετα - φαινόμενα, αυτή αποκτά ακόμη περισσότερη ισχύ και έχουμε την ονομαζόμενη ενοποίηση θεωριών. Εκτός από την επινόηση νέων εννοιών, αρκετές φορές η πρόοδος της θεωρητικής φυσικής έχει βασιστεί στην εναλλακτική αντιμετώπιση γνωστών εννοιών. Μερικά παραδείγματα είναι οι παρακάτω έννοιες: Η σωματιδιακή φύση του φωτός Η κυματιδιακή φύση των σωματιδίων

 Η θεωρητική φυσική ξεκίνησε πριν από τουλάχιστον 2.300 χρόνια από τους Έλληνες προσωκρατικούς φιλοσόφους και συνεχίστηκε από τον Πλάτωνα και τον Αριστοτέλη, των οποίων οι ιδέες επικράτησαν για μία χιλιετία. Τον μεσαίωνα, κατά την ανατολή των πανεπιστημίων, τα μόνα αναγνωρισμένα πεδία της διανόησης ήταν η θεολογία, τα μαθηματικά, η ιατρική και η νομική. Καθώς οι ιδέες της ύλης, της ενέργειας, του χρόνου και της αιτιότητας άρχιζαν σιγά σιγά να αποκτούν τη μορφή που έχουν σήμερα, άλλες επιστήμες αναδύθηκαν μέσα από το σώμα της φιλοσοφίας. Κατά την αναγέννηση, η σύγχρονη έννοια της πειραματικής επιστήμης, ο αντίποδας της θεωρίας, ξεκίνησε να αναπτύσσεται. Η σύγχρονη εποχή της θεωρίας ίσως ξεκίνησε με την αρχή του Κοπέρνικου και τις τροχιές των πλανητών του Γιοχάνες Κέπλερ Η μεγάλη ώθηση προς την σύγχρονη έννοια της εξήγησης ξεκίνησε με τον Γαλιλαίο Γαλιλέι, έναν από τους λίγους φυσικούς που ήταν ταυτόχρονα ένας επιδέξιος θεωρητικός και μεγάλος πειραματικός. Η αναλυτική γεωμετρία και η μηχανική του Ρενέ Ντεκάρτ συμφιλιώθηκαν στον λογισμό και τη μηχανική του Ισαάκ Νεύτωνα, ενός άλλου μεγάλου θεωρητικού και πειραματιστή. Οι φυσικοί αυτοί συνέχισαν αυτό που ξεκίνησε ο Πυθαγόρας δύο χιλιετίες νωρίτερα, το ταίριασμα δηλαδή των μαθηματικών με τη φυσική. Ανάμεσα στα μεγάλα εννοιολογικά επιτεύγματα του 19ου και 20ού αιώνα ήταν η εδραίωση της ιδέας της ενέργειας με την συμπερίληψη της θερμότητας, στη συνέχεια του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού, του φωτός και τελικά της μάζας. Η νευτώνια μηχανική εντάχθηκε στο πλαίσιο της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας και η νευτώνεια βαρύτητα εξηγήθηκε κινηματικά από τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Η κβαντική μηχανική οδήγησε στην κατανόηση της ακτινοβολίας μέλανος σώματος και των εσωτερικών δομών των μορίων και των ατόμων. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής εντάχθηκαν στο πλαίσιο της στατιστικής φυσικής και η εισαγωγή της έννοιας της εντροπίας κατόρθωσε να εξηγήσει γιατί τα φαινόμενα συμβαίνουν προς κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Σε όλα αυτά τα επιτεύγματα, η συμβολή της θεωρητικής φυσικής ήταν τεράστια καθώς αποτέλεσε την κινητήρια δύναμη με την πρόταση καινούριων πειραμάτων και την εξήγηση των αποτελεσμάτων. Παράλληλα, εκτός από την ιδιοφυή εφαρμογή των υπαρχόντων μαθηματικών, σε αρκετές περιπτώσεις όπως αυτές των Ντεκάρτ, Νεύτωνα και Ζοζέφ Φουριέ, η θεωρητική φυσική επινόησε καινούρια μαθηματικά εργαλεία στην προσπάθειά της να ξεπεράσει τα πρακτικά προβλήματα που αντιμετώπιζε. Βασική επιδίωξη της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής είναι η ενοποίηση των υπαρχουσών θεωριών. Απώτερος σκοπός είναι η περιγραφή του σύμπαντος με μία και μοναδική θεωρία, η οποία θα έχει ισχύ σε όλες τις κλίμακες, από την κοσμολογική κλίμακα έως αυτή των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχουν τρία είδη θεωριών στη φυσική: οι κεντρικές θεωρίες, οι προτεινόμενες θεωρίες και οι περιθωριακές θεωρίες. Οι κεντρικές θεωρίες (Αγγλικά: mainstream theories ή central theories) είναι ο κορμός της σημερινής γνώσης της φυσικής. Αυτές οι θεωρίες έχουν δοκιμαστεί πειραματικά επανηλημένως και είναι ευρέως αποδεκτές από την επιστημονική κοινότητα των φυσικών. Παραδείγματα Γενική θεωρία της σχετικότητας Ειδική θεωρία σχετικότητας Ηλεκτρομαγνητισμός Θερμοδυναμική Θεωρία πεδίων Θεωρία της μεγάλης έκρηξης Καθιερωμένο μοντέλο Κβαντική μηχανική Κβαντική θεωρία πεδίου Κλασική μηχανική Σκοτεινή ύλη Στατιστική μηχανική Φυσική στερεάς κατάστασης Φυσική συμπυκνωμένης ύλης Οι προτεινόμενες θεωρίες (Αγγλικά: proposed theories) είναι σχετικά νέες θεωρίες που δεν έχουν δοκιμαστεί ακόμη. Κάθε προτεινόμενη θεωρία πρέπει να συμφωνεί με τα έως τώρα πειραματικά δεδομένα και κατ' επέκταση τις κεντρικές θεωρίες. Αρκετές φορές, αυτή προσπαθεί να περιγράψει καινούρια πειραματικά δεδομένα. Παραδείγματα Σκοτεινή ενέργεια Κοσμολογική σταθερά Θεωρία Μεγάλης Ενοποίησης* Θεωρία χορδών Θεωρία-Μ Υπερσυμμετρία Θεωρία των πάντων* Οι περιθωριακές θεωρίες (Αγγλικά: fringe theories) είναι οι νέες θεωρίες που δεν έχουν εδραιωθεί και δεν είναι ευρέως αποδεκτές από την κοινότητα των φυσικών. Πολλές φορές αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι βασίζονται σε υποθέσεις. Με το χρόνο, μια περιθωριακή θεωρία είτε εδραιώνεται και γίνεται αποδεκτό κομμάτι της φυσικής είτε απαξιώνεται. Η διάψευση της αρχικής θεωρίας μπορεί να οδηγήσει στην αναδιατύπωση της ώστε να συμφωνεί με τα νέα δεδομένα. Παραδείγματα Ψυχρή σύντηξη (έως τώρα απαξιωμένη) Δυναμική θεωρία βαρύτητας Θεωρία μεγάλης ενοποίησης* Θεωρία των πάντων** Αυτές οι θεωρίες είναι προτεινόμενες και περιθωριακές. Ακολουθεί ένας κατάλογος μεγάλων θεωρητικών φυσικών: Ισαάκ Νεύτων (1643-1727) Ζοζέφ Λουί Λαγκράνζ (1736-1813) Ζοζέφ Φουριέ (1768-1830) Γουίλιαμ Χάμιλτον (1805-1865) Τζέιμς Μάξγουελ (1831-1879) Λούντβιχ Μπόλτζμαν (1844-1906) Χέντρικ Λόρεντς (1853-1928) Μαξ Πλανκ (1858-1947) Άλμπερτ Αινστάιν (1879-1955) Νιλς Μπορ (1885-1962) Έρβιν Σρέντινγκερ (1887-1988) Λουί ντε Μπρολί (1892-1987) Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (1901-1976) Μαξ Μπορν (1882-1970) Πολ Ντιράκ (1902-1984) Ρίτσαρντ Φάινμαν (1918-1988) Τζον Γουίλερ (1911-) Πίτερ Χιγκς (1929-) Ρότζερ Πένροουζ (1931-) Στίβεν Βάινμπεργκ (1933-) Στίβεν Χόκινγκ (1942-2018) Τζέραρντ ‘τ Χοφτ (1946-) Έντουαρντ Βίτεν (1946-) Μπράιαν Γκριν (1963-) Χρονοδιάγραμμα της Θεωρητικής Φυσικής (στην Αγγλική)