Teoreettinen fysiikka on fysiikan haara , jossa teoreettisten (ensisijaisesti matemaattisten ) ilmiömallien luomista ja niiden vertaamista todellisuuteen käytetään pääasiallisena luonnon ymmärtämisen keinona. Tässä muotoilussa teoreettinen fysiikka on itsenäinen luonnontutkimismenetelmä, vaikka sen sisältö luonnollisesti muodostetaan ottaen huomioon kokeiden ja luonnonhavaintojen tulokset.
Teoreettisen fysiikan [1] metodologia koostuu keskeisten fysikaalisten käsitteiden (kuten atomi , massa , energia , entropia , kenttä , jne.) korostamisesta ja näitä käsitteitä yhdistävien luonnonlakien muotoilusta matemaattisella kielellä; havaittujen luonnonilmiöiden selittäminen muotoiltujen luonnonlakien perusteella; ennustaa uusia luonnonilmiöitä, jotka voidaan löytää.
Läheinen analogi on matemaattinen fysiikka , joka tutkii fysikaalisten mallien ominaisuuksia matemaattisella tarkkuudella, mutta ei käsittele fysikaalisten käsitteiden valintaa ja mallien vertailua todellisuuteen (vaikka se voi hyvinkin ennustaa uusia ilmiöitä).
Teoreettinen fysiikka ei käsittele sellaisia kysymyksiä kuin "miksi matematiikan pitäisi kuvata luontoa?". Hän pitää postulaattina, että jostain syystä luonnonilmiöiden matemaattinen kuvaus on erittäin tehokas [2] , ja tutkii tämän postulaatin seurauksia. Tarkkaan ottaen teoreettinen fysiikka ei tutki itse luonnon ominaisuuksia, vaan ehdotettujen teoreettisten mallien ominaisuuksia. Lisäksi teoreettinen fysiikka tutkii usein joitain malleja "itsekseen", viittaamatta tiettyihin luonnonilmiöihin.
Teoreettisen fysiikan päätehtävänä on kuitenkin edelleen löytää ja ymmärtää yleisimpiä luonnonlakeja, jotka hallitsevat mitä tahansa fyysisten ilmiöiden aluetta, ja toiseksi näiden lakien perusteella kuvaus tiettyjen fyysisten järjestelmien odotetusta käyttäytymisestä todellisuutta. Teoreettisen fysiikan lähes erityinen piirre, toisin kuin muut luonnontieteet, on vielä tuntemattomien fysikaalisten ilmiöiden ennustaminen ja tarkat mittaustulokset.
Teoreettisen fysiikan tuotteet ovat fysikaalisia teorioita . Koska teoreettinen fysiikka toimii täsmälleen matemaattisten mallien kanssa, erittäin tärkeä vaatimus on valmiin fysikaalisen teorian matemaattinen johdonmukaisuus. Toinen pakollinen ominaisuus, joka erottaa teoreettisen fysiikan matematiikasta, on mahdollisuus saada teorian sisällä ennusteita luonnon käyttäytymisestä tietyissä olosuhteissa (eli ennusteita kokeisiin) ja niissä tapauksissa, joissa kokeen tulos on jo tiedossa, samaa mieltä kokeilun kanssa.
Edellä oleva antaa meille mahdollisuuden hahmotella fysikaalisen teorian yleistä rakennetta. Sen tulee sisältää:
Tästä käy selväksi, että väitteet, kuten "entä jos suhteellisuusteoria on väärässä?" merkityksetön. Suhteellisuusteoria fysikaalisena teoriana, joka täyttää tarvittavat vaatimukset, on jo oikea. Jos käy ilmi, että se ei ole samaa mieltä kokeen kanssa joissakin ennusteissa, se tarkoittaa, että se ei sovellu todellisuuteen näissä ilmiöissä. Tarvitaan uuden teorian etsiminen, ja saattaa käydä niin, että suhteellisuusteoria osoittautuu tämän uuden teorian rajoittavaksi esikuvaksi. Teorian näkökulmasta tässä ei ole mitään katastrofia. Lisäksi nyt epäillään, että tietyissä olosuhteissa (Planckin luokkaa olevalla energiatiheydellä) mikään olemassa olevista fysikaalisista teorioista ei ole riittävä.
Periaatteessa tilanne on mahdollinen, kun samalle ilmiöalueelle on olemassa useita erilaisia fysikaalisia teorioita, jotka johtavat samanlaisiin tai yhteensopiviin ennusteisiin. Tieteen historia osoittaa, että tällainen tilanne on yleensä tilapäinen: ennemmin tai myöhemmin jompikumpi teoria osoittautuu sopivammaksi kuin toinen [3] tai nämä teoriat osoitetaan vastaaviksi (katso alla esimerkki kvanttimekaniikasta ).
Fysikaalisia perusteorioita ei pääsääntöisesti johdeta jo tunnetuista, vaan ne rakennetaan tyhjästä. Ensimmäinen askel tällaisessa konstruktiossa on todellinen "arvaa" siitä, mikä matemaattinen malli tulisi ottaa perustaksi. Usein käy ilmi, että teorian rakentaminen vaatii uutta (ja yleensä monimutkaisempaa) matemaattista laitteistoa, toisin kuin teoreettisessa fysiikassa koskaan aiemmin käytetty. Tämä ei ole mielijohteesta, vaan välttämättömyys: yleensä uusia fysikaalisia teorioita rakennetaan siellä, missä kaikki aiemmat (eli "tavanomaiseen" materiaaliin perustuvat) teoriat ovat osoittaneet epäjohdonmukaisuutensa luonnonkuvauksessa. Joskus käy ilmi, että vastaava matemaattinen laitteisto ei ole puhtaan matematiikan arsenaalissa, vaan se on keksittävä tai parannettava. Esimerkiksi akateemikko Yu. A. Izyumov ja muut kirjoittajat kehittivät oman versionsa kaaviotekniikasta spin-operaattoreiden kuvaamiseen sekä operaattoreille, jotka esiteltiin voimakkaasti korreloituneiden elektronisten järjestelmien tutkimuksessa (ns. Hubbard X-operaattorit). [4] .
"Hyvää" fyysistä teoriaa rakennettaessa seuraavat, mutta valinnaiset kriteerit voivat olla:
Kriteerit, kuten " terve järki " tai "jokapäiväinen kokemus" eivät ole vain ei-toivottuja teoriaa rakennettaessa, vaan ovat jo onnistuneet huonontamaan itsensä: monet nykyajan teoriat voivat olla "ristiriidassa tervettä järkeä", mutta ne kuvaavat todellisuutta monia suuruusluokkia tarkemmin kuin "maalaisjärkeen perustuvia teorioita."
Yllä on fysikaaliset perusteoriat, mutta jokaisessa fysiikan osiossa käytetään erikoistuneita teorioita, joita yhdistää fysiikan peruslakien yleisyys, teoreettiset ja matemaattiset menetelmät. Näin ollen kondensoituneen aineen fysiikka ja kiinteän olomuodon fysiikka ovat haaroittuneita teoreettisen kehityksen alueita, jotka perustuvat jo tunnettuihin yleisempiin teorioihin. Samaan aikaan myös sellaiset alat kuin klassinen mekaniikka tai tilastollinen fysiikka kehittyvät ja kasvavat edelleen, ja monet niiden vaikeimmista ongelmista ratkaistiin vasta 1900-luvulla.
Teoreettisen fyysikon akateemikon S. V. Vonsovskin mukaan teoreettisen fysiikan lähestymistapoja ja menetelmiä on 1900-luvulta lähtien käytetty yhä menestyksekkäämmin muissa tieteissä. Niinpä luonnontieteissä, joissa tieteenalojen välillä on enemmän ilmeisiä kuin perustavanlaatuisia eroja, [5] muodostuu tietynlainen yhtenäisyys, esimerkiksi välitieteen, kuten kemiallisen fysiikan, geofysiikan, biofysiikan jne., ilmaantuessa. joka johtaa siirtymiseen kaikissa luonnontieteissä, kuvailevasta vaiheesta tiukasti kvantitatiiviseen, käyttämällä teoreettisessa fysiikassa käytettävän modernin matemaattisen laitteen koko tehoa. Samat suuntaukset on havaittu viime aikoina myös yhteiskunta- ja humanistisissa tieteissä: talouskybernetiikan tieteiden kompleksi on syntynyt, jossa matemaattisia malleja luodaan monimutkaisinta matemaattista laitteistoa käyttäen. Ja jopa matematiikasta melko kaukana olevissa tieteissä, kuten historiassa ja filologiassa, halutaan kehittää erityisiä matemaattisia lähestymistapoja.