Teoretická fyzika

Teoretická fyzika je časť fyziky, ktorá hľadá a formuluje všeobecné zákony, princípy a teórie, z ktorých deduktívnou cestou vyvodzuje nové poznatky. Základom teoretickej fyziky je dodnes klasická mechanika. Používa matematické modely a abstrakcie, pomocou ktorých sa pokúša vysvetľovať prírodné fenomény. Jej jadrom je matematická fyzika, hoci sa taktiež používajú aj iné konceptuálne techniky. Cieľom je racionalizovať, vysvetliť a predikovať fyzikálne fenomény. Pokrok vedy vo všeobecnosti závisí od súhry medzi experimentom a teóriou. V niektorých prípadoch teoretická fyzika používa štandardy matematickej rigoróznosti, pričom dáva len málo dôrazu na experimenty a pozorovania. Napríklad, pri rozvoji špeciálnej teórie relativity sa Albert Einstein zaoberal Lorentzovými transformáciami, ktoré ignorujú invariant Maxwellových rovníc, ale očividne ho nezaujímal Michelson-Morleyho experiment ohľadom prenikania Zeme cez luminoferózny éter. Na druhej strane, Einstein dostal Nobelovu cenu za vysvetlenie fotoelektrického efektu, čo bol predtým experiment, ktorému chýbala teoretická formulácia.
Prehľad.
Fyzikálna teória je model fyzikálnych udalostí. Posudzuje sa podľa rozsahu, v ktorom jej predikcie súhlasia s empirickými pozorovaniami. Kvalita fyzikálnej teórie sa taktiež posudzuje podľa jej schopnosti robiť nové predikcie, ktoré je možné overiť novými pozorovaniami. Fyzikálna teória sa líši od matematickej teorémy v tom, že kým obe sú založené na nejakej forme axiómy, rozhodnutie o matematickej aplikovateľnosti nie je založené na súhlase s experimentálnymi výsledkami.
Fyzikálna teória zahŕňa jeden alebo viac vzťahov medzi rôznymi merateľnými kvantitami. Archimedes zo Syrakúz si uvedomil, že loď pláva tým, že rozloží svoju hmotnosť na vode, Pytagoras pochopil vzťah medzi dĺžkou vibrujúcej struny a hudobným tónom, ktorý vydáva a ako vypočítať dĺžku diagonály štvorca. Iné príklady zahŕňajú entropiu ako meradlo neistoty týkajúce sa pozície a pohybu neviditeľných častíc a myšlienku kvantovej mechaniky, že účinok a energia nie sú spojité premenné.
Niekedy vízia, ktorá je vyjadrená čistými matematickými systémami môže poskytnúť náznak k tomu, ako by fyzikálne systémy bolo možné modelovať; t. j., napríklad predstavu, danú Riemannom a ďalšími, že priestor samotný môže byť zakrivený.
Teoretické pokroky môžu spočívať v odhodení starých, nesprávnych vzorov (ako napríklad že horenie spočíva vo vznikaní flogistónu, alebo že nebeské telesá sa otáčajú okolo Zeme) alebo môže ísť o alternatívny model, ktorý dáva presnejšie odpovede, alebo je možné širšie aplikovať.
Fyzikálne teórie sa stávajú akceptovanými, ak sú schopné urobiť správne predikcie a žiadne (alebo len málo) nesprávne. Teória by mala mať, prinajmenšom ako druhotný cieľ, istú ekonomičnosť a eleganciu (porovnaj s matematická krása), pojem, ktorý sa niekedy nazýva "Occamova britva" po filozofovi z 13. storočia Williamovi z Occamu (Occamovi), podľa ktorej je preferovaná jednoduchšia z dvoch teórií, popisujúca tú istú vec rovnako adekvátne. Taktiež sú akceptovateľnejšie, ak prepájajú veľký rozsah fenoménov. Testovanie dôsledkov teórie je časťou vedeckej metódy.
Fyzikálne teórie je možné zoskupiť do troch kategórií: "teória stredného prúdu", "navrhnuté teórie" a "okrajové teórie".
História.
Teoretická fyzika začala prinajmenšom pred 2300 rokmi. Na začiatku boli sokratický grécki filozofi, neskôrPlatón a Aristoteles, ktorých názory sa uznávali celé tisícročie. V stredoveku, počas vzostupu univerzít, jedinými intelektuálnymi disciplínami boli teológia, matematika, medicína, a právo. Ako sa koncepty hmoty, energie, priestoru, času a kauzality začali pomaly rozvíjať do dnešnej podoby, začali sa zo sféry prírodnej filozofie odčleňovať ďalšie vedy. Počas stredoveku a renesancie, koncepty experimentálnej vedy, protikladu k teórii, začali spolu s vedcami ako Ibn al-Haytham a Francis Bacon.
Moderná éra teórie začala možno s Kopernikovými posunmi myslenia v astronómii, čoskoro nasledovanými
Johannesom Keplerom a jeho vyjadreniami planetárnych orbitov, ktoré sumarizoval podrobnými pozorovaniami Tycho de Brahe.
Tento veľký posun smerom k modernému konceptu vysvetlení začal s Galileom, jedným z mála fyzikov, ktorí boli rovnako zručnými teoretikmi ako aj veľkými experimentátormi. Analytická geometria a mechanika Descarta boli zahrnuté do matematického počtu a mechaniky Isaaca Newtona, ďalšieho
teoretika-experimentátora najvyššieho formátu. Joseph Louis Lagrange, Leonhard Euler a William Rowan Hamilton značne prispeli k rozvoju teórie klasickej mechaniky. Každý z nich si vybral interaktívne prepojenie matematiky a fyziky, ktoré začal dve tisícročia pred nimi Pytagoras.
Ďalším veľkým konceptuálnym počinom 19. a 20. storočia boli konsolidácia myšlienky o energii zahrnutím tepla,
elektriny a magnetizmu a svetla a konečne hmoty. Zákony termodynamiky a hlavne zavedenie jednotného konceptu entropie začali dávať makroskopické vysvetlenie vlastností hmoty.
Piliermi modernej fyziky a snáď najrevolučnejšími teóriami v histórii fyziky boli všeobecná teória relativity a kvantová mechanika. Newtonovská mechanika bola zahrnutá do špeciálnej relativity a Newtonova gravitácia dostala kinematické vysvetlenie podľa všeobecnej teórie relativity. Kvantová mechanika viedla k pochopeniu čierneho telesa, elektromagnetickej radiácie a anomálií špecifickej teplote pevných telies – a konečne k pochopeniu vnútornej štruktúry atómov a molekúl.
Všetky tieto výsledky závisia od teoretickej fyziky ako hybnej sily ako pre navrhovanie experimentov tak pre konsolidovanie výsledkov – často geniálnou aplikáciou existujúcej matematiky alebo, ako to bolo v prípad Descarta a Newtona (s Leibnizom), vynájdením novej matematiky. Fourierove štúdie tepelnej vodivosti viedli k novému odvetviu matematiky: nekonečné, ortogonálne série.
Moderná teoretická fyzika sa pokúša zjednotiť teórie a vysvetliť javy, v ďalších pokusoch pochopiť vesmír, od kozmológie po rozmer elementárnych častíc, kde už experimenty robiť nemožno a kde sa teoretická fyzika stále pokúša o pokrok prostredníctvom používania matematických modelov. Niektoré z najprominentnejších a dobre známych pokrokov na tomto poli:
Prominentní teoretickí fyzici.
Medzi slávnych "teoretických fyzikov" patria
Teórie hlavného prúdu.
Teórie hlavného prúdu (niekedy označované ako "centrálne teórie") sú základom poznatkov a to ako
faktických tak vedeckých pohľadov a disponujú obvyklou vedeckou kvalitou testov opakovateľnosti, konzistencie s existujúcou dobre fungujúcou vedou a experimentovaním. Existujú tiež teórie hlavného prúdu, ktoré sú všeobecne akceptovanými teóriami založenými výlučne na ich schopnosti vysvetľovať širokú varietu údajov, hoci detekcia, vysvetlenie a možné zloženie sú stále predmetom diskusií.
Navrhnuté teórie.
Navrhnuté teórie sú obyčajne relatívne nové teórie, ktoré sa zaoberajú
štúdiom fyziky zahŕňajúcim vedecké prístupy, prostriedky pre určenie validity
modelov a nových typov uvažovania používaných na vypracovanie teórie. Ale niektoré
navrhnuté teórie obsahujú teórie, ktoré existovali už pred viacerými desaťročiami
a unikali metódam objavovania a testovania. Navrhnuté teórie môžu v procese svojho
ustanovovania obsahovať okrajové teórie (a niekedy získavajúce širokú akceptovanosť).
Navrhnuté teórie obvykle neboli testované.
Okrajové teórie.
Okrajové teórie zahŕňajú akékoľvek nové oblasti vedeckého skúmania v procese ich vzniku ako aj niektoré nevrhnuté teórie. Môže ísť aj o špekulatívne vedy. Sem patria fyzikálne oblasti a teórie prezentované v súlade so známymi dôkazmi a samotné teleso asociovanej predikcie bolo urobené podľa tejto teórie.
Niektoré okrajové teórie sa stanú široko akceptovanou časťou fyziky, iné skončia ako odmietnuté. Niektoré okrajové teórie majú formu protovedy a iné formu pseudovedy. Falzifikovanie originálnej teórie vedie niekedy k preformulovaniu teórie.
Myšlienkové experimenty vs reálne experimenty.
"Myšlienkové" experimenty sú situácie vytvorené v mysli, kladúc si
otázky ako "za predpokladu tejto situácie…, za predpokladu, že nasledovné je
pravda čo by nasledovalo?". Sú obyčajne vytvorené na skúmanie
fenoménu, ktorý nie je možné zažiť v dennodennej situácii.
Slávne príklady takýchto myšlienkových experimentov sú
Schrödingerova mačka, EPR myšlienkový experiment,
jednoduchá ilustrácia dilatácie času, atď.
Obvykle vedú k reálnym experimentom navrhnutým na verifikáciu záverov (a teda predpokladov), že
myšlienkový experiment je správny. EPR myšlienkový experiment vedie k
Bellovým nerovnostiam, ktoré potom
testované na rôznych úrovniach prísnosti vedú k akceptovaniu
súčasnej formulácie kvantovej mechaniky a
probabilizmus ako aj pracovnej hypotéze.