Teorik fizik

Teorik fizik, fiziğin matematiksel modellemeler ve fiziksel nesnelerin soyutlandırılmaları çalışmaları ve doğa olaylarını açıklayan, gerçekselleştiren ve tahmin yürüten fizik dalıdır. Bu deneysel fiziğin zıttıdır ki deneysel fizik araçlarla bu olayları soruşturur.

Teorik fizik doğada gerçekleşen olaylar üzerine tahmin yürütmek, onları açıklamak ve akla yakınlaştırmak için fiziğe ait matematiksel modeller ve soyutlamalar kullanan fiziğin bir alt dalıdır. Kuramsal fizik, matematiğin fazlasıyla kullanılmasından dolayı matematiksel fizik olarak da adlandırılır. Buna karşın deneysel fizik deney ve gözlem araçlarını kullanarak araştırma yapar.

Bilimin avantajı, genellikle deneysel çalışmalar ve teorilerin etkileşimine bağlıdır. Bazı durumlarda, teorik fizik, deney ve gözleme küçük bir ağırlık veren matematiksel kesinliğe bağlıdır. [a] Örneğin, Albert Einstein özel görelilik geliştirilirken, Maxwell denklemlerini değişmez kılan Lorentz dönüşümü ile ilgileniyordu ancak görünüşe göre Michelson-Morley in dünyanın sürüklenmesi boyunca ışık saçan eteri ile ilgilenmemişti. Öte yandan Einstein, fotoelektrik etkilerin açıklanmasında Nobel ödülüne layık görülmüştü.

Bilimdeki ilerlemeler genellikle deneysel çalışmalar ve teori arasındaki etkileşime bağlıdır. Bazı durumlarda kuramsal fizik matematiksel kalıplara sıkıca yapışırken, deney ve gözlemlere çok az ehemmiyet verir. Örnek olarak, Albert Einstein özel göreliliği geliştirirken, Maxwell denklemlerini değişmez olarak kabul eden Lorentz dönüşümleri ile ilgileniyordu. Fakat anlaşılıyor ki, dünyanın ışıldıyan eter içindeki seyahati üzerine yapılan Michelson-Morley deneyi ile pek ilgilenmiyordu. Diğer taraftan Einstein, bir kuramsal formülasyon olmadan gerçekleştirilen fotoelektrik etkiyi açıkladığı için Nobel Fizik Ödülüne layık görülmüştü. Fiziksel teori, fiziksel olayların modellemesidir.

Fiziksel olayların modellemesidir. Bu, öngörülerinin deneysel gözlemleri ile olan uyumunun derecesi ile değerlendirilir. Ayrıca teorik fiziğin kalitesi, yeni gözlemlerle doğrulanmış yeni öngörülerin yapılabilmesi özelliği ile de değerlendirilir. Fiziksel teori ile matematiksel teoremler şöyle birbirinden farklıdır; her ikisi de bazı aksiyomların formuna bağlı olsa da, matematiksel uygulanabilirliğin hükmü, herhangi bir deneysel sonucun uyuşmasına bağlı değildir.  Bir fiziksel teori aynı şekilde matematiksel teoriden farklıdır; ‘teori’ kelimesi matematiksel terimlerde farklı anlama sahiptir.

Fiziksel teori bir veya birden fazla çeşitli ölçülebilir nicelikler arasındaki ilişkiyi içerir. Archimedes, bir geminin suyun kütlesinin yer değiştirmesi farkı ile yüzdüğünü fark etti. Pythagoras, titreşimli telin uzunluğu ile ürettiği müzikal tonun ilişkisini anladı. Enerjinin, sürekli değişken olmadığı mekanik kuantum görüşlerinin ve görünmeyen parçacıkların hareketleri ve konumları hakkındaki belirsizliğin ölçümlerinin entropisi diğer örnekler arasındandır..

Teorik fizik birkaç tane yaklaşım barındırır. Bu konuda teorik parçacık fiziği güzel bir örnek türüdür. Meselâ, fenomenologlar çoğu kez derin fizik anlayışı olmadan, yarı deneysel formüllerin deneysel sonuçlarla bağdaştırılmasında istihdam oluşturabilirler. Modelleyiciler (Model-Yaratıcısı da denir.) sık sık fenomenologlar gibi görünürler lakin onlar matematiksel modelleme tekniklerini fizik problemlerine uygulayan veya deneysel verilerden kesin olarak daha hoş özellikleri olan kurgusal teoriler oluşturmaya çalışırlar. Gelişmiş teoriler çok fazla karmaşık ve çözülemez olarak kabul edildiği için, bazıları yaklaşık değere ulaşabilmek için girişimde bulunur ki buna etkili teoriler denir. Diğer teorisyenler kaybolmamış teorileri birleştirmeyi, resmileştirmeyi, yeniden yorumlamayı veya genellemeyi deneyebilirler. Bazen saf matematiksel sistem ile sağlanan vizyonlar, fiziksel sistemin nasıl oluşturulduğunun ipuçlarını sağlarlar; Örneğin, Kavram; Reinmann ve diğerlerinden dolayı, uzay kendi kendini büzebilir. Hesaplamalı araştırma olması gereken teoritik problemler çoğu kez hesaplamalı fiziğin ilgisidir.

Teoriksel avantajlar, bir kenarı eski ve doğru olmayan paradigmalar içerebilir. Örneğin yayılan ışığın teorisi, ısının kalori teorisi, gelişen Phologistonun yanan oluşumu ya da Dünyanın etrafında dönen astronomik cisimler. Paradigmalar, daha yaygın olarak uygulanabilen ya da daha çok doğru olan cevapların sağlanmasındaki alternatif modellerdir. İkinci durumda, haberleşme ilkesi, önceki bilinen sonuçların korunmasında gerekli olacaktır. Bazen de, avantajlar farklı yollar boyunca devam edebilir. Örneğin, aslında doğru olan teori, bazı kavramsal ve olgusal gözden geçirmelere ihtiyaç duyar: atom teorisi, ilk bin yıl önce doğru sayıldı bazı Yunan ve Hint düşünürler tarafından ve elektriğin iki sıvı teorisi bu noktadaki iki olgudur. Ancak farklı yönleri birleştirme teorisi, Bohr’un tamamlayıcılık ilkesi yoluyla modellere karşı olan, yukarıdaki her şeye istisna bir dalga parçacık ikiliği vardır.

Eğer fiziksel teoriler doğru tahminler ve az ya da hiç yanlış teoriler yapabilirse, onlar kabul edilir. Teori -en azından ikincil bir amaç olarak- belli bir ekonomi ve zarafet, bir kavram; bazen, 13.yüzyılda İngiliz filozof Ockham’dan sonra Ockham’ın usturası denmeye başlandı, burada aynı maddeden yeterli olarak tanımlanabilen iki teorinin basit hali tercih edilir (fakat kavramsal basitlik matematiksel karmaşıklık denebilir). Eğer onlar geniş bir fenomenler yelpazesine bağlanırlarsa, onlar daha çok kabul edilebilir. Bir teorinin sonuçlarını deneme, bilimsel yöntemin parçasıdır.

Fiziksel kuram bir fiziksel olayın modelidir. Bir fiziksel kuramın doğruluk derecesi, kuramın önerdikleri ile deneysel gözlemlerin ne kadar uyum içerisinde olduğuna bakılarak anlaşılır. Bir fiziksel kuramın kalitesi ise, yeni gözlemlerle doğrulanabilir tahminler yapabilmesi ile ölçülür, basit aksiyomlarla açıklanamaz. Fiziksel teori matematiksel teoremden farklıdır; fiziksel teoriler gerçeği modeller, gözlenenleri ifade eder ve yeni gözlemler hakkında tahminde bulunurlar.

Fiziksel kuram değişik ölçülebilir değerler arasındaki bir ya da birden fazla bağı içerir. Archimedes bir geminin kendi kütlesi kadar bir su ile yer değiştirerek yüzdüğünü fark etmiş; Pythagoras titreşen bir telin uzunluğu ile telin ürettiği müziksel ton arasında bir ilişki olduğunu anlamıştır. Ayrıca bir diktörtgenin köşegen uzunluğunun nasıl hesaplanacağını bulmuştur. Görünmeyen parçacıkların hareketleri ve pozisyonları ile ilgili belirsizliğin ölçüsü olan entropi, enerji ile hareketin sürekli değişmediğini öne süren kuantum mekaniksel yaklaşım fiziksel kuramla ilgili diğer örneklerdir.

Bazen salt matematiksel sistemlerin sağladığı bir bakış açısı fiziksel sistemlerin nasıl modelleneceği hakkında ipuçları verebilir; örneğin Riemann uzayın bükülebilir olduğunu ifade etmiştir.

Teorik fizik, Sokrates öncesi filozofların döneminde yaklaşık olarak 2300 yıl önce başlamıştır ve Plato ve Aristoteles tarafından devam ettirilmiştir. Orta Çağ üniversitelerinin yükselişi boyunca, sadece kabul edilen entelektüel disiplinler, dilbilgisi, söz bilimi, mantık, aritmetik, geometri, müzik ve astronomi gibi Trivium ve Quadrivium’un yedi hür sanatıdır. Orta Çağ ve Rönesans boyunca, deneysel bilimin kavramı, teoriye zıt olarak, İbn el-Heysem ve Francis Bacon gibi bilim adamlarıyla başladı. Bilimsel devrim hız kazandığı gibi, maddenin, enerjinin, evrenin, zamanın ve nedenselliğin kavramları bugün bildiğimiz şeklini almaya başladı ve diğer bilimler doğa felsefesinin başlığından silinmiştirler. Böylece teorinin modern çağı Kopernik’in astronomideki kayma paradigması ile başladı ve yakında Tycho Brahe’ın titiz gözlemleri ile özetlenen Johannes Kepler’in gezegenlerin yörüngeleri ifadeleri takip etti; Galileo ile birlikte bu adamların çalışmaları belki bilimsel devrimi oluşturduğu düşünülebilir.

Tanımlamaların modern kavramlarına karşı büyük bir çaba, Galileo ile başladı. Galileo, hem mükemmel bir teorisyen ve hem de büyük bir deneyci olan birkaç bilim adamlarından biridir. Descartes’in analitik geometrisi ve mekaniği, Principia of Mathematica’yı yazmak için, hem teorisyen hem de deneyci olan büyük bilim adamlarından İsaac Newton’un mekaniğine ve matematiğine dâhil edilmiştir. Bu kitap, Kepler, Copernicus, Galileo ‘nun büyük çalışmalarının sentezlerini içerir; hatta 20. Yüzyıla kadar dünya görüşlerinin kabul ettiği mekaniğin ve yerçekiminin Newton teorilerini de içinde barındırır. Ayrıca gelişme, optik; özellikle de renkler teorisi ve geometrik optiğin antik bilimi Newton, Descartes ve Hollandalı Snell ve Huygens’in inceliği ile yapıldı. 18. Ve 19. yüzyıllarda, Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler ve William Rowan Hamilton klasik mekaniğin teorisini önemli bir şekilde genişlettiler. Matematik ve fiziğin interaktif etkileşimini toparlayan bilim adamlarından ziyade Pythagoras iki bin yıl önce başladı..

19 ve 20. yüzyıllarının büyük kavramsal başarılarının arasında enerji; ışık, manyetizma, elektrik ve ısı ile birlikte – tabi kendisi evrensel koruma olarak – fikir konsolidasyonlarından oldu. Termodinamiğin kanunu ve daha önemlisi entropinin tekili kavramının tanıtımı, maddenin özellikleri için mikroskobik bir açıklama sağlamaya başladı. İstatiksel fizik tarafından takip edilen istatistiksel mekanikler, 19. yüzyılın sonlarında termodinamiğin bir dalı olarak ortaya çıktı. 19. yüzyılın diğer önemli olaylarından biri de, elektromanyetik teorinin keşfi, önceden birbirinden ayrı olan elektriksel olguların birleştirilmesi, manyetizma ve ışıktır.

Modern fiziğin temeli ve belki fizik tarihinin en devrimci teorileri görelilik kavramı ve kuantum mekaniğidir. Newton mekaniği özel görelilik altında sınıflandırıldı ve Newton’un yerçekimi, genel görelilik tarafından hareket ile ilgili açıklama verildi. Kuantum mekaniği, siyah cisim ışımasının -ki teori için büyük bir isteklendirme oluşturdu- ve katıların özgül ısılarının anormalliklerinin anlaşılmasında ve sonunda atomların ve moleküllerin içyapılarının anlaşılmasına yardımcı oldu. Kuantum mekaniği 1920‘lerde başlamış ve kuantum alan kuramı (teorisi) formülüne yol vermiştir. İkinci dünya savaşı sonrasında, daha çok ilerleme, kuantum alan teorisi formülüne ilgiyi yeniden getirdi. Aynı dönemde, faz geçişleri ve süperiletkenlik sorunlarına olan yeni ilgilerin yanı sıra, teoritik yoğun maddenin alanının içinde Kuantum alan teorisi(kuramı) (KAK) formülünün ilk uygulamaları da görüldü. 1960’lar ve 1970’lerde KAK kullanılarak parçacık fiziğinin standart model formülleştirilmesi ve yoğun madde fiziğinin ilerlemesi (süperiletkenlik ve kritik olguların teorik temeli diğerleri arasında) göreliliğin uygulanmasına paralel olarak astronomi ve kozmolojideki sorunlar ayrı ayrı görüldü.

Modern teoritiksel fizik, Evreni daha fazla anlama çabaları içinde, temel parçacık ölçeğindeki kozmolojiden gelen teorileri birleştirmek ve olguları açıklama girişiminde bulunur. Deneylerin uygulanamadığı durumlarda, teoritik fizik hala matematiksel kuramları kullanarak ilerlemeye çalışır.

Anagörüş teorisi (bazen bütün teorilerin merkezi olarak bahsedilir) hem gerçekçi hem bilimsel görüşlerin ve mevcut köklü bilim ve deney ile uyumlu, tekrarlanabilir testlerin olağan bir bilimsel kaliteyi sağlayan bilginin gövdesidir. Anagörüş teorilerini var yapmak, algılama, açıklama ve olası kompozisyon tartışma konuları olmasına rağmen, genellikle sadece teorilerin etkileri ile açıklanan bir veri çeşitliliğine dayalı teoriler olarak kabul edilir.

Yaygın teoriler ( merkezi teoriler de denir), olgusal ve bilimsel görüşlerin yaygın olarak bilim çevrelerinde ilgi gördüğü kuramlardır. Tekrarlanabilirlik ve tutarlılık testleri olağan bilimsel kaliteye sahiptirler. Algılanmaları, açıklanmaları ve olası kompozisyonları yine de tartışmalara açıktır.

Önerilen teoriler fiziği, fizik çalışmaları ile uzlaşan, modellerin geçerliliğini ve teoriye varmak için kullanılan yeni muhakeme tiplerini benimseyen bilimsel yaklaşımları içeren yeni teorilerdir. Ancak bazı önerilen teoriler, yıllardır var olmuş, keşif ve test metotları atlatmış teoriler içerir. Önerilen teoriler, kurgu olma sürecindeki saçak teorileri içerebilir (bazen daha geniş bir onay kazanabilir). Önerilen teoriler genellikle teste tabi tutulmazlar.

Saçak teoriler, önerilen teoriler ve kurgu olma sürecindeki bilimsel çabanın herhangi yeni alanını kapsar. Bu spekülatif bilimleri de içerebilir. Bu bilimler, fizik alanları ve bilinen kanıtlar doğrultusunda sunulan fiziksel teorileri ve birbiri ile ilişkili tahminler teorilerini kapsar.

Bazı saçak teoriler geniş ölçüde fizikte kabul görülmeye devam ediyor. Diğer saçak teoriler ise en sonunda çürütüldüler. Bazı saçak teoriler ilkel bilimdir diğerleri ise sözde bilimdirler. Orijinal teorinin tahrifi bazen yeniden formüle edilmesine neden olur.

"Düşünce" deneyleri kişinin zihninde yaratılan durumlardır, benzer sorular sorularak “bu durumda olduğunuzu varsayın, böyle olduğunu varsaysak, sonra ne olacak?” Bunlar kolayca her günkü durumlarda deneyimli olmayan fenomenleri araştırmak için oluşturulmuştur. Böyle düşünce deneylerinin ünlü örnekleri, Schrödinger'in kedisi, EPR düşünce deneyi, zaman genişlemesinin basit çizimleridir. Bunlar genellikle düşünce deneylerinin doğru sonuçlarını doğrulamak için tasarlanmış gerçek deneylere yol açar. EPR düşünce deneyi, titizliğin çeşitli derecelerinde test edilen, bir çalışma hipotezi olarak kuantum mekaniğinin ve olasılığının kabul edilen mevcut formülleşmesine giden Bell eşitsizliklerine yol açtı.